JP5999750B2 - 撮像素子、撮像装置及び生体撮像装置 - Google Patents

Description

本技術は、撮像素子、撮像装置及び生体撮像装置に関し、特に、最適な分光特性を創出できる、撮像素子、撮像装置及び生体撮像装置に関する。

従来から、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等の撮像素子内の画素は、一般的に、１つのフォトダイオードに、１つのカラーフィルタおよび１つのオンチップレンズが配置される構成を取っている（例えば、特許文献１参照）。その他、例えば、複数のフォトダイオードに１つのカラーフィルタが配置され、当該複数のフォトダイオードからの出力が加算される構成の画素も存在する（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−２３２５９５号公報 特開２０１０−２８４２３号公報

しかしながら、特許文献１，２の構成の画素では、フォトダイオードに集光される光の分光特性は、当該フォトダイオード上に配置されるカラーフィルタの分光特性により決定される。このため、S/N比(Signal to Noise Ratio)や色再現性の改善のためには、新たなカラーフィルタの開発が求められる。しかしながら、新たなカラーフィルタの開発には多大な時間とコストを要する。また、新たなカラーフィルタの材料開発だけでは、各画素のフォトダイオードに集光される光の分光特性を、用途に合わせた最適なものとすることは困難であった。このため、カラーフィルタの材料開発のみに依存しない、最適な分光特性を創出する手法が要求されている状況である。

本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、最適な分光特性を創出できるようにしたものである。

本技術の一側面の撮像素子は、第１のフォトダイオードと、第２のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードの上方に配置される第１のカラーフィルタと、前記第２のフォトダイオードの上方であって前記第１のカラーフィルタとは異なる平面位置に配置される第２のカラーフィルタと、前記第１のカラーフィルタの上方に配置される第１のオンチップレンズと、前記第２のカラーフィルタの上方に配置される第２のオンチップレンズとを含む画素単位を備え、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタは、前記画素単位に対応する光の波長を波長帯域に含む異なる分光特性を有し、前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードから出力される電気信号は、所定の分光特性に基づいて個別に設定されたゲインでそれぞれ増幅され、加算される。

本技術の一側面の撮像装置は、第１のフォトダイオードと、第２のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードの上方に配置される第１のカラーフィルタと、前記第２のフォトダイオードの上方であって前記第１のカラーフィルタとは異なる平面位置に配置される第２のカラーフィルタと、前記第１のカラーフィルタの上方に配置される第１のオンチップレンズと、前記第２のカラーフィルタの上方に配置される第２のオンチップレンズとを含む画素単位を備え、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタは、前記画素単位に対応する光の波長を波長帯域に含む異なる分光特性を有し、前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードから出力される電気信号は、所定の分光特性に基づいて個別に設定されたゲインでそれぞれ増幅され、加算される撮像素子を搭載している。

本技術の一側面の生体撮像装置は、第１のフォトダイオードと、第２のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードの上方に配置される第１のカラーフィルタと、前記第２のフォトダイオードの上方であって前記第１のカラーフィルタとは異なる平面位置に配置される第２のカラーフィルタと、前記第１のカラーフィルタの上方に配置される第１のオンチップレンズと、前記第２のカラーフィルタの上方に配置される第２のオンチップレンズとを含む画素単位を備え、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタは、前記画素単位に対応する光の波長を波長帯域に含む異なる分光特性を有し、前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードから出力される電気信号は、所定の分光特性に基づいて個別に設定されたゲインでそれぞれ増幅され、加算される撮像素子を搭載した撮像装置を含み、前記撮像装置は、生体を被写体として撮像する。

本技術の一側面の撮像素子においては、第１のフォトダイオードと、第２のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードの上方に配置される第１のカラーフィルタと、前記第２のフォトダイオードの上方であって前記第１のカラーフィルタとは異なる平面位置に配置される第２のカラーフィルタと、前記第１のカラーフィルタの上方に配置される第１のオンチップレンズと、前記第２のカラーフィルタの上方に配置される第２のオンチップレンズとを含む画素単位が備えられる。前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタは、前記画素単位に対応する光の波長を波長帯域に含む異なる分光特性を有し、前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードから出力される電気信号は、所定の分光特性に基づいて個別に設定されたゲインでそれぞれ増幅され、加算される。

本技術の一側面の撮像装置においては、第１のフォトダイオードと、第２のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードの上方に配置される第１のカラーフィルタと、前記第２のフォトダイオードの上方であって前記第１のカラーフィルタとは異なる平面位置に配置される第２のカラーフィルタと、前記第１のカラーフィルタの上方に配置される第１のオンチップレンズと、前記第２のカラーフィルタの上方に配置される第２のオンチップレンズとを含む画素単位が備えられる撮像素子が搭載されている。前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタは、前記画素単位に対応する光の波長を波長帯域に含む異なる分光特性を有し、前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードから出力される電気信号は、所定の分光特性に基づいて個別に設定されたゲインでそれぞれ増幅され、加算される。

本技術の一側面の生体撮像装置においては、第１のフォトダイオードと、第２のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードの上方に配置される第１のカラーフィルタと、前記第２のフォトダイオードの上方であって前記第１のカラーフィルタとは異なる平面位置に配置される第２のカラーフィルタと、前記第１のカラーフィルタの上方に配置される第１のオンチップレンズと、前記第２のカラーフィルタの上方に配置される第２のオンチップレンズとを含む画素単位が備えられる撮像装置が搭載された撮像装置が含まれ、生体が被写体として撮影される。前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタは、前記画素単位に対応する光の波長を波長帯域に含む異なる分光特性を有し、前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードから出力される電気信号は、所定の分光特性に基づいて個別に設定されたゲインでそれぞれ増幅され、加算される。

以上のごとく、本技術によれば、最適な分光特性を創出することができる。

一般的な構成の画素単位の断面図である。 Ｎ分割画素単位の上面図である。 本技術の手法により構成された単一画素単位の構成例を示す図である。 本技術の手法により,構成されたＮ分割画素単位の構成例を示す図である。 フォトダイオードから出力される光の分光特性を示す図である。 同一の平面位置に積層されて配置される複数のカラーフィルタを含む単一画素単位の構成例を示す図である。 同一の空間位置に積層されて配置される複数のカラーフィルタを含む単一画素単位のフォトダイオードから出力される光の分光特性を示す図である。 本構成の画素単位のフォトダイオードから出力される光の分光特性を示す図である。 オンチップレンズの配置について説明する図である。 導波路が設置された本構成の単一画素単位の構成例を示す図である。 第１の加算の手法が適用されたＮ分割画素単位の構成例を示す図である。 フォトダイオードから出力される光の分光特性を示す図である。 第２の加算の手法が適用されたＮ分割画素単位の構成例を示す図である。 小画素毎に蓄積時間が変えられた本構成のＮ分割画素単位について説明する図である。 ３つのカラーフィルタが配置された本構成のＮ分割画素単位の上面図である。 フォトダイオードから出力される光の分光特性を示す図である。 赤外光カラーフィルタが配置された本構成のＮ分割画素単位構成例を示す図である。 Ｉ用カラーフィルタとＪ用カラーフィルタの分光特性を示す図である。 生体情報取得装置の構成例を示す図である。 本技術を適用した撮像装置の主な構成例を示すブロック図である。

以下、本技術の実施の形態について説明する。

はじめに、イメージセンサを構成する一般的な画素について説明する。ここで、イメージセンサの受光面を上面とし、当該受光面の反対側の面を下面として、当該受光面の法線と平行な方向を上下方向、受光面と平行な方向を横方向として、以下説明する。

[一般的な構成の画素]
図１は、一般的な構成の画素単位の断面図である。

画素単位とは、画素としてのフォトダイオードに加え、カラーフィルタ、オンチップレンズ等の構成要素からなる構造体をいう。画素単位の代表的な種類として、次の２つの種類が存在する。

１種類目は、画素としてのフォトダイオードを１個有する画素単位である。このような画素単位を、以下、単一画素単位と称する。２種類目は、画素としてのフォトダイオードをＮ（Ｎは２以上の整数値）個有する画素単位である。このような画素単位を、以下、Ｎ分割画素単位と称する。

図１Ａに示される単一画素単位１０は、１つのフォトダイオード２１に対して、緑用カラーフィルタ２２およびオンチップレンズ２３が下方からその順に積層されて構成される。なお、図示はしないが、フォトダイオード２１と緑用カラーフィルタ２２との間には、光を透過する平坦化膜等が配置される場合がある。

オンチップレンズ２３に入射された光は、緑用カラーフィルタ２２を透過して、フォトダイオード２１に集光され、入射する。より正確には、緑用カラーフィルタ２２において、オンチップレンズ２３から射出された光のうち、特定の波長帯域（すなわち、緑色の波長帯域）の光だけが透過して、フォトダイオード２１に入射する。フォトダイオード２１は、入射した光の量、すなわち受光量に応じたレベルの電気信号を出力する。なお、ここでは説明の都合上、単一画素単位１０に配置されるカラーフィルタを緑用カラーフィルタ２２としたが、カラーフィルタの色は特に限定されない。

図１Ｂに示されるＮ（＝２）分割画素単位３０は、隣接する２つのフォトダイオード４１−１，４１−２の組に対して、緑用カラーフィルタ４２およびオンチップレンズ４３が下方からその順に積層されて構成されている。なお、Ｎ分割画素単位３０に配置されるフォトダイオードの数は２個に限定されない。

オンチップレンズ４３に入射された光は、緑用カラーフィルタ４２を透過して、フォトダイオード４１−１，４１−２に集光され、入射する。より正確には、緑用カラーフィルタ４２において、オンチップレンズ４３から射出された光のうち、特定の波長帯域（すなわち、緑色の波長帯域）の光だけが透過して、フォトダイオード４１−１，４１−２に入射する。フォトダイオード４１−１，４１−２のそれぞれは、入射した光の量、すなわち受光量に応じたレベルの電気信号のそれぞれを出力する。

Ｎ分割画素単位３０においては、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの受光量に応じたレベルのすべてが加算されたレベルを有する電気信号が出力される。Ｎ分割画素単位３０の出力について図２を参照して説明する。

[Ｎ分割画素単位の出力]
図２は、Ｎ＝４の場合のＮ分割画素単位の上面図である。Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの電気信号の加算の手法には、２つの手法がある。図２Ａは、第１の加算の手法が適用されたＮ分割画素単位の上面図である。図２Ｂは、第２の加算の手法が適用されたＮ分割画素単位の上面図である。なお、図２の上面図においては、オンチップレンズ４３と緑用カラーフィルタ４２の図示は省略されている。

図２Ａに示されるように、第１の加算の手法が適用されたＮ分割画素単位３０には、フォトダイオード４１−１乃至４１−４が配置されている。また、フォトダイオード４１−１乃至４１−４の中心部の位置には、共通フローティングディフュージョン（以下、共通ＦＤと称する）部５１が配置されている。

第１の加算の手法によれば、フォトダイオード４１−１乃至４１−４の各受光量に応じた各レベルの電気信号のそれぞれが、共通ＦＤ部５１にそれぞれ転送される。そして、共通ＦＤ部５１においてすべての電気信号の加算信号、すなわち各レベルが総加算されたレベルを有する電気信号が出力される。このように、第１の加算の手法においては、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの電気信号がすべて加算されてから、出力される。

また、図２Ｂに示されるように、第２の加算の手法が適用されたＮ分割画素単位３０においても、図２Ａと同様に、フォトダイオード４１−１乃至４１−４が配置されている。また、フォトダイオード４１−１乃至４１−４のそれぞれには、個別フローティングディフュージョン（以下、個別ＦＤと称する）部６１−１乃至６１−４が配置されている。

第２の加算の手法によれば、フォトダイオード４１−１乃至４１−４の各受光量に応じたレベルの電気信号は、個別ＦＤ部６１−１乃至６１−４のそれぞれに転送される。そして、個別ＦＤ部６１−１乃至６１−４から個々に出力された電気信号の全てが、図示せぬ画像信号読み出し部において加算される。このように第２の加算の手法においては、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの電気信号が出力されてから、加算される。

Ｎ分割画素単位においては、第１の加算の手法と第２の加算の手法のどちらが適用されても、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの受光量に応じたレベルのすべてが加算されたレベルを有する電気信号が出力されるので、最終的に１つの画素の電気信号となる。

このように、一般的な構成の単一画素単位１０とＮ分割画素単位３０においては、どちらも１つのカラーフィルタと１つのオンチップレンズが配置される。

ところで、各フォトダイオードに集光される光の分光特性は、各フォトダイオードの上に配置されるカラーフィルタの分光特性により決定される。このため、S/N比や色再現性の改善のためには、新たなカラーフィルタの開発が求められている。しかしながら、上述したように、新たなカラーフィルタの開発には多大な時間とコストを要する。また、新たなカラーフィルタの材料開発だけでは、各画素のフォトダイオードに集光される光の分光特性を、用途に合わせた最適なものとすることは困難である。

一方、色再現性を重視したエメラルド画素を有する撮像素子が存在する。エメラルド画素を有する撮像素子は、従来のＲ画素，Ｇ画素，Ｂ画素の３原色の画素を有する撮像素子に対して、Ｇ画素の割合を減らしてその分だけエメラルド画素を追加することで４原色の画素構成を備える撮像素子である。エメラルド画素を有する撮像素子においては、従来の撮像素子に比較して上述のごとくＧ画素が減少しているので、その分だけ解像度が劣化する場合がある。

また、Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素の各画素値から、光源推定を行う技術が従来から存在する。しかしながら、白色ＬＥＤ等の新たな光源が増えてきており、光源の推定の難易度が高くなってきている。

そこで、本発明者は、１つの画素単位内の異なる平面位置に、複数のカラーフィルタおよび複数のオンチップレンズを下方から順に積層する、という手法を開発した。ここで、平面位置とは、イメージセンサの受光面と平行な２次元平面上の位置であり、イメージセンサの画素位置を示す座標で特定される位置をいう。このような手法を、以下、本技術の手法と称すると、本技術の手法を適用することで、最適な分光特性を創出できる。

図３と図４を用いて、本技術の手法により構成された単一画素単位とＮ分割画素単位について説明する。

[本技術の手法により構成された単一画素単位]
図３は、本技術の手法により構成された単一画素単位の構成例を示す図である。図３の左側には、一般的な構成の単一画素単位１０が示されており、図３の右側には、本技術の手法により構成された単一画素単位１００が示されている。

図３の左上の図は、隣接する４つの一般的な構成の単一画素単位１０乃至１３の集合体の上面図である。なお、図３以降に示される上面図においては、オンチップレンズの図示は省略されている。単一画素単位１０には、緑用カラーフィルタ２２が配置されている。単一画素単位１１には、青用カラーフィルタ２５が配置されている。単一画素単位１２には、赤用カラーフィルタ２６が配置されている。単一画素単位１３には、緑用カラーフィルタ２７が配置されている。

図３の左下の図は、一般的な構成の単一画素単位１０の線Ｌ−Ｌ’における断面図である。一般的な構成の単一画素単位１０は、図１Ａを参照して説明したように、１つのフォトダイオード２１に対して、１つの緑用カラーフィルタ２２および１つのオンチップレンズ２３が、下方からその順に積層されて構成される。

このような一般的な構成の単一画素単位１０，１３に対して、本技術の手法が適用されると、図３の右側に示す構成の単一画素単位１００、１０３（以下、本構成の単一画素単位１００、１０３と称する）が実現される。すなわち、単一画素単位１０，１３に配置された１つの緑用カラーフィルタ２２，２７をそれぞれ４分割し、４分割された緑用カラーフィルタ２２，２７のそれぞれを１対１の割合の数（すなわち２個ずつ）のＡ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタに置き換える。これにより、１つの画素単位内の異なる平面位置に、複数のカラーフィルタが配置される。

図３の右上の図は、本構成の単一画素単位１００，１０３、および一般的な構成の単一画素単位１０１，１０２の集合体の上面図である。

本構成の単一画素単位１００には、Ａ用カラーフィルタ１１２−ＵＬ，１１２−ＤＲ、およびＢ用カラーフィルタ１１２−ＵＲ，１１２−ＤＬが配置されている。ここで、Ａ用カラーフィルタとは、オンチップレンズから射出された光のうち、Ａ色の波長帯域の光だけを透過するフィルタをいう。一方、Ｂ用カラーフィルタとは、オンチップレンズから射出された光のうち、Ａ色の波長帯域とは異なるＢ色の波長帯域の光だけを透過するフィルタをいう。なお、Ａ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタは、一般的な緑用カラーフィルタを置き換えたものであることから、一般的な緑用カラーフィルタが透過する波長帯域（略５００乃至５７０ｎｍの範囲）内の任意の範囲（つまり、第１の範囲と、それと異なる第２の範囲）の波長帯域の光を透過するカラーフィルタである。

同様に、本構成の単一画素単位１０３には、Ａ用カラーフィルタ１１７−ＵＬ，１１７−ＤＲ、およびＢ用カラーフィルタ１１７−ＵＲ，１１７−ＤＬが配置されている。すなわち、本構成の単一画素単位１００，１０３には、Ａ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタが１対１の割合の数（すなわち２個ずつ）で配置されている。

一般的な構成の単一画素単位１０１には、図３の左上の図の一般的な構成の単一画素単位１１と同様に、青用カラーフィルタ１１５が配置されている。また、一般的な構成の単一画素単位１０２には、図３の左上の図の一般的な構成の単一画素単位１２と同様に、赤用カラーフィルタ１１６が配置されている。

図３の右下の図は、本構成の単一画素単位１００の線Ｌ−Ｌ’における断面図である。

本構成の単一画素単位１００は、１つのフォトダイオード１１１に対して、Ａ用カラーフィルタ１１２−ＵＬとＢ用カラーフィルタ１１２−ＵＲの組、オンチップレンズ１１３−ＵＬとオンチップレンズ１１３−ＵＲの組が下方からその順に積層されて構成される。すなわち、Ａ用カラーフィルタ１１２−ＵＬの上にオンチップレンズ１１３−ＵＬが配置され、Ｂ用カラーフィルタ１１２−ＵＲの上にオンチップレンズ１１３−ＵＲが配置される。

このように、図３の例では、本構成の単一画素単位１００には、１つのフォトダイオード１１１の上に配置されるカラーフィルタとして、Ａ用カラーフィルタ１１２−ＵＬ，１１２−ＤＲと、Ｂ用カラーフィルタ１１２−ＵＲ，１１２−ＤＬといった、２種類のカラーフィルタが採用され、同一種類のカラーフィルタが対角線上に配置されている。ただし、本構成の単一画素単位に採用されるカラーフィルタは、特に図３の例に限定されず、任意の２種類以上の複数のカラーフィルタであれば足りる。

[本技術の手法により構成されたＮ分割画素単位]
図４は、本技術の手法により構成されたＮ分割画素単位の構成例を示す図である。図４の左側は、一般的な構成のＮ分割画素単位３０が示されており、図４の右側は、本技術の手法により構成されたＮ分割画素単位１００ａが示されている。

図４の左上の図は、隣接する４つの一般的な構成のＮ分割画素単位３０乃至３３の集合体の上面図である。Ｎ分割画素単位３０には、緑用カラーフィルタ４２が配置されている。Ｎ分割画素単位３１には、青用カラーフィルタ４５が配置されている。Ｎ分割画素単位３２には、赤用カラーフィルタ４６が配置されている。Ｎ分割画素単位３３には、緑用カラーフィルタ４７が配置されている。

図４の左下の図は、一般的な構成のＮ分割画素単位３０の線Ｌ−Ｌ’における断面図である。一般的な構成のＮ分割画素単位３０は、図１Ｂを参照して説明したように、隣接する２つのフォトダイオード４１−１，４１−２の組に対して、１つの緑用カラーフィルタ４２および１つのオンチップレンズ４３が、下方からその順に積層されて構成される。

このような一般的な構成のＮ分割画素単位３０，３３に対して、本技術の手法が適用されると、図４の右側に示す本構成のＮ分割画素単位１００ａ，１０３ａが実現される。すなわちＮ分割画素単位３０，３３に配置された１つの緑用カラーフィルタ４２，４７をそれぞれ４分割し、４分割された緑用カラーフィルタ４２，４７のそれぞれを１対１の割合の数（すなわち２個ずつ）のＡ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタに置き換える。これにより、１つの画素単位内の異なる平面位置に、複数のカラーフィルタが配置される。

図４の右上の図は、本構成のＮ分割画素単位１００ａ，１０３ａ、および一般的な構成のＮ分割画素単位１０１ａ，１０２ａの集合体の上面図である。

本構成のＮ分割画素単位１００ａには、Ａ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＬ，１１２ａ−ＤＲ、およびＢ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＲ，１１２ａ−ＤＬが配置されている。同様に、本構成の単一画素単位１０３ａには、Ａ用カラーフィルタ１１７ａ−ＵＬ，１１７ａ−ＤＲ、およびＢ用カラーフィルタ１１７ａ−ＵＲ，１１７ａ−ＤＬが配置されている。すなわち、本構成のＮ分割画素単位１００ａ，１０３ａには、Ａ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタが１対１の割合の数（すなわち２個ずつ）で配置されている。

一般的な構成のＮ分割画素単位１０１ａには、図４の左上の図の一般的な構成のＮ分割画素単位３１と同様に、青用カラーフィルタ１１５ａが配置されている。また、一般的な構成のＮ分割画素単位１０２ａには、図４の左上の図の一般的な構成のＮ分割画素単位３２と同様に、赤用カラーフィルタ１１６ａが配置されている。

図４の右下の図は、本構成のＮ分割画素単位１００ａの線Ｌ−Ｌ’における断面図である。

本構成のＮ分割画素単位１００ａは、隣接する２つのフォトダイオード１１１ａ−ＵＬ，１１１ａ−ＵＲの組に対して、Ａ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＬとＢ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＲの組、オンチップレンズ１１３ａ−ＵＬとオンチップレンズ１１３ａ−ＵＲの組が下方からその順に積層されて構成される。すなわち、フォトダイオード１１１ａ−ＵＬ、Ａ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＬ、オンチップレンズ１１３ａ−ＵＬが下方からその順に配置され、フォトダイオード１１１ａ−ＵＲ、Ｂ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＲ、オンチップレンズ１１３ａ−ＵＲが下方から順に配置される。

このように、図４の例では、本構成のＮ分割画素単位１００ａには、Ｎ個のフォトダイオードの上に配置されるカラーフィルタとして、Ａ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＬ，１１２ａ−ＤＲと、Ｂ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＲ，１１２ａ−ＤＬといった、２種類のカラーフィルタが採用され、同一種類のカラーフィルタが対角線上に配置されている。ただし、本構成のＮ分割画素単位に採用されるカラーフィルタは、特に図４の例に限定されず、任意の２種類以上の複数個のカラーフィルタであれば足りる。

[出力される光の分光特性]
本構成の画素単位、すなわち１つの画素単位内の異なる平面位置に、複数のカラーフィルタが配置された画素単位においては、フォトダイオードから出力される電気信号は、図５に示されるように、複数のカラーフィルタの分光特性の合成結果となる。

図５は、本構成の画素単位における、フォトダイオードから出力される光の分光特性を示す図である。図５において、縦軸は透過率を示し、横軸は波長を示している。

本構成の単一画素単位１００に配置されるＡ用カラーフィルタ１１２−ＵＬ，１１２−ＤＲは、実線で示されるように、波長が５２０乃至５４０ｎｍ近辺で透過率が最も高くなる特性を有する。また、本構成の単一画素単位１００に配置されるＢ用カラーフィルタ１１２−ＵＲ，１１２−ＤＬは、点線で示されるように、波長が５３０乃至５８０ｎｍ近辺で透過率が最も高くなる特性を有する。

本構成の単一画素単位１００に配置されたフォトダイオード１１１には、このような特性を有するＡ用カラーフィルタ１１２−ＵＬ，１１２−ＤＲ、Ｂ用カラーフィルタ１１２−ＵＲ，１１２−ＤＬのそれぞれを透過した光が入射する。この場合、フォトダイオード１１１に入射する光の分光特性は、Ａ用カラーフィルタ１１２−ＵＬ，１１２−ＤＲとＢ用カラーフィルタ１１２−ＵＲ，１１２−ＤＬの特性の合成結果、すなわち、図５において破線で示される出力分光Ｃの特性となる。したがって、本構成の単一画素単位１００においては、出力分光Ｃに応じたレベルの電気信号がフォトダイオード１１１から出力される。

同様に、本構成のＮ分割画素単位１００ａに配置されたＮ個のフォトダイオードには、図５に示される特性を有するＡ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＬ，１１２ａ−ＤＲ、Ｂ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＲ，１１２ａ−ＤＬのそれぞれを透過した光が入射する。この場合、Ｎ個のフォトダイオードに入射する光の分光特性がすべて合成されると、Ａ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＬ，１１２ａ−ＤＲとＢ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＲ，１１２ａ−ＤＬの特性の合成結果、すなわち、図５において破線で示される出力分光Ｃの特性となる。したがって、本構成のＮ分割画素単位１００ａにおいては、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの受光量に応じたレベルのすべてが加算されたレベルを有する電気信号、すなわち、出力分光Ｃに応じたレベルの電気信号が、後述する共通ＦＤ部２０１または画像信号読み出し部（例えば後述の図２０の画像信号読み出し部５３３）から出力される。

このように、本構成の単一画素単位１００およびＮ分割画素単位１００ａにおいては、１つの画素単位内の異なる平面位置に、図５に示される特性を有するＡ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタが１対１の割合で配置されて構成される。これにより、単一画素単位１００に配置されたフォトダイオードに集光される光の分光特性は、図５の破線で示される出力分光Ｃの特性となる。また、Ｎ分割画素単位１００ａのＮ個のフォトダイオードに入射する光の分光特性がすべて合成されると、図５の破線で示される出力分光Ｃの特性となる。つまり、本構成の単一画素単位１００およびＮ分割画素単位１００ａによれば、Ａ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタの材料による本来の分光特性ではない、新たな分光特性（すなわち、出力分光Ｃの特性）を創出することができる。すなわち、新たなカラーフィルタの材料開発によらず、新たな分光特性を創出することができる。

しかしながら、例えば、複数のカラーフィルタが、１つの画素単位内の同一の平面位置に積層されて配置される場合にはフォトダイオードから出力される光の分光特性は、同一の平面位置に積層された複数のカラーフィルタの分光特性の積算結果となる。この詳細について、以下、図６と図７を参照しながら説明する。

[画素単位内の同一平面位置に配置される複数のカラーフィルタ]
図６は、同一の平面位置に積層されて配置される複数のカラーフィルタを含む単一画素単位の構成例を示す図である。

図６の左側には、一般的な構成の単一画素単位１０が示されている。この一般的な構成の単一画素単位１０は、図１Ａ等を参照して説明済みであるので、ここではその説明を省略する。

図６の右側には、このような一般的な構成の単一画素単位１０に対して、同一の平面位置に積層されて配置される複数のカラーフィルタを含む単一画素単位１２０が示されている。

詳細には、図６の右上の図は、同一の平面位置に複数のカラーフィルタが積層されて配置された単一画素単位１２０，１２３を含む単一画素単位の集合体の上面図である。図６の右下の図は、当該単一画素単位１２０の線Ｌ−Ｌ’における断面図である。

図６の右上の図および右下の図に示されるように、単一画素単位１２０は、１つのフォトダイオード１３１に対して、Ｂ用カラーフィルタ１３２、Ａ用カラーフィルタ１３３、オンチップレンズ１３４−Ｌとオンチップレンズ１３４−Ｒの組が下方からその順に積層されて構成される。すなわち、フォトダイオード１３１が配置されている同一の平面位置において、Ｂ用カラーフィルタ１３２とＡ用カラーフィルタ１３３とが積層されて配置されている。

[出力される光の分光特性]
図７は、このように同一の平面位置に積層されて配置される複数のカラーフィルタを含む単一画素単位１２０における、フォトダイオード１３１から出力される光の分光特性を示す図である。図７において、縦軸は透過率を示し、横軸は波長を示している。

図７に示されるように、単一画素単位１２０に配置されるＡ用カラーフィルタ１３３は、実線で示されるように、波長が６００ｎｍ近辺で透過率が最も高くなる特性を有する。また、単一画素単位１２０に配置されるＢ用カラーフィルタ１３２は、点線で示されるように、波長が５００ｎｍ近辺で透過率が最も高くなる特性を有する。単一画素単位１２０に配置されたフォトダイオード１３１には、このような特性を有するＡ用カラーフィルタ１３３およびＢ用カラーフィルタ１３２の２つのカラーフィルタを透過した光が入射する。

この場合、フォトダイオード１３１に入射する光は、Ｂ用カラーフィルタ１３２の特性とＡ用カラーフィルタ１３３の特性との積算結果、すなわち、図７において破線で示される出力分光Ｔの特性となる。これは、単一画素単位１２０内の同一の平面位置に複数のカラーフィルタが配置された場合、当該複数のカラーフィルタのそれぞれにおいて分光吸収が起きるからである。したがって、単一画素単位１２０内の同一平面位置にある全てのカラーフィルタの分光特性の積算結果に応じたレベルの電気信号のみがフォトダイオード１３１から出力される。

[本構成の画素単位から出力される光の分光特性]
これに対して、本構成の画素単位において、図７に示されるＡ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタを用いた場合、フォトダイオードから出力される光の分光特性は図８のようになる。

図８は、本構成の画素単位における、フォトダイオードから出力される光の分光特性を示す図である。図８において、縦軸は透過率を示し、横軸は波長を示している。

図８に示されるように、本構成の画素単位に配置されるＡ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタは、図７を参照して説明した単一画素単位１２０に配置されるＡ用カラーフィルタ１３３とＢ用カラーフィルタ１３２と同様の特性を有するとする。

本構成の単一画素単位１００に配置されたフォトダイオード１１１には、このような特性を有するＡ用カラーフィルタ１１２−ＵＬ，１１２−ＤＲ、Ｂ用カラーフィルタ１１２−ＵＲ，１１２−ＤＬのそれぞれを透過した光が入射する。この場合、フォトダイオード１１１に入射する光の分光特性は、Ａ用カラーフィルタ１１２−ＵＬ，１１２−ＤＲとＢ用カラーフィルタ１１２−ＵＲ，１１２−ＤＬの特性の合成結果、すなわち、図８において破線で示される出力分光Ｃの特性となる。したがって、本構成の単一画素単位１００においては、出力分光Ｃに応じたレベルの電気信号がフォトダイオード１１１から出力される。

同様に、本構成のＮ分割画素単位１００ａに配置されたＮ個のフォトダイオードには、図８に示される特性を有するＡ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＬ，１１２ａ−ＤＲ、Ｂ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＲ，１１２ａ−ＤＬのそれぞれを透過した光が入射する。この場合、Ｎ個のフォトダイオードに入射する光の分光特性の合成結果は、Ａ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＬ，１１２ａ−ＤＲとＢ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＲ，１１２ａ−ＤＬの特性の合成結果、すなわち、図８において破線で示される出力分光Ｃの特性となる。したがって、本構成のＮ分割画素単位１００ａにおいては、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの受光量に応じたレベルのすべてが加算されたレベルを有する電気信号、すなわち、出力分光Ｃに応じたレベルの電気信号が、後述する共通ＦＤ部２０１または画像信号読み出し部（例えば後述の図２０の画像信号読み出し部５３３）から出力される。

以上、図３乃至図８を参照して説明したように、本構成の単一画素単位１００およびＮ分割画素単位１００ａにおいては、１つの画素単位内の異なる平面位置に、複数のカラーフィルタが配置されることにより、新たなカラーフィルタの材料開発によらず、新たな分光特性を創出することができる。

ここで、１つのカラーフィルタを透過した光を受光する単位が画素であるとするならば、１つの画素単位の異なる平面位置に複数のカラーフィルタが配置される場合には、複数のカラーフィルタの各々に対応して画素が１つずつ存在すること、すなわち１つの画素単位に複数の画素が存在することになる。このように、１つの画素単位に含まれる複数の画素を、一般的な画素と区別すべく、以下、小画素と称する。

[オンチップレンズの配置]
さらに、図３と図４を参照して説明したように、本構成の単一画素単位１００およびＮ分割画素単位１００ａにおいては、オンチップレンズは、１つの画素単位内の異なる平面位置に配置された複数のカラーフィルタ毎、すなわち小画素毎に配置される。

図９は、オンチップレンズの配置について説明する図である。

図９の１番左の図は、一般的な構成の単一画素単位１０が示されている。この一般的な構成の単一画素単位１０は、図１Ａ等を参照して説明済みであるので、ここではその説明を省略する。

これに対して、図９の左から２番目の上の図は、１つの画素単位内の異なる平面位置に、複数のカラーフィルタが配置された単一画素単位１５０，１５３、および一般的な構成の単一画素単位１５１，１５２の集合体の上面図であり、下の図は、単一画素単位１５０の線Ｌ−Ｌ’における断面図である。単一画素単位１５０においては、１つのフォトダイオード１６１に対して、Ａ用カラーフィルタ１６２−ＵＬとＢ用カラーフィルタ１６２−ＵＲの組、１つのオンチップレンズ１６３が下方からその順に積層されて構成される。

図９の左から２番目の図に示されるように、単一画素単位１５０には、１つのフォトダイオード１６１に対して、カラーフィルタは複数配置されるが、オンチップレンズ１６３は１つのみ配置される。この場合、斜め方向からの光がオンチップレンズ１６３に入射すると、複数のカラーフィルタを透過する光の量にばらつきが生じて、それに伴いフォトダイオード１６１に入射する光の分光特性も変動する。すなわち、フォトダイオード１６１に入射する光の分光特性が、オンチップレンズ１６３に入射する光の入射角によって変動する。例えば図９の左から２番目の図の例に示されるように、Ｂ用カラーフィルタ１６２−ＵＲを透過する光の量よりも、Ａ用カラーフィルタ１６２−ＵＬを透過する光の量が多くなる場合、フォトダイオード１６１に入射する光の分光特性が変動する。

したがって、図９の左から３番目と４番目の図に示されるように、本構成の単一画素単位１００とＮ分割画素単位１００ａにおいては、オンチップレンズは、１つの画素単位内の異なる平面位置に配置された複数のカラーフィルタ毎、すなわち小画素毎に配置される。

本構成の単一画素単位１００においては、Ａ用カラーフィルタ１１２−ＵＬの上にオンチップレンズ１１３−ＵＬが配置され、Ｂ用カラーフィルタ１１２−ＵＲの上にオンチップレンズ１１３−ＵＲが配置される。これにより、Ａ用カラーフィルタ１１２−ＵＬとＢ用カラーフィルタ１１２−ＵＲを透過する光の量のばらつきが低減され、フォトダイオード１１１に入射する光の分光特性の変動が抑制される。

同様に、本構成のＮ分割画素単位１００ａにおいても、Ａ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＬの上にオンチップレンズ１１３ａ−ＵＬが配置され、Ｂ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＲの上にオンチップレンズ１１３ａ−ＵＲが配置される。これにより、Ａ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＬとＢ用カラーフィルタ１１２ａ−ＵＲを透過する光の量のばらつきが低減され、フォトダイオード１１１ａ−ＵＬとフォトダイオード１１１ａ−ＵＲに入射する光の分光特性の変動が抑制される。

このように、１つの画素単位内の異なる平面位置に複数のカラーフィルタおよび複数のオンチップレンズが配置されることにより、各画素単位に配置されるフォトダイオードに集光される光が光学的に合成される。これにより、各フォトダイオードに集光される光の分光特性を、用途に合わせた最適なものに制御することができる。

[導波路が設置された本構成の単一画素単位の構成例]
ところで、１つの画素単位内に配置されるフォトダイオードは、インプラの不均一性等により、必ずしも均一な光電変換を行えるとは限らず、フォトダイオードに感度ムラが生じる場合もある。

図１０は、導波路が設置された本構成の単一画素単位の構成例を示す図である。

図１０の左側には、一般的な構成の単一画素単位１０が示されている。この一般的な構成の単一画素単位１０は、図１Ａ等を参照して説明済みであるので、ここではその説明を省略する。

図１０の中央には、本構成の単一画素単位１００が示されている。この本構成の単一画素単位１００は、図３の右側の図等を参照して説明済みであるので、ここではその説明を省略する。

図１０の中央下の図に示されるように、例えば、フォトダイオード１１１に、受光面の端部が低感度であり、中央部が高感度であるような感度ムラが生じているとする。この場合、例えば、Ａ用カラーフィルタ１１２−ＵＬを透過してフォトダイオード１１１の端部に入射した光と、Ｂ用カラーフィルタ１１２−ＵＲを透過してフォトダイオード１１１の中央部に入射した光とが同一光量であっても、中央部の方が端部よりも光量が多いものとして高レベルの電気信号が出力される。

したがって、フォトダイオード１１１に図１０の中央下の図に示されるような感度ムラが生じている場合、例えば、図１０の右下の図に示されるように、フォトダイオード１１１の上方に導波路１６９を配置する。これにより、Ａ用カラーフィルタ１１２−ＵＬを透過した光とＢ用カラーフィルタ１１２−ＵＲを透過した光は、導波路１６９により一旦集光されて、感度の高いフォトダイオード１１１の中央部に入射される。したがって、Ａ用カラーフィルタ１１２−ＵＬを透過した光と、Ｂ用カラーフィルタ１１２−ＵＲを透過した光とが同一光量であった場合には、同一レベルの電気信号が出力される。

このように、本構成の単一画素単位１００に導波路１６９が配置されることにより、フォトダイオード１１１の感度ムラによる影響を低減させながら、フォトダイオード１１１に集光される光が光学的に合成される。これにより、各フォトダイオードに集光される光の分光特性を、用途に合わせた最適なものに制御することができる。

以上のように、本構成の画素単位によれば、フォトダイオードに集光される光の分光特性を、光学的な合成により制御することができる。以下では、フォトダイオードに集光される光の分光特性を、電気的な合成により制御する例について説明する。

[第１の加算の手法が適用されたＮ分割画素単位]
Ｎ分割画素単位においては、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの受光量に応じたレベルのすべてが加算されたレベルを有する電気信号が出力される。上述したように、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの電気信号の加算の手法として第１の手法と第２の手法がある。

図１１は、第１の加算の手法が適用されたＮ分割画素単位の構成例を示す図である。

図１１の左側には、第１の加算の手法が適用された一般的な構成のＮ分割画素単位１７０が示されており、図１１の右側には、第１の加算の手法が適用された本構成のＮ分割画素単位１００ｂが示されている。

図１１の左上の図は、第１の加算の手法が適用された隣接する４つの一般的な構成のＮ分割画素単位１７０乃至１７３の集合体の上面図である。

Ｎ分割画素単位１７０には、４つの緑用カラーフィルタ１８２−ＵＬ，１８２−ＵＲ，１８２−ＤＬ，１８２−ＤＲが配置されている。また、４つの緑用カラーフィルタのそれぞれには、三角で示される転送ゲート２００が配置されている。さらに、４つの緑用カラーフィルタの中心部の位置には、共通ＦＤ部２０１が配置されている。

Ｎ分割画素単位１７１には、４つの青用カラーフィルタ１８５−ＵＬ，１８５−ＵＲ，１８５−ＤＬ，１８５−ＤＲが配置されている。また、４つの青用カラーフィルタのそれぞれには、転送ゲート２００が配置されている。さらに、４つの青用カラーフィルタの中心部の位置には、共通ＦＤ部２０１が配置されている。

Ｎ分割画素単位１７２には、４つの赤用カラーフィルタ１８６−ＵＬ，１８６−ＵＲ，１８６−ＤＬ，１８６−ＤＲが配置されている。また、４つの赤用カラーフィルタのそれぞれには、転送ゲート２００が配置されている。さらに、４つの赤用カラーフィルタの中心部の位置には、共通ＦＤ部２０１が配置されている。

Ｎ分割画素単位１７３には、４つの緑用カラーフィルタ１８７−ＵＬ，１８７−ＵＲ，１８７−ＤＬ，１８７−ＤＲが配置されている。また、４つの緑用カラーフィルタのそれぞれには、転送ゲート２００が配置されている。さらに、４つの緑用カラーフィルタの中心部の位置には、共通ＦＤ部２０１が配置されている。

そして、図１１の左下の図に示されるように、第１の加算の手法によれば、Ｎ分割画素単位１７０の４つの緑用フォトダイオード１８１−ＵＬ，１８１−ＵＲ，１８１−ＤＬ，１８１−ＤＲの各受光量に応じた各レベルの電気信号が、転送ゲート２００にそれぞれ転送されて、その後共通ＦＤ部２０１にそれぞれ転送される。共通ＦＤ部２０１においてすべての電気信号の加算信号、すなわち各レベルが総加算されたレベルを有する電気信号が出力される。なお、共通ＦＤ部２０１は、蓄積されたすべての電荷を同時に読み出すことで、読み出された電荷分のレベルの電気信号を加算する。このように、第１の加算の手法においては、Ｎ個（この場合４個）のフォトダイオードのそれぞれからの電気信号のレベルがすべて加算され、総加算後のレベルの電気信号が、Ｎ分割画素単位１７０から出力される。

Ｎ分割画素単位１７１乃至１７３においても同様に、各フォトダイオードの各受光量に応じた各レベルの電気信号が、転送ゲート２００にそれぞれ転送されて、その後共通ＦＤ部２０１にそれぞれ転送される。そして、共通ＦＤ部２０１においてすべての電気信号の総加算後のレベルの電気信号が、Ｎ分割画素単位１７１乃至１７３のそれぞれから出力される。

これに対して、図１１の右上の図は、第１の加算の手法が適用された本構成のＮ分割画素単位１００ｂ，１０３ｂ、および一般的な構成のＮ分割画素単位１０１ｂ，１０２ｂの集合体の上面図である。

本構成のＮ分割画素単位１００ｂには、Ａ用カラーフィルタ１１２ｂ−ＵＬ，１１２ｂ−ＤＲ、およびＢ用カラーフィルタ１１２ｂ−ＵＲ，１１２ｂ−ＤＬが配置されている。また、４つのカラーフィルタのそれぞれには、三角で示される転送ゲート２１０が配置されている。さらに、４つのカラーフィルタの中心部の位置には、共通ＦＤ部２１１が配置されている。

一般的な構成のＮ分割画素単位１０１ｂには、４つの青用カラーフィルタ１１５ｂ−ＵＬ，１１５ｂ−ＵＲ，１１５ｂ−ＤＬ，１１５ｂ−ＤＲが配置されている。また、４つの青用カラーフィルタのそれぞれには、転送ゲート２１０が配置されている。さらに、４つの青用カラーフィルタの中心部の位置には、共通ＦＤ部２１１が配置されている。

一般的な構成のＮ分割画素単位１０２ｂには、４つの赤用カラーフィルタ１１６ｂ−ＵＬ，１１６ｂ−ＵＲ，１１６ｂ−ＤＬ，１１６ｂ−ＤＲが配置されている。また、４つの赤用カラーフィルタのそれぞれには、転送ゲート２１０が配置されている。さらに、４つの赤用カラーフィルタの中心部の位置には、共通ＦＤ部２１１が配置されている。

本構成のＮ分割画素単位１０３ｂには、Ｂ用カラーフィルタ１１７ｂ−ＵＬ，１１７ｂ−ＤＲ、およびＡ用カラーフィルタ１１７ｂ−ＵＲ，１１７ｂ−ＤＬが配置されている。また、４つのカラーフィルタのそれぞれには、転送ゲート２１０が配置されている。さらに、４つのカラーフィルタの中心部の位置には、共通ＦＤ部２１１が配置されている。

そして、図１１の右下の図に示されるように、第１の加算の手法によれば、本構成のＮ分割画素単位１００ｂのＡ用フォトダイオード１１１ｂ−ＵＬ，１１１ｂ−ＤＲ、およびＢ用フォトダイオード１１１ｂ−ＵＲ，１１１ｂ−ＤＬの各受光量に応じた各レベルの電気信号が、転送ゲート２１０にそれぞれ転送されて、その後共通ＦＤ部２１１に転送される。共通ＦＤ部２１１においてすべての電気信号の加算信号、すなわち各レベルが総加算されたレベルを有する電気信号が、Ｎ分割画素単位１００ｂから出力される。なお、共通ＦＤ部２１１は、蓄積されたすべての電荷を同時に読み出すことで、読み出された電荷分のレベルの電気信号を加算する。

Ｎ分割画素単位１０１ｂ乃至１０３ｂにおいても同様に、各フォトダイオードの各受光量に応じた各レベルの電気信号が、転送ゲート２１０にそれぞれ転送されて、その後共通ＦＤ部２１１にそれぞれ転送される。

この場合、本構成のＮ分割画素単位１００ｂおよび１０３ｂから出力される光の分光特性は、図５において点線で示される出力分光Ｃの特性となる。すなわち、Ｎ分割画素単位１００ｂおよび１０３ｂ内の異なる平面位置に配置された複数のカラーフィルタの分光特性の合成結果に応じたレベルの電気信号が、Ｎ分割画素単位１００ｂおよび１０３ｂから出力される。つまり、本構成のＮ分割画素単位１００ｂおよび１０３ｂによれば、Ａ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタの材料による本来の分光特性ではない、新たな分光特性を創出することができる。

[ゲインによる分光特性の調整]
図１１の右側の本構成のＮ分割画素単位１００ｂおよび１０３ｂにおいては、共通ＦＤ部２１１は、複数のフォトダイオードの各受光量に応じた各レベルの電気信号を同時に読み出してそのまま加算した。しかしながら、共通ＦＤ部２１１は、同じ分光特性の光を受光するフォトダイオード毎に異なるタイミングで読み出してから、それぞれ個別に設定されたゲインでレベルが増幅された電気信号を加算してもよい。

ここで、図１１の右側の本構成のＮ分割画素単位１００ｂおよび１０３ｂにおいて、１対１の割合の数で配置されたＡ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタを、例えば、図１２に示される特性を有するＤ用カラーフィルタとＥ用カラーフィルタにそれぞれ置き換えたとする。

図１２は、１対１の割合の数でＤ用カラーフィルタとＥ用カラーフィルタが配置された本構成のＮ分割画素単位１００ｂおよび１０３ｂにおける、フォトダイオードから出力される光の分光特性を示す図である。図１２において、縦軸は透過率を示し、横軸は波長を示している。

図１２に示されるように、本構成のＮ分割画素単位１００ｂおよび１０３ｂに配置されるＤ用カラーフィルタは、実線で示されるように、波長が５２０乃至５４０近辺で透過率が最も高くなる特性を有する。また、本構成のＮ分割画素単位１００ｂおよび１０３ｂに配置されるＥ用カラーフィルタは、点線で示されるように、波長が５４０乃至５９０近辺で透過率が最も高くなる特性を有する。

この場合、本構成のＮ分割画素単位１００ｂおよび１０３ｂに配置される共通ＦＤ部２１１は、Ｄ用カラーフィルタとＥ用カラーフィルタの分光特性に応じたレベルの電気信号を、異なるタイミングで読み出してからそのまま加算してもよい。これにより、カラーフィルタの種類と同じ数の電気信号、すなわちこの場合、２種類の電気信号を得ることが可能となる。

さらに、共通ＦＤ部２１１は、同じ分光特性の光を受光するフォトダイオード毎に異なるタイミングで読み出してから、それぞれ個別に設定されたゲインでレベルが増幅された各電気信号を加算してもよい。なお、ゲインは、後段の画像信号読み出し部（例えば後述の図２０の画像信号読み出し部５３３）により設定される。

例えば、Ｅ用カラーフィルタを透過してフォトダイオードに入射した光の受光量に応じたレベルの電気信号のゲインが５倍に設定されると、図１２の一点鎖線で示されるように、波長が５４０乃至５９０近辺で、透過率がＥ用カラーフィルタの透過率の５倍に増幅された特性となる。

したがって、本構成のＮ分割画素単位１００ｂおよび１０３ｂにおいては、カラーフィルタＤの分光特性とカラーフィルタＥのゲインが５倍された分光特性の合成結果、すなわち図１２において点線で示される出力分光Ｆの特性に応じたレベルの電気信号が出力される。このように、同じ分光特性の光を受光するフォトダイオード毎に異なるタイミングで読み出されてから、それぞれ個別に設定されたゲインでレベルが増幅された各電気信号が加算されることにより、新たな分光特性を創出することができる。このように、複数のカラーフィルタの分光特性を電気的に合成することにより、用途に応じて最適に、分光特性を制御することができる。

[第２の加算の手法が適用されたＮ分割画素単位]
次に、第２の加算の手法が適用されたＮ分割画素単位について説明する。

図１３は、第２の加算の手法が適用されたＮ分割画素単位の構成例を示す図である。

図１３の上の図は、第２の加算の手法が適用された本構成のＮ分割画素単位１００ｃ，１０３ｃ、および一般的な構成のＮ分割画素単位１０１ｃ，１０２ｃの集合体の上面図である。

本構成のＮ分割画素単位１００ｃには、Ａ用カラーフィルタ１１２ｃ−ＵＬ，１１２ｃ−ＤＲ、およびＢ用フォトダイオード１１２ｃ−ＵＲ，１１２ｃ−ＤＬが配置されている。また、４つのカラーフィルタのそれぞれには、三角で示される転送ゲートおよび個別ＦＤ部２２０が配置されている。すなわち、転送ゲートおよび個別ＦＤ部２２０は、転送ゲートと個別ＦＤ部が同一の位置に積層されている。

一般的な構成のＮ分割画素単位１０１ｃには、４つの青用カラーフィルタ１１５ｃ−ＵＬ，１１５ｃ−ＵＲ，１１５ｃ−ＤＬ，１１５ｃ−ＤＲが配置されている。また、４つの青用カラーフィルタのそれぞれには、転送ゲートおよび個別ＦＤ部２２０が配置されている。

一般的な構成のＮ分割画素単位１０２ｃには、４つの赤用カラーフィルタ１１６ｃ−ＵＬ，１１６ｃ−ＵＲ，１１６ｃ−ＤＬ，１１６ｃ−ＤＲが配置されている。また、４つの赤用カラーフィルタのそれぞれには、転送ゲートおよび個別ＦＤ部２２０が配置されている。

本構成のＮ分割画素単位１０３ｃには、Ｂ用カラーフィルタ１１７ｃ−ＵＬ，１１７ｃ−ＤＲ、およびＡ用カラーフィルタ１１７ｃ−ＵＲ，１１７ｃ−ＤＬが配置されている。また、４つのカラーフィルタのそれぞれには、転送ゲートおよび個別ＦＤ部２２０が配置されている。

そして、図１３の下の図に示されるように、第２の加算の手法によれば、本構成のＮ分割画素単位１００ｃのＡ用フォトダイオード１１１ｃ−ＵＬ，１１１ｃ−ＤＲ、およびＢ用フォトダイオード１１１ｃ−ＵＲ，１１１ｃ−ＤＬの各受光量に応じた各レベルの電気信号が、転送ゲートおよび個別ＦＤ部２２０にそれぞれ転送される。そして、転送ゲートおよび個別ＦＤ部２２０のそれぞれから個々に出力された電気信号の全てが、後段の画像信号読み出し部（例えば後述の図２０の画像信号読み出し部５３３）において加算される。

Ｎ分割画素単位１０１ｃ乃至１０３ｃにおいても同様に、各フォトダイオードの各受光量に応じた各レベルの電気信号が、転送ゲートおよび個別ＦＤ部２２０にそれぞれ転送されて、その後後段の画像信号読み出し部（例えば後述の図２０の画像信号読み出し部５３３）において加算される。

この場合、本構成のＮ分割画素単位１００ｃおよび１０３ｃから出力される光の分光特性は、図５において点線で示される特性となる。すなわち、Ｎ分割画素単位１００ｃおよび１０３ｃ内の異なる平面位置に配置された複数のカラーフィルタの分光特性の合成結果に応じたレベルの電気信号が、Ｎ分割画素単位１００ｃおよび１０３ｃから出力される。つまり、本構成のＮ分割画素単位１００ｃおよび１０３ｃによれば、Ａ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタの材料による本来の分光特性ではない、新たな分光特性を創出することができる。

第２の加算の手法が適用された本構成のＮ分割画素単位１００ｃおよび１０３ｃにおいても、第１の加算の手法が適用された本構成のＮ分割画素単位１００ｂおよび１０３ｂと同様に、例えば、図１２に示される特性を有するＤ用カラーフィルタとＥ用カラーフィルタにそれぞれ置き換えたとする。

この場合、第２の加算の手法が適用された本構成のＮ分割画素単位１００ｃおよび１０３ｃにおいても、Ｄ用カラーフィルタとＥ用カラーフィルタの分光特性に応じたレベルの電気信号を、異なるタイミングまたは同一のタイミングで読み出してから、図示せぬ画像信号読み出し部で加算してもよい。これにより、カラーフィルタの種類と同じ数の電気信号、すなわちこの場合、２種類の電気信号を得ることが可能となる。

さらに、後段の画像信号読み出し部（例えば後述の図２０の画像信号読み出し部５３３）は、各レベルの電気信号を加算する前に、同じ分光特性を有する光毎に異なるゲインを設定し、異なるタイミングまたは同一のタイミングで読み出してから、各ゲインでそれぞれ増幅されたレベルの電気信号を加算してもよい。これにより、第２の加算の手法が適用された本構成のＮ分割画素単位１００ｃおよび１０３ｃにおいても、新たな分光特性を創出することができる。このように、複数のカラーフィルタの分光特性を電気的に合成することにより、用途に応じて最適に、分光特性を制御することができる。

なお、図１１の右側と図１３を用いて説明した本構成のＮ分割画素単位においては、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの電気信号が、すべて加算されてから出力されるか、出力されてからすべて加算された。しかしながら、本構成のＮ分割画素単位においては、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの電気信号を加算せずに独立して出力し、１つの電気信号としてそのまま後段の画像処理部（例えば後述の図２０の画像処理部５１５）で信号処理に用いることもできる。

例えば、リニアマトリックスにおける演算では、演算に使用できる色に対応する電気信号の種類が多いほど、出力される画像の色再現性は高くなる。したがって、例えば、緑用フォトダイオードの一部をエメラルド用フォトダイオードに置き換えることにより、演算に使用できる色に対応する電気信号の種類を増やして、色再現性を向上させる技術が存在する。しかしながら、緑用フォトダイオードの一部をエメラルド用フォトダイオードに置き換えることにより、緑用フォトダイオードの数の減少に伴う解像度の劣化が生じる場合がある。

これに対して、本構成のＮ分割画素単位において、エメラルド用フォトダイオードが用いられた場合、１つの画素単位内に緑用フォトダイオードとエメラルド用フォトダイオードが配置されるため、結果的に緑用フォトダイオードの数も減少せず、解像度の劣化が生じない。

このように、本構成のＮ分割画素単位においては、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの電気信号を、個別に信号処理に用いることができるので、信号処理に使用できる色に対応する電気信号の数を増やすことができる。したがって、解像度劣化を起こさずに色再現性を向上させることができる。

本構成のＮ分割画素単位においては、上述したように、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれからの電気信号のレベルの出力手法として、次の３つの手法がある。第１の手法とは、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれからの電気信号のレベルを単純に総加算して、総加算後のレベルの電気信号を出力する手法である。第２の手法とは、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれからの電気信号のレベルを、個別に設定した異なるゲインでそれぞれ増幅した後に総加算して、総加算後のレベルの電気信号を出力する手法である。第３の手法とは、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれからの電気信号をそれぞれ独立して出力する手法である。このような３つの出力手法を選択的に適用することで、異なる複数の出力を得ることができる。

このような複数の出力は、転送ゲートや個別ＦＤによる転送のタイミングの制御、電気信号の加算のON/OFFの制御、または後段の制御部（例えば後述の図２０の制御部５１４）の制御により切り替えることが可能である。したがって、同一の撮像素子であっても、このような制御が行われることにより、用途（例えば、一般カメラ、医療機器等）や状況（例えば、色温度、照度等）によって、複数の異なる分光特性を有する出力を得ることができる撮像素子に変化させることができる。

[ワイドダイナミックレンジ化の適用]
本構成のＮ分割画素単位においては、図１４に示されるように、小画素毎に光（電荷）の蓄積時間を変えることで、ワイドダイナミックレンジ化が可能となる。

図１４は、小画素毎に電荷の蓄積時間が変えられた本構成のＮ分割画素単位について説明する図である。

図１４は、第１の加算の手法が適用された本構成のＮ分割画素単位１００ｂ，１０３ｂ、および一般的な構成のＮ分割画素単位１０１ｂ，１０２ｂの集合体の上面図である。これについては、図１１等を参照して説明済みであるので、ここではその説明を省略する。

図１４の左側のＮ分割画素単位１００ｂ乃至１０３ｂにおいては、小画素における電荷の蓄積時間は同一である。

これに対して、図１４の右側に示されるＮ分割画素単位１００ｂ乃至１０３ｂにおいては、図１４に示されるように、小画素毎に電荷の蓄積時間が変えられている。

具体的には、本構成のＮ分割画素単位１００ｂに配置されるＡ用カラーフィルタ１１２ｂ−ＵＬおよびＢ用カラーフィルタ１１２ｂ−ＵＲは、長時間の蓄積時間（以下、長蓄積と称する）とする。これに対して、本構成のＮ分割画素単位１００ｂに配置されるＡ用カラーフィルタ１１２ｂ−ＤＬおよびＢ用カラーフィルタ１１２ｂ−ＤＲは、短時間の蓄積時間（以下、短蓄積と称する）とする。

一般的な構成のＮ分割画素単位１０１ｂにおいても、青用カラーフィルタ１１５ｂ−ＵＬ，１１５ｂ−ＵＲは、長蓄積とし、青用カラーフィルタ１１５ｂ−ＤＬ，１１５ｂ−ＤＲは、短蓄積とする。

一般的な構成のＮ分割画素単位１０２ｂにおいても、青用カラーフィルタ１１６ｂ−ＵＬ，１１６ｂ−ＵＲは、長蓄積とし、青用カラーフィルタ１１６ｂ−ＤＬ，１１６ｂ−ＤＲは、短蓄積とする。

本構成のＮ分割画素単位１０３ｂに配置されるＢ用カラーフィルタ１１７ｂ−ＵＬおよびＡ用カラーフィルタ１１７ｂ−ＵＲは、長蓄積し、Ａ用カラーフィルタ１１７ｂ−ＤＬおよびＢ用カラーフィルタ１１７ｂ−ＤＲは、短蓄積とする。

この場合、Ｎ分割画素単位１００ｂ乃至１０３ｂにおいては、長蓄積の小画素および短蓄積の小画素のそれぞれに、Ａ用カラーフィルタおよびＢ用カラーフィルタの両方が配置されている。したがって、Ｎ分割画素単位１００ｂ乃至１０３ｂにおいては、長蓄積の小画素および短蓄積の小画素の両方において、Ａ用カラーフィルタおよびＢ用カラーフィルタの分光特性の合成結果である新たな分光特性を有する出力が得られる。すなわち、本構成のＮ分割画素単位によれば、ワイドダイナミックレンジ化を適用しながら、新たな分光特性を有する出力を得ることができる。

[画素単位に配置されるカラーフィルタの例]
上述の例では、本構成の画素単位においては、緑用カラーフィルタが複数のカラーフィルタ（すなわち、Ａ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタ）に置き換えられた。しかしながら、その他の色のカラーフィルタ、例えば赤用カラーフィルタ、青用カラーフィルタが複数のカラーフィルタに置き換えられてもよい。また、本構成の画素単位においては、顔料系または染料系のどちらの素材のカラーフィルタが配置されてもよい。また、本構成の画素単位は、ベイヤ配列、クリアビット配列、またはその他の配列で配置される画素に対して適用することができる。

また、上述の例では、本構成の画素単位においては、緑用カラーフィルタが４分割されて、それぞれが１対１の割合の数の複数のカラーフィルタ（すなわち、Ａ用カラーフィルタ２個とＢ用カラーフィルタ２個）に置き換えられた。しかしながら、分割数（すなわち小画素の数）も、複数のカラーフィルタの数の割合もこれに限定されない。

上述の例では、本構成の画素単位においては、Ａ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタが１対１の割合（すなわち、２個ずつ）で配置された。したがって、本構成の画素単位から出力される光は、図５の出力分光Ｃに示されるように、Ａ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタの特性の合成結果として、Ａ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタの特性の中間の特性を示す分光特性を有する。これに対して、例えば、Ａ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタが３対１の割合で配置された場合、本構成の画素単位から出力される光は、Ａ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタの特性の合成結果として、図５のＡ用カラーフィルタの分光特性により近い特性を有するものとなる。

本構成の画素単位においては、１つの画素単位に配置できるカラーフィルタの数は、最大で、画素単位の分割数、すなわち小画素の数とすることができる。図１５を用いて、３つのカラーフィルタが配置された本構成のＮ分割画素単位について説明する。

図１５は、３つのカラーフィルタが配置された本構成のＮ分割画素単位１００ｄ，１０３ｄ、および一般的な構成のＮ分割画素単位１０１ｄ，１０２ｄの集合体の上面図である。

本構成のＮ分割画素単位１００ｄには、Ａ用カラーフィルタ１１２ｄ−ＵＬ、Ｂ用カラーフィルタ１１２ｄ−ＵＲ，１１２ｄ−ＤＬ、およびＣ用カラーフィルタ１１２ｄのＤＲが配置されている。すなわち、本構成のＮ分割画素単位１００ｄには、Ａ用カラーフィルタ、Ｂ用カラーフィルタ、およびＣ用カラーフィルタが、１対２対１の数の割合で配置されている。

同様に、本構成のＮ分割画素単位１０３ｄには、Ａ用カラーフィルタ１１７ｄ−ＵＬ、Ｂ用カラーフィルタ１１７ｄ−ＵＲ，１１７ｄ−ＤＬ、およびＣ用カラーフィルタ１１７ｄ−ＤＲが配置されている。すなわち、本構成のＮ分割画素単位１０３ｄには、Ａ用カラーフィルタ、Ｂ用カラーフィルタ、およびＣ用カラーフィルタが、１対２対１の数の割合で配置されている。なお、Ｃ用カラーフィルタとは、Ａ色の波長帯域およびＢ色の波長帯域とは異なるＣ色の波長帯域の光だけを透過するフィルタをいう。

一般的な構成のＮ分割画素単位１０１ｄには、青用カラーフィルタ１１５ｄが配置されている。また、一般的な構成のＮ分割画素単位１０２ｄには、赤用カラーフィルタ１１６ｄが配置されている。

このような本構成のＮ分割画素単位１００ｄ，１０３ｄにおける、フォトダイオードから出力される光の分光特性は、図１６に示されるように、Ａ用カラーフィルタ、Ｂ用カラーフィルタ、およびＣ用カラーフィルタの分光特性の合成結果となる。

図１６は、本構成のＮ分割画素単位１００ｄ，１０３ｄにおける、フォトダイオードから出力される光の分光特性を示す図である。図１６において、縦軸は透過率を示し、横軸は波長を示している。

図１６に示されるように、本構成のＮ分割画素単位１００ｄ，１０３ｄに配置されるＡ用カラーフィルタは、実線で示されるように、波長が５５０ｎｍ近辺で透過率が最も高くなる特性を有する。また、本構成のＮ分割画素単位１００ｄ，１０３ｄに配置されるＢ用カラーフィルタは、点線で示されるように、波長が５１０ｎｍ近辺で透過率が最も高くなる特性を有する。また、本構成のＮ分割画素単位１００ｄ，１０３ｄに配置されるＣ用カラーフィルタは、一点鎖線で示されるように、波長が５３０ｎｍ近辺で透過率が最も高くなる特性を有する。

この場合、本構成のＮ分割画素単位１００ｄ，１０３ｄに配置されるフォトダイオードに入射する光の分光特性は、Ａ用カラーフィルタ、Ｂ用カラーフィルタ、およびＣ用カラーフィルタの特性の合成結果、すなわち、図１６において破線で示される出力分光Ｇの特性となる。したがって、本構成のＮ分割画素単位１００ｄ，１０３ｄにおいては、出力分光Ｇに応じたレベルの電気信号がフォトダイオードから出力される。

なお、図１５に示されるカラーフィルタの配置は、本構成の単一画素単位においても同様に適用することができる。この場合の本構成の単一画素単位における、フォトダイオードから出力される光の分光特性は、図１６と同様に、出力分光Ｇの特性となる。したがって、本構成の単一画素単位においても、出力分光Ｇに応じたレベルの電気信号がフォトダイオードから出力される。

このように、本構成の画素単位によれば、配置される複数のカラーフィルタの数と種類を変えることによって、新たな分光特性を創出することができる。

さらに、本構成の画素単位に配置される複数のカラーフィルタの組み合わせは、緑用カラーフィルタ、赤用カラーフィルタ、青用カラーフィルタに限定されず、任意の波長帯域の光を透過するカラーフィルタが組み合わされてもよい。例えば、すべての波長帯域の光を透過する透明なホワイト用カラーフィルタが組み合わされてもよい。ホワイト用カラーフィルタについては、例えば、特開２００９−２９６２７６号公報等に記載されている。

また、本構成の画素単位には、例えば、赤外光や紫外光を透過するカラーフィルタが配置されてもよい。赤外光を透過するカラーフィルタが配置された本構成のＮ分割画素単位について図１７を参照して説明する。

[赤外光カラーフィルタが配置された本構成のＮ分割画素単位]
図１７は、赤外光カラーフィルタが配置された本構成のＮ分割画素単位構成例を示す図である。

図１７の上の図は、本構成のＮ分割画素単位２５０，２５２，２５３、および一般的な構成のＮ分割画素単位２５１の集合体の上面図である。

本構成のＮ分割画素単位２５０は、赤用カラーフィルタをＩ用カラーフィルタとＪ用カラーフィルタに置き換えたものである。すなわち、本構成のＮ分割画素単位２５０には、Ｉ用カラーフィルタ２６２−ＵＬ，２６２−ＤＲ、およびＪ用カラーフィルタ２６２−ＵＲ，２６２−ＤＬが配置されている。また、４つのカラーフィルタのそれぞれには、転送ゲート２１０が配置されている。さらに、４つのカラーフィルタの中心部の位置には、共通ＦＤ部２１１が配置されている。

ここで、Ｉ用カラーフィルタとＪ用カラーフィルタの分光特性について、図１８を参照して説明する。

図１８は、Ｉ用カラーフィルタとＪ用カラーフィルタの分光特性を示す図である。図１８において、縦軸は透過率を示し、横軸は波長を示している。

Ｉ用カラーフィルタは、実線で示されるように、波長が６００ｎｍ近辺で透過率が最も高くなる特性を有する。また、Ｊ用カラーフィルタは、点線で示されるように、波長が８００ｎｍ近辺で透過率が最も高くなる特性を有する。このように、Ｉ用カラーフィルタとＪ用カラーフィルタは、一般的な赤外光カラーフィルタが透過する波長帯域（略７００乃至１０００ｎｍ）内の光を透過するカラーフィルタである。

図１７に戻り、一般的な構成のＮ分割画素単位２５１には、４つの青用カラーフィルタ２６５−ＵＬ，２６５−ＵＲ，２６５−ＤＬ，２６５−ＤＲが配置されている。また、４つの青用カラーフィルタのそれぞれには、転送ゲート２１０が配置されている。さらに、４つの青用カラーフィルタの中心部の位置には、共通ＦＤ部２１１が配置されている。

本構成のＮ分割画素単位２５２は、緑用カラーフィルタをＡ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタに置き換えたものである。本構成のＮ分割画素単位２５２には、Ａ用カラーフィルタ２６６−ＵＬ，２６６−ＤＲ、およびＢ用カラーフィルタ２６６−ＵＲ，２６６−ＤＬが配置されている。また、４つのカラーフィルタのそれぞれには、転送ゲート２１０が配置されている。さらに、４つのカラーフィルタの中心部の位置には、共通ＦＤ部２１１が配置されている。

本構成のＮ分割画素単位２５３には、Ｊ用カラーフィルタ２６７−ＵＬ，２６７ｂ−ＤＲ、およびＩ用カラーフィルタ２６７−ＵＲ，２６７−ＤＬが配置されている。また、４つのカラーフィルタのそれぞれには、転送ゲート２１０が配置されている。さらに、４つのカラーフィルタの中心部の位置には、共通ＦＤ部２１１が配置されている。

図１７の例では、赤用カラーフィルタがＩ用カラーフィルタとＪ用カラーフィルタに置き換えられたＮ分割画素単位２５０，２５２と、緑用カラーフィルタがＡ用カラーフィルタとＢ用カラーフィルタに置き換えられたＮ分割画素単位２５２が示されている。このように、複数の種類の画素単位に対して、複数のカラーフィルタが配置されてもよい。

図１７の左下と右下の図は、本構成のＮ分割画素単位２５２およびＮ分割画素単位２５３の線Ｌ−Ｌ’における断面図である。

図１７の左下に示されるように、本構成のＮ分割画素単位２５２のＡ用カラーフィルタ２６６−ＵＬ，２６６−ＤＲ、およびＢ用カラーフィルタ２６６−ＵＲ，２６６−ＤＬの各受光量に応じた各レベルの電気信号が、転送ゲート２１０にそれぞれ転送されて、その後共通ＦＤ部２１１に転送される。そして、共通ＦＤ部２１１においてすべての電気信号の加算信号が出力される。

また、図１７の右下に示されるように、本構成のＮ分割画素単位２５３のＪ用カラーフィルタ２６７−ＵＬ，２６７−ＤＲ、およびＩ用カラーフィルタ２６７−ＵＲ，２６７−ＤＬの各受光量に応じた各レベルの電気信号が、転送ゲート２１０にそれぞれ転送されて、その後共通ＦＤ部２１１に転送される。そして、共通ＦＤ部２１１においてすべての電気信号の加算信号が出力される。

また、本構成のＮ分割画素単位２５０と一般的な構成のＮ分割画素単位２５１においても、同様に共通ＦＤ部２１１においてすべての電気信号の加算信号が出力される。

このように、本構成のＮ分割画素単位２５０，２５２，２５３、および一般的な構成のＮ分割画素単位２５１においては、フォトダイオードのそれぞれの電気信号が、すべて加算されてから出力される。しかしながら、上述したように、Ｎ個のフォトダイオードのそれぞれの電気信号を加算せずに独立に出力し、１つの電気信号としてそのまま後段の画像処理部（例えば後述の図２０の画像処理部５１５）で信号処理に用いることもできる。

例えば、赤外光を透過する２種類のＩ用カラーフィルタとＪ用カラーフィルタが配置された本構成のＮ分割画素単位２５０，２５３のフォトダイオードのそれぞれの電気信号をそのまま後段の画像処理部で信号処理に用いることができる。この場合、白色光等の単一光源からの光が本構成のＮ分割画素単位２５０，２５３のフォトダイオードに入射することで、赤外光領域から２つの出力を得ることができる。さらに、本構成のＮ分割画素単位２５０，２５３においては、１つの画素単位内に複数のカラーフィルタを有しているので、解像度が劣化しない。

したがって、本構成のＮ分割画素単位２５０，２５３から構成される撮像素子を搭載した撮像装置を、例えば、ヘモグロビン等の生体情報の解析に用いられる医療機器等に適用することができる。

[医療機器への適用]
図１９は、本構成のＮ分割画素単位から構成される撮像素子を搭載した撮像装置が適用された生体情報取得装置の構成例を示す図である。

図１９に示される生体情報取得装置３００は、撮像装置により、光が透過された生体の画像を取得して、取得された画像を解析する装置である。

図１９に示されるように、生体情報取得装置３００は、基台３１１の支持部３１２に設置された発光部３１４からの単一光源の光を、挿入口３１３から挿入された生体の一部、例えば指３２０に照射する。そして、生体情報取得装置３００は、基台３１１の支持部３１５により支持されているカメラ３３０により、被写体である指３２０を撮像する。カメラ３３０は、レンズ部３４１、筐体３４２、および画像処理部３４３を有している。そして、生体情報取得装置３００は、カメラ３３０により撮像された画像を、画像処理部３４３において解析する。

カメラ３３０の筐体３４２には、本構成のＮ分割画素単位から構成される撮像素子が搭載される。したがって、カメラ３３０は、発光部３１４からの単一光源の光を用いて被写体を撮像した場合であっても、赤外光領域において異なる２つの画像信号の出力が可能になる。したがって、これらの出力を用いた生体情報の解析により、解析の精度の向上が見込まれる。

例えば、赤外光領域における出力値は、血液検査等に用いられる。すなわち、血液中のヘモグロビンの酸化および脱酸化は、赤外光領域における出力値から解析することが可能であり、このときに、赤外光領域における２組の異なる波長群の出力値が用いられる。従来の技術（例えば、特許第２９３２６４４号）では、２組の光を照射することで、２組の異なる波長群の出力値を得ている。しかしながら、本技術の手法によれば、単色光であっても、画素単位から得られる出力値の数を２つ以上とすることができる。したがって、本技術の手法は、血液の解析等に適用することも可能である。

このように、本技術の手法によれば、カラーフィルタの材料が有する分光特性だけでは実現が困難な、新たな分光特性を創出することが可能となる。したがって、例えば、医療や工業等の分野において、人間の視感度分光特性ではない特殊な分光特性が求められる場合でも、本構成の画素単位によれば、分光特性を用途に合わせた最適なものに制御することができる。さらに、分光特性が制御されることで、S/N比や色再現性を向上させることができる。

また、本技術の手法によれば、用途に合わせて最適な画素単位を設計することができる。したがって、例えば、画素単位の微細化によりフォトダイオードの分割が困難な場合等であっても、用途に合わせて図３，４，１０等で説明した本技術の手法を用いて、最適な画素単位を設計することができる。また、例えば、ゲインの設定や信号処理により用途の自由度を高めたい場合には、用途に合わせて図１１以降で説明した本技術の手法を用いて、最適な画素単位を設計することができる。

さらに、本技術の手法によれば、分光特性の自由度や制御性が増すので、光源推定が容易に行えるようになる。すなわち、本技術の手法によれば、Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素の各画素値の分光特性の他に、光源推定に用いることができる新たな分光特性を創出することができるため、白色ＬＥＤ等の新たな光源の推定も容易に行えるようになる。

［撮像装置］
図２０は、以上説明した本構成の画素単位から構成される撮像素子を搭載した撮像装置、すなわち、本技術を適用した撮像装置の主な構成例を示すブロック図である。

図２０に示されるように、撮像装置５００は、レンズ部５１１、撮像素子５１２、操作部５１３、制御部５１４、画像処理部５１５、表示部５１６、コーデック処理部５１７、および記録部５１８を有する。

レンズ部５１１は、被写体までの焦点を調整し、焦点が合った位置からの光を集光し、撮像素子５１２に供給する。

撮像素子５１２は、フィルタ部５３１および画素部５３２、並びに画素信号読み出し部５３３から構成される。

フィルタ部５３１および画素部５３２は、上述した本技術が適用された複数の画素単位の集合体である。すなわち、画素単位の観点からすると、オンチップレンズおよびカラーフィルタが、フィルタ部５３１の一部を構成する。フォトダイオードが、画素部５３２の一部を構成する。換言すると、各画素単位の各々についてのオンチップレンズおよびカラーフィルタの集合体が、フィルタ部５３１を構成する。各画素単位の各々についてのフォトダイオードの集合体が、画素部５３２を構成する。

画素部５３２は、レンズ部５１１およびフィルタ部５３１を介して入射される光を受光し、画素信号読み出し部５３３の制御に基づいて、これを光電変換して光の強度に応じた電圧信号（アナログ信号）を出力する。

すなわち、画像信号読み出し部５３３は、画素部５３２から画素単位毎のアナログ信号を画像信号として読み出して、Ａ／Ｄ(Analog/Digital)変換を施してデジタル信号となった画像信号を画像処理部５１５に供給する。ここで、１つの画素単位が複数の小画素を有する場合、画素信号読み出し部５３３は、Ａ／Ｄ変換の前後において、各小画素の画素信号を必要に応じて増幅したり合算することで、画素単位の画素信号を生成する。

操作部５１３は、例えば、ジョグダイヤル（商標）、キー、ボタン、またはタッチパネル等により構成され、ユーザによる操作入力を受け、その操作入力に対応する信号を制御部７１４に供給する。

制御部５１４は、操作部５１３により入力されたユーザの操作入力に対応する信号に基づいて、レンズ部５１１、撮像素子５１２、画像処理部５１５、表示部５１６、コーデック処理部５１７、および記録部５１８を制御する。例えば、制御部５１４は、撮像素子５１２を制御して、本構成のＮ分割画素単位におけるＮ個のフォトダイオードのそれぞれからの電気信号のレベルの出力手法を切り替える。

画像処理部５１５は、撮像素子５１２から供給された画像信号に対して、信号処理、または、例えば、ホワイトバランス調整、デモザイク処理、マトリックス処理、ガンマ補正、およびYC変換等の各種画像処理を施し、表示部５１６およびコーデック処理部５１７に供給する。

表示部５１６は、例えば、液晶ディスプレイ等として構成され、画像処理部５１５からの画像信号に基づいて、被写体の画像を表示する。

コーデック処理部５１７は、画像処理部５１５からの画像信号に対して、所定の方式の符号化処理を施し、符号化処理の結果得られた画像データを記録部５１８に供給する。

記録部５１８は、コーデック処理部５１７からの画像データを記録する。記録部５１８に記録された画像データは、必要に応じて画像処理部５１５に読み出されることで、表示部５１６に供給され、対応する画像が表示される。

なお、本技術を適用した固体撮像素子を備える撮像装置は、上述した構成に限らず、他の構成であってもよい。

また、以上において、１つの装置（または処理部）として説明した構成が、複数の装置（または処理部）として構成されるようにしてもよい。逆に、以上において複数の装置（または処理部）として説明した構成が、まとめて１つの装置（または処理部）として構成されるようにしてもよい。また、各装置（または各処理部）の構成に上述した以外の構成が付加されるようにしてももちろんよい。さらに、システム全体としての構成や動作が実質的に同じであれば、ある装置（または処理部）の構成の一部が他の装置（または他の処理部）の構成に含まれるようにしてもよい。つまり、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

なお、本技術は、以下のような構成もとることができる。
（１）
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードの上方であって異なる平面位置にそれぞれ配置される、第１のカラーフィルタ及び第２のカラーフィルタと、
前記第１のカラーフィルタの上方に配置される第１のオンチップレンズと、前記第２のカラーフィルタの上方に配置される第２のオンチップレンズと
を含む画素単位を備える
撮像素子。
（２）
前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタは、それぞれ異なる分光特性を有する
前記（１）に記載の撮像素子。
（３）
前記画素単位は、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタのそれぞれの分光特性の合成結果に応じたレベルの電気信号を出力する
前記（１）または（２）に記載の撮像素子。
（４）
前記フォトダイオードは、前記第１のカラーフィルタの下方に配置される第１のフォトダイオードと、前記第２のカラーフィルタの下方に配置される第２のフォトダイオードとを含み、
前記画素単位から出力される、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタのそれぞれの分光特性に応じたレベルの電気信号が加算される
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の撮像素子。
（５）
前記画素単位は、
前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードとからそれぞれ出力される電気信号を加算する共通フローティングディフュージョンをさらに備える
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の撮像素子。
（６）
前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードとからそれぞれ出力される前記電気信号は、それぞれ個別に設定されたゲインで増幅されている
前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の撮像素子。
（７）
前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードは、電荷の蓄積時間がそれぞれ個別に設定される
前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の撮像素子。
（８）
前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタは、赤外光を透過する特性を有している
前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の撮像素子。
（９）
前記画素単位は、
前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタの他、１以上のカラーフィルタからなるカラーフィルタ群と、
前記第１のオンチップレンズと前記第２のオンチップレンジの他、１以上のオンチップレンズであって、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタの他、1以上の前記カラーフィルタの上方に配置されるオンチップレンズからなるオンチップレンズ群とを含む
前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の撮像素子。
（１０）
前記画素単位は、前記カラーフィルタ群のそれぞれの分光特性の合成結果に応じたレベルの電気信号を出力する
前記（１）乃至（９）のいずれかに記載の撮像素子。
（１１）
前記フォトダイオードは、前記カラーフィルタ群の各々の下方に配置されるフォトダイオード群からなり、
前記画素単位から出力される、前記カラーフィルタ群のそれぞれの分光特性に応じたレベルの電気信号が加算される
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の撮像素子。
（１２）
前記画素単位は、
前記フォトダイオード群からそれぞれ出力される電気信号を加算する共通フローティングディフュージョンをさらに備える
前記（１）乃至（１１）のいずれかに記載の撮像素子。
（１３）
前記フォトダイオード群からそれぞれ出力される前記電気信号は、それぞれ個別に設定されたゲインで増幅されている
前記（１）乃至（１２）のいずれかに記載の撮像素子。
（１４）
前記フォトダイオード群は、電荷の蓄積時間がそれぞれ個別に設定される
前記（１）乃至（１３）のいずれかに記載の撮像素子。
（１５）
前記カラーフィルタ群の各々は、赤外光を透過する特性を有している
前記（１）乃至（１４）のいずれかに記載の撮像素子。
（１６）
前記フォトダイオードの上方には導波路が形成される
前記（１）乃至（１５）のいずれかに記載の撮像素子。
（１７）
前記フォトダイオードからの出力形態は、前記撮像素子の内部又は外部の制御によって選択的に切り替えられる複数の種類が存在する
前記（１）乃至（１６）のいずれかに記載の撮像素子。
（１８）
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードの上方であって異なる平面位置にそれぞれ配置される、第１のカラーフィルタ及び第２のカラーフィルタと、
前記第１のカラーフィルタの上方に配置される第１のオンチップレンズと、前記第２のカラーフィルタの上方に配置される第２のオンチップレンズと
を含む画素単位を備える
撮像素子を搭載した
撮像装置。
（１９）
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードの上方であって異なる平面位置にそれぞれ配置される、第１のカラーフィルタ及び第２のカラーフィルタと、
前記第１のカラーフィルタの上方に配置される第１のオンチップレンズと、前記第２のカラーフィルタの上方に配置される第２のオンチップレンズと
を含む画素単位を備える
撮像素子を搭載した撮像装置を含み、
前記撮像装置は、生体を被写体として撮像する
生体撮像装置。

本技術は、撮像素子または撮像装置に適用することができる。

１００ 単一画素単位， １１１ フォトダイオード， １１２−ＵＬ，１１２−ＤＲ Ａ用カラーフィルタ， １１２−ＵＲ，１１２−ＤＬ Ｂ用カラーフィルタ， １１３−ＵＬ，１１３−ＵＲ オンチップレンズ， １６９ 導波路， ２００ 転送ゲート， ２０１ 共通フローティングディフュージョン， ２２０ 転送ゲートおよび個別ＦＤ部， ３００ 生体情報取得装置， ３１４ 発光部， ３４１ レンズ部， ３４２ 筐体， ３３０ カメラ， ３４３ 画像処理部， ５１２ 撮像素子， ５３１ フィルタ部， ５３２ 画素部， ５３３ 画像読み出し部

Claims (10)

1. 第１のフォトダイオードと、
   第２のフォトダイオードと、
   前記第１のフォトダイオードの上方に配置される第１のカラーフィルタと、
   前記第２のフォトダイオードの上方であって前記第１のカラーフィルタとは異なる平面位置に配置される第２のカラーフィルタと、
   前記第１のカラーフィルタの上方に配置される第１のオンチップレンズと、
   前記第２のカラーフィルタの上方に配置される第２のオンチップレンズと
   を含む画素単位を備え、
   前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタは、前記画素単位に対応する光の波長を波長帯域に含む異なる分光特性を有し、
   前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードから出力される電気信号は、所定の分光特性に基づいて個別に設定されたゲインでそれぞれ増幅され、加算される
   撮像素子。
2. 前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードは、電荷の蓄積時間がそれぞれ個別に設定される
   請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記光は、赤外光である
   請求項１に記載の撮像素子。
4. 前記画素単位は、
   前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードの他、１以上のフォトダイオードからなるフォトダイオード群と、
   前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタの他、前記１以上のフォトダイオードのそれぞれの上方の他のカラーフィルタとは異なる平面位置に配置される１以上のカラーフィルタからなるカラーフィルタ群と、
   前記第１のオンチップレンズと前記第２のオンチップレンジの他、前記１以上のカラーフィルタのそれぞれの上方に配置されるオンチップレンズからなるオンチップレンズ群と
   を含み、
   前記カラーフィルタ群のそれぞれは、前記画素単位に対応する光の波長を波長帯域に含む異なる分光特性を有し、
   前記フォトダイオード群のそれぞれから出力される電気信号は、前記所定の分光特性に基づいて個別に設定されたゲインで増幅され、加算される
   請求項１に記載の撮像素子。
5. 前記フォトダイオード群は、電荷の蓄積時間がそれぞれ個別に設定される
   請求項４に記載の撮像素子。
6. 前記光は、赤外光である
   請求項４に記載の撮像素子。
7. 前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードから出力される電気信号の増幅および加算は、前記撮像素子の内部又は外部の制御によって選択的に行われる
   請求項１に記載の撮像素子。
8. 前記画素単位は、
   ２つの前記第１のカラーフィルタと、
   ２つの前記第２のカラーフィルタと
   を含み、
   一方の前記第１のカラーフィルタは、一方の前記第２のカラーフィルタと水平方向に隣接するとともに、他方の前記第２のカラーフィルタと垂直方向に隣接し、他方の前記第１のカラーフィルタは、前記他方の第２のカラーフィルタと水平方向に隣接するとともに、前記一方の第２のカラーフィルタと垂直方向に隣接する
   請求項１に記載の撮像素子。
9. 第１のフォトダイオードと、
   第２のフォトダイオードと、
   前記第１のフォトダイオードの上方に配置される第１のカラーフィルタと、
   前記第２のフォトダイオードの上方であって前記第１のカラーフィルタとは異なる平面位置に配置される第２のカラーフィルタと、
   前記第１のカラーフィルタの上方に配置される第１のオンチップレンズと、
   前記第２のカラーフィルタの上方に配置される第２のオンチップレンズと
   を含む画素単位を備え、
   前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタは、前記画素単位に対応する光の波長を波長帯域に含む異なる分光特性を有し、
   前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードから出力される電気信号は、所定の分光特性に基づいて個別に設定されたゲインでそれぞれ増幅され、加算される
   撮像素子を搭載した
   撮像装置。
10. 第１のフォトダイオードと、
    第２のフォトダイオードと、
    前記第１のフォトダイオードの上方に配置される第１のカラーフィルタと、
    前記第２のフォトダイオードの上方であって前記第１のカラーフィルタとは異なる平面位置に配置される第２のカラーフィルタと、
    前記第１のカラーフィルタの上方に配置される第１のオンチップレンズと、
    前記第２のカラーフィルタの上方に配置される第２のオンチップレンズと
    を含む画素単位を備え、
    前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタは、前記画素単位に対応する光の波長を波長帯域に含む異なる分光特性を有し、
    前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードから出力される電気信号は、所定の分光特性に基づいて個別に設定されたゲインでそれぞれ増幅され、加算される
    撮像素子を搭載した撮像装置を含み、
    前記撮像装置は、生体を被写体として撮像する
    生体撮像装置。

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