JP6161522B2 - 撮像素子 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像素子に関する。
がんを診断する方法として、ＩＣＧ（インドシニアングリーン）に代表される蛍光色素を使う研究が近年盛んに発表されている。このような蛍光などの特定の波長の光を検出する光学素子として、ファブリーペロー干渉を利用したフィルタをイメージセンサ上に一体化して形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、撮像素子を２層積層し、上層を透過した光を用いて下層でも撮像を行うハイブリッド構造の撮像素子が知られている（例えば、特許文献２参照）。
以下、特許文献１に記載されている技術について、図２０および図２１を用いて説明する。図２０は従来知られているイメージセンサの画素上にファブリーペローフィルタを形成した画素（ファブリーペローフィルタ画素）の例を示した概略図である。
図示する例では、半導体基板上に複数の画素Ｆ１〜Ｆ８が形成されている。画素Ｆ１〜Ｆ８の各々には、フォトダイオード（ＰＤ）５−４が形成されている。また、画素Ｆ１〜Ｆ８の各受光面には、ファブリーペローフィルタとして誘電体層５−１，５−３と、層間膜５−２とが形成されている。画素Ｆ１〜Ｆ８の各々に形成されている層間膜５−２は、誘電体層５−１，５−３に挟まれており、画素Ｆ１〜Ｆ８の各々に形成されているフォトダイオード５−４に照射される光の波長帯域を違えるためにそれぞれ厚みが異なっている。この構成により各画素Ｆ１〜Ｆ８は、例えば図２１に示すように、狭帯域な透過帯域の光を検出することができる。
図２１は、従来知られているファブリーペローフィルタが透過する光の波長を示したグラフである。図示するグラフの横軸は波長であり、縦軸は透過率である。図示する例では、画素Ｆ１に形成されているファブリーペローフィルタ（誘電体層５−１，５−３と層間膜５−２）は、４２０ｎｍ近辺の狭帯域の波長の光を透過する。そのため、画素Ｆ１は、４２０ｎｍ近辺の狭帯域の波長の光を検出することができる。画素Ｆ２〜Ｆ８も画素Ｆ１と同様に、形成されている誘電体層５−１，５−３と層間膜５−２とが透過する波長の光に応じて、狭帯域の波長の光を検出することができる。なお、画素Ｆ２〜Ｆ８に形成されている誘電体層５−１，５−３と層間膜５−２とが透過する光の帯域は図２１に示す通りである。
以下、特許文献２に記載されている技術について図２２を用いて説明する。図２２は、従来知られている、撮像素子を２層積層し、上層を透過した光を用いて下層でも撮像を行うハイブリッド構造の撮像素子を示した断面図である。図示する例では、第１基板２２１と第２基板２２２とが積層されている。上層の第１基板２２１には、第１フォトダイオード２２３−１〜２２３−ｍが形成されている。下層の第２基板２２２には、第２フォトダイオード２２４−１〜２２４−ｍが形成されている。
この構成により、上層の第１基板２２１に形成された第１フォトダイオード２２３−１〜２２３−ｍを透過した光を、下層の第２基板２２２に形成された第２フォトダイオード２２４−１〜２２４−ｍで受光することができる。よって、第１基板２２１に形成された第１フォトダイオード２２３−１〜２２３−ｍと、第２基板２２２に形成された第２フォトダイオード２２４−１〜２２４−ｍとで同時に撮像することができる。
以下、特許文献１に記載された技術と特許文献２に記載された技術とを組み合わせた例について説明する。図２３は２層積層の撮像素子の下層基板に、ファブリーペローフィルタを構成した撮像素子を示した断面図である。図示する例では、撮像素子２３０は、第１基板２３１と、第２基板２３２と、第１フォトダイオード２３３−１〜２３３−ｍと、第２フォトダイオード２３４−１〜２３４−ｍと、カラーフィルタ２３５−１〜２３５−ｍと、ファブリーペローフィルタ２３６−１〜２３６−ｍと、マイクロレンズ２３７−１〜２３７−ｍとを備えている。
第１フォトダイオード２３３−１〜２３３−ｍは、第１基板２３１内に配置されている。カラーフィルタ２３５−１〜２３５−ｍは、第１フォトダイオード２３３−１〜２３３−ｍの受光面側に配置されている。なお、各第１フォトダイオード２３３−１〜２３３−ｍと、各カラーフィルタ２３５−１〜２３５−ｍとの組を第１画素２３９−１〜２３９−ｍとする。例えば、第１フォトダイオード２３３−１とカラーフィルタ２３５−１との組を第１画素１０９−１とする。
第２フォトダイオード２３４−１〜２３４−ｍは、第２基板２３２内に配置されている。ファブリーペローフィルタ２３６−１〜２３６−ｍは、第２フォトダイオード２３４−１〜２３４−ｍの受光面側に配置されている。なお、各第２フォトダイオード２３４−１〜２３４−ｍと、各ファブリーペローフィルタ２３６−１〜２３６−ｍとの組を第２画素２４０−１〜２４０−ｍとする。例えば、第２フォトダイオード２３４−１とファブリーペローフィルタ２３６−１との組を第２画素２４０−１とする。
マイクロレンズ２３７−１〜２３７−ｍは、第１画素２３９−１〜２３９−ｍに対応する、第１基板２３１の受光面側に配置されている。例えば、マイクロレンズ２３７−１は、第１画素２３９−１に対応する、第１基板２３１の受光面側に配置されている。第１基板２３１および第２基板２３２はシリコン基板である。また、第１基板２３１は入射された光のうち、一部の光を透過する。第１フォトダイオード２３３−１〜２３３−ｍは、露光量に応じた第１信号を出力する。第２フォトダイオード２３４−１〜２３４−ｍは、露光量に応じた第２信号を出力する。
カラーフィルタ２３５−１〜２３５−ｍの各々は、赤色（Ｒ）の光を透過するカラーフィルタＲと、緑色（Ｇ）の光を透過するカラーフィルタＧと、青色（Ｂ）の色の光を透過するカラーフィルタＢのいずれかである。カラーフィルタ２３５−１〜２３５−ｍの配列については後述する。
ファブリーペローフィルタ２３６−１〜２３６−ｍは、所定の狭帯域の光を透過する。例えば、ファブリーペローフィルタ２３６−１〜２３６−ｍは、８３０ｎｍを中心とする狭帯域の光を透過する。８３０ｎｍを中心とする狭帯域の光を透過するファブリーペローフィルタ２３６−１〜２３６−ｍをファブリーペローフィルタＦとする。マイクロレンズ２３７−１〜２３７−ｍは、入射光を集光し、対応する第１画素２３９−１〜２３９−ｍに照射する。
次に、カラーフィルタ２３５の配列とファブリーペローフィルタ２３６の配列について説明する。図２４は、カラーフィルタ２３５の配列と、ファブリーペローフィルタ２３６の配列とを示した概略図である。図示する例では、第１基板２３１には、６行６列の二次元状に規則的に配列された計３６個の第１画素２３９が含まれている。また、第２基板２３２には、６行６列の二次元状に規則的に配列された計３６個の第２画素２４０が含まれている。
図示するとおり、第１基板２３１には、ベイヤ配列でカラーフィルタ２３５（カラーフィルタＲ、カラーフィルタＧ、カラーフィルタＢ）が配列されている。また、第２基板２３２には、同一のファブリーペローフィルタ２３６（ファブリーペローフィルタＦ）が配列されている。
次に、カラーフィルタ２３５とファブリーペローフィルタ２３６との分光特性について説明する。図２５は、従来知られているカラーフィルタ２３５と、ファブリーペローフィルタ２３６の分光特性を示したグラフである。グラフの横軸は波長（ｎｍ）を示している。グラフの縦軸は透過率を示している。曲線２５０１は、カラーフィルタ２３５のうち、赤色（Ｒ）の光を透過するカラーフィルタＲの透過率を示している。曲線２５０２は、カラーフィルタ２３５のうち、緑色（Ｇ）の光を透過するカラーフィルタＢの透過率を示している。曲線２５０３は、カラーフィルタ２３５のうち、青色（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタＢの透過率を示している。曲線２５０４は、ファブリーペローフィルタ２３６の透過率を示している。
上述した構成により、第１基板２３１で、カラーフィルタ２３５の分光特性を持った信号を生成し、第２基板２３２でファブリーペローフィルタ２３６の分光特性を持った信号を同時に生成することができる。
米国特許第５１５９１９９号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００７５６０７号明細書
しかしながら、従来知られている撮像素子は次のような課題がある。例えば、実際の医療応用に必要な撮像装置は、患部を広角に観察することが求められる。そのため、撮像装置の主光学系に広角なレンズを使用すると、撮像素子に入射する光の入射角度は大きくなる。例えば、図２３および図２４に示したハイブリッド構造の撮像素子２３０と広角なレンズとを用いた場合、第２基板２３２に入射する光の角度が大きくなる。すなわち、ファブリーペローフィルタ２３６−１〜２３６−ｍに入射する光の角度が大きくなる。
図２６は、従来知られているファブリーペローフィルタの角度依存性を示したグラフである。グラフの横軸は波長（ｎｍ）を示している。グラフの縦軸は透過率を示している。曲線２６０１は、入射角が３０°の場合のファブリーペローフィルタの透過率を示している。曲線２６０２は、入射角が１５°の場合のファブリーペローフィルタの透過率を示している。曲線２６０３は、入射角が０°の場合のファブリーペローフィルタの透過率を示している。図示するとおり、ファブリーペローフィルタは、光が入射する角度が大きくなると透過帯域の中心波長が変化する。
従って、ファブリーペローフィルタ画素に入射する光の角度が大きくなると、ファブリーペローフィルタ画素を用いて、正確に興味の波長に対応した蛍光画像を撮像することができないという問題がある。
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、ハイブリッド構造の撮像素子において、興味の波長に対応した蛍光画像を高精度に撮像することができる撮像素子を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、第１基板と、前記第１基板に行列状に配置され、第１受光素子を各々有する、複数の第１画素と、前記第１基板の受光面側から見て、前記第１基板と重複する位置かつ前記第１基板の受光面側とは反対側に配置されている第２基板と、前記第２基板に行列状に配置され、第２受光素子と、前記第２受光素子の受光面側に配置されたファブリーペローフィルタとを各々有する、複数の第２画素と、前記第１基板と前記複数の第２画素の対応する１つとの間に各々配置され、前記受光面側を上面として凹型の形状を有する、複数の光学系と、を有することを特徴とする撮像素子である。
また、本発明の他の態様は、前記複数の第１画素の受光面側に各々配置された複数の第１マイクロレンズを有することを特徴とする撮像素子である。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記複数の光学系は、前記第１基板の前記受光面側とは反対側の面に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記複数の光学系の各々はマイクロレンズであることを特徴とする。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記ファブリーペローフィルタの各々は、複数種類の透過帯域のうち、いずれかの透過帯域を有することを特徴とする。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記複数の光学系は、層内レンズであることを特徴とする。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記複数の光学系のうち、前記第１基板の中心に近い位置に配置されている前記光学系ほど屈折力が小さく、前記第１基板の周辺に近い位置に配置されている前記光学系ほど屈折力が大きいことを特徴とする。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記複数の光学系のうち、撮像光学系の光軸に近い位置に配置されている前記光学系ほど屈折力が小さく、前記撮像光学系の光軸から遠い位置に配置されている前記光学系ほど屈折力が大きいことを特徴とする。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記第１画素の各々は、前記第１受光素子の受光面側に配置されたカラーフィルタを各々有し、前記カラーフィルタは、ベイヤ配列で配置され、前記複数の第２画素および前記複数の光学系は、前記第１基板の受光面側から見て青色の光を透過する前記カラーフィルタと重複するように配置されていることを特徴とする。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記第１画素の各々は、前記第１受光素子の受光面側に配置されたカラーフィルタを各々有し、前記カラーフィルタは、ベイヤ配列で配置され、緑色の光を透過するカラーフィルタが配置されている前記第１画素のうち、一部の前記第１画素をスルーホールとし、前記複数の第２画素および前記複数の光学系は、前記第１基板の受光面側から見て前記スルーホールと重複するように配置されていることを特徴とする。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記第１画素の各々は、前記第１受光素子の受光面側に配置されたカラーフィルタを各々有し、前記カラーフィルタは、ベイヤ配列で配置され、緑色の光を透過する前記カラーフィルタのうち一部の前記カラーフィルタを取り除き、前記複数の第２画素および前記複数の光学系は、前記第１基板の受光面側から見て前記カラーフィルタを取り除いた第１画素と重複するように配置されていることを特徴とする。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記第１基板と、前記複数の第１画素と、前記第２基板と、前記複数の第２画素と、前記複数の光学系とは、内視鏡スコープの先端に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、撮像素子は、第１基板と、複数の第１画素と、第２基板と、複数の第２画素と、複数の光学系とを有する。複数の第１画素は、第１基板に行列状に配置され、第１受光素子を各々有する。第２基板は、第１基板の受光面側から見て、第１基板と重複する位置かつ第１基板の受光面側とは反対側に配置されている。複数の第２画素は、第２基板に配置され、第２受光素子と、第２受光素子の受光面側に配置されたファブリーペローフィルタとを各々有する。複数の光学系は、第１基板と複数の第２画素の対応する１つとの間に各々配置され、受光面側を上面として凹型の形状を有する。従って、ハイブリッド構造の撮像素子において、興味の波長に対応した蛍光画像を高精度に撮像することができる。
本発明の第１の実施形態における撮像素子の断面を示した断面図である。 本発明の第１の実施形態におけるカラーフィルタの配列と、ファブリーペローフィルタの配列とを示した概略図である。 本発明の第１の実施形態におけるカラーフィルタと、ファブリーペローフィルタの分光特性を示したグラフである。 本発明の第１の実施形態における撮像装置の構成を示したブロック図である。 本発明の第１の実施形態における撮像装置の駆動タイミングを示したタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態において、第１基板に照射される光の入射角を変更した場合のファブリーペローフィルタの透過率を示したグラフである。 本発明の第２の実施形態における撮像素子の断面を示した断面図である。 本発明の第２の実施形態におけるカラーフィルタの配列と、ファブリーペローフィルタの配列とを示した概略図である。 本発明の第２の実施形態におけるカラーフィルタと、ファブリーペローフィルタの分光特性を示したグラフである。 本発明の第３の実施形態における撮像素子の断面を示した断面図である。 本発明の第４の実施形態における撮像素子の断面を示した断面図である。 本発明の第５の実施形態における撮像素子の断面を示した断面図である。 本発明の第６の実施形態におけるカラーフィルタを備えた第１画素の配列と、ファブリーペローフィルタを備えた第２画素の配列とを示した概略図である。 本発明の第６の実施形態における撮像素子のうち、カラーフィルタＢが配置されている第１画素が形成されている箇所の断面を示した断面図である。 本発明の第７の実施形態におけるカラーフィルタを備えた第１画素およびスルーホールの配列と、ファブリーペローフィルタを備えた第２画素の配列とを示した概略図である。 本発明の第７の実施形態における撮像素子のうち、スルーホールが形成されている箇所の断面を示した断面図である。 本発明の第８の実施形態におけるカラーフィルタを備えた第１画素およびクリアフィルタが配置されている第１画素の配列と、ファブリーペローフィルタを備えた第２画素の配列とを示した概略図である。 本発明の第８の実施形態における撮像素子のうち、クリアフィルタが配置されている第１画素が形成されている箇所の断面を示した断面図である。 本発明の第９の実施形態における内視鏡装置の構成を示したブロック図である。 従来知られているイメージセンサの画素上にファブリーペローフィルタを形成した画素の例を示した概略図である。 従来知られているファブリーペローフィルタが透過する光の波長を示したグラフである。 従来知られている、撮像素子を２層積層し、上層を透過した光を用いて下層でも撮像を行うハイブリッド構造の撮像素子を示した断面図である。 ２層積層の撮像素子の下層基板に、ファブリーペローフィルタを構成した撮像素子を示した断面図である。 カラーフィルタの配列と、ファブリーペローフィルタの配列とを示した概略図である。 従来知られているカラーフィルタと、ファブリーペローフィルタの分光特性を示したグラフである。 従来知られているファブリーペローフィルタの角度依存性を示したグラフである。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。初めに、撮像素子１００の構成について説明する。図１は、本実施形態における撮像素子１００の断面を示した断面図である。図示する例では、撮像素子１００は、第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｍ（第１受光素子）と、第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｍ（第２受光素子）と、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｍと、ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍと、第１マイクロレンズ１０７−１〜１０７−ｍと、第２マイクロレンズ１０８−１〜１０８−ｍ（光学系）とを備えている。また、入射光が照射される側を受光面とする。
第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｍは、第１基板１０１内に配置されている。カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｍは、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｍの受光面側に配置されている。なお、各第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｍと、各カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｍとの組を第１画素１０９−１〜１０９−ｍとする。例えば、第１フォトダイオード１０３−１とカラーフィルタ１０５−１との組を第１画素１０９−１とする。
第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｍは、第２基板１０２内に配置されている。ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍは、第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｍの受光面側に配置されている。なお、各第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｍと、各ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍとの組を第２画素１１０−１〜１１０−ｍとする。例えば、第２フォトダイオード１０４−１とファブリーペローフィルタ１０６−１との組を第２画素１１０−１とする。
第１マイクロレンズ１０７−１〜１０７−ｍは、第１画素１０９−１〜１０９−ｍに対応する、第１基板１０１の受光面側に配置されている。例えば、第１マイクロレンズ１０７−１は、第１画素１０９−１に対応する、第１基板１０１の受光面側に配置されている。第２マイクロレンズ１０８−１〜１０８−ｍは、第１基板１０１と、対応する第２画素１１０−１〜１１０−ｍとの間に配置されている。例えば、第２マイクロレンズ１０８−１は、第１基板１０１と、対応する第２画素１１０−１との間に配置されている。
第１基板１０１および第２基板１０２はシリコン基板である。また、第１基板１０１は入射された光のうち、一部の光を透過する。第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｍは、露光量に応じた第１信号を出力する。第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｍは、露光量に応じた第２信号を出力する。
カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｍの各々は、赤色（Ｒ）の光を透過するカラーフィルタＲと、緑色（Ｇ）の光を透過するカラーフィルタＧと、青色（Ｂ）の色の光を透過するカラーフィルタＢのいずれかである。カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｍの配列については後述する。
ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍは、所定の狭帯域の光を透過する。本実施形態では、ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍは、８３０ｎｍを中心とする狭帯域の光を透過する。８３０ｎｍを中心とする狭帯域の光を透過するファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍをファブリーペローフィルタＦとする。
第１マイクロレンズ１０７−１〜１０７−ｍは、入射光を集光し、対応する第１画素１０９−１〜１０９−ｍに照射する。第２マイクロレンズ１０８−１〜１０８−ｍは、受光面側を上面として凹型の形状を有し、負の屈折力を有するマイクロレンズである。第２マイクロレンズ１０８−１〜１０８−ｍは、第１画素１０９−１〜１０９−ｍを透過した光を略コリメートする。すなわち、第２マイクロレンズ１０８−１〜１０８−ｍは、第１画素１０９−１〜１０９−ｍを透過した光を、対応する第２画素１１０−１〜１１０−ｍの受光面に垂直に照射されるように屈折させる。
次に、カラーフィルタ１０５の配列とファブリーペローフィルタ１０６の配列について説明する。図２は、本実施形態におけるカラーフィルタ１０５の配列と、ファブリーペローフィルタ１０６の配列とを示した概略図である。図示する例では、第１基板１０１には、６行６列の二次元状に規則的に配列された計３６個の第１画素１０９が含まれている。また、第２基板１０２には、６行６列の二次元状に規則的に配列された計３６個の第２画素１１０が含まれている。なお、第１基板１０１に含まれる第１画素１０９と第２基板１０２に含まれる第２画素１１０との数および配列は図示する例に限らず、どのような数および配列でもよい。
図示するとおり、第１基板１０１には、ベイヤ配列でカラーフィルタ１０５（カラーフィルタＲ、カラーフィルタＧ、カラーフィルタＢ）が配列されている。また、第２基板１０２には、同一のファブリーペローフィルタ１０６（ファブリーペローフィルタＦ）が配列されている。
次に、カラーフィルタ１０５とファブリーペローフィルタ１０６との分光特性について説明する。図３は、本実施形態におけるカラーフィルタ１０５と、ファブリーペローフィルタ１０６の分光特性を示したグラフである。グラフの横軸は波長（ｎｍ）を示している。グラフの縦軸は透過率を示している。曲線３１は、カラーフィルタ１０５のうち、赤色（Ｒ）の光を透過するカラーフィルタＲの透過率を示している。曲線３２は、カラーフィルタ１０５のうち、緑色（Ｇ）の光を透過するカラーフィルタＢの透過率を示している。曲線３３は、カラーフィルタ１０５のうち、青色（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタＢの透過率を示している。曲線３４は、ファブリーペローフィルタ１０６の透過率を示している。
図示するとおり、カラーフィルタＲは、波長が６１０ｎｍの光を最も透過する。カラーフィルタＧは、５４０ｎｍを中心とする帯域の光を透過する。カラーフィルタＢは、４６０ｎｍを中心とする帯域の光を透過する。ファブリーペローフィルタ１０６は、８３０ｎｍを中心とする狭帯域の光を透過する。
次に、撮像装置１の構成について説明する。図４は、本実施形態における撮像装置１の構成を示したブロック図である。撮像装置１は、駆動部４０１と、撮像素子１００と、第１信号読み出し部４０２と、第２信号読み出し部４０３と、信号処理部４０４と、信号出力端子４０５とを備えている。駆動部４０１は、撮像素子１００と、第１信号読み出し部４０２と、第２信号読み出し部４０３とを駆動する。第１信号読み出し部４０２は、撮像素子１００の第１画素１０９が生成した第１画素信号を読み出し、信号処理部４０４に対して出力する。第２信号読み出し部４０３は、撮像素子１００の第２画素１１０が生成した第２画素信号を読み出し、信号処理部４０４に対して出力する。
信号処理部４０４は、第１信号読み出し部４０２から入力された第１画素信号に基づいて、第１画像を生成する。第１画素信号は、赤色の光の強度に応じたＲ信号と、緑色の光の強度に応じたＧ信号と、青色の光の強度に応じたＢ信号である。すなわち、第１画素信号はＲＧＢ信号である。よって、信号処理部４０４が生成する第１画像は、ＲＧＢ画像である。また、信号処理部４０４は、第２信号読み出し部４０３から入力された第２画素信号に基づいて、第２画像を生成する。第２画素信号は、８３０ｎｍを中心とする狭帯域の光の強度に応じた蛍光信号である。よって、信号処理部４０４が生成する第２像画像は、蛍光画像である。また、信号処理部４０４は、生成した第１画像と第２画像とを信号出力端子４０５から出力する。
次に、撮像装置１の駆動方法について説明する。図５は、本実施形態における撮像装置１の駆動タイミングを示したタイミングチャートである。図示する例では、第１画素１０９の駆動タイミングを示したタイミングチャート５０１と、第２画素１１０の駆動タイミングを示したタイミングチャート５０２とを示している。なお、タイミングチャートの横軸は時間である。
図示する通り、本実施形態では、第１画素１０９の電荷蓄積時間（露光時間）は、第２画素１１０の電荷蓄積時間（露光時間）よりも長い。これは、第２画素１１０には、第１画素１０９を透過した光のみが照射されるため、第２画素１１０に照射される光量が第１画素１０９に照射される光量よりも小さいためである。また、カラーフィルタ１０５を備えている第１画素１０９に比べて、ファブリーペローフィルタ１０６を備えている第２画素１１０が検出する光の帯域が狭く感度が低いためである。なお、本実施形態では、ＲＧＢ画像と蛍光画像とのフレームレートが同一のフレームレートとなるように、各画素から信号を読み出す時間である読み出し時間を設定している。
次に、第１基板１０１に照射される光の入射角を変更した場合のファブリーペローフィルタ１０６の透過率について説明する。図６は、本実施形態において、第１基板１０１に照射される光の入射角を変更した場合のファブリーペローフィルタ１０６の透過率を示したグラフである。グラフの横軸は波長（ｎｍ）を示している。グラフの縦軸は透過率を示している。
曲線６１は、第１基板１０１に照射される光の入射角が０°の場合のファブリーペローフィルタ１０６の透過率を示している。曲線６２は、第１基板１０１に照射される光の入射角が１５°の場合のファブリーペローフィルタ１０６の透過率を示している。曲線６３は、第１基板１０１に照射される光の入射角が３０°の場合のファブリーペローフィルタ１０６の透過率を示している。図示するとおり、第１基板１０１に照射される光の入射角が変化した場合においても、ファブリーペローフィルタ１０６の透過帯域の中心波長は８３０ｎｍから変化しない。
本実施形態では、第２マイクロレンズ１０８は、第１画素１０９を透過した光を略コリメートする。すなわち、第２マイクロレンズ１０８は、対応する第１画素１０９を透過した光を、対応する第２画素１１０の受光面に垂直に照射されるように屈折させる。従って、図６に示す通り、第１基板１０１に照射される光の入射角が変化した場合においても、ファブリーペローフィルタ１０６の透過帯域の中心波長は８３０ｎｍから変化しない。
上述したとおり、本実施形態によれば、第１基板１０１と第２基板１０２とを積層している。また、第２基板１０２は、第１基板１０１の受光面側から見て、第１基板１０１と重複する位置かつ第１基板１０１の受光面側とは反対側に配置されている。また、第１基板１０１は光を透過する。また、第１基板１０１を透過した光は、第２基板１０２に照射される。
これにより、第１基板１０１の第１画素１０９と、第２基板１０２の第２画素１１０とは同時に露光することができる。すなわち、第１画素１０９による第１信号の生成と、第２画素１１０による第２信号の生成とを同時に行うことができる。従って、信号処理部４０４は、第１信号に基づいた第１画像と、第２信号に基づいた第２画像とを同時に生成することができる。
また、本実施形態によれば、第２マイクロレンズ１０８は、第１基板１０１と、対応する第２画素１１０との間に配置されている。また、第２マイクロレンズ１０８は、第１画素１０９を透過した光を略コリメートする。すなわち、第２マイクロレンズ１０８は、第１画素１０９を透過した光を、対応する第２画素１１０の受光面に垂直に照射されるように屈折させる。
これにより、第１基板１０１に照射される光の入射角が０°や、１５°や、３０°など、どのような角度で入射されても、第１画素１０９を透過した光は、第２画素１１０の受光面に垂直に照射される。よって、第１基板１０１に照射される光の入射角が変化した場合においても、ファブリーペローフィルタ１０６の透過帯域の中心波長は８３０ｎｍから変化しない。従って、撮像装置１は、興味の波長に対応した第２画像（蛍光画像）を高精度に撮像することができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態における撮像素子１００と本実施形態における撮像素子とで異なる点は、複数種類のファブリーペローフィルタを備える点である。なお、その他の撮像装置および撮像素子の構成は、第１の実施形態と同様である。また、本実施形態における撮像装置および撮像素子の動作は、第１の実施形態と同様である。
図７は、本実施形態における撮像素子２００の断面を示した断面図である。図示する例では、撮像素子２００は、第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｍと、第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｍと、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｍと、ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍと、第１マイクロレンズ１０７−１〜１０７−ｍと、第２マイクロレンズ１０８−１〜１０８−ｍとを備えている。
第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｍと、第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｍと、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｍと、第１マイクロレンズ１０７−１〜１０７−ｍと、第２マイクロレンズ１０８−１〜１０８−ｍとは、第１の実施形態と同様である。
ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍは、所定の狭帯域の光を透過する。ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍの各々は、７５０ｎｍを中心とする狭帯域の光を透過するファブリーペローフィルタＦ１と、８３０ｎｍを中心とする狭帯域の光を透過するファブリーペローフィルタＦ２とのいずれかである。
次に、カラーフィルタ１０５の配列とファブリーペローフィルタ１０６の配列について説明する。図８は、本実施形態におけるカラーフィルタ１０５の配列と、ファブリーペローフィルタ１０６の配列とを示した概略図である。図示する例では、第１基板１０１には、６行６列の二次元状に規則的に配列された計３６個の第１画素１０９が含まれている。また、第２基板１０２には、６行６列の二次元状に規則的に配列された計３６個の第２画素１１０が含まれている。なお、第１基板１０１に含まれる第１画素１０９と第２基板１０２に含まれる第２画素１１０との数および配列は図示する例に限らず、どのような数および配列でもよい。
図示するとおり、第１基板１０１には、ベイヤ配列でカラーフィルタ１０５（カラーフィルタＲ、カラーフィルタＧ、カラーフィルタＢ）が配列されている。また、第２基板１０２には、同一のファブリーペローフィルタ１０６（ファブリーペローフィルタＦ１、ファブリーペローフィルタＦ２）が隣接しないように交互に配列されている。
次に、カラーフィルタ１０５とファブリーペローフィルタ１０６との分光特性について説明する。図９は、本実施形態におけるカラーフィルタ１０５と、ファブリーペローフィルタ１０６の分光特性を示したグラフである。グラフの横軸は波長（ｎｍ）を示している。グラフの縦軸は透過率を示している。
曲線９１は、カラーフィルタ１０５のうち、赤色（Ｒ）の光を透過するカラーフィルタＲの透過率を示している。曲線９２は、カラーフィルタ１０５のうち、緑色（Ｇ）の光を透過するカラーフィルタＢの透過率を示している。曲線９３は、カラーフィルタ１０５のうち、青色（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタＢの透過率を示している。曲線９４は、ファブリーペローフィルタ１０６のうち、７５０ｎｍを中心とする狭帯域の光を透過するファブリーペローフィルタＦ１の透過率を示している。曲線９５は、ファブリーペローフィルタ１０６のうち、８３０ｎｍを中心とする狭帯域の光を透過するファブリーペローフィルタＦ２の透過率を示している。
上述したとおり、撮像素子２００は、透過帯域が異なる複数種類のファブリーペローフィルタ１０６を備えている。よって、第２画素１１０は、複数種類の波長の強度に応じた第２信号を生成することができる。従って、信号処理部４０４は、複数種類の波長の強度に応じた蛍光画像を生成することができる。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第２の実施形態における撮像素子２００と本実施形態における撮像素子とで異なる点は、第２マイクロレンズ１０８−１〜１０８−ｍの代わりに層内レンズを用いている点である。また、本実施形態では、層内レンズを構成するために、配線層と保護層とを用いている。なお、その他の撮像装置および撮像素子の構成は、第２の実施形態と同様である。また、本実施形態における撮像装置および撮像素子の動作は、第２の実施形態と同様である。
図１０は、本実施形態における撮像素子３００の断面を示した断面図である。図示する例では、撮像素子３００は、第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｍと、第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｍと、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｍと、ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍと、第１マイクロレンズ１０７−１〜１０７−ｍと、層内レンズ３０１（光学系）と、配線層３０２と、保護層３０３−１〜３０３−ｍとを備えている。
第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｍと、第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｍと、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｍと、ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍと、第１マイクロレンズ１０７−１〜１０７−ｍとは第２の実施形態と同様である。
配線層３０２は、第２基板１０２の第２画素１１０間に形成された層である。また、配線層３０２は、第２画素１１０に照射された光が他の第２画素１１０に照射されないように遮光する。保護層３０３−１〜３０３−ｍは、ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍの受光面側に形成された層である。保護層３０３−１〜３０３−ｍは、ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍを保護する。保護層３０３−１〜３０３−ｍは、光を透過する素材であればどのような素材でもよい。
層内レンズ３０１は、第２の基板１０２内に形成されるレンズである。例えば、層内レンズ３０１は、第２画素１１０間に形成された配線層３０２と、保護層３０３−１〜３０３−ｍとで構成される凹型の形状に、光を透過する材料を充填して形成される。なお、各第２画素１１０と、層内レンズ３０１との間の距離が一定になるように、各保護層３０３−１〜３０３−ｍの厚みを設定する。
層内レンズ３０１は、受光面側を上面として凹型の形状を有し、負の屈折力を有するレンズである。層内レンズ３０１は、第１画素１０９−１〜１０９−ｍを透過した光を略コリメートする。すなわち、層内レンズ３０１は、第１画素１０９−１〜１０９−ｍを透過した光を、対応する第２画素１１０−１〜１１０−ｍの受光面に垂直に照射されるように屈折させる。
上述したとおり、本実施形態では、第２マイクロレンズ１０８の代わりに層内レンズ３０１を用いている。層内レンズ３０１は、第２基板１０２内に構成することができる。従って、第１基板１０１と第２基板１０２との間の距離を短くすることができ、撮像素子３００厚みを薄くすることができる。
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。第２の実施形態における撮像素子２００と本実施形態における撮像素子とで異なる点は、第２マイクロレンズの構造である。なお、その他の撮像装置および撮像素子の構成は、第２の実施形態と同様である。また、本実施形態における撮像装置および撮像素子の動作は、第２の実施形態と同様である。
図１１は、本実施形態における撮像素子４００の断面を示した断面図である。図示する例では、撮像素子４００は、第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｍと、第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｍと、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｍと、ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍと、第１マイクロレンズ１０７−１〜１０７−ｍと、第２マイクロレンズ４０８−１〜４０８−ｍとを備えている。
第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｍと、第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｍと、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｍと、ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍと、第１マイクロレンズ１０７−１〜１０７−ｍとは第２の実施形態と同様である。
第２マイクロレンズ４０８−１〜４０８−ｍは、屈折率の分布でマイクロレンズの機能を持たせた光学系である。第２マイクロレンズ４０８−１〜４０８−ｍは、中心の屈折率が低く、周辺にいくに従って屈折率が高くなる材料で形成されている。また、材料によって屈折率を変更しているため、第２マイクロレンズ４０８−１〜４０８−ｍの形状は平らである。
第２マイクロレンズ４０８−１〜４０８−ｍは、屈折率をレンズ内の位置に応じて変更することで、第２の実施形態における第２マイクロレンズ１０８−１〜１０８−ｍと同様の機能を有する。具体的には、第２マイクロレンズ４０８−１〜４０８−ｍは、第１画素１０９−１〜１０９−ｍを透過した光を略コリメートする。すなわち、第２マイクロレンズ４０８−１〜４０８−ｍは、第１画素１０９−１〜１０９−ｍを透過した光を、対応する第２画素１１０−１〜１１０−ｍの受光面に垂直に照射されるように屈折させる。
上述したとおり、本実施形態では、屈折率の分布でマイクロレンズの機能を持たせた光学系である第２マイクロレンズ４０８−１〜４０８−ｍを用いる。また、第２マイクロレンズ４０８−１〜４０８−ｍの形状は平らである。従って、第１基板１０１と第２基板１０２との間の距離を短くすることができ、撮像素子４００厚みを薄くすることができる。
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態における撮像素子と、第２の実施形態における撮像素子２００とで異なる点は、第２マイクロレンズの配置に応じて屈折力を変更する点である。なお、その他の撮像装置および撮像素子の構成は、第２の実施形態と同様である。また、本実施形態における撮像装置および撮像素子の動作は、第２の実施形態と同様である。
図１２は、本実施形態における撮像素子５００の断面を示した断面図である。図示する例では、撮像素子５００は、第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｃ〜１０３−ｍと、第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｃ〜１０４−ｍと、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｃ〜１０５−ｍと、ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｃ〜１０６−ｍと、第１マイクロレンズ１０７−１〜１０７−ｃ〜１０７−ｍと、第２マイクロレンズ５０８−１〜５０８−ｃ〜５０８−ｍとを備えている。
第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｃ〜１０３−ｍと、第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｃ〜１０４−ｍと、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｃ〜１０５−ｍと、ファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｃ〜１０６−ｍと、第１マイクロレンズ１０７−１〜１０７−ｃ〜１０７−ｍとは第２の実施形態と同様である。
第２マイクロレンズ５０８−１〜５０８−ｍは、受光面側を上面として凹型の形状を有し、負の屈折力を有するマイクロレンズである。第２マイクロレンズ５０８−１〜５０８−ｃ〜５０８−ｍは、配置されている位置に応じて屈折力が異なっている。具体的には、二次元状に配列されている第２マイクロレンズ５０８のうち、中央に近い位置に配置されている第２マイクロレンズ５０８ほど屈折力を低くする。また、二次元状に配列されている第２マイクロレンズ５０８のうち、外側に近い位置に配置されている第２マイクロレンズ５０８ほど屈折力を高くする。
また、撮像素子５００を撮像装置１に用いた場合、撮像装置１の撮像光学系の光軸は、二次元状に配列されている第２マイクロレンズ５０８のうち、中央となる。よって、撮像光学系の光軸を基準にした場合、二次元状に配列されている第２マイクロレンズ５０８のうち、撮像光学系の光軸に近い位置に配置されている第２マイクロレンズ５０８ほど屈折力を低くする。また、二次元状に配列されている第２マイクロレンズ５０８のうち、撮像光学系の光軸から離れている位置に配置されている第２マイクロレンズ５０８ほど屈折力を高くする。
図示する例では、第２マイクロレンズ５０８−１，５０８−ｍは、最も外側に近い位置に配置されている。また、第２マイクロレンズ５０８−ｃは、最も中央に近い位置に配置されている。従って、第２マイクロレンズ５０８−１〜５０８−ｍのうち、第２マイクロレンズ５０８−１、５０３−ｍの屈折力が一番高い。また、第２マイクロレンズ５０８−１〜５０８−ｍのうち、第２マイクロレンズ５０８−ｃの屈折力が一番低い。
この構成により、撮像素子５００内における光の入射角度の変化にも対応し、各第２画素１１０−１〜１１０−ｃ〜１１０−ｍの受光面に対して、より垂直に光を照射することができる。従って、従って、撮像素子５００を備えた撮像装置１は、興味の波長に対応した第２画像（蛍光画像）をより高精度に撮像することができる。
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。本実施形態における撮像素子と、第２の実施形態における撮像素子２００とで異なる点は、青色の光を透過するカラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９を透過した光のみを第２画素に照射させる点である。なお、その他の撮像装置および撮像素子の構成は、第２の実施形態と同様である。また、本実施形態における撮像装置および撮像素子の動作は、第２の実施形態と同様である。
図１３は、本実施形態におけるカラーフィルタ１０５を備えた第１画素１０９の配列と、ファブリーペローフィルタ６０６を備えた第２画素６１０の配列とを示した概略図である。図示する例では、第１基板１０１には、６行６列の二次元状に規則的に配列された計３６個の第１画素１０９が含まれている。また、第２基板１０２には、３行３列の二次元状に規則的に配列された計９個の第２画素６１０が含まれている。
本実施形態では、青色の光を透過するカラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９を透過した光のみを第２画素６１０に照射させる。カラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９の数は、全ての第１画素１０９の４分の１である。よって、カラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９に対応する第２画素６１０の数は、第１画素１０９の数の４分の１である。また、第２画素６１０の数は、第１画素１０９の数の４分の１であるため、第２画素６１０の面積を４倍にすることができる。
この構成により、カラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９と、第２画素６１０とを１対１で対応させることができる。なお、第１基板１０１に含まれる第１画素１０９と第２基板１０２に含まれる第２画素６１０との数および配列は図示する例に限らず、どのような数および配列でもよい。
また、図示するとおり、第１基板１０１には、ベイヤ配列でカラーフィルタ１０５（カラーフィルタＲ、カラーフィルタＧ、カラーフィルタＢ）が配列されている。また、第２基板１０２には、同一のファブリーペローフィルタ６０６（ファブリーペローフィルタＦ１、ファブリーペローフィルタＦ２）が隣接しないように交互に配列されている。
図１４は、本実施形態における撮像素子６００のうち、カラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９が形成されている箇所の断面を示した断面図である。図示する例では、撮像素子６００は、第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−αと、第２フォトダイオード６０４−βと、カラーフィルタ１０５−αと、ファブリーペローフィルタ６０６−βと、第１マイクロレンズ１０７−αと、第２マイクロレンズ６０８−βとを備えている。
第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−αと、第１マイクロレンズ１０７−αとは第２の実施形態と同様である。第２フォトダイオード６０４−βの面積は、第２の実施形態における第２フォトダイオード１０４−１〜１０４−ｍの面積の４倍である。ファブリーペローフィルタ６０６−βの面積は、第２の実施形態におけるファブリーペローフィルタ１０６−１〜１０６−ｍの面積の４倍である。
第２マイクロレンズ６０８−βは、負の屈折力を有するマイクロレンズである。第２マイクロレンズ６０８−βは、第１画素１０９−１〜１０９−ｍのうち、青色の光を透過するカラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９を透過した光のみを、対応する第２画素６１０−βの受光面全体に照射させる。また、第２マイクロレンズ６０８−βは、青色の光を透過するカラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９を透過した光を略コリメートする。すなわち、第２マイクロレンズ６０８−βは、第１画素１０９−１〜１０９−ｍのうち、青色の光を透過するカラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９を透過した光のみを、対応する第２画素６１０−βの受光面全体に垂直に照射されるように屈折させる。
上述したとおり、第２マイクロレンズ６０８は、第１画素１０９のうち、青色の光を透過するカラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９を透過した光のみを、対応する第２画素６１０の受光面全体に垂直に照射させる。青色の光を透過するカラーフィルタＢは、より多くの光を透過する。さらに、第２画素６１０の面積を大きくすることができる。よって、第２画素６１０は、より多くの光を受光することができる。従って、
ファブリーペローフィルタ６０６を備えているため検出する光の帯域が狭く感度が低い第２画素６１０であっても、十分な第２信号を出力することができる。
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。本実施形態における撮像素子と、第６の実施形態における撮像素子６００とで異なる点は、青色の光を透過するカラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９のうち、一部をスルーホールに変更している点である。なお、その他の撮像装置および撮像素子の構成は、第６の実施形態と同様である。また、本実施形態における撮像装置および撮像素子の動作は、第６の実施形態と同様である。
図１５は、本実施形態におけるカラーフィルタ１０５を備えた第１画素１０９およびスルーホール７０９の配列と、ファブリーペローフィルタ６０６を備えた第２画素６１０の配列とを示した概略図である。図示する例では、第１基板１０１には、６行６列の二次元状に規則的に配列された３２個の第１画素１０９と４個のスルーホール７０９とが含まれている。また、第２基板１０２には、３行３列の二次元状に規則的に配列された計９個の第２画素６１０が含まれている。
本実施形態では、青色の光を透過するカラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９またはスルーホール７０９を透過した光のみを第２画素６１０に照射させる。この構成により、カラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９およびスルーホール７０９と、第２画素６１０とを１対１で対応させることができる。なお、第１基板１０１に含まれる第１画素１０９およびスルーホール７０９と、第２基板１０２に含まれる第２画素６１０との数および配列は図示する例に限らず、どのような数および配列でもよい。
また、図示するとおり、第１基板１０１には、スルーホール７０９が形成されている箇所を除き、ベイヤ配列でカラーフィルタ１０５（カラーフィルタＲ、カラーフィルタＧ、カラーフィルタＢ）が配列されている。また、第２基板１０２には、同一のファブリーペローフィルタ６０６（ファブリーペローフィルタＦ１、ファブリーペローフィルタＦ２）が隣接しないように交互に配列されている。
図１６は、本実施形態における撮像素子７００のうち、スルーホール７０９が形成されている箇所の断面を示した断面図である。図示する例では、撮像素子７００は、第１基板１０１と、第２基板１０２と、スルーホール７０９−αと、第２フォトダイオード６０４−βと、ファブリーペローフィルタ６０６−βと、第１マイクロレンズ１０７−αと、第２マイクロレンズ６０８−βとを備えている。
第１基板１０１と、第２基板１０２と、第２フォトダイオード６０４−βと、ファブリーペローフィルタ６０６−βと、第１マイクロレンズ１０７−αと、第２マイクロレンズ６０８−βとは、第６の実施形態と同様である。スルーホール７０９は、例えば空洞である。スルーホール７０９は、光の吸収や反射を行うことなく、入射された光をそのまま透過する。なお、カラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９が形成されている箇所の断面は、第６の実施形態と同様である。
上述したとおり、第２マイクロレンズ６０８は、第１画素１０９のうち、青色の光を透過するカラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９またはスルーホール７０９を透過した光のみを、対応する第２画素６１０の受光面全体に垂直に照射させる。青色の光を透過するカラーフィルタＢは、より多くの光を透過する。また、スルーホール７０９は、入射された光をそのまま透過する。さらに、第２画素６１０の面積を大きくすることができる。よって、第２画素６１０は、より多くの光を受光することができる。従って、
ファブリーペローフィルタ６０６を備えているため検出する光の帯域が狭く感度が低い第２画素６１０であっても、十分な第２信号を出力することができる。
なお、スルーホール７０９を設けているため、第１画素１０９が欠けている領域が存在するが、信号処理部４０４は、デモザイキング処理を行うことで、第１信号に基づいた第１画像を生成することができる。
（第８の実施形態）
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。本実施形態における撮像素子と、第６の実施形態における撮像素子６００とで異なる点は、青色の光を透過するカラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９のうち、一部をクリアフィルタ８０５が配置されている第１画素８０９に変更している点である。なお、その他の撮像装置および撮像素子の構成は、第６の実施形態と同様である。また、本実施形態における撮像装置および撮像素子の動作は、第６の実施形態と同様である。
図１７は、本実施形態におけるカラーフィルタ１０５を備えた第１画素１０９およびクリアフィルタ８０５が配置されている第１画素８０９の配列と、ファブリーペローフィルタ６０６を備えた第２画素６１０の配列とを示した概略図である。図示する例では、第１基板１０１には、６行６列の二次元状に規則的に配列された３２個の第１画素１０９と４個の第１画素８０９とが含まれている。また、第２基板１０２には、３行３列の二次元状に規則的に配列された計９個の第２画素６１０が含まれている。
本実施形態では、青色の光を透過するカラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９またはクリアフィルタ８０５が配置されている第１画素８０９を透過した光のみを第２画素６１０に照射させる。この構成により、カラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９およびクリアフィルタ８０５が配置されている第１画素８０９と、第２画素６１０とを１対１で対応させることができる。なお、第１基板１０１に含まれる第１画素１０９および第１画素８０９と、第２基板１０２に含まれる第２画素６１０との数および配列は図示する例に限らず、どのような数および配列でもよい。
また、図示するとおり、第１基板１０１には、クリアフィルタ８０５が配置されている第１画素８０９が形成されている箇所を除き、ベイヤ配列でカラーフィルタ１０５（カラーフィルタＲ、カラーフィルタＧ、カラーフィルタＢ）が配列されている。また、第２基板１０２には、同一のファブリーペローフィルタ６０６（ファブリーペローフィルタＦ１、ファブリーペローフィルタＦ２）が隣接しないように交互に配列されている。
図１８は、本実施形態における撮像素子８００のうち、クリアフィルタ８０５が配置されている第１画素８０９が形成されている箇所の断面を示した断面図である。図示する例では、撮像素子８００は、第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−αと、クリアフィルタ８０５−αと、第２フォトダイオード６０４−βと、ファブリーペローフィルタ６０６−βと、第１マイクロレンズ１０７−αと、第２マイクロレンズ６０８−βとを備えている。
第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−αと、第２フォトダイオード６０４−βと、ファブリーペローフィルタ６０６−βと、第１マイクロレンズ１０７−αと、第２マイクロレンズ６０８−βとは、第６の実施形態と同様である。クリアフィルタ８０５は、光の吸収や反射を行うことなく、入射された光をそのまま透過する。なお、カラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９が形成されている箇所の断面は、第６の実施形態と同様である。
上述したとおり、第２マイクロレンズ６０８は、第１画素１０９のうち、青色の光を透過するカラーフィルタＢが配置されている第１画素１０９またはクリアフィルタ８０５が配置されている第１画素８０９を透過した光のみを、対応する第２画素６１０の受光面全体に垂直に照射させる。青色の光を透過するカラーフィルタＢは、より多くの光を透過する。また、クリアフィルタ８０５は、入射された光をそのまま透過する。さらに、第２画素６１０の面積を大きくすることができる。よって、第２画素６１０は、より多くの光を受光することができる。従って、ファブリーペローフィルタ６０６を備えているため検出する光の帯域が狭く感度が低い第２画素６１０であっても、十分な第２信号を出力することができる。また、クリアフィルタ８０５が配置されている第１画素８０９は、スルーホール７０９よりも容易に形成することができる。
なお、クリアフィルタ８０５が配置されている第１画素８０９を設けているため、第１画素１０９が欠けている領域が存在するが、信号処理部４０４は、デモザイキング処理を行うことで、第１信号に基づいた第１画像を生成することができる。
（第９の実施形態）
次に、本発明の第９の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態〜第８の実施形態に記載した撮像装置のうち、いずれかを内蔵した内視鏡装置について説明する。
図１９は、本実施形態における内視鏡装置の構成を示したブロック図である。図示する例では、内視鏡装置９００は、内視鏡スコープ９０１と、演算部９０２と、モニタ９０３と、光源部９０４とを備えている。演算部９０２は、内視鏡装置９００の各部の制御を行う。モニタ９０３は、例えば液晶ディスプレイであり、画像を表示する。光源部９０４は、例えはＬＥＤであり、光を発する。
内視鏡スコープ９０１は、撮像装置９０１１と、撮像レンズ９０１２と、ライトガイド９０１３と、照明レンズ９０１４とを備えている。撮像装置９０１１は、第１の実施形態〜第８の実施形態に記載した撮像装置のいずれかである。撮像装置９０１１は、内視鏡スコープ９０１の先端部に配置されている。また、撮像レンズ９０１２は、撮像装置９０１１の受光面側に配置されている。また、照明レンズ９０１４は、内視鏡スコープ９０１の先端部に配置されている。
ライトガイド９０１３は、光源部９０４が発した光を照明レンズ９０１４に照射する。照明レンズ９０１４は、ライトガイド９０１３から照射される光を集光し、被写体に照射する。撮像レンズ９０１２は、被写体からの光を集光し、撮像装置９０１１に照射する。撮像装置９０１１は、撮像レンズ９０１２により照射された光に基づいて、第１画像と第２画像とを生成する。演算部９０２は、撮像装置９０１１が生成した第１画像と第２画像とを、モニタ９０３に表示させる。
例えば、第１の実施形態〜第８の実施形態に記載した撮像装置は、小型化にしつつ、高精度なＲＧＢ画像と蛍光画像とを同時に撮像することができる。よって、第１の実施形態〜第８の実施形態に記載した撮像装置を内視鏡装置９００に用いることで、高精度なＲＧＢ画像と蛍光画像とを同時に撮像することができる。例えば、高精度なＲＧＢ画像と蛍光画像とを、がん診断や外科手術時の血管観察に役立てることができる。
以上、この発明の第１の実施形態〜第９の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、各実施形態で示した構成を組み合わせてもよい。
１，９０１１・・・撮像装置、１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００・・・撮像素子、１０１・・・第１基板、１０２・・・第２基板、１０３・・・第１フォトダイオード、１０４，６０４・・・第２フォトダイオード、１０５・・・カラーフィルタ、１０６，６０６・・・ファブリーペローフィルタ、１０７・・・第１マイクロレンズ、１０８，４０８，５０８，６０８・・・第２マイクロレンズ、１０９，８０９・・・第１画素、１１０，６１０・・・第２画素、３０１・・・層内レンズ、３０２・・・配線層、３０３・・・保護層、４０１・・・駆動部、４０２・・・第１信号読み出し部、４０３・・・第２信号読み出し部、４０４・・・信号処理部、４０５・・・信号出力端子、７０９・・・スルーホール、８０５・・・クリアフィルタ、９００・・・内視鏡装置、９０１・・・内視鏡スコープ、９０２・・・演算部、９０３・・・モニタ、９０４・・・光源部、９０１２・・・撮像レンズ、９０１３・・・ライトガイド、９０１４・・・照明レンズ

Claims (12)

  1. 第１基板と、
    前記第１基板に行列状に配置され、第１受光素子を各々有する、複数の第１画素と、
    前記第１基板の受光面側から見て、前記第１基板と重複する位置かつ前記第１基板の受光面側とは反対側に配置されている第２基板と、
    前記第２基板に行列状に配置され、第２受光素子と、前記第２受光素子の受光面側に配置されたファブリーペローフィルタとを各々有する、複数の第２画素と、
    前記第１基板と前記複数の第２画素の対応する１つとの間に各々配置され、前記受光面側を上面として凹型の形状を有する、複数の光学系と、
    を有することを特徴とする撮像素子。
  2. 前記複数の第１画素の受光面側に各々配置された複数の第１マイクロレンズ
    を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記複数の光学系は、前記第１基板の前記受光面側とは反対側の面に配置されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  4. 前記複数の光学系の各々はマイクロレンズである
    ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  5. 前記ファブリーペローフィルタの各々は、複数種類の透過帯域のうち、いずれかの透過帯域を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  6. 前記複数の光学系は、層内レンズである
    ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  7. 前記複数の光学系のうち、前記第１基板の中心に近い位置に配置されている前記光学系ほど屈折力が小さく、前記第１基板の周辺に近い位置に配置されている前記光学系ほど屈折力が大きい
    ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  8. 前記複数の光学系のうち、撮像光学系の光軸に近い位置に配置されている前記光学系ほど屈折力が小さく、前記撮像光学系の光軸から遠い位置に配置されている前記光学系ほど屈折力が大きい
    ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  9. 前記第１画素の各々は、前記第１受光素子の受光面側に配置されたカラーフィルタを各々有し、
    前記カラーフィルタは、ベイヤ配列で配置され、
    前記複数の第２画素および前記複数の光学系は、前記第１基板の受光面側から見て青色の光を透過する前記カラーフィルタと重複するように配置されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  10. 前記第１画素の各々は、前記第１受光素子の受光面側に配置されたカラーフィルタを各々有し、
    前記カラーフィルタは、ベイヤ配列で配置され、
    緑色の光を透過するカラーフィルタが配置されている前記第１画素のうち、一部の前記第１画素をスルーホールとし
    前記複数の第２画素および前記複数の光学系は、前記第１基板の受光面側から見て前記スルーホールと重複するように配置されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  11. 前記第１画素の各々は、前記第１受光素子の受光面側に配置されたカラーフィルタを各々有し、
    前記カラーフィルタは、ベイヤ配列で配置され、
    緑色の光を透過する前記カラーフィルタのうち一部の前記カラーフィルタを取り除き、
    前記複数の第２画素および前記複数の光学系は、前記第１基板の受光面側から見て前記カラーフィルタを取り除いた第１画素と重複するように配置されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  12. 前記第１基板と、前記複数の第１画素と、前記第２基板と、前記複数の第２画素と、前記複数の光学系とは、内視鏡スコープの先端に配置されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
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