JPWO2017069134A1 - Solid-state image sensor - Google Patents
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Abstract
固体撮像素子(100)は、光電変換する複数のフォトダイオード不純物層(2)と、フォトダイオード不純物層(2)に対応付けられた可視光用フィルター(8)と近赤外光用フィルター(9)とを備え、可視光画像および近赤外光画像は同時に外部に出力され、可視光用フィルター(8)は、可視光における特定波長の光を透過しない。The solid-state imaging device (100) includes a plurality of photodiode impurity layers (2) for photoelectric conversion, a visible light filter (8) and a near infrared light filter (9) associated with the photodiode impurity layer (2). The visible light image and the near-infrared light image are simultaneously output to the outside, and the visible light filter (8) does not transmit light having a specific wavelength in visible light.
Description
本発明は、固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
従来の可視光撮影と近赤外光撮影とを両方行うことができる固体撮像素子については特許文献1に示されるような素子が提案されていた。図22および図23は、従来の固体撮像素子の構成例を説明するための図である。従来の固体撮像素子は、例えば、図22の(a)・(b)に示す固体撮像素子1000のように、従来の原色フィルター配列〔G(緑)画素用フィルター2画素分:可視光用フィルター1008G、B(青)画素用フィルター1画素分:可視光用フィルター1008B、R(赤)画素用フィルター1画素分:可視光用フィルター1008Rを市松模様状に配列〕のG画素用フィルターの1つを近赤外光用フィルター(IR)1009に代えたものがあった。また、図23の(a)・(b)に示す固体撮像素子2000のように、従来の補色フィルター配列(8画素)可視光用フィルター2008M・2008C・2008Y・2008Gの縦1列全てが近赤外光用フィルター(IR)2009となったものもあった。
As a conventional solid-state imaging device capable of performing both visible light imaging and near-infrared light imaging, an element as disclosed in
これらの原色・補色フィルターに近赤外光用フィルターを加えた固体撮像素子において、可視光画像および近赤外光画像を取得する撮像システムの例について図24〜図26を用いて簡単に説明する。図24〜図26は、従来の撮像システムの構成例を説明するための図である。従来の固体撮像素子にて可視光画像を撮影する場合には、図24の(a)に示すように、可視光光源1200(近赤外波長も含まれるので通常光源と表現した方が適切かもしれない)から撮影対象物に光を照射し、その画像を従来の固体撮像素子1000または2000で撮影した素子から出力される、R・G・Bそれぞれの出力信号には、近赤外域の波長で光電変換された情報も含まれることになる(従来のフォトダイオードおよびR・G・Bフィルターでは近赤外波長域の感度も持っていることから)。このため、従来は、近赤外波長域の光のみを透過するフィルターを設けた画素であるIR画素の情報をR・G・B出力の情報から差し引く処理を行って画像構築を行っていた。
An example of an imaging system that acquires a visible light image and a near-infrared light image in a solid-state imaging device in which a near-infrared light filter is added to these primary color / complementary color filters will be briefly described with reference to FIGS. . 24 to 26 are diagrams for explaining a configuration example of a conventional imaging system. When a visible light image is taken with a conventional solid-state imaging device, as shown in FIG. 24A, it may be more appropriate to express a visible light source 1200 (which includes a near-infrared wavelength, so that it is a normal light source). Irradiating light onto the object to be photographed and outputting the image from the element obtained by photographing the image with the conventional solid-
一方、近赤外光画像を取得する場合、図24の(b)に示すように、近赤外光光源1100から撮影対象物に近赤外光を照射し、固体撮像素子1000または2000の全画素で撮影を行い、画像構築を行う(前述のように、R・G・B画素においても近赤外波長域の感度を持つことから)。図23の(a)に示す補色系フィルターの場合についても、フィルター配列とそれぞれの画素数が異なるのみで同様の画像構築方法であるのでここでは説明を省略する。以上のような方法で画像取得を行っていたために、可視光画像を取得する場合、原色は3/4画素の、補色は2/3画素の情報を用いて画像を構築し、近赤外光画像の取得は全画素の情報を用いて画像構築を行っていることが分かる。
On the other hand, when acquiring a near-infrared light image, as shown in FIG. 24B, the near-
なお、補足説明として従来の可視光のみで用いる固体撮像素子の場合には、撮像素子チップと撮像光学系との間などにIR(赤外)カットフィルターが設けられるため、上記のような近赤外領域光での光電変換は気にしなくてよいようになっている。また、図22または図23に示すような固体撮像素子1000または2000を用いず、通常の固体撮像素子を用いて近赤外光画像の取得もできる撮像システムが過去から提案されていた。
As a supplementary explanation, in the case of a conventional solid-state imaging device that uses only visible light, an IR (infrared) cut filter is provided between the imaging device chip and the imaging optical system, so that the above-mentioned near red There is no need to worry about photoelectric conversion with light in the outer region. Further, an imaging system that can acquire a near-infrared light image using a normal solid-state imaging device without using the solid-
また、図25に示すような、可視光用の固体撮像素子4000および近赤外光用の固体撮像素子3000の2つの撮像素子を設けた撮像システムで、可視光画像取得には光学系にIRカットフィルター4009を設けた素子、近赤外光画像取得には光学系にバンドパスフィルター3008(特定IR波長の光のみを透過)を設けた素子で撮影するものも提案されている。また、図26に示す例では、固体撮像素子5000は1つであるが、その撮影光学系にフィルター切り換え機構を設け、IRカットフィルター4009やバンドパスフィルター3008を切り替えて撮影できるようにしたものも提案されている。 In addition, as shown in FIG. 25, an imaging system provided with two imaging elements, a solid-state imaging element 4000 for visible light and a solid-state imaging element 3000 for near-infrared light. An element provided with a cut filter 4009 and an apparatus that captures images with an element provided with a bandpass filter 3008 (transmitting only light of a specific IR wavelength) in an optical system have been proposed for obtaining near-infrared light images. In the example shown in FIG. 26, the number of the solid-state imaging device 5000 is one, but a filter switching mechanism is provided in the photographing optical system so that the IR cut filter 4009 and the band-pass filter 3008 can be switched for photographing. Proposed.
また、その他、特許文献2に開示された技術のように、光源装置から撮影対象へ光を照射する光学系に、IRカットフィルターやバンドパスフィルターを切り替える機構を設けたものなども提案されている。
In addition, as in the technique disclosed in
これらのような撮像システムを用いて、例えば、人体を近赤外光で撮像を行った場合には、特許文献1にも記されているように、血管(血液)中のヘモグロビンとそれ以外の人体組織の近赤外光の吸収・反射特性が異なるために撮影した人体の血管パターン情報を得ることができる。また、可視光撮影画像については、例えば、手のひらを撮影した場合には各人の掌紋(手相)パターンを得ることができ、静脈(動脈)認証と合わせて使用することで、個人特定の精度を高めることができる。また、近赤外光撮影は完全に血管だけを撮影することはできず、周辺の組織などの情報もある程度含まれてしまうことになる。これらのことを軽減するために近赤外光で撮影した画像と、可視光で撮影した画像と、を画像処理行って、血管情報のみを際立たせる処理を行う場合もある。
For example, when the human body is imaged with near-infrared light using such an imaging system, as described in
ここで、図25および図26に示す撮像システムや、特許文献2に開示された撮像システムで撮影対象を撮影する場合、固体撮像素子および光学系を2系統用意する必要があったり、あるいはフィルター切り換えのためのメカニカル機構と使用しないフィルターの退避スペース等が必要になったりする。この場合、携帯電話用カメラシステムのような小型化は不可能であるし、コスト面でも非常に不利なものであると言える。
Here, when photographing an object to be photographed with the imaging system shown in FIGS. 25 and 26 or the imaging system disclosed in
以上のようなことから、図22または図23に示す固体撮像素子1000または2000、ならびに図24に示す従来例の固体撮像素子1000または2000を用いた撮像システムで1系統の光学系と固体撮像素子とで、可視光画像と近赤外光画像との両方を撮像できるシステムが提案されている。しかしながら、図24に示す従来例の固体撮像素子1000または2000を用いた撮像システムでは、可視光画像を取得する場合には、全画素の情報のうちIR画素の情報を差し引いて画像を構築し、近赤外光画像を取得する場合には、全画素の情報を用いて画像を構築する必要があるために、図27の(a)〜(e)および図28の(a)〜(e)に示す比較図や、図29の(a)〜(e)および図30の(a)〜(e)に示す比較図のように可視光画像と近赤外光画像との両方を同時に取得することはできなかった。図27〜図30は、従来の撮像システムの可視光または近赤外光データを出力するための動作を示す図であり、図27の(a)〜(e)は、それぞれ、130万画素全読み出しCCD撮像素子(有効画素数:水平1280画素×垂直960画素)にて、可視光を照射して撮像を行う際の動作の流れを示し、図28の(a)〜(e)は、それぞれ、上記CCD撮像素子にて、近赤外光を照射して撮像を行う際の動作の流れを示している。一方、図29の(a)〜(e)は、それぞれ、上記CCD撮像素子にて、IRカットフィルターを入れて撮像を行う際の動作の流れを示し、図30の(a)〜(e)は、それぞれ、上記CCD撮像素子にて、可視光カットフィルター(可視光カット、赤外透過)を入れて撮像を行う際の動作の流れを示している。
As described above, in the imaging system using the solid-
また、静脈(動脈)の認証画像においては、近赤外光撮影画像から可視光撮影画像の情報を差し引くような処理を行って撮影対象の血管情報のみを際立たせた方がより正確な認証処理が可能となってくる。しかしながら、従来例の固体撮像素子1000または2000で取得した、可視光画像については3/4画素(補色の場合は2/3画素)の情報から造られたものであり、また可視光画像自体が近赤外光画像との処理で造られたものであるために、静脈(動脈)認証のための画像加工処理が非常に複雑なものになってしまうという問題を持っていた。
In the authentication image of veins (arteries), it is more accurate to perform the process of subtracting the information of the visible light image from the near-infrared light image to make only the blood vessel information of the imaged object stand out. Will be possible. However, the visible light image obtained by the conventional solid-
本発明は、以上の問題点に鑑みて為されたものであって、画像加工処理を簡単にし、可視光画像および近赤外光画像の両方の同時取得を可能とすることができる固体撮像素子などを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and is a solid-state imaging device that simplifies image processing and enables simultaneous acquisition of both a visible light image and a near-infrared light image. The purpose is to provide.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、撮影対象に対して同時に照射された近赤外光および可視光を受光し、当該受光した光を光電変換することで電荷を生成する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部の一部の各々に対応付けられた複数の可視光撮影用の色フィルターと、前記複数の光電変換部の残余の各々に対応づけられた複数の近赤外光撮影用の色フィルターとを備え、前記可視光撮影用の色フィルターと前記近赤外光撮影用の色フィルターとは2次元的に分散されており、前記光電変換部で生成される電荷に基づく可視光画像および近赤外光画像の情報は同時に外部に出力され、前記可視光撮影用の色フィルターは、可視光における特定波長の光を透過しないことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a solid-state imaging device according to one embodiment of the present invention receives near-infrared light and visible light that are simultaneously irradiated onto an imaging target, and photoelectrically converts the received light. A plurality of photoelectric conversion units that generate electric charge, a plurality of visible light imaging color filters associated with each of a part of the plurality of photoelectric conversion units, and the remaining of the plurality of photoelectric conversion units A plurality of correlated near-infrared color photographing color filters, wherein the visible color photographing color filter and the near-infrared color photographing color filter are two-dimensionally dispersed, Information on the visible light image and near-infrared light image based on the charge generated by the photoelectric conversion unit is output to the outside at the same time, and the visible light photographing color filter does not transmit light of a specific wavelength in visible light. Features.
本発明の一態様によれば、画像加工処理を簡単にし、可視光画像および近赤外光画像の両方の同時取得を可能とすることができる上に、太陽光下などの強い光の環境下においても良好で正確な画像を取得することができるという効果を奏する。 According to one embodiment of the present invention, image processing can be simplified, and both a visible light image and a near-infrared light image can be simultaneously acquired. In addition, in an environment of strong light such as sunlight. In this case, it is possible to obtain a good and accurate image.
本発明の実施の形態について図1〜図8および図に基づいて説明すれば、次の通りである。以下、説明の便宜上、特定の実施形態にて説明した構成と同一の機能を有する構成については、同一の符号を付記し、その説明を省略する場合がある。なお、本発明の実施の形態では、各色の波長の一例として、可視光は380nmより長く、且つ、750nm以下の波長範囲、青色は380nmより長く、且つ、490nm以下の波長範囲、緑色は490nmより長く、且つ、570nm以下の波長範囲、赤色は570nmより長く、且つ、750nm以下の波長範囲、赤外光は750nmより長い波長範囲、を用いて説明する。 The embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8 and the drawings. Hereinafter, for convenience of explanation, components having the same functions as those described in the specific embodiment may be denoted by the same reference numerals and description thereof may be omitted. In the embodiment of the present invention, as an example of the wavelength of each color, visible light is longer than 380 nm and has a wavelength range of 750 nm or less, blue is longer than 380 nm and has a wavelength range of 490 nm or less, and green is from 490 nm. Description will be made using a long wavelength range of 570 nm or less, red having a wavelength range longer than 570 nm and not more than 750 nm, and infrared light having a wavelength range longer than 750 nm.
〔実施形態1〕
図1は、本発明の実施形態1に係る固体撮像素子100の構成を説明するための図である。図1の(a)は、固体撮像素子100を光の入射側から見たときのフィルター配列の様子を示す図であり、図1の(b)は、図1の(a)に示すA−A’断面の断面図である。図2は、固体撮像素子100を含む撮像システム500の概要構成を示す平面図である。図3は、固体撮像素子100を含む撮像システム500の概要構成を示す模式図である。図4の(a)〜(e)は、それぞれ、撮像システム500で可視光データと赤外光データを出力するための動作を示す図である。図5は、固体撮像素子100における各フィルターの透過波長設定の一例を説明するための図であり、図5の(a)は、近赤外光用フィルター9の光学特性を示すグラフであり、図5の(b)は、可視光用フィルター8の光学特性を示すグラフであり、図5の(c)は、近赤外光画素の光学特性を示すグラフであり、図5の(d)は、可視光画素の光学特性を示すグラフである。
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a solid-
図2に示すように、本実施形態の撮像システム500は、基板501に、固体撮像素子100、近赤外光光源101、および可視光光源102を備えている。可視光光源102は、X方向に固体撮像素子100を挟むように配置されている。近赤外光光源101は、それぞれの可視光光源102をY方向に挟むように配置されている。
As shown in FIG. 2, the
また、本実施形態の撮像システム500は、図3に示すように、近赤外光光源101から近赤外光を、可視光光源102から可視光を、撮影対象(例えば、手)に対して同時に照射することによって、可視光画像と近赤外光画像とを同時に出力することが可能になっている。言い換えると、固体撮像素子100は可視光情報と近赤外光情報とを同時(1フレームで)読み出す。すなわち、電荷蓄積・読み出し・転送、全ての処理を可視光画素と近赤外画素とで同時に行う。なお、近赤外光光源101、および可視光光源102として、例えばLED(light emitting diode:発光ダイオード)、もしくは、レーザーを用いてもよい。また、レーザーを用いる場合は、目に入っても安全なレーザー、例えばアイセーフレーザーであることが好ましい。
In addition, as illustrated in FIG. 3, the
固体撮像素子100は、インターレース読み出しでは無く、図4の(a)〜(e)に示すように全画素読み出し可能な撮像素子〔CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor)型撮像素子やCCD(Charge-coupled device)の場合には全画素読み出しタイプのCCD〕としての機能を有している。
The solid-
図4の(a)〜(e)は、それぞれ、130万画素全読み出しCCD撮像素子(有効画素数:水平1280画素×垂直960画素)にて、可視光と近赤外光との両方を照射して撮影する際の動作を示している。これにより図27の(a)〜(e)および図28の(a)〜(e)に示す比較図、ならびに、図29の(a)〜(e)および図30の(a)〜(e)に示す比較図よりも、後述するように、可視光画像または近赤外光画像の全画素の情報を得るための画像加工処理をより簡単かつより高速に行うことができる。また、固体撮像素子100は、主として生体認証用として用いられ、高速で高精度であって簡便に生体認証用撮影システムを構築できるものとなっている。
4A to 4E respectively irradiate both visible light and near-infrared light with a 1.3 million pixel full-read CCD image sensor (effective pixel number: horizontal 1280 pixels × vertical 960 pixels). The operation when shooting is shown. 27A to 27E and FIG. 28A to FIG. 28E, and FIG. 29A to FIG. 29E and FIG. 30A to FIG. As will be described later, the image processing for obtaining information on all the pixels of the visible light image or the near-infrared light image can be performed more easily and faster than the comparison diagram shown in FIG. Further, the solid-
次に、図1の(a)・(b)に示すように、固体撮像素子100は、シリコン基板1(半導体基板)、フォトダイオード不純物層2(光電変換部)、電荷転送部不純物層3、ゲート電極4、遮光膜5、シリコン絶縁膜6、平坦化膜7、可視光用フィルター8(可視光撮影用の色フィルター)、近赤外光用フィルター9(近赤外光撮影用の色フィルター)、および集光用マイクロレンズ10を備えている。なお、ゲート電極4、遮光膜5、シリコン絶縁膜6、平坦化膜7および集光用マイクロレンズ10の各構成については、本発明の本質とはあまり関係がないので、ここでは説明を省略する。
Next, as shown in FIGS. 1A and 1B, the solid-
(シリコン基板1)
シリコン基板1は、シリコンを基材とする一導電性を有する半導体基板である。ここで、一導電性とはp型の導電性またはn型の導電性のいずれか一方である。例えば、図6に示すように、シリコン基板1にP型不純物層(Pwell)が形成されている。(Silicon substrate 1)
The
(フォトダイオード不純物層2、電荷転送部不純物層3)
シリコン基板1の内部には、撮影対象(撮像対象)に対して同時に照射された近赤外光および可視光を受光し、当該受光した光を光電変換することで電荷を生成する領域である複数のフォトダイオード不純物層2、および、生成された電荷が転送される領域である複数の電荷転送部不純物層3が形成されている。(
Within the
後述する可視光用フィルター8および近赤外光用フィルター9に対応付けられているフォトダイオード不純物層2で生成された電荷は、電荷転送部不純物層3を介して、それぞれ可視光画像および近赤外光画像の1画素の情報として同時に外部に出力される。言い換えると、フォトダイオード不純物層2で生成される電荷に基づく可視光画像および近赤外光画像の情報は同時に外部に出力される。
The charges generated in the
(可視光用フィルター8、近赤外光用フィルター9)
本実施形態の固体撮像素子100では、複数の可視光用フィルター8、および、それと同数の近赤外光用フィルター9のそれぞれが、複数のフォトダイオード不純物層2のそれぞれと対応付けられて2次元的に分散して配列されている(全画素数は、約130万画素)。言い換えると、可視光用フィルター8は、複数のフォトダイオード不純物層2の一部の各々に対応付けられ、近赤外光用フィルター9は、複数のフォトダイオード不純物層2の残余の各々に対応づけられている。また、可視光用フィルター8と近赤外光用フィルター9とは同数かつ2次元的に分散されている。このため、可視光画像の全画素の情報を取得する際は、特定の近赤外光用フィルター9に対応付けられた画素(以下、「近赤外光画素」という)の情報を、その近傍に分散されて配置されている可視光用フィルター8に対応付けられた画素(以下、「可視光画素」という)の情報を用いて補完することが可能になる。また、近赤外光画像の全画素の情報を取得する際は、特定の可視光画素の情報を、その近傍に分散されて配置されている赤外光画素の情報を用いて補完することが可能になる。以上により、画像加工処理を簡単にし、可視光画像および近赤外光画像の両方の同時取得を可能とすることができる。(Visible
In the solid-
より具体的には、図1の(a)に示すように、可視光用フィルター8および近赤外光用フィルター9のそれぞれは、フォトダイオード不純物層2上で集光用マイクロレンズ10との間の部分において、互い違いに(例えば、市松模様状)に配置されている。これにより、可視光画像の全画素の情報を取得する際は、特定の近赤外光画素の情報を、その画素の上下左右に配置されている可視光画素の情報を用いて補完することが可能になる。また、近赤外光画像の全画素の情報を取得する際は、特定の可視光画素の情報を、その画素の上下左右に配置されている赤外光画素の情報を用いて補完することが可能になる。よって、可視光撮影用の色フィルターと、近赤外光撮影用の色フィルターと、が互い違いに配置されていない構成と比較して、可視光画像または近赤外光画像の全画素の情報を得るための画像加工処理をより簡単化することができる。
More specifically, as shown in FIG. 1A, each of the visible
また、可視光用フィルター8は、図5の(b)に示すように、可視光における特定波長の光を透過しない。具体的には、可視光用フィルター8は、青色より長波長の光を透過しない。より詳しくは、可視光用フィルター8は、可視光青色(490nm)より長い波長の光をカットする。可視光用フィルター8は、可視光青色(490nm)より長い波長以外の光を透過するものであってもよく、可視光青色のみ(380nmより長く、且つ、490nm以下)を透過するものであってもよい。近赤外光用フィルター9は、図5の(a)に示すように、近赤外光を透過し可視光波長以下の光を透過しない。具体的には、近赤外光用フィルター9は、例えば、750nmより短い波長の光をカットする。これにより、図5の(c)および図5の(d)に示すように、近赤外光画素の感度と可視光画素の感度の差は小さくなる。ここで、図5の(c)および図5の(d)の感度とは、フォトダイオード不純物層2が光に反応した度合を示す。すなわち、可視光用フィルター8または近赤外光用フィルター9を介してフォトダイオード不純物層2に入射した光の量を示す。可視光用フィルター8を用いることの効果について、詳しくは後述する。
The visible
なお、近赤外光用フィルター9は上記に限らず、特定の波長の光のみを透過する膜であってもよい。
The near-
(可視光用フィルター8を用いることの効果)
図31および図32に記載されている固体撮像素子1500は、出願人が、特許文献1および特許文献2に対する課題を解決する手段として、画像加工処理を簡単にし、可視光画像および近赤外光画像の両方の同時取得を可能とすることができる固体撮像素子として提案したものである。図31は、本発明の固体撮像素子100と出願人が提案した固体撮像素子との比較例であり、固体撮像素子1500の構成を説明するための図である。図31の(a)は、固体撮像素子1500を光の入射側から見たときのフィルター配列の様子を示す図であり、図31の(b)は、図31の(a)に示すF−F’断面の断面図である。図32は、固体撮像素子1500における各フィルターの透過波長設定の例を説明するための図であり、図32の(a)は、近赤外光用フィルターの光学特性を示すグラフであり、図32の(b)は、可視光用フィルターの光学特性を示すグラフであり、図32の(c)は、近赤外光画素の光学特性を示すグラフであり、図32の(d)は、可視光画素の光学特性を示すグラフである。(Effect of using
The solid-
固体撮像素子1500と本実施形態に係る固体撮像素子100とが異なる点は、可視光用フィルター(可視光透過・近赤外カットフィルター)58に代えて、可視光用フィルター8が備えられている点であり、その他の構成は同じである。つまり、図31および図32に示すように、固体撮像素子1500のシリコン基板51、フォトダイオード不純物層52、電荷転送部不純物層53、ゲート電極54、遮光膜55、シリコン絶縁膜56、平坦化膜57、近赤外光用フィルター(近赤外光透過・可視光カットフィルター)59、および集光用マイクロレンズ60は、固体撮像素子100のシリコン基板1、フォトダイオード不純物層2、電荷転送部不純物層3、ゲート電極4、遮光膜5、シリコン絶縁膜6、平坦化膜7、近赤外光用フィルター9、および集光用マイクロレンズ10と同じ構成である。
The difference between the solid-
図32の(b)・(d)に示すように、固体撮像素子1500の可視光用フィルター58は、近赤外光波長以上の光を透過しないフィルターである。近赤外光用フィルター59は、図32の(a)・(c)に示すように可視光波長以下の光を透過しないフィルターである。
As shown in FIGS. 32B and 32D, the
固体撮像素子1500は、固体撮像素子100と同様に、図3に示すように近赤外光光源101と可視光光源102とから同時に両波長光を照射されることで、可視光画像と近赤外光画像を同時に取得することができる。しかし、固体撮像素子1500では、例えば、強い太陽光の下で撮影した場合、良好な画像を得られない場合があるという問題がある。上記問題について詳しく下記に説明する。
Similarly to the solid-
まず、全画素読み出しCCD型固体撮像素子のオーバーフロードレインと電子シャッター動作について図6〜図8を用いて説明する。図6は、オーバーフロー電圧および電子シャッター電圧について説明するための固体撮像素子1300の構成例である。
First, the overflow drain and the electronic shutter operation of the all-pixel reading CCD type solid-state imaging device will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a configuration example of a solid-
図6に示す固体撮像素子1300は、N型シリコン基板31、P型不純物層32(PWell)、フォトダイオードN型不純物層33、電荷転送部不純物層34、ゲート電極35、遮光膜36、シリコン絶縁膜37、平坦化膜38、可視光用フィルター39、近赤外光用フィルター40、および集光用マイクロレンズ41を備えている。電荷転送部不純物層34、ゲート電極35、遮光膜36、シリコン絶縁膜37、平坦化膜38、近赤外光用フィルター40、および集光用マイクロレンズ41は、図1に示す固体撮像素子100の、電荷転送部不純物層3、ゲート電極4、遮光膜5、シリコン絶縁膜6、平坦化膜7、近赤外光用フィルター9、および集光用マイクロレンズ10と同じ構成である。固体撮像素子1300は、N型の基板に、N型のフォトダイオード不純物層およびP型のフォトダイオード下Well層が形成されたものであり、基板深部へ向かってのトランジスタ構造となっている。N型シリコン基板31およびP型不純物層32は、固体撮像素子100のシリコン基板1に相当し、フォトダイオードN型不純物層33は、固体撮像素子100のフォトダイオード不純物層2に相当する。
6 includes an N-
CCD型固体撮像素子においては、固体撮像素子1300に強い光が入射した際にフォトダイオードN型不純物層33中に発生した電荷を、フォトダイオードN型不純物層33中に蓄積しきれなくなる場合がある。その場合に溢れた電荷が周辺の転送部などに流れ込む現象を起こすことを制御するため、オーバーフロードレインを設けるのが一般的であり、最近では縦型オーバーフロードレイン(OFD)が多く採用されている。OFDについて図7に基づき下記に説明する。
In the CCD type solid-state imaging device, there is a case where charges generated in the photodiode N-
図7は、固体撮像素子1300のオーバーフロー電圧および電子シャッター電圧について説明するための図であり、図6のB−B’断面のポテンシャル図である。言い換えると、図7は、固体撮像素子1300において、フォトダイオードN型不純物層33〜N型シリコン基板31深部へ向かってのポテンシャル構造を示しており、図7の(a)は電荷蓄積状態を示し、図7の(b)は電荷掃き出し状態を示す。図7の(a)・(b)の横軸は図6に示す基板深さを示し、縦軸はポテンシャルを示す。
FIG. 7 is a diagram for explaining the overflow voltage and the electronic shutter voltage of the solid-
通常撮像状態では、Pwell32は、図7の(a)に示すように、Pwell32をGND電位としてN型シリコン基板31にOFD電圧(通常、数V程度)と呼ばれるDC電圧を印加している。
In the normal imaging state, the
この状態において、PWell32のポテンシャルは所定値以上のポテンシャルでフォトダイオードN型不純物層33に蓄積される電荷がN型シリコン基板31に掃き出されないためのバリアとなる。そのため、フォトダイオードN型不純物層33には、このバリアの高さ分までの電荷を蓄積することができる。言い換えると、固体撮像素子1300は、OFD電圧によりバリアの高さを調整することでフォトダイオードN型不純物層33に蓄積する電荷量を決めることできる。
In this state, the potential of the
しかし、固体撮像素子1300への強い光の入射などにより、フォトダイオードN型不純物層33に、PWell32のポテンシャルによるバリアを超えるまで過剰に電荷が発生する場合がある。その場合、フォトダイオードN型不純物層33に蓄積しきれずに溢れた電荷は、N型シリコン基板31側へ掃き出される。溢れることによりN型シリコン基板31側へ掃き出された電荷は、画像には特に影響を及ぼさない。ただあまりにも強い強烈光の場合、オーバーフロードレインが処理しきれずに、隣接画素の電荷転送部へ流れ込むことがある。これは、ブルーミング不良と呼ばれ、画像では周辺の画素から白い帯が流れたような画像になる。
However, excessive charge may be generated in the photodiode N-
電荷掃き出し状態では、Pwell32は、図7の(b)に示すように、Pwell32をGND電位としてN型シリコン基板31にOFD電圧からさらに電子シャッター電圧(数V程度)と呼ばれるパルス電圧を印加する。N型シリコン基板31に印加する電圧が電子シャッター電圧分上昇されると、N型シリコン基板31のポテンシャルにPWell32のバリアが引っ張られ、バリアが全て無くなる。これにより、フォトダイオードN型不純物層33に蓄積された電荷が全てN型シリコン基板31へ掃き出される。
In the charge sweeping state, as shown in FIG. 7B, the
つまり、1フレーム中の画像取得時においては、この電荷蓄積状態(N型シリコン基板31にOFD電圧が印加されている状態)と電荷掃き出し状態(N型シリコン基板31にOFD+電子シャッター電圧が印加されている状態)の時間配分を変更することで、フォトダイオードN型不純物層33に溜める電荷の量を調整することができる。言い換えると、自動露出調整は、上記時間配分を変更することで行われる。
That is, at the time of image acquisition in one frame, this charge accumulation state (a state where an OFD voltage is applied to the N-type silicon substrate 31) and a charge sweep state (an OFD + electronic shutter voltage are applied to the N-type silicon substrate 31). The amount of charge accumulated in the photodiode N-
自動露出調整について、図8に基づき説明する。図8は固体撮像素子1300の電子シャッター動作について説明する図であり、図8の(a)は、固体撮像素子1300に入射する光が強い場合を示し、図8の(b)は、固体撮像素子1300に入射する光が弱い場合を示す。
The automatic exposure adjustment will be described with reference to FIG. 8A and 8B are diagrams for explaining the electronic shutter operation of the solid-
固体撮像素子1300の動作において1枚の絵を撮像する(1フレーム)動作は、まず、電荷掃き出し時間T1で、N型シリコン基板31へ電子シャッター電圧を印加する。これにより、フォトダイオードN型不純物層33の電荷は一度N型シリコン基板31へ掃き出され、フォトダイオードN型不純物層33が空になる。そこから、電荷蓄積時間T2で、フォトダイオードN型不純物層33に電荷を溜め、その後、読出し転送時間T3で、電荷を読み出し・転送・出力する。なお、1フレームの動作中、光はたえず固体撮像素子1300に照射されている状態となる。
In the operation of picking up one picture (one frame) in the operation of the solid-
電荷掃き出し時間T1における、電荷の掃き出し動作を電子シャッターと称する。この電子シャッターによるN型シリコン基板31へ電荷を掃き出す時間T1を調整することで、自動露出調整を行うことができる。具体的には、自動露出調整は、固体撮像素子1300に入射する光が強い場合には、図8の(a)に示すように、電子シャッターにより、1フレーム中の電荷掃き出し時間T1を長く、電荷蓄積時間T2を短くする。また、固体撮像素子1300に入射する光が弱い場合には、図8の(b)に示すように、電子シャッターにより、電荷掃き出し時間T1を短く、電荷蓄積時間T2を長くする。つまり、固体撮像素子1300では、太陽光などの強い光が固体撮像素子1300に入射した場合、自動露出調整機能により、電子シャッターによるN型シリコン基板31への電荷掃き出し時間T1を長く変更することで、フォトダイオードN型不純物層33に電荷が溢れ画像が白飛びすることを防ぐ。
The charge sweeping operation at the charge sweeping time T1 is referred to as an electronic shutter. Automatic exposure adjustment can be performed by adjusting the time T1 for sweeping out charges to the N-
ここで、固体撮像素子1300が電荷蓄積・読み出し・転送、全ての処理を可視光画素と近赤外画素とを同時に行う固体撮像素子の場合、可視光用フィルター39が図31に示す固体撮像素子1500の可視光用フィルター58と同じ特性を持つと、言い換えると、図32の(c)・(d)に示すように可視光画素の感度と近赤外光画素の感度が大きく異なると、下記のような問題がある。
Here, in the case where the solid-
すなわち、近赤外光用フィルター40は近赤外波長よりも短い光を透過しない膜で構成されているので、近赤外画像の電荷を生成するフォトダイオードN型不純物層33に蓄積される電荷量は少ない。固体撮像素子1300に強い光が入射した場合、可視光画素と近赤外画素とは同時に処理されるので、自動露出調整により可視光画素に合わせ電荷蓄積時間T2が短く(電子シャッターによる電荷掃き出し時間T1が長く)なる。その結果、もともと電荷蓄積量の少ない近赤外画像の電荷蓄積量がさらに少なくなり近赤外画像出力が非常に小さくなるので、良好で正確な画像が取得できない。
That is, since the near-
固体撮像素子100は、上記問題を解消するために、可視光における特定波長を透過しないものとした。具体的には、可視光用フィルター8を、青色よりも長波長(490nm)より長波長を透過しないフィルター膜とした。これにより、可視光用フィルター8が透過する光の量は、例えば、可視光用フィルター8が全ての可視光を透過する場合に比べて少なくなる。言い換えると、可視光用フィルター39が可視光用フィルター8と同じ特性をもつと、可視光用フィルター39が透過する光の量と、近赤外光用フィルター40が透過する光の量との差が小さくなり、可視光画素と近赤外光画素の感度差が小さくなる。
The solid-
以上により、電子シャッターを用いて自動露出調整を行う場合、固体撮像素子100は、固体撮像素子1500に比べて、電子シャッターによる電荷掃き出し時間T1を短く、電荷蓄積時間T2を長くすることができる。その結果、固体撮像素子100は、固体撮像素子1500に比べて、近赤外画像出力が大きくすることができる。言い換えると、固体撮像素子100では、自動露出調整(自動電子シャッター処理)を行っても、近赤外光画素の出力が非常に小さくなることがなくなる。したがって、撮影対象に対して同時に近赤外光および可視光を照射して撮影を行い、フォトダイオード不純物層2で生成される電荷に基づく可視光画像および近赤外光画像の情報が同時に外部に出力される場合であっても、より最適な露出調整ができ、太陽光下などの強い光の環境下においても良好で正確な画像を取得することができる。
As described above, when the automatic exposure adjustment is performed using the electronic shutter, the solid-
また、可視光用フィルター8は青色より長波長の光を通さないフィルターなので、特定の波長を透過させるフィルターを形成するよりも簡単に作成することができる。
Further, since the visible
(画像処理加工について)
図9は、固体撮像素子100に関し、可視光画素情報の補完方法、および赤外光画素情報の補完方法について説明するための図である。言い換えると、図9は、本発明を、全画素読み出しタイプの総画素数130万画素CCD固体撮像素子に適用した場合の出力信号の処理例を示す。上述した形態においては可視光用フィルター8および近赤外光用フィルター9を互い違い(例えば、市松模様状)に配置したものであるので、CCDの出力は出力回路部に近い画素から可視光画素情報と近赤外光情報とが交互に出力されることになる。可視光画像の場合、総画素数130万画素に対して、近赤外光画素であった情報については、その上下左右4画素の可視光画素情報から計算して可視光画素情報として補完する。ここで、「可視光画素情報」とは、可視光画素で光電変換された電荷による電圧情報のことであり、「近赤外光画素であった情報」とは、近赤外光画素が配置されている画素の情報のことで、上下左右の可視光画像情報を用いて補完される画素情報のことである。近赤外光画像の場合、総画素数130万画素に対して、可視光画素であった情報については、その上下左右4画素の近赤外光画素の情報から計算して近赤外光画素情報として補完する。以上のような処理を行うことで、比較的簡単な画素の情報処理で、可視光130万画素、近赤外光130万画素の画像を得ることができる。ここで、「近赤外光画素情報」とは、近赤外光画素で光電変換された電荷による電圧情報のことであり、「可視光画素であった情報」とは、可視光画素が配置されている画素の情報のことで、上下左右の近赤外光画像情報を用いて補完される画素情報のことである。(About image processing)
FIG. 9 is a diagram for explaining a complementary method for visible light pixel information and a complementary method for infrared light pixel information with respect to the solid-
より具体的な処理としては、近赤外光画素に隣接する複数の可視光画素から取得される画素情報を用いて、近赤外光画素の画素情報を補完することで可視光に係る全画素情報を得るようにする。例えば、図9に示す例では、近赤外光画素の上下左右に隣接する可視光画像の平均値を用いて上記近赤外光画素の画素情報を補完している。上記構成によれば、可視光画像の全画素の情報を得るための画像加工処理をより高精度に行うことができる。 More specific processing includes using pixel information obtained from a plurality of visible light pixels adjacent to the near-infrared light pixel, and complementing the pixel information of the near-infrared light pixel to complement all pixels related to visible light. Get information. For example, in the example shown in FIG. 9, the pixel information of the near-infrared light pixel is complemented by using the average values of the visible light images adjacent to the near-infrared light pixel in the vertical and horizontal directions. According to the above configuration, it is possible to perform image processing for obtaining information on all pixels of a visible light image with higher accuracy.
また、同様に、可視光画素に隣接する複数の近赤外光画素から取得される画素情報を用いて、可視光画素の画素情報を、補完することで近赤外光に係る全画素情報を得るようにする。例えば、図9に示す例では、可視光画素の上下左右に隣接する近赤外光画像の平均値を用いて可視光画素の画素情報を補完している。これにより、近赤外光画像の全画素の情報を得るための画像加工処理をより高精度に行うことができる。 Similarly, by using pixel information acquired from a plurality of near-infrared light pixels adjacent to the visible light pixel, the pixel information of the visible light pixel is complemented to obtain all pixel information related to the near-infrared light. To get. For example, in the example illustrated in FIG. 9, pixel information of visible light pixels is complemented using an average value of near-infrared light images adjacent to the visible light pixels in the upper, lower, left, and right directions. Thereby, the image processing process for obtaining the information of all the pixels of the near-infrared light image can be performed with higher accuracy.
(フィルター配列の変形例)
図10の(a)・(b)は、それぞれ可視光用フィルター8および近赤外光用フィルター9の各フィルターの配置方法の変形例を示す図である。可視光用画素および近赤外光用画素のそれぞれの数は総画素数の半分ずつを配置すればその配置に特に制限はないため、これらの図に示すような配置方法を採用してもよい。(Modification of filter array)
FIGS. 10A and 10B are diagrams showing modifications of the arrangement method of the filters of the visible
(市松模様状の配列のメリット)
但し、上述した可視光用フィルター8および近赤外光用フィルター9の市松模様状の配列には、以下のメリットがある。(Merit of checkered pattern arrangement)
However, the checkered arrangement of the visible
(1)可視光画像と近赤外光画像とは真に光電変換で得られる画素数は総画素数(例えば、130万画素)の半分の画素数になる。可視光画像および近赤外光画像のそれぞれで130万画素の画像を得るには、可視光画像の場合は近赤外光画素部分の情報を補う必要がある。よって、補完したい画素(この場合近赤外光画素)の上下左右の可視光画素の情報から計算で算出することになる。このようなことから、図10の(a)・(b)に示すようなフィルター配列の場合、全ての画素情報を同じ計算で処理することができなくなり、画像構築処理がより複雑になってしまう。なお、市松模様状の配列でも画素エリア最外周の画素情報構築は異なる計算となる。 (1) The number of pixels that can be truly obtained by photoelectric conversion between the visible light image and the near-infrared light image is half the total number of pixels (for example, 1.3 million pixels). In order to obtain an image of 1.3 million pixels in each of the visible light image and the near-infrared light image, it is necessary to supplement the information of the near-infrared light pixel portion in the case of the visible light image. Therefore, calculation is performed from information on visible light pixels on the top, bottom, left, and right of a pixel to be complemented (in this case, a near-infrared light pixel). For this reason, in the case of the filter arrangement as shown in FIGS. 10A and 10B, all pixel information cannot be processed by the same calculation, and the image construction process becomes more complicated. . Note that the pixel information construction on the outermost periphery of the pixel area is a different calculation even in the checkered pattern arrangement.
(2)製造プロセス的な面として、本実施形態の固体撮像素子100の場合、特に製造されるフィルターがかなり厚いものになる可能性が高く、特に近赤外画素ではフィルターが厚く、可視光画素ではフィルターが薄い、というようなフィルターを形成する際に、素子にかなりの凹凸ができてしまう可能性がある。素子構造のばらつき(凹凸)は後のプロセスでのムラの原因となり、撮影時にその撮影画像にもムラとなってあらわれてしまうことがあることから素子構造の凹凸バラツキはできるだけ抑えることが好ましい。図10の(a)・(b)に示すようなフィルター配列の場合、画素エリア全体から見ると、近赤外画素の多い所、少ない所、可視光画素の多い所、少ない所ができてしまうことから、構造ムラ発生の原因となる可能性がある。本実施形態の固体撮像素子100のように、可視光用フィルター8および近赤外光用フィルター9を市松模様状に配列することで、画素エリア全体から見てもどの場所でも同じ配列となるため、下地の凹凸を最小限に抑えることができる。
(2) In terms of manufacturing process, in the case of the solid-
(3)可視光画素数と近赤外光画素数とは、それぞれ総画素数の半分で同数であればよいので縦1列全て可視光画素と縦1列全て近赤外画素とを交互に配置してもよい。但し、このような配列で、例えば可視光画像を構築する場合、近赤外光画素であった縦1列には、真に可視光を光電変換した情報が全く無く、全て計算から得られた情報となってしまうために、解像度的に若干不利になる可能性がある。 (3) The number of visible light pixels and the number of near-infrared light pixels may be equal to half the total number of pixels, respectively, so that all visible light pixels in all vertical columns and near-infrared pixels in all vertical columns are alternately arranged. You may arrange. However, in the case of constructing a visible light image with such an arrangement, for example, the vertical column that was a near-infrared light pixel does not have any information obtained by truly photoelectrically converting visible light, and was obtained by calculation. Since it becomes information, there is a possibility that it is slightly disadvantageous in terms of resolution.
〔実施形態2〕
本発明の実施形態2について、図11を参照して説明する。図11は、本発明の実施形態2に係る固体撮像素子の構成を説明するための図である。本実施形態2に係る固体撮像素子100Aは、固体撮像素子100における各フィルターの透過波長設定のバリエーションの一例である。図11の(a)は、固体撮像素子100Aの構造を示す断面図であり、図11の(b)・(c)は、それぞれのフィルターの光学特性を示すグラフであり、図11の(d)・(e)は、それぞれの画素の光学特性を示すグラフである。なお、図11の(a)は図1の(a)に示すA−A’断面の断面図に対応する。図11の(a)〜図11の(e)に示すように、固体撮像素子100Aでは、可視光用フィルター8Aおよび近赤外光用フィルター9の組合せを用いている。可視光用フィルター8Aは、緑色波長(570nm)より長波長を透過しないフィルター膜である。これにより、固体撮像素子100Aは、固体撮像素子100と比較して、より簡単にフィルター膜を形成することができる。[Embodiment 2]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a diagram for explaining the configuration of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. The solid-state imaging device 100A according to the second embodiment is an example of a variation in transmission wavelength setting of each filter in the solid-
〔実施形態3〕
本発明の実施形態3について、図12を参照して説明する。図12は、本発明の実施形態3に係る固体撮像素子の構成を説明するための図である。本実施形態3に係る固体撮像素子100Bは、固体撮像素子100における各フィルターの透過波長設定のバリエーションの他の一例である。図12の(a)は、固体撮像素子100Bの断面の構造を示す断面図であり、図12の(b)・(c)は、それぞれのフィルターの光学特性を示すグラフであり、図12の(d)・(e)は、それぞれの画素の光学特性を示すグラフである。なお、図12の(a)は図1の(a)に示すA−A’断面の断面図に対応する。図12の(a)〜図12の(e)に示すように、固体撮像素子100Bでは、可視光用フィルター8Bおよび近赤外光用フィルター9の組合せを用いている。可視光用フィルター8Bは、特定波長のみを透過する。具体的には、可視光用フィルター8Bは、例えば、450〜470nmの範囲のみを透過するフィルター膜である。これにより、固体撮像素子100Bは、固体撮像素子100と比較して、より可視光画素、近赤外光画素の感度差を小さくすることができる。なお、特定波長は、例えば、緑色のある波長や、青色および緑色のある波長であってもよい。[Embodiment 3]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a diagram for explaining the configuration of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. The solid-
可視光用画素のフォトダイオード不純物層2(シリコン基板1中への不純部注入で形成)は、可視光だけでなく近赤外波長領域にも感度を持つ。通常の固体撮像素子の場合はその撮像光学系に、近赤外光以上の波長(800nm以上程度)をカットするIRカットフィルター(近赤外波長以上の光を透過しない膜で構成)を設けるので特に問題にはならないが、静脈撮影に用いる場合は近赤外波長以上の光も素子へ入れることが必要となる。 The photodiode impurity layer 2 (formed by impure portion injection into the silicon substrate 1) of the visible light pixel has sensitivity not only in the visible light but also in the near-infrared wavelength region. In the case of a normal solid-state image sensor, the imaging optical system is provided with an IR cut filter (made up of a film that does not transmit light of near infrared wavelength or more) that cuts the wavelength of near infrared light or more (about 800 nm or more). Although not particularly problematic, when used for vein imaging, it is necessary to put light having a near infrared wavelength or more into the element.
固体撮像素子100・100A・100Bは静脈撮影に用いる場合について好適である。また、可視光用フィルター8Bのように、特定の波長の光のみを透過するフィルター膜で撮影された画像を使用する場合については、各種の提案がされている状況にある(例えば、植物・果物の育成状況や、食品の腐敗検査、人間の肌におけるシミ検出等)。そのような用途を考えた場合、その検出波長はよりピーキー(より限定的な波長のみで撮影)するような必要性がでてくる可能性がある。静脈認証においても、より限定的な波長で撮影した方が、認証精度が高まる可能性もある。フィルター特性を限定的な波長にする場合、単層のフィルター形成のみで目的の分光特性を得ることは困難であり、フィルターを2層設けたハイブリッドフィルター構造にすることが必要となってくるからである。
The solid-
言い換えると、特定の波長の光のみを透過する可視光用フィルター8Bは、図13に示すように、有機系フィルターや無機系フィルターからなる、第1フィルターと第2フィルターとを積層させハイブリッドフィルター構造とすることで形成することができる。ハイブリッド構造について、詳しくは後述する。図13は、2層のフィルターを用いて所望の透過光波長を得る模式図である。
In other words, the visible
なお、各フィルターの透過波長設定については、撮影システムや認証システム、あるいは重視したい撮影対象物などにより、可視光撮影用の色フィルターおよび近赤外光撮影用の色フィルターを選択して組み合わせて構成してもよい。 The transmission wavelength setting of each filter is configured by selecting and combining a color filter for visible light photography and a color filter for near-infrared light photography according to the photographing system, authentication system, or object to be emphasized. May be.
〔各フィルターの形成方法(または材質・構造)〕
本発明の各フィルターの形成方法(または材質・構造)について、図14〜図21に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。[Formation method (or material / structure) of each filter]
The forming method (or material / structure) of each filter according to the present invention will be described below with reference to FIGS. For convenience of explanation, members having the same functions as those described in the embodiment are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
図14は、本発明の実施形態1に係る固体撮像素子100のフィルターの形成例を説明するための断面図である。図1に示す固体撮像素子100と図14に示す固体撮像素子100Cとは、可視光用フィルター8、および近赤外光用フィルター9に代えて、可視光用フィルター8C、および近赤外光用フィルター9Cにより構成されている点が異なる。なお、固体撮像素子100Cは、可視光用フィルター8C、および近赤外光用フィルター9C以外の構成は固体撮像素子100と同様である。
FIG. 14 is a cross-sectional view for explaining an example of forming a filter of the solid-
可視光用フィルター8C、および近赤外光用フィルター9Cは、両方とも有機系フィルター(有機系膜に少なくとも特定の波長の光を吸収する材料を混入した膜で構成)である。可視光用フィルター8C、および近赤外光用フィルター9Cは、アクリル等の有機系材料中に特定の波長の光を吸収する特性をもった顔料または染料と、パターニングのための感光材料をまぜた有機系材料のみで形成されている。
The visible
なお、有機系フィルターの場合、上述したように、有機材料中に特定の波長を吸収する顔料または染料材料と、パターン形成の為の感光材料を入れたものが一般的で、素子(ウェハー)上への回転塗布・パターン形成(パターン露光)・現像の工程で形成できることから、フィルター形成は比較的簡単な工程で行うことができる反面、先に形成した下地凹凸が大きい場合には、回転塗布でのムラが発生し易いというデメリットがある。 In the case of an organic filter, as described above, a pigment or dye material that absorbs a specific wavelength in an organic material and a photosensitive material for pattern formation are generally used. The filter can be formed in a relatively simple process because it can be formed by spin coating, pattern formation (pattern exposure), and development. However, if the ground irregularities previously formed are large, spin coating can be performed. There is a demerit that unevenness is likely to occur.
〔各フィルターの形成方法の変形例1〕
図15は、固体撮像素子100のフィルターの形成方法の変形例を説明するための断面図である。図15に示す固体撮像素子100Dと図14に示す固体撮像素子100Cとは、可視光用フィルター8C、および近赤外光用フィルター9Cに代えて、可視光用フィルター8D、および近赤外光用フィルター9Dが設けられる点が異なり、その他の構成は同様である。[
FIG. 15 is a cross-sectional view for explaining a modified example of the filter forming method of the solid-
図15に示すように、可視光用フィルター8D、および近赤外光用フィルター9Dは、屈折率の異なる材料の薄膜積層構造により特定の波長を反射する特性を持つ無機系材料のみで形成されている。具体的には、図15に示す例では、可視光用フィルター8D(可視光撮影用の色フィルター)および近赤外光用フィルター9D(近赤外光撮影用の色フィルター)の両方を無機系フィルター(無機系膜の積層構造により特定の波長の光を反射する膜で構成)とした例を示している。但し、無機フィルターの場合は、通常の半導体製造前半プロセス中で形成可能ではあるが、10層程度の薄膜の積層構造であるために、その成膜・エッチング処理が困難であり、その製造後の素子凹凸も非常に大きくなるというデメリットがある。
As shown in FIG. 15, the
図16の(a)は、無機フィルターを構成する各層の膜厚を示す図であり、図16の(b)は、無機フィルターの多層膜の透過率のシミュレーション結果を示すグラフである。図16の(a)・(b)に示すように、積層膜の屈折率と積層数・膜厚を選択することで、所望の波長の光のみを透過する無機系フィルターを形成することができる。図17は、実際に作成した無機多層フィルターの電子顕微鏡写真を示す図である。なお、図17では、図16の(a)・(b)のシミュレーション結果とは異なる構造膜の例を示す。 FIG. 16A is a diagram showing the film thickness of each layer constituting the inorganic filter, and FIG. 16B is a graph showing the simulation result of the transmittance of the multilayer film of the inorganic filter. As shown in FIGS. 16A and 16B, an inorganic filter that transmits only light of a desired wavelength can be formed by selecting the refractive index of the laminated film, the number of laminated layers, and the film thickness. . FIG. 17 is a view showing an electron micrograph of an actually produced inorganic multilayer filter. Note that FIG. 17 shows an example of a structural film that is different from the simulation results of (a) and (b) of FIG.
〔各フィルターの形成方法の変形例2〕
図18は、固体撮像素子100のフィルターのさらに他の形成例を説明するための断面図である。図18に示す固体撮像素子100Eと図14に示す固体撮像素子100Cとは、可視光用フィルター8C、および近赤外光用フィルター9Cに代えて、可視光用フィルター8E、および近赤外光用フィルター9Eが設けられる点が異なり、その他の構成は同様である。[
FIG. 18 is a cross-sectional view for explaining still another example of forming the filter of the solid-
可視光用フィルター8Eおよび近赤外光用フィルター9Eとして、例えば、IRカット(近赤外光より長い波長をカット)するフィルターや、赤色波長のみ、緑色波長のみ、または青色波長のみの光を透過するフィルターだと、1層の有機系フィルター(有機材料に特定の波長光を吸収する材料を混ぜたもの)で形成可能である。しかし、それらは必ずしも所望の波長の光のみを透過するのではなく、その付近の波長の光やある程度離れた波長の光まで透過してしまう。各フィルターを透過する光の波長を限定したものにするには、例えば、1層の有機系フィルターのみでは無く、別の有機系フィルターや、無機系フィルターを組み合わせたハイブリッドフィルターとする必要がある。
As the visible light filter 8E and the near-
具体的には、図18に示すように、固体撮像素子100Eでは、可視光用第1フィルター111(可視光撮影用の色フィルター)および近赤外光用第1フィルター112(近赤外光撮影用の色フィルター)が、それぞれ有機系フィルター(有機系膜に少なくとも特定の波長の光を吸収する材料を混入した膜で構成)で構成されている。また、固体撮像素子100Eは、可視光用第2フィルター113(可視光撮影用の色フィルター)および近赤外光用第2フィルター114(近赤外光撮影用の色フィルター)がそれぞれ、無機系フィルター(無機系膜の積層構造により特定の波長の光を反射する膜)で構成されている。可視光用フィルター8Eは、可視光用第2フィルター113に、可視光用第1フィルター111が積層されることにより構成されている。近赤外光用フィルター9Eは、近赤外光用第2フィルター114に、近赤外光用第1フィルター112が積層されることにより構成されている。
Specifically, as shown in FIG. 18, in the solid-
本変形例では、可視光用フィルター8Eは、IRカットフィルターと青色波長透過フィルターとの積層(ハイブリッド)フィルターであてもよい。このように、上述した有機系フィルターの膜と無機系フィルターの膜を両方用いたハイブリッド構造を用いることでさらに透過波長の選択幅を広げることもできる。 In the present modification, the visible light filter 8E may be a laminated (hybrid) filter including an IR cut filter and a blue wavelength transmission filter. Thus, the selection range of the transmission wavelength can be further expanded by using the hybrid structure using both the organic filter film and the inorganic filter film.
〔各フィルターの形成方法の変形例3〕
図19は、固体撮像素子100のフィルターのさらに他の形成例を説明するための断面図である。図19に示す固体撮像素子100Fと図14に示す固体撮像素子100Cとは、可視光用フィルター8C、および近赤外光用フィルター9Cに代えて、可視光用フィルター8F、および近赤外光用フィルター9Fが設けられる点が異なり、その他の構成は同様である。このように、上述した有機系フィルターの膜を2層以上積層したハイブリッド構造を用いることでさらに透過波長の選択幅を広げることもできる。[
FIG. 19 is a cross-sectional view for explaining still another example of forming the filter of the solid-
具体的には、図19に示すように、固体撮像素子100Fは、可視光用第1フィルター120(可視光撮影用の色フィルター)および近赤外光用第1フィルター121(近赤外光撮影用の色フィルター)が、それぞれ有機系フィルター(有機系膜に少なくとも特定の波長の光を吸収する材料を混入した膜で構成)で構成されている。また、さらに、可視光用第2フィルター122(可視光撮影用の色フィルター)および近赤外光用第2フィルター123(近赤外光撮影用の色フィルター)についてもそれぞれ、有機系フィルター(有機系膜に少なくとも特定の波長の光を吸収する材料を混入した膜で構成)で構成されている。可視光用フィルター8Fは、可視光用第2フィルター122に、可視光用第1フィルター120が積層されることにより構成されている。近赤外光用フィルター9Fは、近赤外光用第2フィルター123に、近赤外光用第1フィルター121が積層されることにより構成されている。
Specifically, as shown in FIG. 19, the solid-
〔各フィルターの形成方法の変形例4〕
図20は、固体撮像素子100のフィルターのさらに他の形成例を説明するための断面図である。図20に示す固体撮像素子100Gと図14に示す固体撮像素子100Cとは、可視光用フィルター8C、および近赤外光用フィルター9Cに代えて、可視光用フィルター8G、および近赤外光用フィルター9Gが設けられる点が異なり、その他の構成は同様である。このように、上述した無機系フィルターの膜を2層以上積層したハイブリッド構造を用いることでさらに透過波長の選択幅を広げることもできる。[
FIG. 20 is a cross-sectional view for explaining still another example of forming the filter of the solid-
具体的には、図20に示すように、固体撮像素子100Gは、可視光用第1フィルター130(可視光撮影用の色フィルター)および近赤外光用第1フィルター131(近赤外光撮影用の色フィルター)が、それぞれ無機系フィルター(無機系膜の積層構造により特定の波長の光を反射する膜で構成)で構成されている。また、さらに、可視光用第2フィルター132(可視光撮影用の色フィルター)および近赤外光用第2フィルター133(近赤外光撮影用の色フィルター)についてもそれぞれ、無機系フィルター(無機系膜の積層構造により特定の波長の光を反射する膜で構成)で構成されている。
Specifically, as shown in FIG. 20, the solid-
可視光用フィルター8Gは、可視光用第2フィルター132に、可視光用第1フィルター130が積層されることにより構成されている。近赤外光用フィルター9Gは、近赤外光用第2フィルター133に、近赤外光用第1フィルター131が積層されることにより構成されている。
The
なお、現実的には形成が簡単な有機系フィルターの1層構造でまず目的の分光が得られるかを検討し、さらに分光を絞り込む必要がある場合には、無機系フィルターの1層から、有機系フィルターおよび無機系フィルターのハイブリッド構造へと構造を複雑にしていくことが好ましい(なお、上述した回転塗布時のムラの問題については、ある程度の改善が可能である)。 In reality, it is first considered whether the target spectrum can be obtained with a single-layer structure of an organic filter that is easy to form. It is preferable to make the structure complicated to a hybrid structure of an inorganic filter and an inorganic filter (however, the above-mentioned problem of unevenness during spin coating can be improved to some extent).
上述した固体撮像素子100〜100Gのいずれかを含む撮像システムを実現することで、簡単(小型)かつ低コストとなる撮像システムで、高速・高精度な静脈(動脈)認証・掌紋認証システムを構築することができる。加えて、2つの生体情報から個人を認証することでセキュリティ性が向上する。特に静脈情報は目に見えない情報であるので、偽造が困難であり、さらにセキュリティ性を高めることが可能になる。また、より最適な露出調整ができ、太陽光下などの強い光の環境下においても良好で正確な画像を取得することができる。
By realizing an imaging system including any of the solid-
〔実施形態4〕
実施形態1〜3ではCCDについて説明してきたが、CMOS型固体撮像素子についても同様の構成とすることができる。本実施形態においては、CMOS型固体撮像素子200での構成例について図21に基づき説明する。図21は、本発明の実施形態4に係るCMOS型固体撮像素子200の構成を説明するための図である。図21の(a)は、CMOS型固体撮像素子200を光の入射側から見たときのフィルター配列の様子を示す図である。また、図21の(b)は、図21の(a)に示すC−C’断面の断面図である。CMOS型固体撮像素子200(固体撮像素子)は、図21の(b)に示すように、シリコン基板201(半導体基板)、フォトダイオード不純物層202(光電変換部)、高濃度不純物層203、ゲート電極204、メタル配線205、可視光用フィルター206(可視光撮影用の色フィルター)、近赤外光用フィルター207(近赤外光撮影用の色フィルター)、および集光用マイクロレンズ208を備える。なお、ゲート電極204、メタル配線205、および集光用マイクロレンズ208の構成については、本発明の本質とはあまり関係がないので、ここでは説明を省略する。[Embodiment 4]
Although the first to third embodiments have described the CCD, the same configuration can be applied to the CMOS type solid-state imaging device. In the present embodiment, a configuration example of the CMOS solid-
(シリコン基板201)
シリコン基板201は、シリコンを基材とする一導電性を有する半導体基板である。ここで、一導電性とはp型の導電性またはn型の導電性のいずれか一方である。(Silicon substrate 201)
The
(フォトダイオード不純物層202、高濃度不純物層203)
シリコン基板201の内部には、受光した光を光電変換することで電荷を生成する領域である複数のフォトダイオード不純物層202、および生成された電荷が転送される領域である複数の高濃度不純物層203が形成されている。(
Inside the
(可視光用フィルター206、近赤外光用フィルター207)
本実施形態のCMOS型固体撮像素子200では、複数の可視光用フィルター206、および、それと同数の近赤外光用フィルター207のそれぞれが、複数のフォトダイオード不純物層202のそれぞれと対応付けられて2次元的に分散して配列されている。このため、可視光画像の全画素の情報を取得する際は、特定の近赤外光用フィルター207に対応付けられた画素(以下、「近赤外光画素」という)の情報を、その近傍に分散されて配置されている可視光用フィルター206に対応付けられた画素(以下、「可視光画素」という)の情報を用いて補完することが可能になる。また、近赤外光画像の全画素の情報を取得する際は、特定の可視光画像の情報を、その近傍に分散されて配置されている赤外光画素の情報を用いて補完することが可能になる。以上により、画像加工処理を簡単にし、可視光画像および近赤外光画像の両方の同時取得を可能とすることができる。(Visible
In the CMOS solid-
より具体的には、図21の(a)に示すように、可視光用フィルター206および近赤外光用フィルター207のそれぞれは、フォトダイオード不純物層202上で、集光用マイクロレンズ208との間の部分において、互い違いに(例えば、市松模様状)に配置されている。これにより、可視光画像の全画素の情報を取得する際は、特定の近赤外光画素の情報を、その画素の上下左右に配置されている可視光画素の情報を用いて補完することが可能になる。また、近赤外光画像の全画素の情報を取得する際は、特定の可視光画素の情報を、その画素の上下左右に配置されている赤外光画素の情報を用いて補完することが可能になる。よって、可視光撮影用の色フィルターと、近赤外光撮影用の色フィルターと、が互い違いに配置されていない構成と比較して、可視光画像または近赤外光画像の全画素の情報を得るための画像加工処理をより簡単化することができる。
More specifically, as shown in FIG. 21A, each of the
また、可視光用フィルター206は、可視光における特定波長を透過しない。本実施形態では、可視光用フィルター206は、青色より長波長の透過しない。具体的には、可視光用フィルター206は、例えば、可視光青色(490nm)より長い波長の光をカットする。近赤外光用フィルター207は、可視光波長以下の光を透過しない。具体的には、近赤外光用フィルター207は、例えば、750nmより短い波長の光をカットする。これにより、可視光用フィルター206が透過する光の量と、近赤外光用フィルター207が透過する光の量との差が小さくなり、可視光画素と近赤外光画素の感度差が小さくなる。これにより、CMOS型固体撮像素子200は、自動露出調整(自動電子シャッター処理)を行っても、近赤外光画素の出力が非常に小さくなることがなくなる。したがって、最適な露出調整ができ、太陽光下などの強い光の環境下においても良好で正確な画像を取得することができる。
The
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る固体撮像素子(100)は、撮影対象に対して同時に照射された近赤外光および可視光を受光し、当該受光した光を光電変換することで電荷を生成する複数の光電変換部(フォトダイオード不純物層2)と、前記複数の光電変換部の一部の各々に対応付けられた複数の可視光撮影用の色フィルター(可視光用フィルター8)と、前記複数の光電変換部の残余の各々に対応づけられた複数の近赤外光撮影用の色フィルター(近赤外光用フィルター9)と、を備え、前記可視光撮影用の色フィルターと前記近赤外光撮影用の色フィルターとは2次元的に分散されており、前記光電変換部で生成される電荷に基づく可視光画像および近赤外光画像の情報は同時に外部に出力され、前記可視光撮影用の色フィルターは、可視光における特定波長の光を透過しない。[Summary]
The solid-state imaging device (100) according to the first aspect of the present invention receives a plurality of near-infrared light and visible light that are simultaneously irradiated on an object to be imaged, and generates a plurality of charges by photoelectrically converting the received light. A plurality of visible light photographing color filters (visible light filter 8) associated with each of a part of the plurality of photoelectric conversion portions, and the plurality of the plurality of photoelectric conversion portions (photodiode impurity layer 2). A plurality of near-infrared light photographing color filters (near-infrared light filter 9) associated with each of the remaining photoelectric conversion units, the visible light photographing color filter and the near-infrared light The color filter for light photographing is two-dimensionally dispersed, and information on a visible light image and a near-infrared light image based on the charge generated by the photoelectric conversion unit is output to the outside at the same time, and the visible light photographing Color filter for visible light Kicking does not transmit light of a specific wavelength.
上記構成によれば、光電変換部に対応づけられた可視光撮影用の色フィルターとの近赤外光撮影用の色フィルターは2次元的に分散されて配置されている。これにより、当該固体撮像素子を含む撮像システムにおいて、画像加工処理を簡単にし、可視光の撮像画像および近赤外光の撮像画像の両方の同時取得が可能となる。 According to the above configuration, the near-infrared color photographing color filter and the visible color photographing color filter associated with the photoelectric conversion unit are two-dimensionally distributed. Thereby, in an imaging system including the solid-state imaging device, image processing is simplified, and both a captured image of visible light and a captured image of near-infrared light can be simultaneously acquired.
また、上記構成によれば、可視光撮影用の色フィルターが可視光における特定波長の光を透過しないので、本願発明の可視光撮影用の色フィルターが透過する光の量は、例えば、全ての可視光を透過する可視光撮影用の色フィルターに比べて、光を透過する量が減る。言い換えると、可視光撮影用の色フィルターが透過する光の量と、近赤外光撮影用の色フィルターが透過する光の量との差が小さくなり、可視光画素と近赤外光画素の感度差が小さくなる。 Further, according to the above configuration, since the visible light photographing color filter does not transmit light of a specific wavelength in visible light, the amount of light transmitted by the visible light photographing color filter of the present invention is, for example, all Compared with a visible light photographing color filter that transmits visible light, the amount of light transmitted is reduced. In other words, the difference between the amount of light transmitted by the visible light color filter and the amount of light transmitted by the near-infrared color filter is reduced, so that the visible light pixel and the near-infrared light pixel The sensitivity difference is reduced.
これにより、撮影対象に対して同時に照射された近赤外光および可視光を受光して撮影対象を撮影する際に電子シャッターによる自動露出調整を行う場合、全ての可視光を透過する可視光撮影用の色フィルターに比べて、電子シャッターによる電荷掃き出し時間を短くし、電荷蓄積時間を長くすることができる。その結果、全ての可視光を透過する可視光撮影用の色フィルターに比べて、近赤外画像出力が大きくなるので、より最適な露出調整ができ、太陽光下などの強い光の環境下においても良好で正確な画像を取得することができる。 As a result, when performing automatic exposure adjustment with an electronic shutter when receiving a near-infrared light and a visible light that are simultaneously irradiated on the object to be photographed, the visible light photographing that transmits all visible light is performed. Compared with the color filter for use, the charge discharging time by the electronic shutter can be shortened and the charge accumulation time can be lengthened. As a result, the near-infrared image output is larger than the color filter for visible light photography that transmits all visible light, so it is possible to adjust exposure more optimally and in strong light environments such as sunlight. Even good and accurate images can be obtained.
本発明の態様2に係る固体撮像素子(100)は、上記態様1において、前記可視光撮影用の色フィルター(可視光用フィルター8)は、青色より長波長の光を通さないことが好ましい。
In the solid-state imaging device (100) according to
上記構成によれば、特定の波長を透過させるフィルターを形成するよりも簡単にフィルターを作成することができる。 According to the above configuration, it is possible to create a filter more easily than forming a filter that transmits a specific wavelength.
本発明の態様3に係る固体撮像素子(100)は、上記態様1または2において、前記可視光撮影用の色フィルターは、490nm以上の波長の光を透過しない膜であってもよい。
In the solid-state imaging device (100) according to
上記構成によれば、さらに入射光の量が制限を小さくすることができ、それに伴い近赤外光撮影用の色フィルターへ入射する光の量の制限も少なくなるのでより最適な露出調整ができる。また、可視光撮影用の色フィルターを例えば有機系膜および無機系膜とすることにより製造が容易となり低コスト化を実現することができる。 According to the above configuration, the limit of the amount of incident light can be further reduced, and accordingly, the limit of the amount of light incident on the color filter for near-infrared light photography is also reduced, so that more optimal exposure adjustment can be performed. . Further, by using, for example, an organic film and an inorganic film as a color filter for visible light photography, manufacturing is facilitated and cost reduction can be realized.
本発明の態様4に係る固体撮像素子(100A)は、上記態様1において、前記可視光撮影用の色フィルター(可視光用フィルター8A)は、緑色より長波長の光を透過しないことが好ましい。
In the solid-state imaging device (100A) according to
上記構成によれば、青色より長波長の光を通さないフィルターを形成するよりも、簡単にフィルターを形成することができる。 According to the above configuration, a filter can be formed more easily than forming a filter that does not transmit light having a longer wavelength than blue.
本発明の態様5に係る固体撮像素子(100A)は、上記態様4において、前記可視光撮影用の色フィルター(可視光用フィルター8A)は、膜であることが好ましい。
In the solid-state imaging device (100A) according to
上記構成によれば、製造が容易となり低コスト化を実現することができる。 According to the said structure, manufacture becomes easy and can implement | achieve cost reduction.
本発明の態様6に係る固体撮像素子(100B)は、上記態様1において、前記可視光撮影用の色フィルター(可視光用フィルター8B)は、特定の波長の光のみを透過することが好ましい。
In the solid-state imaging device (100B) according to
上記構成によれば、例えば、450〜470nmの範囲のみ透過とすることもでき、さらに入射光の量が制限を小さくすることができるので、より最適な露出調整ができる。 According to the above configuration, for example, only the range of 450 to 470 nm can be transmitted, and the amount of incident light can be further reduced, so that more optimal exposure adjustment can be performed.
本発明の態様7に係る固体撮像素子(100B)は、上記態様6において、前記可視光撮影用の色フィルター(可視光用フィルター8B)は、膜であることが好ましい。
In the solid-state imaging device (100B) according to
上記構成によれば、製造が容易となり低コスト化を実現することができる。 According to the said structure, manufacture becomes easy and can implement | achieve cost reduction.
本発明の態様8に係る固体撮像素子(100)は、上記態様1〜7のいずれかにおいて、前記近赤外光撮影用の色フィルター(近赤外光用フィルター9)は、近赤外波長よりも短い波長の光を透過しない膜であることが好ましい。
In the solid-state imaging device (100) according to
上記構成によれば、赤外光画像情報に近赤外波長よりも短いで光電変換された情報が含まれないようにすることができるため、例えば、静脈画像撮影を行う際に、より静脈画像を際立たせることが可能になる。 According to the above configuration, since it is possible to prevent the infrared light image information from containing photoelectrically converted information that is shorter than the near-infrared wavelength, for example, when performing vein image capturing, a more vein image Can be made to stand out.
本発明の態様9に係る固体撮像素子(100)は、上記態様1〜8のいずれかにおいて、前記近赤外光撮影用の色フィルター(近赤外光用フィルター9)は、特定の波長の光のみを透過する膜であることが好ましい。 The solid-state imaging device (100) according to the ninth aspect of the present invention is the solid-state imaging device (100) according to any one of the first to eighth aspects, wherein the near-infrared light color filter (near-infrared light filter 9) has a specific wavelength. A film that transmits only light is preferable.
上記構成によれば、透過させる光の波長を適切に設定することで、例えば、植物・果物の育成状況や、食品の腐敗検査、人間の肌におけるシミ検出などに好適な固体撮像素子を実現することができる。 According to the above configuration, by appropriately setting the wavelength of light to be transmitted, a solid-state imaging device suitable for, for example, growing conditions of plants and fruits, food spoilage inspection, spot detection on human skin, and the like is realized. be able to.
本発明の態様10に係る固体撮像素子(100)は、上記態様1〜9のいずれかにおいて、全画素の読み出しが可能であることが好ましい。 The solid-state imaging device (100) according to the tenth aspect of the present invention is preferably capable of reading all pixels in any of the first to ninth aspects.
上記構成によれば、可視光画像または近赤外光画像の全画素の情報を得るための画像加工処理をより簡単かつ、より高速に行うことができる。 According to the above configuration, it is possible to perform image processing for obtaining information on all pixels of a visible light image or a near-infrared light image more easily and at a higher speed.
本発明の態様11に係る固体撮像素子(100C)は、上記態様1〜10のいずれかにおいて、前記可視光撮影用の色フィルター(可視光用フィルター8C)および前記近赤外光撮影用の色フィルター(近赤外光用フィルター9C)は、有機系膜に少なくとも特定の波長の光を吸収する材料を混入した膜により形成されていることが好ましい。
The solid-state imaging device (100C) according to
上記構成によれば、素子(ウェハー)上への回転塗布、パターン形成(パターン露光)および現像の各工程で形成できることから、フィルター形成を比較的簡単な工程で行うことができる。 According to the above configuration, the filter can be formed in a relatively simple process because it can be formed in each step of spin coating on the element (wafer), pattern formation (pattern exposure), and development.
本発明の態様12に係る固体撮像素子(100D)は、上記態様1〜11のいずれかにおいて、前記可視光撮影用の色フィルター(可視光用フィルター8D)および前記近赤外光撮影用の色フィルター(近赤外光用フィルター9D)は、無機系膜の積層構造により特定の波長の光を反射する膜により形成されていることが好ましい。
The solid-state imaging device (100D) according to an
上記構成によれば、通常の半導体製造前半プロセス中でフィルター形成が可能になる。 According to the above configuration, the filter can be formed during the normal first half process of semiconductor manufacturing.
本発明の態様13に係る固体撮像素子(100E)は、上記態様1〜12のいずれかにおいて前記可視光撮影用の色フィルター(可視光用フィルター8E)および前記近赤外光撮影用の色フィルター(近赤外光用フィルター9E)は、有機系膜に少なくとも特定の波長の光を吸収する材料を混入した膜と、無機系膜の積層構造により特定の波長の光を反射する膜と、の両方により形成されていることが好ましい。
The solid-state imaging device (100E) according to
上記構成によれば、所望の分光特性を得ることができるフィルター形成が可能になる。 According to the above configuration, it is possible to form a filter that can obtain desired spectral characteristics.
本発明の態様14に係る固体撮像素子(100)は、上記態様1〜13のいずれかにおいて、前記可視光撮影用の色フィルター(可視光用フィルター8)の数と前記近赤外光撮影用の色フィルター(近赤外光用フィルター9)の数とは同数であることが好ましい。 The solid-state imaging device (100) according to the fourteenth aspect of the present invention is the solid-state imaging device (100) according to any one of the first to thirteenth aspects, wherein the number of the visible light photographing color filters (visible light filter 8) and the near infrared light photographing. The number of color filters (near-infrared light filter 9) is preferably the same.
上記構成によれば、可視光撮影用の色フィルターの数と近赤外光撮影用の色フィルターの数とが同数なので、例えば、近赤外光撮影用の色フィルターに対応付けられた画素の近傍に分散されて配置されている可視光撮影用の色フィルターに対応付けられた画素の情報を用いて、近赤外光撮影用の色フィルターに対応付けられた画素の情報を補完することができる。 According to the above configuration, since the number of color filters for visible light photography and the number of color filters for near-infrared light photography are the same, for example, the pixels associated with the color filters for near-infrared light photography It is possible to supplement the pixel information associated with the color filter for near-infrared light photography by using the pixel information associated with the color filter for visible light photography arranged in the vicinity. it can.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, a new technical feature can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.
2 フォトダイオード不純物層(光電変換部)
8・8A・8B・8C・8D・8E・8F・8G 可視光用フィルター(可視光撮影用の色フィルター)
9・9C・9D・9E・9F・9G 近赤外光用フィルター(近赤外光撮影用の色フィルター)
100・100A・100B・100C・100D・100E・100F・100G 固体撮像素子
200 CMOS型固体撮像素子(固体撮像素子)
206 可視光用フィルター(可視光撮影用の色フィルター)
207 近赤外光用フィルター(近赤外光撮影用の色フィルター)
500 撮像システム2 Photodiode impurity layer (photoelectric conversion part)
8,8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F, 8G Visible light filter (color filter for visible light photography)
9, 9C, 9D, 9E, 9F, 9G Near Infrared Light Filter (Color Filter for Near Infrared Light Photography)
100 /
206 Visible light filter (color filter for visible light photography)
207 Near-infrared filter (color filter for near-infrared light photography)
500 Imaging system
Claims (5)
前記複数の光電変換部の一部の各々に対応付けられた複数の可視光撮影用の色フィルターと、
前記複数の光電変換部の残余の各々に対応づけられた複数の近赤外光撮影用の色フィルターと、を備え、
前記可視光撮影用の色フィルターと前記近赤外光撮影用の色フィルターとは2次元的に分散されており、
前記光電変換部で生成される電荷に基づく可視光画像および近赤外光画像の情報は同時に外部に出力され、
前記可視光撮影用の色フィルターは、可視光における特定波長の光を透過しないことを特徴とする固体撮像素子。A plurality of photoelectric conversion units that receive near-infrared light and visible light that are simultaneously irradiated to the imaging target, and generate charges by photoelectrically converting the received light; and
A plurality of visible light photographing color filters associated with each of a part of the plurality of photoelectric conversion units;
A plurality of near infrared light photographing color filters associated with each of the remaining of the plurality of photoelectric conversion units,
The visible light photographing color filter and the near infrared light photographing color filter are two-dimensionally dispersed,
Information of the visible light image and the near-infrared light image based on the charge generated by the photoelectric conversion unit is output to the outside at the same time,
The solid-state imaging device, wherein the visible light color filter does not transmit light having a specific wavelength in visible light.
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Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04357926A (en) * | 1991-07-26 | 1992-12-10 | Olympus Optical Co Ltd | Endoscope device |
JPH07154698A (en) * | 1993-10-08 | 1995-06-16 | Sharp Corp | Solid-state image pickup equipment and its drive method |
JP2001268433A (en) * | 2000-03-16 | 2001-09-28 | Matsushita Electric Works Ltd | Image pickup device |
JP2009158944A (en) * | 2007-12-06 | 2009-07-16 | Sony Corp | Solid-state imaging device, method of manufacturing same, and electronic equipment |
WO2010021342A2 (en) * | 2008-08-19 | 2010-02-25 | ローム株式会社 | Camera |
JP2014017468A (en) * | 2012-06-14 | 2014-01-30 | Sony Corp | Solid state imaging device, calibration method of solid state imaging device, shutter device and electronic apparatus |
WO2014041742A1 (en) * | 2012-09-14 | 2014-03-20 | パナソニック株式会社 | Solid-state imaging device and camera module |
JP2014135535A (en) * | 2013-01-08 | 2014-07-24 | Olympus Corp | Imaging apparatus |
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Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04357926A (en) * | 1991-07-26 | 1992-12-10 | Olympus Optical Co Ltd | Endoscope device |
JPH07154698A (en) * | 1993-10-08 | 1995-06-16 | Sharp Corp | Solid-state image pickup equipment and its drive method |
JP2001268433A (en) * | 2000-03-16 | 2001-09-28 | Matsushita Electric Works Ltd | Image pickup device |
JP2009158944A (en) * | 2007-12-06 | 2009-07-16 | Sony Corp | Solid-state imaging device, method of manufacturing same, and electronic equipment |
WO2010021342A2 (en) * | 2008-08-19 | 2010-02-25 | ローム株式会社 | Camera |
JP2014017468A (en) * | 2012-06-14 | 2014-01-30 | Sony Corp | Solid state imaging device, calibration method of solid state imaging device, shutter device and electronic apparatus |
WO2014041742A1 (en) * | 2012-09-14 | 2014-03-20 | パナソニック株式会社 | Solid-state imaging device and camera module |
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