JP4855192B2 - イメージセンサ及びデジタルカメラ - Google Patents

Description

本発明は、イメージセンサ及びデジタルカメラに係り、特に、入射光の光量に応じて電荷を蓄積する電荷蓄積型のイメージセンサ及び当該イメージセンサを用いたデジタルカメラに関する。

近年、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）エリアセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等の固体撮像素子の高解像度化に伴い、デジタル電子スチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant，携帯情報端末）等の撮影機能を有する情報機器の需要が急増している。なお、以上のような固体撮像素子による撮影機能を有する情報機器をデジタルカメラと総称する。

ところで、近年、この種のデジタルカメラに対して、従来の可視光画像の撮影に加え、非可視光画像の撮影を行いたい、という要望がある。例えば、赤外光画像の撮影も行うことができれば、夜間の撮影等を行うことができる。

従来、この要望に応えるために適用できる技術として、特許文献１には、シリコン基板上に拡散領域とＮ領域とからなる照度センサ素子と、これと隣接する別のＰ領域を形成して、同一平面上で可視光と赤外光を撮像する技術が開示されている。

また、特許文献２には、可視光と非可視光を分離するコールドミラー等の分離手段を含む複数の分離手段とＣＣＤを用いて可視光と非可視光を撮像可能とする技術が開示されている。
特開平６−１７７４１６号公報 特開平１０−２１０４８６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている技術では、同一受光面において２種類のセンサ素子と電極が配置されているため、可視光、赤外光ともに可視光のみ又は赤外光のみを同一受光面において受光する場合に比較して受光面積が小さくなり、撮像感度が低下してしまう、という問題点があった。また、当該特許文献１に開示されている技術では、センサに入射する光の波長の違いによる光学素子の屈折率の違いにより、可視光と赤外光の焦点距離が異なるため、可視光と赤外光の双方を良好な状態で集光することが困難である、という問題点もあった。

一方、上記特許文献２に開示されている技術では、複数のＣＣＤが必要となるため、消費電力及びコストの上昇を招くばかりでなく、装置サイズの大型化も招いてしまう、という問題点があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、撮像感度の低下、集光状態の悪化、消費電力及びコストの上昇、及び装置サイズの大型化を招くことなく、異なる波長の光を撮像することのできるイメージセンサ及びデジタルカメラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載のイメージセンサは、各々画素に対応してマトリクス状に内部に設けられ、表面に受光面を有すると共に、裏面に対して光が入射可能に構成されており、当該受光面及び当該裏面で受光された光の光量に応じて電荷を蓄積し、層厚が所定波長とは異なる波長の光を透過することができる厚さとされたｎ型半導体基板にｐ型ウエルが積層され、当該ｐ型ウエルにｎ型領域が形成されることにより得られた複数の受光素子と、前記複数の受光素子の表面側に設けられ、前記所定波長の光を透過して前記複数の受光素子の少なくとも一部に入射させる第１のフィルタと、前記複数の受光素子の裏面側に設けられ、前記所定波長とは異なる波長の光を透過して前記複数の受光素子の少なくとも一部に入射させる第２のフィルタと、前記複数の受光素子に蓄積された電荷を外部に出力する電荷出力手段と、を備えていることを特徴としている。

請求項１に記載のイメージセンサによれば、各々画素に対応してマトリクス状に内部に設けられ、表面に受光面を有する複数の受光素子により、当該受光面で受光された光の光量に応じて電荷が蓄積され、前記複数の受光素子に蓄積された電荷が電荷出力手段により外部に出力される。

ここで、本発明のイメージセンサは、前記複数の受光素子の裏面に対して光が入射可能に構成されており、前記複数の受光素子により、前記裏面で受光された光の光量に応じて電荷が蓄積される。

すなわち、本発明では、以上の構成により、各々画素に対応してマトリクス状に内部に設けられ、受光された光の光量に応じて電荷を蓄積する複数の受光素子を、表面及び裏面から受光可能なものとしており、これによって１つのイメージセンサの表面及び裏面から異なる波長の光を入射させることによって、当該異なる波長の光を撮像できるようにしている。このとき、上記複数の受光素子は、表面からの入射光と裏面からの入射光の受光に共用されるため、撮像感度の低下、消費電力及びコストの上昇、及び装置サイズの大型化を招くことはない。また、本発明では、２つの入射光を表面及び裏面の各々に対して異なる経路で入射させることができるため、２つの入射光の入射経路を共通とする場合における各入射光の焦点距離が相違することに起因する集光状態の悪化を招くこともない。

このように、請求項１に記載のイメージセンサによれば、各々画素に対応してマトリクス状に内部に設けられ、表面に受光面を有すると共に、裏面に対して光が入射可能に構成されており、当該受光面及び当該裏面で受光された光の光量に応じて電荷を蓄積し、層厚が所定波長とは異なる波長の光を透過することができる厚さとされたｎ型半導体基板にｐ型ウエルが積層され、当該ｐ型ウエルにｎ型領域が形成されることにより得られた複数の受光素子を備え、前記複数の受光素子の表面側に設けられた第１のフィルタにより、前記所定波長の光が透過されて前記複数の受光素子の少なくとも一部に入射し、前記複数の受光素子の裏面側に設けられた第２のフィルタにより、前記所定波長とは異なる波長の光が透過されて前記複数の受光素子の少なくとも一部に入射し、電荷出力手段により、前記複数の受光素子に蓄積された電荷が外部に出力されるので、撮像感度の低下、集光状態の悪化、消費電力及びコストの上昇、及び装置サイズの大型化を招くことなく、異なる波長の光を撮像することができる。
また、これにより、前記複数の受光素子の表面の受光面及び裏面の受光面に対して、互いに異なる所望の波長の光を正確に入射させることができる。さらに、これにより、前記ｎ型半導体基板の層厚のみが異なる、従来の固体撮像素子と略同様の製造プロセスによって当該イメージセンサを製造することができる。

しかしながら、この場合、前記ｎ型半導体基板の層厚が従来に比較して薄くなる結果、当該イメージセンサの強度が低下してしまう。

そこで、請求項１に記載の発明は、請求項２に記載の発明のように、裏面に補強用の硝子板が設けられたものとしてもよい。これにより、ｎ型半導体基板の層厚が薄くなることに起因する強度の低下を補うことができる。

また、請求項１または請求項２記載の発明は、請求項３に記載の発明のように、前記所定波長が可視光の波長で、かつ前記所定波長とは異なる波長が非可視光の波長であるか、又は前記所定波長が非可視光の波長で、かつ前記所定波長とは異なる波長が可視光の波長であるものとしてもよい。これにより、可視光及び非可視光の双方を撮像することができる。

また、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の発明の前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタは、請求項４に記載の発明のように、前記所定波長の光の入射対象とする受光素子の配置位置と、前記所定波長とは異なる波長の光の入射対象とする受光素子の配置位置とが互いに交互となるように構成されているものとしてもよい。これにより、所定波長の光と当該所定波長とは異なる波長の光を同時に撮像することができる。

更に、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の発明の前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタは、請求項５に記載の発明のように、各々の透過対象とする波長の光を前記複数の受光素子の全てに入射させるように構成されているものとしてもよい。これにより、所定波長の光と当該所定波長とは異なる波長の光を連続的かつ交互に撮像することにより、各々の波長の光を前記複数の受光素子の全てを用いて撮像することができる結果、撮像感度を更に向上させることができる。

一方、上記目的を達成するために、請求項６に記載のデジタルカメラは、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載のイメージセンサと、前記イメージセンサの表面に対して前記所定波長の光を入射させる表面入射手段と、前記イメージセンサの裏面に対して前記所定波長とは異なる波長の光を入射させる裏面入射手段と、前記イメージセンサから出力された電荷に基づいて撮影を行うように制御する制御手段と、を備えている。

請求項６に記載のデジタルカメラは、本発明のイメージセンサを備えており、表面入射手段により、当該イメージセンサの表面に対して前記所定波長の光が入射される一方、裏面入射手段により、前記イメージセンサの裏面に対して前記所定波長とは異なる波長の光が入射され、制御手段により、前記イメージセンサから出力された電荷に基づいて撮影が行われるように制御される。

このように、請求項６に記載のデジタルカメラによれば、本発明のイメージセンサを有すると共に、前記イメージセンサの表面に対して前記所定波長の光を入射させる一方、前記イメージセンサの裏面に対して前記所定波長とは異なる波長の光を入射させ、これに応じて前記イメージセンサから出力された電荷に基づいて撮影を行うように制御しているので、本発明のイメージセンサと同様に、撮像感度の低下、集光状態の悪化、消費電力及びコストの上昇、及び装置サイズの大型化を招くことなく、異なる波長の光を撮像することができる。

なお、本発明の前記制御手段は、請求項７に記載の発明のように、前記イメージセンサが請求項５に記載のイメージセンサである場合、前記表面入射手段による光の入射と、前記裏面入射手段による光の入射が連続的に交互となるように切り替えると共に、これに応じて前記イメージセンサに蓄積される電荷を前記切り替えのタイミングに同期させて読み出すように制御するものとしてもよい。これにより、請求項５に記載の発明と同様に、撮像感度を更に向上させることができる。

本発明によれば、撮像感度の低下、集光状態の悪化、消費電力及びコストの上昇、及び装置サイズの大型化を招くことなく、異なる波長の光を撮像することのできるイメージセンサ及びデジタルカメラを提供することができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
まず、図１の断面側面図を参照して、本実施の形態に係る撮像素子５０の全体的な構成を説明する。

同図に示されるように、本実施の形態に係る撮像素子５０は、ガラス基板７２及びセンサ部７４が一体的に構成されたイメージセンサ７０が、表面に透過ガラス５４が設けられ、裏面に透過ガラス５６が設けられたセラミクス製のケース５２に密閉された状態で構成されている。

上記センサ部７４は撮像素子５０の中核を担うものであり、各々画素に対応する複数の受光素子がマトリクス状に設けられたものである。また、上記ガラス基板７２は、センサ部７４と撮像素子５０の電極（端子）５８との間の電気的な接続を行う他、センサ部７４を補強する役割も有している。

なお、センサ部７４は、表面（図１における上面）及び裏面（図１における下面）の両面から受光することができるものとされており、透過ガラス５４はセンサ部７４の表面側の受光面全面に対して光を入射することができる寸法かつ配設位置とされ、透過ガラス５６はセンサ部７４の裏面側の受光面全面に対して光を入射することができる寸法かつ配設位置とされている。

図２（Ａ）はセンサ部７４における撮像領域の部分平面図であり、撮像領域内の相隣接する２つの画素Ｐを示している。各画素Ｐは、受光された光の光量に応じて電荷を蓄積するフォトダイオードからなる受光素子８０を有している。画素Ｐの左右両側には、垂直電荷転送路８２が配置されている。

点線で示すように、４相駆動するためのポリシリコン電極８５、８６、８９、・・・、９０（ＥＬ）が垂直電荷転送路８２の上方に配置される。たとえば、２層ポリシリコンで転送電極を形成する場合、転送電極８５、８９はたとえば第１層ポロシリコン層で形成され、転送電極８６、９０は第２層ポロシリコン層で形成される。転送電極８５は、受光素子８０から垂直電荷転送路８２への電荷読み出しも制御する。

図２（Ｂ）、図２（Ｃ）はそれぞれ図２（Ａ）中のＣＡ線、ＣＢ線に沿った断面図である。図２（Ｂ）に示すように、ｎ型半導体基板８７の表面に、ｐ型ウエル８８が形成されている。ｐ型ウエル８８の表面領域にｎ型領域が形成され、これが受光素子８０を構成している。ｐ＋型領域９３は、画素Ｐ、垂直電荷転送路８２などの電気的な分離を行うためのチャネルストップ領域である。

図２（Ｃ）に示すように、受光素子８０を構成するｎ型領域の近傍に、垂直電荷転送路８２を構成するｎ型領域が配置されている。両者の間のｐ型ウエル８８が読み出しトランジスタを構成する。

ｎ型半導体基板８７の表面には、酸化シリコン膜などの絶縁層が形成され、その上にポリシリコンで形成された転送電極ＥＬが形成される。転送電極ＥＬは、垂直電荷転送路８２の上方を覆うように配置されている。転送電極ＥＬの上に更に酸化シリコン等の絶縁層が形成され、その上に垂直電荷転送路８２等を覆うようにして、上方に開口部を有する遮光膜８３がタングステン等により形成されている。遮光膜８３を覆うように、ホスホシリケートガラス等で形成された層間絶縁膜８４が形成され、その表面が平坦化されている。

層間絶縁膜８４の上には、カラーフィルタ層９１が形成されている。カラーフィルタ層９１は、たとえば赤色領域９１Ｒ、緑色領域等３色以上（本実施の形態では３色）の色領域を含む。カラーフィルタ層９１の上に、各画素Ｐに対応してマイクロレンズ９２がレジスト材料などにより形成されている。

図２（Ｂ）に示すように、マイクロレンズ９２は各画素Ｐの上に１つずつ形成されており、その下方には赤外領域９１Ｒ等のカラーフィルタが配置されている。カラーフィルタを透過した光は受光素子８０に入射する。マイクロレンズ９２は、上方より入射する光を、遮光膜８３の開口部に集光させる。

一方、ｎ型半導体基板８７の裏面には、非可視光フィルタ層９５が形成されている。非可視光フィルタ層９５は、非可視光（本実施の形態では、赤外光）を透過させる非可視光領域を含む。そして、非可視光フィルタ層９５の裏面はガラス基板７２に取り付けられている。

ここで、ｎ型半導体基板８７は、層厚が上記非可視光を透過することができる厚さ（一例として、２０μｍ）とされており、ガラス基板７２として上記非可視光に対する透過率が高いものを適用している。この構成により、受光素子８０を、センサ部７４の表面及び裏面の両面から受光することができ、かつ受光した光の光量に応じて電荷が蓄積できるものとしている。なお、上記非可視光に対する透過率の点からｎ型半導体基板８７の層厚は薄いほど好ましいが、当該層厚を薄くするほどイメージセンサ７０の強度が低下することになる。そこで、本実施の形態に係るイメージセンサ７０では、この強度の低下を補うためにガラス基板７２を利用しているのである。

一方、図３（Ａ）には、本実施の形態に係るカラーフィルタ層９１の構成（表面から見た構成）が示されており、図３（Ｂ）には、本実施の形態に係る非可視光フィルタ層９５の構成（裏面から見た構成）が示されている。

図３（Ａ）に示されるように、本実施の形態に係るカラーフィルタ層９１は、赤色光を透過する赤色領域９１Ｒ、緑色光を透過する緑色領域９１Ｇ、青色光を透過する青色領域９１Ｂ、及び光を透過しない遮光領域９１Ｋが１組とされて複数組がマトリクス状に配列されて構成されている。これに対し、図３（Ｂ）に示されるように、本実施の形態に係る非可視光フィルタ層９５は、イメージセンサ７０に設けられた際にカラーフィルタ層９１における遮光領域９１Ｋに対応する位置のみに非可視光（本実施の形態では、赤外光）を透過する非可視光領域９５Ｉが配列されており、他の領域は全て遮光領域９５Ｋとされている。

すなわち、本実施の形態に係るカラーフィルタ層９１及び非可視光フィルタ層９５は、可視光の入射対象とする受光素子８０の配置位置と、非可視光の入射対象とする受光素子８０の配置位置とが互いに交互となるように構成されている。イメージセンサ７０は、この構成によって可視光と非可視光を同時に撮像することができるものとされている。

なお、上述したｎ型半導体基板８７の層厚の条件及びガラス基板７２を設ける点を除いて、イメージセンサ７０の構造や製造手法等は従来既知のものであるので、これ以上のここでの説明は省略する。

次に、図４を参照して、以上のように構成された撮像素子５０が適用された、本実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ａの要部構成を説明する。

デジタルカメラ１０Ａは、被写体像を結像させるためのレンズ１２と、レンズ１２を介して入射された光を撮像素子５０の受光面に案内する光学ユニット２２と、赤外光を受光する受光面が図４上方向を向き、かつ可視光を受光する受光面が図４下方向を向くように配設された撮像素子５０と、を含んで構成されている。

上記光学ユニット２２は、レンズ１２を透過した光の光軸Ｌの最上流側に、コールドフィルタ１４Ａがコーティングされたプリズム１４を備えている。コールドフィルタ１４Ａは、可視光を透過し、赤外光を反射する光学特性を有するものであり、レンズ１２を透過した光は、プリズム１４のコールドフィルタ１４Ａによって赤外光のみが図４上方に反射される。

当該赤外光の反射方向下流側には反射鏡２０Ａ及び反射鏡２０Ｂが順に配設されており、コールドフィルタ１４Ａによって反射された赤外光は、反射鏡２０Ａ及び反射鏡２０Ｂによって順に反射され、撮像素子５０の赤外光を受光する受光面に入射される。

一方、コールドフィルタ１４Ａにより反射されずにプリズム１４を透過した可視光の進行方向下流側には可視光を反射させる反射面を有するプリズム１６が配設されており、更に、プリズム１６の反射面による可視光の反射方向下流側には反射鏡２０Ｃ及び反射鏡２０Ｄが順に配設されており、プリズム１６の反射面によって反射された可視光は、反射鏡２０Ｃ及び反射鏡２０Ｄによって順に反射され、撮像素子５０の可視光を受光する受光面に入射される。

本実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ａでは、以上の光学ユニット２２の構成により、可視光及び赤外光の双方を撮像可能に構成された単一の撮像素子５０に対して、共通（同一）のレンズ１２を介して入射された被写体像を示す光における可視光及び赤外光を入射させることができるようにしている。

なお、可視光と赤外光の波長の違いによる各光学素子の屈折率の違いにより、可視光と赤外光の焦点距離が異なるため、本実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ａでは、可視光と赤外光の光路長を変えることにより、当該焦点距離の違いを可能な限り吸収するように光学ユニット２２における各部材が位置決めされている。

このような光学ユニット２２の配置の工夫により、焦点距離の違いを或る程度は吸収できるものの、完全に吸収することは難しい。そこで、本実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ａでは、撮像素子５０が図４上下方向（矢印Ｘ方向）に所定範囲内で移動可能に構成されており、これによって撮像素子５０における表面及び裏面の両面に対する焦点距離の調整を可能としている。

一方、本実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ａは、入力されたアナログ信号に対して各種のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部３０と、入力されたアナログ信号をデジタルデータに変換するアナログ／デジタル変換器（以下、「ＡＤＣ」という。）３２と、入力されたデジタルデータの出力先を予め定められた２つの出力先の何れか一方に切り替える出力切替部３４と、入力されたデジタルデータに対して各種のデジタル信号処理を行うデジタル信号処理部３６と、デジタルカメラ１０Ａ全体の動作を司る制御部４０と、を含んで構成されている。

撮像素子５０の出力端はアナログ信号処理部３０の入力端に、アナログ信号処理部３０の出力端はＡＤＣ３２の入力端に、ＡＤＣ３２の出力端は出力切替部３４の入力端に、各々接続されている。従って、撮像素子５０から出力された被写体像を示すアナログ信号はアナログ信号処理部３０によって相関２重サンプリング処理を含む所定のアナログ信号処理が施され、ＡＤＣ３２によってデジタル画像データに変換された後に出力切替部３４に入力される。

ここで、本実施の形態に係る出力切替部３４は制御部４０に接続されており、当該制御部４０による制御下で、アナログ信号処理部３０及びＡＤＣ３２を介して撮像素子５０から入力されたデジタル画像データを、撮像素子５０の可視光を受光する画素により得られたデータ（以下、「カラー画像データ」という。）と、赤外光を受光する画素により得られたデータ（以下、「赤外画像データ」という。）と、に分別して出力する役割を有する。なお、本実施の形態に係る出力切替部３４は、制御部４０からの設定に応じて、カラー画像データ及び赤外画像データの何れか一方のみを出力することができるものとして構成されている。

そして、出力切替部３４のカラー画像データを出力する出力端はデジタル信号処理部３６の入力端に接続されており、デジタル信号処理部３６では、入力されたカラー画像データに対して色同時化処理、ホワイトバランス調整処理、ガンマ処理、シャープネス処理等の各種デジタル信号処理を施す。なお、デジタル信号処理部３６によってデジタル信号処理が施されたカラー画像データは、ユーザによる撮影指示（不図示のレリーズスイッチ（所謂シャッターボタン）の押圧操作）に応じて可搬型のメモリカードに記録されることになるが、このための構成及び処理については従来既知であるので、ここでの説明は省略する。

一方、出力切替部３４の赤外画像データを出力する出力端は、当該赤外画像データを用いた所定の処理を実行する赤外画像処理部（図示省略。）に接続されている。なお、本実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ａでは、上記所定の処理として、入力された赤外画像データを、ユーザによる撮影指示（上記レリーズスイッチの押圧操作）に応じて上記可搬型のメモリカードに記録する処理を適用している。

一方、デジタルカメラ１０Ａには、主として撮像素子５０を駆動させるためのタイミング信号を生成して撮像素子５０に供給するタイミングジェネレータ３８が備えられており、撮像素子５０の駆動は制御部４０によりタイミングジェネレータ３８を介して制御される。

更に、デジタルカメラ１０Ａには、被写体に対して赤外光を照射する赤外光源４２と、赤外光源４２から射出された赤外光を被写体に向けて集光する集光レンズ４４と、が備えられており、赤外光源４２の発光状態も制御部４０により制御される。

なお、本実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ａには、撮影を行う撮影モードの他、撮影によって得られた画像データによる被写体像を再生する再生モードも搭載されているが、これについても従来既知であるので、ここでの説明は省略する。

また、本実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ａは、撮影を行う際の撮影モードとして、可視光による撮影を行う可視光撮影モードと、赤外光による撮影を行う赤外光撮影モードの何れか一方が選択的に設定可能とされている。

次に、図５を参照して、本実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ａの撮影モードが設定されている際の作用を説明する。なお、図５は、この際にデジタルカメラ１０Ａの制御部４０により実行される撮影モード処理プログラムの処理の流れを示すフローチャートであり、当該プログラムは制御部４０に内蔵された不図示のメモリに予め記憶されている。また、ここでは、錯綜を回避するために、可視光撮影モード及び赤外光撮影モードの何れか一方の撮影モードがユーザによって予め設定されている場合について説明する。

まず、ステップ１００では、赤外光撮影モードが設定されているか否かを判定し、肯定判定となった場合はステップ１０２に移行する。

ステップ１０２では、赤外画像データのみが出力されるように出力切替部３４を制御し、次のステップ１０４にて、赤外光源４２の発光を開始するように制御した後、次のステップ１０６にて、上記レリーズスイッチの押圧操作に応じて赤外画像データを記録する赤外撮影処理を実行し、次のステップ１０８にて、上記ステップ１０４の処理によって開始した赤外光源４２の発光を停止するように制御した後にステップ１１４に移行する。

一方、上記ステップ１００において否定判定となった場合には可視光撮影モードが設定されているものと見なしてステップ１１０に移行し、カラー画像データのみが出力されるように出力切替部３４を制御し、次のステップ１１２にて、上記レリーズスイッチの押圧操作に応じてカラー画像データを記録する通常撮影処理を実行した後にステップ１１４に移行する。

ステップ１１４では、ユーザによって撮影モードが終了されたか否かを判定し、否定判定となった場合は上記ステップ１００に戻って再びステップ１００以降の処理を実行する一方、肯定判定となった場合には本撮影モード処理プログラムを終了する。

以上詳細に説明したように、本実施の形態に係るイメージセンサでは、各々画素に対応してマトリクス状に内部に設けられ、表面に受光面を有すると共に、当該受光面で受光された光の光量に応じて電荷を蓄積する複数の受光素子（本実施の形態では、受光素子８０）と、前記複数の受光素子に蓄積された電荷を外部に出力する電荷出力手段（本実施の形態では、垂直電荷転送路８２）と、を備え、前記複数の受光素子の裏面に対して光が入射可能に構成されており、前記複数の受光素子が、前記裏面で受光された光の光量に応じて電荷が蓄積可能とされているので、撮像感度の低下、集光状態の悪化、消費電力及びコストの上昇、及び装置サイズの大型化を招くことなく、異なる波長の光を撮像することができる。

また、本実施の形態に係るイメージセンサでは、前記複数の受光素子の表面側に設けられ、所定波長の光（本実施の形態では、可視光）を透過して前記複数の受光素子の少なくとも一部に入射させる第１のフィルタ（本実施の形態では、カラーフィルタ層９１）と、前記複数の受光素子の裏面側に設けられ、前記所定波長とは異なる波長の光（本実施の形態では、赤外光）を透過して前記複数の受光素子の少なくとも一部に入射させる第２のフィルタ（本実施の形態では、非可視光フィルタ層９５）と、を更に備えているので、前記複数の受光素子の表面の受光面及び裏面の受光面に対して、互いに異なる所望の波長の光を正確に入射させることができる。

また、本実施の形態に係るイメージセンサでは、前記受光素子が、層厚が前記所定波長とは異なる波長の光を透過することができる厚さとされたｎ型半導体基板にｐ型ウエルが積層され、当該ｐ型ウエルにｎ型領域が形成されることにより得られたものとしているので、前記ｎ型半導体基板の層厚のみが異なる、従来の固体撮像素子と略同様の製造プロセスによって当該イメージセンサを製造することができる。

また、本実施の形態に係るイメージセンサでは、裏面に補強用の硝子板（ここでは、ガラス基板７２）が設けられたものとしているので、ｎ型半導体基板の層厚が薄くなることに起因する強度の低下を補うことができる。

また、本実施の形態に係るイメージセンサでは、前記所定波長が可視光の波長で、かつ前記所定波長とは異なる波長が非可視光の波長であるものとしているので、可視光及び非可視光の双方を撮像することができる。

更に、本実施の形態に係るイメージセンサでは、前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタを、前記所定波長の光の入射対象とする受光素子の配置位置と、前記所定波長とは異なる波長の光の入射対象とする受光素子の配置位置とが互いに交互となるように構成されているものとしているので、所定波長の光と当該所定波長とは異なる波長の光を同時に撮像することができる。

また、本実施の形態に係るデジタルカメラでは、本実施の形態に係るイメージセンサを有すると共に、前記イメージセンサの表面に対して前記所定波長の光を入射させる一方、前記イメージセンサの裏面に対して前記所定波長とは異なる波長の光を入射させ、これに応じて前記イメージセンサから出力された電荷に基づいて撮影を行うように制御しているので、本実施の形態に係るイメージセンサと同様に、撮像感度の低下、集光状態の悪化、消費電力及びコストの上昇、及び装置サイズの大型化を招くことなく、異なる波長の光を撮像することができる。

なお、本実施の形態では、本発明の所定波長として可視光の波長を、本発明の前記所定波長とは異なる波長として非可視光の波長を、各々適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記所定波長が非可視光の波長であるものとし、前記所定波長とは異なる波長が可視光の波長であるものとする形態とすることもできる。この場合も、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。

また、本実施の形態では、本発明の非可視光として赤外光を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、紫外光を適用する形態とすることもできる。この場合、１つのイメージセンサにて、可視光による撮像と紫外光による撮像を実現することができる。

［第２の実施の形態］
本第２の実施の形態では、イメージセンサに設けられているカラーフィルタ層及び非可視光フィルタ層の他の形態例について説明する。なお、本第２の実施の形態に係るイメージセンサ７０の構成は、カラーフィルタ層及び非可視光フィルタ層の構成を除いて上記第１の実施の形態に係るものと同様であるので、ここでは、まず、本第２の実施の形態に係るカラーフィルタ層９１’及び非可視光フィルタ層９５’の構成を、図６を参照しつつ説明する。

図６（Ａ）に示されるように、本第２の実施の形態に係るカラーフィルタ層９１’は、１つの赤色領域９１Ｒ及び青色領域９１Ｂと、２つの緑色領域９１Ｇが１組とされて複数組がマトリクス状に配列されて構成されている。これに対し、図６（Ｂ）に示されるように、本実施の形態に係る非可視光フィルタ層９５’は、全ての画素に対応して非可視光領域９５Ｉが配列されて構成されている。

すなわち、本第２の実施の形態に係るカラーフィルタ層９１’及び非可視光フィルタ層９５’は、各々の透過対象とする波長の光をイメージセンサ７０の受光素子８０の全てに入射させるように構成されている。本第２の実施の形態に係るイメージセンサ７０は、この構成によって、可視光と赤外光を連続的かつ交互に撮像することにより、各々の光を受光素子の全てを用いて撮像することができる結果、撮像感度を向上できるものとされている。

次に、図７を参照して、以上のように構成されたイメージセンサ７０を含む撮像素子５０が適用された、本第２の実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ｂの要部構成を説明する。なお、図７における図４に示される上記第１の実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ａと同様の構成要素については図４と同一の符号を付して、その説明を省略する。

図７に示すように、本第２の実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ｂは、２つの液晶シャッタ１８Ａ及び液晶シャッタ１８Ｂと、当該液晶シャッタ１８Ａ，１８Ｂを駆動させるシャッタ駆動部４６と、が新たに設けられている点、及び出力切替部３４に代えて出力切替部３４’が適用されている点のみが上記第１の実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ａと異なっている。

液晶シャッタ１８Ａは、コールドフィルタ１４Ａと反射鏡２０Ａとの間に介在されており、コールドフィルタ１４Ａによって反射された赤外光の遮断及び通過を切り替える役割を有している。これに対して、液晶シャッタ１８Ｂは、プリズム１４とプリズム１６との間に介在されており、コールドフィルタ１４Ａを通過した可視光の遮断及び通過を切り替える役割を有している。ここで、シャッタ駆動部４６は制御部４０に接続されており、液晶シャッタ１８Ａ，１８Ｂによる光の遮断及び通過は制御部４０によりシャッタ駆動部４６を介して制御される。

なお、本第２の実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ｂでは、制御部４０から、シャッタ駆動部４６に対して液晶シャッタ１８Ａ，１８Ｂの状態を制御するために入力する制御信号と、赤外光源４２に対して赤外光源４２の発光状態を制御するために入力する制御信号とを、共通の信号（以下、「制御信号」という。）を適用している。

本第２の実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ｂでは、液晶シャッタ１８Ａによる撮像素子５０への光の入射と、液晶シャッタ１８Ｂによる撮像素子５０への光の入射が連続的に交互となるように切り替えると共に、これに応じてイメージセンサ７０に蓄積される電荷を前記切り替えのタイミングに同期させて読み出すように制御している。このため、本第２の実施の形態に係る出力切替部３４’は、制御部４０による制御下で、ＡＤＣ３２から入力されたデジタル画像データを、前記切り替えのタイミングに同期された状態で、撮像素子５０の可視光を受光することにより得られたデータ（以下、「カラー画像データ」という。）と、赤外光を受光することにより得られたデータ（以下、「赤外画像データ」という。）と、に分別して出力する役割を有する。

なお、本第２の実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ｂでは、可視光画像と赤外光画像を画像フレーム毎に交互に撮像するものとされており、制御部４０から出力切替部３４’へは、画像フレーム毎に出力画像データを切り替えるものとされたフレーム切替信号が出力される。なお、この形態に限らず、可視光画像及び赤外光画像の一方のみを連続的に撮像する形態とすることもできることは言うまでもない。この場合、撮像対象とする光の光路上に設けられた液晶シャッタを透過状態とし、他の液晶シャッタを遮光状態とすることになる。

図８には、本実施の形態に係るフレーム切替信号と制御信号の一例が示されている。同図に示されるフレーム切替信号を出力切替部３４’へ入力すると共に、制御信号を赤外光源４２及びシャッタ駆動部４６に入力することにより、同図に示されるように、フレーム切替信号がハイレベル（High Level）にあるときは、赤外光源４２が発光されると共に液晶シャッタ１８Ａが透過状態（開状態）にされ、かつ液晶シャッタ１８Ｂが遮光状態（閉状態）にされることにより、撮像素子５０では赤外光による撮像が行われて、この結果として赤外画像データが得られることになる。

これに対し、フレーム切替信号がローレベル（Low Level）にあるときは、赤外光源４２が非発光状態にされると共に液晶シャッタ１８Ａが遮光状態（閉状態）にされ、かつ液晶シャッタ１８Ｂが透過状態（開状態）にされることにより、撮像素子５０では可視光による撮像が行われて、この結果としてカラー画像データが得られることになる。

なお、出力されたカラー画像データや赤外画像データを用いた処理の内容については、上記第１の実施の形態に係るデジタルカメラ１０Ａと同様であるので、これ以上の説明は省略する。

以上詳細に説明したように、本実施の形態に係るイメージセンサでは、上記第１の実施の形態に係るイメージセンサと同様の効果を奏することができると共に、前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタを、各々の透過対象とする波長の光を前記複数の受光素子の全てに入射させるように構成されているものとしているので、所定波長の光（ここでは、可視光）と当該所定波長とは異なる波長の光（ここでは、赤外光）を連続的かつ交互に撮像することにより、各々の波長の光を前記複数の受光素子の全てを用いて撮像することができる結果、撮像感度を向上させることができる。

また、本実施の形態に係るデジタルカメラでは、表面入射手段（ここでは、プリズム１４，プリズム１６，反射鏡２０Ｃ，反射鏡２０Ｄ）による光の入射と、裏面入射手段（ここでは、コールドフィルタ１４Ａ，反射鏡２０Ａ，反射鏡２０Ｂ）による光の入射が連続的に交互となるように切り替えると共に、これに応じて前記イメージセンサに蓄積される電荷を前記切り替えのタイミングに同期させて読み出すように制御しているので、実際に撮像感度を向上させることができる。

なお、上記各実施の形態では、不図示の赤外画像処理部により実行される所定の処理として、撮像された赤外画像データを、ユーザによる撮影指示（上記レリーズスイッチの押圧操作）に応じて可搬型のメモリカードに記録する処理を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、特開平７−８３６１４号公報に開示されている技術により被写体までの距離を求める処理や、特開平７−４３６００号公報に開示されている技術によりユーザの視線を検出する処理等の、赤外画像データを用いた他の処理を適用することもできることは言うまでもない。

図９には、ユーザの視線を検出する処理を行う場合のデジタルカメラ１０Ｃの構成例が示されている。なお、同図における図４と同一の構成要素には図４と同一の符号が付してある。

同図に示すデジタルカメラ１０Ｃでは、撮像素子５０が、可視光を受光する受光面がレンズ１２を介して入射される光（可視光）の光軸Ｌの方向を向き、赤外光を受光する受光面がデジタルカメラ１０Ｃの後方を向くように設けられている。

一方、デジタルカメラ１０Ｃには、電子ビュー・ファインダ４７が備えられており、電子ビュー・ファインダ４７を参照する際に覗く覗き窓部の近傍に赤外光源４２と、当該赤外光源４２から射出された赤外光をユーザの眼球に向けて集光する集光レンズ４４と、が設けられている。そして、上記覗き窓部の近傍で、かつユーザの眼球による赤外光の反射方向に対応する位置には、当該赤外光を結像させるためのレンズ４８と、反射鏡２２Ａ及び反射鏡２２Ｂの２つの反射鏡とが設けられており、これらの部材によって、上記眼球により反射された赤外光が撮像素子５０の赤外光を受光する受光面に結像される構成とされている。

なお、当該構成において、出力切替部３４の赤外画像データを出力する出力端は制御部４０に接続されており、制御部４０により、出力切替部３４を介して得られた赤外画像データに基づいてユーザの視線を検出し、当該視線の検出結果に基づいて、ユーザの所望するＡＥ（Automatic Exposure、自動露出）制御や、ＡＦ（Auto Focus、自動合焦）制御、ズーム操作等を行うものとされている。

この構成においても、上記各実施の形態と同様の効果を奏することができる。

その他、上記各実施の形態に係る撮像素子、イメージセンサ及びデジタルカメラの構成（図１〜図４，図６，図７参照。）は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において適宜変更可能であることは言うまでもない。

例えば、上記各実施の形態では、本発明のイメージセンサをＣＣＤエリアセンサに適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ等の他の固体撮像素子に適用することもできる。この場合も、上記各実施の形態と同様の効果を奏することができる。

また、上記各実施の形態では、カラーフィルタ層９１（９１’）と非可視光フィルタ層９５（９５’）をイメージセンサ７０に一体的に設けた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、カラーフィルタ層９１（９１’）と同様に作用するフィルタ（以下、「可視光フィルタ」という。）と、非可視光フィルタ層９５（９５’）と同様に作用するフィルタ（以下、「非可視光フィルタ」という。）を、イメージセンサ７０とは別個に設ける形態とすることもできる。この場合、可視光フィルタは、一例として図４や図７に示される光学ユニット２２における可視光の光路上の何れかの位置に設けられ、非可視光フィルタは、当該光学ユニット２２における非可視光の光路上の何れかの位置に設けられることになるが、撮像素子５０の各受光素子８０に対する位置決めの容易性から、各フィルタとも撮像素子５０の近傍に設けることが好ましい。また、この場合の可視光フィルタ及び非可視光フィルタのフィルタ構成としては、図３及び図６に示した構成と同一のものを例示することができる。

この場合も、各実施の形態と同様の効果を奏することができる。

また、上記第１の実施の形態において説明した撮影モード処理プログラムの処理の流れ（図５参照。）も一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において、各ステップの処理順序の変更、処理内容の変更、不要なステップの削除、新たなステップの追加等を行うことができることは言うまでもない。

更に、上記第２の実施の形態において適用したフレーム切替信号及び制御信号のタイムチャート（図８参照。）も一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において適宜変更可能であることは言うまでもない。

実施の形態に係る撮像素子の構成を示す断面側面図である。 実施の形態に係るイメージセンサにおけるセンサ部の構成を示す図であり、（Ａ）はセンサ部における撮像領域の部分平面図、（Ｂ）及び（Ｃ）は各々（Ａ）中のＣＡ線、ＣＢ線に沿った断面図である。 第１の実施の形態に係るカラーフィルタ層及び非可視光フィルタ層の構成を示す概略平面図である。 第１の実施の形態に係るデジタルカメラの構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る撮影モード処理プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係るカラーフィルタ層及び非可視光フィルタ層の構成を示す概略平面図である。 第２の実施の形態に係るデジタルカメラの構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態に係るデジタルカメラで適用されたフレーム切替信号及び制御信号のタイムチャートである。 実施の形態に係る撮像素子を適用したデジタルカメラの他の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ デジタルカメラ
１２ レンズ
１４ プリズム（表面入射手段）
１４Ａ コールドフィルタ（裏面入射手段）
１６ プリズム（表面入射手段）
１８Ａ，１８Ｂ 液晶シャッタ
２０Ａ，２０Ｂ 反射鏡（裏面入射手段）
２０Ｃ，２０Ｄ 反射鏡（表面入射手段）
２２Ａ，２２Ｂ 反射鏡（裏面入射手段）
４０ 制御部（制御手段）
４２ 赤外光源
４４ 集光レンズ
４６ シャッタ駆動部
５０ 撮像素子
５８ 電極
７０ イメージセンサ
７２ ガラス基板（硝子板）
７４ センサ部
８０ 受光素子
８２ 垂直電荷転送路（電荷出力手段）
８７ ｎ型半導体基板
８８ ｐ型ウエル
９１，９１’ カラーフィルタ層（第１のフィルタ）
９５，９５’ 非可視光フィルタ層（第２のフィルタ）

Claims (7)

1. 各々画素に対応してマトリクス状に内部に設けられ、表面に受光面を有すると共に、裏面に対して光が入射可能に構成されており、当該受光面及び当該裏面で受光された光の光量に応じて電荷を蓄積し、層厚が所定波長とは異なる波長の光を透過することができる厚さとされたｎ型半導体基板にｐ型ウエルが積層され、当該ｐ型ウエルにｎ型領域が形成されることにより得られた複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子の表面側に設けられ、前記所定波長の光を透過して前記複数の受光素子の少なくとも一部に入射させる第１のフィルタと、
   前記複数の受光素子の裏面側に設けられ、前記所定波長とは異なる波長の光を透過して前記複数の受光素子の少なくとも一部に入射させる第２のフィルタと、
   前記複数の受光素子に蓄積された電荷を外部に出力する電荷出力手段と、
   を備えたことを特徴とするイメージセンサ。
2. 裏面に補強用の硝子板が設けられた
   請求項１記載のイメージセンサ。
3. 前記所定波長が可視光の波長で、かつ前記所定波長とは異なる波長が非可視光の波長であるか、又は前記所定波長が非可視光の波長で、かつ前記所定波長とは異なる波長が可視光の波長である
   請求項１または請求項２記載のイメージセンサ。
4. 前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタは、前記所定波長の光の入射対象とする受光素子の配置位置と、前記所定波長とは異なる波長の光の入射対象とする受光素子の配置位置とが互いに交互となるように構成されている
   請求項１乃至請求項３の何れか１項記載のイメージセンサ。
5. 前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタは、各々の透過対象とする波長の光を前記複数の受光素子の全てに入射させるように構成されている
   請求項１乃至請求項３の何れか１項記載のイメージセンサ。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか１項記載のイメージセンサと、
   前記イメージセンサの表面に対して前記所定波長の光を入射させる表面入射手段と、
   前記イメージセンサの裏面に対して前記所定波長とは異なる波長の光を入射させる裏面入射手段と、
   前記イメージセンサから出力された電荷に基づいて撮影を行うように制御する制御手段と、
   を備えたデジタルカメラ。
7. 前記制御手段は、前記イメージセンサが請求項５に記載のイメージセンサである場合、前記表面入射手段による光の入射と、前記裏面入射手段による光の入射が連続的に交互となるように切り替えると共に、これに応じて前記イメージセンサに蓄積される電荷を前記切り替えのタイミングに同期させて読み出すように制御する
   請求項６記載のデジタルカメラ。

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