JP7280681B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。

光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが実用に供されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。

ＣＭＯＳイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード（光電変換素子）および浮遊拡散層（ＦＤ：Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するＦＤアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列（カラム）方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。

ＣＭＯＳイメージセンサの各画素は、たとえば１個のフォトダイオードに対して、転送ゲートとしての転送トランジスタ、リセットゲートとしてのリセットトランジスタ、ソースフォロワゲート（増幅ゲート）としてのソースフォロワトランジスタ、および選択ゲートとしての選択トランジスタの４素子を能動素子として含んで構成される（たとえば特許文献１参照）。

ＣＭＯＳイメージセンサは、一般的に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色フィルタやシアン、マゼンタ、イエロー、グリーンの４色補色フィルタを用いてカラー画像を撮像する。

一般的に、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、画素は個別にフィルタを備えている。フィルタは、主として赤色光を透過させる赤（Ｒ）フィルタ、主として緑色光を透過させる緑（Ｇｒ，Ｇｂ）フィルタ、および主として青色光を透過させる青（Ｂ）フィルタの４つを正方配列した画素群が単位ＲＧＢ画素グループとして２次元状に配列されている。

また、ＣＭＯＳイメージセンサへの入射光はフィルタを介してフォトダイオードで受光される。フォトダイオードは、人間の可視領域（３８０ｎｍ～７８０ｎｍ程度）より広いい波長域（３８０ｎｍ～１１００ｎｍ）の光を受光して信号電荷を発生させることから、赤外光分の誤差が生じて、色再現性が低下する。
このため、あらかじめ赤外線カットフィルタ（ＩＲカットフィルタ）により赤外光を除去するのが一般的である。
ところが、ＩＲカットフィルタは可視光を１０％～２０％程度も減衰させてしまうことから、固体撮像装置の感度を低下させ、画質に劣化を招く。

そこで、ＩＲカットフィルタを用いないＣＭＯＳイメージセンサ（固体撮像装置）が提案されている（たとえば特許文献２参照）。
このＣＭＯＳイメージセンサは、主として赤色光を透過させる赤（Ｒ）フィルタを含むＲ画素、主として緑色光を透過させる緑（Ｇ）フィルタを含むＧ画素、主として青色光を透過させる青（Ｂ）フィルタを含むＢ画素、および赤外光を受光する専用の近赤外（ＮＩＲ）画素の４つを正方配列した画素群が単位ＲＧＢＩＲ画素グループとして２次元状に配列されている。
このＣＭＯＳイメージセンサは、いわゆるＮＩＲ画像およびＲＧＢ画像を得ることができるＮＩＲ－ＲＧＢセンサとして機能する。

このＣＭＯＳイメージセンサでは、赤外光を受光した画素の出力信号を用いて、赤色、緑色、青色の光を受光した画素の出力信号を補正することにより、ＩＲカットフィルタを用いることなく高い色再現性を実現することができる。

また、単位ＲＧＢＩＲ画素グループまたは単位ＲＧＢ画素グループを備えたＣＭＯＳイメージセンサにおいては、単位画素グループの４つの画素で、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒ、ソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒ、および選択トランジスタＳＥＬ－Ｔｒが共有される場合もある。

また、赤外（ＩＲ，ＮＩＲ）センサとして、単位画素グループの４画素を画素サイズの大きい１つのＮＩＲ受光専用画素で形成される赤外（ＩＲ，ＮＩＲ）センサが知られている。

図１は、単位ＲＧＢＩＲ画素グループを有するＮＩＲ－ＲＧＢセンサとして形成された固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。
図１の例では、単位ＲＧＢＩＲ画素グループの各画素ＰＸＬは同じサイズを有し、いわゆるＲＧＢ画像およびＮＩＲ画像を得ることができる。

図２は、ＮＩＲセンサとして形成された固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。
図２の例では、ＮＩＲ受光専用画素はＮＩＲ－ＲＧＢセンサより画素サイズが大きく形成されている。

特開２００５－２２３６８１号公報 特開２０１７－１３９２８６公報

図１に示すような従来のＮＩＲ－ＲＧＢセンサとして形成されたＣＭＯＳイメージセンサでは、１つのセンサでＲＧＢ画像およびＮＩＲ画像を得ることができるという利点がる。
しかしながら、赤外光受光時には解像度はＲＧＢの画素と同等であるが、ＮＩＲ感度は低い（通常の１／４程度）という不利益がある。

また、図２に示すような従来のＮＩＲセンサとして形成されたＣＭＯＳイメージセンサは、ＮＩＲ感度は高い（約４倍）ものの、たとえばＲＧＢ等の可視光のカラー画像を得ることができないという不利益がある。

本発明は、ＲＧＢ等の可視光画像およびＮＩＲ等の赤外画像を得ることができ、しかも赤外光に対する受光感度を高く保持することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供することにある。

本発明の第１の観点の固体撮像装置は、光電変換を行う、少なくとも可視光用の複数の画素を含む単位画素グループが配置された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、前記可視光用の複数の前記画素は、赤外光に対する受光感度を持ち、前記読み出し部は、赤外読み出しモード時には、前記可視光用の複数の前記画素から読み出した赤外光の信号を加算することが可能である。

本発明の第２の観点は、光電変換を行う、少なくとも可視光用の複数の画素を含む単位画素グループが配置された画素部を有し、前記可視光用の複数の前記画素は、赤外光に対する受光感度を持つ固体撮像装置の駆動方法であって、赤外読み出しモード時には、前記可視光用の複数の前記画素から赤外光の信号を読み出し、読み出した赤外光の信号を加算する。

本発明の第３の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、光電変換を行う、少なくとも可視光用の複数の画素を含む単位画素グループが配置された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、前記可視光用の複数の前記画素は、赤外光に対する受光感度を持ち、前記読み出し部は、赤外読み出しモード時には、前記可視光用の複数の前記画素から読み出した赤外光の信号を加算することが可能である。

本発明によれば、ＲＧＢ等の可視光画像およびＮＩＲ等の赤外画像を得ることができ、しかも赤外光に対する受光感度を高く保持することが可能となる。

単位ＲＧＢＩＲ画素グループを有するＮＩＲ－ＲＧＢセンサとして形成された固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。 ＮＩＲセンサとして形成された固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。 本第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の４つの画素で１つのフローティングディフュージョンを共有する例を示す回路図である。 本実施形態に係る読み出し回路における列信号処理回路の構成例を示す図である。 本第１の実施形態に係る単位ＲＧＢ画素グループを有する固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における単位画素グループの構成例を模式的に示す簡略断面図である。 本第１の実施形態に係る固体撮像装置における第１のモード時の読み出し動作と第２のモード時の読み出し動作を説明するための図である。 本第２の実施形態に係る単位画素グループを有する固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。 本第３の実施形態に係る単位画素グループを有する固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。 本第３の実施形態に係る固体撮像装置における第１のモード時の読み出し動作と第２のモード時の読み出し動作を説明するための図である。 本第３の実施形態に係る読み出し部における赤外読み出しモード時の第１～第４の画素信号読み出しモードの切り替え制御を説明するためのフローチャートである。 本第４の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。 本第４の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。 本第５の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。 本第５の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。 光波長帯域間である可視光波長帯域と赤外光波長帯域間を光学的に遮光する場合に、遮光波長帯域端のカットオフ波長を決定する方法を説明するための図である。 本第６の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。 本第６の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。 本第７の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。 本第７の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。 本第８の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。 本第８の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。 本第９の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。 本第９の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。 本第１０の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。 本第１０の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。 本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用される電子機器の構成の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。

（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置１０は、たとえばＣＭＯＳイメージセンサにより構成される。

この固体撮像装置１０は、図３に示すように、撮像部としての画素部２０、垂直走査回路（行走査回路）３０、読み出し回路（カラム読み出し回路）４０、水平走査回路（列走査回路）５０、およびタイミング制御回路６０を主構成要素として有している。
また、これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０、およびタイミング制御回路６０により画素信号の読み出し部７０が構成される。

本第１の実施形態において、固体撮像装置１０は、ＲＧＢ等の可視光画像およびＮＩＲ等の赤外画像を得ることができ、しかも赤外光に対する受光感度を高く保持することが可能となるように、画素部２０は光電変換を行う、可視光用の複数の画素（色画素という場合もある）を含む単位画素グループが配置され、可視光用の複数の画素（色画素）は、赤外光に対する受光感度を持ち、読み出し部７０は、赤外読み出しモードＭＩＲＲＤ時には、複数の色画素から読み出した赤外光の信号を加算することが可能である。
本第１の実施形態においては、赤外光の波長が８００ｎｍ以上である。
また、各色画素は、読み出し部７０により可視領域のカラー画素信号と赤外領域の赤外画素信号を同時並列的に読み出し可能としてもよい。

本第１の実施形態においては、単位画素グループは、一面側から入射した光を光電変換する機能を有し、複数の可視光波長帯域（色）に対応する複数の光電変換部を含み、複数の光電変換部は、赤色（Ｒ）領域に対応する赤色（Ｒ）光電変換部、緑色（Ｇｂ，Ｇｒ）領域に対応する第１の緑色（Ｇｂ）光電変換部および第２の緑色（Ｇｒ）光電変換部、並びに青色（Ｂ）領域に対応する青色（Ｂ）光電変換部を含む。

そして、読み出し部７０は、第１のモードＭＯＤ１時は、第１の緑色（Ｇｂ）光電変換部、青色（Ｂ）光電変換部、赤色（Ｒ）光電変換部、第２の緑色（Ｇｒ）光電変換部から読み出した信号をそのまま出力することが可能であり、赤外読み出しモードを含む第２のモードＭＯＤ２時は、第１の緑色（Ｇｂ）光電変換部、青色（Ｂ）光電変換部、赤色（Ｒ）光電変換部、第２の緑色（Ｇｒ）光電変換部から読み出した信号を加算することが可能である。
本第１の実施形態において、基本的に、第１のモードＭＯＤ１は、赤色(Ｒ)緑色(Ｇ)青色(Ｂ)画像取得モードであり、第２のモードＭＯＤ２は、赤外（ＩＲ、ＮＩＲ）画像取得モードである。
本第１の実施形態においては、単位画素グループは、単位ＲＧＢ画素グループとして形成されている。

以下、固体撮像装置１０の各部の構成および機能の概要を説明した後、画素の具体的な構成、配置等について詳述する。

（画素部２０および画素ＰＸＬの構成）
画素部２０は、フォトダイオード（光電変換部）と画素内アンプとを含む複数の画素がＮ行×Ｍ列の２次元の行列状（マトリクス状）に配列されている。

図４は、本第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の４つの画素で１つのフローティングディフュージョンを共有する例を示す回路図である。

図４の画素部２０は、４つの画素ＰＸＬ１１，ＰＸＬ１２，ＰＸＬ２１，ＰＸＬ２２が２×２の正方に配置されている。

画素ＰＸＬ１１は、フォトダイオードＰＤ１１、および転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを含んで構成されている。

画素ＰＸＬ１２は、フォトダイオードＰＤ１２、および転送トランジスタＴＧ１２－Ｔｒを含んで構成されている。

画素ＰＸＬ２１は、フォトダイオードＰＤ２１、および転送トランジスタＴＧ２１－Ｔｒを含んで構成されている。

画素ＰＸＬ２２は、フォトダイオードＰＤ２２、および転送トランジスタＴＧ２２－Ｔｒを含んで構成されている。

そして、画素部２０は、４つの画素ＰＸＬ１１，ＰＸＬ１２，ＰＸＬ２１，ＰＸＬ２２で、フローティングディフュージョンＦＤ（Floating Diffusion；浮遊拡散層）１１、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒ、ソースフォロワトランジスタＳＦ１１－Ｔｒ、および選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒが共有されている。

このような４画素共有構成において、単位画素グループをベイヤ配列とした場合、画素ＰＸＬ１１がＧｂ画素として形成され、画素ＰＸＬ１２がＢ画素として形成され、ＰＸＬ２１がＲ画素として形成され、画素ＰＸＬ２２がＧｒ画素として形成される。
たとえば、画素ＰＸＬ１１のフォトダイオードＰＤ１１が第１の緑色（Ｇｂ）光電変換部として機能し、画素ＰＸＬ１２のフォトダイオードＰＤ１２が青色（Ｂ）光電変換部として機能し、画素ＰＸＬ２１のフォトダイオードＰＤ２１が赤色（Ｒ）光電変換部として機能し、画素ＰＸＬ２２のフォトダイオードＰＤ２２が第２の緑色（Ｇｒ）光電変換部として機能する。

一般に、色（光波長帯域）ごとに、各画素のフォトダイオードＰＤの飽和にいたる感度が異なる。
たとえば、Ｇ画素のフォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ２２の感度は、Ｂ画素のフォトダイオードＰＤ１２、Ｒ画素のフォトダイオードＰＤ２１の感度より高い。

フォトダイオードＰＤ１１、ＰＤ１２、ＰＤ２１、ＰＤ２２としては、たとえば埋め込みフォトダイオード（ＰＰＤ）が用いられる。
フォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２１，Ｐ２２を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込みフォトダイオード（ＰＰＤ）では、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。

フォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２１，ＰＤ２２は、入射光量に応じた量の信号電荷（ここでは電子）を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがｎ型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷がホールであったり、各トランジスタがｐ型トランジスタであっても構わない。

転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒは、フォトダイオードＰＤ１１とフローティングディフュージョンＦＤ１１の間に接続され、制御線（または制御信号）ＴＧ１１を通じて制御される。
転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒは、読み出し部７０の制御の下、制御線ＴＧ１１が所定レベルのハイレベル（Ｈ）の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１１で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送する。

転送トランジスタＴＧ１２－Ｔｒは、フォトダイオードＰＤ１２とフローティングディフュージョンＦＤ１１の間に接続され、制御線（または制御信号）ＴＧ１２を通じて制御される。
転送トランジスタＴＧ１２－Ｔｒは、読み出し部７０の制御の下、制御線ＴＧ１２が所定レベルのハイレベル（Ｈ）の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１２で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送する。

転送トランジスタＴＧ２１－Ｔｒは、フォトダイオードＰＤ２１とフローティングディフュージョンＦＤ１１の間に接続され、制御線（または制御信号）ＴＧ２１を通じて制御される。
転送トランジスタＴＧ２１－Ｔｒは、読み出し部７０の制御の下、制御線ＴＧ２１が所定レベルのハイレベル（Ｈ）の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤ２１で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送する。

転送トランジスタＴＧ２２－Ｔｒは、フォトダイオードＰＤ２２とフローティングディフュージョンＦＤ１１の間に接続され、制御線（または制御信号）ＴＧ２２を通じて制御される。
転送トランジスタＴＧ２２－Ｔｒは、読み出し部７０の制御の下、制御線ＴＧ２２が所定レベルのハイレベル（Ｈ）の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤ２２で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送する。

リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒは、図４に示すように、電源線ＶＤＤ（または電源電位）とフローティングディフュージョンＦＤ１１の間に接続され、制御線（または制御信号）ＲＳＴ１１を通じて制御される。
なお、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒは、電源線ＶＤＤとは別の電源線ＶＲｓｔとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線（または制御信号）ＲＳＴ１１を通じて制御されるように構成してもよい。
リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒは、読み出し部７０の制御の下、たとえば読み出しスキャン時に、制御線ＲＳＴ１１がＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤ１１を電源線ＶＤＤ（またはＶＲｓｔ）の電位にリセットする。

ソースフォロワトランジスタＳＦ１１－Ｔｒと選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒは、電源線ＶＤＤと垂直信号線ＬＳＧＮの間に直列に接続されている。
ソースフォロワトランジスタＳＦ１１－ＴｒのゲートにはフローティングディフュージョンＦＤ１１が接続され、選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒは制御線（または制御信号）ＳＥＬ１１を通じて制御される。
選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒは、制御線ＳＥＬ１１がＨレベルの期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタＳＦ１１－ＴｒはフローティングディフュージョンＦＤ１１の電荷を電荷量（電位）に応じた利得をもって電圧信号に変換した列出力の読み出し電圧（信号）ＶＳＬ（ＰＩＸＯＵＴ）を垂直信号線ＬＳＧＮに出力する。

画素部２０には、画素ＰＸＬがＮ行×Ｍ列配置されているので、各制御線ＳＥＬ、ＲＳＴ、ＴＧはそれぞれＮ本、垂直信号線ＬＳＧＮはＭ本ある。
図３においては、各制御線（または制御信号）ＳＥＬ、ＲＳＴ、ＴＧを１本の行走査制御線として表している。

垂直走査回路３０は、タイミング制御回路６０の制御に応じてシャッター行および読み出し行において行走査制御線を通して画素の駆動を行う。
また、垂直走査回路３０は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。

通常の画素読み出し動作においては、読み出し部７０の垂直走査回路３０による駆動により、シャッタースキャンが行われ、その後、読み出しスキャンが行われる。

読み出し回路４０は、画素部２０の各列出力に対応して配置された複数の列信号処理回路（図示せず）を含み、複数の列信号処理回路で列並列処理が可能に構成されてもよい。

読み出し回路４０は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling）回路やＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ；ＡＤ変換器）、アンプ（ＡＭＰ，増幅器）、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路等を含んで構成可能である。

このように、読み出し回路４０は、たとえば図５（Ａ）に示すように、画素部２０の各列出力の読み出し信号ＶＳＬをデジタル信号に変換するＡＤＣ４１を含んで構成されてもよい。
あるいは、読み出し回路４０は、たとえば図５（Ｂ）に示すように、画素部２０の各列出力の読み出し信号ＶＳＬを増幅するアンプ（ＡＭＰ）４２が配置されてもよい。
また、読み出し回路４０は、たとえば図５（Ｃ）に示すように、画素部２０の各列出力の読み出し信号ＶＳＬをサンプル、ホールドするサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路４３が配置されてもよい。

水平走査回路５０は、読み出し回路４０のＡＤＣ等の複数の列信号処理回路で処理された信号を走査して水平方向に転送し、図示しない信号処理回路に出力する。

タイミング制御回路６０は、画素部２０、垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。

以上、固体撮像装置１０の各部の構成および機能の概要について説明した。
次に、本第１の実施形態に係る画素配置の具体的な構成について説明する。

図６は、本第１の実施形態に係る単位画素グループを有する固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。

図６の画素部２０は、図４の回路を平面化して示されており、４つの画素ＰＸＬ１１，ＰＸＬ１２，ＰＸＬ２１，ＰＸＬ２２が２×２の正方に配置されている。
より具体的には、矩形の配置領域ＡＲ１０に、４つの画素ＰＸＬ１１，ＰＸＬ１２，ＰＸＬ２１，ＰＸＬ２２がそれぞれ配置される配置領域ＡＲ１１，ＡＲ１２，ＡＲ２１，ＡＲ２２が２×２の正方に割り当てられている。

図６の画素部２０は、４画素共有構成において、正方配列とした場合の構成を示し、画素ＰＸＬ１１がＧｂ画素として形成され、画素ＰＸＬ１２がＢ画素として形成され、画素ＰＸＬ２１がＲ画素として形成され、画素ＰＸＬ２２がＧｒ画素として形成されている。

そして、画素部２０は、４つの画素ＰＸＬ１１，ＰＸＬ１２，ＰＸＬ２１，ＰＸＬ２２で、フローティングディフュージョンＦＤ１１、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒ、ソースフォロワトランジスタＳＦ１１－Ｔｒ、および選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒが共有されている。

図７は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における単位画素グループの構成例を模式的に示す簡略断面図である。
なお、図７においては、理解を容易にするために、便宜的に、各第１の緑色（Ｇｂ）画素ＰＸＬ１１、青色（Ｂ）画素ＰＸＬ１２、赤色（Ｒ）画素ＰＸＬ２１、第２の緑色（Ｇｒ）画素ＰＸＬ２２の構成要素は一列に配列して示してある。

単位ＲＧＢ画素グループ２００は、マイクロレンズアレイ２１０、カラーフィルタアレイ２２０、光電変換部としてのフォトダイオードアレイ２３０、および平坦層２４０を主構成要素として構成されている。

カラーフィルタアレイ２２０は、各カラー画素を形成するように、第１の緑色（Ｇｂ）フィルタ領域２２１、青色（Ｂ）フィルタ領域２２２、赤色（Ｒ）フィルタ領域２２３、および第２の緑色（Ｇｒ）フィルタ領域２２４に区分けされている。
各第１の緑色（Ｇｂ）フィルタ領域２２１、青色（Ｂ）フィルタ領域２２２、赤色（Ｒ）フィルタ領域２２３、および第２の緑色（Ｇｒ）フィルタ領域２２４の光入射側には、マイクロレンズアレイ２１０のマイクロレンズＭＣＬが配置されている。

光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ１１、ＰＤ１２、ＰＤ２１、ＰＤ２２は、第１基板面２５１側と、第１基板面２５１側と対向する側の第２基板面２５２側とを有する半導体基板２５０に対して埋め込むように形成され、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有するように形成されている。

フォトダイオードアレイ２３０のフォトダイオードＰＤ１１、ＰＤ１２、ＰＤ２１、ＰＤ２２は、平坦層２４０を介して第１基板面２５１側（裏面側）にカラーフィルタアレイ２２０が配置されている。
フォトダイオードＰＤ１１、ＰＤ１２、ＰＤ２１、ＰＤ２２の第２基板面２５２側（前面側）には、光電変換し蓄積した電荷に応じた信号を出力する出力トランジスタ等を含む出力部２３１，２３２，２３３，２３４が形成されている。

上記した構成を有する単位ＲＧＢ画素グループ２００における各カラー画素は、可視範囲（４００ｎｍ～７００ｎｍ）において固有の特定の応答性を有するだけでなく、近赤外（ＮＩＲ）領域（８００ｎｍ～１０００ｎｍ）においても高い応答性を有する。

本第１の実施形態に係るカラーフィルタアレイ２２０において、色（可視光）領域は近赤外領域の開始領域（たとえば８５０ｎｍ）までの範囲であり、赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタは異なる透過率を有し、近赤外領域で９０％以上と大きな透過率を有する。

すなわち、本第１の実施形態において、第１の緑色（Ｇｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１１、青色（Ｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１２、赤色（Ｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２１、および第２の緑色（Ｇｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２２は、赤外（ＮＩＲ）光電変換部としての機能を併せ持つ。

図８（Ａ）および（Ｂ）は、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０における第１のモード時の読み出し動作と第２のモード時の読み出し動作を説明するための図である。

第１のモードＭＯＤ１（ＲＧＢ画像取得モード）時には、読み出し部７０の制御の下、図８（Ａ）に示すように、第１の緑色（Ｇｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１１、青色（Ｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１２、赤色（Ｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２１、および第２の緑色（Ｇｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２２から読み出した信号を、そのまま出力する。

第２のモードＭＯＤ２（ＮＩＲ画像取得モード）時には、読み出し部７０の制御の下、図９（Ｂ）に示すように、第１の緑色（Ｇｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１１、青色（Ｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１２、赤色（Ｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２１、および第２の緑色（Ｇｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２２から読み出した信号を複数（たとえばすべて）加算することが可能である。

このように、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０においては、ＲＧＢ画像およびＮＩＲ画像を得ることができ、しかもＮＩＲ感度を高く保持することが可能となる。

以上のように、本第１の実施形態によれば、固体撮像装置１０において、画素部２０は光電変換を行う、可視光用の複数の色画素を含む単位ＲＧＢ画素グループ２００が配置され、複数の色（ＲＧＢ）画素は、赤外光に対する受光感度を持ち、読み出し部は７０、赤外読み出しモードＭＩＲＲＤ時には、複数の色画素から読み出した赤外光の信号を加算することが可能である。
たとえば、第１のモードＭＯＤ１（ＲＧＢ画像取得モード）時には、読み出し部７０の制御の下、第１の緑色（Ｇｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１１を含むＧｂ画素ＰＸＬ１１、青色（Ｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１２を含むＢ画素ＰＸＬ１２、赤色（Ｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２１を含むＲ画素ＰＸＬ２１、および第２の緑色（Ｇｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２２を含むＧｂ画素ＰＸＬ２２から読み出した信号を、そのまま出力する。
赤外読み出しモードＭＩＲＲＤを含む第２のモードＭＯＤ２（ＮＩＲ画像取得モード）時には、読み出し部７０の制御の下、第１の緑色（Ｇｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１１を含むＧｂ画素ＰＸＬ１１、青色（Ｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１２を含むＢ画素ＰＸＬ１２、赤色（Ｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２１を含むＲ画素ＰＸＬ２１、および第２の緑色（Ｇｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２２を含むＧｂ画素ＰＸＬ２２から読み出した信号を複数（たとえばすべて）加算することが可能である。

このような構成を有する本第１の実施形態によれば、ＲＧＢ等の可視光画像およびＮＩＲ等の赤外画像を得ることができ、しかも赤外光に対する受光感度を高く保持することが可能となる。
たとえば、監視カメラ等において、近赤外（ＮＩＲ）領域のより高感度の所望の特性を得ることができる。
また、波長が８００ｎｍ以上の近赤外（ＮＩＲ）領域においては、画素の解像度を落とすことなく高感度のＮＩＲ画像を取得することができる。

（第２の実施形態）
図９は、本第２の実施形態に係る固体撮像装置における第２のモード時の読み出し動作を説明するための図である。

本第２の実施形態が、第１の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第２の実施形態では、読み出し部７０は、第１の緑色（Ｇｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１１を含むＧｂ画素ＰＸＬ１１、青色（Ｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１２を含むＢ画素ＰＸＬ１２、赤色（Ｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２１を含むＲ画素ＰＸＬ２１、および第２の緑色（Ｇｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２２を含むＧｒ画素ＰＸＬ２２から可視領域のカラー画素信号（ＲＧＢ）と赤外領域の赤外画素信号（ＮＩＲ）を同時並列的に読み出し（取得）可能である。

本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａは、Ｇｂ画素ＰＸＬ１１、Ｂ画素ＰＸＬ１２、Ｒ画素ＰＸＬ２１、およびＧｒ画素ＰＸＬ２２により、可視領域と、たとえば８００ｎｍ以下の近赤外（ＮＩＲ）領域の画素信号を取得可能で、近赤外（ＮＩＲ）領域を含むカラー画像を取得可能である。

読み出し部７０は、第１の緑色（Ｇｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１１を含むＧｂ画素ＰＸＬ１１からカラー画素信号（Ｇ）と赤外領域の赤外画素信号（ＮＩＲ）を同時並列的に読み出す（Ｇ＋ＮＩＲ）。

読み出し部７０は、青色（Ｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１２を含むＢＧ素ＰＸＬ１２からカラー画素信号（Ｂ）と赤外領域の赤外画素信号（ＮＩＲ）を同時並列的に読み出す（Ｂ＋ＮＩＲ）。

読み出し部７０は、赤色（Ｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２１を含むＲ画素ＰＸＬ２１からカラー画素信号（Ｒ）と赤外領域の赤外画素信号（ＮＩＲ）を同時並列的に読み出す（Ｒ＋ＮＩＲ）。

読み出し部７０は、第２の緑色（Ｇｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２２を含むＧｒ画素ＰＸＬ２２からカラー画素信号（Ｇ）と赤外領域の赤外画素信号（ＮＩＲ）を同時並列的に読み出す（Ｇ＋ＮＩＲ）。

本第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、色付きのＮＩＲ画像を取得できることから、たとえば静脈と動脈を区別することができる。
すなわち、固体撮像装置１０Ａでは、色付きのある赤外画像の取得が可能であることから、たとえば人間の静脈と動脈はこの領域では別々の色付きで撮像できるため、より精度の良い、セキュリティレベルの高い生体認証（手のひらや、網膜等）が可能となる。
したがって、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａは、静脈や動脈、あるいは虹彩認証等、生体認証技術に有効である。

（第３の実施形態）
図１０は、本第３の実施形態に係る単位画素グループを有する固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。
図１１は、本第３の実施形態に係る固体撮像装置における第１のモード時の読み出し動作と第２のモード時の読み出し動作を説明するための図である。

本第３の実施形態が、第１の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第３の実施形態の単位画素グループ２００Ｂは、配置領域ＡＲ２２に配置される画素ＰＸＬ２２のフィルタを緑色（Ｇｒ）に代えて、赤外光を受光する赤外（ＮＩＲ）光電変換部を含む赤外専用画素ＰＸＬ２２Ｂが配置され、単位ＲＧＢＩＲ画素グループとして形成されている。

読み出し部７０は、第１のモードＭＯＤ１時は、緑色光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ１１を含むＧ画素ＰＸＬ１１、青色光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ１２を含むＢ画素ＰＸＬ１２、赤色光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ２１を含むＲ画素ＰＸＬ２１から読み出した画素信号をそのまま出力することが可能である。
あるいは、読み出し部７０は、第１のモードＭＯＤ１時には、読み出し部７０の制御の下、緑色光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ１１を含むＧ画素ＰＸＬ１１、青色光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ１２を含むＢ画素ＰＸＬ１２、赤色光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ２１を含むＲ画素ＰＸＬ２１から読み出した信号に、赤外（ＮＩＲ）光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ２２を含む赤外専用画素ＰＸＬ２２Ｂから読み出した信号を加算することが可能である。
読み出し部７０は、赤外読み出しモードＭＩＲＲＤを含む第２のモードＭＯＤ２時は、図１１に示すように、緑色光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ１１を含むＧ画素ＰＸＬ１１、青色光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ１２を含むＢ画素ＰＸＬ１２、赤色光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ２１を含むＲ画素ＰＸＬ２１、および赤外光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ２２を含む赤外専用画素ＰＸＬ２２Ｂから読み出した画素信号を加算することが可能である。

本第３の実施形態において、赤外読み出しモードＭＩＲＲＤは、第１の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ１、第２の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ２、第３の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ３、および第４の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ４を含む。
第１の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ１では、赤外専用画素ＰＸＬ２２Ｂから赤外画素信号を読み出す。
第２の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ２では、赤外専用画素ＰＸＬ２２Ｂ、および色画素であるＧ画素ＰＸＬ１１、Ｂ画素ＰＸＬ１２、Ｒ画素ＰＸＬ２１から赤外画素信号を読み出す。
第３の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ３では、色画素であるＧ画素ＰＸＬ１１、Ｂ画素ＰＸＬ１２、Ｒ画素ＰＸＬ２１から赤外画素信号を読み出す。
第４の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ４では、赤外専用画素ＰＸＬ２２Ｂ、および色画素であるＧ画素ＰＸＬ１１、Ｂ画素ＰＸＬ１２、Ｒ画素ＰＸＬ２１から読み出した赤外画素信号を加算する。

本第３の実施形態において、読み出し部７０は、第１の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ１、第２の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ２、第３の画素信号読み出しモードＭ、および第４の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ４のうち、少なくとも２つの画素信号読み出しモードを切り替えてモードに応じた画素信号の読み出しを行うことが可能である。

図１２は、本第３の実施形態に係る読み出し部における赤外読み出しモード時の第１～第４の画素信号読み出しモードの切り替え制御を説明するためのフローチャートである。

読み出し部７０は、図示しない制御系からのモード信号ＭＯＤを受け（ＳＴ１）、受信したモード信号が第２のモード信号ＭＯＤ２における赤外読み出しモードＭＩＲＲＤの第１の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ１であるか否かを判定する（ＳＴ２）。
読み出し部７０は、ステップＳＴ２において、赤外読み出しモードＭＩＲＲＤの第１の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ１であると判定すると、赤外専用画素ＰＸＬ２２Ｂから赤外画素信号を読み出す（ＳＴ３）。

読み出し部７０は、ステップＳＴ２において、赤外読み出しモードＭＩＲＲＤの第１の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ１でないと判定すると、第２の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ２であるか否かを判定する（ＳＴ４）。
読み出し部７０は、ステップＳＴ４において、赤外読み出しモードＭＩＲＲＤの第２の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ２であると判定すると、赤外専用画素ＰＸＬ２２Ｂ、および色画素であるＧ画素ＰＸＬ１１、Ｂ画素ＰＸＬ１２、Ｒ画素ＰＸＬ２１から赤外画素信号を読み出す（ＳＴ５）。

読み出し部７０は、ステップＳＴ４において、赤外読み出しモードＭＩＲＲＤの第２の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ２でないと判定すると、第３の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ３であるか否かを判定する（ＳＴ６）。
読み出し部７０は、ステップＳＴ６において、赤外読み出しモードＭＩＲＲＤの第３の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ３であると判定すると、色画素であるＧ画素ＰＸＬ１１、Ｂ画素ＰＸＬ１２、Ｒ画素ＰＸＬ２１から赤外画素信号を読み出す（ＳＴ７）。

読み出し部７０は、ステップＳＴ６において、赤外読み出しモードＭＩＲＲＤの第３の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ３でないと判定すると、第４の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ４であるか否かを判定する（ＳＴ８）。
読み出し部７０は、ステップＳＴ８において、赤外読み出しモードＭＩＲＲＤの第４の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ４であると判定すると、赤外専用画素ＰＸＬ２２Ｂ、および色画素であるＧ画素ＰＸＬ１１、Ｂ画素ＰＸＬ１２、Ｒ画素ＰＸＬ２１から読み出した赤外画素信号を加算する（ＳＴ９）。

読み出し部７０は、ステップＳＴ８において、赤外読み出しモードＭＩＲＲＤの第４の画素信号読み出しモードＭＩＲＲＤ４でないと判定すると、たとえばステップＳＴ１の処理に戻り、上記した一連の動作を繰り返す。

本第３の実施形態によれば、上述した第１の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、ＮＩＲ感度のさらなる向上を図ることが可能となる。

（第４の実施形態）
図１３は、本第４の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図１４は、本第４の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。

本第４の実施形態が、第３の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第４の実施形態では、赤色（Ｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１１Ｃ、緑色（Ｇ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１２Ｃ、および青色（Ｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２１Ｃは、表記した順に配列されると共に、赤外（ＮＩＲ）光電変換部であるフォトダイオードとしての機能を併せ持ち、赤外（ＮＩＲ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２２は設けられていない。

本第４の実施形態において、単位画素グループ２００Ｃは、可視光と、特定の波長の赤外光を受光可能とする複数の光学フィルタを含む光学フィルタ群２６０を含んで構成されている。
そして、光学フィルタ群２６０は、赤色フィルタＦＬＲ－Ｒ、緑色フィルタＦＬＴ－Ｇ、および青色フィルタＦＬＴ－Ｂの各フィルタの光入射側に配置された第１の光学フィルタ２６１、並びに、カラーフィルタアレイ２２０Ｃの赤色フィルタＦＬＲ－Ｒ、緑色フィルタＦＬＴ－Ｇ、および青色フィルタＦＬＴ－Ｂの各フィルタと、赤色（Ｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１１Ｃ、緑色（Ｇ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１２Ｃ、および青色（Ｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２１Ｃの一面側との間に配置された選択的赤外（セレクティブＩＲ）カットマテリアルにより形成される第２の光学フィルタ２６２と、を含む。

なお、カラーフィルタアレイ２２０Ｃと第２の光学フィルタ２６２の配置位置は、図１３の例に限定されるものではなく、マイクロレンズアレイ２１０側に第２の光学フィルタ２６２が配置され、フォトダイオードＰＤ１１Ｃ、ＰＤ１２Ｃ、ＰＤ２１Ｃの一面側にカラーフィルタアレイ２２０Ｃが配置されていてもよい。

本第４の実施形態の固体撮像装置１０Ｃは、光学系にＩＲフィルタ等の第１の光学フィルタ２６１を有し、オンチップ（On chip）上に選択的赤外（セレクティブＩＲ）フィルタである第２の光学フィルタ２６２を有する。

本第４の実施形態において、複数の光学フィルタは、たとえばバンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ）により形成される。
図１４の例では、第１の光学フィルタ２６１の通過（透過）波長帯域は、一例として、可視領域３８０ｎｍ～７８０ｎｍ程度より広い波長帯域３８０ｎｍ～１１００ｎｍである。
第２の光学フィルタ２６２の通過（透過）波長帯域は、一例として可視領域３８０ｎｍ～７８０ｎｍ程度、並びに、９００ｎｍ以上であり、第２の光学フィルタ２６２では、波長帯域７８０ｎｍ～９００ｎｍは通過を阻止される。したがって、第２の光学フィルタ２６２は選択的赤外（ＩＲ）カットフィルタであるということも可能である。

本第４の実施形態において、複数（本第４の実施形態では２）の光学フィルタ２６１，２６２のうちの少なくともいずれかは、受光波長の切り替えが可能である。
そして、第２の光学フィルタ２６２は、赤色（Ｒ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１１Ｃ、緑色（Ｇ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１２Ｃ、および青色（Ｂ）光電変換部であるフォトダイオードＰＤ２１Ｃの一面側（光入射側）に配置されている。
ただし、複数（本第４の実施形態では２）の光学フィルタ２６１，２６２は、光学系、パッケージ、および画素（ピクセル）上に配置されていればよい。

図１４において、破線ＴＣ１で示す曲線が第１の光学フィルタ２６１の透過特性を示し、太い実線ＴＣ２で示す曲線が第２の光学フィルタ２６２の透過特性を示している。
本第４の実施形態において、第１の光学フィルタ２６１と第２の光学フィルタ２６２は、図１４に示すように、通過波長帯域がずれている部分がある（カットオフ波長がずれている）。

光学フィルタ群２６０を含む固体撮像装置１０Ｃは、図１４に示すように、ＲＧＢ等の可視光と、特定の波長の赤外光を透過し光電変換部で受光可能である。
本第４の実施形態において、特定の赤外波長は８００ｎｍ～１０００ｎｍであり、より好適には８５０ｎｍ～９５０ｎｍである。

たとえば、通常の可視光画像と生体認証のため、波長が８００～１０００ｎｍの赤外光を受光するイメージセンサの場合、不要な６５０～８００ｎｍや１０００ｎｍ以上の赤外光を光学フィルタ群２６０でカットできれば、より混色の少ない良好なＲＧＢの可視光画像とＮＩＲの画像を取得することが可能となる。

本第４の実施形態によれば、上述した第１の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、クロストークのないＲＧＢ画像およびＮＩＲ画像を取得することができる。

（第５の実施形態）
図１５は、本第５の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図１６は、本第５の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。
図１６において、太い実線ＴＣ１１で示す曲線が第１の光学フィルタ２６１Ｄの透過特性を示している。

本第５の実施形態が、第４の実施形態と異なる点は、次の通りである。
上述した第４の実施形態では、第１の光学フィルタ２６１の通過（透過）波長帯域は、一例として、可視領域３８０ｎｍ～７８０ｎｍ程度より広い一つの波長帯域３８０ｎｍ～１１００ｎｍである。

これに対して、本第５の実施形態では、第１の光学フィルタ２６１Ｄの通過（透過）波長帯域として、複数（本第５の実施形態では２）の光波長帯域を持つように形成されている。
具体的には、第１の光学フィルタ２６１Ｄは、通過（透過）波長帯域として、少なくとも１つが可視光波長帯域（可視領域）３８０～７００ｎｍ程度の第１の通過（透過）領域ＴＷＢ１１と、赤外光波長帯域（赤外領域）８５０～１０００ｎｍ程度の第２の通過（透過）領域)ＴＷＢ１２の、２つの領域を持つように形成されている。
すなわち、第１の光学フィルタ２６１Ｄは、オンリッド(On lid)のデュアルバンドパスフィルタ（dual band pass filter）として機能するとともに、赤外（ＩＲ）フィルタとして機能する。

図１７は、光波長帯域間である可視光波長帯域と赤外光波長帯域間を光学的に遮光する場合に、遮光波長帯域端のカットオフ波長を決定する方法を説明するための図である。

複数の光波長帯域間、具体的には、図１７に示すように、可視光波長帯域と赤外光波長帯域間を光学的に遮光する場合、遮光波長帯域端ＴＳＷＢＶ、ＴＳＷＢＩＲのカットオフ波長を第１の光学フィルタ２６１Ｄを形成する赤外フィルタまたはオンチップ上の第２の光学フィルタ２６２Ｄを形成する選択的赤外フィルタにより決定する。

本第５の実施形態によれば、撮像したい光波長帯域を最小限の光学フィルタ（ＩＲフィルタ）の枚数で選択できる。
たとえば、可視光帯域と赤外光帯域を撮像する場合、図１６のような透過率を有するＩＲフィルタを使えば１枚で撮像可能となる。

また、セレクティブＩＲフィルタでカットオフ波長を決定する場合は角度依存性にも強くクロストークの抑制が可能となる。

（第６の実施形態）
図１８は、本第６の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図１９は、本第６の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。

本第６の実施形態が、第５の実施形態と異なる点は、次の通りである。
上述した第５の実施形態では、第１の光学フィルタ２６１Ｄの通過（透過）波長帯域として、複数（本第５の実施形態では２）の光波長帯域を持つように形成されている。
具体的には、第１の光学フィルタ２６１Ｅは、通過（透過）波長帯域として、少なくとも１つが可視光波長帯域（可視領域）３８０～７００ｎｍ程度の第１の通過（透過）領域ＴＷＢＩ１と、赤外光波長帯域（赤外領域）８５０～１０００ｎｍ程度の第２の通過（透過）領域ＴＷＢ１２の、２つの領域を持つように形成されている。

本第６の実施形態では、さらに、通過領域（通過帯域）を選択可能に構成されている。
光学フィルタ２６１Ｅは、図１９に示すように、帯域Ａを選択すると、可視光波長帯域（可視領域）３８０～７００ｎｍ程度の第１の通過（透過）領域ＴＷＢＩ１のみが撮像可能なＩＲフィルタとして機能する。
帯域Ｂを選択すると、赤外光波長帯域（赤外領域）８５０～１０００ｎｍ程度の第２の通過（透過）領域ＴＷＢ１２のみが撮像可能なＩＲフィルタとして機能する。
帯域Ｃ１を選択すると、可視光波長帯域（可視領域）３８０～７００ｎｍ程度の第１の通過（透過）領域ＴＷＢＩ１と赤外光波長帯域（赤外領域）８５０～１０００ｎｍ程度の第２の通過（透過）領域ＴＷＢ１２を同時に撮像可能なＩＲフィルタとして機能する。

本第６の実施形態によれば、撮像したい光波長帯域を最小限の光学フィルタ（ＩＲフィルタ）の枚数で選択できる。

（第７の実施形態）
図２０は、本第７の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図２１は、本第７の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。

図２１において、横軸が波長を示し、縦軸がＱＥ（量子化効率）を示している。また、図２１において、ＴＣ２１がオンリッド(On lid)のデュアルバンドパスフィルタ（dual band pass filter）として機能するとともに、赤外（ＩＲ）フィルタとして機能する第１の光学フィルタ２６１Ｆの透過特性を示し、ＴＣ２２がオンチップのＩＲカットフィルタとして機能する第２の光学フィルタ２６２Ｆの透過特性を示している。

本第７の実施形態が、第６の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第７の実施形態では、選択的赤外フィルタである第２の光学フィルタ２６２Ｆが、赤外光波長帯域の透過を阻止する選択的赤外（ＩＲ）カットフィルタにより形成されている。

本第７の実施形態によれば、光学系のＩＲフィルタとオンチップのＩＲカットフィルタを組み合わせた構成をＲ、Ｇ、Ｂ画素として実現でき、撮像したい光波長帯域を最小限の光学フィルタ（ＩＲフィルタ）の枚数で選択できる。

（第８の実施形態）
図２２は、本第８の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図２３は、本第８の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。

図２３において、横軸が波長を示し、縦軸がＱＥ（量子化効率）を示している。また、図２３において、ＴＣ３１がオンリッド(On lid)のデュアルバンドパスフィルタ（dual band pass filter）として機能するとともに、赤外（ＩＲ）フィルタとして機能する第１の光学フィルタ２６１Ｇの透過特性を示し、ＴＣ３２がオンチップのＩＲパスフィルタとして機能する第２の光学フィルタ２６２Ｇの透過特性を示している。

本第８の実施形態が、第６の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第８の実施形態では、選択的赤外フィルタである第２の光学フィルタ２６２Ｇが、赤外光波長帯域を透過する選択的赤外（ＩＲ）パスフィルタにより形成されている。
加えて、本第８の実施形態によれば、フィルタアレイ２２０Ｇの各ＦＬＴは、全可視波長帯域を透過するクリアフィルタ(clear filter)ＦＬＴ－Ｃにより形成されている。

本第８の実施形態によれば、光学系のＩＲフィルタとオンチップのＩＲパスフィルタを組み合わせた構成をＮＩＲ画素として実現でき、撮像したい光波長帯域を最小限の光学フィルタ（ＩＲフィルタ）の枚数で選択できる。

（第９の実施形態）
図２４は、本第９の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図２５は、本第９の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。

図２５において、横軸が波長を示し、縦軸がＱＥ（量子化効率）を示している。また、図２５において、ＴＣ４１がオンリッド(On lid)のデュアルバンドパスフィルタ（dual band pass filter）として機能するとともに、赤外（ＩＲ）フィルタとして機能する第１の光学フィルタ２６１Ｈの透過特性を示している。

本第９の実施形態が、第６の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第９の実施形態では、選択的赤外フィルタである第２の光学フィルタ２６２Ｈおよびフィルタアレイ２２０Ｈの各ＦＬＴは、全可視波長帯域を透過するクリアフィルタ(clear filter)ＦＬＴ－Ｃにより形成されている。

本第９の実施形態によれば、光学系のＩＲフィルタとオンチップのＩＲパスフィルタを組み合わせた構成を白黒画素とＮＩＲ画素として実現でき、撮像したい光波長帯域を最小限の光学フィルタ（ＩＲフィルタ）の枚数で選択できる。

（第１０の実施形態）
図２６は、本第１０の実施形態に係る固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図２７は、本第１０の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。

本第１０の実施形態が、第４の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第１０の実施形態において、光学フィルタ群２６０Ｉにおいて、赤色フィルタＦＬＲ－Ｒ、緑色フィルタＦＬＴ－Ｇ、および青色フィルタＦＬＴ－Ｂの各フィルタの光入射側に第３の光学フィルタ２６３が配置されることが可能である。
たとえば、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）のオンチップ上に第２の赤外カットフィルタ２６２Ｉが形成され、ＣＩＳのガラスリッドの上下か、光学レンズ系に第１の光学フィルタ２６１または（／および）第３の光学フィルタ２６３が形成される。

図２７において、破線ＴＣ１で示す曲線が第１の光学フィルタ２６１の透過特性を示し、太い実線ＴＣ２で示す曲線が第２の光学フィルタ２６２の透過特性を示し，太い実線ＴＣ３で示す曲線が第３の光学フィルタ２６３の透過特性を示している。
図２７の例では、第３の光学フィルタ２６３の通過波長帯域は、一例として、可視領域３８０ｎｍ～７８０ｎｍ程度より広い波長帯域３８０ｎｍ～９５０ｎｍ程度である。

本第１０の実施形態において、複数の光学フィルタの受光波長を切り替えることにより（たとえば複数の光学フィルタの組み合わせを切り替えることにより）、可視光のみを受光する第１の受光モードと、赤外光を含む入射光を受光可能な第２の受光モードへの切り替えが可能である。

本第１０の実施形態では、たとえば、可視光のみを受光する第１の受光モードでは、第２の光学フィルタ２６２と第３の光学フィルタ２６３による撮像が行われる。
赤外光を含む入射光を受光可能な第２の受光モードでは、第１の光学フィルタ２６１と第２の光学フィルタ２６２による撮像が行われる。

本第１０の実施形態によれば、上述した第４の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、よりクロストークのないＲＧＢ画像およびＮＩＲ画像を取得することができる。

以上説明した固体撮像装置１０，１０Ａ～１０Ｉは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。

図２８は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載した電子機器の構成の一例を示す図である。

本電子機器１００は、図２８に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１０が適用可能なＣＭＯＳイメージセンサ１１０を有する。
さらに、電子機器１００は、このＣＭＯＳイメージセンサ１１０の画素領域に入射光を導く（被写体像を結像する）光学系（レンズ等）１２０を有する。
電子機器１００は、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０の出力信号を処理する信号処理回路(ＰＲＣ)１３０を有する。

信号処理回路１３０は、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路１３０で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。

上述したように、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０として、前述した固体撮像装置１０，１０Ａ～１０Ｉを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。

１０，１０Ａ～１０Ｉ・・・固体撮像装置、２０・・・画素部、ＰＸＬ１１，ＰＸＬ１２，ＰＸＬ２１，ＰＸＬ２２・・・画素、ＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２１，ＰＤ２２・・・フォトダイオード、２００，２００Ａ，２００Ｃ～２００Ｉ・・・単位ＲＧＢ画素グループ、２００Ｂ・・・単位ＲＧＢＩＲ画素グループ、２１０・・・マイクロレンズアレイ、２２０・・・カラーフィルタアレイ、２２０Ｇ，２２０Ｈ・・・フィルタアレイ、２３０・・・フォトダイオードアレイ、２４０・・・平坦層、２５０・・・半導体基板、２６０・・・光学フィルタ群，２６１，２６１Ｄ～２６１Ｉ・・・第１の光学フィルタ、２６２，２６２Ｄ～２６２Ｉ・・・第２の光学フィルタ、２６３・・・第３の光学フィルタ、３０・・・垂直走査回路、４０・・・水平走査回路、５０・・・読み出し回路、６０・・・タイミング制御回路、７０・・・読み出し部、１００・・・電子機器、１１０・・・ＣＭＯＳイメージセンサ、１２０・・・光学系、１３０・・・信号処理回路（ＰＲＣ）。

Claims (25)

1. 光電変換を行う、少なくとも可視光用の複数の画素を含む単位画素グループが配置された画素部と、
   前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、
   前記可視光用の複数の前記画素は、赤外光に対する受光感度を持ち、
   前記読み出し部は、
   赤外読み出しモード時には、前記可視光用の複数の前記画素から読み出した赤外光の信号を加算することが可能である
   固体撮像装置。
2. 前記赤外光の波長が８００ｎｍ以上である
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記読み出し部は、
   前記可視光用の前記画素から可視領域のカラー画素信号と赤外領域の赤外画素信号を同時並列的に読み出し可能である
   請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記赤外画素信号は、波長が８００ｎｍ以下の近赤外領域の信号である
   請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記画素部は、
   前記可視光用の複数の画素を含む単位画素グループが配置され、
   前記単位画素グループは、
   一面側から入射した光を光電変換する機能を有し、複数の可視光波長帯域に対応する複数の光電変換部を含み、
   前記複数の光電変換部は、
   赤色領域に対応する赤色光電変換部、緑色領域に対応する緑色光電変換部、および青緑色領域に対応する青色光電変換部を含み、
   前記読み出し部は、
   第１のモード時は、前記赤色光電変換部、前記緑色光電変換部、前記青色光電変換部から読み出した信号をそのまま出力することが可能であり、
   前記赤外読み出しモードを含む第２のモード時は、前記赤色光電変換部、前記緑色光電変換部、前記青色光電変換部から読み出した信号を加算することが可能である
   請求項１から４のいずれか一に記載の固体撮像装置。
6. 前記画素部は、
   前記可視光用の複数の前記画素および赤外光を受光する赤外専用画素を含む単位画素グループが配置され、
   前記赤外読み出しモードは、
   前記赤外専用画素から赤外画素信号を読み出す第１の画素信号読み出しモードと、
   前記赤外専用画素および前記可視光用の前記画素から赤外画素信号を読み出す第２の画素信号読み出しモードと、
   前記可視光用の前記画素から赤外画素信号を読み出す第３の画素信号読み出しモードと、
   前記赤外専用画素および前記可視光用の前記画素から読み出した赤外画素信号を加算する第４の画素信号読み出しモードと、を含む
   請求項１記載の固体撮像装置。
7. 前記読み出し部は、
   前記第１の画素信号読み出しモード、前記第２の画素信号読み出しモード、前記第３の画素信号読み出しモード、および前記第４の画素信号読み出しモードのうち、少なくとも２つの画素信号読み出しモードを切り替えてモードに応じた画素信号の読み出しを行うことが可能である
   請求項６記載の固体撮像装置。
8. 前記単位画素グループは、
   一面側から入射した光を光電変換する機能を有し、複数の可視光波長帯域に対応する複数の光電変換部を含み、
   前記複数の光電変換部は、
   赤色領域に対応する赤色光電変換部、緑色領域に対応する緑色光電変換部、青緑色領域に対応する青色光電変換部、および赤外領域に対応する赤外光電変換部を含み、
   前記読み出し部は、
   第１のモード時は、前記赤色光電変換部、前記緑色光電変換部、前記青色光電変換部から読み出した信号をそのまま出力することが可能であり、
   前記赤外読み出しモードを含む第２のモード時は、前記赤色光電変換部、前記緑色光電変換部、前記青色光電変換部、および前記赤外光電変換部から読み出した信号を加算することが可能である
   請求項６または７記載の固体撮像装置。
9. 前記単位画素グループは、
   可視光と、特定の波長の赤外光を受光可能とする複数の光学フィルタを含む
   請求項１から５のいずれか一に記載の固体撮像装置。
10. 前記特定の赤外波長は８００ｎｍ～１０００ｎｍである
    請求項９記載の固体撮像装置。
11. 前記複数の光学フィルタのうち少なくとも一つの光学フィルタは、受光波長の切り替えが可能である
    請求項９または１０記載の固体撮像装置。
12. 前記複数の光学フィルタのうち少なくとも一つの光学フィルタは、光電変換する光電変換部の光入射側に配置されている
    請求項９から１１のいずれか一に記載の固体撮像装置。
13. 前記複数の光学フィルタの受光波長を切り替えることにより、可視光のみを受光する第１の受光モードと、赤外光を含む入射光を受光可能な第２の受光モードへの切り替えが可能である
    請求項９から１２のいずれか一に記載の固体撮像装置。
14. 前記複数の光学フィルタは、通過波長帯域がずれている
    請求項９から１３のいずれか一に記載の固体撮像装置。
15. 前記単位画素グループは、
    複数の可視光用のフィルタが配置されたフィルタアレイと、
    一面側に配置された前記各フィルタを透過した光を光電変換する機能を有し、前記複数のフィルタに対応する複数の可視光用の光電変換部と、を含み、
    前記光学フィルタは、
    カラーフィルタの光入射側に配置された第１の光学フィルタと、
    前記複数の光電変換部の光入射側に配置された第２の光学フィルタと、を含む
    請求項９から１４のいずれか一に記載の固体撮像装置。
16. 前記第１の光学フィルタが赤外フィルタにより形成され。
    前記第２の光学フィルタがオンチップ上の選択的赤外フィルタにより形成され、
    前記第１の光学フィルタを形成する前記赤外フィルタは、複数の光波長帯域を透過する
    請求項１５記載の固体撮像装置。
17. 前記複数の光波長帯域にうち少なくとも１つが可視光波長帯域または赤外光波長帯域である
    請求項１６記載の固体撮像装置。
18. 前記複数の光波長帯域間を光学的に遮光する場合、遮光波長帯域端のカットオフ波長を前記第１の光学フィルタを形成する赤外フィルタまたはオンチップ上の前記第２の光学フィルタを形成する前記選択的赤外フィルタにより決定する
    請求項１６または１７記載の固体撮像装置。
19. 前記選択的赤外フィルタが、赤外光波長帯域の透過を阻止する選択的赤外カットフィルタにより形成されている
    請求項１６から１８のいずれか一に記載の固体撮像装置。
20. 前記選択的赤外フィルタが、赤外光波長帯域を透過する選択的赤外パスフィルタにより形成され、
    前記フィルタアレイのフィルタは、少なくとも全可視波長帯域を透過するクリアフィルタにより形成されている
    請求項１６から１８のいずれか一に記載の固体撮像装置。
21. 前記選択的赤外フィルタおよび前記フィルタアレイのフィルタが、少なくとも全可視波長帯域を透過するクリアフィルタにより形成されている
    請求項１６から１８のいずれか一に記載の固体撮像装置。
22. 前記複数の光学フィルタは、
    前記カラーフィルタの光入射側に配置された第３の光学フィルタをさらに含み、
    可視光のみを受光する第１の受光モードでは、前記第２の光学フィルタと前記第３の光学フィルタによる撮像が行われ、
    赤外光を含む入射光を受光可能な第２の受光モードでは、前記第１の光学フィルタと前記第２の光学フィルタによる撮像が行われる
    請求項１５記載の固体撮像装置。
23. 前記複数の光電変換部は、
    赤色領域に対応する赤色光電変換部、緑色領域に対応する緑色光電変換部、および青緑色領域に対応する青色光電変換部を含み、
    請求項１５から１９、２２のいずれか一に記載の固体撮像装置。
24. 光電変換を行う、少なくとも可視光用の複数の画素を含む単位画素グループが配置された画素部を有し、
    前記可視光用の複数の前記画素は、赤外光に対する受光感度を持つ
    固体撮像装置の駆動方法であって、
    赤外読み出しモード時には、前記可視光用の複数の前記画素から赤外光の信号を読み出し、読み出した赤外光の信号を加算する
    固体撮像装置の駆動方法。
25. 固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
    前記固体撮像装置は、
    光電変換を行う、少なくとも可視光用の複数の画素を含む単位画素グループが配置された画素部と、
    前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、
    前記可視光用の複数の前記画素は、赤外光に対する受光感度を持ち、
    前記読み出し部は、
    赤外読み出しモード時には、前記可視光用の複数の前記画素から読み出した赤外光の信号を加算することが可能である
    電子機器。

Images