特許 5757614 撮像素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5757614

(24)【登録日】2015年6月12日

(45)【発行日】2015年7月29日

(54)【発明の名称】撮像素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20150709BHJP

   H01L 27/144 20060101ALI20150709BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20150709BHJP

   H04N 5/33 20060101ALI20150709BHJP

   H04N 5/369 20110101ALI20150709BHJP

   H04N 9/07 20060101ALI20150709BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/14 A

   H01L27/14 K

   H01L31/10 A

   H04N5/33

   H04N5/335 690

   H04N9/07 A

【請求項の数】14

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2011-44671(P2011-44671)

(22)【出願日】2011年3月2日

(65)【公開番号】特開2011-205085(P2011-205085A)

(43)【公開日】2011年10月13日

【審査請求日】2013年12月11日

(31)【優先権主張番号】特願2010-49364(P2010-49364)

(32)【優先日】2010年3月5日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、文部科学省、地域科学技術振興事業委託事業「安全を保障するインテリジェントセンサーＬＳＩの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願 平成２２年度、文部科学省、地域科学技術振興事業委託事業「安全を保障するインテリジェントセンサーＬＳＩの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504174135

【氏名又は名称】国立大学法人九州工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100099634

【弁理士】

【氏名又は名称】平井 安雄

(72)【発明者】

【氏名】有吉 哲也

(72)【発明者】

【氏名】有馬 裕

【審査官】 安田 雅彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−０３３５０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２１２１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２７５２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３０４５４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０７７５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１６５６９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１４−１４８

Ｈ０１Ｌ ３１／０８−１１９

Ｈ０４Ｎ ５／３３−３７８

Ｈ０４Ｎ ９／０７

Ｇ０１Ｔ １／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１導電型半導体基板と第２導電型半導体との接合部に生じる空乏領域に入射した光を光電変換する撮像素子において、
前記第２導電型半導体が、前記第１導電型半導体基板の内部に、当該第１導電型半導体基板の面方向に沿って複数配設されると共に、前記光の入射方向を長手方向として延在し、
前記第２導電型半導体が配設された前記第１導電型半導体基板を複数層に積層し、
前記第２導電型半導体における光が入射する側の一端部と反対側の他端部に隣接し、少なくとも前記空乏領域から出力される電荷を出力信号に変換する処理を行う変換回路部と、
前記第１導電型半導体基板の上面に配設され、前記変換回路部に隣接し、当該変換回路部と電気的に接続するパッド部とを備え、
前記変換回路部とパッド部との距離が、上位の階層から順次大きくなることを特徴とする撮像素子。

【請求項2】

第１導電型半導体基板と第２導電型半導体との接合部に生じる空乏領域に入射した光を光電変換する撮像素子において、
前記第２導電型半導体が、前記第１導電型半導体基板の内部に、当該第１導電型半導体基板の面方向に沿って複数配設されると共に、前記光の入射方向を長手方向として延在し、
前記第２導電型半導体の長手方向における前記光が入射する側に有するレンズの位置を変動させるレンズ変動部を備え、
変動したレンズの位置に対応して撮像区域を複数に区分して分割し、分割された区分ごとに撮像を行うことを特徴とする撮像素子。

【請求項3】

第１導電型半導体基板と第２導電型半導体との接合部に生じる空乏領域に入射した光を光電変換する撮像素子において、
前記第２導電型半導体が、前記第１導電型半導体基板の内部に、当該第１導電型半導体基板の面方向に沿って複数配設されると共に、前記光の入射方向を長手方向として延在し、
前記第２導電型半導体における光が入射する側の一端部とは反対側の他端部に、前記第２導電型半導体を透過した光を反射させる反射材を備えることを特徴とする撮像素子。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれかに記載の撮像素子において、
前記第１導電型半導体が、当該第１導電型半導体基板と前記第２導電型半導体とで形成される空乏領域における前記第１導電型半導体基板の前記光の入射方向の側面端部の位置で切削されていることを特徴とする撮像素子。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれかに記載の撮像素子において、
前記入射する光が近赤外線であることを特徴とする撮像素子。

【請求項6】

請求項５に記載の撮像素子において、
前記第２導電型半導体の長手方向の長さが、当該第２導電型半導体に対する前記近赤外線の侵入長以上であることを特徴とする撮像素子。

【請求項7】

請求項１ないし４のいずれかに記載の撮像素子において、
前記第２導電型半導体が、当該第２導電型半導体の長手方向に複数配設されており、前記第２導電型半導体に対する前記入射する光の侵入長に対応する位置に、前記複数の各第２導電型半導体が配設されていることを特徴とする撮像素子。

【請求項8】

請求項７に記載の撮像素子において、
前記複数配設された各第２導電型半導体の長手方向における長さが、光が入射する側の一端部から反対側の他端部に向かって順次長くなるように配設されていることを特徴とする撮像素子。

【請求項9】

請求項８に記載の撮像素子において、
４つの前記第２導電型半導体が配設されており、
光が入射する側から順番に、青色光、緑色光、赤色光、及び近赤外光を光電変換することを特徴とする撮像素子。

【請求項10】

請求項９に記載の撮像素子において、
前記複数配設された各第２導電型半導体の長手方向の長さが、当該第２導電型半導体に対する前記各入射光の侵入長以上であることを特徴とする撮像素子。

【請求項11】

請求項７ないし１０のいずれかに記載の撮像素子を用いた撮像装置であって、
４つの前記第２導電型半導体が配設されており、当該４つの第２導電型半導体を光が入射する側から順番に第１半導体、第２半導体、第３半導体及び第４半導体とし、
前記第１半導体、第２半導体、第３半導体及び第４半導体により形成される各空乏領域に入射された光を光電変換した信号の電荷量の割合に対応付いた波長を記憶する波長情報記憶手段と、
前記４つの第２導電型半導体の空乏領域で検出された信号電荷を入力する信号入力手段と、
前記信号入力手段が入力した信号電荷の信号電荷量に基づいて、次式により入射光における青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光の信号電荷量を算出する信号成分演算手段と、

【数1】

（ただし、Ｂは入射光における青色光、Ｇは入射光における緑色光、Ｒは入射光における赤色光、ＩＲは入射光における近赤外光の信号電荷量とし、Ｘは第１半導体の空乏領域で検知された信号電荷量、Ｙは第２半導体の空乏領域で検知された信号電荷量、Ｚは第３半導体の空乏領域で検知された信号電荷量、Ｗは第４半導体の空乏領域で検知された信号電荷量とし、ａ_ijは素子ごとに決まる入射光の分光特性を示す係数とする。）
前記信号成分演算手段で算出された信号電荷量に基づいて、各信号電荷量の割合を算出し、当該算出された信号電荷量の割合に対応付けられた波長を前記波長情報記憶手段から読み出して、前記入射光の波長として決定する波長決定手段とを備えることを特徴とする撮像装置。

【請求項12】

請求項１１に記載の撮像装置において、
前記素子ごとに決まる入射光の分光特定を示す係数が、入射する光を白色光とした場合の前記第１半導体、第２半導体、第３半導体及び第４半導体の空乏領域で検出された各信号電荷量について、複数に区分された波長領域ごとに演算された代表値であることを特徴とする撮像装置。

【請求項13】

請求項１２に記載の撮像装置において、
前記代表値が、前記第１半導体、第２半導体、第３半導体及び第４半導体の空乏領域で検出された各信号電荷量について、複数に区分された波長領域ごとの集計値から演算された平均値又は最大電荷量と最小電荷量との合計値から演算された平均値であることを特徴とする撮像装置。

【請求項14】

請求項１１ないし１３のいずれかに記載の撮像装置において、
前記信号成分演算手段で算出された信号電荷量における各信号電荷量の割合及び全電荷量に基づいて、前記入射する光の強度を演算する光強度演算手段を備えることを特徴とする撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ｐｎ接合部に生じる空乏領域に入光した光を光電変換する撮像素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の撮像素子は、シリコン（Ｓｉ）の半導体で形成されており、可視光線から近赤外線の波長範囲（約４００ｎｍ〜１１００ｎｍ程度）の光を検出することができる。しかし、撮像素子に形成されるｐｎ接合部の空乏領域の深さと光の侵入長との関係から、入射光の波長が長くなると受光感度が低下してしまう問題がある。例えば、空乏領域が撮像素子の表面から数μｍに形成される場合、近赤外線のシリコンへの侵入長が数十μｍであるため、近赤外線の大部分を空乏領域で収集することができない。

【0003】

上記問題に関連する技術として、特許文献１、２に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、第１導電型の半導体基板とその表面側に局所的に形成された第２導電型半導体とのｐｎ接合部に生じる空乏層領域を光電変換領域とするフォトダイオードと、半導体基板の表面側に形成されフォトダイオードとともにＣＭＯＳイメージセンサを構成する画素回路とを含む半導体撮像素子において、半導体基板に空洞を形成し、その空洞を介して半導体基板の裏面（または側面または表面側）から光をフォトダイオードの光電変換領域へ照射する構成とし、これによって、入射される近赤外線は、その信号吸収が最も大きいフォトダイオードのｐｎ接合部を長い時間通過することができる。反射膜を設けることで、反射光が再度ｐｎ接合部を通過するので、さらに高感度となるものである。

【0004】

特許文献２に示す技術は、画素セルＣｅｌが、基板の第１基板面側に形成された第１導電型(ｎ型)の第１ウェルと、第１ウェルより第２基板面側に形成された第２導電型（ｐ型）の第２ウェルとを有し、第１ウェルは第１基板面側からの光を受光する受光部として機能し、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有し、第２ウェルは、第１ウェルの受光部における蓄積電荷を検出し、閾値変調機能を有するＭＯＳ型トランジスタが形成されており、第１ウェルの側壁にはそれらを囲むようにｐ型素子分離層が形成されているものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９−２３８９８５号公報

【特許文献2】特開２００９−１５２２３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に示す技術は、空洞及び反射膜の形成が必要となり形成プロセスが複雑化してしまうと共に、反射膜を設けた場合であっても受光感度が十分なものではないという課題を有する。

【0007】

特許文献２に示す技術は、波長が長い光に対して基板を比較的厚く（６μｍ〜１０μｍ程度）し、リフレクタによる反射を利用することで対応するものであるが、上記と同様に形成プロセスが複雑化してしまうと共に、受光感度が十分なものではないという課題を有する。

【0008】

そこで、本発明は、波長が長い光に対しても受光感度を上げると共に、簡単なプロセス
で安価に形成することができる撮像素子を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本願に開示する撮像素子は、第１導電型半導体基板と第２導電型半導体との接合部に生じる空乏領域に入射した光を光電変換する撮像素子において、前記第２導電型半導体が、前記第１導電型半導体基板の内部に、当該第１導電型半導体基板の面方向、且つ前記光の入射方向に沿って長手方向に延在して複数配設されることを特徴とするものである。

【0010】

このように、本願に開示する撮像素子においては、複数の第２導電型（ここでは、仮にｎ型とする）半導体が、第１導電型（ここでは、仮にｐ型とする）半導体基板の内部に、当該第１導電型半導体基板の面方向、且つ光の入射方向に沿って長手方向に延在して配設されるため、入射された光はｎ型半導体の長手方向に対して侵入し、入射光が空乏領域に滞在する時間を長くすることで、受光感度を高くすることができるという効果を奏する。また、ｐ型半導体基板にｎ型半導体を埋設するだけで形成することができるため、形成プロセスを単純化し効率よく作製することができるという効果を奏する。

【0011】

なお、上記撮像素子は、ラインセンサとして応用するものである。

【0012】

本願に開示する撮像素子は、前記第２導電型半導体が、当該第２導電型半導体の長手方向における前記光が入射する側の一端部と、前記第１導電型半導体基板における前記光が入射する側面部との距離が所定の距離以下で配設されることを特徴とするものである。

【0013】

このように、本願に開示する撮像素子においては、第２導電型半導体の長手方向における光が入射する側の一端部と、第１導電型半導体基板における光が入光する側面部との距離を所定の距離以下までダイシング等を施すことにより、第１導電型半導体基板の側面部の厚さによる入射光の減衰を防止して受光感度を高めることができるという効果を奏する。

【0014】

本願に開示する撮像素子は、前記第２導電型半導体が、前記第１導電型半導体基板の基板面との距離が所定の距離以下となるように配設され、前記第２導電型半導体が配設された前記第１導電型半導体基板を複数層に積層することを特徴とするものである。

【0015】

このように、本願に開示する撮像素子においては、複数の第２導電型半導体が配設された第１導電型の半導体基板を複数層に積層することで、第２導電型半導体を１つの画素とする受光感度が高いイメージセンサとして応用することができると共に、第１導電型半導体基板を薄く削ることで積層構造にした場合であっても素子全体をコンパクトに形成することができるという効果を奏する。

【0016】

本願に開示する撮像素子は、前記第２導電型半導体における光が入射する側の一端部と反対側の他端部に隣接し、少なくとも前記空乏領域から出力される電荷を出力信号に変換する処理を行う変換回路部と、前記第１導電型半導体基板の上面に配設され、前記変換回路部に隣接し、当該変換回路部と電気的に接続するパッド部とを備え、前記変換回路部とパッド部との距離が、上位の階層から順次大きくなることを特徴とするものである。

【0017】

このように、本願に開示する撮像素子においては、電荷を出力信号に変換する処理を行う変換回路部と、当該変換回路部に電気的に接続するパッド部とを備え、変換回路部とパッド部との距離が上位階層から順次大きくなることで、各層（１つの層がラインセンサを形成している）ごとに外部との電気的な接続が可能となり、各層の信号を抽出してイメージセンサとして活用することができるという効果を奏する。

【0018】

本願に開示する撮像素子は、前記第２導電型半導体の長手方向における前記光が入射する側に有するレンズの位置を、前記第１導電型半導体基板、及び第２導電型半導体の厚さに基づいて変動させるレンズ変動部を備えることを特徴とするものである。

【0019】

このように、本願に開示する撮像素子においては、レンズの位置を第１導電型半導体基板、及び第２導電型半導体の厚さに基づいて変動させることで、当該レンズの上下の位置を連続的にシフトさせ入射光の光軸を補正し、表示対象からの光を部分的に受光しながら表示対象全体のイメージを生成することで、解像度を大幅に上げることができるという効果を奏する。

【0020】

本願に開示する撮像素子は、前記入射する光が近赤外線であることを特徴とするものである。

【0021】

このように、本願に開示する撮像素子においては、従来の撮像素子では受光感度が悪かった近赤外線を、高感度に受光することができるという効果を奏する。

【0022】

本願に開示する撮像素子は、前記第２導電型半導体の長手方向の長さが、当該第２導電型半導体に対する前記近赤外線の侵入長以上であることを特徴とするものである。

【0023】

このように、本願に開示する撮像素子においては、第２導電型半導体の長手方向の長さが、当該第２導電型半導体に対する近赤外線の侵入長以上であるため、近赤外線の多くの吸収長をカバーして受光感度を格段に上げることができるという効果を奏する。

【0024】

本願に開示する撮像素子は、前記第２導電型半導体が、当該第２導電型半導体の長手方向に複数配設されており、前記第２導電型半導体に対する前記入射する光の侵入長に対応する位置に、前記複数の各第２導電型半導体が配設されていることを特徴とするものである。

【0025】

このように、本願に開示する撮像素子においては、第２導電型半導体が、入射する光の第２導電型半導体に対する侵入長に対応して複数配設されているため、特別なフィルタ等を設けることなく、簡単に侵入長に応じた波長領域の光を色情報として光電変換することができるという効果を奏する。つまり、カラーフィルタ等を用いずにカラーイメージセンサとしての撮像素子を得ることができる。

【0026】

本願に開示する撮像素子は、前記複数配設された各第２導電型半導体の長手方向における長さが、光が入射する側の一端部から反対側の他端部に向かって順次長くなるように配設されていることを特徴とするものである。

【0027】

このように、本願に開示する撮像素子においては、各第２導電型半導体の長手方向における長さが、光が入射する側の一端部から反対側の他端部に向かって順次長くなるように配設されているため、侵入長が長く減衰が多く発生する光ほど第２導電型半導体を長くして十分な量の光を吸収し、全体として様々な波長領域における光を均一に吸収することで、高感度の撮像素子を実現することができるという効果を奏する。

【0028】

本願に開示する撮像素子は、４つの前記第２導電型半導体が配設されており、光が入射する側から順番に、青色光、緑色光、赤色光、及び近赤外光を光電変換することを特徴とするものである。

【0029】

このように、本願に開示する撮像素子においては、４つの第２導電型半導体が配設されており、光が入射する側から順番に、青色光、緑色光、赤色光、及び近赤外光を光電変換
するため、カラーフィルタを用いることなくカラーイメージセンサを実現することができるという効果を奏する。

【0030】

本願に開示する撮像素子は、前記複数配設された各第２導電型半導体の長手方向の長さが、当該第２導電型半導体に対する前記各入射光の侵入長以上であることを特徴とするものである。

【0031】

このように、本願に開示する撮像素子においては、第２導電型の半導体の長さが、当該第２導電型半導体に対する各入射光（青色光、緑色光、赤色光、及び近赤外光等）の侵入長以上であるため、各入射光の吸収長をカバーして受光感度を格段に上げることができるという効果を奏する。

【0032】

本願に開示する撮像素子は、前記第２導電型半導体における光が入射する側の一端部と反対側の他端部に、前記第２導電型半導体を透過した光を反射させる反射材を備えることを特徴とするものである。

【0033】

このように、本願に開示する撮像素子においては、第２導電型半導体における光が入射する側の一端部と反対側の他端部に、第２導電型半導体を透過した光を反射させる反射材を備えるため、反射材により第２導電型半導体を透過した光が反射され、より多くの光を吸収し、受光感度を高めることができるという効果を奏する。また、反射材を設けることで、第２導電型半導体を透過した光を再度吸収することが可能となるため、受光感度の低下を招くことなく第２導電型半導体の長さを短くして撮像素子を小型化することができるという効果を奏する。

【0034】

なお、第２導電型半導体が長手方向に複数配設されている場合には、光の入射方向から最も遠い位置に配設された第２導電型半導体の他端部にのみ反射材が設けられるものとする。

【0035】

本願に開示する撮像装置は、４つの前記第２導電型半導体が配設されており、当該４つの第２導電型半導体を光が入射する側から順番に第１半導体、第２半導体、第３半導体及び第４半導体とし、前記第１半導体、第２半導体、第３半導体及び第４半導体により形成される各空乏領域に入射された光を光電変換した信号の電荷量の割合に対応付いた波長を記憶する波長情報記憶手段と、前記４つの第２導電型半導体の空乏領域で検出された信号電荷を入力する信号入力手段と、前記信号入力手段が入力した信号電荷の信号電荷量に基づいて、次式により入射光における青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光の信号電荷量を算出する信号成分演算手段と、

【0036】

【数1】

（ただし、Ｂは入射光における青色光、Ｇは入射光における緑色光、Ｒは入射光における赤色光、ＩＲは入射光における近赤外光の信号電荷量とし、Ｘは第１半導体の空乏領域で検知された信号電荷量、Ｙは第２半導体の空乏領域で検知された信号電荷量、Ｚは第３半導体の空乏領域で検知された信号電荷量、Ｗは第４半導体の空乏領域で検知された信号電荷量とし、ａ_ijは素子ごとに決まる入射光の分光特性を示す係数する。）、前記信号成分演算手段で算出された信号電荷量に基づいて、各信号電荷量の割合を算出し、当該算出さ
れた信号電荷量の割合に対応付けられた波長を前記波長情報記憶手段から読み出して、前記入射光の波長として決定する波長決定手段とを備えるものである。

【0037】

このように、本願に開示する撮像装置においては、第１半導体ないし第４半導体の空乏領域で検出された信号電荷量から、撮像素子の分光特性を示す上記ａ_ijの行列に基づいて、入射する光の波長成分を算出することで、入射光の波長を正確に決定することができるという効果を奏する。

【0038】

本願に開示する撮像装置は、前記素子ごとに決まる入射光の分光特定を示す係数が、入射する光を白色光とした場合の前記第１半導体、第２半導体、第３半導体及び第４半導体の空乏領域で検出された各信号電荷量について、複数に区分された波長領域ごとに演算された代表値であるものである。

【0039】

このように、本願に開示する撮像装置においては、白色光で検知された第１半導体ないし第４半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を用いて、複数に区分された波長領域ごとに各信号電荷量の代表値を演算し、その代表値を上記係数ａ_ijとするため、様々な波長が含まれる白色光により理想的な係数ａ_ijを得ることができ、入射光の波長成分を正確に算出することができるという効果を奏する。

【0040】

本願に開示する撮像装置は、前記代表値が、前記第１半導体、第２半導体、第３半導体及び第４半導体の空乏領域で検出された各信号電荷量について、複数に区分された波長領域ごとの集計値から演算された平均値又は最大電荷量と最小電荷量との合計値から演算された平均値であるものである。

【0041】

このように、本願に開示する撮像装置においては、前記代表値が、前記第１半導体、第２半導体、第３半導体及び第４半導体の空乏領域で検出された各信号電荷量について、複数に区分された波長領域ごとの集計値から演算された平均値又は最大電荷量と最小電荷量との合計値から演算された平均値とすることで、入射光の波長成分をより正確に算出することができるという効果を奏する。

【0042】

本願に開示する撮像装置は、前記信号成分演算手段で算出された信号電荷量における各信号電荷量の割合及び全電荷量に基づいて、前記入射する光の強度を演算する光強度演算手段を備えるものである。

【0043】

このように、本願に開示する撮像装置においては、信号電荷量算出手段で算出された信号電荷量における各信号電荷量の割合及び全電荷量に基づいて、入射する光の強度を演算するため、入射光の波長が示す色だけではなく光の強度も演算することで、より高性能な撮像装置を実現することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】第１の実施形態に係る撮像素子の全体斜視図である。

【図2】第１の実施形態に係る撮像素子の加工断面図である。

【図3】第１の実施形態に係る撮像素子の回路を示す図である。

【図4】第２の実施形態に係る撮像素子の全体斜視図である。

【図5】第２の実施形態に係る撮像素子における各層の上面図である。

【図6】第２の実施形態に係る撮像素子におけるパッド部の配置例を示す図である。

【図7】第３の実施形態に係る撮像素子においてレンズの位置を調整する処理を示す図である。

【図8】Ｂａｙｅｒ方式によるカラーフィルタを示す図である。

【図9】カラー分離フォトダイオード方式によるカラー撮像の処理を示す図である。

【図10】第４の実施形態に係る撮像素子の全体斜視図である。

【図11】第４の実施形態に係る撮像素子の断面図である。

【図12】第４の実施形態に係る撮像素子において積層構造にした場合の断面図である。

【図13】第４の実施形態に係る撮像素子における各層の上面図である。

【図14】第４の実施形態に係る撮像素子におけるパッド部の配置例を示す図である。

【図15】第４の実施形態に係る撮像素子においてレンズの位置を調整する処理を示す図である。

【図16】第５の実施形態に係る撮像素子の全体斜視図である。

【図17】第６の実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。

【図18】第６の実施形態に係る撮像装置における撮像素子の断面図である。

【図19】第６の実施形態に係る撮像素子において白色光を入射光とした場合の信号電荷量を示す図である。

【図20】第６の実施形態に係る撮像素子において白色光が入射光である場合の波長成分の特性を示す図である。

【図21】第６の実施形態に係る撮像素子の動作を示す第１のフローチャートである。

【図22】第６の実施形態に係る撮像素子の動作を示す第２のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0045】

以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は多くの異なる形態で実施可能である。従って、本実施形態の記載内容のみで本発明を解釈すべきではない。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

【0046】

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る撮像素子について、図１ないし図３を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る撮像素子の全体斜視図、図２は、本実施形態に係る撮像素子の加工断面図、図３は、本実施形態に係る撮像素子の回路を示す図である。

【0047】

図１において、撮像素子１は、ｐ型シリコン基板２と、ｐ型シリコン基板２の上面内部であって、当該ｐ型シリコン基板２の面方向に沿って平行に埋設された複数の棒状のｎ型シリコン半導体３とを備える。入射光は、図１に示すようにｎ型シリコン半導体３の長手方向、すなわちｐ型シリコン基板２の側面方向から照射され、ｐ型シリコン基板２とｎ型シリコン半導体３とのｐｎ接合部に生じる空乏領域（図示しない）で吸収され、吸収された入射光により電子正孔対が生成されて信号電荷に変換される。

【0048】

ｎ型シリコン半導体３の長さＬは、少なくとも入射する光のシリコンに対する侵入長以上であることが望ましい。ここでは主に、波長が長く受光感度が良くない近赤外線を例に説明する。近赤外線の波長は約７８０ｎｍ〜１１００ｎｍ程度であり、シリコンに対する平均侵入長は数十μｍである。したがって、Ｌの値は数十μｍ〜数百μｍ程度にするのが望ましい。

【0049】

また、ｐ型シリコン基板２の側面２ａとｎ型シリコン半導体３の側面３１との距離Ｗは、ｐ型シリコン基板２の側面から照射された近赤外線が、このｐ型シリコン基板２の側面部のシリコンにより減衰してしまうことを防止するために、ダイシング等を施すことで極力短く加工する。図２に示すように、図２（Ａ）の斜線部で示す領域により近赤外線が減
衰することを防止するために、図２（Ｂ）に示すように側面部のシリコンを切削する。

【0050】

入射光をｎ型シリコン半導体３の長手方向から照射することで、少なくとも侵入長程度の長さＬを有するｎ型シリコン半導体３とｐ型シリコン基板２との間に生じる、長手方向に延在する空乏領域を近赤外線が通過するため、近赤外線が吸収される機会が増え受光感度が高くなる。また、ｐ型シリコン基板２の側面２ａとｎ型シリコン半導体３の側面３１との距離Ｗは、最小限の長さにまで切削されるため、入射する近赤外線の減衰を最小限に抑えられ、さらに受光感度が高くなる。

【0051】

図１に示すように、ｐ型シリコン基板２の下面部を、ｐ型シリコン基板２の厚さＴに対して、少なくとも空乏領域が形成される程度の厚さｔにまで削り落とす加工を施すことで、撮像素子１を小型化し様々な装置に応用することが可能となる。

【0052】

次に、吸収した近赤外線の電荷信号への変換について説明する。図３（Ａ）は、撮像素子１の上面図であり、ｎ型シリコン半導体３における近赤外線が入射される側面３１と反対側の側面３２に隣接して設けられる変換回路部５と、当該変換回路部５に隣接しｎ型シリコン半導体３の上面に変換回路部５と電気的に接続するパッド６とを備える。図３（Ｂ）は、変換回路部５の回路図である。ｐｎ接合部でフォトダイオードが受光すると、光電変換に伴う信号キャリアが生成される。この信号キャリアがｐｎ接合部のフォトダイオードの接合容積に蓄積されることで、フォトダイオードのカソード電位が変化する。ＡＭＩトランジスタが、このカソード電位変化を電流に変換し、Ｉ／Ｖ変換回路が電流を信号電圧に変換する。バイアス電圧ＰｉｘＶｂは、フォトダイオードのリセット信号を与え、ＰｉｘＲｓｔは、フォトダイオードをリセット電圧に初期化する論理信号である。変換された信号電圧は、パッド６を介して外部の装置へ出力される。

【0053】

なお、ｐ型シリコン基板２とｎ型シリコン半導体３のｐ型とｎ型は反転してもよい。また、本実施形態に係る撮像素子はラインセンサとして機能するものである。

【0054】

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る撮像素子について、図４ないし図６を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る撮像素子の全体斜視図、図５は、本実施形態に係る撮像素子における各層の上面図、図６は、本実施形態に係る撮像素子におけるパッド部の配置例を示す図である。

【0055】

本実施形態に係る撮像素子は、第１の実施形態に係る撮像素子を複数層に積層してイメージセンサとしたものである。なお、本実施形態において前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。

【0056】

図４に示すように、本実施形態に係る撮像素子１は、第１の実施形態に係るラインセンサとしての撮像素子１を複数層に積層し、側面部から光を受光する。複数に積層されることで、撮像素子１の側面に二次元のマトリックス状で画素を配置することができ、前記第１の実施形態に係るラインセンサをイメージセンサとして利用することができる。また、より多くの画素を配置して解像度を上げるために、図１に示すように、厚さＴのｐ型シリコン基板２を残厚ｔになるまで加工する。このとき、積層された撮像素子１の解像度を上げるという観点から、残厚ｔができる限り小さくなるように薄く加工する。

【0057】

図５は、撮像素子１の各層におけるｎ型シリコン半導体３、変換回路部５、及びパッド６の配置例を示している。図５（Ａ）が最上層のラインセンサ、図５（Ｂ）が最上層から２番目のラインセンサ、図５（Ｃ）が最上層から３番目のラインセンサ、図５（Ｄ）が最上層からｎ番目のラインセンサを示している。図５に示すように、上層から下層になるに連れて、変換回路部５とパッド６との距離が順次大きくなっている。この各層を積層した
ものを図６に示す。

【0058】

図６に示すように、変換回路部５とパッド６との距離を層ごとに異ならせることで、各ラインセンサごとの情報を、パッド６を介して取り出すことができる。このように、各層ごとに情報が取り出せることで、イメージセンサとして活用することができる。

【0059】

なお、ここでは、下層になるに連れて、一の方向（図６においては左方向）にのみパッド６の配置を異ならせる構成としたが、撮像素子１を設置する位置や装置に応じて複数方向（例えば、光の照射方向以外の３方向）にパッド６の配置が異ならせるような構成としてもよい。

【0060】

（本発明の第３の実施形態）
本実施形態に係る撮像素子について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る撮像素子においてレンズの位置を調整する処理を示す図である。

【0061】

本実施形態に係る撮像素子は、レンズの上下位置を連続的にシフトさせることで入射光の光軸を補正し、レンズの表示対象からの光を部分的に受光しながら表示対象全体のイメージを生成するものである。なお、本実施形態において上記第１、第２の実施形態と重複する説明は省略する。

【0062】

図７において、撮像素子１における光が入射する方向にレンズ７が設けられており、このレンズ７が、レンズ変動部（図示しない）の制御により上下方向に連続的にシフトする動作を行う。レンズ７の位置を変動させることで入射する光の光軸を補正し、表示対象からの光を部分的に受光しながら全体のイメージを生成して、解像度を上げることができる。図７（Ａ）は、ｐ型シリコン基板２の厚さＴ程度の補正を行って解像度を上げる場合の図を示している。図７（Ｂ）は、撮像区域を複数の区分に分割しており（ここでは３つの区分に分割）、各区分ごとに撮像することで、最終的に解像度を大幅に上げることが可能となっている。

【0063】

なお、レンズ７及びレンズ変動部の機構は、一般的に利用されている手ブレ補正等の技術を用いることで容易に実現できる。

【0064】

（本発明の第４の実施形態）
本実施形態に係る撮像素子について、図８ないし図１５を用いて説明する。図８は、Ｂａｙｅｒ方式によるカラーフィルタを示す図、図９は、カラー分離フォトダイオード方式によるカラー撮像の処理を示す図、図１０は、本実施形態に係る撮像素子の全体斜視図、図１１は、本実施形態に係る撮像素子の断面図、図１２は、本実施形態に係る撮像素子において積層構造にした場合の断面図、図１３は、本実施形態に係る撮像素子における各層の上面図、図１４は、本実施形態に係る撮像素子におけるパッド部の配置例を示す図、図１５は、本実施形態に係る撮像素子においてレンズの位置を調整する処理を示す図である。

【0065】

カラーイメージセンサにおける分光技術として、図８に示すＢａｙｅｒ方式が実現されている。このＢａｙｅｒ方式は、特定の波長領域の光を通過するカラーフィルタを用いており、緑（Ｇ）のフィルタが市松、赤（Ｒ）及び青（Ｂ）のフィルタが線順次に画素上に配列されている。図８に示すように２つの緑、赤及び青の４画素で３原色の色データを生成してカラーイメージの撮影を実現している。

【0066】

この方式を用いた場合、それぞれのカラーフィルタを有する画素は、そのカラー以外の光をカットすることとなり、吸収できる光量が低下してしまう。また、カラーフィルタの
作成は、通常の半導体（ＣＭＯＳ）の製造プロセスに含まれておらず、カラーフィルタを作成するための別工程が必要となってしまい、作業が煩雑で効率が悪くなってしまう。

【0067】

図９に示すカラー分離フォトダイオード方式は、カラーイメージセンサにおける他の分光技術である。図９に示すように、ｐ型シリコン基板上にｎ型、ｐ型、ｎ型シリコン層を交互に積層した画素を有し、シリコンに対する光の侵入長が波長により異なる特徴を利用してカラー撮影を実現している。侵入長が短い青色光は浅部のｐｎ接合部で電子正孔対を生成し、侵入長が青色光よりも長い緑色光は中間部のｐｎ接合部で電子正孔対を生成し、侵入長が緑色光よりも長い赤色光は深部のｐｎ接合部で電子正孔対を生成する。

【0068】

１画素中の各ｐｎ接合部で生成された電子正孔対から３原色の色データを生成するため、画素の利用効率は図８のＢａｙｅｒ方式よりも優れている。また、カラーフィルタを用いないため、利用できる光量の損失を抑え受光感度の向上を期待することができる。しかしながら、緑色光、及び赤色光のシリコンに対する侵入長は数十μｍに及ぶため、ｐ型シリコン基板の表面から数十μｍの深さの領域にｎ型シリコンの層を作製する必要があり、特別な製造工程の追加が必要となる。また、信号電極が各色で独立していないため、３色の信号を分離する処理が別途必要となる。

【0069】

撮像素子１は、ｎ型シリコン半導体３が、長手方向に複数配設されており、入射する光の波長領域に応じた侵入長に対応して、複数のｎ型シリコン半導体３がｐ型シリコン基板２に埋設されているものである。つまり、波長領域に応じた色の光を光電変換することができるカラーラインセンサ、及びカラーイメージセンサを実現する。

【0070】

図１０は、本実施形態に係る撮像素子１の全体斜視図である。図１に示す撮像素子１と異なるのは、ｎ型シリコン半導体３が４つ配設されていることである。図１０において、ｎ型シリコン半導体３ａが青色光検知用のシリコン半導体、ｎ型シリコン半導体３ｂが緑色光検知用のシリコン半導体、ｎ型シリコン半導体３ｃが赤色光検知用のシリコン半導体、ｎ型シリコン半導体３ｄが近赤外光検知用のシリコン半導体である。この順番は、シリコンに対する光の侵入長が青色光＜緑色光＜赤色光＜近赤外光であることに基づいており、光の入射方向に沿って青色光、緑色光、赤色光、及び近赤外光を検知するためのｐｎ接合部が形成されている。これらのｐｎ接合部は、それぞれが独立しているため、各色の信号を個々に取り出すことが可能となる。

【0071】

図１１は、図１０における撮像素子１の断面図であり、複数（４つ）配設された各ｎ型シリコン半導体３は、光の入射方向（長手方向）に対して、入射光を分光できる最適な長さに設定されて形成される。入射する光の光量の９９％が吸収されるシリコンへの侵入長を９９％侵入長と定義すると、青色光（波長範囲が４３０ｎｍ〜４９０ｎｍ）の９９％侵入長は０．３μｍ〜２．３μｍ、緑色光（波長範囲が４９０ｎｍ〜５５０ｎｍ）の９９％侵入長は１．１μｍ〜５．０μｍ、赤色光（波長範囲が６４０ｎｍ〜７８０ｎｍ）の９９％侵入長は６．２μｍ〜４０μｍ、近赤色光（波長範囲が７８０ｎｍ〜）の９９％侵入長は４０μｍ〜である。したがって、例えば図１１に示すように各ｎ型シリコン半導体３ａ〜３ｄの長さと位置とを設定することで、入射光を正確で効率的に分光することができるようになる。

【0072】

なお、このとき第１の実施形態における図２の場合と同様に、ｐ型シリコン基板２の側面２ａとｎ型シリコン半導体３ａの側面３１との距離Ｗは、入射光の減衰を最小限に抑えるために極力短く加工する。好ましくはＷ＜０．８μｍとする。また、ここではｎ型シリコン半導体３を４つ配設し、青色光、緑色光、赤色光、及び近赤外光をそれぞれ検知することとしたが、例えば３つに分割して青色光、緑色光、及び赤色光をそれぞれ検知する等、ｎ型シリコン半導体３の分割数、それぞれの配置や機能は適宜設計できるものである。
さらに、ここで図１０、及び図１１に示す撮像素子は、ラインセンサとして機能するものである。

【0073】

図１０、及び図１１に示すラインセンサとしての撮像素子１は、図１２に示すように複数層に積層することで、第２の実施形態に係る撮像素子１と同様にイメージセンサを実現することができる。ここでも、ｐ型シリコン基板２の厚さＴを残厚ｔになるまで加工し、積層された撮像素子１の解像度を上げるという観点から、少なくともｎ型シリコン半導体３と空乏領域を残しつつ、残厚ｔをできる限り薄く加工する。

【0074】

ラインセンサを積層してイメージセンサを実現する場合、各ラインセンサへの電源、信号の供給、又はそれらを取り出す必要がある。図１３は、図５と同様に撮像素子１の各層におけるｎ型シリコン半導体３（３ａ〜３ｄ）、変換回路部５、及びパッド６の配置例を示している。図１３（Ａ）が最上層のラインセンサ、図１３（Ｂ）が最上層から２番目のラインセンサ、図１３（Ｃ）が最上層から３番目のラインセンサ、図１３（Ｄ）が最上層からｎ番目のラインセンサを示している。図１３に示すように、上層から下層になるに連れて、変換回路部５とパッド６との距離が順次大きくなっている。この各層を積層したものを図１４に示す。

【0075】

図１４に示すように、変換回路部５とパッド６との距離を層ごとに異ならせることで、各ラインセンサごとの情報を色情報を含めて、パッド６を介して取り出すことができる。このように、各層ごとに情報が取り出せることで、イメージセンサとして活用することができると共に、ボンディングワイヤとパッド６との接続加工を容易にすることができる。

【0076】

図１５に、カラーイメージセンサとしての撮像素子１の解像度を改善する方法として、第３の実施形態に係る撮像素子と同様に、レンズの位置を調整する処理を示す。ここでも、第３の実施形態の場合と同様に、レンズ７の上下位置を連続的にシフトさせることで入射光の光軸を補正し、レンズ７の表示対象からの光を部分的に受光しながら表示対象全体のイメージを生成することで解像度を上げることができる。

【0077】

なお、レンズ７及びレンズ変動部の機構は、一般的に利用されている手ブレ補正等の技術を用いることで容易に実現できる。

【0078】

このように、本実施形態に係る撮像素子は、特別なフィルタ等を設けることなく、簡単に波長領域に応じた色の光を光電変換することができ、カラーイメージセンサとして機能させることができる。また、ｎ型シリコン半導体３の長手方向における長さが、光が入射する側の一端部から反対側の他端部に向かって順次長くなるように埋設されているため、侵入長が長く減衰が多く発生する光ほどｎ型シリコン半導体３を長くして十分な量の光を吸収し、全体として様々な波長領域における光を均一に吸収することで、高感度の撮像素子を実現することができる。

【0079】

（第５の実施形態）
本実施形態に係る撮像素子について、図１６を用いて説明する。図１６は、本実施形態に係る撮像素子の全体斜視図である。図１６（Ａ）は、ｎ型シリコン半導体３の長手方向に一のｎ型シリコン半導体３を配設した場合であり、図１６（Ｂ）は、ｎ型シリコン半導体３の長手方向に４つのｎ型シリコン半導体３を配設した場合である。

【0080】

図１６に示すように、ｎ型シリコン半導体３における光が入射する側の一端部と反対側の他端部に、ｎ型シリコン半導体３を透過した光を反射させる反射材８を備えている。この反射材は、例えば、エッチング等の技術によりｐ型シリコン基板２に反射材を埋め込むための溝を形成し、そこにアルミニウム等の反射材８を埋設することで形成することがで
きる。

【0081】

このように、反射材８を備えることで、ｎ型シリコン半導体３を透過した光を反射材８により反射させて、より多くの光を吸収し、受光感度を高めることができる。また、反射材８を設けることで、ｎ型シリコン半導体３を透過した光を再度吸収することが可能となるため、図１６（Ａ）に示すｎ型シリコン半導体３の長さを短くした場合であっても、受光感度の低下を招くことなく撮像素子を小型化することが可能となる。

【0082】

なお、図１６（Ｂ）に示すように、ｎ型シリコン半導体３が長手方向に複数配設されている場合には、光の入射方向から最も遠い位置に配設されたｎ型シリコン半導体３ｄの他端部にのみ反射材８が設けられる。

【0083】

以上の前記各実施形態により本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は実施形態に記載の範囲には限定されず、これら各実施形態に多様な変更又は改良を加えることが可能である。

【0084】

（第６の実施形態）
本実施形態に係る撮像装置について図１７ないし図２２を用いて説明する。図１７は、本実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図、図１８は、本実施形態に係る撮像装置における撮像素子の断面図、図１９は、本実施形態に係る撮像素子において白色光を入射光とした場合の信号電荷量を示す図、図２０は、本実施形態に係る撮像素子において白色光が入射光である場合の波長成分の特性を示す図、図２１は、本実施形態に係る撮像素子の動作を示す第１のフローチャート、図２２は、本実施形態に係る撮像素子の動作を示す第２のフローチャートである。

【0085】

図１７において、撮像装置１０は、撮像素子１と信号入力部１１と係数算出部１２と信号成分演算部１３と波長情報記憶部１４と波長決定部１５と係数情報記憶部１６とを備える。図１８に示すように、撮像素子１は、図１０に示す場合と同様に、複数（４つ）配設されたｎ型シリコン半導体３（３ａ〜３ｄ）を有しており、ここでは、光の入射方向（長手方向）から順番に第１半導体（ｎ型シリコン半導体３ａ）、第２半導体（ｎ型シリコン半導体３ｂ）、第３半導体（ｎ型シリコン半導体３ｃ）及び第４半導体（ｎ型シリコン半導体３ｄ）とする。第１半導体は青色光検出用であり、第２半導体は緑色光検出用であり、第３半導体は赤色光検出用であり、第４半導体は近赤外光検出用である。それぞれの第１半導体ないし第４半導体の長手方向の長さ及び配置は、図１８に示す通りとする。

【0086】

図１７において、信号入力部１１は、撮像素子１のパッド６から出力された信号を入力する。係数算出部１２は、信号入力部１１で入力された信号電荷量から、下記の式（１）における係数ａ_ijを算出し、係数情報記憶部１６に記憶しておく。

【0087】

【数2】

ここで、Ｂは入射光における青色光、Ｇは入射光における緑色光、Ｒは入射光における赤色光、ＩＲは入射光における近赤外光の信号電荷量であり、Ｘは第１半導体で検知された信号電荷量、Ｙは第２半導体で検知された信号電荷量、Ｚは第３半導体で検知された信号電荷量、Ｗは第４半導体で検知された信号電荷量とし、ａ_ijは素子ごとに決まる入射光
の分光特性を示す係数である。

【0088】

式（１）についてより詳細に説明する。上記のように、第１半導体ないし第４半導体の空乏領域で検出される信号電荷量をＸ、Ｙ、Ｚ、Ｗとし、入射光における青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光の波長成分に対応する信号電荷量をＢ、Ｇ、Ｒ、ＩＲとすると、次式の関係が成り立つ。

【0089】

【数3】

つまり、入射光における波長成分は、式（２）に｛ａ_ij｝^-1を掛けた式（１）により求めることができる。

【0090】

上記式（１）、（２）における係数ａ_ijの求め方について、図１９を用いて説明する。図１９は、撮像素子１に均一な白色光を入射光として照射させた場合に、第１半導体ないし第４半導体で形成されるＰＮ接合領域で変換される入射光の波長成分に対応する信号電荷量（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗ）の特性を示している。なお、縦軸の信号電荷量は任意の単位であり、値については自由に設定できるものとする。

【0091】

図１９に示すように、入射光が白色光であることから、各ＰＮ接合領域において様々な波長成分が検出されていることがわかる。このように検出された波長成分から、まず、横軸の波長を複数の領域に区分する。区分の方法は、任意に設定することができるが、ここでは、青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光の波長範囲に対応させて、図１９に示すように、０〜４６５ｎｍ（第１波長領域とする）、４６５〜５６０ｎｍ（第２波長領域とする）、５６０〜７６０ｎｍ（第３波長領域とする）及び７６０ｎｍ〜（第４波長領域とする）の区分に分けている。また、各信号電荷量の曲線が交差している点の波長を境目にして区分を分けるようにしてもよい。図１９の場合は、たまたま各曲線の交差している点の波長が各色の波長範囲に一致しているが、実際には必ずしも一致しない場合もある。

【0092】

このように区分した各波長領域ごとに、以下の演算を行ってａ_ijを決定する。ａ₁₁は、第１波長領域において第１半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、ａ₂₁は、第１波長領域において第２半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、ａ₃₁は、第１波長領域において第３半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、ａ₄₁は、第１波長領域において第４半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とする。

【0093】

同様に、ａ₁₂は、第２波長領域において第１半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、ａ₂₂は、第２波長領域において第２半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、ａ₃₂は、第２波長領域において第３半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、ａ₄₂は、第２波長領域において第４半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とする。

【0094】

同様に、ａ₁₃は、第３波長領域において第１半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、ａ₂₃は、第３波長領域において第２半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、ａ₃₃は、第３波長領域において第３半
導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、ａ₄₃は、第３波長領域において第４半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とする。

【0095】

同様に、ａ₁₄は、第４波長領域において第１半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、ａ₂₄は、第４波長領域において第２半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、ａ₃₄は、第４波長領域において第３半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、ａ₄₄は、第４波長領域において第４半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とする。

【0096】

なお、上記に示したように、波長領域における信号電荷量の全体を集計した平均値を係数ａ_ijとして算出してもよいし、波長領域における最大値と最小値との平均値を係数ａ_ijとして算出してもよい。

【0097】

図１７に戻って、信号成分演算部１３は、係数算出部１２が算出した係数ａ_ijを用いて入射光における波長の信号成分を演算する。図２０にその演算結果を示す。図２０に示す通り、式（１）の演算を行うことで、青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光のそれぞれの波長成分が明確となり、正確な入射光の分光特性が求められる。ここでは、白色光を入射光としているため、様々な波長成分の理想的な値が求められており、これをテンプレートとして図１７の波長情報記憶部１４に記憶しておく。すなわち、青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光の各波長成分に対応する波長が記憶される。

【0098】

波長決定部１５は、未知の入射光が照射された場合に、信号入力部１１が入射光の信号を入力し、信号成分演算部１３が係数情報記憶部１６に記憶されている係数ａ_ijを読み出して入射光における波長の信号成分を演算し、求められた入射光における青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光のそれぞれの波長に対応する信号電荷量の割合と、テンプレートとして波長情報記憶部１４に記憶されている波長成分の情報とを比較して、対応する波長を入射光の波長として決定する。入射光の波長が決定されることで、入射光の色を特定することが可能となる。

【0099】

なお、上述したように、波長決定部１５により入射光の波長を求めることができるが、入射光の強さは、この処理だけでは求めることができない。そこで、撮像装置１が光強度演算部を備える構成にしてもよい。光強度演算部は、信号入力部１１が入力した全信号電荷量を用いることで、光の強度を求めることができる。

【0100】

次に、本実施形態に係る撮像装置の動作について説明する。ここでの撮像装置の処理は大きく分けて２つに分けることができる。一方が素子ごとに決まる入射光の分光特性を示す係数ａ_ijを決定して、白色光から波長成分の割合を示すテンプレートを生成する第１の処理であり、他方が係数ａ_ijを用いた演算結果とテンプレートの情報から入射光の波長を決定する第２の処理である。図２１は、第１の処理を示すフローチャートであり、図２２は、第２の処理を示すフローチャートである。

【0101】

図２１において、まず、信号入力部１１が撮像素子１から出力された白色光の信号を入力する（Ｓ２１１）。係数算出部１２が、図１９に示すように複数に区分された波長領域ごとに信号電荷量の代表値（信号電荷量の平均値又は信号電荷量の最大値と最小値の平均値）を演算する（Ｓ２１２）。演算された代表値は、素子ごとに決まる入射光の分光特性を示す係数ａ_ijとして係数情報記憶部１６に記憶される（Ｓ２１３）。信号成分演算部１３が、演算された係数ａ_ijを用いて、図２０に示すように白色光の波長の信号成分を演算する（Ｓ２１４）。演算された白色光の波長の信号成分がテンプレートとして波長情報記
憶部１４に記憶されて（Ｓ２１５）、第１の処理を終了する。

【0102】

図２２において、まず、信号入力部１１が撮像素子１から出力された入射光の信号を入力する（Ｓ２２１）。信号成分演算部１３が係数情報記憶部１６から係数ａ_ijを読み出し、式（１）を用いて入射光における波長の信号成分を演算する（Ｓ２２２）。波長決定部１５が、演算された入射光における波長の信号成分の割合と、波長情報記憶部１４に記憶されたテンプレート情報とを比較し（Ｓ２２３）、テンプレートに合致した波長の信号成分の割合に対応する波長を入射光の波長として決定し（Ｓ２２４）、第２の処理を終了する。

【0103】

以上が、本実施形態に係る撮像装置の動作の説明である。

【符号の説明】

【0104】

１ 撮像素子
２ ｐ型シリコン半導体基板
３ ｎ型シリコン半導体
３ａ 青色光検知用のシリコン半導体（ｎ型シリコン半導体３）
３ｂ 緑色光検知用のシリコン半導体（ｎ型シリコン半導体３）
３ｃ 赤色光検知用のシリコン半導体（ｎ型シリコン半導体３）
３ｄ 近赤外光検知用のシリコン半導体（ｎ型シリコン半導体３）
５ 変換回路部
６ パッド
７ レンズ
８ 反射材
１０ 撮像装置
１１ 信号入力部
１２ 係数算出部
１３ 信号成分演算部
１４ 波長情報記憶部
１５ 波長決定部
１６ 係数情報記憶部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】