(57)【要約】【課題】  入射光の強度が弱い、又は入射光に対する光電変換部の感度が低い場合に、素子サイズの大型化を抑えて、かつ、消費電力の増大を抑えて、Ｓ／Ｎのよい画像を得る。【解決手段】  強度が弱い、又は感度の低い画素の増幅トランジスタを埋め込みチャネル型トランジスタとして、他の画素の増幅トランジスタを表面チャネル型トランジスタとする。【選択図】  図１
2010056915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する光の強度に応じて電荷を生成する光電変換部と、前記電荷の量に応じた強度の信号を出力する増幅トランジスタとを備え、前記信号によって入射する光の強度を検出する画素を複数有する固体撮像素子と、前記入射する光の波長を選択する波長選択手段とからなり、前記画素の各々で検出する光の波長が予め決定された撮像装置であって、前記光電変換部で生成される電荷の量が多い波長の光を検出する画素の前記増幅トランジスタを表面チャネル型トランジスタとし、前記光電変換部で生成される電荷の量が少ない波長の光を検出する画素の前記増幅トランジスタを埋め込みチャネル型トランジスタとすることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記埋め込みチャネル型トランジスタを用いる画素は、前記表面チャネル型トランジスタを用いる画素よりも各画素で検出する波長の光に対して、前記光電変換部の感度が低いことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記埋め込みチャネル型トランジスタを用いる画素は、前記表面チャネル型トランジスタを用いる画素よりも各画素の光電変換部に入射する光の強度が弱いことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記表面チャネル型トランジスタを用いる画素は、前記埋め込みチャネル型トランジスタを用いる画素よりも画素の面積が小さい、又は、光電変換部の面積が大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記表面チャネル型トランジスタは表面チャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、前記埋め込みチャネル型トランジスタは埋め込みチャネル型ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記光電変換部は、シリコンフォトダイオードであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記波長選択手段は、前記固体撮像素子の各画素に設けられ、各画素で検出する光を透過させるフィルタであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記波長選択手段は、前記固体撮像素子の各画素に入射する光の波長を時系列で切り替えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項９】
光源を含む照射手段と、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の撮像装置を備え、前記固体撮像素子を、体腔内に挿入可能な内視鏡外筒内に設けることを特徴とする内視鏡装置。
【請求項１０】
前記光源が照射する光の波長には可視光及び非可視光が含まれ、前記埋め込みチャネル型トランジスタを用いる画素は前記非可視光を検出することを特徴とする請求項９に記載の内視鏡装置。
【請求項１１】
前記光源が照射する光の波長には撮像対象物を励起させる励起光が含まれ、前記埋め込みチャネル型トランジスタを用いる画素は、前記撮像対象物が発する蛍光を検出することを特徴とする請求項９に記載の内視鏡装置。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の内視鏡装置と、前記埋め込みチャネル型トランジスタが出力する信号と、前記表面チャネル型トランジスタが出力する信号とを、画像として出力する信号処理手段とを備えることを特徴とする内視鏡システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常光画像と特殊光画像とを共に得られる撮像装置に関し、特に内視鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像素子は用途が多様化しており、例えば、通常光画像と特殊光画像を共に得て、患者の体腔内を観察するための医療用内視鏡装置に用いられている。この内視鏡装置によって、通常の可視光を照射して患部を観察しながら、特定の波長の光を照射して生体組織の特定の部位からの特徴的な情報を得たり、組織そのものを改質したりすることが可能になる。
【０００３】
例えば、赤外光を照射することで血管組織やリンパ系組織からのみ反射光が得られることが知られている。この反射光を観察することによって、血管組織やリンパ系組織の異常を見つけることができる。
【０００４】
特許文献１では、赤外光観察の画質を向上させる目的で、赤外光を透過させるフィルタを含む、複数種類のフィルタをマトリックス状に配列したカラーフィルタを前面に配置した撮像素子が提案されている。この撮像素子を用いた内視鏡装置システムで、通常光画像と赤外光画像の両方の画質を向上できるとしている。
【０００５】
また、例えば、生体組織に特定の波長の励起光を照射した際、この励起光が照射された生体組織が正常な状態であれば、励起光より波長の長い蛍光（自家蛍光）を発し、正常な状態でなければ、蛍光を発しない、或いは蛍光強度が弱くなることが知られている。
【０００６】
あるいは、特定の生体組織に吸収されやすい薬剤を投与し、励起光を照射して、励起光より波長の長い蛍光（薬剤蛍光）を観察することで、生体組織の形状を観察することが知られている。
【０００７】
これらの蛍光は微弱であるため、内視鏡の細径化を達成するため、画素サイズを小さくして小型化された固体撮像素子では、受光感度が低く、Ｓ／Ｎの高い蛍光画像は得られない。
【０００８】
そこで、特許文献２では、蛍光内視鏡のＣＣＤにおいて、可視光受光部と蛍光受光部
を異なった領域に設け、蛍光受光部に含まれる複数の受光素子の各々を可視光受光部に含まれる複数の受光素子の各々より受光面積を広くすることが開示されている。蛍光受光部の信号強度を高くすることによって、高いＳ／Ｎで蛍光画像を得ることができるとしている。
【０００９】
特許文献３にはＣＭＯＳセンサにおいて、増幅トランジスタのゲート長Ｌ、ゲート幅Ｗを各画素毎に変える等して、画素毎にゲインを調整し、色ごとの感度差を補正することが提案されている。
【００１０】
特許文献４及び５にはＣＭＯＳセンサの増幅トランジスタを、１／ｆノイズを低減することができる埋め込みチャネル型ＭＯＳＦＥＴにすることが提案されている。これにより、特許文献４ではノイズを１／３に低減されるとしている。特許文献５ではゲート／ソース間バイアスが１．５Ｖ以下で１／ｆノイズを表面チャネル型ＭＯＳＦＥＴよりも低減でき、１．０Ｖ以下でノイズレベル（電力信号）を一桁低減することができるとしている。
【特許文献１】特開２００６−００６９２２号公報
【特許文献２】特開２００４−３２９５８３号公報
【特許文献３】特開２００６−１０８４６６号公報
【特許文献４】特開２００５−２８６１６８号公報
【特許文献５】特開２００６−１２０６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１では、光源である蓄光デバイスからの光の強度は大きくないため、撮像素子から出力された画像信号の強度が所定のレベルになるように、信号処理手段で増幅している。しかしながら、信号強度が弱いものを増幅すれば信号に含まれるノイズも増幅してしまうことになり、鮮明な画像は得られない。
【００１２】
特許文献２の方法では、蛍光受光部の信号強度を、例えば２倍にするためには、受光素子の面積を２倍にしなければならない。そのため、固体撮像素子のサイズは大きくなってしまう。
【００１３】
以上の点から本発明は、通常光画像と特殊光画像を共に得られる撮像装置において、固体撮像素子のサイズを大きくすることなく、また、消費電力を増大させることなく、鮮明な特殊光画像が得られる撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、入射する光の強度に応じて電荷を生成する光電変換部と、前記電荷の量に応じた強度の信号を出力する増幅トランジスタとを備え、前記信号によって入射する光の強度を検出する画素を複数有する固体撮像素子と、前記入射する光の波長を選択する波長選択手段とからなり、前記画素の各々で検出する光の波長が予め決定された撮像装置であって、前記光電変換部で生成される電荷の量が多い波長の光を検出する画素の前記増幅トランジスタを表面チャネル型トランジスタとし、前記光電変換部で生成される電荷の量が少ない波長の光を検出する画素の前記増幅トランジスタを埋め込みチャネル型トランジスタとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の撮像装置によれば、光電変換部で生成される電荷が少ない特殊光を検出する画素では埋め込みチャネル型トランジスタを用いることによって１／ｆノイズを低減することで、Ｓ／Ｎを向上できる。光電変換部で生成される電荷が多い通常光を検出する画素では表面チャネル型トランジスタを用いることで消費電力を増大させること無く、Ｓ／Ｎを向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下では、本発明の撮像装置について詳細に説明する。撮像装置は、固体撮像素子と波長選択手段によって構成される。図１は本発明の固体撮像素子の一例を表す。
【００１７】
図１（ａ）に示す固体撮像素子１において、複数の画素が単位画素群２となって、これらの単位画素群が２次元マトリックス状に複数配列されている。ここでは単位画素群は４つの画素１０、１１、１２、１３によって構成されているが、単位画素群中の画素数は２つ以上であればよい。また、単位画素群は１次元状に複数配列されていてもよい。
【００１８】
図１（ｂ）は単位画素群２中の画素１０、１１、１２、１３の構成を表している。画素１０、１１、１２、１３の各構成要素は、後述する増幅トランジスタを除いては同一であってよいし、異なっていてもよい。ここでは簡単のために、増幅トランジスタ以外を同一であるものとして、画素１０を代表して説明し、他の画素の増幅トランジスタ以外の構成要素の説明を省略する。
【００１９】
図１（ｂ）において、１００は入射光の強度に対応した電荷を発生し蓄積する、フォトダイオードからなる光電変換部である。蓄積された前記電荷は、転送ゲート１０１によって所定のタイミングで、フローティングディフュージョンからなる静電容量部１０２に転送される。１０３はリセットゲート、１０４は電圧源である。１０５（及び、１１５、１２５、１３５）は静電容量部１０２で生じた電圧がゲートに入力される増幅トランジスタである。電圧源１０４や不図示の定電流源によって、増幅トランジスタ１０５のゲートに入力された電圧は信号として信号線１０６に出力される。１０７は読出し画素を選択するための画素選択スイッチである。
【００２０】
図１では、単位画素群２中の１つの画素１３の増幅トランジスタ１３５を埋め込みチャネル型トランジスタとし、単位画素群２中の他の画素の増幅トランジスタ１０５、１１５、１２５を表面チャネル型トランジスタとしている。即ち、単位画素群中の画素の数が４個の場合、「増幅トランジスタが埋め込みチャネル型トランジスタである画素（以下、ＢＣ画素と呼ぶ）」の数は１個である。「増幅トランジスタが表面チャネル型トランジスタである画素（以下、ＳＣ画素と呼ぶ）」の数は３個である。図１（ａ）は単位画素群２を複数配列したものであるから、ＳＣ画素とＢＣ画素はそれぞれ単位画素群２の数に比例して、固体撮像素子１に存在することになる。本発明の固体撮像素子において、画素の総数は数千〜数千万になる場合があるが、ＳＣ画素とＢＣ画素を含む複数の画素を有していれば良く、画素の配列に関して何ら限定されるものではない。前述のような単位画素群の形態を取らずに、ある特定の領域にＳＣ画素のみを配列して、別の領域にＢＣ画素のみを配列してもよいし、ＢＣ画素の配列周期とＳＣ画素の配列周期が異なっていてもよい。
【００２１】
本発明では、表面チャネル型トランジスタは、表面チャネル型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＳＣ  ＭＯＳＦＥＴ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いることができる。
【００２２】
次に、埋め込みチャネル型トランジスタの第１の例を説明する。図２はＢＣ画素の一部を示す断面模式図であり、埋め込みチャネル型トランジスタの増幅トランジスタ１３５として、埋め込みチャネル型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＢＣ  ＭＯＳＦＥＴ：Ｂｕｒｉｅｄ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いた例である。
【００２３】
ここでは、ＢＣ  ＭＯＳＦＥＴとして、ｎＭＯＳを用いている。２０１はｐ型ポリシリコンからなるゲート電極、２０２はゲート絶縁膜、２０３はｎ型半導体層、２０４はｎ型ソース、２０５はｐ型ウエル、２０６はｎ型基板、２０７はチャネル、２０８はｎ型ドレインである。２０９はｎ型半導体層からなる電荷蓄積層、２１０はｐ型半導体層からなる不純物層、２１１は転送ゲート、２１２はｎ型ドレインである。不純物層２１０を電荷蓄積層２０９の上に形成することで、光電変換部１００を埋め込み型として、表面で発生する暗電流を低減する効果を有する。光電変換部１００で光電変換され蓄積された電荷を転送ゲート２１１をオンすることで、ｎ型ドレイン２１２に転送する。ｎ型ドレイン２１２に転送された電荷はＢＣ  ＭＯＳＦＥＴ１３５のゲート電極である２０１の電位を変化させ、その電位に応じて埋め込みチャネル２０７が開き、出力信号をｎ型ソース２０４に出力する。
【００２４】
ここで、ゲート電極２０１はｐ型ポリシリコンを用いているため、ｐ型ウエルとの仕事関数差が小さく、そのままの状態であると閾値電圧が大きくなる。そこで、閾値電圧を下げるためにｐ型ウエル２０５にｎ型不純物を打ち込むことでｎ型層２０３を形成している。このため、非常に浅いｐｎ接合がチャネル２０７形成されて、埋め込みチャネル型トランジスタとなる。
【００２５】
増幅トランジスタのＳ／Ｎを決定する要因の一つとして、信号強度に依存しないランダムノイズが挙げられる。一般的に表面チャネル型トランジスタでは、ランダムノイズとして、ゲート絶縁膜とシリコン界面に存在する欠陥や表面準位の影響による電荷の捕獲放出に起因する、１／ｆノイズが生じる。ＢＣ  ＭＯＳＦＥＴでは、チャネル２０７は表面にチャネルが形成されている表面チャネル型トランジスタに比べて、チャネルでの界面準位が低減でき、動作時の１／ｆノイズを低減できる。
【００２６】
埋め込みチャネル型トランジスタの第２の例を説明する。図３はＢＣ画素の一部を示す断面模式図であり、埋め込みチャネル型トランジスタの増幅トランジスタ１３５として、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ：Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いた例である。３０１はＪＦＥＴのゲート、３０２はソース、３０３はドレイン、３０４は埋め込みチャネル、３０５はフォトダイオード１００の一部である電荷蓄積層、３０６はｐ型半導体層からなる不純物層である。ゲート３０１と埋め込みチャネル３０４は異なる導電型を持つ半導体層で形成されているために、その界面でｐｎ接合を形成している。ゲート３０１の電位が変化すれば、前記ｐｎ接合で形成されたチャネルの空乏層領域が変化し、その変化量に対応した電流がドレイン３０３からソース３０２に流れる。
【００２７】
チャネル２０４は半導体層内に埋め込まれているため、表面にチャネルが形成されている表面チャネル型トランジスタに比べて、チャネルでの界面準位が低減でき、ランダムノイズである１／ｆノイズを低減できる。
【００２８】
このように、本発明の埋め込みチャネル型トランジスタはＢＣ  ＭＯＳＦＥＴでもＪＦＥＴでも１／ｆノイズを低減する効果があるので、何れを用いてもよい。表面チャネル型トランジスタとしてＳＣ  ＭＯＳＦＥＴを用いる場合、埋め込みチャネル型トランジスタとしては、ＪＦＥＴよりも、同じＭＯＳＦＥＴであるＳＣ  ＭＯＳＦＥＴを用いた方が作製プロセスの一部を共通化できるので、より好ましい。また、一般的に、ＪＦＥＴは静電容量部であるフローティングディフュージョンの平面寸法が大きく、微細化には不向きである。また、ＢＣＭＯＳＦＥＴは短チャネル効果やパンチスルー耐圧の低下等の問題があるため、チャネル幅の縮小が困難で、微細化に不向きである。すなわち、ＢＣ画素の増幅トランジスタはＳＣ画素の増幅トランジスタよりも大きくなってしまう。逆にいえば、ＳＣ画素の増幅トランジスタより小さくすることができる。
【００２９】
よって、ＢＣ画素とＳＣ画素を同じ画素面積とする場合には、ＳＣ画素の光電変換部の面積をＢＣ画素の光電変換部の面積より大きくすることができる。また、光電変換部の面積をＢＣ画素とＳＣ画素で同じにする場合には、ＳＣ画素の面積をＢＣ画素の面積より小さくすることができる。この場合には、装置を小型化することができる。このように、ＢＣ画素とＳＣ画素の増幅トランジスタの大きさに基づいて、画素サイズや光電変換部のサイズを変えることも好ましいものである。
【００３０】
固体撮像素子１の動作について説明する。ＢＣ画素においても、ＳＣ画素においても、基本的に動作は同じである。また、ＢＣ画素において、埋め込みチャネル型トランジスタが、ＪＦＥＴであっても、ＢＣ  ＭＯＳＦＥＴであっても、基本的に動作は同じである。ここでは画素１０を例にしている。
【００３１】
まず、静電容量部１０２の電荷をリセットするためにリセットゲート１０３をオンにして増幅トランジスタ１０５のゲートを所定の電位にするとともに、画素選択スイッチ１０７をオンにして信号を読み出す画素の選択を行う。
【００３２】
次にリセットゲート１０３をオフにした後、撮像装置を構成する不図示の波長選択手段（後述）によって、画素の光電変換部１００に特定の波長の光を入射させ、入射する光の強度に応じて生成する電荷を蓄積する。各画素に入射する光の波長は画素毎に、又は時系列で、異なっている。
【００３３】
その後、転送ゲート１０１をオンにして静電容量部１０２に電荷を転送し、保持させる。静電容量部１０２に保持された電荷量によって、増幅トランジスタ１０５のゲート電圧が変化し、ゲート電圧に従った信号が増幅トランジスタ１０５から信号線１０６に出力される。
【００３４】
各画素で得られた信号は不図示の信号処理手段に送られる。信号処理手段では、各波長に応じた信号が独立して得られるように振り分けられ、波長毎に異なった画像として不図示の出力手段に出力できるようになっている。この時、各波長に応じた画像はそれぞれ単独に表示する、あるいは重ねて表示するといった選択が可能である。
【００３５】
波長選択手段は特定の波長を透過させるフィルタを各画素の光電変換部の入射側に設けることによって実現できる。この場合は各画素に入射する光の波長が予め画素毎に決定されているため、常に同じ波長の光が光電変換部に入射することになる、いわゆる同時方式である。この場合、波長選択手段のサイズは固体撮像素子と同程度でよいので、撮像装置のサイズの大型化を抑えることができる。
【００３６】
また、波長選択手段を時系列で切替可能にすることもできる。例えば、撮像対象物に光を照射する光源から発せられる光の波長を、光源を切り替える、光源を制御するなどによって時系列で切り替えることができる。広い波長帯域を持つ光源から発せられる光を、複数のフィルタを時系列で切り替える、又は波長可変フィルタを時系列で制御することにより、波長を選択することもできる。
【００３７】
波長選択手段を、撮像対象物と固体撮像素子の光路中に設けることによって、撮像対象物から出射された光を、特定の波長を透過させる複数のフィルタを時系列で切り替えたり、波長可変フィルタを時系列で制御したりすることもできる。
【００３８】
これらの場合、一定の時間内に固体撮像素子に照射される特定の波長の光は各画素毎に同じである。従って、波長選択手段によって選択される特定の波長の光が入射するタイミングと、特定の波長を検出する画素の動作との同期をとることになる、いわゆる面順次方式である。これらの場合は、波長選択手段を、選択できる波長が異なる波長選択手段に交換することにより、様々な波長に対応した撮像装置を得ることができる。
【００３９】
波長選択手段はその用途に応じて、上記のもの、又は、それらの組合せに限らず様々に選択することができる。なお、実際には波長選択手段で選択される波長はある程度の幅（波長帯域）を持つ場合が多い。
【００４０】
本発明は、各画素で検出する光の波長において、ＳＣ画素は光電変換部で生成される電荷が多く、ＢＣ画素は光電変換部で生成される電荷が少ないことを特徴としている。ここでいう多い、少ないとはＳＣ画素とＢＣ画素との比較である。本発明では、入射したときに光電変換部で生成される電荷が少ない波長の光を特殊光とし、入射した時に光電変換部で生成される電荷が、特殊光より多い波長の光を通常光として考える。すなわち、本発明は、特殊光をＢＣ画素で検出し、通常光をＳＣ画素で検出するものである。
【００４１】
前述した波長選択手段によって、各画素で検出する光が入射するタイミングは決定される。画素毎に予め決定された波長において、光電変換部で生成される電荷の多寡によって、ＢＣ画素とするかＳＣ画素とするか判断される。言い換えれば、ＢＣ画素とＳＣ画素を設けた固体撮像素子に対して、どの波長をどのタイミングで波長選択手段が入射させるかを予め決定する。
【００４２】
このように、本発明は、固体撮像素子と波長選択手段とを適宜組み合わせて撮像装置を構成することによって、通常光画像と特殊光画像を共に得ることができるものである。
【００４３】
さて、ＢＣ画素の光電変換部で生成される電荷が、ＳＣ画素の光電変換部で生成される電荷よりも少ない理由は様々である。例えば、各画素で検出する光の波長において、（１）光電変換部に入射する光に対する光電変換部の感度が低い、（２）波長選択手段によって光電変換部に入射する光の強度が低い、（３）撮像対象物から反射又は発せられる光の強度が低い、等が挙げられる。本発明はこれらの理由のみ、またはこれら理由の組合せのみに限定されることはない。
【００４４】
どの波長の光を検出する画素をＢＣ画素／ＳＣ画素とするかは、上記理由に基づいて定性的・定量的に決定されるべきである。例えば、（１）では、光電変換部の分光感度特性に基づいて判断されることが好ましい。（２）では、波長選択手段の分光感度特性によって入射光強度の強弱が判断されることが好ましい。（３）では、固体撮像素子の使用環境に応じて判断されることが好ましい。
【００４５】
次に、本発明の作用と効果を説明する。ＢＣ画素では、増幅トランジスタとして埋め込みチャネル型トランジスタを用いるため、チャネルでの界面準位が低減でき、１／ｆノイズを低減することができる。Ｓ／Ｎのノイズ成分の方を低減することによって、Ｓ／Ｎを向上させ、鮮明な映像を得ることができる。また、従来技術のように、光電変換部の面積を比例的に大きくすることなく、効果的に特殊光画像のＳ／Ｎを向上させることができるので、固体撮像素子の大型化を抑制することができる。
【００４６】
埋め込みチャネル型トランジスタで、Ｓ／Ｎを向上させられる効果は、光電変換部で生成される電荷が少ない画素をＢＣ画素としたため、つまり、Ｓ／Ｎの信号成分の方が小さいために高い効果が得られる。仮にＢＣ画素で得られる電荷が多い場合には、１／ｆノイズを低減することによって、Ｓ／Ｎの向上はある程度、期待できるが、信号成分が大きいため、１／ｆノイズの低減効果は小さくなってしまう。そして、全ての画素をＢＣ画素とすることは、デメリットが生じる。即ち、埋め込みチャネル型トランジスタをオンするためには、表面チャネル型トランジスタに比べて反転層を形成するための閾値電圧が高くなるため、ゲート電圧を上げる必要があり、消費電力が大きくなるため、固体撮像素子全体の消費電力が増大してしまう。
【００４７】
従って、光電変換部で生成される電荷が多い画素はＳＣ画素とすることで、信号成分を大きくし、Ｓ／Ｎを向上させている。信号成分が大きければ、信号強度によらないランダムノイズである１／ｆノイズに起因するＳ／Ｎの悪化は低減できる。そして、ＳＣ画素とすることで消費電力を低減することができる。更に、ＳＣ画素は増幅トランジスタ部をＢＣ画素より小さくすることができるので、より小型化することも可能になる。
【００４８】
以上のように、光電変換部で生成される電荷が少ない画素をＢＣ画素として１／ｆノイズを低減することで、Ｓ／Ｎを向上している。光電変換部で生成される電荷が多い画素をＳＣ画素とすることでノイズ成分の影響を小さくして、消費電力を増大させること無く、Ｓ／Ｎを向上することができる。
【００４９】
入射光によって光電変換部で生成される電荷が少ないような特殊光と、光電変換部で生成される電荷が多い通常光の両方をＳ／Ｎ良く検出し、特殊光も通常光も鮮明な画像を得ることができる。
さらに、ＢＣ画素とＳＣ画素を同じ画素面積として、ＳＣ画素の光電変換部の面積をＢＣ画素の光電変換部より大きくする場合には、よりＳ／Ｎのよい鮮明な通常光画像を得ることができる。ＢＣ  ＭＯＳＦＥＴを用いる場合には、ＢＣ画素の静電容量部であるフローティングディフュージョンの面積を小さくしてもよい。ＢＣ画素では光電変換部で生成される電荷が少ないので、大きい容量の静電容量部、即ち大面積のフローティングディフュージョンは必ずしも必要ではないためである。
【００５０】
（実施の形態１）
本形態は、通常光として可視光を検出し、特殊光として赤外光を検出する場合において、同時方式を採用する構成とした撮像装置である。図４に概念図を示す。太実線で区切られたものが、単位画素群を表す。細実線で区切られたものが単位画素群中の画素を表す。画素の点線で仕切られた上段は当該画素で検出する波長、下段は当該画素の増幅トランジスタの種類を示す。また、上段の面積はそれぞれ、画素同士の相対的な光電変換部の面積を模式的に表している。
【００５１】
固体撮像素子において、単位画素群は２次元マトリックス状に並べられている。単位画素群は、可視光を検出する画素として、赤色光を透過するＲフィルタを設けた画素（Ｒ画素）と、緑色光を透過するＧフィルタとを設けた画素（Ｇ画素）、青色光を透過するＢフィルタを設けた画素（Ｂ画素）の３つの画素を有する。さらに、赤外光を透過するＩＲフィルタを設けた、赤外光を検出する画素（ＩＲ画素）を有する。各フィルタは、各素子の、少なくとも光電変換部の受光面に設けられており、複数の波長の光が固体撮像素子に照射された場合、各光電変換部には各画素で検出する波長の光だけが入射する。
【００５２】
単位画素群の画素数は４個である。光電変換部が埋め込み型シリコンフォトダイオードで形成されているため、光電変換部に入射する赤外光に対する光電変換部の感度が可視光に対する光電変換部の感度より低い。シリコンの吸収係数は可視光より赤外光の方が低く、ＣＭＯＳセンサのフォトダイオード（ウエル）の厚さは薄いので、全ての光を吸収できるわけではく、吸収係数が低い赤外光の方が感度は低くなる。よって、ＩＲ画素の光電変換部で生成される電荷は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各画素よりも少ない。したがって、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素をＳＣ画素とし、ＩＲ画素をＢＣ画素としている。この場合、ＢＣ画素の埋め込みチャネル型トランジスタはＪＦＥＴでもＢＣＭＯＳＦＥＴでもよい。また、本形態では、ＳＣ画素の光電変換部の面積を大きくするものを例としている。図４で、ＳＣ画素の上段がＢＣ画素の上段よりも広くなっているのが、これを表している。
【００５３】
ＢＣ画素の信号強度は小さいが、埋め込みチャネル型トランジスタを用いているため、１／ｆノイズが低減できるので、Ｓ／Ｎの低下を抑制することができる。また、ＢＣ画素以外をＳＣ画素としているので、固体撮像素子の消費電力を低減することができる。
【００５４】
本形態では、赤外光を検出する場合を例にしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、光電変換部に入射する光の強度が弱い紫外光を検出するＵＶ画素に、紫外光を透過するＵＶフィルタを設けて、該ＵＶ画素をＢＣ画素にしてもよい。このように、可視光に対して感度が高い光電変換部を用いても、埋め込みチャネル型トランジスタを用いることによって、非可視光でも鮮明な画像を得られることができる。
【００５５】
単位画素群が、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素のみからなる固体撮像素子においても、可視光のうち、いずれかの波長に対する光電変換部の感度が低い画素、又は光電変換部に入射する光の強度が弱い波長の画素をＢＣ画素とすることも可能である。例えば、シリコンフォトダイオードは青色光に対する感度が低いので、Ｂ画素のみをＢＣ画素にしてもよい。
また、可視光を検出する画素に設けられるフィルタはＲ、Ｇ、Ｂでなくても、補色でもよい。
本発明は、後述する内視鏡装置に好適であるが、これに限定されること無く電子スチルカメラやビデオカメラ、イメージスキャナ等に応用することができる。
【００５６】
（実施の形態２）
図５は、通常光として可視光を検出し、特殊光として赤外光を検出する実施の形態１の固体撮像素子を組み込んだ内視鏡装置４００及び内視鏡システム４１１である。
【００５７】
４０１は内視鏡外筒であり、体腔内に挿入可能な形状になっている。４０２は可視光と赤外光が混合した光を照射する光源であり、内視鏡外筒４０１の外部に設けられている。光源４０２は内視鏡外筒内に設けられてもよい。４０３は集光レンズ、４０４は光ファイバーなどの導光路、４０５は内視鏡外筒の先端部に設けられた第１の開口部である。第１の開口部４０５には適当な範囲の体腔内に照射できるように適宜照射レンズ等を取り付けてもよい。光源４０２、集光レンズ４０３、導光路４０４、第１の開口部４０５が照射手段を構成している。
【００５８】
４０６は内視鏡外筒の先端部に設けられた第２の開口部、４０７は対物レンズである。４０８は固体撮像素子であり、各画素に波長選択手段として図４のようにフィルタが設けられ、本発明の撮像装置を構成している。内視鏡外筒４０１の内部に対物レンズ４０７と固体撮像素子４０８と伝送ケーブル４０９とを有し、対物レンズ４０７と固体撮像素子４０８は内視鏡外筒の先端部に設けられている。
以上が、照射手段と撮像装置とを含む内視鏡装置の構成である。
【００５９】
４１０は制御装置で、伝送ケーブル４０８から送られてきた信号を映像信号として処理する不図示の信号処理手段を含んでいる。４１２は画像を表示する出力手段でモニタやプリンタである。前述の内視鏡装置４００と制御装置４１０とで内視鏡システム４１１を構成する。
【００６０】
ここで用いる撮像装置は第１実施の形態のように、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素をＳＣ画素として、Ｉｒ画素をＢＣ画素としたものである。本形態では、ＳＣ画素のサイズをＢＣ画素よりも小さくして、固体撮像素子のサイズの小型化を図る。前述したように、表面チャネル型トランジスタは埋め込みチャネル型トランジスタよりも微細化が容易であるため、画素サイズを小さくできる。内視鏡の径をできるだけ小さくして、患者への負担を軽減することが重要な内視鏡においては、先端部に設けられる撮像装置はより小さいことが好ましいからである。
【００６１】
内視鏡装置４００の動作について説明する。まず、光源４０２を点灯して可視光と赤外光の混合光を放射する。放射された光を集光レンズ４０３で集光し、導光路４０４に入射させる。入射させた光は導光路４０４で、先端部にある第１の開口４０５まで導かれ、第１の開口部４０５から体腔内に放射される。
【００６２】
放射された可視光と赤外光の混合光は撮像対象物に照射され、その反射光は第２の開口４０６に入射し、対物レンズ４０７を介して固体撮像素子４０８で受光される。各光電変換部にはＲ，Ｇ，Ｂ及びＩＲの各フィルタが設けられているので、混合光は各フィルタで波長毎に分離され、各画素で各波長の光を検出することができる。
【００６３】
固体撮像素子４０８で生成された各画素の信号は、伝送ケーブル４０９によって制御装置４１０内に設置されている信号処理手段に伝送される。信号処理手段では赤、緑、青色に対応する信号、および赤外光の信号が独立に不図示のフレームメモリに保存される。これらの保存された信号は出力手段４１２に送られ、映像として出力される。
生体組織の特定の部位に赤外光を照射して、特定の情報を検出する場合には、生体組織へのダメージを低減するために赤外光の強度は高くできない。そのため、対象物である生体組織から検出される赤外光の強度も低いものなので、可視光に対する入射光の強度は弱くなる。
【００６４】
ここで例えば、赤外光画像において血管組織の異常部位と正常部位で反射率が異なるため、反射率の差によって異常部位を見分けることが可能になる。このとき、必要に応じて、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の信号から構成される可視光画像と、赤外光の信号から構成される赤外光画像を独立に表示させたり、重ね合わせて表示させたりすることが可能になる。特に、これらを重ね合わせて表示させることで、赤外光画像で判別される異常部位の場所を可視光による映像とともに捉えることができるようになる。
【００６５】
撮像装置４０８は赤外光画像を得るためのＩＲ画素がＢＣ画素になっているため、ノイズの影響を受けにくく、信号強度が低くても鮮明な画像が得られる。
【００６６】
赤外光の体内への照射は強度が強くなったり、照射時間が長くなったりすると、正常な組織がダメージを受ける原因になる。本発明の固体撮像素子を用いることでより低いエネルギーの赤外光照射で正確な情報が得られるため、光源４０２から放射される赤外光量を減少させることが可能になり、患者にとってより安全な使用が可能になる。
【００６７】
赤外光をレーザーにして、可視光と赤外レーザー光を同時に照射してもよい。レーザーでは患部を改質することができ、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素で可視光画像を観察しながら、ＢＣ画素としたＩＲ画素で、赤外光が照射される部位を観察しながら赤外レーザーを照射すれば、照射する位置を的確に把握することができる。このとき、ＩＲ画素をＢＣ画素としているので、レーザーの強度を不必要に強くせずとも鮮明な赤外光画像を得ることができる。
【００６８】
（実施の形態３）
次に、通常光として可視光を検出し、特殊光として対象物に照射した励起光によって発生し、励起光の波長よりも短い波長の蛍光を検出する図６に示す、内視鏡装置５００および内視鏡システム５１１について説明する。
【００６９】
図６では実施の形態２の光源と固体撮像装置、波長選択手段、信号処理手段が異なる。実施の形態２と同じ構成のものは同じ番号としている。本形態では光源は複数の波長の光の混合光ではなく、特定の波長の光を独立して放射する複数の光源を有する。具体的には、可視光成分である赤色、緑色、青色の光を照射する各光源（Ｒ光源５０２ａ，Ｇ光源５０２ｂ，Ｂ光源５０２ｃ）と、励起光（例えば、可視光の青色より狭帯域の青色光）を照射する光源（Ｅｘ光源５０２ｄ）を有している。そして、光源切替手段５０２によって時系列で順次点灯可能となっている。従って本形態では光源切替手段５０２が波長選択手段となる。
【００７０】
Ｒ光源５０２ａが点灯している間は、撮像対象物から反射された赤色光は、固体撮像素子５０８の全面に入射する。緑色、青色においても同様である。Ｅｘ光源５０２ｄが点灯している間は、撮像対象物には励起光として狭帯域の青色光が照射され，撮像対象物は蛍光（例えば、可視光の緑色よりも狭帯域の緑色光）を発し、蛍光は固体撮像素子５０８の全面に入射する。また、励起光を照射した際には、蛍光のみならず、励起光も固体撮像素子に入射しうるので、Ｆ画素の光電変換部の受光面には、蛍光を透過するフィルタ、言い換えれば励起光をカットするフィルタを設けることが好ましい。
【００７１】
固体撮像素子５０８は模式図である図７で示すように、可視光を検出する１つの画素（ＲＧＢ画素）がＳＣ画素となっている。励起光によって撮像対象物が生じる蛍光を検出する１つの画素（Ｆ画素）がＢＣ画素となっている。本形態では固体撮像素子の単位画素群中の画素数は２つである。図７では上段が画素で検出する光の種類、下段は当該画素の増幅トランジスタの種類を示す。また、上段の面積は、画素同士の相対的な光電変換部の面積を模式的に表している。ここでは、ＢＣ画素とＳＣ画素では光電変換部のサイズが同じで、画素サイズをＳＣ画素の方を小さくしている。このようにすれば、素子自体を小型化することができる。
【００７２】
制御装置５１０内の不図示の信号処理手段では光源切替手段５０２と同期して、Ｒ光源５０２ａが点灯している間にＲＧＢ画素で生成される信号を赤色の信号として処理する。Ｇ光源５０２ｂが点灯している間にＲＧＢ画素で生成される信号を緑色の信号として処理する。Ｂ光源５０２ｃが点灯している間にＲＧＢ画素で生成される信号を青色の信号として処理する。Ｅｘ光源５３２が点灯している間にＦ画素で生成される信号を蛍光の信号として処理する。Ｒ，Ｇ，Ｂの各光源が点灯している間にはＦ画素にも光が入射しているのでＦ画素の光電変換部でも電荷が生成されるが、これは信号として用いない。同様にＥｘ光源５０２ｄが点灯している間にはＲＧＢ画素にも光が入射しているのでＲＧＢ画素の光電変換部でも電荷が生成されるが、これを信号としては用いない。
【００７３】
固体撮像素子４０８で時系列に生成された各波長に対応する信号は、伝送ケーブル４０９によって制御装置４１０内に設置されている信号処理手段に伝送される。信号処理手段では赤、緑、青色に対応する信号、および蛍光の信号が独立に不図示のフレームメモリに保存される。これらの保存された信号は出力手段４１２に送られ、画像として出力される。このとき、可視光画像と蛍光画像を別々に表示したり、重ね合わせて表示したりすることが可能である。特に、重ね合わせて表示すれば、蛍光を発している部位が可視光画像のどこに対応するのか容易に把握することができるようになる。
【００７４】
蛍光は微弱であるため、Ｆ画素の光電変換部で生成される電荷は少ない。そのため、Ｆ画素で生成される信号強度も弱くなるが、Ｆ画素はＢＣ画素となっているので、１／ｆノイズを低減し、Ｓ／Ｎは悪くならない。一方、ＲＧＢ画素では、入射する可視光の強度が強いので、光電変換部で生成される電荷が多く信号強度も強い。そのため、ＲＧＢ画素の増幅トランジスタを埋め込みチャネル型トランジスタにするよりも、消費電力が小さい表面チャネル型ＭＯＳＦＥＴにすることで、素子の消費電力を低減することができる。さらに、本形態のように、ＳＣ画素をＢＣ画素よりも小さくして、素子の小型化を図ることも望ましい。
【００７５】
波長選択手段として、光源切替手段５０２の代わりに、複数の波長の混合光の光源と撮像対象物の間に介した、複数のカラーフィルタを有するカラーホイールを回転させることによって、各波長の光を時系列で撮像対象物に照射してもよい。また、複数の波長の混合光を照射して、撮像対象物からの混合光を、撮像対象物と固体撮像素子の間に設けられたカラーホイールを回転させることによって、各波長の光を時系列で固体撮像素子に入射させてもよい。この場合は、Ｆ画素の光電変換部の受光面に設けたフィルタは無くてもよい。
【００７６】
また、この実施の形態では、各画素で検出する波長が固体撮像素子のみで規定されないので、光源やカラーホイールを変更することにより、様々な特殊光の観察に適用することができる。励起光は紫外光に限られたものではないし、蛍光も、励起光の波長や撮像対象物の種類によって様々である。さらにＢＣ画素を増やして蛍光観察に加えて赤外線による参照光を観察してもよい。
【００７７】
また、光源に赤外光レーザーを用いてもよく、レーザーで患部を改質することができる。ＢＣ画素としたＩＲ画素で観察しながら赤外光レーザーを照射すれば、照射する位置を的確に把握することができ、不要な赤外照射を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の固体撮像素子の概略図（ａ）及び等価回路図（ｂ）
【図２】ＢＣ  ＭＯＳＦＥＴを説明する断面図。
【図３】ＪＦＥＴを説明する断面図。
【図４】可視光及び赤外光を検出する撮像装置における固体撮像素子の概略図。
【図５】可視光及び赤外光を観察する内視鏡装置および内視鏡システムの概略図。
【図６】可視光及び蛍光を観察する内視鏡装置および内視鏡システムの概略図。
【図７】可視光及び蛍光を検出する撮像装置における固体撮像素子の概略図。
【符号の説明】
【００７９】
１  固体撮像素子
２  単位画素群
１０，１１，１２  ＳＣ画素
１３  ＢＣ画素
１００  光電変換部
１０２  静電容量部
１０５，１１５，１２５  表面チャネル型の増幅トランジスタ
１３５  埋め込みチャネル型の増幅トランジスタ
４００，５００  内視鏡装置
４０１，５０１  内視鏡外筒
５０２  波長選択手段
４０２，５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃ，５０２ｄ  光源
４０８，５０８  固体撮像素子
４１０，５１０  制御装置
４１１，５１１  内視鏡システム
【図１】
2010056915.tif 000003
【図２】
2010056915.tif 000004
【図３】
2010056915.tif 000005
【図４】
2010056915.tif 000006
【図５】
2010056915.tif 000007
【図６】
2010056915.tif 000008
【図７】
2010056915.tif 000009