(57)【要約】  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。
2017069134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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固体撮像素子。
【請求項２】
前記可視光撮影用の色フィルターは、青色より長波長の光を通さないことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記可視光撮影用の色フィルターは、緑色より長波長の光を透過しないことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記可視光撮影用の色フィルターは、特定の波長の光のみを透過することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記近赤外光撮影用の色フィルターは、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を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】日本国公開特許公報「特開２００５−１９１７４８号（２００５年７月１４日公開）」
【特許文献２】日本国公開特許公報「特開平４−３５７９２６号（１９９２年１２月１０日公開）」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の構成を説明するための図である。
【図２】上記固体撮像素子を含む撮像システムの概要構成を示す平面図である。
【図３】上記固体撮像素子を含む撮像システムの概要構成を示す模式図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、上記固体撮像素子を含む撮像システム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】上記固体撮像素子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る。
【図６】固体撮像素子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固体撮像素子の構成例である。
【図７】固体撮像素子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。
【図８】固体撮像素子の電子シャッター動作について説明する図である。
【図９】上記固体撮像素子に関し、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。
【図１０】本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の各フィルターの配置方法の変形例を示す図である。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】本発明の実施形態１に係る固体撮像素子において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。
【図１４】上記固体撮像素子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１５】上記固体撮像素子のフィルターの他の形成例を説明するための断面図である。
【図１６】（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、（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１７】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。
【図１８】上記固体撮像素子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】上記固体撮像素子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】上記固体撮像素子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２１】本発明の実施形態４に係るＣＭＯＳ型固体撮像素子の構成を説明するための図である。
【図２２】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。
【図２３】従来の固体撮像素子の他の構成例を説明するための図である。
【図２４】従来の撮像システムの構成例の動作を示す模式図である。
【図２５】従来の撮像システムの他の構成例の動作を示す模式図である。
【図２６】従来の撮像システムのさらに他の構成例の動作を示す模式図である。
【図２７】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、撮像システムで可視光データを出力するための動作を示す比較図である。
【図２８】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、撮像システムで近赤外光データを出力するための動作を示す比較図である。
【図２９】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、撮像システムで可視光データを出力するための動作を示す比較図である。
【図３０】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、撮像システムで近赤外光データを出力するための動作を示す比較図である。
【図３１】本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の構成と出願人が提案した固体撮像素子との比較例である。
【図３２】上記固体撮像素子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る。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
〔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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
（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。
【００２５】
（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。
【００２６】
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。
【００２７】
（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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
（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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
（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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
（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。
【００５６】
（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。
【００５７】
（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。
【００５８】
（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。
【００５９】
（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。
【００６０】
〔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。
【００６１】
〔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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
〔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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
〔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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
〔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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
〔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。
【００７８】
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。
【００７９】
〔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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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）。
【００８３】
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。
【００８４】
〔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。
【００８５】
（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。
【００８６】
（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。
【００８７】
（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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
〔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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【符号の説明】
【０１２１】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【国際調査報告】
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