(57)【要約】【課題】機構的な操作を無くし、高解像度でかつノイズを増加させることなく信号量を増加させることが可能であり、高照度下の撮像状態から低照度での撮像状態や暗視状態まで連続的に画像を撮像することができる固体撮像装置とこれを用いたカメラを提供すること。【解決手段】行方向および列方向に配置された複数の画素から構成される画素ユニットが、行方向および列方向にそれぞれ複数設けられた受光領域と、行方向に配置された前記画素に共通する垂直走査線と、列方向に配置された前記画素に共通する信号出力線とを備え、前記画素ユニットは、カラー画素とＮＩＲフィルタが形成されたＮＩＲ画素とを含み、前記カラー画素からの出力信号と、前記ＮＩＲ画素からの出力信号とが、一連の水平走査によって前記信号出力線から読み出される。【選択図】図４
2009010627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行方向および列方向に配置された複数の画素から構成される画素ユニットが、行方向および列方向にそれぞれ複数設けられた受光領域と、
行方向に配置された前記画素に共通する垂直走査線と、列方向に配置された前記画素に共通する信号出力線とを備え、
前記画素ユニットは、可視領域に主たる透過波長領域を有するカラーフィルタが形成されたカラー画素と、近赤外領域に主たる透過波長領域を有するＮＩＲフィルタが形成されたＮＩＲ画素とを含み、
前記カラー画素からの出力信号と、前記ＮＩＲ画素からの出力信号とが、一連の水平走査によって前記信号出力線から読み出されることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記画素ユニットが、赤色領域に主たる透過波長領域を有するＲフィルタが形成されたＲ画素と、緑色領域に主たる透過波長領域を有するＧフィルタが形成されたＧ画素と、青色領域に主たる透過波長領域を有するＢフィルタが形成されたＢ画素と、前記ＮＩＲ画素とが２行２列に配置されて構成されている、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素ユニットに含まれる、前記カラー画素からの出力信号と前記ＮＩＲ画素からの出力信号とを加算する加算回路を備えた、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画素ユニットに含まれる、全ての前記カラー画素からの出力信号それぞれと、前記ＮＩＲ画素からの出力信号とが前記加算回路で加算される、請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記画素ユニットに含まれる、全ての前記カラー画素からの出力信号と、前記ＮＩＲ画素からの出力信号とが前記加算回路で加算される、請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記画素ユニットに含まれる前記カラー画素からの出力信号を加算判定信号として、前記加算回路での前記加算を行うか否かの判定を行う加算判定回路をさらに備えた、請求項３〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記画素ユニットに含まれる前記カラー画素からの出力信号のうち、光電変換特性の傾きが最も大きな出力信号を前記加算判定信号として用いる、請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記加算判定信号とした前記カラー画素からの出力信号の光電変換特性において、飽和レベルの出力値をＳａ、前記飽和レベルに達する露光量よりも小さい露光量ｘの時の出力値をＳｏ（ｘ）とし、
前記ＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性において、前記露光量ｘの時の出力値をＳｏＮＩＲ（ｘ）としたとき、
前記加算判定回路が、
ＳｏＮＩＲ（ｘ）＋Ｓｏ（ｘ）≦Ｓａであれば、前記加算を行い、
ＳｏＮＩＲ（ｘ）＋Ｓｏ（ｘ）＞Ｓａであれば、前記加算を行なわない、
請求項６または７に記載の固体撮像装置
【請求項９】
前記ＮＩＲ画素からの出力信号のレベルに応じて、前記カラー画素からの出力信号の増幅率を変化させるゲイン調整回路を備えた、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記ＮＩＲ画素からの出力信号のレベルに応じて、前記加算回路で加算された出力信号の増幅率を変化させるゲイン調整回路を備えた、請求項３〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記ＮＩＲ画素内に、半導体基板内部の信号電荷を吸収する電子シャッタ部を備えた、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記電子シャッタ部を備えた前記ＮＩＲ画素と同じ前記画素ユニットに含まれる前記カラー画素からの出力信号をシャッタ動作判定信号として、前記電子シャッタ部を動作させるか否かを判定する、請求項１１に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記電子シャッタ部を備えた前記ＮＩＲ画素と同じ前記画素ユニットに含まれる前記カラー画素からの出力信号のうち、光電変換特性の傾きが最も大きな出力信号を前記シャッタ動作判定信号として用いる、請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の固体撮像装置を受光部に備えたことを特徴とするカメラ。
【請求項１５】
車載用途に使用される、請求項１４に記載のカメラ。
【請求項１６】
監視用途に使用される、請求項１４に記載のカメラ。
【請求項１７】
撮像環境を把握する環境確認手段を具備する、請求項１４に記載のカメラ。
【請求項１８】
前記環境確認手段が照度計である、請求項１７に記載のカメラ。
【請求項１９】
前記環境確認手段が色温度計である、請求項１７に記載のカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外光（ＮＩＲ）に感度を有する画素を有る固体撮像装置、および、この固体撮像装置を受光部に用いたカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の固体撮像装置、および、この固体撮像装置を受光部として用いたカメラの利用方法として、車載用途や監視用途を中心に、近赤外光（ｎｅａｒ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ、以下本明細書では「ＮＩＲ」という。）を利用した暗視、もしくは低照度撮像が盛んとなってきている。しかしながら、従来の固体撮像装置、もしくはこれを用いたカメラは、意図的にＮＩＲを受光してこれを活用しようとするのではなく、通常の可視光を撮像する中で得られる微弱なＮＩＲを用いるというものであった。
【０００３】
図２０は従来の固体撮像装置における受光領域２０１の画素配置の一例を示している。図２０に示すように、従来の固体撮像装置の受光領域２０１は、赤色領域に透過波長のピークを有するＲフィルタが形成されたＲ画素２０２と、緑色領域に透過波長のピークを有するＧフィルタが形成されたＧ画素２０３と、青色領域に透過波長のピークを有するＢフィルタが形成されたＢ画素２０４とがモザイク状に形成されている。なお、図２０に示す例では、一つの行がＲ画素２０２とＧ画素２０３とで形成され、この行と交互に配置されるもう一つの行がＧ画素２０３とＢ画素２０４とで形成されている。
【０００４】
図２１は、図２０で示したような受光領域２０１を有する固体撮像装置を用いた、従来のカメラの概略構成を示すブロック図である。一般的に、シリコン基板上に形成されるＣＣＤやＣＭＯＳ型の固体撮像装置では、２００〜１１００ｎｍの光の波長を光電変換して出力する波長特性を有している。このため、日中の屋外でのような照度が高い状態で被写体を撮像すると、可視領域の光のみならずＮＩＲも多く含まれているため、固体撮像装置から出力される画像信号は、実際に人間が見た印象と異なる画像となってしまう。
【０００５】
このような不自然な画像が出力されることを防ぐために、従来のカメラでは、図２１に示すように、固体撮像装置２０８とレンズユニット２０６との間に、赤外線カットフィルタ２０７が設けられていて、被写体２０５からの入力光からＮＩＲを含む赤外光を除去していた。
【０００６】
図２２は、このような従来の固体撮像装置２０８のそれぞれの画素に形成される、可視領域に主たる透過波長領域を有するカラーフィルタの透過波長特性を示している。図２２において、Ｂフィルタの透過波長特性が２０９、Ｇフィルタの透過波長特性が２１０，Ｒフィルタの透過波長特性が２１１である。そして、図２２のハッチング部分が、上記した赤外線カットフィルタ２０７でカットされるカット領域２１２である。赤外線カットフィルタ２０７では、約６５０ｎｍよりも長い波長を有する近赤外領域がカットされている。
【０００７】
図２２に示すような透過波長特性を有する各色カラーフィルタが形成された従来の固体撮像装置において、ＮＩＲを利用した暗視撮像は、赤外線カットフィルタ２０７を除去して約６５０ｎｍよりも長波長のＮＩＲ光を固体撮像装置で受光することで行われる。ＮＩＲをより多く受光できるように、赤外光ライトを使用して被写体にＮＩＲを照射することなども行われるが、赤外線カットフィルタ２０７を除去したとは言っても、受光できるＮＩＲは、Ｒフィルタ２０２が透過させるわずかのＮＩＲでしかないので、暗視カメラや人間の眼の虹彩を撮像して個体認識をするといった、ＮＩＲを利用する用途に必ずしも十分なものであるとは言えなかった。
【０００８】
ここで、図２０に示した画素配置パターンを有する受光領域２０１を備えた従来の固体撮像装置における、撮像信号の出力方法について簡単に説明する。
【０００９】
図２３は従来の固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。可視領域に主たる透過波長領域を有するＲ、Ｇ、Ｂ３色のカラーフィルタを有するＲ、Ｇ、Ｂ各色の画素が、モザイク状に配置されて受光領域２０１を形成している。受光領域２０１では、行方向に配置された画素に共通する垂直走査線２１８と、列方向に配置された画素に共通する信号出力線２１９が形成されている。そして、垂直走査回路２１３によって垂直走査線２１８に接続された画素の行が一行ずつ選択され、選択された一行分の画素からの出力信号は、信号出力線２１９を介してノイズ除去回路２１４に入力されてノイズ成分を除去される。ノイズ除去回路２１４でノイズ除去された出力信号は、水平走査線２２０を介して印加される水平走査回路２１５からの選択信号に基づいて、列ごとの信号として水平信号線２１６に読み出される。水平信号線２１６に読み出された信号は出力アンプ２１７によって増幅されて出力信号２２１となって出力される。このような動作を一行分ずつ全ての行について繰り返して、一画面分の信号を出力する。
【００１０】
図２３において点線で囲んだ領域Ｃの部分を拡大したものが、図２４である。図２４に示すように、従来の固体撮像装置は、Ｒ画素２０２、Ｇ画素２０３、Ｂ画素２０４が行方向および列方向に配置された受光領域２０１を備え、また、行方向に配置された画素に共通して、信号電荷を読み出すための信号を与えるＴＲ線と、信号電荷をリセットするＲＳ線とを備えている。これらＴＲ線とＲＳ線とが垂直走査線２１８を構成する。さらに、列方向に配置された画素に共通して、信号出力線２１９を備えている。
【００１１】
各色の画素が、信号出力線２１９を介して接続されるノイズ除去回路２１４は、それぞれの信号出力線２１９に対応して、第１の容量Ｃ１１、ノイズ除去回路２１４の電位を固定するための電源ＶＤＤ、電源ＶＤＤとの変化量を保持するための第２の容量Ｃ１２が設けられている。また、受光領域２０１に形成された各色の画素とノイズ除去回路２１４との接続と切り離しをスイッチ制御するＳＨ線、ノイズ除去回路２１４の電位を一時的に固定するためのクランプを駆動するＣＬ線とを有している。なお、図２４において、ＡＤＤＲＥＳＳ１〜４は、水平走査回路から水平走査線２２０を介して入力される水平走査信号を示す。
【００１２】
次に、この従来の固体撮像素子の動作について、動作タイミングチャートである図２５を用いて説明する。なお、固体撮像装置の受光領域やノイズ除去回路の構成については、適宜図２４を参照するものとする。
【００１３】
図２５の上部に、撮像動作タイミング全体をイメージ図で示している。固体撮像装置における各色画素の選択動作と、ノイズ除去回路２１４におけるノイズ除去動作は、イメージ図の左側端部に示した、実際に撮像を行わない水平ブランキング期間２１７において実施される。その後の実際に画像を撮像する有効期間２１８において、各色画素での受光量に応じた出力信号が出力される。
【００１４】
水平ブランキング期間では、まず、ＲＳ線にＲＳタイミングが入力される。これによって各色画素がリセットされ、信号電荷のない状態となる。これと同時にＳＨ線にＳＨタイミングが入力されて受光領域２０１の各色画素とノイズ除去回路２１４とが接続され、また、ＣＬ線にＣＬタイミングが入力されてノイズ除去回路２１４の電位が固定される。従って、第１の容量Ｃ１１には、各色画素の信号のない状態の電位が保持される。
【００１５】
その後、ＲＳタイミングを立ち下げ、同時にＣＬタイミングを立ち下げる。その後、ＴＲタイミングを入力することによって、各色画素の信号を読み出し、信号出力線２１９を介してノイズ除去回路２１４に伝達させる。このとき、第１の容量Ｃ１１には各色画素の信号のない状態の電位が保持されているため、第２の容量Ｃ１２には、各色画素の信号から信号のない状態の電位の差分のデータが充電され保持される。
【００１６】
このような動作によって、各色画素に固有のトランジスタの閾値のばらつきや受光素子自体が有している暗電流成分のばらつきなどのオフセット成分が除去されることになり、結果としてノイズを低減・除去する効果が得られる。
【００１７】
この状態で、ＳＨタイミングを立ち下げることによって、受光領域２０１とノイズ除去回路２１４とを切り離す。ここまでがブランキング期間の動作である。
【００１８】
その後、有効期間において、水平走査回路２１５を動作させ、ＡＤＤＲＥＳＳ１タイミングから順次ＡＤＤＲＥＳＳを選択していくことによって、各列の画素における出力信号を一行分の出力信号として順次出力することができる。なお、ここで例示した従来の固体撮像装置では、その受光領域における画素配置として、各行に対応する画素がＲ画素とＧ画素の組み合わせと、Ｇ画素とＢ画素の組み合わせとが交互に繰り返されるような配置となっているため、出力信号は、各行ごとにＲ画素とＧ画素との信号、または、Ｇ画素とＢ画素との信号が交互に出力される。
【００１９】
上記したような、従来の固体撮像装置を用いたカメラでは、ＮＩＲを積極的に用いる用途での撮像を行うたびに、赤外線カットフィルタを物理的にカメラの光学系から外す処理が必要となり、このための機構が必要となることでカメラの小型化を阻害する要因やコストアップの要因となっていた。また、赤外線カットフィルタを除去する機構を設けることが、機構系の故障による障害発生の確率を高くするなどの問題が生じていた。
【００２０】
このような課題に対して、ＣＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置として、可視領域に主たる透過波長領域を有するＲ、Ｇ、Ｂ３色のカラーフィルタを有するＲ、Ｇ、Ｂ各色の画素の他に、カラーフィルタを設けないＷ画素を形成してＮＩＲを受光し、このＷ画素の出力信号をＲ、Ｇ、Ｂ各色の画素からの出力信号と分離して取得できるようにすることで、３次元計測やＬＥＤ光の点滅検出といった種々の検出を行う技術が提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００５−２９５３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の固体撮像装置では、ＮＩＲにも感度を有するＷ画素での出力信号を、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色画素からの出力信号とは別の経路で出力する構造となっている。このため、Ｗ画素から得られる近赤外領域の出力信号と、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色画素から得られる可視領域の出力信号との処理を、固体撮像装置から取り出された後の外部回路で行わなくてはならない。この結果、信号処理時に外来ノイズなどの影響を受け易くなり、特に出力信号が微弱な低照度時の暗視カメラとして用いるような場合には、撮像された画像の品位低下が著しくなってしまう。
【００２２】
また、特許文献１に記載の発明では、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色の画素とＷ画素とを並べて形成するような構成であるので、Ｒ、Ｇ、Ｂ画素に比べてＷ画素の数が１／３程度となる。カラー画像を構成する場合は、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色の画素を使用するが、ＮＩＲ画像を構成する場合は、ＮＩＲ画素のみを使用するからである。このため、ＮＩＲ利用時に得られる画像の解像度が低下してしまう。更には、日中などの通常撮像時と低照度時や暗時での撮像状態を連続的に動作させ、同じモニタに映し出すことが非常に困難となる。
【００２３】
そこで本発明は、通常画像の撮像時とＮＩＲ利用時とにおいて、赤外線カットフィルタを取り除くという機構的な操作を無くし、高解像度でかつノイズを増加させることなく信号量を増加させることが可能であり、また、通常画像撮像時の高照度下の撮像状態から低照度での撮像状態や暗視状態にいたるまで連続的に画像を撮像することができる固体撮像装置、およびこれを用いたカメラ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】
【００２４】
上記課題を解決するために、本発明の固体撮像装置は、行方向および列方向に配置された複数の画素から構成される画素ユニットが、行方向および列方向にそれぞれ複数設けられた受光領域と、行方向に配置された前記画素に共通する垂直走査線と、列方向に配置された前記画素に共通する信号出力線とを備え、前記画素ユニットは、可視領域に主たる透過波長領域を有するカラーフィルタが形成されたカラー画素と、近赤外領域に主たる透過波長領域を有するＮＩＲフィルタが形成されたＮＩＲ画素とを含み、前記カラー画素からの出力信号と、前記ＮＩＲ画素からの出力信号とが、一連の水平走査によって前記信号出力線から読み出されることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明のカメラは、請求項１〜１３のいずれかに記載の固体撮像装置を受光部に備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、通常画像の撮像時とＮＩＲ利用時とにおいて、赤外線カットフィルタを取り除くという機構的な操作を無くし、高解像度でかつノイズを増加させることなく信号量を増加させることが可能であり、また、通常画像撮像時の高照度下の撮像状態から低照度での撮像状態や暗視状態にいたるまで連続的に画像を撮像することができる固体撮像装置、およびこれを用いたカメラを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の固体撮像装置は、行方向および列方向に配置された複数の画素から構成される画素ユニットが、行方向および列方向にそれぞれ複数設けられた受光領域と、行方向に配置された前記画素に共通する垂直走査線と、列方向に配置された前記画素に共通する信号出力線とを備え、前記画素ユニットは、可視領域に主たる透過波長領域を有するカラーフィルタが形成されたカラー画素と、近赤外領域に主たる透過波長領域を有するＮＩＲフィルタが形成されたＮＩＲ画素とを含み、前記カラー画素からの出力信号と、前記ＮＩＲ画素からの出力信号とが、一連の水平走査によって前記信号出力線から読み出される構成となっている。
【００２８】
このようにすることで、ＮＩＲ画素で受光した出力信号と可視領域における各色画素の出力信号とを同等に扱うことができ、外来ノイズの影響のない固体撮像装置内で信号処理を行うことができる。
【００２９】
また、上記した本発明の固体撮像装置においては、前記画素ユニットが、赤色領域に主たる透過波長領域を有するＲフィルタが形成されたＲ画素と、緑色領域に主たる透過波長領域を有するＧフィルタが形成されたＧ画素と、青色領域に主たる透過波長領域を有するＢフィルタが形成されたＢ画素と、前記ＮＩＲ画素とが２行２列に配置されて構成されていることが好ましい。
【００３０】
このようにすることで、通常の画像撮影に利用されるＲ、Ｇ、Ｂ各色の出力信号とＮＩＲ領域の出力信号とを得ることができる。
【００３１】
また、前記画素ユニットに含まれる、前記カラー画素からの出力信号と前記ＮＩＲ画素からの出力信号とを加算する加算回路を備えたことが好ましい。
【００３２】
このようにすることで、各色画素での受光量が少なくても、ノイズフロアレベルを上回ったレベルの出力信号を得ることができる。
【００３３】
この場合、前記画素ユニットに含まれる、全ての前記カラー画素からの出力信号それぞれと、前記ＮＩＲ画素からの出力信号とが前記加算回路で加算されることが好ましい。
【００３４】
このようにすることで、各色画素からの出力信号レベルをそれぞれ大きくすることができる。
【００３５】
また、前記画素ユニットに含まれる、全ての前記カラー画素からの出力信号と、前記ＮＩＲ画素からの出力信号とが前記加算回路で加算されることが好ましい。
【００３６】
このようにすることで、低照度時や暗視状態においても、大きなレベルの出力信号が得られ、Ｓ／Ｎ比の高い画像信号を得ることができる。
【００３７】
さらに、前記画素ユニットに含まれる前記カラー画素からの出力信号を加算判定信号として、前記加算回路での前記加算を行うか否かの判定を行う加算判定回路をさらに備えたことが好ましい。
【００３８】
このようにすることで、日中の撮像など高照度下の撮像では、ＮＩＲ画素からの出力信号を用いることなく、高い画質での撮像画像を得ることができる。
【００３９】
また、前記画素ユニットに含まれる前記カラー画素からの出力信号のうち、光電変換特性の傾きが最も大きな出力信号を前記加算判定信号として用いることがより好ましい。
【００４０】
このようにすることで、撮像画像の色温度が異なる撮像環境に関わらず、各色画素の出力信号を飽和レベル以下で得ることができる。
【００４１】
また、前記加算判定信号とした前記カラー画素からの出力信号の光電変換特性において、飽和レベルの出力値をＳａ、前記飽和レベルに達する露光量よりも小さい露光量ｘの時の出力値をＳｏ（ｘ）とし、前記ＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性において、前記露光量ｘの時の出力値をＳｏＮＩＲ（ｘ）としたとき、前記加算判定回路が、
ＳｏＮＩＲ（ｘ）＋Ｓｏ（ｘ）≦Ｓａであれば、前記加算を行い、
ＳｏＮＩＲ（ｘ）＋Ｓｏ（ｘ）＞Ｓａであれば、前記加算を行なわないことが好ましい。
【００４２】
このようにすることで、各色画素の出力信号を飽和レベル以下で得るための判断を容易に実現できる。
【００４３】
さらに、前記ＮＩＲ画素からの出力信号レベルに応じて、前記カラー画素からの出力信号の増幅率を変化させるゲイン調整回路を備えることが、また、前記ＮＩＲ画素からの出力信号レベルに応じて、前記加算回路で加算された出力信号の増幅率を変化させるゲイン調整回路を備えることがより好ましい。
【００４４】
このようにすることで、被写体ごとのＮＩＲ画像の特徴に応じて、可視領域の各色画素の信号を強調することができ、特に暗視状態においてより実体に近い画像を得ることが可能となる。
【００４５】
また、前記ＮＩＲ画素内に半導体基板内部の信号電荷を吸収する電子シャッタ部を備えたことが、そして、前記電子シャッタ部を備えた前記ＮＩＲ画素と同じ前記画素ユニットに含まれる前記カラー画素からの出力信号をシャッタ動作判定信号として、前記電子シャッタ部を動作させるか否かを判定することが、さらに、前記電子シャッタ部を備えた前記ＮＩＲ画素と同じ前記画素ユニットに含まれる前記カラー画素からの出力信号のうち、光電変換特性の傾きが最も大きな出力信号を前記シャッタ動作判定信号として用いることが好ましい。
【００４６】
このようにすることで、飽和しやすいＮＩＲ画素で生じた信号電荷が、隣接する他の画素に流れ込むことで生じる出力信号の画質低下を効果的に抑制することができる。
【００４７】
また、本発明にかかるカメラは、請求項１〜１３のいずれかに記載の固体撮像装置を受光部に備える構成としている。
【００４８】
このようにすることで、上記した本発明にかかる固体撮像装置の特徴を活かして、特に低照度時や暗視状態においても、高品位な画像を撮像するカメラを得ることができる。
【００４９】
そして、本発明にかかるカメラは、車載用途や監視用途に使用されることが好ましい。      
【００５０】
また、撮像環境を把握する環境確認手段を具備することが好ましく、前記環境確認手段が照度計であること、前記環境確認手段が色温度計であることが好ましい。
【００５１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００５２】
（第１の実施形態）
本発明の固体撮像装置の特徴は、受光領域を構成する一つの単位となる画素ユニットにおいて、通常の固体撮像装置に用いられている、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のような、可視領域に主たる透過波長領域を有するカラーフィルタが形成されたカラー画素とともに、近赤外領域に主たる透過波長域を有するＮＩＲフィルタが形成されたＮＩＲ画素とを有していて、ＮＩＲ画素からの出力信号を、カラー画素からの出力信号と同等に読み取って出力する点にある。
【００５３】
そこで、まず、本実施形態では、本発明にかかる固体撮像装置の基本構成の説明を行うとともに、本発明にかかる固体撮像装置を用いて、太陽光や、蛍光灯および白熱電球といった通常の照明環境下で主として可視領域の画像を撮像する場合について説明する。
【００５４】
図１は本実施形態にかかる固体撮像装置における、受光領域の各色画素の配置を示している。図１に示すように、本実施形態にかかる固体撮像装置の受光領域１は、行方向および列方向に配置された複数の画素から構成される画素ユニット２をその構成の１単位としている。そして、この一単位である画素ユニット２が、さらに行方向および列方向に複数設けられることで受光領域１が構成される。
【００５５】
この画素ユニット２には、可視領域に主たる透過波長領域を有するカラーフィルタが形成されたカラー画素と、近赤外領域に主たる透過波長領域を有するＮＩＲフィルタが形成されたＮＩＲ画素とを含んでいる。
【００５６】
ここで、可視領域とは人間が見ることができる光の波長領域であり、約４００ｎｍ〜約６５０ｎｍ程度の領域を指す。また、近赤外領域とは、可視領域よりも長波長側の約６５０ｎｍ〜約１０００ｎｍ程度の領域を指す。また、主たる透過波長領域を有するとは、それぞれのフィルタの分光特性を考えたときに、当該波長領域の光について強い分光出力を有していることをいうこととする。なお、通常のカラーフィルタは、例えば４００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の青色領域の光を主だって透過するフィルタを青色（Ｂ）フィルタと呼ぶなど、主たる透過波長領域の色で呼ばれている。
【００５７】
本実施形態に示す固体撮像装置の画素ユニット２は、図１において拡大した図を示すように、それぞれ異なる色のフィルタが形成された四つの画素が、２行２列に配置されて形成されている。具体的には、画素ユニット２の左上に赤色領域に主たる透過波長領域を有するＲ（赤色）フィルタを有するＲ画素３、左下に緑色領域に主たる透過波長領域を有するＧ（緑色）フィルタを有するＧ画素４、右下に青色領域に主たる透過波長領域を有するＢ（青色）フィルタを有するＢ画素５、そして、右上に近赤外領域に主たる透過波長領域を有するＮＩＲフィルタが形成されたＮＩＲ画素６が配置されている。
【００５８】
次に、図２に、それぞれの画素に形成されている、カラーフィルタであるＲフィルタ、Ｇフィルタ、Ｂフィルタと、ＮＩＲフィルタの透過波長特性を示す。図２中、７がＢフィルタの透過波長特性、８がＧフィルタの透過波長特性、９がＲフィルタの透過波長特性である。なお、これら、図２に示した本実施形態にかかる固体撮像装置に形成されている、Ｂフィルタ、Ｇフィルタ、Ｒフィルタの透過波長特性７，８，９は、図２２で示した従来の固体撮像装置におけるＢフィルタの透過波長特性２０９、Ｇフィルタの透過波長特性２１０、Ｒフィルタの透過波長特性２１１とそれぞれ同じである。しかしながら、本発明にかかる固体撮像装置に形成されるＢフィルタ、Ｇフィルタ、Ｒフィルタは、それぞれ図２に示す透過波長特性を有するものに限定されるわけではなく、図２はあくまでこれらのカラーフィルタの透過波長特性の一例を示したものに過ぎない。
【００５９】
本発明にかかる固体撮像装置の特徴であるＮＩＲフィルタの透過波長特性を、図２では１０として表す。このＮＩＲフィルタの透過波長特性は、近赤外領域である６５０ｎｍよりも長い波長領域で分光出力があるようになっている。なお、本実施形態で例示したＮＩＲフィルタの透過波長特性１０は、長波長側でフラットな分光出力を有するようになっているが、これに限られるものではなく、例えば図２に示したＧフィルタの透過波長特性８のように、ほぼ正規分布を描くような形状の特性を有していても良い。ＮＩＲフィルタとしては、波長６５０ｎｍ以上の近赤外領域において、他のＢフィルタ、Ｇフィルタ、Ｒフィルタがそれぞれ対応する色の波長領域で有している程度の強さの分光出力を有していれば、その透過波長特性の分布形状に制約はない。
【００６０】
図３は、本実施形態にかかる固体撮像装置における、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素、ＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性を示す図である。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）の点線で示したＡ部を拡大して表示したものである。
【００６１】
図３（ａ）（ｂ）において、１５がＧ画素からの出力信号の光電変換特性を、１６がＲ画素からの出力信号の光電変換特性を、１７がＢ画素からの出力信号の光電変換特性を、また、１４がＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性をそれぞれ示す。そして、１１はＧ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算した出力信号の光電変換特性を、１２はＲ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算した出力信号の光電変換特性を、１３はＢ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算した出力信号の光電変換特性を、それぞれ示している。
【００６２】
また、図３（ａ）（ｂ）において、光電変換特性を示すグラフの横軸は、それぞれの画素での露光量を示し、この露光量とは電荷蓄積時間と画素に入射される光の照度とを掛け合わせた値である。したがって、画素での電荷蓄積時間が一定なら照度が大きくなるほど露光量は大きくなり、また、照度が一定ならば、電荷蓄積時間が長くなるほど露光量が大きくなる。露光量が大きくなるということは、すなわち、光電変換されて発生する電荷の数が多くなるということを示している。
【００６３】
ここで、図３（ａ）におけるＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素、ＮＩＲ画素それぞれ単独の場合の出力信号の光電変換特性１４〜１７が示すように、各画素からの出力信号は、いずれも露光量を大きくしていけばこれにほぼ比例して大きくなっていくが、所定の出力値を超えるとその傾きが極端に小さくなっている。この傾きが小さくなっている出力のレベルを、飽和レベル１８と呼ぶこととする。
【００６４】
なお、この飽和レベル１８の大きさは、固体撮像装置の受光領域が形成される半導体基板における光電変換特性に事実上左右されるものであるから、同じ半導体基板上に形成された画素であれば、それぞれの画素に形成されたフィルタの透過波長特性に関係なくほぼ一定の値を示す。また、固体撮像装置において、それぞれの画素で受光された光の強さを電気信号の大きさに変換して出力する際には、受光した光の強さと出力される電気信号の大きさとの間に一定の相関関係があることが必要となる。したがって、この飽和レベル１８よりも出力レベルが低い領域において、光電変換を行う必要がある。
【００６５】
一方、露光量が小さく信号の出力が低い部分においては、それぞれの固体撮像装置に固有の回路系のノイズフロア１９が存在する。このノイズフロア１９は、回路系で発生するサーマルノイズ、ｋＴＣノイズ、１／ｆノイズなどに支配されるものであり基本的に不可避のものである。そして、このノイズフロア１９よりも出力レベルの低い信号は、固体撮像装置から出力された段階でノイズに埋もれた状態となってしまうため、実効的に正しい画像情報と認識することができない。
【００６６】
以上述べたように、固体撮像装置において受光量を正しく電気信号に変換するためには、その信号出力レベルが、飽和レベル１８より低くノイズフロア１９より高いレベルであることが必要となる。なお、通常用いられる一般的な固体撮像装置とその周辺の信号処理回路では、この飽和レベル１８とノイズフロア１９との間のレベル差は、約６０〜８０ｄＢ程度である。
【００６７】
ここで、図３（ａ）（ｂ）に示すように、本実施形態にかかる固体撮像装置における、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれのカラー画素からの出力信号に、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算した出力信号の光電変換特性は、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算したものではない、それぞれのカラー画素からの出力信号そのままの光電変換特性よりも、その傾きが大きくなっている。このことは、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算することで、同じ露光量であっても固体撮像装置からの出力信号のレベルが大きくなっていること、言い換えると、低照度での撮像においてもノイズフロア１９よりも高いレベルで、固体撮像装置からの信号出力が得られることを示している。例えば、図３（ｂ）において、Ｂ画素からの出力信号の光電変換特性を比較してみると、Ｂ画素そのままの出力信号の光電変換特性１７とノイズフロア１９との交点ｐと比べて、Ｂ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号を加算した出力信号の光電変換特性１３とノイズフロア１９との交点ｐ’は、図３（ｂ）中に矢印２０で示した分だけ左側、すなわち、より露光量が少ない方向に移動しており、ノイズフロア１９を上回る出力レベルを得るための最低限必要な露光量が低下していることが分かる。
【００６８】
また、後述するように、本発明におけるＮＩＲ画素からの出力信号とカラー画素からの出力信号との加算は、ノイズを含まない信号電荷レベルで実施することができるため、ＮＩＲ画素からの出力信号とカラー画素からの出力信号とをそれぞれ別々に取り出した後に加算する場合と比較して、純粋に出力信号成分のみを増加させることになる。このため、出力信号のレベルと回路系に起因するノイズフロア１９のレベル差を拡大することができる点で優れた方法である。このように、カラー画素からの出力信号と、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算することによって、従来の固体撮像装置では１００ｅｌ／ｌｘ・ｓ程度であった最低被写体露光量を、３０ｅｌ／ｌｘ・ｓ程度とほぼ１／３以下にまで下げることができる。
【００６９】
次に、本実施形態にかかる固体撮像装置の具体的な構成について説明する。図４は、本実施形態にかかる固体撮像装置１００の全体構成を示すブロック図である。
【００７０】
図４に示すように、本実施形態にかかる固体撮像装置１００は、図１にも示したとおり、それぞれＲ、Ｇ、Ｂ、ＮＩＲの各色のフィルタが形成されたＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素、ＮＩＲ画素を２行２列に配置した画素ユニットが、行方向および列方向に複数設けられた受光領域１を有している。受光領域１のそれぞれの画素には、図示しない固体撮像素子がそれぞれ形成されていて、各色フィルタを透過した光を撮像して電気信号に変換、出力する。なお、この光電変換を行う固体撮像素子の具体的構成は、周知のものと同じであるため説明を省略する。
【００７１】
これら受光領域１に形成された各色の画素には、行方向に配置された画素に共通する垂直走査線５６が画素の各行に対応して設けられ、また、列方向に配置された画素に共通する信号出力線５７がように画素の各列に対応して設けられている。そして、垂直走査線５６から印加される垂直走査回路５１からの信号に基づいて、一行分の画素が一括して選択され、選択された一行分の画素からの出力信号は、信号出力線５７を介して加算回路としての機能を有する加算・ノイズ除去回路５２に入力される。この加算・ノイズ除去回路５２では、それぞれの画素からの出力信号を適宜加算したり、それぞれの画素からの出力信号からノイズ成分を除去したりする。なお、出力信号をどのようにして加算するのかについては、図５以下を用いて後に詳述する。
【００７２】
加算・ノイズ除去回路５２にて適宜加算され、ノイズが除去された出力信号は、水平走査線５８から印加される水平走査回路５３からの信号に基づいて、列ごとに順次水平信号線５４に読み出される。水平信号線５４に読み出された一行分の出力信号は、出力アンプ５５によって増幅されて信号処理回路５９に入力される。このような各行ごとの信号出力動作が、垂直走査回路５１によって垂直走査されることで全ての行に対して順次行われることで、一画面分の全ての画素からの出力信号が順次信号処理回路５９に入力される。信号処理回路５９に入力された全ての画素からの出力信号が合成されることで、一画面分の撮像信号が得られる。
【００７３】
次に、本実施形態にかかる固体撮像装置１００における受光領域１と加算・ノイズ除去回路５２の具体的な構成を説明する。図５は、図４において点線で囲んだ領域Ｂの部分を拡大したものであり、受光領域１における２行４列分の画素と、この画素の４つの列に対応する加算・ノイズ除去回路５２の内部の回路構成を示す要部拡大図である。
【００７４】
図５にも示すように、本実施形態にかかる固体撮像装置１００では、その受光領域１において、Ｒ画素３とＮＩＲ画素６とが行方向に順次配置されて一つの行を形成し、また、Ｇ画素４とＢ画素５とが行方向に順次配置されてもう一つの行を形成している。そして、この行方向に配置された画素に共通して、信号電荷を読み出すＴＲ線と、信号電荷をリセットするＲＳ線とが設けられている。これらのＴＲ線とＲＳ線とは、いずれも垂直走査回路５１と接続されて垂直走査線５６を構成する。また、列方向に配置された画素に共通して信号出力線５７が設けられていて、信号出力線５７は加算・ノイズ除去回路５２に接続されている。
【００７５】
加算・ノイズ除去回路５２は、受光領域１と加算・ノイズ除去回路との接続と切り離しをスイッチ制御するＳＨ線、それぞれの信号出力線５７に設けられた第１の容量Ｃ１、加算・ノイズ除去回路５２の電位を一時的に固定するためのクランプを駆動するＣＬ線、加算・ノイズ除去回路５２の電位を固定するための電源ＶＤＤを有している。
【００７６】
また、この電源ＶＤＤとそれぞれの画素からの出力信号との差分量を保持するための容量を選択するスイッチを駆動する、ＣＬＣ＿Ｒ線、ＣＬＣ＿Ｂ線、ＣＬＣ＿Ｇ線、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１線、ＣＬＣ＿ＲＧ線、ＣＬＣ＿ＮＩＲ２線が形成されている。
【００７７】
さらに、ＣＬＣ＿Ｒ線で選択され、ＶＤＤとＲ画素３からの出力信号との差分量を保持するための第２の容量Ｃ２，ＣＬＣ＿Ｂ線で選択され、ＶＤＤとＢ画素５からの出力信号との差分量を保持するための第３の容量Ｃ３，ＣＬＣ＿Ｇ線で選択され、ＶＤＤとＧ画素４からの出力信号との差分量を保持するための第４の容量Ｃ４，ＣＬＣ＿ＮＩＲ１線で選択され、ＶＤＤとＮＩＲ画素６からの出力信号との差分量を保持するための第５の容量Ｃ５，ＣＬＣ＿ＲＧ線で選択され、Ｒ画素３からの出力信号とＧ画素４からの出力信号それぞれとＮＩＲ画素６からの出力信号とを加算するための第６の容量Ｃ６，ＣＬＣ＿ＮＩＲ２線で選択され、ＶＤＤとＮＩＲ画素６からの出力信号との差分量を保持するための第７の容量Ｃ７とを有している。
【００７８】
さらに、第２の容量Ｃ２と第３の容量Ｃ３とを加算するためのＭＩＸ＿ＲＢ線、第４の容量Ｃ４と第５の容量Ｃ５とを加算するためのＭＩＸ＿ＧＮＩＲ１線、第６の容量Ｃ６と第７の容量Ｃ７とを加算するためのＭＩＸ＿ＲＧＮＩＲ線を有している。
【００７９】
また、ＡＤＤＲＥＳＳ１〜４は、水平走査回路から水平走査線５８を介して入力される水平走査信号を示す。
【００８０】
次に、本実施の形態にかかる固体撮像素子１００の動作について、動作タイミングチャートである図６〜図９を用いて説明する。
【００８１】
最初に図６を用いて、Ｒ画素３からの出力信号と、Ｇ画素４からの出力信号と、Ｂ画素５からの出力信号と、ＮＩＲ画素６からの出力信号とを、それぞれ独立して読み出す場合の動作について説明する。図６は、それぞれの画素からの出力信号を独立して読み出す場合の動作を示す動作タイミングチャートである。
【００８２】
まず、水平ブランキング期間では、ＲＳ線にＲＳ信号が入力される。これによってＲＳ線に接続されている画素がリセットされ、信号のない状態となる。これと同時にＳＨ線と、ＣＬ線に信号が入力されて、受光領域１と加算・ノイズ除去回路５２とを接続し、加算・ノイズ除去回路５２の電位を固定する。この結果、第１の容量Ｃ１は、それぞれの画素で信号のない状態の電位に保持される。なお、以下のＲ画素３からの出力信号、Ｇ画素４からの出力信号、Ｂ画素５からの出力信号、ＮＩＲ画素６からの出力信号をそれぞれ独立して読み出す場合の説明においては、加算・ノイズ除去回路５２に加算回路としての機能を発揮させるような動作は行われない。
【００８３】
まず、図６に示した第１の行、すなわちＲ画素３と、ＮＩＲ画素６とが形成されている行の動作を説明する。この第１の行では、ＲＳ信号、ＳＨ信号、ＣＬ信号の入力タイミングと同時に、ＣＬＣ＿Ｒ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号が入力されることで、それぞれの信号入力によって、第２の容量Ｃ２と第５の容量Ｃ５に電位を保持できる状態にする。第１の行の動作時には、ＣＬＣ＿Ｂ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号、ＣＬＣ＿ＲＧ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ２信号は全て信号が入力されていないＬｏｗの状態としておき、第３の容量Ｃ３、第４の容量Ｃ４、第６の容量Ｃ６、第７の容量Ｃ７は切り離された状態としておく。
【００８４】
その後、ＲＳ信号が立ち下げられて、同時にＣＬ信号も立ち下げられる。その後に、ＴＲ信号が入力されることによって、Ｒ画素３とＮＩＲ画素６からの出力信号が読み出されて、加算・ノイズ除去回路５２に伝達される。このとき、第１の容量Ｃ１には各画素での信号のない状態の電位が保持されているため、第２の容量Ｃ２、第５の容量Ｃ５には、それぞれＲ画素３とＮＩＲ画素６の出力信号から信号のない状態の電位の差分のデータ（電位）が充電・保持される。
【００８５】
上記の動作によって、それぞれの画素に固有のオフセット成分、すなわち、トランジスタの閾値のばらつき、受光セルが持っている暗電流成分のばらつきなどが除去されることになり、結果として出力信号におけるノイズを低減する効果が得られる。これが、加算・ノイズ除去回路５２でノイズ除去を行う原理である。
【００８６】
この状態で、ＳＨ信号が立ち下げられることによって受光領域１と加算・ノイズ除去回路５２とが切り離される。ここまでの操作が、水平ブランキング期間に行なわれる。
【００８７】
その後、有効期間において、水平走査回路５３が動作することによってＡＤＤＲＥＳＳ信号がＡＤＤＲＥＳＳ信号１から順次選択されて入力されることによって、図６に「信号出力」として示したように各列からの出力信号が信号出力線を介して順次出力されていく。なお、ＣＬＣ＿Ｒ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号は、有効期間内に前記水平走査回路５３ですべての列に属する画素からの出力信号を順次選択し終わってから立ち下げられる。この動作によって、第１の行に属するＲ画素３からの出力信号と、ＮＩＲ画素６からの出力信号とが、水平信号線に出力されることになる。
【００８８】
次に、第２の行であるＧ画素４およびＢ画素５が接続された行の読み出し動作を説明する。この第２の行に接続された画素の読み出しでは、ＣＬＣ＿Ｇ信号とＣＬＣ＿Ｂ信号とが立ち上げられ、第３の容量Ｃ３と第４の容量Ｃ４が電位を保持できる状態にされる。このときは、ＣＬＣ＿Ｒ信号とＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号とは信号が印加されていないＬｏｗの状態とされて、第２の容量Ｃ２と第５の容量Ｃ５とが切り離される。その他の動作は、上記した第１の行を読み出す動作と同様である。
【００８９】
このようにして、第２の行の信号を読み出す動作では、Ｇ画素４からの出力信号、Ｂ画素５からの出力信号が出力される。そして、上記第１の行の画素の信号を読み出す動作と、第２の行の画素の信号を読み出す動作を交互に繰り返すことで、Ｒ画素３、Ｇ画素４，Ｂ画素５，ＮＩＲ画素６それぞれの画素からの出力信号を独立に読み出すことができる。
【００９０】
本発明においては、上記したように近赤外領域に主たる波長透過領域を有するＮＩＲフィルタが形成されたＮＩＲ画素からの出力信号と、可視領域に主たる波長透過領域を有するカラーフィルタである、赤色領域に主たる波長透過領域を有するＲフィルタ、緑色領域に主たる波長透過領域を有するＧフィルタ、青色領域に主たる波長透過領域を有するＢフィルタがそれぞれ形成されたＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素からの出力信号とが、水平走査回路からの水平走査信号に基づく一連の水平走査によって、それぞれの画素が接続されている信号出力線から読み出される。このようにすることで、ＮＩＲ画素からの出力信号をＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素からの出力信号と同等に取り扱うことができるので、上記したようにＮＩＲ領域の画像信号として単独で取り扱うこともできるし、また、後述するようにＮＩＲ画素からの出力信号を、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素といったカラー画素からの出力信号と適宜加算して出力することもできるのである。
【００９１】
それでは次に、ＮＩＲ画素からの出力信号をカラー画素からの出力信号に加算する場合として、本実施形態にかかる図１に示した受光領域１の画素配置パターンを有する固体撮像装置において、Ｒ画素３からの出力信号、Ｇ画素４からの出力信号、Ｂ画素５からの出力信号それぞれに対して、ＮＩＲ画素６からの出力信号を加算して出力する際の動作を、図７と図８とを用いて説明する。
【００９２】
まず、図７は、Ｒ画素３とＮＩＲ画素６とが属する第１の行における信号出力の動作を示す動作タイミングチャートである。
【００９３】
図７に示すように、水平ブランキング期間において、ＲＳ線にＲＳ信号が入力される。これによってＲ画素３とＮＩＲ画素６とがリセットされて、信号のない状態となる。このＲＳ信号の入力と同時に、ＳＨ信号とＣＬ信号が入力され、受光領域１と、加算回路としての機能を有する加算・ノイズ除去回路５２とが接続されて、加算・ノイズ除去回路５２の電位が固定される。このとき、第１の容量Ｃ１は、各画素で信号のない状態の電位に保持される。
【００９４】
さらに、ＲＳ信号の入力と同時に、ＣＬＣ＿Ｒ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ２信号が立ち上げられて、それぞれ第２の容量Ｃ２、第５の容量Ｃ５、第７の容量Ｃ７に電位を保持できる状態にされる。このとき、ＣＬＣ＿Ｂ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号、ＣＬＣ＿ＲＧ信号は信号が入力されていないＬｏｗの状態とされて、第３の容量Ｃ３、第４の容量Ｃ４、第６の容量Ｃ６は切り離された状態となる。
【００９５】
その後、ＲＳ信号が立ち下げられ、同時にＣＬ信号が立ち下げられる。次に、ＴＲ信号が立ち上げられることによって、Ｒ画素３とＮＩＲ画素６からの出力信号が読み出されて、加算・ノイズ除去回路５２に伝達される。このとき、第１の容量Ｃ１には、信号のない状態の電位が保持されているため、第２の容量Ｃ２、第５の容量Ｃ５、第７の容量Ｃ７には、それぞれの画素の出力信号から信号のない状態の電位の差分データ、すなわちそれぞれの画素に固有のオフセット成分が除去された状態での電荷が充電・保持されることとなり、ノイズ低減効果が得られる。
【００９６】
次に、ＳＨ信号が立ち下げられ、受光領域１と加算・ノイズ除去回路５２とが切り離される同時に、ＣＬＣ＿Ｒ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ２信号が立ち下げられる。
【００９７】
この状態で、第２の容量Ｃ２にはＲ画素からの出力信号が、第５の容量Ｃ５には、ＮＩＲ画素からの出力信号がそれぞれ保持されていて、第７の容量Ｃ７にも、ＮＩＲ画素からの出力信号が保持されている。このように、第５の容量Ｃ５と、第７の容量Ｃ７でともにＮＩＲ画素からの出力信号を保持することで、ＮＩＲ画素６が含まれていない、Ｇ画素４とＢ画素５とが形成する行から出力信号を読み出す際に、ＮＩＲ画素６の出力信号を加算することができるようになる。
【００９８】
次に、ＭＩＸ＿ＧＮＩＲ１信号が立ち上げられる。これにより、切り離された状態にあった第４の容量Ｃ４に、第５の容量Ｃ５に保持されていたＮＩＲ画素６からの出力信号が伝達される。
【００９９】
そして、ＭＩＸ＿ＧＮＩＲ１信号が立ち下げられる。このとき、第２の容量Ｃ２にはＲ画素からの出力信号が、第４の容量Ｃ４、第５の容量Ｃ５、第７の容量Ｃ７には、いずれもＮＩＲ画素からの出力信号が保持されている。
【０１００】
次にＣＬＣ＿Ｒ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号が立ち上げられる。これによって、第２の容量Ｃ２と第４の容量Ｃ４、および、第５の容量Ｃ５が信号出力線に接続された状態となる。
【０１０１】
その後、有効期間の動作に移行する。有効期間では、水平走査回路５３が動作して、ＡＤＤＲＥＳＳタイミングがＡＤＤＲＥＳＳ１から順次選択されることによって、図７に「信号出力」として示したように、画素の各列に対応する信号出力線から、Ｒ＋ＮＩＲの出力信号と、ＮＩＲの出力信号とが交互に得られる。なお、ＣＬＣ＿Ｒ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号は有効期間内に前記水平走査回路５３ですべての列に属する画素からの出力信号を選択して出力し終わってから一旦立ち下げられる。
【０１０２】
このようにして、Ｒ画素と、ＮＩＲ画素が属する第１の行を読み出す動作では、Ｒ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算した出力信号と、ＮＩＲ画素からの出力信号とが交互に出力される。
【０１０３】
次に、図８は、Ｇ画素４とＢ画素５とが属する第２の行における信号出力の動作を示す動作タイミングチャートである。
【０１０４】
図８に示すように、水平ブランキング期間では、ＲＳ線にＲＳ信号が入力される。これによって、それぞれの画素がリセットされて信号のない状態となる。同時にＳＨ信号とＣＬ信号とが入力されて、受光領域１と加算・ノイズ除去回路５２とが接続され、加算・ノイズ除去回路５２の電位が固定される。このとき、第１の容量Ｃ１の電位は、信号のない状態で保持される。
【０１０５】
そして、ＲＳ信号の立ち上げと同時にＣＬＣ＿Ｂ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号とが立ち上げられ、それぞれ第３の容量Ｃ３、第４の容量Ｃ４に電位を保持できる状態にする。この時、ＣＬＣ＿Ｒ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号、ＣＬＣ＿ＲＧ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ２信号はいずれも信号が入力されていないＬｏｗの状態とされ、第２の容量Ｃ２、第５の容量Ｃ５、第６の容量Ｃ６、第７の容量Ｃ７は切り離された状態となる。
【０１０６】
その後、ＲＳ信号が立ち下げられ、同時にＣＬ信号も立ち下げられる。その後、ＴＲ信号が立ち上げられることによって、それぞれの画素の信号が読み出されて、加算・ノイズ除去回路５２に伝達される。このとき、第１の容量Ｃ１には画素に信号のない状態の電位が保持されているため、第３の容量Ｃ３、第４の容量Ｃ４には、それぞれの画素からの出力信号と信号のない状態の電位の差分に相当するノイズが除去された状態での出力信号が充電・保持される。
【０１０７】
次に、ＳＨ信号が立ち下げられ、受光領域１と加算・ノイズ除去回路５２とが切り離されると同時に、ＣＬＣ＿Ｂ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号が立ち下げられる。この状態で、第３の容量Ｃ３にＢ画素からの出力信号が、第４の容量Ｃ４にＧ画素からの出力信号が、さらに第７の容量Ｃ７にはＮＩＲ画素からの出力信号がそれぞれ保持されている。なお、第７の容量Ｃ７に保持されているＮＩＲ画素からの出力信号は、先に説明した第１の行を動作させた際に保持した信号である。
【０１０８】
次に、ＭＩＸ＿ＲＧＮＩＲ２信号が立ち上げられる。これにより、現在切り離された状態にある第６の容量Ｃ６に、第７の容量Ｃ７に保持されていたＮＩＲ画素からの出力信号が伝達される。
【０１０９】
次に、ＭＩＸ＿ＲＧＮＩＲ２信号が立ち下げられる。この状態で、第３の容量Ｃ３にＢ画素からの出力信号が、第４の容量Ｃ４にＧ画素からの出力信号が、第６の容量Ｃ６にＮＩＲ画素からの出力信号が、第７の容量Ｃ７にもＮＩＲ画素からの出力信号がそれぞれ保持されている。
【０１１０】
次にＣＬＣ＿Ｂ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号、ＣＬＣ＿ＲＧ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ２信号が立ち上げられる。これによって、第３の容量Ｃ３、第４の容量Ｃ４、第６の容量Ｃ６、第７の容量Ｃ７が信号出力線に接続された状態となる。
【０１１１】
その後、有効期間の動作に移行する。有効期間では、水平走査回路５３が動作して、ＡＤＤＲＥＳＳをＡＤＤＲＥＳＳ１から順次選択走査されていくことで、Ｇ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算した出力信号と、Ｂ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算した出力信号とが、図８に「信号出力」として表すように交互に出力される。なお、ＣＬＣ＿Ｂ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号、ＣＬＣ＿ＲＧ信号、ＣＬＣＮＩＲ１信号は有効期間内に水平走査回路５３ですべての列に属する画素からの出力信号を順次読み出し終わってから一旦立ち下げられる。
【０１１２】
このようにして、Ｒ画素と、ＮＩＲ画素が属する第１の行を読み出す動作では、Ｒ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算した出力信号（Ｒ＋ＮＩＲ）と、ＮＩＲ画素からの出力信号（ＮＩＲ）とを、また、Ｇ画素と、Ｂ画素が属する第２の行を読み出す動作では、Ｇ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算した出力信号（Ｇ＋ＮＩＲ）と、Ｂ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算した出力信号（Ｂ＋ＮＩＲ）とを読み込むことができ、これらの動作を各行について交互に繰り返されることによって、カラー画素であるＲ画素セル３、Ｇ画素４，Ｂ画素５からの出力信号それぞれとＮＩＲ画素からの出力信号とが加算・ノイズ除去回路５２で加算されることとなる。
【０１１３】
次に、本実施形態にかかる固体撮像装置において、画素ユニット２に含まれる全てのカラー画素からの出力信号、すなわち、Ｒ画素３からの出力信号、Ｇ画素４からの出力信号、Ｂ画素５からの出力信号と，ＮＩＲ画素６からの出力信号とを全て加算して出力する場合の動作について、図９を用いて説明する。図９は、画素ユニットに含まれる全てのカラー画素からの出力信号と、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算する場合の動作を示す、動作タイミングチャートである。
【０１１４】
図９に示すように、まず水平ブランキング期間で、Ｒ画素とＮＩＲ画素とが接続されている第１の行について、出力信号の読み出し動作が行われる。第１の行に接続されたＲＳ線にＲＳ信号が入力され、これによってＲ画素とＮＩＲ画素との電荷がリセットされて、信号のない状態となる。同時にＳＨ信号、ＣＬ信号が入力されて、受光領域１と加算・ノイズ除去回路５２とが接続され、加算・ノイズ除去回路５２の電位が固定される。このとき、第１の容量Ｃ１には、それぞれの受光セルにおける信号のない状態の電位が保持される。
【０１１５】
ＲＳ信号が入力されると同時に、ＣＬＣ＿Ｒ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号が立ち上げられて、それぞれ第２の容量Ｃ２、第５の容量Ｃ５が電位を保持できる状態にされる。このとき、ＣＬＣ＿Ｂ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号、ＣＬＣ＿ＲＧ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ２信号はいずれも信号が入力されていないＬｏｗの状態とされているので、第３の容量Ｃ３、第４の容量Ｃ４、第６の容量Ｃ６、第７の容量Ｃ７は切り離された状態となっている。
【０１１６】
その後、ＲＳ信号が立ち下げられ、同時にＣＬ信号が立ち下げられる。その後、ＴＲ信号が立ち上げられることによって、Ｒ画素とＮＩＲ画素からの出力信号が読み出され、加算・ノイズ除去回路５２に伝達される。このとき、第１の容量Ｃ１には、各画素での信号のない状態の電位が保持されているため、第２の容量Ｃ２、第５の容量Ｃ５には、それぞれの画素での信号から信号のない状態の電位の差であるノイズが除去された状態でのデータが充電・保持される。
【０１１７】
次に、ＳＨ信号が立ち下げられ、受光領域１と加算・ノイズ除去回路５２とが切り離されると同時に、ＣＬＣ＿Ｒ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ２信号が立ち下げられる。この状態で、第２の容量Ｃ２にＲ画素の信号が、第５の容量Ｃ５にＮＩＲ画素の信号が保持されている。
【０１１８】
次に、垂直走査回路動作パルスが入力されて、垂直走査回路が動作されることで、一行次の行へ選択行が移動される。以下、次の行であるＧ画素とＢ画素とが形成された第２の行からの出力信号を読み出す動作が行われる。
【０１１９】
第２の行が選択されている状態で、ＲＳ線に再度ＲＳ信号が入力される。これによってそれぞれの画素がリセットされ、信号のない状態となる。同時に再度ＳＨ信号、ＣＬ信号が入力され、受光領域１と加算・ノイズ除去回路５２とを接続して、加算・ノイズ除去回路５２の電位が固定される。このとき、第１の容量Ｃ１には、それぞれの画素における信号のない状態の電位が保持されている。
【０１２０】
同時にＣＬＣ＿Ｂ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号が立ち上げられて、それぞれ第３の容量Ｃ３、および、第４の容量Ｃ４が電位を保持できる状態にされる。このとき、ＣＬＣ＿Ｒ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号、ＣＬＣ＿ＲＧ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ２信号はいずれも信号入力がされていないＬｏｗ状態とされて、それぞれ第２の容量Ｃ２、第５の容量Ｃ５、第６の容量Ｃ６、第７の容量Ｃ７は切り離された状態となる。
【０１２１】
その後、ＲＳ信号が立ち下げられ、同時にＣＬ信号が立ち下げられる。その後、ＴＲ信号が立ち上げられることによって、各画素の信号が読み出されて、加算・ノイズ除去回路５２に伝達される。このとき、第１の容量Ｃ１には、画素での信号のない状態の電位が保持されているため第３の容量Ｃ３、および、第４の容量Ｃ４には、それぞれの画素の信号から信号のない状態の電位の差分データが充電・保持されている。
【０１２２】
次に、ＳＨ信号を立ち下げ、受光領域１と加算・ノイズ除去回路５２とを切り離すと同時に、ＣＬＣ＿Ｂ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号を立ち下げる。この状態で、第３の容量Ｃ３にはＢ画素からの出力信号が、第４の容量Ｃ４にはＧ画素からの出力信号が保持される。
【０１２３】
次に、ＭＩＸ＿ＲＢ信号、および、ＭＩＸ＿ＧＮＩＲ１信号が立ち上げられる。これにより、まず、第２の容量Ｃ２に保持されていたＲ画素からの出力信号と、第３の容量Ｃ３に保持されていたＢ画素からの出力信号とが加算される。また、第４の容量Ｃ４に保持されていたＧ画素からの出力信号と、第５の容量Ｃ５に保持されていたＮＩＲ画素からの出力信号とが加算される。
【０１２４】
次に、ＭＩＸ＿ＲＢ信号、ＭＩＸ＿ＧＮＩＲ１信号が立ち下げられる。この状態で、第２の容量Ｃ２と第３の容量Ｃ３には、ともに、Ｒ画素からの出力信号とＢ画素からの出力信号とが加算された出力信号が保持されている。また、第４の容量Ｃ４と第５の容量Ｃ５には、ともに、Ｇ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とが加算された出力信号が保持された状態になっている。
【０１２５】
次に、ＣＬＣ＿Ｒ信号、ＣＬＣ＿Ｂ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号が立ち上げられる。これによって、第２の容量Ｃ２、第３の容量Ｃ３、第４の容量Ｃ４、第５の容量Ｃ５が信号出力線に接続された状態となる。
【０１２６】
その後、有効期間の動作に移行する。有効期間では、水平走査回路５３が動作することで、ＡＤＤＲＥＳＳをＡＤＤＲＥＳＳＳ１から順次選択していくことによって、それぞれの信号出力線から出力信号が順次読み出される。具体的には、ＡＤＤＲＥＳＳ１信号が入力されたときには、ＡＤＤＲＥＳＳ信号１が入力された列に対応する信号出力線における第２の容量Ｃ２と第４の容量Ｃ４とを接続して読み出すことになり、Ｒ画素からの出力信号とＢ画素からの出力信号とが加算された出力信号に、さらに、Ｇ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とが加算された出力信号が読み出されることになる。
【０１２７】
同様に、ＡＤＤＲＥＳＳ２信号が入力された場合には、ＡＤＤＲＥＳＳ信号２が入力された列に対応する信号出力線から第３の容量Ｃ３と、第５の容量Ｃ５とを接続して読み出すことになり、同じように、Ｒ画素からの出力信号とＢ画素からの出力信号とが加算された出力信号に、さらに、Ｇ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とが加算された出力信号とが加算して読み出されることになる。なお、ＣＲＣ＿Ｒ信号、ＣＬＣ＿Ｂ信号、ＣＬＣ＿Ｇ信号、ＣＬＣ＿ＮＩＲ１信号は、有効期間内に水平走査回路５３ですべての列の信号を選択・出力し終わったときに、一旦立ち下げられる。
【０１２８】
このようにして、各信号出力線から、その信号出力線が接続されている画素が含まれる画素ユニット内に含まれる全てのカラー画素とＮＩＲ画素からの出力信号が加算されて出力されることになる。なお、本実施形態にかかる固体撮像装置では、画素ユニットが２行２列の配置となっているため、一つの画素ユニットに対して２本の信号出力線が接続されることとなる。このため、出力される出力信号は、隣り合う２本ずつの信号出力線から得られる出力信号が、同じ画素ユニットに属する４つの画素からの出力信号を全て加算した同じ出力信号となっている。
【０１２９】
なお、本実施形態において説明した、図５における加算・ノイズ除去回路５２の構成はあくまで一例にすぎず、本発明の固体撮像装置の回路構成がこれに限られるものではない。また、本実施形態として、Ｒ画素３からの出力信号、Ｇ画素４からの出力信号、Ｂ画素５からの出力信号、ＮＩＲ画素６からの出力信号をそれぞれ単独で読み出す場合、さらに、Ｒ画素３からの出力信号、Ｇ画素４からの出力信号、Ｂ画素５からの出力信号それぞれに、ＮＩＲ画素６からの出力信号を加算して読み出す場合、さらに、Ｒ画素３からの出力信号、Ｇ画素４からの出力信号、Ｂ画素５からの出力信号、ＮＩＲ画素６からの出力信号を全て加算して読み出す場合の、３つの信号処理についての回路動作を説明したが、本発明はこの３つの回路動作に限られるものではなく、出力する信号の加算の組み合わせにおいて他の種々の回路動作を行うことができる。
【０１３０】
また、本実施形態においては、それぞれの画素からの出力信号を加算するために、それぞれの画素に形成された受光素子が検出した信号電荷を、加算・ノイズ除去回路５２内に配置された容量Ｃ１〜Ｃ７を用いてそれぞれ保持するという例を挙げて説明したが、加算回路において読み出された出力信号を一旦保持するための回路素子として、本発明はこのような容量を用いる方法に限られず、その他のメモリ、ＣＣＤ型の遅延素子などの、いろいろな出力信号保持手段を用いることが考えられる。
【０１３１】
以上のとおり、本発明の特徴である、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色の画素からの出力信号と、ＮＩＲ画素からの出力信号を一連の水平走査によって同様に読み込み、さらに読み込んだ出力信号を適宜加算するという概念を逸脱しない限り、具体的な回路構成や信号処理手段について特に制限を設けるものではない。
【０１３２】
また、本実施形態においては、電圧変化型のいわゆるアナログ出力についての例を示したが、２値化出力であるいわゆるデジタル出力の場合にも良好に適用できることは言うまでもない。
【０１３３】
そして、以上説明してきた本実施形態にかかる固体撮像装置においては、特に、カラー画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号の加算が、加算・ノイズ除去回路の内部において信号電荷のレベルで実施されるために、ノイズレベルを増加させることなく、信号の振幅のみを増加させることができる。また、ノイズを増加させることがないので、回路系のノイズフロアに影響を与えないという特徴を有する。この結果、最低被写体露光量を従来の固体撮像装置と比較して、約１／３程度にまで下げることができ、光量が少ない状況下でも、良好な撮像画像を得ることができる。
【０１３４】
なお、本実施形態において、ＮＩＲ画素と、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のカラー画素における光電変換特性として図３を示し、それぞれの光電変換特性の傾きが、ＮＩＲ画素の光電変換特性１４、Ｇ画素の光電変換特性１５、Ｒ画素の光電変換特性１６、Ｂ画素の光電変換特性１７の順に小さくなるものとして説明した。しかしながら、本発明の固体撮像装置における各画素における光電変換特性は、被写体やその他の状況によって変化するものであり、この例に限られるものではない。一般に、ＮＩＲ画素での光電変換特性が最も傾きが大きくなる傾向があるので、例えば、ＮＩＲ画素＞Ｒ画素＞Ｇ画素＞Ｂ画素の順に光電変換特性の傾きが小さくなる場合、さらには、これ以外の場合も各種考えられる。
【０１３５】
（第２の実施形態）
次に本発明にかかる固体撮像装置の第２の実施の形態として、ＮＩＲ画素からの出力信号を、Ｒ画素からの出力信号、Ｇ画素からの出力信号、Ｂ画素からの出力信号それぞれと加算するかしないかの判断手法について説明する。
【０１３６】
図１０は、本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図１０に示す固体撮像装置１１０は、図４に示した第１の実施形態にかかる固体撮像装置１００と基本的な構成は同じであり、Ｒ、Ｇ、Ｂ、ＮＩＲ各色のフィルタが形成された各色画素を有する受光領域１と、この受光領域１と垂直走査線５６で接続された垂直走査回路５１，信号出力線５７が接続された各画素からの出力信号を適宜加算して出力する加算・ノイズ除去回路５２，受光領域１の画素の列に対応して設けられた水平走査線５８を介して、画素の各列からの出力信号を水平信号線５４に読み出すための制御を行う水平走査回路５３と、水平信号線５４に読み出された出力信号を増幅する出力アンプ５５と更に出力信号の信号処理を行う信号処理回路５９とを有している。
【０１３７】
図１０に示す本実施形態にかかる固体撮像素子が、図４に示した第１の実施形態のものと異なる点は、加算判定回路である比較・加算制御回路６０とタイミングジェネレータ６１とを有している点である。
【０１３８】
比較・加算制御回路６０は、加算・ノイズ除去回路５２から得られるＲ、Ｇ、Ｂ各色のカラー画素からの出力信号が出力モニタ６２として入力され、入力されたカラー画素からの出力信号を所定の規定値と比較して、カラー画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算するか否かを判断する。また、カラー画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算する場合には、その制御を行うための信号を出力する。
【０１３９】
タイミングジェネレータ６１は、比較・加算制御回路６０からの出力信号に基づいて、加算・ノイズ除去回路に対して適切なタイミングで出力信号の加算を行うための、加算タイミング信号６３を出力する。加算・ノイズ除去回路５２では、この加算タイミング信号６３に基づいて、上記第１の実施形態で説明したような各種の動作を行って、受光領域１における各色カラー画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを適宜加算して出力できるようにする。
【０１４０】
次に、ＮＩＲ画素からの出力信号を、Ｒ画素からの出力信号、Ｇ画素からの出力信号、Ｂ画素からの出力信号と加算するかしないかの判断の手法について説明する。最初に、図１１および図１２を用いて、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算するか否かの判断を行う際に、どのカラー画素からの出力信号を基準とするかについて説明する。
【０１４１】
図１１および図１２は、本実施形態にかかる固体撮像装置において、Ｒ、Ｇ、Ｂ、の各色カラー画素およびＮＩＲ画素における、露光量と信号出力のレベルとの関係である光電変換特性を示す。なお、図１１と図１２におけるそれぞれの画素における光電変換特性の表し方等は、第１の実施形態で示した図３と同じであるため詳細な説明は省略する。
【０１４２】
図１１は、撮像環境が色温度で３２００Ｋ程度の時の、各色カラー画素とＮＩＲ画素との光電変換特性を示している。なお、このように、撮像環境の色温度が３２００Ｋ程度となる場合としては、白熱電球などの照明下における撮像が考えられる。
【０１４３】
図１１に示すように、色温度が３２００Ｋ程度である場合には、Ｒ画素からの出力信号の光電変換特性１６、Ｇ画素からの出力信号の光電変換特性１５、Ｂ画素からの出力信号の光電変換特性１７と、ＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性１４における、出力が飽和レベル１８に達するまでの光電変換特性の傾きの大小関係は、ＮＩＲ＞Ｇ＞Ｒ＞Ｂの順となっている。そして、この場合には、カラー画素の中で、その出力信号の光電変換特性の傾きが最も大きなＧ画素からの出力信号を加算判定信号として、その出力レベルが加算判定レベル２１よりも大きいか否かで、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算する否かを判定する。具体的には、図１１中にｇとして示す、Ｇ画素からの出力信号の光電変換特性１５と判定レベル２１との交点よりも、Ｇ画素からの出力信号の出力信号が大きいときにはＮＩＲ画素との加算は行われず、ｇ点よりもＧ画素からの出力信号の出力信号が小さい場合には、ＮＩＲ画素からの出力信号との加算が行われる。別の言い方をすれば、交点ｇの位置を境界線２２として、境界線２２よりも露光量が小さい領域ではＮＩＲ画素からの出力信号が加算され、境界線２２よりも露光量が大きい領域ではＮＩＲ画素からの出力信号の加算が行われない。
【０１４４】
なお、図３と同様に、Ｇ画素からの出力信号にＮＩＲ画素からの出力信号を加算した状態の光電変換特性を１１，Ｒ画素からの出力信号にＮＩＲ画素からの出力信号を加算した状態の光電変換特性を１２，Ｂ画素からの出力信号にＮＩＲ画素からの出力信号を加算した状態の光電変換特性を１３とする。
【０１４５】
次に、図１２は、撮像環境が色温度で１０００Ｋ程度の時の、各色カラー画素とＮＩＲ画素との光電変換特性を示している。なお、このように、撮像環境の色温度が１０００Ｋ程度となる場合としては、夕暮れ時の撮像環境が考えられる。
【０１４６】
図１２に示すように、色温度が１０００Ｋ程度である場合には、カラー画素からの出力信号における光電変換特性の傾きが最も大きいものは、Ｒ画素からの出力信号の光電変換特性１６である。なお、各画素からの出力信号の光電変換特性の傾きの大小関係は、ＮＩＲ＞Ｒ＞Ｇ＞Ｂの順となっている。そして、この場合では、カラー画素の中で、その出力信号の光電変換特性の傾きが最も大きなＲ画素からの出力信号を加算判定信号として、その出力レベルが加算判定レベル２１よりも大きいか否かで、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算する否かを判定する。具体的には、図１２中にｒとして示す、Ｒ画素からの出力信号の光電変換特性１５と判定レベル２１との交点よりも、Ｒ画素からの出力信号の出力信号が大きいときにはＮＩＲ画素との加算は行われず、ｒ点よりもＲ画素からの出力信号の出力信号が小さい場合には、ＮＩＲ画素からの出力信号との加算が行われる。
【０１４７】
なお、図３および図１１と同様に、Ｇ画素からの出力信号にＮＩＲ画素からの出力信号を加算した状態の光電変換特性を１１，Ｒ画素からの出力信号にＮＩＲ画素からの出力信号を加算した状態の光電変換特性を１２，Ｂ画素からの出力信号にＮＩＲ画素からの出力信号を加算した状態の光電変換特性を１３としている。
【０１４８】
図１１および図１２に示したように、撮像対象の色温度によって、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色カラー画素からの出力信号の露光量と出力との光電変換特性の傾きの大小関係が変化するのであるが、本発明では、それぞれの撮像環境において、その信号出力の露光量と出力との関係を示す光電変換特性の傾きが、最も大きい色の画素からの出力信号を加算判定信号として用い、これが所定の判定レベルよりも大きいか小さいかに応じて、ＮＩＲ画素からの出力を加算するか否かの判断を行うようにする。
【０１４９】
このように、可視光領域に主たる透過波長領域を有するカラーフィルタが形成されたカラー画素からの信号出力における、露光量と出力との光電変換特性の傾きが最も大きい画素からの出力信号を加算判定信号として、ＮＩＲ画素からの出力信号との加算を判断することで、信号レベルが小さい場合でも所望の撮像画像を得ることができ、また、飽和領域に達することなく好適な撮像信号を得ることができる。この理由は以下の通りである。
【０１５０】
まず、可視光領域の光を信号として出力するカラー画素からの出力信号の中で、その光電変換特性の傾きが最も大きい色の画素からの信号出力が所定の規定値を下回るということは、他の色の画素からの出力信号はより小さい出力レベルであると考えられる。例えばＧ画素からの出力信号を加算判定信号としている場合には、Ｒ画素およびＢ画素からの信号出力は、Ｇ画素からの出力信号よりも基本的には出力レベルが小さいから、この状態ではカラー画素からの出力信号はいずれも所定のレベルに達していないこととなる。このような規定のレベル以下の信号出力では、画像として十分な解像度を得られないということであり、極端な場合には、何が写っているかわからない状態となることもあるため、そのまま各色カラー画素からの出力信号を用いることは好ましくない。したがって、このような場合に、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算することで出力信号のレベルを向上させることが好ましい。
【０１５１】
また仮に、露光量と出力との光電変換特性の傾きがより小さい色の画素からの出力信号を加算判定信号とすると、基準とした色よりも光電変換特性の傾きの大きな他の色では、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算することで飽和レベルを上回ってしまう可能性がある。このような場合には、撮像画像が、いわゆる「白飛び」と呼ばれる状態となってしまうため、やはり好適な撮像信号が得られないことになってしまう。このため、光電変換特性の傾きが最も大きい色の画素からの出力信号を加算判定信号とすることが最も好ましいと言えるのである。
【０１５２】
なお、上記本実施形態では、図１１と図１２とを用いて撮像環境の色温度によって、Ｇ画素からの出力信号、または、Ｒ画素からの出力信号の光電変換特性の傾きが最も大きくなることを示し、それぞれの出力信号を加算判定信号とする例を示したが、この他にももちろんＢ画素からの出力信号における光電変換特性の傾きが最も大きくなる場合も想定され、その場合にはＢ画素からの出力信号を加算判定信号として用いることとなる。このように、Ｂ画素からの出力信号における光電変換特性の傾きが最も大きくなる場合としては、快晴の屋外の場合など、色温度が５０００Ｋ程度の場合が考えられる。
【０１５３】
以上、ここまで、どの色の画素からの出力信号を基準として、ＮＩＲ画素からの出力を加算するか否かを判断するかについて説明してきたが、次に、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算するか否かの判定レベルの大きさについて図１３を用いて説明する。
【０１５４】
図１３は、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算するかしないかのレベル判断を行うための、信号出力の大きさの関係を示す図である。図１３では、ＮＩＲ画素と、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のカラー画素からの出力信号の光電変換特性の傾きが、ＮＩＲ＞Ｒ＞Ｇ＞Ｂの関係である場合を示している。ＮＩＲ画素の出力信号の光電変換特性を１４、Ｇ画素の出力信号の光電変換特性を１５、Ｒ画素の出力信号の光電変換特性を１６，Ｂ画素の出力信号の光電変換特性を１７としている点、１８が飽和レベルを、また、２１がＮＩＲ画素の出力信号を加算するか否かの判定レベルを示している点は、図１１および図１２と同じである。
【０１５５】
上記の通り、図１３に示す状態では、最も光電変換特性の傾きの大きいのはＲ画素からの出力信号であるので、以下の説明では、Ｒ画素からの出力信号を加算判定信号として、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算するか否かの判断を行う場合を例示する。
【０１５６】
いま、加算判定信号としたＲ画素からの出力信号の光電変換特性において、飽和レベルの出力値をＳａ、出力値のレベルがこの飽和レベルの出力値Ｓａよりも小さく、また、ノイズフロアよりは大きな出力が得られるレベルである、露光量がｘの時の出力値をＳｏ（ｘ）とする。また、ＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性において、露光量がｘの時のＮＩＲ画素からの出力信号の出力値をＳｏＮＩＲ（ｘ）とする。
【０１５７】
このとき、「ＳｏＮＩＲ（ｘ）＋Ｓｏ（ｘ）」と、「Ｓａ」との大小関係によって、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算するか否かを判断する。具体的には、
ＳｏＮＩＲ（ｘ）＋Ｓｏ（ｘ）  ≦  Ｓａ  であれば加算をし、
ＳｏＮＩＲ（ｘ）＋Ｓｏ（ｘ）  ＞  Ｓａ  であれば加算を行わない。
このようにして定めたＳｏ（ｘ）の値を、加算判定の判定レベル２１とするのである。
【０１５８】
このように判定レベルを定めることで、図１３の左側に出力信号レベルの大きさを図示したとおり、出力信号における光電変換特性の傾きが最も大きいために加算判定信号とされた、Ｒ画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号を加算した場合に、その合計の出力信号レベル「ＳｏＮＩＲ（ｘ）＋Ｓｏ（ｘ）」が、Ｒ画素の飽和レベル「Ｓａ」を上回ることがない。最も信号出力レベルが大きいＲ画素の出力信号レベルがその飽和レベルを超えないため、他のＧ画素およびＢ画素からの出力信号レベルも飽和レベルに達することが無くなる。この結果、ＮＩＲ画素からの出力信号を加算した場合でも、各色カラー画素からの出力信号が飽和レベルに達することを防止できるので、いわゆる「白飛び」などが生じて撮像画質の品位が低下することを効果的に防止することができる。
【０１５９】
なお、上記の本実施形態では、ＮＩＲ画素からの出力を加算するか否かの判断基準について、Ｒ画素からの出力信号を加算判定信号とする場合を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、Ｇ画素からの出力信号やＢ画素からの出力信号をそれぞれ加算判定信号とすることができる。そして、その場合にもＲ画素からの出力信号を加算判定信号とした場合と同様に、
ＳｏＮＩＲ（ｘ）＋Ｓｏ（ｘ）  ≦  Ｓａ  であれば加算をし、
ＳｏＮＩＲ（ｘ）＋Ｓｏ（ｘ）  ＞  Ｓａ  であれば加算を行わない、
とすることで、上記したいわゆる「白飛び」を防止することができるという効果を奏することができる。
【０１６０】
また、本実施形態の説明では、比較・加算制御回路６０とタイミングジェネレータ６１とを固体撮像装置内に配置する例を示してきたが、これに限られるものではなく、固体撮像装置外に配置して外部からＮＩＲ画素信号からの出力信号の加算を制御してもよいことはいうまでもない。
【０１６１】
（第３の実施形態）
次に、本発明の固体撮像装置の第３の実施形態として、低照度時や暗時の画像をより実態に近い鮮やかな色で表示する場合について説明する。
【０１６２】
本実施形態では、ＮＩＲに対する被写体の反射率の差や、被写体自身が発するＮＩＲの量を判定することで、実態に近い色をつけて出力する固体撮像装置について説明する。図１４は、ＮＩＲに対する反射率の差について説明するための撮像画像を示す図であり、図１４（ａ）がＲ、Ｇ、Ｂの通常のカラーフィルタを有するカラー画素によって得られた撮像画像を示し、図１４（ｂ）は、ＮＩＲ画素によって得られた撮像画像を示している。図１４（ａ）および図１４（ｂ）を比較すると、ＮＩＲ画素からの出力信号よって得られた画像では、植物の部分が白くなっていることが分かる。これは、植物が他の物体と比較してＮＩＲの反射率が高く、また、ＮＩＲの自己発光量も大きいので、ＮＩＲ画素からの出力信号のレベルが大きいことを示している。
【０１６３】
このような場合、特に植物の緑を映すということがわかっている場合であれば、ＮＩＲ画素からの出力信号の強さに応じて、Ｇ画素からの出力信号の増幅率、すなわち信号処理回路におけるゲインを高くする。こうすることで、得られる画像は、植物の緑を強調した画像となり、より実態に近い画像を鮮明に得ることが可能となる。
【０１６４】
また、別の例として、血液もＮＩＲ反射率が高いことが知られている。したがって、この場合には、ＮＩＲ画素からの出力信号の強さに応じて、Ｒ画素からの出力信号のゲインを高くする。そうすることで、得られる画像は、血液および血管の赤を強調した画像となり、より実態に近い画像を鮮明に得ることが可能となる。このほかにも、例えば海中観測の場合などでは、ＮＩＲ画素からの出力信号に応じて、Ｂ画素からの出力信号に対するゲインを高くすることも考えられる。
【０１６５】
次に、本実施形態にかかる固体撮像装置の構成について図１５を用いて説明する。
【０１６６】
図１５は、本発明の第３の実施形態にかかる固体撮像装置１２０の回路構成を示すブロック図である。なお、図１５において、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色カラー画素とＮＩＲ画素が形成された受光領域１，および、垂直走査回路５１や水平走査回路５２、加算・ノイズ除去回路５２などは、上記第１および第２の実施形態に示したものと同じであるため、説明を省略する。
【０１６７】
図１５に示す、本実施形態にかかる固体撮像素子１２０の特徴は、比較・加算制御回路６４に、加算・ノイズ除去回路５２からのＮＩＲ出力信号がＮＩＲ出力モニタ６６として入力される点と、このＮＩＲ出力信号を所定の規定値と比較して、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラー画素からの出力信号に対するゲイン調整を行うために、加算・ノイズ除去回路に対して適切なタイミングで出力信号の加算を行うための加算タイミング信号６７を出力するとともに、出力アンプ５５に対してゲイン制御信号６８を出力する、ゲイン調整回路としてのタイミングジェネレータ６５を有している点である。
【０１６８】
このようなゲイン調整回路としてのタイミングジェネレータ６５を有することで、ＮＩＲ画素からの出力信号のレベルに応じて、タイミングジェネレータ６５からゲイン制御信号６８を出力アンプ５５に入力することで、カラー画素であるＲ、Ｇ、Ｂ各色画素からのそれぞれの出力信号に対する信号増幅率、すなわち出力アンプにおけるゲインを変化させることにある。このようにして、暗視カメラとしての用途やＮＩＲを用いた特殊な用途に用いられた際のＮＩＲ画素での撮像信号に基づいて、より鮮明な撮像画像情報を出力することができる。
【０１６９】
なお、本実施形態で説明したのは、信号出力の最終段階での出力アンプにおいて、それぞれのカラー画素からの出力信号に対するゲインを変化させるという方法であるが、本発明において出力信号の増幅率を変える方法は、これに限られるものではない。例えば、ゲイン調整回路からの信号に基づいて、加算・ノイズ除去回路５２内で画素の列ごとに出力信号のゲインを変化させることも可能である。また、ゲイン変化のタイミングとしても、一つの画像フレームごとに出力信号の増幅を行っても、また、受光領域における画素の一行分ごとに増幅を行っても、そのどちらでもよいことはいうまでもない。
【０１７０】
さらに、ゲイン調整回路からの信号に応じて増幅される信号は、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のカラー画素からの出力信号に限られるものではなく、上記した本発明の第１の実施形態の内容と組み合わせて、カラー画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算した信号に対して、その増幅率を変化させることもできる。また、増幅率を変化させる信号の種類は一種類のものだけに限られるのではなく、例えばＲ画素からの出力信号とＧ画素からの出力信号との両方を増幅させることも考えられる。そして、複数の信号の増幅率を変化させる場合に、複数の信号それぞれについてその増幅率を均一なものとするのではなく、それぞれ異なった増幅率とすることももちろん可能である。
【０１７１】
また、本実施形態においては、比較・加算制御回路６４とゲイン調整回路であるタイミングジェネレータ６５とを固体撮像装置１２０内に配置する例を示しているが、もちろん固体撮像装置１２０の外に設けても何ら問題はない。
【０１７２】
（第４の実施形態）
次に、本発明にかかる固体撮像装置の第４の実施形態として、ＮＩＲ画素における撮像電荷の蓄積を調整する場合について説明する。
【０１７３】
図１６は、本実施形態にかかる固体撮像装置のＲ、Ｇ、Ｂ各色のカラー画素からの出力信号と、ＮＩＲ画素からの出力信号における光電変換特性を示す図である。図１６において、ＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性を１４、Ｇ画素からの出力信号の光電変換特性を１５、Ｒ画素からの出力信号の光電変換特性を１６，Ｂ画素からの出力信号の光電変換特性を１７とし、ＮＩＲ画素を含めたＲ、Ｇ、Ｂ各色の画素からの出力信号の光電変換特性の傾きが、ＮＩＲ＞Ｒ＞Ｇ＞Ｂの関係である場合を示している。なお、１８が飽和レベルを示す。
【０１７４】
本実施形態にかかる固体撮像装置の特徴は、ＮＩＲ画素の出力の光電変換特性の傾きの大きさを、図１６に１４として示す本来の傾きから、同じく図１６中に２３として示したような、より緩やかなものに切り替えることにある。そして、この切り替えは、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のカラー画素からの出力信号の光電変換特性において、その信号出力のレベルを所定の電子シャッタ動作切替基準値２４と比較することにおいて行われる。
【０１７５】
具体的には、本実施形態の場合はＲ、Ｇ、Ｂ三色のカラー画素のうち、その出力における光電変換特性の傾きが最も大きいＲ画素からの出力信号をシャッタ動作判定信号として用いて、その出力信号のレベルが電子シャッタ動作切替基準値２４と一致するレベル、すなわち図１６に示したｓ点に相当する露光量を境目として、ＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性の傾きを切り替えている。すなわち、図１６中のｓ点に相当する露光量となったときに、図１７に示す本実施形態にかかる固体撮像装置１３０のタイミングジェネレータ７０からスタートパルスを出力し、より大きな露光量においては、電子シャッタを動作させてＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性を切り替えることで、図１６中１４として示す本来の大きな傾きを持ったものから、図１６中２３として示すより緩やかな傾きとなるようにしている。
【０１７６】
次に、上記図１６で示したように、ＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性を切り替える方法について説明する。
【０１７７】
図１７は本実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図１７に示すように、本実施形態にかかる固体撮像装置１３０は、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のカラー画素とＮＩＲ画素とが形成された受光領域１、水平走査回路５３、加算・ノイズ除去回路５２、などを有する点においては、上記第１、第２、第３の各実施形態に示した固体撮像装置と同じであり、かかる部分の詳細な説明は省略する。
【０１７８】
図１７に示す、本実施形態にかかる固体撮像素子１３０では、垂直走査回路が、Ｒ、Ｇ、Ｂ画素を垂直走査するカラー画素垂直走査回路５１ａと、ＮＩＲ画素を垂直走査するＮＩＲ画素垂直走査回路５１ｂとの２つの系統に分かれて構成されている。また、比較・加算制御回路６９には、加算・ノイズ除去回路５２からのＲ、Ｇ、Ｂ各色カラー画素からの出力信号がＲＧＢモニタ７１として入力され、比較・加算制御回路６９でこのＲ、Ｇ、Ｂ各色カラー画素からの出力信号が所定の電子シャッタ動作切替基準値と比較される。そしてこの比較結果に基づいて、タイミングジェネレータ７０から、加算・ノイズ除去回路５２に対して適切なタイミングで出力信号の加算を行うための加算タイミング信号７２が出力されるとともに、出力アンプ５５に対してゲイン制御信号７５が出力される。さらに、カラー画素垂直走査回路５１ａにカラー画素駆動信号７３と、ＮＩＲ画素垂直走査回路５１ｂにＮＩＲ画素駆動信号７４が入力される。
【０１７９】
次に、図１８を用いて、本実施形態にかかる固体撮像装置の固体撮像素子部分における画素の詳細な構造を示す。図１８は、本実施形態にかかる固体撮像装置の固体撮像素子において、受光領域１のＮＩＲ画素に相当する部分の、光電変換を行う半導体基板部分を拡大して示す模式的断面図である。
【０１８０】
図１８に示すように、本実施形態にかかる固体撮像装置の固体撮像素子では、半導体基板８１中に形成されたＮＩＲ光電変換部８３と、隣接する他のカラー画素の光電変換部であるＲＧＢ光電変換部８５との間に電子シャッタ部である電圧変換部８４と電荷転送ゲート８６とが設けられている。そして、この電圧変換部８４が画素内アンプ８７を介して加算・ノイズ除去回路５２に接続されて、電圧変換部８４での出力信号が加算・ノイズ除去回路に出力されるようになっている。また、電荷転送ゲート８６は、ＮＩＲ光電変換部８３と電圧変換部８４との間の半導体基板８１上に形成されている。
【０１８１】
一般に、半導体基板に形成された固体撮像素子においては、入射光の波長によってそのエネルギーレベルが異なることから、入射光の波長が長くなるほど半導体基板の表面からの深さが深い光電変換部で光電変換が行われて電荷が発生する。本実施形態にかかる固体撮像装置の固体撮像素子の場合は、図１８に示すように、入射光８２の波長に応じて半導体基板深さ方向を示す矢印９５に沿うように電荷発生領域が異なっている。具体的には、波長の短い青色光によるＢ電荷発生領域８８は半導体基板の表面から０．２〜０．４μｍ程度、緑色光によるＧ電荷発生領域８９は半導体基板の表面から０．３〜０．８μｍ程度、赤色光によるＲ電荷発生領域９０は半導体基板の表面から０．５〜１．２μｍ程度、と深くなり、ＮＩＲによるＮＩＲ電荷発生領域９１は半導体基板の表面から１．０〜２．０μｍ程度と最も深くなる。
【０１８２】
このように、ＮＩＲによるＮＩＲ電荷発生領域９１が他の色の電荷発生領域と比較して深い位置にあるため、ＮＩＲが光電変換されて生成する信号電荷９２は、半導体基板８１内の中性領域（ＧＮＤ領域）を漂いやすくなっている。そして、中性領域内の信号電荷９２は、本来のＮＩＲ光電変換部９１に取り込まれることなく、図１８中に波線矢印９４で示すような経路を通って、隣接するカラー画素のカラー画素光電変換領域８５に取り込まれやすくなる。
【０１８３】
特に、ＮＩＲ画素からの信号出力における光電変換特性は、図１６にも示すように本来その傾斜が大きく、他のＲ、Ｇ、Ｂ各色カラー画素における出力信号と比較した場合に、より少ない露光量で出力レベルが飽和してしまいやすい。そして、ＮＩＲ画素に形成されたＮＩＲ光電変換領域８３が飽和してしまった場合には、吸収されなくなったＮＩＲが光電変換された信号電荷９２が隣接するＲＧＢ光電変換領域８５で取り込まれて、他のＲ、Ｇ、Ｂ各色カラー画素における出力信号のノイズとなる。このような場合には、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色カラー画素からの出力信号の精度が落ち、カラーバランスが崩れるなど撮像信号の品位が低下する。
【０１８４】
これに対して、本実施形態の固体撮像装置のように、ＮＩＲ画素光電変換領域８３と隣接するカラー画素光電変換領域８５との間のＮＩＲ画素領域内に、電圧変換部８４を設けて電圧変換部８４の電位を高く変調した状態とすることにより、電子シャッタとしての効果を持たせることができる。そして、この電子シャッタによって、半導体基板８１内の浮遊する信号電荷９２を、図１８中に矢印９３として示した経路で電圧変換部８４において吸収することができる。そして、電荷転送ゲート８６を介して、ＮＩＲ光電変換領域８３で読み出された信号電荷を電圧変換部８４に転送するとともに、電圧変換部８４で吸収した信号電荷９２と打ち消しあわせることで、ＮＩＲ画素の露光量に対する信号出力レベルを下げて、実質的にＮＩＲ画素から出力信号の光電変換特性の傾きをより緩やかなものにすることができる。
【０１８５】
このように、本実施形態の固体撮像装置の固体撮像素子においては、ＮＩＲ画素と近接するＲ、Ｇ、Ｂ各色のカラー画素との間に、電子シャッタ部である電圧変換部８４と電荷転送ゲート８６とを設けることで、ＮＩＲ光電変換領域８３で吸収できなかった電荷が浮遊して、隣接するカラー画素光電変換領域８５で吸収されることを防止することができる。さらに、本実施形態の固体撮像装置では、ＲＧＢ各色のカラー画素における光電変換特性よりもその傾斜が大きく、わずかな露光量で出力レベルが飽和してしまいやすい、ＮＩＲ画素での信号検出のレンジを広げることができる。
【０１８６】
なお、上記した本発明の実施形態においては、ＮＩＲ画素からの出力信号の光電特性を変化させるために電子シャッタ部のシャッタ動作を行わせるか否かの判定基準として、本実施形態にかかるＲ、Ｇ、Ｂ各色のカラー画素からの信号出力において、光電変換特性の傾きが最も大きなＲ画素からの出力信号を、シャッタ動作判定信号として用いた。これは、ＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性は、通常、各色カラー画素からの出力信号の光電変換特性と比較してその傾斜が大きいため、少ない露光量で信号出力が飽和レベルに到達しやすいことを考慮したものである。すなわち、ＮＩＲ画素の光電変換特性に最も近い、より傾きの大きな光電変換特性を有するカラー画素からの出力信号に基づいて、ＮＩＲ画素における光電変換特性を切り替えることで、ＮＩＲ画素からの出力信号が飽和レベルに達するのをより確実に防止することができるからである。
【０１８７】
このため、電子シャッタ動作判定信号として用いられる出力信号は、Ｒ画素からの出力信号に限られる訳ではなく、それぞれの撮像状態においてその出力信号における光電変換特性の傾きが最も大きな画素からの出力信号を用いることで、同様の効果が奏せられる。なお、このように、カラー画素の中でその出力信号の光電変換特性の傾きが、最も大きな画素からの出力信号を電子シャッタ動作判定信号として用いるのは、ＮＩＲ画素からの出力信号が飽和レベルに到達することを防ぐことが目的であるから、この目的が達成できるのであれば、電子シャッタ動作判定信号として、出力信号の光電変換特性の傾きが最も大きな画素以外からの出力信号を用いることができることはいうまでもない。
【０１８８】
さらに、上記各実施の形態と同じように、本実施形態においても固体撮像装置の内部に設けられているものとして説明した、比較・加算制御回路６９とタイミングジェネレータ７０とを、固体撮像装置外の別回路として有する構成とすることに何らの問題もない。
【０１８９】
（第５の実施形態）
次に、上記各実施の形態として説明してきた本発明にかかる固体撮像装置を使用したカメラについて、その具体的な構成を本発明の第５の実施形態として説明する。
【０１９０】
図１９は、本発明の固体撮像装置の例として、第４の実施形態にかかる固体撮像装置１３０を用いたカメラの概略構成を示すブロック図である。なお、固体撮像装置１３０についての繰り返しの説明は省略する。
【０１９１】
図１９に示すように、本実施形態にかかるカメラは、撮像環境を確認できる環境確認手段としての照度計１３１を備え、照度計１３１の出力は固体撮像装置１３０の比較・加算制御回路６９に入力される。また、タイミングジェネレータ７０からのタイミング信号を受けて、点灯／消灯する近赤外光（ＮＩＲ）ランプ１３２を備えている。
【０１９２】
さらに、本実施形態にかかるカメラは、固体撮像装置１３０において、出力アンプ５５で増幅された出力信号に対して、色処理などの信号処理を施して画像信号１３４を出力する撮像信号処理部１３３を備えている。
【０１９３】
このような構成とすることで、本実施形態にかかるカメラでは、撮像環境の把握が容易かつ確実となるため、撮像環境に応じてＲ、Ｇ、Ｂ各色のカラー画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号を加算するか否かの判断を正確に行うことができ、本発明の各実施形態で説明した固体撮像装置の特徴を十分に活かすことができる。また、ＮＩＲ画素からの信号出力レベルが小さい場合には、近赤外光ランプ１３２を点灯させることにより、ＮＩＲ信号のレベルを向上させ、ＮＩＲ画素での画像情報を得る場合、また、ＮＩＲ画素の出力をＲ、Ｇ、Ｂ各色の画素の出力と加算する場合のいずれの場合においても、得られる信号出力のレベルを向上させることができる。
【０１９４】
なお、上記本実施の形態では、撮像環境を把握するための環境確認手段として照度計１３１を用いた場合を示したが、これに限らず、色温度計を用いることでも同様に本実施形態にかかるカメラとして有効な、撮像環境の情報を得ることができる。また、撮像環境確認手段である照度計１３１の出力が、比較・加算制御回路６９に入力されるような構成を示したが、本発明にかかる固体撮像装置を用いたカメラとしてはこれに限られるものではなく、たとえはタイミングジェネレータ７０が、環境確認手段からの情報を得て、適切な信号処理のタイミングを指示する機能を有するのであれば、照度計１３１からの出力が、タイミングジェネレータ７０に入力されるような構成としてもかまわない。
【０１９５】
また、本実施形態では、環境確認手段である照度計１３１と、近赤外光ランプ１３２とを共に備えた構成を例示したが、これに限られるものではなく、環境確認手段と、近赤外光ランプとのいずれか一方のみを有する構成としてもよい。
【０１９６】
なお、本実施形態として示したカメラは、特に、低照度下、または、暗視状態での撮影に特に有効となるため、車載用途や監視用途に使用することが有用となる。また、他のより好適な用途としては、血管認識などの医療用の用途や、緑地分布解析などの航空写真用途、衛星地質調査などの宇宙写真用途などが考えられる。
【産業上の利用可能性】
【０１９７】
本発明の固体撮像装置、また、これを用いたカメラは、低照度時、および、暗視画像を撮像する車載用途や監視用途に使用されるものとして、また、医療分野、航空写真、宇宙写真用途などに使用されるものとして適している。
【図面の簡単な説明】
【０１９８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる固体撮像装置の受光領域の画素配置を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる固体撮像装置の画素に形成されたフィルタの透過波長特性を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる固体撮像装置の各画素からの出力信号の光電変換特性を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の回路構成を示す要部拡大図である。
【図６】本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置において、それぞれの画素からの出力信号を独立して読み出す場合の動作を示す動作タイミングチャートである。
【図７】本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置において、カラー画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算する場合の第１行目におけるタイミングチャートである。
【図８】本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置において、カラー画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを加算する場合の第２行目におけるタイミングチャートである。
【図９】本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置において、カラー画素からの出力信号とＮＩＲ画素からの出力信号とを全て加算する場合のタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１１】撮像環境が色温度で３２００Ｋ程度の時の、各色カラー画素とＮＩＲ画素との光電変換特性を示す図である。
【図１２】撮像環境が色温度で１０００Ｋ程度の時の、各色カラー画素とＮＩＲ画素との光電変換特性を示す図である。
【図１３】ＮＩＲ画素からの出力信号を加算するか否かの判定レベルの大きさを説明するための図である。
【図１４】ＮＩＲに対する反射率の差について説明するための撮像画像を示す図であり、（ａ）はカラー画素によって得られた撮像画像を示し、（ｂ）はＮＩＲ画素によって得られた撮像画像を示す。
【図１５】本発明の第３の実施形態にかかる固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態にかかる固体撮像装置の各画素からの出力信号の光電変換特性を示す図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態にかかる固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態にかかる固体撮像装置における、ＮＩＲ画素部分の半導体基板部分を拡大して示す模式的断面図である。
【図１９】本発明にかかるカメラの概略構成を示すブロック図である。
【図２０】従来の固体撮像装置における受光領域の画素配置を示す図である。
【図２１】従来のカメラにおける被写体の撮像状況を示すブロック構成図である。
【図２２】従来のカメラにおけるフィルタの透過波長特性とＮＩＲフィルタの特性を示す図である。
【図２３】従来の固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２４】従来の固体撮像装置の回路構成を示す要部拡大図である。
【図２５】従来の固体撮像装置において、それぞれの画素からの出力信号を読み出す動作を示す動作タイミングチャートである。
【符号の説明】
【０１９９】
１      受光領域
２      画素ユニット
３      Ｒ画素
４      Ｇ画素
５      Ｂ画素
６      ＮＩＲ画素
７      Ｂフィルタ透過波長特性
８      Ｇフィルタ透過波長特性
９      Ｒフィルタ透過波長特性
１０    ＮＩＲフィルタ透過波長特性
１１    Ｇ画素＋ＮＩＲ画素の出力信号の光電変換特性
１２    Ｒ画素＋ＮＩＲ画素の出力信号の光電変換特性
１３    Ｂ画素＋ＮＩＲ画素の出力信号の光電変換特性
１４    ＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性
１５    Ｇ画素からの出力信号の光電変換特性
１６    Ｒ画素からの出力信号の光電変換特性
１７    Ｂ画素からの出力信号の光電変換特性
１８    飽和レベル
１９    ノイズフロア
２１    加算判定レベル
２３    ＮＩＲ画素からの出力信号の光電変換特性
２４    電子シャッタ動作切替基準値
５１    垂直走査回路
５２    加算・ノイズ除去回路
５３    水平走査回路
５４    水平信号線
５５    出力アンプ
２６    垂直走査線
２７    信号出力線
２８    水平走査線
５９    信号処理回路
６０、６４、６９    比較・加算制御回路
６１、６５、７０    タイミングジェネレータ
８１    半導体基板
８２    入射光
８３    ＮＩＲ光電変換部
８４    電圧変換部
８５    ＲＧＢ光電変換部
８６    電荷転送ゲート
８７    画素内アンプ
８８    Ｂ電荷発生領域
８９    Ｇ電荷発生領域
９０    Ｒ電荷発生領域
９１    ＮＩＲ電荷発生領域
９２    信号電荷
１３１  照度計
１３２  近赤外光ランプ
１３３  撮像信号処理部
【図１】
2009010627.tif 000003
【図２】
2009010627.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009010627.tif 000007
【図６】
2009010627.tif 000008
【図７】
2009010627.tif 000009
【図８】
2009010627.tif 000010
【図９】
2009010627.tif 000011
【図１０】
2009010627.tif 000012
【図１１】
2009010627.tif 000013
【図１２】
2009010627.tif 000014
【図１３】
2009010627.tif 000015
【図１４】
2009010627.tif 000016
【図１５】
2009010627.tif 000017
【図１６】
2009010627.tif 000018
【図１７】
2009010627.tif 000019
【図１８】
2009010627.tif 000020
【図１９】
2009010627.tif 000021
【図２０】
2009010627.tif 000022
【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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