(57)【要約】  固体撮像素子は、第１の面および前記第１の面の反対側に位置する第２の面を有する半導体層７と、半導体層７中に形成され、第１の面側および第２の面側から光を受ける光感知セルアレイと、光感知セルアレイに対向して第１の面側および第２の面側の少なくとも一方の側に形成された分光要素アレイとを備えている。光感知セルアレイは、第１の光感知セル２ａおよび第２の光感知セル２ｂを含んでいる。分光要素アレイは、第１の光感知セル２ａおよび第２の光感知セル２ｂに異なる波長域の光を入射させる。
2011010455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、
を備える撮像装置であって、
前記固体撮像素子は、
第１の面および前記第１の面の反対側に位置する第２の面を有する半導体層と、
前記半導体層中に形成され、前記第１の面側および前記第２の面側から光を受ける光感知セルアレイであって、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックを有する光感知セルアレイと、
前記光感知セルアレイに対向して前記第１の面側および前記第２の面側の少なくとも一方の側に形成された分光要素アレイであって、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルに異なる波長域の光を入射させる分光要素アレイと、
を有している、撮像装置。
【請求項２】
前記光学系は、光を前記第１の面および前記第２の面にそれぞれ半分ずつ入射させる、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記分光要素アレイは、前記光感知セルアレイに対向して前記第１の面側に形成された第１分光要素アレイと、前記光感知セルアレイに対向して前記第２の面側に形成された第２分光要素アレイとを有し、
前記第１分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに第１波長域の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第１波長域以外の光を入射させ、
前記第２分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第２波長域以外の光を入射させる、
請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
入射光を第１の色成分の光、第２の色成分の光、および第３の色成分の光に分類するとき、
前記第１分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１の分光要素であって、前記第１の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第２および第３の色成分の光を入射させる第１の分光要素を有し、
前記第２分光要素アレイは、前記第２の光感知セルに対応して配置された第２の分光要素であって、前記第１の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第１および第３の色成分の光を入射させる第２の分光要素を有している、
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
入射光を第１の色成分の光、第２の色成分の光、および第３の色成分の光に分類するとき、
前記第１分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１の分光要素であって、前記第１の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、隣接する第１の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第３の色成分の光を入射させる第１の分光要素を有し、
前記第２分光要素アレイは、前記第２の光感知セルに対応して配置された第２の分光要素であって、前記第１の光感知セルおよび隣接する第２の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第３の色成分の光を半分ずつ入射させ、前記第２の光感知セルに前記第１および第２の色成分の光を入射させる第２の分光要素を有し、
前記第１の光感知セルは、前記第１の分光要素から入射する前記第１の色成分の光と、前記第２の分光要素および前記第１の隣接単位ブロックに含まれる分光要素から入射する前記第３の色成分の光とを受け、
前記第２の光感知セルは、前記第１の分光要素から入射する前記第２の色成分の光と、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる分光要素から入射する前記第３の色成分の光と、前記第２の分光要素から入射する前記第１および第２の色成分の光とを受ける、
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項６】
各単位ブロックは、第３の光感知セルおよび第４の光感知セルを含み、
前記第１分光要素アレイは、前記第３の光感知セルに対応して配置された第３の分光要素であって、前記第３の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第２および第３の色成分の光を入射させる第３の分光要素を有し、
前記第２分光要素アレイは、前記第４の光感知セルに対応して配置された第４の分光要素であって、前記第３の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第１および第３の色成分の光を入射させる第４の分光要素を有している、
請求項４に記載の撮像装置。
【請求項７】
各単位ブロックは、第３の光感知セルおよび第４の光感知セルを含み、
前記第１分光要素アレイは、前記第３の光感知セルに対応して配置された第３の分光要素であって、前記第３の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第３の色成分の光を入射させ、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させる第３の分光要素を有し、
前記第２分光要素アレイは、各単位ブロックに含まれる前記第４の光感知セルに対応して配置された第４の分光要素であって、前記第３の光感知セルおよび前記第１の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第２の色成分の光を半分ずつ入射させ、前記第４の光感知セルに前記第１および第３の色成分の光を入射させる第４の分光要素を有し、
前記第３の光感知セルは、前記第３の分光要素から入射する前記第１の色成分の光と、前記第４の分光要素および前記第２の隣接単位要素に含まれる分光要素から入射する前記第２の色成分の光とを受け、
前記第４の光感知セルは、前記第３の分光要素から入射する前記第３波長域の光と、前記第１の隣接単位要素に含まれる分光要素から入射する前記第２波長域の光と、前記第４の分光要素から入射する前記第１波長域および前記第３波長域の光とを受ける、
請求項５に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、および前記第４の光感知セルは、行列状に配置され、
前記第１の光感知セルは、前記第２の光感知セルに隣接し、
前記第３の光感知セルは、前記第４の光感知セルに隣接している、
請求項６または７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記固体撮像素子は、
前記第１分光要素アレイに対向して形成された第１マイクロレンズアレイであって、各々が前記第１の分光要素および前記第３の分光要素の各々に集光する複数のマイクロレンズを含む第１マイクロレンズアレイと、
前記第２分光要素アレイに対向して形成された第２マイクロレンズアレイであって、各々が前記第２の分光要素および前記第４の分光要素の各々に集光する複数のマイクロレンズを含む第２マイクロレンズアレイと、
を有している、請求項６から８のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１０】
信号処理部をさらに備え、
前記信号処理部は、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルからそれぞれ出力される光電変換信号に基づいて、１つの色信号を生成する、
請求項１から９のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記信号処理部は、前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、および前記第４の光感知セルからそれぞれ出力される光電変換信号に基づいて、３つの色信号を生成する、
請求項６から９のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１２】
第１の面および前記第１の面の反対側に位置する第２の面を有する半導体層と、
前記半導体層中に形成され、前記第１の面側および前記第２の面側から光を受ける光感知セルアレイであって、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックを有する光感知セルアレイと、
前記光感知セルアレイに対向して前記第１の面側および前記第２の面側の少なくとも一方の側に形成された分光要素アレイであって、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルに異なる波長域の光を入射させる分光要素アレイと、
を有している固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子の高感度化およびカラー化の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（以下、「撮像素子」と称する場合がある。）を用いたデジタルカメラやデジタルムービーの高機能化、高性能化には目を見張るものがある。特に半導体製造技術の急速な進歩により、撮像素子における画素構造の微細化が進んでいる。その結果、撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られ、撮像素子の高性能化が図られている。特に最近では、固体撮像素子の配線層が形成された面（表面）側ではなく、裏面側で受光する裏面照射型（Ｂａｃｋｓｉｄｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）の撮像素子を用いたカメラも開発され、その高感度特性等が注目されている。その一方で撮像素子の多画素化に伴い、１画素の受ける光量が低下するため、カメラ感度が低下するという問題が起きている。【０００３】
カメラの感度低下は、多画素化以外にも、色分離用の色フィルタが用いられることにも原因がある。通常の色フィルタは、利用する色成分以外の光を吸収するため、このような色フィルタを用いた場合、カメラの光利用率は低下する。具体的な例として、ベイヤー型の色フィルタを用いたカラーカメラでは、撮像素子の各光感知部上に有機顔料を色素とする減色型の色フィルタが配置されるため、光利用率はかなり低い。ベイヤー型の色フィルタ配列は、赤（Ｒ）１要素、緑（Ｇ）２要素、青（Ｂ）１要素を基本構成とした配列である。ＲフィルタはＲ光を透過させ、Ｇ光、Ｂ光を吸収する。ＧフィルタはＧ光を透過させ、Ｒ光、Ｂ光を吸収する。ＢフィルタはＢ光を透過させ、Ｒ光、Ｇ光を吸収する。すなわち、色フィルタを透過する光はＲＧＢ３色の内の１色であり、その他の２色は色フィルタに吸収される。したがって、利用される光は入射光の約１／３である。【０００４】
このような感度低下の問題を解決するため、撮像素子の受光部にマイクロレンズアレイを取り付けることによって受光量を増やす手法が特許文献１に開示されている。この手法によれば、マイクロレンズで集光することによって、実質的に光開口率を向上させることができる。この手法は、現在殆どの固体撮像素子に用いられている。この手法を用いると、実質的な開口率は向上するが、色フィルタによる光利用率低下の問題を解決するものではない。【０００５】
そこで、光利用率低下と感度低下の問題を同時に解決する方法として、多層膜の色フィルタ（ダイクロイックミラー）とマイクロレンズとを組み合わせて、光を最大限取り込む構造を有する撮像素子が特許文献２に開示されている。この撮像素子では、光を吸収せず特定波長域の光を選択的に透過させ他の波長域の光を反射する複数のダイクロイックミラーが用いられる。各ダイクロイックミラーは、必要な光のみを選択的に対応する光感知部に入射させ、その他の光を透過させる。図８に特許文献２に開示された撮像素子の断面図を示す。【０００６】
図８に示される固体撮像素子によれば、集光マイクロレンズ１１に入射した光は、インナーレンズ１２によって光束を調整された後、第１ダイクロイックミラー１３に入射する。第１ダイクロイックミラー１３は、赤（Ｒ）の光を透過させるが、その他の色の光は反射する。第２ダイクロイックミラー１４は、緑（Ｇ）の光を反射するが、その他の色の光は透過させる。第３ダイクロイックミラー１５は、青（Ｂ）の光を反射するが、その他の色の光は透過させる。第１ダイクロイックミラー１３を透過した光は、直下の光感知セル２に入射する。第１ダイクロイックミラー１３で反射された光は、隣接する第２ダイクロイックミラー１４に入射する。第２ダイクロイックミラー１４は、緑（Ｇ）の光を反射し、青（Ｂ）の光を透過する。第２ダイクロイックミラー１４で反射された緑の光は、その直下の光感知セル２に入射する。第２ダイクロイックミラー１４を透過した青の光は、第３ダイクロイックミラー１５で反射され、その直下の光感知セル２に入射する。このような固体撮像素子によれば、集光マイクロレンズ１１に入射した可視光は、色フィルタによって吸収されることなく、ＲＧＢ各色の光が光感知セルによって無駄なく検出される。【０００７】
上記の従来技術のほか、マイクロプリズムを用いることによって光の損失を防ぐことができる撮像素子が特許文献３に開示されている。この撮像素子は、マイクロプリズムにより赤、緑、青に分離した光をそれぞれ異なる光感知セルが受光する構造を有している。このような撮像素子を用いた場合でも光の損失を防ぐことができる。【０００８】
しかしながら、特許文献２、３に開示された技術では、利用するダイクロイックミラーの数だけ、あるいは分光する数だけ光感知セルを設ける必要がある。例えば赤、緑、青の光を受光するには、光感知セルを、色フィルタを用いた場合の光感知セルの数と比較して３倍に増やさなければならないという課題が残る。【０００９】
一方、上記の従来技術とは異なり、撮像素子の両側から光を取り込む技術が特許文献４に開示されている。この技術では、撮像素子の表側と裏側にそれぞれ可視光と非可視光（赤外線または紫外線）とが入射するように、光学系および色フィルタが配置される。この技術によれば、可視光および非可視光の画像を１つの撮像素子で取得することができるが、色フィルタによる光利用率の低下の問題を解決するものではない。【００１０】
また、特許文献５には、各光感知セルに対応して配置されたマイクロプリズムなどの構造物（分光要素）を用いて大幅に光感知セルを増やすことなく光利用率を高めるカラー化技術が開示されている。この技術によれば、光感知セルに対応して配置された分光要素によって光が波長域に応じて異なる光感知セルに入射する。個々の光感知セルは、複数の分光要素から異なる波長域の成分が重畳された光を受ける。その結果、各光感知セルから出力される光電変換信号を用いた信号演算によって色信号を生成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭５９−９０４６７号公報
【特許文献２】特開２０００−１５１９３３号公報
【特許文献３】特開２００１−３０９３９５号公報
【特許文献４】特開２００８−０７２４２３号公報
【特許文献５】国際公開第２００９／１５３９３７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術では、光吸収タイプの色フィルタを用いれば、大幅に光感知セルを増やさずに済むが、光利用率が低くなる。一方、光選択透過タイプの色フィルタ（ダイクロイックミラー）やマイクロプリズムを用いれば、光利用率は高いが、光感知セルを大幅に増やさなければならない。【００１３】
一方、特許文献５に開示された技術によれば、確かに光利用率の高いカラー画像が理論上得られるが、マイクロプリズム等の構造物を撮像素子の画素に対応して高密度に配置することは、難易度が高いと考えられる。【００１４】
そこで、本発明は、分光可能な構造物の低密度化を図ると共に、光感知セルを大幅に増やさずとも色分離できるカラー撮像技術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】
【００１５】
本発明の撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系とを備えている。前記固体撮像素子は、第１の面および前記第１の面の反対側に位置する第２の面を有する半導体層と、前記半導体層中に形成され、前記第１の面側および前記第２の面側から光を受ける光感知セルアレイと、前記光感知セルアレイに対向して前記第１の面側および前記第２の面側の少なくとも一方の側に形成された分光要素アレイとを有している。前記光感知セルアレイは、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックを有している。前記分光要素アレイは、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルに異なる波長域の光を入射させる。【００１６】
ある実施形態において、前記光学系は、光を前記第１の面および前記第２の面にそれぞれ半分ずつ入射させる。【００１７】
ある実施形態において、前記分光要素アレイは、前記光感知セルアレイに対向して前記第１の面側に形成された第１分光要素アレイと、前記光感知セルアレイに対向して前記第２の面側に形成された第２分光要素アレイとを有している。前記第１分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに第１波長域の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第１波長域以外の光を入射させる。前記第２分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第２波長域以外の光を入射させる。【００１８】
ある実施形態において、入射光を第１の色成分の光、第２の色成分の光、および第３の色成分の光に分類するとき、前記第１分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１の分光要素であって、前記第１の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第２および第３の色成分の光を入射させる第１の分光要素を有している。また、前記第２分光要素アレイは、前記第２の光感知セルに対応して配置された第２の分光要素であって、前記第１の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第１および第３の色成分の光を入射させる第２の分光要素を有している。【００１９】
ある実施形態において、入射光を第１の色成分の光、第２の色成分の光、および第３の色成分の光に分類するとき、前記第１分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１の分光要素であって、前記第１の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、隣接する第１の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第３の色成分の光を入射させる第１の分光要素を有している。また、前記第２分光要素アレイは、前記第２の光感知セルに対応して配置された第２の分光要素であって、前記第１の光感知セルおよび隣接する第２の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第３の色成分の光を半分ずつ入射させ、前記第２の光感知セルに前記第１および第２の色成分の光を入射させる第２の分光要素を有している。前記第１の光感知セルは、前記第１の分光要素から入射する前記第１の色成分の光と、前記第２の分光要素および前記第１の隣接単位ブロックに含まれる分光要素から入射する前記第３の色成分の光とを受ける。前記第２の光感知セルは、前記第１の分光要素から入射する前記第２の色成分の光と、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる分光要素から入射する前記第３の色成分の光と、前記第２の分光要素から入射する前記第１および第２の色成分の光とを受ける。【００２０】
ある実施形態において、各単位ブロックは、第３の光感知セルおよび第４の光感知セルを含み、前記第１分光要素アレイは、前記第３の光感知セルに対応して配置された第３の分光要素であって、前記第３の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第２および第３の色成分の光を入射させる第３の分光要素を有している。前記第２分光要素アレイは、前記第４の光感知セルに対応して配置された第４の分光要素であって、前記第３の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第１および第３の色成分の光を入射させる第４の分光要素を有している。【００２１】
ある実施形態において、各単位ブロックは、第３の光感知セルおよび第４の光感知セルを含み、前記第１分光要素アレイは、前記第３の光感知セルに対応して配置された第３の分光要素であって、前記第３の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第３の色成分の光を入射させ、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させる第３の分光要素を有している。前記第２分光要素アレイは、各単位ブロックに含まれる前記第４の光感知セルに対応して配置された第４の分光要素であって、前記第３の光感知セルおよび前記第１の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第２の色成分の光を半分ずつ入射させ、前記第４の光感知セルに前記第１および第３の色成分の光を入射させる第４の分光要素を有している。前記第３の光感知セルは、前記第３の分光要素から入射する前記第１の色成分の光と、前記第４の分光要素および前記第２の隣接単位要素に含まれる分光要素から入射する前記第２の色成分の光とを受ける。前記第４の光感知セルは、前記第３の分光要素から入射する前記第３波長域の光と、前記第１の隣接単位要素に含まれる分光要素から入射する前記第２波長域の光と、前記第４の分光要素から入射する前記第１波長域および前記第３波長域の光とを受ける。【００２２】
ある実施形態において、前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、および前記第４の光感知セルは、行列状に配置され、前記第１の光感知セルは、前記第２の光感知セルに隣接し、前記第３の光感知セルは、前記第４の光感知セルに隣接している。【００２３】
ある実施形態において、前記固体撮像素子は、前記第１分光要素アレイに対向して形成された第１マイクロレンズアレイであって、各々が前記第１の分光要素および前記第３の分光要素の各々に集光する複数のマイクロレンズを含む第１マイクロレンズアレイと、前記第２分光要素アレイに対向して形成された第２マイクロレンズアレイであって、各々が前記第２の分光要素および前記第４の分光要素の各々に集光する複数のマイクロレンズを含む第２マイクロレンズアレイとを有している。【００２４】
ある実施形態において、撮像装置は、信号処理部をさらに備え、前記信号処理部は、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルからそれぞれ出力される光電変換信号に基づいて、１つの色信号を生成する。【００２５】
ある実施形態において、前記信号処理部は、前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、および前記第４の光感知セルからそれぞれ出力される光電変換信号に基づいて、３つの色信号を生成する。【００２６】
本発明の固体撮像素子は、第１の面および前記第１の面の反対側に位置する第２の面を有する半導体層と、前記半導体層中に形成され、前記第１の面側および前記第２の面側から光を受ける光感知セルアレイと、前記光感知セルアレイに対向して前記第１の面側および前記第２の面側の少なくとも一方の側に形成された分光要素アレイとを有している。前記光感知セルアレイは、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックを有している。前記分光要素アレイは、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルに異なる波長域の光を入射させる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の固体撮像素子および撮像装置によれば、光感知セルアレイは光を表面側および裏面側から受光するとともに、光吸収しない分光要素アレイが用いられるため、光利用率を高めることができる。また、分光要素アレイを両面側に配置すれば、１面あたりの分光要素の密度を小さくすることができ、製造が容易になる。さらに、各分光要素を好適に配置することにより、３種類の色成分の信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の撮像装置の概略構成を示すブロック図
【図２Ａ】本発明における撮像素子の構造の一例を示す模式図
【図２Ｂ】本発明における撮像素子の他の例を示す模式図
【図２Ｃ】本発明における撮像素子のさらに他の一例を示す模式図
【図３】本発明の第１の実施形態における撮像装置の全体構成を示すブロック図
【図４】本発明の第１の実施形態における撮像装置の光学系の構成を示す模式図
【図５Ａ】本発明の第１の実施形態における画素構造の一例を示す図
【図５Ｂ】本発明の第１の実施形態における画素構造の他の例を示す図
【図６Ａ】本発明の第１の実施形態における撮像素子の基本構造を示す平面図
【図６Ｂ】図６ＡにおけるＡＡ´線断面図
【図６Ｃ】図６ＡにおけるＢＢ´線断面図
【図７Ａ】本発明の第２の実施形態における撮像素子の基本構造を示す平面図
【図７Ｂ】図７ＡにおけるＣＣ´線断面図
【図７Ｃ】図７ＡにおけるＤＤ´線断面図
【図８】マイクロレンズと多層膜色フィルタ（ダイクロイックミラー）とを用いた従来の固体撮像素子の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の好ましい実施形態を説明する前に、まず本発明の基本原理を説明する。なお、以下の説明において、波長域または色成分の異なる光を空間的に分離することを「分光」と称することがある。また、以下の説明において２つの光の波長域が異なるとは、２つの光に含まれる主要な色成分が異なっていることを意味するものとする。例えば、一方の光がマゼンタ（Ｍｇ）光であり、他方が赤（Ｒ）光であるとすると、前者の主要な色成分は赤（Ｒ）および青（Ｂ）であり、後者の主要な色成分である赤（Ｒ）とは異なっている。よって、マゼンタ光と赤光とは異なる波長域を有するものとする。
【００３０】
図１は、本発明の撮像装置の基本構成を示すブロック図である。本発明の撮像装置は、被写体を結像する光学系２０と、固体撮像素子８とを備える。固体撮像素子８は、半導体層７を有し、半導体層７の第１の面７ａと第１の面の反対側に位置する第２の面７ｂの両面で光を受けることができる。第１の面７ａと第２の面７ｂとの間には複数の光感知セル（本明細書において「画素」と呼ぶことがある。）を含む光感知セルアレイが２次元状に配列されている。各光感知セルは、第１の面７ａおよび第２の面７ｂの両面から入射する光を受ける。光感知セルアレイに対向して第１の面７ａおよび第２の面７ｂの少なくとも一方の側に分光要素アレイ１００が設けられる。図１に示す例では、分光要素アレイ１００は第１の面７ａ側に配置されているが、分光要素アレイ１００は第２の面７ｂ側に配置されていてもよいし両面側に配置されていてもよい。光学系２０は、入射光を第１の光と第２の光とに分離し、第１の光および第２の光をそれぞれ半導体層７の第１の面７ａおよび第２の面７ｂに入射させるように構成されている。
【００３１】
本発明における分光要素アレイ１００は、光感知セルアレイに含まれる第１の光感知セルおよび第２の光感知セルに互いに異なる波長域の光を入射させる。その結果、２つの光感知セルから出力される光電変換信号に基づく演算によって色情報を得ることができる。
【００３２】
図２Ａは、撮像素子８の内部構造の一例を模式的に示す断面図である。この例では、半導体層７の第１の面７ａの側に配線層５が形成されている。光感知セルアレイは、各々が光感知セル２ａおよび光感知セル２ｂを含む複数の単位ブロック４０を有している。この例では、光感知セルアレイから見て第１の面７ａ側に複数の分光要素１を有する分光要素アレイ１００が形成されている。また、分光要素アレイ１００に対して光感知セルアレイの反対側に透明基板６が形成される。透明基板６によって、半導体層７や分光要素アレイ１００などの構造物が支持される。このような構成により、各光感知セル２ａ、２ｂは、透明基板６および分光要素アレイ１００を透過して第１の面７ａから半導体層７に入射する光と、第２の面７ｂから半導体層７に入射する光とを受けることができる。
【００３３】
半導体層７の内部に配列された複数の光感知セルの各々は、第１の面７ａおよび第２の面７ｂの両面から入射する光を受け、受けた光の量に応じた電気信号（「光電変換信号」または「画素信号」と呼ぶこととする。）を出力する。本発明においては、第１の光によって光感知セルの配置面に形成される像と第２の光によって形成される像とが重なり合うように各構成要素は配置される。
【００３４】
以下、図２Ａに示す例における光電変換信号を説明する。
【００３５】
まず、撮像素子８には両側から同一の強度および分光分布を有する可視光（入射光）がそれぞれ入射するものとし、その可視光をＷと表す。ここで、Ｗで表される可視光は白色光とは限らず、被写体に応じて様々な色の光であり得る。本明細書では、可視光Ｗは３つの色成分Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に分類されるものとする。３つの色成分は、典型的には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）であるが、必ずしもＲ、Ｇ、Ｂの色成分である必要はない。
【００３６】
図２Ａに示す例では、分光要素１は、光感知セル２ａに対向し、入射光（Ｗ）をＣ１光とＣ１光の補色の波長域に含まれる光Ｃ１~とに分離する。分離されたＣ１光は光感知セル２ｂに入射し、Ｃ１~光は光感知セル２ａに入射する。ここで、Ｃ１~光は、Ｃ２光とＣ３光とが混合した光であるため、以下の説明において、Ｃ１~をＣ２＋Ｃ３と表すことがある。また、Ｃ１~光は、Ｗ光からＣ１光を除いた光であるため、Ｃ１~をＷ−Ｃ１と表すこともある。以下、他の色成分を示す記号についても同様の記法を用いることとする。
【００３７】
このような構成により、光感知セル２ａは、第１の面７ａ側の分光要素１から入射するＣ１~光と、第２の面７ｂ側から入射する光（Ｗ）とを受ける。光感知セル２ｂは、第１の面７ａ側の分光要素１から入射するＣ１光と、分光要素１を介さずに第１の面７ａ側、第２の面７ｂ側の両側からそれぞれ入射する光（２Ｗ）とを受ける。ここで、記号２Ｗは、片面から入射するＷ光の２倍の量であることを示すものとする。
【００３８】
光感知セル２ａ、２ｂから出力される光電変換信号をそれぞれＳ２ａ、Ｓ２ｂとし、Ｗ光、Ｃ１光、Ｃ２光、Ｃ３光の強度に相当する信号をそれぞれＷｓ、Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ３ｓと表すと、Ｓ２ａおよびＳ２ｂは、それぞれ以下の式１、２で表すことができる。
（式１）  Ｓ２ａ＝２Ｗｓ−Ｃ１ｓ＝Ｃ１ｓ＋２Ｃ２ｓ＋２Ｃ３ｓ
（式２）  Ｓ２ｂ＝２Ｗｓ＋Ｃ１ｓ＝３Ｃ１ｓ＋２Ｃ１ｓ＋２Ｃ３ｓ
【００３９】
Ｓ２ｂからＳ２ａを減じることにより、以下の式３が得られる。
（式３）  Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ＝２Ｃ１ｓ
すなわち、２画素の信号演算により、色成分Ｃ１の強度に相当するＣ１ｓ信号が得られる。
【００４０】
上記の信号演算を他の単位ブロック４０について繰り返し行うことによって、画素ごとの色成分Ｃ１の強度分布を求めることができる。言い換えれば、上記の信号演算によって色成分Ｃ１の画像を得ることができる。
【００４１】
他の色成分Ｃ２、Ｃ３についても同様の構成によって対応する色信号を得ることができる。例えば、入射光をＣ２光とその補色の波長域に含まれる光Ｃ２~（＝Ｗ−Ｃ２）とに分離する分光要素を、上記の分光要素１が配置された行の隣接行に配置し、４画素を１つの単位ブロックとすれば、同様の信号演算によって、Ｃ２光の強度を示す信号Ｃ２ｓも得ることができる。式１、２より、Ｓ２ａとＳ２ｂとの加算から４Ｗｓが得られるため、Ｗｓ−Ｃ１ｓ―Ｃ２ｓの演算を行えば、Ｃ３光の強度を示す信号Ｃ３ｓも得ることができる。すなわち、４画素の信号演算によって３つの色信号が得られるため、カラー画像を生成することができる。
【００４２】
なお、本発明における撮像素子の基本構造は、図２Ａに示す例に限られるものではなく、多様な形態で実現可能である。以下、本発明に用いられ得る撮像素子の基本構造のいくつかを例示する。
【００４３】
図２Ｂは、光感知セルアレイに対応してマイクロレンズアレイが配置された例を示している。この例では、光感知セル２ａに対向して第１の面７ａ側にマイクロレンズ４が配置され、光感知セル２ｂに対向して第２の面７ｂ側にマイクロレンズ５が配置されている。各マイクロレンズ４、５は、２画素分に相当する領域に入射する光を１画素に集光するように形成されている。このため、分光要素１に入射する光の量は、図２Ａの構成を採用した場合の２倍に相当し、分光されるＣ１光、Ｃ１~光の量も図２Ａの構成におけるＣ１光、Ｃ１~光の量の２倍に相当する。同様に、光感知セル２ｂに第２の面７ｂ側から入射する光の量も図２Ｂの構成における光の量の２倍に相当する。
【００４４】
このような構成により、光感知セル２ａ、２ｂから出力される光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、それぞれ以下の式４、５で表すことができる。
（式４）  Ｓ２ａ＝２Ｗｓ−２Ｃ１ｓ
（式５）  Ｓ２ｂ＝２Ｗｓ＋２Ｃ１ｓ
【００４５】
したがって、この例においても２画素の差分演算により、色成分Ｃ１の強度を示す信号Ｃ１ｓを得ることができる。
【００４６】
以上の例では、分光要素アレイ１００は、光感知セルアレイに対して第１の面７ａ側にのみ配置されているが、第２の面７ｂ側に配置されていてもよいし、両面側に配置されていてもよい。
【００４７】
図２Ｃは、分光要素アレイが光感知セルアレイの両面側に配置された例を示している。図示されるように、光感知セルアレイに対向して第１の面７ａ側に第１の分光要素アレイ１００ａが形成され、第２の面７ｂ側に第２の分光要素アレイ１００ｂが形成されている。この例では、第１分光要素アレイ１００ａは光感知セル２ａに対向する分光要素１を有し、第２分光要素アレイ１００ｂも光感知セル２ａに対向する分光要素１を有している。光感知セル２ａの両面側に配置された分光要素１は、ともにＣ１光を光感知セル２ｂに入射させ、Ｃ１~光を光感知セル２ａに入射させる。その結果、光感知セル２ａは、２つの分光要素１から入射する光２Ｃ１~（＝２Ｗ−２Ｃ１）を受ける。光感知セル２ｂは、２つの分光要素１から入射する光（２Ｃ１）と、分光要素１を経由せずに両面側から直接入射する光（２Ｗ）とを受ける。
【００４８】
以上の構成により、光感知セル２ａ、２ｂから出力される光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、図２Ｂに示す構成における信号と同様、それぞれ式４、式５で表される。従って、図２Ｃの構成を採用した場合も、上記の信号演算によって色情報を得ることができる。
【００４９】
このように、本発明による撮像素子８によれば、光を吸収する色フィルタを用いることなく、分光要素を利用して色情報を生成できるため、光利用率を向上させることができる。また、本発明の撮像素子８は、両側から受光するため、片側だけで受光する従来の撮像素子に比べて、製造の自由度が向上する。具体的には、分光要素アレイなどの構造物を１つの面側のみならず、両面側に形成することができるため、一方の面側に形成される分光要素の配置密度を低減させることが可能となる。
【００５０】
以下、本発明の好ましい実施形態について、図３〜６Ｃを参照しながら説明する。以下の説明において、全ての図にわたって共通する要素には同一の符号を付している。
【００５１】
（実施形態１）
まず、本発明の第１の実施形態を説明する。図３は、本発明の第１の実施形態による撮像装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の撮像装置は、デジタル式の電子カメラであり、撮像部３００と、撮像部３００から送出される信号に基づいて画像を示す信号（画像信号）を生成する信号処理部４００とを備えている。なお、撮像装置は静止画のみを生成してもよいし、動画を生成する機能を備えていてもよい。
【００５２】
撮像部３００は、被写体を結像するための光学系２０と、光電変換によって光情報を電気信号に変換する固体撮像素子８（イメージセンサ）と、撮像素子８を駆動するための基本信号を発生するとともに撮像素子８からの出力信号を受信して信号処理部４００に送出する信号発生／受信部２１とを備えている。光学系２０は、光学レンズ１２と、ハーフミラー１１と、２つの反射ミラー１０と、２つの光学フィルタ１６とを備えている。光学レンズ１２は、公知のレンズであり、複数のレンズを有するレンズユニットであり得る。光学フィルタ１６は、画素配列が原因で発生するモアレパターンを低減するための水晶ローパスフィルタに、赤外線を除去するための赤外カットフィルタを合体させたものである。撮像素子８は、典型的にはＣＭＯＳまたはＣＣＤであり、公知の半導体製造技術によって製造される。撮像素子８は、不図示の駆動回路や信号処理回路を含む処理部と電気的に接続される。信号発生／受信部１３および素子駆動部１４は、例えばＣＣＤドライバなどのＬＳＩから構成されている。
【００５３】
信号処理部４００は、撮像部３００から送出される信号を処理して画像信号を生成する画像信号生成部２５と、画像信号の生成過程で発生する各種のデータを格納するメモリ２３と、生成した画像信号を外部に送出する画像信号出力部２７とを備えている。画像信号生成部２５は、公知のデジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）などのハードウェアと、画像信号生成処理を含む画像処理を実行するソフトウェアとの組合せによって好適に実現され得る。メモリ２３は、ＤＲＡＭなどによって構成される。メモリ２３は、撮像部３００から送出された信号を記録するとともに、画像信号生成部２５によって生成された画像データや、圧縮された画像データを一時的に記録する。これらの画像データは、画像信号出力部２７を介して不図示の記録媒体や表示部などに送出される。
【００５４】
なお、本実施形態の撮像装置は、電子シャッタ、ビューファインダ、電源（電池）、フラッシュライトなどの公知の構成要素を備え得るが、それらの説明は本発明の理解に特に必要でないため省略する。また、以上の構成はあくまでも一例であり、本発明において、撮像素子８および画像信号生成部２５を除く構成要素には、公知の要素を適切に組み合わせて用いることができる。
【００５５】
以下、本実施形態における光学系２０の構成を説明する。
【００５６】
図４は、本実施形態における光学系２０の構成を模式的に示す図である。光学系２０は、被写体から入射する光を集光するレンズ１２と、レンズ１２を透過した光を透過光と反射光とに分離するハーフミラー１１と、ハーフミラー１１によって分離された２つの光をそれぞれ反射する２つの反射ミラー１０とを含んでいる。なお、光学系２０は、上記の光学フィルタ１６などの他の要素を含み得るが、図４ではレンズ１２、ハーフミラー１１、反射ミラー１０以外の構成要素の記載は省略されている。光学系２０の各構成要素は、２つの反射ミラー１０によって反射された光がそれぞれ撮像素子８に両側から結像するように構成されている。ここで、撮像素子８は、半導体層を支持する透明基板を有しており、配線層が設けられた面（表面）および配線層が設けられていない面（裏面）の両側から受光できる。光学系２０および撮像素子８は、透明パッケージ９に収納保持されている。透明パッケージ９は、２つの透明容器を接合することによって形成される。なお、図４では簡単のため、レンズ１２は単一のレンズとして描かれているが、レンズ１２は、一般には光軸方向に並んだ複数のレンズによって構成され得る。また、光学系２０は、図４に示される構成に限られず、撮像素子８に両側から結像するものであればどのように構成されていてもよい。
【００５７】
次に、本実施形態における撮像素子８を説明する。
【００５８】
本実施形態における撮像素子８は、表面と裏面とを有する半導体層を有している。表面と裏面との間には２次元状に配列された複数の光感知セル（画素）を含む光感知セルアレイが配置されている。２つの反射ミラー１０によって反射された光は、表面または裏面を通って光感知セルアレイに入射する。各光感知セルは、典型的にはフォトダイオードであり、光電変換によって入射光量に応じた光電変換信号（画素信号）を出力する。
【００５９】
図５Ａは、本実施形態における画素配列の例を示す平面図である。光感知セルアレイ２００は、例えば、図５Ａに示すように撮像面上に正方格子状に配列された複数の光感知セル２を含んでいる。光感知セルアレイ２００は、複数の単位ブロック４０から構成され、各単位ブロック４０は４つの光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを含んでいる。なお、光感知セルの配列は、このような正方格子状の配列ではなく、例えば、図５Ｂに示す斜交型の配列であってもよいし、他の配列であってもよい。また、各単位ブロックに含まれる４つの光感知セル２ａ〜２ｄは、図５Ａ、５Ｂに示すように互いに近接していることが好ましいが、これらが離れていても、後述する分光要素アレイを適切に構成することによって色情報を得ることが可能である。また、各単位ブロックが５個以上の光感知セルを含んでいてもよい。
【００６０】
本実施形態では、光感知セルアレイ２００に対向して、表面側および裏面側に複数の分光要素を含む分光要素アレイがそれぞれ配置される。以下、本実施形態における分光要素を説明する。
【００６１】
本実施形態における分光要素は、屈折率が異なる２種類の透光性部材の境界で生じる光の回折を利用して入射光を波長域に応じて異なる方向に向ける光学素子である。このタイプの分光要素は、屈折率が相対的に高い材料で形成された高屈折率透明部材（コア部）と、屈折率が相対的に低い材料で形成されコア部の各々の側面と接する低屈折率透明部材（クラッド部）とを有している。コア部とクラッド部との間の屈折率差により、両者を透過した光の間で位相差が生じるため、回折が起こる。この位相差は光の波長によって異なるため、光を波長域（色成分）に応じて空間的に分離することが可能となる。例えば、第１の方向に第１の色成分の光を向け、第２の方向に第１の色成分以外の光を向けることが可能である。また、第１の方向および第２の方向に第１の色成分の光を半分ずつ向け、第３の方向に第１の色成分以外の光を向けることもできる。さらに、３つの方向にそれぞれ異なる色成分の光を向けることも可能である。コア部とクラッド部との屈折率差によって分光が可能になるため、本明細書では、高屈折率透明部材のことを「分光要素」と呼ぶことがある。このような回折型の分光要素の詳細は、例えば、特許第４２６４４６５号公報に開示されている。
【００６２】
以上のような分光要素を有する分光要素アレイは、公知の半導体製造技術により、薄膜の堆積およびパターニングを実行することにより、製造され得る。分光要素の材質（屈折率）、形状、サイズ、配列パターンなどを適切に設計することにより、個々の光感知セルに所望の波長域の光を分離・統合して入射させることが可能となる。その結果、各光感知セルが出力する光電変換信号の組から、必要な色成分に相当する信号を算出することができる。
【００６３】
以下、図６Ａ〜６Ｃを参照しながら本実施形態における撮像素子１０の基本構造および分光要素の働きを説明する。
【００６４】
図６Ａは撮像素子１０の基本構造を表面側から見た場合の平面図である。本実施形態においては、２行２列の画素構成を信号処理の基本単位とする。光感知セル２ａ、２ｄの各々に対向して表面側に分光要素１ａ、１ｄがそれぞれ配置されている。また、光感知セル２ｂ、２ｃに対向して裏面側には分光要素１ｂ、１ｃがそれぞれ配置されている。このような基本構造を有する複数のパターンが撮像素子８の撮像面に繰り返し形成されている。なお、以下の説明において、図中に示すｘｙ座標を用いることとし、ｘ軸方向を「水平方向」、ｙ軸方向を「垂直方向」と呼ぶことにする。
【００６５】
図６Ｂ、６Ｃは、それぞれ図６ＡにおけるＡＡ´線断面およびＢＢ´線断面を示す図である。撮像素子８は、シリコンなどの材料からなる半導体層７と、半導体層７の内部に配置された光感知セル２ａ〜２ｄと、半導体層７の表面側に形成された配線層５および低屈折率透明部材からなる透明層１７と、透明層１７の内部に配置された高屈折率透明部材からなる分光要素１ａ、１ｄ、および半導体層７の内部に配置された分光要素１ｂ、１ｃとを備えている。ここで、分光要素１ａ、１ｄは、互いに同一の特性を有している。また、分光要素１ａ、１ｄの各々に集光するマイクロレンズ４が透明層１７を隔てて半導体層７の表面側に配置されている。同様に、分光要素１ｂ、１ｃの各々に集光するマイクロレンズ３が半導体層７の裏面側に配置されている。半導体層７の表面側には、半導体層７や配線層５などを支持する透明基盤６が形成されている。透明基板６は透明層１７を介して半導体層７と接合されている。
【００６６】
図６Ｂ、６Ｃに示される構造は、公知の半導体プロセスによって作製される。例えば、以下の方法によって作製され得る。まず、ある程度の厚さを有する半導体基板の表面内部に光感知セルアレイおよび分光要素１ｂ、１ｃを形成し、表面上に配線層５、分光要素１ａ、１ｄ、マイクロレンズ４などの構造物を形成する。次に、半導体基板と透明基盤６とを透明層１７を介して接合する。その後、半導体基板を、例えば数ミクロン程度の厚さになるまで裏面側から研磨またはエッチングを行うことによって薄くし、半導体層７を形成する。半導体層７の形成後、裏面側にマイクロレンズ３などを形成する。ここで、裏面側の分光要素１ｂ、１ｃおよびマイクロレンズ３は、両面から光が入射したときに光感知セルアレイに形成される２つの像が重なるように、表面側の構造物の配置に合わせて形成される。
【００６７】
図６Ｂに示す分光要素１ａ、１ｂは、透明層１７および半導体層７よりも高屈折率の透明材料から形成され、光が出射する側の先端に段差を有する。透明層１７または半導体層７との屈折率差により、入射光を０次、１次、−１次などの回折光に分ける。これらの回折角が波長によって異なるため、光を色成分に応じて２方向に分けることができる。分光要素１ａは、直下の（対向する）光感知セル２ａに緑光（Ｇ）を入射させ、隣接する光感知セル２ｂにマゼンタ光の波長域に含まれる光（Ｒ＋Ｂ）を入射させる。分光要素１ｂは、直下の（対向する）光感知セル２ｂに黄光の波長域に含まれる光（Ｒ＋Ｇ）を入射させ、隣接の光感知セル２ａに青光（Ｂ）を入射させる。マイクロレンズ３、４は、水平方向２画素分、垂直方向１画素分の光を集光するもので、それらは互いに水平方向に１画素ピッチずれて配置されている。
【００６８】
図６Ｃに示す分光要素１ｃ、１ｄも透明層１７および半導体層７よりも高屈折率の透明材料から形成され、光が出射する側の先端に段差を有している。光感知セル２ｄに対向して表面側に配置された分光要素１ｄは、分光要素１ａと比べて１画素分水平方向にずれて配置されている。光感知セル２ｃに対向して裏面側に配置された分光要素１ｃは、直下の（対向する）光感知セル２ｃにシアン光の波長域に含まれる光（Ｇ＋Ｂ）を入射させ、隣接の光感知セル２ｄに赤光（Ｒ）を入射させる。分光要素１ｄは、分光要素１ａと同様、対向する光感知セル２ｄに緑光（Ｇ）を入射させ、隣接の光感知セル２ｃにマゼンタ光の波長域に含まれる光（Ｒ＋Ｂ）を入射させる。また、分光要素２ｃの配置に対応して、裏面側にマイクロレンズ３が配置され、分光要素２ｄの配置に対応して、表面側にマイクロレンズ４が配置されている。
【００６９】
以上のように、本実施形態における分光要素は、撮像素子の撮像面の片側に全て配置されるのではなく、撮像素子の両面側に分けて配置される。このような分散配置で色分離することにより、分光要素の配置密度を、従来技術を採用した場合の約１／２にすることができる。その結果、カラー撮像素子の作製におけるパターニング等の性能向上が期待できる。
【００７０】
以上の構成により、撮像光学系２０により２分された光は、撮像素子８の表側と裏側の撮像面に入射する。透明基板６は光を通すので、撮像素子８における各光感知セル２ａ〜２ｄは、表側および裏側から入射した光を受光することになる。撮像面の一方の側に入射する光の量はハーフミラーによって半減するが、マイクロレンズのサイズが２画素分のサイズに相当するので、各分光要素１ａ〜１ｄにはハーフミラーを設けない場合における１画素に入射する光の量に相当する量の光が入射する。以下、各光感知セルの受光量を説明する。
【００７１】
まず、光感知セル２ａ、２ｂが受ける光について説明する。撮像素子８の表側から入射した光は、透明基板６、マイクロレンズ４を通り、分光要素１ａによって緑光（Ｇ）と緑光以外（Ｒ＋Ｂ）とに分光され、それらはそれぞれ光感知セル２ａ、２ｂに入射する。一方、撮像素子８の裏側から入射した光は、マイクロレンズ３を通り、分光要素１ｂによって青光（Ｂ）と青光以外（Ｒ＋Ｇ）とに分光され、それらはそれぞれ光感知セル２ａ、２ｂに入射する。
【００７２】
次に、光感知セル２ｃ、２ｄが受ける光について説明する。撮像素子８の表側から入射した光は、透明基板６、マイクロレンズ４を通り、分光要素１ｄによって緑光以外（Ｒ＋Ｂ）と緑光（Ｇ）とに分光され、それらはそれぞれ光感知セル２ｃ、２ｄに入射する。一方、撮像素子８の裏側から入射した光は、マイクロレンズ３を通り、分光要素１ｃによって赤光以外（Ｇ＋Ｂ）と赤光（Ｒ）とに分光され、それらはそれぞれ光感知セル２ｃ、２ｄに入射する。
【００７３】
以上の構成により、光感知セル２ａ〜２ｄから出力される光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄは、入射光（可視光）、赤光、緑光、青光の強度に相当する信号をそれぞれＷｓ、Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓ、として、それぞれ以下の式６〜９で表される。
（式６）Ｓ２ａ＝＝Ｗｓ−Ｒｓ＝Ｇｓ＋Ｂｓ
（式７）Ｓ２ｂ＝Ｗｓ＋Ｒｓ＝２Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
（式８）Ｓ２ｃ＝Ｗｓ＋Ｂｓ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ
（式９）Ｓ２ｄ＝Ｗｓ−Ｂｓ＝Ｒｓ＋Ｇｓ
【００７４】
式６〜９に基づく加減算により、以下の式１０〜１３が得られる。
（式１０）Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ＝２Ｒｓ
（式１１）Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝２Ｒｓ＋２Ｇｓ＋２Ｂｓ＝２Ｗｓ
（式１２）Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄ＝２Ｂｓ
（式１３）Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝２Ｒｓ＋２Ｇｓ＋２Ｂｓ＝２Ｗｓ
【００７５】
画像信号生成部２５（図３）は、式６〜９で表される光電変換信号を用いて式１０〜１３で表される演算を実行することによって色情報を生成する。このように、水平方向（ｘ方向）の光感知セル間の信号減算によりＲ信号およびＢ信号が得られ、水平方向の光感知セルの信号加算によりＷ信号が得られる。さらに、Ｗ信号からＲ信号およびＢ信号を減算することにより、Ｇ信号が得られる。以上の信号演算により、ＲＧＢ信号から成るカラー信号が得られる。
【００７６】
画像信号生成部１５は、以上の信号演算を光感知セルアレイ２００の単位ブロック４０ごとに実行することによってＲ、Ｇ、Ｂの各色成分の画像を示す信号（「カラー画像信号」と呼ぶ。）を生成する。生成されたカラー画像信号は、画像信号出力部１６によって不図示の記録媒体や表示部に出力される。
【００７７】
以上のように、本実施形態の撮像装置によれば、４つの光感知セルから出力される光電変換信号を用いた簡単な演算によって色分離できる。一方、画素の分解能に関して、垂直方向（ｙ方向）については１画素に１つの単位でマイクロレンズが配置されているため、解像度劣化は問題にならない。しかし、水平方向（ｘ方向）についてはマイクロレンズが２画素に１つの単位で配置されているので、解像度の劣化が考えられる。しかしながら、本実施形態においては、マイクロレンズの水平方向の配置が、１行ごとに１画素分ずつずれた所謂画素ずらし構成になっているため、水平方向についても、１画素に１つの単位でマイクロレンズを配置した場合と同程度の分解能を確保できる。
【００７８】
以上のように、本実施形態の撮像装置によれば、光吸収の無い分光要素が用いられるため、光利用率が高く、高感度の撮像が可能となる。また、緑光（Ｇ）と緑光以外（Ｒ＋Ｂ）とに分光する分光要素１ａ、および青光（Ｂ）と青光以外（Ｒ＋Ｇ）とに分光する分光要素１ｂの組み合わせが用いられる。同様に、赤光（Ｒ）と赤光以外（Ｇ＋Ｂ）とに分光する分光要素１ｃ、および緑光（Ｇ）と緑光以外（Ｒ＋Ｂ）とに分光する分光要素１ｄの組み合わせが用いられる。このような分光要素の組み合わせにより、高感度で色分離でき、かつ解像度としても問題ない画像を取得することができる。さらに、水平方向、垂直方向のいずれも１画素おきに分光要素が撮像素子８の表面側と裏面側とに分散して配置されているため、１面あたりの分光要素の配置密度が従来技術による場合よりも減少する。その結果、撮像素子８の作製における分光要素のパターニング特性を向上できるという効果がある。
【００７９】
なお、画像信号生成部１５は、必ずしも３つの色成分の画像信号を全て生成しなくてもよい。用途に応じて１色または２色の画像信号だけを生成するように構成されていてもよい。また、必要に応じて信号の増幅、合成、補正を行ってもよい。
【００８０】
また、各分光要素は、上述した分光性能を厳密に有していることが理想であるが、それらの分光性能が多少ずれていてもよい。すなわち、各光感知セルから出力される光電変換信号が、式６〜９で表される信号から多少ずれていてもよい。各分光要素の分光性能が理想的な性能からずれていても、ずれの程度に応じて信号を補正することによって良好な色情報を得ることができる。
【００８１】
さらに、本実施形態における画像信号生成部１５が行う信号演算を、撮像装置自身ではない他の機器に実行させることも可能である。例えば、撮像素子８から出力される光電変換信号の入力を受けた外部の機器に本実施形態における信号演算処理を規定するプログラムを実行させることによっても色情報を生成することができる。
【００８２】
また、光学系２０におけるハーフミラー１１は、光を２等分するものに限られず、透過率と反射率とが異なっていてもよい。その場合、透過光と反射光の強度の比率に応じて演算式を適切に修正することによって、色情報を生成することができる。
【００８３】
以上の説明において、分光要素１ａ〜１ｄは、それぞれ光感知セル２ａ〜２ｄに対向しているものとしたが、必ずしも対向している必要はない。各分光要素は、２つの光感知セルを覆うように配置されていてもよい。また、上記の説明における分光要素１ａ〜１ｄは、回折を利用して光を色成分に応じて分離するが、他の手段によって分光を行ってもよい。例えば、分光要素１ａ〜１ｄとして、公知のマイクロプリズムや、ダイクロイックミラーなどを用いてもよい。
【００８４】
なお、各分光要素による分光のパターンは上記の例に限るものではない。光を原色の波長域の光（原色光）とその補色の波長域の光（補色光）とに分光する複数の分光要素を用いて、２種類の原色光または２種類の補色光を各光感知セルが受光できる構成及び構造であれば、上記と同様の処理によって色分離できる。
【００８５】
以下に、本実施形態における色分離処理を一般化した場合の色分離処理について説明する。以下の説明において、入射光（可視光）Ｗは３つの原色光Ｃｉ、Ｃｊ、Ｃｋに分類されるものとし、それらの補色光をそれぞれ（Ｃｊ＋Ｃｋ）、（Ｃｉ＋Ｃｋ）、（Ｃｉ＋Ｃｊ）とする。また、原色光Ｃｉ、Ｃｊ、Ｃｋの強度に相当する信号を、それぞれＣｉｓ、Ｃｊｓ、Ｃｋｓとする。
【００８６】
このように一般化された場合、各構成要素は、光感知セル２ａが表側からＣｊ光を受け、裏側からＣｋ光を受けるように構成されていればよい。この場合、光感知セル２ｂは、表側から（Ｃｉ＋Ｃｋ）光を受け、裏側から（Ｃｉ＋Ｃｊ）光を受ける。また、光感知セル２ｃは、表側から（Ｃｉ＋Ｃｋ）光を受け、裏側から（Ｃｊ＋Ｃｋ）光を受ける。光感知セル２ｄは、表側からＣｊ光を受け、裏側からＣｉ光を受ける。
【００８７】
以上の構成により、各光感知セル２ａ〜２ｄの信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄは、それぞれ以下の式１４〜１７で表される。
（式１４）Ｓ２ａ＝Ｃｊｓ＋Ｃｋｓ
（式１５）Ｓ２ｂ＝２Ｃｉｓ＋Ｃｊｓ＋Ｃｋｓ
（式１６）Ｓ２ｃ＝Ｃｉｓ＋Ｃｊｓ＋２Ｃｋｓ
（式１７）Ｓ２ｄ＝Ｃｉｓ＋Ｃｊｓ
【００８８】
式１４〜１７に基づく加減算により、以下の式１８〜２１が得られる。
（式１８）Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ＝２Ｃｉｓ
（式１９）Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝２Ｃｉｓ＋２Ｃｊｓ＋２Ｃｋｓ＝２Ｗｓ
（式２０）Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄ＝２Ｃｋｓ
（式２１）Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝２Ｃｉｓ＋２Ｃｊｓ＋２Ｃｋｓ＝２Ｗｓ
【００８９】
すなわち、水平方向の光感知セル間の信号減算によってＣｉ光、Ｃｋ光の強度を示す信号Ｃｉｓ、Ｃｋｓが得られ、水平方向の光感知セルの信号加算によってＷ光の強度を示す信号Ｗｓ（＝Ｃｉｓ＋Ｃｊｓ＋Ｃｋｓ）が得られる。得られたＷｓからＣｉｓおよびＣｋｓを減算することにより、Ｃｊ光の強度を示す信号Ｃｊｓが得られる。結果として、３色のカラー信号が得られる。以上の結果から、２種類の原色光および２種類の補色光を１つの光感知セルが受光できる構成及び構造であれば、本実施形態のける信号演算処理と同様の処理によって色分離できることがわかる。
【００９０】
（実施形態２）
次に、図７Ａ〜７Ｃを参照しながら、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態の撮像装置は、実施形態１の撮像装置と比較して、各分光要素の特性が異なっており、その他の構成要素は同一である。したがって、以下の説明において、実施形態１の撮像装置との相違点を中心に説明し、重複する点は説明を省略する。
【００９１】
図７Ａは、本実施形態における撮像素子８の画素構成を表側から見た図である。本実施形態においても２行２列の画素構成を信号処理の基本単位とする。光感知セル２ａ、２ｄに対向して表面側に分光要素１ｅ、１ｆがそれぞれ配置されている。また、光感知セル２ｂ、２ｃに対向して裏面側に分光要素１ｇ、１ｈがそれぞれ配置されている。ここで、分光要素１ｅと分光要素１ｇとは同一の特性を有している。なお、図７Ａでは、分光要素１ｅ〜１ｈの記載は省略されている。
【００９２】
図７Ｂは、図７ＡにおけるＣＣ´線断面図である。分光要素１ｅ、１ｆは、透明層１７および半導体層７よりも高屈折率の透明材料から形成され、透明層１７または半導体層７との屈折率差により、入射光を０次、１次、−１次などの回折光に分離する。これらの回折角が波長によって異なるため、光を色成分に応じて３方向に分けることができる。ここで、分光要素１ｅは、光が出射する側の先端に段差を有している。一方、分光要素１ｆは先端に段差がなく、直方体形状である。分光要素１ｅは、直下の（対向する）光感知セル２ａに緑光（Ｇ）を入射させ、隣接する一方の光感知セル２ｂに赤光（Ｒ）を入射させ、隣接する他方の光感知セルに青光（Ｂ）を入射させる。ここで、隣接する他方の光感知セルは、隣接する単位ブロック（第１隣接単位ブロック）に属している。分光要素１ｆ、は直下の（対向する）光感知セル２ｂに黄光の波長域に含まれる光（Ｒ＋Ｇ）を入射させ、光感知セル２ａおよび隣接する他の単位ブロック（第２隣接単位ブロック）に含まれる光感知セルに青光（Ｂ）を半分ずつ入射させる。なお、分光要素を除く構成要素については、実施形態１と同じであり、マイクロレンズ３、４の配置関係、サイズも実施形態１と同様である。
【００９３】
図７Ｃは、図７ＡにおけるＤＤ´線断面図である。分光要素１ｇ、１ｈも、分光要素１ｅ、１ｆと同様、透明で高屈折率の材料から形成され、回折を利用して光を色成分に応じて３方向に分離する。光感知セル２ｄに対向して表面側に配置されている分光要素１ｇは、分光要素１ｅと同一の特性を有し、分光要素１ｅに対して１画素分水平方向にずれて配置されている。分光要素１ｈは、光感知セル２ｃに対向して裏面側に配置されている。分光要素１ｇは、対向する光感知セル２ｄに緑光（Ｇ）を入射させ、光感知セル２ｃに青光（Ｂ）を入射させ、第２隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに赤光（Ｒ）を入射させる。分光要素１ｈは対向する光感知セル２ｃにシアン光の波長域に含まれる光（Ｇ＋Ｂ）を入射させ、光感知セル２ｄおよび第１隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに赤光（Ｒ）を半分ずつ入射させる。また、分光要素１ｇ、１ｈの配置に伴い、マイクロレンズ３、４がそれぞれに対向して配置がされている。
【００９４】
以上のように、本実施形態においても、分光要素は、撮像素子の撮像面の片側に全て配置されるのではなく、撮像素子の両面側に分けて配置される。このような分散配置で色分離することにより、分光要素の配置密度を、従来技術を採用した場合の約１／２にすることができる。その結果、カラー撮像素子の作製におけるパターニング等の性能向上が期待できる。
【００９５】
以上の構成により、撮像光学系２０により２分された光は、実施形態１の場合と同様、撮像素子８の表側と裏側の撮像面に入射する。撮像面の一方の側に入射する光の量はハーフミラーによって半減するが、マイクロレンズのサイズが２画素分のサイズに相当するので、各分光要素１ｅ〜１ｈにはハーフミラーを設けない場合における１画素に入射する光の量に相当する量の光が入射する。以下、各光感知セルの受光量を説明する。
【００９６】
まず、光感知セル２ａ、２ｂが受ける光について説明する。光感知セル２ａは、表面側から、分光要素１ｅを透過した緑光（Ｇ）を受け、裏面側から、２つの分光要素１ｆを透過した青光（Ｂ／２＋Ｂ／２）を受ける。ここで、２つの分光要素１ｆの一方は、第１隣接単位ブロックに属する１つの光感知セルに対向している。一方、光感知セル２ｂは、表面側から、分光要素１ｅを透過した赤光（Ｒ）と、第２隣接単位ブロックに属する１つの光感知セルに対向する分光要素を透過した青光（Ｂ）とを受け、裏面側から、分光用１ｆを透過した赤光および緑光（Ｒ＋Ｇ）を受ける。
【００９７】
次に、光感知セル２ｃ、２ｄが受ける光について説明する。光感知セル２ｃは、表面側から、分光要素１ｇを透過した青光（Ｂ）と、第１隣接単位ブロックに属する１つの光感知セルに対向する分光要素１ｇを透過した赤光（Ｒ）とを受け、裏面側から、分光要素１ｈを透過した緑光および青光（Ｇ＋Ｂ）を受ける。光感知セル２ｄは、表面側から、分光要素１ｇを透過した緑光（Ｇ）を受け、裏面側から、２つの分光要素１ｈを透過した赤光（Ｂ／２＋Ｂ／２）を受ける。ここで、２つの分光要素１ｈの一方は、第２隣接単位ブロックに属する１つの光感知セルに対向している。
【００９８】
以上の構成により、光感知セル２ａ〜２ｄにおける発生信号は、実施形態１における発生信号と全く同じで、それぞれ式６〜式９で表される。その結果、実施形態１と同様、４画素の簡単な信号演算によって色分離できる。また、画素の分解能に関して、垂直方向については１画素に１つの単位でマイクロレンズが配置されているため、解像度劣化は問題にならない。また、水平方向については、マイクロレンズが２画素に１つの単位で配置されているので、解像度劣化が考えられる。しかしながら、本実施形態においても、マイクロレンズの水平方向の配置が１行ごとに１画素分ずつずれた所謂画素ずらし構成になっているため、水平方向についても、１画素に１つの単位でマイクロレンズを配置した場合と同程度の分解能を確保できる。
【００９９】
以上のように、本実施形態の撮像装置によれば、光吸収の無い分光要素が用いられるため、光利用率が高く、高感度の撮像が可能となる。本実施形態においては、ＲＧＢの３成分に分光する分光要素１ｅ、および青光（Ｂ）と青光以外（Ｒ＋Ｇ）とに分光する分光要素１ｆの組み合わせが用いられる。同様に、ＲＧＢに分光する分光要素１ｈ、および赤光（Ｒ）と赤光以外（Ｇ＋Ｂ）とに分光する分光要素１ｇの組み合わせが用いられる。このような分光要素の組み合わせにより、高感度で色分離でき、かつ、解像度としても問題ない画像を取得することができる。さらに、水平方向、垂直方向のいずれも１画素おきに分光要素が撮像素子８の表面側と裏面側とに分散して配置されているため、１面あたりの分光要素の配置密度が従来技術による場合よりも減少する。その結果、撮像素子８の作製における分光要素のパターニング特性を向上できるという効果がある。
【０１００】
以上の説明において、分光要素１ｅ〜１ｈは、それぞれ光感知セル２ａ〜２ｄに対向しているものとしたが、必ずしも対向している必要はない。各分光要素は、２つの光感知セルを覆うように配置されていてもよい。また、上記の説明における分光要素１ｅ〜１ｈは、回折を利用して光を色成分に応じて分離するが、他の手段によって分光を行ってもよい。例えば、分光要素１ｅ〜１ｈとして、公知のマイクロプリズムや、ダイクロイックミラーなどを用いてもよい。
【０１０１】
なお、本実施形態においても、各分光要素による分光のパターンは上記のものに限るものではない。例えば、分光要素１ｆ、１ｈの代わりに、実施形態１における分光要素１ｂ、１ｃをそれぞれ用いてもよいし、分光要素１ｅ、１ｇの代わりに実施形態１における分光要素１ａ、１ｄをそれぞれ用いてもよい。このように、ＲＧＢに分光する分光要素、および原色と補色とに分光する分光要素を用いれば、本実施形態と全く同様の効果が得られる。本実施形態においても、各光感知セルが２種類の原色光または２種類の補色光を受光できる構成及び構造であれば、上記と同様の処理によって色分離でき、実施形態１で示した一般化が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明の固体撮像素子および撮像装置は、固体撮像素子を用いるすべてのカメラに有効である。例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの民生用カメラや、産業用の固体監視カメラなどに利用可能である。
【符号の説明】
【０１０３】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ    分光要素
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ    撮像素子の光感知セル
３、４    マイクロレンズ
５    撮像素子の配線層
６    撮像素子の透明基板
７    撮像素子の半導体層
８    撮像素子
９    透明パッケージ
１０    反射ミラー
１１    ハーフミラー
１２    レンズ
１３    赤（Ｒ）以外を反射する多層膜色フィルタ
１４    緑（Ｇ）のみを反射する多層膜色フィルタ
１５    青（Ｂ）のみを反射する多層膜色フィルタ
１６    光学フィルタ
１７    透明層
２０    光学系
２１    信号発生／受信部
２３    メモリ
２５    画像信号生成部
２７    画像信号出力部
４０    単位要素
１００  分光要素アレイ
２００  光感知セルアレイ
３００  撮像部
４００  信号処理部
【図１】
2011010455.tif 000003
【図２Ａ】
2011010455.tif 000004
【図２Ｂ】
2011010455.tif 000005
【図２Ｃ】
2011010455.tif 000006
【図３】
2011010455.tif 000007
【図４】
2011010455.tif 000008
【図５Ａ】
2011010455.tif 000009
【図５Ｂ】
2011010455.tif 000010
【図６Ａ】
2011010455.tif 000011
【図６Ｂ】
2011010455.tif 000012
【図６Ｃ】
2011010455.tif 000013
【図７Ａ】
2011010455.tif 000014
【図７Ｂ】
2011010455.tif 000015
【図７Ｃ】
2011010455.tif 000016
【図８】
2011010455.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成22年11月30日(2010.11.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子の高感度化およびカラー化の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（以下、「撮像素子」と称する場合がある。）を用いたデジタルカメラやデジタルムービーの高機能化、高性能化には目を見張るものがある。特に半導体製造技術の急速な進歩により、撮像素子における画素構造の微細化が進んでいる。その結果、撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られ、撮像素子の高性能化が図られている。特に最近では、固体撮像素子の配線層が形成された面（表面）側ではなく、裏面側で受光する裏面照射型（Ｂａｃｋｓｉｄｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）の撮像素子を用いたカメラも開発され、その高感度特性等が注目されている。その一方で撮像素子の多画素化に伴い、１画素の受ける光量が低下するため、カメラ感度が低下するという問題が起きている。
【０００３】
カメラの感度低下は、多画素化以外にも、色分離用の色フィルタが用いられることにも原因がある。通常の色フィルタは、利用する色成分以外の光を吸収するため、このような色フィルタを用いた場合、カメラの光利用率は低下する。具体的な例として、ベイヤー型の色フィルタを用いたカラーカメラでは、撮像素子の各光感知部上に有機顔料を色素とする減色型の色フィルタが配置されるため、光利用率はかなり低い。ベイヤー型の色フィルタ配列は、赤（Ｒ）１要素、緑（Ｇ）２要素、青（Ｂ）１要素を基本構成とした配列である。ＲフィルタはＲ光を透過させ、Ｇ光、Ｂ光を吸収する。ＧフィルタはＧ光を透過させ、Ｒ光、Ｂ光を吸収する。ＢフィルタはＢ光を透過させ、Ｒ光、Ｇ光を吸収する。すなわち、色フィルタを透過する光はＲＧＢ３色の内の１色であり、その他の２色は色フィルタに吸収される。したがって、利用される光は入射光の約１／３である。
【０００４】
このような感度低下の問題を解決するため、撮像素子の受光部にマイクロレンズアレイを取り付けることによって受光量を増やす手法が特許文献１に開示されている。この手法によれば、マイクロレンズで集光することによって、実質的に光開口率を向上させることができる。この手法は、現在殆どの固体撮像素子に用いられている。この手法を用いると、実質的な開口率は向上するが、色フィルタによる光利用率低下の問題を解決するものではない。
【０００５】
そこで、光利用率低下と感度低下の問題を同時に解決する方法として、多層膜の色フィルタ（ダイクロイックミラー）とマイクロレンズとを組み合わせて、光を最大限取り込む構造を有する撮像素子が特許文献２に開示されている。この撮像素子では、光を吸収せず特定波長域の光を選択的に透過させ他の波長域の光を反射する複数のダイクロイックミラーが用いられる。各ダイクロイックミラーは、必要な光のみを選択的に対応する光感知部に入射させ、その他の光を透過させる。図８に特許文献２に開示された撮像素子の断面図を示す。
【０００６】
図８に示される固体撮像素子によれば、集光マイクロレンズ１１に入射した光は、インナーレンズ１２によって光束を調整された後、第１ダイクロイックミラー１３に入射する。第１ダイクロイックミラー１３は、赤（Ｒ）の光を透過させるが、その他の色の光は反射する。第２ダイクロイックミラー１４は、緑（Ｇ）の光を反射するが、その他の色の光は透過させる。第３ダイクロイックミラー１５は、青（Ｂ）の光を反射するが、その他の色の光は透過させる。第１ダイクロイックミラー１３を透過した光は、直下の光感知セル２に入射する。第１ダイクロイックミラー１３で反射された光は、隣接する第２ダイクロイックミラー１４に入射する。第２ダイクロイックミラー１４は、緑（Ｇ）の光を反射し、青（Ｂ）の光を透過する。第２ダイクロイックミラー１４で反射された緑の光は、その直下の光感知セル２に入射する。第２ダイクロイックミラー１４を透過した青の光は、第３ダイクロイックミラー１５で反射され、その直下の光感知セル２に入射する。このような固体撮像素子によれば、集光マイクロレンズ１１に入射した可視光は、色フィルタによって吸収されることなく、ＲＧＢ各色の光が光感知セルによって無駄なく検出される。
【０００７】
上記の従来技術のほか、マイクロプリズムを用いることによって光の損失を防ぐことができる撮像素子が特許文献３に開示されている。この撮像素子は、マイクロプリズムにより赤、緑、青に分離した光をそれぞれ異なる光感知セルが受光する構造を有している。このような撮像素子を用いた場合でも光の損失を防ぐことができる。
【０００８】
しかしながら、特許文献２、３に開示された技術では、利用するダイクロイックミラーの数だけ、あるいは分光する数だけ光感知セルを設ける必要がある。例えば赤、緑、青の光を受光するには、光感知セルを、色フィルタを用いた場合の光感知セルの数と比較して３倍に増やさなければならないという課題が残る。
【０００９】
一方、上記の従来技術とは異なり、撮像素子の両側から光を取り込む技術が特許文献４に開示されている。この技術では、撮像素子の表側と裏側にそれぞれ可視光と非可視光（赤外線または紫外線）とが入射するように、光学系および色フィルタが配置される。この技術によれば、可視光および非可視光の画像を１つの撮像素子で取得することができるが、色フィルタによる光利用率の低下の問題を解決するものではない。
【００１０】
また、特許文献５には、各光感知セルに対応して配置されたマイクロプリズムなどの構造物（分光要素）を用いて大幅に光感知セルを増やすことなく光利用率を高めるカラー化技術が開示されている。この技術によれば、光感知セルに対応して配置された分光要素によって光が波長域に応じて異なる光感知セルに入射する。個々の光感知セルは、複数の分光要素から異なる波長域の成分が重畳された光を受ける。その結果、各光感知セルから出力される光電変換信号を用いた信号演算によって色信号を生成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭５９−９０４６７号公報
【特許文献２】特開２０００−１５１９３３号公報
【特許文献３】特開２００１−３０９３９５号公報
【特許文献４】特開２００８−０７２４２３号公報
【特許文献５】国際公開第２００９／１５３９３７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術では、光吸収タイプの色フィルタを用いれば、大幅に光感知セルを増やさずに済むが、光利用率が低くなる。一方、光選択透過タイプの色フィルタ（ダイクロイックミラー）やマイクロプリズムを用いれば、光利用率は高いが、光感知セルを大幅に増やさなければならない。
【００１３】
一方、特許文献５に開示された技術によれば、確かに光利用率の高いカラー画像が理論上得られるが、マイクロプリズム等の構造物を撮像素子の画素に対応して高密度に配置することは、難易度が高いと考えられる。
【００１４】
そこで、本発明は、分光可能な構造物の低密度化を図ると共に、光感知セルを大幅に増やさずとも色分離できるカラー撮像技術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】
【００１５】
本発明の撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系とを備えている。前記固体撮像素子は、第１の面および前記第１の面の反対側に位置する第２の面を有する半導体層と、前記半導体層中に形成され、前記第１の面側および前記第２の面側から光を受ける光感知セルアレイと、前記光感知セルアレイに対向して前記第１の面側および前記第２の面側の少なくとも一方の側に形成された分光要素アレイとを有している。前記光感知セルアレイは、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックを有している。前記分光要素アレイは、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルに異なる波長域の光を入射させる。
【００１６】
ある実施形態において、前記光学系は、光を前記第１の面および前記第２の面にそれぞれ半分ずつ入射させる。
【００１７】
ある実施形態において、前記分光要素アレイは、前記光感知セルアレイに対向して前記第１の面側に形成された第１分光要素アレイと、前記光感知セルアレイに対向して前記第２の面側に形成された第２分光要素アレイとを有している。前記第１分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに第１波長域の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第１波長域以外の光を入射させる。前記第２分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第２波長域以外の光を入射させる。
【００１８】
ある実施形態において、入射光を第１の色成分の光、第２の色成分の光、および第３の色成分の光に分類するとき、前記第１分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１の分光要素であって、前記第１の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第２および第３の色成分の光を入射させる第１の分光要素を有している。また、前記第２分光要素アレイは、前記第２の光感知セルに対応して配置された第２の分光要素であって、前記第１の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第１および第３の色成分の光を入射させる第２の分光要素を有している。
【００１９】
ある実施形態において、入射光を第１の色成分の光、第２の色成分の光、および第３の色成分の光に分類するとき、前記第１分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１の分光要素であって、前記第１の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、隣接する第１の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第３の色成分の光を入射させる第１の分光要素を有している。また、前記第２分光要素アレイは、前記第２の光感知セルに対応して配置された第２の分光要素であって、前記第１の光感知セルおよび隣接する第２の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第３の色成分の光を半分ずつ入射させ、前記第２の光感知セルに前記第１および第２の色成分の光を入射させる第２の分光要素を有している。前記第１の光感知セルは、前記第１の分光要素から入射する前記第１の色成分の光と、前記第２の分光要素および前記第１の隣接単位ブロックに含まれる分光要素から入射する前記第３の色成分の光とを受ける。前記第２の光感知セルは、前記第１の分光要素から入射する前記第２の色成分の光と、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる分光要素から入射する前記第３の色成分の光と、前記第２の分光要素から入射する前記第１および第２の色成分の光とを受ける。
【００２０】
ある実施形態において、各単位ブロックは、第３の光感知セルおよび第４の光感知セルを含み、前記第１分光要素アレイは、前記第３の光感知セルに対応して配置された第３の分光要素であって、前記第３の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第２および第３の色成分の光を入射させる第３の分光要素を有している。前記第２分光要素アレイは、前記第４の光感知セルに対応して配置された第４の分光要素であって、前記第３の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第１および第３の色成分の光を入射させる第４の分光要素を有している。
【００２１】
ある実施形態において、各単位ブロックは、第３の光感知セルおよび第４の光感知セルを含み、前記第１分光要素アレイは、前記第３の光感知セルに対応して配置された第３の分光要素であって、前記第３の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第３の色成分の光を入射させ、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させる第３の分光要素を有している。前記第２分光要素アレイは、各単位ブロックに含まれる前記第４の光感知セルに対応して配置された第４の分光要素であって、前記第３の光感知セルおよび前記第１の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第２の色成分の光を半分ずつ入射させ、前記第４の光感知セルに前記第１および第３の色成分の光を入射させる第４の分光要素を有している。前記第３の光感知セルは、前記第３の分光要素から入射する前記第１の色成分の光と、前記第４の分光要素および前記第２の隣接単位要素に含まれる分光要素から入射する前記第２の色成分の光とを受ける。前記第４の光感知セルは、前記第３の分光要素から入射する前記第３波長域の光と、前記第１の隣接単位要素に含まれる分光要素から入射する前記第２波長域の光と、前記第４の分光要素から入射する前記第１波長域および前記第３波長域の光とを受ける。
【００２２】
ある実施形態において、前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、および前記第４の光感知セルは、行列状に配置され、前記第１の光感知セルは、前記第２の光感知セルに隣接し、前記第３の光感知セルは、前記第４の光感知セルに隣接している。
【００２３】
ある実施形態において、前記固体撮像素子は、前記第１分光要素アレイに対向して形成された第１マイクロレンズアレイであって、各々が前記第１の分光要素および前記第３の分光要素の各々に集光する複数のマイクロレンズを含む第１マイクロレンズアレイと、前記第２分光要素アレイに対向して形成された第２マイクロレンズアレイであって、各々が前記第２の分光要素および前記第４の分光要素の各々に集光する複数のマイクロレンズを含む第２マイクロレンズアレイとを有している。
【００２４】
ある実施形態において、撮像装置は、信号処理部をさらに備え、前記信号処理部は、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルからそれぞれ出力される光電変換信号に基づいて、１つの色信号を生成する。
【００２５】
ある実施形態において、前記信号処理部は、前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、および前記第４の光感知セルからそれぞれ出力される光電変換信号に基づいて、３つの色信号を生成する。
【００２６】
本発明の固体撮像素子は、第１の面および前記第１の面の反対側に位置する第２の面を有する半導体層と、前記半導体層中に形成され、前記第１の面側および前記第２の面側から光を受ける光感知セルアレイと、前記光感知セルアレイに対向して前記第１の面側および前記第２の面側の少なくとも一方の側に形成された分光要素アレイとを有している。前記光感知セルアレイは、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックを有している。前記分光要素アレイは、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルに異なる波長域の光を入射させる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の固体撮像素子および撮像装置によれば、光感知セルアレイは光を表面側および裏面側から受光するとともに、光吸収しない分光要素アレイが用いられるため、光利用率を高めることができる。また、分光要素アレイを両面側に配置すれば、１面あたりの分光要素の密度を小さくすることができ、製造が容易になる。さらに、各分光要素を好適に配置することにより、３種類の色成分の信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の撮像装置の概略構成を示すブロック図
【図２Ａ】本発明における撮像素子の構造の一例を示す模式図
【図２Ｂ】本発明における撮像素子の他の例を示す模式図
【図２Ｃ】本発明における撮像素子のさらに他の一例を示す模式図
【図３】本発明の第１の実施形態における撮像装置の全体構成を示すブロック図
【図４】本発明の第１の実施形態における撮像装置の光学系の構成を示す模式図
【図５Ａ】本発明の第１の実施形態における画素構造の一例を示す図
【図５Ｂ】本発明の第１の実施形態における画素構造の他の例を示す図
【図６Ａ】本発明の第１の実施形態における撮像素子の基本構造を示す平面図
【図６Ｂ】図６ＡにおけるＡＡ´線断面図
【図６Ｃ】図６ＡにおけるＢＢ´線断面図
【図７Ａ】本発明の第２の実施形態における撮像素子の基本構造を示す平面図
【図７Ｂ】図７ＡにおけるＣＣ´線断面図
【図７Ｃ】図７ＡにおけるＤＤ´線断面図
【図８】マイクロレンズと多層膜色フィルタ（ダイクロイックミラー）とを用いた従来の固体撮像素子の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の好ましい実施形態を説明する前に、まず本発明の基本原理を説明する。なお、以下の説明において、波長域または色成分の異なる光を空間的に分離することを「分光」と称することがある。また、以下の説明において２つの光の波長域が異なるとは、２つの光に含まれる主要な色成分が異なっていることを意味するものとする。例えば、一方の光がマゼンタ（Ｍｇ）光であり、他方が赤（Ｒ）光であるとすると、前者の主要な色成分は赤（Ｒ）および青（Ｂ）であり、後者の主要な色成分である赤（Ｒ）とは異なっている。よって、マゼンタ光と赤光とは異なる波長域を有するものとする。
【００３０】
図１は、本発明の撮像装置の基本構成を示すブロック図である。本発明の撮像装置は、被写体を結像する光学系２０と、固体撮像素子８とを備える。固体撮像素子８は、半導体層７を有し、半導体層７の第１の面７ａと第１の面の反対側に位置する第２の面７ｂの両面で光を受けることができる。第１の面７ａと第２の面７ｂとの間には複数の光感知セル（本明細書において「画素」と呼ぶことがある。）を含む光感知セルアレイが２次元状に配列されている。各光感知セルは、第１の面７ａおよび第２の面７ｂの両面から入射する光を受ける。光感知セルアレイに対向して第１の面７ａおよび第２の面７ｂの少なくとも一方の側に分光要素アレイ１００が設けられる。図１に示す例では、分光要素アレイ１００は第１の面７ａ側に配置されているが、分光要素アレイ１００は第２の面７ｂ側に配置されていてもよいし両面側に配置されていてもよい。光学系２０は、入射光を第１の光と第２の光とに分離し、第１の光および第２の光をそれぞれ半導体層７の第１の面７ａおよび第２の面７ｂに入射させるように構成されている。
【００３１】
本発明における分光要素アレイ１００は、光感知セルアレイに含まれる第１の光感知セルおよび第２の光感知セルに互いに異なる波長域の光を入射させる。その結果、２つの光感知セルから出力される光電変換信号に基づく演算によって色情報を得ることができる。
【００３２】
図２Ａは、撮像素子８の内部構造の一例を模式的に示す断面図である。この例では、半導体層７の第１の面７ａの側に配線層５が形成されている。光感知セルアレイは、各々が光感知セル２ａおよび光感知セル２ｂを含む複数の単位ブロック４０を有している。この例では、光感知セルアレイから見て第１の面７ａ側に複数の分光要素１を有する分光要素アレイ１００が形成されている。また、分光要素アレイ１００に対して光感知セルアレイの反対側に透明基板６が形成される。透明基板６によって、半導体層７や分光要素アレイ１００などの構造物が支持される。このような構成により、各光感知セル２ａ、２ｂは、透明基板６および分光要素アレイ１００を透過して第１の面７ａから半導体層７に入射する光と、第２の面７ｂから半導体層７に入射する光とを受けることができる。
【００３３】
半導体層７の内部に配列された複数の光感知セルの各々は、第１の面７ａおよび第２の面７ｂの両面から入射する光を受け、受けた光の量に応じた電気信号（「光電変換信号」または「画素信号」と呼ぶこととする。）を出力する。本発明においては、第１の光によって光感知セルの配置面に形成される像と第２の光によって形成される像とが重なり合うように各構成要素は配置される。
【００３４】
以下、図２Ａに示す例における光電変換信号を説明する。
【００３５】
まず、撮像素子８には両側から同一の強度および分光分布を有する可視光（入射光）がそれぞれ入射するものとし、その可視光をＷと表す。ここで、Ｗで表される可視光は白色光とは限らず、被写体に応じて様々な色の光であり得る。本明細書では、可視光Ｗは３つの色成分Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に分類されるものとする。３つの色成分は、典型的には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）であるが、必ずしもＲ、Ｇ、Ｂの色成分である必要はない。
【００３６】
図２Ａに示す例では、分光要素１は、光感知セル２ａに対向し、入射光（Ｗ）をＣ１光とＣ１光の補色の波長域に含まれる光Ｃ１~とに分離する。分離されたＣ１光は光感知セル２ｂに入射し、Ｃ１~光は光感知セル２ａに入射する。ここで、Ｃ１~光は、Ｃ２光とＣ３光とが混合した光であるため、以下の説明において、Ｃ１~をＣ２＋Ｃ３と表すことがある。また、Ｃ１~光は、Ｗ光からＣ１光を除いた光であるため、Ｃ１~をＷ−Ｃ１と表すこともある。以下、他の色成分を示す記号についても同様の記法を用いることとする。
【００３７】
このような構成により、光感知セル２ａは、第１の面７ａ側の分光要素１から入射するＣ１~光と、第２の面７ｂ側から入射する光（Ｗ）とを受ける。光感知セル２ｂは、第１の面７ａ側の分光要素１から入射するＣ１光と、分光要素１を介さずに第１の面７ａ側、第２の面７ｂ側の両側からそれぞれ入射する光（２Ｗ）とを受ける。ここで、記号２Ｗは、片面から入射するＷ光の２倍の量であることを示すものとする。
【００３８】
光感知セル２ａ、２ｂから出力される光電変換信号をそれぞれＳ２ａ、Ｓ２ｂとし、Ｗ光、Ｃ１光、Ｃ２光、Ｃ３光の強度に相当する信号をそれぞれＷｓ、Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ３ｓと表すと、Ｓ２ａおよびＳ２ｂは、それぞれ以下の式１、２で表すことができる。
（式１）  Ｓ２ａ＝２Ｗｓ−Ｃ１ｓ＝Ｃ１ｓ＋２Ｃ２ｓ＋２Ｃ３ｓ
（式２）  Ｓ２ｂ＝２Ｗｓ＋Ｃ１ｓ＝３Ｃ１ｓ＋２Ｃ１ｓ＋２Ｃ３ｓ
【００３９】
Ｓ２ｂからＳ２ａを減じることにより、以下の式３が得られる。
（式３）  Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ＝２Ｃ１ｓ
すなわち、２画素の信号演算により、色成分Ｃ１の強度に相当するＣ１ｓ信号が得られる。
【００４０】
上記の信号演算を他の単位ブロック４０について繰り返し行うことによって、画素ごとの色成分Ｃ１の強度分布を求めることができる。言い換えれば、上記の信号演算によって色成分Ｃ１の画像を得ることができる。
【００４１】
他の色成分Ｃ２、Ｃ３についても同様の構成によって対応する色信号を得ることができる。例えば、入射光をＣ２光とその補色の波長域に含まれる光Ｃ２~（＝Ｗ−Ｃ２）とに分離する分光要素を、上記の分光要素１が配置された行の隣接行に配置し、４画素を１つの単位ブロックとすれば、同様の信号演算によって、Ｃ２光の強度を示す信号Ｃ２ｓも得ることができる。式１、２より、Ｓ２ａとＳ２ｂとの加算から４Ｗｓが得られるため、Ｗｓ−Ｃ１ｓ―Ｃ２ｓの演算を行えば、Ｃ３光の強度を示す信号Ｃ３ｓも得ることができる。すなわち、４画素の信号演算によって３つの色信号が得られるため、カラー画像を生成することができる。
【００４２】
なお、本発明における撮像素子の基本構造は、図２Ａに示す例に限られるものではなく、多様な形態で実現可能である。以下、本発明に用いられ得る撮像素子の基本構造のいくつかを例示する。
【００４３】
図２Ｂは、光感知セルアレイに対応してマイクロレンズアレイが配置された例を示している。この例では、光感知セル２ａに対向して第１の面７ａ側にマイクロレンズ４が配置され、光感知セル２ｂに対向して第２の面７ｂ側にマイクロレンズ５が配置されている。各マイクロレンズ４、５は、２画素分に相当する領域に入射する光を１画素に集光するように形成されている。このため、分光要素１に入射する光の量は、図２Ａの構成を採用した場合の２倍に相当し、分光されるＣ１光、Ｃ１~光の量も図２Ａの構成におけるＣ１光、Ｃ１~光の量の２倍に相当する。同様に、光感知セル２ｂに第２の面７ｂ側から入射する光の量も図２Ｂの構成における光の量の２倍に相当する。
【００４４】
このような構成により、光感知セル２ａ、２ｂから出力される光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、それぞれ以下の式４、５で表すことができる。
（式４）  Ｓ２ａ＝２Ｗｓ−２Ｃ１ｓ
（式５）  Ｓ２ｂ＝２Ｗｓ＋２Ｃ１ｓ
【００４５】
したがって、この例においても２画素の差分演算により、色成分Ｃ１の強度を示す信号Ｃ１ｓを得ることができる。
【００４６】
以上の例では、分光要素アレイ１００は、光感知セルアレイに対して第１の面７ａ側にのみ配置されているが、第２の面７ｂ側に配置されていてもよいし、両面側に配置されていてもよい。
【００４７】
図２Ｃは、分光要素アレイが光感知セルアレイの両面側に配置された例を示している。図示されるように、光感知セルアレイに対向して第１の面７ａ側に第１の分光要素アレイ１００ａが形成され、第２の面７ｂ側に第２の分光要素アレイ１００ｂが形成されている。この例では、第１分光要素アレイ１００ａは光感知セル２ａに対向する分光要素１を有し、第２分光要素アレイ１００ｂも光感知セル２ａに対向する分光要素１を有している。光感知セル２ａの両面側に配置された分光要素１は、ともにＣ１光を光感知セル２ｂに入射させ、Ｃ１~光を光感知セル２ａに入射させる。その結果、光感知セル２ａは、２つの分光要素１から入射する光２Ｃ１~（＝２Ｗ−２Ｃ１）を受ける。光感知セル２ｂは、２つの分光要素１から入射する光（２Ｃ１）と、分光要素１を経由せずに両面側から直接入射する光（２Ｗ）とを受ける。
【００４８】
以上の構成により、光感知セル２ａ、２ｂから出力される光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、図２Ｂに示す構成における信号と同様、それぞれ式４、式５で表される。従って、図２Ｃの構成を採用した場合も、上記の信号演算によって色情報を得ることができる。
【００４９】
このように、本発明による撮像素子８によれば、光を吸収する色フィルタを用いることなく、分光要素を利用して色情報を生成できるため、光利用率を向上させることができる。また、本発明の撮像素子８は、両側から受光するため、片側だけで受光する従来の撮像素子に比べて、製造の自由度が向上する。具体的には、分光要素アレイなどの構造物を１つの面側のみならず、両面側に形成することができるため、一方の面側に形成される分光要素の配置密度を低減させることが可能となる。
【００５０】
以下、本発明の好ましい実施形態について、図３〜６Ｃを参照しながら説明する。以下の説明において、全ての図にわたって共通する要素には同一の符号を付している。
【００５１】
（実施形態１）
まず、本発明の第１の実施形態を説明する。図３は、本発明の第１の実施形態による撮像装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の撮像装置は、デジタル式の電子カメラであり、撮像部３００と、撮像部３００から送出される信号に基づいて画像を示す信号（画像信号）を生成する信号処理部４００とを備えている。なお、撮像装置は静止画のみを生成してもよいし、動画を生成する機能を備えていてもよい。
【００５２】
撮像部３００は、被写体を結像するための光学系２０と、光電変換によって光情報を電気信号に変換する固体撮像素子８（イメージセンサ）と、撮像素子８を駆動するための基本信号を発生するとともに撮像素子８からの出力信号を受信して信号処理部４００に送出する信号発生／受信部２１とを備えている。光学系２０は、光学レンズ１２と、ハーフミラー１１と、２つの反射ミラー１０と、２つの光学フィルタ１６とを備えている。光学レンズ１２は、公知のレンズであり、複数のレンズを有するレンズユニットであり得る。光学フィルタ１６は、画素配列が原因で発生するモアレパターンを低減するための水晶ローパスフィルタに、赤外線を除去するための赤外カットフィルタを合体させたものである。撮像素子８は、典型的にはＣＭＯＳまたはＣＣＤであり、公知の半導体製造技術によって製造される。撮像素子８は、不図示の駆動回路や信号処理回路を含む処理部と電気的に接続される。信号発生／受信部１３および素子駆動部１４は、例えばＣＣＤドライバなどのＬＳＩから構成されている。
【００５３】
信号処理部４００は、撮像部３００から送出される信号を処理して画像信号を生成する画像信号生成部２５と、画像信号の生成過程で発生する各種のデータを格納するメモリ２３と、生成した画像信号を外部に送出する画像信号出力部２７とを備えている。画像信号生成部２５は、公知のデジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）などのハードウェアと、画像信号生成処理を含む画像処理を実行するソフトウェアとの組合せによって好適に実現され得る。メモリ２３は、ＤＲＡＭなどによって構成される。メモリ２３は、撮像部３００から送出された信号を記録するとともに、画像信号生成部２５によって生成された画像データや、圧縮された画像データを一時的に記録する。これらの画像データは、画像信号出力部２７を介して不図示の記録媒体や表示部などに送出される。
【００５４】
なお、本実施形態の撮像装置は、電子シャッタ、ビューファインダ、電源（電池）、フラッシュライトなどの公知の構成要素を備え得るが、それらの説明は本発明の理解に特に必要でないため省略する。また、以上の構成はあくまでも一例であり、本発明において、撮像素子８および画像信号生成部２５を除く構成要素には、公知の要素を適切に組み合わせて用いることができる。
【００５５】
以下、本実施形態における光学系２０の構成を説明する。
【００５６】
図４は、本実施形態における光学系２０の構成を模式的に示す図である。光学系２０は、被写体から入射する光を集光するレンズ１２と、レンズ１２を透過した光を透過光と反射光とに分離するハーフミラー１１と、ハーフミラー１１によって分離された２つの光をそれぞれ反射する２つの反射ミラー１０とを含んでいる。なお、光学系２０は、上記の光学フィルタ１６などの他の要素を含み得るが、図４ではレンズ１２、ハーフミラー１１、反射ミラー１０以外の構成要素の記載は省略されている。光学系２０の各構成要素は、２つの反射ミラー１０によって反射された光がそれぞれ撮像素子８に両側から結像するように構成されている。ここで、撮像素子８は、半導体層を支持する透明基板を有しており、配線層が設けられた面（表面）および配線層が設けられていない面（裏面）の両側から受光できる。光学系２０および撮像素子８は、透明パッケージ９に収納保持されている。透明パッケージ９は、２つの透明容器を接合することによって形成される。なお、図４では簡単のため、レンズ１２は単一のレンズとして描かれているが、レンズ１２は、一般には光軸方向に並んだ複数のレンズによって構成され得る。また、光学系２０は、図４に示される構成に限られず、撮像素子８に両側から結像するものであればどのように構成されていてもよい。
【００５７】
次に、本実施形態における撮像素子８を説明する。
【００５８】
本実施形態における撮像素子８は、表面と裏面とを有する半導体層を有している。表面と裏面との間には２次元状に配列された複数の光感知セル（画素）を含む光感知セルアレイが配置されている。２つの反射ミラー１０によって反射された光は、表面または裏面を通って光感知セルアレイに入射する。各光感知セルは、典型的にはフォトダイオードであり、光電変換によって入射光量に応じた光電変換信号（画素信号）を出力する。
【００５９】
図５Ａは、本実施形態における画素配列の例を示す平面図である。光感知セルアレイ２００は、例えば、図５Ａに示すように撮像面上に正方格子状に配列された複数の光感知セル２を含んでいる。光感知セルアレイ２００は、複数の単位ブロック４０から構成され、各単位ブロック４０は４つの光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを含んでいる。なお、光感知セルの配列は、このような正方格子状の配列ではなく、例えば、図５Ｂに示す斜交型の配列であってもよいし、他の配列であってもよい。また、各単位ブロックに含まれる４つの光感知セル２ａ〜２ｄは、図５Ａ、５Ｂに示すように互いに近接していることが好ましいが、これらが離れていても、後述する分光要素アレイを適切に構成することによって色情報を得ることが可能である。また、各単位ブロックが５個以上の光感知セルを含んでいてもよい。
【００６０】
本実施形態では、光感知セルアレイ２００に対向して、表面側および裏面側に複数の分光要素を含む分光要素アレイがそれぞれ配置される。以下、本実施形態における分光要素を説明する。
【００６１】
本実施形態における分光要素は、屈折率が異なる２種類の透光性部材の境界で生じる光の回折を利用して入射光を波長域に応じて異なる方向に向ける光学素子である。このタイプの分光要素は、屈折率が相対的に高い材料で形成された高屈折率透明部材（コア部）と、屈折率が相対的に低い材料で形成されコア部の各々の側面と接する低屈折率透明部材（クラッド部）とを有している。コア部とクラッド部との間の屈折率差により、両者を透過した光の間で位相差が生じるため、回折が起こる。この位相差は光の波長によって異なるため、光を波長域（色成分）に応じて空間的に分離することが可能となる。例えば、第１の方向に第１の色成分の光を向け、第２の方向に第１の色成分以外の光を向けることが可能である。また、第１の方向および第２の方向に第１の色成分の光を半分ずつ向け、第３の方向に第１の色成分以外の光を向けることもできる。さらに、３つの方向にそれぞれ異なる色成分の光を向けることも可能である。コア部とクラッド部との屈折率差によって分光が可能になるため、本明細書では、高屈折率透明部材のことを「分光要素」と呼ぶことがある。このような回折型の分光要素の詳細は、例えば、特許第４２６４４６５号公報に開示されている。
【００６２】
以上のような分光要素を有する分光要素アレイは、公知の半導体製造技術により、薄膜の堆積およびパターニングを実行することにより、製造され得る。分光要素の材質（屈折率）、形状、サイズ、配列パターンなどを適切に設計することにより、個々の光感知セルに所望の波長域の光を分離・統合して入射させることが可能となる。その結果、各光感知セルが出力する光電変換信号の組から、必要な色成分に相当する信号を算出することができる。
【００６３】
以下、図６Ａ〜６Ｃを参照しながら本実施形態における撮像素子１０の基本構造および分光要素の働きを説明する。
【００６４】
図６Ａは撮像素子１０の基本構造を表面側から見た場合の平面図である。本実施形態においては、２行２列の画素構成を信号処理の基本単位とする。光感知セル２ａ、２ｄの各々に対向して表面側に分光要素１ａ、１ｄがそれぞれ配置されている。また、光感知セル２ｂ、２ｃに対向して裏面側には分光要素１ｂ、１ｃがそれぞれ配置されている。このような基本構造を有する複数のパターンが撮像素子８の撮像面に繰り返し形成されている。なお、以下の説明において、図中に示すｘｙ座標を用いることとし、ｘ軸方向を「水平方向」、ｙ軸方向を「垂直方向」と呼ぶことにする。
【００６５】
図６Ｂ、６Ｃは、それぞれ図６ＡにおけるＡＡ´線断面およびＢＢ´線断面を示す図である。撮像素子８は、シリコンなどの材料からなる半導体層７と、半導体層７の内部に配置された光感知セル２ａ〜２ｄと、半導体層７の表面側に形成された配線層５および低屈折率透明部材からなる透明層１７と、透明層１７の内部に配置された高屈折率透明部材からなる分光要素１ａ、１ｄ、および半導体層７の内部に配置された分光要素１ｂ、１ｃとを備えている。ここで、分光要素１ａ、１ｄは、互いに同一の特性を有している。また、分光要素１ａ、１ｄの各々に集光するマイクロレンズ４が透明層１７を隔てて半導体層７の表面側に配置されている。同様に、分光要素１ｂ、１ｃの各々に集光するマイクロレンズ３が半導体層７の裏面側に配置されている。半導体層７の表面側には、半導体層７や配線層５などを支持する透明基盤６が形成されている。透明基板６は透明層１７を介して半導体層７と接合されている。
【００６６】
図６Ｂ、６Ｃに示される構造は、公知の半導体プロセスによって作製される。例えば、以下の方法によって作製され得る。まず、ある程度の厚さを有する半導体基板の表面内部に光感知セルアレイおよび分光要素１ｂ、１ｃを形成し、表面上に配線層５、分光要素１ａ、１ｄ、マイクロレンズ４などの構造物を形成する。次に、半導体基板と透明基盤６とを透明層１７を介して接合する。その後、半導体基板を、例えば数ミクロン程度の厚さになるまで裏面側から研磨またはエッチングを行うことによって薄くし、半導体層７を形成する。半導体層７の形成後、裏面側にマイクロレンズ３などを形成する。ここで、裏面側の分光要素１ｂ、１ｃおよびマイクロレンズ３は、両面から光が入射したときに光感知セルアレイに形成される２つの像が重なるように、表面側の構造物の配置に合わせて形成される。
【００６７】
図６Ｂに示す分光要素１ａ、１ｂは、透明層１７および半導体層７よりも高屈折率の透明材料から形成され、光が出射する側の先端に段差を有する。透明層１７または半導体層７との屈折率差により、入射光を０次、１次、−１次などの回折光に分ける。これらの回折角が波長によって異なるため、光を色成分に応じて２方向に分けることができる。分光要素１ａは、直下の（対向する）光感知セル２ａに緑光（Ｇ）を入射させ、隣接する光感知セル２ｂにマゼンタ光の波長域に含まれる光（Ｒ＋Ｂ）を入射させる。分光要素１ｂは、直下の（対向する）光感知セル２ｂに黄光の波長域に含まれる光（Ｒ＋Ｇ）を入射させ、隣接の光感知セル２ａに青光（Ｂ）を入射させる。マイクロレンズ３、４は、水平方向２画素分、垂直方向１画素分の光を集光するもので、それらは互いに水平方向に１画素ピッチずれて配置されている。
【００６８】
図６Ｃに示す分光要素１ｃ、１ｄも透明層１７および半導体層７よりも高屈折率の透明材料から形成され、光が出射する側の先端に段差を有している。光感知セル２ｄに対向して表面側に配置された分光要素１ｄは、分光要素１ａと比べて１画素分水平方向にずれて配置されている。光感知セル２ｃに対向して裏面側に配置された分光要素１ｃは、直下の（対向する）光感知セル２ｃにシアン光の波長域に含まれる光（Ｇ＋Ｂ）を入射させ、隣接の光感知セル２ｄに赤光（Ｒ）を入射させる。分光要素１ｄは、分光要素１ａと同様、対向する光感知セル２ｄに緑光（Ｇ）を入射させ、隣接の光感知セル２ｃにマゼンタ光の波長域に含まれる光（Ｒ＋Ｂ）を入射させる。また、分光要素２ｃの配置に対応して、裏面側にマイクロレンズ３が配置され、分光要素２ｄの配置に対応して、表面側にマイクロレンズ４が配置されている。
【００６９】
以上のように、本実施形態における分光要素は、撮像素子の撮像面の片側に全て配置されるのではなく、撮像素子の両面側に分けて配置される。このような分散配置で色分離することにより、分光要素の配置密度を、従来技術を採用した場合の約１／２にすることができる。その結果、カラー撮像素子の作製におけるパターニング等の性能向上が期待できる。
【００７０】
以上の構成により、撮像光学系２０により２分された光は、撮像素子８の表側と裏側の撮像面に入射する。透明基板６は光を通すので、撮像素子８における各光感知セル２ａ〜２ｄは、表側および裏側から入射した光を受光することになる。撮像面の一方の側に入射する光の量はハーフミラーによって半減するが、マイクロレンズのサイズが２画素分のサイズに相当するので、各分光要素１ａ〜１ｄにはハーフミラーを設けない場合における１画素に入射する光の量に相当する量の光が入射する。以下、各光感知セルの受光量を説明する。
【００７１】
まず、光感知セル２ａ、２ｂが受ける光について説明する。撮像素子８の表側から入射した光は、透明基板６、マイクロレンズ４を通り、分光要素１ａによって緑光（Ｇ）と緑光以外（Ｒ＋Ｂ）とに分光され、それらはそれぞれ光感知セル２ａ、２ｂに入射する。一方、撮像素子８の裏側から入射した光は、マイクロレンズ３を通り、分光要素１ｂによって青光（Ｂ）と青光以外（Ｒ＋Ｇ）とに分光され、それらはそれぞれ光感知セル２ａ、２ｂに入射する。
【００７２】
次に、光感知セル２ｃ、２ｄが受ける光について説明する。撮像素子８の表側から入射した光は、透明基板６、マイクロレンズ４を通り、分光要素１ｄによって緑光以外（Ｒ＋Ｂ）と緑光（Ｇ）とに分光され、それらはそれぞれ光感知セル２ｃ、２ｄに入射する。一方、撮像素子８の裏側から入射した光は、マイクロレンズ３を通り、分光要素１ｃによって赤光以外（Ｇ＋Ｂ）と赤光（Ｒ）とに分光され、それらはそれぞれ光感知セル２ｃ、２ｄに入射する。
【００７３】
以上の構成により、光感知セル２ａ〜２ｄから出力される光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄは、入射光（可視光）、赤光、緑光、青光の強度に相当する信号をそれぞれＷｓ、Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓ、として、それぞれ以下の式６〜９で表される。
（式６）Ｓ２ａ＝＝Ｗｓ−Ｒｓ＝Ｇｓ＋Ｂｓ
（式７）Ｓ２ｂ＝Ｗｓ＋Ｒｓ＝２Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
（式８）Ｓ２ｃ＝Ｗｓ＋Ｂｓ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ
（式９）Ｓ２ｄ＝Ｗｓ−Ｂｓ＝Ｒｓ＋Ｇｓ
【００７４】
式６〜９に基づく加減算により、以下の式１０〜１３が得られる。
（式１０）Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ＝２Ｒｓ
（式１１）Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝２Ｒｓ＋２Ｇｓ＋２Ｂｓ＝２Ｗｓ
（式１２）Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄ＝２Ｂｓ
（式１３）Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝２Ｒｓ＋２Ｇｓ＋２Ｂｓ＝２Ｗｓ
【００７５】
画像信号生成部２５（図３）は、式６〜９で表される光電変換信号を用いて式１０〜１３で表される演算を実行することによって色情報を生成する。このように、水平方向（ｘ方向）の光感知セル間の信号減算によりＲ信号およびＢ信号が得られ、水平方向の光感知セルの信号加算によりＷ信号が得られる。さらに、Ｗ信号からＲ信号およびＢ信号を減算することにより、Ｇ信号が得られる。以上の信号演算により、ＲＧＢ信号から成るカラー信号が得られる。
【００７６】
画像信号生成部１５は、以上の信号演算を光感知セルアレイ２００の単位ブロック４０ごとに実行することによってＲ、Ｇ、Ｂの各色成分の画像を示す信号（「カラー画像信号」と呼ぶ。）を生成する。生成されたカラー画像信号は、画像信号出力部１６によって不図示の記録媒体や表示部に出力される。
【００７７】
以上のように、本実施形態の撮像装置によれば、４つの光感知セルから出力される光電変換信号を用いた簡単な演算によって色分離できる。一方、画素の分解能に関して、垂直方向（ｙ方向）については１画素に１つの単位でマイクロレンズが配置されているため、解像度劣化は問題にならない。しかし、水平方向（ｘ方向）についてはマイクロレンズが２画素に１つの単位で配置されているので、解像度の劣化が考えられる。しかしながら、本実施形態においては、マイクロレンズの水平方向の配置が、１行ごとに１画素分ずつずれた所謂画素ずらし構成になっているため、水平方向についても、１画素に１つの単位でマイクロレンズを配置した場合と同程度の分解能を確保できる。
【００７８】
以上のように、本実施形態の撮像装置によれば、光吸収の無い分光要素が用いられるため、光利用率が高く、高感度の撮像が可能となる。また、緑光（Ｇ）と緑光以外（Ｒ＋Ｂ）とに分光する分光要素１ａ、および青光（Ｂ）と青光以外（Ｒ＋Ｇ）とに分光する分光要素１ｂの組み合わせが用いられる。同様に、赤光（Ｒ）と赤光以外（Ｇ＋Ｂ）とに分光する分光要素１ｃ、および緑光（Ｇ）と緑光以外（Ｒ＋Ｂ）とに分光する分光要素１ｄの組み合わせが用いられる。このような分光要素の組み合わせにより、高感度で色分離でき、かつ解像度としても問題ない画像を取得することができる。さらに、水平方向、垂直方向のいずれも１画素おきに分光要素が撮像素子８の表面側と裏面側とに分散して配置されているため、１面あたりの分光要素の配置密度が従来技術による場合よりも減少する。その結果、撮像素子８の作製における分光要素のパターニング特性を向上できるという効果がある。
【００７９】
なお、画像信号生成部１５は、必ずしも３つの色成分の画像信号を全て生成しなくてもよい。用途に応じて１色または２色の画像信号だけを生成するように構成されていてもよい。また、必要に応じて信号の増幅、合成、補正を行ってもよい。
【００８０】
また、各分光要素は、上述した分光性能を厳密に有していることが理想であるが、それらの分光性能が多少ずれていてもよい。すなわち、各光感知セルから出力される光電変換信号が、式６〜９で表される信号から多少ずれていてもよい。各分光要素の分光性能が理想的な性能からずれていても、ずれの程度に応じて信号を補正することによって良好な色情報を得ることができる。
【００８１】
さらに、本実施形態における画像信号生成部１５が行う信号演算を、撮像装置自身ではない他の機器に実行させることも可能である。例えば、撮像素子８から出力される光電変換信号の入力を受けた外部の機器に本実施形態における信号演算処理を規定するプログラムを実行させることによっても色情報を生成することができる。
【００８２】
また、光学系２０におけるハーフミラー１１は、光を２等分するものに限られず、透過率と反射率とが異なっていてもよい。その場合、透過光と反射光の強度の比率に応じて演算式を適切に修正することによって、色情報を生成することができる。
【００８３】
以上の説明において、分光要素１ａ〜１ｄは、それぞれ光感知セル２ａ〜２ｄに対向しているものとしたが、必ずしも対向している必要はない。各分光要素は、２つの光感知セルを覆うように配置されていてもよい。また、上記の説明における分光要素１ａ〜１ｄは、回折を利用して光を色成分に応じて分離するが、他の手段によって分光を行ってもよい。例えば、分光要素１ａ〜１ｄとして、公知のマイクロプリズムや、ダイクロイックミラーなどを用いてもよい。
【００８４】
なお、各分光要素による分光のパターンは上記の例に限るものではない。光を原色の波長域の光（原色光）とその補色の波長域の光（補色光）とに分光する複数の分光要素を用いて、２種類の原色光または２種類の補色光を各光感知セルが受光できる構成及び構造であれば、上記と同様の処理によって色分離できる。
【００８５】
以下に、本実施形態における色分離処理を一般化した場合の色分離処理について説明する。以下の説明において、入射光（可視光）Ｗは３つの原色光Ｃｉ、Ｃｊ、Ｃｋに分類されるものとし、それらの補色光をそれぞれ（Ｃｊ＋Ｃｋ）、（Ｃｉ＋Ｃｋ）、（Ｃｉ＋Ｃｊ）とする。また、原色光Ｃｉ、Ｃｊ、Ｃｋの強度に相当する信号を、それぞれＣｉｓ、Ｃｊｓ、Ｃｋｓとする。
【００８６】
このように一般化された場合、各構成要素は、光感知セル２ａが表側からＣｊ光を受け、裏側からＣｋ光を受けるように構成されていればよい。この場合、光感知セル２ｂは、表側から（Ｃｉ＋Ｃｋ）光を受け、裏側から（Ｃｉ＋Ｃｊ）光を受ける。また、光感知セル２ｃは、表側から（Ｃｉ＋Ｃｋ）光を受け、裏側から（Ｃｊ＋Ｃｋ）光を受ける。光感知セル２ｄは、表側からＣｊ光を受け、裏側からＣｉ光を受ける。
【００８７】
以上の構成により、各光感知セル２ａ〜２ｄの信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄは、それぞれ以下の式１４〜１７で表される。
（式１４）Ｓ２ａ＝Ｃｊｓ＋Ｃｋｓ
（式１５）Ｓ２ｂ＝２Ｃｉｓ＋Ｃｊｓ＋Ｃｋｓ
（式１６）Ｓ２ｃ＝Ｃｉｓ＋Ｃｊｓ＋２Ｃｋｓ
（式１７）Ｓ２ｄ＝Ｃｉｓ＋Ｃｊｓ
【００８８】
式１４〜１７に基づく加減算により、以下の式１８〜２１が得られる。
（式１８）Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ＝２Ｃｉｓ
（式１９）Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝２Ｃｉｓ＋２Ｃｊｓ＋２Ｃｋｓ＝２Ｗｓ
（式２０）Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄ＝２Ｃｋｓ
（式２１）Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝２Ｃｉｓ＋２Ｃｊｓ＋２Ｃｋｓ＝２Ｗｓ
【００８９】
すなわち、水平方向の光感知セル間の信号減算によってＣｉ光、Ｃｋ光の強度を示す信号Ｃｉｓ、Ｃｋｓが得られ、水平方向の光感知セルの信号加算によってＷ光の強度を示す信号Ｗｓ（＝Ｃｉｓ＋Ｃｊｓ＋Ｃｋｓ）が得られる。得られたＷｓからＣｉｓおよびＣｋｓを減算することにより、Ｃｊ光の強度を示す信号Ｃｊｓが得られる。結果として、３色のカラー信号が得られる。以上の結果から、２種類の原色光および２種類の補色光を１つの光感知セルが受光できる構成及び構造であれば、本実施形態のける信号演算処理と同様の処理によって色分離できることがわかる。
【００９０】
（実施形態２）
次に、図７Ａ〜７Ｃを参照しながら、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態の撮像装置は、実施形態１の撮像装置と比較して、各分光要素の特性が異なっており、その他の構成要素は同一である。したがって、以下の説明において、実施形態１の撮像装置との相違点を中心に説明し、重複する点は説明を省略する。
【００９１】
図７Ａは、本実施形態における撮像素子８の画素構成を表側から見た図である。本実施形態においても２行２列の画素構成を信号処理の基本単位とする。光感知セル２ａ、２ｄに対向して表面側に分光要素１ｅ、１ｆがそれぞれ配置されている。また、光感知セル２ｂ、２ｃに対向して裏面側に分光要素１ｇ、１ｈがそれぞれ配置されている。ここで、分光要素１ｅと分光要素１ｇとは同一の特性を有している。なお、図７Ａでは、分光要素１ｅ〜１ｈの記載は省略されている。
【００９２】
図７Ｂは、図７ＡにおけるＣＣ´線断面図である。分光要素１ｅ、１ｆは、透明層１７および半導体層７よりも高屈折率の透明材料から形成され、透明層１７または半導体層７との屈折率差により、入射光を０次、１次、−１次などの回折光に分離する。これらの回折角が波長によって異なるため、光を色成分に応じて３方向に分けることができる。ここで、分光要素１ｅは、光が出射する側の先端に段差を有している。一方、分光要素１ｆは先端に段差がなく、直方体形状である。分光要素１ｅは、直下の（対向する）光感知セル２ａに緑光（Ｇ）を入射させ、隣接する一方の光感知セル２ｂに赤光（Ｒ）を入射させ、隣接する他方の光感知セルに青光（Ｂ）を入射させる。ここで、隣接する他方の光感知セルは、隣接する単位ブロック（第１隣接単位ブロック）に属している。分光要素１ｆ、は直下の（対向する）光感知セル２ｂに黄光の波長域に含まれる光（Ｒ＋Ｇ）を入射させ、光感知セル２ａおよび隣接する他の単位ブロック（第２隣接単位ブロック）に含まれる光感知セルに青光（Ｂ）を半分ずつ入射させる。なお、分光要素を除く構成要素については、実施形態１と同じであり、マイクロレンズ３、４の配置関係、サイズも実施形態１と同様である。
【００９３】
図７Ｃは、図７ＡにおけるＤＤ´線断面図である。分光要素１ｇ、１ｈも、分光要素１ｅ、１ｆと同様、透明で高屈折率の材料から形成され、回折を利用して光を色成分に応じて３方向に分離する。光感知セル２ｄに対向して表面側に配置されている分光要素１ｇは、分光要素１ｅと同一の特性を有し、分光要素１ｅに対して１画素分水平方向にずれて配置されている。分光要素１ｈは、光感知セル２ｃに対向して裏面側に配置されている。分光要素１ｇは、対向する光感知セル２ｄに緑光（Ｇ）を入射させ、光感知セル２ｃに青光（Ｂ）を入射させ、第２隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに赤光（Ｒ）を入射させる。分光要素１ｈは対向する光感知セル２ｃにシアン光の波長域に含まれる光（Ｇ＋Ｂ）を入射させ、光感知セル２ｄおよび第１隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに赤光（Ｒ）を半分ずつ入射させる。また、分光要素１ｇ、１ｈの配置に伴い、マイクロレンズ３、４がそれぞれに対向して配置がされている。
【００９４】
以上のように、本実施形態においても、分光要素は、撮像素子の撮像面の片側に全て配置されるのではなく、撮像素子の両面側に分けて配置される。このような分散配置で色分離することにより、分光要素の配置密度を、従来技術を採用した場合の約１／２にすることができる。その結果、カラー撮像素子の作製におけるパターニング等の性能向上が期待できる。
【００９５】
以上の構成により、撮像光学系２０により２分された光は、実施形態１の場合と同様、撮像素子８の表側と裏側の撮像面に入射する。撮像面の一方の側に入射する光の量はハーフミラーによって半減するが、マイクロレンズのサイズが２画素分のサイズに相当するので、各分光要素１ｅ〜１ｈにはハーフミラーを設けない場合における１画素に入射する光の量に相当する量の光が入射する。以下、各光感知セルの受光量を説明する。
【００９６】
まず、光感知セル２ａ、２ｂが受ける光について説明する。光感知セル２ａは、表面側から、分光要素１ｅを透過した緑光（Ｇ）を受け、裏面側から、２つの分光要素１ｆを透過した青光（Ｂ／２＋Ｂ／２）を受ける。ここで、２つの分光要素１ｆの一方は、第１隣接単位ブロックに属する１つの光感知セルに対向している。一方、光感知セル２ｂは、表面側から、分光要素１ｅを透過した赤光（Ｒ）と、第２隣接単位ブロックに属する１つの光感知セルに対向する分光要素を透過した青光（Ｂ）とを受け、裏面側から、分光用１ｆを透過した赤光および緑光（Ｒ＋Ｇ）を受ける。
【００９７】
次に、光感知セル２ｃ、２ｄが受ける光について説明する。光感知セル２ｃは、表面側から、分光要素１ｇを透過した青光（Ｂ）と、第１隣接単位ブロックに属する１つの光感知セルに対向する分光要素１ｇを透過した赤光（Ｒ）とを受け、裏面側から、分光要素１ｈを透過した緑光および青光（Ｇ＋Ｂ）を受ける。光感知セル２ｄは、表面側から、分光要素１ｇを透過した緑光（Ｇ）を受け、裏面側から、２つの分光要素１ｈを透過した赤光（Ｂ／２＋Ｂ／２）を受ける。ここで、２つの分光要素１ｈの一方は、第２隣接単位ブロックに属する１つの光感知セルに対向している。
【００９８】
以上の構成により、光感知セル２ａ〜２ｄにおける発生信号は、実施形態１における発生信号と全く同じで、それぞれ式６〜式９で表される。その結果、実施形態１と同様、４画素の簡単な信号演算によって色分離できる。また、画素の分解能に関して、垂直方向については１画素に１つの単位でマイクロレンズが配置されているため、解像度劣化は問題にならない。また、水平方向については、マイクロレンズが２画素に１つの単位で配置されているので、解像度劣化が考えられる。しかしながら、本実施形態においても、マイクロレンズの水平方向の配置が１行ごとに１画素分ずつずれた所謂画素ずらし構成になっているため、水平方向についても、１画素に１つの単位でマイクロレンズを配置した場合と同程度の分解能を確保できる。
【００９９】
以上のように、本実施形態の撮像装置によれば、光吸収の無い分光要素が用いられるため、光利用率が高く、高感度の撮像が可能となる。本実施形態においては、ＲＧＢの３成分に分光する分光要素１ｅ、および青光（Ｂ）と青光以外（Ｒ＋Ｇ）とに分光する分光要素１ｆの組み合わせが用いられる。同様に、ＲＧＢに分光する分光要素１ｈ、および赤光（Ｒ）と赤光以外（Ｇ＋Ｂ）とに分光する分光要素１ｇの組み合わせが用いられる。このような分光要素の組み合わせにより、高感度で色分離でき、かつ、解像度としても問題ない画像を取得することができる。さらに、水平方向、垂直方向のいずれも１画素おきに分光要素が撮像素子８の表面側と裏面側とに分散して配置されているため、１面あたりの分光要素の配置密度が従来技術による場合よりも減少する。その結果、撮像素子８の作製における分光要素のパターニング特性を向上できるという効果がある。
【０１００】
以上の説明において、分光要素１ｅ〜１ｈは、それぞれ光感知セル２ａ〜２ｄに対向しているものとしたが、必ずしも対向している必要はない。各分光要素は、２つの光感知セルを覆うように配置されていてもよい。また、上記の説明における分光要素１ｅ〜１ｈは、回折を利用して光を色成分に応じて分離するが、他の手段によって分光を行ってもよい。例えば、分光要素１ｅ〜１ｈとして、公知のマイクロプリズムや、ダイクロイックミラーなどを用いてもよい。
【０１０１】
なお、本実施形態においても、各分光要素による分光のパターンは上記のものに限るものではない。例えば、分光要素１ｆ、１ｈの代わりに、実施形態１における分光要素１ｂ、１ｃをそれぞれ用いてもよいし、分光要素１ｅ、１ｇの代わりに実施形態１における分光要素１ａ、１ｄをそれぞれ用いてもよい。このように、ＲＧＢに分光する分光要素、および原色と補色とに分光する分光要素を用いれば、本実施形態と全く同様の効果が得られる。本実施形態においても、各光感知セルが２種類の原色光または２種類の補色光を受光できる構成及び構造であれば、上記と同様の処理によって色分離でき、実施形態１で示した一般化が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明の固体撮像素子および撮像装置は、固体撮像素子を用いるすべてのカメラに有効である。例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの民生用カメラや、産業用の固体監視カメラなどに利用可能である。
【符号の説明】
【０１０３】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ    分光要素
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ    撮像素子の光感知セル
３、４    マイクロレンズ
５    撮像素子の配線層
６    撮像素子の透明基板
７    撮像素子の半導体層
８    撮像素子
９    透明パッケージ
１０    反射ミラー
１１    ハーフミラー
１２    レンズ
１３    赤（Ｒ）以外を反射する多層膜色フィルタ
１４    緑（Ｇ）のみを反射する多層膜色フィルタ
１５    青（Ｂ）のみを反射する多層膜色フィルタ
１６    光学フィルタ
１７    透明層
２０    光学系
２１    信号発生／受信部
２３    メモリ
２５    画像信号生成部
２７    画像信号出力部
４０    単位要素
１００  分光要素アレイ
２００  光感知セルアレイ
３００  撮像部
４００  信号処理部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、
を備える撮像装置であって、
前記固体撮像素子は、
第１の面および前記第１の面の反対側に位置する第２の面を有する半導体層と、
前記半導体層中に形成され、前記第１の面側および前記第２の面側から光を受ける光感知セルアレイであって、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックを有する光感知セルアレイと、
前記光感知セルアレイに対向して前記第１の面側および前記第２の面側の少なくとも一方の側に形成された分光要素アレイであって、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルに異なる波長域の光を入射させる分光要素アレイと、
を有している、撮像装置。
【請求項２】
前記光学系は、光を前記第１の面および前記第２の面にそれぞれ半分ずつ入射させる、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記分光要素アレイは、前記光感知セルアレイに対向して前記第１の面側に形成された第１分光要素アレイと、前記光感知セルアレイに対向して前記第２の面側に形成された第２分光要素アレイとを有し、
前記第１分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに第１波長域の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第１波長域以外の光を入射させ、
前記第２分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第２波長域以外の光を入射させる、
請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
入射光を第１の色成分の光、第２の色成分の光、および第３の色成分の光に分類するとき、
前記第１分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１の分光要素であって、前記第１の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第２および第３の色成分の光を入射させる第１の分光要素を有し、
前記第２分光要素アレイは、前記第２の光感知セルに対応して配置された第２の分光要素であって、前記第１の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第１および第３の色成分の光を入射させる第２の分光要素を有している、
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
入射光を第１の色成分の光、第２の色成分の光、および第３の色成分の光に分類するとき、
前記第１分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１の分光要素であって、前記第１の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、隣接する第１の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第３の色成分の光を入射させる第１の分光要素を有し、
前記第２分光要素アレイは、前記第２の光感知セルに対応して配置された第２の分光要素であって、前記第１の光感知セルおよび隣接する第２の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第３の色成分の光を半分ずつ入射させ、前記第２の光感知セルに前記第１および第２の色成分の光を入射させる第２の分光要素を有し、
前記第１の光感知セルは、前記第１の分光要素から入射する前記第１の色成分の光と、前記第２の分光要素および前記第１の隣接単位ブロックに含まれる分光要素から入射する前記第３の色成分の光とを受け、
前記第２の光感知セルは、前記第１の分光要素から入射する前記第２の色成分の光と、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる分光要素から入射する前記第３の色成分の光と、前記第２の分光要素から入射する前記第１および第２の色成分の光とを受ける、
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項６】
各単位ブロックは、第３の光感知セルおよび第４の光感知セルを含み、
前記第１分光要素アレイは、前記第３の光感知セルに対応して配置された第３の分光要素であって、前記第３の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第２および第３の色成分の光を入射させる第３の分光要素を有し、
前記第２分光要素アレイは、前記第４の光感知セルに対応して配置された第４の分光要素であって、前記第３の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第１および第３の色成分の光を入射させる第４の分光要素を有している、
請求項４に記載の撮像装置。
【請求項７】
各単位ブロックは、第３の光感知セルおよび第４の光感知セルを含み、
前記第１分光要素アレイは、前記第３の光感知セルに対応して配置された第３の分光要素であって、前記第３の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第３の色成分の光を入射させ、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させる第３の分光要素を有し、
前記第２分光要素アレイは、各単位ブロックに含まれる前記第４の光感知セルに対応して配置された第４の分光要素であって、前記第３の光感知セルおよび前記第１の隣接単位ブロックに含まれる１つの光感知セルに前記第２の色成分の光を半分ずつ入射させ、前記第４の光感知セルに前記第１および第３の色成分の光を入射させる第４の分光要素を有し、
前記第３の光感知セルは、前記第３の分光要素から入射する前記第１の色成分の光と、前記第４の分光要素および前記第２の隣接単位要素に含まれる分光要素から入射する前記第２の色成分の光とを受け、
前記第４の光感知セルは、前記第３の分光要素から入射する前記第３波長域の光と、前記第１の隣接単位要素に含まれる分光要素から入射する前記第２波長域の光と、前記第４の分光要素から入射する前記第１波長域および前記第３波長域の光とを受ける、
請求項５に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、および前記第４の光感知セルは、行列状に配置され、
前記第１の光感知セルは、前記第２の光感知セルに隣接し、
前記第３の光感知セルは、前記第４の光感知セルに隣接している、
請求項６または７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記固体撮像素子は、
前記第１分光要素アレイに対向して形成された第１マイクロレンズアレイであって、各々が前記第１の分光要素および前記第３の分光要素の各々に集光する複数のマイクロレンズを含む第１マイクロレンズアレイと、
前記第２分光要素アレイに対向して形成された第２マイクロレンズアレイであって、各々が前記第２の分光要素および前記第４の分光要素の各々に集光する複数のマイクロレンズを含む第２マイクロレンズアレイと、
を有している、請求項６から８のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１０】
信号処理部をさらに備え、
前記信号処理部は、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルからそれぞれ出力される光電変換信号に基づいて、１つの色信号を生成する、
請求項１から９のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記信号処理部は、前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、および前記第４の光感知セルからそれぞれ出力される光電変換信号に基づいて、３つの色信号を生成する、
請求項６から９のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１２】
第１の面および前記第１の面の反対側に位置する第２の面を有する半導体層と、
前記半導体層中に形成され、前記第１の面側および前記第２の面側から光を受ける光感知セルアレイであって、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックを有する光感知セルアレイと、
前記光感知セルアレイに対向して前記第１の面側および前記第２の面側の少なくとも一方の側に形成された分光要素アレイであって、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルに異なる波長域の光を入射させる分光要素アレイと、
を有している固体撮像素子。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011010455.tif 000018
【図２Ａ】
2011010455.tif 000019
【図２Ｂ】
2011010455.tif 000020
【図２Ｃ】
2011010455.tif 000021
【図３】
2011010455.tif 000022
【図４】
2011010455.tif 000023
【図５Ａ】
2011010455.tif 000024
【図５Ｂ】
2011010455.tif 000025
【図６Ａ】
2011010455.tif 000026
【図６Ｂ】
2011010455.tif 000027
【図６Ｃ】
2011010455.tif 000028
【図７Ａ】
2011010455.tif 000029
【図７Ｂ】
2011010455.tif 000030
【図７Ｃ】
2011010455.tif 000031
【図８】
2011010455.tif 000032
【国際調査報告】
2011010455.tif 000033
2011010455.tif 000034
2011010455.tif 000035
2011010455.tif 000036