(57)【要約】  本発明の撮像装置では、半導体層の第１の面３０ａと第１の面の裏側に位置する第２の面３０ｂとの間に複数の光感知セルが設けられ、第１の面３０ａだけでなく第２の面３０ｂからも受光可能である。撮像装置は、入射光を第１の光と第２の光とに分割する光学素子９を含む光学系３００を備えている。光学系３００は、第１の面３０ａに第１の光を入射し、第２の面３０ｂに第２の光を入射するように構成されている。
2010100896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に光を入射させる光学系と、
を備える撮像装置であって、
前記固体撮像素子は、
第１の面と前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する半導体層と、
前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列された複数の光感知セルと、
を有し、
前記光学系は、入射光を第１の光と第２の光とに分岐する光学素子を有し、前記第１の光を前記半導体層の前記第１の面に入射させ、前記第２の光を前記半導体層の前記第２の面に入射させる、撮像装置。
【請求項２】
前記複数の光感知セルは、各々が複数の光感知セルを含む複数の単位ブロックから構成され、
各単位ブロックに含まれる少なくとも１つの光感知セルは、前記第１の光の一部と、前記第２の光の一部であって前記第１の光の一部とは異なる波長域を有する光とを受け、
各単位ブロックに含まれる少なくとも２つの光感知セルは、互いに異なる波長域の光を受ける、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記光学素子は、入射光の半分を前記第１の光として透過し、入射光の残りの半分を前記第２の光として反射するハーフミラーであり、
前記固体撮像素子は、
各々が各光感知セルに対向して前記第１の面側に配置された複数の色分離フィルタを含む第１フィルタアレイと、
各々が各光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された複数の色分離フィルタを含む第２フィルタアレイと、
を備えている、請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記単位ブロックは、第１の光感知セル、第２の光感知セル、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フィルタアレイおよび前記第２フィルタアレイは、
入射光のうちマゼンタ光およびシアン光を前記第１の光感知セルに入射し、
入射光のうち緑光および黄光を前記第２の光感知セルに入射し、
入射光のうち緑光およびシアン光を前記第３の光感知セルに入射し、
入射光のうちマゼンタ光および黄光を前記第４の光感知セルに入射するように構成されている、請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記光学素子は、入射光を原色光である第１の光と補色光である第２の光とに分岐するダイクロイックミラーであり、
前記固体撮像素子は、
各々が前記複数の光感知セルのいずれかに対向して前記第１の面側に配置された複数の色分離フィルタを含むフィルタアレイを備えている、請求項２に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記ダイクロイックミラーは入射光をマゼンタ光と緑光とに分岐するように構成され、
前記単位ブロックは、第１の光感知セル、第２の光感知セル、第３の光感知セル、および第４の光感知セルを含み、
前記フィルタアレイは、
入射光のうちマゼンタ光および緑光を前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルに入射し、
入射光のうち赤光および緑光を前記第３の光感知セルに入射し、
入射光のうち青光および緑光を前記第４の光感知セルに入射するように構成されている、請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
信号処理部を備え、
前記信号処理部は、各単位ブロックに含まれる各光感知セルから出力される光電変換信号を処理し、前記複数の単位ブロックの各々に入射する光に応じた色情報を有する信号を出力する、請求項２から６のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項８】
第１の面と前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する半導体層と、
前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列された複数の光感知セルと、
を備え、
前記複数の光感知セルは、各々が複数の光感知セルを含む複数の単位ブロックから構成され、
各単位ブロックに含まれる少なくとも１つの光感知セルは、前記第１の面から入射する第１の光と、前記第２の面から入射する第２の光であって前記第１の光とは異なる波長域を有する第２の光とを受け、
各単位ブロックに含まれる少なくとも２つの光感知セルは、互いに異なる波長域の光を受ける両面照射型固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像素子のカラー化技術に関するものである。
【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。急速な半導体製造技術の進歩により、固体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、固体撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られ、撮像素子としても一段と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、その特性等が注目されている。通常の撮像素子では、配線層等がある表面側で受光するため、表面側の複雑な構造により光の損失等が発生していた。しかし、裏面照射型の撮像素子では、受光部において光を遮るものが特に無いので、素子構造による光損失はほとんど発生しない。【０００３】
一方、カラー撮像素子における画素の色配列としては原色主体の色配列が広く用いられている。例えば、特許文献１では、ＲＧＢを用いたベイヤー配列、およびＧ（緑）の代わりにＷ（白）に置き換えた配列等が開示されている。これらの配列は、基本的には原色主体の色配列である。原色主体のカラー化には、感度が低いという課題が伴う。【０００４】
そこで、補色を用いた代表的なカラー化技術として、マゼンタ（Ｍｇ）、緑（Ｇ）、シアン（Ｃｙ）、黄（Ｙｅ）を用いたものが考えられる。このカラー化技術は特許文献２に開示されており、感度及び色再現性の良好なものとして広く用いられている。但し、この技術は、フィールド蓄積モードで用いられるカラー化技術である。垂直２画素の信号が加算されるため、垂直方向の解像度が低下し、また偽色が発生する傾向にある。【０００５】
特許文献２に開示されたカラー化技術に用いられる色配置について、図面を参照しながら説明する。図１２は、このカラー化技術に用いられた基本色配置図である。図示される色配置は、１画素１色の４行２列を基本構成とする。画素信号の読み出しについては、テレビジョンのＮＴＳＣ方式に準じて、２ライン毎に画素信号が読み出される。第１フィールドと第２フィールドで読み出される画素の組み合わせは、１ラインだけずれている。２ラインの画素信号は、垂直方向のみ加算され、第１フィールドあるいは第２フィールドの１ライン分の画素信号として処理される。ここで、マゼンタ光、緑光、シアン光、黄光の光電変換信号量をそれぞれＭｓ、Ｇｓ、Ｃｓ、Ｙｓで表し、またそれらの中の赤成分、青成分をそれぞれＲｓ、Ｂｓで表すことにする。すると、第１フィールドのｎラインの信号は、以下の式１、２で表される信号Ｓn,1、Ｓn,2の繰り返しとなる。
（式１）  Ｓn,1＝Ｍｓ＋Ｃｓ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ
（式２）  Ｓn,2＝Ｇｓ＋Ｙｓ＝Ｒｓ＋２Ｇｓ
また、第１フィールドのｎ＋１ラインの信号は、次の式３、４で表される信号Ｓn+1,1、Ｓn+1,2の繰り返しとなる。
（式３）  Ｓn+1,1＝Ｍｓ＋Ｙｓ＝２Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
（式４）  Ｓn+1,2＝Ｇｓ＋Ｃｓ＝２Ｇｓ＋Ｂｓ【０００６】
これらの信号の読み出し方については、第２フィールドでも全く同じである。ｎライン、ｎ＋１ラインともに、隣接する２画素の信号の加算により輝度信号ＹＬが作られる。また、ｎラインにおける信号Ｓn,1とＳn,2との間の差分により色差信号ＢＹが、ｎ＋１ラインにおける信号Ｓn+1,1とＳn+1,2との間の差分により色差信号ＲＹが作られる。結局、読み出された信号は、以下の式５〜７で表される。
（式５）ＹＬ＝（Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ）＋（Ｒｓ＋２Ｇｓ）＝２Ｒｓ＋３Ｇｓ＋２Ｂｓ
（式６）ＢＹ＝（Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ）−（Ｒｓ＋２Ｇｓ）＝２Ｂｓ−Ｇｓ
（式７）ＲＹ＝（２Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ）−（２Ｇｓ＋Ｂｓ）＝２Ｒｓ−Ｇｓ
このように、特許文献２に開示された色配列によれば良好なカラー信号が得られるが、垂直２画素の信号を加算することによる上記のような特性劣化は生じる。【０００７】
特許文献２で開示されたカラー化技術に対して、同様の色の組み合わせを利用し、１画素に対して２色の色フィルタを用いて、垂直２画素の信号を加算しない方式が特許文献３に開示されている。特許文献３に開示された基本色配置を図１３に示す。カラー信号としては特許文献２で示されたものと同じである。この方式では、垂直２画素の信号を加算しないため、垂直解像度や偽色の問題は軽減され、カラー特性としても良好である。しかし、１画素に２色の色フィルタを配置するため、色フィルタの配置精度が低いと、カラー特性が大きく劣化するという課題がある。【０００８】
上記のカラー化技術はテレビジョンのインターレース走査方式に対応したものである。他の方式に、インターレースのような飛び越し走査を行わないプログレッシブ走査方式がある。プログレッシブ走査方式において、特許文献２あるいは特許文献３に開示された色配列を利用する場合、画像メモリを用いるという前提で、基本色構成はそれぞれ図１４あるいは図１５に示す構成になる。この場合でも、図１４に示す色構成では水平垂直の画素間演算で輝度信号と色差信号を算出することになる。一方、図１５に示す色構成では水平方向のみの加減算で輝度信号と色差信号が得られる。そのため、後者の方が垂直解像度および偽色の点で、良好なカラー画像特性が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１７２５８０号公報
【特許文献２】特公平６−２８４５０号公報
【特許文献３】特開平１−１７０２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
原色主体のカラー化技術では、感度が低いという課題がある。一方、補色を用いたカラー化技術では感度は改善可能であるが、解像度の低下を抑える必要がある。解像度の低下を抑えるためには、１画素に対して２色の色フィルタを配置することが望ましい。しかしながら、１画素に対して２色の色フィルタを配置する際、その配置精度が低いと、カラー特性が劣化するという課題がある。【００１１】
本発明はこのような課題を解決するものであり、高感度で色フィルタの配置精度の影響が少ないカラー化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】
【００１２】
本発明による撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子に光を入射させる光学系と、を備える撮像装置であって、前記固体撮像素子は、第１の面と前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する半導体層と、前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列された複数の光感知セルとを有し、前記光学系は、入射光を第１の光と第２の光とに分岐する光学素子を有し、前記第１の光を前記半導体層の前記第１の面に入射させ、前記第２の光を前記半導体層の前記第２の面に入射させるように構成されている。【００１３】
ある実施形態において、前記複数の光感知セルは、各々が複数の光感知セルを含む複数の単位ブロックから構成され、各単位ブロックに含まれる少なくとも１つの光感知セルは、前記第１の光の一部と、前記第２の光の一部であって前記第１の光の一部とは異なる波長域を有する光とを受け、各単位ブロックに含まれる少なくとも２つの光感知セルは、互いに異なる波長域の光を受ける。【００１４】
ある実施形態において、前記光学素子は、入射光の半分を前記第１の光として透過し、入射光の残りの半分を前記第２の光として反射するハーフミラーであり、前記固体撮像素子は、各々が各光感知セルに対向して前記第１の面側に配置された複数の色分離フィルタを含む第１フィルタアレイと、各々が各光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された複数の色分離フィルタを含む第２フィルタアレイとを備えている。【００１５】
ある実施形態において、前記単位ブロックは、第１の光感知セル、第２の光感知セル、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フィルタアレイおよび前記第２フィルタアレイは、入射光のうちマゼンタ光およびシアン光を前記第１の光感知セルに入射し、入射光のうち緑光および黄光を前記第２の光感知セルに入射し、入射光のうち緑光およびシアン光を前記第３の光感知セルに入射し、入射光のうちマゼンタ光および黄光を前記第４の光感知セルに入射するように構成されている。【００１６】
ある実施形態において、前記光学素子は、入射光を原色光である第１の光と補色光である第２の光とに分岐するダイクロイックミラーであり、前記固体撮像素子は、各々が前記複数の光感知セルのいずれかに対向して前記第１の面側に配置された複数の色分離フィルタを含むフィルタアレイを備えている。【００１７】
ある実施形態において、前記ダイクロイックミラーは入射光をマゼンタ光と緑光とに分岐するように構成され、前記単位ブロックは、第１の光感知セル、第２の光感知セル、第３の光感知セル、および第４の光感知セルを含み、前記フィルタアレイは、入射光のうちマゼンタ光および緑光を前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルに入射し、入射光のうち赤光および緑光を前記第３の光感知セルに入射し、入射光のうち青光および緑光を前記第４の光感知セルに入射するように構成されている。【００１８】
ある実施形態において、前記撮像装置は、信号処理部を備え、前記信号処理部は、各単位ブロックに含まれる各光感知セルから出力される光電変換信号を処理し、前記複数の単位ブロックの各々に入射する光に応じた色情報を有する信号を出力する。【００１９】
本発明による固体撮像素子は、第１の面と前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する半導体層と、前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列された複数の光感知セルとを備え、前記複数の光感知セルは、各々が複数の光感知セルを含む複数の単位ブロックから構成され、各単位ブロックに含まれる少なくとも１つの光感知セルは、前記第１の面から入射する第１の光と、前記第２の面から入射する第２の光であって前記第１の光とは異なる波長域を有する第２の光とを受け、各単位ブロックに含まれる少なくとも２つの光感知セルは、互いに異なる波長域の光を受けるように構成されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の撮像装置によれば、半導体層の第１の面と第２の面との間に複数の光感知セルが設けられ、前記第１の面だけでなく前記第１の面の裏側にあたる第２の面からも受光可能な固体撮像素子を利用するため、両面からの受光が可能である。各面について１画素に対して１色の配列で色要素を配置すれば、１画素に対して２色の分割色フィルタを使う必要はなく、色フィルタの配置精度の課題は解決できる。さらに特許文献２で開示された色の組み合わせを使えば、感度及び色再現性の良好なカラー特性を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の撮像装置の概略構成を示すブロック図
【図２】本発明の固体撮像素子の構成の一例を示す断面図
【図３】本発明における光感知セルの配列の一例を示す上面図
【図４】本発明の実施形態１における撮像装置の全体構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施形態１における撮像系の構成図
【図６】本発明の実施形態１における色フィルタの基本色配置図
【図７】本発明の実施形態１における撮像素子の表側平面図
【図８】本発明の実施形態１における撮像素子のＡ−Ａ´線断面図
【図９】本発明の実施形態１における撮像素子のＢ−Ｂ´線断面図
【図１０】本発明の実施形態２における色フィルタの基本色配置図
【図１１】本発明の実施形態２における撮像素子の各光感知セルが受ける光の色成分を示す図
【図１２】１画素に対して１色の色フィルタが配置され、マゼンタ、緑、シアン、黄の色フィルタを用いたフィールド蓄積モードのカラー化技術における基本色配置図
【図１３】１画素に対して２色の色フィルタが配置され、マゼンタ、緑、シアン、黄の色フィルタを用いたカラー化における基本色配置図
【図１４】１画素に対して１色の色フィルタが配置され、マゼンタ、緑、シアン、黄の色フィルタを用いたプログレッシブ走査方式における基本色配置図
【図１５】１画素に対して２色の色フィルタが配置され、マゼンタ、緑、シアン、黄の色フィルタを用いたプログレッシブ走査方式における基本色配置図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の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。
【００２３】
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３００と、両面照射型の固体撮像素子７とを備える。固体撮像素子７は、半導体層３０を有し、半導体層３０の第１の面３０ａと第１の面の反対側に位置する第２の面３０ｂの両面で光を受けることができる。第１の面３０ａと第２の面３０ｂ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３０ａおよび第２の面３０ｂの両面から入射する光を受ける。光学系３００は、入射光を第１の光と第２の光とに分岐する光学素子９を有し、第１の光および第２の光をそれぞれ半導体層３０の第１の面３０ａおよび第２の面３０ｂに入射させるように構成されている。
【００２４】
図２は、固体撮像素子７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３０の第１の面３０ａの側に配線層４が配置されている。また、光感知セル２から見て第１の面側に半導体層３０を支持する透明基板６が形成されている。この構成により、光感知セル２は、透明基板６を透過して第１の面３０ａから半導体層３０に入射する光と、第２の面から半導体層３０に入射する光とを受けることができる。
【００２５】
図１に示す光学素子９は、例えばハーフミラーやダイクロイックミラーなどである。これらの光学素子９は、入射光の一部（第１の光）を透過し、残り（第２の光）を反射するように設計されている。光学素子９によって分岐した第１の光および第２の光は、不図示の反射ミラーなどによってそれぞれ光路を調整され、半導体層３０の第１の面３０ａおよび第２の面３０ｂにそれぞれ入射する。なお、本明細書では、入射光の大部分を反射するミラーを、ハーフミラーやダイクロイックミラーなどの光学素子と区別し、「反射ミラー」と呼ぶこととする。
【００２６】
固体撮像素子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３０ａおよび第２の面３０ｂの両面から入射する光を受け、受けた光の量に応じた光電変換信号（または画素信号）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。
【００２７】
図３は、本発明における光感知セルアレイの配列の一例を示す上面図である。この例において、光感知セルアレイは、各々が複数の光感知セル２を含む単位ブロック２０から構成される。図示される構成では、１つの単位ブロック２０は４つの光感知セル２を含んでいるが、１つの単位ブロック２０に含まれる光感知セル２の数が４つであることは必須ではない。また、光感知セルアレイは正方格子状に配列していることは必須ではなく、他の配列であってもよい。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態において、各単位ブロックに含まれる少なくとも１つの光感知セルは、第１の面側および第２の面側から互いに異なる波長域を有する光を受けるように固体撮像素子７および光学系３００は構成される。また、各単位ブロックに含まれる少なくとも２つの光感知セルがそれぞれ受ける光は、互いに異なる波長域を有するように固体撮像素子７および光学系３００は構成される。
【００２９】
これは、例えば光学素子９としてハーフミラーを用いて、各光感知セルに対向して第１の面側および第２の面側の少なくとも一方の側に色分離フィルタ（色フィルタ）を配置することにより実現され得る。ここで、ハーフミラーは、入射光の約半分を透過させ残りの約半分を反射するように設計されている。また、色フィルタは、特定の色成分に対応する波長域の光のみを透過させるように設計されている。１つの光感知セルに対向して第１の面側および第２の面側に互いに異なる色成分の光を透過させる色フィルタをそれぞれ配置することにより、その光感知セルは、両面側から異なる波長域の光を受ける。また、１つの単位ブロックに含まれる２つの光感知セルの各々に対向して配置される色分離フィルタの色成分を異なる色成分にすることにより、それらの光感知セルが互いに異なる波長域の光を受けるようにすることが可能である。
【００３０】
なお、本明細書において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。
【００３１】
以上のような構成により、各単位ブロックに含まれる複数の光感知セルから出力される光電変換信号は混色の信号を含み、かつ光感知セル間の信号演算により、単位ブロックに入射する光の色情報を得ることが可能となる。
【００３２】
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。全ての図にわたって共通する要素は同一の符号を付し、文中の記号も共通に利用する。
【００３３】
（実施形態１）
図４は、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である。図示される撮像装置は、撮像部１００と、撮像部１００からの信号を受信し色情報を含む信号を出力する信号処理部２００とを備えている。以下、撮像部１００および信号処理部２００を説明する。
【００３４】
撮像部１００は、被写体を結像するための光学系３００と、光学系３００を通して結像した光情報を、光電変換により電気信号に変換する固体撮像素子７と、信号発生・受信部１４とを備えている。光学系３００は、レンズ１０と、光学板１２と、ハーフミラー９ａと、反射ミラー８ａ、８ｂとを含んでいる。光学板１２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。ハーフミラー９ａは、レンズ１０を透過した光のほぼ半分を透過させ、残りのほぼ半分を反射することにより、入射光を２方向に分岐するように設計されている。２方向に分岐した入射光は、反射ミラー８ａまたは８ｂによって反射され、固体撮像素子７の表面および裏面にそれぞれ入射する。信号発生・受信部１４は、固体撮像素子７を駆動するための基本信号を発生すると共に、固体撮像素子７からの信号を受け取り、信号処理部２００に送出する。
【００３５】
信号処理部２００は、信号発生・受信部１４から受け取った信号を記憶するメモリ２１と、メモリ２１から読み出したデータに基づいて色情報を含む信号（色信号）を生成する色信号生成部２２と、色信号を外部に出力するインターフェース（ＩＦ）部２３とを有している。
【００３６】
なお、以上の構成はあくまでも一例であり、本発明において、固体撮像素子７および光学系３００を除く構成要素は、公知の要素を適切に組み合わせて用いることができる。以下、本実施形態における固体撮像素子７および光学系３００について説明する。
【００３７】
図５は本実施形態における固体撮像素子７と、光学系３００の構成を模式的に示す図である。固体撮像素子７は両面照射型の撮像素子である。固体撮像素子７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表面および配線層が設けられていない裏面の両方で受光できる。両面とも色フィルタが１画素に対して１色の割合で配置されている。このような構成で、被写体からの入射光はレンズ１０を通り、ハーフミラー９ａで２分割され、さらに反射ミラー８ａまたは８ｂで反射され、撮像素子７に両側から入射する。なお、本実施形態における固体撮像素子７および光学系３００の配置は、図示される配置に限られない。例えば反射ミラーは２個である必要はなく、３個以上であってもよい。また、ハーフミラー９ａを透過あるいは反射した光の一方が反射ミラーを介さずに直接固体撮像素子７に入射してもよい。ただし、固体撮像素子７に両側から入射する光が固体撮像素子７の受光面に形成する像の焦点および位置が、２つの光について厳密に合うように光学系３００は構成されている必要がある。
【００３８】
本実施形態における固体撮像素子７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多数の光感知セル（光感知セルアレイ）が２次元状に配列されている。２つの反射ミラー８ａまたは８ｂで反射された光は、それぞれ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、光電変換により入射光量に応じた電気信号（光電変換信号）を出力する。固体撮像素子７は、典型的にはＣＭＯＳセンサーであり、公知の半導体製造技術によって製造される。固体撮像素子７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。
【００３９】
固体撮像素子７の光感知セルアレイに対向して、表面側に１画素に対して１つの割合で配置された複数の色フィルタを含む第１フィルタアレイが配列される。同様に、裏面側に１画素に対して１つの割合で配置された複数の色フィルタを含む第２フィルタアレイが配列される。色フィルタは、特定の色成分に対応する波長域の光のみを透過させるように設計されている。以下の説明において、ある色成分をＣとして、色成分Ｃを透過させる色フィルタをＣ要素と呼ぶ。
【００４０】
図６は本実施形態における色フィルタの基本的な配置を示している。図示される色フィルタの配置は、走査方式としてはプログレッシブ走査方式を対象としている。同図において、実線で示される色フィルタは、撮像素子の表側に配置され、破線で示される色フィルタは、撮像素子の裏側に配置されている。色フィルタの配列は、表側裏側とも２行２列を基本構成としている。表面側ではマゼンタ（Ｍｇ）要素１ａと緑（Ｇ）要素１ｂの色要素が格子状に配列され、裏面側ではシアン（Ｃｙ）要素１ｃ、黄（Ｙｅ）要素１ｄが縦ストライプ状に配列されている。
【００４１】
以下、図７〜図９を参照しながら本実施形態における撮像素子の基本構造を説明する。図７は撮像素子を表側から見たときの平面図である。２つのマゼンタ要素１ａおよび２つの緑要素１ｂの各々に対向して、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが配置されている。また、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに対向して、裏面側にそれぞれ不図示のシアン要素１ｃ、黄要素１ｄ、シアン要素１ｃ、黄要素１ｄが配置されている。
【００４２】
図８は、図７におけるＡ−Ａ´線断面図である。図示されるように、半導体層３０の第１の面３０ａ（表面）側に配線層４が形成されている。光感知セル２ａ、２ｂに対向して、表面側にマゼンタ要素１ａ、緑要素１ｂがそれぞれ配置され、裏面側にシアン要素１ｃ、黄要素１ｄがそれぞれ配置されている。さらに各色フィルタ１ａ〜１ｄに対応して、光感知セルに効果的に集光するためのマイクロレンズ３が配置されている。また、表面側では半導体層３０や配線層４などを支持する透明基板６が配置されている。透明基板６はマイクロレンズ３よりも屈折率の低い透明部材５などを介して半導体層３０と接合されている。
【００４３】
図９は、図７におけるＢ−Ｂ´線断面図である。Ｂ−Ｂ´線断面では、マゼンタ要素１ａ、緑要素１ｂの配置がＡ−Ａ´線断面とは異なり、入れ替わっている。図７〜図９に示される構成では、表側に配置された透明基板６が透明であるため、裏面側だけでなく、表面側からも受光できる。
【００４４】
図８、９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を形成し、表面上に配線層４、第１フィルタアレイ、マイクロレンズ３などの構造物を形成する。次に、半導体基板と透明基盤６とを透明部材５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３０を形成する。半導体層３０の形成後、裏面側に第２フィルタアレイやマイクロレンズ３などを形成する。ここで、裏面側の第２フィルタアレイやマイクロレンズ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。
【００４５】
本実施形態の撮像装置においては、入射光を撮像素子の両面で受けるため、光感知セル２ａ〜２ｄは以下の式８〜１１で表される信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄをそれぞれ出力する。ここで、上記のように、マゼンタ光、緑光、シアン光、黄光の光電変換信号をそれぞれＭｓ、Ｇｓ、Ｃｓ、Ｙｓで表している。
（式８）Ｓ２ａ＝Ｍｓ＋Ｃｓ
（式９）Ｓ２ｂ＝Ｇｓ＋Ｙｓ
（式１０）Ｓ２ｃ＝Ｇｓ＋Ｃｓ
（式１１）Ｓ２ｄ＝Ｍｓ＋Ｙｓ
【００４６】
上記の式８〜式１１を、赤成分Ｒｓ、緑成分Ｇｓ、青成分Ｂｓを使って表すと、以下の式１２〜式１５が得られる。
（式１２）  Ｓ２ａ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ
（式１３）  Ｓ２ｂ＝Ｒｓ＋２Ｇｓ
（式１４）  Ｓ２ｃ＝２Ｇｓ＋Ｂｓ
（式１５）  Ｓ２ｄ＝２Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
【００４７】
さらに、水平２画素の信号を加算することにより、以下の式１６が得られる。また、水平２画素の信号を減算することにより、以下の式１７および式１８が得られる。
（式１６）  Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝２Ｒｓ＋３Ｇｓ＋２Ｂｓ（＝ＹＬ）
（式１７）  Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ＝２Ｂｓ−Ｇｓ（＝ＢＹ）
（式１８）  Ｓ２ｄ−Ｓ２ｃ＝２Ｒｓ−Ｇｓ（＝ＲＹ）
【００４８】
式１６は、式５に示す輝度信号ＹＬを表している。また、式１７および式１８は、それぞれ式６および式７に示す色差信号ＢＹ（２Ｂｓ−Ｇｓ）およびＲＹ（２Ｒｓ−Ｇｓ）を表している。
【００４９】
結局、１ラインの信号演算から輝度信号ＹＬと色差信号ＢＹおよびＲＹが得られるため、垂直解像度及び偽色の点で良好な特性が得られる。さらに、特許文献２、３で開示された構成色を使っているので、感度、色分離の点でも良好な特性が得られる。
【００５０】
以上のように本実施形態の撮像装置によれば、撮像素子の表側に１画素１色でマゼンタ要素、緑要素を格子状に配置し、裏側にも同様に１画素１色でシアン要素、黄要素をストライプ状に配置する。撮像素子の表裏両面で撮像することにより、１画素に対して２色の色フィルタを用いなくとも、それを用いた場合と同等の良好なカラー画像特性が得られる。
【００５１】
なお、本実施形態において、表面側の色フィルタの配置と裏面側の色フィルタの配置とは、互いに逆であってもよい。すなわち、裏面側にマゼンタ要素および緑要素が配置され、表面側にシアン要素および黄要素が配置されていても本実施形態の効果が変わるものではない。
【００５２】
なお、本実施形態では、走査方式としてプログレッシブ走査方式を対象としたが、本発明はそれに限るものではない。インタレース方式などの各走査方式に対応した基本色配置であれば、撮像素子の両面受光により良好なカラー画像特性が得られる。
【００５３】
また、固体撮像素子の構造により、配線層が形成されている表面から入射する光と配線層が形成されていない裏面から入射する光とで、光感知セルに到達するまでの光の損失率が異なる場合がある。その場合、両者の損失率の差を考慮してハーフミラーの光透過率を調整してもよい。この点で、ハーフミラーは、必ずしも入射光を等量ずつ分岐させるように構成されている必要はなく、光の透過率は適切に調整され得る。
【００５４】
（実施形態２）
次に本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の撮像装置は、光学素子９としてハーフミラーを多層膜の干渉フィルタ（ダイクロイックミラー）に置換し、色フィルタの基本色配置を図１０に示す配置に変更したこと以外は実施形態１における撮像装置と同じである。よって、実施形態１と重複する部分は説明を省略し、異なる点のみを以下、説明する。
【００５５】
本実施形態におけるダイクロイックミラーはマゼンタ光を透過させ、緑光を反射させるように設計されている。その結果、撮像素子の表側にはマゼンタ光が入射し、裏側には緑光が入射する。本実施形態においては、光感知セルアレイに対向して表側に複数の色フィルタを含むフィルタアレイが設けられ、裏側には透明要素が設けられる。
【００５６】
本実施形態における色フィルタの基本色配置を図１０に示す。同図において、実線で示す配置は撮像素子の表側の色配置で、破線で示す配置は撮像素子の裏側の色配置である。撮像素子の表側では透明要素１ｅが互いに対角に配置され、赤要素１ｆと青要素１ｇも互いに対角に配置される。その結果、１行１列目と２行２列目の光感知セルは透明要素を透過したマゼンタ光をそのまま受光し、１行２列目の光感知セルは青光を、２行１列目の光感知セルは赤光を受光する。また、撮像素子の裏側では全面に透明要素が配置され、各光感知セルは緑光をそのまま受光する。結局、表裏両面からの受光により、撮像素子の表側から見た場合、１行１列目と２行２列目の光感知セルは全ての可視光成分（Ｗ）を受光し、１行２列目の光感知セルはシアン光を、２行１列目の光感知セルは黄光を受光することになる。
【００５７】
最終的に光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが受ける光の色配置を図１１に示す。この色配置はそのまま、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄがそれぞれ出力する画素信号に対応している。各画素の信号は以下の式１９〜式２２で表される。
（式１９）  Ｓ２ａ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
（式２０）  Ｓ２ｂ＝Ｇｓ＋Ｂｓ
（式２１）  Ｓ２ｃ＝Ｒｓ＋Ｇｓ
（式２２）  Ｓ２ｄ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
【００５８】
これらの信号から、本実施形態における撮像方式は光損失が少ないことがわかる。実際のカラー化では、水平２画素の信号差分により以下の式２３、２４に示すようにＲｓ信号とＢｓ信号とが取り出される。
（式２３）  Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ＝Ｒｓ
（式２４）  Ｓ２ｄ−Ｓ２ｃ＝Ｂｓ
【００５９】
これらの信号と、以下の式２５で表される４画素の信号の加算によって得られる輝度信号ＹＬとの演算から以下の式２６に示すようにＧｓ信号が作られる。
（式２５）  ＹＬ＝Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝３Ｒｓ＋４Ｇｓ＋３Ｂｓ
（式２６）  Ｇｓ＝（ＹＬ−３Ｒｓ−３Ｂｓ）／４
【００６０】
以上の処理により、カラー画像信号を作ることができる。なお、上記のような構成でなくとも、撮像素子の片面にＷ、Ｃｙ、Ｗ、Ｙｅの色要素を配設すれば、片面で受光する撮像素子であっても、同様の処理で同様の特性は得られる。しかしながら、撮像素子の微細化が進み、それに伴い色要素（色フィルタ）の分光特性を設計通りに作製することが困難になりつつある。そこで本実施形態では、入射光をダイクロイックミラーによりマゼンタ光と緑光に分け、撮像素子の表側にマゼンタ光を入射させ、撮像素子の裏側に緑光を入射させている。このような構成により、本実施形態における青要素１ｆまたは赤要素１ｇは、必ずしも厳密にそれぞれ青光または赤光のみを透過させるように設計されている必要はない。青要素１ｆおよび赤要素１ｇの代わりに、青〜シアン系の光を透過させる色要素と赤〜黄系の光を透過させる色要素とが配置されていれば、光感知セルは正確に青色あるいは赤色の光を受光できる。これらの光を裏側から入射する緑光と合わせれば、理想通りにシアン光、黄光を受光できる。すなわち、シアン要素あるいは黄要素の分光特性を作り出す上で、青要素１ｇおよび赤要素１ｆは、その分光範囲が青〜シアンあるいは赤〜黄のように広がっていてもよい。このように、本実施形態の撮像装置によれば、色フィルタの作製許容度を広げることができる。
【００６１】
以上のように本実施形態によれば、入射光をマゼンタ光と緑光とに分けるダイクロイックミラー、青要素と赤要素とから成る色フィルタ、および表裏両面で受光可能な撮像素子が用いられる。本実施形態における撮像装置によれば、撮像素子の片面にＷ、Ｃｙ、Ｗ、Ｙｅから成る色フィルタを配設した片面だけで受光可能なカラー撮像素子を備えた撮像装置と同様な特性が得られる。さらに、本実施形態の撮像装置には、色フィルタの作製上、分光特性の許容度を大幅に広げることができるという製造上の大きな効果がある。
【００６２】
なお、本実施形態において、表面側の色フィルタおよび透明要素の配置と裏面側の透明要素の配置とは、互いに逆であってもよい。すなわち、裏面側に透明要素、赤要素、青要素が配置され、表面側に透明要素が配置されていてもよい。その場合、ダイクロイックミラーを含む光学系は、マゼンタ光を撮像素子の裏面側に入射させ、緑光を撮像素子の表面側に入射させるように構成されていればよい。
【００６３】
また、本実施形態では、最終的な基本色配置をＷ、Ｃｙ、Ｗ、Ｙｅとしたが、これに限るものではない。その他の色配置でも撮像素子の表裏両面を利用して分光特性を調整するものであれば、いずれの色配置でも適用できる。他の色配置を用いる場合、その色配置に合わせて入射光を原色光と補色光とに分けるダイクロイックミラーが用いられる。また、撮像素子の構造的な問題で光感知セルの表側からの受光量と裏側からの受光量が異なる場合は、裏側に配置された透明要素１ｅの透過率を変えて表裏の受光量を調節しても、本発明の本質から外れるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明にかかる撮像装置は、固体撮像素子を用いた民生用カメラ、所謂、デジタルカメラ、デジタルムービーや放送用の固体カメラ、産業用の固体監視カメラ等に利用可能である。また、撮像デバイスが固体撮像素子でなくとも、全てのカラーカメラに有効である。
【符号の説明】
【００６５】
１ａ  色フィルタのマゼンタ要素
１ｂ  色フィルタの緑要素
１ｃ  色フィルタのシアン要素
１ｄ  色フィルタの黄要素
１ｅ  透明要素
１ｆ  色フィルタの赤要素
１ｇ  色フィルタの青要素
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ    撮像素子の光感知セル
３    マイクロレンズ
４    配線層
５    透明材料
６    透明基板
７    両面照射型の撮像素子
８ａ、８ｂ  反射ミラー
９    光学素子
９ａ  ハーフミラー
１０、１１、１３  レンズ
１２  光学板
１４  信号発生・受信部
２０  光感知セルアレイの単位ブロック
２１  メモリ
２２  色信号生成部
２３  インターフェース部
３０  半導体層
３０ａ  半導体層の第１の面
３０ｂ  半導体層の第２の面
１００  撮像部
２００  信号処理部
３００  光学系
【図１】
2010100896.tif 000003
【図２】
2010100896.tif 000004
【図３】
2010100896.tif 000005
【図４】
2010100896.tif 000006
【図５】
2010100896.tif 000007
【図６】
2010100896.tif 000008
【図７】
2010100896.tif 000009
【図８】
2010100896.tif 000010
【図９】
2010100896.tif 000011
【図１０】
2010100896.tif 000012
【図１１】
2010100896.tif 000013
【図１２】
2010100896.tif 000014
【図１３】
2010100896.tif 000015
【図１４】
2010100896.tif 000016
【図１５】
2010100896.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月14日(2010.7.14)
【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カラー化技術に関するものである。
【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。急速な半導体製造技術の進歩により、固体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、固体撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られ、撮像素子としても一段と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、その特性等が注目されている。通常の撮像素子では、配線層等がある表面側で受光するため、表面側の複雑な構造により光の損失等が発生していた。しかし、裏面照射型の撮像素子では、受光部において光を遮るものが特に無いので、素子構造による光損失はほとんど発生しない。
【０００３】
一方、カラー撮像素子における画素の色配列としては原色主体の色配列が広く用いられている。例えば、特許文献１では、ＲＧＢを用いたベイヤー配列、およびＧ（緑）の代わりにＷ（白）に置き換えた配列等が開示されている。これらの配列は、基本的には原色主体の色配列である。原色主体のカラー化には、感度が低いという課題が伴う。
【０００４】
そこで、補色を用いた代表的なカラー化技術として、マゼンタ（Ｍｇ）、緑（Ｇ）、シアン（Ｃｙ）、黄（Ｙｅ）を用いたものが考えられる。このカラー化技術は特許文献２に開示されており、感度及び色再現性の良好なものとして広く用いられている。但し、この技術は、フィールド蓄積モードで用いられるカラー化技術である。垂直２画素の信号が加算されるため、垂直方向の解像度が低下し、また偽色が発生する傾向にある。
【０００５】
特許文献２に開示されたカラー化技術に用いられる色配置について、図面を参照しながら説明する。図１２は、このカラー化技術に用いられた基本色配置図である。図示される色配置は、１画素１色の４行２列を基本構成とする。画素信号の読み出しについては、テレビジョンのＮＴＳＣ方式に準じて、２ライン毎に画素信号が読み出される。第１フィールドと第２フィールドで読み出される画素の組み合わせは、１ラインだけずれている。２ラインの画素信号は、垂直方向のみ加算され、第１フィールドあるいは第２フィールドの１ライン分の画素信号として処理される。ここで、マゼンタ光、緑光、シアン光、黄光の光電変換信号量をそれぞれＭｓ、Ｇｓ、Ｃｓ、Ｙｓで表し、またそれらの中の赤成分、青成分をそれぞれＲｓ、Ｂｓで表すことにする。すると、第１フィールドのｎラインの信号は、以下の式１、２で表される信号Ｓn,1、Ｓn,2の繰り返しとなる。
（式１）  Ｓn,1＝Ｍｓ＋Ｃｓ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ
（式２）  Ｓn,2＝Ｇｓ＋Ｙｓ＝Ｒｓ＋２Ｇｓ
また、第１フィールドのｎ＋１ラインの信号は、次の式３、４で表される信号Ｓn+1,1、Ｓn+1,2の繰り返しとなる。
（式３）  Ｓn+1,1＝Ｍｓ＋Ｙｓ＝２Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
（式４）  Ｓn+1,2＝Ｇｓ＋Ｃｓ＝２Ｇｓ＋Ｂｓ
【０００６】
これらの信号の読み出し方については、第２フィールドでも全く同じである。ｎライン、ｎ＋１ラインともに、隣接する２画素の信号の加算により輝度信号ＹＬが作られる。また、ｎラインにおける信号Ｓn,1とＳn,2との間の差分により色差信号ＢＹが、ｎ＋１ラインにおける信号Ｓn+1,1とＳn+1,2との間の差分により色差信号ＲＹが作られる。結局、読み出された信号は、以下の式５〜７で表される。
（式５）ＹＬ＝（Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ）＋（Ｒｓ＋２Ｇｓ）＝２Ｒｓ＋３Ｇｓ＋２Ｂｓ
（式６）ＢＹ＝（Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ）−（Ｒｓ＋２Ｇｓ）＝２Ｂｓ−Ｇｓ
（式７）ＲＹ＝（２Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ）−（２Ｇｓ＋Ｂｓ）＝２Ｒｓ−Ｇｓ
このように、特許文献２に開示された色配列によれば良好なカラー信号が得られるが、垂直２画素の信号を加算することによる上記のような特性劣化は生じる。
【０００７】
特許文献２で開示されたカラー化技術に対して、同様の色の組み合わせを利用し、１画素に対して２色の色フィルタを用いて、垂直２画素の信号を加算しない方式が特許文献３に開示されている。特許文献３に開示された基本色配置を図１３に示す。カラー信号としては特許文献２で示されたものと同じである。この方式では、垂直２画素の信号を加算しないため、垂直解像度や偽色の問題は軽減され、カラー特性としても良好である。しかし、１画素に２色の色フィルタを配置するため、色フィルタの配置精度が低いと、カラー特性が大きく劣化するという課題がある。
【０００８】
上記のカラー化技術はテレビジョンのインターレース走査方式に対応したものである。他の方式に、インターレースのような飛び越し走査を行わないプログレッシブ走査方式がある。プログレッシブ走査方式において、特許文献２あるいは特許文献３に開示された色配列を利用する場合、画像メモリを用いるという前提で、基本色構成はそれぞれ図１４あるいは図１５に示す構成になる。この場合でも、図１４に示す色構成では水平垂直の画素間演算で輝度信号と色差信号を算出することになる。一方、図１５に示す色構成では水平方向のみの加減算で輝度信号と色差信号が得られる。そのため、後者の方が垂直解像度および偽色の点で、良好なカラー画像特性が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１７２５８０号公報
【特許文献２】特公平６−２８４５０号公報
【特許文献３】特開平１−１７０２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
原色主体のカラー化技術では、感度が低いという課題がある。一方、補色を用いたカラー化技術では感度は改善可能であるが、解像度の低下を抑える必要がある。解像度の低下を抑えるためには、１画素に対して２色の色フィルタを配置することが望ましい。しかしながら、１画素に対して２色の色フィルタを配置する際、その配置精度が低いと、カラー特性が劣化するという課題がある。
【００１１】
本発明はこのような課題を解決するものであり、高感度で色フィルタの配置精度の影響が少ないカラー化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】
【００１２】
本発明による撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子に光を入射させる光学系と、を備える撮像装置であって、前記固体撮像素子は、第１の面と前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する半導体層と、前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列された複数の光感知セルとを有し、前記光学系は、入射光を第１の光と第２の光とに分岐する光学素子を有し、前記第１の光を前記半導体層の前記第１の面に入射させ、前記第２の光を前記半導体層の前記第２の面に入射させるように構成されている。
【００１３】
ある実施形態において、前記複数の光感知セルは、各々が複数の光感知セルを含む複数の単位ブロックから構成され、各単位ブロックに含まれる少なくとも１つの光感知セルは、前記第１の光の一部と、前記第２の光の一部であって前記第１の光の一部とは異なる波長域を有する光とを受け、各単位ブロックに含まれる少なくとも２つの光感知セルは、互いに異なる波長域の光を受ける。
【００１４】
ある実施形態において、前記光学素子は、入射光の半分を前記第１の光として透過し、入射光の残りの半分を前記第２の光として反射するハーフミラーであり、前記固体撮像素子は、各々が各光感知セルに対向して前記第１の面側に配置された複数の色分離フィルタを含む第１フィルタアレイと、各々が各光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された複数の色分離フィルタを含む第２フィルタアレイとを備えている。
【００１５】
ある実施形態において、前記単位ブロックは、第１の光感知セル、第２の光感知セル、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フィルタアレイおよび前記第２フィルタアレイは、入射光のうちマゼンタ光およびシアン光を前記第１の光感知セルに入射し、入射光のうち緑光および黄光を前記第２の光感知セルに入射し、入射光のうち緑光およびシアン光を前記第３の光感知セルに入射し、入射光のうちマゼンタ光および黄光を前記第４の光感知セルに入射するように構成されている。
【００１６】
ある実施形態において、前記光学素子は、入射光を原色光である第１の光と補色光である第２の光とに分岐するダイクロイックミラーであり、前記固体撮像素子は、各々が前記複数の光感知セルのいずれかに対向して前記第１の面側に配置された複数の色分離フィルタを含むフィルタアレイを備えている。
【００１７】
ある実施形態において、前記ダイクロイックミラーは入射光をマゼンタ光と緑光とに分岐するように構成され、前記単位ブロックは、第１の光感知セル、第２の光感知セル、第３の光感知セル、および第４の光感知セルを含み、前記フィルタアレイは、入射光のうちマゼンタ光および緑光を前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルに入射し、入射光のうち赤光および緑光を前記第３の光感知セルに入射し、入射光のうち青光および緑光を前記第４の光感知セルに入射するように構成されている。
【００１８】
ある実施形態において、前記撮像装置は、信号処理部を備え、前記信号処理部は、各単位ブロックに含まれる各光感知セルから出力される光電変換信号を処理し、前記複数の単位ブロックの各々に入射する光に応じた色情報を有する信号を出力する。
【００１９】
本発明による固体撮像素子は、第１の面と前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する半導体層と、前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列された複数の光感知セルとを備え、前記複数の光感知セルは、各々が複数の光感知セルを含む複数の単位ブロックから構成され、各単位ブロックに含まれる少なくとも１つの光感知セルは、前記第１の面から入射する第１の光と、前記第２の面から入射する第２の光であって前記第１の光とは異なる波長域を有する第２の光とを受け、各単位ブロックに含まれる少なくとも２つの光感知セルは、互いに異なる波長域の光を受けるように構成されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の撮像装置によれば、半導体層の第１の面と第２の面との間に複数の光感知セルが設けられ、前記第１の面だけでなく前記第１の面の裏側にあたる第２の面からも受光可能な固体撮像素子を利用するため、両面からの受光が可能である。各面について１画素に対して１色の配列で色要素を配置すれば、１画素に対して２色の分割色フィルタを使う必要はなく、色フィルタの配置精度の課題は解決できる。さらに特許文献２で開示された色の組み合わせを使えば、感度及び色再現性の良好なカラー特性を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の撮像装置の概略構成を示すブロック図
【図２】本発明の固体撮像素子の構成の一例を示す断面図
【図３】本発明における光感知セルの配列の一例を示す上面図
【図４】本発明の実施形態１における撮像装置の全体構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施形態１における撮像系の構成図
【図６】本発明の実施形態１における色フィルタの基本色配置図
【図７】本発明の実施形態１における撮像素子の表側平面図
【図８】本発明の実施形態１における撮像素子のＡ−Ａ´線断面図
【図９】本発明の実施形態１における撮像素子のＢ−Ｂ´線断面図
【図１０】本発明の実施形態２における色フィルタの基本色配置図
【図１１】本発明の実施形態２における撮像素子の各光感知セルが受ける光の色成分を示す図
【図１２】１画素に対して１色の色フィルタが配置され、マゼンタ、緑、シアン、黄の色フィルタを用いたフィールド蓄積モードのカラー化技術における基本色配置図
【図１３】１画素に対して２色の色フィルタが配置され、マゼンタ、緑、シアン、黄の色フィルタを用いたカラー化における基本色配置図
【図１４】１画素に対して１色の色フィルタが配置され、マゼンタ、緑、シアン、黄の色フィルタを用いたプログレッシブ走査方式における基本色配置図
【図１５】１画素に対して２色の色フィルタが配置され、マゼンタ、緑、シアン、黄の色フィルタを用いたプログレッシブ走査方式における基本色配置図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の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。
【００２３】
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３００と、両面照射型の固体撮像素子７とを備える。固体撮像素子７は、半導体層３０を有し、半導体層３０の第１の面３０ａと第１の面の反対側に位置する第２の面３０ｂの両面で光を受けることができる。第１の面３０ａと第２の面３０ｂ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３０ａおよび第２の面３０ｂの両面から入射する光を受ける。光学系３００は、入射光を第１の光と第２の光とに分岐する光学素子９を有し、第１の光および第２の光をそれぞれ半導体層３０の第１の面３０ａおよび第２の面３０ｂに入射させるように構成されている。
【００２４】
図２は、固体撮像素子７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３０の第１の面３０ａの側に配線層４が配置されている。また、光感知セル２から見て第１の面側に半導体層３０を支持する透明基板６が形成されている。この構成により、光感知セル２は、透明基板６を透過して第１の面３０ａから半導体層３０に入射する光と、第２の面から半導体層３０に入射する光とを受けることができる。
【００２５】
図１に示す光学素子９は、例えばハーフミラーやダイクロイックミラーなどである。これらの光学素子９は、入射光の一部（第１の光）を透過し、残り（第２の光）を反射するように設計されている。光学素子９によって分岐した第１の光および第２の光は、不図示の反射ミラーなどによってそれぞれ光路を調整され、半導体層３０の第１の面３０ａおよび第２の面３０ｂにそれぞれ入射する。なお、本明細書では、入射光の大部分を反射するミラーを、ハーフミラーやダイクロイックミラーなどの光学素子と区別し、「反射ミラー」と呼ぶこととする。
【００２６】
固体撮像素子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３０ａおよび第２の面３０ｂの両面から入射する光を受け、受けた光の量に応じた光電変換信号（または画素信号）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。
【００２７】
図３は、本発明における光感知セルアレイの配列の一例を示す上面図である。この例において、光感知セルアレイは、各々が複数の光感知セル２を含む単位ブロック２０から構成される。図示される構成では、１つの単位ブロック２０は４つの光感知セル２を含んでいるが、１つの単位ブロック２０に含まれる光感知セル２の数が４つであることは必須ではない。また、光感知セルアレイは正方格子状に配列していることは必須ではなく、他の配列であってもよい。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態において、各単位ブロックに含まれる少なくとも１つの光感知セルは、第１の面側および第２の面側から互いに異なる波長域を有する光を受けるように固体撮像素子７および光学系３００は構成される。また、各単位ブロックに含まれる少なくとも２つの光感知セルがそれぞれ受ける光は、互いに異なる波長域を有するように固体撮像素子７および光学系３００は構成される。
【００２９】
これは、例えば光学素子９としてハーフミラーを用いて、各光感知セルに対向して第１の面側および第２の面側の少なくとも一方の側に色分離フィルタ（色フィルタ）を配置することにより実現され得る。ここで、ハーフミラーは、入射光の約半分を透過させ残りの約半分を反射するように設計されている。また、色フィルタは、特定の色成分に対応する波長域の光のみを透過させるように設計されている。１つの光感知セルに対向して第１の面側および第２の面側に互いに異なる色成分の光を透過させる色フィルタをそれぞれ配置することにより、その光感知セルは、両面側から異なる波長域の光を受ける。また、１つの単位ブロックに含まれる２つの光感知セルの各々に対向して配置される色分離フィルタの色成分を異なる色成分にすることにより、それらの光感知セルが互いに異なる波長域の光を受けるようにすることが可能である。
【００３０】
なお、本明細書において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。
【００３１】
以上のような構成により、各単位ブロックに含まれる複数の光感知セルから出力される光電変換信号は混色の信号を含み、かつ光感知セル間の信号演算により、単位ブロックに入射する光の色情報を得ることが可能となる。
【００３２】
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。全ての図にわたって共通する要素は同一の符号を付し、文中の記号も共通に利用する。
【００３３】
（実施形態１）
図４は、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である。図示される撮像装置は、撮像部１００と、撮像部１００からの信号を受信し色情報を含む信号を出力する信号処理部２００とを備えている。以下、撮像部１００および信号処理部２００を説明する。
【００３４】
撮像部１００は、被写体を結像するための光学系３００と、光学系３００を通して結像した光情報を、光電変換により電気信号に変換する固体撮像素子７と、信号発生・受信部１４とを備えている。光学系３００は、レンズ１０と、光学板１２と、ハーフミラー９ａと、反射ミラー８ａ、８ｂとを含んでいる。光学板１２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。ハーフミラー９ａは、レンズ１０を透過した光のほぼ半分を透過させ、残りのほぼ半分を反射することにより、入射光を２方向に分岐するように設計されている。２方向に分岐した入射光は、反射ミラー８ａまたは８ｂによって反射され、固体撮像素子７の表面および裏面にそれぞれ入射する。信号発生・受信部１４は、固体撮像素子７を駆動するための基本信号を発生すると共に、固体撮像素子７からの信号を受け取り、信号処理部２００に送出する。
【００３５】
信号処理部２００は、信号発生・受信部１４から受け取った信号を記憶するメモリ２１と、メモリ２１から読み出したデータに基づいて色情報を含む信号（色信号）を生成する色信号生成部２２と、色信号を外部に出力するインターフェース（ＩＦ）部２３とを有している。
【００３６】
なお、以上の構成はあくまでも一例であり、本発明において、固体撮像素子７および光学系３００を除く構成要素は、公知の要素を適切に組み合わせて用いることができる。以下、本実施形態における固体撮像素子７および光学系３００について説明する。
【００３７】
図５は本実施形態における固体撮像素子７と、光学系３００の構成を模式的に示す図である。固体撮像素子７は両面照射型の撮像素子である。固体撮像素子７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表面および配線層が設けられていない裏面の両方で受光できる。両面とも色フィルタが１画素に対して１色の割合で配置されている。このような構成で、被写体からの入射光はレンズ１０を通り、ハーフミラー９ａで２分割され、さらに反射ミラー８ａまたは８ｂで反射され、撮像素子７に両側から入射する。なお、本実施形態における固体撮像素子７および光学系３００の配置は、図示される配置に限られない。例えば反射ミラーは２個である必要はなく、３個以上であってもよい。また、ハーフミラー９ａを透過あるいは反射した光の一方が反射ミラーを介さずに直接固体撮像素子７に入射してもよい。ただし、固体撮像素子７に両側から入射する光が固体撮像素子７の受光面に形成する像の焦点および位置が、２つの光について厳密に合うように光学系３００は構成されている必要がある。
【００３８】
本実施形態における固体撮像素子７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多数の光感知セル（光感知セルアレイ）が２次元状に配列されている。２つの反射ミラー８ａまたは８ｂで反射された光は、それぞれ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、光電変換により入射光量に応じた電気信号（光電変換信号）を出力する。固体撮像素子７は、典型的にはＣＭＯＳセンサーであり、公知の半導体製造技術によって製造される。固体撮像素子７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。
【００３９】
固体撮像素子７の光感知セルアレイに対向して、表面側に１画素に対して１つの割合で配置された複数の色フィルタを含む第１フィルタアレイが配列される。同様に、裏面側に１画素に対して１つの割合で配置された複数の色フィルタを含む第２フィルタアレイが配列される。色フィルタは、特定の色成分に対応する波長域の光のみを透過させるように設計されている。以下の説明において、ある色成分をＣとして、色成分Ｃを透過させる色フィルタをＣ要素と呼ぶ。
【００４０】
図６は本実施形態における色フィルタの基本的な配置を示している。図示される色フィルタの配置は、走査方式としてはプログレッシブ走査方式を対象としている。同図において、実線で示される色フィルタは、撮像素子の表側に配置され、破線で示される色フィルタは、撮像素子の裏側に配置されている。色フィルタの配列は、表側裏側とも２行２列を基本構成としている。表面側ではマゼンタ（Ｍｇ）要素１ａと緑（Ｇ）要素１ｂの色要素が格子状に配列され、裏面側ではシアン（Ｃｙ）要素１ｃ、黄（Ｙｅ）要素１ｄが縦ストライプ状に配列されている。
【００４１】
以下、図７〜図９を参照しながら本実施形態における撮像素子の基本構造を説明する。図７は撮像素子を表側から見たときの平面図である。２つのマゼンタ要素１ａおよび２つの緑要素１ｂの各々に対向して、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが配置されている。また、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに対向して、裏面側にそれぞれ不図示のシアン要素１ｃ、黄要素１ｄ、シアン要素１ｃ、黄要素１ｄが配置されている。
【００４２】
図８は、図７におけるＡ−Ａ´線断面図である。図示されるように、半導体層３０の第１の面３０ａ（表面）側に配線層４が形成されている。光感知セル２ａ、２ｂに対向して、表面側にマゼンタ要素１ａ、緑要素１ｂがそれぞれ配置され、裏面側にシアン要素１ｃ、黄要素１ｄがそれぞれ配置されている。さらに各色フィルタ１ａ〜１ｄに対応して、光感知セルに効果的に集光するためのマイクロレンズ３が配置されている。また、表面側では半導体層３０や配線層４などを支持する透明基板６が配置されている。透明基板６はマイクロレンズ３よりも屈折率の低い透明部材５などを介して半導体層３０と接合されている。
【００４３】
図９は、図７におけるＢ−Ｂ´線断面図である。Ｂ−Ｂ´線断面では、マゼンタ要素１ａ、緑要素１ｂの配置がＡ−Ａ´線断面とは異なり、入れ替わっている。図７〜図９に示される構成では、表側に配置された透明基板６が透明であるため、裏面側だけでなく、表面側からも受光できる。
【００４４】
図８、９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を形成し、表面上に配線層４、第１フィルタアレイ、マイクロレンズ３などの構造物を形成する。次に、半導体基板と透明基盤６とを透明部材５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３０を形成する。半導体層３０の形成後、裏面側に第２フィルタアレイやマイクロレンズ３などを形成する。ここで、裏面側の第２フィルタアレイやマイクロレンズ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。
【００４５】
本実施形態の撮像装置においては、入射光を撮像素子の両面で受けるため、光感知セル２ａ〜２ｄは以下の式８〜１１で表される信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄをそれぞれ出力する。ここで、上記のように、マゼンタ光、緑光、シアン光、黄光の光電変換信号をそれぞれＭｓ、Ｇｓ、Ｃｓ、Ｙｓで表している。
（式８）Ｓ２ａ＝Ｍｓ＋Ｃｓ
（式９）Ｓ２ｂ＝Ｇｓ＋Ｙｓ
（式１０）Ｓ２ｃ＝Ｇｓ＋Ｃｓ
（式１１）Ｓ２ｄ＝Ｍｓ＋Ｙｓ
【００４６】
上記の式８〜式１１を、赤成分Ｒｓ、緑成分Ｇｓ、青成分Ｂｓを使って表すと、以下の式１２〜式１５が得られる。
（式１２）  Ｓ２ａ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ
（式１３）  Ｓ２ｂ＝Ｒｓ＋２Ｇｓ
（式１４）  Ｓ２ｃ＝２Ｇｓ＋Ｂｓ
（式１５）  Ｓ２ｄ＝２Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
【００４７】
さらに、水平２画素の信号を加算することにより、以下の式１６が得られる。また、水平２画素の信号を減算することにより、以下の式１７および式１８が得られる。
（式１６）  Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝２Ｒｓ＋３Ｇｓ＋２Ｂｓ（＝ＹＬ）
（式１７）  Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ＝２Ｂｓ−Ｇｓ（＝ＢＹ）
（式１８）  Ｓ２ｄ−Ｓ２ｃ＝２Ｒｓ−Ｇｓ（＝ＲＹ）
【００４８】
式１６は、式５に示す輝度信号ＹＬを表している。また、式１７および式１８は、それぞれ式６および式７に示す色差信号ＢＹ（２Ｂｓ−Ｇｓ）およびＲＹ（２Ｒｓ−Ｇｓ）を表している。
【００４９】
結局、１ラインの信号演算から輝度信号ＹＬと色差信号ＢＹおよびＲＹが得られるため、垂直解像度及び偽色の点で良好な特性が得られる。さらに、特許文献２、３で開示された構成色を使っているので、感度、色分離の点でも良好な特性が得られる。
【００５０】
以上のように本実施形態の撮像装置によれば、撮像素子の表側に１画素１色でマゼンタ要素、緑要素を格子状に配置し、裏側にも同様に１画素１色でシアン要素、黄要素をストライプ状に配置する。撮像素子の表裏両面で撮像することにより、１画素に対して２色の色フィルタを用いなくとも、それを用いた場合と同等の良好なカラー画像特性が得られる。
【００５１】
なお、本実施形態において、表面側の色フィルタの配置と裏面側の色フィルタの配置とは、互いに逆であってもよい。すなわち、裏面側にマゼンタ要素および緑要素が配置され、表面側にシアン要素および黄要素が配置されていても本実施形態の効果が変わるものではない。
【００５２】
なお、本実施形態では、走査方式としてプログレッシブ走査方式を対象としたが、本発明はそれに限るものではない。インタレース方式などの各走査方式に対応した基本色配置であれば、撮像素子の両面受光により良好なカラー画像特性が得られる。
【００５３】
また、固体撮像素子の構造により、配線層が形成されている表面から入射する光と配線層が形成されていない裏面から入射する光とで、光感知セルに到達するまでの光の損失率が異なる場合がある。その場合、両者の損失率の差を考慮してハーフミラーの光透過率を調整してもよい。この点で、ハーフミラーは、必ずしも入射光を等量ずつ分岐させるように構成されている必要はなく、光の透過率は適切に調整され得る。
【００５４】
（実施形態２）
次に本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の撮像装置は、光学素子９としてハーフミラーを多層膜の干渉フィルタ（ダイクロイックミラー）に置換し、色フィルタの基本色配置を図１０に示す配置に変更したこと以外は実施形態１における撮像装置と同じである。よって、実施形態１と重複する部分は説明を省略し、異なる点のみを以下、説明する。
【００５５】
本実施形態におけるダイクロイックミラーはマゼンタ光を透過させ、緑光を反射させるように設計されている。その結果、撮像素子の表側にはマゼンタ光が入射し、裏側には緑光が入射する。本実施形態においては、光感知セルアレイに対向して表側に複数の色フィルタを含むフィルタアレイが設けられ、裏側には透明要素が設けられる。
【００５６】
本実施形態における色フィルタの基本色配置を図１０に示す。同図において、実線で示す配置は撮像素子の表側の色配置で、破線で示す配置は撮像素子の裏側の色配置である。撮像素子の表側では透明要素１ｅが互いに対角に配置され、赤要素１ｆと青要素１ｇも互いに対角に配置される。その結果、１行１列目と２行２列目の光感知セルは透明要素を透過したマゼンタ光をそのまま受光し、１行２列目の光感知セルは青光を、２行１列目の光感知セルは赤光を受光する。また、撮像素子の裏側では全面に透明要素が配置され、各光感知セルは緑光をそのまま受光する。結局、表裏両面からの受光により、撮像素子の表側から見た場合、１行１列目と２行２列目の光感知セルは全ての可視光成分（Ｗ）を受光し、１行２列目の光感知セルはシアン光を、２行１列目の光感知セルは黄光を受光することになる。
【００５７】
最終的に光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが受ける光の色配置を図１１に示す。この色配置はそのまま、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄがそれぞれ出力する画素信号に対応している。各画素の信号は以下の式１９〜式２２で表される。
（式１９）  Ｓ２ａ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
（式２０）  Ｓ２ｂ＝Ｇｓ＋Ｂｓ
（式２１）  Ｓ２ｃ＝Ｒｓ＋Ｇｓ
（式２２）  Ｓ２ｄ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
【００５８】
これらの信号から、本実施形態における撮像方式は光損失が少ないことがわかる。実際のカラー化では、水平２画素の信号差分により以下の式２３、２４に示すようにＲｓ信号とＢｓ信号とが取り出される。
（式２３）  Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ＝Ｒｓ
（式２４）  Ｓ２ｄ−Ｓ２ｃ＝Ｂｓ
【００５９】
これらの信号と、以下の式２５で表される４画素の信号の加算によって得られる輝度信号ＹＬとの演算から以下の式２６に示すようにＧｓ信号が作られる。
（式２５）  ＹＬ＝Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝３Ｒｓ＋４Ｇｓ＋３Ｂｓ
（式２６）  Ｇｓ＝（ＹＬ−３Ｒｓ−３Ｂｓ）／４
【００６０】
以上の処理により、カラー画像信号を作ることができる。なお、上記のような構成でなくとも、撮像素子の片面にＷ、Ｃｙ、Ｗ、Ｙｅの色要素を配設すれば、片面で受光する撮像素子であっても、同様の処理で同様の特性は得られる。しかしながら、撮像素子の微細化が進み、それに伴い色要素（色フィルタ）の分光特性を設計通りに作製することが困難になりつつある。そこで本実施形態では、入射光をダイクロイックミラーによりマゼンタ光と緑光に分け、撮像素子の表側にマゼンタ光を入射させ、撮像素子の裏側に緑光を入射させている。このような構成により、本実施形態における青要素１ｆまたは赤要素１ｇは、必ずしも厳密にそれぞれ青光または赤光のみを透過させるように設計されている必要はない。青要素１ｆおよび赤要素１ｇの代わりに、青〜シアン系の光を透過させる色要素と赤〜黄系の光を透過させる色要素とが配置されていれば、光感知セルは正確に青色あるいは赤色の光を受光できる。これらの光を裏側から入射する緑光と合わせれば、理想通りにシアン光、黄光を受光できる。すなわち、シアン要素あるいは黄要素の分光特性を作り出す上で、青要素１ｇおよび赤要素１ｆは、その分光範囲が青〜シアンあるいは赤〜黄のように広がっていてもよい。このように、本実施形態の撮像装置によれば、色フィルタの作製許容度を広げることができる。
【００６１】
以上のように本実施形態によれば、入射光をマゼンタ光と緑光とに分けるダイクロイックミラー、青要素と赤要素とから成る色フィルタ、および表裏両面で受光可能な撮像素子が用いられる。本実施形態における撮像装置によれば、撮像素子の片面にＷ、Ｃｙ、Ｗ、Ｙｅから成る色フィルタを配設した片面だけで受光可能なカラー撮像素子を備えた撮像装置と同様な特性が得られる。さらに、本実施形態の撮像装置には、色フィルタの作製上、分光特性の許容度を大幅に広げることができるという製造上の大きな効果がある。
【００６２】
なお、本実施形態において、表面側の色フィルタおよび透明要素の配置と裏面側の透明要素の配置とは、互いに逆であってもよい。すなわち、裏面側に透明要素、赤要素、青要素が配置され、表面側に透明要素が配置されていてもよい。その場合、ダイクロイックミラーを含む光学系は、マゼンタ光を撮像素子の裏面側に入射させ、緑光を撮像素子の表面側に入射させるように構成されていればよい。
【００６３】
また、本実施形態では、最終的な基本色配置をＷ、Ｃｙ、Ｗ、Ｙｅとしたが、これに限るものではない。その他の色配置でも撮像素子の表裏両面を利用して分光特性を調整するものであれば、いずれの色配置でも適用できる。他の色配置を用いる場合、その色配置に合わせて入射光を原色光と補色光とに分けるダイクロイックミラーが用いられる。また、撮像素子の構造的な問題で光感知セルの表側からの受光量と裏側からの受光量が異なる場合は、裏側に配置された透明要素１ｅの透過率を変えて表裏の受光量を調節しても、本発明の本質から外れるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明にかかる撮像装置は、固体撮像素子を用いた民生用カメラ、所謂、デジタルカメラ、デジタルムービーや放送用の固体カメラ、産業用の固体監視カメラ等に利用可能である。また、撮像デバイスが固体撮像素子でなくとも、全てのカラーカメラに有効である。
【符号の説明】
【００６５】
１ａ  色フィルタのマゼンタ要素
１ｂ  色フィルタの緑要素
１ｃ  色フィルタのシアン要素
１ｄ  色フィルタの黄要素
１ｅ  透明要素
１ｆ  色フィルタの赤要素
１ｇ  色フィルタの青要素
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ    撮像素子の光感知セル
３    マイクロレンズ
４    配線層
５    透明材料
６    透明基板
７    両面照射型の撮像素子
８ａ、８ｂ  反射ミラー
９    光学素子
９ａ  ハーフミラー
１０、１１、１３  レンズ
１２  光学板
１４  信号発生・受信部
２０  光感知セルアレイの単位ブロック
２１  メモリ
２２  色信号生成部
２３  インターフェース部
３０  半導体層
３０ａ  半導体層の第１の面
３０ｂ  半導体層の第２の面
１００  撮像部
２００  信号処理部
３００  光学系
【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、
前記固体撮像素子に光を入射させる光学系と、
を備える撮像装置であって、
前記固体撮像素子は、
第１の面と前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する半導体層と、
前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列された複数の光感知セルと、
を有し、
前記光学系は、入射光を第１の光と第２の光とに分岐する光学素子を有し、前記第１の光を前記半導体層の前記第１の面に入射させ、前記第２の光を前記半導体層の前記第２の面に入射させる、撮像装置。
【請求項２】
前記複数の光感知セルは、各々が複数の光感知セルを含む複数の単位ブロックから構成され、
各単位ブロックに含まれる少なくとも１つの光感知セルは、前記第１の光の一部と、前記第２の光の一部であって前記第１の光の一部とは異なる波長域を有する光とを受け、
各単位ブロックに含まれる少なくとも２つの光感知セルは、互いに異なる波長域の光を受ける、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記光学素子は、入射光の半分を前記第１の光として透過し、入射光の残りの半分を前記第２の光として反射するハーフミラーであり、
前記固体撮像素子は、
各々が各光感知セルに対向して前記第１の面側に配置された複数の色分離フィルタを含む第１フィルタアレイと、
各々が各光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された複数の色分離フィルタを含む第２フィルタアレイと、
を備えている、請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記単位ブロックは、第１の光感知セル、第２の光感知セル、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フィルタアレイおよび前記第２フィルタアレイは、
入射光のうちマゼンタ光およびシアン光を前記第１の光感知セルに入射し、
入射光のうち緑光および黄光を前記第２の光感知セルに入射し、
入射光のうち緑光およびシアン光を前記第３の光感知セルに入射し、
入射光のうちマゼンタ光および黄光を前記第４の光感知セルに入射するように構成されている、請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記光学素子は、入射光を原色光である第１の光と補色光である第２の光とに分岐するダイクロイックミラーであり、
前記固体撮像素子は、
各々が前記複数の光感知セルのいずれかに対向して前記第１の面側に配置された複数の色分離フィルタを含むフィルタアレイを備えている、請求項２に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記ダイクロイックミラーは入射光をマゼンタ光と緑光とに分岐するように構成され、
前記単位ブロックは、第１の光感知セル、第２の光感知セル、第３の光感知セル、および第４の光感知セルを含み、
前記フィルタアレイは、
入射光のうちマゼンタ光および緑光を前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルに入射し、
入射光のうち赤光および緑光を前記第３の光感知セルに入射し、
入射光のうち青光および緑光を前記第４の光感知セルに入射するように構成されている、請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
信号処理部を備え、
前記信号処理部は、各単位ブロックに含まれる各光感知セルから出力される光電変換信号を処理し、前記複数の単位ブロックの各々に入射する光に応じた色情報を有する信号を出力する、請求項２から６のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項８】
第１の面と前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する半導体層と、
前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列された複数の光感知セルと、
を備え、
前記複数の光感知セルは、各々が複数の光感知セルを含む複数の単位ブロックから構成され、
各単位ブロックに含まれる少なくとも１つの光感知セルは、前記第１の面から入射する第１の光と、前記第２の面から入射する第２の光であって前記第１の光とは異なる波長域を有する第２の光とを受け、
各単位ブロックに含まれる少なくとも２つの光感知セルは、互いに異なる波長域の光を受ける両面照射型固体撮像素子。
【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】
2010100896.tif 000018
【図２】
2010100896.tif 000019
【図３】
2010100896.tif 000020
【図４】
2010100896.tif 000021
【図５】
2010100896.tif 000022
【図６】
2010100896.tif 000023
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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