(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が三角錐状の複数の単位要素が２次元状に配列された色分離フィルタアレイであって、
各単位要素は、
三角錐の３つの側面を形成するように配置された、透過波長域および反射波長域が互いに異なる第１から第３のフィルタと、
前記第１から第３のフィルタによって囲まれる領域に入射し前記第１から第３のフィルタの各々によって反射された光をさらに反射し、前記第１から第３のフィルタのうち前記光を反射したフィルタとは異なるフィルタに導くように配置された反射領域と、
を有し、
前記第１のフィルタは、第１波長域の可視光を透過させ、前記第１波長域以外の可視光を反射するように設計され、
前記第２のフィルタは、第２波長域の可視光を透過させ、前記第２波長域以外の可視光を反射するように設計され、
前記第３のフィルタは、第３波長域の可視光を透過させ、前記第３波長域以外の可視光を反射するように設計されている、
色分離フィルタアレイ。
【請求項２】
前記反射領域は、前記第１から第３のフィルタの各々によって反射された光を全反射するように配置されている、請求項１に記載の色分離フィルタアレイ。
【請求項３】
前記第１波長域は赤の波長域であり、前記第２波長域は緑の波長域であり、前記第３波長域は青の波長域である、請求項１または２に記載の色分離フィルタアレイ。
【請求項４】
前記反射領域および前記第１から第３のフィルタは、前記反射領域を透過して前記第１から第３のフィルタの各々によって反射された光の一部が、前記反射領域で反射され、前記第１から第３のフィルタのうち前記光を反射したフィルタとは異なるフィルタによって反射され、前記反射領域でさらに反射されて、前記第１から第３のフィルタのうち前記光を透過させる特性を有するフィルタに入射するように配置されている、請求項１から３のいずれかに記載の色分離フィルタアレイ。
【請求項５】
前記第１から第３のフィルタおよび前記反射領域によって囲まれた媒体の、前記反射領域を介して前記媒体に接する他の媒体に対する屈折率をｎとし、前記第１から第３のフィルタの各々と前記反射領域とがなす角度をｗとするとき、
【数１】
0005947217.tif 000025
の少なくとも１つを満足する、請求項１から４のいずれかに記載の色分離フィルタアレイ。
【請求項６】
【数２】
0005947217.tif 000026
の全てを満足する、請求項５に記載の色分離フィルタアレイ。
【請求項７】
前記複数の単位要素は、前記第１から第３のフィルタが、隣接単位要素における前記第１から第３のフィルタにそれぞれ隣接するように配列されている、請求項１から６のいずれかに記載の色分離フィルタアレイ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の色分離フィルタアレイを備えた固体撮像素子であって、
前記反射領域は、前記第１から第３のフィルタに対して前記光が入射する側に配置されており、
前記固体撮像素子は、各単位要素における前記第１から第３のフィルタの各々に対応して前記反射領域の反対側に配置された複数の光感知セルをさらに備えた固体撮像素子。
【請求項９】
請求項８に記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、
前記固体撮像素子から出力される信号を処理する信号処理部と、
を備える撮像装置。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれかに記載の色分離フィルタアレイを備えた表示装置であって、
前記反射領域は、前記第１から第３のフィルタに対して前記光が入射する側に配置されており、
前記表示装置は、各単位要素における前記第１から第３のフィルタの各々に対応して前記反射領域の反対側に配置された複数の表示部をさらに備えた表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、カラー撮像装置及びカラー表示装置の高感度化技術に関する。
【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進歩により、撮像素子における画素構造の微細化が進み、撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られてきた。このため、僅かの年数で撮像素子の画素数が１００万画素程度から１０００万画素以上へと著しく増加した。その一方で、撮像素子の多画素化に伴い、１画素の受ける光の量が減少するため、カメラ感度が低下するという問題が生じている。【０００３】
さらに、通常のカラーカメラでは、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。例えば、赤（Ｒ）１画素、緑（Ｇ）２画素、青（Ｂ）１画素を基本構成とするベイヤー型の色フィルタを用いた場合、各色フィルタは１つの色成分の光のみを透過させ、他の色成分の光は吸収する。具体的には、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、各色フィルタを透過する光はＲＧＢ３色のうちの１色であり、その他の２色は色フィルタに吸収される。そのため、利用される光は色フィルタに入射する可視光の約１／３である。【０００４】
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、受光量を増やす方法が特許文献１に開示されている。この方法によれば、マイクロレンズを用いて集光することにより、実質的に光開口率を向上させることができる。この方法は、現在殆どの固体撮像素子に用いられている。この技術によれば、確かに実質的な開口率の向上をもたらすが、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】
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、多層膜フィルタ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多層膜フィルタを備えている。各フィルタは、必要な光のみを選択し、対応する光感知部に入射させ、その他の光は反射させる。【０００６】
図７は、特許文献２に開示された撮像素子の断面図を模式的に示す図である。図７に示す撮像素子では、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、フィルタ１３に入射する。フィルタ１３は、Ｒ光を透過させるが、その他の色の光は反射するように設計されている。フィルタ１３を透過した光は、直下の光感知セル２３に入射する。フィルタ１３で反射された光は、隣接するフィルタ１４に入射する。フィルタ１４は、Ｇ光を反射し、その他の光を透過するように設計されている。フィルタ１４で反射されたＧ光は、その直下の光感知セル２４に入射する。フィルタ１４を透過したＢ光は、フィルタ１５で反射され、その直下の光感知セル２５に入射する。このように、集光マイクロレンズ１１に入射した可視光は損失することなく、そのＲＧＢ成分が３つの光感知セルによって無駄なく検出される。しかしながら、この撮像素子では、マイクロレンズによる集光効果はあるものの、ＲＧＢ３色分の画素が必要であり、高密度の素子構造が要求される。【０００７】
特許文献２に開示された色分離の原理は、特許文献３、４にそれぞれ開示された、多層膜フィルタによる分光と界面における全反射とを利用した２管式カラーカメラ、および３板式カラーカメラの色分離の原理と同様である。図８Ａおよび図８Ｂは、それぞれ特許文献３に開示された２管式カラーカメラの光学プリズム、および特許文献４に開示された３板式カラーカメラの光学プリズムを示す図である。図８Ａに示すプリズム２１はＲ光およびＢ光とＧ光とを分離し、図８Ｂに示すプリズム２２はＲ光と、Ｇ光と、Ｂ光とを分離するように構成されている。特許文献３、４に開示された多板式カラーカメラでは各色の情報が画像単位で受け取られるのに対し、特許文献２の装置では各色の情報が画素単位で受け取られる点が異なるが、何れにしても３色分の画素が必要となる。【０００８】
以上の技術に対し、光の損失は一部発生するが、多層膜フィルタと反射とを用いて光の利用率を高める技術が特許文献５に開示されている。図９は当該技術を用いた撮像素子の断面図の一部を示している。図９に示されるように、透光性の樹脂３１内に多層膜フィルタ３２、３３が配置されている。多層膜フィルタ３２はＧ光を透過させ、Ｒ光、Ｂ光を反射する。また、多層膜フィルタ３３はＲ光を透過させ、Ｇ光、Ｂ光を反射する。【０００９】
このような構成により、Ｂ光は光感知部で受光できないが、Ｒ光、Ｇ光は以下の原理により損失なく検出できる。まず、Ｒ光が多層膜フィルタ３２、３３に入射すると、多層膜フィルタ３２では反射し、さらに透光性の樹脂３１と空気との界面で全反射し、多層膜フィルタ３３に入射する。多層膜フィルタ３３に入射した全てのＲ光は、Ｒ光透過性を有する有機色素フィルタ３５およびマイクロレンズ３６を透過する。光の一部は金属層３７で反射するものの、殆ど全てのＲ光が光感知部に入射する。また、Ｇ光が多層膜フィルタ３２、３３に入射すると、多層膜フィルタ３３では反射し、さらに透光性の樹脂３１と空気との界面で全反射し、多層膜フィルタ３２に入射する。多層膜フィルタ３２に入射した全てのＧ光は、Ｇ光透過性を有する有機色素フィルタ３４およびマイクロレンズ３６を通して、殆ど損失なく光感知部に入射する。【００１０】
上記の原理により、特許文献５に開示された技術では、Ｒ、Ｇ、Ｂ各成分のうち１色の成分は損失するものの２色の成分は殆ど損失なく受光される。このため、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色分の光感知部を配置する必要がない。この技術によれば、光利用率は有機色素フィルタのみで構成された撮像素子における光利用率と比較して２倍に向上する。しかしながら、この技術でも、３色のうち１色は損失することになる。【００１１】
上記の問題は、カラー撮像系における問題であるが、同様の問題はカラー表示系にも存在する。現状のカラー液晶表示装置では、ＲＧＢの有機色素フィルタが用いられるため、光利用率は約１／３であり、約２／３の光が損失するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開昭５９−９０４６７公報
【特許文献２】特開２０００−１５１９３３号公報
【特許文献３】特開昭５２−８２０１８号公報
【特許文献４】特開平６−６６４６号公報
【特許文献５】特開２００３−７８９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
光吸収タイプの色フィルタを用いた従来のカラー撮像系およびカラー表示系の技術では、大幅に光感知セルを増やさずに済むが、光利用率が低い。一方、多層膜タイプの色フィルタを用いた場合、光利用率は比較的高くできるが、必要な光感知セルの数が増加するという課題がある。【００１４】
本発明の実施形態は、特定の波長域の光を透過させ、他の波長域の光を反射するフィルタを利用して、光利用率の高いカラー撮像装置およびカラー表示装置を実現し得る新たな色分離フィルタを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の一態様による色分離フィルタアレイは、各々が三角錐状の複数の単位要素が２次元状に配列された色分離フィルタアレイである。各単位要素は、三角錐の３つの側面を形成するように配置された、透過波長域および反射波長域が互いに異なる第１から第３のフィルタと、前記第１から第３のフィルタによって囲まれる領域に入射し前記第１から第３のフィルタの各々によって反射された光をさらに反射し、前記第１から第３のフィルタのうち前記光を反射したフィルタとは異なるフィルタに導くように配置された反射領域とを有する。前記第１のフィルタは、第１波長域の可視光を透過させ、前記第１波長域以外の可視光を反射するように設計され、前記第２のフィルタは、第２波長域の可視光を透過させ、前記第２波長域以外の可視光を反射するように設計され、前記第３のフィルタは、第３波長域の可視光を透過させ、前記第３波長域以外の可視光を反射するように設計されている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の実施形態によれば、入射光のいずれの色成分についても損失を低減することができる。その結果、光感知セルを大幅に増やすことなく、従来よりも高感度の撮像系または高輝度の表示系を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】例示的な実施形態１における色分離フィルタの平面図である。
【図１Ｂ】例示的な実施形態１における色分離フィルタのＡ−Ａ'線断面図である。
【図２Ａ】例示的な実施形態１における色分離フィルタの平面図である。
【図２Ｂ】例示的な実施形態１における色分離フィルタのＢ−Ｂ'線断面図である。
【図２Ｃ】例示的な実施形態１における色分離フィルタのＣ−Ｃ'線断面図である。
【図３】例示的な実施形態２における撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図４】例示的な実施形態２におけるレンズ１２と撮像素子１０とを示す模式図である。
【図５】例示的な実施形態２における撮像素子の光感知セル２の配列を示す図である。
【図６】例示的な実施形態３における表示板の部分断面図である。
【図７】マイクロレンズと多層膜フィルタとを用いた従来の固体撮像素子の断面図である。
【図８Ａ】従来の２管式カラーカメラの光学プリズムの外形図である。
【図８Ｂ】従来の３板式カラーカメラの光学プリズムの外形図である。
【図９】多層膜フィルタと反射とを用いて光の利用率を高めた従来の撮像素子の断面の一部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の例示的な実施形態の概要は以下のとおりである。
【００１９】
（１）本発明の一態様による色分離フィルタアレイは、各々が三角錐状の複数の単位要素が２次元状に配列された色分離フィルタアレイである。各単位要素は、三角錐の３つの側面を形成するように配置された、透過波長域および反射波長域が互いに異なる第１から第３のフィルタと、前記第１から第３のフィルタによって囲まれる領域に入射し前記第１から第３のフィルタの各々によって反射された光をさらに反射し、前記第１から第３のフィルタのうち前記光を反射したフィルタとは異なるフィルタに導くように配置された反射領域とを有する。前記第１のフィルタは、第１波長域の可視光を透過させ、前記第１波長域以外の可視光を反射するように設計され、前記第２のフィルタは、第２波長域の可視光を透過させ、前記第２波長域以外の可視光を反射するように設計され、前記第３のフィルタは、第３波長域の可視光を透過させ、前記第３波長域以外の可視光を反射するように設計されている。
【００２０】
（２）ある実施形態において、前記反射領域は、前記第１から第３のフィルタの各々によって反射された光を全反射するように配置されている。
【００２１】
（３）項目（１）または（２）に記載の色分離フィルタアレイのある態様において、前記第１波長域は赤の波長域であり、前記第２波長域は緑の波長域であり、前記第３波長域は青の波長域である。
【００２２】
（４）項目（１）から（３）のいずれかに記載の色分離フィルタアレイのある態様において、前記反射領域および前記第１から第３のフィルタは、前記反射領域を透過して前記第１から第３のフィルタの各々によって反射された光の一部が、前記反射領域で反射され、前記第１から第３のフィルタのうち前記光を反射したフィルタとは異なるフィルタによって反射され、前記反射領域でさらに反射されて、前記第１から第３のフィルタのうち前記光を透過させる特性を有するフィルタに入射するように配置されている。
【００２３】
（５）項目（１）から（４）のいずれかに記載の色分離フィルタアレイのある態様において、前記第１から第３のフィルタおよび前記反射領域によって囲まれた媒体の、前記反射領域を介して前記媒体に接する他の媒体に対する屈折率をｎとし、前記第１から第３のフィルタの各々と前記反射領域とがなす角度をｗとするとき、
【数１】
0005947217.tif 000002
の少なくとも１つが満たされている。
【００２４】
（６）項目（５）に記載の色分離フィルタアレイのある態様において、
【数２】
0005947217.tif 000003
の全てが満たされている。
【００２５】
（７）項目（１）から（６）のいずれかに記載の色分離フィルタアレイのある態様において、前記複数の単位要素は、前記第１から第３のフィルタが、隣接単位要素における前記第１から第３のフィルタにそれぞれ隣接するように配列されている。
【００２６】
（８）本発明の一実施形態による固体撮像素子は、項目（１）から（７）のいずれかに記載の色分離フィルタアレイと、各単位要素における前記第１から第３のフィルタの各々に対応して前記反射領域の反対側に配置された複数の光感知セルとを備えている。
【００２７】
（９）本発明の一実施形態による撮像装置は、項目（８）に記載の固体撮像素子と、前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、前記固体撮像素子から出力される信号を処理する信号処理部とを備える。
【００２８】
（１０）本発明の一実施形態による表示装置は、項目（１）から（７）のいずれかに記載の色分離フィルタアレイと、各単位要素における前記第１から第３のフィルタの各々に対応して前記反射領域の反対側に配置された複数の表示部とを備えている。
【００２９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。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。
【００３０】
（実施形態１）
まず、本発明の第１の実施形態を説明する。本実施形態は、色分離フィルタアレイを備えた撮像素子に関している。
【００３１】
図１Ａは、本実施形態における色分離フィルタアレイの基本構成を示す平面図である。本実施形態における色分離フィルタアレイは、図１Ａに正三角形で示されている三角錐状の単位要素１を基本構成とし、単位要素１が２次元状に配列された構造を有している。単位要素１は、三角錐の３つの側面を形成するように配置された３つのフィルタ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂを有している。図１Ａは、当該三角錐の頂点の反対側から見たときの色分離フィルタアレイの一部を示している。図１Ａでは、フィルタ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの境目は破線または実線で表されている。
【００３２】
本実施形態におけるフィルタ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは、通常の光吸収型のフィルタとは異なり、特定の波長域の可視光を透過させ、他の波長域の可視光を反射する特性を有している。フィルタ１Ｒは、赤（Ｒ）の波長域の光を透過させ、シアン（Ｃｙ）の波長域の光を反射するように設計されている。フィルタ１Ｇは、緑（Ｇ）の波長域の光を透過させ、マゼンタ（Ｍｇ）の波長域の光を反射するように設計されている。フィルタ１Ｂは、青（Ｂ）の波長域の光を透過させ、イエロー（Ｙｅ）の波長域の光を反射するように設計されている。ここで、Ｃｙの波長域とは、ＧおよびＢの波長域を意味し、Ｍｇの波長域とは、ＢおよびＲの波長域を意味し、Ｙｅの波長域とは、ＲおよびＧの波長域を意味する。
【００３３】
フィルタ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは、例えば誘電体多層膜によって作製され得る。誘電体多層膜を用いることにより、所望の波長域の光を選択的に透過または反射させるフィルタを作製することができる。なお、フィルタ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは、上記の特性を有していれば、誘電体多層膜に限らず、例えばホログラムを用いて作製されていてもよい。
【００３４】
図１Ａに示すように、１つの単位要素１は、３つの他の単位要素に隣接している。各単位要素は、同一の特性を有する２つのフィルタが隣接するように配置される。すなわち、フィルタ１Ｒは隣接単位要素のフィルタ１ＲＲに隣接し、フィルタ１Ｇは隣接単位要素のフィルタ１ＧＧに隣接し、フィルタ１Ｂは隣接単位要素のフィルタ１ＢＢに隣接している。フィルタ１ＲＲ、１ＧＧ、１ＢＢは、それぞれフィルタ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂと同一特性を有している。
【００３５】
図１Ｂは、図１ＡにおけるＡ−Ａ'線断面図である。本実施形態では、全てのフィルタ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは、水平面に対して同一の角度で傾いている。ここで「水平面」とは、現実の向きに関わらず、フィルタ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂで形成される三角錐の底面が含まれる平面を意味する。
【００３６】
同一特性の隣接する２つのフィルタ（１Ｒと１ＲＲ、１Ｇと１ＧＧ、１Ｂと１ＢＢ）が対となり、それらの直下に光感知セル２が配置されている。このため、各光感知セル２の形状は、これらのフィルタに対応して、菱形である。光感知セル２は、典型的にはフォトダイオードを含み、受けた光の強度に応じた光電変換信号を出力する。
【００３７】
単位要素１の内部には、屈折率ｎ１の第１の透明媒体３が設けられている。第１の透明媒体３は、界面９を境に外部の空気層と接している。本実施形態では、後述するように、界面９が反射領域として機能する。また、色分離フィルタアレイと光感知セル２との間には、屈折率ｎ２の第２の透明媒体４が設けられている。第１の透明媒体３および第２の透明媒体４は、外部の空気層よりも屈折率が高い透明部材であればどのような部材であってもよい。
【００３８】
以下、本実施形態における色分離フィルタアレイに光が入射したときの状況を説明する。以下の説明では、白色光（Ｗ光）が空気層（屈折率１．０）から色分離フィルタアレイに垂直に（図１Ｂにおける下方向に）入射するものとする。また、第1の透明媒体の屈折率および第２の透明媒体の屈折率を共にｎとする（ｎ１＝ｎ２＝ｎ）。
【００３９】
図２Ａは、図１Ａに示す色分離フィルタに仮想的に入射した１本の光線の経路を示す平面図である。図２Ｂは図２ＡにおけるＢ−Ｂ'線断面図であり、図２Ｃは図２ＡにおけるＣ−Ｃ'線断面図である。以下、入射光の経路の代表例として、図２Ａにおけるａ点に光が垂直に入射した場合の光の経路を、図２Ａから図２Ｃを用いて説明する。ここで、図２Ａに示すように、ａ点を原点として光の入射方向に垂直な面上にｘ軸およびｙ軸を、光の入射方向と逆方向にｚ軸を設定する。
【００４０】
図２Ａにおけるａ点に光が垂直に入射すると、図２Ｂに示すように、Ｒ光はフィルタ１Ｒ上のｂ点を透過するが、その補色光であるＣｙ光（Ｇ光およびＢ光）はｂ点で反射される。ｂ点を透過したＲ光は直下の光感知セル２に入射する。以下、ｂ点で反射されたＣｙ光の経路を辿る。
【００４１】
上記のように、全てのフィルタは水平面（ｘｙ平面）に対して同一の角度で傾いている。その角度をｗで表すこととする。すると、フィルタ１Ｒの面と直交する単位法線ベクトルＶ1は、以下の式１で表される。
【数３】
0005947217.tif 000004
【００４２】
フィルタ１Rによる光の反射角をｗ１とすると、入射角と反射角は等しいので、ｗ1＝ｗが成立する。したがって、反射光の方向は、以下の式２に示す単位ベクトルＶ１１の方向と一致する。
【数４】
0005947217.tif 000005
【００４３】
フィルタ１Ｒによる反射光は、図２Ｂに示すように、第１の透明媒体３と空気層との界面９上のｃ点で反射する。本実施形態では、光利用率を高めるため、界面９で全反射するように各フィルタの傾斜角ｗが設定されているものとする。すなわち、界面９への入射角２ｗが臨界角以上になるよう、以下の式３を満足するようにｗが設定されている。
【数５】
0005947217.tif 000006
【００４４】
但し、式３以外にも満たすべき条件があり、それは、フィルタ１Ｒの反射光が直接フィルタ１Ｇに入射しないという条件である。もし、フィルタ１Ｒの反射光が直接フィルタ１Ｇに入射してしまうと、その反射光が上方（ｚ座標が増加する方向）に戻ってしまう。また、フィルタ１Ｇを透過した光が水平方向（ｙ座標が増加する方向）に伝播する可能性が高い。すなわち、光利用率が低下する可能性がある。このような事態を避けるため、ベクトルＶ１１がフィルタ１Ｇの傾斜以上の傾きを有するという条件が課される。この条件は、次の式４で表される。
【数６】
0005947217.tif 000007
【００４５】
式４において、左辺はベクトルＶ１１のｚ成分とｙ成分との比であり、右辺はフィルタ１Ｇの傾き（後述の式８における−ｙ成分とｚ成分との比）である。ここで、２ｗ＜π/2とすると、式４は、さらに以下の式５に変形され、結果として式６が得られる。式６は、角度で表すと、ｗ＜35.3度となる。
【数７】
0005947217.tif 000008
【数８】
0005947217.tif 000009
【００４６】
以上のように、ａ点を透過したＷ光のうち、Ｒ光のみがｂ点を透過し、その直下の光感知セル２に入射する。それ以外のＣｙ光は、フィルタ１Ｒで反射され、さらに第１の透明媒体３と空気層との界面９上のｃ点で反射され、フィルタ１Ｇに入射する。
【００４７】
次に、フィルタ１Ｇに入射する光の経路について説明する。
【００４８】
図２Ｃに示すように、フィルタ１Ｇに入射するＣｙ光のうち、Ｇ光のみがフィルタ１Ｇ上の点ｄを透過し、その直下の光感知セルに入射する。一方、当該Ｃｙ光に含まれるＢ光は、フィルタ１Ｇ上の点ｄで反射される。本実施形態では、第１の透明媒体３の屈折率と第２の透明媒体４の屈折率とが等しいため、フィルタ１Ｇを透過する前後で光の進行方向は変わらない。なお、透過したＧ光を光感知セルに対してできるだけ垂直に入射させるためには、第１の透明媒体３の屈折率ｎ１および第２の透明媒体４の屈折率ｎ２を、ｎ１＜ｎ２を満たすように設定すればよい。
【００４９】
フィルタ１Ｇに入射するＣｙ光の進行方向は、ベクトルＶ１１のＺ座標が負になるだけなので、その方向は、以下の式７に示す単位ベクトルＶ１２の方向と一致する。
【数９】
0005947217.tif 000010
【００５０】
一方、フィルタ１Ｇの面と直交する単位法線ベクトルをＶ２とすると、色分離フィルタアレイの単位要素の形状が正三角錐状で各フィルタが水平面に対して角度ｗ傾いていることから、次の式８で表される。
【数１０】
0005947217.tif 000011
【００５１】
フィルタ１Ｇに対するＣｙ光の入射角ｗ２は、以下の式９で表されるベクトルＶ１２とベクトルＶ２との内積を用いて、式１０、式１１のように変形され、最終的に式１２で表される。
【数１１】
0005947217.tif 000012
【数１２】
0005947217.tif 000013
【数１３】
0005947217.tif 000014
【数１４】
0005947217.tif 000015
【００５２】
フィルタ１Ｇ上のｄ点における反射光（Ｂ光）の進行方向は、フィルタ１Ｇの面の法線Ｖ２と角度ｗ３（＝ｗ２）をなしており、以下の式１３に示す単位ベクトルＶ２１の方向と同じである。但し、式１３において、ｋの値は、以下の式１４〜式１６の計算結果から、式１７で表される。
【数１５】
0005947217.tif 000016
【数１６】
0005947217.tif 000017
【数１７】
0005947217.tif 000018
【数１８】
0005947217.tif 000019
【数１９】
0005947217.tif 000020
【００５３】
フィルタ１Ｇ上のｄ点で反射したＢ光は、第１の透明媒体３と空気層との界面９で反射される。ここでも、光利用率を高めるため、界面９で全反射するように各フィルタの傾斜角ｗが設定されている。Ｂ光の界面９上のｅ点への入射角をｕとすると、入射角ｕの余弦値は上記ベクトルＶ２１のｚ値と一致するので、以下の式１８が成立する。式１８は、さらに次の式１９に変形される。
【数２０】
0005947217.tif 000021
【数２１】
0005947217.tif 000022
【００５４】
Ｂ光が界面９上のｅ点で全反射するためには、その入射角ｕが臨界角以上でなければならない。すなわち、ｃｏｓ（ｕ）が以下の式２０を満足するとき、全反射が生じる。
【数２２】
0005947217.tif 000023
【００５５】
式１９および式２０から、ｅ点で全反射が生じるためには、フィルタの傾斜角ｗは、以下の式２１を満足するように設定されていればよいことになる。
【数２３】
0005947217.tif 000024
【００５６】
以上のように、フィルタ１Ｇ上のｄ点に入射したＣｙ光のうち、Ｇ光のみがｄ点を透過し、その先の光感知セル２に入射する。それ以外のＢ光は、フィルタ１Ｇによって反射され、角度ｗが好ましい値に設定されている場合、さらに空気層との界面９上のｅ点で全反射される。その後、Ｂ光はフィルタ１Ｂ上のｆ点に入射し、さらにその先の光感知セル２に入射する。
【００５７】
以上の説明では、フィルタ１Ｒ上の点ａに光が入射した場合における光の辿る経路を示したが、光がフィルタ１Ｇに入射する場合でも、フィルタ１Ｂに入射する場合でも同様の議論が成立する。すなわち、入射光の損失を防ぎ、且つ入射光をＲＧＢ各成分の光に分け、高効率に各光感知セル２で光電変換できる。特に本実施形態では、フィルタ１Ｒと１ＲＲ、フィルタ１Ｇと１ＧＧ、フィルタ１Ｂと１ＢＢが対となり、それらの直下に菱形状の光感知セル２が配置されているため、光が各フィルタを斜めに透過しても、その直下の光感知セル２で光を吸収し易い構造になっている。
【００５８】
以上のように、本実施形態によれば、各々が透過波長域および反射波長域の異なる二等辺三角形の３つのフィルタを傾けて組み合わせ、その基本構成を正三角錐状にすることにより、入射光をＲＧＢの３成分の光に分離し、有効利用できる。さらに、上記式３、式６、および式２１を満足するように各フィルタの傾斜角度を設定することにより、各フィルタによって反射された光を界面９上で全反射させ、光損失を防止しつつ、ＲＧＢ光を高い効率で取り込めるという優れた効果を奏する。
【００５９】
なお、本実施形態の上記説明では、具体的に各フィルタの傾斜角を示さなかったが、例えば、第１の透明媒体３および第２の透明媒体４の屈折率が共に１．５の場合は、式３、式６、および式２１を満たす角度ｗの条件は、２０．９＜ｗ＜３５．３度となる。この条件を満たすように角度ｗが設定されていれば、第１の透明媒体３と空気層との界面９で全反射が生じ、高効率にＲＧＢ光を取り込むことができる。また、上記の説明では、第１の透明媒体３の屈折率ｎ１と第２の透明媒体の屈折率ｎ２とを同じ値としたが、これに限定するものではない。例えば、ｎ１＜ｎ２を満たすようにして、光が光感知セル２にできるだけ垂直に近い角度で入射するように設計すれば、より効果的に光を取り込むことが可能である。
【００６０】
本実施形態では、式３、式６、および式２１の条件をすべて満足するが、これらの条件は必須というわけではなく、これらの条件が完全に満たされていない場合であっても、ある程度の効果は得られる。また、本実施形態では、色分離フィルタアレイの単位要素１は、正三角錐状で、かつ３つのフィルタ１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは二等辺三角形状であるが、これらの形状は、このとおりである必要はない。例えば、単位要素１の角が丸くなっていたり、各フィルタの辺の長さが二等辺三角形の場合の長さからずれていたとしても問題はない。さらに、本実施形態における第１の透明媒体３と空気層との界面９は平面状であるが、一部に凹凸が存在していてもある程度の効果は得られる。本実施形態では、色分離フィルタアレイの光入射側の媒体は空気であるが、第１の透明媒体１よりも屈折率が低い媒体であれば空気以外の媒体であってもよい。
【００６１】
また、本実施形態では、Ｒ光を透過するフィルタ１Ｒ、Ｇ光を透過するフィルタ１Ｇ、Ｂ光を透過するフィルタ１Ｂが用いられるが、各フィルタの透過特性はこの例に限られるものではない。例えば、各光感知セル２が補色系（Ｃｙ、Ｙｅ、Ｍｇ）の光を受け、信号処理によってＲＧＢ各色成分の信号を生成するような場合、補色系の光を透過させ、原色系（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の光を反射するフィルタを用いてもよい。
【００６２】
（実施形態２）
次に、第２の実施形態を説明する。本実施形態は、実施形態１における固体撮像素子を備えた撮像装置に関する。
【００６３】
図３は、本実施形態の撮像装置の全体構成を示すブロック図である。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。
【００６４】
撮像部３００は、被写体を結像するための光学レンズ１２と、光学フィルタ１１と、光学レンズ１２および光学フィルタ１１を通して結像した光情報を、光電変換によって電気信号に変換する固体撮像素子１０（イメージセンサ）とを備えている。撮像部３００はさらに、撮像素子１０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１０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１３と、信号発生／受信部１３によって発生された基本信号に基づいて撮像素子１０を駆動する素子駆動部１４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１１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１０は、実施形態１における撮像素子と同一であり、色分離フィルタアレイが光感知セルアレイに対向して配置されている。撮像素子１０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得る。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。
【００６５】
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１５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１７と、生成した画像信号を外部に送出する画像信号出力部１６とを備えている。画像信号生成部１５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１７は、ＤＲＡＭなどによって構成される。メモリ１７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１５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１６を介して不図示の記録媒体や表示部などに送出される。
【００６６】
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１０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。
【００６７】
図４は、露光中にレンズ１２を透過した光が撮像素子１０に入射する様子を模式的に示す図である。図４では、簡単のためレンズ１２および撮像素子１０以外の構成要素の記載は省略されている。また、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が、簡単のため、単一のレンズとして描かれている。撮像素子１０の撮像面１０ａには、２次元状に配列された複数の光感知セル（画素）２を含む光感知セルアレイが配置されている。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。
【００６８】
図５は、画素配列の例を示す平面図である。撮像面１０ａ上には、菱形の複数の光感知セルが２次元状に配列されている。図示されていないが、これらの光感知セル２を覆うように図１Ａに示す赤フィルタ１Ｒ、緑フィルタ１Ｇ、青フィルタ１Ｂを含む色分離フィルタアレイが形成されている。
【００６９】
以上の構成により、撮像の際、撮像面１０ａにはレンズ１２および光学フィルタ１１を透過した光が入射し、被写体の像が形成される。各光感知セル２は、受けた光の量に応じた光電変換信号を出力する。当該光電変換信号は、画像信号生成部１５によって処理され、画像信号が生成される。
【００７０】
本実施形態によれば、実施形態１における色分離フィルタを用いることにより、入射光をＲＧＢの３成分の光に分離し、有効利用できる。特に、上記式３、式６、および式２１を満足するように各フィルタの傾斜角度を設定すれば、各フィルタによって反射された光を界面９上で全反射させることができるため、ＲＧＢ光を高い効率で取り込むことができる。その結果、従来よりも感度を向上させることができる。
【００７１】
（実施形態３）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態では、色分離フィルタアレイを２次元の液晶表示板に適用した例を説明する。
【００７２】
図６は、本実施形態における液晶表示板の部分断面図であり、実施形態１における図１Ｂの断面図に対応する。本実施形態における色分離フィルタアレイは、実施形態１における色分離フィルタアレイと同じであるため、詳細な説明は省略する。図６において、図１Ｂに示す光感知セル２の代わりに、液晶５、透明電極６、０度偏光板７、および９０度偏光板８が設けられている。本明細書では、１画素あたりの液晶５、透明電極６、０度偏光板７、および９０度偏光板８を、まとめて「表示部１０」と呼ぶこととする。各表示部１０は、色分離フィルタアレイの各単位要素に対応して設けられている。
【００７３】
上記構成において、光は図６における上部から照射され、色分離フィルタアレイによってＲＧＢ光に分離される。その光分離の具体的態様については、上記の実施形態１と同じなので説明を省略する。ＲＧＢ光に分離された光は、液晶板の各画素に入射し、さらに０度偏光板７を通り、透明電極６と液晶５および９０度偏光板８でその光量が制御される。従来技術では、本実施形態における色分離フィルタアレイの代わりに有機のＲＧＢフィルタのアレイが配置されているため、各フィルタによって当該フィルタの透過波長域以外の波長の光は吸収される。一方、本実施形態では、光を吸収しない色分離フィルタアレイが用いられるため、高い効率で入射光を利用できる。
【００７４】
以上のように、本実施形態によれば、上記の色分離フィルタアレイを液晶表示板に適用しているため、従来よりも高い効率で入射光を利用できるという優れた効果を有する。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明にかかる色分離フィルタアレイは、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、全てのカラーカメラに有効である。また、カラー液晶表示パネル等の全てのカラー表示板にも適用可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１Ｒ、１ＲＲ、１Ｇ、１ＧＧ、１Ｂ、１ＢＢ  フィルタ
２  撮像素子の光感知セル
３  第1の透明媒体
４  第２の透明媒体
５  液晶
６  透明電極
７  ０度偏光板
８  90度偏光板
９  界面（反射領域）
１０  表示部
１１  マイクロレンズ
１２  インナーレンズ
１３  赤（Ｒ）光以外を反射するフィルタ
１４  緑（Ｇ）光のみを反射するフィルタ
１５  青（Ｂ）光のみを反射するフィルタ
２１  従来の２管式カラーカメラの光学プリズム
２２  従来の３板式カラーカメラの光学プリズム
３１  透光性の樹脂
３２  Ｇ光透過の多層膜フィルタ
３３  Ｒ光透過の多層膜フィルタ
３４  Ｇ光透過の色フィルタ
３５  Ｒ光透過の色フィルタ
３６  マイクロレンズ
３７  金属層
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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