(57)【要約】  ２行２列を基本構成として分光要素を有し、分光要素１ａ、１ｂ、分光要素１ｃ、１ｄがそれぞれ組となり、それぞれ直下の光感知部と隣接する光感知セルに分光した光を入射させる。分光要素１ａは原色光Ｃ１を隣接セル２ｂに、その補色光Ｃ１‘を直下セル２ａに、分光要素１ｂは原色光Ｃ２を直下セル２ｂに、その補色光Ｃ２’を隣接セル２ａに、分光要素１ｃは分光要素１ｂと同じで、分光要素１ｄは原色光Ｃ３を隣接セル２ｃに、その補色光Ｃ３’を直下セル２ｄに入射するように分光させる。光感知セル２は光電変換によって入射光量に応じて電気信号を出力する。各光感知セルの出力間の簡単な演算により、色信号と輝度信号を作る。
2009153937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む光感知セルアレイと、
前記光感知セルアレイ上に設けられ、第１の光学素子および第２の光学素子を含む光学素子アレイと、
を備える固体撮像装置であって、
前記第１の光学素子は、前記第１の光学素子に入射した入射光に含まれる第１波長域の光線を前記第１の光感知セルに入射させ、前記入射光に含まれる第２波長域の光線を前記第２の光感知セルに入射させ、
前記第２の光学素子は、前記第２の光学素子に入射した入射光に含まれる少なくとも前記第２波長域の光線を前記第２の光感知セルに入射させ、
前記第１の光感知セルは、前記第１の光学素子を透過した光線の入射によって生じた電気信号成分を含む信号を出力し、
前記第２の光感知セルは、前記第１および第２の光学素子を透過した光線の入射によって生じた電気信号成分を含む信号を出力する、固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１波長域の光線の色は、前記第２波長域の光線の色の補色である請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の光学素子および前記第２の光学素子は、それぞれ、入射光を波長に応じて異なる方向に向ける分光特性を有しており、
前記第１の光学素子は前記第１の光感知セル上に位置し、前記第２の光学素子は前記第２の光感知セル上に位置する請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
複数の光感知セルを含む光感知セルアレイと、
少なくとも２種類の分光要素が１次元状または２次元状に前記光感知セルアレイ上に配置された光学素子アレイと、
を備え、
一部または全部の前記光感知セルが少なくとも２種類の前記分光要素からの光を受けて少なくとも３種類の色信号を生成する撮像装置であって、
前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である分光要素を含む固体撮像装置。
【請求項５】
前記光学素子アレイは、入射光を少なくとも３つの光に分光させる分光要素
を含み、
前記分光要素の内の少なくとも１つが、対応する前記光感知セルに光の一部を落射させ、その他の光を対応する前記光感知セルの隣接光感知セルに落射させる請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光学素子アレイは、
入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素および第２の分光要素を含み、
前記第１の分光要素と前記第２の分光要素とが隣接して配置され、
前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、
前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第２波長域の光が入射する請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記光学素子アレイは、
入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第３の分光要素と、
入射光を分光しない透明要素と、
を含み、
前記第３の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、
前記第３の分光要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、
前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第２波長域の光と前記透明要素からの光とが入射する請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記光学素子アレイは、
入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素、第２の分光要素、および第３の分光要素と、
前記入射光を分光しない透明要素と、
を含み、
前記第１の分光要素と前記第２の分光要素が隣接して配置され、前記第３の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、
前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、
前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第２波長域の光が入射し、
前記第３の分光要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、
前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第２波長域の光と前記透明要素からの光が入射する請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記光学素子アレイは、
入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素と、
入射光を第３波長域の光、第４波長域の光、および第５波長域の光に分光させる第２の分光要素と、
を含み、
前記第１の分光要素と前記第２の分光要素が交互に隣接して配置され、
前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第３波長域の光と前記第５波長域の光が入射し、
前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第４波長域の光が入射する請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記光学素子アレイは、
入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素と、
分光しない透明要素と、
を含み、
前記第１の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、
前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光が入射し、
前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記透明要素からの光が入射する請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記光学素子アレイは、
入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素および第２の分光要素と、
入射光を第３波長域の光、第４波長域の光、第５波長域の光に分光させる第３の分光要素と、
入射光を分光しない透明要素と、
を含み、
前記第１の分光要素と前記第３の分光要素が交互に隣接して配置され、前記第２の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、
前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第３の分光要素の前記第３波長域の光と前記第５波長域の光が入射し、
前記第３の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第３の分光要素の前記第４波長域の光が入射し、
前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第２の分光要素の前記第２波長域の光が入射し、
前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第２の分光要素の前記第１波長域の光と前記透明要素からの光が入射する請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
２つの光に分光し、そのどちらかを透明要素に対応する光感知セルに入射させる分光要素であって、光量が少ない方の分光を前記透明要素に対応する光感知セルに入射させる特性を有する請求項４または５に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記分光要素は、回折によって入射光の分光を行う請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記分光要素は、屈折率が相対的に高い材料から形成された高屈折透明部と、屈折率が相対的に低い材料から形成され、前記高屈折透明部の側面と接する低屈折率透明部とを有している請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記高屈折率透明部は、入射光の進行方向に対して厚さが異なる部分を有する請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
入射光の進行方向に沿った断面において、前記高屈折率透明部の中心軸が階段状に折れ曲がっている請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
隣接する２つの光感知セルが出力する信号の差分演算により、色情報を算出する請求項４または５に記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
２次元状に配列された複数の光感知セルを有する光感知セルアレイであって、第１の方向に沿って隣接する第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む光感知セルアレイと、
前記第１の光感知セルに対応する位置に設けられ、入射光を前記第１の方向に分光する第１の分光要素と、
を備え、
前記第１の分光要素によって分光された光の少なくとも一部は、前記第２の光感知セルに入射し、
前記第１の光感知セルおよび第２の光感知セルは、それぞれ、入射光量に基づく光電変換信号を出力し、
前記第２の光感知セルからの光電変換信号と前記第１の光感知セルからの光電変換信号との差分演算に基づいて、前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した光の量が検出される固体撮像装置。
【請求項１９】
第１の光感知セルおよび第２の光感知セル上に光学特性が同一の色要素が配列され、前記色要素を通して得られた光電変換信号を用いて、第１の分光要素によって分光し前記第２の光感知セルに入射した光の分光量を検出する請求項１８に記載の固体撮像装置。
【請求項２０】
第２の光感知セルに対応する位置に設けられ、前記第１の方向に対して角度をなす第２の方向に入射光を分光する第２の分光要素を有し、
前記第２の光感知セル間の光電変換信号の加算結果と、前記第１の光感知セルからの光電変換信号と前記第２の光感知セルからの光電変換信号との加算結果との差分演算を行うことによって分光量を検出する請求項１８に記載の固体撮像装置。
【請求項２１】
前記角度が９０度である請求項２０に記載の固体撮像装置。
【請求項２２】
前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した光が赤外光である請求項１８に記載の固体撮像装置。
【請求項２３】
前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した前記赤外光の量に基づいて、赤外光画像を生成する請求項２２に記載の固体撮像装置。
【請求項２４】
前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した前記赤外光の量を、各光感知セルの光電変換信号から減算することにより可視光画像を生成する請求項２２に記載の固体撮像装置。
【請求項２５】
前記光感知セルアレイは、前記第２の方向に沿って隣接する第３の光感知セルを含み、
前記第３の光感知セルに対応する位置に設けられ、入射光を前記第２の方向に分光する第３の分光要素を更に備え、
第２の分光要素は、入射光を
青とその他の色に分光し、
前記第３の分光要素は、入射光を赤とその他の色に分光する、請求項２４に記載の固体撮像装置。
【請求項２６】
複数の光感知セルを含む光感知セルアレイと、
複数の分光要素が１次元状または２次元状に前記光感知セルアレイ上に配置された光学素子アレイと、
を備え、
一部または全部の前記光感知セルの各々が、前記光学素子アレイに含まれる複数の分光要素からの光を受けて色信号を生成する撮像装置であって、
前記分光要素と前記光感知セルとの３次元的位置関係または前記分光要素の傾きが位置によって変化している固体撮像装置。
【請求項２７】
前記分光要素と前記光感知セルとの距離が位置によって変化している請求項２６に記載の固体撮像装置。
【請求項２８】
前記分光要素の配置ピッチと前記光感知セルの配置ピッチとがｍ：ｎの整数比（但し、ｎ／ｍは整数ではない）である請求項２５に記載の固体撮像装置。
【請求項２９】
前記光学素子アレイに含まれる前記複数の分光要素の特性が相互に等しい請求項２５に記載の固体撮像装置。
【請求項３０】
屈折率が相対的に高い材料から形成された高屈折透明部と、屈折率が相対的に低い材料から形成され、前記高屈折透明部の側面と接する低屈折率透明部とを有しており、前記高屈折率透明部は、入射光の進行方向に対して厚さが異なる部分を有する請求項２８に記載の固体撮像装置。
【請求項３１】
入射光を第１の方向に分光する複数の上側分光要素が２次元平面状に配列された第１光学素子アレイと、
入射光を前記第１の方向とは交差する第２の方向に分光する複数の下側分光要素が２次元平面上に配列された第２光学素子アレイと、
複数の光感知セルが２次元状に配列された光感知セルアレイと、
を備え、
前記第２光学素子アレイと前記第１光学素子アレイとは、前記光感知セルアレイ上において積層されている、固体撮像装置。
【請求項３２】
前記第１の方向と、前記第２の方向とが直交している請求項３１に記載の固体撮像装置。
【請求項３３】
前記上側分光要素は入射光を第１波長域の光と第２波長域の光に分け、
前記下側分光要素は入射光を第３波長域の光と第４波長域の光に分け、
前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とは補色関係にあり、前記第３波長域の光と前記第４波長域の光とが補色関係にある請求項３２に記載の固体撮像装置。
【請求項３４】
前記光感知セルアレイは、前記第１から第４波長域の光を受け、光電変換によって電気信号を生成し、前記光感知セルアレイから少なくとも４つの色信号が得られる請求項３３に記載の固体撮像装置。
【請求項３５】
前記上側分光要素は、分光方向が１８０度異なる第１の分光要素と第２の分光要素を有し、
前記下側分光要素は、分光方向が１８０度異なる第３の分光要素と第４の分光要素を有し、
前記光感知セルアレイは、４つの光感知セルから構成された基本ユニットを有し、
前記４つの光感知セルは、それぞれ、前記第１から第４波長域の何れかの光を受け、光電変換によって信号を出力する、請求項３４に記載の固体撮像装置。
【請求項３６】
前記光感知セルアレイは、前記第１の分光要素または前記第２の分光要素によって分光した光、または前記第１の分光要素および前記第２の分光要素のどちらも透過していない光を受光し光電変換する光感知セル群も含む請求項３３に記載の固体撮像装置。
【請求項３７】
前記上側分光要素は、赤外および青を含む第１波長域の光と赤および緑を含む第２波長域の光に分光させ、
前記下側分光要素は、赤外および赤を含む第３波長域の光と緑および青を含む第４波長域の光に分光させる請求項３３に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置の高感度化および赤外光を含めたカラー化の技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像装置（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、固体撮像装置における画素構造の微細化が進み、固体撮像装置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１００万画素から１０００万画素へと著しく増加した。ただ、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（光量）が低下してきたため、カメラ感度も低下するという問題が起きている。【０００３】
カメラの感度低下には、多画素化以外に、色分離用の色フィルタ自体にも原因がある。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、光利用率を低下させている。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を配置しているため、光利用率はかなり低い。ベイヤー型の色フィルタでは、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３色の色フィルタが２次元的に並べられている。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、各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】
またカメラに対して、性能だけでなく利用面でもいろいろな要求がある。最近では、監視用途において、昼間だけでなく、夜間でも赤外光を用いて撮像したいというニーズがあり、１つのカメラで昼夜兼用できるカメラ機能も要求されている。【０００５】
このような問題を解決し、上記の要求に応じるため、撮像素子の受光部にマイクロレンズアレイを取り付け、受光量を増やす手法が特許文献１に開示されている。この手法は、撮像素子の光感知部の開口率が低いため、マイクロレンズで集光し、実質的に光開口率を向上させたものであり、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、確かに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を解決するものではない。【０００６】
そこで、この光利用率低下と感度低下を同時に解決する方法として、多層膜の色フィルタとマイクロレンズを組み合わせて、光を最大限取り込む構造を有する固体撮像装置が特許文献２に開示されている。この装置は、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を組み合わせて用いる。各ダイクロイックミラーは、必要な光のみを選択し、対応する光感知部に入射させる。図２５は、このような構成の一例を有する撮像素子の断面図である。【０００７】
図２５の固体撮像装置によると、集光マイクロレンズ２１に入射した光は、インナーレンズ２２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２３に入射する。第１ダイクロイックミラー２３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１ダイクロイックミラー２３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２３で反射された光は、隣接する第２ダイクロイックミラー２４に入射する。第２ダイクロイックミラー２４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２４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２４を透過した青の光は、第２ダイクロイックミラー２５で反射され、その直下の光感知セル２に入射する。【０００８】
図２５の撮像素子によれば、集光マイクロレンズ２１に入射した可視光は、色フィルタによって吸収されず、そのＲＧＢの各成分が３つの光感知セル２によって無駄なく検出される。【０００９】
マイクロプリズムを用いた固体撮像装置が特許文献３に開示されている。この装置では、マイクロプリズムにより、赤、緑、青に分光した光をそれぞれの光感知セルに入射させる。このような固体撮像装置によっても、色フィルタによる光が無駄に吸収されない。【００１０】
このように、特許文献２、３に開示されている固体撮像装置では、特定波長域の光を選択的に透過する色フィルタを用いず、その代わりに、特定波長域の光を選択的に透過／反射するマイクロミラーや、入射光を波長域に応じて異なる方向に分岐させるマイクロプリズムを用いている点で共通している。このようなマイクロミラーやマイクロプリズムのような分光要素として機能する色分離光学素子によれば、光の利用率を大幅に高めることが可能になる。【００１１】
しかしながら、これらの固体撮像装置では、利用する色分離光学素子の数だけ、また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、青の光を検出するには、光感知セルの数を３倍に増やさなければならない。【００１２】
上記の従来技術の問題を解決するため、光の損失は一部発生するが、多層膜フィルタと光反射を利用して光の利用率を高める技術が特許文献４に示されている。図２６は当該技術を用いた撮像素子の断面図の一部を示したものである。同図において、３１は透光性の樹脂、３２はＧ光透過の多層膜フィルタでＲ光、Ｂ光は反射する。３３はＲ光透過の多層膜フィルタでＧ光、Ｂ光は反射する。３４はＧ光透過の有機色素フィルタ、３５はＲ光透過の有機色素フィルタ、３６はマイクロレンズ、３７は金属層である。【００１３】
このような構成によれば、Ｂ光は光感知部で受光できないが、Ｒ光、Ｇ光は以下の原理で全て検出できる。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、有機色素フィルタ３５、マイクロレンズ３６を通して、光の一部は金属層３７で反射するものの、殆ど全て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、有機色素フィルタ３４、マイクロレンズ３６を通して、同様に殆ど損失なく光感知部に入射する。【００１４】
上記の原理により、特許文献４に示された技術では、ＲＧＢ光の内１色は損失するものの、２色は殆ど損失なく受光できる。しかも、その２色に関しては、新たに光感知セルを増やさずとも、効率良く、それぞれの光を受光できる。ここで、有機色素フィルタのみで構成された撮像素子と比較すると、有機色素フィルタ利用の場合が光利用率１／３に対して、この技術では光利用率２／３であり、感度が２倍向上することになる。しかしながら、この技術でも、３色の内１色は損失することになるため、光利用率を１００％にはできないという課題が残る。【００１５】
一方、赤外光も対応可能な従来の方法は特許文献５に示され、この方法では、図２７に示すように２行２列を基本構成とするＲＧＢと赤外光（ＩＲ）を透過させる色フィルタ４０を撮像素子の光感知部に装着している。但し、ＲＧＢの色要素には赤外光も透過させる特性も有しているため、それらの前面に赤外カットフィルタが装着されている。このような構成で、昼間はＲＧＢの色要素からの光を利用しカラー画像を作り、夜間は照明として赤外光を発光させ、ＩＲ要素からの光を利用し白黒の画像を作っている。この場合、光吸収型の色要素を用いているため、ＲＧＢ光の利用率は低いが、特許文献２〜４の方法を適用することによって、ＲＧＢの光利用率を高めることができると共に赤外光も利用できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【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２００３−７８９１７号公報
【特許文献５】特開２００５−６０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
特許文献２、３に示される従来の手法を利用すると、やはり受光する色数だけ光感知セルを設ける必要があり、また、特許文献４に示される手法を利用すると、いずれかの色成分は損失するという課題が残る。【００１８】
結局、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、光利用率が低い。また、光選択透過タイプのマイクロ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、光感知セルの数を大幅に増やさなければならない。【００１９】
分光を利用したカラー化技術は特許文献６に示されているが、この技術はベイヤー型の色フィルタ配列で、ＲＧＢに対応する画素を設定し、光回折により各色をそれぞれの画素に集光するというものである。すなわち、１つの回折格子で少なくともＲＧＢの３つの光に分けなければならず、カラー化の柔軟性に欠けるという問題点を有していた。【００２０】
本発明は必ずしもＲＧＢに分光する必要がないという柔軟性を有したカラー化技術に関するものであり、光感知セルを大幅に増やさずとも、分光要素を用いて光利用率が高いカラー撮像技術を提供することを目的とする。さらに本発明は可視光だけでなく赤外光にも対応できる技術を提供することもその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の固体撮像装置は、第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む光感知セルアレイと、前記光感知セルアレイ上に設けられ、第１の光学素子および第２の光学素子を含む光学素子アレイとを備える固体撮像装置であって、前記第１の光学素子は、前記第１の光学素子に入射した入射光に含まれる第１波長域の光線を前記第１の光感知セルに入射させ、前記入射光に含まれる第２波長域の光線を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第２の光学素子は、前記第２の光学素子に入射した入射光に含まれる少なくとも前記第２波長域の光線を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第１の光感知セルは、前記第１の光学素子を透過した光線の入射によって生じた電気信号成分を含む信号を出力し、前記第２の光感知セルは、前記第１および第２の光学素子を透過した光線の入射によって生じた電気信号成分を含む信号を出力する。【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記第１波長域の光線の色は、前記第２波長域の光線の色の補色である。【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記第１の光学素子および前記第２の光学素子は、それぞれ、入射光を波長に応じて異なる方向に向ける分光特性を有しており、前記第１の光学素子は前記第１の光感知セル上に位置し、前記第２の光学素子は前記第２の光感知セル上に位置する。【００２４】
本発明の他の固体撮像装置は、複数の光感知セルを含む光感知セルアレイと、少なくとも２種類の分光要素が１次元状または２次元状に前記光感知セルアレイ上に配置された光学素子アレイとを備え、一部または全部の前記光感知セルが少なくとも２種類の前記分光要素からの光を受けて少なくとも３種類の色信号を生成する撮像装置であって、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である分光要素を含む。【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光を少なくとも３つの光に分光させる分光要素を含み、前記分光要素の内の少なくとも１つが、対応する前記光感知セルに光の一部を落射させ、その他の光を対応する前記光感知セルの隣接光感知セルに落射させる。【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素および第２の分光要素を含み、前記第１の分光要素と前記第２の分光要素とが隣接して配置され、前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第２波長域の光が入射する。【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第３の分光要素と、入射光を分光しない透明要素とを含み、前記第３の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、前記第３の分光要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第２波長域の光と前記透明要素からの光とが入射する。【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素、第２の分光要素、および第３の分光要素と、前記入射光を分光しない透明要素とを含み、前記第１の分光要素と前記第２の分光要素が隣接して配置され、前記第３の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第２波長域の光が入射し、前記第３の分光要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第２波長域の光と前記透明要素からの光が入射する。【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素と、入射光を第３波長域の光、第４波長域の光、および第５波長域の光に分光させる第２の分光要素とを含み、前記第１の分光要素と前記第２の分光要素が交互に隣接して配置され、前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第３波長域の光と前記第５波長域の光が入射し、前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第４波長域の光が入射する。【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素と、分光しない透明要素とを含み、前記第１の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光が入射し、前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記透明要素からの光が入射する。【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素および第２の分光要素と、入射光を第３波長域の光、第４波長域の光、第５波長域の光に分光させる第３の分光要素と、入射光を分光しない透明要素とを含み、前記第１の分光要素と前記第３の分光要素が交互に隣接して配置され、前記第２の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第３の分光要素の前記第３波長域の光と前記第５波長域の光が入射し、前記第３の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第３の分光要素の前記第４波長域の光が入射し、前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第２の分光要素の前記第２波長域の光が入射し、前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第２の分光要素の前記第１波長域の光と前記透明要素からの光が入射する。【００３２】
ある好ましい実施形態において、２つの光に分光し、そのどちらかを透明要素に対応する光感知セルに入射させる分光要素であって、光量が少ない方の分光を前記透明要素に対応する光感知セルに入射させる特性を有する。【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記分光要素は、回折によって入射光の分光を行う。【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記分光要素は、屈折率が相対的に高い材料から形成された高屈折透明部と、屈折率が相対的に低い材料から形成され、前記高屈折透明部の側面と接する低屈折率透明部とを有している。【００３５】
ある好ましい実施形態において、前記高屈折率透明部は、入射光の進行方向に対して厚さが異なる部分を有する。【００３６】
ある好ましい実施形態において、入射光の進行方向に沿った断面において、前記高屈折率透明部の中心軸が階段状に折れ曲がっている。【００３７】
ある好ましい実施形態において、隣接する２つの光感知セルが出力する信号の差分演算により、色情報を算出する。【００３８】
本発明による更に他の固体撮像装置は、２次元状に配列された複数の光感知セルを有する光感知セルアレイであって、第１の方向に沿って隣接する第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む光感知セルアレイと、前記第１の光感知セルに対応する位置に設けられ、入射光を前記第１の方向に分光する第１の分光要素とを備え、前記第１の分光要素によって分光された光の少なくとも一部は、前記第２の光感知セルに入射し、前記第１の光感知セルおよび第２の光感知セルは、それぞれ、入射光量に基づく光電変換信号を出力し、前記第２の光感知セルからの光電変換信号と前記第１の光感知セルからの光電変換信号との差分演算に基づいて、前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した光の量が検出される。【００３９】
ある好ましい実施形態において、第１の光感知セルおよび第２の光感知セル上に光学特性が同一の色要素が配列され、前記色要素を通して得られた光電変換信号を用いて、第１の分光要素によって分光し前記第２の光感知セルに入射した光の分光量を検出する。【００４０】
ある好ましい実施形態において、第２の光感知セルに対応する位置に設けられ、前記第１の方向に対して角度をなす第２の方向に入射光を分光する第２の分光要素を有し、前記第２の光感知セル間の光電変換信号の加算結果と、前記第１の光感知セルからの光電変換信号と前記第２の光感知セルからの光電変換信号との加算結果との差分演算を行うことによって分光量を検出する。【００４１】
ある好ましい実施形態において、前記角度が９０度である。【００４２】
ある好ましい実施形態において、前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した光が赤外光である。【００４３】
ある好ましい実施形態において、前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した前記赤外光の量に基づいて、赤外光画像を生成する。【００４４】
ある好ましい実施形態において、前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した前記赤外光の量を、各光感知セルの光電変換信号から減算することにより可視光画像を生成する。【００４５】
ある好ましい実施形態において、前記光感知セルアレイは、前記第２の方向に沿って隣接する第３の光感知セルを含み、前記第３の光感知セルに対応する位置に設けられ、入射光を前記第２の方向に分光する第３の分光要素を更に備え、第２の分光要素は、入射光を青とその他の色に分光し、前記第３の分光要素は、入射光を赤とその他の色に分光する。【００４６】
本発明による更に他の固体撮像装置は、複数の光感知セルを含む光感知セルアレイと、複数の分光要素が１次元状または２次元状に前記光感知セルアレイ上に配置された光学素子アレイとを備え、一部または全部の前記光感知セルの各々が、前記光学素子アレイに含まれる複数の分光要素からの光を受けて色信号を生成する撮像装置であって、前記分光要素と前記光感知セルとの３次元的位置関係または前記分光要素の傾きが位置によって変化している。【００４７】
ある好ましい実施形態において、前記分光要素と前記光感知セルとの距離が位置によって変化している。【００４８】
ある好ましい実施形態において、前記分光要素の配置ピッチと前記光感知セルの配置ピッチとがｍ：ｎの整数比（但し、ｎ／ｍは整数ではない）である。【００４９】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイに含まれる前記複数の分光要素の特性が相互に等しい。【００５０】
ある好ましい実施形態において、屈折率が相対的に高い材料から形成された高屈折透明部と、屈折率が相対的に低い材料から形成され、前記高屈折透明部の側面と接する低屈折率透明部とを有しており、前記高屈折率透明部は、入射光の進行方向に対して厚さが異なる部分を有する。【００５１】
本発明による更に他の固体撮像装置は、入射光を第１の方向に分光する複数の上側分光要素が２次元平面状に配列された第１光学素子アレイと、入射光を前記第１の方向とは交差する第２の方向に分光する複数の下側分光要素が２次元平面上に配列された第２光学素子アレイと、複数の光感知セルが２次元状に配列された光感知セルアレイとを備え、前記第２光学素子アレイと前記第１光学素子アレイとは、前記光感知セルアレイ上において積層されている。【００５２】
ある好ましい実施形態において、前記第１の方向と、前記第２の方向とが直交している。【００５３】
ある好ましい実施形態において、前記上側分光要素は入射光を第１波長域の光と第２波長域の光に分け、前記下側分光要素は入射光を第３波長域の光と第４波長域の光に分け、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とは補色関係にあり、前記第３波長域の光と前記第４波長域の光とが補色関係にある。【００５４】
ある好ましい実施形態において、前記光感知セルアレイは、前記第１から第４波長域の光を受け、光電変換によって電気信号を生成し、前記光感知セルアレイから少なくとも４つの色信号が得られる。【００５５】
ある好ましい実施形態において、前記上側分光要素は、分光方向が１８０度異なる第１の分光要素と第２の分光要素を有し、前記下側分光要素は、分光方向が１８０度異なる第３の分光要素と第４の分光要素を有し、前記光感知セルアレイは、４つの光感知セルから構成された基本ユニットを有し、前記４つの光感知セルは、それぞれ、前記第１から第４波長域の何れかの光を受け、光電変換によって信号を出力する。【００５６】
ある好ましい実施形態において、前記光感知セルアレイは、前記第１の分光要素または前記第２の分光要素によって分光した光、または前記第１の分光要素および前記第２の分光要素のどちらも透過していない光を受光し光電変換する光感知セル群も含む。【００５７】
ある好ましい実施形態において、前記上側分光要素は、赤外および青を含む第１波長域の光と赤および緑を含む第２波長域の光に分光させ、前記下側分光要素は、赤外および赤を含む第３波長域の光と緑および青を含む第４波長域の光に分光させる
【発明の効果】
【００５８】
本発明の固体撮像装置によれば、分光機能を有する光学素子（分光要素）のアレイを使っているため、光を吸収するカラーフィルタが不要である。このため、光利用率は高くなる。また少なくとも２種類の分光要素を使うため、光感知セルから少なくとも２種類の色成分を取得できる。複数の光感知セルからの信号を適切に合算すると白成分を得ることができ、白成分から２種類の色成分を減算することにより、もう１種類の色成分を作ることができる。結局、分光要素を２種類利用すれば、光利用率が高く、色分離に必要な色信号を少なくとも３種類作ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１Ａ】レンズおよび撮像素子を示す斜視図
【図１Ｂ】本発明の実施形態１における基本構成を示す平面図
【図１Ｃ】図１ＡのＡＡ’線断面図
【図１Ｄ】本発明の実施形態１における光感知セルに入射する光の種類を示す平面図
【図２Ａ】本発明の実施形態２における基本構成を示す平面図
【図２Ｂ】本発明の実施形態２における光感知セルに入射する光の種類を示す平面図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態３における基本構成を示す平面図
【図３Ｂ】本発明の実施形態３における光感知セルに入射する光の種類を示す平面図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態４における基本構成を示す平面図
【図４Ｂ】図４ＡのＢＢ’線断面図
【図５Ａ】本発明の実施形態５における基本構成を示す平面図
【図５Ｂ】図５ＡのＣＣ’線断面図
【図５Ｃ】本発明の実施形態５における基本構成の図５ＡのＤＤ’線断面図
【図６】本発明の実施形態６における基本構成を示す平面図
【図７】本発明の実施形態７における基本構成を示す平面図
【図８Ａ】本発明の実施形態８における基本構成を示す平面図
【図８Ｂ】図８ＡのＥＥ’線断面図
【図８Ｃ】図８ＡのＦＦ’線断面図
【図９】本発明の実施形態における分光要素１つの正面図
【図１０】本発明の実施形態５における分光要素５ａまたは５ｄの正面図
【図１１Ａ】本発明の実施形態９における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図１１Ｂ】図１１ＡのＡＡ’線断面図
【図１１Ｃ】図１１ＡのＢＢ’線断面図
【図１１Ｄ】図１１ＡのＣＣ’線断面図
【図１２Ａ】本発明の実施形態１０における撮像素子の光感知セルに対する分光要素の配置関係を示した平面図
【図１２Ｂ】図１２ＡのＤＤ’線断面図
【図１３Ａ】本発明の実施形態１１における撮像素子の光感知セルに対する分光要素の配置関係を示した平面図
【図１３Ｂ】図１３ＡのＥＥ’線断面図
【図１４Ａ】本発明におけるＩＲ光とその他の光に分ける分光要素の正面図
【図１４Ｂ】本発明におけるＲ光とその他の光に分ける分光要素の正面図
【図１４Ｃ】本発明におけるＢ光とその他の光に分ける分光要素の正面図
【図１５Ａ】本発明の実施形態１２における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図１５Ｂ】図１５ＡのＡＡ’線断面図
【図１６Ａ】本発明の実施形態１３における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図１６Ｂ】図１６ＡのＢＢ’線断面図
【図１７Ａ】本発明の実施形態１４における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図１７Ｂ】図１７ＡのＣＣ’線断面図
【図１７Ｃ】図１７ＡのＤＤ’線断面図
【図１８Ａ】本発明の実施形態１５における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図１８Ｂ】図１８ＡのＥＥ’線断面図
【図１８Ｃ】図１８ＡのＦＦ’線断面図
【図１９Ａ】本発明の実施形態１６における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図１９Ｂ】図１９ＡのＧＧ’線断面図
【図１９Ｃ】図１９ＡのＨＨ’線断面図
【図２０Ａ】本発明の実施形態１７における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図２０Ｂ】図２０ＡのＡＡ’線断面図
【図２０Ｃ】図２０ＡのＢＢ’線断面図
【図２０Ｄ】図２０ＡのＣＣ’線断面図
【図２１Ａ】本発明の実施形態１８における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図２１Ｂ】本発明の実施形態１８における撮像素子の図２１ＡのＤＤ’線断面図
【図２１Ｃ】本発明の実施形態１８における撮像素子の図２１ＡのＥＥ’線断面図
【図２１Ｄ】本発明の実施形態１８における撮像素子の図２１ＡのＦＦ’線断面図
【図２２Ａ】本発明の実施形態１９における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図２２Ｂ】本発明の実施形態１９における撮像素子の図２２ＡのＧＧ’線断面図
【図２２Ｃ】本発明の実施形態１９における撮像素子の図２２ＡのＨＨ’線断面図
【図２２Ｄ】本発明の実施形態１９における撮像素子の図２２ＡのＩＩ’線断面図
【図２３Ａ】本発明におけるＲ＋Ｇの光とＩＲ＋Ｂの光に分ける分光要素の正面図
【図２３Ｂ】本発明におけるＩＲ＋Ｒの光とＧ＋Ｂの光に分ける分光要素の正面図
【図２４Ａ】本発明における分光要素を２つ合体させた分光要素の平面図
【図２４Ｂ】本発明における分光要素を２つ合体させた分光要素の正面図
【図２４Ｃ】本発明における分光要素を２つ合体させた分光要素の側面図
【図２５】マイクロレンズと反射タイプの色フィルタを用いた従来の固体撮像素子の断面図
【図２６】多層膜フィルタと反射を用いて光の利用率を高めた撮像素子の断面図
【図２７】ＲＧＢと赤外光（ＩＲ）を透過させる基本色配置図
【図２８】本発明の撮像装置の全体構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００６０】
以下、本発明を実施形態について、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には、同一の符号を付している。
【００６１】
（実施形態１）
図１Ａは、レンズ１０１を透過した光が固体撮像素子１０３に入射する様子を模式的に示す斜視図である。固体撮像素子１０３の撮像面１０３ａには、多数の光感知セルが２次元的に配列されている。レンズ１０１による結像の結果、撮像面１０３ａに入射する光の量（入射光量）は、入射位置に応じて変化する。各々の光感知セルは、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１０３は、典型的には、ＣＣＤまたは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。本実施形態における固体撮像素子１０３の光感知セルアレイが形成された面に対向する位置には、分光機能を有する光学素子のアレイが設けられている。固体撮像素子１０３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。これらの処理部については、後述する。
【００６２】
図１Ｂは本発明の実施形態１における光学素子アレイと光感知セルアレイとの配置関係を示した平面図である。現実の固体撮像素子は、多数の光感知セルが行および列状に配列された光感知セルアレイを備えているが、図１Ｂでは、簡単のため、２行２列の４個の光感知セルからなる基本構成を示している。図１Ｃは、図１ＢのＡＡ’線における断面図であり、図１Ｄは、光感知セルに入射する光の種類を示す平面図である。
【００６３】
本発明の固体撮像素子は、ＲＧＢの色フィルタを用いることなく、光学素子アレイの分光機能を利用してカラー画像信号を生成することが可能になる。特に、本発明の好ましい実施形態では、光感知セルアレイに含まれる一部または全部の光感知セルの各々に対して、複数の分光要素から光が入射する点に特徴がある。１つの光感知セルが出力する信号には、異なる波長域の光量が重畳されているが、他の光感知セルが出力する信号を用いて演算を行うことにより、必要な色信号を取り出すことができる。
【００６４】
図１Ｂおよび図１Ｃの例において、光学素子アレイ１の基本ユニットは、各々が分光機能を有する光学素子である４個の分光要素１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを有している。光学素子アレイ１は、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを含む光感知セルアレイを覆うように配置されており、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、それぞれ、分光要素１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに対応している。
【００６５】
本明細書において、「光感知セルＡが分光要素Ｂに対応する」とは、「分光要素Ａ」を透過した光の少なくとも一部が「光感知セルＡ」に入射することを意味している。光感知セルＡが分光要素Ｂに対応するとき、典型的には、光感知セルＡの少なくとも一部を覆うように分光要素Ｂが配置されている。
【００６６】
本実施形態１における分光要素１ｃは、分光要素１ｂと同じ特性を有している。分光要素１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、それぞれ、図９に示すように四角柱状のプリズムタイプの分光要素である。このプリズムタイプの分光要素は、光が入射すると波長によって屈折角が変わり、その行路も変わる。このため、その長さＬを調整することにより、各色の光線が光感知セルの受光面上に入射する位置を制御することが可能である。
【００６７】
図９では、分光要素の隣接方向に青（Ｂ）、直下方向にその補色（黄：赤（Ｒ）＋緑（Ｇ））を向ける状態を示している。分光要素の長さＬや光感知セルとの３次元的な位置を調整することによって分光要素直下の光感知セルや隣接する光感知セルに入射させる色を変えることができる。このような分光要素によれば、入射光の進行方向に対して、相互に波長域の異なる光を異なる方向に向けて透過させることができる。本明細書では、入射光に含まれる波長域の異なる光成分を空間的に分離することを「分光」と称する。また、このようにして分光された光を簡単に「分光」と称する場合もある。
【００６８】
図９に示すプリズム型の分光要素によれば、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、当該入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光（第１波長域の光の補色）を透過させることもできる。分光後における各波長域の光は、いずれも、入射光を含む平面に含まれている。入射光の光軸を中心に分光要素を回転させて配置することにより、分光を含む上記平面の向きを変えることができる。
【００６９】
上記のような分光要素を１次元または２次元上に配列する仕方（パターン）は多様である。分光要素の配列パータンを適切に設計することにより、光感知セルアレイを構成する個々の光感知セルに対して、入射光を所望の波長域に分離・統合して入射することが可能になる。その結果、光感知セルが出力する光電変換信号の組から、必要な色成分に対応する信号を導き出すことが可能になる。
【００７０】
本実施形態１では、分光要素１ａと分光要素１ｂ、分光要素１ｃと分光要素１ｄが組となり、それぞれ直下の光感知部と隣接する光感知セルに分光した光を入射させる。ここで、分光要素１ａは、原色光Ｃ１を隣接する光感知セルに、その補色光Ｃ１~を直下の光感知セルに入射するように分光する。分光要素１ｂは、原色光Ｃ２を直下の光感知セルに、その補色光Ｃ２~を隣接する光感知セルに入射するように分光する。分光要素１ｃは、原色光Ｃ２を直下の光感知セルに、その補色光Ｃ２~を隣接する光感知セルに入射するように分光する。分光要素１ｄは、原色光Ｃ３を隣接する光感知セルに、その補色光Ｃ３~を直下の光感知セルに入射するように分光する。
【００７１】
図１Ｂに示す構成では、分光要素１ａを透過した光はその直下の光感知セル２ａに補色光Ｃ１~、隣接する光感知セル２ｂに原色光Ｃ１を入射させ、分光要素１ｂを透過した光はその直下の光感知セル２ｂに原色光Ｃ２、隣接する光感知セル２ａに補色光Ｃ２~を入射させることになる。また、分光要素１ｃを透過した光はその直下の光感知セル２ｃに原色光Ｃ２、隣接する光感知セル２ｄに補色光Ｃ２~を入射させ、分光要素１ｄを透過した光はその直下の光感知セル２ｄに補色光Ｃ３~、隣接する光感知セル２ｃに原色光Ｃ３を入射させる。
【００７２】
その結果、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが受ける光の量（受光量）を、それぞれ、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄとすると、図１Ｄから明らかなように、各光感知セルの受光量は以下の式で表される。
（式１）Ｓ２ａ＝Ｃ１~＋Ｃ２~
（式２）Ｓ２ｂ＝Ｃ１＋Ｃ２
（式３）Ｓ２ｃ＝Ｃ２＋Ｃ３
（式４）Ｓ２ｄ＝Ｃ２~＋Ｃ３~
ここで、Ｃ１などの符号は、その符号によって示される光（原色光または補色光）の光量を示すものとする。
【００７３】
なお、Ｃ１~＝Ｃ２＋Ｃ３、Ｃ２~＝Ｃ１＋Ｃ３、Ｃ３~＝Ｃ１＋Ｃ２である。ここで、白の光量をＷで表すと、Ｗ＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３である。以上のことから、上記式１〜式４は、以下のように書き換えられる。
（式５）Ｓ２ａ＝Ｗ＋Ｃ３
（式６）Ｓ２ｂ＝Ｗ−Ｃ３
（式７）Ｓ２ｃ＝Ｗ−Ｃ１
（式８）Ｓ２ｄ＝Ｗ＋Ｃ１
【００７４】
さらに式５と式６の加減算および式７と式８の加減算より、以下の式が得られる。
（式９）Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝２Ｗ
（式１０）Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ＝２Ｃ３
（式１１）Ｓ２ｄ＋Ｓ２ｃ＝２Ｗ
（式１２）Ｓ２ｄ−Ｓ２ｃ＝２Ｃ１
【００７５】
上記の結果、図面における水平方向の光感知セル間の簡単な演算により、２つの色情報と２つの輝度情報が得られ、残りの１色の情報についても２Ｗ−２Ｃ１−２Ｃ３から得られる。ここで、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を、それぞれ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光量とすると、上記の構成では、４つの光学素子から色信号２Ｒ、２Ｂと輝度信号２Ｗが２つ得られることになり、例えば従来のベイヤー配列から得られるＲとＢの信号量の２倍であることがわかる。
【００７６】
以上のように本発明の実施形態１にとでは、分光要素群（光学素子アレイ）により、入射光を３つの色Ｃｉ、Ｃｊ、Ｃｋと、その補色光Ｃｉ~、Ｃｊ~、Ｃｋ~に分光する。そして、それらの中の２つを用いて原色同士の光を、ある光感知セルに入射させ、（Ｃｉ＋Ｃｊ）を得る。そして、隣接する光感知セルに補色光同士を入射させれば、（Ｃｉ~＋Ｃｊ~）を得ることができる。このため、それらの減算から、残りの光成分Ｃｋを効率よく取り出せる。また、異なる組み合わせで同様の処理を実施すれば、３原色も効率よく取り出せるという効果がある。加えて、従来の減色タイプの色フィルタのような光吸収もないため、光利用率が高いという効果もある。
【００７７】
（実施形態２）
次に第２の実施形態について、図面を用いて説明する。図２Ａは本発明の実施形態２における光学素子アレイの配置を示したもので、２行２列の光感知セルを基本構成とする撮像素子の平面図である。図２Ｂは、光感知セルに入射する光の種類を示す平面図である。
【００７８】
本実施形態の基本構成は実施形態１の場合と類似しているが、光学素子アレイ１の分光要素１ｄに相当する要素が透明要素１ｅに置き換わっている点で相違する。
【００７９】
本実施形態における分光要素１ａ、１ｂは、実施形態１の分光要素１ａ、１ｂと同じである。このため、それらの直下の光感知セル２ａ、２ｂの受光量も、図２Ｂに示すように、実施形態１の場合と同じである。したがって、水平方向の光感知セル２ａ、２ｂ間の加減算により、色信号２Ｃ３と輝度信号２Ｗを得ることができる。一方、透明要素１ｅは分光しないので、その直下の光感知セル２ｄには光Ｗが入射するが、隣接の分光要素１ｃから補色光Ｃ２~も受けることになる（図２Ｂ）。光感知セル２ｃでは、実施形態１とは異なり、隣接の分光要素からの光は受けないので、分光要素１ｃから原色光Ｃ２を受けるだけとなる。結局、光感知セル２ｃ、２ｄの受光量Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄは以下の式で表される。なお、式１３はＳ２ｃ＝Ｃ２であるが、Ｗを用いた表現に変えている。
（式１３）Ｓ２ｃ＝Ｗ−（Ｃ１＋Ｃ３）
（式１４）Ｓ２ｄ＝Ｗ＋（Ｃ１＋Ｃ３）
【００８０】
実施形態１の場合と算出結果は一部異なるが、式９と式１０から２Ｃ３と２Ｗ、式１３と式１４の加減算から２Ｃ１＋２Ｃ３の色情報と２Ｗの輝度情報を取り出せる。以上の結果から簡単な加減算により２Ｃ１、２Ｃ２も算出できる。
【００８１】
以上のように本発明の実施形態２によると、一部の分光要素を透明要素に入れ換えても、透明要素直下の光感知セルでは、光Ｗ以外に隣接分光要素からの分光も受ける。このことにより、隣接光感知セルとの減算処理により効率よく色情報を取り出せる。したがって、実施形態２でも、実施形態１と同様、従来技術に比べて大幅な性能向上が期待できる。また、透明要素が入っているため、全光感知セルに対応した分光要素を全て作製する必要はなく、分光要素を作製するプロセスを１つ削減できるという光学素子アレイ製造上の利点もある。
【００８２】
（実施形態３）
次に第３の実施形態について、図面を用いて説明する。図３は本発明の実施形態３における光学素子アレイの配置を示したもので、２行２列の光感知セルを基本構成とする撮像素子の平面図である。図３Ｂは、光感知セルに入射する光の種類を示す平面図である。
【００８３】
光学素子アレイの基本構成は実施形態１の場合と類似しているが、光学素子アレイ１の分光要素１ｂに相当する要素と分光要素１ｃに相当する要素が単なる透明要素１ｅに置き換わり、それ以外は全く同じである。すなわち、２行２列の基本セルユニットにおいて、実施形態２では透明要素を１つ、本実施形態では透明要素を２つにしている。
【００８４】
本実施形態では透明要素１ｅが２つあり、それら直下の光感知セル２ｂ、２ｃはそれぞれ光Ｗを受光する。光感知セル２ｂでは隣接の分光要素１ａから原色光Ｃ１も受光し、また光感知セル２ｃでは隣接の分光要素１ｄから原色光Ｃ３も受光する。一方、光感知セル２ａ、２ｄは隣接要素が透明要素であるため、隣接要素からの受光はなく、光感知セル２ａでは補色光Ｃ１~を受光し、光感知セル２ｄでは補色光Ｃ３~を受光することになる。
【００８５】
結局、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの受光量は、図３Ｂに示すとおりであり、以下の式で表される。なお、式１５および式１８はそれぞれＳ２ａ＝Ｃ１~、Ｓ２ｄ＝Ｃ３~であるが、Ｗを用いた表現に変えている。
（式１５）Ｓ２ａ＝Ｗ−Ｃ１
（式１６）Ｓ２ｂ＝Ｗ＋Ｃ１
（式１７）Ｓ２ｃ＝Ｗ＋Ｃ３
（式１８）Ｓ２ｄ＝Ｗ−Ｃ３
【００８６】
上記の結果、式１５と式１６の加減算から色情報２Ｃ１と輝度情報２Ｗ、式１７と式１８の加減算から色情報２Ｃ３と輝度情報２Ｗを取り出せる。このように、一部の分光要素をさらに透明要素に入れ替えても、分光要素が２種類あれば色情報を効率よく取り出せる上、従来技術に比べて大幅な感度向上が期待できる。
【００８７】
なお、実施形態２および実施形態３で示したように透明要素を含む場合は、透明要素に隣接する分光要素の分光に関して、当該要素直下の光感知セルに出来るだけ多くの光が入射するような特性にする方が、画素信号に変換された場合の信号のバランスがとれるという利点がある。
【００８８】
例えば、透明要素に隣接して、青（Ｂ）とその補色である黄（Ｒ＋Ｇ）に分光する分光要素があった場合、その分光要素直下の光感知セルに黄の光を入射させ、透明要素に対応する光感知セルに青の光を入射させると、受光量はそれぞれ（Ｒ＋Ｇ）と（Ｗ＋Ｂ）となり、それらの差は２Ｂである。一方、分光要素がその直下の光感知セルに青の光を入射させ、透明要素に対応する光感知セルに黄の光を入射させる場合は、受光量はそれぞれＢと（Ｗ＋Ｒ＋Ｇ）となり、それらの差は（２Ｒ＋２Ｇ）となる。この場合は、前者の場合と比べて受光信号差が大きい。受光信号差が大きいと、光感知セルの信号飽和レベルまでの差のバラツキも大きくなり、同じ光量でも一部の光感知セルでは画素信号が飽和するという問題が発生する。それ故、前者の場合の方が、各画素信号のバランスがとれ、信号のダイナミックレンジ性能上良好と言える。
【００８９】
加えて、上記のように原色とその補色に分光する分光要素では、前者の場合の方が直接原色信号を取り出せるという利点もある。要するに透明要素に隣接する分光要素の場合は、補色を当該分光要素直下の光感知セルに入射させ、透明要素に対応する光感知セルに原色光を入射させるよう分光要素の構造を設計することが望ましい。
【００９０】
（実施形態４）
次に第４の実施形態について、図面を用いて説明する。本実施形態の場合はＲＧＢの３つの光に分光させる分光要素を用いていることが特徴である。図４Ａは本発明の実施形態４における光学素子アレイの配置を示したもので、１行２列の光感知セルを基本構成とする撮像素子の平面図である。また、図４Ｂは図４ＡのＢＢ’線における断面図である。
【００９１】
図４Ａおよび図４Ｂの例において、光学素子アレイ４は、プリズムタイプの分光要素のアレイである。この光学素子アレイ４では、四角柱状の分光要素が１つおきに向きを１８０度変えて２次元状に配列されている。ここで、分光要素は実施形態１で示した四角柱状のプリズムタイプのものと基本的に同じであるが、出光面を斜面にして赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光の広がりをさらに強め、３色の内２色は別々の隣接光感知セルに入射できるようにしたものである。但し、分光要素数と光感知セル数の比率は１：２で、光感知セルは各分光要素の直下とそれらの間に位置している。
【００９２】
図４Ａおよび図４Ｂに示す構成では、分光要素２つが１組の状態で配列しているので、各分光要素直下の光感知セルにはＧが入射し、各分光要素の間に位置する光感知セルには２Ｒまたは２Ｂが入射する。そのため、１行から、２Ｂ、Ｇ、２Ｒ、Ｇ、２Ｂ、Ｇ、２Ｒ、・・・と、ＲＧＢ信号が取り出せる。従来の色フィルタと比べると、Ｇの受光量は変わらないが、ＲとＢを受光する光感知セルは２つの分光要素からの光を重複して受光するため、その分画素数を削減でき、ＲＢの受光量は２倍になる。上記例では３つの光に分光させる要素を用いたが、その一部の光を重複して１つの光感知セルで受光するなら、３つ以上の光に分光させる分光要素であっても構わない。
【００９３】
以上のように本発明の実施形態４によると、入射光を少なくとも３つの光に分光させる分光要素が少なくとも１種類用いることにより、ＲＧＢ信号を損失なく取り出せると共に、１つの光感知セルで重複してＲ光またはＢ光を受光できる分、画素数を削減できるという効果がある。
【００９４】
（実施形態５）
次に第５の実施形態について、図面を用いて説明する。図５Ａは本発明の実施形態５における光学素子アレイの配置を示したもので、２行２列の光感知セルを基本構成とする撮像素子の平面図である。また、図５Ｂは図５ＡのＣＣ’線における断面図であり、図５Ｃは図５ＡのＤＤ’線における断面図である。
【００９５】
図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃの例において、光学素子アレイ５は、分光タイプの分光要素５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを備えている。
【００９６】
本実施形態５では、分光要素５ｃは分光要素５ｂと同じ特性を有している。分光要素５ｂ、５ｃは、実施形態４における分光要素と同じであり、出光面を斜面にして３原色の光の広がりを強め、３色の内２色は別々の隣接光感知セルに入射できる。
【００９７】
分光要素５ａ、５ｄの特性は相互に異なるが、構造は同じである。分光要素５ａ、５ｄは、分光要素直下に分光Ｃｉを落射させ、落射方向とある角度をなす方向に、その補色光Ｃｉ~を落射させる。これらの分光要素５ａ、５ｄは、それぞれ、図９に示した分光要素１を２つ用意し、これら２つの分光要素１の向きが反対になるように接合したものである。このような構造にすることによって分光要素直下に分光Ｃｉを落射させ、落射方向とある角度をなす方向にその補色光Ｃｉ~を落射させることができる。また、その分光要素の長さを変えることにより、当該分光特性も変更できる。
【００９８】
図１０に分光要素直下にＹｅ（Ｒ＋Ｇ）を落射させ、左右方向にＢを落射させている状態を示す。分光要素直下にある分光Ｃｉを落射させると、隣接左右方向には、それぞれ、その光Ｃｉの補色光を半分ずつ落射させることになる。本実施形態の光学素子アレイでは、隣接左右方向に落射させる光が、それぞれ、真下の光感知セルに対して隣接する光感知セルに入射するように、分光要素５ａ、５ｄを設計している。
【００９９】
本実施形態５では、分光要素５ａと分光要素５ｂとが１組を構成し、また同様に分光要素５ｃと分光要素５ｄが１組を構成する。それぞれ直下の光感知セルと隣接する光感知セルに分光した光を入射させる。ここで、分光要素５ａは、原色光０.５Ｃ１を隣接する光感知セルに、その補色光Ｃ１~を直下の光感知セルに入射するように分光する。分光要素５ｂは、光をＣ１、Ｃ２、Ｃ３の３つに分光するが、分光Ｃ２を直下の光感知セルに、分光Ｃ１、Ｃ３を隣接する光感知セルに入射させる。また、分光要素５ｃは、分光要素５ｂと同様に、分光Ｃ２を直下の光感知セルに、分光Ｃ１、Ｃ３を隣接する光感知セルに入射させる。分光要素５ｄは、原色光０.５Ｃ３を隣接する光感知セルに、その補色光Ｃ３~を直下の光感知セルに入射させる。
【０１００】
図５Ａに示す構成では、分光要素５ａを透過した光はその直下の光感知セル２ａにＣ１~、隣接する光感知セル２ｂに０.５Ｃ１＋０.５Ｃ１（＝Ｃ１）を入射させ、分光要素５ｂを透過した光はその直下の光感知セル２ｂにＣ２、隣接する光感知セル２ａにＣ１とＣ３を入射させることになる。また、分光要素５ｃを透過した光はその直下の光感知セル２ｃにＣ２、隣接する光感知セル２ｄにＣ１とＣ３を入射させ、分光要素５ｄを透過した光はその直下の光感知セル２ｄにＣ３~、隣接する光感知セル２ｃに０.５Ｃ３＋０.５Ｃ３（＝Ｃ３）を入射させる。
【０１０１】
その結果、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが受光する光量は以下の式で表される。
（式１９）Ｓ２ａ＝Ｃ１~＋Ｃ１＋Ｃ３
（式２０）Ｓ２ｂ＝Ｃ１＋Ｃ２
（式２１）Ｓ２ｃ＝Ｃ２＋Ｃ３
（式２２）Ｓ２ｄ＝Ｃ１＋Ｃ３＋Ｃ３~
ここで、Ｗ＝Ｃ１＋Ｃ１~＝Ｃ３＋Ｃ３~、Ｃ１＋Ｃ２＝Ｗ−Ｃ３、Ｃ２＋Ｃ３＝Ｗ−Ｃ１の関係を用いると、上記の式１９〜式２２は式５〜式８に書き変えられる。その結果、実施形態１と同じ結果の式になり、実施形態１の場合と同じ効果が得られる。
【０１０２】
以上のように本発明の実施形態５によると、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素と、入射光を第３波長域の光、第４波長域の光、第５波長域の光に分光させる第２の分光要素を含み、前記第１の分光要素と前記第２の分光要素が交互に隣接して配置され、前記第１の分光要素に対応する光感知セルには前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第３波長域の光と前記第５波長域の光が入射し、前記第２の分光要素に対応する光感知セルには前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第４波長域の光が入射することにより、光感知セル間の簡単な演算で効率よく色信号を取り出せ、光利用率が高いという効果がある。
【０１０３】
（実施形態６）
次に第６の実施形態について、図面を用いて説明する。図６は本発明の実施形態６における光学素子アレイ５の配置を示したもので、２行２列の光感知セルを基本構成とする撮像素子の平面図である。この光学素子アレイの基本構成は実施形態５の光学素子アレイ５と類似しているが、分光要素５ｄに相当する要素が単なる透明要素１ｅに置き換わっている点で異なる。
【０１０４】
本実施形態を実施形態５と比較すると、分光要素５ａと分光要素５ｂは両実施形態で同じであるため、それら直下の光感知セル２ａ、２ｂの受光量も同じである。このため、本実施形態でも、水平方向に隣接する光感知セル２ａ、２ｂ間の加減算により、色信号２Ｃ３と輝度信号２Ｗを得ることができる。一方、透明要素１ｅは分光に寄与しないので、その直下の光感知セル２ｄには光Ｗが入射するが、透明要素１ｅに隣接する分光要素５ｃからＣ１＋Ｃ３も受けることになる。光感知セル２ｃでは、実施形態５とは異なり、分光素子５ｃに隣接する分光要素からの光は受けないので、分光要素５ｃからＣ２を受けるだけとなる。
【０１０５】
その結果、光感知セル２ｃ、２ｄの受光量Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄについては、Ｓ２ｃ＝Ｗ−（Ｃ１＋Ｃ３）、Ｓ２ｄ＝Ｗ＋（Ｃ１＋Ｃ３）が成立する。これらの加減算により、２Ｃ１＋２Ｃ３の色情報と２Ｗの輝度情報を取り出せる。結局、これらの結果は、実施形態２の場合と全く同じで、その場合と同じ効果が得られる。
【０１０６】
（実施形態７）
次に第７の実施形態について、図面を用いて説明する。図７は本発明の実施形態７における光学素子アレイの配置を示したもので、２行２列の光感知セルを基本構成とする撮像素子の平面図である。光学素子アレイの基本構成は実施形態５の場合と類似しているが、光学素子アレイ５の分光要素５ｂに相当する要素と分光要素５ｃに相当する要素が単なる透明要素１ｅに置き換わっている点で異なる。すなわち、基本の光学素子アレイの構成において、実施形態６では透明要素を１つ、本実施形態では透明要素を２つにしている。
【０１０７】
本実施形態における光学素子アレイの基本構成は、２つの透明要素１ｅを有しており、それら直下の光感知セル２ｂ、２ｃは、それぞれ、光Ｗを受光する。光感知セル２ｂでは隣接の分光要素５ａから０.５Ｃ１＋０.５Ｃ１（＝Ｃ１）も受光し、また光感知セル２ｃでは隣接の分光要素５ｄから０.５Ｃ３＋０.５Ｃ３（＝Ｃ３）も受光する。一方、光感知セル２ａ、２ｄは、隣接要素が透明要素であるため、隣接要素からの受光はない。したがって、光感知セル２ａではＣ１~を受光し、光感知セル２ｄではＣ３~を受光することになる。このような光の受光状態は、実施形態３の場合と全く同じであり、その効果も同じと言える。
【０１０８】
なお、実施形態３について説明したように、実施形態６および実施形態７においても、透明要素に隣接する分光要素は、当該要素直下の光感知セルに出来るだけ多くの光が入射するような特性を有することが好ましい。そうすることにより、画素信号に変換された場合の信号のバランスがとれるという利点があるからである。
【０１０９】
（実施形態８）
次に第８の実施形態について説明する。これまでの実施形態における光学素子アレイは、分光要素としてプリズムタイプの分光要素を用いたが、本実施形態における光学素子アレイは、屈折率の異なる材料を用いて作製される他のタイプの分光要素を有している。
【０１１０】
図８Ａは本発明の実施形態８における撮像素子の光感知セルアレイと光学素子アレイの配置関係を示す平面図である。図８Ｂは、図８ＡのＥＥ’線における断面図であり、図８Ｃは図８ＡのＦＦ’線における断面図である。
【０１１１】
図８Ａ〜図８Ｃに示される例において、。屈折率が相対的に高い材料から形成された高屈折率透明部（コア部）６ａ〜６ｄと、屈折率が相対的に低い材料から形成され、高屈折率透明部６ａ〜６ｄの各々の側面と接する低屈折率透明部（クラッド部）７とを有する。高屈折率透明部６ａ、６ｄは、単純な直方体形状を有しているが、低屈折率透明部７との屈折率差により、入射光が回折する。このため、高屈折率透明部６ａ、６ｂは、それらの真下に位置する光感知セルに隣接する光感知セルに原色光（板厚両側方向に０.５Ｃ１ずつ、または０.５Ｃ３ずつ）を分光し、真下の方向に補色光（Ｃ１~またはＣ３~）を分光する。
【０１１２】
一方、高屈折率透明部６ｂ、６ｃは、幅の異なる２つの直方体が合体した形状を有しており、光感知セルに最も近い側の端部に段差が形成されている。高屈折率透明部６ｂ、６ｃと透明部７との屈折率差により、入射光は回折し、０次、１次、−１次の回折光が発生する。回折角の差により、原色光Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に分光される。
【０１１３】
このような回折形の分光素子は、例えば、特許出願２００８−５５１５９４号および２００８−２０２１５９号に開示されている。これらの出願の全体内容を本願に援用する。このような分光素子を有する光学素子アレイは、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。
【０１１４】
本実施形態では、高屈折率透明部６ａ〜６ｄの光利用率を向上させるため、その上下にマイクロレンズ２１とインナーレンズ２２を配置している。本実施形態では、高屈折率透明部６ａ〜６ｄの存在によって分光が可能になるため、本明細書では、個々の高屈折率透明部も「分光要素」であるものとする。本実施形態におやける分光要素と光感知セルとの２次元的位置関係および分光状態は、実施形態５の場合と同じである。その結果、画素信号の処理も同じである。
【０１１５】
このように屈折率の異なる材料から形成し、回折を生じさせる分光要素でも、実施形態５の場合と同様に、光感知セル間の簡単な演算で効率よく色信号を取り出せるため、光利用率の高いカラー撮像装置を実現できる。
【０１１６】
（実施形態９）
次に本発明の実施形態９について、図面を用いて説明する。図１１Ａは本発明の実施形態９における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示したもので、基本構成についての平面図である。また、図１１Ｂは図１１ＡのＡＡ’線における断面図、図１１Ｃは図１１ＡのＢＢ’線における断面図、図１１Ｄは図１１ＡのＣＣ’線における断面図である。
【０１１７】
図１１Ａから図１１Ｄに示すように、本実施形態における光学素子アレイは、分光要素１１ａ、１１ｂ、１１ｃを有し、撮像素子の光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに対向する位置に配置されている。
【０１１８】
光学素子アレイの分光要素１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、図１４Ａ〜１４Ｃに示すプリズムタイプの分光素子である。分光要素１１ａは、赤外光（ＩＲ）を片側に、Ｒ、Ｇ、Ｂをその直下から逆側に分ける。分光素子１１ｂは、Ｒのみを片側に、その他の色をその直下に分ける。また、分光素子１１ｃは、Ｂを片側に、その他の色をその直下に分ける。但し、このような分光は、上記の例に限定されず、各分光要素の屈折率やその長さ（Ｌ）等の形状によって変えることができる。
【０１１９】
本実施形態では、分光要素１１ａに入射したＩＲが、隣接する光感知セル２ｃに入射し、その他の光がその直下の光感知セル２ａに入射するよう分光要素１１ａを設計し、配置している。分光要素１１ｂは、分光要素１１ｂに入射したＲが、隣接する光感知セル２ａに入射し、その他の光がその直下の光感知セル２ｂに入射するように設計され、配置されている。また、分光要素１１ｃは、分光要素１１ｃに入射したＢが、隣接する光感知セル２ｄに入射し、その他の光がその直下の光感知セル２ｃに入射するように設計され、配置されている。撮像面に垂直な方向から観ると、分光要素１１ａは、図面１１Ａにおける垂直方向に分光するが、分光要素１１ｂ、１１ｃは、図面１１Ａにおける水平方向に分光する。すなわち、複数の分光要素１１ａ〜１１ｃの分光方向が直交しており、これ点も本実施形態の特徴である。
【０１２０】
このような構成および仕組みにより、各光感知セルの受光量は以下の式で表される。但し、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの受光量をそれぞれＳ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄとし、Ｗ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂとする。
（式３１）Ｓ２ａ＝Ｗ＋Ｒ
（式３２）Ｓ２ｂ＝ＩＲ＋Ｗ−Ｒ
（式３３）Ｓ２ｃ＝２ＩＲ＋Ｗ−Ｂ
（式３４）Ｓ２ｄ＝ＩＲ＋Ｗ＋Ｂ
ここで、式３１と式３２、式３３と式３４を加算すると、式３５と式３６が得られ、これはＩＲが隣接する光感知セルに入射した結果を表している。さらに式３５と式３６の減算から、ＩＲ成分は式３７で表される。
（式３５）Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝ＩＲ＋２Ｗ
（式３６）Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝３ＩＲ＋２Ｗ
（式３７）ＩＲ＝((Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ)−(Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ))／２
そこで、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄからＩＲ成分を取り除いた光量をＳ２ｂ~、Ｓ２ｃ~、Ｓ２ｄ~とすると、それらは以下の式で表される。
（式３８）Ｓ２ｂ~＝Ｗ−Ｒ
（式３９）Ｓ２ｃ~＝Ｗ−Ｂ
（式４０）Ｓ２ｄ~＝Ｗ＋Ｂ
【０１２１】
結局、式３１と式３８〜式４０を用いれば、以下のように２Ｒ、２Ｂ、２Ｗが求まり、さらに２Ｗから２Ｒ＋２Ｂを減算すると、２Ｇが得られる。
（式４１）２Ｒ＝Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ~
（式４２）２Ｗ＝Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ~
（式４３）２Ｂ＝Ｓ２ｄ~−Ｓ２ｃ~
（式４４）２Ｗ＝Ｓ２ｄ~＋Ｓ２ｃ~
【０１２２】
以上の処理から、分光要素を用いて隣接する光感知セルに分光した色信号Ｃの光を入射させると、当該光感知セルと隣接光感知セルとの画素信号差により、当該色の２倍の信号量（２Ｃ）が得られることがわかる。加えて、複数の分光要素を用いる場合は、ある分光要素の分光方向と別な分光要素の分光方向を直交させれば、画素間の加算処理等が必要であるものの、それぞれの分光成分を求めることができる。その例を本実施形態では示しており、式３５と式３６で示すように隣接画素間の加算処理を行った後、式３７の減算処理によりＩＲ成分が得られることがわかる。
【０１２３】
以上のように、ＩＲとその他の色に分光する要素１１ａ、Ｒとその他の色に分光する要素１１ｂ、Ｂとその他の色に分光する要素１１ｃを用いて、１１ａの分光方向と１１ｂおよび１１ｃの分光方向を直交させることにより、ＩＲとＲＧＢのカラー信号を光損失なく得ることができる。
【０１２４】
以上のように、本実施形態９によると、複数の分光要素を用いて、取得したい分光を隣接画素に入射させることにより、その後の画素間演算で損失のない当該分光の光電変換信号を得ることができ、しかも分光要素の分光方向を互いに直交させることにより、効率よく各光信号を取り出すことができる。その結果、光利用率が高く、ＩＲ光にも対応できるカラー撮像装置を実現できる。
【０１２５】
（実施形態１０）
次に本発明の実施形態１０について、図面を用いて説明する。図１２Ａは本発明の実施形態１０における撮像素子の色フィルタ付き光感知セルと分光要素との関係を示した基本構成の平面図である。また、図１２Ｂは図１２ＡのＤＤ’線における断面図である。
【０１２６】
これらの図に示されるように、本実施形態の撮像素子は、ベイヤー型の色フィルタ３を有している。図には、６個の光感知セル２ａ〜２ｆが示されている。その他の符号は実施形態９の場合と同じである。
【０１２７】
本実施形態１０の場合は、従来のベイヤー型カラー撮像素子に本発明の分光要素１１ａを８画素：１要素の割合で配置している。分光要素１１ａは、実施形態９における分光要素１１ａと同じく、ＩＲを隣接する光感知セルに入射させる。
【０１２８】
この構成では、４画素からなるベイヤー型の基本構成を１ユニットとする。そして、２ユニットに１つの割合で分光要素を配置する。図１２Ａでは、分光要素１１ａが配置された１つのユニットに含まれる４つのセルと、もう一方のユニットに含まれる２つのセルが示されている。分光要素１１ａは、Ｇ要素上に配置され、図１２ＡにおいてＧ画素の右隣のＲ要素側にＩＲ成分を入射させる。
【０１２９】
本実施形態の撮像素子と従来のベイヤー型カラー撮像素子との相違点は、本実施形態において、赤外光を遮断するための赤外カットフィルタがないことと、画素の個数：分光要素の個数を８画素：１要素の割合で配置していることだけである。色フィルタの殆どは、顔料を色素として含有している。各色素は、それぞれ、ＲＧＢ光を透過させると共に、ＩＲ光も透過させる。このため、従来のベイヤー型のベイヤー型カラー撮像素子は、通常、色フィルタとは別に赤外カットフィルタを備えている。
【０１３０】
以下、本実施形態における処理動作を説明する。
【０１３１】
本実施形態の場合、赤外カットフィルタを装着していないため、ＩＲ成分を受光面全面が受けることになる。Ｇ要素上に配置された分光要素１１ａは、Ｒ要素側にＩＲ成分を入射させる。このため、分光要素１１ａの直下の光感知セル２ｂはＩＲを受光せず、右側に隣接する光感知セル２ｅにＩＲ成分は入射する。その結果、分光要素１１ａが配置されたユニットに含まれる４個の光感知セル２ａ〜２ｄの受光量は、全体として、Ｒ＋２Ｇ＋Ｂ＋３ＩＲである。一方、分光要素１１ａが配置されたユニットに含まれる４個の光感知セルの受光量は、全体として、受光量はＲ＋２Ｇ＋Ｂ＋５ＩＲとなる。２つのユニットの受光量を減算すれば、赤外成分２ＩＲが得られる。このため、ＩＲが入射する光感知セルが出力する各画素信号からＩＲを減算すれば、ＲＧＢのカラー信号が得られることになる。また、ＩＲ成分だけを利用すれば、赤外光画像も得られることになる。
【０１３２】
このように、隣接するユニットに分光を入射させることにより、ユニット間の演算で当該分光の光電変換信号が得られる。なお、実施形態１０では８画素単位で分光要素１つを配置したが、これに限定されない。ＲＧＧＢの４画素からなる１ユニット毎に１つの割合で一方のＧ要素上に１つの分光要素を配置してもよい。その場合でも、分光要素を配置しているＧ要素からの信号と分光要素を配置していない隣接のＧ要素からの信号を用いて、それらの信号の減算でＩＲ成分を得ることができる。ＩＲが入射する光感知セルが出力する各画素信号からＩＲを減算すれば、ＲＧＢのカラー信号が得られる。また、ＩＲ成分だけを利用すれば赤外光画像も得られる。本実施形態の撮像素子は、色フィルタ付き光感知セルを有しているが、各色フィルタの位置は、光感知セルから離れて、図１２Ｂ中の分光要素の上部に配置されていても同じ効果が得られる。
【０１３３】
以上のように、本実施形態１０によると、ＩＲ成分を分光させる要素を従来のカラー撮像素子に適用した構成を備えているため、ＩＲ成分を損失なく取り込める。すなわち、ＩＲ光の利用率を高めることができる。また、赤外カットフィルタを用いることなく、カラー画像が得られると共にＩＲ画像も得られるという利点がある。
【０１３４】
（実施形態１１）
次に本発明の実施形態１１について、図面を用いて説明する。図１３Ａは本発明の実施形態１１における撮像素子の光感知セルに対する分光要素の配置関係を示した基本構成の平面図である。また、図１３Ｂは図１３ＡのＥＥ’線における断面図である。
【０１３５】
本実施形態では、撮像素子の光感知セル２つに１つの割合で分光要素が配置されている。配置された分光要素は、ＩＲ成分を隣接画素に入射させる分光要素１１ａである。
【０１３６】
本実施形態では、白黒の撮像素子に分光要素１１ａを取り付けている。分光要素１１ａによってＩＲが入射しない画素からの信号と、この画素に隣接し、ＩＲが入射する画素からの信号との減算で２ＩＲを得ることができる。その結果、白黒画像の可視光画像と赤外光画像とを同時に得ることが可能になる。本実施形態によれば、赤外画像を得るに際してＩＲ光の利用率が高く、また、赤外カットフィルタを用いないで可視光画像を得ることができる。
【０１３７】
（実施形態１２）
次に本発明の実施形態１２について、図面を用いて説明する。図１５Ａは本発明の実施形態１２における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図であり、１行の一部分を示している。図１５Ｂは図１５ＡのＡＡ’線における断面図である。
【０１３８】
図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、光学素子アレイの分光要素１であり、撮像素子の光感知セル２は、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを含んでいる。
【０１３９】
なお、光学素子アレイの分光要素１は、図９に示す四角柱状のプリズムタイプの分光素子である。分光要素１は、カラーフィルタと異なり、光の吸収がない上、光が入射すると波長によって屈折角が変わりその行路も変わる。このため、その長さＬを調整することにより、各色の分光配置を変えることができる。本実施形態では、分光の結果、図１５Ｂの左側からＲ、Ｇ、Ｂの順に光を出すよう分光素子の長さＬを調整している。本実施形態では、当該分光素子１種類のみを用いている。
【０１４０】
本実施形態１２の特徴は、光学素子アレイにおける分光要素の配列ピッチと光感知セルアレイにおける光感知セルの配列ピッチとが異なっていることである。具体的には、分光要素ピッチ:光感知セルピッチ＝３：４の関係を満足するように配列を採用している。
【０１４１】
このような構造にすることにより、各々の光感知セルは複数の分光要素からの光を受けることになり、分光要素と光感知セルとの間に配列ピッチ差があるため、各々の受光状態も変わる。
【０１４２】
Ｗ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂとすると、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃの受光量は、Ｗ＋Ｒ、Ｗ＋Ｇ、Ｗ＋Ｂとなり、それらの光電変換信号を各光感知セルから取り出すことができる。取り出された信号は、その後の信号処理により、光感知セルから出力される信号に重畳されているＷ分を取り除けば、ＲＧＢの色信号となる。
【０１４３】
以上のように、本実施形態１２によると、光学素子アレイの分光要素と光感知セルとの配置関係について、それらのピッチを変えることにより、各光感知セルが受光する色の状態が変わり、ＲＧＢの色信号を得ることができる。すなわち、分光要素を利用するので光利用率が高く、各光感知セルに直接Ｒ光，Ｇ光，Ｂ光が重畳して受光されるので、ＲＧＢ用の画素を設ける必要がなく、画素数を増やさずとも高感度で色分離できるカラー撮像装置を実現できる。
【０１４４】
なお、本実施形態では、分光要素と光感知セルのピッチについて、分光要素ピッチ:光感知セルピッチ＝３：４にしたが、分光要素ピッチで光感知セルピッチを除算した結果が整数でなければ、これに限定されるものではない。また、分光要素ピッチを必ず光感知セルピッチより小さくする必要もない。但し、仮に大きくした場合は、１つの分光要素からの光を複数の光感知セルで受光することになり、その分、光感知セルを分光要素より多く準備しなければならない。
【０１４５】
（実施形態１３）
次に本発明の実施形態１３について、図面を用いて説明する。図１６Ａは本発明の実施形態１３における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図であり、１行の一部分を示している。図１６Ｂは図１６ＡのＢＢ’線における断面図である。
【０１４６】
本実施形態１３は実施形態１２と類似しているが、本実施形態では、図１６Ａおよび図１６Ｂに示されるように、各光感知セル間に遮光部２Ｚがある。また、光学素子アレイの分光要素数が実施形態１２から異なる。
【０１４７】
実施形態１３では、遮光部のサイズが光感知セルサイズの整数分の１という前提で、光学素子アレイの分光要素を配置している。遮光部サイズ：光感知セルサイズ＝１：４、分光要素ピッチ:光感知セルピッチ＝３：５の関係を採用している。このような割合に設定することにより、実施形態１２の場合と同様、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃの受光量は、Ｗ＋Ｒ、Ｗ＋Ｇ、Ｗ＋Ｂとなる。このため、本実施形態では、信号処理も実施形態１２の場合と同じであり、遮光部による光損失を除けば、同様の効果が得られる。
【０１４８】
なお、分光要素ピッチ:光感知セルピッチ＝３：５にしたが、光感知セルサイズ／遮光部サイズが整数（＝ｎ−１）であるという前提で、分光要素ピッチ:光感知セルピッチ＝ｍ：ｎの整数比であれば、どのような比率でも２種類以上の色信号を得ることができる。但し、ｎ／ｍまたは（ｎ−１）／ｍが整数の場合を除く。
【０１４９】
（実施形態１４）
次に本発明の実施形態１４について、図面を用いて説明する。図１７Ａは本発明の実施形態１４における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図であり、１行の一部分を示している。図１７Ｂは図１７ＡのＣＣ’線における断面図であり、図１７Ｃは図１７ＡのＤＤ’線における断面図である。
【０１５０】
本実施形態１４の場合は、光感知セルに対して光学素子アレイの分光要素の位置が場所によって３次元的に異なっている。光感知セル２ｂ、２ｄ、２ｅ、２ｇに対応する分光要素は、それらの光感知セルと光軸中心が同じで、分光要素直下の光感知セルにＧ光を入射させ、両隣の光感知セルには、それぞれＲ光、Ｂ光を入射させるよう光感知セルから離れている。それに対して、光感知セル２ａ、２ｃに対応する分光要素は、上記４つの分光要素より光感知セルに近いが、隣接の光感知セルにＢ光のみ入射するよう光軸中心がずれている。また、光感知セル２ｆ、２ｈに対応する分光要素も同じような構造であるが、隣接の光感知セルにＲ光のみ入射するよう光軸中心がずれている。
【０１５１】
上記の構成では、光感知セル２ａおよび２ｃは、当該セルに対応する分光要素からＲ＋Ｇ、隣接する分光要素からＲ＋Ｂの光を受光する。光感知セル２ｂおよび２ｄは、当該セルに対応する分光要素からＧ、隣接する分光要素からＢの光を受光する。また、光感知セル２ｅおよび２ｇは、当該セルに対応する分光要素からＧ、隣接する分光要素からＲの光を受光する。光感知セル２ｆおよび２ｈは、当該セルに対応する分光要素からＧ＋Ｂ、隣接する分光要素からＲ＋Ｂの光を受光する。光感知セル２ａ、２ｂ、２ｅ、２ｆの受光量をそれぞれＳ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｅ、Ｓ２ｆとすると、各光感知セルの受光量は以下の式で表される。但し、下記の式群はＷ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂの関係を用いて、Ｗを含んだ形式で表されている。
（式５１）Ｓ２ａ＝Ｗ＋Ｒ
（式５２）Ｓ２ｂ＝Ｗ−Ｒ
（式５３）Ｓ２ｅ＝Ｗ−Ｂ
（式５４）Ｓ２ｆ＝Ｗ＋Ｂ
【０１５２】
さらに式５１と式５２、式５３と式５４を加減算することにより、以下の式が得られる。
（式５５）Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝２Ｗ
（式５６）Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ＝２Ｒ
（式５７）Ｓ２ｆ＋Ｓ２ｅ＝２Ｗ
（式５８）Ｓ２ｆ−Ｓ２ｅ＝２Ｂ
【０１５３】
上記の結果、水平方向の光感知セル間の簡単な演算により、２つの色情報と２つの輝度情報が得られ、残りの色Ｇの情報についても２Ｗ−２Ｒ−２Ｂから得られる。なお、上記の演算は光感知セル２ａ、２ｂ、２ｅ、２ｆについて行ったものであるが、光感知セル２ｃ、２ｄ、２ｇ、２ｈについても結果は全く同じであり、簡単に色分離でき、色および輝度レベルの高い信号が得られる。
【０１５４】
以上のように、本実施形態１４によると、場所により３次元的に分光要素の位置を変え、分光の一部を隣接する光感知セルに入射させることにより、各光感知セルは重畳して入射光を受光する。このため、ＲＧＢ用の画素を設ける必要がなく、画素数を増やさずとも高感度で色分離できるカラー撮像装置を実現できる。
【０１５５】
なお、必ずしも分光要素の位置を３次元的に変える必要はなく、その角度を変えて隣接する光感知セルに一部の分光を入射させても構わない。
【０１５６】
（実施形態１５）
次に本発明の実施形態１５について、図面を用いて説明する。図１８Ａは本発明の実施形態１５における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図であり、１行の一部分を示している。図１８Ｂは図１８ＡのＥＥ’線における断面図であり、図１８Ｃは図１８ＡのＦＦ’線における断面図である。
【０１５７】
本実施形態は、本実施形態１４で示された構成から、光感知セル２ｂ、２ｄ、２ｅ、２ｇに対応する分光要素を取り除いた構成を有している。分光要素を取り除いた位置の光感知セルには、光が直接に入射する。
【０１５８】
上記の構成では、光感知セル２ａおよび２ｃは、当該セルに対応する分光要素からＲ＋Ｇを受光し、隣接する分光要素からは光を受光しない。また、光感知セル２ｆおよび２ｈも、隣接する分光要素からは光を受光せず、当該セルに対応する分光要素からのみＧ＋Ｂを受光する。一方、光感知セル２ｂおよび２ｄは、入射光Ｗと隣接する分光要素からＢを受光し、光感知セル２ｅおよび２ｇは入射光Ｗと隣接する分光要素からＲを受光する。結局、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｅ、２ｆが受光する光量は以下の式で表される。
（式５９）Ｓ２ａ＝Ｗ−Ｂ
（式６０）Ｓ２ｂ＝Ｗ＋Ｂ
（式６１）Ｓ２ｅ＝Ｗ＋Ｒ
（式６２）Ｓ２ｆ＝Ｗ−Ｒ
【０１５９】
式５９〜式６２は実施形態１４で示された式５１〜５４と基本的に同じであり、実施形態１５も実施形態１４と同様の効果が得られることになる。
【０１６０】
以上のように、本実施形態１５によると、場所により３次元的に分光要素の位置を変え、分光要素の一部取り除いても、光感知セルの一部は重畳して入射光を受光する。このため、ＲＧＢ用の画素を設ける必要がなく、画素数を増やさずとも高感度で色分離できるカラー撮像装置を実現できる。
【０１６１】
（実施形態１６）
次に本発明の実施形態１６について説明する。本実施形態では、プリズムタイプの分光要素の代わりに、実施形態８で使用した分光要素に類似した分光要素を用いる。
【０１６２】
図１９Ａは本発明の実施形態１６における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示したもので、１行の一部分についての平面図である。また、図１９Ｂは図１９ＡのＧＧ’線における断面図であり、図１９Ｃは図１９ＡのＨＨ’線における断面図である。
【０１６３】
図１９に示すように、本実施形態の光学素子アレイは、高屈折率材料から形成された高屈折率透明部６ｂと、低屈折率材料から形成された低屈折率透明部７とを有する。本実施形態では、高屈折率透明部６ｂの形状および高屈折率透明部６ｂと低屈折率透明部７の屈折率差により、入射光が０次、１次、−１次光とに回折し、回折角の差によって分光する。そのため、高屈折率透明部６ｂが分光要素に相当する。
【０１６４】
分光要素６ｂの分光性能を向上させるため、その上下にマイクロレンズ２１とインナーレンズ２２を配置している。分光要素６ｂと画素との２次元的位置関係および分光状態は、実施形態１５の場合と同じであり、その結果、画素信号の処理も同じである。
【０１６５】
このように屈折率の異なる材料を用いた分光要素でも、実施形態１５の場合と同様に画素数を増やさずとも高感度で色分離できるカラー撮像装置を実現できる。
【０１６６】
（実施形態１７）
次に本発明の実施形態１７について、図面を用いて説明する。図２０Ａは本発明の実施形態１７における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示したもので、基本構成についての平面図である。また、図２０Ｂは図２０ＡのＡＡ’線における断面図、図２０Ｃは図２０ＡのＢＢ’線における断面図、図２０Ｄは図２０ＡのＣＣ’線における断面図である。
【０１６７】
図２０Ａから図２０Ｄに示すように、本実施形態の光学素子アレイは、分光要素１ａ、１ｂ、１ａａ、１ｂｂを備えている。撮像素子の光感知セルアレイ２は、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを含んでいる。
【０１６８】
なお、分光要素１ａ、１ｂは、図２３Ａに示すプリズムタイプの分光素子と同じタイプのものある。また、分光要素１ａａ、１ｂｂは図２３Ｂに示すプリズムタイプの分光素子と同じタイプのものである。これらの分光要素は、光の吸収がない上、光が入射すると波長によって屈折角が変わりその行路も変わるため、その長さＬを調整することにより各色の分光配置を変えることができる。
【０１６９】
本発明の実施形態では、分光要素１ａはその直下にＲ、Ｇを、隣接する光感知セル方向にＩＲ、Ｂが分光するように設計され、分光要素１ｂは分光要素１ａと逆の特性になるように設計されている。また、分光要素１ａａはその直下にＩＲ、Ｒを、隣接する光感知セル方向にＧ、Ｂが分光するように設計され、分光要素１ｂｂは分光要素１ａａと逆の特性になるように設計されている。
【０１７０】
本実施形態１７では、分光要素１ａと分光要素１ｂのそれぞれによって分けられた光を分光要素１ａａ、１ｂｂに入射する。また分光要素１ａａと分光要素１ｂｂのそれぞれも、同じように分けた光を光感知セルに入射させる。更に、分光要素１ａ、１ｂと分光要素１ａａ、１ｂｂとが直交し、それら波長域も異なっている。
【０１７１】
次に、入射光がＲＧＢとＩＲの光から構成されるとして、分光要素１ａ、１ｂに入射し、光感知セルに達するまでの過程を説明する。
【０１７２】
分光要素１ａ、１ｂに光が入射すると、分光要素１ａはその直下にＲとＧの光を、またＩＲとＢの光を斜め方向に落射させる。一方、分光要素１ｂはその逆で直下にＩＲとＢの光を落射させ、ＲとＧの光を斜め方向に落射させる。その結果、分光要素１ａの直下には２（Ｒ＋Ｇ）の光が集まり、分光要素１ｂの直下には２（ＩＲ＋Ｂ）の光が集まる。
【０１７３】
次に、それらの光は分光要素１ａａと分光要素１ｂｂに入射して、それらの分光要素は入射した光をＩＲ、Ｒの光とＧ、Ｂの光に分ける。すなわち、入射光２（Ｒ＋Ｇ）は分光要素１ａａによりその直下に２Ｒ、斜め方向に２Ｇが落射し、分光要素１ｂｂによりその逆の直下に２Ｇ、斜め方向に２Ｒが落射する。その結果、光感知セル２ａには４Ｒ、光感知セル２ｂには４Ｇが入射する。
【０１７４】
一方、入射光２（ＩＲ＋Ｂ）は分光要素１ａａによりその直下に２ＩＲ、斜め方向に２Ｂが落射し、分光要素１ｂｂにより直下に２Ｂ、斜め方向に２ＩＲが落射する。その結果、光感知セル２ｂには４ＩＲ、光感知セル２ｄには４Ｂが入射する。
【０１７５】
このように、入射光は損失なく光感知セルに達し、しかもその分光過程で４Ｒ、４Ｇ、４Ｂと４ＩＲの光に分けられる。光感知セルに入射した光は光電変換され、ＲＧＢ信号とＩＲ信号になり、赤外カットや赤外透過のフィルタを用いずにＲＧＢによるカラー画像と赤外光の白黒画像を作ることができる。
【０１７６】
以上のように、本実施形態１７によると、Ｒ＋ＧとＩＲ＋Ｂに分ける分光要素とＩＲ＋ＲとＧ＋Ｂに分ける分光要素２種類を直交させて配列し、さらにそれぞれの分光要素は一部の分光が交差する構成にすることにより、入射光を損失なく光感知セルまで透過させ、しかもＲＧＢとＩＲの４つ光に分光できる。その結果、撮像素子の画素数を増やさずとも、高感度なカラー画像を実現できる上、赤外光の画像も得られ、可視光から赤外光までの光波長領域に対応した撮像装置を提供できる。
【０１７７】
なお、本実施形態では、分光要素１ａ、１ｂがＲ、ＧとＩＲ、Ｂに分光させ、分光要素１ａａ、１ｂｂがＩＲ、ＲとＧ、Ｂに分光させるが、これに限定するものではない。その逆であっても、ＲＧＢとＩＲの４つの光に分光できる。
【０１７８】
（実施形態１８）
次に本発明の実施形態１８について、図面を用いて説明する。図２１Ａは本発明の実施形態１８における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した基本構成の平面図である。また、図２１Ｂは図２１ＡのＤＤ’線における断面図、図２１Ｃは図２１ＡのＥＥ’線における断面図、図２１Ｄは図２１ＡのＦＦ’線における断面図である。
【０１７９】
本実施形態１８は、実施形態１７から分光要素１ｂと分光要素１ｂｂを取り除いた構成を有している。その結果、分光要素の数が半分になるため、撮像素子を作製する上で、実施形態１７の場合より光学素子アレイを実装し易いという利点がある。
【０１８０】
実施形態１８では、入射光は分光要素１ａ、分光要素１ａａと直接光感知セル２ｄに入射するが、以下に順を追って光透過経路について説明する。
【０１８１】
まず、分光要素１ａに入射した光は、その直下にＲ、Ｇを、斜め方向にＩＲ、Ｂを落射させる。落射した光は、分光要素１ａａに入射すると共に直接光感知セル２ｃと２ｄに入射する。詳細は後述するが、光感知セル２ｃ、２ｄは分光要素１ａａからも受光することになる。分光要素１ａａに垂直入射したＲ＋ＧはさらにＲとＧに分けられ、Ｒはその直下の光感知セル２ａに入射し、Ｇは隣接の光感知セル２ｃに入射する。光感知セル２ｃは、分光要素１ａからＲ＋Ｇも受光するので、合わせるとＲ＋２Ｇを受光することになる。結局、光感知セル２ａにはＲが入射し、光感知セル２ｃにはＲ＋２Ｇが入射する。
【０１８２】
一方、分光要素１ａａに斜め入射したＩＲ＋Ｂはさらに、直接光Ｗ（＝ＩＲ＋Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）と混ざり、その直下には２ＩＲ＋Ｒを、斜め方向にはＧ＋２Ｂを落射させる。結局、光感知セル２ｂには２ＩＲ＋Ｒが入射し、光感知セル２ｄにはＧ＋２Ｂと直接光Ｗと分光要素１ａからのＩＲ＋Ｂが入射することになり、その合計は２ＩＲ＋Ｒ＋２Ｇ＋４Ｂとなる。
【０１８３】
光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが受光する光量をそれぞれＳ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄとすると、以下の式で表される。
（式７１）Ｓ２ａ＝Ｒ
（式７２）Ｓ２ｂ＝２ＩＲ＋Ｒ
（式７３）Ｓ２ｃ＝Ｒ＋２Ｇ
（式７４）Ｓ２ｄ＝２ＩＲ＋Ｒ＋２Ｇ＋４Ｂ
【０１８４】
このように、式７１からＲ、式７１と式７２から２ＩＲ、式１と式７３から２Ｇ、それらの結果と式７４から４Ｂが得られ、実施形態１７の場合ほど各色の抽出率は高くないが、ＲＧＢとＩＲの信号を取り出せることがわかる。
【０１８５】
以上のように、本実施形態１８によると、実施形態１７の場合からさらに分光要素の数を半分に減らしても、入射光を損失なく光感知セルまで透過させ、しかもＲＧＢとＩＲの４つ光に分光できる。その結果、撮像素子の画素数を増やさずとも、また赤外カットや赤外透過のフィルタを用いずとも、高感度なカラー画像を実現できる上、赤外光の画像も得ることができる。
【０１８６】
（実施形態１９）
次に本発明の実施形態１９について、図面を用いて説明する。図２２Ａは本発明の実施形態１９における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した基本構成の平面図である。また、図２２Ｂは図２２ＡのＧＧ’線における断面図、図２２Ｃは図２２ＡのＨＨ’線における断面図、図２２Ｄは図２２ＡのＩＩ’線における断面図である。
【０１８７】
本実施形態１９は、実施形態１７と構成が類似しているが、光学素子アレイの分光要素の機能とサイズのみが異なっている。本実施形態では、分光要素１ｃｃおよび分光要素１ｄｄが図４Ａおよび図４Ｂに示したものと同じである。分光要素１ｃｃは、斜め方向にＲとＧの光を、その逆の斜め方向にＩＲとＢの光を落射させ、分光要素１ｄｄは斜め方向にＩＲとＲの光を、その逆の斜め方向にＧとＢの光を落射させる。また、それら分光要素１ｃｃと１ｄｄは、垂直に交差させ、それぞれ２つの光感知セルに対応した構成にしている。
【０１８８】
本実施形態によれば、光の合成がなく分離のみなので、光の透過経路は単純である。入射光が分光要素１ｃｃに入ると、Ｒ＋ＧとＩＲ＋Ｂの光に分けられ、分光要素１ｄｄに落射する。分光要素１ｄｄに入射したＲ＋ＧはＲとＧに分離され、また入射光ＩＲ＋ＢはＩＲとＢに分離される。結局、光感知セル２ａにはＲ、２ｃにはＧ、２ｂにはＩＲ、２ｄにはＢが入射し、各光感知セルで光電変換され、ＲＧＢとＩＲの信号が取り出せる。
【０１８９】
なお、本実施形態では、分光要素１ｃｃと分光要素１ｄｄとを分けて配列させたが、図２４Ａ（平面図）、図２４Ｂ（正面図）、図２４Ｃ（側面図）に示すように、それらを光軸方向に重ねてもよい。このような構成を採用しても、ＲＧＢとＩＲの光は分離し、それらの画像信号を取り出せる。
【０１９０】
このようにＲＧＢのカラー信号とＩＲの信号が各光感知セルから直接取り出せるが、光の重畳がないためその分画素の削減はできない。しかしながら、赤外カットや赤外透過のフィルタを用いずとも、赤外光の画像と可視光の画像が同時に得られる。
【０１９１】
以上のように、本実施形態１９によると、Ｒ＋ＧとＩＲ＋Ｂに分ける分光要素とＩＲ＋ＲとＧ＋Ｂに分ける分光要素２種類を直交させて配列し、２画素に１つの分光要素を対応させて配置にすることにより、入射光を損失なく光感知セルまで透過させ、しかもＲＧＢとＩＲの４つの光に分光できる。その結果、分光数の数だけ撮像素子の画素数は必要であるが、赤外カットや赤外透過のフィルタを用いずとも、高感度なカラー画像と赤外光の画像が得られる。
【０１９２】
なお、上記の実施形態１７〜１９では、光感知セルが水平、垂直方向に配列した２次元格子型で説明したが、これに限るものではなく、斜め方向に配列した所謂画素ずらしの２次元構成であっても、本発明の効果は全く変わらない。
【０１９３】
（実施形態２０）
次に、図２８を参照しながら、本発明による固体撮像装置の全体構成を説明する。
【０１９４】
図２８の固体撮像装置は、撮像部１００と、撮像部１００からの信号を受信し、映像信号を生成する映像信号処理部１００とを備えている。以下、撮像部１００と映像信号処理部１００の構成と動作を説明する。
【０１９５】
まず、撮像部１００を説明する。撮像部１００は、被写体を結像するためのレンズ１０１と、光学板１０２と、レンズ１０１および光学板１０２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撮像素子１０３とを備えている。ここで、光学板１０２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、赤外光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。撮像素子は、前述の各実施形態について説明した任意の構成を備える素子である。
【０１９６】
撮像部１００は、上記の構成要素の他に、信号発生および画素信号受信部１０４と、素子駆動部１０５とを備えている。信号発生および画素信号受信部１０４は、撮像素子１０３を駆動するための基本信号を発生すると共に、撮像素子１０３からの信号を受信し、Ａ／Ｄ変換を行う。一方、素子駆動部１０５は、信号発生および画素信号受信部１０４からの信号を受け、撮像素子１０３を駆動する。
【０１９７】
次に、映像信号処理部２００を説明する。この例における映像信号処理部２００は、ＲＧＢ信号生成部２０１と、ビデオ信号生成部２０２と、ビデオインターフェース部２０３と、ＪＰＥＧ信号生成部２０４と、メディアインターフェース部２０５とを有している。
【０１９８】
ＲＧＢ信号生成部２０１は、撮像素子からの画像信号を受け、ＲＧＢ信号に変換する。ビデオ信号生成部２０２はＲＧＢ信号生成部２０１からの信号を受け輝度信号と２つの色差信号からなる複合映像信号を生成する。ビデオインターフェース部２０３は、ビデオ信号生成部２０２からの信号を受け、Ｄ／Ａ変換し、ビデオ信号として外部に出力する。ＪＰＥＧ信号生成部２０４は、ビデオ信号生成部２０２から１画像分の信号を受け、ＪＰＥＧ方式の静止画に変換する。メディアインターフェース部２０５は、ＪＰＥＧ信号生成部２０４からのＪＰＥＧデータを外部メディアに記録する。
【０１９９】
以下、本実施形態の撮像装置が実施形態１５、１６における撮像素子を備える場合について、信号処理の動作を説明する。
【０２００】
まず、ＲＧＢ信号生成部２０１では、４画素信号を１単位としてＲＧＢ信号が作られる。本実施形態では、式５９〜６２により、ＲＧＢ信号への変換は、以下の３行４列の変換マトリックスに基づいて実行させる。
【０２０１】
こうして、撮像素子の画素から得られる画素信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｅ、Ｓ２ｆは、以下の式に示される演算によってＲＧＢ信号に変換される。
【数１】
2009153937.tif 000003
【０２０２】
ＲＧＢ信号生成部２０１で作られたＲＧＢ信号は、ビデオ信号生成部２０２でＮＴＳＣ方式に従った輝度信号Ｙと２つの色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙに変換され、複合映像信号となる。複合映像信号はさらにビデオインターフェース部２０３でＤ／Ａ変換され、アナログの複合映像信号として出力される。
【０２０３】
なお、ビデオ信号生成部２０２からは、輝度信号および２つの色差信号がＪＰＥＧ信号生成部２０４に送られ、そこでＪＰＥＧ方式の静止画信号が作られる。作られた静止画信号は、メディアインターフェース部２０５を介して外部の記録メディアに記録される。
【０２０４】
ＲＧＢ信号からＮＴＳＣのＹ／Ｒ−Ｙ／Ｂ−Ｙ信号への変換は、例えば以下の式に示す変換マトリックスに従って実行される。
【数２】
2009153937.tif 000004
【０２０５】
Ｙ／Ｒ−Ｙ／Ｂ−ＹからＪＰＥＧ信号を作るには、Ｙはそのままで、Ｒ−Ｙ信号を０．７１３倍してＣｒ信号を生成し、Ｂ−Ｙ信号を０．５６４倍してＣｂを形成すればよい。
【０２０６】
なお、ＮＴＳＣとＪＰＥＧの変換マトリックス係数が異なるのは、それぞれ基準としている色度座標系が異なるためである。
【０２０７】
以上の実施形態では、受光部に関して光感知セルが２次元状に配列されていると説明したが、実際の多くの固体撮像素子では、２次元状に配列された光感知セルの間に遮光部もあり、受光部全面が入射光を受け取っている訳ではない。しかしながら、最近では撮像部全面で受光できる裏面照射型の小型固体撮像素子も開発され、その特長を活かした高感度なカラー化方式も望まれている。本発明は入射光を全て受光し、光の混合や混色を積極的に利用する新たな方式であるため、裏面照射型の固体撮像素子のように全面受光タイプの撮像素子には一層有効であると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【０２０８】
本発明にかかる固体撮像装置は、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カメラ、産業用の監視カメラ等に広く適用され得る。
【符号の説明】
【０２０９】
１，４，５    分光タイプの光学素子アレイ（分光要素）
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ    分光タイプの光学素子アレイの分光要素
１ａａ，１ｂｂ，１ｃｃ，１ｄｄ    分光タイプの光学素子アレイの分光要素
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ    分光タイプの光学素子アレイの分光要素
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ    分光タイプの光学素子アレイの分光要素
１ｅ    透明要素
２    撮像素子の光感知セル
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ    撮像素子の光感知セル
２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ    撮像素子の光感知セル
２Ｚ    撮像素子の遮光部
３    ベイヤー型色フィルタ
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ    光学素子アレイとしての高屈折率材料から成る分光要素
７    低屈折率の透明部
２１    マイクロレンズ
２２    インナーレンズ
２３    赤（Ｒ）以外を反射するダイクロイックミラー
２４    緑（Ｇ）のみを反射するダイクロイックミラー
２５    青（Ｂ）のみを反射するダイクロイックミラー
２６    マイクロプリズム
３１  透光性の樹脂
３２  Ｇ光透過の多層膜ミラー
３３  Ｒ光透過の多層膜ミラー
３４  Ｇ光透過の有機色素フィルタ
３５  Ｒ光透過の有機色素フィルタ
３６  マイクロレンズ
３７  金属層
４０  ＲＧＢと赤外光（ＩＲ）を透過させるフィルタ
１０１  光学レンズ
１０２  光学板
１０３  固体撮像素子
１０４  信号発生および画素信号受信部
１０５  素子駆動部
２００  映像信号処理部
２０１  ＲＧＢ信号生成部
２０２  ビデオ信号生成部
２０３  ビデオインターフェース部
２０４  ＪＰＥＧ信号生成部
２０５  メディアインターフェース部
【図１Ａ】
2009153937.tif 000005
【図１Ｂ】
2009153937.tif 000006
【図１Ｃ】
2009153937.tif 000007
【図１Ｄ】
2009153937.tif 000008
【図２Ａ】
2009153937.tif 000009
【図２Ｂ】
2009153937.tif 000010
【図３Ａ】
2009153937.tif 000011
【図３Ｂ】
2009153937.tif 000012
【図４Ａ】
2009153937.tif 000013
【図４Ｂ】
2009153937.tif 000014
【図５Ａ】
2009153937.tif 000015
【図５Ｂ】
2009153937.tif 000016
【図５Ｃ】
2009153937.tif 000017
【図６】
2009153937.tif 000018
【図７】
2009153937.tif 000019
【図８Ａ】
2009153937.tif 000020
【図８Ｂ】
2009153937.tif 000021
【図８Ｃ】
2009153937.tif 000022
【図９】
2009153937.tif 000023
【図１０】
2009153937.tif 000024
【図１１Ａ】
2009153937.tif 000025
【図１１Ｂ】
2009153937.tif 000026
【図１１Ｃ】
2009153937.tif 000027
【図１１Ｄ】
2009153937.tif 000028
【図１２Ａ】
2009153937.tif 000029
【図１２Ｂ】
2009153937.tif 000030
【図１３Ａ】
2009153937.tif 000031
【図１３Ｂ】
2009153937.tif 000032
【図１４Ａ】
2009153937.tif 000033
【図１４Ｂ】
2009153937.tif 000034
【図１４Ｃ】
2009153937.tif 000035
【図１５Ａ】
2009153937.tif 000036
【図１５Ｂ】
2009153937.tif 000037
【図１６Ａ】
2009153937.tif 000038
【図１６Ｂ】
2009153937.tif 000039
【図１７Ａ】
2009153937.tif 000040
【図１７Ｂ】
2009153937.tif 000041
【図１７Ｃ】
2009153937.tif 000042
【図１８Ａ】
2009153937.tif 000043
【図１８Ｂ】
2009153937.tif 000044
【図１８Ｃ】
2009153937.tif 000045
【図１９Ａ】
2009153937.tif 000046
【図１９Ｂ】
2009153937.tif 000047
【図１９Ｃ】
2009153937.tif 000048
【図２０Ａ】
2009153937.tif 000049
【図２０Ｂ】
2009153937.tif 000050
【図２０Ｃ】
2009153937.tif 000051
【図２０Ｄ】
2009153937.tif 000052
【図２１Ａ】
2009153937.tif 000053
【図２１Ｂ】
2009153937.tif 000054
【図２１Ｃ】
2009153937.tif 000055
【図２１Ｄ】
2009153937.tif 000056
【図２２Ａ】
2009153937.tif 000057
【図２２Ｂ】
2009153937.tif 000058
【図２２Ｃ】
2009153937.tif 000059
【図２２Ｄ】
2009153937.tif 000060
【図２３Ａ】
2009153937.tif 000061
【図２３Ｂ】
2009153937.tif 000062
【図２４Ａ】
2009153937.tif 000063
【図２４Ｂ】
2009153937.tif 000064
【図２４Ｃ】
2009153937.tif 000065
【図２５】
2009153937.tif 000066
【図２６】
2009153937.tif 000067
【図２７】
2009153937.tif 000068
【図２８】
2009153937.tif 000069
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月17日(2009.11.17)
【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、固体撮像装置の高感度化および赤外光を含めたカラー化の技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像装置（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、固体撮像装置における画素構造の微細化が進み、固体撮像装置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１００万画素から１０００万画素へと著しく増加した。ただ、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（光量）が低下してきたため、カメラ感度も低下するという問題が起きている。
【０００３】
カメラの感度低下には、多画素化以外に、色分離用の色フィルタ自体にも原因がある。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、光利用率を低下させている。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を配置しているため、光利用率はかなり低い。ベイヤー型の色フィルタでは、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３色の色フィルタが２次元的に並べられている。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、各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】
またカメラに対して、性能だけでなく利用面でもいろいろな要求がある。最近では、監視用途において、昼間だけでなく、夜間でも赤外光を用いて撮像したいというニーズがあり、１つのカメラで昼夜兼用できるカメラ機能も要求されている。
【０００５】
このような問題を解決し、上記の要求に応じるため、撮像素子の受光部にマイクロレンズアレイを取り付け、受光量を増やす手法が特許文献１に開示されている。この手法は、撮像素子の光感知部の開口率が低いため、マイクロレンズで集光し、実質的に光開口率を向上させたものであり、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、確かに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を解決するものではない。
【０００６】
そこで、この光利用率低下と感度低下を同時に解決する方法として、多層膜の色フィルタとマイクロレンズを組み合わせて、光を最大限取り込む構造を有する固体撮像装置が特許文献２に開示されている。この装置は、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を組み合わせて用いる。各ダイクロイックミラーは、必要な光のみを選択し、対応する光感知部に入射させる。図２５は、このような構成の一例を有する撮像素子の断面図である。
【０００７】
図２５の固体撮像装置によると、集光マイクロレンズ２１に入射した光は、インナーレンズ２２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２３に入射する。第１ダイクロイックミラー２３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１ダイクロイックミラー２３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２３で反射された光は、隣接する第２ダイクロイックミラー２４に入射する。第２ダイクロイックミラー２４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２４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２４を透過した青の光は、第２ダイクロイックミラー２５で反射され、その直下の光感知セル２に入射する。
【０００８】
図２５の撮像素子によれば、集光マイクロレンズ２１に入射した可視光は、色フィルタによって吸収されず、そのＲＧＢの各成分が３つの光感知セル２によって無駄なく検出される。
【０００９】
マイクロプリズムを用いた固体撮像装置が特許文献３に開示されている。この装置では、マイクロプリズムにより、赤、緑、青に分光した光をそれぞれの光感知セルに入射させる。このような固体撮像装置によっても、色フィルタによる光が無駄に吸収されない。
【００１０】
このように、特許文献２、３に開示されている固体撮像装置では、特定波長域の光を選択的に透過する色フィルタを用いず、その代わりに、特定波長域の光を選択的に透過／反射するマイクロミラーや、入射光を波長域に応じて異なる方向に分岐させるマイクロプリズムを用いている点で共通している。このようなマイクロミラーやマイクロプリズムのような分光要素として機能する色分離光学素子によれば、光の利用率を大幅に高めることが可能になる。
【００１１】
しかしながら、これらの固体撮像装置では、利用する色分離光学素子の数だけ、また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、青の光を検出するには、光感知セルの数を３倍に増やさなければならない。
【００１２】
上記の従来技術の問題を解決するため、光の損失は一部発生するが、多層膜フィルタと光反射を利用して光の利用率を高める技術が特許文献４に示されている。図２６は当該技術を用いた撮像素子の断面図の一部を示したものである。同図において、３１は透光性の樹脂、３２はＧ光透過の多層膜フィルタでＲ光、Ｂ光は反射する。３３はＲ光透過の多層膜フィルタでＧ光、Ｂ光は反射する。３４はＧ光透過の有機色素フィルタ、３５はＲ光透過の有機色素フィルタ、３６はマイクロレンズ、３７は金属層である。
【００１３】
このような構成によれば、Ｂ光は光感知部で受光できないが、Ｒ光、Ｇ光は以下の原理で全て検出できる。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、有機色素フィルタ３５、マイクロレンズ３６を通して、光の一部は金属層３７で反射するものの、殆ど全て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、有機色素フィルタ３４、マイクロレンズ３６を通して、同様に殆ど損失なく光感知部に入射する。
【００１４】
上記の原理により、特許文献４に示された技術では、ＲＧＢ光の内１色は損失するものの、２色は殆ど損失なく受光できる。しかも、その２色に関しては、新たに光感知セルを増やさずとも、効率良く、それぞれの光を受光できる。ここで、有機色素フィルタのみで構成された撮像素子と比較すると、有機色素フィルタ利用の場合が光利用率１／３に対して、この技術では光利用率２／３であり、感度が２倍向上することになる。しかしながら、この技術でも、３色の内１色は損失することになるため、光利用率を１００％にはできないという課題が残る。
【００１５】
一方、赤外光も対応可能な従来の方法は特許文献５に示され、この方法では、図２７に示すように２行２列を基本構成とするＲＧＢと赤外光（ＩＲ）を透過させる色フィルタ４０を撮像素子の光感知部に装着している。但し、ＲＧＢの色要素には赤外光も透過させる特性も有しているため、それらの前面に赤外カットフィルタが装着されている。このような構成で、昼間はＲＧＢの色要素からの光を利用しカラー画像を作り、夜間は照明として赤外光を発光させ、ＩＲ要素からの光を利用し白黒の画像を作っている。この場合、光吸収型の色要素を用いているため、ＲＧＢ光の利用率は低いが、特許文献２〜４の方法を適用することによって、ＲＧＢの光利用率を高めることができると共に赤外光も利用できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【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２００３−７８９１７号公報
【特許文献５】特開２００５−６０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
特許文献２、３に示される従来の手法を利用すると、やはり受光する色数だけ光感知セルを設ける必要があり、また、特許文献４に示される手法を利用すると、いずれかの色成分は損失するという課題が残る。
【００１８】
結局、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、光利用率が低い。また、光選択透過タイプのマイクロ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、光感知セルの数を大幅に増やさなければならない。
【００１９】
分光を利用したカラー化技術は特許文献６に示されているが、この技術はベイヤー型の色フィルタ配列で、ＲＧＢに対応する画素を設定し、光回折により各色をそれぞれの画素に集光するというものである。すなわち、１つの回折格子で少なくともＲＧＢの３つの光に分けなければならず、カラー化の柔軟性に欠けるという問題点を有していた。
【００２０】
本発明は必ずしもＲＧＢに分光する必要がないという柔軟性を有したカラー化技術に関するものであり、光感知セルを大幅に増やさずとも、分光要素を用いて光利用率が高いカラー撮像技術を提供することを目的とする。さらに本発明は可視光だけでなく赤外光にも対応できる技術を提供することもその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の固体撮像装置は、第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む光感知セルアレイと、前記光感知セルアレイ上に設けられ、第１の光学素子および第２の光学素子を含む光学素子アレイとを備える固体撮像装置であって、前記第１の光学素子は、前記第１の光学素子に入射した入射光に含まれる第１波長域の光線を前記第１の光感知セルに入射させ、前記入射光に含まれる第２波長域の光線を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第２の光学素子は、前記第２の光学素子に入射した入射光に含まれる少なくとも前記第２波長域の光線を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第１の光感知セルは、前記第１の光学素子を透過した光線の入射によって生じた電気信号成分を含む信号を出力し、前記第２の光感知セルは、前記第１および第２の光学素子を透過した光線の入射によって生じた電気信号成分を含む信号を出力する。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記第１波長域の光線の色は、前記第２波長域の光線の色の補色である。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記第１の光学素子および前記第２の光学素子は、それぞれ、入射光を波長に応じて異なる方向に向ける分光特性を有しており、前記第１の光学素子は前記第１の光感知セル上に位置し、前記第２の光学素子は前記第２の光感知セル上に位置する。
【００２４】
本発明の他の固体撮像装置は、複数の光感知セルを含む光感知セルアレイと、少なくとも２種類の分光要素が１次元状または２次元状に前記光感知セルアレイ上に配置された光学素子アレイとを備え、一部または全部の前記光感知セルが少なくとも２種類の前記分光要素からの光を受けて少なくとも３種類の色信号を生成する撮像装置であって、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である分光要素を含む。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光を少なくとも３つの光に分光させる分光要素を含み、前記分光要素の内の少なくとも１つが、対応する前記光感知セルに光の一部を落射させ、その他の光を対応する前記光感知セルの隣接光感知セルに落射させる。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素および第２の分光要素を含み、前記第１の分光要素と前記第２の分光要素とが隣接して配置され、前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第２波長域の光が入射する。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第３の分光要素と、入射光を分光しない透明要素とを含み、前記第３の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、前記第３の分光要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第２波長域の光と前記透明要素からの光とが入射する。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素、第２の分光要素、および第３の分光要素と、前記入射光を分光しない透明要素とを含み、前記第１の分光要素と前記第２の分光要素が隣接して配置され、前記第３の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第２波長域の光が入射し、前記第３の分光要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第２波長域の光と前記透明要素からの光が入射する。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素と、入射光を第３波長域の光、第４波長域の光、および第５波長域の光に分光させる第２の分光要素とを含み、前記第１の分光要素と前記第２の分光要素が交互に隣接して配置され、前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第３波長域の光と前記第５波長域の光が入射し、前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第４波長域の光が入射する。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素と、分光しない透明要素とを含み、前記第１の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光が入射し、前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記透明要素からの光が入射する。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素および第２の分光要素と、入射光を第３波長域の光、第４波長域の光、第５波長域の光に分光させる第３の分光要素と、入射光を分光しない透明要素とを含み、前記第１の分光要素と前記第３の分光要素が交互に隣接して配置され、前記第２の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第３の分光要素の前記第３波長域の光と前記第５波長域の光が入射し、前記第３の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第３の分光要素の前記第４波長域の光が入射し、前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第２の分光要素の前記第２波長域の光が入射し、前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第２の分光要素の前記第１波長域の光と前記透明要素からの光が入射する。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、２つの光に分光し、そのどちらかを透明要素に対応する光感知セルに入射させる分光要素であって、光量が少ない方の分光を前記透明要素に対応する光感知セルに入射させる特性を有する。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記分光要素は、回折によって入射光の分光を行う。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記分光要素は、屈折率が相対的に高い材料から形成された高屈折透明部と、屈折率が相対的に低い材料から形成され、前記高屈折透明部の側面と接する低屈折率透明部とを有している。
【００３５】
ある好ましい実施形態において、前記高屈折率透明部は、入射光の進行方向に対して厚さが異なる部分を有する。
【００３６】
ある好ましい実施形態において、入射光の進行方向に沿った断面において、前記高屈折率透明部の中心軸が階段状に折れ曲がっている。
【００３７】
ある好ましい実施形態において、隣接する２つの光感知セルが出力する信号の差分演算により、色情報を算出する。
【００３８】
本発明による更に他の固体撮像装置は、２次元状に配列された複数の光感知セルを有する光感知セルアレイであって、第１の方向に沿って隣接する第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む光感知セルアレイと、前記第１の光感知セルに対応する位置に設けられ、入射光を前記第１の方向に分光する第１の分光要素とを備え、前記第１の分光要素によって分光された光の少なくとも一部は、前記第２の光感知セルに入射し、前記第１の光感知セルおよび第２の光感知セルは、それぞれ、入射光量に基づく光電変換信号を出力し、前記第２の光感知セルからの光電変換信号と前記第１の光感知セルからの光電変換信号との差分演算に基づいて、前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した光の量が検出される。
【００３９】
ある好ましい実施形態において、第１の光感知セルおよび第２の光感知セル上に光学特性が同一の色要素が配列され、前記色要素を通して得られた光電変換信号を用いて、第１の分光要素によって分光し前記第２の光感知セルに入射した光の分光量を検出する。
【００４０】
ある好ましい実施形態において、第２の光感知セルに対応する位置に設けられ、前記第１の方向に対して角度をなす第２の方向に入射光を分光する第２の分光要素を有し、前記第２の光感知セル間の光電変換信号の加算結果と、前記第１の光感知セルからの光電変換信号と前記第２の光感知セルからの光電変換信号との加算結果との差分演算を行うことによって分光量を検出する。
【００４１】
ある好ましい実施形態において、前記角度が９０度である。
【００４２】
ある好ましい実施形態において、前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した光が赤外光である。
【００４３】
ある好ましい実施形態において、前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した前記赤外光の量に基づいて、赤外光画像を生成する。
【００４４】
ある好ましい実施形態において、前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した前記赤外光の量を、各光感知セルの光電変換信号から減算することにより可視光画像を生成する。
【００４５】
ある好ましい実施形態において、前記光感知セルアレイは、前記第２の方向に沿って隣接する第３の光感知セルを含み、前記第３の光感知セルに対応する位置に設けられ、入射光を前記第２の方向に分光する第３の分光要素を更に備え、第２の分光要素は、入射光を青とその他の色に分光し、前記第３の分光要素は、入射光を赤とその他の色に分光する。
【００４６】
本発明による更に他の固体撮像装置は、複数の光感知セルを含む光感知セルアレイと、複数の分光要素が１次元状または２次元状に前記光感知セルアレイ上に配置された光学素子アレイとを備え、一部または全部の前記光感知セルの各々が、前記光学素子アレイに含まれる複数の分光要素からの光を受けて色信号を生成する撮像装置であって、前記分光要素と前記光感知セルとの３次元的位置関係または前記分光要素の傾きが位置によって変化している。
【００４７】
ある好ましい実施形態において、前記分光要素と前記光感知セルとの距離が位置によって変化している。
【００４８】
ある好ましい実施形態において、前記分光要素の配置ピッチと前記光感知セルの配置ピッチとがｍ：ｎの整数比（但し、ｎ／ｍは整数ではない）である。
【００４９】
ある好ましい実施形態において、前記光学素子アレイに含まれる前記複数の分光要素の特性が相互に等しい。
【００５０】
ある好ましい実施形態において、屈折率が相対的に高い材料から形成された高屈折透明部と、屈折率が相対的に低い材料から形成され、前記高屈折透明部の側面と接する低屈折率透明部とを有しており、前記高屈折率透明部は、入射光の進行方向に対して厚さが異なる部分を有する。
【００５１】
本発明による更に他の固体撮像装置は、入射光を第１の方向に分光する複数の上側分光要素が２次元平面状に配列された第１光学素子アレイと、入射光を前記第１の方向とは交差する第２の方向に分光する複数の下側分光要素が２次元平面上に配列された第２光学素子アレイと、複数の光感知セルが２次元状に配列された光感知セルアレイとを備え、前記第２光学素子アレイと前記第１光学素子アレイとは、前記光感知セルアレイ上において積層されている。
【００５２】
ある好ましい実施形態において、前記第１の方向と、前記第２の方向とが直交している。
【００５３】
ある好ましい実施形態において、前記上側分光要素は入射光を第１波長域の光と第２波長域の光に分け、前記下側分光要素は入射光を第３波長域の光と第４波長域の光に分け、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とは補色関係にあり、前記第３波長域の光と前記第４波長域の光とが補色関係にある。
【００５４】
ある好ましい実施形態において、前記光感知セルアレイは、前記第１から第４波長域の光を受け、光電変換によって電気信号を生成し、前記光感知セルアレイから少なくとも４つの色信号が得られる。
【００５５】
ある好ましい実施形態において、前記上側分光要素は、分光方向が１８０度異なる第１の分光要素と第２の分光要素を有し、前記下側分光要素は、分光方向が１８０度異なる第３の分光要素と第４の分光要素を有し、前記光感知セルアレイは、４つの光感知セルから構成された基本ユニットを有し、前記４つの光感知セルは、それぞれ、前記第１から第４波長域の何れかの光を受け、光電変換によって信号を出力する。
【００５６】
ある好ましい実施形態において、前記光感知セルアレイは、前記第１の分光要素または前記第２の分光要素によって分光した光、または前記第１の分光要素および前記第２の分光要素のどちらも透過していない光を受光し光電変換する光感知セル群も含む。
【００５７】
ある好ましい実施形態において、前記上側分光要素は、赤外および青を含む第１波長域の光と赤および緑を含む第２波長域の光に分光させ、前記下側分光要素は、赤外および赤を含む第３波長域の光と緑および青を含む第４波長域の光に分光させる
【発明の効果】
【００５８】
本発明の固体撮像装置によれば、分光機能を有する光学素子（分光要素）のアレイを使っているため、光を吸収するカラーフィルタが不要である。このため、光利用率は高くなる。また少なくとも２種類の分光要素を使うため、光感知セルから少なくとも２種類の色成分を取得できる。複数の光感知セルからの信号を適切に合算すると白成分を得ることができ、白成分から２種類の色成分を減算することにより、もう１種類の色成分を作ることができる。結局、分光要素を２種類利用すれば、光利用率が高く、色分離に必要な色信号を少なくとも３種類作ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１Ａ】レンズおよび撮像素子を示す斜視図
【図１Ｂ】本発明の実施形態１における基本構成を示す平面図
【図１Ｃ】図１ＡのＡＡ’線断面図
【図１Ｄ】本発明の実施形態１における光感知セルに入射する光の種類を示す平面図
【図２Ａ】本発明の実施形態２における基本構成を示す平面図
【図２Ｂ】本発明の実施形態２における光感知セルに入射する光の種類を示す平面図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態３における基本構成を示す平面図
【図３Ｂ】本発明の実施形態３における光感知セルに入射する光の種類を示す平面図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態４における基本構成を示す平面図
【図４Ｂ】図４ＡのＢＢ’線断面図
【図５Ａ】本発明の実施形態５における基本構成を示す平面図
【図５Ｂ】図５ＡのＣＣ’線断面図
【図５Ｃ】本発明の実施形態５における基本構成の図５ＡのＤＤ’線断面図
【図６】本発明の実施形態６における基本構成を示す平面図
【図７】本発明の実施形態７における基本構成を示す平面図
【図８Ａ】本発明の実施形態８における基本構成を示す平面図
【図８Ｂ】図８ＡのＥＥ’線断面図
【図８Ｃ】図８ＡのＦＦ’線断面図
【図９】本発明の実施形態における分光要素１つの正面図
【図１０】本発明の実施形態５における分光要素５ａまたは５ｄの正面図
【図１１Ａ】本発明の実施形態９における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図１１Ｂ】図１１ＡのＡＡ’線断面図
【図１１Ｃ】図１１ＡのＢＢ’線断面図
【図１１Ｄ】図１１ＡのＣＣ’線断面図
【図１２Ａ】本発明の実施形態１０における撮像素子の光感知セルに対する分光要素の配置関係を示した平面図
【図１２Ｂ】図１２ＡのＤＤ’線断面図
【図１３Ａ】本発明の実施形態１１における撮像素子の光感知セルに対する分光要素の配置関係を示した平面図
【図１３Ｂ】図１３ＡのＥＥ’線断面図
【図１４Ａ】本発明におけるＩＲ光とその他の光に分ける分光要素の正面図
【図１４Ｂ】本発明におけるＲ光とその他の光に分ける分光要素の正面図
【図１４Ｃ】本発明におけるＢ光とその他の光に分ける分光要素の正面図
【図１５Ａ】本発明の実施形態１２における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図１５Ｂ】図１５ＡのＡＡ’線断面図
【図１６Ａ】本発明の実施形態１３における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図１６Ｂ】図１６ＡのＢＢ’線断面図
【図１７Ａ】本発明の実施形態１４における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図１７Ｂ】図１７ＡのＣＣ’線断面図
【図１７Ｃ】図１７ＡのＤＤ’線断面図
【図１８Ａ】本発明の実施形態１５における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図１８Ｂ】図１８ＡのＥＥ’線断面図
【図１８Ｃ】図１８ＡのＦＦ’線断面図
【図１９Ａ】本発明の実施形態１６における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図１９Ｂ】図１９ＡのＧＧ’線断面図
【図１９Ｃ】図１９ＡのＨＨ’線断面図
【図２０Ａ】本発明の実施形態１７における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図２０Ｂ】図２０ＡのＡＡ’線断面図
【図２０Ｃ】図２０ＡのＢＢ’線断面図
【図２０Ｄ】図２０ＡのＣＣ’線断面図
【図２１Ａ】本発明の実施形態１８における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図２１Ｂ】本発明の実施形態１８における撮像素子の図２１ＡのＤＤ’線断面図
【図２１Ｃ】本発明の実施形態１８における撮像素子の図２１ＡのＥＥ’線断面図
【図２１Ｄ】本発明の実施形態１８における撮像素子の図２１ＡのＦＦ’線断面図
【図２２Ａ】本発明の実施形態１９における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図
【図２２Ｂ】本発明の実施形態１９における撮像素子の図２２ＡのＧＧ’線断面図
【図２２Ｃ】本発明の実施形態１９における撮像素子の図２２ＡのＨＨ’線断面図
【図２２Ｄ】本発明の実施形態１９における撮像素子の図２２ＡのＩＩ’線断面図
【図２３Ａ】本発明におけるＲ＋Ｇの光とＩＲ＋Ｂの光に分ける分光要素の正面図
【図２３Ｂ】本発明におけるＩＲ＋Ｒの光とＧ＋Ｂの光に分ける分光要素の正面図
【図２４Ａ】本発明における分光要素を２つ合体させた分光要素の平面図
【図２４Ｂ】本発明における分光要素を２つ合体させた分光要素の正面図
【図２４Ｃ】本発明における分光要素を２つ合体させた分光要素の側面図
【図２５】マイクロレンズと反射タイプの色フィルタを用いた従来の固体撮像素子の断面図
【図２６】多層膜フィルタと反射を用いて光の利用率を高めた撮像素子の断面図
【図２７】ＲＧＢと赤外光（ＩＲ）を透過させる基本色配置図
【図２８】本発明の撮像装置の全体構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００６０】
以下、本発明を実施形態について、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には、同一の符号を付している。
【００６１】
（実施形態１）
図１Ａは、レンズ１０１を透過した光が固体撮像素子１０３に入射する様子を模式的に示す斜視図である。固体撮像素子１０３の撮像面１０３ａには、多数の光感知セルが２次元的に配列されている。レンズ１０１による結像の結果、撮像面１０３ａに入射する光の量（入射光量）は、入射位置に応じて変化する。各々の光感知セルは、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１０３は、典型的には、ＣＣＤまたは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。本実施形態における固体撮像素子１０３の光感知セルアレイが形成された面に対向する位置には、分光機能を有する光学素子のアレイが設けられている。固体撮像素子１０３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。これらの処理部については、後述する。
【００６２】
図１Ｂは本発明の実施形態１における光学素子アレイと光感知セルアレイとの配置関係を示した平面図である。現実の固体撮像素子は、多数の光感知セルが行および列状に配列された光感知セルアレイを備えているが、図１Ｂでは、簡単のため、２行２列の４個の光感知セルからなる基本構成を示している。図１Ｃは、図１ＢのＡＡ’線における断面図であり、図１Ｄは、光感知セルに入射する光の種類を示す平面図である。
【００６３】
本発明の固体撮像素子は、ＲＧＢの色フィルタを用いることなく、光学素子アレイの分光機能を利用してカラー画像信号を生成することが可能になる。特に、本発明の好ましい実施形態では、光感知セルアレイに含まれる一部または全部の光感知セルの各々に対して、複数の分光要素から光が入射する点に特徴がある。１つの光感知セルが出力する信号には、異なる波長域の光量が重畳されているが、他の光感知セルが出力する信号を用いて演算を行うことにより、必要な色信号を取り出すことができる。
【００６４】
図１Ｂおよび図１Ｃの例において、光学素子アレイ１の基本ユニットは、各々が分光機能を有する光学素子である４個の分光要素１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを有している。光学素子アレイ１は、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを含む光感知セルアレイを覆うように配置されており、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、それぞれ、分光要素１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに対応している。
【００６５】
本明細書において、「光感知セルＡが分光要素Ｂに対応する」とは、「分光要素Ａ」を透過した光の少なくとも一部が「光感知セルＡ」に入射することを意味している。光感知セルＡが分光要素Ｂに対応するとき、典型的には、光感知セルＡの少なくとも一部を覆うように分光要素Ｂが配置されている。
【００６６】
本実施形態１における分光要素１ｃは、分光要素１ｂと同じ特性を有している。分光要素１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、それぞれ、図９に示すように四角柱状のプリズムタイプの分光要素である。このプリズムタイプの分光要素は、光が入射すると波長によって屈折角が変わり、その行路も変わる。このため、その長さＬを調整することにより、各色の光線が光感知セルの受光面上に入射する位置を制御することが可能である。
【００６７】
図９では、分光要素の隣接方向に青（Ｂ）、直下方向にその補色（黄：赤（Ｒ）＋緑（Ｇ））を向ける状態を示している。分光要素の長さＬや光感知セルとの３次元的な位置を調整することによって分光要素直下の光感知セルや隣接する光感知セルに入射させる色を変えることができる。このような分光要素によれば、入射光の進行方向に対して、相互に波長域の異なる光を異なる方向に向けて透過させることができる。本明細書では、入射光に含まれる波長域の異なる光成分を空間的に分離することを「分光」と称する。また、このようにして分光された光を簡単に「分光」と称する場合もある。
【００６８】
図９に示すプリズム型の分光要素によれば、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、当該入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光（第１波長域の光の補色）を透過させることもできる。分光後における各波長域の光は、いずれも、入射光を含む平面に含まれている。入射光の光軸を中心に分光要素を回転させて配置することにより、分光を含む上記平面の向きを変えることができる。
【００６９】
上記のような分光要素を１次元または２次元上に配列する仕方（パターン）は多様である。分光要素の配列パータンを適切に設計することにより、光感知セルアレイを構成する個々の光感知セルに対して、入射光を所望の波長域に分離・統合して入射することが可能になる。その結果、光感知セルが出力する光電変換信号の組から、必要な色成分に対応する信号を導き出すことが可能になる。
【００７０】
本実施形態１では、分光要素１ａと分光要素１ｂ、分光要素１ｃと分光要素１ｄが組となり、それぞれ直下の光感知部と隣接する光感知セルに分光した光を入射させる。ここで、分光要素１ａは、原色光Ｃ１を隣接する光感知セルに、その補色光Ｃ１~を直下の光感知セルに入射するように分光する。分光要素１ｂは、原色光Ｃ２を直下の光感知セルに、その補色光Ｃ２~を隣接する光感知セルに入射するように分光する。分光要素１ｃは、原色光Ｃ２を直下の光感知セルに、その補色光Ｃ２~を隣接する光感知セルに入射するように分光する。分光要素１ｄは、原色光Ｃ３を隣接する光感知セルに、その補色光Ｃ３~を直下の光感知セルに入射するように分光する。
【００７１】
図１Ｂに示す構成では、分光要素１ａを透過した光はその直下の光感知セル２ａに補色光Ｃ１~、隣接する光感知セル２ｂに原色光Ｃ１を入射させ、分光要素１ｂを透過した光はその直下の光感知セル２ｂに原色光Ｃ２、隣接する光感知セル２ａに補色光Ｃ２~を入射させることになる。また、分光要素１ｃを透過した光はその直下の光感知セル２ｃに原色光Ｃ２、隣接する光感知セル２ｄに補色光Ｃ２~を入射させ、分光要素１ｄを透過した光はその直下の光感知セル２ｄに補色光Ｃ３~、隣接する光感知セル２ｃに原色光Ｃ３を入射させる。
【００７２】
その結果、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが受ける光の量（受光量）を、それぞれ、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄとすると、図１Ｄから明らかなように、各光感知セルの受光量は以下の式で表される。
（式１）Ｓ２ａ＝Ｃ１~＋Ｃ２~
（式２）Ｓ２ｂ＝Ｃ１＋Ｃ２
（式３）Ｓ２ｃ＝Ｃ２＋Ｃ３
（式４）Ｓ２ｄ＝Ｃ２~＋Ｃ３~
ここで、Ｃ１などの符号は、その符号によって示される光（原色光または補色光）の光量を示すものとする。
【００７３】
なお、Ｃ１~＝Ｃ２＋Ｃ３、Ｃ２~＝Ｃ１＋Ｃ３、Ｃ３~＝Ｃ１＋Ｃ２である。ここで、白の光量をＷで表すと、Ｗ＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３である。以上のことから、上記式１〜式４は、以下のように書き換えられる。
（式５）Ｓ２ａ＝Ｗ＋Ｃ３
（式６）Ｓ２ｂ＝Ｗ−Ｃ３
（式７）Ｓ２ｃ＝Ｗ−Ｃ１
（式８）Ｓ２ｄ＝Ｗ＋Ｃ１
【００７４】
さらに式５と式６の加減算および式７と式８の加減算より、以下の式が得られる。
（式９）Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝２Ｗ
（式１０）Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ＝２Ｃ３
（式１１）Ｓ２ｄ＋Ｓ２ｃ＝２Ｗ
（式１２）Ｓ２ｄ−Ｓ２ｃ＝２Ｃ１
【００７５】
上記の結果、図面における水平方向の光感知セル間の簡単な演算により、２つの色情報と２つの輝度情報が得られ、残りの１色の情報についても２Ｗ−２Ｃ１−２Ｃ３から得られる。ここで、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を、それぞれ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光量とすると、上記の構成では、４つの光学素子から色信号２Ｒ、２Ｂと輝度信号２Ｗが２つ得られることになり、例えば従来のベイヤー配列から得られるＲとＢの信号量の２倍であることがわかる。
【００７６】
以上のように本発明の実施形態１にとでは、分光要素群（光学素子アレイ）により、入射光を３つの色Ｃｉ、Ｃｊ、Ｃｋと、その補色光Ｃｉ~、Ｃｊ~、Ｃｋ~に分光する。そして、それらの中の２つを用いて原色同士の光を、ある光感知セルに入射させ、（Ｃｉ＋Ｃｊ）を得る。そして、隣接する光感知セルに補色光同士を入射させれば、（Ｃｉ~＋Ｃｊ~）を得ることができる。このため、それらの減算から、残りの光成分Ｃｋを効率よく取り出せる。また、異なる組み合わせで同様の処理を実施すれば、３原色も効率よく取り出せるという効果がある。加えて、従来の減色タイプの色フィルタのような光吸収もないため、光利用率が高いという効果もある。
【００７７】
（実施形態２）
次に第２の実施形態について、図面を用いて説明する。図２Ａは本発明の実施形態２における光学素子アレイの配置を示したもので、２行２列の光感知セルを基本構成とする撮像素子の平面図である。図２Ｂは、光感知セルに入射する光の種類を示す平面図である。
【００７８】
本実施形態の基本構成は実施形態１の場合と類似しているが、光学素子アレイ１の分光要素１ｄに相当する要素が透明要素１ｅに置き換わっている点で相違する。
【００７９】
本実施形態における分光要素１ａ、１ｂは、実施形態１の分光要素１ａ、１ｂと同じである。このため、それらの直下の光感知セル２ａ、２ｂの受光量も、図２Ｂに示すように、実施形態１の場合と同じである。したがって、水平方向の光感知セル２ａ、２ｂ間の加減算により、色信号２Ｃ３と輝度信号２Ｗを得ることができる。一方、透明要素１ｅは分光しないので、その直下の光感知セル２ｄには光Ｗが入射するが、隣接の分光要素１ｃから補色光Ｃ２~も受けることになる（図２Ｂ）。光感知セル２ｃでは、実施形態１とは異なり、隣接の分光要素からの光は受けないので、分光要素１ｃから原色光Ｃ２を受けるだけとなる。結局、光感知セル２ｃ、２ｄの受光量Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄは以下の式で表される。なお、式１３はＳ２ｃ＝Ｃ２であるが、Ｗを用いた表現に変えている。
（式１３）Ｓ２ｃ＝Ｗ−（Ｃ１＋Ｃ３）
（式１４）Ｓ２ｄ＝Ｗ＋（Ｃ１＋Ｃ３）
【００８０】
実施形態１の場合と算出結果は一部異なるが、式９と式１０から２Ｃ３と２Ｗ、式１３と式１４の加減算から２Ｃ１＋２Ｃ３の色情報と２Ｗの輝度情報を取り出せる。以上の結果から簡単な加減算により２Ｃ１、２Ｃ２も算出できる。
【００８１】
以上のように本発明の実施形態２によると、一部の分光要素を透明要素に入れ換えても、透明要素直下の光感知セルでは、光Ｗ以外に隣接分光要素からの分光も受ける。このことにより、隣接光感知セルとの減算処理により効率よく色情報を取り出せる。したがって、実施形態２でも、実施形態１と同様、従来技術に比べて大幅な性能向上が期待できる。また、透明要素が入っているため、全光感知セルに対応した分光要素を全て作製する必要はなく、分光要素を作製するプロセスを１つ削減できるという光学素子アレイ製造上の利点もある。
【００８２】
（実施形態３）
次に第３の実施形態について、図面を用いて説明する。図３は本発明の実施形態３における光学素子アレイの配置を示したもので、２行２列の光感知セルを基本構成とする撮像素子の平面図である。図３Ｂは、光感知セルに入射する光の種類を示す平面図である。
【００８３】
光学素子アレイの基本構成は実施形態１の場合と類似しているが、光学素子アレイ１の分光要素１ｂに相当する要素と分光要素１ｃに相当する要素が単なる透明要素１ｅに置き換わり、それ以外は全く同じである。すなわち、２行２列の基本セルユニットにおいて、実施形態２では透明要素を１つ、本実施形態では透明要素を２つにしている。
【００８４】
本実施形態では透明要素１ｅが２つあり、それら直下の光感知セル２ｂ、２ｃはそれぞれ光Ｗを受光する。光感知セル２ｂでは隣接の分光要素１ａから原色光Ｃ１も受光し、また光感知セル２ｃでは隣接の分光要素１ｄから原色光Ｃ３も受光する。一方、光感知セル２ａ、２ｄは隣接要素が透明要素であるため、隣接要素からの受光はなく、光感知セル２ａでは補色光Ｃ１~を受光し、光感知セル２ｄでは補色光Ｃ３~を受光することになる。
【００８５】
結局、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの受光量は、図３Ｂに示すとおりであり、以下の式で表される。なお、式１５および式１８はそれぞれＳ２ａ＝Ｃ１~、Ｓ２ｄ＝Ｃ３~であるが、Ｗを用いた表現に変えている。
（式１５）Ｓ２ａ＝Ｗ−Ｃ１
（式１６）Ｓ２ｂ＝Ｗ＋Ｃ１
（式１７）Ｓ２ｃ＝Ｗ＋Ｃ３
（式１８）Ｓ２ｄ＝Ｗ−Ｃ３
【００８６】
上記の結果、式１５と式１６の加減算から色情報２Ｃ１と輝度情報２Ｗ、式１７と式１８の加減算から色情報２Ｃ３と輝度情報２Ｗを取り出せる。このように、一部の分光要素をさらに透明要素に入れ替えても、分光要素が２種類あれば色情報を効率よく取り出せる上、従来技術に比べて大幅な感度向上が期待できる。
【００８７】
なお、実施形態２および実施形態３で示したように透明要素を含む場合は、透明要素に隣接する分光要素の分光に関して、当該要素直下の光感知セルに出来るだけ多くの光が入射するような特性にする方が、画素信号に変換された場合の信号のバランスがとれるという利点がある。
【００８８】
例えば、透明要素に隣接して、青（Ｂ）とその補色である黄（Ｒ＋Ｇ）に分光する分光要素があった場合、その分光要素直下の光感知セルに黄の光を入射させ、透明要素に対応する光感知セルに青の光を入射させると、受光量はそれぞれ（Ｒ＋Ｇ）と（Ｗ＋Ｂ）となり、それらの差は２Ｂである。一方、分光要素がその直下の光感知セルに青の光を入射させ、透明要素に対応する光感知セルに黄の光を入射させる場合は、受光量はそれぞれＢと（Ｗ＋Ｒ＋Ｇ）となり、それらの差は（２Ｒ＋２Ｇ）となる。この場合は、前者の場合と比べて受光信号差が大きい。受光信号差が大きいと、光感知セルの信号飽和レベルまでの差のバラツキも大きくなり、同じ光量でも一部の光感知セルでは画素信号が飽和するという問題が発生する。それ故、前者の場合の方が、各画素信号のバランスがとれ、信号のダイナミックレンジ性能上良好と言える。
【００８９】
加えて、上記のように原色とその補色に分光する分光要素では、前者の場合の方が直接原色信号を取り出せるという利点もある。要するに透明要素に隣接する分光要素の場合は、補色を当該分光要素直下の光感知セルに入射させ、透明要素に対応する光感知セルに原色光を入射させるよう分光要素の構造を設計することが望ましい。
【００９０】
（実施形態４）
次に第４の実施形態について、図面を用いて説明する。本実施形態の場合はＲＧＢの３つの光に分光させる分光要素を用いていることが特徴である。図４Ａは本発明の実施形態４における光学素子アレイの配置を示したもので、１行２列の光感知セルを基本構成とする撮像素子の平面図である。また、図４Ｂは図４ＡのＢＢ’線における断面図である。
【００９１】
図４Ａおよび図４Ｂの例において、光学素子アレイ４は、プリズムタイプの分光要素のアレイである。この光学素子アレイ４では、四角柱状の分光要素が１つおきに向きを１８０度変えて２次元状に配列されている。ここで、分光要素は実施形態１で示した四角柱状のプリズムタイプのものと基本的に同じであるが、出光面を斜面にして赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光の広がりをさらに強め、３色の内２色は別々の隣接光感知セルに入射できるようにしたものである。但し、分光要素数と光感知セル数の比率は１：２で、光感知セルは各分光要素の直下とそれらの間に位置している。
【００９２】
図４Ａおよび図４Ｂに示す構成では、分光要素２つが１組の状態で配列しているので、各分光要素直下の光感知セルにはＧが入射し、各分光要素の間に位置する光感知セルには２Ｒまたは２Ｂが入射する。そのため、１行から、２Ｂ、Ｇ、２Ｒ、Ｇ、２Ｂ、Ｇ、２Ｒ、・・・と、ＲＧＢ信号が取り出せる。従来の色フィルタと比べると、Ｇの受光量は変わらないが、ＲとＢを受光する光感知セルは２つの分光要素からの光を重複して受光するため、その分画素数を削減でき、ＲＢの受光量は２倍になる。上記例では３つの光に分光させる要素を用いたが、その一部の光を重複して１つの光感知セルで受光するなら、３つ以上の光に分光させる分光要素であっても構わない。
【００９３】
以上のように本発明の実施形態４によると、入射光を少なくとも３つの光に分光させる分光要素が少なくとも１種類用いることにより、ＲＧＢ信号を損失なく取り出せると共に、１つの光感知セルで重複してＲ光またはＢ光を受光できる分、画素数を削減できるという効果がある。
【００９４】
（実施形態５）
次に第５の実施形態について、図面を用いて説明する。図５Ａは本発明の実施形態５における光学素子アレイの配置を示したもので、２行２列の光感知セルを基本構成とする撮像素子の平面図である。また、図５Ｂは図５ＡのＣＣ’線における断面図であり、図５Ｃは図５ＡのＤＤ’線における断面図である。
【００９５】
図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃの例において、光学素子アレイ５は、分光タイプの分光要素５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを備えている。
【００９６】
本実施形態５では、分光要素５ｃは分光要素５ｂと同じ特性を有している。分光要素５ｂ、５ｃは、実施形態４における分光要素と同じであり、出光面を斜面にして３原色の光の広がりを強め、３色の内２色は別々の隣接光感知セルに入射できる。
【００９７】
分光要素５ａ、５ｄの特性は相互に異なるが、構造は同じである。分光要素５ａ、５ｄは、分光要素直下に分光Ｃｉを落射させ、落射方向とある角度をなす方向に、その補色光Ｃｉ~を落射させる。これらの分光要素５ａ、５ｄは、それぞれ、図９に示した分光要素１を２つ用意し、これら２つの分光要素１の向きが反対になるように接合したものである。このような構造にすることによって分光要素直下に分光Ｃｉを落射させ、落射方向とある角度をなす方向にその補色光Ｃｉ~を落射させることができる。また、その分光要素の長さを変えることにより、当該分光特性も変更できる。
【００９８】
図１０に分光要素直下にＹｅ（Ｒ＋Ｇ）を落射させ、左右方向にＢを落射させている状態を示す。分光要素直下にある分光Ｃｉを落射させると、隣接左右方向には、それぞれ、その光Ｃｉの補色光を半分ずつ落射させることになる。本実施形態の光学素子アレイでは、隣接左右方向に落射させる光が、それぞれ、真下の光感知セルに対して隣接する光感知セルに入射するように、分光要素５ａ、５ｄを設計している。
【００９９】
本実施形態５では、分光要素５ａと分光要素５ｂとが１組を構成し、また同様に分光要素５ｃと分光要素５ｄが１組を構成する。それぞれ直下の光感知セルと隣接する光感知セルに分光した光を入射させる。ここで、分光要素５ａは、原色光０.５Ｃ１を隣接する光感知セルに、その補色光Ｃ１~を直下の光感知セルに入射するように分光する。分光要素５ｂは、光をＣ１、Ｃ２、Ｃ３の３つに分光するが、分光Ｃ２を直下の光感知セルに、分光Ｃ１、Ｃ３を隣接する光感知セルに入射させる。また、分光要素５ｃは、分光要素５ｂと同様に、分光Ｃ２を直下の光感知セルに、分光Ｃ１、Ｃ３を隣接する光感知セルに入射させる。分光要素５ｄは、原色光０.５Ｃ３を隣接する光感知セルに、その補色光Ｃ３~を直下の光感知セルに入射させる。
【０１００】
図５Ａに示す構成では、分光要素５ａを透過した光はその直下の光感知セル２ａにＣ１~、隣接する光感知セル２ｂに０.５Ｃ１＋０.５Ｃ１（＝Ｃ１）を入射させ、分光要素５ｂを透過した光はその直下の光感知セル２ｂにＣ２、隣接する光感知セル２ａにＣ１とＣ３を入射させることになる。また、分光要素５ｃを透過した光はその直下の光感知セル２ｃにＣ２、隣接する光感知セル２ｄにＣ１とＣ３を入射させ、分光要素５ｄを透過した光はその直下の光感知セル２ｄにＣ３~、隣接する光感知セル２ｃに０.５Ｃ３＋０.５Ｃ３（＝Ｃ３）を入射させる。
【０１０１】
その結果、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが受光する光量は以下の式で表される。
（式１９）Ｓ２ａ＝Ｃ１~＋Ｃ１＋Ｃ３
（式２０）Ｓ２ｂ＝Ｃ１＋Ｃ２
（式２１）Ｓ２ｃ＝Ｃ２＋Ｃ３
（式２２）Ｓ２ｄ＝Ｃ１＋Ｃ３＋Ｃ３~
ここで、Ｗ＝Ｃ１＋Ｃ１~＝Ｃ３＋Ｃ３~、Ｃ１＋Ｃ２＝Ｗ−Ｃ３、Ｃ２＋Ｃ３＝Ｗ−Ｃ１の関係を用いると、上記の式１９〜式２２は式５〜式８に書き変えられる。その結果、実施形態１と同じ結果の式になり、実施形態１の場合と同じ効果が得られる。
【０１０２】
以上のように本発明の実施形態５によると、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素と、入射光を第３波長域の光、第４波長域の光、第５波長域の光に分光させる第２の分光要素を含み、前記第１の分光要素と前記第２の分光要素が交互に隣接して配置され、前記第１の分光要素に対応する光感知セルには前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第３波長域の光と前記第５波長域の光が入射し、前記第２の分光要素に対応する光感知セルには前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第４波長域の光が入射することにより、光感知セル間の簡単な演算で効率よく色信号を取り出せ、光利用率が高いという効果がある。
【０１０３】
（実施形態６）
次に第６の実施形態について、図面を用いて説明する。図６は本発明の実施形態６における光学素子アレイ５の配置を示したもので、２行２列の光感知セルを基本構成とする撮像素子の平面図である。この光学素子アレイの基本構成は実施形態５の光学素子アレイ５と類似しているが、分光要素５ｄに相当する要素が単なる透明要素１ｅに置き換わっている点で異なる。
【０１０４】
本実施形態を実施形態５と比較すると、分光要素５ａと分光要素５ｂは両実施形態で同じであるため、それら直下の光感知セル２ａ、２ｂの受光量も同じである。このため、本実施形態でも、水平方向に隣接する光感知セル２ａ、２ｂ間の加減算により、色信号２Ｃ３と輝度信号２Ｗを得ることができる。一方、透明要素１ｅは分光に寄与しないので、その直下の光感知セル２ｄには光Ｗが入射するが、透明要素１ｅに隣接する分光要素５ｃからＣ１＋Ｃ３も受けることになる。光感知セル２ｃでは、実施形態５とは異なり、分光素子５ｃに隣接する分光要素からの光は受けないので、分光要素５ｃからＣ２を受けるだけとなる。
【０１０５】
その結果、光感知セル２ｃ、２ｄの受光量Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄについては、Ｓ２ｃ＝Ｗ−（Ｃ１＋Ｃ３）、Ｓ２ｄ＝Ｗ＋（Ｃ１＋Ｃ３）が成立する。これらの加減算により、２Ｃ１＋２Ｃ３の色情報と２Ｗの輝度情報を取り出せる。結局、これらの結果は、実施形態２の場合と全く同じで、その場合と同じ効果が得られる。
【０１０６】
（実施形態７）
次に第７の実施形態について、図面を用いて説明する。図７は本発明の実施形態７における光学素子アレイの配置を示したもので、２行２列の光感知セルを基本構成とする撮像素子の平面図である。光学素子アレイの基本構成は実施形態５の場合と類似しているが、光学素子アレイ５の分光要素５ｂに相当する要素と分光要素５ｃに相当する要素が単なる透明要素１ｅに置き換わっている点で異なる。すなわち、基本の光学素子アレイの構成において、実施形態６では透明要素を１つ、本実施形態では透明要素を２つにしている。
【０１０７】
本実施形態における光学素子アレイの基本構成は、２つの透明要素１ｅを有しており、それら直下の光感知セル２ｂ、２ｃは、それぞれ、光Ｗを受光する。光感知セル２ｂでは隣接の分光要素５ａから０.５Ｃ１＋０.５Ｃ１（＝Ｃ１）も受光し、また光感知セル２ｃでは隣接の分光要素５ｄから０.５Ｃ３＋０.５Ｃ３（＝Ｃ３）も受光する。一方、光感知セル２ａ、２ｄは、隣接要素が透明要素であるため、隣接要素からの受光はない。したがって、光感知セル２ａではＣ１~を受光し、光感知セル２ｄではＣ３~を受光することになる。このような光の受光状態は、実施形態３の場合と全く同じであり、その効果も同じと言える。
【０１０８】
なお、実施形態３について説明したように、実施形態６および実施形態７においても、透明要素に隣接する分光要素は、当該要素直下の光感知セルに出来るだけ多くの光が入射するような特性を有することが好ましい。そうすることにより、画素信号に変換された場合の信号のバランスがとれるという利点があるからである。
【０１０９】
（実施形態８）
次に第８の実施形態について説明する。これまでの実施形態における光学素子アレイは、分光要素としてプリズムタイプの分光要素を用いたが、本実施形態における光学素子アレイは、屈折率の異なる材料を用いて作製される他のタイプの分光要素を有している。
【０１１０】
図８Ａは本発明の実施形態８における撮像素子の光感知セルアレイと光学素子アレイの配置関係を示す平面図である。図８Ｂは、図８ＡのＥＥ’線における断面図であり、図８Ｃは図８ＡのＦＦ’線における断面図である。
【０１１１】
図８Ａ〜図８Ｃに示される例において、。屈折率が相対的に高い材料から形成された高屈折率透明部（コア部）６ａ〜６ｄと、屈折率が相対的に低い材料から形成され、高屈折率透明部６ａ〜６ｄの各々の側面と接する低屈折率透明部（クラッド部）７とを有する。高屈折率透明部６ａ、６ｄは、単純な直方体形状を有しているが、低屈折率透明部７との屈折率差により、入射光が回折する。このため、高屈折率透明部６ａ、６ｂは、それらの真下に位置する光感知セルに隣接する光感知セルに原色光（板厚両側方向に０.５Ｃ１ずつ、または０.５Ｃ３ずつ）を分光し、真下の方向に補色光（Ｃ１~またはＣ３~）を分光する。
【０１１２】
一方、高屈折率透明部６ｂ、６ｃは、幅の異なる２つの直方体が合体した形状を有しており、光感知セルに最も近い側の端部に段差が形成されている。高屈折率透明部６ｂ、６ｃと透明部７との屈折率差により、入射光は回折し、０次、１次、−１次の回折光が発生する。回折角の差により、原色光Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に分光される。
【０１１３】
このような回折形の分光素子は、例えば、特許出願２００８−５５１５９４号および２００８−２０２１５９号に開示されている。これらの出願の全体内容を本願に援用する。このような分光素子を有する光学素子アレイは、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。
【０１１４】
本実施形態では、高屈折率透明部６ａ〜６ｄの光利用率を向上させるため、その上下にマイクロレンズ２１とインナーレンズ２２を配置している。本実施形態では、高屈折率透明部６ａ〜６ｄの存在によって分光が可能になるため、本明細書では、個々の高屈折率透明部も「分光要素」であるものとする。本実施形態におやける分光要素と光感知セルとの２次元的位置関係および分光状態は、実施形態５の場合と同じである。その結果、画素信号の処理も同じである。
【０１１５】
このように屈折率の異なる材料から形成し、回折を生じさせる分光要素でも、実施形態５の場合と同様に、光感知セル間の簡単な演算で効率よく色信号を取り出せるため、光利用率の高いカラー撮像装置を実現できる。
【０１１６】
（実施形態９）
次に本発明の実施形態９について、図面を用いて説明する。図１１Ａは本発明の実施形態９における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示したもので、基本構成についての平面図である。また、図１１Ｂは図１１ＡのＡＡ’線における断面図、図１１Ｃは図１１ＡのＢＢ’線における断面図、図１１Ｄは図１１ＡのＣＣ’線における断面図である。
【０１１７】
図１１Ａから図１１Ｄに示すように、本実施形態における光学素子アレイは、分光要素１１ａ、１１ｂ、１１ｃを有し、撮像素子の光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに対向する位置に配置されている。
【０１１８】
光学素子アレイの分光要素１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、図１４Ａ〜１４Ｃに示すプリズムタイプの分光素子である。分光要素１１ａは、赤外光（ＩＲ）を片側に、Ｒ、Ｇ、Ｂをその直下から逆側に分ける。分光素子１１ｂは、Ｒのみを片側に、その他の色をその直下に分ける。また、分光素子１１ｃは、Ｂを片側に、その他の色をその直下に分ける。但し、このような分光は、上記の例に限定されず、各分光要素の屈折率やその長さ（Ｌ）等の形状によって変えることができる。
【０１１９】
本実施形態では、分光要素１１ａに入射したＩＲが、隣接する光感知セル２ｃに入射し、その他の光がその直下の光感知セル２ａに入射するよう分光要素１１ａを設計し、配置している。分光要素１１ｂは、分光要素１１ｂに入射したＲが、隣接する光感知セル２ａに入射し、その他の光がその直下の光感知セル２ｂに入射するように設計され、配置されている。また、分光要素１１ｃは、分光要素１１ｃに入射したＢが、隣接する光感知セル２ｄに入射し、その他の光がその直下の光感知セル２ｃに入射するように設計され、配置されている。撮像面に垂直な方向から観ると、分光要素１１ａは、図面１１Ａにおける垂直方向に分光するが、分光要素１１ｂ、１１ｃは、図面１１Ａにおける水平方向に分光する。すなわち、複数の分光要素１１ａ〜１１ｃの分光方向が直交しており、これ点も本実施形態の特徴である。
【０１２０】
このような構成および仕組みにより、各光感知セルの受光量は以下の式で表される。但し、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの受光量をそれぞれＳ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄとし、Ｗ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂとする。
（式３１）Ｓ２ａ＝Ｗ＋Ｒ
（式３２）Ｓ２ｂ＝ＩＲ＋Ｗ−Ｒ
（式３３）Ｓ２ｃ＝２ＩＲ＋Ｗ−Ｂ
（式３４）Ｓ２ｄ＝ＩＲ＋Ｗ＋Ｂ
ここで、式３１と式３２、式３３と式３４を加算すると、式３５と式３６が得られ、これはＩＲが隣接する光感知セルに入射した結果を表している。さらに式３５と式３６の減算から、ＩＲ成分は式３７で表される。
（式３５）Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝ＩＲ＋２Ｗ
（式３６）Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝３ＩＲ＋２Ｗ
（式３７）ＩＲ＝((Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ)−(Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ))／２
そこで、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄからＩＲ成分を取り除いた光量をＳ２ｂ~、Ｓ２ｃ~、Ｓ２ｄ~とすると、それらは以下の式で表される。
（式３８）Ｓ２ｂ~＝Ｗ−Ｒ
（式３９）Ｓ２ｃ~＝Ｗ−Ｂ
（式４０）Ｓ２ｄ~＝Ｗ＋Ｂ
【０１２１】
結局、式３１と式３８〜式４０を用いれば、以下のように２Ｒ、２Ｂ、２Ｗが求まり、さらに２Ｗから２Ｒ＋２Ｂを減算すると、２Ｇが得られる。
（式４１）２Ｒ＝Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ~
（式４２）２Ｗ＝Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ~
（式４３）２Ｂ＝Ｓ２ｄ~−Ｓ２ｃ~
（式４４）２Ｗ＝Ｓ２ｄ~＋Ｓ２ｃ~
【０１２２】
以上の処理から、分光要素を用いて隣接する光感知セルに分光した色信号Ｃの光を入射させると、当該光感知セルと隣接光感知セルとの画素信号差により、当該色の２倍の信号量（２Ｃ）が得られることがわかる。加えて、複数の分光要素を用いる場合は、ある分光要素の分光方向と別な分光要素の分光方向を直交させれば、画素間の加算処理等が必要であるものの、それぞれの分光成分を求めることができる。その例を本実施形態では示しており、式３５と式３６で示すように隣接画素間の加算処理を行った後、式３７の減算処理によりＩＲ成分が得られることがわかる。
【０１２３】
以上のように、ＩＲとその他の色に分光する要素１１ａ、Ｒとその他の色に分光する要素１１ｂ、Ｂとその他の色に分光する要素１１ｃを用いて、１１ａの分光方向と１１ｂおよび１１ｃの分光方向を直交させることにより、ＩＲとＲＧＢのカラー信号を光損失なく得ることができる。
【０１２４】
以上のように、本実施形態９によると、複数の分光要素を用いて、取得したい分光を隣接画素に入射させることにより、その後の画素間演算で損失のない当該分光の光電変換信号を得ることができ、しかも分光要素の分光方向を互いに直交させることにより、効率よく各光信号を取り出すことができる。その結果、光利用率が高く、ＩＲ光にも対応できるカラー撮像装置を実現できる。
【０１２５】
（実施形態１０）
次に本発明の実施形態１０について、図面を用いて説明する。図１２Ａは本発明の実施形態１０における撮像素子の色フィルタ付き光感知セルと分光要素との関係を示した基本構成の平面図である。また、図１２Ｂは図１２ＡのＤＤ’線における断面図である。
【０１２６】
これらの図に示されるように、本実施形態の撮像素子は、ベイヤー型の色フィルタ３を有している。図には、６個の光感知セル２ａ〜２ｆが示されている。その他の符号は実施形態９の場合と同じである。
【０１２７】
本実施形態１０の場合は、従来のベイヤー型カラー撮像素子に本発明の分光要素１１ａを８画素：１要素の割合で配置している。分光要素１１ａは、実施形態９における分光要素１１ａと同じく、ＩＲを隣接する光感知セルに入射させる。
【０１２８】
この構成では、４画素からなるベイヤー型の基本構成を１ユニットとする。そして、２ユニットに１つの割合で分光要素を配置する。図１２Ａでは、分光要素１１ａが配置された１つのユニットに含まれる４つのセルと、もう一方のユニットに含まれる２つのセルが示されている。分光要素１１ａは、Ｇ要素上に配置され、図１２ＡにおいてＧ画素の右隣のＲ要素側にＩＲ成分を入射させる。
【０１２９】
本実施形態の撮像素子と従来のベイヤー型カラー撮像素子との相違点は、本実施形態において、赤外光を遮断するための赤外カットフィルタがないことと、画素の個数：分光要素の個数を８画素：１要素の割合で配置していることだけである。色フィルタの殆どは、顔料を色素として含有している。各色素は、それぞれ、ＲＧＢ光を透過させると共に、ＩＲ光も透過させる。このため、従来のベイヤー型のベイヤー型カラー撮像素子は、通常、色フィルタとは別に赤外カットフィルタを備えている。
【０１３０】
以下、本実施形態における処理動作を説明する。
【０１３１】
本実施形態の場合、赤外カットフィルタを装着していないため、ＩＲ成分を受光面全面が受けることになる。Ｇ要素上に配置された分光要素１１ａは、Ｒ要素側にＩＲ成分を入射させる。このため、分光要素１１ａの直下の光感知セル２ｂはＩＲを受光せず、右側に隣接する光感知セル２ｅにＩＲ成分は入射する。その結果、分光要素１１ａが配置されたユニットに含まれる４個の光感知セル２ａ〜２ｄの受光量は、全体として、Ｒ＋２Ｇ＋Ｂ＋３ＩＲである。一方、分光要素１１ａが配置されたユニットに含まれる４個の光感知セルの受光量は、全体として、受光量はＲ＋２Ｇ＋Ｂ＋５ＩＲとなる。２つのユニットの受光量を減算すれば、赤外成分２ＩＲが得られる。このため、ＩＲが入射する光感知セルが出力する各画素信号からＩＲを減算すれば、ＲＧＢのカラー信号が得られることになる。また、ＩＲ成分だけを利用すれば、赤外光画像も得られることになる。
【０１３２】
このように、隣接するユニットに分光を入射させることにより、ユニット間の演算で当該分光の光電変換信号が得られる。なお、実施形態１０では８画素単位で分光要素１つを配置したが、これに限定されない。ＲＧＧＢの４画素からなる１ユニット毎に１つの割合で一方のＧ要素上に１つの分光要素を配置してもよい。その場合でも、分光要素を配置しているＧ要素からの信号と分光要素を配置していない隣接のＧ要素からの信号を用いて、それらの信号の減算でＩＲ成分を得ることができる。ＩＲが入射する光感知セルが出力する各画素信号からＩＲを減算すれば、ＲＧＢのカラー信号が得られる。また、ＩＲ成分だけを利用すれば赤外光画像も得られる。本実施形態の撮像素子は、色フィルタ付き光感知セルを有しているが、各色フィルタの位置は、光感知セルから離れて、図１２Ｂ中の分光要素の上部に配置されていても同じ効果が得られる。
【０１３３】
以上のように、本実施形態１０によると、ＩＲ成分を分光させる要素を従来のカラー撮像素子に適用した構成を備えているため、ＩＲ成分を損失なく取り込める。すなわち、ＩＲ光の利用率を高めることができる。また、赤外カットフィルタを用いることなく、カラー画像が得られると共にＩＲ画像も得られるという利点がある。
【０１３４】
（実施形態１１）
次に本発明の実施形態１１について、図面を用いて説明する。図１３Ａは本発明の実施形態１１における撮像素子の光感知セルに対する分光要素の配置関係を示した基本構成の平面図である。また、図１３Ｂは図１３ＡのＥＥ’線における断面図である。
【０１３５】
本実施形態では、撮像素子の光感知セル２つに１つの割合で分光要素が配置されている。配置された分光要素は、ＩＲ成分を隣接画素に入射させる分光要素１１ａである。
【０１３６】
本実施形態では、白黒の撮像素子に分光要素１１ａを取り付けている。分光要素１１ａによってＩＲが入射しない画素からの信号と、この画素に隣接し、ＩＲが入射する画素からの信号との減算で２ＩＲを得ることができる。その結果、白黒画像の可視光画像と赤外光画像とを同時に得ることが可能になる。本実施形態によれば、赤外画像を得るに際してＩＲ光の利用率が高く、また、赤外カットフィルタを用いないで可視光画像を得ることができる。
【０１３７】
（実施形態１２）
次に本発明の実施形態１２について、図面を用いて説明する。図１５Ａは本発明の実施形態１２における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図であり、１行の一部分を示している。図１５Ｂは図１５ＡのＡＡ’線における断面図である。
【０１３８】
図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、光学素子アレイの分光要素１であり、撮像素子の光感知セル２は、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを含んでいる。
【０１３９】
なお、光学素子アレイの分光要素１は、図９に示す四角柱状のプリズムタイプの分光素子である。分光要素１は、カラーフィルタと異なり、光の吸収がない上、光が入射すると波長によって屈折角が変わりその行路も変わる。このため、その長さＬを調整することにより、各色の分光配置を変えることができる。本実施形態では、分光の結果、図１５Ｂの左側からＲ、Ｇ、Ｂの順に光を出すよう分光素子の長さＬを調整している。本実施形態では、当該分光素子１種類のみを用いている。
【０１４０】
本実施形態１２の特徴は、光学素子アレイにおける分光要素の配列ピッチと光感知セルアレイにおける光感知セルの配列ピッチとが異なっていることである。具体的には、分光要素ピッチ:光感知セルピッチ＝３：４の関係を満足するように配列を採用している。
【０１４１】
このような構造にすることにより、各々の光感知セルは複数の分光要素からの光を受けることになり、分光要素と光感知セルとの間に配列ピッチ差があるため、各々の受光状態も変わる。
【０１４２】
Ｗ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂとすると、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃの受光量は、Ｗ＋Ｒ、Ｗ＋Ｇ、Ｗ＋Ｂとなり、それらの光電変換信号を各光感知セルから取り出すことができる。取り出された信号は、その後の信号処理により、光感知セルから出力される信号に重畳されているＷ分を取り除けば、ＲＧＢの色信号となる。
【０１４３】
以上のように、本実施形態１２によると、光学素子アレイの分光要素と光感知セルとの配置関係について、それらのピッチを変えることにより、各光感知セルが受光する色の状態が変わり、ＲＧＢの色信号を得ることができる。すなわち、分光要素を利用するので光利用率が高く、各光感知セルに直接Ｒ光，Ｇ光，Ｂ光が重畳して受光されるので、ＲＧＢ用の画素を設ける必要がなく、画素数を増やさずとも高感度で色分離できるカラー撮像装置を実現できる。
【０１４４】
なお、本実施形態では、分光要素と光感知セルのピッチについて、分光要素ピッチ:光感知セルピッチ＝３：４にしたが、分光要素ピッチで光感知セルピッチを除算した結果が整数でなければ、これに限定されるものではない。また、分光要素ピッチを必ず光感知セルピッチより小さくする必要もない。但し、仮に大きくした場合は、１つの分光要素からの光を複数の光感知セルで受光することになり、その分、光感知セルを分光要素より多く準備しなければならない。
【０１４５】
（実施形態１３）
次に本発明の実施形態１３について、図面を用いて説明する。図１６Ａは本発明の実施形態１３における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図であり、１行の一部分を示している。図１６Ｂは図１６ＡのＢＢ’線における断面図である。
【０１４６】
本実施形態１３は実施形態１２と類似しているが、本実施形態では、図１６Ａおよび図１６Ｂに示されるように、各光感知セル間に遮光部２Ｚがある。また、光学素子アレイの分光要素数が実施形態１２から異なる。
【０１４７】
実施形態１３では、遮光部のサイズが光感知セルサイズの整数分の１という前提で、光学素子アレイの分光要素を配置している。遮光部サイズ：光感知セルサイズ＝１：４、分光要素ピッチ:光感知セルピッチ＝３：５の関係を採用している。このような割合に設定することにより、実施形態１２の場合と同様、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃの受光量は、Ｗ＋Ｒ、Ｗ＋Ｇ、Ｗ＋Ｂとなる。このため、本実施形態では、信号処理も実施形態１２の場合と同じであり、遮光部による光損失を除けば、同様の効果が得られる。
【０１４８】
なお、分光要素ピッチ:光感知セルピッチ＝３：５にしたが、光感知セルサイズ／遮光部サイズが整数（＝ｎ−１）であるという前提で、分光要素ピッチ:光感知セルピッチ＝ｍ：ｎの整数比であれば、どのような比率でも２種類以上の色信号を得ることができる。但し、ｎ／ｍまたは（ｎ−１）／ｍが整数の場合を除く。
【０１４９】
（実施形態１４）
次に本発明の実施形態１４について、図面を用いて説明する。図１７Ａは本発明の実施形態１４における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図であり、１行の一部分を示している。図１７Ｂは図１７ＡのＣＣ’線における断面図であり、図１７Ｃは図１７ＡのＤＤ’線における断面図である。
【０１５０】
本実施形態１４の場合は、光感知セルに対して光学素子アレイの分光要素の位置が場所によって３次元的に異なっている。光感知セル２ｂ、２ｄ、２ｅ、２ｇに対応する分光要素は、それらの光感知セルと光軸中心が同じで、分光要素直下の光感知セルにＧ光を入射させ、両隣の光感知セルには、それぞれＲ光、Ｂ光を入射させるよう光感知セルから離れている。それに対して、光感知セル２ａ、２ｃに対応する分光要素は、上記４つの分光要素より光感知セルに近いが、隣接の光感知セルにＢ光のみ入射するよう光軸中心がずれている。また、光感知セル２ｆ、２ｈに対応する分光要素も同じような構造であるが、隣接の光感知セルにＲ光のみ入射するよう光軸中心がずれている。
【０１５１】
上記の構成では、光感知セル２ａおよび２ｃは、当該セルに対応する分光要素からＲ＋Ｇ、隣接する分光要素からＲ＋Ｂの光を受光する。光感知セル２ｂおよび２ｄは、当該セルに対応する分光要素からＧ、隣接する分光要素からＢの光を受光する。また、光感知セル２ｅおよび２ｇは、当該セルに対応する分光要素からＧ、隣接する分光要素からＲの光を受光する。光感知セル２ｆおよび２ｈは、当該セルに対応する分光要素からＧ＋Ｂ、隣接する分光要素からＲ＋Ｂの光を受光する。光感知セル２ａ、２ｂ、２ｅ、２ｆの受光量をそれぞれＳ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｅ、Ｓ２ｆとすると、各光感知セルの受光量は以下の式で表される。但し、下記の式群はＷ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂの関係を用いて、Ｗを含んだ形式で表されている。
（式５１）Ｓ２ａ＝Ｗ＋Ｒ
（式５２）Ｓ２ｂ＝Ｗ−Ｒ
（式５３）Ｓ２ｅ＝Ｗ−Ｂ
（式５４）Ｓ２ｆ＝Ｗ＋Ｂ
【０１５２】
さらに式５１と式５２、式５３と式５４を加減算することにより、以下の式が得られる。
（式５５）Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝２Ｗ
（式５６）Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ＝２Ｒ
（式５７）Ｓ２ｆ＋Ｓ２ｅ＝２Ｗ
（式５８）Ｓ２ｆ−Ｓ２ｅ＝２Ｂ
【０１５３】
上記の結果、水平方向の光感知セル間の簡単な演算により、２つの色情報と２つの輝度情報が得られ、残りの色Ｇの情報についても２Ｗ−２Ｒ−２Ｂから得られる。なお、上記の演算は光感知セル２ａ、２ｂ、２ｅ、２ｆについて行ったものであるが、光感知セル２ｃ、２ｄ、２ｇ、２ｈについても結果は全く同じであり、簡単に色分離でき、色および輝度レベルの高い信号が得られる。
【０１５４】
以上のように、本実施形態１４によると、場所により３次元的に分光要素の位置を変え、分光の一部を隣接する光感知セルに入射させることにより、各光感知セルは重畳して入射光を受光する。このため、ＲＧＢ用の画素を設ける必要がなく、画素数を増やさずとも高感度で色分離できるカラー撮像装置を実現できる。
【０１５５】
なお、必ずしも分光要素の位置を３次元的に変える必要はなく、その角度を変えて隣接する光感知セルに一部の分光を入射させても構わない。
【０１５６】
（実施形態１５）
次に本発明の実施形態１５について、図面を用いて説明する。図１８Ａは本発明の実施形態１５における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した平面図であり、１行の一部分を示している。図１８Ｂは図１８ＡのＥＥ’線における断面図であり、図１８Ｃは図１８ＡのＦＦ’線における断面図である。
【０１５７】
本実施形態は、本実施形態１４で示された構成から、光感知セル２ｂ、２ｄ、２ｅ、２ｇに対応する分光要素を取り除いた構成を有している。分光要素を取り除いた位置の光感知セルには、光が直接に入射する。
【０１５８】
上記の構成では、光感知セル２ａおよび２ｃは、当該セルに対応する分光要素からＲ＋Ｇを受光し、隣接する分光要素からは光を受光しない。また、光感知セル２ｆおよび２ｈも、隣接する分光要素からは光を受光せず、当該セルに対応する分光要素からのみＧ＋Ｂを受光する。一方、光感知セル２ｂおよび２ｄは、入射光Ｗと隣接する分光要素からＢを受光し、光感知セル２ｅおよび２ｇは入射光Ｗと隣接する分光要素からＲを受光する。結局、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｅ、２ｆが受光する光量は以下の式で表される。
（式５９）Ｓ２ａ＝Ｗ−Ｂ
（式６０）Ｓ２ｂ＝Ｗ＋Ｂ
（式６１）Ｓ２ｅ＝Ｗ＋Ｒ
（式６２）Ｓ２ｆ＝Ｗ−Ｒ
【０１５９】
式５９〜式６２は実施形態１４で示された式５１〜５４と基本的に同じであり、実施形態１５も実施形態１４と同様の効果が得られることになる。
【０１６０】
以上のように、本実施形態１５によると、場所により３次元的に分光要素の位置を変え、分光要素の一部取り除いても、光感知セルの一部は重畳して入射光を受光する。このため、ＲＧＢ用の画素を設ける必要がなく、画素数を増やさずとも高感度で色分離できるカラー撮像装置を実現できる。
【０１６１】
（実施形態１６）
次に本発明の実施形態１６について説明する。本実施形態では、プリズムタイプの分光要素の代わりに、実施形態８で使用した分光要素に類似した分光要素を用いる。
【０１６２】
図１９Ａは本発明の実施形態１６における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示したもので、１行の一部分についての平面図である。また、図１９Ｂは図１９ＡのＧＧ’線における断面図であり、図１９Ｃは図１９ＡのＨＨ’線における断面図である。
【０１６３】
図１９に示すように、本実施形態の光学素子アレイは、高屈折率材料から形成された高屈折率透明部６ｂと、低屈折率材料から形成された低屈折率透明部７とを有する。本実施形態では、高屈折率透明部６ｂの形状および高屈折率透明部６ｂと低屈折率透明部７の屈折率差により、入射光が０次、１次、−１次光とに回折し、回折角の差によって分光する。そのため、高屈折率透明部６ｂが分光要素に相当する。
【０１６４】
分光要素６ｂの分光性能を向上させるため、その上下にマイクロレンズ２１とインナーレンズ２２を配置している。分光要素６ｂと画素との２次元的位置関係および分光状態は、実施形態１５の場合と同じであり、その結果、画素信号の処理も同じである。
【０１６５】
このように屈折率の異なる材料を用いた分光要素でも、実施形態１５の場合と同様に画素数を増やさずとも高感度で色分離できるカラー撮像装置を実現できる。
【０１６６】
（実施形態１７）
次に本発明の実施形態１７について、図面を用いて説明する。図２０Ａは本発明の実施形態１７における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示したもので、基本構成についての平面図である。また、図２０Ｂは図２０ＡのＡＡ’線における断面図、図２０Ｃは図２０ＡのＢＢ’線における断面図、図２０Ｄは図２０ＡのＣＣ’線における断面図である。
【０１６７】
図２０Ａから図２０Ｄに示すように、本実施形態の光学素子アレイは、分光要素１ａ、１ｂ、１ａａ、１ｂｂを備えている。撮像素子の光感知セルアレイ２は、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを含んでいる。
【０１６８】
なお、分光要素１ａ、１ｂは、図２３Ａに示すプリズムタイプの分光素子と同じタイプのものある。また、分光要素１ａａ、１ｂｂは図２３Ｂに示すプリズムタイプの分光素子と同じタイプのものである。これらの分光要素は、光の吸収がない上、光が入射すると波長によって屈折角が変わりその行路も変わるため、その長さＬを調整することにより各色の分光配置を変えることができる。
【０１６９】
本発明の実施形態では、分光要素１ａはその直下にＲ、Ｇを、隣接する光感知セル方向にＩＲ、Ｂが分光するように設計され、分光要素１ｂは分光要素１ａと逆の特性になるように設計されている。また、分光要素１ａａはその直下にＩＲ、Ｒを、隣接する光感知セル方向にＧ、Ｂが分光するように設計され、分光要素１ｂｂは分光要素１ａａと逆の特性になるように設計されている。
【０１７０】
本実施形態１７では、分光要素１ａと分光要素１ｂのそれぞれによって分けられた光を分光要素１ａａ、１ｂｂに入射する。また分光要素１ａａと分光要素１ｂｂのそれぞれも、同じように分けた光を光感知セルに入射させる。更に、分光要素１ａ、１ｂと分光要素１ａａ、１ｂｂとが直交し、それら波長域も異なっている。
【０１７１】
次に、入射光がＲＧＢとＩＲの光から構成されるとして、分光要素１ａ、１ｂに入射し、光感知セルに達するまでの過程を説明する。
【０１７２】
分光要素１ａ、１ｂに光が入射すると、分光要素１ａはその直下にＲとＧの光を、またＩＲとＢの光を斜め方向に落射させる。一方、分光要素１ｂはその逆で直下にＩＲとＢの光を落射させ、ＲとＧの光を斜め方向に落射させる。その結果、分光要素１ａの直下には２（Ｒ＋Ｇ）の光が集まり、分光要素１ｂの直下には２（ＩＲ＋Ｂ）の光が集まる。
【０１７３】
次に、それらの光は分光要素１ａａと分光要素１ｂｂに入射して、それらの分光要素は入射した光をＩＲ、Ｒの光とＧ、Ｂの光に分ける。すなわち、入射光２（Ｒ＋Ｇ）は分光要素１ａａによりその直下に２Ｒ、斜め方向に２Ｇが落射し、分光要素１ｂｂによりその逆の直下に２Ｇ、斜め方向に２Ｒが落射する。その結果、光感知セル２ａには４Ｒ、光感知セル２ｂには４Ｇが入射する。
【０１７４】
一方、入射光２（ＩＲ＋Ｂ）は分光要素１ａａによりその直下に２ＩＲ、斜め方向に２Ｂが落射し、分光要素１ｂｂにより直下に２Ｂ、斜め方向に２ＩＲが落射する。その結果、光感知セル２ｂには４ＩＲ、光感知セル２ｄには４Ｂが入射する。
【０１７５】
このように、入射光は損失なく光感知セルに達し、しかもその分光過程で４Ｒ、４Ｇ、４Ｂと４ＩＲの光に分けられる。光感知セルに入射した光は光電変換され、ＲＧＢ信号とＩＲ信号になり、赤外カットや赤外透過のフィルタを用いずにＲＧＢによるカラー画像と赤外光の白黒画像を作ることができる。
【０１７６】
以上のように、本実施形態１７によると、Ｒ＋ＧとＩＲ＋Ｂに分ける分光要素とＩＲ＋ＲとＧ＋Ｂに分ける分光要素２種類を直交させて配列し、さらにそれぞれの分光要素は一部の分光が交差する構成にすることにより、入射光を損失なく光感知セルまで透過させ、しかもＲＧＢとＩＲの４つ光に分光できる。その結果、撮像素子の画素数を増やさずとも、高感度なカラー画像を実現できる上、赤外光の画像も得られ、可視光から赤外光までの光波長領域に対応した撮像装置を提供できる。
【０１７７】
なお、本実施形態では、分光要素１ａ、１ｂがＲ、ＧとＩＲ、Ｂに分光させ、分光要素１ａａ、１ｂｂがＩＲ、ＲとＧ、Ｂに分光させるが、これに限定するものではない。その逆であっても、ＲＧＢとＩＲの４つの光に分光できる。
【０１７８】
（実施形態１８）
次に本発明の実施形態１８について、図面を用いて説明する。図２１Ａは本発明の実施形態１８における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した基本構成の平面図である。また、図２１Ｂは図２１ＡのＤＤ’線における断面図、図２１Ｃは図２１ＡのＥＥ’線における断面図、図２１Ｄは図２１ＡのＦＦ’線における断面図である。
【０１７９】
本実施形態１８は、実施形態１７から分光要素１ｂと分光要素１ｂｂを取り除いた構成を有している。その結果、分光要素の数が半分になるため、撮像素子を作製する上で、実施形態１７の場合より光学素子アレイを実装し易いという利点がある。
【０１８０】
実施形態１８では、入射光は分光要素１ａ、分光要素１ａａと直接光感知セル２ｄに入射するが、以下に順を追って光透過経路について説明する。
【０１８１】
まず、分光要素１ａに入射した光は、その直下にＲ、Ｇを、斜め方向にＩＲ、Ｂを落射させる。落射した光は、分光要素１ａａに入射すると共に直接光感知セル２ｃと２ｄに入射する。詳細は後述するが、光感知セル２ｃ、２ｄは分光要素１ａａからも受光することになる。分光要素１ａａに垂直入射したＲ＋ＧはさらにＲとＧに分けられ、Ｒはその直下の光感知セル２ａに入射し、Ｇは隣接の光感知セル２ｃに入射する。光感知セル２ｃは、分光要素１ａからＲ＋Ｇも受光するので、合わせるとＲ＋２Ｇを受光することになる。結局、光感知セル２ａにはＲが入射し、光感知セル２ｃにはＲ＋２Ｇが入射する。
【０１８２】
一方、分光要素１ａａに斜め入射したＩＲ＋Ｂはさらに、直接光Ｗ（＝ＩＲ＋Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）と混ざり、その直下には２ＩＲ＋Ｒを、斜め方向にはＧ＋２Ｂを落射させる。結局、光感知セル２ｂには２ＩＲ＋Ｒが入射し、光感知セル２ｄにはＧ＋２Ｂと直接光Ｗと分光要素１ａからのＩＲ＋Ｂが入射することになり、その合計は２ＩＲ＋Ｒ＋２Ｇ＋４Ｂとなる。
【０１８３】
光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが受光する光量をそれぞれＳ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄとすると、以下の式で表される。
（式７１）Ｓ２ａ＝Ｒ
（式７２）Ｓ２ｂ＝２ＩＲ＋Ｒ
（式７３）Ｓ２ｃ＝Ｒ＋２Ｇ
（式７４）Ｓ２ｄ＝２ＩＲ＋Ｒ＋２Ｇ＋４Ｂ
【０１８４】
このように、式７１からＲ、式７１と式７２から２ＩＲ、式１と式７３から２Ｇ、それらの結果と式７４から４Ｂが得られ、実施形態１７の場合ほど各色の抽出率は高くないが、ＲＧＢとＩＲの信号を取り出せることがわかる。
【０１８５】
以上のように、本実施形態１８によると、実施形態１７の場合からさらに分光要素の数を半分に減らしても、入射光を損失なく光感知セルまで透過させ、しかもＲＧＢとＩＲの４つ光に分光できる。その結果、撮像素子の画素数を増やさずとも、また赤外カットや赤外透過のフィルタを用いずとも、高感度なカラー画像を実現できる上、赤外光の画像も得ることができる。
【０１８６】
（実施形態１９）
次に本発明の実施形態１９について、図面を用いて説明する。図２２Ａは本発明の実施形態１９における撮像素子の光感知セルに対する光学素子の配置関係を示した基本構成の平面図である。また、図２２Ｂは図２２ＡのＧＧ’線における断面図、図２２Ｃは図２２ＡのＨＨ’線における断面図、図２２Ｄは図２２ＡのＩＩ’線における断面図である。
【０１８７】
本実施形態１９は、実施形態１７と構成が類似しているが、光学素子アレイの分光要素の機能とサイズのみが異なっている。本実施形態では、分光要素１ｃｃおよび分光要素１ｄｄが図４Ａおよび図４Ｂに示したものと同じである。分光要素１ｃｃは、斜め方向にＲとＧの光を、その逆の斜め方向にＩＲとＢの光を落射させ、分光要素１ｄｄは斜め方向にＩＲとＲの光を、その逆の斜め方向にＧとＢの光を落射させる。また、それら分光要素１ｃｃと１ｄｄは、垂直に交差させ、それぞれ２つの光感知セルに対応した構成にしている。
【０１８８】
本実施形態によれば、光の合成がなく分離のみなので、光の透過経路は単純である。入射光が分光要素１ｃｃに入ると、Ｒ＋ＧとＩＲ＋Ｂの光に分けられ、分光要素１ｄｄに落射する。分光要素１ｄｄに入射したＲ＋ＧはＲとＧに分離され、また入射光ＩＲ＋ＢはＩＲとＢに分離される。結局、光感知セル２ａにはＲ、２ｃにはＧ、２ｂにはＩＲ、２ｄにはＢが入射し、各光感知セルで光電変換され、ＲＧＢとＩＲの信号が取り出せる。
【０１８９】
なお、本実施形態では、分光要素１ｃｃと分光要素１ｄｄとを分けて配列させたが、図２４Ａ（平面図）、図２４Ｂ（正面図）、図２４Ｃ（側面図）に示すように、それらを光軸方向に重ねてもよい。このような構成を採用しても、ＲＧＢとＩＲの光は分離し、それらの画像信号を取り出せる。
【０１９０】
このようにＲＧＢのカラー信号とＩＲの信号が各光感知セルから直接取り出せるが、光の重畳がないためその分画素の削減はできない。しかしながら、赤外カットや赤外透過のフィルタを用いずとも、赤外光の画像と可視光の画像が同時に得られる。
【０１９１】
以上のように、本実施形態１９によると、Ｒ＋ＧとＩＲ＋Ｂに分ける分光要素とＩＲ＋ＲとＧ＋Ｂに分ける分光要素２種類を直交させて配列し、２画素に１つの分光要素を対応させて配置にすることにより、入射光を損失なく光感知セルまで透過させ、しかもＲＧＢとＩＲの４つの光に分光できる。その結果、分光数の数だけ撮像素子の画素数は必要であるが、赤外カットや赤外透過のフィルタを用いずとも、高感度なカラー画像と赤外光の画像が得られる。
【０１９２】
なお、上記の実施形態１７〜１９では、光感知セルが水平、垂直方向に配列した２次元格子型で説明したが、これに限るものではなく、斜め方向に配列した所謂画素ずらしの２次元構成であっても、本発明の効果は全く変わらない。
【０１９３】
（実施形態２０）
次に、図２８を参照しながら、本発明による固体撮像装置の全体構成を説明する。
【０１９４】
図２８の固体撮像装置は、撮像部１００と、撮像部１００からの信号を受信し、映像信号を生成する映像信号処理部１００とを備えている。以下、撮像部１００と映像信号処理部１００の構成と動作を説明する。
【０１９５】
まず、撮像部１００を説明する。撮像部１００は、被写体を結像するためのレンズ１０１と、光学板１０２と、レンズ１０１および光学板１０２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撮像素子１０３とを備えている。ここで、光学板１０２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、赤外光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。撮像素子は、前述の各実施形態について説明した任意の構成を備える素子である。
【０１９６】
撮像部１００は、上記の構成要素の他に、信号発生および画素信号受信部１０４と、素子駆動部１０５とを備えている。信号発生および画素信号受信部１０４は、撮像素子１０３を駆動するための基本信号を発生すると共に、撮像素子１０３からの信号を受信し、Ａ／Ｄ変換を行う。一方、素子駆動部１０５は、信号発生および画素信号受信部１０４からの信号を受け、撮像素子１０３を駆動する。
【０１９７】
次に、映像信号処理部２００を説明する。この例における映像信号処理部２００は、ＲＧＢ信号生成部２０１と、ビデオ信号生成部２０２と、ビデオインターフェース部２０３と、ＪＰＥＧ信号生成部２０４と、メディアインターフェース部２０５とを有している。
【０１９８】
ＲＧＢ信号生成部２０１は、撮像素子からの画像信号を受け、ＲＧＢ信号に変換する。ビデオ信号生成部２０２はＲＧＢ信号生成部２０１からの信号を受け輝度信号と２つの色差信号からなる複合映像信号を生成する。ビデオインターフェース部２０３は、ビデオ信号生成部２０２からの信号を受け、Ｄ／Ａ変換し、ビデオ信号として外部に出力する。ＪＰＥＧ信号生成部２０４は、ビデオ信号生成部２０２から１画像分の信号を受け、ＪＰＥＧ方式の静止画に変換する。メディアインターフェース部２０５は、ＪＰＥＧ信号生成部２０４からのＪＰＥＧデータを外部メディアに記録する。
【０１９９】
以下、本実施形態の撮像装置が実施形態１５、１６における撮像素子を備える場合について、信号処理の動作を説明する。
【０２００】
まず、ＲＧＢ信号生成部２０１では、４画素信号を１単位としてＲＧＢ信号が作られる。本実施形態では、式５９〜６２により、ＲＧＢ信号への変換は、以下の３行４列の変換マトリックスに基づいて実行させる。
【０２０１】
こうして、撮像素子の画素から得られる画素信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｅ、Ｓ２ｆは、以下の式に示される演算によってＲＧＢ信号に変換される。
【数１】
2009153937.tif 000070
【０２０２】
ＲＧＢ信号生成部２０１で作られたＲＧＢ信号は、ビデオ信号生成部２０２でＮＴＳＣ方式に従った輝度信号Ｙと２つの色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙに変換され、複合映像信号となる。複合映像信号はさらにビデオインターフェース部２０３でＤ／Ａ変換され、アナログの複合映像信号として出力される。
【０２０３】
なお、ビデオ信号生成部２０２からは、輝度信号および２つの色差信号がＪＰＥＧ信号生成部２０４に送られ、そこでＪＰＥＧ方式の静止画信号が作られる。作られた静止画信号は、メディアインターフェース部２０５を介して外部の記録メディアに記録される。
【０２０４】
ＲＧＢ信号からＮＴＳＣのＹ／Ｒ−Ｙ／Ｂ−Ｙ信号への変換は、例えば以下の式に示す変換マトリックスに従って実行される。
【数２】
2009153937.tif 000071
【０２０５】
Ｙ／Ｒ−Ｙ／Ｂ−ＹからＪＰＥＧ信号を作るには、Ｙはそのままで、Ｒ−Ｙ信号を０．７１３倍してＣｒ信号を生成し、Ｂ−Ｙ信号を０．５６４倍してＣｂを形成すればよい。
【０２０６】
なお、ＮＴＳＣとＪＰＥＧの変換マトリックス係数が異なるのは、それぞれ基準としている色度座標系が異なるためである。
【０２０７】
以上の実施形態では、受光部に関して光感知セルが２次元状に配列されていると説明したが、実際の多くの固体撮像素子では、２次元状に配列された光感知セルの間に遮光部もあり、受光部全面が入射光を受け取っている訳ではない。しかしながら、最近では撮像部全面で受光できる裏面照射型の小型固体撮像素子も開発され、その特長を活かした高感度なカラー化方式も望まれている。本発明は入射光を全て受光し、光の混合や混色を積極的に利用する新たな方式であるため、裏面照射型の固体撮像素子のように全面受光タイプの撮像素子には一層有効であると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【０２０８】
本発明にかかる固体撮像装置は、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カメラ、産業用の監視カメラ等に広く適用され得る。
【符号の説明】
【０２０９】
１，４，５    分光タイプの光学素子アレイ（分光要素）
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ    分光タイプの光学素子アレイの分光要素
１ａａ，１ｂｂ，１ｃｃ，１ｄｄ    分光タイプの光学素子アレイの分光要素
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ    分光タイプの光学素子アレイの分光要素
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ    分光タイプの光学素子アレイの分光要素
１ｅ    透明要素
２    撮像素子の光感知セル
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ    撮像素子の光感知セル
２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ    撮像素子の光感知セル
２Ｚ    撮像素子の遮光部
３    ベイヤー型色フィルタ
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ    光学素子アレイとしての高屈折率材料から成る分光要素
７    低屈折率の透明部
２１    マイクロレンズ
２２    インナーレンズ
２３    赤（Ｒ）以外を反射するダイクロイックミラー
２４    緑（Ｇ）のみを反射するダイクロイックミラー
２５    青（Ｂ）のみを反射するダイクロイックミラー
２６    マイクロプリズム
３１  透光性の樹脂
３２  Ｇ光透過の多層膜ミラー
３３  Ｒ光透過の多層膜ミラー
３４  Ｇ光透過の有機色素フィルタ
３５  Ｒ光透過の有機色素フィルタ
３６  マイクロレンズ
３７  金属層
４０  ＲＧＢと赤外光（ＩＲ）を透過させるフィルタ
１０１  光学レンズ
１０２  光学板
１０３  固体撮像素子
１０４  信号発生および画素信号受信部
１０５  素子駆動部
２００  映像信号処理部
２０１  ＲＧＢ信号生成部
２０２  ビデオ信号生成部
２０３  ビデオインターフェース部
２０４  ＪＰＥＧ信号生成部
２０５  メディアインターフェース部
【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】
第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む光感知セルアレイと、
前記光感知セルアレイ上に設けられ、第１の光学素子および第２の光学素子を含む光学素子アレイと、
を備える固体撮像装置であって、
前記第１の光学素子は、前記第１の光学素子に入射した入射光に含まれる第１波長域の光線を前記第１の光感知セルに入射させ、前記入射光に含まれる第２波長域の光線を前記第２の光感知セルに入射させ、
前記第２の光学素子は、前記第２の光学素子に入射した入射光に含まれる少なくとも前記第２波長域の光線を前記第２の光感知セルに入射させ、
前記第１の光感知セルは、前記第１の光学素子を透過した光線の入射によって生じた電気信号成分を含む信号を出力し、
前記第２の光感知セルは、前記第１および第２の光学素子を透過した光線の入射によって生じた電気信号成分を含む信号を出力する、固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１波長域の光線の色は、前記第２波長域の光線の色の補色である請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の光学素子および前記第２の光学素子は、それぞれ、入射光を波長に応じて異なる方向に向ける分光特性を有しており、
前記第１の光学素子は前記第１の光感知セル上に位置し、前記第２の光学素子は前記第２の光感知セル上に位置する請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
複数の光感知セルを含む光感知セルアレイと、
少なくとも２種類の分光要素が１次元状または２次元状に前記光感知セルアレイ上に配置された光学素子アレイと、
を備え、
一部または全部の前記光感知セルが少なくとも２種類の前記分光要素からの光を受けて少なくとも３種類の色信号を生成する撮像装置であって、
前記光学素子アレイは、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である分光要素を含む固体撮像装置。
【請求項５】
前記光学素子アレイは、入射光を少なくとも３つの光に分光させる分光要素
を含み、
前記分光要素の内の少なくとも１つが、対応する前記光感知セルに光の一部を落射させ、その他の光を対応する前記光感知セルの隣接光感知セルに落射させる請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光学素子アレイは、
入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素および第２の分光要素を含み、
前記第１の分光要素と前記第２の分光要素とが隣接して配置され、
前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、
前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第２波長域の光が入射する請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記光学素子アレイは、
入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第３の分光要素と、
入射光を分光しない透明要素と、
を含み、
前記第３の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、
前記第３の分光要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、
前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第２波長域の光と前記透明要素からの光とが入射する請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記光学素子アレイは、
入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素、第２の分光要素、および第３の分光要素と、
前記入射光を分光しない透明要素と、
を含み、
前記第１の分光要素と前記第２の分光要素が隣接して配置され、前記第３の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、
前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、
前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第２波長域の光が入射し、
前記第３の分光要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第１波長域の光が入射し、
前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第３の分光要素の前記第２波長域の光と前記透明要素からの光が入射する請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記光学素子アレイは、
入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素と、
入射光を第３波長域の光、第４波長域の光、および第５波長域の光に分光させる第２の分光要素と、
を含み、
前記第１の分光要素と前記第２の分光要素が交互に隣接して配置され、
前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第２の分光要素の前記第３波長域の光と前記第５波長域の光が入射し、
前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第２の分光要素の前記第４波長域の光が入射する請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記光学素子アレイは、
入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素と、
分光しない透明要素と、
を含み、
前記第１の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、
前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光が入射し、
前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記透明要素からの光が入射する請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記光学素子アレイは、
入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、前記入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光を透過させ、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とが補色関係である第１の分光要素および第２の分光要素と、
入射光を第３波長域の光、第４波長域の光、第５波長域の光に分光させる第３の分光要素と、
入射光を分光しない透明要素と、
を含み、
前記第１の分光要素と前記第３の分光要素が交互に隣接して配置され、前記第２の分光要素と前記透明要素が隣接して配置され、
前記第１の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第２波長域の光と前記第３の分光要素の前記第３波長域の光と前記第５波長域の光が入射し、
前記第３の分光要素に対応する光感知セルには、前記第１の分光要素の前記第１波長域の光と前記第３の分光要素の前記第４波長域の光が入射し、
前記第２の分光要素に対応する光感知セルには、前記第２の分光要素の前記第２波長域の光が入射し、
前記透明要素に対応する光感知セルには、前記第２の分光要素の前記第１波長域の光と前記透明要素からの光が入射する請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
２つの光に分光し、そのどちらかを透明要素に対応する光感知セルに入射させる分光要素であって、光量が少ない方の分光を前記透明要素に対応する光感知セルに入射させる特性を有する請求項４または５に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記分光要素は、回折によって入射光の分光を行う請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記分光要素は、屈折率が相対的に高い材料から形成された高屈折透明部と、屈折率が相対的に低い材料から形成され、前記高屈折透明部の側面と接する低屈折率透明部とを有している請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記高屈折率透明部は、入射光の進行方向に対して厚さが異なる部分を有する請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
入射光の進行方向に沿った断面において、前記高屈折率透明部の中心軸が階段状に折れ曲がっている請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
隣接する２つの光感知セルが出力する信号の差分演算により、色情報を算出する請求項４または５に記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
２次元状に配列された複数の光感知セルを有する光感知セルアレイであって、第１の方向に沿って隣接する第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む光感知セルアレイと、
前記第１の光感知セルに対応する位置に設けられ、入射光を前記第１の方向に分光する第１の分光要素と、
を備え、
前記第１の分光要素によって分光された光の少なくとも一部は、前記第２の光感知セルに入射し、
前記第１の光感知セルおよび第２の光感知セルは、それぞれ、入射光量に基づく光電変換信号を出力し、
前記第２の光感知セルからの光電変換信号と前記第１の光感知セルからの光電変換信号との差分演算に基づいて、前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した光の量が検出される固体撮像装置。
【請求項１９】
第１の光感知セルおよび第２の光感知セル上に光学特性が同一の色要素が配列され、前記色要素を通して得られた光電変換信号を用いて、第１の分光要素によって分光し前記第２の光感知セルに入射した光の分光量を検出する請求項１８に記載の固体撮像装置。
【請求項２０】
第２の光感知セルに対応する位置に設けられ、前記第１の方向に対して角度をなす第２の方向に入射光を分光する第２の分光要素を有し、
前記第２の光感知セル間の光電変換信号の加算結果と、前記第１の光感知セルからの光電変換信号と前記第２の光感知セルからの光電変換信号との加算結果との差分演算を行うことによって分光量を検出する請求項１８に記載の固体撮像装置。
【請求項２１】
前記角度が９０度である請求項２０に記載の固体撮像装置。
【請求項２２】
前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した光が赤外光である請求項１８に記載の固体撮像装置。
【請求項２３】
前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した前記赤外光の量に基づいて、赤外光画像を生成する請求項２２に記載の固体撮像装置。
【請求項２４】
前記第１の分光要素によって分光されて前記第２の光感知セルに入射した前記赤外光の量を、各光感知セルの光電変換信号から減算することにより可視光画像を生成する請求項２２に記載の固体撮像装置。
【請求項２５】
前記光感知セルアレイは、前記第２の方向に沿って隣接する第３の光感知セルを含み、
前記第３の光感知セルに対応する位置に設けられ、入射光を前記第２の方向に分光する第３の分光要素を更に備え、
第２の分光要素は、入射光を
青とその他の色に分光し、
前記第３の分光要素は、入射光を赤とその他の色に分光する、請求項２４に記載の固体撮像装置。
【請求項２６】
複数の光感知セルを含む光感知セルアレイと、
複数の分光要素が１次元状または２次元状に前記光感知セルアレイ上に配置された光学素子アレイと、
を備え、
一部または全部の前記光感知セルの各々が、前記光学素子アレイに含まれる複数の分光要素からの光を受けて色信号を生成する撮像装置であって、
前記分光要素と前記光感知セルとの３次元的位置関係または前記分光要素の傾きが位置によって変化している固体撮像装置。
【請求項２７】
前記分光要素と前記光感知セルとの距離が位置によって変化している請求項２６に記載の固体撮像装置。
【請求項２８】
前記分光要素の配置ピッチと前記光感知セルの配置ピッチとがｍ：ｎの整数比（但し、ｎ／ｍは整数ではない）である請求項２５に記載の固体撮像装置。
【請求項２９】
前記光学素子アレイに含まれる前記複数の分光要素の特性が相互に等しい請求項２５に記載の固体撮像装置。
【請求項３０】
屈折率が相対的に高い材料から形成された高屈折透明部と、屈折率が相対的に低い材料から形成され、前記高屈折透明部の側面と接する低屈折率透明部とを有しており、前記高屈折率透明部は、入射光の進行方向に対して厚さが異なる部分を有する請求項２８に記載の固体撮像装置。
【請求項３１】
入射光を第１の方向に分光する複数の上側分光要素が２次元平面状に配列された第１光学素子アレイと、
入射光を前記第１の方向とは交差する第２の方向に分光する複数の下側分光要素が２次元平面上に配列された第２光学素子アレイと、
複数の光感知セルが２次元状に配列された光感知セルアレイと、
を備え、
前記第２光学素子アレイと前記第１光学素子アレイとは、前記光感知セルアレイ上において積層されている、固体撮像装置。
【請求項３２】
前記第１の方向と、前記第２の方向とが直交している請求項３１に記載の固体撮像装置。
【請求項３３】
前記上側分光要素は入射光を第１波長域の光と第２波長域の光に分け、
前記下側分光要素は入射光を第３波長域の光と第４波長域の光に分け、
前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とは補色関係にあり、前記第３波長域の光と前記第４波長域の光とが補色関係にある請求項３２に記載の固体撮像装置。
【請求項３４】
前記光感知セルアレイは、前記第１から第４波長域の光を受け、光電変換によって電気信号を生成し、前記光感知セルアレイから少なくとも４つの色信号が得られる請求項３３に記載の固体撮像装置。
【請求項３５】
前記上側分光要素は、分光方向が１８０度異なる第１の分光要素と第２の分光要素を有し、
前記下側分光要素は、分光方向が１８０度異なる第３の分光要素と第４の分光要素を有し、
前記光感知セルアレイは、４つの光感知セルから構成された基本ユニットを有し、
前記４つの光感知セルは、それぞれ、前記第１から第４波長域の何れかの光を受け、光電変換によって信号を出力する、請求項３４に記載の固体撮像装置。
【請求項３６】
前記光感知セルアレイは、前記第１の分光要素または前記第２の分光要素によって分光した光、または前記第１の分光要素および前記第２の分光要素のどちらも透過していない光を受光し光電変換する光感知セル群も含む請求項３３に記載の固体撮像装置。
【請求項３７】
前記上側分光要素は、赤外および青を含む第１波長域の光と赤および緑を含む第２波長域の光に分光させ、
前記下側分光要素は、赤外および赤を含む第３波長域の光と緑および青を含む第４波長域の光に分光させる請求項３３に記載の固体撮像装置。
【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１Ａ】
2009153937.tif 000072
【図１Ｂ】
2009153937.tif 000073
【図１Ｃ】
2009153937.tif 000074
【図１Ｄ】
2009153937.tif 000075
【図２Ａ】
2009153937.tif 000076
【図２Ｂ】
2009153937.tif 000077
【図３Ａ】
2009153937.tif 000078
【図３Ｂ】
2009153937.tif 000079
【図４Ａ】
2009153937.tif 000080
【図４Ｂ】
2009153937.tif 000081
【図５Ａ】
2009153937.tif 000082
【図５Ｂ】
2009153937.tif 000083
【図５Ｃ】
2009153937.tif 000084
【図６】
2009153937.tif 000085
【図７】
2009153937.tif 000086
【図８Ａ】
2009153937.tif 000087
【図８Ｂ】
2009153937.tif 000088
【図８Ｃ】
2009153937.tif 000089
【図９】
2009153937.tif 000090
【図１０】
2009153937.tif 000091
【図１１Ａ】
2009153937.tif 000092
【図１１Ｂ】
2009153937.tif 000093
【図１１Ｃ】
2009153937.tif 000094
【図１１Ｄ】
2009153937.tif 000095
【図１２Ａ】
2009153937.tif 000096
【図１２Ｂ】
2009153937.tif 000097
【図１３Ａ】
2009153937.tif 000098
【図１３Ｂ】
2009153937.tif 000099
【図１４Ａ】
2009153937.tif 000100
【図１４Ｂ】
2009153937.tif 000101
【図１４Ｃ】
2009153937.tif 000102
【図１５Ａ】
2009153937.tif 000103
【図１５Ｂ】
2009153937.tif 000104
【図１６Ａ】
2009153937.tif 000105
【図１６Ｂ】
2009153937.tif 000106
【図１７Ａ】
2009153937.tif 000107
【図１７Ｂ】
2009153937.tif 000108
【図１７Ｃ】
2009153937.tif 000109
【図１８Ａ】
2009153937.tif 000110
【図１８Ｂ】
2009153937.tif 000111
【図１８Ｃ】
2009153937.tif 000112
【図１９Ａ】
2009153937.tif 000113
【図１９Ｂ】
2009153937.tif 000114
【図１９Ｃ】
2009153937.tif 000115
【図２０Ａ】
2009153937.tif 000116
【図２０Ｂ】
2009153937.tif 000117
【図２０Ｃ】
2009153937.tif 000118
【図２０Ｄ】
2009153937.tif 000119
【図２１Ａ】
2009153937.tif 000120
【図２１Ｂ】
2009153937.tif 000121
【図２１Ｃ】
2009153937.tif 000122
【図２１Ｄ】
2009153937.tif 000123
【図２２Ａ】
2009153937.tif 000124
【図２２Ｂ】
2009153937.tif 000125
【図２２Ｃ】
2009153937.tif 000126
【図２２Ｄ】
2009153937.tif 000127
【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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