(57)【要約】【課題】  固体撮像素子において複数の色信号を得るときに、効率良く光信号を光電変換部に分光し、かつ色信号の純度を改善した光学機器を提供すること。【解決手段】  可視光を波長ごとに分光する分光素子を用いて撮像する固体撮像素子を持つ光学機器において、撮像する固体撮像素子を持つ光学機器において、該固体撮像素子は２次元的に配列された受光領域を有し、該固体撮像素子は、少なくとも該受光領域への入射光を光電変換し、入射光の強度に応じた電気信号を出力する光電変換部と、該光電変換部の上部に設けられた波長分光部、さらにその上部に設けられた集光レンズ部によって形成されており、 該光学機器は該分光素子での分光特性を考慮して光電変換された信号を電子的に補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光を波長ごとに分光する分光素子を用いて撮像する固体撮像素子を持つ光学機器において、撮像する固体撮像素子を持つ光学機器において、 
該固体撮像素子は2次元的に配列された受光領域を有し、 
該固体撮像素子は、少なくとも該受光領域への入射光を光電変換し、入射光の強度に応じた電気信号を出力する光電変換部と、  該光電変換部の上部に設けられた波長分光部、さらにその上部に設けられた集光レンズ部によって形成されており、 
該光学機器は該分光素子での分光特性を考慮して光電変換された信号を電子的に補正することを特徴とする光学機器。
【請求項２】
請求項１に記載の光学機器において、
前記波長分光部は入射した光を空間的に波長分光し、その分光された光が光電変換部に入射することで画像信号を得ることを特徴とし、
前記電子補正部は、一波長分光部に入射した一波長の光が到達する複数の該光電変換部の信号強度を、該波長分光部の特性を利用して算出し、複数の光電変換部の情報から一波長の情報を算出することを特徴とする光学機器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学機器において、
前記固体撮像素子の受光領域のうち一部に、複数の情報が混ざらないように部分的に光を遮蔽することで一波長のみの信号のみが入射する光電変換部が存在することを特徴とし、
前記電子補正部は該一波長のみの信号のみが入射する光電変換部の信号を基に他の光電変換部の情報を電子的に補正することで画像情報を取得することを特徴とする光学機器。
【請求項４】
請求項３に記載の光学機器において、
前記遮蔽部は、固体撮像素子の外周部に配置されていることを特徴とする光学機器。
【請求項５】
請求項３に記載の光学機器において、
前記遮蔽部は、固体撮像素子内に複数配置されていることを特徴とする光学機器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学機器において、
前記波長分光部は回折格子からなることを特徴とする光学機器。
【請求項７】
請求項６に記載の光学機器において、
前記回折格子はブレーズ格子であり、波長４００〜７００ｎｍまでの光の回折効率が９０％以上であることを特徴とする光学機器。
【請求項８】
請求項６または７に記載の光学機器において、
前記回折格子の回折効率に応じて一波長分光部に入射した一波長の光が到達する光電変換部の信号を補正することを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学機器に関し、特に複数の色情報の取得に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラは撮像光学系で結像した光学像を固体撮像素子で電気信号に変えることによって、電子的な画像を得る装置である。従来、固体撮像素子にはカラー画像を得るためにカラーフィルタを利用することが一般的である。
【０００３】
例えば、特許文献１ではカラーフィルタの材料構成例が開示されている。一般的にカラーフィルタは色素を含む材料から構成され、余分な光を吸収させることで所望の色信号のみを光電変換部に導いている。このようなカラーフィルタをベイヤー配列を例とするような２次元配列にすることで、複数の色情報を取得する固体撮像素子が得られる。
【０００４】
一方、特許文献2では回折を利用したカラーフィルタが開示されている。回折を利用することにより、空間的に色を分離して複数の色情報を取得する固体撮像素子が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１４４８９５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１５９９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１を例とするような色素のカラーフィルタは、信号となる波長以外の光は色素で吸収されるため、入射光に対する電気信号への変換効率があまり良くないという課題が有った。
【０００７】
また、特許文献２に記載されているカラーフィルタは、回折を利用することで入射光を波長に対して空間的に分波することで光量の効率を改善できるが、回折効率を１００％にすることは難しいため、他の光電変換部に光が入射してしまい信号が混在してしまうという課題が有った。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、固体撮像素子において複数の色信号を得るときに、効率良く光信号を光電変換部に分光し、かつ色信号の純度を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、可視光を波長ごとに分光する分光素子を用いて撮像する固体撮像素子を持つ光学機器において、 該固体撮像素子は２次元的に配列された受光領域を有し、該固体撮像素子は、少なくとも該受光領域への入射光を光電変換し、入射光の強度に応じた電気信号を出力する光電変換部と、該光電変換部の上部に設けられた波長分光部、さらにその上部に設けられた集光レンズ部によって形成されており、該光学機器は該分光素子での分光特性を考慮して光電変換された信号を電子的に補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、固体撮像素子において複数の色信号を得るときに、効率良く光信号を光電変換部に分光し、かつ色信号の純度を改善した光学機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態の固体撮像素子の断面図
【図２】本発明の実施形態の固体撮像素子の分光模式図
【図３】回折光学素子
【図４】回折光学素子
【図５】回折光学素子
【図６】デジタルカメラ
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。本明細では説明のために単波長、一波長と記載することがあるが、実施の形態においてはそれぞれ波長の幅に広がりを持っても良く、厳密な単波長でなくても良い。それらは本発明に記載されている要旨の範囲内で任意に設定することができる。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態にかかわる光学機器に利用される固体撮像素子の断面図の例である。ここで、１００は固体撮像素子、１０１は集光レンズ部、１０２は波長分光部、１０３は光電変換部、１０４は受光領域である。本発明では、少なくとも該受光領域への入射光を光電変換し、入射光の強度に応じた電気信号を出力する光電変換部１０３と、該光電変換部の上部に設けられた波長分光部１０２、さらにその上部に設けられた集光レンズ部１０１によって形成されていることを特徴としている。
【００１４】
これにより、集光レンズ部１０１に入射した光は波長分光部１０２によって波長毎に分光され、光電変換部１０３によって電気信号に変換される。また、受光領域１０４は二次元的に配列されていることを特徴としている。受光領域１０４を二次元的に配列することによって、２次元画像を取得することが可能となる。
【００１５】
本発明では、波長分光部１０２の分光特性に応じて光電変換された信号を電子的に補正することを特徴としている。現象の説明を図２に示す。ここで２００は固体撮像素子、２０１は集光レンズ部、２０２は波長分光部、２０３は光電変換部、２０４は受光領域である。また、２１０、２２０は光電変換素子、２１１、２１２は入射光、２１３、２１４は波長分光部２０２内での入射光２１１の光、２１５、２１６は波長分光部２０２内での入射光２１２の光、２３０は遮光部である。ここでは説明のために、入射光２１１〜２１６は単波長とする。
【００１６】
波長分光部２０２内での分光方法は種々の方法が考えられ、例えば回折、屈折、複屈折等を利用することができる。例えば回折を利用した場合、入射光２１１、２１２は波長分光部２０２内で回折によって波長毎に回折角が変わる。その光を空間伝搬させることで、入射光２１１、２１２は空間的に分光され、それぞれの波長の到達点に光電変換素子を配置することで波長毎の情報を取得することができる。図２では説明のために入射光２１１、２１２は単波長で記しているが、複数の波長が入射する場合は二次元的に光電変換素子を配置することで複数の波長情報を取得することができる。
【００１７】
波長分光部２０２の回折効率が一つの次数に対して１００％には満たない場合、例えば入射光２１１は入射光２１３、２１４、入射光２１２は２１５、２１６のように複数の角度に伝搬して光電変換部２０３に到達する。これを考慮すると、例えば光電変換素子２１０には入射光２１３、２１６の光が混在することが考えられる。
【００１８】
光電変換素子２１０は入射した光を電気信号に変換するが、入射光２１３、２１６の信号を分別することはできない。そのため、光電変換素子２１０からは信号として入射光２１３、２１６の強度が加算された値が吐き出される。
【００１９】
そこで、波長分光部２０２の回折効率を考慮すると、光電変換素子２１０に入射する光の割合を事前に計算することができる。それが分かると、入射光２１１が入射光２１３、２１４にどのような割合で進むかが導出できる。
【００２０】
さらに効果的には、本発明では固体撮像素子２００の受光領域のうち一部に、複数の情報が混ざらないように部分的に光を遮蔽することで一波長の信号のみが入射する光電変換部が配置されていることを特徴としている。図２では、遮光部２３０が入射した光を遮蔽して波長分光部２０２に入射しないようにしている。波長分光部２０２に入射した光２１１が２１３、２１４の角度に回折すると、遮光部２３０によって光電変換素子２２０には光２１４しか入射しない。
【００２１】
そのため、光電変換素子２２０の強度は光２１４のみ強度となる。波長分光部２０２の回折効率を考慮すると、光電変換素子２２０の値から光２１３の強度を導出することが可能となり、入射光２１１の光強度を導出することが可能となる。
【００２２】
一方、光強度２１３の強度が導出されると、光電変換素子２１０の値から光２１６の強度が導出できる。このように、一部の遮光部２３０によって得られる光電変換素子２２０の値から、順次入射光の光を電子的に導出することも可能となる。
【００２３】
厳密には波長分光部２０２に回折素子を利用すると、複数の次数で回折することが予想される。本発明の電子的な補正は必ずしも全ての回折次数に対して行わなくてもよく、光電変換部２０３に到達した光量の主たる成分が導出できる範囲でも良い。また、回折以外にプリズムなどの屈折を利用した場合も同様であり、厳密に全ての光を電子補正する必要はない。
【００２４】
図２では、部分的に遮光部２３０を持つ固体撮像素子２００を例に挙げた。このような遮光部２３０は画素として開口が塞がれた状態であり、画像として取り込むときに画素の不良となりえる。そこで、本発明では遮光部２３０が固体撮像素子２００の外周部に設けられていることを特徴としている。外周部に設けることにより、画像内での情報欠落の影響を最小限に抑えることができる。
【００２５】
一方、本発明では遮光部２３０は固体撮像素子２００内に複数配置されていることを特徴としている。固体撮像素子２００には受光領域２０４が２次元的に複数配置されている。遮光部２３０は光を受け取ることができないため、できるだけ数が少ないほうが好ましい。しかし、固体撮像素子２００の全ての受光領域２０４を換算できるようにするには、遮光部２３０が複数配置されなければならない。そこで、波長分光部２０２の分光方向を考慮して、遮光部２３０は複数配置されなければならない。
【００２６】
（実施例）
本発明の詳しい実施例について説明する。波長分光部２０２に利用する回折格子を図３に示す。ここで３００は回折素子、３０１は格子の上部材料、３０２は格子の下部材料、３１０は入射光、３１１は１次の回折光、３１２は０次の回折光である。本実施例では回折格子形状はブレーズ型とした。
【００２７】
ブレーズ型回折素子３００は、格子の高さとピッチ、角度を所望の設定にすることで、ある波長の回折効率を限りなく１００％にすることが可能となる。例えば３０１にＴｉＯ２、３０２にＳｉＯ２を利用し、グレーティングのピッチを１．２２μｍ、高さを０．３４μｍとしたとき、波長５４０ｎｍの１次回折効率はほぼ１００％となった。一方、波長４６０ｎｍの１次回折効率は９０％、６３０ｎｍは９５％となった。
【００２８】
波長４６０ｎｍ、６３０ｎｍの光の一次回折効率は１００％に満たないため、残りの光は例えば０次の光３１２や高次の回折光として他の角度で出射する。このような回折素子３００を波長分光部２０２に利用した場合、波長４６０ｎｍの光や６３０ｎｍの光は他の光電変換素子に光が入射する。本発明では、この回折効率を考慮して光電変換部で受光した光を電子的に補正することを特徴としている。
【００２９】
本実施例では回折素子３００にブレーズ型の格子を利用した。ブレーズ型は広い波長領域で高い回折効率を実現することができる。一方、回折格子には図４に示すようなバイナリー型や図５に示すようなマルチレベル型の回折格子も存在する。ここで４００、５００は回折素子である。これらの回折素子４００、５００は、回折効率はブレーズ型の回折素子３００に劣るが、波長によって回折効率の高い次数を変えられるというメリットがある。そのため、回折素子４００、５００を波長分光部２０２に利用すると、波長に対して回折角が大きく異なるため、波長分光部２０２の厚みを薄くすることができる。これらの回折素子は固体撮像素子２００の仕様に応じて種々の選択が可能である。
【００３０】
本発明の固体撮像素子２００を利用した光学機器の例として、図６に本実施例の表示装置を用いたデジタルカメラを示している。６００はカメラ本体、６０１は撮像光学系である。６０２はカメラ本体６００に内蔵され、撮像光学系６０１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）である。６０３は固体撮像素子６０２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、６０４は表示装置である。
【００３１】
本実施形態は、固体撮像素子６０２の波長分光部の特性を利用して電子補正することを特徴としている。電子補正はカラー情報として処理される際に実施され、表示装置６０４に表示される際には電子補正後の情報を表示することができる。
【００３２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１００、２００、６０２  固体撮像素子
１０１、２０１  集光レンズ部
１０２、２０２  波長分光部
１０３、２０３  光電変換部
１０４、２０４  受光領域
２１０、２２０  光電変換素子
２１１、２１２、２１３、２１４、３１０  入射光
２１５、２１６  遮光部
３００、４００、５００  回折素子
３０１  格子の上部材料
３０２  格子の下部材料
３１１  １次の回折光
３１２  ０次の回折光
６００  カメラ本体
６０１  撮像光学系
６０３  メモリ
６０４  表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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