(57)【要約】【課題】光利用効率が高く、十分な光感度を有すると共に、色ごとのずれが発生せず、回路やプログラム等からなる補完機構を設ける必要のない、動画カメラや静止画カメラ等に用いることができるカラー撮像素子を提供する。【解決手段】カラー撮像素子１は、２次元配列された複数の集光レンズ２と、各集光レンズ２を透過する光を複数の波長成分に分離する回折格子３と、各集光レンズ２及び回折格子３を透過する光が概ね集光される位置に前記各波長成分に対応する複数の受光素子４ａ〜４ｃからなる１つの受光部４が配置されるように２次元配列された複数の受光部４とを備えている。【選択図】図１
2011243924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元配列された複数の集光レンズと、
前記各集光レンズを透過する光を複数の波長成分に分離する回折格子と、
前記各集光レンズ及び回折格子を透過する光が概ね集光される位置に前記各波長成分に対応する複数の受光素子からなる１つの受光部が配置されるように２次元配列された複数の受光部とを備えたカラー撮像素子。
【請求項２】
第１の透光性基板をさらに備え、
前記第１の透光性基板の一方の面に前記複数の集光レンズが設けられ、
前記第１の透光性基板の他方の面に前記回折格子が設けられた、請求項１に記載のカラー撮像素子。
【請求項３】
前記複数の集光レンズ及び回折格子が前記第１の透光性基板に一体形成された、請求項２に記載のカラー撮像素子。
【請求項４】
第２の透光性基板をさらに備え、
前記第２の透光性基板のいずれかの面に前記複数の受光部が設けられた、請求項１〜３のいずれか１項に記載のカラー撮像素子。
【請求項５】
非透光性基板をさらに備え、
前記非透光性基板の前記回折格子側の面に前記複数の受光部が設けられた、請求項１〜３のいずれか１項に記載のカラー撮像素子。
【請求項６】
前記回折格子は、透過型ブレーズド回折格子である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のカラー撮像素子。
【請求項７】
前記１つの集光レンズから前記１つの受光部に至る一組の光路に、前記１つの集光レンズと隣り合う集光レンズからの光が交わることがないように光路を分離する遮光部をさらに備えた、請求項１〜６のいずれか１項に記載のカラー撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動画カメラや静止画カメラ等に用いられる、カラー画像情報を読み取るためのカラー撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
動画カメラや静止画カメラ等の各種撮影装置においては、入射される光学画像を電気信号に変換する際にＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の半導体素子が用いられる。そして、これらの半導体素子は色情報（波長）を検知することができないため、カラー画像情報を得る場合には、一般的に、入射光を各色（波長）成分に分離するカラーフィルタを設け、色成分ごとに受光素子を割り当てるようにされている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２０５４２２号公報
【特許文献２】特開２００６−１２８６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、カラーフィルタを用いる方式では、各フィルタが他の光を吸収するため、光利用効率が低く、光感度が不足するという問題がある。そして、このように光感度が不足するため、高価格の高感度半導体素子が必要になるという問題がある。
【０００５】
また、特許文献１、２等に記載の従来の方式のものにあっては、１つの画素において、例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のうちのいずれか１つの色だけが認識され、それ以外の色については周囲の画素から補完して求めるようにされている。従って、特許文献１、２等に記載の従来の方式のものにおいては、回路やプログラム等からなる補完機構を設ける必要があり、これが高コスト化につながるという問題がある。
【０００６】
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、光利用効率が高く、十分な光感度を有すると共に、回路やプログラム等からなる補完機構を設ける必要のないカラー撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係るカラー撮像素子の構成は、２次元配列された複数の集光レンズと、前記各集光レンズを透過する光を複数の波長成分に分離する回折格子と、前記各集光レンズ及び回折格子を透過する光が概ね集光される位置に前記各波長成分に対応する複数の受光素子からなる１つの受光部が配置されるように２次元配列された複数の受光部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、各集光レンズを透過する光を複数の波長成分に分離する手段として回折格子が用いられているため、吸収や反射による光量の損失が発生しない。また、各集光レンズ及び回折格子を透過する光が概ね集光される位置に各波長成分に対応する複数の受光素子からなる１つの受光部が配置されるように、複数の受光部が２次元配列されているため、大部分の光が受光部の受光素子に入射する。従って、本発明によれば、光利用効率が高く、十分な光感度を有するカラー撮像素子を提供することができる。また、本発明においては、各波長成分に対応する複数の受光素子が一組となって画像情報の一画素を構成しており、その結果、従来のような、回路やプログラム等からなる補完機構を設ける必要がないので、コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態におけるカラー撮像素子の概略構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態におけるカラー撮像素子の概略構成を示す平面図である。
【図３】図３は、図１のＡ−Ａ´線矢視図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態におけるカラー撮像素子の概略構成を示す裏面図である。
【図５】図５は、図１のＢ−Ｂ´線矢視図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施の形態におけるカラー撮像素子に用いられる回折格子の形状データを示す図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施の形態におけるカラー撮像素子の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
前記本発明のカラー撮像素子の構成においては、第１の透光性基板をさらに備え、前記第１の透光性基板の一方の面に前記複数の集光レンズが設けられ、前記第１の透光性基板の他方の面に前記回折格子が設けられているのが好ましい。
【００１１】
また、この場合には、前記複数の集光レンズ及び回折格子が前記第１の透光性基板に一体形成されているのが好ましい。この好ましい例によれば、各要素の相対位置のズレによる光学特性の変化が発生することはない。
【００１２】
前記本発明のカラー撮像素子の構成においては、第２の透光性基板をさらに備え、前記第２の透光性基板のいずれかの面に前記複数の受光部が設けられているのが好ましい。
【００１３】
前記本発明のカラー撮像素子の構成においては、非透光性基板をさらに備え、前記非透光性基板の前記回折格子側の面に前記複数の受光部が設けられているのが好ましい。
【００１４】
前記本発明のカラー撮像素子の構成においては、前記回折格子は、透過型ブレーズド回折格子であるのが好ましい。この好ましい例によれば、回折格子を透過しながら各波長成分に分離されない光の発生を抑制することができるため、光利用効率を格段に高めることができる。
【００１５】
前記本発明のカラー撮像素子の構成においては、前記１つの集光レンズから前記１つの受光部に至る一組の光路に、前記１つの集光レンズと隣り合う集光レンズからの光が交わることがないように光路を分離する遮光部をさらに備えているのが好ましい。この好ましい例によれば、ノイズの原因となる不必要な光成分を除去することができるため、撮像画質を向上させることができる。
【００１６】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００１７】
［第１の実施の形態］
（カラー撮像素子の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるカラー撮像素子の概略構成を示す断面図、図２は、当該カラー撮像素子の概略構成を示す平面図、図３は、図１のＡ−Ａ´線矢視図、図４は、当該カラー撮像素子の概略構成を示す裏面図、図５は、図１のＢ−Ｂ´線矢視図、図６は、当該カラー撮像素子に用いられる回折格子の形状データを示す図である。
【００１８】
図１〜図４に示すように、本実施の形態のカラー撮像素子１は、２次元配列された複数の集光レンズ２と、各集光レンズ２を透過する光を複数の波長成分に分離する回折格子３と、各集光レンズ２及び回折格子３を透過する光が概ね集光される位置に前記各波長成分に対応する複数の受光素子４ａ〜４ｃからなる１つの受光部４が配置されるように２次元配列された複数の受光部４とを備えている。
【００１９】
カラー撮像素子１を上記のように構成することにより、以下のような効果を得ることができる。すなわち、各集光レンズ２を透過する光を複数の波長成分に分離する手段として回折格子３が用いられているため、吸収や反射による光量の損失が発生しない。また、各集光レンズ２及び回折格子３を透過する光が概ね集光される位置に各波長成分に対応する複数の受光素子４ａ〜４ｃからなる１つの受光部４が配置されるように、複数の受光部４が２次元配列されているため、大部分の光が受光部４の受光素子４ａ〜４ｃに入射する。従って、カラー撮像素子１を上記のように構成することにより、光利用効率が高く、十分な光感度を有するカラー撮像素子を提供することができる。また、本実施の形態のカラー撮像素子１においては、各波長成分に対応する複数の受光素子４ａ〜４ｃが一組となって画像情報の一画素を構成しており、その結果、従来のような、回路やプログラム等からなる補完機構を設ける必要がないので、コストの低減を図ることができる。
【００２０】
本実施の形態のカラー撮像素子１は、第１の透光性基板５をさらに備えている。複数の集光レンズ２は、第１の透光性基板５の一方の面に設けられ、回折格子３は、第１の透光性基板５の他方の面に設けられている。より具体的には、複数の集光レンズ２及び回折格子３は第１の透光性基板５に一体形成され、これにより、光学シート部６が構成されている。
【００２１】
複数の集光レンズ２及び回折格子３を第１の透光性基板５に一体形成することにより、各要素の相対位置のズレによる光学特性の変化が発生することはない。
【００２２】
また、本実施の形態のカラー撮像素子１は、第２の透光性基板７をさらに備えている。複数の受光部４は、第２の透光性基板７の回折格子３側の面と反対側の面に設けられている。また、図１、図５に示すように、第２の透光性基板７の、回折格子３側の面には、複数の受光部４にそれぞれ対応する複数の開口部８ａを有した状態で遮光材料層が形成され、これにより、遮光部８が構成されている。そして、以上により、受光素子部９が構成されている。
【００２３】
遮光部８は、１つの集光レンズ２から１つの受光部４に至る一組の光路に、前記１つの集光レンズ２と隣り合う集光レンズ２からの光が交わることがないように光路を分離し、ノイズの原因となる不必要な光成分を除去する。これにより、撮像画質を向上させることができる。
【００２４】
光学シート部６と受光素子部９とは、接着部材１０を介して接合され、一体化されている。
【００２５】
以上のように、複数の集光レンズ２と回折格子３とを、同一部材である第１の透光性基板５に一体形成して光学シート部６を構成し、さらに、当該光学シート部６と受光素子部９とを一体化することにより、後述するように、所望の光学的動作を確実に実現することができる。
【００２６】
回折格子３は、例えば図６に示すような形状の透過型ブレーズド回折格子であるのが望ましい。回折格子３として透過型ブレーズド回折格子を用いることにより、回折格子を透過しながら各波長成分に分離されない光の発生を抑制することができるため、光利用効率を格段に高めることができる。
【００２７】
以下、カラー撮像素子１の各構成部材について、より詳細に説明する。
【００２８】
（光学シート部）
光学シート部６は、透光性材料によって形成された第１の透光性基板５の一方の面に、同じく透光性材料からなる複数の集光レンズ２を一体形成し、さらに、同一基板５の、集光レンズ２が形成された面と反対側の面に、同じく透光性材料からなる回折格子３を一体形成したものである。集光レンズ２及び回折格子３は、使用する透光性材料の種類に応じて、例えば、２Ｐ（Photo Polymer）法、射出成形法、ゾルゲル法又はホットエンボス法などによって形成することができる。
【００２９】
光学シート部６は、種々の方法によって製造可能である。ここでは、フォトリソグラフィによってそれぞれ複数の集光レンズ２と回折格子３の金型を作製し、さらに、これらの金型を用いて、鏡面研磨された厚み２００μmのガラス基板（第１の透光性基板５）の両面に、それぞれ、２Ｐ法によりレンズパターン（複数の集光レンズ２）及び回折格子パターン（回折格子３）を形成した。尚、集光レンズ２及び回折格子３の材料としては、アクリル系の紫外線硬化性樹脂を用いた。
【００３０】
集光レンズ２は、円錐レンズであり、レンズ面の曲率半径は２８０μｍ、円錐定数は−０．２とした。また、複数の集光レンズ２の配列は、レンズ頂点間間隔を１００μｍとする正方配列とした。
【００３１】
回折格子３のパターン形状は、図６に示すデータに従うものであり、格子高さは０．５８μｍ、格子間隔は５μｍとした。
【００３２】
尚、第１の透光性基板５としてのガラス基板上には、受光素子部９との位置合わせを行うための、アライメントマークパターン（図示せず）が形成されている。
【００３３】
（受光素子部）
受光素子部９は、透光性材料によって形成された第２の透光性基板７の、回折格子３側の面と反対側の面に、青色光を読み取る受光素子４ａ、緑色光を読み取る受光素子４ｂ、赤色光を読み取る受光素子４ｃの組が周期的に配列された構成となっており、３つの受光素子４ａ〜４ｃが一組となって画像情報の一画素を構成している。尚、受光素子４ａ〜４ｃは、それぞれ光電変換素子からなっている。
【００３４】
各受光素子４ａ〜４ｃの大きさは１０μｍ角とした。また、青色光を読み取る受光素子４ａと緑色光を読み取る受光素子４ｂとの間隔は１４μｍ、緑色光を読み取る受光素子４ｂと赤色光を読み取る受光素子４ｃとの間隔は１８μｍとした。さらに、３つの受光素子４ａ〜４ｃを一組とした複数の受光部４を、１００μｍ間隔の正方配列となるように配置した。尚、第２の透光性基板７の厚みは６００μｍである。
【００３５】
第２の透光性基板７の、回折格子３側の面には、開口部８ａを有した状態で遮光材料層が形成され、これにより、遮光部８が構成されている。本実施の形態においては、第２の透光性基板７の当該面上にクロムをスパッタ法によって成膜した後、フォトリソグラフィ法によって開口部８ａを形成し、さらに、酸化処理によって前記クロムを黒化することにより、前記遮光材料層を形成した。遮光材料層の厚みは０．２μｍ、開口部８ａは、中心が集光レンズ２の頂点の直下に位置する直径７０μｍの円形とした。
【００３６】
尚、第２の透光性基板７上には、光学シート部６との位置合わせを行うための、アライメントマークパターン（図示せず）が形成されている。
【００３７】
（光学シート部と受光素子部の接合体）
光学シート部６と受光素子部９とは、光学シート部６の集光レンズ２を透過した光が、回折格子３によって分離された後、各波長の光ごとに、受光素子部９の対応する受光素子４ａ〜４ｃに集光入射するように両者の相対位置関係が調整された状態で接着部材１０により一体化される。本実施の形態においては、光学シート部６の集光レンズ２の頂点位置直下を基準として、青色光を読み取る受光素子４ａの中心が１６μｍ離れた位置に配置されるように構成した。
【００３８】
接着部材１０は、主にアクリル系の紫外線硬化性樹脂により構成される。光学シート部６と受光素子部９は、当該接着材料を介して貼り合わされ、アライメントマークパターンを利用した相対位置の調整後に、接着材料に紫外線を照射して硬化させることにより、一体化される。
【００３９】
本実施の形態においては、さらに接着部材１０中に、その平均粒径が一定のアクリルビーズ（図示せず）を混入することにより、光学シート部６と受光素子部９との間隔が約２０μｍと一定になるように構成した。
【００４０】
（カラー撮像素子の光学的動作）
次に、以上の構成を有するカラー撮像素子の光学的動作について説明する。
【００４１】
撮像対象物からの反射光線又は透過光線は、まず、光学シート部６の集光レンズ２に入射する。当該入射光は、集光レンズ２の作用によって集光されつつ第１の透光性基板５の内部を通過し、第１の透光性基板５の裏面側の回折格子３に入射する。
【００４２】
上記入射光は、回折格子３を透過する際に回折作用によって各波長成分に分離され、波長成分ごとにそれぞれ異なる角度をもって進行する。各波長成分に分離された光は、それぞれ、遮光部８の開口部８ａを介して受光素子部９の第２の透光性基板７に入射する。当該入射光は、第２の透光性基板７の内部を通過し、第２の透光性基板７の裏面側の受光部４の各受光素子４ａ〜４ｃに入射し、各受光素子４ａ〜４ｃに入射した光量に応じた電気信号に変換される。
【００４３】
尚、撮像対象物以外から光学シート部６に入射した光は、受光素子部９の遮光部８に照射吸収され、受光部４に到達することはない。
【００４４】
本実施の形態のカラー撮像素子１は、以上の光学的動作により、カラー画像情報を得ることができる。
【００４５】
従来のカラーフィルタを用いる方式の撮像素子における理論上の光利用効率の上限が約３０％であるのに対し、本実施の形態のカラー撮像素子１では光利用効率８０％以上を達成することができる。
【００４６】
尚、本発明のカラー撮像素子において、集光レンズや受光部の形状、大きさ、配置間隔等、回折格子のピッチ等は、一意的に決定されるものではなく、同様の光学的動作を達成する範囲内において変更し得る。また、各部材の材質や製造方法は、上記のものに限定されるものではない。
【００４７】
［第２の実施の形態］
尚、上記第１の実施の形態においては、遮光部８を受光素子部９側に設けているが、遮光部は光学シート部６側に設けてもよい。
【００４８】
また、上記第１の実施の形態においては、受光部４を、第２の透光性基板７の、回折格子３側の面と反対側の面に設けているが、受光部４は基板７の回折格子３側の面に設けてもよい（基板を介さず受光部に直接入射する構成）。そして、この場合、基板７は、必ずしも透光性基板である必要はなく、非透光性基板であってもよい。
【００４９】
以上のことを反映させた構成を図７に示す。図７は、本発明の第２の実施の形態におけるカラー撮像素子の概略構成を示す断面図である。
【００５０】
本実施の形態のカラー撮像素子の基本構成は、上記第１の実施の形態のカラー撮像素子１と同じである。すなわち、図７に示すように、本実施の形態のカラー撮像素子１４は、２次元配列された複数の集光レンズ２と、各集光レンズ２を透過する光を複数の波長成分に分離する回折格子３´と、各集光レンズ２及び回折格子３´を透過する光が概ね集光される位置に前記各波長成分に対応する複数の受光素子４ａ〜４ｃからなる１つの受光部４が配置されるように２次元配列された複数の受光部４とを備えている。
【００５１】
本実施の形態のカラー撮像素子１４は、第１の透光性基板５をさらに備えている。複数の集光レンズ２は、第１の透光性基板５の一方の面に設けられ、回折格子３´は、第１の透光性基板５の他方の面に設けられている。より具体的には、複数の集光レンズ２及び回折格子３´は第１の透光性基板５に一体形成されている。また、第１の透光性基板５の前記他方の面には、複数の受光部４にそれぞれ対応する複数の開口部を有した状態で遮光材料層が形成され、これにより、遮光部１２が構成されている。尚、回折格子３´は、遮光部１２の開口部内に配置されている。そして、以上により、光学シート部６´が構成されている。
【００５２】
また、本実施の形態のカラー撮像素子１４は、非透光性基板１１をさらに備えている。複数の受光部４は、非透光性基板１１の回折格子３´側の面に設けられている。そして、これにより、受光素子部９´が構成されている。
【００５３】
光学シート部６´と受光素子部９´とは、接着部材１３を介して接合され、一体化されている。
【００５４】
本実施の形態のカラー撮像素子１４によっても、上記第１の実施の形態のカラー撮像素子１と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明によれば、光利用効率が高く、十分な光感度を有するカラー撮像素子を提供することができる。従って、本発明は、動画カメラや静止画カメラ等の各種撮影装置の分野において産業上の利用可能性が高い。
【符号の説明】
【００５６】
１、１４  カラー撮像素子
２  集光レンズ
３、３´  回折格子
４  受光部
４ａ〜４ｃ  受光素子
５  第１の透光性基板
６、６´  光学シート部
７  第２の透光性基板
８、１２  遮光部
８ａ  開口部
９、９´  受光素子部
１０、１３  接着部材
１１  非透光性基板
【図１】
2011243924.tif 000003
【図２】
2011243924.tif 000004
【図３】
2011243924.tif 000005
【図４】
2011243924.tif 000006
【図５】
2011243924.tif 000007
【図６】
2011243924.tif 000008
【図７】
2011243924.tif 000009