(57)【要約】【課題】色分離素子、及び該色分離素子を含むイメージセンサを提供する。【解決手段】入射光の波長によって光の進路を変える色分離素子１０、及び該色分離素子１０とカラーフィルタとを共に利用して光利用効率が向上されたイメージセンサに係り、該色分離素子１０は、所定の間隔をおいて互いに対向して配置された少なくとも２個の透明バー１１を含み、該少なくとも２個の透明バー１１は、互いに平行に配置される。これにより、該色分離素子１０は、複数個の要素が複合構造を形成するために、単一構造を含む既存の色分離素子１０に比べ、回折パターン及び色分離角度を容易に調節することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔をおいて互いに対向して配置された少なくとも２個の透明バーを含み、
前記少なくとも２個の透明バーの対向する表面は、その間を通過する可視光線の光が回折されるように互いに離隔されており、
前記少なくとも２個の透明バーの屈折率は、当該透明バーの周囲の媒質の屈折率より高い色分離素子。
【請求項２】
それぞれの前記透明バーは、扁平な直方体の形態を有することを特徴とする請求項１に記載の色分離素子。
【請求項３】
それぞれの前記透明バーの高さは、その厚みより大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の色分離素子。
【請求項４】
前記少なくとも２個の透明バーは、互いに異なる屈折率を有する材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の色分離素子。
【請求項５】
前記少なくとも２個の透明バーは、高さ方向に沿って変化する屈折率を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の色分離素子。
【請求項６】
それぞれの前記透明バーの厚みは、１５０ｎｍないし３００ｎｍの範囲にあり、それぞれの前記透明バーの高さは、５００ｎｍないし１μｍの範囲にあり、隣接した２個の透明バーの間隔は、１００ｎｍないし１μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の色分離素子。
【請求項７】
それぞれの前記透明バーは、ＴｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＺｎＳまたはＺｎＳｅを含む材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の色分離素子。
【請求項８】
前記少なくとも２個の透明バーの対向する表面は、互いに平行に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の色分離素子。
【請求項９】
前記少なくとも２個の透明バーのエッジまたは中心部が、対向面に垂直に延長されて互いに連結されていることを特徴とする請求項８に記載の色分離素子。
【請求項１０】
前記少なくとも２個の透明バーの一部分が、互いに垂直に交差するように連結されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の色分離素子。
【請求項１１】
第１波長の光を感知する多数の第１画素が配列されている第１画素行と、
前記第１画素行に隣接して配置されており、第２波長の光を感知する多数の第２画素と、第３波長の光を感知する多数の第３画素とが交互に配列されている第２画素行と、
前記多数の第２画素にそれぞれ配置されており、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させ、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第１色分離素子と、を含み、
前記第１色分離素子は、請求項１ないし１０のうちいずれか１項に記載の色分離素子であるイメージセンサ。
【請求項１２】
前記多数の第１画素にそれぞれ配置された多数の第１マイクロレンズ、及び前記それぞれの第２画素を中心に、その両側の第３画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第２マイクロレンズをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサ。
【請求項１３】
前記第１画素は、入射光を電気的信号に変換する光検出素子、前記光検出素子上に配置されており、第１波長の光を透過させる第１カラーフィルタ、及び前記第１カラーフィルタ上に配置された透明スペーサを含み、
前記第２画素は、入射光を電気的信号に変換する光検出素子、前記光検出素子上に配置されており、第２波長の光を透過させる第２カラーフィルタ、及び前記第２カラーフィルタ上に配置された透明スペーサを含み、
前記第３画素は、入射光を電気的信号に変換する光検出素子、前記光検出素子上に配置されており、第３波長の光を透過させる第３カラーフィルタ、及び前記第３カラーフィルタ上に配置された透明スペーサを含むことを特徴とする請求項１２に記載のイメージセンサ。
【請求項１４】
前記第１マイクロレンズ及び第２マイクロレンズは、前記透明スペーサ上に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサ。
【請求項１５】
前記第１色分離素子は、前記透明スペーサ内に埋め込まれて固定されていることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のイメージセンサ。
【請求項１６】
前記第１色分離素子は、第２波長の光を、第２画素に向けて正面に透過させ、第３波長の光を第２画素の両側にある第３画素に向けてエッジに屈折させるように構成されることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項１７】
第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、青色帯域であり、第３波長は、赤色帯域であることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項１８】
第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、赤色帯域であり、第３波長は、青色帯域であることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項１９】
前記第１画素行と前記第２画素行とが、互いに対してそれぞれの画素の幅の半分ほどシフトされていることを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項２０】
前記第１画素行は、前記多数の第１画素と交互に配列されている多数の第４画素をさらに含むことを特徴とする請求項１１〜１９のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項２１】
第１波長は、マゼンタ帯域、第２波長は、シアン帯域、第３波長は、イエロー帯域、第４波長は、緑色帯域であることを特徴とする請求項２０に記載のイメージセンサ。
【請求項２２】
第１波長は、マゼンタ帯域、第２波長は、イエロー帯域、第３波長は、シアン帯域、第４波長は、緑色帯域であることを特徴とする請求項２０に記載のイメージセンサ。
【請求項２３】
前記多数の第３画素にそれぞれ配置されており、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させ、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第２色分離素子をさらに含むことを特徴とする請求項１１〜２２のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項２４】
前記第２色分離素子は、第３波長の光を、第３画素に向けて正面に透過させ、第２波長の光を、第３画素の両側にある第２画素に向けてエッジに屈折させるように構成されることを特徴とする請求項２３に記載のイメージセンサ。
【請求項２５】
前記多数の第１画素、第２画素及び第３画素にそれぞれ配置される多数のマイクロレンズをさらに含むことを特徴とする請求項２３または請求項２４に記載のイメージセンサ。
【請求項２６】
第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第２波長の光を感知する多数の第２画素とが交互に配列されている第１画素行と、
前記第１画素行に隣接して配置されており、第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第３波長の光を感知する多数の第３画素とが交互に配列されている第２画素行と、
前記多数の第２画素にそれぞれ配置されており、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させ、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第１色分離素子と、
前記多数の第３画素にそれぞれ配置されており、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させ、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第２色分離素子と、を含み、
前記第１色分離素子及び第２色分離素子は、請求項１ないし１０のうちいずれか１項に記載の色分離素子であるイメージセンサ。
【請求項２７】
前記それぞれの第２画素を中心に、その両側の第１画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第１マイクロレンズ、及び前記それぞれの第３画素を中心に、その両側の第１画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第２マイクロレンズをさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載のイメージセンサ。
【請求項２８】
前記第１色分離素子は、第２波長の光を、第２画素に向けて正面に透過させ、第１波長の光を、第２画素の両側にある第１画素に向けてエッジに屈折させるように構成され、前記第２色分離素子は、第３波長の光を、第３画素に向けて正面に透過させ、第１波長の光を、第３画素の両側にある第１画素に向けてエッジに屈折させるように構成されることを特徴とする請求項２６または請求項２７に記載のイメージセンサ。
【請求項２９】
第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、青色帯域であり、第３波長は、赤色帯域であることを特徴とする請求項２６〜２８のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項３０】
第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第２波長の光を感知する多数の第２画素とが交互に配列されている第１画素行と、
前記第１画素行に隣接して配置されており、第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第３波長の光を感知する多数の第３画素とが交互に配列されている第２画素行と、
前記多数の第２画素にそれぞれ配置されており、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させ、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第１色分離素子と、
前記第２画素行で、多数の第１画素にそれぞれ配置されており、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させ、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第２色分離素子と、を含み、
前記第１色分離素子及び第２色分離素子は、請求項１ないし１０のうちいずれか１項に記載の色分離素子であるイメージセンサ。
【請求項３１】
前記第１画素行において、それぞれの第２画素を中心に、その両側の第１画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第１マイクロレンズ、及び前記第２画素行において、それぞれの第１画素を中心に、その両側の第３画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第２マイクロレンズをさらに含むことを特徴とする請求項３０に記載のイメージセンサ。
【請求項３２】
第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、青色帯域であり、第３波長は、赤色帯域であることを特徴とする請求項３０または請求項３１に記載のイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色分離素子、及び該色分離素子を含むイメージセンサに係り、さらに詳細には、入射光の波長によって、光の進路を変える色分離素子、及び前記色分離素子とカラーフィルタとを共に利用して、光利用効率が向上されたイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
カラーディスプレイ装置や、カラーイメージセンサは、一般的に、カラーフィルタを利用して、多様な色の映像を表示したり、あるいは入射光の色を感知したりしている。現在使用されるカラーディスプレイ装置やカラーイメージセンサは、例えば、４個の画素のうち２個の画素には、緑色フィルタが配置され、残りの２個の画素には、青色フィルタと赤色フィルタとが配置されるＲＧＢカラーフィルタ方式を最も多く採択している。また、ＲＧＢカラーフィルタ方式以外にも、補色関係にあるシアン、イエロー、グリーン、マゼンタのカラーフィルタが、４個の画素にそれぞれ配置されるＣＹＧＭカラーフィルタ方式が採択されたりもする。
【０００３】
ところで、カラーフィルタは、当該色の光を除いた残りの色の光を吸収するために、光利用効率が低下してしまう。例えば、ＲＧＢカラーフィルタを使用する場合、入射光の１／３だけを透過させ、残りの２／３は吸収し、光利用効率が約３３％ほどにしか過ぎない。従って、カラーディスプレイ装置やカラーイメージセンサの場合、ほとんどの光損失がカラーフィルタで発生してしまう。
【０００４】
最近では、カラーディスプレイ装置やカラーイメージセンサの光利用効率を向上させるために、カラーフィルタの代わりに、色分離素子を利用する試みが行われている。色分離素子は、波長によって、他の光の回折特性または屈折特性を利用して、入射光の色を分離し、色分離素子によって分離された色は、それぞれの対応する画素に伝達される。しかし、これまでのところ色分離素子は、カラーフィルタに比べ、鮮やかな色相を提供することができていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、入射光の波長によって光の進路を変える色分離素子、及び前記色分離素子とカラーフィルタとを共に利用して、光利用効率が向上されたイメージセンサを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一類型による色分離素子は、所定の間隔をおいて互いに対向して配置された少なくとも２個の透明バーを含み、ここで、前記少なくとも２個の透明バーの対向する表面は、その間を通過する可視光線の光が回折されるように互いに離隔されており、また、前記少なくとも２個の透明バーの屈折率は、当該透明バーの周りの媒質の屈折率よりも高い。
【０００７】
例えば、それぞれの透明バーは、扁平な直方体の形態を有することができる。
【０００８】
それぞれの透明バーの高さは、厚さより大きくてもよい。
【０００９】
前記少なくとも２個の透明バーは、互いに異なる屈折率を有する材料からなってもよい。
【００１０】
前記少なくとも２個の透明バーは、高さ方向に沿って変化する屈折率を有することができる。
【００１１】
例えば、それぞれの透明バーの厚みは、１５０ｎｍないし３００ｎｍの範囲にあり、それぞれの透明バーの高さは、５００ｎｍないし１μｍの範囲にあり、隣接した２個の透明バーの間隔は、１００ｎｍないし１μｍの範囲にあってもよい。
【００１２】
例えば、それぞれの透明バーは、ＴｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＺｎＳまたはＺｎＳｅを含む材料からなってもよい。
【００１３】
前記少なくとも２個の透明バーの対向する表面は、互いに平行に配置されてもよい。
【００１４】
前記少なくとも２個の透明バーのエッジまたは中心部が、対向面に垂直に延長されて互いに連結されてもよい。
【００１５】
前記少なくとも２個の透明バーの一部分が、互いに垂直に交差するように連結されてもよい。
【００１６】
また、一類型によるイメージセンサは、第１波長の光を感知する多数の第１画素が配列されている第１画素行と、前記第１画素行に隣接して配置されており、第２波長の光を感知する多数の第２画素と第３波長の光を感知する多数の第３画素とが交互に配列されている第２画素行と、前記多数の第２画素にそれぞれ配置されており、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させ、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える前述の構造の多数の第１色分離素子と、を含んでもよい。
【００１７】
また、前記イメージセンサは、前記多数の第１画素にそれぞれ配置された多数の第１マイクロレンズ、及び前記それぞれの第２画素を中心に、その両側の第３画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第２マイクロレンズをさらに含んでもよい。
【００１８】
前記第１画素は、入射光を電気的信号に変換する光検出素子、前記光検出素子上に配置されており、第１波長の光を透過させる第１カラーフィルタ、及び前記第１カラーフィルタ上に配置された透明スペーサを含んでもよい。
【００１９】
前記第２画素は、入射光を電気的信号に変換する光検出素子、前記光検出素子上に配置されており、第２波長の光を透過させる第２カラーフィルタ、及び前記第２カラーフィルタ上に配置された透明スペーサを含んでもよい。
【００２０】
前記第３画素は、入射光を電気的信号に変換する光検出素子、前記光検出素子上に配置されており、第３波長の光を透過させる第３カラーフィルタ、及び前記第３カラーフィルタ上に配置された透明スペーサを含んでもよい。
【００２１】
前記第１マイクロレンズ及び第２マイクロレンズは、前記透明スペーサ上に配置されてもよい。
【００２２】
前記第１色分離素子は、前記透明スペーサ内に埋め込まれて固定されてもよい。
【００２３】
前記第１色分離素子は、第２波長の光を、第２画素に向けて正面に透過させ、第３波長の光を第２画素の両側にある第３画素に向けてエッジに屈折させるように構成されてもよい。
【００２４】
例えば、第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、青色帯域であり、第３波長は、赤色帯域でもある。
【００２５】
また、第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、赤色帯域であり、第３波長は、青色帯域でもある。
【００２６】
一実施形態によれば、前記第１画素行と第２画素行とが、互いに対してそれぞれの画素の幅の半分ほどシフトされてもよい。
【００２７】
また、前記第１画素行は、前記多数の第１画素と交互に配列されている多数の第４画素をさらに含んでもよい。
【００２８】
例えば、第１波長は、マゼンタ帯域、第２波長は、シアン帯域、第３波長は、イエロー帯域、第４波長は、緑色帯域でもある。
【００２９】
また、第１波長は、マゼンタ帯域、第２波長は、イエロー帯域、第３波長は、シアン帯域、第４波長は、緑色帯域でもある。
【００３０】
前記イメージセンサは、前記多数の第３画素にそれぞれ配置されており、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させ、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第２色分離素子をさらに含んでもよい。
【００３１】
例えば、前記第２色分離素子は、第３波長の光を第３画素に向けて正面に透過させ、第２波長の光を、第３画素の両側にある第２画素に向けてエッジに屈折させるように構成されてもよい。
【００３２】
一実施形態で、前記イメージセンサは、前記多数の第１画素、第２画素及び第３画素にそれぞれ配置される多数のマイクロレンズをさらに含んでもよい。
【００３３】
他の類型によるイメージセンサは、第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第２波長の光を感知する多数の第２画素とが交互に配列されている第１画素行と、前記第１画素行に隣接して配置されており、第１波長の光を感知する多数の第１画素と第３波長の光を感知する多数の第３画素とが交互に配列されている第２画素行と、前記多数の第２画素にそれぞれ配置されており、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させ、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第１色分離素子と、前記多数の第３画素にそれぞれ配置されており、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させ、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第２色分離素子と、を含んでもよい。
【００３４】
前記イメージセンサは、前記それぞれの第２画素を中心に、その両側の第１画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第１マイクロレンズ、及び前記それぞれの第３画素を中心に、その両側の第１画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第２マイクロレンズをさらに含んでもよい。
【００３５】
前記第１色分離素子は、第２波長の光を、第２画素に向けて正面に透過させ、第１波長の光を、第２画素の両側にある第１画素に向けてエッジに屈折させるように構成され、前記第２色分離素子は、第３波長の光を第３画素に向けて正面に透過させ、第１波長の光を、第３画素の両側にある第１画素に向けてエッジに屈折させるように構成されてもよい。
【００３６】
例えば、第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、青色帯域であり、第３波長は、赤色帯域でもある。
【００３７】
さらに他の類型によるイメージセンサは、第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第２波長の光を感知する多数の第２画素とが交互に配列されている第１画素行と、前記第１画素行に隣接して配置されており、第１波長の光を感知する多数の第１画素と第３波長の光を感知する多数の第３画素とが交互に配列されている第２画素行と、前記多数の第２画素にそれぞれ配置されており、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させ、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第１色分離素子と、前記第２画素行で、多数の第１画素にそれぞれ配置されており、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させ、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第２色分離素子と、を含んでもよい。
【００３８】
前記イメージセンサは、前記第１画素行で、それぞれの第２画素を中心に、その両側の第１画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第１マイクロレンズ、及び前記第２画素行で、それぞれの第１画素を中心に、その両側の第３画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第２マイクロレンズをさらに含んでもよい。
【００３９】
例えば、第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、青色帯域であり、第３波長は、赤色帯域でもある。
【発明の効果】
【００４０】
本実施形態による色分離素子は、複数個の要素が複合構造を形成するために、単一構造を含む既存の色分離素子に比べ、回折パターン及び色分離角度を容易に調節することができる。従って、クロストークがほとんどない効果的な色分離が可能であり、色分離に必要な経路長が短く、画素サイズが小さいイメージセンサに適用が可能である。また、本実施形態による色分離素子は、対称構造を有するために、製作が容易である。
【００４１】
また、本実施形態によるイメージセンサにおいて、色分離素子を利用して、入射光の色を大体のところ分離した後でカラーフィルタを通過させるために、カラーフィルタを透過する光の比率を上昇させることができる。例えば、赤色カラーフィルタには、赤色系の光がさらに多く分配され、青色カラーフィルタには、青色系の光がさらに多く分配されるために、入射光のカラーフィルタ透過率が、３３％より高くなる。従って、カラーフィルタを使用しながらも、光利用効率が上昇し、高い色純度を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】一実施形態による色分離素子の構造を概略的に示す縦断面図である。
【図２】図１に図示された色分離素子の構造を概略的に示す横断面図である。
【図３】図１に図示された色分離素子を通過する光の波長別回折パターンを示すグラフである。
【図４】図１に図示された色分離素子の間隔変化による回折角の変化を示すグラフである。
【図５】他の実施形態による色分離素子の構造を概略的に示す横断面図である。
【図６】他の実施形態による色分離素子の構造を概略的に示す横断面図である。
【図７】さらに他の実施形態による色分離素子の構造を概略的に示す縦断面図である。
【図８】さらに他の実施形態による色分離素子の構造を概略的に示す横断面図である。
【図９】さらに他の実施形態による色分離素子の構造を概略的に示す横断面図である。
【図１０】さらに他の実施形態による色分離素子の構造を概略的に示す斜視図である。
【図１１】一実施形態によるイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。
【図１２】図１１に図示されたイメージセンサのａ−ａ’ラインに沿って切り取った断面図である。
【図１３】図１１に図示されたイメージセンサのｂ−ｂ’ラインに沿って切り取った断面図である。
【図１４】図１１に図示された色分離素子による色分離スペクトルを概略的に示すグラフである。
【図１５】他の実施形態によるイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。
【図１６】さらに他の実施形態によるイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。
【図１７】さらに他の実施形態によるイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。
【図１８】さらに他の実施形態によるイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。
【図１９】さらに他の実施形態によるイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。
【図２０】図１９に図示されたイメージセンサのａ−ａ’ラインに沿って切り取った断面図である。
【図２１】図１９に図示された２個の色分離素子による色分離スペクトルを概略的に示すグラフである。
【図２２】図１９に図示された２個の色分離素子による色分離スペクトルを概略的に示すグラフである。
【図２３】さらに他の実施形態によるイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。
【図２４】図２３に図示された２個の色分離素子による色分離スペクトルを概略的に示すグラフである。
【図２５】図２３に図示された２個の色分離素子による色分離スペクトルを概略的に示すグラフである。
【図２６】さらに他の実施形態によるイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、添付された図面を参照し、色分離素子、及び該色分離素子を含むイメージセンサについて詳細に説明する。以下の図面で、同一の参照符号は、同一構成要素を指し、図面上で、各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜性のために誇張されている。また、以下で説明する実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、そのような実施形態から、多様な変形が可能である。また、以下で説明する層構造で、「上部」や「上」と記載された表現は、接触して真上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものも含まれる。
【００４４】
図１は、一実施形態による色分離素子１０の構造を概略的に示す縦断面図であり、図２は、図１に図示された色分離素子１０の構造を概略的に示す横断面図である。図１及び図２を参照すれば、本実施形態による色分離素子１０は、所定の間隔をおいて、互いに向い合って配置された２個の透明バー１１を含んでもよい。それぞれの透明バー１１は、例えば、平たくて長い六面体（例えば、対称的な直方体）柱の形態を有することができる。また、２個の透明バー１１の対向する表面は、その間を通過する可視光線の光が回折されるほどの間隔で離隔されている。そして、２個の透明バー１１の対向する表面は、互いに平行に配置されてもよい。
【００４５】
そのような構造で、色分離素子１０の上部に入射する白色光Ｗの一部は、２個の透明バー１１の上部表面を通じてそれぞれの透明バー１１の内部に入射した後、透明バー１１の下部表面を介して外部に放出される。また、色分離素子１０の上部に入射する白色光Ｗの他の一部は、２個の透明バー１１の間を通過しながら回折される。一般的に知られるように、光の屈折角及び回折角は波長によって異なる。従って、２個の透明バー１１の内部を進行して屈折された光と、２個の透明バー１１間の空間を進行して回折された光は、色分離素子１０から放出されるとき、波長によって異なる角度で進む。
【００４６】
例えば、図３は、図１に図示された色分離素子１０を通過する光の波長別回折パターンを示すグラフである。図３において、横軸は、色分離素子１０の中心軸から水平方向への距離を示し、単位はｍであり、縦軸は、光の強度を示す。図３のグラフは、厚みｔが２００ｎｍであり、高さｈが６２０ｎｍである２個のＳｉ３Ｎ４透明バー１１を、５００ｎｍないし８００ｎｍの範囲内で、１００ｎｍの間隔ｇで配置した状態で測定した結果である。図３のグラフから分かるように、波長が長いほど回折角が大きくなり、色分離素子１０の中心軸から遠くなり、波長が短いほど回折角が小さくなり、色分離素子１０の中心軸に近くなる。従って、本実施形態による色分離素子１０を介して、色分離が可能であるということが分かる。
【００４７】
また、本実施形態による色分離素子１０の場合、２個の透明バー１１の厚みｔ、高さｈ、及び２個の透明バー１１の間隔ｇを調節することにより、色分離特性を調節することができる。例えば、図４は、図１に図示された色分離素子１０の間隔ｇの変化による回折角の変化を示すグラフである。図４のグラフは、厚みｔが２００ｎｍであり、高さｈが６２０ｎｍである２個の透明バー１１の間隔ｇを、４００ｎｍから８００ｎｍまで変化させながら測定した結果であり、波長が６３０ｎｍである光を使用した。図４を参照すれば、透明バー１１の間隔が４００ｎｍであるとき、回折角は、約３０°ほどであり、間隔が８００ｎｍであるとき、回折角は、約１５°ほどに変化した。
【００４８】
従って、２個の透明バー１１の厚みｔ、高さｈ、及び２個の透明バー１１の間隔ｇを調節することによって、色分離素子１０を通過する光を、波長によって、所望の角度で進行させることが可能である。例えば、透明バー１１の厚みｔは、約１５０ｎｍないし３００ｎｍの範囲内で調節され、透明バー１１の高さｈは、約５００ｎｍないし１μｍの範囲内で調節されてもよい。従って、透明バー１１の縦横比は、１より大きくてもよい。すなわち、透明バー１１の高さｈが厚みｔより大きくてもよい。また、２個の透明バー１１の間隔ｇは、約１００ｎｍないし１μｍの範囲内で調節される。透明バー１１の長さＬは、色分離素子１０の色分離特性に大きい影響を与えない。
【００４９】
そのような色分離素子１０が、イメージセンサとして使用される場合、色分離素子１０の出光面からイメージセンサまでの距離、イメージセンサの画素ピッチ、色分離素子１０に直接対向する画素と、色分離素子１０によって分離された波長の光に対応する画素間の距離などによって、光が進む角度が最適になるように、色分離素子１０を構成することができる。例えば、色分離素子１０によって分離されたそれぞれの波長の光が、その波長の光に対応する画素の中心部から所定の距離内（画素の大きさによって異なるが、例えば、数μｍ範囲内）に、その波長の光の全体光量の一定比率以上（例えば、６０％以上）が集中するように、色分離素子１０を構成する透明バー１１の間隔ｇ、それぞれの透明バー１１の厚みｔ及び高さｈのうち一つを決定することができる。
【００５０】
一方、前記透明バー１１は、例えば、ＳｉＯ２（ｎ＝１．４６）のような透明な材料からなるスペーサ内で固定されてもよい。従って、透明バー１１は、それらを取り囲む周囲の媒質より高い屈折率を有する誘電体材料からなってもよい。例えば、透明バー１１は、ＴｉＯ２（ｎ＝２．３〜２．５）、ＳｉＮｘ（ｎ＝２）、ＺｎＳ（ｎ＝２．４）、ＺｎＳｅ（ｎ＝２．５）のような材料からなってもよい。２個の透明バー１１は、互いに同一材料からもなるが、必要によっては、屈折率が互いに異なる材料からそれぞれなってもよい。また、それぞれの透明バー１１が、均一な屈折率を有することもできるが、光の進行方向、すなわち、図１において、高さｈ方向に沿って、それぞれの透明バー１１の屈折率が変化してもよい。例えば、それぞれの透明バー１１は、光の進行方向に沿って、屈折率が徐々に上昇したり、あるいは低下したりするように構成され、または、光の進行方向に沿って複数の離散された屈折率を有するように構成されもする。
【００５１】
そのような色分離素子１０は、例えば、イメージセンサの画素内に配置され、イメージセンサの光利用効率を向上させるために使用される。一般的に、イメージセンサの画素は、非常に小さいサイズを有し、光入射面から光検出素子までの距離も非常に短い。しかし、単純な形態を有する単一構造の色分離素子は、色分離のために、長い距離を必要とするため、クロストークを起こしやすく、小さいサイズの画素を有するイメージセンサに使用するのに適するものではない。また、短い距離で色分離が可能な既存の色分離素子は、その複雑な形態によって、製作過程が困難であり、具現が容易ではない。例えば、既存の色分離素子は、傾斜面や非対称的構造を有するため、薄膜蒸着及びエッチングのような標準工程での製作が不可能である。
【００５２】
一方、本実施形態による色分離素子１０は、対称的な構造を有するので、標準工程での製作が可能であり、２個の透明バー１１の複合構造を介して、短距離で色分離が可能であり、２個の透明バー１１の寸法を調節することにより、色分離角度を調節することができ、効果的な色分離を行うことができる。従って、そのような色分離素子１０をイメージセンサに応用する場合、多様な設計要求事項に合わせて回折角を調節することにより、さらに容易にイメージセンサの画素を設計することができる。
【００５３】
一方、本実施形態による色分離素子１０において、図２の横断面図に図示されているように、２個の透明バー１１が完全に分離されてもよいが、必ずしもそれに限定されるものではない。例えば、図５の横断面図に図示されているように、２個の透明バー１１のエッジが、対向面に垂直に延長されて互いに連結されてもよい。その場合、色分離素子１０は、四角筒の形態を有することができる。また、図６の横断面図に図示されているように、２個の透明バー１１の中心部が、対向面に垂直に延長されて互いに連結されもする。その場合、色分離素子１０は、例えば、Ｈビームの形態を有することができる。
【００５４】
以上、色分離素子１０が２個の対向する透明バー１１を有する場合について説明した。しかし、透明バー１１の個数は、必ずしも２個に限定される必要はなく、３個、またはそれ以上の透明バー１１を平行に配置させることも可能である。例えば、図７は、３個の透明バー１１を有する他の実施形態による色分離素子２０の構造を概略的に示す縦断面図である。図７に図示されているように、同一の形態を有する３個の透明バー１１が、一定間隔で平行に配置されてもよい。しかし、必要に応じて、３個の透明バー１１の厚みｔと高さｈは、互いに異なってもよく、３個の透明バー１１の間隔ｇも、互いに異なって選択されてもよい。
【００５５】
また、３個の透明バー１１は、互いに完全に分離されてもよいが、必ずしもそれに限定されるものではない。例えば、図８の横断面図に図示されているように、３個の透明バー１１のエッジが、対向面に垂直に延長されて互いに連結されてもよく、図９の横断面図に図示されているように、３個の透明バー１１の中心部が、対向面に垂直に延長されて互いに連結されてもよい。
【００５６】
図１０は、さらに他の実施形態による色分離素子３０の構造を概略的に示す斜視図である。図１０を参照すれば、色分離素子３０は、２個の透明バー１１の一部分が、互いに垂直に交差するように連結された構造を有することができる。図１０の例では、２個の透明バー１１のそれぞれの中心部で交差されているが、必ずしもそれに限定されるものではない。例えば、２個の透明バー１１のエッジで交差されてもよい。かような構造において、透明バー１１の厚み、高さ及び交差位置を調節することにより、色分離素子３０の色分離特性を調節することができ、交差せずに離隔されている２個の透明バー１１の残りの部分で、回折を発生させることが可能である。
【００５７】
以下、前述の色分離素子１０，２０，３０と、カラーフィルタとを共に利用して、光利用効率が向上されたイメージセンサの多様な実施形態について詳細に説明する。
【００５８】
まず、図１１は、一実施形態によるイメージセンサ１００の画素構造を概略的に示す平面図である。図１１を参照すれば、イメージセンサ１００は、多数の行と列とを有する二次元マトリックスの形態に配列された多数の光検出用画素１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂを具備する画素アレイを含む。例えば、図１１に図示されているように、第１画素行１１０ａには、緑色画素１１０Ｇだけが配列される。また、第１画素行１１０ａに隣接した第２画素行１１０ｂには、赤色画素１１０Ｒと、青色画素１１０Ｂとが相互に配列される。そのような第１画素行１１０ａと第２画素行１１０ｂは、縦方向に沿って相互に配列される。
【００５９】
図１２は、図１１に図示されたａ−ａ’ラインに沿って、前記イメージセンサ１００の第１画素行１１０ａを切断した断面図である。図１２を参照すれば、第１画素行１１０ａは、互いに隣接して配列された多数の光検出素子１１１、多数の光検出素子１１１の光入射面にそれぞれ配置された多数の緑色カラーフィルタ１１２Ｇ、多数の緑色カラーフィルタ１１２Ｇ上に全体的に配置された透明スペーサ１１３、及び入射光をそれぞれの光検出素子１１１に集光するように、透明スペーサ１１３上に配置された多数のマイクロレンズ１２０を含んでもよい。それぞれの光検出素子１１１、緑色カラーフィルタ１１２Ｇ及び透明スペーサ１１３は、１つの緑色画素１１０Ｇを構成することができる。
【００６０】
そのような構造で、入射光は、マイクロレンズ１２０によって、透明スペーサ１１３及び緑色カラーフィルタ１１２Ｇを通過し、対応する光検出素子１１１にフォーカシングされる。多数の光検出素子１１１ごとに、それぞれ対応する緑色カラーフィルタ１１２Ｇが配置されるが、多数の光検出素子１１１全体にわたって、１つの長い緑色カラーフィルタ１１２Ｇが配置されることも可能である。第１画素行１１０ａには、緑色カラーフィルタ１１２Ｇだけが配置されているので、入射光のうち緑色帯域の光だけが、緑色カラーフィルタ１１２Ｇを通過し、光検出素子１１１に入射することができる。光検出素子１１１は、入射光を、その強度によって電気的信号に変換する役割を行う。従って、第１画素行１１０ａでは、緑色光のみを検出することができる。
【００６１】
図１３は、図１１に図示されたｂ−ｂ’ラインに沿って、前記イメージセンサ１００の第２画素行１１０ｂを切断した断面図である。図１３を参照すれば、第２画素行１１０ｂは、互いに隣接して配列された多数の光検出素子１１１、赤色画素１１０Ｒと青色画素１１０Ｂとに対応し、多数の光検出素子１１１の光入射面に、それぞれ相互に配置された、多数の赤色カラーフィルタ１１２Ｒ及び多数の青色カラーフィルタ１１２Ｂ、多数の赤色カラーフィルタ１１２Ｒ及び青色カラーフィルタ１１２Ｂ上に全体的に配置された透明スペーサ１１３、青色カラーフィルタ１１２Ｂと対向するように、透明スペーサ１１３内に配置された多数の色分離素子１４０、及び入射光を、それぞれの光検出素子１１１に集光するように、透明スペーサ１１３上に配置された多数のマイクロレンズ１３０を含んでもよい。それぞれの光検出素子１１１、青色カラーフィルタ１１２Ｂ及び透明スペーサ１１３は、青色画素１１０Ｂを構成することができ、それぞれの光検出素子１１１、赤色カラーフィルタ１１２Ｒ及び透明スペーサ１１３は、赤色画素１１０Ｒを構成することができる。ここで、色分離素子１４０は、透明スペーサ１１３内に埋め込まれ、透明スペーサ１１３によって取り囲まれて固定される。
【００６２】
図１３に図示されているように、マイクロレンズ１３０は、青色画素１１０Ｂの領域から、両側の赤色画素１１０Ｒの一部領域まで延長されて配置される。第１画素行１１０ａにおいて、それぞれのマイクでレンズ１３０は、１つの緑色画素１１０Ｇ内に配置される一方、第２画素行１１０ｂから、それぞれのマイクロレンズ１３０は、青色画素１１０Ｂを中心に、その両側の赤色画素１１０Ｒの半分ほどまでかかるように形成される。すなわち、第２画素行１１０ｂのマイクロレンズ１３０の幅は、第１画素行１１０ａのマイクロレンズ１２０の幅より約２倍ほどさらに大きい。従って、青色画素１１０Ｂの全体と、その両側の赤色画素１１０Ｒの一部に入射する光が、マイクロレンズ１３０によって集光され、色分離素子１４０を通過することができる。
【００６３】
図１１及び図１３に図示されているように、それぞれのマイクロレンズ１３０に対応し、１つの色分離素子１４０が配置される。従って、１つのマイクロレンズ１３０を通過して集光された光は、それに対応する色分離素子１４０を経て、波長によって分離され、波長によって分離された光は、分離されたそれぞれの波長に対応する画素１１０Ｂ、１１０Ｒに入射することができる。そのために、色分離素子１４０は、波長によって異なる光の回折特性または屈折特性を利用して、入射光の波長によって光の進路を変えることにより、色を分離する役割を行う。例えば、色分離素子１４０は、図１ないし図１０を介して説明した色分離素子１０，２０，３０のうちいずれか一つでもある。本実施形態によれば、色分離素子１４０は、対向する青色カラーフィルタ１１２Ｂに向かう光において、青色の比率を上昇させ、両側の赤色カラーフィルタ１１２Ｒに向かう光において、赤色の比率を上昇させる方式で、入射光のスペクトル分布を変えるように構成される。
【００６４】
例えば、図１３で、「１」（図１３中において丸で囲まれた１を示す。以下、図中において丸で囲まれた数字は、「」で囲まれた数字として示す）で表示された光は、進路の変更なしに、色分離素子１４０を透過した後、青色カラーフィルタ１１２Ｂに達する。また、図１３で、「２」で表示された光は、色分離素子１４０のエッジ方向に傾くように進行方向を変えながら、青色カラーフィルタ１１２Ｂの両側にある赤色カラーフィルタ１１２Ｒに達する。図１４は、色分離素子１４０による色分離スペクトルを概略的に示すグラフであり、「１」で表示された光と、「２」で表示された光とのスペクトルをそれぞれ示している。図１４を参照すれば、一般的な白色光が、色分離素子１４０に入射する場合、「１」で表示された光においては、色分離素子１４０を透過する間、青色波長の比率が上昇し、「２」で表示された光においては、色分離素子１４０を透過する間、赤色波長の比率が上昇する。一方、図１４から、１１２Ｒで表示された点線ボックスは、赤色カラーフィルタ１１２Ｒの透過帯域であり、１１２Ｂで表示された点線ボックスは、青色カラーフィルタ１１２Ｂの透過帯域であるということを例示的に示す。
【００６５】
かような本実施形態によれば、緑色カラーフィルタ１１２Ｇでは、従来の画素構造と同様に、入射光の約３３％だけが透過され、光検出素子１１１に達する。一方、青色カラーフィルタ１１２Ｂ及び赤色カラーフィルタ１１２Ｒでは、それぞれのカラーフィルタに対応する色の比率が高いので、従来の画素構造に比べ、光の透過率が上昇する。例えば、青色カラーフィルタ１１２Ｂ及び赤色カラーフィルタ１１２Ｒでは、入射光の約５０％以上が透過され、光検出素子１１１に達し、透過光は、光検出素子１１１で光電変換され、各画素の入射光の強度を示す電気信号に変わる。従って、青色カラーフィルタ１１２Ｂ及び赤色カラーフィルタ１１２Ｒでの光利用効率が上昇する。
【００６６】
一般的に、イメージセンサ１００において、色分離素子１４０の光学的長さが非常に短いので、色分離素子１４０だけでは完全な色分離をおこない難い。それにより、色分離素子１４０のみを利用する場合には、高い色純度を得難い。本実施形態によれば、色分離素子１４０と、カラーフィルタ１１２Ｂ，１１２Ｒとの連繋を介して、色分離素子１４０において、ある程度の色分離効果を得て、カラーフィルタ１１２Ｂ，１１２Ｒにおいて、高い色純度を得ることにより、カラーフィルタ１１２Ｂ，１１２Ｒによって吸収される光エネルギーの量を低減させ、光利用効率を向上させると共に、高い色純度を達成することができる。
【００６７】
図１５は、他の実施形態によるイメージセンサ１００’の画素構造を概略的に示す平面図である。図１１に図示されたイメージセンサ１００と比べると、図１５に図示されたイメージセンサ１００’は、色分離素子１４０が、赤色画素１１０Ｒの領域に配置されており、マイクロレンズ１３０も、赤色画素１１０Ｒを中心に配置されているという点で、図１１に図示されたイメージセンサ１００と差がある。図１５に図示されたイメージセンサ１００’の残りの構成は、図１１に図示されたイメージセンサ１００と同一である。
【００６８】
すなわち、マイクロレンズ１３０は、赤色画素１１０Ｒの領域から、両側の青色画素１１０Ｂの一部領域まで延長されて配置される。例えば、マイクロレンズ１３０は、赤色画素１１０Ｒを中心に、その両側の青色画素１１０Ｂの半分ほどまでかかるように形成される。従って、赤色画素１１０Ｒと、その両側の青色画素１１０Ｂの一部とに入射する光が、マイクロレンズ１３０によって集光され、赤色画素１１０Ｒの領域にある色分離素子１４０を通過することができる。
【００６９】
色分離素子１４０は、対向する赤色カラーフィルタ１１２Ｒに向かう光において、赤色の比率を上昇させ、両側の青色カラーフィルタ１１２Ｂに向かう光において、青色の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変えるように構成される。例えば、進路の変更なしに、色分離素子１４０を透過した光は、赤色カラーフィルタ１１２Ｒに達し、色分離素子１４０のエッジ方向に傾くように進行方向が変わった光は、赤色カラーフィルタ１１２Ｒの両側にある青色カラーフィルタ１１２Ｂに達する。その場合、赤色カラーフィルタ１１２Ｒに達する光が、図１４のグラフで「２」で表示されたスペクトルを有し、青色カラーフィルタ１１２Ｂに達する光が、図１４のグラフで「１」で表示されたスペクトルを有するように、色分離素子１４０が構成される。
【００７０】
図１６は、さらに他の実施形態によるイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。図１１及び図１５に図示されたイメージセンサ１００，１００’は、第１画素行１１０ａ及び第２画素行１１０ｂの画素が互いに一致して配列されているが、図１６に図示されたイメージセンサの場合には、第１画素行１１０ａの画素と、第２画素行１１０ｂの画素とが互いに対してシフトされる。例えば、第１画素行１１０ａの画素と、第２画素行１１０ｂの画素は、画素幅の半分ほどシフトされる。図１６には、図示されていないが、色分離素子１４０は、第２画素行１１０ｂの青色カラーフィルタ１１２Ｂに対向して配置されたり、あるいは赤色カラーフィルタ１１２Ｒに対向して配置されたりする。従って、図１６に図示された実施形態において、色分離素子１４０は、隣接する第１画素行１１０ａの２つの緑色画素１１０Ｇ間に配置される。その場合、第２画素行１１０ｂにある色分離素子１４０によるスペクトル変化が、第１画素行１１０ａに影響を与えても、第１画素行１１０ａの全ての緑色画素１１０Ｇに、均一に影響が及ぶことになる。
【００７１】
図１７は、さらに他の実施形態によるイメージセンサ２００の画素構造を概略的に示す平面図である。図１７に図示されたイメージセンサ２００は、前述のＲＧＢカラーフィルタ方式の代わりに、シアン（Ｃｙ）、イエロー（Ｙｅ）、緑色（Ｇ）、マゼンタ（Ｍ）のカラーフィルタを使用するＣＹＧＭカラーフィルタ方式を採択している。図１７を参照すれば、第１画素行１１０ａには、多数のマゼンタ画素１１０Ｍと、多数の緑色画素１１０Ｇとが交互に配列される。また、第２画素行１１０ｂには、多数のシアン画素１１０Ｃと、多数のイエロー画素１１０Ｙとが交互に配列される。そして、色分離素子１４０は、シアン画素１１０Ｃの領域に配置され、マイクロレンズ１３０も、シアン画素１１０Ｃを中心に配置される。
【００７２】
例えば、マイクロレンズ１３０は、シアン画素１１０Ｃの領域から、両側のイエロー画素１１０Ｙの一部領域まで延長されて配置される。図１７に図示されているように、マイクロレンズ１３０は、シアン画素１１０Ｃを中心に、その両側のイエロー画素１１０Ｙの半分ほどまでかかるように形成される。従って、シアン画素１１０Ｃと、その両側のイエロー画素１１０Ｙの一部とに入射する光が、マイクロレンズ１３０によって集光され、シアン画素１１０Ｃの領域にある色分離素子１４０を通過することができる。
【００７３】
色分離素子１４０は、シアン画素１１０Ｃに向かう光において、シアン系の光の比率を上昇させ、その両側のイエロー画素１１０Ｙに向かう光において、イエロー系の光の比率を上昇させるように構成される。例えば、進路の変更なしに、色分離素子１４０を透過した光は、シアンカラーフィルタに達し、色分離素子１４０のエッジ方向に傾くように進行方向が変わった光は、シアンカラーフィルタの両側にあるイエローカラーフィルタに達する。その場合、シアンカラーフィルタに達する光が、図１４のグラフにおいて「１」で表示されたスペクトルを有し、イエローカラーフィルタに達する光が、図１４のグラフにおいて「２」で表示されたスペクトルを有するように、色分離素子１４０が構成される。図１７に図示されたＣＹＧＭカラーフィルタ方式の場合、それぞれのカラーフィルタがＲＧＢカラーフィルタに比べ、さらに広い帯域の波長を通過させるために、吸収損失をさらに減らし、光利用効率がさらに向上する。
【００７４】
図１８は、さらに他の実施形態によるイメージセンサ２００’の画素構造を概略的に示す平面図である。図１７に図示されたイメージセンサ２００と比べると、図１８に図示されたイメージセンサ２００’は、色分離素子１４０が、イエロー画素１１０Ｙの領域に配置されており、マイクロレンズ１３０も、イエロー画素１１０Ｙを中心に配置されているという点において、図１７に図示されたイメージセンサ２００と差がある。従って、図１８に図示されたイメージセンサ２００’において、色分離素子１４０は、進路の変更なしに、色分離素子１４０を透過した光において、イエロー系の光の比率を上昇させ、色分離素子１４０のエッジ方向に傾くように進行方向が変わった光において、シアン系の光の比率を上昇させるように構成される。図１８に図示されたイメージセンサ２００’の残りの構成は、図１７に図示されたイメージセンサ２００と同一である。
【００７５】
図１９は、さらに他の実施形態によるイメージセンサ３００の画素構造を概略的に示す平面図である。図１９に図示されたイメージセンサ３００は、図１１に図示されたイメージセンサ１００と同様に、多数の緑色画素１１０Ｇを有する第１画素行１１０ａと、交互に配列された多数の青色画素１１０Ｂと多数の赤色画素１１０Ｒとを有する第２画素行１１０ｂと、を含んでもよい。図１１に図示されたイメージセンサ１００と比べるとき、図１９に図示されたイメージセンサ３００は、青色画素１１０Ｂ及び赤色画素１１０Ｒに、それぞれ個別的なマイクロレンズ１２０と、色分離素子１４０ａ，１４０ｂとが配置されているという点で、図１１に図示されたイメージセンサ１００と差がある。従って、図１９に図示されたイメージセンサ３００の場合、全ての画素１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂに、同一構造のマイクロレンズ１２０を使用することができる。
【００７６】
図２０は、図１９に図示されたａ−ａ’ラインに沿って、前記イメージセンサ３００の第２画素行１１０ｂを切断した断面図である。図２０を参照すれば、第２画素行１１０ｂは、互いに隣接して配列された多数の光検出素子１１１と、多数の光検出素子１１１の光入射面にそれぞれ相互に配置された多数の赤色カラーフィルタ１１２Ｒ、及び多数の青色カラーフィルタ１１２Ｂと、多数の赤色カラーフィルタ１１２Ｒ及び青色カラーフィルタ１１２Ｂを覆うように配置された透明スペーサ１１３と、青色カラーフィルタ１１２Ｂと対向するように、透明スペーサ１１３内に配置された多数の第１色分離素子１４０ａと、赤色カラーフィルタ１１２Ｒと対向するように透明スペーサ１１３内に配置された多数の第２色分離素子１４０ｂと、入射光を、それぞれの光検出素子１１１に集光するように、透明スペーサ１１３上に配置された多数のマイクロレンズ１２０と、を含んでもよい。多数のマイクロレンズ１２０は、多数の赤色カラーフィルタ１１２Ｒ及び青色カラーフィルタ１１２Ｂとそれぞれ対向するように配置される。
【００７７】
第１色分離素子１４０ａは、対向する青色カラーフィルタ１１２Ｂに向かう光において、青色の比率を上昇させ、両側の赤色カラーフィルタ１１２Ｒに向かう光において、赤色の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変えることができる。また、第２色分離素子１４０ｂは、対向する赤色カラーフィルタ１１２Ｒに向かう光において、赤色の比率を上昇させ、両側の青色カラーフィルタ１１２Ｂに向かう光において、青色の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変えることができる。例えば、第１色分離素子１４０ａを透過し、青色画素１１０Ｂに向かう光は、図１４において「１」で表示されたスペクトル分布を有することができ、第１色分離素子１４０ａを透過し、赤色画素１１０Ｒに向かう光は、図１４において「２」で表示されたスペクトル分布を有することができる。また、第２色分離素子１４０ｂを透過し、赤色画素１１０Ｒに向かう光は、図１４において「２」で表示されたスペクトル分布を有することができ、第２色分離素子１４０ｂを透過し、青色画素１１０Ｂに向かう光は、図１４において「１」で表示されたスペクトル分布を有することができる。
【００７８】
イメージセンサ３００の光利用効率をさらに向上させるために、第１色分離素子１４０ａ及び第２色分離素子１４０ｂは、それぞれ図２１及び図２２に図示された色分離スペクトルを有することができる。例えば、第１色分離素子１４０ａを透過し、青色画素１１０Ｂに向かう光は、図２１において「１」で表示されたスペクトル分布を有し、第１色分離素子１４０ａを透過し、赤色画素１１０Ｒに向かう光は、図２１において「２」で表示されたスペクトル分布を有することができる。また、第２色分離素子１４０ｂを透過し、赤色画素１１０Ｒに向かう光は、図２１において「３」で表示されたスペクトル分布を有し、第２色分離素子１４０ｂを透過し、青色画素１１０Ｂに向かう光は、図２１において「４」で表示されたスペクトル分布を有することができる。
【００７９】
図２３は、さらに他の実施形態によるイメージセンサ４００の画素構造を概略的に示す平面図である。図２３に図示されたイメージセンサ４００は、交互に配列された多数の緑色画素１１０Ｇと多数の青色画素１１０Ｂとを有する第１画素行１１０ａと、交互に配列された多数の緑色画素１１０Ｇと多数の赤色画素１１０Ｒとを有する第２画素行１１０ｂと、多数の青色カラーフィルタ１１２Ｂとそれぞれ対向するように配置された多数の第１色分離素子１４０ａと、多数の赤色カラーフィルタ１１２Ｒとそれぞれ対向するように配置された多数の第２色分離素子１４０ｂと、を含んでもよい。
【００８０】
また、同一構造のマイクロレンズ１３０が、それぞれ青色画素１１０Ｂ及び赤色画素１１０Ｒを中心に配置される。例えば、第１画素行１１０ａにおいて、マイクロレンズ１３０は、青色画素１１０Ｂの領域を中心に、その両側の緑色画素１１０Ｇの一部領域まで延長されて配置される。従って、青色画素１１０Ｂと、その両側の緑色画素１１０Ｇの一部とに入射する光が、第１画素行１１０ａのマイクロレンズ１３０によって集光され、第１色分離素子１４０ａを通過することができる。そして、第２画素行１１０ｂでは、マイクロレンズ１３０が、赤色画素１１０Ｒの領域を中心に、その両側の緑色画素１１０Ｇの一部領域まで延長されて配置される。従って、赤色画素１１０Ｒと、その両側の緑色画素１１０Ｇの一部とに入射する光が、第２画素行１１０ｂのマイクロレンズ１３０によって集光され、第２色分離素子１４０ｂを通過することができる。
【００８１】
前記第１色分離素子１４０ａは、対向する青色画素１１０Ｂに向かう光において、青色の比率を上昇させ、両側の緑色画素１１０Ｇに向かう光において、緑色の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変えることができる。また、前記第２色分離素子１４０ｂは、対向する赤色画素１１０Ｒに向かう光において、赤色の比率を上昇させ、両側の緑色画素１１０Ｇに向かう光において、緑色の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変えることができる。例えば、第１色分離素子１４０ａを透過して青色画素１１０Ｂに向かう光は、図１４において「１」で表示されたスペクトル分布を有することができ、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、図１４において「２」で表示されたスペクトル分布を有することができる。また、第２色分離素子１４０ｂを透過し、赤色画素１１０Ｒに向かう光は、図１４において「２」で表示されたスペクトル分布を有することができ、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、図１４において「１」で表示されたスペクトル分布を有することができる。従って、本実施形態によるイメージセンサ４００は、緑色光に対しても、光利用効率を向上させることができる。
【００８２】
イメージセンサ４００の光利用効率をさらに向上させるために、第１色分離素子１４０ａ及び第２色分離素子１４０ｂは、それぞれ図２４及び図２５に図示された色分離スペクトルを有することもできる。例えば、図２４を参照すれば、第１色分離素子１４０ａを透過し、青色画素１１０Ｂに向かう光は、「１」で表示されたスペクトル分布を有することができ、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、「２」で表示されたスペクトル分布を有することができる。また、図２５を参照すれば、第２色分離素子１４０ｂを透過し、赤色画素１１０Ｒで進む光は、「３」で表示されたスペクトル分布を有することができ、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、「４」で表示されたスペクトル分布を有することができる。図２４及び図２５で、１１２Ｒで表示された点線ボックスは、赤色カラーフィルタ１１２Ｒの透過帯域であり、１１２Ｂで表示された点線ボックスは、青色カラーフィルタ１１２Ｂの透過帯域であり、１１２Ｇで表示された点線ボックスは、緑色カラーフィルタ１１２Ｇの透過帯域を例示的に示す。
【００８３】
図２６は、さらに他の実施形態によるイメージセンサ４００’の画素構造を概略的に示す平面図である。図２６に図示されたイメージセンサ４００’は、交互に配列された多数の緑色画素１１０Ｇと多数の青色画素１１０Ｂとを有する第１画素行１１０ａと、交互に配列された多数の緑色画素１１０Ｇと多数の赤色画素１１０Ｒとを有する第２画素行１１０ｂと、多数の青色カラーフィルタ１１２Ｂとそれぞれ対向するように配置された多数の第１色分離素子１４０ａと、多数の緑色カラーフィルタ１１２Ｇとそれぞれ対向するように配置された多数の第２色分離素子１４０ｂと、を含んでもよい。図２５に図示されたイメージセンサ４００と比べるとき、図２６に図示されたイメージセンサ４００’は、多数の第２色分離素子１４０ｂが、多数の緑色画素１１０Ｇに配置されているという点で、図２５に図示されたイメージセンサ４００と差がある。また、第２画素行１１０ｂにおいて、マイクロレンズ１３０は、緑色画素１１０Ｇの領域を中心に、その両側の赤色画素１１０Ｒの一部領域まで延長されて配置される。
【００８４】
第１色分離素子１４０ａは、対向する青色画素１１０Ｂに向かう光において、青色の比率を上昇させ、両側の緑色画素１１０Ｇに向かう光において、緑色の比率を上昇させることができる。また、第２色分離素子１４０ｂは、対向する緑色画素１１０Ｇに向かう光において、緑色の比率を上昇させ、両側の赤色画素１１０Ｒに向かう光において、赤色の比率を上昇させることができる。本実施形態で、第１色分離素子１４０ａ及び第２色分離素子１４０ｂは、同一構造を有することができる。例えば、第１色分離素子１４０ａを透過し、青色画素１１０Ｂに向かう光は、図１４において「１」で表示されたスペクトル分布を有することができ、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、図１４において「２」で表示されたスペクトル分布を有することができる。また、第２色分離素子１４０ｂを透過し、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、図１４において「１」で表示されたスペクトル分布を有することができ、赤色画素１１０Ｒに向かう光は、図１４において「２」で表示されたスペクトル分布を有することができる。
【００８５】
一般的に、短い波長の光を正面に透過させ、長い波長の光をエッジに屈折させるように色分離素子を構成することが、その反対の場合より効率的に動作することができる。従って、第２画素行１１０ｂにおいて、第２色分離素子１４０ｂが、緑色画素１１０Ｇに配置された構成を有するイメージセンサ４００’の光利用効率がさらに向上する。
【００８６】
一方、第１色分離素子１４０ａと第２色分離素子１４０ｂは、異なる構造を有することもできる。例えば、第１色分離素子１４０ａを透過し、青色画素１１０Ｂに向かう光は、図２４において「１」で表示されたスペクトル分布を有することができ、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、図２４において「２」で表示されたスペクトル分布を有することができる。また、第２色分離素子１４０ｂを透過し、緑色画素１１０Ｇに進む光は、図２５において「４」で表示されたスペクトル分布を有することができ、赤色画素１１０Ｒに向かう光は、図２５において「３」で表示されたスペクトル分布を有することもできる。
【００８７】
以上、本発明の理解の一助とするために、色分離素子、及び該色分離素子を含むイメージセンサに係わる例示的な実施形態について説明し、添付された図面に図示した。しかし、かような実施形態は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明を制限するものではないという点が理解されなければならないのである。本発明は、図示されて説明された説明に限られるものではないという点が理解されなければならない。それは、多様な他の変形が、本技術分野で当業者によって可能であるからである。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の色分離素子、及び該色分離素子を含むイメージセンサは、例えば、カラー表示関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１０，２０，３０，１４０，１４０ａ，１４０ｂ  色分離素子、
１１  透明バー、
１００，１００’，２００，２００’，３００，４００，４００’  イメージセンサ、
１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂ，１１０Ｍ，１１０Ｃ，１１０Ｙ  画素、
１１０ａ  第１画素行、
１１０ｂ  第２画素行、
１１１  光検出素子、
１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ  カラーフィルタ、
１１３  透明スペーサ、
１２０，１３０  マイクロレンズ。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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