(57)【要約】【課題】各受光素子の光子利用効率を高くし、偽色の発生をなくして、画質を向上させた固体撮像素子の色分解装置を提供する。【解決手段】入射光はマイクロレンズ１１によって開口部１２に集光される。開口部１２を通過した光は、第１ダイクロイックミラー１３に達する。第１ダイクロイックミラー１３は、青色の光を透過し、緑と赤の光を反射する。青の光だけが第１受光面１６に入射する。第１ダイクロイックミラー１３により、緑と赤の光は、第２ダイクロイックミラー１４に導かれる。第２ダイクロイックミラー１４は、緑の光を透過し、赤の光を反射する。緑の光だけが第２受光面１７に入射する。第２ダイクロイックミラー１４によって、赤の光は第３ダイクロイックミラー１５に導かれる。第３ダイクロイックミラー１５は、赤の光を反射する特性を持っている。したがって、赤の光が第３受光面１８に入射する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスク層に設けられた開口部に光を集めるマイクロレンズと、
前記マイクロレンズで集光された光を開口部を通して受光し、光の波長により透過と反射を振り分ける第１の光学素子と、
前記第１の光学素子を透過した光を受光する第１の受光面と、
前記第１の光学素子において反射された光を受光し、前記第１の光学素子とは異なる光の波長により透過と反射を振り分ける第２の光学素子と、
前記第２の光学素子で反射された光を受光する第２の受光面と、
前記第２の光学素子を透過した光を受光して反射する第３の光学素子と、
前記第３の光学素子で反射された光を受光する第３の受光面と
を備えていることを特徴とする固体撮像素子の色分解装置。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子の色分解装置において、
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子は、ダイクロイックミラーであることを特徴とする固体撮像素子の色分解装置。
【請求項３】
マスク層に設けられた開口部に光を集めるマイクロレンズと、
前記マイクロレンズで集光された光を開口部を通して受光し、光の波長により透過と反射を振り分ける第１の光学素子と、
前記第１の光学素子を透過した光を受光する第１の受光面と、
前記第１の光学素子において反射された光を受光し、前記第１の光学素子とは異なる光の波長により透過と反射を振り分ける第２の光学素子と、
前記第２の光学素子で反射された光を受光する第２の受光面と、
前記第２の光学素子を透過した光を受光し、前記第１、第２の光学素子とは異なる光の波長により透過と反射を振り分ける第３の光学素子と、
前記第３の光学素子で反射された光を受光する第３の受光面と
を備えていることを特徴とする固体撮像素子の色分解装置。
【請求項４】
請求項３記載の固体撮像素子の色分解装置において、
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子と前記第３の光学素子は、ダイクロイックミラーであることを特徴とする固体撮像素子の色分解装置。
【請求項５】
請求項３に記載の固体撮像素子の色分解装置において、
前記第３の光学素子は、赤の光を反射し、赤外光を吸収することを特徴とする固体撮像素子の色分解装置。
【請求項６】
請求項１又は請求項３に記載の固体撮像素子の色分解装置において、
前記第１の光学素子は青の光を透過して前記第１の受光面へと導き、さらに緑と赤の光を反射して前記第２の光学素子へ導くことを特徴とする固体撮像素子の色分解装置。
【請求項７】
請求項６記載の固体撮像素子の色分解装置において、
前記第２の光学素子は、緑の光を反射して前記第２の受光面へと導き、さらに赤の光を透過して前記第３の光学素子へ導くことを特徴とする固体撮像素子の色分解装置。
【請求項８】
請求項７記載の固体撮像素子の色分解装置において、
前記第３の光学素子は、赤の光を反射することを特徴とする固体撮像素子の色分解装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子の色分解装置に関するものであり、特に色分解の効率を高めて固体撮像素子の感度を向上させ、偽色のない画像を提供するのに好適な固体撮像素子の色分解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カラービデオカメラなどのカラー撮像装置において、光源からの光を三原色に分解するいわゆる色分解装置には、主に二つの方式が用いられてきた。
第１は、三色色分解ダイクロイックプリズム方式（３板式）である。３板式は、３枚のプリズムと空気層、および複数のダイクロイックフィルタ（例えば、赤色反射および青色反射フィルタ）から構成される色分解装置を用いて、色分解された入射光を３つのＣＣＤに照射するものである。（例えば、特許文献１参照）
第２は、ＣＣＤの各受光面に原色もしくは補色の色分解フィルタを配列した方式（単板式）である。（例えば、特許文献２参照）
前記３板式の色分解装置は、光学系の構造が複雑で大型となり、高価になる。これに対して、単板式の色分解装置は、簡単、小型、安価であるという利点がある。したがって、ビデオカメラや、デジタルスチルカメラなどにおいは、通常、単板式の色分解装置が用いられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１６８０２３号公報（図２）
【特許文献２】
特開平６−１４１３２７号公報（第２頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように、３板式よりも単板式の色分解装置が多く用いられている。しかし、単板式の色分解装置には、次のような問題点がある。
【０００５】
第１に、ＣＣＤの前面に色分解フィルタを設けているため、光子利用効率が低い。そのため、ＣＣＤの感度が低いという問題点がある。
第２に、ＣＣＤの前面には、ＣＣＤの各受光面毎に異なる色のフィルタ（赤、緑、青）が設けられている。例えば、良く知られたベイヤー配列による色分解フィルタが設けられている。したがって、赤、緑、青のＣＣＤにおける各受光面が空間的に異なる位置に配置され、各受光面を利用する各受光素子から出力されるデータを補間して色を再現するため、本来存在しない偽色と呼ばれる色が発生するという問題点がある。
【０００６】
前記問題点について、さらに詳しく説明する。
図５は従来の単板式による色分解装置の断面図であり、図６は図５に示す従来の単板式による色分解装置の色分解フィルタの分光透過特性を示す図である。
図５に示すように、マイクロレンズ１で集光された入射光は、マスク層３の開口部２に設けられたカラーフイルタ４、５、６を通して受光面７、８、９に入射される。カラーフイルタ４は青色（Ｂ）カラーフイルタであり、カラーフイルタ５は赤色（Ｒ）カラーフイルタであり、カラーフイルタ６は緑色（Ｇ）カラーフイルタである。青色（Ｂ）カラーフィルタ４に入射した光は、緑と青の光がカラーフィルタ４により吸収されるため、青色（Ｂ）の光のみ受光面７に達する。したがって、受光面７を利用する受光素子は青（Ｂ）の光を受けて光電変換する。同様に、受光面８を利用する受光素子は赤（Ｒ）の光を受けて光電変換し、受光面９を利用する受光素子は緑（Ｇ）の光を受けて光電変換する。
【０００７】
以上の説明から明らかなように、例えば赤の受光面８を利用する受光素子の場合、緑および青の光は光電変換に寄与しないので、光子利用効率が低くなる。緑、青の受光面７、９を利用する受光素子の場合も同様である。
また、従来の色分解装置では、図５に示すように、青、赤、緑の各受光面７、８、９は空間的に異なる位置に存在する。したがって、隣接する色（画素）と色（画素）とに輝度の境界があると、偽色と呼ばれる被写体には存在しない色が画像に生じる。すなわち、従来技術においては、例えば隣接する受光素子の相関をとって色補間を行っているので、黒の隣に白が存在するとき、本来は存在しないグレイが偽色として現れる。この偽色を抑制するため、光学的ローパスフィルタや、画像信号処理などの偽色抑制手段を用いる必要があり、固体撮像素子を用いる装置のコストが上昇するなどの問題点があった。
【０００８】
また、このような偽色抑制手段を用いても、偽色を十分に抑制できないこともあり、画像の鮮鋭度が損なわれるなどの問題点があった。
本発明の目的は、各光電変換素子の光子利用効率を高くすることが可能な固体撮像素子の色分解装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、偽色の発生をなくし、画質を向上させることが可能な固体撮像素子の色分解装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の固体撮像素子の色分解装置は、マスク層に設けられた開口部に光を集めるマイクロレンズと、前記マイクロレンズで集光された光を開口部を通して受光し、光の波長により透過と反射を振り分ける第１の光学素子と、前記第１の光学素子を透過した光を受光する第１の受光面と、前記第１の光学素子において反射された光を受光し、前記第１の光学素子とは異なる光の波長により透過と反射を振り分ける第２の光学素子と、前記第２の光学素子で反射された光を受光する第２の受光面と、前記第２の光学素子を透過した光を受光して反射する第３の光学素子と、前記第３の光学素子で反射された光を受光する第３の受光面とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
請求項１記載の発明によれば、マイクロレンズで集光された光は、色フィルタにより吸収されることなく、第１から第３の受光面へと導かれる。したがって、光子利用効率が高まり、固体撮像素子の感度が向上する。また、第１から第３の受光面に導かれる光は同じ開口部を通過した光であり、空間的に同じ位置にあるため、偽色は発生しない。
【００１１】
請求項２記載の固体撮像素子の色分解装置は、請求項１記載の固体撮像素子の色分解装置において、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子は、ダイクロイックミラーであることを特徴とする。
請求項３記載の固体撮像素子の色分解装置は、マスク層に設けられた開口部に光を集めるマイクロレンズと、前記マイクロレンズで集光された光束を開口部を通して受光し、光の波長により透過と反射を振り分ける第１の光学素子と、前記第１の光学素子を透過した光を受光する第１の受光面と、前記第１の光学素子において反射された光を受光し、前記第１の光学素子とは異なる光の波長により透過と反射を振り分ける第２の光学素子と、前記第２の光学素子で反射された光を受光する第２の受光面と、前記第２の光学素子を透過した光を受光し、前記第１、第２の光学素子とは異なる光の波長により透過と反射を振り分ける第３の光学素子と、前記第３の光学素子で反射された光を受光する第３の受光面とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、請求項１について記載した事項に加えて、第３の光学素子が第１、第２の光学素子とは異なる波長の光を反射するため、例えば前記異なる波長の光が赤外光である場合、第３の受光面に赤外光が入射するのを阻止することができる。
請求項４記載の固体撮像素子の色分解装置は、請求項３記載の固体撮像素子の色分解装置において、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子と前記第３の光学素子は、ダイクロイックミラーであることを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の固体撮像素子の色分解装置は、請求項３に記載の固体撮像素子の色分解装置において、前記第３の光学素子は、赤の光を反射し、赤外光を吸収することを特徴とする。
請求項５記載の発明によれば、赤外光である場合、第３の受光面に赤外光が入射するのを阻止することができる。
【００１４】
請求項６記載の固体撮像素子の色分解装置は、請求項１又は請求項３に記載の固体撮像素子の色分解装置において、前記第１の光学素子は青の光を透過して前記第１の受光面へと導き、さらに緑と赤の光を反射して前記第２の光学素子へ導くことを特徴とする。
請求項７記載の固体撮像素子の色分解装置は、請求項６記載の固体撮像素子の色分解装置において、前記第２の光学素子は、緑の光を反射して前記第２の受光面へと導き、さらに赤の光を透過して前記第３の光学素子へ導くことを特徴とする。
【００１５】
請求項８記載の固体撮像素子の色分解装置は、請求項７記載の固体撮像素子の色分解装置において、前記第３の光学素子は、赤の光を反射することを特徴とする。
請求項６から請求項８に記載の発明によれば、赤色、青色、緑色の各光は、同じ開口部を通過した光であり、空間的に同じ位置に存在した光であるため、偽色が発生することはない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。この実施の形態は、請求項１から請求項８に記載の発明に対応する。
図１は、本発明の固体撮像素子の色分解装置の一実施の形態を示す断面図である。図１に示す実施の形態において、色分解装置は色分解素子としてダイクロイックミラーを含むものとして説明する。
【００１７】
図１に示すように、入射光はマイクロレンズ１１によって開口部１２に集光される。
開口部１２を通過した光は、第１ダイクロイックミラー１３に達する。第１ダイクロイックミラー１３は、青色（Ｂ）の光を透過し、緑（Ｇ）および赤（Ｒ）の光を反射する特性を持っている。したがって、青色（Ｂ）の光だけが、第１受光面１６に入射する。第１受光面に入射する青色（Ｂ）の光は、図示しない光電変換素子（ＣＣＤ）によって、電気信号に変換される。
【００１８】
第１ダイクロイックミラー１３により、緑（Ｇ）および赤（Ｒ）の光は、第２ダイクロイックミラー１４に導かれる。第２ダイクロイックミラー１４は、緑色（Ｇ）の光を透過し、赤色（Ｒ）の光を反射する特性を持っている。したがって、緑色（Ｇ）の光だけが、第２受光面１７に入射する。第２受光面１７に入射する緑色（Ｇ）の光は、図示しない光電変換素子（ＣＣＤ）によって、電気信号に変換される。
【００１９】
第２ダイクロイックミラー１４によって、赤色（Ｒ）の光は第３ダイクロイックミラー１５に導かれる。第３ダイクロイックミラー１５は、少なくとも赤色（Ｒ）の光を反射する特性を持っている。したがって、赤色（Ｒ）の光だけが、第３受光面１８に入射する。第３受光面１８に入射する赤色（Ｒ）の光は、図示しない光電変換素子（ＣＣＤ）によって、電気信号に変換される。
【００２０】
なお、図１に示す第３のダイクロイックミラーは、赤外光を反射する作用を有するものでもよい。これにより、光電変換における赤外光の影響を除去することができる。同様に、図１に示す第３のダイクロイックミラーは、赤外光を吸収する作用を有するものでもよい。このように、赤外光を反射したり、赤外光を吸収するようにすれば、特別な赤外光遮断フィルタを色分解装置に設ける必要がない。
【００２１】
なお、第１から第３の受光面１６、１７、１８は、図示していないが、ＣＣＤの各光電変換素子（１画素）に電気的に接続されている。
また、図１に示す実施の形態（断面図）では図示していないが、マイクロレンズ１１、マスク層３、第１〜第３のダイクロイックミラー１３、１４、１５、第１から第３の受光面１６、１７、１８は、樹脂等により固められ、一体化されている。
【００２２】
図２は、図１に示す第１ダイクロイックミラー１３における青色（Ｂ）の光の透過率と、赤色（Ｒ）の光および緑色（Ｇ）の光の反射率を示す図である。図示するように、第１ダイクロイックミラー１３は、青色（Ｂ）の光を透過し、赤色（Ｒ）の光および緑色（Ｇ）の光を反射する特性を有している。
図３は、図１に示す第２ダイクロイックミラー１４における赤色（Ｒ）の光の透過率と、緑色（Ｇ）の光の反射率を示す図である。図示するように、第２ダイクロイックミラー１４は、赤色（Ｒ）の光を透過し、緑色（Ｇ）の光を反射する特性を有している。
【００２３】
図２と図３から、ダイクロイックミラー１３、１４の働きにより、入射光が透過光と反射光に分離されることがわかる。
図４は、図１に示す固体撮像素子の色分解装置の上面図である。図示するように、マイクロレンズ１１は、３つの受光面１６、１７、１８をカバーする面積を有する。そして、マイクロレンズ１１は、本来ならば３つの受光面１６、１７、１８に照射される全ての光を、第１受光面１６に設けられた開口部１２に集光する。したがって、マイクロレンズ１１の働きにより、３つの受光面１６、１７、１８に照射される光が、開口部１２に集光されるため、開口部１２が３つの受光面１６、１７、１８について１つしか設けられていなくても、光子利用率が低下することはない。
【００２４】
また、本実施の形態によれば、青色（Ｂ）の光と緑色（Ｇ）の光と赤色（Ｒ）の光を完全に分離して、ＣＣＤの独立した各受光面１６、１７、１８に照射することができるので、偽色が生じることがない。また、従来技術において必要であった各画素間における補間による色の形成が不要になる。
さらに、本実施の形態における受光面は、従来の受光面と比較して、青色（Ｂ）の光と緑色（Ｇ）の光と赤色（Ｒ）の光を効率よく受けることができるので、低照度であっても、手ぶれや被写体ぶれをしにくい、デジタルスチルカメラやビデオカメラなどの固体撮像素子の色分解装置を提供することができる。
【００２５】
また、光電変換によって得られた電気信号を増幅して、従来の光電変換素子と同感度とした場合、ノイズの少ない画像信号を提供することができる。
また、補間による色の形成が不要になるため、原理的に偽色が発生しない。したがって、信号処理回路などを用いて偽色補正処理（通常は補間処理と同時に実施される）を実施する必要がない。そこで、本実施の形態における固体撮像素子の色分解装置を用いた場合、高画質と低価格を両立し、かつ消費電力の少ない撮像装置を提供することができる。
【００２６】
なお、以上の説明では、ダイクロイックミラーを例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ダイクロイックプリズム、ダイクロイックミラーとフィルタを組み合わせた素子等においても実現することがきる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、受光素子の光子利用効率を高くすることが可能な固体撮像素子の色分解装置を提供することができる。
【００２８】
また、本発明によれば、偽色の発生をなくし、画質を向上させることが可能な固体撮像素子の色分解装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像素子の色分解装置の一実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す第１ダイクロイックミラー１３における青色（Ｂ）の光の透過率と、赤色（Ｒ）の光および緑色（Ｇ）の光の反射率を示す図である。
【図３】図１に示す第２ダイクロイックミラー１４における赤色（Ｒ）の光の透過率と、緑色（Ｇ）の光の反射率を示す図である。
【図４】図１に示す固体撮像素子の色分解装置の上面図である。
【図５】従来の単板式による色分解装置の断面図である。
【図６】図５に示す従来の単板式による色分解装置の色分解フィルタの分光透過特性を示す図である。
【符号の説明】
１、１１  マイクロレンズ
２、１２  開口部
３  マスク層
４  青色（Ｂ）カラーフイルタ
５  赤色（Ｒ）カラーフイルタ
６  緑色（Ｇ）カラーフイルタ
７，８，９  受光面
１３  第１ダイクロイックミラー
１４  第２ダイクロイックミラー
１５  第３ダイクロイックミラー
１６  第１受光面
１７  第２受光面
１８  第３受光面
【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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