(57)【要約】【課題】本発明は、輝度情報及びカラー情報を十分に取得することができ、高感度と良好な色再現性を両立できる積層型撮像素子を提供することを目的とする。【解決手段】入力光を受光し、光学像の輝度成分を取得する第１の撮像素子１０と、  該第１の撮像素子の背面側に配置され、該第１の撮像素子を透過した透過光を受光し、前記光学像の色成分を取得する第２の撮像素子７０とを有し、  前記第２の撮像素子のサブピクセル７１の面積は、前記第１の撮像素子のピクセル１１の面積の２倍、３倍又は４倍であることを特徴とする【選択図】図２
2012084649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を受光し、光学像の輝度成分を取得する第１の撮像素子と、
該第１の撮像素子の背面側に配置され、該第１の撮像素子を透過した透過光を受光し、前記光学像の色成分を取得する第２の撮像素子とを有し、
前記第２の撮像素子のサブピクセルの面積は、前記第１の撮像素子のピクセルの面積の２倍、３倍又は４倍であることを特徴とする積層型撮像素子。
【請求項２】
前記第２の撮像素子の前記サブピクセル間の境界線が、前記第１の撮像素子の前記ピクセル間の境界線に重なるように前記第２の撮像素子の前記サブピクセルが配置されたことを特徴とする請求項１に記載の積層型撮像素子。
【請求項３】
前記第２の撮像素子の前記サブピクセルは、垂直方向のサイズが水平方向のサイズの２倍、３倍又は４倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層型撮像素子。
【請求項４】
前記第２の撮像素子の前記サブピクセルは、同一色用の前記サブピクセルが同一列に配置されたストライプ配列であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の積層型撮像素子。
【請求項５】
前記第１の撮像素子の光透過率は、３０〜６０％であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の積層型撮像素子。
【請求項６】
前記第１の撮像素子は、可視領域の総ての波長領域において感度を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の積層型撮像素子。
【請求項７】
前記第１の撮像素子は、光電変換膜を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の積層型撮像素子。
【請求項８】
前記第１の撮像素子よりも前記入力光の入射側寄りに撮影レンズを更に有し、
該撮影レンズの焦点は、前記第１の撮像素子に合わせたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の積層型撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型撮像素子に関し、特に、光学像の輝度成分を取得する第１の撮像素子と、光学像の色成分を取得する第２の撮像素子とを有する積層型撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ビデオカメラやデジタルスチルカメラに用いられ、小型軽量で信頼性に優れる電荷結合素子（Charge  Coupled  Device：ＣＣＤ）や、相補型金属−酸化物半導体（Complementary  Metal-Oxide  Semiconductor：ＣＭＯＳ）等の固体撮像素子が知られている。かかる固体撮像素子からカラー画像を取得する場合には、予め色成分に分離された光を、固体撮像素子に入射する必要がある。カラー撮像の色分離方式については種々の方法が知られているが、１枚の固体撮像素子を用い、その受光面に設けられた画素毎に、複数種類の色フィルタを離散的に設けた構造の単板カラー撮像方式が主流となっている。
【０００３】
図１は、そのような、従来から利用されている単板カラー撮像方式の一例を示した図である。図１に示す単板カラー撮像方式は、光の３原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を透過するフィルタをストライプ状に配置し、ＲＧＢの各サブピクセル１個ずつで１画素を形成した構成のＲＧＢストライプ方式となっている。
【０００４】
しかしながら、かかるＲＧＢストライプ方式では、１画素に入射する光量のうち、各サブピクセルで利用できる割合は、面積で全体の１／３である。また、各サブピクセルには、Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれか１色しか入射しないため、各色に対応する波長以外の光はカットされ、波長でも全体の１／３となる。結局、各サブピクセルでは、１画素に入射する光量の１／３×１／３＝１／９しか利用できないことになる。ここで、利用できる光量の減少は、特に低照度下での感度低下の原因となる。加えて、特に近年、撮像素子の画素ピッチの微細化が進んでおり、画素サイズが小さくなると、１画素に入る光の強度自体が減少することから、感度低下は大きな問題となっている。
【０００５】
この問題を解決するため、撮像素子を２層構造とし、上部素子で色成分を取得し、下部素子で輝度成分を取得する方法を用いたカラー撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このカラー撮像装置では、上部素子にＲ、Ｇ、Ｂの色成分のみに感度を有するとともに、光吸収率が１０〜５０％程度である有機光電変換膜を離散的に配置し、下部素子には一般的な撮像素子として用いられているＣＭＯＳイメージセンサ等を配置している。そして、上部素子で色成分を取得し、下部素子で、上部素子の有機光電変換膜を透過した５０〜９０％の光成分を、輝度成分として取得する構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１３０２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の特許文献１に記載の構成では、上部素子でＲ、Ｇ、Ｂ成分の一部が吸収されるため、下部素子では、Ｒ、Ｇ、Ｂ成分の一部が欠落した情報が輝度成分として取得されることになり、入射光像本来の輝度成分を再現することが難しいという問題があった。
【０００８】
また、特許文献１に記載の構成において、１画素に入射する光量のうち、各サブピクセルで利用できる割合を、上部素子の透過率が５０％、上部素子の色分離配列がＲＧＢストライプ方式の場合で考えると、上部素子と下部素子の画素数が一致した構造であることから、下部輝度素子では１／２の利用率である一方、上部色素子では１／６（光量で１／２、面積で１／１、波長で１／３）に留まる。このため、色素子での光利用率が必ずしも十分でなく、特に低照度時における色再現性等が十分でない等の問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、輝度情報及びカラー情報を十分に取得することができ、高感度と良好な色再現性を両立できる積層型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】
【００１０】
上記目的を達成するため、第１の発明に係る積層型撮像素子は、入射光を受光し、光学像の輝度成分を取得する第１の撮像素子と、
該第１の撮像素子の背面側に配置され、該第１の撮像素子を透過した透過光を受光し、前記光学像の色成分を取得する第２の撮像素子とを有し、
前記第２の撮像素子のサブピクセルの面積は、前記第１の撮像素子のピクセルの面積の２倍、３倍又は４倍であることを特徴とする
これにより、入射光の色成分に変化が生じない段階で輝度成分を取得することができるため、十分に輝度成分を取得することができるとともに、面積の大きなサブピクセルを有する第２の撮像素子を用いて色成分の１サブピクセル当たりの光量を高めることができ、高感度と良好な色再現性を両立させることができる。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明に係る積層型撮像素子において、
前記第２の撮像素子の前記サブピクセル間の境界線が、前記第１の撮像素子の前記ピクセル間の境界線に重なるように前記第２の撮像素子の前記サブピクセルが配置されたことを特徴とする。
【００１２】
これにより、第１の撮像素子と第２の撮像素子のバランス調整を容易に行うことができ、撮像時の色成分の演算処理を容易に行うことができる。
【００１３】
第３の発明は、第１又は第２の発明に係る積層型撮像素子において、
前記第２の撮像素子の前記サブピクセルは、垂直方向のサイズが水平方向のサイズの２倍、３倍又は４倍であることを特徴とする。
【００１４】
これにより、色成分取得用のサブピクセルを、縦長の形状とし、各色間の成分調整を行い易い画素形状とすることができる。
【００１５】
第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明に係る積層型撮像素子において、
前記第２の撮像素子の前記サブピクセルは、同一色用の前記サブピクセルが同一列に配置されたストライプ配列であることを特徴とする。
【００１６】
これにより、各色成分間の調整を行い易いストライプ型のサブピクセル配列とすることができ、色成分の調整を容易に行うことができる。
【００１７】
第５の発明は、第１〜４のいずれかの発明に係る積層型撮像素子において、
前記第１の撮像素子の光透過率は、３０〜６０％であることを特徴とする。
【００１８】
これにより、輝度用素子で利用する入射光の光量と、色用素子で利用する光量をバランス良く調整することができ、高感度と良好な色再現性を両立させて実現することができる。
【００１９】
第６の発明は、第１〜５のいずれかの発明に係る積層型撮像素子において、
前記第１の撮像素子は、可視領域の総ての波長領域において感度を有することを特徴とする。
【００２０】
これにより、可視領域の総ての波長領域について輝度情報を取得することができ、実物に対して再現性の高い画像を取得することができる。
【００２１】
第７の発明は、第１〜６のいずれかの発明に係る積層型撮像素子において、
前記第１の撮像素子は、光電変換膜を含むことを特徴とする。
【００２２】
第８の発明は、第１〜７のいずれかの発明に係る積層型撮像素子において、
前記第１の撮像素子よりも前記入力光の入射側寄りに撮影レンズを更に有し、
該撮影レンズの焦点は、前記第１の撮像素子に合わせたことを特徴とする。
【００２３】
これにより、適切な焦点深度を設定することができ、第１の撮像素子と第２の撮像素子の間隔を適切に定めることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、光学像の輝度成分と色成分をバランスよく取得することができ、高感度と良好な色再現性を両立させて撮像を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来から利用されている単板カラー撮像方式の一例を示した図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る積層型撮像素子の一例の全体構成図である。図２（Ａ）は、実施形態１に係る積層型撮像素子の一例の側面構成図である。図２（Ｂ）は、実施形態１に係る積層型撮像素子の輝度用素子のピクセルの平面構成図である。図２（Ｃ）は、実施形態１に係る積層型撮像素子の色用素子のサブピクセルの平面構成図である。
【図３】本実施形態に係る積層型撮像素子の入力像の焦点についての説明図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る積層型撮像素子の一例の平面構成図である。図４（Ａ）は、実施形態２に係る積層型撮像素子の輝度用素子のピクセルの平面構成図である。図４（Ｂ）は、実施形態２に係る積層型撮像素子の色用素子のサブピクセルの平面構成図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る積層型撮像素子の一例の平面構成図である。図５（Ａ）は、実施形態３に係る積層型撮像素子の輝度用素子のピクセルの平面構成図である。図５（Ｂ）は、実施形態３に係る積層型撮像素子の色用素子のサブピクセルの平面構成図である。
【図６】本発明の実施形態４に係る積層型撮像素子の一例の断面構成図である。
【図７】本発明の実施形態５に係る積層型撮像素子の一例の断面構成図である。
【図８】本発明の実施形態６に係る積層型撮像素子の一例の断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【００２７】
〔実施形態１〕
図２は、本発明の実施形態１に係る積層型撮像素子の一例の全体構成を示した図である。図２（Ａ）は、実施形態１に係る積層型撮像素子の一例の側面構成を示した図である。
【００２８】
図２（Ａ）において、実施形態１に係る積層型撮像素子は、輝度用素子１０と、色用素子７０とを備える。輝度用素子１０は、光の入射側に配置されており、入射光を受光する。色用素子７０は、輝度用素子１０の背面側に配置されており、輝度用素子１０を透過した透過光を受光するように構成されている。
【００２９】
実施形態１に係る積層形撮像素子は、輝度用素子１０を入射光側に配置し、その背面に色用素子７０を配置したことで、まず輝度成分を輝度用素子１０で優先的に取得することができる。これにより、十分な輝度信号を取得することができる。また、輝度用素子１０では、入射光の総ての波長領域からほぼ一様に輝度成分を取得するため、入射光の波長成分の比率は維持したまま、透過光を出力することができる。よって、輝度用素子１０の透過光を受光する色用素子７０は、利用できる光量は減少するものの、各色の波長領域における光量分布は一定であるので、入射光の波長分布に基づいて色成分を取得することができ、各色間におけるバランスを適切に保った状態で色成分を取得することができる。
【００３０】
図２（Ｂ）は、実施形態１に係る積層型撮像素子の輝度用素子１０のピクセル１１の平面構成の一例を示した図であり、図２（Ｃ）は、実施形態１に係る積層型撮像素子の色用素子７０のサブピクセル７１の平面構成の一例を示した図である。
【００３１】
図２（Ｂ）に示すように、輝度用素子１０は、３Ｎ×３Ｍ画素（Ｎ、Ｍは自然数）のピクセル（画素）１１で構成される。一方、図２（Ｃ）に示すように、色用素子７０は、３Ｎ×Ｍ画素のサブピクセル（副画素）７１で構成され、１つのサブピクセル７１の面積は、輝度用素子のピクセル１１の３倍の大きさとなっている。
【００３２】
色用素子７０の各サブピクセル７１の前面には、同色のＲ、Ｇ又はＢのカラーフィルタをストライプ状に形成している。よって、各色のサブピクセル７１の数は、Ｎ×Ｍ画素となる。かかる構成とすると、色用素子７０の各色の解像度は、輝度用素子１０の解像度と比較して、（１／３）×（１／３）＝１／９と低くなるが、人間の眼の視覚特性により、色は輝度の（１／４）×（１／４）＝１／１６程度であっても、実用上問題無いことが知られている。よって、色用素子７０の解像度は、輝度用素子１０とのバランスにおいて、実用上問題の無いレベルに設定されている。
【００３３】
輝度用素子１０は、入射光のうち、可視光成分領域（波長３８０ｎｍ付近〜７８０ｎｍ付近の波長範囲）において、一様に４０〜７０％の範囲の強度の光を吸収して輝度信号を出力するとともに、残りの可視光を一様に透過させる。輝度用素子１０を透過した光は色用素子７０に入射し、カラーフィルタでＲ、Ｇ、Ｂの各色成分に分光された後、それぞれのサブピクセル７１の色信号として出力される。
【００３４】
なお、輝度用素子１０の透過率は、３０〜６０％であることが好ましいが、３０〜５５％であることがより好ましく、４０〜５０％程度であることが更に好ましく、５０％程度であることが特に好ましい。基本的に、輝度用素子１０と色用素子７０の光の利用率は、両者で１：１となることが好ましいので、輝度用素子１０の光透過率は５０％程度であることが好ましいが、色用素子７０で色成分が十分に取得できる場合には、輝度成分の利用率（＝１００−透過率）を５０％よりも若干高くするようにしてもよい。輝度用素子１０の透過率は、このような観点から、用途、色用素子７０とのバランス等を考慮して、適宜好ましい透過率に設定することができる。
【００３５】
本実施形態に係る積層型撮像素子と、従来のＲＧＢストライプ方式での撮像素子とについて、図２（Ａ）に示した３Ｎ×３Ｍ画素のうち、１画素に入射する光量を１として、光の利用率を比較する。従来のＲＧＢストライプ方式で３Ｎ×３Ｍ画素のカラー撮像画像を得るためには、３Ｎ×３Ｍ×３サブピクセルが必要となる。その際、１画素に入射する光量のうち、各色のサブピクセルで利用できる光は、既に説明した通り、面積で１／３、各色の波長で１／３となり、全体では１／３×１／３＝１／９となる。
【００３６】
一方、本実施形態に係る積層型撮像素子では、３Ｎ×３Ｍ画素のカラー撮像画像を得るために必要なサブピクセル数は、３Ｎ×３Ｍ（輝度用素子）＋３Ｎ×Ｍ（色用素子）＝３Ｎ×４Ｍである。輝度用素子１０では、総ての可視波長領域の光を４０〜７０％吸収するため、利用できる光は、６０〜３０％となる。ここで、例えば、輝度用素子１０の光吸収率を５０％とすると、色用素子７０で利用できる光量は１／２となる。一方、色用素子７０については、入射する光量自体が１／２、各色の波長で１／３となるが、面積が輝度用素子１０の３倍であるため、結局、色用素子７０でも１／２の光量を利用することができる。よって、従来のＲＧＢストライプ方式と比較しても、特許文献１に記載した方式の輝度用素子で１／２、色用素子で１／６の光利用率と比較しても、感度や色再現性の向上が期待できる。
【００３７】
図３は、本実施形態に係る積層型撮像素子の入力像の焦点について説明するための図である。図３において、撮影レンズ１００と、撮影レンズ１００による焦点Ｐと、撮影レンズ１００の焦点深度Ｄが示されている。焦点深度Ｄは、撮像画像のピントが合って見える許容範囲を意味する。撮影レンズ１００は、本実施形態に係る積層型撮像素子の前方、つまり入射光側に配置される。
【００３８】
図３に示す入力像の焦点Ｐは、入射光側に配置された輝度用素子１０に焦点を合わせることが好ましい。つまり、入力像の焦点Ｐが、色用素子７０ではなく、輝度用素子１０の位置に合うように撮影レンズ１００を設定することが好ましい。具体的には、例えば、輝度用素子１０が光電変換膜等の受光素子を備える場合には、かかる受光素子の厚さ方向の中心付近が、焦点深度Ｄの範囲内に位置するように設定すればよい。
【００３９】
焦点Ｐを色用素子７０ではなく輝度用素子１０側に合わせるのは、色用素子７０については、多少、受光面がレンズの結像面から光軸方向にずれている状態であり、デフォーカスしている方が偽色の発生を抑制することができるからである。色用素子７０上でデフォーカスしている場合、他色の周辺画素領域の色成分も混入するため、画素近傍の平均の色成分を撮像するという目的に合致する。つまり、色用素子７０に焦点Ｐが合っていると、カラーフィルタで各色の波長成分にほぼ完全に分光され、他の色はほぼ完全に遮蔽されてしまうが、デフォーカスして若干ボケていれば、周辺の他色のカラーフィルタからクロスするように入射する色成分を各色用ピクセル７１で受光することができ、より広い領域を平均化させた色成分を有する状態で透過光を受光することができるからである。また、上述のように、色成分は、輝度成分の（１／４）×（１／４）＝１／１６程度の解像度でも視覚上の問題が無いため、デフォーカスの程度も輝度成分の画素１１の４×４＝１６倍程度までの範囲で、任意に設定することができる。
【００４０】
撮影レンズ１００の焦点深度Ｄは、レンズの絞り値Ｆ、許容錯乱円（画素ピッチ）δと（１）式の関係にある。なお、レンズの絞り値Ｆは、レンズの大きさに対する絞りの大きさを示す調整値であり、許容錯乱円は、撮像画像のピントが合っているように見える領域の広さを示す値である。
【００４１】
【数１】
2012084649.tif 000003
（１）式に従えば、輝度用素子１０の画素ピッチが５μｍ、撮影レンズ１００のＦ値を１．７としたとき、焦点深度Ｄは１７μｍとなるが、許容錯乱円を画素ピッチの４倍にとれば、焦点深度Ｄは６７μｍとなる。よって、輝度用素子１０の画素ピッチが５μｍのときには、輝度用素子１０の撮像面と色用素子７０の撮像面の距離は６７μｍ以下に設定すればよい。
【００４２】
次に、本実施例に係る積層型撮像素子の信号処理について詳細に説明する。色用素子７０のＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの振動出力を内挿して、輝度用素子１０の画素１１の位置と対応させたものをＲｃ（ｉ，ｊ）、Ｇｃ（ｉ，ｊ）、Ｂｃ（ｉ，ｊ）とする。ここで、（ｉ，ｊ）は画素位置を表す。画素（ｉ，ｊ）に対応する輝度用素子１０の出力をＬ（ｉ，ｊ）、求めたい各画素位置のＲＧＢの値をＲ（ｉ，ｊ）、Ｇ（ｉ，ｊ）、Ｂ（ｉ，ｊ）とする。輝度用素子１０の波長に対する感度が理想的に一様な場合、（２）式が成立する。
【００４３】
【数２】
2012084649.tif 000004
また、Ｒｃ（ｉ，ｊ）、Ｇｃ（ｉ，ｊ）、Ｂｃ（ｉ，ｊ）とＲ（ｉ，ｊ）、Ｇ（ｉ，ｊ）、Ｂ（ｉ，ｊ）には、（３）〜（５）式の関係が成り立つ。
【００４４】
【数３】
2012084649.tif 000005
（２）〜（５）式を用い、Ｒ（ｉ，ｊ）、Ｇ（ｉ，ｊ）、Ｂ（ｉ，ｊ）は、（６）〜（８）式から求めることができる。
【００４５】
【数４】
2012084649.tif 000006
（６）〜（８）式は、輝度用素子１０の感度が波長によらず一様である場合に成立するが、輝度用素子１０が波長に対して感度特性を持つときには、（２）式は（９）式のようになる。
【００４６】
【数５】
2012084649.tif 000007
ここで、ＣＲ、ＣＧ、ＣＢは、輝度用素子１０の波長に対する感度によって決まる定数である。（９）式と（６）、（７）式を用い、（１０）式の連立方程式を解くことによって、未知の変数R（ｉ，ｊ）、Ｇ（ｉ，ｊ）、Ｂ（ｉ，ｊ）を求めればよい。
【００４７】
【数６】
2012084649.tif 000008
なお、今までの説明において、輝度用素子１０の縦に隣接した３画素分のピクセル１１と、色用素子７０の各サブピクセル７１は、上下で１対１に対応し、輝度用素子１０の３画素分をまとめたピクセル１１の外側の境界線と、色用素子のサブピクセル７１間の境界線が一致し、輝度用素子１０及び色用素子７０の面に垂直な方向に重なるように配置された例を挙げて説明した。しかしながら、色用素子７０の各サブピクセル７１が、輝度用素子１０のピクセル１１の３倍の面積を有していれば、必ずしも重なるように対応した配置でなくてもよい。
【００４８】
但し、輝度用素子１０のピクセル１１と色用素子７０のピクセル７１とが、境界線が一致して重なっていない配置の場合には、（１）〜（９）式を用いて説明した演算はより複雑なものとなる。よって、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示したように、輝度用素子１０のピクセル１１の３画素分と色用素子７０のサブピクセル７１の１画素分が１対１に対応し、上下に重なるような配置とすることが、演算処理上好ましい。
【００４９】
〔実施形態２〕
図４は、本発明の実施形態２に係る積層型撮像素子の一例の平面構成を示した図である。図４（Ａ）は、実施形態２に係る積層型撮像素子の輝度用素子１２のピクセル１３の平面構成を示した図であり、図４（Ｂ）は、実施形態２に係る積層型撮像素子の色用素子７２のサブピクセル７３の平面構成を示した図である。
【００５０】
実施形態２に係る積層型撮像素子の側面構成は、図２（Ａ）で示した構成と同様であり、入射光側に輝度用素子１２が配置され、輝度用素子１２の背面に色用素子７２が配置された構成となっているので、図示を省略している。また、かかる輝度用素子１２を入射光側、色用素子７２を輝度用素子１２の背面に配置した構成の利点は、実施形態１における説明と同様であるので、その説明を省略する。
【００５１】
図４（Ａ）において、輝度用素子１２の平面構成が示されており、ピクセル１３が３Ｎ×２Ｍ画素配列されている。各ピクセル１３は、入射光を受光し、輝度成分を取得することができれば、図２（Ａ）に示したピクセル１１と同様の構成であってもよいし、異なる構成であってもよい。実施形態２に係る積層型撮像素子の輝度用素子１２は、配列されたピクセル数が、３Ｎ×２Ｍ（Ｎ、Ｍは自然数）で表示されている点だけが実施形態１と異なっており、ピクセル１３の配列についても、本質的な相違点は無い。特に、Ｍが３の倍数である場合には、実施形態１と画素数の表示の仕方が異なっているだけであり、全く同一の画素配列であってもよい。
【００５２】
一方、図４（Ｂ）において、色用素子７２は、Ｒ、Ｇ、Ｂがストライプ状に配置された点は実施形態１の色用素子７０と同様であるが、各サブピクセル７３の面積が、輝度用素子１２のピクセル１３の２倍の大きさである点で、３倍の大きさである実施形態１の色用素子７０と異なっている。これにより、色用素子７２のサブピクセル７３の数は、３Ｎ×Ｍとなり、輝度用素子１０のピクセル１３の１／２となっている。
【００５３】
このように、色用素子７２のサブピクセル７３の面積は、輝度用素子１２のピクセル１３の２倍に設定されていてもよい。なお、実施形態２に係る色用素子７２のサブピクセル７３は、輝度用素子１２の縦方向に隣接する２画素分のピクセル１３を合わせた大きさとなっている。色用素子７２のサブピクセル７３を、輝度用素子１２の縦方向に隣接する２つのピクセル１３に対応させた縦長の長方形のピクセルとし、同じ色用のサブピクセル７３を同一列に配置することにより、実施形態１に係る積層型撮像素子の色用素子７０と同様に、全体としてはＲＧＢストライプ方式と同じ配置とすることができる。
【００５４】
なお、輝度用素子１２は、実施形態１に係る積層型撮像素子の輝度用素子１０と同様に、透過率な３０〜６０％の範囲で用途に応じて任意に設定することができるが、例えば、透過率を５０％に設定した場合について考える。
【００５５】
輝度用素子１２の光透過率を５０％とした場合、入射光の１／２の光量が輝度用素子１２を透過し、輝度用素子１２で利用できる光量は入射光の光量の１／２となる。色用素子７２においては、輝度用素子１２を透過した入射光の１／２の光量を受光する。また、各色の波長で利用できる光量は受光した光の１／３となるが、各サブピクセル７３の面積は、輝度用素子１２の２倍であるため、色用素子７２の各色のサブピクセル７３で利用できる光量は、輝度用素子１２の入射光の光量の（１／２）×（１／３）×２＝１／３となる。このように、実施形態２に係る積層型撮像素子においては、輝度用素子１２で利用できる光量と色用素子７２の各色のサブピクセル７３で利用できる光量を適切にバランスさせ、高感度と色再現性を両立させることができる。
【００５６】
ここで、従来の方式では、３Ｎ×２Ｍ画素のカラー撮像画像を得るためには、３Ｎ×２Ｍ×３のサブピクセルが必要となる。一方、本実施形態に係る積層型撮像素子の場合、３Ｎ×２Ｍ画素のカラー撮像画像を得るために必要なサブピクセル数は、３Ｎ×２Ｍ（輝度用素子）＋３Ｎ×Ｍ（色用素子）＝３Ｎ×３Ｍとなる。
【００５７】
なお、図４において、輝度用素子１２のピクセル１３が縦に隣接した２個分と、色用素子７２のサブピクセル７３の１個が１対１に対応して重なり、外側の境界線が一致した配置となっている例を挙げて説明したが、これらの１対１の対応は必須ではなく、色用素子７２のサブピクセル７３が輝度用素子１２のピクセル１３の２倍の面積を有していれば、色用素子７２の光の利用度を高めることができる。
【００５８】
〔実施形態３〕
図５は、本発明の実施形態３に係る積層型撮像素子の一例の平面構成を示した図である。図５（Ａ）は、実施形態３に係る積層型撮像素子の輝度用素子１４のピクセル１５の平面構成の一例を示した図であり、図５（Ｂ）は、実施形態３に係る積層型撮像素子の色用素子のサブピクセル７５の平面構成の一例を示した図である。
【００５９】
実施形態３に係る積層型撮像素子においても、側面構成は、図２（Ａ）に示した構成と同様である。つまり、光の入射面側に輝度用素子１４が配置されて入射光を受光し、輝度用素子１４の背面に色用素子７４が配置され、輝度用素子１４の透過光を受光する。これにより、輝度用素子１４で最初に一様に輝度成分を取得し、その後、色用素子７４で各色の波長成分のバランスが崩れていない透過光から色成分を取得できる点は、実施形態１における説明と同様であるので、本実施形態においてはその説明を省略する。
【００６０】
図５（Ａ）に示すように、実施形態３に係る積層型撮像素子の輝度用素子１４は、３Ｎ×４Ｍ（Ｎ、Ｍは自然数）個のピクセル１５を備えている。個々のピクセル１５は、入射光の輝度成分を取得できれば、実施形態１又は実施形態２に係る構成と同様であってもよいし、異なっていてもよい。また、輝度用素子１５は、入射光の４０〜７０％の光量を吸収し、光透過率は３０〜６０％となる点も、実施形態１及び実施形態２に係る積層型撮像素子と同様である。
【００６１】
図５（Ｂ）に示すように、実施形態３に係る積層型撮像素子の色用素子７４は、３Ｎ×Ｍ個のサブピクセル７５を備えており、各サブピクセル７５は、輝度用素子１４のピクセル１５の面積の４倍の面積を有している。また、色用素子７４のサブピクセル７５は、縦方向に隣接する輝度用素子１４のピクセル１５の４個分をまとめたものに相当し、縦：横＝４：１の縦長の長方形となっている。そして、各列は、同じ色用のサブピクセル７５が配置され、全体としては、ＲＧＢストライプ方式と同様の配置方式となっている。
【００６２】
このように、色用素子７４のサブピクセル７５を、輝度用素子１４のピクセル１５を縦方向に４個まとめて、４倍の面積として構成してもよい。色用素子７４の１つのサブピクセル７５で利用する光量を、輝度用素子１４と同じ面積のピクセルを用いた場合の４倍とすることができ、光の利用率を高めることができる。
【００６３】
例えば、輝度用素子１４の光透過率を５０％とすると、光吸収率も５０％であるので、輝度用素子１４で利用できる入射光の光量は１／２となる。よって、色用素子７４は、輝度用素子１４を透過した透過光を受光するので、入射する光量は輝度用素子１４に入射する入射光の光量の１／２となる。また、各色のフィルタでは、他の２色の波長を遮蔽するので、各色のサブピクセル７５は、受光した光量の１／３を利用するが、サブピクセル７５の面積が４倍となっているので、結局、各サブピクセル７５は、輝度用素子に入射する入射光の（１／２）×（１／３）×４＝２／３を利用することができる。
【００６４】
なお、図５（Ａ）に示すように、本実施形態に係る積層型撮像素子の画素数を３Ｎ×４Ｍとしたときに、従来の方式で３Ｎ×４Ｍ画素のカラー撮像画像を得るためには、３Ｎ×４Ｍ×３個のサブピクセルが必要となる。本実施形態に係る積層型撮像素子では、３Ｎ×４Ｍ画素のカラー撮像画像を得るために必要なサブピクセル数は、３Ｎ×４Ｍ（輝度用素子１４）＋３Ｎ×Ｍ（色用素子７４）＝３Ｎ×５Ｍとなる。
【００６５】
また、図５（Ａ）においては、輝度用素子１４の縦に隣接するピクセル１５の４個分と、色用素子７４のサブピクセル７５が重なって１対１に対応し、サブピクセル７５間の境界線がピクセル１５間の対応箇所の境界線に一致している例を挙げて説明したが、このような構成が必須でない点は、実施形態１及び実施形態２と同様である。
【００６６】
また、実施形態１乃至３においては、色用素子７０、７２、７４のサブピクセル７１、７３、７５の各色の配列を、同一色が同一列に配置されるＲＧＢストライプ方式となる配置を例に挙げて説明したが、他の配列方法で配置してもよい。例えば、２行２列の４個のサブピクセル７１、７３、７５を１画素とし、２個のＧを一方の対角線上、他方の対角線上にＲとＢを１個ずつ配置したベイヤー配列としてもよい。その他、インターライン配列、斜めストライプ配列、ＧストライプＲＢ市松配列等の原色配列や、フィールド色差順次配列、フレーム色差順次配列、フレーム色差順次配列、フレームインターリーブ配列、フィールドインターリーブ配列の補色配列方式等、単板用のカラーフィルタ配列で用いられる各種の配列方式を適用することができる。
【００６７】
〔実施形態４〕
図６は、本発明の実施形態４に係る積層型撮像素子の一例の断面構成を示した図である。実施形態１乃至３においては、輝度用素子１０、１２、１４及び色用素子７０、７２、７４の平面的な画素構成を中心に説明したが、実施形態４以降においては、輝度用素子１０、１２、１４及び色用素子７０、７２、７４の、信号処理を行うための構成も含めた全体構成について説明する。よって、実施形態４以降に説明する積層型撮像素子には、実施形態１乃至３に係る輝度用素子１０、１２、１４及び色用素子７０、７２、７４の画素構成を総て適用することができる。
【００６８】
図６において、実施形態４に係る積層型撮像素子は、輝度用素子１６と、色用素子７６とを有し、色用素子７６上に輝度用素子１６が配置される。輝度用素子１６は、光の入射側から、透明電極２０と、光電変換膜３０と、画素電極４０と、信号読み出し回路５０と、透明基板６０とを有する。
【００６９】
透明電極２０は、光電変換膜３０に電圧を印加するための電極であり、可視光が透過する透明性の高い材料から構成される。一例としては、インジウム錫酸化膜（ＩＴＯ、Indium  Tin  Oxide）等の無機透明電極、又はPolyethylene  dioxythiophene  polystyrene  sulphonate（ＰＥＤ／ＰＳＳ）等の有機導電膜が用いられてよい。透明電極２０に印加する電圧は、光電変換膜３０にかかる電界として、１０３〜１０７Ｖ／ｃｍの範囲がよく、一般的には１０４〜１０６Ｖ／ｃｍの範囲で用いることが好ましい。
【００７０】
光電変換膜３０の材料は、可視光の光（３８０〜７８０ｎｍ）を、５０％程度の吸収率で吸収し、吸収した光量に応じた電荷を発生する一方、吸収しなかった光は透過する材料であり、一例を挙げると、有機系の材料を用いた膜が好ましい。具体的には、ポリフィリン、ペリレン、フタロシアニン、アクリジン、クマリン、キナクリドン、シアニン、スクエアリリウム、オキサジン、キサンテントリフェニルアミン、ベンジジン、ピラゾリン、スチリルアミン、ヒドラゾン、トリフェニルメタン、カルバゾール、ポリシラン、チオフェン、ポリアミン、オキサジアゾール、トリアゾール、トリアジン、キノキサリン、フェナンスロリン、フラーレン、アルミニウムキノリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリフルオレン、ポリビニルカルバゾール、ポリチオール、ポリピロール、ポリチオフェン及びこれらの誘導体等を単独で、若しくは、これらに代表される有機材料を２種類以上混合又は積層することで、光電変換膜３０を形成することが可能である。
【００７１】
一方、アモルファスセレン、アモルファスシリコン、化合物半導体等に代表される無機光電変換膜を用いることもできる。
【００７２】
これら光電変換膜３０の膜厚は、１０ｎｍ〜５μｍが好ましく、５０ｎｍ〜１μｍが更に好ましいが、上述の通り、光電変換膜３０の透過率を３０〜６０％、例えば、５０％程度に制御する必要がある。
【００７３】
光電変換膜３０の下面には、画素電極４０が設けられる。画素電極４０も、可視光が透過する透明性の高い材料で構成される。一例としては、インジウム錫酸化膜（ＩＴＯ）等の無機透明電極、又はPolyethylene  dioxythiophene  polystyrene  sulphonate（ＰＥＤ／ＰＳＳ）等の有機導電膜が好ましい。
【００７４】
信号読み出し回路５０は、各画素に蓄積された信号を読み出す手段である。信号読み出し回路５０の一例としては、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ、Thin  Film  Transistor）を用いた回路が挙げられる。薄膜トランジスタは、ガラス基板上に形成される一般的なものであってよい。電極及び配線には金属材料、半導体層にはアモルファスシリコンや多結晶シリコン等が用いられるが、薄膜トランジスタの開口率（透過率）を高めたい場合には、電極及び配線材料としてＩＴＯ等の透明電極材料、半導体層としてＺｎＯやＩｎＧａＺｎＯ４等、結晶系又は非晶質系の透明半導体材料を用いてよい。
【００７５】
なお、実施形態１乃至３において説明した輝度用素子１６のピクセル１１、１３、１５の単位は、信号読み出し回路５０の単位で定められる。つまり、１画素に対して、信号読み出し用の薄膜トランジスタ等の素子が１個設けられることになる。
【００７６】
透明基板６０は、一般的にはガラス基板が用いられるが、透明基板６０上の信号読み出し回路５０、光電変換膜３０、透明電極２０等が１５０℃乃至２００℃以下の温度条件で作製できる場合には、種々のプラスチック基板を用いることも可能である。
【００７７】
色用素子７６は、カラーフィルタ８０と、色用素子用撮像素子９０とを有して構成される。色用素子用撮像素子９０には、通常の撮像素子として一般的に用いられている電荷結合素子（Charge  Coupled  Device：ＣＣＤ）や、相補型金属−酸化物半導体（Complementary  Metal-Oxide  Semiconductor：ＣＭＯＳ）等を用いた固体撮像素子が好適である。また、アモルファスシリコン、アモルファスセレン、化合物半導体材料等の無機材料、可視領域全域に亘って感度を有する有機材料等を光電変換膜として用い、これらの膜を積層し、信号読み出し部としてＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＴＦＴ回路等を用いるようにしてもよい。
【００７８】
また、色用素子７６における実施形態１乃至３で説明したピクセル７１、７３、７５の単位は、輝度用素子１６と同様に、固体撮像素子のＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の素子の単位、光電変換膜の信号読み出し部のＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＴＦＴ回路等の素子の単位により定められる。つまり、１ピクセル７１、７３、７５に対し、１個の素子が設けられる。
【００７９】
かかる構成により、輝度用素子１６の光電変換膜３０で受光した光信号を信号読み出し回路５０で読み出し、色用素子７６で受光した透過光を色用素子用撮像素子９０に設けられた信号読み出し部で読み出すことにより、高感度で色再現性の高い撮像を行うことができる。
【００８０】
なお、図６においては、透明基板６０とカラーフィルタ８０の間に隙間を設けた配置としているが、用途と焦点調整に応じて、透明基板６０とカラーフィルタ８０を密着させた配置としてもよい。
【００８１】
〔実施形態５〕
図７は、本発明の実施形態５に係る積層型撮像素子の一例の断面構成を示した図である。実施形態５に係る積層型撮像素子は、色用素子７７の上に輝度用素子１７が配置されている点は、実施形態４に係る積層型撮像素子と同様であるが、色用素子７７のカラーフィルタ８０の上に層間絶縁膜６１が付設されており、層間絶縁膜６１上に輝度用素子１７が設けられている点で、実施形態４に係る積層型撮像素子と異なっている。そして、層間絶縁膜６１上に、信号読み出し回路５０、画素電極４０、光電変換膜３０及び透明電極２０が順次形成され、輝度用素子１７を構成している。
【００８２】
輝度用素子１７の透明電極２０、光電変換膜３０、画素電極４０及び信号読み出し回路５０は、実施形態４に係る積層型撮像素子の輝度用素子１６と同様であるので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００８３】
色用素子７７のカラーフィルタ８０及び色用素子用撮像素子９０も、実施形態４に係る積層型撮像素子の色用素子７６と同様であるので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００８４】
層間絶縁膜６１は、高い透過性が要求され、酸化珪素、窒化珪素、各種樹脂等を用いることができる。
【００８５】
このように、実施形態４のように、透明基板６０の上に輝度用素子１６を独立して形成した後、色用素子７６の上に配置するのではなく、実施形態５のように、色用素子７７を最初に形成し、その上に層間絶縁膜６１を形成し、層間絶縁膜６１上に輝度用素子１７を一体的に積層形成するようにしてもよい。一体化して構成することにより、積層型撮像素子の全体の体積を小型化することができる。
【００８６】
なお、実施形態５に係る積層型撮像素子は、輝度用素子１７の信号読み取りは、信号読み取り回路５０で行い、色用素子７７の信号読み出しは、色用素子用撮像素子９０の信号読み出し部で行い、両者が独立して信号読み出しを行う点は、実施形態４に係る積層型撮像素子と同様である。
【００８７】
〔実施形態６〕
図８は、本発明の実施形態６に係る積層型撮像素子の一例の断面構成を示した図である。
実施形態６に係る積層型撮像素子は、輝度用素子１８と色用素子２８の信号読み出し回路（図示せず）が同一箇所に配置されている点で、実施形態４及び実施形態５に係る積層型撮像素子と異なっている。
【００８８】
実施形態６に係る積層型撮像素子は、色用素子２８と、色用素子２８の上に積層された輝度用素子１８とを有する。輝度用素子１８は、透明電極２０と、光電変換膜３０と、画素電極４１とを備える。色用素子２８は、カラーフィルタ８１と、色用素子用撮像素子９１とを有し、カラーフィルタ８１には、ビアプラグ８２が形成されて設けられている。
【００８９】
色用素子２８の色用素子用撮像素子９１は、色用素子２８の信号読み取り手段のみならず、輝度用素子１８の信号読み出し回路も備えており、輝度用素子１８の画素電極４１とビアプラグ８２を介して接続されている。色用素子用撮像素子９１は、色用素子２８の受光部、信号読み出し部に加えて、輝度用素子１８の信号読み出し回路も備える必要があることから、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサを用いることが好ましい。輝度用素子１８を構成する透明電極２０、光電変換膜３０、画素電極４１及び輝度用素子１８と色用素子２８とを隔てる層間絶縁膜材料は、実施形態４で述べた材料と同様の材料を使用することができる。
【００９０】
このように、実施形態６に係る積層型撮像装置によれば、輝度用素子１８と色用素子２８の信号読み出し回路を共通回路とし、１箇所に設けることにより、積層型撮像素子を薄型化して構成することができる。
【００９１】
〔実施例〕
次に、本実施形態に係る積層型撮像装置について、シミュレーション実験を行った結果の実施例について説明する。
【００９２】
条件としては、実施形態４で説明した実施形態と同様に、透明基板６０上に輝度用素子１６を形成し、輝度用素子１６と色用素子７６の信号読み出し回路は独立に設けた。輝度用素子１６と、色用素子７６の撮像面との距離は約０．４ｍｍとし、透明基板６０の厚さと同等とした。なお、本実施例においては、理解の容易のため、実施形態４に対応する構成要素については、実施形態４で用いた参照符号と同一の符号を付して説明する。
【００９３】
輝度用素子１６は、ピクセル数を、水平１２８×垂直９６とし、ピクセルサイズを、１００×１００μｍとした。また、透明電極２０には、膜厚３０ｎｍのＩＴＯを用いた。光電変換膜３０は、キナクリドン誘電体にフラーレンを２５％添加した膜厚７５ｎｍの薄膜を真空蒸着法にて成膜して形成した。波長が５３０ｎｍの緑色の波長領域では、透過率が５６％であった。画素電極４０には、膜厚５０ｎｍのＩＴＯ透明電極を用いた。信号読み出し回路５０には、アモルファスシリコンＴＦＴを用いた。透明基板６０は、厚さ０．４ｍｍの無アルカリガラスを用いた。
【００９４】
色用素子７６は、サブピクセル数を、水平１２８×垂直３２とし、サブピクセルサイズを、１００×３００μｍとした。これは、実施形態１において説明した、色用素子７６の画素の面積を、輝度用素子１６の３倍の面積とした場合に相当する。よって、画素数は、垂直方向において９６の１／３の３２となり、面積は、垂直方向において１００μｍの３倍の３００μｍとなっている。カラーフィルタ８０の配列も、実施形態１と同様に、ストライプ配列とした。また、色用素子用撮像素子９０としては、ＣＭＯＳイメージセンサを用いた。
【００９５】
また、比較例として、従来から一般的に用いられている、本実施例の輝度用素子１６と同画素数、同画素サイズのイメージセンサを用いた。よって、画素数は、水平１２８×垂直９６であり、画素サイズは、１００×１００μｍである。また、カラーフィルタの配列は、ストライプ配列とし、同一条件とした。
【００９６】
本実施例に係る積層型撮像素子及び比較例に係る撮像素子について、１０ルクス（ｌｘ）の白色光（色温度３３００K）を撮像面に照射したときの出力信号電流の総和を求めたところ、本実施例に係る積層型撮像素子は３５ｎＡ／ｌｘ、比較例に係る撮像素子は２３ｎＡ／ｌｘとなった。かかる結果から、本実施例に係る積層型撮像素子は、同一の入射光から高い信号電流を出力することができ、入射光の利用率が比較例よりも向上したことを示す結果が得られた。
【００９７】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、デジタルカメラ、ビデオ等の静止画や動画を撮像する撮像装置全般に利用することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１０、１２、１４、１６、１７、１８    輝度用素子
１１、１３、１５    ピクセル（画素）
２０    透明電極
３０    光電変換膜
４０、４１    画素電極
５０    信号読み出し回路
６０    透明基板
７０、７２、７２、７６、７７、７８    色用素子
７１、７３、７５    サブピクセル（副画素）
８０    カラーフィルタ
９０    色用素子用撮像素子
１００    撮影レンズ
【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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