CN102714738A - 固体摄像元件和摄像装置 - Google Patents

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Abstract

一种固体摄像元件，具有如下：含有多个光敏单元的光敏单元阵列；含有多个分光要素的分光要素阵列(100)；含有多个滤色镜的滤色镜阵列(300)。光敏单元阵列(200)具有多个单位块(40)，各单位块(40)含有光敏单元(2a、2b)。分光要素阵列(100)含有分光要素(1a)，该分光要素(1a)使入射光(W)所含的第一波长区域以外的光入射第一光敏单元(2a)、且使第一波长区域的光的至少一部分入射第二光敏单元(2b)。在光敏单元(2a)和分光要素(1a)之间，配置有对第一波长区域的光进行吸收或反射的滤色镜(3a)。

Description

固体摄像元件和摄像装置
技术领域
本发明涉及固体摄像元件的高灵敏度化和彩色化的技术。
背景技术
近年来，在使用CCD和CMOS等固体摄像元件(以下有称为“摄像元件”的情况。)的数字照相机和数字电影的高机能化、高性能化上令人惊异。特别是随着半导体制造技术的急速进步，摄像元件的像素结构的微细化推进。其结果是，摄像元件的像素和驱动电路的高集成化得以实现，摄像元件的高性能化得以推进。特别是近年来，并非在形成有固体摄像元件的配线层的面(表面)而在背面侧进行光接收的背照式(backsideillumination)的摄像元件得以使用了的照相机也被开发，其特性等被受到注目。另一方面，随着摄像元件的高像素化，1像素接收的光量降低，因此照相机灵敏度降低这样的问题就产生。
就照相机灵敏度降低而言，除了高像素化以外，使用色分离用的滤色镜也是原因。在通常的彩色照相机中，按照与摄像元件的各光敏单元相对的方式配置有以有机颜料为着色剂的减色型的滤色镜。滤色镜对于所利用的色成分以外的光进行吸收，因此使用这样的滤色镜时，照相机的光利用率降低。例如，在具有以红色(R)1要素、绿色(G)2要素、蓝色(B)1要素为基本构成的Bayer型的滤色镜阵列的彩色照相机中，R、G、B各滤色镜分别只使红色波长区域的光(R光)、绿色波长区域的光(G光)、蓝色波长区域的光(B光)透过，而吸收其余的光。因此，在基于Bayer阵列的彩色照相机中所利用的光是入射光整体的大约1/3。
对于上述的灵敏度降低的问题，为了大量地引进入射光，而在摄像元件的光接收部安装微透镜阵列，由此增加光接收量，这一技术被公开在专利文献1中。根据该技术，通过使用微透镜而聚光到光敏单元，能够实质性地使摄像元件的光孔径比提高。该技术目前被用于大多数的固体摄像元件。根据该技术，确实使实质性的孔径比提高，但无法解决由滤色镜带来的光利用率降低的问题。
作为同时解决光利用率降低和灵敏度降低的问题的技术，在专利文献2中公开有一种技术，其是将多层膜的滤色镜(分色镜：dichroic mirror)和微透镜加以组合，而使光得以最大限度地利用。在该技术中，使用的是不吸收光而使特定波长区域的光选择性地透过且反射其他波长区域的光的多个分色镜。由此，能够消除光的损失、且仅使各个光敏单元所需要的波长区域的光入射。
图13是模式化地表示专利文献2所公开的与摄像元件的摄像面垂直的方向的剖面。该摄像元件具有：在摄像元件的表面和内部所分别配置的聚光用的微透镜4a、4b；遮光部20；光敏单元2a、2b、2c；分色镜17、18、19。分色镜17、18、19按照分别与光敏单元2a、2b、2c相对的方式配置。分色镜17具有使R光透过、且将G光和B光反射的特性。分色镜18具有将G光反射、且使R光和B光透过的特性。分色镜19具有将B光反射、且使R光和G光透过的特性。
在微透镜4a所入射的光，由微透镜4b调整光束后，入射第一分色镜17。第一分色镜17使R光透过、但反射G光和B光。透过第一分色镜17的光会入射光敏单元2a。由第一分色镜17反射的G光和B光会入射邻接的第二分色镜18。第二分色镜18将入射的光之中的G光反射、且使B光透过。由第二分色镜反射的G光会入射光敏单元2b。透过第二分色镜18的B光被第三分色镜19反射、且入射其正下方的光敏单元2c。如此，根据专利文献2所公开的摄像元件，在聚光微透镜4a所入射的可视光不会被滤色镜吸收，该R、G、B各色成分由3个光敏单无消耗地检测到。
除上述的现有技术之外，在专利文献3中公开有一种摄像元件，其通过使用微棱镜而能够防止光的损失。该摄像元件具有的构造是，由微棱镜将光分离成R光、G光、B光，使如此分离的光分别由不同的光敏单元接收。利用这样的摄像元件也能够防止光的损失。
但是，在专利文献2和专利文献3所公开的技术中存在如下课题，即需要按分色镜的数量或进行分光的数量设置光敏单元。例如为了检测RGB三色光，与现有的使用滤色镜时的光敏单元的数量相比，光敏单元的数量必须增加至3倍。
针对以上的技术，在专利文献4中公开有一种技术，虽然光会发生一部分损失，不过其使用分色镜提高了光的利用效率。图14表示使用了该技术的摄像元件的剖面图的一部分。如图示，在透光性的树脂21内配置有分色镜22、23。分色镜22具有使G光透过、且将R光和B光反射的特性。另外，分色镜23具有使R光透过、且将G光和B光反射的特性。
根据这样的结构，虽然B光不能由光敏部接收，但R光、G光基于以下的原理而能够全部检测。首先，若R光入射分色镜22、23，则由分色镜22反射，由分色镜23透射。由分色镜22反射的R光，在透光性的树脂21与空气的界面也进一步被反射，入射分色镜23。R光会透过分色镜23、进一步也透过具有R光透射性的有机着色剂滤镜25和微透镜26。如此，虽然一部分由金属层27反射，但是入射到分色镜22、23的R光几乎都入射到光敏部。另一方面，若G光入射到分色镜22、23，则在分色镜22中透过，由分色镜23反射。由分色镜23反射的G光，再在透光性的树脂与空气的界面发生全反射，入射分色镜22。G光会透过分色镜22、且也透过具有G光透射性的有机着色剂滤镜24和微透镜26。如此，虽然一部分由金属层27反射，但是入射到分色镜22、23的G光大多数无损失地入射到光敏部。
基于以上的原理，在专利文献4所示的技术中，R、G、B之中有一色损失，但有两色的光能够几乎无损失地接收。因此，不需要配置R、G、B三色部分的光敏部。在此，若与不具有分色镜仅由有机着色剂滤镜进行彩色化的情况相比，则仅借助有机着色剂滤镜时的光利用率约1/3，相对于此，运用专利文献4所公开的技术时的光利用率达到全部入射光的大约2/3。即，根据该技术，摄像灵敏度提高到大约2部。但是，即使利用该技术，仍会损失三色之中的一色，因此不能使光利用率达到100％这样的课题残留下来。
另一方面，使用分光要素而没有大幅增加光敏单元就提高光利用率的彩色化技术被公开在专利文献5中。根据该技术，经由与光敏单元对应配置的分光要素，光会根据波长区域而入射到不同的光敏单元。各个光敏单元接收从多个分光要素不同波长区域的成分被叠加的光。其结果是，通过使用从各光敏单元输出的光电转换信号进行信号运算，能够生成彩色信号。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：特开昭59-90467号公报
专利文献2：特开2000-151933号公报
专利文献3：特开2001-309395号公报
专利文献4：特开2003-78917号公报
专利文献5：国际公开第2009/153937号
在现有技术中，如果使用光吸收型的滤色镜，则不用大幅增加光敏单元就可以完成，但光利用效率变低这样的问题点存在。另外，如专利文献2、3所公开的技术，如果使用分色镜和微棱镜，则能够提高光利用率，但存在的课题是，必须大幅增加光敏单元。
另一方面，根据专利文献5所公开的技术，虽然理论上能够确实地得到光利用率高的彩色图像，但是制造具有理想的分光特性的分光要素困难。若分光要素的材料特性和制造精度差，则从各光敏单元输出的光电转换信号也不是理想的信号，彩色图像的色彩再现性降低这样的课题就会存在。
发明内容
本发明是解决上述课题的发明，其主要目的在于，提供一种不会大幅增加光敏单元就能够提高光利用率、且比现有技术的色彩再现性高的彩色摄像技术。
本发明的固体摄像元件具有如下：光敏单元阵列，其将各自含有第一光敏单元和第二光敏单元的多个单位块在摄像面上以二维状排列；分光要素阵列，其与所述光敏单元阵列相对地配置，且含有多个分光要素；滤色镜阵列，其配置在所述光敏单元阵列和所述分光要素阵列之间，且含有多个滤色镜。在所述分光要素阵列和所述滤色镜阵列不存在的假设情况下，将各光敏单元接收的光设为各光敏单元的单元入射光，所述第一光敏单元的单元入射光含有第一波长区域的光、第二波长区域的光和第三波长区域的光时，所述分光要素阵列其构成为，含有与所述第一光敏单元相对地配置的、且使所述第一单元入射光所含的所述第一波长区域的光的至少一部分入射到所述第二光敏单元的第一分光要素，并且，使所述第一波长区域的光、所述第二波长区域的光和所述第三波长区域的光的至少两个波长区域的光，入射到所述第一光敏单元和所述第二光敏单元的至少一方。所述滤色镜阵列含有：在所述第一光敏单元和所述第一分光要素之间所配置的、且对所述第一波长区域的光进行吸收或反射的第一滤色镜。
在有的实施方式中，所述第一分光要素，使所述第一光敏单元的单元入射光所含的所述第一波长区域的光的一部分入射到所述第二光敏单元，且使所述第一光敏单元的单元入射光所含的所述第一波长区域的光的另一部分、入射到邻接单位块所包含的第二光敏单元。
在有的实施方式中，固体摄像元件还具有与所述第二光敏单元相对地配置的第二分光要素。所述第一分光要素，使所述第一波长区域的光入射到所述第二光敏单元，使所述第二波长区域的光入射到邻接单位块所含的第二光敏单元，使所述第三波长区域的光入射到所述第一光敏单元；所述第二分光要素，使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的一部分入射到所述第一光敏单元，使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的另一部分、入射到其他的邻接单位块所包含的第一光敏单元，使所述第一和第三波长区域的光入射到所述第二光敏单元。
在有的实施方式中，各单位块包含第三光敏单元、第四光敏单元。所述分光要素阵列含有第三分光要素和第四分光要素。所述第三分光要素，其与所述第三光敏单元相对地配置，使所述第三光敏单元的单元入射光所含的所述第一和第二波长区域的一方的波长区域的光入射到所述第四光敏单元，使所述第三光敏单元的单元入射光所含的所述第一和第二波长区域的另一方的波长区域的光、入射到所述其他的邻接单位块所包含的第四光敏单元，使所述第三波长区域的光入射到所述第三光敏单元；所述第四分光要素，其与所述第四光敏单元相对地配置，使所述第四光敏单元的单元入射光所含的所述第一波长区域的光的一部分入射到所述第三光敏单元，使所述第四光敏单元的单元入射光所含的所述第一波长区域的光的另一部分、入射到所述邻接单位块所包含的第三光敏单元，使所述第二和第三波长区域的光入射到所述第四光敏单元。另外，所述滤色镜阵列含有：在所述第三光敏单元和所述第三分光要素之间所配置的、且对所述第二波长区域的光进行吸收或反射的第二滤色镜。
在有的实施方式中，各单位块含有第三光敏单元和第四光敏单元，所述分光要素阵列含有与所述第四光敏单元相对配置的第二分光要素，其使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的一部分入射到所述第三光敏单元，使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的另一部分、入射到其他邻接单位块所包含的第三光敏单元，使所述第一和第三波长区域的光入射到所述第四光敏单元。另外，所述滤色镜阵列含有：在所述第四光敏单元和所述第二分光要素之间所配置的、对所述第二波长区域的光进行吸收或反射的第二滤色镜。
在有的实施方式中，各单位块含有第三光敏单元和第四光敏单元，所述分光要素阵列含有第二分光要素和第三分光要素。所述第二分光要素，其与所述第二光敏单元相对地配置，使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的一部分入射到所述第一光敏单元，使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的另一部分、入射到其他的邻接单位块所包含的第一光敏单元，使所述第一和第三波长区域的光入射到所述第二光敏单元；所述第三分光要素，其与所述第三光敏单元相对地配置，使所述第三光敏单元的单元入射光所含的所述第一和第二波长区域的一方的波长区域的光入射到所述第四光敏单元，使所述第三光敏单元的单元入射光所含的所述第一和第二波长区域的另一方的波长区域的光、入射到所述邻接单位块所包含的第四光敏单元，使所述第三波长区域的光入射到所述第三光敏单元。另外，所述滤色镜阵列含有：在所述第二光敏单元和所述第二分光要素之间所配置的、且对所述第二波长区域的光进行吸收或反射的第二滤色镜。
所述滤色镜阵列也可以还具有第三滤色镜，其配置在所述第三光敏单元和所述第三分光要素之间，且吸收或反射所述第一和第二波长区域的光。
在有的实施方式中，各单位块含有第三光敏单元和第四光敏单元，所述分光要素阵列含有第二分光要素，其与所述第二光敏单元相对地配置，使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的一部分入射到所述第一光敏单元，使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的另一部分、入射到其他的邻接单位块所包含的第一光敏单元，使所述第一和第三波长区域的光入射到所述第二光敏单元。另外，所述滤色镜阵列含有第二滤色镜和第三滤色镜，所述第二滤色镜配置在所述第二光敏单元和所述第二分光要素之间、且吸收或反射所述第二波长区域的光，所述第三滤色镜配置在所述第三光敏单元和所述第三分光要素之间、且吸收或反射所述第一和第二波长区域的光。
在有的实施方式中，所述第一波长区域相当于红光和蓝光的一方的波长区域，所述第二波长区域相当于红光和蓝光的另一方的波长区域，所述第三波长区域相当于绿光的波长区域。
在有的实施方式中，所述分光要素阵列所含的各分光要素，具有透光性构件，且利用所述透光性构件和折射率比所述透光性构件更低的其他透光性构件的折射率之差进行分光。
本发明的摄像装置，具有如下：本发明的固体摄像元件；在所述固体摄像元件上使像形成的光学系统；将从所述固体摄像元件输出的信号进行处理并生成色彩信息的信号处理部。
根据本发明的固体摄像元件，根据波长范围分离入射光的分光要素被配置在摄像面上，并且对一部分的波长范围的光进行吸收或反射的滤色镜被配置在像素和分光要素之间。通过使该滤色镜符合分光要素的特性、以使之具有理想的分光特性的方式进行设计，可以使来自将透过该滤色镜的光进行接收的像素的光电转换信号更接近理想的信号。换言之，即使分光要素的分光特性稍微偏离设计值，借助滤色镜也能够补偿因该偏移引起的信号的偏移。因此，根据本发明的摄像元件，与使用现有的摄像元件的情况相比，可以进行色彩再现性更高的摄像。在本发明中，虽然由于滤色镜会导致一部分的光受到损失，但是该损失因为是分光要素的分光特性偏离设计值引起的，所以损失量仅有一点点。因此，根据本发明，能够实现色彩再现性高、且光利用率高的摄像装置。
附图说明
图1是表示本发明的固体摄像元件的光敏单元阵列、分光要素阵列、滤色镜阵列的配置关系的立体图。
图2A是表示本发明的固体摄像元件的基本构造的一例的平面图。
图2B是图2A的AA′线剖面图。
图3A是表示本发明的另一固体摄像元件的剖面构造的图。
图3B是表示本发明的又一固体摄像元件的剖面构造的图。
图4是表示以3个像素为1个单位的固体摄像元件的基本构造的一例的平面图。
图5是表示以3个像素为1个单位的另一固体摄像元件的剖面构造的图。
图6是表示本发明的实施方式1的摄像装置的概略结构的方块图。
图7是表示本发明的实施方式1的透镜和摄像元件的图。
图8A是表示本发明的实施方式1的固体摄像元件的单位像素块的一例的平面图。
图8B是表示本发明的实施方式1的固体摄像元件的单位像素块的另一例的平面图。
图9A是表示本发明的实施方式1的摄像元件的基本构造的平面图。
图9B是图9A的AA′线剖面图。
图9C是图9A的BB′线剖面图。
图10是表示本发明的实施方式1的变形例的摄像元件的基本构造的剖面的图。
图11A是表示本发明的实施方式2的摄像元件的基本构造的平面图。
图11B是图4A的CC′线剖面图。
图11C是图4A的DD′线剖面图。
图12A是表示本发明的实施方式2的摄像元件的基本构造的平面图。
图12B是图4A的CC′线剖面图。
图12C是图4A的DD′线剖面图。
图13是使用了微透镜和多层膜滤镜(分色镜)的现有的摄像元件的剖面图。
图14是利用了多层膜滤镜(分色镜)和反射的现有的摄像元件的剖面图。
具体实施方式
以下，在说明本发明的优选实施方式之前，先一边参照图1至图5，一边说明本发明的基本原理。在以下的说明中，对共通的要素附加相同的符号。还有，在本说明书中，将波长区域不同的光进行空间上的分离被称为“分光”。
本发明的固体摄像元件，具有如下：光敏单元阵列，其含有在摄像面上以二维状排列的多个光敏单元(像素)；含有多个分光要素的分光要素阵列；含有多个滤色镜的滤色镜阵列。图1是模式化地表示在固体摄像元件100的摄像面上所形成的光敏单元阵列200、分光要素阵列100和滤色镜阵列300的一部分的立体图。分光要素阵列100按照与光敏单元阵列200相对的方式被配置在光入射的一侧，含有将光根据波长区域在空间上进行分离的多个分光要素。滤色镜阵列300配置在光敏单元阵列200和分光要素阵列100之间，含有将从分光要素阵列100入射的光的一部分吸收或反射的多个滤色镜。还有，光敏单元2的排列、形状、大小并不限于该图的示例，也可以是公知的某种排列、形状、大小。另外，分光要素阵列100和滤色镜阵列300，为了方便而以四角柱表示，但实际上并不只有这种形状，而是能够取得种各样的构造。就各个光敏单元2而言，若接收光，则进行光电转换，输出与所接收的光的强度(光接收量)所对应的电信号(在本说明书中称为“光电转换信号”或“像素信号”。)。
以下，一边参照图2A、2B，一边说明本发明的摄像元件10的基本构造的一例。
图2A是表示在摄像面所配置的光敏单元阵列200的基本像素结构(单位块)40的例子的平面图。光敏单元200具有如下构造：将分别含有2个光敏单元2a、2b的多个单位块40在摄像面上以二维状排列。另外，按照与第一光敏单元2a相对的方式在光入射侧配置有滤色镜3a。此外，按照与滤色镜3a相对的方式在光入射侧配置有分光要素1a。在该列中，在第二光敏单元2b相对的位置上，没有配置滤色镜和分光要素。
图2B是表示图2A的AA′线剖面的构造的图。还有，在图2B中，还图示有如下：邻接的单位块(第一邻接单位块)所包含的第一光敏单元2b′；与邻接的另一单位块(第二邻接单位块)所包含的第一光敏单元2a′相对的滤色镜3a′和分光要素1a′。分光要素1a′、滤色镜3a′分别是与分光要素1a、滤色镜3a相同的要素。如此，含有光敏单元2a、2b、滤色镜3a、分光要素1a的图案被在摄像面上反复形成。图2B中表示入射光(W)被分光要素1a根据波长区域进行分离、且向光敏单元2a、2b入射不同波长区域的光。具体来说为如下构成：分光要素1a使入射分光要素1a的光所含的第一波长区域的光(C1)的一半(C1/2)入射到光敏单元2b、且使第一波长区域的光的其余一半入射到第一邻接单位块所包含的光敏单元2b′，使第二波长区域的光(C2)和第三波长区域的光(C3)入射到光敏单元2a。滤色镜3a具有的特性是，将第一波长区域的光(C1)吸收或反射，使第二和第三波长区域的光(C2+C3)透过。
在此，在不存在分光要素阵列100和滤色镜阵列300的假设情况下，将各光敏单元接收的光称为该光敏单元的“单元入射光”。1个单位块所包含的光敏单元2a、2b接近时，可以认为这些光敏单元的单元入射光所含的光的强度和按波长区域的强度分布(光谱分布)大致相同。这些光敏单元的单元入射光的可视光成分的强度由符号“W”表示。另外，有时将单元入射光称为W光。本说明书中，将单元入射光所含的可视光大体区分而分类为第一色成分、第二色成分、第三色成分。另外，第一色成分、第二色成分、第三色成分所对应的波长区域，分别为第一波长区域、第二波长区域、第三波长区域。若将第一波长区域、第二波长区域、第三波长区域的光的强度分别表示为C1、C2、C3，则能够表示为W＝C1+C2+C3。第一波长区域、第二波长区域、第三波长区域的组合，典型的有红(R)、绿(G)、蓝(B)的三原色的光所对应的波长区域的组合，但只要将可视光的波长范围分成3个波长范围即可，也可以是其他组合。在本说明书，第一波长区域、第二波长区域、第三波长区域的光分别称为C1光、C2光、C3光。
在图2B所示的结构中，光敏单元2a接收从所相对的分光要素1a入射的第二波长区域的光(C2光)和第三波长区域的光(C3光)。另外，光敏单元2b从与2个邻接的光敏单元2a、2a′分别相对的分光要素1a、1a′一起接收强度C1/2的C1光，并且接收未经由任何分光要素而直接入射的W光。因此，从光敏单元2a、2b输出的光电转换信号S2a、S2b，能够分别由以下的式1、2表示。其中，表示W光、C1光、C2光、C3光的强度的信号，分别为Ws、C1s、C2s、C3s。
(式1)S2a＝Ws-C1s＝C2s+C3s
(式2)S2b＝Ws+C1s＝2C1s+C2s+C3s
通过从S2b减去S2a，能够得到以下的式3。
(式3)S2b-S2a＝2C1
式3表示，2个光电转换信号S2a和S2b的差分相当于表示第一波长区域的光的强度的信号C1s的2倍。如此，根据图2A、2B所示的结构，能够按每个单位块40得到表示第一波长区域的光的强度C1的信息。因此，能够得到第一色成分(例如红色)的图像。
在本发明中重要的一点是，在光敏单元2a和分光要素1a之间，配置有对第一波长区域的光进行吸收或反射的滤色镜3a这一点。由此，假如分光要素1a的分光性能偏离理想的性能，第一波长区域的光也不会入射光敏单元2a。即，能够防止C1光的成分混入到由式1所示的信号S2a，因此，与现有技术的情况相比，能够提高色彩再现性。
在图2B的结构中，分光要素1a使第一波长区域的光按各一半的方式入射到配置在相对的光敏单元2a的左右两边的光敏单元2b、2b′中，但也可以使C1光以不同的比率入射到2个光敏单元2b、2b′。例如，分光要素1a也可以向分光要素2b和分光要素2b′使W光所含的C1光以7∶3的比率入射。这种情况下，光敏单元2b从分光要素1a接收由0.7C1表示的C1光，从分光要素1a′接收由0.3C1表示的C1光，因此，光敏单元2b接收的C1光的总量与采用图2B的结构时相比，没有发生变化。
另外，分光要素1a如图3A所示，也可以构成为，使第一波长区域的光的大体全部入射光敏单元2b，不使光入射光敏单元2b′。在这样的结构中，通过上式1～3所示的信号运算处理，也能够完全相同地得到关于第一色成分的图像。另外，关于借助滤色镜3a防止C1光入射光敏单元2a这一效果，也与上述相同。
另外，也可以采用图3B所示的结构。在该结构中，具有与上述的分光要素1a不同的分光特性的分光要素1aa和1bb，分别与第一光敏单元2a和第二光敏单元2b相对配置。就分光要素1aa而言，其使第一波长区域的光(C1)入射第二光敏单元2b，使第二波长区域的光(C2)入射第一邻接单位块所包含的光敏单元2b′，使第三波长区域的光(C3)入射第一光敏单元2a。就分光要素1bb而言，其使第二波长区域的光(C2)按各一半的方式入射到第一光敏单元2a和第二邻接单位块所包含的光敏单元2a′，使第一波长区域和第三波长区域的光(C1+C3)入射第二光敏单元2b。在该结构例中，滤色镜3a也与光敏单元2a相对配置，具有仅对C1光进行吸收或反射的特性。根据这一结构，由式1～3所示的信号运算处理不发生变化。另外，关于借助滤色镜3a防止C1光入射光敏单元2a这一效果，也与上述相同。
如上，为了使用2个光敏单元的光电转换信号得到1个色成分的信号，只要按照使2个光敏单元的差信号与表示该色成分的光的强度的信号成比例的方式构成各结构要素即可。只要是这样的结构，不限于上述例，都能够得到关于1个色成分的图像。还有，上述各例中，C1光是可视光的1个色成分，但C1光并不限于可视光，也可以是红外线和紫外线等。即，本发明也能够用于红外线图像和紫外线图像等的生成。
根据本发明，不仅能够得到关于1个色成分的图像，而且能够得到关于3个色成分的图像，即彩色图像。为了得到彩色图像，只要按照各单位块含有3个以上的光敏单元、且向各个光敏单元入射光谱分布不同的光的方式构成分光要素阵列即可。在此，所谓“光谱分布不同”，意思是该光所含的主要的色成分不同。例如，第一光敏单元主要接收C1光和C2，第二光敏单元主要接收C2光和C3光时，两者接收的光的光谱分布互不相同。
图4是表示能够得到彩色图像的结构的一例的平面图。在该例中，1个单位块40包含3个光敏单元2a、2b、2c。在与第一光敏单元2a相对的位置配置有第一分光要素(未图示)，在与第二光敏单元2b相对的位置配置有第二分光要素(未图示)。第一分光要素其构成方式为，使C1光入射第二光敏单元2b，使C1光以外的光入射第一光敏单元2a。另外，第二分光要素其构成方式为，使C2光入射第三光敏单元2c，使C2光以外的光入射第二光敏单元2b。在第一光敏单元2a和第一分光要素之间，配置有对C1光进行吸收或反射的第一滤色镜(未图示)，在第二光敏单元2b和第二分光要素之间，配置有对C2光进行吸收或反射的第二滤色镜(未图示)。
根据以上的结构，从光敏单元2a、2b、2c分别输出的光电转换信号S2a、S2b、S2c能够分别由下式4～6表示。
(式4)S2a＝Ws-C1s＝C2s+C3s
(式5)S2b＝Ws+C1s-C2s＝2C1s+C3s
(式6)S2c＝Ws+C2s＝C1s+2C2s+C3s
由这些光电转换信号，能够以如下方式得到3个色信号C1s、C2s、C3s。首先，通过使S2a、S2b、S2c相加，能够得到信号3Ws。其次，通过进行Ws-S2a的运算，能够得到信号C1s。使用所得到的信号C1s，通过进行S2b-2C1s的运算，能够得到信号C3s。最后，通过进行S2c-C1s-C3s的运算，能够得到2C2s。以上的运算处理按各单位块运行，由此能够按每个单位块得到3个色信号C1s、C2s、C3s，因此能够生成彩色图像。
在图4的结构例中，不透射C1光的滤色镜与光敏单元2a相对配置，不透射C2光的滤色镜与光敏单元2b相对配置。因此，即使第一分光要素和第二分光要素的分光特性偏离理想的特性，也能够防止C1光、C2光分别混入光敏单元2a、2b。因此，能够实现色彩再现性高的彩色摄像装置。还有，为了生成彩色图像，并不限于上述结构例，只要是1个单位块所包含的至少3个光敏单元的光电转换信号互不相同，则什么样的结构都可以。
在以上的各结构例中，分光要素阵列100其构成为，通过分光向各光敏单元入射使C1光、C2光、C3光之中至少两种的光相叠加的光。在本发明中，也可以为如下构成，即，在各单位块中，一部分光敏单元接收单色光。但是，按照在至少1个光敏单元中入射使C1光、C2光、C3光之中至少两种的光相叠加的光的方式构成分光要素阵列。
图5是表示以向一部分的光敏单元入射单色光的方式所构成的摄像元件10的剖面构造的例子的图。在该例中，单位块40含有3个光敏单元2a、2n、2c。在与第一光敏单元2a相对的位置配置有分光要素1aa。分光要素1aa其构成方式为，使C1光入射第二光敏单元2b，使C2光入射第三光敏单元2c，使C3光入射第一光敏单元2a。另外，在第一光敏单元2a和分光要素1aa之间配置有滤色镜3aa，其仅使C3光透过、且对其他的光进行吸收或反射。在这样的结构中，还能够防止由于制造误差等导致设想之外的光(C1光和C2光)入射光敏单元2a。在该结构中，光敏单元2a、2b、2c的光电转换信号S2a、S2b、S2c分别由下式7～9表示。
(式7)S2a＝C3s
(式8)S2b＝Ws+C1s＝2C1s+C2s+C3s
(式9)S2c＝Ws+C2s＝C1s+2C2s+C3s
由式7～9，能够得到表示3个色成分的强度的信号C1s、C2s、C3s。因此在图5的结构中，可以生成彩色图像。
如上，根据本发明的摄像元件10，与按照至少不接收1个波长区域的光的方式所配置的光敏单元相对，配置有对该波长区域的光进行吸收或反射的滤色镜。由此，能够防止设想外的波长区域的光入射该光敏单元。另外，本发明的分光要素阵列100其构成为，向各单位块40所包含的至少1个光敏单元，入射使第一波长区域、第二波长区域、和第三波长区域之中至少2个波长区域的光相叠加的光。按照与各单位块40所包含的第一光敏单元2a相对的方式所配置的分光要素，使第一波长区域的光的至少一部分入射第二光敏单元2b。根据以上的结构，可以利用第一光敏单元2a的光电转换信号和第二光敏单元2b的光电转换信号来生成色彩信息。
还有，在图2A～3B、5中、各分光要素被描绘为长方形的要素，但是分光要素的形状未必要是这样的形状。作为本发明的分光要素，例如能够使用后述的高折射率透明构件、多层膜滤镜(分色镜)、微棱镜等。另外，作为滤色镜，不仅能够使用光吸收型的公知的滤色镜，而且能够使用仅将特定的波长区域的光透射、且将其他波长区域的光反射的分色镜等。
以下，一边参照图6至图12C，一边说明本发明优选的实施方式。
(实施方式1)
图6是表示本发明的第一实施方式的摄像装置的整体结构的方块图。本实施方式的摄像装置是数字式的电子照相机，其具有摄像部500和信号处理部400，该信号处理部400基于从摄像部500送出的信号来生成表示图像的信号(图像信号)。还有，摄像装置可以仅生成静止图像，也可以具有生成运动图像的功能。
摄像部500具有如下：光学透镜12，其用于使被摄物体成像；光学滤波器11；固体摄像元件10(图像传感器)，其将通过光学透镜12和光学滤波器11所成像的光信息经由光电转换转换成电信号。摄像部500还具有如下：信号发生/接收部13，其使得用于驱动摄像元件10的基本信号发生，并且将来自摄像元件10的输出信号接收并送出至信号处理部400；元件驱动部14，其基于由信号发生/接收部13发生的基本信号，对摄像元件10进行驱动。光学透镜12为公知的透镜，可以是具有多个透镜的透镜部件。就光学滤波器11而言，其是在用于以像素排列为原因所发生的莫尔图得以降低的水晶低通滤镜上将用于除去红外线的红外截止滤镜加以合体而成的。摄像元件10典型的是CMOS或CCD，通过公知的半导体制造技术制造。信号发生/接收部13和元件驱动部14例如由CCD驱动器等LSI构成。
信号处理部400具有如下：将从摄像部500送出的信号进行处理而生成图像信号的图像信号生成部15；对图像信号的生成过程中所发生的各种数据进行存储的存储器30；将生成的图像信号送出到外部的图像信号输出部16。就图像信号生成部15而言，能够通过将公知的数字信号处理器(DSP)等硬件、和运行含有图像信号生成处理的图像处理的软件加以组合来得以恰当地实现。存储器30由DRAM等构成。存储器30将从摄像部500送出的信号进行记录、且将由图像信号生成部15生成的图像数据和所压缩的图像数据进行暂时记录。这些图像数据经由图像信号输出部16被送出至未图示的记录媒体和显示部等。
还有，本实施方式的摄像装置，可以具有电子快门、取景器、电源(电池)、闪光灯等公知的构成要素，但其说明对于本发明的理解来说不是特别需要，因此省略。另外，以上的结构不过是一个例子，在本发明中，在除去摄像元件10的构成要素中，能够适当组合公知构成要素加以使用。
以下、说明本实施方式的固体摄像元件10。
图7是模式化地表示曝光中透过透镜12的光入射摄像元件10的情况的图。在图7中，为了简单而省略了除透镜12和摄像元件10以外的构成要素的记述。另外，透镜12通常能够由沿光轴方向排列的多个透镜构成，但为了简单而描绘为单一的透镜。在摄像元件10的摄像面10a上，配置有含有二维状排列的多个光敏单元(像素)的光敏单元阵列。就各光敏单元而言，其是代表性的光敏二极管，经由光电转换输出与入射光量相应的光电转换信号(像素信号)。透过了透镜12和光学滤波器11的光(可视光)入射到摄像面10a。通常入射到摄像面10a的光的强度和按每个波长区域的入射光量的分布(光谱分布)，会根据入射位置而有所不同。
图8A、8B是表示本实施方式的像素排列的例子的平面图。光敏单元阵列200例如，如图8A所示，具有在摄像面10a上以正方格状所排列的多个光敏单元。光敏单元阵列200由多个单位块40构成，各单位块40含有4个光敏单元2a、2b、2c、2d。还有，光敏单元的排列也可以不是这样的正方格状的排列，也可以是例如如图8B所示这样的斜交型的排列，也可以是其他的排列。各单位块所包含的4个光敏单元2a～2d优选如图8A、8B所示彼此接近，但即使其分离，通过适当地构成分光要素阵列，也可以得到色彩信息。
按照与光敏单元阵列200相对的方式在光入射的一侧配置有包含多个分光要素的分光要素阵列100。在本实施方式中，按照与各单位块40所包含的4个光敏单元一一对应的方式设有4个分光要素。此外，在其中的2个光敏单元，在与相对的分光要素之间还设有滤色镜。
以下，说明本实施方式的分光要素。
本实施方式的分光要素，是利用在折射率不同的两种透光性构件的边界所产生的光的衍射、而使入射光对应波长区域而朝向不同方向的光学元件。这一类型的分光要素具有如下：由折射率相对高的材料形成的高折射率透明构件(中心部)；由折射率相对低的材料形成、且与中心部的各个侧面相接的低折射率透明构件(包覆部)。由于中心部和包覆部之间的折射率差，导致在透过两者和光之间产生相位差，由此发生衍射。该相位差因光的波长而不同，因此可以根据波长区域(色成分)对光进行空间性地分离。例如，能够使第一色成分的光按各一半的方式朝向第一方向和第二方向，使第一色成分以外的光朝向第三方向。另外，也可以使不同波长区域(色成分)的光分别朝向3个方向。通过中心部和包覆部的折射率差可以进行分光，因此在本说明书中，将高折射率透明构件称为“分光要素”。但是，在本说明书中，运用“入射到分光要素的光”等的表达时，该光中不仅包含入射到高折射率透明构件的光、而且也包含入射到高折射率透明构件的周边的低折射率透明构件的光。这样的衍射型的分光要素的详情，例如公开在专利第4264465号公报中。
具有以上这样的分光要素的分光要素阵列，能够借助公知的半导体制造技术，通过运行薄膜堆积和图案形成而制造。通过分光要素的材质(折射率)、形状、尺寸、排列图案等的适当设计，可以使预期的波长区域的光分离/统合后再使之入射到各个光敏单元。其结果是，根据从各光敏单元输出的光电转换信号组，能够计算出与需要的色成分所对应的信号。
接着，一边参照图9A～9C，一边说明本实施方式的摄像元件10的基本构造。
图9A是表示本实施方式的摄像元件10的基本构造的平面图。在各单位块40中，按照与4个光敏单元2a、2b、2c、2d相对的方式分别配置有分光要素1a、1b、1c、1d。另外，在第1行第2列的光敏单元2b和分光要素1b之间，配置有对红色波长区域的光进行吸收、且使绿和蓝色波长区域的光透过的滤色镜(Cy滤镜)3b。另外，在第2行第1列的光敏单元2c和分光要素1c之间，配置有对蓝色波长区域的光进行吸收、且仅使红和绿色波长区域的光透过的滤色镜(Ye滤镜)3c。具有这样的基本构造的多个图案被在摄像面10a上反复形成。
图9B、9C是分别表示图9A的AA′线剖面和BB′线剖面的图。如图示，摄像元件10具有如下：由硅等形成的半导体基板7；配置在半导体基板7的内部的光敏单元2a～2d；配线层5；形成于半导体基板7的背面侧(光入射的一侧)的透明层6；形成于半导体基板7的表面侧(非光入射一侧)的支持基板9；使支持基板9和半导体基板7接合的粘接层8。在透明层6的内部配置有：由折射率比透明层6更高的透光性构件构成的分光要素1a、1b、1c、1d；和由公知的顏料等形成的滤色镜3b、3c。另外，用于高效率地进行向各光敏单元的聚光的微透镜4，隔着透明层6而与各个光敏单元对应配置。
图9B、9C所示的构造，能够通过公知的半导体制造技术制作。本实施方式的摄像元件10，具有从不形成配线层5的一侧使光入射的背照型的构造，摄像元件10并不限于背照型，也可以具有表面照射型的构造。另外，即使不配置微透镜4，也可以获得本实施方式的效果。
如图9B所示，分光要素1a具有在光的行进方向上长的长方形状的截面，借助自身和透明层6之间的折射率差进行分光。分光要素1a使入射光(W)所含的R光和G光入射到相对的光敏单元2a、且使B光按各一半的方式入射到光敏单元2b和第一邻接单位块所包含的光敏单元(未图示)。还有，在图9B中，符号B/2表示的是入射光所含的B光的一半的量。
分光要素1b在光出射一侧的前端具有段差，由于自身和透明层6之间的折射率差，使入射光分离为0次、1次、-1次等的衍射光。各自的衍射角根据波长而有所不同，因此可以根据色成分将光分成3个方向。具体来说，分光要素1b使G光入射到相对的光敏单元2b，使R光入射到光敏单元2a，使B光入射到第二邻接单位块所包含的光敏单元(未图示)。还有，上述的B光和R光也可以交替。即，分光要素1b也可以使B光入射到光敏单元2a，使R光入射到第二邻接单位块所包含的光敏单元。
各分光要素的特性由形状和折射率决定，在本实施方式中，使分光要素1a、1b按照具有上述的分光特性的方式设计其长度和厚度。
就Cy滤镜3b而言，其与光敏单元2b相对地配置，仅使从分光要素1a、1b和与第二邻接单位块所包含的光敏单元相对的分光要素所入射的光之中的、蓝绿的波长区域(绿和蓝色波长区域)的光透过。其结果是，在光敏单元2b不入射R光、仅入射G光和B光。
借助分光要素1a、1b和滤色镜3b的功能，光敏单元2a从分光要素1a接收R光和G光，从分光要素1b接收R光，从与第一邻接单位块所包含的光敏单元相对的分光要素(未图示)接收B光。另外，光敏单元2b从分光要素1b接收G光，从分光要素1a和与第二邻接单位块所包含光敏单元相对的分光要素(未图示)按各一半的方式接收B光。
另外，如图9C所示，分光要素1c在光出射侧的前端具有段差，由于自身和透明层6之间的折射率差，使入射光分离成0次、1次、-1次等的衍射光。分光要素1c具有与上述的分光要素1b相同的特性，使G光入射到相对的光敏单元2c，且使B光入射到光敏单元2d，并使R光入射到第一邻接单位块所包含的光敏单元(未图示)。还有，在此B光和R光也可以交替。即，分光要素1c使R光入射到光敏单元2d、且使B光入射到第一邻接单位块所包含的光敏单元。
分光要素1d具有在光的行进方向上长的长方形状的截面，借助自身和透明层6之间的折射率差进行分光。分光要素1d使入射光(W)所含B光和G光入射到相对的光敏单元2d，且使R光按各一半的方式入射到光敏单元2c和第二邻接单位块所包含的光敏单元(未图示)。还有，在图9C中，符号R/2表示的是入射光所含的R光的一半。
在分光要素1c、1d中，也按照各自分别具有上述的分光特性的方式设计其长度和厚度。
就滤色镜3c而言，其与光敏单元2c相对地配置，从分光要素1c、1d和与第一邻接单位块所包含的光敏单元相对的分光要素接收光，且仅使黄色波长区域(红和绿色波长区域)的光透过。其结果是，在光敏单元2c不入射B光、且仅入射R光和G光。
借助分光要素1c、1d和滤色镜3c的功能，光敏单元2c从分光要素1c接收G光、从分光要素1d和与第一邻接单位块所包含的光敏单元相对的分光要素(未图示)将R光按各一半的方式进行接收。另外，光敏单元2d从分光要素1d接收G光和B光，从分光要素1c接收B光，从与第二邻接单位块所包含的光敏单元相对的分光要素(未图示)接收R光。
根据以上的结构，光敏单元2a、2b、2c、2d分别输出由下式1～4表示的光电转换信号S2a～S2d。在此，将相当于R光、G光、B光的强度的信号分别表示为Rs、Gs、Bs。
(式10)S2a＝2Rs+Gs+Bs
(式11)S2b＝Gs+Bs
(式12)S2c＝Rs+Gs
(式13)S2d＝Rs+Gs+2Bs
图像信号生成部15(图6)，通过使用了由式10～13所示的光电转换信号的运算来生成色彩信息。以下，说明图像信号生成部15进行的色彩信息生成处理。
第一，通过(S2a-S2b)的运算，计算表示红光的强度的信号2Rs。第二，通过(S2d-S2c)的运算，计算表示蓝光的强度的信号2Bs。第三，通过(S2a+S2b)或(S2c+S2d)的运算，计算表示入射光强度的信号2Rs+2Gs+2Bs(＝2Ws)。第四，从计算出的2Rs+2Gs+2Bs减去2Rs和2Bs，计算表示绿光的强度的信号2Gs。
就图像信号生成部15而言，通过将以上的信号运算按光敏单元阵列200的单位块40运行，从而生成表示R、G、B的各色成分的图像的信号(以下、称为“彩色图像信号”。)。所生成的彩色图像信号由图像信号输出部16输出到未图示的记录媒体和显示部。
如此，根据本实施方式的摄像装置，通过使用了光电转换信号S2a～S2d的信号运算处理，能够得到彩色图像信号。
上述的信号运算处理，在本来没有配置滤色镜3b、3c时也能够适用，能够得到彩色图像信号。但是实际上，由于作为分光要素使用的材料的特性和制造精度差，导致有分光要素的分光性能偏离理想的性能情况。分光要素1a的分光性能偏离理想的性能时，B光的一部分(ΔB)会混入与分光要素1a相对的光敏单元2a，或R光和G光的一部分(ΔR+ΔG)会混入光敏单元2b。这种情况下，从分光要素1a，以(R+G-ΔR-ΔG+ΔB)表示的光会入射光敏单元2a、以(B-ΔB+ΔR+ΔG)表示的光会入射光敏单元2b。关于其他分光要素也同样，若各分光要素的制造精度低，分光性能偏离设想的性能，则各光电转换信号偏离由上式10～13表示的信号，色彩再现性降低。
根据本实施方式的摄像元件，通过按照与一部分的像素相对的方式配置滤色镜，能够解决上述的色彩再现性的问题。在本实施方式中，为了只接收G光和B光，与光敏单元2b相对地配置有Cy滤镜3b；为了只接收R光和G光，与光敏单元2c相对地配置Ye滤镜3c。其结果是，在光敏单元2b、2c中，入射光量有一些降低，但能够防止在这些光敏单元入射Cy的波长区域以外的光(R光)或Ye的波长区域以外的光(B光)。根据这样的对策，由式11和式12所示的信号S2b、S2c成为近于设计值的信号，能够提高色彩再现性。还有，还考虑在与光敏单元2a相对的位置，配置以R∶G∶B＝2∶1∶1的比率使光透过的滤色镜；以及在与光敏单元2d相对的位置，配置以R∶G∶B＝1∶1∶2的比率使光透过的滤色镜。但是，若配置这样的滤色镜，则与之相对的光敏单元的光接收量大幅降低下，因此不优选配置这样的滤色镜。结局是，优选在与光敏单元2a、2c相对的位置不配置滤色镜，仅在与光敏单元2b、2c相对的位置分别配置滤色镜3b、3c。
如上，根据本实施方式的摄像装置，将摄像元件10的基本像素构成设为2行2列，按照与各像素一一对应的方式配置有将入射光根据色成分进行空间上的分离的分光要素。在第1行第1列，配置有分光要素1a，其使红光和绿光入射到相对像素，使蓝光按各一半的方式入射到与相对像素邻接的2个像素。在第1行第2列和第2行第1列，配置有分光要素1b，其使绿光入射到相对像素，使红光入射到与相对像素邻接的2个像素的一方，使蓝光入射到另一方。在第2行第2列，配置有分光要素1d，其使绿光和蓝光入射到相对像素，使红光按各一半的方式入射到与相对像素邻接的2个像素。此外，在第1行第2列的光敏单元2b和分光要素1b之间配置有Cy滤镜，在第2行第1列的光敏单元2c和分光要素1c之间配置有Ye滤镜。通过这些滤色镜，能够防止红光入射到第1行第2列的像素，能够防止蓝光入射到第2行第1列的像素。其结果是发挥如下优异的效果，即，能够防止因分光要素的制造精度低等引起的分光性能的低下，能够实现高灵敏度、且色彩再现性高的彩色摄像装置。
还有，本实施方式的图像信号生成部15，也不一定完全生成3个色成分的图像信号。也可以构成为，根据用途只生成1色或2色的图像信号。另外，也可以根据需要进行信号的增幅、合成、校正。
另外，即使配置滤色镜3b、3c，还是存在从各光敏单元实际输出的光电转换信号从由式10～13所示的光电转换信号多少偏离的情况。这种情况下，根据偏离的程度校正信号，可以得到良好的色彩信息。
此外，本实施方式的图像信号生成部15进行的信号运算，也可以使之不在摄像装置自身运行，而是在其他的设备上运行。例如，在接收从摄像元件10输出的光电转换信号的输入的外部的设备上，通过使规定本实施方式的信号运算处理的程序运行，也能够生成色彩信息。
在本实施方式，摄像元件10的基本构造并不限于图9A～9C所示的结构。例如，图9A所示的第1列的配置和第2列的配置可以交替，第1行的配置和第2行的配置也可以交替。
此外，各分光要素的分光的方式并不限于上述例，R光、G光、B光可以相互交替。例如，可以交替上述说明的R光和G光，也可以交替G光和B光。
还有，本实施方式的滤色镜3b、3c，不限于对特定的波长区域的光进行吸收的滤色镜，也可以是对特定的波长区域的光进行反射的多层膜滤镜(分色镜)等。
另外，本实施方式的各分光要素1a、1b、1c、1d其构成为，使光入射到与各自的相对像素邻接的2个像素；但也可以构成为，各分光要素使光入射到与相对像素邻接的1个像素。例如，就分光要素1a而言，也可以使入射分光要素1a的光所含的B光的大体全部入射到光敏单元2b。同样地，分光要素1b也可以使R光和B光双方入射到光敏单元2a。在这样的结构中，各光敏单元的光电转换信号不变，因此能够得到同样的效果。
在以上的说明中，作为分光要素使用的是通过利用2个构件的折射率差来进行分光的光学元件，但分光要素只要能够向各光敏单元入射预期的色成分的光就可以。例如，作为分光要素也可以使用微棱镜和分色镜。另外，也可以组合不同各类的分光要素进行使用。
作为一例，部分利用了基于分色镜的光透射和反射的摄像元件的结构例被示出在图10中。图10所示的结构是，将图9B的分光要素1a置换成分光要素1e，且省略了微透镜4。分光要素1e含有进行了接合的2个分色镜，其对B光进行反射、且使B光以外的光透过。2个分色镜相对于摄像面的法线对称地倾斜配置。该分色镜的倾斜角度设定方式为，使其反射光在透明层6和微透镜4的界面6a发生全反射，且入射到与相对像素邻接的2个像素。采用这样的结构时，也可以通过上述的信号运算得到色彩信息。
(实施方式2)
接着，一边参照图11A～11C，一边说明本发明的第二实施方式。本实施方式的摄像装置与实施方式1的摄像装置比较，只有摄像元件10的构造不同，其他构成要素均相同。以下，以与实施方式1的摄像装置的不同点为中心进行说明，重复的点省略记述。
图11A是表示本实施方式的摄像元件10的基本构造的平面图。在各单位块40中，按照与4个光敏单元2a、2b、2c、2d之中的、2个光敏单元2a、2d相对的方式，分别配置有分光要素1a、1d。分光要素1a、1d分别具有与实施方式1的分光要素1a、1d相同的特性。另外，在第1行第1列的光敏单元2a和分光要素1a之间，配置有对蓝色波长区域的光进行吸收、且使红和绿色波长区域的光透过的滤色镜(Ye滤镜)3a。另外，在第2行第2列的光敏单元2d和分光要素1d之间，配置有对红色波长区域的光进行吸收、且使绿和蓝色波长区域的光透过滤色镜(Cy滤镜)3d。在第1行第2列和第2行第2列的光敏单元，未配置相对的分光要素和滤色镜。具有这样基本构造的图案被在摄像面10a上反复形成。
图11B是图11A的CC′线剖面图。如图示，分光要素1a构成为，使R光和G光入射到相对的光敏单元2a，使B光按各一半的方式分别入射到光敏单元2b和邻接的单位块所包含的光敏单元。在光敏单元2b由于未配置相对的滤色镜和分光要素，因此也入射未经由任何分光要素的W光。
图11C是图11A的DD′线剖面图。如图示，分光要素1d其构成为，使G光和B光入射到相对的光敏单元2d，使R光按各一半的方式分别入射到光敏单元2c和邻接的单位块所包含的光敏单元。在光敏单元2c未配置相对的滤色镜和分光要素，因此，在光敏单元2c中也入射未经由任何分光要素的W光。
还有，本实施方式的摄像元件10，也具有光从未形成配线层5的一侧入射的背照型的构造，但摄像元件10并不限于背照型，也可以具有表面照射型的构造。
根据以上的结构，若光入射摄像元件10，则光敏单元2a接收从分光要素1a经由Ye滤镜3a入射的R光和G光。光敏单元2b接收未经由任何分光要素而直接入射的W光，并接收从分光要素1a和与邻接的单位块所包含的光敏单元相对的分光要素按各一半的方式所分别入射的B光。光敏单元2c接收未经由任何分光要素而直接入射的W光，并接收从分光要素1d和与邻接的其他单位块所包含的光敏单元相对的分光要素按各一半的方式所分别入射的R光。光敏单元2d接收从分光要素1d经由Cy滤镜3d所入射的G光和B光。其结果是，从各光敏单元输出的光电转换信号2a～2d能够由下式14～17表示。
(式14)S2a＝Rs+Gs
(式15)S2b＝Rs+Gs+2Bs
(式16)S2c＝2Rs+Gs+Bs
(式17)S2d＝Gs+Bs
图像信号生成部15(图6)，通过使用了由式14～17所示的光电转换信号的运算，生成色彩信息。第一，通过(S2b-S2a)的运算，计算表示蓝光的强度的信号2Bs。第二，通过(S2c-S2d)的运算，计算表示红光的强度的信号2Rs。第三，通过(S2a+S2b)或(S2c+S2d)的运算，计算表示入射光强度的信号2Rs+2Gs+2Bs(＝2Ws)。第4，从计算出的2Rs+2Gs+2Bs减去2Rs和2Bs，计算表示绿光的强度的信号2Gs。
图像信号生成部15，通过按每个光敏单元阵列200的单位块40运行以上的信号运算，生成表示R、G、B的各色成分的图像的信号(彩色图像信号)。所生成的彩色图像信号通过图像信号输出部16被输出到未图示的记录媒体和显示部。如此，利用本实施方式的摄像装置，通过使用了光电转换信号S2a～S2d的信号运算处理，也能够得到彩色图像信号。
上述的信号运算处理，在本来未配置滤色镜3b、3c时也能够适用，能够得到彩色图像信号。但是实际上，由于作为分光要素使用的材料的特性和制造精度差，导致有分光要素的分光性能偏离理想的性能情况。若各分光要素的分光性能偏离设想的性能，则各光电转换信号偏离由上述的式14～17所示的信号，色彩再现性将降低。
根据实施方式的摄像元件，通过按照与一部分像素相对的方式配置滤色镜，能够解决上述的色彩再现性的问题。在本实施方式中，为了只接收R光和G光，与光敏单元2a相对地配置Ye滤镜3a；为了只接收G光和B光，与光敏单元2d相对地配置Cy滤镜3d。其结果是，能够防止在这些光敏单元中有Ye的波长区域以外的光(B光)或Cy的波长区域以外的光(R光)的入射。通过这样的对策，由式14和式17分别表达的信号S2a和S2d成为更近于设计值的信号，能够提高色彩再现性。
如上，根据本实施方式的摄像装置，将摄像元件10的基本像素构成设为2行2列，按照与第1行第1列和第2行第2列的各像素一一对应的方式配置有将入射光根据色成分进行空间上的分离的分光要素。在第1行第1列配置有分光要素1a，其使红光和绿光入射到相对像素，使蓝光按各一半的方式入射到与相对像素邻接有2个像素。在第1行第2列和第2行第1列，不配置分光要素。在第2行第2列配置有分光要素1d，其使绿光和蓝光入射到相对像素，使红光按各一半的方式入射到与相对像素邻接的2个像素。此外，在第1行第1列的光敏单元2a和分光要素1a之间，配置有Ye滤镜3a；在第2行第2列的光敏单元2d和分光要素1d之间，配置有Cy滤镜3d。通过这些滤色镜，能够防止蓝光入射到第1行第1列的像素，能够防止红光入射到第2行第2列的像素。其结果是发挥如如下优异的效果，即，能够防止因分光要素的制造精度差等引起的分光性能的低下，能够实现高灵敏度、色彩再现性高的彩色摄像装置。
还有，在本实施方式中，摄像元件10的基本构造并不限于图11A～11C所示结构。例如，图11A所示第1列的配置和第2列的配置可以交替，第1行的配置和第2行的配置也可以交替。
另外，各分光要素的分光的方式并不限于上述例，R光、G光、B光可以交替。例如，可以交替上述说明中的R光和G光，也可以交替G光和B光。
此外，本实施方式的各分光要素1a、1d其构成为，使光入射到分别与相对像素邻接的2个像素，但也可以构成为，各分光要素使光入射到与相对像素邻接1个像素。例如，就分光要素1a而言，也可以使入射分光要素1a的光所含B光的大体全部入射到光敏单元2b。同样，分光要素1d也可以使入射分光要素1d的光所含的R光的大体全部入射到光敏单元2a。在这样的结构中，因为各光敏单元的光电转换信号不变，所以能够得到同样的效果。
在本实施方式中，各分光要素只要能够向各光敏单元入射预期的色成分的光即可。例如，作为分光要素能够使用微棱镜和分色镜。另外，分光要素1a和分光要素1d也可以是不同种类的分光要素。此外，滤色镜3a、3d并不限于对特定的波长区域进行吸收的光的滤色镜，也可以是对特定的波长区域的光进行反射的分色镜等。
(实施方式3)
接着，一边参照图12A～12C，一边说明本发明的第三实施方式。本实施方式的摄像装置与实施方式1的摄像装置比较，只有摄像元件10的构造不同，其他的构成要素相同。以下，以与实施方式1的摄像装置的不同点为中心进行说明，重复的点省略记述。
图12A是表示本实施方式的摄像元件10的基本构造的平面图。在各单位块40中，按照与4个光敏单元2a、2b、2c、2d之中的、3个光敏单元2b、2c、2d相对的方式，分别配置有分光要素1b、1cc、1d。分光要素1b、1d具有分别与实施方式1的分光要素1b、1d相同的特性。分光要素1cc具有与实施方式1和实施方式2的分光要素1a相同的特性。另外，在第1行第2列的光敏单元2b和分光要素1b之间，配置有滤色镜(G滤镜)3bb，其对红和蓝色波长区域的光进行吸收、且使绿色波长区域的光透过。另外，在第2行第1列的光敏单元2c和分光要素1cc之间，配置有滤色镜(Ye滤镜)3c，其对蓝色波长区域的光进行吸收，且使红和绿色波长区域的光透过。此外，在第2行第2列的光敏单元2d和分光要素1d之间，配置滤色镜(Cy滤镜)3d，其对红色波长区域的光进行吸收，且使绿和蓝色波长区域的光透过。在第1行第1列的光敏单元2a没有配置相对的分光要素和滤色镜。具有这样基本构造的图案被在摄像面10a上反复形成。
图12B是图12A的EE′线剖面图。如图示，分光要素1b其构成为，使G光入射到相对的光敏单元2b，使B光入射到光敏单元2a和邻接的单位块(第一邻接单位块)所包含的光敏单元。在光敏单元2a未设置相对的滤色镜和分光要素，因此在光敏单元2a也入射未经由任何分光要素的W光。
图12C是图12A的FF′线剖面图。如图示，分光要素1cc其构成为，使R光和G光入射到相对的光敏单元2c，使B光按各一半的方式分别入射到光敏单元2d和邻接的其他单位块(第二邻接单位块)所包含的光敏单元。分光要素1d其构成为，使G光和B光入射到相对的光敏单元2d，使R光按各一半的方式分别入射到光敏单元2c和第一邻接单位块所包含的光敏单元。
还有，本实施方式的摄像元件10也具有光从未形成配线层5的一侧入射的背照型的构造，但摄像元件10并不限于背照型，也可以具有表面照射型的构造。
根据以上的结构，若光入射摄像元件10，则光敏单元2a接收未经由任何分光要素而直接入射的W光、且接收从分光要素1b入射的R光、并接收从与第二邻接单位块所包含的光敏单元相对的分光要素入射的B光。光敏单元2b接收从分光要素1b经由G滤镜3bb入射的G光。光敏单元2c接收从分光要素1cc经由Ye滤镜3c入射的R光和G光、且接收从分光要素1d和与第二邻接单位块所包含的光敏单元相对的分光要素按各一半的方式所分别入射的R光。光敏单元2d接收从分光要素1d经上Ye滤镜3d入射的G光和B光，并接收从分光要素1c和与第一邻接单位块所包含的光敏单元相对的分光要素按各一半的方式所分别入射的B光。作为结果，从各光敏单元输出光电转换信号2a～2d能够由下式18～21表示。
(式18)S2a＝2Rs+Gs+2Bs
(式19)S2b＝Gs
(式20)S2c＝2Rs+Gs
(式21)S2d＝Gs+2Bs、
图像信号生成部15(图6)，通过使用了由式18～21所示的光电转换信号的运算，生成色彩信息。第一，通过(S2a-S2b)的运算，计算出2(Rs+Bs)。第二，通过(S2c-S2d)的运算，计算2(Rs-Bs)。第三，将计算出的2(Rs+Bs)和2(Rs-Bs)相加，由此生成表示红光的强度的信号4Rs。另外，通过从2(Rs+Bs)减去2(Rs-Bs)，生成表示蓝光的强度的信号4Bs。第四，通过(S2a+S2b)或(S2c+S2d)的运算，计算表示入射光强度的信号2Rs+2Gs+2Bs(＝2Ws)。第五，通过从计算出的2Rs+2Gs+2Bs减去2Rs和2Bs，计算表示绿光的强度的信号2Gs。
图像信号生成部15，通过按每个光敏单元阵列200的单位块40运行以上的信号运算，生成表示R、G、B的各色成分的图像的信号(彩色图像信号)。所生成的彩色图像信号由图像信号输出部16输出到未图示的记录媒体和显示部。如此，根据本实施方式的摄像装置，通过使用了光电转换信号S2a～S2d的信号运算处理，也能够得到彩色图像信号。
上述的信号运算处理，在本来没有配置滤色镜3bb、3c、3d的情况下也能够适用，能够得到彩色图像信号。但是实际上存在如下情况，即，由于作为分光要素使用的材料的特性和制造精度差，引起分光要素的分光性能偏离理想的性能。若各分光要素的分光性能偏离设想的性能，则各光电转换信号偏离上述的式18～21所示的信号，色彩再现性将降低。
在本实施方式的摄像元件中，通过按照与一部分像素相对的方式配置滤色镜，也能够解决上述的色彩再现性的问题。在本实施方式中，为了只接收G光，与光敏单元2c相对地配置G滤镜3bb；为了只接收R光和G光，与光敏单元2c相对地配置Ye滤镜3c；为了只接收G光和B光，与光敏单元2d相对地配置Cy滤镜3d。其结果是，能够防止G光、Ye光(R光和G光)、Cy光(G光和B光)以外的光分别入射到光敏单元2b、2c、2d。根据这一对策，由式19～21分别表示的信号S2b、S2c、S2d成为近于设计值的信号，能够提高色彩再现性。
如以，根据本实施方式的摄像装置，将摄像元件10的基本像素构成设为2行2列，按照与第1行第2列、第2行第1列、第2行第2列的各像素一一对应的方式配置将入射光根据色成分进行空间上的分离的分光要素。在第1行第1列不配置分光要素。在第1行第2列配置有分光要素1b，其使G光入射到相对像素，使R光入射到与相对像素邻接的2个像素的一方，使B光入射到另一方。在第2行第1列配置有分光要素1cc，其使红光和绿光入射到相对像素，使蓝光按各一半的方式入射到与相对像素邻接2个像素。在第2行第2列配置有分光要素1d，其使绿光和蓝光入射到相对像素，使红光按各一半的方式入射到与相对像素邻接2个像素。此外，在第1行第2列的光敏单元2b和分光要素1b之间配置有G滤镜，在第2行第1列的光敏单元2c和分光要素1cc之间配置有Ye滤镜3c，在第2行第2列的光敏单元2d和分光要素1d之间配置有Cy滤镜3d。利用这些滤色镜，能够防止红光和蓝光入射到第1行第2列的像素，能够防止蓝光入射到第2行第1列的像素，能够防止红光入射到第2行第2列的像素。其结果是起到如下优异的效果，即，能够防止因分光要素的制造精度差等引起的分光性能的降低，实现高灵敏度、且色彩再现性高的彩色摄像装置。
还有，在本实施方式中，在2行2列的基本像素结构中，在第1行第2列配置有分光要素1b和G滤镜3bb，但也可以只配置分光要素1b和G滤镜3bb的任意一方。这种情况下，通过与上述同样的处理，也能够实现彩色化。但是，在不配置分光要素1b且仅配置G滤镜3bb时，光敏单元2a的光电转换信号表示为S2a＝Rs+Gs+Bs。因此，(S2a-S2b)的运算结果为(Rs+Bs)，所以需要使用该结果2倍的信号来进行后续的信号处理。
还有，在本实施方式中，摄像元件10的基本构造并不限于图12A～12C所示的结构。例如，图12A所示的第1列的配置和第2列的配置可以交替，第1行的配置和第2行的配置也可以交替。
另外，各分光要素的分光的方式不限于上述例，R光、G光、B光可以交替。例如，可以交替上述的说明中的R光とG光，也可以交替G光和B光。
此外，本实施方式的各分光要素1b、1cc、1d其构成为，使光入射到分别与相对像素邻接的2个像素，但分光要素也可以构成为，使光入射到与相对像素邻接的1个像素。例如，就分光要素1c而言，也可以使入射分光要素1c的光所含的B光的大体全部入射光敏单元2d。同样，就分光要素1d而言，也可以使入射分光要素1d的光所含的R光的大体全部入射光敏单元2a。在这样的结构中，因为各光敏单元的光电转换信号不变，所以能够得到同样的效果。
在本实施方式中，各分光要素只要能够向各光敏单元入射预期的色成分的光即可。例如，作为分光要素能够使用微棱镜和分色镜。另外，分光要素1a和分光要素1d也可以是不同种类的分光要素。此外，滤色镜3bb、3c、3d不限于对特定的波长区域的光进行吸收的滤色镜，也可以是对特定的波长区域的光进行反射的分色镜等。
产业上的可利用性
本发明的固体摄像元件和摄像装置，对于应该使用固体摄像元件的照相机有效。例如，可以利用于数字静态照相机和数字影像摄录机等民用相机、和工业用的固体监控摄像头等。
符号的说明
1a、1a′、1aa、1aa′、1bb′、1b、1c、1d、1e、1cc 分光要素
2、2a、2b、2c、2d、2a′、2b′ 摄像元件的光敏单元
3a、3b、3c、3d、3a′、3aa、3bb 滤色镜
4、4a、4b 微透镜
5 摄像元件的配线层
6 透明层
6a 透明层和外部层的界面
7 半导体基板
8 粘接层
9 固定基板
10 摄像元件
10a 摄像元件的摄像面
11 光学滤波器
12 光学透镜
13 信号发生和像素信号接收部
14 元件驱动部
15 图像信号生成部
16 图像信号输出部
17 对红色(R)以外进行反射的多层膜滤镜
18 仅对绿色(G)进行反射的多层膜滤镜
19 仅对蓝色(B)进行反射的多层膜滤镜
20 遮光部
21 透光性树脂
22 G光透过的多层膜滤镜
23 R光透过的多层膜滤镜
24 G光透过的有机着色剂滤镜
25 R光透过的有机着色剂滤镜
26 微透镜
27 金属层
30 存储器
40 单位块
100 分光要素阵列
200 光敏单元阵列
300 滤色镜阵列
400 信号处理部
500 摄像部

Claims (11)

1.一种固体摄像元件，其中，具有：
光敏单元阵列，其将各自含有第一光敏单元和第二光敏单元的多个单位块在摄像面上以二维状排列；
分光要素阵列，其与所述光敏单元阵列相对地配置，且含有多个分光要素；
滤色镜阵列，其配置在所述光敏单元阵列和所述分光要素阵列之间，且含有多个滤色镜，
在所述分光要素阵列和所述滤色镜阵列不存在的假设情况下，将各光敏单元接收的光设为各光敏单元的单元入射光，所述第一光敏单元的单元入射光含有第一波长区域的光、第二波长区域的光和第三波长区域的光时，
所述分光要素阵列其构成为，含有与所述第一光敏单元相对地配置的、且使所述第一单元入射光所含的所述第一波长区域的光的至少一部分入射到所述第二光敏单元的第一分光要素，并且，使所述第一波长区域的光、所述第二波长区域的光和所述第三波长区域的光中的至少两个波长区域的光，入射到所述第一光敏单元和所述第二光敏单元的至少一方，
所述滤色镜阵列含有：在所述第一光敏单元和所述第一分光要素之间所配置的、且对所述第一波长区域的光进行吸收或反射的第一滤色镜。
2.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其中，
所述第一分光要素，使所述第一光敏单元的单元入射光所含的所述第一波长区域的光的一部分入射到所述第二光敏单元，且使所述第一光敏单元的单元入射光所含的所述第一波长区域的光的另一部分、入射到邻接单位块所包含的第二光敏单元。
3.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其中，
还具有与所述第二光敏单元相对地配置的第二分光要素，
所述第一分光要素，使所述第一波长区域的光入射到所述第二光敏单元，且使所述第二波长区域的光入射到邻接单位块所含的第二光敏单元，并使所述第三波长区域的光入射到所述第一光敏单元，
所述第二分光要素，使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的一部分入射到所述第一光敏单元，且使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的另一部分、入射到其他邻接单位块所包含的第一光敏单元，并使所述第一和第三波长区域的光入射到所述第二光敏单元。
4.根据权利要求3所述的固体摄像元件，其中，
各单位块包含第三光敏单元、第四光敏单元，
所述分光要素阵列含有第三分光要素和第四分光要素，
所述第三分光要素，其与所述第三光敏单元相对地配置，使所述第三光敏单元的单元入射光所含的所述第一和第二波长区域的一方的波长区域的光入射到所述第四光敏单元，且使所述第三光敏单元的单元入射光所含的所述第一和第二波长区域的另一方的波长区域的光、入射到所述其他的邻接单位块所包含的第四光敏单元，并使所述第三波长区域的光入射到所述第三光敏单元，
所述第四分光要素，其与所述第四光敏单元相对配置，使所述第四光敏单元的单元入射光所含的所述第一波长区域的光的一部分入射到所述第三光敏单元，且使所述第四光敏单元的单元入射光所含的所述第一波长区域的光的另一部分、入射到所述邻接单位块所包含的第三光敏单元，并使所述第二和第三波长区域的光入射到所述第四光敏单元，
所述滤色镜阵列含有：在所述第三光敏单元和所述第三分光要素之间所配置的、且对所述第二波长区域的光进行吸收或反射的第二滤色镜。
5.根据权利要求2所述的固体摄像元件，其中，
各单位块含有第三光敏单元和第四光敏单元，
所述分光要素阵列含有第二分光要素，
所述第二分光要素，其与所述第四光敏单元相对地配置，使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的一部分入射到所述第三光敏单元，且使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的另一部分、入射到其他的邻接单位块所包含的第三光敏单元，并使所述第一和第三波长区域的光入射到所述第四光敏单元，
所述滤色镜阵列含有：在所述第四光敏单元和所述第二分光要素之间所配置的、且对所述第二波长区域的光进行吸收或反射的第二滤色镜。
6.根据权利要求2所述的固体摄像元件，其中，
各单位块含有第三光敏单元和第四光敏单元，
所述分光要素阵列含有第二分光要素和第三分光要素，
所述第二分光要素，其与所述第二光敏单元相对地配置，使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的一部分入射到所述第一光敏单元，且使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的另一部分、入射到其他的邻接单位块所包含的第一光敏单元，并使所述第一和第三波长区域的光入射到所述第二光敏单元，
所述第三分光要素，其与所述第三光敏单元相对地配置，使所述第三光敏单元的单元入射光所含的所述第一和第二波长区域的一方的波长区域的光入射到所述第四光敏单元，且使所述第三光敏单元的单元入射光所含的所述第一和第二波长区域的另一方的波长区域的光、入射到所述邻接单位块所包含的第四光敏单元，并使所述第三波长区域的光入射到所述第三光敏单元，
所述滤色镜阵列含有：在所述第二光敏单元和所述第二分光要素之间所配置的、且对所述第二波长区域的光进行吸收或反射的第二滤色镜。
7.根据权利要求6所述的固体摄像元件，其中，
所述滤色镜阵列还具有：在所述第三光敏单元和所述第三分光要素之间所配置的、且对所述第一和第二波长区域的光进行吸收或反射的第三滤色镜。
8.根据权利要求2所述的固体摄像元件，其中，
各单位块含有第三光敏单元和第四光敏单元，
所述分光要素阵列含有第二分光要素，
所述第二分光要素，其与所述第二光敏单元相对地配置，使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的一部分入射到所述第一光敏单元，且使所述第二光敏单元的单元入射光所含的所述第二波长区域的光的另一部分、入射到其他邻接单位块所包含的第一光敏单元，并使所述第一和第三波长区域的光入射到所述第二光敏单元，
所述滤色镜阵列含有第二滤色镜和第三滤色镜，
所述第二滤色镜配置在所述第二光敏单元和所述第二分光要素之间、且对所述第二波长区域的光进行吸收或反射，
所述第三滤色镜配置在所述第三光敏单元和所述第三分光要素之间、且对所述第一和第二波长区域的光进行吸收或反射。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的固体摄像元件，其中，
所述第一波长区域相当于红光和蓝光的一方的波长区域，所述第二波长区域相当于红光和蓝光的另一方的波长区域，所述第三波长区域相当于绿光的波长区域。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的固体摄像元件，其中，
所述分光要素阵列所含的各分光要素，具有透光性构件，且利用所述透光性构件和折射率比所述透光性构件更低的其他透光性构件的折射率之差来进行分光。
11.一种摄像装置，具有如下：
权利要求1～10中任一项所述的固体摄像元件；
在所述固体摄像元件上使像形成的光学系统；
将从所述固体摄像元件输出的信号进行处理并生成色彩信息的信号处理部。
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