CN102959434B - 分色滤光阵列，固体摄像元件，摄像装置和显示装置 - Google Patents

Abstract

一种分色滤光阵列，其具有将分别为三棱锥状的多个单位要素(1)呈二维状排列的构成。各单位要素(1)具有：按照形成三棱锥的三个侧面的方式所配置的第一至第三滤光片(1R、1G、1B)；和反射区域。第一滤光片(1R)其设计方式为，使第一波长区域的可视光透过，且反射第一波长区域以外的可视光。第二滤光片(1G)其设计方式为，使第二波长区域的可视光透过，且反射第二波长区域以外的可视光。第三滤光片(1B)其设计方式为，使第三波长区域的可视光透过，且反射第三波长区域以外的可视光。反射区域其配置方式为，将入射到由第一至第三滤光片所包围的区域并被第一至第三滤光片分别反射的光，进一步反射，且引导到与第一至第三滤光片之中反射所述光的滤光片不同的滤光片。

Description

分色滤光阵列，固体摄像元件，摄像装置和显示装置

技术领域

本申请涉及彩色摄像装置及彩色显示装置的高灵敏度化技术。

背景技术

近年来，使用了CCD和CMOS等的固体摄像元件(以下，有称为“摄像元件”的情况。)的数码相机和数码摄像机的高机能化、高性能化引人注目。特别是由于半导体制造技术的进步，摄像元件的像素构造的微细化推进，能够实现摄像元件的像素和驱动电路的高集成化。因此，在短短几年内，摄像元件的像素数就从100万像素左右显著增加到1000万像素以上。另一方面，随着摄像元件的多像素化，一个像素接收的光的量减少，因此就产生出照相机灵敏度降低这样的问题。

此外，在通常的彩色摄像机中，摄像元件的各感光部上配置有以有机顔料为色素的减色型的滤色镜，因此光利用率相当低。例如，使用以红(R)1像素、绿(G)2像素、蓝(B)1像素为基本构成的Bayer型的滤色镜时，各滤色镜只使一个色成分的光透过、且吸收其他的色成分的光。具体来说，R滤色镜使R光透过、且吸收G光、B光。G滤色镜使G光透过、且吸收R光、B光。B滤色镜使B光透过、且吸收R光、G光。即，透过各滤色镜的光是RGB三色之中的一色，其他两色则被滤色镜吸收。因此，被利用的光是入射到滤色镜的可视光的约1/3。

为了解决灵敏度降低的问题，在摄像元件的光接收部安装微透镜阵列，以增加光接收量的方法被公开在专利文献1中。据此方法，通过使用微透镜进行聚光，实质上能够使光孔径比提高。该方法现在被用于大部分的固体摄像元件。据此技术，确实带来实质上的孔径比的提高，但无法解决因滤色镜造成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方法，组合多层膜滤光片和微透镜、且具有最大限度采光的构造的摄像元件被公开在专利文献2中。该摄像元件具备多个多层膜滤光片，其不吸收光，而选择性地使特定波长区域的光透过、反射其他波长区域的光。各滤光片只选择需要的光，使之入射对应的感光部，使其他的光反射。

图7是模式化地表示专利文献2所公开的摄像元件的剖面图的图。在图7所示的摄像元件中，入射到聚光微透镜11的光，由内透镜12对光束进行调整后，入射滤光片13。滤光片13其设计方式为，使R光透过，但使其他的颜色的光反射。透过滤光片13的光，入射到正下方的光敏管(photosensitivecell)23。由滤光片13反射的光，入射到邻接的滤光片14。滤光片14其设方式为，反射G光、使其他的光透过。由滤光片14反射的G光，入射到其正下方的光敏管24。透过滤光片14的B光，由滤光片15反射，入射到其正下方的光敏管25。如此，入射到聚光微透镜11的可视光没有损失，该RGB成分被三个光敏管无浪费地检测到。但是，在该摄像元件中，虽然有来自微透镜的聚光效果，但是需要RGB三色的像素，要求有高密度的元件构造。

专利文献2所公开的分色的原理，与专利文献3、4各自公开的、利用基于多层膜滤光片的分光和界面的全反射的双管式彩色摄像机和三板式彩色摄像机的分色的原理相同。图8A和图8B是分别表示专利文献3所公开的双管式彩色摄像机的光学棱镜、和专利文献4所公开的三板式彩色摄像机的光学棱镜的图。图8A所示的棱镜21其构成为，将R光和B光与G光分离，图8B所示的棱镜22其构成为，将R光、G光、B光分离。在专利文献3、4所公开的多板式彩色摄像机中，各色的信息由图像单位获取，相对于此，在专利文献2的装置中，各色的信息由像素单位获取这一点有所不同，但无论如何均需要三色的像素。

相对于以上的技术，有一部分光发生损失，但通过使用多层膜滤光片和反射而提高光的利用率的技术被公开在专利文献5中。图9表示使用该技术的摄像元件的剖面图的一部分。如图9所示，在透光性的树脂31内配置有多层膜滤光片32、33。多层膜滤光片32使G光透过且反射R光、B光。另外，多层膜滤光片33使R光透过且反射G光、B光。

根据这样的构成，B光不能由感光部进行光接收，但R光、G光根据以下的原理而能够无损失地检测出。首先，若R光入射到多层膜滤光片32、33，则在多层膜滤光片32发生反射，再在透光性的树脂31和空气的界面发生全反射，入射到多层膜滤光片33。入射到多层膜滤光片33的全部的R光，透过具有R光透射性的有机色素滤光片35和微透镜36。光的一部分由金属层37反射，但几乎全部的R光都入射到感光部。另外，若G光入射到多层膜滤光片32、33，则在多层膜滤光片33发生反射，再在透光性的树脂31和空气的界面发生全反射，入射到多层膜滤光片32。入射到多层膜滤光片32的全部的G光，通过具有G光透射性的有机色素滤光片34和微透镜36，几乎毫无损失地入射到感光部。

根据上述的原理，在专利文献5所公开的技术中，R、G、B各成分之中虽然有一个色的成分发生损失，但有两个色的成分几乎毫无损失地被进行光接收。因此，不需要配置R、G、B三色的感光部。据此技术，光利用率与只由有机色素滤光片构成的摄像元件中的光利用率比较，提高到2倍。但是，在该技术中，仍有三色之中的一色发生损失。

上述的问题，是彩色摄像系统的问题，但同样的问题在彩色表示系统中也存在。在现有的彩色液晶显示装置中，因为使用的是RGB的有机色素滤光片，所以光利用率为约1/3，而有大约2/3的光损失这样的问题存在。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：特开昭59-90467公报

专利文献2：特开2000-151933号公报

专利文献3：特开昭52-82018号公报

专利文献4：特开平6-6646号公报

专利文献5：特开2003-78917号公报

发明内容

在使用了光吸收型的滤色镜的现有的彩色摄像系统和彩色表示系统的技术中，没有大幅增加光敏管，但光利用率低。另一方面，使用多层膜型的滤色镜时，虽然光利用率能够较高，但所需要的光敏管的数量增加这样的课题存在。

本发明的实施方式中，提供一种利用使特定的波长区域的光透过、且反射其他的波长区域的光的滤光片，能够实现光利用率高的彩色摄像装置和彩色显示装置的全新的分色滤光片。

为了解决上述课题，本发明的一个方式的分色滤光阵列，是将分别为三棱锥状的多个单位要素呈二维状排列的分色滤光阵列。各单位要素具有如下：按照形成三棱锥的三个侧面的方式所配置的、透射波长区域和反射波长区域互不相同的第一至第三滤光片；以如下方式配置的反射区，即，将入射到由所述第一至第三滤光片所包围的区域并被所述第一至第三滤光片分别反射的光，进一步反射，且引导到与所述第一至第三滤光片之中反射所述光的滤光片不同的滤光片。所述第一滤光片其设计方式为，使第一波长区域的可视光透过，且反射所述第一波长区域以外的可视光；所述第二滤光片其设计方式为，使第二波长区域的可视光透过，且反射所述第二波长区域以外的可视光；所述第三滤光片其设计方式为，使第三波长区域的可视光透过，且反射所述第三波长区域以外的可视光。

根据本发明的实施方式，对于入射光的任何一种色成分都能够降低损失。其结果是，不用大幅增加光敏管，相比以往可以实现更高灵敏度的摄像系统或高亮度的显示系统。

附图说明

图1A是例示的实施方式1的分色滤光片的俯视图。

图1B是例示的实施方式1的分色滤光片的A-A′线剖面图。

图2A是例示的实施方式1的分色滤光片的俯视图。

图2B是例示的实施方式1的分色滤光片的B-B′线剖面图。

图2C是例示的实施方式1的分色滤光片的C-C′线剖面图。

图3是表示例示的实施方式2的摄像装置的构成的方块图。

图4是表示例示的实施方式2的透镜12和摄像元件10的模式图。

图5是表示例示的实施方式2的摄像元件的光敏管2的排列的图。

图6是例示的实施方式3的显示板的部分剖面图。

图7是使用了微透镜和多层膜滤光片的现有的固体摄像元件的剖面图。

图8A是现有的双管式彩色摄像机的光学棱镜的外形图。

图8B是现有的三板式彩色摄像机的光学棱镜的外形图。

图9是表示使用多层膜滤光片和反射来提高光的利用率的现有的摄像元件的截面的一部分的图。

具体实施方式

本发明的例示的实施方式的概要如下。

(1)本发明的一个方式的分色滤光阵列，是分别为三棱锥状的多个单位要素二维状排列的分色滤光阵列。各单位要素具有如下：以形成三棱锥的三个侧面的方式配置的、透射波长区域和反射波长区域互不相同的第一至第三滤光片；以如下方式配置的反射区域，即，对于入射到所述第一至第三滤光片所包围的区域并分别由所述第一至第三滤光片反射的光进一步进行反射，将其引导到与所述第一至第三滤光片之中反射所述光的滤光片不同的滤光片。所述第一滤光片其设计方式为，使第一波长区域的可视光透过，反射所述第一波长区域以外的可视光，所述第二滤光片其设计方式为，使第二波长区域的可视光透过，反射所述第二波长区域以外的可视光，所述第三滤光片其设计方式为，使第三波长区域的可视光透过，反射所述第三波长区域以外的可视光。

(2)在有的实施方式中，所述反射区域其配置方式为，对于分别由所述第一至第三滤光片反射的光进行全反射。

(3)在项目(1)或(2)所述的分色滤光阵列的有的方式中，所述第一波长区域是红色的波长区域，所述第二波长区域是绿色的波长区域，所述第三波长区域是蓝色的波长区域。

(4)在项目(1)至(3)中任一项所述的分色滤光阵列的有的方式中，所述反射区域和所述第一至第三滤光片其配置方式为，使透过所述反射区域而分别由所述第一至第三滤光片反射的光的一部分，在所述反射区域被反射，通过与所述第一至第三滤光片之中反射所述光的滤光片不同的滤光片反射，在所述反射区域进一步被反射，入射到所述第一至第三滤光片之中具有使所述光透过这一特性的滤光片。

(5)在项目(1)至(4)中任一项所述的分色滤光阵列的有的方式中，设所述第一至第三滤光片和所述反射区域所包围的介质，对于经由所述反射区域而与所述介质接触的其他的介质的折射率为n，设所述第一至第三滤光片分别与所述反射区域的夹角为w时，满足下式的至少一个。

【算式1】

$\frac{1}{2}{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)<w,$ $w<{\tan }^{-1}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right),$ 及 $w<{\sin }^{-1}\left({\left(\frac{\sqrt{n^2-1}}{n}\right)}^{\frac{1}{4}}\right)$

(6)在项目(5)所述的分色滤光阵列的有的方式中，满足下式的全部。

【算式2】

$\frac{1}{2}{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)<w,$ $w<{\tan }^{-1}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right),$ 及 $w<{\sin }^{-1}\left({\left(\frac{\sqrt{n^2-1}}{n}\right)}^{\frac{1}{4}}\right)$

(7)在项目(1)至(6)中任一项所述的分色滤光阵列的有的方式，所述多个单位要素其排列方式为，使所述第一至第三滤光片，分别与邻接单位要素的所述第一至第三滤光片邻接。

(8)本发明的一个实施方式的固体摄像元件，其具备如下：项目(1)至(7)中任一项所述的分色滤光阵列；与各单位要素的所述第一至第三滤光片分别对应而配置在所述反射区域的相反侧的多个光敏管。

(9)本发明的一个实施方式的摄像装置，其具备如下：项目(8)所述的固体摄像元件；在所述固体摄像元件的摄像面形成像的光学系统；处理从所述固体摄像元件输出的信号的信号处理部。

(10)本发明的一个实施方式的显示装置，其具备如下：项目(1)至(7)中任一项所述的分色滤光阵列；与各单位要素的所述第一至第三滤光片分别对应而配置在所述反射区域的相反侧的多个显示部。

以下，一边参照附图，一边说明本发明的实施方式。对于全部的图中共通的要素附加相同的符号。

(实施方式1)

首先，对于本发明的第一实施方式进行说明。本实施方式涉及具备分色滤光阵列的摄像元件。

图1A是表示本实施方式的分色滤光阵列的基本构成的俯视图。本实施方式的分色滤光阵列具有：以图1A中由正三角形所示的三棱锥状的单位要素1作为基本构成、且使单位要素1呈二维状排列的构造。单位要素1具有按照形成三棱锥的三个侧面的方式所配置的三个滤光片1R、1G、1B。图1A表示从该三棱锥的顶点的相反侧看时的分色滤光阵列的一部分。图1A中，滤光片1R、1G、1B的分界由虚线或实线表示。

本实施方式的滤光片1R、1G、1B，与通常的光吸收型的滤光片不同，具有使特定的波长区域的可视光透过、且反射其他的波长区域的可视光的特性。滤光片1R其设计方式为，使红色(R)的波长区域的光透过，且反射蓝绿色(Cy)的波长区域的光。滤光片1G其设计方式为，使绿色(G)的波长区域的光透过，却反射品红色(Mg)的波长区域的光。滤光片1B其设计方式为，使蓝色(B)的波长区域的光透过，且反射黄色(Ye)的波长区域的光。在此，所谓Cy的波长区域，意思是G和B的波长区域，所谓Mg的波长区域，意思是B和R的波长区域，所谓Ye的波长区域，意思是R和G的波长区域。

滤光片1R、1G、1B，例如能够由电介质多层膜制作。通过使用电介质多层膜，能够制作使期望的波长区域的光选择性地透射或反射的滤光片。还有，就滤光片1R、1G、1B而言，如果具有上述的特性，则不限于电介质多层膜，例如也可以通过使用全息图而得以制作。

如图1A所示，一个单位要素1与三个其他的单位要素邻接。各单位要素以具有相同的特性的两个滤光片邻接的方式配置。即，滤光片1R与邻接单位要素的滤光片1RR邻接，滤光片1G与邻接单位要素的滤光片1GG邻接，滤光片1B与邻接单位要素的滤光片1BB邻接。滤光片1RR、1GG、1BB分别具有与滤光片1R、1G、1B相同的特性。

图1B是图1A的A-A′线剖面图。在本实施方式中，全部的滤光片1R、1G、1B相对于水平面以相同的角度倾斜。在此所谓“水平面”，意思是不论现实的方向，包含由滤光片1R、1G、1B所形成的三棱锥的底面的平面。

同一特性的邻接的两个滤光片(1R和1RR、1G和1GG、1B和1BB)成对，在其正下方配置有光敏管2。因此，各光敏管2的形状对应这些滤光片而为菱形。光敏管2代表性的是含有光电二极管，输出与接收到的光的强度相应的光电转换信号。

在单位要素1的内部，设有折射率n1的第一透明介质3。第一透明介质3以界面9为界与外部的空气层接触。在本实施方式中，如后述，界面9作为反射区域发挥功能。另外，在分色滤光阵列和光敏管2之间，设有折射率n2的第二透明介质4。第一透明介质3和第二透明介质4，只要是折射率比外部的空气层高的透明构件，则什么样的构件都可以。

以下，说明光入射到本实施方式的分色滤光阵列时的状况。在以下的说明中，白色光(W光)从空气层(折射率1.0)垂直(图1B中向下)入射分色滤光阵列。另外，使第一透明介质的折射率和第二透明介质的折射率均为n(n1＝n2＝n)。

图2A是表示假想入射到图1A所示的分色滤光片的一条光线的路径的俯视图。图2B是图2A的B-B′线剖面图，图2C是图2A的C-C′线剖面图。以下，作为入射光的路径的代表例，使用图2A至图2C，说明光垂直入射到图2A的a点时的光的路径。在此，如图2A所示，以a点为原点，在与光的入射方向垂直的面上设定x轴和y轴，且沿着光的入射方向的相反方向设定z轴。

若光垂直入射图2A的a点，则如图2B所示，R光透过滤光片1R上的b点，但作为其互补色光的Cy光(G光和B光)在b点被反射。透过b点的R光入射到正下方的光敏管2。以下，追溯在b点被反射的Cy光的路径。

如上述，全部的滤光片相对于水平面(xy平面)以同一角度倾斜。以w表示其角度。若是如此，则与滤光片1R的面直交的单位法线向量V1由下式1表示。

【算式3】

V1＝(0，sin(w)，cos(w))(1)

若将基于滤光片1R的光的反射角设为w1，因为入射角和反射角相等，则所以w1＝w成立。因此，反射光的方向与以下的式2所示的单位向量V11的方向一致。

【算式4】

V11＝(0，sin(2w)，cos(2w))(2)

基于滤光片1R的反射光，如图2B所示，在第一透明介质3和空气层的界面9上的c点反射。在本实施方式中，为了提高光利用率，以界面9进行全反射的方式设定各滤光片的倾斜角w。即，使对于界面9的入射角2w成为临界角以上，如此以满足以下的式3的方式而设定w。

【算式5】

$w>\frac{1}{2}{\sin }^{-1}(1/n)---\left(3\right)$

但是，在式3以外还有应该满足的条件，其是滤光片1R的反射光不直接入射滤光片1G这一条件。假如，滤光片1R的反射光直接入射滤光片1G，则其反射光返回上方(z坐标增加的方向)。另外，透过滤光片1G的光沿水平方向(y坐标增加的方向)传播的可能性高。即，有光利用率降低的可能性。为了避免这样的局面，拟定的条件是向量V11具有滤光片1G的倾斜以上的倾斜度。这一条件由下式4表示。

【算式6】

$\frac{\cos \left(2w\right)}{\sin \left(2w\right)}>\frac{\cos (\mathrm{\&pi;}/3)\sin \left(w\right)}{\cos \left(w\right)}---\left(4\right)$

在式4中，左边是向量V11的z成分与y成分的比，右边是滤光片1G的倾斜度(后述的式8中-y成分与z成分的比)。在此，若2w＜π/2，则式4进一步变形成下式5，结果是能够得到式6。就式6而言，若由角度表示，则w＜35.3度。

【算式7】

$2>\tan \left(2w\right)\tan \left(w\right)=\frac{{2\tan }^{2}w}{1-{\tan }^{2}w}---\left(5\right)$

【算式8】

$w<{\tan }^{-1}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)---\left(6\right)$

如上，透过a点的W光之中，仅有R光透过b点，入射到其正下方的光敏管2中。其以外的Cy光由滤光片1R反射，再由第一透明介质3和空气层的界面9上的c点反射，入射到滤光片1G。

其次，对于入射到滤光片1G的光的路径进行说明。

如图2C所示，仅有入射到滤光片1G的Cy光之中的、G光透过滤光片1G上的点d，且入射到其正下方的光敏管。另一方面，该Cy光中所含的B光在滤光片1G上的点d被反射。在本实施方式中，因为第一透明介质3的折射率和第二透明介质4的折射率相等，所以在透过滤光片1G的前后，光的行进方向没有改变。还有，为了使透过的G光尽可能地对于光敏管垂直地入射，使第一透明介质3的折射率n1和第二透明介质4的折射率n2按照满足n1＜n2的方式设定即可。

入射到滤光片1G的Cy光的行进方向，仅是向量V11的Z坐标为负，因此其方向与以下的式7所示的单位向量V12的方向一致。

【算式9】

V12＝(0，sin(2w)，-cos(2w))(7)

另一方面，若与滤光片1G的面直交的单位法线向量设为V2，因为分色滤光阵列的单位要素的形状为正三棱锥状，且各滤光片相对于水平面以角度w倾斜，则由下式8表示。

【算式10】

V2＝(sin(w)sin(π/3)，-sin(w)cos(π/3)，cos(w))(8)

Cy光对于滤光片1G的入射角w2，通过使用下式9所代表的向量V12和向量V2的内积，且如式10、式11这样变形，最终由式12表示。

【算式11】

$\cos (\mathrm{\&pi;}-w2)=-\sin \left(2w\right)\sin \left(w\right)\cos (\mathrm{\&pi;}/3)-\cos \left(2w\right)\cos \left(w\right)$

$=\frac{1}{4}\{\cos \left(3w\right)-\cos \left(w\right)\}-\frac{1}{2}\{\cos \left(3w\right)+\cos \left(w\right)\}$

$=-\frac{1}{4}\{\cos \left(3w\right)+3cos\left(w\right)\}---\left(9\right)$

【算式12】

$-\cos \left(w2\right)=-\frac{1}{4}\{\cos \left(3w\right)+3\cos \left(w\right)\}---\left(10\right)$

【算式13】

$\cos \left(w2\right)=\frac{1}{4}\{\cos \left(3w\right)+3\cos \left(w\right)\}={\cos }^3\left(w\right)---\left(11\right)$

【算式14】

w2＝cos^-1(cos³(w))(12)

滤光片1G上的d点的反射光(B光)的行进方向，与滤光片1G的面的法线V2形成角度w3(＝w2)，且与下式13所示的单位向量V21的方向相同。但是，在式13中，k的值会根据以下的式14～式16的计算结果，由式17表示。

【算式15】

V21＝k·V2+V12(13)

【算式16】

V21·V21＝(k·V2+V12)(k·V2+V12)(14)

【算式17】

1＝k²+k·V2·V12+1(15)

【算式18】

k＝-V2·V12(16)

【算式19】

$k=\frac{1}{4}(\cos \left(3w\right)+3\cos \left(w\right))={\cos }^3\left(w\right)---\left(17\right)$

由滤光片1G上的d点反射的B光，在第一透明介质3和空气层的界面9被反射。在此，为了提高光利用率，也按照以界面9进行全反射的方式设定各滤光片的倾斜角w。若将B光向界面9上的e点的入射角设为u，则入射角u的余弦值与上述向量V21的z值一致，因此下式18成立。式18再变形为下式19。

【算式20】

cos(u)＝k·cos(w)-cos(2w)(18)

【算式21】

cos(u)＝cos⁴(w)-(2cos²(w)-1)＝(1-cos²(w))²＝sin⁴(w)(19)

为了B光在界面9上的e点发生全反射，其入射角u必须在临界角以上。即，cos(u)满足下式20时，全反射发生。

【算式22】

$\cos \left(u\right)<\frac{\sqrt{n^2-1}}{n}---\left(20\right)$

根据式19和式20，为了在e点发生全反射，滤光片的倾斜角w以满足下式21的方式设定即可。

【算式23】

$w{<\sin }^{-1}\left({\left(\frac{\sqrt{n^2-1}}{n}\right)}^{1/4}\right)---\left(21\right)$

如上，仅有入射到滤光片1G上的d点的Cy光之中的、G光通过d点，且入射其前方的光敏管2。之外的B光由滤光片1G反射，角度w设定为优选之时，再在空气层和的界面9上的e点发生全反射。其后，B光入射滤光片1B上的f点，再入射其前方的光敏管2。

在以上的说明中，示出光入射到滤光片1R上的点a时的光的追溯路径，但光入射到滤光片1G时、和入射到滤光片1B时，同样的论述也都成立。即，能够防止入射光的损失，且将入射光分成RGB各成分的光，高效率地以各光敏管2进行光电转换。特别是在本实施方式中，为如下构造：滤光片1R和1RR、滤光片1G和1GG、滤光片1B和1BB成对，在其正下方配置有菱形状的光敏管2，因此，即使光倾斜透过各滤光片，光也容易由正下方的光敏管2吸收。

如上，根据本实施方式，通过使透射波长区域和反射波长区域分别不同的等腰三角形的三个滤光片倾斜组合，使其基本构成为正三棱锥状，能够将入射光分离成RGB的三种成分的光并有效利用。此外，通过以满足上述式3、式6和式21的方式设定各滤光片的倾斜角度，可起到如下优异的效果：使各滤光片所反射的光在界面9上发生全反射，一边防止光损失，一起以高效率引入RGB光。

还有，在本实施方式的上述说明中，没有具体地示出各滤光片的倾斜角，但在例如第一透明介质3和第二透明介质4的折射率都为1.5时，满足式3、式6和式21的角度w的条件为20.9＜w＜35.3度。如果以满足这一条件的方式设定角度w，则在第一透明介质3和空气层的界面9发生全反射，能够高效率地引入RGB光。另外，在上述的说明中，第一透明介质3的折射率n1和第二透明介质的折射率n2为相同的值，但并不限定于此。例如，如果满足n1＜n2，使光以尽可能接近垂直的角度入射光敏管2而进行设计，是可以更有效地引入光。

在本实施方式中，全部满足式3、式6和式21的条件，但这些条件并不是必须的，这些条件不完全满足时，也能够得到一定程度的效果。另外，在本实施方式中，就分色滤光阵列的单位要素1而言，为正三棱锥状，并且三个滤光片1R、1G、1B是等腰三角形状，但这些形状不需要像这样。例如，即使单位要素1的角为圆形，或各滤光片的边的长度从等腰三角形这一情况的长度偏离也没有问题。此外，本实施方式的第一透明介质3和空气层的界面9为平面状，但一部分存在凹凸也能够得到一定程度的效果。在本实施方式中，分色滤光阵列的光入射侧的介质为空气，但只要是折射率比第一透明介质1低的介质，则也可以是空气以外的介质。

另外，在本实施方式中，使用的是透射R光的滤光片1R、透射G光的滤光片1G、透射B光的滤光片1B，但各滤光片的透射特性并不限于此例。例如，各光敏管2接收互补色系(Cy、Ye、Mg)的光，通过信号处理而生成RGB各色成分的信号这样的情况下，也可以使用使互补色系的光透过、且反射原色系(R、G、B)的光的滤光片。

(实施方式2)

接下来，说明第二实施方式。本实施方式涉及具备实施方式1的固体摄像元件的摄像装置。

图3是表示本实施方式的摄像装置的整体构成的方块图。摄像装置是数字式的电子照相机，其具备摄像部300、和基于从摄像部300送出的信号而生成表示图像的信号(图像信号)的信号处理部400。

摄像部300具备如下：用于被摄物体成像的光学透镜12；光学滤光片11；将通过光学透镜12和光学滤光片11所成像的光信息经由光电转换而转换成电信号的固体摄像元件10(摄像传感器)。摄像部300还具备：发生用于驱动摄像元件10的基本信号，并且接收来自摄像元件10的输出信号并送出到信号处理部400的信号发生/接收部13；基于由信号发生/接收部13发生的基本信号驱动摄像元件10的元件驱动部14。光学透镜12是公知的透镜，能够是具有多个透镜的透镜单元。光学滤光片11，是在用于降低因像素排列而发生的莫列波纹的水晶低通滤光片上、合并了用于除去红外线的红外截止滤光片后的光学滤光片。摄像元件10与实施方式1的摄像元件相同，分色滤光阵列与光敏管阵列相对配置。摄像元件10代表性的是CMOS或CCD，能够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驱动等的LSI构成。

信号处理部400具备如下：将从摄像部300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；将在图像信号的生成过程中发生的各种数据进行存储的存储器17；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，能够通过公知的数字信号处理器(DSP)等的硬件、和实行含有图像信号生成处理的图像处理的软件加以适当组合来实现。存储器17由DRAM等构成。存储器17记录从摄像部300送出的信号、并且暂时记录由图像信号生成部15生成的图像数据和所压缩的图像数据。这些图像数据经由图像信号出力部16被送出到未图示的记录介质和显示部等。

还有，本实施方式的摄像装置，能够具备电子快门、取景器、电源(电池)、闪光灯等的公知的构成要素，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，以上的构成不过是一例，在本发明中，除去摄像元件10的构成要素中，能够适当组合公知的要素而使用。

图4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4中，为了简单而省略了透镜12和摄像元件10以外的构成要素的记述。另外，透镜12一般能够由在光轴方向上排列的多个透镜构成，但为了简单，采用单一透镜的结构进行描绘。在摄像元件10的摄像面10a，配置有包含二维状排列的多个光敏管(像素)2的光敏管阵列。各光敏管代表性的是光电二极管，通过光电转换输出与入射光量相应的光电转换信号(像素信号)。

图5是表示像素排列的例子的俯视图。在摄像面10a上，菱形的多个光敏管呈二维状排列。虽未图示，但以覆盖这些光敏管2的方式形成有：包含图1A所示的红色滤光片1R、绿色滤光片1G、蓝色滤光片1B的分色滤光阵列。

根据以上的构成，摄像时，在摄像面10a上，透过透镜12和光学滤光片11的光入射，形成被摄物体的像。各光敏管2输出与接收到的光的量对应的光电转换信号。该光电转换信号通过图像信号生成部15进行处理，生成图像信号。

根据本实施方式，通过使用实施方式1的分色滤光片，能够将入射光分离成RGB这三个成分的光并有效利用。特别是如果以满足上述式3、式6和式21的方式设定各滤光片的倾斜角度，则能够使各滤光片所反射的光在界面9上发生全反射，因此能够以高效率引入RGB光。其结果是，能够使灵敏度比以往有所提高。

(实施方式3)

接着，说明本发明的第三实施方式。在本实施方式中，说明将分色滤光阵列应用于二维的液晶显示板的例子。

图6是本实施方式的液晶显示板的部分剖面图，对应实施方式1的图1B的剖面图。本实施方式的分色滤光阵列，与实施方式1的分色滤光阵列相同，因此详细的说明省略。在图6中，设置液晶5、透明电极6、0度起偏板7和90度起偏板8来替代图1B所示的光敏管2。在本说明书中，每个像素的液晶5、透明电极6、0度起偏板7和90度起偏板8统称为“显示部10”。各显示部10按照对应分色滤光阵列的各单位要素的方式设置。

在上述构成中，光从图6的上部照射，被分色滤光阵列分离成RGB光。关于该光分离的具体的方式，与上述的实施方式1相同，因此省略说明。分离成RGB光的光，入射液晶板的各像素，再通过0度起偏板7，由透明电极6与液晶5和90度起偏板8控制其光量。在现有技术中，因为替代本实施方式的分色滤光阵列而配置有机的RGB滤光片的阵列，所以各滤光片吸收该滤光片的透射波长区域以外的波长的光。另一方面，在本实施方式中，使用的是不吸收光的分色滤光阵列，所以能够高效率地利用入射光。

如上，根据本实施方式，将上述的分色滤光阵列应用于液晶显示板，因此具有能够以比以往更高的效率利用入射光这样优异的效果。

产业上的可利用性

本发明的分色滤光阵列，对于使用了固体摄像元件的民用照相机、所谓数码相机、数码摄像机和播放用的固体摄像机、工业用的固体监控摄像机等全部的彩色摄像机有效。另外，也可以适用于彩色液晶显示面板等的全部的彩色显示板。

符号说明

1R，1RR，1G，1GG，1B，1BB滤光片

2摄像元件的光敏管

3第一透明介质

4第二透明介质

5液晶

6透明电极

70度起偏板

890度起偏板

9界面(反射区域)

10显示部

11微透镜

12内透镜

13反射红(R)光以外的滤光片

14仅反射绿(G)光的滤光片

15仅反射蓝(B)光的滤光片

21现有的双管式彩色摄像机的光学棱镜

22现有的三板式彩色摄像机的光学棱镜

31透光性的树脂

32透射G光的多层膜滤光片

33透射R光的多层膜滤光片

34透射G光的滤色镜

35透射R光的滤色镜

36微透镜

37金属层

Claims (10)

1.一种分色滤光阵列，其将分别为三棱锥状的多个单位要素呈二维状地排列，其特征在于，

各单位要素具有：

按照形成三棱锥的三个侧面的方式所配置的、透射波长区域和反射波长区域互不相同的第一至第三滤光片；和

以如下方式配置的反射区域，即，将入射到由所述第一至第三滤光片所包围的区域并被所述第一至第三滤光片分别反射的光，进一步反射，且引导到与所述第一至第三滤光片之中反射所述光的滤光片不同的滤光片，

所述第一滤光片其设计方式为，使第一波长区域的可视光透过，且反射所述第一波长区域以外的可视光，

所述第二滤光片其设计方式为，使第二波长区域的可视光透过，且反射所述第二波长区域以外的可视光，

所述第三滤光片其设计方式为，使第三波长区域的可视光透过，且反射所述第三波长区域以外的可视光。

2.根据权利要求1所述的分色滤光阵列，其特征在于，

所述反射区域其配置方式为，将被所述第一至第三滤光片分别反射的光进行全反射。

3.根据权利要求1所述的分色滤光阵列，其特征在于，

所述第一波长区域是红色波长区域，所述第二波长区域是绿色波长区域，所述第三波长区域是蓝色波长区域。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的分色滤光阵列，其特征在于，

所述反射区域和所述第一至第三滤光片其配置方式为，使透过所述反射区域而分别由所述第一至第三滤光片反射的光的一部分，在所述反射区域被反射，通过与所述第一至第三滤光片之中反射所述光的滤光片不同的滤光片反射，在所述反射区域进一步被反射，入射到所述第一至第三滤光片之中具有使所述光透过这一特性的滤光片。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的分色滤光阵列，其特征在于，

将所述第一至第三滤光片和所述反射区域所包围的介质的、相对于经由所述反射区域而与所述介质接触的其他的介质之折射率设为n，所述第一至第三滤光片分别与所述反射区域所形成的角度设为w时，满足下式的至少一个：

【算式1】

$\frac{1}{2}{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)<w,w<{\tan }^{-1}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)$ 及 $w<{\sin }^{-1}\left({\left(\frac{\sqrt{n^2-1}}{n}\right)}^{\frac{1}{4}}\right).$

6.根据权利要求5所述的分色滤光阵列，其特征在于，

满足下式的全部：

【算式2】

$\frac{1}{2}{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)<w,w<{\tan }^{-1}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)$ 及 $w<{\sin }^{-1}\left({\left(\frac{\sqrt{n^2-1}}{n}\right)}^{\frac{1}{4}}\right).$

7.根据权利要求1至3中任一项所述的分色滤光阵列，其特征在于，

所述多个单位要素其排列方式为，使所述第一至第三滤光片分别与邻接单位要素中的所述第一至第三滤光片邻接。

8.一种固体摄像元件，其特征在于，具备：

权利要求1至7中任一项所述的分色滤光阵列；和

按照与各单位要素中的所述第一至第三滤光片分别对应的方式在所述反射区域的相反侧所配置的多个光敏管。

9.一种摄像装置，其特征在于，具备：

权利要求8所述的固体摄像元件；

使像形成在所述固体摄像元件的摄像面的光学系统；和

对从所述固体摄像元件输出的信号进行处理的信号处理部。

10.一种显示装置，其特征在于，具备：

权利要求1至7中任一项所述的分色滤光阵列；和

按照与各单位要素中的所述第一至第三滤光片分别对应的方式在所述反射区域的相反侧所配置的多个显示部。