JP2004200358A - 固体撮像素子の色分解装置 - Google Patents
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Abstract
【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
Description
【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
Claims (8)
- 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。 - 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。
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