JP2014086742A - Solid-state image sensor, imaging apparatus and signal processing method - Google Patents

Solid-state image sensor, imaging apparatus and signal processing method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly sensitive color imaging technique suitable for generation of an IR image.SOLUTION: The solid-state image sensor includes: a photosensitive cell array in which a plurality of unit blocks of photosensitive cells are disposed two-dimensionally including a first photosensitive cell 2a disposed in first row-first column, a second photosensitive cell 2b disposed in first row-second column, a third photosensitive cell 2c disposed in second row-first column, and a fourth photosensitive cell 2d disposed in second row-second column; and a spectroscopic element array disposed opposed to the photosensitive cell array including a plurality of spectroscopic elements. The spectroscopic element array is arranged to allow light of different spectral distribution to enter each of the first to the fourth photosensitive cells 2a-2d so that total spectral distribution of visible light entering the first and the fourth photosensitive cells 2a and 2d becomes substantially equal to the total spectral distribution of visible light entering the second and third photosensitive cells 2b and 2c.

Description

本願は、固体撮像素子の高感度化およびカラー化の技術に関する。   The present application relates to a technique for increasing the sensitivity and coloration of a solid-state imaging device.

近年、CCDやCMOS等の固体撮像素子(以下、「撮像素子」と称する場合がある。)を用いたデジタルカメラやデジタルムービーの高機能化、高性能化には目を見張るものがある。特に半導体製造技術の急速な進歩により、撮像素子における画素構造の微細化が進んでいる。その結果、撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られ、撮像素子の高性能化が進んでいる。特に近年では、固体撮像素子の配線層が形成された面(表面)側ではなく裏面側で受光する裏面照射型(backside illumination)の撮像素子を用いたカメラも開発され、その特性等が注目されている。その一方で撮像素子の多画素化に伴い、1画素の受ける光量が低下するため、カメラ感度が低下するという問題が起きている。   In recent years, there has been a remarkable increase in functionality and performance of digital cameras and digital movies using a solid-state image sensor such as a CCD or CMOS (hereinafter sometimes referred to as “image sensor”). In particular, due to rapid progress in semiconductor manufacturing technology, the pixel structure in an image sensor has been miniaturized. As a result, the pixels of the image sensor and the drive circuit are highly integrated, and the performance of the image sensor is increasing. In particular, in recent years, a camera using a backside illumination type image sensor that receives light on the back side rather than the surface (front surface) side on which the wiring layer of the solid-state image sensor is formed has been developed, and its characteristics are attracting attention. ing. On the other hand, with the increase in the number of pixels of the image sensor, the amount of light received by one pixel is reduced, which causes a problem that the camera sensitivity is reduced.

カメラの感度低下は、多画素化以外にも、色分離用の色フィルタが用いられることにも原因がある。通常のカラーカメラでは、撮像素子の各光感知セルに対向して有機顔料を色素とする減色型の色フィルタが配置される。色フィルタは、利用する色成分以外の光を吸収するため、このような色フィルタを用いた場合、カメラの光利用率は低下する。例えば、赤(R)1画素、緑(G)2画素、青(B)1画素を基本構成とするベイヤー型の色フィルタ配列をもつカラーカメラでは、R、G、Bの各色フィルタは、それぞれR、G、B光のみを透過させ、残りの光を吸収する。したがって、ベイヤー配列によるカラーカメラにおいて利用される光は、入射光全体の約1/3である。このように、色フィルタを用いることは、光の利用効率の低下を招き、カラーカメラの感度低下の原因となる。   The reduction in camera sensitivity is caused by the use of color filters for color separation in addition to the increase in the number of pixels. In a normal color camera, a subtractive color filter using an organic pigment as a coloring matter is arranged facing each photosensitive cell of the image sensor. Since the color filter absorbs light other than the color component to be used, when such a color filter is used, the light utilization rate of the camera is lowered. For example, in a color camera having a Bayer-type color filter array basically composed of one pixel of red (R), two pixels of green (G), and one pixel of blue (B), each color filter of R, G, B is Only the R, G, B light is transmitted and the remaining light is absorbed. Therefore, the light used in the color camera with the Bayer array is about 1/3 of the entire incident light. As described above, the use of the color filter causes a decrease in light use efficiency and causes a decrease in sensitivity of the color camera.

これに対し、色フィルタの代わりに光を波長に応じて分光する分光要素を用いて光利用率を高めるカラー化技術が特許文献1に開示されている。この技術によれば、光感知セルに対応して配置された分光要素によって光が波長域に応じて異なる光感知セルに入射する。個々の光感知セルは、複数の分光要素から異なる波長域の成分が重畳された光を受ける。その結果、各光感知セルから出力される光電変換信号を用いた信号演算によって色信号を生成することができる。   On the other hand, Patent Document 1 discloses a colorization technique that increases a light utilization rate by using a spectral element that separates light according to a wavelength instead of a color filter. According to this technique, light is incident on different photosensitive cells depending on the wavelength range by the spectral elements arranged corresponding to the photosensitive cells. Each photosensitive cell receives light on which components in different wavelength ranges are superimposed from a plurality of spectral elements. As a result, a color signal can be generated by signal calculation using a photoelectric conversion signal output from each photosensitive cell.

上記の技術は、主として可視光を利用するが、可視光および赤外光を同時に受光する撮像素子を用いて、カラー画像および赤外光画像(以下では、「IR画像」とも呼ぶ。)を作り出す撮像技術も考案されている。例えば、特許文献2には、R色素を用いたR画素、G色素を用いたG画素、B色素を用いたB画素、および特定の赤外光のみを検出する赤外光受光画素(IR画素)から成る2行2列の4画素を基本構成とする撮像素子を用いて、カラー画像および赤外光画像を作り出す撮像技術が開示されている。   Although the above technique mainly uses visible light, a color image and an infrared light image (hereinafter also referred to as “IR image”) are created by using an imaging device that simultaneously receives visible light and infrared light. Imaging technology has also been devised. For example, Patent Document 2 discloses an R pixel using an R dye, a G pixel using a G dye, a B pixel using a B dye, and an infrared light receiving pixel (IR pixel) that detects only specific infrared light. An imaging technique for creating a color image and an infrared light image using an imaging device having four rows and two columns of 4 pixels as a basic configuration is disclosed.

国際公開第2009/153937号International Publication No. 2009/153937 特開2005−6066号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-6066 国際公開第2009/019818号International Publication No. 2009/019818 特開S59−137909号公報JP S59-137909

特許文献2に開示された技術では、RGBの有機色素を用いているため、カラー画像の取得において感度の低下を招くという課題がある。   In the technique disclosed in Patent Document 2, since RGB organic dyes are used, there is a problem in that the sensitivity is lowered in obtaining a color image.

一方、カラー画像とIR画像とが同時に得られ、カラー画像において高感度化が図られる技術は、特許文献1に開示されているが、この技術では棒状の分光要素を2層に配置する必要があるため、製造プロセスが複雑になる。   On the other hand, a technique for obtaining a color image and an IR image at the same time and achieving high sensitivity in the color image is disclosed in Patent Document 1, but in this technique, it is necessary to arrange rod-shaped spectral elements in two layers. This complicates the manufacturing process.

本願は、比較的容易な製造プロセスで、IR画像の生成に適した高感度のカラー撮像技術を提供する。   The present application provides a high-sensitivity color imaging technique suitable for generating an IR image with a relatively easy manufacturing process.

本開示の一態様による固体撮像素子は、各々が、1行1列目に配置された第1の光感知セル、1行2列目に配置された第2の光感知セル、2行1列目に配置された第3の光感知セル、および2行2列目に配置された第4の光感知セルを含む複数の単位ブロックが2次元状に配列された光感知セルアレイであって、各光感知セルは、受光量に応じた光電変換信号を出力するように構成されている光感知セルアレイと、前記光感知セルアレイに対向して配置され、複数の分光要素を含む分光要素アレイであって、前記第1から第4の光感知セルに異なる分光分布の光を入射させ、前記第1および第4の光感知セルに入射する可視光の合計の分光分布が、前記第2および第3の光感知セルに入射する可視光の合計の分光分布に実質的に等しくなるように構成されている分光要素アレイと、を備える。   A solid-state imaging device according to an aspect of the present disclosure includes a first photosensitive cell arranged in the first row and the first column, a second photosensitive cell arranged in the first row and the second column, and two rows and one column. A photosensitive cell array in which a plurality of unit blocks including a third photosensitive cell arranged in the eye and a fourth photosensitive cell arranged in the second row and the second column are two-dimensionally arranged. The photosensitive cell is a light-sensitive cell array configured to output a photoelectric conversion signal corresponding to the amount of received light, and a light-spectral element array that is disposed to face the light-sensitive cell array and includes a plurality of light-spectral elements. , Light having different spectral distributions is incident on the first to fourth photosensitive cells, and the total spectral distribution of visible light incident on the first and fourth photosensitive cells is the second and third. It is substantially equal to the total spectral distribution of visible light incident on the photosensitive cell. And a dispersing element array is configured to.

本開示の実施形態における固体撮像素子および撮像装置によれば、入射光を波長域(色成分)に応じて異なる光感知セルに入射させる分光要素を用いることにより、光利用効率が比較的高いカラー撮像が可能になる。さらに、分光要素アレイを適切に構成すれば、赤外光画像を併せて取得することができる。   According to the solid-state imaging device and the imaging apparatus according to the embodiments of the present disclosure, a color with relatively high light utilization efficiency is obtained by using a spectral element that causes incident light to enter different photosensitive cells according to wavelength ranges (color components). Imaging becomes possible. Furthermore, if the spectral element array is appropriately configured, an infrared light image can also be acquired.

例示的な実施形態による固体撮像素子における光感知セル200および分光要素100との配置関係を模式的に示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view schematically showing an arrangement relationship between a light-sensitive cell 200 and a spectral element 100 in a solid-state imaging device according to an exemplary embodiment. (a)は例示的な実施形態による固体撮像素子の単位ブロックの一例を示す平面図であり、(b)はA−A´線断面図であり、(c)はB−B´線断面図である。(A) is a top view which shows an example of the unit block of the solid-state image sensor by exemplary embodiment, (b) is an AA 'sectional view, (c) is a BB' sectional view. It is. G、Cb、Yr、Mの各色成分の光についての分光分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the spectral distribution about the light of each color component of G, Cb, Yr, and M. FIG. 実施形態1の撮像装置の概略構成を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an imaging apparatus according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1における光学フィルタの分光透過率特性を示す図である。It is a figure which shows the spectral transmittance characteristic of the optical filter in Embodiment 1. 実施形態1におけるレンズと撮像素子を示す図である。2 is a diagram illustrating a lens and an image sensor in Embodiment 1. FIG. 実施形態1における撮像素子の画素配列の一例を示す図である。2 is a diagram illustrating an example of a pixel array of an image sensor according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1における撮像素子の画素配列の他の例を示す図である。6 is a diagram illustrating another example of the pixel array of the image sensor according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1における撮像素子の基本構造を示す平面図である。1 is a plan view showing a basic structure of an image sensor in Embodiment 1. FIG. 図6AにおけるA−A´線断面図である。It is the sectional view on the AA 'line in Drawing 6A. 図6AにおけるB−B´線断面図である。FIG. 6B is a sectional view taken along line BB ′ in FIG. 6A. 図6AにおけるC−C´線断面図である。It is CC 'sectional view taken on the line in FIG. 6A. 図6AにおけるD−D´線断面図である。It is the DD 'sectional view taken on the line in FIG. 6A. (a)〜(c)は、分光要素アレイ100の製造方法の一例を示す工程断面図である。(A)-(c) is process sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of the spectroscopic element array 100. FIG. 第1低屈折率透明層6aの上に他の低屈折率透明層6a’のパターンが形成された構造の一部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a part of structure where the pattern of the other low refractive index transparent layer 6a 'was formed on the 1st low refractive index transparent layer 6a. 実施形態1における色情報生成処理の手順を示すフロー図である。FIG. 6 is a flowchart illustrating a procedure of color information generation processing in the first embodiment. 実施形態2における撮像素子の基本構造を示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing a basic structure of an image sensor in Embodiment 2. 図11AにおけるE−E´線断面図である。It is EE 'line sectional drawing in FIG. 11A. 図11AにおけるF−F´線断面図である。It is FF 'sectional view taken on the line in FIG. 11A. 図11AにおけるG−G´線断面図である。It is a GG 'line sectional view in Drawing 11A. 図11AにおけるH−H´線断面図である。It is HH 'sectional view taken on the line in FIG. 11A. 実施形態2におけるダイクロイックミラー3a、3dの分光透過率特性の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the spectral transmittance characteristic of the dichroic mirrors 3a and 3d in Embodiment 2. FIG. 実施形態2におけるダイクロイックミラー3b、3cの分光透過率特性の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the spectral transmittance characteristic of the dichroic mirrors 3b and 3c in Embodiment 2. FIG.

まず図1、2を参照しながら、本開示の一態様における固体撮像素子10の基本構成および動作原理を説明する。以下の説明において、波長域または色成分の異なる光を空間的に分離することを「分光」と称することがある。また、光を検知する空間的な最小単位を「光感知セル」または「画素」と称する。説明には図中に示すxyz座標を用いる。撮像素子10の撮像面を「xy平面」とし、撮像面における水平方向に「x軸」、撮像面における垂直方向に「y軸」、撮像面に垂直な方向に「z軸」をとる。なお、「水平方向」および「垂直方向」とは、生成される画像の横方向および縦方向にそれぞれ対応する撮像面上の方向を意味する。   First, the basic configuration and operation principle of the solid-state imaging device 10 according to an aspect of the present disclosure will be described with reference to FIGS. In the following description, spatial separation of light having different wavelength ranges or color components may be referred to as “spectral”. A spatial minimum unit for detecting light is referred to as a “photosensitive cell” or “pixel”. The xyz coordinates shown in the figure are used for the description. The imaging surface of the imaging device 10 is an “xy plane”, and the “x axis” is the horizontal direction on the imaging surface, the “y axis” is the vertical direction on the imaging surface, and the “z axis” is the direction perpendicular to the imaging surface. Note that “horizontal direction” and “vertical direction” mean directions on the imaging surface corresponding to the horizontal direction and vertical direction of the generated image, respectively.

図1は、例示的な実施形態における撮像素子10の一部を模式的に示す斜視図である。撮像素子10は、撮像面に2次元状に配列された複数の光感知セルを含む光感知セルアレイ200と、複数の分光要素を含む分光要素アレイとを備えている。分光要素アレイ100は、光感知セルアレイ200に対向して光が入射する側に配置されている。図1では、分光要素アレイ100は、簡単のため四角柱で表されているが、実際にはこのような形状を有しているわけではなく、より詳細な構造を有する。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing a part of an image sensor 10 in an exemplary embodiment. The imaging device 10 includes a photosensitive cell array 200 including a plurality of photosensitive cells arranged two-dimensionally on an imaging surface, and a spectral element array including a plurality of spectral elements. The spectral element array 100 is disposed on the light incident side facing the photosensitive cell array 200. In FIG. 1, the spectral element array 100 is represented by a quadrangular prism for the sake of simplicity, but actually does not have such a shape but has a more detailed structure.

各光感知セル2は、光を受けると光電変換によって受けた光の強度(受光量)に応じた電気信号(以下、「光電変換信号」または「画素信号」と呼ぶことがある。)を出力する。各光感知セル2は、分光要素アレイ100によって分光された光を受ける。その結果、各光感知セル2は、分光要素が存在しないと仮定した場合に受ける光とは異なる分光分布を有する光を受ける。ここで、「分光分布」とは、その光の波長に対する強度の分布を意味する。   When each light sensing cell 2 receives light, the light sensing cell 2 outputs an electrical signal (hereinafter, also referred to as “photoelectric conversion signal” or “pixel signal”) corresponding to the intensity (light reception amount) of the light received by photoelectric conversion. To do. Each photosensitive cell 2 receives the light separated by the spectral element array 100. As a result, each photosensitive cell 2 receives light having a spectral distribution different from that received when it is assumed that there is no spectral element. Here, the “spectral distribution” means a distribution of intensity with respect to the wavelength of the light.

以下、図2を参照しながら、撮像素子10の基本構造の例を説明する。ここではまず、撮像素子10に可視光のみが入射する場合を想定する。   Hereinafter, an example of the basic structure of the image sensor 10 will be described with reference to FIG. Here, first, it is assumed that only visible light is incident on the image sensor 10.

図2(a)は、光感知セルアレイ200の基本画素構成(単位ブロック)40の1つを示す平面図である。光感知セルアレイ200は、各々が4つの光感知セル2a、2b、2c、2dを含む複数の単位ブロック40が撮像面上に2次元状に配列された構造を有している。1つの単位ブロック内には4つの光感知セルが2行2列に配置されている。各単位ブロックにおいて、1行1列目に第1の光感知セル2aが、1行2列目に第2の光感知セル2bが、2行1列目に第3の光感知セル2cが、2行2列目に第4の光感知セル2dが配置されている。   FIG. 2A is a plan view showing one of the basic pixel configurations (unit blocks) 40 of the photosensitive cell array 200. The photosensitive cell array 200 has a structure in which a plurality of unit blocks 40 each including four photosensitive cells 2a, 2b, 2c, and 2d are two-dimensionally arranged on the imaging surface. In one unit block, four photosensitive cells are arranged in 2 rows and 2 columns. In each unit block, the first photosensitive cell 2a in the first row and the first column, the second photosensitive cell 2b in the first row and the second column, the third photosensitive cell 2c in the second row and the first column, A fourth photosensitive cell 2d is arranged in the second row and the second column.

図2(b)、(c)は、それぞれ、図2(a)におけるA−A´線断面、B−B´線断面を模式的に示す図である。図2(b)、(c)は、撮像素子10に入射した光が分光要素アレイ100を透過する際に色成分によって進行方向が変化し、結果として各光感知セルが受ける光の分光分布が互いに異なっている様子を示している。ここで、分光要素アレイ100が存在しないと仮定した場合に各光感知セルが受ける光をその光感知セルの「セル入射光」と呼ぶこととする。1つの単位ブロックに含まれる光感知セル2a〜2dが近接している場合、それらの光感知セルのセル入射光に含まれる光の強度および分光分布はほぼ同一であると考えることができる。それらの光感知セルのセル入射光の可視光成分の強度を記号「W」で表すこととする。本明細書では、セル入射光に含まれる可視光の一部の色成分を第1の色成分とし、他の一部の色成分を第2の色成分とする。また、第2の色成分の補色成分を第3の色成分とし、第1の色成分の補色成分を第4の色成分とする。すなわち、第1から第4の色成分の強度をそれぞれC1、C2、C3、C4で表すと、W=C1+C4、W=C2+C3と表すことができる。なお、第1の色成分と第4の色成分とが補色の関係にあるからといって、第1の色成分の光の波長域と第4の色成分の光の波長域とは、完全に分離している必要は無く、部分的に重複していてもよい。同様に、第2の色成分の光の波長域と第3の色成分の光の波長域が部分的に重複していてもよい。   2B and 2C are diagrams schematically showing a cross section taken along the line AA ′ and a cross section taken along the line BB ′ in FIG. 2B and 2C, the traveling direction changes depending on the color component when light incident on the image sensor 10 passes through the spectral element array 100, and as a result, the spectral distribution of the light received by each photosensitive cell is shown. It shows how they are different from each other. Here, when it is assumed that the spectral element array 100 does not exist, the light received by each photosensitive cell is referred to as “cell incident light” of the photosensitive cell. When the photosensitive cells 2a to 2d included in one unit block are close to each other, it can be considered that the light intensity and spectral distribution included in the cell incident light of the photosensitive cells are substantially the same. The intensity of the visible light component of the cell incident light of these photosensitive cells is represented by the symbol “W”. In this specification, a part of color components of visible light included in the cell incident light is set as a first color component, and the other part of color components is set as a second color component. The complementary color component of the second color component is the third color component, and the complementary color component of the first color component is the fourth color component. That is, when the intensities of the first to fourth color components are represented by C1, C2, C3, and C4, respectively, they can be represented as W = C1 + C4 and W = C2 + C3. Note that the wavelength range of the light of the first color component and the wavelength range of the light of the fourth color component are completely different because the first color component and the fourth color component have a complementary color relationship. There is no need to separate them, and they may partially overlap. Similarly, the wavelength range of the light of the second color component and the wavelength range of the light of the third color component may partially overlap.

第1から第4の色成分は、それぞれ、例えば、緑(G)、緑を半分含んだ青(B+1/2G、以下、「Cb」と表す場合がある。)、緑を半分含んだ赤(R+1/2G、以下、「Yr」と表す場合がある。)、マゼンタ(R+B、以下、「M」と表す場合がある。)であり得る。第1から第4の色成分は、この例に限らず、可視光に含まれる4つの色成分であれば、他の色成分の組み合わせであってもよい。   The first to fourth color components are, for example, green (G), blue that includes half of green (B + 1 / 2G, hereinafter may be referred to as “Cb”), and red that includes half of green (for example, R + 1 / 2G, hereinafter referred to as “Yr”), and magenta (R + B, hereinafter referred to as “M”). The first to fourth color components are not limited to this example, and may be a combination of other color components as long as the four color components are included in visible light.

図3は、第1〜第4の色成分がそれぞれG、Cb、Yr、Mの場合における各色成分の光の分光分布の例を示している。図示されるように、G光は、緑の波長域(500nm〜600nm付近)の成分を主に含む色成分であるが、その他の波長域の成分を若干含んでいてもよい。M光は、青の波長域(400nm〜500nm付近)および赤の波長域(600nm〜700nm付近)の成分を主に含む色成分であるが、緑の波長域の成分を若干含んでいてもよい。Cb光は、青〜短波長側の緑(400nm〜550nm付近)の成分を主に含む色成分であるが、その他の波長域の成分を若干含んでいてもよい。Yr光は、長波長側の緑〜赤(550nm〜700nm付近)の成分を主に含む色成分であるが、その他の波長域の成分を若干含んでいてもよい。このように、第1〜第4の色成分の光は、その強度がピークをとる波長域は互いに異なるが、部分的に重複する波長域の光を含んでいてもよい。   FIG. 3 shows an example of the spectral distribution of light of each color component when the first to fourth color components are G, Cb, Yr, and M, respectively. As shown in the figure, the G light is a color component mainly containing a component in the green wavelength range (around 500 nm to 600 nm), but may contain some components in other wavelength ranges. The M light is a color component mainly containing components in the blue wavelength range (near 400 nm to 500 nm) and the red wavelength range (near 600 nm to 700 nm), but may contain some components in the green wavelength range. . The Cb light is a color component mainly containing a blue to short wavelength side green component (near 400 nm to 550 nm), but may contain some other wavelength range components. Yr light is a color component mainly containing components of green to red (near 550 nm to 700 nm) on the long wavelength side, but may contain some components in other wavelength regions. As described above, the light of the first to fourth color components may include light in a wavelength region that partially overlaps, although the wavelength regions where the intensity peaks are different from each other.

分光要素アレイ100は、典型的には各光感知セルに対向して配置された複数の分光要素を含む。各分光要素は、例えば後に詳しく説明する「高屈折率透明部」およびその周囲に設けられた「低屈折率透明部」によって構成され得る。あるいは、形状および屈折率が適切に設計されたマイクロレンズによっても構成され得る。さらには、特定波長域の光を反射し、他の波長域の光を透過させる多層膜フィルタ(ダイクロイックミラー)を用いて実現することも可能である。多層膜フィルタを含む分光要素は、多層膜フィルタによって反射された光を異なる媒質間の境界で全反射させ、隣接する光感知セルに導くように構成され得る。   The spectroscopic element array 100 typically includes a plurality of spectroscopic elements arranged to face each photosensitive cell. Each spectroscopic element can be constituted by, for example, a “high refractive index transparent portion” described in detail later and a “low refractive index transparent portion” provided therearound. Alternatively, it may be constituted by a microlens whose shape and refractive index are appropriately designed. Further, it can be realized by using a multilayer filter (dichroic mirror) that reflects light in a specific wavelength range and transmits light in other wavelength ranges. The spectroscopic element including the multilayer filter may be configured to totally reflect light reflected by the multilayer filter at a boundary between different media and guide the light to an adjacent photosensitive cell.

図2に示す分光要素アレイ100は、第1の光感知セル2aのセル入射光(強度W)から第1の色成分の光(強度C1)を減少させ、第2の色成分の光および第3の色成分の光(強度(C2+C3)/2)を増加させた光を第1の光感知セル2aに入射させる。また、第2の光感知セル2bのセル入射光(強度W)から第2の色成分の光(強度C2)を減少させ、第1の色成分の光および第4の色成分の光(強度(C1+C4)/2)を増加させた光を第2の光感知セル2bに入射させる。また、第3の光感知セル2cのセル入射光(強度W)から第3の色成分の光(強度C3)を減少させ、第1の色成分の光および第4の色成分(強度(C1+C4)/2)の光を増加させた光を第3の光感知セル2cに入射させる。さらに、第4の光感知セル2dのセル入射光(強度W)から第4の色成分の光(強度C4)を減少させ、第2の色成分の光および第3の色成分の光(強度(C2+C3)/2)を増加させた光を第4の光感知セル2dに入射させる。   The spectral element array 100 shown in FIG. 2 reduces the light of the first color component (intensity C1) from the cell incident light (intensity W) of the first photosensitive cell 2a, and the light of the second color component and the first light. The light whose intensity of the three color components (intensity (C2 + C3) / 2) is increased is incident on the first photosensitive cell 2a. Further, the light of the second color component (intensity C2) is decreased from the cell incident light (intensity W) of the second photosensitive cell 2b, and the light of the first color component and the light of the fourth color component (intensity). The light whose (C1 + C4) / 2) is increased is incident on the second photosensitive cell 2b. Further, the light of the third color component (intensity C3) is decreased from the cell incident light (intensity W) of the third photosensitive cell 2c, and the light of the first color component and the fourth color component (intensity (C1 + C4)). ) / 2), the light having increased light is made incident on the third photosensitive cell 2c. Further, the light of the fourth color component (intensity C4) is reduced from the cell incident light (intensity W) of the fourth photosensitive cell 2d, and the light of the second color component and the light of the third color component (intensity). The light whose (C2 + C3) / 2) is increased is incident on the fourth photosensitive cell 2d.

以上の構成により、光感知セル2a〜2dは、図2(b)、(c)に示すように、それぞれ、W−C1+(C2+C3)/2、W−C2+(C1+C4)/2、W−C3+(C1+C4)/2、W−C4+(C2+C3)/2で表される強度の光を受ける。各光感知セルは、これらの強度に応じた光電変換信号を出力する。ここで、光感知セル2a〜2dが出力する光電変換信号をそれぞれS2a〜S2dとし、強度Wに対応する信号をWs、強度C1に対応する信号をC1s、強度C2に対応する信号をC2s、強度C3に対応する信号をC3s、強度C4に対応する信号をC4sとする。但し、Ws=C1s+C4s、Ws=C2s+C3sである。すると、S2a〜S2dは、以下の式1〜4で表すことができる。
(式1) S2a=Ws−C1s+(C2s+C3s)/2
(式2) S2b=Ws−C2s+(C1s+C4s)/2
(式3) S2c=Ws−C3s+(C1s+C4s)/2
(式4) S2d=Ws−C4s+(C2s+C3s)/2
With the above-described configuration, the photosensitive cells 2a to 2d are, as shown in FIGS. 2B and 2C, W-C1 + (C2 + C3) / 2, W-C2 + (C1 + C4) / 2, and W-C3 +, respectively. The light of the intensity | strength represented by (C1 + C4) / 2 and W-C4 + (C2 + C3) / 2 is received. Each photosensitive cell outputs a photoelectric conversion signal corresponding to these intensities. Here, the photoelectric conversion signals output from the photosensitive cells 2a to 2d are S2a to S2d, respectively, the signal corresponding to the intensity W is Ws, the signal corresponding to the intensity C1 is C1s, the signal corresponding to the intensity C2 is C2s, and the intensity A signal corresponding to C3 is defined as C3s, and a signal corresponding to the intensity C4 is defined as C4s. However, Ws = C1s + C4s and Ws = C2s + C3s. Then, S2a-S2d can be represented by the following formulas 1-4.
(Formula 1) S2a = Ws-C1s + (C2s + C3s) / 2
(Formula 2) S2b = Ws-C2s + (C1s + C4s) / 2
(Formula 3) S2c = Ws-C3s + (C1s + C4s) / 2
(Formula 4) S2d = Ws−C4s + (C2s + C3s) / 2

ここで、信号S2a、S2dの差分をD1とし、信号S2b、S2cの差分をD2とすると、D1、D2は、それぞれ以下の式5、6で表される。
(式5) D1=S2a−S2d=C4s−C1s
(式6) D2=S2c−S2b=C2s−C3s
Here, when the difference between the signals S2a and S2d is D1, and the difference between the signals S2b and S2c is D2, D1 and D2 are expressed by the following equations 5 and 6, respectively.
(Formula 5) D1 = S2a-S2d = C4s-C1s
(Formula 6) D2 = S2c-S2b = C2s-C3s

さらに、D1とD2との加減算により、それぞれ以下の式7、8が得られる。
(式7) D1+D2=C4s+C2s−C3s−C1s
(式8) D1−D2=C4s−C2s+C3s−C1s
Furthermore, the following formulas 7 and 8 are obtained by adding and subtracting D1 and D2, respectively.
(Formula 7) D1 + D2 = C4s + C2s-C3s-C1s
(Formula 8) D1-D2 = C4s-C2s + C3s-C1s

式7および式8の演算は差分演算を含んでいるため、これらの演算によって生成される信号(D1+D2)および信号(D1−D2)は、色差信号を示すものといえる。ここで、赤、緑、青の光電変換信号をそれぞれRs、Gs、Bsで表し、上述した典型的な例として、C1s=Gs、C2s=Bs+1/2Gs、C3s=Rs+1/2Gs、C4s=Rs+Bsであるものとすると、式7および式8から、(D1+D2)=(2Rs−Gs)および(D1−D2)=(2Bs−Gs)で表される2つの色差信号が得られることがわかる。   Since the calculations of Expressions 7 and 8 include difference calculations, it can be said that the signal (D1 + D2) and the signal (D1-D2) generated by these calculations indicate color difference signals. Here, red, green, and blue photoelectric conversion signals are represented by Rs, Gs, and Bs, respectively. As typical examples described above, C1s = Gs, C2s = Bs + 1 / 2Gs, C3s = Rs + 1 / 2Gs, and C4s = Rs + Bs. Assuming that there is, it can be seen from Equation 7 and Equation 8 that two color difference signals represented by (D1 + D2) = (2Rs−Gs) and (D1−D2) = (2Bs−Gs) are obtained.

一方、S2aとS2dとの加算、S2bとS2cとの加算、およびS2a〜S2dの加算のいずれかの演算により、以下の式9〜11に示すように、セル入射光の可視光成分の強度Wの2倍または4倍に相当する信号が得られる。
(式9) S2a+S2d=2Ws
(式10) S2b+S2c=2Ws
(式11) S2a+S2b+S2c+S2d=4Ws
On the other hand, by any one of the addition of S2a and S2d, the addition of S2b and S2c, and the addition of S2a to S2d, as shown in the following formulas 9 to 11, the intensity W of the visible light component of the cell incident light A signal corresponding to twice or four times the above is obtained.
(Formula 9) S2a + S2d = 2Ws
(Formula 10) S2b + S2c = 2Ws
(Formula 11) S2a + S2b + S2c + S2d = 4 Ws

これらの信号は、入射光に含まれる可視光の成分の全てが損失なく光電変換された場合に得られる信号に相当する。したがって、これらのいずれかを輝度信号とすれば、撮像感度の面で理想的な特性が得られる。   These signals correspond to signals obtained when all visible light components included in the incident light are photoelectrically converted without loss. Therefore, if any of these is used as a luminance signal, ideal characteristics can be obtained in terms of imaging sensitivity.

式9〜11のいずれかの演算によって求められる輝度信号と、式7、8によって求められる2つの色差信号とが得られれば、行列演算によってRGB信号を求めることができる。すなわち、光感知セル2a〜2dから出力される4つの光電変換信号S2a〜S2dに基づく信号演算によってカラー信号を算出できる。   If the luminance signal obtained by any one of Equations 9 to 11 and the two color difference signals obtained by Equations 7 and 8 are obtained, the RGB signal can be obtained by matrix operation. That is, a color signal can be calculated by signal calculation based on the four photoelectric conversion signals S2a to S2d output from the photosensitive cells 2a to 2d.

上記の撮像素子10によれば、光の一部を吸収する色フィルタを用いることなく、分光要素を用いることにより、信号演算によってカラー情報を得ることができる。そのため、光の損失を抑えることができ、撮像感度を従来よりも高めることが可能となる。さらに、式1〜4の右辺に示すように、各画素信号の生成過程において、C1s〜C4sのいずれかの信号が加算だけでなく減算もされているため、光強度Wの可視光を受けた場合、ある画素だけ信号値が特に大きくなる、あるいは特に小さくなるといったことが起こらない。このことは撮像素子10の入射光に対するダイナミックレンジ特性を向上させるという点で良好であると言える。   According to the imaging device 10 described above, color information can be obtained by signal calculation by using a spectral element without using a color filter that absorbs part of light. Therefore, loss of light can be suppressed, and imaging sensitivity can be increased as compared with the conventional case. Further, as shown on the right side of Expressions 1 to 4, since any signal of C1s to C4s is not only added but also subtracted in the process of generating each pixel signal, the visible light having the light intensity W is received. In this case, the signal value does not particularly increase or decrease particularly for a certain pixel. This can be said to be favorable in terms of improving the dynamic range characteristics of the image sensor 10 with respect to incident light.

次に、撮像素子10が特定波長域の赤外光のみを受光する場合について説明する。これは、例えば、夜間において特定波長域の赤外光を出射するIR光源を用いて撮像を行う場合が該当する。撮像素子10は、分光要素その他の光学素子を含む分光要素アレイ10の特性により、当該特定の赤外光について、第1の光感知セル2aおよび第4の光感知セル2dにおける受光量が等しく、第2の光感知セル2bおよび第3の光感知セル2cの受光量が等しく、かつ第1の光感知セル2aおよび第2の光感知セル2bの受光量が異なるように構成されている。すなわち、各光感知セルに当該特定波長域の赤外光のみが入射する場合、S2a=S2d≠S2b=S2cが成立するように分光要素アレイ100が構成されている。そのため、式5、式6におけるD1、D2は0になり、その結果、式7、8で表される信号(D1+D2)および(D1−D2)も0になる。この結果は、式7および式8で表される色差信号には、当該波長域の赤外光の影響は現れないことを示している。これに対し、式9〜11で表される輝度信号には当該特定波長域の赤外光の影響が現れる。すなわち、第1および第4の光感知セル2a、2dと、第2および第3の光感知セル2b、2cとの間で、当該特定波長域の赤外光の受光量が異なるため、式9で表される輝度信号と、式10で表される輝度信号との間に差違が生じる。   Next, a case where the image sensor 10 receives only infrared light in a specific wavelength range will be described. This corresponds to a case where imaging is performed using an IR light source that emits infrared light in a specific wavelength range at night, for example. Due to the characteristics of the spectral element array 10 including spectral elements and other optical elements, the imaging element 10 has the same amount of received light in the first photosensitive cell 2a and the fourth photosensitive cell 2d for the specific infrared light. The second photosensitive cell 2b and the third photosensitive cell 2c are configured to have the same received light amount, and the first photosensitive cell 2a and the second photosensitive cell 2b have different received light amounts. That is, the spectral element array 100 is configured such that S2a = S2d ≠ S2b = S2c is established when only infrared light in the specific wavelength region enters each photosensitive cell. Therefore, D1 and D2 in Expressions 5 and 6 are 0, and as a result, the signals (D1 + D2) and (D1-D2) represented by Expressions 7 and 8 are also 0. This result shows that the influence of infrared light in the wavelength region does not appear in the color difference signals represented by Expression 7 and Expression 8. On the other hand, the influence of infrared light in the specific wavelength region appears in the luminance signals represented by Expressions 9 to 11. That is, the amount of received infrared light in the specific wavelength region differs between the first and fourth photosensitive cells 2a and 2d and the second and third photosensitive cells 2b and 2c. And a difference between the luminance signal expressed by Equation 10 and the luminance signal expressed by Equation 10.

ここで、演算|S2a+S2d−S2b−S2c|を考える。式9、式10からわかるように、撮像素子10が可視光のみを受光する場合、その演算結果は0になるが、特定波長域の赤外光を受光する場合、その演算結果は0にはならない。このことは、当該演算により、当該特定波長域の赤外光の光量を推定できることを表している。当該特定波長域の赤外光の光量を推定できれば、当該特定波長域の赤外光の輝度信号への影響を除去することができる。その上、演算|S2a+S2d−S2b−S2c|の結果を用いて、IR画像を生成することができる。すなわち、可視光のカラー画像とIR画像とを同時に得ることができる。カラー画像とIR画像とを生成する具体的な処理については後述する。   Here, an operation | S2a + S2d−S2b−S2c | is considered. As can be seen from Equations 9 and 10, when the imaging device 10 receives only visible light, the calculation result is 0. However, when infrared light in a specific wavelength region is received, the calculation result is 0. Don't be. This indicates that the amount of infrared light in the specific wavelength region can be estimated by the calculation. If the amount of infrared light in the specific wavelength region can be estimated, the influence of the infrared light in the specific wavelength region on the luminance signal can be removed. In addition, an IR image can be generated using the result of the operation | S2a + S2d-S2b-S2c |. That is, a visible light color image and an IR image can be obtained simultaneously. Specific processing for generating a color image and an IR image will be described later.

以上のように、本開示の実施形態における撮像素子10は、IR画像の生成に適した構成を有している。分光要素その他の光学素子を適切に構成することにより、カラー撮像とIR画像とを同時に生成することができる。また、従来技術とは異なり、色フィルタは用いられないため、高感度のカラー撮像が可能であるという優れた利点を有する。   As described above, the image sensor 10 according to the embodiment of the present disclosure has a configuration suitable for generating an IR image. By appropriately configuring the spectral elements and other optical elements, color imaging and IR images can be generated simultaneously. Further, unlike the prior art, since a color filter is not used, there is an excellent advantage that color imaging with high sensitivity is possible.

なお、分光要素アレイ100の構成は、上記の例に限定されない。分光要素アレイ100は、第1の光感知セル2aのセル入射光からC1光を減少させ、C2光およびC3光を増加させた光を第1の光感知セル2aに入射させ、第2の光感知セル2bのセル入射光からC2光を減少させ、C1光およびC4光を増加させた光を第2の光感知セル2bに入射させ、第3の光感知セル2cのセル入射光からC3光を減少させ、C1光およびC4光を増加させた光を第3の光感知セル2cに入射させ、第4の光感知セル2dのセル入射光からC4光を減少させ、C2光およびC3光を増加させた光を第4の光感知セル2dに入射させるように構成されていれば、それらの光の強度は上記の例とは異なっていてもよい。各光電変換信号における各色成分の比率に応じて各信号を適切に補正することにより、上記と同様の演算処理を適用し得る。   The configuration of the spectral element array 100 is not limited to the above example. The spectral element array 100 reduces the C1 light from the cell incident light of the first light-sensitive cell 2a, and causes the light having the increased C2 light and C3 light to be incident on the first light-sensitive cell 2a. The C2 light is decreased from the cell incident light of the sensing cell 2b, the light obtained by increasing the C1 light and the C4 light is incident on the second photosensitive cell 2b, and the C3 light is emitted from the cell incident light of the third photosensitive cell 2c. , The light having the increased C1 light and the C4 light is made incident on the third photosensitive cell 2c, the C4 light is decreased from the cell incident light of the fourth photosensitive cell 2d, and the C2 light and the C3 light are reduced. As long as the increased light is configured to enter the fourth photosensitive cell 2d, the intensity of the light may be different from that in the above example. By appropriately correcting each signal according to the ratio of each color component in each photoelectric conversion signal, the same arithmetic processing as described above can be applied.

また、分光要素アレイ100による分光は、上記の態様に限定されない。分光要素アレイ100は、第1から第4の光感知セルに異なる分光分布の光を入射させ、第1および第4の光感知セルに入射する可視光の合計の分光分布が、第2および第3の光感知セルに入射する可視光の合計の分光分布に実質的に等しくなるように構成されていれば、どのように構成されていてもよい。言い換えれば、第1の光感知セルから出力される光電変換信号の可視光による成分と、前記第4の光感知セルから出力される光電変換信号の可視光による成分との合計が、前記第2の光感知セルから出力される光電変換信号の可視光による成分と、前記第3の光感知セルから出力される光電変換信号の可視光による成分との合計に実質的に等しくなるように構成されていればよい。そのような構成により、演算|S2a+S2d−S2b−S2c|によって可視光の成分をキャンセルできるため、赤外光の情報を容易に生成できるという利点がある。   Further, the spectroscopy by the spectral element array 100 is not limited to the above-described aspect. The spectral element array 100 allows light having different spectral distributions to enter the first to fourth photosensitive cells, and the total spectral distribution of visible light incident on the first and fourth photosensitive cells is the second and second. As long as it is configured to be substantially equal to the total spectral distribution of the visible light incident on the three photosensitive cells, any configuration may be used. In other words, the sum of the visible light component of the photoelectric conversion signal output from the first photosensitive cell and the visible light component of the photoelectric conversion signal output from the fourth photosensitive cell is the second value. The visible light component of the photoelectric conversion signal output from the photosensitive cell and the visible light component of the photoelectric conversion signal output from the third photosensitive cell are substantially equal to each other. It only has to be. With such a configuration, the visible light component can be canceled by the calculation | S2a + S2d−S2b−S2c |, and thus there is an advantage that infrared light information can be easily generated.

本開示の実施形態では、撮像素子10の前面に特定の赤外光のみを透過させる赤外カットフィルタを配置させることが効果的である。また、特定の波長域の赤外光に関して、第1の光感知セル2aと第4の光感知セル2dの受光量を等しくし、第2の光感知セル2bと第3の光感知セル2cの受光量を等しくすることが効果的である。そのため、当該赤外光および可視光の波長帯域において透過性を有し、その他の波長帯域において透過性を有しない光学フィルタをいずれかの光感知セル上に配置してもよい。   In the embodiment of the present disclosure, it is effective to arrange an infrared cut filter that transmits only specific infrared light on the front surface of the image sensor 10. Further, with respect to infrared light in a specific wavelength range, the received light amounts of the first photosensitive cell 2a and the fourth photosensitive cell 2d are made equal, and the second photosensitive cell 2b and the third photosensitive cell 2c It is effective to equalize the amount of received light. Therefore, an optical filter having transparency in the wavelength band of the infrared light and visible light and not having transparency in the other wavelength bands may be disposed on any of the photosensitive cells.

以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。以下の説明において、同一または類似する要素には同一の符号を付している。   Hereinafter, more specific embodiments of the present disclosure will be described. In the following description, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals.

(実施形態1)
図4は、第1の実施形態による撮像装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の撮像装置は、デジタル式の電子カメラであり、撮像部300と、撮像部300から送出される信号に基づいて画像を示す信号(画像信号)を生成する信号処理部400とを備えている。なお、撮像装置は静止画のみを生成してもよいし、動画を生成する機能を備えていてもよい。
(Embodiment 1)
FIG. 4 is a block diagram illustrating the overall configuration of the imaging apparatus according to the first embodiment. The imaging apparatus according to the present embodiment is a digital electronic camera, and includes an imaging unit 300 and a signal processing unit 400 that generates a signal (image signal) indicating an image based on a signal transmitted from the imaging unit 300. ing. Note that the imaging device may generate only a still image or may have a function of generating a moving image.

撮像部300は、被写体を結像するための光学レンズ12と、光学フィルタ11と、光学レンズ12および光学フィルタ11を通して結像した光情報を、光電変換によって電気信号に変換する固体撮像素子10(イメージセンサ)とを備えている。撮像部300はさらに、赤外光を出射するIR光源19と、撮像素子10を駆動するための基本信号を発生するとともに撮像素子10からの出力信号を受信して信号処理部400に送出する信号発生/受信部13と、信号発生/受信部13によって発生された基本信号に基づいて撮像素子10を駆動する素子駆動部14とを備えている。光学レンズ12は、公知のレンズであり、複数のレンズを有するレンズユニットであり得る。撮像素子10は、典型的にはCMOSまたはCCDであり、公知の半導体製造技術によって製造される。信号発生/受信部13および素子駆動部14は、例えばCCDドライバなどのLSIから構成されている。IR光源19は、汎用的な赤外線光源であり、例えば夜間のように暗い状況で撮像する際に用いられる。   The imaging unit 300 is an optical lens 12 for imaging a subject, an optical filter 11, and a solid-state imaging device 10 (converting optical information imaged through the optical lens 12 and the optical filter 11 into an electrical signal by photoelectric conversion ( Image sensor). The imaging unit 300 further generates an IR light source 19 that emits infrared light and a signal that generates a basic signal for driving the imaging device 10 and receives an output signal from the imaging device 10 and sends it to the signal processing unit 400. A generation / reception unit 13 and an element drive unit 14 that drives the image sensor 10 based on a basic signal generated by the signal generation / reception unit 13 are provided. The optical lens 12 is a known lens and may be a lens unit having a plurality of lenses. The image sensor 10 is typically a CMOS or a CCD, and is manufactured by a known semiconductor manufacturing technique. The signal generation / reception unit 13 and the element driving unit 14 are configured by an LSI such as a CCD driver, for example. The IR light source 19 is a general-purpose infrared light source, and is used for imaging in a dark situation such as at night.

光学フィルタ11は、画素配列が原因で発生するモアレパターンを低減するための水晶ローパスフィルタに、赤外光の大部分を除去する赤外カットフィルタを合体させたものである。当該赤外カットフィルタは、可視光および特定の波長域の赤外光のみを透過させ、その他の波長域の赤外光を吸収する特性を有している。図5は、この赤外カットフィルタの分光透過率特性の例を示している。この例では、特定の波長域は、700〜800nmの間に設定されている。したがって、当該赤外カットフィルタを透過した赤外光は、700〜800nmの間に強度のピークを有する。ただし、これは一例であり、強度のピークをとる波長は任意に設定してよい。この分光特性により、撮像素子10には、可視光に加え、上記の近赤外帯域でピークを有する特定の赤外光のみが入射する。   The optical filter 11 is a combination of a quartz low-pass filter for reducing moire patterns generated due to pixel arrangement and an infrared cut filter that removes most of infrared light. The infrared cut filter has a characteristic of transmitting only visible light and infrared light in a specific wavelength range and absorbing infrared light in other wavelength ranges. FIG. 5 shows an example of the spectral transmittance characteristics of this infrared cut filter. In this example, the specific wavelength range is set between 700 and 800 nm. Therefore, the infrared light transmitted through the infrared cut filter has an intensity peak between 700 and 800 nm. However, this is only an example, and the wavelength at which the intensity peaks can be set arbitrarily. Due to this spectral characteristic, only specific infrared light having a peak in the near-infrared band is incident on the image sensor 10 in addition to visible light.

信号処理部400は、撮像部300から送出される信号を処理して画像信号を生成する画像信号生成部15と、画像信号の生成過程で発生する各種のデータを格納するメモリ30と、生成した画像信号を外部に送出する画像信号出力部16とを備えている。画像信号生成部15は、公知のデジタル信号処理プロセッサ(DSP)などのハードウェアと、画像信号生成処理を含む画像処理を実行するソフトウェアとの組合せによって好適に実現され得る。メモリ30は、DRAMなどによって構成される。メモリ30は、撮像部300から送出された信号を記録するとともに、画像信号生成部15によって生成された画像データや、圧縮された画像データを一時的に記録する。これらの画像データは、画像信号出力部16を介して不図示の記録媒体や表示部などに送出される。   The signal processing unit 400 generates an image signal by processing a signal transmitted from the imaging unit 300, a memory 30 for storing various data generated in the process of generating the image signal, and a generated signal And an image signal output unit 16 for sending the image signal to the outside. The image signal generation unit 15 can be suitably realized by a combination of hardware such as a known digital signal processor (DSP) and software that executes image processing including image signal generation processing. The memory 30 is configured by a DRAM or the like. The memory 30 records the signal transmitted from the imaging unit 300 and temporarily records the image data generated by the image signal generation unit 15 and the compressed image data. These image data are sent to a recording medium (not shown) or a display unit via the image signal output unit 16.

なお、本実施形態の撮像装置は、電子シャッタ、ビューファインダ、電源(電池)、フラッシュライトなどの公知の構成要素を備え得るが、それらの説明は本実施形態の理解に特に必要でないため省略する。また、以上の構成はあくまでも一例であり、本実施形態において、撮像素子10および画像信号生成部15を除く構成要素には、公知の要素を適切に組み合わせて用いることができる。   Note that the imaging apparatus according to the present embodiment may include known components such as an electronic shutter, a viewfinder, a power source (battery), and a flashlight, but a description thereof is omitted because it is not particularly necessary for understanding the present embodiment. . Further, the above configuration is merely an example, and in the present embodiment, publicly known elements can be appropriately combined and used for the constituent elements other than the image sensor 10 and the image signal generation unit 15.

以下、本実施形態における固体撮像素子10を説明する。   Hereinafter, the solid-state imaging device 10 in the present embodiment will be described.

図6は、露光中にレンズ12を透過した光が撮像素子10に入射する様子を模式的に示す図である。図6では、簡単のためレンズ12および撮像素子10以外の構成要素の記載は省略されている。また、レンズ12は、一般には光軸方向に並んだ複数のレンズによって構成され得るが、簡単のため、単一のレンズとして描かれている。撮像素子10の撮像面10aには、2次元状に配列された複数の光感知セル(画素)を含む光感知セルアレイが配置されている。各光感知セルは、典型的にはフォトダイオードであり、光電変換によって入射光量に応じた光電変換信号(画素信号)を出力する。撮像面10aにはレンズ12および光学フィルタ11を透過した光(可視光および特定波長域の赤外光)が入射する。一般に撮像面10aに入射する光の強度および波長域ごとの入射光量の分布(分光分布)は、入射位置に応じて異なる。   FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a state in which light transmitted through the lens 12 is incident on the image sensor 10 during exposure. In FIG. 6, description of components other than the lens 12 and the image sensor 10 is omitted for simplicity. In addition, the lens 12 can be generally composed of a plurality of lenses arranged in the optical axis direction, but is drawn as a single lens for simplicity. A photosensitive cell array including a plurality of photosensitive cells (pixels) arranged two-dimensionally is disposed on the imaging surface 10a of the imaging element 10. Each photosensitive cell is typically a photodiode, and outputs a photoelectric conversion signal (pixel signal) corresponding to the amount of incident light by photoelectric conversion. Light (visible light and infrared light in a specific wavelength range) that has passed through the lens 12 and the optical filter 11 is incident on the imaging surface 10a. In general, the intensity of light incident on the imaging surface 10a and the distribution (spectral distribution) of the amount of incident light for each wavelength range differ depending on the incident position.

図7A、7Bは、本実施形態における画素配列の例を示す平面図である。光感知セルアレイ200は、例えば、図7Aに示すように撮像面10a上に正方格子状に配列された複数の光感知セルを有する。光感知セルアレイ200は、複数の単位ブロック40から構成され、各単位ブロック40は4つの光感知セル2a、2b、2c、2dを含んでいる。各単位ブロックにおいて、1行1列目に第1の光感知セル2aが、1行2列目に第2の光感知セル2bが、2行1列目に第3の光感知セル2cが、2行2列目に第4の光感知セル2dが配置されている。なお、光感知セルの配列は、このような正方格子状の配列ではなく、例えば、図7Bに示す斜行型の配列であってもよいし、他の配列であってもよい。各単位ブロックに含まれる4つの光感知セル2a〜2dは、図7A、7Bに示すように、互いに近接しているが、これらが離れていても、後述する分光要素アレイを適切に構成することによって色情報を得ることが可能である。   7A and 7B are plan views illustrating an example of a pixel array in the present embodiment. For example, the photosensitive cell array 200 includes a plurality of photosensitive cells arranged in a square lattice pattern on the imaging surface 10a as shown in FIG. 7A. The photosensitive cell array 200 includes a plurality of unit blocks 40, and each unit block 40 includes four photosensitive cells 2a, 2b, 2c, and 2d. In each unit block, the first photosensitive cell 2a in the first row and the first column, the second photosensitive cell 2b in the first row and the second column, the third photosensitive cell 2c in the second row and the first column, A fourth photosensitive cell 2d is arranged in the second row and the second column. Note that the arrangement of the photosensitive cells is not such a square lattice arrangement, but may be, for example, an oblique arrangement shown in FIG. 7B or another arrangement. As shown in FIGS. 7A and 7B, the four photosensitive cells 2a to 2d included in each unit block are close to each other, but even if they are separated from each other, the spectral element array described later should be appropriately configured. It is possible to obtain color information.

光感知セルアレイ200に対向して、光が入射する側に複数の分光要素を含む分光要素アレイが配置される。本実施形態では、各単位ブロックに含まれる4つの光感知セルに対して各々1つずつ分光要素が設けられる。   Opposite to the photosensitive cell array 200, a spectral element array including a plurality of spectral elements is arranged on the light incident side. In this embodiment, one spectral element is provided for each of the four photosensitive cells included in each unit block.

以下、本実施形態における分光要素を説明する。   Hereinafter, the spectral elements in the present embodiment will be described.

本実施形態における分光要素は、屈折率が異なる2種類の透光性部材の境界で生じる光の回折を利用して入射光を波長域に応じて異なる方向に向ける光学素子である。このタイプの分光要素は、屈折率が相対的に高い材料で形成された高屈折率透明部(コア部)と、屈折率が相対的に低い材料で形成されコア部の各々の側面と接する低屈折率透明部(クラッド部)とを有している。コア部とクラッド部との間の屈折率差により、両者を透過した光の間で位相差が生じるため、回折が起こる。この位相差は光の波長によって異なるため、光を波長域(色成分)に応じて空間的に分離することが可能となる。例えば、第1の方向および第2の方向に第1色成分の光を半分ずつ向け、第3の方向に第1色成分以外の光を向けることができる。また、3つの方向にそれぞれ異なる波長域(色成分)の光を向けることも可能である。   The spectral element in the present embodiment is an optical element that directs incident light in different directions depending on the wavelength region by utilizing diffraction of light generated at the boundary between two types of translucent members having different refractive indexes. This type of spectroscopic element consists of a high refractive index transparent part (core part) made of a material having a relatively high refractive index and a low contact with each side face of the core part made of a material having a relatively low refractive index. It has a refractive index transparent part (cladding part). Due to the difference in refractive index between the core part and the clad part, a phase difference occurs between the light transmitted through the core part and diffraction occurs. Since this phase difference varies depending on the wavelength of light, it becomes possible to spatially separate light according to the wavelength range (color component). For example, the light of the first color component can be directed in half in the first direction and the second direction, and the light other than the first color component can be directed in the third direction. It is also possible to direct light in different wavelength ranges (color components) in the three directions.

本願明細書において、「高屈折率」および「低屈折率」の用語は、絶対的な屈折率の高低を意味するものではなく、あくまでも屈折率の相対的な比較の結果を意味する。すなわち、「低屈折率」とは、低屈折率透明部の屈折率が高屈折率透明部の屈折率よりも低いことを意味する。一方、「高屈折率」とは、高屈折率透明部の屈折率が低屈折率透明部の屈折率よりも高いことを意味する。したがって、低屈折率透明部の屈折率が高屈折率透明部の屈折率よりも低ければ、それぞれの屈折率の値は任意である。   In the present specification, the terms “high refractive index” and “low refractive index” do not mean absolute high or low refractive index, but merely a result of relative comparison of refractive indexes. That is, “low refractive index” means that the refractive index of the low refractive index transparent portion is lower than the refractive index of the high refractive index transparent portion. On the other hand, “high refractive index” means that the refractive index of the high refractive index transparent portion is higher than the refractive index of the low refractive index transparent portion. Therefore, if the refractive index of the low refractive index transparent part is lower than the refractive index of the high refractive index transparent part, the value of each refractive index is arbitrary.

本実施形態における低屈折率透明部は、分光要素アレイ100内において層状に形成されている。このため、低屈折率透明部を「低屈折率透明層」または単に「透明層」とも呼ぶ。低屈折率透明層の内部に埋め込まれた個々の高屈折率透明部は、低屈折率透明部に入射した光の位相速度を局所的に低下させる。その結果、低屈折率透明部の上面に入射した光が下面に向かって伝播するときに波長によって異なる位相シフトが生じ、入射光は分光される。このため、本願明細書では、個々の高屈折率透明部を「分光要素」と称する。この分光要素は、「位相シフタ」と呼んでもよい。   The low refractive index transparent portion in the present embodiment is formed in layers within the spectral element array 100. For this reason, the low refractive index transparent portion is also referred to as “low refractive index transparent layer” or simply “transparent layer”. The individual high refractive index transparent portions embedded in the low refractive index transparent layer locally reduce the phase velocity of light incident on the low refractive index transparent portion. As a result, when the light incident on the upper surface of the low refractive index transparent portion propagates toward the lower surface, a phase shift that varies depending on the wavelength occurs, and the incident light is dispersed. For this reason, in this specification, each high refractive index transparent part is called a "spectral element." This spectral element may be called a “phase shifter”.

各分光要素における高屈折率透明部の形状は直方体であり、x軸方向およびy軸方向の辺が同程度であり、z軸方向の辺が最も長い。高屈折率透明部3の形状は、厳密な直方体である必要は無く、エッジが丸められていてもよいし、側面がテーパまたは逆テーパを有していてもよい。高屈折率透明部3のサイズ、形状、および屈折率などを調整することにより、入射光をどのように分光させるかを制御することができる。高屈折率透明部3のより詳細な構成と機能は、特許文献3に開示されているので、特許文献3の内容の全体をここに援用する。   The shape of the high refractive index transparent portion in each spectral element is a rectangular parallelepiped, the sides in the x-axis direction and the y-axis direction are approximately the same, and the side in the z-axis direction is the longest. The shape of the high refractive index transparent portion 3 does not have to be a strict rectangular parallelepiped, the edge may be rounded, and the side surface may have a taper or a reverse taper. By adjusting the size, shape, refractive index, and the like of the high refractive index transparent portion 3, it is possible to control how incident light is dispersed. Since the more detailed structure and function of the high refractive index transparent part 3 are disclosed in Patent Document 3, the entire contents of Patent Document 3 are incorporated herein.

図8Aは、撮像素子10の基本構造を示す平面図である。各単位ブロックにおいて、4つの光感知セル2a、2b、2c、2dの各々に対向して分光要素1a、1b、1c、1dがそれぞれ配置されている。このような基本構造を有する複数のパターンが撮像面10a上に繰り返し形成されている。   FIG. 8A is a plan view showing the basic structure of the image sensor 10. In each unit block, the spectroscopic elements 1a, 1b, 1c, and 1d are disposed to face the four photosensitive cells 2a, 2b, 2c, and 2d, respectively. A plurality of patterns having such a basic structure are repeatedly formed on the imaging surface 10a.

図8B、8C、8D、8Eは、図8AにおけるA−A´線断面、B−B´線断面、C−C´線断面およびD−D´線断面をそれぞれ示す図である。これらの図に示されるように、撮像素子10は、シリコンなどの材料からなる半導体基板7と、半導体基板7の内部に配置された光感知セル2a〜2dと、半導体基板7の表面側(光が入射する側)に形成された配線層5および低屈折率透明部からなる透明層6と、透明層6の内部に配置された高屈折率透明部からなる分光要素1a、1b、1c、1dとを備えている。また、各光感知セルへの集光を効率的に行うためのマイクロレンズ4が透明層6を隔てて個々の光感知セルに対応して配置されている。なお、マイクロレンズ4が配置されていなくても本実施形態の効果を得ることは可能である。本実施形態では、第2の光感知セル2bおよび第4の光感知セル2dに対向して、可視光および特定の波長域の赤外光を透過してそれ以外の赤外光を吸収する赤外カットフィルタ8b、8dがそれぞれ配置されている。これらの赤外カットフィルタ8b、8dは、特定の波長域の赤外光について、光感知セル2a、2dの受光量を等しくし、光感知セル2b、2cの受光量を等しくするように、その透過率が設計されている。   8B, 8C, 8D, and 8E are diagrams respectively showing an AA ′ line cross section, a BB ′ line cross section, a CC ′ line cross section, and a DD ′ line cross section in FIG. 8A. As shown in these drawings, the image pickup device 10 includes a semiconductor substrate 7 made of a material such as silicon, photosensitive cells 2a to 2d disposed inside the semiconductor substrate 7, and a surface side (light) of the semiconductor substrate 7. Are formed on the wiring layer 5 and the transparent layer 6 made of a low refractive index transparent portion, and the spectral elements 1a, 1b, 1c, 1d made of the high refractive index transparent portion arranged inside the transparent layer 6. And. In addition, microlenses 4 for efficiently condensing light to each photosensitive cell are arranged corresponding to the individual photosensitive cells with a transparent layer 6 therebetween. Even if the microlens 4 is not arranged, it is possible to obtain the effect of this embodiment. In the present embodiment, red that transmits visible light and infrared light in a specific wavelength region and absorbs other infrared light facing the second photosensitive cell 2b and the fourth photosensitive cell 2d. Outer cut filters 8b and 8d are respectively arranged. These infrared cut filters 8b and 8d are configured so that the received light amounts of the photosensitive cells 2a and 2d are equalized and the received light amounts of the photosensitive cells 2b and 2c are equalized with respect to infrared light in a specific wavelength range. The transmittance is designed.

図8A〜8Eに示す構造は、公知の半導体製造技術により作製され得る。図8A〜8Eに示される撮像素子10は、配線層5の側から各光感知セルに光が入射する表面照射型の構造を有しているが、このような構造に限られず、配線層5の反対側から光を受ける裏面照射型の構造を有していてもよい。   The structure shown in FIGS. 8A to 8E can be manufactured by a known semiconductor manufacturing technique. 8A to 8E has a surface irradiation type structure in which light enters each photosensitive cell from the wiring layer 5 side, but is not limited to such a structure, and the wiring layer 5 You may have the structure of the back irradiation type which receives light from the other side.

分光要素1a、1b、1c、1dは、図8A〜8Eに示すように、断面は正方形で、光が透過する方向に長い直方体の形状を有しており、自身と透明層6との間の屈折率差によって分光する。ここでは、まず、可視光のみを受光する場合を想定する。この場合、図8B、8C、8Eに示されている赤外カットフィルタ8b、8dは、存在しないと考えてよい。   As shown in FIGS. 8A to 8E, the spectral elements 1a, 1b, 1c, and 1d have a rectangular cross section and a rectangular parallelepiped shape that is long in the light transmitting direction. Spectroscopy by refractive index difference. Here, first, it is assumed that only visible light is received. In this case, it may be considered that the infrared cut filters 8b and 8d shown in FIGS. 8B, 8C, and 8E do not exist.

分光要素1aは、対向する光感知セル2aに赤(R)光および青(B)光の合成光、すなわちマゼンタ(M)光を入射させる。また、水平方向(x方向)または垂直方向(y方向)に隣接する4つの光感知セルに、緑(G)光を1/4ずつ入射させる。すなわち、分光要素1aは、光感知セル2b、2c、および隣接単位ブロックに含まれる2つの光感知セルにG/4で表される光を入射させる。   The light separating element 1a makes red (R) light and blue (B) light combined light, that is, magenta (M) light, enter the opposing photosensitive cell 2a. In addition, green (G) light is incident on four photosensitive cells adjacent in the horizontal direction (x direction) or the vertical direction (y direction) by ¼. That is, the spectroscopic element 1a causes the light represented by G / 4 to enter the photosensitive cells 2b and 2c and the two photosensitive cells included in the adjacent unit block.

分光要素1bは、対向する光感知セル2bにB光およびG光の1/2からなる合成光(Cb光)を入射させる。また、水平方向および垂直方向に隣接する4つの光感知セルにR光およびG光の1/2からなる合成光(Yr光)を1/4ずつ入射させる。すなわち、分光要素1bは、光感知セル2a、2d、および隣接単位ブロックに含まれる2つの光感知セルにYr/2で表される光を入射させる。   The light-splitting element 1b makes synthetic light (Cb light) composed of 1/2 of the B light and the G light incident on the opposing photosensitive cell 2b. Further, the combined light (Yr light) made up of ½ of the R light and the G light is made incident on four photosensitive cells adjacent in the horizontal direction and the vertical direction by 1/4. That is, the spectroscopic element 1b causes the light represented by Yr / 2 to enter the photosensitive cells 2a and 2d and the two photosensitive cells included in the adjacent unit block.

分光要素1cは、対向する光感知セル2cにYr光を入射させ、水平方向および垂直方向に隣接する4つの光感知セルにCb光を1/4ずつ入射させる。すなわち、分光要素1cは、光感知セル2a、2d、および隣接単位ブロックに含まれる2つの光感知セル(不図示)にCb/4で表される光を入射させる。   The light-splitting element 1c causes Yr light to enter the opposing photosensitive cell 2c, and causes Cb light to enter each of four adjacent photosensitive cells in the horizontal direction and the vertical direction by ¼. That is, the spectroscopic element 1c causes light represented by Cb / 4 to enter the photosensitive cells 2a and 2d and the two photosensitive cells (not shown) included in the adjacent unit block.

分光要素1dは、対向する光感知セル2dにG光を入射させ、水平方向および垂直方向に隣接する4つの光感知セルにM光を1/4ずつ入射させる。すなわち、分光要素1は、光感知セル2b、2c、および隣接単位ブロックに含まれる2つの光感知セル(不図示)にM/4で表される光を入射させる。本実施形態では、分光要素1a、1b、1c、1dが以上の分光特性をもつように、それらの長さおよび厚さが設計されている。   The light-splitting element 1d causes the G light to be incident on the opposing photosensitive cell 2d, and allows the M light to be incident on four photosensitive cells adjacent in the horizontal direction and the vertical direction one by one. That is, the spectroscopic element 1 causes light represented by M / 4 to enter the photosensitive cells 2b and 2c and the two photosensitive cells (not shown) included in the adjacent unit block. In the present embodiment, the length and thickness of the spectral elements 1a, 1b, 1c, and 1d are designed so as to have the above spectral characteristics.

分光要素1a〜1dは、例えば窒化ケイ素(SiN)から形成され得る。低屈折率透明層6は、例えば二酸化ケイ素(SiO2)から形成され得る。但し、分光要素アレイ100の材料は、この例に限定されない。また、分光特性を補正するため、分光要素1a〜1dを構成する高屈折率透明部または低屈折率透明層6の一部に特定波長域の光を吸収する物質が添加されていてもよい。 The spectroscopic elements 1a to 1d can be made of, for example, silicon nitride (SiN). The low refractive index transparent layer 6 can be formed of, for example, silicon dioxide (SiO 2 ). However, the material of the spectral element array 100 is not limited to this example. In order to correct the spectral characteristics, a substance that absorbs light in a specific wavelength region may be added to a part of the high refractive index transparent portion or the low refractive index transparent layer 6 constituting the spectral elements 1a to 1d.

次に、図9を参照しながら、本実施形態で使用される分光要素アレイ100を製造する方法の一例を説明する。   Next, an example of a method for manufacturing the spectral element array 100 used in the present embodiment will be described with reference to FIG.

まず、図9(a)に示すように、光感知セルアレイ200の上に、低屈折率透明層6の一部を構成する第1低屈折率透明層6aを堆積する。このような第1低屈折率透明層6aの堆積は、公知の薄膜堆積技術を用いて行うことができる。例えばCVD(化学的気相成長法)またはスパッタ法が使用され得る。第1低屈折率透明層6aの上に、屈折率が低屈折率透明層6よりも高い材料からなる透明層18を堆積する。この透明層18の堆積も公知の薄膜堆積技術を用いて行うことができる。次に、リソグラフィ技術により、透明層18の上にエッチングマスクパターン17を形成する。リソグラフィ技術で使用するフォトマスクのパターンを設計することにより、任意の平面形状を有するエッチングマスクパターン17を形成することができる。   First, as shown in FIG. 9A, a first low refractive index transparent layer 6 a constituting a part of the low refractive index transparent layer 6 is deposited on the photosensitive cell array 200. The first low refractive index transparent layer 6a can be deposited using a known thin film deposition technique. For example, CVD (chemical vapor deposition) or sputtering can be used. A transparent layer 18 made of a material having a refractive index higher than that of the low refractive index transparent layer 6 is deposited on the first low refractive index transparent layer 6a. The transparent layer 18 can also be deposited using a known thin film deposition technique. Next, an etching mask pattern 17 is formed on the transparent layer 18 by lithography. By designing a photomask pattern used in the lithography technique, the etching mask pattern 17 having an arbitrary planar shape can be formed.

次に、図9(b)に示すように、エッチングマスクパターン17をマスクとして透明層18をエッチングすることにより、透明層18から不要部分を除去して高屈折率透明部(図示される例では「分光要素1a、1b」)を形成する。このエッチングは、異方性のドライエッチングによって実行され得る。エッチングに際して高屈折率透明部のテーパが形成されてもよい。   Next, as shown in FIG. 9B, by etching the transparent layer 18 using the etching mask pattern 17 as a mask, unnecessary portions are removed from the transparent layer 18 and a high refractive index transparent portion (in the example shown in the figure). “Spectral elements 1a, 1b”). This etching can be performed by anisotropic dry etching. A taper of the high refractive index transparent portion may be formed during etching.

更に、図9(c)に示すように、エッチングマスクパターン17を除去した後、低屈折率透明層6を構成する第2低屈折率透明層6bで高屈折率透明部の間の領域を埋め込み、低屈折率透明層6の形成を完了する。第2低屈折率透明層6bは、高屈折率透明部の上面を覆うように形成され得る。なお、図9では、分光要素1a、1bのみが描かれているが、分光要素1c、1dも上記の方法によって同時に形成される。   Further, as shown in FIG. 9C, after the etching mask pattern 17 is removed, the region between the high refractive index transparent portions is buried with the second low refractive index transparent layer 6b constituting the low refractive index transparent layer 6. Then, the formation of the low refractive index transparent layer 6 is completed. The second low refractive index transparent layer 6b can be formed so as to cover the upper surface of the high refractive index transparent portion. In FIG. 9, only the spectral elements 1a and 1b are depicted, but the spectral elements 1c and 1d are also formed simultaneously by the above method.

第1低屈折率透明層6aの厚さを調整することにより、高屈折率透明部の下端と光感知セルアレイ200との距離を制御することができる。分光特性が異なる分光要素1a〜1dの間では、高屈折率透明部の下端と光感知セルアレイ200との距離が異なり得る。このため、本実施形態における分光要素アレイ100を製造するときは、位置によって第1低屈折率透明層6aの厚さを変える工程を行ってもよい。このような工程は、透明層18を堆積する前に、第1低屈折率透明層6aの一部の領域を表面からエッチングするか、あるいは、第1低屈折率透明層6aの上に他の低屈折率透明層のパターンを形成すればよい。他の低屈折率透明層のパターンは、例えばリフトオフ法によって形成され得る。   By adjusting the thickness of the first low refractive index transparent layer 6a, the distance between the lower end of the high refractive index transparent portion and the photosensitive cell array 200 can be controlled. Between the spectral elements 1a to 1d having different spectral characteristics, the distance between the lower end of the high refractive index transparent portion and the photosensitive cell array 200 may be different. For this reason, when manufacturing the spectral element array 100 in this embodiment, the process of changing the thickness of the 1st low refractive index transparent layer 6a according to a position may be performed. Such a process is performed by etching a part of the first low-refractive-index transparent layer 6a from the surface before depositing the transparent layer 18, or by another layer on the first low-refractive-index transparent layer 6a. What is necessary is just to form the pattern of a low refractive index transparent layer. The pattern of another low refractive index transparent layer can be formed by, for example, a lift-off method.

図10は、第1低屈折率透明層6aの上に他の低屈折率透明層6a’のパターンが形成された構造の一部を示す斜視図である。他の低屈折率透明層6a’のパターンは、例えば光感知セル2a〜2dのうち、いずれに対向する部分であるかによって厚さを変えて形成され得る。   FIG. 10 is a perspective view showing a part of a structure in which a pattern of another low refractive index transparent layer 6a 'is formed on the first low refractive index transparent layer 6a. The pattern of the other low refractive index transparent layer 6a 'may be formed with a different thickness depending on which of the photosensitive cells 2a to 2d is opposed to the pattern.

さらに、分光特性が異なる分光要素1a〜1dの間では、高さ(z軸方向のサイズ)が異なる場合がある。分光要素1a〜1dの高さを位置によって変えるには、場所によって厚さが異なる透明層18を堆積すればよい。このような透明層18は、図10に示すような凹凸段差が表面に形成された第1低屈折率透明層6aの上に略一様な厚さを有する透明層18を堆積した後、透明層18の上面を平坦化することによって形成され得る。このような平坦化を行うと、分光要素アレイ100を構成する高屈折率透明部の上面は全て同じレベルになる。高屈折率透明部の上面のレベルを分光要素の種類に応じて変化させる場合、特定の領域に位置する高屈折率透明部の上面をマスクし、マスクされていない高屈折率透明部の上面を選択的にエッチングすればよい。   Further, the spectral elements 1a to 1d having different spectral characteristics may have different heights (sizes in the z-axis direction). In order to change the height of the light-splitting elements 1a to 1d depending on the position, the transparent layer 18 having a different thickness depending on the location may be deposited. Such a transparent layer 18 is formed by depositing a transparent layer 18 having a substantially uniform thickness on the first low-refractive-index transparent layer 6a having a concavo-convex step as shown in FIG. It can be formed by planarizing the top surface of layer 18. When such flattening is performed, the upper surfaces of the high refractive index transparent portions constituting the spectral element array 100 are all at the same level. When changing the level of the upper surface of the high refractive index transparent part according to the type of spectral element, the upper surface of the high refractive index transparent part located in a specific region is masked, and the upper surface of the unmasked high refractive index transparent part is masked. Selective etching may be performed.

なお、上記の分光要素アレイの製造方法は一例であり、このような方法に限定されない。   In addition, the manufacturing method of said spectral element array is an example, and is not limited to such a method.

続いて、画像信号生成部15による信号処理を説明する。上記の分光要素1a〜1dによる分光の結果、光感知セル2a〜2dは、それぞれ以下の式12〜15で表される光電変換信号S2a〜S2dを出力する。ここで、赤光、緑光、青光の強度に相当する信号をそれぞれRs、Gs、Bsと表す。また、マゼンタ光の強度に相当する信号をMs(=Rs+Bs)、Yr光の強度に相当する信号をYrs(=Rs+1/2Gs)、Cb光の強度に相当する信号をCbs(=Bs+1/2Gs)、セル入射光の強度に相当する信号をWs(=Rs+Gs+Bs=Ms+Gs=Yrs+Cbs)と表す。
(式12) S2a=Ms+(Yrs+Cbs)/2=(3/2)Rs+(1/2)Gs+(3/2)Bs
(式13) S2b=Cbs+(Ms+Gs)/2=(1/2)Rs+Gs+(3/2)Bs
(式14) S2c=Yrs+(Ms+Gs)/2=(3/2)Rs+Gs+(1/2)Bs
(式15) S2d=Gs+(Yrs+Cbs)/2=(1/2)Rs+(3/2)Gs+(1/2)Bs
Next, signal processing by the image signal generation unit 15 will be described. As a result of the spectroscopy by the spectral elements 1a to 1d, the photosensitive cells 2a to 2d output photoelectric conversion signals S2a to S2d represented by the following formulas 12 to 15, respectively. Here, signals corresponding to the intensities of red light, green light, and blue light are represented as Rs, Gs, and Bs, respectively. Further, a signal corresponding to the intensity of magenta light is Ms (= Rs + Bs), a signal corresponding to the intensity of Yr light is Yrs (= Rs + 1 / 2Gs), and a signal corresponding to the intensity of Cb light is Cbs (= Bs + 1 / 2Gs). A signal corresponding to the intensity of the cell incident light is expressed as Ws (= Rs + Gs + Bs = Ms + Gs = Yrs + Cbs).
(Formula 12) S2a = Ms + (Yrs + Cbs) / 2 = (3/2) Rs + (1/2) Gs + (3/2) Bs
(Formula 13) S2b = Cbs + (Ms + Gs) / 2 = (1/2) Rs + Gs + (3/2) Bs
(Formula 14) S2c = Yrs + (Ms + Gs) / 2 = (3/2) Rs + Gs + (1/2) Bs
(Formula 15) S2d = Gs + (Yrs + Cbs) / 2 = (1/2) Rs + (3/2) Gs + (1/2) Bs

式12〜15は、それぞれ式1〜4においてC1sをGsに、C2sをYrsに、C3sをCbsに、C4sをMsに置換したものに相当する。   Equations 12 to 15 correspond to those obtained by substituting C1s for Gs, C2s for Yrs, C3s for Cbs, and C4s for Ms in Equations 1-4, respectively.

次に、撮像素子10が特定の波長域の赤外光のみを受光する場合について説明する。これは、例えば夜間に、IR光源19を使用して被写体に赤外線を照射し、その反射光を検出することによって赤外光画像を取得する場合が該当する。   Next, a case where the image sensor 10 receives only infrared light in a specific wavelength range will be described. This corresponds to a case where, for example, at night, an infrared light image is acquired by irradiating a subject with infrared light using the IR light source 19 and detecting the reflected light.

本実施形態における分光要素1a〜1dは、当該特定波長域の赤外光について、一部は直下の光感知セルに入射させ、他の一部は隣接する光感知セルに入射させるように構成されている。より具体的には、分光要素1a〜1dは、赤外カットフィルタ8b、8dがもし無ければ、当該特定波長域の赤外光についての光感知セル2aの受光量Ir11、光感知セル2bの受光量Ir12、光感知セル2cの受光量Ir21、光感知セル2dの受光量Ir22がそれぞれ異なり、かつ、Ir11<Ir22、Ir21<Ir12の関係が成立するように設計されている。そこで、本実施形態では、当該赤外光について、光感知セル2a、2dの受光量が等しくなり、光感知セル2b、2cの受光量が等しくなるように、光感知セル2b、2dの上部に赤外カットフィルタ8b、8dをそれぞれ設けている。当該赤外光についての赤外カットフィルタ8b、8dの透過率をそれぞれkb、kdとすると、光感知セル2bの当該赤外光の受光量(以下、「赤外受光量」と呼ぶ。)は、kb×Ir12となり、光感知セル2dの赤外受光量は、kd×Ir22となる。したがって、光感知セル2aの赤外受光量Ir11と光感知セル2dの赤外受光量kd×Ir22とが等しく、光感知セル2cの赤外受光量Ir21と光感知セル2bの赤外受光量kb×Ir12とが等しくなる。   The spectral elements 1a to 1d in the present embodiment are configured such that part of the infrared light in the specific wavelength region is incident on the light-sensitive cell immediately below and the other part is incident on the adjacent light-sensitive cell. ing. More specifically, if the spectral elements 1a to 1d do not have the infrared cut filters 8b and 8d, the light reception amount Ir11 of the photosensitive cell 2a and the light reception of the photosensitive cell 2b for infrared light in the specific wavelength range. The amount Ir12, the amount of received light Ir21 of the photosensitive cell 2c, and the amount of received light Ir22 of the photosensitive cell 2d are different from each other, and the relationship of Ir11 <Ir22 and Ir21 <Ir12 is established. Therefore, in the present embodiment, with respect to the infrared light, the light receiving amounts of the light sensing cells 2a and 2d are equal, and the light receiving amounts of the light sensing cells 2b and 2c are equal. Infrared cut filters 8b and 8d are provided. When the transmittances of the infrared cut filters 8b and 8d for the infrared light are kb and kd, respectively, the amount of received light of the infrared light of the photosensitive cell 2b (hereinafter referred to as “infrared light reception amount”). Kb × Ir12, and the amount of infrared light received by the photosensitive cell 2d is kd × Ir22. Therefore, the infrared light reception amount Ir11 of the photosensitive cell 2a and the infrared light reception amount kd × Ir22 of the light detection cell 2d are equal, and the infrared light reception amount Ir21 of the light detection cell 2c and the infrared light reception amount kb of the light detection cell 2b. × Ir12 becomes equal.

以上の構成により、撮像素子10が当該特定波長域の赤外光のみを受光する場合、赤外受光量Ir11、Ir12、Ir21、Ir22に相当する光電変換信号をそれぞれIr11s、Ir12s、Ir21s、Ir22sと表すと、光感知セル2aからはIr11s、光感知セル2bからはkb×Ir12s、光感知セル2cからはIr21s、光感知セル2dからはkd×Ir22sで表される信号が得られる。但し、Ir11s=kd×Ir22s、Ir21s=kb×Ir12sである。すなわち、この場合、S2a=Ir11s、S2b=kb×Ir12s=Ir21s、S2c=Ir21s、S2d=kd×Ir22s=Ir11sとなる。   With the above configuration, when the imaging device 10 receives only infrared light in the specific wavelength range, photoelectric conversion signals corresponding to the infrared light reception amounts Ir11, Ir12, Ir21, and Ir22 are Ir11s, Ir12s, Ir21s, and Ir22s, respectively. In other words, a signal expressed by Ir11s from the photosensitive cell 2a, kb × Ir12s from the photosensitive cell 2b, Ir21s from the photosensitive cell 2c, and kd × Ir22s from the photosensitive cell 2d is obtained. However, Ir11s = kb × Ir22s and Ir21s = kb × Ir12s. That is, in this case, S2a = Ir11s, S2b = kb × Ir12s = Ir21s, S2c = Ir21s, S2d = kd × Ir22s = Ir11s.

ここで、分光要素1a〜1dおよび赤外カットフィルタ8b、8dを介して光感知セル2a〜2dに入射する当該特定波長域の赤外光の光量の比率は設計段階で求めることができる。すなわち、設計時に当該特定波長域の赤外光を撮像素子10に照射して4つの光感知セル2a〜2dの信号量を計測することにより、Ir11s、Kb×Ir12s、Ir21s、kd×Ir22sの比率を求めることができる。また、赤外カットフィルタ8b、8dの当該赤外光に対する透過率kb、kdも既知であるため、Ir11s、Ir12s、Ir21s、Ir22sの比率も求めることができる。このため、上述した演算|S2a+S2d−S2b−S2c|の算出値と、赤外カットフィルタ8b、8dが存在しないと仮定した場合の4画素信号の平均値(S2a+S2d+S2b+S2c)/4との比率も光学設計上算出できる。そこで、IR画像を生成するために、本実施形態では、予めそれらの比率kv(=(Ir11s+Ir12s+Ir21s+Ir22s)/4|Ir11s+kd×Ir22s−Ir21s−kb×Ir12s|)が算出され、メモリ30等に記録されている。Ir11s=kd×Ir22s、Ir21s=kb×Ir12sであるため、この比率kvは(Ir11s+Ir12s+Ir21s+Ir22s)/8|Ir11s−Ir21s|によっても算出できる。   Here, the ratio of the amount of infrared light in the specific wavelength range incident on the photosensitive cells 2a to 2d via the spectral elements 1a to 1d and the infrared cut filters 8b and 8d can be obtained at the design stage. That is, the ratio of Ir11s, Kb × Ir12s, Ir21s, kd × Ir22s is measured by irradiating the imaging element 10 with infrared light in the specific wavelength range at the time of design and measuring the signal amounts of the four photosensitive cells 2a to 2d. Can be requested. Further, since the transmittances kb and kd for the infrared light of the infrared cut filters 8b and 8d are also known, the ratio of Ir11s, Ir12s, Ir21s, and Ir22s can also be obtained. For this reason, the ratio between the calculated value of the above calculation | S2a + S2d−S2b−S2c | and the average value (S2a + S2d + S2b + S2c) / 4 of the four pixel signals when the infrared cut filters 8b and 8d are not present is also optically designed. The above can be calculated. Therefore, in this embodiment, in order to generate an IR image, the ratio kv (= (Ir11s + Ir12s + Ir21s + Ir22s) / 4 | Ir11s + kd × Ir22s−Ir21s−kb × Ir12s |) is calculated and recorded in the memory 30 or the like. Yes. Since Ir11s = kd × Ir22s and Ir21s = kb × Ir12s, this ratio kv can also be calculated by (Ir11s + Ir12s + Ir21s + Ir22s) / 8 | Ir11s−Ir21s |.

本実施形態では、特定波長域の赤外光に加えて可視光が撮像素子10に入射する場合においても、赤外光画像および可視光画像(カラー画像)の両方を生成することができる。この場合にカラー画像を生成するために、予めkw=(Ir11s+kb×Ir12s+Ir21s+kd×Ir22s)/|Ir11s+kd×Ir22s−Ir21s−kb×Ir12s|も設計段階で求められ、メモリ30等に記録される。   In the present embodiment, both an infrared light image and a visible light image (color image) can be generated even when visible light is incident on the image sensor 10 in addition to infrared light in a specific wavelength range. In order to generate a color image in this case, kw = (Ir11s + kb × Ir12s + Ir21s + kd × Ir22s) / | Ir11s + kd × Ir22s−Ir21s−kb × Ir12s | is also obtained in the design stage and recorded in the memory 30 or the like.

可視光と特定の赤外光を受光する場合、光感知セル2a〜2dの光電変換信号は、それぞれ以下の式16〜19で表される。
(式16) S2a=(3/2)Rs+(1/2)Gs+(3/2)Bs+Ir11s
(式17) S2b=(1/2)Rs+Gs+(3/2)Bs+kb×Ir12s
(式18) S2c=(3/2)Rs+Gs+(1/2)Bs+Ir21s
(式19) S2d=(1/2)Rs+(3/2)Gs+(1/2)Bs+kd×Ir22s
When receiving visible light and specific infrared light, photoelectric conversion signals of the photosensitive cells 2a to 2d are expressed by the following equations 16 to 19, respectively.
(Formula 16) S2a = (3/2) Rs + (1/2) Gs + (3/2) Bs + Ir11s
(Expression 17) S2b = (1/2) Rs + Gs + (3/2) Bs + kb × Ir12s
(Formula 18) S2c = (3/2) Rs + Gs + (1/2) Bs + Ir21s
(Formula 19) S2d = (1/2) Rs + (3/2) Gs + (1/2) Bs + kd × Ir22s

この場合、図4に示す画像信号生成部15は、式16〜19で示される光電変換信号を用いた演算によって色情報を生成することができる。   In this case, the image signal generation unit 15 illustrated in FIG. 4 can generate color information by calculation using the photoelectric conversion signals represented by Expressions 16 to 19.

以下、図11を参照しながら、画像信号生成部15による色情報生成処理を説明する。図11は、本実施形態における色情報生成処理の手順を示すフロー図である。   Hereinafter, color information generation processing by the image signal generation unit 15 will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a flowchart showing the procedure of color information generation processing in the present embodiment.

画像信号生成部15は、設計時に予め求められた上記比率kv、kwの値を保持している。画像信号生成部15は、まず、ステップS11において、光電変換信号S2a〜S2dを取得する。続いて、ステップS12において、画像信号生成部15は、以下の式20、21で表される演算を実行することによって信号(Rs−Gs+Bs)および信号(Rs−Bs)を生成する。
(式20) S2a−S2d=Rs−Gs+Bs
(式21) S2c−S2b=Rs−Bs
これらの演算により、信号S2a〜S2dに含まれていた赤外光成分が除去される。
The image signal generation unit 15 holds the values of the ratios kv and kw obtained in advance at the time of design. First, in step S11, the image signal generation unit 15 acquires photoelectric conversion signals S2a to S2d. Subsequently, in step S12, the image signal generation unit 15 generates a signal (Rs−Gs + Bs) and a signal (Rs−Bs) by executing calculations represented by the following Expressions 20 and 21.
(Formula 20) S2a-S2d = Rs-Gs + Bs
(Formula 21) S2c-S2b = Rs-Bs
By these calculations, the infrared light components included in the signals S2a to S2d are removed.

次に、ステップS13において、生成された2つの差分信号(Rs−Gs+Bs)および(Rs−Bs)の加減算により、色差信号(2Rs−Gs)および(2Bs−Gs)を生成する。すなわち、画像信号生成部15は、以下の式22、23で表される演算を実行する。
(式22) (S2a−S2d)+(S2c−S2b)=2Rs−Gs
(式23) (S2a−S2d)−(S2c−S2b)=2Bs−Gs
Next, in step S13, color difference signals (2Rs-Gs) and (2Bs-Gs) are generated by addition / subtraction of the two generated difference signals (Rs-Gs + Bs) and (Rs-Bs). That is, the image signal generation unit 15 performs calculations represented by the following formulas 22 and 23.
(Formula 22) (S2a-S2d) + (S2c-S2b) = 2Rs-Gs
(Formula 23) (S2a-S2d)-(S2c-S2b) = 2Bs-Gs

さらに、ステップS14において、画素信号S2a〜S2dを合算することによって以下の式24で表される信号を生成する。
(式24) S2a+S2b+S2c+S2d=4(Rs+Gs+Bs)+(Ir11s+kb×Ir12s+Ir21s+kd×Ir22s)=4Ws+4Irs
ここで、Irs=(Ir11s+kb×Ir12s+Ir21s+kd×Ir22s)/4=(Ir11s+Ir21s)/2である。
Further, in step S14, a signal represented by the following Expression 24 is generated by adding the pixel signals S2a to S2d.
(Formula 24) S2a + S2b + S2c + S2d = 4 (Rs + Gs + Bs) + (Ir11s + kb × Ir12s + Ir21s + kd × Ir22s) = 4Ws + 4Irs
Here, Irs = (Ir11s + kb × Ir12s + Ir21s + kd × Ir22s) / 4 = (Ir11s + Ir21s) / 2.

次に、ステップS15において、画像信号生成部15は、演算|S2a+S2d−S2b−S2c|の算出値に設計値kvをかけ、その結果を赤外光信号とする。すなわち、以下の式25の演算を実行する。
(式25) |S2a+S2d−S2b−S2c|×kv=|Ir11s+kd×Ir22s−kb×Ir12s−Ir21s|×kv
Next, in step S15, the image signal generation unit 15 multiplies the calculated value of the calculation | S2a + S2d−S2b−S2c | by the design value kv and sets the result as an infrared light signal. That is, the following equation 25 is calculated.
(Equation 25) | S2a + S2d−S2b−S2c | × kv = | Ir11s + kd × Ir22s−kb × Ir12s−Ir21s | × kv

この信号は、各光感知セルのセル入射光に含まれる特定波長域の赤外光の強度の平均値を表している。したがって、この信号は、当該赤外光の画像を示す信号として利用することができる。   This signal represents the average value of the intensity of infrared light in a specific wavelength range included in the cell incident light of each photosensitive cell. Therefore, this signal can be used as a signal indicating the image of the infrared light.

次に、ステップ16において、ステップS14で生成した信号(4Ws+4Irs)から信号4Irsを減算し、これを輝度信号とする。信号4Irsは、信号|S2a+S2d−S2b−S2c|に設計値kwをかけることによって得られる。したがって、画像信号生成部15は、信号(4Ws+4Irs)から信号|S2a+S2d−S2b−S2c|×kwを減算した結果を輝度信号とする。   Next, in step 16, the signal 4Irs is subtracted from the signal (4Ws + 4Irs) generated in step S14 to obtain a luminance signal. The signal 4Irs is obtained by multiplying the signal | S2a + S2d−S2b−S2c | by the design value kw. Therefore, the image signal generator 15 subtracts the signal | S2a + S2d−S2b−S2c | × kw from the signal (4Ws + 4Irs) as a luminance signal.

続いて、ステップ17において、画像信号生成部15は、ステップS13で生成した2つの色差信号とステップS16で生成した1つの輝度信号から行列演算によりRGBカラー信号を生成する。以上の処理により、カラー画像とIR画像とを得ることができる。   Subsequently, in step 17, the image signal generation unit 15 generates an RGB color signal by matrix calculation from the two color difference signals generated in step S13 and the one luminance signal generated in step S16. Through the above processing, a color image and an IR image can be obtained.

なお、色差信号(2Rs−Gs)、(2Bs−Gs)を用いたカラー化の具体的方法については、例えば特許文献4に開示されている。本実施形態においても、特許文献4に開示された方法を利用することができる。2つの色差信号と1つの輝度信号、すなわち3つの情報があれば、行列演算によりRGB信号を算出できる。   A specific method of colorization using the color difference signals (2Rs−Gs) and (2Bs−Gs) is disclosed in, for example, Patent Document 4. Also in this embodiment, the method disclosed in Patent Document 4 can be used. If there are two color difference signals and one luminance signal, that is, three pieces of information, an RGB signal can be calculated by matrix calculation.

画像信号生成部15は、以上の信号演算を光感知セルアレイ2の単位ブロック40ごとに実行することによってR、G、Bの各色成分の画像を示す信号(「カラー画像信号」と呼ぶ。)と、上記の赤外光成分の画像を示す信号(「IR画像信号」と呼ぶ。)を生成する。生成されたカラー画像信号およびIR画像信号は、画像信号出力部16によって不図示の記録媒体や表示部に出力され得る。   The image signal generation unit 15 performs the above signal calculation for each unit block 40 of the photosensitive cell array 2 to generate a signal (referred to as a “color image signal”) indicating an image of each of the R, G, and B color components. Then, a signal (referred to as “IR image signal”) indicating the image of the infrared light component is generated. The generated color image signal and IR image signal can be output to a recording medium (not shown) or a display unit by the image signal output unit 16.

このように、本実施形態の撮像装置によれば、光電変換信号S2a〜S2dを用いた加減算処理により、カラー画像信号とIR画像信号とが得られる。本実施形態における撮像素子10によれば、可視光については、光を吸収する光学素子を用いないため、色フィルタなどを用いる従来技術と比較して光の損失を大幅に低減することができる。   As described above, according to the imaging apparatus of the present embodiment, the color image signal and the IR image signal are obtained by the addition / subtraction process using the photoelectric conversion signals S2a to S2d. According to the imaging device 10 in the present embodiment, for visible light, an optical element that absorbs light is not used. Therefore, light loss can be significantly reduced as compared with the conventional technology using a color filter or the like.

以上のように、本実施形態の撮像素子10では、光感知セルアレイに対向して2行2列を基本構成とする分光要素アレイが配置される。1行1列目には光をマゼンタ光とマゼンタ光以外とに分ける分光要素1aが配置される。1行2列目には光をCb光とCb光以外とに分ける分光要素1bが配置され、その直下に特定の赤外光を所定量透過させる赤外カットフィルタ8bが配置される。2行1列目には光をYr光とYr光以外とに分ける分光要素1cが配置される。2行2列目には光を緑光と緑光以外とに分ける分光要素1dが配置され、その直下に特定の赤外光を所定量透過させる赤外カットフィルタ8dが配置される。このような分光要素の配列パターンが撮像面上に繰り返し形成されているため、光感知セルアレイ200における単位ブロック40の選び方を1行または1列ずつ変えても、得られる4つの光電変換信号は、可視光のみ入射する場合は常に式12〜15で表される4つの信号の組み合わせとなり、さらに特定の赤外光が入射した場合でも常に式16〜19で表される4つの信号の組み合わせとなる。すなわち、演算対象の画素ブロックを1行および1列ずつずらしながら上記の信号演算を行うことにより、RGB各色成分の情報と赤外光成分の情報をほぼ画素数分だけ得ることができる。このことは、撮像装置の解像度を画素数の程度まで高めることができることを意味している。したがって、本実施形態の撮像装置は、従来の撮像装置よりも可視光領域において高感度であることに加えて、高解像度のカラー画像を生成することができ、しかもIR画像の生成も可能であるという利点を有する。   As described above, in the image sensor 10 of the present embodiment, the spectral element array having the basic configuration of 2 rows and 2 columns is arranged facing the photosensitive cell array. In the first row and the first column, a spectral element 1a that divides light into magenta light and non-magenta light is arranged. A spectral element 1b that divides light into Cb light and other than Cb light is disposed in the first row and the second column, and an infrared cut filter 8b that transmits a specific amount of specific infrared light is disposed immediately below the spectral element 1b. In the second row and the first column, a spectral element 1c that divides light into Yr light and other than Yr light is arranged. A spectral element 1d that divides light into green light and non-green light is disposed in the second row and the second column, and an infrared cut filter 8d that transmits a specific amount of specific infrared light is disposed immediately below. Since such an array pattern of spectral elements is repeatedly formed on the imaging surface, even if the selection method of the unit block 40 in the photosensitive cell array 200 is changed one row or one column at a time, the four photoelectric conversion signals obtained are: When only visible light is incident, it is always a combination of four signals represented by equations 12 to 15, and even when specific infrared light is incident, it is always a combination of four signals represented by equations 16 to 19. . That is, by performing the above signal calculation while shifting the pixel block to be calculated one row and one column at a time, it is possible to obtain the information of each RGB color component and the information of the infrared light component as many as the number of pixels. This means that the resolution of the imaging device can be increased to the number of pixels. Therefore, in addition to the higher sensitivity in the visible light region than the conventional imaging device, the imaging device of the present embodiment can generate a high-resolution color image and can also generate an IR image. Has the advantage.

なお、画像信号生成部15は、必ずしも3つの色成分の画像信号を全て生成しなくてもよい。用途に応じて1色または2色の画像信号だけを生成するように構成されていてもよい。また、必要に応じて信号の増幅、合成、補正を行ってもよい。   Note that the image signal generation unit 15 does not necessarily generate all the image signals of the three color components. It may be configured to generate only one or two color image signals depending on the application. Further, signal amplification, synthesis, and correction may be performed as necessary.

また、各分光要素は上述した分光性能を厳密に有していることが理想であるが、それらの分光性能が多少ずれていてもよい。すなわち、各光感セルから実際に出力される光電変換信号が、式12〜15に示す光電変換信号から多少ずれていてもよい。各分光要素の分光性能が理想的な性能からずれている場合であっても、ずれの程度に応じて信号を補正することによって良好な色情報を得ることができる。   In addition, it is ideal that each spectral element has the above-described spectral performance strictly, but the spectral performance may be slightly shifted. That is, the photoelectric conversion signal actually output from each photosensitive cell may be slightly deviated from the photoelectric conversion signals shown in Expressions 12 to 15. Even when the spectral performance of each spectral element deviates from the ideal performance, good color information can be obtained by correcting the signal according to the degree of deviation.

さらに、本実施形態における画像信号生成部15が行う信号演算を、撮像装置自身ではなく他の機器に実行させることも可能である。例えば、撮像素子10から出力される光電変換信号の入力を受けた外部の機器に本実施形態における信号演算処理を規定するプログラムを実行させることによっても色情報を生成することができる。   Furthermore, the signal calculation performed by the image signal generation unit 15 in the present embodiment can be executed not by the imaging apparatus itself but by another device. For example, the color information can also be generated by causing an external device that has received an input of the photoelectric conversion signal output from the image sensor 10 to execute a program that defines the signal calculation processing in the present embodiment.

なお、撮像素子10の基本構造は図8A〜8Eに示す構成に限られるものではない。例えば、分光要素1aと分光要素1dとが入れ替わり、赤外カットフィルタ8dも当該配置に入れ替わった構成、あるいは分光要素1cと分光要素1bとが入れ替わり、赤外カットフィルタ8bも当該配置に入れ替わった構成で配置されていても本実施形態の効果に変わりはない。また、図8Aに示す1行目の配置と2行目の配置とが入れ替わっていてもよいし、基本光2行2列の対角の組み合わせが上記と同様であればどのような配置であってもその有効性に変わりはない。赤外カットフィルタ8b、8dの配置についても、本実施形態ではそれぞれ光感知セル2b、2dの上部としたが、重要なことは配置自体ではなく、赤外光を受光した場合、当該光による光感知セル2a、2dの光電変換信号が等しく、また当該光による光感知セル2b、2cの光電変換信号が等しければよい。   Note that the basic structure of the image sensor 10 is not limited to the configuration shown in FIGS. For example, a configuration in which the spectral element 1a and the spectral element 1d are interchanged and the infrared cut filter 8d is also replaced with the arrangement, or a configuration in which the spectral element 1c and the spectral element 1b are interchanged and the infrared cut filter 8b is also replaced with the arrangement. The effect of the present embodiment is not changed even if it is arranged. Further, the arrangement of the first row and the arrangement of the second row shown in FIG. 8A may be interchanged, and any arrangement is possible as long as the diagonal combination of the basic light 2 rows 2 columns is similar to the above. But its effectiveness remains the same. The arrangement of the infrared cut filters 8b and 8d is also arranged above the photosensitive cells 2b and 2d in the present embodiment. However, what is important is not the arrangement itself, but when infrared light is received, It is only necessary that the photoelectric conversion signals of the sensing cells 2a and 2d are equal and the photoelectric conversion signals of the light sensing cells 2b and 2c by the light are equal.

また、各分光要素は、分光する色成分の光を、1/4ずつ隣接の4画素に入射させるように構成されていなくてもよい。例えば、第1の分光要素1aは、入射光に含まれるG光の一部を第2の光感知セル2bに入射させ、G光の他の一部を第3の光感知セル2cに入射させるように構成されていてもよい。同様に、第2の分光要素1bは、入射光に含まれるYr光の一部を第1の光感知セル2aに入射させ、Yr光の他の一部を第4の光感知セル2dに入射させるように構成されていてもよい。また、第3の分光要素1cは、入射光に含まれるCb光の一部を第1の光感知セル2aに入射させ、Cb光の他の一部を第4の光感知セル2dに入射させるように構成されていてもよい。さらに、第4の分光要素1dは、入射光に含まれるM光の一部を第2の光感知セル2bに入射させ、M光の他の一部を第3の光感知セル2cに入射させるように構成されていてもよい。このように、各分光要素が、隣接単位ブロックの光感知セルに光を入射させない構成であっても、各画素の受ける光の分光分布に応じて、適切に演算方法を設計することにより、色情報および赤外光情報を得ることができる。   Further, each of the spectral elements does not have to be configured so that the light of the color component to be split is incident on the adjacent four pixels by ¼. For example, the first spectral element 1a causes part of the G light included in the incident light to enter the second photosensitive cell 2b and the other part of the G light to enter the third photosensitive cell 2c. It may be configured as follows. Similarly, the second spectral element 1b causes a part of the Yr light included in the incident light to be incident on the first photosensitive cell 2a and the other part of the Yr light is incident on the fourth photosensitive cell 2d. You may be comprised so that it may make. In addition, the third spectral element 1c causes part of the Cb light included in the incident light to enter the first photosensitive cell 2a, and causes the other part of the Cb light to enter the fourth photosensitive cell 2d. It may be configured as follows. Further, the fourth light separating element 1d causes part of the M light included in the incident light to enter the second photosensitive cell 2b and allows the other part of the M light to enter the third photosensitive cell 2c. It may be configured as follows. In this way, even if each spectral element is configured so that light does not enter the photosensitive cell of the adjacent unit block, by appropriately designing the calculation method according to the spectral distribution of the light received by each pixel, Information and infrared light information can be obtained.

以上の説明では、分光要素として、2つの部材の屈折率差を利用して分光する光学素子を用いているが、分光要素は、各光感知セルに所望の色成分の光を入射できればどのようなものであってもよい。例えば、分光要素としてマイクロプリズムやダイクロイックミラーを用いてもよい。また、異なる種類の分光要素を組み合わせて用いることも可能である。   In the above description, an optical element that performs spectroscopy using the difference in refractive index between two members is used as the spectroscopic element. However, the spectroscopic element is not limited as long as light of a desired color component can be incident on each photosensitive cell. It may be anything. For example, a microprism or a dichroic mirror may be used as the spectral element. It is also possible to use different types of spectral elements in combination.

(実施形態2)
次に、図12A〜12Eを参照しながら、第2の実施形態を説明する。本実施形態の撮像装置は、実施形態1の撮像装置と比較して、光学フィルタ11および撮像素子10の構造のみが異なっており、その他の構成要素は同一である。以下、実施形態1の撮像装置との相違点を中心に説明し、重複する点は説明を省略する。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. The imaging device of this embodiment is different from the imaging device of Embodiment 1 only in the structure of the optical filter 11 and the imaging device 10, and the other components are the same. The following description will be focused on the differences from the imaging apparatus of the first embodiment, and the description of overlapping points will be omitted.

本実施形態における光学フィルタ11は、可視光は透過させるが、赤外光は一部の波長域(波長810nm付近を中心とする狭帯域)を除いて透過させないように設計されている。この点を除いて、光学フィルタ11は実施形態1のものと同じ特性を有する。このため、本実施形態において扱う赤外光は810nm付近の狭帯域の赤外光である。また、本実施形態における撮像素子10は、回折を利用する分光要素ではなく、光を2つの色成分に分離するダイクロイックミラーを備えている。さらに赤外カットフィルタ8b、8dは配置されていない。以下、本実施形態における撮像素子10の基本構造を説明する。   The optical filter 11 in the present embodiment is designed to transmit visible light but not to transmit infrared light except for a part of a wavelength range (a narrow band centered around a wavelength of 810 nm). Except for this point, the optical filter 11 has the same characteristics as those of the first embodiment. For this reason, the infrared light handled in the present embodiment is narrow-band infrared light near 810 nm. In addition, the image sensor 10 according to the present embodiment includes a dichroic mirror that separates light into two color components, not a spectral element using diffraction. Further, the infrared cut filters 8b and 8d are not arranged. Hereinafter, the basic structure of the image sensor 10 in the present embodiment will be described.

図12A〜12Eは、本実施形態における撮像素子10の基本構造を示す図である。図示される撮像素子10は、裏面照射型の撮像素子である。なお、撮像素子10のタイプが裏面照射型であるか表面照射型であるかは重要ではなく、撮像素子10は実施形態1と同様に表面照射型であってもよい。図12Aは、撮像素子10の受光面側の基本構成を示す平面図である。本実施形態における撮像素子10の光感知セルの配列は実施形態1における配列と同様であり、1つの単位ブロックは、4つの光感知セル2a〜2dを有している。光感知セル2a、2b、2c、2dに対向してダイクロイックミラー3a、3b、3c、3dが、撮像面に対して傾斜して配置されている。ダイクロイックミラー3a〜3dの形状は四角錘である。ここで、各ダイクロイックミラーの傾斜角度は、その反射光が撮像素子10の外部の空気層との間の界面で全反射し、水平方向および垂直方向に隣接する4つの画素に入射するように設定されている。   12A to 12E are diagrams illustrating a basic structure of the image sensor 10 in the present embodiment. The illustrated image sensor 10 is a back-illuminated image sensor. It is not important whether the type of the image sensor 10 is a backside illumination type or a front side illumination type, and the image sensor 10 may be a front side illumination type as in the first embodiment. FIG. 12A is a plan view showing the basic configuration of the image sensor 10 on the light receiving surface side. The arrangement of the photosensitive cells of the image sensor 10 in the present embodiment is the same as that in the first embodiment, and one unit block includes four photosensitive cells 2a to 2d. Dichroic mirrors 3a, 3b, 3c, and 3d are arranged to be inclined with respect to the imaging surface so as to face the photosensitive cells 2a, 2b, 2c, and 2d. The shape of the dichroic mirrors 3a to 3d is a square pyramid. Here, the inclination angle of each dichroic mirror is set so that the reflected light is totally reflected at the interface with the air layer outside the image sensor 10 and enters four pixels adjacent in the horizontal and vertical directions. Has been.

図12B〜12Eは、図12AにおけるE−E´線断面、F−F´線断面、G−G´線断面、およびH−H´線断面をそれぞれ示す図である。図示されるように、撮像素子10は、シリコンなどの材料からなる半導体基板7と、半導体基板7内に配置された光感知セル2a〜2dと、半導体基板7の裏面側(光が入射する側)に形成された透明層6と、透明層6の内部に配置されたダイクロイックミラー3a、3b、3c、3dとを備えている。半導体基板7の表面側(光が入射する側の反対側)には配線層5が形成されている。また、表面側には半導体基板7や配線層5などを支持する固定基盤9が配置されている。固定基板9は透明層6を介して半導体基板7と接合されている。   12B to 12E are diagrams respectively showing a cross section taken along the line EE ′, a cross section taken along the line FF ′, a cross section taken along the line GG ′, and a cross section taken along the line HH ′ in FIG. 12A. As shown in the figure, the imaging device 10 includes a semiconductor substrate 7 made of a material such as silicon, photo-sensitive cells 2a to 2d disposed in the semiconductor substrate 7, and a back surface side of the semiconductor substrate 7 (a light incident side). ) And the dichroic mirrors 3 a, 3 b, 3 c, and 3 d disposed inside the transparent layer 6. A wiring layer 5 is formed on the surface side of the semiconductor substrate 7 (the side opposite to the light incident side). A fixed base 9 that supports the semiconductor substrate 7, the wiring layer 5, and the like is disposed on the surface side. The fixed substrate 9 is bonded to the semiconductor substrate 7 through the transparent layer 6.

図12B、12Dに示されるように、ダイクロイックミラー3aは、M光を透過させ、G光を反射する特性を有している。その結果、ダイクロイックミラー3aを透過したM光は、光感知セル2aに入射し、ダイクロイックミラー3aで反射されたG光は、透明層6と空気との界面で全反射して水平方向および垂直方向に隣接する4つの光感知セルに1/4ずつ入射する。   As shown in FIGS. 12B and 12D, the dichroic mirror 3a has characteristics of transmitting M light and reflecting G light. As a result, the M light transmitted through the dichroic mirror 3a is incident on the photosensitive cell 2a, and the G light reflected by the dichroic mirror 3a is totally reflected at the interface between the transparent layer 6 and the air to be horizontal and vertical. Is incident on four photosensitive cells adjacent to each other.

また、図12B、12Eに示されるように、ダイクロイックミラー3bは、Cb光を透過させ、Yr光を反射する特性を有している。その結果、ダイクロイックミラー3bを透過したCb光は、光感知セル2bに入射し、ダイクロイックミラー3bで反射されたYr光は、透明層6と空気との界面で全反射して水平方向および垂直方向に隣接する4つの光感知セルに1/4ずつ入射する。   12B and 12E, the dichroic mirror 3b has characteristics of transmitting Cb light and reflecting Yr light. As a result, the Cb light transmitted through the dichroic mirror 3b is incident on the photosensitive cell 2b, and the Yr light reflected by the dichroic mirror 3b is totally reflected at the interface between the transparent layer 6 and the air to be horizontal and vertical. Is incident on four photosensitive cells adjacent to each other.

また、図12C、12Dに示されるように、ダイクロイックミラー3cは、Yr光を透過させ、Cb光を反射する特性を有している。その結果、ダイクロイックミラー3cを透過したYr光は、光感知セル2cに入射し、ダイクロイックミラー3cで反射されたCb光は、透明層6と空気との界面で全反射して水平および垂直方向に隣接する4つの光感知セルに1/4ずつ入射する。   As shown in FIGS. 12C and 12D, the dichroic mirror 3c has a characteristic of transmitting Yr light and reflecting Cb light. As a result, the Yr light transmitted through the dichroic mirror 3c is incident on the photosensitive cell 2c, and the Cb light reflected by the dichroic mirror 3c is totally reflected at the interface between the transparent layer 6 and the air and is horizontally and vertically oriented. The incident light is incident on four adjacent photosensitive cells.

また、図12C、12Eに示されるように、ダイクロイックミラー3dは、G光を透過させ、M光を反射する特性を有している。その結果、ダイクロイックミラー3dを透過したG光は、光感知セル2dに入射し、ダイクロイックミラー3dで反射されたM光は、透明層6と空気との界面で全反射し、水平および垂直方向に隣接する4つの光感知セルに1/4ずつ入射する。   12C and 12E, the dichroic mirror 3d has characteristics of transmitting G light and reflecting M light. As a result, the G light transmitted through the dichroic mirror 3d is incident on the photosensitive cell 2d, and the M light reflected by the dichroic mirror 3d is totally reflected at the interface between the transparent layer 6 and the air, in the horizontal and vertical directions. The incident light is incident on four adjacent photosensitive cells.

ここで、ダイクロイックミラー3a〜3dの分光特性を図13A、13Bに示す。図13Aは、ダイクロイックミラー3a、3dの透過率特性を示す図であり、光感知セル2a、2dに入射する光の分光分布を表している。一方、図13Bは、ダイクロイックミラー3b、3cの透過率特性を示す図であり、光感知セル2b、2cに入射する光の分光分布を示している。本実施形態では、可視光については各光感知セルに入射する光の分光分布は実施形態1におけるものとほぼ同じであるが、赤外光については、実施形態1におけるものと異なっている。本実施形態では、波長810nm付近の赤外光について、光感知セル2a、2dの受光量がほぼ等しく、光感知セル2b、2cの受光量がほぼ等しくなるようにダイクロイックミラー3a〜3dが設計されている。その結果、当該赤外光を受光した場合、光感知セル2a〜2dの光電変換信号について、S2a=S2d、S2b=S2cの関係が成り立つ。実施形態1では、この関係を赤外カットフィルタ8b、8dを用いることによって実現したが、本実施形態では、ダイクロイックミラー3a、3b、3c、3dの分光特性によりこれらの関係を実現している。   Here, the spectral characteristics of the dichroic mirrors 3a to 3d are shown in FIGS. 13A and 13B. FIG. 13A is a diagram showing the transmittance characteristics of the dichroic mirrors 3a and 3d, and shows the spectral distribution of light incident on the photosensitive cells 2a and 2d. On the other hand, FIG. 13B is a diagram showing the transmittance characteristics of the dichroic mirrors 3b and 3c, and shows the spectral distribution of light incident on the photosensitive cells 2b and 2c. In the present embodiment, for visible light, the spectral distribution of light incident on each photosensitive cell is substantially the same as that in the first embodiment, but for infrared light, it is different from that in the first embodiment. In the present embodiment, the dichroic mirrors 3a to 3d are designed so that the received light amounts of the photosensitive cells 2a and 2d are substantially equal and the received light amounts of the photosensitive cells 2b and 2c are substantially equal for infrared light having a wavelength of about 810 nm. ing. As a result, when the infrared light is received, the relationships S2a = S2d and S2b = S2c are established for the photoelectric conversion signals of the photosensitive cells 2a to 2d. In the first embodiment, this relationship is realized by using the infrared cut filters 8b and 8d, but in the present embodiment, these relationships are realized by the spectral characteristics of the dichroic mirrors 3a, 3b, 3c, and 3d.

このようなダイクロイックミラー3a〜3dを用いることにより、各光感知セル2a〜2dは、可視光のみを受光する場合、実施形態1における構成を採用した場合と全く同様の色成分の光を受ける。すなわち、光感知セル2aは、ダイクロイックミラー3aを透過したM光と、水平および垂直方向に隣接する4つのダイクロイックミラーで反射されて入射する光(Yr+Cb)/2とを受ける。光感知セル2bは、ダイクロイックミラー3bを透過したCb光と、水平垂直方向に隣接する4つのダイクロイックミラーで反射された光(M+G)/2とを受ける。光感知セル2cは、ダイクロイックミラー3cを透過したYr光と、水平および垂直方向に隣接するダイクロイックミラーで反射された光(M+G)/2を受ける。光感知セル2dは、ダイクロイックミラー3dを透過したG光と、水平および垂直方向に隣接する4つのダイクロイックミラーで反射されて入射する光(Yr+Cb)/2を受ける。その結果、光感知セル2a〜2dからそれぞれ出力される光電変換信号S2a〜S2dは、実施形態1における構成を採用した場合と同様、それぞれ式12〜15で表すことができる。また、可視光に加えてさらに波長810nm付近の赤外光を受光する場合も、実施形態1と同様、S2a〜S2dはそれぞれ式16〜19で表される。したがって、実施形態1における処理と全く同様の処理によって色情報および赤外光情報を得ることができる。   By using such dichroic mirrors 3a to 3d, each of the photosensitive cells 2a to 2d receives light of the same color component as when the configuration in the first embodiment is adopted when receiving only visible light. That is, the photosensitive cell 2a receives the M light transmitted through the dichroic mirror 3a and the light (Yr + Cb) / 2 that is reflected by the four dichroic mirrors adjacent in the horizontal and vertical directions. The photosensitive cell 2b receives Cb light transmitted through the dichroic mirror 3b and light (M + G) / 2 reflected by four dichroic mirrors adjacent in the horizontal and vertical directions. The photosensitive cell 2c receives Yr light transmitted through the dichroic mirror 3c and light (M + G) / 2 reflected by the dichroic mirror adjacent in the horizontal and vertical directions. The photosensitive cell 2d receives the G light transmitted through the dichroic mirror 3d and the light (Yr + Cb) / 2 that is reflected by the four dichroic mirrors adjacent in the horizontal and vertical directions. As a result, the photoelectric conversion signals S2a to S2d respectively output from the photosensitive cells 2a to 2d can be expressed by equations 12 to 15 as in the case of adopting the configuration in the first embodiment. Further, in the case of receiving infrared light in the vicinity of a wavelength of 810 nm in addition to visible light, S2a to S2d are expressed by equations 16 to 19 as in the first embodiment. Therefore, color information and infrared light information can be obtained by the same processing as in the first embodiment.

このように、本実施形態の撮像装置によれば、実施形態1の撮像装置と同様、光電変換信号S2a〜S2dを用いた信号演算処理により、カラー画像信号およびIR画像信号が得られる。本実施形態における撮像素子10によっても、可視光を吸収する光学素子を用いないため、色フィルタなどを用いる従来技術と比較して光の損失を大幅に低減することができる。また、4つの光電変換信号を用いた演算によって3つの色信号が得られるため、画素数に対して得られる色情報の量が従来の撮像素子による場合よりも多いという効果を有する。   Thus, according to the imaging apparatus of the present embodiment, a color image signal and an IR image signal are obtained by signal calculation processing using the photoelectric conversion signals S2a to S2d, as in the imaging apparatus of the first embodiment. The imaging element 10 according to the present embodiment also does not use an optical element that absorbs visible light, so that it is possible to significantly reduce light loss as compared with the conventional technique using a color filter or the like. In addition, since three color signals are obtained by calculation using four photoelectric conversion signals, there is an effect that the amount of color information obtained with respect to the number of pixels is larger than in the case of a conventional image sensor.

以上のように、本実施形態の撮像素子10では、1行1列目には光をマゼンタ光とマゼンタ光以外とに分けるダイクロイックミラー3aが配置される。1行2列目には光をCb光とCb光以外とに分けるダイクロイックミラー3bが配置される。2行1列目には光をYr光とYr光以外とに分けるダイクロイックミラー3cが配置される。2行2列目には光を緑光と緑光以外とに分けるダイクロイックミラー3dが配置される。このような分光要素の配列パターンが撮像面上に繰り返し形成されているため、光感知セルアレイ200における単位ブロックの選び方を1行または1列ずつ変えても、得られる4つの光電変換信号は、常に式12〜15、さらに式16〜19で表される4つの信号の組み合わせとなる。すなわち、演算対象の画素ブロックを1行および1列ずつずらしながら上記の信号演算を行うことによって、RGB各色成分の情報をほぼ画素数分だけ得ることができ、また赤外光成分の情報も同様に得ることができる。したがって、本実施形態の撮像装置は、従来の撮像装置よりも高感度であることに加えて、高解像度のカラー画像およびIR画像を生成することが可能である。   As described above, in the imaging device 10 of the present embodiment, the dichroic mirror 3a that divides light into magenta light and non-magenta light is arranged in the first row and the first column. A dichroic mirror 3b that divides light into Cb light and other than Cb light is arranged in the first row and the second column. A dichroic mirror 3c that divides light into Yr light and other than Yr light is arranged in the second row and the first column. A dichroic mirror 3d that divides light into green light and non-green light is arranged in the second row and the second column. Since such an array pattern of spectral elements is repeatedly formed on the imaging surface, the four photoelectric conversion signals obtained are always obtained even if the method of selecting unit blocks in the photosensitive cell array 200 is changed one row or one column at a time. This is a combination of four signals represented by Expressions 12 to 15 and Expressions 16 to 19. That is, by performing the above signal calculation while shifting the pixel block to be calculated one row and one column at a time, it is possible to obtain RGB color component information for almost the same number of pixels, and the infrared light component information is also the same. Can get to. Therefore, in addition to higher sensitivity than the conventional imaging device, the imaging device of the present embodiment can generate a high-resolution color image and IR image.

なお、撮像素子10の基本構造は図12A〜12Eに示す構成に限られるものではない。例えば、ダイクロイックミラー3aとダイクロイックミラー3dとが入れ替わり、ダイクロイックミラー3cとダイクロイックミラー3bとが入れ替わった構成で配置されていても本実施形態の効果に変わりはない。また、図12Aに示す1行目の配置と2行目の配置とが入れ替わっていてもその有効性に変わりはない。   Note that the basic structure of the image sensor 10 is not limited to the configuration shown in FIGS. For example, even if the dichroic mirror 3a and the dichroic mirror 3d are interchanged and the dichroic mirror 3c and the dichroic mirror 3b are interchanged, the effect of this embodiment is not changed. Further, even if the arrangement of the first row and the arrangement of the second row shown in FIG. 12A are interchanged, the effectiveness is not changed.

本実施形態では、分光要素として、ダイクロイックミラーを用いているが、分光要素は、原色光とその補色の光とに分離するものであればどのようなものでもよい。例えば、分光要素として、マイクロプリズムや、実施形態1で用いられる回折を利用する光学素子を用いてもよい。また、異なる種類の分光要素を組み合わせて用いることも可能である。   In this embodiment, a dichroic mirror is used as the spectral element, but the spectral element may be any element as long as it separates into primary color light and its complementary color light. For example, as the spectroscopic element, a microprism or an optical element using diffraction used in the first embodiment may be used. It is also possible to use different types of spectral elements in combination.

また、各分光要素について、分岐した光の全てを隣接する光感知セルに入射させる必要はなく、分岐した光の一部を隣接する光感知セルに入射させてもよい。その場合、分岐した光のうち、隣接する光感知セルに入射させる光の割合に基づいて信号処理を補正するように画像信号生成部15が構成され得る。   Moreover, it is not necessary for all of the branched light to enter the adjacent photosensitive cell for each spectral element, and a part of the branched light may be incident on the adjacent photosensitive cell. In that case, the image signal generation unit 15 may be configured to correct the signal processing based on the proportion of the branched light that enters the adjacent photosensitive cell.

また、上記の実施形態1、2では、700〜800nmの中間の波長で強度のピークをもつ赤外光や、810nm付近に強度のピークをもつ赤外光を利用したが、これらの波長域に限定されるものではなく、それ以外の波長帯域のものを利用してもよい。   In the first and second embodiments, infrared light having an intensity peak at an intermediate wavelength of 700 to 800 nm and infrared light having an intensity peak near 810 nm are used. There is no limitation, and a wavelength band other than that may be used.

本開示の固体撮像素子および撮像装置は、固体撮像素子を用いるすべてのカメラに有効である。例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの民生用カメラや、産業用の固体監視カメラなどに利用可能である。   The solid-state imaging device and the imaging apparatus of the present disclosure are effective for all cameras using the solid-state imaging device. For example, it can be used for consumer cameras such as digital still cameras and digital video cameras, and industrial solid-state surveillance cameras.

1a、1b、1c、1d 分光要素
2,2a,2b,2c,2d 撮像素子の光感知セル
3a、3b、3c、3d 分光要素(ダイクロイックミラー)
4 マイクロレンズ
5 撮像素子の配線層
6 透明層
8b、8d 赤外カットフィルタ
7 シリコン基板
9 固定基板
10 撮像素子
11 光学フィルタ
12 光学レンズ
13 信号発生/受信部
14 素子駆動部
15 画像信号生成部
16 画像信号出力部
19 IR光源
30 メモリ
40 光感知セルの単位ブロック
100 分光要素アレイ
200 光感知セルアレイ
300 撮像部
400 信号処理部
1a, 1b, 1c, 1d Spectral element 2, 2a, 2b, 2c, 2d Photosensitive cell 3a, 3b, 3c, 3d Spectral element (dichroic mirror)
4 Microlens 5 Wiring Layer of Image Sensor 6 Transparent Layer 8b, 8d Infrared Cut Filter 7 Silicon Substrate 9 Fixed Substrate 10 Image Sensor 11 Optical Filter 12 Optical Lens 13 Signal Generating / Receiving Unit 14 Element Driving Unit 15 Image Signal Generating Unit 16 Image signal output unit 19 IR light source 30 Memory 40 Photosensitive cell unit block 100 Spectral element array 200 Photosensitive cell array 300 Imaging unit 400 Signal processing unit

Claims (15)

各々が、1行1列目に配置された第1の光感知セル、1行2列目に配置された第2の光感知セル、2行1列目に配置された第3の光感知セル、および2行2列目に配置された第4の光感知セルを含む複数の単位ブロックが2次元状に配列された光感知セルアレイと、
前記光感知セルアレイに対向して配置され、複数の分光要素を含む分光要素アレイであって、前記第1から第4の光感知セルに異なる分光分布の光を入射させ、前記第1および第4の光感知セルに入射する可視光の合計の分光分布が、前記第2および第3の光感知セルに入射する可視光の合計の分光分布に実質的に等しくなるように構成されている分光要素アレイと、
を備える固体撮像素子。
Each of the first photosensitive cells arranged in the first row and the first column, the second photosensitive cells arranged in the first row and the second column, and the third photosensitive cells arranged in the second row and the first column. And a photosensitive cell array in which a plurality of unit blocks including a fourth photosensitive cell arranged in the second row and the second column are two-dimensionally arranged,
A spectral element array disposed opposite to the photosensitive cell array and including a plurality of spectral elements, wherein light having different spectral distributions is incident on the first to fourth photosensitive cells, and the first and fourth A spectral element configured such that a total spectral distribution of visible light incident on the photosensitive cell is substantially equal to a total spectral distribution of visible light incident on the second and third photosensitive cells. An array,
A solid-state imaging device.
前記分光要素アレイが存在しないと仮定した場合に各光感知セルが受ける光を各光感知セルのセル入射光とし、
可視光に含まれる色成分の一部を第1の色成分とし、前記可視光に含まれる色成分の他の一部を第2の色成分とし、前記第2の色成分の補色成分を第3の色成分とし、前記第1の色成分の補色成分を第4の色成分とするとき、
前記分光要素アレイは、
前記第1の光感知セルのセル入射光から前記第1の色成分の光を減少させ、前記第2の色成分の光および前記第3の色成分の光を増加させた光を前記第1の光感知セルに入射させ、
前記第2の光感知セルのセル入射光から前記第2の色成分の光を減少させ、前記第1の色成分の光および前記第4の色成分の光を増加させた光を前記第2の光感知セルに入射させ、
前記第3の光感知セルのセル入射光から前記第3の色成分の光を減少させ、前記第1の色成分の光および前記第4の色成分の光を増加させた光を前記第3の光感知セルに入射させ、
前記第4の光感知セルのセル入射光から前記第4の色成分の光を減少させ、前記第2の色成分の光および前記第3の色成分の光を増加させた光を前記第4の光感知セルに入射させるように構成されている、
請求項1に記載の固体撮像素子。
When it is assumed that the spectral element array does not exist, the light received by each photosensitive cell is the cell incident light of each photosensitive cell,
A part of the color component included in the visible light is a first color component, the other part of the color component included in the visible light is a second color component, and a complementary color component of the second color component is the first color component. 3 and when the fourth color component is a complementary color component of the first color component,
The spectral element array is:
The first color component light is decreased from the cell incident light of the first photosensitive cell, and the second color component light and the third color component light are increased. Incident on the light sensitive cell,
The second color component light is decreased from the cell incident light of the second photosensitive cell, and the first color component light and the fourth color component light are increased. Incident on the light sensitive cell,
The third color component light is decreased from the cell incident light of the third photosensitive cell, and the light of the first color component light and the fourth color component light is increased. Incident on the light sensitive cell,
The fourth color component light is decreased from the cell incident light of the fourth photosensitive cell, and the second color component light and the third color component light are increased. Configured to be incident on the photosensitive cell of the
The solid-state imaging device according to claim 1.
前記分光要素アレイは、前記第1から第4の光感知セルに特定の波長域の赤外光を入射させ、前記第1および第4の光感知セルに入射する前記特定の波長域の赤外光の強度が実質的に等しく、前記第2および第3の光感知セルに入射する前記特定の波長域の赤外光の強度が実質的に等しく、前記第1および第4の光感知セルに入射する前記特定の波長域の赤外光の強度と、前記第2および第3の光感知セルに入射する前記特定の波長域の赤外光の強度とが異なるように構成されている、請求項1または2に記載の固体撮像素子。   The spectral element array allows infrared light of a specific wavelength range to be incident on the first to fourth photosensitive cells, and infrared light of the specific wavelength range is incident on the first and fourth photosensitive cells. Intensities of light are substantially equal, and intensities of infrared light in the specific wavelength range incident on the second and third photosensitive cells are substantially equal, and the first and fourth photosensitive cells The infrared light intensity of the specific wavelength range that is incident is different from the intensity of infrared light of the specific wavelength range that is incident on the second and third photosensitive cells. Item 3. The solid-state imaging device according to Item 1 or 2. 前記分光要素アレイは、各単位ブロックにおいて、前記第1の光感知セルに対向して配置された第1の分光要素、前記第2の光感知セルに対向して配置された第2の分光要素、前記第3の光感知セルに対向して配置された第3の分光要素、および前記第4の光感知セルに対向して配置された第4の分光要素を含み、
前記第1の分光要素は、入射光に含まれる前記第1の色成分の光の一部を前記第2の光感知セルに入射させ、前記入射光に含まれる前記第1の色成分の光の他の一部を前記第3の光感知セルに入射させ、前記入射光に含まれる前記第4の色成分の光を前記第1の光感知セルに入射させ、
前記第2の分光要素は、入射光に含まれる前記第2の色成分の光の一部を前記第1の光感知セルに入射させ、前記入射光に含まれる前記第2の色成分の光の他の一部を前記第4の光感知セルに入射させ、前記入射光に含まれる前記第3の色成分の光を前記第2の光感知セルに入射させ、
前記第3の分光要素は、入射光に含まれる前記第3の色成分の光の一部を前記第1の光感知セルに入射させ、前記入射光に含まれる前記第3の色成分の光の他の一部を前記第4の光感知セルに入射させ、前記入射光に含まれる前記第2の色成分の光を前記第3の光感知セルに入射させ、
前記第4の分光要素は、入射光に含まれる前記第4の色成分の光の一部を前記第2の光感知セルに入射させ、前記入射光に含まれる前記第4の色成分の光の他の一部を前記第3の光感知セルに入射させ、前記入射光に含まれる前記第1の色成分の光を前記第4の光感知セルに入射させる、
請求項1から3のいずれかに記載の固体撮像素子。
The spectral element array includes, in each unit block, a first spectral element disposed to face the first photosensitive cell and a second spectral element disposed to face the second photosensitive cell. A third spectral element disposed opposite to the third photosensitive cell, and a fourth spectral element disposed opposite to the fourth photosensitive cell,
The first spectral element causes a part of the light of the first color component included in incident light to enter the second photosensitive cell, and the light of the first color component included in the incident light. Other part of the light is incident on the third photosensitive cell, the light of the fourth color component included in the incident light is incident on the first photosensitive cell,
The second spectral element causes a part of the light of the second color component included in the incident light to enter the first photosensitive cell, and the light of the second color component included in the incident light. The other part of the light is incident on the fourth photosensitive cell, the light of the third color component included in the incident light is incident on the second photosensitive cell,
The third spectral element causes a part of the light of the third color component included in the incident light to enter the first photosensitive cell, and the light of the third color component included in the incident light. The other part of the light is incident on the fourth photosensitive cell, the light of the second color component included in the incident light is incident on the third photosensitive cell,
The fourth spectral element causes a part of the light of the fourth color component included in incident light to enter the second photosensitive cell, and the light of the fourth color component included in the incident light. The other part of the light is incident on the third photosensitive cell, and the light of the first color component included in the incident light is incident on the fourth photosensitive cell.
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 3.
前記第1の分光要素は、入射光に含まれる前記第1の色成分の光を、前記第2の光感知セル、前記第3の光感知セル、および隣接単位ブロックに含まれる2つの光感知セルに同量ずつ入射させ、前記入射光に含まれる前記第4の色成分の光を前記第1の光感知セルに入射させ、
前記第2の分光要素は、入射光に含まれる前記第2の色成分の光を、前記第1の光感知セル、前記第4の光感知セル、および隣接単位ブロックに含まれる2つの光感知セルに同量ずつ入射させ、前記入射光に含まれる前記第3の色成分の光を前記第2の光感知セルに入射させ、
前記第3の分光要素は、入射光に含まれる前記第3の色成分の光を、前記第1の光感知セル、前記第4の光感知セル、および隣接単位ブロックに含まれる2つの光感知セルに同量ずつ入射させ、前記入射光に含まれる前記第2の色成分の光を前記第3の光感知セルに入射させ、
前記第4の分光要素は、入射光に含まれる前記第4の色成分の光を、前記第2の光感知セル、前記第3の光感知セル、および隣接単位ブロックに含まれる2つの光感知セルに同量ずつ入射させ、前記入射光に含まれる前記第1の色成分の光を前記第4の光感知セルに入射させる、
請求項4に記載の固体撮像素子。
The first spectral element converts the light of the first color component included in incident light into two light detection cells included in the second light detection cell, the third light detection cell, and an adjacent unit block. Making the same amount incident on the cell, causing the light of the fourth color component contained in the incident light to enter the first photosensitive cell,
The second spectral element converts the light of the second color component included in incident light into two light detection elements included in the first light detection cell, the fourth light detection cell, and the adjacent unit block. Making the same amount incident on the cell, causing the light of the third color component contained in the incident light to enter the second photosensitive cell,
The third spectral element converts the light of the third color component included in incident light into two light detection elements included in the first light detection cell, the fourth light detection cell, and the adjacent unit block. Making the same amount incident on the cell, causing the light of the second color component contained in the incident light to enter the third photosensitive cell,
The fourth spectral element converts the light of the fourth color component included in incident light into two light detection elements included in the second light detection cell, the third light detection cell, and the adjacent unit block. Making the same amount incident on the cell, and making the light of the first color component included in the incident light enter the fourth photosensitive cell,
The solid-state imaging device according to claim 4.
前記第1および第4の色成分の一方はマゼンタの色成分であり、前記第1および第4の色成分の他方は緑の色成分であり、前記第2および第3の色成分の一方は緑の一部を含む赤の色成分であり、前記第2および第3の色成分の他方は緑の他の一部を含む青の色成分である、請求項1から5のいずれかに記載の固体撮像素子。   One of the first and fourth color components is a magenta color component, the other of the first and fourth color components is a green color component, and one of the second and third color components is The red color component including a part of green, and the other of the second and third color components is a blue color component including another part of green. Solid-state image sensor. 前記第1から第4の分光要素の各々は、高屈折率透明部と、前記高屈折率透明部の屈折率よりも低い屈折率を有し前記高屈折率透明部の周囲に設けられた低屈折率透明部とを有し、
前記第1から第4の分光要素の前記高屈折率透明部の形状およびサイズの少なくとも一方は、互いに異なっている、
請求項1から6のいずれかに記載の固体撮像素子。
Each of the first to fourth spectral elements has a high refractive index transparent portion and a low refractive index that is lower than the refractive index of the high refractive index transparent portion and is provided around the high refractive index transparent portion. A refractive index transparent portion,
At least one of the shape and the size of the high refractive index transparent part of the first to fourth spectral elements is different from each other.
The solid-state imaging device according to claim 1.
前記第1から第4の分光要素の各々は、ダイクロイックミラーを含み、前記ダイクロイックミラーによって分光する、請求項1から6のいずれかに記載の固体撮像素子。   7. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein each of the first to fourth light-splitting elements includes a dichroic mirror, and performs spectroscopy using the dichroic mirror. 請求項1から8のいずれかに記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に像を形成する光学系と、
可視光および特定の波長域の赤外光のみを透過させる光学フィルタと、
前記固体撮像素子から出力される信号を処理する信号処理部であって、前記第1の光感知セルから出力される第1の光電変換信号、前記第2の光感知セルから出力される第2の光電変換信号、前記第3の光感知セルから出力される第3の光電変換信号、および前記第4の光感知セルから出力される第4の光電変換信号を用いた演算によってカラー画像情報および赤外光画像情報を生成する信号処理部と、
を備える撮像装置。
A solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 8,
An optical system for forming an image on the solid-state imaging device;
An optical filter that transmits only visible light and infrared light in a specific wavelength range; and
A signal processing unit that processes a signal output from the solid-state imaging device, the first photoelectric conversion signal output from the first photosensitive cell, and the second output from the second photosensitive cell. Color image information by calculation using the photoelectric conversion signal, the third photoelectric conversion signal output from the third photosensitive cell, and the fourth photoelectric conversion signal output from the fourth photosensitive cell. A signal processing unit for generating infrared image information;
An imaging apparatus comprising:
前記特定の波長域の赤外光を出射する光源をさらに備える請求項9に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 9, further comprising a light source that emits infrared light in the specific wavelength range. 前記信号処理部は、前記第1の光電変換信号と前記第4の光電変換信号との差分を表す第1の差信号と、前記第2の光電変換信号と前記第3の光電変換信号との差分を表す第2の差信号との加減算を含む演算により、第1の色差信号および第2の色差信号を生成し、前記第1の光電変換信号と前記第4の光電変換信号との加算結果と、前記第2の光電変換信号と前記第3の光電変換信号との加算結果との差分信号を生成する、請求項9または10に記載の撮像装置。   The signal processing unit includes a first difference signal representing a difference between the first photoelectric conversion signal and the fourth photoelectric conversion signal, and the second photoelectric conversion signal and the third photoelectric conversion signal. A first color difference signal and a second color difference signal are generated by an operation including addition and subtraction with a second difference signal representing a difference, and the addition result of the first photoelectric conversion signal and the fourth photoelectric conversion signal The imaging device according to claim 9, wherein a difference signal between the second photoelectric conversion signal and the addition result of the third photoelectric conversion signal is generated. 前記信号処理部は、前記第1および第4の光電変換信号の加算、前記第2および第3の光電変換信号の加算、および前記第1から第4の光電変換信号の加算のいずれかを含む演算により、輝度信号を生成する、請求項9または10に記載の撮像装置。   The signal processing unit includes any of addition of the first and fourth photoelectric conversion signals, addition of the second and third photoelectric conversion signals, and addition of the first to fourth photoelectric conversion signals. The imaging device according to claim 9 or 10, wherein a luminance signal is generated by calculation. 請求項1から8のいずれかの固体撮像素子から出力される信号を処理する方法であって、
前記第1の光感知セルから出力される第1の光電変換信号、前記第2の光感知セルから出力される第2の光電変換信号、前記第3の光感知セルから出力される第3の光電変換信号、および前記第4の光感知セルから出力される第4の光電変換信号を取得するステップAと、
前記第1から第4の光電変換信号を用いて色情報を生成するステップBと、
を含む方法。
A method for processing a signal output from the solid-state imaging device according to claim 1,
A first photoelectric conversion signal output from the first photosensitive cell, a second photoelectric conversion signal output from the second photosensitive cell, and a third photoelectric signal output from the third photosensitive cell. Obtaining a photoelectric conversion signal and a fourth photoelectric conversion signal output from the fourth photosensitive cell; and
Step B for generating color information using the first to fourth photoelectric conversion signals;
Including methods.
前記ステップBは、
前記第1の光電変換信号と前記第4の光電変換信号との差分を示す第1の差分信号を生成するステップと、
前記第2の光電変換信号と前記第3の光電変換信号との差分を示す第2の差分信号を生成するステップと、
前記第1の差分信号と前記第2の差分信号との加減算を含む演算により、第1の色差信号および第2の色差信号を生成するステップと、
前記第1の光電変換信号と前記第4の光電変換信号の加算結果と前記第2の光電変換信号と前記第3の光電変換信号の加算結果との差分信号を生成するステップと、
を含む、請求項13に記載の方法。
Step B includes
Generating a first difference signal indicating a difference between the first photoelectric conversion signal and the fourth photoelectric conversion signal;
Generating a second difference signal indicating a difference between the second photoelectric conversion signal and the third photoelectric conversion signal;
Generating a first color difference signal and a second color difference signal by an operation including addition / subtraction between the first difference signal and the second difference signal;
Generating a difference signal between the addition result of the first photoelectric conversion signal and the fourth photoelectric conversion signal, and the addition result of the second photoelectric conversion signal and the third photoelectric conversion signal;
14. The method of claim 13, comprising:
前記ステップBは、
前記第1および第4の光電変換信号の加算、前記第2および第3の光電変換信号の加算、および前記第1から第4の光電変換信号の加算のいずれかを含む演算によって輝度信号を生成するステップと、
前記輝度信号、前記第1の色差信号、および前記第2の色差信号と前記差分信号を用いて前記セル入射光に含まれる赤、緑、および青の色信号と特定の赤外光の信号とを生成するステップと、
をさらに含む請求項14に記載の方法。
Step B includes
A luminance signal is generated by an operation including any of the addition of the first and fourth photoelectric conversion signals, the addition of the second and third photoelectric conversion signals, and the addition of the first to fourth photoelectric conversion signals. And steps to
Using the luminance signal, the first color difference signal, the second color difference signal, and the difference signal, red, green, and blue color signals included in the cell incident light and a specific infrared light signal A step of generating
15. The method of claim 14, further comprising:
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