JP2014086743A - 固体撮像素子、撮像装置、および信号処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】赤外光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。
【解決手段】可視光に含まれる色成分の一部を第1の色成分C1、他の一部を第2の色成分C2、第2の色成分の補色成分を第3の色成分C3、第1の色成分の補色成分を第4の色成分C4とするとき、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光を増加させた光を前記第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C3光を減少させ、C1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C2光を減少させ、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、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。
【選択図】図2
【解決手段】可視光に含まれる色成分の一部を第1の色成分C1、他の一部を第2の色成分C2、第2の色成分の補色成分を第3の色成分C3、第1の色成分の補色成分を第4の色成分C4とするとき、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光を増加させた光を前記第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C3光を減少させ、C1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C2光を減少させ、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、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。
【選択図】図2
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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とを備える。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3の色成分の光を減少させ、前記第1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2の色成分の光を減少させ、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。以下の説明では、第1から第4の色成分の光を、それぞれC1光、C2光、C3光、C4光と呼ぶことがある。
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。
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。
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。
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。
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、W−C3+C1、W−C2+C4、W−C4+C3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
(式2) S2b=Ws−C3s+C1s
(式3) S2c=Ws−C2s+C4s
(式4) S2d=Ws−C4s+C3s
(式1) S2a=Ws−C1s+C2s
(式2) S2b=Ws−C3s+C1s
(式3) S2c=Ws−C2s+C4s
(式4) S2d=Ws−C4s+C3s
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+C2s−C3s
(式6) D2=S2c−S2b=C4s−C1s−C2s+C3s
(式5) D1=S2a−S2d=C4s−C1s+C2s−C3s
(式6) D2=S2c−S2b=C4s−C1s−C2s+C3s
式5および式6で示されるD1、D2は、色情報を含む画素信号の差分演算によって生成されるため、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5および式6から、D1=(2Rs−Gs)および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。
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7〜9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7) S2a+S2d=2Ws−C1s+C2s−C4s+C3s=2Ws
(式8) S2b+S2c=2Ws−C3s+C1s−C2s+C4s=2Ws
(式9) S2a+S2b+S2c+S2d=4Ws
(式7) S2a+S2d=2Ws−C1s+C2s−C4s+C3s=2Ws
(式8) S2b+S2c=2Ws−C3s+C1s−C2s+C4s=2Ws
(式9) S2a+S2b+S2c+S2d=4Ws
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。
式7〜9のいずれかの演算によって求められる輝度信号と、式5、6によって求められる2つの色差信号が得られれば、行列演算により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。
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。
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5、6で表される信号色差信号も0になる。この結果は、式5および式6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7〜9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7で表される輝度信号と、式8で表される輝度信号との間に差違が生じる。
ここで、演算|S2a+S2d−S2b−S2c|を考える。式7、式8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。
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。
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C3光を減少させ、C1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C2光を減少させ、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、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。
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限り、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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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、特定の波長域の赤外光は、波長700〜800nmの間に強度のピークを有し、そのピーク波長は、具体的には約790nmである。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。
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。
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。
以下、本実施形態における固体撮像素子10を説明する。
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。
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。
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。
以下、本実施形態における分光要素を説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
図8B、8Cは、図8AにおけるA−A´線断面、B−B´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1の光感知セル2a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8aがそれぞれ配置されている。この赤外カットフィルタ8aは、特定の波長域の赤外光について、光感知セル2a、2dの受光量を等しくするように、その透過率が設計されている。
図8A〜8C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〜8C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。
分光要素1a〜1dは、図8A〜8Cに示すように、光が透過する方向に長い長方形状の断面を有し、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に示されている赤外カットフィルタ8aは、存在しないと考えてよい。
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、光感知セル2b、および隣接する単位ブロックに含まれる光感知セル(不図示)に緑(G)光を半分ずつ入射させる。すなわち、分光要素1aは、光感知セル2bおよび隣接単位ブロックに含まれる1つの光感知セルにG/2で表される光を入射させる。
分光要素1bは、対向する光感知セル2bにR光およびG光の1/2からなる合成光(Yr光)を入射させる。また、光感知セル2d、および隣接する他の単位ブロックに含まれる光感知セル(不図示)にB光およびG光の1/2からなる合成光(Cb光)を1/2ずつ入射させる。すなわち、分光要素1bは、光感知セル2d、および隣接単位ブロックに含まれる1つの光感知セルにCb/2で表される光を入射させる。
分光要素1cは、対向する光感知セル2c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、光感知セル2a、および隣接する他の単位ブロックに含まれる光感知セル(不図示)にR光およびG光の1/2からなる合成光(Yr光)を1/2ずつ入射させる。すなわち、分光要素1cは、光感知セル2a、および隣接単位ブロックに含まれる1つの光感知セルにYr/2で表される光を入射させる。
分光要素1dは、対向する光感知セル2dにG光を入射させる。また、光感知セル2c、および隣接する他の単位ブロックに含まれる光感知セル(不図示)にR光およびB光からなる合成光(M光)を1/2ずつ入射させる。すなわち、分光要素1bは、光感知セル2c、および隣接単位ブロックに含まれる1つの光感知セルにM/2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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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10〜13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10)S2a=Ms+Yrs=2Rs+(1/2)Gs+Bs
(式11)S2b=Yrs+Gs=Rs+(3/2)Gs
(式12)S2c=Cbs+Ms=Rs+(1/2)Gs+2Bs
(式13)S2d=Gs+Cbs=(3/2)Gs+Bs
(式10)S2a=Ms+Yrs=2Rs+(1/2)Gs+Bs
(式11)S2b=Yrs+Gs=Rs+(3/2)Gs
(式12)S2c=Cbs+Ms=Rs+(1/2)Gs+2Bs
(式13)S2d=Gs+Cbs=(3/2)Gs+Bs
式10〜13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。
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。
本実施形態における分光要素1a〜1dは、入射光を対向する光感知セルにまっすぐ入射する光(以下、「分光垂直入射光」と呼ぶ。)と、隣接する光感知セルに入射する光(以下、「分光斜入射光」と呼ぶ。)に分岐させる。図11Aは、分光要素1a、1dの入射光に対する分光垂直入射光の強度の割合の一例を示している。同様に、図11Bは、分光要素1b、1cの入射光に対する分光垂直入射光の強度の割合の一例を示している。これらのグラフが示す値を1から引いた値は、その分光要素の入射光に対する分光斜入射光の強度の割合に概ね等しい。
本実施形態では、特定の赤外光の波長は約790nmであるので、当該波長における分光要素1a〜1dの分光垂直入射光の割合を、それぞれIm、Ig、Iy、Icで表す。但し、Im、Ig、Iy、Icは0〜1の実数である。すると、分光斜入射光の分光特性については、分光要素1a、1dではそれぞれ1−Im(=Im^)、1−Ig(=Ig^)、分光要素1b、1cではそれぞれ1−Iy(=Iy^)、1−Ic(=Ic^)で表される。図示される例の場合、Im=0.4、Ig=0.2、Iy=0.45、Ic=0.25であり、Im^=0.6、Ig^=0.8、Iy^=0.55、Ic^=0.75である。
本実施形態では、分光要素1aは、対向する光感知セル2aにImに比例する強度の当該特定の赤外光を入射させ、光感知セル2bにIm^に比例する強度の当該特定の赤外光を入射させる。また、分光要素1bは、対向する光感知セル2bにIyに比例する強度の当該特定の赤外光を入射させ、光感知セル2cにIy^に比例する強度の当該特定の赤外光を入射させる。分光要素1cは、対向する光感知セル2cにIcに比例する強度の当該特定の赤外光を入射させ、光感知セル2dにIc^に比例する強度の当該特定の赤外光を入射させる。分光要素1dは、対向する光感知セル2dにIgに比例する強度の当該特定の赤外光を入射させ、光感知セル2cにIg^に比例する強度の当該特定の赤外光を入射させる。
以上の構成により、撮像素子10が当該特定の赤外光のみを受光する場合、光感知セル2a〜2dの受光量は、それぞれ以下の式14〜17で表される。但し、光感知セル2a、2b、2c、および2dの受光量をそれぞれIr11、Ir12、Ir21、およびIr22とし、KLを比例定数とする。
(式14) Ir11=KL(Im+Ic^)
(式15) Ir12=KL(Iy+Im^)
(式16) Ir21=KL(Ic+Ig^)
(式17) Ir22=KL(Ig+Iy^)
(式14) Ir11=KL(Im+Ic^)
(式15) Ir12=KL(Iy+Im^)
(式16) Ir21=KL(Ic+Ig^)
(式17) Ir22=KL(Ig+Iy^)
ここで、上記の例における分光垂直入射光の割合を式14〜17に代入すると、Ir11=1.15KL、Ir12=1.05KL、Ir21=1.05KL、Ir22=0.75KLとなり、Ir12=Ir21であることから、光感知セル2b、2cの受光量は同じである。一方、光感知セル2a、2dの受光量は同じではないが、これは赤外カットフィルタ8aが無い場合の値であり、本実施形態では、赤外カットフィルタ8aを光感知セル2a上に配置していることにより、当該特定の赤外光を受光する場合の光感知セル2a、2dの受光量が同程度に調整されている。そのため、この例では、当該特定の赤外光における赤外カットフィルタ8aの透過率をkcとすると、kc=0.65(=0.75/1.15)に調整される。
このように、本実施形態では、分光要素1a〜1dと赤外カットフィルタ8aの特性により、当該特定の赤外光について、光感知セル2a、2dの受光量が等しく、光感知セル2b、2cの受光量が等しくなるように調整されている。その結果、当該特定の赤外光のみを撮像素子10が受光する場合、赤外受光量Ir11、Ir12、Ir21、Ir22に対応する光電変換信号をそれぞれIr11s、Ir12s、Ir21s、Ir22sとすると、光感知セル2aはkc×Ir11s、光感知セル2bはIr12s、光感知セル2cはIr21s、光感知セル2dはIr22sで表される信号を得ることになる。このため、光感知セル2a、2dの光電変換信号は等しく、光感知セル2bと2cの光電変換信号は等しくなる。
ここで、当該特定の赤外光に関して、分光要素1a〜1dおよび赤外カットフィルタ8aによる光感知セル2a〜2dの受光量比率は設計上算出できる。また、赤外カットフィルタ8aにおける光の透過率も既知であるため、上述の演算|S2a+S2d−S2b−S2c|の算出値と赤外カットフィルタ8aが存在しないと仮定した場合における4画素の信号の平均値(S2a+S2d+S2b+S2c)/4の比率も光学設計上算出できる。そこで、本実施形態では、IR画像を生成するために、予めそれらの比率kv(=(Ir11s+Ir12s+Ir21s+Ir22s)/4|kc×Ir11s+Ir22s−Ir12s−Ir21s|)を算出しておき、メモリ30等に記録しておく。kc×Ir11s=Ir22s、Ir12s=Ir21sであるため、この比率kvは(Ir11s+Ir12s+Ir21s+Ir22s)/8|Ir22s−Ir21s|でも算出できる。
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=(kc×Ir11s+Ir12s+Ir21s+Ir22s)/|kc×Ir11s+Ir22s−Ir21s−Ir12s|も設計段階で求められ、メモリ30等に記録される。
可視光と特定の赤外光を受光する場合、光感知セル2a〜2dの光電変換信号は以下の式で表される。
(式18) S2a=2Rs+(1/2)Gs+Bs+kc×Ir11s
(式19) S2b=Rs+(3/2)Gs+Ir12s
(式20) S2c=Rs+(1/2)Gs+2Bs+Ir21s
(式21) S2d=(3/2)Gs+Bs+Ir22s
(式18) S2a=2Rs+(1/2)Gs+Bs+kc×Ir11s
(式19) S2b=Rs+(3/2)Gs+Ir12s
(式20) S2c=Rs+(1/2)Gs+2Bs+Ir21s
(式21) S2d=(3/2)Gs+Bs+Ir22s
この場合、図4に示す画像信号生成部15は、式18〜21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。
以下、図12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12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。
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、(S2a−S2d)の演算によって(2Rs−Gs)を生成し、(S2c−S2b)の演算によって(2Bs−Gs)を生成し、それらを色差信号とする。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。
次に、ステップS13において、画素信号S2b〜S2dを合算することによって以下の式22で表される信号を生成する。
(式22) S2a+S2b+S2c+S2d=4(Rs+Gs+Bs)+(kc×Ir11s+Ir12s+Ir21s+Ir22s)=4Ws+4Irs
(式22) S2a+S2b+S2c+S2d=4(Rs+Gs+Bs)+(kc×Ir11s+Ir12s+Ir21s+Ir22s)=4Ws+4Irs
ここで、Irs=(Kc×Ir11s+Ir12s+Ir21s+Ir22s)/4である。
続いて、ステップS14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23の演算を実行する。
(式23) |S2a+S2d−S2b−S2c|×kv=|kc×Ir11s+Ir22s−Ir12s−Ir21s|×kv
(式23) |S2a+S2d−S2b−S2c|×kv=|kc×Ir11s+Ir22s−Ir12s−Ir21s|×kv
この赤外光信号は、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。
次に、ステップS15において、ステップS13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。
続いて、ステップ16において、画像信号生成部15は、ステップS12で生成した2つの色差信号とステップS15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画像を得ることができる。
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。
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)と上記の赤外光性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、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る。
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。
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10〜13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18〜21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。
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。
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10〜13、あるいは式18〜21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。
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。
なお、撮像素子10の基本構造は図8A〜8C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8a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8aの配置についても、本実施形態では光感知セル2a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なればよい。したがって、赤外カットフィルタ8aを用いず、分光要素1a〜1dの分光特性を適切に調整することによって同等な特性を実現してもよい。また、本実施形態では、当該光による光感知セル2b、2cの受光量を分光要素1a〜1dの分光特性を適切に調整することによって等しくさせたが、赤外カットフィルタを用いることによって実現してもよい。
また、各分光要素は、分光する色成分の光を、1/2ずつ隣接の2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Cb光の一部を第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Yr光の一部を第1の光感知セル2a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。
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、本発明における分光要素は、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。
(実施形態2)
次に、図13A〜13E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、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。
次に、図13A〜13E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、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。
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8a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。
図13A〜13E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。本実施形態における撮像素子10は、裏面照射型の撮像素子である。なお、本実施形態においても撮像素子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は表面照射型であってもよい。図13Aは、撮像素子10の受光面側の平面図である。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に対向してダイクロイックミラー3a、3b、3c、3dが、それぞれ2分割され、撮像面に対して、傾斜して配置されている。ここで、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外の空気層との界面で全反射し、対向画素の隣接画素に入射するように設定されている。
図13B〜13Eは、図13A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。
図13B、13D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に入射する。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、水平方向に隣接する2つの光感知セルに1/2ずつ入射する。
また、図13B、13Eに示されるように、ダイクロイックミラー3b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3bを透過したYr光は、光感知セル2bに入射する。ダイクロイックミラー3b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、垂直方向に隣接する2つの光感知セルに1/2ずつ入射する。
また、図13C、13Dに示されるように、ダイクロイックミラー3c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3cを透過したCb光は、光感知セル2cに入射する。ダイクロイックミラー3c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、垂直方向に隣接する光感知セルに1/2ずつ入射する。
また、図13C、13E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に入射する。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、水平方向に隣接する2つの光感知セルに1/2ずつ入射する。
波長790nm付近の赤外光に関して、ダイクロイックミラー3a、3dの透過率は等しく、ダイクロイックミラー3b、3cの透過率は等しく、ダイクロイックミラー3a、3bの透過率は異なるようにダイクロイックミラー3a〜3dは設計されている。ダイクロイックミラー3a、3dの透過率が等しいため、それらの反射率も等しい。同様に、ダイクロイックミラー3b、3cの透過率が等しいため、それらの反射率も等しい。その結果、Im=Ig、Im^=Ig^、Iy=Ic、Iy^=Ic^となり、式14〜17からIr11=Ir22およびIr12=Ir21が成立する。これにより、波長790nm付近の赤外光のみを撮像素子10が受光する場合、光感知セル2a、2b、および光感知セル2b、2cの受光量は等しい。すなわち、Ir11s=Ir22s、Ir12s=Ir21sが成立する。なお、可視光を受光する場合、光感知セル2a〜2dの信号特性は実施形態1とほぼ同じである。
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、垂直方向に隣接する2つのダイクロイックミラーで反射された強度(Yr/2+Yr/2)の光を受ける。光感知セル2bは、ダイクロイックミラー3bを透過したYr光と、水平方向に隣接する2つのダイクロイックミラーで反射された強度(G/2+G/2)の光を受ける。光感知セル2cは、ダイクロイックミラー3cを透過したCb光と、水平方向に隣接する2つのダイクロイックミラーで反射された強度(M/2+M/2)の光を受ける。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、垂直方向に隣接する2つのダイクロイックミラーで反射された強度(Cb/2+Cb/2)の光を受ける。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10〜13で表すことができる。また、さらに790nmを中心とする赤外光を受光する場合も、式18が以下の式24に変わるだけでその他の式は同じである。
(式24)S2a=2Rs+(1/2)Gs+Bs+Ir11s
(式24)S2a=2Rs+(1/2)Gs+Bs+Ir11s
本実施形態では、Ir11s=Ir22s、Ir12s=Ir21sが成立するので、実施形態1における処理と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。
以上のように、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、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。
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Yr光とYr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Cb光とCb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10〜13、さらに式18〜21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。
なお、撮像素子10の基本構造は図13A〜13E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13A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。
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、本発明における分光要素は、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。
また、各分光要素について、分岐した光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。
また、上記の実施形態では、790nmの中間の波長で強度のピークをもつ赤外光を利用したが、これに限定するものではなく、その他の波長帯域のものを利用してもよい。
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。
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
8a 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
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
8a 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
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と、
を備え、
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3の色成分の光を減少させ、前記第1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2の色成分の光を減少させ、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、
固体撮像素子。 - 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互いに等しく、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互いに等しく、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互いに異な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。
- 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の色成分の光の少なくとも一部を前記第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3の色成分の光の少なくとも一部を前記第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2の色成分の光の少なくとも一部を前記第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の色成分の光の少なくとも一部を前記第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または2に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の分光要素は、入射光に含まれる前記第1の色成分の光の半分を前記第2の光感知セルに入射させ、前記第1の色成分の光の残りの半分を隣接単位ブロックに含まれる1つ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3の色成分の光の半分を前記第4の光感知セルに入射させ、前記第3の色成分の光の残りの半分を隣接単位ブロックに含まれる1つ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2の色成分の光の半分を前記第1の光感知セルに入射させ、前記第2の色成分の光の残りの半分を隣接単位ブロックに含まれる1つ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の色成分の光の半分を前記第3の光感知セルに入射させ、前記第4の色成分の光の残りの半分を隣接単位ブロックに含まれる1つの光感知セルに入射させる、
請求項3に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の分光要素は、入射光に含まれる前記第1の色成分の光のほぼ全てを前記第2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3の色成分の光のほぼ全てを前記第4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2の色成分の光のほぼ全てを前記第1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の色成分の光のほぼ全てを前記第3の光感知セルに入射させる、
請求項3に記載の固体撮像素子。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 前記特定の波長域の赤外光を出射する赤外光源をさらに備える請求項9に記載の撮像装置。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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波長域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。
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-
2012
- 2012-10-19 JP JP2012231421A patent/JP2014086743A/ja active Pending
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