JP2020123964A - Color imaging device and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カラー撮像素子およびカラー撮像素子を備える撮像装置に関する。 The present invention relates to a color image pickup device and an image pickup apparatus including the color image pickup device.
一般に、CCD(Charge Coupled Device)センサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサといった光電変換素子を備える撮像素子において、撮像対象の色情報を取得するには、入射光の色分離を行う必要がある。 Generally, in an image sensor including a photoelectric conversion element such as a CCD (Charge Coupled Device) sensor or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor, it is necessary to perform color separation of incident light in order to acquire color information of an image capturing target.
図16に、従来のカラー撮像素子の断面図を示す。従来のカラー撮像素子600では、電気配線601上に光電変換素子602が配置され、有機材料または無機多層膜材料からなる減色型の色フィルタ604が光電変換素子602を含む各画素に対向して配置される。色フィルタ604の上にはマイクロレンズ605が配置される。
FIG. 16 shows a cross-sectional view of a conventional color image pickup device. In the conventional
マイクロレンズ605から光が入射すると、色フィルタ604を用いて、所望の波長帯の光のみを透過させ、不要な波長帯の光を吸収または反射させることで、画素ごとに赤(R)、緑(G)、青(B)に対応する3つの光電変換素子602から各信号を取得することで、カラーの2次元画像を生成することができる。
When light is incident from the
しかし、上記のような一般的なカラー撮像素子600では、RGBが1:1:1の割合の入射光の場合、色フィルタ604を透過後の総光量が必然的に1/3程度になってしまうという課題がある。失われた残りの光は吸収または反射による損失であり、光電変換素子602に到達することができない。したがって、入射光の光利用効率は最大でも30%程度となり、撮像素子の感度は大きく制限されてしまう。画素の微細化が進んでいる近年では、1画素の受ける光量が低下していることもあり、上記の課題解決が望まれている。
However, in the general color
そのため、色フィルタ604の代わりに、入射光を波長帯に応じて分岐することが可能な微小プリズムやダイクロイックミラーといった分光素子を用いて、カラー撮像素子を構成することが提案されている。このようなアプローチにより、原理的に入射光の損失が大きく軽減され、光利用効率を大幅に向上させることができる。しかしながら、画素の微細化が進んでいる近年では、上記のような素子を光電変換素子上への集積することは困難である。
Therefore, instead of the
そこで近年では、光電変換素子上への集積が比較的容易な微細構造からなる分光素子を用いて、カラー撮像素子を構成することが提案されている。非特許文献1では、入射光を2波長領域に分離することが可能な2種類の微細構造を用いることで、色分離における光損失を原理的になくし、光利用効率を向上させる方法が提案されている。
Therefore, in recent years, it has been proposed to configure a color image sensor by using a spectroscopic element having a fine structure that is relatively easy to integrate on a photoelectric conversion element. Non-Patent
図17(a)に、従来の分光素子を用いたカラー撮像素子の上面図を示し、図17(b)に、そのXVIIb−XVIIb断面図を示し、図17(c)に、そのXVIIc−XVIIc断面図を示す。図示されているように、カラー撮像素子610は、色フィルタ604に代えて画素602に対応して配置された微細な梁構造606−1、606−2によって、入射光は波長領域に応じて、直進する光と偏向する光に分離する。これは、微細な梁構造内とその周囲において、入射光が感じる位相遅延効果が、一方の波長領域では大きく異なり、もう一方の波長領域ではほぼ等しくなるためである。
FIG. 17A shows a top view of a color image pickup element using a conventional spectroscopic element, FIG. 17B shows a sectional view taken along line XVIIb-XVIIb, and FIG. 17C shows that XVIIc-XVIIc. A sectional view is shown. As shown in the figure, the color
したがって、2次元画素アレイ上に、構造厚さが異なる2種類の微細な梁構造606−1、606−2を行ごとに交互に配置することで、互いに隣接する4つの光電変換素子602はそれぞれ異なる波長成分を持った光を受けることが可能になる。その結果、各光電変換素子602から出力される光電変換信号を用いた行列演算によって、色情報を生成することができる。
Therefore, two types of fine beam structures 606-1 and 606-2 having different structural thicknesses are alternately arranged in rows on the two-dimensional pixel array so that the four
さらに、非特許文献1では、図18に示すように、入射光を3波長領域に分離することが可能な階段形状の微細構造607を画素602上に配置することで、光利用効率を向上させるカラー撮像素子620も同時に提案されている。この方法は、上述のような行列演算による色情報生成に加えて、分離した3波長領域の光を隣接する3つの光電変換素子602にそれぞれ入射することができるため、各光電変換素子602から出力される光電変換信号を用いて、色情報を直接生成することができると考えられる。
Further, in
しかしながら、非特許文献1で開示された技術には、実用上の課題が存在する。
However, the technique disclosed in Non-Patent
まず、入射光を2波長領域に分離する微細構造606−1、606−2を用いる方法では、2種類の微細構造606−1、606−2の構造高さがそれぞれ異なるため、作製プロセスにおけるコストが増大する。また、微細構造606−1、606−2の形状が長軸をもつ梁型構造であるため、入射光の偏光方向に応じて、光が感じる位相遅延効果が異なり、色分離機能に偏光依存性が存在するという課題がある。さらに、2セットの2波長領域に分離された光強度データから信号処理を行い、RGB情報を復元するため、色再現性に懸念がある。 First, in the method using the fine structures 606-1 and 606-2 for separating incident light into two wavelength regions, the structure heights of the two types of fine structures 606-1 and 606-2 are different from each other. Will increase. Further, since the shapes of the fine structures 606-1 and 606-2 are beam-type structures having a long axis, the phase delay effect that the light feels differs depending on the polarization direction of the incident light, and the color separation function has a polarization dependence. There is a problem that there exists. Furthermore, since signal processing is performed from the light intensity data separated into two sets of two wavelength regions to restore RGB information, there is concern about color reproducibility.
一方、入射光を3波長領域に分離する階段形状の微細構造607を用いる方法によれば、確かに光利用率が高く、色再現性が良いカラー画像が理論上得られるが、理想の分光特性を持つ微細構造607を作製することが難しい。開示されている階段形状の微細構造607は、複数回のリソグラフィおよびエッチングプロセスが必要となる他、リソグラフィプロセスにおける高精度の位置合わせ技術が必要となり、作製コストが増大するという課題がある。また、入射光を2波長領域に分離する微細構造606−1、606−2と同様に、微細構造607の形状が長軸をもつ梁型構造であるため、色分離機能に偏光依存性が存在するという課題がある。
On the other hand, according to the method of using the stair-shaped
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易に作製でき、偏光依存性が少なく、かつ入射光を3波長領域に分離させることが可能な微小分光素子を2次元画素アレイと対向させて集積した高感度のカラー撮像素子および撮像装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is a two-dimensional pixel having a microscopic spectroscopic element that can be easily manufactured, has little polarization dependence, and can separate incident light into three wavelength regions. An object is to provide a high-sensitivity color image pickup device and an image pickup device which are integrated so as to face an array.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様は、カラー撮像素子であって、基板上に光電変換素子を含む複数の画素が2次元アレイ状に配列された2次元画素アレイと、前記2次元画素アレイ上に形成された透明層と、前記透明層の内部または上に、複数の分光素子が2次元アレイ状に配列された2次元分光素子アレイとを備え、前記分光素子の各々は、前記透明層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から形成された複数の微細構造体からなる1組の微細構造体を含み、前記1組の微細構造体は、前記2次元画素アレイに対して垂直方向の長さが等しく、前記2次元画素アレイに対して水平方向の形状が異なり、かつ、入射する光の波長以下の間隔で配置された複数の微細構造体からなり、前記分光素子に入射した光の少なくとも一部は、波長に応じて伝搬方向が異なる第1〜第3の偏向光に分離されて前記分光素子から出射し、前記2次元画素アレイの一方向に連続して配置された3つの前記画素にそれぞれ入射することを特徴とする。 In order to solve the above problems, one embodiment of the present invention is a color imaging element, and a two-dimensional pixel array in which a plurality of pixels including photoelectric conversion elements are arranged in a two-dimensional array on a substrate, A transparent layer formed on the two-dimensional pixel array and a two-dimensional spectroscopic element array in which a plurality of spectroscopic elements are arranged in a two-dimensional array are provided inside or on the transparent layer, and each of the spectroscopic elements is provided. A pair of microstructures formed of a material having a refractive index higher than that of the transparent layer, wherein the one set of microstructures is included in the two-dimensional pixel array. On the other hand, the spectroscopic element is composed of a plurality of fine structures having the same length in the vertical direction, different shapes in the horizontal direction from the two-dimensional pixel array, and arranged at intervals equal to or less than the wavelength of incident light. At least a part of the light incident on is separated into first to third polarized lights having different propagation directions according to wavelengths, emitted from the spectroscopic element, and arranged continuously in one direction of the two-dimensional pixel array. It is characterized in that each of the three incident pixels is made incident.
本発明の別の態様では、前記微細構造体は、構造底面および上面が、中心を対称軸として4回回転対称な形状を有する柱状構造体であることを特徴とする。 In another aspect of the present invention, the fine structure is a columnar structure having a structure bottom surface and an upper surface having a four-fold rotational symmetry about a center of symmetry.
本発明の別の態様では、前記第1〜第3の偏向光が、隣接する連続した3つの前記画素の第1〜第3の光電変換素子にそれぞれ入射することを特徴とする。 In another aspect of the present invention, the first to third deflected lights are respectively incident on the first to third photoelectric conversion elements of the adjacent three continuous pixels.
本発明の別の態様では、入射する光が白色光の場合、前記第1の光電変換素子に入射する光は、波長500nm以下の青色波長域で光強度のピークを有し、前記第2の光電変換素子に入射する光は、波長500nm〜600nmの緑色波長域で光強度のピークを有し、前記第3の光電変換素子に入射する光は、波長600nm以上の赤色波長域で光強度のピークを有することを特徴とする。 In another aspect of the present invention, when the incident light is white light, the light incident on the first photoelectric conversion element has a peak of light intensity in a blue wavelength region of a wavelength of 500 nm or less, and the second The light that enters the photoelectric conversion element has a peak of light intensity in the green wavelength range of wavelengths of 500 nm to 600 nm, and the light that enters the third photoelectric conversion element has the intensity of light in the red wavelength range of 600 nm or more. It is characterized by having a peak.
本発明の別の態様では、前記1組の微細構造体の形状は、前記2次元分光素子アレイを構成する前記分光素子の全てにおいて同一であることを特徴とする。 In another aspect of the present invention, the shape of the one set of microstructures is the same in all the spectroscopic elements forming the two-dimensional spectroscopic element array.
本発明の別の態様では、前記2次元分光素子アレイの第1の方向に沿って配置された隣接する前記分光素子の前記1組の微細構造体の向きが交互に反転しており、隣接する連続した3つの前記画素は、前記第1の方向に沿って配置されており、前記第1の方向に沿って隣接する3つの前記画素のうち、両外側の2つの画素は、前記第1の方向に沿って隣接する2つの前記分光素子から前記第1〜第3の偏向光のいずれかが入射されることを特徴とする。 In another aspect of the present invention, the directions of the one set of microstructures of the adjacent spectroscopic elements arranged along the first direction of the two-dimensional spectroscopic element array are alternately inverted and adjacent to each other. The three consecutive pixels are arranged along the first direction, and of the three adjacent pixels along the first direction, two pixels on both outer sides are the first pixels. One of the first to third deflected lights is incident from the two spectroscopic elements adjacent to each other in the direction.
本発明の別の態様では、前記2次元画素アレイと前記2次元分光素子アレイの間に、波長500nm以下の青色波長域で透過率のピークを有する第1のカラーフィルタ、波長500nm〜600nmの緑色波長域で透過率のピークを有する第2のカラーフィルタ、および波長600nm以上の赤色波長域で透過率のピークを有する第3のカラーフィルタのうち、少なくとも1つのカラーフィルタがアレイ状になるように配列されたカラーフィルタアレイをさらに備えたことを特徴とする。 In another aspect of the present invention, between the two-dimensional pixel array and the two-dimensional spectroscopic element array, a first color filter having a peak transmittance in a blue wavelength range of 500 nm or less, and a green color of 500 nm to 600 nm. At least one color filter of the second color filter having a transmittance peak in the wavelength range and the third color filter having a transmittance peak in the red wavelength range of 600 nm or more is arranged in an array. It is characterized by further comprising an arrayed color filter array.
本発明の別の一態様は、撮像装置であって、本発明の一態様のカラー撮像素子と、前記カラー撮像素子の撮像面に光学像を形成するための撮像光学系と、前記カラー撮像素子が出力する電気信号を処理する信号処理部と、を備えたことを特徴とする。 Another aspect of the present invention is an image pickup apparatus, which includes a color image pickup element according to one aspect of the present invention, an image pickup optical system for forming an optical image on an image pickup surface of the color image pickup element, and the color image pickup element. And a signal processing unit that processes an electric signal output by the.
本発明によれば、簡易に作製でき、偏光依存性が少なく、入射光を3波長領域に分離させることが可能な微小分光素子を用いることにより、光利用率の高いカラー撮像素子および撮像装置を従来よりも簡易に作製することができる。 According to the present invention, a color image pickup device and an image pickup device having a high light utilization rate can be provided by using a microscopic spectroscopic element that can be easily manufactured, has little polarization dependence, and can separate incident light into three wavelength regions. It can be manufactured more easily than before.
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。ただし、以下の実施形態は一例に過ぎず、本発明はこれらの実施形態に限定されないことは言うまでもない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, needless to say, the following embodiments are merely examples, and the present invention is not limited to these embodiments.
図1は、本発明の撮像装置の概略構成を示した側面図である。撮像素子10は、レンズ光学系11、CCDやCMOS等の光電変換素子を含む撮像素子12、および撮像素子12から出力される光電変換信号を処理して画像信号を生成する信号処理部13を備える。
FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of an image pickup apparatus of the present invention. The
自然光や照明光等の光が物体1に入射し、これを透過/反射/散乱した光は、または、物体1から発する光は、レンズ光学系11により撮像素子12上に光学像を形成する。一般に、レンズ光学系11は、様々な光学収差を補正するため、光軸に沿って並んだ複数のレンズからなるレンズ群により構成されるが、図1では図面を簡略化して単一のレンズとして示している。また、信号処理部13は、生成した画像信号を外部に送出する画像信号出力を備える。
Light such as natural light or illumination light is incident on the
なお、本発明の撮像装置10は、赤外光カットの光学フィルタ、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、それらの説明は本発明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、本発明において、レンズ光学系11、撮像素子12、信号処理部13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
本発明の具体的な実施形態を説明する前に、本発明の実施形態における撮像素子12の概略を説明する。
Before describing specific embodiments of the present invention, an outline of the
本発明の実施形態による撮像素子12は、光電変換素子を含むセル(画素)102が2次元状に複数配列された画素アレイと、微小分光素子101が2次元状に複数配列された分光素子アレイとを備える。図2は、本発明の実施形態1に係る撮像素子の画素アレイおよび分光素子アレイの断面の一部を模式的に示す図である。分光素子アレイは画素アレイと対向しており、レンズ光学系からの光が入射する側に配置されている。各微小分光素子101は、厚み一定の複数の柱状構造体で構成されている。なお、微小分光素子101は、便宜上、4本の柱状構造体で表されているが、数や間隔、配列パターンに制限はなく、様々な配列形態をとり得る。
The
撮像素子12に入射する光に含まれる可視光成分を、波長領域毎に第1の色成分、第2の色成分、第3の色成分に分類する。なお、第1から第3の色成分の組み合わせは、一般に赤(R)、緑(G)、青(B)の3原色の組み合わせであるが、光を3つの波長域に分けるものであればこれに限定されない。
The visible light component contained in the light incident on the
本発明の実施形態における微小分光素子101は、後述する位相遅延効果およびその構造寸法依存性・波長依存性を利用することで、上述の第1から第3の色成分に応じて、入射した光の伝搬方向を変え、画素アレイ上において空間的に分離する機能を有する。すなわち、本発明の実施形態では、撮像素子に入射した光の少なくとも一部の光が、微小分光素子101によって、色成分に応じて伝搬方向を変え、複数の画素102に入射する。したがって、微小分光素子101と画素102との距離を適切に設定することで、3つの波長域に分離された光を、それぞれ異なった画素102で受けることが可能である。
The microscopic light-splitting
画素102に光が入射すると、光電変換素子によって入射した光の強度に応じた電気信号(光電変換信号)を出力するため、色成分に応じた信号(カラー情報)を、直接的に、または信号演算を用いて、取得することができる。以上の微小分光素子101および微小分光素子101に対応した複数の画素102が、2次元状に配置されているため、レンズ光学系11により形成される物体の光学像のカラー情報を取得することができる。
When light is incident on the
後述する実施形態1および実施形態2については、マイクロレンズアレイを用いることで、入射光のほぼすべてが、分光素子アレイを構成するいずれかの微小分光素子101を透過するため、入射光のほぼすべてが3つの波長域に分離された状態で画素アレイに入射する。したがって、光電変換信号から、直接的に、または簡易な演算をもちいて、カラー情報を取得することができる。
In
後述する実施形態3および実施形態4については、入射光の一部が、分光素子アレイを構成する微小分光素子101を透過するため、入射光の一部が3つの波長域に分離された状態で画素アレイに入射する。したがって、各画素102の一部は、3つの波長域に分離された状態の光と分離されていない状態の光の合算の光強度に応じた光電変換信号を出力する。出力された光電変換信号に対して、後述する適切な行列演算を用いることで、カラー情報を求めることができる。
In Embodiments 3 and 4 which will be described later, a part of the incident light is transmitted through the microscopic
本発明の実施形態における撮像素子12によれば、減色型の色フィルタを用いることなく、微小分光素子101を用いた3色への低損失な光分離により、カラー情報を得ることができる。したがって、色フィルタを用いた撮像素子と比較して、画素アレイに到達する光総量を増加させることができ、撮像感度を高めることが可能となる。さらに、微小分光素子101は作製が簡易な厚み一定の構造体から構成されており、かつ、構造体上面・底面の対称性から偏光依存性が生じないことから、非特許文献1で開示された従来技術における色分離機能に偏光依存性が存在するという課題を解決することができる。
According to the
以下、図面を参照しながら、本発明のより具体的な実施形態を説明する。 Hereinafter, more specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
以下、本実施形態1における撮像素子の構成の概略について説明する。
(Embodiment 1)
The outline of the configuration of the image sensor according to the first embodiment will be described below.
図3(a)は、本発明の実施形態1に係る撮像素子の一部の概略構成の上面図であり、図3(b)はその断面図である。本実施形態1における撮像素子100は、光電変換素子を含む画素102がアレイ状になるように配列された2次元画素アレイ上に、SiO2等からなる低屈折率の透明層111、複数のマイクロレンズ103が積層されている。低屈折率の透明層111の内部には、透明層111の屈折率よりも高い屈折率を有するSiN等の材料から形成された複数の厚み(2次元画素アレイに対して垂直方向の長さ)一定の微細構造体からなる微小分光素子101が埋め込まれている。便宜上、以下の説明において、2次元画素アレイの法線方向をz軸、2次元画素アレイに平行で、画素ユニット110を構成する3つの画素102が並ぶ方向をx軸、2次元画素アレイに平行でx軸と直交する方向をy軸とするxyz直交座標系を設定する。
FIG. 3A is a top view of a schematic configuration of a part of the image sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a sectional view thereof. In the
図に示されているように、マイクロレンズ103、微小分光素子101、画素102はxy平面上において格子状に配置されており、各マイクロレンズ103の中心軸上に1つの微小分光素子101が配置されている。x軸方向に隣り合う3つの画素を1つの画素ユニット110とすると、x軸方向に隣り合う各マイクロレンズ103はそれぞれ画素ユニット110と一対一で対応し、各マイクロレンズ103の中心軸は対応する画素ユニットの中央の画素102のほぼ中心を通過する。すなわち、x軸方向に隣り合う3つの画素102に対して1つのマイクロレンズ103および1つの微小分光素子101が対応しており、上記のマイクロレンズ103、微小分光素子101、画素ユニット110を1つの撮像素子ユニットとすると、その撮像素子ユニットがxy平面上において格子状に配列されている。
As shown in the figure, the
なお、上述の説明では、一例として、直交格子状に配列された2次元画素アレイの場合について説明したが、画素102の配列、形状、サイズなどはこの図の例に限られず、公知のどのような配列、形状、サイズであってもよい。また、図3(a)、(b)では省略しているが、2次元画素アレイと微細構造体との間に、内部マイクロレンズとして動作し、微小分光素子101からの光を画素102内の光電変換素子へと導く働きをなすSiN等からなる高屈折率の凹凸構造を備え得る。図3(a)、(b)に示される構造は、公知の半導体製造技術により作製され得る。
Note that, in the above description, the case of a two-dimensional pixel array arranged in a rectangular lattice shape has been described as an example, but the arrangement, shape, size, etc. of the
なお、図3(a)、(b)に示される撮像素子100は、配線層112の反対側から受光する裏面照射型の構造であるが、本実施形態ではこのような構造に限定されず、配線層112の側から受光する表面照射型の構造を有していてもよい。
The
以下、本実施形態における撮像素子100の各構成要素の働きについて説明する。
The operation of each component of the
撮像素子100に入射する白色の光は、まずマイクロレンズアレイによって集光され、ほぼすべての光が各マイクロレンズ103に対応した微小分光素子101を通過する。各微小分光素子101によって、光はxz面内で3波長域に空間的に分離され、各微小分光素子101の直下にある3画素102によりそれぞれ受光される。図3(b)に示す例では、各微小分光素子101によって、第1色成分の光(R)が第1の方向(右)へ、第2色成分の光(G)が第2の方向(直進)へ、第3色成分の光(B)が第3の方向(左)へ伝搬しているため、各微小分光素子101直下の3画素102DR(右)、DG(中央)、DB(左)がそれぞれR、G、Bのカラー情報の検出に対応する。
The white light incident on the
なお、上述は一例であって、各微小分光素子101の構成によっては、色成分と伝搬方向の組み合わせは自由に変更可能であり、それに伴って、RGBそれぞれに対応する画素102DR、DG、DBも変更される。
Incidentally, the above is an example, depending on the configuration of each micro
このように3波長域に空間的に分離された光が3画素102によりそれぞれ受光されると、各画素102内の光電変換素子によって光電変換がなされ、カラー情報を含む画像信号が出力される。
When the light spatially separated into the three wavelength regions is received by the three
なお、各微小分光素子101の直下にある3画素102DR、DG、DBのx軸方向の幅wd1、wd2、wd3は、同一であっても異なっていても良い。また、これに伴って、マイクロレンズ103のx軸方向の幅wlxとy軸方向の幅wlyは同一であっても異なっていても良い。図3の例では、3画素102DR、DG、DBのx軸方向の幅wd1、wd2、wd3が同一であり、マイクロレンズ103はwlxとwlyは異なっている。
The widths w d1 , w d2 , and w d3 in the x-axis direction of the three pixels 102 D R , D G , and D B directly below each microscopic
また、画素ユニット110と微小分光素子101との間には、内部マイクロレンズとして動作するSiN等からなる高屈折率の凹凸構造を備え得るが、後述する微小分光素子101は形成する位相遅延分布によっては、レンズ機能を有することが可能であるため、内部マイクロレンズを省略することも可能である。
Further, between the
以下、本実施形態における微小分光素子について説明する。 Hereinafter, the microscopic spectroscopic element according to the present embodiment will be described.
本実施形態1における微小分光素子101は、複数の微細な柱状構造体121から構成される。図4(a)は、本発明の実施形態1に係る撮像素子の微小分光素子を構成する柱状構造体の上面図であり、図4(b)は、その断面図である。柱状構造体121は、透明層111の屈折率n0よりも高い屈折率n1を有するSiN等の材料から形成されており、構造の厚みhは一定である。
The microscopic
また、柱状構造体121の底面および上面は正方形である。この柱状構造体121は、透明層111との屈折率差から、光を構造内に閉じ込めて伝搬させる光導波路として機能する。したがって、上面側から光を入射すると、光は柱状構造体121内に強く閉じ込められながら伝搬し、光導波路の実効的な屈折率neffにより決定される位相遅延効果を受けて、底面側から出力される。具体的に、透明層111を柱状構造体121の厚み分の長さを伝搬した光の位相を基準とした際、柱状構造体121による位相遅延量φは、光の真空中での波長をλとおくと、
φ=(neff−n0)×2πh/λ (1)
で表わされる。この位相遅延量は光の波長λによって異なるため、同一の柱状構造体121に入射した光に対して波長域(色成分)に応じて異なる位相遅延量を与えることができる。また、柱状構造体121の底面および上面が正方形であるため、偏光方向を変化させた場合においても、位相遅延効果を含む光学特性に変化はない。さらに、neffは構造寸法の関数であることが知られており、n0<neff<n1の値をとる。したがって、図4(a)、(b)に示す例では、柱状構造体121の幅wを変化させることで、任意の位相遅延量を設定することが可能である。
The bottom surface and the top surface of the
φ=(n eff −n 0 )×2πh/λ (1)
It is represented by. Since the amount of phase delay differs depending on the wavelength λ of light, it is possible to give different amounts of phase delay to light incident on the same
図5(a)の断面図は、x軸方向に上述の柱状構造体121−1、121−2を2つ並べて構成した、本実施形態1における微小分光素子101の一例である。なお、y軸方向には、波長以下の間隔で、上述の柱状構造体121−1、121−2が複数並んでいる。
The cross-sectional view of FIG. 5A is an example of the microscopic
図5(a)に示すように、x軸方向に隣接する柱状構造体121−1、121−2の幅wが異なっている。この幅wの差異により、微小分光素子101を透過した光に対して、波長領域毎に異なる位相遅延分布を与えることが可能となり、光波面を変化させることができる。光の伝搬方向(偏向方向)はこの光波面によって決定されるため、微小分光素子101を透過した光を波長域(色成分)に応じて空間的に分離することが可能となる。すなわち、本実施形態1における微小分光素子101は、複数の柱状構造体121を配置し、隣接する柱状構造体121−1、121−2の光の伝搬方向と直交する面における寸法wを変化させることで、入射光の波長領域に応じて異なる光波面を与え、色成分を空間的に分離する。
As shown in FIG. 5A, the columnar structures 121-1 and 121-2 adjacent to each other in the x-axis direction have different widths w. Due to the difference in the width w, it is possible to give a different phase delay distribution for each wavelength region to the light transmitted through the microscopic
例えば、図5(a)に示す構造の場合、図5(b)に示すように、3波長(例えば、RGBに対応する波長)に応じて異なる位相遅延分布を与えることができる。この例では、第1色成分の光(R)に対応する波長の位相遅延分布は位相量が0から+2πまで線形増加する直線上に沿っており、第2色成分の光(G)に対応する波長の位相遅延分布は空間的な変化はなく、第3色成分の光(B)に対応する波長の位相遅延分布は位相量が0から−2πまで線形減少する直線上に沿っている。この場合、微小分光素子101を透過した光は、図5(a)に示すように、第1色成分の光(R)が第1の方向(右)へ、第2色成分の光(G)が第2の方向(直進)へ、第3色成分の光(B)が第3の方向(左)へそれぞれ効率よく伝搬することができる。
For example, in the case of the structure shown in FIG. 5A, different phase delay distributions can be given according to three wavelengths (for example, wavelengths corresponding to RGB) as shown in FIG. 5B. In this example, the phase delay distribution of the wavelength corresponding to the light (R) of the first color component is along the straight line where the phase amount linearly increases from 0 to +2π, and corresponds to the light (G) of the second color component. The phase delay distribution of the wavelength does not change spatially, and the phase delay distribution of the wavelength corresponding to the light (B) of the third color component is along a straight line where the phase amount linearly decreases from 0 to −2π. In this case, as for the light transmitted through the microscopic
なお、上述の説明は一例であって、各柱状構造体121の寸法によっては、色成分と偏向方向の組み合わせは自由に変更可能である。例えば、第1色成分の光(R)が第2の方向(直進)へ、第2色成分の光(G)が第1の方向(右)へ、第3色成分の光(B)が第3の方向(左)へそれぞれ効率よく伝搬することができる。
Note that the above description is an example, and the combination of the color component and the deflection direction can be freely changed depending on the size of each
本実施形態における微小分光素子101のより詳細な一例を説明する。
A more detailed example of the microscopic
図6(a)は、本発明の実施形態1に係る撮像素子の微小分光素子の一例の上面図であり、図6(b)は、その断面図である。x軸方向には互い異なる幅w1、w2をもつ厚さ(2次元画素アレイに対して垂直方向の長さ)が一定の柱状構造体121−1、121−2が2つ並んでおり、y軸方向には同じ柱状構造体121−1、121−2が3つ並んでおり、以上を1つの微小分光素子101とする。なお、柱状構造体121−1、121−2を構成する材料はSiN(n1=2.03)を想定し、透明層を構成する材料はSiO2(n0=1.45)を想定し、底面および上面が正方形の場合を示している。また、すべての柱状構造体121−1、121−2の厚みhを1200nm、パターン左側の柱状構造体121−1の幅w1を145nm、パターン右側の柱状構造体121−2の幅w2を340nmとし、x軸およびy軸方向のおける柱状構造体121−1、121−2の間隔pは450nmとした。
FIG. 6A is a top view of an example of the microscopic spectroscopic element of the image sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a sectional view thereof. In the x-axis direction, two columnar structures 121-1 and 121-2 having different widths w 1 and w 2 and having a constant thickness (length in the direction perpendicular to the two-dimensional pixel array) are arranged. , The same columnar structures 121-1 and 121-2 are lined up in the y-axis direction, and the above is one
図7(a)、(b)に、上述の構造において、柱状構造体121−1、121−2の上面から平行光を入射した際、微小分光素子101の出射端から3方向(図6(b)のR、G、Bの各方向)に分離して伝搬する効率(入射光強度に対する各伝搬方向の光強度の比)の波長依存性(厳密結合波理論に基づく計算結果)を示す。図7(a)は、図6(a)中の縦の偏光をもつ光、図7(b)は図6(a)中の横の偏光をもつ光をそれぞれ入射した際の結果である。なお、計算の際、上述の微小分光素子101がx軸およびy軸方向においてPの間隔(P=3p)で並んでいると仮定したが、単体の微小分光素子101における光学機能との差異はほとんどないことを確認している。また、3方向のそれぞれの偏向角θR、θG、θBは、光の回折に基づいており、R:sinθR=λ/P、G:θG=0(直進)、B:sinθB=λ/Pとした。
7A and 7B, in the above structure, when parallel light is incident from the upper surfaces of the columnar structures 121-1 and 121-2, three directions from the emission end of the microscopic spectroscopic element 101 (see FIG. The wavelength dependence (computation result based on the exact coupled wave theory) of the efficiency (ratio of the light intensity in each propagation direction to the incident light intensity) of propagating separately in R, G, and B) in b) is shown. FIG. 7A shows the result when the light having the vertical polarization in FIG. 6A is incident, and FIG. 7B shows the result when the light having the horizontal polarization in FIG. 6A is incident. In the calculation, it was assumed that the microscopic
また、図7(a)、(b)に示した特性は、従来の撮像装置における色フィルタの分光感度特性に相当する。図7(a)、(b)に示す結果は、第1の方向(R)における効率は600nm以上の赤色波長域でピークをなし、第2の方向(G)における効率は500−600nmの緑色波長域でピークをなし、第3の方向(B)における効率は500nm以下の青色波長域でピークをなしていることを示している。また、40〜60%という良好な分光性能を示しており、かつ特性に大きな偏光依存性はみられない。なお、曲線R、G、Bの総和、すなわち総透過率は、95%以上であり、散乱や反射による光損失はほとんど生じない。 Further, the characteristics shown in FIGS. 7A and 7B correspond to the spectral sensitivity characteristics of the color filter in the conventional image pickup apparatus. The results shown in FIGS. 7A and 7B show that the efficiency in the first direction (R) has a peak in the red wavelength region of 600 nm or more, and the efficiency in the second direction (G) is green of 500 to 600 nm. It shows that it has a peak in the wavelength range, and the efficiency in the third direction (B) has a peak in the blue wavelength range of 500 nm or less. Further, it shows a good spectral performance of 40 to 60%, and no large polarization dependence is seen in the characteristics. The total sum of the curves R, G, and B, that is, the total transmittance is 95% or more, and light loss due to scattering or reflection hardly occurs.
以上の結果は、本実施形態1における微小分光素子101を用いることで、色成分の高効率な空間的な分離が可能であることを示している。さらに、上述の例では、単体の微小分光素子101のサイズは1.35μm角であり、一般的なCCDおよびCMOSセンサの最小ピクセルサイズと同等である。したがって、最小ピクセルサイズをもつ画素ユニット110に対応した微小分光素子101の形成が可能である。なお、柱状構造体121のサイズや数、配列パターンによって、異なるサイズの微小分光素子101を形成することも可能である。
The above results indicate that the use of the microscopic
微小分光素子101を構成する柱状構造体121の材料、数、形状、サイズ、配列パターンなどを適切に設計することにより、所望の分光特性を与えることが可能である。その結果、上述したように、個々の光電変換素子に所望の波長域の光のみを分離して入射させることが可能となり、各光電変換素子から出力される光電変換信号から、色成分に対応する信号を取得することができる。
By appropriately designing the material, the number, the shape, the size, the arrangement pattern and the like of the
また、上述の通り、微小分光素子101による光損失はほとんど生じないため、従来技術の色フィルタを用いた撮像素子と比較して、画素アレイに到達する光総量を飛躍的に増加させることができ、撮像感度を高めることが可能となる。なお、各微小分光素子101の分光性能が上述した理想的な性能と多少異なっていても、性能の差異の程度に応じて、取得した信号を補正・演算することによって良好な色情報を得ることが可能である。
Further, as described above, since the light loss due to the microscopic
また、上述の各柱状構造体121の配置において、周期的な構造に起因する不要な回折光が発生することを防ぐため、光の波長以下の間隔で配置することが望ましい。
Further, in the above-mentioned arrangement of each
上述の例では、柱状構造体の底面および上面が正方形の場合について説明したが、この形状に限定されない。すなわち、底面および上面の中心を通る軸を対称軸として4回回転対称となる形状面であれば、分光機能の偏光に対する依存性が生じることはなく、位相遅延効果をもたらす光導波路としての動作も失われることはない。したがって、図8(a)〜(h)に示すような正方形、中空正方形、円形、中空円形、十字形状といった4回回転対称となる面をもつ柱状構造体を採用することが望ましい。 In the above example, the case where the bottom surface and the top surface of the columnar structure are square has been described, but the shape is not limited to this. That is, as long as the surface has a shape that is rotationally symmetrical four times with the axis passing through the center of the bottom surface and the center of the top surface as the axis of symmetry, the dependence of the spectroscopic function on the polarization does not occur, and the operation as an optical waveguide that causes the phase delay effect is also achieved. It will not be lost. Therefore, it is desirable to employ a columnar structure having a surface that has four-fold rotational symmetry, such as a square, a hollow square, a circle, a hollow circle, and a cross, as shown in FIGS.
なお、微小分光素子101による色成分の分離後において、画素ユニット110上の各光空間分布が互いに十分に分離するためには、微小分光素子101の出力端と画素102の光電変換素子との間が1μm以上の間隔であることが好ましい。一方で、撮像素子100の薄膜化および材料費・プロセス時間の節約のため、上述の微小分光素子101の出力端と画素102の光電変換素子との間隔は、可能な限り短い方が好ましい。
In addition, after the color components are separated by the microscopic
また、この場合、短い伝搬距離で、画素ユニット110上の各光空間分布が色成分に応じて互いにはっきり分離する必要があるため、微小分光素子101によって光の波面を大きく傾けて、偏向する(曲がる)角度を大きくすることが好ましい。偏向する角度を大きくするには、微小分光素子101により形成される各波長域における位相遅延分布がそれぞれ0から2πまで変化する形が適しているため、それぞれの波長域において、柱状構造体121による位相遅延量の可変範囲は、2π以上有していることが好ましい。したがって、式(1)から、分離する波長域の最も長波長側の波長域における所望の中心波長をλrとすると、柱状構造体121の厚みhは、h=λr/(n1−n0)の近傍に設定することが望ましい。
Further, in this case, since the respective light space distributions on the
以上のような分光機能をもつ微小分光素子101は、公知の半導体製造技術により、薄膜堆積およびパターニングを実行することにより作製することができる。本実施形態1の微小分光素子101は、複数の厚さ一定の柱状構造体121から構成されるため、非特許文献1で開示されている階段状構造等と比較して、安価で容易に作製できる。
The microscopic
以下、本実施形態の撮像素子のおける微小光学素子および画素の配置について説明する。 Hereinafter, the arrangement of the micro optical element and the pixel in the image sensor of this embodiment will be described.
図3に示した一例では、x軸方向に沿って配置された微小分光素子101の行が、x軸方向にずれることなくy軸方向に沿って繰り返し配置されており、その結果y軸方向に沿って微小分光素子101のパターンが連続的に配置されている。この場合、x軸方向においては、各微小分光素子101直下の色成分に対応する3画素102DB、DG、DRが左からこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。
In the example shown in FIG. 3, the rows of the microscopic
さらに、画素102についても同様に、x軸方向に沿って配置された画素102の行が、x軸方向にずれることなくy軸方向に沿って繰り返し配置されており、その結果y軸方向に沿って3画素102DB、DG、DRがそれぞれ連続的に配置されている。
Further, similarly for the
図9(a)〜(c)は、本発明の実施形態1に係る撮像素子の色成分に対応する画素の配置を模式的に表したものである。x軸方向に隣り合う3つの画素102DB、DG、DRを1つのカラー画素ユニットUとすると、図9(a)に示すカラー画素ユニットU1、および、カラー画素ユニットU1に対して単一画素だけx軸方向にシフトしたカラー画素ユニットU2は、どちらもR、G、Bに対応する画素を必ず1つずつ含むことになる。すなわち、カラー画素ユニットUをxy平面において単一画素ずつシフトしながら、カラー情報取得すれば、RGB3色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、撮像素子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(いわゆるベイヤー配置と同等である)。したがって、本実施形態1の撮像素子は、高感度であることに加えて、単一画素サイズの高解像度でカラー情報を生成することができる。 9A to 9C schematically show the arrangement of pixels corresponding to the color components of the image sensor according to the first embodiment of the present invention. Assuming that three pixels 102D B , D G , and D R that are adjacent to each other in the x-axis direction are one color pixel unit U, the color pixel unit U 1 and the color pixel unit U 1 shown in FIG. The color pixel unit U 2 shifted by a single pixel in the x-axis direction always includes one pixel corresponding to R, G, and B. That is, if the color information is acquired while shifting the color pixel unit U by a single pixel in the xy plane, it is possible to obtain the information of the three colors of RGB for almost the number of pixels. This means that the resolution of the image sensor can be increased to the level of the number of pixels (equivalent to the so-called Bayer arrangement). Therefore, the image sensor according to the first embodiment has high sensitivity and can generate color information with high resolution of a single pixel size.
上述のような単一画素サイズの解像度を実現する微小光学素子および画素の配置は、図9(a)に限定されず、種々に変更することができる。図9(b)および図9(c)は、別の例を示しており、x軸方向沿って構成される微小分光素子101およびカラー画素ユニットUの行が、図9(b)では1画素サイズ分、図9(c)では2画素サイズ分、x軸方向にシフトしながら、順次y軸方向に配置されている。このような配置についても、図9(a)と同様に単一画素サイズの解像度でカラー情報を生成することができる。
The arrangement of the minute optical element and the pixel that realizes the resolution of the single pixel size as described above is not limited to that shown in FIG. 9A, but can be variously changed. 9B and 9C show another example, in which the row of the
図10(a)〜(c)は、図9(a)〜(c)とは別の配置の例を示しており、行毎に3画素DB、DG、DRの順番が反転する構成であり、x軸方向にシフトについては上述の図9(a)〜(c)とそれぞれ同様である。この場合についても、図9(a)と同様に単一画素サイズの解像度でカラー情報を生成することができる。なお、3画素DB、DG、DRの順番の反転を行うには、上述の微小分光素子101の柱状構造体121−1、121−2を、x軸において、左右反転させたパターンを用いればよい。
FIGS. 10A to 10C show an example of an arrangement different from that of FIGS. 9A to 9C, in which the order of the three pixels D B , D G , and D R is reversed for each row. The configuration is the same as that in FIGS. 9A to 9C described above with respect to shifting in the x-axis direction. Also in this case, color information can be generated with a resolution of a single pixel size, as in FIG. 9A. In order to invert the order of the three pixels D B , D G , and D R , a pattern in which the columnar structures 121-1 and 121-2 of the above-described microscopic
上述した図9(a)〜(c)および図10(a)〜(c)に示す画素配置は、入射光が各微小分光素子101の機能によって、第1色成分の光(R)が第1の方向(右)へ、第2色成分の光(G)が第2の方向(直進)へ、第3色成分の光(B)が第3の方向(左)へ伝搬し、各微小分光素子101直下の3画素102DR(右)、DG(中央)、DB(左)がそれぞれR、G、Bのカラー情報の検出に対応すると想定した際のものである。上述したように、微小分光素子101の構成によっては、微小分光素子101直下の画素102がRGB3色のいずれに対応したものになるか変わるが、基本的にはカラー画素ユニットU内の順番が変更されるだけである。そのような場合についても、図9および図10に示したカラー画素ユニットUの配置規則に従って、配置を設定すれば、同様に単一画素サイズの解像度でカラー情報を生成することができる。
In the pixel arrangements shown in FIGS. 9A to 9C and FIGS. 10A to 10C, the incident light is the first color component light (R) due to the function of each microscopic
以上の説明では、微小分光素子101のみを用いた場合の撮像素子100について述べた。次に、減色型の色フィルタを併用した際の変形例について説明する。
In the above description, the
図11に、本発明の実施形態1の変形例である撮像素子の概略構成の断面図を示す。図3との差異は、色成分に対応した画素102の上方に、画素102の色にそれぞれ対応した色フィルタ104を配置している点であり、その他は同一である。この構成の場合、従来技術の色フィルタのみの構成に比べて、光利用効率が向上し、かつ色再現性も向上する。
FIG. 11 is a sectional view of a schematic configuration of an image sensor that is a modified example of the first embodiment of the present invention. The difference from FIG. 3 is that
例えば、図7より、微小分光素子101のRGBへの分光効率は40〜60%とする。また、RGBの色フィルタ104の対応する波長域における透過率(分光効率)をそれぞれ90%とする。入射光がRGB1:1:1の比率の強度を有しているとする。この場合、微小分光素子101と色フィルタ104を併用した構成では、光が両者を透過して画素に入射するため、RGB3画素102に到達する光強度の総量は36〜54%となる。さらに、微小分光素子101および色フィルタ104の分光性能が掛け合わされ、不要な色成分が排除された状態で各画素102に入射するため、色再現性が大きく向上する。一方、色フィルタ104のみの構成の場合、3画素102に到達する光強度の総量は30%となり、色再現性も併用した構成に比べて悪い。したがって、微小分光素子101と色フィルタ104を併用した構成を用いることで、色再現性が向上した状態で、従来の色フィルタのみを使用した構成に比べて1.2〜1.8倍の感度向上が見込める。なお、微小分光素子101のみの構成に比べて、光利用効率は低下するが、色再現性が大幅に向上するため、この実施形態1の変形例は光利用率、すなわち感度と色再現性のバランスがよい構成といえる。
For example, from FIG. 7, it is assumed that the spectral efficiency of RGB of the microscopic
(実施形態2)
次に、本発明の実施形態2に係る撮像素子について説明する。
(Embodiment 2)
Next, an image sensor according to the second embodiment of the present invention will be described.
図12(a)は、本発明の実施形態2による撮像素子の一部の概略構成の上面図であり、図12(b)はその断面図である。図12(a)、(b)に示すように、本実施形態2の撮像素子300およびそれを用いた撮像装置は、実施形態1と比較して、x軸方向に沿って配置された複数の微小分光素子101の構造体パターンの向きが、交互に反転している点が異なる。
12A is a top view of a schematic configuration of a part of the image sensor according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 12B is a sectional view thereof. As shown in FIGS. 12A and 12B, the
また、x軸方向沿って構成される微小分光素子101およびカラー画素ユニットUの行が、2画素サイズ分x軸方向にシフトしながら、順次y軸方向に配置されており、その結果、y軸方向においても微小分光素子101の構造体パターンの向きが、交互に反転している。さらに、1つの微小分光素子101で分光された光を受光するx軸方向に沿って互いに隣接する3つの画素102のうち、両外側の2つの画素102は、隣接する他の2つの微小分光素子101で分光された光も受光する点も異なっている。なお、本実施形態2のその他の構成要素は、実施形態1の構成要素と同一である。以下、実施形態1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。
Further, the rows of the
図12(b)に示すように、x軸方向に沿って、微小分光素子101の構造体パターンの向きが、交互に反転しているため、色成分と偏向方向の組み合わせが交互に逆になっており、それに伴って、各微小分光素子101直下の色成分に対応する画素102が、左からDR、DG、DB、DG、DR、DG、DB…という順番になっている。各微小分光素子101の直下には、画素102DGが配置されており、その両側の画素102DRまたはDBは、隣接する2つの微小分光素子101で分光された光も受光する。
As shown in FIG. 12B, since the directions of the structure patterns of the microscopic
撮像素子300に入射する白色の光は、まずマイクロレンズアレイによって集光され、ほぼすべての光が各マイクロレンズ103に対応した微小分光素子101を通過する。各微小分光素子101によって、光はxz面内で3波長域に空間的に分離され、各微小分光素子101に対応する3画素102によりそれぞれ受光される。この際、微小分光素子101の直下の画素102(DG)の両側の画素102(DR、DB)は、隣接する2つの微小分光素子101から伝搬する光も受けるが、構造パターンの反転により、同じ波長域を受光することになる。
The white light incident on the
なお、上述は一例であって、各微小分光素子101の構成によっては、色成分と伝搬方向の組み合わせは自由に変更可能であり、それに伴って、RGBそれぞれに対応する画素102も変更される。このように3波長域に空間的に分離された光が3画素102によりそれぞれ受光されると、各画素102内の光電変換素子によって光電変換がなされ、カラー情報を含む画像信号として出力される。
The above is an example, and the combination of the color component and the propagation direction can be freely changed depending on the configuration of each microscopic
図13は、本発明の実施形態2に係る撮像素子の画素の配置を模式的に表したものである。1つのDR、2つのDG、および1つのDBを含む4つの画素102を1つのカラー画素ユニットUとする。この場合、図中に示すカラー画素ユニットU1に対して単一画素だけx軸方向またはy軸方向にシフトしても、1つのDR、2つのDG、および1つのDBを含むカラー画素ユニットU2を構成できる。すなわち、カラー画素ユニットUをxy平面において単一画素ずつシフトしながら、カラー情報取得すれば、RGB3色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、撮像素子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2の撮像素子300は、高感度であることに加えて、単一画素サイズの高解像度でカラー情報を生成することができる。
FIG. 13 schematically shows the arrangement of pixels of the image sensor according to the second embodiment of the present invention. The four
以上より、本実施形態2の構成のおいても、実施形態1と同様な機能を実現できる。また、本実施形態2は、上記実施形態1との相違点以外は実施形態1と同様であり、それら共通する構成要素は実施形態1で説明したものと同様の効果を有し、また、同様の変更が可能である。 As described above, also in the configuration of the second embodiment, the same function as that of the first embodiment can be realized. The second embodiment is the same as the first embodiment except for the differences from the first embodiment, and the common constituent elements have the same effects as those described in the first embodiment, and the same. Can be changed.
(実施形態3)
次に、本発明の実施形態3に係る撮像素子について説明する。
(Embodiment 3)
Next, an image sensor according to the third embodiment of the present invention will be described.
図14(a)は、本発明の実施形態3に係る撮像素子の一部の概略構成の上面図であり、図14(b)は、その断面図である。図14(a)、(b)に示すように、本実施形態3の撮像素子400および撮像装置は、実施形態1と比較して、マイクロレンズが各画素に一対一で対応するように配置されている点が異なる。また、カラー情報の取得に、各画素102からの光電変換信号を用いた行列演算を用いる点が異なっている。なお、その他の構成要素は実施形態1と同一である。以下、実施形態1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。
FIG. 14A is a top view of a schematic configuration of a part of the image sensor according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 14B is a sectional view thereof. As shown in FIGS. 14A and 14B, in the
図14(b)に示すように、マイクロレンズ103が各画素102に一対一で対応して配置されている。それに伴って、撮像素子400に入射する白色の光のうち、各微小分光素子101に入射し色分離される光は、微小分光素子101の直上に位置するマイクロレンズ103により集光された光のみであり、その他の光は、各マイクロレンズ103を介して、各マイクロレンズ直下の画素に直接入射する。
As shown in FIG. 14B,
ここで、単一のマイクロレンズ103へ入射する白色光の強度をWで表し、白色光を構成するRGB3色の強度をそれぞれR、G、Bとすると、3つのマイクロレンズ103を介して画素102DR、DG、DBに入射する光は、それぞれW+R、G、W+Bで表される強度の光である。なお、上述は一例であって、各微小分光素子101の構成によっては、色成分と伝搬方向の組み合わせは自由に変更可能であり、それに伴って、画素102DR、DG、DBにそれぞれ入射する色成分の構成も変更される。以下の説明では、画素102DR、DG、DBにそれぞれW+R、G、W+Bの強度の光が入射した際のおける行列演算によるカラー情報取得について述べるが、微小分光素子101の構成および分光性能によっては、行列演算子の数値は種々変更可能であることはいうまでもない。
Here, if the intensity of the white light incident on the
各画素102へそれぞれ入射したW+R、G、W+Bの強度の光は、光電変換素子によって光電変換がなされ、光電変換信号として出力される。ここで、RGB3色および白色光Wの光強度に対応する光電変換信号をSR、SG、SB、SWとし、W+R、G、W+Bの強度の光が入射した各画素102によって出力される光電変換信号をそれぞれSW+R、SG、SW+Bとする。なお、SWはSW=SR+SG+SBで表され、SW+R、SW+Bはそれぞれ、SW+R=SW+SR、SW+B=SW+SBの関係式で表すことができる。また、画素102DGに入射する光は、微小分光素子101によって分光されたGの成分であるため、SGがそのまま出力される。
The light having the intensities of W+R, G, and W+B respectively incident on each
以上より、SR、SG、SBは、以下のSW+R、SG、SW+Bを用いた行列演算で取得できる。 From the above, S R , S G , and S B can be obtained by matrix calculation using the following S W+R , S G , and S W+B .
したがって、各画素DR、DG、DBから出力される3つの光電変換信号SW+R、SG、SW+Bを用いた信号演算によって3つの色成分の強度情報であるSR、SG、SBを求めることができる。 Therefore, the intensity information S R of three color components is obtained by signal calculation using the three photoelectric conversion signals S W+R , S G , and S W+B output from the pixels D R , D G , and D B. , S G , S B can be obtained.
以上より、本実施形態3の構成のおいても、実施形態1と同様な機能を実現できる。本実施形態3は、上記実施形態1との相違点以外は実施形態1と同様であり、それら共通する構成要素は実施形態1で説明したものと同様の効果を有し、また、同様の変更が可能である。なお、色フィルタとの併用を用いた変形例においては、微小分光素子101直下の画素102上にのみ、対応する色成分の色フィルタを配置することが望ましい。
As described above, also in the configuration of the third embodiment, the same function as that of the first embodiment can be realized. The third embodiment is the same as the first embodiment except for the differences from the first embodiment, the common constituent elements thereof have the same effects as those described in the first embodiment, and the same changes. Is possible. In the modification using the color filter together, it is desirable to dispose the color filter of the corresponding color component only on the
(実施形態4)
次に、本発明の実施形態4に係る撮像素子について説明する。
(Embodiment 4)
Next, an image sensor according to the fourth embodiment of the present invention will be described.
図15(a)は、本発明の実施形態4に係る撮像素子の一部の概略構成の上面図であり、図15(b)は、その断面図である。図15(a)、(b)に示すように、本実施形態4の撮像素子500およびそれを用いた撮像装置は、実施形態2と比較して、マイクロレンズ103が各画素102に一対一で対応して配置されている点が異なる。また、カラー情報の取得に、各画素102からの光電変換信号を用いた行列演算を用いる点が異なっている。なお、その他の構成要素は実施形態2と同一である。以下、実施形態2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。
FIG. 15A is a top view of a schematic configuration of a part of the image sensor according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 15B is a sectional view thereof. As shown in FIGS. 15A and 15B, in the
図15(b)に示すように、マイクロレンズ103が各画素102に一対一で対応して配置されている。それに伴って、撮像素子500に入射する白色の光のうち、各微小分光素子101に入射し色分離される光は、微小分光素子101の直上に位置するマイクロレンズ103により集光された光のみであり、その他の光は、各マイクロレンズ103を介して、各マイクロレンズ103直下の画素102に直接入射する。
As shown in FIG. 15B,
ここで、実施形態3の説明と同様に、単一のマイクロレンズ103へ入射する白色光の強度をWで表し、白色光を構成するRGB3色の強度をそれぞれR、G、Bとすると、5つのマイクロレンズ103を介して画素102DR、DG、DBに入射する光は、それぞれW+2R、G、W+2Bで表される強度の光である。なお、上述は一例であって、各微小分光素子101の構成によっては、色成分と伝搬方向の組み合わせは自由に変更可能であり、それに伴って、画素102DR、DG、DBにそれぞれ入射する色成分の構成も変更される。以下の説明では、画素102DR、DG、DBにそれぞれW+2R、G、W+2Bの強度の光が入射した際のおける行列演算によるカラー情報取得について述べるが、微小分光素子101の構成および分光性能によっては、行列演算子の数値は種々変更可能であることはいうまでもない。
Here, as in the description of the third embodiment, the intensity of the white light incident on the
各画素102へそれぞれ入射したW+2R、G、W+2Bの強度の光は、光電変換素子によって光電変換がなされ、光電変換信号として出力される。ここで、実施形態3の説明と同様に、RGB3色および白色光Wの光強度に対応する光電変換信号をSR、SG、SB、SWとし、W+2R、G、W+2Bの強度の光が入射した各画素102によって出力される光電変換信号をそれぞれSW+2R、SG、SW+2Bとする。なお、SWはSW=SR+SG+SBで表され、SW+2R、SW+2Bはそれぞれ、SW+2R=SW+2SR、SW+2B=SW+2SBの関係式で表すことができる。また、画素102DGに入射する光は、微小分光素子101によって分光されたGの成分であるため、SGがそのまま出力される。
The light having the intensities of W+2R, G, and W+2B respectively incident on each
以上より、SR、SG、SBは、以下のSW+2R、SG、SW+2Bを用いた行列演算で取得できる。 From the above, S R , S G , and S B can be acquired by matrix calculation using the following S W+2R , S G , and S W+2B .
したがって、各画素DR、DG、DBから出力される3つの光電変換信号SW+2R、SG、SW+2Bを用いた信号演算によって3つの色成分の強度情報であるSR、SG、SBを求めることができる。 Therefore, the intensity information S R of the three color components is obtained by the signal operation using the three photoelectric conversion signals S W+2R , S G , and S W+2B output from the pixels D R , D G , and D B. , S G , S B can be obtained.
以上より、本実施形態4の構成のおいても、実施形態2と同様な機能を実現できる。本実施形態4は、上記実施形態2との相違点以外は実施形態2と同様であり、それら共通する構成要素は実施形態2で説明したものと同様の効果を有し、また、同様の変更が可能である。なお、色フィルタとの併用を用いた変形例においては、微小分光素子101直下の画素上にのみ、対応する色成分の色フィルタを配置することが望ましい。
As described above, also in the configuration of the fourth embodiment, the same function as that of the second embodiment can be realized. The fourth embodiment is the same as the second embodiment except for the differences from the second embodiment, the common constituent elements have the same effects as those described in the second embodiment, and the same changes. Is possible. In the modification using the color filter together, it is desirable to dispose the color filter of the corresponding color component only on the pixel directly below the microscopic
上述した実施形態1〜実施形態4は本発明の好適な具体例に過ぎず、本発明はこれらに限定されず、種々の変更が可能である。
The above-described
上述した実施形態1〜実施形態4では、微小分光素子101の材料としてSiNを想定した例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明の撮像素子を光の波長が380〜800nmの範囲の可視光領域で用いる場合は、微小分光素子の材料には、SiN、SiC、TiO2、GaN等の材料が、屈折率が高く、吸収損失が少ないため適している。また、波長が800〜1000nmの範囲の近赤外光に対しては、これらの光に対して低損失な材料として、Si、SiC、SiN、TiO2、GaAs、GaN等の材料が適している。さらに長波長体の近赤外領域(通信波長である1.3μmや1.55μm等)では、上述の材料に加えて、InP等を用いることができる。さらに、貼り付け、塗布して微小分光素子を形成する場合、フッ素化ポリイミド等のポリイミド、BCB(ベンゾシクロブテン)、光硬化性樹脂、UVエポキシ樹脂、PMMA等のアクリル樹脂、レジスト全般などのポリマー等が材料として挙げられる。
In the above-described first to fourth embodiments, examples have been shown in which SiN is assumed as the material of the microscopic
同様に、上述した実施形態1〜実施形態4では、透明層111の材料としてSiO2を想定した例を示したが、本発明はこれに限定されない。一般的なガラス材料、SiO2、空気層等、屈折率が微小分光素子材料の屈折率より低く、入射光の波長に対して低損失なものであれば何でもよい。
Similarly, in
上述した実施形態1〜実施形態4では、微小分光素子101が対応する3波長域の光として、赤、緑、青の3原色の光である場合を説明したが、3波長域のうちの少なくとも1つが3原色以外の波長の光(例えば赤外光や紫外光)であっても良い。
In the above-described
以上、本発明を具体的な実施の形態に基づいて説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。 Although the present invention has been described above based on the specific embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiments and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
1 物体
10 撮像装置
11 レンズ光学系
12 撮像素子
13 信号処理部
100、200、300、400、500、600、610、620 撮像素子
101 微小分光素子
102 画素
103 マイクロレンズ
104 色フィルタ
111 透明層
112 配線層
121 柱状構造体
601 配線層
602 画素
603 透明層
604 色フィルタ
605 マイクロレンズ
606、607 微細構造
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記画素アレイ上に形成された透明層と、
前記透明層の内部または上に、複数の分光素子が配列された分光素子アレイとを備え、
前記分光素子の各々は、前記透明層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から形成された複数の微細構造体からなる1組の微細構造体を含み、前記1組の微細構造体は、前記画素アレイに対して垂直方向の長さが等しく、前記画素アレイに対して水平方向の形状が異なり、一定の間隔で配置された複数の微細構造体からなり、前記画素アレイは前記複数の分光素子により波長に応じた方向に分光された光を受光する位置に配置されることを特徴とする撮像素子。 A pixel array in which a plurality of pixels including photoelectric conversion elements are arranged on a substrate;
A transparent layer formed on the pixel array,
Inside or on the transparent layer, a spectroscopic element array in which a plurality of spectroscopic elements are arranged,
Each of the light-splitting elements includes a set of microstructures made of a plurality of microstructures formed of a material having a refractive index higher than that of the transparent layer, and the one set of microstructures comprises: The pixel array is composed of a plurality of microstructures having the same length in the vertical direction, different shapes in the horizontal direction from the pixel array, and arranged at regular intervals. An image pickup device, wherein the image pickup device is arranged at a position for receiving light dispersed by the device in a direction according to a wavelength.
前記画素アレイ上に形成された透明層と、
前記透明層の内部または上に、複数の分光素子が配列された分光素子アレイとを備え、
前記分光素子の各々は、前記透明層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から形成された複数の微細構造体からなる1組の微細構造体を含み、前記1組の微細構造体は、前記画素アレイに対して水平方向の形状が異なり、一定の間隔で配置された複数の微細構造体からなり、前記分光素子に入射した光の少なくとも一部は、波長に応じて伝搬方向が異なる第1〜第3の偏向光に分離されて前記分光素子から出射し、前記画素アレイの一方向に連続して配置された3つの前記画素にそれぞれ入射することを特徴とする撮像素子。 A pixel array in which a plurality of pixels including photoelectric conversion elements are arranged on a substrate;
A transparent layer formed on the pixel array,
Inside or on the transparent layer, a spectroscopic element array in which a plurality of spectroscopic elements are arranged,
Each of the light-splitting elements includes a set of microstructures made of a plurality of microstructures formed of a material having a refractive index higher than that of the transparent layer, and the one set of microstructures comprises: At least a part of the light incident on the spectroscopic element has a different propagation direction depending on the wavelength, which is composed of a plurality of fine structures having different horizontal shapes with respect to the pixel array and arranged at regular intervals. An image pickup device, characterized in that it is separated into first to third polarized lights, emitted from the spectroscopic element, and made incident on each of the three pixels arranged in one direction of the pixel array.
隣接する連続した3つの前記画素は、前記第1の方向に沿って配置されており、
前記第1の方向に沿って隣接する3つの前記画素のうち、両外側の2つの画素は、前記第1の方向に沿って隣接する2つの前記分光素子から前記第1〜第3の偏向光のいずれかが入射されることを特徴とする請求項2に記載の撮像素子。 The directions of the one set of microstructures of the adjacent spectroscopic elements arranged along the first direction of the spectroscopic element array are alternately inverted,
The adjacent three continuous pixels are arranged along the first direction,
Of the three pixels that are adjacent to each other in the first direction, the two pixels on both outer sides are the first to third polarized light beams from the two spectroscopic elements that are adjacent to each other in the first direction. 3. The image sensor according to claim 2, wherein any one of the incident light is incident.
前記第1の光電変換素子に入射する光は、波長500nm以下の青色波長域で光強度のピークを有し、
前記第2の光電変換素子に入射する光は、波長500nm〜600nmの緑色波長域で光強度のピークを有し、
前記第3の光電変換素子に入射する光は、波長600nm以上の赤色波長域で光強度のピークを有することを特徴とする請求項4に記載の撮像素子。 If the incident light is white light,
The light incident on the first photoelectric conversion element has a peak of light intensity in a blue wavelength range of 500 nm or less,
The light incident on the second photoelectric conversion element has a peak of light intensity in the green wavelength region of wavelength 500 nm to 600 nm,
The image sensor according to claim 4, wherein the light incident on the third photoelectric conversion element has a peak of light intensity in a red wavelength region having a wavelength of 600 nm or more.
波長500nm以下の青色波長域で透過率のピークを有する第1のカラーフィルタ、
波長500nm〜600nmの緑色波長域で透過率のピークを有する第2のカラーフィルタ、および
波長600nm以上の赤色波長域で透過率のピークを有する第3のカラーフィルタのうち、少なくとも1つのカラーフィルタがアレイ状になるように配列されたカラーフィルタアレイをさらに備えたことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の撮像素子。 Between the pixel array and the spectral element array,
A first color filter having a peak transmittance in a blue wavelength range of 500 nm or less;
At least one color filter of the second color filter having a transmittance peak in the green wavelength range of wavelengths of 500 nm to 600 nm and the third color filter having a transmittance peak in the red wavelength range of wavelengths of 600 nm or more is 9. The image pickup device according to claim 1, further comprising a color filter array arranged so as to form an array.
前記撮像素子の撮像面に光学像を形成するための撮像光学系と、
前記撮像素子が出力する電気信号を処理する信号処理部と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。 An image sensor according to any one of claims 1 to 9,
An image pickup optical system for forming an optical image on the image pickup surface of the image pickup element,
A signal processing unit that processes an electrical signal output by the image sensor,
An imaging device comprising:
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Cited By (6)
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WO2022113363A1 (en) * | 2020-11-30 | 2022-06-02 | 日本電信電話株式会社 | Optical element, imaging element, and imaging device |
WO2022113362A1 (en) * | 2020-11-30 | 2022-06-02 | 日本電信電話株式会社 | Optical element, imaging element, and imaging device |
WO2022162801A1 (en) * | 2021-01-27 | 2022-08-04 | 日本電信電話株式会社 | Imaging device and optical element |
WO2022162800A1 (en) * | 2021-01-27 | 2022-08-04 | 日本電信電話株式会社 | Imaging device and optical element |
WO2023013085A1 (en) * | 2021-08-06 | 2023-02-09 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Imaging element |
KR20240037960A (en) | 2021-08-06 | 2024-03-22 | 소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤 | imaging device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009019818A1 (en) * | 2007-08-06 | 2009-02-12 | Panasonic Corporation | Light detecting device for imaging |
JP2010008990A (en) * | 2007-07-13 | 2010-01-14 | Canon Inc | Optical filter |
WO2014061173A1 (en) * | 2012-10-18 | 2014-04-24 | パナソニック株式会社 | Solid-state imaging element |
JP2014138142A (en) * | 2013-01-18 | 2014-07-28 | Panasonic Corp | Solid-state image sensor and imaging apparatus |
-
2020
- 2020-04-06 JP JP2020068560A patent/JP6981496B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010008990A (en) * | 2007-07-13 | 2010-01-14 | Canon Inc | Optical filter |
WO2009019818A1 (en) * | 2007-08-06 | 2009-02-12 | Panasonic Corporation | Light detecting device for imaging |
WO2014061173A1 (en) * | 2012-10-18 | 2014-04-24 | パナソニック株式会社 | Solid-state imaging element |
JP2014138142A (en) * | 2013-01-18 | 2014-07-28 | Panasonic Corp | Solid-state image sensor and imaging apparatus |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022113363A1 (en) * | 2020-11-30 | 2022-06-02 | 日本電信電話株式会社 | Optical element, imaging element, and imaging device |
WO2022113362A1 (en) * | 2020-11-30 | 2022-06-02 | 日本電信電話株式会社 | Optical element, imaging element, and imaging device |
WO2022162801A1 (en) * | 2021-01-27 | 2022-08-04 | 日本電信電話株式会社 | Imaging device and optical element |
WO2022162800A1 (en) * | 2021-01-27 | 2022-08-04 | 日本電信電話株式会社 | Imaging device and optical element |
WO2023013085A1 (en) * | 2021-08-06 | 2023-02-09 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Imaging element |
KR20240037960A (en) | 2021-08-06 | 2024-03-22 | 소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤 | imaging device |
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