JP5094476B2 - 分光素子、固体撮像素子、撮像装置、及び分光方法 - Google Patents

Description

本発明は、カラーフィルタを用いずに光を複数色に分光する分光素子に関する。

カラー画像撮像用の固体撮像素子として、従来からＣＭＯＳ型やＣＣＤ型等の単板式固体撮像素子が知られている。これらの固体撮像素子では、例えば下記の特許文献１に記載されている様に、半導体基板の表面部に光電変換素子であるフォトダイオードが二次元アレイ状に複数形成され、その上に、遮光膜が積層されると共に、この遮光膜のフォトダイオード対面箇所にフォトダイオードへの入射を可能とする開口が設けられ、その上に、カラーフィルタが積層される構造になっている。

カラーフィルタとしては、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の三原色が用いられる例が多い。そして、例えば、二次元アレイ状に配列形成された複数のフォトダイオードのうち約半数に緑色（Ｇ）のカラーフィルタが積層され、残りの半数のうちの半数に赤色（Ｒ）のカラーフィルタが、残りに青色（Ｂ）のカラーフィルタが積層され、夫々固体撮像素子の受光面に渡って各色カラーフィルタが平均的に散らばる様に配列される。

上述した従来の固体撮像素子では、１つのフォトダイオードに１つの遮光膜開口が対応し、１つの遮光膜開口に１色のカラーフィルタが対応することになる。このため、１つのフォトダイオードに入射する光のうち約２／３がカラーフィルタに吸収されてしまい（例えば赤色カラーフィルタに入射した青色光，緑色光はフィルタに吸収され熱となる。）、光利用効率が低いという問題を原理的に有している。

また、固体撮像素子の受光面に結像された被写体の光像を、各フォトダイオードがサンプリングして電気信号に変換することになるが、上述した従来の構造では、赤色のサンプリングポイントと緑色のサンプリングポイントと青色のサンプリングポイントが全て異なるため、赤色のサンプリングポイントにおける緑色，青色の検出信号は、周りの緑色，青色の各サンプリングポイントで得られた信号を補間演算して求めるという信号処理が必要となり、サンプリングポイントの位置ズレによる撮像画像の品質低下も原理的に避けることができないという問題もある。

特開２００７―１８０１５７号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光利用効率が高く、且つ、複数色に分光することが可能な分光素子を提供することを目的とする。

本発明の分光素子は、底辺から上辺の方向に長手の台形状開口が基板に設けられ前記台形状開口に入射される入射光と前記台形状開口内の内側面での反射光との干渉によって前記長手の方向に分光を起こす分光部を含む分光層を複数備え、前記複数の分光層が積層されている。

本発明の分光素子は、隣接して積層された２つの前記分光層に注目したとき、光出射側にある前記分光層に含まれる前記分光部には、光入射側にある前記分光層に含まれる前記分光部で分光された光の一部のみが入射されるように、前記２つの前記分光層の各々に含まれる前記分光部が構成されている。

本発明の分光素子は、前記分光層を２つ備える。

本発明の分光素子は、光入射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口の長手方向と、光出射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口の長手方向とが交差する。

本発明の分光素子は、光入射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口の長手方向と、光出射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口の長手方向とが直交する。

本発明の分光素子は、光入射側の前記分光層には１つの前記分光部が含まれ、光出射側の前記分光層には少なくとも１つの前記分光部が含まれ、光出射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口内の特定の波長域の光が分布する領域と、光入射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口内の前記特定の波長域と同じ波長域の光が分布する領域とが重なりを有している。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板内に形成された光電変換素子と、前記光電変換素子上方に設けられた前記分光素子とを備え、前記半導体基板に最も近い位置にある前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口の下に、前記光電変換素子が配置されている。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板内に形成された光電変換素子と、前記光電変換素子上方に設けられた前記分光素子とを備え、前記重なりの領域の下方に前記光電変換素子が形成されている。

本発明の固体撮像素子は、前記分光部の前記台形状開口が、第一の波長域の光と、第二の波長域の光と、第三の波長域の光とが長手方向に分布するように設計されており、光出射側の前記分光層には、第一の分光部と、第二の分光部と、第三の分光部の３つの前記分光部が含まれており、前記第一の分光部の前記第一の波長域の光が分布する第一領域と、光入射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記第一の波長域の光が分布する第二領域とが重なり、前記第二の分光部の前記第二の波長域の光が分布する第三領域と、光入射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記第二の波長域の光が分布する第四領域とが重なり、前記第三の分光部の前記第三の波長域の光が分布する第五領域と、光入射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記第三の波長域の光が分布する第六領域とが重なり、前記第一領域と前記第二領域の重なる領域の下方、前記第三領域と前記第四領域の重なる領域の下方、及び前記第五領域と前記第六領域の重なる領域の下方に、それぞれ前記光電変換素子が設けられている。

本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備える。

本発明の分光方法は、底辺から上辺の方向に長手の台形状開口が基板に設けられ前記台形状開口に入射される入射光と前記台形状開口内の内側面での反射光との干渉によって前記長手の方向に分光を起こす分光部によって前記入射光を分光し、前記分光部によって分光された光を、前記分光部とは別の前記分光部の前記台形状開口に入射させて前記別の分光部により再度分光を行う。

本発明の分光方法は、前記分光部によって分光された光の一部のみを、前記別の分光部の前記台形状開口に入射させて前記別の分光部により再度分光を行う。

本発明の分光方法は、前記分光部の前記台形状開口の長手方向と、前記別の分光部の前記台形状開口の長手方向とを交差させた状態で、前記分光部から前記別の分光部に光を入射させる。

本発明の分光方法は、前記分光部の前記台形状開口の長手方向と、前記別の分光部の前記台形状開口の長手方向とを直交させた状態で、前記分光部から前記別の分光部に光を入射させる。

本発明によれば、光利用効率が高く、且つ、複数色に分光することが可能な分光素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態である分光素子を構成する分光部の斜視図である。この分光部１０は、基板としての厚板１と、厚板１の上面から下面まで貫通して設けられた上面視で台形状の開口２とから構成されている。厚板１は本実施形態では金属で構成されている。

開口２の内側面は、上面，下面に対して垂直に設けても良く、また、傾斜して設け、厚板１の上面の開口に対して厚板１の下面の開口が相似形で小さくなるようにテイパー状開口としても良い。

分光部１０を金属の厚板１で構成するのは、開口２の内側面として十分な長さ（厚さ方向の長さ）を設ける必要があるためである。開口２に入射する光と、この光のうち開口２の内側面にて反射させた光とを干渉させることで、開口２の厚板１の下面側において分光が発生する。

開口２の内側面で入射光を反射させるため、厚板１を厚手材料で形成するが、金属の厚板である必要はなく、半導体基板に集積回路製造技術を用いて開口２を形成し、その内側面や上面に反射率の高い金属膜を成膜することでも良い。上面の反射膜は遮光膜として機能する。

図２は、開口２の説明図である。開口２は上面視で台形状に形成される。開口２は、四隅の角が角張った台形でも良く、四隅が丸く形成された形状でも良い。あるいは上辺が限りなく「点」に近い二等辺三角形の形状でも良い。このため、「台形状」の開口という用語を用いて説明する。

台形状開口２の両側面を延長したとき二等辺三角形となるが、この二等辺三角形の頂角θを所定角度以下の狭角に調整して開口２を開けることで、開口２内で生じる分光の程度を調整することができる。また、台形状開口２の上辺２ａを切る頂点Ａからの距離ｔを調整して開口２を開けることで、分光する光の短波長側を規定することができる。

開口２の大きさとしては、例えば、台形の高さが高々１０μｍ程度、幅（下辺２ｂの長さ）が高々１μｍ程度であるが、厚板１の厚さや、開口２の内側面を垂直にするのではなく傾斜して設けた場合にはその傾斜角、上記の頂角θ等にも依存するため、これに限るものではない。

台形（開口２）の底辺２ｂ側に長波長の色が分光する程度が強くなり、短辺（上辺）２ａ側に短波長の色が分光する程度が強くなる。このため、上記のθ，ｔ，厚さ，傾斜角，底辺２ｂの長さ，使用する金属の種類（反射率）等を選択することで、上辺２ａから底辺２ｂにかけて、第一の波長域である青色（Ｂ），第二の波長域である緑色（Ｇ），第三の波長域である赤色（Ｒ）と順に分光させることが可能となる。以下では、分光部１０が入射光をＲＧＢの三原色に分光するものとして説明するが、勿論、シアン、マゼンタ、イエロー等の補色に分光するように分光部１０を設計することも可能である。

図３は、本発明の実施形態である固体撮像素子の単位画素の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図３において図１と同じ構成には同一符号を付してある。本実施形態の固体撮像素子は、この単位画素を二次元配列したものとなっており、各単位画素でカラー画像データの１画素のデータを取得することが可能となっている。

図３に示す単位画素は、シリコン等の半導体基板２０と、半導体基板２０上に設けられた分光素子４０とを備える。

分光素子４０は、半導体基板２０上に設けられた金属等の厚板３０と、厚板３０上に設けられた厚板１とを備える。この単位画素には、厚板１上方から光が入射されるようになっている。

厚板３０は、厚板１と同じ材料で構成されており、台形状開口２Ｂと台形状開口２Ｇと台形状開口２Ｒとが、その上面から下面まで貫通して形成されている。

台形状開口２Ｂ、２Ｇ、２Ｒは、それぞれ台形状開口２を単に縮小した形状となっている。このため、台形状開口２Ｂ、２Ｇ、２Ｒの各々に厚板３０の上面側から入射された光は、それぞれ、分光部１０と同様に分光されて厚板３０の下面側から出射される。即ち、厚板３０と台形状開口２Ｂとによって分光部１０と同じ機能を持つ分光部１０Ｂが構成され、厚板３０と台形状開口２Ｇとによって分光部１０と同じ機能を持つ分光部１０Ｇが構成され、厚板３０と台形状開口２Ｒとによって分光部１０と同じ機能を持つ分光部１０Ｒが構成される。このため、分光素子４０の構成は、分光部１０と同じ機能を持つ分光部を３つ含む分光層と、分光部１０を１つ含む分光層とを積層した構成と言うこともできる。

分光部１０では、光の振動方向が台形状開口２の長手方向（図３のｙ方向）である偏光（以下、ｙ偏光という）を入射したときに、分光が起き易いことが実験で分かっている。しかし、自然光には様々な振動方向の光が含まれるため、１つの分光部１０だけでは、ｙ偏光以外の偏光（例えば振動方向が図３のｘ方向であるｘ偏光）を上手く分光することが難しい。そこで、本実施形態では、台形状開口２Ｂ、２Ｇ、２Ｒの各々の長手方向と、台形状開口２の長手方向とを直交させることで、台形状開口２において分光されにくかったｘ偏光を、台形状開口２Ｂ、２Ｇ、２Ｒにて良好に分光できるようにしている。

尚、図３の例では、台形状開口２の長手方向と台形状開口２Ｂ、２Ｇ、２Ｒの長手方向が直交するものとしているが、これらは交差していれば良い。これらが交差していることで、自然光に含まれる様々な振動方向の光のうちの２つについて分光を良好に行うことができるようになる。撮像を行う場合には、垂直方向と水平方向の分光が特に重要となるため、台形状開口２の長手方向と台形状開口２Ｂ、２Ｇ、２Ｒの長手方向を直交させておくことが好ましい。

図３に示したように、台形状開口２Ｂ内においてＢ光が分布する領域と、台形状開口２内においてＢ光が分布する領域とが重なりを有し、台形状開口２Ｇ内においてＧ光が分布する領域と、台形状開口２内においてＧ光が分布する領域とが重なりを有し、台形状開口２Ｒ内においてＲ光が分布する領域と、台形状開口２内においてＲ光が分布する領域とが重なりを有するように、台形状開口２Ｂ，２Ｇ，２Ｒの配置が決められている。

台形状開口２Ｂ内においてＢ光が分布する領域と、台形状開口２内においてＢ光が分布する領域とが重なる領域下方の半導体基板２０内には、光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）２１Ｂが２つ形成されている。

台形状開口２Ｇ内においてＧ光が分布する領域と、台形状開口２内においてＧ光が分布する領域とが重なる領域下方の半導体基板２０内にはＰＤ２１Ｇが２つ形成されている。

台形状開口２Ｒ内においてＲ光が分布する領域と、台形状開口２内においてＲ光が分布する領域とが重なる領域下方の半導体基板２０内にはＰＤ２１Ｒが２つ形成されている。

半導体基板２０には、各ＰＤ２１Ｒ，Ｇ，Ｂに蓄積された電荷に応じた信号を外部に出力するための図示しない信号出力回路が形成されている。信号出力回路は、例えばＭＯＳトランジスタからなるＭＯＳ回路やＣＣＤ及び出力アンプからなるＣＣＤ出力回路等の公知のものを用いることができる。

以上のように構成された単位画素において各ＰＤ２１Ｒ，Ｇ，Ｂで光が検出されるまでの流れを説明する。
台形状開口２に厚板１の上面側から光が入射されると、この光のうちの特にｙ偏光の成分が図２に示すようにＲＧＢに分光されて、厚板１の下面側から出射される。

台形状開口２から出射された光の一部は、台形状開口２と台形状開口２Ｂとが重なっている部分から台形状開口２Ｂ内に入射され、ここで特にｘ偏光の成分がＲＧＢに分光されて、厚板３０の下面側から出射される。出射された光は、ＰＤ２１Ｂに入射し、ここで電荷に変換されて蓄積される。

台形状開口２から出射された光の別の一部は、台形状開口２と台形状開口２Ｇとが重なっている部分から台形状開口２Ｇ内に入射され、ここで特にｘ偏光の成分がＲＧＢに分光されて、厚板３０の下面側から出射される。出射された光は、ＰＤ２１Ｇに入射し、ここで電荷に変換されて蓄積される。

台形状開口２から出射された光の更に別の一部は、台形状開口２と台形状開口２Ｒとが重なっている部分から台形状開口２Ｒ内に入射され、ここで特にｘ偏光の成分がＲＧＢに分光されて、厚板３０の下面側から出射される。出射された光は、ＰＤ２１Ｒに入射し、ここで電荷に変換されて蓄積される。

露光終了後は、ＰＤ２１Ｒ，Ｇ，Ｂに蓄積された電荷に応じた信号が出力される。本実施形態の固体撮像素子を搭載する撮像装置の信号処理部では、固体撮像素子の単位画素から出力された６つの色信号のうち、同色の信号同士を加算してＲＧＢ３つの信号を生成し、この３つの信号から、カラー画像データの１画素のデータを生成する。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子によれば、分光部１０と、それと同一機能の分光部１０Ｒ，Ｇ，Ｂとを積層した分光素子４０を用いているため、分光素子４０のうち光入射側に設けられた分光部１０で分光しきれなかった光を、光出射側に設けた分光部１０Ｒ，Ｇ，Ｂによって再度分光することができる。したがって、分光部１０１つだけで分光を行う場合に比べて波長分解能を向上させることができ、画質を向上させることができる。

又、本実施形態の分光素子４０は、台形状開口２の長手方向と台形状開口２Ｒ，Ｇ，Ｂの長手方向とが交差しているため、分光素子４０のうち光入射側に設けられた分光部１０では分光しにくい成分の光を、光出射側に設けた分光部１０Ｒ，Ｇ，Ｂによって良好に分光することができ、波長分解能を向上させることができる。又、台形状開口２の長手方向と台形状開口２Ｒ，Ｇ，Ｂの長手方向とが直交するようにしているため、固体撮像素子による撮像画質を向上させることができる。

又、本実施形態の固体撮像素子によれば、台形状開口２Ｂ内においてＢ光が分布する領域と、台形状開口２内においてＢ光が分布する領域とが重なるようにしているため、この重なりの領域下方に、他の領域よりも多くのＢ光を集めることができる。したがって、この重なりの領域下方にＰＤを配置することで、Ｂ光を効果的に検出することができるようになる。同様な理由から、Ｇ光とＲ光についても、これらを効果的に検出することが可能となる。

以下、本実施形態の固体撮像素子の変形例を列挙する。

（１）図３の例では、ＰＤ２１ＢとＰＤ２１ＧとＰＤ２１Ｒとをそれぞれ２つずつ設けているが、これらは１つずつ設けた構成としても良いし、３つ以上ずつ設けた構成としても良い。同色の色を検出するＰＤを複数設けておくことで、この複数のＰＤからの信号を加算して感度を稼ぐことができ、撮像装置で設定できるＩＳＯ感度を向上させることができる。

（２）図３に示す単位画素の厚板１の上方にマイクロレンズを設けておき、このマイクロレンズによって台形状開口２に光を効率的に集光できるようにしておいても良い。

（３）厚板３０に設ける台形状開口を１つとしても良い。以下、この場合の構成例を説明する。

図４は、本発明の実施形態である固体撮像素子の単位画素の変形例を示す図である。
図４に示した単位画素は、図３に示した台形状開口２Ｂと台形状開口２Ｒを削除し、台形状開口２Ｇを台形状開口２と同一形状とした構成となっている。又、図４に示した単位画素は、台形状開口２Ｇ内においてＧ光が分布する領域と、台形状開口２内においてＧ光が分布する領域とが重なる領域下方の半導体基板２０内にのみＰＤ２１Ｇを設けた構成となっている。このような構成であっても、同様に波長分解能を向上させることができる。尚、図４に示した構成では、単位画素からＧ成分の信号しか得られないが、モノクロ撮像を行うのであれば、これでも十分である。

（４）厚板３０に設ける台形状開口を２つ又は４つ以上としても良いし、厚板１に設ける台形状開口の長手方向と厚板３０に設ける台形状開口の長手方向とは交差していなくとも良い。

（５）分光部１０と同じ機能の分光部を含む分光層を３つ以上積層した構成としても良い。例えば、ｘ偏光と、ｙ偏光と、振動方向がｘ方向とｙ方向に４５度で交わる方向である偏光の分光を良好に行いたい場合には、図３の厚板１と厚板３０の間に更に分光部を含む層を追加すれば良い。ここで追加する分光部は、その開口の長手方向がｘ方向とｙ方向に４５度で交わる方向となるようにしておけば良い。

尚、今までに説明した波長分解能向上という効果は、隣接して積層された２つの分光層に注目したとき、光出射側にある分光層に含まれる分光部の台形状開口と、光入射側にある分光層に含まれる分光部の台形状開口とが全く同じ大きさ、形状であり、これらが完全に一致して重なってしまった状態では得ることはできない。このため、上記効果を得るためには、光出射側にある分光層に含まれる分光部に、光入射側にある分光層に含まれる分光部で分光された光の全部ではなく一部のみが入射されるようにしておく必要がある。

本発明の分光素子を構成する分光部の実施形態を示す斜視図 図１の台形状開口の説明図 本発明の実施形態である固体撮像素子の単位画素の概略構成を示す図 本発明の実施形態である固体撮像素子の単位画素の変形例を示す図

符号の説明

３０ 厚板
２，２Ｂ，２Ｇ，２Ｒ 台形状開口
２ａ 上辺
２ｂ 底辺
１０，１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒ 分光部
４０ 分光素子

Claims (14)

1. 底辺から上辺の方向に長手の台形状開口が基板に設けられ前記台形状開口に入射される入射光と前記台形状開口内の内側面での反射光との干渉によって前記長手の方向に分光を起こす分光部を含む分光層を複数備え、
   前記複数の分光層が積層されている分光素子。
2. 請求項１記載の分光素子であって、
   隣接して積層された２つの前記分光層に注目したとき、光出射側にある前記分光層に含まれる前記分光部には、光入射側にある前記分光層に含まれる前記分光部で分光された光の一部のみが入射されるように、前記２つの前記分光層の各々に含まれる前記分光部が構成されている分光素子。
3. 請求項１又は２記載の分光素子であって、
   前記分光層を２つ備える分光素子。
4. 請求項３記載の分光素子であって、
   光入射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口の長手方向と、光出射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口の長手方向とが交差する分光素子。
5. 請求項４記載の分光素子であって、
   光入射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口の長手方向と、光出射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口の長手方向とが直交する分光素子。
6. 請求項３〜５のいずれか１項記載の分光素子であって、
   光入射側の前記分光層には１つの前記分光部が含まれ、
   光出射側の前記分光層には少なくとも１つの前記分光部が含まれ、
   光出射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口内の特定の波長域の光が分布する領域と、光入射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口内の前記特定の波長域と同じ波長域の光が分布する領域とが重なりを有している分光素子。
7. 半導体基板内に形成された光電変換素子と、
   前記光電変換素子上方に設けられた請求項１〜６のいずれか１項記載の分光素子とを備え、
   前記半導体基板に最も近い位置にある前記分光層に含まれる前記分光部の前記台形状開口の下に、前記光電変換素子が配置されている固体撮像素子。
8. 半導体基板内に形成された光電変換素子と、
   前記光電変換素子上方に設けられた請求項６記載の分光素子とを備え、
   前記重なりの領域の下方に前記光電変換素子が形成されている固体撮像素子。
9. 請求項８記載の固体撮像素子であって、
   前記分光部の前記台形状開口が、第一の波長域の光と、第二の波長域の光と、第三の波長域の光とが長手方向に分布するように設計されており、
   光出射側の前記分光層には、第一の分光部と、第二の分光部と、第三の分光部の３つの前記分光部が含まれており、
   前記第一の分光部の前記第一の波長域の光が分布する第一領域と、光入射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記第一の波長域の光が分布する第二領域とが重なり、
   前記第二の分光部の前記第二の波長域の光が分布する第三領域と、光入射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記第二の波長域の光が分布する第四領域とが重なり、
   前記第三の分光部の前記第三の波長域の光が分布する第五領域と、光入射側の前記分光層に含まれる前記分光部の前記第三の波長域の光が分布する第六領域とが重なり、
   前記第一領域と前記第二領域の重なる領域の下方、前記第三領域と前記第四領域の重なる領域の下方、及び前記第五領域と前記第六領域の重なる領域の下方に、それぞれ前記光電変換素子が設けられている固体撮像素子。
10. 請求項７〜９のいずれか１項記載の固体撮像素子を備える撮像装置。
11. 底辺から上辺の方向に長手の台形状開口が基板に設けられ前記台形状開口に入射される入射光と前記台形状開口内の内側面での反射光との干渉によって前記長手の方向に分光を起こす分光部によって前記入射光を分光し、前記分光部によって分光された光を、前記分光部とは別の前記分光部の前記台形状開口に入射させて前記別の分光部により再度分光を行う分光方法。
12. 請求項１１記載の分光方法であって、
    前記分光部によって分光された光の一部のみを、前記別の分光部の前記台形状開口に入射させて前記別の分光部により再度分光を行う分光方法。
13. 請求項１１又は１２記載の分光方法であって、
    前記分光部の前記台形状開口の長手方向と、前記別の分光部の前記台形状開口の長手方向とを交差させた状態で、前記分光部から前記別の分光部に光を入射させる分光方法。
14. 請求項１３記載の分光方法であって、
    前記分光部の前記台形状開口の長手方向と、前記別の分光部の前記台形状開口の長手方向とを直交させた状態で、前記分光部から前記別の分光部に光を入射させる分光方法。

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