JP5503459B2 - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、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要素、緑（Ｇ）２要素、青（Ｂ）１要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、それぞれ赤の波長域の光（Ｒ光）、緑の波長域の光（Ｇ光）、青の波長域の光（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。
上記の感度低下の問題に対して、入射光を多く取り込むために、撮像素子の受光部にマイクロレンズアレイを取り付けることによって受光量を増やす技術が特許文献１に開示されている。この技術によれば、マイクロレンズを用いて光感知セルに集光することにより、撮像素子における光開口率を実質的に向上させることができる。この技術は現在殆どの固体撮像素子に用いられている。この技術を用いれば、確かに実質的な開口率は向上するが、色フィルタによる光利用率低下の問題を解決するものではない。
光利用率低下と感度低下の問題を同時に解決する技術として、多層膜の色フィルタ（ダイクロイックミラー）とマイクロレンズとを組み合わせて、光を最大限利用する技術が特許文献２に開示されている。この技術では、光を吸収せず特定波長域の光を選択的に透過させ、他の波長域の光を反射する複数のダイクロイックミラーが用いられる。これにより、光を損失することなく、個々の光感知部に必要な波長域の光のみを入射させることができる。
図１３は、特許文献２に開示された撮像素子の撮像面に垂直な方向の断面を模式的に示す図である。この撮像素子は、撮像素子の表面および内部にそれぞれ配置された集光用のマイクロレンズ４ａ、４ｂと、遮光部２０と、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃと、ダイクロイックミラー１７、１８、１９とを備えている。ダイクロイックミラー１７、１８、１９は、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃにそれぞれ対向して配置されている。ダイクロイックミラー１７は、Ｒ光を透過させ、Ｇ光およびＢ光を反射する特性を有している。ダイクロイックミラー１８は、Ｇ光を反射し、Ｒ光およびＢ光を透過させる特性を有している。ダイクロイックミラー１９は、Ｂ光を反射し、Ｒ光およびＧ光を透過させる特性を有している。
マイクロレンズ４ａに入射した光は、マイクロレンズ４ｂによって光束を調整された後、第１のダイクロイックミラー１７に入射する。第１のダイクロイックミラー１７は、Ｒ光を透過させるが、Ｇ光およびＢ光を反射する。第１のダイクロイックミラー１７を透過した光は、光感知セル２ａに入射する。第１のダイクロイックミラー１７で反射されたＧ光およびＢ光は、隣接する第２のダイクロイックミラー１８に入射する。第２のダイクロイックミラー１８は、入射した光のうちＧ光を反射し、Ｂ光を透過させる。第２のダイクロイックミラー１８で反射されたＧ光は、光感知セル２ｂに入射する。第２のダイクロイックミラー１８を透過したＢ光は、第３のダイクロイックミラー１９で反射され、その直下の光感知セル２ｃに入射する。このように、特許文献２に開示された撮像素子によれば、集光マイクロレンズ４ａに入射した可視光は、色フィルタによって吸収されることなく、そのＲ、Ｇ、Ｂの各色成分が３つの光感知セルによって無駄なく検出される。
上記の従来技術のほか、マイクロプリズムを用いることによって光の損失を防ぐことができる撮像素子が特許文献３に開示されている。この撮像素子は、マイクロプリズムによってＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分離された光をそれぞれ異なる光感知セルが受ける構造を有している。このような撮像素子によっても光の損失を防ぐことができる。
しかしながら、特許文献２および特許文献３に開示された技術では、利用するダイクロイックミラーの数だけ、または分光する数だけ光感知セルを設ける必要がある。例えばＲＧＢ３色の光を検出するには、光感知セルの数を、従来の色フィルタを用いた場合の光感知セルの数と比較して３倍に増やさなければならないという課題がある。
以上の技術に対し、光の損失は一部発生するが、ダイクロイックミラーを用いて光の利用率を高める技術が特許文献４に示されている。図１４は当該技術を用いた撮像素子の断面図の一部を示している。図示されるように、透光性の樹脂２１内にダイクロイックミラー２２、２３が配置される。ダイクロイックミラー２２はＧ光を透過させ、Ｒ光およびＢ光を反射する特性を有している。また、ダイクロイックミラー２３はＲ光を透過させ、Ｇ光およびＢ光を反射する特性を有している。
このような構成により、Ｂ光は光感知部で受光できないが、Ｒ光、Ｇ光は以下の原理で全て検出できる。まずＲ光がダイクロイックミラー２２、２３に入射すると、ダイクロイックミラー２２では反射され、ダイクロイックミラー２３では透過する。ダイクロイックミラー２２で反射されたＲ光は、さらに透光性の樹脂２１と空気との界面でも反射され、ダイクロイックミラー２３に入射する。Ｒ光は、ダイクロイックミラー２３を透過し、さらにＲ光透過性を有する有機色素フィルタ２５およびマイクロレンズ２６も透過する。このようにして、一部が金属層２７で反射するものの、ダイクロイックミラー２２、２３に入射するＲ光の殆どが光感知部に入射する。一方、Ｇ光がダイクロイックミラー２２、２３に入射すると、ダイクロイックミラー２２では透過し、ダイクロイックミラー２３では反射される。ダイクロイックミラー２３で反射されたＧ光は、さらに透光性の樹脂２１と空気との界面で全反射し、ダイクロイックミラー２２に入射する。Ｇ光は、ダイクロイックミラー２２を透過し、さらにＧ光透過性を有する有機色素フィルタ２４およびマイクロレンズ２６も透過する。このようにして、一部が金属層２７で反射するものの、ダイクロイックミラー２２、２３に入射するＧ光の殆どが損失なく光感知部に入射する。
以上の原理により、特許文献４に示された技術では、Ｒ、Ｇ、Ｂ光のうち１色は損失するものの２色は殆ど損失なく受光できる。このため、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色分の光感知部を配置する必要はない。ここで、ダイクロイックミラーを有さず有機色素フィルタのみによってカラー化を行う場合と比較すると、有機色素フィルタのみによる場合の光利用率が約１／３であるのに対して、特許文献４に開示された技術を用いた場合の光利用率は全入射光の約２／３となる。すなわち、この技術によれば撮像感度が約２倍に向上する。しかしながら、この技術によっても、３色のうちの１色は損失することになるため、光利用率を１００％にはできないという課題が残る。
一方、分光要素を用いて大幅に光感知セルを増やすことなく光利用率を高めるカラー化技術が特許文献５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。
特開Ｓ５９−９０４６７号公報 特開２０００−１５１９３３号公報 特開２００１−３０９３９５号公報 特開２００３−７８９１７号公報 国際公開第２００９／１５３９３７号
従来技術では、光吸収タイプの色フィルタを用いれば、大幅に光感知セルを増やさずに済むが、光利用率が低くなるという問題点がある。また、特許文献２、３に開示された技術のように、ダイクロイックミラーやマイクロプリズムを用いれば、光利用率を高くすることができるが、光感知セルを大幅に増やさなければならないという課題がある。
一方、特許文献５に開示された技術によれば、確かに光利用率の高いカラー画像が理論上得られるが、理想的な分光特性を持つ分光要素を製造することが難しい。分光要素の材料特性や製造精度が悪いと、各光感知セルから出力される光電変換信号も理想的な信号にはならず、カラー画像の色再現性が低下するという課題がある。
本発明は、上記の課題を解決するものであり、その主たる目的は、光感知セルを大幅に増やすことなく、光利用率を高くすることができ、かつ従来技術よりも色再現性の高いカラー撮像技術を提供することにある。
本発明の固体撮像素子は、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックが撮像面上に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、前記光感知セルアレイおよび前記分光要素アレイの間に配置され、複数の色フィルタを含む色フィルタアレイとを備えている。前記分光要素アレイおよび前記色フィルタ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、前記第１の光感知セルのセル入射光が第１波長域の光、第２波長域の光、および第３波長域の光を含むとき、前記分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに対向して配置された第１の分光要素であって、前記第１のセル入射光に含まれる前記第１波長域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る第１の分光要素を含み、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの少なくとも一方に、前記第１波長域の光、前記第２波長域の光、および前記第３波長域の光の少なくとも２つの波長域の光を入射させるように構成されている。前記色フィルタアレイは、前記第１の光感知セルおよび前記第１の分光要素の間に配置された第１の色フィルタであって、前記第１波長域の光を吸収または反射する第１の色フィルタを含む。
ある実施形態において、前記第１の分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光の一部を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光の他の一部を隣接単位ブロックに含まれる第２の光感知セルに入射させる。
ある実施形態において、固体撮像素子は、前記第２の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素をさらに備え、前記第１の分光要素は、前記第１波長域の光を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第２波長域の光を隣接単位ブロックに含まれる第２の光感知セルに入射させ、前記第３波長域の光を前記第１の光感知セルに入射させ、前記第２の分光要素は、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光の一部を前記第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に含まれる前記第２波長域の光の他の一部を他の隣接単位ブロックに含まれる第１の光感知セルに入射させ、前記第１および第３波長域の光を前記第２の光感知セルに入射させる。
ある実施形態において、各単位ブロックは、第３の光感知セルと、第４の光感知セルとを含む。前記分光要素アレイは、前記第３の光感知セルに対向して配置された第３の分光要素であって、前記第３の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１および第２波長域の一方の波長域の光を前記第４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に含まれる前記第１および第２波長域の他方の波長域の光を前記他の隣接単位ブロックに含まれる第４の光感知セルに入射させ、前記第３波長域の光を前記第３の光感知セルに入射させる第３の分光要素と、前記第４の光感知セルに対向して配置された第４の分光要素であって、前記第４の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光の一部を前記第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に含まれる前記第１波長域の光の他の一部を前記隣接単位ブロックに含まれる第３の光感知セルに入射させ、前記第２および第３波長域の光を前記第４の光感知セルに入射させる第４の分光要素とを含む。また、前記色フィルタアレイは、前記第３の光感知セルおよび前記第３の分光要素の間に配置された第２の色フィルタであって、前記第２波長域の光を吸収または反射する第２の色フィルタを含む。
ある実施形態において、各単位ブロックは、第３の光感知セルと、第４の光感知セルとを含み、前記分光要素アレイは、前記第４の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素であって、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光の一部を前記第３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に含まれる前記第２波長域の光の他の一部を、他の隣接単位ブロックに含まれる第３の光感知セルに入射させ、前記第１および第３波長域の光を前記第４の光感知セルに入射させる第２の分光要素を含む。また、前記色フィルタアレイは、前記第４の光感知セルおよび前記第２の分光要素の間に配置された第２の色フィルタであって、前記第２波長域の光を吸収または反射する第２の色フィルタを含む。
ある実施形態において、各単位ブロックは、第３の光感知セルと、第４の光感知セルとを含み、前記分光要素アレイは、前記第２の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素であって、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光の一部を前記第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に含まれる前記第２波長域の光の他の一部を他の隣接単位ブロックに含まれる第１の光感知セルに入射させ、前記第１および第３波長域の光を前記第２の光感知セルに入射させる第２の分光要素と、前記第３の光感知セルに対向して配置された第３の分光要素であって、前記第３の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１および第２波長域の一方の波長域の光を前記第４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に含まれる前記第１および第２波長域の他方の波長域の光を前記隣接単位ブロックに含まれる第４の光感知セルに入射させ、前記第３波長域の光を前記第３の光感知セルに入射させる第３の分光要素とを含む。また、前記色フィルタアレイは、前記第２の光感知セルおよび前記第２の分光要素の間に配置された第２の色フィルタであって、前記２波長域の光を吸収または反射する第２の色フィルタを含む。
前記色フィルタアレイは、前記第３の光感知セルおよび前記第３の分光要素の間に配置された第３の色フィルタであって、前記第１および第２波長域の光を吸収または反射する第３の色フィルタをさらに有していてもよい。
ある実施形態において、各単位ブロックは、第３の光感知セルと、第４の光感知セルとを含み、前記分光要素アレイは、前記第２の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素であって、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光の一部を前記第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に含まれる前記第２波長域の光の他の一部を他の隣接単位ブロックに含まれる第１の光感知セルに入射させ、前記第１および第３波長域の光を前記第２の光感知セルに入射させる第２の分光要素を含む。また、前記色フィルタアレイは、前記第２の光感知セルおよび前記第２の分光要素の間に配置された第２の色フィルタであって、前記２波長域の光を吸収または反射する第２の色フィルタと、前記第３の光感知セルおよび前記第３の分光要素の間に配置された第３の色フィルタであって、前記第１および第２波長域の光を吸収または反射する第３の色フィルタとを含む。
ある実施形態において、前記第１波長域は赤光および青光の一方の波長域に相当し、前記第２波長域は赤光および青光の他方の波長域に相当し、前記第３波長域は緑光の波長域に相当する。
ある実施形態において、前記分光要素アレイに含まれる各分光要素は、透光性部材を有し、前記透光性部材と前記透光性部材よりも屈折率の低い他の透光性部材との屈折率の差を利用して分光する。
本発明の撮像装置は、本発明の固体撮像素子と、前記固体撮像素子に像を形成する光学系と、前記固体撮像素子から出力される信号を処理して色情報を生成する信号処理部とを備える。
本発明の固体撮像素子によれば、入射光を波長帯域に応じて分離する分光要素が撮像面上に配置されるとともに、一部の波長帯域の光を吸収または反射する色フィルタが画素と分光要素との間に配置される。当該色フィルタを分光要素の特性に合わせて理想的な分光特性をもつように設計することにより、当該色フィルタを透過した光を受ける画素からの光電変換信号を、より理想的な信号に近づけることが可能となる。言い換えれば、分光要素の分光特性が設計値から多少ずれていても色フィルタによってそのずれに起因する信号のずれを補償することができる。そのため、本発明の撮像素子によれば、従来の撮像素子を用いた場合よりも色再現性の高い撮像が可能となる。本発明では、色フィルタによって一部の光は損失することになるが、その損失は分光要素の分光特性の設計値からのずれに起因するものであるため、損失量は僅かである。したがって、本発明によれば色再現性が高く、かつ光利用率の高い撮像装置を実現できる。
本発明の固体撮像素子における光感知セルアレイ、分光要素アレイ、色フィルタアレイの配置関係を示す斜視図である。 本発明の固体撮像素子における基本構造の一例を示す平面図である。 図２ＡにおけるＡＡ´線断面図である。 本発明の他の固体撮像素子における断面構造を示す図である。 本発明のさらに他の固体撮像素子の断面構造を示す図である。 ３画素を１単位とする固体撮像素子の基本構造の一例を示す平面図である。 ３画素を１単位とする他の固体撮像素子の断面構造を示す図である。 本発明の実施形態１の撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態１におけるレンズと撮像素子を示す図である。 本発明の実施形態１における固体撮像素子の単位画素ブロックの一例を示す平面図である。 本発明の実施形態１における固体撮像素子の単位画素ブロックの他の例を示す平面図である。 本発明の実施形態１における撮像素子の基本構造を示す平面図である。 図９ＡにおけるＡＡ´線断面図である。 図９ＡにおけるＢＢ´線断面図である。 本発明の実施形態１の変形例における撮像素子の基本構造の断面を示す図である。 本発明の実施形態２における撮像素子の基本構造を示す平面図である。 図４ＡにおけるＣＣ´線断面図である。 図４ＡにおけるＤＤ´線断面図である。 本発明の実施形態２における撮像素子の基本構造を示す平面図である。 図４ＡにおけるＣＣ´線断面図である。 図４ＡにおけるＤＤ´線断面図である。 マイクロレンズと多層膜フィルタ（ダイクロイックミラー）とを用いた従来の撮像素子の断面図である。 多層膜フィルタ（ダイクロイックミラー）と反射とを利用した従来の撮像素子の断面図である。
以下、本発明の好ましい実施形態を説明する前に、図１から図５を参照しながら本発明の基本原理を説明する。以下の説明において、共通する要素には同一の符号を付している。なお、本明細書において、波長域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。
本発明による固体撮像素子は、撮像面に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と、複数の分光要素を含む分光要素アレイと、複数の色フィルタを含む色フィルタアレイとを備えている。図１は、固体撮像素子１０の撮像面に形成された光感知セルアレイ２００、分光要素アレイ１００、および色フィルタアレイ３００の一部を模式的に示す斜視図である。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、光を波長域に応じて空間的に分離する複数の分光要素を含んでいる。色フィルタアレイ３００は、光感知セルアレイ２００と分光要素アレイ１００との間に配置され、分光要素アレイ１００から入射する光の一部を吸収または反射する複数の色フィルタを含んでいる。なお、光感知セル２の配列、形状、サイズ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、分光要素アレイ１００および色フィルタアレイ３００は、便宜上、四角柱で表されているが、実際はこのような形状を有しているわけではなく、様々な構造をとり得る。個々の光感知セル２は、光を受けると光電変換を行い、受けた光の強度（受光量）に応じた電気信号（本明細書において、「光電変換信号」または「画素信号」と呼ぶ。）を出力する。
以下、図２Ａ、２Ｂを参照しながら、本発明における撮像素子１０の基本構造の一例を説明する。
図２Ａは、撮像面に配置された光感知セルアレイ２００の基本画素構成（単位ブロック）４０の例を示す平面図である。光感知セルアレイ２００は、各々が２つの光感知セル２ａ、２ｂ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。また、第１の光感知セル２ａに対向して光が入射する側に色フィルタ３ａが配置されている。さらに、色フィルタ３ａに対向して光が入射する側に分光要素１ａが配置されている。この例では、第２の光感知セル２ｂに対向する位置には色フィルタおよび分光要素は配置されていない。
図２Ｂは、図２ＡにおけるＡＡ´線断面の構造を示す図である。なお、図２Ｂでは、隣接する単位ブロック（第１の隣接単位ブロック）に含まれる第１の光感知セル２ｂ´、隣接する他の単位ブロック（第２の隣接単位ブロック）に含まれる第１の光感知セル２ａ´に対向する色フィルタ３ａ´および分光要素１ａ´も図示されている。分光要素１ａ´、色フィルタ３ａ´は、それぞれ分光要素１ａ、色フィルタ３ａと同一の要素である。このように、光感知セル２ａ、２ｂ、色フィルタ３ａ、分光要素１ａを含むパターンが撮像面上に繰り返し形成されている。図２Ｂは、入射光（Ｗ）が分光要素１ａによって波長域に応じて分離され、光感知セル２ａ、２ｂに異なる波長域の光が入射することを示している。具体的には、分光要素１ａは、分光要素１ａに入射する光に含まれる第１波長域の光（Ｃ１）の半分（Ｃ１／２）を光感知セル２ｂに入射させ、第１波長域の光の残りの半分を第１の隣接単位ブロックに含まれる光感知セル２ｂ´に入射させ、第２波長域の光（Ｃ２）および第３波長域の光（Ｃ３）を光感知セル２ａに入射させるように構成されている。色フィルタ３ａは、第１波長域の光（Ｃ１）を吸収または反射し、第２および第３波長域の光（Ｃ２＋Ｃ３）を透過させる特性を有している。
ここで、分光要素アレイ１００および色フィルタアレイ３００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、２ｂ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波長域ごとの強度分布（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。また、セル入射光をＷ光と呼ぶことがある。本明細書では、セル入射光に含まれる可視光成分を、大別して第１の色成分、第２の色成分、第３の色成分に分類する。また、第１の色成分、第２の色成分、第３の色成分に対応する波長域を、それぞれ第１波長域、第２波長域、第３波長域とする。第１波長域、第２波長域、第３波長域の光の強度をそれぞれＣ１、Ｃ２、Ｃ３と表すと、Ｗ＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３と表すことができる。第１波長域、第２波長域、第３波長域の組み合わせは、典型的には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色の光に対応する波長域の組み合わせであるが、可視光の波長帯域を３つの波長帯域に分けるものであれば他の組み合わせであってもよい。本明細書では、第１波長域、第２波長域、第３波長域の光を、それぞれＣ１光、Ｃ２光、Ｃ３光と呼ぶことがある。
図２Ｂに示す構成では、光感知セル２ａは、対向する分光要素１ａから入射する第２波長域の光（Ｃ２光）および第３波長域の光（Ｃ３光）を受ける。また、光感知セル２ｂは、２つの隣接する光感知セル２ａ、２ａ´にそれぞれ対向する分光要素１ａ、１ａ´からともに強度Ｃ１／２のＣ１光を受けるとともに、いずれの分光要素も介さずに直接入射するＷ光を受ける。よって、光感知セル２ａ、２ｂから出力される光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、それぞれ以下の式１、２で表すことができる。ただし、Ｗ光、Ｃ１光、Ｃ２光、Ｃ３光の強度を示す信号を、それぞれＷｓ、Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ３ｓとする。
（式１） Ｓ２ａ＝Ｗｓ−Ｃ１ｓ＝Ｃ２ｓ＋Ｃ３ｓ
（式２） Ｓ２ｂ＝Ｗｓ＋Ｃ１ｓ＝２Ｃ１ｓ＋Ｃ２ｓ＋Ｃ３ｓ
Ｓ２ｂからＳ２ａを減じることにより、以下の式３が得られる。
（式３） Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ＝２Ｃ１
式３は、２つの光電変換信号Ｓ２ａとＳ２ｂとの差分が第１波長域の光の強度を示す信号Ｃ１ｓの２倍に相当することを示している。このように、図２Ａ、２Ｂに示す構成によれば、単位ブロック４０ごとに第１波長域の光の強度Ｃ１を示す情報を得ることができる。そのため、第１の色成分（例えば赤色）の画像を得ることができる。
本発明において重要な点は、光感知セル２ａと分光要素１ａとの間に第１波長域の光を吸収または反射する色フィルタ３ａが配置されている点である。これにより、仮に分光要素１ａの分光性能が理想的な性能からずれていても光感知セル２ａに第１波長域の光が入射することはない。すなわち、式１に示す信号Ｓ２ａにＣ１光の成分が混入することを防ぐことができるため、従来技術による場合よりも色再現性を高めることができる。
図２Ｂの構成では、分光要素１ａは、対向する光感知セル２ａの両隣に配置された光感知セル２ｂ、２ｂ´に第１波長域の光を半分ずつ入射させるが、２つの光感知セル２ｂ、２ｂ´に、Ｃ１光を異なる比率で入射させてもよい。例えば、分光要素１ａは、分光要素２ｂおよび分光要素２ｂ´に、Ｗ光に含まれるＣ１光を７：３の比率で入射させてもよい。この場合、光感知セル２ｂは、分光要素１ａから０．７Ｃ１で表されるＣ１光を受け、分光要素１ａ´から０．３Ｃ１で表されるＣ１光を受けることになるため、光感知セル２ｂが受けるＣ１光の総量は図２Ｂの構成を採用した場合と変わらない。
また、分光要素１ａは、図３Ａに示すように、第１波長域の光のほぼ全てを光感知セル２ｂに入射させ、光感知セル２ｂ´には光を入射させないように構成されていてもよい。このような構成であっても、上記の式１〜３で示される信号演算処理によって全く同様に第１の色成分に関する画像を得ることができる。また、色フィルタ３ａによって光感知セル２ａにＣ１光が入射することを防げるという効果についても上記と同様である。
また、図３Ｂに示す構成を採用してもよい。この構成では、上記の分光要素１ａとは異なる分光特性をもつ分光要素１ａａおよび１ｂｂが、それぞれ第１の光感知セル２ａおよび第２の光感知セル２ｂに対向して配置されている。分光要素１ａａは、第１波長域の光（Ｃ１）を第２の光感知セル２ｂに入射させ、第２波長域の光（Ｃ２）を第１の隣接単位ブロックに含まれる光感知セル２ｂ´に入射させ、第３波長域の光（Ｃ３）を第１の光感知セル２ａに入射させる。分光要素１ｂｂは、第２波長域の光（Ｃ２）を第１の光感知セル２ａおよび第２の隣接単位ブロックに含まれる光感知セル２ａ´に半分ずつ入射させ、第１波長域および第３波長域の光（Ｃ１＋Ｃ３）を第２の光感知セル２ｂに入射させる。この構成例においても、色フィルタ３ａは、光感知セル２ａに対向して配置され、Ｃ１光のみを吸収または反射させる特性を有している。このような構成によっても、式１〜３で示される信号演算処理に変わりはない。また、色フィルタ３ａによって光感知セル２ａにＣ１光が入射することを防げるという効果についても上記と同様である。
以上のように、２つの光感知セルの光電変換信号を用いて１つの色成分の信号を得るためには、２つの光感知セルの差信号が当該色成分の光の強度を示す信号に比例するように各構成要素が構成されていればよい。そのような構成であれば、上記の例に限らず、１つの色成分に関する画像を得ることができる。なお、上記の各例において、Ｃ１光は可視光の１つの色成分であるが、Ｃ１光は、可視光に限らず赤外線や紫外線などであってもよい。すなわち、本発明は赤外線画像や紫外線画像などの生成にも用いることができる。
本発明によれば、１つの色成分に関する画像のみならず、３つの色成分に関する画像、すなわち、カラー画像を得ることができる。カラー画像を得るためには、各単位ブロックが３つ以上の光感知セルを含み、個々の光感知セルに分光分布が異なる光を入射させるように分光要素アレイが構成されていればよい。ここで、「分光分布が異なる」とは、その光に含まれる主要な色成分が異なることを意味するものとする。例えば、第１の光感知セルがＣ１光およびＣ２光を主に受け、第２の光感知セルがＣ２光およびＣ３光を主に受ける場合、両者が受ける光の分光分布は互いに異なっている。
図４は、カラー画像を得ることができる構成の一例を示す平面図である。この例では、１つの単位ブロック４０は、３つの光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃを含んでいる。第１の光感知セル２ａに対向する位置には第１の分光要素（不図示）が配置され、第２の光感知セル２ｂに対向する位置には第２の分光要素（不図示）が配置されているものとする。第１の分光要素は、Ｃ１光を第２の光感知セル２ｂに入射させ、Ｃ１光以外の光を第１の光感知セル２ａに入射させるように構成される。また、第２の分光要素は、Ｃ２光を第３の光感知セル２ｃに入射させ、Ｃ２光以外の光を第２の光感知セル２ｂに入射させるように構成される。第１の光感知セル２ａと第１の分光要素との間にはＣ１光を吸収または反射させる第１の色フィルタ（不図示）が配置され、第２の光感知セル２ｂと第２の分光要素との間にはＣ２光を吸収または反射させる第２の色フィルタ（不図示）が配置されているものとする。
以上の構成により、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃからそれぞれ出力される光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃは、それぞれ以下の式４〜６で表すことができる。
（式４） Ｓ２ａ＝Ｗｓ−Ｃ１ｓ＝Ｃ２ｓ＋Ｃ３ｓ
（式５） Ｓ２ｂ＝Ｗｓ＋Ｃ１ｓ−Ｃ２ｓ＝２Ｃ１ｓ＋Ｃ３ｓ
（式６） Ｓ２ｃ＝Ｗｓ＋Ｃ２ｓ＝Ｃ１ｓ＋２Ｃ２ｓ＋Ｃ３ｓ
これらの光電変換信号から、３つの色信号Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ３ｓが以下のようにして得られる。まず、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃを加算することにより、信号３Ｗｓが得られる。次に、Ｗｓ−Ｓ２ａの演算を行うことにより、信号Ｃ１ｓが得られる。得られた信号Ｃ１ｓを用いて、Ｓ２ｂ−２Ｃ１ｓの演算を行うことにより、信号Ｃ３ｓが得られる。最後に、Ｓ２ｃ−Ｃ１ｓ−Ｃ３ｓの演算により、２Ｃ２ｓを得ることができる。以上の演算処理を各単位ブロックについて実行することにより、３つの色信号Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ３ｓを単位ブロックごとに得ることができるため、カラー画像を生成できる。
図４の構成例において、Ｃ１光を透過させない色フィルタが光感知セル２ａに対向して配置され、Ｃ２光を透過させない色フィルタが光感知セル２ｂに対向して配置されている。このため、第１の分光要素および第２の分光要素の分光特性が理想的な特性からずれていても、光感知セル２ａ、２ｂにそれぞれＣ１光、Ｃ２光が混入することを防ぐことができる。このため、色再現性の高いカラー撮像装置を実現できる。なお、カラー画像を生成するためには、上記の構成例に限らず、１つの単位ブロックに含まれる少なくとも３つの光感知セルの光電変換信号が互いに異なっていればどのような構成であってもよい。
以上の各構成例では、分光要素アレイ１００は、分光によって各光感知セルにＣ１光、Ｃ２光、Ｃ３光のうち少なくとも２種類の光が重畳した光を入射させるように構成されている。本発明においては、各単位ブロックにおいて一部の光感知セルが単色光を受けるように構成されていてもよい。ただし、少なくとも１つの光感知セルには、Ｃ１光、Ｃ２光、Ｃ３光のうち少なくとも２種類の光が重畳した光が入射するように分光要素アレイは構成される。
図５は、一部の光感知セルに単色光が入射するように構成された撮像素子１０の断面構造の例を示す図である。この例では、単位ブロック４０は３つの光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃを含んでいる。第１の光感知セル２ａに対向する位置には分光要素１ａａが配置されている。分光要素１ａａは、Ｃ１光を第２の光感知セル２ｂに入射させ、Ｃ２光を第３の光感知セル２ｃに入射させ、Ｃ３光を第１の光感知セル２ａに入射させるように構成されている。また、第１の光感知セル２ａと分光要素１ａａとの間に、Ｃ３光のみを透過させ、他の光を吸収または反射する色フィルタ３ａａが配置されている。このような構成においても、製造誤差等に起因して光感知セル２ａに想定外の光（Ｃ１光およびＣ２光）が入射することを防ぐことができる。この構成では、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃの光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃは、それぞれ以下の式７〜９で表される。
（式７） Ｓ２ａ＝Ｃ３ｓ
（式８） Ｓ２ｂ＝Ｗｓ＋Ｃ１ｓ＝２Ｃ１ｓ＋Ｃ２ｓ＋Ｃ３ｓ
（式９） Ｓ２ｃ＝Ｗｓ＋Ｃ２ｓ＝Ｃ１ｓ＋２Ｃ２ｓ＋Ｃ３ｓ
式７〜９より、３つの色成分の強度を示す信号Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ３ｓを得ることができる。したがって、図５の構成においてもカラー画像を生成することが可能である。
以上のように、本発明の撮像素子１０によれば、少なくとも１つの波長域の光を受けないように配置された光感知セルに対向して当該波長域の光を吸収または反射させる色フィルタが配置される。これにより、当該光感知セルに想定外の波長域の光が入射することを防ぐことができる。また、本発明における分光要素アレイ１００は、各単位ブロック４０に含まれる少なくとも１つの光感知セルに、第１の波長域、第２の波長域、および第３の波長域のうち少なくとも２つの波長域の光が重畳された光を入射させるように構成される。各単位ブロック４０に含まれる第１の光感知セル２ａに対向して配置された分光要素は、第１波長域の光の少なくとも一部を第２の光感知セル２ｂに入射させる。以上の構成により、第１の光感知セル２ａの光電変換信号と第２の光感知セル２ｂの光電変換信号とを利用して色情報を生成することが可能になる。
なお、図２Ａ〜３Ｂ、５において、各分光要素は長方形状の要素として描かれているが、分光要素の形状は必ずしもこのような形状である必要はない。本発明における分光要素として、例えば後述する高屈折率透明部材、多層膜フィルタ（ダイクロイックミラー）、マイクロプリズムなどが用いられ得る。また、色フィルタとして、光吸収型の公知の色フィルタのみならず、特定の波長域の光のみを透過し、他の波長域の光を反射するダイクロイックミラーなどを用いることができる。
以下、図６から図１２Ｃを参照しながら本発明の好ましい実施形態を説明する。
（実施形態１）
図６は、本発明の第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５００と、撮像部５００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５００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５００はさらに、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。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、赤外線を除去するための赤外カットフィルタを合体させたものである。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。
信号処理部４００は、撮像部５００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５００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、撮像素子１０を除く構成要素には、公知のもの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７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７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）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っている。
図８Ａ、８Ｂ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８Ａ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している。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。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８Ｂに示すような斜交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８Ａ、８Ｂに示すように、互いに近接していることが好ましいが、これらが離れていても、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は可能である。
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１００が配置される。本実施形態では、各単位ブロック４０に含まれる４つの光感知セルに１対１に対応して４つの分光要素が設けられる。さらに、これらのうちの２つの光感知セルには、対向する分光要素との間に色フィルタが設けられる。
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材（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材（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。コア部とクラッド部との屈折率差によって分光が可能になるため、本明細書では、高屈折率透明部材のことを「分光要素」と呼ぶことがある。ただし、本明細書において「分光要素に入射する光」などの表現を用いる場合、その光には、高屈折率透明部材に入射する光だけでなく、高屈折率透明部材の周辺の低屈折率透明部材に入射する光も含まれるものとする。このような回折型の分光要素の詳細は、例えば、特許第４２６４４６５号公報に開示されている。
以上のような分光要素を有する分光要素アレイは、公知の半導体製造技術により、薄膜の堆積およびパターニングを実行することにより、製造され得る。分光要素の材質（屈折率）、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、個々の光感知セルに所望の波長域の光を分離・統合して入射させることが可能となる。その結果、各光感知セルが出力する光電変換信号の組から、必要な色成分に対応する信号を算出することができる。
次に、図９Ａ〜９Ｃを参照しながら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９Ａは、本実施形態における撮像素子１０の基本構造を示す平面図である。各単位ブロック４０において、４つの光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ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。また、１行２列目の光感知セル２ｂと分光要素１ｂとの間に赤の波長域の光を吸収し、緑および青の波長域の光を透過させる色フィルタ（Ｃｙフィルタ）３ｂが配置されている。また、２行１列目の光感知セル２ｃと分光要素１ｃとの間に青の波長域の光を吸収し、赤および緑の波長域の光のみを透過させる色フィルタ（Ｙｅフィルタ）３ｃが配置されている。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９Ｂ、９Ｃは、図９ＡにおけるＡＡ´線断面およびＢＢ´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、シリコンなどで形成される半導体基板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、配線層５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、半導体基板７の表面側（光が入射しない側）に形成された支持基板９と、支持基板９および半導体基板７を接合する接着層８とを備えている。透明層６の内部には、透明層６よりも屈折率の高い透光性部材からなる分光要素１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、および公知の顔料などから形成される色フィルタ３ｂ、３ｃが配置されている。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。
図９Ｂ、９Ｃ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。本実施形態における撮像素子１０は、配線層５が形成されていない側から光が入射する裏面照射型の構造を有しているが、撮像素子１０は、裏面照射型に限らず表面照射型の構造を有していてもよい。また、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。
図９Ｂに示すように、分光要素１ａは、光の進行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。分光要素１ａは、対向する光感知セル２ａに入射光（Ｗ）に含まれるＲ光およびＧ光を入射させ、光感知セル２ｂおよび第１の隣接単位ブロックに含まれる光感知セル（不図示）にＢ光を半分ずつ入射させる。なお、図９Ｂにおいて、記号Ｂ／２は、入射光に含まれるＢ光の半分の量であることを表している。
分光要素１ｂは、光が出射する側の先端に段差を有し、自身と透明層６との間の屈折率差により、入射光を０次、１次、−１次などの回折光に分離する。これらの回折角が波長によって異なるため、光を色成分に応じて３方向に分けることが可能となる。具体的には、分光要素１ｂは、対向する光感知セル２ｂにＧ光を入射させ、光感知セル２ａにＲ光を入射させ、第２の隣接単位ブロックに含まれる光感知セル（不図示）にＢ光を入射させる。なお、上記のＢ光およびＲ光は、互いに入れ替わっていてもよい。すなわち、分光要素１ｂは、光感知セル２ａにＢ光を入射させ、第２の隣接単位ブロックに含まれる光感知セルにＲ光を入射させてもよい。
各分光要素の特性は、形状や屈折率によって決まるが、本実施形態では、分光要素１ａ、１ｂが上記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。
Ｃｙフィルタ３ｂは、光感知セル２ｂに対向して配置され、分光要素１ａ、１ｂ、および第２の隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに対向する分光要素から入射する光のうち、シアンの波長域（緑および青の波長域）の光のみを透過させる。その結果、光感知セル２ｂにはＲ光は入射せず、Ｇ光およびＢ光のみが入射する。
分光要素１ａ、１ｂ、および色フィルタ３ｂの機能により、光感知セル２ａは、分光要素１ａからＲ光およびＧ光を受け、分光要素１ｂからＲ光を受け、第１の隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに対向する分光要素（不図示）からＢ光を受ける。また、光感知セル２ｂは、分光要素１ｂからＧ光を受け、分光要素１ａおよび第２の隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに対向する分光要素（不図示）からＢ光を半分ずつ受ける。
また、図９Ｃに示すように、分光要素１ｃは、光が出射する側の先端に段差を有し、自身と透明層６との間の屈折率差により、入射光を０次、１次、−１次などの回折光に分離する。分光要素１ｃは、上記の分光要素１ｂと同一の特性を有しており、対向する光感知セル２ｃにＧ光を入射させ、光感知セル２ｄにＢ光を入射させ、第１の隣接単位ブロックに含まれる光感知セル（不図示）にＲ光を入射させる。なお、ここでもＢ光およびＲ光は、互いに入れ替わっていてもよい。すなわち、分光要素１ｃは、光感知セル２ｄにＲ光を入射させ、第１の隣接単位ブロックに含まれる光感知セルにＢ光を入射させてもよい。
分光要素１ｄは、光の進行方向に長い長方形の断面形状を有し、自身と透明層６との間の屈折率差によって分光する。分光要素１ｄは、対向する光感知セル２ｄに入射光（Ｗ）に含まれるＢ光およびＧ光を入射させ、光感知セル２ｃおよび第２の隣接単位ブロックに含まれる光感知セル（不図示）にＲ光を半分ずつ入射させる。なお、図９Ｃにおいて、記号Ｒ／２は入射光に含まれるＲ光の半分であることを表している。
分光要素１ｃ、１ｄについても、各々が上記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。
色フィルタ３ｃは、光感知セル２ｃに対向して配置され、分光要素１ｃ、１ｄ、および第１の隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに対向する分光要素から光を受け、黄の波長域（赤および緑の波長域）の光のみを透過させる。その結果、光感知セル２ｃにはＢ光は入射せず、Ｒ光およびＧ光のみが入射する。
分光要素１ｃ、１ｄ、および色フィルタ３ｃの機能により、光感知セル２ｃは、分光要素１ｃからＧ光を受け、分光要素１ｄおよび第１の隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに対向する分光要素（不図示）からＲ光を半分ずつ受ける。また、光感知セル２ｄは、分光要素１ｄからＧ光およびＢ光を受け、分光要素１ｃからＢ光を受け、第２の隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに対向する分光要素（不図示）からＲ光を受ける。
以上の構成により、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、それぞれ以下の式１〜４で表される光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄを出力する。ここで、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の強度に相当する信号をそれぞれＲｓ、Ｇｓ、Ｂｓと表している。
（式１０）Ｓ２ａ＝２Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
（式１１）Ｓ２ｂ＝Ｇｓ＋Ｂｓ
（式１２）Ｓ２ｃ＝Ｒｓ＋Ｇｓ
（式１３）Ｓ２ｄ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ
画像信号生成部１５（図６）は、式１０〜１３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。以下、画像信号生成部１５による色情報生成処理を説明する。
第１に、（Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ）の演算によって赤光の強度を示す信号２Ｒｓを算出する。第２に、（Ｓ２ｄ−Ｓ２ｃ）の演算によって青光の強度を示す信号２Ｂｓを算出する。第３に、（Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ）または（Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ）の演算により、入射光強度を示す信号２Ｒｓ＋２Ｇｓ＋２Ｂｓ（＝２Ｗｓ）を算出する。第４に、算出された２Ｒｓ＋２Ｇｓ＋２Ｂｓから２Ｒｓおよび２Ｂｓを減じることにより、緑光の強度を示す信号２Ｇｓを算出する。
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２００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（以下、「カラー画像信号」と呼ぶ。）を生成する。生成されたカラー画像信号は、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を用いた信号演算処理によってカラー画像信号を得ることができる。
上記の信号演算処理は、本来、色フィルタ３ｂ、３ｃが配置されていない場合でも適用でき、カラー画像信号を得ることができる。しかし、実際には、分光要素として使用される材料の特性や製造精度の悪さに起因して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がある。分光要素１ａの分光性能が理想的な性能からずれている場合、分光要素１ａに対向する光感知セル２ａにＢ光の一部（ΔＢ）が混入したり、光感知セル２ｂにＲ光およびＧ光の一部（ΔＲ＋ΔＧ）が混入することがある。この場合、分光要素１ａから、（Ｒ＋Ｇ−ΔＲ−ΔＧ＋ΔＢ）で表される光が光感知セル２ａに入射し、（Ｂ−ΔＢ＋ΔＲ＋ΔＧ）で表される光が光感知セル２ｂに入射することになる。その他の分光要素についても同様であり、各分光要素の製造精度が低く、分光性能が想定された性能からずれていると、各光電変換信号が上記の式１０〜１３で示される信号からずれ、色の再現性が低下することになる。
本実施形態における撮像素子によれば、一部の画素に対向して色フィルタを配置することによって上記の色再現性の問題を解決することができる。本実施形態では、Ｇ光およびＢ光のみを受光すべき光感知セル２ｂに対向してＣｙフィルタ３ｂが配置され、Ｒ光およびＧ光のみを受光すべき光感知セル２ｃに対向してＹｅフィルタ３ｃが配置される。その結果、光感知セル２ｂ、２ｃでは入射光量が若干低下するが、それらの光感知セルにＣｙの波長域以外の光（Ｒ光）またはＹｅの波長域以外の光（Ｂ光）の入射を防止できる。このような対策により、式１１および式１２で示される信号Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃは設計値に近い信号となり、色の再現性を向上できる。なお、光感知セル２ａに対向する位置にＲ：Ｇ：Ｂ＝２：１：１の比率で光を透過させる色フィルタを配置することや、光感知セル２ｄに対向する位置にＲ：Ｇ：Ｂ＝１：１：２の比率で光を透過させる色フィルタを配置することも考えられる。しかしながら、そのような色フィルタを配置すると、それらに対向する光感知セルの受光量が大幅に低下するため、そのような色フィルタを配置することは好ましくない。結局、光感知セル２ａ、２ｃに対向する位置には色フィルタを配置せず、光感知セル２ｂ、２ｃに対向する位置にのみ色フィルタ３ｂ、３ｃをそれぞれ配置することが好ましい。
以上のように、本実施形態の撮像装置によれば、撮像素子１０の基本画素構成を２行２列とし、各画素に１対１に対応して入射光を色成分に応じて空間的に分離する分光要素が配置される。１行１列目には、対向画素に赤光および緑光を入射させ、対向画素に隣接する２つの画素に青光を半分ずつ入射させる分光要素１ａが配置される。１行２列目および２行１列目には、対向画素に緑光を入射させ、対向画素に隣接する２つの画素の一方に赤光を入射させ、他方に青光を入射させる分光要素１ｂが配置される。２行２列目には、対向画素に緑光および青光を入射させ、対向画素に隣接する２つの画素に赤光を半分ずつ入射させる分光要素１ｄが配置される。さらに、１行２列目の光感知セル２ｂと分光要素１ｂとの間にＣｙフィルタが配置され、２行１列目の光感知セル２ｃと分光要素１ｃとの間にＹｅフィルタが配置される。これらの色フィルタにより、１行２列目の画素に赤光が入射することを防ぎ、２行１列目の画素に青光が入射することを防ぐことができる。その結果、分光要素の製造精度の低さ等に起因する分光性能の低下を防止でき、高感度で色再現性の高いカラー撮像装置を実現できるという優れた効果を奏する。
なお、本実施形態における画像信号生成部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、色フィルタ３ｂ、３ｃを配置してもなお、各光感知セルから実際に出力される光電変換信号が、式１０〜１３に示す光電変換信号から多少ずれている場合がある。その場合、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可能である。
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。
本実施形態において、撮像素子１０の基本構造は図９Ａ〜９Ｃに示す構成に限られるものではない。例えば、図９Ａに示す１列目の配置と２列目の配置とが入れ替わっていてもよいし、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。
さらに、各分光要素における分光の仕方は、上記の例に限られるものではなく、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光は相互に入れ替え可能である。例えば、上記の説明におけるＲ光とＧ光とを入れ替えてもよいし、Ｇ光とＢ光とを入れ替えてもよい。
なお、本実施形態における色フィルタ３ｂ、３ｃは、特定の波長域の光を吸収する色フィルタに限らず、特定の波長域の光を反射する多層膜フィルタ（ダイクロイックミラー）などであってもよい。
また、本実施形態における各分光要素１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、各々の対向画素に隣接する２つの画素に光を入射するように構成されているが、各分光要素は対向画素に隣接する１つの画素に光を入射するように構成されていてもよい。例えば、分光要素１ａは、分光要素１ａに入射する光に含まれるＢ光のほぼ全てを光感知セル２ｂに入射させてもよい。同様に、分光要素１ｂは、Ｒ光およびＢ光の両方を光感知セル２ａに入射させてもよい。このような構成であっても各光感知セルの光電変換信号は変わらないため、同様の効果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、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。
一例として、ダイクロイックミラーによる光の透過と反射とを一部に利用した撮像素子の構成例を図１０に示す。図１０は、図９Ｂにおける分光要素１ａを分光要素１ｅに置換し、マイクロレンズ４を省いた構成を示している。分光要素１ｅは、Ｂ光を反射し、Ｂ光以外を透過させるダイクロイックミラーを２つ接合したものを含んでいる。２つのダイクロイックミラーは、撮像面の法線に対して対称に傾斜して配置されている。これらのダイクロイックミラーの傾斜角度は、その反射光が透明層６とマイクロレンズ４との界面６ａで全反射し、対向画素に隣接する２つの画素に入射するように設定されている。このような構成を採用した場合でも上記の信号演算によって色情報を得ることが可能である。
（実施形態２）
次に、図１１Ａ〜１１Ｃを参照しながら、本発明の第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、重複する点は記載を省略する。
図１１Ａは、本実施形態における撮像素子１０の基本構造を示す平面図である。各単位ブロック４０において、４つの光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのうち、２つの光感知セル２ａ、２ｄに対向して分光要素１ａ、１ｄがそれぞれ配置されている。分光要素１ａ、１ｄは、それぞれ実施形態１における分光要素１ａ、１ｄと同一の特性を有している。また、１行１列目の光感知セル２ａと分光要素１ａとの間に、青の波長域の光を吸収し、赤および緑の波長域の光を透過させる色フィルタ（Ｙｅフィルタ）３ａが配置されている。また、２行２列目の光感知セル２ｄと分光要素１ｄとの間に、赤の波長域の光を吸収し、緑および青の波長域の光を透過させる色フィルタ（Ｃｙフィルタ）３ｄが配置されている。１行２列目および２行２列目の光感知セルには対向する分光要素および色フィルタは配置されない。このような基本構造を有するパターンが撮像面１０ａ上に繰り返し形成されている。
図１１Ｂは、図１１ＡにおけるＣＣ´線断面図である。図示されるように、分光要素１ａは、対向する光感知セル２ａにＲ光およびＧ光を入射させ、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にＢ光をそれぞれ半分ずつ入射させるように構成されている。光感知セル２ｂには対向する色フィルタおよび分光要素は配置されていないため、いずれの分光要素も経由しないＷ光も入射する。
図１１Ｃは、図１１ＡにおけるＤＤ´線断面図である。図示されるように、分光要素１ｄは、対向する光感知セル２ｄにＧ光およびＢ光を入射させ、光感知セル２ｃおよび隣接する単位ブロックに含まれる光感知セルにＲ光をそれぞれ半分ずつ入射させるように構成されている。光感知セル２ｃには対向する色フィルタおよび分光要素は配置されていないため、光感知セル２ｃにはいずれの分光要素も経由しないＷ光も入射する。
なお、本実施形態における撮像素子１０も、配線層５が形成されていない側から光が入射する裏面照射型の構造を有しているが、撮像素子１０は、裏面照射型に限らず表面照射型の構造を有していてもよい。
以上の構成により、撮像素子１０に光が入射すると、光感知セル２ａは、分光要素１ａからＹｅフィルタ３ａを介して入射するＲ光およびＧ光を受ける。光感知セル２ｂは、いずれの分光要素も介さずに直接入射するＷ光と、分光要素１ａおよび隣接する単位ブロックに含まれる光感知セルに対向する分光要素からそれぞれ半分ずつ入射するＢ光とを受ける。光感知セル２ｃは、いずれの分光要素も介さずに直接入射するＷ光と、分光要素１ｄ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に対向する分光要素からそれぞれ半分ずつ入射するＲ光とを受ける。光感知セル２ｄは、分光要素１ｄからＣｙフィルタ３ｄを介して入射するＧ光およびＢ光を受ける。結果として、各光感知セルから出力される光電変換信号２ａ〜２ｄは、以下の式１４〜１７で表すことができる。
（式１４）Ｓ２ａ＝Ｒｓ＋Ｇｓ
（式１５）Ｓ２ｂ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ
（式１６）Ｓ２ｃ＝２Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
（式１７）Ｓ２ｄ＝Ｇｓ＋Ｂｓ
画像信号生成部１５（図６）は、式１４〜１７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。第１に、（Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ）の演算によって青光の強度を示す信号２Ｂｓを算出する。第２に、（Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄ）の演算によって赤光の強度を示す信号２Ｒｓを算出する。第３に、（Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ）または（Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ）の演算により、入射光強度を示す信号２Ｒｓ＋２Ｇｓ＋２Ｂｓ（＝２Ｗｓ）を算出する。第４に、算出された２Ｒｓ＋２Ｇｓ＋２Ｂｓから２Ｒｓおよび２Ｂｓを減じることにより、緑光の強度を示す信号２Ｇｓを算出する。
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２００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）を生成する。生成されたカラー画像信号は、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っても、光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄを用いた信号演算処理によってカラー画像信号を得ることができる。
上記の信号演算処理は、本来、色フィルタ３ｂ、３ｃが配置されていない場合でも適用でき、カラー画像信号を得ることができる。しかし、実際には、分光要素として使用される材料の特性や製造精度の悪さに起因して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がある。各分光要素の分光性能が想定された性能からずれていると、各光電変換信号が上記の式１４〜１７で示される信号からずれ、色の再現性が低下することになる。
本実施形態における撮像素子によれば、一部の画素に対向して色フィルタを配置することによって上記の色再現性の問題を解決することができる。本実施形態では、Ｒ光およびＧ光のみを受光すべき光感知セル２ａに対向してＹｅフィルタ３ａが配置され、Ｇ光およびＢ光のみを受光すべき光感知セル２ｄに対向してＣｙフィルタ３ｄが配置される。その結果、それらの光感知セルにＹｅの波長域以外の光（Ｂ光）またはＣｙの波長域以外の光（Ｒ光）の入射を防止できる。このような対策により、式１４および式１７でそれぞれ表される信号Ｓ２ａおよびＳ２ｄは設計値に近い信号となり、色の再現性を向上できる。
以上のように、本実施形態の撮像装置によれば、撮像素子１０の基本画素構成を２行２列とし、１行１列目および２行２列目の各画素に１対１に対応して入射光を色成分に応じて空間的に分離する分光要素が配置される。１行１列目には、対向画素に赤光および緑光を入射させ、対向画素に隣接する２つの画素に青光を半分ずつ入射させる分光要素１ａが配置される。１行２列目および２行１列目には、分光要素は配置されない。２行２列目には、対向画素に緑光および青光を入射させ、対向画素に隣接する２つの画素に赤光を半分ずつ入射させる分光要素１ｄが配置される。さらに、１行１列目の光感知セル２ａと分光要素１ａとの間にＹｅフィルタ３ａが配置され、２行２列目の光感知セル２ｄと分光要素１ｄとの間にＣｙフィルタ３ｄが配置される。これらの色フィルタにより、１行１列目の画素に青光が入射することを防ぎ、２行２列目の画素に赤光が入射することを防ぐことができる。その結果、分光要素の製造精度の悪さ等に起因する分光性能の低下を防止でき、高感度で色再現性の高いカラー撮像装置を実現できるという優れた効果を奏する。
なお、本実施形態において、撮像素子１０の基本構造は図１１Ａ〜１１Ｃに示す構成に限られるものではない。例えば、図１１Ａに示す１列目の配置と２列目の配置とが入れ替わっていてもよいし、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。
また、各分光要素における分光の仕方は、上記の例に限られるものではなく、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光は相互に入れ替え可能である。例えば、上記の説明におけるＲ光とＧ光とを入れ替えてもよいし、Ｇ光とＢ光とを入れ替えてもよい。
さらに、本実施形態における各分光要素１ａ、１ｄは、各々の対向画素に隣接する２つの画素に光を入射させるように構成されているが、各分光要素は対向画素に隣接する１つの画素に光を入射させるように構成されていてもよい。例えば、分光要素１ａは、分光要素１ａに入射する光に含まれるＢ光のほぼ全てを光感知セル２ｂに入射させてもよい。同様に、分光要素１ｄは、分光要素１ｄに入射する光に含まれるＲ光のほぼ全てを光感知セル２ａに入射させてもよい。このような構成であっても各光感知セルの光電変換信号は変わらないため、同様の効果を得ることができる。
本実施形態においても、各分光要素は、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ることができる。また、分光要素１ａと分光要素１ｄとが異なる種類の分光要素であってもよい。さらに、色フィルタ３ａ、３ｄは、特定の波長域の光を吸収する色フィルタに限らず、特定の波長域の光を反射するダイクロイックミラーなどであってもよい。
（実施形態３）
次に、図１２Ａ〜１２Ｃを参照しながら、本発明の第３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、重複する点は記載を省略する。
図１２Ａは、本実施形態における撮像素子１０の基本構造を示す平面図である。各単位ブロック４０において、４つの光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのうち、３つの光感知セル２ｂ、２ｃ、２ｄに対向して分光要素１ｂ、１ｃｃ、１ｄがそれぞれ配置されている。分光要素１ｂ、１ｄは、それぞれ実施形態１における分光要素１ｂ、１ｄと同一の特性を有している。分光要素１ｃｃは、実施形態１および実施形態２における分光要素１ａと同一の特性を有している。また、１行２列目の光感知セル２ｂと分光要素１ｂとの間に、赤および青の波長域の光を吸収し、緑の波長域の光を透過させる色フィルタ（Ｇフィルタ）３ｂｂが配置されている。また、２行１列目の光感知セル２ｃと分光要素１ｃｃとの間に、青の波長域の光を吸収し、赤および緑の波長域の光を透過させる色フィルタ（Ｙｅフィルタ）３ｃが配置されている。さらに、２行２列目の光感知セル２ｄと分光要素１ｄとの間に、赤の波長域の光を吸収し、緑および青の波長域の光を透過させる色フィルタ（Ｃｙフィルタ）３ｄが配置されている。１行１列目の光感知セル２ａには対向する分光要素および色フィルタは配置されない。このような基本構造を有するパターンが撮像面１０ａ上に繰り返し形成されている。
図１２Ｂは、図１２ＡにおけるＥＥ´線断面図である。図示されるように、分光要素１ｂは、対向する光感知セル２ｂにＧ光を入射させ、光感知セル２ａおよび隣接する単位ブロック（第１隣接単位ブロック）に含まれる光感知セルにＢ光を入射させるように構成されている。光感知セル２ａには対向する色フィルタおよび分光要素は配置されていないため、光感知セル２ａにはいずれの分光要素も経由しないＷ光も入射する。
図１２Ｃは、図１２ＡにおけるＦＦ´線断面図である。図示されるように、分光要素１ｃｃは、対向する光感知セル２ｃにＲ光およびＧ光を入射させ、光感知セル２ｄおよび隣接する他の単位ブロック（第２隣接単位ブロック）に含まれる光感知セルにＢ光をそれぞれ半分ずつ入射させるように構成されている。分光要素１ｄは、対向する光感知セル２ｄにＧ光およびＢ光を入射させ、光感知セル２ｃおよび第１隣接単位ブロックに含まれる光感知セルにＲ光をそれぞれ半分ずつ入射させるように構成されている。
なお、本実施形態における撮像素子１０も、配線層５が形成されていない側から光が入射する裏面照射型の構造を有しているが、撮像素子１０は、裏面照射型に限らず表面照射型の構造を有していてもよい。
以上の構成により、撮像素子１０に光が入射すると、光感知セル２ａは、いずれの分光要素も介さずに直接入射するＷ光と、分光要素１ｂから入射するＲ光と、第２隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに対向する分光要素から入射するＢ光とを受ける。光感知セル２ｂは、分光要素１ｂからＧフィルタ３ｂｂを介して入射するＧ光を受ける。光感知セル２ｃは、分光要素１ｃｃからＹｅフィルタ３ｃを介して入射するＲ光およびＧ光と、分光要素１ｄおよび第２隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに対向する分光要素からそれぞれ半分ずつ入射するＲ光とを受ける。光感知セル２ｄは、分光要素１ｄからＹｅフィルタ３ｄを介して入射するＧ光およびＢ光と、分光要素１ｃおよび第１隣接単位ブロックに含まれる光感知セルに対向する分光要素からそれぞれ半分ずつ入射するＢ光とを受ける。結果として、各光感知セルから出力される光電変換信号２ａ〜２ｄは、以下の式１８〜２１で表すことができる。
（式１８）Ｓ２ａ＝２Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ
（式１９）Ｓ２ｂ＝Ｇｓ
（式２０）Ｓ２ｃ＝２Ｒｓ＋Ｇｓ
（式２１）Ｓ２ｄ＝Ｇｓ＋２Ｂｓ
画像信号生成部１５（図６）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。第１に、（Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ）の演算によって２（Ｒｓ＋Ｂｓ）を算出する。第２に、（Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄ）の演算によって２（Ｒｓ−Ｂｓ）を算出する。第３に、算出された２（Ｒｓ＋Ｂｓ）と２（Ｒｓ−Ｂｓ）とを加算することによって赤光の強度を示す信号４Ｒｓを生成する。また、２（Ｒｓ＋Ｂｓ）から２（Ｒｓ−Ｂｓ）を減じることによって青光の強度を示す信号４Ｂｓを生成する。第４に、（Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ）または（Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ）の演算により入射光強度を示す信号２Ｒｓ＋２Ｇｓ＋２Ｂｓ（＝２Ｗｓ）を算出する。第５に、算出された２Ｒｓ＋２Ｇｓ＋２Ｂｓから２Ｒｓおよび２Ｂｓを減じることにより、緑光の強度を示す信号２Ｇｓを算出する。
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２００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）を生成する。生成されたカラー画像信号は、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っても、光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄを用いた信号演算処理によってカラー画像信号を得ることができる。
上記の信号演算処理は、本来、色フィルタ３ｂｂ、３ｃ、３ｄが配置されていない場合でも適用でき、カラー画像信号を得ることができる。しかし、実際には、分光要素として使用される材料の特性や製造精度の悪さに起因して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がある。各分光要素の分光性能が想定された性能からずれていると、各光電変換信号が上記の式１８〜２１で示される信号からずれ、色の再現性が低下することになる。
本実施形態における撮像素子においても、一部の画素に対向して色フィルタを配置することによって上記の色再現性の問題を解決することができる。本実施形態では、Ｇ光のみを受光すべき光感知セル２ｃに対向してＧフィルタ３ｂｂが配置され、Ｒ光およびＧ光のみを受光すべき光感知セル２ｃに対向してＹｅフィルタ３ｃが配置され、Ｇ光およびＢ光のみを受光すべき光感知セル２ｄに対向してＣｙフィルタ３ｄが配置される。その結果、光感知セル２ｂ、２ｃ、２ｄにそれぞれＧ光、Ｙｅ光（Ｒ光およびＧ光）、Ｃｙ光（Ｇ光およびＢ光）以外の光が入射することを防ぐことができる。このような対策により、式１９〜２１でそれぞれ表される信号Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄは、設計値に近い信号となり、色の再現性を向上できる。
以上のように、本実施形態の撮像装置によれば、撮像素子１０の基本画素構成を２行２列とし、１行２列目、２行１列目、２行２列目の各画素に１対１に対応して入射光を色成分に応じて空間的に分離する分光要素が配置される。１行１列目には、分光要素は配置されない。１行２列目には、対向画素にＧ光を入射させ、対向画素に隣接する２つの画素の一方にＲ光を入射させ、他方にＢ光を入射させる分光要素１ｂが配置される。２行１列目には、対向画素に赤光および緑光を入射させ、対向画素に隣接する２つの画素に青光を半分ずつ入射させる分光要素１ｃｃが配置される。２行２列目には、対向画素に緑光および青光を入射させ、対向画素に隣接する２つの画素に赤光を半分ずつ入射させる分光要素１ｄが配置される。さらに、１行２列目の光感知セル２ｂと分光要素１ｂとの間にＧフィルタが配置され、２行１列目の光感知セル２ｃと分光要素１ｃｃとの間にＹｅフィルタ３ｃが配置され、２行２列目の光感知セル２ｄと分光要素１ｄとの間にＣｙフィルタ３ｄが配置される。これらの色フィルタにより、１行２列目の画素に赤光および青光が入射することを防ぎ、２行１列目の画素に青光が入射することを防ぎ、２行２列目の画素に赤光が入射することを防ぐことができる。その結果、分光要素の製造精度の悪さ等に起因する分光性能の低下を防止でき、高感度で色再現性の高いカラー撮像装置を実現できるという優れた効果を奏する。
なお、本実施形態では、２行２列の基本画素構成において１行２列目に分光要素１ｂおよびＧフィルタ３ｂｂが配置されているが、分光要素１ｂおよびＧフィルタ３ｂｂのいずれか一方のみが配置されていてもよい。その場合であっても上記と同様の処理によってカラー化を実現できる。但し、分光要素１ｂを配置せず、Ｇフィルタ３ｂｂのみを配置した場合は、光感知セル２ａの光電変換信号は、Ｓ２ａ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓと表される。そのため、（Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ）の演算結果が（Ｒｓ＋Ｂｓ）となるので、その結果を２倍した信号を用いて後続の信号処理を行う必要がある。
なお、本実施形態において、撮像素子１０の基本構造は図１２Ａ〜１２Ｃに示す構成に限られるものではない。例えば、図１２Ａに示す１列目の配置と２列目の配置とが入れ替わっていてもよいし、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。
また、各分光要素における分光の仕方は、上記の例に限られるものではなく、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光は相互に入れ替え可能である。例えば、上記の説明におけるＲ光とＧ光とを入れ替えてもよいし、Ｇ光とＢ光とを入れ替えてもよい。
さらに、本実施形態における各分光要素１ｂ、１ｃｃ、１ｄは、各々の対向画素に隣接する２つの画素に光を入射させるように構成されているが、各分光要素は対向画素に隣接する１つの画素に光を入射させるように構成されていてもよい。例えば、分光要素１ｃは、分光要素１ｃに入射する光に含まれるＢ光のほぼ全てを光感知セル２ｄに入射させてもよい。同様に、分光要素１ｄは、分光要素１ｄに入射する光に含まれるＲ光のほぼ全てを光感知セル２ａに入射させてもよい。このような構成であっても各光感知セルの光電変換信号は変わらないため、同様の効果を得ることができる。
本実施形態においても、各分光要素は、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ることができる。また、分光要素１ａと分光要素１ｄとが異なる種類の分光要素であってもよい。さらに、色フィルタ３ｂｂ、３ｃ、３ｄは、特定の波長域の光を吸収する色フィルタに限らず、特定の波長域の光を反射するダイクロイックミラーなどであってもよい。
本発明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、１ａ´、１ａａ、１ａａ´、１ｂｂ´、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｃｃ 分光要素
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ａ´、２ｂ´ 撮像素子の光感知セル
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ａ´、３ａａ、３ｂｂ 色フィルタ
４、４ａ、４ｂ マイクロレンズ
５ 撮像素子の配線層
６ 透明層
６ａ 透明層と外部層との界面
７ 半導体基板
８ 接着層
９ 固定基板
１０ 撮像素子
１０ａ 撮像素子の撮像面
１１ 光学フィルタ
１２ 光学レンズ
１３ 信号発生及び画素信号受信部
１４ 素子駆動部
１５ 画像信号生成部
１６ 画像信号出力部
１７ 赤（Ｒ）以外を反射する多層膜フィルタ
１８ 緑（Ｇ）のみを反射する多層膜フィルタ
１９ 青（Ｂ）のみを反射する多層膜フィルタ
２０ 遮光部
２１ 透光性の樹脂
２２ Ｇ光透過の多層膜フィルタ
２３ Ｒ光透過の多層膜フィルタ
２４ Ｇ光透過の有機色素フィルタ
２５ Ｒ光透過の有機色素フィルタ
２６ マイクロレンズ
２７ 金属層
３０ メモリ
４０ 単位ブロック
１００ 分光要素アレイ
２００ 光感知セルアレイ
３００ 色フィルタアレイ
４００ 信号処理部
５００ 撮像部

Claims (5)

  1. 各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックが撮像面上に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、
    前記光感知セルアレイおよび前記分光要素アレイの間に配置され、複数の色フィルタを含む色フィルタアレイと、
    を備え、
    前記分光要素アレイおよび前記色フィルタ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、前記第１の光感知セルのセル入射光が第１波長域の光、第２波長域の光、および第３波長域の光を含むとき、
    前記分光要素アレイは、前記第１の光感知セルに対向して配置された第１の分光要素であって、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域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る第１の分光要素を含み、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの少なくとも一方に、前記第１波長域の光、前記第２波長域の光、および前記第３波長域の光の少なくとも２つの波長域の光を入射させるように構成され、
    前記色フィルタアレイは、前記第１の光感知セルおよび前記第１の分光要素の間に配置された第１の色フィルタであって、前記第１波長域の光を吸収または反射する第１の色フィルタを含み、
    前記分光要素アレイは、前記第２の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素をさらに含み、
    前記第１の分光要素は、前記第１波長域の光を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第２波長域の光を隣接単位ブロックに含まれる第２の光感知セルに入射させ、前記第３波長域の光を前記第１の光感知セルに入射させ、
    前記第２の分光要素は、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光の一部を前記第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に含まれる前記第２波長域の光の他の一部を他の隣接単位ブロックに含まれる第１の光感知セルに入射させ、前記第１および第３波長域の光を前記第２の光感知セルに入射させる、
    固体撮像素子。
  2. 各単位ブロックは、第３の光感知セルと、第４の光感知セルとを含み、
    前記分光要素アレイは、
    前記第３の光感知セルに対向して配置された第３の分光要素であって、前記第３の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１および第２波長域の一方の波長域の光を前記第４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に含まれる前記第１および第２波長域の他方の波長域の光を前記他の隣接単位ブロックに含まれる第４の光感知セルに入射させ、前記第３波長域の光を前記第３の光感知セルに入射させる第３の分光要素と、
    前記第４の光感知セルに対向して配置された第４の分光要素であって、前記第４の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光の一部を前記第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に含まれる前記第１波長域の光の他の一部を前記隣接単位ブロックに含まれる第３の光感知セルに入射させ、前記第２および第３波長域の光を前記第４の光感知セルに入射させる第４の分光要素と、
    を含み、
    前記色フィルタアレイは、前記第３の光感知セルおよび前記第３の分光要素の間に配置された第２の色フィルタであって、前記第２波長域の光を吸収または反射する第２の色フィルタを含んでいる、
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記第１波長域は赤光および青光の一方の波長域に相当し、前記第２波長域は赤光および青光の他方の波長域に相当し、前記第３波長域は緑光の波長域に相当する、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記分光要素アレイに含まれる各分光要素は、透光性部材を有し、前記透光性部材と前記透光性部材よりも屈折率の低い他の透光性部材との屈折率の差を利用して分光する、請求項１から３のいずれかに記載の固体撮像素子。
  5. 請求項１から４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、
    前記固体撮像素子から出力される信号を処理して色情報を生成する信号処理部と、
    を備える撮像装置。
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