JP6008300B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本願は撮像装置に関し、特に、色を分離して検出することができる撮像装置に関する。

近年、デジタルカメラやデジタルムービーカメラの高画素化に伴い、ＣＣＤ構造やＣＭＯＳ構造におけるセルサイズの微細化が進められている。しかし、セルサイズが微細化すると、光の受光面積が小さくなることによる各画素の受光量の低下が課題となる。

特許文献１は、カラーフィルタの代わりに回折を利用して光の色分離を行う分光部を用いることによって、光の利用効率を高め、カラー画像を得ることのできる撮像装置を開示している。また、特許文献２は、特許文献１で示されるような分光部を用いて、入射した光を色分離して検出することにより、カラー画像を得る信号処理方法を開示している。このような撮像装置を実現することで、従来のカラーフィルタを用いた撮像装置よりも光の利用効率を高めることができると考えられる。なお、本願明細書において、カラー画像とは、２以上の色によって色調が表現された画像を意味する。

国際公開第２００９／０１９８１８号 国際公開第２０１０／０８２４５５号

しかしながら、上述した従来の技術では、さらなる画質の向上が求められていた。本願の、限定的ではない、例示的なある実施形態は、従来よりも優れた画質を得ることが可能な、回折を利用して光の色分離を行う撮像装置を提供する。

本発明の一態様にかかる撮像装置は、受光面を有する複数の光検出部であって、第１の方向および前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って２次元に配列されることにより、前記複数の光検出部の受光面が撮像面を構成している複数の光検出部と、入射面および出射面を有し、前記出射面が前記撮像面と対向するように配置された透明層と、前記透明層の屈折率よりも大きい屈折率を有し、前記透明層内であって、前記撮像面と平行な配列面において、２次元に配列された複数の分光部とを備え、各分光部および前記各分光部に隣接した前記透明層の部分を透過した光による０次回折光および±１次回折光が前記複数の光検出部のうち異なる光検出部にそれぞれ入射し、所定の方向に隣接する２つの分光部の間隔は、前記撮像面の中央側よりも周辺側の方が小さい。

本発明の一態様にかかる撮像装置によれば、所定の方向に隣接する２つの分光部の間隔は、撮像面の中央側よりも周辺側の方が小さくなっている。このため、撮像面の周辺側において、光が斜めに入射しても分光部から生じる回折光を所望の光検出部に効率よく入射させることができる、したがって、撮影する画像における色むらおよび輝度むらを抑制することができる。

撮像装置の一般的な構造において撮像面に入射する光の角度を示す模式図である。 本発明による撮像装置の第１の実施形態の一部を示す断面図である。 図２に示す撮像装置の光検出部および分光部の配置を示す図である。 図３の拡大図である。 光検出部の受光面の中心と分光部の中心と一致するように配置された撮像装置において、ｘ軸方向に０度および１６度の角度で光が入射したときの分光特性を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、光検出部の受光面の中心と分光部の中心と一致するように配置された撮像装置において、ｘ軸方向に０度および１６度の角度で波長６５０ｎｍの光が入射したときの光強度分布を示す図である。 分光部のシフト量と垂直入射時の特性との乖離量の関係を示す図である。 分光部を最適位置にシフトさせた場合において、波長６５０ｎｍの光を１６度の角度で入射させたときの光強度分布を示す図である。 分光部をｘ軸方向に最適シフトさせた場合において、ｘ軸方向に１６度の角度で光が入射したときの分光特性を示す図である。 光検出部の受光面の中心と分光部の中心と一致するように配置された撮像装置において、ｙ軸方向に０度および１６度の角度で光が入射したときの分光特性を示す図である。 分光部をｙ軸方向に最適シフトさせた場合において、ｙ軸方向に１６度の角度で光が入射したときの分光特性を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、ｘ軸方向およびｙ軸方向への分光部のシフト量と垂直入射特性との乖離量との関係を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、第１の実施形態の撮像装置におけるｘ軸方向およびｙ軸方向における入射角と最適な分光部のシフト量との関係を示す図である。 第１の実施形態において、分光部を最適な位置へシフトさせたときの分光部と主光線との位置関係を示す図である。 本発明による撮像装置の第２の実施形態における光検出部および分光部の配置を示す図である。

本願発明者が特許文献１、２等に開示された分光部を用いる撮像装置を詳細に検討したところ、このような撮像装置で対象物を撮影した場合、撮影した画像の周辺部分において、色むらや輝度むら（色シェーディング、輝度シェーディング）がみられることがわかった。また、このような色むらおよび輝度むらは、撮像装置に入射する光線の入射角度が異なることに起因していることがわかった。

図１は、レンズ１６を用いて集光した対象物の像を撮像素子１０で撮影する場合において、撮像面２０に入射する光線を模式的に示している。レンズ１６は物体側非テレセントリックな撮像光学系を代表して示している。図１に示すように、撮像面２０の中心部に入射する光ａは撮像面２０に対してほぼ垂直の角度をなしている。これに対し、撮像面２０の周辺部分に入射する光ｂは、撮像面２０に垂直な方向から傾いた角度で撮像面２０に入射する。

撮像面２０の表面にカラーフィルタを配置する従来の撮像装置の場合、このような、入射角度の違いは、特に色むらに関して大きな問題とはならない。入射角が大きくなることで、遮光部によって光のケラレが生じ、光検出部に入射する光の光量が低下する場合があるが、カラーフィルタを透過した光の波長特性は、カラーフィルタに入射する光の入射角度に依存しないからである。このため、カラーフィルタを用いる従来の撮像装置では、カラーフィルタに入射する光の入射角度の差異による色むらはほとんど発生しない。

しかし、カラーフィルタの代わりに回折を利用して光の色分離を行う分光部を用いる場合、分光部に入射する光の入射角度により、回折光の回折角度が変化する。このため、図１に示すように、撮像面２０の周辺部では、中央部と光の入射角度が異なることにより、回折光の回折角度が変化し、受光素子の光検出部に入射する分光された回折光の光量が変化することによって色むらおよび輝度むらが発生することがわかった。本願発明者はこの知見にもとづき、色むらおよび輝度むらが抑制された画像を得ることができるように、色を分離して検出を行う新規な撮像装置を想到した。以下、本発明による撮像装置の実施形態を詳細に説明する。本発明の一態様の概要は以下のとおりである。

本発明の一態様である撮像装置は、受光面を有する複数の光検出部であって、第１の方向および前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って２次元に配列されることにより、前記複数の光検出部の受光面が撮像面を構成している複数の光検出部と、入射面および出射面を有し、前記出射面が前記撮像面と対向するように配置された透明層と、前記透明層の屈折率よりも大きい屈折率を有し、前記透明層内であって、前記撮像面と平行な配列面において、２次元に配列された複数の分光部とを備え、各分光部および前記各分光部に隣接した前記透明層の部分を透過した光による０次回折光および±１次回折光が前記複数の光検出部のうち異なる光検出部にそれぞれ入射し、所定の方向に隣接する２つの分光部の間隔は、前記撮像面の中央側よりも周辺側の方が小さい。

前記複数の分光部のそれぞれは、前記透明層内において、前記入射面と前記出射面とが対向する方向に長手を有する柱状形状または板状形状を有していてもよい。

前記複数の分光部は、前記第１の方向および第２の方向に沿って２次元に配置されており、前記各分光部は、前記第１の方向よりも前記第２の方向に大きい厚さを有していてもよい。

前記第１の方向に隣接する２つの分光部の間隔は、前記撮像面の中央側より周辺側の方が小さくてもよい。

前記第２の方向に隣接する２つの分光部の間隔は、前記撮像面の中央側より周辺側の方が小さくてもよい。

前記撮像面の中央を中心とする円の半径方向において隣接する２つの分光部の間隔は、前記撮像面の中央側より周辺側の方が小さくてもよい。

前記入射面から入射し、前記各光検出部において前記受光面の中央に入射する光線は、前記各光検出部に対応する分光部の、前記入射面と前記出射面とが対向する方向における中央よりも光検出部側を通過してもよい。

前記複数の分光部は、複数の第１種類の分光部と複数の第２種類の分光部とを含み、前記複数の第１種類の分光部と前記複数の第２種類の分光部とは互いに異なる波長帯域の光を回折してもよい。

（第１の実施形態）
以下、本発明による撮像装置の第１の実施形態を説明する。図２は、本実施形態の撮像装置の模式的な断面構造の一部を示している。図２に示すように、撮像装置１０１は、撮像素子１０と、透明層１１と、複数の分光部１２とを備える。

撮像素子１０は、受光面１５ｆを有する複数の光検出部１５ａ、１５ｂを含む。光検出部１５ａ、１５ｂのそれぞれは、受光面１５ｆに照射した光を電気信号に変換し出力する。複数の光検出部１５ａ、１５ｂが２次元に配列されることによって、受光面１５ｆが撮像素子１０の撮像面２０を構成している。図３は、撮像面２０における複数の光検出部１５ａ、１５ｂの配置を模式的に示している。複数の光検出部１５ａ、１５ｂは、図３では、第１の方向であるｘ軸方向およびｘ軸方向とは異なる第２の方向であるｙ軸方向に沿って配列されている。本実施形態では、第１の方向と第２の方向とは互いに直交しているが、第１の方向と第２の方向とは９０°以外の角度をなしていてもよい。また、本実施形態では、受光面１５ｆは矩形形状を有しているが、六角形等他の形状を有していてもよい。

透明層１１は入射面１１ａおよび出射面１１ｂを有する。出射面１１ｂが、撮像面２０と対向するように透明層１１は撮像素子１０に対して配置される。撮影すべき物体や景色などからの入射光は、入射面１１ａから入射し、透明層１１内を透過して出射面１１ｂから出射する。出射した光は撮像素子１０の撮像面２０に入射する。透明層１１は、入射光に対して透明であってもよい。例えば、可視光を透過するように、透明層１１は、可視光の波長領域において、大きな吸収を有しない光学特性を備えていてもよい。透明層１１の入射面１１ａには、集光用の複数のマイクロレンズが設けられていてもよい。また、透明層１１と撮像面２０との間にマイクロレンズ層や導光層が設けられていてもよい。

複数の分光部１２は、透明層１１内に配置されている。具体的には、撮像面２０と平行な配列面Ｓ１内において、２次元に配列されている。図３は、撮像面２０における複数の光検出部１５ａ、１５ｂおよび複数の分光部１２の配置を示している。図３に示すように、本実施形態では、複数の分光部１２は、ｘ方向およびｙ方向に配列された複数の光検出部１５ａ、１５ｂのうち、ｘ方向およびｙ方向において、１つおきに位置する光検出部１５ｂ上に配置される。光検出部１５ａ、１５ｂは、撮像面２０において、市松模様（チェックボードパターン）の異なる２つの領域を形成している。具体的には、各光検出部１５ａはｘ方向およびｙ方向において１対の光検出部１５ｂにそれぞれ挟まれており、各光検出部１５ｂはｘ方向およびｙ方向において１対の光検出部１５ａにそれぞれ挟まれている。

複数の分光部１２のそれぞれは、入射光に対して透明であってもよい。例えば、可視光を透過するように、分光部１２は、可視光の波長領域において、大きな吸収を有しない光学特性を備えていてもよい。また、複数の分光部１２の屈折率は、透明層１１の屈折率より大きい。つまり、透明層１１および分光部１２の屈折率をそれぞれｎ１１、ｎ１２とすれば、ｎ１１＜ｎ１２の関係を満たしている。

図４は、図３に示される分光部１２の配置の一部を拡大して示している。図４に示すように、例えば、各分光部１２は、ｘ方向およびｙ方向に厚さｘ１２および厚さｙ１２を有しており、ｙ方向の厚さｙ１２はｘ方向の厚さｘ１２より大きい。また、図２および図４に示すように、各分光部１２は、入射面１１ａと出射面１１ｂとが対向する方向であるｚ方向に長手を有する柱状形状または板状形状を有している。ｚ方向における長さはｚ１２である。

図２に示すように、透明層１１の入射面１１ａから入射した光は出射面１１ｂへ向かって進む。このとき、分光部１２内を透過する光と、透明層１１の分光部１２に隣接した部分を透過する光とでは、ｚ１２（ｎ１２-ｎ１１）で示される光路差ｈが生じる。この光路差ｈが、例えば、赤色光の波長（波長７００ｎｍ）の半整数倍（０．５、１．５・・・）である場合、赤色の±１次回折光１４が生成する。また、入射した光が白色光であれば、赤色の補色であるシアン色の０次回折光１３が生成する。

このため、±１次回折光１４の回折角度と、分光部１２と受光面１５ｆとの距離とを適切に設定することにより、０次回折光１３および±１次回折光１４を異なる光検出部１５ａ、１５ｂに入射させることができる。具体的には、赤色の±１次回折光１４を光検出部１５ａに入射させ、シアン色の０次回折光を光検出部１５ｂに入射させることができる。このように、分光部１２が埋設された透明層１１に光を透過させることによって、カラーフィルタを用いることなく色分離を行うことができる。したがって、カラーフィルタを用いる従来の撮像装置よりも光の利用効率を高めることができる。上述したように、本実施形態によれば、例えば、赤およびシアンを分離して被写体を撮影でき、赤およびシアンで色調表現されたカラー画像を得ることができる。

図４に示すように、分光部１２を光検出部１５ｂの上にのみ配置する場合、光検出部１５ａにはｘ方向において隣接する両側の光検出部１５ｂの上に位置する分光部１２から±１次回折光１４が入射する。また、光検出部１５ａ上には分光部１２が配置されていないため、透明層１１に入射した光、つまり、白色光も入射する。これに対し、光検出部１５ｂには、主に分光部１２によって生成した０次回折光１３が入射する。したがって、例えば、隣接する光検出部１５ａ、１５ｂを１画素として、撮像素子１０によって得られる電気的信号を処理することにより、諧調を有する赤および青色の画像信号を得ることができる。分光部１２の具体的な形状設計方法および信号処理による多色画像信号を生成する方法は特許文献１および特許文献２に開示されている。

分光部１２による±１次回折光１４の回折角度は、入射する光の入射角度によって変化する。撮像面２０の周辺部分に入射する光は、撮像面２０に垂直な方向から傾いた角度で撮像面２０に入射するため、±１次回折光１４の回折角度も撮像面２０の中心部と周辺部とで異なる。これにより、上述したように、撮像素子で撮影した画像の周辺部には色むらおよび輝度むらが発生する。本実施形態の撮像装置１０１はこの課題を解決するために、分光部の配列間隔を撮像面２０の中央部と周辺部とで異ならせている。図３において、点線で示す矩形は撮像面２０において、すべての分光部１２の間隔が等しい場合の分光部１２の位置を示し、ハッチングで示す矩形は、本実施形態の撮像装置１０１における分光部１２の配置を示している。図３に示すように、本実施形態の撮像装置１０１では、所定の方向に隣接する２つの分光部の間隔は、撮像面２０の中央Ｃ１側よりも周辺側の方が小さくなっている。

本実施形態では、ｘ方向において隣接する２つの分光部１２の間隔は、撮像面２０の中央Ｃ１側よりも周辺側の方が小さくなっている。また、ｙ方向において隣接する２つの分光部の間隔は、撮像面２０の中央Ｃ１側よりも周辺側の方が小さくなっている。このため、撮像面２０の中央Ｃ１と一致する点Ｃ２を中心とする円の半径方向において隣接する２つの分光部１２の間隔は、撮像面２０の中央Ｃ１側より周辺側の方が小さくなっている（Ｌ２＜Ｌ１）。ここで、隣接する２つの分光部１２の間隔とは、その方向において隣接する２つの分光部１２の中心間の距離をいう。

つまり、配列面Ｓ１において、分光部１２の位置を見た場合、撮像面２０の周辺に位置する分光部１２の中心１２Ｃは、光検出部１５ｂの受光面１５ｆの中心１５Ｃと一致しておらず、分光部１２の中心１２Ｃは、受光面１５ｆの中心１５Ｃから撮像面２０の中央Ｃ１に対応する配列面Ｓ１の点Ｃ２側にシフトして配置されている。

分光部１２の配列間隔は、撮像面２０の中央Ｃ１から周辺部に向かうにつれて徐々に短くしてもよいし、同じ配列間隔で並ぶ複数の分光部１２が存在する範囲を一つの領域として複数の領域に分割し、領域毎に配列間隔を異ならせてもよい。また、撮像面２０の中央Ｃ１近傍に位置する複数の分光部１２の配列間隔は光検出部１５ａ、１５ｂの配列間隔の２倍と等しくし、撮像面２０の周辺部に位置する複数の分光部１２のみ配列間隔を短くしてもよい。また、本実施形態では、ｘ方向およびｙ方向において分光部１２の間隔を撮像面２０の中央Ｃ１側よりも周辺側の方で小さくしているが、以下において説明するように少なくともｘ方向において、この条件が満たされておればよい。

以下、本実施形態の撮像装置１０１において、色むらおよび輝度むらが抑制される理由を説明する。まず、分光部１２の配列間隔を撮像面２０の中央部と周辺部とで等しい場合に発生する色むらおよび輝度むらを説明する。

図５は、図２に示すように、光検出部１５ｂの受光面の中心１５Ｃと分光部１２の中心１２Ｃとが配列面Ｓ１上で一致するように配置し、透明層１１の屈折率を１．４６、分光部１２の屈折率を２．００とした場合において、白色光を入射面１１ａの法線に対して０度で入射させたとき（以下、垂直入射時と称す）の分光特性と、ｘ軸方向に１６度角度で入射させたときの分光特性を示している。縦軸に示す透過率は、分光部１２が設けられない場合において１画素に入射する光の光量で規格化した値（％）を示す。垂直入射のとき、光検出部１５ａで検出される光では、波長６００ｎｍから７００ｎｍ（赤色波長帯域）までの透過率が高くなり、光検出部１５ｂで検出される光では、波長６００ｎｍから７００ｎｍまでの透過率が低下している。つまり、分光部１２によって赤色光が分離されていることを示す。

これに対し、入射角が１６度である場合、光検出部１５ａ、１５ｂで検出される光の分光特性が大きく変化する。具体的には、光検出部１５ａで検出される光における波長６００ｎｍから７００ｎｍ（赤色波長帯域）までの透過率の増大が小さくなり、光検出部１５ｂで検出される光における、波長６００ｎｍから７００ｎｍまでの透過率の低下も小さくなっている。つまり、赤色光の分離が不十分である。

図６（ａ）および（ｂ）は、上述した構成において、０度および１６度でそれぞれ６５０ｎｍの光が入射したときの光の断面強度分布を示している。これらの図において、黒く表示されている領域は光量が大きいことを示している。図６（ａ）に示すように、入射角が０度である場合、分光部１２から生じる±１次の回折光は光検出部１５ａに効率よく入射している。これに対し、図６（ｂ）に示すように入射角が１６度である場合、回折角が変化するため、１次回折光が光検出部１５ｂにも入射している。このため、赤色光の分離が不十分になると考えられる。

次に光が斜めから入射する場合において、分光部１２からの１次回折光を所望の光検出部に入射させるために、分光部１２の位置をシフトさせた結果を示す。図７は入射角１６度の場合における分光部１２の位置のシフト量と検出される光の強度との関係を示す。横軸は垂直入射時における分光部１２の配置位置からの位置シフト量を示し、縦軸は垂直入射時の分光特性との透過率の差分の絶対値を示している。分光部１２の位置は、光の回折方向、つまり、図３に示す分光部１２の配置においてｘ方向であって、斜めに入射する光の出射側へシフトさせている。

図７より、入射角が１６度の場合、垂直入射時の分光特性との差が最も小さいとき位置シフト量は６００ｎｍであることがわかる。

図８は、分光部１２を６００ｎｍシフトさせた場合において、波長６５０ｎｍの光を入射角１６度で入射させた場合の光の断面強度分布を示している。分光部１２から生じる１次回折光が光検出部１５ａに効率よく入射していることがわかる。

図９は分光部１２の位置シフト量を６００ｎｍとし、白色光を入射角１６度で入射させた場合における分光特性を示している。比較のために、位置シフト量をゼロとし、白色光を垂直に入射させた場合における分光特性も示している。図５に示す結果と比較すると、分光部１２の位置をシフトさせることによって、赤色領域の光を効率よく分離できることがわかる。また、位置シフト量をゼロとし、白色光を垂直に入射させた場合の分光特性ともよく一致していることがわかる。これらの結果から、分光部１２を光の入射角に従って配置位置を光の回折方向にシフトさせることで、入射角に対する分光特性の変化を抑制し、撮像領域内における色むらを抑制できることがわかる。

図３に示すように、分光部１２のｙ軸方向の厚さがｘ軸方向の厚さよりも大きい場合、１次回折光はｘ軸方向に回折する。このため、分光部１２に入射する光がｘ軸方向において斜めに入射する場合、上述したように±１次回折光の回折角度が変化する。これに対して、分光部１２に入射する光がｙ軸方向において斜めに入射する場合、±１次回折光の回折角度は変化しない。しかし、この場合、±１次回折光の出射方向がｙ軸方向へシフトするため、光検出部１５ａ、１５ｂに入射する光における０次回折光および±１次回折光の割合が変化する。

図１０は、図２に示すように、光検出部１５ｂの受光面の中心１５Ｃと分光部１２の中心とが配列面Ｓ１上で一致するように配置されている場合において、白色光を入射面１１ａの法線に対して０度で入射させたとき（以下、垂直入射時と称す）の分光特性と、ｙ軸方向に１６度の角度で入射させたときの分光特性を示している。図５と同様、縦軸に示す透過率は、分光部１２が設けられない場合において１画素に入射する光の光量で規格化した値（％）を示す。

図１０に示すように、入射角度が１６度の場合、０度の場合に比べて、光検出部１５ａに入射する光の分光特性の強度が全体的に低下している。これに対して、光検出部１５ｂに入射する光の分光特性の強度は、０度の場合に比べて入射角度が１６度の場合に全体的に増大している。これは、入射角度が０度である場合に、それぞれ光検出部１５ａおよび光検出部１５ｂにのみ入射していた０次回折光および±１次回折光が、光検出部１５ｂおよび光検出部１５ａにも入射するようになったためと考えられる。

このように、撮像面２０の法線に対してｙ軸方向に光が斜めに入射する場合においても分光特性は変化し、色むらおよび輝度むらが発生し得る。したがって、分光部１２はｙ軸方向つまり、回折光が出射する面であるｘｚ平面に対して垂直な方向であるｙ軸方向にもシフトさせてもよい。

なお、ｘ軸方向に光が斜めに入射する場合の分光透過率特性の変化を示した図５と、ｙ軸方向に光が斜めに入射する場合の分光透過率特性の変化を示した図１０とを比べると、図５の方がより変化が大きいことがわかる。つまり、上述したとおり、±１次回折光の回折角度が変化する方向に光が斜めに入射する方が、垂直入射時と比較した分光透過率特性の変化に大きく影響していることがわかる。後述する図１２において示されるとおり、この傾向は、入射角がより大きくなるほど見られる。このことから、少なくともｘ軸方向において、分光部１２の間隔を撮像面２０の中央Ｃ１側よりも周辺側の方で小さくすることにより、色むらや輝度むらを抑制する効果を得ることができる。

図１１は、分光部１２を光が入射する方向へ、ｘ方向およびｙ方向に位置シフトさせ、垂直入射の場合の分光特性に最も一致する最適なシフト量で、分光部１２の位置をシフトさせた場合の分光特性を示している。シフト量は、垂直入射時の分光特性との透過率の差分の絶対値が最小となる値を選択している。入射角が１６度である場合、分光特性が最も垂直入射時の分光特性と一致する位置シフト量は６５０ｎｍであった。図１２に示すように、光検出部１５ａおよび光検出部１５ｂのいずれにおいても、分光特性における波形および透過率がよく一致している。

図１２（ａ）は、分光部１２を最適な量で位置シフトさせた場合と位置シフトさせない場合において、ｘ軸方向の入射角度と、光検出部１５ａおよび光検出部１５ｂに入射する光の、垂直入射時の分光特性との差分の絶対値との関係を示している。また、図１２（ｂ）は、分光部１２を最適な量で位置シフトさせた場合と位置シフトさせない場合において、ｙ軸方向の入射角度と、光検出部１５ａおよび光検出部１５ｂに入射する光の、垂直入射時の分光特性との差分の絶対値との関係を示している。

ｘ軸方向およびｙ軸方向のいずれにおいても、分光部１２の位置をシフトさせない場合、入射角度が大きくなるにつれて分光特性の乖離が大きくなる。これに対して、分光部１２の位置をシフトさせることによって、乖離量を一定値以下に抑制することができる。これは、撮像面の中央から周辺部分へ向かうにつれて、入射光の入射角度が大きくなっても、分光部の位置をシフトさせることによって、分光特性の乖離は一定値以下に抑制することができ、撮影した画像における周辺部の色むらおよび輝度むらを抑制することができることを示している。

図１３（ａ）は、撮像装置に入射する光のｘ軸方向の入射角と、その入射角において最も分光特性が垂直入射時の分光特性と一致する分光部の位置シフト量との関係を示す。また、図１３（ｂ）は、撮像装置に入射する光のｘ軸方向の入射角と、その入射角において最も分光特性が垂直入射時の分光特性と一致する分光部の位置シフト量との関係を示す。

位置シフト量は図１４に示すように、光検出部１５ａの受光面１５ｆの中心１５Ｃ上に分光部１２の中心が一致する場合における中心から撮像面２０と平行に移動した距離Δｄで規定される。

また、主光線上までのシフト量とは、図１４の光検出部の中心１５Ｃに入射する一本の光線と分光部の中心１２Ｃが一致するように撮像面２０と平行な方向へシフトさせたときの量で定義される。

図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、入射角に従って分光部の位置シフト量を大きくすることによって、色むらおよび輝度むらを抑制することができることがわかる。したがって、最も効率よく色むらおよび輝度むらを抑制するためには、撮像面の中心から周辺部へ向かうにつれて、分光部１２の間隔をｘ方向およびｙ方向において小さくしてもよい。

また、図１４に示すように、分光部１２を最適な位置へシフトさせた場合、主光線のうち光検出部１５ａの受光面１５ｆの中心１５Ｃと交わる光線は分光部１２の中心１２Ｃから下方へ約５００ｎｍの位置（図のε）を通過することがわかった。分光部１２は撮像面２０の法線方向に長手方向を有し、分光部１２の屈折率が透明層１１の屈折率よりも大きい。このためｘ軸方向には分光部１２による導波の原理によって主光線の経路が変化する。また、ｙ軸方向には高屈折率の分光部１２による屈折によって主光線の経路が変化する。よって、主光線のうち受光面１５ｆの中心１５Ｃと交わる光線が分光部１２の中心１２Ｃを通らず中心１２Ｃよりも光検出部１５ａ側を通過すると考えられる。

なお、特開２００３−１８４７６号公報は、各画素に入射する光の量を効率的に高めるために、カラーフィルタのレンズの射出瞳から撮像装置に入射した光線に対し、カラーフィルタの中心位置が前記光線上またはその近傍となるように設計することを開示している。上述したように、本実施形態の撮像装置１０１では、主光線のうち受光面１５ｆの中心１５Ｃと交わる光線が分光部１２の中心１２Ｃを通らず中心１２Ｃよりも光検出部１５ａ側を通過してもよいため、本実施形態の撮像装置における分光部１２の配置は、特開２００３−１８４７６号公報に開示されたカラーフィルタの配置とは全く異なる技術的理由に基づいており、また、その効果も異なる。

なお、本実施形態では分光部１２がｘ方向およびｙ方向に配列された複数の光検出部１５の１つおきに配列されているが、全ての光検出部１５上に配列されてもよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明による撮像装置の第２の実施形態を説明する。図１５は、本実施形態の撮像装置１０２における光検出部および分光部の配置を示している。撮像装置１０２は、４つの色を分離して検出することが可能である。このために、撮像装置１０２は、撮像素子１０と、透明層１１と、複数の分光部１２Ａ、１２Ｂとを備える。

撮像装置１０２は、４つの色を分離して検出するために、互いに異なる波長帯域の光を回折する２種類の分光部１２Ａおよび分光部１２Ｂを備えている点で第１の実施形態の撮像装置１０１と異なる。他の構成要素は第１の実施形態の撮像装置１０１と同様であるので、以下においては、分光部１２Ａおよび分光部１２Ｂについて詳細に説明する。

図１５に示すように、例えば、分光部１２Ａは、第１の実施形態と同様、赤色の波長帯域の光を回折するように設計されている。また、分光部１２Ｂは、青色の波長帯域の光を開設するように設計されている。図１５に示すように、分光部１２Ａは、光検出部１５ｂ上に配置されており、分光部１２Ｂは光検出部１５ａ上に配置されている。

分光部１２Ａおよび分光部１２Ｂにおいて、互いに異なる波長帯の光を回折するために、分光部１２Ａ内を透過する光および透明層１１の分光部１２Ａに隣接した部分を透過する光による光路差ｈと、分光部１２Ｂ内を透過する光および透明層１１の分光部１２Ｂに隣接した部分を透過する光による光路差ｈ’とが異なっている。例えば、分光部１２Ａおよび分光部１２Ｂの屈折率が、それぞれ透明層１１の屈折率より大きく、かつ、互いに異なっている。あるいは、分光部１２Ａおよび分光部１２Ｂのｚ方向における長さｚ１２（図２）が互いに異なっている。より具体的には、例えば、分光部１２Ａに関する光路差ｈは、赤色光の波長（波長７００ｎｍ）の半整数倍（０．５、１．５・・・）であり、分光部１２Ｂに関する光路差ｈ’は、青色光の波長（波長４５００ｎｍ）の半整数倍（０．５、１．５・・・）である。

このため、分光部１２Ａの下方に位置する光検出部１５ｂにはシアン色の光が入射し、これに隣接する光検出部１５ａには赤色の光が入射する。また、分光部１２Ｂの下方に位置する光検出部１５ｂには黄色の光が入射し、これに隣接する光検出部１５ａには青色の光が入射する。したがって、図１６において破線で囲まれる４つの光検出部は、赤、シアン、青、黄色の４色を分離して検出する。これら４色から例えば、赤、青、緑の画像信号を生成する方法は、例えば、特許文献２に開示されている。これにより、撮像装置１０２を用いてフルカラー画像を得ることが可能である。

第１の実施形態と同様、所定の方向に隣接する２つの分光部１２Ａ、１２Ｂの間隔は、撮像面の中央側よりも周辺側の方が小さくなっている。これにより、第１の実施形態で説明したように、撮影した画像における周辺部の色むらおよび輝度むらを抑制することができる。

なお、分光部１２Ａ、１２Ｂの配置位置を光検出部１５ｂの中心１５Ｃからシフトさせる最適なシフト量は、厳密には分光部１２Ａと分光部１２Ｂとで異なる。このため、入射角に対する分光部１２Ａのシフト量と分光部１２Ｂのシフト量とを異ならせてもよい。あるいは、第１の実施形態と同様、分光部１２Ａと分光部１２Ｂとを区別することなく、分光部の位置を入射角度に基づきシフトさせてもよい。

また、本実施形態では分光部１２がｘ方向およびｙ方向に配列された複数の光検出部１５の１つおきに配列されているが、全ての光検出部１５上に分光部１２が配列され、かつ個々の分光部１２は赤、青以外の波長帯域の光を回折するように設計してもよい。

なお、第１および第２の実施形態では、分離する色として可視光を例示しているが、分光部によって紫外線や赤外線等、可視光以外の波長帯域の光線を分離してもよい。

また、第１の実施形態における分光部１２の配置および第２の実施形態における分光部１２Ａおよび分光部１２Ｂの配置は図示した例に限られない。

また、第１の実施形態における分光部１２および第２の実施形態における分光部１２Ａ、１２Ｂのｘｙ平面における配列の方向は異なっていてもよい。具体的には、第１の実施形態において、すべての分光部１２は、ｘ方向よりもｙ方向の厚さが大きく、ｙｚ平面に平行に配置されている。しかし、例えば、ｘ方向またはｙ方向に隣接する２つの分光部１２において、一方はｘｚ平面に平行であり、他方はｙｚ平面に平行になるように配置されていてもよい。あるいは他の規則に従って、分光部１２の配置方向が異なっていてもよい。

同様に第２の実施形態において、分光部１２Ａと分光部１２Ｂとの配置方向が異なっていてもよいし、分光部１２Ａのうちの一部が他と異なる方向に配置され、分光部１２Ｂのうちの一部が他と異なる方向に配置されていてもよい。

分光部の配置の方向は、分離した色をどの光検出部に入射させるかに依存する。一方、分光部の配置方向にかかわらず、撮像面の中心から外側へ向かうにつれて、分光部に入射する光の角度が変化し、上述した課題が生じ得る。したがって、分光部の一部の配置方向を異ならせた場合でも、上述したように、分光部の間隔を異ならせることにより、色むらや輝度むら等を抑制することができる。

本発明の一態様にかかる撮像装置は、デジタルカメラ、携帯電話などのスマートフォン用カメラ、デジタルムービーカメラ、その他撮像センサを用いるカメラを用いる技術分野において特に有用である。

１０ 撮像素子
１１ 透明層
１２、１２Ａ、１２Ｂ 分光部
１３ ０次回折光
１４ ±１次回折光
１５ａ、１５ｂ 光検出部
２０ 撮像面
１６ レンズ

Claims (7)

1. 受光面を有する複数の光検出部であって、第１の方向および前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って２次元に配列されることにより、前記複数の光検出部の受光面が撮像面を構成している複数の光検出部と、
   入射面および出射面を有し、前記出射面が前記撮像面と対向するように配置された透明層と、
   前記透明層の屈折率よりも大きい屈折率を有し、前記透明層内であって、前記撮像面と平行な配列面において、２次元に配列された複数の分光部と、
   を備え、
   各分光部および前記各分光部に隣接した前記透明層の部分を透過した光による０次回折光および±１次回折光が前記複数の光検出部のうち異なる光検出部にそれぞれ入射し、
   所定の方向に隣接する２つの分光部の間隔は、前記撮像面の中央側よりも周辺側の方が小さく、
   前記複数の分光部は、前記第１の方向および第２の方向に沿って２次元に配置されており、
   前記各分光部は、前記第１の方向よりも前記第２の方向に大きい厚さを有する、撮像装置。
2. 前記複数の分光部のそれぞれは、前記透明層内において、前記入射面と前記出射面とが対向する方向に長手を有する柱状形状または板状形状を有している請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第１の方向に隣接する２つの分光部の間隔は、前記撮像面の中央側より周辺側の方が小さい請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記第２の方向に隣接する２つの分光部の間隔は、前記撮像面の中央側より周辺側の方が小さい請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記撮像面の中央を中心とする円の半径方向において隣接する２つの分光部の間隔は、前記撮像面の中央側より周辺側の方が小さい請求項１に記載の撮像装置。
6. 前記入射面から入射し、前記各光検出部において前記受光面の中央に入射する光線は、前記各光検出部に対応する分光部の、前記入射面と前記出射面とが対向する方向における中央よりも光検出部側を通過する請求項１から５のいずれかに記載の撮像装置。
7. 前記複数の分光部は、複数の第１種類の分光部と複数の第２種類の分光部とを含み、前記複数の第１種類の分光部と前記複数の第２種類の分光部とは互いに異なる波長帯域の光を回折する請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。

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