JP6981496B2 - Color image sensor and image sensor - Google Patents

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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 sensor and an image pickup device including a color image sensor.

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 pickup device provided with a photoelectric conversion element such as a CCD (Challe Coupled Device) sensor or a CMOS (Complementary Metal Oxide Sensor) sensor, it is necessary to perform color separation of incident light in order to acquire color information of an image pickup 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 sensor. In the conventional color image sensor 600, the photoelectric conversion element 602 is arranged on the electric wiring 601 and the color reduction type color filter 604 made of an organic material or an inorganic multilayer film material is arranged facing each pixel including the photoelectric conversion element 602. Will be done. A microlens 605 is arranged on the color filter 604.

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 microlens 605, the color filter 604 is used to transmit only the light in the desired wavelength band and absorb or reflect the light in the unnecessary wavelength band, so that red (R) and green are used for each pixel. By acquiring each signal from the three photoelectric conversion elements 602 corresponding to (G) and blue (B), a color two-dimensional image can be generated.

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 image sensor 600 as described above, when RGB is incident light at a ratio of 1: 1: 1, the total amount of light after passing through the color filter 604 is inevitably about 1/3. There is a problem of closing it. The remaining light lost is loss due to absorption or reflection and cannot reach the photoelectric conversion element 602. Therefore, the light utilization efficiency of the incident light is about 30% at the maximum, and the sensitivity of the image pickup device is greatly limited. In recent years, the miniaturization of pixels has progressed, and the amount of light received by one pixel has decreased, so it is desired to solve the above-mentioned problems.

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 color filter 604, it has been proposed to configure a color image sensor by using a spectroscopic element such as a micro prism or a dichroic mirror capable of branching incident light according to a wavelength band. By such an approach, in principle, the loss of incident light is greatly reduced, and the light utilization efficiency can be greatly improved. However, in recent years when the miniaturization of pixels is advancing, it is difficult to integrate the above-mentioned elements on the photoelectric conversion element.

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 construct a color image sensor by using a spectroscopic element having a fine structure that can be relatively easily integrated on a photoelectric conversion element. Non-Patent Document 1 proposes a method of improving light utilization efficiency by eliminating light loss in color separation in principle by using two types of microstructures capable of separating incident light into two wavelength regions. ing.

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。 17 (a) shows a top view of a color image sensor using a conventional spectroscopic element, FIG. 17 (b) shows a cross-sectional view of the XVIIb-XVIIb, and FIG. 17 (c) shows the XVIIc-XVIIc. A cross-sectional view is shown. As shown in the figure, the color image sensor 610 is provided with fine beam structures 606-1 and 606.2 arranged corresponding to the pixels 602 instead of the color filter 604, so that the incident light is emitted according to the wavelength region. It separates into straight light and polarized light. This is because the phase delay effect felt by the incident light in and around the fine beam structure is significantly different in one wavelength region and almost equal in the other wavelength region.

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, by alternately arranging two types of fine beam structures 606-1 and 606-2 having different structural thicknesses row by row on the two-dimensional pixel array, the four photoelectric conversion elements 602 adjacent to each other are respectively. It becomes possible to receive light having different wavelength components. As a result, color information can be generated by matrix calculation using the photoelectric conversion signal output from each photoelectric conversion element 602.

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 Non-Patent Document 1, as shown in FIG. 18, by arranging a step-shaped fine structure 607 capable of separating incident light into three wavelength regions on the pixel 602, the light utilization efficiency is improved. A color image sensor 620 has also been proposed at the same time. In this method, in addition to the color information generation by the matrix calculation as described above, the light in the separated three wavelength regions can be incident on each of the three adjacent photoelectric conversion elements 602, so that the light is output from each photoelectric conversion element 602. It is considered that color information can be directly generated by using the photoelectric conversion signal generated.

Seiji Nishiwaki， Tatsuya Nakamura， Masao Hiramoto， Toshiya Fujii and Masa-aki Suzuki， “Efficient colour splitters for high-pixel-density image sensors，” Nature Photonics， Vol. 7， March 2013， pp. 240-246Seiji Nishiwaki, Tatsuya Nakamura, Masao Hiramoto, Toshiya Fujii and Masa-aki Suzuki, “Efficient color splitters for high-pixel-density image sensors,” Nature Photonics, Vol. 7, March 2013, pp. 240-246

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 Document 1 has practical problems.

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 microstructures 606-1 and 606-2 that separate the incident light into two wavelength regions, the structural heights of the two types of microstructures 606-1 and 606-2 are different from each other, so that the cost in the manufacturing process is high. Will increase. Further, since the shapes of the fine structures 606-1 and 606.2 are beam-shaped structures having a long axis, the phase delay effect felt by the light differs depending on the polarization direction of the incident light, and the color separation function depends on the polarization. There is a problem that there is. Further, since signal processing is performed from the light intensity data separated into two sets of two wavelength regions and RGB information is restored, there is a 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 using the step-shaped fine structure 607 that separates the incident light into three wavelength regions, a color image having a high light utilization rate and good color reproducibility can be theoretically obtained, but ideal spectral characteristics. It is difficult to produce a microstructure 607 with. The disclosed step-shaped microstructure 607 requires a plurality of lithography and etching processes, and also requires a highly accurate alignment technique in the lithography process, which causes a problem that the manufacturing cost increases. Further, since the shape of the microstructure 607 is a beam-shaped structure having a long axis as in the microstructures 606-1 and 606-2 that separate the incident light into two wavelength regions, the color separation function has polarization dependence. There is a problem to do.

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 to provide a two-dimensional pixel as a microspectral element which can be easily manufactured, has little polarization dependence, and can separate incident light into three wavelength regions. It is an object of the present invention to provide a high-sensitivity color image sensor and an image pickup device that 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、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配列された画素アレイと、画素アレイ上に形成された透明層と、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、分光素子の各々は、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、１組の微細構造体は、画素アレイに対して垂直方向の長さが等しく、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、画素アレイは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、１組の微細構造体の複数の微細構造体の各々の分光方向の幅が、分光方向に並んで配置された微細構造体の分光方向の幅と異なることを特徴とする。
本発明の別の態様では、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ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, one aspect of the present invention is an image pickup element, which is a pixel array in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion element are arranged on a substrate, and a transparent layer formed on the pixel array. And an array of spectroscopic elements in which a plurality of spectroscopic elements are arranged inside or on the transparent layer, and each of the spectroscopic elements is formed of a plurality of materials having a refractive index higher than that of the transparent layer. A set of microstructures, including a set of microstructures, have the same length in the vertical direction with respect to the pixel array, different shapes in the horizontal direction with respect to the pixel array, and are spaced at regular intervals. The pixel array is composed of a plurality of microstructures arranged in, and is arranged at a position where it receives light dispersed in a direction corresponding to a wavelength by a plurality of spectroscopic elements. The width of each of the spectral directions is different from the width of the fine structures arranged side by side in the spectral direction.
In another aspect of the invention, the microstructure is characterized in that the bottom and top surfaces of the structure have a shape that is rotationally symmetric four times with the center as the axis of symmetry.

本発明の一態様は、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配列された画素アレイと、画素アレイ上に形成された透明層と、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、分光素子の各々は、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、１組の微細構造体は、画素アレイに対して水平方向の形状が異なり、厚みが一定であり、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し、一定の間隔で配置された複数の微細構造体からなり、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分光素子から出射し、画素アレイの一方向に連続して配置された３つの画素にそれぞれ入射することを特徴とする。 One aspect of the present invention is an image pickup element, which is a pixel array in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion element are arranged on a substrate, a transparent layer formed on the pixel array, and inside or on the transparent layer. Each of the spectroscopic elements comprises a spectroscopic element array in which a plurality of spectroscopic elements are arranged, and each of the spectroscopic elements is a set of fine structures composed of a plurality of microstructures formed of a material having a refractive index higher than that of the transparent layer. A set of microstructures, including a structure, has a different shape in the horizontal direction with respect to the pixel array, has a constant thickness, and has a shape in which the bottom surface and the top surface of the structure are refracted four times with the center as the axis of refraction. However, it is composed of a plurality of microstructures arranged at regular intervals, and at least a part of the light incident on the spectroscopic element is separated into first to third deflected lights having different propagation directions depending on the wavelength and dispersed. It is characterized in that it emits light from an element and is incident on each of three continuously arranged pixels in one direction of a pixel array.

本発明の別の態様では、第１〜第３の偏向光が、隣接する連続した３つの画素の第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 polarized light, characterized in that the respectively incident to the first to third photoelectric conversion element of the three fractions containing consecutive adjacent.

本発明の別の態様では、入射する光が白色光の場合、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、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、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。
本発明の別の態様では、微細構造体から出射する特定波長の光の位相遅延量が隣接する微細構造体間で直線上にならぶように、分光素子における微細構造体の幅、屈折率、高さを定めることを特徴とする。
本発明の別の態様では、微細構造体は、柱状構造体であることを特徴とする。 In another aspect of the present invention, when light incident white light, the light incident on the first photoelectric conversion element has a peak of light intensity in the blue wavelength range of less than the wavelength 500 nm, the second photoelectric conversion The light incident on the element has a light intensity peak in the green wavelength range of 500 nm to 600 nm, and the light incident on the third photoelectric conversion element has a light intensity peak in the red wavelength range of 600 nm or more. It is characterized by that.
In another aspect of the present invention, the width, refractive index, and high of the microstructure in the spectroscopic element are such that the phase delay of the light of a specific wavelength emitted from the microstructure is aligned in a straight line between the adjacent microstructures. It is characterized by defining the light.
In another aspect of the invention, the microstructure is characterized by being a columnar structure.

本発明の別の態様では、１組の微細構造体の形状は、分光素子アレイを構成する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, a set of shapes of fine structures is characterized in that in all of the minute optical elements that make up the partial optical element array are identical.

本発明の別の態様では、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分光素子の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つの画素は、第１の方向に沿って配置されており、第１の方向に沿って隣接する３つの画素のうち、両外側の２つの画素は、第１の方向に沿って隣接する２つの分光素子から第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, and the orientation of the set of microstructure of the minute optical elements you adjacent disposed along the first direction of the partial light element array is inverted alternately, and continuously adjacent three fractions containing are arranged along a first direction, among three image Motono adjacent along the first direction, the two pixels of the both outer sides, along the first direction one of the first to third polarized light or two adjacent minute optical elements et al, characterized in that it is incident Te.

本発明の別の態様では、画素アレイと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, image between element array and minute light element array, a first color filter having a peak of transmittance in the blue wavelength range of less than the wavelength 500 nm, transmitted green wavelength range of 500nm~600nm Of the second color filter having a peak rate and the third color filter having a peak transmittance in the red wavelength region having a wavelength of 600 nm or more, at least one color filter is arranged so as to form an array. It is characterized by further providing a filter array.

本発明の別の一態様は、撮像装置であって、本発明の一態様の撮像素子と、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、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 imaging apparatus, and an imaging element of one embodiment of the present invention, an imaging optical system for forming an optical image on the imaging surface of the IMAGING element, an imaging element output It is characterized by being provided with a signal processing unit for processing an electric signal.

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 sensor and an image pickup device having a high light utilization rate can be obtained by using a micro 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.

本発明の撮像装置の概略構成を示した側面図である。It is a side view which showed the schematic structure of the image pickup apparatus of this invention. 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。It is a figure which shows a part of the cross section of the pixel array and the spectroscopic element array of the image pickup element which concerns on Embodiment 1 of this invention schematically. （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、（ｂ）はその断面図である。(A) is a top view of a schematic configuration of a part of the image pickup device according to the first embodiment of the present invention, and (b) is a cross-sectional view thereof. （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、（ｂ）は、その断面図である。(A) is a top view of a columnar structure constituting the microspectral element of the image pickup device according to the first embodiment of the present invention, and (b) is a cross-sectional view thereof. （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断面図であり、（ｂ）は、微小分光素子によって分離された３波長それぞれの位相遅延分布を示す図である。(A) is a cross-sectional view of an example of a micro spectroscopic element of the image pickup device according to the first embodiment of the present invention, and (b) is a diagram showing a phase delay distribution of each of the three wavelengths separated by the micro spectroscopic element. be. （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、（ｂ）は、その断面図である。(A) is a top view of an example of a microscopic spectroscopic element of the image pickup device according to the first embodiment of the present invention, and (b) is a cross-sectional view thereof. （ａ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子において、柱状構造体の上面から縦の偏光をもつ平行光を入射した際、微小分光素子の出射端から３方向に分離して伝搬する効率の波長依存性を示す図であり、（ｂ）は、柱状構造体の上面から横の偏光をもつ平行光を入射した際、微小分光素子の出射端から３方向に分離して伝搬する効率の波長依存性を示す図である。(A) is the image pickup device according to the first embodiment of the present invention, when parallel light having vertical polarization is incident from the upper surface of the columnar structure, it propagates separately from the emission end of the microspectral element in three directions. It is a figure which shows the wavelength dependence of efficiency, (b) is the efficiency which separates and propagates in three directions from the emission end of a microspectroscopic element when parallel light having laterally polarized light is incident from the upper surface of a columnar structure. It is a figure which shows the wavelength dependence of. （ａ）〜（ｈ）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構造パターン例を示す図である。(A)-(h) is a figure which shows the structural pattern example of the micro spectroscopic element of the image pickup device which concerns on Embodiment 1 of this invention. （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図である。(A) to (c) are diagrams schematically showing the arrangement of pixels corresponding to the color components of the image pickup device according to the first embodiment of the present invention. （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図である。(A) to (c) are diagrams schematically showing the arrangement of pixels corresponding to the color components of the image pickup device according to the first embodiment of the present invention. 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。The cross-sectional view of the schematic structure of the image pickup element which is the modification of Embodiment 1 of this invention is shown. （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、（ｂ）はその断面図である。(A) is a top view of a schematic configuration of a part of the image pickup device according to the second embodiment of the present invention, and (b) is a cross-sectional view thereof. 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図である。It is a figure which schematically represented the arrangement of the pixel of the image pickup device which concerns on Embodiment 2 of this invention. （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、（ｂ）は、その断面図である。(A) is a top view of a schematic configuration of a part of the image pickup device according to the third embodiment of the present invention, and (b) is a cross-sectional view thereof. （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、（ｂ）は、その断面図である。(A) is a top view of a schematic configuration of a part of the image pickup device according to the fourth embodiment of the present invention, and (b) is a cross-sectional view thereof. 従来のカラー撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of the conventional color image sensor. （ａ）は、従来の分光素子を用いたカラー撮像素子の上面図であり、（ｂ）は、そのＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ断面図であり、（ｃ）は、そのＸＶＩＩｃ−ＸＶＩＩｃ断面図である。(A) is a top view of a color image pickup device using a conventional spectroscopic element, (b) is a cross-sectional view of the XVIIb-XVIIb, and (c) is a cross-sectional view of the XVIIc-XVIIc. 従来の分光素子を用いた別のカラー撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of another color image sensor using a conventional spectroscopic element.

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, it goes without saying that 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 the image pickup apparatus of the present invention. The image pickup element 10 includes a lens optical system 11, an image pickup element 12 including a photoelectric conversion element such as a CCD or CMOS, and a signal processing unit 13 that processes a photoelectric conversion signal output from the image pickup element 12 to generate an image signal. ..

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 object 1, and the light transmitted / reflected / scattered thereof or the light emitted from the object 1 forms an optical image on the image pickup element 12 by the lens optical system 11. Generally, the lens optical system 11 is composed of a lens group composed of a plurality of lenses arranged along an optical axis in order to correct various optical aberrations. However, in FIG. 1, the drawing is simplified to form a single lens. Shows. Further, the signal processing unit 13 includes an image signal output for transmitting the generated image signal to the outside.

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。 The image pickup apparatus 10 of the present invention may include known components such as an optical filter for cutting infrared light, an electronic shutter, a viewfinder, a power supply (battery), and a flashlight. It is omitted because it is not particularly necessary. Further, the above configuration is merely an example, and in the present invention, known elements can be appropriately combined and used for the components other than the lens optical system 11, the image pickup device 12, and the signal processing unit 13.

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 explaining the specific embodiment of the present invention, the outline of the image pickup device 12 in the embodiment of the present invention will be described.

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 image pickup element 12 according to the embodiment of the present invention is a pixel array in which a plurality of cells (pixels) 102 including a photoelectric conversion element are arranged two-dimensionally, and a spectroscopic element array in which a plurality of microscopic spectroscopic elements 101 are arranged two-dimensionally. And prepare. FIG. 2 is a diagram schematically showing a part of a cross section of a pixel array and a spectroscopic element array of an image pickup device according to the first embodiment of the present invention. The spectroscopic element array faces the pixel array and is arranged on the side where the light from the lens optical system is incident. Each microspectral element 101 is composed of a plurality of columnar structures having a constant thickness. The microspectral element 101 is represented by four columnar structures for convenience, but the number, spacing, and arrangement pattern are not limited, and various arrangement forms can be taken.

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 image pickup device 12 is classified into a first color component, a second color component, and a third color component for each wavelength region. The combination of the first to third color components is generally a combination of the three primary colors of red (R), green (G), and blue (B), but if the light is divided into three wavelength ranges, it is possible. Not limited to this.

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 microspectral element 101 according to the embodiment of the present invention utilizes the phase delay effect described later and its structural dimensional dependence / wavelength dependence, so that the incident light is incidental according to the above-mentioned first to third color components. It has a function of changing the propagation direction of light and spatially separating it on a pixel array. That is, in the embodiment of the present invention, at least a part of the light incident on the image pickup device changes the propagation direction according to the color component by the micro spectroscopic element 101, and is incident on the plurality of pixels 102. Therefore, by appropriately setting the distance between the microspectral element 101 and the pixel 102, it is possible to receive the light separated into the three wavelength regions by the different pixels 102.

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 pixel 102, an electric signal (photoelectric conversion signal) corresponding to the intensity of the light incident by the photoelectric conversion element is output, so that a signal (color information) corresponding to the color component can be directly or signaled. It can be obtained using an operation. Since the plurality of pixels 102 corresponding to the above-mentioned microspectral element 101 and the microspectral element 101 are arranged in a two-dimensional manner, it is possible to acquire color information of an optical image of an object formed by the lens optical system 11. can.

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 the first and second embodiments described later, by using the microlens array, almost all of the incident light passes through any of the minute spectroscopic elements 101 constituting the spectroscopic element array, so that almost all of the incident light is transmitted. Is incident on the pixel array in a state of being separated into three wavelength regions. Therefore, the color information can be acquired directly from the photoelectric conversion signal or by using a simple calculation.

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 the third and fourth embodiments described later, since a part of the incident light passes through the minute spectroscopic element 101 constituting the spectroscopic element array, a part of the incident light is separated into three wavelength regions. It is incident on the pixel array. Therefore, a part of each pixel 102 outputs a photoelectric conversion signal according to the total light intensity of the light in the state of being separated into the three wavelength regions and the light in the state of not being separated. Color information can be obtained from the output photoelectric conversion signal by using an appropriate matrix operation described later.

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 image pickup device 12 in the embodiment of the present invention, color information can be obtained by low-loss optical separation into three colors using the microspectral element 101 without using a color reduction type color filter. Therefore, as compared with an image pickup device using a color filter, the total amount of light reaching the pixel array can be increased, and the image pickup sensitivity can be increased. Further, the microscopic spectroscopic element 101 is composed of a structure having a constant thickness, which is easy to manufacture, and since polarization dependence does not occur due to the symmetry of the upper surface and the bottom surface of the structure, it is disclosed in Non-Patent Document 1. It is possible to solve the problem that the color separation function in the prior art has a polarization dependence.

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)
Hereinafter, the outline of the configuration of the image pickup device in the first embodiment will be described.

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 pickup device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a cross-sectional view thereof. The image pickup device 100 in the first embodiment has a low refractive index transparent layer 111 made of SiO 2 and the like, and a plurality of micros on a two-dimensional pixel array in which pixels 102 including a photoelectric conversion element are arranged in an array. The lenses 103 are laminated. Inside the transparent layer 111 having a low refractive index, a plurality of thicknesses (lengths in the direction perpendicular to the two-dimensional pixel array) formed of a material such as SiN having a refractive index higher than that of the transparent layer 111. A microscopic spectroscopic element 101 made of a constant microstructure is embedded. For convenience, in the following description, the normal direction of the two-dimensional pixel array is parallel to the z-axis and the two-dimensional pixel array, and the direction in which the three pixels 102 constituting the pixel unit 110 are arranged is parallel to the x-axis and the two-dimensional pixel array. Set the xyz Cartesian coordinate system whose y-axis is the direction orthogonal to the x-axis.

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 microlens 103, the microspectral element 101, and the pixel 102 are arranged in a grid pattern on the xy plane, and one microspectral element 101 is arranged on the central axis of each microlens 103. Has been done. Assuming that three pixels adjacent to each other in the x-axis direction are one pixel unit 110, each microlens 103 adjacent to each other in the x-axis direction has a one-to-one correspondence with the pixel unit 110, and the central axis of each microlens 103 corresponds to each other. It passes approximately the center of the pixel 102 in the center of the pixel unit. That is, one microlens 103 and one microspectral element 101 correspond to three pixels 102 adjacent to each other in the x-axis direction, and the above microlens 103, the microspectral element 101, and the pixel unit 110 are combined into one. When the image sensor unit is used, the image sensor units are arranged in a grid pattern on the xy plane.

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。 In the above description, as an example, the case of a two-dimensional pixel array arranged in an orthogonal grid pattern has been described, but the arrangement, shape, size, etc. of the pixels 102 are not limited to the example in this figure, and any known method is known. It may have any arrangement, shape, and size. Further, although omitted in FIGS. 3 (a) and 3 (b), it operates as an internal microlens between the two-dimensional pixel array and the microstructure, and the light from the micro spectroscopic element 101 is emitted into the pixel 102. It may be provided with a concavo-convex structure having a high refractive index, which is made of SiN or the like, which acts to lead to a photoelectric conversion element. The structures shown in FIGS. 3A and 3B can be manufactured by a known semiconductor manufacturing technique.

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 image pickup device 100 shown in FIGS. 3A and 3B has a back-illuminated structure that receives light from the opposite side of the wiring layer 112, but is not limited to such a structure in the present embodiment. It may have a surface-illuminated structure that receives light from the side of the wiring layer 112.

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。 Hereinafter, the function of each component of the image pickup device 100 in the present embodiment will be described.

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 image pickup device 100 is first condensed by the microlens array, and almost all the light passes through the microspectral element 101 corresponding to each microlens 103. Light is spatially separated into three wavelength regions in the xz plane by each microspectral element 101, and is received by three pixels 102 directly below each microspectral element 101. In the example shown in FIG. 3B, the light (R) of the first color component is directed to the first direction (right) and the light (G) of the second color component is directed to the second direction by each microspectral element 101. to (straight), the third color component light (B) is propagated to the third direction (left), three pixels 102D R immediately below each micro spectral element 101 (right), D G (center), D B (left), each R, G, corresponding to the detection of color information of B.

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 spectral element 101, the combination of the propagation direction and the color components are freely changed, and accordingly, the pixels corresponding to RGB 102D R, D G, D B is also changed.

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 in the three wavelength regions is received by the three pixels 102, the photoelectric conversion element in each pixel 102 performs photoelectric conversion and outputs an image signal including color information.

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。 Note that three pixels 102D R, D G, D width w d1, w d2, w d3 in the x-axis direction of the B immediately below each micro spectral element 101 may be be the same or different. Along with this, the width w lx in the x-axis direction and the width w ly in the y-axis direction of the microlens 103 may be the same or different. In the example of FIG. 3, three pixels 102D R, D G, the width of the x-axis direction D B w d1, w d2, w d3 are the same, the micro-lens 103 is different from w lx and w ly.

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, a concave-convex structure having a high refractive index made of SiN or the like operating as an internal microlens may be provided between the pixel unit 110 and the micro spectroscopic element 101, but the micro spectroscopic element 101 described later may have a phase delay distribution formed by the micro spectroscopic element 101. Since it is possible to have a lens function, it is also possible to omit the internal microlens.

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 micro spectroscopic element in this 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 micro spectroscopic element 101 in the first embodiment is composed of a plurality of fine columnar structures 121. FIG. 4A is a top view of a columnar structure constituting the microspectral element of the image pickup device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a cross-sectional view thereof. The columnar structure 121 is formed of a material such as SiN having a refractive index n 1 higher than the refractive index n 0 of the transparent layer 111, and the thickness h of the structure is constant.

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。 Further, the bottom surface and the upper surface of the columnar structure 121 are square. The columnar structure 121 functions as an optical waveguide in which light is confined and propagated in the structure due to the difference in refractive index from the transparent layer 111. Therefore, when light is incident from the upper surface side, the light propagates while being strongly confined in the columnar structure 121, receives a phase delay effect determined by the effective refractive index n eff of the optical waveguide, and is output from the bottom surface side. Will be done. Specifically, when the phase of the light propagated through the transparent layer 111 by the thickness of the columnar structure 121 is used as a reference, the phase delay amount φ by the columnar structure 121 sets the wavelength of the light in vacuum to λ. If you put it,
φ = (n eff −n 0 ) × 2πh / λ (1)
It is represented by. Since this phase delay amount differs depending on the wavelength λ of the light, it is possible to give different phase delay amounts to the light incident on the same columnar structure 121 according to the wavelength region (color component). Further, since the bottom surface and the upper surface of the columnar structure 121 are square, there is no change in the optical characteristics including the phase delay effect even when the polarization direction is changed. Further, n eff is known to be a function of structural dimensions and takes a value of n 0 <n eff <n 1. Therefore, in the examples shown in FIGS. 4A and 4B, it is possible to set an arbitrary phase delay amount by changing the width w of the columnar structure 121.

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 micro spectroscopic element 101 according to the first embodiment, which is configured by arranging two of the above-mentioned columnar structures 121-1 and 121-2 in the x-axis direction. In the y-axis direction, a plurality of the above-mentioned columnar structures 121-1 and 121-2 are arranged at intervals of wavelength or less.

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 widths w of the columnar structures 121-1 and 121-2 adjacent to each other in the x-axis direction are different. Due to this difference in width w, it is possible to give a different phase delay distribution for each wavelength region to the light transmitted through the minute spectroscopic element 101, and it is possible to change the light wave plane. Since the light propagation direction (deflection direction) is determined by this light wave plane, it is possible to spatially separate the light transmitted through the minute spectroscopic element 101 according to the wavelength range (color component). That is, the micro spectroscopic element 101 in the first embodiment arranges a plurality of columnar structures 121 and changes the dimension w on the plane orthogonal to the light propagation direction of the adjacent columnar structures 121-1 and 121-2. As a result, different light wave planes are given according to the wavelength region of the incident light, and the color components are spatially separated.

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 depending on the three wavelengths (for example, the wavelength 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 a straight line in which the phase amount linearly increases from 0 to + 2π, and corresponds to the light (G) of the second color component. There is no spatial change in the phase delay distribution of the wavelengths, and the phase delay distribution of the wavelengths corresponding to the light (B) of the third color component is along a straight line in which the phase amount linearly decreases from 0 to -2π. In this case, as shown in FIG. 5A, the light transmitted through the microspectral element 101 is such that the light (R) of the first color component is in the first direction (right) and the light of the second color component (G). ) Can efficiently propagate in the second direction (straight), and the light (B) of the third color component can efficiently propagate in the third direction (left).

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。 The above description is an example, and the combination of the color component and the deflection direction can be freely changed depending on the dimensions of each columnar structure 121. For example, the light (R) of the first color component is in the second direction (straight direction), the light (G) of the second color component is in the first direction (right), and the light (B) of the third color component is in the second direction. It can efficiently propagate in each of the third directions (left).

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 micro spectroscopic element 101 in the present embodiment will be described.

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 a microspectral element of the image pickup device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a cross-sectional view thereof. are arranged fixed columnar structures 121-1 and 121-2 are two is (length in a direction perpendicular to the two-dimensional pixel array) thickness in the x-axis direction with each other different widths w 1, w 2 , Three of the same columnar structures 121-1 and 121-2 are lined up in the y-axis direction, and the above is regarded as one microscopic spectroscopic element 101. The material constituting the columnar structures 121-1 and 121-2 is assumed to be SiN (n 1 = 2.03), and the material constituting the transparent layer is assumed to be SiO 2 (n 0 = 1.45). , The case where the bottom surface and the top surface are square is shown. Further, the thickness h of all the columnar structures 121-1 and 121-2 is 1200 nm, the width w 1 of the columnar structure 121-1 on the left side of the pattern is 145 nm, and the width w 2 of the columnar structure 121-2 on the right side of the pattern. It was set to 340 nm, and the distance p between the columnar structures 121-1 and 121-2 in the x-axis and y-axis directions was set to 450 nm.

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。 7 (a) and 7 (b) show in the above-mentioned 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 microspectral element 101 (FIG. 6 (FIG. 6). The wavelength dependence (calculation result based on the strict coupling wave theory) of the efficiency (the ratio of the light intensity in each propagation direction to the incident light intensity) to be separated and propagated in each direction of R, G, and B in b) is shown. 7 (a) is the result when the light having the vertical polarization in FIG. 6 (a) is incident, and FIG. 7 (b) is the result when the light having the horizontal polarization in FIG. 6 (a) is incident. In the calculation, it was assumed that the above-mentioned micro spectroscopic elements 101 are arranged at intervals of P (P = 3p) in the x-axis and y-axis directions, but the difference from the optical function of the single micro spectroscopic element 101 is different. I have confirmed that there are few. Further, the deflection angles θ R , θ G , and θ B in each of the three directions are based on the diffraction of light, and R: sin θ R = λ / P, G: θ G = 0 (straight), B: sin θ B. = Λ / P.

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. 7 (a) and 7 (b) show that the efficiency in the first direction (R) peaks 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 peaks in the wavelength range, and the efficiency in the third direction (B) peaks in the blue wavelength range of 500 nm or less. In addition, it shows good spectral performance of 40 to 60%, and no significant polarization dependence is observed in its characteristics. The total of the curves R, G, and B, that is, the total transmittance is 95% or more, and almost no light loss due to scattering or reflection 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 show that by using the micro spectroscopic element 101 in the first embodiment, highly efficient spatial separation of color components is possible. Further, in the above example, the size of the single microspectral element 101 is 1.35 μm square, which is equivalent to the minimum pixel size of a general CCD and CMOS sensor. Therefore, it is possible to form the micro spectroscopic element 101 corresponding to the pixel unit 110 having the minimum pixel size. It is also possible to form micro spectroscopic elements 101 having different sizes depending on the size and number of columnar structures 121 and the arrangement pattern.

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, number, shape, size, arrangement pattern, etc. of the columnar structure 121 constituting the microscopic spectroscopic element 101, it is possible to provide desired spectroscopic characteristics. As a result, as described above, it is possible to separate and inject only light in a desired wavelength range into each photoelectric conversion element, and the photoelectric conversion signal output from each photoelectric conversion element corresponds to a color component. You can get the signal.

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 minute spectroscopic element 101 hardly occurs, the total amount of light reaching the pixel array can be dramatically increased as compared with the image pickup element using the color filter of the prior art. , It is possible to increase the imaging sensitivity. Even if the spectral performance of each microspectral element 101 is slightly different from the above-mentioned ideal performance, good color information can be obtained by correcting and calculating the acquired signal according to the degree of the difference in performance. Is possible.

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 arrangement of each of the columnar structures 121 described above, it is desirable to arrange them at intervals equal to or less than the wavelength of the light in order to prevent the generation of unnecessary diffracted light due to the periodic structure.

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, if the shape surface is rotationally symmetric four times with the axis passing through the center of the bottom surface and the top surface as the axis of symmetry, the spectroscopic function does not depend on the polarization, and the optical waveguide that brings about the phase delay effect also operates. It will not be lost. Therefore, it is desirable to adopt a columnar structure having four-fold rotationally symmetric planes such as a square, a hollow square, a circle, a hollow circle, and a cross shape as shown in FIGS. 8 (a) to 8 (h).

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。 After the color components are separated by the micro spectroscopic element 101, in order for the optical spatial distributions on the pixel unit 110 to be sufficiently separated from each other, between the output end of the micro spectroscopic element 101 and the photoelectric conversion element of the pixel 102. Is preferably at intervals of 1 μm or more. On the other hand, in order to reduce the thickness of the image pickup device 100 and save material cost and process time, it is preferable that the distance between the output end of the above-mentioned microspectral element 101 and the photoelectric conversion element of the pixel 102 is as short as possible.

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 it is necessary that the optical spatial distributions on the pixel unit 110 are clearly separated from each other according to the color components with a short propagation distance, the wavefront of the light is greatly tilted and deflected by the microspectral element 101 ( It is preferable to increase the (bending) angle. In order to increase the deflection angle, it is suitable that the phase delay distribution in each wavelength range formed by the micro spectroscopic element 101 changes from 0 to 2π. Therefore, in each wavelength range, the columnar structure 121 is used. The variable range of the phase delay amount is preferably 2π or more. Therefore, from Eq. (1), assuming that the desired center wavelength in the wavelength region on the longest wavelength side of the wavelength region to be separated is λ r , the thickness h of the columnar structure 121 is h = λ r / (n 1 − n). It is desirable to set it in the vicinity of 0).

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 micro spectroscopic element 101 having the above spectroscopic function can be manufactured by performing thin film deposition and patterning by a known semiconductor manufacturing technique. Since the micro spectroscopic element 101 of the first embodiment is composed of a plurality of columnar structures 121 having a constant thickness, it is cheaper and easier to manufacture as compared with the stepped structure and the like disclosed in Non-Patent Document 1. can.

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 pickup device of the present 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 microspectral elements 101 arranged along the x-axis direction are repeatedly arranged along the y-axis direction without shifting in the x-axis direction, and as a result, they are repeatedly arranged in the y-axis direction. The pattern of the micro spectroscopic element 101 is continuously arranged along the pattern. In this case, in the x-axis direction, three pixels 102D B corresponding to the color component directly below each micro spectral element 101, D G, arranged in this order D R from the left, are arranged repeatedly this arrangement.

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, with respect to the pixel 102, similarly, the rows of the pixels 102 arranged along the x-axis direction are repeatedly arranged along the y-axis direction without shifting in the x-axis direction, and as a result, the rows of the pixels 102 are repeatedly arranged along the y-axis direction. 3 pixel 102D B Te, D G, D R are continuously arranged.

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。 9 (a) to 9 (c) schematically show the arrangement of pixels corresponding to the color components of the image pickup device according to the first embodiment of the present invention. x-axis direction of three pixels adjacent in 102D B, D G, when the D R as one color pixel units U, the color pixel unit U 1 shown in FIG. 9 (a), and, with respect to the color pixel unit U 1 The color pixel unit U 2 in which only a single pixel is shifted 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 one pixel at a time in the xy plane, information on three RGB colors can be obtained by substantially the number of pixels. This means that the resolution of the image sensor can be increased to the extent of the number of pixels (equivalent to the so-called Bayer arrangement). Therefore, the image pickup device of the first embodiment can generate color information at a high resolution of a single pixel size in addition to having high sensitivity.

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 micro optical element and the arrangement of the pixels that realize the resolution of the single pixel size as described above are not limited to FIG. 9A and can be variously changed. 9 (b) and 9 (c) show another example, in which the row of the microscopic spectroscopic element 101 and the color pixel unit U configured along the x-axis direction is one pixel in FIG. 9 (b). By size, in FIG. 9C, two pixel sizes are sequentially arranged in the y-axis direction while shifting in the x-axis direction. With respect to such an arrangement, color information can be generated with a resolution of a single pixel size as in FIG. 9A.

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。 Figure 10 (a) ~ (c) shows an example of another arrangement from FIG 9 (a) ~ (c) , 3 pixels D B for each row, D G, the order of D R inverts It is a configuration, and the shift in the x-axis direction is the same as in FIGS. 9A to 9C described above. Also in this case, color information can be generated with a resolution of a single pixel size as in FIG. 9A. Note that three pixels D B, D G, to perform the inversion of the order of D R is a columnar structure 121-1 and 121-2 of the micro spectroscopic element 101 described above, in the x-axis, the pattern is mirror-reversed You can use it.

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. 9 (a) to 9 (c) and FIGS. 10 (a) to 10 (c) described above, the incident light is the light (R) of the first color component due to the function of each minute spectroscopic element 101. The light (G) of the second color component propagates in the first direction (right), the light (G) of the second color component propagates in the second direction (straight), and the light (B) of the third color component propagates in the third direction (left). 3 pixel 102D R immediately below the spectral element 101 (right), D G (center), but when it is assumed that D B (left), each R, G, corresponding to the detection of color information of B. As described above, depending on the configuration of the micro spectroscopic element 101, which of the three RGB colors the pixel 102 directly under the micro spectroscopic element 101 corresponds to will change, but basically the order in the color pixel unit U is changed. It will only be done. Even in such a case, if the arrangement is set according to the arrangement rule of the color pixel unit U shown in FIGS. 9 and 10, the color information can be similarly generated with the resolution of a single pixel size.

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 image sensor 100 when only the micro spectroscopic element 101 is used has been described. Next, an example of modification when a color reduction type color filter is used together will be described.

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 shows a cross-sectional view of a schematic configuration of an image pickup device which is a modification of the first embodiment of the present invention. The difference from FIG. 3 is that the color filter 104 corresponding to the color of the pixel 102 is arranged above the pixel 102 corresponding to the color component, and the others are the same. In the case of this configuration, the light utilization efficiency is improved and the color reproducibility is also improved as compared with the configuration of only the color filter of the prior art.

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, the spectral efficiency of the micro spectroscopic element 101 to RGB is 40 to 60%. Further, the transmittance (spectral efficiency) in the corresponding wavelength range of the RGB color filter 104 is set to 90%. It is assumed that the incident light has an intensity of RGB 1: 1: 1. In this case, in the configuration in which the micro spectroscopic element 101 and the color filter 104 are used in combination, the light passes through both of them and is incident on the pixel, so that the total amount of light intensity reaching the RGB3 pixel 102 is 36 to 54%. Further, the spectroscopic performances of the micro spectroscopic element 101 and the color filter 104 are multiplied, and the color is incident on each pixel 102 in a state where unnecessary color components are eliminated, so that the color reproducibility is greatly improved. On the other hand, in the case of the configuration with only the color filter 104, the total amount of light intensity reaching the three pixels 102 is 30%, which is worse than the configuration in which the color reproducibility is also used. Therefore, by using a configuration in which the microspectral element 101 and the color filter 104 are used in combination, the sensitivity is 1.2 to 1.8 times higher than that in the configuration using only the conventional color filter in a state where the color reproducibility is improved. Improvement can be expected. Although the light utilization efficiency is lowered as compared with the configuration of only the micro spectroscopic element 101, the color reproducibility is significantly improved. Therefore, the modification of the first embodiment is the light utilization rate, that is, the sensitivity and the color reproducibility. It can be said that the configuration is well-balanced.

（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, the image pickup device 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。 FIG. 12 (a) is a top view of a schematic configuration of a part of the image pickup device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 12 (b) is a cross-sectional view thereof. As shown in FIGS. 12A and 12B, the image pickup device 300 of the second embodiment and the image pickup device using the image pickup device 300 have a plurality of images arranged along the x-axis direction as compared with the first embodiment. The difference is that the directions of the structure patterns of the microspectral element 101 are alternately reversed.

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 microscopic spectroscopic element 101 and the color pixel unit U configured along the x-axis direction are sequentially arranged in the y-axis direction while shifting in the x-axis direction by the size of two pixels, and as a result, the y-axis. Also in the direction, the orientation of the structure pattern of the microspectral element 101 is alternately reversed. Further, of the three pixels 102 adjacent to each other along the x-axis direction that receives the light dispersed by one microspectral element 101, the two outer pixels 102 are the other two adjacent microspectral elements. It is also different in that the light spectroscopically measured by 101 is also received. The other components of the second embodiment are the same as the components of the first embodiment. Hereinafter, the differences from the first embodiment will be mainly described, and the overlapping points will be omitted.

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 orientation of the structure pattern of the microspectral element 101 is alternately reversed along the x-axis direction, the combination of the color component and the deflection direction is alternately reversed. and which, with it, the pixel 102 corresponding to the color component directly below each micro spectroscopic element 101, made from the left D R, D G, D B , D G, D R, D G, the order of D B ... ing. Immediately below each micro spectral element 101 is disposed a pixel 102D G is, pixel 102D R or D B on both sides thereof are also receiving light dispersed by the two micro-spectroscopic element 101 adjacent thereto.

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 image pickup device 300 is first condensed by the microlens array, and almost all the light passes through the microspectral element 101 corresponding to each microlens 103. Light is spatially separated into three wavelength regions in the xz plane by each microspectral element 101, and is received by the three pixels 102 corresponding to each microspectral element 101. At this time, both sides of the pixel 102 of the pixel 102 immediately below the small spectral element 101 (D G) (D R , D B) also receives light propagating from the two adjacent micro spectral element 101, but the structure pattern reversal Therefore, the same wavelength range will be received.

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 microspectral element 101, and the pixel 102 corresponding to each of RGB is also changed accordingly. When the light spatially separated in the three wavelength regions is received by the three pixels 102, the photoelectric conversion element in each pixel 102 performs photoelectric conversion and outputs it as an image signal including color information.

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 pickup device according to the second embodiment of the present invention. And one D R, 2 two D G, and one of the four pixels 102 one color pixel unit U including D B. Color this case, be shifted in the x-axis direction or y-axis direction by a single pixel for the color pixel unit U 1 shown in the figure, including one D R, 2 two D G, and one D B The pixel unit U 2 can be configured. That is, if the color information is acquired while shifting the color pixel unit U one pixel at a time in the xy plane, information on three RGB colors can be obtained by substantially the number of pixels. This means that the resolution of the image sensor can be increased to the extent of the number of pixels. Therefore, the image pickup device 300 of the second embodiment can generate color information at a high resolution of a single pixel size in addition to having high sensitivity.

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。 From the above, even in the configuration of the second embodiment, the same functions as those of the first embodiment can be realized. Further, the second embodiment is the same as the first embodiment except for the differences from the first embodiment, and the common components 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, the image pickup device 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。 14 (a) is a top view of a schematic configuration of a part of the image pickup device according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 14 (b) is a cross-sectional view thereof. As shown in FIGS. 14A and 14B, the image pickup device 400 and the image pickup apparatus of the third embodiment are arranged so that the microlenses have a one-to-one correspondence with each pixel as compared with the first embodiment. The point is different. Further, the difference is that the matrix calculation using the photoelectric conversion signal from each pixel 102 is used to acquire the color information. The other components are the same as those in the first embodiment. Hereinafter, the differences from the first embodiment will be mainly described, and the overlapping points will be omitted.

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, the microlens 103 is arranged in a one-to-one correspondence with each pixel 102. Along with this, among the white light incident on the image sensor 400, the light incident on each microscopic spectroscopic element 101 and color-separated is only the light focused by the microlens 103 located directly above the microscopic speculative element 101. The other light is directly incident on the pixel directly under each microlens via each microlens 103.

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, assuming that the intensity of the white light incident on the single microlens 103 is represented by W and the intensities of the three RGB colors constituting the white light are R, G, and B, respectively, the pixel 102D is passed through the three microlenses 103. light incident R, D G, the D B is the light intensity represented by the respective W + R, G, W + B. Incidentally, the above is an example, depending on the configuration of each micro spectral element 101, the combination of the propagation direction and the color components are freely changed, and accordingly, the pixel 102D R, D G, respectively incident on D B The composition of the color components to be used is also changed. In the following description, the pixel 102D R, D G, D respectively W + R to B, G, W + B of the intensity of it describes color information acquisition by Contact Keru matrix calculation when light is incident, the configuration and the spectral performance of the micro-spectroscopic element 101 Needless to say, the numerical value of the matrix operator can be changed in various ways depending on the situation.

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。 Light of W + R, G, and W + B intensity incident on each pixel 102 is photoelectrically converted by a photoelectric conversion element and output as a photoelectric conversion signal. Here, the photoelectric conversion signals corresponding to the light intensity of RGB3 colors and white light W S R, S G, S B, and S W, W + R, G , light intensity of W + B are output by each pixel 102 incident Let the photoelectric conversion signals be SW + R , SG , and SW + B , respectively. Incidentally, S W is expressed by S W = S R + S G + S B, S W + R, each S W + B, S W + R = S W + S R, the S W + B = S W + S B It can be expressed by a relational expression. Moreover, light incident on the pixel 102D G are the components of G that is split by micro-spectroscopic element 101, S G is output as it is.

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, S B , the following S W + R, S G, can be obtained by a matrix calculation using S W + B.

Figure 0006981496
Figure 0006981496

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。 Accordingly, each pixel D R, D G, three photoelectric conversion signal output from the D B S W + R, S G, the intensity information of the three color components by the signal calculation using S W + B S R , S G, can be determined S B.

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。 From the above, even in the configuration of the third embodiment, the same functions as those 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, and the common components have the same effects as those described in the first embodiment, and the same modifications are made. Is possible. In the modified example using the combined use with the color filter, it is desirable to arrange the color filter of the corresponding color component only on the pixel 102 directly under the microspectral element 101.

（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, the image pickup device 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. 15 (a) is a top view of a schematic configuration of a part of the image pickup device according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 15 (b) is a cross-sectional view thereof. As shown in FIGS. 15A and 15B, in the image pickup device 500 of the present embodiment 4 and the image pickup device using the image pickup device, the microlens 103 is one-to-one with each pixel 102 as compared with the second embodiment. The difference is that they are arranged correspondingly. Further, the difference is that the matrix calculation using the photoelectric conversion signal from each pixel 102 is used to acquire the color information. The other components are the same as those in the second embodiment. Hereinafter, the differences from the second embodiment will be mainly described, and the overlapping points will be omitted.

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, the microlens 103 is arranged in a one-to-one correspondence with each pixel 102. Along with this, among the white light incident on the image sensor 500, the light incident on each microscopic spectroscopic element 101 and color-separated is only the light focused by the microlens 103 located directly above the microscopic speculative element 101. The other light is directly incident on the pixel 102 directly under each microlens 103 via each microlens 103.

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, if the intensity of the white light incident on the single microlens 103 is represented by W and the intensity of the three RGB colors constituting the white light is R, G, and B, respectively, 5 One of the microlenses 103 pixels through 102D R, D G, light incident on D B is the light intensity represented by the respective W + 2R, G, W + 2B. Incidentally, the above is an example, depending on the configuration of each micro spectral element 101, the combination of the propagation direction and the color components are freely changed, and accordingly, the pixel 102D R, D G, respectively incident on D B The composition of the color components to be used is also changed. In the following description, the pixel 102D R, D G, D respectively W + 2R in B, G, W + 2B is described light intensity for the color information acquired by the Contact Keru matrix operation upon incident of the structure and spectral performance of the micro-spectroscopic element 101 Needless to say, the numerical value of the matrix operator can be changed in various ways depending on the situation.

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。 Light of W + 2R, G, and W + 2B intensity incident on each pixel 102 is photoelectrically converted by a photoelectric conversion element and output as a photoelectric conversion signal. Here, similarly to the description of the third embodiment, a photoelectric conversion signal corresponding to the light intensity of RGB3 colors and white light W S R, S G, S B, and S W, W + 2R, G , the intensity of the W + 2B Light There are a photoelectric conversion signal output from each pixel 102 incident S W + 2R, S G, and S W + 2B. Incidentally, S W is expressed by S W = S R + S G + S B, S W + 2R, respectively S W + 2B, S W + 2R = S W + 2S R, the S W + 2B = S W + 2S B It can be expressed by a relational expression. Moreover, light incident on the pixel 102D G are the components of G that is split by micro-spectroscopic element 101, S G is output as it is.

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, S B , the following S W + 2R, S G, can be obtained by a matrix calculation using S W + 2B.

Figure 0006981496
Figure 0006981496

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。 Accordingly, each pixel D R, D G, three photoelectric conversion signal output from the D B S W + 2R, S G, the intensity information of the three color components by the signal calculation using S W + 2B S R , S G, can be determined S B.

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。 From the above, even in the configuration of the present embodiment 4, the same functions as those 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, and the common components have the same effects as those described in the second embodiment, and the same modifications are made. Is possible. In the modified example using the combined use with the color filter, it is desirable to arrange the color filter of the corresponding color component only on the pixel directly under the minute spectroscopic element 101.

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 first to fourth embodiments are merely suitable specific examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made.

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, an example in which SiN is assumed as the material of the micro spectroscopic element 101 is shown, but the present invention is not limited thereto. For example, when the image pickup device of the present invention is used in the visible light region where the wavelength of light is in the range of 380 to 800 nm , a material such as SiC, SiC, TiO 2 or GaN is used as the material of the microspectral element, and the refractive index is high. It is suitable because it is expensive and has little absorption loss. Further, for near-infrared light having a wavelength in the range of 800 to 1000 nm, materials such as Si, SiC, SiC, TiO 2 , GaAs, and GaN are suitable as low-loss materials for these lights. .. Further, in the near infrared region of a long wavelength body (communication wavelength of 1.3 μm, 1.55 μm, etc.), InP or the like can be used in addition to the above-mentioned materials. Furthermore, when pasting and coating to form a microscopic spectroscopic element, polyimide such as fluorinated polyimide, BCB (benzocyclobutene), photocurable resin, UV epoxy resin, acrylic resin such as PMMA, and polymers such as resist in general. Etc. are mentioned as materials.

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 the above-described first to fourth embodiments, an example in which SiO 2 is assumed as the material of the transparent layer 111 is shown, but the present invention is not limited thereto. Any material such as a general glass material, SiO 2 , an air layer, etc., which has a refractive index lower than that of a microspectral element material and has a low loss with respect to the wavelength of incident light may be used.

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 first to fourth embodiments, the case where the microspectral element 101 corresponds to the light of the three primary colors of red, green, and blue as the light of the corresponding three wavelength regions has been described, but at least one of the three wavelength regions has been described. One may be light having a wavelength other than the three primary colors (for example, infrared light or ultraviolet light).

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 a specific embodiment, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiment and can be variously modified without departing from the gist thereof.

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 1 Object 10 Image sensor 11 Lens optical system 12 Image sensor 13 Signal processing unit 100, 200, 300, 400, 500, 600, 610, 620 Image sensor 101 Microscopic spectroscopic element 102 pixels 103 Microlens 104 Color filter 111 Transparent layer 112 Wiring Layer 121 Columnar structure 601 Wiring layer 602 Pixel 603 Transparent layer 604 Color filter 605 Microlens 606, 607 Microstructure

Claims (11)

基板上に光電変換素子を含む複数の画素が配列された画素アレイと、
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、
前記１組の微細構造体の前記複数の微細構造体の各々の分光方向の幅が、分光方向に並んで配置された微細構造体の分光方向の幅と異なることを特徴とする撮像素子。 A pixel array in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion element are arranged on a substrate, and
The transparent layer formed on the pixel array and
A spectroscopic element array in which a plurality of spectroscopic elements are arranged is provided inside or on the transparent layer.
Each of the spectroscopic elements includes a set of microstructures composed of a plurality of microstructures formed of a material having a refractive index higher than that of the transparent layer. The pixel array is composed of a plurality of microstructures having the same length in the vertical direction with respect to the pixel array, different shapes in the horizontal direction with respect to the pixel array, and arranged at regular intervals, and the pixel array is composed of the plurality of spectra. It is placed at a position where it receives light dispersed in the direction according to the wavelength by the element .
An image pickup device characterized in that the width of each of the plurality of microstructures of the set of microstructures in the spectral direction is different from the width of the microstructures arranged side by side in the spectral direction in the spectral direction. 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ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。The image pickup element according to claim 1, wherein the microstructure has a shape in which the bottom surface and the top surface are rotationally symmetric four times with the center as the axis of symmetry. 基板上に光電変換素子を含む複数の画素が配列された画素アレイと、
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、厚みが一定であり、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し、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 a photoelectric conversion element are arranged on a substrate, and
The transparent layer formed on the pixel array and
A spectroscopic element array in which a plurality of spectroscopic elements are arranged is provided inside or on the transparent layer.
Each of the spectroscopic elements includes a set of microstructures composed of a plurality of microstructures formed of a material having a refractive index higher than that of the transparent layer. The shape in the horizontal direction is different from the pixel array, the thickness is constant, the bottom surface and the top surface of the structure have a shape that is rotationally symmetric four times with the center as the axis of symmetry, and a plurality of fine particles arranged at regular intervals. At least a part of the light incident on the spectroscopic element, which is composed of a structure, is separated into first to third deflected light having different propagation directions depending on the wavelength and emitted from the spectroscopic element, and is one of the pixel arrays. An image pickup element characterized in that it is incident on each of the three pixels arranged continuously in the direction. 前記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請求項３に記載の撮像素子。 The orientations of the set of microstructures of the adjacent spectroscopic elements arranged along the first direction of the spectroscopic element array are alternately reversed.
Three adjacent consecutive pixels are arranged along the first direction.
Of the three pixels adjacent to each other along the first direction, the two outer pixels are the first to third deflected light from the two adjacent spectroscopic elements along the first direction. The image pickup device according to claim 3 , wherein any of the above is incident. 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請求項３または４に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 3 or 4 , wherein the first to third deflection light is incident on the first to third photoelectric conversion elements of three adjacent consecutive pixels. 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請求項５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 region having a wavelength 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 having a wavelength of 500 nm to 600 nm.
The image pickup device according to claim 5 , 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. 前記微細構造体から出射する特定波長の光の位相遅延量が隣接する微細構造体間で直線上にならぶように、分光素子における微細構造体の幅、屈折率、高さを定めることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の撮像素子。 The feature is that the width, refractive index, and height of the microstructure in the spectroscopic element are determined so that the phase delay amount of the light having a specific wavelength emitted from the microstructure is aligned in a straight line between the adjacent microstructures. The image pickup device according to any one of claims 1 to 5. 前記微細構造体は、柱状構造体であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の撮像素子。 The microstructure, the imaging device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that pillar-like structures. 前記１組の微細構造体の形状は、前記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請求項１乃至８のいずれか一項に記載の撮像素子。 The image pickup device according to any one of claims 1 to 8 , wherein the shape of the set of microstructures is the same in all of the spectroscopic elements constituting the spectroscopic element array. 前記画素アレイと前記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請求項１乃至９のいずれか一項に記載の撮像素子。 Between the pixel array and the spectroscopic element array
A first color filter having a transmittance peak in the blue wavelength range of 500 nm or less.
At least one of the second color filter having a transmittance peak in the green wavelength region having a wavelength of 500 nm to 600 nm and the third color filter having a transmittance peak in the red wavelength region having a wavelength of 600 nm or more is used. The image pickup element according to any one of claims 1 to 9 , further comprising a color filter array arranged so as to form an array. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の撮像素子と、
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。 The image pickup device according to any one of claims 1 to 10.
An image pickup optical system for forming an optical image on the image pickup surface of the image sensor, and
A signal processing unit that processes the electrical signal output by the image sensor, and
An imaging device characterized by being equipped with.
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