JPWO2014033976A1 - 固体撮像素子、撮像装置および信号処理方法 - Google Patents

固体撮像素子、撮像装置および信号処理方法 Download PDF

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Abstract

固体撮像素子は、第１から第４の光感知セル２ａ〜２ｄを含む光感知セルアレイと、第１の光感知セル２ａに対向して配置された第１の分光要素１ａ、および第３の光感知セル２ｃに対向して配置された第２の分光要素１ｂを含む分光要素アレイと、第１のマイクロレンズ４ａおよび第２のマイクロレンズ４ｂを含むマイクロレンズアレイとを備える。第１の分光要素１ａは、第１のマイクロレンズ４ａを介して入射する光のうち、第１および第２の色成分の光を第１および第２の光感知セル２ａ、２ｂにそれぞれ入射させ、第２の分光要素１ｂは、第２のマイクロレンズ４ｂを介して入射する光のうち、第３および第４の色成分の光を第３および第４の光感知セル２ｃ、２ｄにそれぞれ入射させる。第２および第４の光感知セル２ｂ、２ｄには、第１および第２のマイクロレンズ４ａ、４ｂを経由しない光も入射する。

Description

本願は、固体撮像素子の高感度化およびカラー化の技術に関する。
近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（以下、「撮像素子」と称する場合がある。）を用いたデジタルカメラやデジタルムービーの高機能化、高性能化には目を見張るものがある。特に半導体製造技術の急速な進歩により、撮像素子における画素構造の微細化が進んでいる。その結果、撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られ、撮像素子の高性能化が進んでいる。特に近年では、固体撮像素子の配線層が形成された面（表面）側ではなく裏面側で受光する裏面照射型（ｂａｃｋｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）の撮像素子を用いたカメラも開発され、その特性等が注目されている。その一方で撮像素子の多画素化に伴い、１画素の受ける光量が低下するため、カメラの感度が低下するという問題が起きている。
カメラの感度低下は、多画素化による原因以外にも、色分離用の色フィルタが用いられることにも原因がある。通常のカラーカメラでは、撮像素子の各光感知セルに対向して有機顔料を色素とする減色型の色フィルタが配置される。色フィルタは、利用する色成分以外の光を吸収するため、このような色フィルタを用いた場合、カメラの光利用率は低下する。例えば、赤（Ｒ）１画素、緑（Ｇ）２画素、青（Ｂ）１画素を基本構成とするベイヤー型の色フィルタ配列をもつカラーカメラでは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色フィルタは、それぞれＲ、Ｇ、Ｂ光のみを透過させ、残りの光を吸収する。したがって、ベイヤー配列によるカラーカメラにおいて利用される光は、入射光全体の約１／３である。このように、色フィルタを用いることは、光の利用効率の低下を招き、カラーカメラの感度低下の原因となる。
これに対し、色フィルタの代わりに光を波長に応じて分光する分光要素を用いて光利用率を高めるカラー化技術が特許文献１に開示されている。この技術によれば、光感知セルに対応して配置された分光要素によって光が波長域に応じて異なる光感知セルに入射する。個々の光感知セルは、複数の分光要素から異なる波長域の成分が重畳された光を受ける。その結果、各光感知セルから出力される光電変換信号を用いた信号演算によって色信号を生成することができる。
また、斜交型の画素配列（所謂ハニカム配列）を有する撮像素子に分光要素を適用したカラー化技術が特許文献２に開示されている。この技術によれば、特許文献１と同様、光利用率を高めることができる。
国際公開第２００９／１５３９３７号 国際公開第２０１０／０７０８６９号 国際公開第２００９／０１９８１８号 特開昭５９−１３７９０９号公報
本発明の実施形態は、分光要素を備える新規な固体撮像素子および撮像装置を提供することができる。
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、各々が第１の光感知セル、第２の光感知セル、第３の光感知セル、および第４の光感知セルを含む複数の単位ブロックが撮像面に２次元的に配列された光感知セルアレイと、前記第１の光感知セルに対向して配置された第１の分光要素、および前記第３の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素を含む分光要素アレイと、前記第１の分光要素および前記第１の光感知セルを覆い、かつ前記第２の光感知セルの一部を覆うように配置された第１のマイクロレンズ、および前記第２の分光要素および前記第３の光感知セルを覆い、かつ前記第４の光感知セルの一部を覆うように配置された第２のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイとを備える。前記マイクロレンズアレイは、前記第１および第２のマイクロレンズが設けられていない領域のうち前記第２の光感知セルに対向する領域に入射した光が前記第２の光感知セルに入射し、前記第１および第２のマイクロレンズが設けられていない領域のうち前記第４の光感知セルに対向する領域に入射した光が前記第４の光感知セルに入射するように構成されている。前記第１の分光要素は、前記第１のマイクロレンズを介して入射する光のうち、第１の色成分の光を前記第１の光感知セルに入射させ、前記第１のマイクロレンズを介して入射する光のうち、第２の色成分の光を前記第２の光感知セルに入射させる。前記第２の分光要素は、前記第２のマイクロレンズを介して入射する光のうち、第３の色成分の光を前記第３の光感知セルに入射させ、前記第２のマイクロレンズを介して入射する光のうち、第４の色成分の光を前記第４の光感知セルに入射させる。
本発明の実施形態によれば、光利用効率および解像度の十分高いカラー撮像が可能となる。
固体撮像素子１０における光感知セルアレイ２００、分光要素アレイ１００、およびマイクロレンズアレイ４００の配置関係を模式的に示す斜視図である。 （ａ）は固体撮像素子１０の基本構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）はＡＡ´線断面図であり、（ｃ）はＢＢ´線断面図である。 Ｇ、Ｍｇ、Ｃｂ、Ｙｒの各色成分の光についての波長に対する強度の例を示す図である。 実施形態１による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 実施形態１におけるレンズと撮像素子を示す図である。 実施形態１における撮像素子の画素配列の一例を示す図である。 撮像素子の画素配列の変形例を示す図である。 実施形態１における撮像素子の基本構造を示す平面図である。 マイクロレンズ４に注目した部分平面図である。 （ａ）は図６ＡにおけるＡＡ´線断面図であり、（ｂ）は図６ＡにおけるＢＢ´線断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、分光要素アレイ１００の製造方法の一例を示す工程断面図である。 第１低屈折率透明層６ａの上に他の低屈折率透明層６ａ’のパターンが形成された構造の一部を示す斜視図である。 実施形態１において、非分光部３が存在しないと仮定した場合の光の分布を示す図である。 実施形態１における光の分布を示す図である。 １つの単位ブロックにおける光の分布を示す図である。 実施形態１における色情報生成処理の手順を示すフロー図である。 （ａ）から（ｄ）は、演算単位が１画素ずつずれるに従って信号の読出し順が変化することを説明するための図である。 実施形態１の変形例における撮像素子の構造を示す平面図である。
本発明の例示的な実施形態の概要は以下のとおりである。
（１）本発明の一態様に係る固体撮像素子は、各々が第１の光感知セル、第２の光感知セル、第３の光感知セル、および第４の光感知セルを含む複数の単位ブロックが撮像面に２次元的に配列された光感知セルアレイと、前記第１の光感知セルに対向して配置された第１の分光要素、および前記第３の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素を含む分光要素アレイと、前記第１の分光要素および前記第１の光感知セルを覆い、かつ前記第２の光感知セルの一部を覆うように配置された第１のマイクロレンズ、および前記第２の分光要素および前記第３の光感知セルを覆い、かつ前記第４の光感知セルの一部を覆うように配置された第２のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイであって、前記第１および第２のマイクロレンズが設けられていない領域のうち前記第２の光感知セルに対向する領域に入射した光が前記第２の光感知セルに入射し、前記第１および第２のマイクロレンズが設けられていない領域のうち前記第４の光感知セルに対向する領域に入射した光が前記第４の光感知セルに入射するように構成されたマイクロレンズアレイとを備える。前記第１の分光要素は、前記第１のマイクロレンズを介して入射する光のうち、第１の色成分の光を前記第１の光感知セルに入射させ、前記第１のマイクロレンズを介して入射する光のうち、第２の色成分の光を前記第２の光感知セルに入射させる。前記第２の分光要素は、前記第２のマイクロレンズを介して入射する光のうち、第３の色成分の光を前記第３の光感知セルに入射させ、前記第２のマイクロレンズを介して入射する光のうち、第４の色成分の光を前記第４の光感知セルに入射させる。
（２）項目（１）に記載の固体撮像素子のある態様において、前記第１および第２の分光要素の各々は、高屈折率透明部と、前記高屈折率透明部の屈折率よりも低い屈折率を有し前記高屈折率透明部の周囲に設けられた低屈折率透明部とを有し、前記第１の分光要素における前記高屈折率透明部の形状およびサイズの少なくとも一方は、前記第２の分光要素における前記高屈折率透明部のものと異なっている。
（３）項目（２）に記載の固体撮像素子のある態様において、前記第１の分光要素における前記高屈折率透明部および前記第２の分光要素における前記高屈折率透明部は、前記撮像面に垂直な板状の形状を有し、互いに平行に配置されている。
（４）項目（３）に記載の固体撮像素子のある態様において、前記第１の分光要素における前記高屈折率透明部の向きは、隣接単位ブロックに対向する前記第１の分光要素における前記高屈折率透明部の向きと９０度異なっており、前記第２の分光要素における前記高屈折率透明部の向きは、隣接単位ブロックに対向する前記第２の分光要素における前記高屈折率透明部の向きと９０度異なっている。
（５）項目（１）から（４）のいずれかに記載の固体撮像素子のある態様において、前記分光要素アレイは、最近接する２つの前記第１の分光要素による分光の方向の前記撮像面に平行な成分が互いに直交し、最近接する２つの前記第２の分光要素による分光の方向の前記撮像面に平行な成分が互いに直交するように構成されている。
（６）項目（１）から（５）のいずれかに記載の固体撮像素子のある態様において、前記第１の分光要素は、入射光に含まれる前記第２の色成分の光の半分を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第２の色成分の光の残りの半分をいずれかの隣接単位ブロックにおける前記第２の光感知セルに入射させ、前記第２の分光要素は、入射光に含まれる前記第４の色成分の光の半分を前記第４の光感知セルに入射させ、前記第４の色成分の光の残りの半分をいずれかの隣接単位ブロックにおける前記第４の光感知セルに入射させる。
（７）項目（１）から（６）のいずれかに記載の固体撮像素子のある態様において、前記第２の光感知セルは、前記第１の分光要素およびいずれかの隣接単位ブロックにおける前記第１の分光要素から入射する前記第２の色成分の光と、前記第１および第２のマイクロレンズを介さずに入射する前記第１および第２の色成分の光とを受け、受けた光に応じた光電変換信号を出力し、前記第４の光感知セルは、前記第２の分光要素およびいずれかの隣接単位ブロックにおける前記第４の分光要素から入射する前記第４の色成分の光と、前記第１および第２のマイクロレンズを介さずに入射する前記第３および第４の色成分の光とを受け、受けた光に応じた光電変換信号を出力する。
（８）項目（１）から（７）のいずれかに記載の固体撮像素子のある態様において、前記第１の分光要素は、入射光に含まれる前記第１の色成分の光のほぼ全てを対向する前記第１の光感知セルに入射させ、前記第２の分光要素は、入射光に含まれる前記第３の色成分の光のほぼ全てを対向する前記第３の光感知セルに入射させる。
（９）項目（１）から（８）のいずれかに記載の固体撮像素子のある態様において、前記第２の色成分は、前記第１の色成分の補色であり、前記第４の色成分は、前記第３の色成分の補色である。
（１０）項目（１）から（９）のいずれかに記載の固体撮像素子のある態様において、前記第１の色成分は、マゼンタおよび緑の一方であり、前記第２の色成分は、マゼンタおよび緑の他方であり、前記第３の色成分は、緑の一部を含む赤、および緑の一部を含む青の一方であり、前記第４の色成分は、緑の一部を含む赤、および緑の一部を含む青の他方である。
（１１）本発明の一態様に係る撮像装置は、項目（１）から（１０）のいずれかに記載の固体撮像素子と、前記固体撮像素子に像を形成する光学系と、前記固体撮像素子から出力される信号を処理する信号処理部であって、前記第１の光感知セルから出力される第１の光電変換信号、前記第２の光感知セルから出力される第２の光電変換信号、前記第３の光感知セルから出力される第３の光電変換信号、および前記第４の光感知セルから出力される第４の光電変換信号を用いた演算によって色情報を生成する信号処理部とを備える。
（１２）本発明の一態様に係る方法は、項目（１）から（１０）のいずれかに記載の固体撮像素子から出力される信号を処理する方法であって、前記第１の光感知セルから出力される第１の光電変換信号、前記第２の光感知セルから出力される第２の光電変換信号、前記第３の光感知セルから出力される第３の光電変換信号、および前記第４の光感知セルから出力される第４の光電変換信号を取得するステップと、前記第１から第４の光電変換信号を用いて色情報を生成するステップとを含む。
（１３）本発明の一態様に係るプログラムは、項目（１）から（１０）のいずれかに記載の固体撮像素子から出力される信号を処理するためのプログラムであって、コンピュータに対し、前記第１の光感知セルから出力される第１の光電変換信号、前記第２の光感知セルから出力される第２の光電変換信号、前記第３の光感知セルから出力される第３の光電変換信号、および前記第４の光感知セルから出力される第４の光電変換信号を取得するステップと、前記第１から第４の光電変換信号を用いて色情報を生成するステップとを実行させる。
以下、本発明の具体的な実施形態を説明する前に、まず図１を参照しながら、本発明の一実施形態における固体撮像素子１０の基本構成および動作原理を説明する。以下の説明において、波長域または色成分の異なる光を空間的に分離することを「分光」と称することがある。また、光を検知する空間的な最小単位を「光感知セル」または「画素」と称する。説明には図中に示すｘｙｚ座標を用いる。撮像素子１０の撮像面を「ｘｙ平面」とし、撮像面における水平方向に「ｘ軸」、撮像面における垂直方向に「ｙ軸」、撮像面に垂直な方向に「ｚ軸」をとる。なお、「水平方向」および「垂直方向」とは、生成される画像の横方向および縦方向にそれぞれ対応する撮像面上の方向を意味する。
図１は、一実施形態における撮像素子１０の一部を模式的に示す斜視図である。撮像素子１０は、撮像面上に２次元的に配列された複数の光感知セル２（以下、「画素」と称することもある。）を含む光感知セルアレイ２００と、複数の分光要素を含む分光要素アレイ１００と、複数のマイクロレンズ４を含むマイクロレンズアレイ４００とを備える。撮像素子１０に入射する光は、マイクロレンズアレイ４００、分光要素アレイ１００、光感知セルアレイ２００の順に入射し、各光感知セル２によって電気信号に変換される。図１では、分光要素アレイ１００は、簡単のため四角柱で表されているが、実際にはこのような形状を有しているわけではなく、より詳細な構造を有している。
各光感知セル２は、光を受けると、光電変換によって受けた光の強度に応じた電気信号（以下、「光電変換信号」または「画素信号」と呼ぶことがある。）を出力する。各光感知セル２は、分光要素アレイ１００に含まれる分光要素によって分光された光を受ける。
光感知セルアレイ２００は、各々が４つの光感知セルを含む複数の単位ブロックから構成されている。各単位ブロックにおける２つの光感知セルに対向して、分光特性の異なる２つの分光要素が配置されている。これらの分光要素全体によって分光要素アレイ１００が構成されている。更に、各分光要素に対向してマイクロレンズ４が配置されている。
図２は、撮像素子１０の基本構造を示す模式図である。図２（ａ）は、光感知セルアレイ２００の１つの単位ブロックを構成する４つの光感知セル２ａ〜２ｄと、それらに対向して配置される２つの分光要素１ａ、１ｂと、２つのマイクロレンズ４ａ、４ｂとを示す平面図である。図２（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図２（ａ）におけるＡＡ´線断面、ＢＢ´線断面を模式的に示す図である。この例では、４つの光感知セル２ａ〜２ｄは２行２列に配列されているが、このような例に限定されない。例えば、後述する実施形態のように、４つの光感知セル２ａ〜２ｄが斜め方向に蛇行するような形状で配列されていてもよい。
図２（ａ）に示すように、第１の光感知セル２ａに対向して第１の分光要素１ａが配置され、第３の光感知セル２ｃに対向して第２の分光要素１ｂが配置されている。また、第１の分光要素１ａおよび第１の光感知セル２ａを覆い、かつ第２の光感知セル２ｂの一部を覆うように第１のマイクロレンズ４ａが配置されている。同様に、第２の分光要素１ｂおよび第３の分光要素１ｃを覆い、かつ第４の光感知セル２ｄの一部を覆うように第２のマイクロレンズ４ｂが配置されている。このような構成により、マイクロレンズ４ａに入射した光は、分光要素１ａに集束され、波長域（色成分）に応じて分光される。同様に、マイクロレンズ４ｂに入射した光は、分光要素１ｂに集光され、波長域（色成分）に応じて分光される。一方、マイクロレンズ４ａ、４ｂが設けられていない領域のうち、第２の光感知セル２ｂに対向する領域に入射した光は、分光されることなく第２の光感知セル２ｂに入射する。同様に、マイクロレンズ４ａ、４ｂが設けられていない領域のうち、第４の光感知セル２ｄに対向する領域に入射した光は、分光されることなく第４の光感知セル２ｄに入射する。以下の説明では、マイクロレンズアレイ４００のうち、マイクロレンズ４ａ、４ｂが設けられていない領域を、「非分光部」と称することがある。
以下、図２（ｂ）、（ｃ）を参照しながら、分光要素１ａ、１ｂの機能を説明する。ここで、マイクロレンズ４ａ、４ｂによって分光要素１ａ、１ｂにそれぞれ集束される可視光の強度を記号Ｗで表す。これに対し、非分光部３を透過し、その直下の光感知セル２ｂまたは２ｄに入射する可視光の強度を記号Ｗ’（＝ｋＷ、ｋは０＜ｋ＜１を満たす実数）で表す。
第１の分光要素１ａは、第１のマイクロレンズ４ａを介して入射する光（強度Ｗ）のうち、第１の色成分の光（強度Ｃ１）を第１の光感知セル２ａに入射させ、第２の色成分の光（強度Ｃ２）を前記第２の光感知セルに入射させるように構成されている。この例では、第２の色成分は第１の色成分の補色に相当し、Ｗ＝Ｃ１＋Ｃ２である。一方、第２の分光要素１ｂは、第２のマイクロレンズ４ｂを介して入射する光（強度Ｗ）のうち、第３の色成分の光（強度Ｃ３）を第３の光感知セル２ｃに入射させ、第４の色成分の光（強度Ｃ４）を第４の光感知セル２ｄに入射させるように構成されている。この例では、第４の色成分は、第３の色成分の補色に相当し、Ｗ＝Ｃ３＋Ｃ４である。
なお、第１の色成分と第２の色成分とが補色の関係にあるからといって、第１の色成分の光の波長域と第２の色成分の光の波長域とは、完全に分離している必要は無く、部分的に重複していてもよい。同様に、第３の色成分の光の波長域と第４の色成分の光の波長域が部分的に重複していてもよい。
第１〜第４の色成分は、例えばマゼンタ（Ｍｇ）、緑（Ｇ）、緑成分の約半分を含む赤（Ｒ＋１／２Ｇ、以下では「Ｙｒ」と表す）、緑成分の約半分を含む青（Ｂ＋１／２Ｇ、以下では「Ｃｂ」と記す）であり得る。但し、可視光に含まれる４つの色成分であれば、その他の組み合わせであってもよい。
図３は、第１〜第４の色成分がそれぞれＧ、Ｍｇ、Ｃｂ、Ｙｒの場合における各色成分の波長に対する強度の分布（以下、「分光分布」と呼ぶことがある。）の例を示している。図示されるように、Ｇは、緑の波長域（５００ｎｍ〜６００ｎｍ付近）の成分を主に含む色成分であり、その他の波長域の成分を若干含んでいてもよい。Ｍｇは、青の波長域（４００ｎｍ〜５００ｎｍ付近）および赤の波長域（６００ｎｍ〜７００ｎｍ付近）の成分を主に含む色成分であり、緑の波長域の成分を若干含んでいてもよい。Ｃｂは、青〜短波長側の緑（４００ｎｍ〜５５０ｎｍ付近）の成分を主に含む色成分であり、その他の波長域の成分を若干含んでいてもよい。Ｙｒは、長波長側の緑〜赤（５５０ｎｍ〜７００ｎｍ付近）の成分を主に含む色成分であり、その他の波長域の成分を若干含んでいてもよい。
このような分光要素１ａ、１ｂは、例えば後に詳しく説明する「高屈折率透明部」およびその周囲に設けられた「低屈折率透明部」によって構成され得る。あるいは、形状および屈折率が適切に設計されたマイクロレンズによっても構成され得る。さらには、特定波長域の光を反射し、他の波長域の光を透過させる多層膜フィルタ（ダイクロイックミラー）を用いて実現することも可能である。多層膜フィルタを分光要素として用いる場合、多層膜フィルタによって反射された光を全反射させ、隣接する光感知セルに導くように構成され得る。
以上の構成により、光感知セル２ａ〜２ｄは、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、それぞれＣ１、Ｃ２＋ｋＷ、Ｃ３、Ｃ４＋ｋＷで表される強度の光を受ける。各光感知セルは、これらの強度に応じた光電変換信号を出力する。各光感知セルから出力される信号は、互いに異なる色情報を有するため、適切に設定したパラメータを有する３×４の行列を用いれば、その行列との演算によりＲＧＢのカラー信号を算出できる。
より具体的には、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄから出力される光電変換信号を、それぞれＳ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄとし、色成分Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｗに対応する信号成分を、それぞれの記号に添え字「ｓ」を付して表現すると、Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄは、それぞれ以下の式１〜４で表すことができる。
（式１） Ｓ２ａ＝Ｃ１ｓ
（式２） Ｓ２ｂ＝Ｃ２ｓ＋ｋＷｓ＝ｋＣ１ｓ＋（１＋ｋ）Ｃ２ｓ
（式３） Ｓ２ｃ＝Ｃ３ｓ
（式４） Ｓ２ｄ＝Ｃ４ｓ＋ｋＷｓ＝ｋＣ３ｓ＋（１＋ｋ）Ｃ４ｓ
信号Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ３ｓは、いずれもＲＧＢ信号Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓの線型結合として表すことができるため、信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄも、Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓの線型結合として表すことができる。すなわち、ａ１１〜ａ４３を所定の係数として、Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄは、以下の式５で表すことができる。
Figure 2014033976
係数ａ１１〜ａ４３は、予め実験またはシミュレーションによって決定される既知の量であるため、式５の逆演算を行うことにより、信号Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓを求めることができる。この演算を単位ブロックごとに実行することにより、ＲＧＢのカラー画像を得ることができる。
このように、本開示の実施形態における撮像素子１０によれば、光の一部を吸収する色フィルタを用いることなく、分光要素を用いて信号演算によってカラー情報を得ることができる。そのため、光の損失を防ぐことができ、撮像感度を高めることが可能となる。さらに、マイクロレンズ４ａ、４ｂが配置されていない領域（非分光部３）を透過して光感知セル２ｂ、２ｄに入射する光（ｋＷ）の情報を得ることができるため、非分光部３が設けられていない構成に比べ、解像度を高めることが可能となる。また、分光要素１ａ、１ｂが入射光Ｗを分けて２つの光感知セルに入射させるため、係数ｋが比較的小さい数値であれば、特定の画素だけ信号値が特に大きく、あるいは特に小さくなるといったことを回避することが可能である。言い換えれば、撮像素子１０の入射光に対するダイナミックレンジ特性を向上させることが可能である。
以下、図４Ａ以降を参照しながら、より具体的な実施形態を説明する。以下の説明において、共通または対応する要素には同一の符号を付している。
（実施形態１）
図４Ａは、実施形態１による撮像装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の撮像装置は、デジタル式の電子カメラであり、撮像部３００と、撮像部３００から送出される信号に基づいて画像を示す信号（画像信号）を生成する信号処理部５００とを備えている。なお、撮像装置は静止画のみを生成してもよいし、動画を生成する機能を備えていてもよい。
撮像部３００は、被写体を結像するための光学レンズ１２と、赤外カットフィルタ１１と、光学レンズ１２および赤外カットフィルタ１１を通して結像した光情報を、光電変換によって電気信号に変換する固体撮像素子１０（イメージセンサ）とを備えている。撮像部３００はさらに、撮像素子１０を駆動するための基本信号を発生するとともに撮像素子１０からの出力信号を受信して信号処理部５００に送出する信号発生／受信部１３と、信号発生／受信部１３によって発生された基本信号に基づいて撮像素子１０を駆動する素子駆動部１４とを備えている。光学レンズ１２は、公知のレンズであり、ズームレンズやフォーカスレンズ等の複数のレンズを有するレンズユニットであり得る。赤外カットフィルタ１１は、赤外線を除去し、可視光を透過して固体撮像素子１０に入射させる。赤外カットフィルタ１１に加え、画素配列に起因して発生するモアレパターンを低減するための水晶ローパスフィルタが設けられていてもよい。撮像素子１０は、典型的にはＣＭＯＳまたはＣＣＤであり、公知の半導体製造技術によって製造され得る。信号発生／受信部１３および素子駆動部１４は、例えばＣＣＤドライバなどのＬＳＩから構成されている。
信号処理部５００は、撮像部３００から送出される信号を処理して画像信号を生成する画像信号生成部１５と、画像信号の生成過程で発生する各種のデータを格納するメモリ３０と、生成した画像信号を外部に送出する画像信号出力部１６とを備えている。画像信号生成部１５は、公知のデジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）などのハードウェアと、画像信号生成処理を含む画像処理を実行するソフトウェアとの組合せによって好適に実現され得る。メモリ３０は、ＤＲＡＭなどによって構成される。メモリ３０は、撮像部３００から送出された信号を記録するとともに、画像信号生成部１５によって生成された画像データや、圧縮された画像データを一時的に記録する。これらの画像データは、画像信号出力部１６を介して不図示の記録媒体や表示部などに送出される。
なお、本実施形態の撮像装置は、電子シャッタ、ビューファインダ、電源（電池）、フラッシュライトなどの公知の構成要素を備え得るが、それらの説明は本発明の理解に特に必要でないため省略する。また、以上の構成はあくまでも一例であり、本発明において、撮像素子１０および画像信号生成部１５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。
以下、本実施形態における固体撮像素子１０を説明する。
図４Ｂは、露光中にレンズ１２を透過した光が撮像素子１０に入射する様子を模式的に示す図である。図４では、簡単のためレンズ１２および撮像素子１０以外の構成要素の記載は省略されている。また、レンズ１２は、一般には光軸方向に並んだ複数のレンズによって構成され得るが、簡単のため、単一のレンズとして描かれている。撮像素子１０の撮像面１０ａには、２次元状に配列された複数の光感知セル（画素）を含む光感知セルアレイが配置されている。各光感知セルは、典型的にはフォトダイオードであり、光電変換によって入射光量に応じた光電変換信号（画素信号）を出力する。撮像面１０ａにはレンズ１２および赤外カットフィルタ１１を透過した光（可視光）が入射する。一般に撮像面１０ａに入射する光の強度および波長域ごとの入射光量の分布（分光分布）は、入射位置に応じて異なる。
図５Ａ、５Ｂは、本実施形態における画素配列の例を示す平面図である。光感知セルアレイ２００は、図５Ａに示すように、撮像面１０ａ上において、ｘ軸方向およびｙ軸方向のそれぞれに対して４５度回転した方向に２次元的に配列された複数の光感知セル２を有する。このような配列は、「斜交配列」または「ハニカム配列」と呼ばれ、通常の正方格子状の配列よりも水平方向および垂直方向の解像度を高めることができる。光感知セルアレイ２００は、複数の単位ブロック４０から構成され、各単位ブロック４０は４つの光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを含んでいる。本実施形態における単位ブロック４０は、図示されるように、水平、垂直方向に対して斜めに蛇行して配列された４つの光感知セル２ａ〜２ｄから構成される。すなわち、第１および第２の光感知セル２ａ、２ｂは第１の方向に並び、第２および第３の光感知セル２ｂ、２ｃは第１の方向に交差する第２の方向に並び、第３および第４の光感知セル２ｃ、２ｄは第１の方向に並んでいる。なお、光感知セル２の配列は、このような斜交配列ではなく、例えば、図５Ｂに示す正方格子状の配列であってもよいし、他の配列であってもよい。。また、各単位ブロックが５個以上の光感知セルを含んでいてもよい。なお、実際には各光感知セル２を不図示の読み出し回路に接続するための配線が設けられている。しかし、本願の図面では、簡単のため、これらの配線を記載していない。
光感知セルアレイ２００に対向して、光が入射する側に複数の分光要素を含む分光要素アレイと、複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイとが配置される。本実施形態では、各単位ブロックに含まれる４つの光感知セルに対して２つの分光要素および２つのマイクロレンズが設けられる。
以下、本実施形態における分光要素を説明する。
本実施形態における分光要素は、屈折率が異なる２種類の透光性部材の境界で生じる光の回折を利用して入射光を波長域に応じて異なる方向に向ける光学素子である。このタイプの分光要素は、屈折率が相対的に高い材料で形成された高屈折率透明部（コア部）と、屈折率が相対的に低い材料で形成されコア部の各々の側面と接する低屈折率透明部（クラッド部）とを有している。コア部とクラッド部との間の屈折率差により、両者を透過した光の間で位相差が生じるため、回折が起こる。この位相差は光の波長によって異なるため、光を波長域（色成分）に応じて空間的に分離することが可能となる。例えば、第１の方向および第２の方向に第１色成分の光を半分ずつ向け、第３の方向に第１色成分以外の光を向けることができる。また、３つの方向にそれぞれ異なる波長域（色成分）の光を向けることも可能である。
本願明細書において、「高屈折率」および「低屈折率」の用語は、絶対的な屈折率の高低を意味するものではなく、あくまでも屈折率の相対的な比較の結果を意味する。すなわち、「低屈折率」とは、低屈折率透明部の屈折率が高屈折率透明部の屈折率よりも低いことを意味する。一方、「高屈折率」とは、高屈折率透明部の屈折率が低屈折率透明部の屈折率よりも高いことを意味する。したがって、低屈折率透明部の屈折率が高屈折率透明部の屈折率よりも低ければ、それぞれの屈折率の値は任意である。
本実施形態における低屈折率透明部は、分光要素アレイ１００内において層状に形成されている。このため、低屈折率透明部を「低屈折率透明層」とも呼ぶ。低屈折率透明層の内部に埋め込まれた個々の高屈折率透明部は、低屈折率透明部に入射した光の位相速度を局所的に低下させる。その結果、低屈折率透明部の上面に入射した光が下面に向かって伝播するときに波長によって異なる位相シフトが生じ、入射光は分光される。このため、本願明細書では、個々の高屈折率透明部を「分光要素」と称することがある。この分光要素は、「位相シフタ」と呼んでもよい。
各分光要素における高屈折率透明部の形状は板状であり、図５Ａに示す構成の場合、ｘ軸方向から４５度左回りに回転した方向の辺が最も短く、ｙ軸方向から４５度左回りに回転した方向の辺が最も長い直方体である。一方、図５Ｂに示す構成を採用する場合、高屈折率透明部の形状は、ｘ軸方向の辺が最も短く、ｙ軸方向の辺が最も長い直方体である。高屈折率透明部の形状は、厳密な直方体である必要は無く、エッジが丸められていてもよいし、側面がテーパまたは逆テーパを有していてもよい。「板状」という用語は、高屈折率透明部の最も短い辺の長さが、その辺に直交する他の２方向における辺の長さの各々の半分以下の大きさしかないような形状を広く含むものとする。高屈折率透明部のサイズ、形状、および屈折率などを調整することにより、入射光をどのように分光させるかを制御することができる。高屈折率透明部のより詳細な構成と機能は、特許文献３に開示されているので、特許文献３の内容の全体をここに援用する。
図６Ａは、撮像素子１０の基本構造を示す平面図である。図６Ａにおいて太い実線で表された４つの光感知セル２ａ〜２ｄが、１つの単位ブロックを構成している。図示されるように、２種類の分光要素１ａ、１ｂが、水平方向（ｘ方向）および垂直方向（ｙ方向）の各々について、２画素に１つの割合で配置されている。垂直方向に並んだ複数の分光要素１ａは、向きが９０度ずつ異なっている。同様に、垂直方向に並んだ複数の分光要素１ｂも、向きが９０度ずつ異なっている。言い換えれば、１つの単位ブロックにおける分光要素１ａの向きは、隣接単位ブロックに対向する分光要素１ａの向きと９０度異なっている。同様に、１つの単位ブロックにおける分光要素１ｂの向きは、隣接単位ブロックに対向する分光要素１ｂの向きと９０度異なっている。１つの単位ブロックに含まれる２種類の分光要素１ａ、１ｂの向きは平行である。これにより、最近接する２つの第１の分光要素１ａによる分光の方向の撮像面に平行な成分（図６Ａに示す実線矢印の方向）は互いに直交する。同様に、最近接する２つの第２の分光要素１ｂによる分光の方向の撮像面に平行な成分（図６Ａに示す点線矢印の方向）も互いに直交する。分光要素１ａ、１ｂのそれぞれの上にはマイクロレンズ４が配置されている。なお、以下の説明では、マイクロレンズ４ａ、４ｂを区別せず、単にマイクロレンズ４と表現する。
図６Ｂは、マイクロレンズ４の配置状況を示す図である。各マイクロレンズ４は正方形に近い形状を有しているが、そのコーナー部の形状は丸みを帯びている。そのため、近接する４つのマイクロレンズ４のコーナー部によって囲まれる領域は集光機能を有していない。当該領域を透過した入射光は分光されることなくそのまま直下の光感知セルに入射する。このため、この領域を「非分光部３」と呼ぶ。
なお、周囲よりも相対的に屈折率の高い分光要素１ａ、１ｂは、光を引き込む導波路の働きをするため、非分光部３を透過した光の一部は分光要素１ａ、１ｂに引き寄せられる。したがって、非分光部３のサイズが小さすぎる場合、対向する光感知セル２ｂ、２ｄに光が入射しない場合があり得る。本実施形態では、光感知セル２ｂ、２ｄに非分光部３を通過した光が直接入射するように、非分光部３のサイズおよび形状が適切に設計されている。
図７（ａ）、（ｂ）は、図６ＡにおけるＡＡ´線断面およびＢＢ´線断面をそれぞれ示す図であり、１つの単位ブロックに含まれる光感知セル２ａ〜２ｄ、分光要素１ａ、１ｂ、およびマイクロレンズ４の配置関係を示している。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、撮像素子１０の表面には複数のマイクロレンズ４が形成され、その下には分光要素１ａ、１ｂが配置されている。高屈折率透明部である分光要素１ａ、１ｂの周りは低屈折率透明層６で満たされている。上記のように、光感知セルおよび分光要素の個数の割合は、光感知セル：分光要素＝２：１である。図７（ａ）に示すように、分光要素１ａの直下には光感知セル２ａが配置され、分光要素１ａと隣接単位ブロック上の分光要素１ｂ’との間の領域の直下に光感知セル２ｂが配置されている。また、図７（ｂ）に示すように、分光要素１ｂの直下には光感知セル２ｃが配置され、分光要素１ｂと隣接単位ブロック上の分光要素１ａ’との間の領域の直下に光感知セル２ｄが配置されている。さらに、各光感知セルへの集光を効率的に行うためのマイクロレンズ４が透明層６を隔てて光感知セル２ａおよび２ｃに対応して配置されている。
分光要素１ａ、１ｂは、光が透過する方向に長い長方形状の断面を有し、自身と透明層６との間の屈折率差に起因する光の回折によって分光する。分光要素１ａは、対向する光感知セル２ａに緑（Ｇ）光を入射させ、両隣の光感知セル２ｂにマゼンタ（Ｍｇ）光を半分ずつ入射させる。一方、分光要素１ｂは、対向する光感知セル２ｃに緑成分の約半分（短波長側の緑）を含む青（Ｃｂ）光を入射させ、両隣の光感知セル２ｄに緑成分の約半分（長波長側の緑）を含む赤（Ｙｒ）光を入射させる。本実施形態では、分光要素１ａ、１ｂが上記の分光特性をもつように分光要素１ａ、１ｂの長さおよび厚さが設計されている。白色光が分光要素１ａ、１ｂに入射した場合に分光によって生じるＧ光、Ｍｇ光、Ｃｂ光、Ｙｒ光の分光分布は、例えば図３に示す特性である。
分光要素１ａ、１ｂは、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮ）から形成され得る。低屈折率透明層６は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）から形成され得る。但し、分光要素アレイ１００の材料は、この例に限定されない。また、分光特性を補正するため、分光要素１ａ、１ｂを構成する高屈折率透明部または低屈折率透明層６の一部に特定波長域の光を吸収する物質が添加されていてもよい。
次に、図８を参照しながら、本実施形態で使用される分光要素アレイ１００を製造する方法の一例を説明する。
まず、図８（ａ）に示すように、光感知セルアレイ２００の上に、低屈折率透明層６の一部を構成する第１低屈折率透明層６ａを堆積する。このような第１低屈折率透明層６ａの堆積は、公知の薄膜堆積技術を用いて行うことができる。例えばＣＶＤ（化学的気相成長法）またはスパッタ法が使用され得る。第１低屈折率透明層６ａの上に、屈折率が低屈折率透明層６よりも高い材料からなる透明膜９を堆積する。この透明層９の堆積も公知の薄膜堆積技術を用いて行うことができる。次に、リソグラフィ技術により、透明層９の上にエッチングマスクパターン７を形成する。リソグラフィ技術で使用するフォトマスクのパターンを設計することにより、任意の平面形状を有するエッチングマスクパターン７を形成することができる。
次に、図８（ｂ）に示すように、エッチングマスクパターン７をマスクとして透明層９をエッチングすることにより、透明層９から不要部分を除去して高屈折率透明部（図示される例では「分光要素１ａ、１ｂ」）を形成する。このエッチングは、異方性のドライエッチングによって実行され得る。エッチングに際して高屈折率透明部のテーパが形成され得る。
更に、図８（ｃ）に示すように、エッチングマスクパターン７を除去した後、低屈折率透明層６を構成する第２低屈折率透明層６ｂで高屈折率透明部の間の領域を埋め込み、低屈折率透明層６の形成を完了する。第２低屈折率透明層６ｂは、高屈折率透明部の上面を覆うように形成され得る。
第１低屈折率透明層６ａの厚さを調整することにより、高屈折率透明部の下端と光感知セルアレイ２００との距離を制御することができる。分光特性が異なる分光要素１ａと分光要素１ｂとの間では、高屈折率透明部の下端と光感知セルアレイ２００との距離が異なり得る。このため、本実施形態における分光要素アレイ１００を製造するときは、位置によって第１低屈折率透明層６ａの厚さを変える工程を行う。このような工程は、透明層９を堆積する前に、第１低屈折率透明層６ａの一部の領域を表面からエッチングするか、あるいは、第１低屈折率透明層６ａの上に他の低屈折率透明層のパターンを形成すればよい。他の低屈折率透明層のパターンは、例えばリフトオフ法によって形成され得る。
図９は、第１低屈折率透明層６ａの上に他の低屈折率透明層６ａ’のパターンが形成された構造の一部を示す斜視図である。他の低屈折率透明層６ａ’のパターンは、例えばｙ方向に延びるストライプ状であり得る。
さらに、分光特性が異なる分光要素１ａと分光要素１ｂとの間では、高さ（ｚ軸方向のサイズ）が異なる場合がある。分光要素１ａ、１ｂの高さを位置によって変えるには、場所によって厚さが異なる透明層９を堆積すればよい。このような透明層９は、図９に示すような凹凸段差が表面に形成された第１低屈折率透明層６ａの上に略一様な厚さを有する透明層９を堆積した後、透明層９の上面を平坦化することによって形成され得る。このような平坦化を行うと、分光要素アレイ１００を構成する高屈折率透明部の上面は全て同じレベルにある。高屈折率透明部の上面のレベルを分光要素の種類に応じて変化させる場合、特定の領域に位置する高屈折率透明部の上面をマスクし、マスクされていない高屈折率透明部の上面を選択的にエッチングすればよい。
なお、上記の分光要素アレイの製造方法は一例であり、このような方法に限定されない。
続いて、各光感知セルに入射する光の色成分および画像信号生成部１５による信号処理を説明する。
図６Ａに示すように、本実施形態におけるマイクロレンズ４の１つは、第１の分光要素１ａおよび第１の光感知セル２ａを覆い、かつ第２の光感知セル２ｂを覆うように配置されている。一方、マイクロレンズ４の他の１つは、第２の分光要素１ｂおよび第３の光感知セル２ｃを覆い、かつ第４の光感知セル２ｄを覆うように配置されている。第２の光感知セル２ｂおよび第３の光感知セル２ｃに対向する領域には非分光部３が存在するため、集光も分光もされずに光感知セル２ｂ、２ｄに入射する入射光Ｗ’（以下、「直接入射光」と呼ぶことがある。）が存在する。分光要素１ａ、１ｂが仮に配置されていないと仮定した場合に光感知セル２ａ、２ｃのそれぞれに入射する可視光の強度をＷ（＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）と表すと、直接入射光Ｗ’の強度は、ｋＷ（ｋは０＜ｋ＜１を満たす実数）で表される。ここで、Ｒ、Ｇ、Ｂは、入射光に含まれる赤、緑、青の色成分の強度をそれぞれ表す。
図１０Ａは、仮に直接入射光Ｗ’が存在しないと仮定した場合に各光感知セルが受ける光の色成分を示す図である。分光要素１ａ、１ｂの働きにより、各光感知セルは、Ｇ、Ｍｇ、Ｃｂ、Ｙｒのいずれかの色成分の光を受ける。これに対し、本実施形態では、非分光部３の存在により、図１０Ｂに示すように、第２および第４の光感知セル２ｂ、２ｄに関しては、さらに直接入射光Ｗ’を受ける。図１０Ｃは、１つの単位ブロックに属する光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの受光状況を示している。図示されるように、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、それぞれＧ、Ｍｇ＋Ｗ’、Ｃｂ、Ｙｒ＋Ｗ’で表される強度の光を受ける。
ここで、光電変換信号に含まれる各成分の信号を、各成分を示す記号に添え字「ｓ」を付けて表す。すなわち、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｍｇ、Ｃｂ、Ｙｒ、Ｗ、Ｗ’の成分の信号を、それぞれＲｓ、Ｇｓ、Ｂｓ、Ｍｇｓ、Ｃｂｓ、Ｙｒｓ、Ｗｓ、Ｗ’ｓと表す。ここで、Ｗｓ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ、Ｍｇｓ＝Ｒｓ＋Ｂｓ、Ｙｒｓ＝Ｒｓ＋（１／２）Ｇｓ、Ｃｂｓ＝Ｂｓ＋（１／２）Ｇｓである。すると、光感知セル２ａ〜２ｄからそれぞれ出力される信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄは、以下の式６〜９のように表される。
（式６） Ｓ２ａ＝Ｇｓ
（式７） Ｓ２ｂ＝Ｍｇｓ＋Ｗ’ｓ＝Ｒｓ＋Ｂｓ＋ｋ（Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ）
（式８） Ｓ２ｃ＝Ｃｂｓ＝Ｂｓ＋（１／２）Ｇｓ
（式９） Ｓ２ｄ＝Ｙｒｓ＋Ｗ’ｓ＝Ｒｓ＋（１／２）Ｇｓ＋ｋ（Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ）
本実施形態ではｋ＝１／４とする。すると、光感知セル２ａ〜２ｄの信号は、それぞれ以下の式１０〜１３で表される。
（式１０） Ｓ２ａ＝Ｇｓ
（式１１） Ｓ２ｂ＝（５／４）Ｒｓ＋（１／４）Ｇｓ＋（５／４）Ｂｓ
（式１２） Ｓ２ｃ＝Ｂｓ＋（１／２）Ｇｓ
（式１３） Ｓ２ｄ＝（５／４）Ｒｓ＋（３／４）Ｇｓ＋（１／４）Ｂｓ
式１０〜式１３から、Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓは、以下のように表される。
（式１４） Ｒｓ＝−（１／１０）Ｓ２ａ＋（２／５）Ｓ２ｂ−（３／５）Ｓ２ｃ＋（２／５）Ｓ２ｄ
（式１５） Ｇｓ＝Ｓ２ａ
（式１６） Ｂｓ＝（−１／２）Ｓ２ａ＋Ｓ２ｃ
以上の演算により、４つの光感知セル２ａ〜２ｄからの信号を用いて、ＲＧＢのカラー信号を得ることができる。
図４Ａに示す画像信号生成部１５は、光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄを用いて、式１４〜１５の演算を行うことによって色情報Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓを生成する。画像信号生成部１５は、４画素からなる演算単位を水平および垂直方向に１画素ずつずらしながら全画素について同様の演算を行うことにより、画素ごとの色情報を得ることができるため、カラー画像を生成することができる。
以下、図１１を参照しながら、画像信号生成部１５による色情報生成処理の手順を説明する。
図１１は、本実施形態における色情報生成処理の手順を示すフロー図である。画像信号生成部１５は、まず、ステップＳ１０において、４つの光電変換信号を取得する。ここで、４つの光電変換信号を、取り出す順に、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とする。図１０Ｃに示す単位ブロックを演算単位とする場合、Ｓ１＝Ｓ２ａ、Ｓ２＝Ｓ２ｂ、Ｓ３＝Ｓ２ｃ、Ｓ４＝Ｓ２ｄとして処理すればよい。しかし、画像信号生成部１５は、水平方向に１画素ずつずらしながら同様の演算を行うため、読み出す信号の順序が演算のたびに変化する。このため、画像信号生成部１５は、ステップＳ１２において、信号Ｓ１〜Ｓ４がＳ２ａ〜Ｓ２ｄのどれに対応するかを考慮して代入処理を行う。この処理について、図１２を参照しながら説明する。
図１２は、演算単位を水平方向に１画素ずつずらしながら演算処理が行われることを示す概念図である。図１２（ａ）は、図１０Ｃに示す単位ブロックを演算単位とする場合の信号の読み出し順を示している。この場合、Ｓ１＝Ｇｓ、Ｓ２＝Ｍｇｓ＋Ｗ’ｓ、Ｓ３＝Ｃｂｓ、Ｓ４＝Ｙｒｓ＋Ｗ’ｓとなるため、Ｓ１＝Ｓ２ａ、Ｓ２＝Ｓ２ｂ、Ｓ３＝Ｓ２ｃ、Ｓ４＝Ｓ２ｄのように代入すれば、式１４〜１５の演算を適用できる。図１２（ｂ）は、演算単位が図１２（ａ）に示す状態から水平方向に１画素シフトした状態における信号の読み出し順を示している。この場合、Ｓ１＝Ｍｇｓ＋Ｗ’ｓ、Ｓ２＝Ｃｂｓ、Ｓ３＝Ｙｒｓ＋Ｗ’ｓ、Ｓ４＝Ｇｓとなるため、Ｓ１＝Ｓ２ｂ、Ｓ２＝Ｓ２ｃ、Ｓ３＝Ｓ２ｄ、Ｓ４＝Ｓ２ａのように代入すれば、式１４〜１５の演算を適用できる。図１２（ｃ）は、演算単位が水平方向にさらに１画素シフトした状態における信号の読み出し順を示している。この場合、Ｓ１＝Ｃｂｓ、Ｓ２＝Ｙｒｓ＋Ｗ’ｓ、Ｓ３＝Ｇｓ、Ｓ４＝Ｍｇｓ＋Ｗ’ｓとなるため、Ｓ１＝Ｓ２ｃ、Ｓ２＝Ｓ２ｄ、Ｓ３＝Ｓ２ａ、Ｓ４＝Ｓ２ｂのように代入すれば、式１４〜１５の演算を適用できる。図１２（ｄ）は、演算単位が水平方向にさらに１画素シフトした状態における信号の読み出し順を示している。この場合、Ｓ１＝Ｙｒｓ＋Ｗ’ｓ、Ｓ２＝Ｇｓ、Ｓ３＝Ｍｇｓ＋Ｗ’ｓ、Ｓ４＝Ｃｂｓ、となるため、Ｓ１＝Ｓ２ｄ、Ｓ２＝Ｓ２ａ、Ｓ３＝Ｓ２ｂ、Ｓ４＝Ｓ２ｃのように代入すれば、式１４〜１５の演算を適用できる。
画像信号生成部１５は、上記の代入処理を実行することにより、撮像面上のどの演算単位についても、上記の演算処理を実行することができる。ここでは１つの行に着目して説明を行ったが、他の行についても同様の処理が行われる。
以上の処理によって得られた信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄを用いて、画像信号生成部１５は、図１１に示すステップＳ１４において、式１４〜１５に基づくＲＧＢ変換処理を全画素について実行する。最後に、ステップＳ１６において、変換したＲＧＢ信号によって構成されるカラー画像信号を出力する。この際、必要に応じてＲＧＢ信号の補正処理を行ってもよい。生成されたカラー画像信号は、画像信号出力部１６によって不図示の記録媒体や表示部に出力され得る。
このように、本実施形態の撮像装置によれば、光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄを用いた加減算処理により、カラー画像信号が得られる。本実施形態における撮像素子１０によれば、光を吸収する光学素子を用いないため、色フィルタなどを用いる従来技術と比較して光の損失を大幅に低減することができる。また、マイクロレンズは画素サイズよりも大きいため、各画素の信号量は十分大きく、その分色再現性も向上する。上記の色信号Ｍｇｓ、Ｇｓ、Ｙｒｓ、Ｃｂｓを用いたカラー化方式は、色再現性の優れた方式として、例えば、特許文献４に開示されている。本実施形態におけるカラー化に関して、基本的なカラー化方式としては特許文献４と同様であるが、ｋＷで表される直接入射光も含むので、係数ｋが大きすぎる場合、色の変調性が低下することがある。しかし、係数ｋを適切な値に設定することにより、優れた色再現性を保持することができる。
また、本実施形態では、直接入射光ｋＷを含むものの、係数ｋが１／４と比較的小さい数値であり、入射光Ｗを分けて複数の光感知セルに入射させるため、従来技術と比べ、ダイナミックレンジ特性を向上させることができる。例えば、以下に示すように、特許文献２、４に開示された技術と比較して、ダイナミックレンズ特性を向上させることができる。
一般に、固体撮像素子から出力される信号に関しては、Ｒ成分およびＢ成分に比べてＧ成分が高い。これは、撮像素子の感度特性がＢ成分よりもＧ成分の方が高く、また、赤外カットフィルタ１１の影響によってＲ成分よりもＧ成分の光の方がより多く撮像素子に入射するからである。そこで、ＲＧＢの成分比率を仮にＲ：Ｇ：Ｂ＝１：２：１として、特許文献２、４における構成と、本実施形態における構成とを比較する。特許文献２、４では、色信号をＣｉとして、信号量が相対的に多い画素の信号をＷ＋Ｃｉ、信号量が相対的に少ない画素の信号をＷ−Ｃｉのように一般化して表記されている。ＣｉをＲ信号またはＢ信号とすると、信号量が相対的に多い画素の信号Ｓｍａｘは、Ｓｍａｘ＝Ｗｓ＋ＲｓまたはＳｍａｘ＝Ｗｓ＋Ｂｓで表される。一方、信号量が相対的に少ない画素の信号Ｓｍｉｎは、Ｓｍｉｎ＝Ｗｓ−ＲｓまたはＳｍｉｎ＝Ｗｓ−Ｂｓで表される。ここで、Ｗｓ＝１とすると、Ｒｓ＝１／４、Ｇｓ＝１／２、Ｂｓ＝１／４となるため、Ｓｍａｘ＝１．２５、Ｓｍｉｎ＝０．７５となる。このことから、信号量が相対的に少ない画素の信号量に対する信号量が相対的に多い画素の信号量の比率Ｓｍａｘ／Ｓｍｉｎは、１．６７（＝１．２５／０．７５）であることがわかる。
これに対し、本実施形態では、Ｒｓ＝１／４、Ｇｓ＝１／２、Ｂｓ＝１／４として、これらの値を式１０〜式１３に代入すると、Ｓ２ａ＝０．５、Ｓ２ｂ＝０．７５、Ｓ２ｃ＝０．５、Ｓ２ｄ＝０．７５となり、Ｓｍａｘ＝０．７５、Ｓｍｉｎ＝０．５となる。このことから、信号量が相対的に少ない画素の信号量に対する信号量が相対的に多い画素の信号量の比率Ｓｍａｘ／Ｓｍｉｎは、１．５（＝０．７５／０．５）である。このように、本実施形態によれば、特許文献２および４における構成よりもダイナミックレンジ特性を改善できることがわかる。当然のことながら、値ｋを小さくするほどダイナミックレンジ特性をより改善できる。例えば、ｋ＝０の場合、Ｓ２ａ＝０．５、Ｓ２ｂ＝０．５、Ｓ２ｃ＝０．５、Ｓ２ｄ＝０．５となるため、Ｓｍａｘ／Ｓｍｉｎ＝１となり、従来技術よりもダイナミックレンジ特性を大幅に改善できる。
さらに、本実施形態では、マイクロレンズ４の隙間に非分光部３を設けることにより、解像度の低下を防止できるという効果もある。図６Ａからわかるように、仮に非分光部３が存在しないとすると、光感知セル２ｂ、２ｄには、分光要素１ａ、１ｂからの光は入射するが、直接入射する光はない。これは、光感知セル２ａ、２ｃに対向するマイクロレンズアレイ上の領域に入射する光を検出できないことを意味する。このため、非分光部３が存在しない場合、光感知セル２ａ、２ｃは解像度に寄与せず、解像度はマイクロレンズの数およびピッチによって決まる。この場合、画素数とマイクロレンズ数との比率は２：１であるため、解像度は画素数によって決まる通常性能の１／２になるといえる。これに対し、本実施形態では、非分光部３がマイクロレンズ４とほぼ等しい数だけ設けられているため、非分光部３に対向する光感知セル２ｂ、２ｄによって非分光部３に入射する光の情報を得ることができる。これにより、解像度の低下を防止し、解像度特性を画素数および画素ピッチによって決まる通常のレベルに保つことが可能である。
以上のことからわかるように、非分光部３の大きさに依存する値ｋは、ダイナミックレンジ特性と解像度特性とのバランスを考慮して決定される。本実施形態では、その一例として、ｋ＝１／４としているが、係数ｋはこの値に限定されない。
以上のように、本実施形態の撮像素子１０では、光感知セルアレイ２００に対向してマゼンタと緑に分光させる分光要素１ａと、緑成分の約半分を含む青と緑成分の約半分を含む赤とに分光させる分光要素１ｂとを含む分光要素アレイ１００が配置される。また、各分光要素に対向して配置された複数のマイクロレンズ４と、それらの間の非分光部３とを有するマイクロレンズアレイ４００が配置される。その結果、４つの光感知セル２ａ〜２ｄからなる画素の単位ブロックにおいて、（Ｍｇ＋ｋＷ）信号、Ｇ信号、（Ｙｒ＋ｋＷ）信号、Ｃｂ信号が得られ、それらの信号からＲＧＢのカラー信号が得られる。本実施形態では、光の大半を吸収する色フィルタを用いないことにより、光の損失を抑えることができ、画素サイズよりも大きいサイズのマイクロレンズを用いることにより、撮像感度を高めることができる。その上、特定の画素に光が集中しないため、ダイナミックレンジ特性に優れるという大きな実用的効果がある。
なお、本実施形態では、画像信号生成部１５は、ＲＧＢのカラー画像信号を生成するが、必ずしもＲＧＢのカラー画像信号を全て生成しなくてもよい。用途に応じて１色または２色の画像信号だけを生成するように構成されていてもよい。
また、各分光要素は、上述した分光性能を厳密に有していることが理想であるが、それらの分光性能が多少ずれていてもよい。すなわち、各光感セルから実際に出力される光電変換信号が、式６〜９に示す光電変換信号からずれていてもよい。各分光要素の分光性能が理想的な性能からずれている場合であっても、ずれの程度に応じて信号を補正することによって良好な色情報を得ることができる。画素信号をＲＧＢ信号に変換する式についても、式１４〜１５に示す式は一例であり、その他の変換式を用いても構わない。例えば、式５に示す行列を用いた演算によってＲＧＢ信号を得てもよい。この際、理想的な分光性能に対する実際の分光性能のずれを考慮した変換行列を用いて信号を補正するようにすれば、より理想的なＲＧＢ信号を得ることができる。そのような変換行列は、例えば複数のカラーパターンを有するカラーチャートを撮像し、実際に得られた信号と理想的な信号とを比較しながら最適な行列要素を決定することによって得られる。
なお、撮像素子１０の基本構造は図６Ａに示す構成に限られるものではない。例えば、分光要素１ａと分光要素１ｂとが入れ替わった構成で配置されていても本実施形態の効果に変わりはない。また、非分光部３の形状が図６Ｂに示す形状と異なっていてもその有効性に変わりはない。例えば、図１３に示すようにマイクロレンズ４の形状が円形でもその有効性に変わりはない。
さらに、本実施形態における画像信号生成部１５が行う信号演算を、撮像装置自身ではなく他の機器に実行させることも可能である。例えば、撮像素子１０から出力される光電変換信号の入力を受けた外部の機器に本実施形態における信号演算処理を規定するプログラムを実行させることによっても色情報を生成することができる。
以上の説明では、分光要素として、２つの部材の屈折率差を利用して分光する光学素子を用いているが、本発明における分光要素は、各光感知セルに所望の色成分の光を入射できればどのようなものであってもよい。例えば、分光要素としてマイクロプリズムを用いてもよい。また、異なる種類の分光要素（例えば高屈折率透明部およびマイクロプリズム）を組み合わせて用いることも可能である。
本発明の固体撮像素子および撮像装置は、固体撮像素子を用いるすべてのカメラに有効である。例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの民生用カメラや、産業用の固体監視カメラなどに利用可能である。
１ａ、１ｂ 分光要素
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 撮像素子の光感知セル
３ 非分光部
４ マイクロレンズ
５ 撮像素子の配線層
６ 透明層
１０ 撮像素子
１１ 赤外カットフィルタ
１２ 光学レンズ
１３ 信号発生／受信部
１４ 素子駆動部
１５ 画像信号生成部
１６ 画像信号出力部
３０ メモリ
４０ 光感知セルの単位ブロック
１００ 分光要素アレイ
２００ 光感知セルアレイ
３００ 撮像部
４００ マイクロレンズアレイ
５００ 信号処理部

Claims (13)

  1. 各々が第１の光感知セル、第２の光感知セル、第３の光感知セル、および第４の光感知セルを含む複数の単位ブロックが撮像面に２次元的に配列された光感知セルアレイと、
    前記第１の光感知セルに対向して配置された第１の分光要素、および前記第３の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素を含む分光要素アレイと、
    前記第１の分光要素および前記第１の光感知セルを覆い、かつ前記第２の光感知セルの一部を覆うように配置された第１のマイクロレンズ、および前記第２の分光要素および前記第３の光感知セルを覆い、かつ前記第４の光感知セルの一部を覆うように配置された第２のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイであって、前記第１および第２のマイクロレンズが設けられていない領域のうち前記第２の光感知セルに対向する領域に入射した光が前記第２の光感知セルに入射し、前記第１および第２のマイクロレンズが設けられていない領域のうち前記第４の光感知セルに対向する領域に入射した光が前記第４の光感知セルに入射するように構成されたマイクロレンズアレイと、
    を備え、
    前記第１の分光要素は、前記第１のマイクロレンズを介して入射する光のうち、第１の色成分の光を前記第１の光感知セルに入射させ、前記第１のマイクロレンズを介して入射する光のうち、第２の色成分の光を前記第２の光感知セルに入射させ、
    前記第２の分光要素は、前記第２のマイクロレンズを介して入射する光のうち、第３の色成分の光を前記第３の光感知セルに入射させ、前記第２のマイクロレンズを介して入射する光のうち、第４の色成分の光を前記第４の光感知セルに入射させる、
    固体撮像素子。
  2. 前記第１および第２の分光要素の各々は、高屈折率透明部と、前記高屈折率透明部の屈折率よりも低い屈折率を有し前記高屈折率透明部の周囲に設けられた低屈折率透明部とを有し、
    前記第１の分光要素における前記高屈折率透明部の形状およびサイズの少なくとも一方は、前記第２の分光要素における前記高屈折率透明部のものと異なっている、
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記第１の分光要素における前記高屈折率透明部および前記第２の分光要素における前記高屈折率透明部は、前記撮像面に垂直な板状の形状を有し、互いに平行に配置されている、請求項２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記第１の分光要素における前記高屈折率透明部の向きは、隣接単位ブロックに対向する前記第１の分光要素における前記高屈折率透明部の向きと９０度異なっており、
    前記第２の分光要素における前記高屈折率透明部の向きは、隣接単位ブロックに対向する前記第２の分光要素における前記高屈折率透明部の向きと９０度異なっている、
    請求項３に記載の固体撮像素子。
  5. 前記分光要素アレイは、最近接する２つの前記第１の分光要素による分光の方向の前記撮像面に平行な成分が互いに直交し、最近接する２つの前記第２の分光要素による分光の方向の前記撮像面に平行な成分が互いに直交するように構成されている、請求項１から４のいずれかに記載の固体撮像素子。
  6. 前記第１の分光要素は、入射光に含まれる前記第２の色成分の光の半分を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第２の色成分の光の残りの半分をいずれかの隣接単位ブロックにおける前記第２の光感知セルに入射させ、
    前記第２の分光要素は、入射光に含まれる前記第４の色成分の光の半分を前記第４の光感知セルに入射させ、前記第４の色成分の光の残りの半分をいずれかの隣接単位ブロックにおける前記第４の光感知セルに入射させる、
    請求項１から５のいずれかに記載の固体撮像素子。
  7. 前記第２の光感知セルは、前記第１の分光要素およびいずれかの隣接単位ブロックにおける前記第１の分光要素から入射する前記第２の色成分の光と、前記第１および第２のマイクロレンズを介さずに入射する前記第１および第２の色成分の光とを受け、受けた光に応じた光電変換信号を出力し、
    前記第４の光感知セルは、前記第２の分光要素およびいずれかの隣接単位ブロックにおける前記第４の分光要素から入射する前記第４の色成分の光と、前記第１および第２のマイクロレンズを介さずに入射する前記第３および第４の色成分の光とを受け、受けた光に応じた光電変換信号を出力する、
    請求項１から６のいずれかに記載の固体撮像素子。
  8. 前記第１の分光要素は、入射光に含まれる前記第１の色成分の光のほぼ全てを対向する前記第１の光感知セルに入射させ、
    前記第２の分光要素は、入射光に含まれる前記第３の色成分の光のほぼ全てを対向する前記第３の光感知セルに入射させる、請求項１から７のいずれかに記載の固体撮像素子。
  9. 前記第２の色成分は、前記第１の色成分の補色であり、前記第４の色成分は、前記第３の色成分の補色である、請求項１から８のいずれかに記載の固体撮像素子。
  10. 前記第１の色成分は、マゼンタおよび緑の一方であり、
    前記第２の色成分は、マゼンタおよび緑の他方であり、
    前記第３の色成分は、緑の一部を含む赤、および緑の一部を含む青の一方であり、
    前記第４の色成分は、緑の一部を含む赤、および緑の一部を含む青の他方である、
    請求項１から９のいずれかに記載の固体撮像素子。
  11. 請求項１から１０のいずれかに記載の固体撮像素子と、
    前記固体撮像素子に像を形成する光学系と、
    前記固体撮像素子から出力される信号を処理する信号処理部であって、前記第１の光感知セルから出力される第１の光電変換信号、前記第２の光感知セルから出力される第２の光電変換信号、前記第３の光感知セルから出力される第３の光電変換信号、および前記第４の光感知セルから出力される第４の光電変換信号を用いた演算によって色情報を生成する信号処理部と、
    を備える撮像装置。
  12. 請求項１から１０のいずれかに記載の固体撮像素子から出力される信号を処理する方法であって、
    前記第１の光感知セルから出力される第１の光電変換信号、前記第２の光感知セルから出力される第２の光電変換信号、前記第３の光感知セルから出力される第３の光電変換信号、および前記第４の光感知セルから出力される第４の光電変換信号を取得するステップと、
    前記第１から第４の光電変換信号を用いて色情報を生成するステップと、
    を含む方法。
  13. 請求項１から１０のいずれかに記載の固体撮像素子から出力される信号を処理するためのプログラムであって、
    コンピュータに対し、
    前記第１の光感知セルから出力される第１の光電変換信号、前記第２の光感知セルから出力される第２の光電変換信号、前記第３の光感知セルから出力される第３の光電変換信号、および前記第４の光感知セルから出力される第４の光電変換信号を取得するステップと、
    前記第１から第４の光電変換信号を用いて色情報を生成するステップと、
    を実行させるプログラム。
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