WO2012026051A1 - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

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WO2012026051A1
WO2012026051A1 PCT/JP2011/002382 JP2011002382W WO2012026051A1 WO 2012026051 A1 WO2012026051 A1 WO 2012026051A1 JP 2011002382 W JP2011002382 W JP 2011002382W WO 2012026051 A1 WO2012026051 A1 WO 2012026051A1
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WO
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light
row
column
color component
photosensitive cell
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PCT/JP2011/002382
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平本　政夫
藤井　俊哉
鈴木　正明
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パナソニック株式会社
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    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
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    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/10—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths
    • H04N23/12—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths with one sensor only
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L27/146—Imager structures
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith

Definitions

  • the present invention relates to a colorization technique for a solid-state imaging device.
  • image sensors In recent years, there has been a remarkable increase in functionality and performance of digital cameras and digital movies using solid-state image sensors such as CCDs and CMOSs (hereinafter sometimes referred to as “image sensors”). Due to rapid progress in semiconductor manufacturing technology, the pixel structure in a solid-state imaging device is being miniaturized. As a result, higher integration of pixels and drive circuits of solid-state image sensors has been attempted. For this reason, in a few years, the number of pixels of the image sensor has increased significantly from about 1 million pixels to over 10 million pixels. On the other hand, with the increase in the number of pixels of the image sensor, the amount of light (amount of light) received by one pixel is reduced, which causes a problem that the camera sensitivity is also reduced.
  • image sensors such as CCDs and CMOSs
  • the light utilization rate is considerably low.
  • the R filter transmits R light and absorbs G light and B light.
  • the G filter transmits G light and absorbs R light and B light.
  • the B filter transmits B light and absorbs R light and G light. That is, the light transmitted through each color filter is one of the three RGB colors, and the other two colors are absorbed by the color filter, so that the light used is about 1/3 of the visible light incident on the color filter. is there.
  • the signal reading method from the image sensor includes a non-interlace method (also known as a progressive method) for reading out pixel signals for each row and an interlace method for reading out pixel signals by interlaced scanning every other row.
  • a non-interlace method also known as a progressive method
  • an interlace method for reading out pixel signals by interlaced scanning every other row.
  • a Bayer type color filter array is generally used.
  • the interlace method a plurality of colorization methods having higher sensitivity than the Bayer type have been reported in the field accumulation mode in which signals of two pixels adjacent in the vertical direction are mixed.
  • Patent Document 1 discloses a technique for improving sensitivity and resolution by using white (W), green, cyan (Cy), and yellow (Ye) color filters.
  • Patent Document 2 discloses a technique for reducing the color false signal in the vertical direction using color filters of white, cyan, yellow, and other colors.
  • Patent Document 3 discloses a technique for improving color reproducibility using red, green, cyan, and yellow color filters.
  • Patent Document 4 discloses a technique that can obtain good characteristics of sensitivity and color reproducibility using magenta (Mg), green, cyan, and yellow color filters. The technique disclosed in Patent Document 4 is currently the mainstream technique in the field accumulation mode.
  • Mg magenta
  • FIG. 10 is a diagram showing a basic color arrangement of color filters in the image sensor disclosed in Patent Document 4.
  • a color filter array is arranged to face a photosensitive cell array having eight photosensitive cells (pixels) arranged in four rows and two columns as a unit block.
  • the color filter array includes four types of color filters of magenta (Mg), green (G), cyan (Cy), and yellow (Ye).
  • Mg magenta
  • G green
  • Cy cyan
  • Ye yellow
  • pixel signal readout pixel signals are read out line by line in accordance with, for example, the NTSC system of television.
  • the combination of pixel signals read out in the first field and the second field is shifted by one line.
  • the pixel signals for two lines are added only in the vertical direction and processed as pixel signals for one line in each field.
  • Ms, Gs, Cs, and Ys represent photoelectric conversion signal amounts of light passing through the magenta, green, cyan, and yellow color filters, respectively, and red and blue components included therein are represented as Rs and Bs, respectively. I will represent it.
  • Ms Rs + Bs
  • Cs Gs + Bs
  • Ys Rs + Gs
  • the n-line signal in the first field is a repetition of signals Sn, 1 and Sn, 2 expressed by the following equations 1 and 2 .
  • the signal of the n + 1 line in the first field is a repetition of the signals S n + 1,1 and S n + 1,2 expressed by the following equations 3 and 4.
  • the method for reading these signals is exactly the same in the second field. That is, the signal of the n ′ line and the signal of the (n + 1) ′ line in the second field are also expressed by the repetition of Expressions 1 and 2 and the repetition of Expressions 3 and 4, respectively.
  • a luminance signal YL is generated by adding signals corresponding to two pixels adjacent in the horizontal direction.
  • the color difference signal BY is generated by the difference between the signals Sn , 1 and Sn, 2 in the n line , and the difference between the signals Sn + 1,1 and Sn + 1,2 in the n + 1 line.
  • a color difference signal RY is generated.
  • YL, BY, and RY are represented by the following formulas 5 to 7.
  • the color can be satisfactorily reproduced according to the colorization method disclosed in Patent Document 4.
  • the sensitivity of the image pickup device of Patent Document 4 is better than that of the Bayer method because the complementary color magenta, cyan, and yellow color filters are used.
  • Patent Documents 1 to 4 since a complementary color filter is used, the light utilization rate can be increased as compared with a system using a primary color filter.
  • the methods disclosed in Patent Documents 1 to 4 also have a problem that a part of the light is absorbed and light loss occurs because the color filter used is a subtractive color filter.
  • An object of the present invention is to provide a colorization technique capable of significantly reducing light loss in a method of performing interlace scanning and reading out a pixel signal in a field accumulation mode.
  • a solid-state imaging device includes a photosensitive cell array in which a plurality of unit blocks each including eight photosensitive cells arranged in four rows and two columns are arranged in a matrix, and facing the photosensitive cell array.
  • a spectral element array that is arranged, the first spectral element that is arranged to face the photosensitive cell in the first row and the second column, and the second that is arranged to face the photosensitive cell in the second row and the first column.
  • the third spectral element disposed opposite to the photosensitive cell in the third row and first column, and the fourth spectral element disposed opposite to the photosensitive cell in the fourth row and first column.
  • a spectral element array is arranged, the first spectral element that is arranged to face the photosensitive cell in the first row and the second column, and the second that is arranged to face the photosensitive cell in the second row and the first column.
  • the third spectral element disposed opposite to the photosensitive cell in the third row and first column, and the fourth spectral element disposed opposite to
  • the first light-splitting element causes light of a first color component to be incident on the photosensitive cell in the first row and first column, and light other than the first color component is incident on the photosensitive cell in the first row and second column.
  • the second light-splitting element causes the light of the second color component to enter the photosensitive cell in the second row and the second column, and allows light other than the second color component to enter the photosensitive cell in the second row and the first column.
  • the third spectroscopic element causes the light of the first color component to enter the photosensitive cell in the third row and the second column, and allows light other than the first color component to enter the photosensitive cell in the third row and the first column. Make it incident.
  • the fourth light splitting element causes the light of the second color component to enter the photosensitive cell in the fourth row and the second column, and allows light other than the second color component to enter the photosensitive cell in the fourth row and the first column. Make it incident.
  • the first light-splitting element causes half of the light of the first color component to enter the photosensitive cell in the first row and the first column, and the first row and the first column included in the first adjacent unit block.
  • the second half of the light of the first color component is incident on the photosensitive cell of the eye
  • the second spectral element is half of the light of the second color component on the second row and second column of the photosensitive cell.
  • the other half of the light of the second color component is incident on the photosensitive cell in the second row and second column included in the second adjacent unit block
  • the third spectral element has three rows and two.
  • Half of the light of the first color component is incident on the photosensitive cell in the column, and the light of the first color component is input to the photosensitive cell in the third row and the second column included in the second adjacent unit block.
  • the other half is incident, and the fourth light-splitting element causes half of the light of the second color component to enter the photosensitive cell in the fourth row and the second column, Serial second remaining half of the light of the second color component on the photosensitive cells of the fourth row second column contained in the adjacent unit block may be caused to enter.
  • the photosensitive cell in the first row and the first column and the photosensitive cell in the third row and the second column receive the light of the first color component, the second color, which is incident without passing through any spectral element.
  • the photosensitive cell in the second column is adjacent to the light of the first color component, the light of the second color component, and the light of the third color component that enter without passing through any spectral element.
  • the photosensitive cell in the first row and second column and the photosensitive cell in the third row and first column are incident from the opposing spectral element.
  • Receiving light other than the first color component, the photosensitive cell in the second row and first column and the photosensitive cell in the fourth row and first column are: Each component may be configured to receive light other than the second color component incident from the spectral elements direction.
  • Another solid-state imaging device of the present invention includes a photosensitive cell array in which a plurality of unit blocks each including eight photosensitive cells arranged in four rows and two columns are arranged in a matrix, and opposed to the photosensitive cell array.
  • the first spectral element disposed opposite to the photosensitive cell in the first row and the second column and disposed opposite to the photosensitive cell in the second row and the first column.
  • the second spectral element, the third spectral element arranged to face the photosensitive cell in the third row and the second column, and the fourth spectral element arranged to face the photosensitive cell in the fourth row and the second column And a spectroscopic element array.
  • the first light-splitting element causes light of the first color component to enter the photosensitive cell in the first row and first column, and allows light other than the first color component to enter the photosensitive cell in the first row and second column. Make it incident.
  • the second light-splitting element causes the light of the second color component to enter the photosensitive cell in the second row and the second column, and allows light other than the second color component to enter the photosensitive cell in the second row and the first column.
  • the third spectroscopic element causes the light of the first color component to enter the photosensitive cell in the third row and the first column, and allows light other than the first color component to enter the photosensitive cell in the third row and the second column. Make it incident.
  • the fourth light splitting element causes the light of the second color component to enter the photosensitive cell in the fourth row and the first column, and allows light other than the second color component to enter the photosensitive cell in the fourth row and the second column. Make it incident.
  • the first light-splitting element causes half of the light of the first color component to enter the photosensitive cell in the first row and the first column, and the first row and the first column included in the first adjacent unit block.
  • the second half of the light of the first color component is incident on the photosensitive cell of the eye, and the second spectral element is half of the light of the second color component on the second row and second column of the photosensitive cell.
  • the other half of the light of the second color component is incident on the photosensitive cell in the second row and the second column included in the second adjacent unit block.
  • Half of the light of the first color component is incident on the photosensitive cell in the column, and the light of the first color component is input to the photosensitive cell in the third row and first column included in the second adjacent unit block.
  • the other half is made incident, and the fourth light-splitting element makes half of the light of the second color component incident on the photosensitive cell in the fourth row and the first column, Serial second remaining half of the light of the second color component on the photosensitive cells of the fourth row first column contained in the adjacent unit block may be caused to enter.
  • the photosensitive cell in the first row and the first column and the photosensitive cell in the third row and the first column enter the light of the first color component and the second color that are incident without passing through any spectral element.
  • the photosensitive cell in the first column of the column is adjacent to the light of the first color component, the light of the second color component, and the light of the third color component that enter without passing through any spectral element.
  • the photosensitive cell in the first row and second column and the photosensitive cell in the third row and second column are incident from the opposing spectral element.
  • Receiving light other than the first color component, the photosensitive cell in the second row and first column and the photosensitive cell in the fourth row and second column are:
  • Each component may be configured to receive light other than the second color component incident from the spectral elements direction.
  • the first color component is one of red and blue
  • the second color component is the other of red and blue
  • An imaging apparatus includes a solid-state imaging device according to the present invention, an optical system that forms an image on an imaging surface of the solid-state imaging device, and a signal that generates color information by processing a signal output from the solid-state imaging device. And a processing unit.
  • color information is generated using a spectral element that separates light according to a wavelength region, not a subtractive color filter. For this reason, the optical loss can be reduced as compared with the prior art, and a good luminance signal and color signal can be generated in the field accumulation mode.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an imaging apparatus according to a first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the lens and imaging device in the 1st Embodiment of this invention. It is a figure which shows typically the pixel arrangement
  • A) is a top view which shows the basic structure of the image pick-up element in the 1st Embodiment of this invention,
  • (b) is the sectional view on the AA 'line in (a),
  • (c) is BB in (a). It is' 'sectional drawing,
  • (d) is CC' sectional view taken on the line in (a).
  • FIG. 11 is a basic color arrangement diagram used for colorization by a field accumulation mode in Patent Document 4.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating the overall configuration of the imaging apparatus according to the present embodiment.
  • the imaging apparatus according to the present embodiment is a digital electronic camera, and includes an imaging unit 100 and a signal processing unit 200 that generates a signal (image signal) indicating an image based on a signal transmitted from the imaging unit 100. ing.
  • the imaging unit 100 includes an optical lens 12 for imaging a subject, an optical filter 11, and a solid-state imaging device 10 that converts optical information imaged through the optical lens 12 and the optical filter 11 into an electrical signal by photoelectric conversion. It has.
  • the imaging unit 100 further generates a basic signal for driving the imaging device 10, receives an output signal from the imaging device 10, and sends it to the signal processing unit 200, and signal generation / reception.
  • an element driving unit 14 that drives the image sensor 10 based on the basic signal generated by the unit 13.
  • the optical lens 12 is a known lens and may be a lens unit having a plurality of lenses.
  • the optical filter 11 is a combination of a quartz low-pass filter for reducing moire patterns generated due to pixel arrangement and an infrared cut filter for removing infrared rays.
  • the image sensor 10 is typically a CCD or CMOS sensor, and is manufactured by a known semiconductor manufacturing technique.
  • the signal generation / reception unit 13 and the element driving unit 14 are configured by an LSI such as a CCD driver, for example.
  • the signal processing unit 200 generates an image signal by processing a signal sent from the imaging unit 100, a memory 17 for storing various data generated in the process of generating the image signal, and a generated signal. And an image signal output unit 16 for sending the image signal to the outside.
  • the image signal generation unit 15 can be suitably realized by a combination of hardware such as a known digital signal processor (DSP) and software that executes image processing including image signal generation processing.
  • the memory 17 is configured by a DRAM or the like. The memory 17 records the signal transmitted from the imaging unit 100 and temporarily records the image data generated by the image signal generation unit 15 and the compressed image data. These image data are sent to a recording medium (not shown) or a display unit via the image signal output unit 16.
  • the imaging apparatus of the present embodiment may include known components such as an electronic shutter, a viewfinder, a power source (battery), and a flashlight, but a description thereof is omitted because it is not particularly necessary for understanding the present invention.
  • known components such as an electronic shutter, a viewfinder, a power source (battery), and a flashlight, but a description thereof is omitted because it is not particularly necessary for understanding the present invention.
  • the above configuration is merely an example, and in the present invention, known components can be used in appropriate combination with the components other than the image sensor 10.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a state in which light transmitted through the lens 12 is incident on the image sensor 10 during exposure.
  • the lens 12 can be generally composed of a plurality of lenses arranged in the optical axis direction, but is drawn as a single lens for simplicity.
  • a photosensitive cell array including a plurality of photosensitive cells (pixels) arranged two-dimensionally is disposed on the imaging surface 10a of the imaging element 10. Each photosensitive cell is typically a photodiode, and outputs a photoelectric conversion signal (pixel signal) corresponding to the amount of incident light by photoelectric conversion.
  • Light (visible light) transmitted through the lens 12 and the optical filter 11 is incident on the imaging surface 10a.
  • the intensity of light incident on the imaging surface 10a and the distribution (spectral distribution) of the amount of incident light for each wavelength range differ depending on the incident position.
  • FIG. 3 is a plan view showing a pixel arrangement in the present embodiment.
  • the photosensitive cell array 50 has a plurality of photosensitive cells arranged in a square lattice pattern on the imaging surface 10a.
  • the photosensitive cell array 50 includes a plurality of unit blocks 40, and each unit block 40 includes eight photosensitive cells 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, and 5h arranged in 4 rows and 2 columns. Contains. Note that the arrangement of the photosensitive cells is not limited to such a square lattice arrangement, and may be an oblique arrangement or another arrangement.
  • XY coordinates shown in FIG. 3 are used when indicating directions. In this specification, the X direction may be referred to as “horizontal direction” and the Y direction may be referred to as “vertical direction”.
  • a spectral element array including a plurality of spectral elements is disposed on the light incident side facing the photosensitive cell array 50.
  • the spectral elements in the present embodiment will be described.
  • the spectroscopic element in the present embodiment is an optical element that directs incident light in different directions according to the wavelength range by using diffraction of light generated at the boundary between two types of translucent members having different refractive indexes.
  • This type of spectroscopic element consists of a high refractive index transparent member (core part) formed of a material having a relatively high refractive index and a low contact with each side surface of the core part formed of a material having a relatively low refractive index. And a refractive index transparent member (cladding portion). Due to the difference in refractive index between the core part and the clad part, a phase difference occurs between the light transmitted through the core part and diffraction occurs.
  • a high refractive index transparent member may be referred to as a “spectral element” because spectroscopy is possible due to a difference in refractive index between the core portion and the cladding portion. Details of such a diffractive spectral element are disclosed in, for example, Japanese Patent No. 4264465.
  • the spectral element array having the spectral elements as described above can be manufactured by performing thin film deposition and patterning by a known semiconductor manufacturing technique.
  • the material (refractive index), shape, size, arrangement pattern, and the like of the spectral elements it becomes possible to separate and integrate light in a desired wavelength range into individual photosensitive cells.
  • a signal corresponding to a necessary color component can be calculated from a set of photoelectric conversion signals output from each photosensitive cell.
  • FIG. 4A is a plan view schematically showing the basic structure of the image sensor 10.
  • the spectroscopic elements 1b, 1c, 1e, and 1g are arranged to face the four photosensitive cells (pixels) 5b, 5c, 5e, and 5g, respectively. Opposing spectral elements are not arranged in the pixels 5a, 5d, 5f, and 5h.
  • a plurality of patterns having such a basic structure are repeatedly formed on the imaging surface 10a.
  • the spectral elements 1c and 1g facing the pixels 5c and 5g in the 2nd row and the 1st column and the 4th row and the 1st column respectively receive light (Ye light) in a wavelength region corresponding to yellow (red and green) color components.
  • FIG. 4A shows a symbol indicating the color component of light incident on each pixel.
  • the symbol in parentheses in the figure represents the color component of light incident from a spectral element facing an adjacent pixel.
  • FIGS. 4B, 4C, and 4D are diagrams schematically showing an AA ′ line cross section, a BB ′ line cross section, and a CC ′ line cross section in FIG. 4A, respectively.
  • the structure of the 4th line in Fig.4 (a) is the same as the structure of the 2nd line, illustration of a cross section is abbreviate
  • FIG. 4B shows a cross-sectional structure of the first row of the pixel array.
  • a transparent layer 2 made of a translucent member having a refractive index lower than that of each spectral element is formed on the photosensitive cells 5a and 5b.
  • a convex lens-like structure is formed on the surface of the transparent layer 2 on the light incident side. Thereby, the light condensing property to each photosensitive cell can be enhanced.
  • the transparent layer 2 and the convex lens-like structure are formed in exactly the same way for the second to fourth rows.
  • the surface of the transparent layer 2 on the light incident side may not be formed in a convex lens shape.
  • a spectral element 1b that separates light into R light and Cy light is arranged facing the photosensitive cell 5b in the first row and the second column.
  • the light-splitting element 1b in the first row and the second column is formed of a transparent high refractive index member, has a plate-like shape that is long in the light traveling direction, and lacks one side of the tip from which light is emitted.
  • the spectral element 1 b causes the R light to enter the photosensitive cell 5 a in the first row and the first column, and the photosensitive cell in the first row and the second column facing each other. Cy light is incident on 5b.
  • FIG. 4C shows the cross-sectional structure of the second row of the pixel array.
  • the light-splitting element 1c in the second row and the first column is also formed of a transparent high refractive index member, has a plate shape that is long in the light traveling direction, and lacks one side of the tip from which light is emitted. Due to the difference in refractive index between the shape and the surrounding transparent layer 2, the spectral element 1 c makes Ye light incident on the photosensitive cell 5 c in the second row and the first column, and enters the photosensitive cell 5 d in the second row and the second column. B light is incident.
  • the photosensitive cell 5d in the second row and the second column receives the visible light W that is directly incident, and also receives the B light that is incident from the spectral element 1c in the second row and the first column. Note that the cross-sectional structure of the fourth row of the pixel array is the same as that of the second row, and the manner in which light is incident on each pixel is the same.
  • FIG. 4D shows a cross-sectional structure of the third row of the pixel array.
  • the spectral element 1e in the third row and first column has the same shape as the spectral element 1b in the first row and second column, but its direction is opposite to the direction of the spectral element 1b in the first row. Therefore, the photosensitive cell 5e in the third row and the first column receives Cy light, and the photosensitive cell 5f in the third row and the second column receives W light that is directly incident and R light that is incident from the photosensitive cell 5e.
  • FIG. 5 is a diagram showing the color components of light received by each photosensitive cell.
  • the pixels in the first row, first column and the third row, second column receive W light and R light.
  • the pixels in the first row, second column and the third row, first column receive Cy light (G light and B light).
  • the pixels in the second row and first column and the fourth row and first column receive Ye light (R light and G light).
  • the luminance signal and the color difference signal are expressed as follows.
  • the first and second rows in FIG. 5 are n lines, and the third and fourth rows are (n + 1) lines. Since the pixel signals of two pixels adjacent in the vertical direction are added, the n-line signal in the first field is a repetition of signals Sn, 1 and Sn, 2 expressed by the following equations 8 and 9. .
  • the signal of the (n + 1) line in the first field is a repetition of signals S n + 1,1 and S n + 1,2 expressed by the following equations 10 and 11.
  • the luminance signal YL is generated by adding two adjacent columns of signals in each line. Therefore, the luminance signal YL is expressed by the following Expression 12 for both the n line and the (n + 1) line.
  • the color difference signal is generated as follows. First, subtraction is performed between two adjacent signals in each line. As a result, a signal C (n) represented by the following expression 13 is obtained for the n line, and a signal C (n + 1) represented by the following expression 14 is obtained for the (n + 1) line.
  • the second and third rows of the pixel array are n ′ lines
  • the fourth and fifth rows are (n + 1) ′ lines
  • pixel signals of two pixels adjacent in the vertical direction are added.
  • the signal on the n ′ line repeats (Ys + Cs) and (2Ws + Rs + Bs).
  • the signal on the (n + 1) ′ line is a repetition of (Ys + Ws + Rs) and (Ws + Bs + Cs). That is, the read signal in the second field is shifted by one line from the read signal in the first field, but the signal read as a whole is the same. Therefore, both the luminance signal and the color difference signal are generated by the same signal processing as in the first field.
  • the luminance signal and the color difference signal indicating the same color information are generated by the same signal processing in both the first field and the second field. can do.
  • the image signal generation unit 15 in the imaging apparatus of the present embodiment generates color information by performing the above signal calculation.
  • the generated color information is output to a recording medium (not shown) or a display device by the image signal output unit 16.
  • the spectral element array is arranged facing the photosensitive cell array having 4 rows and 2 columns as a unit block.
  • the spectral elements are not arranged in the pixels in the first row, the first column, the second row, the second column, the third row, the second column, and the fourth row, the second column, and these pixels receive light directly incident through the transparent layer 2.
  • the R light included in the incident light is incident on the adjacent pixel of the opposite pixel so as to face the pixels in the first row, second column and the third row, first column, and Cy light (G light and B light) is applied to the opposite pixel.
  • a spectral element to be incident is arranged.
  • the B light included in the incident light is incident on the adjacent pixel of the opposing pixel and the Ye light (R light and G light) is incident on the opposing pixel in the pixels in the second row and first column and the fourth row and first column.
  • a spectral element is arranged. With these spectral elements, colorization can be realized in interlaced scanning in the field accumulation mode, and the light loss can be greatly reduced.
  • Each spectral element is ideally configured to cause almost all of the R light or B light included in the incident light to enter the adjacent pixel of the counter pixel and almost all of the other light to enter the counter pixel. There is no problem even if there is light loss. Good color information can be obtained by correcting the signal according to the degree of light loss.
  • the signal calculation processing performed by the image signal generation unit 15 in the present embodiment can be executed not by the imaging apparatus itself but by another device.
  • the color information can also be generated by causing an external device that has received an input of the photoelectric conversion signal output from the image sensor 10 to execute a program that defines the signal calculation processing in the present embodiment.
  • a spectral element that divides incident light into R light and Cy light and a spectral element that divides incident light into B light and Ye light are used, but other spectral elements can also be used.
  • FIG. 6 shows the color components of light received by each pixel when generalized in this way.
  • the generation of the luminance signal YL and the color difference signals (R ⁇ Y) and (B ⁇ Y) is performed according to the following procedure.
  • the n-line signal is a repetition of signals Sn, 1 and Sn, 2 expressed by the following equations 17 and 18.
  • signals indicating C1 light, C1 to light, C2 light, C2 to light, and C3 light are represented as C1s, C1 to s, C2s, C2 to s, and C3s, respectively.
  • the signal on the (n + 1) line is a repetition of signals S n + 1,1 and S n + 1,2 expressed by the following equations 19 and 20.
  • the luminance signal YL is expressed by the following Expression 21 for both the n line and the (n + 1) line.
  • the color difference signal first, subtraction is performed between two columns of signals in each line. As a result, a signal C (n) represented by the following expression 22 is obtained for the n line, and a signal C (n + 1) represented by the following expression 23 is obtained for the (n + 1) line.
  • color information can be generated by the above signal calculation.
  • the spectral element a spectral element using diffraction due to the difference in refractive index between members is used, but the spectral element is not limited to such a diffraction type element.
  • the same effect can be obtained by using a spectral element such as a microprism or a dichroic mirror.
  • the imaging apparatus according to the present embodiment is different from the imaging apparatus according to the first embodiment only in the arrangement of the spectral elements corresponding to the pixels in the third row and the fourth row in the pixel array of the imaging element. Is different. In the following description, differences from the first embodiment will be mainly described, and description of overlapping points will be omitted.
  • FIG. 7A is a plan view schematically showing the basic structure of the image sensor 10 in the present embodiment.
  • the spectroscopic elements 1b, 1c, 1f, and 1h are arranged to face the four photosensitive cells 5b, 5c, 5f, and 5h, respectively.
  • No spectral element is arranged on the photosensitive cells 5a, 5d, 5e, and 5g.
  • a plurality of patterns having such a basic structure are repeatedly formed on the imaging surface 10a.
  • the structures of the first row and the second row are the same as those in the first embodiment, but the third row and the fourth row are spectral elements with respect to the structure in the first embodiment. The arrangement is different.
  • the third row has the same structure as the first row.
  • the fourth row has the same configuration as the second row, but the horizontal direction of the spectral elements is reversed. Therefore, the cross-sectional structure is not shown for the first to third lines.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line DD ′ in FIG. 7A, and shows the cross-sectional structure of the fourth row of the pixel array.
  • B light included in incident light W light
  • Ye light R light and G light
  • a spectral element 1h that is incident on the cell 5h is disposed to face the pixel 5h. For this reason, the photosensitive cell 5h in the 4th row and the 2nd column receives Ye light, and the photosensitive cell 5g in the 4th row and the 1st column receives W light and B light.
  • FIG. 8 is a diagram showing the color components of light received by each photosensitive cell in the present embodiment.
  • the pixels in the first row and first column and the third row and first column receive W light and R light.
  • the pixels in the second row and second column and the fourth row and first column receive W light and B light.
  • the pixels in the first row, second column and the third row, second column receive Cy light (G light and B light).
  • the pixels in the second row, first column and the fourth row, second column receive Ye light (R light and G light).
  • the color component of light received by each pixel in the present embodiment is the reverse of the third row and first column and the third row and second column compared to the color component of light received by each pixel in the first embodiment. It is the same except that the column and the fourth row and the second column are opposite. Therefore, the luminance signal YL in the present embodiment can also be expressed by Expression 12 like the luminance signal in the first embodiment. Further, in both the first field and the second field, the difference C (n) between two adjacent columns of n lines is expressed by Equation 13, and the difference C (n + 1) between two adjacent columns of (n + 1) lines. Is a signal with the sign reversed in Equation 14. Therefore, color information can be generated by performing processing similar to the signal calculation processing in the first embodiment.
  • the imaging apparatus can achieve colorization in interlaced scanning in the field accumulation mode, and can significantly reduce light loss.
  • spectral elements can be used in addition to the spectral element that divides incident light into R light and Cy light and the spectral element that divides incident light into B light and Ye light.
  • a spectroscopic element may be used.
  • the spectral element is not limited to the one that uses the diffraction due to the difference in refractive index between the members, and for example, the same effect can be obtained by using a spectral element such as a microprism or a dichroic mirror. is there.
  • the image pickup apparatus of the present embodiment has the same color component of light received by each pixel, but the structure of the light splitting element and the way of light splitting are different. Therefore, in the following description, points different from those of the first embodiment will be mainly described, and description of overlapping points will be omitted.
  • FIG. 9A is a plan view schematically showing the basic structure of the image sensor in the present embodiment.
  • the spectroscopic elements 1b, 1c, 1e, and 1g are arranged to face the four photosensitive cells 5b, 5c, 5e, and 5g, respectively.
  • No spectral element is disposed on the photosensitive cells 5a, 5d, 5f, and 5h.
  • a plurality of patterns having such a basic structure are repeatedly formed on the imaging surface 10a.
  • the color component of light received by each photosensitive cell is the same as the color component of light received by each photosensitive cell in the first embodiment.
  • the spectral element according to the present embodiment is different from the spectral element according to the first embodiment in that light of a specific color component is designed to be incident on two adjacent pixels in the horizontal direction of the opposing pixel in equal amounts.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line EE ′ in FIG. 9A, and shows a cross-sectional structure of the first row of the pixel array.
  • the light separating element 3b disposed to face the pixel 5b is formed of a transparent high refractive index member and has a plate shape that is long in the light traveling direction.
  • the light separating element 3b uses the diffraction due to the difference in refractive index with the surrounding transparent layer 2 to make the Cy light incident on the counter pixel 5b and the R light incident on the pixels adjacent to the counter pixel in half.
  • the pixel 5a in the first row and the first column has the visible light W incident without passing through any spectral element, the R light (R / 2) incident from the spectral element 3b, and the spectral elements included in the adjacent unit block.
  • R light (R / 2) incident from the element is received.
  • the symbol R / 2 represents a half amount of the R light included in the light W incident on the light separating element 3b.
  • the pixel 5b in the first row and the second column receives Cy light (G light and B light) incident from the opposing spectral element 3b.
  • the third row of the pixel array also has a configuration similar to that of the first row although the arrangement of the spectral elements is shifted by one column, and the color component of light incident on each pixel is the same as that of the first row. .
  • FIG. 9C is a cross-sectional view taken along the line FF ′ in FIG. 9A, and shows a cross-sectional structure in the second row of the pixel array.
  • the light separating element 3c arranged to face the pixel 5c is also formed of a transparent high refractive index member and has a plate shape that is long in the light traveling direction.
  • the light-splitting element 3c uses the diffraction due to the difference in refractive index with the surrounding transparent layer 2 to make the Ye light incident on the counter pixel 5c and the B light in half on both pixels adjacent to the counter pixel.
  • the pixel 5c in the second row and the first column receives Ye light (R light and G light) incident from the opposing spectral element 3c.
  • the pixel 5d in the second row and the second column enters the visible light W that does not pass through any spectral element, the B light (B / 2) that enters from the spectral element 3c, and the spectral element included in the adjacent unit block. Receiving B light (B / 2).
  • the fourth row of the pixel array has the same configuration as that of the second row, and the color components of light incident on each pixel are the same.
  • each spectral element in the present embodiment causes the light of a specific color component to be separately incident on two pixels adjacent to the opposing pixel, so that the effect of the optical low-pass filter in the horizontal direction is higher than that in the first embodiment. Have.
  • spectral elements can be used in addition to the spectral element that divides incident light into R light and Cy light and the spectral element that divides incident light into B light and Ye light.
  • a spectroscopic element may be used. In this case, each spectral element only needs to be configured so that half of the C1 light or C2 light is incident on the pixels on both sides of each spectral element.
  • the spectral element is not limited to the spectral element using diffraction due to the difference in refractive index between the members, and for example, a spectral element such as a microprism or a dichroic mirror may be used.
  • each of the spectral elements in the present embodiment an equal amount of light of one color component is incident on the pixels adjacent to the opposing pixel, but the light may be incident on the pixels adjacent to the opposing pixel at different ratios.
  • the spectral element causes 70% of light of a specific color component included in incident light to be incident on one adjacent pixel of the counter pixel, and 30% of light of the specific color component is incident on the other adjacent pixel. It may be configured. Even in such a case, the amount of light of the first color component received by a pixel in which no spectral element is arranged is not changed, and thus the same effect as described above can be obtained.
  • the spectral element in the present embodiment and the spectral element in the first embodiment may be used in combination.
  • a configuration in which the spectral elements in the present embodiment are arranged in the first and third lines and the spectral elements in the first embodiment are arranged in the second and fourth lines is also possible.
  • the arrangement of the spectral elements in the present embodiment is the same arrangement as the spectral elements in the first embodiment, but may be the same arrangement as the spectral elements in the second embodiment. That is, in FIG. 9, the positions at which the spectral elements in the third and fourth rows may be shifted by one column. Even in this case, the effect of the present embodiment does not change.
  • the solid-state imaging device and imaging apparatus of the present invention are effective for all cameras that perform interlace scanning in the field accumulation mode.
  • it can be used for consumer cameras such as digital still cameras and digital video cameras, solid-state cameras for broadcasting, and solid-state surveillance cameras for industrial use.

Abstract

　固体撮像素子の基本画素構成において、１行２列目の画素および３行１列目の画素に対向して、水平方向の隣接画素に第１の色成分の光を入射させ、対向画素に第１の色成分の補色光を入射させる分光要素が配置される。２行１列目の画素および３行１列目の画素に対向して、水平方向の隣接画素に第２の色成分の光を入射させ、対向画素に第２の色成分の補色光を入射させる分光要素が配置される。１行１列目、２行２列目、３行２列目、および４行２列目には分光要素が配置されない。

Description

固体撮像素子および撮像装置
　本発明は固体撮像素子のカラー化技術に関する。
　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。急速な半導体製造技術の進歩により、固体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、固体撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られてきた。このため、わずかの年数で撮像素子の画素数が１００万画素程度から１０００万画素以上へと著しく増加した。その一方で、撮像素子の多画素化に伴い、１画素の受ける光の量（光量）が低下するため、カメラ感度も低下するという問題が起きている。
　さらに通常のカラーカメラでは、撮像素子の各光感知部上に顔料を色素とする減色型の色フィルタが配置されるため、光利用率はかなり低い。例えば、赤（Ｒ）１要素、緑（Ｇ）２要素、青（Ｂ）１要素を基本構成としたベイヤー型の色フィルタでは、ＲフィルタはＲ光を透過させ、Ｇ光、Ｂ光を吸収する。ＧフィルタはＧ光を透過させ、Ｒ光、Ｂ光を吸収する。ＢフィルタはＢ光を透過させ、Ｒ光、Ｇ光を吸収する。すなわち、各色フィルタを透過する光はＲＧＢ３色のうちの１色であり、その他の２色は色フィルタに吸収されるため、利用される光は色フィルタに入射する可視光の約１／３である。
　一方、撮像素子からの信号読み出し方式には、１行毎に画素信号を読み出すノンインターレース方式（別名：プログレッシブ方式）と、１行おきに飛び越し走査で画素信号を読み出すインターレース方式とがある。ノンインターレース方式では、一般にベイヤー型の色フィルタ配列が用いられる。インターレース方式では、垂直方向に隣接する２画素の信号を混合するフィールド蓄積モードにおいて、ベイヤー型よりも感度が良好なカラー化方式が複数報告されている。
　例えば、特許文献１は、ホワイト（Ｗ）、緑、シアン（Ｃｙ）、黄（Ｙｅ）の色フィルタを用いて、感度及び解像度を改善する技術を開示している。また、特許文献２は、ホワイト、シアン、黄、およびその他の色の色フィルタを用いて垂直方向の色偽信号を減少させる技術を開示している。また、特許文献３には、赤、緑、シアン、黄の色フィルタを用いて色再現性を向上させる技術が開示されている。さらに、特許文献４は、マゼンタ（Ｍｇ）、緑、シアン、黄の色フィルタを用いて、感度および色再現性の良好な特性が得られる技術を開示している。特許文献４に開示された技術は、現在、フィールド蓄積モードにおいて主流の技術となっている。
　以下、図１０を参照しながら特許文献４に開示されたカラー化方式を説明する。図１０は、特許文献４に開示された撮像素子における色フィルタの基本色配置を示す図である。４行２列に配列された８個の光感知セル（画素）を単位ブロックとする光感知セルアレイに対向して色フィルタアレイが配置される。色フィルタアレイは、マゼンタ（Ｍｇ）、緑（Ｇ）、シアン（Ｃｙ）、黄（Ｙｅ）の４種類の色フィルタから構成されている。画素信号の読み出しに関しては、例えばテレビジョンのＮＴＳＣ方式に準じて２ラインずつ画素信号が読み出される。第１フィールドと第２フィールドとで読み出される画素信号の組み合わせは１ラインだけずれる。２ライン分の画素信号は、垂直方向のみ加算され、各フィールドにおける１ライン分の画素信号として処理される。
　ここで、マゼンタ、緑、シアン、黄の各色フィルタを透過する光の光電変換信号量をそれぞれＭｓ、Ｇｓ、Ｃｓ、Ｙｓと表し、またそれらに含まれる赤成分、青成分をそれぞれＲｓ、Ｂｓと表すことにする。Ｍｓ＝Ｒｓ＋Ｂｓ、Ｃｓ＝Ｇｓ＋Ｂｓ、Ｙｓ＝Ｒｓ＋Ｇｓより、第１フィールドのｎラインの信号は、以下の式１、２で表される信号Ｓn,1、Ｓn,2の繰り返しとなる。
　　（式１）　Ｓn,1＝Ｍｓ＋Ｃｓ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ
　　（式２）　Ｓn,2＝Ｇｓ＋Ｙｓ＝Ｒｓ＋２Ｇｓ
　また、第１フィールドのｎ＋１ラインの信号は、次の式３、４で表される信号Ｓn+1,1、Ｓn+1,2の繰り返しとなる。
　　（式３）　Ｓn+1,1＝Ｍｓ＋Ｙｓ＝２Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
　　（式４）　Ｓn+1,2＝Ｇｓ＋Ｃｓ＝２Ｇｓ＋Ｂｓ
　これらの信号の読み出し方については、第２フィールドでも全く同じである。すなわち、第２フィールドにおけるｎ´ラインの信号および（ｎ＋１）´ラインの信号もそれぞれ式１、２の繰り返しおよび式３、４の繰り返しで表される。
　ｎライン、ｎ＋１ラインともに、水平方向に隣接する２画素に対応する信号の加算により輝度信号ＹＬが生成される。また、ｎラインにおける信号Ｓn,1とＳn,2との間の差分により色差信号ＢＹが生成され、ｎ＋１ラインにおける信号Ｓn+1,1とＳn+1,2との間の差分により色差信号ＲＹが生成される。その結果、ＹＬ、ＢＹ、ＲＹは、以下の式５～７で表される。
　　（式５）ＹＬ＝Ｓn,1＋Ｓn,2＝Ｓn+1,1＋Ｓn+1,2＝２Ｒｓ＋３Ｇｓ＋２Ｂｓ
　　（式６）ＢＹ＝Ｓn,1－Ｓn,2＝２Ｂｓ－Ｇｓ
　　（式７）ＲＹ＝Ｓn+1,1＋Ｓn+1,2＝２Ｒｓ－Ｇｓ
　以上の信号演算処理により、特許文献４に開示されたカラー化方式によれば色を良好に再現できる。また、感度についても、特許文献４の撮像素子では補色であるマゼンタ、シアン、黄の色フィルタが用いられるため、ベイヤー方式を用いた場合よりも良好である。
特公昭６３－５１４３７号公報 特開昭６１－９３７８７号公報 特開平８－９３９５号公報 特公平６－２８４５０号公報
　特許文献１～４に開示されたカラー化方式では、補色の色フィルタが用いられるため、原色の色フィルタを用いる方式に比べて光利用率を高めることができる。しかし、特許文献１～４の方式においても、用いられる色フィルタは減色型であるため、一部の光が吸収され、光損失が発生するという課題がある。
　本発明は、インターレース走査を行い、フィールド蓄積モードで画素信号を読み出す方式において、光の損失を大幅に低減できるカラー化技術を提供することを目的とする。
　本発明の固体撮像素子は、各々が４行２列に配列された８個の光感知セルを含む複数の単位ブロックが行列状に配列された光感知セルアレイと、前記光感知セルアレイに対向して配置された分光要素アレイであって、１行２列目の光感知セルに対向して配置された第１の分光要素、２行１列目の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素、３行１列目の光感知セルに対向して配置された第３の分光要素、および４行１列目の光感知セルに対向して配置された第４の分光要素を含む分光要素アレイとを備えている。前記第１の分光要素は、１行１列目の光感知セルに第１の色成分の光を入射させ、１行２列目の光感知セルに前記第１の色成分以外の光を入射させる。前記第２の分光要素は、２行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、２行１列目の光感知セルに第２の色成分以外の光を入射させる。前記第３の分光要素は、３行２列目の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、３行１列目の光感知セルに前記第１の色成分以外の光を入射させる。前記第４の分光要素は、４行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、４行１列目の光感知セルに前記第２の色成分以外の光を入射させる。
　各単位ブロックにおいて、前記第１の分光要素は、１行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の半分を入射させ、第１の隣接単位ブロックに含まれる１行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の残りの半分を入射させ、前記第２の分光要素は、２行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の半分を入射させ、第２の隣接単位ブロックに含まれる２行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の残りの半分を入射させ、前記第３の分光要素は、３行２列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の半分を入射させ、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる３行２列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の残りの半分を入射させ、前記第４の分光要素は、４行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の半分を入射させ、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる４行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の残りの半分を入射させてもよい。
　各単位ブロックにおいて、１行１列目の光感知セルおよび３行２列目の光感知セルは、いずれの分光要素も介さずに入射する前記第１の色成分の光、前記第２の色成分の光、および第３の色成分の光と、隣接する光感知セルに対向する分光要素から入射する前記第１の色成分の光とを受け、１行２列目の光感知セルおよび４行２列目の光感知セルは、いずれの分光要素も介さずに入射する前記第１の色成分の光、前記第２の色成分の光、および第３の色成分の光と、隣接する光感知セルに対向する分光要素から入射する前記第２の色成分の光とを受け、１行２列目の光感知セルおよび３行１列目の光感知セルは、対向する分光要素から入射する前記第１の色成分以外の光を受け、２行１列目の光感知セルおよび４行１列目の光感知セルは、対向する分光要素から入射する前記第２の色成分以外の光を受けるように各構成要素が構成されていてもよい。
　本発明の他の固体撮像素子は、各々が４行２列に配列された８個の光感知セルを含む複数の単位ブロックが行列状に配列された光感知セルアレイと、前記光感知セルアレイに対向して配置された分光要素アレイであって、１行２列目の光感知セルに対向して配置された第１の分光要素、２行１列目の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素、３行２列目の光感知セルに対向して配置された第３の分光要素、および４行２列目の光感知セルに対向して配置された第４の分光要素を含む分光要素アレイとを備えている。前記第１の分光要素は、１行１列目の光感知セルに、第１の色成分の光を入射させ、１行２列目の光感知セルに前記第１の色成分以外の光を入射させる。前記第２の分光要素は、２行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、２行１列目の光感知セルに第２の色成分以外の光を入射させる。前記第３の分光要素は、３行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、３行２列目の光感知セルに前記第１の色成分以外の光を入射させる。前記第４の分光要素は、４行１列目の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、４行２列目の光感知セルに前記第２の色成分以外の光を入射させる。
　各単位ブロックにおいて、前記第１の分光要素は、１行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の半分を入射させ、第１の隣接単位ブロックに含まれる１行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の残りの半分を入射させ、前記第２の分光要素は、２行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の半分を入射させ、第２の隣接単位ブロックに含まれる２行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の残りの半分を入射させ、前記第３の分光要素は、３行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の半分を入射させ、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる３行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の残りの半分を入射させ、前記第４の分光要素は、４行１列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の半分を入射させ、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる４行１列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の残りの半分を入射させてもよい。
　各単位ブロックにおいて、１行１列目の光感知セルおよび３行１列目の光感知セルは、いずれの分光要素も介さずに入射する前記第１の色成分の光、前記第２の色成分の光、および第３の色成分の光と、隣接する光感知セルに対向する分光要素から入射する前記第１の色成分の光とを受け、１行２列目の光感知セルおよび４行１列目の光感知セルは、いずれの分光要素も介さずに入射する前記第１の色成分の光、前記第２の色成分の光、および第３の色成分の光と、隣接する光感知セルに対向する分光要素から入射する前記第２の色成分の光とを受け、１行２列目の光感知セルおよび３行２列目の光感知セルは、対向する分光要素から入射する前記第１の色成分以外の光を受け、２行１列目の光感知セルおよび４行２列目の光感知セルは、対向する分光要素から入射する前記第２の色成分以外の光を受けるように各構成要素が構成されていてもよい。
　ある好ましい実施形態において、前記第１の色成分は、赤および青の一方の色成分であり、前記第２の色成分は、赤および青の他方の色成分である。
　本発明の撮像装置は、本発明による固体撮像素子と、前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、前記固体撮像素子から出力される信号を処理して色情報を生成する信号処理部とを備えている。
　本発明の固体撮像素子によれば、減色型の色フィルタではなく光を波長域に応じて分離する分光要素を用いて色情報の生成が行われる。そのため、従来技術と比較して光損失を低減できるとともに、フィールド蓄積モードにおいて良好な輝度信号及び色信号を生成できるという効果を有する。
本発明の第１の実施形態における撮像装置の全体構成図である。 本発明の第１の実施形態におけるレンズと撮像素子を示す図である。 本発明の第１の実施形態における撮像素子の画素配列を模式的に示す図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態における撮像素子の基本構造を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡＡ´線断面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＢＢ´線断面図であり、（ｄ）は（ａ）におけるＣＣ´線断面図である。 本発明の第１の実施形態における各画素に入射する光の色成分を示す図である。 本発明の第１の実施形態における各画素に入射する光の色成分を一般化した図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態における撮像素子の基本構造を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＤＤ´線断面図である。 本発明の第２の実施形態における各画素に入射する光の色成分を示す図である。 （ａ）は本発明の第３の実施形態における撮像素子の基本構造を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＥＥ´線断面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＦＦ´線断面図である。 特許文献４におけるフィールド蓄積モードによるカラー化に用いられる基本色配置図である。
　以下、図１～９を参照しながら本発明の実施形態を説明する。以下の説明において、共通する要素には同一の符号を付している。なお、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。
　（実施形態１）
　まず、図１～６を参照しながら本発明の第１の実施形態による撮像装置を説明する。図１は、本実施形態による撮像装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の撮像装置は、デジタル式の電子カメラであり、撮像部１００と、撮像部１００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２００とを備えている。
　撮像部１００は、被写体を結像するための光学レンズ１２と、光学フィルタ１１と、光学レンズ１２および光学フィルタ１１を通して結像した光情報を、光電変換によって電気信号に変換する固体撮像素子１０とを備えている。撮像部１００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２００に送出する信号発生／受信部１３と、信号発生／受信部１３によって発生された基本信号に基づいて撮像素子１０を駆動する素子駆動部１４とを備えている。光学レンズ１２は、公知のレンズであり、複数のレンズを有するレンズユニットであり得る。光学フィルタ１１は、画素配列が原因で発生するモアレパターンを低減するための水晶ローパスフィルタに、赤外線を除去するための赤外カットフィルタを合体させたものである。撮像素子１０は、典型的にはＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサであり、公知の半導体製造技術によって製造される。信号発生／受信部１３および素子駆動部１４は、例えばＣＣＤドライバなどのＬＳＩから構成されている。
　信号処理部２００は、撮像部１００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１７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１７は、ＤＲＡＭなどによって構成される。メモリ１７は、撮像部１００から送出された信号を記録するとともに、画像信号生成部１５によって生成された画像データや、圧縮された画像データを一時的に記録する。これらの画像データは、画像信号出力部１６を介して不図示の記録媒体や表示部などに送出される。
　なお、本実施形態の撮像装置は、電子シャッタ、ビューファインダ、電源（電池）、フラッシュライトなどの公知の構成要素を備え得るが、それらの説明は本発明の理解に特に必要でないため省略する。また、以上の構成はあくまでも一例であり、本発明において、撮像素子１０を除く構成要素には、公知の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撮像素子１０を説明する。
　図２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２では、簡単のためレンズ１２および撮像素子１０以外の構成要素の記載は省略されている。また、レンズ１２は、一般には光軸方向に並んだ複数のレンズによって構成され得るが、簡単のため、単一のレンズとして描かれている。撮像素子１０の撮像面１０ａには、２次元状に配列された複数の光感知セル（画素）を含む光感知セルアレイが配置されている。各光感知セルは、典型的にはフォトダイオードであり、光電変換によって入射光量に応じた光電変換信号（画素信号）を出力する。撮像面１０ａにはレンズ１２および光学フィルタ１１を透過した光（可視光）が入射する。一般に、撮像面１０ａに入射する光の強度および波長域ごとの入射光量の分布（分光分布）は、入射位置に応じて異なる。
　図３は、本実施形態における画素配列を示す平面図である。光感知セルアレイ５０は、撮像面１０ａ上に正方格子状に配列された複数の光感知セルを有している。光感知セルアレイ５０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行２列に配列された８個の光感知セル５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈを含んでいる。なお、光感知セルの配列は、このような正方格子状の配列に限らず、斜交型の配列であってもよいし、他の配列であってもよい。以下の説明では、方向を示す際に図３に示すＸＹ座標を用いることとする。また、本明細書において、Ｘ方向を「水平方向」、Ｙ方向を「垂直方向」と呼ぶことがある。
　光感知セルアレイ５０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が配置される。以下、本実施形態における分光要素を説明する。
　本実施形態における分光要素は、屈折率が異なる２種類の透光性部材の境界で生じる光の回折を利用して入射光を波長域に応じて異なる方向に向ける光学素子である。このタイプの分光要素は、屈折率が相対的に高い材料で形成された高屈折率透明部材（コア部）と、屈折率が相対的に低い材料で形成されコア部の各々の側面と接する低屈折率透明部材（クラッド部）とを有している。コア部とクラッド部との間の屈折率差により、両者を透過した光の間で位相差が生じるため、回折が起こる。この位相差は光の波長によって異なるため、光を波長域（色成分）に応じて空間的に分離することが可能となる。例えば、第１の方向および第２の方向に第１の色成分の光を半分ずつ向け、第３の方向に第１の色成分以外の光を向けることができる。また、３つの方向にそれぞれ異なる波長域（色成分）の光を向けることも可能である。コア部とクラッド部との屈折率差によって分光が可能になるため、本明細書では、高屈折率透明部材のことを「分光要素」と呼ぶことがある。このような回折型の分光要素の詳細は、例えば、特許第４２６４４６５号公報に開示されている。
　以上のような分光要素を有する分光要素アレイは、公知の半導体製造技術により、薄膜の堆積およびパターニングを実行することにより、製造され得る。分光要素の材質（屈折率）、形状、サイズ、配列パターンなどを適切に設計することにより、個々の光感知セルに所望の波長域の光を分離・統合して入射させることが可能となる。その結果、各光感知セルが出力する光電変換信号の組から、必要な色成分に対応する信号を算出することができる。
　次に、図４を参照しながら本実施形態における撮像素子１０の基本構造および各分光要素の働きを説明する。
　図４（ａ）は撮像素子１０の基本構造を模式的に示す平面図である。各単位ブロックにおいて、４つの光感知セル（画素）５ｂ、５ｃ、５ｅ、５ｇの各々に対向して分光要素１ｂ、１ｃ、１ｅ、１ｇがそれぞれ配置されている。画素５ａ、５ｄ、５ｆ、５ｈには対向する分光要素は配置されていない。このような基本構造を有する複数のパターンが撮像面１０ａ上に繰り返し形成されている。
　１行２列目および３行１列目の画素５ｂ、５ｅにそれぞれ対向する分光要素１ｂ、１ｅは、シアン（緑および青）の色成分に対応する波長域の光（Ｃｙ光）を対向画素に入射させ、赤の色成分に対応する波長域の光（Ｒ光）を対向画素の水平方向における隣接画素に入射させる。２行１列目および４行１列目の画素５ｃ、５ｇにそれぞれ対向する分光要素１ｃ、１ｇは、黄（赤および緑）の色成分に対応する波長域の光（Ｙｅ光）を対向画素に入射させ、青の色成分に対応する波長域の光（Ｂ光）を対向画素の水平方向における隣接画素に入射させる。１行１列目、２行２列目、３行２列目、４行２列目の画素５ａ、５ｄ、５ｆ、５ｈには対向する分光要素は配置されないため、これらの画素は、いずれの分光要素も経由せずに直接入射する可視光（Ｗ光）を受ける。図４（ａ）には、各画素に入射する光の色成分を示す記号を記載している。なお、図中における括弧内の記号は、隣接画素に対向する分光要素から入射する光の色成分を表している。
　図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図４（ａ）におけるＡＡ´線断面、ＢＢ´線断面、ＣＣ´線断面を模式的に示す図である。なお、図４（ａ）における４行目の構造は２行目の構造と同一であるため、４行目については断面の図示を省略する。
　図４（ｂ）は、画素配列の１行目の断面構造を示している。光感知セル５ａ、５ｂ上には各分光要素よりも屈折率の低い透光性部材からなる透明層２が形成されている。透明層２における光が入射する側の表面には、凸レンズ状の構造が形成されている。これによって各光感知セルへの集光性を高めることができる。透明層２および凸レンズ状の構造は、２行目～４行目についても全く同様に形成されている。なお、本発明において、透明層２における光が入射する側の表面は凸レンズ状に形成されていなくてもよい。
　１行２列目の光感知セル５ｂに対向して、光をＲ光とＣｙ光とに分離する分光要素１ｂが配置されている。１行１列目の光感知セル５ａは、可視光Ｗ（＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）を受光すると共に１行２列目の分光要素１ｂから入射するＲ光も受光する。１行２列目の分光要素１ｂは透明な高屈折率部材から形成され、光の進行方向に長い板状の形状を有し、光が出射する側の先端の片側が欠けている。その形状および周辺の透明層２との間の屈折率差により、分光要素１ｂは、１行１列目の光感知セル５ａにＲ光を入射させ、対向する１行２列目の光感知セル５ｂにＣｙ光を入射させる。
　図４（ｃ）は画素配列の２行目の断面構造を示している。２行１列目の分光要素１ｃも、透明な高屈折率部材から形成され、光の進行方向に長い板状の形状を有し、光が出射する側の先端の片側が欠けている。その形状および周辺の透明層２との間の屈折率差により、分光要素１ｃは、２行１列目の光感知セル５ｃにＹｅ光を入射させ、２行２列目の光感知セル５ｄにＢ光を入射させる。また、２行２列目の光感知セル５ｄは直接入射する可視光Ｗを受光すると共に２行１列目の分光要素１ｃから入射するＢ光も受光する。なお、画素配列の４行目も断面構造は２行目と同じであり、各画素への光の入射の仕方も同じである。
　図４（ｄ）は画素配列の３行目の断面構造を示している。３行１列目の分光要素１ｅは、１行２列目の分光要素１ｂと同様の形状を有しているが、その向きは１行目の分光要素１ｂの向きと逆である。したがって、３行１列目の光感知セル５ｅはＣｙ光を受光し、３行２列目の光感知セル５ｆは直接入射するＷ光および光感知セル５ｅから入射するＲ光を受光する。
　図５は、各光感知セルが受ける光の色成分を示す図である。以上の構成により、１行１列目および３行２列目の画素はＷ光およびＲ光を受ける。１行２列目および３行１列目の画素はＣｙ光（Ｇ光およびＢ光）を受ける。２行１列目および４行１列目の画素はＹｅ光（Ｒ光およびＧ光）を受ける。
　フィールド蓄積モードでは、輝度信号及び色差信号は以下のように表される。第１フィールドについては、図５における１行目および２行目がｎライン、３行目および４行目が（ｎ＋１）ラインとなる。垂直方向に隣接する２画素の画素信号が加算されるため、第１フィールドのｎラインの信号は、以下の式８、９で表される信号Ｓn,1、Ｓn,2の繰り返しとなる。
　　（式８）　Ｓn,1＝Ｗｓ＋Ｒｓ＋Ｙｓ＝３Ｒｓ＋２Ｇｓ＋Ｂｓ
　　（式９）　Ｓn,2＝Ｃｓ＋Ｗｓ＋Ｂｓ＝Ｒｓ＋２Ｇｓ＋３Ｂｓ
　また、第１フィールドの（ｎ＋１）ラインの信号は、以下の式１０、１１で表される信号Ｓn+1,1、Ｓn+1,2の繰り返しとなる。
　　（式１０）　Ｓn+1,1＝Ｃｓ＋Ｙｓ＝Ｒｓ＋２Ｇｓ＋Ｂｓ
　　（式１１）　Ｓn+1,2＝２Ｗｓ＋Ｒｓ＋Ｂｓ＝３Ｒｓ＋２Ｇｓ＋３Ｂｓ
　輝度信号ＹＬは、各ラインにおいて、隣接する２列の信号の加算によって生成される。したがって、輝度信号ＹＬは、ｎライン、（ｎ＋１）ラインとも以下の式１２で表される。
　　（式１２）　ＹＬ＝Ｓn,1＋Ｓn,2＝Ｓn+1,1＋Ｓn+1,1＝４Ｒｓ＋４Ｇｓ＋４Ｂｓ
　また、色差信号は次のように生成される。まず、各ラインにおいて隣接する２列の信号間で減算が行われる。その結果、ｎラインについては以下の式１３で表される信号Ｃ（ｎ）が得られ、（ｎ＋１）ラインについては以下の式１４で表される信号Ｃ（ｎ＋１）が得られる。
　　（式１３）　Ｃ（ｎ）＝Ｓn,1－Ｓn,2＝２Ｒｓ－２Ｂｓ
　　（式１４）　Ｃ（ｎ＋１）＝Ｓn+1,2－Ｓn+1,1＝２Ｒｓ＋２Ｂｓ
　次に、Ｃ（ｎ）＋Ｃ（ｎ＋１）の演算により４Ｒｓが得られ、Ｃ（ｎ＋１）－Ｃ（ｎ）の演算により４Ｂｓが得られる。得られた４Ｒｓ、４Ｂｓと輝度信号ＹＬとの差分演算により、以下の式１５、１６に示す色差信号（Ｒ‐Ｙ）、（Ｂ‐Ｙ）が生成される。但し、式１５、１６において、α、βはホワイトバランスを取るための係数である。α、βの値は、白の被写体を写した場合に色差信号(Ｒ-Ｙ)、(Ｂ-Ｙ)が０になるように設定される。
　　（式１５）Ｒ-Ｙ＝４Ｒs－αＹＬ
　　（式１６）Ｂ-Ｙ＝４Ｂs－βＹＬ
　第２フィールドでは、画素配列の２行目および３行目をｎ´ライン、４行目および５行目を（ｎ＋１）´ラインとし、垂直方向に隣接する２画素の画素信号が加算される。その結果、ｎ´ラインの信号は、（Ｙｓ＋Ｃｓ）、（２Ｗｓ＋Ｒｓ＋Ｂｓ）の繰り返しとなる。また、（ｎ＋１）´ラインの信号は、（Ｙｓ＋Ｗｓ＋Ｒｓ）、（Ｗｓ＋Ｂｓ＋Ｃｓ）の繰り返しとなる。すなわち、第２フィールドにおける読み出し信号は、第１フィールドにおける読み出し信号に対して１ライン分ずれるが、全体として読み出される信号は同じである。したがって、輝度信号、色差信号とも第１フィールドと全く同様の信号処理によって生成される。
　以上のように、本実施形態の撮像装置によれば、フィールド蓄積モードにおけるインターレース走査において、第１フィールド、第２フィールドとも、同一の信号処理によって同一の色情報を示す輝度信号、色差信号を生成することができる。
　本実施形態の撮像装置における画像信号生成部１５は、上記の信号演算を行うことによって色情報を生成する。生成された色情報は画像信号出力部１６によって不図示の記録媒体や表示装置などに出力される。
　以上のように、本実施形態の撮像装置は、４行２列を単位ブロックとする光感知セルアレイに対向して分光要素アレイが配置される。１行１列目、２行２列目、３行２列目、４行２列目の画素には分光要素は配置されず、これらの画素は透明層２を通って直接入射する光を受ける。一方、１行２列目および３行１列目の画素に対向して、入射光に含まれるＲ光を対向画素の隣接画素に入射させ、Ｃｙ光（Ｇ光およびＢ光）を対向画素に入射させる分光要素が配置される。また、２行１列目および４行１列目の画素には、入射光に含まれるＢ光を対向画素の隣接画素に入射させ、Ｙｅ光（Ｒ光およびＧ光）を対向画素に入射させる分光要素が配置される。これらの分光要素により、フィールド蓄積モードにおけるインターレース走査においてカラー化を実現できるとともに、光の損失を大幅に低減できるという効果を奏する。
　なお、各分光要素は、入射光に含まれるＲ光またはＢ光のほぼ全てを対向画素の隣接画素に入射させ、その他の光のほぼ全てを対向画素に入射させることが理想であるが、多少の光損失があっても問題はない。光損失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。
　さらに、本実施形態における画像信号生成部１５が行う信号演算処理を、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可能である。
　本実施形態では、入射光をＲ光とＣｙ光とに分ける分光要素、および入射光をＢ光とＹｅ光とに分ける分光要素が用いられるが、他の分光要素を用いることも可能である。一般化すると、入射光Ｗが３つの色成分の光Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の集合であるとして、入射光をＣ１光とその補色光Ｃ１~（＝Ｗ－Ｃ１＝Ｃ２＋Ｃ３）とに分ける分光要素、およびＣ２光とその補色Ｃ２~（＝Ｗ－Ｃ２＝Ｃ１＋Ｃ３）とに分ける分光要素が用いられていればよい。図６に、このように一般化された場合における各画素が受ける光の色成分を示す。
　このように一般化された場合、輝度信号ＹＬおよび色差信号（Ｒ-Ｙ）、（Ｂ-Ｙ）の生成は以下の手順で行われる。
　まず、第１フィールド、第２フィールドとも、ｎラインの信号は、以下の式１７、１８で表される信号Ｓn,1、Ｓn,2の繰り返しとなる。ここで、Ｃ１光、Ｃ１~光、Ｃ２光、Ｃ２~光、Ｃ３光を示す信号をそれぞれＣ１ｓ、Ｃ１~ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ２~ｓ、Ｃ３ｓと表す。
　　（式１７）　Ｓn,1＝Ｗｓ＋Ｃ１ｓ＋Ｃ２~ｓ＝３Ｃ１ｓ＋Ｃ２ｓ＋２Ｃ３ｓ
　　（式１８）　Ｓn,2＝Ｃ１~ｓ＋Ｗｓ＋Ｃ２ｓ＝Ｃ１ｓ＋３Ｃ２ｓ＋２Ｃ３ｓ
　また、第１フィールド、第２フィールドとも、（ｎ＋１）ラインの信号は、以下の式１９、２０で表される信号Ｓn+1,1、Ｓn+1,2の繰り返しとなる。
　　（式１９）　Ｓn+1,1＝Ｃ１~ｓ＋Ｃ２~ｓ＝Ｃ１ｓ＋Ｃ２ｓ＋２Ｃ３ｓ
　　（式２０）　Ｓn+1,2＝２Ｗｓ＋Ｃ１ｓ＋Ｃ２ｓ＝３Ｃ１ｓ＋３Ｃ２ｓ＋２Ｃ３ｓ
　したがって、輝度信号ＹＬは、ｎライン、（ｎ＋１）ラインとも以下の式２１で表される。
　　（式２１）　ＹＬ＝Ｓn,1＋Ｓn,2＝Ｓn+1,1＋Ｓn+1,1＝４Ｃ１ｓ＋４Ｃ２ｓ＋４Ｃ３ｓ＝４Ｗｓ
　また、色差信号に関しては、まず、各ラインにおいて２列の信号間で減算が行われる。その結果、ｎラインについては以下の式２２で表される信号Ｃ（ｎ）が得られ、（ｎ＋１）ラインについては以下の式２３で表される信号Ｃ（ｎ＋１）が得られる。
　　（式２２）　Ｃ（ｎ）＝Ｓn,1－Ｓn,2＝２Ｃ１ｓ－２Ｃ２ｓ
　　（式２３）　Ｃ（ｎ＋１）＝Ｓn+1,2－Ｓn+1,1＝２Ｃ１ｓ＋２Ｃ２ｓ
　次に、Ｃ（ｎ）＋Ｃ（ｎ＋１）の演算により４Ｃ１ｓが得られ、Ｃ（ｎ＋１）－Ｃ（ｎ）の演算により４Ｃ２ｓが得られる。得られた４Ｃ１ｓ、４Ｃ２ｓと輝度信号ＹＬとの差により、以下の式２４、２５に示す色差信号（Ｒ‐Ｙ）、（Ｂ‐Ｙ）が生成される。但し、式２４、２５において、α、βはホワイトバランスを取るための係数である。α、βの値は、白の被写体を写した場合に色差信号(Ｒ-Ｙ)、(Ｂ-Ｙ)が０になるように設定される。
　　（式２４）Ｒ-Ｙ＝４Ｃ１s－αＹＬ
　　（式２５）Ｂ-Ｙ＝４Ｃ２s－βＹＬ
　このように、色成分を一般化した場合においても、上記の信号演算によって色情報を生成することができる。
　なお、本実施形態では、分光要素として部材間の屈折率差による回折を利用して分光するものが用いられるが、分光要素はこのような回折型のものに限定されない。例えば、マイクロプリズムや、ダイクロイックミラー等の分光要素を用いても同様の効果を得ることが可能である。
　（実施形態２）
　次に図７、８を参照しながら本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態の撮像装置は、第１の実施形態の撮像装置と比較して、撮像素子の画素配列における３行目および４行目の画素に対応する分光要素の配置が異なっている点のみが異なっている。以下の説明においては、第１の実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する点については説明を省略する。
　図７（ａ）は本実施形態における撮像素子１０の基本構造を模式的に示す平面図である。各単位ブロックにおいて、４つの光感知セル５ｂ、５ｃ、５ｆ、５ｈの各々に対向して分光要素１ｂ、１ｃ、１ｆ、１ｈがそれぞれ配置されている。光感知セル５ａ、５ｄ、５ｅ、５ｇ上には分光要素は配置されていない。このような基本構造を有する複数のパターンが撮像面１０ａ上に繰り返し形成されている。このように、本実施形態においては、１行目および２行目の構造は実施形態１における構造と同様であるが、３行目および４行目については実施形態１における構造に対して分光要素の配置が異なっている。本実施形態において、３行目は１行目と同じ構造となっている。一方、４行目は２行目と同様の構成であるが、分光要素の水平方向の向きが逆である。そのため、１行目から３行目については断面構造の図示を省略する。
　図７（ｂ）は、図７（ａ）におけるＤＤ´線断面図であり、画素配列の４行目の断面構造を示している。図示されるように、入射光（Ｗ光）に含まれるＢ光を４行１列目の光感知セル５ｇに入射させ、Ｙｅ光（Ｒ光およびＧ光）を４行２列目の光感知セル５ｈに入射させる分光要素１ｈが画素５ｈに対向して配置されている。このため、４行２列目の光感知セル５ｈはＹｅ光を受け、４行１列目の光感知セル５ｇはＷ光およびＢ光を受ける。
　図８は、本実施形態において各光感知セルが受ける光の色成分を示す図である。以上の構成により、１行１列目および３行１列目の画素はＷ光およびＲ光を受ける。２行２列目および４行１列目の画素はＷ光およびＢ光を受ける。１行２列目および３行２列目の画素はＣｙ光（Ｇ光およびＢ光）を受ける。２行１列目および４行２列目の画素はＹｅ光（Ｒ光およびＧ光）を受ける。
　本実施形態における各画素が受ける光の色成分は、実施形態１における各画素が受ける光の色成分と比べて、３行１列目と３行２列目とが逆であり、４行１列目と４行２列目とが逆である点を除けば同じである。よって、本実施形態における輝度信号ＹＬも、実施形態１における輝度信号と同様、式１２で表すことができる。また、第１フィールド、第２フィールドとも、ｎラインの隣接する２列の信号の差分Ｃ（ｎ）は式１３で表され、（ｎ＋１）ラインの隣接する２列の信号の差分Ｃ（ｎ＋１）は式１４において符号を逆にした信号となる。したがって、実施形態１における信号演算処理と同様の処理を行うことにより、色情報を生成することができる。
　以上のことから、本実施形態の撮像装置においても、フィールド蓄積モードにおけるインターレース走査においてカラー化を実現できるとともに、光の損失を大幅に低減できるという効果を奏する。
　なお、本実施形態においても、入射光をＲ光とＣｙ光とに分ける分光要素、および入射光をＢ光とＹｅ光とに分ける分光要素に限らず、他の分光要素を用いることが可能である。一般化すれば、入射光ＷをＣ１光とその補色光Ｃ１~（＝Ｗ－Ｃ１＝Ｃ２＋Ｃ３）とに分ける分光要素、およびＣ２光とその補色Ｃ２~（＝Ｗ－Ｃ２＝Ｃ１＋Ｃ３）とに分ける分光要素が用いられていればよい。
　また、分光要素は、部材間の屈折率差による回折を利用して分光するものに限らず、例えば、マイクロプリズムや、ダイクロイックミラー等の分光要素を用いても同様の効果を得ることが可能である。
　（実施形態３）
　次に図９を参照しながら本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態の撮像装置は実施形態１の撮像装置と比較して、各画素が受ける光の色成分は同じであるが、分光要素の構造および分光の仕方が異なっている。そこで、以下の説明においては、第１の実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する点についての説明は省略する。
　図９（ａ）は、本実施形態における撮像素子の基本構造を模式的に示す平面図である。各単位ブロックにおいて、４つの光感知セル５ｂ、５ｃ、５ｅ、５ｇの各々に対向して分光要素１ｂ、１ｃ、１ｅ、１ｇがそれぞれ配置されている。光感知セル５ａ、５ｄ、５ｆ、５ｈ上には分光要素は配置されていない。このような基本構造を有する複数のパターンが撮像面１０ａ上に繰り返し形成されている。本実施形態では、各光感知セルが受ける光の色成分は実施形態１における各光感知セルが受ける光の色成分と同じである。本実施形態における分光要素は、特定の色成分の光を対向画素の水平方向における２つの隣接画素に等量ずつ入射させるように設計されている点が実施形態１における分光要素と異なっている。
　図９（ｂ）は、図９（ａ）におけるＥＥ´線断面図であり、画素配列の１行目の断面構造を示している。画素５ｂに対向して配置された分光要素３ｂは、透明な高屈折率部材によって形成され、光の進行方向に長い板状の形状を有している。分光要素３ｂは、周辺の透明層２との屈折率差による回折を利用して、Ｃｙ光を対向画素５ｂに入射させ、Ｒ光を対向画素の両隣の画素に半分ずつ入射させる。その結果、１行１列目の画素５ａは、いずれの分光要素も介さずに入射する可視光Ｗと、分光要素３ｂから入射するＲ光（Ｒ／２）と、隣接単位ブロックに含まれる分光要素から入射するＲ光（Ｒ／２）とを受ける。ここで、記号Ｒ／２は、分光要素３ｂに入射する光Ｗに含まれるＲ光の半分の量であることを表している。１行２列目の画素５ｂは、対向する分光要素３ｂから入射するＣｙ光（Ｇ光およびＢ光）を受ける。なお、画素配列の３行目も、分光要素の配置は１列ずれるが、１行目と同様の構成を有しており、各画素へ入射する光の色成分も１行目と同様である。
　図９（ｃ）は、図９（ａ）におけるＦＦ´線断面図であり、画素配列の２行目の断面構造を示している。画素５ｃに対向して配置された分光要素３ｃも、透明な高屈折率部材によって形成され、光の進行方向に長い板状の形状を有している。分光要素３ｃは、周辺の透明層２との屈折率差による回折を利用して、Ｙｅ光を対向画素５ｃに入射させ、Ｂ光を半分ずつ対向画素の両隣の画素に入射させる。その結果、２行１列目の画素５ｃは、対向する分光要素３ｃから入射するＹｅ光（Ｒ光およびＧ光）を受ける。２行２列目の画素５ｄは、いずれの分光要素も介さずに入射する可視光Ｗと、分光要素３ｃから入射するＢ光（Ｂ／２）と、隣接単位ブロックに含まれる分光要素から入射するＢ光（Ｂ／２）とを受ける。なお、画素配列の４行目も、２行目と同様の構成を有しており、各画素へ入射する光の色成分も同様である。
　本実施形態における各画素が受ける光の色成分は、実施形態１において各画素が受ける光の色成分と全く同じである。そのため、実施形態１における信号演算処理により、フィールド蓄積モードによるインターレース走査に対応したカラー化を実現できる。さらに、原色型の色フィルタではなく分光要素が用いられるため、光の損失を低減できるという効果を有する。また、本実施形態における各分光要素は対向画素に隣接する２画素に特定の色成分の光を分離入射させるため、水平方向に関する光学ローパスフィルタの効果が実施形態１の場合よりも高いという特徴を有している。
　なお、本実施形態においても、入射光をＲ光とＣｙ光とに分ける分光要素、および入射光をＢ光とＹｅ光とに分ける分光要素に限らず、他の分光要素を用いることが可能である。一般化すれば、入射光ＷをＣ１光とその補色光Ｃ１~（＝Ｗ－Ｃ１＝Ｃ２＋Ｃ３）とに分ける分光要素、およびＣ２光とその補色Ｃ２~（＝Ｗ－Ｃ２＝Ｃ１＋Ｃ３）とに分ける分光要素が用いられていればよい。この場合、各分光要素は、Ｃ１光またはＣ２光を半分ずつ各分光要素の両側の画素に入射するように構成されていればよい。
　また、分光要素は、部材間の屈折率差による回折を利用して分光するものに限らず、例えば、マイクロプリズムや、ダイクロイックミラー等の分光要素を用いてもよい。
　本実施形態における各分光要素は、対向画素の両隣の画素に１つの色成分の光を等量ずつ入射させるが、対向画素の両隣の画素に異なる割合で光を入射させてもよい。例えば、分光要素は、対向画素の一方の隣接画素に入射光に含まれる特定の色成分の光の７割を入射させ、他方の隣接画素に特定の色成分の光の３割を入射させるように構成されていてもよい。このような場合においても、分光要素が配置されていない画素が受ける第１の色成分の光の量に変わりはないため、上記と同様の効果を得ることができる。
　また、本実施形態における分光要素と実施形態１における分光要素とを組み合わせて用いてもよい。例えば、１行目および３行目には本実施形態における分光要素が配置され、２行目および４行目には実施形態１における分光要素が配置される構成も可能である。
　本実施形態における分光要素の配置は、実施形態１における分光要素と同様の配置であるが、実施形態２における分光要素と同様の配置であってもよい。すなわち、図９において、３行目および４行目の分光要素を配置する位置を１列ずらしてもよい。その場合であっても本実施形態の効果が変わるものではない。
　本発明の固体撮像素子および撮像装置は、フィールド蓄積モードでインターレース走査を行う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、放送用の固体カメラ、産業用の固体監視カメラなどに利用可能である。
　１ｂ、１ｅ、１ｆ　Ｒ光とＣｙ光とに分ける分光要素（高屈折率材料）
　１ｃ、１ｇ、１ｈ　Ｂ光とＹｅ光とに分ける分光要素（高屈折率材料）
　２　透光性部材
　３ｂ、３ｅ　Ｒ光とＣｙ光とに分ける分光要素（高屈折率材料）
　３ｃ、３ｇ　Ｂ光とＹｅ光とに分ける分光要素（高屈折率材料）
　５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ　光感知セル（画素）
　１０　固体撮像素子
　１０ａ　固体撮像素子の撮像面
　１１　光学フィルタ
　１２　光学レンズ
　１３　信号発生／受信部
　１４　素子駆動部
　１５　画像信号生成部
　１６　画像信号出力部
　１７　メモリ
　４０　光感知セルアレイの単位ブロック
　５０　光感知セルアレイ
　１００　撮像部
　２００　信号処理部

Claims (8)

  1. 　各々が４行２列に配列された８個の光感知セルを含む複数の単位ブロックが行列状に配列された光感知セルアレイと、
    　前記光感知セルアレイに対向して配置された分光要素アレイであって、１行２列目の光感知セルに対向して配置された第１の分光要素、２行１列目の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素、３行１列目の光感知セルに対向して配置された第３の分光要素、および４行１列目の光感知セルに対向して配置された第４の分光要素を含む分光要素アレイと、
    を備え、
    　前記第１の分光要素は、１行１列目の光感知セルに第１の色成分の光を入射させ、１行２列目の光感知セルに前記第１の色成分以外の光を入射させ、
    　前記第２の分光要素は、２行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、２行１列目の光感知セルに第２の色成分以外の光を入射させ、
    　前記第３の分光要素は、３行２列目の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、３行１列目の光感知セルに前記第１の色成分以外の光を入射させ、
    　前記第４の分光要素は、４行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、４行１列目の光感知セルに前記第２の色成分以外の光を入射させる、
    固体撮像素子。
  2. 　各単位ブロックにおいて、
    　前記第１の分光要素は、１行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の半分を入射させ、第１の隣接単位ブロックに含まれる１行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の残りの半分を入射させ、
    　前記第２の分光要素は、２行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の半分を入射させ、第２の隣接単位ブロックに含まれる２行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の残りの半分を入射させ、
    　前記第３の分光要素は、３行２列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の半分を入射させ、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる３行２列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の残りの半分を入射させ、
    　前記第４の分光要素は、４行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の半分を入射させ、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる４行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の残りの半分を入射させる、請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 　各単位ブロックにおいて、
    　１行１列目の光感知セルおよび３行２列目の光感知セルは、いずれの分光要素も介さずに入射する前記第１の色成分の光、前記第２の色成分の光、および第３の色成分の光と、隣接する光感知セルに対向する分光要素から入射する前記第１の色成分の光とを受け、
    　１行２列目の光感知セルおよび４行２列目の光感知セルは、いずれの分光要素も介さずに入射する前記第１の色成分の光、前記第２の色成分の光、および第３の色成分の光と、隣接する光感知セルに対向する分光要素から入射する前記第２の色成分の光とを受け、
    　１行２列目の光感知セルおよび３行１列目の光感知セルは、対向する分光要素から入射する前記第１の色成分以外の光を受け、
    　２行１列目の光感知セルおよび４行１列目の光感知セルは、対向する分光要素から入射する前記第２の色成分以外の光を受ける、
    請求項１または２に記載の固体撮像素子。
  4. 　各々が４行２列に配列された８個の光感知セルを含む複数の単位ブロックが行列状に配列された光感知セルアレイと、
    　前記光感知セルアレイに対向して配置された分光要素アレイであって、１行２列目の光感知セルに対向して配置された第１の分光要素、２行１列目の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素、３行２列目の光感知セルに対向して配置された第３の分光要素、および４行２列目の光感知セルに対向して配置された第４の分光要素を含む分光要素アレイと、
    を備え、
    　前記第１の分光要素は、１行１列目の光感知セルに、第１の色成分の光を入射させ、１行２列目の光感知セルに前記第１の色成分以外の光を入射させ、
    　前記第２の分光要素は、２行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、２行１列目の光感知セルに第２の色成分以外の光を入射させ、
    　前記第３の分光要素は、３行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光を入射させ、３行２列目の光感知セルに前記第１の色成分以外の光を入射させ、
    　前記第４の分光要素は、４行１列目の光感知セルに前記第２の色成分の光を入射させ、４行２列目の光感知セルに前記第２の色成分以外の光を入射させる、
    固体撮像素子。
  5. 　各単位ブロックにおいて、
    　前記第１の分光要素は、１行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の半分を入射させ、第１の隣接単位ブロックに含まれる１行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の残りの半分を入射させ、
    　前記第２の分光要素は、２行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の半分を入射させ、第２の隣接単位ブロックに含まれる２行２列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の残りの半分を入射させ、
    　前記第３の分光要素は、３行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の半分を入射させ、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる３行１列目の光感知セルに前記第１の色成分の光の残りの半分を入射させ、
    　前記第４の分光要素は、４行１列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の半分を入射させ、前記第２の隣接単位ブロックに含まれる４行１列目の光感知セルに前記第２の色成分の光の残りの半分を入射させる、請求項４に記載の固体撮像素子。
  6. 　各単位ブロックにおいて、
    　１行１列目の光感知セルおよび３行１列目の光感知セルは、いずれの分光要素も介さずに入射する前記第１の色成分の光、前記第２の色成分の光、および第３の色成分の光と、隣接する光感知セルに対向する分光要素から入射する前記第１の色成分の光とを受け、
    　１行２列目の光感知セルおよび４行１列目の光感知セルは、いずれの分光要素も介さずに入射する前記第１の色成分の光、前記第２の色成分の光、および第３の色成分の光と、隣接する光感知セルに対向する分光要素から入射する前記第２の色成分の光とを受け、
    　１行２列目の光感知セルおよび３行２列目の光感知セルは、対向する分光要素から入射する前記第１の色成分以外の光を受け、
    　２行１列目の光感知セルおよび４行２列目の光感知セルは、対向する分光要素から入射する前記第２の色成分以外の光を受ける、
    請求項４または５に記載の固体撮像素子。
  7. 　前記第１の色成分は、赤および青の一方の色成分であり、
    　前記第２の色成分は、赤および青の他方の色成分である、
    請求項１から６のいずれかに記載の固体撮像素子。
  8. 　請求項１から７のいずれかに記載の固体撮像素子と、
    　前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、
    　前記固体撮像素子から出力される信号を処理して色情報を生成する信号処理部と、
    を備えている撮像装置。
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