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▶ パナソニック インテレクチュアル プロパティ コーポレーション オブ アメリカの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5997149
(24)【登録日】2016年9月2日
(45)【発行日】2016年9月28日
(54)【発明の名称】固体撮像素子、撮像装置、および信号処理方法
(51)【国際特許分類】
H04N 9/07 20060101AFI20160915BHJP
H01L 27/14 20060101ALI20160915BHJP
G02B 5/20 20060101ALI20160915BHJP
【ＦＩ】
H04N9/07 A
H04N9/07 D
H01L27/14 D
G02B5/20 101
【請求項の数】14
【全頁数】26
(21)【出願番号】特願2013-522040(P2013-522040)
(86)(22)【出願日】2012年12月18日
(86)【国際出願番号】JP2012008080
(87)【国際公開番号】WO2013099151
(87)【国際公開日】20130704
【審査請求日】2015年6月2日
(31)【優先権主張番号】特願2011-283537(P2011-283537)
(32)【優先日】2011年12月26日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】514136668
【氏名又は名称】パナソニック インテレクチュアル プロパティ コーポレーション オブ アメリカ
【氏名又は名称原語表記】Ｐａｎａｓｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
(74)【代理人】
【識別番号】100101683
【弁理士】
【氏名又は名称】奥田 誠司
(74)【代理人】
【識別番号】100155000
【弁理士】
【氏名又は名称】喜多 修市
(74)【代理人】
【識別番号】100180529
【弁理士】
【氏名又は名称】梶谷 美道
(74)【代理人】
【識別番号】100125922
【弁理士】
【氏名又は名称】三宅 章子
(74)【代理人】
【識別番号】100139930
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 亮司
(74)【代理人】
【識別番号】100135703
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 英隆
(74)【代理人】
【識別番号】100188813
【弁理士】
【氏名又は名称】川喜田 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100184985
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 悠
(72)【発明者】
【氏名】平本 政夫
(72)【発明者】
【氏名】中村 達也
(72)【発明者】
【氏名】藤井 俊哉
【審査官】
西谷 憲人
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２０１１／０１０４５５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１０／０８２４５５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１０／０５８５４５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２００９／１５３９３７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１０／００１８１１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１０／０７０８６９（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０４Ｎ ９／０７
Ｇ０２Ｂ ５／２０
Ｈ０１Ｌ ２７／１４
Ｈ０４Ｎ ５／３６９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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２次元状に配列された光感知セルアレイと、
前記光感知セルアレイに対向して配置された、第１の種類の分光要素および第２の種類の分光要素を含む分光要素アレイと、
を備え、
前記分光要素アレイが存在しないと仮定した場合に各光感知セルが受ける光を各光感知セルのセル入射光とし、前記セル入射光に含まれる可視光が、第１の色成分、第２の色成分、および第３の色成分から構成され、各色成分を除く色成分の可視光を、当該色成分の補色光とするとき、
前記分光要素アレイは、前記第１の種類の分光要素によって前記第１および第２の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第１の色成分の光の一部を前記第１の光感知セルに入射させ、前記第２の種類の分光要素によって前記第３および第４の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第２の色成分の光の一部を前記第４の光感知セルに入射させる、固体撮像素子。
前記光感知セルアレイに対向して配置された、第１の種類の分光要素および第２の種類の分光要素を含む分光要素アレイと、
を備え、
前記分光要素アレイが存在しないと仮定した場合に各光感知セルが受ける光を各光感知セルのセル入射光とし、前記セル入射光に含まれる可視光が、第１の色成分、第２の色成分、および第３の色成分から構成され、各色成分を除く色成分の可視光を、当該色成分の補色光とするとき、
前記分光要素アレイは、前記第１の種類の分光要素によって前記第１および第２の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第１の色成分の光の一部を前記第１の光感知セルに入射させ、前記第２の種類の分光要素によって前記第３および第４の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第２の色成分の光の一部を前記第４の光感知セルに入射させる、固体撮像素子。
【請求項2】
前記第１から第４の光感知セルの各々の形状は４角形状であり、
前記第１から第４の光感知セルは、２行２列に配列され、
前記第１の種類の分光要素は、前記第１および第２の光感知セルの境界に対向する位置に配置され、
前記第２の種類の分光要素は、前記第３および第４の光感知セルの境界に対向する位置に配置されている、請求項１に記載の固体撮像素子。
前記第１から第４の光感知セルは、２行２列に配列され、
前記第１の種類の分光要素は、前記第１および第２の光感知セルの境界に対向する位置に配置され、
前記第２の種類の分光要素は、前記第３および第４の光感知セルの境界に対向する位置に配置されている、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項3】
前記第１の種類の分光要素は、さらに、前記第１および第３の光感知セルの境界に対向する位置に配置され、
前記第２の種類の分光要素は、さらに、前記第２および第４の光感知セルの境界に対向する位置に配置されている、
請求項２に記載の固体撮像素子。
前記第２の種類の分光要素は、さらに、前記第２および第４の光感知セルの境界に対向する位置に配置されている、
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項4】
前記第１の種類の分光要素は、さらに、前記第１および第３の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第１の色成分の光の一部を前記第１の光感知セルに入射させ、
前記第２の種類の分光要素は、さらに、前記第２および第４の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第２の色成分の光の一部を前記第４の光感知セルに入射させる、
請求項１から３のいずれかに記載の固体撮像素子。
前記第２の種類の分光要素は、さらに、前記第２および第４の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第２の色成分の光の一部を前記第４の光感知セルに入射させる、
請求項１から３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項5】
前記第１の種類の分光要素は、前記第１および第２の光感知セルの各々のセル入射光のうち、前記第１の色成分の光の一部を、前記第１の光感知セルに入射させ、前記第１の色成分の光の残りおよび前記第１の色成分の補色光を、前記第２の光感知セルに入射させ、
前記第２の種類の分光要素は、前記第３および第４の光感知セルの各々のセル入射光のうち、前記第２の色成分の光の一部を、前記第４の光感知セルに入射させ、前記第２の色成分の光の残りおよび前記第２の色成分の補色光を、前記第３の光感知セルに入射させる、請求項１から４のいずれかに記載の固体撮像素子。
前記第２の種類の分光要素は、前記第３および第４の光感知セルの各々のセル入射光のうち、前記第２の色成分の光の一部を、前記第４の光感知セルに入射させ、前記第２の色成分の光の残りおよび前記第２の色成分の補色光を、前記第３の光感知セルに入射させる、請求項１から４のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項6】
前記第１の種類の分光要素は、さらに、前記第１および第３の光感知セルの各々のセル入射光のうち、前記第１の色成分の光の一部を、前記第１の光感知セルに入射させ、前記第１の色成分の光の残りおよび前記第１の色成分の補色光を、前記第３の光感知セルに入射させ、
前記第２の種類の分光要素は、さらに、前記第２および第４の光感知セルの各々のセル入射光のうち、前記第２の色成分の光の一部を、前記第４の光感知セルに入射させ、前記第２の色成分の光の残りおよび前記第２の色成分の補色光を、前記第２の光感知セルに入射させる、
請求項５に記載の固体撮像素子。
前記第２の種類の分光要素は、さらに、前記第２および第４の光感知セルの各々のセル入射光のうち、前記第２の色成分の光の一部を、前記第４の光感知セルに入射させ、前記第２の色成分の光の残りおよび前記第２の色成分の補色光を、前記第２の光感知セルに入射させる、
請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項7】
前記第１の種類の分光要素は、前記第１の光感知セルの周囲の境界に対向する位置に配置された４つの分光要素を含み、
前記第２の種類の分光要素は、前記第４の光感知セルの周囲の境界に対向する位置に配置された４つの分光要素を含む、
請求項１から６のいずれかに記載の固体撮像素子。
前記第２の種類の分光要素は、前記第４の光感知セルの周囲の境界に対向する位置に配置された４つの分光要素を含む、
請求項１から６のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項8】
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７のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項9】
前記第１の種類の分光要素および前記第２の種類の分光要素の各々は、透光性部材を有し、前記透光性部材の形状、および前記透光性部材と前記透光性部材よりも屈折率の低い他の透光性部材との屈折率の差を利用して分光する、請求項１から８のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項10】
請求項１から９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、および前記第３の光感知セルから出力される第３の光電変換信号、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。
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、および前記第３の光感知セルから出力される第３の光電変換信号、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。
【請求項11】
前記信号処理部は、前記第１の光電変換信号と前記第１から第４の光電変換信号の平均値との差分演算、および前記第４の光電変換信号と前記第１から前記第４の光電変換信号との差分演算により、第１の色差信号および第２の色差信号を生成する、請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項12】
請求項１から９のいずれか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Ａ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Ｂと、
を含む信号処理方法。
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Ａ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Ｂと、
を含む信号処理方法。
【請求項13】
前記ステップＢは、
前記第１の光電変換信号と前記第２の光電変換信号との差分演算によって生成される第１の差分信号を生成するステップと、
前記第３の光電変換信号と前記第４の光電変換信号との差分演算によって生成される第２の差分信号を生成するステップと、
を含む、請求項１２に記載の信号処理方法。
前記第１の光電変換信号と前記第２の光電変換信号との差分演算によって生成される第１の差分信号を生成するステップと、
前記第３の光電変換信号と前記第４の光電変換信号との差分演算によって生成される第２の差分信号を生成するステップと、
を含む、請求項１２に記載の信号処理方法。
【請求項14】
前記ステップＢは、
前記第１および第２の光電変換信号の加算、前記第３および第４の光電変換信号の加算、および前記第１から第４の光電変換信号の加算のいずれかを含む演算によって輝度信号を生成するステップと、
前記輝度信号、前記第１の差分信号、および前記第２の差分信号を用いて前記セル入射光に含まれる赤、緑、および青の色信号を生成するステップと、
をさらに含む請求項１３に記載の信号処理方法。
前記第１および第２の光電変換信号の加算、前記第３および第４の光電変換信号の加算、および前記第１から第４の光電変換信号の加算のいずれかを含む演算によって輝度信号を生成するステップと、
前記輝度信号、前記第１の差分信号、および前記第２の差分信号を用いて前記セル入射光に含まれる赤、緑、および青の色信号を生成するステップと、
をさらに含む請求項１３に記載の信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、固体撮像装置の高感度化およびカラー化の技術に関する。【背景技術】
【0002】
近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（以下、「撮像素子」と称する場合がある。）を用いたデジタルカメラやデジタルムービーの高機能化、高性能化には目を見張るものがある。特に半導体製造技術の急速な進歩により、撮像素子における画素構造の微細化が進んでいる。その結果、撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られ、撮像素子の高性能化が進んでいる。特に近年では、固体撮像素子の配線層が形成された面（表面）側ではなく裏面側で受光する裏面照射型（ｂａｃｋｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）の撮像素子を用いたカメラも開発され、その特性等が注目されている。その一方で撮像素子の多画素化に伴い、１画素の受ける光量が低下するため、カメラ感度が低下するという問題が起きている。【0003】
カメラの感度低下は、多画素化以外にも、色分離用の色フィルタが用いられることにも原因がある。通常のカラーカメラでは、撮像素子の各光感知セルに対向して有機顔料を色素とする減色型の色フィルタが配置される。色フィルタは、利用する色成分以外の光を吸収するため、このような色フィルタを用いた場合、カメラの光利用率は低下する。例えば、赤（Ｒ）１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。【0004】
上記の感度低下の問題に対して、入射光を多く取り込むために、撮像素子の受光部にマイクロレンズアレイを取り付けることによって受光量を増やす技術が特許文献１に開示されている。この技術によれば、マイクロレンズを用いて光感知セルに集光することにより、撮像素子における光開口率を実質的に向上させることができる。この技術は現在殆どの固体撮像素子に用いられている。この技術を用いれば、確かに実質的な開口率は向上するが、色フィルタによる光利用率低下の問題を解決するものではない。【0005】
光利用率低下と感度低下の問題を同時に解決する技術として、多層膜の色フィルタ（ダイクロイックミラー）とマイクロレンズとを組み合わせて、光を最大限利用する技術が特許文献２に開示されている。この技術では、光を吸収せず特定波長域の光を選択的に透過させ、他の波長域の光を反射する複数のダイクロイックミラーが用いられる。これにより、光を損失することなく、個々の光感知部に必要な波長域の光のみを入射させることができる。【0006】
図１０は、特許文献２に開示された撮像素子の撮像面に垂直な方向の断面を模式的に示す図である。この撮像素子は、撮像素子の表面および内部にそれぞれ配置された集光用のマイクロレンズ４ａ、４ｂと、遮光部２０と、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃと、ダイクロイックミラー１７、１８、１９とを備えている。ダイクロイックミラー１７、１８、１９は、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃにそれぞれ対向して配置されている。ダイクロイックミラー１７は、Ｒ光を透過させ、Ｇ光およびＢ光を反射する特性を有している。ダイクロイックミラー１８は、Ｇ光を反射し、Ｒ光およびＢ光を透過させる特性を有している。ダイクロイックミラー１９は、Ｂ光を反射し、Ｒ光およびＧ光を透過させる特性を有している。【0007】
マイクロレンズ４ａに入射した光は、マイクロレンズ４ｂによって光束を調整された後、第１のダイクロイックミラー１７に入射する。第１のダイクロイックミラー１７は、Ｒ光を透過させるが、Ｇ光およびＢ光を反射する。第１のダイクロイックミラー１７を透過した光は、光感知セル２ａに入射する。第１のダイクロイックミラー１７で反射されたＧ光およびＢ光は、隣接する第２のダイクロイックミラー１８に入射する。第２のダイクロイックミラー１８は、入射した光のうちＧ光を反射し、Ｂ光を透過させる。第２のダイクロイックミラー１８で反射されたＧ光は、光感知セル２ｂに入射する。第２のダイクロイックミラー１８を透過したＢ光は、第３のダイクロイックミラー１９で反射され、その直下の光感知セル２ｃに入射する。このように、特許文献２に開示された撮像素子によれば、集光マイクロレンズ４ａに入射した可視光は、色フィルタによって吸収されず、そのＲＧＢの各成分が３つの光感知セルによって無駄なく検出される。【0008】
上記の従来技術のほか、マイクロプリズムを用いることによって光の損失を防ぐことができる撮像素子が特許文献３に開示されている。この撮像素子は、マイクロプリズムによって赤、緑、青に分離された光をそれぞれ異なる光感知セルが受ける構造を有している。このような撮像素子によっても光の損失を防ぐことができる。【0009】
しかしながら、特許文献２および特許文献３に開示された技術では、利用するダイクロイックミラーの数だけ、または分光する数だけ光感知セルを設ける必要がある。例えばＲＧＢ３色の光を検出するには、光感知セルの数を、従来の色フィルタを用いた場合の光感知セルの数と比較して３倍に増やさなければならないという課題がある。【0010】
以上の技術に対し、光の損失は一部発生するが、ダイクロイックミラーと反射とを用いて光の利用率を高める技術が特許文献４に示されている。図１１は当該技術を用いた撮像素子の断面図の一部を示したものである。図示されるように、透光性の樹脂２１内にダイクロイックミラー２２、２３が配置される。ダイクロイックミラー２２はＧ光を透過させ、Ｒ光およびＢ光を反射する特性を有する。また、ダイクロイックミラー２３はＲ光を透過させ、Ｇ光およびＢ光を反射する特性を有する。【0011】
このような構成により、Ｂ光は光感知部で受光できないが、Ｒ光、Ｇ光は以下の原理で全て検出できる。まずＲ光がダイクロイックミラー２２、２３に入射すると、ダイクロイックミラー２２では反射され、ダイクロイックミラー２３では透過する。ダイクロイックミラー２２で反射されたＲ光は、さらに透光性の樹脂２１と空気との界面でも反射され、ダイクロイックミラー２３に入射する。Ｒ光は、ダイクロイックミラー２３を透過し、さらにＲ光透過性を有する有機色素フィルタ２５およびマイクロレンズ２６も透過する。このようにして、一部が金属層２７で反射するものの、ダイクロイックミラー２２、２３に入射するＲ光の殆どが光感知部に入射する。一方、Ｇ光がダイクロイックミラー２２、２３に入射すると、ダイクロイックミラー２２では透過し、ダイクロイックミラー２３では反射される。ダイクロイックミラー２３で反射されたＧ光は、さらに透光性の樹脂２１と空気との界面で全反射し、ダイクロイックミラー２２に入射する。Ｇ光は、ダイクロイックミラー２２を透過し、さらにＧ光透過性を有する有機色素フィルタ２４およびマイクロレンズ２６も透過する。このようにして、一部が金属層２７で反射するものの、ダイクロイックミラー２２、２３に入射するＧ光の殆どが損失なく光感知部に入射する。【0012】
上記の原理により、特許文献４に示された技術では、ＲＧＢ光のうち１色は損失するものの２色は殆ど損失なく受光できる。このため、ＲＧＢ３色分の光感知部を配置する必要はない。ここで、ダイクロイックミラーを有さず有機色素フィルタのみによってカラー化を行う場合と比較すると、有機色素フィルタのみによる場合の光利用率が約１／３であるのに対して、特許文献４に開示された技術を用いた場合の光利用率は全入射光の約２／３となる。すなわち、この技術によれば撮像感度が約２倍に向上する。しかしながら、この技術によっても、３色のうちの１色は損失することになる。【0013】
一方、分光要素を用いて大幅に光感知セルを増やすことなく光利用率を高めるカラー化技術が特許文献５に開示されている。この技術によれば、光感知セルに対応して配置された分光要素によって光が波長域に応じて異なる光感知セルに入射する。個々の光感知セルは、複数の分光要素から異なる波長域の成分が重畳された光を受ける。その結果、各光感知セルから出力される光電変換信号を用いた信号演算によって色信号を生成することができる。但し、このカラー化技術は、セルピッチが１ミクロン程度の撮像素子に適しているが、セルピッチが大きくなるとカラー化の性能が劣化する傾向がある。【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【特許文献1】特開昭５９−９０４６７号公報
【特許文献2】特開２０００−１５１９３３号公報
【特許文献3】特開２００１−３０９３９５号公報
【特許文献4】特開２００３−７８９１７号公報
【特許文献5】国際公開第２００９／１５３９３７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
従来技術では、光吸収タイプの色フィルタを用いれば、大幅に光感知セルを増やさずに済むが、光利用率が低くなるという問題点がある。また、特許文献２〜４に開示された技術のように、ダイクロイックミラーやマイクロプリズムを用いれば、光利用率を高くすることができるが、光感知セルを大幅に増やさなければならないという課題がある。【0016】
一方、特許文献５に開示された技術によれば、確かに光利用率の高いカラー画像が理論上得られるが、セルピッチが大きい撮像素子、例えば、４〜５ミクロン（μｍ）のセルピッチの撮像素子では、カラー特性が大きく劣化するという課題がある。このため、セルピッチを大きくして高感度化を図る撮像装置においては、優れた特性を得ることが困難である。【0017】
本発明の実施形態は、光感知セルを大幅に増やすことなく、光利用率を高くすることができ、かつセルピッチが１ミクロンを大きく越える高感度な撮像素子を用いる場合であっても、色再現性の良好なカラー撮像技術を提供する。【課題を解決するための手段】
【0018】
上記の課題を解決するため、本発明の一態様による固体撮像素子は、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２次元状に配列された光感知セルアレイと、前記光感知セルアレイに対向して配置された、第１の種類の分光要素および第２の種類の分光要素を含む分光要素アレイとを備える。前記分光要素アレイが存在しないと仮定した場合に各光感知セルが受ける光を各光感知セルのセル入射光とし、前記セル入射光に含まれる可視光が、第１の色成分、第２の色成分、および第３の色成分から構成され、各色成分を除く色成分の可視光を、当該色成分の補色光とするとき、前記分光要素アレイは、前記第１の種類の分光要素によって前記第１および第２の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第１の色成分の光の一部を前記第１の光感知セルに入射させ、前記第２の種類の分光要素によって前記第３および第４の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第２の色成分の光の一部を前記第４の光感知セルに入射させる。【0019】
上述の一般的かつ特定の態様は、システム、方法、およびコンピュータプログラムを用いて実装され、または、システム、方法、およびコンピュータプログラムの組み合わせを用いて実現され得る。【発明の効果】
【0020】
本発明の一態様によれば、入射光を色成分に応じて異なる光感知セルに入射させる分光要素を用いることにより、光感知セルを大幅に増やすことなく、光利用率が高く、セルピッチが１ミクロンを大きく越える高感度な撮像素子に対しても色再現性の高いカラー撮像が可能となる。【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明による固体撮像素子における光感知セル２００および分光要素１００との配置関係を模式的に示す斜視図である。
【図2A】本発明の１つの実施形態による固体撮像素子の単位ブロックの一例を示す平面図である。
【図3A】本発明の他の実施形態による固体撮像素子の単位ブロックの一例を示す平面図である。
【図4】本発明の実施形態１の撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図5】本発明の実施形態１におけるレンズと撮像素子を示す図である。
【図6A】本発明の実施形態１における撮像素子の画素配列の一例を示す図である。
【図6B】本発明の実施形態１における撮像素子の画素配列の他の例を示す図である。
【図7A】本発明の実施形態１における撮像素子の基本構造を示す平面図である。
【図8】本発明の実施形態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。
【図9A】実施形態１の変形例における撮像素子の基本構造を示す平面図である。
【図10】マイクロレンズと多層膜フィルタ（ダイクロイックミラー）とを用いた従来の撮像素子の断面図である。
【図11】多層膜フィルタ（ダイクロイックミラー）と反射とを用いた従来の撮像素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
上記の課題を解決するため、本発明の一態様による固体撮像素子は、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２次元状に配列された光感知セルアレイと、前記光感知セルアレイに対向して配置された、第１の種類の分光要素および第２の種類の分光要素を含む分光要素アレイとを備える。前記分光要素アレイが存在しないと仮定した場合に各光感知セルが受ける光を各光感知セルのセル入射光とし、前記セル入射光に含まれる可視光が、第１の色成分、第２の色成分、および第３の色成分から構成され、各色成分を除く色成分の可視光を、当該色成分の補色光とするとき、前記分光要素アレイは、前記第１の種類の分光要素によって前記第１および第２の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第１の色成分の光の一部を前記第１の光感知セルに入射させ、前記第２の種類の分光要素によって前記第３および第４の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第２の色成分の光の一部を前記第４の光感知セルに入射させる。【0023】
ある実施形態において、前記第１から第４の光感知セルの各々の形状は４角形状であり、前記第１から第４の光感知セルは、２行２列に配列され、前記第１の種類の分光要素は、前記第１および第２の光感知セルの境界に対向する位置に配置され、前記第２の種類の分光要素は、前記第３および第４の光感知セルの境界に対向する位置に配置されている。【0024】
ある実施形態において、前記第１の種類の分光要素は、さらに、前記第１および第３の光感知セルの境界に対向する位置に配置され、前記第２の種類の分光要素は、さらに、前記第２および第４の光感知セルの境界に対向する位置に配置されている。【0025】
ある実施形態において、前記第１の種類の分光要素は、さらに、前記第１および第３の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第１の色成分の光の一部を前記第１の光感知セルに入射させ、前記第２の種類の分光要素は、さらに、前記第２および第４の光感知セルの各々のセル入射光に含まれる前記第２の色成分の光の一部を前記第４の光感知セルに入射させる。【0026】
ある実施形態において、前記第１の種類の分光要素は、前記第１および第２の光感知セルの各々のセル入射光のうち、前記第１の色成分の光の一部を、前記第１の光感知セルに入射させ、前記第１の色成分の光の残りおよび前記第１の色成分の補色光を、前記第２の光感知セルに入射させる。前記第２の種類の分光要素は、前記第３および第４の光感知セルの各々のセル入射光のうち、前記第２の色成分の光の一部を、前記第４の光感知セルに入射させ、前記第２の色成分の光の残りおよび前記第２の色成分の補色光を、前記第３の光感知セルに入射させる。【0027】
ある実施形態において、前記第１の種類の分光要素は、さらに、前記第１および第３の光感知セルの各々のセル入射光のうち、前記第１の色成分の光の一部を、前記第１の光感知セルに入射させ、前記第１の色成分の光の残りおよび前記第１の色成分の補色光を、前記第３の光感知セルに入射させる。前記第２の種類の分光要素は、さらに、前記第２および第４の光感知セルの各々のセル入射光のうち、前記第２の色成分の光の一部を、前記第４の光感知セルに入射させ、前記第２の色成分の光の残りおよび前記第２の色成分の補色光を、前記第２の光感知セルに入射させる。【0028】
ある実施形態において、前記第１の種類の分光要素は、前記第１の光感知セルの周囲の境界に対向する位置に配置された４つの分光要素を含み、前記第２の種類の分光要素は、前記第４の光感知セルの周囲の境界に対向する位置に配置された４つの分光要素を含む。【0029】
ある実施形態において、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。【0030】
ある実施形態において、前記第１の種類の分光要素および前記第２の種類の分光要素の各々は、透光性部材を有し、前記透光性部材の形状、および前記透光性部材と前記透光性部材よりも屈折率の低い他の透光性部材との屈折率の差を利用して分光する。【0031】
本発明の一態様による撮像装置は、上記のいずれかの固体撮像素子と、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、および前記第３の光感知セルから出力される第３の光電変換信号、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。【0032】
ある実施形態において、前記信号処理部は、前記第１の光電変換信号と前記第１から第４の光電変換信号の平均値との差分演算、および前記第４の光電変換信号と前記第１から前記第４の光電変換信号との差分演算により、第１の色差信号および第２の色差信号を生成する。【0033】
本発明の一態様による信号処理方法は、上記のいずれか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Ａ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Ｂとを含む。【0034】
ある実施形態において、前記ステップＢは、前記第１の光電変換信号と前記第２の光電変換信号との差分演算によって生成される第１の差分信号を生成するステップと、前記第３の光電変換信号と前記第４の光電変換信号との差分演算によって生成される第２の差分信号を生成するステップとを含む。【0035】
ある実施形態において、前記ステップＢは、前記第１および第２の光電変換信号の加算、前記第３および第４の光電変換信号の加算、および前記第１から第４の光電変換信号の加算のいずれかを含む演算によって輝度信号を生成するステップと、前記輝度信号、前記第１の差分信号、および前記第２の差分信号を用いて前記セル入射光に含まれる赤、緑、および青の色信号を生成するステップとをさらに含む。【0036】
以下、具体的な実施形態を説明する前に、まず図１、２Ａ〜２Ｆ、３Ａ〜３Ｆを参照しながら、本開示における実施形態の概要を説明する。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。【0037】
本発明の一態様による固体撮像素子は、撮像面に２次元状に配列された複数の光感知セル（画素）を含む光感知セルアレイと、複数の分光要素を含む分光要素アレイとを備えている。図１は、固体撮像素子１０の撮像面に形成された光感知セルアレイ２００および分光要素アレイ１００の一部を模式的に示す斜視図である。分光要素アレイ１００は、光感知セルアレイ２００に対向して光が入射する側に配置されている。なお、光感知セル２の配列、形状、サイズなどはこの図の例に限られず、公知のどのような配列、形状、サイズであってもよい。また、分光要素アレイ１００は、便宜上、四角柱で表されているが、実際はこのような形状を有しているわけではなく、様々な構造をとり得る。分光要素アレイ１００は、複数の分光要素を備えている。各分光要素は、例えば、マイクロレンズや高屈折率の透明部材であり、入射光を波長に応じて異なる方向に分離するように設計されている。【0038】
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（入射光量）に応じた電気信号（以下、「光電変換信号」または「画素信号」と呼ぶこととする。）を出力する。本実施形態では、各光感知セル２は、分光要素アレイ１００によって進行方向が変化した複数の波長域（色成分）の光を受ける。その結果、各光感知セル２が受ける光は、分光要素が存在しないと仮定した場合に受ける光とは異なる分光分布（波長域ごとの強度分布）を有する。また、分光要素アレイ１００は、必ずしも入射光全てを分光するわけではなく、ある割合ｋ（ｋは０より大きく、１以下の実数）だけ分光する。【0039】
以下、図２Ａ〜２Ｅを参照しながら、撮像素子１０の基本構造の一例を説明する。【0040】
図２Ａは、光感知セルアレイ２００の基本画素構成（単位ブロック）４０の一例を示す平面図である。光感知セルアレイ２００は、各々が４つの光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを含む複数の単位ブロック４０が撮像面上に２次元状に配列された構造を有している。図示される例では、１つの単位ブロック内に４つの光感知セルが２行２列に配置されている。また、各光感知セルの形状は４角形状である。なお、この構成はあくまでも一例であり、光感知セルの配列および形状はこの例に限定されない。【0041】
図２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅは、それぞれ図２ＡにおけるＡＡ´線断面、ＢＢ´線断面、ＣＣ´線断面、ＤＤ´線断面を模式的に示す図である。分光要素アレイ１００は、前述のように、複数の分光要素を有している。分光要素アレイ１００に入射する光のうち、割合ｋに相当する光がこれらの分光要素によって分光され、割合（ｋ−１）に相当する光は、分光されずに透過する。図２Ｂ〜２Ｅは、撮像素子１０に入射した光のうち、割合ｋの光が分光要素アレイ１００を透過する際に色成分によって進行方向が変化し、結果として各光感知セルが受ける光の分光分布が互いに異なっていることを示している。本実施形態では、分光要素アレイは、分光特性が異なる第１の種類の分光要素と第２の種類の分光要素とを含んでいる。各分光要素は、屈折や回折を利用して入射光を色成分によって異なる方向に分離する。図２Ｂ、２Ｃに示される断面図は、水平方向（図２Ａに示すｘ方向）における分光の様子を示し、図２Ｄ、２Ｅに示される断面図は、垂直方向（図２Ａに示すｙ方向）における分光の様子を示している。【0042】
ここで、分光要素アレイ１００が存在しないと仮定した場合に各光感知セルが受ける光をその光感知セルの「セル入射光」と呼ぶこととする。１つの単位ブロック４０に含まれる光感知セル２ａ〜２ｄが近接している場合、それらの光感知セルのセル入射光に含まれる光の強度および分光分布はほぼ同一であると考えることができる。それらの光感知セルのセル入射光の可視光成分の強度を記号「Ｗ」で表すこととする。本明細書では、セル入射光に含まれる可視光成分を、大別して第１の色成分、第２の色成分、第３の色成分に分類する。第１〜第３の色成分の強度をそれぞれＣ１、Ｃ２、Ｃ３と表すと、Ｗ＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３となる。また、セル入射光の割合ｋの光強度を当該光強度にｋを付して表す。すると、各光感知セルのセル入射光のうち、分光要素によって分光される光の強度はｋＷで表され、分光されない光の強度は（１−ｋ）Ｗで表される。【0043】
以下の説明では、各色成分の強度だけでなく、色成分自体をＣ１、Ｃ２、Ｃ３で表すことがある。また、各色成分を除く可視光の色成分をその色成分の「補色」と呼び、補色の光を「補色光」と呼ぶ。すると、第１の色成分Ｃ１の補色はＣ２＋Ｃ３、第２の色成分Ｃ２の補色はＣ１＋Ｃ３、第３の色成分Ｃ３の補色はＣ１＋Ｃ２で表される。以下では、便宜上、色成分Ｃｎ（ＣｎはＣ１、Ｃ２、Ｃ３のいずれか）の補色およびその強度をＣｎ＾で表す場合がある。第１〜第３の色成分の組み合わせは、典型的には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色の組み合わせであるが、可視光を３つの波長域に分けるものであれば他の色成分の組み合わせであってもよい。【0044】
以下、図２Ａ〜図２Ｅに示す例における分光要素アレイ１００の働きを説明する。第１の光感知セル２ａ、第２の光感知セル２ｂ、第３の光感知セル２ｃ、第４の光感知セル２ｄへの入射光について、水平方向（ｘ方向）、垂直方向（ｙ方向）の方向別に説明する。ここで、分光は分光要素アレイ１００に含まれる第１の種類の分光要素および第２の種類の分光要素によって行われる。第１の種類の分光要素は、入射光を、第１の色成分の光と、第１の色成分の補色光とに分離するように設計されている。一方、第２の種類の分光要素は、入射光を、第２の色成分の光と、第２の色成分の補色光とに分離するように設計されている。【0045】
第１に、水平方向に並ぶ第１の光感知セル２ａと第２の光感知セル２ｂに関して、水平方向の分光について説明する。分光要素アレイ１００は、第１の光感知セル２ａおよび第２の光感知セル２ｂの各セル入射光（強度Ｗ）の内、そのｋ倍の光（強度ｋＷ）を分光させる。その分光の内の第１の色成分の光（強度ｋＣ１）を第１の光感知セル２ａに、その分光の内の第１の色成分の補色光（強度ｋＣ１＾）を第２の光感知セル２ｂに、分光されなかった残りの強度Ｗ’（＝（１−ｋ）Ｗ）の光を第１の光感知セル２ａおよび第２の光感知セル２ｂの各々に入射させる。なお、図２Ｂに示されているように、第１の光感知セル２ａおよび第２の光感知セル２ｂには、両サイドから矢印で表される光が入射しており、それらの光の合計が、それぞれｋＣ１およびｋＣ１＾で表される。ここで、分光は、第１の種類の分光要素によって行われる。【0046】
第２に、水平方向に並ぶ第３の光感知セル２ｃと第４の光感知セル２ｄに関して、水平方向の分光について説明する。分光要素アレイ１００は、第３の光感知セル２ｃおよび第４の光感知セル２ｄの各セル入射光（強度Ｗ）の内のｋ倍の光（強度ｋＷ）を分光させる。そして、その分光の内の第２の色成分の光（強度ｋＣ２）を第４の光感知セル２ｄに、その分光のうちの第２の色成分の補色光（強度ｋＣ２＾）を第３の光感知セル２ｃに、分光されなかった残りの強度Ｗ’（＝（１−ｋ）Ｗ）の光を第３の光感知セル２ｃおよび第４の光感知セル２ｄの各々に入射させる。なお、図２Ｃに示されているように、第３の光感知セル２ｃおよび第４の光感知セル２ｄには、両サイドから矢印で表される光が入射しており、それらの光の合計が、それぞれｋＣ２＾およびｋＣ２で表される。ここで、分光は、第２の種類の分光要素によって行われる。【0047】
第３に、垂直方向に並ぶ第１の光感知セル２ａと第３の光感知セル２ｃに関して、垂直方向の分光について説明する。分光要素アレイ１００は、第１の光感知セル２ａおよび第３の光感知セル２ｃの各セル入射光（強度Ｗ）の内のｋ倍の光（強度ｋＷ）を分光させる。そして、その分光の内の第１の色成分の光（強度ｋＣ１）を第１の光感知セル２ａに、その分光の内の第１の色成分の補色光（強度ｋＣ１＾）を第３の光感知セル２ｃに、分光されなかった残りの強度Ｗ’（＝（１−ｋ）Ｗ）の光を第１の光感知セル２ａおよび第３の光感知セル２ｃの各々に入射させる。なお、図２Ｄに示されているように、第１の光感知セル２ａおよび第３の光感知セル２ｃには、両サイドから矢印で表される光が入射しており、それらの光の合計が、それぞれｋＣ１およびｋＣ１＾で表される。ここで、分光は、第１の種類の分光要素によって行われる。【0048】
第４に、垂直方向に並ぶ第２の光感知セル２ｂと第４の光感知セル２ｄに関して、垂直方向の分光について説明する。分光要素アレイ１００は、第２の光感知セル２ｂおよび第４の光感知セル２ｄの各セル入射光（強度Ｗ）の内のｋ倍（強度ｋＷ）を分光させる。そして、その分光の内の第２の色成分の光（強度ｋＣ２）を第４の光感知セル２ｄに、その分光の内の第２の色成分の補色光（強度ｋＣ２＾）を第２の光感知セル２ｂに、分光されなかった残りの強度Ｗ’（＝（１−ｋ）Ｗ）の光を第２の光感知セル２ｂおよび第４の光感知セル２ｄの各々に入射させる。なお、図２Ｅに示されているように、第２の光感知セル２ｂおよび第４の光感知セル２ｄには、両サイドから矢印で表される光が入射しており、それらの光の合計が、それぞれｋＣ２＾およびｋＣ２で表される。ここで、分光は、第１の種類の分光要素によって行われる。【0049】
以上の説明では、各光感知セルへの入射光に関して、水平、垂直の方向別に説明したため、分光されなかった光強度Ｗ’を重複して表記したが、各光感知セルは、分光されなかった光として強度Ｗ’の光のみを受光する。【0050】
図２Ｆは、各光感知セルが受ける光の強度を示す図である。上記の構成により、分光のみに着目すると、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、水平方向の分光により、それぞれｋＣ１、ｋＣ１＾、ｋＣ２＾、ｋＣ２で表される強度の光を受け、垂直方向の分光により、それぞれｋＣ１、ｋＣ２＾、ｋＣ１＾、ｋＣ２で表される強度の光を受ける。各光感知セルは、そられに加えて、強度Ｗ’の分光されなかった光を受ける。その結果、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、図２Ｆに示されるように、それぞれＷ’＋２ｋＣ１、Ｗ’＋ｋＣ１＾＋ｋＣ２＾、Ｗ’＋ｋＣ１＾＋ｋＣ２＾、Ｗ’＋２ｋＣ２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（画素信号）を出力する。【0051】
ここで、光感知セル２ａ〜２ｄが出力する光電変換信号をそれぞれＳ２ａ〜Ｓ２ｄとし、強度Ｗに対応する信号をＷｓ、強度Ｗ’に対応する信号をＷ’ｓ、強度Ｃ１に対応する信号をＣ１ｓ、強度Ｃ２に対応する信号をＣ２ｓ、強度Ｃ３に対応する信号をＣ３ｓ、さらに強度Ｃ１＾に対応する信号をＣ１＾ｓ（＝Ｃ２ｓ＋Ｃ３ｓ）、強度Ｃ２＾に対応する信号をＣ２＾ｓ（＝Ｃ１ｓ＋Ｃ３ｓ）、強度Ｃ３＾に対応する信号をＣ３＾ｓ（＝Ｃ１ｓ＋Ｃ２ｓ）とし、Ｗｓ＝Ｃ１ｓ＋Ｃ２ｓ＋Ｃ３ｓとする。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＝Ｗ’ｓ＋２ｋＣ１ｓ
（式２） Ｓ２ｂ＝Ｗｓ’＋ｋＣ１＾ｓ＋ｋＣ２＾ｓ＝Ｗｓ’＋ｋＷｓ＋ｋＣ３ｓ
（式３） Ｓ２ｃ＝Ｗｓ’＋ｋＣ１＾ｓ＋ｋＣ２＾ｓ＝Ｗｓ’＋ｋＷｓ＋ｋＣ３ｓ
（式４） Ｓ２ｄ＝Ｗ’ｓ＋２ｋＣ２ｓ
なお、これらＳ２ａ〜Ｓ２ｄの信号を合計すると、４Ｗｓ’＋２ｋＣ１ｓ＋２ｋＣ１＾ｓ＋２ｋＣ２ｓ＋２ｋＣ２＾ｓ＝４Ｗｓ’＋４ｋＷｓ＝４（１−ｋ）Ｗｓ＋４ｋＷｓ＝４Ｗｓとなることから、光損失が生じていないことがわかる。
【0052】
ここで、入射光に対する分光する光の割合ｋは設計値であり、既知であるので、信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄの平均値をＳａｖ（＝Ｗｓ）として、信号Ｓ２ａから（１−ｋ）Ｓａｖを減算し２ｋで除算すれば、Ｃ１ｓが得られる。同様に、信号Ｓ２ｄから（１−ｋ）Ｓａｖを減算し２ｋで除算すれば、Ｃ２ｓが得られる。さらに、信号（Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｃ）から２Ｓａｖを減算し２ｋで除算すれば、Ｃ３ｓが得られる。結局、式５〜式７の演算により、Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ３ｓの色信号が得られる。（式５） Ｃ１ｓ＝（Ｓ２ａ−（１−ｋ）Ｓａｖ）／２ｋ
（式６） Ｃ２ｓ＝（Ｓ２ｄ−（１−ｋ）Ｓａｖ）／２ｋ
（式７） Ｃ３ｓ＝（Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｃ−２Ｓａｖ）／２ｋ
すなわち、光感知セル２ａ〜２ｄから出力される４つの光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄに基づく信号演算によってカラー信号を算出できる。
【0055】
図３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅは、それぞれ図３ＡにおけるＡＡ´線断面、ＢＢ´線断面、ＣＣ´線断面、ＤＤ´線断面を模式的に示す図である。この例では、分光要素アレイ１００は、第１の種類の分光要素と第２の種類の分光要素とを含む。第１の種類の分光要素は、入射光を第１の色成分の光の一部と、第１の色成分の光の残りの一部と、第１の色成分の光の補色光とに分離する。第２の種類の分光要素は、入射光を第２の色成分の光の一部と、第２の色成分の光の残りの一部と、第２の色成分の光の補色光とに分離する。以下、各光感知セルへの入射光について、水平方向および垂直方向に分けて説明する。【0056】
第１に、水平方向に並ぶ第１の光感知セル２ａおよび第２の光感知セル２ｂに関して、水平方向の分光について説明する。分光要素アレイ１００は、第１の光感知セル２ａおよび第２の光感知セル２ｂの各セル入射光（強度Ｗ）のうち、そのｋ倍の光（強度ｋＷ）を分光させる。その分光のうちの第１の色成分の光の半分（強度ｋＣ１／２）を第１の光感知セル２ａに、その分光のうちの第１の色成分の光の残りの半分（強度ｋＣ１／２）と第１の色成分の補色光（強度ｋＣ１＾）とを第２の光感知セル２ｂに、分光されなかった残りの強度Ｗ’（＝（１−ｋ）Ｗ）の光を第１の光感知セル２ａおよび第２の光感知セル２ｂの各々に入射させる。なお、図３Ｂに示されているように、第１の光感知セル２ａおよび第２の光感知セル２ｂには、両サイドから矢印で表される光が入射しており、それらの光の合計が、それぞれｋＣ１／２およびｋＣ１＾＋ｋＣ１／２で表される。ここで、分光は、第１の種類の分光要素によって行われる。【0057】
第２に、水平方向に並ぶ第３の光感知セル２ｃおよび第４の光感知セル２ｄに関して、水平方向の分光について説明する。分光要素アレイ１００は、第３の光感知セル２ｃおよび第４の光感知セル２ｄの各セル入射光（強度Ｗ）のうち、そのｋ倍の光（強度ｋＷ）を分光させる。その分光のうちの第２の色成分の光の半分（強度ｋＣ２／２）を第４の光感知セル２ｄに、その分光のうちの第２の色成分の光の残りの半分（強度ｋＣ２／２）と第２の色成分の補色光（強度ｋＣ２＾）とを第３の光感知セル２ｃに、分光されなかった残りの強度Ｗ’（＝（１−ｋ）Ｗ）の光を第３の光感知セル２ｃおよび第４の光感知セル２ｄの各々に入射させる。なお、図３Ｃに示されているように、第３の光感知セル２ｃおよび第４の光感知セル２ｄには、両サイドから矢印で表される光が入射しており、それらの光の合計が、それぞれｋＣ２＾＋ｋＣ２／２およびｋＣ２／２で表される。ここで、分光は、第２の種類の分光要素によって行われる。【0058】
第３に、垂直方向に並ぶ第１の光感知セル２ａおよび第３の光感知セル２ｃに関して、垂直方向の分光について説明する。分光要素アレイ１００は、第１の光感知セル２ａおよび第３の光感知セル２ｃの各セル入射光（強度Ｗ）のうち、そのｋ倍の光（強度ｋＷ）を分光させる。その分光のうちの第１の色成分の光の半分（強度ｋＣ１／２）を第１の光感知セル２ａに、その分光のうちの第１の色成分の光の残りの半分（強度ｋＣ１／２）と第１の色成分の補色光（強度ｋＣ１＾）とを第３の光感知セル２ｃに、分光されなかった残りの強度Ｗ’（＝（１−ｋ）Ｗ）の光を第１の光感知セル２ａおよび第３の光感知セル２ｃの各々に入射させる。なお、図３Ｄに示されているように、第１の光感知セル２ａおよび第３の光感知セル２ｃには、両サイドから矢印で表される光が入射しており、それらの光の合計が、それぞれｋＣ１／２およびｋＣ１＾＋ｋＣ１／２で表される。ここで、分光は、第１の種類の分光要素によって行われる。【0059】
第４に、垂直方向に並ぶ第２の光感知セル２ｂおよび第４の光感知セル２ｄに関して、垂直方向の分光について説明する。分光要素アレイ１００は、第２の光感知セル２ｂおよび第４の光感知セル２ｄの各セル入射光（強度Ｗ）のうち、そのｋ倍の光（強度ｋＷ）を分光させる。その分光のうちの第２の色成分の光の半分（強度ｋＣ２／２）を第４の光感知セル２ｄに、その分光のうちの第２の色成分の光の残りの半分（強度ｋＣ２／２）と第２の色成分の補色光（強度ｋＣ２＾）とを第２の光感知セル２ｂに、分光されなかった残りの強度Ｗ’（＝（１−ｋ）Ｗ）の光を第２の光感知セル２ｂおよび第４の光感知セル２ｄの各々に入射させる。なお、図３Ｅに示されているように、第２の光感知セル２ｂおよび第４の光感知セル２ｄには、両サイドから矢印で表される光が入射しており、それらの光の合計が、それぞれｋＣ２＾＋ｋＣ２／２およびｋＣ２／２で表される。ここで、分光は、第２の種類の分光要素によって行われる。【0060】
以上の説明では、各光感知セルへの入射光に関して、水平、垂直の方向別に説明したため、分光されなかった光強度Ｗ’を重複して表記したが、各光感知セルは、分光されなかった光として強度Ｗ’の光のみを受光する。【0061】
図３Ｆは、各光感知セルが受ける光の強度を示す図である。上記の構成により、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、それぞれ、Ｗ’＋ｋＣ１、Ｗ’＋ｋＣ１＾＋ｋＣ１／２＋ｋＣ２＾＋ｋＣ２／２、Ｗ’＋ｋＣ１＾＋ｋＣ１／２＋ｋＣ２＾＋ｋＣ２／２、Ｗ’＋ｋＣ２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（画素信号）を出力する。【0062】
光感知セル２ａ〜２ｄが出力する光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄは、それぞれ以下の式８〜１１で表すことができる。（式８） Ｓ２ａ＝Ｗ’ｓ＋ｋＣ１ｓ
（式９） Ｓ２ｂ＝Ｗ’ｓ＋ｋＣ１＾ｓ＋ｋＣ１ｓ／２＋ｋＣ２＾ｓ＋ｋＣ２ｓ／２
（式１０） Ｓ２ｃ＝Ｗ’ｓ＋ｋＣ１＾ｓ＋ｋＣ１ｓ／２＋ｋＣ２＾ｓ＋ｋＣ２ｓ／２
（式１１） Ｓ２ｄ＝Ｗ’ｓ＋ｋＣ２ｓ
これらＳ２ａ〜Ｓ２ｄの信号を合計すると、４Ｗ’ｓ＋２ｋＣ１ｓ＋２ｋＣ１＾ｓ＋２ｋＣ２ｓ＋２ｋＣ２＾ｓ＝４Ｗ’ｓ＋４ｋＷｓ＝４Ｗｓとなることから、光損失が生じていないことがわかる。この場合も、割合ｋは設計値であり、既知であるため、式８〜１１からＣ１ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ３ｓの色信号を得ることができる。
【0063】
以上のように、この例においても、光感知セル２ａ〜２ｄから出力される４つの光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄに基づく信号演算によってカラー信号を算出できる。【0064】
以上の撮像素子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。【0065】
なお、図１、図２Ｂ〜２Ｅ、図３Ｂ〜３Ｅでは、分光要素アレイ１００は複数の光感知セルを覆う連続的な要素として描かれているが、分光要素アレイ４は、空間的に分離した複数の分光要素の集合体であってもよい。このような分光要素として、例えば後述する高屈折率透明部材、ダイクロイックミラー、マイクロプリズムなどが用いられ得る。本実施形態における分光要素アレイ１００は、上記の例で示した光電変換信号が得られればどのように構成されていてもよく、例えばホログラム素子などを用いて分光を行ってもよい。【0067】
（実施形態１）図４は、第１の実施形態による撮像装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の撮像装置は、デジタル式の電子カメラであり、撮像部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４００とを備えている。なお、撮像装置は静止画のみを生成してもよいし、動画を生成する機能を備えていてもよい。
【0068】
撮像部３００は、被写体を結像するための光学レンズ１２と、光学フィルタ１１と、光学レンズ１２および光学フィルタ１１を通して結像した光情報を、光電変換によって電気信号に変換する固体撮像素子１０（イメージセンサ）とを備えている。撮像部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４００に送出する信号発生／受信部１３と、信号発生／受信部１３によって発生された基本信号に基づいて撮像素子１０を駆動する素子駆動部１４とを備えている。光学レンズ１２は、公知のレンズであり、複数のレンズを有するレンズユニットであり得る。光学フィルタ１１は、画素配列が原因で発生するモアレパターンを低減するための水晶ローパスフィルタに、赤外線を除去するための赤外カットフィルタを合体させたものである。撮像素子１０は、典型的にはＣＭＯＳまたはＣＣＤであり、公知の半導体製造技術によって製造される。信号発生／受信部１３および素子駆動部１４は、例えばＣＣＤドライバなどのＬＳＩから構成されている。【0069】
信号処理部４００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。【0070】
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、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。【0071】
以下、本実施形態における固体撮像素子１０を説明する。【0072】
図５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５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。【0073】
図６Ａ、６Ｂは、本実施形態における画素配列の例を示す平面図である。光感知セルアレイ２００は、例えば、図６Ａに示すように撮像面１０ａ上に正方格子状に配列された複数の光感知セルを有する。光感知セルアレイ２００は、複数の単位ブロック４０から構成され、各単位ブロック４０は４つの光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを含んでいる。なお、光感知セルの配列は、このような正方格子状の配列ではなく、例えば、図６Ｂに示す斜交型の配列であってもよいし、他の配列であってもよい。各単位ブロックに含まれる４つの光感知セル２ａ〜２ｄは、図６Ａ、６Ｂに示すように、互いに近接していることが好ましいが、これらが離れていても、後述する分光要素アレイを適切に構成することによって色情報を得ることが可能である。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。【0074】
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つの光感知セルの各々を囲むように１つの境界に対して１つずつ分光要素が設けられる。本実施形態においては、第１の光感知セル２ａの周囲の境界の少なくとも一部を覆うように第１の種類の分光要素１ａが配置される。また、第４の光感知セル２ｄの周囲の境界の少なくとも一部を覆うように第２の種類の分光要素１ｂが配置される。【0075】
以下、本実施形態における分光要素を説明する。【0076】
本実施形態における分光要素は、屈折率が異なる２種類の透光性部材の境界で生じる光の回折を利用して入射光を波長域に応じて異なる方向に向ける光学素子である。このタイプの分光要素は、屈折率が相対的に高い材料で形成された高屈折率透明部材（コア部）と、屈折率が相対的に低い材料で形成されコア部の各々の側面と接する低屈折率透明部材（クラッド部）とを有している。コア部とクラッド部との間の屈折率差により、両者を透過した光の間で位相差が生じるため、回折が起こる。この位相差は光の波長によって異なるため、光を波長域（色成分）に応じて空間的に分離することが可能となる。例えば、第１の方向および第２の方向に第１色成分の光を半分ずつ向け、第３の方向に第１色成分以外の光を向けることができる。また、３つの方向にそれぞれ異なる波長域（色成分）の光を向けることも可能である。コア部とクラッド部との屈折率差によって分光が可能になるため、本明細書では、高屈折率透明部材のことを「分光要素」と呼ぶことがある。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。【0077】
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。【0078】
以下、図７Ａ〜７Ｆ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が、本実施形態では裏面照射型の撮像素子を用いている。但し、本実施形態において撮像素子１０のタイプが裏面照射型であるか表面照射型であるかは重要ではなく、撮像素子１０は表面照射型であってもよい。また、本実施形態の場合、撮像素子のセルピッチは水平方向、垂直方向とも約４ミクロンであり、比較的高感度な撮像素子である。図７Ａ〜７Ｅは、本実施形態における撮像素子１０の基本構造を示す図である。図７Ａは撮像素子１０の基本構造を示す平面図である。各単位ブロックにおいて、４つの光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに対向して、それらの境界近くに分光要素１ａ、１ｂが配置されている。このような基本構造を有する複数のパターンが撮像面１０ａ上に繰り返し形成されている。【0079】
図７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅは、図７ＡにおけるＡＡ´線断面、ＢＢ´線断面、ＣＣ´線断面およびＤＤ´線断面をそれぞれ示す図である。図示されるように、撮像素子１０は、シリコンなどの材料からなる半導体基板７と、半導体基板７内に配置された光感知セル２ａ〜２ｄと、半導体基板７の裏面側（光が入射する側）に形成された透明層６ａと、透明層６ａの内部に配置された板状の高屈折率透明部材１ａ、１ｂを備えている。半導体基板７の表面側（光が入射する側の反対側）には配線層５が形成されている。また、表面側には半導体基板７や配線層５などを支持する固定基盤９が配置されている。固定基板９は透明層６ｂを介して半導体基板７と接合されている。本実施形態では、高屈折率透明部材１ａ、１ｂが、分光要素として機能する。【0080】
図７Ａ〜７Ｅに示す構造は、公知の半導体製造技術により作製され得る。図７Ａ〜７Ｅに示される撮像素子１０は、配線層５の反対側から各光感知セルに光が入射する裏面照射型の構造を有している。しかしながら、本実施形態の撮像素子１０はこのような構造に限られず、配線層５の表面側から光を受ける表面照射型の構造を有していてもよい。【0081】
第１の種類の分光要素１ａおよび第２の種類の分光要素１ｂは、図７Ｂ〜７Ｅに示すように、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６ａとの間の屈折率差によって分光する。分光要素１ａは、光感知セル２ａを取り囲む形で他の光感知セルとの境界の上部に配置され、分光要素１ｂは、光感知セル２ｄを取り囲む形で他の光感知セルとの境界の上部に配置されている。分光要素１ａは、入射光をその直進方向にシアン（Ｃｙ）光、その両側斜め方向にＲ光（光強度としてはＲ／８ずつ）に分光させる。分光要素１ｂは、入射光をその直進方向に黄（Ｙｅ）光、その両側斜め方向にＢ光（光強度としてはＢ／４ずつ）に分光させる。分光要素１ａ、１ｂは本来１ミクロン程度の光感知セルピッチの撮像素子に適しているが、本実施形態の撮像素子は光感知セルピッチが約４ミクロンと大きいため、入射光全てを分光させるわけではなく、入射光の約５０％を分光させる。なお、図７Ａ〜７Ｅにおいて、各光感知セルに入射する光の強度をＷで表し、分光されない光の強度をＷ’（＝０．５Ｗ）で表している。このように、本実施形態では、分光される割合ｋは、１／２である。また、分光した色については、赤、緑、青、黄、シアンの光強度をそれぞれＲ、Ｇ、Ｂ、Ｙｅ、Ｃｙで表している。【0082】
入射光の分光に関して図７Ａを用いて説明すると、分光要素１ａは、上下左右方向から光感知セル２ａに赤（Ｒ）光をＲ／８ずつ入射させ、分光要素１ｂは、上下左右方向から光感知セル２ｄに青（Ｂ）光をＢ／８ずつ入射させる。その結果、光感知セル２ａには、周囲の４つの分光要素１ａから、強度Ｒ／２で表されるＲ光が入射し、光感知セル２ｄには、周囲の４つの分光要素１ｂから、強度Ｂ／２で表されるＢ光が入射する。また、両分光要素により、光感知セル２ｂと２ｃそれぞれに、合わせて強度Ｒ／４＋Ｃｙ／２＋Ｂ／４＋Ｙｅ／２で表される光が入射する。分光されない光の光強度については当該図に記していないが、各光感知セルに光強度Ｗ’の光が入射する。【0083】
入射光の分光状況について、図７Ｂ〜７Ｅを用いて説明する。図７Ｂは図７ＡにおけるＡＡ´線断面を示す図であり、分光要素１ａが入射光を分光し、光感知セル２ａと２ｂに分光した光の一部を入射させる状況を示している。本実施形態の場合、分光要素１ａは光感知セル２ａと２ｂの境界の真上に配置されず、若干光感知セル２ｂ側にずれている。その結果、光感知セル２ａにはＲ光が両サイドの分光要素１ａからＲ／８ずつ（合わせるとＲ／４）入射し、感知セル２ｂにはＲ光とＣｙ光が両サイドの分光要素１ａからＲ／８＋Ｃｙ／４ずつ（合わせるとＲ／４＋Ｃｙ／２）入射する。光感知セル２ａ、２ｂの各々には、さらに、分光されない光Ｗ’（＝Ｗ／２）も入射する。【0084】
図７Ｃは図７ＡにおけるＢＢ´線断面を示す図であり、分光要素１ｂが入射光を分光し、光感知セル２ｃと２ｄに分光した光の一部を入射させる状況を示している。本実施形態の場合、分光要素１ｂは光感知セル２ｃと２ｄの境界の真上に配置されず、若干光感知セル２ｃ側にずれている。その結果、光感知セル２ｄにはＢ光が両サイドの分光要素１ｂからＢ／８ずつ（合わせるとＢ／４）入射し、光感知セル２ｃにはＢ光とＹｅ光が両サイドの分光要素１ｂからＢ／８＋Ｙｅ／４ずつ（合わせるとＢ／２＋Ｙｅ／２）入射する。光感知セル２ｃ、２ｄの各々には、さらに、分光されない光Ｗ’（＝Ｗ／２）も入射する。【0085】
図７Ｄは図７ＡにおけるＣＣ´線断面を示す図であり、分光要素１ａが入射光を分光し、光感知セル２ａと２ｃに分光した光の一部を入射させる状況を示している。本実施形態の場合、分光要素１ａは光感知セル２ａと２ｃの境界の真上に配置されず、若干光感知セル２ｃ側にずれている。その結果、光感知セル２ａにはＲ光が両サイドの分光要素１ａからＲ／８ずつ（合わせるとＲ／４）入射し、光感知セル２ｃにはＲ光とＣｙ光が両サイドの分光要素１ｂからＲ／８＋Ｃｙ／４ずつ（合わせるとＲ／４＋Ｃｙ／２）入射する。光感知セル２ａ、２ｃの各々には、さらに、分光されない光Ｗ’（＝Ｗ／２）も入射する。【0086】
図７Ｅは図７ＡにおけるＤＤ´線断面を示すものであり、分光要素１ｂが入射光を分光し、光感知セル２ｂと２ｄに分光した光の一部を入射させる状況を示したものである。本実施形態の場合、分光要素１ｂは光感知セル２ｂと２ｄの境界の真上に配置されず、若干光感知セル２ｂ側にずれ、さらにその中心方向に分光要素１ｂの下端が僅かずれている。その結果、光感知セル２ｄにはＢ光が両サイドの分光要素１ｂからＢ／８ずつ（合わせるとＢ／４）入射し、感知セル２ｂにはＢ光とＹｅ光が左右方向からＢ／８＋Ｙｅ／４ずつ（合わせるとＢ／４＋Ｙｅ／２）入射する。光感知セル２ｂ、２ｄの各々には、さらに、分光されない光Ｗ’（＝Ｗ／２）も入射する。【0087】
図７Ｆは、各光感知セルに入射する光の強度を示す図である。上記の構成により、分光されない入射光Ｗ’も含めると、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄには、それぞれ光強度 Ｗ’＋Ｒ／２、Ｗ’＋Ｒ／４＋Ｃｙ／２＋Ｂ／４＋Ｙｅ／２、Ｗ’＋Ｒ／４＋Ｃｙ／２＋Ｂ／４＋Ｙｅ／２、Ｗ’＋Ｂ／４の光が入射する。【0088】
上記の分光要素１ａと１ｂの特性および配置構造による分光の結果、光感知セル２ａ〜２ｄは、それぞれ以下の式１２〜１５で表される光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄを出力する。ここで、赤光、緑光、青光の強度に相当する信号をそれぞれＲｓ、Ｇｓ、Ｂｓで表し、シアン光の強度に相当する信号ＣｓをＧｓ＋Ｂｓ、黄光の強度に相当する信号ＹｓをＲｓ＋Ｇｓで表す。（式１２）Ｓ２ａ＝Ｗ’ｓ＋Ｒｓ／２
（式１３）Ｓ２ｂ＝Ｗ’ｓ＋Ｒｓ／４＋Ｂｓ／４＋（Ｇｓ＋Ｂｓ）／２＋（Ｒｓ＋Ｇｓ）／２＝５Ｗ’ｓ／２＋Ｇｓ／４
（式１４）Ｓ２ｃ＝Ｗ’ｓ＋Ｒｓ／４＋Ｂｓ／４＋（Ｇｓ＋Ｂｓ）／２＋（Ｒｓ＋Ｇｓ）／２＝５Ｗ’ｓ／２＋Ｇｓ／４
（式１５）Ｓ２ｄ＝Ｗ’ｓ＋Ｂｓ／２
【0089】
結局、Ｓ２ａからＷ’ｓを減算し、２倍することによりＲｓが得られ、Ｓ２ｄからＷ’ｓを減算し、２倍することによりＢｓが得られる。また、Ｓ２ｂとＳ２ｃの和から５Ｗ’ｓを減算し、２倍することによりＧｓが得られる。Ｗ’ｓはＳ２ａ〜Ｓ２ｄの平均値Ｓａｖを１／２倍した値であり、Ｓａｖは以下の式１６で表される。すなわち、以下の式１６〜式１９に示す演算により、Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓの色信号が得られる。（式１６）Ｓａｖ＝（Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ）／４
（式１７）Ｒｓ＝２（Ｓ２ａ−Ｓａｖ／２）
（式１８）Ｇｓ＝２（（Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｃ）−５Ｓａｖ／２）
（式１９）Ｂｓ＝２（Ｓ２ｄ−Ｓａｖ／２）
【0091】
図８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、光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄを取得する。続いて、ステップＳ１２において、Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄの平均値Ｓａｖを求め、さらにその１／２であるＳａｖ２を算出する。次に、ステップＳ１４において、画素信号Ｓ２ａとＳ２ｄからＳａｖ２を減算し、Ｒ、Ｂ信号とし、画素信号Ｓ２ｂとＳ２ｃの加算結果から５倍のＳａｖ２を減算し、Ｇ信号とする。最後に、ステップＳ１６において、算出されたＲ、Ｇ、Ｂの信号を２倍し、１組の画素信号としてＲＧＢカラー信号とする。【0092】
画像信号生成部１５は、以上の信号演算を光感知セルアレイ２の単位ブロック４０ごとに実行することによってＲ、Ｇ、Ｂの各色成分の画像を示す信号（「カラー画像信号」と呼ぶ。）を生成する。生成されたカラー画像信号は、画像信号出力部１６によって不図示の記録媒体や表示部に出力される。【0093】
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。【0094】
以上のように、本実施形態の撮像素子１０では、２行２列の光感知セルアレイに対向して、１行１列目の光感知セルとその他の光感知セルとの４つの境界線の上部に光を赤光と赤光以外とに分ける第１の種類の分光要素１ａが配置される。２行２列目の光感知セルとその他の光感知セルとの４つの境界線の上部に光を青光と青光以外とに分ける第２の種類の分光要素１ｂが配置される。当該構成を基本構成として２次元状に配列された光感知セルの上部全てにわたって分光要素１ａと１ｂが配列される。このような分光要素の配列パターンが撮像面上に繰り返し形成されているため、光感知セルアレイ２００における単位ブロック４０の選び方を１行または１列ずつ変えても、得られる４つの光電変換信号は、常に式１６〜１９で表される４つの信号の組み合わせとなる。すなわち、演算対象の画素ブロックを１行および１列ずつずらしながら上記の信号演算を行うことにより、ＲＧＢ各色成分の情報をほぼ画素数分だけ得ることができる。このことは、撮像装置の解像度を画素数の程度まで高めることができることを意味している。しかも、上記のように１画素の周辺に複数個の分光要素を配置することにより、１つの分光要素による分光は僅かでも複数の分光を集めることができ、画素セルサイズが大きい撮像素子のカラー化にも対応できるという効果がある。したがって、本実施形態の撮像装置は、従来の撮像装置よりも高感度であることに加えて、高解像度で高感度のカラー画像を生成することが可能である。【0095】
なお、画像信号生成部１５は、必要に応じて信号の増幅、合成、補正を行ってもよい。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１６〜１９に示す光電変換信号から多少ずれていてもよい。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。【0096】
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。【0097】
加えて、上記の説明では入射光量に対する分光される光の量の割合ｋを１／２としたが、これはあくまで一例である。本実施形態の信号処理に関して、一般化したｋを用いて表現すると、式１２〜１５は、それぞれ以下の式２０〜２３に書き替えられる。ここで、Ｗ’ｓ＝（１−ｋ）Ｗｓ＝（１−ｋ）（Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ）である。（式２０） Ｓ２ａ＝Ｗ’ｓ＋ｋＲｓ
（式２１） Ｓ２ｂ＝Ｗ’ｓ＋ｋＲｓ／２＋ｋＢｓ／２＋ｋ（Ｇｓ＋Ｂｓ）＋ｋ（Ｒｓ＋Ｇｓ）
（式２２） Ｓ２ｃ＝Ｗ’ｓ＋ｋＲｓ／２＋ｋＢｓ／２＋ｋ（Ｇｓ＋Ｂｓ）＋ｋ（Ｒｓ＋Ｇｓ）
（式２３） Ｓ２ｄ＝Ｗ’ｓ＋ｋＢｓ
【0098】
したがって、Ｓ２ａからＷ’ｓを減算し、１／ｋ倍することにより、Ｒｓが得られ、Ｓ２ｄからＷ’ｓを減算し、１／ｋ倍することによりＢｓが得られる。また、Ｓ２ｂとＳ２ｃの和から５Ｗ’ｓを減算し、１／ｋ倍することによりＧｓが得られる。Ｗ’ｓは、Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄの平均値Ｓａｖをｋ倍した値であり、Ｓａｖは以下の式２４で表される。すなわち、以下の式２４〜２７に示す演算により、Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓの色信号が得られる。（式２４） Ｓａｖ＝（Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ）／４
（式２５） Ｒｓ＝（Ｓ２ａ−ｋＳａｖ）／ｋ
（式２６） Ｇｓ＝（（Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｃ）−５ｋＳａｖ）／ｋ
（式２７） Ｂｓ＝（Ｓ２ｄ−ｋＳａｖ）／ｋ
【0099】
なお、以上の処理は一例であり、最終的にカラー信号が得られれば、どのような処理を行ってもよい。例えば、以下の処理によってカラー信号を得てもよい。上記式２５はｋＲｓ＝Ｓ２ａ−ｋＳａに、式２７はｋＢｓ＝Ｓ２ｄ−ｋＳａｖに書き替えることができる。ｋＲｓ、ｋＢｓは、それぞれ入射光のＲ成分、Ｂ成分を表すことから、式２４で表されるＳａｖを輝度信号とし、（Ｓ２ａ−ｋＳａｖ）と（Ｓ２ｄ−ｋＳａｖ）とを色差信号とすることができる。画像信号生成部１５は、光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄから、これらの輝度信号および色差信号を生成し、それらをＲＧＢ変換することにより、カラー信号を得ることも可能である。【0100】
なお、撮像素子１０の基本構造は図７Ａ〜７Ｆ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、分光要素１ａ、１ｂの配置や構造に関して、微妙なずれや傾きを持たせたが、それはあくまで特定の画素に特定の色を集めるためであり、そのような構成に限定されない。例えば空間的にＲＧＢに分光する分光要素があれば、それを１行１列目の画素周辺に配置しＲ光のみを集光させ、２行２列目の画素周辺に配置しＢ光のみを集光させることも可能である。そうすれば、上記実施形態で示したカラー化と同様な効果を得ることができる。【0101】
以上の説明では、分光要素として、２つの部材の屈折率差を利用して分光する光学素子を用いているが、分光要素は、各光感知セルに所望の色成分の光を入射できればどのようなものであってもよい。例えば、分光要素としてマイクロプリズムやダイクロイックミラーを用いてもよい。また、異なる種類の分光要素を組み合わせて用いることも可能である。【0102】
さらに、上記の各実施形態では、ｘ方向およびｙ方向の両方について、分光が行われるが、このような構成に限定されない。例えば、ｘ方向またはｙ方向のいずれか一方に関してのみ分光が行われる構成であってもよい。具体的には、図２Ｂ、２Ｃ、図３Ｂ、３Ｃ、図７Ｂ、７Ｃに示される水平方向の分光のみ、または、図２Ｄ、２Ｅ、図３Ｄ、３Ｅ、図７Ｄ、７Ｅに示される垂直方向の分光のみが行われるように分光要素アレイ１００が構成されていてもよい。そのような構成例を図９Ａ〜９Ｃに示す。【0103】
図９Ａは、水平方向の分光のみが行われるように構成された撮像素子の基本構成例を示す図である。図９Ｂは、図９ＡにおけるＡＡ’線断面図であり、図９Ｃは、図９ＡにおけるＢＢ’線断面図である。図示されるように、この構成例では、第１の種類の分光要素１ａは、第１の光感知セル２ａと第２の光感知セル２ｂとの境界に配置される。分光要素１ａは、第１の光感知セル２ａおよび第２の光感知セル２ｂの各々のセル入射光に含まれる第１の色成分の光の一部（強度ｋＣ１）を第１の光感知セル２ａに入射させ、その補色光（強度ｋＣ１＾）を第２の光感知セル２ｂに入射させるように構成されている。一方、第２の種類の分光要素１ｂは、第３の光感知セル２ｃと第４の光感知セル２ｄとの境界に配置される。分光要素１ｂは、第３の光感知セル２ｃおよび第４の光感知セル２ｄの各々のセル入射光に含まれる第２の色成分の光の一部（強度ｋＣ２）を第４の光感知セル２ｄに入射させ、その補色光（強度ｋＣ２＾）を第３の光感知セル２ｃに入射させるように構成されている。【0104】
以上のような簡単な構成であっても、第１の色成分の光は第１の光感知セル２ａに集中し、第２の色成分の光は第４の光感知セル２ｄに集中するため、色信号Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ３ｓを得ることができる。具体的には、４つの光感知セルの信号の平均値Ｓａｖに（１−ｋ）を乗じてＷ’ｓを求め、Ｗ’ｓを第１および第２光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｄから減ずることにより、色信号Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓを得ることができる。色信号Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓが得られれば、Ｓａｖ−Ｃ１ｓ−Ｃ２ｓを計算することにより、色信号Ｃ３ｓも得ることができる。【産業上の利用可能性】
【0105】
本開示の固体撮像素子、撮像装置、方法、およびプログラムは、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。【符号の説明】
【0106】
１ａ、１ｂ 分光要素２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 撮像素子の光感知セル
４ａ、４ｂ マイクロレンズ
５ 撮像素子の配線層
６ａ、６ｂ 透明層
７ シリコン基板
９ 固定基板
１０ 撮像素子
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 赤（Ｒ）以外を反射する多層膜フィルタ（ダイクロイックミラー）
１８ 緑（Ｇ）のみを反射する多層膜フィルタ（ダイクロイックミラー）
１９ 青（Ｂ）のみを反射する多層膜フィルタ（ダイクロイックミラー）
２０ 遮光部
２１ 透光性の樹脂
２２ Ｇ光透過の多層膜フィルタ（ダイクロイックミラー）
２３ Ｒ光透過の多層膜フィルタ（ダイクロイックミラー）
２４ Ｇ光透過の有機色素フィルタ
２５ Ｒ光透過の有機色素フィルタ
２６ マイクロレンズ
２７ 金属層
３０ メモリ
４０ 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 信号処理部