特許 6039558 固体撮像装置

(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】6039558

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】固体撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/14 20060101AFI20161128BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/14 D

【請求項の数】15

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2013-525017(P2013-525017)

(86)(22)【出願日】2013年3月14日

(86)【国際出願番号】JP2013001730

(87)【国際公開番号】WO2013164902

(87)【国際公開日】20131107

【審査請求日】2015年6月30日

(31)【優先権主張番号】特願2012-105294(P2012-105294)

(32)【優先日】2012年5月2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】藤井 俊哉

(72)【発明者】

【氏名】中村 達也

(72)【発明者】

【氏名】西脇 青児

(72)【発明者】

【氏名】物部 祐亮

【審査官】 上田 智志

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／００８０７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／１５３９３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／０２６０５０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−０４１７７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１４−２７／１４８

Ｈ０４Ｎ ９／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

各々が２行２列に配列された第１の光感知セル、第２の光感知セル、第３の光感知セル、および第４の光感知セルを含む複数の単位ブロックが撮像面に２次元状に配列された光感知セルアレイであって、各単位ブロックにおいて、前記第１の光感知セルは１行１列目に配置され、前記第２の光感知セルは２行１列目に配置され、前記第３の光感知セルは１行２列目に配置され、前記第４の光感知セルは２行２列目に配置されている光感知セルアレイと、
第１の分光要素、および前記第１の分光要素とは分光特性の異なる第２の分光要素を含む分光要素アレイであって、前記第１の分光要素は、前記第１および第３の光感知セルの少なくとも一方に前記第１の分光要素の少なくとも一部が対向するように配置され、入射する光を波長に応じて前記第１および第３の光感知セルの配列方向に分離するように構成されており、前記第２の分光要素は、前記第２および第４の光感知セルの少なくとも一方に前記第２の分光要素の少なくとも一部が対向するように配置され、入射する光を波長に応じて前記第２および第４の光感知セルの配列方向に分離するように構成されている分光要素アレイと、
前記第１から第４の光感知セルを覆うように配置された光学フィルタ群であって、前記第１および第３の光感知セルを覆う部分は、前記第２および第４の光感知セルを覆う部分よりも前記撮像面に近い位置に設けられている光学フィルタ群と、
を備える固体撮像素子。

【請求項2】

前記第１の分光要素は、前記第１または第３の光感知セルに対向し、前記第１の光感知セルおよび前記第３の光感知セルに異なる波長域の光が入射するように配置され、
前記第２の分光要素は、前記第２または第４の光感知セルに対向し、前記第２の光感知セルおよび前記第４の光感知セルに異なる波長域の光が入射するように配置されている、請求項１に記載の固体撮像素子。

【請求項3】

前記第１の分光要素は、前記第３の光感知セルに第１波長域の光を入射させ、前記第１の光感知セルに前記第１波長域の光の補色光を入射させ、
前記第２の分光要素は、前記第２の光感知セルに第２波長域の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第２波長域の光の補色光を入射させる、
請求項２に記載の固体撮像素子。

【請求項4】

前記分光要素アレイは、さらに第３の分光要素および第４の分光要素を含み、
前記第１から第４の分光要素は、それぞれ前記第１から第４の光感知セルに対向して配置され、前記第１から第４の光感知セルに異なる波長域の光を入射させるように構成されている、
請求項１に記載の固体撮像素子。

【請求項5】

前記第１から第４の分光要素は、入射する光を原色光と補色光とに分離する特性、または入射光を異なる３つの波長域の光に分離する特性を有している、請求項４に記載の固体撮像素子。

【請求項6】

前記第１の分光要素は、前記第３の光感知セルに第１波長域の光を入射させ、前記第１の光感知セルに前記第１波長域の光の補色光を入射させ、
前記第３の分光要素は、前記第１の光感知セルに第２波長域の光を入射させ、前記第３の光感知セルに前記第２波長域の光の補色光を入射させる、
請求項４または５に記載の固体撮像素子。

【請求項7】

前記第１の分光要素は、前記第１の光感知セルに第１波長域の光を入射させ、前記第３の光感知セルに前記第１波長域の光の補色光を入射させ、
前記第３の分光要素は、前記第１の光感知セルに前記第１波長域の光を入射させ、前記第３の光感知セルに前記第１波長域の光の補色光を入射させる、
請求項４または５に記載の固体撮像素子。

【請求項8】

前記第２の分光要素は、前記第４の光感知セルに第３波長域の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第３波長域の光の補色光を入射させ、
前記第４の分光要素は、前記第４の光感知セルに前記第３波長域の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第３波長域の光の補色光を入射させる、
請求項５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波長域は、赤、緑、青の波長域の１つであり、前記第２波長域は、赤、緑、青の波長域の他の１つであり、前記第３波長域は、赤、緑、青の波長域の残りの１つである、請求項８に記載の固体撮像素子。

【請求項10】

前記光学フィルタ群を覆うように配置され、前記光学フィルタ群よりも高い光透過率を有する他の光学フィルタをさらに備えている請求項１から９のいずれかに記載の固体撮像素子。

【請求項11】

請求項１から１０のいずれかに記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、
前記第１から第４の光感知セルからそれぞれ出力される第１から第４の光電変換信号に基づいて色信号を生成する信号処理部と、
を備える撮像装置。

【請求項12】

前記信号処理部は、前記第１の光感知セルから出力される信号と前記第３の光感知セルから出力される信号との加算演算を含む処理によって生成される第１の輝度信号、および前記第２の光感知セルから出力される信号と前記第４の光感知セルから出力される信号との加算演算を含む処理によって生成される第２の輝度信号を生成し、前記第１の輝度信号と前記第２の輝度信号との差分結果に基づいて、前記色信号を補正する、請求項１１に記載の撮像装置。

【請求項13】

前記固体撮像素子に入射する斜め光の影響による前記第１および第３の光感知セルに入射する光の減少率を示す係数ｋ１と、前記斜め光の影響による前記第１および第２の分光要素の分光特性の低下の程度を示す係数ｋ２との相関関係を示す情報が記録された記録媒体をさらに備えている、請求項１２に記載の撮像装置。

【請求項14】

前記信号処理部は、前記第１の輝度信号と前記第２の輝度信号との差分結果、および前記相関関係を示す情報に基づいて、前記色信号を補正する、請求項１３に記載の撮像装置。

【請求項15】

前記信号処理部は、前記第１の光電変換信号と前記第３の光電変換信号との差分を示す第１の差信号と、前記第２の光電変換信号と前記第４の光電変換信号との差分を示す第２の差信号とを用いた信号演算により、第１の色差信号および第２の色差信号を生成し、前記第１の輝度信号と前記第２の輝度信号との差分結果を用いて、前記第１の色差信号および前記第２の色差信号を補正する、請求項１２から１４のいずれかに記載の撮像装置。

【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。

【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、当該技術では撮像素子への入射光が撮像面に垂直に入射することを想定したものであり、実際のカメラにこの技術を適用した場合、レンズの絞り量等によっては斜め光の発生が顕著になり得る。その結果、各光感知セルへの入射光のクロストークが増加し、色信号成分に誤差が発生するという課題がある。

【0017】

本発明の一態様は、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、かつ斜め光の発生により各光感知セルへの入射光のクロストークが増加しても、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】

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、各々が２行２列に配列された第１の光感知セル、第２の光感知セル、第３の光感知セル、および第４の光感知セルを含む複数の単位ブロックが撮像面に２次元状に配列された光感知セルアレイであって、各単位ブロックにおいて、前記第１の光感知セルは１行１列目に配置され、前記第２の光感知セルは２行１列目に配置され、前記第３の光感知セルは１行２列目に配置され、前記第４の光感知セルは２行２列目に配置されている光感知セルアレイと、第１の分光要素、および前記第１の分光要素とは分光特性の異なる第２の分光要素を含む分光要素アレイであって、前記第１の分光要素は、前記第１および第３の光感知セルの少なくとも一方に前記第１の分光要素の少なくとも一部が対向するように配置され、入射する光を波長に応じて前記第１および第３の光感知セルの配列方向に分離するように構成されており、前記第２の分光要素は、前記第２および第４の光感知セルの少なくとも一方に前記第２の分光要素の少なくとも一部が対向するように配置され、入射する光を波長に応じて前記第２および第４の光感知セルの配列方向に分離するように構成されている分光要素アレイと、前記第１から第４の光感知セルを覆うように配置された光学フィルタ群であって、前記第１および第３の光感知セルを覆う部分は、前記第２および第４の光感知セルを覆う部分よりも前記撮像面に近い位置に設けられている光学フィルタ群とを備える。

【0019】

本発明の一態様に係る撮像装置は、上記の固体撮像素子と、前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、前記第１から第４の光感知セルからそれぞれ出力される第１から第４の光電変換信号に基づいて色信号を生成する信号処理部とを備える。

【0020】

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】

【0021】

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、斜め光の発生により各光感知セルへの入射光のクロストークが増加しても、色再現性の良好なカラー撮像が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本開示の一実施形態による固体撮像素子における光感知セルアレイ２００および分光要素アレイ１００との配置関係を模式的に示す斜視図である。

【図2A】本開示の一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2B】図２ＡにおけるＡ−Ａ’線断面図である。

【図2C】図２ＡにおけるＢ−Ｂ’線断面図である。

【図2D】図２ＡにおけるＣ−Ｃ’線断面図である。

【図2E】図２ＡにおけるＤ−Ｄ’線断面図である。

【図2F】垂直斜め光の影響を考慮した場合に光感知セル２ａ〜２ｄが受ける光を示す図である。

【図2G】垂直斜め光および水平斜め光の影響を考慮した場合に光感知セル２ａ〜２ｄが受ける光を示す図である。

【図3】例示的な実施形態１の撮像装置の概略構成を示すブロック図である。

【図4】例示的な実施形態１におけるレンズと撮像素子を模式的に示す図である。

【図5】例示的な実施形態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6A】例示的な実施形態１における撮像素子の基本構造を示す平面図である。

【図6B】図６ＡにおけるＡ−Ａ´線断面図である。

【図6C】図６ＡにおけるＢ−Ｂ´線断面図である。

【図6D】例示的な実施形態１における各光感知セルに入射する光の強度を示す図である。

【図7】例示的な実施形態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8A】例示的な実施形態２における撮像素子の基本構造を示す平面図である。

【図8B】図８ＡにおけるＣ−Ｃ´線断面図である。

【図8C】図８ＡにおけるＤ−Ｄ´線断面図である。

【図8D】例示的な実施形態２における各光感知セルに入射する光の強度を示す図である。

【図9】分光要素の他の例を示す図である。

【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】

【0023】

本発明の例示的な実施形態の概要は以下の通りである。

【0024】

（１）本発明の一態様に係る固体撮像素子は、各々が２行２列に配列された第１の光感知セル、第２の光感知セル、第３の光感知セル、および第４の光感知セルを含む複数の単位ブロックが撮像面に２次元状に配列された光感知セルアレイであって、各単位ブロックにおいて、前記第１の光感知セルは１行１列目に配置され、前記第２の光感知セルは２行１列目に配置され、前記第３の光感知セルは１行２列目に配置され、前記第４の光感知セルは２行２列目に配置されている光感知セルアレイと、第１の分光要素、および前記第１の分光要素とは分光特性の異なる第２の分光要素を含む分光要素アレイであって、前記第１の分光要素は、前記第１および第３の光感知セルの少なくとも一方に前記第１の分光要素の少なくとも一部が対向するように配置され、入射する光を波長に応じて前記第１および第３の光感知セルの配列方向に分離するように構成されており、前記第２の分光要素は、前記第２および第４の光感知セルの少なくとも一方に前記第２の分光要素の少なくとも一部が対向するように配置され、入射する光を波長に応じて前記第２および第４の光感知セルの配列方向に分離するように構成されている分光要素アレイと、前記第１から第４の光感知セルを覆うように配置された光学フィルタ群であって、前記第１および第３の光感知セルを覆う部分は、前記第２および第４の光感知セルを覆う部分よりも前記撮像面に近い位置に設けられている光学フィルタ群とを備える。

【0025】

（２）ある態様において、前記第１の分光要素は、前記第１または第３の光感知セルに対向し、前記第１の光感知セルおよび前記第３の光感知セルに異なる波長域の光が入射するように配置され、前記第２の分光要素は、前記第２または第４の光感知セルに対向し、前記第２の光感知セルおよび前記第４の光感知セルに異なる波長域の光が入射するように配置されている。

【0026】

（３）項目（２）に記載の固体撮像素子のある態様において、前記第１の分光要素は、前記第３の光感知セルに第１波長域の光を入射させ、前記第１の光感知セルに前記第１波長域の光の補色光を入射させ、前記第２の分光要素は、前記第２の光感知セルに第２波長域の光を入射させ、前記第４の光感知セルに前記第２波長域の光の補色光を入射させる。

【0027】

（４）項目（１）に記載の固体撮像素子のある態様において、前記分光要素アレイは、さらに第３の分光要素および第４の分光要素を含み、前記第１から第４の分光要素は、それぞれ前記第１から第４の光感知セルに対向して配置され、前記第１から第４の光感知セルに異なる波長域の光を入射させるように構成されている。

【0028】

（５）項目（４）に記載の固体撮像素子のある態様において、前記第１から第４の分光要素は、入射する光を原色光と補色光とに分離する特性、または入射光を異なる３つの波長域の光に分離する特性を有している。

【0029】

（６）項目（４）または（５）に記載の固体撮像素子のある態様において、前記第１の分光要素は、前記第３の光感知セルに第１波長域の光を入射させ、前記第１の光感知セルに前記第１波長域の光の補色光を入射させ、前記第３の分光要素は、前記第１の光感知セルに第２波長域の光を入射させ、前記第３の光感知セルに前記第２波長域の光の補色光を入射させる。

【0030】

（７）項目（４）から（６）のいずれかに記載の固体撮像素子のある態様において、前記第１の分光要素は、前記第１の光感知セルに第１波長域の光を入射させ、前記第３の光感知セルに前記第１波長域の光の補色光を入射させ、前記第３の分光要素は、前記第１の光感知セルに前記第１波長域の光を入射させ、前記第３の光感知セルに前記第１波長域の光の補色光を入射させる。

【0031】

（８）項目（５）から（７）のいずれかに記載の固体撮像素子のある態様において、前記第２の分光要素は、前記第４の光感知セルに第３波長域の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第３波長域の光の補色光を入射させ、前記第４の分光要素は、前記第４の光感知セルに前記第３波長域の光を入射させ、前記第２の光感知セルに前記第３波長域の光の補色光を入射させる。

【0032】

（９）項目（８）に記載の固体撮像素子のある態様において、前記第１波長域は、赤、緑、青の波長域の１つであり、前記第２波長域は、赤、緑、青の波長域の他の１つであり、前記第３波長域は、赤、緑、青の波長域の残りの１つである。

【0033】

（１０）項目（１）から（９）のいずれかに記載の固体撮像素子のある態様において、前記光学フィルタ群を覆うように配置され、前記光学フィルタ群よりも高い光透過率を有する他の光学フィルタをさらに備えている。

【0034】

（１１）本発明の一態様に係る撮像装置は、項目（１）から（１０）のいずれかに記載の固体撮像素子と、前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、前記第１から第４の光感知セルからそれぞれ出力される第１から第４の光電変換信号に基づいて色信号を生成する信号処理部とを備える。

【0035】

（１２）項目（１１）に記載の撮像装置のある態様において、前記信号処理部は、前記第１の光感知セルから出力される信号と前記第３の光感知セルから出力される信号との加算演算を含む処理によって生成される第１の輝度信号、および前記第２の光感知セルから出力される信号と前記第４の光感知セルから出力される信号との加算演算を含む処理によって生成される第２の輝度信号を生成し、前記第１の輝度信号と前記第２の輝度信号との差分結果に基づいて、前記色信号を補正する。

【0036】

（１３）項目（１２）に記載の撮像装置のある態様において、前記固体撮像素子に入射する斜め光の影響による前記第１および第３の光感知セルに入射する光の減少率を示す係数ｋ１と、前記斜め光の影響による前記第１および第２の分光要素の分光特性の低下の程度を示す係数ｋ２との相関関係を示す情報が記録された記録媒体をさらに備えている。

【0037】

（１４）項目（１３）に記載の撮像装置のある態様において、前記信号処理部は、前記第１の輝度信号と前記第２の輝度信号との差分結果、および前記相関関係を示す情報に基づいて、前記色信号を補正する。

【0038】

（１５）項目（１２）から（１４）のいずれかに記載の撮像装置のある態様において、前記信号処理部は、前記第１の光電変換信号と前記第３の光電変換信号との差分を示す第１の差信号と、前記第２の光電変換信号と前記第４の光電変換信号との差分を示す第２の差信号とを用いた信号演算により、第１の色差信号および第２の色差信号を生成し、前記第１の輝度信号と前記第２の輝度信号との差分結果を用いて、前記第１の色差信号および前記第２の色差信号を補正する。

【0039】

以下、本開示の実施形態を具体的に説明する。

【0040】

特許文献５に開示された技術では、光が撮像素子の撮像面に垂直に入射することを想定しているため、実際のカメラにこの技術を適用した場合、斜め光の影響により、信号処理によって生成される色信号に誤差が生じ得る。例えば絞り量を大きくすることによって画像のボケの程度が増加したとき、本来白色になるべき被写体が赤く着色されるといった現象が生じ得る。この現象は、絞りの開口を大きくするほど撮像素子に入射する光に占める斜め光の割合が増加するため、各光感知セルに入射する光の波長域ごとの強度分布が想定からずれることに起因している。

【0041】

本願発明者らは、上記の課題を新たに見出し、特許文献５に開示された構成とは異なる光学系および信号処理を利用することにより、この課題を解決できることを見出した。以下、図１、２Ａ〜２Ｇを参照しながら、本開示の実施形態における基本原理を説明する。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。

【0042】

本開示の実施形態による固体撮像素子（以下、単に「撮像素子」と呼ぶことがある。）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。

【0043】

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。本開示の実施形態では、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。

【0044】

以下、図２Ａ〜図２Ｅを参照しながら、撮像素子１０の基本構造を説明する。

【0045】

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、同図において、１１ａは可視光のみを透過させる第１の光学フィルタである。この光学フィルタ１１ａは、光感知セル２ａ〜２ｄを覆うように配置され、光感知セルアレイ２００および分光要素アレイ１００に対して垂直方向に１行おきに撮像面からの距離を変えて配置されている。すなわち、第１の光学フィルタ１１ａにおいて、光感知セル２ａ、２ｂを覆う部分は、光感知セル２ｃ、２ｄを覆う部分よりも撮像面に近い位置に設けられている。同図には示していないが、撮像素子１０の前面に、可視光のみを透過させる第２の光学フィルタが配置されている。第２の光学フィルタは可視光を殆ど透過させるように設計されており、第１の光学フィルタは第２の光学フィルタよりも透過率が低い。なお、第２の光学フィルタは、入射光に含まれる可視光以外の成分を除去するために設けられるが、必ずしも必要というわけではない。

【0046】

図２Ｂ、２Ｃは、それぞれ図２ＡにおけるＡＡ´線断面、ＢＢ´線断面を模式的に示す図である。図２Ｂ、２Ｃは、撮像素子１０に入射した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。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。

【0047】

図２Ｄ、２Ｅは、それぞれ図２ＡにおけるＣ−Ｃ´線断面、Ｄ−Ｄ´線断面を模式的に示す図である。撮像素子１０に入射した光は、垂直方向に関しては、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するわけではなく、そのまま直進する。図２Ｄ、２Ｅは、そのような光の入射の様子を示している。ここで、光学絞りの開口により斜め光が入射した場合、光線ＬＬ’のように第１の光学フィルタ１１ａ間の隙間を透過して光感知セルに入射する光も発生することになる。その結果、光感知セル２ａ、２ｂでは本来入射するはずの光を損失するため、受光量が減少し、逆に光感知セル２ｃ、２ｄでは受光量が増加することになる。

【0048】

まず最初に、第１の光学フィルタが無く、撮像素子への入射光が垂直に入射するものと仮定した場合の各光感知セルが受ける光の強度（光量）を説明する。ここでは、光の強度を記号を用いて表す。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。

【0049】

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。

【0050】

以上を前提として、本実施形態における分光要素アレイ１００の働きを説明する。第１の光学フィルタ１１ａが無く、撮像素子１０へ光が撮像面に垂直に入射することを仮定すれば、分光要素アレイ１００は、第１の光感知セル２ａのセル入射光（強度Ｗ）から第１の色成分の補色光（強度Ｃ１＾）を除いた光に第１の色成分の光（強度Ｃ１）を加えた光を第１の光感知セル２ａに入射させる。また、第２の光感知セル２ｂのセル入射光（強度Ｗ）から第１の色成分の光（強度Ｃ１）を除いた光に第１の色成分の補色光（強度Ｃ１＾）を加えた光を第２の光感知セル２ｂに入射させる。さらに、第３の光感知セル２ｃのセル入射光（強度Ｗ）から第３の色成分の光（強度Ｃ３）を除いた光に第３の色成分の補色光（強度Ｃ３＾）を加えた光を第３の光感知セル２ｃに入射させる。また、第４の光感知セル２ｄのセル入射光（強度Ｗ）から第３の色成分の補色光（強度Ｃ３＾）を除いた光に第３の色成分の光（強度Ｃ３）を加えた光を第４の光感知セル２ｄに入射させる。図２Ｂ〜２Ｅには、この場合に光感知セル２ａ〜２ｄが受ける光の強度が記号で示されている。光感知セル２ａ〜２ｄは、受光量に応じた光電変換信号（画素信号）を出力するように構成されているので、これらの信号間演算により、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を示す信号、すなわち色信号が得られる。

【0051】

しかしながら、実際には斜め光の影響を考慮する必要がある。垂直方向の斜め光が発生すると、光感知セル２ａと２ｂでは、その影響で本来入射するはずの光を損失するため、入射光量が（１−ｋ１）倍となる。一方、光感知セル２ｃと２ｄでは、行ごとに撮像面からの距離が異なる第１の光学フィルタの隙間からの入射光の影響により、入射光量が（１＋ｋ１）倍となる。ここで、係数ｋ１は、０＜ｋ１＜１を満たす実数である。その結果、光感知セルアレイ２００全体で考えると、奇数行目の画素配列部と偶数行目の画素配列部とで入射光量に差が発生する。図２Ｆは、この場合に光感知セル２ａ〜２ｄが受ける光を示している。さらに水平方向の光感知セル間でも斜め光によるクロストークの影響で光の混合が増し、色の分離性が低下する。すなわち、分光要素アレイ２００による図２Ｂに示すＣ１光とＣ１＾光の分離、および図２Ｃに示すＣ３光とＣ３＾光の分離が不完全になり、その結果、実際に生成される色信号と期待される信号との間に誤差が生じる。図２Ｇは、この影響を考慮した場合に光感知セル２ａ〜２ｄが受ける光を示している。ここで、ｋ２は、０＜ｋ２＜１を満たす実数であり、後述するように分光の緩和の程度を表す係数である。

【0052】

以上の構成で、斜め光発生の影響を考慮した信号処理について説明する。まず、斜め光発生の影響が撮像の垂直方向のみに影響すると仮定する。光感知セル２ａ、２ｂでは、それぞれＷ−Ｃ１＾＋Ｃ１、Ｗ−Ｃ１＋Ｃ１＾の（１−ｋ１）倍、光感知セル２ｃ、２ｄでは、それぞれＷ−Ｃ３＋Ｃ３＾、Ｗ−Ｃ３＾＋Ｃ３の（１＋ｋ１）倍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。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＝（１−ｋ１）（Ｗｓ−Ｃ１＾ｓ＋Ｃ１ｓ）＝２（１−ｋ１）Ｃ１ｓ
（式２） Ｓ２ｂ＝（１−ｋ１）（Ｗｓ−Ｃ１ｓ＋Ｃ１＾ｓ）＝２（１−ｋ１）Ｃ１＾ｓ
（式３） Ｓ２ｃ＝（１＋ｋ１）（Ｗｓ−Ｃ３ｓ＋Ｃ３＾ｓ）＝２（１＋ｋ１）Ｃ３＾ｓ
（式４） Ｓ２ｄ＝（１＋ｋ１）（Ｗｓ−Ｃ３＾ｓ＋Ｃ３ｓ）＝２（１＋ｋ１）Ｃ３ｓ

【0053】

信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂの差分をＤ１とし、信号Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄの差分をＤ２とすると、Ｄ１、Ｄ２は、それぞれ以下の式５、６で表される。
（式５） Ｄ１＝Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ＝２（１−ｋ１）（Ｃ１ｓ−Ｃ１＾ｓ）
（式６） Ｄ２＝Ｓ２ｄ−Ｓ２ｃ＝２（１＋ｋ１）（Ｃ３ｓ−Ｃ３＾ｓ）

【0054】

ここで、さらに斜め光発生の水平方向への影響を考える。斜め光発生の影響に関しては、上記のようにクロストークの影響で光の混合が増し、色の分離性が低下する。すなわち、その影響により上記Ｄ１、Ｄ２の絶対値が減少する。その減少の程度を記号ｋ２で表すと、Ｄ１、Ｄ２は、それぞれ以下の式７、８で表される。
（式７） Ｄ１＝ｋ２（Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ）＝２ｋ２（１−ｋ１）（Ｃ１ｓ−Ｃ１＾ｓ）
（式８） Ｄ２＝ｋ２（Ｓ２ｄ−Ｓ２ｃ）＝２ｋ２（１＋ｋ１）（Ｃ３ｓ−Ｃ３＾ｓ）

【0055】

なお、式７、８において信号（Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ）、（Ｓ２ｄ−Ｓ２ｃ）をｋ２倍することは、式１〜４におけるＣ１ｓ、Ｃ１＾ｓ、Ｃ３ｓ、Ｃ３＾ｓのそれぞれをｋ２倍することに相当する。すなわち、式１〜４の代わりに以下の式９〜式１２を用いることに相当する。
（式９） Ｓ２ａ＝（１−ｋ１）（Ｗｓ−ｋ２・Ｃ１＾ｓ＋ｋ２・Ｃ１ｓ）＝（１−ｋ１）｛（１−ｋ２）Ｗｓ＋２ｋ２・Ｃ１ｓ｝
（式１０） Ｓ２ｂ＝（１−ｋ１）（Ｗｓ−ｋ２・Ｃ１ｓ＋ｋ２・Ｃ１＾ｓ）＝（１−ｋ１）｛（１−ｋ２）Ｗｓ＋２ｋ２・Ｃ１＾ｓ｝
（式１１） Ｓ２ｃ＝（１＋ｋ１）（Ｗｓ−ｋ２・Ｃ３ｓ＋ｋ２・Ｃ３＾ｓ）＝（１＋ｋ１）｛（１＋ｋ２）Ｗｓ＋２ｋ２・Ｃ３＾ｓ｝
（式１２） Ｓ２ｄ＝（１＋ｋ１）（Ｗｓ−ｋ２・Ｃ３＾ｓ＋ｋ２・Ｃ３ｓ）＝（１＋ｋ１）｛（１＋ｋ２）Ｗｓ＋２ｋ２・Ｃ３ｓ｝

【0056】

さらに、Ｃ１＾ｓ＝Ｗｓ−Ｃ１ｓ、Ｃ３＾ｓ＝Ｗｓ−Ｃ３ｓの関係により、式７、８からそれぞれ以下の式１３、１４が得られる。
（式１３） Ｄ１＝２ｋ２（１−ｋ１）（２Ｃ１ｓ−Ｗｓ）
（式１４） Ｄ２＝２ｋ２（１＋ｋ１）（２Ｃ３ｓ−Ｗｓ）
式１３、１４で表される信号Ｄ１、Ｄ２は、色差信号として用いることができる。

【0057】

一方、Ｓ２ａとＳ２ｂとの加算、Ｓ２ｃとＳ２ｄとの加算、およびＳ２ａ〜Ｓ２ｄの加算のいずれかの演算により、以下の式１５〜１７に示すように、最大でセル入射光の強度Ｗの４倍に相当する信号が得られる。これらの信号は、入射光の損失を大幅に抑えて光電変換されたものであり、特に式１７を輝度信号として利用すれば、画像の感度としては理想的である。
（式１５） Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝２（１−ｋ１）Ｗｓ
（式１６） Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝２（１＋ｋ１）Ｗｓ
（式１７） Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝４Ｗｓ

【0058】

式１５〜式１７のいずれかの演算によって求められる輝度信号と、式１３、１４によって求められる２つの色差信号が得られれば、行列演算により、カラー信号Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ３ｓ（例えばＲＧＢ信号）を求めることができる。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。

【0059】

ここで、式１３、１４で表される色差信号Ｄ１、Ｄ２は、斜め光発生の影響を受けるが、ｋ１、ｋ２、が分かれば、それらの影響がない場合の信号を逆に求めることができる。以下、それらの係数の求め方の例を説明する。ｋ１については、信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄの値を式１５、１６に代入後、式１５に示す信号と式１６に示す信号との差分をとり、その差分を式１７に示す信号で除算することによりＷｓを消去すれば、以下の式１８に示すように求めることができる。
（式１８） ｋ１＝（Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ−Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ）／（Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ）

【0060】

ところで、ｋ１、ｋ２は共に斜め光の影響によって決まる係数であり、ｋ１とｋ２には相関関係がある。そこで、ｋ２については、予め、次のシミュレーションあるいは実験によってｋ１とｋ２の関係を求めておき、ｋ１の値に応じてｋ２の値を生成する。最初に、濃淡模様のない白の被写体を用意し、当該被写体を撮像する際に、入射光が撮像素子１０にほぼ垂直に入射するように光学絞り等の光学系を調整する。また、入射光量を調整するためのＮＤフィルタを光路上に配置する。この状態で信号|Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ|／（Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ）、あるいは信号|Ｓ２ｃ−Ｓ２ｂ|／（Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ）を算出し、この値をＥｓとする。次に、光学絞りの値を小さくするなどの操作とＮＤフィルタの透過率を変えるなどの操作により、受光量は同じであるが撮像素子への光の入射状態を変えて撮像を行い、信号|Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ|／（Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ）、あるいは信号|Ｓ２ｃ−Ｓ２ｂ|／（Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ）を算出する。この値をＥｘとし、ｋ２＝Ｅｘ／Ｅｓとする。また、式１８を用いてｋ１の値も算出する。以上の操作を入射光の状態を変えながら繰り返し、ｋ１とｋ２の関係を求め、データベース化する、あるいは定式化する。このようにして得られたデータベースまたは関数を利用すれば、ｋ１の値に応じてｋ２の値を生成できる。

【0061】

本実施形態の撮像素子１０によれば、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上、斜め光の発生により各光感知セルへの入射光のクロストークが増加しても、その影響を補正できる。その結果、光の損失を低減させることができ、撮像感度を高めること、および良好な色再現性を実現できる。

【0062】

なお、図１および図２Ｂ、Ｃ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１００は、空間的に分離した複数の分光要素の集合体であり得る。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やマイクロプリズムなどが用いられ得る。分光要素アレイ１００は、上記の式１〜４あるいは式９〜１２で表される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。

【0063】

また、上記の例では、分光要素アレイ１００は、図２Ｇにおける１行目に関しては入射光をＣ１光とその補色光であるＣ１＾光に分け、２行目に関しては入射光をＣ３光とその補色光であるＣ３＾光に分けているが、分光の仕方はこの例に限定されない。光感知セル２ａ〜２ｄが互いに異なる分光分布の光を受けるように分光要素アレイ１００が構成されていればよい。例えば、光感知セル２ａ〜２ｄが、以下の式１９〜２２に示す信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄをそれぞれ出力するように分光要素アレイ１００が構成されていてもよい。
（式１９） Ｓ２ａ＝（１＋ｋ１−ｋ２）（Ｗｓ−ｋ２Ｃ１ｓ＋ｋ２Ｃ２ｓ）
（式２０） Ｓ２ｂ＝（１＋ｋ１−ｋ２）（Ｗｓ−ｋ２Ｃ２ｓ＋ｋ２Ｃ１ｓ）
（式２１） Ｓ２ｃ＝（１−ｋ１＋ｋ２）（Ｗｓ−ｋ２Ｃ３ｓ＋ｋ２Ｃ３ｓ＾）
（式２２） Ｓ２ｄ＝（１−ｋ１＋ｋ２）（Ｗｓ−ｋ２Ｃ３ｓ＾＋ｋ２Ｃ３ｓ）

【0064】

このような信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄが出力される場合の具体例は、以下の実施形態１において説明する。

【0065】

以下、図３から図８を参照しながら、より具体的な実施形態を説明する。以下の説明において、共通または対応する要素には同一の符号を付している。

【0066】

（実施形態１）
図３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。

【0067】

撮像部３００は、被写体を結像するための光学レンズ１２、光学絞り５０と、光学フィルタ１１ｂと、光学レンズ１２および光学フィルタ１１ｂ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１１ｂ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。

【0068】

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。

【0069】

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、それらの説明は本実施形態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。

【0070】

以下、本実施形態における固体撮像素子１０を説明する。

【0071】

図４は、露光中にレンズ１２を透過した光が撮像素子１０に入射する様子を模式的に示す図である。図４では、簡単のためレンズ１２および撮像素子１０以外の構成要素の記載は省略されている。また、レンズ１２は、一般には光軸方向に並んだ複数のレンズによって構成され得るが、簡単のため、単一のレンズとして描かれている。撮像素子１０の撮像面１０ａには、２次元状に配列された複数の光感知セル（画素）を含む光感知セルアレイ２００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、光学絞り５０、および光学フィルタ１１ｂ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。また、光学絞り５０の絞り値が大きいほど斜め光が多くなり、絞り値が小さいほど斜め光が少なくなる。

【0072】

図５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、同図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。各単位ブロックに含まれる４つの光感知セル２ａ〜２ｄは、同図に示すように、互いに近接しているが、これらが離れていても、後述する分光要素アレイ１００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。

【0073】

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１００が配置される。本実施形態では、各単位ブロックに含まれる４つの光感知セルに対して各々１つずつ分光要素が設けられる。

【0074】

以下、本実施形態における分光要素を説明する。

【0075】

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。

【0076】

以上のような分光要素を有する分光要素アレイ１００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。

【0077】

以下、図６Ａ〜６Ｄ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。

【0078】

図６Ａ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の各々に対向して分光要素１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄがそれぞれ配置されている。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。また、同図において、１１ａは可視光のみを透過させる光学フィルタで、光感知セルアレイ２００および分光要素アレイ１００に対して垂直方向に１行おきに撮像面からの距離を変えて配置されている。撮像素子１０の前面には、可視光のみを透過させる光学フィルタ１１ｂが配置されている。以下、光学フィルタ１１ａを「第１の光学フィルタ」と呼び、光学フィルタ１１ｂを「第２の光学フィルタ」と呼ぶことがある。第２の光学フィルタ１１ｂは可視光を殆ど透過させるように設計されており、第１の光学フィルタ１１ａは第２の光学フィルタ１１ｂよりも透過率が低い。

【0079】

図６Ｂ、６Ｃは、図６ＡにおけるＡ−Ａ´線断面およびＢ−Ｂ´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の内部に配置された光感知セル２ａ〜２ｄと、半導体基板７の表面側（光が入射する側）に形成された配線層５および低屈折率透明部材からなる透明層６ａと、透明層６ａの内部に配置された高屈折率透明部材からなる分光要素１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとを備えている。

【0080】

図６Ａ〜６Ｃ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６Ａ〜６Ｃに示される撮像素子１０は、配線層５の側から各光感知セルに光が入射する表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の反対側から光を受ける裏面照射型の構造を有していてもよい。

【0081】

分光要素１ａ、１ｂは、図６Ｂ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、対向する光感知セル２ａに黄（Ｗ−Ｂ）光を入射させ、光感知セル２ｂ、および隣接する単位ブロックに含まれる光感知セル（不図示）に青（Ｂ）光を半分ずつ入射させる。ここで、黄光を（Ｗ−Ｂ）で表したが、本明細書においてＹｅで表す場合もある。黄光は赤（Ｒ）光および緑（Ｇ）光から成る光である。一方、分光要素１ｂは、対向する光感知セル２ｂにシアン（Ｗ−Ｒ）光を入射させ、光感知セル２ａ、および隣接する他の単位ブロックに含まれる光感知セル（不図示）にＲ光を半分ずつ入射させる。ここで、シアン光を（Ｗ−Ｒ）で表したが、本明細書においてＣｙで表す場合もある。シアン光は緑（Ｇ）光および青（Ｂ）光から成る光である。本実施形態では、分光要素１ａ、１ｂが上記の分光特性をもつように分光要素１ａ、１ｂの長さおよび厚さが設計されている。なお、一般に入射光に含まれるＲ光およびＧ光の強度は必ずしも一致しないため、Ｙｅ光は赤と緑の混色である黄色を視認させる光であるとは限らない。同様に、一般に入射光に含まれるＧ光およびＢ光の強度は必ずしも一致しないため、Ｃｙ光は、緑と青の混色であるシアン色を視認させる光であるとは限らない。例えば、セル入射光がＢ光を全く含んでいない場合、Ｃｙ光は、Ｇ光と同様、緑色を視認させる光である。

【0082】

このような分光要素１ａ、１ｂを用いることにより、光感知セル２ａは、分光要素１ａからＹｅ光（Ｗ−Ｂ）を受け、分光要素１ｂ、および隣接する単位ブロックに含まれる分光要素からもＲ光を半分ずつ受ける。また、光感知セル２ｂは、分光要素１ｂからＣｙ光（Ｗ−Ｒ）を受け、分光要素１ａ、および隣接する単位ブロックに含まれる分光要素（不図示）からもＢ光を半分ずつ受ける。

【0083】

また、分光要素１ｃ、１ｄも、図６Ｃ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１ｃは、対向する光感知セル２ｃにマゼンタ（Ｗ−Ｇ）光を入射させ、光感知セル２ｄ、および隣接する単位ブロックに含まれる光感知セル（不図示）に緑（Ｇ）光を半分ずつ入射させる。ここで、マゼンタ光を（Ｗ−Ｇ）で表したが、本明細書においてＭで表すこともある。マゼンタ光は赤（Ｒ）光と青（Ｂ）光から成る光である。一方、分光要素１ｄは、対向する光感知セル２ｄに緑（Ｗ−Ｍ）光を入射させ、光感知セル２ｃ、および隣接する他の単位ブロックに含まれる光感知セル（不図示）にマゼンタ（Ｍ）光を半分ずつ入射させる。ここで、緑光は（Ｗ−Ｍ）あるいはＧで表わされる。本実施形態では、分光要素１ｃ、１ｄが上記の分光特性をもつように分光要素１ｃ、１ｄの長さおよび厚さが設計されている。なお、Ｒ光およびＢ光の強度は必ずしも一致しないため、マゼンタ光は、赤と青の混色である色を視認させる光であるとは限らない。例えば、セル入射光がＢ光を全く含んでいない場合、Ｍ光は、Ｒ光と同様、赤色を視認させる光である。

【0084】

上記の分光要素１ａ〜１ｄによる分光の結果、光学フィルタ１１ａの影響および光学絞り５０の開口に伴う斜め光の影響を無視すれば、光感知セル２ａ〜２ｄは、図６Ｂ、６Ｃに示されているように、それぞれ（Ｗ−Ｂ＋Ｒ）、（Ｗ−Ｒ＋Ｂ）、（Ｗ−Ｇ＋Ｍ）、（Ｗ−Ｍ＋Ｇ）で表される強度の光を受ける。しかし、実際には第１の光学フィルタ１１ａの影響、さらには光学絞り５０の開口による斜め光の影響を受けるため、光感知セル２ａ〜２ｄには、図６Ｄに示す光が入射する。但し、ｋ１、ｋ２は第１の光学フィルタ１１ａの形状や配置等の構造および斜め光の影響によって決まる係数である。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で表す。また、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、マゼンタ光の強度に相当する信号ＭｓをＲｓ＋Ｂｓ、白光の強度に相当する信号ＷｓをＲｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓとする。すると、光感知セル２ａ〜２ｄは、それぞれ以下の式２３〜２６で表される光電変換信号２ａ〜２ｄを出力する。
（式２３）Ｓ２ａ＝（１−ｋ１）（Ｗｓ−ｋ２・Ｂｓ＋ｋ２・Ｒｓ）
（式２４）Ｓ２ｂ＝（１−ｋ１）（Ｗｓ−ｋ２・Ｒｓ＋ｋ２・Ｂｓ）
（式２５）Ｓ２ｃ＝（１＋ｋ１）（Ｗｓ−ｋ２・Ｇｓ＋ｋ２・Ｍｓ）
（式２６）Ｓ２ｄ＝（１＋ｋ１）（Ｗｓ−ｋ２・Ｍｓ＋ｋ２・Ｇｓ）

【0085】

これらの式２３〜２６は、式１９〜２２において、Ｃ１ｓ＝Ｂｓ、Ｃ２ｓ＝Ｒｓ、Ｃ３ｓ＝Ｇｓとした場合の式に相当する。画像信号生成部１５（図３）は、式２３〜２６で示される光電変換信号を用いた演算によって色情報を生成する。以下、図７を参照しながら、画像信号生成部１５による色情報生成処理の例を説明する。図７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。

【0086】

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−Ｓ２ｂ）の演算によって信号２（１−ｋ１）ｋ２（Ｒｓ−Ｂｓ）を、（Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄ）の演算によって信号２（１＋ｋ１）ｋ２（Ｍｓ−Ｇｓ）を生成する。次に、ステップ１４において、それら差分信号を加減算し、以下の式２７、２８に示す色差信号Ｄ１１、Ｄ１２を生成する。
（式２７）Ｄ１１＝（Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ）＋（Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄ）
＝２ｋ２（１−ｋ１）（Ｒｓ−Ｂｓ）＋２ｋ２（１＋ｋ１）（Ｒｓ＋Ｂｓ−Ｇｓ）
＝２ｋ２｛（２Ｒｓ―Ｇｓ）＋ｋ１（２Ｂｓ―Ｇｓ）｝
（式２８）Ｄ１２＝（Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄ）−（Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ）
＝２ｋ２（１＋ｋ１）（Ｒｓ＋Ｂｓ−Ｇｓ）−２ｋ２（１−ｋ１）（Ｒｓ−Ｂｓ）
＝２ｋ２｛（２Ｂｓ―Ｇｓ）＋ｋ１（２Ｒｓ―Ｇｓ）｝

【0087】

次に、ステップＳ１６において、Ｓ２ａとＳ２ｂの加算、およびＳ２ｃとＳ２ｄとの加算処理により、以下の式２９、３０に示す加算信号２（１−ｋ１）Ｗｓと２（１＋ｋ１）Ｗｓとをそれぞれ生成する。
（式２９） Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝２（１−ｋ１）Ｗｓ
（式３０） Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝２（１＋ｋ１）Ｗｓ

【0088】

次に、ステップＳ１８において、これらの加算信号同士の差分結果、および予めデータ化したｋ１とｋ２の相関結果を用いて色差信号Ｄ１１、Ｄ１２を補正し、色差信号２（２Ｒｓ−Ｇｓ）、２（２Ｂｓ−Ｇｓ）を生成する。ここで、ｋ１とｋ２との相関関係を示すデータベースまたは関数は、予めメモリ３０等の記録媒体に記録されている。

【0089】

次に、ステップＳ２０において、画素信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｄを合算することによってセル入射光の強度を示す信号４（Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ）＝４Ｗｓを生成し、これを輝度信号とする。最後に、ステップＳ２２において、２つの色差信号と１つの輝度信号から行列演算によりＲＧＢカラー信号、すなわちＲｓ、Ｇｓ、Ｂｓを得る。

【0090】

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２００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。ここで、単位ブロック４０の撮像面上の位置によって斜め光の割合や入射方向が異なるため、係数ｋ１、ｋ２は、単位ブロック４０によって異なる値に設定してもよい。単位ブロック４０の位置に応じてこれらの係数を適正な値に設定することにより、色再現性をさらに向上させることができる。

【0091】

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およびｋ１、ｋ２を用いた色信号の補正処理により、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上、光学絞り等による斜め光の発生があっても良好な色再現性を実現できる。

【0092】

以上のように、本実施形態の撮像素子１０では、光感知セルアレイ２００に対向して２行２列を基本構成とする分光要素アレイ１００が配置される。光感知セルアレイ１００の上部に第１の光学フィルタが、垂直方向の画素ピッチで当該方向に光感知セルとの距離を変えて配置される。分光要素アレイにおいて、１行１列目には光を青光と青光以外とに分ける分光要素１ａが配置される。１行２列目には光を赤光と赤光以外とに分ける分光要素１ｂが配置される。２行１列目には光を緑光と緑光以外とに分ける分光要素１ｃが配置される。２行２列目には光をマゼンタ光（すなわち緑光以外）とマゼンタ光以外（すなわち緑光）とに分ける分光要素１ｄが配置される。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２３〜２６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、高解像度のカラー画像を生成することが可能である。さらに信号処理によって得られる係数ｋ１、および予め実験などによって求められたｋ１とｋ２との相関関係に基づいてｋ１から得られる係数ｋ２を用いて色信号を補正することにより、斜め光によるクロストークの影響の除去も可能である。

【0093】

なお、画像信号生成部１５は、必ずしも３つの色成分の画像信号を全て生成しなくてもよい。用途に応じて１色または２色の画像信号だけを生成するように構成されていてもよい。また、必要に応じて信号処理の過程で各信号の増幅、合成、補正を行ってもよい。

【0094】

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２３〜２６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。

【0095】

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。その場合、撮像装置に上記の演算処理を実行する画像信号生成部１５が設けられていなくてもよい。

【0096】

なお、撮像素子１０の基本構造は図６Ａ〜６Ｃ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、あるいは分光要素１ｃと分光要素１ｄ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、図６Ａに示す１行目の配置と２行目の配置とが入れ替わっていてもよいし、分光要素１ａ、１ｂおよび分光要素１ｃ、１ｄが行方向ではなく、列方向に並ぶように配置されていてもその有効性に変わりはない。その場合、第１の光学フィルタ１１ａの段差が１列ごとに変化するように構成されていればよい。

【0097】

また、分光要素１ａ〜１ｄの分光特性が、図６Ａ〜６Ｃに示す特性とは異なっていてもよい。例えば、分光要素１ａ〜１ｄは、両サイドの光感知セルに一部の色成分の光を半分ずつ入射させるのではなく、一方のサイドの隣接光感知セルにその色成分の光を入射させてもよい。さらに、分光要素１ａ〜１ｄが分光する光の色は上記の例に限定されない。光感知セル２ａ〜２ｄが受ける光の分光分布が異なるように分光要素アレイ１００が構成されていれば、その構成に応じた信号処理によってカラー情報を得ることができる。

【0098】

以上の説明では、分光要素として、２つの部材の屈折率差を利用して分光する光学素子を用いているが、本開示の実施形態における分光要素は、各光感知セルに所望の色成分の光を入射できればどのようなものであってもよい。例えば、分光要素としてマイクロプリズム等を用いてもよい。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。

【0099】

（実施形態２）
次に、図８Ａ〜８Ｄを参照しながら、第２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、撮像素子１０の分光要素の構成および信号処理のみが異なっており、その他の構成要素は同一である。以下、実施形態１の撮像装置との相違点を中心に説明し、重複する点は説明を省略する。

【0100】

図８Ａは、本実施形態における撮像素子１０の基本構成を示す図である。図８Ｂは、図８ＡのＣ−Ｃ’線断面図であり、図８Ｃは、図８ＡのＤ−Ｄ’線断面図である。本実施形態における撮像素子１０の分光要素の構成は、図８Ａ〜８Ｃに示すように、分光要素アレイ１００において、１行１列目には光を青光と青光以外とに分ける分光要素１ａが配置される。２行２列目には光を赤光と赤光以外とに分ける分光要素１ｂが配置される。１行２列目と２行１列目の光感知セル上には分光要素は配置されない。その結果、斜め光の影響を無視すれば、光感知セル２ａ〜２ｄには図８Ｂ、８Ｃに示すように、それぞれ（Ｗ−Ｂ）、（Ｗ＋Ｂ）、（Ｗ＋Ｒ）、（Ｗ−Ｒ）で表される強度の光が入射する。

【0101】

しかし、実際には斜め光の影響が存在するため、光感知セル２ａ〜２ｄには、図８Ｄに示す光が入射する。その結果、各光感知セルの信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄは、係数ｋ１、ｋ２を用いて、それぞれ次の式３１〜３４で表される。
（式３１）Ｓ２ａ＝（１−ｋ１）（Ｗｓ−ｋ２・Ｂｓ）
（式３２）Ｓ２ｂ＝（１−ｋ１）（Ｗｓ＋ｋ２・Ｂｓ）
（式３３）Ｓ２ｃ＝（１＋ｋ１）（Ｗｓ＋ｋ２・Ｒｓ）
（式３４）Ｓ２ｄ＝（１＋ｋ１）（Ｗｓ−ｋ２・Ｒｓ）

【0102】

この場合、画像信号生成部１５は、以下の式３５、３６に示すように、差分信号Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄとＳ２ｂ−Ｓ２ａにより、Ｒ系の色信号２ｋ２（１＋ｋ１）Ｒｓ、Ｂ系の色信号２ｋ２（１−ｋ１）Ｂｓをそれぞれ作る。
（式３５） Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄ＝２ｋ２（１＋ｋ１）Ｒｓ
（式３６） Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ＝２ｋ２（１−ｋ１）Ｂｓ

【0103】

次に、以下の式３７、３８に示す加算信号Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄとＳ２ｂ＋Ｓ２ａとを生成する。
（式３７） Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝２（１＋ｋ１）Ｗｓ
（式３８） Ｓ２ｂ＋Ｓ２ａ＝２（１−ｋ１）Ｗｓ

【0104】

画像信号生成部１５は、式３７、３８を用いて、それらの差と予めデータ化したｋ１とｋ２の相関関係からｋ１およびｋ２を求めた上で、式３５、３６からＲｓとＢｓを算出する。また、輝度信号として、４画素の信号の加算によって得られる信号Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝４Ｗｓを得る。４Ｗｓを求めた後、（４Ｗｓ／４）−Ｒｓ−Ｂｓの演算により、Ｇｓを得る。

【0105】

以上のように、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およびｋ１、ｋ２を用いた色信号の補正処理により、カラー画像信号が得られる。これにより、斜め光の影響を除去することができるため、従来よりも色再現性のよい撮像が可能となる。

【0106】

なお、本実施形態では、分光要素１ａは光感知セル２ａに対向し、分光要素１ｂは光感知セル２ｄに対向するように配置されているが、分光要素１ａは光感知セル２ｂに対向し、分光要素１ｂは光感知セル２ｃに対向するように配置されていてもよい。また、各分光要素は、水平方向ではなく、垂直方向に分光するように構成されていてもよい。その場合、第１の光学フィルタ１１ａの段差が１列ごとに異なるように構成されていればよい。実施形態１で説明した他の変形例についても、本実施形態に同様に適用可能である。

【0107】

上記の実施形態１、２では、各分光要素は、いずれかの光感知セルに対向するように配置しているが、分光要素は、その一部が複数の光感知セルの境界上に位置するように配置されていてもよい。例えば、光感知セル２ａ、２ｂの境界上に入射光を水平方向に分離する第１の分光要素が配置され、光感知セル２ｃ、２ｄの境界上に入射光を水平方向に分離する第２の分光要素が配置されていてもよい。そのような構成であっても、第１および第２の分光要素の分光特性が異なり、結果として光感知セル２ａ〜２ｄに異なる分光分布の光が入射するように構成されていれば、信号処理によって色情報を生成することができる。

【0108】

また、各分光要素は、入射光を原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）と補色（Ｃｙ、Ｍｇ、Ｙｅ）とに分離する特性の代わりに、入射光を異なる３つの波長域の光に分離する特性を有していてもよい。例えば図９に示すマイクロプリズムのように、入射光をＣ１、Ｃ２、Ｃ３の３成分に分離し、対向する光感知セルにＣ１光を、一方の隣接光感知セルにＣ２光を、他方の隣接光感知セルにＣ３光を入射させる分光要素を用いてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0109】

本開示の固体撮像素子および撮像装置は、固体撮像素子を用いるすべてのカメラに有効である。例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの民生用カメラや、産業用の固体監視カメラなどに利用可能である。

【符号の説明】

【0110】

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 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
１１ａ 第１の光学フィルタ
１１ｂ 第２の光学フィルタ
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）光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）光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）光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
５０ 光学絞り
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

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】

【図2G】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9】

【図10】

【図11】