特許 6981496 カラー撮像素子および撮像装置

(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】6981496

(24)【登録日】2021年11月22日

(45)【発行日】2021年12月15日

(54)【発明の名称】カラー撮像素子および撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H04N 9/07 20060101AFI20211202BHJP

   G02B 5/20 20060101ALI20211202BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20211202BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20211202BHJP

   H04N 5/369 20110101ALI20211202BHJP

【ＦＩ】

   H04N9/07 A

   G02B5/20 101

   G02B5/30

   H01L27/146 D

   H04N5/369

【請求項の数】11

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2020-68560(P2020-68560)

(22)【出願日】2020年4月6日

(62)【分割の表示】特願2018-79444(P2018-79444)の分割

【原出願日】2018年4月17日

(65)【公開番号】特開2020-123964(P2020-123964A)

(43)【公開日】2020年8月13日

【審査請求日】2020年4月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮田 将司

(72)【発明者】

【氏名】中島 光雅

(72)【発明者】

【氏名】橋本 俊和

【審査官】 大室 秀明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１３８１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０６１１７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／０１９８１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−００８９９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ５／２０−５／３０

Ｈ０１Ｌ２１／３３９

Ｈ０１Ｌ２７／１４−２７／１４８

Ｈ０１Ｌ２７／３０

Ｈ０１Ｌ２９／７６２

Ｈ０４Ｎ ５／３０−５／３７８

Ｈ０４Ｎ ９／０４−９／１１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に光電変換素子を含む複数の画素が配列された画素アレイと、
前記画素アレイ上に形成された透明層と、
前記透明層の内部または上に、複数の分光素子が配列された分光素子アレイとを備え、
前記分光素子の各々は、前記透明層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から形成された複数の微細構造体からなる１組の微細構造体を含み、前記１組の微細構造体は、前記画素アレイに対して垂直方向の長さが等しく、前記画素アレイに対して水平方向の形状が異なり、一定の間隔で配置された複数の微細構造体からなり、前記画素アレイは前記複数の分光素子により波長に応じた方向に分光された光を受光する位置に配置され、
前記１組の微細構造体の前記複数の微細構造体の各々の分光方向の幅が、分光方向に並んで配置された微細構造体の分光方向の幅と異なることを特徴とする撮像素子。

【請求項2】

前記微細構造体は、構造底面および上面が、中心を対称軸として４回回転対称な形状を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。

【請求項3】

基板上に光電変換素子を含む複数の画素が配列された画素アレイと、
前記画素アレイ上に形成された透明層と、
前記透明層の内部または上に、複数の分光素子が配列された分光素子アレイとを備え、
前記分光素子の各々は、前記透明層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から形成された複数の微細構造体からなる１組の微細構造体を含み、前記１組の微細構造体は、前記画素アレイに対して水平方向の形状が異なり、厚みが一定であり、構造底面および上面が、中心を対称軸として４回回転対称な形状を有し、一定の間隔で配置された複数の微細構造体からなり、前記分光素子に入射した光の少なくとも一部は、波長に応じて伝搬方向が異なる第１〜第３の偏向光に分離されて前記分光素子から出射し、前記画素アレイの一方向に連続して配置された３つの前記画素にそれぞれ入射することを特徴とする撮像素子。

【請求項4】

前記分光素子アレイの第１の方向に沿って配置された隣接する前記分光素子の前記１組の微細構造体の向きが交互に反転しており、
隣接する連続した３つの前記画素は、前記第１の方向に沿って配置されており、
前記第１の方向に沿って隣接する３つの前記画素のうち、両外側の２つの画素は、前記第１の方向に沿って隣接する２つの前記分光素子から前記第１〜第３の偏向光のいずれかが入射されることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。

【請求項5】

前記第１〜第３の偏向光が、隣接する連続した３つの前記画素の第１〜第３の光電変換素子にそれぞれ入射することを特徴とする請求項３または４に記載の撮像素子。

【請求項6】

入射する光が白色光の場合、
前記第１の光電変換素子に入射する光は、波長５００ｎｍ以下の青色波長域で光強度のピークを有し、
前記第２の光電変換素子に入射する光は、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの緑色波長域で光強度のピークを有し、
前記第３の光電変換素子に入射する光は、波長６００ｎｍ以上の赤色波長域で光強度のピークを有することを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。

【請求項7】

前記微細構造体から出射する特定波長の光の位相遅延量が隣接する微細構造体間で直線上にならぶように、分光素子における微細構造体の幅、屈折率、高さを定めることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の撮像素子。

【請求項8】

前記微細構造体は、柱状構造体であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の撮像素子。

【請求項9】

前記１組の微細構造体の形状は、前記分光素子アレイを構成する前記分光素子の全てにおいて同一であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の撮像素子。

【請求項10】

前記画素アレイと前記分光素子アレイの間に、
波長５００ｎｍ以下の青色波長域で透過率のピークを有する第１のカラーフィルタ、
波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの緑色波長域で透過率のピークを有する第２のカラーフィルタ、および
波長６００ｎｍ以上の赤色波長域で透過率のピークを有する第３のカラーフィルタのうち、少なくとも１つのカラーフィルタがアレイ状になるように配列されたカラーフィルタアレイをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の撮像素子。

【請求項11】

請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子の撮像面に光学像を形成するための撮像光学系と、
前記撮像素子が出力する電気信号を処理する信号処理部と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、カラー撮像素子およびカラー撮像素子を備える撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサといった光電変換素子を備える撮像素子において、撮像対象の色情報を取得するには、入射光の色分離を行う必要がある。

【0003】

図１６に、従来のカラー撮像素子の断面図を示す。従来のカラー撮像素子６００では、電気配線６０１上に光電変換素子６０２が配置され、有機材料または無機多層膜材料からなる減色型の色フィルタ６０４が光電変換素子６０２を含む各画素に対向して配置される。色フィルタ６０４の上にはマイクロレンズ６０５が配置される。

【0004】

マイクロレンズ６０５から光が入射すると、色フィルタ６０４を用いて、所望の波長帯の光のみを透過させ、不要な波長帯の光を吸収または反射させることで、画素ごとに赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に対応する３つの光電変換素子６０２から各信号を取得することで、カラーの２次元画像を生成することができる。

【0005】

しかし、上記のような一般的なカラー撮像素子６００では、ＲＧＢが１：１：１の割合の入射光の場合、色フィルタ６０４を透過後の総光量が必然的に１／３程度になってしまうという課題がある。失われた残りの光は吸収または反射による損失であり、光電変換素子６０２に到達することができない。したがって、入射光の光利用効率は最大でも３０％程度となり、撮像素子の感度は大きく制限されてしまう。画素の微細化が進んでいる近年では、１画素の受ける光量が低下していることもあり、上記の課題解決が望まれている。

【0006】

そのため、色フィルタ６０４の代わりに、入射光を波長帯に応じて分岐することが可能な微小プリズムやダイクロイックミラーといった分光素子を用いて、カラー撮像素子を構成することが提案されている。このようなアプローチにより、原理的に入射光の損失が大きく軽減され、光利用効率を大幅に向上させることができる。しかしながら、画素の微細化が進んでいる近年では、上記のような素子を光電変換素子上への集積することは困難である。

【0007】

そこで近年では、光電変換素子上への集積が比較的容易な微細構造からなる分光素子を用いて、カラー撮像素子を構成することが提案されている。非特許文献１では、入射光を２波長領域に分離することが可能な２種類の微細構造を用いることで、色分離における光損失を原理的になくし、光利用効率を向上させる方法が提案されている。

【0008】

図１７（ａ）に、従来の分光素子を用いたカラー撮像素子の上面図を示し、図１７（ｂ）に、そのＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ断面図を示し、図１７（ｃ）に、そのＸＶＩＩｃ−ＸＶＩＩｃ断面図を示す。図示されているように、カラー撮像素子６１０は、色フィルタ６０４に代えて画素６０２に対応して配置された微細な梁構造６０６−１、６０６−２によって、入射光は波長領域に応じて、直進する光と偏向する光に分離する。これは、微細な梁構造内とその周囲において、入射光が感じる位相遅延効果が、一方の波長領域では大きく異なり、もう一方の波長領域ではほぼ等しくなるためである。

【0009】

したがって、２次元画素アレイ上に、構造厚さが異なる２種類の微細な梁構造６０６−１、６０６−２を行ごとに交互に配置することで、互いに隣接する４つの光電変換素子６０２はそれぞれ異なる波長成分を持った光を受けることが可能になる。その結果、各光電変換素子６０２から出力される光電変換信号を用いた行列演算によって、色情報を生成することができる。

【0010】

さらに、非特許文献１では、図１８に示すように、入射光を３波長領域に分離することが可能な階段形状の微細構造６０７を画素６０２上に配置することで、光利用効率を向上させるカラー撮像素子６２０も同時に提案されている。この方法は、上述のような行列演算による色情報生成に加えて、分離した３波長領域の光を隣接する３つの光電変換素子６０２にそれぞれ入射することができるため、各光電変換素子６０２から出力される光電変換信号を用いて、色情報を直接生成することができると考えられる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】Seiji Nishiwaki， Tatsuya Nakamura， Masao Hiramoto， Toshiya Fujii and Masa-aki Suzuki， “Efficient colour splitters for high-pixel-density image sensors，” Nature Photonics， Vol. 7， March 2013， pp. 240-246

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

しかしながら、非特許文献１で開示された技術には、実用上の課題が存在する。

【0013】

まず、入射光を２波長領域に分離する微細構造６０６−１、６０６−２を用いる方法では、２種類の微細構造６０６−１、６０６−２の構造高さがそれぞれ異なるため、作製プロセスにおけるコストが増大する。また、微細構造６０６−１、６０６−２の形状が長軸をもつ梁型構造であるため、入射光の偏光方向に応じて、光が感じる位相遅延効果が異なり、色分離機能に偏光依存性が存在するという課題がある。さらに、２セットの２波長領域に分離された光強度データから信号処理を行い、ＲＧＢ情報を復元するため、色再現性に懸念がある。

【0014】

一方、入射光を３波長領域に分離する階段形状の微細構造６０７を用いる方法によれば、確かに光利用率が高く、色再現性が良いカラー画像が理論上得られるが、理想の分光特性を持つ微細構造６０７を作製することが難しい。開示されている階段形状の微細構造６０７は、複数回のリソグラフィおよびエッチングプロセスが必要となる他、リソグラフィプロセスにおける高精度の位置合わせ技術が必要となり、作製コストが増大するという課題がある。また、入射光を２波長領域に分離する微細構造６０６−１、６０６−２と同様に、微細構造６０７の形状が長軸をもつ梁型構造であるため、色分離機能に偏光依存性が存在するという課題がある。

【0015】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易に作製でき、偏光依存性が少なく、かつ入射光を３波長領域に分離させることが可能な微小分光素子を２次元画素アレイと対向させて集積した高感度のカラー撮像素子および撮像装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様は、撮像素子であって、基板上に光電変換素子を含む複数の画素が配列された画素アレイと、画素アレイ上に形成された透明層と、透明層の内部または上に、複数の分光素子が配列された分光素子アレイとを備え、分光素子の各々は、透明層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から形成された複数の微細構造体からなる１組の微細構造体を含み、１組の微細構造体は、画素アレイに対して垂直方向の長さが等しく、画素アレイに対して水平方向の形状が異なり、一定の間隔で配置された複数の微細構造体からなり、画素アレイは複数の分光素子により波長に応じた方向に分光された光を受光する位置に配置され、１組の微細構造体の複数の微細構造体の各々の分光方向の幅が、分光方向に並んで配置された微細構造体の分光方向の幅と異なることを特徴とする。
本発明の別の態様では、微細構造体は、構造底面および上面が、中心を対称軸として４回回転対称な形状を有することを特徴とする。

【0017】

本発明の一態様は、撮像素子であって、基板上に光電変換素子を含む複数の画素が配列された画素アレイと、画素アレイ上に形成された透明層と、透明層の内部または上に、複数の分光素子が配列された分光素子アレイとを備え、分光素子の各々は、透明層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から形成された複数の微細構造体からなる１組の微細構造体を含み、１組の微細構造体は、画素アレイに対して水平方向の形状が異なり、厚みが一定であり、構造底面および上面が、中心を対称軸として４回回転対称な形状を有し、一定の間隔で配置された複数の微細構造体からなり、分光素子に入射した光の少なくとも一部は、波長に応じて伝搬方向が異なる第１〜第３の偏向光に分離されて分光素子から出射し、画素アレイの一方向に連続して配置された３つの画素にそれぞれ入射することを特徴とする。

【0018】

本発明の別の態様では、第１〜第３の偏向光が、隣接する連続した３つの画素の第１〜第３の光電変換素子にそれぞれ入射することを特徴とする。

【0019】

本発明の別の態様では、入射する光が白色光の場合、第１の光電変換素子に入射する光は、波長５００ｎｍ以下の青色波長域で光強度のピークを有し、第２の光電変換素子に入射する光は、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの緑色波長域で光強度のピークを有し、第３の光電変換素子に入射する光は、波長６００ｎｍ以上の赤色波長域で光強度のピークを有することを特徴とする。
本発明の別の態様では、微細構造体から出射する特定波長の光の位相遅延量が隣接する微細構造体間で直線上にならぶように、分光素子における微細構造体の幅、屈折率、高さを定めることを特徴とする。
本発明の別の態様では、微細構造体は、柱状構造体であることを特徴とする。

【0020】

本発明の別の態様では、１組の微細構造体の形状は、分光素子アレイを構成する分光素子の全てにおいて同一であることを特徴とする。

【0021】

本発明の別の態様では、分光素子アレイの第１の方向に沿って配置された隣接する分光素子の１組の微細構造体の向きが交互に反転しており、隣接する連続した３つの画素は、第１の方向に沿って配置されており、第１の方向に沿って隣接する３つの画素のうち、両外側の２つの画素は、第１の方向に沿って隣接する２つの分光素子から第１〜第３の偏向光のいずれかが入射されることを特徴とする。

【0022】

本発明の別の態様では、画素アレイと分光素子アレイの間に、波長５００ｎｍ以下の青色波長域で透過率のピークを有する第１のカラーフィルタ、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの緑色波長域で透過率のピークを有する第２のカラーフィルタ、および波長６００ｎｍ以上の赤色波長域で透過率のピークを有する第３のカラーフィルタのうち、少なくとも１つのカラーフィルタがアレイ状になるように配列されたカラーフィルタアレイをさらに備えたことを特徴とする。

【0023】

本発明の別の一態様は、撮像装置であって、本発明の一態様の撮像素子と、撮像素子の撮像面に光学像を形成するための撮像光学系と、撮像素子が出力する電気信号を処理する信号処理部と、を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、簡易に作製でき、偏光依存性が少なく、入射光を３波長領域に分離させることが可能な微小分光素子を用いることにより、光利用率の高いカラー撮像素子および撮像装置を従来よりも簡易に作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の撮像装置の概略構成を示した側面図である。

【図2】本発明の実施形態１に係る撮像素子の画素アレイおよび分光素子アレイの断面の一部を模式的に示す図である。

【図3】（ａ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子の一部の概略構成の上面図であり、（ｂ）はその断面図である。

【図4】（ａ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子の微小分光素子を構成する柱状構造体の上面図であり、（ｂ）は、その断面図である。

【図5】（ａ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子の微小分光素子の一例の断面図であり、（ｂ）は、微小分光素子によって分離された３波長それぞれの位相遅延分布を示す図である。

【図6】（ａ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子の微小分光素子の一例の上面図であり、（ｂ）は、その断面図である。

【図7】（ａ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子において、柱状構造体の上面から縦の偏光をもつ平行光を入射した際、微小分光素子の出射端から３方向に分離して伝搬する効率の波長依存性を示す図であり、（ｂ）は、柱状構造体の上面から横の偏光をもつ平行光を入射した際、微小分光素子の出射端から３方向に分離して伝搬する効率の波長依存性を示す図である。

【図8】（ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子の微小分光素子の構造パターン例を示す図である。

【図9】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子の色成分に対応する画素の配置を模式的に表した図である。

【図10】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子の色成分に対応する画素の配置を模式的に表した図である。

【図11】本発明の実施形態１の変形例である撮像素子の概略構成の断面図を示す。

【図12】（ａ）は、本発明の実施形態２による撮像素子の一部の概略構成の上面図であり、（ｂ）はその断面図である。

【図13】本発明の実施形態２に係る撮像素子の画素の配置を模式的に表した図である。

【図14】（ａ）は、本発明の実施形態３に係る撮像素子の一部の概略構成の上面図であり、（ｂ）は、その断面図である。

【図15】（ａ）は、本発明の実施形態４に係る撮像素子の一部の概略構成の上面図であり、（ｂ）は、その断面図である。

【図16】従来のカラー撮像素子の断面図である。

【図17】（ａ）は、従来の分光素子を用いたカラー撮像素子の上面図であり、（ｂ）は、そのＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ断面図であり、（ｃ）は、そのＸＶＩＩｃ−ＸＶＩＩｃ断面図である。

【図18】従来の分光素子を用いた別のカラー撮像素子の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。ただし、以下の実施形態は一例に過ぎず、本発明はこれらの実施形態に限定されないことは言うまでもない。

【0027】

図１は、本発明の撮像装置の概略構成を示した側面図である。撮像素子１０は、レンズ光学系１１、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子を含む撮像素子１２、および撮像素子１２から出力される光電変換信号を処理して画像信号を生成する信号処理部１３を備える。

【0028】

自然光や照明光等の光が物体１に入射し、これを透過／反射／散乱した光は、または、物体１から発する光は、レンズ光学系１１により撮像素子１２上に光学像を形成する。一般に、レンズ光学系１１は、様々な光学収差を補正するため、光軸に沿って並んだ複数のレンズからなるレンズ群により構成されるが、図１では図面を簡略化して単一のレンズとして示している。また、信号処理部１３は、生成した画像信号を外部に送出する画像信号出力を備える。

【0029】

なお、本発明の撮像装置１０は、赤外光カットの光学フィルタ、電子シャッタ、ビューファインダ、電源（電池）、フラッシュライトなどの公知の構成要素を備え得るが、それらの説明は本発明の理解に特に必要でないため省略する。また、以上の構成はあくまでも一例であり、本発明において、レンズ光学系１１、撮像素子１２、信号処理部１３を除く構成要素には、公知の要素を適切に組み合わせて用いることができる。

【0030】

本発明の具体的な実施形態を説明する前に、本発明の実施形態における撮像素子１２の概略を説明する。

【0031】

本発明の実施形態による撮像素子１２は、光電変換素子を含むセル（画素）１０２が２次元状に複数配列された画素アレイと、微小分光素子１０１が２次元状に複数配列された分光素子アレイとを備える。図２は、本発明の実施形態１に係る撮像素子の画素アレイおよび分光素子アレイの断面の一部を模式的に示す図である。分光素子アレイは画素アレイと対向しており、レンズ光学系からの光が入射する側に配置されている。各微小分光素子１０１は、厚み一定の複数の柱状構造体で構成されている。なお、微小分光素子１０１は、便宜上、４本の柱状構造体で表されているが、数や間隔、配列パターンに制限はなく、様々な配列形態をとり得る。

【0032】

撮像素子１２に入射する光に含まれる可視光成分を、波長領域毎に第１の色成分、第２の色成分、第３の色成分に分類する。なお、第１から第３の色成分の組み合わせは、一般に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色の組み合わせであるが、光を３つの波長域に分けるものであればこれに限定されない。

【0033】

本発明の実施形態における微小分光素子１０１は、後述する位相遅延効果およびその構造寸法依存性・波長依存性を利用することで、上述の第１から第３の色成分に応じて、入射した光の伝搬方向を変え、画素アレイ上において空間的に分離する機能を有する。すなわち、本発明の実施形態では、撮像素子に入射した光の少なくとも一部の光が、微小分光素子１０１によって、色成分に応じて伝搬方向を変え、複数の画素１０２に入射する。したがって、微小分光素子１０１と画素１０２との距離を適切に設定することで、３つの波長域に分離された光を、それぞれ異なった画素１０２で受けることが可能である。

【0034】

画素１０２に光が入射すると、光電変換素子によって入射した光の強度に応じた電気信号（光電変換信号）を出力するため、色成分に応じた信号（カラー情報）を、直接的に、または信号演算を用いて、取得することができる。以上の微小分光素子１０１および微小分光素子１０１に対応した複数の画素１０２が、２次元状に配置されているため、レンズ光学系１１により形成される物体の光学像のカラー情報を取得することができる。

【0035】

後述する実施形態１および実施形態２については、マイクロレンズアレイを用いることで、入射光のほぼすべてが、分光素子アレイを構成するいずれかの微小分光素子１０１を透過するため、入射光のほぼすべてが３つの波長域に分離された状態で画素アレイに入射する。したがって、光電変換信号から、直接的に、または簡易な演算をもちいて、カラー情報を取得することができる。

【0036】

後述する実施形態３および実施形態４については、入射光の一部が、分光素子アレイを構成する微小分光素子１０１を透過するため、入射光の一部が３つの波長域に分離された状態で画素アレイに入射する。したがって、各画素１０２の一部は、３つの波長域に分離された状態の光と分離されていない状態の光の合算の光強度に応じた光電変換信号を出力する。出力された光電変換信号に対して、後述する適切な行列演算を用いることで、カラー情報を求めることができる。

【0037】

本発明の実施形態における撮像素子１２によれば、減色型の色フィルタを用いることなく、微小分光素子１０１を用いた３色への低損失な光分離により、カラー情報を得ることができる。したがって、色フィルタを用いた撮像素子と比較して、画素アレイに到達する光総量を増加させることができ、撮像感度を高めることが可能となる。さらに、微小分光素子１０１は作製が簡易な厚み一定の構造体から構成されており、かつ、構造体上面・底面の対称性から偏光依存性が生じないことから、非特許文献１で開示された従来技術における色分離機能に偏光依存性が存在するという課題を解決することができる。

【0038】

以下、図面を参照しながら、本発明のより具体的な実施形態を説明する。

【0039】

（実施形態１）
以下、本実施形態１における撮像素子の構成の概略について説明する。

【0040】

図３（ａ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子の一部の概略構成の上面図であり、図３（ｂ）はその断面図である。本実施形態１における撮像素子１００は、光電変換素子を含む画素１０２がアレイ状になるように配列された２次元画素アレイ上に、ＳｉＯ₂等からなる低屈折率の透明層１１１、複数のマイクロレンズ１０３が積層されている。低屈折率の透明層１１１の内部には、透明層１１１の屈折率よりも高い屈折率を有するＳｉＮ等の材料から形成された複数の厚み（２次元画素アレイに対して垂直方向の長さ）一定の微細構造体からなる微小分光素子１０１が埋め込まれている。便宜上、以下の説明において、２次元画素アレイの法線方向をｚ軸、２次元画素アレイに平行で、画素ユニット１１０を構成する３つの画素１０２が並ぶ方向をｘ軸、２次元画素アレイに平行でｘ軸と直交する方向をｙ軸とするｘｙｚ直交座標系を設定する。

【0041】

図に示されているように、マイクロレンズ１０３、微小分光素子１０１、画素１０２はｘｙ平面上において格子状に配置されており、各マイクロレンズ１０３の中心軸上に１つの微小分光素子１０１が配置されている。ｘ軸方向に隣り合う３つの画素を１つの画素ユニット１１０とすると、ｘ軸方向に隣り合う各マイクロレンズ１０３はそれぞれ画素ユニット１１０と一対一で対応し、各マイクロレンズ１０３の中心軸は対応する画素ユニットの中央の画素１０２のほぼ中心を通過する。すなわち、ｘ軸方向に隣り合う３つの画素１０２に対して１つのマイクロレンズ１０３および１つの微小分光素子１０１が対応しており、上記のマイクロレンズ１０３、微小分光素子１０１、画素ユニット１１０を１つの撮像素子ユニットとすると、その撮像素子ユニットがｘｙ平面上において格子状に配列されている。

【0042】

なお、上述の説明では、一例として、直交格子状に配列された２次元画素アレイの場合について説明したが、画素１０２の配列、形状、サイズなどはこの図の例に限られず、公知のどのような配列、形状、サイズであってもよい。また、図３（ａ）、（ｂ）では省略しているが、２次元画素アレイと微細構造体との間に、内部マイクロレンズとして動作し、微小分光素子１０１からの光を画素１０２内の光電変換素子へと導く働きをなすＳｉＮ等からなる高屈折率の凹凸構造を備え得る。図３（ａ）、（ｂ）に示される構造は、公知の半導体製造技術により作製され得る。

【0043】

なお、図３（ａ）、（ｂ）に示される撮像素子１００は、配線層１１２の反対側から受光する裏面照射型の構造であるが、本実施形態ではこのような構造に限定されず、配線層１１２の側から受光する表面照射型の構造を有していてもよい。

【0044】

以下、本実施形態における撮像素子１００の各構成要素の働きについて説明する。

【0045】

撮像素子１００に入射する白色の光は、まずマイクロレンズアレイによって集光され、ほぼすべての光が各マイクロレンズ１０３に対応した微小分光素子１０１を通過する。各微小分光素子１０１によって、光はｘｚ面内で３波長域に空間的に分離され、各微小分光素子１０１の直下にある３画素１０２によりそれぞれ受光される。図３（ｂ）に示す例では、各微小分光素子１０１によって、第１色成分の光（Ｒ）が第１の方向（右）へ、第２色成分の光（Ｇ）が第２の方向（直進）へ、第３色成分の光（Ｂ）が第３の方向（左）へ伝搬しているため、各微小分光素子１０１直下の３画素１０２Ｄ_R（右）、Ｄ_G（中央）、Ｄ_B（左）がそれぞれＲ、Ｇ、Ｂのカラー情報の検出に対応する。

【0046】

なお、上述は一例であって、各微小分光素子１０１の構成によっては、色成分と伝搬方向の組み合わせは自由に変更可能であり、それに伴って、ＲＧＢそれぞれに対応する画素１０２Ｄ_R、Ｄ_G、Ｄ_Bも変更される。

【0047】

このように３波長域に空間的に分離された光が３画素１０２によりそれぞれ受光されると、各画素１０２内の光電変換素子によって光電変換がなされ、カラー情報を含む画像信号が出力される。

【0048】

なお、各微小分光素子１０１の直下にある３画素１０２Ｄ_R、Ｄ_G、Ｄ_Bのｘ軸方向の幅ｗ_d1、ｗ_d2、ｗ_d3は、同一であっても異なっていても良い。また、これに伴って、マイクロレンズ１０３のｘ軸方向の幅ｗ_lxとｙ軸方向の幅ｗ_lyは同一であっても異なっていても良い。図３の例では、３画素１０２Ｄ_R、Ｄ_G、Ｄ_Bのｘ軸方向の幅ｗ_d1、ｗ_d2、ｗ_d3が同一であり、マイクロレンズ１０３はｗ_lxとｗ_lyは異なっている。

【0049】

また、画素ユニット１１０と微小分光素子１０１との間には、内部マイクロレンズとして動作するＳｉＮ等からなる高屈折率の凹凸構造を備え得るが、後述する微小分光素子１０１は形成する位相遅延分布によっては、レンズ機能を有することが可能であるため、内部マイクロレンズを省略することも可能である。

【0050】

以下、本実施形態における微小分光素子について説明する。

【0051】

本実施形態１における微小分光素子１０１は、複数の微細な柱状構造体１２１から構成される。図４（ａ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子の微小分光素子を構成する柱状構造体の上面図であり、図４（ｂ）は、その断面図である。柱状構造体１２１は、透明層１１１の屈折率ｎ₀よりも高い屈折率ｎ₁を有するＳｉＮ等の材料から形成されており、構造の厚みｈは一定である。

【0052】

また、柱状構造体１２１の底面および上面は正方形である。この柱状構造体１２１は、透明層１１１との屈折率差から、光を構造内に閉じ込めて伝搬させる光導波路として機能する。したがって、上面側から光を入射すると、光は柱状構造体１２１内に強く閉じ込められながら伝搬し、光導波路の実効的な屈折率ｎ_effにより決定される位相遅延効果を受けて、底面側から出力される。具体的に、透明層１１１を柱状構造体１２１の厚み分の長さを伝搬した光の位相を基準とした際、柱状構造体１２１による位相遅延量φは、光の真空中での波長をλとおくと、
φ＝（ｎ_eff−ｎ₀）×２πｈ／λ （１）
で表わされる。この位相遅延量は光の波長λによって異なるため、同一の柱状構造体１２１に入射した光に対して波長域（色成分）に応じて異なる位相遅延量を与えることができる。また、柱状構造体１２１の底面および上面が正方形であるため、偏光方向を変化させた場合においても、位相遅延効果を含む光学特性に変化はない。さらに、ｎ_effは構造寸法の関数であることが知られており、ｎ₀＜ｎ_eff＜ｎ₁の値をとる。したがって、図４（ａ）、（ｂ）に示す例では、柱状構造体１２１の幅ｗを変化させることで、任意の位相遅延量を設定することが可能である。

【0053】

図５（ａ）の断面図は、ｘ軸方向に上述の柱状構造体１２１−１、１２１−２を２つ並べて構成した、本実施形態１における微小分光素子１０１の一例である。なお、ｙ軸方向には、波長以下の間隔で、上述の柱状構造体１２１−１、１２１−２が複数並んでいる。

【0054】

図５（ａ）に示すように、ｘ軸方向に隣接する柱状構造体１２１−１、１２１−２の幅ｗが異なっている。この幅ｗの差異により、微小分光素子１０１を透過した光に対して、波長領域毎に異なる位相遅延分布を与えることが可能となり、光波面を変化させることができる。光の伝搬方向（偏向方向）はこの光波面によって決定されるため、微小分光素子１０１を透過した光を波長域（色成分）に応じて空間的に分離することが可能となる。すなわち、本実施形態１における微小分光素子１０１は、複数の柱状構造体１２１を配置し、隣接する柱状構造体１２１−１、１２１−２の光の伝搬方向と直交する面における寸法ｗを変化させることで、入射光の波長領域に応じて異なる光波面を与え、色成分を空間的に分離する。

【0055】

例えば、図５（ａ）に示す構造の場合、図５（ｂ）に示すように、３波長（例えば、ＲＧＢに対応する波長）に応じて異なる位相遅延分布を与えることができる。この例では、第１色成分の光（Ｒ）に対応する波長の位相遅延分布は位相量が０から＋２πまで線形増加する直線上に沿っており、第２色成分の光（Ｇ）に対応する波長の位相遅延分布は空間的な変化はなく、第３色成分の光（Ｂ）に対応する波長の位相遅延分布は位相量が０から−２πまで線形減少する直線上に沿っている。この場合、微小分光素子１０１を透過した光は、図５（ａ）に示すように、第１色成分の光（Ｒ）が第１の方向（右）へ、第２色成分の光（Ｇ）が第２の方向（直進）へ、第３色成分の光（Ｂ）が第３の方向（左）へそれぞれ効率よく伝搬することができる。

【0056】

なお、上述の説明は一例であって、各柱状構造体１２１の寸法によっては、色成分と偏向方向の組み合わせは自由に変更可能である。例えば、第１色成分の光（Ｒ）が第２の方向（直進）へ、第２色成分の光（Ｇ）が第１の方向（右）へ、第３色成分の光（Ｂ）が第３の方向（左）へそれぞれ効率よく伝搬することができる。

【0057】

本実施形態における微小分光素子１０１のより詳細な一例を説明する。

【0058】

図６（ａ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子の微小分光素子の一例の上面図であり、図６（ｂ）は、その断面図である。ｘ軸方向には互い異なる幅ｗ₁、ｗ₂をもつ厚さ（２次元画素アレイに対して垂直方向の長さ）が一定の柱状構造体１２１−１、１２１−２が２つ並んでおり、ｙ軸方向には同じ柱状構造体１２１−１、１２１−２が３つ並んでおり、以上を１つの微小分光素子１０１とする。なお、柱状構造体１２１−１、１２１−２を構成する材料はＳｉＮ（ｎ₁＝２．０３）を想定し、透明層を構成する材料はＳｉＯ₂（ｎ₀＝１．４５）を想定し、底面および上面が正方形の場合を示している。また、すべての柱状構造体１２１−１、１２１−２の厚みｈを１２００ｎｍ、パターン左側の柱状構造体１２１−１の幅ｗ₁を１４５ｎｍ、パターン右側の柱状構造体１２１−２の幅ｗ₂を３４０ｎｍとし、ｘ軸およびｙ軸方向のおける柱状構造体１２１−１、１２１−２の間隔ｐは４５０ｎｍとした。

【0059】

図７（ａ）、（ｂ）に、上述の構造において、柱状構造体１２１−１、１２１−２の上面から平行光を入射した際、微小分光素子１０１の出射端から３方向（図６（ｂ）のＲ、Ｇ、Ｂの各方向）に分離して伝搬する効率（入射光強度に対する各伝搬方向の光強度の比）の波長依存性（厳密結合波理論に基づく計算結果）を示す。図７（ａ）は、図６（ａ）中の縦の偏光をもつ光、図７（ｂ）は図６（ａ）中の横の偏光をもつ光をそれぞれ入射した際の結果である。なお、計算の際、上述の微小分光素子１０１がｘ軸およびｙ軸方向においてＰの間隔（Ｐ＝３ｐ）で並んでいると仮定したが、単体の微小分光素子１０１における光学機能との差異はほとんどないことを確認している。また、３方向のそれぞれの偏向角θ_R、θ_G、θ_Bは、光の回折に基づいており、Ｒ：ｓｉｎθ_R＝λ／Ｐ、Ｇ：θ_G＝０（直進）、Ｂ：ｓｉｎθ_B＝λ／Ｐとした。

【0060】

また、図７（ａ）、（ｂ）に示した特性は、従来の撮像装置における色フィルタの分光感度特性に相当する。図７（ａ）、（ｂ）に示す結果は、第１の方向（Ｒ）における効率は６００ｎｍ以上の赤色波長域でピークをなし、第２の方向（Ｇ）における効率は５００−６００ｎｍの緑色波長域でピークをなし、第３の方向（Ｂ）における効率は５００ｎｍ以下の青色波長域でピークをなしていることを示している。また、４０〜６０％という良好な分光性能を示しており、かつ特性に大きな偏光依存性はみられない。なお、曲線Ｒ、Ｇ、Ｂの総和、すなわち総透過率は、９５％以上であり、散乱や反射による光損失はほとんど生じない。

【0061】

以上の結果は、本実施形態１における微小分光素子１０１を用いることで、色成分の高効率な空間的な分離が可能であることを示している。さらに、上述の例では、単体の微小分光素子１０１のサイズは１．３５μｍ角であり、一般的なＣＣＤおよびＣＭＯＳセンサの最小ピクセルサイズと同等である。したがって、最小ピクセルサイズをもつ画素ユニット１１０に対応した微小分光素子１０１の形成が可能である。なお、柱状構造体１２１のサイズや数、配列パターンによって、異なるサイズの微小分光素子１０１を形成することも可能である。

【0062】

微小分光素子１０１を構成する柱状構造体１２１の材料、数、形状、サイズ、配列パターンなどを適切に設計することにより、所望の分光特性を与えることが可能である。その結果、上述したように、個々の光電変換素子に所望の波長域の光のみを分離して入射させることが可能となり、各光電変換素子から出力される光電変換信号から、色成分に対応する信号を取得することができる。

【0063】

また、上述の通り、微小分光素子１０１による光損失はほとんど生じないため、従来技術の色フィルタを用いた撮像素子と比較して、画素アレイに到達する光総量を飛躍的に増加させることができ、撮像感度を高めることが可能となる。なお、各微小分光素子１０１の分光性能が上述した理想的な性能と多少異なっていても、性能の差異の程度に応じて、取得した信号を補正・演算することによって良好な色情報を得ることが可能である。

【0064】

また、上述の各柱状構造体１２１の配置において、周期的な構造に起因する不要な回折光が発生することを防ぐため、光の波長以下の間隔で配置することが望ましい。

【0065】

上述の例では、柱状構造体の底面および上面が正方形の場合について説明したが、この形状に限定されない。すなわち、底面および上面の中心を通る軸を対称軸として４回回転対称となる形状面であれば、分光機能の偏光に対する依存性が生じることはなく、位相遅延効果をもたらす光導波路としての動作も失われることはない。したがって、図８（ａ）〜（ｈ）に示すような正方形、中空正方形、円形、中空円形、十字形状といった４回回転対称となる面をもつ柱状構造体を採用することが望ましい。

【0066】

なお、微小分光素子１０１による色成分の分離後において、画素ユニット１１０上の各光空間分布が互いに十分に分離するためには、微小分光素子１０１の出力端と画素１０２の光電変換素子との間が１μｍ以上の間隔であることが好ましい。一方で、撮像素子１００の薄膜化および材料費・プロセス時間の節約のため、上述の微小分光素子１０１の出力端と画素１０２の光電変換素子との間隔は、可能な限り短い方が好ましい。

【0067】

また、この場合、短い伝搬距離で、画素ユニット１１０上の各光空間分布が色成分に応じて互いにはっきり分離する必要があるため、微小分光素子１０１によって光の波面を大きく傾けて、偏向する（曲がる）角度を大きくすることが好ましい。偏向する角度を大きくするには、微小分光素子１０１により形成される各波長域における位相遅延分布がそれぞれ０から２πまで変化する形が適しているため、それぞれの波長域において、柱状構造体１２１による位相遅延量の可変範囲は、２π以上有していることが好ましい。したがって、式（１）から、分離する波長域の最も長波長側の波長域における所望の中心波長をλ_rとすると、柱状構造体１２１の厚みｈは、ｈ＝λ_r／（ｎ₁−ｎ₀）の近傍に設定することが望ましい。

【0068】

以上のような分光機能をもつ微小分光素子１０１は、公知の半導体製造技術により、薄膜堆積およびパターニングを実行することにより作製することができる。本実施形態１の微小分光素子１０１は、複数の厚さ一定の柱状構造体１２１から構成されるため、非特許文献１で開示されている階段状構造等と比較して、安価で容易に作製できる。

【0069】

以下、本実施形態の撮像素子のおける微小光学素子および画素の配置について説明する。

【0070】

図３に示した一例では、ｘ軸方向に沿って配置された微小分光素子１０１の行が、ｘ軸方向にずれることなくｙ軸方向に沿って繰り返し配置されており、その結果ｙ軸方向に沿って微小分光素子１０１のパターンが連続的に配置されている。この場合、ｘ軸方向においては、各微小分光素子１０１直下の色成分に対応する３画素１０２Ｄ_B、Ｄ_G、Ｄ_Rが左からこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。

【0071】

さらに、画素１０２についても同様に、ｘ軸方向に沿って配置された画素１０２の行が、ｘ軸方向にずれることなくｙ軸方向に沿って繰り返し配置されており、その結果ｙ軸方向に沿って３画素１０２Ｄ_B、Ｄ_G、Ｄ_Rがそれぞれ連続的に配置されている。

【0072】

図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態１に係る撮像素子の色成分に対応する画素の配置を模式的に表したものである。ｘ軸方向に隣り合う３つの画素１０２Ｄ_B、Ｄ_G、Ｄ_Rを１つのカラー画素ユニットＵとすると、図９（ａ）に示すカラー画素ユニットＵ₁、および、カラー画素ユニットＵ₁に対して単一画素だけｘ軸方向にシフトしたカラー画素ユニットＵ₂は、どちらもＲ、Ｇ、Ｂに対応する画素を必ず１つずつ含むことになる。すなわち、カラー画素ユニットＵをｘｙ平面において単一画素ずつシフトしながら、カラー情報取得すれば、ＲＧＢ３色の情報をほぼ画素数分だけ得ることができる。このことは、撮像素子の解像度を画素数の程度まで高めることができることを意味している（いわゆるベイヤー配置と同等である）。したがって、本実施形態１の撮像素子は、高感度であることに加えて、単一画素サイズの高解像度でカラー情報を生成することができる。

【0073】

上述のような単一画素サイズの解像度を実現する微小光学素子および画素の配置は、図９（ａ）に限定されず、種々に変更することができる。図９（ｂ）および図９（ｃ）は、別の例を示しており、ｘ軸方向沿って構成される微小分光素子１０１およびカラー画素ユニットＵの行が、図９（ｂ）では１画素サイズ分、図９（ｃ）では２画素サイズ分、ｘ軸方向にシフトしながら、順次ｙ軸方向に配置されている。このような配置についても、図９（ａ）と同様に単一画素サイズの解像度でカラー情報を生成することができる。

【0074】

図１０（ａ）〜（ｃ）は、図９（ａ）〜（ｃ）とは別の配置の例を示しており、行毎に３画素Ｄ_B、Ｄ_G、Ｄ_Rの順番が反転する構成であり、ｘ軸方向にシフトについては上述の図９（ａ）〜（ｃ）とそれぞれ同様である。この場合についても、図９（ａ）と同様に単一画素サイズの解像度でカラー情報を生成することができる。なお、３画素Ｄ_B、Ｄ_G、Ｄ_Rの順番の反転を行うには、上述の微小分光素子１０１の柱状構造体１２１−１、１２１−２を、ｘ軸において、左右反転させたパターンを用いればよい。

【0075】

上述した図９（ａ）〜（ｃ）および図１０（ａ）〜（ｃ）に示す画素配置は、入射光が各微小分光素子１０１の機能によって、第１色成分の光（Ｒ）が第１の方向（右）へ、第２色成分の光（Ｇ）が第２の方向（直進）へ、第３色成分の光（Ｂ）が第３の方向（左）へ伝搬し、各微小分光素子１０１直下の３画素１０２Ｄ_R（右）、Ｄ_G（中央）、Ｄ_B（左）がそれぞれＲ、Ｇ、Ｂのカラー情報の検出に対応すると想定した際のものである。上述したように、微小分光素子１０１の構成によっては、微小分光素子１０１直下の画素１０２がＲＧＢ３色のいずれに対応したものになるか変わるが、基本的にはカラー画素ユニットＵ内の順番が変更されるだけである。そのような場合についても、図９および図１０に示したカラー画素ユニットＵの配置規則に従って、配置を設定すれば、同様に単一画素サイズの解像度でカラー情報を生成することができる。

【0076】

以上の説明では、微小分光素子１０１のみを用いた場合の撮像素子１００について述べた。次に、減色型の色フィルタを併用した際の変形例について説明する。

【0077】

図１１に、本発明の実施形態１の変形例である撮像素子の概略構成の断面図を示す。図３との差異は、色成分に対応した画素１０２の上方に、画素１０２の色にそれぞれ対応した色フィルタ１０４を配置している点であり、その他は同一である。この構成の場合、従来技術の色フィルタのみの構成に比べて、光利用効率が向上し、かつ色再現性も向上する。

【0078】

例えば、図７より、微小分光素子１０１のＲＧＢへの分光効率は４０〜６０％とする。また、ＲＧＢの色フィルタ１０４の対応する波長域における透過率（分光効率）をそれぞれ９０％とする。入射光がＲＧＢ１：１：１の比率の強度を有しているとする。この場合、微小分光素子１０１と色フィルタ１０４を併用した構成では、光が両者を透過して画素に入射するため、ＲＧＢ３画素１０２に到達する光強度の総量は３６〜５４％となる。さらに、微小分光素子１０１および色フィルタ１０４の分光性能が掛け合わされ、不要な色成分が排除された状態で各画素１０２に入射するため、色再現性が大きく向上する。一方、色フィルタ１０４のみの構成の場合、３画素１０２に到達する光強度の総量は３０％となり、色再現性も併用した構成に比べて悪い。したがって、微小分光素子１０１と色フィルタ１０４を併用した構成を用いることで、色再現性が向上した状態で、従来の色フィルタのみを使用した構成に比べて１．２〜１．８倍の感度向上が見込める。なお、微小分光素子１０１のみの構成に比べて、光利用効率は低下するが、色再現性が大幅に向上するため、この実施形態１の変形例は光利用率、すなわち感度と色再現性のバランスがよい構成といえる。

【0079】

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る撮像素子について説明する。

【0080】

図１２（ａ）は、本発明の実施形態２による撮像素子の一部の概略構成の上面図であり、図１２（ｂ）はその断面図である。図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態２の撮像素子３００およびそれを用いた撮像装置は、実施形態１と比較して、ｘ軸方向に沿って配置された複数の微小分光素子１０１の構造体パターンの向きが、交互に反転している点が異なる。

【0081】

また、ｘ軸方向沿って構成される微小分光素子１０１およびカラー画素ユニットＵの行が、２画素サイズ分ｘ軸方向にシフトしながら、順次ｙ軸方向に配置されており、その結果、ｙ軸方向においても微小分光素子１０１の構造体パターンの向きが、交互に反転している。さらに、１つの微小分光素子１０１で分光された光を受光するｘ軸方向に沿って互いに隣接する３つの画素１０２のうち、両外側の２つの画素１０２は、隣接する他の２つの微小分光素子１０１で分光された光も受光する点も異なっている。なお、本実施形態２のその他の構成要素は、実施形態１の構成要素と同一である。以下、実施形態１との相違点を中心に説明し、重複する点は説明を省略する。

【0082】

図１２（ｂ）に示すように、ｘ軸方向に沿って、微小分光素子１０１の構造体パターンの向きが、交互に反転しているため、色成分と偏向方向の組み合わせが交互に逆になっており、それに伴って、各微小分光素子１０１直下の色成分に対応する画素１０２が、左からＤ_R、Ｄ_G、Ｄ_B、Ｄ_G、Ｄ_R、Ｄ_G、Ｄ_B…という順番になっている。各微小分光素子１０１の直下には、画素１０２Ｄ_Gが配置されており、その両側の画素１０２Ｄ_RまたはＤ_Bは、隣接する２つの微小分光素子１０１で分光された光も受光する。

【0083】

撮像素子３００に入射する白色の光は、まずマイクロレンズアレイによって集光され、ほぼすべての光が各マイクロレンズ１０３に対応した微小分光素子１０１を通過する。各微小分光素子１０１によって、光はｘｚ面内で３波長域に空間的に分離され、各微小分光素子１０１に対応する３画素１０２によりそれぞれ受光される。この際、微小分光素子１０１の直下の画素１０２（Ｄ_G）の両側の画素１０２（Ｄ_R、Ｄ_B）は、隣接する２つの微小分光素子１０１から伝搬する光も受けるが、構造パターンの反転により、同じ波長域を受光することになる。

【0084】

なお、上述は一例であって、各微小分光素子１０１の構成によっては、色成分と伝搬方向の組み合わせは自由に変更可能であり、それに伴って、ＲＧＢそれぞれに対応する画素１０２も変更される。このように３波長域に空間的に分離された光が３画素１０２によりそれぞれ受光されると、各画素１０２内の光電変換素子によって光電変換がなされ、カラー情報を含む画像信号として出力される。

【0085】

図１３は、本発明の実施形態２に係る撮像素子の画素の配置を模式的に表したものである。１つのＤ_R、２つのＤ_G、および１つのＤ_Bを含む４つの画素１０２を１つのカラー画素ユニットＵとする。この場合、図中に示すカラー画素ユニットＵ₁に対して単一画素だけｘ軸方向またはｙ軸方向にシフトしても、１つのＤ_R、２つのＤ_G、および１つのＤ_Bを含むカラー画素ユニットＵ₂を構成できる。すなわち、カラー画素ユニットＵをｘｙ平面において単一画素ずつシフトしながら、カラー情報取得すれば、ＲＧＢ３色の情報をほぼ画素数分だけ得ることができる。このことは、撮像素子の解像度を画素数の程度まで高めることができることを意味している。したがって、本実施形態２の撮像素子３００は、高感度であることに加えて、単一画素サイズの高解像度でカラー情報を生成することができる。

【0086】

以上より、本実施形態２の構成のおいても、実施形態１と同様な機能を実現できる。また、本実施形態２は、上記実施形態１との相違点以外は実施形態１と同様であり、それら共通する構成要素は実施形態１で説明したものと同様の効果を有し、また、同様の変更が可能である。

【0087】

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３に係る撮像素子について説明する。

【0088】

図１４（ａ）は、本発明の実施形態３に係る撮像素子の一部の概略構成の上面図であり、図１４（ｂ）は、その断面図である。図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態３の撮像素子４００および撮像装置は、実施形態１と比較して、マイクロレンズが各画素に一対一で対応するように配置されている点が異なる。また、カラー情報の取得に、各画素１０２からの光電変換信号を用いた行列演算を用いる点が異なっている。なお、その他の構成要素は実施形態１と同一である。以下、実施形態１との相違点を中心に説明し、重複する点は説明を省略する。

【0089】

図１４（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１０３が各画素１０２に一対一で対応して配置されている。それに伴って、撮像素子４００に入射する白色の光のうち、各微小分光素子１０１に入射し色分離される光は、微小分光素子１０１の直上に位置するマイクロレンズ１０３により集光された光のみであり、その他の光は、各マイクロレンズ１０３を介して、各マイクロレンズ直下の画素に直接入射する。

【0090】

ここで、単一のマイクロレンズ１０３へ入射する白色光の強度をＷで表し、白色光を構成するＲＧＢ３色の強度をそれぞれＲ、Ｇ、Ｂとすると、３つのマイクロレンズ１０３を介して画素１０２Ｄ_R、Ｄ_G、Ｄ_Bに入射する光は、それぞれＷ＋Ｒ、Ｇ、Ｗ＋Ｂで表される強度の光である。なお、上述は一例であって、各微小分光素子１０１の構成によっては、色成分と伝搬方向の組み合わせは自由に変更可能であり、それに伴って、画素１０２Ｄ_R、Ｄ_G、Ｄ_Bにそれぞれ入射する色成分の構成も変更される。以下の説明では、画素１０２Ｄ_R、Ｄ_G、Ｄ_BにそれぞれＷ＋Ｒ、Ｇ、Ｗ＋Ｂの強度の光が入射した際のおける行列演算によるカラー情報取得について述べるが、微小分光素子１０１の構成および分光性能によっては、行列演算子の数値は種々変更可能であることはいうまでもない。

【0091】

各画素１０２へそれぞれ入射したＷ＋Ｒ、Ｇ、Ｗ＋Ｂの強度の光は、光電変換素子によって光電変換がなされ、光電変換信号として出力される。ここで、ＲＧＢ３色および白色光Ｗの光強度に対応する光電変換信号をＳ_R、Ｓ_G、Ｓ_B、Ｓ_Wとし、Ｗ＋Ｒ、Ｇ、Ｗ＋Ｂの強度の光が入射した各画素１０２によって出力される光電変換信号をそれぞれＳ_W+R、Ｓ_G、Ｓ_W+Bとする。なお、Ｓ_WはＳ_W＝Ｓ_R＋Ｓ_G＋Ｓ_Bで表され、Ｓ_W+R、Ｓ_W+Bはそれぞれ、Ｓ_W+R＝Ｓ_W＋Ｓ_R、Ｓ_W+B＝Ｓ_W＋Ｓ_Bの関係式で表すことができる。また、画素１０２Ｄ_Gに入射する光は、微小分光素子１０１によって分光されたＧの成分であるため、Ｓ_Gがそのまま出力される。

【0092】

以上より、Ｓ_R、Ｓ_G、Ｓ_Bは、以下のＳ_W+R、Ｓ_G、Ｓ_W+Bを用いた行列演算で取得できる。

【0093】

【数1】

【0094】

したがって、各画素Ｄ_R、Ｄ_G、Ｄ_Bから出力される３つの光電変換信号Ｓ_W+R、Ｓ_G、Ｓ_W+Bを用いた信号演算によって３つの色成分の強度情報であるＳ_R、Ｓ_G、Ｓ_Bを求めることができる。

【0095】

以上より、本実施形態３の構成のおいても、実施形態１と同様な機能を実現できる。本実施形態３は、上記実施形態１との相違点以外は実施形態１と同様であり、それら共通する構成要素は実施形態１で説明したものと同様の効果を有し、また、同様の変更が可能である。なお、色フィルタとの併用を用いた変形例においては、微小分光素子１０１直下の画素１０２上にのみ、対応する色成分の色フィルタを配置することが望ましい。

【0096】

（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４に係る撮像素子について説明する。

【0097】

図１５（ａ）は、本発明の実施形態４に係る撮像素子の一部の概略構成の上面図であり、図１５（ｂ）は、その断面図である。図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態４の撮像素子５００およびそれを用いた撮像装置は、実施形態２と比較して、マイクロレンズ１０３が各画素１０２に一対一で対応して配置されている点が異なる。また、カラー情報の取得に、各画素１０２からの光電変換信号を用いた行列演算を用いる点が異なっている。なお、その他の構成要素は実施形態２と同一である。以下、実施形態２との相違点を中心に説明し、重複する点は説明を省略する。

【0098】

図１５（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１０３が各画素１０２に一対一で対応して配置されている。それに伴って、撮像素子５００に入射する白色の光のうち、各微小分光素子１０１に入射し色分離される光は、微小分光素子１０１の直上に位置するマイクロレンズ１０３により集光された光のみであり、その他の光は、各マイクロレンズ１０３を介して、各マイクロレンズ１０３直下の画素１０２に直接入射する。

【0099】

ここで、実施形態３の説明と同様に、単一のマイクロレンズ１０３へ入射する白色光の強度をＷで表し、白色光を構成するＲＧＢ３色の強度をそれぞれＲ、Ｇ、Ｂとすると、５つのマイクロレンズ１０３を介して画素１０２Ｄ_R、Ｄ_G、Ｄ_Bに入射する光は、それぞれＷ＋２Ｒ、Ｇ、Ｗ＋２Ｂで表される強度の光である。なお、上述は一例であって、各微小分光素子１０１の構成によっては、色成分と伝搬方向の組み合わせは自由に変更可能であり、それに伴って、画素１０２Ｄ_R、Ｄ_G、Ｄ_Bにそれぞれ入射する色成分の構成も変更される。以下の説明では、画素１０２Ｄ_R、Ｄ_G、Ｄ_BにそれぞれＷ＋２Ｒ、Ｇ、Ｗ＋２Ｂの強度の光が入射した際のおける行列演算によるカラー情報取得について述べるが、微小分光素子１０１の構成および分光性能によっては、行列演算子の数値は種々変更可能であることはいうまでもない。

【0100】

各画素１０２へそれぞれ入射したＷ＋２Ｒ、Ｇ、Ｗ＋２Ｂの強度の光は、光電変換素子によって光電変換がなされ、光電変換信号として出力される。ここで、実施形態３の説明と同様に、ＲＧＢ３色および白色光Ｗの光強度に対応する光電変換信号をＳ_R、Ｓ_G、Ｓ_B、Ｓ_Wとし、Ｗ＋２Ｒ、Ｇ、Ｗ＋２Ｂの強度の光が入射した各画素１０２によって出力される光電変換信号をそれぞれＳ_W+2R、Ｓ_G、Ｓ_W+2Bとする。なお、Ｓ_WはＳ_W＝Ｓ_R＋Ｓ_G＋Ｓ_Bで表され、Ｓ_W+2R、Ｓ_W+2Bはそれぞれ、Ｓ_W+2R＝Ｓ_W＋２Ｓ_R、Ｓ_W+2B＝Ｓ_W＋２Ｓ_Bの関係式で表すことができる。また、画素１０２Ｄ_Gに入射する光は、微小分光素子１０１によって分光されたＧの成分であるため、Ｓ_Gがそのまま出力される。

【0101】

以上より、Ｓ_R、Ｓ_G、Ｓ_Bは、以下のＳ_W+2R、Ｓ_G、Ｓ_W+2Bを用いた行列演算で取得できる。

【0102】

【数2】

【0103】

したがって、各画素Ｄ_R、Ｄ_G、Ｄ_Bから出力される３つの光電変換信号Ｓ_W+2R、Ｓ_G、Ｓ_W+2Bを用いた信号演算によって３つの色成分の強度情報であるＳ_R、Ｓ_G、Ｓ_Bを求めることができる。

【0104】

以上より、本実施形態４の構成のおいても、実施形態２と同様な機能を実現できる。本実施形態４は、上記実施形態２との相違点以外は実施形態２と同様であり、それら共通する構成要素は実施形態２で説明したものと同様の効果を有し、また、同様の変更が可能である。なお、色フィルタとの併用を用いた変形例においては、微小分光素子１０１直下の画素上にのみ、対応する色成分の色フィルタを配置することが望ましい。

【0105】

上述した実施形態１〜実施形態４は本発明の好適な具体例に過ぎず、本発明はこれらに限定されず、種々の変更が可能である。

【0106】

上述した実施形態１〜実施形態４では、微小分光素子１０１の材料としてＳｉＮを想定した例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明の撮像素子を光の波長が３８０〜８００ｎｍの範囲の可視光領域で用いる場合は、微小分光素子の材料には、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＯ₂、ＧａＮ等の材料が、屈折率が高く、吸収損失が少ないため適している。また、波長が８００〜１０００ｎｍの範囲の近赤外光に対しては、これらの光に対して低損失な材料として、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＴｉＯ₂、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の材料が適している。さらに長波長体の近赤外領域（通信波長である１．３μｍや１．５５μｍ等）では、上述の材料に加えて、ＩｎＰ等を用いることができる。さらに、貼り付け、塗布して微小分光素子を形成する場合、フッ素化ポリイミド等のポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、光硬化性樹脂、ＵＶエポキシ樹脂、ＰＭＭＡ等のアクリル樹脂、レジスト全般などのポリマー等が材料として挙げられる。

【0107】

同様に、上述した実施形態１〜実施形態４では、透明層１１１の材料としてＳｉＯ₂を想定した例を示したが、本発明はこれに限定されない。一般的なガラス材料、ＳｉＯ₂、空気層等、屈折率が微小分光素子材料の屈折率より低く、入射光の波長に対して低損失なものであれば何でもよい。

【0108】

上述した実施形態１〜実施形態４では、微小分光素子１０１が対応する３波長域の光として、赤、緑、青の３原色の光である場合を説明したが、３波長域のうちの少なくとも１つが３原色以外の波長の光（例えば赤外光や紫外光）であっても良い。

【0109】

以上、本発明を具体的な実施の形態に基づいて説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0110】

１ 物体
１０ 撮像装置
１１ レンズ光学系
１２ 撮像素子
１３ 信号処理部
１００、２００、３００、４００、５００、６００、６１０、６２０ 撮像素子
１０１ 微小分光素子
１０２ 画素
１０３ マイクロレンズ
１０４ 色フィルタ
１１１ 透明層
１１２ 配線層
１２１ 柱状構造体
６０１ 配線層
６０２ 画素
６０３ 透明層
６０４ 色フィルタ
６０５ マイクロレンズ
６０６、６０７ 微細構造

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】