CN101779288A - 固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

以2行2列为基本构成而具有分光要素，分光要素(1a、1b)、分光要素(1c、1d)分别成组，使分光后的光入射到各自正下的感光部和相邻的感光单元。分光要素(1a)按照使原色光(C1)向相邻单元(2b)入射、使其补色光(C1’)向正下单元(2a)入射的方式进行分光；分光要素(1b)按照使原色光(C2)向正下单元(2b)入射、使其补色光(C2’)向相邻单元(2a)入射的方式进行分光；分光要素(1c)与分光要素(1b)相同，分光要素(1d)按照使原色光(C3)向相邻单元(2c)入射、使其补色光(C3’)向正下单元(2d)入射的方式进行分光。感光单元(2)通过光电转换，根据入射光量输出电信号。通过各感光单元的输出之间的简单运算，生成色信号和亮度信号。

Description

固体摄像装置
技术领域
本发明涉及一种固体摄像装置的高灵敏度化及包含红外光的彩色化的技术。
背景技术
近年来，使用了CCD、CMOS等固体摄像装置(以下有时称为“摄像元件”)的数码相机、数字电影的高功能化、高性能化发展神速。尤其基于半导体制造技术的进步，使固体摄像装置中像素构造的微细化得以发展，实现了固体摄像装置的像素及驱动电路的高集成化。因此，区区几年间，摄像元件的像素数就从100万像素显著地增加到1000万像素。不过，从另一个角度而言，由于伴随着摄像元件的多像素化，导致一个像素接收的光的量(光量)降低，所以，引起了相机灵敏度也降低的问题。
在相机灵敏度降低的原因中，除了多像素化之外，色分离用的滤色器自身也存在原因。由于通常的滤色器将所利用的色成分以外的光吸收，所以，使得光利用率降低。作为具体的例子，在使用了原色(BEYER)型滤色器的彩色相机中，由于在摄像元件的各感光部上配置有将有机颜料作为色素的减色型滤色器，所以，光利用效率十分低。在原色型滤色器中，以将一个红(R)要素、两个绿(G)要素、一个蓝(B)要素作为基本构成的排列，按二维方式排列了三种颜色的滤色器。R滤色器使R光透过，吸收G光、B光。G滤色器使G光透过，吸收R光、B光。B滤色器使B光透过，吸收R光、G光。即，由于透过各滤色器的光是RGB三种颜色中的一种颜色，其他的两种颜色被滤色器吸收，所以，被利用的光是入射到滤色器的可见光的约1/3。
而且，针对相机而言，除了性能之外，在利用方面上还存在各种要求。最近，在监视用途上，除了要求满足白天监视的功能之外，还存在着在夜间要利用红外光进行摄像的需求，要求能够由一个相机兼具白天夜间都能监视的相机功能。
为了解决这样的问题、满足上述的要求，专利文献1中公开了一种在摄像元件的受光部安装微透镜阵列，来增加受光量的方法。该方法由于使摄像元件的感光部的开口率降低，所以，是通过微透镜聚光，实质上提高光开口率的方法，目前，在几乎所有的固体摄像元件中使用。如果使用该方法，则确实会提高实质的开口率，但不是解决滤色器的光利用率降低的方法。
因此，作为同时解决该光利用率降低和灵敏度降低的方法，专利文献2公开了一种将多层膜的滤色器与微透镜组合，形成具有最大限度取入光的构造的固体摄像装置。该装置组合使用了不吸收光而选择性地使特定波段的光透过、将其他波段的光反射的多个分色镜。各分色镜只选择必要的光，将其入射到对应的感光部。图25是具有这样结构的的一例的摄像元件的剖面图。
根据图25的固体摄像装置可知，入射到聚光微透镜21的光被内透镜22调整了光束之后，入射到第一分色镜23中。第一分色镜23使红(R)光透过，但将其他的色光反射。透过了第一分色镜23的光入射到正下方的感光单元2。被第一分色镜23反射后的光入射到相邻的第二分色镜24。第二分色镜24反射绿(G)光，使蓝(B)光透过。被第二分色镜24反射的绿光入射到其正下方的感光单元2。透过了第二分色镜24的蓝光被第二分色镜25反射，入射到其正下方的感光单元2。
根据图25的摄像元件，入射到聚光微透镜21的可见光未被滤色器吸收，其RGB各成分被三个感光单元2毫不浪费地检测出。
专利文献3中公开了一种使用微棱镜的固体摄像装置。在该装置中，通过微棱镜使分色成红、绿、蓝的光入射到各个感光单元。利用这样的固体摄像装置，滤色器的光完全未被吸收。
这样，在专利文献2、3所公开的固体摄像装置中，其公共点在于：不使用选择性地使特定波段的光透过的滤色器，取而代之，使用了选择性地透过/反射特定波段的光的微反射镜、根据波段使入射光向不同的方向分支的微棱镜。根据作为这样的微反射镜、微棱镜的分光要素来发挥功能的色分离光学元件，能够大幅提高光的利用率。
但是，在这些固体摄像装置中，需要设置所利用的色分离光学元件的数量，或进行分光的数量的感光单元。例如，为了检测红、绿、蓝色光，必须将感光单元的数量增加至3倍。
为了解决上述现有技术的问题，专利文献4公开了一种虽然会发生一部分的光损失，但利用多层膜滤色器和光反射提高了光的利用率的技术。图26表示了使用该技术的摄像元件的剖面图的一部分。在该图中，31是透光性的树脂，32表示由G光透过的多层膜滤色器反射R光、B光。33表示由R光透过的多层膜滤色器反射G光、B光。34是G光透过的有机色素滤色器，35是R光透过的有机色素滤色器，36是微透镜，37是金属层。
根据这样的结构，虽然无法通过感光部对B光进行受光，但能够按照以下的原理全部检测出R光、G光。首先，如果R光入射到多层膜滤色器32、33，则被多层膜滤色器32反射，进而在树脂31与空气的界面发生全反射，入射到多层膜滤色器33中。入射到多层膜滤色器33的所有R光经过有机色素滤色器35、微透镜36，光的一部分被金属层37反射，但几乎所有都入射到感光部。另外，如果G光入射到多层膜滤色器32、33，则被多层膜滤色器33反射，进而在树脂31与空气的界面处发生全反射，入射到多层膜滤色器32中。入射到多层膜滤色器32的所有G光经过有机色素滤色器34、微透镜36，同样几乎无损失地入射到感光部。
基于上述的原理，在专利文献4所公开的技术中，虽然RGB光中的一个颜色损失，但能够几乎无损失地受光两种颜色。并且，对于这两种颜色而言，不仅不用新增加感光单元，还能高效地接收各自的光。这里，若与仅由有机色素滤色器构成的摄像元件比较，则利用有机色素滤色器的情况下光利用率为1/3，而在本技术中，光利用率为2/3，灵敏度提高了2倍。但是，在该技术中，由于三种颜色中的一个颜色受到损失，所以，也存在着无法使光利用率达到100％的课题。
另一方面，专利文献5中公开了一种还能应对红外光的现有方法，在该方法中，如图27所示那样，将以两行两列为基本构成的使RGB和红外光(IR)透过的滤色器40安装到摄像元件的感光部。其中，为了使RGB的色要素还具有使红外光也透过的特性，在它们的前面安装有红外截去滤色器。在这样的构成中，白天利用来自RGB色要素的光来生成彩色图像，夜间发出红外光作为照明，利用来自IR要素的光形成黑白图像。该情况下，由于使用了光吸收型的色要素，所以RGB光的利用效率低，但通过应用专利文献2～4的方法，不仅可以提高RGB的光利用率，还能够利用红外光。
专利文献1：特开昭59-90467号公报
专利文献2：特开2000-151933号公报
专利文献3：特开2001-309395号公报
专利文献4：特开2003-78917号公报
专利文献5：特开2005-6066号公报
如果利用专利文献2、3所公开的现有方法，则还是需要设置接收光的颜色数量的感光单元，而如果利用专利文献4所示的方法，则存在着任意一种色成分会受到损失的课题。
结果，如果在现有技术中使用光吸收型的滤色器，则虽然不需要大幅增加感光单元，但光利用效率低。而如果使用光选择透过型的微反射镜或微棱镜，则光的利用率高，但必须大幅增加感光单元的数量。
专利文献6中公开了一种利用分光的彩色化技术，该技术是在原色型滤色器排列中设定与RGB对应的像素，通过光衍射将各种光会聚到各个像素中的技术。即，必须由一个衍射栅格至少划分为RGB的三种光，具有彩色化欠缺灵活性这一问题。
发明内容
本发明涉及一种不一定必须分光成RGB的具有灵活性的彩色化技术，其目的在于，提供一种即使不大幅增加感光单元，也能够利用分光要素使光利用率提高的彩色摄像技术。并且，本发明的目的还在于，提供一种除了可见光之外，还能够应对红外光的技术。
本发明的固体摄像装置具备：含有第一感光单元及第二感光单元的感光单元阵列；和设置在所述感光单元阵列上，含有第一光学元件及第二光学元件的光学元件阵列，其中，所述第一光学元件使入射到所述第一光学元件的入射光中含有的第一波段的光线向所述第一感光单元入射，使所述入射光中含有的第二波段的光线向所述第二感光单元入射，所述第二光学元件使入射到所述第二光学元件的入射光中含有的至少所述第二波段的光线向所述第二感光单元入射，所述第一感光单元输出含有因透过了所述第一光学元件的光线的入射而产生的电信号成分的信号，所述第二感光单元输出含有因透过了所述第一及第二光学元件的光线的入射而产生的电信号成分的信号。
在某一优选的实施方式中，所述第一波段的光线的颜色是所述第二波段的光线的颜色的补色。
在某一优选的实施方式中，所述第一光学元件及所述第二光学元件分别具有使入射光根据波长朝向不同的方向的分光特性，所述第一光学元件位于所述第一感光单元上，所述第二光学元件位于所述第二感光单元上。
本发明的其他固体摄像装置具备：含有多个感光单元的感光单元阵列、和在所述感光单元阵列上以一维状或二维状配置有至少两种分光要素的光学元件阵列，一部分或全部的所述感光单元接收至少来自两种所述分光要素的光，生成至少三种色信号，其中，所述光学元件阵列含有使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的分光要素。
在某一优选的实施方式中，所述光学元件阵列含有使入射光至少分光成三个光的分光要素，所述分光要素中的至少一个使光的一部分向对应的所述感光单元落射，使其他的光向对应的所述感光单元的相邻感光单元落射。
在某一优选的实施方式中，所述光学元件阵列含有使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第一分光要素及第二分光要素，所述第一分光要素与所述第二分光要素相邻配置，所述第一分光要素的所述第一波段的光和所述第二分光要素的所述第一波段的光，入射到与所述第一分光要素对应的感光单元，所述第一分光要素的所述第二波段的光和所述第二分光要素的所述第二波段的光，入射到与所述第二分光要素对应的感光单元。
在某一优选的实施方式中，所述光学元件阵列含有：使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第三分光要素；和不将入射光分光的透明要素；所述第三分光要素与所述透明要素相邻配置，所述第三分光要素的所述第一波段的光，入射到与所述第三分光要素对应的感光单元，所述第三分光要素的所述第二波段的光和来自所述透明要素的光，入射到与所述透明要素对应的感光单元。
在某一优选的实施方式中，所述光学元件阵列含有：使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第一分光要素、第二分光要素及第三分光要素；和不将所述入射光分光的透明要素；所述第一分光要素与所述第二分光要素相邻配置，所述第三分光要素与所述透明要素相邻配置，所述第一分光要素的所述第一波段的光和所述第二分光要素的所述第一波段的光，入射到与所述第一分光要素对应的感光单元，所述第一分光要素的所述第二波段的光和所述第二分光要素的所述第二波段的光，入射到与所述第二分光要素对应的感光单元，所述第三分光要素的所述第一波段的光入射到与所述第三分光要素对应的感光单元，所述第三分光要素的所述第二波段的光和来自所述透明要素的光，入射到与所述透明要素对应的感光单元。
在某一优选的实施方式中，所述光学元件阵列含有：使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第一分光要素；和将入射光分光成第三波段的光、第四波段的光及第五波段的光的第二分光要素；所述第一分光要素与所述第二分光要素交替相邻配置，所述第一分光要素的所述第二波段的光、所述第二分光要素的所述第三波段的光和所述第五波段的光，入射到与所述第一分光要素对应的感光单元，所述第一分光要素的所述第一波段的光和所述第二分光要素的所述第四波段的光，入射到与所述第二分光要素对应的感光单元。
在某一优选的实施方式中，所述光学元件阵列含有：使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第一分光要素；和不进行分光的透明要素；所述第一分光要素与所述透明要素相邻配置，所述第一分光要素的所述第二波段的光，入射到与所述第一分光要素对应的感光单元，所述第一分光要素的所述第一波段的光和来自所述透明要素的光，入射到与所述透明要素对应的感光单元。
在某一优选的实施方式中，所述光学元件阵列含有：使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第一分光要素及第二分光要素；将入射光分光成第三波段的光、第四波段的光、第五波段的光的第三分光要素；和不将入射光分光的透明要素；所述第一分光要素与所述第三分光要素交替相邻配置，所述第二分光要素与所述透明要素相邻配置，所述第一分光要素的所述第二波段的光、所述第三分光要素的所述第三波段的光和所述第五波段的光，入射到与所述第一分光要素对应的感光单元，所述第一分光要素的所述第一波段的光和所述第三分光要素的所述第四波段的光，入射到与所述第三分光要素对应的感光单元，所述第二分光要素的所述第二波段的光入射到与所述第二分光要素对应的感光单元，所述第二分光要素的所述第一波段的光和来自所述透明要素的光，入射到与所述透明要素对应的感光单元。
在某一优选的实施方式中，具有分光成两个光、使其中的一个入射到与透明要素对应的感光单元的分光要素，其具有将光量少的分光入射到与所述透明要素对应的感光单元的特性。
在某一优选的实施方式中，所述分光要素通过衍射来进行入射光的分光。
在某一优选的实施方式中，所述分光要素具有：由折射率相对高的材料形成的高折射率透明部；和由折射率相对低的材料形成，与所述高折射率透明部的侧面相接的低折射率透明部。
在某一优选的实施方式中，所述高折射率透明部具有厚度在入射光的行进方向上不同的部分。
在某一优选的实施方式中，在沿着入射光的行进方向的剖面中，所述高折射率透明部的中心轴被折曲成阶梯状。
在某一优选的实施方式中，通过相邻的两个感光单元输出的信号的差分运算，计算出色信息。
本发明涉及的又一固体摄像装置具备：感光单元阵列，其具有排列成二维状的多个感光单元，含有沿第一方向相邻的第一感光单元及第二感光单元；和第一分光要素，其设置在与所述第一感光单元对应的位置，将入射光沿所述第一方向分光；被所述第一分光要素分光后的光的至少一部分入射到所述第二感光单元，所述第一感光单元及第二感光单元分别输出基于入射光量的光电转换信号，根据来自所述第二感光单元的光电转换信号、与来自所述第一感光单元的光电转换信号的差分运算，检测出被所述第一分光要素分光、入射到所述第二感光单元的光的量。
在某一优选的实施方式中，在第一感光单元及第二感光单元上排列光学特性相同的色要素，利用通过所述色要素获得的光电转换信号，检测由第一分光要素分光并入射到所述第二感光单元的光的分光量。
在某一优选的实施方式中，具有设置在与第二感光单元对应的位置，将入射光向与所述第一方向构成角度的第二方向分光的第二分光要素，通过进行所述第二感光单元之间的光电转换信号的加法运算结果、与来自所述第一感光单元的光电转换信号和来自所述第二感光单元的光电转换信号的加法运算结果的差分运算，来检测分光量。
在某一优选的实施方式中，所述角度是90度。
在某一优选的实施方式中，被所述第一分光要素分光并入射到所述第二感光单元的光是红外光。
在某一优选的实施方式中，根据被所述第一分光要素分光并入射到所述第二感光单元的所述红外光的量，生成红外光图像。
在某一优选的实施方式中，通过从各感光单元的光电转换信号中，减去被所述第一分光要素分光并入射到所述第二感光单元的所述红外光的量，来生成可见光图像。
在某一优选的实施方式中，所述感光单元阵列含有沿着所述第二方向相邻的第三感光单元，还具备设置在与所述第三感光单元对应的位置，将入射光沿所述第二方向分光的第三分光要素，第二分光要素将入射光分光成蓝和其他的颜色，所述第三分光要素将入射光分光成红与其他的颜色。
本发明涉及的另一固体摄像装置具备：含有多个感光单元的感光单元阵列、和在所述感光单元阵列上以一维状或二维状配置有多个分光要素的光学元件阵列，一部分或全部的所述感光单元分别接收来自所述光学元件阵列中含有的多个分光要素的光，生成色信号，其中，所述分光要素与所述感光单元的三维位置关系或所述分光要素的倾斜因位置的不同而发生变化。
在某一优选的实施方式中，所述分光要素与所述感光单元的距离因位置的不同而发生变化。
在某一优选的实施方式中，所述分光要素的配置间距与所述感光单元的配置间距是m∶n的整数比(其中，n/m不是整数)。
在某一优选的实施方式中，所述光学元件阵列中含有的所述多个分光要素的特性相同。
在某一优选的实施方式中，具有：由折射率相对高的材料形成的高折射率透明部；和由折射率相对低的材料形成，与所述高折射率透明部的侧面抵接的低折射率透明部；所述高折射率透明部具有厚度在入射光的行进方向上不同的部分。
本发明的又一固体摄像装置具备：以二维平面状排列有将入射光向第一方向分光的多个上侧分光要素的第一光学元件阵列；以二维平面状排列有将入射光向与所述第一方向交叉的第二方向分光的多个下侧分光要素的第二光学元件阵列；和以二维状排列有多个感光单元的感光单元阵列；所述第二光学元件阵列与所述第一光学元件阵列层叠在所述感光单元阵列上。
在某一优选的实施方式中，所述第一方向与所述第二方向正交。
在某一优选的实施方式中，所述上侧分光要素将入射光分成第一波段的光和第二波段的光，所述下侧分光要素将入射光分成第三波段的光和第四波段的光，所述第一波段的光与所述第二波段的光存在补色关系，所述第三波段的光与所述第四波段的光存在补色关系。
在某一优选的实施方式中，所述感光单元阵列接收所述第一至第四波段的光，通过光电转换生成电信号，从所述感光单元阵列至少获得4个色信号。
在某一优选的实施方式中，所述上侧分光要素具有分光方向相差180度的第一分光要素和第二分光要素，所述下侧分光要素具有分光方向相差180度的第三分光要素和第四分光要素，所述感光单元阵列具有由4个感光单元构成的基本单位，所述4个感光单元分别接收所述第一至第四波段的任意一个波段的光，通过光电转换，输出信号。
在某一优选的实施方式中，所述感光单元阵列还含有接收被所述第一分光要素或所述第二分光要素分光后的光、或不透过所述第一分光要素及所述第二分光要素双方的光，对其进行光电转换的感光单元组。
在某一优选的实施方式中，所述上侧分光要素将光分成含有红外及蓝的第一波段的光、和含有红及绿的第二波段的光，所述下侧分光要素将光分成含有红外及红的第三波段的光、和含有绿及蓝的第四波段的光。
根据本发明的固体摄像装置，由于使用了具有分光功能的光学元件(分光要素)的阵列，所以，不需要吸收光的彩色滤光器。因此，光利用率提高。而且，由于至少使用两种分光要素，所以，可从感光单元取得至少两种色成分。当将来自多个感光单元的信号恰当地进行求和运算，可获得白成分，通过从白成分中减去两种色成分，可以生成另外一种色成分。结果，如果利用两种分光要素，则光利用率高，能够至少生成三种色分离所需要的色信号。
附图说明
图1A是表示透镜及摄像元件的立体图。
图1B是表示本发明的实施方式1中的基本构成的俯视图。
图1C是图1A的AA’线剖面图。
图1D是表示入射到本发明的实施方式1的感光单元中的光的种类的平面图。
图2A是表示本发明的实施方式2中的基本构成的俯视图。
图2B是表示入射到本发明的实施方式2的感光单元中的光的种类的平面图。
图3A是表示本发明的实施方式3中的基本构成的俯视图。
图3B是表示入射到本发明的实施方式3的感光单元中的光的种类的平面图。
图4A是表示本发明的实施方式4中的基本构成的俯视图。
图4B是图4A的BB’线剖面图。
图5A是表示本发明的实施方式5中的基本构成的俯视图。
图5B是图5A的CC’线剖面图。
图5C是本发明的实施方式5中的基本构成的图5A的DD’线剖面图。
图6是表示本发明的实施方式6中的基本构成的俯视图。
图7是表示本发明的实施方式7中的基本构成的俯视图。
图8是表示本发明的实施方式8中的基本构成的俯视图。
图8B是图8A的EE’线剖面图。
图8C是图8A的FF’线剖面图。
图9是本发明的实施方式中的一个分光要素的主视图。
图10是本发明的实施方式5中的分光要素5a或5d的主视图。
图11A是表示本发明的实施方式9中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图。
图11B是图11A的AA’线剖面图。
图11C是图11A的BB’线剖面图。
图11D是图11A的CC’线剖面图。
图12A是表示本发明的实施方式10中的分光要素相对摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图。
图12B是图12A的DD’线剖面图。
图13A是表示本发明的实施方式11中的分光要素相对摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图。
图13B是图13A的EE’线剖面图。
图14A是本发明中的分为IR光和其他光的分光要素的主视图。
图14B是本发明中的分为R光和其他光的分光要素的主视图。
图14C是本发明中的分为B光和其他光的分光要素的主视图。
图15A是表示本发明的实施方式12中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图。
图15B是图15A的AA’线剖面图。
图16A是表示本发明的实施方式13中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图。
图16B是图16A的BB’线剖面图。
图17A是表示本发明的实施方式14中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图。
图17B是图17A的CC’线剖面图。
图17C是图17A的DD’线剖面图。
图18A是表示本发明的实施方式15中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图。
图18B是图18A的EE’线剖面图。
图18C是图18A的FF’剖面图。
图19A是表示本发明的实施方式16中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图。
图19B是图19A的GG’线剖面图。
图19C是图19A的HH ’线剖面图。
图20A是表示本发明的实施方式17中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图。
图20B是图20A的AA’线剖面图。
图20C是图20A的BB’线剖面图。
图20D是图20A的CC’线剖面图。
图21A是表示本发明的实施方式18中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图。
图21B是本发明的实施方式18中的摄像元件的图21A的DD’线剖面图。
图21C是本发明的实施方式18中的摄像元件的图21A的EE’线剖面图。
图21D是本发明的实施方式18中的摄像元件的图21A的FF’线剖面图。
图22A是表示本发明的实施方式19中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图。
图22B是本发明的实施方式19中的摄像元件的图22A的GG’线剖面图。
图22C是本发明的实施方式19中的摄像元件的图22A的HH’线剖面图。
图22D是本发明的实施方式19中的摄像元件的图22A的II’线剖面图。
图23A是本发明中的分为R+G光和IR+B光的分光要素的主视图。
图23B是本发明中的分为IR+R光和G+B光的分光要素的主视图。
图24A是将2个本发明的分光要素合体后的分光要素的俯视图。
图24B是将2个本发明的分光要素合体后的分光要素的主视图。
图24C是将2个本发明的分光要素合体后的分光要素的侧视图。
图25是使用了微透镜和反射型滤色器的现有固体摄像元件的剖面图。
图26是使用多层膜滤色器和反射，提高了光的利用率的摄像元件的剖面图。
图27是使RGB和红外光(IR)透过的基本色配置图。
图28是表示本发明的摄像装置的整体构成的图。
图中：1、4、5-分光型的光学元件阵列(分光要素)，1a、1b、1c、1d-分光型光学元件阵列的分光要素，1aa、1bb、1cc、1dd-分光型光学元件阵列的分光要素，5a、5b、5c、5d-分光型光学元件阵列的分光要素，11a、11b、11c-分光型光学元件阵列的分光要素，1e-透明要素，2-摄像元件的感光单元，2a、2b、2c、2d-摄像元件的感光单元，2e、2f、2g、2h-摄像元件的感光单元，2Z-摄像元件的遮光部，3-原色型滤色器，6a、6b、6c、6d-作为光学元件阵列的由高折射率材料构成的分光要素，7-低折射率的透明部，21-微透镜，22-内透镜，23-反射红(R)以外的分色镜，24-仅反射绿(G)的分色镜，25-仅反射蓝(B)的分色镜，26-微棱镜，31-透光性树脂，32-透过G光的多层膜反射镜，33-透过R光的多层膜反射镜，34-透过G光的有机色素滤色器，35-透过R光的有机色素滤色器，36-微透镜，37-金属层，40-使RGB和红外光(IR)透过的滤色器，101-光学透镜，102-光学板，103-固体摄像元件，104-信号发生及像素信号接收部，105-元件驱动部，200-影像信号处理部，201-RGB信号生成部，202-视频信号生成部，203-视频接口部，204-JPEG信号生成部，205-多媒体接口部。
具体实施方式
下面，参照附图，并根据实施方式对本发明进行说明。针对所有图中公共的要素赋予了同一符号。
(实施方式1)
图1A是示意地表示透过了透镜101的光入射到固体摄像元件103的样子的立体图。在固体摄像元件103的摄像面103a上，以二维方式排列有多个感光单元。由透镜101实现的成像结果是：入射到摄像面103a的光的量(入射光量)根据入射位置而变化。典型的情况下，各个感光单元是光电二极管，通过光电转换，输出与入射光量对应的电信号(光电转换信号)。典型的情况下，固体摄像元件103是CCD或CMOS传感器，通过公知的半导体制造技术制成。在本实施方式的固体摄像元件103的与形成了感光单元阵列的面对置的位置，设置了具有分光功能的光学元件的阵列。固体摄像元件103与含有未图示的驱动电路、信号处理电路的处理部电连接。对于这些处理部，将在后面叙述。
图1B是表示本发明的实施方式1中的光学元件阵列与感光单元阵列的配置关系的俯视图。现实的固体摄像元件具备多个感光单元被排列成行及列状的感光单元阵列，但在图1B中，为了简化，表示了由2行2列4个感光单元构成的基本构成。图1C是图1B的AA’线处的剖面图，图1D是表示入射到感光单元的光的种类的平面图。
本发明的固体摄像元件能够不使用RGB的滤色器，而利用光学元件阵列的分光功能，生成彩色图像信号。尤其在本发明的优选实施方式中，其特征在于，从多个分光要素向感光单元阵列中包含的一部分或全部感光单元的每一个入射光。在一个感光单元输出的信号中，重叠有不同波段的光量，通过使用其他感光单元输出的信号来进行运算，可以取出必要的色信号。
在图1B及图1C的例子中，光学元件阵列1的基本单元具有：作为分别具有分光功能的光学元件的4个分光要素1a、1b、1c、1d。光学元件阵列1被配置成对包含感光单元2a、2b、2c、2d的感光单元阵列进行覆盖，感光单元2a、2b、2c、2d分别对应于分光要素1a、1b、1c、1d。
在本说明书中，“感光单元A对应于分光要素B”是指：透过了“分光要素A”的光的至少一部分入射到“感光单元A”。当感光单元A对应于分光要素B时，典型的情况是，分光要素B被配置成覆盖感光单元A的至少一部分。
本实施方式1中的分光要素1c具有与分光要素1b相同的特性。分光要素1a、1b、1c、1d分别如图9所示，是四棱柱状的棱镜型分光要素。当光入射时，该棱镜型的分光要素基于波长改变折射角，其路线也发生变化。因此，通过调整其长度L，能够对各色的光线入射到感光单元的受光面上的位置进行控制。
在图9中，表示了蓝(B)朝向分光要素的相邻方向、其补色(黄：红(R)+绿(G))朝向正下方向的状态。通过调整分光要素的长度L、与感光单元的三维位置，可以改变向分光要素正下方的感光单元、相邻的感光单元入射的颜色。根据这样的分光要素，可以在入射光的行进方向上，使波段互不相同的光朝向不同的方向透过。在本说明书中，将入射光中包含的波段不同的光成分在空间上分离的作法称为“分光”。而且，有时将被如此分光后的光也简单称为“分光”。
根据图9所示的棱镜型分光要素，还能够使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，并使第二波段的光(第一波段的光的补色)向与该入射光成第二角度的方向透过。分光后的各波段的光都包括在含有入射光的平面中。通过以入射光的光轴为中心旋转配置分光要素，可以改变含有分光的上述平面的朝向。
将上述那样的分光要素在一维或二维上排列的方法(图案)是多样的。通过恰当设计分光要素的排列图案，能够针对构成感光单元阵列的各个感光单元，将入射光分离、统一成所希望的波段而入射。结果，能够从感光单元输出的光电转换信号的组中，导出与必要的色成分对应的信号。
在本实施方式1中，分光要素1a与分光要素1b成为一组，分光要素1c与分光要素1d成为一组，分别使分光后的光入射到正下方的感光部和相邻的感光单元。这里，分光要素1a按照使原色光C1入射到相邻的感光单元、使其补色光C1~入射到正下方的感光单元的方式进行分光。分光要素1b按照使原色光C2入射到正下方的感光单元、使其补色光C2~入射到相邻的感光单元的方式进行分光。分光要素1c按照使原色光C2入射到正下方的感光单元、使其补色光C2~入射到相邻的感光单元的方式进行分光。分光要素1d按照使原色光C3入射到相邻的感光单元、使其补色光C3~入射到正下方的感光单元的方式进行分光。
在图1B所示的构成中，透过了分光要素1a的光，使补色光C1~入射到其正下方的感光单元2a、使原色光C1入射到相邻的感光单元2b，透过了分光要素1b的光使原色光C2入射到其正下方的感光单元2b、使补色光C2~入射到相邻的感光单元2a。而且，透过了分光要素1c的光，使原色光C2入射到其正下方的感光单元2c、使补色光C2~入射到相邻的感光单元2d，透过了分光要素1d的光使补色光C3~入射到其正下方的感光单元2d、使原色光C3入射到相邻的感光单元2c。
结果，如果将感光单元2a、2b、2c、2d接收到的光的量(受光量)分别设为S2a、S2b、S2c、S2d，则如从图1D可知那样，各感光单元的受光量可以由以下的公式表示。
(式1)S2a＝C1~+C2~
(式2)S2b＝C1+C2
(式3)S2c＝C2+C3
(式4)S2d＝C2~+C3~
这里，设C1等符号表示由该符号表示的光(原色光或补色光)的光量。
其中，C1~＝C2+C3、C2~＝C1+C3、C3~＝C1+C2。这里，如果用W表示白的光量，则W＝C1+C2+C3。综上可知，上述式1～式4可以如下所示那样被置换。
(式5)S2a＝W+C3
(式6)S2b＝W-C3
(式7)S2c＝W-C1
(式8)S2d＝W+C1
进而，通过式5与式6的加减运算及式7与式8的加减运算，可得到以下的公式。
(式9)S2a+S2b＝2W
(式10)S2a-S2b＝2C3
(式11)S2d+S2c＝2W
(式12)S2d-S2c＝2C1
基于上述的结果，通过附图中水平方向的感光单元之间的简单运算，可得到两个颜色信息和两个亮度信息，对于剩下的一个颜色的信息，也可以根据2W-2C1-2C3来得到。这里，如果将C1、C2、C3分别设为红(R)、绿(G)、蓝(B)的光量，则在上述构成中，可以从4个光学元件得到两个颜色信号2R、2B和亮度信号2W，例如是从以往的原色排列得到的R和B的信号量的2倍。
如上所述，在本发明的实施方式1中，由分光要素组(光学元件阵列)将入射光分光成3个颜色Ci、Cj、Ck和其补色光Ci~、Cj~、Ck~。然后，使用其中的两个，将原色彼此之间的光入射到某一感光单元，得到(Ci+Cj)。而且，如果使补色光彼此入射到相邻的感光单元，则可以得到(Ci~+Cj~)。因此，根据它们的减法运算，可高效取出剩下的光成分Ck。另外，如果以不同的组合实施同样的处理，则具有三原色也被高效取出的效果。并且，由于没有如以往的减色型滤色器那样的光吸收，所以还具有光利用率高的效果。
(实施方式2)
接着，利用附图对第二实施方式进行说明。图2A是表示本发明的实施方式2中的光学元件阵列的配置的图，是以2行2列的感光单元为基本构成的摄像元件的俯视图。图2B是表示入射到感光单元的光的种类的平面图。
本实施方式的基本构成与实施方式1的情况类似，其不同之处在于，相当于光学元件阵列1的分光要素1d的要素，被置换为透明要素1e。
本实施方式中的分光要素1a、1b与实施方式1的分光要素1a、1b相同。因此，它们正下方的感光单元2a、2b的受光量也如图2B所示，与实施方式1的情况相同。因此，通过水平方向的感光单元2a、2b之间的加减运算，可以得到颜色信号2C2和亮度信号2W。另一方面，由于透明要素1e不进行分光，所以，光W入射到其正下方的感光单元2d，但从相邻的分光要素1c还接收到补色光C2~(图2B)。在感光单元2c中与实施方式1不同，由于不接收来自相邻的分光要素的光，所以，从分光要素1c只接收原色光C2。结果，感光单元2c、2d的受光量S2c、S2d可由以下的公式表示。其中，虽然式13是S2c＝C2，但变更为使用了W的表现。
(式13)S2c＝W-(C1+C3)
(式14)S2d＝W+(C1+C3)
虽然计算结果与实施方式1的情况一部分不同，但从式9和式10中取出2C3和2W，从式13和14的加减运算取出2C1+2C3的颜色信息和2W的亮度信息。根据以上的结果，还可以通过简单的加减运算计算出2C1、2C2。
如上所述，根据本发明的实施方式2，即使将一部分的分光要素替换成透明要素，在透明要素正下方的感光单元中，除了光W之外，还接收到来自相邻分光要素的分光。由此，可以通过与相邻感光单元的减法运算处理，高效地取出颜色信息。因此，实施方式2与实施方式1同样，和现有技术相比，也能期待大幅的性能提高。而且，由于引入了透明要素，所以，具有不需要制造所有与全部的感光单元对应的分光要素、可削减一个制造分光要素的工艺这一光学元件阵列制造上的好处。
(实施方式3)
接着，利用附图对第三实施方式进行说明。图3是表示本发明的实施方式3中的光学元件阵列的配置的图，是以2行2列的感光单元为基本构成的摄像元件的俯视图。图3B是表示入射到感光单元的光的种类的平面图。
光学元件阵列的基本构成与实施方式1的情况类似，其不同之处在于，相当于光学元件阵列1的分光要素1b的要素和相当于分光要素1c的要素，被置换为简单的透明要素1e，此外完全相同。即，在2行2列的基本单元中，实施方式2中将透明要素设为1个，本实施方式中将透明要素设为2个。
在本实施方式中，透明要素1e为2个，它们正下方的感光单元2b、2c分别接收光W。在感光单元2b中，从相邻的分光要素1a还接收原色光C1，而且，在感光单元2c中，从相邻的分光要素1d还接收原色光C3。另一方面，由于相邻要素是透明要素，所以，感光单元2a、2d不接收来自相邻要素的光，在感光单元2a中接收补色光C1~，在感光单元2d中接收补色光C3~。
结果，感光单元2a、2b、2c、2d的受光量如图3B所示那样，可以通过以下的公式表示。其中，虽然式15及式18分别为S2a＝C1~、S2d＝C3~，但改变成使用了W的表现。
(式15)S2a＝W-C1
(式16)S2b＝W+C1
(式17)S2c＝W+C3
(式18)S2d＝W-C3
上述的结果是，从式15与式16的加减运算取出颜色信息2C1和亮度信息2W，从式17与式18的加减运算取出颜色信息2C3和亮度信息2W。这样，即使将一部分的分光要素进一步替换成透明要素，如果分光要素为两个种类，则也能够高效取出颜色信息，并且可期待比现有技术大幅提高灵敏度。
其中，在如实施方式2及实施方式3所示那样含有透明要素的情况下，对于与透明要素相邻的分光要素的分光而言，设定成如向该要素正下方的感光单元入射尽可能多的光那样的特性，具有在被变换成图像信号时能够取得信号的平衡的好处。
例如，在具有与透明要素相邻、分光成蓝(B)和作为其补色的黄(R+G)的分光要素时，若使黄光入射到该分光要素正下方的感光单元，使蓝光入射到与透明要素对应的感光单元，则受光量分别为(R+G)和(W+B)，它们之差为2B。另一方面，在分光要素使蓝光入射到其正下方的感光单元，使黄光入射到与透明要素对应的感光单元的情况下，受光量分别为B和(W+R+G)，它们之差为(2R+2G)。该情况下，与之前的情况相比，受光信号差大。当受光信号差大时，到感光单元的信号饱和电平为止的差的偏差也变大，会发生即使以相同的光量，在一部分的感光单元中像素信号也饱和的问题。因此，在前者的情况下，可取得各像素信号的平衡，使信号的动态范围性能良好。
并且，在如上述那样分光成原色和其补色的分光要素中，前者的情况还具有能够直接取出原色信号的优点。总之，在具有与透明要素相邻的分光要素的情况下，优选按照使补色入射到该分光要素正下方的感光单元、使原色光入射到与透明要素对应的感光单元的方式，来设计分光要素的构造。
(实施方式4)
接着，利用附图对第四实施方式进行说明。本实施方式的特征在于，使用了分光成RGB三色光的分光要素。图4A是表示本发明的实施方式4中的光学元件阵列的配置的图，是以1行2列的感光单元为基本构成的摄像元件的俯视图。而图4B是图4A的BB’线处的剖面图。
在图4A及图4B的例子中，光学元件阵列4是棱镜式分光要素的阵列。在该光学元件阵列4中，四棱柱状的分光要素以每隔一个使朝向改变180的方式排列成二维状。这里，分光要素基本上与实施方式1所示的四棱柱状棱镜式分光要素相同，但使出光面为斜面，进一步加强了红(R)、绿(G)、蓝(B)光的宽幅，能够使三色中的两个颜色入射到各自的相邻感光单元。其中，分光要素数与感光单元数的比率为1∶2，感光单元位于各分光要素的正下方和它们之间。
在图4A及图4B所示的构成中，由于分光要素以两个为一组的状态排列，所以，向各分光要素正下方的感光单元入射G，向位于各分光要素之间的感光单元入射2R或2B。因此，从一行取出2B、G、2R、G、2B、G、2R、……的RGB信号。与现有的滤色器相比，G的受光量没有改变，但由于接收R和B的感光单元重复接收了来自两个分光要素的光，所以，相应地可削减像素数，RB的受光量变为两倍。在上述例子中，使用了分光成三个光的要素，但如果由一个感光单元重复接收其一部分的光，也可以是分光成三个以上光的分光要素。
如上所述，根据本发明的实施方式4，通过至少使用一个种类的将入射光至少分光成三个光的分光要素，不仅可以无损失地取出RGB信号，而且能够由一个感光单元重复接收R光或B光，相应地具有可削减像素数的效果。
(实施方式5)
接着，利用附图对第五施方式进行说明。图5A是表示本发明的实施方式5中的光学元件阵列的配置的图，是以2行2列的感光单元为基本构成的摄像元件的俯视图。而图5B是图5A的CC’线处的剖面图，图5C是图5A的DD’线处的剖面图。
在图5A、图5B及图5C的例子中，光学元件阵列5具备分光型的分光要素5a、5b、5c、5d。
在本实施方式5中，分光要素5c具有与分光要素5b相同的特性。分光要素5b、5c与实施方式4中的分光要素相同，将出光面设为斜面，加强了三原色光的宽幅，可以使三色中的两个颜色入射到各自的相邻感光单元中。
分光要素5a、5d的特性相互不同，但构造相同。分光要素5a、5d使分光Ci向分光要素正下方落射，使其补色光Ci~向与落射方向成某一角度的方向落射。这些分光要素5a、5d通过分别准备2个图9所示的分光要素1，并按照这两个分光要素1的朝向相反的方式进行接合而成。通过采用这样的构造，可以使分光Ci向分光要素正下方落射，使其补色光Ci~向与落射方向成某一角度的方向落射。而且，通过改变该分光要素的长度，还能够变更该分光特性。
图10表示使Ye(R+G)向分光要素正下方落射、使B向左右方向落射的状态。如果使某一分光Ci向分光要素正下方落射，则该光Ci的补色光分别一半一半地向相邻左右方向落射。在本实施方式的光学元件阵列中，以向相邻左右方向落射的光分别入射到与正下方的感光单元相邻的感光单元的方式，来设计分光要素5a、5d。
在本实施方式5中，分光要素5a和分光要素5b构成一组，同样，分光要素5c和分光要素5d构成一组。分别使分光后的光入射到与正下方的感光单元相邻的感光单元。这里，分光要素5a按照使原色光0.5C1入射到相邻的感光单元、使其补色光C1~入射到正下方的感光单元的方式进行分光。分光要素5b将光分色成C1、C2、C3这三个光，使分光C2入射到正下方的感光单元，使分光C1、C3入射到相邻的感光单元。而且，分光要素5c与分光要素5b同样，使分光C2入射到正下方的感光单元，使分光C1、C3入射到相邻的感光单元。分光要素5d使原色光0.5C3入射到相邻的感光单元，使其补色光C3~入射到正下方的感光单元。
在图5A所示的构成中，透过了分光要素5a的光使C1~入射到其正下方的感光单元2a，使0.5C1+0.5C1(＝C1)入射到相邻的感光单元2b，透过了分光要素5b的光使C2入射到其正下方的感光单元2b，使C1和C3入射到相邻的感光单元2a。另外，透过了分光要素5c的光使C2入射到其正下方的感光单元2c，使C1和C3入射到相邻的感光单元2d，透过了分光要素5d的光使C3~入射到其正下方的感光单元2d，使0.5C3+0.5C3(＝C3)入射到相邻的感光单元2c。
结果，感光单元2a、2b、2c、2d接收的光量能够用以下的公式表示。
(式19)S2a＝C1~+C1+C3
(式20)S2b＝C1+C2
(式21)S2c＝C2+C3
(式22)S2d＝C1+C3+C3~
这里，如果使用W＝C1+C1~＝C3+C3~、C1+C2＝W-C3、C2+C3＝W-C1的关系，则上述的式19～式22能够被变换成式5～式8。结果，成为与实施方式1相同结果的公式，可获得与实施方式1的情况相同的效果。
如上所述，根据本发明的实施方式5，包括：使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第一分光要素；和将入射光分光成第三波段的光、第四波段的光、第五波段的光的第二分光要素；所述第一分光要素与所述第二分光要素交替相邻配置，通过所述第一分光要素的所述第二波段的光、所述第二分光要素的所述第三波段的光和所述第五波段的光入射到与所述第一分光要素对应的感光单元，所述第一分光要素的所述第一波段的光和所述第二分光要素的所述第四波段的光入射到与所述第二分光要素对应的感光单元，从而可以通过感光单元之间的简单运算，高效取出色信号，具有光利用率高的效果。
(实施方式6)
接着，利用附图对第六实施方式进行说明。图6是表示本发明的实施方式6中的光学元件阵列5的配置的图，是以2行2列的感光单元为基本构成的摄像元件的俯视图。该光学元件阵列的基本构成与实施方式5的光学元件阵列5类似，但在相当于分光要素5d的要素被置换成简单的透明要素1e这一点上不同。
若将本实施方式与实施方式5进行比较，则由于分光要素5a和分光要素5b在两个实施方式中相同，所以，它们正下方的感光单元2a、2b的受光量也相同。因此，在本实施方式中，也可以通过沿水平方向相邻的感光单元2a、2b之间的加减运算，来得到色信号2C3和亮度信号2W。另一方面，由于透明要素1e对分光不起作用，所以，光W入射到其正下方的感光单元2d，但从与透明要素1e相邻的分光要素5c还接收到C1+C3。在感光单元2c中，与实施方式5不同，由于不接收来自与分光要素5c相邻的分光要素的光，所以，只从分光要素5c接收C2。
结果，对于感光单元2c、2d的受光量S2c、S2d而言，满足S2c＝W-(C1+C3)、S2d＝W+(C1+C3)。通过它们的加减运算，取出2C1～2C3的色信息和2W的亮度信息。最终，这些的结果与实施方式2的情况完全相同，能够获得与该情况相同的效果。
(实施方式7)
接着，利用附图对第七实施方式进行说明。图7是表示本发明的实施方式7中的光学元件阵列的配置的图，是以2行2列的感光单元为基本构成的摄像元件的俯视图。光学元件阵列的基本构成与实施方式5的情况类似，但在与光学元件阵列5的分光要素5b相当的要素和与分光要素5c相当的要素被置换成简单的透明要素1e这一点上不同。即，在基本的光学元件阵列的构成中，实施方式6中将透明要素设为1个，本实施方式中将透明要素设为2个。
本实施方式中的光学元件阵列的基本构成具有2个透明要素1e，它们正下方的感光单元2b、2c分别接收光W。在感光单元2b中从相邻的分光要素5a还接收0.5C1+0.5C1(＝C1)，而在感光单元2c中从相邻的分光要素5d还接收0.5C3+0.5C3(＝C3)。另一方面，由于感光单元2a、2d的相邻要素是透明要素，所以，感光单元2a、2d不从相邻要素受光。因此，在感光单元2a中接收C1~，在感光单元2d中接收C3~。这样的受光状态与实施方式3的情况完全相同，可以说其效果也相同。
另外，优选如实施方式3所说明那样，在实施方式6及实施方式7中，与透明要素相邻的分光要素也具有使尽量多的光入射到该要素正下方的感光单元的特性。由此，具有被变换成像素信号时能够取得信号的平衡的好处。
(实施方式8)
接着，对第八实施方式进行说明。此前的实施方式中的光学元件阵列，使用了棱镜式分光要素作为分光要素，但本实施方式中的光学元件阵列具有使用折射率不同的材料制成的其他类型的分光要素。
图8A是表示本发明的实施方式8中的摄像元件的感光单元阵列与光学元件阵列的配置关系的俯视图。图8B是图8A的EE’线处的剖面图，图8C是图8A的FF’线处的剖面图。
在图8A～图8C所示的例子中，具有：由折射率相对高的材料形成的高折射率透明部(芯部)6a～6d；和由折射率相对低的材料形成，与高折射率透明部6a～6d的各个侧面相接的低折射率透明部(包覆部)7。高折射率透明部6a、6d具有单纯的长方体形状，基于和低折射率透明部7的折射率差，使入射光衍射。因此，高折射率透明部6a、6b将原色光(沿板厚两侧方向分别0.5C1或分别0.5C3)向与位于它们正下方的感光单元相邻的感光单元分光，将补色光(C1~或C3~)向正下的方向分光。
另一方面，高折射率透明部6b、6c具有宽度不同的两个长方体合体的形状，在最接近感光单元一侧的端部形成有阶差。入射光基于高折射率透明部6b、6c与透明部7的折射率差发生衍射，产生0次、1次、-1次的衍射光。基于衍射角之差，被分光成原色光C1、C2、C3。
这样的衍射型的分光要素，例如在日本专利申请2008-551594号及2008-202159号中被公开。将这些申请的全部内容援引到本申请中。具有这样的分光要素的光学元件阵列，可以利用公知的半导体制造技术，通过执行薄膜的堆积及图案化来制造。
在本实施方式中，为了提高高折射率透明部6a～6d的光利用率，在其上下配置有微透镜21和内透镜22。在本实施方式中，由于通过高折射率透明部6a～6d的存在能够实现分光，所以，在本说明书中，各个高折射率透明部也是“分光要素”。本实施方式中的分光要素与感光单元的二维位置关系及分光状态，和实施方式5的情况相同。结果，像素信号的处理也相同。
由于利用这样由折射率不同的材料形成、并产生衍射的分光要素，也能够与实施方式5的情况同样，通过感光单元之间的简单运算，高效地取出色信号，所以，可以实现光利用率高的彩色摄像装置。
(实施方式9)
接着，利用附图对第九实施方式进行说明。图11A是表示本发明的实施方式9中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的图，是关于基本构成的俯视图。而图11B是图11A的AA’线处的剖面图，图11C是图11A的BB’线处的剖面图，图11D是图11A的CC’线处的剖面图。
如图11A～图11D所示，本实施方式中的光学元件阵列具有分光要素11a、11b、11c，被配置在与摄像元件的感光单元2a、2b、2c、2d对置的位置。
光学元件阵列的分光要素11a、11b、11c是图14A～14C所示的棱镜式分光要素。分光要素11a将红外光(IR)向一侧划分，将R、G、B从其正下方向相反侧划分。分光要素11b仅将R向一侧划分，将其他颜色向其正下方划分。而分光要素11c将B向一侧划分，将其他颜色向其正下方划分。不过，这样的分光不限定于上述的例子，可以基于各分光要素的折射率、其长度(L)等形状进行改变。
在本实施方式中，将分光要素11a设计配置成入射到分光要素11a的IR向相邻的感光单元2c入射，其他的光向其正下方的感光单元2a入射。分光要素11b被设计配置成入射到分光要素11b的R向相邻的感光单元2a入射，其他的光向其正下方的感光单元2b入射。而分光要素11c被设计配置成入射到分光要素11c的B向相邻的感光单元2d入射，其他的光向其正下方的感光单元2c入射。当从垂直于摄像面的方向观察时，分光要素11a向图11A中的垂直方向分光，分光要素11b、11c向图11A中的水平方向分光。即，多个分光要素11a～11c的分光方向正交，这点也是本实施方式的特征。
通过这样的构成及构造，各感光单元的受光量可由以下的公式表示。其中，设感光单元2a、2b、2c、2d的受光量分别为S2a、S2b、S2c、S2d，W＝R+G+B。
(式31)S2a＝W+R
(式32)S2b＝IR+W-R
(式33)S2c＝2IR+W-B
(式34)S2d＝IR+W+B
这里，如果将式31与式32相加，将式33与式34相加，则可得到式35和式36，其表示了IR入射到相邻的感光单元的结果。并且，通过式35与式36的减法运算，IR成分可由式37表示。
(式35)S2a+S2b＝IR+2W
(式36)S2c+S2d＝3IR+2W
(式37)IR＝((S2c+S2d)-(S2a+S2b))/2
因此，如果将从S2b、S2c、S2d中除去了IR成分的光量设为S2b~、S2c~、S2d~，则它们可以由以下的公式表示。
(式38)S2b~＝W-R
(式39)S2c~＝W-B
(式40)S2d~＝W+B
结果，若使用式31和式38～式40，则可如下所述那样求出2R、2B、2W，进而若从2W减去2R+2B，则可得到2G。
(式41)2R＝S2a-S2b~
(式42)2W＝S2a+S2b~
(式43)2B＝S2d~-S2c~
(式44)2W＝S2d~+S2c~
根据以上的处理可知，当使用分光要素将分光后的色信号C的光入射到相邻的感光单元时，基于该感光单元与相邻感光单元的像素信号差，可以获得该色的2倍的信号量(2C)。并且，在使用多个分光要素的情况下，如果使某一分光要素的分光方向与其他分光要素的分光方向正交，则虽然需要像素间的加法运算处理等，但能够求出各自的分光成分。本实施方式中表示了该例，如式35和式36所示那样，在进行了相邻像素间的加法运算处理之后，通过式37的减法运算处理，可得到IR成分。
如上所述，通过使用分光成IR和其他颜色的要素11a、分光成R和其他颜色的要素11b、分光成B和其他颜色的要素11c，并使11a的分光要素与11b及11c的分光方向正交，可以无光损失地获得IR和RGB的彩色信号。
综上所述，根据本实施方式9，通过使用多个分光要素，使取得的分光入射到相邻像素，可以基于随后的像素间运算得到无损失的该分光的光电转换信号，并且，通过使分光要素的分光方向相互正交，可以高效地取出各光信号。结果，能够实现光利用率高、还可以应对IR光的彩色摄像装置。
(实施方式10)
接着，利用附图，对本发明的实施方式10进行说明。图12A是表示本发明的实施方式10中的摄像元件的带滤色器的感光单元与分光要素的关系的基本构成的俯视图。而图12B是图12A的DD’线处的剖面图。
如这些图所示，本实施方式的摄像元件具有原色型滤色器3。图中表示了6个感光单元2a～2f。其他的符号与实施方式9的情况相同。
在本实施方式10的情况下，以8个像素：1个要素的比率对现有的原色型彩色摄像元件配置了本发明的分光要素11a。分光要素11a与实施方式9中的分光要素11a相同，使IR入射到相邻的感光单元。
在该构成中，将由4个像素形成的原色型基本构成设为一个单位。而且，以一个比例对两个单位配置分光要素。在图12A中，表示了配置有分光要素11a的一个单位中包含的4个单元、和另一个单位中含有的两个单元。分光要素11a被配置在G要素上，使IR成分入射到图12A中的G像素的右邻R要素侧。
本实施方式的摄像元件与现有的原色型彩色摄像元件的不同点只在于，在本实施方式中，没有用于切断红外光的红外排除滤色器、和以像素的个数：8个像素：1个要素的比率配置分光要素的个数。滤色器大都含有颜料作为色素。各色素分别使RGB光透过，同时也使IR光透过。因此，以往的原色型彩色摄像元件通常与滤色器独立地具备红外排除滤色器。
下面，对本实施方式的处理动作进行说明。
在本实施方式的情况下，由于没有安装红外排除滤色器，所以，由受光面整个面接收IR成分。配置在G要素上的分光要素11a使IR成分入射到R要素侧。因此，分光要素11a正下方的感光单元2b不接收IR光，IR成分入射到右侧相邻的感光单元2e。结果，配置有分光要素11a的单位中包含的4个感光单元2a～2d的受光量，整体为R+2G+B+3IR。另一方面，配置有分光要素11a的单位中包含的4个感光单元的受光量，整体为R+2G+B+5IR。如果将两个单位的受光量相减，则可以得到红外成分2IR。因此，如果从入射IR的感光单元所输出的各像素信号减去IR，则可以获得RGB的彩色信号。另外，如果只利用IR成分，则还可以获得红外光图像。
这样，通过使分光入射到相邻的单位，可通过单位之间的运算获得该分光的光电转换信号。另外，在实施方式10中以8个像素为单位配置了一个分光要素，但不限定于此。可以按由RGGB4个像素构成的一个单位以一个比例在一方的G要素上配置一个分光要素。该情况下，也可以使用来自配置有分光要素的G要素的信号、和来自没有配置分光要素的相邻的G要素的信号，通过这些信号的减法运算得到IR成分。如果从入射IR的感光单元所输出的各像素信号减去IR，则可获得RGB的彩色信号。另外，如果只利用IR成分，则还能够获得红外光图像。本实施方式的摄像元件具有带滤色器的感光单元，但即使各滤色器的位置远离感光单元，被配置在图12B中的分光要素的上部，也可以获得同样的效果。
综上所述，根据本实施方式10，由于具备将使IR成分分光的要素应用到现有的彩色摄像元件的构成，所以，能够毫无损失地取入IR成分。即，能够提高IR光的利用率。而且，具有在不使用红外排除滤色器的情况下，能够得到彩色图像、且还能得到IR图像这一优点。
(实施方式11)
接着，利用附图，对本发明的实施方式11进行说明。图13A是表示本发明的实施方式11中的分光要素相对于摄像元件的感光单元的配置关系的基本构成的俯视图。而图13B是图13A的EE’线处的剖面图。
在本实施方式中，以一个比例针对摄像元件的两个感光单元配置了分光要素。所配置的分光要素是使IR成分入射到相邻像素的分光要素11a。
在本实施方式中，对黑白的摄像元件安装了分光要素11a。利用分光要素11a，通过来自不入射IR的像素的信号、和来自与该像素相邻并入射IR的像素的信号之间的减法运算，可以获得2IR。结果，能够同时获得黑白图像的可见光图像和红外光图像。根据本实施方式，在获得红外图像之际可以提高IR光的利用率，而且能够不使用红外排除滤色器地获得可见光图像。
(实施方式12)
接着，利用附图，对本发明的实施方式12进行说明。图15A是表示本发明的实施方式12中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图，表示了一行的一部分。图15B是图15A的AA’线处的剖面图。
如图15A及图15B所示那样，是光学元件阵列的分光要素1，摄像元件的感光单元2包含感光单元2a、2b、2c、2d。
其中，光学元件阵列的分光要素1是图9所示的四棱柱状的棱镜式分光要素。分光要素1与彩色滤光器不同，在不吸收光的基础上，当光入射时，折射角基于波长发生改变，其路线也改变。因此，通过调整其长度L，可以改变各色的分光配置。在本实施方式中，按照分光的结果是从图15B的左侧起按R、G、B的顺序射出光的方式，调整了分光要素的长度L。在本实施方式中，仅使用一种该分光要素。
本实施方式12的特征在于，光学元件阵列中的分光要素的排列间距、与感光单元阵列中的感光单元的排列间距不同。具体而言，采用了分光要素间距∶感光单元间距＝3∶4的关系的排列。
通过采用这样的构造，各个感光单元接收来自多个分光要素的光，由于在分光要素与感光单元之间存在排列间距差，所以，各自的受光状态也改变。
如果W＝R+G+B，则感光单元2a、2b、2c的受光量为W+R、W+G、W+B，可以从各感光单元取出它们的光电转换信号。如果被取出的信号通过之后的信号处理，除去了在由感光单元输出的信号中叠加的W量，则成为RGB的色信号。
综上所述，根据本实施方式12，通过针对光学元件阵列的分光要素与感光单元的配置关系，改变它们的间距，可以使各感光单元接收的颜色的状态改变，能够获得RGB的色信号。即，由于利用分光要素，所以光利用率高，并由于R光、G光、B光直接重叠于各感光单元，由各感光单元接收，所以，不需要设置RGB用的像素，能够实现不增加像素数、同时可以高灵敏度进行色分离的彩色摄像装置。
另外，在本实施方式中，针对分光要素与感光单元的间距，设定为分光要素间距∶感光单元间距＝3∶4，但如果将感光单元间距除以分光要素间距的结果不是整数，则不限定于此。而且，也不需要使分光要素间距一定比感光单元间距小。不过，假设在分光要素间距比感光单元间距大的情况下，会由多个感光单元接收来自一个分光要素的光，相应地，必须准备比分光要素多的感光单元。
(实施方式13)
接着，利用附图，对本发明的实施方式13进行说明。图16A是表示本发明的实施方式13中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图，表示了一行的一部分。图16B是图16A的BB’线处的剖面图。
本实施方式13与实施方式12类似，但在本实施方式中，如图16A及图16B所示那样，在各感光单元之间具有遮光部2Z。而且，光学元件阵列的分光要素数与实施方式12不同。
在实施方式13中，以遮光部的尺寸是感光单元尺寸的整数分之一这一前提，配置了光学元件阵列的分光要素。采用了遮光部尺寸∶感光单元尺寸＝1∶4、分光要素间距∶感光单元间距＝3∶5的关系。通过设定成这样的比率，与实施方式12的情况同样，感光单元2a、2b、2c的受光量成为W+R、W+G、W+B。因此，在本实施方式中，信号处理也和实施方式12的情况同样，如果除去因遮光部引起的光损失，则可获得同样的效果。
另外，设分光要素间距∶感光单元间距＝3∶5，但如果以感光单元尺寸/遮光部尺寸为整数(＝n-1)这一前提，分光要素间距∶感光单元间距是＝m∶n的整数比，则以任意的比率，都能够获得两种以上的色信号。不过，除了n/m或(n-1)/m为整数的情况。
(实施方式14)
接着，利用附图，对本发明的实施方式14进行说明。图17A是表示本发明的实施方式14中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图，表示了一行的一部分。图17B是图17A的CC’线处的剖面图，图17C是图17A的DD’线处的剖面图。
在本实施方式14的情况下，光学元件阵列的分光要素的位置相对于感光单元，因场所的不同而在三维空间上不同。与感光单元2b、2d、2e、2g对应的分光要素，和这些感光单元光轴中心相同，按照使G光入射到分光要素正下方的感光单元、分别使R光、B光入射到两个相邻的感光单元的方式，远离感光单元。与之相对，对应于感光单元2a、2c的分光要素比上述4个分光要素靠近感光单元，但按照只使B光入射到相邻的感光单元的方式将光轴中心错移。而且，对应于感光单元2f、2h的分光要素也是相同的构成，但按照只使R光入射到相邻的感光单元的方式将光轴中心错移。
在上述的构成中，感光单元2a及2c从与该单元对应的分光要素接收R+G光，从相邻的分光要素接收R+B光。感光单元2b及2d从与该单元对应的分光要素接收G光，从相邻的分光要素接收B光。而且，感光单元2e及2g从与该单元对应的分光要素接收G光，从相邻的分光要素接收R光。感光单元2f及2h从与该单元对应的分光要素接收G+B光，从相邻的分光要素接收R+B光。如果将感光单元2a、2b、2e、2f的受光量分别设为S2a、S2b、S2e、S2f，则各感光单元的受光量可以由以下的公式表示。其中，下述的公式组可以利用W＝R+G+B的关系，以含有W的形式表示。
(式51)S2a＝W+R
(式52)S2b＝W-R
(式53)S2e＝W-B
(式54)S2f＝W+B
进而，通过对式51与式52、式53与式54进行加减运算，可得到以下的公式。
(式55)S2a+S2b＝2W
(式56)S2a-S2b＝2R
(式57)S2f+S2e＝2W
(式58)S2f-S2e＝2B
上述的结果是，通过水平方向的感光单元之间的简单运算，可获得2个色信息和2个亮度信息，对于剩余的色G的信息，可根据2W-2R-2B获得。另外，上述运算是针对感光单元2a、2b、2e、2f进行的计算，但针对感光单元2c、2d、2g、2h进行运算，结果也完全相同，从而可简单地进行色分离，能够获得颜色及亮度等级高的信号。
综上所述，根据本实施方式14，通过因场所的不同而在三维空间上改变分光要素的位置、使分光的一部分入射到相邻的感光单元，由此各感光单元会重叠接收入射光。因此，不需要设置RGB用的像素，能够实现不增加像素数、同时可以高灵敏度进行色分离的彩色摄像装置。
另外，不是必须在三维空间上改变分光要素的位置，也可以改变其角度，使一部分的光入射到相邻的感光单元中。
(实施方式15)
接着，利用附图，对本发明的实施方式15进行说明。图18A是表示本发明的实施方式15中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系的俯视图，表示了一行的一部分。图18B是图18A的EE’线处的剖面图，图18C是图18A的FF’线处的剖面图。
本实施方式具有从实施方式14所示的构成，除去了与感光单元2b、2d、2e、2g对应的分光要素的构成。光直接入射到除去了分光要素的位置的感光单元。
在上述的构成中，感光单元2a及2c从与该单元对应的分光要素接收R+G光，从相邻的分光要素不接收光。而且，感光单元2f及2h也不从相邻的分光要素接收光，仅从与该单元对应的分光要素接收G+B光。另一方面，感光单元2b及2d接收入射光W和从相邻的分光要素接收B光，感光单元2e及2g接收入射光W和从相邻的分光要素接收R光。结果，感光单元2a、2b、2e、2f接收的光量可以由以下的公式表示。
(式59)S2a＝W-B
(式60)S2b＝W+B
(式61)S2e＝W+R
(式62)S2f＝W-R
式59～式62与实施方式14中表示的式51～54基本相同，实施方式15也能获得与实施方式14同样的效果。
综上所述，根据本实施方式15，因场所不同而在三维空间中改变分光要素的位置，即使除去分光要素的一部分，感光单元的一部分也会重叠接收入射光。因此，不需要设置RGB用的像素，能够实现不增加像素数、同时可以高灵敏度进行色分离的彩色摄像装置。
(实施方式16)
接着，对本发明的实施方式16进行说明。在本实施方式中，替代棱镜式分光要素，采用与实施方式8中使用的分光要素类似的分光要素。
图19A表示了本发明的实施方式16中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系，是针对一行的一部分的俯视图。而图19B是图19A的GG’线处的剖面图，图19C是图19A的HH’线处的剖面图。
如图19所示，本实施方式的光学元件阵列具有：由高折射率材料形成的高折射率透明部6b、和由低折射率材料形成的低折射率透明部7。在本实施方式中，基于高折射率透明部6b的形状、及高折射率透明部6b与低折射率透明部7的折射率差，入射光衍射成0次、1次、-1次光，基于衍射角之差进行分光。因此，高折射率透明部6b相当于分光要素。
为了提高分光要素6b的分光性能，在其上下配置了微透镜21和内透镜22。分光要素6b与像素的二维位置关系及分光状态，和实施方式15的情况相同，结果，像素信号的处理也相同。
通过如此使用了折射率不同的材料的分光要素，可与实施方式15的情况同样，实现不增加像素数、同时能够以高灵敏度进行色分离的彩色摄像装置。
(实施方式17)
接着，利用附图，对本发明的实施方式17进行说明。图20A表示了本发明的实施方式17中的光学元件相对于摄像元件的感光单元的配置关系，是针对基本构成的俯视图。而图20B是图20A的AA’线处的剖面图，图20C是图20A的BB’线处的剖面图，图20D是图20A的CC’线处的剖面图。
如图20A～图20D所示，本实施方式的光学元件阵列具备分光要素1a、1b、1aa、1bb。摄像元件的感光单元阵列2包含感光单元2a、2b、2c、2d。
其中，分光要素1a、1b是与图23A所示的棱镜式分光元件相同的类型。而分光要素1aa、1bb是与图23B所示的棱镜式分光元件相同的类型。由于这些分光要素在不吸收光的基础上，入射光时，折射角因波长发生改变，且其路线也改变，所以，通过调整其长度L，可以改变各色的分光配置。
在本发明的实施方式中，分光要素1a被设计成将R、G向其正下方分光、将IR、B向相邻的感光单元方向分光，分光要素1b被设计成与分光要素1a相反的特性。而分光要素1aa被设计成将IR、R向其正下方分光、将G、B向相邻的感光单元方向分光，分光要素1bb被设计成与分光要素1aa相反的特性。
在本实施方式17中，使分别被分光要素1a和分光要素1b分光后的光入射到分光要素1aa、1bb。而分光要素1aa和分光要素1bb也同样分别使分光后的光入射到感光单元。并且，分光要素1a、1b与分光要素1aa、1bb正交，它们的波段也不同。
接着，对入射光由RGB和IR光构成，入射到分光要素1a、1b、并到达感光单元为止的过程进行说明。
当光入射到分光要素1a、1b时，分光要素1a使R和G光向其正下方落射，并使IR和B光向倾斜方向落射。另一方面，分光要素1b与之相反，使IR和B光向正下方落射，使R和G光向倾斜方向落射。结果，在分光要素1a的正下方会聚2(R+G)光，在分光要素1b的正下方会聚2(IR+B)光。
接着，这些光向分光要素1aa和分光要素1bb入射，这些分光要素将入射的光分成IR、R光和G、B光。即，入射光2(R+G)通过分光要素1aa而向其正下方落射2R、向倾斜方向落射2G，通过分光要素1bb反过来向其正下方落射2G、向倾斜方向落射2R。结果，向感光单元2a入射4R，向感光单元2b入射4G。
另一方面，入射光2(IR+B)通过分光要素1aa而向其正下方落射2IR、向倾斜方向落射2B，通过分光要素1bb向其正下方落射2B、向倾斜方向落射2IR。结果，向感光单元2b入射4IR，向感光单元2d入射4B。
这样，入射光无损失地到达感光单元，并且在其分光过程中被分成4R、4G、4B和4IR的光。入射到感光单元的光被光电转换，成为RGB信号和IR信号，能够在不使用红外排除与红外透过的滤色器的情况下，制作基于RGB的彩色图像和红外光的黑白图像。
综上所述，根据本实施方式17，通过使分成R+G和IR+B的分光要素与分成IR+R和G+B的分光要素两个种类正交排列，进而各个分光要素成为一部分的分光交叉的构成，由此，可使入射光无损失地透过到感光单元，并且分成RGB与IR这四种光。结果，能够在不增加摄像元件的像素数的情况下，实现高灵敏度的彩色图像，并且还能获得红外光的图像，由此可以提供与从可见光到红外光的光波段对应的摄像装置。
另外，在本实施方式中，分光要素1a、1b将光分成R、G和IR、B，分光要素1aa、1bb将光分成IR、R和G、B，但不限定于此。即便与之相反，也能够分成RGB和IR这四种光。
(实施方式18)
接着，利用附图，对本发明的实施方式18进行说明。图21A是表示本发明的实施方式18中的光学元件相对摄像元件的感光单元的配置关系的基本构成的俯视图。而图21B是图21A的DD’线处的剖面图，图21C是图21A的EE’线处的剖面图，图21D是图21A的FF’线处的剖面图。
本实施方式18具有从实施方式17除去了分光要素1b和分光要素1bb的构成。结果，由于分光要素的数量变为一半，所以，具有在制造摄像元件的方面，比实施方式17的情况容易安装光学元件阵列的好处。
在实施方式18中，入射光入射到分光要素1a、分光要素1aa和直接光感光单元2d，下面按照顺序对光透过路径进行说明。
首先，入射到分光要素1a的光使R、G向其正下方落射，使IR、B向倾斜方向落射。落射的光入射到分光要素1aa，并且向直接光感光单元2c和2d入射。详细内容将在后面叙述，感光单元2c、2d也从分光要素1aa受光。垂直入射到分光要素1aa的R+G进而被分成R和G，R入射到其正下方的感光单元2a，G入射到相邻的感光单元2c。由于感光单元2c从分光要素1a还接收R+G光，所以，如果合并，则接收R+2G光。结果，向感光单元2a入射R，向感光单元2c入射R+2G。
另一方面，倾斜入射到分光要素1aa的IR+B进而与直接光W(＝IR+R+G+B)混合，使2IR+R向其正下方落射、使G+2B向倾斜方向落射。结果，向感光单元2b入射2IR+R，向感光单元2d入射G+2B、直接光W和来自分光要素1a的IR+B，合计为2IR+R+2G+4B。
如果将感光单元2a、2b、2c、2d接收的光量分别设为S2a、S2b、S2c、S2d，则可以由以下的公式表示。
(式71)S2a＝R
(式72)S2b＝2IR+R
(式73)S2c＝R+2G
(式74)S2d＝2IR+R+2G+4B
由此可知，能够从式71获得R，从式71和式72获得2IR，从式71和式73获得2G，从这些的结果和式74获得4B，虽然各色的抽出率不像实施方式17的情况那么高，但取出RGB和IR的信号。
综上所述，根据本实施方式18，即使从实施方式17的情况进一步将分光要素的数量减少为一半，也能够使入射光无损失地透过直到感光单元，并且分成RGB和IR这四种光。结果，能够不增加摄像元件的像素数、且不使用红外排除与红外透过的滤色器地实现高灵敏度的彩色图像，还可以获得红外光的图像。
(实施方式19)
接着，利用附图，对本发明的实施方式19进行说明。图22A是表示本发明的实施方式19中的光学元件相对摄像元件的感光单元的配置关系的基本构成的俯视图。而图22B是图22A的GG’线处的剖面图，图22C是图22A的HH’线处的剖面图，图22D是图22A的II’线处的剖面图。
本实施方式19的构成与实施方式17类似，仅光学元件阵列的分光要素的功能及尺寸不同。在本实施方式中，分光要素1cc及分光要素1dd与图4A及图4B所示的相同。分光要素1cc使R和G光向倾斜方向落射、使IR和B光向其相反的倾斜方向落射，分光要素1dd使IR和R光向倾斜方向落射、使G和B光向其相反的倾斜方向落射。而且，这些分光要素1cc和1dd垂直交叉，成为分别与两个感光单元对应的结构。
根据本实施方式，由于不发生光的合成而只进行分离，所以，光的透过路径简单。当入射光进入分光要素1cc时，其被分成R+G和IR+B光，向分光要素1dd落射。入射到分光要素1dd的R+G被分离成R和G，而且，入射光IR+B被分离成IR和B。结果，向感光单元2a入射R、向2c入射G、向2b入射IR、向2d入射B，并在各感光单元中被光电转换，由此取出RGB和IR的信号。
另外，在本实施方式中，将分光要素1cc和分光要素1dd分开进行排列，但也可以如图24A(俯视图)、图24B(主视图)、图24C(侧视图)所示那样，将它们沿光轴方向重合。即使采用这样的构成，RGB和IR的光也能分离，取出它们的图像信号。
可如此从各感光单元直接取出RGB的彩色信号和IR的信号，但由于没有光的重叠，所以相应地无法削减像素。但是，能够不使用红外排除与红外透过的滤色器，并且可以同时获得红外光的图像和可见光的图像。
综上所述，根据本实施方式19，通过使分成R+G和IR+B的分光要素、与分成IR+R和G+B的分光要素这两种分光要素正交排列，并将一个分光要素对应于两个像素配置，由此，可使入射光无损失地透过到感光单元，并且分成RGB和IR这四种光。结果，摄像元件的像素数只需要分光数的数量，能够不使用红外排除与红外透过的滤色器地获得高灵敏度的彩色图像和红外光的图像。
另外，在上述的实施方式17～19中，以在水平、垂直方向排列了感光单元的二维栅格型进行了说明，但不限定于此，即便是沿斜向排列的所谓像素错移的二维构成，本发明的效果完全不会发生改变。
(实施方式20)
接着，参照图28，对本发明涉及的固体摄像装置的整体构成进行说明。
图28的固体摄像装置具备：摄像部100；和接收来自摄像部100的信号，生成影像信号的影像信号处理部200。下面，对摄像部100和影像信号处理部200的构成与动作进行说明。
首先，对摄像部100进行说明。摄像部100具备：用于使被摄体成像的透镜101；光学板102；和通过光电转换将穿过透镜101及光学板102而成像的光信息变换成电信号的摄像元件103。这里，光学板102是将用于除去红外光的红外排除滤色器，与用于降低因像素排列的原因产生的波纹图案的水晶低通滤波器合体而成的光学器件。摄像元件是具备针对上述各实施方式说明的任意构成的元件。
摄像部100除了上述的构成要素之外，还具备信号产生及像素信号接收部104、和元件驱动部105。信号产生及像素信号接收部104产生用于驱动像素元件103的基本信号，并且接收来自摄像元件103的信号，进行A/D变换。另一方面，元件驱动部105接收来自信号产生及像素信号接收部104的信号，来驱动摄像元件103。
接着，对影像信号处理部200进行说明。该例子中的影像信号处理部200具有：RGB信号生成部201、视频信号生成部202、视频接口部203、JPEG信号生成部204和媒体接口部205。
RGB信号生成部201接收来自摄像元件的图像信号，将其变换成RGB信号。视频信号生成部202接收来自RGB信号生成部201的信号，生成由亮度信号与两个色差信号构成的复合影像信号。视频接口部203接收来自视频信号生成部202的信号，对其进行D/A转换，作为视频信号向外部输出。JPEG信号生成部204从视频信号生成部202接收一个图像的量的信号，将其变换成JPEG方式的静止画。媒体接口部205将来自JPEG信号生成部204的JPEG数据记录到外部媒体中。
下面，对本实施方式的摄像装置具备实施方式15、16中的摄像元件的情况，说明信号处理的动作。
首先，在RGB信号生成部201中，以4个像素信号为一个单位生成RGB信号。在本实施方式中，通过式59～62，根据以下的3行4列变换矩阵执行向RGB信号的转换。
这样，从摄像元件的像素得到的像素信号S2a、S2b、S2e、S2f可以通过下式所示的运算，被变换成RGB信号。
[数学式1]
R G B = 0 0 1 / 2 - 1 / 2 3 / 4 - 1 / 4 - 1 / 4 3 / 4 - 1 / 2 1 / 2 0 0 S 2 a S 2 b S 2 e S 2 f
由RGB信号生成部201生成的RGB信号在视频信号生成部202中，被转换成遵照NTSC方式的亮度信号Y和2个色差信号R-Y、B-Y，成为复合影像信号。复合影像信号进而在视频接口部203中被进行D/A转换，作为模拟的复合影像信号被输出。
其中，亮度信号及2个色差信号被从视频信号生成部202向JPEG信号生成部204输送，在这里生成JPEG方式的静止画信号。生成的静止画信号经由媒体接口部205被记录到外部的记录媒体。
从RGB信号向NTSC的Y/R-Y/B-Y信号的变换，例如按照以下的公式所示的变换矩阵执行。
[数学式2]
Y R - Y B - Y = 0.3 0.59 0.11 0.7 - 0.59 - 0.11 - 0.3 - 0.59 0.89 R G B
为了从Y/R-Y/B-Y生成JPEG信号，只要Y保持不变，使R-Y信号为0.713倍、生成Cr信号，使B-Y信号为0.564倍、形成Cb即可。
其中，NTSC与JPEG的转换矩阵系数不同是因为，各自作为基准的色度坐标系不同。
在以上的实施方式中，关于受光部，说明了感光单元排列成二维状，但在实际的多数固体摄像元件中，在排列成二维状的感光单元之间还具有遮光部，并不是受光部整个面接收入射光。但是，最近还开发出能够由摄像部整个面进行受光的背面照射型的小型固体摄像元件，还期待着灵活运用了该特长的高灵敏度彩色化方式。由于本发明是全部接受入射光，积极地利用光的混合与混色的新颖方式，所以，对于如背面照射型的固体摄像元件那样整个面受光型的摄像元件更加有效。
工业上的可利用性
本发明涉及的固体摄像装置能够广泛应用在民用相机、所谓的数码相机、数字电影或播放用相机、工业用监视相机等中。

Claims (37)

1.一种固体摄像装置，具备：含有第一感光单元及第二感光单元的感光单元阵列；和设置在所述感光单元阵列上，含有第一光学元件及第二光学元件的光学元件阵列，其中，
所述第一光学元件使入射到所述第一光学元件的入射光中含有的第一波段的光线向所述第一感光单元入射，使所述入射光中含有的第二波段的光线向所述第二感光单元入射，
所述第二光学元件使入射到所述第二光学元件的入射光中含有的至少所述第二波段的光线向所述第二感光单元入射，
所述第一感光单元输出含有因透过了所述第一光学元件的光线的入射而产生的电信号成分的信号，
所述第二感光单元输出含有因透过了所述第一及第二光学元件的光线的入射而产生的电信号成分的信号。
2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述第一波段的光线的颜色是所述第二波段的光线的颜色的补色。
3.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述第一光学元件及所述第二光学元件分别具有使入射光根据波长朝向不同的方向的分光特性，
所述第一光学元件位于所述第一感光单元上，所述第二光学元件位于所述第二感光单元上。
4.一种固体摄像装置，具备：含有多个感光单元的感光单元阵列、和在所述感光单元阵列上以一维状或二维状配置有至少两种分光要素的光学元件阵列，
一部分或全部的所述感光单元接收至少来自两种所述分光要素的光，生成至少三种色信号，其中，
所述光学元件阵列含有使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的分光要素。
5.根据权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述光学元件阵列含有使入射光至少分光成三个光的分光要素，
所述分光要素中的至少一个使光的一部分向对应的所述感光单元落射，使其他的光向对应的所述感光单元的相邻感光单元落射。
6.根据权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述光学元件阵列含有使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第一分光要素及第二分光要素，
所述第一分光要素与所述第二分光要素相邻配置，
所述第一分光要素的所述第一波段的光和所述第二分光要素的所述第一波段的光，入射到与所述第一分光要素对应的感光单元，
所述第一分光要素的所述第二波段的光和所述第二分光要素的所述第二波段的光，入射到与所述第二分光要素对应的感光单元。
7.根据权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述光学元件阵列含有：使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第三分光要素；和不将入射光分光的透明要素；
所述第三分光要素与所述透明要素相邻配置，
所述第三分光要素的所述第一波段的光，入射到与所述第三分光要素对应的感光单元，
所述第三分光要素的所述第二波段的光和来自所述透明要素的光，入射到与所述透明要素对应的感光单元。
8.根据权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述光学元件阵列含有：使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第一分光要素、第二分光要素及第三分光要素；和不将所述入射光分光的透明要素；
所述第一分光要素与所述第二分光要素相邻配置，所述第三分光要素与所述透明要素相邻配置，
所述第一分光要素的所述第一波段的光和所述第二分光要素的所述第一波段的光，入射到与所述第一分光要素对应的感光单元，
所述第一分光要素的所述第二波段的光和所述第二分光要素的所述第二波段的光，入射到与所述第二分光要素对应的感光单元，
所述第三分光要素的所述第一波段的光入射到与所述第三分光要素对应的感光单元，
所述第三分光要素的所述第二波段的光和来自所述透明要素的光，入射到与所述透明要素对应的感光单元。
9.根据权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述光学元件阵列含有：使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第一分光要素；和将入射光分光成第三波段的光、第四波段的光及第五波段的光的第二分光要素；
所述第一分光要素与所述第二分光要素交替相邻配置，
所述第一分光要素的所述第二波段的光、所述第二分光要素的所述第三波段的光和所述第五波段的光，入射到与所述第一分光要素对应的感光单元，
所述第一分光要素的所述第一波段的光和所述第二分光要素的所述第四波段的光，入射到与所述第二分光要素对应的感光单元。
10.根据权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述光学元件阵列含有：使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第一分光要素；和不进行分光的透明要素；
所述第一分光要素与所述透明要素相邻配置，
所述第一分光要素的所述第二波段的光，入射到与所述第一分光要素对应的感光单元，
所述第一分光要素的所述第一波段的光和来自所述透明要素的光，入射到与所述透明要素对应的感光单元。
11.根据权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述光学元件阵列含有：使第一波段的光向与入射光成第一角度的方向透过，使第二波段的光向与所述入射光成第二角度的方向透过，所述第一波段的光与所述第二波段的光为补色关系的第一分光要素及第二分光要素；将入射光分光成第三波段的光、第四波段的光、第五波段的光的第三分光要素；和不将入射光分光的透明要素；
所述第一分光要素与所述第三分光要素交替相邻配置，所述第二分光要素与所述透明要素相邻配置，
所述第一分光要素的所述第二波段的光、所述第三分光要素的所述第三波段的光和所述第五波段的光，入射到与所述第一分光要素对应的感光单元，
所述第一分光要素的所述第一波段的光和所述第三分光要素的所述第四波段的光，入射到与所述第三分光要素对应的感光单元，
所述第二分光要素的所述第二波段的光入射到与所述第二分光要素对应的感光单元，
所述第二分光要素的所述第一波段的光和来自所述透明要素的光，入射到与所述透明要素对应的感光单元。
12.根据权利要求4或5所述的固体摄像装置，其特征在于，
具有分光成两个光、使其中的一个入射到与透明要素对应的感光单元的分光要素，其具有将光量少的分光入射到与所述透明要素对应的感光单元的特性。
13.根据权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述分光要素通过衍射来进行入射光的分光。
14.根据权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述分光要素具有：由折射率相对高的材料形成的高折射率透明部；和由折射率相对低的材料形成，与所述高折射率透明部的侧面相接的低折射率透明部。
15.根据权利要求14所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述高折射率透明部具有厚度在入射光的行进方向上不同的部分。
16.根据权利要求14所述的固体摄像装置，其特征在于，
在沿着入射光的行进方向的剖面中，所述高折射率透明部的中心轴被折曲成阶梯状。
17.根据权利要求4或5所述的固体摄像装置，其特征在于，
通过相邻的两个感光单元输出的信号的差分运算，计算出色信息。
18.一种固体摄像装置，具备：感光单元阵列，其具有排列成二维状的多个感光单元，含有沿第一方向相邻的第一感光单元及第二感光单元；和第一分光要素，其设置在与所述第一感光单元对应的位置，将入射光沿所述第一方向分光；
被所述第一分光要素分光后的光的至少一部分入射到所述第二感光单元，
所述第一感光单元及第二感光单元分别输出基于入射光量的光电转换信号，
根据来自所述第二感光单元的光电转换信号、与来自所述第一感光单元的光电转换信号的差分运算，检测出被所述第一分光要素分光并入射到所述第二感光单元的光的量。
19.根据权利要求18所述的固体摄像装置，其特征在于，
在第一感光单元及第二感光单元上排列光学特性相同的色要素，利用通过所述色要素获得的光电转换信号，检测由第一分光要素分光并入射到所述第二感光单元的光的分光量。
20.根据权利要求18所述的固体摄像装置，其特征在于，
具有设置在与第二感光单元对应的位置，将入射光向与所述第一方向构成角度的第二方向分光的第二分光要素，
通过进行所述第二感光单元之间的光电转换信号的加法运算结果、与来自所述第一感光单元的光电转换信号和来自所述第二感光单元的光电转换信号的加法运算结果的差分运算，来检测分光量。
21.根据权利要求20所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述角度是90度。
22.根据权利要求18所述的固体摄像装置，其特征在于，
被所述第一分光要素分光并入射到所述第二感光单元的光是红外光。
23.根据权利要求22所述的固体摄像装置，其特征在于，
根据被所述第一分光要素分光并入射到所述第二感光单元的所述红外光的量，生成红外光图像。
24.根据权利要求22所述的固体摄像装置，其特征在于，
通过从各感光单元的光电转换信号中，减去被所述第一分光要素分光并入射到所述第二感光单元的所述红外光的量，来生成可见光图像。
25.根据权利要求24所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述感光单元阵列含有沿着所述第二方向相邻的第三感光单元，
还具备设置在与所述第三感光单元对应的位置，将入射光沿所述第二方向分光的第三分光要素，
第二分光要素将入射光分光成蓝和其他的颜色，
所述第三分光要素将入射光分光成红与其他的颜色。
26.一种固体摄像装置，具备：含有多个感光单元的感光单元阵列、和在所述感光单元阵列上以一维状或二维状配置有多个分光要素的光学元件阵列，
一部分或全部的所述感光单元分别接收来自所述光学元件阵列中含有的多个分光要素的光，生成色信号，其中，
所述分光要素与所述感光单元的三维位置关系或所述分光要素的倾斜因位置的不同而发生变化。
27.根据权利要求26所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述分光要素与所述感光单元的距离因位置的不同而发生变化。
28.根据权利要求25所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述分光要素的配置间距与所述感光单元的配置间距是m∶n的整数比，其中，n/m不是整数。
29.根据权利要求25所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述光学元件阵列中含有的所述多个分光要素的特性相同。
30.根据权利要求28所述的固体摄像装置，其特征在于，
具有：由折射率相对高的材料形成的高折射率透明部；和由折射率相对低的材料形成，与所述高折射率透明部的侧面相接的低折射率透明部；
所述高折射率透明部具有厚度在入射光的行进方向上不同的部分。
31.一种固体摄像装置，具备：以二维平面状排列有将入射光向第一方向分光的多个上侧分光要素的第一光学元件阵列；以二维平面状排列有将入射光向与所述第一方向交叉的第二方向分光的多个下侧分光要素的第二光学元件阵列；和以二维状排列有多个感光单元的感光单元阵列；
所述第二光学元件阵列与所述第一光学元件阵列层叠在所述感光单元阵列上。
32.根据权利要求31所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述第一方向与所述第二方向正交。
33.根据权利要求32所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述上侧分光要素将入射光分成第一波段的光和第二波段的光，
所述下侧分光要素将入射光分成第三波段的光和第四波段的光，
所述第一波段的光与所述第二波段的光存在补色关系，
所述第三波段的光与所述第四波段的光存在补色关系。
34.根据权利要求33所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述感光单元阵列接收所述第一至第四波段的光，通过光电转换生成电信号，从所述感光单元阵列至少获得4个色信号。
35.根据权利要求34所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述上侧分光要素具有分光方向相差180度的第一分光要素和第二分光要素，
所述下侧分光要素具有分光方向相差180度的第三分光要素和第四分光要素，
所述感光单元阵列具有由4个感光单元构成的基本单位，
所述4个感光单元分别接收所述第一至第四波段的任意一个波段的光，通过光电转换，输出信号。
36.根据权利要求33所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述感光单元阵列还含有接收被所述第一分光要素或所述第二分光要素分光后的光、或不透过所述第一分光要素及所述第二分光要素双方的光，对其进行光电转换的感光单元组。
37.根据权利要求33所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述上侧分光要素将光分成含有红外及蓝的第一波段的光、和含有红及绿的第二波段的光，
所述下侧分光要素将光分成含有红外及红的第三波段的光、和含有绿及蓝的第四波段的光。
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