JP2003078917A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 低価格で高品位な画像を提供することを課題
とする。 【解決手段】 複数の光電変換領域と、前記複数の光電
変換領域に含まれる第１の光電変換領域に対応して設け
られた光を透過する第１の透過部と、前記複数の光電変
換領域に含まれる第２の光電変換領域に対応して設けら
れた光を透過する第２の透過部とを含む光調整領域を有
し、前記光調整領域は、前記第２の透過部に入射する光
の一部を前記第１の透過部へ入射するように構成されて
いることを特徴とする撮像装置を提供する。
とする。 【解決手段】 複数の光電変換領域と、前記複数の光電
変換領域に含まれる第１の光電変換領域に対応して設け
られた光を透過する第１の透過部と、前記複数の光電変
換領域に含まれる第２の光電変換領域に対応して設けら
れた光を透過する第２の透過部とを含む光調整領域を有
し、前記光調整領域は、前記第２の透過部に入射する光
の一部を前記第１の透過部へ入射するように構成されて
いることを特徴とする撮像装置を提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は被写体像を撮像する
撮像装置に関する。
撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、カラー画像の形成においては、Ｒ
（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の原色フィルターの何れ
かを備えた画素をモザイク状に配列した単一の撮像素子
で物体像を捉え、その後の信号処理で画素数に相当する
輝度情報と色情報を作り出す撮像技術が広く用いられて
いる。多くの場合、ここで用いられる撮像素子のカラー
フィルター配列はベイヤー配列である。
（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の原色フィルターの何れ
かを備えた画素をモザイク状に配列した単一の撮像素子
で物体像を捉え、その後の信号処理で画素数に相当する
輝度情報と色情報を作り出す撮像技術が広く用いられて
いる。多くの場合、ここで用いられる撮像素子のカラー
フィルター配列はベイヤー配列である。
【０００３】色分解用のビームスプリッターを用いて物
体像を予めＲＧＢに分離し、それぞれに撮像素子を用意
して像を捉える３板式の撮像方法に比べて、画像の品位
をそれほど落とさずに大幅なコストの削減を実現するこ
とが出来る。
体像を予めＲＧＢに分離し、それぞれに撮像素子を用意
して像を捉える３板式の撮像方法に比べて、画像の品位
をそれほど落とさずに大幅なコストの削減を実現するこ
とが出来る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の技術には、次のような問題点があった。
た従来の技術には、次のような問題点があった。
【０００５】一般に良好な画像特性を得るための撮像
は、物体像を光学装置によって形成する第１のプロセ
ス、物体像の空間周波数特性の高周波成分を抑制するよ
うに調節する第２のプロセス、空間周波数特性が調節さ
れた物体像を光電変換する第３のプロセス、得られた電
気信号に対して空間周波数に応じてレスポンスを補正す
る第４のプロセスよりなる。この際、有限の画素数の撮
像素子で光学像のサンプリングを行うわけであるから、
良質な画像出力を得るためには、光学像の空間周波数特
性に撮像素子固有のナイキスト周波数以上の成分を少な
くする必要がある。ここでナイキスト周波数とは画素ピ
ッチで決まるサンプリング周波数の１／２の周波数であ
る。したがって、最適化された一連のプロセスは、サン
プリングされる光学像を撮像素子固有のナイキスト周波
数に応じた特性の光学像に調節することで、折り返し歪
みが目立たない、すなわちモワレの目立たない良質な画
像を得るものである。
は、物体像を光学装置によって形成する第１のプロセ
ス、物体像の空間周波数特性の高周波成分を抑制するよ
うに調節する第２のプロセス、空間周波数特性が調節さ
れた物体像を光電変換する第３のプロセス、得られた電
気信号に対して空間周波数に応じてレスポンスを補正す
る第４のプロセスよりなる。この際、有限の画素数の撮
像素子で光学像のサンプリングを行うわけであるから、
良質な画像出力を得るためには、光学像の空間周波数特
性に撮像素子固有のナイキスト周波数以上の成分を少な
くする必要がある。ここでナイキスト周波数とは画素ピ
ッチで決まるサンプリング周波数の１／２の周波数であ
る。したがって、最適化された一連のプロセスは、サン
プリングされる光学像を撮像素子固有のナイキスト周波
数に応じた特性の光学像に調節することで、折り返し歪
みが目立たない、すなわちモワレの目立たない良質な画
像を得るものである。
【０００６】画像の空間周波数伝達特性であるＭＴＦ
（Modulation Transfer Function）はデジタルスティル
カメラやビデオカメラなどの鮮鋭度に関する特性をよく
表現できる評価量である。このＭＴＦに影響を与える具
体的要素は、光学装置である結像光学系、物体像の帯域
制限のための光学ローパスフィルター、撮像素子の光電
変換領域の開口形状、デジタルアパーチャ補正等であ
り、最終の画像特性を表す全体のＭＴＦは各要素のＭＴ
Ｆの積として与えられる。すなわち、上記の第１のプロ
セスから第４のプロセスまでのＭＴＦをそれぞれ求め、
その積を計算すればよい。
（Modulation Transfer Function）はデジタルスティル
カメラやビデオカメラなどの鮮鋭度に関する特性をよく
表現できる評価量である。このＭＴＦに影響を与える具
体的要素は、光学装置である結像光学系、物体像の帯域
制限のための光学ローパスフィルター、撮像素子の光電
変換領域の開口形状、デジタルアパーチャ補正等であ
り、最終の画像特性を表す全体のＭＴＦは各要素のＭＴ
Ｆの積として与えられる。すなわち、上記の第１のプロ
セスから第４のプロセスまでのＭＴＦをそれぞれ求め、
その積を計算すればよい。
【０００７】ただし、第４のプロセスであるデジタルフ
ィルター処理は、撮像素子によって既にサンプリングさ
れた画像出力に対して行われるので、ナイキスト周波数
を超える高周波について考慮する必要はない。
ィルター処理は、撮像素子によって既にサンプリングさ
れた画像出力に対して行われるので、ナイキスト周波数
を超える高周波について考慮する必要はない。
【０００８】したがって、光学像の空間周波数特性に撮
像素子固有のナイキスト周波数以上の成分を少なくする
構成とは、第４のプロセスを除き、第１のプロセスのＭ
ＴＦ、第２のプロセスのＭＴＦおよび第３のプロセスの
ＭＴＦの積においてナイキスト周波数以上の成分が小さ
いということである。ここで、デジタルスティルカメラ
のように静止画の鑑賞を前提とする場合、ナイキスト周
波数を超える高周波がゼロではなく、多少残っていて
も、ナイキスト周波数をやや下回る周波数におけるレス
ポンスが高い方が、解像感のある画像となりやすいこと
を考慮する必要がある。
像素子固有のナイキスト周波数以上の成分を少なくする
構成とは、第４のプロセスを除き、第１のプロセスのＭ
ＴＦ、第２のプロセスのＭＴＦおよび第３のプロセスの
ＭＴＦの積においてナイキスト周波数以上の成分が小さ
いということである。ここで、デジタルスティルカメラ
のように静止画の鑑賞を前提とする場合、ナイキスト周
波数を超える高周波がゼロではなく、多少残っていて
も、ナイキスト周波数をやや下回る周波数におけるレス
ポンスが高い方が、解像感のある画像となりやすいこと
を考慮する必要がある。
【０００９】第１のプロセスである結像光学系による物
体像の形成において、一般に画面の中央は周辺に比べて
光学収差を補正しやすい。画面の周辺で良好な画像を得
ようとすると、画面の中央では結像レンズのＦナンバー
で決定される回折限界ＭＴＦに近い極めて良好な特性を
得る必要がある。近年、撮像素子の小ピクセル化が進ん
でおり、この必要性はますます高まっている。したがっ
て、結像光学系については無収差の理想レンズと仮定し
てＭＴＦを考えると良い。
体像の形成において、一般に画面の中央は周辺に比べて
光学収差を補正しやすい。画面の周辺で良好な画像を得
ようとすると、画面の中央では結像レンズのＦナンバー
で決定される回折限界ＭＴＦに近い極めて良好な特性を
得る必要がある。近年、撮像素子の小ピクセル化が進ん
でおり、この必要性はますます高まっている。したがっ
て、結像光学系については無収差の理想レンズと仮定し
てＭＴＦを考えると良い。
【００１０】また、幅ｄの受光開口が隙間なく敷きつめ
られた撮像素子においては、受光開口の幅が画素ピッチ
と一致するので、ナイキスト周波数ｕ＝１／２ｄにおけ
る第３のプロセスのレスポンス値はかなり高い。この理
由から、ナイキスト周波数付近の総合ＭＴＦを下げるた
めに第２のプロセスにおいてナイキスト周波数付近をト
ラップするのが一般的である。
られた撮像素子においては、受光開口の幅が画素ピッチ
と一致するので、ナイキスト周波数ｕ＝１／２ｄにおけ
る第３のプロセスのレスポンス値はかなり高い。この理
由から、ナイキスト周波数付近の総合ＭＴＦを下げるた
めに第２のプロセスにおいてナイキスト周波数付近をト
ラップするのが一般的である。
【００１１】第２のプロセスにおいては、通常、光学ロ
ーパスフィルターが用いられる。光学ローパスフィルタ
ーには水晶等の複屈折特性を有する物質を利用する。ま
た、特開２０００−０６６１４１号公報にあるような位
相型の回折格子を利用しても良い。
ーパスフィルターが用いられる。光学ローパスフィルタ
ーには水晶等の複屈折特性を有する物質を利用する。ま
た、特開２０００−０６６１４１号公報にあるような位
相型の回折格子を利用しても良い。
【００１２】光学装置の光路中に複屈折板を介在させ、
その光学軸を結像面の水平方向と並行するように傾けて
配置すると、常光線による物体像と異常光線による物体
像は所定量だけ水平方向にずれて形成される。複屈折板
によって特定の空間周波数をトラップするということ
は、その空間周波数の縞の明部と暗部とが重なるように
ずらすということである。光学ローパスフィルターによ
るＭＴＦは式（１）で表される。
その光学軸を結像面の水平方向と並行するように傾けて
配置すると、常光線による物体像と異常光線による物体
像は所定量だけ水平方向にずれて形成される。複屈折板
によって特定の空間周波数をトラップするということ
は、その空間周波数の縞の明部と暗部とが重なるように
ずらすということである。光学ローパスフィルターによ
るＭＴＦは式（１）で表される。
【００１３】
Ｒ２（ｕ）＝｜ｃｏｓ（π・ｕ・ω）｜ ・・・（１）
Ｒ２（ｕ）：レスポンス
ｕ ：光学像の空間周波数
ω ：物体像分離幅
複屈折版の厚さを適当に選択すれば、撮像素子のナイキ
スト周波数においてレスポンスをゼロとすることが可能
である。回折格子を利用する場合には、回折によって光
学像を所定の位置関係の複数の像に分離し重畳させるこ
とで、同様の効果を得ることが出来る。
スト周波数においてレスポンスをゼロとすることが可能
である。回折格子を利用する場合には、回折によって光
学像を所定の位置関係の複数の像に分離し重畳させるこ
とで、同様の効果を得ることが出来る。
【００１４】しかしながら、複屈折板を作製するには水
晶やニオブ酸リチウムなどの結晶を成長させてから薄く
研磨する必要があって、極めて高価になるという問題点
がある。また、回折格子にしても高度に精密な微細構造
が求められるため、やはり高価であることに変わりはな
い。
晶やニオブ酸リチウムなどの結晶を成長させてから薄く
研磨する必要があって、極めて高価になるという問題点
がある。また、回折格子にしても高度に精密な微細構造
が求められるため、やはり高価であることに変わりはな
い。
【００１５】これに対し、特開２００１−０７８２１３
号公報には複眼レンズを用いることで、単板式の撮像系
でありながら、画素ピッチよりも実効的な受光開口を大
きくしてナイキスト周波数以上の画素のＭＴＦを抑制す
る技術が開示されている。しかしながら、複眼であるこ
とに起因する物体距離依存の像シフトがあって、基準の
物体距離以外では物体像のサンプリングピッチが不等間
隔になってしまう、すなわちレジストレーションずれが
生じるといった問題点がある。したがって、どんな物体
条件であっても所定の画像性能が得られるというわけで
はない。
号公報には複眼レンズを用いることで、単板式の撮像系
でありながら、画素ピッチよりも実効的な受光開口を大
きくしてナイキスト周波数以上の画素のＭＴＦを抑制す
る技術が開示されている。しかしながら、複眼であるこ
とに起因する物体距離依存の像シフトがあって、基準の
物体距離以外では物体像のサンプリングピッチが不等間
隔になってしまう、すなわちレジストレーションずれが
生じるといった問題点がある。したがって、どんな物体
条件であっても所定の画像性能が得られるというわけで
はない。
【００１６】さらには、特公平０１−０１４７４９号公
報（第５図）に開示されているように、画素の光電変換
領域を隣接する画素との関係として入り組んだ形状とす
ることで、高い空間周波数に対するレスポンスを抑制す
る試みも為されている。しかし、画素の形状が複雑にな
るため、極めて微細な構造が必要であるとか、各画素が
平面を分割していることから、画素に投影される物体像
がその分割線に沿った、例えば、斜めの線を持っていた
場合には効果が出にくい、といった弱点がある。
報（第５図）に開示されているように、画素の光電変換
領域を隣接する画素との関係として入り組んだ形状とす
ることで、高い空間周波数に対するレスポンスを抑制す
る試みも為されている。しかし、画素の形状が複雑にな
るため、極めて微細な構造が必要であるとか、各画素が
平面を分割していることから、画素に投影される物体像
がその分割線に沿った、例えば、斜めの線を持っていた
場合には効果が出にくい、といった弱点がある。
【００１７】また、カラー撮像素子の各画素では入射す
る光束のうち所定の光学フィルターを透過した光のみを
光電変換し、電気信号として出力するので、その光学フ
ィルターを透過できなかった光は熱などとして捨てられ
ることとなる。
る光束のうち所定の光学フィルターを透過した光のみを
光電変換し、電気信号として出力するので、その光学フ
ィルターを透過できなかった光は熱などとして捨てられ
ることとなる。
【００１８】図２６は撮像素子上の光電変換領域９０１
の配列である。この一つ一つには図２７に示すように開
口面積を拡大するためのマイクロレンズ９０２が設けら
れている。図２８はマイクロレンズ９０２の斜視図であ
る。このようにマイクロレンズ９０２は正のパワーを有
するレンズであって、レンズが受光した光束を撮像素子
の光電変換領域９０１に収斂させる働きを持つ。
の配列である。この一つ一つには図２７に示すように開
口面積を拡大するためのマイクロレンズ９０２が設けら
れている。図２８はマイクロレンズ９０２の斜視図であ
る。このようにマイクロレンズ９０２は正のパワーを有
するレンズであって、レンズが受光した光束を撮像素子
の光電変換領域９０１に収斂させる働きを持つ。
【００１９】例えば、色再現性が良いとされる原色フィ
ルター付きの画素をモザイク状に配置したＣＣＤ撮像素
子では、Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の光学フィル
ターがマイクロレンズ９０２と光電変換領域９０１の間
に一つずつ配置される。
ルター付きの画素をモザイク状に配置したＣＣＤ撮像素
子では、Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の光学フィル
ターがマイクロレンズ９０２と光電変換領域９０１の間
に一つずつ配置される。
【００２０】このとき、Ｒの光学フィルターを配した画
素では赤色光のみが光電変換され青色光や緑色光は光学
フィルターで吸収されて熱となる。Ｇの光学フィルター
を配した画素では同様に青色光と赤色光が光電変換され
ずに熱となり、Ｂの光学フィルターを配した画素では同
様に緑色光と赤色光が光電変換されずに熱となる。
素では赤色光のみが光電変換され青色光や緑色光は光学
フィルターで吸収されて熱となる。Ｇの光学フィルター
を配した画素では同様に青色光と赤色光が光電変換され
ずに熱となり、Ｂの光学フィルターを配した画素では同
様に緑色光と赤色光が光電変換されずに熱となる。
【００２１】図２５は撮像素子内のＲＧＢのカラーフィ
ルターの分光透過率特性である。赤外線の透過率が高い
ので、さらに６５０ｎｍ以上の波長を遮断する赤外線カ
ットフィルターを重ねて用いられる。これより分かるよ
うに、１画素の中では可視光の内のおよそ１／３だけが
有効に用いられる。
ルターの分光透過率特性である。赤外線の透過率が高い
ので、さらに６５０ｎｍ以上の波長を遮断する赤外線カ
ットフィルターを重ねて用いられる。これより分かるよ
うに、１画素の中では可視光の内のおよそ１／３だけが
有効に用いられる。
【００２２】さらに詳しくＲＧＢの色別に利用効率を考
えれば、例えば図２９に示すベイヤー配列のカラー撮像
素子のＲＧＢ画素面積比率は、規則的配列を構成する１
単位の面積を１としたとき、１／４：２／４：１／４で
あるので、全体の光量を１とした時の緑色光の利用割合
は波長選択性の項と面積比率の項の積として１／３×２
／４＝１／６、赤色光と青色光が１／３×１／４＝１／
１２、合計すれば１／６＋１／１２＋１／１２＝１／３
で、やはり利用効率１／３ということになる。逆に、全
体の光量を１とした時に、そのうち緑色光で２／３×２
／４＝１／３が、赤色光や青色光で２／３×１／４＝１
／６が有効に利用されないことになる。
えれば、例えば図２９に示すベイヤー配列のカラー撮像
素子のＲＧＢ画素面積比率は、規則的配列を構成する１
単位の面積を１としたとき、１／４：２／４：１／４で
あるので、全体の光量を１とした時の緑色光の利用割合
は波長選択性の項と面積比率の項の積として１／３×２
／４＝１／６、赤色光と青色光が１／３×１／４＝１／
１２、合計すれば１／６＋１／１２＋１／１２＝１／３
で、やはり利用効率１／３ということになる。逆に、全
体の光量を１とした時に、そのうち緑色光で２／３×２
／４＝１／３が、赤色光や青色光で２／３×１／４＝１
／６が有効に利用されないことになる。
【００２３】以上は、原色系のカラーフィルターを用い
た撮像素子で説明を行ったが、補色フィルターを用いた
撮像素子では、可視光のうちのおよそ１／３が光電変換
されず、有効に利用されない。このように、原色系・補
色系のいずれにしても従来型の単板式撮像素子ではカラ
ーフィルターで撮像面を分割していることが起因して光
利用効率は悪い。
た撮像素子で説明を行ったが、補色フィルターを用いた
撮像素子では、可視光のうちのおよそ１／３が光電変換
されず、有効に利用されない。このように、原色系・補
色系のいずれにしても従来型の単板式撮像素子ではカラ
ーフィルターで撮像面を分割していることが起因して光
利用効率は悪い。
【００２４】これに対して、特開平０８−１８２００６
号公報はこのような光量の無駄を省いた撮像素子の構造
を開示している。空間画素ごとにプリズムを配置し、プ
リズムによって色分解した物体光を３つのＲＧＢ色画素
で受光するものである。しかしながら、空間画素に対し
て色画素は１／３程度の大きさしかなく、小さい画素ピ
ッチのセンサを作ろうとすると、色画素には極めて微細
な構造が必要であって、画素ピッチを小さくするには限
界があるという大きな問題点を有する。
号公報はこのような光量の無駄を省いた撮像素子の構造
を開示している。空間画素ごとにプリズムを配置し、プ
リズムによって色分解した物体光を３つのＲＧＢ色画素
で受光するものである。しかしながら、空間画素に対し
て色画素は１／３程度の大きさしかなく、小さい画素ピ
ッチのセンサを作ろうとすると、色画素には極めて微細
な構造が必要であって、画素ピッチを小さくするには限
界があるという大きな問題点を有する。
【００２５】本発明は、このような従来の問題点に着眼
してなされたもので、その第１の目的は、高価な光学ロ
ーパスフィルターを必要とせずに、モワレの少ない高品
位な画像を得る撮像素子を実現することである。
してなされたもので、その第１の目的は、高価な光学ロ
ーパスフィルターを必要とせずに、モワレの少ない高品
位な画像を得る撮像素子を実現することである。
【００２６】第２の目的は、入射光の利用効率を高めた
撮像素子を実現することである。
撮像素子を実現することである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、複数の光電変換領域と、前記複数の光電変換領域に
含まれる第１の光電変換領域に対応して設けられた光を
透過する第１の透過部と、前記複数の光電変換領域に含
まれる第2の光電変換領域に対応して設けられた光を透
過する第２の透過部とを含む光調整領域を有し、前記光
調整領域は、前記第2の透過部に入射する光の一部を前
記第1の透過部へ入射するように構成されていることを
特徴とする撮像装置を提供する。
に、複数の光電変換領域と、前記複数の光電変換領域に
含まれる第１の光電変換領域に対応して設けられた光を
透過する第１の透過部と、前記複数の光電変換領域に含
まれる第2の光電変換領域に対応して設けられた光を透
過する第２の透過部とを含む光調整領域を有し、前記光
調整領域は、前記第2の透過部に入射する光の一部を前
記第1の透過部へ入射するように構成されていることを
特徴とする撮像装置を提供する。
【００２８】また、複数の光電変換領域と、前記複数の
光電変換領域に含まれる第１の光電変換領域に対応して
設けられた主として第１の波長領域の光を透過する第１
の透過部と、前記複数の光電変換領域に含まれる第2の
光電変換領域に対応して設けられた主として前記第１の
波長領域と異なる第２の波長領域の光を透過する第２の
透過部と、前記第1及び第２の透過部よりも被写体側に
設けられるとともに前記被写体側へ向かう光を反射させ
るための反射領域とを有し、前記第２の透過部は、前記
第1の波長領域の光を反射する部材を有するとともに、
中央領域から周辺領域へ傾斜を持った構成であることを
特徴とする撮像装置を提供する。
光電変換領域に含まれる第１の光電変換領域に対応して
設けられた主として第１の波長領域の光を透過する第１
の透過部と、前記複数の光電変換領域に含まれる第2の
光電変換領域に対応して設けられた主として前記第１の
波長領域と異なる第２の波長領域の光を透過する第２の
透過部と、前記第1及び第２の透過部よりも被写体側に
設けられるとともに前記被写体側へ向かう光を反射させ
るための反射領域とを有し、前記第２の透過部は、前記
第1の波長領域の光を反射する部材を有するとともに、
中央領域から周辺領域へ傾斜を持った構成であることを
特徴とする撮像装置を提供する。
【００２９】
【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１から図
１４は本発明による第１の実施の形態を説明するための
図である。まず、図１は撮像素子の断面図、図２は撮像
素子の拡大断面図であって、ベイヤー配列などのように
異なる分光感度特性を持つＧ画素とＲ画素が交互に並ん
だ画素列に対して図の上方から物体光が入射し光電変換
領域に達する様子を表している。なお、ベイヤー配列で
は、２×２のＲＧＧＢの画素列が１単位となって、規則
的に配列している。
１４は本発明による第１の実施の形態を説明するための
図である。まず、図１は撮像素子の断面図、図２は撮像
素子の拡大断面図であって、ベイヤー配列などのように
異なる分光感度特性を持つＧ画素とＲ画素が交互に並ん
だ画素列に対して図の上方から物体光が入射し光電変換
領域に達する様子を表している。なお、ベイヤー配列で
は、２×２のＲＧＧＢの画素列が１単位となって、規則
的に配列している。
【００３０】図１、２において、１０１はシリコン基
板、１０２は光電変換領域、１０３、１０５、１０７、
１１０、１１２は低屈折物質層、１０４、１０６、１０
８はアルミニウムなどの金属配線層、１０９、１１１は
高屈折率物質層である。低屈折物質層を形成する物質と
しては屈折率１．４５である酸化シリコン（ＳｉＯ２）
が、高屈折率物質層を形成する物質としては屈折率２．
０である窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）が、何れも可視光
の透過率が高く好適である。高屈折率物質層１１１は上
面と下面を低屈折物質層１１０と１１２で挟まれ、両側
に凸の回転対称な面形状をしているので、正のパワーを
有するマイクロレンズとして機能する。これは比較的小
さい光電変換領域１０２に物体からの光を集め撮像素子
の感度を高める役割をしている。
板、１０２は光電変換領域、１０３、１０５、１０７、
１１０、１１２は低屈折物質層、１０４、１０６、１０
８はアルミニウムなどの金属配線層、１０９、１１１は
高屈折率物質層である。低屈折物質層を形成する物質と
しては屈折率１．４５である酸化シリコン（ＳｉＯ２）
が、高屈折率物質層を形成する物質としては屈折率２．
０である窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）が、何れも可視光
の透過率が高く好適である。高屈折率物質層１１１は上
面と下面を低屈折物質層１１０と１１２で挟まれ、両側
に凸の回転対称な面形状をしているので、正のパワーを
有するマイクロレンズとして機能する。これは比較的小
さい光電変換領域１０２に物体からの光を集め撮像素子
の感度を高める役割をしている。
【００３１】１１３Ｇは有機色素を用いたＧカラーフィ
ルターであって、緑色光を透過し、赤色光と青色光は吸
収する。隣接する１１３Ｒは同じくＲカラーフィルター
であって、赤色光を透過し、青色光と緑色光は吸収す
る。１１４と１１６は樹脂層である。カラーフィルター
層と樹脂層は何れも１．５０程度の屈折率を有する。
ルターであって、緑色光を透過し、赤色光と青色光は吸
収する。隣接する１１３Ｒは同じくＲカラーフィルター
であって、赤色光を透過し、青色光と緑色光は吸収す
る。１１４と１１６は樹脂層である。カラーフィルター
層と樹脂層は何れも１．５０程度の屈折率を有する。
【００３２】１１５Ｇは光分割を行う干渉フィルター層
であって、緑色光を透過し、赤色光と青色光は反射す
る。隣接する１１５Ｒは同じく干渉フィルター層であっ
て、赤色光を透過し、青色光と緑色光は反射する。これ
らの干渉フィルター層は、図１４に示す如く各画素の中
央部に頂点を持つ四角すいの斜面上に形成されている。
であって、緑色光を透過し、赤色光と青色光は反射す
る。隣接する１１５Ｒは同じく干渉フィルター層であっ
て、赤色光を透過し、青色光と緑色光は反射する。これ
らの干渉フィルター層は、図１４に示す如く各画素の中
央部に頂点を持つ四角すいの斜面上に形成されている。
【００３３】不図示の結像レンズがマイクロレンズであ
るところの高屈折率物質層１１１が並んだ面上に物体像
を形成すると、撮像素子の出力としてピントが合った画
像となる。
るところの高屈折率物質層１１１が並んだ面上に物体像
を形成すると、撮像素子の出力としてピントが合った画
像となる。
【００３４】なお、理解を容易にするために、画素の大
きさに対して十分に遠い位置にある結像レンズの瞳中心
から出た光線１１７のみを描いてある。瞳の周辺から出
た光線は光線１１７に対して角度を持って撮像素子に入
射する。そうするとそれらの光線は光電変換領域１０２
内の周辺部に達し、そこで光電変換されることになる。
きさに対して十分に遠い位置にある結像レンズの瞳中心
から出た光線１１７のみを描いてある。瞳の周辺から出
た光線は光線１１７に対して角度を持って撮像素子に入
射する。そうするとそれらの光線は光電変換領域１０２
内の周辺部に達し、そこで光電変換されることになる。
【００３５】さて、図２を用いて、光線の波長毎の挙動
について説明する。緑色光を受光する画素１２０へは不
図示の赤外線カットフィルターを通過した物体光１１８
が図の上方から来て、まず、樹脂層１１６に入射する。
次に干渉フィルター層１１５Ｇに入射し、ここでは緑色
成分のみが干渉フィルター層１１５Ｇを透過することが
できて、樹脂層１１４からＧカラーフィルター１１３Ｇ
に至る。干渉フィルター層１１５Ｇで反射した青色成分
と緑色成分は隣接する画素へ導かれるのであるが、この
挙動は隣接する画素１２１から画素１２０に入ってくる
光線と同様であるので、画素１２１の説明で代用するこ
ととする。
について説明する。緑色光を受光する画素１２０へは不
図示の赤外線カットフィルターを通過した物体光１１８
が図の上方から来て、まず、樹脂層１１６に入射する。
次に干渉フィルター層１１５Ｇに入射し、ここでは緑色
成分のみが干渉フィルター層１１５Ｇを透過することが
できて、樹脂層１１４からＧカラーフィルター１１３Ｇ
に至る。干渉フィルター層１１５Ｇで反射した青色成分
と緑色成分は隣接する画素へ導かれるのであるが、この
挙動は隣接する画素１２１から画素１２０に入ってくる
光線と同様であるので、画素１２１の説明で代用するこ
ととする。
【００３６】Ｇカラーフィルター１１３Ｇでは、そこに
達したのが干渉フィルター層１１５Ｇを透過できた光で
あるので、そのほとんどが透過し、次の低屈折率物質層
１１２を経てマイクロレンズである高屈折率物質層１１
１に達する。ここでは収斂作用を受けて、低屈折率物質
層１１０へ射出し、さらに高屈折率物質層１０９を通っ
て光電変換領域１０２に入射する。光電変換領域１０２
からの出力は、緑色光成分として後述する信号処理回路
に入力される。
達したのが干渉フィルター層１１５Ｇを透過できた光で
あるので、そのほとんどが透過し、次の低屈折率物質層
１１２を経てマイクロレンズである高屈折率物質層１１
１に達する。ここでは収斂作用を受けて、低屈折率物質
層１１０へ射出し、さらに高屈折率物質層１０９を通っ
て光電変換領域１０２に入射する。光電変換領域１０２
からの出力は、緑色光成分として後述する信号処理回路
に入力される。
【００３７】隣接する画素１２１は、赤色光を受光する
画素である。画素１２１へは不図示の赤外線カットフィ
ルターを通過した物体光１１９が図の上方から来て、ま
ず、樹脂層１１６に入射する。次に干渉フィルター層１
１５Ｒに入射し、ここでは赤色成分のみが干渉フィルタ
ー層１１５Ｒを透過することができて、樹脂層１１４か
らＲカラーフィルター１１３Ｒに至る。この後の赤色光
の挙動は先に説明した画素１２０での緑色光と同じであ
る。
画素である。画素１２１へは不図示の赤外線カットフィ
ルターを通過した物体光１１９が図の上方から来て、ま
ず、樹脂層１１６に入射する。次に干渉フィルター層１
１５Ｒに入射し、ここでは赤色成分のみが干渉フィルタ
ー層１１５Ｒを透過することができて、樹脂層１１４か
らＲカラーフィルター１１３Ｒに至る。この後の赤色光
の挙動は先に説明した画素１２０での緑色光と同じであ
る。
【００３８】干渉フィルター層１１５Ｒで反射した青色
光と緑色光は樹脂層１１６と空気との界面に向かって進
み、干渉フィルター層１１５Ｒに設定されていた傾斜の
作用で、界面への入射角が臨界角以下となるため今度は
全反射する。全反射で撮像素子の内部の方向に戻された
青色光と緑色光は、干渉フィルター層１１５Ｇに入射す
る。干渉フィルター層１１５Ｇはもともと緑色光を受光
する画素１２０に設けられたフィルターであるので、こ
のうちの緑色光成分は透過し、青色光成分は反射する。
反射した青色光は撮像素子の外部へと逃げていくので、
ここでは図示していない。
光と緑色光は樹脂層１１６と空気との界面に向かって進
み、干渉フィルター層１１５Ｒに設定されていた傾斜の
作用で、界面への入射角が臨界角以下となるため今度は
全反射する。全反射で撮像素子の内部の方向に戻された
青色光と緑色光は、干渉フィルター層１１５Ｇに入射す
る。干渉フィルター層１１５Ｇはもともと緑色光を受光
する画素１２０に設けられたフィルターであるので、こ
のうちの緑色光成分は透過し、青色光成分は反射する。
反射した青色光は撮像素子の外部へと逃げていくので、
ここでは図示していない。
【００３９】上記のように、干渉フィルタ層１１５Ｒ、
１１５Ｇと樹脂層１１６とを含む光調整領域では、干渉
フィルタ層１１５Ｒに入射した緑色光は、干渉フィルタ
１１５Ｇへ入射し、そして透過するように構成されてい
る。
１１５Ｇと樹脂層１１６とを含む光調整領域では、干渉
フィルタ層１１５Ｒに入射した緑色光は、干渉フィルタ
１１５Ｇへ入射し、そして透過するように構成されてい
る。
【００４０】干渉フィルター層１１５Ｇを透過した緑色
光成分は、樹脂層１１４を経てＧカラーフィルター１１
３Ｇに至る。Ｇカラーフィルター１１３Ｇでは、そこに
達したのが干渉フィルター層１１５Ｇを透過できた光で
あるので、そのほとんどは透過でき、次の低屈折率物質
層１１２を経て多くはマイクロレンズである高屈折率物
質層１１１に達する。
光成分は、樹脂層１１４を経てＧカラーフィルター１１
３Ｇに至る。Ｇカラーフィルター１１３Ｇでは、そこに
達したのが干渉フィルター層１１５Ｇを透過できた光で
あるので、そのほとんどは透過でき、次の低屈折率物質
層１１２を経て多くはマイクロレンズである高屈折率物
質層１１１に達する。
【００４１】高屈折率物質層１１１内で光線は斜めに進
み、低屈折率物質層１１０への射出と前後して金属配線
層１０８の側面で反射する。また、高屈折率物質層１１
１へ入射するよりも前に金属配線層１０８の側面で反射
する光線もある。
み、低屈折率物質層１１０への射出と前後して金属配線
層１０８の側面で反射する。また、高屈折率物質層１１
１へ入射するよりも前に金属配線層１０８の側面で反射
する光線もある。
【００４２】隣接する画素１２１から来た光線の角度が
倒れているので、高屈折率物質層１０９を通って直接的
に光電変換領域１０２に入射することはできず、必ず金
属配線層１０６、１０４の側面か高屈折率物質層１０９
と低屈折率物質層１０７、１０５、１０３の界面で全反
射しながら光電変換領域１０２に達する。
倒れているので、高屈折率物質層１０９を通って直接的
に光電変換領域１０２に入射することはできず、必ず金
属配線層１０６、１０４の側面か高屈折率物質層１０９
と低屈折率物質層１０７、１０５、１０３の界面で全反
射しながら光電変換領域１０２に達する。
【００４３】光電変換領域１０２では物体光１１８の緑
色成分と一緒に光電変換されて、画素１２０の出力とし
て信号処理回路に入力される。
色成分と一緒に光電変換されて、画素１２０の出力とし
て信号処理回路に入力される。
【００４４】ここでは、画素１２０と画素１２１との関
係に於いて説明を行ったが、ベイヤー配列のように隣接
する画素が同色でない場合であれば、どの画素について
も不要な波長成分を隣接する画素に分割することで、隣
接する画素で有効な波長成分として光電変換することが
でき、光の利用効率を大幅に向上することが可能であ
る。
係に於いて説明を行ったが、ベイヤー配列のように隣接
する画素が同色でない場合であれば、どの画素について
も不要な波長成分を隣接する画素に分割することで、隣
接する画素で有効な波長成分として光電変換することが
でき、光の利用効率を大幅に向上することが可能であ
る。
【００４５】ＲＧＢの色別に利用効率を考えれば、ベイ
ヤー配列のカラー撮像素子のＲＧＢ画素面積比率が、規
則的配列を構成する１単位の面積を１としたとき、１／
４×２：２／４×２：１／４×２に増加したのと等価で
ある。したがって、全体の光量を１とした時の緑色光の
利用割合は波長選択性の項と面積比率の項の積として１
／３×４／４＝１／３、赤色光と青色光が１／３×２／
４＝１／６、合計すれば１／３＋１／６＋１／６＝２／
３で、利用効率は従来の２倍の２／３ということにな
る。したがって、撮像素子の感度を２倍に上げることが
できた。
ヤー配列のカラー撮像素子のＲＧＢ画素面積比率が、規
則的配列を構成する１単位の面積を１としたとき、１／
４×２：２／４×２：１／４×２に増加したのと等価で
ある。したがって、全体の光量を１とした時の緑色光の
利用割合は波長選択性の項と面積比率の項の積として１
／３×４／４＝１／３、赤色光と青色光が１／３×２／
４＝１／６、合計すれば１／３＋１／６＋１／６＝２／
３で、利用効率は従来の２倍の２／３ということにな
る。したがって、撮像素子の感度を２倍に上げることが
できた。
【００４６】また、本実施の形態による撮像素子では、
実質的な受光開口が各画素よりも大きくなる。分かりや
すくするために、ＲＧＢの色毎に先に図２９に示したベ
イヤー配列の従来の撮像素子と比較すると、まず、従来
のＧ画素の開口は図３に示すようにマイクロレンズ９０
２の大きさであったが、本実施の形態による撮像素子で
は図４に示す如く各画素よりも大きい。図において、１
３０はマイクロレンズ、１３１が隣接する画素から緑色
光成分を分けてもらうことを含めた実質的な受光開口で
ある。同様にＢ画素では、開口は図５に示す大きさであ
ったが、本実施の形態による撮像素子では、図６に示す
如く大きくなる。図において、１３２はマイクロレン
ズ、１３３が隣接する画素から青色光成分を分けてもら
うことを含めた実効的な受光開口である。Ｒ画素はＢ画
素と同等である。したがって、図４と図６を重ねて全て
の画素について考えると、実効的に互いにオーバーラッ
プした受光開口を有することがわかる。
実質的な受光開口が各画素よりも大きくなる。分かりや
すくするために、ＲＧＢの色毎に先に図２９に示したベ
イヤー配列の従来の撮像素子と比較すると、まず、従来
のＧ画素の開口は図３に示すようにマイクロレンズ９０
２の大きさであったが、本実施の形態による撮像素子で
は図４に示す如く各画素よりも大きい。図において、１
３０はマイクロレンズ、１３１が隣接する画素から緑色
光成分を分けてもらうことを含めた実質的な受光開口で
ある。同様にＢ画素では、開口は図５に示す大きさであ
ったが、本実施の形態による撮像素子では、図６に示す
如く大きくなる。図において、１３２はマイクロレン
ズ、１３３が隣接する画素から青色光成分を分けてもら
うことを含めた実効的な受光開口である。Ｒ画素はＢ画
素と同等である。したがって、図４と図６を重ねて全て
の画素について考えると、実効的に互いにオーバーラッ
プした受光開口を有することがわかる。
【００４７】このように実質的な受光開口が各画素より
も大きくなると、通常の単板式の撮像装置では考えられ
なかったＭＴＦ特性を得ることができる。この結果、光
学ローパスフィルターを省略しても画像の品位を損なわ
ない。すなわち、前述した物体像の空間周波数特性の高
周波成分を抑制するように調節する第２のプロセスを省
き、物体像を光電変換する第３のプロセスだけで、折り
返し歪みが目立たない良質な画像を得ることが可能であ
る。
も大きくなると、通常の単板式の撮像装置では考えられ
なかったＭＴＦ特性を得ることができる。この結果、光
学ローパスフィルターを省略しても画像の品位を損なわ
ない。すなわち、前述した物体像の空間周波数特性の高
周波成分を抑制するように調節する第２のプロセスを省
き、物体像を光電変換する第３のプロセスだけで、折り
返し歪みが目立たない良質な画像を得ることが可能であ
る。
【００４８】図７から図１３はその説明図である。
【００４９】まず、図７は本実施の形態による撮像素子
の画素１２０についての水平方向の空間周波数成分に対
するＭＴＦ特性である。また、図８は通常型の矩形開口
を有する画素のＭＴＦ特性である。何れも１画素の大き
さを□３μｍとし、マイクロレンズは１画素分の大きさ
を有しているとした。さらに、本実施の形態の画素につ
いては隣接画素の中央部にまで伸びた開口を有するもの
としてある。
の画素１２０についての水平方向の空間周波数成分に対
するＭＴＦ特性である。また、図８は通常型の矩形開口
を有する画素のＭＴＦ特性である。何れも１画素の大き
さを□３μｍとし、マイクロレンズは１画素分の大きさ
を有しているとした。さらに、本実施の形態の画素につ
いては隣接画素の中央部にまで伸びた開口を有するもの
としてある。
【００５０】図８に示した従来型の矩形開口画素のレス
ポンスについては簡単に式（２）のようなＳＩＮＣ関数
で表すことができる。
ポンスについては簡単に式（２）のようなＳＩＮＣ関数
で表すことができる。
【００５１】
【外１】
【００５２】Ｒ３（ｕ）：レスポンス
ｄ ：撮像素子の受光開口の幅
式（２）の最初のゼロ点（カットオフ周波数）は、ｕ＝
１／ｄの位置である。すなわち、受光開口の幅に一致し
た波長においてレスポンスがゼロになる。受光開口が隙
間なく敷きつめられた撮像素子においては、受光開口の
幅が画素ピッチと一致するので、ナイキスト周波数ｕ＝
１／２ｄにおける式（２）のレスポンス値は０．６３６
であってかなり高い。したがって、従来の矩形開口画素
には図９に示したＭＴＦ特性の光学ローパスフィルター
を併せて使用する必要がある。
１／ｄの位置である。すなわち、受光開口の幅に一致し
た波長においてレスポンスがゼロになる。受光開口が隙
間なく敷きつめられた撮像素子においては、受光開口の
幅が画素ピッチと一致するので、ナイキスト周波数ｕ＝
１／２ｄにおける式（２）のレスポンス値は０．６３６
であってかなり高い。したがって、従来の矩形開口画素
には図９に示したＭＴＦ特性の光学ローパスフィルター
を併せて使用する必要がある。
【００５３】これに対して、本実施の形態による画素１
２０は図４に示したような菱形様の開口に起因して、高
周波側までレスポンスが伸びる。これは式（２）でＭＴ
Ｆ特性を表せる無限に細い短冊状の矩形開口が集まった
と考えれば良い。全体を積分した結果は図７のようにな
って、画素ピッチを３μｍとしたときのナイキスト周波
数１６７本／ｍｍにおいては画素１２０の方がかなり低
いレスポンスを有していることが分かる。
２０は図４に示したような菱形様の開口に起因して、高
周波側までレスポンスが伸びる。これは式（２）でＭＴ
Ｆ特性を表せる無限に細い短冊状の矩形開口が集まった
と考えれば良い。全体を積分した結果は図７のようにな
って、画素ピッチを３μｍとしたときのナイキスト周波
数１６７本／ｍｍにおいては画素１２０の方がかなり低
いレスポンスを有していることが分かる。
【００５４】次に、図１０はＦナンバーを４．０、物体
像の波長を５５０ｎｍと仮定したときの無収差レンズの
ＭＴＦ特性である。幾何光学的に収差がない理想レンズ
では、そのＭＴＦは光の回折によって決定される。回折
限界ＭＴＦはＦナンバーによって決まり、式（３）で表
される。
像の波長を５５０ｎｍと仮定したときの無収差レンズの
ＭＴＦ特性である。幾何光学的に収差がない理想レンズ
では、そのＭＴＦは光の回折によって決定される。回折
限界ＭＴＦはＦナンバーによって決まり、式（３）で表
される。
【００５５】
【外２】
【００５６】β＝ｃｏｓ−１（ｕ・Ｆ・λ）
ｕ ：光学像の空間周波数
Ｆ ：光学系のＦナンバー
λ ：光学像の波長
この結像レンズのカットオフ周波数は４５５本／ｍｍで
ある。
ある。
【００５７】さて、これで物体像を光学装置によって形
成する第１のプロセス、（物体像の空間周波数特性の高
周波成分を抑制するように調節する第２のプロセス、）
空間周波数特性が調節された物体像を光電変換する第３
のプロセスの総合ＭＴＦを知る材料が揃った。
成する第１のプロセス、（物体像の空間周波数特性の高
周波成分を抑制するように調節する第２のプロセス、）
空間周波数特性が調節された物体像を光電変換する第３
のプロセスの総合ＭＴＦを知る材料が揃った。
【００５８】図１１は画素１２０を用いたときの結像レ
ンズと撮像素子の画素の総合ＭＴＦである。一方、図１
２は従来の画素を用いたときの結像レンズと光学ローパ
スフィルターと撮像素子の画素の総合ＭＴＦである。両
者はナイキスト周波数１６７本／ｍｍにおいてほぼ同等
のレスポンスを有し、全体としてよく似た特性となって
いる。一方、従来の画素で光学ローパスフィルターを用
いないと図１３のようにナイキスト周波数でのレスポン
スが高くなりすぎてしまう。このように、画素１２０を
用いれば、光学ローパスフィルターを省略できることが
分かる。
ンズと撮像素子の画素の総合ＭＴＦである。一方、図１
２は従来の画素を用いたときの結像レンズと光学ローパ
スフィルターと撮像素子の画素の総合ＭＴＦである。両
者はナイキスト周波数１６７本／ｍｍにおいてほぼ同等
のレスポンスを有し、全体としてよく似た特性となって
いる。一方、従来の画素で光学ローパスフィルターを用
いないと図１３のようにナイキスト周波数でのレスポン
スが高くなりすぎてしまう。このように、画素１２０を
用いれば、光学ローパスフィルターを省略できることが
分かる。
【００５９】（第２の実施の形態）図１５および図１６
は本発明による第２の実施の形態を説明するための図で
あって、図１５は画素の配列とマイクロレンズの形状を
表す平面図、図１６は各画素の実効受光開口を表す平面
図である。
は本発明による第２の実施の形態を説明するための図で
あって、図１５は画素の配列とマイクロレンズの形状を
表す平面図、図１６は各画素の実効受光開口を表す平面
図である。
【００６０】これらの図において２０１はマイクロレン
ズ、２０２は実効的な受光開口である。画素の配列はベ
イヤー配列を４５度回転させたものとなっている。した
がって、２×２のＲＧＧＢの画素列が１単位である。特
開２０００−１８４３８６号公報に開示されているよう
に、このような配列の撮像素子は画素数の増加を抑えな
がら、より高解像度の画像を得るのに好適である。
ズ、２０２は実効的な受光開口である。画素の配列はベ
イヤー配列を４５度回転させたものとなっている。した
がって、２×２のＲＧＧＢの画素列が１単位である。特
開２０００−１８４３８６号公報に開示されているよう
に、このような配列の撮像素子は画素数の増加を抑えな
がら、より高解像度の画像を得るのに好適である。
【００６１】図１５に示すとおり、マイクロレンズ２０
１で構成される画素開口のそれぞれは４５度方向に傾い
た４辺を有する正方形であって、隣接する画素と接しな
がら密に並んでいる。この撮像素子も、第１の実施の形
態と同様に図２に示す構造を有する。なお、この場合
は、図２に表れる断面は図１５の画素を斜め４５度方向
に切ったときの物となる。
１で構成される画素開口のそれぞれは４５度方向に傾い
た４辺を有する正方形であって、隣接する画素と接しな
がら密に並んでいる。この撮像素子も、第１の実施の形
態と同様に図２に示す構造を有する。なお、この場合
は、図２に表れる断面は図１５の画素を斜め４５度方向
に切ったときの物となる。
【００６２】こういった撮像素子の実効的な受光開口２
０２は図４や図６を４５度傾けたものと同等であって、
今度は垂直・水平方向の４辺を有する正方形となる。し
たがって、水平方向の空間周波数成分に対するＭＴＦ特
性を調べるには式（２）がそのまま適用でき、その特性
は図１７のようになる。ＳＩＮＣ関数の性質のとおり、
山型のレスポンスカーブが、高周波になるにしたがって
低くなりながら連なる。最初のゼロ点は水平方向の画素
ピッチで決まるナイキスト周波数の近くに位置する。
０２は図４や図６を４５度傾けたものと同等であって、
今度は垂直・水平方向の４辺を有する正方形となる。し
たがって、水平方向の空間周波数成分に対するＭＴＦ特
性を調べるには式（２）がそのまま適用でき、その特性
は図１７のようになる。ＳＩＮＣ関数の性質のとおり、
山型のレスポンスカーブが、高周波になるにしたがって
低くなりながら連なる。最初のゼロ点は水平方向の画素
ピッチで決まるナイキスト周波数の近くに位置する。
【００６３】さらに、図１０に示したＦナンバーを４．
０、物体像の波長を５５０ｎｍと仮定したときの無収差
レンズのＭＴＦ特性を乗じれば、図１８に示すように結
像レンズと撮像素子の画素の総合ＭＴＦが得られる。
０、物体像の波長を５５０ｎｍと仮定したときの無収差
レンズのＭＴＦ特性を乗じれば、図１８に示すように結
像レンズと撮像素子の画素の総合ＭＴＦが得られる。
【００６４】先に図１２に示した従来の画素を用いたと
きの結像レンズと光学ローパスフィルターと撮像素子の
画素の総合ＭＴＦと比べると、両者はナイキスト周波数
１６７本／ｍｍにおいてほぼ同等のレスポンスを有し、
全体としてよく似た特性となっている。このように、光
学ローパスフィルターを省略できることが分かる。
きの結像レンズと光学ローパスフィルターと撮像素子の
画素の総合ＭＴＦと比べると、両者はナイキスト周波数
１６７本／ｍｍにおいてほぼ同等のレスポンスを有し、
全体としてよく似た特性となっている。このように、光
学ローパスフィルターを省略できることが分かる。
【００６５】（第３の実施の形態）図１９から図２１は
本発明による第３の実施の形態を説明するための図であ
って、図１９はＲＧＢストライプフィルターを有する撮
像素子の平面図、図２０は干渉フィルター層の斜視図、
図２１は各画素の実効受光開口を表す平面図である。
本発明による第３の実施の形態を説明するための図であ
って、図１９はＲＧＢストライプフィルターを有する撮
像素子の平面図、図２０は干渉フィルター層の斜視図、
図２１は各画素の実効受光開口を表す平面図である。
【００６６】ＲＧＢストライプフィルターを有する撮像
素子はＲフィルターを有する縦方向画素列、Ｇフィルタ
ーを有する縦方向画素列、およびＢフィルターを有する
縦方向画素列を横方向に繰り返し有する物である。つま
り、１×３のＲＧＢの画素が規則的配列を構成する１単
位であって、隣接する４つの画素のうち上下方向は同一
フィルターの画素、左右方向は異なるフィルターの画素
となる。
素子はＲフィルターを有する縦方向画素列、Ｇフィルタ
ーを有する縦方向画素列、およびＢフィルターを有する
縦方向画素列を横方向に繰り返し有する物である。つま
り、１×３のＲＧＢの画素が規則的配列を構成する１単
位であって、隣接する４つの画素のうち上下方向は同一
フィルターの画素、左右方向は異なるフィルターの画素
となる。
【００６７】このような構造においても、第１の実施の
形態に示した画素構造は画素のＭＴＦを調節する意味で
有効ではあるが、光の利用効率を高める意味では隣接す
る異なるフィルターの画素間で光電変換されなかった光
を交換するように構造を最適化すると良い。
形態に示した画素構造は画素のＭＴＦを調節する意味で
有効ではあるが、光の利用効率を高める意味では隣接す
る異なるフィルターの画素間で光電変換されなかった光
を交換するように構造を最適化すると良い。
【００６８】図２０に示す３０２がこのための干渉フィ
ルター層であり、光分割を行う。ここで、干渉フィルタ
以外の構成については、第１の実施の形態と同じであ
る。
ルター層であり、光分割を行う。ここで、干渉フィルタ
以外の構成については、第１の実施の形態と同じであ
る。
【００６９】複数ストライプ状の屋根型斜面を持つ干渉
フィルターが並んでおり、稜線を挟んだ二つの斜面の干
渉フィルターは同種のものである。さらに、Ｒフィルタ
ーを有する縦方向画素列用には、赤色光を透過し青色光
と緑色光を反射するフィルターが、Ｇフィルターを有す
る縦方向画素列用には、緑色光を透過し青色光と赤色光
を反射するフィルターが、Ｂフィルターを有する縦方向
画素列用には、青色光を透過し緑色光と赤色光を反射す
るフィルターがそれぞれ設けられている。
フィルターが並んでおり、稜線を挟んだ二つの斜面の干
渉フィルターは同種のものである。さらに、Ｒフィルタ
ーを有する縦方向画素列用には、赤色光を透過し青色光
と緑色光を反射するフィルターが、Ｇフィルターを有す
る縦方向画素列用には、緑色光を透過し青色光と赤色光
を反射するフィルターが、Ｂフィルターを有する縦方向
画素列用には、青色光を透過し緑色光と赤色光を反射す
るフィルターがそれぞれ設けられている。
【００７０】ＲＧＢ画素の並び方向での断面で見る干渉
フィルター層３０２の作用は、第１の実施の形態中の図
２に示した撮像素子と同様である。ただし、第１の実施
の形態では四角すい型の干渉フィルターの作用で紙面手
前と奥方向にも光を分割していたが、本実施例では図２
の紙面方向だけに光を分割する。これは異なるフィルタ
ーを有した隣接画素の方向ということである。
フィルター層３０２の作用は、第１の実施の形態中の図
２に示した撮像素子と同様である。ただし、第１の実施
の形態では四角すい型の干渉フィルターの作用で紙面手
前と奥方向にも光を分割していたが、本実施例では図２
の紙面方向だけに光を分割する。これは異なるフィルタ
ーを有した隣接画素の方向ということである。
【００７１】この結果、実効的な受光開口は図２１に示
すようになる。分かりやすくするために、一列置きに画
素列を抜き出して示した。図２１において３０３が実効
受光開口である。異なるフィルターを有する画素間で、
互いに光電変換されなかった光を交換するので、各画素
の開口は図のように横に伸びて隣接する画素にオーバー
ラップする。
すようになる。分かりやすくするために、一列置きに画
素列を抜き出して示した。図２１において３０３が実効
受光開口である。異なるフィルターを有する画素間で、
互いに光電変換されなかった光を交換するので、各画素
の開口は図のように横に伸びて隣接する画素にオーバー
ラップする。
【００７２】したがって、この場合も光の利用効率が２
倍に向上し、２倍の感度アップが図れる。
倍に向上し、２倍の感度アップが図れる。
【００７３】（第４の実施の形態）図２２は本発明によ
る第４の実施の形態を説明するための図であって、撮像
素子の拡大断面図である。ベイヤー配列などのようにＧ
画素とＲ画素が交互に並んだ画素列に対して図の上方か
ら物体光が入射し光電変換領域に達する様子を表してい
る。
る第４の実施の形態を説明するための図であって、撮像
素子の拡大断面図である。ベイヤー配列などのようにＧ
画素とＲ画素が交互に並んだ画素列に対して図の上方か
ら物体光が入射し光電変換領域に達する様子を表してい
る。
【００７４】図２２において、４０１はシリコン基板、
４０２は光電変換領域、４０３、４０５、４１０、４２
２Ｇ、４２２Ｒは低屈折物質層、４０４、４０６はアル
ミニウムなどの金属配線層、４１１、４２２Ｇ、４２２
Ｒは高屈折率物質層である。低屈折物質層を形成する物
質としては屈折率１．４５である酸化シリコン（ＳｉＯ
２）が、高屈折率物質層を形成する物質としては屈折率
２．０である窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）が、何れも可
視光の透過率が高く好適である。高屈折率物質層４１１
は上面を空気、下面を低屈折物質層４１０で挟まれ、光
線入射側に平、光線射出側に凸の軸対称な面形状をして
いるので、正のパワーを有するマイクロレンズとして機
能する。これは比較的小さい光電変換領域４０２に物体
からの光を集め撮像素子の感度を高める役割をしてい
る。図示してはいないが高屈折率物質層４１１の光入射
面には反射防止膜をつけると良い。
４０２は光電変換領域、４０３、４０５、４１０、４２
２Ｇ、４２２Ｒは低屈折物質層、４０４、４０６はアル
ミニウムなどの金属配線層、４１１、４２２Ｇ、４２２
Ｒは高屈折率物質層である。低屈折物質層を形成する物
質としては屈折率１．４５である酸化シリコン（ＳｉＯ
２）が、高屈折率物質層を形成する物質としては屈折率
２．０である窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）が、何れも可
視光の透過率が高く好適である。高屈折率物質層４１１
は上面を空気、下面を低屈折物質層４１０で挟まれ、光
線入射側に平、光線射出側に凸の軸対称な面形状をして
いるので、正のパワーを有するマイクロレンズとして機
能する。これは比較的小さい光電変換領域４０２に物体
からの光を集め撮像素子の感度を高める役割をしてい
る。図示してはいないが高屈折率物質層４１１の光入射
面には反射防止膜をつけると良い。
【００７５】また、４３０Ｇと４３０Ｒは光分割を行う
干渉フィルター層である。干渉フィルター層４３０Ｇ
は、緑色光を透過し、赤色光と青色光を反射する。隣接
する画素の４３０Ｒは、赤色光を透過し、青色光と緑色
光を反射する特性を有する。これらは、図１４に示した
第１の実施の形態での干渉フィルターと同様に各画素の
中央部に頂点を持つ四角すいの斜面上に形成されてい
る。
干渉フィルター層である。干渉フィルター層４３０Ｇ
は、緑色光を透過し、赤色光と青色光を反射する。隣接
する画素の４３０Ｒは、赤色光を透過し、青色光と緑色
光を反射する特性を有する。これらは、図１４に示した
第１の実施の形態での干渉フィルターと同様に各画素の
中央部に頂点を持つ四角すいの斜面上に形成されてい
る。
【００７６】なお、理解を容易にするために、画素の大
きさに対して十分に遠い位置にある結像レンズの瞳中心
から出た光線４１８、４１９のみを描いてある。瞳の周
辺から出た光線は光線４１８、４１９に対して角度を持
って撮像素子に入射する。そうするとそれらの光線は光
電変換領域４０２内の周辺部に達し、そこで光電変換さ
れることになる。
きさに対して十分に遠い位置にある結像レンズの瞳中心
から出た光線４１８、４１９のみを描いてある。瞳の周
辺から出た光線は光線４１８、４１９に対して角度を持
って撮像素子に入射する。そうするとそれらの光線は光
電変換領域４０２内の周辺部に達し、そこで光電変換さ
れることになる。
【００７７】さて次に、光線の波長毎の挙動について説
明する。緑色光を受光する画素４２０へは不図示の赤外
線カットフィルターを通過した物体光４１８が図２２の
上方から来て、まず、マイクロレンズである高屈折率物
質層４１１に入射する。ここでは収斂作用を受けて、低
屈折率物質層４１０へ射出し、干渉フィルター層４３０
Ｇに入射する。さらに緑色成分のみが干渉フィルター層
４３０Ｇを透過することができて、高屈折率物質層４２
２Ｇに至る。
明する。緑色光を受光する画素４２０へは不図示の赤外
線カットフィルターを通過した物体光４１８が図２２の
上方から来て、まず、マイクロレンズである高屈折率物
質層４１１に入射する。ここでは収斂作用を受けて、低
屈折率物質層４１０へ射出し、干渉フィルター層４３０
Ｇに入射する。さらに緑色成分のみが干渉フィルター層
４３０Ｇを透過することができて、高屈折率物質層４２
２Ｇに至る。
【００７８】干渉フィルター層４３０Ｇで反射した青色
成分と緑色成分は隣接する画素へ導かれるのであるが、
この挙動は隣接する画素４２１から画素４２０に入って
くる光線と同様であるので、画素４２１の説明で代用す
ることとする。
成分と緑色成分は隣接する画素へ導かれるのであるが、
この挙動は隣接する画素４２１から画素４２０に入って
くる光線と同様であるので、画素４２１の説明で代用す
ることとする。
【００７９】Ｇカラーフィルター４２２Ｇでは、そこに
達したのが干渉フィルター層４３０Ｇを透過できた光で
あるので、そのほとんどが透過し、光電変換領域１０２
に入射する。
達したのが干渉フィルター層４３０Ｇを透過できた光で
あるので、そのほとんどが透過し、光電変換領域１０２
に入射する。
【００８０】光電変換領域４０２からの出力は、緑色光
成分として信号処理回路に入力される。
成分として信号処理回路に入力される。
【００８１】隣接する画素４２１は、赤色光を受光する
画素である。画素４２１へは不図示の赤外線カットフィ
ルターを通過した物体光４１９が図の上方から来て、ま
ず、マイクロレンズである高屈折率物質層４１１に入射
する。ここでは収斂作用を受けて、低屈折率物質層４１
０へ射出し、干渉フィルター層４３０Ｒに入射する。赤
色成分のみが干渉フィルター層４３０Ｒを透過すること
ができて、この後の赤色光の挙動は先に説明した画素４
２０での緑色光と同じである。
画素である。画素４２１へは不図示の赤外線カットフィ
ルターを通過した物体光４１９が図の上方から来て、ま
ず、マイクロレンズである高屈折率物質層４１１に入射
する。ここでは収斂作用を受けて、低屈折率物質層４１
０へ射出し、干渉フィルター層４３０Ｒに入射する。赤
色成分のみが干渉フィルター層４３０Ｒを透過すること
ができて、この後の赤色光の挙動は先に説明した画素４
２０での緑色光と同じである。
【００８２】干渉フィルター層４３０Ｒで反射した青色
成分と緑色成分は隣接する画素の高屈折率物質層４１１
に向かって進み、干渉フィルター層４３０Ｒに設定され
ていた傾斜の作用で、空気との界面への入射角が臨界角
以下となるため今度は全反射する。全反射で撮像素子の
内部の方向に戻された青色光と緑色光は、干渉フィルタ
ー４３０Ｇに入射する。干渉フィルター４３０Ｇはもと
もと緑色光を受光する画素４２０に設けられたフィルタ
ーであるので、このうちの緑色光成分は透過し、青色光
成分は反射する。反射した青色光は撮像素子の外部へと
逃げていくので、ここでは図示していない。
成分と緑色成分は隣接する画素の高屈折率物質層４１１
に向かって進み、干渉フィルター層４３０Ｒに設定され
ていた傾斜の作用で、空気との界面への入射角が臨界角
以下となるため今度は全反射する。全反射で撮像素子の
内部の方向に戻された青色光と緑色光は、干渉フィルタ
ー４３０Ｇに入射する。干渉フィルター４３０Ｇはもと
もと緑色光を受光する画素４２０に設けられたフィルタ
ーであるので、このうちの緑色光成分は透過し、青色光
成分は反射する。反射した青色光は撮像素子の外部へと
逃げていくので、ここでは図示していない。
【００８３】上記のように、干渉フィルタ層４３０Ｒ、
４３０Ｇと高屈折物質層１１６とを含む光調整領域で
は、干渉フィルタ層１１５Ｒに入射した緑色光は、干渉
フィルタ１１５Ｇへ入射し、そして透過するように構成
されている。
４３０Ｇと高屈折物質層１１６とを含む光調整領域で
は、干渉フィルタ層１１５Ｒに入射した緑色光は、干渉
フィルタ１１５Ｇへ入射し、そして透過するように構成
されている。
【００８４】干渉フィルター４３０Ｇを透過した緑色光
成分は、干渉フィルター層４３０Ｇへの入射と前後して
金属配線層４０６の側面で反射し、高屈折率物質層４２
２Ｇを経て光電変換領域４０２に達する。つまり、隣接
する画素４２１から来た光線の角度が倒れているので、
高屈折率物質層４１１から直接的に光電変換領域４０２
に入射することはできず、金属配線層４０６、４０４の
側面か高屈折率物質層４２２Ｇと低屈折率物質層４０
５、４０３の界面で全反射しながら光電変換領域４０２
に達する。
成分は、干渉フィルター層４３０Ｇへの入射と前後して
金属配線層４０６の側面で反射し、高屈折率物質層４２
２Ｇを経て光電変換領域４０２に達する。つまり、隣接
する画素４２１から来た光線の角度が倒れているので、
高屈折率物質層４１１から直接的に光電変換領域４０２
に入射することはできず、金属配線層４０６、４０４の
側面か高屈折率物質層４２２Ｇと低屈折率物質層４０
５、４０３の界面で全反射しながら光電変換領域４０２
に達する。
【００８５】光電変換領域４０２では物体光４１８の緑
色成分と一緒に光電変換されて、画素４２０の出力とし
て信号処理回路に入力される。
色成分と一緒に光電変換されて、画素４２０の出力とし
て信号処理回路に入力される。
【００８６】ここでは、画素４２０と画素４２１との関
係に於いて説明を行ったが、ベイヤー配列のように隣接
する画素が同色でない場合であれば、どの画素について
も不要な波長成分を隣接する画素に分割することで、隣
接する画素で有効な波長成分として光電変換することが
でき、光の利用効率を２倍に向上することが可能であ
る。したがって、撮像素子の感度を２倍に上げることが
できた。
係に於いて説明を行ったが、ベイヤー配列のように隣接
する画素が同色でない場合であれば、どの画素について
も不要な波長成分を隣接する画素に分割することで、隣
接する画素で有効な波長成分として光電変換することが
でき、光の利用効率を２倍に向上することが可能であ
る。したがって、撮像素子の感度を２倍に上げることが
できた。
【００８７】（第５の実施の形態）図２３は本発明によ
る第５の実施の形態を説明するための撮像素子の拡大断
面図であって、第４の実施の形態の干渉フィルターをマ
イクロレンズの曲面に沿って配置した変形例である。
る第５の実施の形態を説明するための撮像素子の拡大断
面図であって、第４の実施の形態の干渉フィルターをマ
イクロレンズの曲面に沿って配置した変形例である。
【００８８】図２３において、５０１はシリコン基板、
５０２は光電変換領域、５０３、５０５、５１０、５２
２Ｇ、５２２Ｒは低屈折物質層、５０４、５０６はアル
ミニウムなどの金属配線層、５１１、５２２Ｇ、５２２
Ｒは高屈折率物質層、５３０Ｇ、５３０Ｒはカラーフィ
ルター層である。高屈折率物質層５１１は上面を空気、
下面を低屈折物質層４１０で挟まれ、光線入射側に平、
光線射出側に凸の面形状をしているので、正のパワーを
有するマイクロレンズとして機能する。これは比較的小
さい光電変換領域５０２に物体からの光を集め撮像素子
の感度を高める役割をしている。図示してはいないが高
屈折率物質層５１１の光入射面には反射防止膜をつける
と良い。
５０２は光電変換領域、５０３、５０５、５１０、５２
２Ｇ、５２２Ｒは低屈折物質層、５０４、５０６はアル
ミニウムなどの金属配線層、５１１、５２２Ｇ、５２２
Ｒは高屈折率物質層、５３０Ｇ、５３０Ｒはカラーフィ
ルター層である。高屈折率物質層５１１は上面を空気、
下面を低屈折物質層４１０で挟まれ、光線入射側に平、
光線射出側に凸の面形状をしているので、正のパワーを
有するマイクロレンズとして機能する。これは比較的小
さい光電変換領域５０２に物体からの光を集め撮像素子
の感度を高める役割をしている。図示してはいないが高
屈折率物質層５１１の光入射面には反射防止膜をつける
と良い。
【００８９】また、５０９Ｇと５０９Ｒは光分割を行う
干渉フィルター層である。干渉フィルター層５０９Ｇ
は、緑色光を透過し、赤色光と青色光を反射する。隣接
する画素の５０９Ｒは、赤色光を透過し、青色光と緑色
光を反射する特性を有する。これらは、高屈折率物質層
５１１の曲面に沿って形成されている。
干渉フィルター層である。干渉フィルター層５０９Ｇ
は、緑色光を透過し、赤色光と青色光を反射する。隣接
する画素の５０９Ｒは、赤色光を透過し、青色光と緑色
光を反射する特性を有する。これらは、高屈折率物質層
５１１の曲面に沿って形成されている。
【００９０】なお、理解を容易にするために、画素の大
きさに対して十分に遠い位置にある結像レンズの瞳中心
から出た光線５１８、５１９のみを描いてある。瞳の周
辺から出た光線は光線５１８、５１９に対して角度を持
って撮像素子に入射すし、そうするとそれらの光線は光
電変換領域５０２内の周辺部に達し、そこで光電変換さ
れることになる。
きさに対して十分に遠い位置にある結像レンズの瞳中心
から出た光線５１８、５１９のみを描いてある。瞳の周
辺から出た光線は光線５１８、５１９に対して角度を持
って撮像素子に入射すし、そうするとそれらの光線は光
電変換領域５０２内の周辺部に達し、そこで光電変換さ
れることになる。
【００９１】さて次に、光線の波長毎の挙動について説
明する。緑色光を受光する画素５２０へは不図示の赤外
線カットフィルターを通過した物体光５１８が図の上方
から来て、まず、マイクロレンズである高屈折率物質層
５１１に入射する。ここでは収斂作用を受けて、干渉フ
ィルター層５３０Ｇを経て、低屈折率物質層５１０へ射
出する。フィルター層５３０Ｇでは緑色成分のみが透過
することができて、光電変換領域５０２に至る。
明する。緑色光を受光する画素５２０へは不図示の赤外
線カットフィルターを通過した物体光５１８が図の上方
から来て、まず、マイクロレンズである高屈折率物質層
５１１に入射する。ここでは収斂作用を受けて、干渉フ
ィルター層５３０Ｇを経て、低屈折率物質層５１０へ射
出する。フィルター層５３０Ｇでは緑色成分のみが透過
することができて、光電変換領域５０２に至る。
【００９２】干渉フィルター層５３０Ｇで反射した青色
成分と緑色成分は隣接する画素へ導かれるのであるが、
この挙動は隣接する画素５２１から画素５２０に入って
くる光線と同様であるので、画素５２１の説明で代用す
ることとする。
成分と緑色成分は隣接する画素へ導かれるのであるが、
この挙動は隣接する画素５２１から画素５２０に入って
くる光線と同様であるので、画素５２１の説明で代用す
ることとする。
【００９３】光電変換領域５０２からの出力は、緑色光
成分として信号処理回路に入力される。
成分として信号処理回路に入力される。
【００９４】隣接する画素５２１は、赤色光を受光する
画素である。画素５２１へは不図示の赤外線カットフィ
ルターを通過した物体光５１９が図の上方から来て、ま
ず、マイクロレンズである高屈折率物質層５１１に入射
する。ここでは収斂作用を受けて、干渉フィルター層５
３０Ｒ経て、低屈折率物質層５１０へ射出する。ここで
は赤色成分のみが干渉フィルター層５３０Ｒを透過する
ことができて、この後の赤色光の挙動は先に説明した画
素５２０での緑色光と同じである。
画素である。画素５２１へは不図示の赤外線カットフィ
ルターを通過した物体光５１９が図の上方から来て、ま
ず、マイクロレンズである高屈折率物質層５１１に入射
する。ここでは収斂作用を受けて、干渉フィルター層５
３０Ｒ経て、低屈折率物質層５１０へ射出する。ここで
は赤色成分のみが干渉フィルター層５３０Ｒを透過する
ことができて、この後の赤色光の挙動は先に説明した画
素５２０での緑色光と同じである。
【００９５】干渉フィルター層５３０Ｒで反射した青色
成分と緑色成分は隣接する画素の高屈折率物質層５１１
に向かって進み、干渉フィルター層５３０Ｒの曲率の作
用で、空気との界面への入射角が臨界角以下となるため
今度は全反射する。全反射で撮像素子の内部の方向に戻
された青色光と緑色光は、干渉フィルター５３０Ｇに入
射する。干渉フィルター５３０Ｇはもともと緑色光を受
光する画素５２０に設けられたフィルターであるので、
このうちの緑色光成分は透過し、青色光成分は反射す
る。反射した青色光は撮像素子の外部へと逃げていくの
で、ここでは図示していない。
成分と緑色成分は隣接する画素の高屈折率物質層５１１
に向かって進み、干渉フィルター層５３０Ｒの曲率の作
用で、空気との界面への入射角が臨界角以下となるため
今度は全反射する。全反射で撮像素子の内部の方向に戻
された青色光と緑色光は、干渉フィルター５３０Ｇに入
射する。干渉フィルター５３０Ｇはもともと緑色光を受
光する画素５２０に設けられたフィルターであるので、
このうちの緑色光成分は透過し、青色光成分は反射す
る。反射した青色光は撮像素子の外部へと逃げていくの
で、ここでは図示していない。
【００９６】上記のように、干渉フィルタ層５０９Ｒ、
５０９Ｇと高屈折物質層５１１とを含む光調整領域で
は、干渉フィルタ層５０９Ｒに入射した緑色光は、干渉
フィルタ５０９Ｇへ入射し、そして透過するように構成
されている。
５０９Ｇと高屈折物質層５１１とを含む光調整領域で
は、干渉フィルタ層５０９Ｒに入射した緑色光は、干渉
フィルタ５０９Ｇへ入射し、そして透過するように構成
されている。
【００９７】干渉フィルター５３０Ｇを透過した緑色光
成分は、干渉フィルター層５３０Ｇへの入射と前後して
金属配線層５０６の側面で反射し、カラーフィルター層
５３０Ｇを経て光電変換領域５０２に達する。光電変換
領域５０２では物体光５１８の緑色成分と一緒に光電変
換されて、画素５２０の出力として信号処理回路に入力
される。
成分は、干渉フィルター層５３０Ｇへの入射と前後して
金属配線層５０６の側面で反射し、カラーフィルター層
５３０Ｇを経て光電変換領域５０２に達する。光電変換
領域５０２では物体光５１８の緑色成分と一緒に光電変
換されて、画素５２０の出力として信号処理回路に入力
される。
【００９８】このように、隣接する画素で有効な波長成
分として光電変換することができ、光の利用効率を向上
させることが可能である。
分として光電変換することができ、光の利用効率を向上
させることが可能である。
【００９９】上記で説明した第１から５の実施の形態の
干渉フィルタ層１１５Ｒ、Ｇ、３０２、４３０Ｒ、Ｇ、
５０９Ｒ、Ｇは、以下のような構成をしている。
干渉フィルタ層１１５Ｒ、Ｇ、３０２、４３０Ｒ、Ｇ、
５０９Ｒ、Ｇは、以下のような構成をしている。
【０１００】色分解のために干渉フィルター層を撮像素
子内に組み込んだ例は、特公昭６３−２６９５６７号公
報や特開平０９−２１９５０５号公報に示されており、
誘電体としての高屈折物質として窒化シリコン（Ｓｉ３
Ｎ４）を、低屈折率物質として酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ２）を交互に積層してなる。高屈折物質として酸化タ
ンタルや酸化ジルコニウムを、低屈折率物質としてフッ
化マグネシウムなどを用いることも出来る。
子内に組み込んだ例は、特公昭６３−２６９５６７号公
報や特開平０９−２１９５０５号公報に示されており、
誘電体としての高屈折物質として窒化シリコン（Ｓｉ３
Ｎ４）を、低屈折率物質として酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ２）を交互に積層してなる。高屈折物質として酸化タ
ンタルや酸化ジルコニウムを、低屈折率物質としてフッ
化マグネシウムなどを用いることも出来る。
【０１０１】ここでは、高屈折物質として窒化シリコン
（Ｓｉ３Ｎ４）を、低屈折率物質として酸化シリコン
（ＳｉＯ２）を用い、λ０／４を基本光学厚として（λ
０は基準波長）、１１層を積層し、所定の基準波長で約
９０％の反射率を得ている。基準波長はＲ画素では６２
０ｎｍ、Ｇ画素では５５０ｎｍ、Ｂ画素では４６０ｎｍ
である。窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）と酸化シリコンの
形成はＣＶＤ（chemicalvapor deposition）か、電子ビ
ーム蒸着などの方法で行えば良い。
（Ｓｉ３Ｎ４）を、低屈折率物質として酸化シリコン
（ＳｉＯ２）を用い、λ０／４を基本光学厚として（λ
０は基準波長）、１１層を積層し、所定の基準波長で約
９０％の反射率を得ている。基準波長はＲ画素では６２
０ｎｍ、Ｇ画素では５５０ｎｍ、Ｂ画素では４６０ｎｍ
である。窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）と酸化シリコンの
形成はＣＶＤ（chemicalvapor deposition）か、電子ビ
ーム蒸着などの方法で行えば良い。
【０１０２】次に、上記で説明した第１から５の実施の
形態のカラーフィルタ１１３Ｒ、Ｇ、４２２Ｒ、Ｇ、５
３０Ｒ、Ｇは、以下のような構成をしている。
形態のカラーフィルタ１１３Ｒ、Ｇ、４２２Ｒ、Ｇ、５
３０Ｒ、Ｇは、以下のような構成をしている。
【０１０３】カラーフィルタにはＲＧＢ光の中間の波長
を遮断する希土類の金属イオンを拡散させてある。これ
は干渉フィルター層への光線の入射角度の変化によっ
て、分割する波長域がシフトするためである。したがっ
て、カラーフィルタを経て光電変換領域に達する波長域
は干渉フィルターの透過波長域よりも若干狭い透過波長
域となる。
を遮断する希土類の金属イオンを拡散させてある。これ
は干渉フィルター層への光線の入射角度の変化によっ
て、分割する波長域がシフトするためである。したがっ
て、カラーフィルタを経て光電変換領域に達する波長域
は干渉フィルターの透過波長域よりも若干狭い透過波長
域となる。
【０１０４】希土類の金属イオンとしては、ネオジムイ
オン、プラセオジムイオン、エルビウムイオン、ホルミ
ウムイオン等の１種または２種以上が挙げられるが、少
なくとも、ネオジムイオンを必須イオンとして使用する
のが好ましい。なお、これらのイオンとしては、通常３
価のイオンが使用される。
オン、プラセオジムイオン、エルビウムイオン、ホルミ
ウムイオン等の１種または２種以上が挙げられるが、少
なくとも、ネオジムイオンを必須イオンとして使用する
のが好ましい。なお、これらのイオンとしては、通常３
価のイオンが使用される。
【０１０５】また、干渉フィルター層をフォトニック結
晶層とし、カラフィルターと同様の特性をもたせること
も出来る。この場合にはＰＢＧ（フォトニックバンドギ
ャップ）現象が生じるようにフォトニックバンドギャッ
プ構造とすれば、光の入射角度に依存して透過帯域がシ
フトすることがない。フォトニック結晶の製造には特開
平１０−１７５９６０号公報に開示されている技術が応
用できる。この場合には、カラーフィルタにはＲＧＢ光
の中間の波長を遮断する希土類の金属イオンを拡散させ
る必要もなくなる。
晶層とし、カラフィルターと同様の特性をもたせること
も出来る。この場合にはＰＢＧ（フォトニックバンドギ
ャップ）現象が生じるようにフォトニックバンドギャッ
プ構造とすれば、光の入射角度に依存して透過帯域がシ
フトすることがない。フォトニック結晶の製造には特開
平１０−１７５９６０号公報に開示されている技術が応
用できる。この場合には、カラーフィルタにはＲＧＢ光
の中間の波長を遮断する希土類の金属イオンを拡散させ
る必要もなくなる。
【０１０６】なお、以上の説明においては光分割の方法
として反射を用いたが、屈折を用いても良い。近年、フ
ォトニック結晶における波長分散性を利用して、屈折角
が光の波長に対して極めて敏感に変化する「スーパープ
リズム効果」が報告されている（Ｈ．Ｋｏｓａｋａ ｅ
ｔ ａｌ．，“Ｓｕｐｅｒｐｒｉｓｍ ｐｈｅｎｏｍｅ
ｎａｉｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ”，Ｐ
ｈｙｓｉｃａｌ ＲｅｖｉｅｗＢ，ｖｏｌ．５８，ｎ
ｏ．１６，ｐ．Ｒ１００９６，１９９８）。屈折率の異
なる材料を周期的に配列したフォトニック結晶の内部か
ら外部へ、あるいは逆方向へ光のビームあるいは波束が
境界と交叉する時の折れ曲がり角が著しい波長依存性を
持つ効果をスーパープリズム効果と呼び、これを利用す
れば特定の波長成分を隣接する画素の方向に偏向するこ
とが可能である。なお、半導体フォトニック結晶の製造
には特開２０００−２３２２５８号公報に開示されてい
る方法を用いることが出来る。
として反射を用いたが、屈折を用いても良い。近年、フ
ォトニック結晶における波長分散性を利用して、屈折角
が光の波長に対して極めて敏感に変化する「スーパープ
リズム効果」が報告されている（Ｈ．Ｋｏｓａｋａ ｅ
ｔ ａｌ．，“Ｓｕｐｅｒｐｒｉｓｍ ｐｈｅｎｏｍｅ
ｎａｉｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ”，Ｐ
ｈｙｓｉｃａｌ ＲｅｖｉｅｗＢ，ｖｏｌ．５８，ｎ
ｏ．１６，ｐ．Ｒ１００９６，１９９８）。屈折率の異
なる材料を周期的に配列したフォトニック結晶の内部か
ら外部へ、あるいは逆方向へ光のビームあるいは波束が
境界と交叉する時の折れ曲がり角が著しい波長依存性を
持つ効果をスーパープリズム効果と呼び、これを利用す
れば特定の波長成分を隣接する画素の方向に偏向するこ
とが可能である。なお、半導体フォトニック結晶の製造
には特開２０００−２３２２５８号公報に開示されてい
る方法を用いることが出来る。
【０１０７】ここで、第１から５の実施の形態におい
て、画質の品質が上記の場合と比べると劣るが、カラー
フィルタを設けない構成であってもよい。
て、画質の品質が上記の場合と比べると劣るが、カラー
フィルタを設けない構成であってもよい。
【０１０８】また、第１から５の実施の形態の撮像素子
は、ＣＣＤ型の撮像素子であってもよいし、ＣＭＯＳイ
メージセンサ等のＸＹアドレス型の撮像素子であっても
よい。
は、ＣＣＤ型の撮像素子であってもよいし、ＣＭＯＳイ
メージセンサ等のＸＹアドレス型の撮像素子であっても
よい。
【０１０９】（第６の実施の形態）図２４に基づいて、
第１から５の実施の形態のいずれかの撮像素子を撮像装
置（スチルカメラ）に適用した場合の一実施例について
詳述する。
第１から５の実施の形態のいずれかの撮像素子を撮像装
置（スチルカメラ）に適用した場合の一実施例について
詳述する。
【０１１０】図２４において、１はレンズのプロテクト
とメインスイッチを兼ねるバリア、２は被写体の光学像
を撮像素子４に結像させるレンズ、３はレンズ２を通っ
た光量を可変するための絞り、４はレンズ２で結像され
た被写体を画像信号として取り込むための撮像素子、６
は撮像素子４より出力される画像信号のアナログーディ
ジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、７はＡ／Ｄ変換器６よ
り出力された画像データに各種の補正を行ったりデータ
を圧縮する信号処理回路、８は撮像素子４、撮像信号処
理回路５、Ａ／Ｄ変換器６、信号処理回路７に、各種タ
イミング信号を出力するタイミング発生部、９は各種演
算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算
部、１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ
部、１１は記録媒体に記録または読み出しを行うための
インターフェース部、１２は画像データの記録または読
み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒
体、１３は外部コンピュータ等と通信する為のインター
フェース部である。
とメインスイッチを兼ねるバリア、２は被写体の光学像
を撮像素子４に結像させるレンズ、３はレンズ２を通っ
た光量を可変するための絞り、４はレンズ２で結像され
た被写体を画像信号として取り込むための撮像素子、６
は撮像素子４より出力される画像信号のアナログーディ
ジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、７はＡ／Ｄ変換器６よ
り出力された画像データに各種の補正を行ったりデータ
を圧縮する信号処理回路、８は撮像素子４、撮像信号処
理回路５、Ａ／Ｄ変換器６、信号処理回路７に、各種タ
イミング信号を出力するタイミング発生部、９は各種演
算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算
部、１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ
部、１１は記録媒体に記録または読み出しを行うための
インターフェース部、１２は画像データの記録または読
み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒
体、１３は外部コンピュータ等と通信する為のインター
フェース部である。
【０１１１】次に、前述の構成における撮影時の撮像装
置の動作について説明する。
置の動作について説明する。
【０１１２】バリア１がオープンされるとメイン電源が
オンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ
／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源がオンされる。
オンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ
／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源がオンされる。
【０１１３】それから、露光量を制御する為に、全体制
御・演算部９は絞り３を開放にし、固体撮像素子４から
出力された信号はＡ／Ｄ変換器６で変換された後、信号
処理部７に入力される。
御・演算部９は絞り３を開放にし、固体撮像素子４から
出力された信号はＡ／Ｄ変換器６で変換された後、信号
処理部７に入力される。
【０１１４】そのデータを基に露出の演算を全体制御・
演算部９で行う。
演算部９で行う。
【０１１５】この測光を行った結果により明るさを判断
し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御
する。
し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御
する。
【０１１６】次に、撮像素子４から出力された信号をも
とに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を
全体制御・演算部９で行う。その後、レンズを駆動して
合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、
再びレンズを駆動し測距を行う。
とに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を
全体制御・演算部９で行う。その後、レンズを駆動して
合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、
再びレンズを駆動し測距を行う。
【０１１７】そして、合焦が確認された後に本露光が始
まる。
まる。
【０１１８】露光が終了すると、撮像素子４から出力さ
れた画像信号はＡ／Ｄ変換器６でＡ／Ｄ変換され、信号
処理回路７を通り全体制御・演算部９によりメモリ部に
書き込まれる。
れた画像信号はＡ／Ｄ変換器６でＡ／Ｄ変換され、信号
処理回路７を通り全体制御・演算部９によりメモリ部に
書き込まれる。
【０１１９】その後、メモリ部１０に蓄積されたデータ
は、全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／
Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に
記録される。
は、全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／
Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に
記録される。
【０１２０】また、外部Ｉ／Ｆ部１３を通り直接コンピ
ュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
ュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【０１２１】以上説明したように、複数の画素を規則的
に配列してなる撮像素子において、該規則的配列を構成
する１単位のうちの少なくとも二つの画素は、実効的に
互いにオーバーラップした受光開口を形成するための光
分割手段をそれぞれ有する用に構成したので、高価な光
学ローパスフィルターを必要とせずに、モワレの少ない
高品位な画像を得る撮像素子を実現することができた。
に配列してなる撮像素子において、該規則的配列を構成
する１単位のうちの少なくとも二つの画素は、実効的に
互いにオーバーラップした受光開口を形成するための光
分割手段をそれぞれ有する用に構成したので、高価な光
学ローパスフィルターを必要とせずに、モワレの少ない
高品位な画像を得る撮像素子を実現することができた。
【０１２２】また、前記撮像素子は、異なる分光感度特
性を有した複数の画素を規則的に配列したことで、入射
光の利用効率を高め、撮像素子の感度を上げることがで
きた。この結果、より暗い物体を容易に撮像することが
出来るようになった。
性を有した複数の画素を規則的に配列したことで、入射
光の利用効率を高め、撮像素子の感度を上げることがで
きた。この結果、より暗い物体を容易に撮像することが
出来るようになった。
【０１２３】この撮像素子をデジタルカメラなどに応用
した時には、速いシャッタースピードを選択することが
出来るので、手ぶれによる撮影の失敗を減ずることが出
来た。
した時には、速いシャッタースピードを選択することが
出来るので、手ぶれによる撮影の失敗を減ずることが出
来た。
【０１２４】
【発明の効果】本発明によれば、低価格で高品位な画像
を得ることが可能となる。
を得ることが可能となる。
【図１】撮像素子の断面図である。
【図２】撮像素子の断面図である。
【図３】従来のＧ画素の開口を示す平面図である。
【図４】撮像素子における、Ｇ画素の開口を示す平面図
である。
である。
【図５】従来のＢ画素の開口を示す平面図である。
【図６】撮像素子における、Ｂ画素の開口を示す平面図
である。
である。
【図７】画素１２０についての水平方向の空間周波数成
分に対するＭＴＦ特性である。
分に対するＭＴＦ特性である。
【図８】矩形開口画素のＭＴＦである。
【図９】光学ローパスフィルターのＭＴＦである。
【図１０】Ｆナンバーを４．０、物体像の波長を５５０
ｎｍと仮定したときの無収差レンズのＭＴＦ特性であ
る。
ｎｍと仮定したときの無収差レンズのＭＴＦ特性であ
る。
【図１１】画素１２０を用いたときの結像レンズと撮像
素子の画素の総合ＭＴＦである。
素子の画素の総合ＭＴＦである。
【図１２】従来の画素を用いたときの結像レンズと光学
ローパスフィルターと撮像素子の画素の総合ＭＴＦであ
る。
ローパスフィルターと撮像素子の画素の総合ＭＴＦであ
る。
【図１３】従来の画素で光学ローパスフィルターを用い
ないときの総合ＭＴＦである。
ないときの総合ＭＴＦである。
【図１４】干渉フィルター層の斜視図である。
【図１５】画素の配列とマイクロレンズの形状を表す平
面図である。
面図である。
【図１６】各画素の実効受光開口を表す平面図である。
【図１７】水平方向の空間周波数成分に対する受光開口
のＭＴＦ特性である。
のＭＴＦ特性である。
【図１８】結像レンズと撮像素子の画素の総合ＭＴＦで
ある。
ある。
【図１９】ＲＧＢストライプフィルターを有する撮像素
子の平面図である。
子の平面図である。
【図２０】干渉フィルター層の斜視図である。
【図２１】画素の実効受光開口を表す平面図である。
【図２２】撮像素子の断面図である。
【図２３】撮像素子の断面図である。
【図２４】撮像装置を表す図である。
【図２５】ＲＧＢのカラーフィルターの分光透過率特性
である。
である。
【図２６】撮像素子上の光電変換領域の配列を示す平面
図である。
図である。
【図２７】撮像素子上のマイクロレンズの配列を示す平
面図である。
面図である。
【図２８】マイクロレンズ９０２の斜視図である。
【図２９】ベイヤー配列のカラー撮像素子の平面図であ
る。
る。
１１５Ｒ、Ｇ、３０２、４３０Ｒ、Ｇ、５０９Ｒ、Ｇ
干渉フィルタ層 １１３Ｒ、Ｇ、４２２Ｒ、Ｇ、５３０Ｒ、Ｇ カラーフ
ィルタ １０２、４０２、５０２ 光電変換領域
干渉フィルタ層 １１３Ｒ、Ｇ、４２２Ｒ、Ｇ、５３０Ｒ、Ｇ カラーフ
ィルタ １０２、４０２、５０２ 光電変換領域
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Ｆターム(参考） 4M118 AB01 BA06 CA02 GC07 GC14
GD04 GD07
5C024 CX37 CX41 EX43 EX52 GX02
GZ36 HX23 HX57
5C065 AA01 BB13 BB30 CC01 DD01
EE03 EE11 GG18 GG26
Claims (10)
- 【請求項１】 複数の光電変換領域と、 前記複数の光電変換領域に含まれる第１の光電変換領域
に対応して設けられた光を透過する第１の透過部と、前
記複数の光電変換領域に含まれる第２の光電変換領域に
対応して設けられた光を透過する第２の透過部とを含む
光調整領域を有し、 前記光調整領域は、前記第２の透過部に入射する光の一
部を前記第１の透過部へ入射するように構成されている
ことを特徴とする撮像装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の撮像装置において、前
記第１の透過部は、主として第１の波長範囲の光を透過
し、前記第２の透過部は、主として前記第１の波長領域
と異なる第２の波長領域の光を透過し、前記光調整領域
は、前記第２の透過部に入射する前記第１の波長範囲の
光を前記第１の透過部へ入射するように構成されている
ことを特徴とする撮像装置。 - 【請求項３】 請求項１乃至２に記載の撮像装置におい
て、前記光調整領域は、反射領域を含み、前記反射領域
は、前記第１及び第２の透過部よりも被写体側に設けら
れるとともに前記被写体側へ向かう光を反射させること
を特徴とする撮像装置。 - 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
撮像装置において、前記第２の透過部は、中央領域から
周辺領域へ傾斜を持った形状を含むことを特徴とする撮
像装置。 - 【請求項５】 請求項４に記載の撮像装置において、前
記第２の透過部は、四角すいの形状を含むことを特徴と
する撮像装置。 - 【請求項６】 請求項４に記載の撮像装置において、前
記第２の透過部は、凹型の形状を含むことを特徴とする
撮像装置。 - 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の
撮像装置において、前記第２の透過部は、前記第１の波
長領域の光を反射することを特徴とする撮像装置。 - 【請求項８】 請求項７に記載の撮像装置において、前
記第２の透過部と前記光電変換領域の間に、前記第１の
波長領域の光を吸収するとともに、前記第２の波長領域
の光を透過する第３の透過部を有することを特徴とする
撮像装置。 - 【請求項９】 複数の光電変換領域と、 前記複数の光電変換領域に含まれる第１の光電変換領域
に対応して設けられた主として第１の波長領域の光を透
過する第１の透過部と、 前記複数の光電変換領域に含まれる第２の光電変換領域
に対応して設けられた主として前記第１の波長領域と異
なる第２の波長領域の光を透過する第２の透過部と、 前記第１及び第２の透過部よりも被写体側に設けられる
とともに前記被写体側へ向かう光を反射させるための反
射領域とを有し、 前記第２の透過部は、前記第１の波長領域の光を反射す
るとともに、中央領域から周辺領域へ傾斜を持った構成
であることを特徴とする撮像装置。 - 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれか１項に記載
の撮像装置において、前記複数の光電変換領域からの信
号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変
換回路と、前記アナログ・ディジタル変換回路からの信
号を処理する信号処理回路と、前記信号処理回路で処理
された信号を記憶する記憶回路とを有することを特徴と
する撮像装置。
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