JP5113249B2

JP5113249B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP5113249B2
Application number: JP2010512860A
Authority: JP
Inventors: 政夫平本; 和也米本; 芳明杉谷
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2029-11-16
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Description

本発明は撮像装置の撮像素子構造に関する。

近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（以下、「撮像素子」と称する場合がある。）を用いたデジタルカメラやデジタルムービーの高機能化、高性能化には目を見張るものがある。特に半導体製造技術の進歩により、固体撮像素子における画素構造の微細化が進んでいる。その結果、固体撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られてきた。このため、僅かの年数で撮像素子の画素数が１００万画素から１０００万画素へと著しく増加した。その一方で、撮像素子の多画素化に伴い、１画素の受ける光の量（光量）が低下してきたため、カメラ感度が低下するという問題が起きている。

さらに通常のカラーカメラでは、撮像素子の各光感知部上に顔料を色素とする減色型の色フィルタを配置しているため、光利用率はかなり低い。例えば、赤（Ｒ）１画素、緑（Ｇ）２画素、青（Ｂ）１画素を基本構成としたベイヤー型の色フィルタでは、ＲフィルタはＲ光を透過させ、Ｇ光、Ｂ光を吸収する。ＧフィルタはＧ光を透過させ、Ｒ光、Ｂ光を吸収する。ＢフィルタはＢ光を透過させ、Ｒ光、Ｇ光を吸収する。すなわち、各色フィルタを透過する光はＲＧＢ３色の内の１色であり、その他の２色は色フィルタに吸収されるため、利用される光は、色フィルタに入射する可視光の約１／３である。

感度低下の問題を解決するため、撮像素子の受光部にマイクロレンズアレイを取り付け、受光量を増やす手法が特許文献１に開示されている。この手法によれば、マイクロレンズで集光することによって、実質的に光開口率を向上させることができる。この手法は、現在殆どの固体撮像素子に用いられている。この手法を用いると、実質的な開口率は向上するが、色フィルタによる光利用率低下の問題を解決するものではない。

そこで、光利用率低下と感度低下の問題を同時に解決する方法として、ダイクロイックミラーとマイクロレンズとを組み合わせて、光を最大限取り込む構造を有する固体撮像装置が特許文献２に開示されている。この装置は、光を吸収せず特定波長域の光を選択的に透過させ他の波長域の光を反射する複数のダイクロイックミラーを用いている。各ダイクロイックミラーは、必要な光のみを選択し、対応する光感知部に入射させ、その他の光は透過させるものである。図１０に特許文献２に開示された撮像素子の断面図を示す。

図１０に示される撮像素子によれば、集光マイクロレンズ１１に入射した光は、インナーレンズ１２によって光束を調整された後、第１ダイクロイックミラー１３に入射する。第１ダイクロイックミラー１３は、赤（Ｒ）の光を透過させるが、その他の色の光は反射する。第１ダイクロイックミラー１３を透過した光は、直下の光感知セル２３に入射する。第１ダイクロイックミラー１３で反射された光は、隣接する第２ダイクロイックミラー１４に入射する。第２ダイクロイックミラー１４は、緑（Ｇ）の光を反射し、青（Ｂ）の光を透過する。第２ダイクロイックミラー１４で反射された緑の光は、その直下の光感知セル２４に入射する。第２ダイクロイックミラー１４を透過した青の光は、第３ダイクロイックミラー１５で反射され、その直下の光感知セル２５に入射する。図１０に示される撮像素子によれば、集光マイクロレンズ１１に入射した可視光は、色フィルタによって吸収されることなく、そのＲＧＢの各成分が３つの光感知セルによって無駄なく検出される。

同様に、特許文献３および特許文献４にも光の反射と透過とを利用して光の利用率を高めた技術が開示されている。図１１（ａ）は、特許文献３に開示された２管式カラーカメラのダイクロイックプリズムを示している。図１１（ｂ）は、特許文献４に開示された３管式カラーカメラのダイクロイックプリズムを示している。図１１（ａ）に示されるダイクロイックプリズム２１は入射光をＧ光以外（Ｒ・Ｂ光）とＧ光とに分離する。図１１（ｂ）に示されるダイクロイックプリズム２２は入射光をＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分離する。

特許文献２、３、４に開示されている撮像装置では、特定波長域の光を選択的に透過し、その他の波長域の光を吸収する色フィルタを用いない。その代わりに、特定波長域の光を選択的に透過／反射する光学素子を用いている点で特許文献２、３、４は共通している。このような色分離機能を備えた光学素子をもちいることにより、光の利用率を大幅に高めている。

しかしながら、特許文献２、３、４に開示されている撮像装置では、利用する光学素子の数だけ、または分離する色の数だけ光感知セルを設ける必要がある。例えば赤、緑、青の光を検出するには、光感知セルの数を、従来の色フィルタを用いた場合の光感知セルの数と比較して３倍に増やす必要がある。

以上の技術に対し、光の損失は一部発生するが、ダイクロイックミラーと反射とを用いて光の利用率を高める技術が特許文献５に示されている。図１２は当該技術を用いた撮像素子の断面図の一部を示したものである。図１２に示されるように、透光性の樹脂３１内にダイクロイックミラー３２、３３が配置される。ダイクロイックミラー３２はＧ光を透過させ、Ｒ光、Ｂ光を反射する。ダイクロイックミラー３３はＲ光を透過させ、Ｇ光、Ｂ光を反射する。

このような構成によれば、Ｂ光は光感知部で受光できないが、Ｒ光、Ｇ光は以下の原理で全て検出できる。まずＲ光がダイクロイックミラー３２、３３に入射すると、ダイクロイックミラー３２では反射し、さらに透光性の樹脂３１と空気との界面で全反射し、ダイクロイックミラー３３に入射する。ダイクロイックミラー３３に入射した全てのＲ光は、Ｒ光透過の有機色素フィルタ３５、マイクロレンズ３６を通して、光の一部は金属層３７で反射するものの、殆ど全て光感知部に入射する。また、Ｇ光がダイクロイックミラー３２、３３に入射すると、ダイクロイックミラー３３では反射し、さらに透光性の樹脂３１と空気との界面で全反射し、ダイクロイックミラー３２に入射する。ダイクロイックミラー３２に入射した全てのＧ光は、Ｇ光透過の有機色素フィルタ３４、マイクロレンズ３６を通して、同様に殆ど損失なく光感知部に入射する。

上記の原理により、特許文献５に示された技術では、ＲＧＢ光の内１色は損失するものの２色は殆ど損失なく受光できる。このため、ＲＧＢ３色分の光感知部を配置する必要がない。ここで有機色素フィルタのみで構成された撮像素子と比較すると、有機色素フィルタ利用の場合が光利用率１／３に対して、この技術では光利用率２／３であり、感度が２倍に向上することになる。しかしながら、この技術でも、３色の内１色は損失することになるため、光利用率を１００％にはできないという課題が残る。

特開昭５９−９０４６７号公報特開２０００−１５１９３３号公報特公昭５９−４２２８２号公報特開平６−６６４６号公報特開２００３−７８９１７号公報

従来技術では、光吸収タイプの色フィルタを用いれば、大幅に光感知セルを増やさずに済むが、光利用率が低い。また、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを用いれば、光利用率は高いが、光感知セルの数を大幅に増やさなければならない。さらに、ダイクロイックミラーと反射とを利用する特許文献５で開示された従来技術では、３色のうち１色の光損失が発生する。

本発明はダイクロイックミラーを用いて、光感知セルを大幅に増やすことなく、光損失が殆ど発生しないカラー化を含めた撮像技術を提供する。さらに本発明は可視光だけでなく赤外線や偏光の分離も可能にする。

本発明の撮像装置は、撮像素子と、前記撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、前記撮像素子から出力される電気信号を処理する映像信号処理部とを備える撮像装置であって、前記撮像素子は、前記撮像面上に配列された複数の単位要素を備え、前記複数の単位要素の各々は、第１の光感知セルと、第２の光感知セルと、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの上部に設けられた透光性部材と、前記透光性部材の内部に設けられ、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１のミラーとを有し、前記第１のミラーは、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域の光線を反射し、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域以外の光線を透過させ、前記第１のミラーで反射された前記第１波長域の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第２の光感知セルに入射し、前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線は、前記第１の光感知セルに入射し、前記第１の光感知セルは、前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線を受け、受けた光線の量に応じた第１の画素信号を出力し、前記第２の光感知セルは、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記第１波長域の光線と、前記第１のミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線とを受け、受けた光線の量に応じた第２の画素信号を出力し、前記映像信号処理部は、前記第１の画素信号と前記第２の画素信号との間の差分演算を含む処理によって、前記複数の単位要素の各々に入射した光線のうち、前記第１波長域の光線の量に関する情報を出力する。

ある好ましい実施形態において、前記複数の単位要素の各々に含まれる透光性部材は、前記撮像面上に設けられた透明層の一部である。

ある好ましい実施形態において、前記透光性部材は前記境界面で空気と接している。

ある好ましい実施形態において、前記第２の光感知セルは前記第１の光感知セルに隣接している。

ある好ましい実施形態において、前記第１のミラーで反射された前記第１波長域の光線は、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で全反射される。

ある好ましい実施形態において、前記複数の単位要素のうち、前記撮像面の中心に位置する単位要素に含まれる前記第１のミラーの形状および前記第１の光感知セルに対する相対位置の少なくとも一方は、前記複数の単位要素のうち、前記撮像面の周辺に位置する単位要素に含まれる前記第１のミラーの形状および前記第１の光感知セルに対する相対位置の少なくとも一方と異なっている。

ある好ましい実施形態において、前記第１波長域は、赤外線の波長域に相当する。

ある好ましい実施形態において、前記複数の単位要素の各々は、第３の光感知セルと、第４の光感知セルと、前記透光性部材の内部に設けられ、前記第４の光感知セルに対応して配置された第２のミラーとをさらに有し、前記第２のミラーは、前記第２のミラーに入射した光に含まれる第２波長域の光線を反射し、前記第２のミラーに入射した光に含まれる第２波長域以外の光線を透過させ、前記第２のミラーで反射された前記第２波長域の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第３の光感知セルに入射し、前記第２のミラーを透過した前記第２波長域以外の光線は、前記第４の光感知セルに入射し、前記第３の光感知セルは、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記第２波長域の光線と、前記第１のミラーおよび第２のミラーのいずれをも介さずに前記第３の光感知セルに入射する光線とを受け、受けた光線の量に応じた第３の画素信号を出力し、前記第４の光感知セルは、前記第２のミラーを透過した前記第２波長域以外の光線を受け、受けた光線の量に応じた第４の画素信号を出力し、前記映像信号処理部は、前記第３の画素信号と前記第４の画素信号との間の差分演算を含む処理によって前記複数の単位要素が受けた光線のうち、少なくとも前記第２波長域の光線の量に関する情報を出力する。

ある好ましい実施形態において、前記第４の光感知セルは前記第３の光感知セルに隣接している。

ある好ましい実施形態において、前記第３の光感知セルは前記第１の光感知セルに隣接して配置され、前記第４の光感知セルは前記第２の光感知セルに隣接して配置されている。

ある好ましい実施形態において、前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、および前記第４の光感知セルは、１次元状に並んで配置されている。

ある好ましい実施形態において、前記第１波長域は赤色の波長域に相当し、前記第２波長域は青色の波長域に相当する。

ある好ましい実施形態において、前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、前記第４の光感知セルのすべてが少なくとも緑色の波長域の光線を受けるように、前記第１のミラーと前記第２のミラーとが配置されている。

ある好ましい実施形態において、前記第２の光感知セルは、第１の光電変換部と第２の光電変換部とを有し、前記第１の光電変換部は、前記第１の光電変換部が受けた光線の量に応じた第３の画素信号を生成し、前記第２の光電変換部は、前記第２の光電変換部が受けた光線の量に応じた第４の画素信号を生成する。

ある好ましい実施形態において、前記第１波長域は赤色の波長域および青色の波長域に相当し、前記第１の光電変換部は、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記赤色の波長域および青色の波長域の光線と、前記第１のミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線のうち、少なくとも青色の波長域の光線を受け、前記第３の画素信号を生成し、前記第２の光電変換部は、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記赤色の波長域および青色の波長域の光線と、前記ミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線のうち、少なくとも赤色の波長域の光線を受け、前記第４の画素信号を生成し、前記映像信号処理部は、前記第３の画素信号および前記第４の画素信号を用いた差分演算を含む処理により色情報を出力する。

ある好ましい実施形態において、前記第１の光電変換部は、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記赤色の波長域および青色の波長域の光線と、前記第１ミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線のうち、緑色の波長域の光線の２分の１と青色の波長域の光線とを受け、前記第３の画素信号を出力し、前記第２の光電変換部は、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された赤色および青色の波長域の光線と、前記ミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線のうち、緑色の波長域の光線の２分の１と赤色の波長域の光線とを受け、前記第４の画素信号を出力する。

本発明の他の撮像装置は、撮像素子と、前記撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、前記撮像素子から出力される電気信号を処理する映像信号処理部とを備える撮像装置であって、前記撮像素子は、第１の方向に配列された複数の単位要素を備え、前記複数の単位要素の各々は、第１の光感知セルと、第２の光感知セルと、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの上部に設けられた透光性部材と、前記透光性部材の内部に設けられ、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１のミラーと、前記透光性部材の内部に設けられ、前記第２の光感知セルに対応して配置された第２のミラーとを有し、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルは、前記第１の方向に平行な方向に沿って配置され、前記第１のミラーは、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域の光線を反射し、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域以外の光線を透過させ、前記第２のミラーは、前記第２のミラーに入射した光に含まれる第２波長域の光線を透過し、前記第２のミラーに入射した光に含まれる第２波長域以外の光線を反射させ、前記第１のミラーで反射された前記第１波長域の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第２の光感知セルに入射し、前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線は、前記第１の光感知セルに入射し、前記第２のミラーで反射された前記第２波長域以外の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、隣接する単位要素の前記第１の光感知セルに入射し、前記第２のミラーを透過した前記第２波長域の光線は、前記第２の光感知セルに入射し、前記第１の光感知セルは、前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線と、隣接する前記第２のミラーで反射され前記境界面で反射された前記第２波長域以外の光線とを受け、受けた光線の量に応じた第１の画素信号を出力し、前記第２の光感知セルは、前記第２のミラーを透過した前記第２波長域の光線と、前記第１のミラーで反射され前記境界面で反射された前記第１波長域の光線とを受け、受けた光線の量に応じた第２の画素信号を出力し、前記映像信号処理部は、前記第１の画素信号と前記第２の画素信号との間の差分演算を含む処理によって色情報を出力する。

ある好ましい実施形態において、前記複数の単位要素の各々は、第３の光感知セルと、第４の光感知セルと、前記透光性部材の内部に設けられ、前記第３の光感知セルに対応して配置された第３のミラーと、前記透光性部材の内部に設けられ、前記第４の光感知セルに対応して配置された第４のミラーとをさらに有し、前記第３の光感知セルおよび前記第４の光感知セルは、前記第１の方向に平行な方向に沿って配置され、前記第３のミラーは、前記第３のミラーに入射した光に含まれる第３波長域の光線を反射し、前記第３のミラーに入射した光に含まれる第３波長域以外の光線を透過させ、前記第４のミラーは、前記第４のミラーに入射した光に含まれる第４波長域の光線を透過し、前記第４のミラーに入射した光に含まれる第４波長域以外の光線を反射させ、前記第３のミラーで反射された前記第３波長域の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第４の光感知セルに入射し、前記第３のミラーを透過した前記第３波長域以外の光線は、前記第３の光感知セルに入射し、前記第４のミラーで反射された前記第４波長域以外の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、隣接する単位要素の前記第３の光感知セルに入射し、前記第４のミラーを透過した前記第４波長域の光線は、前記第４の光感知セルに入射し、前記第３の光感知セルは、前記第３のミラーを透過した前記第３波長域以外の光線と、隣接する前記第４のミラーおよび前記境界面で反射された前記第４波長域以外の光線とを受け、受けた光線の量に応じた第３の画素信号を出力し、前記第４の光感知セルは、前記第４のミラーを透過した前記第４波長域の光線と、前記第３のミラーおよび前記境界面で反射された前記第３波長域の光線とを受け、受けた光線の量に応じた第４の画素信号を出力し、前記映像信号処理部は、前記第３の画素信号と前記第４の画素信号との間の差分演算を含む処理によって前記色情報とは異なる色情報を出力する。

本発明の他の撮像装置は、撮像素子と、前記撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、前記撮像素子から出力される電気信号を処理する映像信号処理部とを備える撮像装置であって、前記撮像素子は、２次元状に配列された複数の単位要素を備え、前記複数の単位要素の各々は、第１の光感知セルと、第２の光感知セルと、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの上部に設けられた透光性部材と、前記透光性部材の内部に設けられ、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１の偏光ミラーとを有し、前記第１の偏光ミラーは、前記第１の偏光ミラーに入射した光のうち、第１の偏光成分を透過させ、前記第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分を反射し、前記第１の偏光ミラーを透過した前記第１の偏光成分は、前記第１の光感知セルに入射し、前記第１の偏光ミラーで反射された前記第２の偏光成分は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第２の光感知セルに入射し、前記第１の光感知セルは、前記第１の偏光ミラーを透過した前記第１の偏光成分の光線を受け、受けた光線の量に応じた第１の画素信号を出力し、前記第２の光感知セルは、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記第２の偏光成分の光線と、前記第１の偏光ミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線とを受け、受けた光線の量に応じた第２の画素信号を出力し、前記映像信号処理部は、前記第１の画素信号と前記第２の画素信号との間の差分演算を含む処理によって偏光情報を出力する。

ある好ましい実施形態において、前記複数の単位要素の各々は、第３の光感知セルと、第４の光感知セルと、前記透光性部材の内部に設けられ、前記第４の光感知セルに対応して配置された第２の偏光ミラーとをさらに有し、前記第２の偏光ミラーは、前記第２の偏光ミラーに入射した光のうち、前記第１の偏光成分に対して４５度の角度をなす第３の偏光成分を透過させ、前記第３の偏光成分に直交する第４の偏光成分を反射し、前記第２の偏光ミラーを透過した前記第３の偏光成分は、前記第４の光感知セルに入射し、前記第２の偏光ミラーで反射された前記第４の偏光成分は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第３の光感知セルに入射し、前記第４の光感知セルは、前記第２の偏光ミラーを透過した前記第３の偏光成分の光線を受け、受けた光線の量に応じた第４の画素信号を出力し、前記第３の光感知セルは、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記第４の偏光成分の光線と、前記第１の偏光ミラーおよび前記第２の偏光ミラーのいずれをも介さずに前記第３の光感知セルに入射する光線とを受け、受けた光線の量に応じた第３の画素信号を出力し、前記映像信号処理部は、前記第３の画素信号と前記第４の画素信号との間の差分演算を含む処理によって前記偏光情報とは異なる偏光情報を出力する。

本発明の撮像素子は、２次元状に配列された複数の単位要素を備える撮像素子であって、前記複数の単位要素の各々は、第１の光感知セルと、第２の光感知セルと、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの上部に設けられた透光性部材と、前記透光性部材の内部に設けられ、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１のミラーとを有し、前記第１のミラーは、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域の光線を反射し、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域以外の光線を透過させ、前記第１のミラーで反射された前記第１波長域の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第２の光感知セルに入射し、前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線は、前記第１の光感知セルに入射し、前記第１の光感知セルは、前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線を受け、受けた光線の量に応じた第１の画素信号を出力し、前記第２の光感知セルは、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記第１波長域の光線と、前記第１のミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線とを受け、受けた光線の量に応じた第２の画素信号を出力する。

本発明の他の撮像素子は、第１の方向に配列された複数の単位要素を備える撮像素子であって、前記複数の単位要素の各々は、第１の光感知セルと、第２の光感知セルと、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの上部に設けられた透光性部材と、前記透光性部材の内部に設けられ、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１のミラーと、前記透光性部材の内部に設けられ、前記第２の光感知セルに対応して配置された第２のミラーとを有し、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルは、前記第１の方向に平行な方向に沿って配置され、前記第１のミラーは、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域の光線を反射し、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域以外の光線を透過させ、前記第２のミラーは、前記第２のミラーに入射した光に含まれる第２波長域の光線を透過し、前記第２のミラーに入射した光に含まれる第２波長域以外の光線を反射させ、前記第１のミラーで反射された前記第１波長域の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第２の光感知セルに入射し、前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線は、前記第１の光感知セルに入射し、前記第２のミラーで反射された前記第２波長域以外の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、隣接する単位要素の前記第１の光感知セルに入射し、前記第２のミラーを透過した前記第２波長域の光線は、前記第２の光感知セルに入射し、前記第１の光感知セルは、前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線と、隣接する前記第２のミラーで反射され前記境界面で反射された前記第２波長域以外の光線とを受け、受けた光線の量に応じた第１の画素信号を出力し、前記第２の光感知セルは、前記第２のミラーを透過した前記第２波長域の光線と、前記第１のミラーで反射され前記境界面で反射された前記第１波長域の光線とを受け、受けた光線の量に応じた第２の画素信号を出力する。

本発明の他の撮像素子は、２次元状に配列された複数の単位要素を備える撮像素子であって、前記複数の単位要素の各々は、第１の光感知セルと、第２の光感知セルと、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの上部に設けられた透光性部材と、前記透光性部材の内部に設けられ、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１の偏光ミラーとを有し、前記第１の偏光ミラーは、前記第１の偏光ミラーに入射した光のうち、第１の偏光成分を透過させ、前記第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分を反射し、前記第１の偏光ミラーを透過した前記第１の偏光成分は、前記第１の光感知セルに入射し、前記第１の偏光ミラーで反射された前記第２の偏光成分は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第２の光感知セルに入射し、前記第１の光感知セルは、前記第１の偏光ミラーを透過した前記第１の偏光成分の光線を受け、受けた光線の量に応じた第１の画素信号を出力し、前記第２の光感知セルは、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記第２の偏光成分の光線と、前記第１の偏光ミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線とを受け、受けた光線の量に応じた第２の画素信号を出力する。

本発明の撮像装置によれば、撮像面上の透光性部材内に設けられたミラーに入射した光線は、ミラーで反射される第１の光線と、ミラーを透過する第２の光線とに分けられる。第１の光線は第１の光感知セルに入射し、第２の光線は第２の光感知セルに入射する。２つの光感知セルから出力される信号の差分演算を含む処理により、第１の光線の量および第２の光線の量を得ることができる。そのため、光を吸収するカラーフィルタが不要であり、光利用率を高くすることができる。さらに、ＲＧＢ３色を得るために本発明を用いた場合、従来技術と比較して光感知セルの数を少なくすることができる。

本発明の実施形態１における撮像装置の構成を表すブロック図実施形態１におけるレンズおよび撮像素子を示す斜視図（ａ）は、本発明の実施形態１におけるダイクロイックミラーおよび光感知セルの基本構成を示す平面図、（ｂ）は、実施形態１におけるダイクロイックミラーおよび光感知セルの基本構成のＡＡ´線断面図、（ｃ）は、実施形態１におけるダイクロイックミラーおよび光感知セルの基本構成のＢＢ´線断面図本発明の実施形態１における１行４列を基本構成とする場合のダイクロイックミラーおよび光感知セルの配列を示す断面図各光感知セルに対応してダイクロイックミラーを配置し、原色の光と補色の光をそれぞれ受光する撮像素子の断面図（ａ）は、本発明の実施形態２におけるダイクロイックミラーおよび光感知セルの基本構成を示す平面図、（ｂ）は、実施形態２におけるダイクロイックミラーおよび光感知セルの基本構成のＣＣ´線断面図（ａ）は、本発明の実施形態３におけるミラーおよび光感知セルの基本構成を示す平面図、（ｂ）は、実施形態３におけるミラーおよび光感知セルの基本構成のＡＡ´線断面図（ａ）は、本発明の実施形態４における偏光ミラーおよび光感知セルの基本構成を示す平面図、（ｂ）は、偏光ミラーおよび光感知セルの基本構成のＡＡ´線断面図、（ｃ）は、偏光ミラーおよび光感知セルの基本構成のＢＢ´線断面図本発明の実施形態４における各光感知セルに入射する光の偏光状態を示す平面図マイクロレンズとダイクロイックミラーとを用いた従来の固体撮像素子の断面図（ａ）は、２管式カラーカメラの光学プリズムの外形図、（ｂ）は従来の３板式カラーカメラの光学プリズムの外形図ダイクロイックミラーおよび反射を利用して光の利用率を高めた従来の固体撮像素子の断面図

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。全ての図にわたって共通する要素には同一の符号を付している。

（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態における撮像装置の全体構成を示している。図１に示される撮像装置は、撮像部１００と、撮像部１００からの信号を受信し映像信号を生成する映像信号処理部２００とを備えている。以下、撮像部１００と映像信号処理部２００の構成と動作を説明する。

撮像部１００は、被写体を結像するためのレンズ１０１と、光学板１０２と、レンズ１０１および光学板１０２を通して結像した光情報を、光電変換により電気信号に変換する撮像素子１０３と、信号発生および画素信号受信部１０４とを備えている。ここで、光学板１０２は、画素配列が原因で発生するモアレパターンを低減するための水晶ローパスフィルタに、赤外線を除去するための赤外カットフィルタを合体させたものである。また、信号発生および画素信号受信部１０４は、撮像素子１０３を駆動するための基本信号を発生すると共に、撮像素子１０３からの信号を受け取り、映像信号処理部２００に送出する。

映像信号処理部２００は、信号発生および画素信号受信部１０４から受け取った信号を記憶する画像メモリ２０１と、画像メモリ２０１から読み出したデータからビデオ信号（高精細信号）を生成するビデオ信号生成部２０２と、ビデオ信号を外部に出力するインターフェース（ＩＦ）部２０３とを有している。

図２は、レンズ１０１を透過した光が撮像素子１０３に入射する様子を模式的に示している。ここで、撮像素子１０３の撮像面１０３ａには、多数の光感知セルが２次元的に配列されている。レンズ１０１による結像および上記赤外カットフィルタの作用の結果、撮像面１０３ａには可視光が入射する。撮像面１０３ａに入射する光の量（入射光量）は、入射位置に応じて変化する。各々の光感知セルは、典型的にはフォトダイオードであり、光電変換により、入射光量に応じた電気信号（光電変換信号または画素信号）を出力する。撮像素子１０３は、典型的には、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサーであり、公知の半導体製造技術によって製造される。本実施形態では、光感知セルアレイが形成された面に対向する位置にダイクロイックミラーのアレイが設けられている。

本実施形態で好適に用いられるダイクロイックミラーは、屈折率の異なる誘電体の多層膜によって形成される公知のミラーである。ダイクロイックミラーは、特定の波長域の光線を反射し、他の波長域の光線を透過させる特性を有する。

本実施形態の撮像素子によれば、ＲＧＢの色フィルタを用いることなく、ダイクロイックミラーによる光の透過と反射とを利用してカラー画像信号を生成することが可能になる。本実施形態では、１つの光感知セルが出力する信号に、異なる複数の波長域の光量に対応する信号成分が重畳されている。１つの光感知セルが出力する信号と他の光感知セルが出力する信号との演算により、必要な色信号を取り出すことができる。

以下、図３（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本実施形態の撮像素子１０３を説明する。以下の説明では、赤、緑、青の色をそれぞれＲ、Ｇ、Ｂと表す。

図３（ａ）は本実施形態におけるダイクロイックミラーおよび光感知セルアレイの配置関係を示す平面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）のＡＡ´における断面図である。また、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢＢ´における断面図である。現実の撮像素子は、多数の光感知セルが行および列状に配列された光感知セルアレイを備えている。図３（ａ）では簡単のため、２行２列に配列された４個の光感知セル２ａ〜２ｄおよび２個のダイクロイックミラー１ａ、１ｄを含む基本構成を示している。

ダイクロイックミラー１ａは光感知セル２ａを覆うように配置され、ダイクロイックミラー１ｄは光感知セル２ｄを覆うように配置される。光感知セル２ａ〜２ｄの上部には、透光性部材３が設けられている。透光性部材３の内部にダイクロイックミラー１ａ、１ｄは配置される。図３（ｂ）、（ｃ）では、透光性部材３は、光感知セルアレイ上に１つの層として形成されているが、層として形成されている必要はなく、基本構成ごとに分離していてもよい。透光性部材３は、空気よりも屈折率が高く、可視光を透過させる部材であれば何でもよい。

ダイクロイックミラー１ａは、入射光のうちシアン光（Ｃｙ＝Ｇ＋Ｂ）を透過させ、Ｒ光を反射する特性を有している。また、ダイクロイックミラー１ｄは、入射光のうち黄光（Ｙｅ＝Ｒ＋Ｇ）を透過させ、Ｂ光を反射する特性を有している。ダイクロイックミラー１ａの傾斜角度は、ダイクロイックミラー１ａで反射された光が透光性部材３と空気との境界面で反射され、隣接する光感知セル２ｂに入射するように調整されている。同様に、ダイクロイックミラー１ｄの傾斜角度は、ダイクロイックミラー１ｄで反射された光が透光性部材３と空気との境界面で反射され、隣接する光感知セル２ｃに入射するように調整されている。上記境界面での反射は、全反射であることが好ましいが、一部の光が境界面で透過したとしても本発明の効果は得られる。

以下、図３（ｂ）、（ｃ）を参照しながら、各光感知セルが受ける光と、各光感知セルから出力される光電変換信号とを説明する。

図３（ｂ）に示すように、光感知セル２ａはダイクロイックミラー１ａを透過するシアン光（Ｃｙ＝Ｇ＋Ｂ）を受ける。光感知セル２ｂは直接入射する可視光（Ｗ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）とダイクロイックミラー１ａで反射された光（Ｒ）とを受ける。図３（ｃ）に示すように、光感知セル２ｃは直接入射する可視光（Ｗ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）とダイクロイックミラー１ｄで反射された光（Ｂ）とを受ける。光感知セル２ｄはダイクロイックミラー１ｄを透過する黄光（Ｙｅ＝Ｒ＋Ｇ）を受ける。

次に、各光感知セルから出力される光電変換信号について説明する。以下の説明において、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光による信号成分をそれぞれＲｓ、Ｇｓ、Ｂｓと表す。光感知セル２ａには入射光のうちＧ光成分とＢ光成分とが入射するため、光感知セル２ａから出力される光電変換信号Ｓ２ａは、以下の式１で表すことができる。
（式１）Ｓ２ａ＝Ｇｓ＋Ｂｓ

同様に、光感知セル２ｂ、２ｃ、２ｄがそれぞれ出力する光電変換信号Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄは、以下の式２〜４で表すことができる。
（式２）Ｓ２ｂ＝２Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ
（式３）Ｓ２ｃ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋２Ｂｓ
（式４）Ｓ２ｄ＝Ｒｓ＋Ｇｓ

以上の式において、２Ｒｓまたは２Ｂｓは、ＲｓまたはＢｓの信号の２倍の量であることを表している。式１〜４から、Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓを求めることにより、入射光に含まれるＲ、Ｇ、Ｂ各成分の量を得ることができる。

ここで、可視光の信号をＷｓで表すと、Ｗｓ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓと表される。よって、式１〜式４はそれぞれ以下の式５〜８に書き換えられる。
（式５）Ｓ２ａ＝Ｗｓ−Ｒｓ
（式６）Ｓ２ｂ＝Ｗｓ＋Ｒｓ
（式７）Ｓ２ｃ＝Ｗｓ＋Ｂｓ
（式８）Ｓ２ｄ＝Ｗｓ−Ｂｓ

式５に式６を加えることにより以下の式９が得られる。また、式６から式５を減じることにより以下の式１０が得られる。同様に、式７に式８を加えることにより以下の式１１が得られ、式７から式８を減じることにより以下の式１２が得られる。
（式９）Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＝２Ｗｓ
（式１０）Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ＝２Ｒｓ
（式１１）Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄ＝２Ｗｓ
（式１２）Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄ＝２Ｂｓ

さらに、ＷｓからＲｓとＢｓとを減じることにより、Ｇｓも得ることができる。このように、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄを用いた演算により、３つの色情報Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓと２つの輝度情報Ｗｓとを光損失なく得ることができる。また、本実施形態の構造では、各光感知部に入射する光に関して、Ｇ光成分が全て含まれているので、画像空間上の視感度特性が良い。

このように本実施形態によれば、２行２列を基本構成とした撮像素子の光感知セルに対応して２種類の傾斜したダイクロイックミラーが配置される。これにより、ダイクロイックミラーの直下の光感知セルにはシアン光（Ｃｙ＝Ｇ＋Ｂ）または黄光（Ｙｅ＝Ｒ＋Ｇ）が入射する。そして、隣接する光感知セルには可視光（Ｗ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）およびＲ光、または可視光（Ｗ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）およびＢ光が入射する。その結果、各光感知セルから出力される光電変換信号を用いて加減算処理を施すことにより、損失なくＲＧＢ３色の情報が得られる。このように、本実施形態の撮像装置によれば従来にない高感度な性能が得られる。また、２つの光感知セルに対して１つのダイクロイックミラーを配置するので、隣接する光感知セルにダイクロイックミラーによる反射光が入射し易いという利点がある。さらに、撮像素子の作製の観点からも、画素（光感知セル）密度に比べてダイクロイックミラーの密度が低いため、ダイクロイックミラーを配置しやすいという利点もある。

本実施形態では、Ｇ、Ｂ光を透過するダイクロイックミラーおよびＲ、Ｇ光を透過するダイクロイックミラーを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、可視光ＷがＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３で表され、Ｃ１の補色をＣ１~、Ｃ２の補色をＣ２~とした場合、ダイクロイックミラー１ａはＣ１~を透過させ、ダイクロイックミラー１ｄはＣ２~を透過させるものであればよい。このように一般化すると、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのそれぞれの受光信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄはそれぞれ以下の式１３〜１６で表される。
（式１３）Ｓ２ａ＝Ｗｓ−Ｃ１ｓ
（式１４）Ｓ２ｂ＝Ｗｓ＋Ｃ１ｓ
（式１５）Ｓ２ｃ＝Ｗｓ＋Ｃ２ｓ
（式１６）Ｓ２ｄ＝Ｗｓ−Ｃ２ｓ
式１４から式１３を減じることにより２Ｃ１ｓが得られ、式１５から式１６を減じることにより２Ｃ２ｓが得られる。また、式１３に式１４を加えることにより、２Ｗｓが得られる。さらに２Ｗｓから２Ｃ１ｓおよび２Ｃ２ｓを減じることにより、２Ｃ３ｓも得られる。以上のように、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の３色の情報を光損失なく得ることができる。

本実施形態において、図３（ａ）に示される配置はあくまでも一例であり、本発明はこの配列に限られない。例えば、光感知セル２ａと２ｂとが逆に配置されていてもよいし、光感知セル２ａと２ｄとが逆に配置されていてもよい。さらに、本実施形態では、２種類のダイクロイックミラーを、２行２列を基本構成として市松状に配列したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図４に示されるように、２種類のダイクロイックミラーを行方向に交互に並べ、１列おきに配列してもその効果に変わりはない。また、光感知セル２ａと２ｂとは必ずしも隣接している必要はなく、両者の間に他の要素が存在していても本発明の効果は得られる。同様に光感知セル２ｃと２ｄとは必ずしも隣接している必要はない。

以上の説明において、本発明の実施形態１では、４つの光感知セルを用いてＲＧＢ３色を光損失なく得られることを示した。しかし本発明の撮像素子の基本構成は必ずしも４つの光感知セルである必要はない。ＲＧＢのうち１色のみを取り出すためには、２つのセルと１つのダイクロイックミラーとを含む要素を基本構成とすれば十分である。例えば、Ｒ光のみを分光するためには、図３（ｂ）で示される構成を基本構成とすれば、Ｒ光の情報を損失なく得ることができる。

また、本実施形態では、２つの光感知セルに１つのダイクロイックミラーが配置される構造にしたが、本発明はこの構造に限られるものではない。入射光をある色Ｃ１の光線とその補色Ｃ１~の光線とに分離するダイクロイックミラーを用いて、それぞれの光線が異なる２つの光感知セルに入射できれば、１つの光感知セルに対応して１つのダイクロイックミラーを配置しても本発明の効果は得られる。隣接する２つの光感知セルの各々が原色の光と補色の光とをそれぞれ受光するように配置されれば、少なくとも３色の信号を得ることができる。図５はその例を示すものである。図５において、ダイクロイックミラー１ａはＣ１の補色Ｃ１~をその直下の光感知セル２ａに入射させ、Ｃ１を隣接の光感知セル２ｂに入射させる。一方、ダイクロイックミラー１ｂはＣ２をその直下の光感知セル２ｂに入射させ、補色Ｃ２~を隣接の光感知セル２ａに入射させる。このような構造により、光感知セル２ａ、２ｂの受光信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、それぞれ以下の式１７、１８で表すことができる。
（式１７）Ｓ２ａ＝Ｃ１~ｓ＋Ｃ２~ｓ
（式１８）Ｓ２ｂ＝Ｃ１ｓ＋Ｃ２ｓ
ここで、Ｃ１~ｓ＝Ｃ２ｓ＋Ｃ３ｓ、Ｃ２~ｓ＝Ｃ１ｓ＋Ｃ３ｓであることから、式１７、１８はそれぞれ以下の式１９、２０のように表現できる。
（式１９）Ｓ２ａ＝Ｗｓ＋Ｃ３ｓ
（式２０）Ｓ２ｂ＝Ｗｓ−Ｃ３ｓ

式１９から式２０を減じると２Ｃ３ｓを得ることができる。同様な仕組みでダイクロイックミラーの特性を変えて構成すれば、他の２色も得ることができる。図５に示される構成を採用した場合も光の損失は発生しない。

（実施形態２）
次に第２の実施形態について、図６（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図６（ａ）は本発明の実施形態２の撮像装置における撮像素子のダイクロイックミラーおよび光感知セルの基本配置を示す平面図である。図６（ｂ）は図（ａ）におけるＣＣ´断面図である。

本実施形態の撮像素子は、１行２列を基本構成とし、各基本構成は、光感知セル２ａ、２ｂと、光感知セル２ａに対応して配置されたダイクロイックミラー１ａとを備えている。本実施形態は、光感知セル２ｂが２つの光電変換部４ａ、４ｂを有している点が実施形態１と異なる。光電変換部４ａ、４ｂは、それぞれ異なる波長域の光線を受け、異なる光電変換信号を出力するように構成されている。ダイクロイックミラー１ａはＧ光を透過させ、Ｒ光、Ｂ光を反射させる特性を有している。ダイクロイックミラー１ａは、ダイクロイックミラー１ａを透過した光が光感知セル２ａに入射し、ダイクロイックミラー１ａで反射した光が隣接の光感知セル２ｂに入射するように傾斜している。光感知セル２ｂは、撮像素子の深さ方向に２つの光電変換部４ａ、４ｂを有し、ダイクロイックミラー１ａの反射光と直接光とを受ける。本実施形態の撮像素子はシリコンからできているため、シリコンの光吸収特性を基に、上部に位置する光電変換部４ａがＧ光の１／２とＢ光とを受光し、下部に位置する光電変換部４ｂがＲ光とＧ光の１／２とを受光するように光感知セル２ｂは配置されている。

上記の構成により、光感知部２ａにはＧ光が入射し、以下の式２１で表される光電変換信号Ｓ２ａが得られる。
（式２１）Ｓ２ａ＝Ｇｓ

また、光電変換部４ａは、ダイクロイックミラー１ａを介さずに入射する光のうち、Ｇ光の１／２とＢ光とを受けるとともに、ダイクロイックミラー１ａからの反射光（Ｒ＋Ｂ）のうち、主としてＢ光を受ける。一方、光電変換部４ｂは、ダイクロイックミラー１ａを介さずに入射する光のうち、Ｇ光の１／２とＲ光とを受けるとともに、ダイクロイックミラー１ａからの反射光（Ｒ＋Ｂ）のうち、主としてＲ光を受ける。その結果、光電変換部４ａ、４ｂからそれぞれ出力される光電変換信号Ｓ４ａ、Ｓ４ｂは、それぞれ以下の式２２、２３で表される。
（式２２）Ｓ４ａ＝Ｂｓ＋Ｇｓ/２＋Ｂｓ
（式２３）Ｓ４ｂ＝Ｒｓ＋Ｇｓ/２＋Ｒｓ

式２１で表されるＳ２ａは、そのままＧ信号として利用できる。式２２で表されるＳ４ａからＳ２ａ／２を減じると、Ｂ信号２Ｂsが得られる。同様に、式２３で表されるＳ４ｂからＳ２ａ／２を減じると、Ｒ信号２Ｒsが得られる。上記のように、本実施形態の撮像素子によれば、光の損失なくＲＧＢ信号が得られる。

（実施形態３）
次に第３の実施形態について、図７（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。通常のカメラでは赤外カットフィルタを利用して可視光を受ける。逆に赤外線カメラでは赤外線を透過させるフィルタを利用して赤外線を受ける。本実施形態の撮像装置によれば、赤外カットフィルタを用いずに可視光および赤外線の両方を撮像面が受けるカメラを実現できる。本実施形態では、赤外線を反射し、可視光を透過させるミラーを利用する。それ故、本実施形態は、撮像素子のカラー化に係わるものではないが、本質的には本発明の原理を利用したものである。図７（ａ）は、本実施形態の撮像素子の基本構成を示す平面図である。図７（ｂ）は図７（ａ）のＡＡ´断面図である。本実施形態の撮像装置は、ダイクロイックミラーに変えて、赤外線を反射し可視光を透過させるミラーを用いている点が実施形態１と異なる。

図７（ａ）、（ｂ）に示されるミラー１ｅは可視光を透過させ、光感知セル２ｅに入射させる。また、赤外線を反射させ、隣接する光感知セル２ｆに入射させる。

その結果、光感知セル２ｅは赤外線以外の光（可視光）のみを受ける。一方、光感知セル２ｆは直接入射する可視光と赤外線、さらにミラー１ｅで反射された赤外線とを受ける。赤外線の光電変換信号をＩＲｓ、可視光の光電変換信号をＩＲ~ｓと表すと、光感知セル２ｅ、２ｆからそれぞれ出力される光電変換信号Ｓ２ｅ、Ｓ２ｆはそれぞれ以下の式２４、２５で表すことができる。
（式２４）Ｓ２ｅ＝ＩＲ~ｓ
（式２５）Ｓ２ｆ＝ＩＲ~ｓ＋２ＩＲｓ

式２４から可視光の信号ＩＲ~ｓが得られる。また、式２５から式２４を減じると赤外線の信号２ＩＲｓが得られる。

以上のように本実施形態によれば、赤外線を反射し、可視光を透過させるミラーを利用し、その直下の光感知セルに可視光を入射させ、隣接の光感知セルにその反射光である赤外線と直接光（可視光＋赤外線）とを入射させることにより、光感知セルからの出力信号の演算により、可視光画像と赤外線画像とを損失なく同時に得ることができる。

なお、上記実施形態では、赤外線を反射するミラーを用いたが、逆に可視光を反射するミラーを用いても同じ効果が得られる。また、本実施形態と実施形態１とを組み合わせ、Ｒ光反射ミラー、Ｂ光反射ミラー、赤外線反射ミラーを組み合わせて用いることにより、赤外カットフィルタが不要なカラーカメラも実現できる。

（実施形態４）
次に第４の実施形態について、図８（ａ）〜（ｃ）および図９を参照しながら説明する。本実施形態の撮像装置は、ダイクロイックミラーを用いるのではなく、特定の偏光成分を反射し、それ以外の偏光成分を透過させる偏光ミラーを用いる点が実施形態１と異なる。通常、偏光画像を得るには、入射光をＰ波偏光板とＳ波偏光板とを用いて分割撮像する。すなわち２つのカメラが必要である。本実施形態の撮像装置によれば、撮像素子の中に０度偏光を透過させる偏光ミラーと４５度偏光を透過させる偏光ミラーとを用いることにより、１つのカメラで偏光画像を得ることができる。

図８（ａ）は本実施形態における偏光ミラーおよび光感知セルアレイの配置関係を示す平面図である。図８（ｂ）は図８（ａ）のＡＡ´における断面図である。また、図８（ｃ）は図８（ａ）のＢＢ´における断面図である。図８（ａ）では簡単のため、２行２列に配列された４個の光感知セル２ａ〜２ｄおよび２個の偏光ミラー５ａ、５ｄを含む基本構成を示している。

偏光ミラー５ａは０度偏光の光を透過させ、９０度偏光の光を反射させる。偏光ミラー５ｄは４５度偏光の光を透過させ、１３５度偏光の光を反射させる。

図９は、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが受ける偏光の種類を模式的に示している。光感知セル２ａには０度偏光の光が入射する。光感知セル２ｂには直接光と偏光ミラー５ａによる反射光である９０度偏光の光が入射する。光感知セル２ｃには直接光と偏光ミラー５ｄによる反射光である１３５度偏光の光が入射する。光感知セル２ｄには４５度偏光の光が入射する。その結果、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄがそれぞれ出力する光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃおよびＳ２ｄは、それぞれ以下の式２６〜２９で表すことができる。
（式２６）Ｓ２ａ＝Ｐ０ｓ
（式２７）Ｓ２ｂ＝Ｐ０ｓ＋２Ｐ９０ｓ
（式２８）Ｓ２ｃ＝Ｐ４５ｓ＋２Ｐ１３５ｓ
（式２９）Ｓ２ｄ＝Ｐ４５ｓ
ここで、０度偏光の光電変換信号をＰ０ｓ、４５度偏光の光電変換信号をＰ４５ｓ、９０度偏光の光電変換信号をＰ９０ｓ、１３５度偏光の光電変換信号をＰ１３５ｓとしている。また、直接光の信号を式２７においては（Ｐ０ｓ＋Ｐ９０ｓ）で表し、式２８においては（Ｐ４５ｓ＋Ｐ１３５ｓ）と表している。

Ｓ２ａ、Ｓ２ｄから０度偏光、４５度偏光の画像情報が得られ、（Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ）、（Ｓ２ｃ−Ｓ２ｄ）から９０度偏光、１３５度偏光の画像情報が得られる。それ故、４画素で４つの偏光情報を損失なく得られることになり、画像の偏光状態を算出できる。

以上のように本発明の実施形態４によれば、４つの光感知セルに対して、０度偏光を透過する偏光ミラーと４５度偏光を透過する偏光ミラーとを１つずつ用いることにより、０度偏光、４５度偏光、９０度偏光、１３５度偏光の画像情報が損失なく得られるという効果がある。その結果、カメラを２つ準備する必要がなく、偏光子も２種類で対応できるという利点がある。

以上の実施形態１〜実施形態４に関して、撮像レンズの主光線に適応させるため、ダイクロイックミラー、赤外線反射ミラー、偏光ミラーの形状、傾き、光感知セルからの相対距離を、撮像面の中心部と周辺部とで変えてもよい。そのようにすることによって、明度および色度にムラのない画像を得ることが可能である。また、撮像素子内に集光用のマイクロレンズを設けることにより、さらに高感度なカメラを実現することが可能である。上記実施形態では光感知セルが２次元正方状に配列されているとして説明したが、それに限るものではなく、ハニカム構造の配列にも本発明を適用できる。また裏面照射型の撮像素子のように全面受光タイプの撮像素子に対しても問題なく適用でき、その有効性が変わるものではない。

本発明にかかる撮像装置は、固体撮像素子を用いた民生用カメラ、所謂デジタルカメラ、デジタルムービーや放送用の固体カメラ、産業用の固体監視カメラ等に用いられる。なお、本発明は撮像デバイスが固体撮像素子でなくとも、全てのカラーカメラに有効である。

１ａ、１ｂ、１ｄダイクロイックミラー
１ｅ赤外線反射ミラー
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ撮像素子の光感知セル
３透光性部材
４ａ、４ｂ光電変換部
５ａ、５ｄ偏光ミラー
１１マイクロレンズ
１２インナーレンズ
１３赤（Ｒ）以外を反射するダイクロイックミラー
１４緑（Ｇ）のみを反射するダイクロイックミラー
１５青（Ｂ）のみを反射するダイクロイックミラー
２１２管式カラーカメラの光学プリズム
２２従来の３板式カラーカメラの光学プリズム
２３、２４、２５光感知セル
３１透光性の樹脂
３２Ｇ光透過のダイクロイックミラー
３３Ｒ光透過のダイクロイックミラー
３４Ｇ光透過の有機色素フィルタ
３５Ｒ光透過の有機色素フィルタ
３６マイクロレンズ
３７金属層
１００撮像部
１０１光学レンズ
１０２光学板
１０３撮像素子
１０３ａ撮像面
１０４信号発生及び画素信号受信部
２００映像信号処理部
２０１メモリ
２０２ビデオ信号生成部
２０３ビデオインターフェース部

Claims

撮像素子と、
前記撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、
前記撮像素子から出力される電気信号を処理する映像信号処理部と、
を備える撮像装置であって、
前記撮像素子は、
前記撮像面上に配列された複数の単位要素を備え、
前記複数の単位要素の各々は、
第１の光感知セルと、
第２の光感知セルと、
前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの上部に設けられた透光性部材と、
前記透光性部材の内部に設けられ、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１のミラーと、
を有し、
前記第１のミラーは、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域の光線を反射し、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域以外の光線を透過させ、
前記第１のミラーで反射された前記第１波長域の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第２の光感知セルに入射し、
前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線は、前記第１の光感知セルに入射し、
前記第１の光感知セルは、前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線を受け、受けた光線の量に応じた第１の画素信号を出力し、
前記第２の光感知セルは、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記第１波長域の光線と、前記第１のミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線とを受け、受けた光線の量に応じた第２の画素信号を出力し、
前記映像信号処理部は、前記第１の画素信号と前記第２の画素信号との間の差分演算を含む処理によって、前記複数の単位要素の各々に入射した光線のうち、前記第１波長域の光線の量に関する情報を出力する、撮像装置。
前記複数の単位要素の各々に含まれる透光性部材は、前記撮像面上に設けられた透明層の一部である、請求項１に記載の撮像装置。
前記透光性部材は前記境界面で空気と接している、請求項１または２に記載の撮像装置。
前記第２の光感知セルは前記第１の光感知セルに隣接している、請求項１から３のいずれかに記載の撮像装置。
前記第１のミラーで反射された前記第１波長域の光線は、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で全反射される、請求項１から４のいずれかに記載の撮像装置。
前記複数の単位要素のうち、前記撮像面の中心に位置する単位要素に含まれる前記第１のミラーの形状および前記第１の光感知セルに対する相対位置の少なくとも一方は、前記複数の単位要素のうち、前記撮像面の周辺に位置する単位要素に含まれる前記第１のミラーの形状および前記第１の光感知セルに対する相対位置の少なくとも一方と異なっている、請求項１から５のいずれかに記載の撮像装置。
前記第１波長域は、赤外線の波長域に相当する、請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。
前記複数の単位要素の各々は、
第３の光感知セルと、
第４の光感知セルと、
前記透光性部材の内部に設けられ、前記第４の光感知セルに対応して配置された第２のミラーと、
をさらに有し、
前記第２のミラーは、前記第２のミラーに入射した光に含まれる第２波長域の光線を反射し、前記第２のミラーに入射した光に含まれる第２波長域以外の光線を透過させ、
前記第２のミラーで反射された前記第２波長域の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第３の光感知セルに入射し、
前記第２のミラーを透過した前記第２波長域以外の光線は、前記第４の光感知セルに入射し、
前記第３の光感知セルは、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記第２波長域の光線と、前記第１のミラーおよび第２のミラーのいずれをも介さずに前記第３の光感知セルに入射する光線とを受け、受けた光線の量に応じた第３の画素信号を出力し、
前記第４の光感知セルは、前記第２のミラーを透過した前記第２波長域以外の光線を受け、受けた光線の量に応じた第４の画素信号を出力し、
前記映像信号処理部は、前記第３の画素信号と前記第４の画素信号との間の差分演算を含む処理によって前記複数の単位要素が受けた光線のうち、少なくとも前記第２波長域の光線の量に関する情報を出力する、請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。
前記第４の光感知セルは前記第３の光感知セルに隣接している、請求項８に記載の撮像装置。
前記第３の光感知セルは前記第１の光感知セルに隣接して配置され、
前記第４の光感知セルは前記第２の光感知セルに隣接して配置されている、請求項９に記載の撮像装置。
前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、および前記第４の光感知セルは、１次元状に並んで配置されている、請求項８に記載の撮像装置。
前記第１波長域は赤色の波長域に相当し、前記第２波長域は青色の波長域に相当する、
請求項８から１１のいずれかに記載の撮像装置。
前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、前記第４の光感知セルのすべてが少なくとも緑色の波長域の光線を受けるように、前記第１のミラーと前記第２のミラーとが配置されている、請求項８から１２のいずれかに記載の撮像装置。
前記第２の光感知セルは、第１の光電変換部と第２の光電変換部とを有し、
前記第１の光電変換部は、前記第１の光電変換部が受けた光線の量に応じた第３の画素信号を生成し、
前記第２の光電変換部は、前記第２の光電変換部が受けた光線の量に応じた第４の画素信号を生成する、請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。
前記第１波長域は赤色の波長域および青色の波長域に相当し、
前記第１の光電変換部は、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記赤色の波長域および青色の波長域の光線と、前記第１のミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線のうち、少なくとも青色の波長域の光線を受け、前記第３の画素信号を生成し、
前記第２の光電変換部は、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記赤色の波長域および青色の波長域の光線と、前記ミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線のうち、少なくとも赤色の波長域の光線を受け、前記第４の画素信号を生成し、
前記映像信号処理部は、前記第３の画素信号および前記第４の画素信号を用いた差分演算を含む処理により色情報を出力する、請求項１４に記載の撮像装置。
前記第１の光電変換部は、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記赤色の波長域および青色の波長域の光線と、前記第１ミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線のうち、緑色の波長域の光線の２分の１と青色の波長域の光線とを受け、前記第３の画素信号を出力し、
前記第２の光電変換部は、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された赤色および青色の波長域の光線と、前記ミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線のうち、緑色の波長域の光線の２分の１と赤色の波長域の光線とを受け、前記第４の画素信号を出力する、請求項１５に記載の撮像装置。
撮像素子と、
前記撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、
前記撮像素子から出力される電気信号を処理する映像信号処理部と、
を備える撮像装置であって、
前記撮像素子は、
第１の方向に配列された複数の単位要素を備え、
前記複数の単位要素の各々は、
第１の光感知セルと、
第２の光感知セルと、
前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの上部に設けられた透光性部材と、
前記透光性部材の内部に設けられ、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１のミラーと、
前記透光性部材の内部に設けられ、前記第２の光感知セルに対応して配置された第２のミラーと、
を有し、
前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルは、前記第１の方向に平行な方向に沿って配置され、
前記第１のミラーは、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域の光線を反射し、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域以外の光線を透過させ、
前記第２のミラーは、前記第２のミラーに入射した光に含まれる第２波長域の光線を透過し、前記第２のミラーに入射した光に含まれる第２波長域以外の光線を反射させ、
前記第１のミラーで反射された前記第１波長域の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第２の光感知セルに入射し、
前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線は、前記第１の光感知セルに入射し、
前記第２のミラーで反射された前記第２波長域以外の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、隣接する単位要素の前記第１の光感知セルに入射し、
前記第２のミラーを透過した前記第２波長域の光線は、前記第２の光感知セルに入射し、
前記第１の光感知セルは、前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線と、隣接する前記第２のミラーで反射され前記境界面で反射された前記第２波長域以外の光線とを受け、受けた光線の量に応じた第１の画素信号を出力し、
前記第２の光感知セルは、前記第２のミラーを透過した前記第２波長域の光線と、前記第１のミラーで反射され前記境界面で反射された前記第１波長域の光線とを受け、受けた光線の量に応じた第２の画素信号を出力し、
前記映像信号処理部は、前記第１の画素信号と前記第２の画素信号との間の差分演算を含む処理によって色情報を出力する、撮像装置。
前記複数の単位要素の各々は、
第３の光感知セルと、
第４の光感知セルと、
前記透光性部材の内部に設けられ、前記第３の光感知セルに対応して配置された第３のミラーと、
前記透光性部材の内部に設けられ、前記第４の光感知セルに対応して配置された第４のミラーと、
をさらに有し、
前記第３の光感知セルおよび前記第４の光感知セルは、前記第１の方向に平行な方向に沿って配置され、
前記第３のミラーは、前記第３のミラーに入射した光に含まれる第３波長域の光線を反射し、前記第３のミラーに入射した光に含まれる第３波長域以外の光線を透過させ、
前記第４のミラーは、前記第４のミラーに入射した光に含まれる第４波長域の光線を透過し、前記第４のミラーに入射した光に含まれる第４波長域以外の光線を反射させ、
前記第３のミラーで反射された前記第３波長域の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第４の光感知セルに入射し、
前記第３のミラーを透過した前記第３波長域以外の光線は、前記第３の光感知セルに入射し、
前記第４のミラーで反射された前記第４波長域以外の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、隣接する単位要素の前記第３の光感知セルに入射し、
前記第４のミラーを透過した前記第４波長域の光線は、前記第４の光感知セルに入射し、
前記第３の光感知セルは、前記第３のミラーを透過した前記第３波長域以外の光線と、隣接する前記第４のミラーおよび前記境界面で反射された前記第４波長域以外の光線とを受け、受けた光線の量に応じた第３の画素信号を出力し、
前記第４の光感知セルは、前記第４のミラーを透過した前記第４波長域の光線と、前記第３のミラーおよび前記境界面で反射された前記第３波長域の光線とを受け、受けた光線の量に応じた第４の画素信号を出力し、
前記映像信号処理部は、前記第３の画素信号と前記第４の画素信号との間の差分演算を含む処理によって前記色情報とは異なる色情報を出力する、請求項１７に記載の撮像装置。
撮像素子と、
前記撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、
前記撮像素子から出力される電気信号を処理する映像信号処理部と、
を備える撮像装置であって、
前記撮像素子は、
２次元状に配列された複数の単位要素を備え、
前記複数の単位要素の各々は、
第１の光感知セルと、
第２の光感知セルと、
前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの上部に設けられた透光性部材と、
前記透光性部材の内部に設けられ、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１の偏光ミラーと、
を有し、
前記第１の偏光ミラーは、前記第１の偏光ミラーに入射した光のうち、第１の偏光成分を透過させ、前記第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分を反射し、
前記第１の偏光ミラーを透過した前記第１の偏光成分は、前記第１の光感知セルに入射し、
前記第１の偏光ミラーで反射された前記第２の偏光成分は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第２の光感知セルに入射し、
前記第１の光感知セルは、前記第１の偏光ミラーを透過した前記第１の偏光成分の光線を受け、受けた光線の量に応じた第１の画素信号を出力し、
前記第２の光感知セルは、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記第２の偏光成分の光線と、前記第１の偏光ミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線とを受け、受けた光線の量に応じた第２の画素信号を出力し、
前記映像信号処理部は、前記第１の画素信号と前記第２の画素信号との間の差分演算を含む処理によって偏光情報を出力する、撮像装置。
前記複数の単位要素の各々は、
第３の光感知セルと、
第４の光感知セルと、
前記透光性部材の内部に設けられ、前記第４の光感知セルに対応して配置された第２の偏光ミラーと、
をさらに有し、
前記第２の偏光ミラーは、前記第２の偏光ミラーに入射した光のうち、前記第１の偏光成分に対して４５度の角度をなす第３の偏光成分を透過させ、前記第３の偏光成分に直交する第４の偏光成分を反射し、
前記第２の偏光ミラーを透過した前記第３の偏光成分は、前記第４の光感知セルに入射し、
前記第２の偏光ミラーで反射された前記第４の偏光成分は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第３の光感知セルに入射し、
前記第４の光感知セルは、前記第２の偏光ミラーを透過した前記第３の偏光成分の光線を受け、受けた光線の量に応じた第４の画素信号を出力し、
前記第３の光感知セルは、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記第４の偏光成分の光線と、前記第１の偏光ミラーおよび前記第２の偏光ミラーのいずれをも介さずに前記第３の光感知セルに入射する光線とを受け、受けた光線の量に応じた第３の画素信号を出力し、
前記映像信号処理部は、前記第３の画素信号と前記第４の画素信号との間の差分演算を含む処理によって前記偏光情報とは異なる偏光情報を出力する、請求項１９に記載の撮像装置。
２次元状に配列された複数の単位要素を備える撮像素子であって、
前記複数の単位要素の各々は、
第１の光感知セルと、
第２の光感知セルと、
前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの上部に設けられた透光性部材と、
前記透光性部材の内部に設けられ、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１のミラーと、
を有し、
前記第１のミラーは、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域の光線を反射し、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域以外の光線を透過させ、
前記第１のミラーで反射された前記第１波長域の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第２の光感知セルに入射し、
前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線は、前記第１の光感知セルに入射し、
前記第１の光感知セルは、前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線を受け、受けた光線の量に応じた第１の画素信号を出力し、
前記第２の光感知セルは、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記第１波長域の光線と、前記第１のミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線とを受け、受けた光線の量に応じた第２の画素信号を出力する、撮像素子。
第１の方向に配列された複数の単位要素を備える撮像素子であって、
前記複数の単位要素の各々は、
第１の光感知セルと、
第２の光感知セルと、
前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの上部に設けられた透光性部材と、
前記透光性部材の内部に設けられ、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１のミラーと、
前記透光性部材の内部に設けられ、前記第２の光感知セルに対応して配置された第２のミラーと、
を有し、
前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルは、前記第１の方向に平行な方向に沿って配置され、
前記第１のミラーは、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域の光線を反射し、前記第１のミラーに入射した光に含まれる第１波長域以外の光線を透過させ、
前記第２のミラーは、前記第２のミラーに入射した光に含まれる第２波長域の光線を透過し、前記第２のミラーに入射した光に含まれる第２波長域以外の光線を反射させ、
前記第１のミラーで反射された前記第１波長域の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第２の光感知セルに入射し、
前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線は、前記第１の光感知セルに入射し、
前記第２のミラーで反射された前記第２波長域以外の光線は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、隣接する単位要素の前記第１の光感知セルに入射し、
前記第２のミラーを透過した前記第２波長域の光線は、前記第２の光感知セルに入射し、
前記第１の光感知セルは、前記第１のミラーを透過した前記第１波長域以外の光線と、隣接する前記第２のミラーで反射され前記境界面で反射された前記第２波長域以外の光線とを受け、受けた光線の量に応じた第１の画素信号を出力し、
前記第２の光感知セルは、前記第２のミラーを透過した前記第２波長域の光線と、前記第１のミラーで反射され前記境界面で反射された前記第１波長域の光線とを受け、受けた光線の量に応じた第２の画素信号を出力する、撮像素子。
２次元状に配列された複数の単位要素を備える撮像素子であって、
前記複数の単位要素の各々は、
第１の光感知セルと、
第２の光感知セルと、
前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの上部に設けられた透光性部材と、
前記透光性部材の内部に設けられ、前記第１の光感知セルに対応して配置された第１の偏光ミラーと、
を有し、
前記第１の偏光ミラーは、前記第１の偏光ミラーに入射した光のうち、第１の偏光成分を透過させ、前記第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分を反射し、
前記第１の偏光ミラーを透過した前記第１の偏光成分は、前記第１の光感知セルに入射し、
前記第１の偏光ミラーで反射された前記第２の偏光成分は、前記透光性部材と他の部材との境界面で反射され、前記第２の光感知セルに入射し、
前記第１の光感知セルは、前記第１の偏光ミラーを透過した前記第１の偏光成分の光線を受け、受けた光線の量に応じた第１の画素信号を出力し、
前記第２の光感知セルは、前記透光性部材と前記他の部材との境界面で反射された前記第２の偏光成分の光線と、前記第１の偏光ミラーを介さずに前記第２の光感知セルに入射する光線とを受け、受けた光線の量に応じた第２の画素信号を出力する、撮像素子。