KR20120039501A - 촬상 장치 및 고체 촬상 소자 - Google Patents
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Abstract
고체 촬상 소자는, 제 1 면 및 상기 제 1 면의 반대측에 위치하는 제 2 면을 갖는 반도체층(7)과, 반도체층(7) 중에 형성되며, 제 1 면측 및 제 2 면측으로부터 광을 받는 광 감지 셀 어레이와, 광 감지 셀 어레이에 대향해서 제 1 면측 및 제 2 면측 중 적어도 한쪽 측에 형성된 분광 요소 어레이를 구비하고 있다. 광 감지 셀 어레이는, 제 1 광 감지 셀(2a) 및 제 2 광 감지 셀(2b)을 포함하고 있다. 분광 요소 어레이는, 제 1 광 감지 셀(2a) 및 제 2 광 감지 셀(2b)에 다른 파장 대역의 광을 입사시킨다.
Description
본 발명은 고체 촬상 소자의 고감도화 및 컬러화 기술에 관한 것이다.
최근, CCD나 CMOS 등의 고체 촬상 소자(이하, 「촬상 소자」라고 하는 경우가 있다)를 이용한 디지털 카메라나 디지털 무비 카메라의 고기능화, 고성능화에서 괄목할만한 것이 있다. 특히 반도체 제조 기술의 급속한 진보에 의해, 촬상 소자에 있어서의 화소 구조의 미세화가 진행되고 있다. 그 결과, 촬상 소자의 화소 및 구동 회로의 고집적화가 도모되고, 촬상 소자의 고성능화가 도모되고 있다. 특히 최근에는, 고체 촬상 소자의 배선층이 형성된 면(표면)측이 아니라, 이면측에서 수광하는 이면 조사형(Backside illumination)의 촬상 소자를 이용한 카메라도 개발되어서, 그 고감도 특성 등이 주목받고 있다. 한편, 촬상 소자의 다(多)화소화에 따라서, 한 화소가 받는 광량이 저하되기 때문에, 카메라 감도가 저하된다고 하는 문제가 생기고 있다.
카메라의 감도 저하는, 다화소화 이외에도, 색 분리용 색 필터가 이용되는 것에도 원인이 있다. 통상의 색 필터는, 이용하는 색 성분 이외의 광을 흡수하기 때문에, 이러한 색 필터를 이용한 경우, 카메라의 광 이용율은 저하된다. 구체적인 예로서, 베이어(Bayer)형의 색 필터를 이용한 컬러 카메라에서는, 촬상 소자의 각 광 감지부 상에 유기 안료를 색소로 하는 감색(減色)형 색 필터가 배치되기 때문에, 광 이용율은 꽤 낮다. 베이어형의 색 필터 배열은, 적색(R) 1 요소, 녹색(G) 2 요소, 청색(B) 1 요소를 기본 구성으로 한 배열이다. R 필터는 R 광을 투과시키고, G 광, B 광을 흡수한다. G 필터는 G 광을 투과시키고, R 광, B 광을 흡수한다. B 필터는 B 광을 투과시키고, R 광, G 광을 흡수한다. 즉, 색 필터를 투과하는 광은 RGB 3색 중 한 색이며, 그 밖의 2색은 색 필터에 흡수된다. 따라서, 이용되는 광은 입사광의 약 1/3이다.
이러한 감도 저하의 문제를 해결하기 위해서, 촬상 소자의 수광부에 마이크로 렌즈 어레이를 부착함으로써, 수광량을 늘리는 수법이 특허 문헌 1에 개시되어 있다. 이 수법에 의하면, 마이크로 렌즈로 집광함으로써, 실질적으로 광 개구율을 향상시킬 수 있다. 이 수법은, 현재 대부분의 고체 촬상 소자에 이용되고 있다. 이 수법을 이용하면, 실질적인 개구율은 향상되지만, 색 필터에 의한 광 이용율 저하의 문제를 해결하는 것은 아니다.
그래서, 광 이용율 저하와 감도 저하의 문제를 동시에 해결하는 방법으로서, 다층막의 색 필터(다이클로익 미러)와 마이크로 렌즈를 조합하여, 광을 최대한 받아들이는 구조를 갖는 촬상 소자가 특허 문헌 2에 개시되어 있다. 이 촬상 소자에서는, 광을 흡수하지 않고, 특정 파장 대역의 광을 선택적으로 투과시키며, 다른 파장 대역의 광을 반사하는 복수의 다이클로익 미러가 이용된다. 각 다이클로익 미러는, 필요한 광만을, 선택적으로 대응하는 광 감지부에 입사시키고, 그 밖의 광을 투과시킨다. 도 8에 특허 문헌 2에 개시된 촬상 소자의 단면도를 나타낸다.
도 8에 도시된 고체 촬상 소자에 의하면, 집광 마이크로 렌즈(11)에 입사한 광은, 이너(inner) 렌즈(12)에 의해서 광속이 조정된 후, 제 1 다이클로익 미러(13)에 입사한다. 제 1 다이클로익 미러(13)는, 적색(R)의 광을 투과시키지만, 그 밖의 색의 광은 반사한다. 제 2 다이클로익 미러(14)는, 녹색(G)의 광을 반사시키지만, 그 밖의 색의 광은 투과시킨다. 제 3 다이클로익 미러(15)는, 청색(B)의 광을 반사시키지만, 그 밖의 색의 광은 투과시킨다. 제 1 다이클로익 미러(13)를 투과한 광은, 바로 아래의 광 감지 셀(2)에 입사한다. 제 1 다이클로익 미러(13)에서 반사된 광은, 인접하는 제 2 다이클로익 미러(14)에 입사한다. 제 2 다이클로익 미러(14)는, 녹색(G)의 광을 반사시키고, 청색(B)의 광을 투과시킨다. 제 2 다이클로익 미러(14)에서 반사된 녹색의 광은, 그 바로 아래의 광 감지 셀(2)에 입사한다. 제 2 다이클로익 미러(14)를 투과한 청색의 광은, 제 3 다이클로익 미러(15)에서 반사되고, 그 바로 아래의 광 감지 셀(2)에 입사한다. 이러한 고체 촬상 소자에 의하면, 집광 마이크로 렌즈(11)에 입사한 가시광은, 색 필터에 의해서 흡수되는 일없이, RGB 각 색의 광이 광 감지 셀에 의해서 낭비없이 검출된다.
상기 종래 기술 이외에, 마이크로 프리즘을 이용함으로써 광의 손실을 막을 수 있는 촬상 소자가 특허 문헌 3에 개시되어 있다. 이 촬상 소자는, 마이크로 프리즘에 의해 적색, 녹색, 청색으로 분리된 광을, 각각 다른 광 감지 셀이 수광하는 구조를 갖고 있다. 이러한 촬상 소자를 이용한 경우에도 광의 손실을 막을 수 있다.
그러나 특허 문헌 2, 3에 개시된 기술에서는, 이용하는 다이클로익 미러의 수만큼, 또는 분광하는 수만큼, 광 감지 셀을 마련할 필요가 있다. 예컨대 적색, 녹색, 청색의 광을 수광하기 위해서는, 광 감지 셀을, 색 필터를 이용한 경우의 광 감지 셀의 수와 비교해서, 3배로 늘려야 한다는 과제가 남는다.
한편, 상기 종래 기술과는 달리, 촬상 소자 양측으로부터 광을 받아들이는 기술이 특허 문헌 4에 개시되어 있다. 이 기술에서는, 촬상 소자의 표면측과 이면측에 각각 가시광과 비가시광(적외선 또는 자외선)이 입사하도록, 광학계 및 색 필터가 배치된다. 이 기술에 의하면, 가시광 및 비가시광의 화상을 하나의 촬상 소자로 취득할 수 있지만, 색 필터에 의한 광 이용율의 저하 문제를 해결하는 것은 아니다.
또한, 특허 문헌 5에는, 각 광 감지 셀에 대응해서 배치된 마이크로 프리즘 등의 구조물(분광 요소)을 이용해서, 대폭 광 감지 셀을 늘리는 일없이 광 이용율을 높이는 컬러화 기술이 개시되어 있다. 이 기술에 의하면, 광 감지 셀에 대응해서 배치된 분광 요소에 의해서, 광이 파장 대역에 따라서 서로 다른 광 감지 셀에 입사한다. 개개의 광 감지 셀은, 복수의 분광 요소로부터, 서로 다른 파장 대역의 성분이 중첩된 광을 받는다. 그 결과, 각 광 감지 셀로부터 출력되는 광전 변환 신호를 이용한 신호 연산에 의해서 색 신호를 생성할 수 있다.
종래 기술에서는, 광 흡수 타입의 색 필터를 이용하면, 대폭으로 광 감지 셀을 늘리지 않아도 되지만, 광 이용율이 낮아진다. 한편, 광 선택 투과 타입의 색 필터(다이클로익 미러)나 마이크로 프리즘을 이용하면, 광 이용율은 높지만, 광 감지 셀을 대폭으로 늘려야 한다.
한편, 특허 문헌 5에 개시된 기술에 의하면, 확실하게 광 이용율이 높은 컬러 화상을 이론상으로 얻을 수 있지만, 마이크로 프리즘 등의 구조물을, 촬상 소자의 화소에 대응해서 고밀도로 배치하는 것은, 난이도가 높다고 생각된다.
그래서, 본 발명은 분광 가능한 구조물의 저밀도화를 도모함과 아울러, 광 감지 셀을 대폭으로 늘리지 않아도 색 분리할 수 있는 컬러 촬상 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 촬상 장치는, 고체 촬상 소자와, 상기 고체 촬상 소자의 촬상면에 이미지를 형성하는 광학계를 구비하고 있다. 상기 고체 촬상 소자는 제 1 면 및 상기 제 1 면의 반대측에 위치하는 제 2 면을 갖는 반도체층과, 상기 반도체층 중에 형성되며, 상기 제 1 면측 및 상기 제 2 면측으로부터 광을 받는 광 감지 셀 어레이와, 상기 광 감지 셀 어레이에 대향해서 상기 제 1 면측 및 상기 제 2 면측 중 적어도 한쪽 측에 형성된 분광 요소 어레이를 갖고 있다. 상기 광 감지 셀 어레이는, 각각이 제 1 광 감지 셀 및 제 2 광 감지 셀을 포함하는 복수의 단위 블록을 갖고 있다. 상기 분광 요소 어레이는, 상기 제 1 광 감지 셀 및 상기 제 2 광 감지 셀에 서로 다른 파장 대역의 광을 입사시킨다.
어느 한 실시예에 있어서, 상기 광학계는, 광을 상기 제 1 면 및 상기 제 2 면에 각각 절반씩 입사시킨다.
어느 한 실시예에 있어서, 상기 분광 요소 어레이는, 상기 광 감지 셀 어레이에 대향해서 상기 제 1 면측에 형성된 제 1 분광 요소 어레이와, 상기 광 감지 셀 어레이에 대향해서 상기 제 2 면측에 형성된 제 2 분광 요소 어레이를 갖고 있다. 상기 제 1 분광 요소 어레이는, 상기 제 1 광 감지 셀에 제 1 파장 대역의 광을 입사시키고, 상기 제 2 광 감지 셀에 상기 제 1 파장 대역 이외의 광을 입사시킨다. 상기 제 2 분광 요소 어레이는, 상기 제 1 광 감지 셀에 상기 제 1 파장 대역과는 다른 제 2 파장 대역의 광을 입사시키고, 상기 제 2 광 감지 셀에 상기 제 2 파장 대역 이외의 광을 입사시킨다.
어느 한 실시예에 있어서, 입사광을 제 1 색 성분의 광, 제 2 색 성분의 광, 및 제 3 색 성분의 광으로 분류할 때, 상기 제 1 분광 요소 어레이는, 상기 제 1 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 1 분광 요소로서, 상기 제 1 광 감지 셀에 상기 제 1 색 성분의 광을 입사시키고, 상기 제 2 광 감지 셀에 상기 제 2 및 제 3 색 성분의 광을 입사시키는 제 1 분광 요소를 갖고 있다. 또한, 상기 제 2 분광 요소 어레이는, 상기 제 2 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 2 분광 요소로서, 상기 제 1 광 감지 셀에 상기 제 2 색 성분의 광을 입사시키고, 상기 제 2 광 감지 셀에 상기 제 1 및 제 3 색 성분의 광을 입사시키는 제 2 분광 요소를 갖고 있다.
어느 한 실시예에 있어서, 입사광을 제 1 색 성분의 광, 제 2 색 성분의 광 및 제 3 색 성분의 광으로 분류할 때, 상기 제 1 분광 요소 어레이는, 상기 제 1 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 1 분광 요소로서, 상기 제 1 광 감지 셀에 상기 제 1 색 성분의 광을 입사시키고, 상기 제 2 광 감지 셀에 상기 제 2 색 성분의 광을 입사시키며, 인접하는 제 1 인접 단위 블록에 포함되는 하나의 광 감지 셀에 상기 제 3 색 성분의 광을 입사시키는 제 1 분광 요소를 갖고 있다. 또한, 상기 제 2 분광 요소 어레이는, 상기 제 2 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 2 분광 요소로서, 상기 제 1 광 감지 셀 및 인접하는 제 2 인접 단위 블록에 포함되는 하나의 광 감지 셀에 상기 제 3 색 성분의 광을 절반씩 입사시키고, 상기 제 2 광 감지 셀에 상기 제 1 및 제 2 색 성분의 광을 입사시키는 제 2 분광 요소를 갖고 있다. 상기 제 1 광 감지 셀은, 상기 제 1 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 1 색 성분의 광과, 상기 제 2 분광 요소 및 상기 제 1 인접 단위 블록에 포함되는 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 3 색 성분의 광을 받는다. 상기 제 2 광 감지 셀은, 상기 제 1 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 2 색 성분의 광과, 상기 제 2 인접 단위 블록에 포함되는 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 3 색 성분의 광과, 상기 제 2 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 1 및 제 2 색 성분의 광을 받는다.
어느 한 실시예에 있어서, 각 단위 블록은, 제 3 광 감지 셀 및 제 4 광 감지 셀을 포함하며, 상기 제 1 분광 요소 어레이는, 상기 제 3 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 3 분광 요소로서, 상기 제 3 광 감지 셀에 상기 제 1 색 성분의 광을 입사시키고, 상기 제 4 광 감지 셀에 상기 제 2 및 제 3 색 성분의 광을 입사시키는 제 3 분광 요소를 갖고 있다. 상기 제 2 분광 요소 어레이는, 상기 제 4 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 4 분광 요소로서, 상기 제 3 광 감지 셀에 상기 제 2 색 성분의 광을 입사시키고, 상기 제 4 광 감지 셀에 상기 제 1 및 제 3 색 성분의 광을 입사시키는 제 4 분광 요소를 갖고 있다.
어느 한 실시예에 있어서, 각 단위 블록은, 제 3 광 감지 셀 및 제 4 광 감지 셀을 포함하며, 상기 제 1 분광 요소 어레이는, 상기 제 3 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 3 분광 요소로서, 상기 제 3 광 감지 셀에 상기 제 1 색 성분의 광을 입사시키고, 상기 제 4 광 감지 셀에 상기 제 3 색 성분의 광을 입사시키며, 상기 제 2 인접 단위 블록에 포함되는 하나의 광 감지 셀에 상기 제 2 색 성분의 광을 입사시키는 제 3 분광 요소를 갖고 있다. 상기 제 2 분광 요소 어레이는, 각 단위 블록에 포함되는 상기 제 4 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 4 분광 요소로서, 상기 제 3 광 감지 셀 및 상기 제 1 인접 단위 블록에 포함되는 하나의 광 감지 셀에 상기 제 2 색 성분의 광을 절반씩 입사시키고, 상기 제 4 광 감지 셀에 상기 제 1 및 제 3 색 성분의 광을 입사시키는 제 4 분광 요소를 갖고 있다. 상기 제 3 광 감지 셀은, 상기 제 3 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 1 색 성분의 광과, 상기 제 4 분광 요소 및 상기 제 2 인접 단위 요소에 포함되는 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 2 색 성분의 광을 받는다. 상기 제 4 광 감지 셀은, 상기 제 3 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 3 파장 대역의 광과, 상기 제 1 인접 단위 요소에 포함되는 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 2 파장 대역의 광과, 상기 제 4 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 1 파장 대역 및 상기 제 3 파장 대역의 광을 받는다.
어느 한 실시예에 있어서, 상기 제 1 광 감지 셀, 상기 제 2 광 감지 셀, 상기 제 3 광 감지 셀 및 상기 제 4 광 감지 셀은 행렬 형상으로 배치되고, 상기 제 1 광 감지 셀은 상기 제 2 광 감지 셀에 인접하며, 상기 제 3 광 감지 셀은 상기 제 4 광 감지 셀에 인접하고 있다.
어느 한 실시예에 있어서, 상기 고체 촬상 소자는, 상기 제 1 분광 요소 어레이에 대향해서 형성된 제 1 마이크로 렌즈 어레이로서, 각각이 상기 제 1 분광 요소 및 상기 제 3 분광 요소 각각으로 집광하는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하는 제 1 마이크로 렌즈 어레이와, 상기 제 2 분광 요소 어레이에 대향해서 형성된 제 2 마이크로 렌즈 어레이로서, 각각이 상기 제 2 분광 요소 및 상기 제 4 분광 요소의 각각으로 집광하는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하는 제 2 마이크로 렌즈 어레이를 갖고 있다.
어느 한 실시예에 있어서, 촬상 장치는, 신호 처리부를 더 구비하며, 상기 신호 처리부는 상기 제 1 광 감지 셀 및 상기 제 2 광 감지 셀로부터 각각 출력되는 광전 변환 신호에 기초해서, 하나의 색 신호를 생성한다.
어느 한 실시예에 있어서, 상기 신호 처리부는, 상기 제 1 광 감지 셀, 상기 제 2 광 감지 셀, 상기 제 3 광 감지 셀 및 상기 제 4 광 감지 셀로부터 각각 출력되는 광전 변환 신호에 기초해서, 3개의 색 신호를 생성한다.
본 발명의 고체 촬상 소자는, 제 1 면 및 상기 제 1 면의 반대측에 위치하는 제 2 면을 갖는 반도체층과, 상기 반도체층 중에 형성되며, 상기 제 1 면측 및 상기 제 2 면측으로부터 광을 받는 광 감지 셀 어레이와, 상기 광 감지 셀 어레이에 대향해서 상기 제 1 면측 및 상기 제 2 면측 중 적어도 한쪽 측에 형성된 분광 요소 어레이를 갖고 있다. 상기 광 감지 셀 어레이는, 각각이 제 1 광 감지 셀 및 제 2 광 감지 셀을 포함하는 복수의 단위 블록을 갖고 있다. 상기 분광 요소 어레이는, 상기 제 1 광 감지 셀 및 상기 제 2 광 감지 셀에 다른 파장 대역의 광을 입사시킨다.
본 발명의 고체 촬상 소자 및 촬상 장치에 의하면, 광 감지 셀 어레이는 광을 표면측 및 이면측에서 수광함과 아울러, 광을 흡수하지 않는 분광 요소 어레이가 사용되기 때문에 광 이용율을 높일 수 있다. 또한, 분광 요소 어레이를 양면측에 배치하면, 1면당 분광 요소의 밀도를 줄일 수 있어서, 제조가 용이하게 된다. 또한, 각 분광 요소를 적합하게 배치함으로써 3종류의 색 성분의 신호를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 촬상 장치의 개략 구성을 나타내는 블록도,
도 2a는 본 발명에 있어서의 촬상 소자의 구조의 일례를 나타내는 모식도,
도 2b는 본 발명에 있어서의 촬상 소자의 다른 예를 나타내는 모식도,
도 2c는 본 발명에 있어서의 촬상 소자의 또 다른 일례를 나타내는 모식도,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 촬상 장치의 전체 구성을 나타내는 블록도,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 촬상 장치의 광학계의 구성을 나타내는 모식도,
도 5a는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 화소 구조의 일례를 나타내는 도면,
도 5b는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 화소 구조의 다른 예를 나타내는 도면,
도 6a는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 촬상 소자의 기본 구조를 나타내는 평면도,
도 6b는, 도 6a에서의 AA'선 단면도,
도 6c는, 도 6a에서의 BB'선 단면도,
도 7a는 본 발명의 실시예 2에 있어서의 촬상 소자의 기본 구조를 나타내는 평면도,
도 7b는, 도 7a에서의 CC'선 단면도,
도 7c는, 도 7a에서의 DD'선 단면도,
도 8은 마이크로 렌즈와 다층막 색 필터(다이클로익 미러)를 이용한 종래의 고체 촬상 소자의 단면도이다.
도 2a는 본 발명에 있어서의 촬상 소자의 구조의 일례를 나타내는 모식도,
도 2b는 본 발명에 있어서의 촬상 소자의 다른 예를 나타내는 모식도,
도 2c는 본 발명에 있어서의 촬상 소자의 또 다른 일례를 나타내는 모식도,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 촬상 장치의 전체 구성을 나타내는 블록도,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 촬상 장치의 광학계의 구성을 나타내는 모식도,
도 5a는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 화소 구조의 일례를 나타내는 도면,
도 5b는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 화소 구조의 다른 예를 나타내는 도면,
도 6a는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 촬상 소자의 기본 구조를 나타내는 평면도,
도 6b는, 도 6a에서의 AA'선 단면도,
도 6c는, 도 6a에서의 BB'선 단면도,
도 7a는 본 발명의 실시예 2에 있어서의 촬상 소자의 기본 구조를 나타내는 평면도,
도 7b는, 도 7a에서의 CC'선 단면도,
도 7c는, 도 7a에서의 DD'선 단면도,
도 8은 마이크로 렌즈와 다층막 색 필터(다이클로익 미러)를 이용한 종래의 고체 촬상 소자의 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 전에, 우선 본 발명의 기본 원리를 설명한다. 한편, 이하의 설명에 있어서, 파장 대역 또는 색 성분이 서로 다른 광을 공간적으로 분리하는 것을 「분광」이라고 하는 경우가 있다. 또한, 이하의 설명에 있어서 2개의 광의 파장 대역이 서로 다르다는 것은, 2개의 광에 포함되는 주요 색 성분이 다르다는 것을 의미하는 것으로 한다. 예컨대, 한쪽 광이 마젠타(Mg)광 이고, 다른쪽이 적색(R)광이라고 하면, 전자의 주요 색 성분은 적색(R) 및 청색(B)이고, 후자의 주요 색 성분인 적색(R)과는 다르다. 따라서, 마젠타광과 적색광은 서로 다른 파장 대역을 갖는 것으로 한다.
도 1은, 본 발명의 촬상 장치의 기본 구성을 나타내는 블록도이다. 본 발명의 촬상 장치는, 피사체를 결상하는 광학계(20)와, 고체 촬상 소자(8)를 구비한다. 고체 촬상 소자(8)는, 반도체층(7)을 갖고, 반도체층(7)의 제 1 면(7a)과 제 1 면의 반대측에 위치하는 제 2 면(7b)의 양면에서 광을 받을 수 있다. 제 1 면(7a)과 제 2 면(7b) 사이에는 복수의 광 감지 셀(본 명세서에서 「화소」라고 부르는 경우가 있다)을 포함하는 광 감지 셀 어레이가 2차원 형상으로 배열되어 있다. 각 광 감지 셀은, 제 1 면(7a) 및 제 2 면(7b) 양면으로부터 입사하는 광을 받는다. 광 감지 셀 어레이에 대향해서, 제 1 면(7a) 및 제 2 면(7b) 중 적어도 한쪽 측에 분광 요소 어레이(100)가 마련된다. 도 1에 나타내는 예에서는, 분광 요소 어레이(100)는 제 1 면(7a) 측에 배치되어 있지만, 분광 요소 어레이(100)는 제 2 면(7b) 측에 배치되어 있어도 되고, 양면 측에 배치되어 있어도 된다. 광학계(20)는, 입사광을 제 1 광과 제 2 광으로 분리하여, 제 1 광 및 제 2 광을 각각 반도체층(7)의 제 1 면(7a) 및 제 2 면(7b)에 입사시키도록 구성되어 있다.
본 발명에 있어서의 분광 요소 어레이(100)는, 광 감지 셀 어레이에 포함되는 제 1 광 감지 셀 및 제 2 광 감지 셀에 서로 다른 파장 대역의 광을 입사시킨다. 그 결과, 2개의 광 감지 셀로부터 출력되는 광전 변환 신호에 기초한 연산에 의해서 색 정보를 얻을 수 있다.
도 2a는, 촬상 소자(8)의 내부 구조의 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 이 예에서는, 반도체층(7)의 제 1 면(7a) 측에 배선층(5)이 형성되어 있다. 광 감지 셀 어레이는, 각각이 광 감지 셀(2a) 및 광 감지 셀(2b)을 포함하는 복수의 단위 블록(40)을 갖고 있다. 이 예에서는, 광 감지 셀 어레이로부터 봐서 제 1 면(7a) 측에, 복수의 분광 요소(1)를 갖는 분광 요소 어레이(100)가 형성되어 있다. 또한, 분광 요소 어레이(100)에 대하여 광 감지 셀 어레이의 반대측에 투명 기판(6)이 형성된다. 투명 기판(6)에 의해서, 반도체층(7)이나 분광 요소 어레이(100) 등의 구조물이 지지된다. 이러한 구성에 의해, 각 광 감지 셀(2a, 2b)은, 투명 기판(6) 및 분광 요소 어레이(100)를 투과하여, 제 1 면(7a)으로부터 반도체층(7)에 입사하는 광과, 제 2 면(7b)으로부터 반도체층(7)에 입사하는 광을 받을 수 있다.
반도체층(7) 내부에 배열된 복수의 광 감지 셀 각각은, 제 1 면(7a) 및 제 2 면(7b) 양면으로부터 입사하는 광을 받고, 받은 광의 양에 따른 전기 신호(「광전 변환 신호」 또는 「화소 신호」라고 하기로 한다)를 출력한다. 본 발명에 있어서는, 제 1 광에 의해서 광 감지 셀의 배치면에 형성되는 이미지와 제 2 광에 의해서 형성되는 이미지가 겹치도록 각 구성 요소는 배치된다.
이하, 도 2a에 나타내는 예에 있어서의 광전 변환 신호를 설명한다.
우선, 촬상 소자(8)에는 양측으로부터 동일한 강도 및 분광 분포를 갖는 가시광(입사광)이 각각 입사하는 것으로 하며, 이 가시광을 W라고 표시한다. 여기서, W로 표시되는 가시광은 백색광으로는 한정되지 않으며, 피사체에 따라 다양한 색의 광일 수 있다. 본 명세서에서는, 가시광 W는 3개의 색 성분 C1, C2, C3으로 분류되는 것으로 한다. 3개의 색 성분은, 전형적으로는, 적색(R), 녹색(G), 청색(B)이지만, 반드시 R, G, B의 색 성분일 필요는 없다.
도 2a에 나타내는 예에서는, 분광 요소(1)는, 광 감지 셀(2a)에 대향해서, 입사광(W)을, C1 광과, C1 광의 보색의 파장 대역에 포함되는 광 C1~으로 분리한다. 분리된 C1 광은 광 감지 셀(2b)에 입사하고, C1~ 광은 광 감지 셀(2a)에 입사한다. 여기서, C1~ 광은, C2 광과 C3 광이 혼합한 광이기 때문에, 이하의 설명에 있어서, C1~를 C2+C3라고 나타내는 경우가 있다. 또한, C1~ 광은, W광으로부터 C1 광을 제외한 광이기 때문에, C1~를 W-C1라고 나타내는 경우도 있다. 이하, 다른 색 성분을 나타내는 기호에 대해서도 같은 기법을 이용하는 것으로 한다.
이러한 구성에 의해, 광 감지 셀(2a)은, 제 1 면(7a) 측의 분광 요소(1)로부터 입사하는 C1~ 광과, 제 2 면(7b) 측으로부터 입사하는 광(W)을 받는다. 광 감지 셀(2b)은, 제 1 면(7a) 측의 분광 요소(1)로부터 입사하는 C1 광과, 분광 요소(1)를 거치지 않고, 제 1 면(7a) 측, 제 2 면(7b) 측의 양측으로부터 각각 입사하는 광(2W)을 받는다. 여기서, 기호 2W는, 한쪽면으로부터 입사하는 W광의 2배의 양인 것을 나타내는 것으로 한다.
광 감지 셀(2a, 2b)로부터 출력되는 광전 변환 신호를 각각 S2a, S2b라고 하고, W광, C1 광, C2 광, C3 광의 강도에 상당하는 신호를 각각 Ws, C1s, C2s, C3s라고 나타내면, S2a 및 S2b는, 각각 이하의 식 1, 2로 나타낼 수 있다.
(식 1) S2a=2Ws-C1s=C1s+2C2s+2C3s
(식 2) S2b=2Ws+C1s=3C1s+2C1s+2C3s
S2b에서 S2a를 뺌으로써, 이하의 식 3을 얻을 수 있다.
(식 3) S2b-S2a=2C1s
즉, 2화소의 신호 연산에 의해, 색 성분 C1의 강도에 상당하는 C1s 신호를 얻을 수 있다.
상기의 신호 연산을, 다른 단위 블록(40)에 대해 반복함으로써, 화소마다의 색 성분 C1의 강도 분포를 구할 수 있다. 환언하면, 상기 신호 연산에 의해서 색 성분 C1의 화상을 얻을 수 있다.
다른 색 성분 C2, C3에 대해서도 같은 구성에 의해서 대응하는 색 신호를 얻을 수 있다. 예컨대, 입사광을 C2 광과 그 보색의 파장 대역에 포함되는 광 C2~(=W-C2)으로 분리하는 분광 요소를 상기 분광 요소(1)가 배치된 행의 인접 행에 배치하고, 4 화소를 하나의 단위 블록이라고 하면, 같은 신호 연산에 의해서, C2 광의 강도를 나타내는 신호 C2s도 얻을 수 있다. 식 1, 2로부터, S2a와 S2b의 가산으로부터 4Ws를 얻을 수 있기 때문에, Ws-C1s-C2s의 연산을 행하면, C3 광의 강도를 나타내는 신호 C3s도 얻을 수 있다. 즉, 4 화소의 신호 연산에 의해서 3개의 색 신호를 얻을 수 있기 때문에, 컬러 화상을 생성할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서의 촬상 소자의 기본 구조는, 도 2a에 나타내는 예로 한정되는 것이 아니라, 다양한 형태로 실현 가능하다. 이하, 본 발명에 이용될 수 있는 촬상 소자의 기본 구조 중 몇 가지를 예시한다.
도 2b는 광 감지 셀 어레이에 대응하여 마이크로 렌즈 어레이가 배치된 예를 나타내고 있다. 이 예에서는, 광 감지 셀(2a)에 대향해서 제 1 면(7a) 측에 마이크로 렌즈(4)가 배치되고, 광 감지 셀(2b)에 대향해서 제 2 면(7b) 측에 마이크로 렌즈(5)가 배치되어 있다. 각 마이크로 렌즈(4, 5)는, 2화소분에 상당하는 영역에 입사하는 광을 한 화소에 집광하도록 형성되어 있다. 이 때문에, 분광 요소(1)에 입사하는 광의 양은, 도 2a의 구성을 채용한 경우의 2배에 상당하고, 분광되는 C1 광, C1~ 광의 양도 도 2a의 구성에 있어서의 C1 광, C1~ 광의 양의 2배에 상당한다. 마찬가지로, 광 감지 셀(2b)에, 제 2 면(7b) 측으로부터 입사하는 광의 양도 도 2b의 구성에 있어서의 광의 양의 2배에 상당한다.
이러한 구성에 의해, 광 감지 셀(2a, 2b)로부터 출력되는 광전 변환 신호 S2a, S2b는, 각각 이하의 식 4, 5로 나타낼 수 있다.
(식 4) S2a=2Ws-2C1s
(식 5) S2b=2Ws+2C1s
따라서, 이 예에 있어서도 2화소의 차분 연산에 의해, 색 성분 C1의 강도를 나타내는 신호 C1s를 얻을 수 있다.
이상의 예에서는, 분광 요소 어레이(100)는 광 감지 셀 어레이에 대해 제 1 면(7a) 측에만 배치되어 있지만, 제 2 면(7b) 측에 배치되어 있어도 되고, 양면측에 배치되어 있어도 된다.
도 2c는 분광 요소 어레이가 광 감지 셀 어레이의 양면 측에 배치된 예를 나타내고 있다. 도시한 바와 같이, 광 감지 셀 어레이에 대향해서 제 1 면(7a) 측에 제 1 분광 요소 어레이(100a)가 형성되고, 제 2 면(7b) 측에 제 2 분광 요소 어레이(100b)가 형성되어 있다. 이 예에서는, 제 1 분광 요소 어레이(100a)는 광 감지 셀(2a)에 대향하는 분광 요소(1)를 갖고, 제 2 분광 요소 어레이(100b)도 광 감지 셀(2a)에 대향하는 분광 요소(1)를 갖고 있다. 광 감지 셀(2a)의 양면 측에 배치된 분광 요소(1)는, 함께 C1 광을 광 감지 셀(2b)에 입사시키고, C1~ 광을 광 감지 셀(2a)에 입사시킨다. 그 결과, 광 감지 셀(2a)은, 2개의 분광 요소(1)로부터 입사하는 광 2C1~(=2W-2C1)을 받는다. 광 감지 셀(2b)은 2개의 분광 요소(1)로부터 입사하는 광(2C1)과, 분광 요소(1)를 경유하지 않고 양면 측으로부터 직접 입사하는 광(2W)을 받는다.
이상의 구성에 의해, 광 감지 셀(2a, 2b)로부터 출력되는 광전 변환 신호 S2a, S2b는, 도 2b에 나타내는 구성에 있어서의 신호와 마찬가지로, 각각 식 4, 식 5로 표시된다. 따라서, 도 2c의 구성을 채용한 경우에도, 상기 신호 연산에 의해서 색 정보를 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 촬상 소자(8)에 의하면, 광을 흡수하는 색 필터를 이용하는 일없이, 분광 요소를 이용해서 색 정보를 생성할 수 있기 때문에, 광 이용율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 촬상 소자(8)는, 양측으로부터 수광하기 때문에, 한쪽에서만 수광하는 종래의 촬상 소자에 비해서, 제조의 자유도가 향상된다. 구체적으로는, 분광 요소 어레이 등의 구조물을 한쪽면 측뿐만 아니라, 양면 측에 형성할 수 있기 때문에, 한쪽 면 측에 형성되는 분광 요소의 배치 밀도를 저감시키는 것이 가능해진다.
이하, 본 발명이 바람직한 실시예에 대해서, 도 3~ 6c를 참조하면서 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 모든 도면에 걸쳐서 공통된 요소에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
(실시예 1)
우선, 본 발명의 실시예 1을 설명한다. 도 3은, 본 발명의 실시예 1에 의한 촬상 장치의 전체 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시예의 촬상 장치는, 디지털식의 전자 카메라로서, 촬상부(300)와, 촬상부(300)로부터 송출되는 신호에 기초해서 화상을 나타내는 신호(화상 신호)를 생성하는 신호 처리부(400)를 구비하고 있다. 한편, 촬상 장치는 정지 화상만을 생성할 수도 있고, 동영상을 생성하는 기능을 구비하고 있어도 된다.
촬상부(300)는, 피사체를 결상하기 위한 광학계(20)와, 광전 변환에 의해서 광 정보를 전기 신호로 변환하는 고체 촬상 소자(8)(이미지 센서)와, 촬상 소자(8)를 구동하기 위한 기본 신호를 발생함과 아울러 촬상 소자(8)로부터의 출력 신호를 수신하여 신호 처리부(400)로 송출하는 신호 발생/수신부(21)를 구비하고 있다. 광학계(20)는, 광학 렌즈(12)와, 하프 미러(11)와, 2개의 반사 미러(10)와, 2개의 광학 필터(16)를 구비하고 있다. 광학 렌즈(12)는, 공지된 렌즈로서, 복수의 렌즈를 가진 렌즈 유닛일 수 있다. 광학 필터(16)는, 화소 배열이 원인이 되어 발생하는 무아레(moire) 패턴을 저감하기 위한 수정(水晶) 로우패스 필터에, 적외선을 제거하기 위한 적외 컷오프 필터를 합체시킨 것이다. 촬상 소자(8)는, 전형적으로는 CMOS 또는 CCD로, 공지된 반도체 제조 기술에 의해 제조된다. 촬상 소자(8)는, 도시하지 않은 구동 회로나 신호 처리 회로를 포함하는 처리부와 전기적으로 접속된다. 신호 발생/수신부(13) 및 소자 구동부(14)는, 예컨대 CCD 드라이버 등의 LSI로 구성되어 있다.
신호 처리부(400)는, 촬상부(300)로부터 송출되는 신호를 처리하여 화상 신호를 생성하는 화상 신호 생성부(25)와, 화상 신호의 생성 과정에서 발생하는 각종의 데이터를 저장하는 메모리(23)와, 생성한 화상 신호를 외부로 송출하는 화상 신호 출력부(27)를 구비하고 있다. 화상 신호 생성부(25)는, 공지된 디지털 신호 처리 프로세서(DSP) 등의 하드웨어와, 화상 신호 생성 처리를 포함하는 화상 처리를 실행하는 소프트웨어의 조합에 의해 적절하게 실현될 수 있다. 메모리(23)는 DRAM 등에 의해서 구성된다. 메모리(23)는, 촬상부(300)로부터 송출된 신호를 기록함과 아울러, 화상 신호 생성부(25)에 의해서 생성된 화상 데이터나, 압축된 화상 데이터를 일시적으로 기록한다. 이들의 화상 데이터는, 화상 신호 출력부(27)를 통해서 도시하지 않은 기록 매체나 표시부 등에 송출된다.
한편, 본 실시예의 촬상 장치는 전자 셔터, 뷰파인더, 전원(전지), 플래시 라이트 등의 공지된 구성 요소를 구비할 수 있지만, 이들의 설명은 본 발명의 이해에 특별히 필요하지 않기 때문에 생략한다. 또한, 이상의 구성은 어디까지나 일례 로, 본 발명에 있어서, 촬상 소자(8) 및 화상 신호 생성부(25)를 제외한 구성 요소에는, 공지된 요소를 적절하게 조합하여 이용할 수 있다.
이하, 본 실시예에 있어서의 광학계(20)의 구성을 설명한다.
도 4는, 본 실시예에 있어서의 광학계(20)의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 광학계(20)는 피사체로부터 입사하는 광을 집광하는 렌즈(12)와, 렌즈(12)를 투과한 광을 투과광과 반사광으로 분리하는 하프 미러(11)와, 하프 미러(11)에 의해서 분리된 2개의 광을 각각 반사하는 2개의 반사 미러(10)를 포함하고 있다. 한편, 광학계(20)는, 상기 광학 필터(16) 등의 다른 요소를 포함할 수 있지만, 도 4에서는 렌즈(12), 하프 미러(11), 반사 미러(10) 이외의 구성 요소의 기재는 생략하고 있다. 광학계(20)의 각 구성 요소는, 2개의 반사 미러(10)에 의해서 반사된 광이 각각 촬상 소자(8)에 양측에서 결상하도록 구성되어 있다. 여기서, 촬상 소자(8)는 반도체 층을 지지하는 투명 기판을 갖고 있고, 배선층이 마련된 면(표면) 및 배선층이 마련되어 있지 않은 면(이면) 양측으로부터 수광할 수 있다. 광학계(20) 및 촬상 소자(8)는, 투명 패키지(9)에 수납 유지되어 있다. 투명 패키지(9)는, 2개의 투명 용기를 접합함으로써 형성된다. 한편, 도 4에서는 간단하게 하기 위해서, 렌즈(12)는 단일 렌즈로 도시되어 있지만, 렌즈(12)는 일반적으로는 광축 방향으로 나열된 복수의 렌즈에 의해서 구성될 수 있다. 또한, 광학계(20)는 도 4에 나타낸 구성으로 한정되지 않고, 촬상 소자(8)에 양측으로부터 결상하는 것이면 어떻게 구성되어 있어도 된다.
다음으로, 본 실시예에 있어서의 촬상 소자(8)를 설명한다.
본 실시예에 있어서의 촬상 소자(8)는, 표면과 이면을 갖는 반도체층을 갖고 있다. 표면과 이면 사이에는 2차원 형상으로 배열된 복수의 광 감지 셀(화소)을 포함하는 광 감지 셀 어레이가 배치되어 있다. 2개의 반사 미러(10)에 의해서 반사된 광은, 표면 또는 이면을 통해서 광 감지 셀 어레이에 입사한다. 각 광 감지 셀은, 전형적으로는 포토다이오드이며, 광전 변환에 의해서 입사광량에 따른 광전 변환 신호(화소 신호)를 출력한다.
도 5a는, 본 실시예에 있어서의 화소 배열의 예를 나타내는 평면도이다. 광 감지 셀 어레이(200)는, 예컨대, 도 5a에 나타낸 바와 같이 촬상면 상에 정사각형 격자 형상으로 배열된 복수의 광 감지 셀(2)을 포함하고 있다. 광 감지 셀 어레이(200)는, 복수의 단위 블록(40)으로 구성되고, 각 단위 블록(40)은 4개의 광 감지 셀(2a, 2b, 2c, 2d)을 포함하고 있다. 한편, 광 감지 셀의 배열은, 이러한 정사각형 격자 형상의 배열이 아니라, 예컨대, 도 5b에 나타내는 비스듬한형의 배열이어도 되고, 다른 배열이어도 된다. 또한, 각 단위 블록에 포함되는 4개의 광 감지 셀(2a~2d)은, 도 5a, 5b에 나타낸 바와 같이, 서로 근접하고 있는 것이 바람직하지만, 이들이 이격되어 있어도, 후술하는 분광 요소 어레이를 적절하게 구성함으로써, 색 정보를 얻는 것이 가능하다. 또한, 각 단위 블록이 5개 이상의 광 감지 셀을 포함하고 있어도 된다.
본 실시예에서는, 광 감지 셀 어레이(200)에 대향해서, 표면측 및 이면측에 복수의 분광 요소를 포함하는 분광 요소 어레이가 각각 배치된다. 이하, 본 실시예에 있어서의 분광 요소를 설명한다.
본 실시예에 있어서의 분광 요소는, 굴절율이 다른 두 가지의 투광성 부재의 경계에서 생기는 광의 회절을 이용하여, 입사광을 파장 대역에 따라서 서로 다른 방향을 향하게 하는 광학 소자다. 이 타입의 분광 요소는, 굴절율이 상대적으로 높은 재료로 형성된 고굴절율 투명 부재(코어부)와, 굴절율이 상대적으로 낮은 재료로 형성되며 코어부 각각의 측면과 접하는 저굴절율 투명 부재(클래드부)를 갖고 있다. 코어부와 클래드부 사이의 굴절율차에 의해, 양자를 투과한 광의 사이에서 위상차가 생기기 때문에, 회절이 일어난다. 이 위상차는 광의 파장에 따라서 서로 다르기 때문에, 광을 파장 대역(색 성분)에 따라 공간적으로 분리하는 것이 가능해진다. 예컨대, 제 1 방향으로 제 1 색 성분의 광을 향하게 하고, 제 2 방향으로 제 1 색 성분 이외의 광을 향하게 하는 것이 가능하다. 또한, 제 1 방향 및 제 2 방향으로 제 1 색 성분의 광을 절반씩 향하게 하고, 제 3 방향으로 제 1 색 성분 이외의 광을 향하게 할 수도 있다. 또한, 3개의 방향으로 각각 다른 색 성분의 광을 향하게 하는 것도 가능하다. 코어부와 클래드부의 굴절율차에 의해서 분광이 가능하게 되기 때문에, 본 명세서에서는, 고굴절율 투명 부재의 것을 「분광 요소」라고 부르는 경우가 있다. 이러한 회절형 분광 요소의 상세한 것은, 예컨대 특허 제 4264465호 공보에 개시되어 있다.
이상과 같은 분광 요소를 갖는 분광 요소 어레이는, 공지된 반도체 제조 기술에 의해, 박막의 퇴적 및 패터닝을 실행함으로써 제조될 수 있다. 분광 요소의 재질(굴절율), 형상, 크기, 배열 패턴 등을 적절하게 설계함으로써 개개의 광 감지 셀에 원하는 파장 대역의 광을 분리?통합하여 입사시키는 것이 가능해진다. 그 결과, 각 광 감지 셀이 출력하는 광전 변환 신호의 그룹으로부터, 필요한 색 성분에 상당하는 신호를 산출할 수 있다.
이하, 도 6a~6c를 참조하면서 본 실시예에 있어서의 촬상 소자(10)의 기본 구조 및 분광 요소의 작용을 설명한다.
도 6a는 촬상 소자(10)의 기본 구조를 표면측에서 본 경우의 평면도이다. 본 실시예에 있어서는, 2행 2열의 화소 구성을 신호 처리의 기본 단위로 한다. 광 감지 셀(2a, 2d) 각각에 대향해서, 표면측에 분광 요소(1a, 1d)가 각각 배치되어 있다. 또한, 광 감지 셀(2b, 2c)에 대향해서, 이면측에는 분광 요소(1b, 1c)가 각각 배치되어 있다. 이러한 기본 구조를 갖는 복수의 패턴이 촬상 소자(8)의 촬상면에 반복 형성되어 있다. 한편, 이하의 설명에 있어서, 도면 중에 나타내는 xy 좌표를 이용함으로써, x축 방향을 「수평 방향」, y축 방향을 「수직 방향」이라고 부르기로 한다.
도 6b, 6c는, 각각 도 6a에서의 AA'선 단면 및 BB'선 단면을 나타내는 도면이다. 촬상 소자(8)는, 실리콘 등의 재료로 이루어지는 반도체층(7)과, 반도체층(7)의 내부에 배치된 광 감지 셀(2a~2d)과, 반도체층(7)의 표면측에 형성된 배선층(5) 및 저굴절율 투명 부재로 이루어지는 투명층(17)과, 투명층(17)의 내부에 배치된 고굴절율 투명 부재로 이루어지는 분광 요소(1a, 1d), 및 반도체층(7)의 내부에 배치된 분광 요소(1b, 1c)를 구비하고 있다. 여기서, 분광 요소(1a, 1d)는, 서로 동일한 특성을 갖고 있다. 또한, 분광 요소(1a, 1d) 각각으로 집광하는 마이크로 렌즈(4)가 투명층(17)을 사이에 두고 반도체층(7)의 표면측에 배치되어 있다. 마찬가지로, 분광 요소(1b, 1c) 각각으로 집광하는 마이크로 렌즈(3)가 반도체층(7)의 이면측에 배치되어 있다. 반도체층(7)의 표면측에는, 반도체층(7)이나 배선층(5) 등을 지지하는 투명 기판(6)이 형성되어 있다. 투명 기판(6)은 투명층(17)을 통해서 반도체층(7)과 접합되어 있다.
도 6b, 6c에 나타낸 구조는, 공지된 반도체 프로세스에 의해서 제작된다. 예컨대, 이하의 방법에 의해서 제작될 수 있다. 우선, 어느 정도의 두께를 가진 반도체 기판의 표면 내부에 광 감지 셀 어레이 및 분광 요소(1b, 1c)를 형성하고, 표면 상에 배선층(5), 분광 요소(1a, 1d), 마이크로 렌즈(4) 등의 구조물을 형성한다. 다음으로 반도체 기판과 투명 기판(6)을, 투명층(17)을 사이에 두고 접합한다. 그 후, 반도체 기판을, 예컨대 수 미크론 정도의 두께가 될 때까지 이면측으로부터 연마 또는 에칭을 행함으로써 얇게 해서, 반도체층(7)을 형성한다. 반도체층(7)의 형성 후, 이면측에 마이크로 렌즈(3) 등을 형성한다. 여기서, 이면측의 분광 요소(1b, 1c) 및 마이크로 렌즈(3)는, 양면으로부터 광이 입사했을 때 광 감지 셀 어레이에 형성되는 2개의 이미지가 겹치도록, 표면측의 구조물의 배치에 맞춰서 형성된다.
도 6b에 나타내는 분광 요소(1a, 1b)는, 투명층(17) 및 반도체층(7)보다 고굴절율인 투명 재료로 형성되며, 광이 출사되는 측의 선단에 단차를 갖는다. 투명층(17) 또는 반도체층(7)과의 굴절율차에 의해, 입사광을 0차, 1차, -1차 등의 회절광으로 나눈다. 이들 회절각이, 파장에 따라서 서로 다르기 때문에, 광을 색 성분에 따라 2 방향으로 나눌 수 있다. 분광 요소(1a)는, 바로 아래의 (대향하는) 광 감지 셀(2a)에 녹색광(G)을 입사시키고, 인접하는 광 감지 셀(2b)에 마젠타광의 파장 대역에 포함되는 광(R+B)을 입사시킨다. 분광 요소(1b)는, 바로 아래의 (대향하는) 광 감지 셀(2b)에 황색광의 파장 대역에 포함되는 광(R+G)을 입사시키고, 인접 광 감지 셀(2a)에 청색광(B)을 입사시킨다. 마이크로 렌즈(3, 4)는, 수평 방향 2화소분, 수직 방향 1화소분의 광을 집광함으로써, 이들은 서로 수평 방향으로 1화소 피치 어긋나게 배치되어 있다.
도 6c에 나타내는 분광 요소(1c, 1d)도 투명층(17) 및 반도체층(7)보다 고굴절율의 투명 재료로 형성되어, 광이 출사하는 측의 선단에 단차를 갖고 있다. 광 감지 셀(2d)에 대향해서 표면측에 배치된 분광 요소(1d)는, 분광 요소(1a)와 비교해서 1화소분 수평 방향으로 어긋나게 배치되어 있다. 광 감지 셀(2c)에 대향해서 이면측에 배치된 분광 요소(1c)는, 바로 아래의 (대향하는) 광 감지 셀(2c)에 시안광의 파장 대역에 포함되는 광(G+B)을 입사시키고, 인접 광 감지 셀(2d)에 적색광(R)을 입사시킨다. 분광 요소(1d)는, 분광 요소(1a)와 마찬가지로, 대향하는 광 감지 셀(2d)에 녹색광(G)을 입사시키고, 인접의 광 감지 셀(2c)에 마젠타광의 파장 대역에 포함되는 광(R+B)을 입사시킨다. 또한, 분광 요소(2c)의 배치에 대응해서, 이면측에 마이크로 렌즈(3)가 배치되고, 분광 요소(2d)의 배치에 대응해서, 표면측에 마이크로 렌즈(4)가 배치되어 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 있어서의 분광 요소는, 촬상 소자의 촬상면 중 한 쪽에 모두 배치되는 것이 아니라, 촬상 소자의 양면 측으로 나눠서 배치된다. 이러한 분산 배치로 색 분리함으로써 분광 요소의 배치 밀도를, 종래 기술을 채용한 경우의 약 1/2로 할 수 있다. 그 결과, 컬러 촬상 소자의 제작에 있어서의 패터닝 등의 성능 향상을 기대할 수 있다.
이상의 구성에 의해, 촬상 광학계(20)에 의해 2분된 광은, 촬상 소자(8)의 표면측과 이면측의 촬상면에 입사한다. 투명 기판(6)은 광을 통과시키기 때문에, 촬상 소자(8)에 있어서의 각 광 감지 셀(2a~2d)은, 표면측 및 이면측으로부터 입사한 광을 수광하게 된다. 촬상면 중 한쪽 측에 입사하는 광의 양은 하프 미러에 의해서 반감되지만, 마이크로 렌즈의 크기가 2화소분의 크기에 상당하기 때문에, 각 분광 요소(1a~1d)에는 하프 미러를 마련하지 않는 경우에 있어서의 1화소에 입사하는 광의 양에 상당하는 양의 광이 입사한다. 이하, 각 광 감지 셀의 수광량을 설명한다.
우선, 광 감지 셀(2a, 2b)이 받는 광에 대해서 설명한다. 촬상 소자(8)의 표면측으로부터 입사한 광은, 투명 기판(6), 마이크로 렌즈(4)를 거쳐서, 분광 요소(1a)에 의해서 녹색광(G)과 녹색광 이외의 (R+B)으로 분광되고, 이들은 각각 광 감지 셀(2a, 2b)에 입사한다. 한편, 촬상 소자(8)의 이면측으로부터 입사한 광은, 마이크로 렌즈(3)를 거쳐서, 분광 요소(1b)에 의해서 청색광(B)과 청색광 이외의 (R+G)으로 분광되고, 이들은 각각 광 감지 셀(2a, 2b)에 입사한다.
다음으로 광 감지 셀(2c, 2d)이 받는 광에 대해서 설명한다. 촬상 소자(8)의 표면측으로부터 입사한 광은, 투명 기판(6), 마이크로 렌즈(4)를 거쳐서, 분광 요소(1d)에 의해서 녹색광 이외의 (R+B)와 녹색광(G)으로 분광되고, 이들은 각각 광 감지 셀(2c, 2d)에 입사한다. 한편, 촬상 소자(8)의 이면측으로부터 입사한 광은, 마이크로 렌즈(3)를 거쳐서, 분광 요소(1c)에 의해서 적색광 이외의 (G+B)와 적색광(R)으로 분광되고, 이들은 각각 광 감지 셀(2c, 2d)에 입사한다.
이상의 구성에 의해, 광 감지 셀(2a~2d)로부터 출력되는 광전 변환 신호(S2a, S2b, S2c, S2d)는, 입사광(가시광), 적색광, 녹색광, 청색광의 강도에 상당하는 신호를 각각 Ws, Rs, Gs, Bs로서, 각각 이하의 식 6~9로 표현된다.
(식 6) S2a=Ws-Rs=Gs+Bs
(식 7) S2b=Ws+Rs=2Rs+Gs+Bs
(식 8) S2c=Ws+Bs=Rs+Gs+2Bs
(식 9) S2d=Ws-Bs=Rs+Gs
식 6~9에 기초한 가감산에 의해, 이하의 식 10~13을 얻을 수 있다.
(식 10) S2b-S2a=2Rs
(식 11) S2a+S2b=2Rs+2Gs+2Bs=2Ws
(식 12) S2c-S2d=2Bs
(식 13) S2c+S2d=2Rs+2Gs+2Bs=2Ws
화상 신호 생성부(25)(도 3)는, 식 6~9로 표현되는 광전 변환 신호를 이용해서 식 10~13로 표현되는 연산을 실행함으로써 색 정보를 생성한다. 이와 같이, 수평 방향(x 방향)의 광 감지 셀 사이의 신호 감산에 의해 R 신호 및 B 신호를 얻을 수 있고, 수평 방향의 광 감지 셀의 신호 가산에 의해 W 신호를 얻을 수 있다. 또한, W 신호로부터 R 신호 및 B 신호를 감산함으로써 G 신호를 얻을 수 있다. 이상의 신호 연산에 의해, RGB 신호로 이루어지는 컬러 신호를 얻을 수 있다.
화상 신호 생성부(15)는, 이상의 신호 연산을 광 감지 셀 어레이(200)의 단위 블록(40)마다 실행함으로써, R, G, B의 각 색 성분의 화상을 나타내는 신호(「컬러 화상 신호」이라고 한다)를 생성한다. 생성된 컬러 화상 신호는, 화상 신호 출력부(16)에 의해서 도시하지 않은 기록 매체나 표시부에 출력된다.
이상과 같이, 본 실시예의 촬상 장치에 의하면, 4개의 광 감지 셀로부터 출력되는 광전 변환 신호를 이용한 간단한 연산에 의해서 색 분리할 수 있다. 한편, 화소의 분해능에 관해서, 수직 방향(y 방향)에 대해서는 1화소에 1개의 단위로 마이크로 렌즈가 배치되어 있기 때문에, 해상도 열화는 문제가 되지 않는다. 그러나, 수평 방향(x 방향)에 대해서는 마이크로 렌즈가 2화소에 1개의 단위로 배치되어 있기 때문에, 해상도의 열화가 생각된다. 그러나 본 실시예에 있어서는, 마이크로 렌즈의 수평 방향의 배치가, 1행마다 1화소분씩 어긋난, 이른바 화소 어긋남 구성으로 되어 있기 때문에, 수평 방향에 대해서도, 1화소에 1개의 단위로 마이크로 렌즈를 배치한 경우와 같은 정도의 분해능을 확보할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예의 촬상 장치에 의하면, 광 흡수가 없는 분광 요소가 사용되기 때문에, 광 이용율이 높고, 고감도의 촬상이 가능해진다. 또한, 녹색광(G)과 녹색광 이외의 (R+B)으로 분광하는 분광 요소(1a), 및 청색광(B)과 청색광 이외의 (R+G)으로 분광하는 분광 요소(1b)의 조합이 사용된다. 마찬가지로, 적색광(R)과 적색광 이외의 (G+B)으로 분광하는 분광 요소(1c), 및 녹색광(G)과 녹색광 이외의 (R+B)으로 분광하는 분광 요소(1d)의 조합이 사용된다. 이러한 분광 요소의 조합에 의해, 고감도로 색 분리할 수 있고, 또한 해상도에서도 문제없는 화상을 취득할 수 있다. 또한, 수평 방향, 수직 방향 모두에서, 1화소 걸러서 분광 요소가 촬상 소자(8)의 표면측과 이면측에 분산되어 배치되어 있기 때문에, 1면당 분광 요소의 배치 밀도가 종래 기술에 의한 경우보다 감소한다. 그 결과, 촬상 소자(8)의 제작에 있어서의 분광 요소의 패터닝 특성을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
한편, 화상 신호 생성부(15)는, 반드시 3개의 색 성분의 화상 신호를 모두 생성하지 않아도 된다. 용도에 따라 1색 또는 2색의 화상 신호만을 생성하도록 구성되어 있어도 된다. 또한, 필요에 따라 신호의 증폭, 합성, 보정을 행해도 된다.
또한, 각 분광 요소는, 상술한 분광 성능을 엄밀하게 갖고 있는 것이 이상적이지만, 이들 분광 성능이 다소 어긋나 있어도 된다. 즉, 각 광 감지 셀로부터 출력되는 광전 변환 신호가, 식 6~9로 표현되는 신호로부터 다소 어긋나 있어도 된다. 각 분광 요소의 분광 성능이 이상적인 성능으로부터 어긋나 있어도, 어긋남의 정도에 따라 신호를 보정함으로써 양호한 색 정보를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예에 있어서의 화상 신호 생성부(15)가 행하는 신호 연산을, 촬상 장치 자신이 아닌 다른 기기에 실행시키는 것도 가능하다. 예컨대, 촬상 소자(8)로부터 출력되는 광전 변환 신호의 입력을 받은 외부의 기기에, 본 실시예에 있어서의 신호 연산 처리를 규정하는 프로그램을 실행시키는 것에 의해서도 색 정보를 생성할 수 있다.
또한, 광학계(20)에 있어서의 하프 미러(11)는, 광을 2등분하는 것으로 한정되지 않고, 투과율과 반사율이 달라도 된다. 이 경우, 투과광과 반사광의 강도의 비율에 따라 연산식을 적절하게 수정함으로써, 색 정보를 생성할 수 있다.
이상의 설명에 있어서, 분광 요소(1a~1d)는, 각각 광 감지 셀(2a~2d)에 대향하고 있는 것으로 했지만, 반드시 대향하고 있을 필요는 없다. 각 분광 요소는 2개의 광 감지 셀을 덮도록 배치되어 있어도 된다. 또한, 상기 설명에 있어서의 분광 요소(1a~1d)는, 회절을 이용해서 광을 색 성분을 따라 분리하지만, 다른 수단에 의해서 분광을 행해도 된다. 예컨대, 분광 요소(1a~1d)로서, 공지된 마이크로 프리즘이나, 다이클로익 미러 등을 이용해도 된다.
한편, 각 분광 요소에 의한 분광의 패턴은 상기 예로 한정하는 것이 아니다. 광을 원색의 파장 대역의 광(원색광)과 그 보색의 파장 대역의 광(보색광)으로 분광하는 복수의 분광 요소를 이용해서, 두 가지의 원색광 또는 두 가지의 보색광을 각 광 감지 셀이 수광할 수 있는 구성 및 구조라면, 상기와 같은 처리에 의해서 색 분리할 수 있다.
이하에, 본 실시예에 있어서의 색 분리 처리를 일반화한 경우의 색 분리 처리에 대해서 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 입사광(가시광) W는 3개의 원색광 Ci, Cj, Ck으로 분류되는 것으로 하고, 이들의 보색광을 각각 (Cj+Ck), (Ci+Ck), (Ci+Cj)으로 한다. 또한, 원색광(Ci, Cj, Ck)의 강도에 상당하는 신호를, 각각 Cis, Cjs, Cks로 한다.
이와 같이 일반화된 경우, 각 구성 요소는, 광 감지 셀(2a)이, 표면측으로부터 Cj 광을 받고 이면측으로부터 Ck 광을 받도록 구성되어 있으면 된다. 이 경우, 광 감지 셀(2b)은, 표면측으로부터 (Ci+Ck)광을 받고, 이면측으로부터 (Ci+Cj)광을 받는다. 또한, 광 감지 셀(2c)은, 표면측으로부터 (Ci+Ck)광을 받고, 이면측으로부터 (Cj+Ck)광을 받는다. 광 감지 셀(2d)은, 표면측으로부터 Cj 광을 받고, 이면측으로부터 Ci 광을 받는다.
이상의 구성에 의해, 각 광 감지 셀(2a~2d)의 신호(S2a~S2d)는, 각각 이하의 식 14~17로 표현된다.
(식 14) S2a=Cjs+Cks
(식 15) S2b=2Cis+Cjs+Cks
(식 16) S2c=Cis+Cjs+2Cks
(식 17) S2d=Cis+Cjs
식 14~17에 기초한 가감산에 의해, 이하의 식 18~21을 얻을 수 있다.
(식 18) S2b-S2a=2Cis
(식 19) S2a+S2b=2Cis+2Cjs+2Cks=2Ws
(식 20) S2c-S2d=2Cks
(식 21) S2c+S2d=2Cis+2Cjs+2Cks=2Ws
즉, 수평 방향의 광 감지 셀 사이의 신호 감산에 의해서 Ci 광, Ck 광의 강도를 나타내는 신호 Cis, Cks를 얻을 수 있고, 수평 방향의 광 감지 셀의 신호 가산에 의해서 W 광의 강도를 나타내는 신호 Ws(=Cis+Cjs+Cks)를 얻을 수 있다. 획득한 Ws에서 Cis 및 Cks를 감산함으로써 Cj 광의 강도를 나타내는 신호 Cjs를 얻을 수 있다. 결과적으로, 3색의 컬러 신호를 얻을 수 있다. 이상의 결과로부터, 두 가지의 원색광 및 두 가지의 보색광을 하나의 광 감지 셀이 수광할 수는 구성 및 구조라면, 본 실시예에 있어서의 신호 연산 처리와 같은 처리에 의해서 색 분리할 수 있다는 것을 알 수 있다.
(실시예 2)
다음으로 도 7a~7c를 참조하면서, 본 발명의 실시예 2를 설명한다. 본 실시예의 촬상 장치는, 실시예 1의 촬상 장치와 비교해서, 각 분광 요소의 특성이 다르고, 그 외의 구성 요소는 동일하다. 따라서, 이하의 설명에 있어서, 실시예 1의 촬상 장치와의 상위점을 중심으로 설명하고, 중복하는 점은 설명을 생략한다.
도 7a는, 본 실시예에 있어서의 촬상 소자(8)의 화소 구성을 표면측으로부터 본 도면이다. 본 실시예에 있어서도 2행 2열의 화소 구성을 신호 처리의 기본 단위로 한다. 광 감지 셀(2a, 2d)에 대향해서 표면측에 분광 요소(1e, 1f)가 각각 배치되어 있다. 또한, 광 감지 셀(2b, 2c)에 대향해서 이면측에 분광 요소(1g, 1h)가 각각 배치되어 있다. 여기서, 분광 요소(1e)와 분광 요소(1g)는 동일한 특성을 갖고 있다. 한편, 도 7a에서는, 분광 요소(1e~1h)의 기재는 생략되어 있다.
도 7b는, 도 7a에서의 CC'선 단면도이다. 분광 요소(1e, 1f)는, 투명층(17) 및 반도체층(7)보다 고굴절율의 투명 재료로 형성되고, 투명층(17) 또는 반도체층(7)과의 굴절율차에 의해서, 입사광을 0차, 1차, -1차 등의 회절광으로 분리한다. 이들 회절각이 파장에 따라서 서로 다르기 때문에, 광을 색 성분에 따라 3 방향으로 나눌 수 있다. 여기서, 분광 요소(1e)는, 광이 출사하는 측의 선단에 단차를 갖고 있다. 한편, 분광 요소(1f)는 선단에 단차가 없고, 직사각형 형상이다. 분광 요소(1e)는, 바로 아래의 (대향하는) 광 감지 셀(2a)에 녹색광(G)을 입사시키고, 인접하는 한쪽 광 감지 셀(2b)에 적색광(R)을 입사시키며, 인접하는 다른쪽 광 감지 셀에 청색광(B)을 입사시킨다. 여기서, 인접하는 다른쪽 광 감지 셀은, 인접하는 단위 블록 (제 1 인접 단위 블록)에 속해 있다. 분광 요소(1f)는 바로 아래의 (대향하는) 광 감지 셀(2b)에 황색광의 파장 대역에 포함되는 광(R+G)을 입사시키고, 광 감지 셀(2a) 및 인접하는 다른 단위 블록(제 2 인접 단위 블록)에 포함되는 광 감지 셀에 청색광(B)을 절반씩 입사시킨다. 한편, 분광 요소를 제외한 구성 요소에 대해서는, 실시예 1과 마찬가지며, 마이크로 렌즈(3, 4)의 배치 관계, 크기도 실시예 1과 마찬가지다.
도 7c는, 도 7a에서의 DD'선 단면도이다. 분광 요소(1g, 1h)도, 분광 요소(1e, 1f)와 마찬가지로, 투명하고, 고굴절율의 재료로 형성되며, 회절을 이용해서 광을 색 성분에 따라서 3 방향으로 분리한다. 광 감지 셀(2d)에 대향해서 표면측에 배치되어 있는 분광 요소(1g)는, 분광 요소(1e)와 동일한 특성을 갖고, 분광 요소(1e)에 대해서 1화소분 수평 방향으로 어긋나게 배치되어 있다. 분광 요소(1h)는, 광 감지 셀(2c)에 대향해서 이면측에 배치되어 있다. 분광 요소(1g)는, 대향하는 광 감지 셀(2d)에 녹색광(G)을 입사시키고, 광 감지 셀(2c)에 청색광(B)을 입사시키며, 제 2 인접 단위 블록에 포함되는 광 감지 셀에 적색광(R)을 입사시킨다. 분광 요소(1h)는 대향하는 광 감지 셀(2c)에 시안광의 파장 대역에 포함되는 광(G+B)을 입사시키고, 광 감지 셀(2d) 및 제 1 인접 단위 블록에 포함되는 광 감지 셀에 적색광(R)을 절반씩 입사시킨다. 또한, 분광 요소(1g, 1h)의 배치에 따라서, 마이크로 렌즈(3, 4)가 각각 대향해서 배치되어 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 있어서도, 분광 요소는 촬상 소자의 촬상면의 한 쪽에 모두 배치되는 것이 아니고, 촬상 소자의 양면 측에 나눠서 배치된다. 이러한 분산 배치로 색 분리함으로써 분광 요소의 배치 밀도를, 종래 기술을 채용한 경우의 약 1/2로 할 수 있다. 그 결과, 컬러 촬상 소자의 제작에 있어서의 패터닝 등의 성능 향상을 기대할 수 있다.
이상의 구성에 의해, 촬상 광학계(20)에 의해 2분된 광은, 실시예 1의 경우와 마찬가지로, 촬상 소자(8)의 표면측과 이면측의 촬상면에 입사한다. 촬상면의 한쪽 측에 입사하는 광의 양은 하프 미러에 의해서 반감되지만, 마이크로 렌즈의 크기가 2화소분의 크기에 상당하기 때문에, 각 분광 요소(1e~1h)에는, 하프 미러를 마련하지 않는 경우에 있어서의 1화소에 입사하는 광의 양에 상당하는 양의 광이 입사한다. 이하, 각 광 감지 셀의 수광량을 설명한다.
우선, 광 감지 셀(2a, 2b)이 받는 광에 대하여 설명한다. 광 감지 셀(2a)은, 표면측으로부터 분광 요소(1e)를 투과한 녹색광(G)을 받고, 이면측으로부터 2개의 분광 요소(1f)를 투과한 청색광(B/2+B/2)을 받는다. 여기서, 2개의 분광 요소(1f) 중 한쪽은, 제 1 인접 단위 블록에 속하는 하나의 광 감지 셀에 대향하고 있다. 한편, 광 감지 셀(2b)은, 표면측으로부터, 분광 요소(1e)를 투과한 적색광(R)과, 제 2 인접 단위 블록에 속하는 하나의 광 감지 셀에 대향하는 분광 요소를 투과한 청색광(B)을 받고, 이면측으로부터, 분광 요소(1f)를 투과한 적색광 및 녹색광(R+G)을 받는다.
다음으로, 광 감지 셀(2c, 2d)이 받는 광에 대해서 설명한다. 광 감지 셀(2c)은, 표면측으로부터, 분광 요소(1g)를 투과한 청색광(B)과, 제 1 인접 단위 블록에 속하는 하나의 광 감지 셀에 대향하는 분광 요소(1g)를 투과한 적색광(R)을 받고, 이면측으로부터, 분광 요소(1h)를 투과한 녹색광 및 청색광(G+B)를 받는다. 광 감지 셀(2d)은, 표면측으로부터, 분광 요소(1g)를 투과한 녹색광(G)을 받고, 이면측으로부터, 2개의 분광 요소(1h)를 투과한 적색광(B/2+B/2)을 받는다. 여기서, 2개의 분광 요소(1h) 중 한쪽은, 제 2 인접 단위 블록에 속하는 하나의 광 감지 셀에 대향하고 있다.
이상의 구성에 의해, 광 감지 셀(2a~2d)에 있어서의 발생 신호는, 실시예 1에 있어서의 발생 신호와 완전히 같아서, 각각 식 6~식 9로 표현된다. 그 결과, 실시예 1과 같이 4 화소가 간단한 신호 연산에 의해서 색 분리할 수 있다. 또한, 화소의 분해능에 관해서, 수직 방향에 대해서는 1화소에 1개의 단위로 마이크로 렌즈가 배치되어 있기 때문에, 해상도 열화는 문제가 되지 않는다. 또한, 수평 방향에 대해서는, 마이크로 렌즈가 2화소에 1개의 단위로 배치되어 있기 때문에, 해상도 열화가 생각된다. 그러나 본 실시예에 있어서도, 마이크로 렌즈의 수평 방향의 배치가 1행마다 1화소분씩 어긋난 소위 화소 어긋남 구성으로 되어 있기 때문에, 수평 방향에 대해서도, 1화소에 1개의 단위로 마이크로 렌즈를 배치한 경우와 같은 정도의 분해능을 확보할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예의 촬상 장치에 의하면, 광 흡수가 없는 분광 요소가 사용되기 때문에, 광 이용율이 높고, 고감도의 촬상이 가능해진다. 본 실시예에 있어서는, RGB의 3성분으로 분광하는 분광 요소(1e), 및 청색광(B)과 청색광 이외의 (R+G)로 분광하는 분광 요소(1f)의 조합이 사용된다. 마찬가지로, RGB로 분광하는 분광 요소(1h), 및 적색광(R)과 적색광 이외의 (G+B)로 분광하는 분광 요소(1g)의 조합이 사용된다. 이러한 분광 요소의 조합에 의해, 고감도로 색 분리할 수 있고, 또한 해상도로서도 문제없는 화상을 취득할 수 있다. 또한, 수평 방향, 수직 방향 모두에서 1화소 걸러서 분광 요소가 촬상 소자(8)의 표면측과 이면측으로 분산되어 배치되어 있기 때문에, 1면당 분광 요소의 배치 밀도가 종래 기술에 의한 경우보다 감소한다. 그 결과, 촬상 소자(8)의 제작에 있어서의 분광 요소의 패터닝 특성을 향상할 수 있다고 하는 효과가 있다.
이상의 설명에 있어서, 분광 요소(1e~1h)는, 각각 광 감지 셀(2a~2d)에 대향하고 있는 것으로 했지만, 반드시 대향하고 있을 필요는 없다. 각 분광 요소는 2개의 광 감지 셀을 덮도록 배치되어 있어도 된다. 또한, 상기 설명에 있어서의 분광 요소(1e~1h)는, 회절을 이용해서 광을 색 성분에 따라 분리하지만, 다른 수단에 의해서 분광을 행해도 된다. 예컨대, 분광 요소(1e~1h)로서, 공지된 마이크로 프리즘이나, 다이클로익 미러 등을 이용해도 된다.
한편, 본 실시예에 있어서도, 각 분광 요소에 의한 분광의 패턴은 상기한 것으로 한정하는 것이 아니다. 예컨대, 분광 요소(1f, 1h) 대신, 실시예 1에 있어서의 분광 요소(1b, 1c)를 각각 이용해도 되고, 분광 요소(1e, 1g) 대신, 실시예 1에 있어서의 분광 요소(1a, 1d)를 각각 이용해도 된다. 이와 같이, RGB로 분광하는 분광 요소, 및 원색과 보색으로 분광하는 분광 요소를 이용하면, 본 실시예와 완전히 같은 효과를 얻을 수 있다. 본 실시예에 있어서도, 각 광 감지 셀이 두 가지의 원색광 또는 두 가지의 보색광을 수광할 수 있는 구성 및 구조라면, 상기와 같은 처리에 의해서 색 분리할 수 있고, 실시예 1에 나타낸 일반화가 가능하다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명의 고체 촬상 소자 및 촬상 장치는, 고체 촬상 소자를 이용하는 모든 카메라에 유효하다. 예컨대, 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라 등의 민생용 카메라나, 산업용 고체 감시 카메라 등에 이용 가능하다.
1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h : 분광 요소
2, 2a, 2b, 2c, 2d : 촬상 소자의 광 감지 셀
3, 4 : 마이크로 렌즈 5 : 촬상 소자의 배선층
6 : 촬상 소자의 투명 기판 7 : 촬상 소자의 반도체층
8 : 촬상 소자 9 : 투명 패키지
10 : 반사 미러 11 : 하프 미러
12 : 렌즈
13 : 적색(R) 이외를 반사하는 다층막 색 필터
14 : 녹색(G)만을 반사하는 다층막 색 필터
15 : 청색(B)만을 반사하는 다층막 색 필터
16 : 광학 필터 17 : 투명층
20 : 광학계 21 : 신호 발생/수신부
23 : 메모리 25 : 화상 신호 생성부
27 : 화상 신호 출력부 40 : 단위 요소
100 : 분광 요소 어레이 200 : 광 감지 셀 어레이
300 : 촬상부 400 : 신호 처리부
2, 2a, 2b, 2c, 2d : 촬상 소자의 광 감지 셀
3, 4 : 마이크로 렌즈 5 : 촬상 소자의 배선층
6 : 촬상 소자의 투명 기판 7 : 촬상 소자의 반도체층
8 : 촬상 소자 9 : 투명 패키지
10 : 반사 미러 11 : 하프 미러
12 : 렌즈
13 : 적색(R) 이외를 반사하는 다층막 색 필터
14 : 녹색(G)만을 반사하는 다층막 색 필터
15 : 청색(B)만을 반사하는 다층막 색 필터
16 : 광학 필터 17 : 투명층
20 : 광학계 21 : 신호 발생/수신부
23 : 메모리 25 : 화상 신호 생성부
27 : 화상 신호 출력부 40 : 단위 요소
100 : 분광 요소 어레이 200 : 광 감지 셀 어레이
300 : 촬상부 400 : 신호 처리부
Claims (12)
- 고체 촬상 소자와,
상기 고체 촬상 소자의 촬상면에 이미지를 형성하는 광학계
를 구비하는 촬상 장치로서,
상기 고체 촬상 소자는,
제 1 면 및 상기 제 1 면의 반대측에 위치하는 제 2 면을 갖는 반도체층과,
상기 반도체층 중에 형성되며, 상기 제 1 면측 및 상기 제 2 면측으로부터 광을 받는 광 감지 셀 어레이로서, 각각이 제 1 광 감지 셀 및 제 2 광 감지 셀을 포함하는 복수의 단위 블록을 갖는 광 감지 셀 어레이와,
상기 광 감지 셀 어레이에 대향해서 상기 제 1 면측 및 상기 제 2 면측 중 적어도 한쪽 측에 형성된 분광 요소 어레이로서, 상기 제 1 광 감지 셀 및 상기 제 2 광 감지 셀에 서로 다른 파장 대역의 광을 입사시키는 분광 요소 어레이
를 갖고 있는 촬상 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광학계는, 광을 상기 제 1 면 및 상기 제 2 면에 각각 절반씩 입사시키는, 촬상 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 분광 요소 어레이는, 상기 광 감지 셀 어레이에 대향해서 상기 제 1 면측에 형성된 제 1 분광 요소 어레이와, 상기 광 감지 셀 어레이에 대향해서 상기 제 2 면측에 형성된 제 2 분광 요소 어레이를 갖고,
상기 제 1 분광 요소 어레이는, 상기 제 1 광 감지 셀에 제 1 파장 대역의 광을 입사시키고, 상기 제 2 광 감지 셀에 상기 제 1 파장 대역 이외의 광을 입사시키며,
상기 제 2 분광 요소 어레이는, 상기 제 1 광 감지 셀에 상기 제 1 파장 대역과는 다른 제 2 파장 대역의 광을 입사시키고, 상기 제 2 광 감지 셀에 상기 제 2 파장 대역 이외의 광을 입사시키는
촬상 장치.
- 제 3 항에 있어서,
입사광을 제 1 색 성분의 광, 제 2 색 성분의 광 및 제 3 색 성분의 광으로 분류할 때,
상기 제 1 분광 요소 어레이는, 상기 제 1 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 1 분광 요소로서, 상기 제 1 광 감지 셀에 상기 제 1 색 성분의 광을 입사시키고, 상기 제 2 광 감지 셀에 상기 제 2 및 제 3 색 성분의 광을 입사시키는 제 1 분광 요소를 갖고,
상기 제 2 분광 요소 어레이는, 상기 제 2 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 2 분광 요소로서, 상기 제 1 광 감지 셀에 상기 제 2 색 성분의 광을 입사시키고, 상기 제 2 광 감지 셀에 상기 제 1 및 제 3 색 성분의 광을 입사시키는 제 2 분광 요소를 갖고 있는
촬상 장치.
- 제 3 항에 있어서,
입사광을 제 1 색 성분의 광, 제 2 색 성분의 광 및 제 3 색 성분의 광으로 분류할 때,
상기 제 1 분광 요소 어레이는, 상기 제 1 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 1 분광 요소로서, 상기 제 1 광 감지 셀에 상기 제 1 색 성분의 광을 입사시키고, 상기 제 2 광 감지 셀에 상기 제 2 색 성분의 광을 입사시키며, 인접하는 제 1 인접 단위 블록에 포함되는 하나의 광 감지 셀에 상기 제 3 색 성분의 광을 입사시키는 제 1 분광 요소를 갖고,
상기 제 2 분광 요소 어레이는, 상기 제 2 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 2 분광 요소로서, 상기 제 1 광 감지 셀 및 인접하는 제 2 인접 단위 블록에 포함되는 하나의 광 감지 셀에 상기 제 3 색 성분의 광을 절반씩 입사시키고, 상기 제 2 광 감지 셀에 상기 제 1 및 제 2 색 성분의 광을 입사시키는 제 2 분광 요소를 가지며,
상기 제 1 광 감지 셀은, 상기 제 1 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 1 색 성분의 광과, 상기 제 2 분광 요소 및 상기 제 1 인접 단위 블록에 포함되는 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 3 색 성분의 광을 받고,
상기 제 2 광 감지 셀은, 상기 제 1 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 2 색 성분의 광과, 상기 제 2 인접 단위 블록에 포함되는 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 3 색 성분의 광과, 상기 제 2 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 1 및 제 2 색 성분의 광을 받는
촬상 장치.
- 제 4 항에 있어서,
각 단위 블록은, 제 3 광 감지 셀 및 제 4 광 감지 셀을 포함하며,
상기 제 1 분광 요소 어레이는, 상기 제 3 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 3 분광 요소로서, 상기 제 3 광 감지 셀에 상기 제 1 색 성분의 광을 입사시키고, 상기 제 4 광 감지 셀에 상기 제 2 및 제 3 색 성분의 광을 입사시키는 제 3 분광 요소를 갖고,
상기 제 2 분광 요소 어레이는, 상기 제 4 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 4 분광 요소로서, 상기 제 3 광 감지 셀에 상기 제 2 색 성분의 광을 입사시키고, 상기 제 4 광 감지 셀에 상기 제 1 및 제 3 색 성분의 광을 입사시키는 제 4 분광 요소를 갖고 있는
촬상 장치.
- 제 5 항에 있어서,
각 단위 블록은, 제 3 광 감지 셀 및 제 4 광 감지 셀을 포함하며,
상기 제 1 분광 요소 어레이는, 상기 제 3 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 3 분광 요소로서, 상기 제 3 광 감지 셀에 상기 제 1 색 성분의 광을 입사시키고, 상기 제 4 광 감지 셀에 상기 제 3 색 성분의 광을 입사시키며, 상기 제 2 인접 단위 블록에 포함되는 하나의 광 감지 셀에 상기 제 2 색 성분의 광을 입사시키는 제 3 분광 요소를 갖고,
상기 제 2 분광 요소 어레이는, 각 단위 블록에 포함되는 상기 제 4 광 감지 셀에 대응해서 배치된 제 4 분광 요소로서, 상기 제 3 광 감지 셀 및 상기 제 1 인접 단위 블록에 포함되는 하나의 광 감지 셀에 상기 제 2 색 성분의 광을 절반씩 입사시키고, 상기 제 4 광 감지 셀에 상기 제 1 및 제 3 색 성분의 광을 입사시키는 제 4 분광 요소를 가지며,
상기 제 3 광 감지 셀은, 상기 제 3 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 1 색 성분의 광과, 상기 제 4 분광 요소 및 상기 제 2 인접 단위 요소에 포함되는 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 2 색 성분의 광을 받고,
상기 제 4 광 감지 셀은, 상기 제 3 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 3 파장 대역의 광과, 상기 제 1 인접 단위 요소에 포함되는 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 2 파장 대역의 광과, 상기 제 4 분광 요소로부터 입사하는 상기 제 1 파장 대역 및 상기 제 3 파장 대역의 광을 받는
촬상 장치.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 광 감지 셀, 상기 제 2 광 감지 셀, 상기 제 3 광 감지 셀 및 상기 제 4 광 감지 셀은 행렬 형상으로 배치되고,
상기 제 1 광 감지 셀은 상기 제 2 광 감지 셀에 인접하며,
상기 제 3 광 감지 셀은 상기 제 4 광 감지 셀에 인접하고 있는
촬상 장치.
- 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 촬상 소자는,
상기 제 1 분광 요소 어레이에 대향해서 형성된 제 1 마이크로 렌즈 어레이로서, 각각이 상기 제 1 분광 요소 및 상기 제 3 분광 요소 각각으로 집광하는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하는 제 1 마이크로 렌즈 어레이와,
상기 제 2 분광 요소 어레이에 대향해서 형성된 제 2 마이크로 렌즈 어레이고, 각각이 상기 제 2 분광 요소 및 상기 제 4 분광 요소의 각각으로 집광하는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하는 제 2 마이크로 렌즈 어레이
를 갖고 있는
촬상 장치.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
신호 처리부를 더 구비하며,
상기 신호 처리부는 상기 제 1 광 감지 셀 및 상기 제 2 광 감지 셀로부터 각각 출력되는 광전 변환 신호에 기초해서, 하나의 색 신호를 생성하는,
촬상 장치.
- 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호 처리부는, 상기 제 1 광 감지 셀, 상기 제 2 광 감지 셀, 상기 제 3 광 감지 셀, 및 상기 제 4 광 감지 셀로부터 각각 출력되는 광전 변환 신호에 기초해서, 3개의 색 신호를 생성하는
촬상 장치.
- 제 1 면 및 상기 제 1 면의 반대측에 위치하는 제 2 면을 갖는 반도체층과,
상기 반도체층 중에 형성되며, 상기 제 1 면측 및 상기 제 2 면측으로부터 광을 받는 광 감지 셀 어레이로서, 각각이 제 1 광 감지 셀 및 제 2 광 감지 셀을 포함하는 복수의 단위 블록을 갖는 광 감지 셀 어레이와,
상기 광 감지 셀 어레이에 대향해서 상기 제 1 면측 및 상기 제 2 면측 중 적어도 한쪽 측에 형성된 분광 요소 어레이로서, 상기 제 1 광 감지 셀 및 상기 제 2 광 감지 셀에 서로 다른 파장 대역의 광을 입사시키는 분광 요소 어레이
를 갖고 있는 고체 촬상 소자.
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