JP2004193284A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】構造を複雑化・微細化することなく、入射光の利用効率を向上させる撮像素子を備えた撮像装置を実現することができるようにする。
【解決手段】マイクロレンズ２で集光された光線１１０のうち、ダイクロイック膜４ｇで所定の波長の光線を選択的に透過させるともに他の波長の光線を反射させる。そして、ダイクロイック膜４ｇで反射させた光線を第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面で反射させて、隣接する画素のダイクロイック膜４ｒに導入する。一方、ダイクロイック膜４ｇで透過させた光線を光電変換部３で電気信号に変換する。
【選択図】 図６
【解決手段】マイクロレンズ２で集光された光線１１０のうち、ダイクロイック膜４ｇで所定の波長の光線を選択的に透過させるともに他の波長の光線を反射させる。そして、ダイクロイック膜４ｇで反射させた光線を第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面で反射させて、隣接する画素のダイクロイック膜４ｒに導入する。一方、ダイクロイック膜４ｇで透過させた光線を光電変換部３で電気信号に変換する。
【選択図】 図６
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し、特に、入射光の利用効率を向上し得るものに用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来における一般的なカラー画像を形成する撮像素子の内部構造を図２９に示す。図２９は、撮像素子を構成する画素の中央断面図である。２は外部からの光線を集光し、光線の取り込み効率を向上させる役目を果たすマイクロレンズ、４１はマイクロレンズ２で集光した光線を波長分離するカラーフィルタ、３はカラーフィルタ４１を透過した光線を電気信号に変換する光電変換部である。ここでカラーフィルタ４１は、Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）のいずれかの原色フィルタで構成されている。図の４１Ｒは赤色カラーフィルタ、４１Ｇは緑色カラーフィルタを示している。また、このカラーフィルタ４１としては、Ｃ（シアン）Ｍ（マゼンダ）Ｙ（イエロー）の３色を用いた補色フィルタというものもある。
【０００３】
また、図３０に示す撮像素子６１には、図２９で示した画素がモザイク状に配設されており、各画素からの出力信号を処理して、画素数に相当する輝度情報と色情報とを生成する撮像技術が広く用いられている。ここで、撮像素子６１におけるカラーフィルタ配列は、図示するようなベイヤー配列と呼ばれる構成を採るものが多い。図３０に示す６１ｍｎｇは第１の緑色の画素、６１ｍｎｂは青色の画素、６１ｍｎｒは赤色の画素、６１ｍｎｇ２は第２の緑色の画素をそれぞれ示している。また、ｍは横方向の画素の配列番号を示し、ｎは縦方向の画素の配列番号を示している。これらの画素を図示するように規則正しく配置することにより、１つの撮像素子６１を構成する。
【０００４】
図３０に示した画素配列では、緑色の画素は青色及び赤色の画素に比べて２倍の画素数を持つことになる。基本的には３色が同数ずつあればカラーの画像を生成することが可能であるが、比較的視感度の高い緑色の画素を増やすことで画質を向上させることができる。
【０００５】
また、別のカラー画像を得る方法としては、図３１に示すような色分解用のビームスプリッターを用いたものが提案されている。これは３個のプリズム３０２，３０３，３０４と、ダイクロイック膜３０５ａ，３０５ｂを用いて物体像を予め３色に分離し、各色に対応した単色用撮像素子３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃを使用して像を捉えようとするものであり、３板式と呼ばれている。ダイクロイック膜３０５ａは、緑色光を反射して、それ以外の光を透過する特性を持っており、緑色用撮像素子３０１ａに対して緑色の物体像を分離する。また、ダイクロイック膜３０５ｂは、青色光を反射して、それ以外の光を透過するという特性を持っており、ダイクロイック膜３０５ａを透過した光線（青色光＋赤色光）のうち青色光を青色用撮像素子３０１ｃに分離し、透過した赤色光を赤色用撮像素子３０１ｂへと導く。
【０００６】
【特許文献１】
特開平０８−１８２００６号公報
【特許文献２】
特開２０００−０６６１４１号公報
【特許文献３】
特開２００１−０７８２１３号公報
【特許文献４】
特公平０１−０１４７４９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例には以下のような問題点が存在する。
光線の利用効率に関して考えると、例えば、色再現性が良いとされる原色フィルタ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４１がマイクロレンズ２と光電変換部３との間に１つずつ配置される構造となるが、赤色の光学フィルタを配した画素では赤色光のみが光電変換されて、青色光や緑色光は当該光学フィルタで吸収されて熱となってしまう。同様に、緑色の光学フィルタを配した画素では青色光と赤色光が光電変換されずに当該光学フィルタで吸収されて熱となってしまい、また、青色の光学フィルタ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当該光学フィルタで吸収されて熱となってしまう。
【０００８】
すなわち、従来のカラー撮像素子の各画素では、入射した光束のうち所定の光学フィルタを透過した光のみが光電変換されて電気信号として出力されるため、その光学フィルタを透過できなかった光は熱などとして捨てられてしまい、入射した光線を有効に利用することができないという問題点がある。
【０００９】
図３２は、撮像素子６１におけるＲＧＢカラーフィルタ４１の分光透過率を示す特性図である。ここで、赤外線の透過率が高いのため、実際には撮像素子６１と撮影レンズとの間にさらに６５０ｎｍ以上の波長を遮断する赤外線カットフィルタを重ねて用いる。この特性図から分かるように、撮像素子６１の１画素においては可視光のうち、およそ１／３だけしか有効に利用されていない。
【００１０】
さらに詳しくＲＧＢの色別に利用効率を考えると、例えば、図３０に示すベイヤー配列におけるカラー撮像素子の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としたとき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となり、また、赤色光と青色光は１／３×１／４＝１／１２となる。これらを合計すれば１／６＋１／１２＋１／１２＝１／３となって、やはり利用効率は１／３ということになる。逆に、全体の光量を１としたときに、緑色光では２／３×２／４＝１／３、赤色光や青色光では２／３×１／４＝１／６が有効に利用されないことになる。
【００１１】
以上は、原色系のカラーフィルタを用いた撮像素子について説明を行ったが、補色フィルタ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とになる。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、撮像面をカラーフィルタで分割構成していることに起因して入射光の利用効率を向上させることができない。
【００１２】
これに対して、特開平０８−１８２００６号公報では、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。具体的には、空間画素ごとにプリズムを配置して、その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、画素ピッチの小さな撮像素子を作製することは、色画素を極めて微細に作製する必要があるために限界がある。
【００１３】
一般に、良好な画像特性を得るための撮像方法としては、物体像を光学装置によって形成する第１のプロセスと、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のプロセスと、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のプロセスと、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のプロセスとを経る。このとき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、標本化定理に従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。
【００１４】
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、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ＭＴＦ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。ただし、第４のプロセスであるデジタルフィルタ処理は、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。
【００１５】
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のプロセスにおけるＭＴＦ、第２のプロセスにおけるＭＴＦおよび第３のプロセスにおける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。
【００１６】
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。
【００１７】
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＝ｄ／２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。
【００１８】
第２のプロセスにおいては、通常、光学ローパスフィルタが用いられる。光学ローパスフィルタ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。
【００１９】
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によるＭＴＦは、以下の式（１）で表される。ここで、Ｒ２（ｕ）はレスポンス、ｕは光学像の空間周波数、ωは物体像分離幅である。
【００２０】
【数１】
【００２１】
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できる。
【００２２】
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るため、構造が複雑化してしまい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必要となるため、やはり高価になってしまう。
【００２３】
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位置のシフトがあって、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という、いわゆるレジストレーションずれが生じてしまう。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。
【００２４】
さらには、特公平０１−０１４７４９号公報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なされている。しかし、画素の形状が複雑になるという問題や、極めて微細な構造が必要であるという問題、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、入射した光線の利用効率向上の効果が出にくいといった問題点がある。
【００２５】
本発明は前述の問題点にかんがみてなされたもので、構造を複雑化・微細化することなく、入射光の利用効率を向上させた撮像素子を備えた撮像装置を実現することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、画素がマトリクス状に配設された撮像素子を備える撮像装置であって、前記画素は、外部から入射した光線を集光する集光手段と、前記集光手段で集光された光線のうち、所定の波長の光線を選択的に透過するとともに他の波長の光線を反射する波長選択手段と、前記波長選択手段で反射させた光線を隣接する画素に対応する前期波長選択手段に導入する反射光線導入手段と、前記波長選択手段で透過させた光線を電気信号に変換する光電変換手段とを有することを特徴とするものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら本発明の撮像装置の実施形態について説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における撮像装置を図１〜図２２を用いて説明する。図１は、第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略断面図である。１はシリコン基板、２は外部からの光線を集光するマイクロレンズ、３は受光した光子を電荷へ変換する光電変換部、４（４ｒ，４ｇ）は光線を波長分離する波長選択部であるダイクロイック膜、５はマイクロレンズ２と接する第１の屈折率層、６は第１の屈折率層５よりも高屈折率を有する第２の屈折率層、７はダイクロイック膜４（４ｒ，４ｇ）と光電変換部３との間に、それぞれに接して設けられた高屈折率部、８は高屈折率部７の周囲に設けられた低屈折率部、１０は光電変換部３の電荷を制御するゲートの役割を果たすＰｏｌｙ配線層、１１〜１３はアルミニウムなどの金属でできた配線層であり、１１は各部間の結線および出力線の役割を果たすＡＬ１配線層、１２はウェル電源線および制御線の役割を果たすＡＬ２配線層、１３は遮光および電源線の役割を果たすＡＬ３配線層である。
【００２９】
また、図２は、撮像素子を斜め上面から見た斜視図である。図２には、多数個存在する撮像素子のうち９個のみを取り出して図式化したものを示している。さらに、図３は、図２の中央部でマイクロレンズ２およびダイクロイック膜４からＡＬ３配線層１３までの構造を切断した断面図である。
【００３０】
図１において、マイクロレンズ２は、上に凸の球面形状であり正のレンズパワーを有する。従って、マイクロレンズ２は、当該マイクロレンズ２上に到達した光線を光電変換部３に対して集光する働きをする。これにより、より多くの光線を光電変換部３に取り込むことができるため、撮像素子の感度を向上させることが可能となる。
【００３１】
第１の屈折率層５は低屈折率の材料で形成されており、例えば屈折率１．３８のフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）などを用いることができる。また、第１の屈折率層５とダイクロイック膜４に挟まれた第２の屈折率層６は高屈折率の材料で形成されており、例えば屈折率２．５の二酸化チタン（ＴｉＯ２）などを用いることができる。このようのに構成することにより、第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面で第２の屈折率層６から第１の屈折率層５へと進む光線を全反射しやすくすることができるようになる。
【００３２】
また、高屈折率部７は二酸化チタンのような高屈折率の材料で形成され、低屈折率部８は屈折率１．４６の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）やフッ化マグネシウムといった低屈折率の材料を用いて成形する。このように構成することにより、高屈折率部７に入射した光線を低屈折率部８との界面で全反射しやすくすることができ、ダイクロイック膜４から光電変換部３に至るまでの導光路の役割を果たすことができる。
【００３３】
一般的にダイクロイック膜４とは、注目する波長λの１／４の整数倍の膜厚からなり、高屈折率の物質と低屈折率の物質を交互に積層することによって形成されたものである。このような構成されたダイクロイック膜４により、透過光線の波長を選択することができるようになる。ここで、撮像素子のダイクロイック膜４の構成例を図４に示す。本実施形態におけるダイクロイック膜４は、高屈折率の材料として二酸化チタン、低屈折率の材料として二酸化ケイ素を用いて図４に示すような膜厚及び層数で構成した。
【００３４】
また、ダイクロイック膜４の透過特性を図５に示す。図５の特性図を見て分かるように、ダイクロイック膜４は、図３２に示す従来の色素を用いたカラーフィルタの特性図に近い特性を有する。従って、本構成のダイクロイック膜４を用いたものであっても従来の撮像素子に近い特性とすることができる。これらの積層膜はＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いることによって容易に作製することができる。
【００３５】
続いて、マイクロレンズ２で集光された光線の挙動について図６，図７を用いて説明する。図６には、緑色光を受光する画素１００ｇに入射してダイクロイック膜４ｇによって反射された光線、すなわち青色光と赤色光を含む光線のみの挙動を示している。
【００３６】
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からの光線は、赤外線カットフィルタを通過して物体光１１０のような光束となる。この物体光１１０は、マイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。そして、第１の屈折率層５，第２の屈折率層６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。ここで、ダイクロイック膜４ｇの特性により、緑色以外の光線は反射作用を受け、第１の屈折率層５の方向へ進行することになるが、ダイクロイック膜４ｇは四角錐の形状をして形成されているために、反射した光線はその中心から外側に方向を変えて進行する。
【００３７】
前述の通り、第２の屈折率層６は第１の屈折率層５よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線はその界面で全反射作用を受けることになる。界面で全反射した光線は、隣接画素である赤色光を受光する画素１００ｒおよび１０１ｒのダイクロイック膜４ｒの方向に向かって進行する。ここで、第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面も四角錐の形状をしている。この界面による反射光線は、光軸に対して平行に近い角度で進行するようになる。
【００３８】
画素１００ｒ，１０１ｒのダイクロイック膜４ｒは、赤色光を透過して緑色光と青色光を反射する特性を有する。従って、画素１００ｇから反射してきた光線のうち赤色光のみが透過し、青色光はダイクロイック膜４ｒによってさらに反射作用を受ける。図６には、反射作用を受ける青色光は図示していない。また、赤色光の反射光線を透過するダイクロイック膜４ｒは膜厚分だけ透過できる面積が小さくなっているが、マイクロレンズ２の集光作用によりダイクロイック膜４ｇに入射する光線の面積（反射光の面積）はマイクロレンズ２の開口面積に比べて小さくなっている。従って、この反射光線はダイクロイック膜４ｒでのケラレを小さくすることができる。
【００３９】
ダイクロイック膜４ｒを透過した光線は、高屈折率部７から低屈折率部８へ進行しようとするが、これも前述の通り、高屈折率部７は低屈折率部８よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線はその界面で全反射をする。高屈折率部７と低屈折率部８の界面は、入射部が広がったテーパ形状をしているために入射光線を取り込む間口が広くなって高屈折率部７に多くの光線を取り込むことができるようになっている。
【００４０】
仮に、高屈折率部７の入射部がテーパ形状をしていないとすると、反射光線のうち図の下側に位置する光線が低屈折率部８から高屈折率部７へと進行する。そうすると、高屈折率部７は低屈折率部８よりも高屈折率であるために、光線が上方向に曲げられることになる。従って、このようなルートを辿る光線は光電変換部３には導かれず損失となってしまうため、高屈折率部７の入射部をテーパ形状として、低屈折率部８から高屈折率部７へ進行する光線をなくして隣接画素からの反射光を十分取り込めるようにしたのである。
【００４１】
また、前述の通り第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面が四角錐の形状をしていて、その界面における反射光線が光軸に対して平行に近い角度で進行するようになっているため、テーパ面７１で全反射できずに透過してしまう光線を少なくすることができる。そして、光電変換部３近傍における高屈折率部７と低屈折率部８との界面が光軸方向に略平行となるように形成されているため、一度目の全反射によって光電変換部３に入射できなかった光線を再び反対側の界面で全反射して最終的にはすべて光電変換部３へと入射させることができる。
【００４２】
画素１００ｇにおいて紙面に垂直な方向には青色光を受光する画素が存在している。この青色光の場合も赤色の場合と同様に、画素１００ｇで反射された光線のうち青色光のみを取り込む挙動を示す。
【００４３】
続いて、図７は、ダイクロイック膜４において透過作用を受ける光線、すなわち緑色光の光線の挙動を示している。
本図上方からの光線は、マイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。そして、第１の屈折率層５，第２の屈折率層６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。ここで、ダイクロイック膜４ｇでは、所定の波長の光線のみを選択的に透過し、ダイクロイック膜４ｇを透過した光線は、高屈折率部７へ進行して、さらに高屈折率部７と低屈折率部８との界面で全反射を繰り返す作用を受けることによって、光電変換部３へと導かれる。
【００４４】
また、高屈折率部７と低屈折率部８との界面は、入射部が広がったテーパ形状をしている。このテーパ形状の角度がきつすぎるとテーパ面７１で全反射しない場合があり、仮に全反射したとしても今度は反対側の面で全反射せずに透過してしまう。本実施形態の場合では、画素の中心軸より２５°程度までの角度であればテーパ面７１でも全反射して光電変換部３へ導くことができる。以上のことからテーパ面７１を適当な角度に設定することによって広範囲な光線を取り込むことが可能となる。
【００４５】
続いて、ダイクロイック膜４の透過・反射を用いて入射した光線を取り込む際の効率について考えていく。例えば、色再現性が良いとされる原色フィルタ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）の光学フィルタがマイクロレンズ２と光電変換領域３の間に一つずつ配置される。
【００４６】
このとき、赤色の光学フィルタを配した画素では赤色光のみが光電変換され、青色光や緑色光は当該光学フィルタで吸収されて熱となる。同様に、緑色の光学フィルタを配した画素では青色光と赤色光が光電変換されずに当該光学フィルタで吸収されて熱となり、また、青色の光学フィルタ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当該光学フィルタで吸収されて熱となる。
【００４７】
すなわち、従来のカラー撮像素子の各画素では、入射した光束のうち所定の光学フィルタを透過した光のみが光電変換されて電気信号として出力されるため、その光学フィルタを透過できなかった光は熱などとして捨てられてしまう。
【００４８】
前述したように、図３２は、撮像素子におけるＲＧＢのカラーフィルタの分光透過率を示す特性図である。ここで、赤外線の透過率が高いため、実際には撮像素子と撮影レンズとの間にさらに６５０ｎｍ以上の波長を遮断する赤外線カットフィルタを重ねて用いる。この特性図から分かるように、撮像素子の１画素においては可視光のうち、およそ１／３だけしか有効に利用されていない。
【００４９】
さらに詳しくＲＧＢの色別に利用効率を考えると、例えば、図３０に示すベイヤー配列におけるカラー撮像素子の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としたとき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となり、また、赤色光と青色光は１／３×１／４＝１／１２となる。これらを合計すれば１／６＋１／１２＋１／１２＝１／３となって、やはり利用効率は１／３ということになる。逆に、全体の光量を１としたときに、緑色光では２／３×２／４＝１／３、赤色光や青色光では２／３×１／４＝１／６が有効に利用されないことになる。
【００５０】
以上は、原色系のカラーフィルタを用いた撮像素子について説明を行ったが、補色フィルタ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とになる。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、撮像面をカラーフィルタで分割構成していることに起因して光利用効率を向上させることができない。
【００５１】
図８は、ダイクロイック膜４の各色の透過特性を単純化したものである。また、本図で示した透過特性図の裏返しが反射特性ということになる。また、計算の簡略化のために透過しない光線はすべて反射するものとし、反射した光線はすべて隣接画素に平等に到達するものとして考える。さらに、画素配列は、図９に示すようなベイヤー配列をしているものとする。
【００５２】
図８において、緑色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が青色の画素内のダイクロイック膜を透過して青色の光電変換部に取り込まれる場合を考えると、前述の通り、緑色の透過特性の裏返しが反射特性になるため、この曲線と青色の透過特性との積が求めるものとなる。この特性を表したものを図１０に示す。残りの色に関しても同様に考えると、緑色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が赤色の画素内のダイクロイック膜を透過して赤色の光電変換部に取り込まれる場合の特性図を図１１に示し、また、赤色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が緑色の画素内のダイクロイック膜を透過して緑色の光電変換部に取り込まれる場合の特性図を図１２に示し、さらに、青色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が緑色の画素内のダイクロイック膜を透過して緑色の光電変換部に取り込まれる場合の特性図を図１３に示す。
【００５３】
緑色の画素内に隣接画素から反射してくる光線について考えると、画素配列はベイヤー配列であることから隣接画素は赤と青が２個ずつである。このことから緑色の画素が隣接画素から受け取る光線は｛（青色の反射）×１／４×２＋（赤色の反射）×１／４×２｝となる。もともと緑色の画素が受け取る光線量は、透過率曲線の積分量であるため、この積分量を１とすると、図１２の大きさ（赤色画素から反射するもの）は０．７４、図１３の大きさ（青色画素から反射するもの）は０．８５となる。従って、反射光の合計は０．８０となるため、透過する光線だけを取り込む場合に対して１．８０倍となることが分かる。
【００５４】
続いて、青色の画素内に隣接画素から反射してくる光線について考えると、隣接画素は緑色の画素が４個である。青色の画素における透過率曲線の積分量を１とすると、図１０の積分量は０．８４となる。また、隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／４×４｝であるから合計は０．８４となり、もともとの透過量に対して１．８４倍となることが分かる。
【００５５】
最後に、赤色の画素内に隣接画素から反射してくる光線について考えると、隣接画素は青色の画素と同じく緑色が４個である。赤色の画素における透過率曲線の積分量を１とすると、図１１の積分量は０．６７となる。また、隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／４×４｝であるから合計は０．６７となり、もともとの透過量に対して１．６７倍となることが分かる。
【００５６】
以上のようにベイヤー配列のような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本実施形態を用いて不要な波長成分を隣接する画素に分割・反射させることで、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させることが可能である。
【００５７】
次に、本実施形態による作用の１つとしてのローパスフィルタ効果について説明する。
一般に、良好な画像特性を得るための撮像方法としては、物体像を光学装置によって形成する第１のプロセスと、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のプロセスと、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のプロセスと、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のプロセスとを経る。このとき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、標本化定理に従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。
【００５８】
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、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ＭＴＦ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。ただし、第４のプロセスであるデジタルフィルタ処理は、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。
【００５９】
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のプロセスにおけるＭＴＦ、第２のプロセスにおけるＭＴＦおよび第３のプロセスにおける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。
【００６０】
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。
【００６１】
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＝ｄ／２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。
【００６２】
第２のプロセスにおいては、通常、光学ローパスフィルタが用いられる。光学ローパスフィルタには水晶等の複屈折特性を有する物質を利用する。また、位相型の回折格子を利用しても良い。
【００６３】
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によるＭＴＦは、以下の式（２）で表される。ここで、Ｒ２（ｕ）はレスポンス、ｕは光学像の空間周波数、ωは物体像分離幅である。
【００６４】
【数２】
【００６５】
複屈折板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できる。
【００６６】
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。
【００６７】
本発明の実施形態における撮像素子では、実質的な受光開口が各画素よりも大きくなる。ＲＧＢの色毎に図９に示したベイヤー配列における従来の撮像素子と比較すると、まず、従来の緑色光を受光する画素（Ｇ画素）の開口はマイクロレンズ２の大きさであったが、本実施形態における撮像素子では図１４に示すように９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄの部分を隣接画素からの反射光線を受け取ることができることから、本来の画素開口９１よりも大きくなる。これにより、隣接する画素からの緑色光の入射を含めた実質的な受光開口は図１５に示すようなものとなる。青色光を受光する画素（Ｂ画素），赤色光を受光する画素（Ｒ画素）についても隣接画素からの各色光の入射により、実効的な受光開口は同様の形状となる。従って、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分かる。
【００６８】
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。図１６〜図２２までは、これらを説明するための特性図である。
【００６９】
まず、図１６は、本実施形態における撮像素子の画素１１０ｇについての水平方向の空間周波数成分に対するＭＴＦの特性図である。また、図１７は、通常型の矩形開口を有する画素のＭＴＦの特性図である。いずれも１画素の大きさを□３μｍとし、マイクロレンズ２は１画素分の大きさを有していることとした。さらに、本実施形態の画素は、隣接画素の中央部にまで伸びた開口を有している。
【００７０】
図９に示した矩形開口画素のレスポンスについては、以下に示す式（３）のような簡単なＳＩＮＣ関数で表すことができる。ここで、Ｒ３（ｕ）はレスポンス、ｄは撮像素子の受光開口の幅である。
【００７１】
【数３】
【００７２】
式（３）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＝ｄ／２における式（３）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１８に示したＭＴＦ特性の光学ローパスフィルタを併せて使用する必要がある。ここでは、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に、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してある。
【００７３】
これに対して、本実施形態における画素１００ｇは図１５に示したような菱形状の開口に起因して、高周波側までレスポンスが伸びる。これは式（３）でＭＴＦ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。短冊状の矩形開口全体を積分した結果は図１６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１００ｇ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。
【００７４】
次に、図１９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、以下の式（４）で表される。ここで、ｕは光学像の空間周波数、Ｆは光学系のＦナンバー、λは光学像の波長である。
【００７５】
【数４】
【００７６】
この結像レンズのカットオフ周波数は４５５本／ｍｍである。
さて、これにより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を知る上での材料が揃ったことになる。
【００７７】
図２０は、画素１００ｇを用いたときの結像レンズと撮像素子の画素における総合ＭＴＦの特性図である。一方、図２１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と撮像素子の画素における総合ＭＴＦの特性図である。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。また、従来の画素において、光学ローパスフィルタを用いないと、図２２に示す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１００ｇを用いれば、光学ローパスフィルタを省略できることが分かる。
【００７８】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態における撮像装置を図２３〜図２５を用いて説明する。
図２３は、第２の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略断面図である。なお、第１の実施形態の撮像素子と同一の機能を果たすものには、同一番号を付することとする。第１の実施形態における撮像素子のダイクロイック膜４（４ｔ，４ｇ）が四角錐の形状で形成されているのに対して、本実施形態の撮像素子は、ダイクロイック膜４（４ｔ，４ｇ）が平面で形成されている点で異なる。また、本実施形態の撮像素子内の光線は、図２４および図２５に示すような挙動になる。
【００７９】
図２４は、図６の場合と同様に、緑色光を受光する画素２００ｇに入射してダイクロイック膜４ｇによって反射された光線、すなわち青色光と赤色光を含む光線のみの挙動を示している。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から出た光線は、赤外線カットフィルタを通過して物体光１２０のような光束となる。
【００８０】
本図の上方からの物体光１２０は、マイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。そして、第１の屈折率層５，第２の屈折率層６と順に入射されて、ダイクロイック膜４ｇへと到達する。ここで、緑色以外の光線は、ダイクロイック膜４ｇの特性により反射作用を受けて、ダイクロイック膜４ｇが第１の実施形態とは異ななる平面で形成されているため、反射光線はほぼ入射方向に向かって進行することになる。そして、第２の屈折率層６と第１の屈折率層５との界面５１ｇにおいて、臨界角以上の光線は全反射作用を受ける。この界面は、四角錐の形状となっているため、反射光線は光軸に対してほぼ垂直な方向へと進行する。そして、隣接画素２００ｒ，２０１ｒの第２の屈折率層６と第１の屈折率層５との界面５０ｒおよび５１ｒでは、もう一度、全反射作用を受ける。
【００８１】
このようにして、反射により下方向に向いた光線は、赤色光を受光する画素２００ｒおよび２０１ｒに向かって進行する。さらに、ダイクロイック膜４ｒを透過した光線は、高屈折率部７へ進行する。続いて、高屈折率部７から低屈折率部８へ進行しようとするが、前述したように、高屈折率部７は低屈折率部８よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線は界面で全反射をする。
【００８２】
また、高屈折率部７と低屈折率部８との界面は、高屈折率部７の入射部が広がったテーパ形状をしているために、入射光線を取り込む間口が広くなり、高屈折率部７に多くの光線を取り込むことができるようになっている。さらに、光電変換部３近傍の高屈折率部７と低屈折率部８との界面は、光軸方向に略平行な２面で形成されているために、一度目の全反射によって光電変換部３に入射できなかった光線は、再び反対側の界面で全反射して、最終的にはすべての光線が光電変換部３へと入射することになる。
【００８３】
図２５は、ダイクロイック膜４において透過作用を受ける光線の挙動を示している。本図上方からの光線は、マイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。続いて、マイクロレンズ２で集光された光線は、第１の屈折率層５，第２の屈折率層６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。そして、ダイクロイック膜４に到達した光線は、所定の波長の光線のみ（ここでは緑色の光線）が選択的に透過されて高屈折率部７へと進行し、高屈折率部７と低屈折率部８との界面で全反射作用を繰り返すことによって、光電変換部３へと導かれる。ここで、高屈折率部７と低屈折率部８との界面は、高屈折率部７の入射部が広がったテーパ形状をしているため、透過光線においても十分な光量を光電変換部３に導くことができる。
【００８４】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における撮像装置を図２６〜図２８を用いて説明する。なお、第１及び第２の実施形態の撮像装置における撮像素子と同一の機能を果たすものには、同一番号を付することとする。本実施形態の撮像素子内の横方向の光線（透過光線、反射光線）は、第２の実施形態で説明した図２４および図２５に示すものと同様の挙動となる。
【００８５】
図２６は、第３の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略構成図である。本実施形態の撮像素子は、第２の実施形態における撮像素子のダイクロイック膜４（４ｔ，４ｇ）での反射光線が縦方向、横方向ともに同様な挙動を示すのに対して、縦方向に隣接する画素には反射光線が入射しない構成となっている。図２７に、本実施形態の撮像装置における撮像素子の画素の光線取り込み範囲を示した概略図を示す。
【００８６】
図２７において、緑色光を受光する画素９１に着目してみると、隣接画素の９２１ａ，９２１ｂの部分からの反射光線を受け取ることにより、本実施形態における撮像素子の画素開口部は、本来の画素開口９１よりも大きくなる。これにより、隣接する画素からの緑色光の入射を含めた実質的な受光開口は図２８に示すようなものとなる。これから分かるように、本実施形態の撮像素子においても第２の実施形態と同様に２倍の画素開口となる。Ｂ画素、Ｒ画素についても隣接画素からの各色光の入射により、実効的な受光開口は図２８と同様の形状となる。従って、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分かる。
【００８７】
第２の実施形態における撮像素子は、隣接する上下の画素からの光線も入射するため、縦横の２方向に対してローパス効果が期待できるが、本実施形態の撮像素子においては、横方向のみローパス効果が期待できる。従って、本実施形態では、縦方向には別途にローパスフィルタを設ける必要がある。ただし、図２４に示した全反射作用を受ける界面５１ｇの形状は、本実施形態の撮像素子では、その形状を単純にすることができるため、製造しやすく、また、製造コストを抑えることが期待できる。
【００８８】
また、図２４および図２５から分かるように、マイクロレンズ２からの光線が最初にダイクロイック膜４ｇに入射する時の入射角度と、ダイクロイック膜４ｇで反射して隣接する画素２００ｒ，２０１ｒのダイクロイック膜４ｒに入射する時の入射角度とが大きく変化しない。従って、入射角によってダイクロイック膜４を透過する波長の変化の割合を小さくできるため、色変化を少なくできるという利点もある。
【００８９】
次に、各画素の受光効率について説明する。
まず、Ｇ画素内に隣接画素からの反射光が入射してくる場合について考えると、画素配列がベイヤー配列であることから隣接画素は、Ｒ画素あるいはＢ画素が２個ずつである。このことから、隣接画素からこのＧ画素へ入射する光線は、Ｂ画素が隣接する場合には｛（青色の反射）×１／２×２｝、Ｒ画素が隣接する場合は｛（赤色の反射）×１／４×２｝となる。もともとＧ画素が受光する光線量は、透過率曲線の積分量であるためにこれを１とすると、図１２の大きさ（赤色画素から反射するもの）は０．７４、図１３の大きさ（青色画素から反射するもの）は０．８５となり、透過する光線だけを取り込む場合に対して、それぞれ１．８５倍、１，７４倍となることが分かる。
【００９０】
続いて、Ｂ画素内に隣接画素からの反射光が入射してくる場合について考えると、隣接画素はＧ画素が２個である。Ｂ画素の透過率曲線の積分量を１とすると、図１０の積分量は０．８４となる。また、隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／２×２｝であるから合計は０．８４となり、もともとの透過量に対して１．８４倍となることが分かる。
【００９１】
最後に、Ｒ画素内に隣接画素からの反射光が入射してくる場合について考えると、隣接画素はＢ画素と同じくＧ画素が２個である。Ｒ画素の透過率曲線の積分量を１とすると、図１１の積分量は０．６７となる。隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／２×２｝であるから合計は０．６７となり、もともとの透過量に対して１．６７倍となることが分かる。
【００９２】
本発明の諸実施形態によれば、ダイクロイック膜４ｇで反射させた光線を隣接する画素のダイクロイック膜４ｒに導入するようにしたので、構造を複雑化・微細化することなく、入射光の利用効率を向上させた撮像素子を備えた撮像装置を実現することができる。
【００９３】
また、第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面を光軸から周辺部に向かって傾斜面を有する形状としたので、ダイクロイック膜４ｇで反射させた光線を隣接画素に入射させることができる。さらに、第１の屈折率層５を高屈折率層、第２の屈折率層６を低屈折率層で構成することにより、ダイクロイック膜４ｇで反射された光線を第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面で全反射しやすくすることができる。
【００９４】
また、ダイクロイック膜４と光電変換部３との間に、それぞれに接して設けられた高屈折率部７と、その周囲に当該高屈折率部７よりも低屈折率である低屈折率部８とを更に有するようにしたので、ダイクロイック膜４を透過して高屈折率部７に入射した光線を低屈折率部８との界面で全反射しやすくすることができ、ダイクロイック膜４から光電変換部３に至るまでの導光路の役割を果たさせることができる。
【００９５】
また、第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面を光電変換部３側に凸の四角錐の形状で形成するようにしたので、ダイクロイック膜４で反射させた光線を隣接画素に入射させることができる。また、第２の屈折率層６とダイクロイック膜４との界面をマイクロレンズ２側に凸の四角錐の形状で形成するようにしたので、ダイクロイック膜４で反射させる光線を特定の方向に効率良く反射させることができる。さらに、ダイクロイック膜４がマイクロレンズ２で集光された光線のうち、所定の波長の光線を選択的に透過するとともに他の波長の光線を反射するようにすることで、光線を効率良く波長分離することができる。
【００９６】
本発明の実施態様の例を以下に列挙する。
【００９７】
［実施態様１］ 画素がマトリクス状に配設された撮像素子を備える撮像装置であって、
前記画素は、外部から入射した光線を集光する集光手段と、
前記集光手段で集光された光線のうち、所定の波長の光線を選択的に透過するとともに他の波長の光線を反射する波長選択手段と、
前記波長選択手段で反射させた光線を隣接する画素に対応する前期波長選択手段に導入する反射光線導入手段と、
前記波長選択手段で透過させた光線を電気信号に変換する光電変換手段とを有することを特徴とする撮像装置。
【００９８】
［実施態様２］ 前記反射光線導入手段は、前記集光手段と接する第１の屈折率層と、当該第１の屈折率層と前記波長選択手段との間に設けられ、前記第１の屈折率層よりも高屈折率を有する第２の屈折率層とを備えていることを特徴とする実施態様１に記載の撮像装置。
【００９９】
［実施態様３］ 前記第１の屈折率層と前記第２の屈折率層との界面が光軸から周辺部に向かって傾斜面を有することを特徴とする実施態様２に撮像装置。
【０１００】
［実施態様４］ 前記波長選択手段と光電変換手段との間には、それぞれに接して設けられた高屈折率部と、当該高屈折率部の周囲に設けられ、当該高屈折率部よりも低屈折率である低屈折率部とを更に有することを特徴とする実施態様１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０１】
［実施態様５］ 前記第２の屈折率層と前記波長選択手段との界面が光軸から周辺部に向かって傾斜面を有することを特徴とする実施態様２〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０２】
［実施態様６］ 前記第１の屈折率層と前記第２の屈折率層との界面は、前記光電変換手段側に凸の四角錐の形状を有していることを特徴とする実施態様２〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０３】
［実施態様７］ 前記第２の屈折率層と前記波長選択手段との界面は、前記集光手段側に凸の四角錐の形状を有していることを特徴とする実施態様２〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０４】
［実施態様８］ 前記波長選択手段がダイクロイック膜であることを特徴とする実施態様１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０５】
【発明の効果】
本発明によれば、波長選択手段で反射させた光線を隣接する画素の波長選択手段に導入するようにしたので、構造を複雑化・微細化することなく、入射光の利用効率を向上させた撮像素子を備えた撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略断面図である。
【図２】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子を斜め上面から見た斜視図である。
【図３】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の断面斜視図である。
【図４】撮像素子のダイクロイック膜の層構成を示す図である。
【図５】ダイクロイック膜の透過特性図である。
【図６】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の反射光の光線トレース図である。
【図７】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の透過光の光線トレース図である。
【図８】ダイクロイック膜の各色の透過特性図である。
【図９】撮像素子のＲＧＢ画素の配置図である。
【図１０】緑色光の透過用ダイクロイック膜で反射し、青色光の透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性図である。
【図１１】緑色光の透過用ダイクロイック膜で反射し、赤色光の透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性図である。
【図１２】赤色光の透過用ダイクロイック膜で反射し、緑色光の透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性図である。
【図１３】青色光の透過用ダイクロイック膜で反射し、緑色光の透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性図である。
【図１４】緑色用画素における光線取り込み範囲を示した概略図である。
【図１５】緑色用画素における光線取り込み範囲を示した概略図である。
【図１６】緑色用画素の水平方向の空間周波数成分に対するＭＴＦの特性図である。
【図１７】矩形開口を有する画素のＭＴＦの特性図である。
【図１８】光学ローパスフィルタのＭＴＦを示す図である。
【図１９】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の特性図である。
【図２０】緑色用画素を用いたときの結像レンズと撮像素子の画素における総合ＭＴＦの特性図である。
【図２１】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と撮像素子の画素における総合ＭＴＦの特性図である。
【図２２】従来の画素で光学ローパスフィルタを用いないときの総合ＭＴＦの特性図である。
【図２３】第２の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略断面図である。
【図２４】第２の実施形態の撮像装置における撮像素子の反射光の光線トレース図である。
【図２５】第２の実施形態の撮像装置における撮像素子の透過光の光線トレース図である。
【図２６】第３の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略構成図である。
【図２７】第３の実施形態の撮像装置における撮像素子の画素の光線取り込み範囲を示した概略図である。
【図２８】第３の実施形態の撮像装置における撮像素子の画素の光線取り込み範囲を示した概略図である。
【図２９】従来の撮像装置における撮像素子の画素の概略断面図である。
【図３０】従来の撮像装置における撮像素子の概略平面図である。
【図３１】従来の撮像装置における撮像素子の概略構成図である。
【図３２】カラーフィルタの特性図である。
【符号の説明】
１ シリコンウェハ
２ マイクロレンズ
３ 光電変換部
４ 波長選択部
４ｇ 緑色透過用波長選択部
４ｒ 赤色透過用波長選択部
５ 第１の屈折率層
５０ｇ，５１ｇ，５０ｒ，５１ｒ テーパ面
６ 第２の屈折率層
７ 光屈折率部
７１ テーパ面
８ 低屈折率部
１０ Ｐｏｌｙ配線層
１１ ＡＬ１配線層
１２ ＡＬ２配線層
１３ ＡＬ３配線層
１４ 平坦化層
１５ 屈折層
１６ キャップ層
１７ マイクロレンズ支持層
１８ 低屈折率層
４１ カラーフィルタ
４１ｇ 緑色カラーフィルタ
４１ｒ 赤色カラーフィルタ
６１ 撮像素子（従来）
６１ｍｎｒ 赤色用画素
６１ｍｎｇ，６１ｍｎｇ２ 緑色用画素
６１ｍｎｂ 青色用画素
９１ 有効画素開口
９２ 有効画素開口（反射光分）
１００ 撮像素子
１００ｇ，２００ｇ 緑色用画素
１００ｒ，１０１ｒ，２００ｒ，２０１ｒ 赤色用画素
１１０，１２０ 物体光
【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し、特に、入射光の利用効率を向上し得るものに用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来における一般的なカラー画像を形成する撮像素子の内部構造を図２９に示す。図２９は、撮像素子を構成する画素の中央断面図である。２は外部からの光線を集光し、光線の取り込み効率を向上させる役目を果たすマイクロレンズ、４１はマイクロレンズ２で集光した光線を波長分離するカラーフィルタ、３はカラーフィルタ４１を透過した光線を電気信号に変換する光電変換部である。ここでカラーフィルタ４１は、Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）のいずれかの原色フィルタで構成されている。図の４１Ｒは赤色カラーフィルタ、４１Ｇは緑色カラーフィルタを示している。また、このカラーフィルタ４１としては、Ｃ（シアン）Ｍ（マゼンダ）Ｙ（イエロー）の３色を用いた補色フィルタというものもある。
【０００３】
また、図３０に示す撮像素子６１には、図２９で示した画素がモザイク状に配設されており、各画素からの出力信号を処理して、画素数に相当する輝度情報と色情報とを生成する撮像技術が広く用いられている。ここで、撮像素子６１におけるカラーフィルタ配列は、図示するようなベイヤー配列と呼ばれる構成を採るものが多い。図３０に示す６１ｍｎｇは第１の緑色の画素、６１ｍｎｂは青色の画素、６１ｍｎｒは赤色の画素、６１ｍｎｇ２は第２の緑色の画素をそれぞれ示している。また、ｍは横方向の画素の配列番号を示し、ｎは縦方向の画素の配列番号を示している。これらの画素を図示するように規則正しく配置することにより、１つの撮像素子６１を構成する。
【０００４】
図３０に示した画素配列では、緑色の画素は青色及び赤色の画素に比べて２倍の画素数を持つことになる。基本的には３色が同数ずつあればカラーの画像を生成することが可能であるが、比較的視感度の高い緑色の画素を増やすことで画質を向上させることができる。
【０００５】
また、別のカラー画像を得る方法としては、図３１に示すような色分解用のビームスプリッターを用いたものが提案されている。これは３個のプリズム３０２，３０３，３０４と、ダイクロイック膜３０５ａ，３０５ｂを用いて物体像を予め３色に分離し、各色に対応した単色用撮像素子３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃを使用して像を捉えようとするものであり、３板式と呼ばれている。ダイクロイック膜３０５ａは、緑色光を反射して、それ以外の光を透過する特性を持っており、緑色用撮像素子３０１ａに対して緑色の物体像を分離する。また、ダイクロイック膜３０５ｂは、青色光を反射して、それ以外の光を透過するという特性を持っており、ダイクロイック膜３０５ａを透過した光線（青色光＋赤色光）のうち青色光を青色用撮像素子３０１ｃに分離し、透過した赤色光を赤色用撮像素子３０１ｂへと導く。
【０００６】
【特許文献１】
特開平０８−１８２００６号公報
【特許文献２】
特開２０００−０６６１４１号公報
【特許文献３】
特開２００１−０７８２１３号公報
【特許文献４】
特公平０１−０１４７４９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例には以下のような問題点が存在する。
光線の利用効率に関して考えると、例えば、色再現性が良いとされる原色フィルタ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４１がマイクロレンズ２と光電変換部３との間に１つずつ配置される構造となるが、赤色の光学フィルタを配した画素では赤色光のみが光電変換されて、青色光や緑色光は当該光学フィルタで吸収されて熱となってしまう。同様に、緑色の光学フィルタを配した画素では青色光と赤色光が光電変換されずに当該光学フィルタで吸収されて熱となってしまい、また、青色の光学フィルタ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当該光学フィルタで吸収されて熱となってしまう。
【０００８】
すなわち、従来のカラー撮像素子の各画素では、入射した光束のうち所定の光学フィルタを透過した光のみが光電変換されて電気信号として出力されるため、その光学フィルタを透過できなかった光は熱などとして捨てられてしまい、入射した光線を有効に利用することができないという問題点がある。
【０００９】
図３２は、撮像素子６１におけるＲＧＢカラーフィルタ４１の分光透過率を示す特性図である。ここで、赤外線の透過率が高いのため、実際には撮像素子６１と撮影レンズとの間にさらに６５０ｎｍ以上の波長を遮断する赤外線カットフィルタを重ねて用いる。この特性図から分かるように、撮像素子６１の１画素においては可視光のうち、およそ１／３だけしか有効に利用されていない。
【００１０】
さらに詳しくＲＧＢの色別に利用効率を考えると、例えば、図３０に示すベイヤー配列におけるカラー撮像素子の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としたとき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となり、また、赤色光と青色光は１／３×１／４＝１／１２となる。これらを合計すれば１／６＋１／１２＋１／１２＝１／３となって、やはり利用効率は１／３ということになる。逆に、全体の光量を１としたときに、緑色光では２／３×２／４＝１／３、赤色光や青色光では２／３×１／４＝１／６が有効に利用されないことになる。
【００１１】
以上は、原色系のカラーフィルタを用いた撮像素子について説明を行ったが、補色フィルタ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とになる。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、撮像面をカラーフィルタで分割構成していることに起因して入射光の利用効率を向上させることができない。
【００１２】
これに対して、特開平０８−１８２００６号公報では、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。具体的には、空間画素ごとにプリズムを配置して、その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、画素ピッチの小さな撮像素子を作製することは、色画素を極めて微細に作製する必要があるために限界がある。
【００１３】
一般に、良好な画像特性を得るための撮像方法としては、物体像を光学装置によって形成する第１のプロセスと、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のプロセスと、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のプロセスと、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のプロセスとを経る。このとき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、標本化定理に従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。
【００１４】
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、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ＭＴＦ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。ただし、第４のプロセスであるデジタルフィルタ処理は、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。
【００１５】
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のプロセスにおけるＭＴＦ、第２のプロセスにおけるＭＴＦおよび第３のプロセスにおける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。
【００１６】
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。
【００１７】
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＝ｄ／２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。
【００１８】
第２のプロセスにおいては、通常、光学ローパスフィルタが用いられる。光学ローパスフィルタ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。
【００１９】
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によるＭＴＦは、以下の式（１）で表される。ここで、Ｒ２（ｕ）はレスポンス、ｕは光学像の空間周波数、ωは物体像分離幅である。
【００２０】
【数１】
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できる。
【００２２】
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るため、構造が複雑化してしまい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必要となるため、やはり高価になってしまう。
【００２３】
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位置のシフトがあって、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という、いわゆるレジストレーションずれが生じてしまう。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。
【００２４】
さらには、特公平０１−０１４７４９号公報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なされている。しかし、画素の形状が複雑になるという問題や、極めて微細な構造が必要であるという問題、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、入射した光線の利用効率向上の効果が出にくいといった問題点がある。
【００２５】
本発明は前述の問題点にかんがみてなされたもので、構造を複雑化・微細化することなく、入射光の利用効率を向上させた撮像素子を備えた撮像装置を実現することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、画素がマトリクス状に配設された撮像素子を備える撮像装置であって、前記画素は、外部から入射した光線を集光する集光手段と、前記集光手段で集光された光線のうち、所定の波長の光線を選択的に透過するとともに他の波長の光線を反射する波長選択手段と、前記波長選択手段で反射させた光線を隣接する画素に対応する前期波長選択手段に導入する反射光線導入手段と、前記波長選択手段で透過させた光線を電気信号に変換する光電変換手段とを有することを特徴とするものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら本発明の撮像装置の実施形態について説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における撮像装置を図１〜図２２を用いて説明する。図１は、第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略断面図である。１はシリコン基板、２は外部からの光線を集光するマイクロレンズ、３は受光した光子を電荷へ変換する光電変換部、４（４ｒ，４ｇ）は光線を波長分離する波長選択部であるダイクロイック膜、５はマイクロレンズ２と接する第１の屈折率層、６は第１の屈折率層５よりも高屈折率を有する第２の屈折率層、７はダイクロイック膜４（４ｒ，４ｇ）と光電変換部３との間に、それぞれに接して設けられた高屈折率部、８は高屈折率部７の周囲に設けられた低屈折率部、１０は光電変換部３の電荷を制御するゲートの役割を果たすＰｏｌｙ配線層、１１〜１３はアルミニウムなどの金属でできた配線層であり、１１は各部間の結線および出力線の役割を果たすＡＬ１配線層、１２はウェル電源線および制御線の役割を果たすＡＬ２配線層、１３は遮光および電源線の役割を果たすＡＬ３配線層である。
【００２９】
また、図２は、撮像素子を斜め上面から見た斜視図である。図２には、多数個存在する撮像素子のうち９個のみを取り出して図式化したものを示している。さらに、図３は、図２の中央部でマイクロレンズ２およびダイクロイック膜４からＡＬ３配線層１３までの構造を切断した断面図である。
【００３０】
図１において、マイクロレンズ２は、上に凸の球面形状であり正のレンズパワーを有する。従って、マイクロレンズ２は、当該マイクロレンズ２上に到達した光線を光電変換部３に対して集光する働きをする。これにより、より多くの光線を光電変換部３に取り込むことができるため、撮像素子の感度を向上させることが可能となる。
【００３１】
第１の屈折率層５は低屈折率の材料で形成されており、例えば屈折率１．３８のフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）などを用いることができる。また、第１の屈折率層５とダイクロイック膜４に挟まれた第２の屈折率層６は高屈折率の材料で形成されており、例えば屈折率２．５の二酸化チタン（ＴｉＯ２）などを用いることができる。このようのに構成することにより、第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面で第２の屈折率層６から第１の屈折率層５へと進む光線を全反射しやすくすることができるようになる。
【００３２】
また、高屈折率部７は二酸化チタンのような高屈折率の材料で形成され、低屈折率部８は屈折率１．４６の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）やフッ化マグネシウムといった低屈折率の材料を用いて成形する。このように構成することにより、高屈折率部７に入射した光線を低屈折率部８との界面で全反射しやすくすることができ、ダイクロイック膜４から光電変換部３に至るまでの導光路の役割を果たすことができる。
【００３３】
一般的にダイクロイック膜４とは、注目する波長λの１／４の整数倍の膜厚からなり、高屈折率の物質と低屈折率の物質を交互に積層することによって形成されたものである。このような構成されたダイクロイック膜４により、透過光線の波長を選択することができるようになる。ここで、撮像素子のダイクロイック膜４の構成例を図４に示す。本実施形態におけるダイクロイック膜４は、高屈折率の材料として二酸化チタン、低屈折率の材料として二酸化ケイ素を用いて図４に示すような膜厚及び層数で構成した。
【００３４】
また、ダイクロイック膜４の透過特性を図５に示す。図５の特性図を見て分かるように、ダイクロイック膜４は、図３２に示す従来の色素を用いたカラーフィルタの特性図に近い特性を有する。従って、本構成のダイクロイック膜４を用いたものであっても従来の撮像素子に近い特性とすることができる。これらの積層膜はＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いることによって容易に作製することができる。
【００３５】
続いて、マイクロレンズ２で集光された光線の挙動について図６，図７を用いて説明する。図６には、緑色光を受光する画素１００ｇに入射してダイクロイック膜４ｇによって反射された光線、すなわち青色光と赤色光を含む光線のみの挙動を示している。
【００３６】
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からの光線は、赤外線カットフィルタを通過して物体光１１０のような光束となる。この物体光１１０は、マイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。そして、第１の屈折率層５，第２の屈折率層６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。ここで、ダイクロイック膜４ｇの特性により、緑色以外の光線は反射作用を受け、第１の屈折率層５の方向へ進行することになるが、ダイクロイック膜４ｇは四角錐の形状をして形成されているために、反射した光線はその中心から外側に方向を変えて進行する。
【００３７】
前述の通り、第２の屈折率層６は第１の屈折率層５よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線はその界面で全反射作用を受けることになる。界面で全反射した光線は、隣接画素である赤色光を受光する画素１００ｒおよび１０１ｒのダイクロイック膜４ｒの方向に向かって進行する。ここで、第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面も四角錐の形状をしている。この界面による反射光線は、光軸に対して平行に近い角度で進行するようになる。
【００３８】
画素１００ｒ，１０１ｒのダイクロイック膜４ｒは、赤色光を透過して緑色光と青色光を反射する特性を有する。従って、画素１００ｇから反射してきた光線のうち赤色光のみが透過し、青色光はダイクロイック膜４ｒによってさらに反射作用を受ける。図６には、反射作用を受ける青色光は図示していない。また、赤色光の反射光線を透過するダイクロイック膜４ｒは膜厚分だけ透過できる面積が小さくなっているが、マイクロレンズ２の集光作用によりダイクロイック膜４ｇに入射する光線の面積（反射光の面積）はマイクロレンズ２の開口面積に比べて小さくなっている。従って、この反射光線はダイクロイック膜４ｒでのケラレを小さくすることができる。
【００３９】
ダイクロイック膜４ｒを透過した光線は、高屈折率部７から低屈折率部８へ進行しようとするが、これも前述の通り、高屈折率部７は低屈折率部８よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線はその界面で全反射をする。高屈折率部７と低屈折率部８の界面は、入射部が広がったテーパ形状をしているために入射光線を取り込む間口が広くなって高屈折率部７に多くの光線を取り込むことができるようになっている。
【００４０】
仮に、高屈折率部７の入射部がテーパ形状をしていないとすると、反射光線のうち図の下側に位置する光線が低屈折率部８から高屈折率部７へと進行する。そうすると、高屈折率部７は低屈折率部８よりも高屈折率であるために、光線が上方向に曲げられることになる。従って、このようなルートを辿る光線は光電変換部３には導かれず損失となってしまうため、高屈折率部７の入射部をテーパ形状として、低屈折率部８から高屈折率部７へ進行する光線をなくして隣接画素からの反射光を十分取り込めるようにしたのである。
【００４１】
また、前述の通り第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面が四角錐の形状をしていて、その界面における反射光線が光軸に対して平行に近い角度で進行するようになっているため、テーパ面７１で全反射できずに透過してしまう光線を少なくすることができる。そして、光電変換部３近傍における高屈折率部７と低屈折率部８との界面が光軸方向に略平行となるように形成されているため、一度目の全反射によって光電変換部３に入射できなかった光線を再び反対側の界面で全反射して最終的にはすべて光電変換部３へと入射させることができる。
【００４２】
画素１００ｇにおいて紙面に垂直な方向には青色光を受光する画素が存在している。この青色光の場合も赤色の場合と同様に、画素１００ｇで反射された光線のうち青色光のみを取り込む挙動を示す。
【００４３】
続いて、図７は、ダイクロイック膜４において透過作用を受ける光線、すなわち緑色光の光線の挙動を示している。
本図上方からの光線は、マイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。そして、第１の屈折率層５，第２の屈折率層６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。ここで、ダイクロイック膜４ｇでは、所定の波長の光線のみを選択的に透過し、ダイクロイック膜４ｇを透過した光線は、高屈折率部７へ進行して、さらに高屈折率部７と低屈折率部８との界面で全反射を繰り返す作用を受けることによって、光電変換部３へと導かれる。
【００４４】
また、高屈折率部７と低屈折率部８との界面は、入射部が広がったテーパ形状をしている。このテーパ形状の角度がきつすぎるとテーパ面７１で全反射しない場合があり、仮に全反射したとしても今度は反対側の面で全反射せずに透過してしまう。本実施形態の場合では、画素の中心軸より２５°程度までの角度であればテーパ面７１でも全反射して光電変換部３へ導くことができる。以上のことからテーパ面７１を適当な角度に設定することによって広範囲な光線を取り込むことが可能となる。
【００４５】
続いて、ダイクロイック膜４の透過・反射を用いて入射した光線を取り込む際の効率について考えていく。例えば、色再現性が良いとされる原色フィルタ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）の光学フィルタがマイクロレンズ２と光電変換領域３の間に一つずつ配置される。
【００４６】
このとき、赤色の光学フィルタを配した画素では赤色光のみが光電変換され、青色光や緑色光は当該光学フィルタで吸収されて熱となる。同様に、緑色の光学フィルタを配した画素では青色光と赤色光が光電変換されずに当該光学フィルタで吸収されて熱となり、また、青色の光学フィルタ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当該光学フィルタで吸収されて熱となる。
【００４７】
すなわち、従来のカラー撮像素子の各画素では、入射した光束のうち所定の光学フィルタを透過した光のみが光電変換されて電気信号として出力されるため、その光学フィルタを透過できなかった光は熱などとして捨てられてしまう。
【００４８】
前述したように、図３２は、撮像素子におけるＲＧＢのカラーフィルタの分光透過率を示す特性図である。ここで、赤外線の透過率が高いため、実際には撮像素子と撮影レンズとの間にさらに６５０ｎｍ以上の波長を遮断する赤外線カットフィルタを重ねて用いる。この特性図から分かるように、撮像素子の１画素においては可視光のうち、およそ１／３だけしか有効に利用されていない。
【００４９】
さらに詳しくＲＧＢの色別に利用効率を考えると、例えば、図３０に示すベイヤー配列におけるカラー撮像素子の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としたとき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となり、また、赤色光と青色光は１／３×１／４＝１／１２となる。これらを合計すれば１／６＋１／１２＋１／１２＝１／３となって、やはり利用効率は１／３ということになる。逆に、全体の光量を１としたときに、緑色光では２／３×２／４＝１／３、赤色光や青色光では２／３×１／４＝１／６が有効に利用されないことになる。
【００５０】
以上は、原色系のカラーフィルタを用いた撮像素子について説明を行ったが、補色フィルタ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とになる。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、撮像面をカラーフィルタで分割構成していることに起因して光利用効率を向上させることができない。
【００５１】
図８は、ダイクロイック膜４の各色の透過特性を単純化したものである。また、本図で示した透過特性図の裏返しが反射特性ということになる。また、計算の簡略化のために透過しない光線はすべて反射するものとし、反射した光線はすべて隣接画素に平等に到達するものとして考える。さらに、画素配列は、図９に示すようなベイヤー配列をしているものとする。
【００５２】
図８において、緑色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が青色の画素内のダイクロイック膜を透過して青色の光電変換部に取り込まれる場合を考えると、前述の通り、緑色の透過特性の裏返しが反射特性になるため、この曲線と青色の透過特性との積が求めるものとなる。この特性を表したものを図１０に示す。残りの色に関しても同様に考えると、緑色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が赤色の画素内のダイクロイック膜を透過して赤色の光電変換部に取り込まれる場合の特性図を図１１に示し、また、赤色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が緑色の画素内のダイクロイック膜を透過して緑色の光電変換部に取り込まれる場合の特性図を図１２に示し、さらに、青色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が緑色の画素内のダイクロイック膜を透過して緑色の光電変換部に取り込まれる場合の特性図を図１３に示す。
【００５３】
緑色の画素内に隣接画素から反射してくる光線について考えると、画素配列はベイヤー配列であることから隣接画素は赤と青が２個ずつである。このことから緑色の画素が隣接画素から受け取る光線は｛（青色の反射）×１／４×２＋（赤色の反射）×１／４×２｝となる。もともと緑色の画素が受け取る光線量は、透過率曲線の積分量であるため、この積分量を１とすると、図１２の大きさ（赤色画素から反射するもの）は０．７４、図１３の大きさ（青色画素から反射するもの）は０．８５となる。従って、反射光の合計は０．８０となるため、透過する光線だけを取り込む場合に対して１．８０倍となることが分かる。
【００５４】
続いて、青色の画素内に隣接画素から反射してくる光線について考えると、隣接画素は緑色の画素が４個である。青色の画素における透過率曲線の積分量を１とすると、図１０の積分量は０．８４となる。また、隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／４×４｝であるから合計は０．８４となり、もともとの透過量に対して１．８４倍となることが分かる。
【００５５】
最後に、赤色の画素内に隣接画素から反射してくる光線について考えると、隣接画素は青色の画素と同じく緑色が４個である。赤色の画素における透過率曲線の積分量を１とすると、図１１の積分量は０．６７となる。また、隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／４×４｝であるから合計は０．６７となり、もともとの透過量に対して１．６７倍となることが分かる。
【００５６】
以上のようにベイヤー配列のような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本実施形態を用いて不要な波長成分を隣接する画素に分割・反射させることで、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させることが可能である。
【００５７】
次に、本実施形態による作用の１つとしてのローパスフィルタ効果について説明する。
一般に、良好な画像特性を得るための撮像方法としては、物体像を光学装置によって形成する第１のプロセスと、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のプロセスと、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のプロセスと、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のプロセスとを経る。このとき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、標本化定理に従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。
【００５８】
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、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ＭＴＦ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。ただし、第４のプロセスであるデジタルフィルタ処理は、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。
【００５９】
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のプロセスにおけるＭＴＦ、第２のプロセスにおけるＭＴＦおよび第３のプロセスにおける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。
【００６０】
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。
【００６１】
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＝ｄ／２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。
【００６２】
第２のプロセスにおいては、通常、光学ローパスフィルタが用いられる。光学ローパスフィルタには水晶等の複屈折特性を有する物質を利用する。また、位相型の回折格子を利用しても良い。
【００６３】
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によるＭＴＦは、以下の式（２）で表される。ここで、Ｒ２（ｕ）はレスポンス、ｕは光学像の空間周波数、ωは物体像分離幅である。
【００６４】
【数２】
複屈折板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できる。
【００６６】
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。
【００６７】
本発明の実施形態における撮像素子では、実質的な受光開口が各画素よりも大きくなる。ＲＧＢの色毎に図９に示したベイヤー配列における従来の撮像素子と比較すると、まず、従来の緑色光を受光する画素（Ｇ画素）の開口はマイクロレンズ２の大きさであったが、本実施形態における撮像素子では図１４に示すように９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄの部分を隣接画素からの反射光線を受け取ることができることから、本来の画素開口９１よりも大きくなる。これにより、隣接する画素からの緑色光の入射を含めた実質的な受光開口は図１５に示すようなものとなる。青色光を受光する画素（Ｂ画素），赤色光を受光する画素（Ｒ画素）についても隣接画素からの各色光の入射により、実効的な受光開口は同様の形状となる。従って、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分かる。
【００６８】
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。図１６〜図２２までは、これらを説明するための特性図である。
【００６９】
まず、図１６は、本実施形態における撮像素子の画素１１０ｇについての水平方向の空間周波数成分に対するＭＴＦの特性図である。また、図１７は、通常型の矩形開口を有する画素のＭＴＦの特性図である。いずれも１画素の大きさを□３μｍとし、マイクロレンズ２は１画素分の大きさを有していることとした。さらに、本実施形態の画素は、隣接画素の中央部にまで伸びた開口を有している。
【００７０】
図９に示した矩形開口画素のレスポンスについては、以下に示す式（３）のような簡単なＳＩＮＣ関数で表すことができる。ここで、Ｒ３（ｕ）はレスポンス、ｄは撮像素子の受光開口の幅である。
【００７１】
【数３】
式（３）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＝ｄ／２における式（３）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１８に示したＭＴＦ特性の光学ローパスフィルタを併せて使用する必要がある。ここでは、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に、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してある。
【００７３】
これに対して、本実施形態における画素１００ｇは図１５に示したような菱形状の開口に起因して、高周波側までレスポンスが伸びる。これは式（３）でＭＴＦ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。短冊状の矩形開口全体を積分した結果は図１６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１００ｇ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。
【００７４】
次に、図１９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、以下の式（４）で表される。ここで、ｕは光学像の空間周波数、Ｆは光学系のＦナンバー、λは光学像の波長である。
【００７５】
【数４】
この結像レンズのカットオフ周波数は４５５本／ｍｍである。
さて、これにより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を知る上での材料が揃ったことになる。
【００７７】
図２０は、画素１００ｇを用いたときの結像レンズと撮像素子の画素における総合ＭＴＦの特性図である。一方、図２１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と撮像素子の画素における総合ＭＴＦの特性図である。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。また、従来の画素において、光学ローパスフィルタを用いないと、図２２に示す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１００ｇを用いれば、光学ローパスフィルタを省略できることが分かる。
【００７８】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態における撮像装置を図２３〜図２５を用いて説明する。
図２３は、第２の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略断面図である。なお、第１の実施形態の撮像素子と同一の機能を果たすものには、同一番号を付することとする。第１の実施形態における撮像素子のダイクロイック膜４（４ｔ，４ｇ）が四角錐の形状で形成されているのに対して、本実施形態の撮像素子は、ダイクロイック膜４（４ｔ，４ｇ）が平面で形成されている点で異なる。また、本実施形態の撮像素子内の光線は、図２４および図２５に示すような挙動になる。
【００７９】
図２４は、図６の場合と同様に、緑色光を受光する画素２００ｇに入射してダイクロイック膜４ｇによって反射された光線、すなわち青色光と赤色光を含む光線のみの挙動を示している。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から出た光線は、赤外線カットフィルタを通過して物体光１２０のような光束となる。
【００８０】
本図の上方からの物体光１２０は、マイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。そして、第１の屈折率層５，第２の屈折率層６と順に入射されて、ダイクロイック膜４ｇへと到達する。ここで、緑色以外の光線は、ダイクロイック膜４ｇの特性により反射作用を受けて、ダイクロイック膜４ｇが第１の実施形態とは異ななる平面で形成されているため、反射光線はほぼ入射方向に向かって進行することになる。そして、第２の屈折率層６と第１の屈折率層５との界面５１ｇにおいて、臨界角以上の光線は全反射作用を受ける。この界面は、四角錐の形状となっているため、反射光線は光軸に対してほぼ垂直な方向へと進行する。そして、隣接画素２００ｒ，２０１ｒの第２の屈折率層６と第１の屈折率層５との界面５０ｒおよび５１ｒでは、もう一度、全反射作用を受ける。
【００８１】
このようにして、反射により下方向に向いた光線は、赤色光を受光する画素２００ｒおよび２０１ｒに向かって進行する。さらに、ダイクロイック膜４ｒを透過した光線は、高屈折率部７へ進行する。続いて、高屈折率部７から低屈折率部８へ進行しようとするが、前述したように、高屈折率部７は低屈折率部８よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線は界面で全反射をする。
【００８２】
また、高屈折率部７と低屈折率部８との界面は、高屈折率部７の入射部が広がったテーパ形状をしているために、入射光線を取り込む間口が広くなり、高屈折率部７に多くの光線を取り込むことができるようになっている。さらに、光電変換部３近傍の高屈折率部７と低屈折率部８との界面は、光軸方向に略平行な２面で形成されているために、一度目の全反射によって光電変換部３に入射できなかった光線は、再び反対側の界面で全反射して、最終的にはすべての光線が光電変換部３へと入射することになる。
【００８３】
図２５は、ダイクロイック膜４において透過作用を受ける光線の挙動を示している。本図上方からの光線は、マイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。続いて、マイクロレンズ２で集光された光線は、第１の屈折率層５，第２の屈折率層６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。そして、ダイクロイック膜４に到達した光線は、所定の波長の光線のみ（ここでは緑色の光線）が選択的に透過されて高屈折率部７へと進行し、高屈折率部７と低屈折率部８との界面で全反射作用を繰り返すことによって、光電変換部３へと導かれる。ここで、高屈折率部７と低屈折率部８との界面は、高屈折率部７の入射部が広がったテーパ形状をしているため、透過光線においても十分な光量を光電変換部３に導くことができる。
【００８４】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における撮像装置を図２６〜図２８を用いて説明する。なお、第１及び第２の実施形態の撮像装置における撮像素子と同一の機能を果たすものには、同一番号を付することとする。本実施形態の撮像素子内の横方向の光線（透過光線、反射光線）は、第２の実施形態で説明した図２４および図２５に示すものと同様の挙動となる。
【００８５】
図２６は、第３の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略構成図である。本実施形態の撮像素子は、第２の実施形態における撮像素子のダイクロイック膜４（４ｔ，４ｇ）での反射光線が縦方向、横方向ともに同様な挙動を示すのに対して、縦方向に隣接する画素には反射光線が入射しない構成となっている。図２７に、本実施形態の撮像装置における撮像素子の画素の光線取り込み範囲を示した概略図を示す。
【００８６】
図２７において、緑色光を受光する画素９１に着目してみると、隣接画素の９２１ａ，９２１ｂの部分からの反射光線を受け取ることにより、本実施形態における撮像素子の画素開口部は、本来の画素開口９１よりも大きくなる。これにより、隣接する画素からの緑色光の入射を含めた実質的な受光開口は図２８に示すようなものとなる。これから分かるように、本実施形態の撮像素子においても第２の実施形態と同様に２倍の画素開口となる。Ｂ画素、Ｒ画素についても隣接画素からの各色光の入射により、実効的な受光開口は図２８と同様の形状となる。従って、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分かる。
【００８７】
第２の実施形態における撮像素子は、隣接する上下の画素からの光線も入射するため、縦横の２方向に対してローパス効果が期待できるが、本実施形態の撮像素子においては、横方向のみローパス効果が期待できる。従って、本実施形態では、縦方向には別途にローパスフィルタを設ける必要がある。ただし、図２４に示した全反射作用を受ける界面５１ｇの形状は、本実施形態の撮像素子では、その形状を単純にすることができるため、製造しやすく、また、製造コストを抑えることが期待できる。
【００８８】
また、図２４および図２５から分かるように、マイクロレンズ２からの光線が最初にダイクロイック膜４ｇに入射する時の入射角度と、ダイクロイック膜４ｇで反射して隣接する画素２００ｒ，２０１ｒのダイクロイック膜４ｒに入射する時の入射角度とが大きく変化しない。従って、入射角によってダイクロイック膜４を透過する波長の変化の割合を小さくできるため、色変化を少なくできるという利点もある。
【００８９】
次に、各画素の受光効率について説明する。
まず、Ｇ画素内に隣接画素からの反射光が入射してくる場合について考えると、画素配列がベイヤー配列であることから隣接画素は、Ｒ画素あるいはＢ画素が２個ずつである。このことから、隣接画素からこのＧ画素へ入射する光線は、Ｂ画素が隣接する場合には｛（青色の反射）×１／２×２｝、Ｒ画素が隣接する場合は｛（赤色の反射）×１／４×２｝となる。もともとＧ画素が受光する光線量は、透過率曲線の積分量であるためにこれを１とすると、図１２の大きさ（赤色画素から反射するもの）は０．７４、図１３の大きさ（青色画素から反射するもの）は０．８５となり、透過する光線だけを取り込む場合に対して、それぞれ１．８５倍、１，７４倍となることが分かる。
【００９０】
続いて、Ｂ画素内に隣接画素からの反射光が入射してくる場合について考えると、隣接画素はＧ画素が２個である。Ｂ画素の透過率曲線の積分量を１とすると、図１０の積分量は０．８４となる。また、隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／２×２｝であるから合計は０．８４となり、もともとの透過量に対して１．８４倍となることが分かる。
【００９１】
最後に、Ｒ画素内に隣接画素からの反射光が入射してくる場合について考えると、隣接画素はＢ画素と同じくＧ画素が２個である。Ｒ画素の透過率曲線の積分量を１とすると、図１１の積分量は０．６７となる。隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／２×２｝であるから合計は０．６７となり、もともとの透過量に対して１．６７倍となることが分かる。
【００９２】
本発明の諸実施形態によれば、ダイクロイック膜４ｇで反射させた光線を隣接する画素のダイクロイック膜４ｒに導入するようにしたので、構造を複雑化・微細化することなく、入射光の利用効率を向上させた撮像素子を備えた撮像装置を実現することができる。
【００９３】
また、第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面を光軸から周辺部に向かって傾斜面を有する形状としたので、ダイクロイック膜４ｇで反射させた光線を隣接画素に入射させることができる。さらに、第１の屈折率層５を高屈折率層、第２の屈折率層６を低屈折率層で構成することにより、ダイクロイック膜４ｇで反射された光線を第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面で全反射しやすくすることができる。
【００９４】
また、ダイクロイック膜４と光電変換部３との間に、それぞれに接して設けられた高屈折率部７と、その周囲に当該高屈折率部７よりも低屈折率である低屈折率部８とを更に有するようにしたので、ダイクロイック膜４を透過して高屈折率部７に入射した光線を低屈折率部８との界面で全反射しやすくすることができ、ダイクロイック膜４から光電変換部３に至るまでの導光路の役割を果たさせることができる。
【００９５】
また、第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面を光電変換部３側に凸の四角錐の形状で形成するようにしたので、ダイクロイック膜４で反射させた光線を隣接画素に入射させることができる。また、第２の屈折率層６とダイクロイック膜４との界面をマイクロレンズ２側に凸の四角錐の形状で形成するようにしたので、ダイクロイック膜４で反射させる光線を特定の方向に効率良く反射させることができる。さらに、ダイクロイック膜４がマイクロレンズ２で集光された光線のうち、所定の波長の光線を選択的に透過するとともに他の波長の光線を反射するようにすることで、光線を効率良く波長分離することができる。
【００９６】
本発明の実施態様の例を以下に列挙する。
【００９７】
［実施態様１］ 画素がマトリクス状に配設された撮像素子を備える撮像装置であって、
前記画素は、外部から入射した光線を集光する集光手段と、
前記集光手段で集光された光線のうち、所定の波長の光線を選択的に透過するとともに他の波長の光線を反射する波長選択手段と、
前記波長選択手段で反射させた光線を隣接する画素に対応する前期波長選択手段に導入する反射光線導入手段と、
前記波長選択手段で透過させた光線を電気信号に変換する光電変換手段とを有することを特徴とする撮像装置。
【００９８】
［実施態様２］ 前記反射光線導入手段は、前記集光手段と接する第１の屈折率層と、当該第１の屈折率層と前記波長選択手段との間に設けられ、前記第１の屈折率層よりも高屈折率を有する第２の屈折率層とを備えていることを特徴とする実施態様１に記載の撮像装置。
【００９９】
［実施態様３］ 前記第１の屈折率層と前記第２の屈折率層との界面が光軸から周辺部に向かって傾斜面を有することを特徴とする実施態様２に撮像装置。
【０１００】
［実施態様４］ 前記波長選択手段と光電変換手段との間には、それぞれに接して設けられた高屈折率部と、当該高屈折率部の周囲に設けられ、当該高屈折率部よりも低屈折率である低屈折率部とを更に有することを特徴とする実施態様１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０１】
［実施態様５］ 前記第２の屈折率層と前記波長選択手段との界面が光軸から周辺部に向かって傾斜面を有することを特徴とする実施態様２〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０２】
［実施態様６］ 前記第１の屈折率層と前記第２の屈折率層との界面は、前記光電変換手段側に凸の四角錐の形状を有していることを特徴とする実施態様２〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０３】
［実施態様７］ 前記第２の屈折率層と前記波長選択手段との界面は、前記集光手段側に凸の四角錐の形状を有していることを特徴とする実施態様２〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０４】
［実施態様８］ 前記波長選択手段がダイクロイック膜であることを特徴とする実施態様１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０５】
【発明の効果】
本発明によれば、波長選択手段で反射させた光線を隣接する画素の波長選択手段に導入するようにしたので、構造を複雑化・微細化することなく、入射光の利用効率を向上させた撮像素子を備えた撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略断面図である。
【図２】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子を斜め上面から見た斜視図である。
【図３】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の断面斜視図である。
【図４】撮像素子のダイクロイック膜の層構成を示す図である。
【図５】ダイクロイック膜の透過特性図である。
【図６】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の反射光の光線トレース図である。
【図７】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の透過光の光線トレース図である。
【図８】ダイクロイック膜の各色の透過特性図である。
【図９】撮像素子のＲＧＢ画素の配置図である。
【図１０】緑色光の透過用ダイクロイック膜で反射し、青色光の透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性図である。
【図１１】緑色光の透過用ダイクロイック膜で反射し、赤色光の透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性図である。
【図１２】赤色光の透過用ダイクロイック膜で反射し、緑色光の透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性図である。
【図１３】青色光の透過用ダイクロイック膜で反射し、緑色光の透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性図である。
【図１４】緑色用画素における光線取り込み範囲を示した概略図である。
【図１５】緑色用画素における光線取り込み範囲を示した概略図である。
【図１６】緑色用画素の水平方向の空間周波数成分に対するＭＴＦの特性図である。
【図１７】矩形開口を有する画素のＭＴＦの特性図である。
【図１８】光学ローパスフィルタのＭＴＦを示す図である。
【図１９】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の特性図である。
【図２０】緑色用画素を用いたときの結像レンズと撮像素子の画素における総合ＭＴＦの特性図である。
【図２１】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と撮像素子の画素における総合ＭＴＦの特性図である。
【図２２】従来の画素で光学ローパスフィルタを用いないときの総合ＭＴＦの特性図である。
【図２３】第２の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略断面図である。
【図２４】第２の実施形態の撮像装置における撮像素子の反射光の光線トレース図である。
【図２５】第２の実施形態の撮像装置における撮像素子の透過光の光線トレース図である。
【図２６】第３の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略構成図である。
【図２７】第３の実施形態の撮像装置における撮像素子の画素の光線取り込み範囲を示した概略図である。
【図２８】第３の実施形態の撮像装置における撮像素子の画素の光線取り込み範囲を示した概略図である。
【図２９】従来の撮像装置における撮像素子の画素の概略断面図である。
【図３０】従来の撮像装置における撮像素子の概略平面図である。
【図３１】従来の撮像装置における撮像素子の概略構成図である。
【図３２】カラーフィルタの特性図である。
【符号の説明】
１ シリコンウェハ
２ マイクロレンズ
３ 光電変換部
４ 波長選択部
４ｇ 緑色透過用波長選択部
４ｒ 赤色透過用波長選択部
５ 第１の屈折率層
５０ｇ，５１ｇ，５０ｒ，５１ｒ テーパ面
６ 第２の屈折率層
７ 光屈折率部
７１ テーパ面
８ 低屈折率部
１０ Ｐｏｌｙ配線層
１１ ＡＬ１配線層
１２ ＡＬ２配線層
１３ ＡＬ３配線層
１４ 平坦化層
１５ 屈折層
１６ キャップ層
１７ マイクロレンズ支持層
１８ 低屈折率層
４１ カラーフィルタ
４１ｇ 緑色カラーフィルタ
４１ｒ 赤色カラーフィルタ
６１ 撮像素子（従来）
６１ｍｎｒ 赤色用画素
６１ｍｎｇ，６１ｍｎｇ２ 緑色用画素
６１ｍｎｂ 青色用画素
９１ 有効画素開口
９２ 有効画素開口（反射光分）
１００ 撮像素子
１００ｇ，２００ｇ 緑色用画素
１００ｒ，１０１ｒ，２００ｒ，２０１ｒ 赤色用画素
１１０，１２０ 物体光
Claims (1)
- 画素がマトリクス状に配設された撮像素子を備える撮像装置であって、
前記画素は、外部から入射した光線を集光する集光手段と、
前記集光手段で集光された光線のうち、所定の波長の光線を選択的に透過するとともに他の波長の光線を反射する波長選択手段と、
前記波長選択手段で反射させた光線を隣接する画素に対応する前期波長選択手段に導入する反射光線導入手段と、
前記波長選択手段で透過させた光線を電気信号に変換する光電変換手段とを有することを特徴とする撮像装置。
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