KR20220061175A - 분광소자 어레이, 촬상소자 및 촬상장치 - Google Patents

분광소자 어레이, 촬상소자 및 촬상장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 촬상소자는, 기판 상에 광전변환소자를 포함하는 복수의 화소가 어레이 형상으로 배열된 2차원 화소 어레이와, 2차원 화소 어레이 상에 형성된 투명층과, 투명층의 내부 또는 상에, 복수의 분광소자가 어레이 형상으로 배열된 2차원 분광소자 어레이를 구비한다. 분광소자의 각각은, 투명층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 재료로 형성된 복수의 미세구조체를 포함한다. 복수의 미세구조체는, 미세구조체 패턴을 가진다. 분광소자의 각각은, 입사한 빛을, 파장영역에 따라서, 각각 다른 전파방향을 가지는 제1 편향광, 제2 편향광, 제3 편향광, 및 제4 편향광으로 분리한다. 분광소자의 각각의 바로 아래에 있는 서로 인접하는 제1 화소, 제2 화소, 제3 화소, 및 제4 화소는, 제1 편향광, 제2 편향광, 제3 편향광, 및 제4 편향광을 각각 검출한다.

Description

분광소자 어레이, 촬상소자 및 촬상장치
본 발명은, 분광소자 어레이, 촬상소자 및 촬상소자를 구비하는 촬상장치에 관한 것이다.
일반적으로, CCD(Charge Coupled Device) 센서나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서 등의 광전변환소자를 구비하는 촬상소자에 있어서, 촬상 대상의 색정보를 취득하기 위하여는, 광전변환소자를 포함하는 각 화소 상에서 입사광의 색분리를 행할 필요가 있다.
도 1에, 일반적인 컬러촬상소자의 단면도를 나타낸다. 종래의 컬러촬상소자(100)에서는, 전기배선(112) 상에 광전변환소자(102)가 배치되고, 유기재료 또는 무기재료로 이루어지는 감색(減色)형의 색필터(104)가 광전변환소자(102)를 포함하는 각 화소에 대향하여 배치된다. 색필터(104) 상에는 마이크로 렌즈(103)가 배치된다. 마이크로 렌즈(103)로부터 빛이 입사하면, 색필터(104)를 이용하여, 원하는 파장대의 빛만을 투과시키고, 불필요한 파장대의 빛을 흡수 또는 반사시킴으로써, 화소마다 적(R), 녹(G), 청(B)에 대응하는 3개의 광전변환소자(102)로부터 각 신호를 취득하여, 컬러의 2차원 화상을 생성할 수 있다.
하지만, 상기와 같은 일반적인 컬러촬상소자(100)에서는, RGB가 1:1:1 비율의 입사광인 경우, 색필터(104) 투과 후의 총광량이 필연적으로 1/3 정도가 되어버린다는 과제가 있다. 소실된 나머지 빛은, 색필터(104)에 의한 흡수 또는 반사에 따른 손실로, 화상의 구성에 이용할 수 없다. 따라서, 입사광의 광이용 효율은 최대여도 30% 정도가 되어, 촬상소자의 감도는 크게 제한되어 있다. 화소의 미세화(화상의 고해상도화)가 진행되고 있는 최근에서는, 1화소가 받는 광량이 필연적으로 저하하고 있어, 상기한 촬상소자 감도의 제한을 저감시키는 것이 요구되고 있다.
촬상소자 감도의 제한을 저감시키기 위한 방법으로서, 색필터(104) 대신에, 입사광을 파장대에 따라서 분기하는 것이 가능한 프리즘이나 다이크로익 미러 등의 분광소자를 이용하여, 컬러촬상소자를 구성하는 것이 제안되어 있다. 이와 같은 방법은, 원리적으로 입사광의 손실을 크게 저감시킬 수 있어, 색필터(104)를 사용한 경우에 비하여, 광이용 효율을 대폭 향상시킬 수 있다. 하지만, 화소의 미세화가 진행되고 있는 최근에서는, 프리즘이나 다이크로익 미러 등의 분광소자를 그 기능과 특성을 유지한 채로 광전변환소자 상으로 집적하는 것은 곤란하다.
그래서 최근에는, 광전변환소자 상에 집적하는 것이 비교적 용이한 미세구조로 이루어지는 분광소자를 이용하여, 컬러촬상소자를 구성하는 것이 제안되고 있다. 비특허문헌 1에서는, 입사광을 2파장영역으로 분리하는 것이 가능한 2종류의 미세구조를 이용함으로써, 색분리에 있어서의 광손실을 원리적으로 없애고, 광이용 효율을 향상시키는 방법이 제안되어 있다.
도 2의 (a)에 비특허문헌 1에 있어서 제안되어 있는 컬러촬상소자(200)의 상면도를 나타내고, 도 2의 (b)에 그 IIb-IIb 단면도를 나타내며, 도 2의 (c)에 그 IIc-IIc 단면도를 나타낸다. 도시되어 있는 바와 같이, 컬러촬상소자(200)는, 색필터(104) 대신에 화소(광전변환소자(102))에 대응하여 배치된 미세한 빔구조(206-1, 206-2)에 의하여, 입사광은 파장영역에 따라서, 직진하는 빛과 좌우로 편향하는 빛으로 분리한다. 이것은, 미세한 빔구조 내와 그 주위에 있어서, 입사광이 느끼는 위상지연효과가, 한쪽 파장영역에서는 크게 다르고, 또 다른 한쪽 파장영역에서는 거의 같아지기 때문이다. 따라서, 2차원 화소 어레이 상에, 구조 두께가 다른 2종류의 미세한 빔구조(206-1, 206-2)를 행마다 번갈아가며 배치함으로써, 서로 인접하는 4개의 광전변환소자(102)는 각각 다른 파장 성분을 가진 빛을 받을 수 있게 된다. 그 결과, 각 광전변환소자(102)로부터 출력되는 광전변환신호에 대하여 행렬연산을 이용한 신호처리를 하고, 색정보를 재생함으로써, 색화상을 생성할 수 있다.
또한, 비특허문헌 2에서는, 입사광을 3파장영역으로 분리하는 것이 가능한 두께가 일정한 바이너리 미세구조를, 화소(광전변환소자(102)) 상에 배치함으로써, 광이용 효율을 향상시키는 방법이 제안되어 있다.
도 3의 (a)에 비특허문헌 2에 있어서 제안되어 있는 미소분광소자(306)를 가지는 컬러촬상소자(300)의 상면도를 나타내고, 도 3의 (b)에 그 IIIb-IIIb 단면도를 나타낸다. 비특허문헌 2의 컬러촬상소자(300)를 이용함으로써, 비특허문헌 1의 컬러촬상소자(200)를 이용한 경우와 마찬가지로, 신호처리를 이용한 색정보 재구성에 의하여 색화상을 생성할 수 있다. 더욱이, 비특허문헌 2의 컬러촬상소자(300)에 있어서의 광이용 효율은, 비특허문헌 1의 컬러촬상소자(200)의 광이용 효율을 상회한다. 또한, 비특허문헌 2의 컬러촬상소자(200)는, 비특허문헌 1의 컬러촬상소자(200)에서 문제였던 편광의존성이 없고, 또한, 바이너리 구조이므로 제작이 용이하다는 등의 이점이 있다.
비특허문헌 1: Seiji Nishiwaki, Tatsuya Nakamura, Masao Hiramoto, Toshiya Fujii and Masa-aki Suzuki, "Efficient colour splitters for high-pixel-density image sensors," Nature Photonics, Vol. 7, March 2013, pp.240-246 비특허문헌 2: Masashi Miyata, Mitsumasa Nakajima, Toshikazu Hashimoto, "High-Sensitivity Color Imaging Using Pixel-Scale Color Splitters Based on Dielectric Metasurfaces," ACS Photonics, March 2019, pp1442-1450 비특허문헌 3: David Sell, Jianji Yang, Sage Doshay, Jonathan A. Fan, "Periodic Dielectric Metasurfaces with High-Efficiency, Multiwavelength Functionalities," Advanced Optical Materials, Vol.5, 2017, 1700645
비특허문헌 1 및 2에는, 색화상 생성의 방법으로서, 신호처리를 이용한 색재구성 방법이 제안되어 있다. 하지만, 비특허문헌 1 및 2에서 개시된 기술에는, 실용상의 과제가 존재한다. 이러한 색화상 생성의 방법은, 이 신호처리에 기인하는 색의 에러(노이즈)가 발생하게 되는 것이 염려되며, 화상의 신호 대 노이즈비(SN비)가 열화할 우려가 있다. 따라서, 분광소자에 의하여, 광이용 효율, 즉 센서에서의 수광량이 증가하였더라도, 신호처리에 의한 새로운 노이즈의 부가에 의하여, 촬상화상의 SN비가 개선되지 않을 우려가 있어, 실질적인 감도가 향상되지 않을 우려가 있다. 더욱이, 신호의 처리시간이 새롭게 필요해지므로, 촬상의 시간분해능의 저하가 걱정된다. 한편, 비특허문헌 2에서 개시되어 있는 바와 같이, 통상 진원(眞圓)인 마이크로 렌즈의 형상을 타원으로 하거나, 또는 통상 정사각형인 화소의 형상을 직사각형으로 하거나 하여서, 신호처리를 이용하지 않고 신호 강도로부터 직접 색정보를 취득하는 형태를 생각할 수 있는데, 렌즈나 화소 형상의 변경은 기존의 제작 프로세스나 후단처리, 화소 배치 등과 적합하지 않을 우려가 있는 것 외에, 화상의 공간해상도의 균일성을 흩뜨릴 우려가 있으므로, 실현성이 희박하다. 더욱이, 비특허문헌 1 및 2에 개시되어 있는 분광소자는 모두, 입사광을 화소 어레이 상의 1축 방향만을 따라서 색분리하는 소자이다. 따라서, 색분리축과 그것에 수직인 축에 있어서, 화소간의 광 크로스토크의 영향이 크게 달라져 버린다. 이에 따라, 생성되는 색화상에서는, 서로 수직인 2축에 있어서 실질적인 공간해상도가 다른 것이 우려된다.
본 개시는, 상기 문제점에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 고감도로, 신호처리에 의한 색재구성을 이용하지 않고, 균일한 공간해상도를 가지는 화상을 생성할 수 있는 촬상소자 및 촬상장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 촬상소자는, 기판 상에 광전변환소자를 포함하는 복수의 화소가 어레이 형상으로 배열된 2차원 화소 어레이와, 2차원 화소 어레이 상에 형성된 투명층과, 투명층의 내부 또는 상에, 복수의 분광소자가 어레이 형상으로 배열된 2차원 분광소자 어레이를 구비하고, 분광소자의 각각이, 투명층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 재료로 형성된 복수의 미세구조체를 포함하며, 복수의 미세구조체가, 미세구조체 패턴을 가지고, 분광소자의 각각이, 입사한 빛을 2차원 방향으로 분광하며, 복수의 화소가, 2차원 방향으로 분광한 빛을 각각 검출한다. 일 실시형태에서는, 상기 촬상소자에 있어서, 분광소자의 각각이, 입사한 빛을, 파장영역에 따라서, 각각 다른 전파방향을 가지는 제1 편향광, 제2 편향광, 제3 편향광 및 제4 편향광으로 분리하고, 분광소자의 각각의 바로 아래에 있는 서로 인접하는 제1 화소, 제2 화소, 제3 화소, 및 제4 화소가, 제1 편향광, 제2 편향광, 제3 편향광, 및 제4 편향광을 각각 검출한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 평면 2축 방향을 따라서 입사광을 복수의 파장영역으로 분리시키는 것이 가능한 미소분광소자를 이용함으로써, 고감도로, 신호처리에 의한 색재구성을 이용하지 않고, 균일한 공간해상도를 가지는 화상을 생성할 수 있는 촬상소자 및 촬상장치를 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 촬상소자는, 널리 이용되고 있는 화소 배치인 베이어 배치(Bayer arrangement)와 정합성이 있으므로, 일반적인 컬러촬상소자의 구성 및 그 후단의 전자회로를 크게 변경하지 않고, 색필터를 미소분광소자로 치환함으로써, 고감도화를 달성할 수 있다.
도 1은 일반적인 컬러촬상소자의 단면도이다.
도 2의 (a)는 비특허문헌 1에 있어서 제안되어 있는 컬러촬상소자의 상면도이고, 도 2의 (b)는 그 IIb-IIb 단면도이며, 및 도 2의 (c)는 그 IIc-IIc 단면도이다.
도 3의 (a)는 비특허문헌 2에 있어서 제안되어 있는 컬러촬상소자의 상면도이고, 도 3의 (b)는 그 IIIa-IIIb 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 촬상장치(10)의 개략적인 구성을 나타낸 측면도이다.
도 5의 (a)는 화소 어레이 및 분광소자 어레이를 포함하는 촬상소자(500)의 상면에서 본 구성의 일부를 모식적으로 나타내는 도면이고, 도 5의 (b)는 그 Vb-Vb 단면을 모식적으로 나타내는 도면이며, 도 5의 (c)는 그 Vc-Vc 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 6의 (a)는 화소 어레이 및 분광소자 어레이를 포함하는 촬상소자(600)의 상면에서 본 구성의 일부를 모식적으로 나타내는 도면이고, 도 6의 (b)는 그 VIb-VIb 단면을 모식적으로 나타내는 도면이며, 도 6의 (c)는 그 VIc-VIc 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 7의 (a)는 제1 파장영역(R)에 대응하는 파장의 위상지연분포를 나타내는 도면이고, 도 7의 (b)는 제2 파장영역(G)에 대응하는 파장의 위상지연분포를 나타내는 도면이며, 도 7의 (c)는 제3 파장영역(B)에 대응하는 파장의 위상지연분포를 나타내는 도면이다.
도 8의 (a)는 본 실시형태에 따른 미소분광소자(101)를 구성하는 미세구조체의 일례의 상면도이고, 도 8의 (b)는 미세구조체의 일례의 측면도이다.
도 9의 (a)는 화소 어레이 및 분광소자 어레이를 포함하는 촬상소자(900)의 상면에서 본 구성의 일부를 모식적으로 나타내는 도면이고, 도 9의 (b)는 IXb-IXb 단면을 모식적으로 나타내는 도면이며, 도 9의 (c)는 그 IXc-IXc 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 10의 (a)는 화소 어레이 및 분광소자 어레이를 포함하는 촬상소자(900)의 상면에서 본 구성의 일부를 모식적으로 나타내는 도면이고, 도 10의 (b)는 그 Xb-Xb 단면을 모식적으로 나타내는 도면이며, 도 10의 (c)는 그 Xc-Xc 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 11의 (a)는 제1 파장영역(R)에 대응하는 파장의 위상지연분포를 나타내는 도면이고, 도 11의 (b)는 제2 파장영역(G)에 대응하는 파장의 위상지연분포를 나타내는 도면이며, 도 11의 (c)는 제3 파장영역(B)에 대응하는 파장의 위상지연분포를 나타내는 도면이고, 도 11의 (d)는 제4 파장영역(IR)에 대응하는 파장의 위상지연분포를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 단, 이하의 실시형태는 일례에 불과하며, 본 발명은 이들 실시형태로 한정되지 않는 것은 말할 것도 없다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 촬상장치(10)의 개략적인 구성을 나타낸 측면도이다. 촬상장치(10)는, 렌즈 광학계(11), 촬상소자(12), 및 촬상소자(12)로부터 출력되는 광전변환신호를 처리하여 화상신호를 생성하는 신호처리부(13)를 구비한다.
자연광이나 조명광 등의 빛이 물체(1)에 조사되어 물체(1)에 의하여 투과/반사/산란된 빛은, 또는, 물체(1)에서 발하는 빛은, 렌즈 광학계(11)에 의하여 CCD나 CMOS 등의 광전변환소자를 포함하는 촬상소자(12) 상에 광학상을 형성한다. 일반적으로, 렌즈 광학계는, 다양한 광학수차를 보정하기 위하여, 광축을 따라서 늘어선 복수의 렌즈로 이루어지는 렌즈 그룹에 의하여 구성되는데, 도 4에서는 도면을 간략화하여 단일 렌즈로 나타내고 있다. 신호처리부(13)는, 촬상소자(12)로부터 출력되는 광전변환신호를 처리하여 화상신호를 생성하고, 생성한 화상신호를 외부로 송출하는 화상신호출력을 구비한다. 한편, 본 발명의 촬상장치(10)는, 적외광 커트의 광학필터, 전자셔터, 뷰파인더, 전원(전지), 플래시라이트 등의 공지의 구성요소를 구비할 수 있는데, 그러한 설명은 본 발명의 실시형태를 이해하는 데에 특별히 필요하지 않기 때문에 생략한다. 또한, 이상의 구성은 어디까지나 일례이고, 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 렌즈 광학계(11), 촬상소자(12), 신호처리부(13)를 제외하는 구성요소에는, 공지의 요소를 적절히 조합하여 이용할 수 있다.
본 발명의 실시형태의 상세를 설명하기 전에, 본 발명의 실시형태에 있어서의 촬상소자(12)의 개략을 설명한다. 본 발명의 실시형태의 촬상소자(12)는, 미소분광소자(101)와, 광전변환소자(102)를 포함하는 화소를 구비한다. 광전변환소자(102)를 포함하는 화소는, 2차원 형상으로 복수 배열되어 화소 어레이를 구성하고 있다. 또한, 미소분광소자(101)는, 2차원 형상으로 복수 배열되어, 분광소자 어레이를 구성하고 있다. 서로 인접하는 4개의 화소는, 그 일부가 1개의 분광소자의 대응하는 위치에 형성되어 있다. 분광소자의 각각에 대응하는 위치란, 예를 들어 각 분광소자가 차지하는 영역에서 소자면 수직방향으로 화소 어레이에 내려뜨린 투영면에 화소 어레이의 서로 인접하는 4개의 화소의 일부가 겹쳐 있는 상태를 포함한다.
도 5의 (a)에 촬상소자(12)의 일례로서, 화소 어레이 및 분광소자 어레이를 포함하는 촬상소자(500)의 상면에서 본 구성의 일부를 모식적으로 나타내고, 도 5의 (b)에 그 Vb-Vb 단면에 있어서의 촬상소자(500)의 구성의 일부를 나타내며, 도 5의 (c)에 그 Vc-Vc 단면에 있어서의 촬상소자(500)의 구성의 일부를 나타낸다. 분광소자 어레이는, 화소 어레이와 대향하고 있다. 분광소자 어레이는, 렌즈 광학계(11)로부터의 빛이 입사하는 측에 배치되어 있다. 분광소자 어레이와 화소 어레이의 사이, 및 분광소자 어레이의 렌즈 광학계(11) 측에는, 투명층(111)이 설치되어 있다. 화소 어레이의 분광소자 어레이의 반대측에는 전기배선(112)(미도시)이 설치되어 있다.
분광소자 어레이를 구성하는 각 미소분광소자(101)는, 두께(z축 방향의 길이)가 일정한 미세구조 패턴을 가지고 있다. 보다 구체적으로는, 각 미소분광소자(101)는, 두께가 일정한데, 상면 및 하면의 형상이 배열의 위치에 따라서 다른 미세구조 패턴을 가지고 있다. 한편, 미소분광소자(101)의 두께는, 위치에 따라서 두께가 다른 미세구조체여도 좋다. 또한, 미세구조 패턴에 제한은 없으며, 다양한 배열 형태를 취할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시형태의 촬상소자(12)는, 마이크로 렌즈나 차광벽 등의 공지의 구성요소를 구비할 수 있는데, 그 설명은 본 발명의 개략적인 이해에 특별히 필요하지 않으므로, 도 5의 (a) 내지 (c)에서는 생략하고 있다.
본 실시형태의 설명은, 촬상소자(12)에 입사하는 빛을, 파장영역마다 제1 파장영역, 제2 파장영역, 제3 파장영역, 및 제4 파장영역으로 분류한다. 한편, 제1 내지 제4 파장영역의 조합은, 일반적으로 적(R: 파장 600nm 이상의 적색 파장역에서 광강도의 피크를 가짐), 녹(G: 파장 500nm~600nm의 녹색 파장역에서 광강도의 피크를 가짐), 청(B: 파장 500nm 이하의 청색 파장역에서 광강도의 피크를 가짐)의 3원색과 근적외광(IR: 파장 800nm 이상의 근적외 파장역에서 광강도의 피크를 가짐)의 조합인데, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 파장영역의 조합은, 적(R), 녹(G), 청(B)의 3원색과 자외광(UV: 파장 380nm 이하의 자외 파장역에서 광강도의 피크를 가짐)의 조합이어도 좋고, 적외광의 파장영역에 있어서의 서로 다른 복수의 파장영역의 조합이어도 좋으며, 자외광의 파장영역에 있어서의 서로 다른 복수의 파장영역의 조합이어도 좋다. 또한, 제1 내지 제3 파장영역을 서로 다른 파장영역으로 하고, 제4 파장영역을 제1 내지 제3 파장영역 중 하나와 동일하다고 하여도 좋다. 본 발명의 실시형태에 있어서의 분광소자 어레이를 구성하는 미소분광소자(101)의 각각은, 후술하는 미세구조체에 기인하는 위상지연효과 및 그 구조치수의존성 및 파장의존성을 이용함으로써, 상술한 제1 내지 제3 파장영역, 또는 제1 내지 제4 파장영역에 따라서, 촬상소자(12)에 입사한 빛의 전파방향을 바꾸고, 화소 어레이 상에 있어서 공간적으로 빛을 분리하는 기능은 가진다. 즉, 본 발명의 실시형태에서는, 촬상소자(12)에 입사한 빛은, 각 미소분광소자(101)에 의하여, 제1 방향(우상(右上)), 제2 방향(우하(右下)), 제3 방향(좌하(左下)) 및 제4 방향(좌상(左上))의 4방향으로 분리하고, 서로 인접하는 4개의 화소의 일부에 입사한다. 보다 상세한 예로서, 미소분광소자(101)가, 적(R)을 제1 방향(우상)으로 분리하고, 녹(G)을 제2 방향(우하)으로 분리하며, 청(B)을 제3 방향(좌하)으로 분리하고, 적외광(IR)을 제4 방향(좌상)으로 분리하는 경우를 설명한다. 적(R)의 파장영역의 빛은, 제1 방향으로 확산되어 폭이 넓은 빛(파장성분이 늘어선 빛)으로서, 서로 인접하는 4개의 화소 중 적에 대응하는 화소(녹에 대응하는 화소의 상측에 안접하고, 적외광에 대응하는 화소의 우측에 인접)에 입사한다(단파장의 빛의 입사각과 장파장의 빛의 입사각이 다르다). 녹(G)의 파장영역의 빛은, 제2 방향으로 확산되어 폭이 넓은 빛(파장성분이 늘어선 빛)으로서, 녹에 대응하는 화소(적에 대응하는 화소의 하측에 인접하고, 청에 대응하는 화소의 우측에 인접)에 입사한다(단파장의 빛의 입사각과 장파장의 빛의 입사각이 다르다). 청(B)의 파장영역의 빛은, 제3 방향으로 확산되어 폭이 넓은 빛(파장성분이 늘어선 빛)으로서, 청에 대응하는 화소(녹에 대응하는 화소의 좌측에 인접하고, 적외광에 대응하는 화소의 하측에 인접)에 입사한다(단파장의 빛의 입사각과 장파장의 빛의 입사각이 다르다). 적외광(IR)의 파장영역의 빛은, 제4 방향으로 확산되어 폭이 넓은 빛(파장성분이 늘어선 빛)으로서, 적외광에 대응하는 화소(적에 대응하는 화소의 좌측에 인접하고, 청에 대응하는 화소의 상측에 인접)에 입사한다(단파장의 빛의 입사각과 장파장의 빛의 입사각이 다르다).
또한, 평면 2축 방향(xy평면의 x축 방향 및 y축 방향)에 인접하는 4개의 미소분광소자(101)를 1개의 분광유닛(분광유닛은 정사각형임)으로 하면, 1개의 분광유닛을 구성하는 4개의 미소분광소자(101)의 분광기능은 서로 다르다. 구체적으로, 1개의 분광유닛은, 4종류의 미소분광소자를 포함한다. 예를 들어, 제1 종류의 미소분광소자는, 제1 파장영역, 제2 파장영역, 제3 파장영역의 빛 및 제4 파장영역의 빛을, 각각 제1 방향(우상), 제2 방향(우하), 제3 방향(좌하) 및 제4 방향(좌상)으로 분리시키는 분광기능을 가진다. 제2 종류의 미소분광소자는, 제1 파장영역, 제2 파장영역, 제3 파장영역 및 제4 파장영역의 빛을, 각각 제2 방향(우하), 제1 방향(우상), 제4 방향(좌상) 및 제3 방향(좌하)으로 분리시키는 분광기능을 가진다. 제3 종류의 미소분광소자는, 제1 파장영역, 제2 파장영역, 제3 파장영역 및 제4 파장영역의 빛을, 각각 제3 방향(좌하), 제4 방향(좌상), 제1 방향(우상) 및 제2 방향(우하)으로 분리시키는 분광기능을 가진다. 제4 종류의 미소분광소자는, 제1 파장영역, 제2 파장영역, 제3 파장영역 및 제4 파장영역의 빛을, 각각 제4 방향(좌상), 제3 방향(좌하), 제3 방향(우하) 및 제1 방향(우상)으로 분리시키는 분광기능을 가진다.
따라서, 미소분광소자(101)와 광전변환소자(102)를 포함하는 화소와의 거리를, 그 미소분광소자(101)에 의하여 제1 방향(우상)으로 분리된 빛, 그 미소분광소자(101)의 우측에 인접하는 미소분광소자에 의하여 제4 방향(좌상)으로 분리된 빛, 그 미소분광소자(101)의 우상측에 인접하는 미소분광소자에 의하여 제3 방향(좌하)으로 분리된 빛, 및 그 미소분광소자(101)의 상측에 인접하는 미소분광소자에 의하여 제2 방향(우하)으로 분리된 빛이 그 광전변환소자(102)에 입사하는 거리로 함으로써, 각각의 분광유닛의 바로 아래에 있는 4개의 화소(광전변환소자(102))는, 각각 제1, 제2, 제3 및 제4 파장영역의 어떤 빛만을 받게 된다. 화소에 빛이 입사하면, 광전변환소자(102)가 입사한 빛의 강도에 따른 전기신호(광전변환신호)를 출력하기 때문에, 파장영역에 따른 신호(3원색이라면 컬러 정보)를, 직접적으로 취득하게 된다. 이상의 미소분광소자(101) 및 미소분광소자에 대응한 복수의 화소(광전변환소자(102))가, 2차원 형상으로 배치되어 있으므로, 렌즈 광학계에 의하여 형성되는 물체의 광학상의 파장영역마다의 정보를, 특별한 신호처리를 이용하지 않고 동시에 취득할 수 있다. 또한, 이러한 구성에서는 평면 2축 방향을 따라서 빛의 분리를 행하므로, 임의의 화소간에 있어서의 광 크로스토크의 영향이 같아져서, 균일한 공간해상도를 가지는 화상을 생성할 수 있다.
후술하는 제1 실시형태에 대하여는, 제1 내지 제3 파장영역을 R, G, B의 3원색으로 하고, 제4 파장영역을 제2 파장영역과 동일하게 하며, 미소분광소자(101)에 의하여 R, G, B, G의 파장영역마다 입사광을 4방향으로 공간적으로 분리한다. 즉, 입사광의 거의 모두가 R, G, B의 파장영역으로 분리된 상태로 미소분광소자(101)의 바로 아래에 있는 인접하는 4개의 화소(광전변환소자(102))에 입사한다. 한편, 4개의 화소 중 2개는, 같은 파장영역의 빛이 입사한다. 따라서, 화소(광전변환소자(102))에서 얻어지는 광전변환신호로부터, 컬러 정보를 직접적으로 취득할 수 있다.
또한, 후술하는 제2 실시형태에 대하여는, 제1 내지 제3 파장영역을 R, G, B의 3원색으로 하고, 제4 파장영역을 적외광(IR)으로 하며, 미소분광소자(101)가 R, G, B, 및 IR의 파장영역마다 입사광을 4방향으로 공간적으로 분리한다. 즉, 입사광의 거의 모두가 R, G, B, IR의 파장영역으로 분리된 상태로 미소분광소자(101)의 바로 아래에 있는 인접하는 4개의 화소(광전변환소자(102))에 입사한다. 한편, 4개의 화소는, 모두 다른 파장영역의 빛이 입사한다. 따라서, 화소(광전변환소자(102))에서 얻어지는 광전변환신호로부터, 직접적으로, 컬러 정보와 IR 정보를 취득할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 있어서의 촬상소자(12)에 따르면, 감광형의 밴드 패스 필터를 이용하지 않고, 미소분광소자(101)를 이용한 파장영역마다의 광분리에 의하여, 특별한 신호처리를 이용하지 않고, 물체의 광학상의 파장영역마다의 정보를 취득할 수 있다. 즉, 제1 내지 제4 파장영역을 R, G, B, G의 3원색으로 하면, 컬러 화상을 취득할 수 있다. 따라서, 색필터를 이용한 촬상소자와 비교하여, 화소 어레이에 도달하는 광총량을 증가시킬 수 있어, 컬러 촬상의 감도를 높이는 것이 가능해진다. 또한, 제1 내지 제4 파장영역을 R, G, B의 3원색과 IR로 하면, 컬러 화상에 더하여 IR 화상을 고감도로 동시에 취득할 수 있다. 더욱이, 화소 어레이 상에 있어서 평면 2축 방향을 따른 광분리에 의하여 각 파장역의 정보를 취득하므로, 임의의 화소간에 있어서의 광 크로스토크의 영향이 동일하여, 균일한 공간해상도를 가지는 화상을 생성할 수 있으므로, 비특허문헌 1 및 2에서 개시된 기술에 있어서의 과제를 해결할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 실시형태에 따른 촬상소자(12)는, 일반적으로 채용되고 있는 마이크로 렌즈 형상이나 화소 형상, 베이어 배치 등의 화소 배치를 변경할 필요가 없으므로, 기존의 제작 프로세스나 촬상 시스템과 정합성이 높아, 필터를 미소분광소자로 치환하는 것만으로 효과가 얻어지는 등의 이점이 있다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다.
(제1 실시형태)
이하, 본 실시형태에 있어서의 촬상소자의 구성의 개략에 대하여 설명한다.
본 실시형태에서는 제1 내지 제3 파장영역을 R, G, B의 3원색으로 하고, 제4 파장영역을 제2 영역과 동일하게 하며, 입사광을 R, G, B, G로 분광하는 형태를 나타내는데, 분광되는 파장영역의 수나 각 파장영역에 있어서의 파장은 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 4개의 파장영역 중 적어도 1개가 3원색 이외의 파장의 빛(예를 들어, 적외광이나 자외광)이어도 좋다.
도 6의 (a)에 제1 실시형태에 따른 촬상소자(12)의 예로서, 화소 어레이 및 분광소자 어레이를 포함하는 촬상소자(600)의 상면에서 본 개략 구성의 일부를 모식적으로 나타내고, 도 6의 (b)에 그 VIb-VIb 단면에 있어서의 촬상소자(600)의 구성의 일부를 나타내며, 도 6의 (c)에 그 VIc-VIc 단면에 있어서의 촬상소자(600)의 구성의 일부를 나타낸다. 광전변환소자(102)를 포함하는 화소가 어레이 형상이 되도록 배열된 2차원 화소 어레이 상에, SiO2 등으로 이루어지는 저굴절률의 투명층(111), 및 복수의 마이크로 렌즈(103)가 적층되어 있다. 저굴절률의 투명층(111)의 내부에는, 미소분광소자(101)가 매립되어 있다.
미소분광소자(101)는, 투명층(111)의 굴절률보다도 높은 굴절률을 가지는 SiN이나 TiO2 등의 재료로 형성된 복수의 미세구조체를 포함한다. 복수의 미세구조체는, 미세구조 패턴을 가지도록 형성되어 있다. 편의상, 이하의 설명에 있어서 2차원 화소 어레이의 법선방향을 z축, 2차원 화소 어레이에 평행한 수평방향을 x축, 2차원 화소 어레이에 평행한 x축에 수직인 방향을 y축으로 하는 xyz 직교좌표계를 설정한다.
도 6의 (a) 내지 (c)에 나타내는 바와 같이, 마이크로 렌즈(103), 미소분광소자(101) 및 화소(광전변환소자(102))는 xy 평면 상에 있어서 동일한 주기로 격자 형상으로 배치되고, 각각 어레이를 형성하고 있다. 각 마이크로 렌즈(103)의 바로 아래에 1개의 미소분광소자(101)가 배치되어 있다. 또한, 마이크로 렌즈 어레이 및 미소분광소자 어레이는, 화소 어레이의 배치로부터, 어레이 주기(중심간의 거리)의 1/2의 길이만큼, x축 및 y축을 따라서 각각 시프트하고 있다. 미소분광소자(101)에 있어서의, x축 방향에 인접하는 미소분광소자와의 경계로부터 x축 방향의 어레이 주기의 1/2의 길이의 위치, 및 y축 방향에 인접하는 미소분광소자와의 경계로부터 y축 방향의 어레이 주기의 1/2의 길이의 위치를, 미소분광소자(101)의 중심으로 한다. 이때, 도 6의 (a)에 나타내는 바와 같이, 미소분광소자(101)의 중심은, 그 미소분광소자(101)의 바로 아래에 있는 서로 인접하는 4개의 미소분광소자(101)가 형성하는 사각형의 중심의 바로 위에 위치한다. 미소분광소자 어레이는, 입사광을 3파장영역마다(R, G, B), 평면 상 x축에 대하여 ±45°의 방향으로 각각 평행한 4방향을 따라서 공간적으로 분리하는 미소분광소자(101)로 이루어진다. 또한, 인접하는 4개의 미소분광소자(101)를 1개의 분광유닛(601)(도 6의 (a)에 이점쇄선의 직사각형으로 나타냄)으로 하면, 미소분광소자 어레이는, 분광유닛이 격자 형상으로 어레이를 형성하고 있다고 볼 수 있다. 분광유닛을 구성하는 인접하는 4개의 미소분광소자(101)는, 3파장영역마다 할당된 4개의 방향의 조합이 각각 다르고, 유닛의 바로 아래에 있는 4개의 화소에 각각 동일한 파장영역의 빛이 입사하도록 배치되어 있다. 한편, 각각의 미소분광소자(101)의 바로 아래에 있는 4개의 화소 중 2개는, 동일한 파장영역의 빛이 입사한다. 상기 유닛은, 동일한 분광기능을 가지는 1종류의 미소분광소자를 90° 회전시켜서 구성하여도 좋고, 혹은 반전시켜서 구성하여도 좋으며, 또는, 4종류의 분광기능을 각각 실현하는 4종류의 미소분광소자(101)로 구성되어 있어도 좋다. 도 6의 (a)에 나타내는 분광유닛은, R광(실선)을 제1 방향(우상)으로 분리하고, G광(파선)을 제2 방향(우하)으로 분리하며, B광(일점쇄선)을 제3 방향(좌하)으로 분리하고, G광(파선)을 제4 방향(좌상)으로 분리시키는 분광기능을 가지는 소자를 포함하며, 그 소자의 우측, 하측 및 우하에는 그 소자를 반시계 방향으로 90° 회전시킨 소자, 그 소자를 시계 방향으로 90° 회전시킨 소자, 및 그 소자를 반전시킨 소자를 더 포함한다.
한편, 상술한 설명에서는, 일례로서, 정사각형의 화소(광전변환소자(102))로 이루어지는 직교 격자 형상으로 배열된 2차원 화소 어레이의 경우에 대하여 설명하였는데, 화소의 배열, 형상, 사이즈 등은 이 도면의 예로 한정되지 않는다. 또한, 도 6의 (a) 내지 (c)에서는 생략하고 있는데, 2차원 화소 어레이와 미소분광소자 어레이와의 사이에, 내부 마이크로 렌즈로서 동작하고, 미소분광소자(101)로부터의 빛을 화소 내의 광전변환소자(102)로 유도하도록 작용하는 SiN이나 TiO2 등으로 이루어지는 투명층보다 높은 굴절률의 요철 구조에 의한 집광기능을 가지는 구조체를 구비할 수 있다. 도 6의 (a) 내지 (c)에 나타낸 구조는, 공지의 반도체 제조기술에 의하여 제작될 수 있다.
한편, 도 6의 (a) 내지 (c)에 나타나는 촬상소자(600)는, 전기배선(112)이 형성된 배선층의 반대측으로부터 빛이 입사하는 이면조사형의 구조를 가지고 있는데, 본 실시형태에서는 이와 같은 구조로 한정되지 않으며, 예를 들어 배선층 측에서 수광하는 표면조사형의 구조를 가지고 있어도 좋다.
이하, 본 실시형태에 따른 촬상소자(600)의 각 구성요소의 작용에 대하여 설명한다.
촬상소자(600)에 입사하는 백색의 빛은, 우선 마이크로 렌즈 어레이에 의하여 집광되고, 거의 모든 빛이 각 마이크로 렌즈(103)에 대응한 미소분광소자(101)를 통과한다. 각 미소분광소자(101)에 의하여, 빛은 3파장영역마다 4방향으로 공간적으로 분리되고, 각 미소분광소자(101)의 바로 아래에 있는 인접하는 4개의 화소(광전변환소자(102))에 의하여 각각 수광된다. 분광유닛의 구성으로부터, 미소분광소자 어레이의 바로 아래에 있는 화소 어레이의 각 화소는 R, G, B의 어느 파장역의 빛이 입사하게 되므로, 각 화소가 R, G, B의 어느 컬러 정보의 검출을 대응한다. 한편, 도 6의 (a) 내지 (c)의 예는, 4개의 화소를 1개의 화소유닛으로 한 경우, 4개의 화소가 각각 R, G, G, B의 빛에 대응하고 있는 베이어 배치에 적합한 일례로서, 각 미소분광소자(101)의 구성에 따라서는, 색성분과 전파방향의 조합은 자유롭게 변경 가능하며, 그에 따라서, RGB 각각에 대응하는 화소의 배치도 변경된다. 최후에, 각 화소 내의 광전변환소자(102)에 의하여 광전변환이 이루어지고, 컬러 정보를 포함하는 화상신호로서 출력된다.
한편, 화소 어레이와 미소분광소자(101)와의 사이에, 내부 마이크로 렌즈로서 동작하는 SiN이나 TiO2 등으로 이루어지는 투명층보다 높은 굴절률의 요철 구조에 의한 집광기능을 가지는 구조체를 구비할 수 있는데, 후술하는 미소분광소자(101)는 형성하는 위상지연분포에 따라서는, 렌즈 기능을 가지는 것이 가능하므로, 내부 마이크로 렌즈를 생략하는 것도 가능하다.
이하, 본 실시형태에 있어서의 미소분광소자(101)에 대하여 설명한다.
미소분광소자(101)가 입사광을 3파장영역마다(R, G, B), 상술한 4방향을 따라서 공간적으로 분리하기 위하여는, 1개의 미소분광소자(101)를 투과하는 빛에 대하여, 파장영역마다 다른 위상지연분포를 주어, 광파면을 변화시키는 것이 필요하다.
도 7의 (a) 내지 (c)는, 상술한 분광특성을 실현하는 것이 가능한 미소분광소자(101)가 가지는 위상지연분포의 일례이다. 이 예에서는, 도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이, 제1 파장영역(R)에 대응하는 파장의 위상지연분포는, 좌하에서 우상을 따라서 위상지연량이 0에서 2π까지 선형 증가하는 분포를 형성하고 있고, 도 7의 (b)에 나타내는 바와 같이, 제2 파장영역(G)에 대응하는 파장의 위상지연분포는, 좌상에서 중앙을 향하여 위상지연량이 0에서 π까지 선형 증가하며, 중앙에서 우하를 향하여 위상지연량이 π에서 0까지 선형 감소하는 분포를 형성하고 있고, 도 7의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제3 파장영역(B)에 대응하는 파장의 위상지연분포는, 우상에서 좌하를 따라서 위상지연량이 0에서 2π까지 선형 증가하는 분포를 형성하고 있다. 이와 같은 위상지연분포를 가지는 소자를 투과한 빛은, 제1 파장영역(R)이 우상 방향, 제2 파장영역(G)이 좌상 및 우하 방향, 제3 파장영역(B)이 좌하 방향을 따라서, 각각 편향하면서 전파된다. 한편, 상술한 설명은 일례로서, 위상지연분포에 따라서는, 파장영역과 전파 방향의 조합은 자유롭게 변경 가능하다. 이상과 같은 위상지연분포는, 후술하는 바와 같이 미세구조체의 재료, 수, 형상, 사이즈, 패턴 등을 적절하게 설계함으로써 실현할 수 있다. 즉, 본 실시형태에 있어서의 미소분광소자(101)는, 미세구조체를 2차원 평면 상에 배치하고, 입사광에 대하여, 파장영역에 따라서 다른 광파면을 부여하여, 색성분을 공간적으로 분리한다.
도 8의 (a)에 본 실시형태에 있어서의 미소분광소자(101)를 구성하는 미세구조체의 일례의 상면을 나타내고, 도 8의 (b)에 미세구조체의 측면도를 나타낸다. 미세구조체의 일례인 기둥 형상 구조체(121)는, 투명층(111)의 굴절률(n0)보다 높은 굴절률(n1)을 가지는 SiN이나 TiO2 등의 재료로 형성되어 있고, 구조의 두께(h)를 일정하게 한다. 또한, 기둥 형상 구조체(121)의 바닥면 및 상면은 정사각형이다. 이러한 기둥 형상 구조체(121)는, 투명층(111)과 기둥 형상 구조체(121)와의 사이의 굴절률차로부터, 빛을 구조 내에 가두어 전파시키는 광도파로서 생각할 수 있다. 따라서, 상면측에서 입사한 빛은, 기둥 형상 구조체(121) 내에 강하게 가두어지면서 전파되고, 광도파로의 실효적인 굴절률(neff)에 의하여 결정되는 위상지연효과를 받아, 바닥면측에서 출사한다. 구체적으로, 투명층(111)을 구조의 두께만큼의 길이를 전파한 빛의 위상을 기준으로 하였을 때, 기둥 형상 구조체(121)에 의한 위상지연량(φ)은, 빛의 진공 중에서의 파장을 λ로 두면, 식 (1)로 나타난다.
φ＝(neff－n0)×2πｈ／λ　…(1)
이 위상지연량(φ)은, 빛의 파장(λ)에 따라서 다르기 때문에, 동일한 기둥 형상 구조체(121)에 있어서, 빛을 파장영역(색성분)에 따라서 다른 위상지연량을 부여할 수 있다. 더욱이, neff는 기둥 형상 구조체(121)의 폭(w)의 함수인 것이 알려져 있으며, n0＜neff＜n1의 값을 취한다. 따라서, 도 8의 (a) 및 (b)에 나타내는 예에서는, 기둥 형상 구조체(121)의 폭(w)을 변화시킴으로써, 빛의 파장(λ)에 따른 위상지연량의 다채로운 조합을 설정하는 것이 가능하다. 또한, 기둥 형상 구조체(121)의 바닥면 및 상면이 정사각형이므로, 입사광의 편광(편파) 방향을 변화시킨 경우에 있어서도, 위상지연효과를 포함하는 광학 특성에는 변화가 없다.
이상과 같은 구조체를 도 7의 (a) 내지 (c)를 참조하여 상술한 위상지연분포에 적합하도록 위치에 따라서 기둥 형상 구조체(121)의 폭(w)을 각각 설정하고, 2차원 평면 상에 복수 배치함으로써, 본 실시형태에 있어서의 미소분광소자를 실현할 수 있다. 또한, 상술한 각 기둥 형상 구조체(121)의 배치에 있어서, 주기적인 구조에 기인하는 불필요한 회절광이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 빛의 파장 이하의 간격으로 배치하는 것이 바람직하다. 한편, 빛을 효율적으로 편향시키기는 데에는 위상지연분포가 0에서 2π까지 변화하는 분포가 적합하므로, 각각의 파장역에 있어서, 두께가 일정한 기둥 형상 구조체(121)에 의한 위상지연량의 가변 범위는, 2π 이상 가지고 있는 것이 바람직하다. 따라서, 식 (1)로부터, 분리하는 파장역의 가장 장파장측 파장역에 있어서의 원하는 중심파장을 λr로 하면, 구조의 두께(h)는, h=λr／(n1-n0) 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 상술한 예에서는, 기둥 형상 구조체(121)의 바닥면 및 상면이 정사각형인 경우에 대하여 설명하였는데, 이 형상으로 한정되지 않는다. 즉, 면의 중심을 대칭축으로 하여서 4회 회전대칭을 포함하는 형상면이라면, 분광기능의 편광에 대한 의존성이 발생하는 일은 없으며, 위상지연 효과를 초래하는 광도파로로서의 동작을 잃을 일도 없다. 따라서, 정사각형, 중공(中空) 정사각형, 원형, 중공 원형, 십자형상 등의 4회 회전대칭이 되는 면을 가지는 기둥 형상 구조체를 채용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 두께가 일정한 미세구조체로 이루어지는 미소분광소자는, 예를 들어, 비특허문헌 2에 개시되어 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 미소분광소자(101)는, 상술한 기둥 형상 구조체(121)로 한정되지 않고, 다양한 형태의 미세구조를 이용할 수 있다. 예를 들어, 비특허문헌 3에 개시되어 있는 바와 같은, 계산기에 의하여 최적화된 구조 패턴을 가지는 두께가 일정한 미세구조체는, 상술한 원리와 마찬가지의 원리로 파장영역마다 위상지연분포를 형성할 수 있어, 색성분을 공간적으로 분리하는 것이 가능하다. 더욱이, 식 (1)로부터, 기둥 형상 구조체(121)의 폭(w)에 더하여 구조의 두께(h)를 변화시킴으로써, 빛의 파장(λ)에 따른 위상지연량의 보다 다채로운 조합을 설정하는 것이 가능하다. 따라서, 상술한 위상지연분포에 적합하도록 미세구조체가 배치되는 위치에 따라서 미세구조체의 폭(w) 및 두께(h)를 각각 설정하고, 2차원 평면 상에 복수 배치하는 것으로도, 본 실시형태에 있어서의 미소분광소자를 실현할 수 있다.
상술한 분광기능을 가지는 미소분광소자(101)는, 공지의 반도체 제조기술에 의하여, 박막퇴적 및 패터닝을 실행함으로써, 제작될 수 있다.
이상과 같이, 미소분광소자를 구성하는 구조체의 재료, 수, 형상, 사이즈, 패턴 등을 적절히 설계함으로써, 원하는 분광특성을 부여하는 것이 가능하다. 그 결과, 상술한 바와 같이, 각각의 화소에 원하는 파장영역의 빛을 분리하여 입사시키는 것이 가능해지고, 각 화소 내의 광전변환소자에서 출력되는 광전변환신호로부터, 파장영역에 대응하는 신호를 직접 취득할 수 있다. 또한, 미소분광소자를 구성하는 재료가 저손실이라면, 광손실은 거의 발생하지 않으므로, 종래 기술의 필터를 이용한 촬상소자와 비교하여, 화소 어레이에 도달하는 빛의 총량을 비약적으로 증가시킬 수 있어, 컬러 촬상의 감도를 높이는 것이 가능해진다. 또한, 화소 어레이 상에 있어서 평면 2축 방향을 따른 광분리에 의하여 각 파장영역의 정보를 취득하므로, 임의의 화소간에 있어서의 광 크로스토크의 영향이 같고, 균일한 공간해상도를 가지는 화상을 생성하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시형태에서는, 단일 분광소자 어레이 형태를 이용한 촬상소자를 설명하는데, 단일 분광소자 어레이 대신에, 복수의 분광소자 어레이를 z축 방향으로 겹친 형태를 이용하여, 촬상소자를 실현하는 것도 가능하다. 즉, 단일 분광소자 어레이를 구성하는 미소분광소자(101)가, 입사하는 빛을 2차원의 방향(평면 2축 방향)으로 분광하여도 좋고, 빛의 전파방향(z축 방향)으로 겹쳐진 복수의 미소분광소자가, 입사하는 빛을 2차원의 방향으로 분광하여도 좋다. 한편, 각 미소분광소자의 분광성능이 상술한 이상적인 성능과 다소 다르더라도, 성능의 차이의 정도에 따라서, 취득한 신호를 보정·연산함으로써 양호한 색정보를 얻는 것이 가능하다.
한편, 미소분광소자에 의한 색성분의 분리 후에 있어서, 화소 어레이 상에서의 화소간의 광 크로스토크를 최소로 하는 데에는, 분리한 각 빛이 각 화소의 중심 근방에 입사하는 것이 바람직하다. 따라서, 미소분광소자에 의하여 편향하는 빛의 전파방향과 화소 어레이의 법선방향과의 각도를
Figure pct00001
, 화소 어레이의 주기를 P로 하면, 미소분광소자의 출력단과 광전변환소자와의 간격이 20.5P/tanθ 근방인 것이 바람직하다.
이상의 설명에서는, 미소분광소자만을 이용한 경우의 촬상소자에 대하여 서술하였다. 다음으로, 감색형 색필터를 병용하였을 때의 변형예에 대하여 설명한다.
도 9의 (a)에 본 실시형태의 변형예에 따른 화소 어레이 및 분광소자 어레이를 포함하는 촬상소자(900)를 나타내고, 도 9의 (b)에 그 IXb-IXb 단면에 있어서의 촬상소자(900)의 구성의 일부를 나타내며, 도 9의 (c)에 그 IXc-IXc 단면에 있어서의 촬상소자(900)의 구성의 일부를 나타낸다. 도 6의 (a) 내지 (c)에 나타낸 촬상소자(600)와의 차이는, 색성분에 대응한 화소의 상방에, 화소의 색에 각각 대응한 색필터(104R, 104G, 104B)를 배치하고 있는 점이고, 그 밖에는 동일하다. 이러한 구성의 경우, 입사광은, 미소분광소자(101)에 의하여 색분리된 후, 화소(광전변환소자(102)) 바로 위에 있어서 색필터(104)에 의하여 필터링된다. 이 경우, 색 분리 후에 빛이 색필터(104)를 투과하므로, 종래 기술의 색필터만인 구성에 비하여, 광이용 효율이 향상되는 한편, 2개의 소자를 투과할 필요가 있으므로, 미소분광소자(101)만인 구성에 비하여, 광이용 효율은 감소된다. 또한, 미소분광소자(101)의 분광특성과 색필터(104)의 필터링 특성이 곱해져, 불필요한 색성분이 보다 배제된 상태에서 각 화소에 입사하므로, 색필터(104)만인 구성 및 미소분광소자(101)만인 구성에 비하여, 색재현성이 크게 향상된다. 따라서, 광이용률, 즉 감도와 색재현성의 밸런스가 좋은 구성이라고 할 수 있다.
(제2 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제2 실시형태에 있어서의 촬상소자의 구성의 개략에 대하여 설명한다. 　
도 10의 (a)에, 촬상소자(12)의 예로서, 화소 어레이 및 분광소자 어레이를 포함하는 촬상소자(1000)의 상면에서 본 개략 구성의 일부를 모식적으로 나타내고, 도 10의 (b)에 그 Xb-Xb 단면에 있어서의 촬상소자(1000)의 구성의 일부를 나타내며, 도 10의 (c)에 그 Xc-Xc 단면에 있어서의 촬상소자(1000)의 구성의 일부를 나타낸다. 도 10의 (a) 내지 (c)로부터 명확하듯이, 본 실시형태의 촬상소자(1000) 및 촬상소자(1000)를 이용한 촬상장치(10)는, 제1 내지 제4 파장영역을 R, G, B의 3원색과, 적외광(IR)으로 하고, 미소분광소자(101)에 의하여 R, G, B, 및 IR의 파장영역마다, 입사광을 4방향으로 공간적으로 분리하는 점이 제1 실시형태의 촬상소자와 비교하여 다르다. 따라서, 입사광의 거의 모두가 R, G, B 및 IR의 파장영역으로 분리된 상태로 미소분광소자(101)의 바로 아래에 있는 4개의 화소(광전소자(102R, 102G, 102B, 102IR)에 입사한다. 한편, 그 밖의 구성요소는 제1 실시형태의 촬상소자와 동일하다. 이하, 제1 실시형태와의 차이점을 중심으로 설명하고, 중복되는 점은 설명을 생략한다.
도 10의 (a) 내지 (c)에 나타나 있는 바와 같이, 마이크로 렌즈(103), 미소분광소자(101) 및 화소(광전변환소자(102))는 xy평면 상에 있어서 동일한 주기로 격자 형상으로 배치되어, 각각 어레이를 형성하고 있고, 각 마이크로 렌즈(103)의 중심축 상에 1개의 미소분광소자(101)가 배치되어 있다. 또한, 마이크로 렌즈 어레이 및 미소분광소자 어레이는, 화소 어레이의 배치로부터, 어레이 주기의 1/2의 길이만큼, x축 및 y축을 따라서 각각 시프트하고 있다. 미소분광소자 어레이는, 입사광을 ４파장영역마다(R, G, B, IR), x축에 대하여 ±45° 의 방향으로 각각 평행한 4방향을 따라서 공간적으로 분리하는 미소분광소자(101)로 이루어진다. 또한, 인접하는 4개의 미소분광소자를 1개의 분광유닛으로 하면(도 10의 (a)에 이점파선의 직사각형으로 표시), 미소분광소자 어레이는, 분광유닛이 격자 형상으로 어레이를 형성하고 있다고 볼 수 있다. 분광유닛을 구성하는 미소분광소자(101)는, ４파장영역마다 할당된 4개의 방향의 조합이 각각 다르고, 유닛의 바로 아래에 있는 4개의 화소에 각각 동일한 파장영역의 빛이 입사하도록 배치되어 있다. 한편, 4개의 화소는, 모두 다른 파장영역의 빛이 입사한다. 상기한 유닛은, 동일한 분광기능을 가지는 1종류의 미소분광소자를 90° 회전시켜서 구성하여도 좋고, 혹은 반전시켜서 구성하여도 좋으며, 또는 4종류의 분광기능을 각각 실현하는 4종류의 미소분광소자(101)로 구성되어 있어도 좋다. 도 10의 (a)에 나타내는 분광유닛은, R광(실선)을 제1 방향(우상)으로 분리하고, G광(파선)을 제2 방향(우하)으로 분리하며, B광(일점쇄선)을 제3 방향(좌하)으로 분리하고, IR광(이점파선)을 제4 방향(좌상)으로 분리시키는 분광기능을 가지는 소자를 포함하며, 그 소자의 우측, 하측 및 우하에는 그 소자를 반시계 방향으로 90° 회전시킨 소자, 그 소자를 시계 방향으로 90° 회전시킨 소자, 및 그 소자를 반전시킨 소자를 더 포함한다.
촬상소자(1000)에 입사하는 백색광은, 우선 마이크로 렌즈 어레이에 의하여 집광되고, 거의 모든 빛이 각 마이크로 렌즈(103)에 대응한 미소분광소자(101)를 통과한다. 각 미소분광소자(101)에 의하여, 빛은 ４파장영역마다 4방향으로 공간적으로 분리되고, 각 미소분광소자(101)의 바로 아래에 있는 4화소(광전변환소자(102))에 의하여 각각 수광된다. 분광유닛의 구성으로부터, 미소분광소자 어레이의 바로 아래에 있는 화소 어레이의 각 화소는 R, G, B, 및 IR의 어느 파장역의 빛이 입사하게 되므로, 각 화소가 R, G, B, IR의 어느 파장영역 정보의 검출에 대응한다. 한편, 각 미소분광소자(101)의 구성에 따라서는, 파장영역과 전파방향의 조합은 자유롭게 변경 가능하고, 그에 따라서, R, G, B 및 IR 각각에 대응하는 화소의 배치도 변경된다. 마지막으로, 각 화소 내의 광전변환소자(102)에 의하여 광전변환이 이루어지고, 컬러 정보와 IR 정보를 포함하는 화상신호로서 출력된다.
도 11의 (a) 내지 (c)는, 입사광의 ４파장영역마다(R, G, B, IR)의 공간적인 분리를 실현하는 위상지연분포의 일례이다. 이 예에서는, 도 11의 (a)에 나타내는 바와 같이, 제1 파장영역(R)에 대응하는 파장의 위상지연분포는, 좌하에서 우상을 따라서 위상지연량이 0에서 2π까지 선형 증가하는 분포를 형성하고 있고, 도 10의 (b)에 나타내는 바와 같이, 제2 파장영역(G)에 대응하는 파장의 위상지연분포는, 좌상에서 우하를 향하여 위상지연량이 0에서 2π까지 선형 증가하는 분포를 형성하고 있으며, 도 10의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제3 파장영역(B)에 대응하는 파장의 위상지연분포는, 우상에서 좌하를 따라서 위상지연량이 0에서 2π까지 선형 증가하는 분포를 형성하고 있고, 도 10의 (d)에 나타내는 바와 같이, 제4 파장영역(IR)에 대응하는 파장의 위상지연분포는, 우하에서 좌상을 향하여 위상지연량이 0에서 2π까지 선형 증가하는 분포를 형성하고 있다. 이와 같은 위상지연분포를 가지는 소자를 투과한 빛은, 제1 파장영역(R)이 우상 방향, 제2 파장영역(G)이 우하 방향, 제3 파장영역(B)이 좌하 방향, 제4 파장영역(IR)이 좌상 방향을 따라서, 각각 편향하면서 전파된다. 한편, 상술한 설명은 일례로서, 위상지연분포에 따라서는, 파장영역과 전파방향의 조합은 자유롭게 변경 가능하다. 이상과 같은 위상지연분포는, 제1 실시형태의 촬상소자와 마찬가지로 미세구조체의 재료, 수, 형상, 사이즈, 패턴 등을 적절하게 설계함으로써 실현할 수 있다.
이상으로부터, 본 실시형태의 구성에 있어서, 컬러 정보에 더하여 IR 정보도 동시에 취득할 수 있다. 본 실시형태는, 상기 이외에는 제1 실시형태와 마찬가지이고, 제1 실시형태에서 설명한 것과 마찬가지의 효과를 가지며, 또한 마찬가지의 변경이 가능하다.
상술한 제1 실시형태1 및 제2 실시형태는, 본 발명의 적합한 구체예에 불과하고, 본 발명은 이것으로 한정되지 않으며, 다양한 변경이 가능하다.
상술한 제1 실시형태 및 제2 실시형태에서는, 미소분광소자의 재료로서 SiN이나 TiO2를 상정한 예를 나타내었는데, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 실시형태의 촬상소자를 빛의 파장이 380~1000nm의 범위의 가시광 내지 근적외광 영역에서 이용하는 경우에는, 미소분광소자의 재료에는, SiN, SiC, TiO2, GａN 등의 재료가, 굴절률이 높고, 흡수손실이 적기 때문에 적합하다. 또한, 파장이 800~1000nm의 범위의 근적외광에 대하여는, 이들 빛에 대하여 저손실인 재료로서, Si, SiC, SiN, TiO2, GaAs, GaN 등의 재료가 적합하다. 더욱이, 장파장대의 근적외 영역(통신파장인 1.3μm이나 1.55μm 등)에서는, 상술한 재료에 더하여, InP 등을 이용할 수 있다. 더욱이, 접착, 도포하여 미소분광소자를 형성하는 경우, 불소화폴리이미드 등의 폴리이미드, BCB(벤조시클로부텐), 광경화성수지, UV에폭시수지, PMMA 등의 아크릴수지, 레지스트 전반 등의 폴리머 등을 재료를 들 수 있다.
또한, 제1 실시형태 및 제2 실시형태에서는, 투명층(111)의 재료로서 SiO2를 상정한 예를 나타내었는데, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 일반적인 글라스 재료, SiO2, 공기층 등, 굴절률이 미소분광소자(101)의 재료의 굴절률보다 낮고, 입사광의 파장에 대하여 저손실인 것이라면 어떤 것이어도 좋다.
이상, 본 발명의 실시형태에 따른 촬상소자 및 그 촬상소자를 이용한 촬상장치에 근거하여 설명하였는데, 본 발명은 상술한 실시형태로 한정되지 않으며, 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능한 것은 말할 것도 없다.
1: 물체
10: 촬상장치
11: 렌즈 광학계
12: 촬상소자
13: 신호처리부
100: 컬러촬상소자
102: 광전변환소자
103: 마이크로 렌즈
104: 색필터
111: 투명층
112: 전기배선

Claims (10)

  1. 기판 상에 광전변환소자를 포함하는 복수의 화소가 어레이 형상으로 배열된 2차원 화소 어레이와,
    상기 2차원 화소 어레이 상에 형성된 투명층과,
    상기 투명층의 내부 또는 상이며, 복수의 분광소자가 어레이 형상으로 배열된 2차원 분광소자 어레이를 구비한 촬상소자로서,
    상기 분광소자의 각각이, 상기 투명층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 재료로 형성된 복수의 미세구조체를 포함하고, 상기 복수의 미세구조체가, 미세구조체 패턴을 가지며, 상기 분광소자의 각각이, 입사한 빛을 2차원 방향으로 분광하고, 상기 복수의 화소가, 상기 2차원 방향으로 분광된 빛을 검출하는 촬상소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분광소자의 각각이, 상기 입사한 빛을, 파장영역에 따라서, 각각 다른 전파방향을 가지는 제1 편향광, 제2 편향광, 제3 편향광, 및 제4 편향광으로 분리하고,
    상기 분광소자의 각각의 바로 아래에 있는 서로 인접하는 제1 화소, 제2 화소, 제3 화소, 및 제4 화소가, 상기 제1 편향광, 상기 제2 편향광, 상기 제3 편향광, 및 상기 제4 편향광을 각각 검출하는 촬상소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분광소자의 각각의 중심이, 상기 분광소자의 각각의 바로 아래에 있는 서로 인접하는 상기 제1 화소, 상기 제2 화소, 상기 제3 화소, 및 상기 제4 화소가 형성하는 사각형의 중심의 바로 위에 각각 위치하고 있고,
    서로 인접하는 상기 제1 화소, 상기 제2 화소, 상기 제3 화소, 및 상기 제4 화소의 파장영역은, 상기 제1 화소, 상기 제2 화소, 상기 제3 화소, 및 상기 제4 화소의 각각이 검출하는 상기 제1 편향광, 상기 제2 편향광, 상기 제3 편향광, 및 상기 제4 편향광의 파장영역에 대응하며,
    상기 제1 편향광, 상기 제2 편향광, 상기 제3 편향광, 및 상기 제4 편향광 중 적어도 3개의 편향광의 파장영역이 서로 다른 촬상소자.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 분광소자의 각각에 있어서의 상기 복수의 미세구조체가, 빛이 투과하는 방향의 두께가 일정한 촬상소자.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 분광소자의 각각에 있어서의 상기 복수의 미세구조체가, 빛이 투과하는 방향의 두께가 위치에 따라서 다른 촬상소자.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사한 빛이 백색광인 경우,
    상기 제1 화소에 입사하는 빛은, 파장 500nm 이하의 청색 파장역에서 광강도의 피크를 가지고,
    상기 제2 화소 및 상기 제3 화소에 입사하는 빛은, 파장 500nm~600nm의 녹색 파장역에서 광강도의 피크를 가지며,
    상기 제4 화소에 입사하는 빛은, 파장 600nm 이상의 적색 파장역에서 광강도의 피크를 가지는 촬상소자.
  7. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사한 빛이 백색광인 경우,
    상기 제1 화소에 입사하는 빛은, 파장 500nm 이하의 청색 파장역에서 광강도의 피크를 가지고,
    상기 제2 화소에 입사하는 빛은, 파장 500nm~600nm의 녹색 파장역에서 광강도의 피크를 가지며,
    상기 제3 화소에 입사하는 빛은, 파장 600nm~800nm의 적색 파장역에서 광강도의 피크를 가지고,
    상기 제4 화소에 입사하는 빛은, 파장 800nm 이상의 근적외 파장역에서 광강도의 피크를 가지는 촬상소자.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 2차원 화소 어레이와 상기 2차원 분광소자 어레이의 사이에, 필터 어레이를 더 구비하고,
    상기 필터 어레이는,
    파장 500nm 이하의 청색 파장역에서 투과율의 피크를 가지는 제1 필터,
    파장 500nm~600nm의 녹색 파장역에서 투과율의 피크를 가지는 제2 필터,
    파장 600nm~800nm의 적색 파장역에서 투과율의 피크를 가지는 제3 필터, 및
    파장 800nm 이상의 근적외 파장역에서 투과율의 피크를 가지는 제4 필터 중 적어도 1개를 포함하는 촬상소자.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 촬상소자와,
    상기 촬상소자의 촬상면에 광학상을 형성하기 위한 촬상광학계와,
    상기 촬상소자가 출력하는 전기신호를 처리하는 신호처리부를 구비한 촬상장치.
  10. 투명층의 내부 또는 상에, 복수의 분광소자가 어레이 형상으로 배열된 2차원 분광소자 어레이로서,
    상기 분광소자의 각각이, 상기 투명층의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 재료로 형성된 복수의 미세구조체를 포함하고, 상기 복수의 미세구조체가, 미세구조체 패턴을 가지며, 상기 분광소자의 각각이, 입사한 빛을 2차원 방향으로 분광하는 분광소자 어레이.
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