固體攝像元件和攝像裝置的製作方法

2023-05-30 00:05:21 2

專利名稱：固體攝像元件和攝像裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及固體攝像元件的彩色化技術。
背景技術：
近年來，對於使用(XD、CMOS等固體攝像元件(以下，有時稱為「攝像元件」)的數位相機或數字攝像機的高功能化、高性能化，令人瞠目結舌。伴隨著半導體製造技術的急速發展，固體攝像元件中的像素結構的微細化進一步得到提高。其結果，可實現固體攝像元件的像素及驅動電路的高集成化。因此，經歷短短幾年，攝像元件的像素數從100萬像素左右顯著增加至1000萬像素以上。而另一方面，隨著攝像元件的多像素化，由於1個像素接受的光的量(光量)下降，因此引起了照相機靈敏度下降這一問題。另外，在通常的彩色照相機中，由於在攝像元件的各光感知部上配置以顏料作為色素的減色型彩色濾光器，因此光利用率相當低。例如，在以1個紅色(R)要素、2個綠色(G)要素、1個藍色(B)要素作為基本結構的拜爾(Bayer)型的彩色濾光器中，R濾光器使R光的透過，吸收G光、B光。G濾光器使G光透過，吸收R光、B光。B濾光器使B光透過，吸收R光、G光。即，透過各彩色濾光器的光是RGB3色之中的1種顏色，其他的2種顏色被彩色濾光器吸收，因此所利用的光是入射至彩色濾光器的可見光的約1/3。另一方面，從攝像元件讀出信號的信號讀出方式中，存在按每1行讀出像素信號的逐行(non-interlace)方式(也稱為順序方式)、按隔1行跳越掃描讀出像素信號的隔行(interlace)方式。在逐行方式中，一般採用拜爾型的彩色濾光器排列。在隔行方式中，在對垂直方向上相鄰的2個像素的信號進行混合的場蓄積模式中，存在多個靈敏度比拜爾型更優異的彩色化方式。例如，專利文獻1公開了採用白色(W)、綠色、藍綠色(Cy)、黃色(Ye)的彩色濾光器來改善靈敏度及解析度的技術。此外，專利文獻2公開了採用白色、藍綠色、黃色、及其他顏色的彩色濾光器來減少垂直方向的偽色信號的技術。此外，專利文獻3公開了使用紅色、綠色、藍綠色、黃色的彩色濾光器來提高顏色再現性的技術。再有，專利文獻4公開了使用品紅(Mg)、綠色、藍綠色、黃色的彩色濾光器獲得靈敏度及顏色再現性良好的特性的技術。專利文獻4公開的技術目前在場蓄積模式中是主流技術。以下，參照圖10說明專利文獻4中公開的彩色化方式。圖10是表示專利文獻4公開的攝像元件中的彩色濾光器的基本色配置的圖。與將排列成4行2列的8個光感知單元(像素)作為單位塊的光感知單元陣列相對置地配置彩色濾光器陣列。彩色濾光器由品紅(Mg)、綠色(G)、藍綠色(Cy)、黃色(Ye)這4種彩色濾光器構成。對於像素信號的讀出，例如基於電視的NTSC方式，2行2行地讀出像素信號。在第1場和第2場中讀出的像素信號的組合相差1行。2行的像素信號僅在垂直方向上被相加，作為各場中的1行的像素信號來進行處理。在此，將透過品紅、綠色、藍綠色、黃色的各彩色濾光器的光的光電變換信號量分別表示為Ms、Gs、Cs、Ys，此外，將它們包含的紅色成分、藍色成分分別表示為Rs、Bs。根據Ms = Rs+Bs、Cs = Gs+Bs,Ys = Rs+Gs，第1場的η行的信號是由以下的式1、2表示的信號Sn,i> Snj2 的反覆。(式 1) ^lil = Ms+Cs = Rs+Gs+2Bs(式 2)、2 = Gs+Ys = Rs+2Gs此外，第1場的n+1行的信號是由以下的式3、4表示的信號SgyS1^2的反覆。(式= Ms+Ys = 2Rs+Gs+Bs(式 4) Sn+1,2 = Gs+Cs = 2Gs+Bs對於這些信號讀出方法，在第2場中也是完全相同的。S卩，第2場中的η'行的信號及(n+1)'行的信號也分別由式1、2的反覆及式3、4的反覆來表示。η行、n+1行都是通過對在水平方向上相鄰的2像素所對應的信號進行相加來生成亮度信號YL。此外，根據η行中的信號Sml與Sn,2之間的差分來生成色差信號ΒΥ，根據n+1行中的信號311+1,1與511+1,2之間的差分來生成色差信號RY。其結果，YL、BY、RY由以下的式5 7表不。(式5)YL = Sn,!+Snj2 = Sn+1,!+Sntlj2 = 2Rs+3Gs+2Bs(式 6) BY = Sna-Snj2 = 2Bs-Gs(式7) RY = Sn+ia+Sn+lj2 = 2Rs-Gs通過以上的信號運算處理，根據專利文獻4中公開的彩色化方式，能夠良好地再現顏色。此外，由於在專利文獻4的攝像元件中使用作為補色的品紅、藍綠色、黃色的彩色濾光器，因此對於靈敏度而言也好於採用拜爾方式的情況。現有技術文獻專利文獻專利文獻1JP特公昭63-51437號公報專利文獻2JP特開昭61-93787號公報專利文獻3JP特開平8-9395號公報專利文獻4JP特公平6-28450號公報

發明內容
(發明要解決的課題)在專利文獻1 4所公開的彩色化方式中，由於使用補色的彩色濾光器，因此與採用原色的彩色濾光器的方式相比能夠提高光利用率。但是，在專利文獻1 4的方式中，由於所採用的彩色濾光器是減色型，因此一部分光被吸收，存在發生光損耗的問題。本發明的目的在於提供一種在進行隔行掃描並按照場蓄積模式來讀出像素信號的方式中能夠大幅減少光損耗的彩色化技術。(用於解決課題的方案)本發明的固體攝像元件具備光感知單元陣列，以矩陣狀排列多個單位塊，該多個單位塊的每一個包括被排列成4行2列的8個光感知單元；和分光要素陣列，與所述光感知單元陣列相對置地配置該分光要素陣列，包括與第1行第2列的光感知單元相對置地配置的第1分光要素、與第2行第1列的光感知單元相對置地配置的第2分光要素、與第3行第1列的光感知單元相對置地配置的第3分光要素、以及與第4行第1列的光感知單元相對置地配置的第4分光要素。所述第1分光要素使第1顏色成分的光入射至第1行第1列的光感知單元，使所述第1顏色成分以外的光入射至第1行第2列的光感知單元。所述第2分光要素使所述第2顏色成分的光入射至第2行第2列的光感知單元，使第2顏色成分以外的光入射至第2行第1列的光感知單元。所述第3分光要素使所述第1顏色成分的光入射至第3行第2列的光感知單元，使所述第1顏色成分以外的光入射至第3行第1列的光感知單元。所述第4分光要素使所述第2顏色成分的光入射至第4行第2列的光感知單元，使所述第2顏色成分以外的光入射至第4行第1列的光感知單元。也可以在各單位塊中，所述第1分光要素使所述第1顏色成分的光的一半入射至第1行第1列的光感知單元，使所述第1顏色成分的光的剩餘的一半入射至第1相鄰單位塊所包含的第1行第1列的光感知單元，所述第2分光要素使所述第2顏色成分的光的一半入射至第2行第2列的光感知單元，使所述第2顏色成分的光的剩餘的一半入射至第2相鄰單位塊所包含的第2行第2列的光感知單元，所述第3分光要素使所述第1顏色成分的光的一半入射至第3行第2列的光感知單元，使所述第1顏色成分的光的剩餘的一半入射至所述第2相鄰單位塊所包含的第3行第2列的光感知單元，所述第4分光要素使所述第2顏色成分的光的一半入射至第4行第2列的光感知單元，使所述第2顏色成分的光的剩餘的一半入射至所述第2相鄰單位塊所包含的第4行第2列的光感知單元。也可以在各單位塊中以如下方式構成各構成要素第1行第1列的光感知單元及第3行第2列的光感知單元接收未經由任何分光要素而入射的所述第1顏色成分的光、所述第2顏色成分的光、第3顏色成分的光、以及從與相鄰的光感知單元相對置的分光要素入射的所述第1顏色成分的光，第1行第2列的光感知單元及第4行第2列的光感知單元接收未經由任何分光要素而入射的所述第1顏色成分的光、所述第2顏色成分的光、第3顏色成分的光、以及從與相鄰的光感知單元相對置的分光要素入射的所述第2顏色成分的光，第1行第2列的光感知單元及第3行第1列的光感知單元接收從相對置的分光要素入射的所述第1顏色成分以外的光，第2行第1列的光感知單元及第4行第1列的光感知單元接收從相對置的分光要素入射的所述第2顏色成分以外的光。本發明的其他的固體攝像元件具備光感知單元陣列，以矩陣狀排列多個單位塊，多個單位塊的每一個包括排列成4行2列的8個光感知單元；和分光要素陣列，與所述光感知單元陣列相對置地配置該分光要素陣列，包括與第1行第2列的光感知單元相對置地配置的第1分光要素、與第2行第1列的光感知單元相對置地配置的第2分光要素、與第3行第2列的光感知單元相對置地配置的第3分光要素、以及與第4行第2列的光感知單元相對置地配置的第4分光要素。所述第1分光要素使第1顏色成分的光入射至第1行第1列的光感知單元，使所述第1顏色成分以外的光入射至第1行第2列的光感知單元。所述第2分光要素使所述第2顏色成分的光入射至第2行第2列的光感知單元，使第2顏色成分以外的光入射至第2行第1列的光感知單元。所述第3分光要素使所述第1顏色成分的光入射至第3行第1列的光感知單元，使所述第1顏色成分以外的光入射至第3行第2列的光感知單元。所述第4分光要素使所述第2顏色成分的光入射至第4行第1列的光感知單元，使所述第2顏色成分以外的光入射至第4行第2列的光感知單元。也可以在各單位塊中，所述第1分光要素使所述第1顏色成分的光的一半入射至第1行第1列的光感知單元，使所述第1顏色成分的光的剩餘的一半入射至第1相鄰單位塊所包含的第1行第1列的光感知單元，所述第2分光要素使所述第2顏色成分的光的一半入射至第2行第2列的光感知單元，使所述第2顏色成分的光的剩餘的一半入射至第2相鄰單位塊所包含的第2行第2列的光感知單元，所述第3分光要素使所述第1顏色成分的光的一半入射至第3行第1列的光感知單元，使所述第1顏色成分的光的剩餘的一半入射至所述第2相鄰單位塊所包含的第3行第1列的光感知單元，所述第4分光要素使所述第2顏色成分的光的一半入射至第4行第1列的光感知單元，使所述第2顏色成分的光的剩餘的一半入射至所述第2相鄰單位塊所包含的第4行第1列的光感知單元。也可以在各單位塊中，第1行第1列的光感知單元及第3行第1列的光感知單元接收未經由任何分光要素而入射的所述第1顏色成分的光、所述第2顏色成分的光、第3顏色成分的光、以及從與相鄰的光感知單元相對置的分光要素入射的所述第1顏色成分的光，第1行第2列的光感知單元及第4行第1列的光感知單元接收未經由任何分光要素而入射的所述第1顏色成分的光、所述第2顏色成分的光、第3顏色成分的光、以及從與相鄰的光感知單元相對置的分光要素入射的所述第2顏色成分的光，第1行第2列的光感知單元及第3行第2列的光感知單元接收從相對置的分光要素入射的所述第1顏色成分以外的光，第2行第1列的光感知單元及第4行第2列的光感知單元接收從相對置的分光要素入射的所述第2顏色成分以外的光。在某一優選的實施方式中，所述第1顏色成分是紅色及藍色中的一個顏色成分，所述第2顏色成分是紅色及藍色中的另一個顏色成分。本發明的攝像裝置具備本發明中的固體攝像元件、在所述固體攝像元件的攝像面上形成像的光學系統、和對從所述固體攝像元件輸出的信號進行處理來生成顏色信息的信號處理部。(發明效果)根據本發明的固體攝像元件，使用根據波段來分離光的分光要素生成顏色信息，而不是使用減色型的彩色濾光器來生成顏色信息。因此，與現有技術相比，具有能夠降低光損耗、且在場蓄積模式中能夠生成良好的亮度信號及色信號的效果。


圖1是本發明的第1實施方式中的攝像裝置的整體結構圖。圖2是表示本發明的第1實施方式中的透鏡和攝像元件的圖。圖3是示意地表示本發明的第1實施方式中的攝像元件的像素排列的圖。圖4(a)是表示本發明的第1實施方式中的攝像元件的基本結構的俯視圖，(b)是(a)中的AA'線剖視圖，(c)是(a)中的BB'線剖視圖，(d)是(a)中的CC'線剖視圖。圖5是表示本發明的第1實施方式的入射到各像素的光的顏色成分的圖。圖6是將本發明的第1實施方式的入射到各像素的光的顏色成分一般化之後圖。圖7(a)是表示本發明的第2實施方式中的攝像元件的基本結構的俯視圖，(b)是(a)中的DD'線剖視圖。圖8是表示本發明的第2實施方式的入射到各像素的光的顏色成分的圖。圖9(a)是表示本發明的第3實施方式中的攝像元件的基本結構的俯視圖，(b)是(a)中的EE'線剖視圖，(c)是(a)中的FF'線剖視圖。
圖10是在基於專利文獻4的場蓄積模式的彩色化中使用的基本顏色配置圖。
具體實施例方式以下，參照圖1 9，說明本發明的實施方式。在以下的說明中，對於共同的要素賦予同一符號。再者，在以下的說明中，有時將在空間上進行分離波段或者顏色成分不同的光的情況稱為「分光」。(實施方式1)首先，參照圖1 6，說明本發明的第1實施方式的攝像裝置。圖1是表示本實施方式的攝像裝置的整體結構的框圖。本實施方式的攝像裝置是數字式的電子照相機，其具備攝像部100、基於從攝像部100送出的信號來生成表示圖像的信號(圖像信號)的信號處理部200。攝像部100具備用於對被攝體進行成像的光學透鏡12、光學濾波器11、以及通過光電變換將通過光學透鏡12及光學濾波器11而成像的光信息變換為電信號的固體攝像元件10。攝像部100還具備產生用於驅動攝像元件10的基本信號並且接收來自攝像元件10的輸出信號後將其發送給信號處理部200的信號發生/接收部13、和基於由信號發生/接收部13所產生的基本信號來驅動攝像元件10的元件驅動部14。光學透鏡12是公知的透鏡，可以是具有多個透鏡的透鏡單元。光學濾波器11是使水晶低通濾波器和用於除去紅外線的紅外線截止濾波器合體之後的結果，該水晶低通濾波器用於降低因像素排列而產生的莫爾圖(Moire pattern) 0攝像元件10典型的是C⑶或者CMOS傳感器，通過公知的半導體製造技術進行製造。信號發生/接收部13及元件驅動部14例如由CXD驅動器等LSI構成。信號處理部200具備處理從攝像部100送出的信號來生成圖像信號的圖像信號生成部15、保存在圖像信號的生成過程中發生的各種數據的存儲器17、和將所生成的圖像信號送出至外部的圖像信號輸出部16。圖像信號生成部15通過公知的數位訊號處理器(DSP)等硬體、和執行包含圖像信號生成處理在內的圖像處理的軟體的組合能恰當地實現。存儲器17由DRAM等構成。存儲器17記錄從攝像部100送出的信號，並且暫時記錄由圖像信號生成部15生成的圖像數據、被壓縮的圖像數據。這些圖像數據經由圖像信號輸出部16被送出至未圖示的記錄介質或顯示部等。再者，本實施方式的攝像裝置具備電子快門、取景器、電源(電池)、閃光燈等公知的結構要素，由於它們的說明對於本發明的理解不是特別必要，因此省略說明。此外，以上的結構僅僅是一例，在本發明中，對於除了攝像元件10以外的結構要素，能夠適當地組合採用公知的要素。以下，說明本實施方式中的攝像元件10。圖2是示意地表示在曝光過程中透過了透鏡12的光入射至攝像元件10的樣子的圖。為了簡單起見，圖2中省略了透鏡12及攝像元件10以外的構成要素的記載。此外，儘管透鏡12—般可由在光軸方向上排列的多個透鏡構成，但是為了簡單起見，描繪為單一的透鏡。在攝像元件10的攝像面IOa上，配置了包含排列成2維狀的多個光感知單元(像素)的光感知單元陣列。各光感知單元典型的是光電二極體，通過光電變換輸出與入射光量相應的光電變換信號(像素信號)。向攝像面IOa入射透過了透鏡12及光學濾波器11之後的光(可見光)。一般，根據入射位置不同，入射至攝像面IOa的光的強度及每個波段的入射光量的分布(分光分布)有所不同。圖3是表示本實施方式中的像素排列的俯視圖。光感知單元陣列50具有在攝像面IOa上排列成四方晶格狀的多個光感知單元。光感知單元陣列50由多個單位塊40構成，各單位塊40包括排列成4行2列的8個光感知單元5aJb、5c、5d、5e、5f、5g、^i。再者，光感知單元的排列並不限於這種四方晶格狀的排列，也可以是斜交型的排列，還可以是其他的排列。在以下的說明中，假設在表示方向時使用圖3所示的XY坐標。此外，在本說明書中，有時將X方向稱為「水平方向」，將Y方向稱為「垂直方向」。與光感知單元陣列50相對置地在入射光的一側配置包含多個分光要素的分光要素陣列。以下，說明本實施方式中的分光要素。本實施方式中的分光要素是利用在折射率不同的2種透光性部件的邊界所產生的光的衍射並根據波段使入射光朝向不同的方向的光學元件。這種類型的分光要素具有高折射率透明部件(芯部)，由折射率相對較高的材料形成；和低折射率透明部件(包層部)，由折射率相對較低的材料形成，且與芯部的各個側面接觸。因芯部與包層部之間的折射率差，在透過了兩者的光之間產生相位差，因此，會引起衍射。由於該相位差因光的波長的不同而不同，因此能夠根據波段(顏色成分)在空間上分離光。例如，能夠使第1顏色成分的光的一半朝向第1方向及第2方向，使第1顏色成分以外的光朝向第3方向。此外，也能夠使各個不同波段(顏色成分)的光朝向3個方向。由於能夠根據芯部與包層部之間的折射率差進行分光，因此在本說明書中，有時將高折射率透明部件稱為「分光要素」。這種衍射型的分光要素的詳細內容例如在專利第似64465號公報中公開。通過公知的半導體製造技術，執行薄膜的堆積以及圖案化，能夠製造具有以上這種分光要素的分光要素陣列。通過適當設計分光要素的材質(折射率)、形狀、尺寸、排列圖案等，能夠使期望波段的光分離/合併之後入射至各個光感知單元。其結果，根據各光感知單元輸出的光電變換信號的組，能夠計算與所需的顏色成分對應的信號。接下來，參照圖4說明本實施方式中的攝像元件10的基本結構及各分光要素的作用。圖4(a)是示意地表示攝像元件10的基本結構的俯視圖。在各單位塊中，分別與4個光感知單元(像素)513、5(3、56、58的每一個相對置地配置分光要素lb、lc、le、lg。沒有配置與像素fe、5d、5fjh相對置的分光要素。在攝像面IOa上反覆形成具有這種基本結構的多個圖案。與第1行第2列及第3行第1列的像素^je分別相對置的分光要素lb、le，使與藍綠色(綠色及藍色)的顏色成分對應的波段的光(Cy光)入射至對置像素，使與紅色的顏色成分對應的波段的光(R光)入射至對置像素的水平方向上的相鄰像素。與第2行第1列及第4行第1列的像素5c、5g分別相對置的分光要素lc、lg，使與黃色(紅色及綠色)的顏色成分對應的波段的光( 光)入射至對置像素，使與藍色的顏色成分對應的波段的光(B光)入射至對置像素的水平方向上的相鄰像素。由於在第1行第1列、第2行第2列、第3行第2列、第4行第2列的像素5a、5d、5fjh沒有配置相對置的分光要素，因此這些像素接收未經由任何分光要素而直接入射的可見光(W光)。圖4(a)中記載了表示入射至各像素的光的顏色成分的記號。再者，圖中的括弧內的記號表示從與相鄰像素相對置的分光要素入射的光的顏色成分。圖4(b)、(c)、(d)分別是示意地表示圖4(a)中的AA'線剖面、BB'線剖面、CC'線剖面的圖。再者，由於圖4(a)中的第4行的結構與第2行的結構相同，因此對於第4行省略剖面的圖示。圖4(b)表示像素排列的第1行的剖面結構。在光感知單元fe、5b上形成由折射率比各分光要素都低的透光性部件構成的透明層2。在透明層2中的光入射的一側的表面，形成凸透鏡狀的結構。由此，能夠提高對各光感知單元的聚光性。對於第2行 第4行，以完全同樣的方式形成透明層2及凸透鏡狀的結構。再者，在本發明中，透明層2的光入射的一側的表面也可以不形成凸透鏡狀。與第1行第2列的光感知單元恥相對置地配置將光分離成R光和Cy光的分光要素lb。第1行第1列的光感知單元fe接收可見光W( = R+G+B)，並且也接收從第1行第2列的分光要素Ib入射的R光。第1行第2列的分光要素Ib由透明的高折射率部件形成，具有在光的行進方向上較長的板狀的形狀，光射出側的前端的一側形成缺口。因與該形狀及周邊的透明層2之間的折射率差，分光要素Ib使R光入射至第1行第1列的光感知單元5a,使Cy光入射至相對置的第1行第2列的光感知單元恥。圖4(c)表示像素排列的第2行的剖面結構。第2行第1列的分光要素Ic也由透明的高折射率部件形成，具有在光的行進方向上較長的板狀的形狀，光射出側的前端的一側形成缺口。由於與該形狀及周邊的透明層2之間的折射率差，分光要素Ic使如光入射至第2行第1列的光感知單元5c，使B光入射至第2行第2列的光感知單元5d。此外，第2行第2列的光感知單元5d接收直接入射的可見光W，並且還接收從第2行第1列的分光要素Ic入射的B光。再者，像素排列的第4行的剖面結構也與第2行相同，光對各像素的入射方式也相同。圖4(d)表示像素排列的第3行的剖面結構。第3行第1列的分光要素Ie具有與第1行第2列的分光要素Ib同樣的形狀，但其朝向與第1行的分光要素Ib的朝向相反。因此，第3行第1列的光感知單元k接收Cy光，第3行第2列的光感知單元5f接收直接入射的W光及從光感知單元k入射的R光。圖5是表示各光感知單元接收的光的顏色成分的圖。通過以上的結構，第1行第1列及第3行第2列的像素接收W光及R光。第1行第2列及第3行第1列的像素接收Cy光(G光及B光)。第2行第1列及第4行第1列的像素接收如光(R光及G光)。在場蓄積模式中，亮度信號及色差信號表示如下。對於第1場，圖5中的第1行及第2行成為η行，第3行及第4行成為(η+1)行。由於對在垂直方向上相鄰的2像素的像素信號進行相加，因此第1場的η行的信號成為按照以下的式8、9表示的信號^^、Sn,2的反覆。(式 8) ^^ = ffs+Rs+Ys = 3Rs+2Gs+Bs(式 9) Sn,2 = Cs+ffs+Bs = Rs+2Gs+3Bs此外，第1場的(η+1)行的信號成為按照以下的式10、11表示的信號S1^1, Sn+1,2的反覆。(式 10) Sn+ia = Cs+Ys = Rs+2Gs+Bs(式 11) Sn+1,2 = 2ffs+Rs+Bs = 3Rs+2Gs+3Bs
在各行中，通過相鄰的2列的信號相加來生成亮度信號YL。因此，亮度信號YL在η行、(η+1)行都用以下的式12表示。(式12) YL = Sn, !+Snj2 = SlriJS1^1 = 4Rs+4Gs+4Bs此外，以如下方式生成色差信號。首先，在各行中相鄰的2列信號之間進行相減。其結果，對於η行，得到按照以下的式13表示的信號C (η)，對於(η+1)行，得到按照以下的式14表示的信號C (η+1)。(式 13) C (η) = Sna-Snj2 = 2Rs_2Bs(式 14) C (n+1) = Sn+lj2-Sn+ia = 2Rs+2Bs接下來，通過C (η)+C (n+1)的運算得到4Rs，通過C (η+1)-C (η)的運算得到4Bs。通過所得到的4Rs、4Bs與亮度信號1之間的差分運算，生成以下的式15、16示出的色差信號(R-Y)、(B-Y)。其中，在式15、16中，α、β是用於獲取白平衡的係數。α、β的值被設定成在拍攝白色被攝體時色差信號(R-Y)、(B-Y)為0。(式 15) R-Y = 4Rs- α YL(式 16) B-Y = 4Bs- β YL在第2場中，將像素排列的第2行及第3行設為η'行，將第4行及第5行設為(n+1)『行，對垂直方向上相鄰的2像素的像素信號進行相加。其結果，η'行的信號成為(Ys+Cs), (2ffs+Rs+Bs)的反覆。此外，(n+1)'行的信號成為(Ys+ffs+Rs), (ffs+Bs+Cs)的反覆。即，第2場中的讀出信號相對於第1場中的讀出信號偏離了 1行，作為整體被讀出的信號是相同的。因此，亮度信號、色差信號都是通過與第1場完全相同的信號處理來生成的。如上述，根據本實施方式的攝像裝置，在場蓄積模式的隔行掃描中，第1場、第2場都能夠通過同一信號處理生成表示同一顏色信息的亮度信號、色差信號。本實施方式的攝像裝置中的圖像信號生成部15通過進行上述的信號運算來生成顏色信息。所生成的顏色信息由圖像信號輸出部16輸出至未圖示的記錄介質或顯示裝置寸。如上述，本實施方式的攝像裝置與以4行2列作為單位塊的光感知單元陣列相對置地配置分光要素陣列。在第1行第1列、第2行第2列、第3行第2列、第4行第2列的像素中不配置分光要素，這些像素接收通過透明層2而直接入射的光。另一方面，與第1行第2列及第3行第1列的像素相對置地，配置使入射光所包含的R光入射至對置像素的相鄰像素、使Cy光(G光及B光)入射至對置像素的分光要素。此外，在第2行第1列及第4行第1列的像素中配置使入射光所包含的B光入射至對置像素的相鄰像素、使如光(R光及G光)入射至對置像素的分光要素。通過這些分光要素，可實現如下效果在場蓄積模式的隔行掃描中實現彩色化，並且能夠大幅降低光損耗。再者，理想的是各分光要素使入射光所包含的R光或者B光的大致全部入射至對置像素的相鄰像素，使此外的光的大致全部入射至對置像素，即便存在少許的光損耗也沒有問題。根據光損耗的程度來修正信號，從而能夠獲得良好的顏色信息。再有，也可以由其他的設備來執行本實施方式中的圖像信號生成部15進行信號運算處理，而不是由攝像裝置自身來進行。例如，也可以通過使接受了從攝像元件10輸出的光電變換信號的輸入的外部設備執行規定本實施方式中的信號運算處理的程序，從而生成顏色信息。
在本實施方式中，使用了將入射光分為R光和Cy光的分光要素、及將入射光分為B光和知光的分光要素，但也可以使用其他的分光要素。如果使其一般化的話，假設入射光W是3個顏色成分的光C1、C2、C3的集合，則只要使用將入射光分為Cl光及其補色光Cl (=W-Cl = C2+C3)的分光要素、以及分為C2光及其補色C2 (=W-C2 = C1+C3)的分光要素即可。圖6中表示這樣一般化時的各像素接收的光的顏色成分。在這樣一般化的情況下，亮度信號1及色差信號(R-Y)、(B-Y)的生成按照以下的步驟進行。首先，第1場、第2場的η行信號都成為由以下的式17、18表示的信號的反覆。在此，將表示Cl光、Cl 光、C2光、C2 光、C3光的信號分別表示為Cls、Cl S、C2s、C2 s、C3 s ο(式 17) Sna = ffs+Cls+C2 s = 3Cls+C2s+2C3s(式 18) Snj2 = Cl s+Ws+C2s = Cls+3C2s+2C3s此外，第1場、第2場的(n+1)行的信號都成為由以下的式19、20表示的信號Sn+1,1、Sn+1,2的反覆。(式⑴仏糾「 =Cl s+C2 s = Cls+C2s+2C3s(式 20) Sn+1,2 = 2ffs+Cls+C2s = 3Cls+3C2s+2C3s因此，亮度信號1在η行、(n+1)行中都由以下的式21表示。(式 21) YL = Snj !+Snj2 = SlrtJS1^1 = 4Cls+4C2s+4C3s = 4ffs此外，對於色差信號，首先在各行中在2列信號之間進行相減。其結果，對於η行將會得到由以下的式22表示的信號C(η)，對於(n+1)行將會得到由以下的式23表示的信號 C (n+1)。(式 22)C(n) = S1^1Im2 = 2Cls_2C2s(式 23) C(n+1) = Sn+lj2-Sn+ia = 2Cls+2C2s接下來，通過C (η)+C (n+1)的運算得到4Cls，通過C (n+1)-C (η)的運算得到4Ck。根據得到的4Cls、4Ck與亮度信號1之差，生成以下的式M、25中示出的色差信號(R-Y)、(B-Y)。其中，在式M、25中，α、β是用於獲取白平衡的係數。α、β的值被設定成在拍攝白色被攝體時色差信號(R-Y)、(B-Y)為0。(式 24)R_Y = 4Cls_a YL(式 25)B_Y = 4C2s-3YL這樣，在使顏色成分一般化的情況下，也能夠通過上述的信號運算來生成顏色信肩、ο再者，在本實施方式中，作為分光要素採用了利用因部件間的折射率差引起的衍射來進行分光的部件，但是分光要素並不限於這種衍射型的部件。例如，使用微稜鏡、分色鏡等分光要素，也能夠獲得同樣的效果。(實施方式2)接下來，參照圖7、8說明本發明的第2實施方式。與第1實施方式的攝像裝置相比，本實施方式的攝像裝置的不同點在於，配置了與攝像元件的像素排列中的第3行及第4行的像素對應的分光要素。在以下的說明中，主要說明與第1實施方式的不同點，對於重複的部分省略其說明。
圖7(a)是示意地表示本實施方式中的攝像元件10的基本結構的俯視圖。在各單位塊中，與4個光感知單元恥、5(、5￡、證分別相對置地配置了分光要素113、1(3、1￡、111。在光感知單元如、5(1、^5、58上沒有配置分光要素。在攝像面IOa上反覆形成具有這種基本結構的多個圖案。這樣，在本實施方式中，第1行及第2行的結構與實施方式1中的結構相同，但是對於第3行及第4行而言，與實施方式1的結構不同之處在於配置了分光要素。在本實施方式中，第3行與第1行是相同的結構。另一方面，儘管第4行與第2行是同樣的結構，但分光要素的水平方向的朝向相反。因此，對於第1行至第3行，省略剖面結構的圖示。圖7(b)是圖7(a)中的DD'線剖視圖，表示像素排列的第4行的剖面結構。如圖所示，與像素證相對置地配置分光要素lh，該分光要素Ih使入射光(W光)所包含的B光入射至第4行第1列的光感知單元5g，且使如光(R光及G光)入射至第4行第2列的光感知單元證。因此，第4行第2列的光感知單元證接收如光，第4行第1列的光感知單元5g接收W光及B光。圖8是表示本實施方式中各光感知單元接收的光的顏色成分的圖。通過以上的結構，第1行第1列及第3行第1列的像素接收W光及R光。第2行第2列及第4行第1列的像素接收W光及B光。第1行第2列及第3行第2列的像素接收Cy光(G光及B光)。第2行第1列及4行第2列的像素接收如光(R光及G光)。與實施方式1中的各像素接收的光的顏色成分相比，本實施方式中的各像素接收的光的顏色成分除了第3行第1列和第3行第2列相反、第4行第1列和第4行第2列相反以外，其他相同。由此，本實施方式中的亮度信號YL與實施方式1中的亮度信號相同，能夠由式12表示。此外，在第1場、第2場中，η行相鄰的2列信號的差分C(n)都由式13表示，(n+1)行相鄰的2列信號的差分C(n+1)成為在式14中使符號顛倒之後的信號。因此，通過進行與實施方式1中的信號運算處理相同的處理，能夠生成顏色信息。據此，在本實施方式的攝像裝置中，也能夠獲得在場蓄積模式的隔行掃描中實現彩色化、且大幅降低光的損耗的效果。再者，在本實施方式中，並不限於將入射光分為R光和Cy光的分光要素、及將入射光分為B光和知光的分光要素，也可以使用其他分光要素。如果使其一般化，則只要使用將入射光W分為Cl光及其補色光Cl (=W-Cl = C2+C3)的分光要素、以及分為C2光及其補色C2 (=W-C2 = C1+C3)的分光要素即可。此外，分光要素並不限於利用因部件間的折射率差引起的衍射來進行分光的部件，例如使用微稜鏡、分色鏡等分光要素，也能夠獲得同樣的效果。(實施方式3)接下來，參照圖9說明本發明的第3實施方式。與實施方式1的攝像裝置相比，本實施方式的攝像裝置雖然各像素接收的光的顏色成分相同，但是分光要素的結構及分光的方式不同。因此，在以下的說明中，主要說明與第1實施方式的不同點，對於重複的部分省略其說明。圖9(a)是示意地表示本實施方式中的攝像元件的基本結構的俯視圖。在各單位塊中，與4個光感知單元5b、5c、5e、5g分別相對置地配置分光要素lb、lc、le、lg。在光感知單元fe、5d、5fjh上不配置分光要素。在攝像面IOa上反覆形成具有這種基本結構的多個圖案。在本實施方式中，各光感知單元接收的光的顏色成分與實施方式1中的各光感知單元接收的光的顏色成分相同。本實施方式中的分光要素與實施方式1中的分光要素的不同點在於，其分光要素被設計成使特定顏色成分的光等量地入射至對置像素的水平方向上的2個相鄰像素。圖9(b)是圖9(a)的EE'線剖視圖，表示像素排列的第1行的剖面結構。與像素恥相對置地配置的分光要素北由透明的高折射率部件形成，具有在光的行進方向上較長的板狀的形狀。分光要素北利用與周邊的透明層2之間的折射率差引起的衍射，使Cy光入射至對置像素恥，使R光的一半一半地入射至對置像素的左右相鄰的像素。其結果，第1行第1列的像素fe接收未經由任何分光要素而入射的可見光W、從分光要素: 入射的R光(R/幻、從相鄰單位塊所包含的分光要素入射的R光(R/幻。在此，記號R/2表示是入射至分光要素北的光W所包含的R光的一半的量。第1行第2列的像素恥接收從相對置的分光要素北入射的Cy光(G光及B光)。再者，儘管分光要素的配置相差1列，但像素排列的第3行也具有與第1行相同的結構，入射至各像素的光的顏色成分也與第1行相同。圖9(c)是圖9(a)中的FF'線剖視圖，表示像素排列的第2行的剖面結構。與像素5c相對置地配置的分光要素3c也由透明的高折射率部件形成，具有在光的行進方向上較長的板狀的形狀。分光要素3c利用因與周邊的透明層2之間的折射率差引起的衍射，使如光入射至對置像素5c，使B光的一半一半地入射至對置像素的左右相鄰的像素。其結果，第2行第1列的像素5c接收從相對置的分光要素3c入射的如光(R光及G光)。第2行第2列的像素5d接收未經由任何分光要素而入射的可見光W、從分光要素3c入射的B光(B/2)、從相鄰單位塊所包含的分光要素入射的B光(B/2)。再者，像素排列的第4行也具有與第2行相同的結構，入射至各像素的光的顏色成分也相同。本實施方式中的各像素接收的光的顏色成分與實施方式1中各像素接收的光的顏色成分完全相同。因此，通過實施方式1中的信號運算處理，能夠實現與場蓄積模式的隔行掃描對應的彩色化。再有，由於使用分光要素，而不是使用原色型的彩色濾光器，因此具有可降低光損耗的效果。此外，由於本實施方式中的各分光要素使特定顏色成分的光分離入射至與對置像素相鄰的2像素，因此具有與水平方向相關的光學低通濾波器的效果好於實施方式1的特徵。再者，在本實施方式中，並不限於將入射光分為R光和Cy光的分光要素、以及將入射光分為B光和知光的分光要素，也可以使用其他的分光要素。如果使其一般化，則只要使用將入射光W分為Cl光及其補色光Cl (=W-Cl = C2+C3)的分光要素、以及分為C2光及其補色C2 (=W-C2 = C1+C3)的分光要素即可。此時，各分光要素只要構成為使Cl光或者C2光的一半一半地入射至各分光要素的兩側的像素即可。此外，分光要素並不限於利用因部件間的折射率差引起的衍射來進行分光的部件，例如也可以利用微稜鏡、分色鏡等分光要素。本實施方式中的各分光要素使1種顏色成分的光等量地入射至對置像素的左右相鄰的像素，但也可以按照不同的比例使光入射至對置像素的左右相鄰的像素。例如，分光要素可以構成為使入射光所包含的特定顏色成分的光的7成入射至對置像素的一個相鄰像素，使特定顏色成分的光的3成入射至另一相鄰像素。在這種情況下，由於沒有配置分光要素的像素接收的第1顏色成分的光量沒有變化，因此也能夠獲得與上述同樣的效果。此外，也可以組合使用本實施方式中的分光要素和實施方式1中的分光要素。例如可以構成為在第1行及第3行配置本實施方式中的分光要素，在第2行及第4行配置實施方式1中的分光要素。本實施方式中的分光要素的配置與實施方式1中的分光要素的配置相同，但也可以是與實施方式2中的分光要素相同的配置。即，在圖9中，也可以使第3行及第4行的配置分光要素的位置錯開1列。即使在該情況下，本實施方式的效果也不會變化。(產業上的可利用性)本發明的固體攝像元件及攝像裝置對於以場蓄積模式進行隔行掃描的所有照相機是有效的。例如，可應用於數字靜態照相機、數字攝像機等民用照相機、廣播用固體攝像機、工業用的固體監視攝像機等。
0130]符號說明0131]IbUeUf分割為R光和Cy光的分光要素(高折射率材料)0132]lc、lg、Ih分割為B光和知光的分光要素(高折射率材料)0133]2透光性部件0134]3b,3e分割為R光和Cy光的分光要素(高折射率材料)0135]3c、3g分割為B光和知光的分光要素(高折射率材料)0136]5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h 光感知單元(像素)0137]10固體攝像元件0138]IOa固體攝像元件的攝像面0139]11光學濾波器0140]12光學透鏡0141]13信號發生/接收部0142]14元件驅動部0143]15圖像信號生成部0144]16圖像信號輸出部0145]17存儲器0146]40光感知單元陣列的單位塊0147]50光感知單元陣列0148]100攝像部0149]200信號處理部
權利要求
1.一種固體攝像元件，其具備光感知單元陣列，以矩陣狀排列了多個單位塊，多個單位塊的每一個包括被排列成4行2列的8個光感知單元；和分光要素陣列，與所述光感知單元陣列相對置地配置該分光要素陣列，該分光要素陣列包括與第1行第2列的光感知單元相對置地配置的第1分光要素、與第2行第1列的光感知單元相對置地配置的第2分光要素、與第3行第1列的光感知單元相對置地配置的第3分光要素、以及與第4行第1列的光感知單元相對置地配置的第4分光要素，所述第1分光要素使第1顏色成分的光入射至第1行第1列的光感知單元，使所述第1顏色成分以外的光入射至第1行第2列的光感知單元，所述第2分光要素使所述第2顏色成分的光入射至第2行第2列的光感知單元，使第2顏色成分以外的光入射至第2行第1列的光感知單元，所述第3分光要素使所述第1顏色成分的光入射至第3行第2列的光感知單元，使所述第1顏色成分以外的光入射至第3行第1列的光感知單元，所述第4分光要素使所述第2顏色成分的光入射至第4行第2列的光感知單元，使所述第2顏色成分以外的光入射至第4行第1列的光感知單元。
2.根據權利要求1所述的固體攝像元件，其中，在各單位塊中，所述第1分光要素使所述第1顏色成分的光的一半入射至第1行第1列的光感知單元，使所述第1顏色成分的光的剩餘的一半入射至第1相鄰單位塊所包含的第1行第1列的光感知單元，所述第2分光要素使所述第2顏色成分的光的一半入射至第2行第2列的光感知單元，使所述第2顏色成分的光的剩餘的一半入射至第2相鄰單位塊所包含的第2行第2列的光感知單元，所述第3分光要素使所述第1顏色成分的光的一半入射至第3行第2列的光感知單元，使所述第1顏色成分的光的剩餘的一半入射至所述第2相鄰單位塊所包含的第3行第2列的光感知單元，所述第4分光要素使所述第2顏色成分的光的一半入射至第4行第2列的光感知單元，使所述第2顏色成分的光的剩餘的一半入射至所述第2相鄰單位塊所包含的第4行第2列的光感知單元。
3.根據權利要求1或2所述的固體攝像元件，其中，在各單位塊中，第1行第1列的光感知單元及第3行第2列的光感知單元接收未經由任何分光要素而入射的所述第1顏色成分的光、所述第2顏色成分的光、第3顏色成分的光、以及從與相鄰的光感知單元相對置的分光要素入射的所述第1顏色成分的光，第1行第2列的光感知單元及第4行第2列的光感知單元接收未經由任何分光要素而入射的所述第1顏色成分的光、所述第2顏色成分的光、第3顏色成分的光、以及從與相鄰的光感知單元相對置的分光要素入射的所述第2顏色成分的光，第1行第2列的光感知單元及第3行第1列的光感知單元接收從相對置的分光要素入射的所述第1顏色成分以外的光，第2行第1列的光感知單元及第4行第1列的光感知單元接收從相對置的分光要素入射的所述第2顏色成分以外的光。
4.一種固體攝像元件，其具備光感知單元陣列，以矩陣狀排列多個單位塊，多個單位塊的每一個包括排列成4行2列的8個光感知單元；和分光要素陣列，與所述光感知單元陣列相對置地配置該分光要素陣列，該分光要素陣列包括與第1行第2列的光感知單元相對置地配置的第1分光要素、與第2行第1列的光感知單元相對置地配置的第2分光要素、與第3行第2列的光感知單元相對置地配置的第3分光要素、以及與第4行第2列的光感知單元相對置地配置的第4分光要素，所述第1分光要素使第1顏色成分的光入射至第1行第1列的光感知單元，使所述第1顏色成分以外的光入射至第1行第2列的光感知單元，所述第2分光要素使所述第2顏色成分的光入射至第2行第2列的光感知單元，使第2顏色成分以外的光入射至第2行第1列的光感知單元，所述第3分光要素使所述第1顏色成分的光入射至第3行第1列的光感知單元，使所述第1顏色成分以外的光入射至第3行第2列的光感知單元，所述第4分光要素使所述第2顏色成分的光入射至第4行第1列的光感知單元，使所述第2顏色成分以外的光入射至第4行第2列的光感知單元。
5.根據權利要求4所述的固體攝像元件，其中，在各單位塊中，所述第1分光要素使所述第1顏色成分的光的一半入射至第1行第1列的光感知單元，使所述第1顏色成分的光的剩餘的一半入射至第1相鄰單位塊所包含的第1行第1列的光感知單元，所述第2分光要素使所述第2顏色成分的光的一半入射至第2行第2列的光感知單元，使所述第2顏色成分的光的剩餘的一半入射至第2相鄰單位塊所包含的第2行第2列的光感知單元，所述第3分光要素使所述第1顏色成分的光的一半入射至第3行第1列的光感知單元，使所述第1顏色成分的光的剩餘的一半入射至所述第2相鄰單位塊所包含的第3行第1列的光感知單元，所述第4分光要素使所述第2顏色成分的光的一半入射至第4行第1列的光感知單元，使所述第2顏色成分的光的剩餘的一半入射至所述第2相鄰單位塊所包含的第4行第1列的光感知單元。
6.根據權利要求4或5所述的固體攝像元件，其中，在各單位塊中，第1行第1列的光感知單元及第3行第1列的光感知單元接收未經由任何分光要素而入射的所述第1顏色成分的光、所述第2顏色成分的光、第3顏色成分的光、以及從與相鄰的光感知單元相對置的分光要素入射的所述第1顏色成分的光，第1行第2列的光感知單元及第4行第1列的光感知單元接收未經由任何分光要素而入射的所述第1顏色成分的光、所述第2顏色成分的光、第3顏色成分的光、以及從與相鄰的光感知單元相對置的分光要素入射的所述第2顏色成分的光，第1行第2列的光感知單元及第3行第2列的光感知單元接收從相對置的分光要素入射的所述第1顏色成分以外的光，第2行第1列的光感知單元及第4行第2列的光感知單元接收從相對置的分光要素入射的所述第2顏色成分以外的光。
7.根據權利要求1至6的任一項所述的固體攝像元件，其中，所述第1顏色成分是紅色及藍色中的一個顏色成分，所述第2顏色成分是紅色及藍色中的另一個顏色成分。
8.一種攝像裝置，其具備權利要求1至7的任一項所述的固體攝像元件；光學系統，其在所述固體攝像元件的攝像面上形成像；和信號處理部，其對從所述固體攝像元件輸出的信號進行處理，以生成顏色信息。
全文摘要
本發明提供一種固體攝像元件和攝像裝置，在固體攝像元件的基本像素結構中，與第1行第2列的像素及第3行第1列的像素相對置地配置分光要素，該分光要素使第1顏色成分的光入射至水平方向的相鄰像素，使第1顏色成分的補色光入射至對置像素。與第2行第1列的像素及第3行第1列的像素相對置地配置分光要素，該分光要素使第2顏色成分的光入射至水平方向的相鄰像素，使第2顏色成分的補色光入射至對置像素。在第1行第1列、第2行第2列、第3行第2列、及第4行第2列不配置分光要素。
文檔編號H04N9/07GK102577395SQ20118000430
公開日2012年7月11日 申請日期2011年4月22日 優先權日2010年8月24日
發明者平本政夫, 藤井俊哉, 鈴木正明 申請人:松下電器產業株式會社