分色滤光阵列，固体摄像元件，摄像装置和显示装置.pdf

一种分色滤光阵列，其具有将分别为三棱锥状的多个单位要素(1)呈二维状排列的构成。各单位要素(1)具有：按照形成三棱锥的三个侧面的方式所配置的第一至第三滤光片(1R、1G、1B)；和反射区域。第一滤光片(1R)其设计方式为，使第一波长区域的可视光透过，且反射第一波长区域以外的可视光。第二滤光片(1G)其设计方式为，使第二波长区域的可视光透过，且反射第二波长区域以外的可视光。第三滤光片(1B)其设计方式为，使第三波长区域的可视光透过，且反射第三波长区域以外的可视光。反射区域其配置方式为，将入射到由第一至第三滤光片所包围的区域并被第一至第三滤光片分别反射的光，进一步反射，且引导到与第一至第三滤光片之中反射所述光的滤光片不同的滤光片。

权利要求书一种分色滤光阵列，其将分别为三棱锥状的多个单位要素呈二维状地排列，其中，各单位要素具有：按照形成三棱锥的三个侧面的方式所配置的、透射波长区域和反射波长区域互不相同的第一至第三滤光片；和以如下方式配置的反射区域，即，将入射到由所述第一至第三滤光片所包围的区域并被所述第一至第三滤光片分别反射的光，进一步反射，且引导到与所述第一至第三滤光片之中反射所述光的滤光片不同的滤光片，所述第一滤光片其设计方式为，使第一波长区域的可视光透过，且反射所述第一波长区域以外的可视光，所述第二滤光片其设计方式为，使第二波长区域的可视光透过，且反射所述第二波长区域以外的可视光，所述第三滤光片其设计方式为，使第三波长区域的可视光透过，且反射所述第三波长区域以外的可视光。根据权利要求1所述的分色滤光阵列，其中，所述反射区域其配置方式为，将被所述第一至第三滤光片分别反射的光进行全反射。根据权利要求1或2所述的分色滤光阵列，其中，所述第一波长区域是红色波长区域，所述第二波长区域是绿色波长区域，所述第三波长区域是蓝色波长区域。根据权利要求1至3中任一项所述的分色滤光阵列，其中，所述反射区域和所述第一至第三滤光片其配置方式为，使透过所述反射区域而分别由所述第一至第三滤光片反射的光的一部分，在所述反射区域被反射，通过与所述第一至第三滤光片之中反射所述光的滤光片不同的滤光片反射，在所述反射区域进一步被反射，入射到所述第一至第三滤光片之中具有使所述光透过这一特性的滤光片。根据权利要求1至4中任一项所述的分色滤光阵列，其中，将所述第一至第三滤光片和所述反射区域所包围的介质的、相对于经由所述反射区域而与所述介质接触的其他的介质之折射率设为n，所述第一至第三滤光片分别与所述反射区域所形成的角度设为w时，满足下式的至少一个：【算式1】12sin-1(1n)<w]]>w<tan-1(12)]]>及w<tan-1((n2-1n)14).]]>根据权利要求5所述的分色滤光阵列，其中，满足下式的全部：【算式2】12sin-1(1n)<w]]>w<tan-1(12)]]>及w<sin-1((n2-1n)14).]]>根据权利要求1至6中任一项所述的分色滤光阵列，其中，所述多个单位要素其排列方式为，使所述第一至第三滤光片分别与邻接单位要素中的所述第一至第三滤光片邻接。一种固体摄像元件，其中，具备：权利要求1至7中任一项所述的分色滤光阵列；和按照与各单位要素中的所述第一至第三滤光片分别对应的方式在所述反射区域的相反侧所配置的多个光敏管。一种摄像装置，其中，具备：权利要求8所述的固体摄像元件；使像形成在所述固体摄像元件的摄像面的光学系统；和对从所述固体摄像元件输出的信号进行处理的信号处理部。一种显示装置，其中，具备：权利要求1至7中任一项所述的分色滤光阵列；和按照与各单位要素中的所述第一至第三滤光片分别对应的方式在所述反射区域的相反侧所配置的多个显示部。

说明书分色滤光阵列，固体摄像元件，摄像装置和显示装置
技术领域
本申请涉及彩色摄像装置及彩色显示装置的高灵敏度化技术。
背景技术
近年来，使用了CCD和CMOS等的固体摄像元件(以下，有称为“摄像元件”的情况。)的数码相机和数码摄像机的高机能化、高性能化引人注目。特别是由于半导体制造技术的进步，摄像元件的像素构造的微细化推进，能够实现摄像元件的像素和驱动电路的高集成化。因此，在短短几年内，摄像元件的像素数就从100万像素左右显著增加到1000万像素以上。另一方面，随着摄像元件的多像素化，一个像素接收的光的量减少，因此就产生出照相机灵敏度降低这样的问题。
此外，在通常的彩色摄像机中，摄像元件的各感光部上配置有以有机顔料为色素的减色型的滤色镜，因此光利用率相当低。例如，使用以红(R)1像素、绿(G)2像素、蓝(B)1像素为基本构成的Bayer型的滤色镜时，各滤色镜只使一个色成分的光透过、且吸收其他的色成分的光。具体来说，R滤色镜使R光透过、且吸收G光、B光。G滤色镜使G光透过、且吸收R光、B光。B滤色镜使B光透过、且吸收R光、G光。即，透过各滤色镜的光是RGB三色之中的一色，其他两色则被滤色镜吸收。因此，被利用的光是入射到滤色镜的可视光的约1/3。
为了解决灵敏度降低的问题，在摄像元件的光接收部安装微透镜阵列，以增加光接收量的方法被公开在专利文献1中。据此方法，通过使用微透镜进行聚光，实质上能够使光孔径比提高。该方法现在被用于大部分的固体摄像元件。据此技术，确实带来实质上的孔径比的提高，但无法解决因滤色镜造成的光利用率降低的问题。
作为同时解决光利用率降低和灵敏度降低的问题的方法，组合多层膜滤光片和微透镜、且具有最大限度采光的构造的摄像元件被公开在专利文献2中。该摄像元件具备多个多层膜滤光片，其不吸收光，而选择性地使特定波长区域的光透过、反射其他波长区域的光。各滤光片只选择需要的光，使之入射对应的感光部，使其他的光反射。
图7是模式化地表示专利文献2所公开的摄像元件的剖面图的图。在图7所示的摄像元件中，入射到聚光微透镜11的光，由内透镜12对光束进行调整后，入射滤光片13。滤光片13其设计方式为，使R光透过，但使其他的颜色的光反射。透过滤光片13的光，入射到正下方的光敏管(photosensitive cell)23。由滤光片13反射的光，入射到邻接的滤光片14。滤光片14其设方式为，反射G光、使其他的光透过。由滤光片14反射的G光，入射到其正下方的光敏管24。透过滤光片14的B光，由滤光片15反射，入射到其正下方的光敏管25。如此，入射到聚光微透镜11的可视光没有损失，该RGB成分被三个光敏管无浪费地检测到。但是，在该摄像元件中，虽然有来自微透镜的聚光效果，但是需要RGB三色的像素，要求有高密度的元件构造。
专利文献2所公开的分色的原理，与专利文献3、4各自公开的、利用基于多层膜滤光片的分光和界面的全反射的双管式彩色摄像机和三板式彩色摄像机的分色的原理相同。图8A和图8B是分别表示专利文献3所公开的双管式彩色摄像机的光学棱镜、和专利文献4所公开的三板式彩色摄像机的光学棱镜的图。图8A所示的棱镜21其构成为，将R光和B光与G光分离，图8B所示的棱镜22其构成为，将R光、G光、B光分离。在专利文献3、4所公开的多板式彩色摄像机中，各色的信息由图像单位获取，相对于此，在专利文献2的装置中，各色的信息由像素单位获取这一点有所不同，但无论如何均需要三色的像素。
相对于以上的技术，有一部分光发生损失，但通过使用多层膜滤光片和反射而提高光的利用率的技术被公开在专利文献5中。图9表示使用该技术的摄像元件的剖面图的一部分。如图9所示，在透光性的树脂31内配置有多层膜滤光片32、33。多层膜滤光片32使G光透过且反射R光、B光。另外，多层膜滤光片33使R光透过且反射G光、B光。
根据这样的构成，B光不能由感光部进行光接收，但R光、G光根据以下的原理而能够无损失地检测出。首先，若R光入射到多层膜滤光片32、33，则在多层膜滤光片32发生反射，再在透光性的树脂31和空气的界面发生全反射，入射到多层膜滤光片33。入射到多层膜滤光片33的全部的R光，透过具有R光透射性的有机色素滤光片35和微透镜36。光的一部分由金属层37反射，但几乎全部的R光都入射到感光部。另外，若G光入射到多层膜滤光片32、33，则在多层膜滤光片33发生反射，再在透光性的树脂31和空气的界面发生全反射，入射到多层膜滤光片32。入射到多层膜滤光片32的全部的G光，通过具有G光透射性的有机色素滤光片34和微透镜36，几乎毫无损失地入射到感光部。
根据上述的原理，在专利文献5所公开的技术中，R、G、B各成分之中虽然有一个色的成分发生损失，但有两个色的成分几乎毫无损失地被进行光接收。因此，不需要配置R、G、B三色的感光部。据此技术，光利用率与只由有机色素滤光片构成的摄像元件中的光利用率比较，提高到2倍。但是，在该技术中，仍有三色之中的一色发生损失。
上述的问题，是彩色摄像系统的问题，但同样的问题在彩色表示系统中也存在。在现有的彩色液晶显示装置中，因为使用的是RGB的有机色素滤光片，所以光利用率为约1/3，而有大约2/3的光损失这样的问题存在。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：特开昭59‑90467公报
专利文献2：特开2000‑151933号公报
专利文献3：特开昭52‑82018号公报
专利文献4：特开平6‑6646号公报
专利文献5：特开2003‑78917号公报
发明内容
在使用了光吸收型的滤色镜的现有的彩色摄像系统和彩色表示系统的技术中，没有大幅增加光敏管，但光利用率低。另一方面，使用多层膜型的滤色镜时，虽然光利用率能够较高，但所需要的光敏管的数量增加这样的课题存在。
本发明的实施方式中，提供一种利用使特定的波长区域的光透过、且反射其他的波长区域的光的滤光片，能够实现光利用率高的彩色摄像装置和彩色显示装置的全新的分色滤光片。
为了解决上述课题，本发明的一个方式的分色滤光阵列，是将分别为三棱锥状的多个单位要素呈二维状排列的分色滤光阵列。各单位要素具有如下：按照形成三棱锥的三个侧面的方式所配置的、透射波长区域和反射波长区域互不相同的第一至第三滤光片；以如下方式配置的反射区，即，将入射到由所述第一至第三滤光片所包围的区域并被所述第一至第三滤光片分别反射的光，进一步反射，且引导到与所述第一至第三滤光片之中反射所述光的滤光片不同的滤光片。所述第一滤光片其设计方式为，使第一波长区域的可视光透过，且反射所述第一波长区域以外的可视光；所述第二滤光片其设计方式为，使第二波长区域的可视光透过，且反射所述第二波长区域以外的可视光；所述第三滤光片其设计方式为，使第三波长区域的可视光透过，且反射所述第三波长区域以外的可视光。
根据本发明的实施方式，对于入射光的任何一种色成分都能够降低损失。其结果是，不用大幅增加光敏管，相比以往可以实现更高灵敏度的摄像系统或高亮度的显示系统。
附图说明
图1A是例示的实施方式1的分色滤光片的俯视图。
图1B是例示的实施方式1的分色滤光片的A‑A′线剖面图。
图2A是例示的实施方式1的分色滤光片的俯视图。
图2B是例示的实施方式1的分色滤光片的B‑B′线剖面图。
图2C是例示的实施方式1的分色滤光片的C‑C′线剖面图。
图3是表示例示的实施方式2的摄像装置的构成的方块图。
图4是表示例示的实施方式2的透镜12和摄像元件10的模式图。
图5是表示例示的实施方式2的摄像元件的光敏管2的排列的图。
图6是例示的实施方式3的显示板的部分剖面图。
图7是使用了微透镜和多层膜滤光片的现有的固体摄像元件的剖面图。
图8A是现有的双管式彩色摄像机的光学棱镜的外形图。
图8B是现有的三板式彩色摄像机的光学棱镜的外形图。
图9是表示使用多层膜滤光片和反射来提高光的利用率的现有的摄像元件的截面的一部分的图。
具体实施方式
本发明的例示的实施方式的概要如下。
(1)本发明的一个方式的分色滤光阵列，是分别为三棱锥状的多个单位要素二维状排列的分色滤光阵列。各单位要素具有如下：以形成三棱锥的三个侧面的方式配置的、透射波长区域和反射波长区域互不相同的第一至第三滤光片；以如下方式配置的反射区域，即，对于入射到所述第一至第三滤光片所包围的区域并分别由所述第一至第三滤光片反射的光进一步进行反射，将其引导到与所述第一至第三滤光片之中反射所述光的滤光片不同的滤光片。所述第一滤光片其设计方式为，使第一波长区域的可视光透过，反射所述第一波长区域以外的可视光，所述第二滤光片其设计方式为，使第二波长区域的可视光透过，反射所述第二波长区域以外的可视光，所述第三滤光片其设计方式为，使第三波长区域的可视光透过，反射所述第三波长区域以外的可视光。
(2)在有的实施方式中，所述反射区域其配置方式为，对于分别由所述第一至第三滤光片反射的光进行全反射。
(3)在项目(1)或(2)所述的分色滤光阵列的有的方式中，所述第一波长区域是红色的波长区域，所述第二波长区域是绿色的波长区域，所述第三波长区域是蓝色的波长区域。
(4)在项目(1)至(3)中任一项所述的分色滤光阵列的有的方式中，所述反射区域和所述第一至第三滤光片其配置方式为，使透过所述反射区域而分别由所述第一至第三滤光片反射的光的一部分，在所述反射区域被反射，通过与所述第一至第三滤光片之中反射所述光的滤光片不同的滤光片反射，在所述反射区域进一步被反射，入射到所述第一至第三滤光片之中具有使所述光透过这一特性的滤光片。
(5)在项目(1)至(4)中任一项所述的分色滤光阵列的有的方式中，设所述第一至第三滤光片和所述反射区域所包围的介质，对于经由所述反射区域而与所述介质接触的其他的介质的折射率为n，设所述第一至第三滤光片分别与所述反射区域的夹角为w时，满足下式的至少一个。
【算式1】