CN114556569A - 分光元件阵列、摄像元件以及摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本公开的摄像元件具备：二维像素阵列，包括光电转换元件的多个像素在基板上呈阵列状地排列而成；透明层，形成于二维像素阵列之上；以及二维分光元件阵列，在透明层的内部或者透明层之上多个分光元件呈阵列状地排列而成。各个分光元件包括由具有比透明层的折射率高的折射率的材料形成的多个微结构体。多个微结构体具有微结构体图案。各个分光元件将射入的光根据波长区域分离为分别具有不同的传输方向的第一偏转光、第二偏转光、第三偏转光以及第四偏转光。位于各个分光元件的正下方的相互邻接的第一像素、第二像素、第三像素以及第四像素分别检测第一偏转光、第二偏转光、第三偏转光以及第四偏转光。

Description

分光元件阵列、摄像元件以及摄像装置
技术领域
本发明涉及一种分光元件阵列、摄像元件以及具备摄像元件的摄像装置。
背景技术
一般而言，在具备CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合器件)传感器、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)传感器等光电转换元件的摄像元件中，为了获取摄像对象的颜色信息，需要在包括光电转换元件的各像素上进行入射光的颜色分离。
图1中示出一般的彩色摄像元件的剖视图。在以往的彩色摄像元件100中，在电气布线112上配置有光电转换元件102，由有机材料或者无机材料构成的减色型的彩色滤光片104与包括光电转换元件102的各像素对置地配置。在彩色滤光片104上配置有微透镜103。当光从微透镜103射入时，使用彩色滤光片104来仅使所希望的波段的光透射、使不需要的波段的光吸收或者反射，由此，通过按每个像素从对应于红(R)、绿(G)、蓝(B)的三个光电转换元件102获取各信号，能生成彩色的二维图像。
然而，在如上所述的一般的彩色摄像元件100中，存在如下问题：在RGB为1：1：1的比率的入射光的情况下，透射过彩色滤光片104后的总光量必然变成1/3左右。失去的其余的光是由于彩色滤光片104的吸收或者反射而造成的损耗，无法用于图像的构成。因此，入射光的光利用效率最大为30％左右，大幅地限制了摄像元件的灵敏度。近年来，随着像素的微细化(图像的高析像度化)进展，一个像素接受的光量必然降低，希望降低上述摄像元件的灵敏度的限制。
作为用于降低摄像元件的灵敏度的限制的途径，提出了代替彩色滤光片104而使用能根据波段对入射光进行分支的棱镜、分色镜等分光元件来构成彩色摄像元件。这样的途径，能在原理上大幅降低入射光的损耗，因此相比于使用彩色滤光片104的情况，能大幅提高光利用效率。然而，近年来，随着像素的微细化进展，难以在保持棱镜、分色镜等分光元件的功能和特性的前提下将其集成在光电转换元件上。
因此，近年来，提出了使用由比较容易集成在光电转换元件上的微结构构成的分光元件来构成彩色摄像元件。在非专利文献1中，提出了如下方法：使用能将入射光分离为两个波长区域的两种微结构，由此，在原理上消除颜色分离的光损耗，提高光利用效率。
在图2的(a)中示出在非专利文献1中提出的彩色摄像元件200的俯视图，在图2的(b)中示出其IIb－IIb剖视图，在图2的(c)中示出其IIc－IIc剖视图。如图所示，在彩色摄像元件200中，通过代替彩色滤光片104而与像素(光电转换元件102)对应地配置的微细的梁结构206－1、206－2，入射光根据波长区域分离为直射的光和左右偏转的光。这是因为，在微细的梁结构内与其周围，入射光感受到的相位延迟效应在一方的波长区域大不相同，在另一方的波长区域大致相等。因此，在二维像素阵列上按行来交替地配置结构厚度不同的两种微细的梁结构206－1、206－2，由此，彼此相邻的四个光电转换元件102能分别接受具有不同的波长分量的光。其结果是，对从各光电转换元件102输出的光电转换信号进行使用矩阵运算的信号处理，生成颜色信息，由此，能生成彩色图像。
此外，在非专利文献2中，提出了如下方法：将能将入射光分离为三个波长区域的固定厚度的二进制微结构配置于像素(光电转换元件102)上，由此，提高光利用效率。
在图3的(a)中示出在非专利文献2中提出的具有微小分光元件306的彩色摄像元件300的俯视图，在图3的(b)中示出其IIIb－IIIb剖视图。使用非专利文献2的彩色摄像元件300，由此，与使用非专利文献1的彩色摄像元件200的情况同样地，能通过使用信号处理的颜色信息再构成来生成彩色图像。而且非专利文献2的彩色摄像元件300的光利用效率大于非专利文献1的彩色摄像元件200的光利用效率。此外，非专利文献2的彩色摄像元件200不存在非专利文献1的彩色摄像元件200中是问题的偏振依赖性，此外，由于是二进制结构，因此有易于制作的优点。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1:Seiji Nishiwaki,Tatsuya Nakamura,Masao Hiramoto,ToshiyaFujii and Masa-aki Suzuki,“Efficient colour splitters for high-pixel-densityimage sensors,”Nature Photonics,Vol.7,March 2013,pp.240-246
非专利文献2:Masashi Miyata,Mitsumasa Nakajima,Toshikazu Hashimoto,“High-Sensitivity Color Imaging Using Pixel-Scale Color Splitters Based onDielectric Metasurfaces,”ACS Photonics,March 2019,pp1442-1450
非专利文献3:David Sell,Jianji Yang,Sage Doshay,Jonathan A.Fan,“Periodic Dielectric Metasurfaces with High-Efficiency,MultiwavelengthFunctionalities,”Advanced Optical Materials,Vol.5,2017,1700645
发明内容
在非专利文献1和2中，提出了使用信号处理的颜色重构方法作为彩色图像生成的方法。然而，在非专利文献1和2中公开的技术中存在实用上的问题。这些彩色图像生成的方法恐怕会产生因该信号处理引起的颜色的错误(噪声)，图像的信噪比(SN比)恐怕会劣化。因此，即使由于分光元件，光利用效率即在传感器中的受光量增加，但由于由信号处理而造成的新的噪声的附加，摄像图像的SN比恐怕不会改善，实质性的灵敏度恐怕不会提高。而且，新需要信号的处理时间，因此担心摄像的时间解像力的降低。需要说明的是，如在非专利文献2中所公开的那样，能考虑以下方式：将通常正圆的微透镜的形状设为椭圆，或者将通常正方形的像素的形状设为长方形等，不使用信号处理而根据信号强度直接获取颜色信息，但除了透镜、像素的形状的变更恐怕不适合于现有的制作工艺、后期处理、像素配置等以外，恐怕会干扰图像的空间分辨率的均匀性，因此缺乏实现性。而且，非专利文献1和2中公开的分光元件都是仅沿着像素阵列上的一个轴方向对入射光进行颜色分离的元件。因此，在颜色分离轴和与其垂直的轴上，像素间的光串扰的影响大不相同。由此，恐怕在生成的彩色图像中在相互垂直的两个轴上实质上的空间分辨率不同。
本公开是鉴于上述的问题点而完成的，其目的在于，提供一种高灵敏度并且不使用基于信号处理的颜色重构而能生成具有均匀的空间分辨率的图像的摄像元件以及摄像装置。
为了解决上述的问题，本发明的一个实施方式的摄像元件具备：二维像素阵列，包括光电转换元件的多个像素在基板上呈阵列状地排列而成；透明层，形成于二维像素阵列之上；以及二维分光元件阵列，在透明层的内部或者透明层之上多个分光元件呈阵列状地排列而成，其中，各个分光元件包括由具有比透明层的折射率高的折射率的材料形成的多个微结构体，多个微结构体具有微结构体图案，各个分光元件将射入的光向二维的方向分光，多个像素分别检测向二维的方向分光后的光。在一个实施方式中，在上述的摄像元件中，各个分光元件将射入的光根据波长区域分离为分别具有不同的传输方向的第一偏转光、第二偏转光、第三偏转光以及第四偏转光，位于各个分光元件的正下方的相互邻接的第一像素、第二像素、第三像素以及第四像素分别检测第一偏转光、第二偏转光、第三偏转光以及第四偏转光。
根据本发明的一个实施方式，通过使用能使入射光沿着平面两个轴方向分离为多个波长区域的微小分光元件，能实现高灵敏度并且不使用基于信号处理的颜色重构而能生成具有均匀的空间分辨率的图像的摄像元件以及摄像装置。此外，本发明的一个实施方式的摄像元件与作为广泛应用的像素配置的拜耳配置(Bayer arrangement)具有一致性，因此能不对一般性的彩色摄像元件的构成以及其后期的电子电路进行较大变更，而将彩色滤光片置换为微小分光元件，由此达成高灵敏度化。
附图说明
图1是一般的彩色摄像元件的剖视图。
图2的(a)是在非专利文献1中提出的彩色摄像元件的俯视图，图2的(b)是其IIb－IIb剖视图，图2的(c)是其IIc－IIc剖视图。
图3的(a)是在非专利文献2中提出的彩色摄像元件的俯视图，图3的(b)是其IIIa－IIIb剖视图。
图4是示出了本发明的一个实施方式的摄像装置10的概略构成的侧视图。
图5的(a)是示意地表示从上表面观察到的包括像素阵列和分光元件阵列的摄像元件500的一部分的图，图5的(b)是示意地表示其Vb－Vb剖面的图，图5的(c)是示意地表示其Vc－Vc剖面的图。
图6的(a)是示意地表示从上表面观察到的包括像素阵列和分光元件阵列的摄像元件600的一部分的图，图6的(b)是示意地表示其VIb－VIb剖面的图，图6的(c)是示意地表示其VIc－VIc剖面的图。
图7的(a)是表示对应于第一波长区域(R)的波长的相位延迟分布的图，图7的(b)是表示对应于第二波长区域(G)的波长的相位延迟分布的图，图7的(c)是表示对应于第三波长区域(B)的波长的相位延迟分布的图。
图8的(a)是构成本实施方式的微小分光元件101的微结构体的一个例子的俯视图，图8的(b)是微结构体的一个例子的侧视图。
图9的(a)是示意地表示从上表面观察到的包括像素阵列和分光元件阵列的摄像元件900的一部分的图，图9的(b)是示意地表示其IXb－IXb剖面的图，图9的(c)是示意地表示其IXc－IXc剖面的图。
图10的(a)是示意地表示从上表面观察到的包括像素阵列和分光元件阵列的摄像元件900的一部分的图，图10的(b)是示意地表示其Xb－Xb剖面的图，图10的(c)是示意地表示其Xc－Xc剖面的图。
图11的(a)是表示对应于第一波长区域(R)的波长的相位延迟分布的图，图11的(b)是表示对应于第二波长区域(G)的波长的相位延迟分布的图，图11的(c)是表示对应于第三波长区域(B)的波长的相位延迟分布的图，图11的(d)是表示对应于第四波长区域(IR)的波长的相位延迟分布的图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式进行详细地说明。不过，不言而喻的是，以下的实施方式不过是一个例子，本发明不限于这些实施方式。
图4是示出了本发明的一个实施方式的摄像装置10的概略构成的侧视图。摄像装置10具备：透镜光学系统11；摄像元件12；以及信号处理部13，对从摄像元件12输出的光电转换信号进行处理来生成图像信号。
自然光、照明光等光照射至物体1并由物体1透射/反射/散射的光或者从物体1发出的光通过透镜光学系统11在包括CCD、CMOS等光电转换元件的摄像元件12上形成光学图像。通常，为了校正各种光学橡差，透镜光学系统由沿着光轴排列的多个透镜组成的透镜群所构成，但在图4中将附图简化表示为单个的透镜。信号处理部13对从摄像元件12输出的光电转换信号进行处理来生成图像信号，并具备将生成的图像信号送出到外部的图像信号输出。需要说明的是，本发明的摄像装置10可以具备红外光截止的滤光片、电子遮板、取景器、电源(电池)以及闪光灯等公知的构成要素，但这些说明对于理解本发明的实施方式不是特别需要因此省略。此外，以上的构成只是一个例子，在本发明的一个实施方式中，在除了透镜光学系统11、摄像元件12、信号处理部13以外的构成要素中，可以适当地组合公知的要素来使用。
在对本发明的实施方式的详情进行说明前，对本发明的实施方式中的摄像元件12的概略进行说明。本发明的实施方式的摄像元件12具备微小分光元件101以及包括光电转换元件102的像素。多个包括光电转换元件102的像素以二维状的方式排列从而构成像素阵列。此外，多个微小分光元件101以二维状的方式排列从而构成分光元件阵列。相互邻接的四个像素的一部分设于一个分光元件的对应的位置。分光元件的对应的位置是指，例如包括像素阵列的相互邻接的四个像素的一部分与从分光元件占据的区域起在元件面垂直方向上向像素阵列落下的投影面重叠的状态。
作为摄像元件12的一个例子，在图5的(a)中示出从包括像素阵列和分光元件阵列的摄像元件500的上表面观察到的构成的一部分，在图5的(b)中示出其Vb－Vb剖面的摄像元件500的构成的一部分，在图5的(c)中示出其Vc－Vc剖面的摄像元件500的构成的一部分。分光元件阵列与像素阵列对置。分光元件阵列配置于来自透镜光学系统11的光射入的一侧。在分光元件阵列与像素阵列之间和分光元件阵列的透镜光学系统11侧设有透明层111。在像素阵列的分光元件阵列的相反侧设有电气布线112(未图示)。
构成分光元件阵列的各微小分光元件101具有厚度(z轴方向的长度)固定的微结构图案。更具体而言，各微小分光元件101具有厚度固定但上表面和下表面的形状根据排列的位置而不同的微结构图案。需要说明的是，微小分光元件101的厚度也可以是根据位置而厚度不同的微结构体。此外，微结构图案没有限制，可以采用各种排列方式。需要说明的是，本发明的实施方式的摄像元件12可以具备微透镜、遮光壁等公知的构成要素，但这些说明对于理解本发明的概略不是特别需要，因此在图5的(a)～图5的(c)中省略。
在本实施方式的说明中，将射入摄像元件12的光按波长区域分类为第一波长区域、第二波长区域、第三波长区域以及第四波长区域。需要说明的是，第一至第四波长区域的组合通常是红(R：在波长600nm以上的红色波长区域具有光强度的峰值)、绿(G：在波长500nm～600nm的绿色波长区域具有光强度的峰值)、蓝(B：在波长500nm以下的蓝色波长区域具有光强度的峰值)三原色与近红外光(IR：在波长800nm以上的近红外波长区域具有光强度的峰值)的组合，但不限于此。例如，波长区域的组合可以是红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色与紫外光(UV：在波长380nm以下的紫外波长区域具有光强度的峰值)的组合，也可以是红外光的波长区域中相互不同的多个波长区域的组合，也可以是紫外光的波长区域中相互不同的多个波长区域的组合。此外，也可以是将第一～第三波长区域设为相互不同的波长区域，并且将第四波长区域设为与第一～第三波长区域中的一个相同。构成本发明的实施方式中的分光元件阵列的各个微小分光元件101具有以下功能：利用因后述的微结构体引起的相位延迟效应以及其结构尺寸依赖性和波长依赖性，由此根据上述的第一至第三波长区域或者第一至第四波长区域，改变射入摄像元件12的光的传输方向，使光在像素阵列上在空间上分离。即，在本发明的实施方式中，射入摄像元件12的光通过各微小分光元件101向第一方向(右上)、第二方向(右下)、第三方向(左下)以及第四方向(左上)四个方向分离，射入相互邻接的四个像素的一部分。作为更详细的例子，对以下情况进行说明：微小分光元件101将红(R)向第一方向(右上)分离；将绿(G)向第二方向(右下)分离；将蓝(B)向第三方向(左下)分离；将红外光(IR)向第四方向(左上)分离。红(R)的波长区域的光作为在第一方向发散宽度宽的光(波长分量排列的光)射入(短波长的光的入射角与长波长的光的入射角不同)相互邻接的四个像素中的与红对应的像素(邻接于与绿对应的像素的上侧，邻接于与红外光对应的像素的右侧)。绿(G)的波长区域的光作为在第二方向发散宽度宽的光(波长分量排列的光)，射入(短波长的光的入射角与长波长的光的入射角不同)与绿对应的像素(邻接于与红对应的像素的下侧，邻接于与蓝对应的像素的右侧)。蓝(B)的波长区域的光作为在第三方向发散宽度宽的光(波长分量排列的光)，射入(短波长的光的入射角与长波长的光的入射角不同)与蓝对应的像素(邻接于与绿对应的像素的左侧，邻接于与红外光对应的像素的下侧)。红外光(IR)的波长区域的光作为在第四方向发散宽度宽的光(波长分量排列光)，射入(短波长的光的入射角与长波长的光的入射角不同)与红外光对应的像素(邻接于与红对应的像素的左侧，邻接于与蓝对应的像素的上侧)。
此外，若将邻接于平面两轴方向(xy平面的x轴方向和y轴方向)的四个微小分光元件101设为一个分光单元(分光单元为正方形)，则构成一个分光单元的四个微小分光元件101的分光功能相互不同。具体而言，一个分光单元包括四种微小分光元件。例如，第一种微小分光元件具有如下分光功能：分别向第一方向(右上)、第二方向(右下)、第三方向(左下)以及第四方向(左上)分离第一波长区域、第二波长区域、第三波长区域的光以及第四波长区域的光。第二种微小分光元件具有如下分光功能：分别向第二方向(右下)、第一方向(右上)、第四方向(左上)以及第三方向(左下)分离第一波长区域、第二波长区域、第三波长区域以及第四波长区域的光。第三种微小分光元件具有如下分光功能：分别向第三方向(左下)、第四方向(左上)、第一方向(右上)以及第二方向(右下)分离第一波长区域、第二波长区域、第三波长区域以及第四波长区域的光。第四种微小分光元件具有如下分光功能：分别向第四方向(左上)、第三方向(左下)、第三方向(右下)以及第一方向(右上)分离第一波长区域、第二波长区域、第三波长区域以及第四波长区域的光。
因此，将微小分光元件101与包括光电转换元件102的像素的距离设为下述光射入该光电转换元件102的距离：通过该微小分光元件101向第一方向(右上)分离的光；通过邻接于该微小分光元件101的右侧的微小分光元件向第四方向(左上)分离的光；通过邻接于该微小分光元件101的右上侧的微小分光元件向第三方向(左下)分离的光；以及通过邻接于该微小分光元件101的上侧的微小分光元件向第二方向(右下)分离的光，由此，位于各个分光单元的正下方的四个像素(光电转换元件102)分别仅接受第一、第二、第三以及第四波长区域中任一个区域的光。当光射入像素时，光电转换元件102输出对应于射入的光的强度的电信号(光电转换信号)，因此直接获取对应于波长区域的信号(若为三原色则为颜色信息)。以上的微小分光元件101和对应于微小分光元件的多个像素(光电转换元件102)配置为二维状，因此能不使用特别的信号处理而同时获取通过透镜光学系统形成的物体的光学图像的每个波长区域的信息。此外，在该构成中沿着平面两轴方向进行光的分离，因此任意的像素间的光串扰的影响相等，从而能生成具有均匀的空间分辨率的图像。
对于后述的第一实施方式而言，将第一至第三波长区域设为R、G、B三原色，并且将第四波长区域设为与第二波长区域相同，通过微小分光元件101按R、G、B、G的波长区域将入射光向四个方向在空间上分离。即，几乎全部入射光在分离至R、G、B的波长区域的状态下射入位于微小分光元件101的正下方的邻接的四个像素(光电转换元件102)。需要说明的是，就四个像素中的两个而言，射入相同波长区域的光。因此，能根据从像素(光电转换元件102)获得的光电转换信号直接获取颜色信息。
此外，对于后述的第二实施方式而言，将第一至第三波长区域设为R、G、B三原色，并且将第四波长区域设为红外光IR，微小分光元件101按R、G、B以及IR的波长区域将入射光向四个方向在空间上分离。即，几乎全部入射光在分离至R、G、B、IR的波长区域的状态下射入位于微小分光元件101的正下方的邻接的四个像素(光电转换元件102)。需要说明的是，就四个像素而言，全部射入不同的波长区域的光。因此，能根据从像素(光电转换元件102)获得的光电转换信号直接获取颜色信息和IR信息。
根据本发明的实施方式的摄像元件12，能不使用减光型的带通滤光片而通过使用微小分光元件101的按波长区域的光分离，来不使用特别的信号处理而获取物体的光学图像的每个波长区域的信息。即，若将第一至第四波长区域设为R、G、B、G三原色，则能获取彩色图像。因此，与使用彩色滤光片的摄像元件相比较，能增加到达像素阵列的光总量，从而能提高彩色摄像的灵敏度。此外，若将第一至第四波长区域设为R、G、B三原色和IR，则除了彩色图像以外还能同时高灵敏度地获取IR图像。而且，通过在像素阵列上沿着平面两轴方向的光分离来获取各波长区域的信息，因此任意像素间的光串扰的影响相等，能生成具有均匀的空间分辨率的图像，因此能解决在非专利文献1和2中公开的技术中的问题。而且，本发明的实施方式的摄像元件12有以下优点：无需变更通常采用的微透镜形状、像素形状、拜耳配置等像素配置，因此与现有的制作工艺、摄像系统的一致性高，仅通过将滤光片置换为微小分光元件就能获得效果。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行更加详细的说明。
(第一实施方式)
以下，对本实施方式的摄像元件的构成的概略进行说明。
在本实施方式中示出将第一至第三波长区域设为R、G、B三原色，并且将第四波长区域设为与第二区域相同，将入射光分光为R、G、B、G的方式，但分光的波长区域的数量、各波长区域的波长不限于此。例如，四个波长区域中的至少一个也可以是三原色以外的波长的光(例如红外光、紫外光)。
作为基于第一实施方式的摄像元件12的例子，在图6的(a)中示意性地示出从包括像素阵列和分光元件阵列的摄像元件600的上表面观察到的概略构成的一部分，在图6的(b)中示出其VIb－VIb剖面的摄像元件600的构成的一部分，在图6的(c)中示出其VIc－VIc剖面的摄像元件600的构成的一部分。在包括光电转换元件102的像素以阵列状的方式排列的二维像素阵列上层叠有由SiO2等构成的低折射率的透明层111以及多个微透镜103。在低折射率的透明层111的内部嵌入有微小分光元件101。
微小分光元件101包括多个微结构体，其由具有比透明层111的折射率高的折射率的SiN、TiO2等材料形成。多个微结构体以具有微结构图案的方式形成。方便起见，在以下的说明中，设定如下xyz正交坐标系，将二维像素阵列的法线方向设为z轴；将与二维像素阵列平行的水平方向设为x轴；将垂直于与二维像素阵列平行的x轴的方向设为y轴。
如图6的(a)～图6的(c)所示，微透镜103、微小分光元件101以及像素(光电转换元件102)在xy平面上以相同的周期格子状地配置，分别形成阵列。在各微透镜103的正下方配置有一个微小分光元件101。此外，微透镜阵列和微小分光元件阵列分别从像素阵列的配置起沿着x轴和y轴移位阵列周期(中心间的距离)的1/2的长度量。将微小分光元件101中的从与在x轴方向邻接的微小分光元件的边界起x轴方向的阵列周期的1/2的长度的位置、且从与在y轴方向邻接的微小分光元件的边界起y轴方向的阵列周期的1/2的长度的位置设为微小分光元件101的中心。此时，如图6的(a)所示，微小分光元件101的中心位于在该微小分光元件101的正下方的相互邻接的四个微小分光元件101形成的四边形的中心的正上方。微小分光元件阵列由微小分光元件101构成，所述微小分光元件101沿着分别与平面上相对于x轴±45°的方向平行的四个方向将入射光在空间上分离为三个波长区域(R、G、B)。此外，若将邻接的四个微小分光元件101设为一个分光单元601(在图6的(a)以双点划线的矩形表示)，则可以看作对于微小分光元件阵列而言分光单元呈格子状形成阵列。构成分光单元的邻接的四个微小分光元件101配置为，按三个波长区域分配的四个方向的组合各不相同，相同波长区域的光分别射入位于单元的正下方的四个的像素。需要说明的是，就位于各个微小分光元件101的正下方的四个像素中的两个而言，射入相同波长区域的光。上述的单元也可以是使具有相同的分光功能的一种的微小分光元件旋转90°而构成，或者也可以是使其翻转而构成，或者，也可以是由分别实现四种分光功能的四种微小分光元件101构成。图6的(a)示出的分光单元包括的元件具有如下分光功能：将R的光(实线)向第一方向(右上)分离、将G的光(虚线)向第二方向(右下)分离、将B的光(单点划线)向第三方向(左下)分离、将G的光(虚线)向第四方向(左上)分离，在该元件的右侧、下侧以及右下还包括将该元件逆时针旋转90°旋转而成的元件、将该元件顺时针旋转90°而成的元件以及将该元件翻转而成的元件。
需要说明的是，在上述的说明中，作为一个例子，对由正方形的像素(光电转换元件102)构成的以正交格子状排列的二维像素阵列的情况进行了说明，但像素的排列、形状、尺寸等不限于该图的例子。此外，在图6的(a)～图6(c)中省略了，但在二维像素阵列与微小分光元件阵列之间可以具备结构体，其作为内部微透镜动作，所述结构体具有由以将来自微小分光元件101的光导向像素内的光电转换元件102的方式作用的、由SiN、TiO2等构成的折射率比透明层高的凹凸结构而实现的聚光功能。图6的(a)～图6的(c)中示出的结构可以通过公知的半导体制造技术来制作。
需要说明的是，图6的(a)～图6的(c)所示的摄像元件600具有光从电气布线112所形成的布线层的相反侧射入的背面照射型的结构，但在本实施方式中不限于这样的结构，例如也可以具有从布线层一侧受光的正面照射型的结构。
以下，对本实施方式的摄像元件600的各构成要素的作用进行说明。
射入摄像元件600的白色的光首先通过微透镜阵列被聚光，几乎全部的光穿过对应于各微透镜103的微小分光元件101。通过各微小分光元件101，光按三个波长区域向四个方向在空间上分离，通过位于各微小分光元件101的正下方的邻接的四个像素(光电转换元件102)分别受光。根据分光单元的构成，位于微小分光元件阵列的正下方的像素阵列的各像素供R、G、B中的任一波长区域的光射入，因此各像素应对R、G、B中的任一颜色信息的检测。需要说明的是，图6的(a)～图6的(c)的例子是在将四个像素设为了一个像素单元的情况下，四个像素分别对应于R、G、G、B的光的适合于拜耳配置的一个例子，根据各微小分光元件101的构成，颜色分量与传输方向的组合可以自由地变更，分别与RGB对应的像素的配置也随之变更。最后，通过各像素内的光电转换元件102进行光电转换，作为包括颜色信息的图像信号来输出。
需要说明的是，在像素阵列与微小分光元件101之间可以具备结构体，其作为内部微透镜动作，并具有由SiN、TiO2等构成的折射率比透明层高的凹凸结构而实现的聚光功能，但后述的微小分光元件101可以由于形成的相位延迟分布而具有透镜功能，因此也可以省略内部微透镜。
以下，对本实施方式的微小分光元件101进行说明。
为了微小分光元件101将入射光按三个波长区域(R、G、B)沿着上述四个方向在空间上分离，需要对透射过一个微小分光元件101的光赋予按每个波长区域而不同的相位延迟分布，来使光波面改变。
图7的(a)～图7的(c)是能实现上述的分光特性的微小分光元件101所具有的相位延迟分布的一个例子。在该例子中，如图7的(a)所示，对应于第一波长区域(R)的波长的相位延迟分布形成沿着从左下至右上相位延迟量从0至2π线性增加的分布，如图7的(b)所示，对应于第二波长区域(G)的波长的相位延迟分布形成从左上朝向中央相位延迟量从0至π线性增加、从中央朝向右下相位延迟量从π至0线性减少的分布，如图7的(c)所示，对应于第三波长区域(B)的波长的相位延迟分布形成沿着从右上至左下相位延迟量从0至2π线性增加的分布。就透射过具有像这样的相位延迟分布的元件的光而言，第一波长区域(R)沿着右上方向，第二波长区域(G)沿着左上以及右下方向，第三波长区域(B)沿着左下方向，分别一边偏转一边传输。需要说明的是，上述的说明是一个例子，波长区域和传输方向的组合可以根据相位延迟分布自由地变更。像以上那样的相位延迟分布可以通过如下所述地适当地设计微结构体的材料、数量、形状、尺寸、图案等来实现。即，本实施方式中的微小分光元件101将微结构体配置于二维平面上，对入射光赋予根据波长区域而不同的光波面，在空间上分离颜色分量。
图8的(a)示出构成本实施方式中的微小分光元件101的微结构体的一个例子的上表面，图8的(b)示出微结构体的侧视图。作为微结构体的一个例子的柱状结构体121由具有比透明层111的折射率n0高的折射率n1的SiN、TiO2等材料形成，并且将结构的厚度h设为固定。此外，柱状结构体121的底面和上表面为正方形。根据透明层111与柱状结构体121之间的折射率差，该柱状结构体121可以认为是使光困聚在结构内传输的光波导。因此，从上表面侧射入的光在柱状结构体121内一边被强烈困聚一边传输，受到由光波导的有效的折射率neff确定的相位延迟效应，从底面侧射出。具体而言，当以在透明层111中传输结构的厚度量的长度的光的相位为基准时，若将光在真空中的波长设为λ，则柱状结构体121的相位延迟量φ表示为公式(1)。
φ＝(neff－n0)×2πh/λ……(1)
该相位延迟量φ根据光的波长λ而不同，因此在相同的柱状结构体121中，能对光赋予根据波长区域(颜色分量)而不同的相位延迟量。而且，已知neff是柱状结构体121的宽度w的函数，取n0＜neff＜n1的值。因此，在图8的(a)和(b)示出的例子中，可以通过改变柱状结构体121的宽度w，来设定对应于光的波长λ的相位延迟量的多彩的组合。此外，柱状结构体121的底面和上表面为正方形，因此即使在改变入射光的偏振(偏波)方向的情况下，包括相位延迟效应的光学特性也不会改变。
参照图7的(a)～图7的(c)以适合上述的相位延迟分布的方式根据位置分别设定柱状结构体121的宽度w，在二维平面上配置多个上述的结构体，由此能实现本实施方式中的微小分光元件。此外，在上述的各柱状结构体121的配置中，为了防止产生因周期性的结构引起的不需要的衍射光，理想的是以光的波长以下的间隔来配置。需要说明的是，为了有效地使光偏转，相位延迟分布从0至2π变化的分布是合适的，因此在各个波长区域中，厚度固定的柱状结构体121的相位延迟量的可变范围优选具有2π以上。因此，根据公式(1)，当将分离的波长区域的最长波长侧的波长区域中的所期望的中心波长设为λr时，理想的是结构的厚度h设定在h＝λr/(n1－n0)以上。在上述的例子中，对柱状结构体121的底面和上表面为正方形的情况进行了说明，但不限于该形状。即，只要是以面的中心为对称轴包括四次旋转对称的形状面，就不会产生分光功能的对偏振的依赖性，不会丧失作为带来相位延迟效应的光波导的动作。因此，理想的是采用具有正方形、中空正方形、圆形、中空圆形、十字形状这样的为四次旋转对称的面的柱状结构体。由像这样的厚度固定的微结构体而构成的微小分光元件，例如在非专利文献2中公开。
此外，本实施方式中的微小分光元件101不限于上述的柱状结构体121，可以使用各种各样方式的微结构。例如，非专利文献3中公开的那样的具有通过计算机而最优化的结构图案的厚度固定的微结构体，能以与上述的原理相同的原理按波长区域形成相位延迟分布，能在空间上分离颜色分量。而且，根据公式(1)，能通过除了柱状结构体121的宽度w以外改变结构的厚度h，来设定对应于光的波长λ的相位延迟量的更多彩的组合。因此，以适合上述的相位延迟分布的方式根据微结构体配置的位置分别设定微结构体的宽度w和厚度h，在二维平面上配置多个，由此也能实现本实施方式中的微小分光元件。
可以通过公知的半导体制造技术、执行薄膜沉积和图案化，来制作具有上述的分光功能的微小分光元件101。
像以上那样，可以通过适当地设计构成微小分光元件的结构体的材料、数量、形状、尺寸、图案等，赋予所期望的分光特性。其结果是，如上述所述，能将所期望的波长区域的光分离并且使其射入至各像素，能根据从各像素内的光电转换元件输出的光电转换信号，直接获取对应于波长区域的信号。此外，只要构成微小分光元件的材料是低损耗的，就几乎不产生光损耗，因此与使用以往技术的滤光片的摄像元件相比较，能使到达像素阵列的光总量飞跃性地增加，从而能提高彩色摄像的灵敏度。此外，通过在像素阵列上沿着平面两轴方向的光分离来获取各波长区域的信息，因此任意像素间的光串扰的影响相等，能生成具有均匀的空间分辨率的图像。此外，在本实施方式中，对使用单个分光元件阵列的方式的摄像元件进行了说明，但也可以使用将多个分光元件阵列重叠于z轴方向的方式来代替单个分光元件阵列，来实现摄像元件。即，构成单个分光元件阵列的微小分光元件101可以将射入的光向二维的方向(平面两轴方向)分光，在光的传输方向(z轴方向)重叠的多个微小分光元件也可以将射入的光向二维的方向分光。需要说明的是，即使各微小分光元件的分光性能与上述的理想的性能稍微有所不同，也能通过根据性能的差异的程度对获取的信号进行校正、运算而获得良好的颜色信息。
需要说明的是，在基于微小分光元件的颜色分量的分离后，为了使在像素阵列上的像素间的光串扰最小，理想的是，分离的各光射入至各像素的中心附近。因此，优选的是，若将通过微小分光元件而偏转的光的传输方向与像素阵列的法线方向的角度设为θ，将像素阵列的周期设为P，则微小分光元件的输出端与光电转换元件的间隔在20.5P/tanθ的附近。
在以上的说明中，对仅使用微小分光元件的情况的摄像元件进行了描述。接着，对并用减色型的彩色滤光片时的变形例进行说明。
在图9的(a)中示出包括本实施方式的变形例的像素阵列和分光元件阵列的摄像元件900，在图9的(b)中示出其IXb－IXb剖面的摄像元件900的构成的一部分，在图9的(c)中示出其IXc－IXc剖面的摄像元件900的构成的一部分。与图6的(a)～图6的(c)中示出的摄像元件600的差异之处在于，在对应于颜色分量的像素的上方配置了分别对应于像素的颜色的彩色滤光片104R、104G、104B，除此以外都相同。在该构成的情况下，入射光在通过微小分光元件101而颜色分离后，在像素(光电转换元件102)的正上方由彩色滤光片104滤光。在该情况下，在颜色分离后透射过彩色滤光片104，因此与以往技术的仅是彩色滤光片的构成相比，一方面提高光利用效率，另一方面需要透射过两个元件，因此与仅是微小分光元件101的构成相比，光利用效率减小。此外，微小分光元件101的分光特性与彩色滤光片104的滤光特性相乘，在不需要的颜色分量被进一步排除的状态下射入各像素，因此与仅是彩色滤光片104的构成以及仅是微小分光元件101的构成相比，颜色再现性大幅提高。因此，可以说是光利用率、即灵敏度与颜色再现性的平衡良好的构成。
(第二实施方式)
接着，对本发明的第二实施方式中的摄像元件的构成的概略进行说明。
作为摄像元件12的例子，在图10的(a)中示意性地示出从包括像素阵列和分光元件阵列的摄像元件1000的上表面观察到的概略构成的一部分，在图10的(b)中示出其Xb－Xb剖面的摄像元件1000的构成的一部分，在图10的(c)中示出其Xc－Xc剖面的摄像元件1000的构成的一部分。从图10的(a)～图10的(c)可知，本实施方式的摄像元件1000和使用摄像元件1000的摄像装置10与第一实施方式的摄像元件相比较不同之处在于，将从第一至第四波长区域设为R、G、B三原色以及红外光(IR)，通过微小分光元件101按R、G、B以及IR的波长区域将入射光向四个方向在空间上分离。因此，几乎全部入射光在分离至R、G、B以及IR的波长区域的状态下射入至位于微小分光元件101的正下方的四个的像素(光电元件102R、102G、102B、102IR)。需要说明的是，其的构成要素与第一实施方式的摄像元件相同。以下，以与第一实施方式的不同点为中心进行说明，重复的点省略说明。
如图10的(a)～图10的(c)所示，微透镜103、微小分光元件101、像素(光电转换元件102)在xy平面上以相同的周期格子状地配置，分别形成阵列，在各微透镜103的中心轴上配置有一个微小分光元件101。此外，微透镜阵列和微小分光元件阵列分别从像素阵列的配置起沿着x轴和y轴移位阵列周期的1/2的长度量。微小分光元件阵列由微小分光元件101构成，所述微小分光元件101沿着分别与相对于x轴±45°的方向平行的四个方向将入射光在空间上分离为四个波长区域(R、G、B、IR)。此外，若将邻接的四个微小分光元件设为一个分光单元(在图10的(a)以双点划线的矩形表示)，则可以看作对于微小分光元件阵列而言分光单元呈格子状形成阵列。构成分光单元的微小分光元件101配置为，按四个波长区域分配的四个方向的组合各不相同，相同波长区域的光分别射入位于单元的正下方的四个的像素。需要说明的是，就四个像素而言，全部射入不同的波长区域的光。上述的单元也可以是使具有相同的分光功能的一种的微小分光元件旋转90°而构成，或者也可以是使其翻转而构成，或者，也可以是由分别实现四种分光功能的四种微小分光元件101构成。图10的(a)示出的分光单元包括的元件具有如下分光功能：将R的光(实线)向第一方向(右上)分离、将G的光(虚线)向第二方向(右下)分离、将B的光(单点划线)向第三方向(左下)分离、将IR的光(双点划线)向第四方向(左上)分离，在该元件的右侧、下侧以及右下还包括将该元件逆时针旋转90°旋转而成的元件、将该元件顺时针旋转90°而成的元件以及将该元件翻转而成的元件。
射入摄像元件1000的白色的光首先通过微透镜阵列被聚光，几乎全部的光穿过对应于各微透镜103的微小分光元件101。通过各微小分光元件101，光按四个波长区域向四个方向在空间上分离，通过位于各微小分光元件101的正下方的四个像素(光电转换元件102)分别受光。根据分光单元的构成，位于微小分光元件阵列的正下方的像素阵列的各像素供R、G、B以及IR中的任一波长区域的光射入，因此各像素与R、G、B、IR中的任一波长区域信息的检测相对应。需要说明的是，根据各微小分光元件101的构成，波长区域与传输方向的组合可以自由地变更，分别与R、G、B以及IR对应的像素的配置也随之变更。最后，通过各像素内的光电转换元件102进行光电转换，作为包括颜色信息和IR信息的图像信号来输出。
图11的(a)～图11的(c)是实现入射光的按四个波长区域(R、G、B、IR)的在空间上的分离的相位延迟分布的一个例子。在该例子中，如图11的(a)所示，对应于第一波长区域(R)的波长的相位延迟分布形成沿着从左下至右上相位延迟量从0至2π线性增加的分布，如图10的(b)所示，对应于第二波长区域(G)的波长的相位延迟分布形成从左上朝向右下相位延迟量从0至2π线性增加的分布，如图10的(c)所示，对应于第三波长区域(B)的波长的相位延迟分布形成沿着从右上至左下相位延迟量从0至2π线性增加的分布，如图10的(d)所示，对应于第四波长区域(IR)的波长的相位延迟分布形成从右下朝向左上相位延迟量从0至2π线性增加的分布。就透射过具有像这样的相位延迟分布的元件的光而言，第一波长区域(R)沿着右上方向，第二波长区域(G)沿着右下方向，第三波长区域(B)沿着左下方向，第四波长区域(IR)沿着左上方向，分别一边偏转一边传输。需要说明的是，上述的说明是一个例子，波长区域和传输方向的组合可以根据相位延迟分布自由地变更。像以上那样的相位延迟分布与第一实施方式的摄像元件同样地可以通过适当地设计微结构体的材料、数量、形状、尺寸、图案等来实现。
综上，在本实施方式的构成中，除了颜色信息以外还能同时获取IR信息。本实施方式除上述以外与第一实施方式相同，具有与在第一实施方式说明的摄影元件相同的效果，此外，可以进行相同的变更。
上述的第一实施方式1和第二实施方式不过是本发明的优选的具体例子，本发明不限于这些，可以进行各种各样的变更。
在上述的第一实施方式和第二实施方式中，示出了假定将SiN、TiO2作为微小分光元件的材料的例子，但本发明不限于此。例如，当在光的波长为380～1000nm的范围的可视光～近红外光区域使用本发明的实施方式的摄像元件时，SiN、SiC、TiO2、GaN等材料折射率高、吸收损耗少，因此适合作为微小分光元件的材料。此外，对波长为800～1000nm的范围的近红外光而言，Si、SiC、SiN、TiO2、GaAs、GaN等材料适合作为对这些光低损耗的材料。而且，在长波长体的近红外区域(作为通信波长的1.3μm、1.55μm等)中，除了上述的材料以外，还可以使用InP等。而且，在粘贴、涂布而形成微小分光元件的情况下，作为材料，可以举出氟化聚酰亚胺等聚酰亚胺、BCB(苯并环丁烯)、光固化性树脂、UV环氧树脂、PMMA等丙烯酸树脂、抗蚀剂整体等聚合物等。
此外，在第一实施方式和第二实施方式中，示出了假定将SiO2作为透明层111的材料的例子，但本发明不限于此。一般的玻璃材料、SiO2、空气层等，只要是折射率比微小分光元件101的材料低，且对入射光的波长低损耗的材料都可以。
以上，基于本发明的实施方式的摄像元件和使用该摄像元件的摄像装置进行了说明，但本发明不限于上述的实施方式，当然能在不脱离其主旨的范围内进行各种各样的变更。

Claims (10)

1.一种摄像元件，具备：
二维像素阵列，包括光电转换元件的多个像素在基板上呈阵列状地排列而成；
透明层，形成于所述二维像素阵列之上；以及
二维分光元件阵列，在所述透明层的内部或者所述透明层之上多个分光元件呈阵列状地排列而成，其中，
各个所述分光元件包括由具有比所述透明层的折射率高的折射率的材料形成的多个微结构体，所述多个微结构体具有微结构体图案，各个所述分光元件将射入的光向二维的方向分光，所述多个像素检测向所述二维的方向分光后的光。
2.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，各个所述分光元件将所述射入的光根据波长区域分离为分别具有不同的传输方向的第一偏转光、第二偏转光、第三偏转光以及第四偏转光，
位于各个所述分光元件的正下方的相互邻接的第一像素、第二像素、第三像素以及第四像素分别检测所述第一偏转光、所述第二偏转光、所述第三偏转光以及所述第四偏转光。
3.根据权利要求2所述的摄像元件，其中，各个所述分光元件的中心分别位于在各个所述分光元件的正下方的相互邻接的所述第一像素、所述第二像素、所述第三像素以及所述第四像素所形成的四边形的中心的正上方，
相互邻接的所述第一像素、所述第二像素、所述第三像素以及所述第四像素的波长区域与所述第一像素、所述第二像素、所述第三像素以及所述第四像素所分别检测的所述第一偏转光、所述第二偏转光、所述第三偏转光以及所述第四偏转光的波长区域对应，
所述第一偏转光、所述第二偏转光、所述第三偏转光以及所述第四偏转光中的至少三个偏转光的波长区域相互不同。
4.根据权利要求2或3所述的摄像元件，其中，各个所述分光元件中的所述多个微结构体的光透射的方向的厚度固定。
5.根据权利要求2或3所述的摄像元件，其中，各个所述分光元件中的所述多个微结构体的光透射的方向的厚度根据位置而不同。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的摄像元件，其中，在所述射入的光为白色光的情况下，
射入至所述第一像素的光在波长500nm以下的蓝色波长区域具有光强度的峰值，
射入至所述第二像素和所述第三像素的光在波长500nm～600nm的绿色波长区域具有光强度的峰值，
射入至所述第四像素的光在波长600nm以上的红色波长区域具有光强度的峰值。
7.根据权利要求2至5中任一项所述的摄像元件，其中，在所述射入的光为白色光的情况下，
射入至所述第一像素的光在波长500nm以下的蓝色波长区域具有光强度的峰值，
射入至所述第二像素的光在波长500nm～600nm的绿色波长区域具有光强度的峰值，
射入至所述第三像素的光在波长600nm～800nm的红色波长区域具有光强度的峰值，
射入至所述第四像素的光在波长800nm以上的近红外波长区域具有光强度的峰值。
8.根据权利要求6或7所述的摄像元件，其中，在所述二维像素阵列与所述二维分光元件阵列之间还具备滤光片阵列，
所述滤光片阵列包括以下滤光片中的至少一个：
第一滤光片，在波长500nm以下的蓝色波长区域具有透射率的峰值；
第二滤光片，在波长500nm～600nm的绿色波长区域具有透射率的峰值；
第三滤光片，在波长600nm～800nm的红色波长区域具有透射率的峰值；以及
第四滤光片，在波长800nm以上的近红外波长区域具有透射率的峰值。
9.一种摄像装置，具备：
权利要求1至8中任一项所述的摄像元件；
用于在所述摄像元件的摄像面形成光学图像的摄像光学系统；以及
处理所述摄像元件输出的电信号的信号处理部。
10.一种分光元件阵列，其是在透明层的内部或者透明层之上多个分光元件呈阵列状地排列而成的二维分光元件阵列，其中，
各个所述分光元件包括由具有比所述透明层的折射率高的折射率的材料形成的多个微结构体，所述多个微结构体具有微结构体图案，各个所述分光元件将射入的光向二维的方向分光。
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