CN116391139A - 光学元件、摄像元件以及摄像装置 - Google Patents

光学元件、摄像元件以及摄像装置 Download PDF

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Abstract

光学元件包括：透明层，其用于覆盖包括第一光电转换元件和第二光电转换元件的像素；以及多个构造体，它们在透明层上或透明层内沿透明层的面方向配置，透明层包括：第一区域，其将入射的光引导至第一光电转换元件；以及第二区域，其将入射的光引导至第二光电转换元件，在第一区域和第二区域中的至少第二区域配置有多个构造体，第一区域比第二区域小。

Description

光学元件、摄像元件以及摄像装置
技术领域
本发明涉及光学元件、摄像元件以及摄像装置。
背景技术
在摄像装置中，正在研究动态范围的提高。例如，非专利文献1公开了通过针对一个像素设置尺寸大的高灵敏度光电二极管和尺寸小的低灵敏度光电二极管来提高动态范围的方法。
在先技术文献
非专利文献
非专利文献1：Boyd Fowler他1名、“Automotive Image Sensors”、[online]、平成30年2月1日、Electronic Imaging 2018、[令和2年8月12日検索]、互联网＜URL:http://www.imaging.org/Site/PDFS/Conferences/ElectronicImaging/EI2018/Keynotes/EI2018_IMSE_Keynote_Fowler_Solhusvik.pdf＞
发明内容
发明所要解决的课题
当像上述那样设置多个光电二极管时，例如透镜和像素的开口率降低，相应地，光利用效率降低。关于光利用效率，在非专利文献1中没有特别进行研究。
本发明的目的在于同时实现动态范围的提高和光利用效率的提高。
用于解决课题的手段
本发明的光学元件的特征在于，具有：透明层，其用于覆盖包括第一光电转换元件和第二光电转换元件的像素；以及多个构造体，它们在透明层上或透明层内沿透明层的面方向配置，透明层包括：第一区域，其将入射的光引导至第一光电转换元件；以及第二区域，其将入射的光引导至第二光电转换元件，在第一区域和第二区域中的至少第二区域配置有多个构造体，第一区域比第二区域小。
本发明的摄像元件的特征在于，具有：上述光学元件；以及多个像素，它们各自包括第一光电转换元件以及第二光电转换元件。
本发明的摄像装置的特征在于，具有：上述摄像元件；以及信号处理控制部，其根据从摄像元件得到的电信号生成图像信号。
发明效果
根据本发明，能够同时实现动态范围的提高和光利用效率的提高。
附图说明
图1是示出实施方式的光学元件、摄像元件和摄像装置的概略结构的例子的图。
图2是示出摄像元件中的与一个像素对应的部分的概略结构的例子的图。
图3是示出摄像元件中的与一个像素对应的部分的概略结构的例子的图。
图4是表示光分布的例子的图。
图5是表示构造体的概略构成的例子的图。
图6是表示构造体的概略构成的例子的图。
图7是示出构造体的特性的例子的图。
图8是示出构造体的特性的例子的图。
图9是示出光学元件的透镜设计的例子的图。
图10是示出光学元件的透镜设计的例子的图。
图11是示出光学元件的透镜设计的例子的图。
图12是示出被引导至PD的光的量(检测光量)的示例的图。
图13是示出被引导至PD的光的量(检测光量)的示例的图。
图14是示出被引导至PD的光的量(检测光量)的示例的图。
图15是示出被引导到各PD的光的光量比率的波长依赖性的图。
图16是示出被引导到各PD的光的光量比率的波长依赖性的图。
图17是示出被引导到各PD的光的光量比率的波长依赖性的图。
图18是示出光学元件的透镜设计的例子的图。
图19是示出光学元件的透镜设计的例子的图。
图20是示出光学元件的透镜设计的例子的图。
图21是示出光学元件的透镜设计的例子的图。
图22是示出构造体的配置区域的例子的图。
图23是示出构造体的配置区域的例子的图。
图24是示出构造体的配置区域的例子的图。
图25是示出构造体的配置区域的例子的图。
图26是示出构造体的配置区域的例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。附图所示的形状、大小及位置关系等只不过是概略的内容，本发明并不限定于此。对相同部分标注相同的符号来表示，省略重复的说明。
图1是示出实施方式的光学元件、摄像元件和摄像装置的概略结构的例子的图。摄像装置10将来自物体1(被摄体)的光作为入射光来拍摄物体1。在该例子中，物体1被图示为空心箭头。入射光经由透镜光学系统11入射到摄像元件12。摄像元件12包括多个像素2以及与多个像素2对应的多个光学元件6。像素2按照每个波段(例如每个颜色)而设置。信号处理控制部13进行与摄像元件12相关的各种控制。以下，参照图2以后的图对摄像元件12进行详细说明，之后，对信号处理控制部13进行说明。
图2是示出摄像元件中的与一个像素对应的部分的概略结构的例子的图。在图中，示出XYZ坐标系，并且通过箭头示意性地示出入射光的行进方向。Z轴方向相当于后述的PD层4、滤光层5以及透明层60的层叠方向。XY平面方向相当于这些层的面方向。以下，“俯视观察”表示沿Z轴方向(例如沿Z轴负方向)观察，“侧视观察”表示沿X轴方向或Y轴方向(例如沿Y轴正方向)观察。图2是示出侧视时的摄像元件12的一部分的概略结构的例子的剖视图。
摄像元件12具备像素2、滤光层5和光学元件6。像素2包括布线层3和PD(光电二极管)层4。光学元件6的例子是超颖表面，以下，对光学元件6是超颖表面的情况进行说明。超颖表面是由具有光的波长以下的宽度的多个微细构造体构成的元件，既可以是2维构造，也可以是3维构造。通过使用超颖表面作为光学元件，具有仅通过改变微细构造体的参数就能够根据光的特性(波长、偏振、入射角)来控制相位和光强度这样的效果，在设为3维构造的情况下，具有提高上述的设计的自由度这样的效果。
若从布线层3和PD层4中的PD层4开始进行叙述，PD层4包括设置于层的面方向(XY平面方向)的PD41(第一光电转换元件)以及PD42(第二光电转换元件)。PD41和PD42形成于半导体基板100。PD41和PD42可以在俯视时具有相同的尺寸(受光面积)。PD41和PD42可以在侧视时可以具有相同的尺寸(深度)。PD41和PD42可以具有相同的形状。在PD41和PD42具有相同的形状的情况下，具有制造成品率提高等优点。
由PD41和PD42产生的电荷通过未图示的晶体管等被转换为作为像素信号的基础的电信号，并经由布线层3输出到像素2的外部。布线层3所包含的布线中的与PD41对应的几个布线被图示为布线31，与PD42对应的几个布线被图示为布线32。
滤光层5是使像素2所对应的颜色的光通过的滤色器，设置在半导体基板100的上表面(Z轴正方向侧的面)。在该例中，滤光层5设置在PD层4与透明层60之间。作为滤光层5的材料的例子，为树脂等有机材料。
光学元件6将入射光分别引导至PD41和PD42。光学元件6以与PD层4对置的方式设置，在本例中设置在滤光层5的上表面(Z轴正方向侧的面)上。光学元件6包括透明层60和多个构造体70。此外，在图2所示的例子中，多个构造体70包括后述的多个构造体71以及多个构造体72。透明层60覆盖PD41和PD42。透明层60的未设置多个构造体70的部分可以具有比构造体70的折射率低的折射率。作为这样的透明层60的材料的例子，为SiO2等。透明层60也可以是空隙，在该情况下，透明层60的折射率是空气的折射率。透明层60包括区域61和区域62。区域61是将入射到区域61的光引导到PD41的第一区域。区域62是将入射到区域62的光引导到PD42的第二区域。“引导”光包括使光直接透过、变更光的行进方向(例如聚光)等。
对区域61及区域62进一步进行说明。区域61是设置有多个构造体71的区域。在图2所示的例子中，多个构造体71设置在透明层60的上表面(Z轴正方向侧的面)上，区域61至少指透明层60的上表面附近的部分。区域62是设置有多个构造体72的区域。在图2所示的例子中，多个构造体72设置在透明层60的上表面上，区域62至少指透明层60的上表面附近的部分。区域61和区域62可以位于相同的高度(Z轴方向上的相同位置)。另外，也可以不存在多个构造体71，在该情况下，区域61可以指透明层60中的未设置多个构造体72的部分。以下，除了特别说明的情况以外，对如图2所示那样在区域61设置有多个构造体71的方式进行说明。
重新对多个构造体70进行叙述。多个构造体70在透明层60上或透明层60内沿透明层60的面方向(XY平面方向)配置。可以说是沿2维方向(呈2维状)配置。如上所述，在图2所示的例子中，多个构造体70设置在透明层60的上表面上。多个构造体70可以不等间隔配置，也可以为了使设计变得容易等而等间隔配置。多个构造体70分别是具有与入射光的波长(纳米级)相同程度或比入射光的波长小的尺寸的微细构造体。多个构造体70被设计成与像素2所对应的颜色、即滤光层5的颜色(通过波段)的光对应。多个构造体70可以集成在像素2中。另外，在多个构造体70设置在透明层60内的情况下，区域61至少指在透明层60内多个构造体71所处的部分。区域62至少指在透明层60内多个构造体72所处的部分。
多个构造体70被布置为使入射光会聚到PD41和PD42。关于透明层60的聚光、即透镜(片上透镜)功能的原理，将在后面叙述。在本实施方式中，多个构造体70包括多个构造体71和多个构造体72。多个构造体71是被配置为将入射光会聚到PD41的多个第一构造体。多个构造体72是被布置为将入射光会聚到PD42的多个第二构造体。
图3是示出摄像元件中的与一个像素对应的部分的概略结构的例子的图。在图3中示出俯视观察时的光学元件6、PD41以及PD42的布局的例子。透明层60的位于比多个构造体70靠下方(Z轴负方向侧)的位置的区域61、区域62以及PD层4由虚线表示。另外，为了容易区别多个构造体70中所包含的多个构造体71以及多个构造体72，标注与图2相同的阴影线。
如图3所示，在俯视观察时，多个构造体71的配置面积小于多个构造体72的配置面积。即，区域61比区域62小。此外，在该例子中，较小的区域61以位于对应的PD41的内侧的方式与PD41重叠。多个构造体71向PD41会聚的会聚光量比区域62的多个构造体72向PD42会聚的会聚光量小。对此，还参照图4进行说明。
图4是表示光分布的例子的图。在图4中示出俯视观察时的PD层4中的聚光分布的例子。x为0μm的位置相当于X轴方向上的PD41与PD42的中间位置。y为0μm的位置相当于Y轴方向上的PD41的中心位置以及PD42的中心位置。即，图4的大致左半部分(X轴负方向侧的部分)相当于PD41，大致右半部分(X轴正方向侧的部分)相当于PD42。向PD41的会聚光量比向PD42的会聚光量小。因此，PD41与PD42相比难以饱和。
参照图5以及图6对能够实现上述那样的混合有具有不同的聚光位置的多个透镜的透镜功能的光学元件6的结构的例子进行说明。
图5和图6是表示构造体的概略结构的例子的图。在图5中示出构造体70的侧视图的例子。在图6中示出构造体70的俯视图(上视图)的示例。构造体70是具有矩形柱状形状的柱状构造体，形成在基部70a上。基部70a例如是石英(Quaratz)基板。
将构造体70的高度(Z轴方向的长度)称为高度H进行图示。将构造体70的宽度(X轴方向的长度以及Y轴方向的长度)称为宽度W进行图示。在相同的构造体70中，宽度W在X轴方向和Y轴方向上可以相同，也可以不同。以下，设宽度W在X轴方向和Y轴方向上相同。
基部70a的宽度(X轴方向以及Y轴方向的长度)大于构造体70的宽度W。例如，基部70a的宽度可以为320nm左右。在这种情况下，构造体70的宽度W小于320nm。构造体70的宽度与基部70a的宽度之差赋予了相邻的构造体70彼此之间的距离(间隔)。构造体70彼此之间的间隔对于所有的构造体70可以是恒定的(等间隔)，也可以是不同的。
构造体70具有与其他部分、更具体而言为构造体70之间的部分的折射率不同的折射率。构造体70可以具有比其他部分的折射率高的折射率。构造体70的材料的例子是SiN、TiO2等。
对于上述的构造体70，能够通过改变宽度W和折射率中的至少一方来使特性变化。在宽度W和折射率中，以下对通过宽度W使特性变化的例子进行说明。构造体70的特性的例子是通过构造体70的光的透射率和相位(光相位延迟量)。对此，还参照图7和图8进行说明。此外，如根据之前说明的图2等所理解的那样，入射光在Z轴方向上通过构造体70，因此以下对光在该方向上通过的情况进行说明。
图7和图8是表示构造体的特性的例子的图。图7示出了构造体70的宽度W与通过构造体70的光的透射率之间的关系。光的波长为520nm。如图7所示，在80nm～240nm的宽度W的范围内，得到大致接近1.0的高透射率。另外，在图中，存在与其他波长相比透射率大幅减少的波长，但这可能由于与构造体70的周期、构造宽度等之间的关系而发生。可以以不易产生这样的透射率的减少的方式来设计构造体70的周期、构造宽度等。
图8示出了构造体70的宽度W与通过构造体70的光的相位之间的关系。构造体70对入射的光赋予与宽度W的大小对应的光相位延迟量。通过使宽度W在得到上述高透射率的80nm～240nm的范围内变化，能够使相位变化2π以上。
通过使用具备上述特性的构造体70，能够在维持高透射率的同时进行2π以上的大范围的相位控制。通过以在光学元件6的各位置处获得期望的相位特性的方式将多个构造体70配置在透明层60的面方向上，能够得到透镜功能。对此，参照图9-图11进行说明。
图9-图11是表示光学元件的透镜设计的例子的图。设计条件如下。
俯视时的PD41和PD42的尺寸：3.2μm×3.2μm
焦距：4.8μm
设计波长：520nm
透镜图案的面积比：0.08(8％)
另外，透镜图案的面积比是用于向PD41聚光的图案面积占用于向PD41及PD42聚光的图案面积的比率。
具有期望的聚光位置的透镜的相位分布(光相位延迟量分布)例如由下式表示。
[数学式1]
Figure BDA0004171653760000071
在上述式(1中，λd表示设计波长。(xf、yf、zf)表示聚光位置。nsub表示透明基板(图5的基部70a)的折射率。C表示任意常数。在接下来说明的图9-图11所示的例子中，xf＝±1.6μm，yf＝0μm，zf＝4.8μm(焦距)。相位分布的值以收敛于0～2π的范围的方式被变换。例如，将-0.5π变换为1.5π，将2.5π变换为为0.5π。
图9示出了用于将入射光会聚到PD41的光学元件6的相位分布的示例。呈圆形扩展的分布的中心位置(透镜中心位置)对应于PD41的中心位置。特别是随着从该圆形部分向右侧(X轴正方向侧)前行，相位变化反复发生。其中，四边形的内侧所示的相位分布用于多个构造体71的配置。四边形的面积与多个构造体71的配置面积(区域61的大小)对应。在该例子中，四边形的中心与PD41的中心对应。但是，四边形的位置可以任意规定。形状也不限于四边形，对此在后面参照图22-图26进行说明。
图10示出了用于将入射光会聚到PD42上的光学元件6的相位分布的示例。呈圆形扩展的分布的中心位置(透镜中心位置)与PD42的中心位置对应。特别是随着从该圆形部分向左侧(X轴负方向侧)前行，相位变化反复发生。其中，四边形的外侧所示的相位分布用于多个构造体72的配置。四边形的外侧的面积与构造体72的配置面积(区域62的大小)对应。
图11示出了用于使入射光会聚到PD41和PD42的光学元件6的相位分布的示例。该相位分布是将图9中的四边形的内侧的相位分布与图10中的四边形的外侧的相位分布组合而成的相位分布。
以赋予图11所示的相位分布的方式，在光学元件6的透明层60中配置多个构造体70、即多个构造体71和多个构造体72。各构造体70具有赋予图11所示的相位分布(光相位延迟量分布)的宽度W。因此，在俯视观察时，多个构造体70中的至少一部分构造体70具有相互不同的宽度W。多个构造体70的高度H可以相同。即，在侧视时，多个构造体70可以具有相同的高度H。
参照图12～图14，对如以上那样设计的光学元件6进行的向PD41以及PD42的聚光进行说明。
图12至图14是示出被引导至PD的光量(检测光量)的示例的图。在此，将其作为会聚光量进行说明。光的波长为520nm。光量是两个偏振光(例如X轴方向的偏振光以及Y轴方向的偏振光)的平均光量。这一点在后述的图15～图17中也是同样的。图12的图表的横轴表示构造体71的配置面积(区域61的大小)占多个构造体71及多个构造体72的配置面积(区域61及区域62的大小)的比率。图表的纵轴表示按照入射光的光量进行了归一化时的光量。通过圆点的曲线表示向PD41的会聚光量。通过菱形点的曲线表示向PD42的会聚光量。通过三角形点的曲线表示向PD41的会聚光量和向PD42的会聚光量的合计光量。
从图12可知，随着多个构造体71的配置面积(区域61的大小)变大，向PD41的会聚光量(圆点)变大，向PD42的会聚光量(菱形点)变小。由此可知，透明层60具备能够控制向PD41进行的聚光和向PD42进行的聚光的透镜功能。另外，向PD整体的会聚光量(三角形)超过0.97(97％)，得到了较高的光利用效率。
图13示出了当多个构造体71的配置面积的比率为0.32时的聚光分布的示例。向PD41的会聚光量比向PD42的会聚光量小。图14示出了多个构造体71的配置面积的比率为0.08时的聚光分布的示例。向PD41的会聚光量与向PD42的会聚光量相比进一步减小。根据这些情况也可知，能够通过多个构造体71的配置面积来控制向PD41和PD42的聚光。
上述的光学元件6的透镜功能可以按照PD41和PD42所对应的颜色来设计。通过按颜色进行设计，从而如接下来参照图15-图17所说明的那样，光学元件6能够实现在各像素所使用的波长范围(以图15为例，记载有B的由虚线包围的波段)内波长依赖性小的透镜功能。
图15-图17是表示引导至各PD的光的光量比率(在该例子中为会聚光量比率)的波长依赖性的图。图15示出了被设计为适合于蓝色(B)的透明层60向PD41和PD42的会聚光量的示例。用虚线表示包含中心波长450nm的设计范围。在设计波长周边看不出大的波长依赖性，可知与蓝色对应的像素是容易设计的。
图16示出了被设计为适合于绿色(G)的透明层60向PD41和PD42的会聚光量的示例。包含中心波长520nm的设计范围用虚线表示。在设计波长周边未观察到大的波长依赖性，可知与绿色对应的像素也容易设计。
图17示出了被设计为适合于红色(R)的透明层60向PD41和PD42的会聚光量的示例。包含中心波长635nm的设计范围用虚线表示。在设计波长周边未观察到大的波长依赖性，可知与红色对应的像素也容易设计。
通过根据各颜色的滤色器的波长特性来确定这些设计波长，可以设计具有最佳强度比的结构。
如上所述，在实施方式的摄像元件12中，在每个像素2中光学元件6作为将入射光会聚到PD41和PD42的透镜而发挥功能。再次参照图2和图3进一步说明，由于将入射光会聚到PD41的区域61比将入射光会聚到PD42的区域62小，因此向PD41的会聚光量比向PD42的会聚光量小。因此，PD41比PD42更难以饱和。在这样的像素2中，例如，通过将PD41用作低灵敏度光电二极管，将PD42用作高灵敏度光电二极管，能够提高动态范围。由于向PD整体的会聚光量相对于入射光的比率接近100％，因此还能够实现较高的光利用效率。
再次参照图1，对摄像装置10的信号处理控制部13的控制的几个例子进行说明。信号处理控制部13根据从摄像元件12得到的电信号生成像素信号。为了得到电信号，信号处理控制部13还进行摄像元件12的控制。摄像元件12的控制包括摄像元件12的像素2的曝光、PD层4中蓄积的电荷向电信号的转换、电信号的读出等。像素2的曝光包括PD41和PD42的曝光，可以对PD41和PD42各自的曝光单独进行控制。由于如上述那样通过摄像元件12实现了高动态范围，因此对利用了这一点的信号处理控制部13的控制的几个例子进行说明。
信号处理控制部13可以使用与通过PD41中的光电转换而产生的电荷(检测出的光)对应的电信号(第一电信号)和与通过PD42中的光电转换而产生的电荷对应的电信号(第二电信号)，生成像素信号，进而生成图像信号。例如，可以基于第一电信号和第二电信号的合成信号来生成像素信号。通过使用第一电信号，能够应对明亮的场景(高光照度场景)的拍摄。通过使用第二电信号，能够应对暗场景(低光照度场景)的拍摄。由于能够通过一次拍摄来拍摄亮的场所和暗的场所双方，因此能够进行低光照度以及高光照度都存在的场景的拍摄。例如对于在通过内外亮度不同的隧道的车辆等中搭载有摄像装置10的情况是有用的。
信号处理控制部13可以以使PD41和PD42的曝光期间不同的方式控制PD41和PD42的曝光。例如，用于控制PD41和PD42的光电转换动作(电荷的复位、蓄积等)的晶体管等可以设置成能够对每个PD41和PD42单独地控制。信号处理控制部13通过在不同的定时驱动这些晶体管等，从而使PD41和PD42在相互不同的曝光期间曝光。
信号处理控制部13可以以使PD41和PD42中的至少一方的曝光期间比规定的周期长的方式控制PD41和PD42的曝光。规定的周期的例子是比照明、信号灯等的闪烁周期(例如20ms＝1/50Hz)长的周期。由此，能够抑制闪变。
信号处理控制部13可以以使PD41的曝光期间比PD42的曝光期间长的方式控制PD41和PD42的曝光。通过抑制PD42的曝光期间而避免饱和，能够抑制例如曝光过度等的产生。
以上，说明了本发明的一个实施方式，但实施方式的摄像元件和摄像装置能够在不脱离实施方式的主旨的范围内进行各种变形。对几个变形例进行叙述。
在上述实施方式中，对基于相位仅随着从透镜中心位置朝向单侧而反复变化的非对称的相位分布来进行光学元件的透镜设计的例子进行了说明(图3以及图9-图11等)。但是，也可以基于关于透镜中心位置而对称的相位分布来进行光学元件的透镜设计。对此，参照图18-图21进行说明。
图18-图20是表示光学元件的透镜设计的例子的图。图21是示出摄像元件的概略结构的例子的图。图18示出了用于将入射光会聚到PD41的光学元件的相位分布的示例。
图18所示的相位分布是用于将入射光会聚到PD41的光学元件的相位分布。该相位分布是随着从呈圆形扩展的分布的中心位置朝向两侧，相位变化反复发生的对称的相位分布。随着朝向右侧(X轴正方向侧)而反复发生的相位变化在中途结束，在其前方出现用于将入射光会聚到相邻的像素的PD的相位分布。
图19所示的相位分布是用于将入射光会聚到PD42的光学元件的相位分布。该相位分布是随着从呈圆形扩展的分布的中心位置朝向两侧、相位变化反复发生的对称的相位分布。随着朝向左侧(X轴负方向侧)而反复发生的相位变化在中途结束，在其前方出现用于将入射光会聚到相邻的像素的PD的相位分布。
图20示出了组合了图18和图19的相位分布。图21示出用于实现图20所示的相位分布的、光学元件6A的平面布局的例子。在光学元件6A中，多个构造体70A中的多个构造体71A设置于区域61A，多个构造体72A设置于区域62A。在不考虑区域61A中的相位分布的情况下，即除了区域61A以及与其对称的位置处的相位分布，区域62A的区域中的相位分布具有对称性。在不考虑区域62A中的相位分布的情况下，即除了区域62A以及与其对称的位置处的相位分布，区域61A的区域中的相位分布具有对称性。关于依据相位分布设计透明层的设计方法，如在先说明那样进行，因此在此不重复说明。
根据光学元件6A，相位分布具有对称性，相应地得到优选的透镜图案的可能性提高。例如，入射到比透镜中心靠右侧(X轴正方向侧)的光的角度范围与入射到比透镜的中心靠左侧(X轴负方向侧)的光的角度范围容易一致。
在上述实施方式中，说明了在透明层60中，区域61(多个构造体71)被规定为矩形形状部分(四边形内)，区域62(多个构造体72)被规定为其他部分的例子。但是，也可以将区域61和区域62规定为除此以外的各种形状。参照图22-图26对几个例子进行说明。
图22-图26是表示构造体的配置区域的例子的图。在图中，未示出各构造体的形状，仅示意性地示出构造体的配置区域。
在图22所例示的光学元件6B中，区域61B被规定为圆形形状部分，区域62B被规定为剩余的部分。区域61B相当于至此为止所说明的区域61或区域61A。区域62B对应于至此为止所说明的区域62或区域62A。
在图23所例示的光学元件6C中，区域61C被规定为中央的矩形形状部分以及与该中央的矩形形状部分分离且将该中央的矩形形状部分包含于内侧的矩形环形状部分，区域62被规定为其余的部分。区域61C相当于至此为止所说明的区域61或区域61A。区域62C相当于至此为止所说明的区域62或区域62A。
在图24所例示的光学元件6D中，区域61D被规定为中央的圆形形状部分以及与该中央的圆形形状部分分离且将该圆形形状部分包含于内侧的圆形环形状部分，区域62D被规定为其余的部分。区域61D相当于至此为止所说明的区域61或区域61A。区域62D相当于至此为止所说明的区域62或区域62A。
在图25所例示的光学元件6E中，区域61E被规定为在旋转方向上隔开间隔(在该例子中为90°间隔)配置的4个三角形状部分，区域62E被规定为其余的部分。区域61E相当于至此为止所说明的区域61或区域61A。区域62E相当于至此为止所说明的区域62或区域62A。
在图26所例示的光学元件6F中，区域61F被规定为在旋转方向上隔开间隔(在该例子中为90°间隔)配置的4个扇形部分，区域62F被规定为其余的部分。区域61F相当于至此为止所说明的区域61或区域61A。区域62F相当于至此为止所说明的区域62或区域62A。
此外，也可以将2种区域配置为未图示的各种形状。从相位分布的连续性的观点出发，可以采用2种区域彼此间的边界较少的形状。
在上述实施方式中，对各像素2具备会聚光量不同的2个PD41和PD42的例子进行了说明。但是，各像素也可以具备会聚光量不同的3个、4个或更多数量的PD。在该情况下，光学元件包含根据向各PD的会聚光量而以不同的配置面积配置的多个构造体。例如在使用4个PD的情况下，在透明层60中，在以具有不同面积的方式分割成4部分的区域配置多个第一～第四构造体。PD可以配置为1维，也可以配置为2维。
在上述实施方式中，对多个构造体70设置在透明层60上的例子进行了说明。但是，多个构造体70也可以设置在透明层60内。多个构造体70也可以设置于透明基板的下表面。在该情况下，透明层60是空气层。另外，与上述实施方式相同的、在透明层60上设置有多个构造体70的结构也可以通过如下方式来实现：使相当于多个构造体70的部分成为多个凹部，使多个凹部的空隙具有比构成多个凹部的材料高的折射率。该相当于多个构造体70的部分成为多个凹部的结构能够通过如下方式实现：使多个凹部的空隙中充满具有比构成多个凹部的材料高的折射率的流体、或者使构成多个凹部的材料为具有比1低的折射率的超颖材料。
在上述实施方式中，对在区域61配置有多个构造体71、在区域62配置有多个构造体72的例子进行了说明。但是，在区域61也可以不配置多个构造体71。在这种情况下，区域61将入射光直接引导至PD41。这样的区域61可以被透明层60的材料填埋。如之前参照图3等所述，在俯视观察时区域61以与PD41重叠的方式位于PD41内侧时，即使多个构造体71不具有聚光功能，入射到区域61的光也会被引导到PD41。
虽然在上述实施方式中，作为构造体70的材料而列举了SiN以及TiO2，但并不限定于此。例如，对于波长为380nm～1000nm的光(可见光～近红外光)，可以使用SiN、SiC、TiO2、GaN等作为构造体70的材料。由于折射率高、吸收损失少，因此适用。在使用波长为800-1000nm的光(近红外光)的情况下，可以使用Si、SiC、SiN、TiO2、GaAs、GaN等作为构造体70的材料。由于是低损耗，因此是适用的。对于长波长带的近红外区域(作为通信波长的1.3μm、1.55μm等)的光，除了上述材料之外，还可以使用InP等作为构造体70的材料。
在构造体70通过粘贴、涂布等而形成的情况下，作为材料，可列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、普遍的抗蚀剂等聚合物等。
在上述实施方式中，示出了假定将SiO2和空气层作为透明层60的材料的例子，但并不限定于此。也包括一般的玻璃材料等，只要是具有比构造体70的材料的折射率低的折射率、相对于入射光的波长为低损耗的材料即可。透明层60也可以是具有由多种材料构成的层叠构造的透明层。另外，透明层60只要相对于应到达对应的PD的波长为足够的低损耗即可，因此可以是与滤色器相同的材质，例如也可以是树脂等有机材料。在这种情况下，透明层60可以被设计成不仅具有与滤色器相同的材料，而且具有与滤色器相同的结构，并且具有与应被引导到各个PD的光的波长相对应的吸收特性。
在上述实施方式中，作为像素2所对应的颜色，以RGB的3原色为例进行了说明，但像素2也可以与3原色以外的波长的光(例如，红外光、紫外光)对应。
在上述实施方式中，对通过改变构造体70的宽度W来提供光相位延迟量分布的例子进行了说明。但是，也可以代替宽度W而改变构造体70的折射率，或者将构造体70的折射率与宽度W一起改变，由此赋予光相位延迟量分布。在该情况下，折射率不同的构造体70可以分别使用折射率不同的材料制作。
以上，基于具体的实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，当然能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。
以上说明的摄像元件例如以如下方式确定。如参照图1～图3以及图21～图26等说明的那样，光学元件6具备：透明层60，其用于覆盖包含PD41以及PD42的像素2；以及多个构造体70，其在透明层60上或者透明层60内沿透明层60的面方向(XY平面方向)配置。透明层60包括将入射光引导至PD41的区域61和将入射光引导至PD42的区域62。在区域61及区域62中的至少62配置有多个构造体70。区域61比区域62小。
根据摄像元件12，区域61比区域62小。其结果是，被引导至PD41的光的光量变得比被引导至PD42的光的光量少，因此，与PD42相比，PD41难以饱和。例如，通过使用PD41作为低灵敏度光电二极管并且使用PD42作为高灵敏度光电二极管，能够提高动态范围。由于被引导至PD整体的光的光量相对于入射光的比率非常大(接近100％)，因此还能够实现较高的光利用效率。因此，能够同时实现动态范围的提高和光利用效率的提高。
如还参照图5～图11以及图18～图20等说明的那样，多个构造体70是具有比多个构造体70彼此之间的部分的折射率高的折射率的柱状构造体，在俯视时，多个构造体70中的至少一部分构造体70具有相互不同的宽度W，在侧视时，所述多个构造体可以具有相同的高度。多个构造体70中的至少一部分构造体70可以具有彼此不同的折射率。多个构造体70可以分别对入射的光赋予与宽度W和/或折射率的大小对应的光相位延迟量。多个构造体70中可以分别具有赋予如下光相位延迟量分布的宽度W和/或折射率，该光相位延迟量分布用于将入射到区域61的光引导到PD41并且将入射到区域62的光引导到PD42。光相位延迟量分布可以是用于对光进行会聚的光相位延迟量分布。例如通过配置这样的多个构造体70，使光学元件6具有透镜功能，能够将入射光引导(例如会聚)到PD41以及PD42。另外，例如与设置高度不同的多个构造体的情况相比，能够容易地制造光学元件6。
如参照图18～图21等说明的那样，在不考虑区域61A和区域62A中的一方的区域中的光相位延迟量分布的情况下，另一个区域中的光相位延迟量分布可以具有对称性。光相位延迟量分布具有对称性，相应地得到优选的透镜图案的可能性提高。例如，入射到比透镜中心靠右侧(X轴正方向侧)的光的角度范围与入射到比透镜的中心靠左侧(X轴负方向侧)的光的角度范围容易一致。
如参照图3等说明的那样，在俯视时，PD41和PD42可以具有相同的尺寸。由此，例如，与使用不同尺寸的PD的情况相比，能够无间隙地排列各PD，因此，能够提高光利用效率。
如参照图3等说明的那样，在俯视时，区域61可以位于区域62的内侧。例如这样，能够配置小的区域61和大的区域62。
参照图1等说明的摄像元件12也是本公开的一个方式。即，摄像元件12具备光学元件6和分别包含PD41和PD42的多个像素2。由此，得到能够同时实现动态范围的提高和光利用效率的提高的摄像元件12。
如参照图2等说明的那样，摄像元件12可以具备设置于像素2与光学元件6之间的滤光层5。由此，例如能够将与像素2对应的颜色的光引导至PD41以及PD42。
参照图1等说明的摄像装置10也是本公开的一个方式。即，摄像装置10具备摄像元件12和基于从摄像元件12得到的电信号生成图像信号的信号处理控制部13。由此，能够得到能够同时实现动态范围的提高和光利用效率的提高的摄像装置10。
信号处理控制部13可以以PD41的曝光期间与PD42的曝光期间不同的方式进行曝光控制。例如通过使PD41和PD42中的至少一方的曝光期间比信号灯等的闪烁周期长，能够抑制闪变。例如，通过以使PD41的曝光期间长于PD42的曝光期间的方式执行曝光控制，可以抑制PD42的曝光期间而避免饱和，并且可以抑制曝光过度等的发生。
符号说明
2像素
3配线层
4PD层
5滤光层
6光学元件
10摄像装置
12摄像元件
13信号处理控制部
41PD
42PD
60透明层
61区域
62区域
70构造体
71构造体
72构造体

Claims (16)

1.一种光学元件，其特征在于，
所述光学元件具有：
透明层，其用于覆盖包括第一光电转换元件和第二光电转换元件的像素；以及
多个构造体，它们在所述透明层上或所述透明层内沿所述透明层的面方向配置，
所述透明层包括：
第一区域，其将入射的光引导至所述第一光电转换元件；以及
第二区域，其将入射的光引导至所述第二光电转换元件，
在所述第一区域和所述第二区域中的至少所述第二区域配置有所述多个构造体，
所述第一区域比所述第二区域小。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述多个构造体是柱状构造体，该柱状构造体具有比所述多个构造体彼此之间的部分的折射率高的折射率，
在俯视观察时，所述多个构造体中的至少一部分构造体具有彼此不同的宽度，
在侧视观察时，所述多个构造体具有相同的高度。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述多个构造体是柱状构造体，该柱状构造体具有比所述多个构造体彼此之间的部分的折射率高的折射率，
所述多个构造体中的至少一部分构造体具有彼此不同的折射率，
在侧视观察时，所述多个构造体具有相同的高度。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的光学元件，其特征在于，
所述多个构造体各自对入射的光赋予与在俯视观察时该构造体所具有的宽度的大小对应的光相位延迟量，
所述多个构造体各自具有赋予如下光相位延迟量分布的宽度，该光相位延迟量分布用于将入射到所述第一区域的光引导至所述第一光电转换元件，并且将入射到所述第二区域的光引导至所述第二光电转换元件。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的光学元件，其特征在于，
所述多个构造体各自对入射的光赋予与该构造体所具有的折射率的大小对应的光相位延迟量，
所述多个构造体各自具有赋予如下光相位延迟量分布的折射率，该光相位延迟量分布用于将入射到所述第一区域的光引导至所述第一光电转换元件，并且将入射到所述第二区域的光引导至所述第二光电转换元件。
6.根据权利要求4或5所述的光学元件，其特征在于，
所述光相位延迟量分布是用于使光会聚的光相位延迟量分布。
7.根据权利要求4～6中的任意一项所述的光学元件，其特征在于，
在不考虑所述第一区域和所述第二区域中的一方区域中的所述光相位延迟量分布的情况下，另一方区域中的光相位延迟量分布具有对称性。
8.根据权利要求1～7中的任意一项所述的光学元件，其特征在于，
在俯视观察时，所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件具有相同的尺寸。
9.根据权利要求1～8中的任意一项所述的光学元件，其特征在于，
在俯视观察时，所述第一区域位于所述第二区域的内侧。
10.一种摄像元件，其特征在于，具有：
权利要求1～9中的任意一项所述的光学元件；以及
多个像素，它们各自包括所述第一光电转换元件以及所述第二光电转换元件。
11.根据权利要求10所述的摄像元件，其特征在于，
所述摄像元件具有设置在所述像素与所述光学元件之间的滤光层。
12.一种摄像装置，其特征在于，具有：
权利要求10或11所述的摄像元件；以及
信号处理控制部，其根据从所述摄像元件得到的电信号生成图像信号。
13.根据权利要求12所述的摄像装置，其特征在于，
所述信号处理控制部以使所述第一光电转换元件的曝光期间与所述第二光电转换元件的曝光期间不同的方式进行曝光控制。
14.一种光学元件，其特征在于，具有：
透明层，其用于覆盖包括第一光电转换元件和第二光电转换元件的像素；以及
多个凹部，它们在所述透明层上沿所述透明层的面方向配置，
所述透明层包括：
第一区域，其将入射的光引导至所述第一光电转换元件；以及
第二区域，其将入射的光引导至所述第二光电转换元件，
在所述第一区域和所述第二区域中的至少所述第二区域配置有所述多个凹部，
所述第一区域比所述第二区域小。
15.根据权利要求14所述的光学元件，其特征在于，
所述多个凹部的空隙被如下流体填满，该流体具有比构成所述多个凹部的材料的折射率高的折射率。
16.根据权利要求14所述的光学元件，其特征在于，
构成所述多个凹部的材料为具有比1低的折射率的超颖材料。
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