CN116547565A - 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

摄像元件(100)具备：透明层(150)，其用于覆盖分别包含光电转换元件的多个像素(130)；以及多个结构体(160)，它们在透明层(150)上或透明层(150)内配置在透明层(150)的面方向上，多个结构体(160)被配置为，将入射的光中的波长为近红外光区域的第1光会聚到多个像素(130)中的第1像素，将波长为近红外区域外的区域的第2颜色的光会聚到第2像素。

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
一般的摄像装置使用透镜光学系统和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2维摄像元件，取得由来自摄像对象的光的强度信息和颜色信息构成的2维图像。
近年来，除了可见光(颜色信息)以外，对同时拍摄近红外(NIR：Near-Infrared)光的图像的要求也在提高。近红外线摄像装置能够进行夜间摄影，因此在车载摄像头、监视摄像头等用途中受到关注。
因此，作为拍摄可见光的颜色信息及近红外线图像双方的摄像元件，为了取得颜色信息及NIR信息，提出了在各像素上集成对R(红)、G(绿)、B(蓝)加上NIR的4种滤色器的结构。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Takanori Kudo，Yuki Nanjo，Yuko Nozaki，Kazuya Nagao，Hidemasa Yamaguchi，Wen-Bing Kang，Georg Pawlowski，“PIGMENTED PHOTORESISTS FORCOLOR FILTERS”，Journal of Photopolymer Science and Technology，1996，9卷，1号，p.109-119.
非专利文献2：Monno，Yusuke，et al.“Single-Sensor RGB-NIR Imaging:High-Quality System Design and Prototype Implementation”.IEEE Sensors Journal 19.2(2018):497-507.
发明内容
发明要解决的课题
然而，在以往的摄像元件中，存在如下问题：由于滤色器对透过波段外的光的吸收，透过滤光器后的总光接收量减少，灵敏度受到限制。并且，一般的滤色器会使NIR波长区域的光的一部分透过，因此在以往的摄像元件中，为了生成彩色图像，需要进行从R、G、B像素值减去NIR像素值等颜色的校正。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种光学元件、摄像元件以及摄像装置，能够在不引起光吸收的情况下提高入射光的可见光和近红外光的光接收灵敏度。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题并达成目的，本发明的光学元件的特征在于，具备：透明层，其用于覆盖分别包含光电转换元件的多个像素；以及多个结构体，它们在透明层上或透明层内配置在透明层的面方向上，多个结构体被配置为，将入射的光中的波长为近红外光区域的第1光会聚到多个像素中的第1像素，将波长为近红外区域外的区域的第2颜色的光会聚到第2像素。
另外，本发明的光学元件的特征在于，具备：透明层，其用于覆盖分别包含光电转换元件的多个像素；以及多个结构体，它们在透明层上或透明层内配置在透明层的面方向上，多个结构体输出入射的光中的近红外光区域的第1光，并输出入射的光中的波长为近红外区域外的区域的第2颜色的光。
并且，本发明的摄像元件的特征在于，具备上述光学元件和被透明层覆盖的多个像素。
并且，本发明的摄像装置的特征在于，具备上述摄像元件和基于从摄像元件得到的电信号生成图像信号的信号处理部。
发明的效果
根据本发明，能够在不引起光吸收的情况下提高入射光的可见光的光接收灵敏度。
附图说明
图1是示出实施方式1的摄像装置的概略结构的侧视图。
图2是示意性地示出俯视观察摄像元件时的像素阵列的像素配置的图。
图3是示出沿着图2的a-a’线侧视观察时的摄像元件的截面的一例的图。
图4是示出沿着图2的b-b’线侧视观察时的摄像元件的截面的一例的图。
图5是示出图2所示的光学元件阵列中的结构体的俯视观察时的形状及配置的一例的俯视图。
图6是示意性地示出向摄像元件中的像素的聚光的图。
图7是示意性地示出向摄像元件中的像素的聚光的图。
图8是示意性地示出向摄像元件中的像素的聚光的图。
图9是示意性地示出向摄像元件中的像素的聚光的图。
图10是示出结构体的概略结构的例子的图。
图11是示出结构体的概略结构的例子的图。
图12是示出结构体的概略结构的例子的图。
图13是示出结构体的概略结构的例子的图。
图14是示出结构体的概略结构的例子的图。
图15是示出结构体的概略结构的例子的图。
图16是示意性地示出像素单元的像素配置的图。
图17是示出结构体是TiO2时的透镜设计的例子的图。
图18是示出结构体是TiO2时的透镜设计的例子的图。
图19是示出结构体是TiO2时的透镜设计的例子的图。
图20是示出结构体是TiO2时的透镜设计的例子的图。
图21是示出结构体是TiO2时的透镜设计的例子的图。
图22是示出结构体是TiO2时的由各像素接收的光的光谱的例子的图。
图23是示意性地示出实施方式1的摄像元件中的像素阵列和光学元件阵列的截面的一部分的另一例的图。
图24是示意性地示出实施方式1的摄像元件中的像素阵列和光学元件阵列的截面的一部分的另一例的图。
图25是示出结构体的截面形状的例子的图。
图26是示出实施方式2的摄像元件的概略结构的例子的图。
图27是示出实施方式2的摄像元件的概略结构的例子的图。
图28是示出图26和图27所示的摄像元件的各像素接收的光的光谱的一例的图。
图29是示出实施方式2的变形例的摄像元件的概略结构的例子的图。
图30是示出实施方式2的变形例的摄像元件的概略结构的例子的图。
图31是示出实施方式2的变形例的摄像元件的概略结构的例子的图。
图32是示出实施方式2的变形例的摄像元件的概略结构的例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的最佳方式进行详细说明。此外，在以下的说明中，各图只是以能够理解本发明的内容的程度概略性地示出形状、大小以及位置关系，因此，本发明并不仅限定于在各图中例示出的形状、大小以及位置关系。另外，在附图的记载中，对相同部分标注相同的附图标记来表示。
[实施方式1]
[摄像装置]
首先，对本发明的实施方式1的摄像装置进行说明。图1是示出实施方式1的摄像装置的概略结构的侧视图。
如图1所示，实施方式1的摄像装置10具有透镜光学系统11、摄像元件12以及信号处理部13。透镜光学系统11具有CCD、CMOS等光电转换元件。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而生成图像信号。
向物体1照射自然光、照明光等光，由物体1透过/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在摄像元件12上形成光学像。一般而言，为了校正各种光学像差，透镜光学系统11由透镜组构成，该透镜组由沿着光轴排列的多个透镜构成，但在图1中简化附图而将透镜光学系统11表示为单个透镜。信号处理部13具有将生成的图像信号向外部送出的图像信号输出。
另外，摄像装置10可以具备红外光截止的光学滤波器、电子快门、取景器、电源(电池)、闪光灯等公知的结构要素，但它们的说明对于本发明的理解来说不是特别必要的，因此省略。另外，以上的结构只不过是一例，在实施方式1中，作为除了透镜光学系统11、摄像元件12、信号处理部13以外的结构要素，能够适当地组合公知的要素来进行使用。
[摄像元件]
接着，对实施方式1的摄像元件12的概略进行说明。本实施方式1的摄像元件12具有：像素阵列，在该像素阵列中，包含光电转换元件的多个像素呈2维阵列状排列；以及光学元件阵列(光学元件)，在该光学元件阵列(光学元件)的整个面上排列有多个微细的结构体，该多个微细的结构体具有波长分离功能和向各像素进行会聚的聚光功能。另外，以下，将摄像元件12的一部分作为摄像元件100进行说明。
图2是示意性地示出俯视观察摄像元件时的像素阵列的像素配置的图。图3是示出沿着图2的a-a′线侧视观察时的摄像元件100的截面的一例的图。图4是示出沿着图2的b-b′线侧视观察时的摄像元件100的截面的一例的图。另外，在图3和图4中，箭头示意性地表示向摄像元件100入射的光。图5是示出图2所示的光学元件阵列中的结构体的俯视观察时的形状及配置的一例的俯视图。在图中示出xyz坐标系。xy平面方向相当于后述的像素阵列110、透明层150等的面方向。以下，除了有特别说明的情况以外，“俯视”是指在z轴方向(例如z轴负方向)上观察。“侧视”是指在x轴方向或y轴方向(例如y轴负方向)上观察。
如图3和图4所示，摄像元件100具有像素阵列110和与像素阵列110对置配置的光学元件阵列120。像素阵列110和光学元件阵列120在z轴正方向上依次设置。
如图2～图4所示，光学元件阵列120配置在来自透镜光学系统11的光入射的一侧。光学元件阵列120形成在透明层150的上表面，透明层150形成在像素阵列110上。另外，透明层150是由SiO2(折射率n＝1.45)等材料构成的低折射率的透明层。
像素阵列110包括布线层180和在xy平面方向上配置的多个像素130。各像素130分别包含光电转换元件而构成。光电转换元件的例子是光电二极管(PD：Photo Diode)。各像素对应于红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)以及近红外(NIR)。作为红色光的波段的例子，若将波长设为λ0，则600nm＜λ0≤800nm。绿色光的波段的例子为500nm＜λ0≤600nm。蓝色光的波段的例子为λ0≤500nm。近红外光的波段的例子为800～1000nm。为了能够区分各像素，称为像素R、像素G、像素B以及像素NIR来进行图示。如图2所示，像素R、像素G、像素B以及像素NIR这4个采用了拜耳排列，构成一个像素单元U1。
入射的光沿着z轴负方向行进，经由光学元件阵列120到达像素阵列110。光学元件阵列120将入射的光中的红色光会聚到像素R，将绿色光会聚到像素G，将蓝色光会聚到像素B，将近红外光会聚到像素NIR。在像素R、像素G、像素B以及像素NIR中产生的电荷通过未图示的晶体管等转换为作为像素信号的基础的电信号，并经由布线层180输出到摄像元件100的外部。在图3和图4中，示出了布线层180中包含的一些布线。
光学元件阵列120以覆盖像素阵列110的方式设置。光学元件阵列120的例子是超颖表面(meta-surface)。超颖表面包含具有光的波长以下的宽度的多个微细结构体(相当于结构体160)而构成。超颖表面可以具有2维结构，也可以具有3维结构。对于光学元件阵列120而言，仅通过改变该结构体160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。在3维结构的情况下，与2维结构相比，设计自由度提高。
光学元件阵列120具有波长分离功能和透镜功能这2个功能。波长分离功能是将入射的光分离为各波段的光的功能。透镜功能是将各波长的光会聚到对应的像素的功能。在该例子中，通过光学元件阵列120的波长分离功能，入射的光被分离为红色光、绿色光、蓝色光以及NIR光。通过透镜功能，红色光被会聚到像素R，绿色光被会聚到像素G，蓝色光被会聚到像素B，NIR光被会聚到像素NIR。
光学元件阵列120包括透明层150和多个结构体160。透明层150以覆盖像素阵列110的方式设置在像素阵列110上。透明层150具有比结构体160的折射率低的折射率。透明层150的材料的例子是SiO2等。透明层150可以是空隙，在该情况下，透明层150的折射率可以与空气的折射率相等。透明层150的材料可以是单一的，也可以是多个材料成为层状的材料。
多个结构体160在透明层150上或透明层150内例如周期性地(具有周期结构)配置在透明层150的面方向(xy平面方向)上。在该例子中，结构体160在隔着透明层150与像素阵列110相反的一侧(z轴正方向侧)设置在透明层150上。为了使设计变得容易等，多个结构体160可以等间隔配置，也可以不等间隔配置。各结构体160是具有与入射光的波长相同程度或比其小的尺寸的纳米级尺寸的微细结构体。多个结构体160在侧视下具有相同的高度。
图5示意性地示出了与图2的像素单元U1对应的区域的多个结构体160的俯视观察时的形状及配置的例子。结构体160在俯视观察时例如具有正方形形状、十字形状、圆形形状。正方形形状、十字形状、圆形形状的结构体160各自的基本形状相同且具有不同的尺寸(长度、宽度等)。结构体160的俯视观察时的形状可以是4重旋转对称形状。这样的形状例如可以包括正方形形状、十字形状、圆形形状中的至少一个而构成。通过使各结构体160在俯视观察时成为4重旋转对称形状，从而使其具有不依赖于偏振的特性。
在图5的例子中，作为结构体160的俯视观察时的形状，示出了将正方形形状、十字形状在面内旋转45°而得到的X字形状、中空菱形形状。另外，中空菱形形状是包含正方形形状而构成的形状的例子，是将中空正方形形状在面内旋转45°而得到的形状。
此外，若采用X字形状、菱形形状这样的在面内旋转45°而得到的形状，则与相邻的结构体之间的光学耦合变弱，因此各个结构体的光学特性不会受相邻的结构体的影响而容易被维持。其结果是，容易再现后述的理想的相位延迟量分布。
图6～图9是示意性地示出向摄像元件100中的像素的聚光的图。在摄像元件100中，如图6中箭头所示，蓝色光会聚到像素B。在该例子中，不仅是像素B的上方(Z轴正方向)的光，像素B的周边的像素的上方的光也会聚到像素B。即，多个结构体160(图3～图5)被配置为，将入射到与像素B对置的区域的外侧的光中的与像素B对应的颜色的光也会聚到像素B。由此，与仅将入射到与像素B对置的区域的光会聚到像素B的情况相比，能够增加接收光量。
在摄像元件100中，如图7中箭头所示，绿色光会聚到像素G。在该例子中，不仅是像素G的上方的光，像素G的周边的像素的上方的光也会聚到像素G。即，多个结构体160被配置为，将入射到与像素G对置的区域的外侧的光中的与像素G对置的颜色的光也会聚到像素G。由此，与仅将入射到与像素G对置的区域的光会聚到像素G的情况相比，能够增加接收光量。
在摄像元件100中，如图8中箭头所示，红色光会聚到像素R。在该例子中，不仅是像素R的上方的光，像素R的周边的像素的上方的光也会聚到像素R。即，多个结构体160被配置为，将入射到与像素R对置的区域的外侧的光中的与像素R对应的颜色的光也会聚到像素R。由此，与仅将入射到与像素R对置的区域的光会聚到像素R的情况相比，能够增加接收光量。
在摄像元件100中，如图9中箭头所示，近红外光会聚到像素NIR。在该例子中，不仅是像素NIR的上方的光，像素NIR的周边的像素的上方的光也会聚到像素NIR。即，多个结构体160被配置为，将入射到与像素NIR对置的区域的外侧的光中的与像素NIR对应的颜色的光也会聚到像素NIR。由此，与仅将入射到与像素NIR对置的区域的光会聚到像素NIR的情况相比，能够增加接收光量。
这样，多个结构体160将入射的光中的红色光会聚到像素R，将绿色光会聚到像素G，将蓝色光会聚到像素B，将NIR光会聚到像素NIR。
[结构体]
为了实现根据入射光的波长区域而具有不同的聚光位置的结构体160，需要实现对每个波长区域赋予不同的光波面的结构。在本实施方式1中，通过利用微细的柱状的结构体160对入射光赋予的相位延迟量的波长色散特性，来实现波长分离功能和聚光功能这两者。
结构体160由具有比结构周围的透明层150或空气的折射率n0高的折射率n1的TiO2、SiN等材料形成，侧视观察时的结构体160的高度(z轴方向的长度)h是恒定的。可认为该结构体160是根据与透明层的折射率之差将光封闭在结构内进行传播的光波导。
因此，当光从透镜光学系统11侧入射时，光在结构内被牢固地封闭的同时进行传播，受到由光波导的有效的折射率neff决定的相位延迟效果，从像素阵列110侧输出。
具体而言，在将在透明层中传播了与结构的厚度相应的长度的光的相位作为基准时，若将光的真空中的波长设为λ，则基于结构体160的相位延迟量由式(1)表示。
[数学式1]
该相位延迟量根据光的波长λ而不同，因此在同一结构体中，能够根据波长区域对光赋予不同的相位延迟量。
此外，已知光波导的有效折射率neff很大程度上取决于结构体160的截面形状，并且取n0＜neff＜n1的值。另外，光波导的有效折射率neff根据光的波长λ而不同，其程度较大地取决于结构体160的截面形状。
因此，通过使用具有各种截面形状的柱状的结构体160，能够设定与光的波长λ对应的相位延迟量的多种组合，能够新设计、实现根据波长区域而具有不同的聚光位置的透镜。
[结构体的形状]
图10～图15是示出结构体160的概略结构的例子的图。图10是俯视观察时的形状为正方形形状的结构体160的侧视图。图11是图10所示的结构体160的俯视图。图12是俯视观察时的形状为X字形状的结构体160的侧视图。图13是图12所示的结构体160的俯视图。图14是俯视观察时的形状为中空菱形形状的结构体160的侧视图。图15是图14所示的结构体160的俯视图。
结构体160是在z轴方向上延伸的柱状结构体，形成在透明层150(例如SiO2基板(折射率1.45))上。结构体160的材料的例子是TiO2(折射率2.40)。结构体160的侧方及上方是空气(Air(折射率1.0))。
将各个结构体160的配置周期设为P。配置周期P优选如式(2)那样设定，以使得在透过侧不产生衍射光。
[数学式2]
P≤λmin/n2…(2)
λmin是光接收对象的波段中的最短波长，例如为410nm。n2是透明层150的折射率，在透明层150为SiO2的情况下，n2＝1.45。结构体160的配置周期P例如为280nm。
在图10～图15中，将侧视观察时的结构体160的高度(z轴方向的长度)称为高度h进行图示。结构体160的高度h是恒定的。高度h优选如式(3)那样设定，使得结构体160能够对入射的光、即沿着z轴方向行进的光赋予2π以上的光相位延迟量(相位值)。
[数学式3]
h≥λr/(n1-n0)…(3)
波长λr是作为波长分离的对象的光的波段中的波长最长侧的波段中的期望的中心波长。n1是结构体160的折射率。在结构体160为TiO2的情况下，n1＝2.40，高度h例如为1250nm。另外，结构体160也可以由SiN(折射率2.05)形成。在这种情况下，n1＝2.05，结构体160的高度h例如为1600nm。
通过设计结构体160的截面形状(包括尺寸设计)，可实现能够对各波长的光赋予不同的光相位延迟量的各种组合。通过使结构体160的截面形状多样化，组合增加，设计自由度进一步提高。
[透镜设计的例子]
参照图16～图21对透镜设计的例子进行说明。图16是示意性地示出像素单元的像素配置的图。在透镜设计中，设计结构体160的截面形状及配置，以便实现理想的光相位延迟量分布(相位分布)。在以下说明的例子中，按照红色光、绿色光、蓝色光以及近红外光各自的波段的中心波长的理想的光相位延迟量分布，对TiO2组成结构的结构体160的截面形状及配置进行了设计，以使得红色光、绿色光、蓝色光以及近红外光分别会聚到图16所示的像素R、G、B、NIR。例如，像素的大小为1.68μm×1.68μm。焦距为5.0μm。与蓝色光对应的中心波长为430nm。与绿色光对应的中心波长为520nm。与红色光对应的中心波长为635m。与近红外光对应的中心波长为850nm。
若将理想的光相位延迟量分布设为则/>由以下的式(4)表示。
[数学式4]
在上述的式(4)中，λd是中心波长(设计波长)。xf、yf以及zf是聚光位置。n2是下方的透明层150的折射率。C是任意常数。
理想的光相位延迟量分布是对像素B、像素G、像素B以及像素NIR分别赋予以下的聚光位置的相位分布。另外，4个像素(像素单元)的中心位置与x＝0、y＝0对应。
像素B：xf＝+0.84μm，yf＝-0.84μm，zf＝5.0μm
像素G：xf＝+0.84μm，yf＝+0.84μm，zf＝5.0μm
像素R：xf＝-0.84μm，yf＝+0.84μm，zf＝5.0μm
像素NIR：xf＝-0.84μm，yf＝-0.84μm，zf＝5.0μm
以收敛于0～2π的范围的方式被进行了变换。例如，将-0.5π和2.5π分别变换为1.5π和0.5π。对光相位延迟量分布的边界区域进行了设定，以使得各中心波长下的光相位延迟量分布以聚光位置为中心(与相邻透镜一起)成为左右上下对称。可以对常数C进行优化，以使得在各波长下光相位延迟量分布的误差(与理想值之差)成为最小。根据各波长下的光相位延迟量，将最适合于上述4个波长的各中心波长下的光相位延迟量分布的结构(误差最小的结构)配置在了对应的位置。
图17～图21是示出结构体160是TiO2时的透镜设计的例子的图。图21是示出结构体160的俯视观察时的形状及配置的一例的俯视图。如图21所示，按照使与图16所示的像素R、G、B、NIR分别对应的波长的光会聚的形状及配置，来形成多个结构体160。另外，图21的中心位置对应于x＝0、y＝0。
图17示出了中心波长为430nm(蓝色光)的情况下的理想的光相位延迟量分布(相位(Phase)(rad/π))。图18示出了中心波长为520nm(绿色光)的情况下的理想的光相位延迟量分布。图19示出了中心波长为635nm(红色光)的情况下的理想的光相位延迟量分布。图20示出了中心波长为850nm(近红外光)的情况下的理想的光相位延迟量分布。
图21是能够实现图17～图20各自的光相位延迟量分布的结构体160的俯视图，是针对每1个像素单元(参照图16)设计的结构体160的形状图案。如图21所示，结构体160的形状为正方形形状、×字形状、中空菱形的棱柱。该结构体160的平面形状被设定为能够实现图17～图20所示的光相位延迟量分布中的分别对应的位置的相位的形状。因此，结构体160的平面形状也可以不是正方形形状、×字形状、中空菱形这样的多种形状，而是设定为1种(例如正方形形状)形状。另外，结构体160的形状能够设定正方形形状、×字形状、中空菱形中的任意种类的形状，而不限定于分离对象的波长区域。另外，也可以针对分离对象的每个波长区域来设定结构体160的平面形状的种类。
图22是示出结构体160是TiO2时的由每个像素接收的光的光谱的例子的图。光谱是使无偏振的平面光波相对于基板(xy平面)垂直入射时的光谱。从结构体160的下端(透镜结构端)到像素阵列110的距离为5.0μm(透镜焦距)。曲线图的横轴表示波长(Wavelength(nm))。纵轴表示光接收效率(Detected power)。光接收效率是(1个像素上的光强度)/(向结构体160(透镜(4个像素的面积))入射的入射光强度)。例如，当入射到结构体160的光的一半入射到像素时，光接收效率为0.5。
以各像素在对应的光的波段具有峰值的方式将光会聚到各像素。入射到像素R的光的光谱由曲线R表示。入射到像素G的光的光谱由曲线G表示。入射到像素B的光的光谱由曲线B表示。入射到像素NIR的光的光谱由曲线NIR表示。作为比较例，代替实施方式1的光学元件阵列120而使用了一般的滤光器(滤色器)的情况下的光接收效率的上限值0.2表示为滤光极限(Filter limit(Tmax＝80％))。该光接收效率的上限值0.2是将在各波长下具有最大80％的透射率的滤光器分割为像素R、像素G、像素B以及像素NIR这4个像素而得到的值(0.8/4＝0.2)。
可知像素R、像素G、像素B以及像素NIR均具有比比较例的上限值0.2大的峰值，像素中的接收光量比比较例大。例如，在波长430nm的情况下，像素B的光接收效率大大超过比较例的上限值0.2。在波长525nm的情况下，像素G的光接收效率也大大超过比较例的上限值0.2。在波长635nm的情况下，像素R的光接收效率也大大超过比较例的上限值0.2。在波长850nm的情况下，像素NIR的光接收效率也大大超过比较例的上限值0.2。
将透镜的总透射率、即(全部像素上的光强度的总和)/(向结构体160入射的入射光强度)在波长400nm～900nm范围内进行平均后的值为94.7％，能够接收几乎全部的入射光，大大超过使用一般的滤光器的情况下的上限值～30％。由此也可知，在像素R、像素G、像素B以及像素NIR的任一像素中，都能够提高光接收效率，能够确认光接收量增加。
[实施方式1的效果]
如以上说明的那样，根据光学元件阵列120，实现了针对红色光、绿色光、蓝色光、近红外光的波长分离功能和透镜功能这两个功能。例如，现有技术的摄像元件不具备光学元件阵列120，而具备滤光器(例如滤色器)。即，例如在现有技术的摄像元件中，与各像素的颜色对应的滤光器以覆盖该像素的方式设置。在这种情况下，例如在现有技术的摄像元件中，由于透过波段以外的波长的光被滤光器吸收，因此透过滤光器后的光量仅残留入射到滤光器的光的光量的约1/4左右，光接收效率降低。
与此相对，根据实施方式1的摄像元件100，如上所述，光接收量被维持得比其多(例如比90％多)，因此光接收效率大幅提高。另外，本实施方式的摄像元件100也可以不设置滤光器，因此也不需要以往的摄像元件所需的用于生成彩色图像的颜色的校正处理，能够实现颜色再现性的提高。
另外，在现有技术中，为了通过提高开口率、降低光入射角度依赖性等来增加接收光量(提高灵敏度)，也有在隔着滤光器与像素相反的一侧设置(集成化)微透镜的技术。在该情况下，由于成为至少有滤光器和微透镜的2层结构，因此结构变得复杂，制造成本也增加。
与此相对，根据实施方式1的光学元件阵列120，能够仅通过光学元件阵列120来实现波长分离功能和透镜功能，因此能够简化结构，降低制造成本。另外，能够在面内(xy平面内)无间隙地配置多个结构体160，因此与微透镜相比开口率增加。
另外，图1所示的信号处理部13基于从摄像元件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的像素的曝光、蓄积于像素阵列110的电荷向电信号的转换、电信号的读出等。
另外，光学元件阵列120不限于上述的结构，能够对结构体160的数量、间隔、结构形状、排列图案采用各种方式。此外，结构体160可以彼此连接，或者也可以埋入透明材料中。
另外，在图3和图4中，光学元件阵列120形成于透明层150的上表面，但不限于此。图23和图24是示意性地示出实施方式1的摄像元件中的像素阵列和光学元件阵列的截面的一部分的另一例的图。
如图23的摄像元件100A所示，光学元件阵列120也可以埋入像素130上的透明层150A的内部。此时，透明层150A的材料可以是单一的，也可以是多个材料成为层状的材料。另外，如图24的摄像元件100B所示，光学元件阵列120也可以形成在独立的透明基板190的底面。在该情况下，光学元件阵列120与像素130之间的区域被空气150B充满。此时，透明基板190的材料可以是单一的，也可以是多个材料成为层状的材料。摄像元件100、100A、100B还可以与片上微透镜、内部微透镜、用于减少串扰的像素间障壁等一起使用。
另外，在上述中，对4个像素位于1个光学元件单元的正下方的例子进行了说明，但并不限定于此。
另外，结构体160的截面形状不限于之前说明的图5等所示出的形状。图25是示出结构体的截面形状的例子的图。结构体160可以具有图25所例示的各种截面形状。例示的形状例如是通过将正方形形状、十字形状以及圆形形状进行各种组合而得到的4重旋转对称形状。
[实施方式2]
在实施方式2中，对摄像元件具有滤光器的结构进行说明。图26和图27是示出实施方式2的摄像元件的概略结构的例子的图。
图26和图27所示的摄像元件200具有设置在像素阵列110与光学元件阵列120之间的滤光器层170。图26示出了将图2中的摄像元件100置换为摄像元件200的情况下的、沿着a-a′线侧视观察时的摄像元件200的截面的例子。图27示出了将图2中的摄像元件100置换为摄像元件100的情况下的、沿着b-b′线侧视观察时的摄像元件200的截面的例子。
滤光器层170包括：滤光器170R，其以覆盖像素R的方式设置，使红色光透过；滤光器170G，其以覆盖像素G的方式设置，使绿色光透过；滤光器170B，其以覆盖像素B的方式设置，使蓝色光透过；以及滤光器170NIR，其以覆盖像素NIR的方式设置，使近红外光透过。滤光器层170的材料的例子是树脂等有机材料。
被光学元件阵列120进行了颜色分离的光进一步通过滤光器层170后，到达像素阵列110。通过由光学元件阵列120以及滤光器层170双方进行波长分离，与仅一方进行波长分离的情况相比，光谱的串扰被抑制(不需要的其他波长成分的大部分被除去)，颜色再现性得到提高。另外，由于入射的光在被光学元件阵列120分离后通过滤光器层170，因此不会使光量大幅减少。因此，与没有光学元件阵列120而仅设置滤光器层170的情况相比，像素的光接收效率得到提高。
图28是示出图26和图27所示的摄像元件200的各像素接收的光的光谱的例子的图。图28示出了结构体160是TiO2时的光谱的例子。
在图28中，像素R的光接收效率由曲线超颖透镜×R滤光器(R)(Metalens×Rfilter(R))表示。像素G的光接收效率由曲线超颖透镜×G滤光器(G1或G2)(Metalens×Gfilter(G1 or G2))表示。像素B的光接收效率由曲线超颖透镜×R滤光器(B)(Metalens×Rfilter(B))表示。像素NIR的光接收效率由曲线超颖透镜×R滤光器(NIR)(Metalens×Rfilter(NIR))表示。作为比较例，在没有光学元件阵列120而仅设置了一般的滤光器的情况下的像素R的光接收效率由曲线R滤光器(R)(R filter(R))表示。像素G的光接收效率由曲线G滤光器(G1或G2)(G filter(G1 or G2))表示。像素B的光接收效率由曲线B滤光器(B)(Bfilter(B))表示。像素NIR的光接收效率由曲线滤光器(NIR)(filter(NIR))表示。另外，作为比较例而一并记载的仅设置有滤光器的RGB-IR传感器的各像素的灵敏度光谱参照了参考文献1。
参考文献1：Y.Monno，H.Teranaka，K.Yoshizaki，M.Tanaka，&M.Okutomi，(2018).“Single-sensor RGB-NIR imaging：High-quality system design and prototypeimplementation”.IEEE Sensors Journal，19(2)，497-507.
像素R、像素G、像素B以及像素NIR的光谱的峰值也是比较例的1.5～1.9倍左右，能够得到比比较例大的光接收效率。总透射率也为39.4％，超过比较例的32.9％(约1.20倍)。并且，入射到各像素的光的光谱也比比较例的光谱更尖锐，也可知能够相应地减少不需要的其他波长成分。由此，颜色再现性得到提高。
[实施方式2的效果]
这样，根据还具备滤光器层170的摄像元件200，能够提高光接收效率，并且还能够进一步提高颜色再现性。
[实施方式2的变形例]
图29～图32是示出实施方式2的变形例的摄像元件的概略结构的例子的图。如图29和图30的摄像元件200A所示，也可以代替滤光器层170而设置近红外吸收滤光器170A。另外，如图31和图32的摄像元件200B所示，也可以在滤光器层170之上(或之下)设置近红外吸收滤光器层170A。近红外吸收滤光器层170A仅在像素R、像素G以及像素B的正上方具有以仅覆盖像素R、像素G以及像素B的方式设置的吸收近红外光的滤光器170NIR。这样，通过将近红外吸收滤光器层170A仅设置在像素R、像素G、像素B的正上方，能够对成为噪声的主要原因的近红外光向像素R、像素G、像素B的入射进行抑制。另外，由于像素NIR需要接收近红外光，因此在像素NIR上不设置滤光器170NIR。
此外，在实施方式1、2中，作为结构体160的材料，以TiO2和SiN为例进行了说明。但是，结构体160的材料并不限定于此。例如，对于波长为380nm～1000nm的光(可见光～近红外光)的光，除了SiN以外，还可以使用SiC、TiO2、GaN等作为结构体6的材料。由于折射率高、吸收损失少，因此这些材料是适合的。在使用波长为800～1000nm的光(近红外光)时，可以使用Si、SiC、SiN、TiO2、GaAs、GaN等作为结构体6的材料。由于是低损失，因此这些材料是适合的。对于长波段的近红外区域(作为通信波长的1.3μm、1.55μm等)的光，除了上述材料之外，还能够使用InP等作为结构体160的材料。
另外，在通过粘贴、涂布等形成结构体160的情况下，作为材料，可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。
另外，在实施方式1、2中，示出了假定SiO2和空气层作为透明层5的材料的例子，但并不限定于此。也包括一般的玻璃材料等，只要是具有比结构体6的材料的折射率低的折射率、且相对于入射光的波长为低损失的材料即可。透明层5只要针对应到达对应的像素的光的波长为足够低的损失即可，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。在该情况下，透明层5不仅与滤色器的材质相同，也可以具有与滤色器相同的结构，并且也可以被设计成具有与应被引导至对应的像素的光的波长对应的吸收特性。
另外，在实施方式1、2中，作为像素所对应的颜色，以RGB三原色及近红外光为例进行了说明，但像素也可以对应于近红外光及三原色以外的波长的光(例如，红外光、紫外光等)。
另外，在实施方式1、2中，作为结构体160的形状，对使用具有正方形形状、×字形状、中空菱形这样的不同的3种截面形状的结构体的例子进行了说明。该形状为一例，也可以使用2种结构体(例如仅正方形形状、×字形状)，也可以使用4种以上的结构体。
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。
以上说明的技术例如通过如下方式来确定。如参照图1～图5、图23以及图24等说明的那样，光学元件阵列120具备：透明层150，其用于覆盖分别包含光电转换元件的多个像素；以及多个结构体160，它们在透明层150上或者透明层150内配置在透明层150的面方向(XY平面方向)上，多个结构体160被配置为，将入射的光中的波长为近红外光区域的第1光会聚到上述多个像素中的第1像素(像素NIR)，将波长为近红外区域外的区域的第2颜色(例如，蓝色)的光会聚到第2像素(例如像素B)。
上述的光学元件阵列120兼具近红外光区域的波长与其他区域的波长的分离功能以及透镜功能(聚光功能)这两个功能。因此，与例如设置与各像素对应的滤光器(例如滤色器)、进一步设置微透镜的情况相比，能够大幅提高像素中的入射光的可见光和近红外光的光接收效率，提高光接收灵敏度。另外，由于简化了结构，因此也能够降低制造成本。由于能够在面内无间隙地配置多个结构体160，因此与微透镜相比，开口率也增加。颜色分离功能和透镜功能不限于将近红外光区域的波长和其他区域的波长进行分离会聚的功能，也可以对应于近红外光、3色或2色的光。
如参照图1～图5、图23以及图24等说明的那样，光学元件阵列120也可以具备：透明层150，其用于覆盖分别包含光电转换元件的多个像素；以及多个结构体160，它们在透明层150上或者透明层150内配置在透明层150的面方向(平面方向)上，输出入射的光中的近红外光区域的第1光，并输出入射的光中的波长为上述近红外区域外的区域的第2颜色的光。由此，光学元件阵列120具备近红外光区域的波长与其他区域的波长的分离功能。
如参照图10～图15等说明的那样，多个结构体160各自可以是具有比透明层5的折射率高的折射率、且对入射的光赋予与截面形状对应的光相位延迟量的柱状结构体。如参照图16～图21等说明的那样，多个结构体160可以按照用于实现上述的聚光的光相位延迟量分布来配置。例如通过配置这样的多个结构体160，能够实现波长分离功能和透镜功能这两个功能。
如参照图5和图25等说明的那样，多个结构体160各自的截面形状可以是4重旋转对称形状。由此，能够不产生偏振依赖性。
如参照图6～图9等说明的那样，多个结构体6也可以被配置为，将入射到与1个像素对置的区域的外侧的光中的与该1个像素对应的波长的光也会聚到该1个像素。由此，与仅将入射到与1个像素对置的区域的光会聚到该像素的情况相比，能够增加接收光量。
参照图1～图5等说明的摄像元件100也是本公开的一个方式。摄像元件100具备光学元件阵列120和被透明层150覆盖的多个像素130(像素NIR等)。由此，如之前说明的那样，能够降低制造成本。还能够提高光接收灵敏度、增加开口率。
如参照图26和图27等说明的那样，摄像元件200可以具备设置在多个像素(像素NIR等)与透明层150之间的滤光器层170。由此，能够提高光接收效率，并且能够进一步提高颜色再现性。
并且，如参照图29～图32说明的那样，在摄像元件200A、200B中也可以设置近红外吸收滤光器170A，该近红外吸收滤光器170A仅设置在第2像素上。也可以在第2像素(像素R、像素G、像素B)的正上方设置吸收近红外光的近红外吸收滤光器，对成为噪声的主要原因的近红外光向第2像素(像素R、像素G、像素B)的入射进行抑制。
参照图1等说明的摄像装置10也是本公开的一个方式。摄像装置10具备上述的摄像元件12和基于从摄像元件12得到的电信号并基于像素信号生成图像信号的信号处理部13。由此，如之前说明的那样，能够降低制造成本。还能够提高光接收灵敏度、增加开口率。
附图标记说明
1 物体
10 摄像装置
11 透镜光学系统
12、100、100A、100B、200摄像元件
13 信号处理部
110 像素阵列
120 光学元件阵列
130 像素
150、150A 透明层
160 结构体
170 滤光器层
180 布线层
190 透明基板

Claims (9)

1.一种光学元件，其特征在于，具备：
透明层，其用于覆盖分别包含光电转换元件的多个像素；以及
多个结构体，它们在所述透明层上或所述透明层内配置在所述透明层的面方向上，
所述多个结构体被配置为，将入射的光中的波长为近红外光区域的第1光会聚到所述多个像素中的第1像素，将波长为所述近红外区域外的区域的第2颜色的光会聚到第2像素。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述多个结构体各自是具有比所述透明层的折射率高的折射率、且对入射的光赋予与截面形状对应的光相位延迟量的柱状结构体，
按照用于实现所述会聚的光相位量延迟分布来设定所述多个结构体的截面形状，并且按照用于实现所述会聚的光相位量延迟分布来配置所述多个结构体。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，
所述多个结构体各自的截面形状为4重旋转对称形状。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的光学元件，其特征在于，
所述多个结构体被配置为，将入射到与1个像素对置的区域的外侧的光中的具有与该1个像素对应的波长的光也会聚到该1个像素。
5.一种光学元件，其特征在于，具备：
透明层，其用于覆盖分别包含光电转换元件的多个像素；以及
多个结构体，它们在所述透明层上或所述透明层内配置在所述透明层的面方向上，
所述多个结构体输出入射的光中的近红外光区域的第1光，并输出入射的光中的波长为所述近红外区域外的区域的第2颜色的光。
6.一种摄像元件，其特征在于，
所述摄像元件具有：
权利要求1至5中的任意一项所述的光学元件；以及
被所述透明层覆盖的所述多个像素。
7.根据权利要求6所述的摄像元件，其特征在于，
所述摄像元件具备设置在所述多个像素与所述透明层之间的滤光器层。
8.根据权利要求7所述的摄像元件，其特征在于，
所述滤光器层是仅设置在所述第2像素上的近红外吸收滤光器。
9.一种摄像装置，其特征在于，
所述摄像装置具有：
权利要求6至8中的任意一项所述的摄像元件；以及
信号处理部，其基于从所述摄像元件得到的电信号生成图像信号。
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