JP2014078015A - 光学部材、固体撮像装置、製造方法 - Google Patents

光学部材、固体撮像装置、製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】固体撮像装置と一体的に構成される光学レンズが厚いことにより生じる問題を解決する。
【解決手段】光学長（レンズ長）に比べて相対的に薄く、屈折率の大きい高屈折率層２１と屈折率の小さい低屈折率層２０が光軸に対して横方向に交互に配列した交互配置層２を設ける。高屈折率層２１および低屈折率層２０の各幅は、入射光の波長オーダーまたはそれより小さくする。各高屈折率層２０を、交互配置層２Ａの機械的な中心では密に配置し中心から離れるに従って疎になるように、または低屈折率層２０を、交互配置層２Ａの機械的な中心では粗に配置し中心から離れるに従って密になるように、左右対称に配置して凸レンズにする。交互配置層２Ａは、光学長よりも短く、スネル則を利用した屈折型レンズ構造のものよりも薄くできる。従来のような相対的に厚みのある構造のレンズで生じていた問題を緩和・解消できる。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、光学部材およびこの光学部材を利用した固体撮像装置並びにそれらの製造方法に関する。
ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-oxide Semiconductor ）センサを始めとする固体撮像装置では、オンチップレンズ（ＯＣＬ：On Chip Lenz ：マイクロレンズとも称される）や層内レンズなどの光学部材を設け、入射光を受光部へ集光させるのが一般的である。ここで、前記光学部材としては、スネル則を利用した屈折型レンズ構造のものが用いられる。
ところが、スネル則を利用した屈折型レンズ構造は、レンズそのものが１μｍ程度以上で厚いため、固体撮像装置のオンチップレンズや層内集光レンズに応用するとデバイス上層が厚くなってしまう。これによって、隣の画素からの好ましくない光入射（斜め入射光と称する）が増加して、この斜め入射光による混色が増加して色再現性が悪くなる。
また、従来のオンチップレンズや層内集光レンズの作製工程では、レジストをリフローさせるなど工程数が多く複雑でコストも高い。加えて、リフローで作製すると球面形状しか作製できず、たとえば横方向に変形した非対称なレンズ形状ができない。
さらに、外付けの結像系レンズのＦ値を小さくすると斜め入射光が増えるために上層が厚くなることによって理想の感度からの低下が顕著になり、本来の感度が取れなくなる（Ｆ値光感度低下）。
また、従来のオンチップレンズでは、集光効率が信号光の入射角度に依存して低下する。つまり、オンチップレンズに垂直に入射してくる光については高効率に集光することができるが、斜め入射光に対しては集光効率が減少する。複数の画素が２次元配列されて構成されている固体撮像装置では、広がり角を持つ入射光の場合、固体撮像装置の中央付近の画素と周辺付近の画素とでは入射角が異なり、その結果、周辺付近の画素の集光効率が中央付近のものより低下するという現象、つまり、デバイス中心に比べて端で感度が小さくなる現象（シェーディング）も顕著にもなる。
斜め入射光に色再現性低下に関しては、色再現性を回復させるために演算処理を行なうことも考えられるが、余分なノイズが発生して画質が劣化する弊害が懸念される。
さらに、外付けの結像系レンズのＦ値を小さくすると、斜め入射光が増えるために上層が厚くなることによって理想の感度からの低下が顕著になり、本来の感度が取れなくなるＦ値光感度低下現象も生じる。
これに対して、上層が厚くなる問題点や感度低下を解決する一手法として、フレネルレンズを利用した仕組みが提案されている（たとえば特許文献１，２を参照）。
特開２００５−０１１９６９号公報 特開２００６−３５１９７２号公報
たとえば、特許文献１に記載の仕組みは、オンチップレンズなどの上部レンズで収束された光をさらに収束させて対応する光電変換部に入射させる層内集光レンズを、フレネルレンズをベースとして構成しているものである。屈折型レンズであるが、波型にすることでレンズを薄くできるようにしている点に特徴がある。
また、特許文献２に記載の仕組みは、集光素子を、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって構成されたものとしている。２段同心円構造の分布屈折率レンズ（つまりフレネルレンズ）をベースとしていて、フレネルレンズと同じ屈折率分布となるような微細構造を作製して集光素子を構成している（レンズとしている）点が特徴である。
しかしながら、特許文献１に記載の仕組みでは、フレネルレンズの考え方を基本としているので、このフレネルレンズは屈折型であるために波長オーダーより薄くするのに限度がある。
また、このような波型を作製するのは通常の屈折型レンズの工程よりもさらに複雑な工程となり、コストもさらにかかる。また、球面でしかレンズが作製できず、非対称性を入れることができない。
加えて、特許文献１，２の何れの仕組みにおいても、フレネルレンズをベースとするため、ある領域に斜め入射した光において本来集光するポイントに集まらないことがある（詳細は後述する）。このことは、集光効率が低下してしまう上に、発散した光が隣の画素に入射した場合には混色の原因になる。
また、特許文献２の仕組みでは、微細画素、とりわけ１．５μｍ以下の画素サイズになると、円形などの複雑な図形を画素内に入れる必要性から、画素ピッチに対する最小線幅の割合いが１／１０以下の微細ピッチが必要となる。たとえば最小線幅０．１μｍ以下の微細ピッチのレンズ構造の作製が必要となる。この場合、プロセスにおいて埋め込みが容易でないといった課題があり、たとえばフッ化アルゴン（ＡｒＦ）エキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）を用いた液浸スキャナーと言った高コストのＡｒＦ液浸露光装置が必要になる。
また、通常のマスク発生システムは、縦線または横線または斜め４５度線で構成される図形のみが許されていることが多く、このような状況でもマスク設計を低コストで可能にする新たなレンズ構造の開発が求められている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、前述の各種の問題の少なくとも１つを解消することのできる新たな光学部材の仕組みを提供することを目的とする。
好ましくは、前述の各種の問題の少なくとも１つを解消するに当たり、微細画素の実現に際しても、最小線幅をより大きくすることが可能な、つまり画素ピッチと最小線幅の割合いに従来よりも余裕を持たせることができる仕組みを提供することを目的とする。
好ましくは、前述の各種の問題の少なくとも１つを解消するに当たり、縦線または横線または斜め４５度線を構成する通常のマスク発生システムにより製造することができる仕組みを提供することを目的とする。
光学長（レンズ長）に比べて相対的に薄い高屈折率層と低屈折率層が光学部材の横方向（光軸に対して垂直となる平面上の任意の方向）に交互に配列されている場合に、低屈折率層や高屈折率層の各幅が入射光の波長オーダーより十分に大きいときには、光学部材を通過する光の等位相面は、入射側の媒質での等位相面と同様に形成され、湾曲することはない。
ところが、低屈折率層や高屈折率層の各幅が入射光の波長オーダーと同程度かより小さくなると、波動方程式の連続性により、低屈折率層内での波面と高屈折率層内での波面とが繋がり、その結果、全体の等位相面が湾曲する現象が生じる。
本発明に係る光学部材は、前記知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明に係る光学部材の一実施形態は、光学長（レンズ長）に比べて相対的に薄く、屈折率の大きい高屈折率層と屈折率の小さい低屈折率層が光軸に対して横方向に交互に配列したものとする。ここで、高屈折率層および低屈折率層の各幅は、入射光の波長オーダーまたはそれより小さいものとする。
波長オーダーまたはそれより小さい幅の低屈折率層と高屈折率層とを横方向に並べて光学部材としての機能を持たせる際には、部材の中心と端部の高屈折率層の各密度の配置関係を調整することで、等位相面の湾曲具合を調整することができる。
これにより、凸レンズ機能（集光性）を持たせることもできれば、凹レンズ機能（拡散性）を持たせることもできる。また、斜め入射光を垂直入射光に変換する機能（斜め光補正機能）を持たせることもできる。低屈折率層と高屈折率層の各配列幅を調整することで等位相面（波面）の湾曲状態を制御することのできる新たな仕組みの光学部材（光学レンズ）が実現できることになる。このような仕組みの光学部材を波面制御レンズと呼ぶことにする。
たとえば、各高屈折率層を、部材の機械的な中心では密に配置し、中心から離れるに従って疎になるように、左右対称に配置すれば、凸レンズ機能（集光性）を果たすようになる。低屈折率層側から見れば、部材の機械的な中心では粗に配置し、中心から離れるに従って密になるように、左右対称に配置すれば、凸レンズ機能（集光性）を果たすようになる。
各高屈折率層を、部材の機械的な中心では粗に配置し、中心から離れるに従って密になるように、左右対称に配置すれば、凹レンズ機能（発散性）を果たすようになる。低屈折率層側から見れば、部材の機械的な中心では密に配置し、中心から離れるに従って粗になるように、左右対称に配置すれば、凹レンズ機能（発散性）を果たすようになる。
高屈折率層および低屈折率層の少なくとも一方を、各幅が、横方向に非対称に配置すれば、斜め光補正機能を果たすようになる。
また、好ましくは、波面制御の仕組みに加えて、主光線の斜め入射に垂直な方向には、構造体を画素サイズより短くかつ対称性を持たせて配置する構造にして集光効果（レンズ機能）や斜め入射光補正機能を持たせるようにしてもよい。詳細は後述するが、このような構造を採ると、波面制御に加えて、ゾーンプレートの回折レンズ効果を入れた構造にでき、集光効率が高まる。加えて、マスクパターンは単純な垂直線と水平線または場合によっては斜め４５度線のみでよく、曲線を必要としない。微細画素でも、マスクパターンが単純であるために、最小線幅に余裕を持たせることが可能になるし、マスク設計が容易になる。
このような光学部材は、独立した部材として、レーザ走査光学系などに用いられる従来の一般的な光学レンズと置き換えて使用することができる。
ただし、固体撮像装置との組合せにおいては、画素アレイ部などが形成される半導体基板上に、光学部材を一体的に形成するのが好ましい。組合せ対象の固体撮像装置としては、光電変換が行なわれるセンサ部が形成されている半導体基体の表面側に配線層や電極層が形成され、その表面側から光を入射させる通常の表面照射型のものに限らず、表面側とは反対の裏面側から光を入射させる裏面照射型のもでもよい。裏面照射型でも、斜め光入射による混色が問題となり得るが、本発明の光学部材による斜め光補正効果を機能させることで、この混色の問題が緩和される。
また、固体撮像装置との組合せにおいては、導波路（導光路）と組み合わせる構造を採ってもよい。この場合、導波路の全反射条件を満たすように光を導波路に導入する必要があるが、本発明の光学部材による集光効果や斜め光補正効果を機能させることで、光を導波路に容易に導入でき、加えて、導波路の全反射条件を斜め光でも満たすことができる。
固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とが纏めてパッケージングされた、撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
また、本発明は、固体撮像装置のみではなく、撮像装置にも適用可能である。この場合、撮像装置として、固体撮像装置と同様の効果が得られる。ここで、撮像装置は、たとえば、カメラ（あるいはカメラシステム）や撮像機能を有する携帯機器のことを示す。また「撮像」は、通常のカメラ撮影時の像の撮り込みだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。
本発明の一実施形態によれば、入射光の波長オーダーまたはそれより小さいレンズ長よりも薄い高屈折率層と低屈折率層を光軸に対して横方向に交互に配列して光学部材を構成したので、入射光が光学部材を通過するときに等位相面を、高屈折率層と低屈折率層の各幅の配列状態に応じて湾曲させることができる。その結果、光学部材は、高屈折率層と低屈折率層の各幅の配列状態に応じた光学特性（たとえば集光機能、発散機能、あるいは入射角変換機能）を示すようになる。
このように高屈折率層と低屈折率層を交互に横方向に配列した光学部材は、光学長よりも短く薄い部材にすることができ、従来のスネル則を利用した屈折型レンズ構造のものよりも薄い部材にすることができる。その結果、従来のような相対的に厚みのある構造のレンズで生じていた問題を緩和・解消することができる。
たとえば、撮像デバイスの上層が薄くなり、混色が減るので色再現性がよくなる。演算処理による混色対策が不要になるので、余分なノイズ発生も少なくなる。またＦ値光感度低下を防いだり、斜め入射光を垂直入射光に補正したりすることもでき、シェーディング対策にもなる。
また、薄い低屈折率層と高屈折率層が交互に配列されて部材が構成されているので、フレネルレンズのような大きい屈折率の段差はなく、斜め入射光に対しても反射や屈折による発散する光は少ない。その結果、集光効率を高めることができるし、斜め入射光による混色の問題も解決できる。
薄い低屈折率層と高屈折率層を横方向に交互に配列されたものとすればよく、半導体プロセスに準じた製造ができ、作製の工程が簡便でコストが低く抑えられる。
低屈折率層と高屈折率層の各配列幅を調整することで光学特性を制御できるので、球面レンズに比べて光学的に設計の幅が広がる利点もある。
また、本発明に係る光学部材として、主光線の斜め入射に垂直な方向には、構造体を画素サイズより短くかつ対称性を持たせて配置する構造にすれば、微細画素でも、最小線幅に余裕を持った状態でも集光効果（レンズ機能）や斜め入射光補正機能を持たせることが可能となる。
また、このような構造にすることで、マスクパターンは、縦線または横線または斜め４５度線で構成される図形のみでも可能になるので、通常のマスク発生システムにより、この構造の光学部材を製造することができる。特殊なマスク発生システムが不要である。
また、マスクパターンを、円形（楕円を含む）や曲線を含まない、縦線または横線または斜め４５度線で構成される図形のみで構成することで、角形の頂点座標を指定する比較的簡単な低次の関数式（一次方程式など）を用いた各画素位置のレンズ設計（マスクパターン設計）も可能になる。このことは、設計から製造までの全体のコストを低減する上でも効果がある。
光学レンズの第１実施形態の基本原理を説明するための等位相面を示す図（その１）である。 光学レンズの第１実施形態の基本原理を説明するための等位相面を示す図（その２）である。 第１実施形態の光学レンズの平面模式図である。 光学レンズの第１実施形態を適用した固体撮像装置の第１例（適用例１）を説明する断面模式図である。 第１実施形態（適用例１）の固体撮像装置のより具体的な断面図である。 第１実施形態（適用例１）のシミュレーション結果を示す図（途中過程のもの）である。 第１実施形態（適用例１）のシミュレーション結果を示す図（λ＝７８０，６４０ｎｍ）である。 第１実施形態（適用例１）のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０，４８０ｎｍ）である。 光学レンズの第１実施形態を適用した固体撮像装置の第２例（適用例２）を説明する断面模式図である。 第１実施形態（適用例２）のシミュレーション結果を示す図（λ＝７８０，６４０ｎｍ）である。 第１実施形態（適用例２）のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０，４８０ｎｍ）である。 光学レンズの第１実施形態を適用した固体撮像装置の第３例（適用例３）を説明する断面模式図である。 第１実施形態（適用例３）のシミュレーション結果を示す図（λ＝７８０，６４０ｎｍ）である。 第１実施形態（適用例３）のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０，４８０ｎｍ）である。 光学レンズの第１実施形態を適用した固体撮像装置の第４例（適用例４）を説明する断面模式図である。 第１実施形態（適用例４）の固体撮像装置のより具体的な断面図である。 第１実施形態（適用例４）のシミュレーション結果を示す図（λ＝７８０，６４０ｎｍ）である。 第１実施形態（適用例４）のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０，４８０ｎｍ）である。 第１実施形態の交互配置層による凸レンズに対する第１比較例を説明する図である。 第１実施形態の交互配置層による凸レンズに対する第２比較例を説明する図である。 第１実施形態の交互配置層による凸レンズに対する第３比較例を説明する図である。 光学レンズの第１実施形態の変形例１を適用した変形例１の固体撮像装置を説明する断面模式図である。 変形例１のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０ｎｍ）である。 光学レンズの第１実施形態の変形例２を適用した変形例２の固体撮像装置を説明する断面模式図である。 変形例２のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０ｎｍ）である。 第１実施形態の構造（たとえば図２の適用例１）において、斜め入射光を入射したときのシミュレーション結果を示す図である。 光学レンズの第２実施形態の基本原理を説明するための等位相面を示す図である。 固体撮像装置の受光光学系を説明する図である。 第２実施形態の光学レンズの１つ分の平面模式図である。 第２実施形態の光学レンズを固体撮像装置の画素アレイ部上に適用した場合の平面概略図である。 光学レンズの第２実施形態を適用した固体撮像装置を説明する断面模式図である。 第２実施形態の固体撮像装置のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０ｎｍ）である。 光学レンズの第３実施形態の基本原理を説明するための等位相面を示す図である。 レンズの重心を説明する図である。 光学レンズの第３実施形態の平面模式図（その１）である。 光学レンズの第３実施形態の平面模式図（その２）である。 光学レンズの第３実施形態を適用した固体撮像装置の第１例（適用例１）を説明する断面模式図である。 第３実施形態（適用例１）のシミュレーション結果を示す図（λ＝５４０）である。 光学レンズの第３実施形態を適用した固体撮像装置の第２例（適用例２：ＣＭＯＳ対応）を説明する回路図である。 第３実施形態（適用例２）の固体撮像装置における画素アレイ部上に適用した交互配置層の平面概略図である。 光学レンズの第３実施形態を適用した固体撮像装置の第３例（適用例３：ＣＣＤ対応）を説明する回路図である。 第３実施形態（適用例３）の固体撮像装置の基板表面付近の断面構造図である。 第３実施形態（適用例３）の固体撮像装置における画素アレイ部上に適用した交互配置層の平面概略図である。 光学レンズの第４実施形態の基本原理を説明するための等位相面を示す図である。 第１〜第４実施形態の交互配置層を固体撮像装置と一体的に形成する場合の本実施形態の製造プロセスを説明する概念図である。 本実施形態の製造プロセスに対する比較例（インナーレンズ形成の場合）を説明する概念図である。 本実施形態の製造プロセスに対する比較例（オンチップレンズ形成の場合）を説明する概念図である。 第５実施形態に対する参考例の光学レンズのｙ断面・ｚ断面の模式図である。 第５実施形態に対する参考例の光学特性のシミュレーション結果を示す図（λ＝５５０）である。 第５実施形態に対する参考例の光学特性のシミュレーション結果を示す図（λ＝５５０）である。 第５実施形態の光学レンズのｙ断面・ｚ断面の模式図である。 第５実施形態の光学特性のシミュレーション結果を示す図（λ＝５５０）である。 光学レンズの第５実施形態（変形例）を説明する図（ｚ断面の模式図）である。 第６実施形態（第１例）の光学レンズのｚ断面の模式図である。 第６実施形態（第１例）の光学特性の３次元の波動シミュレーション結果を示す図である。 第６実施形態（第２例）の光学レンズのｚ断面の模式図である。 第６実施形態（第２例）の光学特性の３次元の波動シミュレーション結果を示す図である。 第６実施形態（第３例）の光学レンズのｚ断面の模式図である。 第６実施形態（第３例）の光学特性の３次元の波動シミュレーション結果を示す図である。 光学レンズの第６実施形態（第１例の変形例）を説明する図（ｚ断面の模式図）である。 光学レンズの第６実施形態（第２例の変形例）を説明する図（ｚ断面の模式図）である。 光学レンズの第６実施形態（第３例の変形例）を説明する図（ｚ断面の模式図）である。 第６実施形態の光学レンズを固体撮像装置に適用するに当たっての基本概念を説明する図である。 第６実施形態の光学レンズを適用した固体撮像装置（適用例１）を説明する図である。 第６実施形態（変形例）の光学レンズを適用した固体撮像装置（適用例２）を説明する図である。 本実施形態の光学レンズの製法（特にマスクパターンの設計手法）における座標と原点の関係を説明する図である。 第６実施形態（第２例）の光学レンズに着目した設計式を説明する図である。 設計式における係数の符号の決定方法を説明する図（ｙ方向シフトの場合）である。 設計式における係数の符号の決定方法を説明する図（ｘ方向シフトの場合）である。 本実施形態の光学レンズを導波路および固体撮像装置と組み合わせる適用例を説明する図（その１）である。 本実施形態の光学レンズを導波路および固体撮像装置と組み合わせる適用例を説明する図（その２）である。 本実施形態の光学レンズを裏面照射型の固体撮像装置に適用する例を説明する図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。各機能要素について実施形態別に区別する際には、Ａ，Ｂ，Ｃ，…などのように大文字の英語の参照子を付して記載し、特に区別しないで説明する際にはこの参照子を割愛して記載する。図面においても同様である。
＜第１実施形態：凸レンズの基本＞
図１〜図１Ｂは、光学レンズの第１実施形態の基本原理を説明する図である。ここで図１および図１Ａは等位相面を示す図であり、図１Ｂは第１実施形態の光学レンズの平面模式図である。
後述する他の実施形態も含めて、本実施形態の各光学レンズは、基本的には、光軸に対して横方向に、屈折率の大きい矩形状の層と小さい矩形状の層を交互に配列するとともに、それぞれの幅を波長オーダーまたはそれより小さい幅の構造を有するものとすることでレンズ機能を持たせる。
たとえば、光リソグラフィならびに電子線リソグラフィに代表されるプレーナープロセス技術を利用して形成される、サブ波長の周期構造を有する集光素子（Subwave length Lens ：ＳＷＬＬ）の仕組みを利用することで、「波長オーダーまたはそれより小さい幅の構造」を形成できる。
ＳＷＬＬを固体撮像装置用の集光素子に用いることで、一般的な半導体プロセスで、オンチップレンズを形成することができ、また、レンズの形状を自由に制御することができるようになる。
ここで、第１実施形態は、集光効果を持つ凸レンズに関するものである。このため、屈折率の大きい層を、板状に、かつ中心（レンズの機械的な中心：本例では光軸位置と一致）が密で中心から離れるに従って疎になる左右対称構造にする。屈折率の小さい層の側面から言えば、各低屈折率層は、部材の機械的な中心では粗に配置され、中心から離れるに従って密になる左右対称構造にする。レンズの左右が対称である（左右対称構造を持つ）点で、後述する第２あるいは第３実施形態と相違する。
中心が密で中心から離れるに従って疎になる構造とすることで凸レンズ機能を持たせるには、たとえば、屈折率の大きい層の幅がレンズの中心に向かって徐々に大きくなる構造を有するものとする第１の凸レンズ化手法、屈折率の小さい層の幅がレンズの中心に向かって徐々に小さくなる構造を有するものとする第２の凸レンズ化手法、あるいはこれら第１および第２の凸レンズ化手法を併用した第３の凸レンズ化手法の何れかを採用するのがよい。集光効率の面では第３の凸レンズ化手法を適用するのが最も効果的である。
先ず、図１に示すように、屈折率ｎ０のみの板状の単一材層１が存在し、それ（詳しくは位相面１_4側）に隣接して、屈折率ｎ０の矩形状の層（低屈折率層と称する）２０と屈折率ｎ０よりも高い（大きい）屈折率ｎ１（ｎ１＞ｎ０）の矩形状の層（高屈折率層と称する）２１とをそれぞれ横方向に交互に配列した板状の層（交互配置層と称する）２Ａが設けられているものとする。交互配置層２Ａのさらに後方（光入射側とは反対側）には、屈折率ｎ０のみの板状の単一材層３が設けられると考えてよい。詳細は後述するが、交互配置層２Ａは、集光効果を持つ光学レンズ（凸レンズ）の機能をなす。
交互配置層２Ａにおいては、光学中心CLに対して右側のものには“Ｒ”と参照番号を、左側のものには“Ｌ”と参照番号を付して示す。右側と左側の区別をしないときには、“Ｒ”，“Ｌ”を割愛して説明する。これらは、後述する他の例でも同様である。
図示した第１実施形態の基本例の構成では、中心CLに対して左右対称に屈折率の大きい矩形状の高屈折率層２１が５層設けられ、その間に屈折率の小さい低屈折率層２０が４層設けられている。高屈折率層２１Ｒ_1〜２１Ｒ_5，２１Ｌ_1〜２１Ｌ_5の幅は、中心CLに向かって徐々に大きくなる構造を有するとともに、低屈折率層２０Ｒ_1〜２０Ｒ_4，２０Ｌ_1〜２０Ｌ_4の幅が中心CLに向かって徐々に小さくなる構造を有する。つまり、この第１実施形態の基本例では、前述の第１および第２の凸レンズ化手法を併用した第３の凸レンズ化手法を採用したものである。
交互配置層２Ａは、全体としては、屈折率の大きい高屈折率層２１Ｒ_k，２１Ｌ_k（本例ではｋ＝１〜５）が、板状に、かつ中心が密で中心から離れるに従って疎になる構造になっている。高屈折率層１２１に着目すれば、レンズの中心では幅広で周辺では幅狭の構造になっている。
ここで、図１に示すように、光が屈折率ｎ０のみの単一材層１側から入射したとする。そのとき、光速ｃはｃ＝ｃ０／ｎ１となる。ここでｃ０は真空中の光速である。したがって、板状の交互配置層２Ａにおける高屈折率層２１のそれぞれにおいて、その中では光速が小さくなり、結果として図１のように、単一材層１と同様の等位相面（波面）が形成されると考えられる。しかしながら、高い屈折率ｎ１の高屈折率層２１やその横の屈折率の小さい低屈折率層２０の横方向の長さ（つまり幅）が波長オーダーより大きいときにはこれが成り立つ。
これに対して、高い屈折率ｎ１の高屈折率層２１やその横の屈折率の小さい低屈折率層２０の横方向の長さ（幅）が波長オーダー程度かまたはそれより短い場合には、単一材層１と同様の等位相面（波面）が形成されず、高屈折率層２１とその横の低屈折率層２０の幅の並び方に応じて波面が湾曲する。
具体的には、波動方程式の連続性により、低屈折率層２０_j内での波面と高屈折率層２１_k内での波面が連続的に繋がり、その結果、全体の等位相面が湾曲する。図１に示したように、屈折率の大きい高屈折率層２１_kが、板状に、かつ中心が密で中心から離れるに従って疎になる構造を持つ場合、図１Ａに示すようになる。屈折率が大きい所（高屈折率層２１）と小さい所（低屈折率層２０）の光速が異なることが原因である。
図から判るように、光の波面が交互配置層２Ａによって凹面になり、それがさらに後方の屈折率ｎ０のみの板状の単一材層３を通過していく。結果として、図示のように、レンズ中心を境に左右では中心側に入射光の経路を変換する機能が働き、集光性を持たせることができる。屈折率が大きい高屈折率層２１と小さい低屈折率層２０の光速が異なることと、波動関数の連続性を組み合わせることで、凸レンズ効果を享受できるようになる。
以上から理解されるように、第１実施形態の光学レンズは、屈折率の大きい高屈折率層２１_kと、屈折率の小さい低屈折率層２０_jとを矩形状で横方向に交互に配列するとともに、その幅を波長オーダーまたはそれより小さい幅の構造を有するものとし、この際に、屈折率の大きい高屈折率層２１_kを中心が密で中心から離れるに従って疎になる構造を持つようにすることで、集光性を持つ凸レンズとして機能させることができる。
高い屈折率ｎ１の高屈折率層２１とその横の屈折率の小さい低屈折率層２０の幅の並び方に応じて波面が湾曲するのであるから、それぞれの幅の並び方を調整することで光の波面の湾曲具合を制御することができ、結果として、凸レンズの集光性を制御することができる。つまり、第１実施形態の交互配置層２Ａは、波面制御の仕組みを利用した集光レンズ（つまり凸レンズ）であると考えることができる。
図１Ａに示す構造から明らかなように、そのレンズ厚は、屈折率の大きい矩形状の高屈折率層２１_kと屈折率の小さい矩形状の低屈折率層２０_jを横方向に交互に配列した交互配置層２Ａの厚さであるから、極めて薄い凸レンズにすることができる。たとえば、従来のスネル則を利用した屈折型レンズ構造では１μｍ以上となってしまうものが、本実施形態の仕組みの光学レンズとすることで、０．５μｍ以下までレンズを薄くできる。
レンズ厚を薄くできれば、固体撮像装置に適用する場合、上層が薄くなることによって、混色が減るので色再現性がよくなる。また、混色が減るので色再現性を回復させるための演算処理が不要となり、演算処理による余分なノイズ発生も少なくなる。また、レンズ厚が薄いので、外付けの結像系レンズのＦ値を小さくする場合でも斜め入射光が増えることはなく、Ｆ値光感度低下の問題が起きない。
交互配置層２Ａは、平面構造においても、当然に、中心が密で中心から離れるに従って疎になる構造になっていればよく、その限りにおいて、様々な平面構造を採ることができる。屈折率の大きい高屈折率層２１_kと屈折率の小さい低屈折率層２０_jのそれぞれの形状は、円形、楕円形、正方形、長方形、三角形など、任意の形状とすることができる。そして、これらの同一と見なし得る形状のものを環状とするものや、異なった形状のものを組み合わせて、各リングの幅が上下左右で同一となるように環状とすればよい。
たとえば、図１Ｂ（１）に示すように、高屈折率層２１_kと低屈折率層２０_jのそれぞれが円形または円形リング形状の、全体として環状となったものでもよい。図１Ｂ（２）に示すように、高屈折率層２１_kと低屈折率層２０_jのそれぞれが楕円または楕円形リング形状の、全体として環状となったものでもよい。図１Ｂ（３）に示すように、高屈折率層２１_kと低屈折率層２０_jのそれぞれが正方形または正方リング形状の、全体として環状となったものでもよい。図１Ｂ（４）に示すように、高屈折率層２１_kと低屈折率層２０_jのそれぞれが長方形または長方リング形状の、全体として環状となったものでもよい。
図示を割愛するが、高屈折率層２１_kと低屈折率層２０_jのそれぞれが三角形または三角リング形状の、全体として環状となったものでもよい。また、図示を割愛するが、たとえば、中心では円形または円形リング形状のものとし、外周では四角リング形状とするなど、中心側と外周側とで異なった形状のものを使用して、それらを組み合わせて、全体として環状となるようにしてもよい。
ただし、凸レンズとしての集光効果は交互配置層２Ａの平面構造、すなわち高屈折率層２１と低屈折率層２０の並び方の平面構造の影響を受けるので、固体撮像素子に応用する場合には、図１Ｂに例示した平面構造、特に中心部の高屈折率層２１_1の形状は、受光部の平面形状に整合させるのがよい。
＜第１実施形態：凸レンズの適用例１＞
図２〜図２Ｄは、光学レンズの第１実施形態を適用した固体撮像装置の第１例（適用例１）を説明する図である。ここで図２は適用例１の固体撮像装置の断面模式図であり、図２Ａは、第１実施形態（適用例１）の固体撮像装置のより具体的な断面図であり、図２Ｂ〜図２Ｄは、その光学特性のシミュレーション結果を示す図である。
第１実施形態（適用例１）の固体撮像装置１００Ａは、屈折率ｎ３が４．１で消衰係数（光の吸収と関連がある係数）ｋが０．０４のシリコンＳｉでなる半導体基板（以下シリコン基板とも称する）１０２上に、屈折率ｎ１が２．０のシリコンナイトライドＳｉ３Ｎ４（以下ＳｉＮと記す）の薄膜層１３０（厚さ＝０．１μｍ）を有し、その上層に、図１〜図１Ｂを用いて説明した構造（交互配置層１１２Ａ）を主要部に持つ光学レンズ１１０Ａを有する。
薄膜層１３０は、シリコン基板１０２に対する反射防止膜として設けられたものである。これにより、有効に光をフォトダイオードなどの受光部に入射させることが可能となる。たとえば、シリコンＳｉとシリコンナイトライドＳｉＮと酸化シリコンＳｉＯ２の屈折率をそれぞれｎ_Ｓｉ ，ｎ_ＳｉＮ ，ｎ_ＳｉＯ２ とするとｎ_Ｓｉ ＞ｎ_ＳｉＮ ＞ｎ_ＳｉＯ２ となる関係がある。この場合、薄膜層１３０の厚みｄが“ｄ≒λ×（ｍ／２＋１／４）／ｎ_ＳｉＮ ”の関係になることで、反射防止膜の機能が有効にでてくる。ここでλは光の波長で、ｍは０以上の整数である。
図２Ａに示すように、シリコン基板１０２の光学レンズ１１０Ａ側の境界近傍（基板表面）には、ＰＮ接合でなる光電変換部（受光部）１０４が所定の画素ピッチで配置される。固体撮像装置１００Ａは、複数（たとえば数百万個）の光電変換部１０４を縦横にあるいは斜め方向に規則的に配列してなる画素アレイ部を有する。
光学レンズ１１０Ａの光入射面側の上層には、カラーフィルタ１０６やオンチップレンズ１０８が必要に応じて設けられる。オンチップレンズ１０８は、スネル則を利用した屈折型レンズ構造のものである。
図２Ａに示した例は、上層レンズ（表面レンズ）としてオンチップレンズ１０８を使用し、層内集光レンズとして光学レンズ１１０Ａの交互配置層１１２Ａを使用する例で示しているが、オンチップレンズ１０８を交互配置層１１２Ａに置き換えることもできる。この場合、その交互配置層１１２Ａは、デバイス上層内に埋め込まれたものではなく、デバイスの最も上層にレンズ構造として配されたものとなり、その表面は空気と接することになる。
オンチップレンズ１０８は、スネル則を利用した屈折型レンズ構造のものであり、レンズそのものが１μｍ程度で厚いため、デバイス上層が厚くなってしまい、斜め入射光による混色の問題が起こり得るが、交互配置層１１２Ａに置き換えることでその問題を軽減できる。
図２Ａに示した例は、画素アレイ部の周辺部の状態を示したもので、オンチップレンズ１０８を通過した斜め入射光が交互配置層１１２Ａの中心を通るように、オンチップレンズ１０８の中心と光学レンズ１１０Ａの１周期分の交互配置層１１２Ａの中心とをずらして配置している。画素アレイ部の中央部では、その必要がなく、オンチップレンズ１０８の中心と光学レンズ１１０Ａの１周期分の交互配置層１１２Ａの中心とを一致させて配置する。
詳細な説明は割愛するが、交互配置層１１２Ａとシリコン基板１０２の表面（薄膜層１３０側）との間には、配線層１０９が設けられる。配線層１０９では、各光電変換部１０４の電荷蓄積動作や信号読出し動作を制御するためのアルミニウム配線が、光電変換部１０４への光路を妨げないように設けられる。
光学レンズ１１０Ａは、屈折率ｎ１が１．４６の酸化シリコンＳｉＯ２の厚みのある層（酸化シリコン層と称する）を媒質として有し、その光入射側の表面近傍に、図１〜図１Ｂを用いて説明した交互配置層２Ａと同様の構造の交互配置層１１２Ａを有する。交互配置層１１２Ａよりも光入射側が、図１〜図１Ｂを用いて説明した単一材層１と同様の単一材層１１１となり、交互配置層１１２Ａよりもシリコン基板１０２側が、図１〜図１Ｂを用いて説明した単一材層３と同じ単一材層１１３となる。
光学レンズ１１０Ａの１周期（つまりレンズサイズ）を画素サイズ（＝画素ピッチ）３．６μｍに整合させる。シリコン基板１０２の表面、すなわちシリコン基板１０２と薄膜層１３０との境界面から交互配置層１１２Ａまでの距離（厚さ：実質的なレンズ長）を３．６μｍ、交互配置層１１２Ａの厚さ（実質的なレンズ厚）を０．５μｍとする。これからも判るように、高屈折率層２１_Kと低屈折率層２０_jが交互に配列されて構成されている交互配置層１１２Ａは、光学長（レンズ長）に比べて十分に薄く設定されている。
交互配置層１１２Ａは、屈折率ｎ０が１．４６の酸化シリコンＳｉＯ２の矩形状の低屈折率層１２０と、屈折率ｎ１が２．０のシリコンナイトライドＳｉＮの矩形状の高屈折率層１２１とを、高屈折率層１２１の幅がレンズの中心に向かって徐々に大きくなるとともに、低屈折率層１２０の幅がレンズの中心に向かって徐々に小さくなるように配置することで、高屈折率層１２１を、板状に、かつ中心が密で中心から離れるに従って疎になる構造にしている。
第１実施形態（適用例１）において、１周期内における交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_k（何れも図示せず）の幅や境界距離（本例では隣接する低屈折率層１２０Ｒ_5，１２０Ｌ_5の合成幅）は以下のように設定する。
高屈折率層１２１Ｒ_1＋高屈折率層１２１Ｌ_1：０．４５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_2，高屈折率層１２１Ｌ_2：０．２５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_3，高屈折率層１２１Ｌ_3：０．２０μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_4，高屈折率層１２１Ｌ_4：０．１５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_5，高屈折率層１２１Ｌ_5：０．１０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_1，低屈折率層１２０Ｌ_1：０．１０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_2，低屈折率層１２０Ｌ_2：０．１５μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_3，低屈折率層１２０Ｌ_3：０．２０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_4，低屈折率層１２０Ｌ_4：０．２２５μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_5＋低屈折率層１２０Ｌ_5：０．４０μｍ
図から判るように、光学レンズ１１０Ａの交互配置層１１２Ａは、屈折率が１．４６の酸化シリコンＳｉＯ２の低屈折率層１２０と屈折率が２．０のシリコンナイトライドＳｉＮの高屈折率層１２１の周期構造によって入射光を湾曲させるＳＷＬＬ構造の集光素子となっている。本例では、シリコンナイトライドＳｉＮおよび酸化シリコンＳｉＯ２の周期構造を持つ交互配置層１１２Ａは、低屈折率層１２０および高屈折率層１２１の何れも、横方向の最小線幅を０．１μｍ、レンズの厚みを０．５μｍとしている。
図２Ｂは、図２に示した光学レンズ１１０Ａを通過する波長λが５４０ｎｍの緑色光に関してのシミュレーション結果を示す。図中、ｃＴは、光速ｃに時間Ｔを掛けたもので、光が真空中を進んだ距離（単位μｍ）を表す。ここでは、シミュレーションに掛った時間と捉えてもよい。
先ず図２Ｂ（１）は、図２に示した光学レンズ１１０Ａの交互配置層１１２Ａを通過した直後のシミュレーション結果である。この結果から、交互配置層１１２Ａを通過した緑色光のフロント（シリコン基板１０２側）の波面が凹面になっていることが判る。
図２Ｂ（２）は、交互配置層１１２Ａを通過し、さらにシリコン基板１０２（つまり光電変換素子）の表面にほぼ到達したときのシミュレーション結果である。この結果から、各光学レンズ１１０Ａの中心に緑色光が集光しており、緑色光（λ＝５４０ｎｍ）に関して凸レンズ効果があるのが判る。図示を割愛するが、近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）についても、同様にレンズ効果がある。
図２Ｃおよび図２Ｄは、図２に示した第１実施形態（適用例１）の光学レンズ１１０Ａと同様の構造を持つ光学レンズを適用した第１実施形態（適用例１）の固体撮像装置１００Ａに関してのシミュレーション結果を示す図であり、それぞれ近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、緑色光（λ＝５４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）の結果である。これらからも判るように、何れの波長の光も、光学レンズ１１０Ａによりで集光されていて、凸レンズ効果がある。
＜第１実施形態：凸レンズの適用例２＞
図３〜図３Ｂは、光学レンズの第１実施形態を適用した固体撮像装置の第２例（適用例２）を説明する図である。ここで図３は第１実施形態（適用例２）の固体撮像装置の断面模式図であり、図３Ａおよび図３Ｂは、その光学特性のシミュレーション結果を示す図である。
第１実施形態（適用例２）の固体撮像装置１００Ａは、基本的には、第１実施形態（適用例１）の固体撮像装置１００Ａと同様の構造にしつつ、横方向の最小線幅を０．１μｍではなく、０．２μｍとしたものである。この横方向の最小線幅の変更に伴い、交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_kの各数や幅や境界距離を調整する。
具体的には、第１実施形態（適用例２）において、光学レンズ１１０Ａの１周期内における交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_k（何れも図示せず）の幅や境界距離（本例では隣接する高屈折率層１２１Ｒ_4，１２１Ｌ_4の合成幅）は以下のように設定する。
高屈折率層１２１Ｒ_1＋高屈折率層１２１Ｌ_1：０．７５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_2，高屈折率層１２１Ｌ_2：０．２５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_3，高屈折率層１２１Ｌ_3：０．２５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_4＋高屈折率層１２１Ｌ_4：０．２０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_1，低屈折率層１２０Ｌ_1：０．２０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_2，低屈折率層１２０Ｌ_2：０．２５μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_3，低屈折率層１２０Ｌ_3：０．３７５μｍ
図３Ａおよび図３Ｂは、図３に示した第１実施形態（適用例２）の光学特性のシミュレーション結果を示す図であり、それぞれ近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、緑色光（λ＝５４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）の結果である。
これらからも判るように、横方向の最小線幅を０．１μｍから０．２μｍと変更する場合でも、交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_kの各数や幅や境界距離を適正に設定することで、何れの波長の光も、交互配置層１１２Ａにより集光でき、凸レンズ効果がある。
＜第１実施形態：凸レンズの適用例３＞
図４〜図４Ｂは、光学レンズの第１実施形態を適用した固体撮像装置の第３例（適用例３）を説明する図である。ここで図４は第１実施形態（適用例３）の固体撮像装置の断面模式図であり、図４Ａおよび図４Ｂは、その光学特性のシミュレーション結果を示す図である。
第１実施形態（適用例３）の固体撮像装置１００Ａは、基本的には、第１実施形態（適用例１）の固体撮像装置１００Ａと同様の構造にしつつ、交互配置層１１２Ａの厚さ（実質的なレンズ厚）を、０．５μｍではなく、より薄い０．３μｍとしたものである。このレンズ厚の変更に伴い、必要に応じて、交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_kの各数や幅や境界距離を調整する。本例では、第１実施形態（適用例１）と全く同じにしている。
具体的には、第１実施形態（適用例３）において、１周期内における交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_k（何れも図示せず）の幅や境界距離（本例では隣接する低屈折率層１２０Ｒ_5，１２０Ｌ_5の合成幅）は以下のように設定する。上述のように、第１実施形態（適用例１）に対して、縦方向の厚み寸法を０．５μｍから０．３μｍに変更しているが、横方向の幅寸法は同じである。
高屈折率層１２１Ｒ_1＋高屈折率層１２１Ｌ_1：０．４５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_2，高屈折率層１２１Ｌ_2：０．２５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_3，高屈折率層１２１Ｌ_3：０．２０μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_4，高屈折率層１２１Ｌ_4：０．１５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_5，高屈折率層１２１Ｌ_5：０．１０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_1，低屈折率層１２０Ｌ_1：０．１０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_2，低屈折率層１２０Ｌ_2：０．１５μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_3，低屈折率層１２０Ｌ_3：０．２０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_4，低屈折率層１２０Ｌ_4：０．２２５μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_5＋低屈折率層１２０Ｌ_5：０．４０μｍ
図４Ａおよび図４Ｂは、図４に示した第１実施形態（適用例３）の光学特性のシミュレーション結果を示す図であり、それぞれ近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、緑色光（λ＝５４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）の結果である。
これらからも判るように、交互配置層１１２Ａの厚さ（実質的なレンズ厚）を、０．５μｍから０．３μｍと変更する場合でも、交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_kの各数や幅や境界距離を適正に設定することで、何れの波長の光も、交互配置層１１２Ａにより集光でき、凸レンズ効果がある。
＜第１実施形態：凸レンズの適用例４＞
図５〜図５Ｃは、光学レンズの第１実施形態を適用した固体撮像装置の第４例（適用例４）を説明する図である。ここで図５は第１実施形態（適用例４）の固体撮像装置の断面模式図であり、図５Ａは、より具体的な断面図であり、図５Ｂおよび図５Ｃは、その光学特性のシミュレーション結果を示す図である。
第１実施形態（適用例４）の固体撮像装置１００Ａは、基本的には、第１実施形態（適用例１）の固体撮像装置１００Ａと同様の構造にしつつ、画素サイズまたはレンズサイズを３．６μｍではなく、より小さくして１．４μｍとしたものである。この画素サイズまたはレンズサイズの変更に伴い、シリコン基板１０２と薄膜層１３０との境界面から交互配置層１１２Ａまでの距離（厚さ：実質的なレンズ長）および交互配置層１１２Ａの厚さ（質的なレンズ厚）、並びに、交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率
層１２１_kの各数や幅や境界距離を調整する。
具体的には、第１実施形態（適用例４）において、先ず、交互配置層１１２Ａの厚さ（実質的なレンズ厚）を０．５μｍとする。光学レンズ１１０Ａの１周期（つまりレンズサイズ）を画素サイズ（＝画素ピッチ）１．４μｍに整合させる。
光学レンズ１１０Ａの１周期内における交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_k（何れも図示せず）の幅や境界距離（本例では隣接する低屈折率層１２０Ｒ_3，１２０Ｌ_3の合成幅）は以下のように設定する。
高屈折率層１２１Ｒ_1＋高屈折率層１２１Ｌ_1：０．２５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_2，高屈折率層１２１Ｌ_2：０．１５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_3，高屈折率層１２１Ｌ_3：０．１０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_1，低屈折率層１２０Ｌ_1：０．１０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_2，低屈折率層１２０Ｌ_2：０．１３μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_3＋低屈折率層１２０Ｌ_3：０．１９μｍ
また、光学レンズ１１０Ａの主要部をなす交互配置層１１２ＡのシリコンナイトライドＳｉＮでなる各高屈折率層１２１_kの上下には、各高屈折率層１２１_kと同幅で、屈折率ｎ４が１．７のＳｉＯＮの薄膜（厚さ＝０．０８μｍ）を反射防止膜１２４としてを付ける。反射防止膜１２４は、シリコンナイトライドＳｉＮと酸化シリコンＳｉＯ２の間の中間的な屈折率材料（本例では屈折率が１．７のＳｉＯＮ）の薄膜で、反射による光学的なロスを少なくするためのものである。
反射防止膜１２４は、薄膜であり、その厚さや幅に関わらず、付けても付けなくても、交互配置層１１２Ａのレンズ効果そのものには影響を与えない。もちろん、反射防止膜１２４は、この第１実施形態（適用例４）だけでなく、第１実施形態の適用例１〜３にも付けることができる。
反射防止膜１２４を付ける場合のレンズ長は、シリコン基板１０２と薄膜層１３０との境界面から反射防止膜１２４までの距離であり、本例では２．３μｍに設定する。
図５Ｂおよび図５Ｃは、図５に示した第１実施形態（適用例４）の光学特性のシミュレーション結果を示す図であり、それぞれ近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、緑色光（λ＝５４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）の結果である。
これらからも判るように、画素サイズやレンズサイズを３．６μｍから１．４μｍと変更する場合でも、レンズ長や、交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_kの各数や幅や境界距離を適正に設定することで、何れの波長の光も、交互配置層１１２Ａにより集光でき、凸レンズ効果がある。
＜第１比較例＞
図６は、第１実施形態の光学レンズ１１０Ａが備える交互配置層１１２Ａ（単体としての交互配置層２Ａも）による凸レンズに対する第１比較例を説明する図である。
第１比較例の固体撮像装置１００Ａは、シリコン基板１０２上に配線層１０９を有し、その配線層１０９の上層に層内集光レンズ１０５を有し、その層内集光レンズ１０５の上層にカラーフィルタ１０６およびオンチップレンズ１０８を有する。
層内集光レンズ１０５およびオンチップレンズ１０８は、何れもスネル則を利用した屈折型レンズ構造のものである。このため、レンズそのものが１μｍ程度で厚く、シリコン基板１０２の光入射側であるデバイス上層が厚くなってしまう。これによって、隣の画素からの好ましくない斜め入射光が増加して、この斜め入射光による混色が増加して色再現性が悪くなる。
色再現性を回復させるためにマトリックス演算などの演算処理を行なうことも考えられるが、余分なノイズが発生して画質が劣化する。
外付けの結像系レンズのＦ値を小さくすると、配線層１０９のメタル配線によるケラレにより斜め入射光が増えるために、上層が厚くなることによって理想の感度からの低下が顕著になり、本来の感度が取れなくなるＦ値光感度低下が生じる。
光電変換部１０４が２次元状に配された画素アレイ部の中心に比べて端部で感度が小さくなるいわゆるシェーディング現象も顕著にもなる。主光線が斜めに入射するためケラレの影響がより大きくなるなどのためである。
斜めに入射した光を垂直入射光に補正できるように各レンズを横方向に変形した非対称なレンズ形状にすることも考えられる。しかしながら、製造プロセスの面では、たとえばリフローで各レンズを作製すると、重力や表面張力の影響を受けるので、球面形状しか作製できない。換言すれば、リフローで球面レンズを作製するので、横方向に変形した構造のレンズを作製することはできず、斜めに入射した光を垂直入射光に補正できるようなレンズを作製することができない。
これに対して、第１実施形態の各光学レンズ１１０Ａは、交互配置層１１２Ａを主要部として構成されており、集光効果を持つ凸レンズの機能を、極めて薄いレンズで実現することができる。これにより、デバイスの上層を薄くでき、混色が減るので色再現性がよくなるとともに、演算処理による余分なノイズ発生も少なくなる。またＦ値光感度低下も小さくなる。
さらに、光学レンズ１１０Ａの主要部なす交互配置層１１２Ａは、低屈折率層１２０と高屈折率層１２１とを所定の幅で交互に配列した構造のものであり、リソグラフィ技術やＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などの単純で簡便な加工技術だけで作製できるために（詳細は後述する）、作製の工程が簡便でコストが低く抑えられる。
また、適用例１〜４で示したことから理解されるように、交互配置層１１２Ａによる凸レンズ効果は、矩形状の各低屈折率層１２０および各高屈折率層１２１の幅や配列数を調整することで適宜変更が可能であり、球面レンズに比べて光学的に設計の幅が広がる。
＜第２比較例＞
図６Ａは、第１実施形態の光学レンズ１１０Ａが備える交互配置層１１２Ａ（単体としての交互配置層２Ａも）による凸レンズに対する第２比較例を説明する図である。
第２比較例の固体撮像装置１００Ａは、特開２００５−０１１９６９号公報に記載されているものである。簡単に言えば、オンチップレンズなどの上部レンズで収束された光をさらに収束させて対応する光電変換部に入射させる層内集光レンズを、フレネルレンズをベースとして構成しているものである。
詳しくは、屈折型レンズであるが、波型にすることでレンズを薄くできるようにしている。しかしながら、このレンズは屈折型であるために波長オーダーより薄くするのに限度がある。また、このような波型を作製するのは通常の屈折型レンズの工程よりもさらに複雑な工程となり、コストもさらにかかる。また、球面でしかレンズが作製できず、非対称性を入れることができない。
加えて、フレネルレンズの場合、ある領域に斜め入射した光において本来集光するポイントに集まらないことがある。たとえば図６Ａにおいて、実線のようにレンズの曲面部に光が入射した場合には集光するが、点線のように段差の壁に光が入射すると、壁で反射したり屈折したりすることで、図のように集光せずに発散することになる。このことは、集光効率が低下してしまう上に、発散した光が隣の画素に入射した場合には混色の原因になる。
＜第３比較例＞
図６Ｂは、第１実施形態の光学レンズ１１０Ａが備える交互配置層１１２Ａ（単体としての交互配置層２Ａも）による凸レンズに対する第３比較例を説明する図である。
第３比較例の固体撮像装置１００Ａは、特開２００６−３５１９７２号公報に記載されているものである。集光素子（つまり凸レンズ）を、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって構成されたものとしている。ここで、複数のゾーン領域のうち少なくとも１のゾーン領域は、第１線幅および第１膜厚の同心構造の下段光透過膜と、下段光透過膜の上位に構成される第２線幅および第２膜厚の同心構造の上段光透過膜とを含む。簡単に言えば、２段同心円構造の分布屈折率レンズ（つまりフレネルレンズ）をベースとして集光素子を構成している。
よって、特開２００６−３５１９７２号公報に記載されている第３比較例の集光素子（凸レンズ）は屈折率レンズとなっているが、フレネルレンズをベースとしているので、特開２００５−０１１９６９号公報に記載されている第２比較例の層内集光レンズと同様なことが生じる。図６Ｂにそれを示すが、各領域の境界付近の屈折率の段差に斜め入射光が入ると、壁で反射したり屈折したりすることで、図のように集光せずに発散することになる。このことは、集光効率が低下してしまう上に、発散した光が隣の画素に入射した場合には混色の原因になる。
これに対して、第１実施形態の交互配置層２Ａ（交互配置層１１２Ａ）では、屈折率の大きい高屈折率層１２１と屈折率の小さい低屈折率層１２０が波長オーダー以下で幅が徐々に変化するために、フレネルレンズのような大きい屈折率の段差はなく、斜め入射光に対しても反射や屈折による発散する光は少ない。したがって、集光の劣化が少なく、効率的に光を集めることができる。
また、第１実施形態の１１２（交互配置層２Ａ）の製造プロセスの方が、特開２００５−０１１９６９号公報に記載されている第２比較例の層内集光レンズや特開２００６−３５１９７２号公報に記載されている第３比較例の集光素子の製造プロセスに比べて簡便である。たとえば、図６Ｂに示す構造を見ても判るように、２段階にエッチングするために工程数が多くなり、結果としてコストが高くなる。また、このような複雑なエッチングにより再現性や均一性にも影響し、生産バラツキを生じ易くなる。
第１実施形態の１１２（交互配置層２Ａ）では、高屈折率層２１（高屈折率層１２１）と低屈折率層２０（低屈折率層１２０）を交互に横方向に配列したものであるので、基本的には、高屈折率層２１（高屈折率層１２１）の堆積および１回のエッチング、その後の低屈折率層２０（低屈折率層１２０）の堆積並びにリソグラフィ技術やＲＩＥ法などの単純で簡便な加工技術だけで済むために工程数は少なく、低コストで、かつ再現性や均一性もよくなる。
以上のことから判るように、波面制御の仕組みを利用した集光レンズ（つまり凸レンズ）を層内集光レンズ（あるいは表面レンズ）として使用するものと考えることができる第１実施形態の交互配置層２Ａ（交互配置層１１２Ａ）と、第２比較例（特開２００５−０１１９６９号公報）の層内集光レンズや第３比較例（特開２００６−３５１９７２号公報）の集光素子とは、全く原理が異なる。第２比較例の層内集光レンズや第３比較例の集光素子では、第１実施形態の交互配置層２Ａ（交互配置層１１２Ａ）が持つ効果を享受できない。
＜第４比較例＞
図示を割愛するが、特開２００５−２５２３９１号公報には、屈折率の大きい散乱体を画素内上層に設ける構成（第４比較例と称する）が開示されている。しかしながら、第４比較例の仕組みは、第１実施形態の交互配置層２Ａ（交互配置層１１２Ａ）のように、屈折率の高い高屈折率層１２１を、板状に、かつ中心が密で中心から離れるに従って疎になる構造、具体的には、屈折率の大きい高屈折率層１２１の幅が、レンズの中心に向かって徐々に大きくなる構造、すなわち中心が幅広で周辺が幅狭の構造にはなっていない。
加えて、第４比較例の仕組みでは、散乱効果によるローパスフィルター機能やＭＴＦ制御機能であってレンズ機能ではない。この点は、第１実施形態の交互配置層２Ａ（交互配置層１１２Ａ）は、屈折率が大きい高屈折率層２１（高屈折率層１２１）と小さい低屈折率層２０（低屈折率層１２０）の光速が異なることと、波動関数の連続性を組み合わせることで、凸レンズ効果を享受するものであり、第４比較例の仕組みとは、原理や目的が全く異なる。
＜第５比較例＞
図示を割愛するが、特開２００５−２０３５２６号公報には、レンズ基板に画素に対応して形成された貫通孔に屈折率分布型レンズを埋め込み、貫通孔の径方向に変化した屈折率を有するものとする構成（第５比較例と称する）が開示されている。しかしながら、第５比較例の仕組みは、貫通孔の径方向すなわち横方向に屈折率分布を徐々に変化させるというもので、屈折率が大きい高屈折率層２１（高屈折率層１２１）と小さい低屈折率層２０（低屈折率層１２０）の光速が異なることと波動関数の連続性を組み合わせた交互配置層２Ａ（交互配置層１１２Ａ）により凸レンズ効果を享受する第１実施形態の仕組みとは、基本的な構造のコンセプトが異なる。
第５比較例の仕組みでは、屈折率の大きい層と低い層を順々に横方向に堆積させることも同時に述べているが、現実には横方向からのみならず下からも堆積してしまうために、このような構造にはならず、横方向のみに屈折率の異なる多層構造には容易に作製できない。
これに対して、第１実施形態の１１２（交互配置層２Ａ）では、高屈折率層２１（高屈折率層１２１）と低屈折率層２０（低屈折率層１２０）を交互に横方向に配列したものであるので、基本的には、高屈折率層２１（高屈折率層１２１）の堆積および１回のエッチング、その後の低屈折率層２０（低屈折率層１２０）の堆積と言った縦方向の多層構造並びにリソグラフィ技術やＲＩＥ法などのプロセスでよく、簡便かつ少ない工程数で作製できる利点がある。
＜第１実施形態：凸レンズの変形例１＞
図７および図７Ａは、光学レンズの第１実施形態の第１の変形例（変形例１）を説明する図である。ここで図７は変形例１の光学レンズを適用した変形例１の固体撮像装置を説明する断面模式図である。図７Ａは、その光学特性のシミュレーション結果（λ＝５４０ｎｍ）を示す図である。
第１実施形態の基本例では、中心が密で中心から離れるに従って疎になる構造とすることで凸レンズ機能を持たせるに当たり、第１および第２の凸レンズ化手法を併用した第３の凸レンズ化手法を採用していたが、変形例１では、屈折率の大きい層（高屈折率層１２１_k）の幅がレンズの中心に向かって徐々に大きくなる構造を有するものとする第１の凸レンズ化手法のみを適用したものである。屈折率の小さい層（低屈折率層１２０_j）に関しては全てを等幅にしている。
シリコン基板１０２と薄膜層１３０との境界面から交互配置層１１２Ａまでの距離（厚さ：実質的なレンズ長）を３．６μｍ、交互配置層１１２Ａの厚さ（実質的なレンズ厚）を０．５μｍとする。光学レンズ１１０Ａの１周期（つまりレンズサイズ）を画素サイズ（＝画素ピッチ）３．２５μｍに整合させる。第１実施形態（適用例１）では、レンズサイズや画素サイズを３．６μｍにしていたのに対して若干の相違がある。画素サイズを前例に対して多少変えているが、これは、高屈折率層１２１を適度な寸法（０．０５μｍ単位）にしつつ、低屈折率層１２０も適度な寸法（０．０５μｍ単位）で等幅にする際の調整によるものである。画素サイズを前例とできるだけ同じにしつつ低屈折率層１２０部分を等幅にすることも可能である。
第１実施形態（変形例１）の固体撮像装置１００Ａは、基本的には、第１実施形態（適用例１）の固体撮像装置１００Ａと同様の構造にしつつ、低屈折率層１２０_jの幅を全て同幅とする変更に伴い、交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_kの各数や高屈折率層１２１_kの幅や境界距離を調整する。
具体的には、第１実施形態（変形例１）において、１周期内における交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_k（何れも図示せず）の幅や境界距離（本例では隣接する低屈折率層１２０Ｒ_4，１２０Ｌ_4の合成幅）は以下のように設定する。
高屈折率層１２１Ｒ_1＋高屈折率層１２１Ｌ_1：０．６５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_2，高屈折率層１２１Ｌ_2：０．２５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_3，高屈折率層１２１Ｌ_3：０．２０μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_4，高屈折率層１２１Ｌ_4：０．１５μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_1，低屈折率層１２０Ｌ_1：０．２０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_2，低屈折率層１２０Ｌ_2：０．２０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_3，低屈折率層１２０Ｌ_3：０．２０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_4＋低屈折率層１２０Ｌ_4：０．２０μｍ
屈折率の小さい低屈折率層１２０_jの幅が０．２μｍで等幅になっていて、かつ屈折率の大きい高屈折率層１２１_kの幅が０．６５μｍ，０．２５μｍ，０．２μｍ，０．１５μｍと中心から端にいくほど徐々に小さくなっているのが判る。
図から判るように、第１実施形態（変形例１）においても、光学レンズ１１０Ａの交互配置層１１２Ａは、屈折率が１．４６の酸化シリコンＳｉＯ２の低屈折率層１２０と屈折率が２．０のシリコンナイトライドＳｉＮの高屈折率層１２１の周期構造によって入射光を湾曲させるＳＷＬＬ構造の集光素子となっている。本例では、交互配置層１１２Ａは、低屈折率層１２０の横方向の最小線幅を０．２０μｍ、高屈折率層１２１の横方向の最小線幅を０．１５μｍ、レンズの厚みを０．５μｍとしている。
図７Ａは、図７に示した第１実施形態（変形例１）の光学特性のシミュレーション結果を示す図であり、緑色光（λ＝５４０ｎｍ）の結果である。これらからも判るように、屈折率の小さい層（低屈折率層１２０_j）に関しては全てを等幅にしつつ、屈折率の大きい高屈折率層１２１の幅がレンズの中心に向かって徐々に大きくなる構造を有するものとすることでも、交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_kの各数や幅や境界距離を適正に設定することで、緑色光（λ＝５４０ｎｍ）を、交互配置層１１２Ａにより集光でき、凸レンズ効果がある。
図示を割愛するが、近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）についても、同様に凸レンズ効果がある。
このように、屈折率が小さな低屈折率層１２０_jが等幅でも、屈折率の大きい高屈折率層１２１_kの幅がレンズの中心に向かって徐々に大きくなる構造を有する第１実施形態（変形例１）とすることで、屈折率の高い高屈折率層１２１_kを、板状に、かつ中心が密で中心から離れるに従って疎になる構造にすることができ、第１実施形態（基本例およびその適用例１〜４）と同様に、集光性が存在することが判る。
第１実施形態（変形例１）の構成では、レンズ作製が容易になる効果がある。すなわち、低屈折率層１２０を埋め込むプロセス工程で、リソグラフの分解能が不十分で埋め込み幅を狭くできなかったり、埋め込み幅を狭くするとボイドなどが発生して埋め込み性が悪くなったりして困難な場合、リソグラフや埋め込み可能な幅で変形例１のように等幅にすることで作製が可能となる。特に、この埋め込み可能な幅が波長オーダーぎりぎりでこれ以上幅を広げると等位相面（波面）の連続性が失われるときに有効な手段となる。
＜第１実施形態：凸レンズの変形例２＞
図８および図８Ａは、光学レンズの第１実施形態の第２の変形例（変形例２）を説明する図である。ここで図８は変形例２の光学レンズを適用した変形例２の固体撮像装置を説明する断面模式図である。図８Ａは、その光学特性のシミュレーション結果（λ＝５４０ｎｍ）を示す図である。
第１実施形態の基本例では、中心が密で中心から離れるに従って疎になる構造とすることで凸レンズ機能を持たせるに当たり、第１および第２の凸レンズ化手法を併用した第３の凸レンズ化手法を採用していたが、変形例３では、屈折率の小さい層（低屈折率層１２０_j）の幅がレンズの中心に向かって徐々に小さくなる構造を有するものとする第２の凸レンズ化手法のみを適用したものである。屈折率の大きい層（高屈折率層１２１_k）に関しては全てを等幅にしている。
シリコン基板１０２と薄膜層１３０との境界面から交互配置層１１２Ａまでの距離（厚さ：実質的なレンズ長）を３．６μｍ、交互配置層１１２Ａの厚さ（実質的なレンズ厚）を０．５μｍとする。光学レンズ１１０Ａの１周期（つまりレンズサイズ）を画素サイズ（＝画素ピッチ）３．８５μｍに整合させる。第１実施形態（適用例１）では、レンズサイズや画素サイズを３．６μｍにしていたのに対して若干の相違がある。画素サイズを前例に対して多少変えているが、これは、低屈折率層１２０を適度な寸法（０．０５μｍ単位）にしつつ、高屈折率層１２１も適度な寸法（０．０５μｍ単位）で等幅にする際の調整によるものである。画素サイズを前例とできるだけ同じにしつつ高屈折率層１２１部分を等幅にすることも可能である。
第１実施形態（変形例２）の固体撮像装置１００Ａは、基本的には、第１実施形態（適用例１）の固体撮像装置１００Ａと同様の構造にしつつ、高屈折率層１２１_kを全て同幅とする変更に伴い、交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_kの各数や高屈折率層１２１_kの幅や境界距離を調整する。
具体的には、第１実施形態（変形例２）において、１周期内における交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_k（何れも図示せず）の幅や境界距離（本例では隣接する低屈折率層１２０Ｒ_5，１２０Ｌ_5の合成幅）は以下のように設定する。
高屈折率層１２１Ｒ_1＋高屈折率層１２１Ｌ_1：０．１５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_2，高屈折率層１２１Ｌ_2：０．１５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_3，高屈折率層１２１Ｌ_3：０．１５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_4，高屈折率層１２１Ｌ_4：０．１５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_5，高屈折率層１２１Ｌ_5：０．１５μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_1，低屈折率層１２０Ｌ_1：０．１０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_2，低屈折率層１２０Ｌ_2：０．２０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_3，低屈折率層１２０Ｌ_3：０．３０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_4，低屈折率層１２０Ｌ_4：０．４０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_5＋低屈折率層１２０Ｌ_5：０．５０μｍ
屈折率の大きい高屈折率層１２１_kの幅が０．１５μｍで等幅になっていて、かつ屈折率の小さい低屈折率層１２０_jの幅が０．１０μｍ，０．２０μｍ，０．３０μｍ，０．４０μｍ，０．５０μｍと中心から端にいくほど徐々に大きくなっているのが判る。
図から判るように、第１実施形態（変形例２）においても、光学レンズ１１０Ａの交互配置層１１２Ａは、屈折率が１．４６の酸化シリコンＳｉＯ２の低屈折率層１２０と屈折率が２．０のシリコンナイトライドＳｉＮの高屈折率層１２１の周期構造によって入射光を湾曲させるＳＷＬＬ構造の集光素子となっている。本例では、交互配置層１１２Ａは、高屈折率層１２１の横方向の最小線幅を０．１０μｍ、高屈折率層１２１の横方向の最小線幅を０．１５μｍ、レンズの厚みを０．５μｍとしている。
図８Ａは、図８に示した第１実施形態（変形例２）の光学特性のシミュレーション結果を示す図であり、緑色光（λ＝５４０ｎｍ）の結果である。これらからも判るように、屈折率の大きい層（高屈折率層１２１_k）に関しては全てを等幅にしつつ、屈折率の小さい低屈折率層１２０の幅がレンズの中心に向かっ徐々に小さくなる構造を有するものとすることでも、交互配置層１１２Ａ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_kの各数や幅や境界距離を適正に設定することで、緑色光（λ＝５４０ｎｍ）を、交互配置層１１２Ａにより集光でき、凸レンズ効果がある。
図示を割愛するが、近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）についても、同様に凸レンズ効果がある。
このように、屈折率が大きい高屈折率層１２１_kが等幅でも、屈折率の小さい低屈折率層１２０_jの幅がレンズの中心に向かって徐々に小さくなる構造を有する第１実施形態（変形例２）とすることでも、屈折率の高い高屈折率層１２１_kを、板状に、かつ中心が密で中心から離れるに従って疎になる構造にすることができ、第１実施形態（基本例およびその適用例１〜４）と同様に、集光性が存在することが判る。
第１実施形態（変形例２）の構成では、レンズ作製が容易になる効果がある。すなわち、高屈折率層１２１をリソグラフでエッチングするプロセス工程で、リソグラフの分解能が不十分で狭くできなかったり、あるいはエッチング工程のときにサイドエッチングなどが発生して幅の制御性が悪くなったりすることで、狭い幅のリソグラフやエッチング工程が困難な場合、リソグラフやエッチングが可能な幅で変形例２のように等幅にすることで作製が可能となる。特に、リソグラフやエッチングが可能な幅が波長オーダーぎりぎりでこれ以上幅を広げると等位相面（波面）の連続性が失われるときに有効な手段となる。
＜第２実施形態：凸型レンズ＋斜め入射光補正（別体型）＞
図９〜図１０Ｃは、光学レンズの第２実施形態の基本原理を説明する図である。ここで図９は、第１実施形態の構造（たとえば図２の適用例１）において、斜め入射光を入射したときのシミュレーション結果を示す図である。図１０は光学レンズの第２実施形態の基本原理を説明するための等位相面を示す図である。図１０Ａは、固体撮像装置１００Ａの受光光学系を説明する図である。図１０Ｂは第２実施形態の光学レンズの１つ分の平面模式図である。図１０Ｃは、第２実施形態の光学レンズを固体撮像装置の画素アレイ部上に適用した場合の平面概略図である。なお、図１０Ｃでは、画素アレイ部全体おいて各画素の交互配置層によるレンズ形状に関して、代表的な位置のみをピックアップして拡大して示している。
第２実施形態のレンズ構造は、斜め入射光入射に対する補正機構を備えるようにした点に特徴を有する。後述する第３実施形態との相違点としては、凸レンズ機能を持つ交互配置層１１２Ａに対して、斜め入射光補正機能を有する光学部材を別体で追加する（別の層に配置する）点である。
第１実施形態の構造（たとえば図２の適用例１）において、斜め入射光を入射したときには、図９に示すように、集光位置がレンズ中心に対して横方向に少しずれることが判る。これは、通常の球面レンズでも生じる現象と共通する。このために、第１実施形態の光学レンズの構成では、イメージセンサにおいては、隣の画素からの望ましくない斜め入射光が入射することによる混色の問題や、画素アレイ部の端部で感度低下が顕著になるシェーディングの問題を引き起こす可能性がある。
第２実施形態の光学レンズの構造では、これらの斜め入射光入射に起因する問題を小さくするべく、斜め入射光を垂直入射光にする補正機能を持たせる。その補正機能の仕組みは、図１０に示すように、レンズ中心を境に、片側（図示した例では左側）では高い屈折率の高屈折率層２１が割合で多く存在し、反対側（図示した例では右側）では割合で少なく存在する点に特徴を有する。当然に、レンズの左右が非対称である点で、前述の第１実施形態と相違する。
レンズ中心を境に、片側では高い屈折率の高屈折率層２１が割合で多く存在し、反対側では割合で少なく存在する構造とすることで斜め入射光入射に対する補正機能を持たせるには、たとえば、高屈折率層２１に着目したとき、光学レンズの１周期（つまりレンズサイズ）において、屈折率の大きい高屈折率層２１が一方向に（図示した例では左側に）、幅が徐々に大きくなる構造を有するものとする第１の斜め入射光補正手法を採ることができる。逆に、低屈折率層２０に着目したとき、光学レンズの１周期（つまりレンズサイズ）において、屈折率の小さい低屈折率層２０が一方向に（図示した例では右側に）、幅が徐々に大きくなる構造を有するものとする第２の斜め入射光補正手法を採ることもできる。さらに、これら第１および第２の斜め入射光補正手法を併用した第３の斜め入射光補正手法を採用することもできる。補正効率の面では第３の斜め入射光補正手法を適用するのが最も効果的である。
第２実施形態の光学レンズは、斜め入射光を垂直入射光に変換する機能（入射角変換機能と称する）を持つもので、非対称の重心が、光学レンズの端部（図１０では左端の高屈折率層２１Ｌ_4の中心）になる点で、後述する第３実施形態と異なる。なお、「重心」の定義については、第３実施形態で説明する。
第１の斜め入射光補正手法は、後述する第３実施形態の構成説明を勘案して換言すれば、部材（レンズ：交互配置層２Ｂ）の一方の端部側から光学的な重心位置（本例の場合レンズの他方の端部側）に向かって、屈折率の大きい高屈折率層２１の幅が徐々に大きくなる構造を有するものとする手法である。同様に、第２の斜め入射光補正手法は、後述する第３実施形態との相違を勘案して換言すれば、部材（レンズ：交互配置層２Ｂ）の一方の端部側から光学的な重心位置（本例の場合レンズの他方の端部側）に向かって、屈折率の小さい低屈折率層２０の幅が徐々に小さくなる構造を有するものとする手法である。この説明から理解されるように、入射角変換機能の基本的な考え方は、第２および第３実施形態で相違はない。
先ず、図１０に示すように、光出力側には屈折率ｎ０のみの板状の単一材層１が数層（図では１_1〜１_6の６層）存在し、それ（詳しくは層１_6）に隣接して、屈折率ｎ０の矩形状の層（低屈折率層と称する）２０と屈折率ｎ０よりも高い（大きい）屈折率ｎ１（ｎ１＞ｎ０）の矩形状の層（高屈折率層と称する）２１とをそれぞれ横方向に交互に配列した板状の層（交互配置層と称する）２Ｂが設けられているものとする。図示を割愛するが、交互配置層２Ｂの光入射側には、屈折率ｎ０のみの板状の単一材層が設けられると考えてよい。詳細は後述するが、交互配置層２Ｂは、斜め入射光を垂直入射光に変換する光学レンズの機能をなす。
図示した第２実施形態の基本例の構成では、中心CLに対して左側では、高い屈折率の高屈折率層２１が割合で多く存在し、右側側では割合で少なく存在する構造とするに当たり、左側の高屈折率層２１Ｌ_1〜２１Ｌ_4の幅は、中心CLに向かって徐々に小さくなる構造を有するとともに、右側の高屈折率層２１Ｒ_1〜２１Ｒ_4の幅は、中心CLに向かって徐々に大きくなる構造を有し、屈折率の大きい高屈折率層２１が右から左にかけて一方向に幅が徐々に大きくなる構造を持つ。
加えて、左側の低屈折率層２０Ｌ_1〜２０Ｌ_3の幅は、中心CLに向かって徐々に大きくなる構造を有するとともに、右側の低屈折率層２０Ｒ_1〜２０Ｒ_3の幅は、中心CLに向かって徐々に小さくなる構造を有を有し、屈折率の小さい低屈折率層２０_jが右から左にかけて一方向に幅が徐々に小さくなる構造を持つ。
つまり、この第２実施形態の基本例では、前述の第１および第２の斜め入射光補正手法を併用した第３の斜め入射光補正手法を採用したものである。これにより、図のように、斜め入射光を垂直入射光に変換できることになる。
図１Ａに示した第１実施形態の交互配置層２Ａとの比較においては、交互配置層２Ａのレンズ中心を境に、左右の何れか一方（図示した例では右側）のみの構造としたのが第２実施形態の交互配置層２Ｂに相当することになる。第１実施形態の交互配置層２Ａでは、レンズ中心を境に左右では中心側に入射光の経路を変換する機能が働くのであるが、その機能の片側のみを利用したのが第２実施形態の交互配置層２Ｂと考えることができる。
このような交互配置層２Ｂを交互配置層２Ａの光入射側あるいは光出射側あるいはその双方に配置して固体撮像装置１００Ａに適用すれば、凸レンズ機能の集光ポイントを、画素の中心または光電変換部１０４上に確実にもっていく機能を実現できる。
第２実施形態のレンズ構造においては、このような斜め入射光を垂直入射光に変換する入射角変換機能を持つ交互配置層２Ｂを、集光効果を持つ光学レンズの機能をなす第１実施形態の交互配置層２Ａに積層する。その際には、光入射側に交互配置層２Ｂを配置する構造、すなわち凸レンズ機能を持つ交互配置層２Ａの上に入射角変換機能を持つ交互配置層２Ｂを積層した構造としてもよい。
あるいは、光入射側に交互配置層２Ａを配置する構造、すなわち凸レンズ機能を持つ交互配置層２Ａの下に入射角変換機能を持つ交互配置層２Ｂを積層した構造としてもよい。さらには、光入射側と光出射側の双方に交互配置層２Ｂを配置する構造、すなわち凸レンズ機能を持つ交互配置層２Ａの上下双方に入射角変換機能を持つ交互配置層２Ｂを積層した構造としてもよい。
斜め入射光を垂直入射光に変換できれば、隣の画素からの光が入射する混色の問題や、画素アレイ部の端部で感度低下が顕著になるシェーディングの問題を解決できることになる。
この効果は、たとえば、固体撮像装置１００Ａに適用した場合、図１０Ａに示すように、結像レンズからの主光線が画素アレイ部の端部にいくほど斜め入射になるので、画素アレイ部の中心は斜め補正機能を弱くして、画素アレイ部の端部になるほど補正機能を強くすることでより効果的になる。たとえば、画素アレイ部の端部になるほど、屈折率の大きい高屈折率層２１の割合の非対称性を大きくする。
図１０に示す構造から明らかなように、そのレンズ厚は、屈折率の大きい矩形状の高屈折率層２１_kと屈折率の小さい矩形状の低屈折率層２０_jを横方向に交互に配列した交互配置層２Ｂの厚さであるから、極めて薄い入射角変換レンズ（斜め光補正レンズ）にすることができる。たとえば、０．５μｍ以下までレンズを薄くできる。
交互配置層２Ｂは、平面構造においても、当然に、レンズ中心を境に、片側では高い屈折率の高屈折率層２１が割合で多く存在し、反対側では割合で少なく存在する構造になっていればよく、その限りにおいて、様々な平面構造を採ることができる。
たとえば図１０Ｂに示すように、線状の低屈折率層２０および高屈折率層２１を、所定幅で片方に寄せて配列した構造でもよい。また、図示を割愛するが、低屈折率層２０および高屈折率層２１は曲線状のものでもよい。
凸レンズとしての交互配置層２Ａと組み合わせて固体撮像装置１００Ａの画素アレイ部に適用する場合、画素アレイ部の中心では斜め入射光入射が問題とならないので交互配置層２Ｂが不要である。これに対して、画素アレイ部の端部に行くほど斜め入射光入射が問題となる。このため、図１０Ｃに示すように、たとえば、図１０Ｂに示すような線状の低屈折率層２０および高屈折率層２１を所定幅で片方に寄せて配列した構造を持つ交互配置層２Ｂを、光軸が画素アレイ部の中心に向くように配置する。
この際には、画素アレイ部の端部に行くほど入射角変換機能が強くなるように、画素アレイ部の端部に行くほど低屈折率層２０や高屈折率層２１の割合の変化具合が強くなるようにする。つまり、画素アレイ部の中心では非対称性が無く、画素アレイ部の端部になるほど非対称性が強くなる構造にするのがよい。
ここでは、光電変換素子（受光部）が２次元状に配列されている画素アレイ部の場合で示したが、光電変換素子（受光部）が１次元状に配列されている画素アレイ部の場合でも同様である。
こうすることで、画素アレイ部の端部に行くほど主光線が斜め入射するのを補正して交互配置層２Ａによる各凸レンズの集光ポイントを画素中心に持っていくことができる。このようなレンズ形状を固体撮像装置１００Ｂの内部に持つ（つまり固体撮像装置１００Ｂと一体的に形成する）ことで、瞳補正機構を設けなくても画素アレイ部の端部で起こる感度低下（シェーデング）を小さくできるとともに、混色も減らすことができるので、色再現性を改善することができる。
＜第２実施形態：入射角変換機能の適用例＞
図１１および図１１Ａは、光学レンズの第２実施形態を適用した固体撮像装置を説明する図である。ここで図１１は入射角変換機能を持つ交互配置層２Ｂを適用した固体撮像装置の断面模式図であり、図１１Ａは、その光学特性のシミュレーション結果を示す図である。
図１１に示すように、第２実施形態の固体撮像装置１００Ｂは、図２に示した第１実施形態の交互配置層２Ａの適用例１の固体撮像装置１００Ａをベースとしたもので、凸レンズ機能を持つ交互配置層１１２Ａの光入射側（紙面の下側）に入射角変換機能（斜め補正機能）を持つ交互配置層１１２Ｂを配置した光学レンズ１１０Ｂを備える。このように、第２実施形態の光学レンズ１１０Ｂは、交互配置層１１２Ａによる凸レンズ機能と交互配置層１１２Ｂによる斜め補正機能を別々に持たせた構造である。
図１１に示す交互配置層１１２Ａと交互配置層１１２Ｂの配置関係は、紙面の右下側から光が入射する場合で示している。なお、交互配置層１１２Ａによる凸レンズの中心に対して、交互配置層１１２Ｂによる入射角変換レンズ（斜め光補正レンズ）の中心を若干紙面の右側にずらしてある。
第２実施形態（適用例）において、光学レンズ１１０Ｂは、１周期（画素サイズ＝３．６μｍ）内における交互配置層１１２Ｂ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_k（何れも図示せず）の幅は以下のように設定する。
高屈折率層１２１Ｒ_4：０．４５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_3：０．３５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_2：０．２５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_1＋高屈折率層１２１Ｌ_1：０．２０μｍ
高屈折率層１２１Ｌ_2：０．１５μｍ
高屈折率層１２１Ｌ_3：０．１１μｍ
高屈折率層１２１Ｌ_4：０．１０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_3：０．１０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_2：０．１２μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_1：０．１８５μｍ
低屈折率層１２０Ｌ_1：０．２３５μｍ
低屈折率層１２０Ｌ_2：０．２６０μｍ
低屈折率層１２０Ｌ_3：０．３４５μｍ
低屈折率層１２０Ｌ_4：０．７４５μｍ
図１１Ａは、図１１に示した第２実施形態（適用例）の光学特性のシミュレーション結果を示す図であり、緑色光（λ＝５４０ｎｍ）の斜め入射光を固体撮像装置１００Ｂに入射した結果である。これらからも判るように、レンズ中心を境に、片側では高い屈折率の高屈折率層１２１が割合で多く存在し、反対側では割合で少なく存在する構造を持つ交互配置層１１２Ｂを交互配置層１１２Ａに重ねて配置することで、緑色光の斜め入射光を交互配置層１１２Ａによる凸レンズのほぼ中心に集光させることができる。これは入射角変換機能による斜め補正機能が効果的に働いていることを意味する。
図示を割愛するが、近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）についても、同様に、斜め入射光を交互配置層２Ａによる凸レンズのほぼ中心に集光させる斜め補正機能効果がある。
交互配置層１１２Ａによる凸レンズ機能と交互配置層１１２Ｂによる入射角変換機能（斜め補正機能）を持つ固体撮像装置１００Ｂとすることで、斜め入射光を垂直入射光に変換することができ、シェーディングや混色の低減にもなり高画質が達成できる。
＜第３実施形態：凸型レンズ＋斜め入射光補正（一体型）＞
図１２〜図１２Ｃは、光学レンズの第３実施形態の基本原理を説明する図である。ここで図１２は光学レンズの第３実施形態の基本原理を説明するための等位相面を示す図である。図１２Ａはレンズの重心を説明する図であり、図１２Ｂおよび図１２Ｃは光学レンズの第３実施形態の平面模式図である。
第３実施形態のレンズ構造は、斜め入射光入射に対する補正機構を備えるようにした点に特徴を有し、この点においては第２実施形態と共通する。前述の第２実施形態との相違点としては、凸レンズ機能と斜め入射光補正機能の両者を兼ね備えた交互配置層とする点である。
図１２に示すように、第３実施形態の交互配置層２Ｃの基本的な考え方は、屈折率の大きい層が、板状に、かつ中心が密で中心から離れるに従って疎になる左右対称構造を持つ第１実施形態の交互配置層２Ａをベースとして、レンズ中心を境に、片側では高い屈折率の高屈折率層が割合で多く存在し、反対側では割合で少なく存在する左右非対称構造を持つ第２実施形態の交互配置層２Ｂの仕組みを適用したものである。
つまり、第３実施形態の交互配置層２Ｃは、幅が波長オーダーまたはそれより小さい幅の屈折率の大きい層が、板状に、かつ中心が密で中心から離れるに従って疎になる構造を持つとともに、レンズ中心に対して横方向で非対称構造を有することで、凸レンズ機能と入射角変換機能（斜め入射光補正機能）を同時に持つ点に特徴を有する。
重心の左右どちらから見ても、非対称の重心に向かって、屈折率の大きい高屈折率層２１の幅が徐々に大きくなる構造を有する。また、非対称の重心に向かって、屈折率の小さい低屈折率層２０の幅が徐々に小さくなる構造を有する。第１実施形態との相違は、レンズの重心に対して、左右の一方では低屈折率層２０と高屈折率層２１の配列が粗であり、他方側では密になる点である。
左右対称構造を持つ交互配置層２Ａに対して左右非対称構造を適用するには、たとえば、部材（レンズ：交互配置層２Ｃ）の一方の端部側から光学的な重心位置に向かって、屈折率の大きい高屈折率層２１の幅が徐々に大きくなる構造を有するものとする、すなわち屈折率の大きい高屈折率層２１の幅が非対称の重心に向かって徐々に大きくなる構造を有するものとする第１の非対称化手法を採用することができる。
あるいは、部材（レンズ：交互配置層２Ｃ）の一方の端部側から光学的な重心位置に向かって、屈折率の小さい低屈折率層２０の幅が徐々に小さくなる構造を有するものとする、すなわち屈折率の小さい低屈折率層２０の幅が非対称の重心に向かって徐々に小さくなる構造を有するものとする第２の非対称化手法を採用することもできる。あるいはこれら第１および第２の非対称化手法を併用した第３の非対称化手法を採用することもできる。非対称化の効率の面では第３の非対称化手法を適用するのが最も効果的である。
ここで、「重心」について、図１２Ａを参照して説明する。画素マトリクス内または一定エリア面内において、屈折率の大きい高屈折率層２１の屈折率をｎ１、屈折率の小さい低屈折率層２０の屈折率をｎ０とする。平面内の（ｘ，ｙ）座標において、下記の式（１）が成り立つ場合、その（ｘ１，ｙ１）の位置を光学的な重心と定義する。
これは、重心の位置において、周囲の屈折率の１次モーメントの積分が０であることを意味する。図１２Ａは１次元の場合の重心の位置の概念図を示すが、実際には２次元となるので、（ｘ，ｙ）座標となり、同時に（ｘ，ｙ）の積分が０になる条件を満たす位置が２次元における重心となる。
第１実施形態の場合には、屈折率の大きい高屈折率層２１が、中心が密で中心から離れるに従って疎になる左右対称構造を持つのでレンズの機械的な中心と重心とが一致する。第２実施形態の場合には、左右対称構造を持つ第１実施形態の左右何れか一方のみを使用したものと考えればよく、重心が、光学レンズの端部になる。つまり、非対称の重心となる。
これに対して、第３実施形態の場合には、左右対称構造を持つ第１実施形態に対して第２実施形態を適用して屈折率の高い高屈折率層２１の割合が左右で非対称となるようにしているので、レンズの機械的な中心に対して重心がズレ、非対称の重心となる。このことは、図１２Ｂや図１２Ｃに示す平面模式図からも明らかである。
すなわち、第３実施形態の交互配置層２Ｃは、平面構造においても、当然に、第１実施形態に対して第２実施形態を適用した構造をなす。たとえば、第１実施形態の交互配置層２Ａと同様に環状構造を持つものとする場合であれば、屈折率の大きい高屈折率層２１_kと屈折率の小さい低屈折率層２０_jのそれぞれの形状は、円形、楕円形、正方形、長方形、三角形など、任意の形状とすることができる。そして、これらの同一と見なし得る形状のものを環状とするものや、異なった形状のものを組み合わせて、各リングの幅が、レンズ中心ではなく重心を境に、左右で段階的に異なるように環状とすればよい。
たとえば、図１２Ｂ（１）は、図１Ｂ（１）に対応するもので、高屈折率層２１_kと低屈折率層２０_jのそれぞれが円形または円形リング形状で、各リングの幅が、レンズ中心を境に、左側では低屈折率層２０がレンズ中心に向かって段階的に狭くなり、かつ高屈折率層２１が重心に向かって段階的に太くなり、右側では低屈折率層２０が重心に向かって段階的に細くなり、かつ高屈折率層２１がレンズ中心に向かって段階的に太くなり、かつ左右でその各幅や変化度合いが異なる、非対称な円形または円形リング形状となったものでもよい。
図１２Ｂ（２）は、図１Ｂ（２）に対応するもので、非対称な楕円形または楕円形の環状としたものである。図１２Ｂ（３）は、図１Ｂ（３）に対応するもので、非対称な正方形または正方形の環状としたものである。図１２Ｂ（４）は、図１Ｂ（４）に対応するもので、非対称な長方形または長方形の環状としたものである。
もちろん、各レンズのトータルの集光効果は交互配置層２Ａの平面構造、すなわち高屈折率層２１と低屈折率層２０の並び方の平面構造の影響を受けるので、固体撮像素子に応用する場合には、図１２Ｂに例示した平面構造、特に重心の高屈折率層２１_1の形状は、受光部の平面形状に整合させるのがよい。
また、斜め入射光を垂直光に変換する機能は、重心に対して左側および右側の何れでも存在するので、重心に対して左側および右側の何れか一方のみを使用する構造にすることもできる。たとえば、図１２Ｃ（１）に示すように、図１２Ｂ（１）に示す平面配置に対して、屈折率の小さい円形状の低屈折率層２０_jや屈折率の大きい円形状の高屈折率層２１の一部が欠けて環状にならない構造のものでもよい。あるいは、図１２Ｃ（２）に示すように、図１２Ｂ（３）に示す平面配置に対して、屈折率の小さい四角形状の低屈折率層２０_jや屈折率の大きい四角形状の高屈折率層２１_kの一部が欠けて環状にならない構造のものでもよい。
固体撮像装置１００Ｃの画素アレイ部に適用する場合、画素アレイ部の中心では斜め入射光入射が問題とならないので斜め光補正効果が不要である。これに対して、画素アレイ部の端部に行くほど斜め入射光入射が問題となる。このため、画素アレイ部の端部に行くほど入射角変換機能が強くなるように、画素アレイ部の端部に行くほど低屈折率層２０や高屈折率層２１の割合の変化具合が強くなるようにする。
つまり、画素アレイ部の中心では非対称性が無く、画素アレイ部の端部になるほど非対称性が強くなる構造にするのがよい。見方を変えれば、画素アレイ部の端部になるほど非対称の重心の位置を画素（光電変換部、受光部）の中心から画素アレイ部の中心方向にずらした構造にするのがよい。
ここでは、光電変換素子（受光部）が２次元状に配列されている画素アレイ部の場合で示したが、光電変換素子（受光部）が１次元状に配列されている画素アレイ部の場合でも同様である。
こうすることで、第２実施形態と同様に、画素アレイ部の端部に行くほど主光線が斜め入射するのを補正して交互配置層２Ａによる各凸レンズの集光ポイントを画素中心に持っていくことができる。このようなレンズ形状を固体撮像装置１００Ｃの内部に持つ（つまり固体撮像装置１００Ｃと一体的に形成する）ことで、画素アレイ部の端部で起こる感度低下（シェーデング）を小さくできるとともに、混色も減らすことができるので、色再現性を改善することができる。加えて、凸レンズ効果と斜め光補正効果とを１つの交互配置層２Ｃで実現することで、構造をコンパクトにすることができる。
＜第３実施形態：凸レンズ機能＋入射角変換機能の適用例１＞
図１３および図１３Ａは、光学レンズの第３実施形態を適用した固体撮像装置の第１例（適用例１）を説明する図である。ここで図１３は第３実施形態（適用例１）の固体撮像装置の断面模式図であり、図１３Ａは、その光学特性のシミュレーション結果を示す図である。
図１３に示すように、第３実施形態（適用例１）の固体撮像装置１００Ｃは、画素サイズやレンズサイズが１．４μｍであり、図５に示した第１実施形態の交互配置層２Ａの適用例４の固体撮像装置１００Ａをベースとしたものである。
第３実施形態（適用例）において、光学レンズ１１０Ｃは、１周期内における交互配置層１１２Ｃ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_k（何れも図示せず）の幅は以下のように設定する。
高屈折率層１２１Ｒ_1＋高屈折率層１２１Ｌ_1：０．２５μｍ
高屈折率層１２１Ｒ_2：０．１０μｍ
高屈折率層１２１Ｌ_2：０．１５μｍ
高屈折率層１２１Ｌ_3：０．１０μｍ
低屈折率層１２０Ｒ_1：０．１４μｍ
低屈折率層１２０Ｌ_1：０．１５５ｍ
低屈折率層１２０Ｌ_2：０．１９５μｍ
また、光学レンズ１１０Ｃの主要部をなす交互配置層１１２ＣのシリコンナイトライドＳｉＮでなる各高屈折率層１２１_kの上下には、各高屈折率層１２１_kと同幅で、屈折率ｎ４が１．７のＳｉＯＮの薄膜（厚さ＝０．０８μｍ）を反射防止膜１２４としてを付ける。この点は、第１実施形態の適用例４と同様である。
図１３Ａは、図１３に示した第３実施形態（適用例１）の光学特性のシミュレーション結果を示す図であり、緑色光（λ＝５４０ｎｍ）の斜め入射光を固体撮像装置１００Ｃに入射した結果である。これらからも判るように、凸レンズ機能を持つ第１実施形態の交互配置層１１２Ａの仕組みと斜め入射角変換機能（光補正機能）を持つ第２実施形態の交互配置層１１２Ｂの仕組みとを兼ね備えた１つの交互配置層１１２Ｃとする場合であっても、緑色光の斜め入射光を交互配置層１１２Ｃによる凸レンズのほぼ中心に集光させることができる。これは入射角変換機能による斜め補正機能が効果的に働いていることを意味する。
図示を割愛するが、近赤外光（λ＝７８０ｎｍ）、赤色光（λ＝６４０ｎｍ）、青色光（λ＝４６０ｎｍ）についても、同様に、斜め入射光を交互配置層２Ｃによる凸レンズのほぼ中心に集光させる斜め補正機能効果がある。
凸レンズ機能と入射角変換機能（斜め補正機能）を兼ね備えた交互配置層１１２Ｃを持つ固体撮像装置１００Ｃとすることで、斜め入射光を垂直入射光に変換することができ、シェーディングや混色の低減にもなり高画質が達成できる。
現在、通常のイメージセンサ用のレンズはリフローで作製するが、表面張力によって必ず球面になるために非対称性を作ることができない。したがって上述のような効果は得られないことになる。
＜第３実施形態：適用例２（ＣＭＯＳ対応）＞
図１４および図１４Ａは、光学レンズの第３実施形態を適用した固体撮像装置の第２例（適用例２）を説明する図である。ここで図１４は、第３実施形態（適用例２）の固体撮像装置の回路図である。図１４Ａは、第３実施形態（適用例２）の固体撮像装置における画素アレイ部上に適用した交互配置層の平面概略図である。なお、図１４Ａでは、画素アレイ部全体おいて各画素の交互配置層によるレンズ形状に関して、代表的な位置のみをピックアップして拡大して示している。
第３実施形態（適用例２）の固体撮像装置は、ＣＭＯＳセンサに応用したものである。以下、ＣＭＯＳ固体撮像装置２０１と記す。この場合、画素アレイ部内の１つ１つの画素（特に光電変換素子）に対してセルアンプを１つ持つ構造となる。画素信号はセルアンプで増幅された後にノイズキャンセル回路などを通して出力される。
図１４（１）に示すように、ＣＭＯＳ固体撮像装置２０１は、入射光量に応じた信号を出力する受光素子（電荷生成部の一例）を含む複数個の画素２１１が行および列に配列された（すなわち２次元マトリクス状の）画素アレイ部２１０を有し、各画素２１１からの信号出力が電圧信号であって、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling ；相関２重サンプリング）処理機能部やデジタル変換部（ＡＤＣ；Analog Digital Converter）などが列並列に設けられている、いわゆる典型的なカラム型となっている。
具体的には、図示のように、ＣＭＯＳ固体撮像装置２０１は、複数の画素２１１が行および列に配列された画素アレイ部２１０と、画素アレイ部２１０の外側に設けられた駆動制御部２０７と、カラム処理部２２６と、出力回路２２８とを備えている。
駆動制御部２０７は、画素アレイ部２１０の信号を順次読み出すための制御回路機能を備えている。たとえば、駆動制御部２０７としては、列アドレスや列走査を制御する水平走査回路（列走査回路）２１２と、行アドレスや行走査を制御する垂直走査回路（行走査回路）２１４と、外部との間でのインタフェース機能や内部クロックを生成するなどの機能を持つ通信・タイミング制御部２２０とを備えている。
水平走査回路２１２は、カラム処理部２２６からカウント値を読み出す読出走査部の機能を持つ。これらの駆動制御部２０７の各要素は、画素アレイ部２１０とともに、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成され、半導体システムの一例である固体撮像素子（撮像デバイス）として構成される。
図１４（１）では、簡単のため行および列の一部を省略して示しているが、現実には、各行や各列には、数十から数千の画素２１１が配置される。この画素２１１は、典型的には、受光素子（電荷生成部）などとも称される光電変換素子２１２と、増幅用の半導体素子（たとえばトランジスタ）を有する画素内アンプ（セルアンプ；画素信号生成部）２０５とから構成される。画素内アンプ２０５としては、たとえばフローティングディフュージョンアンプ構成のものが用いられる。
画素２１１は、行選択のための行制御線２１５を介して垂直走査回路２１４と、また垂直信号線２１９を介してカラム処理部２２６と、それぞれ接続されている。ここで、行制御線２１５は垂直走査回路２１４から画素に入る配線全般を示す。
水平走査回路２１２や垂直走査回路２１４は、たとえばシフトレジスタやデコーダを含んで構成され、通信・タイミング制御部２２０から与えられる制御信号に応答してアドレス選択動作（走査）を開始するようになっている。このため、行制御線２１５には、画素２１１を駆動するための種々のパルス信号（たとえば、リセットパルスＲＳＴ、転送パルスＴＲＦ、ＤＲＮ制御パルスＤＲＮなど）が含まれる。
通信・タイミング制御部２２０は、図示しないが、各部の動作に必要なクロックや所定タイミングのパルス信号を供給するタイミングジェネレータＴＧ（読出アドレス制御装置の一例）の機能ブロックと、端子２２０ａを介してマスタークロックCLK0を受け取り、また端子２２０ｂを介して動作モードなどを指令するデータＤＡＴＡを受け取り、さらにＣＭＯＳ固体撮像装置２０１の情報を含むデータを端子２２０ｃを介して出力する通信インタフェースの機能ブロックとを備える。
画素２１１を２次元マトリックス状に配置してあるので、画素内アンプ（画素信号生成部）２０５により生成され垂直信号線２１９を介して列方向に出力されるアナログの画素信号を行単位で（列並列で）アクセスし取り込む（垂直）スキャン読みを行ない、この後に、垂直列の並び方向である行方向にアクセスし画素信号（たとえばデジタル化された画素データ）を出力側へ読み出す（水平）スキャン読みを行なうようにすることで、画素信号や画素データの読出しの高速化を図るのがよい。もちろん、スキャン読みに限らず、読み出したい画素２１１を直接にアドレス指定することで、必要な画素２１１の情報のみを読み出すランダムアクセスも可能である。
通信・タイミング制御部２２０では、端子２２０ａを介して入力されるマスタークロック（マスタークロック）CLK0と同じ周波数のクロックCLK1や、それを２分周したクロックやより分周した低速のクロックをデバイス内の各部、たとえば水平走査回路２１２、垂直走査回路２１４、カラム処理部２２６などに供給する。
垂直走査回路２１４は、画素アレイ部２１０の行を選択し、その行に必要なパルスを供給するものである。たとえば、垂直方向の読出行を規定する（画素アレイ部２１０の行を選択する）垂直デコーダと、垂直デコーダにて規定された読出アドレス上（行方向）の画素２１１に対する行制御線２１５にパルスを供給して駆動する垂直駆動回路とを有する。なお、垂直デコーダは、信号を読み出す行の他に、電子シャッタ用の行なども選択する。
水平走査回路２１２は、低速クロックCLK2に同期してカラム処理部２２６内の図示しないカラム回路を順番に選択し、その信号を水平信号線（水平出力線）２１８に導くものである。たとえば、水平方向の読出列を規定する（カラム処理部２２６内の個々のカラム回路を選択する）水平デコーダと、水平デコーダにて規定された読出アドレスに従って、選択スイッチ２２７にてカラム処理部２２６の各信号を水平信号線２１８に導く水平駆動回路とを有する。なお、水平信号線２１８は、たとえばカラムＡＤ回路が取り扱うビット数ｎ（ｎは正の整数）分、たとえば１０（＝ｎ）ビットならば、そのビット数分に対応して１０本配置される。
このような構成のＣＭＯＳ固体撮像装置２０１において、画素２１１から出力された画素信号は、垂直列ごとに、垂直信号線２１９を介して、カラム処理部２２６のカラム回路に供給される。
カラム処理部２２６の各カラム回路は、１列分の画素の信号を受けて、その信号を処理する。たとえば、各カラム回路は、アナログ信号を、たとえば低速クロックCLK2を用いて、たとえば１０ビットのデジタルデータに変換するＡＤＣ(Analog Digital Converter)回路を持つ。
カラム処理部２２６は、回路構成を工夫することでノイズキャンセル機能を持たせることができ、垂直信号線２１９を介して入力された電圧モードの画素信号に対して、画素リセット直後の信号レベル（ノイズレベル）と真の（受光光量に応じた）信号レベルＶsig との差分をとる処理を行なうことができる。これにより、固定パターンノイズ（ＦＰＮ；Fixed Pattern Noise ）やリセットノイズといわれるノイズ信号成分を取り除くことができる。
カラム処理部２２６で処理されたアナログの画素信号（あるいはデジタルの画素データ）は、水平走査回路２１２からの水平選択信号により駆動される水平選択スイッチ２１７を介して水平信号線２１８に伝達され、さらに出力回路２２８に入力される。なお、１０ビットは一例であって、１０ビット未満（たとえば８ビット）や１０ビットを超えるビット数（たとえば１４ビット）など、その他のビット数としてもよい。
このような構成によって、電荷生成部としての画素２１１が行列状に配された画素アレイ部２１０からは、行ごとに各垂直列について画素信号が順次出力される。そして、受光素子が行列状に配された画素アレイ部２１０に対応する１枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素アレイ部２１０全体の画素信号の集合で示されることとなる。
ＣＭＯＳ固体撮像装置２０１を使用したときの撮像装置２００の構成例を図１４（２）に示す。撮像装置２００は、たとえば、カメラ（あるいはカメラシステム）や撮像機能を有する携帯機器などに使用される。後述の撮像装置３００でも同様である。
ＣＭＯＳ出力（Ｖout ）として出力回路２２８から導出された画素信号は、図１４（２）に示す画像信号処理部２４０に入力される。ＣＭＯＳ固体撮像装置２０１の駆動制御部（駆動部の一例）２０７や、ＣＭＯＳ固体撮像装置２０１の後段に設けられた画像信号処理部２４０には、ＣＰＵ（Central Processing Unit ），ＲＯＭ（Read Only Memory），ＲＡＭ（Random Access Memory）などで構成される中央制御部２４２からの制御信号が入力されるようになっている。駆動制御部２０７は、中央制御部２４２からの制御信号に基づき駆動タイミングを決定する。ＣＭＯＳ固体撮像装置２０１の画素マトリクス部２１０（詳しくは画素２１１を構成するトランジスタ）は、駆動制御部２０７からの駆動パルスの元で駆動される。
中央制御部２４２は、駆動制御部２０７を制御する他、画像信号処理部２４０における信号処理や画像出力処理などを制御する。
画像信号処理部１４０は、たとえば、各画素の撮像信号Ｒ，Ｇ，Ｂをデジタル化するＡＤ変換処理、デジタル化された撮像データＲ，Ｇ，Ｂを同時化する同時化処理、スミア現象やブルーミング現象によって生じる縦縞のノイズ成分を補正する縦縞ノイズ補正処理、ホワイトバランス（ＷＢ；White Balance ）調整を制御するＷＢ制御処理、階調度合いを調整するガンマ補正処理、電荷蓄積時間の異なる２画面の画素情報を利用してダイナミックレンジを拡大するダイナミックレンジ拡大処理、あるいは輝度データ（Ｙ）や色データ（３）を生成するＹＣ信号生成処理などを行なう。これにより、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の原色の撮像データ（Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素データ）に基づく画像が得られる。
このようにして生成された各画像は、図示しない表示部に送られ、操作者に可視画像として提示されたり、あるいはそのままハードディスク装置などの記憶装置に記憶・保存されたり、またはその他の機能部に処理済みデータとして送られる。
ここで、第３実施形態（適用例２）のＣＭＯＳ固体撮像装置２０１において、画素アレイ部２１０上には、レンズ中心が各画素２１１の中心に対応するように交互配置層２が設けられる。その平面状態は図１４Ａのようにする。集光効果を持ちかつ斜め入射に対する補正量の異なる各レンズを、撮像エリアにおいて入射角に適合する各画素位置に配置させることで、主光線が斜め入射する光を垂直に補正して、かつ、効率よく画素の中心に光を集めるようにすることを基本とする。
すなわち、先ず、交互配置層２としては、図１Ｂ（１）や図１２Ｂ（１）に示したような高屈折率層２１_kと低屈折率層２０_jのそれぞれが円形または円形リング形状であるものを使用することを基本とする。そして、交互配置層２を、光軸が画素アレイ部２１０の中心に向くように配置する。この際には、画素アレイ部２１０の端部に行くほど入射角変換機能が強くなるように、画素アレイ部２１０の端部に行くほど低屈折率層２０や高屈折率層２１の割合の変化具合が強くなるようにする。つまり、画素アレイ部２１０の中心では非対称性が無い図１Ｂ（１）に示した交互配置層２Ａを使用し、画素アレイ部２１０の端部になるほど図１２Ｂ（１）に示した交互配置層２Ｃの非対称性が強くなる構造にするのがよい。要するに、画素アレイ部２１０の中心では対称な円形または円形リング形状、さらに画素アレイ部２１０の端部に行くほど非対称な構造にする。
そのときの非対称の重心位置は画素アレイ部２１０の中心方向にずらしており、ずらし量が端にいくほど大きくなるように設定する。こうすることで、画素アレイ部２１０の端部に行くほど主光線が斜め入射するのを補正して各レンズの集光ポイントを画素２１１の中心に持っていくことができる。このようなレンズ形状をＣＭＯＳ固体撮像装置２０１の内部（画素アレイ部２１０上）に持つことで、画素アレイ部２１０の端部で起こる感度低下（シェーデング）が小さくなるとともに、混色が減るので色再現性がよくなることが判った。
＜第３実施形態：適用例３（ＣＣＤ対応）＞
図１５〜図１５Ｂは、光学レンズの第３実施形態を適用した固体撮像装置の第３例（適用例３）を説明する図である。ここで図１５は、第３実施形態（適用例３）の固体撮像装置の回路図である。図１５Ａは、第３実施形態（適用例３）の固体撮像装置の基板表面付近の断面構造図である。図１５Ｂは、第３実施形態（適用例３）の固体撮像装置における画素アレイ部上に適用した交互配置層の平面概略図である。なお、図１５Ｂでは、画素アレイ部全体おいて各画素の交互配置層によるレンズ形状に関して、代表的な位置のみをピックアップして拡大して示している。
第３実施形態（適用例３）の固体撮像装置は、インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像装置（ＩＴ＿ＣＣＤイメージセンサ）に応用したものである。以下、ＣＣＤ固体撮像装置３０１と記す。
図１４（１）に示すように、ＣＣＤ固体撮像装置３０１は、入射光量に応じた信号を出力する受光素子（電荷生成部の一例）を含む複数個の画素３１１（いわゆるセンサ部）が行および列に配列された（すなわち２次元マトリクス状の）画素アレイ部３１０を有する。画素アレイ部３１０は、詳しくは、入射光量に応じた信号を出力する受光素子（電荷生成部）などとも称される光電変換素子３１２を有する。
また、光電変換素子３１２で生成された信号電荷を垂直転送する垂直転送ＣＣＤ３２２が垂直転送方向に複数本並べられて設けられている。直転送ＣＣＤ３２２の電荷転送方向すなわち画素信号の読出方向が縦方向（図中のＸ方向）である。
図１５（１）に示すＣＣＤ固体撮像装置３０１の構造においては、幾つかの画素３１１だけを示しているが、実際にはこれを横方向に繰り返し、それをさらに縦方向に繰り返した構造である。
さらに、垂直転送ＣＣＤ３２２と各光電変換素子３１２との間には読出ゲート３２４をなすＭＯＳトランジスタが介在し、また各ユニットセル（単位構成要素）の境界部分には図示しないチャネルストップが設けられる。
これら画素３１１の垂直列ごとに設けられ、各画素３１１から読出ゲート３２４によって読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直転送ＣＣＤ３２２によって撮像エリアとしての画素マトリクス部３１０が構成される。
画素３１１の光電変換素子３１２に蓄積された信号電荷は、読出ゲート３２４に読出パルスＲＯＧに対応するドライブパルスφＲＯＧが印加されることで、同一垂直列の垂直転送ＣＣＤ３２２に読み出される。垂直転送ＣＣＤ３２２は、たとえば３相〜８相などの垂直転送クロックＶｘに基づくドライブパルスφＶｘよって転送駆動され、読み出された信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて１走査線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送（ラインシフトと称する）する。
また、ＣＣＤ固体撮像装置３０１には、複数本の垂直転送ＣＣＤ３２２の各転送先側端部すなわち、最後の行の垂直転送ＣＣＤ３２２に隣接して、所定（たとえば左右）方向に延在する水平転送ＣＣＤ３２６（Ｈレジスタ部、水平転送部）が１ライン分設けられる。この水平転送ＣＣＤ３２６は、たとえば２相の水平転送クロックＨ１，Ｈ２に基づくドライブパルスφＨ１，φＨ２によって転送駆動され、複数本の垂直転送ＣＣＤ３２２から転送された１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。このため２相駆動に対応する複数本（２本）の水平転送電極が設けられる。
水平転送ＣＣＤ３２６の転送先の端部には、たとえばフローティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤＡ）構成の電荷電圧変換部を有する出力アンプ３２８が設けられる。出力アンプ３２８は、電荷電圧変換部において、水平転送ＣＣＤ３２６によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換し所定レベルに増幅して出力する。この電圧信号は、被写体からの光の入射量に応じたＣＣＤ出力（Ｖout ）として画素信号が導出される。以上により、インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像装置３０１が構成される。
ＣＣＤ出力（Ｖout ）として出力アンプ３２８から導出された画素信号は、図２９（２）に示す画像信号処理部１４０に入力される。画像信号処理部１４０には、信号切替制御部の一例である画像切替制御部１４２からの画像切替制御信号が入力されるようになっている。ＣＣＤ固体撮像装置３０１は、駆動制御部（駆動部の一例）１４６からの駆動パルスの元で駆動される。
ＣＣＤ固体撮像装置３０１を使用したときの撮像装置３００の構成例を図１５（２）に示す。基本的には、撮像デバイスをＣＭＯＳ固体撮像装置２０１からＣＣＤ固体撮像装置３０１に代えただけであり、図１４（２）に示した構成と同様である。
ここで、第３実施形態（適用例３）のＣＣＤ固体撮像装置３０１において、画素アレイ部３１０上には、レンズ中心が各画素３１１の中心に対応するように交互配置層２が設けられている。つまり、撮像デバイス中に交互配置層２を利用したレンズ構造が存在する。
たとえば、図１５Ａには、基板表面付近の断面構造図が示されている。入射光を受光する画素３１１において、ＰＮ接合でなる光電変換素子３１２に対応させて交互配置層でなる光学レンズが層内集光レンズとして設けられ、その上に、色フィルタやオンチップレンズが設けられている。
図１５Ｂには、その平面状態が示されている。基本的には、図１４Ａに示したＣＭＯＳ固体撮像装置２０１の場合と同様の考え方を適用する。先ず、交互配置層２としては、図１Ｂ（３）や図１２Ｂ（３）に示したような高屈折率層２１_kと低屈折率層２０_jのそれぞれが四角または四角リング形状であるものを使用することを基本とする。そして、交互配置層２、光軸が画素アレイ部３１０の中心に向くように配置する。この際には、画素アレイ部３１０の中心では非対称性が無い図１Ｂ（３）に示した交互配置層２Ａを使用し、画素アレイ部３１０の端部になるほど図１２Ｂ（３）に示した交互配置層２Ｃの非対称性が強くなる構造にするのがよい。要するに、画素アレイ部３１０の中心では対称な四角形または四角形リング形状、さらに画素アレイ部３１０の端部に行くほど非対称な構造にする。
そのときの非対称の重心位置は画素アレイ部３１０の中心方向にずらしており、ずらし量が端にいくほど大きくなるように設定する。こうすることで、画素アレイ部３１０の端部に行くほど主光線が斜め入射するのを補正して各レンズの集光ポイントを画素３１１の中心に持っていくことができる。このようなレンズ形状をＣＣＤ固体撮像装置３０１の内部（画素アレイ部３１０上）に持つことにより、面内で非対称性を入れることで、画素アレイ部３１０の端部で起こる感度低下（シェーデング）が小さくなるとともに、混色が減るので色再現性がよく、高画質な装置になることが判った。
＜第３実施形態：凸レンズ＋入射角変換の変形例＞
第３実施形態の基本例では、左右対称構造を持つ交互配置層２Ａに対して左右非対称構造を適用するために、第１および第２の非対称化手法を併用した第３の非対称化手法を採用していたが、その何れか一方のみを適用したものであってもよい。この点は、第１実施形態において、第１および第２の凸レンズ化手法を併用した第３の凸レンズ化手法に限らず、第１および第２の凸レンズ化手法の何れか一方のみを適用したものとしてもよいのと共通する。
たとえば、図示を割愛するが、屈折率の大きい層（高屈折率層２１_k）の幅が非対称の重心に向かって徐々に大きくなる構造を有するものとする第１の非対称化手法のみを適用した変形例１とすることもできる。この場合、屈折率の小さい層（低屈折率層２０_j）に関しては全てを等幅にすればよい。この場合でも、重心の左右どちらから見ても、非対称の重心に向かって、屈折率の大きい高屈折率層２１_kの幅が徐々に大きくなる構造を有する。
また、図示を割愛するが、屈折率の小さい層（低屈折率層２０_j）の幅が非対称の重心に向かって徐々に小さくなる構造を有するものとする第２の非対称化手法のみを適用した変形例２とすることもできる。この場合、屈折率の大きい層（高屈折率層２１_k）に関しては全てを等幅にすればよい。この場合でも、非対称の重心に向かって、屈折率の小さい低屈折率層２０_jの幅が徐々に小さくなる構造を有する。
＜第４実施形態：凹レンズの基本＞
図１６は、光学レンズの第４実施形態の基本原理を説明する図である。ここで図１６は第４実施形態の基本原理を説明するための等位相面を示す図である。
前述の第１〜第３実施形態は、集光効果を持つ凸レンズ機能を交互配置層２Ａ〜２Ｃなどに持たせていたが、この第４実施形態では、発散効果を持つ凹レンズ機能を交互配置層２Ｄに持たせるようにした点に特徴を有する。
発散効果を持つ凹レンズ機能を交互配置層２Ｄに持たせるべく、第４実施形態では、波長オーダーまたはそれより小さい幅の屈折率の大きい層を、板状に、かつ中心が粗で中心から離れるに従って密になる左右対称構造にする。つまり、屈折率の大きい層と屈折率の小さい層の幅の関係を第１実施形態に対して逆転させることで、交互配置層２Ｄに凹レンズ機能を持たせることができる。
中心が粗で中心から離れるに従って密になる構造とすることで凹レンズ機能を持たせるには、たとえば、屈折率の大きい層の幅がレンズの中心に向かって徐々に小さくなる構造を有するものとする第１の凹レンズ化手法、屈折率の小さい層の幅がレンズの中心に向かって徐々に大きくなる構造を有するものとする第２の凹レンズ化手法、あるいはこれら第１および第２の凸レンズ化手法を併用した第３の凹レンズ化手法の何れかを採用するのがよい。
発散効率の面では第３の凹レンズ化手法を適用するのが最も効果的である。これらの場合、波面は凸面となり、光に拡散性を持たせることができる。
また、低屈折率層を埋め込むプロセス工程で、リソグラフの分解能が不十分で埋め込み幅を狭くできなかったり、埋め込み幅を狭くするとボイドなどが発生して埋め込み性が悪くなったりして困難な場合、リソグラフや埋め込み可能な幅で第４実施形態（変形例１）のように等幅にすることで作製が可能となる。特に、この埋め込み可能な幅が波長オーダーぎりぎりでこれ以上幅を広げると等位相面（波面）の連続性が失われるときに有効な手段となる。
また、高屈折率層をリソグラフでエッチングするプロセス工程で、リソグラフの分解能が不十分で狭くできなかったり、あるいはエッチング工程のときにサイドエッチングなどが発生して幅の制御性が悪くなったりすることで、狭い幅のリソグラフやエッチング工程が困難な場合、リソグラフやエッチングが可能な幅で第４実施形態（変形例２）のように等幅にすることで作製が可能となる。特に、リソグラフやエッチングが可能な幅が波長オーダーぎりぎりでこれ以上幅を広げると等位相面（波面）の連続性が失われるときに有効な手段となる。
このような凹レンズの利点としては、たとえば、複数の配線を含む配線層上に高屈折率層２１_kをエッチングして形成した凹部を低屈折率層２０_jで埋めるようにして、各光電変換部（受光部）に対して層内発散レンズ（凹レンズ）を形成することができるので、配線の凹凸に依存することなく適切な位置に層内発散レンズを配置することができる。これによって、入射光を光電変換部へ最適に集光させることができる。
層内発散レンズの中心を光電変換部の中心から画素アレイ部（撮像領域）の中心側に偏って形成するときは、斜め入射光によるシェーディングが改善され、瞳補正が可能になる。複数のレンズの少なくとも１つが層内発散レンズの上方に形成されたオンチップレンズとすることにより、集光レンズとしてのオンチップレンズと層内発散レンズとの共同作業により入射光を受光部へ集光させることができる。
第４実施形態においても、第２実施形態のように、入射角変換機能（斜め光補正機能）を持つ交互配置層２Ｂを凹レンズ機能を持つ交互配置層２Ｄと組み合わせることもできる。また、第３実施形態のように、凹レンズ機能を持つ第４実施形態の交互配置層２Ｄをベースとして、レンズ中心を境に、片側では高い屈折率の高屈折率層が割合で多く存在し、反対側では割合で少なく存在する左右非対称構造を持つ第２実施形態の交互配置層２Ｂの仕組みを適用して、凹レンズ機能と斜め入射光補正機能の両者を兼ね備えた交互配置層２Ｄとすることもできる。
これらの説明から理解されるように、波長オーダーまたはそれより小さい幅の低屈折率層２０_jと高屈折率層２１_kとを横方向に並べて光学部材としての機能を持たせる際に、レンズ中心と端部の高屈折率層２１_kの各密度の配置関係を調整することで、凸レンズ機能（集光性）を持たせることもできれば、凹レンズ機能（拡散性）を持たせることもできる。集光性を持たせたり、拡散性を持たせたりさせることで、固体撮像装置１００やディスプレイなどの光デバイスに応用可能となる。
＜＜製造プロセス＞＞
図１７は、第１〜第４実施形態の交互配置層２（２Ａ〜２Ｄ）を固体撮像装置と一体的に形成する場合の本実施形態の製造プロセスを説明する概念図である。図１７Ａおよび図１７Ｂは、本実施形態の製造プロセスに対する比較例を説明する概念図である。ここで、図１７Ａはインナーレンズの製造工程を示し、図１７Ｂはオンチップレンズの製造工程を示す。
第１〜第４実施形態の交互配置層２（２Ａ〜２Ｄ）を固体撮像装置と一体的に形成する場合、先ず、画素部が形成済みのシリコン基板（図示を割愛する）の上層に光学レンズ１１０の媒質となる単一材層３をなす酸化シリコンＳｉＯ２（屈折率ｎ１＝１．４６）を所定の厚さに形成する。必要に応じて、シリコン基板（図示を割愛する）の上層に先ず薄膜層１３０をなすシリコンナイトライドＳｉＮの薄膜を形成し、その上層に光学レンズ１１０の媒質となる単一材層３をなす酸化シリコンＳｉＯ２を所定の厚さに形成する。ここで、所定の厚さとは、シリコン基板の表面から後述する交互配置層２をなすシリコンナイトライドＳｉＮまでの距離（実質的なレンズ長）を意味する。
この後、図１７（１）に示すように、酸化シリコンＳｉＯ２でなる単一材層３の上層に交互配置層２をなすシリコンナイトライドＳｉＮを所定の厚さに積層する。ここで、所定の厚さとは、交互配置層２の厚さ、すなわちレンズ厚を意味する。
この後、図１７（２）に示すレジストコート工程のように、シリコンナイトライドＳｉＮでなる交互配置層２の上層にレジスト膜を形成する。さらに、図１７（３）に示す露光・現像工程のように、それぞれ段階的に変化する所定幅の各低屈折率層２０_jと高屈折率層２１_kとが所定の順序に配列されるようなレジストパターンを使って、レジスト膜を露光して、レジスト膜から低屈折率層２０_jとなる部分に対応する部分を除去（エッチング）する。各低屈折率層２０_jと高屈折率層２１_kの配列箇所は画素（特に受光部）の位置と対応する位置とするのは言うまでもない。
交互配置層２をなすシリコンナイトライドＳｉＮと図示を割愛したシリコン基板との間にはレンズ長に対応する厚さの酸化シリコンＳｉＯ２でなる単一材層３が存在するので、シリコン基板表面近くまでエッチングすることによるダメージの問題は起きない。
この後、図１７（４）に示す開口（ＲＩＥ加工）工程のように、低屈折率層２０_jとなる部分に対応したレジスト膜の開口部を通して、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などを用いてエッチングすることで、交互配置層２ＡのシリコンナイトライドＳｉＮに最下層のＳｉＯ２膜に達する開口部を設ける。
この後、図１７（５）に示すレジスト除去工程のように、交互配置層２をなすシリコンナイトライドＳｉＮ上のレジスト膜を除去する。こうすることで、酸化シリコンＳｉＯ２でなる単一材層３の上層には、低屈折率層２０_jとなる部分に開口部が形成されている交互配置層２が形成されることになる。
さらに、インナーレンズへの適用の場合には、平坦化などのため、図１７（６）に示す埋込み工程のように、低屈折率層２０_jとなる部分に開口部が形成されている交互配置層２が形成されている酸化シリコンＳｉＯ２でなる単一材層３の上層に、たとえば再度ＣＶＤなどを用いて、低屈折率層２０_jとなるとともに交互配置層２の保護をなす酸化シリコンＳｉＯ２の膜を所定の厚さで形成する。こうすることで、開口部が形成されているシリコンナイトライドＳｉＮでなる交互配置層２の低屈折率層２０_jとなる部分が酸化シリコンＳｉＯ２で埋め込まれるとともに、光入射側の媒質となる酸化シリコンＳｉＯ２の単一材層１が所定の厚さで形成されることになる。
図示を割愛するが、さらにその上に色フィルタやマイクロレンズを画素に対応するように形成してもよい。
一方、色フィルタ上に配置するオンチップレンズへの適用の場合には、図１７（６）に示す埋込み工程は不要である。
なお、ここで示した製造プロセスでは、埋込み工程において、低屈折率層２０_jとなる部分を酸化シリコンＳｉＯ２で埋め込むだけでなく、低屈折率層２０_jと高屈折率層２１_kが交互に配置された交互配置層２の上層に、さらに酸化シリコンＳｉＯ２の膜を形成して単一材層１を形成していたが、単一材層１を形成することは必須ではない。また、極端なケースでは、埋込み工程の全体を行なわなくてもよい。この場合、シリコンナイトライドＳｉＮに設けられている開口部が酸化シリコンＳｉＯ２で埋め込まれないので、低屈折率層２０_jは空気となる。
何れの場合にも、撮像デバイスの最上層に交互配置層２の仕組みを利用したオンチップレンズを形成することになる。この場合、事実上、その表面は空気と接することになる。
このように、本実施形態の製造プロセスでは、リフローの工程がなく、単純で簡便なリソグラフィとエッチングの加工技術だけで作製できるために、エッチバックなどの複雑な工程がない簡便なプロセスにでき、工程数が少なくコストが少なくて済むだけでなく再現性や均一性や量産性に優れる。
さらにフォトレジストのマスク設計によって、それぞれ段階的に変化する所定幅の各低屈折率層２０_jと高屈折率層２１_kとが所定の順序に配列されるようにすることができる。交互配置層２によるレンズ効果は、矩形状の各低屈折率層２０_jおよび各高屈折率層１２１_kの幅や配列数を調整することで適宜変更が可能である。面内方向に非対称な構造を作製するのも容易であり、従来の球面レンズを製造する場合に比べて光学的に設計の幅が広がる。
一方、図１７Ａに示す比較例の製造プロセスにおいては、インナーレンズを形成する場合、先ず図１７Ａ（１）に示すように、酸化シリコンＳｉＯ２上にレンズの媒質となるシリコンナイトライドＳｉＮを所定の厚さに形成する。所定の厚さは、最終的なインナーレンズの厚さよりも少し厚い程度である。
次に、図１７Ａ（２）に示すレジストコート工程のように、レンズ媒質層の上層にレジスト膜を形成する。さらに、図１７Ａ（３）に示す露光・現像工程のように、レンズが所定の順序に配列されるようなレジストパターンを使って、レジスト膜を露光して、レジスト膜から隣接レンズとの間となる部分に対応する部分を除去（エッチング）する。
この後、図１７Ａ（４）に示すリフロー工程のように、レジストを溶解してレンズ形状を形成する。たとえば、ポストベークを１５０℃にすることでレジストを溶解（リフロー）させ、レンズの形状を作る。そのため、レジストとしては耐熱性の弱い材料が必要となる。
この後、図１７Ａ（５）に示すエッチバック（ＲＩＥ加工）工程のように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などを用いてエッチングすることで、レジストを除去する。こうすることで、図１７Ａ（６）に示すように、レンズ媒質層に凸レンズが形成される。このとき、ゲインが入って（デポ膜が形成されて）レンズ間ギャップが狭くなる問題を引き起こす可能性がある。
この後、表面を平坦にするべく、図１７Ａ（７）に示す埋込み工程のように、酸化シリコンＳｉＯ２の膜を所定の厚さで形成する。図示を割愛するが、さらにその上に色フィルタやマイクロレンズを画素に対応するように形成してもよい。
一方、色フィルタ上に配置するオンチップレンズを形成する場合、先ず図１７Ｂ（１）に示すように、シリコン基板１０２上のさらに上層に形成されるカラーフィルタの上層にレンズの媒質となるＯＰＶなどの高分子材料を所定の厚さに形成する。所定の厚さは、最終的なオンチップレンズの厚さよりも少し厚い程度である。
以下、前述のインナーレンズを形成する場合と同様にして、図１７Ｂ（５）に示すエッチバック（ＲＩＥ加工）工程までを行なうことで、図１７Ｂ（６）に示すように、凸レンズが形成される。
オンチップレンズへの適用の場合には、インナーレンズ形成における図１７Ａ（６）に示す埋込み工程は不要である。ただし、表面保護などの目的で場合によっては屈折率の低い高分子材料でさらに埋め込んでもよい。
このように、比較例の製造プロセスでは、インナーレンズ形成であるのかオンチップレンズ形成であるのかを問わず、リフローとエッチバックで凸レンズの形成が行なわれる。レンズ形状の元となるレジストのリフローでは表面張力によって球状を作るために面内において非対称な構造はできない。また工程数も多く、コストが掛る。
＜第５実施形態＞
図１８〜図１９Ａは、光学レンズの第５実施形態を説明する図である。ここで、図１８は、第５実施形態に対する参考例の光学レンズのｙ断面・ｚ断面の模式図であり、図１８Ａおよび図１８Ｂはその光学特性のシミュレーション結果を示す図である。図１９は、第５実施形態の光学レンズのｙ断面・ｚ断面の模式図であり、図１９Ａはその光学特性の３次元の波動シミュレーション結果を示す図である。
前述の第３実施形態の適用例２（図１４Ａを参照）のように、波面制御型を適用してチップ全面の各画素について、斜め光補正と集光効果を実現しようとしたとき、屈折率の高い層が板状で、かつレンズ中心で、その層の幅が広く、中心から離れるに従って幅が狭くなる構造にする。このとき、たとえば、１．５μｍ以下の画素サイズ（受光部のサイズ）などのように微細画素にすることを考えると、円形などの複雑な図形を画素内に入れる必要性が出てくるので、微細ピッチが必要となり、たとえば最小線幅０．１μｍ以下の微細ピッチのレンズ構造の作製が必要となる。この場合、プロセスにおいて埋め込みが容易でない、ＡｒＦ液浸露光装置が必要になる、曲線図形に対応したマスク発生システムが必要になるなど、設計・製造プロセス面において、特許文献２の仕組みが持つ問題と同様の難点が出てくる。
第５実施形態は、この難点を解消するための検討により考案されたものである。前述の第１〜第４実施形態の波面制御型に加えて、ゾーンプレートの回折レンズ効果を採り入れた構造にする点に特徴がある。このような構造を採ることで、単純な垂直線と水平線のみのマスクパターンで光学部材の製造ができるのでマスク設計・製造の低コスト化を可能にする。しかも、微細画素でも、マスクパターンが単純であるために、必ずしも最小線幅を０．１μｍ以下にする必要はなく、たとえば０．２〜０．１７μｍ幅程度でも集光効果や斜め入射光補正効果を実現が可能となる。
図１８（１）は、第５実施形態に対する参考例の光学レンズのｙ断面（ｘ−ｚ平面）の模式図であり、図１８（２）は、当該参考例の光学レンズのｚ断面（ｘ−ｙ平面）の模式図である。ここで、ｙ断面（ｘ−ｚ平面）は、第１〜第４実施形態において各種の光学レンズ１１０の断面図（たとえば図１，２，３，４，５，７，８，１０，１１，１２，１３，１６など）を示したときの断面と同じである。ｚ断面（ｘ−ｙ平面）の模式図は、ｙ断面図において交互配置層１１２を通る断面線で切った状態の上面図である。
図１８（１）に示すように、ｙ断面においては、参考例の光学レンズ１１０Ｚでは、第１実施形態と同様に、屈折率ｎ１が１．４６の酸化シリコンＳｉＯ２の厚みのある酸化シリコン層を媒質として有し、その光入射側の表面近傍に、交互配置層１１２Ｚを有する。交互配置層１１２Ｚよりも光入射側が、単一材層１１１となり、交互配置層１１２Ｚよりもシリコン基板１０２側が単一材層１１３となる。単一材層１１３側が光入射側となるのは前記各実施形態と同様である。
画素ピッチ１．１μｍの微細画素との組合せのために、光学レンズ１１０Ｚの１周期（つまりレンズサイズ）を画素サイズ（＝画素ピッチ）１．１μｍに整合させる。高屈折率層２１_Kと低屈折率層２０_jが交互に配列されて構成されている交互配置層１１２Ｚの厚さ（実質的なレンズ厚）を０．５μｍとする。交互配置層１１２Ｚは、第３実施形態と同様に、凸レンズ機能と斜め入射光補正機能の両者を兼ね備えたもので、光学長（レンズ長）に比べて十分に薄く設定される点は第１〜第４実施形態と同様である。
凸レンズ機能と斜め入射光補正機能の両者を兼ね備えるべく、交互配置層１１２Ｚは、左右非対称構造を持っている。重心よりも斜め入射光側においては、低屈折率層１２０の幅が小さく（狭く）、かつ高屈折率層１２１の幅が大きい（広い）のに対して、重心よりも斜め入射光側とは反対側においては、低屈折率層１２０の幅が大きく（広く）、かつ高屈折率層１２１の幅が小さく（狭く）設定されている。低屈折率層１２０と高屈折率層１２１の数が少ないものの、斜め入射光側においては、高屈折率層１２１が割合で多く存在しかつ低屈折率層１２０が割合で少なく存在し、反対側では高屈折率層１２１が割合で少なくかつ低屈折率層１２０が割合で多く存在するようにしている点で、図１２の状態と同様になっている。
光学レンズ１１０Ｚにおいて、１周期内における交互配置層１１２Ｚ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_kの幅は以下のように設定する。ここでは、各屈折率層１２０，１２１や左右を区別せずに１周期の片端から順に参照子ｊ，ｋを付して示す。
高屈折率層１２１_1：０．２５μｍ
低屈折率層１２０_2：０．１７μｍ
高屈折率層１２１_3：０．１７μｍ
低屈折率層１２０_4：０．５１μｍ
レンズ中心CLから高屈折率層１２１_1の最遠辺までの距離：０．６５μｍ
本例では、シリコンナイトライドＳｉＮおよび酸化シリコンＳｉＯ２の周期構造を持つ交互配置層１１２Ｚは、低屈折率層１２０および高屈折率層１２１の何れも、横方向（ｘ方向）の最小線幅を０．１７μｍ、レンズの厚みを０．５μｍとしている。すなわち、交互配置層１１２Ｚは、画素サイズ１．１μｍと整合するように、厚みが０．５μｍで、かつ０．１７μｍと０．２５μｍ幅の棒状のシリコンナイトライドＳｉＮ層が平行に並んだ構造を有する。
図１８Ａおよび図１８Ｂは、図１８に示した参照例の光学レンズ１１０Ｚの光学特性の３次元の波動シミュレーション結果を示す図であり、緑色光（λ＝５５０ｎｍ）の斜め入射光の場合である。光の入射方向は、チップ内ｘｙ平面のｘ方向での１７deg （空気中換算２５deg ）斜入射である。図１８Ａから判るように、緑色光の斜め入射光を交互配置層１１２Ｚによる凸レンズのほぼ中心に集光させることができており、入射角変換機能による斜め補正機能が効果的に働いている。
しかしながら、斜め光入射した光が垂直方向に曲げられて、かつ集光しているのであるが、図１８Ｂ（特にｚ断面図）から判るように、画素の中心を通る線状（ｙ方向）に集光している。ｙ方向には集光効果がないと言ってよい。一般的なイメージセンサにおいて、センサ部（フォトダイオード部）は画素の中心付近に孤立して存在することが多く、このままであると、センサ部に入射しない光が存在することになり、ロスが発生してしまう。
第５実施形態の光学レンズ１１０Ｅは、参照例の光学レンズ１１０Ｚにおいてｙ方向に線状に集光されてしまう点を解消するものである。その仕組みは、図１９に示すように、ｙ断面（図１９（１））は光学レンズ１１０Ｚと同じであるが、ｚ断面（図１９（２））において、ｙ方向の高屈折率層１２１（シリコンナイトライドＳｉＮ層：Ｓｉ３Ｎ４層）を、画素サイズと同等か画素サイズ内で断続的に切れた線分で、さらに好ましくは、この方向では対称性がある構造にする。第１〜第４実施形態や第５実施形態に対する参考例では、ｚ断面におけるｙ方向サイズについては特段の考慮がされておらず、特に説明はしていなかったが、画素サイズに比べると相当程度長くなっている。これを、第５実施形態では、このｙ方向サイズを画素サイズと同程度かそれよりも少し短くし、さらに好ましくは、そのｙ方向において画素中心に対して対称性を持たせるのである。
なお、ここでは、ｘ方向に低屈折率層１２０と高屈折率層１２１を交互に並べる場合で説明したが、ｙ方向に低屈折率層１２０と高屈折率層１２１を交互に並べる場合には、前述のｙ方向サイズはｘ方向サイズに変更されるは言うまでもない。つまり、第５実施形態は、主光線が入射する方向である低屈折率層１２０と高屈折率層１２１を交互に並べる方向と直交する方向のサイズを、前記交互に並べる方向と同程度の集光効果が得られるように、画素サイズと同程度かそれよりも少し短くし、さらに好ましくは、その方向において画素中心に対して対称性を持たせるものである。
たとえば、ｙ方向に延在する高屈折率層１２１_1，１２１_3の奥行き長さ（ｙ方向の長さ）を、画素サイズ１．１μｍよりも短い０．９μｍに設定している。このような構造では、ｙ方向においてゾーンプレートの回折レンズ効果が機能するようになり、画素の中心に比べてｙ方向の画素の端における屈折率が低くなり、ｙ方向で集光していなかった光は、その屈折率差によって中心に集められるようになる。
図１９のようなマスクパターンで作製された構造において、ｘｙ平面でｘ方向における斜め入射光を、比較的効率よく画素の中心に集光し垂直光に変換する。図から明らかなように、ここでのマスクパターンは垂直線と水平線のみで形成されている。
図１９Ａは、図１９に示した第５実施形態の光学レンズ１１０Ｅの光学特性の３次元の波動シミュレーション結果を示す図であり、緑色光（λ＝５５０ｎｍ）の斜め入射光の場合である。光の入射方向は、チップ内ｘｙ平面のｘ方向での１７deg （空気中換算２５deg ）斜入射である。図１９Ａ（３）と図１８Ｂ（２）の対比から判るように、第５実施形態の光学レンズ１１０Ｅでは、ｙ方向においても、緑色光の斜め入射光が画素の中心付近に集光させることができており、入射角変換機能とゾーンプレートの回折レンズ効果が効果的に働いている。ただし、ｙ方向において画素の端部で光の漏れが発生しており、光のロスが僅かではあるが残っている。
なお、「ｙ方向のサイズや対称性」に関しては、必ずしも画素サイズより短くなくてもよく、画素サイズと同等程度でもよい。これは、本実施形態の仕組みを適用しないとその方向には線状に集光されるのに対して、画素サイズと同等程度にすることで、その方向では本実施形態を適用しない場合よりも画素中心側に集光される効果が得られるからである。また、多少画素中心からずれていてもよい。その場合、ｙ方向の集光効果や光の漏れが、画素中心に対して偏りが生じる点を考慮すればよい。対称性がないときには集光中心が画素中心からずれるが、対称性を持たせることでｙ方向での集光中心と画素中心を一致させることができる。
＜第５実施形態：変形例＞
図２０は、光学レンズの第５実施形態（変形例）を説明する図（ｚ断面の模式図）である。この変形例の光学レンズ１１０Ｅａは、図１９に示した第５実施形態の光学レンズ１１０Ｅをベースにして、高屈折率層１２１のｚ断面の四隅が斜め４５度線で斜めにカットされた状態にしている点に特徴がある。カット部分をどの程度の大きさにするかは、斜め入射光の入射角（つまり画素アレイ上の画素位置）に依存せず一定にすることも考えられるし、斜め入射光の入射角（画素位置）によって調整することも考えられる。後者は、入射角（画素位置）に応じて設定される高屈折率層１２１の形状・サイズ（つまり幅、長さ）に応じて、散乱ロス抑制効果を勘案して、カット部分の大きさを適当なものにするという趣旨である。
たとえば、光学レンズ１１０を固体撮像装置に適用する場合、画素アレイ部の中心では光は垂直に入射するので斜め入射を考慮する必要はなく、中心以外の部分で第５実施形態の光学レンズ１１０Ｅを適用する場合でも、高屈折率層１２１は０．９μｍ四方の正方形になる（後述する図２５Ａを参照）。その四隅を４５度線でカットすると、一辺が０．３７μｍの八角形になる。これをベースにして、斜め入射光の入射角に適合するように、つまり、第５実施形態の光学レンズ１１０Ｅが配置される画素位置に適合するように、各高屈折率層１２１のコーナーを４５度線でカットする。
たとえば、図２０に示すように、第５実施形態（変形例）の光学レンズ１１０Ｅａでは、第５実施形態の光学レンズ１１０Ｅをベースに、高屈折率層１２１_1については高屈折率層１２１_3と反対側の上下コーナーを一辺が０．３７μｍのサイズでカットする。高屈折率層１２１_3については高屈折率層１２１_3と反対側の上下コーナーをその幅０．１７μｍに合わせて、０．１７μｍの略中心から４５度線でカットする。高屈折率層１２１_1へのカット部分と高屈折率層１２１_3へのカット部分を合わせて全体として見たとき、大局的には八角形が形成されるようにする。
図１９に示した第５実施形態の光学レンズ１１０Ｅの場合、ゾーンプレートの回折レンズ効果が得られる反面、高屈折率層１２１のｚ断面は四角形となりそれが画素サイズ内に存在する。そのため、その四隅（直角部分）の全部または一部が画素サイズ内に存在することになり、その部分を起因とする散乱ロスの発生とそれによる画質劣化が懸念される。そこで、変形例の光学レンズ１１０Ｅａでは、高屈折率層１２１のｚ断面における角を適当な形状・大きさでカットすることで、散乱ロスの発生を抑制する。適当な形状にするときの最も単純な手法として斜め４５度でカットすることより、高屈折率層１２１のｚ断面形状を、レンズ全体として見たときに八角形にすることにした。
このような変形例の光学レンズ１１０Ｅａのマスク製造には、単純な垂直線と水平線に加えて、斜め４５度線が必要になるが、一般的なマスクパターン発生装置で対処可能な範囲であるので、マスク製造コストをアップさせることはないと考えてよい。
＜第６実施形態：第１例＞
図２１および図２１Ａは、光学レンズの第６実施形態（第１例）を説明する図である。ここで、図２１は、第６実施形態（第１例）の光学レンズのｚ断面の模式図であり、図２１Ａはその光学特性の３次元の波動シミュレーション結果を示す図である。
第６実施形態（第１例）の光学レンズ１１０Ｆは、第５実施形態の光学レンズ１１０Ｅにおいてｙ方向において画素の端部で発生する光の漏れを解消するものである。その仕組みは、図２１に示すように、ｚ断面は、隣接する高屈折率層１２１_1，１２１_3が連続的に繋がるまたは接触するように、同一材質の高屈折率材料の板（高屈折率層１２１_0）を構造体の中心付近に配置する構造を採っている。具体的には、高屈折率層１２１_0の奥行き長さを、低屈折率層１２０_2の幅と同じ０．１７μｍに設定している。このような構造では、ｙ方向においてゾーンプレートの回折レンズ効果が高屈折率層１２１_0でも機能するようになり、ｙ方向の集光効果がより高まる。
図２１のようなマスクパターンで作製された構造において、ｘｙ平面でｘ方向における斜め入射光を、比較的効率よく画素の中心に集光し垂直光に変換する。図から明らかなように、ここでのマスクパターンは垂直線と水平線のみで形成されている。
図２１Ａは、図２１に示した第６実施形態（第１例）の光学レンズ１１０Ｆの光学特性の３次元の波動シミュレーション結果を示す図であり、緑色光（λ＝５５０ｎｍ）の斜め入射光の場合である。光の入射方向は、チップ内ｘｙ平面のｘ方向での１７deg （空気中換算２５deg ）斜入射である。第６実施形態（第１例）の光学レンズ１１０Ｆでは、第５実施形態の光学レンズ１１０Ｅにおいて図１９Ａ（３）で見られるようなｙ方向での画素の端部における光の漏れが、図２１Ａ（３）から判るように、少なくなっており、高集光になっている。このことは画素中心で集光効率が高くなっていることを示す。実際に画素中心では５％ほどの集光効率の上昇が見られた。
＜第６実施形態：第２例＞
図２２および図２２Ａは、光学レンズの第６実施形態（第２例）を説明する図である。ここで、図２２は、第６実施形態（第２例）の光学レンズのｚ断面の模式図であり、図２２Ａはその光学特性の３次元の波動シミュレーション結果を示す図である。
第６実施形態（第１例）の光学レンズ１１０Ｆは、光の入射方向がチップ内ｘｙ平面のｘ方向での斜入射に対して、ｙ方向において集光効果を高め画素端部で光の漏れを防止するものであった。これに対して、第６実施形態（第２例）の光学レンズ１１０Ｇは、ｘｙ平面で４５度の斜め方向における斜入射に対応するものである。
第６実施形態（第１例）の光学レンズ１１０Ｆでは、高屈折率層１２１_1，１２１_3は
、ｙ方向に画素端部近傍まで延在していたが、これらをｙ方向にそれぞれ２つ（高屈折率層１２１_1a ，１２１_1b ，１２１_3a ，１２１_3b に分け、その内の４５度の斜め入射と反対側となる部分（高屈折率層１２１_3b ）を取り外している。さらに、全体として、光入射側に高屈折率層がより多く配置されるように、高屈折率層１２１_0を含む残りの高屈折率層１２１_1a ，１２１_1b ，１２１_3a のサイズや配置を調整する。
なお、ここでは、高屈折率層１２１_3b を取り外すような見方をしたが、元々の高屈折率層１２１_1，１２１_3の取り方を９０度回転させた見方をすれば、 高屈折率層１２１_1b を取り外しているという見方をすることもできる。
何れにしても、４つの高屈折率層１２１を低屈折率層１２０を挟むように配列し、かつ、それらが接触（一部が接続・重なる）するようにし、さらに、レンズ中心に対して、光入射側にレンズ重心が片寄るように配置すればよい。レンズ重心の片寄り度合いは斜め入射角に応じて設定される。斜め入射角が大きいほど（たとえば固体撮像装置との組合せであれば画素アレイ部の中心から離れるほど）、レンズ重心の片寄り度合いが強くなるようにする（後述する図２５Ａを参照）。
たとえば、光学レンズ１１０Ｇにおいて、１周期内における交互配置層１１２Ｇ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_kの幅は以下のように設定する。チップ内ｘｙ平面のｙ方向でのｚ軸に対して８．５度の角度で斜め入射（空気中換算１２．５deg ）に対応するものとする。ここでは、各屈折率層１２０，１２１や左右を区別せずに１周期の片端から順に参照子ｊ，ｋを付して示す。
高屈折率層１２１_0 ：０．３０μｍ（ｘ方向の幅），０．３０μｍ（ｙ方向の幅）
高屈折率層１２１_1a ：０．３０μｍ（ｘ方向の幅），０．３０μｍ（ｙ方向の幅）
高屈折率層１２１_1b ：０．３０μｍ（ｘ方向の幅），０．２３μｍ（ｙ方向の幅）
高屈折率層１２１_1a ，１２１_1b の間隔：０．２μｍ（ｙ方向の幅）
低屈折率層１２０_2 ：０．２０μｍ（ｘ方向の幅）
高屈折率層１２１_3a ：０．２３μｍ（ｘ方向の幅），０．３０μｍ（ｙ方向の幅）
低屈折率層１２０_40＋低屈折率層１２０_4 ：０．３７μｍ（ｘ方向の幅）
高屈折率層１２１_0と高屈折率層１２１_1a の重なり：０．１０μｍ（ｘ，ｙ方向）
高屈折率層１２１_0の接触・重なりのないコーナーの画素中心からのズレ：０．２０μｍ（ｘ，ｙ方向）
斜め補正機能の考え方に従い、ｘｙ平面で４５度の斜め方向における斜め入射側において、高屈折率層１２１が割合で多く存在しかつ低屈折率層１２０が割合で少なく存在し、反対側では高屈折率層１２１が割合で少なくかつ低屈折率層１２０が割合で多く存在するようにしているのである。画素中央部の高屈折率層１２１_0は、画素中心よりも斜め入射側に配置位置がシフトしており、その方向のコーナーは高屈折率層１２１_1a と重なるが、その他のコーナーは高屈折率層１２１_1b や高屈折率層１２１_3a と接触するようにしている。元々取り外した高屈折率層１２１_3b との接触があり得ないのは言うまでもない。このような構造では、ｘｙ平面で４５度の斜め方向における斜め入射光に対して、ｘ，ｙ，ｚ各方向の集光効果が高まる。効率よく画素の中心に光を集めて、かつ斜め光を垂直光に変換することができる。
図２２のようなマスクパターンで作製された構造において、ｘｙ平面で４５度の斜め方向における斜め入射光を、比較的効率よく画素の中心に集光し垂直光に変換する。図から明らかなように、ここでのマスクパターンは垂直線と水平線のみで形成されている。
図２２Ａは、図２２に示した第６実施形態（第２例）の光学レンズ１１０Ｇの光学特性の３次元の波動シミュレーション結果を示す図であり、緑色光（λ＝５５０ｎｍ）の斜め入射光の場合である。光の入射方向は、チップ内ｘｙ平面の４５度斜め方向でのｚ軸に対して１１．３度の角度で斜め入射（空気中換算１６．５deg ）である。図から判るように、第６実施形態（第２例）の光学レンズ１１０Ｇでは、ｚ軸に対して１１．３度の斜め入射光が、効率的に画素の中心に集まっている。
＜第６実施形態：第３例＞
図２３および図２３Ａは、光学レンズの第６実施形態（第３例）を説明する図である。ここで、図２３は、第６実施形態（第３例）の光学レンズのｚ断面の模式図であり、図２３Ａはその光学特性の３次元の波動シミュレーション結果を示す図である。
第６実施形態（第１例）の光学レンズ１１０Ｆは、光の入射方向がチップ内ｘｙ平面のｘ方向での斜入射に対して、ｙ方向において集光効果を高め画素端部で光の漏れを防止するものであった。これに対して、第６実施形態（第３例）の光学レンズ１１０Ｈは、ｘｙ平面でｙ方向における斜入射に対応するものである。ｘｙ平面のｘ方向をｘｙ平面のｙ方向に変更する訳なので、基本的には、低屈折率層１２０と高屈折率層１２１の配置関係は、紙面を９０度回転させた状態と同じになる。
ｘｙ平面のｙ方向において、重心よりも斜め入射光側においては、低屈折率層１２０の幅が小さく（狭く）、かつ高屈折率層１２１の幅が大きい（広い）のに対して、重心よりも斜め入射光側とは反対側においては、低屈折率層１２０の幅が大きく（広く）、かつ高屈折率層１２１の幅が小さく（狭く）設定されている。斜め入射光側においては、高屈折率層１２１が割合で多く存在しかつ低屈折率層１２０が割合で少なく存在し、反対側では高屈折率層１２１が割合で少なくかつ低屈折率層１２０が割合で多く存在するようにしている点で、図１２の状態と同様になっている。加えて、ｚ断面は、隣接する高屈折率層１２１_1，１２１_3が連続的に繋がるまたは接触するように、同一材質の高屈折率材料の板（高屈折率層１２１_0）を構造体の中心付近に配置する構造を採っている。
光学レンズ１１０Ｈにおいて、１周期内における交互配置層１１２Ｈ内の低屈折率層１２０_jと高屈折率層１２１_kの幅は以下のように設定する。チップ内ｘｙ平面のｙ方向でのｚ軸に対して８．５度の角度で斜め入射（空気中換算１２．５deg ）に対応するものとする。ここでは、各屈折率層１２０，１２１や左右を区別せずに１周期の片端から順に参照子ｊ，ｋを付して示す。
高屈折率層１２１_0：０．２０μｍ（ｙ方向の幅），０．５０μｍ（ｘ方向の幅）
高屈折率層１２１_1：０．３０μｍ（ｙ方向の幅），０．８０μｍ（ｘ方向の幅）
低屈折率層１２０_2：０．２０μｍ（ｙ方向の幅）
高屈折率層１２１_3：０．２５μｍ（ｙ方向の幅），０．８０μｍ（ｘ方向の幅）
低屈折率層１２０_4：０．３５μｍ（ｙ方向の幅）
レンズ中心CLから高屈折率層１２１_3の最遠辺までの距離：０．１９８５μｍ
本例では、シリコンナイトライドＳｉＮおよび酸化シリコンＳｉＯ２の周期構造を持つ交互配置層１１２Ｈは、低屈折率層１２０および高屈折率層１２１の何れも、ｙ方向の最小線幅を０．２０μｍとし、画素サイズ１．１μｍと整合するように、０．２５μｍと０．３μｍ幅の棒状のシリコンナイトライドＳｉＮ層が平行に並び、かつ、それらの長手方向（ｘ方向）の中心でシリコンナイトライドＳｉＮ層で接続された構造を有する。
斜め補正機能の考え方に従い、ｘｙ平面でｙ方向における斜め入射側において、高屈折率層１２１が割合で多く存在しかつ低屈折率層１２０が割合で少なく存在し、反対側では高屈折率層１２１が割合で少なくかつ低屈折率層１２０が割合で多く存在するようにしているのである。このような構造では、ｘｙ平面でｙ方向における斜め入射光に対して、ｘ，ｙ，ｚ各方向の集光効果が高まる。効率よく画素の中心に光を集めて、かつ斜め光を垂直光に変換することができる。
図２３のようなマスクパターンで作製された構造において、ｘｙ平面でｙ方向における斜め入射光を、比較的効率よく画素の中心に集光し垂直光に変換する。図から明らかなように、ここでのマスクパターンは垂直線と水平線のみで形成されている。
図２３Ａは、図２３に示した第６実施形態（第３例）の光学レンズ１１０Ｈの光学特性の３次元の波動シミュレーション結果を示す図であり、緑色光（λ＝５５０ｎｍ）の斜め入射光の場合である。光の入射方向は、チップ内ｘｙ平面のｙ方向でのｚ軸に対して８．５度の角度で斜め入射（空気中換算１２．５deg ）である。図から判るように、第６実施形態（第３例）の光学レンズ１１０Ｈでは、ｚ軸に対して８．５度の斜め入射光が、効率的に画素の中心に集まっている。
＜第６実施形態：変形例＞
図２４、図２４Ａ、図２４Ｂは、光学レンズの第６実施形態（変形例）を説明する図（ｚ断面の模式図）である。この変形例の光学レンズ１１０Ｆａ，１１０Ｇａ，１１０Ｈａは、図２１、図２２、図２３に示した第６実施形態（各例）の光学レンズ１１０Ｆ，１１０Ｇ，１１０Ｈをベースにして、高屈折率層１２１のｚ断面の四隅が斜め４５度線で斜めにカットされた状態にしている点に特徴がある。
第６実施形態（各例）の光学レンズ１１０Ｆ，１１０Ｇ，１１０Ｈは、ｘｙ平面におけるｘ方向、斜め４５度方向、ｙ方向におけるｚ軸に対する斜め入射に対応したものであり、ここでの変形例では、その相違と散乱ロス抑制効果を勘案して、カット部分の大きさを設定する例で説明する。
変形の目的・効果や手法の基本的な考え方は、第５実施形態（変形例）と同様である。すなわち、各高屈折率層１２１へのカット部分を合わせてレンズ全体として見たとき、大局的には八角形が形成されるようにする。
たとえば、図２４に示すように、第６実施形態（第１例の変形例）の光学レンズ１１０Ｆａでは、第６実施形態（第１例）の光学レンズ１１０Ｆをベースに、高屈折率層１２１_1，１２１_3に第５実施形態（変形例）と同様のサイズで角を４５度線でカットする。高屈折率層１２１_1へのカット部分と高屈折率層１２１_3へのカット部分を合わせて全体として見たとき、大局的には八角形が形成されるようにするので、高屈折率層１２１_0についてはカット対象とする必要はない。
図２４Ａに示すように、第６実施形態（第２例の変形例）の光学レンズ１１０Ｇａでは、第６実施形態（第２例）の光学レンズ１１０Ｇをベースに、高屈折率層１２１_1a ，１２１_1b ，１２１_3a について、それらへのカット部分を合わせてレンズ全体として見たとき、大局的には八角形が形成されるようにする。高屈折率層１２１_0についてはカット対象とする必要はない。
図２４Ｂに示すように、第６実施形態（第３例の変形例）の光学レンズ１１０Ｈａでは、第６実施形態（第３例）の光学レンズ１１０Ｈをベースに、高屈折率層１２１_1，１２１_3について、それらへのカット部分を合わせてレンズ全体として見たとき、大局的には八角形が形成されるようにする。高屈折率層１２１_0についてはカット対象とする必要はない。
このように、ｚ断面において各高屈折率層１２１をレンズ全体として見たときの四隅（直角部分）を適当な大きさで斜め４５度でカットすることにより、散乱ロスの発生を抑制することができる。このような変形例の光学レンズ１１０Ｆａ，１１０Ｇａ，１１０Ｈａのマスク製造には、単純な垂直線と水平線に加えて、斜め４５度線が必要になるが、一般的なマスクパターン発生装置で対処可能な範囲であるので、マスク製造コストをアップさせることはないと考えてよい。
＜第６実施形態：適用例１＞
図２５および図２５Ａは、第６実施形態の光学レンズを適用した固体撮像装置（適用例１）を説明する図である。ここで、図２５は第６実施形態の光学レンズを固体撮像装置に適用するに当たっての基本概念を説明する図である。図２５Ａは、図１４Ａや図１５Ｂと同様に、固体撮像装置における画素アレイ部上に適用した交互配置層の平面概略図を示している。なお、図２５Ａでは、画素アレイ部全体おいて各画素の交互配置層によるレンズ形状に関して、代表的な位置のみをピックアップして拡大して示している。適用される固体撮像装置１００ＦはＣＭＯＳセンサおよびＣＣＤの何れでもよい。
図２５に示すように、第６実施形態を適用した適用例１の固体撮像装置１００Ｆは、基本的には、図１４Ａや図１５Ｂに示したＣＭＯＳ固体撮像装置２０１やＣＣＤ固体撮像装置３０１の場合と同様の考え方を適用する。図２１、図２２、図２３に示した第６実施形態（各例）の光学レンズ１１０Ｆ，１１０Ｇ，１１０Ｈで斜め光を垂直光に変換する。集光効果を持ちかつ斜め入射に対する補正量の異なる各レンズを、撮像エリアにおいて入射角に適合する各画素位置に配置させることで、主光線が斜め入射する光を垂直に補正して、かつ、効率よく画素の中心に光を集めるようにすることを基本とする。
４つの高屈折率層１２１を低屈折率層１２０を挟むように配列し、かつ、それらが接触（一部が接続・重なる）するようにし、さらに、レンズ中心に対して、光入射側にレンズ重心が片寄るように配置すればよい。斜め入射角が大きいほど、つまり画素アレイ部の中心から離れるほど、画素アレイ部の中心とは反対側へのレンズ重心の片寄り度合いが強くなるようにする。なお、画素アレイ部の中心では斜め光ではなく垂直光になるので、平面視（ｘｙ平面）でほぼ光電変換部１０４（受光部）のサイズと同程度かそれ以下の角形の高屈折率層１２１にすればよい。
先ず、交互配置層１１２としては、第６実施形態の光学レンズ１１０Ｆ〜１１０Ｈの仕組みを適用することを基本とし、交互配置層１１２を、光軸が画素アレイ部２１０の中心に向くように配置する。この際には、画素アレイ部２１０の中心では非対称性が無い中心に高屈折率層１２１が存在するものを使用し、画素アレイ部２１０の端部になるほど交互配置層１１２の非対称性が強くなる構造にする。そのときの非対称の重心位置は画素アレイ部２１０の中心方向にずらしており、ずらし量が端にいくほど大きくなるように設定する。
ｘ，ｙ方向に着目したとき、画素アレイ部の水平・垂直方向における光電変換部１０４（受光部）が配置される各位置では、光電変換部１０４に対応する光学レンズ１１０ごとに、隣接する高屈折率層１２１_1，１２１_3同士を接続する高屈折率層１２１_0の、１２０と高屈折率層１２１が交互に並べられる方向と直交する方向のサイズが、画素アレイ部の中心から離れるほど狭くなるように設定され、かつ、光学レンズ１１０の重心が画素アレイ部の中心により強く寄るように設定する。こうすることで、画素アレイ部２１０の端部に行くほど主光線が斜め入射するのを補正して各レンズの集光ポイントを画素２１１の中心に持っていくことができる。
図２１、図２２、図２３に示した第６実施形態（各例）の光学レンズ１１０Ｆ，１１０Ｇ，１１０Ｈを利用する場合に則してさらに詳しく説明すると次の通りである。すなわち、図２５Ａに示す画素アレイ部２１０の上面図のように、これらの光学レンズ１１０Ｆ，１１０Ｇ，１１０Ｈを入射角に適合する位置に配置させることで、主光線が斜め入射する光を垂直に補正して、かつ、効率よく画素の中心に光を集めるようにする。
たとえば、図２５Ａに示すように、画素アレイ部の中心と着目画素の座標位置との関係から、たとえば、ｙ方向下側（左端でエリア中央側）に変化させたときの、各高屈折率層１２１の変化状況（ｘ方向に変化なしとする→エンド点は図中の下５つの内の左端の状態になる）、ｘ方向右側（上端でエリア中央側）に変化させたときの各高屈折率層１２１の変化状況（ｙ方向に変化なし→エンド点は図中の右上の状態になる）について考察する。ｘ方向に変化させたときの状況とｙ方向に変化させたときの状況との組合せにより、斜め方向変化での状況も特定される。具体的には、次の通りである。
図２５Ａの点線矢印で示されるように、ｘ方向の変化、たとえば左の画素から中心の画素への変化（第２・第３象限の境界上で原点側への変化）は、構造体（高屈折率層１２１）がこの図の左下に示されるように伸びて変化することで可能となる。すなわち、中央左端のものをスタートとして画素位置がエリア中央部に進むほど、高屈折率層１２１_0，１２１_1，１２１_3は全体的に左側にシフトしつつ、高屈折率層１２１_1は幅が狭くなり、高屈折率層１２１_3は幅が広くなり、高屈折率層１２１_0は幅が広くかつｙ方向に長くなる。そして、エリア中央部では、高屈折率層１２１_0の長さが高屈折率層１２１_1，１２１_3の長さと同一となり、かつ３つの高屈折率層１２１_0，１２１_1，１２１_3が接触・重なることで一体化され図のように四角形となる。
また、ｙ方向の変化も同様に、この図の左に示されるように変化することで可能となる。たとえば、左下側（第３象限）のより少し中央よりのものをスタートとして上側に進むほど、高屈折率層１２１_0，１２１_1a ，１２１_1b ，１２１_3a は全体的に下側にシフトする。サイズ的には、高屈折率層１２１_1a は不変で、高屈折率層１２１_1b はｙ方向下側に伸び、高屈折率層１２１_3a はｙ方向下側に伸び、高屈折率層１２１_0はｘ方向左右に伸びる。
図示するように、撮像エリア中心（画素アレイ部２１０の中央部）では対称な四角形状、さらに撮像エリアの端に行くほど主光線の斜め入射方向に非対称な構造で、それと垂直な方向には対象構造としている。さらに、構造体（高屈折率層１２１）は、マスクパターンでは、垂直線または水平線で形成される図形にしている。そのときの非対称の重心位置は撮像エリア中心方向にずらしており、ずらし量が端にいくほど大きくなるようにしている。こうすることで、撮像エリアの端に行くほど主光線が斜め入射するのを補正して各レンズの集光ポイントを画素中心に持っていくことができる。このようなレンズ形状を固体撮像装置１００Ｆ（イメージセンサ内部）に持つことで、画素アレイ部２１０の端部で起こる感度低下（シェーデング）が小さくなるとともに、混色が減るので色再現性がよくなることが判った。
＜第６実施形態：適用例２＞
図２５Ｂは、第６実施形態（変形例）の光学レンズを適用した固体撮像装置（適用例２）を説明する図である。この適用例２の固体撮像装置１００Ｆａは、適用例１の固体撮像装置１００Ｆに対して、光学レンズ１１０Ｆ，１１０Ｇ，１１０Ｈを、それらの変形例である図２４、図２４Ａ、図２４Ｂに示した第６実施形態（各例の変形例）の光学レンズ１１０Ｆａ，１１０Ｇａ，１１０Ｈａを利用するように変形したものである。よって、構造体（高屈折率層１２１）は、ｚ断面の四隅が斜め４５度線で斜めにカットされた状態になる。その他の点は、適用例１の固体撮像装置１００Ｆと同様である。
図示するように、撮像エリア中心（画素アレイ部２１０の中央部）では対称な八角形状、さらに撮像エリアの端に行くほど主光線の斜め入射方向に非対称な構造で、それと垂直な方向には対象構造としている。さらに、構造体（高屈折率層１２１）は、マスクパターンでは、垂直線、水平線、または斜め４５度の線で形成される図形にしている。そのときの非対称の重心位置は撮像エリア中心方向にずらしており、ずらし量が端にいくほど大きくなるようにしている。
適用例２の固体撮像装置１００Ｆａでは、基本的な仕組みは適用例１の固体撮像装置１００Ｆと同様であり、先ず同様の効果が得られるとともに、特有の利点として、高屈折率層１２１のｚ断面の四隅を斜め４５度線でカットしているので散乱ロスの問題を解消できる。
＜第５・第６実施形態：凹レンズへの適用＞
図示を割愛するが、第４実施形態で説明したように、凸レンズに係る第１〜第３実施形態に対して光学的な数値条件を逆に設定することで凹レンズに係る第４実施形態を導出できるように、凸レンズに係る第５・第６実施形態に対して光学的な数値条件（屈折率の大きい層と屈折率の小さい層の幅の関係）を逆に設定することで凹レンズにすることができるのは言うまでもない。
＜マスクパターンの製法＞
図２６〜図２６Ｃは、本実施形態の光学レンズの製法（特にマスクパターンの設計手法）を説明する図である。ここで、図２６は、マスクパターン設計における座標と原点の関係を説明する図である。図２６Ａは、第６実施形態（第２例）の光学レンズ１１０Ｇに着目した設計式を説明する図である。図２６Ｂおよび図２６Ｃは、設計式における係数の符号の決定方法を説明する図である。
図１４Ａや図１５Ｂあるいは図２５Ａや図２５Ｂにおいては、「集光効果を持ちかつ斜め入射に対する補正量の異なる各レンズを、撮像エリアにおいて入射角に適合する各画素位置に配置させる」ことが必要になる。各実施形態の何れの構造の光学レンズ１１０を使用する場合であっても、画素位置ごとに入射角が異なるので、画素位置ごとに最適化されたものを使用する必要がある。実際には、そのような光学レンズ１１０のマスクパターンを１つ１つ設計することは、その設計の作業に時間が掛かることになる。
その解決手法の１つとしては、たとえば、撮像エリアの四隅（の何れかでもよい）に配置されるものを基本として、ｘ方向・ｙ方向における画素位置のシフトに合わせて、非対称の重心位置・構造体の形状・位置・サイズなどの変更量を数式化しておくことが考えられる。
特に、第５・第６実施形態（その変形例も含む）では、各光学レンズ１１０の構造体（高屈折率層１２１）は、四角形や八角形であるので、頂点座標を指定する関数式（基本的には１次式でよい）にすることで、各画素位置における各光学レンズ１１０を構成する各高屈折率層１２１の配置地位・形状・サイズを特定できる利点がある。１つ１つの画素のパターン変化を、数式で表すことで、容易に全画素位置のマスクデータを入力できる。低次の式であれば、その算術演算も簡単である。
図２５Ａや図２５Ｂに示されるような各画素位置での高屈折率層１２１の構造変化を数式化することで、撮像エリア全面についての各レンズのマスクパターン設計を容易に実現できるようになる。たとえば、図２１、図２２、図２３に示した第６実施形態（各例）の光学レンズ１１０Ｆ，１１０Ｇ，１１０Ｈで斜め光を垂直光に変換するに当たり、それぞれの図形を数式を定義して連続的に繋げることが容易になる。マスクパターンは垂直線（縦線）と水平線（横線）と、場合によっては斜め４５度線で形成されるし、微細画素でも、マスクパターンが単純である。必ずしも最小線幅を０．１μｍ以下にする必要はなく、たとえば０．２〜０．１７μｍ幅程度でも集光効果や斜め入射光補正効果を実現が可能なレンズを、低コストのリソグラフで作製可能となる。
たとえば第６実施形態の光学レンズ１１０Ｆ〜Ｈのマスクパターン設計の数式化に当たっては、次のような手法を採るのがよい。先ず、原点の画素をどこかに決める。たとえば図２６に示すように（図２５も参照）、原点の画素を画素アレイ部の中心（ｘ，ｙ）＝（０，０）とする。すなわち、原点の座標（ｘａ，ｙａ）を（０，０）として、その右隣の画素の座標を（１，０）、さらにその右隣の座標を（２，０）のように、すべての各画素の座標を決めることができる。
さらに図２６に示すように、画素ごとに、計算用のＸ軸とＹ軸を決める。各画素のＸ，Ｙの原点の取り方は第１〜第４象限で異なる。第１象限では画素の右上の角、第２象限では画素の左上の角、第３象限では画素の左下の角、第４象限では画素の右下の角を、それぞれＸＹ原点とする。このようにすることで、図２５からも推測されるように、画素アレイ部の全面では、左右対称性や上下対称性が保たれる。
たとえば、第３象限の左下コーナー寄りに存在することになると考えられる図２６Ａに示すような（ｘａ，ｙａ）の画素に対して、構造体（高屈折率層１２１）の４つの部分（高屈折率層１２１_0，１２１_1a ，１２１_1b ，１２１_3a ）に分けて、それぞれを、頂点座標を使って数式化する。たとえば、高屈折率層１２１_0の部分に着目したとき、４つの頂点座標を（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２），（Ｘ１，Ｙ２）とし、高屈折率層１２１_0（ｘａ，ｙａ）を規定する設計式ｆ_0（ｘａ，ｙａ）を式（２）のように定義する。なお、係数ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ５，ｓ６，ｓ７，ｓ８，ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４は定数となる。また、｜ｘａ｜，｜ｙａ｜は、それぞれｘａ，ｙａの絶対値を示す。
ここで、図２６Ａの（ｘａ，ｙａ）の画素の、１つ上側の画素（ｘａ，ｙａ＋１）を考えてみる。高屈折率層１２１_0の部分に着目したとき、４つの頂点座標を（Ｘ１’，Ｙ１’），（Ｘ２’，Ｙ１’），（Ｘ２’，Ｙ２’），（Ｘ１’，Ｙ２’）とすると、高屈折率層１２１_0（ｘａ，ｙａ＋１）を規定する設計式ｆ_0（ｘａ，ｙａ＋１）は式（３）のように定義される。
この場合、図２６Ｂ（１）に示すように、画素（ｘａ，ｙａ＋１）は、画素（ｘａ，ｙａ）に対して、構造体全体（高屈折率層１２１_0，１２１_1a ，１２１_1b ，１２１_3a ）が下にシフトして、かつ、高屈折率層１２１_0が左右に伸びることになる。また、第３象限の画素（ｘａ，ｙａ）であるからｙａは負の値であるので、その１つ上側の画素（ｘａ，ｙａ＋１）との関係においては、絶対値｜ｙａ＋１｜は｜ｙａ｜に比べて小さい。
したがって、図２６Ｂ（２）に示すことから判るように、高屈折率層１２１_0（ｘａ，ｙａ）と高屈折率層１２１_0（ｘａ，ｙａ＋１）との間には、式（４）の関係がある。これより、ｓ２，ｓ４，ｓ８が正の値で、かつ、ｓ６が負の値であれば、成り立つことになる。
さらに、図２６Ａの（ｘａ，ｙａ）の画素の、１つ右側の画素（ｘａ＋１，ｙａ）を考えてみる。高屈折率層１２１_0の部分に着目したとき、４つの頂点座標を（Ｘ１”，Ｙ１”），（Ｘ２”，Ｙ１”），（Ｘ２”，Ｙ２”），（Ｘ１”，Ｙ２”）とすると、高屈折率層１２１_0（ｘａ＋１，ｙａ）を規定する設計式ｆ_0（ｘａ＋１，ｙａ）は式（５）のように定義される。
この場合、図２６Ｃ（１）に示すように、画素（ｘａ＋１，ｙａ）は、画素（ｘａ，ｙａ）に対して、構造体全体（高屈折率層１２１_0，１２１_1a ，１２１_1b ，１２１_3a ）が左にシフトして、かつ、高屈折率層１２１_0が上下に伸びることになる。また、第３象限の画素（ｘａ，ｙａ）であるからｘａは負の値であるので、その１つ右側の画素（ｘａ＋１，ｙａ）との関係においては、絶対値｜ｘａ＋１｜は｜ｘａ｜に比べて小さい。
したがって、図２６Ｃ（２）に示すことから判るように、高屈折率層１２１_0（ｘａ，ｙａ）と高屈折率層１２１_0（ｘａ＋１，ｙａ）との間には、式（６）の関係がある。これより、ｓ１，ｓ３，ｓ５が正の値で、かつ、ｓ７が負の値であれば、成り立つことになる。
このような方程式を、全ての構造体（高屈折率層１２１_0，１２１_1a ，１２１_1b ，１２１_3a ）で、矛盾なく成り立つようにする。なお、ここで示した例は、あくまでも一例であって、さらに他の方法で数式化することは可能である。
たとえば、高屈折率層１２１_1a の設計式ｆ_1a （ｘａ，ｙａ）、高屈折率層１２１_1b の設計式ｆ_1b （ｘａ，ｙａ）、高屈折率層１２１_3a の設計式ｆ_3a （ｘａ，ｙａ）についても、高屈折率層１２１_0の設計式ｆ_0（ｘａ，ｙａ）と同様の係数を使って、式（２）と同様に定義付けることができる。この場合、係数はそれぞれの設計式ｆ_0，ｆ_1a ，ｆ_1b ，ｆ_3a で独立となる。
また、各象限において、図２６に示したようなＸ，Ｙ座標の原点・方向の取り方をすると、象限に関わらず、各設計式ｆの係数ｓの正負の関係は、以下の通りとなる。つまり、係数ｓや正負の符号関係は、全ての象限で同じで成り立つ。これは、画素のシフト方向に着目したとき、画素アレイ部の四隅から中央の原点（ｘａ，ｙａ）＝（０，０）に画素位置をシフトさせる設計式であるので、そのシフト方向に沿ってＸ，Ｙ座標の原点・方向を取ることで、左右対称性や上下対称性が保たれることに起因する。
＊高屈折率層１２１_0の設計式ｆ_0（ｘａ，ｙａ）
正の値：ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ５，ｓ８
負の値：ｓ６，ｓ８
＊高屈折率層１２１_1a の設計式ｆ_1a （ｘａ，ｙａ）
正の値：ｓ１，ｓ４，ｓ５，ｓ８
負の値：なし
ｓ２＝０
ｓ３＝０
ｓ６＝０
＊高屈折率層１２１_1b の設計式ｆ_1b （ｘａ，ｙａ）
正の値：ｓ１，ｓ４，ｓ５，ｓ８
負の値：なし
ｓ２＝０
ｓ３＝０
ｓ６＝０
＊高屈折率層１２１_3a の設計式ｆ_3a （ｘａ，ｙａ）
正の値：ｓ１，ｓ４，ｓ５，ｓ８
負の値：なし
ｓ２＝０
ｓ３＝０
ｓ６＝０
＜その他の適用例：導波路との組合せ＞
図２７および図２７Ａは、本実施形態の光学レンズ１１０を固体撮像装置に適用するに当たり、導波路（導光路）とも組み合わせる適用例を説明する図である。ここで、図２７は画素アレイ部の中央部で主光線αが垂直（入射角０deg ）に入射する状態を示し、図２７Ａは画素アレイ部の端部で主光線αが斜め（入射角２５deg 程度）に入射する状態を示す。
図示のように、本例の固体撮像装置１００Ｊは、光電変換部１０４（センサ部，画素）が配置されるシリコン基板１０２上に導波路部４１０、入射レンズ４２０、本実施形態の光学レンズ１１０が設けられている。光学レンズ１１０の光入射面側の上層には、酸化シリコンＳｉＯ２でなる単一材層１１１、カラーフィルタ１０６、オンチップレンズ１０８がこの順に設けられている。図２Ａでも説明したように、オンチップレンズ１０８を本実施形態の交互配置層１１２に置き換えることもできる。
導波路部４１０は、導光路４１２となる内側媒質は屈折率ｎ１が１．６４または１．７のＳｉＯＮで内径が４８０ｎｍに設定され、その外側媒質４１４は屈折率ｎ２が１．４５の酸化シリコンＳｉＯ２である。ＳｉＯＮと酸化シリコンＳｉＯ２との間における全反射条件は図示の通りである。
導波路部４１０の上層には屈性率の異なる層の積層構造により形成された入射レンズ４２０が設けられている。この入射レンズ４２０は、導波路部４１０側の屈性率層４２２は屈折率ｎ１が１．６４または１．７のＳｉＯＮであり、光学レンズ１１０側の屈性率層４２４は屈折率ｎ２が１．４５の酸化シリコンＳｉＯ２である。入射レンズ４２０は、光学レンズ１１０で集光される光を導波路部４１０側に導き、導光路４１２の入射端に集光スポット（エアリーディスク：Airy disc ）を形成する。導光路４１２内に導光された光は全反射条件を満たす限りにおいて導光路４１２内をほぼロスなく進行し光電変換部１０４の中心に入射する。
図２７Ａに示すように、画素アレイ部の端部では主光線αが斜め（入射角２５deg 程度）に入射し、オンチップレンズ１０８により入射角１７deg 程度になる。この斜め入射分を補正しなければ、導光路４１２内で全反射条件を満たすことができない。斜め入射光に対する補正機能を持つ第２・第３・第５・第６実施形態の光学レンズ１１０を使用することで、この対策になる。
すなわち、固体撮像装置と導波路を組み合わせる構造にする場合、画素アレイ部の中央部だけでなく端部でも、導波路の全反射条件を満たすように光を導波路に導入する必要があるが、通常は、端部では光の入射方向が斜めになるので、その条件を満たすことが困難になる。これに対して、斜め入射補正機能や集光効果を持つ本実施形態の光学レンズ１１０を使用することで、光を導波路の中央部に容易に導入でき、かつ、導波路の全反射条件を斜め光でも満たすことができるようになる。
＜その他の適用例：裏面照射型との組合せ＞
図２８は、本実施形態の光学レンズ１１０を裏面照射型の固体撮像装置に適用する例を説明する図である。本例の固体撮像装置１００Ｋは、光電変換部１０４が形成されるシリコン基板１０２の表面上に電極や配線やカラーフィルタ、レンズなどを形成し、その上方から光を照射させる表面照射型構造ではなく、電極や配線が形成される配線層側（表面側）とは反対の裏面側から光を照射させる裏面照射型構造である。この場合、カラーフィルタやレンズなども裏面側に配置される。
表面照射型構造では、固体撮像装置の微細化が進むと、配線ピッチが狭くなる、配線層の多層化が進むなどのため、レンズと光電変換部のフォトダイオードとの距離が広がり、斜め入射光の一部が配線層に遮られ実効開口率が低下する。画素アレイ部の中央部と端部では、実効開口率や感度に大幅な差が生じ、シェーディングなどの問題が出てくる。このような問題を解消しようとするのが裏面照射型構造である。
たとえば、図２８（１）に示す参考例の固体撮像装置１００Ｚでは、シリコン基板１０２の裏面側を薄く削り、その光入射側にオンチップレンズ１０８とカラーフィルタ１０６が形成されている。このような裏面照射型構造では、入射光はオンチップレンズ１０８を通してシリコン基板１０２に形成された光電変換部１０４に入射するようになっている。図示を割愛した配線層が形成される側を表面側と称すると、光は裏面側から光電変換部１０４に入射するので、裏面照射型構造と称される。裏面照射型構造を採ると、入射光は、配線層により遮られることがないので、斜め入射光の実効開口率を１００％にすることもでき、感度向上やシェーディング防止ができる。
ただし、図２８（１）に示すように、オンチップレンズ１０８を利用する参考例では、画素アレイ部の端部では、斜め入射光（入射角２５deg 程度）が隣接画素に侵入してしまい、この斜め入射光による混色・色再現性の低下の問題は依然として残る。
これに対して、図２８（２）に示すように、裏面照射型構造を採る本例の固体撮像装置１００Ｋは、光電変換部１０４が形成されるシリコン基板１０２の裏面側を薄く削り、その光入射側のカラーフィルタ１０６と光電変換部１０４との間に、斜め入射補正機能や集光効果を持つ本実施形態の光学レンズ１１０が設けられている。斜め入射光に対する補正機能を持つ第２・第３・第５・第６実施形態の光学レンズ１１０を使用することで、画素アレイ部の端部において斜め入射光（入射角２５deg 程度）がシリコン基板１０２の裏面から入射しても、その斜め入射光を垂直光に変換することができ、混色・色再現性の低下の問題を解消できる。
１，３，１１１，１１３…単一材層、２，１１２…交互配置層、２０，１２０…低屈折率層、２１，１２１…高屈折率層、１００…固体撮像装置、１０２…シリコン基板、１０４…光電変換部、１０５…層内集光レンズ、１０６…カラーフィルタ、１０８…オンチップレンズ、１０９…配線層、１１０…光学レンズ、１２４…反射防止膜、１３０…薄膜層、２００，３００…撮像装置、２０１…ＣＭＯＳ固体撮像装置、２１０，３１０…画素アレイ部、２１１，３１１…画素

Claims (20)

  1. それぞれが光学長に比べて相対的に薄い、屈折率の大きい高屈折率層と屈折率の小さい低屈折率層とが、高屈折率層及び低屈折率層の幅方向である第１の方向に沿って交互に配列されており、高屈折率層及び低屈折率層の各幅は、入射光の波長オーダー又はそれより小さく、
    高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも一方は、光学部材本体の一方の端から光学的な重心位置に向かって、幅が徐々に大きくなるように配置されており、
    高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも他方は、等しい幅で配置されている光学部材。
  2. 光学的な重心位置は、光学部材本体の他方の端に存在する請求項１に記載の光学部材。
  3. 高屈折率層は、光学部材本体の機械的な中心では密に配置され、中心から離れるに従って疎になるように、左右対称に配置されている第１の部分を備えるとともに、
    第１の部分の光入射側及び光出射側の少なくとも一方に、光学的な重心位置が光学部材本体の他方の端に存在する第２の部分を備える請求項２に記載の光学部材。
  4. 高屈折率層は、光学部材本体の機械的な中心では密に配置され、中心から離れるに従って疎になるように、左右非対称に配置されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学部材。
  5. それぞれが光学長に比べて相対的に薄い、屈折率の大きい高屈折率層と屈折率の小さい低屈折率層とが、高屈折率層及び低屈折率層の幅方向である第１の方向に沿って交互に配列されており、高屈折率層及び低屈折率層の各幅は、入射光の波長オーダー又はそれより小さく、高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも一方が、光学部材本体の一方の端から光学的な重心位置に向かって、幅が徐々に大きくなるように配置され、高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも他方が、等しい幅で配置されている光学部材、及び、
    光学部材を通過した光を受光する受光部が１次元状あるいは２次元状に配列されて成る画素アレイ部、
    を備える固体撮像装置。
  6. 受光部に対応する光学部材として、高屈折率層の各幅が第１の方向に沿って対称に配置されているものと、高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも一方の各幅が第１の方向に沿って非対称に配置されているものとが使用されており、
    画素アレイ部の中心では、高屈折率層の各幅が第１の方向に沿って対称に配置されている光学部材が使用され、画素アレイ部の端部になるほど、非対称性が強くなる光学部材が使用されている請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 受光部に対応する光学部材として、高屈折率層の各幅が第１の方向に沿って対称に配置されているものと、高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも一方の各幅が第１の方向に沿って非対称に配置されているものとが使用されており、
    画素アレイ部の中心では、高屈折率層の各幅が第１の方向に沿って対称に配置されている光学部材が使用され、画素アレイ部の端部になるほど、光学的な重心の位置が受光部の中心から画素アレイ部の中心方向にズレた光学部材が使用されている請求項５に記載の固体撮像装置。
  8. 各光学部材にあっては、光学部材の中心よりも斜め入射光側においては、高屈折率層が光学的な重心の位置では幅が大きく、光学的な重心の位置から離れるに従って幅が狭く、斜め入射光に垂直な、低屈折率層と高屈折率層とが交互に並べられる方向と直交する第２の方向のサイズが、受光部のサイズと同程度かそれよりも少し小さい請求項１０又は請求項７に記載の固体撮像装置。
  9. 高屈折率層は、第２の方向における受光部の中心に対して対称性を持っている請求項８に記載の固体撮像装置。
  10. 隣接する高屈折率層間の低屈折率層が配置される部分の一部には、隣接する高屈折率層同士を接続する高屈折率層が更に設けられている請求項８又は請求項９に記載の固体撮像装置。
  11. 画素アレイ部の中心では平面視で受光部のサイズと同程度かそれ以下の角形の高屈折率層が設けられており、
    画素アレイ部の水平・垂直方向における受光部が配置される各位置では、受光部に対応する光学部材ごとに、隣接する高屈折率層同士を接続する高屈折率層の第２の方向のサイズが画素アレイ部の中心から離れるほど狭くなるように設定され、且つ、光学部材の重心が画素アレイ部の中心から離れるほど画素アレイ部の中心とは反対側により強く寄るように設定されている請求項１０に記載の固体撮像装置。
  12. 画素アレイ部の中心に対する斜め方向における受光部が配置される各位置では、受光部に対応する光学部材ごとに、４つの高屈折率層が低屈折率層を挟み、且つ、４つの高屈折率層同士が接触するように配列され、更に、画素アレイ部の中心から離れるほど、光学部材の重心が画素アレイ部の中心とは反対側により強く片寄るように配置されている請求項１０又は請求項１１に記載の固体撮像装置。
  13. 高屈折率層の光学部材の外側の角は高屈折率層のサイズに応じた大きさで斜めにカットされている請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  14. それぞれが光学長に比べて相対的に薄い、屈折率の大きい高屈折率層と屈折率の小さい低屈折率層とが、高屈折率層及び低屈折率層の幅方向である第１の方向に沿って交互に配列されており、高屈折率層及び低屈折率層の各幅は、入射光の波長オーダー又はそれより小さく、
    高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも一方は、光学部材本体の一方の端から光学的な重心位置に向かって、幅が徐々に大きくなるように配置されており、
    高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも他方は、等しい幅で配置されている光学部材の製造に当たって、
    高屈折率層及び低屈折率層の何れか一方の膜を形成し、
    第１の方向に複数の開口部を配列して形成し、
    それぞれの開口部を、高屈折率層及び低屈折率層の他方で埋め込む光学部材の製造方法。
  15. 光学部材を配列する際の平面視で高屈折率層を角形にし、
    ４つの高屈折率層が低屈折率層を挟み、且つ、４つの高屈折率層同士が接触するように配列し、更に、斜め光の入射角が大きいほど、光学部材の重心が斜め光側によりも強く片寄るように、横線、縦線、又は、斜め４５度線を用いて、斜め光の入射角に応じたそれぞれのマスクパターンを生成し、
    この生成したマスクパターンをフォトリソグラフィに使って、斜め光の入射角に応じた各光学部材を製造する請求項１４に記載の光学部材の製造方法。
  16. それぞれが光学長に比べて相対的に薄い、屈折率の大きい高屈折率層と屈折率の小さい低屈折率層とが、高屈折率層及び低屈折率層の幅方向である第１の方向に沿って交互に配列されており、高屈折率層及び低屈折率層の各幅は、入射光の波長オーダー又はそれより小さく、高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも一方が、光学部材本体の一方の端から光学的な重心位置に向かって、幅が徐々に大きくなるように配置され、高屈折率層及び低屈折率層の少なくとも他方が、等しい幅で配置されている光学部材、及び、
    光学部材を通過した光を受光する受光部が１次元状あるいは２次元状に配列されて成る画素アレイ部、
    を備える固体撮像装置に製造に当たって、
    受光部が形成されている半導体基板上に低屈折率層を形成し、
    低屈折率層上に高屈折率層を形成し、
    高屈折率層の受光部と対応する位置に複数の開口部を配列して形成し、
    それぞれの開口部を低屈折率層で埋め込む固体撮像装置の製造方法。
  17. 各光学部材を、受光部の配列位置と斜め光の入射角に整合させて配列する際の平面視で高屈折率層を角形にし、
    ４つの高屈折率層が低屈折率層を挟み、且つ、４つの高屈折率層同士が接触するように配列し、更に、斜め光の入射角が大きいほど、光学部材の光学的な重心が斜め光側により強く片寄るように、横線、縦線、又は、斜め４５度線を用いて、斜め光の入射角に応じたそれぞれのマスクパターンを生成し、
    この生成したマスクパターンをフォトリソグラフィに使って、斜め光の入射角に応じた各光学部材を、受光部の配列位置と整合するように配置する請求項１６に記載の固体撮像装置の製造方法。
  18. ４つの高屈折率層の角形の形状と配置位置を、それぞれの頂点座標を使用する関数式で表わし、当該関数式を規定する各頂点座標を示す一次式の係数を半導体基板上における光学部材が配置される位置に応じて設定することで、斜め光の入射角に応じた各光学部材用のマスクパターンのデータを生成する請求項１７に記載の固体撮像装置の製造方法。
  19. ４つの高屈折率層の角形の形状は四角形であり、垂直光が入射する位置を原点とするｘｙ平面の光学部材と対応する検出部の配置される位置（ｘａ，ｙａ）の光学部材ごとに、斜め光が入射する側とは反対側の角を原点とする新たな座標Ｘ，Ｙをとり、位置（ｘａ，ｙａ）の関数式をｆ（ｘａ，ｙａ）、各高屈折率層の４つの頂点座標を（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２），（Ｘ１，Ｙ２）としたとき、Ｘ１，Ｙ１，Ｘ２，Ｙ２を、下記式で規定することで、斜め光の入射角に応じた各光学部材用のマスクパターンのデータを生成する請求項１８に記載の固体撮像装置の製造方法。
    ｆ（ｘａ，ｙａ）＝｛（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２），（Ｘ１，Ｙ２）｝
    Ｘ１＝ｓ１×｜ｘａ｜＋ｓ２×｜ｙａ｜＋ｃ１
    Ｙ１＝ｓ３×｜ｘａ｜＋ｓ４×｜ｙａ｜＋ｃ２
    Ｘ２＝ｓ５×｜ｘａ｜＋ｓ６×｜ｙａ｜＋ｃ３
    Ｙ２＝ｓ７×｜ｘａ｜＋ｓ８×｜ｙａ｜＋ｃ４
    ｓ１〜ｓ８は係数、ｃ１〜ｃ４は定数
  20. 高屈折率層の光学部材の外側の角を高屈折率層のサイズに応じた大きさで斜めにカットすることで、斜め光の入射角に応じた各光学部材用のマスクパターンのデータを生成する請求項１９に記載の固体撮像装置の製造方法。
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