JP2018093085A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体を透過または反射する光のコヒーレンスの度合いや位相を煩雑な操作を行うことなく測定する際の光検出の入射光量向上技術を提供する。【解決手段】本開示の入射光量向上方法は、前記透光領域の上方に設けられた第１のレンズと、前記第１のレンズの上方に設けられた前記透光領域を少なくとも部分的に覆う第２のレンズを備え、前記第１のレンズの焦点距離と前記第２のレンズの焦点距離の合計がお互いのレンズ主点間距離に等しいことを特徴とする固体撮像素子を備える。【選択図】図７

Description

本発明は、固体撮像素子に関する。

光は電磁波であり、波長、強度以外に、偏光や干渉性等の特性で特徴づけられる。このうち、光の干渉性を利用して被写体を測定する方法として、例えば、非特許文献１に示されるマイケルソンの干渉計が挙げられる。

従来の方法では、光のコヒーレンスの度合いや位相を測定するには煩雑な操作が必要であった。

東海大学出版会 光学の原理、ｐ４８２ Ｍ・ボルンほか 第１４回医用近赤外線分光法研究会、ｐ１３９−１４４、近赤外生体分光法の展望−１μｍ波長域の可能性、 西村吾朗

これに対し、被写体を透過または反射する光のコヒーレンスの度合いや位相を煩雑な操作を行うことなく測定する際の光検出の入射光量向上技術を提供する。

上記課題を解決するため、本開示の一態様は、透光領域および遮光領域を有する層に対し、透光領域の上方に設けられた第１のレンズと、前記第１のレンズの上方に設けられた前記透光領域を少なくとも部分的に覆う第２のレンズを備え、前記第１のレンズの焦点距離と前記第２のレンズの焦点距離の合計がお互いのレンズ主点間距離に等しいことを特徴とする固体撮像素子を含む。

本開示の一態様によれば、コヒーレンスの度合いや位相の状態を煩雑な操作を行うことなく測定するために必要な光量を最大で倍増させることができる。

図１（ａ）は、検討例による光検出システム示す模式的な断面図であり、図１（ｂ）は光検出器上の一つの開口に入射する散乱光の様子を示す説明図である。 図２（ａ）は、検討例による光検出装置の断面図、図２（ｂ）は検討例による光検出装置を光の入射側から眺めた平面図である。 図３は、検討例による信号処理の仕方を示す説明図である。 図４（ａ）は検討例に於ける遮光部および透光部のパターンを示す平面図であり、図４（ｂ）は検討例に於ける光検出器のパターンを示す平面図であり、図４（ｃ）は検討例に於ける遮光部、透光部および光検出器の位置関係を示す断面説明図である。 図５は、検討例による光検出装置において、１パルスの入射光が光結合層を通過して光検出器に受光される様子を電磁解析で経過時間順に示す図である。 図６（ａ）は検討例に於ける４つの開口での入射光とその下にある３つの光検出器の位置関係を示す断面図、図６（ｂ）は入射光の位相ランダム性と検出信号の関係を示す説明図である。 図７は、本開示における固体光学素子の斜視図である。 図８（ａ）は、本開示における固体光学素子の上面図であり、図８（ｂ）は、第１の実施形態における遮光膜の概略を表す図であり、図８（ｃ）は、第１の実施形態における第１のレンズの概略を表わす図であり、図８（ｄ）は、第１の実施形態における第２のレンズの概略を表わす図である。 図９（ａ）は、本開示における第１のレンズおよび第２のレンズをフレネルレンズにした固体撮像素子の断面図であり、図９（ｂ）は、第１の実施形態における第１のレンズおよび第２のレンズの概略を表す上面図である。 図１０（ａ）は、本開示における固体撮像素子の上面図であり、図１０（ｂ）は、遮光膜９の上面図であり、図１０（ｃ）は、第１のレンズ２１の上面図であり、図１０（ｄ）は、第２のレンズ２２の上面図である。 図１１（ａ）（ｂ）は、それぞれ、従来例であるマイケルソンの干渉計２００による光の干渉性および位相の評価方法を示す説明図である。 図１２は、本開示における、光源３０を出射しｚ方向に伝搬する光のある時刻ｔ₀の様子を示す概念図である。 図１３は、本開示における、波長λ₀を中心にする光の波長の広がりとコヒーレンス長との関係を示す。 図１４（ａ）は、本開示における光検出システム３００の模式的な断面図であり、図１４（ｂ）は、光検出システム３００の光源４２の発振と光検出器５０の検出信号との関係を示す説明図である。

本開示の実施の形態を説明する前に、以下に従来の光の干渉性や位相を測定する方法について、詳細に検討した結果を説明する。

図１１（ａ）および（ｂ）は第１の従来例であるマイケルソンの干渉計２００とそれによる光の干渉性、位相の評価方法を示す説明図である。図１１（ａ）に示すように、光源３０を出射する光３１を第１の集光レンズ３５ａにより集光して平行光３２とする。この平行光３２の一部はハーフミラー３３を透過して第１の反射ミラー３４ａに向かい（光３２ａ）、反射ミラー３４ａを反射してハーフミラー３３に向かい（光３２ｂ）、ハーフミラー３３を反射して第２の集光レンズ３５ｂに向かい（光３２ｃ）、集光レンズ３５ｂの焦平面に位置する検出器３６に入射する（光３２ｄ）。一方、平行光３２の一部はハーフミラー３３を反射して第２の反射ミラー３４Ａに向かい（光３２Ａ）、反射ミラー３４Ａを反射してハーフミラー３３に向かい（光３２Ｂ）、ハーフミラー３３を透過して集光レンズ３５ｂに向かい（光３２Ｃ）、光３２ｄと重なる形で検出器３６に入射する（光３２Ｄ）。光検出器３６は光３２ｄと光３２Ｄが干渉して得られる光を検出する。第２の反射ミラー３４Ａは、反射面の法線方向（矢印Ａ）にそって位置が変更されるように構成されている。第２の反射ミラー３４Ａの変位に伴って、光３２ｄに対する光３２Ｄの相対的な位相が変化する。

図１１（ｂ）は光検出器３６で検出される電気信号を示す。縦軸を光検出器３６で検出される信号強度とし、横軸を時間としている。図１１（ｂ）で示すように、信号強度は時間の経過（反射ミラー３４Ａの変位）に伴いａからｂの範囲で変化する。ここで、（ｂ−ａ）／（ｂ＋ａ）の値を干渉に於けるコントラストと呼び、この値によって光３１の干渉性（コヒーレンス）の度合いが定義される。コントラストの値は第２の反射ミラー３４Ａの光軸方向の変位に伴い変化する。

反射ミラー３４Ａを固定し、ハーフミラー３３と反射ミラー３４ａの間に透明な被写体３８を配置する場合でも同じ原理が成立する。すなわち、光検出器３６で検出される信号強度には被写体の形状に応じた強度差が空間的な分布として表れ、いわゆる干渉縞を形成する。その干渉縞の形状、間隔を測定することで、被写体の形状（位相情報）を計測できる。

図１２は、光源３０を出射しｚ方向に伝搬する光の、ある時刻ｔ₀の様子を示す概念図である。図１２を用いて光の干渉現象を説明する。図１２に示すように、光源３０からは波連３７ａ、３７ｂ等が次々に出射する。波連の長さσ₀はコヒーレンス長と呼ばれる。１つの波連内では波は連続しており、波長も均一である。波連が異なると位相の相関性は無くなり（波連３７ａでは位相δ₀、波連３６ｂでは位相δ₀'、δ₀≠δ₀'）、波長も異なる場合がある（波連３７ａでは波長λ₀、波連３７ｂでは波長λ₀'、λ₀≠λ₀'）。例えば、図１１（ａ）で示した光学系で第２の反射ミラー３４Ａの変位を調整して、図１２における波連３７ａのうち部分３７Ａと部分３７Ａ'とを干渉させる場合を考える。部分３７Ａ内の波と部分３７‘内の波とは波長が等しく、波の位相差も時間的に安定している（ある値で変わらない）。したがって、干渉後の光の明暗（干渉光の振幅の大小）も時間的に安定する（ある明るさを維持する）。つまり、干渉光は、位相差の量（反射ミラー３４Ａの変位）に応じて明るく見えたり暗く見えたりする（この状態はコヒーレントと呼ばれる）。次に、波連３７ａの部分３７Ａと波連３７ｂの部分３７Ｂとを干渉させる場合を考える。このとき、部分３７Ａ内の波と部分３７Ｂ内の波との波長が等しくなる保障は無く、これら２つの波の位相差も時間的にランダムに変化する。したがって、干渉後の光の明暗（干渉光の振幅の大小）は時間的にランダムに変化する。この変化はフェムト秒単位の速さである。従って干渉光は高速で明暗が繰り返され、人間の目には平均的な明るさにしか見えない（この状態はインコヒーレントと呼ばれる）。レーザー光は波連が長く、コヒーレンス長が数ｍｍから数百ｍ程であり、コヒーレント光の代表である。一方、太陽光は波連が短く、コヒーレンス長が１μｍ程度であり（図１３での説明参照）、インコヒーレントな光の代表である。図１１（ａ）のような構成で光を干渉させる場合、レーザーのようにコヒーレンス長が長い光を使うと、同じ波連内で干渉する確率が高くなり、コントラストは向上する（１に近くなる）。一方、太陽光のようにコヒーレンス長が短い光を使うと、異なる波連間で干渉する確率が高くなり、コントラストは低下する（０に近くなる）。

図１３は、波長λ₀を中心にする光の、波長の広がり（縦モード幅）とコヒーレンス長との関係を示す。図１３（ａ）は、波長λ₀を中心に波長の広がりがゼロの場合を示しており、この時、図１３（Ａ）に示すようにコヒーレンス長は無限大になる。図１３（ｂ）は、波長λ₀を中心に波長の広がりがΔλの場合を示しており、この時、図１３（Ｂ）に示すようにコヒーレンス長σ₀はλ₀ ²／Δλになる。縦モード幅とコヒーレンス長はフーリエ変換の関係にあり、ウイナーキンチンの定理と呼ばれる。これは次のように説明できる。図１３（ｃ）は波長λ₀を中心に波長の広がりがΔλの光を、波長λ₀-Δλ／２と波長λ₀＋Δλ／２の２つの光２６、２７に置き換えている。光２６と光２７とが干渉することで発生する唸りの周期はλ₀ ²／Δλであり、搬送波の波長は光２６と光２７の波長の平均値λ₀になる。唸りの周期内では光の振動波形は均一で連続するが、周期を跨ぐと光の振動波形は連続性が失われ、位相の相関性も無くなる。つまり、唸りの周期λ₀ ²／Δλがコヒーレンス長になる。太陽光がインコヒーレントなのは波長の広がり（縦モード幅）Δλが大きいためであり、中心波長λ₀を０．５５μｍ、波長の広がりΔλを０．３０μｍとするとコヒーレンス長σ₀はλ₀ ²／Δλ＝１．０μｍとなる。

次に、非特許文献２に示される光検出システムを第２の従来例として説明する。非特許文献２に示される光検出システムは、光の強度分布を光の伝播距離ごとに測定する。図１４（ａ）は第２の従来例における光検出システム３００の模式的な断面図を示している。光源４２はレーザー光を出射する。図１４（ａ）に示すように光源４２を出射する波長λ₀の光４３は被写体４４に照射される。その結果、被写体４４の表面や内部で発生した散乱光４５ａ、４５ｂ、４５ｃは集光レンズ４７で集光され、集光レンズ４７の像面位置に像４８ｂとして結像される（像４８ｂに対応してレンズの物側には実質的な物体（物点の集まり）４８ａが存在する）。像面位置には光検出器５０が配置されている。光検出器５０は複数の画素の集合体であり、画素ごとに入射する光の光量が検出される。光源４２はコントローラ４１により発光が制御される。光検出器５０で検出された光量は検出信号として演算回路５１で処理される。コントローラ４１、演算回路５１はコンピュータ５２により一括して制御される。

図１４（ｂ）は、図１４（ａ）で示した光検出システム３００の、光源４２の発振と光検出器５０の検出信号との関係を示す説明図である。光源４２がコントローラ４１の制御の下でパルス４３ａを発振する。このパルス４３ａによる光４３が被写体４４の内部を散乱して光検出器５０で受光され、信号５３として検出される。（図１４（ｂ）は、縦軸を光源４２の発振強度、または光検出器５０の検出強度とし、横軸を経過時間としている。）検出信号５３は散乱による光路長のバラつきの影響で、元のパルス４３ａに比べて時間幅が広がる。検出信号５３のうち先頭の出力５３ａは、被写体４４の表面を反射する光４５ａによる信号である。出力５３ａの後の時間ｔ₀〜ｔ₁の間の出力５３ｂは、被写体４４の内部を散乱し散乱距離の短い光４５ｂによる信号である。出力５３ｂの後の時間ｔ₁〜ｔ₂の間の出力５３ｃは、散乱距離の長い光４５ｃによる信号である。コンピュータ５２による制御によって、演算回路５１は検出信号５３を時間分割し、信号５３ａ，５３ｂ、５３ｃの出力を分離して検出できる。光は出力５３ａ，５３ｂ、５３ｃの順に被写体の浅い側から深い側を通過しているので、深さの異なる情報を分離して分析できることになる。

本願発明者の検討によれば、第１の従来例であるマイケルソンの干渉計２００により干渉性（コヒーレンス）の度合いや位相を測定するには、反射ミラー３４Ａからの参照光３２Ｂ，３２Ｃが必要であり、構成が複雑になる。

一方、本願発明者の検討によれば、第２の従来例である光検出システムは、時間分割幅に限界があるため、診断の際に深さ方向の分解能を充分に確保できない。例えば、時間分割幅を３００ｐｓとすると、深さ分解能は９０ｍｍ程度になり、生体のような比較的小さな構造からなる対象の診断、検査には向かない。

以下、実施の形態について述べる前に、従来例の課題を解決するために検討した形態について説明する。

（検討例）
図１（ａ）は、本検討例に係る光検出システム１００の模式図である。光検出システム１００は、光源２と、集光レンズ７と、光検出装置１３と、制御回路１と、演算回路１４と、を備える。

光源２は一定のコヒーレンス長の光を被写体４に照射する。例えば、光源２はコヒーレント光の代表であるレーザー光である。光源２は、一定の強度の光を連続的に発光してもよいし、パルス光を発光してもよい。光源２が発光する光の波長は任意である。被写体４が生体の場合、光源２の波長は、例えば略６５０ｎｍ以上略９５０ｎｍ以下に設定され得る。この波長範囲は、赤色〜近赤外線の波長範囲に含まれる。本明細書では、可視光のみならず赤外線についても「光」の用語を使用する。

集光レンズ７は、光源２が被写体４に光を照射して被写体４の表面や内部で発生した散乱光５ａ、５Ａを集光する。集光された光は、集光レンズ７の像面位置に像８ｂとして結像される（像８ｂに対応してレンズの物側には実質的な物体（物点の集まり）８ａが存在する）。図に示す例では集光レンズ７は、１つのレンズを備えているが、複数のレンズを備えてもよい。

光検出装置１３は、集光レンズ７の像面位置に配置される。光検出装置１３は、集光レンズ７が集光した散乱光５ａ、５Ａを検出する。光検出装置１３の詳細な構造は後述する。

演算回路１４は、光検出装置１３が検出した信号の演算処理を行う。演算回路１４は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）等の画像処理回路であり得る。

制御回路１は、例えばメモリに記録されたプログラムを実行することにより、光検出装置１３による光の検出や、演算回路１４による演算処理、光源２の発光光量、点灯タイミング、連続点灯時間、または発光波長やコヒーレンス長を制御する。制御回路１は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）またはマイクロコンピュータ（マイコン）等の集積回路であり得る。制御回路１と演算回路１４は、統合された１つの回路によって実現されていてもよい。

なお、光検出システム１００は、演算回路１４が演算処理した結果を表示する不図示のディスプレイを備えていてもよい。

図１（ｂ）は、光検出装置１３が備える一つの開口（後述する「透光領域９ａ」）に入射する散乱光５の様子を示す。被写体４は散乱体である。被写体４の内部を伝搬する光線は、減衰係数μａで減衰し、散乱係数μｓで散乱を繰り返す。

図２（ａ）、（ｂ）は、光検出装置１３の構成を示す。なお、本図には、説明の便宜上、直交する３つの軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）が示されている（他の図についても同様）。図２（ｂ）は光検出装置１３を光の入射する側から眺めた平面図であり、図２（ａ）は、光が入射する方向に沿った面における光検出装置１３の断面図（図２（ｂ）の破線で囲まれた領域を含むｘｚ面における断面図）である。図２（ｂ）は、後述する遮光膜を含むｘｙ面における平面図であり、図２（ａ）の断面構造を一つの単位として、当該単位構造がｘｙ面内で周期的に並んでいる。

光検出装置１３は、光検出層１０と、光結合層１２と、遮光膜９と、をこの順に備える、図２（ａ）の例ではこれらがｚ方向に積層されている。また、図２（ａ）の例では、遮光膜上に透明基板９ｂとバンドパスフィルター９ｐと、をこの順に備えている。

光検出層１０は、光検出層１０の面内方向（ｘｙ面内）に複数の検出器１０ａ、１０Ａを備える。光検出層１０は、光が入射する側から、マイクロレンズ１１ａ、１１Ａ、透明膜１０ｃ、配線等の金属膜１０ｄ、Ｓｉや有機膜等で形成される感光部を備えている。金属膜１０ｄの隙間にある感光部が検出器１０ａ、１０Ａに相当する。複数のマイクロレンズ（１１ａ、１１Ａ）は、１つのマイクロレンズが１つの検出器（１０ａ、１０Ａ）に対向するように配置される。マイクロレンズ１１ａ、１１Ａで集光され金属膜１０ｄの隙間に入射する光が検出器１０ａ、１０Ａで検出される。

光結合層１２は、光検出層１０上に配置され、光検出層１０の面直方向（ｚ軸方向）において、第１の透明層１２ｃ、第２の透明層１２ｂ、および第３の透明層１２ａをこの順に備える。第１の透明層１２ｃ、および第３の透明層１２ａはＳｉＯ₂等からなる。第２の透明層１２ｂはＴａ₂Ｏ₅等からなる。第２の透明層１２ｂは、第１の透明層１２ｃ及び第３の透明層１２ａよりも屈折率が高い。高屈折率透明層１２ｂと低屈折率透明層１２ｃをこの順にさらに繰り返した構造を備えてもよく、図２（ａ）では合計６回繰り返した構造を示している。高屈折率透明層１２ｂは低屈折率透明層１２ｃ、１２ａで挟まれているので、導波層として機能する。高屈折率透明層１２ｂと、低屈折率透明層１２ｃ、１２ａとの界面に全面に渡ってピッチΛの直線グレーティング１２ｄが形成される。グレーティングの格子ベクトルは光結合層１２の面内方向（ｘｙ面）に於けるｘ軸に平行である。グレーティング１２ｄのｘｚ断面形状は積層される高屈折率透明層１２ｂ、および低屈折率透明層１２ｃにも順次転写される（透明層１２ｂ、１２ｃの成膜が積層方向に指向性が高い場合には、グレーティングのｘｚ断面がＳ字やＶ字状にすることで形状の転写性を維持しやすい）。なお、グレーティング１２ｄは、少なくとも高屈折率透明層１２ｂの一部に備えられていればよい。高屈折率透明層１２ｂがグレーティング１２ｄを備えることにより、入射光が高屈折率透明層１２ｂを伝播する光（導波光）に結合できる。

光結合層１２と光検出層１０との間の隙間はできるだけ狭い方がよい（できれば密着すべきである）。この隙間（マイクロレンズ（１１ａと１１Ａ）の間の空間を含む）に接着剤等の透明媒質を充填してもよい。透明媒質を充填する場合、マイクロレンズ１１ａ、１１Ａでのレンズ効果を得るために、マイクロレンズの構成材料は充填される透明媒質よりも充分大きな屈折率である必要がある。

遮光膜９は、複数の遮光領域９Ａと複数の透光領域９ａとを有する。図２（ａ）の例では、後述する透明基板９ｂ上にＡｌ等からなる金属反射膜がパターニングされることにより遮光領域９Ａおよび透光領域９ａが形成されている。図２（ａ）の透光領域９ａは図２（ｂ）の透光領域９ａ１、９ａ２、９ａ３、９ａ４等に対応し、図２（ａ）の遮光領域９Ａは図２（ｂ）の遮光領域９Ａ１、９Ａ２、９Ａ３、９Ａ４等に対応する。つまり、遮光膜９は、遮光膜９の面内方向（ｘｙ面内）に複数の遮光領域９Ａと複数の透光領域９ａとを有する。複数の遮光領域９Ａの各々は、一つの検出器１０Ａにそれぞれ対向する。複数の透光領域９ａの各々は、一つの検出器１０ａにそれぞれ対向する。複数の遮光領域９Ａ（９Ａ１〜９Ａ４）は、チェッカーパターンを形成する（図２（ｂ）参照）。これらの遮光領域９Ａ（９Ａ１〜９Ａ４）はチェッカーパターン以外を形成してもよく、例えばストライプパターンでもよい。

透明基板９ｂは遮光膜９の光入射側に配置され、ＳｉＯ₂等の材料からなる。バンドパスフィルター９ｐは透明基板９ｂの光入射側に配置され、入射射する光５の内、波長λ₀近傍の光のみを選択的に透過させる。

光検出装置１３に入射する光５は、バンドパスフィルター９ｐ、透明基板９ｂを経て、光６Ａ、６ａとして反射膜の形成された遮光領域９Ａと反射膜の除去された透光領域９ａに至る。光６Ａは遮光領域９Ａで遮光されるが、光６ａは透光領域９ａを透過し、光結合層１２に入射する。光結合層１２に入射した光６ａは、低屈折率透明層１２ａを経て、高屈折率透明層１２ｂに入射する。高屈折率透明層１２ｂの上下の界面にはグレーティングが形成されており、（式１）を満たせば導波光６ｂが発生する。
（式１）ｓｉｎθ＝Ｎ−λ₀／Λ

ここで、Ｎは導波光６ｂの実効屈折率、θは入射面（ｘｙ面）の法線に対する入射角度である。図２（ａ）では光が入射面に垂直に入射しているのでθ＝０°である。この場合、導波光６ｂはｘｙ面内をｘ方向に伝搬する。

高屈折率透明層１２ｂを透過して下層に入射する成分は、下層側にある全ての高屈折率透明層１２ｂにおいても、これに入射することで、（式１）と同じ条件で導波光６ｃが発生する（全ての高屈折率透明層１２ｂで導波光が発生するが、図２（ａ）では２つの層で発生する導波光を代表して示している。下層側で発生する導波光６ｃも同様にｘｙ面内をｘ方向に伝搬する）。導波光６ｂ、６ｃは導波面（ｘｙ面）の法線に対して角度θ（図２（ａ）の例ではθ＝０°）で上下方向に光を放射しながら伝搬する。その放射光６Ｂ１、６Ｃ１は、遮光領域９Ａの直下では上方（反射膜側）に向かう成分が遮光領域９Ａで反射し、反射面（ｘｙ面）の法線に沿って下方に向かう光６Ｂ２となる。光６Ｂ１、６Ｃ１，６Ｂ２は高屈折率透明層１２ｂに対し（式１）を満たしているので、その一部が再び導波光６ｂ、６ｃとなる。この導波光６ｂ、６ｃも新たな放射光６Ｂ１、６Ｃ１を生成し、これらが繰り返される。全体として、透光領域９ａの直下では、導波光にならなかった成分（実際にはこれに導波の後、最終的に放射された成分も加わるが、導波光にならなかった成分として特徴づける）が光結合層１２を透過し、透過光６ｄとしてマイクロレンズ１１ａに入射し、検出器１０ａで検出される。領域９Ａの直下では、導波光になった成分が放射され、放射光６Ｄとしてマイクロレンズ１１Ａに入射し、検出器１０Ａで検出される。

透光領域９ａは図１（ｂ）で示した開口に相当する。透光領域９ａを通じて、光は直下の検出器と左右の検出器に分岐し、それぞれ検出される。図２（ｂ）で示される透光領域９ａ１、９ａ２、９ａ３、９ａ４にそれぞれ対向する検出器、および遮光領域９Ａ１、９Ａ２、９Ａ３、９Ａ４にそれぞれ対向する検出器での各検出光量をそれぞれｑ１、ｑ２、ｑ３、ｑ４、およびＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４とすると、前者４つは導波光にならなかった光の検出光量、後者４つは導波光になった光の検出光量である。透光領域９ａ１の直下の検出器では導波光になった光の光量が検出されず、遮光領域９Ａ２の直下の検出器では導波光にならなかった光の光量が検出されない。ここで、透光領域９ａ１の直下の検出位置で、導波光になった光の検出光量Ｑ０＝（Ｑ１＋Ｑ２）／２（またはＱ０＝（Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４）／４）を定義し、遮光領域９Ａ２の直下の検出位置で、導波光にならなかった光の検出光量ｑ０＝（ｑ１＋ｑ２）／２（またはｑ０＝（ｑ１＋ｑ２＋ｑ３＋ｑ４）／４）を定義する。すなわち、ある領域（遮光領域または透光領域）において、当該領域を中心としてｘ方向および／またはｙ方向に隣接する領域（画素）の直下の検出位置で検出される光量の平均値を定義する。この定義を全ての領域に適用することで、光検出器１０を構成する全ての検出領域（光検出器１０を構成する全ての検出器）で導波光にならなかった光の検出光量と導波光になった光の検出光量を定義できる（図３で詳しく説明）。演算回路１４は、光検出器１０を構成する全ての検出器において、導波光にならなかった光の検出光量と導波光になった光の検出光量とを上記のように定義し、これらの比の値（またはこれらの光量和に対する各光量の比の値）を検出器ごとに算出した値を各検出器に相当する画素に割り当てて画像を生成するなどの演算処理を行う。

図３は光検出装置１３の信号処理の仕方を示す。図３では、グレーティングの格子ベクトルに沿って、８つの検出器（１０Ａ、１０ａ等）が並んでいる。検出器１０Ａ、１０ａはそれぞれ遮光領域９Ａ、透光領域９ａに対向している。８つの検出器で検出される信号をｐ_0,k-4、ｐ_1,k-3、ｐ_0,k-2、ｐ_1,k-1、ｐ_0,k、ｐ_1,k+1、ｐ_0,k+2、ｐ_1,k+3とすると、例えばｐ_0,kの左右にある信号（ｐ_1,k-1とｐ_1,k+1）からその平均値（ｐ_1,k-1＋ｐ_1,k+1）／２を補間値ｐ_1,kとして定義し（図３の補間式参照）、ｐ_1,k-1の左右にある信号（ｐ_0,k-2とｐ_0,k）からその平均値（ｐ_0,k-2＋ｐ_0,k）／２を補間値ｐ_0,k-1として定義する。検出値ｐ_0,kと補間値ｐ_1,kよりＰ０変調度ｐ_0,k／(ｐ_0,k＋ｐ_1,k)やＰ１変調度ｐ_1,k／(ｐ_0,k＋ｐ_1,k)が算出される。検討例ではこれらの変調度を検出信号として利用する。

図４（ａ）、（ｂ）は透光領域９ａ、遮光領域９Ａのパターンと直下にある検出器１０ａ，１０Ａの関係を平面図で示し、図４（ｃ）はこれらの位置関係を断面図で示している。検出器１０ａ，１０Ａはそれぞれ透光領域９ａ、遮光領域９Ａの直下に位置する。一般に透光領域９ａの直下の検出領域をＰ０、遮光領域９Ａの直下の検出領域をＰ１とすると、Ｐ０、Ｐ１はそれぞれＷ×Ｗのサイズのチェッカーパターンをなす。実線の画素領域１３ａにはＰ０、Ｐ１が１つずつ含まれ、破線の画素領域１３ｂにもＰ０、Ｐ１が１つずつ含まれる。画素領域をｘｙ面内で遮光幅（＝Ｗ）の分だけどのようにずらしても、位置関係の入れ替えはあるがＰ０、Ｐ１は必ず１つずつ含まれる。前述したように、検出光量はｑ０、Ｑ０の式で補間処理される。解像度が画素サイズで決まるとすれば、解像度は１３ａ，１３ｂのサイズである２Ｗ×Ｗとなるが、画素はｘｙ面内のどの方向に幅Ｗだけ動かしても同じ補間処理が成り立つので、補間処理後の解像度はＷ×Ｗまで改善する。

図５は１パルス発振の入射光が光結合層１２を通過して光検出層１０に受光される様子を示す説明図である。図５（ａ）は図２（ａ）と同じ断面図、図５（ｂ）〜（ｈ）は図５（ａ）に対応して描いたＦＤＴＤによる光強度分布の電磁解析結果であり、経過時間順に並べている。領域９ａ、９Ａのｘ方向の幅Ｗを５．６μｍ、グレーティングのピッチを０．４６μｍ、グレーティングのｚ方向の深さを０．２μｍ、高屈折率透明層（第２の透明層）をＴａ₂Ｏ₅膜とし、そのｚ方向の厚みｔ１を０．３４μｍ、低屈折率透明層（第１の透明層）をＳｉＯ₂膜とし、そのｚ方向の厚みｔ２を０．２２μｍとした。

図５（ｂ）では半値幅１１ｆｓ(伝播距離に換算して３．３μｍ)でパルス発振した波長λ₀＝８５０ｎｍでＳ偏光の光６ａが透光領域９ａを透過している。図５（ｃ）では光６ａの発振が終わる一方、積層された高屈折率透明層１２ｂ内を伝播する導波光６ｂ、６ｃが発生し、導波光にならなかった成分はそのまま光結合層１２を透過しマイクロレンズ１１ａに入射する（光６ｄ）。図５（ｄ）では導波光６ｂ、６ｃが上下に光６Ｂ１、６Ｃ１を放射しながら遮光領域９Ａの下まで伝播する。一方、透過光６ｄはマイクロレンズ１１ａによって検出器１０ａの上まで集光する。図５（ｅ）では透過光６ｄが検出器１０ａに入射する。一方、放射光６Ｂ１、６Ｃ１および反射光６Ｂ２は放射光６Ｄを形成しマイクロレンズ１１Ａに入射し、集光する。図５（ｆ）から（ｈ）では透過光６ｄ，および放射光６Ｄが集光しながらそれぞれ検出器１０ａ、１０Ａに入射している。

なお、図５（ｅ）から（ｈ）で分かるように、導波光６ｂ、６ｃは遮光領域９Ａの下の範囲で放射されきれず、一部が導波光の状態で隣接する右側の透光領域の範囲に到達してしまう。放射損失係数（導波光の放射されやすさ）はグレーティングの深さを深くすると大きくなるので、遮光領域９Ａの下の領域でのグレーティングの深さを深くすれば放射光量が増え検出光量をより大きくできる。

図６（ａ）は 検討例に於ける４つの開口での入射光とその下にある３つの光検出器の位置関係を示す断面図である。４つの開口には位相がランダムに異なる光が入射している。ただし、ωを光の角周波数（ω＝２πｃ／λ₀，ｃは光速）、ｔを時間、ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４をランダム関数（０から1の間でランダムな値をとる関数）、aをランダム係数（ランダム値の振幅）としている。図６（ｂ）は入射光の位相ランダム係数ａと検出信号の関係を示す解析結果である。４つの開口の中間にある遮光部直下の検出器を１０Ａ、その両隣にある透光部直下の検出器を１０ａ、１０ａ'として、それらの検出光量をそれぞれＰ１、Ｐ０、Ｐ０‘とすると、検出信号は２Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ０’）で定義しており、菱形マークはＴＥモード入射（Ｓ偏光）、四角マークはＴＭモード入射（Ｐ偏光）、三角マークはＴＥＭモード入射（ランダム偏光、又は円偏光、又は４５度方向の偏光）の条件である。ＴＥモード入射、ＴＥＭモード入射でみると、係数ａの増大にしたがって、検出信号が低下する。ａ＝０はコヒーレントで位相が揃っている場合、ａ＝１はインコヒーレントに相当するので、検出信号の大小で入射光のコヒーレンスの度合い（位相のランダム性）を知ることができる。同様に入射する光の位相の差異も計測できる。
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

（第１の実施形態）
本実施の形態は、全て検討例と同じ構成を利用するものなので共通する要素には同じ番号を振り、詳しい説明は省略する。

図７は、第１の実施形態における固体撮像素子の斜視図である。この図を用いて、入射光量向上の仕方を説明する。光検出層１０の上に光結合層１２を積層し、さらに第１のレンズ２１と、平坦化膜１６、第２のレンズ２２が積層されている。例えば、垂直に入射してきた散乱光５は、凸レンズである第２のレンズ２２でしぼられ、平坦化膜１６を通過しながら光の断面積を縮めながら、第１のレンズ２１に入射する。この時、第１のレンズ２１と第２のレンズ２２の間には、それぞれの焦点距離をｆ１４、ｆ１５とすると、
（式２）ｆ１４＋ｆ１５＝ｄ
となるような関係がある。ここでｄは第１のレンズ２１と第２のレンズ２２の主点間の距離を示しており、ｆ１４は凹レンズを意味するマイナスの値であっても良い。

この結果、第１のレンズ２１に入射した光は、第１のレンズ２１が配列される平面に対し垂直に出射する。第１のレンズ２１を出射した光の断面積は縮小されており、遮光膜９における投光領域９ａを高い効率で通過できる。

第１のレンズ２１および第２のレンズ２２が無い構成では、固体撮像素子に入射される光は、遮光膜９の透光領域９ａから光結合層１２を通って光検出層１０へ入射される光と、遮光領域９Ａによって遮光される光とに分けられる。このように、本来は遮光領域９Ａに入射される光は遮光されて光検出層１０へ入射されないが、本実施の形態における固体撮像素子は、第１のレンズ２１および第２のレンズ２２を備えるため、図８（ａ）に示されるように、第２のレンズ２２に入射される光であって、上面図において第２のレンズ２２と遮光領域９Ａとが重なる領域に入射される光は集光されて、第１のレンズ２１を透過して光検出層１０へ入射される。このように、遮光領域９Ａにおいて遮光される光の一部を光検出層１０へ入射させることが可能となるため、光検出層１０への入射光量を向上させることができる。

図８は図７を上から見た図である。図８（ａ）に示すように、第１のレンズ２１と第２のレンズ２２、遮光膜９が配置されている。図８（ｂ）は、上から見た遮光膜９を示している。図８（ｃ）は、上から見た第１のレンズ２１を示しており、図８（ｄ）は、上から見た第２のレンズ２２を示している。隣り合う第２のレンズは互いに接触しておらず、各々独立したレンズとなっている。図８（ａ）に示すとおり、第１のレンズ２１は投光領域９ａに重なるように配置されている。また、第２のレンズ２２は遮光領域９Ａに重なるように配置されている。

なお、図９（ａ）は、第１のレンズ２１および第２のレンズ２２をフレネルレンズで構成した固体撮像素子の断面を示している。ここに示すとおり、第１のレンズ２１および第２のレンズ２２の少なくとも一つがフレネルレンズ１７で構成されていても構わない。

（第２の実施形態）＜レンズの二次元形状の違い＞
第１の実施形態と異なる点についてのみ記載を行う。

図１０（ａ）は、第２の実施形態における固体撮像素子の上面図である。図１０（ａ）に示すように、第１のレンズ２１と第２のレンズ２２、遮光膜９が配置されている。図１０（ｂ）は、遮光膜９の上面図である。図１０（ｃ）は、第１のレンズ２１の上面図であり、図１０（ｄ）は、第２のレンズ２２の上面図である。隣り合う第２のレンズ２２は互いに接触しており、第２のレンズ２２が占める断面積割合は第１の実施形態に比べて高い。図１０（ａ）に示すとおり、第１のレンズ２１は投光領域９ａに重なるように配置されている。また、第２のレンズ２２は遮光領域９Ａに重なるように配置されている。

このように、第２の実施形態では、第２のレンズ２２によって覆われる遮光領域９Ａが第１の実施形態と比較して大きい。そのため、より多くの光を光検出層１０へ入射させることができ、光検出層１０への入射光量を向上させることができる。

本開示は、被写体からの光のコヒーレンスや位相の状態を面内の分布情報として検出できる光検出器への入射光量を向上させることができる。例えば、脳血流量などの生体情報の測定に利用することができる。また、光強度分布の情報や時間分割検出法、コヒーレンス長可変の光源などと組み合わせることで、被写体内部の情報をさらに高精度、高解像に分析し得る。特に、これまで光強度分布の分析しかなかった撮像技術に、コヒーレンスの状態や位相という新しい評価軸が加わり、イメージング技術に多機能性を提供し得る。

１００、３００ 光検出システム
１ 制御回路
２、３０、４２ 光源
３ 出射光
４、３８、４４ 被写体
５、５ａ、５Ａ、４５ａ 散乱光
７、３５ａ、３５ｂ、４７ 集光レンズ
８ａ、４８ａ 実質的な物体（物点の集まり）
８ｂ 像
９ 遮光膜
９ａ 透光領域
９Ａ 遮光領域
１０ 光検出層
１１ａ,１１Ａ マイクロレンズ
１２ 光結合層
１３ 光検出装置
１４、５１ 演算回路
２１ 第１のレンズ
２２ 第２のレンズ

Claims (6)

1. 主面を有し、前記主面に沿って配置された少なくとも１つの第１の検出器および少なくとも１つの第２の検出器を含む光検出器と、
   前記光検出器上に配置され、
   第１の低屈折率層、
   前記第１の低屈折率層上に配置され、第１のグレーティングを含む第１の高屈折率層、および
   前記第１の高屈折率層上に配置された第２の低屈折率層を含み、
   前記第１の高屈折率層は前記第１の低屈折率層および前記第２の低屈折率層より屈折率が高い、光結合層と、
   前記光結合層上に配置され、
   少なくとも１つの透光領域、および前記少なくとも１つの透光領域に隣接する少なくとも１つの遮光領域を含み、
   前記少なくとも１つの透光領域は前記少なくとも１つの第１の検出器に対向しており、
   前記少なくとも１つの遮光領域は前記少なくとも１つの第２の検出器に対向している、遮光膜と、
   前記少なくとも１つの透光領域の上方に設けられた第１のレンズと、
   前記第１のレンズの上方に設けられ、前記少なくとも１つの透光領域の全部と前記少なくとも１つの遮光領域の少なくとも一部とを覆う第２のレンズを備え、
   前記第１のレンズの焦点距離と前記第２のレンズの焦点距離の合計は、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの主点間距離に等しい固体撮像素子。
2. 前記第１のレンズは前記第２のレンズより小さい、請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記第１のレンズは凸レンズである、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 前記第１のレンズは凹レンズである、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
5. 前記少なくとも１つの透光領域は、複数の透光領域を含み、
   前記複数の透光領域は、それぞれ上方を前記第１のレンズおよび前記第２のレンズで覆われ、
   前記複数の透過領域の中で最も近い距離に配置される第１の透光領域と第２の透光領域を覆うよう設けられた２つの前記第２のレンズは、互いに接触している、請求項１から４のいずれか一に記載の固体撮像素子。
6. 前記第１のレンズと前記第２のレンズの少なくとも一方は、フレネルレンズである、請求項１から５のいずれか一に記載の固体撮像素子。

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