JP2023024079A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023024079000001
【課題】画素領域に傾斜方向から光が入射しても、画素の中央へ集光することができるメタサーフェス構造を備えた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】本実施形態による固体撮像装置は、複数の画素を含む画素領域と、画素領域の入射光の入射面の上方に設けられ、入射面に対して略平行に二次元配列された複数の微細構造体を含む偏光制御素子とを備え、画素領域内の第１画素に対応する複数の微細構造体のうち入射光の第１偏光方向において最大長を有する第１微細構造体の第１画素内における位置は、画素領域の中心から第１画素までの距離に依存する。
【選択図】図２

Description

本開示は、固体撮像装置に関する。
近年、車載用カメラ、ＩｏＴ（Internet of Things）デバイス、医療用デバイス等に用いられる固体撮像装置において、被写体からの光の偏光情報を含む多次元情報によって撮像する偏光イメージングが開発されている。このような偏光イメージングの偏光情報を得るために、偏光分離機能を有するメタサーフェス構造が用いられる場合がある。
特開２０２０－０５１８６８号公報
しかし、従来のメタサーフェス構造は、画素領域の光入射面に対して傾斜方向から光が入射した場合に、各画素の中央へ光を集めることができなかった。即ち、射出瞳補正は、メタサーフェス構造によって行うことができなかった。
そこで、本開示では、画素領域に傾斜方向から光が入射しても、画素の中央へ集光することができるメタサーフェス構造を備えた固体撮像装置を提供する。
本開示の一側面の固体撮像装置は、複数の画素を含む画素領域と、画素領域の入射光の入射面の上方に設けられ、入射面に対して略平行に二次元配列された複数の微細構造体を含む偏光制御素子とを備え、画素領域内の第１画素に対応する複数の微細構造体のうち入射光の第１偏光方向において最大長を有する第１微細構造体の第１画素内における位置は、画素領域の中心から第１画素までの距離に依存する。
第１画素における第１微細構造体の位置は、画素領域の中心から第１画素までの距離が大きくなるに従って第１画素の中心から離れる。
第１画素における第１微細構造体の位置は、入射面に対して垂直方向からの入射光の傾斜角が大きくなるに従って第１画素の中心から離れる。
画素領域内の第２画素に対応する複数の微細構造体のうち入射光の第１偏光方向に対して略直交する第２偏光方向において最大長を有する第２微細構造体の第２画素内における位置は、画素領域の中心から第２画素までの距離に依存する。
第２画素における第２微細構造体の位置は、画素領域の中心から第２画素までの距離が大きくなるに従って第２画素の中心から離れる。
第２画素における第２微細構造体の位置は、入射面に対して垂直方向からの入射光の傾斜角が大きくなるに従って第２画素の中心から離れる。
第１画素における複数の微細構造体の第１偏光方向の長さは、第１微細構造体から離れるに従って短くなる。
第２画素における複数の微細構造体の第２偏光方向の長さは、第２微細構造体から離れるに従って短くなる。
第１偏光方向における複数の微細構造体の長さは、第１微細構造体から任意距離だけ離れるごとに第１微細構造体の長さに戻る。
第２偏光方向における複数の微細構造体の長さは、第２微細構造体から任意距離だけ離れるごとに第２微細構造体の長さに戻る。
画素領域内の第３画素に対応する複数の微細構造体のうち入射光の第１および第２偏光方向に対して傾斜する第３偏光方向において最大長を有する第３微細構造体の第３画素内における位置は、画素領域の中心から第３画素までの距離に依存する。
第３画素における第３微細構造体の位置は、画素領域の中心から第３画素までの距離が大きくなるに従って第３画素の中心から離れる。
第３画素における第３微細構造体の位置は、入射面に対して垂直方向からの入射光の傾斜角が大きくなるに従って第３画素の中心から離れる。
入射面の上方に設けられ積層された複数の偏光制御素子をさらに備える。
第１実施形態による固体撮像装置の構成例を示す概略図。 偏光制御ユニットおよび画素領域のより詳細な構成例を示す概略図。 偏光制御素子および画素の構成例を示す断面図。 偏光制御素子のメタサーフェス構造の一例を示す平面図。 偏光制御素子および画素の構成例を示す断面図。 偏光制御素子のメタサーフェス構造の一例を示す平面図。 Ｘ方向に隣接させた偏光制御素子の構成例を示す断面図。 Ｘ方向に隣接させた偏光制御素子の構成例を示す平面図。 メタアトムと偏光成分の位相遅延量との関係を示すグラフ。 メタアトムと偏光成分の位相遅延量との関係を示すグラフ。 偏光制御素子のメタサーフェス構造の例を示す平面図。 第２実施形態による偏光制御素子のメタサーフェス構造の一例を示す平面図。 第２実施形態による偏光制御素子のメタサーフェス構造の一例を示す平面図。 第３実施形態による偏光制御素子のメタサーフェス構造の一例を示す平面図。 第３実施形態による偏光制御素子のメタサーフェス構造の一例を示す平面図。 偏光成分に対応するメタアトムの平面サイズを示す説明図。 偏光成分に対応するメタアトムの平面サイズを示す説明図。 第４実施形態による偏光制御素子のメタサーフェス構造の一例を示す平面図。 入射光の入射角と最大長のメタアトムの位置との関係を示す説明図。 入射光の入射角と最大長のメタアトムの位置との関係を示す説明図。 入射光の入射角と最大長のメタアトムの位置との関係を示す説明図。 入射光の入射角と最大長のメタアトムの位置との関係を示す説明図。 入射光の入射角と最大長のメタアトムの位置との関係を示す説明図。 入射光の入射角と最大長のメタアトムの位置との関係を示す説明図。 第５実施形態による偏光制御素子の構成例を示す断面図。
以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による固体撮像装置１の構成例を示す概略図である。固体撮像装置１は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ）等の撮像装置でよい。固体撮像装置１は、以下、単に、イメージセンサ１とも呼ぶ。
イメージセンサ１は、外部にある被写体ＯＢからの光の強度情報および色情報を含むデータを取得し、そのデータを処理することにより二次元画像を生成する。被写体ＯＢからの光の偏光情報には、被写体の表面の形状や材料の状態に関する情報など、単に、光強度と色（波長）からは取得不可能な有益な情報が含まれている。このような偏光情報を二次元情報として用いる手法を偏光イメージングという。偏光イメージングは、車載用カメラ、ＩｏＴデバイス、医療用デバイス等に応用されている。
イメージセンサ１は、光学系ＯＰと、偏光制御ユニット１０と、画素領域２０とを備える。光学系ＯＰは、入射光Ｌを画素領域２０側へ集光させるレンズ等を含む。光学系ＯＰを通過した入射光Ｌのうち主光線の光軸方向に入射する光をＬａとし、主光線の光軸から傾斜する方向へ入射する光をＬｂとする。
画素領域２０の中心（像高０割）にある画素は、入射光Ｌａを受ける。画素領域２０の端部（像高１０割）にある画素は、入射光Ｌｂを受ける。偏光制御ユニット１０は、画素領域２０上に設けられており、微細構造体としてメタサーフェスを有する。画素領域２０の中心の画素上にある偏光制御素子は、入射光Ｌａの偏光制御を行って、入射光Ｌａを画素領域２０の中心の画素へ集光させる。画素領域２０の端部の画素上にある偏光制御素子は、入射光Ｌｂの偏光制御を行って、入射光Ｌｂを画素領域２０の端部の画素へ集光させる。このように、偏光制御ユニット１０は、互いに入射角（入射光Ｌの主光線の光軸からの傾斜角）が相違する入射光Ｌａ、Ｌｂであっても、画素の中心に集光するよう出射瞳補正可能なメタサーフェスを備えている。メタサーフェスの詳細な構成については、後で説明する。
図２は、偏光制御ユニット１０および画素領域２０のより詳細な構成例を示す概略図である。
イメージセンサ１は、射出瞳Ｅ１、Ｅ２と、偏光制御ユニット１０と、画素領域２０とを備えている。画素領域２０は、二次元配列された複数の画素ＰＸ１ａ～ＰＸ２ｂを含み、入射光を光電変換して電気信号を出力するフォトダイオードを内蔵する。画素ＰＸ１ａ～ＰＸ２ｂは、略平面内に配列されており、平面状の画素領域２０を構成している。画素ＰＸ１ａ、ＰＸ２ａは、画素領域２０の中心近傍に位置する（像高０割に近い）画素である。画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂは、画素領域２０の端部に位置する（像高１０割に近い）画素である。画素数は、４個に限定されず、３個以下または５個以上であってもよい。尚、画素ＰＸ１ａ等の内部構成の説明については、ここでは省略する。
偏光制御ユニット１０は、偏光制御素子１１ａ～１２ｂを含む。偏光制御素子１１ａ～１２ｂは、画素領域２０の入射光の入射面（Ｘ－Ｙ面）の上方（Ｚ方向）に各画素ＰＸ１ａ～ＰＸ２ｂに対応して設けられている。偏光制御素子１１ａ～１２ｂは、画素領域２０の光の入射面に対して略平行に二次元配列されており、その表面に複数の微細構造体（以下、メタアトムともいう）を含む。メタアトムの構成については、後でより詳細に説明する。
偏光制御素子１１ａ、１２ａは、それぞれ画素ＰＸ１ａ、ＰＸ２ａに対応しており、画素ＰＸ１ａ、ＰＸ２ａの上方（Ｚ方向）に設けられている。偏光制御素子１１ｂ、１２ｂは、それぞれ画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂに対応しており、画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂの上方（Ｚ方向）に設けられている。
入射光の傾斜角は、入射面（Ｘ－Ｙ面）に対して垂直方向（Ｚ方向）を０度として、Ｚ方向からの傾斜角を示す。従って、入射光Ｌａは、偏光制御素子１１ａ、１２ａおよび画素ＰＸ１ａ、ＰＸ２ａに傾斜角０度で矢印Ａａ方向へ入射している。入射光Ｌｂは、偏光制御素子１１ｂ、１２ｂおよび画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂに傾斜角、例えば、４５度で矢印Ａｂ方向へ入射している。
偏光成分Ｐ１は、入射光ＬａのＸ方向の偏光成分であり、偏光成分Ｐ２は、入射光ＬａのＹ方向の偏光成分である。偏光成分Ｐ１と偏光成分Ｐ２は、互いにほぼ直交している。偏光制御素子１１ａ、１２ａは、矢印Ａ１ａで示すように、入射光Ｌａの偏光成分Ｐ１を画素ＰＸ１ａの中央へ集光させている。また、偏光制御素子１１ａ、１２ａは、矢印Ａ２ａで示すように、入射光Ｌａの偏光成分Ｐ２を画素ＰＸ２ａの中央へ集光させている。このように、偏光制御素子１１ａ、１２ａは、偏光成分Ｐ１、Ｐ２を異なる２つの画素ＰＸ１ａ、ＰＸ２ａの中央へ集光させることがきる。これにより、画素ＰＸ１ａ、ＰＸ２ａは、偏光成分Ｐ１、Ｐ２のそれぞれの光強度を検出することができる。
一方、入射光Ｌｂは、Ｚ方向から傾斜した矢印Ａｂで示す方向から偏光制御素子１１ｂ、１２ｂに入射する。従って、偏光成分Ｐ３は、Ｘ方向から４５度だけ傾斜した方向における入射光Ｌｂの偏光成分であり、偏光成分Ｐ４は、入射光ＬｂのＹ方向の偏光成分である。偏光成分Ｐ３と偏光成分Ｐ４は、互いにほぼ直交している。偏光制御素子１１ｂ、１２ｂは、矢印Ａ１ｂで示すように、偏光成分Ｐ３をＸ方向の偏光成分に変更して画素ＰＸ１ｂの中央へ集光させている。また、偏光制御素子１１ｂ、１２ｂは、矢印Ａ２ｂで示すように、入射光Ｌｂの偏光成分Ｐ４を画素ＰＸ２ｂの中央へ集光させている。このように、偏光制御素子１１ｂ、１２ｂは、入射光Ｌｂを偏光成分Ｐ３、Ｐ４を異なる２つの画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂの中央へ集光させることがきる。これにより、画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂは、偏光成分Ｐ３、Ｐ４のそれぞれの光強度を検出することができる。また、入射光Ｌｂは、入射光Ｌの光軸方向（Ｚ方向）から傾斜して入射しているが、偏光制御素子１１ｂ、１２ｂが入射光Ｌｂの方向を補正（射出瞳補正）し、画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂの中心へ集光させている。
（画素領域２０の中心（像高０割）に近い画素）
図３は、偏光制御素子１１ａおよび画素ＰＸ１ａの構成例を示す断面図である。１つの画素ＰＸ１ａの上には、導波路３０が設けられている。導波路３０には、例えば、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、ゲルマニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、炭化シリコン、酸化炭化シリコン、窒化炭化シリコンまたは酸化ジルコニウムのいずれかの透明材料が用いられる。
導波路３０上には、偏光制御素子１１ａが設けられている。偏光制御素子１１ａは、メタサーフェス構造を有し、複数の微細構造体として複数のメタアトム１５で構成されている。複数のメタアトム１５は、画素ＰＸ１ａの入射光Ｌａの入射面Ｆ１ａの上方に設けられており、導波路３０の上面Ｆ３０に略平面状に二次元配列されている。導波路３０の上面Ｆ３０は、画素ＰＸ１ａの入射面Ｆ１ａに対して略平行な面である。複数のメタアトム１５は、例えば、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、ゲルマニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、炭化シリコン、酸化炭化シリコン、窒化炭化シリコンまたは酸化ジルコニウムのいずれかの透明材料が用いられる。ただし、メタアトム１５には、導波路３０と異なる材料が用いられる。例えば、導波路３０には、シリコン酸化膜または酸化チタンが用いられている場合、メタアトム１５には、例えば、シリコン単結晶またはアモルファスシリコンが用いられる。
偏光制御素子１１ａのメタサーフェス構造は、矢印Ａ１ａに示すように入射光Ｌａの偏光成分Ｐ１を画素ＰＸ１ａの中心へ集光させる。また、偏光制御素子１１ａのメタサーフェス構造は、矢印Ａ２ａに示すように偏光成分Ｐ２を画素ＰＸ１ｂの中心へ集光させるように構成されている。尚、図３では図示しないが、画素ＰＸ１ｂは、画素ＰＸ１ａのＸ方向に隣接して配置されているものとする。
図４は、偏光制御素子１１ａのメタサーフェス構造の一例を示す平面図である。偏光制御素子１１ａの複数のメタアトム１５は、画素ＰＸ１ａの入射面Ｆ１ａの上方に、入射面Ｆ１ａに対して略平行にマトリックス状に二次元配置されている。尚、図４の３－３線に沿った断面が図３に対応する。
メタアトム１５＿１（０，０）は、画素ＰＸ１ａの中心に配置されている。（ｘ，ｙ）（ｘ，ｙは整数）は、画素ＰＸ１ａ内におけるＸ－Ｙ面内の座標を示している。尚、複数のメタアトム１５のＺ方向の高さは、全て等しくてよい。
ここで、偏光成分Ｐ１の偏光方向（Ｘ方向）におけるメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）の長さＤｘ（ｘ，ｙ）について説明する。画素領域２０の中心に近い画素ＰＸ１ａにおいては、画素ＰＸ１ａの中心に近いメタアトム１５＿１（０，０）のＸ方向の長さＤｘ（０，０）が、画素ＰＸ１ａに対応する複数のメタアトム１５（ｘ，ｙ）の中で最大となっている。即ち、画素ＰＸ１ａに対応する複数のメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）のうち、偏光成分Ｐ１の偏光方向において最大長を有する第１微細構造体としてのメタアトム１５＿１（０，０）は、画素ＰＸ１ａの中心に位置している。
メタアトム１５＿１（０，０）の±Ｘ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿１（±１，０）の偏光方向（Ｘ方向）の長さＤｘ（±１，０）は、メタアトム１５＿１（０，０）の長さＤｘ（０，０）よりも短くなっている。さらに、メタアトム１５＿１（±１，０）の±Ｘ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿１（±２，０）のＸ方向の長さＤｘ（±２，０）は、メタアトム１５＿１（±１，０）の長さＤｘ（±１，０）よりもさらに短くなっている。
また、メタアトム１５＿１（０，０）の±Ｙ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿１（０，±１）の偏光方向（Ｘ方向）の長さＤｘ（０，±１）は、メタアトム１５＿１（０，０）の長さＤｘ（０，０）よりも短くなっている。さらに、メタアトム１５＿１（０，±１）の±Ｙ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿１（０，±２）のＸ方向の長さＤｘ（±２，０）は、メタアトム１５＿１（０，±１）の長さＤｘ（０，±１）よりもさらに短くなっている。
このように、画素領域２０の中心に近い画素ＰＸ１ａにおいては、画素ＰＸ１ａの中心に近いメタアトム１５＿１（０，０）の偏光方向の長さＤｘ（０，０）が最大となっており、画素ＰＸ１ａの中心から離れるに従って偏光方向の長さＤｘ（ｘ，ｙ）は次第に短くなっていく。
偏光成分Ｐ１の偏光方向におけるメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）の長さＤｘ（ｘ，ｙ）は、偏光成分Ｐ１の位相遅延分布を調整する。例えば、上記のように、画素ＰＸ１ａの中心に近いメタアトム１５＿１（０，０）の偏光方向の長さＤｘ（０，０）を最大とすることによって、偏光成分Ｐ１の位相遅延分布のピークが画素ＰＸ１ａの中心近傍に位置することになる。さらに、画素ＰＸ１ａの中心から離れるに従って長さＤｘ（ｘ，ｙ）を次第に短くすることによって、偏光成分Ｐ１の位相遅延量は、画素ＰＸ１ａの中心から離れるに従って小さくなる。
図５は、偏光制御素子１２ａおよび画素ＰＸ２ａの構成例を示す断面図である。１つの画素ＰＸ２ａの上には、画素ＰＸ１ａと同様に導波路３０が設けられている。
導波路３０上には、偏光制御素子１２ａが設けられている。偏光制御素子１２ａは、メタサーフェス構造を有し、複数の微細構造体として複数のメタアトム１５で構成されている。複数のメタアトム１５は、画素ＰＸ２ａの入射光Ｌａの入射面Ｆ２ａの上方に設けられており、導波路３０の上面Ｆ３０に略平面状に二次元配列されている。
偏光制御素子１２ａのメタサーフェス構造は、矢印Ａ２ａに示すように入射光Ｌａの偏光成分Ｐ２を画素ＰＸ２ａの中心へ集光させる。また、偏光制御素子１２ａのメタサーフェス構造は、矢印Ａ１ａに示すように偏光成分Ｐ１を、画素ＰＸ２ａに－Ｘ方向に隣接する画素ＰＸ１ａ（図３）の中心へ集光させるように構成されている。
図６は、偏光制御素子１２ａのメタサーフェス構造の一例を示す平面図である。偏光制御素子１２ａの複数のメタアトム１５は、画素ＰＸ２ａの入射面Ｆ２ａの上方に、入射面Ｆ２ａに対して略平行にマトリックス状に二次元配置されている。尚、図６の５－５線に沿った断面が図５に対応する。
メタアトム１５＿２（０，０）は、画素ＰＸ２ａの中心に配置されている。（ｘ，ｙ）（ｘ，ｙは整数）は、画素ＰＸ２ａ内におけるＸ－Ｙ面内の座標を示している。尚、複数のメタアトム１５のＺ方向の高さは、全て等しくてよい。
ここで、偏光成分Ｐ２の偏光方向（Ｙ方向）におけるメタアトム１５＿２（ｘ，ｙ）の長さＤｙ（ｘ，ｙ）について説明する。画素領域２０の中心に近い画素ＰＸ２ａにおいては、画素ＰＸ２ａの中心に近いメタアトム１５＿２（０，０）のＹ方向の長さＤｙ（０，０）が、画素ＰＸ２ａに対応する複数のメタアトム１５＿２（ｘ，ｙ）の中で最大となっている。即ち、画素ＰＸ２ａに対応する複数のメタアトム１５＿２（ｘ，ｙ）のうち、偏光成分Ｐ２の偏光方向（Ｙ方向）において最大長を有する第２微細構造体としてのメタアトム１５＿２（０，０）は、画素ＰＸ２ａの中心に位置している。
メタアトム１５＿２（０，０）の±Ｘ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿２（±１，０）の偏光方向（Ｙ方向）の長さＤｙ（±１，０）は、メタアトム１５＿２（０，０）のＹ方向の長さＤｙ（０，０）よりも短くなっている。さらに、メタアトム１５＿２（±１，０）の±Ｘ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿２（±２，０）のＹ方向の長さＤｙ（±２，０）は、メタアトム１５＿２（±１，０）のＹ方向の長さＤｙ（±１，０）よりもさらに短くなっている。
また、メタアトム１５＿２（０，０）の±Ｙ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿２（０，±１）の偏光方向（Ｙ方向）の長さＤｙ（０，±１）は、メタアトム１５＿２（０，０）のＹ方向の長さＤｙ（０，０）よりも短くなっている。さらに、メタアトム１５＿２（０，±１）の±Ｙ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿２（０，±２）のＹ方向の長さＤｙ（±２，０）は、メタアトム１５＿２（０，±１）のＹ方向の長さＤｙ（０，±１）よりもさらに短くなっている。
このように、画素領域２０の中心に近い画素ＰＸ２ａにおいては、画素ＰＸ２ａの中心に近いメタアトム１５＿２（０，０）の偏光成分Ｐ２の偏光方向の長さＤｙ（０，０）が最大となっており、画素ＰＸ２ａの中心から離れるに従って偏光成分Ｐ２の偏光方向の長さＤｙ（ｘ，ｙ）は次第に短くなっていく。
このように、画素領域２０の中心に近い画素ＰＸ２ａにおいては、画素ＰＸ２ａの中心に近いメタアトム１５＿２（０，０）の偏光方向の長さＤｙ（０，０）が最大となっており、画素ＰＸ２ａの中心から離れるに従って偏光方向の長さＤｙ（ｘ，ｙ）は次第に短くなっていく。
偏光成分Ｐ２の偏光方向（Ｙ方向）におけるメタアトム１５＿２（ｘ，ｙ）の長さＤｙ（ｘ，ｙ）は、偏光成分Ｐ２の位相遅延分布を調整する。例えば、上記のように、画素ＰＸ２ａの中心に近いメタアトム１５＿２（０，０）の偏光方向の長さＤｙ（０，０）を最大とすることによって、偏光成分Ｐ２の位相遅延分布のピークが画素ＰＸ２ａの中心近傍に位置することになる。さらに、画素ＰＸ２ａの中心から離れるに従って長さＤｙ（ｘ，ｙ）を次第に短くすることによって、偏光成分Ｐ２の位相遅延量も、画素ＰＸ２ａの中心から離れるに従って小さくなる。
偏光制御素子１１ａ、１２ａは、Ｘ方向に連続して偏光成分Ｐ１、Ｐ２の射出瞳補正を行うことができるようにメタサーフェス構造を有する。
例えば、図７は、Ｘ方向に隣接させた偏光制御素子１１ａ、１２ａの構成例を示す断面図である。図８は、Ｘ方向に隣接させた偏光制御素子１１ａ、１２ａの構成例を示す平面図である。図７は、図８の７－７線に沿った断面に対応する。尚、画素ＰＸ１ａ、ＰＸ１ａにおける長さＤｘ（ｘ、ｙ）は、便宜的に区別するために、それぞれＤｘ１（ｘ、ｙ）、Ｄｘ２（ｘ、ｙ）と表す。また、画素ＰＸ１ａ、ＰＸ１ａにおける長さＤｙ（ｘ、ｙ）は、便宜的に区別するために、それぞれＤｙ１（ｘ、ｙ）、Ｄｙ２（ｘ、ｙ）と表す。
偏光成分Ｐ１の偏光方向（Ｘ方向）について、偏光制御素子１１ａのメタアトム１５＿１（ｘ、ｙ）の長さは、上述のとおり、メタアトム１５＿１（０、０）を最大値としてメタアトム１５＿１（０、０）から離れるに従って短くなっている。この傾向は、偏光制御素子１１ａだけでなく、偏光制御素子１２ａでも同様に続いている。即ち、偏光制御素子１２ａにおいて、メタアトム１５＿１（０，０）に比較的近いメタアトム１５＿２（－２，０）から比較的遠いメタアトム１５＿２（２，０）へ行くにしたがって、偏光成分Ｐ１の偏光方向におけるメタアトム１５＿２（ｘ、ｙ）の長さは、Ｄｘ２（－２，０）からＤｘ２（２，０）へと次第に短くなっている。これにより、図７に示すように、隣接する２つの偏光制御素子１１ａ、１２ａは、偏光成分Ｐ１を画素ＰＸ１ａへ集中させることができる。
また、偏光成分Ｐ２の偏光方向（Ｙ方向）についても、メタアトム１５＿２（ｘ、ｙ）の長さは、上述のとおり、メタアトム１５＿２（０、０）を最大値としてメタアトム１５＿２（０、０）から離れるに従って短くなっている。この傾向は、偏光制御素子１２ａだけでなく、偏光制御素子１１ａでも同様に続いている。即ち、偏光制御素子１１ａにおいて、メタアトム１５＿２（０，０）に比較的近いメタアトム１５＿１（２，０）から比較的遠いメタアトム１５＿１（－２，０）へ行くにしたがって、偏光成分Ｐ２の偏光方向におけるメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）の長さは、Ｄｙ１（２，０）からＤｙ２（－２，０）へと次第に短くなっている。これにより、図７に示すように、隣接する２つの偏光制御素子１１ａ、１２ａは、偏光成分Ｐ２を画素ＰＸ２ａへ集中させることができる。
このように、本開示によれば、画素ＰＸ１、ＰＸ２における各メタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）、１５＿２（ｘ，ｙ）の偏光成分Ｐ１の偏光方向（Ｘ方向）の長さは、最大の長さを有するメタアトム１５＿１（０，０）から離れるに従って短くなる。これにより、偏光成分Ｐ１の位相遅延分布も、画素ＰＸ１ａの中心のメタアトム１５＿１（０，０）において最大値を有し、メタアトム１５＿１（０，０）から離れるに従って小さくなる。例えば、図９は、メタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）と偏光成分Ｐ１の位相遅延量との関係を示すグラフである。このグラフによれば、メタアトム１５＿１（０，０）において、偏光成分Ｐ１の位相遅延量が最大値となっており、メタアトム１５＿１（０，０）から離れるに従って、偏光成分Ｐ１の位相遅延量は小さくなる。従って、本開示によるメタサーフェス構造により、入射光Ｌａの偏光成分Ｐ１を画素ＰＸ１ａの中心へ集光させることができる。尚、図９には、Ｘ方向に配列されたメタアトムに関する傾向を示しているが、Ｙ方向に配列されたメタアトムについても、偏光成分Ｐ１の位相遅延分布は、同様の傾向を有する。
また、画素ＰＸ１、ＰＸ２における複数のメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）、１５＿２（ｘ，ｙ）の偏光成分Ｐ２の偏光方向の長さは、最大の長さを有するメタアトム１５＿２（０，０）から離れるに従って短くなる。これにより、偏光成分Ｐ２の位相遅延分布も、画素ＰＸ２ａの中心のメタアトム１５＿２（０，０）において最大値を有し、メタアトム１５＿２（０，０）から離れるに従って小さくなる。例えば、図１０は、メタアトム１５＿２（ｘ，ｙ）と偏光成分Ｐ２の位相遅延量との関係を示すグラフである。このグラフによれば、メタアトム１５＿２（０，０）において、偏光成分Ｐ２の位相遅延量が最大値となっている。メタアトム１５＿２（０，０）から離れるに従って、偏光成分Ｐ２の位相遅延量は小さくなる。従って、本開示によるメタサーフェス構造により、入射光Ｌａの偏光成分Ｐ２を画素ＰＸ２ａの中心へ集光させることができる。尚、図１０には、Ｘ方向に配列されたメタアトムに関する傾向を示しているが、Ｙ方向に配列されたメタアトムについても、偏光成分Ｐ１の位相遅延分布は、同様の傾向を有する。
（画素領域２０の端部（像高１０割）に近い画素）
図１１は、偏光制御素子１１ｂ、１２ｂのメタサーフェス構造の例を示す平面図である。尚、偏光制御素子１１ｂ、１２ｂの断面については図示を省略する。
偏光制御素子１１ｂ、１２ｂは、画素領域２０の端部（像高１０割）に近い画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂに対応している。従って、入射光Ｌｂは、入射光Ｌの主光線の光軸（Ｚ軸）に対して傾斜する方向から入射する。入射光Ｌｂの入射角は、例えば、４５度である。偏光制御素子１１ｂ、１２ｂは、このようなＺ軸に対して傾斜する入射光Ｌｂ（以下、傾斜光Ｌｂともいう）の偏光成分Ｐ３、Ｐ４を、それぞれ画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂに集光させるようにメタサーフェス構造を有する。
ここで、傾斜光Ｌｂの偏光成分Ｐ３の偏光方向（Ｘ方向）におけるメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）、１５＿２（ｘ，ｙ）の長さＤｘ１（ｘ，ｙ）、Ｄｘ２（ｘ，ｙ）について説明する。画素ＰＸ１ｂの中心から離れたメタアトム１５＿１（１，１）のＸ方向の長さＤｘ１（１，１）が、画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂに対応する複数のメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）、１５＿２（ｘ，ｙ）の中で最大となっている。即ち、画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂに対応する複数のメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）、１５＿２（ｘ，ｙ）のうち、偏光成分Ｐ３の偏光方向において最大長を有する第１微細構造体としてのメタアトム１５＿１（１，１）は、画素ＰＸ１ｂの中心からずれた位置にある。これは、傾斜光Ｌｂの射出瞳補正を行い、その偏光成分Ｐ３を画素ＰＸ１ｂの中心へ集中させるためである。本開示では、傾斜光Ｌｂは、＋Ｘ軸および＋Ｙ軸に対して傾斜する方向から入射している。この場合、最大長のメタアトムは、傾斜光Ｌｂの傾斜方向、即ち、＋Ｘ方向および＋Ｙ方向へ画素ＰＸ１ｂの中心から移動（オフセット）させた位置に設定される。最大長のメタアトムの画素ＰＸ１ｂの中心からの移動量（画素ＰＸ１ｂの中心からのオフセット量）は、画素領域２０の中心から画素ＰＸ１ｂまでの距離に依存し、その距離が大きくなるにしたがって大きくなる。換言すると、最大長のメタアトムの移動量は、傾斜光Ｌｂの傾斜角に依存し、その傾斜角が大きくなるにしたがって大きくなる。例えば、本開示では、画素ＰＸ１ｂは、画素領域２０の端部（像高１０割）近傍に位置するので、最大長のメタアトムは、それに対応する画素ＰＸ１ｂの中心から＋Ｘ方向および＋Ｙ方向に所定距離だけ移動させたメタアトム１５＿１（１，１）に設定される。尚、オフセット量は、任意に設定され得る。従って、最大長のメタアトムは、図１８Ａ～図２０Ｂの例のように、最も端のメタアトム１５＿１（２，２）に設定されてもよい。
メタアトム１５＿１（１，１）の±Ｘ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿１（０，１）、１５＿１（２，１）の偏光方向（Ｘ方向）の長さＤｘ（０，１）、Ｄｘ（２，１）は、メタアトム１５＿１（１，１）の長さＤｘ（１，１）よりも短くなっている。さらに、メタアトム１５＿１（０，１）、１５＿１（２，１）の±Ｘ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿１（－１，１）、１５＿２（－２，１）のＸ方向の長さＤｘ（－１，１）、Ｄｘ（－２，１）は、メタアトム１５＿１（０，１）、１５＿１（２，１）の長さＤｘ１（０，１）、Ｄｘ１（２，１）よりもさらに短くなっている。
また、メタアトム１５＿１（１，１）の±Ｙ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿１（１，２）、１５＿１（１，０）の偏光方向（Ｘ方向）の長さＤｘ１（１，２）、Ｄｘ１（１，０）は、メタアトム１５＿１（１，１）の長さＤｘ１（１，１）よりも短くなっている。さらに、メタアトム１５＿１（１，０）の－Ｙ方向に隣接するタアトム１５＿１（１，－１）のＸ方向の長さＤｘ１（１，－１）は、メタアトム１５＿１（１，０）の長さＤｘ１（１，０）よりもさらに短くなっている。
次に、傾斜光Ｌｂの偏光成分Ｐ４の偏光方向（Ｙ方向）におけるメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）、１５＿２（ｘ，ｙ）の長さＤｙ１（ｘ，ｙ）、Ｄｙ２（ｘ，ｙ）について説明する。画素ＰＸ２ｂの中心から離れたメタアトム１５＿２（１，１）のＹ方向の長さＤｙ２（１，１）が、画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂに対応する複数のメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）、１５＿２（ｘ，ｙ）の中で最大となっている。即ち、画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂに対応する複数のメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）、１５＿２（ｘ，ｙ）のうち、偏光成分Ｐ４の偏光方向において最大長を有する第２微細構造体としてのメタアトム１５＿２（１，１）は、画素ＰＸ２ｂの中心からずれた位置にある。これは、傾斜光Ｌｂの射出瞳補正を行い、その偏光成分Ｐ４を画素ＰＸ２ｂの中心へ集中させるためである。本開示では、傾斜光Ｌｂは、＋Ｘ軸および＋Ｙ軸に対して傾斜する方向から入射している。この場合、最大長のメタアトムは、傾斜光Ｌｂの傾斜方向、即ち、＋Ｘ方向および＋Ｙ方向へ画素ＰＸ２ｂの中心から移動（オフセット）させた位置に設定される。最大長のメタアトムの画素ＰＸ２ｂの中心からの移動量（画素ＰＸ２ｂの中心からのオフセット量）は、画素領域２０の中心から画素ＰＸ２ｂまでの距離に依存し、その距離が大きくなるにしたがって大きくなる。換言すると、最大長のメタアトムの移動量は、傾斜光Ｌｂの傾斜角に依存し、その傾斜角が大きくなるにしたがって大きくなる。例えば、本開示では、画素ＰＸ２ｂは、画素領域２０の端部（像高１０割）近傍に位置するので、最大長のメタアトムは、それに対応する画素ＰＸ２ｂの中心から＋Ｘ方向および＋Ｙ方向に所定距離だけ移動させたメタアトム１５＿２（１，１）に設定されている。尚、オフセット量は、任意に設定され得る。従って、最大長のメタアトムは、図１８Ａ～図２０Ｂの例のように、最も端のメタアトム１５＿２（２，２）に設定されてもよい。
メタアトム１５＿２（１，１）の±Ｘ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿２（０，１）、１５＿２（２，１）の偏光方向（Ｙ方向）の長さＤｙ（０，１）、Ｄｙ２（２，１）は、メタアトム１５＿２（１，１）の長さＤｙ２（１，１）よりも短くなっている。さらに、メタアトム１５＿２（０，１）の－Ｘ方向に隣接するメタアトム１５＿２（－１，１）のＹ方向の長さＤｙ２（－１，１）は、メタアトム１５＿２（０，１）の長さＤｙ２（０，１）よりもさらに短くなっている。
また、メタアトム１５＿２（１，１）の±Ｙ方向に隣接する２つのメタアトム１５＿２（１，２）、１５＿２（１，０）の偏光方向（Ｙ方向）の長さＤｙ２（１，２）、Ｄｙ２（１，０）は、メタアトム１５＿１（１，１）の長さＤｙ２（１，１）よりも短くなっている。さらに、メタアトム１５＿１（１，０）の－Ｙ方向に隣接するタアトム１５＿１（１，－１）のＸ方向の長さＤｙ２（１，－１）は、メタアトム１５＿１（１，０）の長さＤｙ２（１，０）よりもさらに短くなっている。
このように、画素領域２０の端部（像高１０割）に近い画素ＰＸ１ｂにおいては、傾斜光Ｌｂの傾斜に応じて、画素ＰＸ１ｂの中心から所定のオフセット量だけ移動させたメタアトムの長さを最大とする。例えば、偏光成分Ｐ３の偏向方向（Ｘ方向）について、メタアトム１５＿１（１，１）の長さＤｘ１（１，１）を最大とし、その最大長のメタアトム１５＿１（１，１）から離れるに従って偏光方向（Ｘ方向）の長さを次第に短くする。また、偏光成分Ｐ４の偏向方向（Ｙ方向）については、画素ＰＸ２ｂの中心から所定のオフセット量だけ移動させたメタアトム１５＿２（１，１）の偏光方向の長さＤｙ２（１，１）を最大とする。そして、その最大長のメタアトム１５＿２（１，１）から離れるに従って偏光方向（Ｙ方向）の長さを次第に短くする。
以上のように、本開示によれば、入射光Ｌａ、Ｌｂの偏光成分Ｐ１～Ｐ４の各偏光方向において最大長を有するメタアトムの各画素内における位置は、画素領域２０の中心から各画素までの距離に依存する。例えば、画素領域２０のほぼ中心にある画素ＰＸ１ａ、ＰＸ２ａでは、偏光成分Ｐ１、Ｐ２の偏光方向において最大長を有するメタアトム１５＿１（０，０）、１５＿２（０，０）は、それぞれに対応する各画素ＰＸ１ａ、ＰＸ２ａのほぼ中心に位置する。
一方、画素領域２０の端部に近い画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂでは、偏光成分Ｐ３、Ｐ４の各偏光方向において最大長を有するメタアトム１５＿１（１，１）、１５＿２（１，１）は、それぞれに対応する各画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂの中心から所定距離だけ移動（オフセット）させている。これにより、偏光制御素子１１ｂ、１２ｂは、傾斜光Ｌｂに対して射出瞳補正を行い、各偏光成分Ｐ３、Ｐ４をそれぞれ画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂの中心へ集光させることができる。
最大長のメタアトム１５＿１（１，１）、１５＿２（１，１）と画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂの中心との間の距離は、画素領域２０の中心から画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂまでの距離に依存する。例えば、画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂにおける最大長のメタアトム１５＿１（１，１）、１５＿２（１，１）の位置は、画素領域２０の中心から画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂまでの距離が大きくなるに従って、画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂの中心から離れる。即ち、最大長のメタアトム１５＿１（１，１）、１５＿２（１，１）の位置は、傾斜光Ｌｂの傾斜角が大きくなるに従って画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂの中心から離れる。これにより、偏光制御素子１１ａ～１２ｂは、任意の傾斜角の入射光Ｌａ、Ｌｂに対して射出瞳補正を行い、各偏光成分Ｐ１～Ｐ４をそれぞれ所望の画素ＰＸ１ａ～ＰＸ２ｂの中心へ集光させることができる。
（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態による偏光制御素子１１ａのメタサーフェス構造の一例を示す平面図である。図１２には、偏光成分Ｐ１の偏光方向におけるメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）の長さＤｘ（ｘ，ｙ）のグラフも示す。
第２実施形態では、偏光成分Ｐ１の偏光方向（Ｘ方向）におけるメタアトムの長さは、最大長のメタアトム１５＿１（０，０）から任意距離（例えば、偏光成分Ｐ１の略波長λ１）だけ離れるごとにもとに戻る。例えば、図１２では、最大長のメタアトム１５＿１（０，０）から任意距離だけ離れたメタアトム１５＿１（６，０）の長さＤｘ（６，０）は、メタアトム１５＿１（０，０）の長さＤｘ（０，０）にほぼ等しくなっている。このように、任意距離だけ離れるごとに、メタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）の長さをメタアトム１５＿１（０，０）の長さＤｘ（０，０）へ周期的に戻してもよい。これにより、画素ＰＸ１ａの平面サイズが偏光成分Ｐ１の波長より大きい場合であっても、射出瞳補正を行うことができる。
図１３は、第２実施形態による偏光制御素子１２ａのメタサーフェス構造の一例を示す平面図である。図１３には、偏光成分Ｐ２の偏光方向におけるメタアトム１５＿２（ｘ，ｙ）の長さＤｙ（ｘ，ｙ）のグラフも示す。
偏光成分Ｐ２の偏光方向（Ｙ方向）についても、同様に、メタアトムの長さは、最大長のメタアトム１５＿２（０，０）から任意距離（例えば、偏光成分Ｐ２の略波長λ２）だけ離れるごとにもとに戻る。例えば、図１３では、最大長のメタアトム１５＿２（０，０）から任意距離だけ離れたメタアトム１５＿２（－６，０）の長さＤｙ（－６，０）は、メタアトム１５＿２（０，０）の長さＤｙ（０，０）にほぼ等しくなっている。このように、任意距離だけ離れるごとに、メタアトム１５＿２（ｘ，ｙ）の長さを、メタアトム１５＿２（０，０）の長さＤｙ（０，０）へ周期的に戻してもよい。これにより、画素ＰＸ２ａの平面サイズが偏光成分Ｐ２の波長より大きい場合であっても、射出瞳補正を行うことができる。
第２実施形態のその他の構成は、第１実施形態の対応する構成と同様でよい。従って、第２実施形態は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第３実施形態）
図１４Ａは、第３実施形態による偏光制御素子１３ａ、１４ａのメタサーフェス構造の一例を示す平面図である。第３実施形態によれば、偏光制御素子１３ａのメタサーフェス構造は、入射光Ｌａの偏光成分Ｐ３を画素ＰＸ３ａの中心へ集光させ、入射光Ｌａの偏光成分Ｐ４を画素ＰＸ４ａの中心へ集光させるように構成されている。尚、１４－１４線に沿った断面は、メタアトム１５の幅は異なるものの、それ以外の構成において図７の断面と同じであるので、その図示を省略する。
偏光成分Ｐ３、Ｐ４の偏光方向は、Ｘ－Ｙ面内において、偏光成分Ｐ１、Ｐ２の偏光方向（Ｘ軸、Ｙ軸）に対して傾斜する方向である。例えば、偏光成分Ｐ３の偏光方向は、Ｘ－Ｙ面内において、Ｘ方向に傾斜角＋θで傾斜している。偏光成分Ｐ４の偏光方向は、Ｘ－Ｙ面内において、Ｘ方向に傾斜角－θで傾斜している。θは、例えば、４５度でよい。この場合、偏光成分Ｐ３とＰ４とは、Ｘ－Ｙ内において互いに略直交している。
偏光制御素子１３ａの複数のメタアトム１５＿３（ｘ、ｙ）は、偏光成分Ｐ３の偏光方向に延伸する辺を有するように傾斜している。偏光制御素子１４ａの複数のメタアトム１５＿４（ｘ、ｙ）は、偏光成分Ｐ４の偏光方向に延伸する辺を有するように傾斜している。
ここで、偏光成分Ｐ３、Ｐ４の偏光方向において最大長を有するメタアトムの位置は、画素領域２０の中心から画素ＰＸ３ａ、ＰＸ４ａまでの距離に依存する。例えば、画素ＰＸ３ａ、ＰＸ４ａが画素領域２０の中心近傍に位置する場合、入射光Ｌａは、ほぼＺ方向から入射する。入射光Ｌａの偏光成分Ｐ３の偏光方向において最大長のメタアトムは、画素ＰＸ３ａのほぼ中心にあるメタアトム１５＿３（０，０）になる。また、入射光Ｌａの偏光成分Ｐ４の偏光方向において最大長のメタアトムは、画素ＰＸ４ａのほぼ中心にあるメタアトム１５＿４（０，０）になる。
偏光成分Ｐ３の偏光方向においてメタアトム１５＿３（０，０）の長さＤｘｙ３（０，０）は、画素ＰＸ３ａ、ＰＸ４ａの中で最大長を有する。メタアトム１５＿３（０，０）（画素ＰＸ３ａの中心）から離れるに従って偏光方向の長さＤｘｙ３（ｘ，ｙ）は次第に短くなっていく。このように、偏光成分Ｐ３の偏光方向におけるメタアトム１５＿３（ｘ，ｙ）の長さは、画素ＰＸ３ａの中心からの距離に依存する。尚、長さＤｘｙ３（ｘ，ｙ）、Ｄｘｙ４（ｘ，ｙ）は、偏光成分Ｐ３の偏光方向の長さを示す。長さＤｙｘ３（ｘ，ｙ）、Ｄｙｘ４（ｘ，ｙ）は、偏光成分Ｐ４の偏光方向の長さを示す。
偏光成分Ｐ４の偏光方向においてメタアトム１５＿４（０，０）の長さＤｘｙ４（０，０）は、画素ＰＸ３ａ、ＰＸ４ａの中で最大長を有する。メタアトム１５＿４（０，０）（画素ＰＸ４ａの中心）から離れるに従って偏光方向の長さＤｘｙ４（ｘ，ｙ）は次第に短くなっていく。このように、偏光成分Ｐ４の偏光方向におけるメタアトム１５＿４（ｘ，ｙ）の長さは、画素ＰＸ４ａの中心からの距離に依存する。
図１４Ｂは、第３実施形態による偏光制御素子１３ｂ、１４ｂのメタサーフェス構造の一例を示す平面図である。図１１の画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂのように画素領域２０の端部（像高１０割）近傍に位置する場合、傾斜光Ｌｂは、Ｚ軸に対して傾斜方向から入射する。この場合、第１実施形態と同様に、傾斜光Ｌｂの偏光成分Ｐ３の偏光方向において最大長のメタアトムは、画素の中心からずれたメタアトムになる。例えば、最大長のメタアトムは、傾斜光Ｌｂの傾斜方向へ画素の中心から所定のオフセット量だけ移動させたメタアトム１５＿３（１，１）に設定される。最大長のメタアトム１５＿３（１，１）の画素ＰＸ３ｂの中心からの移動量（画素ＰＸ３ｂの中心からのオフセット量）は、画素領域２０の中心から画素までの距離に依存し、その距離が大きくなるにしたがって大きくなる。換言すると、最大長のメタアトム１５＿３（１，１）の移動量（オフセット量）は、傾斜光Ｌｂの傾斜角に依存し、その傾斜角が大きくなるにしたがって大きくなる。
傾斜光Ｌｂの偏光成分Ｐ４の偏光方向についても同様である。傾斜光Ｌｂの偏光成分Ｐ４の偏光方向において最大長のメタアトムは、画素の中心からずれたメタアトムになる。例えば、最大長のメタアトムは、傾斜光Ｌｂの傾斜方向へ画素の中心から所定のオフセット量だけ移動させたメタアトム１５＿４（１，１）に設定される。最大長のメタアトム１５＿４（１，１）の移動量（オフセット量）は、画素領域２０の中心から画素までの距離に依存し、その距離が大きくなるにしたがって大きくなる。換言すると、最大長のメタアトム１５＿４（１，１）の移動量（画素ＰＸ４ｂの中心からのオフセット量）は、傾斜光Ｌｂの傾斜角に依存し、その傾斜角が大きくなるにしたがって大きくなる。
このように、偏光制御素子のメタサーフェス構造は、偏光成分Ｐ１、Ｐ２に対して傾斜する偏光成分Ｐ３、Ｐ４についても射出瞳補正を行い、画素領域２０の任意の位置にある画素ＰＸ１ａ、ＰＸ２ａあるいは画素ＰＸ１ｂ、ＰＸ２ｂの各中心に集光させることができる。
第３実施形態のその他の構成は、第１実施形態の対応する構成と同様でよい。従って、第３実施形態は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第３実施形態は、第２実施形態と組み合わせてもよい。
（メタアトムの大きさ）
図１５は、偏光成分Ｐ１、Ｐ２に対応するメタアトム１５の平面サイズを示す説明図である。１つのメタアトム１５は、Ｘ方向のピッチＰＣＨｘとＹ方向のピッチＰＣＨｙとの範囲内に設けられる。ピッチＰＣＨｘおよびピッチＰＣＨｙの長さは、以下のように求められる。
メタアトム１５の長辺および短辺がピッチＰＣＨｘまたはＰＣＨｙに略平行な場合、
ＰＣＨｘ≧メタアトムの長辺 （式１）
ＰＣＨｙ≧メタアトムの長辺 （式２）
となる。
メタアトム１５の長辺および短辺がピッチＰＣＨｘまたはＰＣＨｙに対して傾斜している場合、
ＰＣＨｘ≧メタアトムの長辺＋短辺 （式３）
ＰＣＨｙ≧メタアトムの長辺＋短辺 （式４）
となる。
メタアトム１５は、ピッチＰＣＨｘ、ＰＣＨｙで規定された範囲内に設けられる。従って、メタアトム１５の長さＤｘ（ｘ，ｙ）は、ピッチＰＣＨｘ以下である。メタアトム１５の長さＤｙ（ｘ，ｙ）は、ピッチＰＣＨｙ以下である。即ち、偏光成分Ｐ１、Ｐ２に対応するメタアトム１５のＸ方向の最大長はピッチＰＣＨｘであり、Ｙ方向の最大長はピッチＰＣＨｙとなる。
図１６は、偏光成分Ｐ３、Ｐ４に対応するメタアトム１５の平面サイズを示す説明図である。メタアトム１５が、例えば、θ度に傾斜している場合、メタアトム１５の長辺の長さＤｘｙ（ｘ、ｙ）、短辺の長さＤｙｘ（ｘ、ｙ）は、以下の式５および式６を満たすことが好ましい。
Ｄｘｙ（ｘ、ｙ）ｃｏｓθ＋Ｄｙｘ（ｘ、ｙ）ｓｉｎθ≦ＰＣＨｘ （式５）
Ｄｘｙ（ｘ、ｙ）ｓｉｎθ＋Ｄｙｘ（ｘ、ｙ）ｃｏｓθ≦ＰＣＨｙ （式６）
これにより、メタアトム１５は、ピッチＰＣＨｘ、ＰＣＨｙの領域内に設けられる。
θが４５度のときに、メタアトム１５の最大値は、ピッチＰＣＨｘ、ＰＣＨｙの領域の対角線（最大値）となる。よって、少なくとも、（Ｄｘｙ（ｘ、ｙ）＋Ｄｙｘ（ｘ、ｙ））／√２は、ＰＣＨｘ以下であり、かつ、（Ｄｘｙ（ｘ、ｙ）＋Ｄｙｘ（ｘ、ｙ））／√２は、ＰＣＨｙ以下である。
もし、メタアトム１５がピッチＰＣＨｘ、ＰＣＨｙの領域からはみ出すと、入射光Ｌａ、Ｌｂの単一周期に与える位相遅延量がずれてしまう。
これに対し、メタアトム１５が式５および式６を満たすことにより、入射光Ｌａ、Ｌｂの位相遅延量のずれを抑制することができる。これにより、偏光分離および集光特性の劣化を抑制することができる。
（第４実施形態）
図１７は、第４実施形態による偏光制御素子のメタサーフェス構造の一例を示す平面図である。第４実施形態は、第１実施形態と第３実施形態とを組み合わせた実施形態である。第４実施形態では、４つの画素ＰＸ１ａ～ＰＸ４ａに対応する偏光制御素子１１ａ～１４ａが隣接して配置されており、それぞれ入射光Ｌａの偏光成分Ｐ１～Ｐ４を画素ＰＸ１ａ～ＰＸ４ａの中心へ集光させる。
４つの偏光制御素子１１ａ～１４ａを１セットとして、偏光制御素子１１ａ～１４ａを画素領域２０上に繰り返し配置する。これにより、偏光制御素子１１ａ～１４ａは、偏光成分Ｐ１～Ｐ４をそれぞれ射出瞳補正することができ、画素ＰＸ１ａ～ＰＸ４ａの中心へ集光させることができる。
図示しないが、画素領域２０の端部においては、傾斜光Ｌｂの傾斜角度および傾斜方向に応じて、最大長のメタアトムは、画素の中心から所定のオフセット量だけ移動させた位置に設定される。その結果、画素ＰＸ１ａ～ＰＸ４ａは、入射光Ｌａの偏光成分Ｐ１～Ｐ４の光強度をそれぞれ正確に検出することができる。
（入射光Ｌの入射角と最大長のメタアトムの位置との関係）
図１８Ａ～図１９Ｂは、入射光Ｌの入射角と最大長のメタアトムの位置との関係を示す説明図である。尚、偏光成分Ｐ１の偏向方向（Ｘ方向）に最大長を有するメタアトムについて説明し、偏光成分Ｐ２～Ｐ４の偏光方向に最大長を有するメタアトムの説明は省略する。また、最大長のメタアトムのオフセット量は、任意に設定され得る。従って、図１８Ａ～図２０Ｂの最大長のメタアトムのオフセット量は、図１１の最大長のメタアトムのオフセット量と異なるが問題はない。
図１に示すように、画素領域２０の中心にある画素ＰＸ１ａに対応する偏光制御素子では、図４に示すように、画素ＰＸ１ａの中心のメタアトム１５＿１（０，０）が偏光方向（Ｘ方向）に最大長を有する。
図１８Ａに示すように、画素領域２０の－Ｘ方向の端部にある画素ＰＸ５には、Ｚ軸から＋Ｘ方向に傾斜する傾斜光Ｌｃが入射する。画素ＰＸ５に対応する偏光制御素子１６では、例えば、図１８Ｂに示すように、画素ＰＸ５の＋Ｘ方向の端部にあるメタアトム１５＿１（２，０）が偏向方向（Ｘ方向）に最大長を有する。画素ＰＸ５におけるメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）の偏光方向の長さは、最大長のメタアトム１５＿１（２，０）から離れるに従って短くなる。
図１９Ａに示すように、画素領域２０の－Ｙ方向の端部にある画素ＰＸ６には、Ｚ軸から＋Ｙ方向に傾斜する傾斜光Ｌｄが入射する。画素ＰＸ６に対応する偏光制御素子１７では、例えば、図１９Ｂに示すように、画素ＰＸ６の＋Ｙ方向の端部にあるメタアトム１５＿１（０，２）が偏向方向（Ｘ方向）に最大長を有する。画素ＰＸ６におけるメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）の偏光方向の長さは、最大長のメタアトム１５＿１（０，２）から離れるに従って短くなる。
図２０Ａに示すように、画素領域２０の－Ｙ方向、＋Ｘ方向の角部にある画素ＰＸ７には、Ｚ軸から＋Ｙ方向および－Ｘ方向に傾斜する傾斜光Ｌｅが入射する。画素ＰＸ７に対応する偏光制御素子１８では、例えば、図２０Ｂに示すように、画素ＰＸ７の＋Ｙ方向かつ－Ｘ方向の端部にあるメタアトム１５＿１（－２，２）が偏向方向（Ｘ方向）に最大長を有する。画素ＰＸ７におけるメタアトム１５＿１（ｘ，ｙ）の偏光方向の長さは、最大長のメタアトム１５＿１（－２，２）から離れるに従って短くなる。
このように、画素における最大長のメタアトムの位置は、画素領域２０の中心から該画素までの距離が大きくなるに従って該画素の中心から離れる。また、画素におけるメタアトムの位置は、Ｚ方向からの入射光の傾斜角が大きくなるに従って画素の中心から離れる。
尚、各画素に対応するメタアトムの数は、特に限定せず、任意に設定可能である。
（第５実施形態）
図２１は、第５実施形態による偏光制御素子１１ａ～１１ｃの構成例を示す断面図である。第５実施形態では、複数の偏光制御素子１１ａ～１１ｃが１つの画素ＰＸ１ａの上に積層されている。複数の偏光制御素子１１ａ～１１ｃは、異なるメタサーフェス構造を有してよい。例えば、偏光制御素子１１ａ～１１ｃは、互いに異なる色（波長）の入射光の偏光制御を行ってもよい。その結果、偏光制御素子１１ａ～１１ｃは、広帯域の入射光に対して偏光制御することができる。例えば、偏光制御素子１１ａ、１１ｂ、・・・１１ｃと少しずつメタサーフェス構造の位置やメタアトムのサイズを変化させてもよい。これにより、位相遅延量を少しずつ偏光することができる。
本開示に係る技術は、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、撮像機能を有する携帯電話等、撮像機能を備えたあらゆるタイプの電子機器に適用することができる。
なお、本技術は、以下のような構成をとることができる。
（１）
複数の画素を含む画素領域と、
前記画素領域の入射光の入射面の上方に設けられ、前記入射面に対して略平行に二次元配列された複数の微細構造体を含む偏光制御素子とを備え、
前記画素領域内の第１画素に対応する複数の前記微細構造体のうち前記入射光の第１偏光方向において最大長を有する第１微細構造体の前記第１画素内における位置は、前記画素領域の中心から前記第１画素までの距離に依存する、固体撮像装置。
（２）
前記第１画素における前記第１微細構造体の位置は、前記画素領域の中心から前記第１画素までの距離が大きくなるに従って前記第１画素の中心から離れる、（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記第１画素における前記第１微細構造体の位置は、前記入射面に対して垂直方向からの前記入射光の傾斜角が大きくなるに従って前記第１画素の中心から離れる、（１）または（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記画素領域内の第２画素に対応する複数の前記微細構造体のうち前記入射光の前記第１偏光方向に対して略直交する第２偏光方向において最大長を有する第２微細構造体の前記第２画素内における位置は、前記画素領域の中心から前記第２画素までの距離に依存する、（１）から（３）のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
（５）
前記第２画素における前記第２微細構造体の位置は、前記画素領域の中心から前記第２画素までの距離が大きくなるに従って前記第２画素の中心から離れる、（４）に記載の固体撮像装置。
（６）
前記第２画素における前記第２微細構造体の位置は、前記入射面に対して垂直方向からの前記入射光の傾斜角が大きくなるに従って前記第２画素の中心から離れる、（４）または（５）に記載の固体撮像装置。
（７）
前記第１画素における前記複数の微細構造体の前記第１偏光方向の長さは、前記第１微細構造体から離れるに従って短くなる、（１）から（６）のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
（８）
前記第２画素における前記複数の微細構造体の前記第２偏光方向の長さは、前記第２微細構造体から離れるに従って短くなる、（４）から（６）のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
（９）
前記第１偏光方向における前記複数の微細構造体の長さは、前記第１微細構造体から任意距離だけ離れるごとに前記第１微細構造体の長さに戻る、（１）から（８）のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
（１０）
前記第２偏光方向における前記複数の微細構造体の長さは、前記第２微細構造体から任意距離だけ離れるごとに前記第２微細構造体の長さに戻る、（４）から（６）、（８）のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
（１１）
前記画素領域内の第３画素に対応する複数の前記微細構造体のうち前記入射光の前記第１および第２偏光方向に対して傾斜する第３偏光方向において最大長を有する第３微細構造体の前記第３画素内における位置は、前記画素領域の中心から前記第３画素までの距離に依存する、（１）から（１０）のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
（１２）
前記第３画素における前記第３微細構造体の位置は、前記画素領域の中心から前記第３画素までの距離が大きくなるに従って前記第３画素の中心から離れる、（１１）に記載の固体撮像装置。
（１３）
前記第３画素における前記第３微細構造体の位置は、前記入射面に対して垂直方向からの前記入射光の傾斜角が大きくなるに従って前記第３画素の中心から離れる、（１１）または（１２）に記載の固体撮像装置。
（１４）
前記入射面の上方に設けられ積層された複数の偏光制御素子をさらに備える、（１）から（１３）のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
尚、本開示は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、他の効果があってもよい。
１ イメージセンサ、ＯＰ 光学系、１０ 偏光制御ユニット、２０ 画素領域、ＰＸ１ａ～ＰＸ２ｂ 画素、１１ａ～１２ｂ 偏光制御素子、３０ 導波路、１５ メタアトム

Claims (14)

  1. 複数の画素を含む画素領域と、
    前記画素領域の入射光の入射面の上方に設けられ、前記入射面に対して略平行に二次元配列された複数の微細構造体を含む偏光制御素子とを備え、
    前記画素領域内の第１画素に対応する複数の前記微細構造体のうち前記入射光の第１偏光方向において最大長を有する第１微細構造体の前記第１画素内における位置は、前記画素領域の中心から前記第１画素までの距離に依存する、固体撮像装置。
  2. 前記第１画素における前記第１微細構造体の位置は、前記画素領域の中心から前記第１画素までの距離が大きくなるに従って前記第１画素の中心から離れる、請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記第１画素における前記第１微細構造体の位置は、前記入射面に対して垂直方向からの前記入射光の傾斜角が大きくなるに従って前記第１画素の中心から離れる、請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 前記画素領域内の第２画素に対応する複数の前記微細構造体のうち前記入射光の前記第１偏光方向に対して略直交する第２偏光方向において最大長を有する第２微細構造体の前記第２画素内における位置は、前記画素領域の中心から前記第２画素までの距離に依存する、請求項１に記載の固体撮像装置。
  5. 前記第２画素における前記第２微細構造体の位置は、前記画素領域の中心から前記第２画素までの距離が大きくなるに従って前記第２画素の中心から離れる、請求項４に記載の固体撮像装置。
  6. 前記第２画素における前記第２微細構造体の位置は、前記入射面に対して垂直方向からの前記入射光の傾斜角が大きくなるに従って前記第２画素の中心から離れる、請求項４に記載の固体撮像装置。
  7. 前記第１画素における前記複数の微細構造体の前記第１偏光方向の長さは、前記第１微細構造体から離れるに従って短くなる、請求項１に記載の固体撮像装置。
  8. 前記第２画素における前記複数の微細構造体の前記第２偏光方向の長さは、前記第２微細構造体から離れるに従って短くなる、請求項４に記載の固体撮像装置。
  9. 前記第１偏光方向における前記複数の微細構造体の長さは、前記第１微細構造体から任意距離だけ離れるごとに前記第１微細構造体の長さに戻る、請求項１に記載の固体撮像装置。
  10. 前記第２偏光方向における前記複数の微細構造体の長さは、前記第２微細構造体から任意距離だけ離れるごとに前記第２微細構造体の長さに戻る、請求項４に記載の固体撮像装置。
  11. 前記画素領域内の第３画素に対応する複数の前記微細構造体のうち前記入射光の偏光方向に対して傾斜する第３偏光方向において最大長を有する第３微細構造体の前記第３画素内における位置は、前記画素領域の中心から前記第３画素までの距離に依存する、請求項１に記載の固体撮像装置。
  12. 前記第３画素における前記第３微細構造体の位置は、前記画素領域の中心から前記第３画素までの距離が大きくなるに従って前記第３画素の中心から離れる、請求項１１に記載の固体撮像装置。
  13. 前記第３画素における前記第３微細構造体の位置は、前記入射面に対して垂直方向からの前記入射光の傾斜角が大きくなるに従って前記第３画素の中心から離れる、請求項１１に記載の固体撮像装置。
  14. 前記入射面の上方に設けられ積層された複数の偏光制御素子をさらに備える、請求項１に記載の固体撮像装置。
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