JP2023548057A - イメージセンシング用のカラールータ - Google Patents

Abstract

本発明は、カラー選択光検出および／またはイメージセンシングを実質的にロスレスの仕方で可能にし、それにより高い、しかも約完全なまでの光学効率をもたらすシステムに関する。本明細書において開示する実施形態は、複数の画素リピートユニットを含み、各画素リピートユニットは、光信号中の各波長信号の光子を画素リピートユニットの異なる光検出器に選択的にルーティングするよう構成されたカラールータを有する。幾つかの実施形態では、カラールータはまた、入射光の反射を軽減する反射防止膜ならびに各波長信号の実質的に全ての光子をこれらの対応の光検出器にのみ方向付けるレンズ系として機能する。その結果、光検出器は、先行技術の吸収性カラーフィルタを用いて可能なレベルよりも多くの光を集め、それにより、小型の光検出器を使用することができるようになっている。したがって、サブ波長サイズへのイメージセンサ光検出器のスケール変更が可能である。

Description

本開示（本発明）は、イメージセンシング一般、特に、イメージセンシング用途におけるスペクトルおよびカラー管理に関する。

〔関連出願の相互参照〕
本件は、２０２０年１１月２日に出願された米国特許仮出願第６３／１０８，６２２号（代理人事件番号：１４６‐０８５ＰＲ１）の優先権主張出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。本願と、参照により記載内容を本明細書の一部とした件のうちの１つ以上との間に記載に関して本願の特許請求の範囲の解釈に影響を及ぼす恐れのある矛盾または不一致が存在する場合、本願の特許請求の範囲は、本願の記載と一致するよう解釈されるべきである。

高分解能イメージセンシング技術は、過去１０年間にわたって急速に普及した。全てのイメージセンサの重要な能力は、ピクセル（画素）および／またはサブピクセル中に対応して設けられた光検出器による検出が可能であるように光を個々の波長信号（各波長信号は、単一の波長成分または多数の波長成分を含む）に分離することにある。今日における最も多くの技術では、この分離は、吸収性カラーフィルタ（例えば、青色、緑色、赤色）により行われ、この吸収性カラーフィルタは、光を所望の波長帯域で選択的に透過させる一方で、他の全ての光を吸収する。残念ながら、かかるフィルタには、幾つかの重大な欠点がある。

第１に、関心のある波長範囲外の光エネルギーが吸収されるので、カラーフィルタは、本来的には、これらに入射する光の相当な量を、幾つかの場合では２／３超を無駄にする。

第２に、この吸収により、画素の光検出器のところで受け取る光の総量が著しく減少し、それによりイメージセンサの性能が劣化する。

第３に、各イメージセンサ画素に入射する光の量は、画素サイズの線形スケール変更とともに二次的に減少し、したがって、カラーフィルタによる吸収に起因した光検出のところでの光の強度の減少は、先行技術のイメージセンサについて画素サイズのスケール変更に対してボトルネックとなっている。これは、画素が受け取る光の波長でまたはこれよりも低い波長のサイズを有する画素の性能に対して特に有害である。

小さな画素サイズおよび／または高イメージセンサ性能を実現可能にするイメージプロセッサのためのカラー分離能力に対する要望は、先行技術では今までのところ満たされていない。

当該技術分野における技術的進歩は、本開示の諸観点に従って達成され、本開示は、カラー選択制を実質的にロスレスな仕方で（すなわち、入射光の著しい吸収なしで）提供するシステムおよび装置に関する。本発明のカラールータは、受け取った光信号中の所与の波長信号の各々の事実上全ての光子を、当該波長信号を受け入れるようになった複数の光検出器のうちの光検出器にのみ選択的に直接ルーティングする。これにより、比較的小型の光検出器の使用が可能になり、と言うのは、これら小型光検出器は、カラーフィルタに結合された大型の光検出器よりも多くの光を集めるからである。その結果、本発明のイメージセンサを、サイズがサブ波長である光検出器を用いることによってこれまで達成できなかったサイズにスケール変更することができる。

本発明の例示の実施形態は、複数の画素リピートユニットを有するイメージセンサであり、各画素リピートユニットは、光検出レーヤ上に設けられたカラールータを有する。光検出レーヤは、第１、第２、第３、および第４の光検出器を有し、これら光検出器は、互いに実質的に同一でありしかも直線アレイをなして配列される。カラールータは、これらの光検出器を覆い、このカラールータは、複数の波長信号を含む光を受け取り、そして各波長信号を異なる光検出器に直接ルーティングするよう構成されている。この例示の実施形態では、４つの波長信号の各々（各々が青色、緑色、赤色、および近赤外の個々の波長成分のうちの異なる１つを含む）は、４つの光検出器から成る群の異なる光検出器に直接ルーティングされる。カラールータは、画素リピートユニットに入射した青色光の実質的に全てがこの群のうちの第１の光検出器のところで選択的に受け取られ、画素リピートユニットに入射した緑色光の全てが第２の光検出器のところで選択的に受け取られ、画素リピートユニットに入射した赤色光の全てが第３の光検出器のところで選択的に受け取られ、画素リピートユニットに入射した近赤外光の全てが第４の光検出器のところで選択的に受け取られるよう構成されている。その結果、各画素リピートユニットは、実質的に完全な光学効率でスペクトル的に選択性の検出を行うことができる。さらに、各波長信号の実質的に全ての光子がこれらのそれぞれ対応した光検出器に直接ルーティングされるので、カラールータは、さらに、反射防止レーヤとレンズ素子の両方として機能する。

各カラールータは、実質的にロスレス窒化ケイ素で作られたナノスケールのスキャッタの配列体を含む実質的にロスレスシリカの三次元レーヤである。スキャッタは、これらの存在場所、サイズ、および形状が、受け取った光中の互いに異なる波長信号をその対応の光検出器に完全に直接的にルーティングすることができるように構成されている。その結果、各光検出器は、その対応の波長信号の光エネルギーの実質的に全てを受け取るが、他の波長信号の光エネルギーを実質的に全く受け取らない。

幾つかの実施形態では、実質的にロスレス媒体および実質的にロスレスナノスケールスキャッタのうちの少なくとも一方は、実質的にロスレスの異なる誘電体または他の物質から成り、この場合、実質的にロスレス媒体および実質的にロスレスナノスケールスキャッタは、互いに異なる誘電率を有する物質から成る。

幾つかの実施形態では、光検出レーヤおよびカラールータは各々、異なる数の素子を含むとともに／あるいは各画素リピートユニットの素子は、直線アレイの配列体、例えば２×２ベイヤーパターン、他の二次元配列体（規則的または不規則）等とは異なる配列体をなして配列される。

本発明の一実施形態は、イメージセンサ画素リピートユニット（１００）であって、イメージセンサ画素リピートユニットは、画素リピートユニットに入射する光信号（１０６）中の複数の波長信号（１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒ，１０６ＮＩＲ）の各々を検出するようになっており、イメージセンサ画素リピートユニット（１００）は、複数の光検出器（１１０Ｂ，１１０Ｇ，１１０Ｒ，１１０ＮＩＲ）を有する光検出器レーヤ（１０２）を有し、複数の光検出器は、第１の配列体をなして配列され、イメージセンサ画素リピートユニット（１００）は、光検出器レーヤ上に設けられたカラールータ（１０４）をさらに有し、カラールータは、第１の複数のスキャッタ（４０８）を有し、第１の複数のスキャッタは、カラールータ内に第２の配列体をなして配列され、カラールータは、第１の誘電率を有する第１の物質（Ｍ１）から成り、第１の複数のスキャッタの各々は、第１の誘電率とは異なる第２の誘電率を有する第２の物質（Ｍ２）から成り、第２の配列体は、複数の波長信号が複数の光検出器に直接ルーティングされるよう構成され、その結果、複数の光検出器の各々は、複数の波長信号のうちの異なる波長信号を選択的に受け取るようになっていることを特徴とするイメージセンサ画素リピートユニットである。

本発明のもう１つの実施形態は、イメージセンサ画素リピートユニット（１００）を形成する方法であって、画素リピートユニットは、画素リピートユニットに入射する光信号（１０６）中の複数の波長信号（１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒ，１０６ＮＩＲ）の各々を検出するようになっており、本方法は、複数の光検出器（１１０Ｂ，１１０Ｇ，１１０Ｒ，１１０ＮＩＲ）を有する光検出レーヤ（１０２）を用意するステップを含み、複数の光検出器は、第１の配列体をなして配列され、本方法は、カラールータ（１０４）を光検出レーヤ上に形成するステップをさらに含み、カラールータは、カラールータ内に第２の配列体をなして配列された第１の複数のスキャッタ（４０８）を含む構造を有し、カラールータは、第１の誘電率を有する第１の物質（Ｍ１）から成り、第１の複数のスキャッタの各々は、第１の誘電率とは異なる第２の誘電率を有する第２の物質（Ｍ２）から成り、カラールータが、複数の波長信号を複数の光検出器に直接ルーティングし、その結果、複数の光検出器の各々が複数の波長信号のうちの異なる波長信号を選択的に受け取るように第２の配列体を規定するステップを含むことを特徴とする方法である。

本発明の例示の実施形態としてのイメージセンサの個々の画素リピートユニットの概略断面図である。 本発明のカラールータを形成するのに適した例示の方法のステップを示す図である。 本発明に従って各々が異なる物質組成を有する多数の形式のスキャッタを有するカラールータを形成するのに適した例示の別の方法のステップを示す図である。 本発明に従ってカラールータを設計するのに適した部分的方法の非限定的な実施例のサブステップを示す図である。 ボイドパターン４０４‐１の形成後における初期段階の画素リピートユニット１００′の断面図である。 媒体レーヤ４０２‐１内のスキャッタパターン４１０‐１の形成後における初期段階の画素リピートユニット１００′の断面図である。 サブレーヤ４１２‐Ｎ、およびかくしてカラールータ１０４の形成完了後における画素リピートユニット１００の断面図である。 媒体レーヤ４０２‐１内のスキャッタパターン４１０‐１‐１～４１０‐１‐２の形成後における初期段階の画素リピートユニット１００′の断面図である。 画素リピートユニット１００の構造全体にわたる誘電率のプロット図である。 光信号１０６の波長信号の各々がカラールータ１０４を通過する状態を示す場の強度のプロット図である。 本発明に従って、一つのやり方で設計されて完全に二値化されているカラールータによってルーティングされた波長信号１０６Ｂ、１０６Ｇ、１０６Ｒ、および１０６ＮＩＲに関する標的設計および対応の最適化設計応答のスペクトル特性を示す図である。 本発明に従って、別のやり方で設計されて完全に二値化されているカラールータによってルーティングされた波長信号１０６Ｂ、１０６Ｇ、１０６Ｒ、および１０６ＮＩＲに関する標的設計および対応の最適化設計応答のスペクトル特性を示す図である。 本発明のカラールータの性能に対する設計要素サイズの作用効果を実証する結果を示す図である。 本発明の変形実施形態としてのイメージセンサの個々の画素リピートユニットの概略断面図である。 カラールータ８０４によって直接ルーティングされている波長信号１０６Ｂ、１０６Ｇ、および１０６Ｒに関する標的設計および対応の最適化設計応答のスペクトル特性を示す図である。 本発明に従って互いに異なる入射角について設計された２つのカラールータに関する標的設計および対応の最適化設計応答のスペクトル特性を示す図である。 本発明の別の変形実施形態としてのイメージセンサの個々の画素リピートユニットの概略断面図である。 カラールータ１１０４による光１０６中の波長信号の光子のルーティングについての場の強度のプロット図である。 光信号１０６の波長信号の各々がカラールータ１１０４を通過する状態を示す場の強度のプロットについての斜視図である。 画素リピートユニット１１００で直接ルーティングされている非偏光および偏光波長信号１０６Ｂ、１０６Ｇ、１０６Ｒに関するそれぞれの最適化された広帯域応答のスペクトル特性を示す図である。 画素リピートユニット１１００で直接ルーティングされている非偏光および偏光波長信号１０６Ｂ、１０６Ｇ、１０６Ｒに関するそれぞれの最適化された広帯域応答のスペクトル特性を示す図である。 本発明の別の変形実施形態としてのイメージセンサの個々の画素リピートユニットの概略断面図である。 本発明の表面最適化カラールータの測定されたスペクトル応答のプロット図である。

以下の説明は、本発明の原理を説明しているに過ぎない。かくして、当業者であれば本明細書において明示的に記載されまたは図示されていないが、本発明の原理を具体化するとともに本発明の精神および範囲に含まれる種々の構成を想到することができることが理解されよう。

さらに、本明細書において記載する全ての実施例および条件文は、主として、読者が本発明の原理ならびに当該技術分野を進歩させるために本発明者により提供される技術的思想を理解するのを助けるために教示上の目的にのみ提供されることを明示的に意図しており、そして、かかる具体的に記載された実施例および条件に対して制約がないものであると解される。

さらに、本発明の原理、観点、および実施形態、ならびにその特定の実施例を本明細書において記載する全ての記述は、本発明の構造的均等例と機能的均等例の両方を含むものである。さらに、かかる均等例は、現時点で知られている均等例と将来開発される均等例、すなわち、構造とは無関係に同一の機能を実行するよう開発される任意の要素との両方を含む。

別段の明示の指定がなければ、図面を構成する図は、縮尺通りには描かれていない。

以下の用語を、特許請求の範囲の記載を含む本明細書で用いることができるよう定義する。
・「～上に設けられ」または「～上に形成され」という表現は、下に位置する物質またはレーヤ（層）上に「存在する」と定義される。このレーヤは、適当な表面を実現するのに必要な中間のレーヤ、例えば移行レーヤを含むのが良い。例えば、物質が「基板上に設けられる（または成長する）」と説明されている場合、これは、（１）この物質が基板と密な接触状態にあるか、（２）この物質が基板上に位置する１つ以上の移行レーヤと接触状態にあるかのいずれかを意味する場合がある。
・「ロスレス物質」は、光信号中に含まれる波長成分について実質的に非吸収性である物質と定義される。
・「波長成分」は、中心が特定の波長に位置する光信号と定義される。例えば、青色波長成分は、中心が約４５０ｎｍのところに位置し、緑色波長成分は、中心が５５０ｎｍのところに位置することなどである。
・「波長信号」は、少なくとも１つの波長成分を含む光信号と定義される。本発明にかかる波長信号は、１つの波長成分だけ（例えば、個々の青色、緑色、赤色、または近赤外（ＮＩＲ）波長成分）、または多数の波長成分を含む場合がある。注目されるべきこととして、波長信号中に含まれる多数の波長成分を一様なまたは非一様な波長間隔だけ隔てることができ、これは、本発明の範囲から逸脱しない。
・「直接ルーティングされ」は、光信号の光子をカラールータ中にルーティングして光子がカラールータの構造内に留まり、そしてこれらの意図した空間場所の１つの波長のところまたは１つの波長内でカラールータから出るようにすることと定義される。
・「光学効率」は、カラールータまたは画素リピートユニットの入射表面全体に入射し、そして意図したカラーチャネルの光検出器にルーティングされる光出力またはパワーの割合（または百分率）と定義される。

図１は、本発明の例示の実施形態としてのイメージセンサの個々の画素リピートユニットの概略断面図である。画素リピートユニット１００は、光検出レーヤ１０２および光検出レーヤ上に直接設けられたカラールータ１０４を有する。幾つかの実施形態では、スペーサレーヤが、カラールータ１０４と光検出レーヤ１０２との間に設けられる。画素リピートユニット１００は、光信号１０６中に含まれる波長信号を個々に検出するよう構成されたスペクトル的に選択性の検出システムである。図示の実施例では、光信号１０６は、波長信号１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂ，１０６ＮＩＲを含み、画素リピートユニット１００は、波長信号１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂ，１０６ＮＩＲの強度にそれぞれ基づく出力信号１０８‐１～１０８‐４を提供する。

図示の実施例では、波長信号１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂ，１０６ＮＩＲの各々は、個々の波長成分を１つだけ含む。具体的に説明すると、波長信号１０６Ｂは、青色光（すなわち、中心が４５０ｎｍのところに位置する狭いスペクトル帯）だけを含み、波長信号１０６Ｇは、緑色光（すなわち、中心が５５０ｎｍのところに位置する狭いスペクトル帯）だけを含み、波長信号１０６Ｒは、赤色光（すなわち、中心が６５０ｎｍのところに位置する狭いスペクトル帯）だけを含み、波長信号１０６ＮＩＲは、近赤外光（すなわち、中心が７５０ｎｍのところに位置する狭いスペクトル帯）だけを含む。幾つかの実施形態では、カラールータによってルーティングされる少なくとも１つの波長信号は、２つ以上の波長成分を含む。

光検出レーヤ１０２（以下、「ＬＤレーヤ１０２」という）は、光検出器１１０Ｂ，１１０Ｇ，１１０Ｒ，１１０ＮＩＲを有し、これら光検出器は、一様な間隔またはピッチＰ１およびサイズＷ１を有する直線アレイの状態に配列されている。

光検出器１１０Ｂ，１１０Ｇ，１１０Ｒ，１１０ＮＩＲ（ひとまとめに、光検出器１１０という）は、光信号１０６のスペクトル範囲内になんらかの波長成分を含む光を検出するのに適した従来型光検出器である。

図示の実施例では、光検出器１１０の各々は、約２８０ｎｍのサイズＷ１を有し、ピッチＰ１は、約４００ｎｍである。注目されるべきこととして、この光検出器のピッチは、約８００ｎｍの光検出器ピッチを有する吸収性カラーフィルタを採用している技術の現状のイメージセンサの光検出器ピッチの約半分である。幾つかの実施形態では、光検出器１１０Ｂ，１１０Ｇ，１１０Ｒ，１１０ＮＩＲ相互間の間隔は、非一様である。幾つかの実施形態では、ピッチＰ１は、光信号１０６中に含まれる最長波長成分の波長以下である。幾つかの実施形態では、光検出器１１０Ｂ，１１０Ｇ，１１０Ｒ，１１０ＮＩＲのサイズは、非一様である。当業者には明らかなように、本明細書を読んだ後、光検出器１１０のサイズＷ１、およびこれら光検出器相互間の間隔（すなわち、ピッチＰ１）は、設計上の問題であり、本発明の範囲から逸脱することなく任意の実用的なサイズおよび／またはピッチを用いることができる。

注目されるべきこととして、図示の実施例は、可視光および近赤外光を含むスペクトルのみで動作するが、本発明の実施形態は、事実上任意の電磁スペクトル範囲、例えば、赤外線、紫外線、多数のスペクトル範囲など内の波長で動作可能に構成できる。

カラールータ１０４は、厚さｔ１を有するバックグラウンド媒体レーヤを含む構造を有し、かかるレーヤ全体にわたってナノスケールスキャッタの三次元配列体が存在する。図示の実施例では、厚さｔ１は、約２ミクロンであるが、カラールータ１０４は、本発明の範囲から逸脱することなく任意の実用的な厚さを有することができる。カラールータ１０４について、以下においてかつ図２～図５Ａおよび図５Ｂを参照して詳細に説明する。以下に説明するように、カラールータ１０４の媒体の物質は、第１の誘電率を有し、スキャッタの物質は、第１の誘電率とは異なる（高いまたは低い）第２の誘電率を有する別の物質から成る。当業者には明らかなように、物質の誘電率と屈折率は相関し、この場合、誘電率ε_rは、屈折率の２乗であり、すなわち、ε_r＝ｎ²である。

本発明のカラールータは、先行技術の光学スタック素子（例えば、レンズ、吸収性カラーフィルタ、空洞スペクトルフィルタ、反射防止膜などを含む場合がある）ならびに先行技術のカラー分離素子（例えば、プラズモンカラーフィルタ、プラズモン光子ソータ、回折光学フィルタ、カラースプリッタなどを含む場合がある）と比較して顕著な利点を奏し、かかるカラールータは以下の特徴を含む。
ｉ．光学的クロストークがほとんどないかまたは全くなく、各光検出器がその対応の波長信号の光エネルギーの事実上全てを選択的に受け入れることができるようにし、または
ｉｉ．カラールータを光検出器表面上に直接形成することによって、カラールータと光検出器との間におけるかつ／あるいはカラールータの頂面からの反射光が軽減されること、または
ｉｉｉ．カラールータの光学効率が先行技術の素子よりも著しく高いということにより、比較的小さな光検出器サイズが可能であること、または
ｉｖ．サイズがサブ波長である光検出器の使用が可能であり、と言うのは、光が対応の光検出器への経路でカラールータの外側を伝搬する必要がないために回折効果が軽減されるからであり、または
ｖ．サイズが著しく小さいこと（すなわち、カラールータは、高さおよび／または幅が波長スケールしまたは小さくなり得る）、または
ｖｉ．カラールータは、可視スペクトル、紫外スペクトル、赤外スペクトルなどを含む広いスペクトル範囲および／または多種多様なスペクトル構成を有することができること、または
ｖｉｉ．従来型ＣＭＯＳ製造法または他の最新ナノファブリケーション法と互換性があること、または
ｖｉｉｉ．実質的に完全なスペクトルカラー光子効率、実質的に完全な広帯域光子効率、実質的に完全なスペクトル形状マッチング、および角度ロバストネスが可能であること、または
ｉｘ．ｉ、ｉｉ、ｉｉｉ、ｉｖ、ｖ、ｖｉ、ｖｉｉ、およびｖｉｉｉの任意の組み合わせ。

さらに、本明細書における教示により、カラールータの入口表面からの波長信号の光子をカラールータの出口表面の波長のところまたはこの中に位置するこれらの意図した光検出器に直接ルーティングするカラールータの実現が可能であることが本明細書の一観点である。注目されるべきこととして、本発明のカラールータの直接ルーティング能力は、メタオプティクスを利用する光散乱構造とはまさに対照的であり、このメタオプティクス利用光散乱構造は、幾つかの波長にわたる光をかかる構造を越えて伝搬させて画素光検出器、例えば米国特許出願公開第２２０／０１２４８６６号明細書またはＰ・カメイ・ムニョス等（Camayd-Munoz, et al），「マルチファンクショナル・ボリュメトリック・メタ‐オプティクス・フォー・カラー・アンド・ポラライゼーション・イメージ・センサーズ（Multifunctional volumetric meta-optics for color and polarization image sensors）」，オプティカ（Optica），２０２０年，第７巻，ｐ．２８０～２８２に開示された画素光検出器のところに光を合焦させてこの光を空間的に分類する仕方を利用しており、かかる特許文献および非特許文献の各々を参照により引用しその記載内容を本明細書の一部とする。

図２Ａは、本発明に従ってカラールータを形成するのに適した例示の方法のステップを示す図である。方法２００を引き続き図１を参照するとともに、図４Ａ～図４Ｃを参照して説明するが、図４Ａ～図４Ｃは、互いに異なる作成段階における画素リピートユニット１００の断面図である。

方法２００は、ステップ２０１で始まり、このステップ２０１では、カラールータ１０４のための三次元設計を生成する。図示の実施例では、カラールータ１０４の設計は、目的関数の系統最適化を狙った計算論的アプローチにより実現される。この目的関数は、カラールータに入射した光を分離して、その向きをそのスペクトル成分（カラー）に応じて互いに異なる光検出器に変える光子効率に関連付けられるのがよい。

図３は、本発明に従ってカラールータを設計するのに適したサブの方法の非限定的な実施例のサブステップを示している。ステップ２０１は、サブステップ３０１で始まり、サブステップ３０１では、カラールータ１０４の候補設計を確定する。

サブステップ３０２では、カラールータ１０４の候補設計を電磁シミュレーションの使用によりシミュレートする。本発明に従って用いるのに適した電磁シミュレーションの例示としては、有限差分時間領域法、有限差分周波数領域法、有限要素などが挙げられるが、これらには限定されない。

サブステップ３０３では、提案したカラールータ構造設計に関し、随伴変数法を用いて複数の設計パラメータに関して目的関数の勾配を推定する。好ましくは、この随伴変数法は、この構造の少なくとも２つの完全な電磁シミュレーションを含む。

サブステップ３０４では、カラールータの構造を勾配の方向に沿ってアップデートする。注目されるべきこととして、カラールータ構造の任意の自由度または全ての自由度を並行して調節するのがよい。自由度を調節して設計領域における使用に利用できる物質としての誘電体の範囲制約を守る。

サブステップ３０５では、所与のカラールータ構造のこの性能を１組の性能メトリクスに対して評価する。代表的にはこれらのメトリクスは、主として、望ましいチャネル中へのルーティング効率を含み、かかるルーティング効率を、好ましくは最大化されるべきである一方で、反射率およびクロストークを測定してこれらを最小化しようとする。性能が満足のいくレベルに足りないほどであるとみなされた場合、サブとしての方法３００は、サブステップ３０３に戻る。サブステップ３０３～３０５を、満足のいくカラールータ設計を実現するのに必要なほど多くの回数にわたって繰り返すのがよい。

しかしながら、性能が設計基準を満たしている場合、サブとしての方法３００は、サブステップ３０６に続き、このサブステップ３０６では、スキャッタパターン４１０‐ｉをサブレーヤ層４１２‐１～４１２‐Ｎの各々について確定し、この場合、各スキャッタパターンは、ｚ方向に沿うＮ個のサブレーヤの配列体内のそのそれぞれ対応したサブレーヤの位置に基づくスキャッタの二次元配列体を含む。

Ｎの値は、要因のうちでとりわけカラールータの所望の性能に依存する。代表的には、Ｎは、約５から約４０までの範囲内の値を有するが、ちょうど１つのレーヤから数個のサブレーヤ、あるいは何ダースものサブレーヤ以上までの任意の実用的な数をカラールータに用いることができ、これは、本発明の範囲から逸脱しない。

注目されるべきこととして、幾つかの実施形態では、サブレーヤの数Ｎは、サブステップ３０１の一部として確定される。

次に方法２００に戻ってこれを参照し、ｉ＝１～Ｎの各々について次のようにする。

ステップ２０２では、媒体層４０２‐ｉを形成する。媒体層４０２‐ｉは、第１の誘電率ε_r＝１の物質Ｍ１から成る。図示の実施例では、物質Ｍ１は、誘電率が約２．１のシリカである。注目されるべきこととして、好ましくは、光検出器１１０を誘電体内に封入することによって光検出器１１０を不活性化する。図示の実施例では、光検出器１１０は、スペーサレーヤ１１２もまた形成する物質Ｍ１内に封入される。その結果、媒体層４０２‐ｉは、スペーサレーヤ１１２上に形成される。

ステップ２０３では、ボイド４０６の二次元ボイドパターン４０４‐ｉを媒体層４０２‐ｉ内に形成する。ボイドパターン４０４‐ｉの配列体は、上述したようにサブステップ操作３０５で定められた、カラールータ１０４のＮ個のサブレーヤの配列体内のサブレーヤ４１２‐ｉの位置に対応している。図示の実施例では、ボイド４０６は、サイズが約１０ｎｍ×１０ｎｍであり（すなわち、設計要素サイズは、１０ｎｍ×１０ｎｍであり）、互いに当接した個々のボイドは、ひとまとまりとなって、大きな特徴を定める。しかしながら、注目されるべきこととして、ボイド４０６の任意の適当な寸法を用いることができ、このことは、本発明の範囲から逸脱しない。

図４Ａは、ボイドパターン４０４‐１の形成後における初期段階の画素リピートユニット１００′の断面図である。

ステップ２０４では、ボイド４０６を物質Ｍで満たし、物質Ｍは、ボイド４０６と実質的に同一の寸法を有するスキャッタ４０８を形成するよう第２の誘電率ε_r＝２を有する。スキャッタ４０８は、レーヤ４１２‐ｉの各々の中にスキャッタパターン４１０‐ｉをなして配列され、このスキャッタパターンは、ボイドパターン４０４‐ｉにマッチしている。図示の実施例では、物質Ｍ２は、誘電率が約４．０の窒化ケイ素である。

図４Ｂは、媒体レーヤ４０２‐１内のスキャッタパターン４１０‐１の形成後における初期段階の画素リピートユニット１００′の断面図である。

ボイド４０６が、物質Ｍ２をいったん収容すると、媒体レーヤ４０２‐ｉとスキャッタパターン４１０Ａ‐ｉは、一緒になって、サブレーヤ４１２‐ｉを構成する。

注目されるべきこととして、広範囲にわたる適当な物質のうちの任意のものをカラールータ１０４中に含まれる物質に用いることができる。しかしながら、本発明の実施形態は、カラールータ１０４の物質についてロスレス誘電体を用いることによって、先行技術と比較して顕著な利点を奏する。例えば、ロスレス物質の使用により、各画素リピートユニットに入射した光の全てを集めることができ、他方、各波長信号は、約完全な光学効率で対応の光検出器に直接ルーティングされる。その結果、実質的にロスレス誘電体、例えば、シリカ、酸化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、二酸化チタン、酸化ハフニウムなどが代表的には可視スペクトル中での作用について好ましい。当業者には明らかなように、本明細書を読んだ後、物質のロスは、動作波長に依存しており、したがって、種々の誘電体、例えば、ケイ素、ゲルマニウム、リン化ガリウム、フッ化マグネシウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、フッ化バリウム、フッ化カルシウム、サファイア、非晶質二酸化ケイ素が他の波長範囲、例えば、紫外波長範囲、中赤外波長範囲、長赤外波長範囲などにおける動作向きに設計されたカラールータについて好ましい。

オプションとしてのステップ２０５では、サブレーヤ４１２‐ｉを平坦化する。

ステップ２０２～２０５をＮ回繰り返して、サブレーヤ４１２‐１～４１２‐Ｎがひとまとまりとなって、カラールータ１０４を構成するとともに、スキャッタパターン４１０‐１～４１０‐Ｎがひとまとまりとなって三次元スキャッタ配列体４１４を定めるようになっている。

図４Ｃは、サブレーヤ４１２‐Ｎおよびかくしてカラールータ１０４の構成完了後における画素リピートユニット１００の断面図である。

図示の実施例では、全てのスキャッタ４０８のカラールータ１０４は、同一の物質から成る。しかしながら、幾つかの実施形態では、カラールータ１０４中のスキャッタは、２種類以上の物質で構成される。

図２Ｂは、本発明に従って各々が異なる物質組成を有する多数の形式のスキャッタを有するカラールータを形成するのに適した例示の別の方法のステップを示す図である。別の方法２００Ｂは、方法２００Ａと類似しており、上述したステップ２０１，２０２で始まる。

しかしながら、注目されるべきこととして、方法２００Ｂでは、カラールータ１０４について確定された設計は、カラールータ中に含まれるｍ個の形式のスキャッタの各々についての配列体を含む。したがって、サブとしての方法３００により作られたサブレーヤ４１２‐１～４１２‐Ｎの各々は、各スキャッタ形式について異なるスキャッタパターンを含む。

ｊ＝１～ｍの各々の場合、次の通りである。

ステップ２０３Ｂでは、ボイド４０６‐ｊを含むボイドパターン４０４‐ｉ‐ｊを媒体層４０２‐ｉ内に規定する。

ステップ２０４Ｂでは、ボイド４０６‐ｊに物質Ｍ２‐ｊを満たして、スキャッタ４０８‐ｊを形成し、この場合、物質Ｍ２‐ｊの各々は、これまた物質Ｍ１とは異なる誘電率を有する。スキャッタ４０８‐ｊは、スキャッタパターン４１０‐ｉ‐ｊの状態に配列され、かかるスキャッタパターンは、実質的に、ボイドパターン４０４‐ｉ‐ｊにマッチしている。図示の実施例では、ｍ＝２であり、物質Ｍ２‐１は窒化ケイ素であり、物質Ｍ２‐２はオキシ窒化ケイ素である。

図４Ｄは、媒体レーヤ４０２‐１内のスキャッタパターン４１０‐１‐１～４１０‐１‐２の形成後における初期段階の画素リピートユニット１００′の断面図である。

媒体レーヤ４０２‐ｉ中のｍ個全てのスキャッタパターンの形成完了時、方法２００Ｂは、上述したように、方法２００Ａのステップ２０５に続く。

幾つかの実施形態では、カラールータの三次元設計がトポグラフィアプローチを採用することなく確立され、トポグラフィアプローチでは、このカラールータを複数の垂直に配列されたサブレーヤにセグメント化する。幾つかのかかる実施形態では、カラールータ１０４全体を通じてスキャッタの三次元配列体は、グレースケールのリソグラフィおよび／または製作法を用いて作られる。

幾つかの実施形態では、レーヤの三次元ボリューム全体を通じて分布して位置する複数のボクセル存在場所の各々のところに誘電率の変化を生じさせることによってカラールータ１０４を製作する。幾つかの実施形態では、物質Ｍ１は、光信号（例えば、紫外光ビームなど）にさらすことによって誘電率を変化させることができる物質であり、各スキャッタは、２つの光ビームをスキャッタの位置で交差させることによって作られる。個々の光ビームの強度は、低すぎるので、物質Ｍ１に誘電率変化を生じさせることができない。しかしながら、光ビームの交差点のところでは、合算された光強度が物質Ｍ１に所望の誘電率の変化を生じさせるのに十分であり、それによりその箇所にスキャッタが作られる。

図５Ａは、画素リピートユニット１００の構造全体における誘電率のプロット図である。

図５Ｂは、光信号１０６の波長信号の各々がカラールータ１０４を通過する状態を示す場の強度のプロット図である。

プロット図５０２，５０４，５０６，５０８は、カラールータ１０４を通るそれぞれの波長信号１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂ，１０６ＮＩＲの光子経路を示す強度マップである。

次の表１は、画素リピートユニット１００の光学効率、および反射率を示している。

表１から理解できるように、効率の高いルーティングおよび優れた光学効率を本発明のカラールータによって達成することができる。事実、カラールータ１０４は、光信号１０６の波長信号の各々をこれら波長信号の意図された対応の光検出器への実質的に完全な光学的ルーティングを示しており、それにより、画素リピートユニット１００は、実質的に完全な光効率（＞９９％）および実質的に光クロストークなしで動作することができる。

注目されるべきこととして、波長信号のこれら意図した行先への直接的ルーティングに加えて、カラールータ１０４は、反射防止膜およびマイクロレンズアレイに置き換わる多機能要素である。その結果、本発明のカラールータは、イメージセンサの頂面のところの光反射に起因するとともに、イメージセンサの非感光性領域（例えば、光検出器１１０相互間の領域）の方へ誤って方向づけられた光子に起因して生じる光ロスを少なくする。かかる多機能性は、これまで、先行技術では知られていない。

当業者には明らかなように、吸収性を利用したカラーフィルタは、正確にレンダリングされまたは魅力的な色の画像を達成するよう設計されている。事実、吸収性カラーフィルタのスペクトル応答のチューニングに多大な労力が払われており、それにより、色処理およびデジタル画像処理が容易になる。

カラールータ１０４をそのスペクトル応答が所望のスペクトルテンプレートに実質的にマッチすることができるということが本発明のさらにもう１つの観点である。

具体的に説明すると、幾つかの実施形態では、カラールータ１０４は、これがルーティングする波長成分の各々が所望のスペクトル形状および中心波長を有するように設計される。

図６Ａおよび図６Ｂは、本発明に従って、互いに異なるやり方で設計されて完全に二値化されているカラールータによってルーティングされた波長信号１０６Ｂ、１０６Ｇ、１０６Ｒ、および１０６ＮＩＲに関する標的設計および対応の最適化設計応答のスペクトル特性を示す図である。各場合に関し、波長信号１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒ，１０６ＮＩＲの各波長成分のスペクトル特性をこれが中心波長について半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する所望のスペクトル形状を有するようルーティングする。

プロット図６００は、波長信号１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒ，１０６ＮＩＲをルーティングする第１の例示のカラールータの性能を示しており、これら波長信号は、それぞれ中心波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍ、７５０ｎｍを中心として約５０ｎｍのＦＷＨＭを有する実質的にガウススペクトル形状を有するようになっている。

プロット図６０２は、波長信号１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒ，１０６ＮＩＲが、をルーティングする第２の例示のカラールータの性能を示しており、これら波長信号は、同一の中心波長を中心として約１２５ｎｍのＦＷＨＭを有するより広いガウススペクトル形状を有するようになっている。

注目されるべきこととして、各カラールータの設計に関し、ピーク光学効率は、８０％から９０％までの範囲内にある。当業者には明らかなように、吸収性カラーフィルタを利用したイメージセンサの理論的限界ＴＬは、１／Ｍであり、Ｍは、システムにより検出される波長信号の数である。したがって、吸収性カラーフィルタを採用する４色イメージセンサに関し、ＴＬは２５％であり、これは、画素リピート反復ユニット１００の光学効率カラーチャネルを十分に下回っている。

図７は、本発明のカラールータの性能に対する設計要素サイズの作用効果を実証する結果を示す図である。プロット図７００は、サイズが２０ｎｍおよび５０ｎｍの最小特徴サイズ（すなわち、設計要素サイズ）に基づくスキャッタを有するカラールータに関する波長信号１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒ，１０６ＮＩＲのスペクトルを示している。

プロット図７００から容易に理解されるように、スペクトル応答は、両方の設計要素サイズについてほぼ同一である。したがって、１０ｎｍから５０ｎｍまでの範囲にわたる設計要素サイズを変化させても、全体的なカラールータ効率またはスペクトル帯域幅に及ぼす影響は小さい。注目されるべきこととして、設計要素は、任意の実用的なサイズを有することができ、設計要素サイズは、１０ｎｍから５０ｎｍまでの範囲には限定されない。

図８は、本発明の変形実施形態としてのイメージセンサの個々の画素リピートユニットの概略断面図である。画素リピートユニット８００は、光検出レーヤ８０２および光検出レーヤ上に設けられたカラールータ８０４を有する。画素リピートユニット８００は、画素リピートユニット１００に類似しているが、画素リピートユニット８００は、光信号１０６の青色、緑色、および赤色の波長信号１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒだけを検出する３光検出器配列体である。

図９は、カラールータ８０４によって直接ルーティングされている波長信号１０６Ｂ、１０６Ｇ、および１０６Ｒに関する標的設計および対応の最適化設計応答のスペクトル特性を示す図である。

プロット図９００は、波長信号１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒが、１００％に近いピーク光学効率でカラールータ８０４によってルーティングされている状態を示している。さらに、最適化設計応答と設計ターゲットがほぼ完全にマッチしていることが理解できる。

幾つかの実施形態では、イメージングシステムは、結像レンズおよび二次元配列体をなして配列された多数の画素リピートユニットを含む焦点面アレイを含む。しかしながら、結像レンズは、光を各画素リピートユニットの方へ差し向け、その結果、受け取られた光が主光線ＣＲを有することを特徴としており、この主光線は、カラールータに対する入射角θ_CR（図８に示されている）を有し、その大きさは、この配列体の画素リピートユニットの位置に基づく。

さらに、幾つかの実施形態では、アレイ状の画素リピートユニットの１つ以上のカラールータは、その機能が、二次元配列体に属する当該画素リピートユニットの位置に合わせて設定されるよう設計されており、かかる二次元配列体は、当該画素リピートユニットのところの光信号１０６の入射角（θ_CR）を定める。

図１０は、本発明に従って互いに異なる入射角について設計された２つのカラールータに関する標的設計および対応の最適化設計応答のスペクトル特性を示す図である。

プロット図１０００，１００２は、光信号１０６が１５°および３０°の入射角で受け取られたときに波長成分１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒ，１０６ＮＩＲをそれぞれルーティングするよう構成されたカラールータに関する波長の関数としての光学効率を示している。

プロット図１０００，１００２から理解できるように、本発明の教示により、優れたスペクトル形状マッチングおよび高い光学効率（すなわち、＞８０％）を光が３０゜という大きな入射角で受け取られた場合であっても実現することができ、これにより、カラールータ設計における相当大きな融通性が得られる。

図１１は、本発明の別の変形実施形態としてのイメージセンサの個々の画素リピートユニットの概略断面図である。画素リピートユニット１１００は、光検出レーヤ１１０２および光検出レーヤ上に設けられたカラールータ１１０４を有する。画素リピートユニット１１００は、画素リピートユニット１００に類似しているが、画素リピートユニット１１００は、光検出レーヤとカラールータが二次元パターンをなして配列された４光検出器配列体である。図示の実施例では、光検出器の二次元パターンは、赤色‐緑色‐緑色‐青色のベイヤーモザイクパターンを規定するが、複数の光検出器を任意の実用的な二次元配列体（例えば、規則的なアレイ、不規則なアレイ、不規則な配列状態など）をなして配列することができ、このことは、本発明の範囲から逸脱しない。

光検出レーヤ１１０２（以下、「ＬＤレーヤ１１０２」という）は、ｘ次元方向にピッチＰ２およびｙ次元方向にピッチＰ３を有する２×２アレイの状態に配列された光検出器１１０Ｂ，１１０Ｇ１，１１０Ｇ２，１１０Ｒを有する。注目されるべきこととして、幾つかの実施形態では、光検出器ピッチは、カラールータを動作させる光の波長よりも小さいのがよい。図示の実施例では、Ｐ２＝Ｐ３＝３２０ｎｍであるが、幾つかの実施形態では、Ｐ２とＰ３は、等しくはなくかつ／あるいはＰ２およびＰ３のうちの少なくとも一方は、３２０ｎｍとは異なる値を有する。

カラールータ１１０４は、カラールータ１０４に類似しているが、カラールータ１１０４は、光１０６の波長信号を２×２ベイヤーカラーモザイク幾何学的形状に従ってルーティングするよう構成されている。

図１２は、カラールータ１１０４による光信号１０６中の波長信号の光子のルーティングについての場の強度のプロット図である。

プロット図１２０２は、カラールータ１１０４によって向きが変えられるとともに、光検出器１１０Ｇ１，１１０Ｇ２により捕捉される緑色光子を示す場の強度プロット図である。

プロット図１２０４は、カラールータ１１０４によって向きが変えられるとともに、光検出器１１０Ｂにより捕捉される青色光子を示す場の強度プロット図である。

プロット図１２０６は、カラールータ１１０４によって向きが変えられるとともに、光検出器１１０Ｒによって捕捉される赤色光子を示す場の強度プロット図である。

図１３は、光信号１０６の波長信号の各々がカラールータ１１０４を通過する状態を示す場の強度のプロットについての斜視図である。プロット図１３００，１３０２，１３０４は、カラールータ１１０４を通って光検出器１１０Ｂ、１１０Ｇ１および１１０Ｇ２、１１０Ｒへのそれぞれの青色、緑色、および赤色の波長成分のルーティングに関する三次元の場の分布を示している。

注目されるべきこととして、画素リピートユニット１０００のサイズは、約６４０ｎｍ×６４０ｎｍであり、これは、先行技術のカラー吸収フィルタを利用したアプローチを用いて実現できるレベルよりも著しく小さい。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、それぞれ、画素リピートユニット１１００で直接ルーティングされている非偏光および偏光波長信号１０６Ｂ、１０６Ｇ、１０６Ｒに関するそれぞれの最適化された広帯域応答のスペクトル特性を示す図である。

プロット図１４００は、非偏光波長成分１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒが、１００％に近いピーク光学効率でカラールータ１１０４によってルーティングされる状態を示している。

プロット図１４０２は、ｘ方向偏光およびｙ方向偏光波長成分１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒもまた、１００％に近いピーク光学効率で、かつこれらのスペクトルの形状において実質的に差のない状態で、カラールータ１１０４によってルーティングされる状態を示している。

本発明のさらに別の観点では、カラールータをこれが光信号１０６に関する大きな許容可能入射挟角（ＩＡＯＩ）を有するよう構成されるのがよく、かかるＩＡＯＩ内において、カラールータが非常に高い光学効率の実現を可能にすることができる。

次の表２は、異なるｆ／＃を持つ結像レンズに対応して入射角範囲θの関数としての波長信号１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒの各々に関する画素リピートユニット１１００の光学効率を示している。

表２から理解できるように、各波長信号は、最大１４°の入射角であっても９１％を超える効率で、また、最大４°の入射角であっても９５％を超える効率で、カラールータ１１０４を通ってこれらの意図された対応の光検出器に直接ルーティングされる。注目されるべきこととして、最大２６°の大きな入射角（これは、ｆ／１．０、すなわち典型的な実用的な結像レンズについてはｆ／＃の下限である）に関する場合であっても、本発明のカラールータは、波長信号を６０％より良好な効率でこれらの意図されたそれぞれの光検出器に依然として直接ルーティングする。注目されるべきこととして、これらの効率は、吸収性カラーフィルタを利用したイメージセンサの理論的限界（２５％）よりも著しく高い。

幾つかの場合、手間のあまりかからない製作プロセスが有利であり、と言うのは、これにより安価なイメージセンサの実現が可能だからである。したがって、幾つかの実施形態では、表面最適化は、レーヤと１つだけ有するカラールータを作るために用いられる。

図１５は、本発明の別の変形実施形態としてのイメージセンサの個々の画素リピートユニットの概略断面図である。画素リピートユニット１５００は、光検出レーヤ１５０２および光検出レーヤ上に直接設けられたカラールータ１５０４を有する。

光検出レーヤ１５０２は、光検出レーヤ１０２に類似しているが、光検出レーヤ１５０２の光検出器は、物質Ｍ３内に封入されている。図示の実施例では、物質Ｍ３は、二酸化ケイ素であるが、任意適当な誘電体を用いることができ、このことは、本発明の範囲から逸脱しない。

カラールータ１５０４は、最大厚さｔ２を有し、かかるカラールータは、ピラー状の物質Ｍ４であるスキャッタの単一の層を有し、この物質は、ε_r＝４の第４の誘電率を有する。カラールータ１５０４のピラーは、ひとまとまりとなって、スキャッタ配列体１５０６を構成し、かかる配列体では、各ピラーは、同一の横方向寸法を有するが、スキャッタ配列対の側方限度内に位置する当該ピラーの配置場所で決まる高さを有する。図示の実施例では、物質Ｍ４は、約７．０の誘電率を有する二酸化チタンである。

カラールータ１５０４の設計は、随伴変数法により実現され、かかる随伴変数法では、カラールータの誘電関数は、一次元では、次の通りである。

（１）
上式において、ε_rは、物質Ｍ４の誘電率であり、ε_airは、１．０であり、ｈ（ｘ）は、ｘ方向に沿って測ったピラーの高さである。

かかるカラールータでは、ｚに垂直な表面の境界は、シグモイド関数を用いて滑らかに勾配が付けられる。十分に大きなＧを選択することによって、ピラーのエッジは、設計物質と空気との間のシャープな境界に近づく。幾つかの実施形態では、ガウスフィルタが合理的なアスペクト比を実現するよう関数ｈ（ｘ）を滑らかにするために用いられる。

図１６は、本発明の表面最適化カラールータの測定されたスペクトル応答のプロット図である。

プロット図１６００から明らかなように、表面最適化カラールータのピーク性能がカラールータ１０４のピーク性能に対して低下している。しかしながら、当業者には明らかなように、本明細書を読んだ後、カラールータ１５０４の性能は、吸収性フィルタ利用アプローチについて２５％という絶対理論限界ＴＬよりも著しく良好である。

理解されるべきこととして、本開示は、本発明の実施形態の幾つかの実施例しか教示しておらず、本発明の範囲から逸脱することなく、また、本開示を読んだ後の当業者により本発明の範囲から逸脱することなく多くの変形を容易に案出することができ、さらに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。

Claims (17)

1. イメージセンサ画素リピートユニット（１００）であって、前記イメージセンサ画素リピートユニットは、前記画素リピートユニットに入射する光信号（１０６）中の複数の波長信号（１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒ，１０６ＮＩＲ）の各々を検出するようになっており、前記イメージセンサ画素リピートユニット（１００）は、
   複数の光検出器（１１６Ｂ，１１６Ｇ，１１６Ｒ，１１６ＮＩＲ）を有する光検出器レーヤ（１０２）を有し、前記複数の光検出器は、第１の配列体をなして配列され、
   前記光検出器レーヤ上に設けられたカラールータ（１０４）を有し、前記カラールータは、第１の複数のスキャッタ（４０８）を有し、前記第１の複数のスキャッタは、前記カラールータ内に第２の配列体（４１４）をなして配列され、前記カラールータは、第１の誘電率を有する第１の物質（Ｍ１）から成り、前記第１の複数のスキャッタの各々は、前記第１の誘電率とは異なる第２の誘電率を有する第２の物質（Ｍ２）から成り、
   前記第２の配列体は、前記複数の波長信号が前記複数の光検出器に直接ルーティングされるよう構成され、その結果、前記複数の光検出器の各々は、前記複数の波長信号のうちの異なる波長信号を選択的に受け取るようになっている、イメージセンサ画素リピートユニット。
2. 前記第１の配列体は、直線配列体および２次元配列体から成る群から選択される、請求項１記載のイメージセンサ画素リピートユニット。
3. 前記複数の波長は、最長波長であることを特徴とし、前記第１の配列体は、少なくとも１つの寸法方向において前記最長波長以下の第１のピッチ（Ｐ１）を有する、請求項１記載のイメージセンサ画素リピートユニット。
4. 前記カラールータは、第２の複数のスキャッタ（４０８‐２）をさらに有し、前記第２の複数のスキャッタの各々は、前記第１の誘電率とは異なる第３の誘電率を有する第３の物質（Ｍ２‐２）から成る、請求項１記載のイメージセンサ画素リピートユニット。
5. 前記第１の配列体は、２×２アレイである、請求項１記載のイメージセンサ画素リピートユニット。
6. 前記光検出レーヤと前記カラールータは、一緒になって、ベイヤーカラーモザイク状幾何学的形状を定める、請求項５記載のイメージセンサ画素リピートユニット。
7. 前記カラールータは、複数のサブレーヤ（４１２‐１～４１２‐Ｎ）を有し、各サブレーヤは、前記第１の複数のスキャッタのうちのスキャッタを有するスキャッタパターン（４１０‐１～４１０‐Ｎ）を有し、前記複数のサブレーヤのうちの第１のサブレーヤ（４１２‐１）のスキャッタパターン（４１０‐１）は、前記複数のサブレーヤのうちの第２のサブレーヤ（４１２‐２）のスキャッタパターン（４１０‐２）とは異なっている、請求項１記載のイメージセンサ画素リピートユニット。
8. 前記第１の誘電率は、前記第２の誘電率よりも高い、請求項１記載のイメージセンサ画素リピートユニット。
9. 前記カラールータ（１００６）は、第１の厚さ（ｔ２）を有し、前記第１の複数のスキャッタの各々は、前記第１の厚さ以下の高さ（ｈ（ｘ））を有するコラムであり、前記第１の複数のスキャッタの各々の高さは、前記第１のレーヤ内におけるその位置に基づいている、請求項１記載のイメージセンサ画素リピートユニット。
10. 前記カラールータは、（１）前記光信号の反射の軽減、および（２）前記複数の光検出器の異なる検出器への前記複数の波長信号の各々全体のルーティングのうちの少なくとも一方を行うよう構成されている、請求項１記載のイメージセンサ画素リピートユニット。
11. 前記カラールータは、偏光独立性である、請求項１記載のイメージセンサ画素リピートユニット。
12. 前記光信号は、入射角（θ_CR）で受け取られ、前記入射角が＋２６°から‐２６°までの範囲にある場合、前記カラールータは、少なくとも６０％である光学効率で前記複数の波長の各々をその対応の光検出器に直接ルーティングする、請求項１記載のイメージセンサ画素リピートユニット。
13. イメージセンサ画素リピートユニット（１００）を形成する方法であって、前記画素リピートユニットは、前記画素リピートユニットに入射する光信号（１０６）中の複数の波長信号（１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒ，１０６ＮＩＲ）の各々を検出するようになっており、前記方法は、
    複数の光検出器（１１０Ｂ，１１０Ｇ，１１０Ｒ，１１０ＮＩＲ）を有する光検出レーヤ（１０２）を用意するステップを含み、前記複数の光検出器は、第１の配列体をなして配列され、
    カラールータ（１０４）を前記光検出レーヤ上に形成するステップを含み、前記カラールータは、前記カラールータ内に第２の配列体（４１４）をなして配列された第１の複数のスキャッタ（４０８）を含む構造を有し、前記カラールータは、第１の誘電率を有する第１の物質（Ｍ１）から成り、前記第１の複数のスキャッタの各々は、前記第１の誘電率とは異なる第２の誘電率を有する第２の物質（Ｍ２）から成り、
    前記カラールータが、前記複数の波長信号を前記複数の光検出器に直接ルーティングし、その結果、前記複数の光検出器の各々が前記複数の波長信号のうちの異なる波長信号を選択的に受け取るように前記第２の配列体を規定するステップを含む、方法。
14. 前記カラールータは、前記カラールータが第３の物質（Ｍ２‐２）から成る第２の複数のスキャッタ（４０８‐２）を含むよう形成される、請求項１３記載の方法。
15. ステップによって前記カラールータの設計を
    前記カラールータの前記構造の候補設計を確定するステップ、
    前記候補設計のための目的関数の勾配を確定するステップ、および
    前記候補設計を前記勾配方向に沿って繰り返し調整するステップを含むステップによって生成するステップをさらに含む、請求項１３記載の方法。
16. 前記カラールータは、
    前記カラールータの三次元設計を生成するステップ、
    各々が前記第１の複数のスキャッタのスキャッタを含む対応の二次元スキャッタパターン（４１０‐１～４１０‐Ｎ）を有する複数のＮ個の二次元サブレーヤ（４１２‐１～４１２‐Ｎ）に前記三次元設計をセグメント化するステップ、
    ｉ＝１～Ｎの各々の場合について、
    （ｉ）前記第１の物質から成る媒体レーヤ（４０２‐ｉ）を形成するステップ、
    （ｉｉ）前記媒体レーヤ中に複数のボイド（４０６）を含むボイドパターン（４０４‐ｉ）を規定するステップ、および
    （ｉｉｉ）前記複数のボイドを前記第２の物質で満たすことにより、複数のスキャッタ（４０８）を有するスキャッタパターン（４１０‐ｉ）を形成するステップを含むステップによって形成される、請求項１３記載の方法。
17. 前記カラールータは、第１の厚さ（ｔ２）を有し、前記カラールータ（１００４）は、前記第１の複数のスキャッタの各々を前記第１の厚さ以下の高さ（ｈ（ｘ））を有するコラムとして規定することによって形成され、さらに、前記第１の複数のスキャッタの各々の高さは、前記第１のレーヤ内におけるその位置に基づく、請求項１３記載の方法。

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