JP6072164B2 - 光学素子アレイ、及び固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子アレイ、及び固体撮像装置に関する。

固体撮像装置や表示装置等には、マイクロレンズアレイといった光学素子アレイが用いられている。特許文献１には、斜め方向から入射する光を効率良く集光させるために、ティアドロップと称する形状のマイクロレンズアレイを固体撮像装置に設けることが開示されている。このティアドロップと称する形状のマイクロレンズは、平面視において、固体撮像装置の外側方向に、漸次幅狭となる曲線形状を有し、外側の端部において頂点を有する形状を有している。

特開２００７−３３５７２３号公報

特許文献１に記載のマイクロレンズでは、平面視において、マイクロレンズの面積占有率が低くなってしまう。マイクロレンズが設けられていない部分に入射した光は集光されないため、面積占有率が低いと、集光されない光が増大してしまう。また、特許文献１に記載のマイクロレンズでは、曲率半径が小さくなる部分を有するため、集光能力が低下する可能性がある。

そこで、本発明では、高い集光率の光学素子アレイを提供することを目的とする。

本開示の光学素子アレイは、複数の光学素子を有する光学素子アレイにおいて、前記複数の光学素子は、第１方向に沿って配列し、前記複数の光学素子が配されたアレイ領域の中心から前記第１の方向に沿って第１の距離だけ離れて位置する第１の光学素子を含み、前記第１の光学素子は、前記第１の方向と、前記第１の方向に直交する第２の方向を含む面に、底面を有し、前記底面は、前記第１の光学素子内の前記第１の方向における第１の位置にて、前記第２の方向に沿った第１の幅と、前記第１の光学素子内の前記第１の方向における前記第１の位置よりも前記アレイ領域の中心から離れて位置する第２の位置にて、前記第２の方向に沿った、前記第１の幅よりも狭い第２の幅を有し、前記第１の光学素子は、前記第１の位置にて、前記第２の方向に沿った第１の断面をとった時に、第１の曲率半径と、前記第１の断面において最も高い第１の高さを有し、前記第２の位置にて、前記第２の方向に沿った第２の断面をとった時に、前記第１の曲率半径よりも大きな第２の曲率半径と、前記第２の断面において最も高く、前記第１の高さよりも低い第２の高さを有する。

また、本開示の別の光学素子アレイは、複数の光学素子を有する光学素子アレイにおいて、前記複数の光学素子は、第１方向に沿って配列し、前記複数の光学素子が配されたアレイ領域の中心から前記第１の方向に沿って第１の距離だけ離れて位置する第１の光学素子を含み、前記第１の光学素子は、前記第１の方向と、前記第１の方向に直交する第２の方向を含む面に、底面を有し、前記底面は、前記第１の光学素子内の前記第１の方向における第１の位置にて、前記第２の方向に沿った第１の幅と、前記第１の光学素子内の前記第１の方向における前記第１の位置よりも前記アレイ領域の中心から離れて位置する第２の位置にて、前記第２の方向に沿った、前記第１の幅よりも狭い第２の幅を有し、前記第１の光学素子は、前記第１の位置にて、前記第２の方向に沿った第１の断面をとった時に、前記第１の断面において最も高い第１の高さを有し、前記第２の位置にて、前記第２の方向に沿った第２の断面をとった時に、前記第２の断面において最も高く、前記第１の高さよりも低い第２の高さを有し、前記第２の位置は、前記底面の外縁に位置する。

本発明によって、高い集光率の光学素子アレイを提供することが可能になる。

第１の実施形態の光学素子アレイを説明するための平面模式図。 第１の実施形態の光学素子を説明するための平面模式図と断面模式図。 第１の実施形態の光学素子を説明するための平面模式図と断面模式図。 第１の実施形態の光学素子を説明するための平面模式図。 第１の実施形態の光学素子を説明するための平面模式図。 第２の実施形態の光学素子を説明するための平面模式図。 第３の実施形態の光学素子を説明するための平面模式図。 第４の実施形態の光学素子アレイを説明するための断面模式図と平面模式図。 第４の実施形態の光学素子アレイの変形例を説明するための平面模式図。 第５の実施形態の光学素子アレイを説明するための平面模式図。 第６の実施形態の光学素子アレイを説明するための平面模式図。 第７の実施形態の固体撮像装置を説明するための断面模式図。

本開示の光学素子の構成について、複数の実施形態を用いて説明を行う。各実施形態は適宜変更可能であり、組み合わせ可能である。光学素子アレイは、固体撮像装置や表示装置、それらを用いた撮像システムや表示システムに適用可能である。

以下の説明において、ある中心ＯからＸ軸方向（第１の方向）とＹ軸方向（第２の方向）を基準に用いているが、それらに限定されない。例えば、図１に示すＸ軸方向から角度θ１だけ傾いた方向１３１を第１の方向とし、方向１３１に直交する方向を第２の方向としてもよい。つまり、光学素子が配置された領域（アレイ領域）の中央から外周へ放射する任意の方向を第１の方向とし、それに直交する方向を第２の方向としてもよい。

（第１の実施形態）
本実施形態の光学素子アレイについて、図１〜図７を用いて説明を行う。図１（ａ）は、光学素子アレイ１００を示す平面模式図である。光学素子アレイ１００は、複数の光学素子１１０を有する。アレイ領域１２０は、中心Ｏを有し、複数の光学素子１１０が配列した領域である。ここでは、Ｘ軸方向とＹ軸方向を含む面において、複数の光学素子１１０は、Ｘ軸方向に沿ってｎ列（ｎは自然数）、Ｙ軸方向に沿ってｍ行（ｍは自然数）の行列状（２次元）に配されている。アレイ領域１２０は、１つの方向（Ｘ軸方向）に沿って複数の光学素子が配された領域であり、１つの方向を示す線分の上に、各光学素子の中心が位置するように設定することができる。図１（ａ）では、各光学素子１０１の座標を（ｍ、ｎ）と示している。以下、説明のために、第１の光学素子１１１〜第４の光学素子１１４に注目して説明を行う。

第１の光学素子１１１〜第４の光学素子１１４は、複数の光学素子１１０の中の、Ｘ軸方向に沿った線分１３０上に位置する任意の光学素子である。アレイ領域１２０の中心Ｏから、アレイ領域１２０の外周へ向かって、第２の光学素子１１２、第１の光学素子１１１、第３の光学素子１１３、第４の光学素子１１４の順番で並んでいる。なお、線分１３０から角度θ１だけ回転した任意の線分１３１上においても、同様の光学素子が位置している。

第１の光学素子１１１は、アレイ領域１２０の中心Ｏから距離Ｄ１（第１の距離）だけ離れて位置する。第２の光学素子１１２は、アレイ領域１２０の中心Ｏから距離Ｄ２（第２の距離）に位置する。第３の光学素子１１３は、アレイ領域１２０の中心Ｏから距離Ｄ３（第３の距離）だけ離れて位置する。第４の光学素子１１４は、アレイ領域１２０の中心Ｏから距離Ｄ４だけ離れて位置する。距離を測る際の光学素子の位置は、Ｘ軸における光学素子の中心の位置とする。第２の光学素子１１２の中心は、アレイ領域１２０の中心Ｏと同じ位置にあり、第２の距離Ｄ２はゼロである。しかし、アレイ領域１２０の中心Ｏと第２の光学素子１１２の中心とが一致していなくてもよい。これらは、Ｄ２＝０＜Ｄ１＜Ｄ３＜Ｄ４の関係を有する。ここで、アレイ領域１２０の中心からの距離とは、中心Ｏと、１つの方向（Ｘ軸方向）における各光学素子の中心の距離を示す。

図１（ｂ）は、図１（ａ）をより具体的に示した、光学素子アレイ１００の平面模式図である。

図１（ｂ）において、第２の光学素子１１２は、平面視において、中心Ｏに位置する頂点を有し、球状の形状を有する。ここで、頂点は、第２の光学素子１１２において最も高い点である。第１の光学素子１１１、第３の光学素子１１３、第４の光学素子１１４は、平面視において球状ではない、同一の形状を有している。第１の光学素子１１１を例に、図２を用いて、その形状を説明する。

図２（ａ）は第１の光学素子１１１の平面模式図であり、図２（ｂ）と図２（ｃ）は第１の光学素子１１１の断面模式図である。

図２（ａ）は、Ｘ軸方向とＹ軸方向を含む面における第１の光学素子１１１の底面２００を示す平面模式図である。底面２００は、Ｘ軸方向とＹ軸方向を含む面に対して第１の光学素子１１１を投影した像（正射影像）の外縁と等しい。底面２００にあるように、第１の光学素子１１１は、Ｘ軸方向に沿って第１の長さＬ１を有し、Ｙ軸方向に沿って第１の長さＬ１を有する。

ここで、底面２００内（光学素子内）には、Ｘ軸方向に第１の位置Ｐ１〜第６の位置Ｐ６が存在し、中心Ｏから第３の位置Ｐ３、第１の位置Ｐ１、第６の位置Ｐ６、第５の位置Ｐ５、第２の位置Ｐ２、第４の位置Ｐ４の順で並んでいる。

光学素子１１１の底面２００の外縁のうち、第１の領域１２１の最も中心Ｏに近い、Ｙ軸方向に沿った辺２１１が第３の位置Ｐ３に配される。光学素子１１１の底面２００の外縁のうち、第１の領域１２１の最も中心Ｏに遠い、Ｙ軸方向に沿った辺２１５が第４の位置Ｐ４に配される。光学素子１１１の底面２００の中心は、第３の位置Ｐ３と第４の位置Ｐ４の中心の位置、第５の位置Ｐ５に配される。つまり、第３の位置Ｐ３から第１の長さＬ１だけ離れた位置に第４の位置Ｐ４があり、第３の位置Ｐ３から第１の長さＬ１の半分（Ｌ１／２）だけ離れた位置に第５の位置Ｐ５がある。そして、第６の位置Ｐ６は、後述するように光学素子１１１の頂点のＸ軸方向における位置を示す。なお、第１の領域１２１は、アレイ領域１２０に２次元に設けられるマトリクスの１つの格子である。この１つの格子には１つの光学素子が設けられるものとする。

図２（ａ）に示すように、底面２００は、Ｘ軸を基準に、上下に線対称の形状を有し、辺２１１〜２１８によって外縁が構成されている。辺２１１は点２０１と点２０８とを結ぶ直線であり、辺２１２は点２０１と点２０２を結ぶ曲線である。辺２１３は点２０２と点２０３を結ぶ直線であり、辺２１４は点２０３と点２０４を結ぶ曲線である。辺２１５は点２０４と点２０５とを結ぶ直線であり、辺２１６は点２０５と点２０６を結ぶ曲線である。辺２１７は点２０６と点２０７を結ぶ直線であり、辺２１８は点２０７と点２０８を結ぶ曲線である。辺２１１、２１５はＹ軸方向に沿った直線である。辺２１３、２１７はＸ軸方向に沿った直線である。辺２１２、２１４、２１６、２１８は、曲率を有し、各直線の間をつなぐともいえる。

底面２００は、Ｘ軸方向における第１の位置Ｐ１にて、Ｙ軸方向に沿った第１の幅Ｗ１を有する。そして、底面２００は、Ｘ軸方向における第２の位置Ｐ２にて、Ｙ軸方向に沿った第２の幅Ｗ２を有する。更に底面２００は、第３の位置Ｐ３、第４の位置Ｐ４のそれぞれにおいて、Ｙ軸方向に沿った第３の幅Ｗ３、第４の幅Ｗ４を有する。そしてこれらの幅は少なくともＷ１＞Ｗ２の関係を満たす。更にＷ１＞Ｗ２＞Ｗ３＞Ｗ４の関係を満たすことが好ましい。なお、図２（ａ）において、Ｗ１＝Ｌ１となっている。

第１の位置Ｐ１は、第３の位置Ｐ３から第１の長さＬ１の半分以下の距離の任意の位置であり、第２の位置Ｐ２は、第３の位置Ｐ３から第１の長さＬ１の半分より離れた任意の位置である。若しくは、第１の位置Ｐ１は、第３の位置Ｐ３から第１の長さＬ１の半分より近い任意の位置であり、第２の位置Ｐ２は、第３の位置Ｐ３から第１の長さＬ１の半分以上離れた任意の位置である。第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２とは、中心Ｏからの距離として、Ｐ２＞Ｐ１の関係を満たす。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のＸ軸に沿った第１の光学素子１１１の断面模式図である。Ｚ軸方向とＸ軸方向を含む面における第１の光学素子１１１の断面２２０において、辺２３１〜辺２３３によって外縁が構成される。辺２３１は点２２１と点２２２を結ぶ直線であり、辺２３２は点２２２と点２２３を結ぶ曲線であり、辺２３３は点２２３と点２２４を結ぶ曲線である。第１の光学素子１１１は、第１の位置Ｐ１において、第１の高さＨ１を有し、第２の位置Ｐ２において第２の高さＨ２を有し、第６の位置Ｐ４において第３の高さＨ３を有する。ここで、高さの関係は、Ｈ３＞Ｈ１＞Ｈ２である。この時、第３の高さＨ３は、第１の光学素子１１１において最も高い。つまり、第６の位置Ｐ６の点２２３は、第１の光学素子１１１の頂点である。第１の光学素子１１１は、その頂点を第５の位置Ｐ５よりも中心Ｏに近い第６の位置Ｐ６に有している。ここで、頂点とは、この断面における最も高い位置である。本実施形態において、第１の光学素子１１１は頂点を有するが、最も高い部分が点でなくてもよく、例えば、第１の位置Ｐ１から第５の位置Ｐ５まで高さＨ３を有していてもよい。

また、図２（ｂ）に示すように、第１の光学素子１１１において、辺２３２は辺２３３よりも曲率半径が小さい部分を有する。なお、辺２３２は辺２３３よりも曲率半径が大きい部分を有してもよい。この構成によって、辺２３３に入射した光は、強いレンズパワーによって、大きく曲げられ、より集光効率が向上する。ここで、曲率半径は、例えば、光学素子のある断面を取り、その断面形状の任意の点における接線から求めることができる。例えば、Ｘ軸方向に沿った辺２３３の中心（第６の位置Ｐ６と第４の位置Ｐ４の中心）における辺２３３の接線を求める。この接線に対する内接円から曲率半径を得ることができる。また、その他の一般的な曲率半径の測定方法によって、各部分の曲率半径を求めることができる。

図２（ｃ）は、図２（ａ）の第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２における第１の光学素子１１１の断面を示したものである。断面２４１は、図２（ａ）の第１の位置Ｐ１にて、Ｙ軸方向に沿った第１の光学素子１１１の断面である。断面２４２は、図２（ａ）の第２の位置Ｐ２にて、Ｙ軸方向に沿った第１の光学素子１１１の断面である。第１の断面２４１において、第１の光学素子１１１は、第１の幅Ｗ１を有し、第１の断面２４１の頂点であり、最も高い第１の高さＨ１を有する。また、第１の断面２４１において、その外縁は第１の曲率半径Ｒ１を有する。第２の断面２４２において、第１の光学素子１１１は、第２の幅Ｗ２を有し、第２の断面２４２の頂点であり、最も高い第２の高さＨ２を有する。本実施形態では、これら頂点を有するが、上述したように第１の高さＨ１や第２の高さＨ２を有する部分が点でなくてもよい。

そして、第２の断面２４２において、その外縁は第２の曲率半径Ｒ２を有する。この曲率半径の関係は、Ｒ１＜Ｒ２である。なお、Ｒ１≧Ｒ２であってもよいが、この場合には幅Ｗ２が小さくなり、面積占有率が低下してしまう場合がある。この場合には、光学素子の第２の幅Ｗ２が図２（ａ）における外縁を構成すればよい。中心Ｏから最も離れた位置に第２の幅Ｗ２を有する辺が存在することで面積占有率が向上し、より広い範囲の光を取り込むことができる。

図２で示したように、第１の光学素子１１１は、第１の位置Ｐ１にて、第１の幅Ｗ１と、第１の高さＨ１と、第１の曲率半径Ｒ１を有し、第２の位置Ｐ２にて、第２の幅Ｗ２と、第２の高さＨ２と、第２の曲率半径Ｒ２を有する。これらがＷ１＞Ｗ２、Ｈ１＞Ｈ２、Ｒ１＜Ｒ２の関係を有することで、第１の光学素子１１１は、従来の技術に比べて、高い集光能力を維持しつつ、高い占有面積を有することができ、集光率を向上することができる。次に、集光率について図３、図４を用いて説明を行う。

図３は、第１の光学素子１１１と、ティアドロップ型の光学素子３１１を比較した図面である。図３（ａ）は第１の光学素子１１１の底面２００を示した平面模式図であり、図３（ｂ）は、比較用の光学素子３１１の底面３００を示した平面模式図である。図３（ｃ）は第１の光学素子１１１の断面模式図であり、図３（ｄ）は、比較用の光学素子３１１の断面模式図である。図３（ａ）は、図２（ａ）と同一の第１の光学素子１１１を示しており、符号や詳細な説明は省略する。また、図３において、面積を説明するため、第１の領域１２１を設定する。第１の領域１２１は、１辺が第１の長さＬ１を有する正方形であり、各光学素子の外縁に外接する矩形である。図３において、各光学素子は第１の領域１２１に設けられているものとする。また、光学素子１１１と光学素子３１１は、第１の位置Ｐ１における形状を等しいものとする。

まず、図３（ｂ）にあるように、光学素子３１１は底面３００を有し、底面３００は、第５の位置Ｐ５から第４の位置Ｐ４に向かって、Ｙ軸方向に沿った幅が小さくなり、第４の位置Ｐ４にて、点３１２となる。つまり、光学素子３１１の底面３００は、光学素子１１１の底面２００よりも面積が小さい。上述したように、本実施形態において、光学素子の正射影の像は、底面と等しいため、光学素子１１１は光学素子３１１よりも面積が大きい。また、図３（ａ）において、領域３４１〜領域３４４は、第１の領域１２１に対して底面２００が設けられていない部分であり、図３（ｂ）において、領域３５１〜領域３５４は、第１の領域１２１に対して底面３００が設けられていない部分である。これら領域３４１〜領域３４４、領域３５１〜領域３５４は、光学素子が設けられていないため、光を集光することができない領域（無効領域）である。上述の通り、領域３４１〜領域３４４の面積の和は、領域３５１〜領域３５４の面積の和よりも小さい。

ここで、面積占有率とは、Ｘ軸方向とＹ軸方向を含む面において、第１の領域１２１の面積に対して、光学素子が設けられている面積の割合である。上述したように、第１の光学素子１１１の面積占有率は、比較用の光学素子３１１の面積占有率よりも大きい。具体的には、第１の光学素子１１１の面積占有率は、約９１％であり、比較用の光学素子３１１の面積占有率は約７３％である。第１の領域１２１に入射する全ての光を１００％とすると、集光できる光に２０％弱の差が生じてしまう。第１の光学素子１１１は、従来の構成に比べて、高い面積占有率を有するため、高い集光率を得ることができる。

図３（ｃ）は、図３（ａ）の第２の位置Ｐ２における、第１の光学素子１１１のＹ軸方向に沿った断面３５１を示した断面模式図である。図３（ｄ）は、図３（ｂ）の第２の位置Ｐ２における、比較用の光学素子３１１のＹ軸方向に沿った断面３５２を示した断面模式図である。ここで、図３（ｃ）及び図３（ｄ）では、各光学素子による光の挙動を示すため、各底面から等しい距離に仮想の入射面３６１を設けている。いずれの光学素子にも等しい光３８０、３８１が入射するものとする。光学素子１１１は、第２の位置Ｐ２において、幅Ｗ２を有し、第１の位置Ｐ１における第１の曲率半径Ｒ１よりも大きな第２の曲率半径Ｒ２を有するため、光学素子１１１の集光パワーは大きくはない。よって、光学素子１１１は、光３８１のほとんどを集光し、集光した光３８２を入射面３６１の適切な位置に集光することができる。一方、光学素子３１１は、第２の位置Ｐ２における幅Ｗ３０２が狭く、小さな曲率半径を有する。従って、光学素子３１１は、光３８１の一部しか集光できず、また、小さな曲率半径を有するため光学素子３１１において大きな屈折が起こり、光３８３は入射面３６１に対して大きな角度を有し、迷光となりうる。このように、光学素子１１１の形状によれば、従来の構造に比べて、集光能力を高め、面積占有率を高めることができるため、集光率を向上させることができる。

次に、図４を用いて、第１の光学素子１１１と、従来の別の構造である半球状レンズ４１１との比較を行う。図４（ａ）は第１の光学素子１１１の底面２００を示した平面模式図であり、図４（ｂ）は、比較用の光学素子４１１の底面４００を示した平面模式図である。図４（ｃ）は第１の光学素子１１１の断面模式図であり、図４（ｄ）は、比較用の光学素子４１１の断面模式図である。

図４（ａ）、図４（ｃ）は、図２（ａ）、図２（ｂ）と同一の第１の光学素子１１１を示しており、符号や詳細な説明は省略する。図４において、いずれの光学素子も等しい面積の第１の領域１２１に設けられている。

まず、図４（ｂ）に示すように、光学素子４１１は、底面４００を有する。底面４００は、第１の長さＬ１の半分（Ｌ１／２）が半径の円である。に示すように、光学素子４１１の頂点は、第１の領域１２１の中心である第５の位置Ｐ５に位置する。

図４（ｃ）は、図４（ａ）のＸ軸に沿った光学素子１１１の断面４５１を示した断面模式図である。図４（ｄ）は、図４（ｂ）のＸ軸に沿った光学素子４１１の断面４５２を示した断面模式図である。いずれの光学素子も頂点の高さは、第３の高さＨ３とする。ここで、図４（ｃ）及び図４（ｄ）では、各光学素子による光の挙動を示すため、各底面から等しい距離に仮想の入射面４６１を設けている。いずれの光学素子にも、光学素子の受光面の法線に対して角度θ２を有する斜め光４８１が入射するものとする。

まず、光学素子４１１に入射した光４８１は、例えば、光４８１に対して角度θ４を有する光を含む光４８３となり、集光される。一方、光学素子１１１に入射した光４８１は、例えば、光４８１に対して角度θ４よりも大きな角度θ３を有する光を含む光４８２となり、集光される。ここで、光学素子１１１は、第６の位置Ｐ６を境に断面４５１に示されるように傾きが徐々に変化する、各辺における光の屈折の仕方が異なる。本実施形態では、第１の位置Ｐ１における曲率半径が、第２の位置Ｐ２における曲率半径よりも小さい。また、第４の位置Ｐ４に近い位置では、光学素子４１１に比べて光学素子１１１は、斜め方向から入射する光（角度θ２）をＺ軸方向に沿った光（角度θ３）にすることができ、斜め方向から入射する光を、効率よく集光させることができる。ここで、θ２が２０度〜４０度の場合には、第１の光学素子１１１を用いた場合の画素の感度が、光学素子４１１の場合よりも１０〜２０％向上する。

このような第１の光学素子１１１は、従来の技術に比べて、高い集光能力を有しつつ、高い占有面積を有するため、高い集光率を有する。従って、少なくとも１つの第１の光学素子１１１をアレイ領域１２０の中心Ｏから第１の距離Ｄ１だけ離れた位置に設けることで、高い集光率を有する光学素子アレイを提供することが可能となる。

なお、第２の位置Ｐ２は、上述の条件を満たせば任意であるため、第４の位置Ｐ４であってもよい。つまり、辺２１５が第２の幅Ｗ２であってもよい。上述の形態よりも高い面積占有率を有することができる。

また、第１の位置Ｐ１において、光学素子が頂点を有していてもよい。つまり、第６の位置Ｐ６が第１の位置Ｐ１と同じ位置であってもよい。更に、本実施形態では第１の位置Ｐ１の第１の幅Ｗ１が最も大きな幅となっている。しかし、最も大きな幅を有する位置は異なる位置でもよく、第５の位置Ｐ５と第２の位置Ｐ２との間にあることが望ましい。このような位置に最大の幅を有することで、面積占有率を更に、高めることができる。

本実施形態では、第１の領域１２１が正方形の場合を示した。しかし、第１の領域１２１は、平面視した時に、光学素子の外縁に外接する矩形であればよく、第１の長さＬ１の辺を有する長方形を含む矩形でもよい。また、複数の光学素子は、少なくとも１次元に配されていればよい。また、第３の位置Ｐ３における第３の幅Ｗ３は、Ｗ３＝Ｌ１であってもよい。

なお、本実施形態において、第１の長さＬ１は、０．５μｍ以上５０μｍ以下である。第１の幅Ｗ１と第２の幅Ｗ２は、０．５μｍ以上５０μｍ以下であり、第１の幅Ｗ１と第２の幅Ｗ２の比は、０．０５以上０．９９以下の範囲であり、好ましくは、０．２以上０．８以下である。第１の高さＨ１と第２の高さＨ２は、０．１μｍ以上５．０μｍ以下である。第１の曲率半径Ｒ１は、第１の高さＨ１と第１の幅Ｗ１より決まる値であり、第２の曲率半径Ｒ２は、第２の高さＨ２と第２の幅Ｗ２より決まる値であり、概ね、０．２５μｍ以上１００μｍ以下である。この時、第１の光学素子は、幅、高さ、曲率半径を設定し、８０％以上の面積占有率を有するようにするとよい。例えば、固体撮像装置において、第１の光学素子を８０％未満の面積占有率にしてしまうと、集光できない光が２０％以上発生するため、画像の周辺においてシェーディングが顕著に生じてしまうためである。

本実施形態の第１の光学素子は、例えば、フォトリソグラフィ技術を用いて形成することができる。この場合には、第１の光学素子の形状の設計データから求めた透過率を得られる面積階調マスクやグレートーンマスクを用いた露光装置にて、フォトレジストを露光し、現像することで、所望の光学素子を得ることができる。

ここで、製造後の第１の光学素子について、図５を用いて説明する。図５は、図２（ｃ）の断面２４１に対応する断面５４１を示した断面模式図である。図５において、図２（ｃ）と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。光学素子１１１は、底面２００と接する部分において、底面２００に対して広がって延在する部分５０１を有する。この底面２００と接する部分の広がりは、どの部分においても生じる可能性がある。ここで、第１の幅や第２の幅等を実測する場合には、第１の光学素子１１１の最も高い第３の高さＨ３の１％の高さとなる地点（Ｘ軸位置）での、底面２００に平行な断面５００をとり測定することが望ましい。また、隣接する光学素子と接する場合には、その接点で長さや幅を規定する。

（第２の実施形態）
本実施形態の第１の光学素子６１１は、第１の実施形態の第１の光学素子１１１の底面２００の形状を変形したものである。図６は図２（ａ）と対応する平面模式図であり、同一の構成については、符号や説明等を省略する。図６（ａ）及び図６（ｂ）は同一の光学素子６１１を示す平面模式図である。光学素子６１１は、底面６００を有している。底面６００は、図２（ａ）の光学素子１１１の底面２００が有していた辺２１１、２１５に相当する辺を有していない。

図６（ａ）に示すように、底面６００の外縁は、点６０１から第３の位置Ｐ３を通り点６０２までを結び、曲線である辺６２１を有する。ここで、底面６００は、第３の位置Ｐ３において第３の曲率半径Ｒ３を有する。第３の曲率半径Ｒ３は、第１の長さＬ１の半分以上、すなわちＲ３≧（Ｌ１／２）の関係を有する。このような曲率半径を有する形状によって、面積占有率を向上させることができる。また、図６（ｂ）に示すように、底面６００の外縁は、点６０３から第４の位置Ｐ４を通り点６０４までを結び、曲線である、辺６２２を有する。ここで、底面６００は、第４の位置Ｐ４において第４の曲率半径Ｒ４を有する。第４の曲率半径Ｒ４は、第１の長さＬ１の半分以上、すなわちＲ４≧（Ｌ１／２）の関係を有する。このような曲率半径を有する形状によって、Ｙ軸方向に沿った幅が大きくなるため、面積占有率を向上させることができる。また、Ｙ軸方向に沿った幅が大きくなるため、Ｙ軸方向に沿った断面において、その曲率半径が大きくなるため、曲率半径が小さすぎること、すなわち屈折角が大き過ぎることによる迷光の発生を低減することができる。

本実施形態では、２つの位置における底面の曲率半径がＬ１／２以上である構成を示したが、いずれかの位置における底面の曲率半径がＬ１／２以上であればよい。

（第３の実施形態）
本実施形態の第１の光学素子７１１は、第１の実施形態の第１の光学素子１１１の底面２００の形状を変形したものである。図７は、図２（ａ）と対応する平面模式図であり、同一の構成については、符号や説明等を省略する。

図７において、光学素子７１１は底面７００を有する。Ｘ軸方向において光学素子７１１の中心は第５の位置Ｐ５に位置する。しかし、底面７００は、Ｘ軸方向における端部が位置Ｐ７１と位置Ｐ７２に存在する。図２（ａ）の辺２１１に対応する辺７１１が第３の位置Ｐ３ではなく位置Ｐ７１に、図２（ａ）の辺２１５に対応する辺７１５が第４の位置Ｐ４ではなく位置Ｐ７２にある。つまり、光学素子７１１は、Ｘ軸方向の長さが第１の長さＬ１よりも短い。つまり、隣接する光学素子との間にはギャップを有している。この場合においても、光学素子に外接する第１領域１２１’に対する面積占有率は従来の光学素子に比べて高くすることができる。また、この隣接する光学素子との間のギャップの幅を調整することで、瞳補正を行うことや、隣接する光学素子との間の製造を容易にすることができる。なお、ギャップの幅は、Ｘ軸方向において、光学素子の長さに対してＬ１／２以下、特に、Ｌ１／４以下であることが好ましい。

また、図７において、点７０１から点７０２を結ぶ曲線である辺７２１の接線７３１と、点７０３から点７０４を結ぶ曲線である辺７２２の接線７３２との交点は、位置Ｐ７２よりも中心Ｏから遠い位置Ｐ７０に存在する。高い面積占有率を有する光学素子は、このような接線の交点を有する。

本実施形態においては、光学素子７１１がＸ軸方向におけるギャップを有するような形状を示したが、Ｙ軸方向にギャップを有する形状であってもよく、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方にギャップを有する形状であってもよい。

また、ここで光学素子と隣の光学素子との境界は、例えば、Ｘ軸方向における光学素子の長さの中心と、隣の光学素子の長さの中心との中間の位置とすることができる。Ｙ軸方向についてもこれと同様であり、他の方向についても同様に規定することができる。光学素子の外縁は、例えば、Ｘ軸に沿った断面において、隣の光学素子の外縁との接点であり、Ｘ軸に沿った断面において光学素子の外縁の接線の傾きがゼロとなる点から求めることができる。Ｘ軸における光学素子の長さは、例えば、光学素子の外縁の傾きがゼロとなる２つの点のＸ軸における位置の距離を求めることによって得られる。また、光学素子と隣の光学素子とが接している場合にも同様に求めることができる。

（第４の実施形態）
本実施形態では、図１の第３の光学素子１１３と第４の光学素子１１４が、第１の光学素子１１１とは異なる形状である場合を説明する。ここで、第１の光学素子８１１は、図２（ｂ）の第１の光学素子１１１と同一の構造である。図８（ａ）は、第１〜第４の光学素子８１１〜８１４の断面模式図であり、それぞれ、図２（ｂ）の断面と対応する断面８３１〜断面８３４を示している。断面８３１〜８３４に示すように、第１〜第４の光学素子８１４は、それぞれ異なる形状を有している。第１〜第４の光学素子８１１〜８１４において、それぞれは、等しい第３の高さＨ３及び第１の長さＬ１を有する。

ここで、第１〜第４の光学素子８１１〜８１４は、その頂点の位置が異なる。第１の光学素子８１１は第６の位置Ｐ６、第２の光学素子８１２は第５の位置Ｐ５、第３の光学素子は位置Ｐ８３、第４の光学素子は位置Ｐ８４に、それぞれ頂点を有する。この時、Ｘ軸方向における各光学素子の中心である第５の位置Ｐ５から頂点の位置は、第２の光学素子８１２において距離Ｄ８２（不図示）にあり、第１の光学素子８１１において距離Ｄ８１（第４の距離）だけ離れてある。また、Ｘ軸方向における各光学素子の中心である第５の位置Ｐ５から頂点の位置は、第３の光学素子８１３において距離Ｄ８３（第５の距離）だけ離れてあり、第４の光学素子８１４において距離Ｄ８４だけ離れて位置する。ここで、距離Ｄ８２はゼロである。距離は、Ｄ８２＝０＜Ｄ８１＜Ｄ８３＜Ｄ８４の関係を有する。つまり、アレイ領域の中心Ｏから離れた位置にある光学素子ほど、その頂点は、Ｘ軸方向において、光学素子の中心から離れて設けられる。光学素子アレイによって、中心Ｏから外側に向かって、各光学素子の頂点の位置を変化させることで、アレイ領域における集光率のばらつき（アレイ領域周辺での集光量の低下）を抑制することができる。

また、図８（ｂ）に示すように、アレイ領域１２０は、複数の区分８２１〜８２６のから構成されることが望ましい。複数の区分は、それぞれ帯形状を有しており、第１の光学素子８１１が設けられている第１の区分８２１と、第１の区分８２１よりもアレイ領域１２０の中心Ｏの近くに位置し、第２の光学素子８１２が設けられている第２の区分８２２を含む。ここで、第１の区分８２１には、第１の光学素子８１１が複数設けられており、第２の区分８２２には、第２の光学素子８１２が複数設けられている。更に、第１の区分８２１よりも中心Ｏから離れた第３の区分８２３、第４の区分８２４を有していてもよい。第３の区分８２３には、第３の光学素子８１３が複数設けられており、第４の区分８２４には、第４の光学素子８１４が複数設けられている。各区分には互いに等しい形状の光学素子がそれぞれ設けられており、全ての光学素子の形状を変える場合に比べて、設計が容易となる。

ここで、複数の区分の設け方について、光学素子アレイを固体撮像装置に適用する場合を例に、説明する。一般に、区分の数は少ない方が、光学素子アレイの設計が容易になる。しかし、区分の数が少ない場合には、隣接する区分に設けられた光学素子の形状差が大きくなってしまう。この形状差は、例えば、区分の境界での集光率に差が生じ、固体撮像装置の画素において感度の差として現れ、画像に輝度の差を生じさせてしまう。輝度の差を低減するために、隣接する区分に設けられた光学素子の形状差を小さくする必要がある。この形状差としては、隣接する光学素子に対する体積を９５％以上１０５％以下であることが好ましい。よって、体積の違いが±５％以下になるように、区分の数を調整することが望ましい。

なお、区分の形状は任意であり、本実施形態のように、各区分でＸ軸方向の長さを異ならせてもよい。具体的には、Ｘ軸方向にみて、第１の区分８２１の長さは、第２の区分８２２の長さよりも短く、第３区分８２３の長さよりも長い。また、第３区分８２３の長さは第４の区分８２４の長さよりも長い。しかし、各区分を互いに等しい長さにしてもよい。ここでの長さとは、Ｘ軸方向に沿った、第１の区分８２１の、第１の区分８２１と第２の区分８２２との境界から第１の区分８２１と第３の区分８２３との境界までの長さである。

更に、例えば、図９（ａ）に示すような、アレイ領域１２０を格子状に分けてもよく、各区分９０１の大きさを適宜変更してもよい。図９（ａ）の場合には、中心Ｏに近いほど、区分９０１の面積が大きくなるようにしている。このような形状によって、集光率のばらつきを低減することができる。

また、図９（ｂ）に示すような、中心Ｏを中心とする同心円形状に区分を設けてもよく、更に、中心Ｏから放射状に分けた区分９０２を有する分け方でもよい。また、図９（ｃ）に示すような、中心Ｏを中心とする多角形状に区分を設けてもよく、更に、中心Ｏから放射状に分けた区分９０３を有する分け方でもよい。

図９（ａ）〜図９（ｃ）に示した場合にも、区分の長さとは、ある方向に沿った、その区分の、その区分と隣接する区分との境界から、その区分と他の隣接する区分との境界までの長さである。

（第５の実施形態）
本実施形態は、第４の実施形態の区分の境界に関するものである。図１０は、複数の区分の境界を拡大した平面模式図である。

図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、２つの区分の境界を示したものである。図１０（ａ）は、区分１００１と区分１００２との境界を示し、その境界は直線である線１０３１である。一方、図１０（ｂ）は、区分１００３と区分１００４との境界を示し、その境界はジグザグ線である線１０３２である。このような構成にすることで、異なる形状を有する光学素子が隣接する部分における集光効率の差による画像の段差を、図１０（ａ）に比べて低減することができる。

また、図１０（ｃ）は、区分１００５と区分１００６との境界を示し、境界は不規則なジグザグ線である線１０３３を有する。このような規則性を有さない形状にすることで、異なる形状を有する光学素子が隣接する部分における集光率の差による画像の段差を、図１０（ｂ）に比べて低減することができる。

そして、図１０（ｄ）は、区分１００７と区分１００８との境界を示し、境界は直線である線１０３４である。しかし、各区分１００７、１００８は、線１０３４を含む緩衝領域１０２０を有している。緩衝領域１０２０では、互いの区分の光学素子を一部入れ替えている。例えば、区分１００７に、区分１００８の光学素子１０４１を設け、区分１００８に、区分１００７の光学素子１０４２を設けている。このように、境界において、いくつかの光学素子を入れ替えることで、異なる形状を有する光学素子が隣接する部分における集光率の差による画像の段差を低減することができる。

ここで、図１０（ｅ）は、図９（ｂ）の境界領域９１０の拡大図を示している。４つの区分１００９〜１０１２の境界領域９１０において、境界は、ジグザグ線である線１０３５〜１０３８である。また、４つの区分１００９〜１０１２が接する点においては、図１０（ｅ）のように、２つの区分１０１０、１０１２が２つの区分１００９、１０１１の間に位置するように設けてもよい。

（第６の実施形態）
本実施形態の光学素子アレイについて、図１１を用いて説明する。本実施形態は、第４の実施形態とは複数の光学素子の形状の異ならせ方が異なる。図１１は、第１の光学素子１１１１、第３の光学素子１１１３、第４の光学素子１１４の平面模式図である。第２の光学素子については、第４の実施形態と同様であるので図示や説明を省略する。

第１の光学素子１１１１は、底面１１３１を有し、重心Ｇ１を有する。第３の光学素子１１１３は、底面１１３３を有し、重心Ｇ３を有する。第４の光学素子１１１４は、底面１１３４を有し、重心Ｇ４を有する。重心Ｇ１は位置Ｐ１１１にあり、重心Ｇ３は位置Ｐ１１３にあり、重心Ｇ４は位置Ｐ１１４にある。これらの位置と各光学素子の中心である第５の位置Ｐ５との距離は、距離Ｄ１１５１〜距離Ｄ１１５４であり、Ｄ１１５１＜Ｄ１１５３＜Ｄ１１５４となっている。このような構造の光学素子を有する光学素子アレイによって、アレイ領域における集光率のばらつきを低減することができる。

（第７の実施形態）
本実施形態では、上述した光学素子アレイを固体撮像装置に適用した場合について説明する。本実施形態において、固体撮像装置はＣＭＯＳセンサである。

固体撮像装置１２００は、半導体部１２８０と、半導体部１２８０の上に設けられた光学素子アレイ１２７０を有する。光学素子アレイ１２７０は、複数の光学素子を有する。図１２では、第１の光学素子１２１１、第３の光学素子１２１３、第４の光学素子１２１４を示している。第２の光学素子は、他の実施形態と同様であるので図示や説明を省略する。

半導体部１２８０は、複数の光学素子と１対１で対応して配された複数の画素を有する。図１２では、第１の光学素子１２１１に対応した第１の画素１２９１、第３の光学素子１２１３に対応した第３の画素１２９３、第４の光学素子１２１４に対応した第４の画素１２９４を示している。ここで、各光学素子と、各画素の長さは等しい第１の長さＬ１を有している。つまり、複数の光学素子の間隔と複数の画素の間隔は等しい。

半導体部１２８０において、各画素は、半導体基板１２８１に設けられた光電変換素子を有する。光電変換素子は、例えば、Ｐ型の半導体領域に設けられた電荷蓄積が可能なＮ型の半導体領域１２８２を有する。半導体基板１２８１の上には、複数の配線層１２８４と、各配線層の間に設けられた絶縁体からなる層間絶縁膜１２８３が設けられている。層間絶縁膜１２８３の上には、保護膜１２８５と、平坦化膜１２８６が設けられている。例えば、半導体基板１２８１はシリコンであり、層間絶縁膜１２８３は酸化シリコンからなり、複数の配線層１２８４は銅を主成分とする導電体からなる。保護膜１２８５は、例えば、窒化シリコンからなり、平坦化膜１２８６は、例えば、有機材料からなる。なお、半導体基板１２８１や各配線層の間には、トランジスタなどの回路や、素子分離、プラグ等が設けられているが、図１２においては省略している。

ここで、本実施形態の光学素子アレイは、各画素の中心の位置に対して各光学素子の中心第５の位置Ｐ５位置がずれている。各画素の中心の位置は、半導体領域１２８２の表面に示された位置Ｐ１２である。例えば、第１の光学素子１２１１は、第１の画素１２９１と距離Ｄ１２０１だけ、中心Ｏ側にずれている。第３の光学素子１２１３は、第３の画素１２９３と距離Ｄ１２０３だけ、中心Ｏ側にずれている。第４の光学素子１２１４は、第４の画素１２９４と距離Ｄ１２０４だけ、中心Ｏ側にずれている。このように、中心Ｏから離れた位置の光学素子を、中心Ｏの方向にずらすことによって、固体撮像装置に適用した場合に生じ得る集光率のばらつき（シェーディング）を低減することができる。

また、各光学素子の画素に対するずらし量である距離Ｄ１２０１、Ｄ１２０３、Ｄ１２０４は、Ｄ１２０１＜Ｄ１２０３＜Ｄ１２０４の関係を有する。このように、中心Ｏから離れた位置に存在する光学素子の画素に対するずらし量を大きくすることで、よりシェーディングを低減することが可能となる。

複数の光学素子の中心と複数の画素の中心との位置関係をずらす場合には、複数の光学素子の間隔と、複数の画素の間隔を異ならせてもよい。光学素子の中心とは、例えば、Ｘ軸方向に沿った光学素子の長さの中心であり、Ｙ軸方向に沿った光学素子の幅の中心である。画素の中心とは、例えば、繰り返し単位が設けられる領域のＸ軸方向に沿った中心であり、Ｙ軸方向に沿った中心である。例えば、Ｘ軸方向において、複数の光学素子の大きさと、画素の大きさを変える。また、例えば、Ｘ軸方向において、各光学素子同士の大きさを異ならせてもよい。このように、アレイ領域における集光率のばらつきを低減するために、光学素子の大きさや位置は、任意に設定することができる。

本実施形態において、固体撮像装置をＣＭＯＳセンサとしたが、ＣＣＤセンサであってもよく、また、カラーフィルタがある形態や、導波路を有する形態や、裏面照射型のセンサであってもよい。

また、本実施形態の固体撮像装置は、カメラ等に代表される撮像システムに含まれる。撮像システムの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。撮像システムは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、この固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部を含む。この信号処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、及び、このＡ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含むことができる。

１００ 底面
１１１ 光学素子
Ｐ１ 第１の位置
Ｐ２ 第２の位置
Ｗ１ 第１の幅
Ｗ２ 第２の幅
Ｈ１ 第１の高さ
Ｈ２ 第２の高さ
Ｒ１ 第１の曲率半径
Ｒ２ 第２の曲率半径

Claims (5)

1. 複数の光学素子が配されたアレイ領域の周辺部に配された光学素子において、
   第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向を含む面に投影された前記光学素子の外縁は、前記第２の方向に沿った前記光学素子の中心位置における第１の幅と、前記第１の幅が設けられている位置よりも前記アレイ領域の周辺部側に設けられ、前記第２の方向に沿った第２の幅を有し、
   前記第１の幅が設けられている位置の前記光学素子の高さは、前記第２の幅が設けられている位置の前記光学素子の高さよりも高く、
   前記第２の方向に沿った前記光学素子の断面の曲率半径は、前記第１の幅が設けられた位置から前記第２の幅が設けられた位置に向かって徐々に大きくなるように構成されていることを特徴とする光学素子。
2. 前記第１の幅の長さと前記第２の幅の長さが同じであることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記投影された前記光学素子の外縁は、前記アレイ領域の周辺部側に前記第２の方向に沿った辺を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
4. 前記投影された前記光学素子の外縁は、前記アレイ領域の中心側に前記第２の方向に沿った辺を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記投影された前記光学素子の外縁は、前記投影された前記光学素子の外縁の外周を接して囲む矩形の面積に対して、８０％以上の面積を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。

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