JPWO2010016195A1 - 撮像用光検出装置 - Google Patents

Abstract

撮像用光検出装置（４）は、基板（５）上に少なくとも第１方向に沿って配列された複数の光検出器（６）と、複数の光検出器の上方に形成された低屈折率透明層（１２）と、第１方向に沿って低屈折率透明層内に埋め込まれた複数の高屈折率透明部（１３）とを備える。高屈折率透明部の基板に直交し且つ第１方向に沿った断面において、高屈折率透明部の中心軸（１４）が階段状に折れ曲がっている。低屈折率透明層及び高屈折率透明部に入射する光は、それらを通過することで、０次回折光と１次回折光と−１次回折光とに分離される。これにより、光利用効率の向上と画素の高密度化とを両立させることができる。

Description

本発明は物体の映像を撮影するために用いられる撮像用光検出装置に関する。

従来の撮像用光検出装置が例えば非特許文献１及び非特許文献２に開示されている。これらに開示された撮像用光検出装置の概略を説明する。

図１７Ａは、従来の撮像装置の概略構成を示した側面図である。自然光等の光が物体１に入射し、これを反射した光は、レンズ系２によりＣＣＤやＣＭＯＳ等の光検出装置４上に像３を形成する。レンズ系２は、一般には光学性能を確保するために光軸に沿って並んだ複数のレンズを組み合わせて構成されるが、図１７Ａでは図面を簡略化して単一のレンズとして描かれている。

図１７Ｂは、光検出装置４の概略構成を示した図であり、図１７Ａの部分XVIIＢの拡大断面図である。複数のフォトディテクター６が形成された検出基板５上に、ＳｉＯ₂等からなる低屈折率の透明バッファー層７、ＳｉＮ等からなる高屈折率の透明バッファー層８、複数の色フィルター９、複数のマイクロレンズ１０がこの順で積層されている。透明バッファー層７の透明バッファー層８と接する表面７ａには、各フォトディテクター６の上で透明バッファー層７の膜厚が小さくなるような凹凸構造が形成されている。一方、透明バッファー層８の色フィルター９と接する表面８ａは平坦である。

マイクロレンズ１０は直交格子の交点位置に配置されており、各マイクロレンズ１０の中心軸上に１つの色フィルター９及び１つのフォトディテクター６が配置されている。

マイクロレンズ１０は、光線１１ａ’のようにマイクロレンズ１０の中心軸に対してシフトして入射する光を屈折させてフォトディテクター６に導く働きをなす。透明バッファー層７の表面７ａの凹凸構造もレンズ効果を有し、フォトディテクター６の中心から外れた方向に向かう発散光１１ｂ’を屈折させてフォトディテクター６に導く働きをなす。

色フィルター９は赤透過フィルター９Ｒ、緑透過フィルター９Ｇ、青透過フィルター９Ｂの３種類から構成され、赤透過フィルター９Ｒは図１８の曲線Ｒで示されるように赤以外の波長の光をカット（吸収）する光透過特性（分光感度特性）を有し、緑透過フィルター９Ｇは図１８の曲線Ｇで示されるように緑以外の波長の光をカット（吸収）する光透過特性（分光感度特性）を有し、青透過フィルター９Ｂは図１８の曲線Ｂで示されるように青以外の波長の光をカット（吸収）する光透過特性（分光感度特性）を有する（非特許文献２参照）。赤透過フィルター９Ｒ、緑透過フィルター９Ｇ、青透過フィルター９Ｂ、及び明るさ検出用の緑透過フィルター９Ｇからなる４つの色フィルター９と、これらに対応した４つのフォトディテクター６とでカラーの画像情報を検出するカラー画素を構成する。これら４つの色フィルター９に対応するフォトディテクター６の配置を図１９に示す。図１９において、Ｒは赤透過フィルター９Ｒに対応し赤色を検出するフォトディテクター、Ｇは緑透過フィルター９Ｇに対応し緑色を検出するフォトディテクター、Ｂは青透過フィルター９Ｂに対応し青色を検出するフォトディテクターを示す。一方の対角に２つの緑（基本画素Ｇ）が配置され、他方の対角に青（基本画素Ｂ）及び赤（基本画素Ｒ）が配置された２列×２行の４つの基本画素で１つのカラー画素１９が構成される。このような配置はベイヤー配列と呼ばれ、そのメリットは、カラー画素１９の半分のサイズ（基本画素のサイズ）だけ垂直方向（Ｘ軸方向）又は水平方向（Ｙ軸方向）にシフトした位置にもカラー画素１９’を構成できる点にある。これにより、カラー画素１９の半分のサイズ（カラー画素１９の１／４の面積）、即ち基本画素のサイズにまで解像度が改善される。

図２０は、光検出装置４の検出面の拡大平面図である。複数のフォトディテクター６が直交格子の交点位置に互いに離間し且つ絶縁されて配置されている。水平方向に隣り合うフォトディテクター６間には、垂直方向に延びる信号配線である複数の垂直転送ＣＣＤ１７が設けられており、複数の垂直転送ＣＣＤ１７は水平方向に延びる信号配線である水平転送ＣＣＤ１８と接続されている。マイクロレンズ１０で集光された光はその真下に位置するフォトディテクター６により受光され光電変換される。フォトディテクター６に蓄積した電荷は垂直転送ＣＣＤ１７に送られ、さらに水平転送ＣＣＤ１８に送られて、画像信号として出力される。

上記図１７Ｂに示した光検出装置４では、各フォトディテクター６に特定の色の光を入射させるために色フィルター９を用いている。これに対して、図２１に示すように、マイクロレンズ（図示せず）を透過した被写体からの光３０をマイクロプリズム３１を用いて分散させ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光をフォトディテクター３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂで検出する光検出装置が提案されている（特許文献１参照）。

特表２００２−５０２１２０号公報

光技術コンタクト，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１（２００２）、Ｐ２４ トランジスタ技術，２００３年２月号、Ｐ１２８

撮像用光検出装置に対しては、小型且つ高画素化に対する要求が益々高まっている。しかしながら、上記の従来の撮像用光検出装置では、以下の理由によりこの要求を満たすには限界があった。

第１の理由は、図１７Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では色フィルター９を用いて色分離を行っていることに起因する。例えば青透過フィルター９Ｂでは、青以外の波長の光は吸収されるので、図１８から明らかなように、青透過フィルター９Ｂを透過する光は入射した光の僅か２〜３割程度である。これは他の色フィルター９Ｒ，９Ｇについても同様である。高画素化のためにフォトディテクター６の間隔を小さくすると、フォトディテクター６やマイクロレンズ１０のサイズが小さくなる。これにより、１つのマイクロレンズ１０に入射する光の光量が少なくなり、更に色フィルター９でその多くが吸収されてしまうので、十分な量の光をフォトディテクター６に供給できなくなる。従って、検出信号は光ショットノイズ等のノイズ信号に埋もれてしまう。このため、従来の撮像用光検出装置ではフォトディテクター６の間隔は１．５μｍ程度が限界とされている。

第２の理由は、図１７Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では、フォトディテクター６に一対一に対応してマイクロレンズ１０が配置されていることに起因する。高画素化のためにフォトディテクター６の間隔を小さくすると、マイクロレンズ１０のサイズが小さくなり、これにともなってマイクロレンズ１０を透過する光束のサイズも小さくなる。ピンホールを透過した光の広がり角がピンホール径に反比例するように、光束のサイズ（即ちマイクロレンズ１０の直径）が微小になると光が拡散（回折）する特性が大きくなりすぎるので、マイクロレンズ１０を使って所望の集光性能を得ることが困難になる。マイクロレンズ１０の集光性能を得るためには、マイクロレンズ１０の直径は少なくとも波長の２〜３倍以上である必要があり、これが高画素化を妨げていた。

図２１に示した従来の光検出装置では、光を吸収する色フィルターを用いないので、光利用効率は向上する。しかしながら、プリズムの分散特性を利用した分光の作用（屈折角の波長による差）は極めて小さく、赤と緑、又は緑と青の光の間の変位は極めて小さい。従って、プリズムを光の分光に用いる場合、プリズムと光検出面との間隔を少なくとも数十〜数百μｍ以上に設定する必要があり、試作する上で現実的な寸法にはならない。

本発明は上記の従来の問題を解決し、光利用効率を向上させることでフォトディテクターの間隔を大幅に短縮化し、且つ、マイクロレンズに必要なサイズの確保と画素の高密度化とを両立させることを目的とする。また、本発明は、大きな分光作用を利用することで現実的な寸法を有する光検出装置を実現することを目的とする。

本発明の撮像用光検出装置は、基板上に少なくとも第１方向に沿って配列された複数の光検出器と、前記複数の光検出器の上方に形成された低屈折率透明層と、前記第１方向に沿って前記低屈折率透明層内に埋め込まれた柱状又は板状の複数の高屈折率透明部とを備える。前記高屈折率透明部の、前記基板に直交し且つ前記第１方向に沿った断面において、前記高屈折率透明部の中心軸が階段状に折れ曲がっている。前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光は、それらを通過することで、０次回折光と１次回折光と−１次回折光とに分離される。

本発明の撮像用光検出装置によれば、光の吸収ではなく回折によって光の色分離を行うので、光の利用効率が大幅に向上する。また、１個のマイクロレンズ当たり２種類または３種類の色情報の検出が可能になる。従って、マイクロレンズのサイズ確保と画素の高密度化とを両立させることが可能となる。更に、波長による回折角の差を利用して分光するので、高屈折率透明部と光検出器との間隔を狭くすることができ、現実的な寸法を実現できる。

図１は、本発明の撮像用光検出装置を用いた撮像装置の概略構成を示した側面図である。 図２は、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置の概略構成を示した図であり、図１の部分IIの拡大断面図である。 図３は、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。 図４Ａは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を波動光学的に説明する図である。 図４Ｂは、図４Ａにおいて、高屈折率透明部によって赤波長の光が１次回折光として分離される原理を波動光学的に説明する図である。 図４Ｃは、図４Ａにおいて、高屈折率透明部によって緑波長の光が０次回折光として分離される原理を波動光学的に説明する図である。 図４Ｄは、図４Ａにおいて、高屈折率透明部によって青波長の光が−１次回折光として分離される原理を波動光学的に説明する図である。 図５Ａは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部を介してフォトディテクターに伝搬する青波長の光の強度分布を示した図である。 図５Ｂは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部を介してフォトディテクター上に投影された青波長の光の強度分布を示した図である。 図６Ａは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部を介してフォトディテクターに伝搬する緑波長の光の強度分布を示した図である。 図６Ｂは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部を介してフォトディテクター上に投影された緑波長の光の強度分布を示した図である。 図７Ａは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部を介してフォトディテクターに伝搬する赤波長の光の強度分布を示した図である。 図７Ｂは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部を介してフォトディテクター上に投影された赤波長の光の強度分布を示した図である。 図８Ａはフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂで検出される光量の分光特性図である。 図８Ｂはフォトディテクター６Ｇ、６Ｒを結合した場合の分光特性図である。 図８Ｃはフォトディテクター６Ｂ、６Ｇを結合した場合の分光特性図である。 図９は表面からの深さ条件をパラメータにしたフォトディテクターの分光量子効率を示す図である。 図１０Ａはフォトディテクターの分光量子効率の効果を加えたフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂで発生する電流量の分光特性図である。 図１０Ｂはフォトディテクター６Ｇ、６Ｒを結合した場合のフォトディテクターの分光量子効率の効果を加えた電流量の分光特性図である。 図１０Ｃはフォトディテクター６Ｂ、６Ｇを結合した場合のフォトディテクターの分光量子効率の効果を加えた電流量の分光特性図である。 図１１は、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。 図１２Ａは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の一例を示した図である。 図１２Ｂは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の別の例を示した図である。 図１２Ｃは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置のさらに別の例を示した図である。 図１２Ｄは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置のさらに別の例を示した図である。 図１３は、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置の概略構成を示した図であり、図１の部分XIIIの拡大断面図である。 図１４は、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。 図１５Ａは、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の一例を示した図である。 図１５Ｂは、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の別の例を示した図である。 図１５Ｃは、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置のさらに別の例を示した図である。 図１５Ｄは、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置のさらに別の例を示した図である。 図１５Ｅは、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置のさらに別の例を示した図である。 図１５Ｆは、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置のさらに別の例を示した図である。 図１６Ａは、本発明の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部の断面形状の別の例を示した図である。 図１６Ｂは、本発明の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部の断面形状のさらに別の例を示した図である。 図１６Ｃは、本発明の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部の断面形状のさらに別の例を示した図である。 図１６Ｄは、本発明の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部の断面形状のさらに別の例を示した図である。 図１６Ｅは、本発明の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部の断面形状のさらに別の例を示した図である。 図１７Ａは、従来の撮像装置の概略構成を示した側面図である。 図１７Ｂは、従来の撮像用光検出装置の概略構成を示した図であり、図１７Ａの部分XVIIＢの拡大断面図である。 図１８は、従来の撮像用光検出装置に用いられる３種の色フィルタの分光感度特性を示した図である。 図１９は、従来の撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の一例を示した図である。 図２０は、従来の撮像用光検出装置の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。 図２１は、マイクロプリズムを用いて色分離を行う従来の撮像用光検出装置の原理を示した図である。

上記の本発明の撮像用光検出装置において、前記高屈折率透明部の前記断面において、前記高屈折率透明部の幅が前記中心軸の折れ曲がりの前後で変化し、前記中心軸の前記折れ曲がりに対して前記基板側での前記高屈折率透明部の幅はこれと反対側での前記高屈折率透明部の幅よりも小さいことが好ましい。これにより、光の分離をより効果的に行うことができる。なお、ここで、「前記高屈折率透明部の幅」とは、中心軸の折れ曲がり近傍での高屈折率透明部の幅を意味すると解釈されることが好ましい。

前記０次回折光が第１光検出器で、前記１次回折光が第２光検出器で、前記−１次回折光が第３光検出器で、それぞれ検出されることが好ましい。これにより、異なる光検出器で波長が異なる光をそれぞれ検出することができる。

上記において、前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光が白色光の場合、前記第１光検出器に入射する光は０．５０μｍ〜０．６０μｍの緑波長領域で光量ピークをなし、前記第２光検出器に入射する光は０．６０μｍを越える赤波長領域で光量ピークをなし、前記第３光検出器に入射する光は０．５０μｍ未満下の青波長領域で光量ピークをなすことが好ましい。これにより、三原色を検出することができる。

この場合、前記第１光検出器はその表面を含まない深層領域で光を検出し、前記第２光検出器はその表面を含まない深層領域で光を検出し、前記第３光検出器はその表面を含む表層領域で光を検出することが好ましい。これにより、混色を抑え、分光性能を向上させることができる。

あるいは、前記０次回折光と前記１次回折光とが第１光検出器で、前記−１次回折光が第２光検出器で、それぞれ検出されても良い。これにより、１つの原色と、その補色とを検出することができる。

上記において、前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光が白色光の場合、前記第１光検出器に入射する光は０．５０μｍ以上の青波長領域以外の波長領域で光量ピークをなし、前記第２光検出器に入射する光は０．５０μｍ未満下の青波長領域で光量ピークをなすことが好ましい。これにより、青と、その補色であるイエローとを検出することができる。

この場合、前記第１光検出器はその表面を含まない深層領域で光を検出し、前記第２光検出器はその表面を含む表層領域で光を検出することが好ましい。これにより、混色を抑え、分光性能を向上させることができる。

あるいは、前記１次回折光が第１光検出器で、前記０次回折光と前記−１次回折光とが第２光検出器で、それぞれ検出されても良い。これにより、１つの原色と、その補色とを検出することができる。

上記において、前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光が白色光の場合、前記第１光検出器に入射する光は０．６０μｍを越える赤波長領域で光量ピークをなし、前記第２光検出器に入射する光は０．６０μｍ以下の赤波長領域以外の波長領域で光量ピークをなすことが好ましい。これにより、赤と、その補色であるシアンとを検出することができる。

この場合、前記第１光検出器はその表面を含まない深層領域で光を検出し、前記第２光検出器はその表面を含む表層領域で光を検出することが好ましい。これにより、混色を抑え、分光性能を向上させることができる。

上記の本発明の撮像用光検出装置において、前記第１方向に沿って配置された前記複数の高屈折率透明部の前記中心軸の折れ曲がりの向きが交互に反転していてもよい。この場合、前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対して前記第１方向に互いに隣り合う３つの前記光検出器が対応し、前記第１方向に沿って配置された前記３つの光検出器のうちの両外側の２つの光検出器は、前記３つの光検出器に対応する高屈折率透明部に対して前記第１方向において互いに隣り合う高屈折率透明部にも対応していることが好ましい。これにより、１つの高屈折率透明部で３つの光を分離することができるので、高解像度化が可能となる。

上記において、前記第１方向と平行な複数の列に沿って前記高屈折率透明部が配置されていても良い。この場合、前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列を構成する各高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの０倍、０．５倍、１倍、又は１．５倍だけ位置ずれしていることが好ましい。これにより、様々な画素配置に対応することができる。

あるいは、上記の本発明の撮像用光検出装置において、前記第１方向に沿って配置された前記複数の高屈折率透明部の前記中心軸の折れ曲がりの向きが同じであってもよい。この場合、前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対して前記第１方向に互いに隣り合う３つの前記光検出器が対応し、前記複数の光検出器のそれぞれは、前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光のうちのいずれか１つを検出することが好ましい。これにより、１つの高屈折率透明部で３つの光を分離することができるので、高解像度化が可能となる。

上記において、前記第１方向と平行な複数の列に沿って前記高屈折率透明部が配置されていても良い。

この場合、前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列における前記中心軸の折れ曲がりの向きが前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で同じであり、前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列を構成する各高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの０倍、１／３倍、又は２／３倍だけ位置ずれしていることが好ましい。これにより、様々な画素配置に対応することができる。

あるいは、前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列における前記中心軸の折れ曲がりの向きが前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で反転しており、前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列を構成する各高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの０倍、１／３倍、又は２／３倍だけ位置ずれしていることが好ましい。これにより、様々な画素配置に対応することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面を用いて説明する。これらの図において従来例と共通する要素には、同一の符号を付している。但し、以下の実施形態は一例に過ぎず、本発明はこれらの実施形態に限定されないことは言うまでもない。

図１は、本発明の光検出装置を用いた撮像装置の概略構成を示した側面図である。自然光等の光が物体１に入射し、これを反射した光は、レンズ系２によりＣＣＤやＣＭＯＳ等の光検出装置４上に像３を形成する。レンズ系２は、一般には光学性能を確保するために光軸に沿って並んだ複数のレンズを組み合わせて構成されるが、図１では図面を簡略化して単一のレンズとして描かれている。以下の説明の便宜のために、光検出装置４の光検出面（または後述する基板５の表面）の法線方向軸をＺ軸、光検出面に平行な垂直方向軸をＸ軸、光検出面に平行な水平方向軸をＹ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。

（実施形態１）
図２は、本発明の実施形態１に係る光検出装置４の概略構成を示した図であり、図１の部分IIの拡大断面図である。複数のフォトディテクター６が形成された検出基板５上に、ＳｉＯ₂等からなる低屈折率の透明バッファー層７、ＳｉＮ等からなる高屈折率の透明バッファー層８、ＳｉＯ₂等からなる低屈折率透明層１２、複数のマイクロレンズ１０がこの順で積層されている。低屈折率透明層１２内には、ＳｉＮ等からなる複数の高屈折率透明部１３が埋め込まれている。透明バッファー層７の透明バッファー層８と接する表面７ａには、各マイクロレンズ１０の中心軸上で透明バッファー層７の膜厚が小さくなるような凹凸構造が形成され、レンズと同じ作用をする（表面７ａの凹凸構造を内部マイクロレンズと呼ぶ）。一方、透明バッファー層８の低屈折率透明層１２と接する表面８ａは平坦である。

マイクロレンズ１０はＸ軸方向に平行な複数の直線及びＹ軸方向に平行な複数の直線によって形成される直交格子の各交点位置に配置されている。高屈折率透明部１３はマイクロレンズ１０と一対一に対応し、各マイクロレンズ１０の中心軸上に１つの高屈折率透明部１３が配置されている。フォトディテクター６も、Ｘ軸方向に平行な複数の直線及びＹ軸方向に平行な複数の直線によって形成される直交格子の各交点位置に配置されている。Ｘ軸方向（図２の紙面の上下方向）に隣り合う各マイクロレンズ１０の中心軸はひとつおきにフォトディテクター６のほぼ中心を通過する。Ｙ軸方向（図２の紙面に直交する方向）に隣り合う各マイクロレンズ１０の中心軸は、隣り合う各フォトディテクター６のほぼ中心を通過する（後述する図１１参照）。

マイクロレンズ１０は、光線１１ａ’のようにマイクロレンズ１０の中心軸に対してシフトして入射する光を屈折させて高屈折率透明部１３に導く働きをなす。透明バッファー層７の表面７ａの凹凸構造（内部マイクロレンズ）もレンズ効果を有し、高屈折率透明部１３を出射する各回折光Ｄ₀，Ｄ₁、Ｄ_-1が発散するのを抑え、それぞれを小さいスポットのまま対応するフォトディテクター６に導く働きをなす。更に、高屈折率透明部１３は導波路の働きをなすので、マイクロレンズ１０の中心軸に対して傾いた光が入射すると、その光の伝搬方位を矯正し、フォトディテクター６に導く働きをなす。本明細書では、フォトディテクター６を、これに入射する光の波長によって特に区別する必要がある場合には添字「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」のいずれかを付し、区別する必要がない場合には添字を省略して表示する。

図２に示すように、高屈折率透明部１３のＸ軸及びＺ軸を含む面（ＸＺ面）に沿った断面において、高屈折率透明部１３のＸ軸方向の中央の点をＺ軸方向に順に結んで得られる線を、高屈折率透明部１３の「中心軸」と呼ぶ。高屈折率透明部１３の中心軸１４は階段状に折れ曲がっている。本実施形態１では、高屈折率透明部１３のＸ軸方向寸法（幅）は中心軸１４の折れ曲がりの前後で変化しており、折れ曲がりの前側（マイクロレンズ１０側）での幅ｗ１と後側（フォトディテクター６側）での幅ｗ２はｗ１＞ｗ２を満たす。幅ｗ１、ｗ２の部分のＺ軸方向長さは順にｈ１，ｈ２である。本実施形態１では、幅ｗ１の部分の中心軸１４と幅ｗ２の部分の中心軸１４とはいずれもＺ軸に平行であり、両者のＸ軸方向の段差ｓはｓ＝（ｗ１−ｗ２）／２である。さらに、本実施形態１では、中心軸１４の折れ曲がりの向きに基づいて高屈折率透明部１３は２種類に分類される。即ち、高屈折率透明部１３は、図２の紙面において、幅ｗ１の部分の中心軸１４に対して幅ｗ２の部分の中心軸１４が上側に位置する高屈折率透明部１３ａと下側に位置する高屈折率透明部１３ｂとを含む。本明細書では、中心軸１４の折れ曲がりの向きの違いによって高屈折率透明部１３を特に区別する必要がある場合には添字「ａ」又は「ｂ」を付し、区別する必要がない場合には添字を省略して表示する。本実施形態１では、Ｘ軸方向に隣り合う２つの高屈折率透明部１３の中心軸１４の折れ曲がりの向きが互いに逆である。即ち、Ｘ軸方向において、高屈折率透明部１３ａと高屈折率透明部１３ｂとが交互に配置されている。

高屈折率透明部１３は、Ｙ軸方向（図２の紙面に垂直な方向）に連続する板状、または、Ｙ軸方向のマイクロレンズ１０の配置位置に一対一に対応して分離された柱状をなす。高屈折率透明部１３が柱状の場合、そのＹ軸方向寸法はＸ軸方向に太い部分の幅（本実施形態１では幅ｗ１）の２〜３倍以上である。

高屈折率透明部１３に入射する光１１は、高屈折率透明部１３を出射する際にＸＺ面内で０次回折光Ｄ₀、１次回折光Ｄ₁、−１次回折光Ｄ_-1に分離し、それぞれフォトディテクター６Ｇ、６Ｒ、６Ｂで検出される。高屈折率透明部１３ａと高屈折率透明部１３ｂとは中心軸１４の折れ曲がりの向きが逆であるので、０次回折光Ｄ₀に対する１次回折光Ｄ₁及び−１次回折光Ｄ_-1の出射方向は高屈折率透明部１３ａと高屈折率透明部１３ｂとで逆となる。０次回折光Ｄ₀、１次回折光Ｄ₁、及び−１次回折光Ｄ_-1の各光分布が互いにはっきりと分離するためには、高屈折率透明部１３の先端とフォトディテクター６との間に１μｍ以上の間隔が設けられることが好ましい。

図３は、本実施形態１の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部１３によって回折光が発生する原理を説明する図である。高屈折率透明部１３は幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ１，ｗ２、長さ（Ｚ軸方向寸法）ｈ１，ｈ２を有し、紙面に垂直な方向（Ｙ軸方向）に延びた板状とする。中心線１４の折れ曲がりの段差をｓとする（簡単のためｓ＝（ｗ１−ｗ２）／２の場合を図示している）。高屈折率透明部１３の屈折率をｎ、その周囲の低屈折率透明層１２の屈折率をｎ₀とする。マイクロレンズ１０を経て高屈折率透明部１３に入射する光１１の波面を平面波１５とすると、この光１１が高屈折率透明部１３及びその周囲の低屈折率透明層１２を透過することで、出射した光の波面１６には次式で示す位相シフトδが発生する（真空中での長さに換算）。

（式１） δ＝ｈ２（ｎ−ｎ₀）
この位相シフトにより出射光は０次回折光Ｄ₀、１次回折光Ｄ₁、−１次回折光Ｄ_-1に回折分離する。光１１の波長をλとすると、｜δ−ｋλ｜を最もゼロに近づける整数ｋが必ず存在する。この整数ｋに対してδ−ｋλ＝０ならば、出射した光の波面１６は平面波Ａ₀と同じであり、大半のエネルギーが０次回折光Ｄ₀に配分される。δ−ｋλ＜０ならば、出射した光の波面１６は平面波Ａ₁とほぼ同じになり、大半のエネルギーが１次回折光Ｄ₁に配分される。δ−ｋλ＞０ならば、出射した光の波面１６は平面波Ａ_-1とほぼ同じになり、大半のエネルギーが−１次回折光Ｄ_-1に配分される。

例えば、δが１．１μｍの場合、緑波長の光の場合にはｋ＝２、λ＝０．５５μｍの条件でδ−ｋλ＝０が成り立つが、同じｋに対し、赤波長ではδ−ｋλ＜０、青波長ではδ−ｋλ＞０になる。従って、高屈折率透明部１３に入射する白色の光１１は、０次回折光Ｄ₀に緑の光、１次回折光Ｄ₁に赤の光、−１次回折光Ｄ_-1に青の光がそれぞれ分離して出力される。なお、（式１）に寸法ｗ１、ｈ１等が含まれていないことから、高屈折率透明部１３の構造のうち、中心軸１４の折れ曲がりより前側（マイクロレンズ１０側）の部分は不要の様にも見えるが、そうではない。以上は飽くまで幾何光学的な説明であり、波動光学的には次のように説明できる。

図４Ａ〜図４Ｄは、本実施形態１の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部１３によって回折光が発生する原理を波動光学的に説明する図である。図４Ａに示すように、マイクロレンズ１０を経て高屈折率透明部１３に入射する光１１は高屈折率透明部１３の内部を伝搬する０次の導波モードの光Ｍ₀を励起する。この導波モード光Ｍ₀は高屈折率透明部１３の中心軸１４の折れ曲がり部分を通過することで伝搬モードが乱され、折れ曲がり部分の後側（フォトディテクター６側）の伝搬では０次の導波モードの光ｍ₀の他に、１次の導波モードの光ｍ₁、及び高次の導波モード光や放射モード光等が発生する。０次の導波モード光ｍ₀は光の振幅分布がガウシアン形状をなすが、１次の導波モード光ｍ₁は伝搬路の中心軸近傍で振幅の極性が反転する。しかも、等価屈折率は０次の導波モード光ｍ₀が１次の導波モード光ｍ₁よりも大きくなるので、同一の導波路内に０次の導波モード光ｍ₀と１次の導波モード光ｍ₁がバランスよく混在すると、これらが伝搬方向に沿って複雑に干渉し、波長に比例した間隔で強めあったり弱めあったりする。１次の導波モード光ｍ₁の振幅の極性が中心軸近傍で反転することから、光の干渉も中心軸を境に反転する。例えば、赤波長の光の場合は、図４Ｂに示すように、複数のポイントＰ_Rで２つのモードの光が強め合う。高屈折率透明部１３の出射端に最終のポイントＰ_Rが位置する場合、１次回折光Ｄ₁のように伝搬路の中心軸から最終のポイントＰ_R側に向かう側に光が放射される。青波長の光の場合は、図４Ｄに示すように、複数のポイントＰ_Bで２つのモードの光が強め合う。ポイントＰ_Bの間隔はポイントＰ_Rの間隔よりも短い。高屈折率透明部１３の出射端に最終のポイントＰ_Bが位置する場合、−１次回折光Ｄ_-1のように伝搬路の中心軸から最終のポイントＰ_B側に向かう側に光が放射される。一方、緑波長の光の場合は、図４Ｃに示すように、複数のポイントＰ_Gで２つのモードの光が強め合う。ポイントＰ_Gの間隔はポイントＰ_Rの間隔よりも短く、ポイントＰ_Bの間隔よりも長い。高屈折率透明部１３の出射端が最終のポイントＰ_Gと仮想的な次のポイントＰ_G’との中間に位置する場合、０次回折光Ｄ₀のように伝搬路の中心軸に沿った方向に光が放射される。従って、高屈折率透明部１３に入射する白色の光１１は、０次回折光Ｄ₀に緑の光、１次回折光Ｄ₁に赤の光、−１次回折光Ｄ_-1に青の光がそれぞれ分離して出力される。上記の説明は一例であって、高屈折率透明部１３の各部の寸法によっては、１次回折光Ｄ₁が青の光、−１次回折光Ｄ_-1が赤の光となる場合もある。寸法ｗ２、ｈ２を有する構造部分で２種類のモード光をバランスよく混在させるには、寸法ｗ１、ｈ１を有する構造部分と段差ｓを有する中心軸１４の折れ曲がり構造とが不可欠であり、このことは上述の様な波動光学的な説明で初めて明らかにされる。入射光１１を効率よく導波モードに変換するには、幅ｗ１はある程度大きい必要がある。また、折れ曲がり後に発生する導波モードの次数（すなわち導波モード光の総数）をできるだけ少なくするには、幅ｗ２は小さい方が好ましい。従って、中心軸１４が折れ曲がった高屈折率透明部１３で２種類のモード光をバランスよく混在させるには一般にはｗ１＞ｗ２の関係を満足することが好ましい。

図５Ａ、図６Ａ、図７Ａは、本実施形態１の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部１３を介してフォトディテクター側に伝搬する、それぞれ波長０．４５μｍ、０．５５μｍ、０．６５μｍの光のＸＺ断面での強度分布（波動光学に基づく計算結果）を示している。図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂは、フォトディテクターの光検出面上に投影された光のＸＹ断面での強度分布（波動光学に基づく計算結果）を示した図である。計算は以下の条件で行った。マイクロレンズ１０を省略し、ＸＹ座標で原点を中心にした１．５μｍ×１．５μｍの正方形の領域に一様強度の白色光をＺ軸方向に沿って入射させた。高屈折率透明部１３の幅ｗ１＝０．３０μｍ、ｗ２＝０．１５μｍ、長さｈ１＝ｈ２＝０．６０μｍ、中心軸１４の折れ曲がり段差ｓ＝０．１０μｍとし、高屈折率透明部１３を寸法ｗ２、ｈ２を有する構造部分がＸ軸方向に１．５μｍピッチで並ぶように配置し、Ｙ軸方向には連続させた。さらに、内部マイクロレンズ７ａはＸ軸方向、Ｙ軸方向ともに１．５μｍピッチで並び、内部マイクロレンズ７ａの先端からフォトディテクター６の表面までの距離は１．０μｍとした。なお、高屈折率透明部１３と高屈折率の透明バッファー層８とはＳｉＮを想定して屈折率２．０４、アッベ数２０とし、低屈折率の透明バッファー層７と低屈折率透明層１２とはＳｉＯ₂を想定して屈折率１．４５６、アッベ数６５とした。フォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂはこの順に隣接し、Ｘ軸方向×Ｙ軸方向のサイズは順に０．７５μｍ×１．０μｍ、０．６５μｍ×１．０μｍ、０．８５μｍ×１．０μｍとした（均等な分割からフォトディテクター６Ｇ、６Ｂの間の分割線を０．１０μｍだけＸ軸の正の向きにシフトさせた）。図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂでは３個のフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂしか示していないが、実際にはこれらのフォトディテクターがこの順でＸ軸方向に隙間なく並び、Ｙ軸方向には１．５μｍピッチ（すなわち０．５μｍの隙間を空けて）で並んでいた。Ｙ軸方向に設けられた隙間はＣＣＤ転送路や配線等に用いられる。図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂから分かるように、本実施形態１の高屈折率透明部１３により、光が赤、緑、青の色毎に分別され、それぞれ異なったフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂで検出されることが分かる。

図８Ａは光検出面上の独立したフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂで検出される光量を波長を横軸にしてプロットした分光特性図である。縦軸の光量比とは入射光量を１として規格化した各フォトディテクターでの検出光量である。曲線Ｒ、Ｇ、Ｂはそれぞれフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂで検出される光量分布曲線を示す。フォトディテクター６Ｇに入射する光の光量分布曲線Ｇは０．５０μｍ〜０．６０μｍの緑波長領域で光量ピークをなし、フォトディテクター６Ｒに入射する光の光量分布曲線Ｒは０．６０μｍを越える赤波長領域で光量ピークをなし、フォトディテクター６Ｂに入射する光の光量分布曲線Ｂは０．５０μｍ未満下の青波長領域で光量ピークをなしている。図８Ａに示した特性は図１８で示した従来の光検出装置に於ける色フィルターの分光感度特性に相当し、フォトディテクターのＸ軸方向の配置ピッチが０．７５μｍという高解像の条件にも関わらず、良好な分光性能を示している。なお、曲線Ｒ、Ｇ、Ｂの総和は入射光量から２〜３割少なくなるが、その減少分のうちの一部は反射成分、一部はフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂの外に漏れる成分であり、後者は迷光となって他の領域のフォトディテクターに検出されるので実際の分光特性は図８Ａより若干劣化する。

図８Ｂはフォトディテクター６Ｇ、６Ｒを結合した場合、図８Ｃはフォトディテクター６Ｂ、６Ｇを結合した場合の、図８Ａと同様の手法で作成した分光特性図である。図８Ｂにおいて曲線Ｇ＋Ｒはフォトディテクター６Ｇ、６Ｒが結合された結合化フォトディテクターで検出される光量分布曲線を示し、図８Ｃにおいて曲線Ｂ＋Ｇはフォトディテクター６Ｂ、６Ｇが結合された結合化フォトディテクターで検出される光量分布曲線を示す。フォトディテクター６Ｇ、６Ｒを結合すると、図８Ｂに示すように、結合化フォトディテクターに入射する光の光量分布曲線Ｇ＋Ｒは０．５０μｍ以上の青波長領域以外の波長領域で光量ピークをなし、フォトディテクター６Ｂに入射する光の光量分布曲線Ｂは０．５０μｍ未満下の青波長領域で光量ピークをなす。従って、青色と、青色の補色であるイエローとを検出することができる。フォトディテクター６Ｂ、６Ｇを結合すると、図８Ｃに示すように、フォトディテクター６Ｒに入射する光の光量分布曲線Ｒは０．６０μｍを越える赤波長領域で光量ピークをなし、結合化フォトディテクターに入射する光の光量分布曲線Ｂ＋Ｇは０．６０μｍ以下の赤波長領域以外の波長領域で光量ピークをなす。従って、赤色と、赤色の補色であるシアンとを検出することができる。このように、０次回折光と１次回折光又は−１次回折光とが同一のフォトディテクターで検出されるようにフォトディテクターを組み合わせることにより、原色とその補色とを検出することができる。

図９はＳｉの複素屈折率の分散から割り出したフォトディテクターの量子効率の波長依存性（分光量子効率）を示しており、表面からの深さｄμｍの範囲をパラメータにしている。分光量子効率とは、ある波長の光を一定量だけ照射したときに光電効果により発生する、規格化された電子数を意味する。分光量子特性に図８Ａ〜図８Ｃのような光量の分光特性を掛け合わせたものがフォトディテクターで発生する電流量になる。曲線ａ１はｄ＝０．０〜０．２μｍ、曲線ａ２はｄ＝０．０〜０．５μｍ、曲線ａ３はｄ＝０．０〜０．８μｍ、曲線ａ４はｄ＝０．０〜１．２μｍ、曲線ａ５はｄ＝０．０〜３．０μｍ、曲線ｂ１はｄ＝０．２〜３．０μｍ、曲線ｂ２はｄ＝０．５〜３．０μｍ、曲線ｂ３はｄ＝０．８〜３．０μｍ、曲線ｂ４はｄ＝１．２〜３．０μｍでの分光量子効率である。短波長の光は表層で吸収されやすく、長波長になるほど深層でも吸収されることが分かる。

フォトディテクターのどの深さの領域に感度を持たせるかは、自由な設定が技術的に可能である。この技術を図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃで示した分光特性に導入すると次のようになる。図１０Ａは、図８Ａの分光特性において、フォトディテクターの光検出領域を、フォトディテクター６Ｒでｄ＝０．５〜３．０μｍ、フォトディテクター６Ｂでｄ＝０．０〜０．２μｍ、フォトディテクター６Ｇでｄ＝０．２〜３．０μｍで設計した場合の分光特性図である。図１０Ｂは、図８Ｂの分光特性において、フォトディテクターの光検出領域を、フォトディテクター６Ｇ，６Ｒが結合された結合化フォトディテクターでｄ＝０．５〜３．０μｍ、フォトディテクター６Ｂでｄ＝０．０〜０．２μｍで設計した場合の分光特性図である。図１０Ｃは、図８Ｃの分光特性において、フォトディテクターの光検出領域を、フォトディテクター６Ｒでｄ＝０．５〜３．０μｍ、フォトディテクター６Ｇ，６Ｂが結合された結合化フォトディテクターでｄ＝０．０〜１．２μｍで設計した場合の分光特性図である。図１０Ａでは図８Ａに比べてより混色が少ない赤、緑、青の分光特性が得られており、図１０Ｂでは図８Ｂに比べて混色が少ない青、イエローの分光特性が得られており、図１０Ｃでは図８Ｃに比べて混色が少ない赤、シアンの分光特性が得られている。このように、本実施形態１にフォトディテクターの分光量子効率の特性を組み合わせることで、理想的な分光性能に近づけられることが分かる。

図１１は、本実施形態１の撮像用光検出装置の光検出面を含む構成要素の拡大平面図である。Ｙ軸方向に隣り合うフォトディテクター６間には、Ｘ軸方向に延びる信号配線である複数の垂直転送ＣＣＤ１７が設けられており、複数の垂直転送ＣＣＤ１７はＹ軸方向に延びる信号配線である水平転送ＣＣＤ１８と接続されている。

撮像用光検出装置に入射する白色の光は、高屈折率透明部１３ａ，１３ｂを通過し、回折することでＸＺ面内で波長毎に分別され、フォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂにより受光され光電変換される。各フォトディテクターに蓄積した電荷は垂直転送ＣＣＤ１７に送られ、さらに水平転送ＣＣＤ１８に送られて、画像信号として出力される。

Ｘ軸方向においては、高屈折率透明部１３ａ，１３ｂが交互に配置されている。このようにしてＸ軸方向に沿って配置された高屈折率透明部の列は、高屈折率透明部のＸ軸方向の配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）の１倍だけＸ軸方向に位置ずれしながら、順次Ｙ軸方向に配置されている。その結果、Ｙ軸方向においても、高屈折率透明部１３ａ，１３ｂが交互に配置されている。

フォトディテクター６Ｇは高屈折率透明部１３ａ，１３ｂの真下（即ち、内部マイクロレンズ７ａの中心軸上）にそれぞれ配置されている。さらに、Ｘ軸方向に隣り合うフォトディテクター６Ｇ，６Ｇ間にはフォトディテクター６Ｒ，６Ｇが交互に配置されている。即ち、Ｘ軸方向においては、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ，６Ｇがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。このようにしてＸ軸方向に沿って配置されたフォトディテクターの列は、高屈折率透明部のＸ軸方向配置ピッチの１倍だけＸ軸方向に位置ずれしながら、順次Ｙ軸方向に配置されている。フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ_R、ｗ_G、ｗ_Bは同一でも異なっていても良い。図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂの例では、ｗ_R＝０．７５μｍ、ｗ_G＝０．６５μｍ、ｗ_B＝０．８５μｍであり、Ｘ軸方向に沿ったフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂからなる並びのＸ軸方向の中心が、高屈折率透明部１３の幅ｗ２を有する部分の中心軸１４に一致していた。

図１２Ａに、図１１に示した光検出装置４におけるフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置を示す。図面を簡単化するために、符号「６」を省略し、添字Ｒ、Ｇ、Ｂのみを記載している。１つのカラー画素１９は、２つの緑（基本画素Ｇ）と１つの青（基本画素Ｂ）と１つの赤（基本画素Ｒ）とを含む２列×２行の４つの基本画素で構成される。図１２Ａの配置は、図１９に示した従来の光検出装置におけるベイヤー配列と違って、２つの緑Ｇは、カラー画素１９内においてＹ軸方向に隣り合って配置されている。しかし、ベイヤー配列と同様に、カラー画素１９の半分のサイズ（基本画素のサイズ）だけＸ軸方向又はＹ軸方向にシフトした位置にもカラー画素１９’を構成できる。従って、解像度がカラー画素１９の半分のサイズ（カラー画素１９の１／４の面積）、すなわち基本画素のサイズにまで改善されることは図１９のベイヤー配列と同じである。

上述したように、図１７Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では光の色分離を赤、緑、青の３色のうちの２色を選択的に吸収する色フィルター９により行っていたので、色フィルター９により７〜８割の光が吸収されていた。これに対して、本実施形態１の撮像用光検出装置では、光の色分離を光の吸収ではなく、光の回折を利用して行っているので、光の全エネルギーを活用できる。従って、本実施形態１では、光の利用効率が従来の２〜３倍に向上する。

また、図１７Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では、マイクロレンズ１個で１つの色の情報を検出していた。これに対して、本実施形態１の撮像用光検出装置では、マイクロレンズ１個で２種類以上の色情報を検出する。従って、マイクロレンズ１０（または内部マイクロレンズ７ａ）のサイズを一定にして比較すると、本実施形態１では従来に比べ画素密度を２倍以上にすることが可能となる。

更に、図２１に示した従来の光検出装置では、光の色分離を行うためにプリズムの分散特性を利用するので分光の作用（屈折角の波長による差）が小さいという問題があった。これに対して、本実施形態１の撮像用光検出装置では、光の波面に発生する位相シフト（更に言い換えれば、中心軸１４が折れ曲がった導波路内で発生するモード移行）を利用するので、分光の作用（回折角の波長による差）が大きい。従って、図５Ａ、図６Ａ、及び図７Ａに示したように、高屈折率透明部の先端と光検出面との間隔を１〜３μｍに設定すれば、０次回折光（緑）、１次回折光（赤）、−１次回折光（青）の３つのスポット間に０．５μｍ以上の変位を与えることができ、試作する上で十分現実的な寸法といえる。

高屈折率透明部１３ａ，１３ｂ及びフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置は図１１及び図１２Ａに限定されず、種々に変更することができる。図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄは、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置の別の例を図１２Ａと同様に示した図である。図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄでは、図１２Ａと同様に、Ｘ軸方向に沿ったフォトディテクターの列においては、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ，６Ｇがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。このようなＹ軸方向に沿ったフォトディテクターの列が、高屈折率透明部のＸ軸方向配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）に対して、図１２Ｂでは０倍、図１２Ｃでは０．５倍、図１２Ｄでは１．５倍だけＸ軸方向に位置ずれしながら、順次Ｙ軸方向に配置されている。

図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄのようなフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置を実現するための高屈折率透明部１３ａ，１３ｂの配置は、図示を省略するが、図１１より容易に推測することができるであろう。即ち、図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄのいずれにおいても、図１１と同様に、Ｘ軸方向に沿った高屈折率透明部の列においては高屈折率透明部１３ａ，１３ｂが交互に配置される。このような高屈折率透明部の列が、高屈折率透明部のＸ軸方向の配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）に対して、図１２Ｂでは０倍、図１２Ｃでは０．５倍、図１２Ｄでは１．５倍だけＸ軸方向に位置ずれしながら、順次Ｙ軸方向に配置される。図１２Ａ、図１２Ｂでは、高屈折率透明部の列間において高屈折率透明部のＸ軸方向位置が一致するので、高屈折率透明部をＹ軸方向に連続する板状に形成することができる。さらに、図１２Ｂでは、高屈折率透明部の列間において高屈折率透明部１３ａ，１３ｂのＸ軸方向位置が一致するので、高屈折率透明部をＸＺ断面形状がＹ軸方向に一定の板状に形成することができる。一方、図１２Ｃ、図１２Ｄでは、高屈折率透明部の位置に対応してマイクロレンズ１０及び内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向の位置が、Ｙ軸方向に隣り合う列間でＸ軸方向のその配置ピッチの０．５倍だけ位置ずれされる。即ち、Ｚ軸と平行に見たとき、円形であるマイクロレンズ１０及び内部マイクロレンズ７ａがハニカム状に配置される。従って、マイクロレンズ１０、高屈折率透明部１３、及び内部マイクロレンズ７ａのＹ軸方向の配置ピッチを小さくして、被写体からの光の利用効率を更に高めることができる。

上述した図１２Ａ〜図１２Ｄは三原色を検出することを想定した画素配置の例である。例えば、上述したようにフォトディテクター６Ｇとフォトディテクター６Ｒ又はフォトディテクター６Ｂとを結合して原色とその補色とを検出する場合には、フォトディテクターの配置は、図１２Ａ〜図１２Ｄとは異なる配置となり、所望する画素配置に応じて種々に設定することができる。

（実施形態２）
図１３は、本発明の実施形態２に係る光検出装置４の概略構成を示した図であり、図１の部分XIIIの拡大断面図である。図１４は、本実施形態２に係る光検出装置４の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。図１５Ａは、図１４に示した光検出装置４におけるフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置を図１２Ａと同様に示した図である。本実施形態２において、実施形態１と同じ要素には同一の符号を付してそれらについての詳細な説明を省略する。

図１３から明らかなように、本実施形態２は、Ｘ軸方向に沿って配置された高屈折率透明部１３の中心軸１４の折れ曲がりの向きが同じである点で、中心軸１４の折れ曲がりの向きが交互に反転していた実施形態１と異なる。図１３に示したＸＺ断面には、高屈折率透明部１３ａのみが存在し、高屈折率透明部１３ｂは存在しない。

本実施形態２は、高屈折率透明部１３の配置に関して実施形態１と上記のように異なる結果、高屈折率透明部１３とフォトディテクター６との対応関係も実施形態１と異なる。即ち、図１３から明らかなように、本実施形態２は、Ｘ軸方向に隣り合うフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂに対して１つの高屈折率透明部１３が対応する点で、Ｘ軸方向に隣り合うフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂのうち両外側のフォトディテクター６Ｒ，６Ｂに対してはそれぞれ２つの高屈折率透明部１３が対応する実施形態１と異なる。本実施形態２では、Ｘ軸方向においては、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。

図１４を参照すると、本例では、Ｘ軸方向に沿って配置された高屈折率透明部１３ａの列が、Ｘ軸方向に位置ずれすることなくＹ軸方向に繰り返し配置されている。その結果、Ｙ軸方向に沿って高屈折率透明部１３ａが連続して配置されている。

さらに、Ｘ軸方向においては、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。このようにしてＸ軸方向に沿って配置されたフォトディテクターの列が、Ｘ軸方向に位置ずれすることなくＹ軸方向に繰り返し配置されている。その結果、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６ＢのそれぞれがＹ軸方向に互いに隣り合う。実施形態１と同様に、フォトディテクター６Ｇは高屈折率透明部１３ａの真下（即ち、内部マイクロレンズ７ａの中心軸上）にそれぞれ配置されている。

図１５Ａを参照すると、カラー画素を２列×２行の４つの基本画素で構成しようとすると、カラー画素１９は２つの緑（基本画素Ｇ）と２つの青（基本画素Ｂ）とで構成され、カラー画素１９の半分のサイズ（基本画素のサイズ）だけＸ軸方向又はＹ軸方向にシフトした位置には、２つの緑（基本画素Ｇ）と２つの赤（基本画素Ｒ）とで構成されるカラー画素１９’や、２つの青（基本画素Ｂ）と２つの赤（基本画素Ｒ）とで構成されるカラー画素１９”が形成される。これらのカラー画素１９，１９’，１９”はいずれも緑、青、赤のうちのいずれか１つを欠いており、ベイヤー配列を構成しない。しかし、カラー画素を１列×３行のＸ軸方向に連続する３つの基本画素で構成すると、カラー画素２０や、カラー画素２０に対して基本画素のサイズだけシフトしたカラー画素２０’は、いずれも緑、青、赤を１つずつ含む。従って、ベイヤー配列と同様に、解像度が基本画素のサイズにまで改善される。

高屈折率透明部１３及びフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置は図１４及び図１５Ａに限定されず、種々に変更することができる。図１５Ｂ〜図１５Ｆは、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置の別の例を図１５Ａと同様に示した図である。

図１５Ｂ、図１５Ｃでは、図１５Ａと同様に、Ｘ軸方向に沿ったフォトディテクターの列においては、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。このようなＹ軸方向に沿ったフォトディテクターの列が、高屈折率透明部のＸ軸方向配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）に対して、図１５Ｂでは１／３倍、図１５Ｃでは２／３倍だけＸ軸方向に位置ずれしながら、順次Ｙ軸方向に配置されている。図１５Ｂ、図１５Ｃでは、カラー画素を３列×１行のＹ軸方向に連続する３つの基本画素で構成しても、図１５Ａで説明したカラー画素２０，２０’と同様に、解像度を基本画素のサイズにまで改善することができる。

図１５Ｄ〜図１５Ｆでは、Ｘ軸方向にフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂがこの順に並び、この並びが繰り返して配置された列と、Ｘ軸方向にフォトディテクター６Ｂ，６Ｇ，６Ｒがこの順に並び、この並びが繰り返して配置された列とが、Ｙ軸方向に交互に配置されている。さらに、フォトディテクター６ＧのＸ軸方向の位置が、高屈折率透明部のＸ軸方向配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）に対して、図１５Ｄでは０倍、図１５Ｅでは１／３倍、図１５Ｆでは２／３倍だけＹ軸方向に隣り合う列間でＸ軸方向に位置ずれするように、フォトディテクターの列がＸ軸方向に位置ずれしながら順次Ｙ軸方向に配置されている。

図１５Ｂ〜図１５Ｆのようなフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置を実現するための高屈折率透明部１３ａ，１３ｂの配置は、図示を省略するが、図１４より容易に推測することができるであろう。即ち、図１５Ｂ、図１５Ｃでは、図１４と同様に、Ｘ軸方向に沿った高屈折率透明部の列は高屈折率透明部１３ａのみで構成される。このような高屈折率透明部の列が、高屈折率透明部のＸ軸方向の配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）に対して、図１５Ｂでは１／３倍、図１５Ｃでは２／３倍だけＸ軸方向に位置ずれしながら、順次Ｙ軸方向に配置される。

図１５Ｄ〜図１５Ｆでは、Ｘ軸方向に沿って高屈折率透明部１３ａのみが配置された列と、Ｘ軸方向に沿って高屈折率透明部１３ｂのみが配置された列とが、Ｙ軸方向に交互に配置される。さらに、高屈折率透明部１３ａ，１３ｂの位置が、高屈折率透明部１３ａ，１３ｂのＸ軸方向配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）に対して、図１５Ｄでは０倍、図１５Ｅでは１／３倍、図１５Ｆでは２／３倍だけＹ軸方向に隣り合う列間でＸ軸方向に位置ずれするように、高屈折率透明部の列がＸ軸方向に位置ずれしながら順次Ｙ軸方向に配置される。

図１５Ａ、図１５Ｄは、高屈折率透明部の列間において高屈折率透明部のＸ軸方向位置が一致するので、高屈折率透明部をＹ軸方向に連続する板状に形成することができる。さらに、図１５Ａでは、高屈折率透明部の列間において高屈折率透明部の中心軸の折れ曲がりの向きも一致するので、高屈折率透明部をＸＺ断面形状がＹ軸方向に一定の板状に形成することができる。一方、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１５Ｅ、図１５Ｆでは、高屈折率透明部の位置に対応してマイクロレンズ１０及び内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向の位置が、Ｙ軸方向に隣り合う列間でＸ軸方向のその配置ピッチの１／３倍又は２／３倍だけ位置ずれされる。即ち、Ｚ軸と平行に見たとき、円形であるマイクロレンズ１０及び内部マイクロレンズ７ａが略ハニカム状に配置される。従って、マイクロレンズ１０、高屈折率透明部１３、及び内部マイクロレンズ７ａのＹ軸方向の配置ピッチを小さくして、被写体からの光の利用効率を更に高めることができる。

上述した図１５Ａ〜図１５Ｆは三原色を検出することを想定した画素配置の例である。例えば、実施形態１で説明したようにフォトディテクター６Ｇとフォトディテクター６Ｒ又はフォトディテクター６Ｂとを結合して原色とその補色とを検出する場合には、フォトディテクターの配置は、図１５Ａ〜図１５Ｄとは異なる配置となり、所望する画素配置に応じて種々に設定することができる。

本実施形態２は、上記以外は実施形態１と同様であり、実施形態１で説明したのと同様の効果を奏し、また、実施形態１で説明したのと同様の変更が可能である。

上述した実施形態１，２は本発明の好適な具体例に過ぎず、本発明はこれらに限定されず、種々の変更が可能である。

高屈折率透明部１３のＸＺ面に沿った断面形状は、その中心軸１４が階段状に折れ曲がっていれば良く、上記の実施形態１，２に示したものに限定されない。例えば、実施形態１，２に示した高屈折率透明部１３では、その幅ｗ１，ｗ２を規定する両面のうちの一方の面（図３の上面）は、中心軸１４の折れ曲がりの前側部分（幅ｗ１を有する部分）と後側部分（幅ｗ２を有する部分）とが段差のない同一面を構成していた。しかしながら、図１６Ａのように、高屈折率透明部１３の幅ｗ１，ｗ２を規定する両面のうちの一方の面（図１６Ａの上面）が中心軸１４の折れ曲がりの向きと反対の向きに折れ曲がり、他方の面（図１６Ａの下面）が中心軸１４の折れ曲がりの向きと同じ向きに折れ曲がっていても良い。あるいは、図１６Ｂのように、高屈折率透明部１３の幅ｗ１，ｗ２を規定する両面（図１６Ｂの上下面）が中心軸１４の折れ曲がりの向きと同じ向きに折れ曲がっていても良い。さらに、中心軸１４の折れ曲がりよりも前側の部分の幅ｗ１と後側の部分の幅ｗ２との関係が、図１６Ｃのようにｗ１＝ｗ２であっても良く、あるいは、図１６Ｄのようにｗ１＜ｗ２であって良い。また、図１６Ｅのように、中心軸１４の折れ曲がり部分がＺ軸方向にある領域を占めるように中心軸１４が緩やかに折れ曲がっていても良い。さらに、中心軸１４の折れ曲がりより前側の部分の幅ｗ１が一定でなく変化していても良く、同様に中心軸１４の折れ曲がりよりも後側の部分の幅ｗ２が一定でなく変化していても良い。また、中心軸１４の階段状の折れ曲がりの数は１つである必要はなく、２つ以上であっても良い。

Ｙ軸方向に隣り合う高屈折率透明部１３は、長さ（Ｚ軸方向の寸法）ｈ１，ｈ２や中心軸１４の折れ曲がりの向きを変えながら互いに一部で連続していてもよく、完全に独立していても良い。独立している場合には、隣り合う高屈折率透明部１３間には低屈折率透明層１２が充填される。

また、上記の実施形態１，２では、Ｚ軸方向において、高屈折率透明部１３がマイクロレンズ１０の下面と接していたが、高屈折率透明部１３とマイクロレンズ１０とは離間していてもよい。この場合、両者間には低屈折率透明層１２が設けられても良い。

高屈折率透明部１３は、入射した光をその広がりを抑えながらフォトディテクター６側に導くという導波路としての機能を有するので、条件によってはこれと類似の機能を有するマイクロレンズ１０を省略することも可能である（実際に、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂでの波動光学計算ではマイクロレンズ１０を省略した）。ただし、高屈折率透明部１３はＹ軸方向に延設されているので、Ｙ軸方向には導波路としての効果が少ない。従って、高屈折率透明部１３にマイクロレンズ１０の代用をさせるには、少なくとも高屈折率透明部１３および低屈折率透明層１２の入射側表面に、高屈折率透明部の列ごとにＸ軸方向を中心軸方向とするシリンドリカル面を形成することが好ましい。

上記の実施形態１，２では、フォトディテクター６がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って２次元状に配列されていたが、１次元状に配列されていても良い。この場合、高屈折率透明部１３も、フォトディテクター６の配列方向に沿って１次元状に配列される。

上記の実施形態１，２では、高屈折率透明部１３の材料としてＳｉＮを用いる例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば酸化タンタルや酸化チタン等の高屈折率材料や、低屈折率透明層１２に対して０．２以上の屈折率差を確保できるのであればポリイミド樹脂等の樹脂材料やナノコンポジット等を用いることもできる。

上記の実施形態１，２では、０次回折光Ｄ₀、１次回折光Ｄ₁、−１次回折光Ｄ_-1が緑、赤、青の三原色の光である場合を説明したが、０次回折光Ｄ₀、１次回折光Ｄ₁、−１次回折光Ｄ_-1のうちの少なくとも１つが三原色以外の波長の光（例えば赤外光）であっても良い。

図１７Ｂ及び図１９に示した従来の光検出装置の受光領域には、実際にはマイクロレンズとフォトディテクターとの間に金属配線などの遮光部が存在するため、受光領域に入射した光の一部は遮光部によって遮られてしまう。これは、上記の実施形態１，２に示した光検出装置でも同様である。しかしながら、最近、金属配線の影響を受けずに受光領域の全面で受光できる裏面照射型の固体撮像素子が開発されている。光の回折を利用して色分離を行うことで光利用効率を高めることができる本発明の光検出装置を、上記の裏面照射型の固体撮像素子に適用すると、光利用効率を更に向上させることができ、効果的であると考えられる。

以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。

本発明の利用分野は特に制限はなく、物体の像を撮影するための、小型且つ高解像度の撮像用光検出装置として広範囲に利用することができる。

１ 物体
２ レンズ系
３ 像
４ 光検出装置
５ 検出基板
６、６Ｒ、６Ｇ、６Ｂ フォトディテクター
７ 低屈折率の透明バッファー層
７ａ 内部マイクロレンズ
８ 高屈折率の透明バッファー層
１０ マイクロレンズ
１１ 入射光線
１２ 低屈折率透明層
１３、１３ａ，１３ｂ 高屈折率透明部
１４ 高屈折率透明部の中心軸
Ｄ₀ ０次回折光
Ｄ₁ １次回折光
Ｄ_-1 −１次回折光

本発明は物体の映像を撮影するために用いられる撮像用光検出装置に関する。

従来の撮像用光検出装置が例えば非特許文献１及び非特許文献２に開示されている。これらに開示された撮像用光検出装置の概略を説明する。

図１７Ａは、従来の撮像装置の概略構成を示した側面図である。自然光等の光が物体１に入射し、これを反射した光は、レンズ系２によりＣＣＤやＣＭＯＳ等の光検出装置４上に像３を形成する。レンズ系２は、一般には光学性能を確保するために光軸に沿って並んだ複数のレンズを組み合わせて構成されるが、図１７Ａでは図面を簡略化して単一のレンズとして描かれている。

図１７Ｂは、光検出装置４の概略構成を示した図であり、図１７Ａの部分XVIIＢの拡大断面図である。複数のフォトディテクター６が形成された検出基板５上に、ＳｉＯ₂等からなる低屈折率の透明バッファー層７、ＳｉＮ等からなる高屈折率の透明バッファー層８、複数の色フィルター９、複数のマイクロレンズ１０がこの順で積層されている。透明バッファー層７の透明バッファー層８と接する表面７ａには、各フォトディテクター６の上で透明バッファー層７の膜厚が小さくなるような凹凸構造が形成されている。一方、透明バッファー層８の色フィルター９と接する表面８ａは平坦である。

マイクロレンズ１０は直交格子の交点位置に配置されており、各マイクロレンズ１０の中心軸上に１つの色フィルター９及び１つのフォトディテクター６が配置されている。

マイクロレンズ１０は、光線１１ａ’のようにマイクロレンズ１０の中心軸に対してシフトして入射する光を屈折させてフォトディテクター６に導く働きをなす。透明バッファー層７の表面７ａの凹凸構造もレンズ効果を有し、フォトディテクター６の中心から外れた方向に向かう発散光１１ｂ’を屈折させてフォトディテクター６に導く働きをなす。

色フィルター９は赤透過フィルター９Ｒ、緑透過フィルター９Ｇ、青透過フィルター９Ｂの３種類から構成され、赤透過フィルター９Ｒは図１８の曲線Ｒで示されるように赤以外の波長の光をカット（吸収）する光透過特性（分光感度特性）を有し、緑透過フィルター９Ｇは図１８の曲線Ｇで示されるように緑以外の波長の光をカット（吸収）する光透過特性（分光感度特性）を有し、青透過フィルター９Ｂは図１８の曲線Ｂで示されるように青以外の波長の光をカット（吸収）する光透過特性（分光感度特性）を有する（非特許文献２参照）。赤透過フィルター９Ｒ、緑透過フィルター９Ｇ、青透過フィルター９Ｂ、及び明るさ検出用の緑透過フィルター９Ｇからなる４つの色フィルター９と、これらに対応した４つのフォトディテクター６とでカラーの画像情報を検出するカラー画素を構成する。これら４つの色フィルター９に対応するフォトディテクター６の配置を図１９に示す。図１９において、Ｒは赤透過フィルター９Ｒに対応し赤色を検出するフォトディテクター、Ｇは緑透過フィルター９Ｇに対応し緑色を検出するフォトディテクター、Ｂは青透過フィルター９Ｂに対応し青色を検出するフォトディテクターを示す。一方の対角に２つの緑（基本画素Ｇ）が配置され、他方の対角に青（基本画素Ｂ）及び赤（基本画素Ｒ）が配置された２列×２行の４つの基本画素で１つのカラー画素１９が構成される。このような配置はベイヤー配列と呼ばれ、そのメリットは、カラー画素１９の半分のサイズ（基本画素のサイズ）だけ垂直方向（Ｘ軸方向）又は水平方向（Ｙ軸方向）にシフトした位置にもカラー画素１９’を構成できる点にある。これにより、カラー画素１９の半分のサイズ（カラー画素１９の１／４の面積）、即ち基本画素のサイズにまで解像度が改善される。

図２０は、光検出装置４の検出面の拡大平面図である。複数のフォトディテクター６が直交格子の交点位置に互いに離間し且つ絶縁されて配置されている。水平方向に隣り合うフォトディテクター６間には、垂直方向に延びる信号配線である複数の垂直転送ＣＣＤ１７が設けられており、複数の垂直転送ＣＣＤ１７は水平方向に延びる信号配線である水平転送ＣＣＤ１８と接続されている。マイクロレンズ１０で集光された光はその真下に位置するフォトディテクター６により受光され光電変換される。フォトディテクター６に蓄積した電荷は垂直転送ＣＣＤ１７に送られ、さらに水平転送ＣＣＤ１８に送られて、画像信号として出力される。

上記図１７Ｂに示した光検出装置４では、各フォトディテクター６に特定の色の光を入射させるために色フィルター９を用いている。これに対して、図２１に示すように、マイクロレンズ（図示せず）を透過した被写体からの光３０をマイクロプリズム３１を用いて分散させ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光をフォトディテクター３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂで検出する光検出装置が提案されている（特許文献１参照）。

特表２００２−５０２１２０号公報

光技術コンタクト，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１（２００２）、Ｐ２４ トランジスタ技術，２００３年２月号、Ｐ１２８

撮像用光検出装置に対しては、小型且つ高画素化に対する要求が益々高まっている。しかしながら、上記の従来の撮像用光検出装置では、以下の理由によりこの要求を満たすには限界があった。

第１の理由は、図１７Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では色フィルター９を用いて色分離を行っていることに起因する。例えば青透過フィルター９Ｂでは、青以外の波長の光は吸収されるので、図１８から明らかなように、青透過フィルター９Ｂを透過する光は入射した光の僅か２〜３割程度である。これは他の色フィルター９Ｒ，９Ｇについても同様である。高画素化のためにフォトディテクター６の間隔を小さくすると、フォトディテクター６やマイクロレンズ１０のサイズが小さくなる。これにより、１つのマイクロレンズ１０に入射する光の光量が少なくなり、更に色フィルター９でその多くが吸収されてしまうので、十分な量の光をフォトディテクター６に供給できなくなる。従って、検出信号は光ショットノイズ等のノイズ信号に埋もれてしまう。このため、従来の撮像用光検出装置ではフォトディテクター６の間隔は１．５μｍ程度が限界とされている。

第２の理由は、図１７Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では、フォトディテクター６に一対一に対応してマイクロレンズ１０が配置されていることに起因する。高画素化のためにフォトディテクター６の間隔を小さくすると、マイクロレンズ１０のサイズが小さくなり、これにともなってマイクロレンズ１０を透過する光束のサイズも小さくなる。ピンホールを透過した光の広がり角がピンホール径に反比例するように、光束のサイズ（即ちマイクロレンズ１０の直径）が微小になると光が拡散（回折）する特性が大きくなりすぎるので、マイクロレンズ１０を使って所望の集光性能を得ることが困難になる。マイクロレンズ１０の集光性能を得るためには、マイクロレンズ１０の直径は少なくとも波長の２〜３倍以上である必要があり、これが高画素化を妨げていた。

図２１に示した従来の光検出装置では、光を吸収する色フィルターを用いないので、光利用効率は向上する。しかしながら、プリズムの分散特性を利用した分光の作用（屈折角の波長による差）は極めて小さく、赤と緑、又は緑と青の光の間の変位は極めて小さい。従って、プリズムを光の分光に用いる場合、プリズムと光検出面との間隔を少なくとも数十〜数百μｍ以上に設定する必要があり、試作する上で現実的な寸法にはならない。

本発明は上記の従来の問題を解決し、光利用効率を向上させることでフォトディテクターの間隔を大幅に短縮化し、且つ、マイクロレンズに必要なサイズの確保と画素の高密度化とを両立させることを目的とする。また、本発明は、大きな分光作用を利用することで現実的な寸法を有する光検出装置を実現することを目的とする。

本発明の撮像用光検出装置は、基板上に少なくとも第１方向に沿って配列された複数の光検出器と、前記複数の光検出器の上方に形成された低屈折率透明層と、前記第１方向に沿って前記低屈折率透明層内に埋め込まれた柱状又は板状の複数の高屈折率透明部とを備える。前記高屈折率透明部の、前記基板に直交し且つ前記第１方向に沿った断面において、前記高屈折率透明部の中心軸が階段状に折れ曲がっている。前記低屈折率透明層及び前記複数の高屈折率透明部のうちの１つの高屈折率透明部に入射する光は、それらを通過することで、０次回折光と１次回折光と−１次回折光とに分離される。前記低屈折率透明層及び前記１つの高屈折率透明部により分離された前記第０次回折光と前記１次回折光と前記−１次回折光とを、前記１つの高屈折率透明部に対応した、前記第１方向に互いに隣り合う２つ又は３つの前記光検出器で検出する。

本発明の撮像用光検出装置によれば、光の吸収ではなく回折によって光の色分離を行うので、光の利用効率が大幅に向上する。また、１個のマイクロレンズ当たり２種類または３種類の色情報の検出が可能になる。従って、マイクロレンズのサイズ確保と画素の高密度化とを両立させることが可能となる。更に、波長による回折角の差を利用して分光するので、高屈折率透明部と光検出器との間隔を狭くすることができ、現実的な寸法を実現できる。

図１は、本発明の撮像用光検出装置を用いた撮像装置の概略構成を示した側面図である。 図２は、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置の概略構成を示した図であり、図１の部分IIの拡大断面図である。 図３は、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。 図４Ａは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を波動光学的に説明する図である。 図４Ｂは、図４Ａにおいて、高屈折率透明部によって赤波長の光が１次回折光として分離される原理を波動光学的に説明する図である。 図４Ｃは、図４Ａにおいて、高屈折率透明部によって緑波長の光が０次回折光として分離される原理を波動光学的に説明する図である。 図４Ｄは、図４Ａにおいて、高屈折率透明部によって青波長の光が−１次回折光として分離される原理を波動光学的に説明する図である。 図５Ａは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部を介してフォトディテクターに伝搬する青波長の光の強度分布を示した図である。 図５Ｂは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部を介してフォトディテクター上に投影された青波長の光の強度分布を示した図である。 図６Ａは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部を介してフォトディテクターに伝搬する緑波長の光の強度分布を示した図である。 図６Ｂは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部を介してフォトディテクター上に投影された緑波長の光の強度分布を示した図である。 図７Ａは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部を介してフォトディテクターに伝搬する赤波長の光の強度分布を示した図である。 図７Ｂは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部を介してフォトディテクター上に投影された赤波長の光の強度分布を示した図である。 図８Ａはフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂで検出される光量の分光特性図である。 図８Ｂはフォトディテクター６Ｇ、６Ｒを結合した場合の分光特性図である。 図８Ｃはフォトディテクター６Ｂ、６Ｇを結合した場合の分光特性図である。 図９は表面からの深さ条件をパラメータにしたフォトディテクターの分光量子効率を示す図である。 図１０Ａはフォトディテクターの分光量子効率の効果を加えたフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂで発生する電流量の分光特性図である。 図１０Ｂはフォトディテクター６Ｇ、６Ｒを結合した場合のフォトディテクターの分光量子効率の効果を加えた電流量の分光特性図である。 図１０Ｃはフォトディテクター６Ｂ、６Ｇを結合した場合のフォトディテクターの分光量子効率の効果を加えた電流量の分光特性図である。 図１１は、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。 図１２Ａは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の一例を示した図である。 図１２Ｂは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の別の例を示した図である。 図１２Ｃは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置のさらに別の例を示した図である。 図１２Ｄは、本発明の実施形態１に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置のさらに別の例を示した図である。 図１３は、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置の概略構成を示した図であり、図１の部分XIIIの拡大断面図である。 図１４は、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。 図１５Ａは、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の一例を示した図である。 図１５Ｂは、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の別の例を示した図である。 図１５Ｃは、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置のさらに別の例を示した図である。 図１５Ｄは、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置のさらに別の例を示した図である。 図１５Ｅは、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置のさらに別の例を示した図である。 図１５Ｆは、本発明の実施形態２に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置のさらに別の例を示した図である。 図１６Ａは、本発明の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部の断面形状の別の例を示した図である。 図１６Ｂは、本発明の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部の断面形状のさらに別の例を示した図である。 図１６Ｃは、本発明の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部の断面形状のさらに別の例を示した図である。 図１６Ｄは、本発明の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部の断面形状のさらに別の例を示した図である。 図１６Ｅは、本発明の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部の断面形状のさらに別の例を示した図である。 図１７Ａは、従来の撮像装置の概略構成を示した側面図である。 図１７Ｂは、従来の撮像用光検出装置の概略構成を示した図であり、図１７Ａの部分XVIIＢの拡大断面図である。 図１８は、従来の撮像用光検出装置に用いられる３種の色フィルタの分光感度特性を示した図である。 図１９は、従来の撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の一例を示した図である。 図２０は、従来の撮像用光検出装置の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。 図２１は、マイクロプリズムを用いて色分離を行う従来の撮像用光検出装置の原理を示した図である。

上記の本発明の撮像用光検出装置において、前記高屈折率透明部の前記断面において、前記高屈折率透明部の幅が前記中心軸の折れ曲がりの前後で変化し、前記中心軸の前記折れ曲がりに対して前記基板側での前記高屈折率透明部の幅はこれと反対側での前記高屈折率透明部の幅よりも小さいことが好ましい。これにより、光の分離をより効果的に行うことができる。なお、ここで、「前記高屈折率透明部の幅」とは、中心軸の折れ曲がり近傍での高屈折率透明部の幅を意味すると解釈されることが好ましい。

前記０次回折光が第１光検出器で、前記１次回折光が第２光検出器で、前記−１次回折光が第３光検出器で、それぞれ検出されることが好ましい。これにより、異なる光検出器で波長が異なる光をそれぞれ検出することができる。

上記において、前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光が白色光の場合、前記第１光検出器に入射する光は０．５０μｍ〜０．６０μｍの緑波長領域で光量ピークをなし、前記第２光検出器に入射する光は０．６０μｍを越える赤波長領域で光量ピークをなし、前記第３光検出器に入射する光は０．５０μｍ未満下の青波長領域で光量ピークをなすことが好ましい。これにより、三原色を検出することができる。

この場合、前記第１光検出器はその表面を含まない深層領域で光を検出し、前記第２光検出器はその表面を含まない深層領域で光を検出し、前記第３光検出器はその表面を含む表層領域で光を検出することが好ましい。これにより、混色を抑え、分光性能を向上させることができる。

あるいは、前記０次回折光と前記１次回折光とが第１光検出器で、前記−１次回折光が第２光検出器で、それぞれ検出されても良い。これにより、１つの原色と、その補色とを検出することができる。

上記において、前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光が白色光の場合、前記第１光検出器に入射する光は０．５０μｍ以上の青波長領域以外の波長領域で光量ピークをなし、前記第２光検出器に入射する光は０．５０μｍ未満下の青波長領域で光量ピークをなすことが好ましい。これにより、青と、その補色であるイエローとを検出することができる。

この場合、前記第１光検出器はその表面を含まない深層領域で光を検出し、前記第２光検出器はその表面を含む表層領域で光を検出することが好ましい。これにより、混色を抑え、分光性能を向上させることができる。

あるいは、前記１次回折光が第１光検出器で、前記０次回折光と前記−１次回折光とが第２光検出器で、それぞれ検出されても良い。これにより、１つの原色と、その補色とを検出することができる。

上記において、前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光が白色光の場合、前記第１光検出器に入射する光は０．６０μｍを越える赤波長領域で光量ピークをなし、前記第２光検出器に入射する光は０．６０μｍ以下の赤波長領域以外の波長領域で光量ピークをなすことが好ましい。これにより、赤と、その補色であるシアンとを検出することができる。

この場合、前記第１光検出器はその表面を含まない深層領域で光を検出し、前記第２光検出器はその表面を含む表層領域で光を検出することが好ましい。これにより、混色を抑え、分光性能を向上させることができる。

上記の本発明の撮像用光検出装置において、前記第１方向に沿って配置された前記複数の高屈折率透明部の前記中心軸の折れ曲がりの向きが交互に反転していてもよい。この場合、前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対して前記第１方向に互いに隣り合う３つの前記光検出器が対応し、前記第１方向に沿って配置された前記３つの光検出器のうちの両外側の２つの光検出器は、前記３つの光検出器に対応する高屈折率透明部に対して前記第１方向において互いに隣り合う高屈折率透明部にも対応していることが好ましい。これにより、１つの高屈折率透明部で３つの光を分離することができるので、高解像度化が可能となる。

上記において、前記第１方向と平行な複数の列に沿って前記高屈折率透明部が配置されていても良い。この場合、前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列を構成する各高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの０倍、０．５倍、１倍、又は１．５倍だけ位置ずれしていることが好ましい。これにより、様々な画素配置に対応することができる。

あるいは、上記の本発明の撮像用光検出装置において、前記第１方向に沿って配置された前記複数の高屈折率透明部の前記中心軸の折れ曲がりの向きが同じであってもよい。この場合、前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対して前記第１方向に互いに隣り合う３つの前記光検出器が対応し、前記複数の光検出器のそれぞれは、前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光のうちのいずれか１つを検出することが好ましい。これにより、１つの高屈折率透明部で３つの光を分離することができるので、高解像度化が可能となる。

上記において、前記第１方向と平行な複数の列に沿って前記高屈折率透明部が配置されていても良い。

この場合、前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列における前記中心軸の折れ曲がりの向きが前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で同じであり、前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列を構成する各高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの０倍、１／３倍、又は２／３倍だけ位置ずれしていることが好ましい。これにより、様々な画素配置に対応することができる。

あるいは、前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列における前記中心軸の折れ曲がりの向きが前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で反転しており、前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列を構成する各高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの０倍、１／３倍、又は２／３倍だけ位置ずれしていることが好ましい。これにより、様々な画素配置に対応することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面を用いて説明する。これらの図において従来例と共通する要素には、同一の符号を付している。但し、以下の実施形態は一例に過ぎず、本発明はこれらの実施形態に限定されないことは言うまでもない。

図１は、本発明の光検出装置を用いた撮像装置の概略構成を示した側面図である。自然光等の光が物体１に入射し、これを反射した光は、レンズ系２によりＣＣＤやＣＭＯＳ等の光検出装置４上に像３を形成する。レンズ系２は、一般には光学性能を確保するために光軸に沿って並んだ複数のレンズを組み合わせて構成されるが、図１では図面を簡略化して単一のレンズとして描かれている。以下の説明の便宜のために、光検出装置４の光検出面（または後述する基板５の表面）の法線方向軸をＺ軸、光検出面に平行な垂直方向軸をＸ軸、光検出面に平行な水平方向軸をＹ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。

（実施形態１）
図２は、本発明の実施形態１に係る光検出装置４の概略構成を示した図であり、図１の部分IIの拡大断面図である。複数のフォトディテクター６が形成された検出基板５上に、ＳｉＯ₂等からなる低屈折率の透明バッファー層７、ＳｉＮ等からなる高屈折率の透明バッファー層８、ＳｉＯ₂等からなる低屈折率透明層１２、複数のマイクロレンズ１０がこの順で積層されている。低屈折率透明層１２内には、ＳｉＮ等からなる複数の高屈折率透明部１３が埋め込まれている。透明バッファー層７の透明バッファー層８と接する表面７ａには、各マイクロレンズ１０の中心軸上で透明バッファー層７の膜厚が小さくなるような凹凸構造が形成され、レンズと同じ作用をする（表面７ａの凹凸構造を内部マイクロレンズと呼ぶ）。一方、透明バッファー層８の低屈折率透明層１２と接する表面８ａは平坦である。

マイクロレンズ１０はＸ軸方向に平行な複数の直線及びＹ軸方向に平行な複数の直線によって形成される直交格子の各交点位置に配置されている。高屈折率透明部１３はマイクロレンズ１０と一対一に対応し、各マイクロレンズ１０の中心軸上に１つの高屈折率透明部１３が配置されている。フォトディテクター６も、Ｘ軸方向に平行な複数の直線及びＹ軸方向に平行な複数の直線によって形成される直交格子の各交点位置に配置されている。Ｘ軸方向（図２の紙面の上下方向）に隣り合う各マイクロレンズ１０の中心軸はひとつおきにフォトディテクター６のほぼ中心を通過する。Ｙ軸方向（図２の紙面に直交する方向）に隣り合う各マイクロレンズ１０の中心軸は、隣り合う各フォトディテクター６のほぼ中心を通過する（後述する図１１参照）。

マイクロレンズ１０は、光線１１ａ’のようにマイクロレンズ１０の中心軸に対してシフトして入射する光を屈折させて高屈折率透明部１３に導く働きをなす。透明バッファー層７の表面７ａの凹凸構造（内部マイクロレンズ）もレンズ効果を有し、高屈折率透明部１３を出射する各回折光Ｄ₀，Ｄ₁、Ｄ_-1が発散するのを抑え、それぞれを小さいスポットのまま対応するフォトディテクター６に導く働きをなす。更に、高屈折率透明部１３は導波路の働きをなすので、マイクロレンズ１０の中心軸に対して傾いた光が入射すると、その光の伝搬方位を矯正し、フォトディテクター６に導く働きをなす。本明細書では、フォトディテクター６を、これに入射する光の波長によって特に区別する必要がある場合には添字「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」のいずれかを付し、区別する必要がない場合には添字を省略して表示する。

図２に示すように、高屈折率透明部１３のＸ軸及びＺ軸を含む面（ＸＺ面）に沿った断面において、高屈折率透明部１３のＸ軸方向の中央の点をＺ軸方向に順に結んで得られる線を、高屈折率透明部１３の「中心軸」と呼ぶ。高屈折率透明部１３の中心軸１４は階段状に折れ曲がっている。本実施形態１では、高屈折率透明部１３のＸ軸方向寸法（幅）は中心軸１４の折れ曲がりの前後で変化しており、折れ曲がりの前側（マイクロレンズ１０側）での幅ｗ１と後側（フォトディテクター６側）での幅ｗ２はｗ１＞ｗ２を満たす。幅ｗ１、ｗ２の部分のＺ軸方向長さは順にｈ１，ｈ２である。本実施形態１では、幅ｗ１の部分の中心軸１４と幅ｗ２の部分の中心軸１４とはいずれもＺ軸に平行であり、両者のＸ軸方向の段差ｓはｓ＝（ｗ１−ｗ２）／２である。さらに、本実施形態１では、中心軸１４の折れ曲がりの向きに基づいて高屈折率透明部１３は２種類に分類される。即ち、高屈折率透明部１３は、図２の紙面において、幅ｗ１の部分の中心軸１４に対して幅ｗ２の部分の中心軸１４が上側に位置する高屈折率透明部１３ａと下側に位置する高屈折率透明部１３ｂとを含む。本明細書では、中心軸１４の折れ曲がりの向きの違いによって高屈折率透明部１３を特に区別する必要がある場合には添字「ａ」又は「ｂ」を付し、区別する必要がない場合には添字を省略して表示する。本実施形態１では、Ｘ軸方向に隣り合う２つの高屈折率透明部１３の中心軸１４の折れ曲がりの向きが互いに逆である。即ち、Ｘ軸方向において、高屈折率透明部１３ａと高屈折率透明部１３ｂとが交互に配置されている。

高屈折率透明部１３は、Ｙ軸方向（図２の紙面に垂直な方向）に連続する板状、または、Ｙ軸方向のマイクロレンズ１０の配置位置に一対一に対応して分離された柱状をなす。高屈折率透明部１３が柱状の場合、そのＹ軸方向寸法はＸ軸方向に太い部分の幅（本実施形態１では幅ｗ１）の２〜３倍以上である。

高屈折率透明部１３に入射する光１１は、高屈折率透明部１３を出射する際にＸＺ面内で０次回折光Ｄ₀、１次回折光Ｄ₁、−１次回折光Ｄ_-1に分離し、それぞれフォトディテクター６Ｇ、６Ｒ、６Ｂで検出される。高屈折率透明部１３ａと高屈折率透明部１３ｂとは中心軸１４の折れ曲がりの向きが逆であるので、０次回折光Ｄ₀に対する１次回折光Ｄ₁及び−１次回折光Ｄ_-1の出射方向は高屈折率透明部１３ａと高屈折率透明部１３ｂとで逆となる。０次回折光Ｄ₀、１次回折光Ｄ₁、及び−１次回折光Ｄ_-1の各光分布が互いにはっきりと分離するためには、高屈折率透明部１３の先端とフォトディテクター６との間に１μｍ以上の間隔が設けられることが好ましい。

図３は、本実施形態１の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部１３によって回折光が発生する原理を説明する図である。高屈折率透明部１３は幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ１，ｗ２、長さ（Ｚ軸方向寸法）ｈ１，ｈ２を有し、紙面に垂直な方向（Ｙ軸方向）に延びた板状とする。中心線１４の折れ曲がりの段差をｓとする（簡単のためｓ＝（ｗ１−ｗ２）／２の場合を図示している）。高屈折率透明部１３の屈折率をｎ、その周囲の低屈折率透明層１２の屈折率をｎ₀とする。マイクロレンズ１０を経て高屈折率透明部１３に入射する光１１の波面を平面波１５とすると、この光１１が高屈折率透明部１３及びその周囲の低屈折率透明層１２を透過することで、出射した光の波面１６には次式で示す位相シフトδが発生する（真空中での長さに換算）。

（式１） δ＝ｈ２（ｎ−ｎ₀）
この位相シフトにより出射光は０次回折光Ｄ₀、１次回折光Ｄ₁、−１次回折光Ｄ_-1に回折分離する。光１１の波長をλとすると、｜δ−ｋλ｜を最もゼロに近づける整数ｋが必ず存在する。この整数ｋに対してδ−ｋλ＝０ならば、出射した光の波面１６は平面波Ａ₀と同じであり、大半のエネルギーが０次回折光Ｄ₀に配分される。δ−ｋλ＜０ならば、出射した光の波面１６は平面波Ａ₁とほぼ同じになり、大半のエネルギーが１次回折光Ｄ₁に配分される。δ−ｋλ＞０ならば、出射した光の波面１６は平面波Ａ_-1とほぼ同じになり、大半のエネルギーが−１次回折光Ｄ_-1に配分される。

例えば、δが１．１μｍの場合、緑波長の光の場合にはｋ＝２、λ＝０．５５μｍの条件でδ−ｋλ＝０が成り立つが、同じｋに対し、赤波長ではδ−ｋλ＜０、青波長ではδ−ｋλ＞０になる。従って、高屈折率透明部１３に入射する白色の光１１は、０次回折光Ｄ₀に緑の光、１次回折光Ｄ₁に赤の光、−１次回折光Ｄ_-1に青の光がそれぞれ分離して出力される。なお、（式１）に寸法ｗ１、ｈ１等が含まれていないことから、高屈折率透明部１３の構造のうち、中心軸１４の折れ曲がりより前側（マイクロレンズ１０側）の部分は不要の様にも見えるが、そうではない。以上は飽くまで幾何光学的な説明であり、波動光学的には次のように説明できる。

図４Ａ〜図４Ｄは、本実施形態１の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部１３によって回折光が発生する原理を波動光学的に説明する図である。図４Ａに示すように、マイクロレンズ１０を経て高屈折率透明部１３に入射する光１１は高屈折率透明部１３の内部を伝搬する０次の導波モードの光Ｍ₀を励起する。この導波モード光Ｍ₀は高屈折率透明部１３の中心軸１４の折れ曲がり部分を通過することで伝搬モードが乱され、折れ曲がり部分の後側（フォトディテクター６側）の伝搬では０次の導波モードの光ｍ₀の他に、１次の導波モードの光ｍ₁、及び高次の導波モード光や放射モード光等が発生する。０次の導波モード光ｍ₀は光の振幅分布がガウシアン形状をなすが、１次の導波モード光ｍ₁は伝搬路の中心軸近傍で振幅の極性が反転する。しかも、等価屈折率は０次の導波モード光ｍ₀が１次の導波モード光ｍ₁よりも大きくなるので、同一の導波路内に０次の導波モード光ｍ₀と１次の導波モード光ｍ₁がバランスよく混在すると、これらが伝搬方向に沿って複雑に干渉し、波長に比例した間隔で強めあったり弱めあったりする。１次の導波モード光ｍ₁の振幅の極性が中心軸近傍で反転することから、光の干渉も中心軸を境に反転する。例えば、赤波長の光の場合は、図４Ｂに示すように、複数のポイントＰ_Rで２つのモードの光が強め合う。高屈折率透明部１３の出射端に最終のポイントＰ_Rが位置する場合、１次回折光Ｄ₁のように伝搬路の中心軸から最終のポイントＰ_R側に向かう側に光が放射される。青波長の光の場合は、図４Ｄに示すように、複数のポイントＰ_Bで２つのモードの光が強め合う。ポイントＰ_Bの間隔はポイントＰ_Rの間隔よりも短い。高屈折率透明部１３の出射端に最終のポイントＰ_Bが位置する場合、−１次回折光Ｄ_-1のように伝搬路の中心軸から最終のポイントＰ_B側に向かう側に光が放射される。一方、緑波長の光の場合は、図４Ｃに示すように、複数のポイントＰ_Gで２つのモードの光が強め合う。ポイントＰ_Gの間隔はポイントＰ_Rの間隔よりも短く、ポイントＰ_Bの間隔よりも長い。高屈折率透明部１３の出射端が最終のポイントＰ_Gと仮想的な次のポイントＰ_G’との中間に位置する場合、０次回折光Ｄ₀のように伝搬路の中心軸に沿った方向に光が放射される。従って、高屈折率透明部１３に入射する白色の光１１は、０次回折光Ｄ₀に緑の光、１次回折光Ｄ₁に赤の光、−１次回折光Ｄ_-1に青の光がそれぞれ分離して出力される。上記の説明は一例であって、高屈折率透明部１３の各部の寸法によっては、１次回折光Ｄ₁が青の光、−１次回折光Ｄ_-1が赤の光となる場合もある。寸法ｗ２、ｈ２を有する構造部分で２種類のモード光をバランスよく混在させるには、寸法ｗ１、ｈ１を有する構造部分と段差ｓを有する中心軸１４の折れ曲がり構造とが不可欠であり、このことは上述の様な波動光学的な説明で初めて明らかにされる。入射光１１を効率よく導波モードに変換するには、幅ｗ１はある程度大きい必要がある。また、折れ曲がり後に発生する導波モードの次数（すなわち導波モード光の総数）をできるだけ少なくするには、幅ｗ２は小さい方が好ましい。従って、中心軸１４が折れ曲がった高屈折率透明部１３で２種類のモード光をバランスよく混在させるには一般にはｗ１＞ｗ２の関係を満足することが好ましい。

図５Ａ、図６Ａ、図７Ａは、本実施形態１の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部１３を介してフォトディテクター側に伝搬する、それぞれ波長０．４５μｍ、０．５５μｍ、０．６５μｍの光のＸＺ断面での強度分布（波動光学に基づく計算結果）を示している。図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂは、フォトディテクターの光検出面上に投影された光のＸＹ断面での強度分布（波動光学に基づく計算結果）を示した図である。計算は以下の条件で行った。マイクロレンズ１０を省略し、ＸＹ座標で原点を中心にした１．５μｍ×１．５μｍの正方形の領域に一様強度の白色光をＺ軸方向に沿って入射させた。高屈折率透明部１３の幅ｗ１＝０．３０μｍ、ｗ２＝０．１５μｍ、長さｈ１＝ｈ２＝０．６０μｍ、中心軸１４の折れ曲がり段差ｓ＝０．１０μｍとし、高屈折率透明部１３を寸法ｗ２、ｈ２を有する構造部分がＸ軸方向に１．５μｍピッチで並ぶように配置し、Ｙ軸方向には連続させた。さらに、内部マイクロレンズ７ａはＸ軸方向、Ｙ軸方向ともに１．５μｍピッチで並び、内部マイクロレンズ７ａの先端からフォトディテクター６の表面までの距離は１．０μｍとした。なお、高屈折率透明部１３と高屈折率の透明バッファー層８とはＳｉＮを想定して屈折率２．０４、アッベ数２０とし、低屈折率の透明バッファー層７と低屈折率透明層１２とはＳｉＯ₂を想定して屈折率１．４５６、アッベ数６５とした。フォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂはこの順に隣接し、Ｘ軸方向×Ｙ軸方向のサイズは順に０．７５μｍ×１．０μｍ、０．６５μｍ×１．０μｍ、０．８５μｍ×１．０μｍとした（均等な分割からフォトディテクター６Ｇ、６Ｂの間の分割線を０．１０μｍだけＸ軸の正の向きにシフトさせた）。図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂでは３個のフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂしか示していないが、実際にはこれらのフォトディテクターがこの順でＸ軸方向に隙間なく並び、Ｙ軸方向には１．５μｍピッチ（すなわち０．５μｍの隙間を空けて）で並んでいた。Ｙ軸方向に設けられた隙間はＣＣＤ転送路や配線等に用いられる。図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂから分かるように、本実施形態１の高屈折率透明部１３により、光が赤、緑、青の色毎に分別され、それぞれ異なったフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂで検出されることが分かる。

図８Ａは光検出面上の独立したフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂで検出される光量を波長を横軸にしてプロットした分光特性図である。縦軸の光量比とは入射光量を１として規格化した各フォトディテクターでの検出光量である。曲線Ｒ、Ｇ、Ｂはそれぞれフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂで検出される光量分布曲線を示す。フォトディテクター６Ｇに入射する光の光量分布曲線Ｇは０．５０μｍ〜０．６０μｍの緑波長領域で光量ピークをなし、フォトディテクター６Ｒに入射する光の光量分布曲線Ｒは０．６０μｍを越える赤波長領域で光量ピークをなし、フォトディテクター６Ｂに入射する光の光量分布曲線Ｂは０．５０μｍ未満下の青波長領域で光量ピークをなしている。図８Ａに示した特性は図１８で示した従来の光検出装置に於ける色フィルターの分光感度特性に相当し、フォトディテクターのＸ軸方向の配置ピッチが０．７５μｍという高解像の条件にも関わらず、良好な分光性能を示している。なお、曲線Ｒ、Ｇ、Ｂの総和は入射光量から２〜３割少なくなるが、その減少分のうちの一部は反射成分、一部はフォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂの外に漏れる成分であり、後者は迷光となって他の領域のフォトディテクターに検出されるので実際の分光特性は図８Ａより若干劣化する。

図８Ｂはフォトディテクター６Ｇ、６Ｒを結合した場合、図８Ｃはフォトディテクター６Ｂ、６Ｇを結合した場合の、図８Ａと同様の手法で作成した分光特性図である。図８Ｂにおいて曲線Ｇ＋Ｒはフォトディテクター６Ｇ、６Ｒが結合された結合化フォトディテクターで検出される光量分布曲線を示し、図８Ｃにおいて曲線Ｂ＋Ｇはフォトディテクター６Ｂ、６Ｇが結合された結合化フォトディテクターで検出される光量分布曲線を示す。フォトディテクター６Ｇ、６Ｒを結合すると、図８Ｂに示すように、結合化フォトディテクターに入射する光の光量分布曲線Ｇ＋Ｒは０．５０μｍ以上の青波長領域以外の波長領域で光量ピークをなし、フォトディテクター６Ｂに入射する光の光量分布曲線Ｂは０．５０μｍ未満下の青波長領域で光量ピークをなす。従って、青色と、青色の補色であるイエローとを検出することができる。フォトディテクター６Ｂ、６Ｇを結合すると、図８Ｃに示すように、フォトディテクター６Ｒに入射する光の光量分布曲線Ｒは０．６０μｍを越える赤波長領域で光量ピークをなし、結合化フォトディテクターに入射する光の光量分布曲線Ｂ＋Ｇは０．６０μｍ以下の赤波長領域以外の波長領域で光量ピークをなす。従って、赤色と、赤色の補色であるシアンとを検出することができる。このように、０次回折光と１次回折光又は−１次回折光とが同一のフォトディテクターで検出されるようにフォトディテクターを組み合わせることにより、原色とその補色とを検出することができる。

図９はＳｉの複素屈折率の分散から割り出したフォトディテクターの量子効率の波長依存性（分光量子効率）を示しており、表面からの深さｄμｍの範囲をパラメータにしている。分光量子効率とは、ある波長の光を一定量だけ照射したときに光電効果により発生する、規格化された電子数を意味する。分光量子特性に図８Ａ〜図８Ｃのような光量の分光特性を掛け合わせたものがフォトディテクターで発生する電流量になる。曲線ａ１はｄ＝０．０〜０．２μｍ、曲線ａ２はｄ＝０．０〜０．５μｍ、曲線ａ３はｄ＝０．０〜０．８μｍ、曲線ａ４はｄ＝０．０〜１．２μｍ、曲線ａ５はｄ＝０．０〜３．０μｍ、曲線ｂ１はｄ＝０．２〜３．０μｍ、曲線ｂ２はｄ＝０．５〜３．０μｍ、曲線ｂ３はｄ＝０．８〜３．０μｍ、曲線ｂ４はｄ＝１．２〜３．０μｍでの分光量子効率である。短波長の光は表層で吸収されやすく、長波長になるほど深層でも吸収されることが分かる。

フォトディテクターのどの深さの領域に感度を持たせるかは、自由な設定が技術的に可能である。この技術を図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃで示した分光特性に導入すると次のようになる。図１０Ａは、図８Ａの分光特性において、フォトディテクターの光検出領域を、フォトディテクター６Ｒでｄ＝０．５〜３．０μｍ、フォトディテクター６Ｂでｄ＝０．０〜０．２μｍ、フォトディテクター６Ｇでｄ＝０．２〜３．０μｍで設計した場合の分光特性図である。図１０Ｂは、図８Ｂの分光特性において、フォトディテクターの光検出領域を、フォトディテクター６Ｇ，６Ｒが結合された結合化フォトディテクターでｄ＝０．５〜３．０μｍ、フォトディテクター６Ｂでｄ＝０．０〜０．２μｍで設計した場合の分光特性図である。図１０Ｃは、図８Ｃの分光特性において、フォトディテクターの光検出領域を、フォトディテクター６Ｒでｄ＝０．５〜３．０μｍ、フォトディテクター６Ｇ，６Ｂが結合された結合化フォトディテクターでｄ＝０．０〜１．２μｍで設計した場合の分光特性図である。図１０Ａでは図８Ａに比べてより混色が少ない赤、緑、青の分光特性が得られており、図１０Ｂでは図８Ｂに比べて混色が少ない青、イエローの分光特性が得られており、図１０Ｃでは図８Ｃに比べて混色が少ない赤、シアンの分光特性が得られている。このように、本実施形態１にフォトディテクターの分光量子効率の特性を組み合わせることで、理想的な分光性能に近づけられることが分かる。

図１１は、本実施形態１の撮像用光検出装置の光検出面を含む構成要素の拡大平面図である。Ｙ軸方向に隣り合うフォトディテクター６間には、Ｘ軸方向に延びる信号配線である複数の垂直転送ＣＣＤ１７が設けられており、複数の垂直転送ＣＣＤ１７はＹ軸方向に延びる信号配線である水平転送ＣＣＤ１８と接続されている。

撮像用光検出装置に入射する白色の光は、高屈折率透明部１３ａ，１３ｂを通過し、回折することでＸＺ面内で波長毎に分別され、フォトディテクター６Ｒ、６Ｇ、６Ｂにより受光され光電変換される。各フォトディテクターに蓄積した電荷は垂直転送ＣＣＤ１７に送られ、さらに水平転送ＣＣＤ１８に送られて、画像信号として出力される。

Ｘ軸方向においては、高屈折率透明部１３ａ，１３ｂが交互に配置されている。このようにしてＸ軸方向に沿って配置された高屈折率透明部の列は、高屈折率透明部のＸ軸方向の配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）の１倍だけＸ軸方向に位置ずれしながら、順次Ｙ軸方向に配置されている。その結果、Ｙ軸方向においても、高屈折率透明部１３ａ，１３ｂが交互に配置されている。

フォトディテクター６Ｇは高屈折率透明部１３ａ，１３ｂの真下（即ち、内部マイクロレンズ７ａの中心軸上）にそれぞれ配置されている。さらに、Ｘ軸方向に隣り合うフォトディテクター６Ｇ，６Ｇ間にはフォトディテクター６Ｒ，６Ｇが交互に配置されている。即ち、Ｘ軸方向においては、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ，６Ｇがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。このようにしてＸ軸方向に沿って配置されたフォトディテクターの列は、高屈折率透明部のＸ軸方向配置ピッチの１倍だけＸ軸方向に位置ずれしながら、順次Ｙ軸方向に配置されている。フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ_R、ｗ_G、ｗ_Bは同一でも異なっていても良い。図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂの例では、ｗ_R＝０．７５μｍ、ｗ_G＝０．６５μｍ、ｗ_B＝０．８５μｍであり、Ｘ軸方向に沿ったフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂからなる並びのＸ軸方向の中心が、高屈折率透明部１３の幅ｗ２を有する部分の中心軸１４に一致していた。

図１２Ａに、図１１に示した光検出装置４におけるフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置を示す。図面を簡単化するために、符号「６」を省略し、添字Ｒ、Ｇ、Ｂのみを記載している。１つのカラー画素１９は、２つの緑（基本画素Ｇ）と１つの青（基本画素Ｂ）と１つの赤（基本画素Ｒ）とを含む２列×２行の４つの基本画素で構成される。図１２Ａの配置は、図１９に示した従来の光検出装置におけるベイヤー配列と違って、２つの緑Ｇは、カラー画素１９内においてＹ軸方向に隣り合って配置されている。しかし、ベイヤー配列と同様に、カラー画素１９の半分のサイズ（基本画素のサイズ）だけＸ軸方向又はＹ軸方向にシフトした位置にもカラー画素１９’を構成できる。従って、解像度がカラー画素１９の半分のサイズ（カラー画素１９の１／４の面積）、すなわち基本画素のサイズにまで改善されることは図１９のベイヤー配列と同じである。

上述したように、図１７Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では光の色分離を赤、緑、青の３色のうちの２色を選択的に吸収する色フィルター９により行っていたので、色フィルター９により７〜８割の光が吸収されていた。これに対して、本実施形態１の撮像用光検出装置では、光の色分離を光の吸収ではなく、光の回折を利用して行っているので、光の全エネルギーを活用できる。従って、本実施形態１では、光の利用効率が従来の２〜３倍に向上する。

また、図１７Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では、マイクロレンズ１個で１つの色の情報を検出していた。これに対して、本実施形態１の撮像用光検出装置では、マイクロレンズ１個で２種類以上の色情報を検出する。従って、マイクロレンズ１０（または内部マイクロレンズ７ａ）のサイズを一定にして比較すると、本実施形態１では従来に比べ画素密度を２倍以上にすることが可能となる。

更に、図２１に示した従来の光検出装置では、光の色分離を行うためにプリズムの分散特性を利用するので分光の作用（屈折角の波長による差）が小さいという問題があった。これに対して、本実施形態１の撮像用光検出装置では、光の波面に発生する位相シフト（更に言い換えれば、中心軸１４が折れ曲がった導波路内で発生するモード移行）を利用するので、分光の作用（回折角の波長による差）が大きい。従って、図５Ａ、図６Ａ、及び図７Ａに示したように、高屈折率透明部の先端と光検出面との間隔を１〜３μｍに設定すれば、０次回折光（緑）、１次回折光（赤）、−１次回折光（青）の３つのスポット間に０．５μｍ以上の変位を与えることができ、試作する上で十分現実的な寸法といえる。

高屈折率透明部１３ａ，１３ｂ及びフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置は図１１及び図１２Ａに限定されず、種々に変更することができる。図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄは、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置の別の例を図１２Ａと同様に示した図である。図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄでは、図１２Ａと同様に、Ｘ軸方向に沿ったフォトディテクターの列においては、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ，６Ｇがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。このようなＹ軸方向に沿ったフォトディテクターの列が、高屈折率透明部のＸ軸方向配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）に対して、図１２Ｂでは０倍、図１２Ｃでは０．５倍、図１２Ｄでは１．５倍だけＸ軸方向に位置ずれしながら、順次Ｙ軸方向に配置されている。

図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄのようなフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置を実現するための高屈折率透明部１３ａ，１３ｂの配置は、図示を省略するが、図１１より容易に推測することができるであろう。即ち、図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄのいずれにおいても、図１１と同様に、Ｘ軸方向に沿った高屈折率透明部の列においては高屈折率透明部１３ａ，１３ｂが交互に配置される。このような高屈折率透明部の列が、高屈折率透明部のＸ軸方向の配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）に対して、図１２Ｂでは０倍、図１２Ｃでは０．５倍、図１２Ｄでは１．５倍だけＸ軸方向に位置ずれしながら、順次Ｙ軸方向に配置される。図１２Ａ、図１２Ｂでは、高屈折率透明部の列間において高屈折率透明部のＸ軸方向位置が一致するので、高屈折率透明部をＹ軸方向に連続する板状に形成することができる。さらに、図１２Ｂでは、高屈折率透明部の列間において高屈折率透明部１３ａ，１３ｂのＸ軸方向位置が一致するので、高屈折率透明部をＸＺ断面形状がＹ軸方向に一定の板状に形成することができる。一方、図１２Ｃ、図１２Ｄでは、高屈折率透明部の位置に対応してマイクロレンズ１０及び内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向の位置が、Ｙ軸方向に隣り合う列間でＸ軸方向のその配置ピッチの０．５倍だけ位置ずれされる。即ち、Ｚ軸と平行に見たとき、円形であるマイクロレンズ１０及び内部マイクロレンズ７ａがハニカム状に配置される。従って、マイクロレンズ１０、高屈折率透明部１３、及び内部マイクロレンズ７ａのＹ軸方向の配置ピッチを小さくして、被写体からの光の利用効率を更に高めることができる。

上述した図１２Ａ〜図１２Ｄは三原色を検出することを想定した画素配置の例である。例えば、上述したようにフォトディテクター６Ｇとフォトディテクター６Ｒ又はフォトディテクター６Ｂとを結合して原色とその補色とを検出する場合には、フォトディテクターの配置は、図１２Ａ〜図１２Ｄとは異なる配置となり、所望する画素配置に応じて種々に設定することができる。

（実施形態２）
図１３は、本発明の実施形態２に係る光検出装置４の概略構成を示した図であり、図１の部分XIIIの拡大断面図である。図１４は、本実施形態２に係る光検出装置４の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。図１５Ａは、図１４に示した光検出装置４におけるフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置を図１２Ａと同様に示した図である。本実施形態２において、実施形態１と同じ要素には同一の符号を付してそれらについての詳細な説明を省略する。

図１３から明らかなように、本実施形態２は、Ｘ軸方向に沿って配置された高屈折率透明部１３の中心軸１４の折れ曲がりの向きが同じである点で、中心軸１４の折れ曲がりの向きが交互に反転していた実施形態１と異なる。図１３に示したＸＺ断面には、高屈折率透明部１３ａのみが存在し、高屈折率透明部１３ｂは存在しない。

本実施形態２は、高屈折率透明部１３の配置に関して実施形態１と上記のように異なる結果、高屈折率透明部１３とフォトディテクター６との対応関係も実施形態１と異なる。即ち、図１３から明らかなように、本実施形態２は、Ｘ軸方向に隣り合うフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂに対して１つの高屈折率透明部１３が対応する点で、Ｘ軸方向に隣り合うフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂのうち両外側のフォトディテクター６Ｒ，６Ｂに対してはそれぞれ２つの高屈折率透明部１３が対応する実施形態１と異なる。本実施形態２では、Ｘ軸方向においては、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。

図１４を参照すると、本例では、Ｘ軸方向に沿って配置された高屈折率透明部１３ａの列が、Ｘ軸方向に位置ずれすることなくＹ軸方向に繰り返し配置されている。その結果、Ｙ軸方向に沿って高屈折率透明部１３ａが連続して配置されている。

さらに、Ｘ軸方向においては、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。このようにしてＸ軸方向に沿って配置されたフォトディテクターの列が、Ｘ軸方向に位置ずれすることなくＹ軸方向に繰り返し配置されている。その結果、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６ＢのそれぞれがＹ軸方向に互いに隣り合う。実施形態１と同様に、フォトディテクター６Ｇは高屈折率透明部１３ａの真下（即ち、内部マイクロレンズ７ａの中心軸上）にそれぞれ配置されている。

図１５Ａを参照すると、カラー画素を２列×２行の４つの基本画素で構成しようとすると、カラー画素１９は２つの緑（基本画素Ｇ）と２つの青（基本画素Ｂ）とで構成され、カラー画素１９の半分のサイズ（基本画素のサイズ）だけＸ軸方向又はＹ軸方向にシフトした位置には、２つの緑（基本画素Ｇ）と２つの赤（基本画素Ｒ）とで構成されるカラー画素１９’や、２つの青（基本画素Ｂ）と２つの赤（基本画素Ｒ）とで構成されるカラー画素１９”が形成される。これらのカラー画素１９，１９’，１９”はいずれも緑、青、赤のうちのいずれか１つを欠いており、ベイヤー配列を構成しない。しかし、カラー画素を１列×３行のＸ軸方向に連続する３つの基本画素で構成すると、カラー画素２０や、カラー画素２０に対して基本画素のサイズだけシフトしたカラー画素２０’は、いずれも緑、青、赤を１つずつ含む。従って、ベイヤー配列と同様に、解像度が基本画素のサイズにまで改善される。

高屈折率透明部１３及びフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置は図１４及び図１５Ａに限定されず、種々に変更することができる。図１５Ｂ〜図１５Ｆは、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置の別の例を図１５Ａと同様に示した図である。

図１５Ｂ、図１５Ｃでは、図１５Ａと同様に、Ｘ軸方向に沿ったフォトディテクターの列においては、フォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。このようなＹ軸方向に沿ったフォトディテクターの列が、高屈折率透明部のＸ軸方向配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）に対して、図１５Ｂでは１／３倍、図１５Ｃでは２／３倍だけＸ軸方向に位置ずれしながら、順次Ｙ軸方向に配置されている。図１５Ｂ、図１５Ｃでは、カラー画素を３列×１行のＹ軸方向に連続する３つの基本画素で構成しても、図１５Ａで説明したカラー画素２０，２０’と同様に、解像度を基本画素のサイズにまで改善することができる。

図１５Ｄ〜図１５Ｆでは、Ｘ軸方向にフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂがこの順に並び、この並びが繰り返して配置された列と、Ｘ軸方向にフォトディテクター６Ｂ，６Ｇ，６Ｒがこの順に並び、この並びが繰り返して配置された列とが、Ｙ軸方向に交互に配置されている。さらに、フォトディテクター６ＧのＸ軸方向の位置が、高屈折率透明部のＸ軸方向配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）に対して、図１５Ｄでは０倍、図１５Ｅでは１／３倍、図１５Ｆでは２／３倍だけＹ軸方向に隣り合う列間でＸ軸方向に位置ずれするように、フォトディテクターの列がＸ軸方向に位置ずれしながら順次Ｙ軸方向に配置されている。

図１５Ｂ〜図１５Ｆのようなフォトディテクター６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの配置を実現するための高屈折率透明部１３ａ，１３ｂの配置は、図示を省略するが、図１４より容易に推測することができるであろう。即ち、図１５Ｂ、図１５Ｃでは、図１４と同様に、Ｘ軸方向に沿った高屈折率透明部の列は高屈折率透明部１３ａのみで構成される。このような高屈折率透明部の列が、高屈折率透明部のＸ軸方向の配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）に対して、図１５Ｂでは１／３倍、図１５Ｃでは２／３倍だけＸ軸方向に位置ずれしながら、順次Ｙ軸方向に配置される。

図１５Ｄ〜図１５Ｆでは、Ｘ軸方向に沿って高屈折率透明部１３ａのみが配置された列と、Ｘ軸方向に沿って高屈折率透明部１３ｂのみが配置された列とが、Ｙ軸方向に交互に配置される。さらに、高屈折率透明部１３ａ，１３ｂの位置が、高屈折率透明部１３ａ，１３ｂのＸ軸方向配置ピッチ（より正確には高屈折率透明部の幅ｗ２を有する部分のＸ軸方向の配置ピッチ、即ち内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向配置ピッチ）に対して、図１５Ｄでは０倍、図１５Ｅでは１／３倍、図１５Ｆでは２／３倍だけＹ軸方向に隣り合う列間でＸ軸方向に位置ずれするように、高屈折率透明部の列がＸ軸方向に位置ずれしながら順次Ｙ軸方向に配置される。

図１５Ａ、図１５Ｄは、高屈折率透明部の列間において高屈折率透明部のＸ軸方向位置が一致するので、高屈折率透明部をＹ軸方向に連続する板状に形成することができる。さらに、図１５Ａでは、高屈折率透明部の列間において高屈折率透明部の中心軸の折れ曲がりの向きも一致するので、高屈折率透明部をＸＺ断面形状がＹ軸方向に一定の板状に形成することができる。一方、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１５Ｅ、図１５Ｆでは、高屈折率透明部の位置に対応してマイクロレンズ１０及び内部マイクロレンズ７ａのＸ軸方向の位置が、Ｙ軸方向に隣り合う列間でＸ軸方向のその配置ピッチの１／３倍又は２／３倍だけ位置ずれされる。即ち、Ｚ軸と平行に見たとき、円形であるマイクロレンズ１０及び内部マイクロレンズ７ａが略ハニカム状に配置される。従って、マイクロレンズ１０、高屈折率透明部１３、及び内部マイクロレンズ７ａのＹ軸方向の配置ピッチを小さくして、被写体からの光の利用効率を更に高めることができる。

上述した図１５Ａ〜図１５Ｆは三原色を検出することを想定した画素配置の例である。例えば、実施形態１で説明したようにフォトディテクター６Ｇとフォトディテクター６Ｒ又はフォトディテクター６Ｂとを結合して原色とその補色とを検出する場合には、フォトディテクターの配置は、図１５Ａ〜図１５Ｄとは異なる配置となり、所望する画素配置に応じて種々に設定することができる。

本実施形態２は、上記以外は実施形態１と同様であり、実施形態１で説明したのと同様の効果を奏し、また、実施形態１で説明したのと同様の変更が可能である。

上述した実施形態１，２は本発明の好適な具体例に過ぎず、本発明はこれらに限定されず、種々の変更が可能である。

高屈折率透明部１３のＸＺ面に沿った断面形状は、その中心軸１４が階段状に折れ曲がっていれば良く、上記の実施形態１，２に示したものに限定されない。例えば、実施形態１，２に示した高屈折率透明部１３では、その幅ｗ１，ｗ２を規定する両面のうちの一方の面（図３の上面）は、中心軸１４の折れ曲がりの前側部分（幅ｗ１を有する部分）と後側部分（幅ｗ２を有する部分）とが段差のない同一面を構成していた。しかしながら、図１６Ａのように、高屈折率透明部１３の幅ｗ１，ｗ２を規定する両面のうちの一方の面（図１６Ａの上面）が中心軸１４の折れ曲がりの向きと反対の向きに折れ曲がり、他方の面（図１６Ａの下面）が中心軸１４の折れ曲がりの向きと同じ向きに折れ曲がっていても良い。あるいは、図１６Ｂのように、高屈折率透明部１３の幅ｗ１，ｗ２を規定する両面（図１６Ｂの上下面）が中心軸１４の折れ曲がりの向きと同じ向きに折れ曲がっていても良い。さらに、中心軸１４の折れ曲がりよりも前側の部分の幅ｗ１と後側の部分の幅ｗ２との関係が、図１６Ｃのようにｗ１＝ｗ２であっても良く、あるいは、図１６Ｄのようにｗ１＜ｗ２であって良い。また、図１６Ｅのように、中心軸１４の折れ曲がり部分がＺ軸方向にある領域を占めるように中心軸１４が緩やかに折れ曲がっていても良い。さらに、中心軸１４の折れ曲がりより前側の部分の幅ｗ１が一定でなく変化していても良く、同様に中心軸１４の折れ曲がりよりも後側の部分の幅ｗ２が一定でなく変化していても良い。また、中心軸１４の階段状の折れ曲がりの数は１つである必要はなく、２つ以上であっても良い。

Ｙ軸方向に隣り合う高屈折率透明部１３は、長さ（Ｚ軸方向の寸法）ｈ１，ｈ２や中心軸１４の折れ曲がりの向きを変えながら互いに一部で連続していてもよく、完全に独立していても良い。独立している場合には、隣り合う高屈折率透明部１３間には低屈折率透明層１２が充填される。

また、上記の実施形態１，２では、Ｚ軸方向において、高屈折率透明部１３がマイクロレンズ１０の下面と接していたが、高屈折率透明部１３とマイクロレンズ１０とは離間していてもよい。この場合、両者間には低屈折率透明層１２が設けられても良い。

高屈折率透明部１３は、入射した光をその広がりを抑えながらフォトディテクター６側に導くという導波路としての機能を有するので、条件によってはこれと類似の機能を有するマイクロレンズ１０を省略することも可能である（実際に、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂでの波動光学計算ではマイクロレンズ１０を省略した）。ただし、高屈折率透明部１３はＹ軸方向に延設されているので、Ｙ軸方向には導波路としての効果が少ない。従って、高屈折率透明部１３にマイクロレンズ１０の代用をさせるには、少なくとも高屈折率透明部１３および低屈折率透明層１２の入射側表面に、高屈折率透明部の列ごとにＸ軸方向を中心軸方向とするシリンドリカル面を形成することが好ましい。

上記の実施形態１，２では、フォトディテクター６がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って２次元状に配列されていたが、１次元状に配列されていても良い。この場合、高屈折率透明部１３も、フォトディテクター６の配列方向に沿って１次元状に配列される。

上記の実施形態１，２では、高屈折率透明部１３の材料としてＳｉＮを用いる例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば酸化タンタルや酸化チタン等の高屈折率材料や、低屈折率透明層１２に対して０．２以上の屈折率差を確保できるのであればポリイミド樹脂等の樹脂材料やナノコンポジット等を用いることもできる。

上記の実施形態１，２では、０次回折光Ｄ₀、１次回折光Ｄ₁、−１次回折光Ｄ_-1が緑、赤、青の三原色の光である場合を説明したが、０次回折光Ｄ₀、１次回折光Ｄ₁、−１次回折光Ｄ_-1のうちの少なくとも１つが三原色以外の波長の光（例えば赤外光）であっても良い。

図１７Ｂ及び図１９に示した従来の光検出装置の受光領域には、実際にはマイクロレンズとフォトディテクターとの間に金属配線などの遮光部が存在するため、受光領域に入射した光の一部は遮光部によって遮られてしまう。これは、上記の実施形態１，２に示した光検出装置でも同様である。しかしながら、最近、金属配線の影響を受けずに受光領域の全面で受光できる裏面照射型の固体撮像素子が開発されている。光の回折を利用して色分離を行うことで光利用効率を高めることができる本発明の光検出装置を、上記の裏面照射型の固体撮像素子に適用すると、光利用効率を更に向上させることができ、効果的であると考えられる。

以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。

本発明の利用分野は特に制限はなく、物体の像を撮影するための、小型且つ高解像度の撮像用光検出装置として広範囲に利用することができる。

１ 物体
２ レンズ系
３ 像
４ 光検出装置
５ 検出基板
６、６Ｒ、６Ｇ、６Ｂ フォトディテクター
７ 低屈折率の透明バッファー層
７ａ 内部マイクロレンズ
８ 高屈折率の透明バッファー層
１０ マイクロレンズ
１１ 入射光線
１２ 低屈折率透明層
１３、１３ａ，１３ｂ 高屈折率透明部
１４ 高屈折率透明部の中心軸
Ｄ₀ ０次回折光
Ｄ₁ １次回折光
Ｄ_-1 −１次回折光

Claims (16)

1. 基板上に少なくとも第１方向に沿って配列された複数の光検出器と、前記複数の光検出器の上方に形成された低屈折率透明層と、前記第１方向に沿って前記低屈折率透明層内に埋め込まれた柱状又は板状の複数の高屈折率透明部とを備え、
   前記高屈折率透明部の、前記基板に直交し且つ前記第１方向に沿った断面において、前記高屈折率透明部の中心軸が階段状に折れ曲がり、
   前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光は、それらを通過することで、０次回折光と１次回折光と−１次回折光とに分離されることを特徴とする撮像用光検出装置。
2. 前記高屈折率透明部の前記断面において、前記高屈折率透明部の幅が前記中心軸の折れ曲がりの前後で変化し、前記中心軸の前記折れ曲がりに対して前記基板側での前記高屈折率透明部の幅はこれと反対側での前記高屈折率透明部の幅よりも小さい請求項１に記載の撮像用光検出装置。
3. 前記０次回折光が第１光検出器で、前記１次回折光が第２光検出器で、前記−１次回折光が第３光検出器で、それぞれ検出される請求項１又は２に記載の撮像用光検出装置。
4. 前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光が白色光の場合、前記第１光検出器に入射する光は０．５０μｍ〜０．６０μｍの緑波長領域で光量ピークをなし、前記第２光検出器に入射する光は０．６０μｍを越える赤波長領域で光量ピークをなし、前記第３光検出器に入射する光は０．５０μｍ未満下の青波長領域で光量ピークをなす請求項３に記載の撮像用光検出装置。
5. 前記０次回折光と前記１次回折光とが第１光検出器で、前記−１次回折光が第２光検出器で、それぞれ検出される請求項１又は２に記載の撮像用光検出装置。
6. 前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光が白色光の場合、前記第１光検出器に入射する光は０．５０μｍ以上の青波長領域以外の波長領域で光量ピークをなし、前記第２光検出器に入射する光は０．５０μｍ未満下の青波長領域で光量ピークをなす請求項５に記載の撮像用光検出装置。
7. 前記１次回折光が第１光検出器で、前記０次回折光と前記−１次回折光とが第２光検出器で、それぞれ検出される請求項１又は２に記載の撮像用光検出装置。
8. 前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光が白色光の場合、前記第１光検出器に入射する光は０．６０μｍを越える赤波長領域で光量ピークをなし、前記第２光検出器に入射する光は０．６０μｍ以下の赤波長領域以外の波長領域で光量ピークをなす請求項７に記載の撮像用光検出装置。
9. 前記第１方向に沿って配置された前記複数の高屈折率透明部の前記中心軸の折れ曲がりの向きが交互に反転しており、
   前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対して前記第１方向に互いに隣り合う３つの前記光検出器が対応し、
   前記第１方向に沿って配置された前記３つの光検出器のうちの両外側の２つの光検出器は、前記３つの光検出器に対応する高屈折率透明部に対して前記第１方向において互いに隣り合う高屈折率透明部にも対応している請求項１又は２に記載の撮像用光検出装置。
10. 前記第１方向に沿って配置された前記複数の高屈折率透明部の前記中心軸の折れ曲がりの向きが同じであり、
    前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対して前記第１方向に互いに隣り合う３つの前記光検出器が対応し、
    前記複数の光検出器のそれぞれは、前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光のうちのいずれか１つを検出する請求項１又は２に記載の撮像用光検出装置。
11. 前記第１方向と平行な複数の列に沿って前記高屈折率透明部が配置されており、
    前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列を構成する各高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの０倍、０．５倍、１倍、又は１．５倍だけ位置ずれしている請求項９に記載の撮像用光検出装置。
12. 前記第１方向と平行な複数の列に沿って前記高屈折率透明部が配置されており、
    前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列における前記中心軸の折れ曲がりの向きが前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で同じであり、
    前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列を構成する各高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの０倍、１／３倍、又は２／３倍だけ位置ずれしている請求項１０に記載の撮像用光検出装置。
13. 前記第１方向と平行な複数の列に沿って前記高屈折率透明部が配置されており、
    前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列における前記中心軸の折れ曲がりの向きが前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で反転しており、
    前記第１方向と平行な前記高屈折率透明部の列を構成する各高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの０倍、１／３倍、又は２／３倍だけ位置ずれしている請求項１０に記載の撮像用光検出装置。
14. 前記第１光検出器はその表面を含まない深層領域で光を検出し、前記第２光検出器はその表面を含まない深層領域で光を検出し、前記第３光検出器はその表面を含む表層領域で光を検出する請求項４に記載の撮像用光検出装置。
15. 前記第１光検出器はその表面を含まない深層領域で光を検出し、前記第２光検出器はその表面を含む表層領域で光を検出する請求項６に記載の撮像用光検出装置。
16. 前記第１光検出器はその表面を含まない深層領域で光を検出し、前記第２光検出器はその表面を含む表層領域で光を検出する請求項８に記載の撮像用光検出装置。

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