JPWO2014083836A1 - 集光装置、固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

集光装置、固体撮像素子および撮像装置 Download PDF

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Abstract

本開示の固体撮像素子は、実施形態において、第１光検知器Ａおよび第２光検知器Ｂが撮像面内で二次元的に配列された光検知器アレイ１００を備える。各第１光検知器Ａに対して交差する複数の異なった方向に位置する第２光検知器Ｂが第１光検知器Ａに隣接している。また、この固体撮像素子は、各々が位相フィルタ３を含む複数の分光素子３０が二次元的に配列された分光素子アレイ２００であって、複数の分光素子３０がそれぞれ複数の第１光検知器Ａに対向するように構成された分光素子アレイ２００を備える。位相フィルタ３は、集光干渉により、対向する第１光検知器Ａに第１の波長範囲の光を入射させ、かつ、この第１光検知器Ａに隣接する第２光検知器Ｂに第２の波長範囲の光を入射させる。

Description

本開示は、集光装置、固体撮像素子、および当該固体撮像素子を備える撮像装置に関する。
固体撮像素子は、シリコン（Ｓｉ）基板に多数の光検知器（フォトディテクタ）を形成することによって作製され、各光検知器に入射した光の量に応じた電気信号を光電変換によって生成するデバイスである。光検知器は、典型的にはシリコン基板に形成したフォトダイオードである。光検知器に入射した光は、シリコンに吸収されて電子・正孔の対を生成する。
図３０は、シリコンの表面に対して垂直に入射した光が、シリコンの表面から深さ４μｍまでの領域で吸収される割合（吸収率）と入射光の波長との関係を示すグラフである。グラフの横軸は入射光の波長、縦軸は吸収率である。図３０から分かるように、青波長（４００〜５００ｎｍ）の光は、表面から深さ４μｍまでの領域で、ほぼ１００％が吸収される。入射光の波長が長くなるに従って、その吸収率は低下し、近赤外（８００〜９００ｎｍ）の光は１〜２割程度しか吸収されない。すなわち、赤外線（以下、「赤外光」と称する）は、シリコンの表面領域ではほとんど吸収されず、深い領域まで透過する。
なお、本明細書では、４００ｎｍ〜７００ｎｍを可視光の波長範囲と定義し、７００ｎｍ〜２．５μｍを赤外光の波長範囲と定義する。また、赤外光をＩＲ光と略記する場合がある。
上記の性質を利用した従来の固体撮像素子が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている固体撮像素子は、撮像面上に二次元的に配列された多数の光検知器（可視光検知器）と、撮像面から可視光検知器よりも深い位置に設けられた赤外光検知器とを備えている。これらの光検知器は、それぞれ独立したフォトダイオードから構成され、吸収した光の量に応じた電気信号を光電変換によって生成する。
この固体撮像素子の撮像面に入射した赤外光は、可視光検知器で吸収されることなく、より奥に位置する赤外光検知器にまで達する。一方、可視光のほとんどは、可視光検知器に吸収され、赤外光検知器に達しない。このような固体撮像素子によれば、赤外光検知器の受光面積を、可視光検知器の受光面積に制約されることなく十分に広く設定することが可能である。
特開２００９−２７２６２０号公報
上記の固体撮像素子では、可視光と赤外光との分離にシリコンの吸収特性を利用しているため、光検知器の厚さを可視光用と赤外光用とで独立して自由に設定することができない。そのため、可視光および赤外光の光量バランスを独立して変更できない。従って、色調整のための設計の自由度が低く、特定の色の感度が飽和するなどの問題が発生しやすい。また、可視光用と赤外光用とで光検知器が積層されているため、素子構造が複雑になり、その製造コストも増加する。
本開示の実施形態によれば、可視光用の光検知器と赤外光用の光検知器とを積層させることなく、赤外光検知器の感度を高めることができる。
本開示の固体撮像素子は、ある実施形態において、複数の第１光検知器および複数の第２光検知器が撮像面内で二次元的に配列された光検知器アレイであって、各第１光検知器に対して交差する複数の異なった方向に位置する第２光検知器が前記第１光検知器に隣接している光検知器アレイと、各々が位相フィルタを含む複数の分光素子が二次元的に配列された分光素子アレイであって、前記複数の分光素子がそれぞれ前記複数の第１光検知器に対向するように構成された分光素子アレイとを備える。各分光素子の前記位相フィルタは、対向する第１光検知器に第１の波長範囲の光を入射させ、かつ、前記第１光検知器に隣接する前記第２光検知器に第２の波長範囲の光を入射させるように構成されている。
本開示の他の固体撮像素子は、ある実施形態において、第１の方向に配列された複数の第１光検知器および前記第１の方向に配列された複数の第２光検知器が撮像面内で交互に並んだ光検知器アレイと、各々が位相フィルタを含む複数の分光素子が二次元的に配列された分光素子アレイであって、前記複数の分光素子がそれぞれ前記複数の第１光検知器に対向するように構成された分光素子アレイとを備える。各分光素子の前記位相フィルタは、前記撮像面の法線方向から見たとき、各位相フィルタが対向する第１光検知器に対して、前記第１の方向に垂直な第２の方向にオフセットしており、前記対向する第１光検知器に第１の波長範囲の光を入射させ、かつ、前記第１光検知器に隣接する前記２個の第２光検知器に第２の波長範囲の光を入射させるように構成されている。
本開示の集光装置は、ある実施形態において、集光素子と、前記集光素子に近接、かつ同軸して配置され、透過する光の位相をシフトさせる位相シフト素子とを備え、前記集光素子の開口形状は方形であり、前記集光素子のフーリエ結像面に相当する位置における特定波長の光の強度分布が４つのピークを有するように前記特定波長の光を分光する。
本開示の実施形態によれば、可視光および赤外光を独立して検出することが可能になる。また、分光素子アレイがなければ可視光検知器に入射する赤外光を、分光素子アレイにより、赤外光検知器に入射することも可能になる。その結果、赤外光の感度を向上させることができる。
本開示に係る固体撮像素子１０００の基本構成の概略を示す模式的斜視図である。 （ａ）は、本開示の実施形態における第１光検知器Ａおよび第２光検知器Ｂの配列パターンの例を示す平面図であり、（ｂ）は、第１光検知器Ａおよび第２光検知器Ｂの配列パターンの他の例を示す平面図である。 本開示の実施形態に使用され得る分光素子アレイ２００の構成例を模式的に示す斜視図である。 （ａ）は、開口部の平面形状が方形であるマイクロレンズ４の手前に円柱状の位相フィルタ３が設けられている構成を示す斜視図、（ｂ）は青色の波長の光１２Ｂが入射したときに単一の集光スポット２１ａ（面上分布２２ａ）が形成される様子を示す斜視図、（ｃ）は、赤外波長の入射光１２ＩＲが入射したときに複数の集光スポット２１ｂ（面上分布２２ｂ）が形成される様子を示す斜視図である。 １つの分光素子３０が、それに対向する第１光検知器Ａに隣接する４個の第２光検知器Ｂに第２の波長範囲の光（点線）を入射させる様子を模式的に示す図である。 分光素子３０が、それに対向する第１光検知器Ａに第１の波長範囲の光（点線）を入射させる様子を模式的に示す図である。 （ａ）は、本実施形態における位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂの配置例を示す平面図、（ｂ）は、カラーフィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ、９ＩＲの配置例を示す平面図、（ｃ）は光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、５ＩＲの配置例を示す平面図である。 （ａ）は図６のａ−ａ線断面図であり、（ｂ）は図６のｂ−ｂ線断面図である。 解析対象とする領域の中心に位置する分光素子に光を入射させた場合のトップレンズ１０の先端位置における面内強度分布を示す図であり、（ａ）は、波長４５０ｎｍの光の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。 解析対象とする領域の中心に位置する分光素子に光を入射させた場合のトップレンズ１０の先端位置における面内強度分布を示す図であり、（ａ）は、波長５５０ｎｍの光の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。 解析対象とする領域の中心に位置する分光素子に光を入射させた場合のトップレンズ１０の先端位置における面内強度分布を示す図であり、（ａ）は、波長６００ｎｍの光の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。 解析対象とする領域の中心に位置する分光素子に光を入射させた場合の撮像面における面内強度分布を示す図であり、（ａ）は、波長４５０ｎｍの光の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。 解析対象とする領域の中心に位置する分光素子に光を入射させた場合の撮像面における面内強度分布を示す図であり、（ａ）は、波長５５０ｎｍの光の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。 解析対象とする領域の中心に位置する分光素子に光を入射させた場合の撮像面における面内強度分布を示す図であり、（ａ）は、波長６００ｎｍの光の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。 解析対象とする領域全体に光を入射させた場合のトップレンズ１０の先端位置における面内強度分布を示す図であり、（ａ）は、波長４５０ｎｍの光の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。 解析対象とする領域全体に光を入射させた場合のトップレンズ１０の先端位置における面内強度分布を示す図であり、（ａ）は、波長５５０ｎｍの光の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。 解析対象とする領域全体に光を入射させた場合のトップレンズ１０の先端位置における面内強度分布を示す図であり、（ａ）は、波長６５０ｎｍの光の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。 解析対象とする領域全体に光を入射させた場合の撮像面における面内強度分布を示す図であり、（ａ）は、波長４５０ｎｍの光の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。 解析対象とする領域全体に光を入射させた場合の撮像面における面内強度分布を示す図であり、（ａ）は、波長５５０ｎｍの光の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。 解析対象とする領域全体に光を入射させた場合の撮像面における面内強度分布を示す図であり、（ａ）は、波長６００ｎｍの光の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。 本実施形態における固体撮像素子における分光特性を示すグラフである。 本実施形態における固体撮像素子における検出光量の隙間依存性を示すグラフである。 本実施形態における固体撮像素子における検出光量の位置ずれ依存性を示すグラフである。 本実施形態における固体撮像素子における検出光量の入射角依存性を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、比較例における固体撮像素子の断面構成図である。 比較例におけるカラーフィルタの配列パターンを示す平面図である。 比較例における固体撮像素子の分光特性結果を示すグラフである。 比較例における固体撮像素子の入射角依存性を示す説明図である。 （ａ）は、本開示の実施形態における固体撮像素子のカラーフィルタ配置を示す図、（ｂ）は、他の実施形態におけるカラーフィルタ配置および位相フィルタの配置を示す図である。 （ａ）は、開口部の平面形状が円であるマイクロレンズ４の半分を覆う位相フィルタが設けられている構成を示す斜視図、（ｂ）は青色の波長の光１２Ｂが入射したときに単一の集光スポット１６ａ（面上分布１７ａ）が形成される様子を示す斜視図、（ｃ）は、赤外波長の入射光１２ＩＲが入射したときに複数の集光スポット１６ｂ（面上分布１７ｂ）が形成される様子を示す斜視図である。 シリコンにおける光吸収率の波長依存性を示すグラフである。
図１から図５Ｂを参照しながら、本開示における固体撮像素子の実施形態の基本構成を説明する。
まず、図１を参照する。図１には、本開示に係る固体撮像素子１０００の基本構成の概略が模式的に示されている。固体撮像素子１０００は、多数の光検知器５が撮像面１００ａ内で二次元的に配列された光検知器アレイ１００と、光検知器アレイ１００に対向するように配置された分光素子アレイ２００とを備えている。光検知器アレイ１００の撮像面１００ａの水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸、撮像面に垂直な方向をＺ軸とする。本明細書では、波長域または色成分の異なる光を空間的に分離することを「分光」と称する。また、光を検知する空間的な最小単位を「光検知セル」または「画素領域」と称する場合がある。
被写体からの光は、撮影レンズ（不図示）を介して、図１の上方から分光素子アレイ２００に入射し、その後、光検知器アレイ１００に達する。光検知器アレイ１００は、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）またはＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）イメージセンサなどの固体撮像素子における光検出部である。各光検知器５は、典型的には単結晶シリコンのチップ内に形成されたフォトダイオードなどの光電変換素子である。光検知器５が形成される半導体はシリコンに限定されず、他の無機半導体または有機半導体であってもよい。本開示の実施形態において、光検知器アレイ１００の構造そのものは特に限定されず、多様な構造が採用され得る。
本開示における光検知器アレイ１００は、上述のように、撮像面１００ａ内で二次元的に配列された多数の光検知器５を備えている。これらの光検知器５は、例えば図２に示すように配列された複数の第１光検知器Ａおよび複数の第２光検知器Ｂを含んでいる。第１光検知器Ａおよび第２光検知器Ｂは、それぞれ、異なる波長範囲の光を受けて電気信号に変換する。本開示において、第１光検知器Ａおよび第２光検知器Ｂの配列は特定の規則性を有している。ある態様では、光検知器アレイ１００内から任意に選択した１個の第１光検知器Ａに着目すると、その第１光検知器Ａに対して交差する複数の異なった方向に位置する第２光検知器Ｂが、その第１光検知器Ａに隣接している。以下、図２を参照しながら、この点をより詳しく説明する。なお、光検知器５の配列パターンは、図２（ａ）、（ｂ）に示される例に限定されない。
まず、図２（ａ）を参照する。図２（ａ）の例では、第１光検知器Ａの各々に対して直交する２つの方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に位置する４個の第２光検知器Ｂが、第１光検知器Ａに隣接している。言い換えると、第１光検知器Ａおよび第２光検知器Ｂは、チェッカーボードのパターンを構成するように行および列状に交互に配列されている。
図２（ａ）に示される四角形のセルの各々は、個々の光検知器５が設けられる画素領域を示している。光検知器５は、少なくとも１つの光電変換素子を含み、他にスイッチングトランジスタなどの素子を含み得る。光電変換素子は典型的にはフォトダイオードである。光検知器アレイ１００は、例えばＣＭＯＳまたはＣＣＤから構成されるイメージセンサの受光部であり、公知の半導体製造技術によって製造される。光検知器アレイ１００では、各光検知器を不図示の読み出し回路に接続するための配線が設けられている。しかし、図２では、簡単のため、これらの配線を記載していない。
図２（ａ）の例において９０°の角度で交差している２つの方向は、９０°以外の角度で交差していても良い。また、光検知器５の行および列は、撮像面内の水平方向および垂直方向から傾斜していても良い。
次に、図２（ｂ）を参照する。図２（ｂ）の例では、ある１個の第１光検知器Ａに注目すると、その第１光検知器Ａに対して１２０°の角度で交差する３つの方向に位置する３個の第２光検知器Ｂが、その第１光検知器Ａに隣接している。言い換えると、図２（ｂ）の例では、６個の光検知器５から構成される六角形の基本ユニットが撮像面内に緻密に並べられている。各基本ユニット内では、第１光検知器Ａおよび第２光検知器Ｂが６角形の中心の周りに交互に配列されている。この例において、１２０°の角度で交差している３つの方向は、１２０°以外の角度で交差していても良い。
図２（ａ）、（ｂ）に示されている第１光検知器Ａは、ある態様において、可視光検知器として機能する。第１光検知器Ａの上方には、第１光検知器Ａの位置に応じて光透過特性の異なるカラーフィルタが配置され得る。例えばグリーン（Ｇ）を透過するＧフィルタが、ある第１光検知器Ａを覆っている場合、その第１光検知器Ａは、Ｇ用の光検知器とし機能し、Ｇ光の光量に応じて電気信号を生成する。他の色でも同様である。第１光検知器Ａによってフルカラーの画像を取得する場合、例えばレッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）のように３原色を構成するカラーの各々を透過するカラーフィルタがモザイク状に配列されて第１光検知器Ａを覆う。また、モノクロ画像を取得する固体撮像素子では、カラーフィルタが個々の第１光検知器Ａを覆う必要はない。一方、第２光検知器Ｂは、典型的には赤外光検知器として機能する。この場合、前述した特許文献１の素子とは異なり、本開示における赤外光検知器は可視光検知器の下層に設けられていない。なお、本明細書における「赤外光検知器」は、赤外の広い波長範囲に含まれるいずれかの波長を有する光（電磁波）をすべて検知する能力を持つ必要はなく、検知できる光の波長が赤外の範囲に含まれていればよい。従って、例えば８５０ｎｍおよびその近傍の波長を有する光のみを検知することができる光検知器は、本明細書における「赤外光検知器」に含まれる。
第１光検知器Ａおよび第２光検知器Ｂが規則的に配列された撮像面１００ａは、前述のように、分光素子アレイ２００に対向している。各分光素子アレイ２００は、それぞれが１個の第１光検知器Ａに対向する複数の分光素子を備えている。以下、分光素子アレイ２００の構成例を説明する。
図３は、本開示の実施形態に使用され得る分光素子アレイ２００の一例を模式的に示す斜視図である。図３では、分光素子アレイ２００において５個の分光素子３０を含む領域のみが記載されている。これら５個の分光素子３０は、それぞれ、撮像面１００ａにおける５個の第１光検知器Ａに対向している。
図３の例における各分光素子３０は、円柱状の位相フィルタ３と、レンズ開口の平面形状が正方形であるマイクロレンズ４とを含んでいる。実際のマイクロレンズ４は、Ｚ軸方向に厚さを有し、その厚さはＸＹ面内で変化してレンズ面を形成しているが、図３では、簡単のため、厚さ方向にサイズを有していないかのように記載されている。マイクロレンズ４は、本開示の実施形態に不可欠の要素ではないが、光検知器アレイ１００と分光素子アレイ２００との間の距離を短縮する機能を発揮する。この例では、マイクロレンズ４が集光素子として機能する。また、位相フィルタ３が集光素子に近接、かつ同軸して配置され、透過する光の位相をシフトさせる位相シフト素子として機能する。
位相フィルタ３は、「集光干渉」により、対向する第１光検知器Ａに第１の波長範囲の光を入射させ、かつ、第１光検知器Ａに隣接する第２光検知器Ｂに第２の波長範囲の光を入射させるように構成されている。すなわち、光検出器５の配列パターンが図２（ａ）の場合、位相フィルタ３は、対向する第１の光検出器Ａに第１の波長範囲の光を入射させる。また、第１光検知器Ａの各々に対して直交する２つの方向に位置する４個の第２光検知器Ｂに第２の波長範囲の光を入射させる。また、光検出器５の配列パターンが図２（ｂ）の場合、位相フィルタ３は、対向する第１の光検出器Ａに第１の波長範囲の光を入射させる。また、第１光検出器Ａの各々に対して１２０°の角度で交差する３つの方向に位置する３個の第２の光検出器ｂに第２の波長範囲の光を入射させる。
ここで、「第１の波長範囲」は、典型的には可視域の全体または一部であり得る。また、「第２の波長範囲」は、典型的には赤外域の全体または一部であり得る。「第１の波長範囲」と「第２の波長範囲」とは、部分的に重複していてよく、完全に分離されている必要は無い。
以下、図４を参照しながら、「集光干渉」によって分光が生じる理由を説明する。
図４（ａ）は、青色用の光検知器５Ｂに対向する位置に設けられる分光素子３０の概略構成を示す斜視図である。位相フィルタ３は、その周囲よりも相対的に屈折率が高い材料から形成されており、周囲との間で屈折率差を有している。このような屈折率差のため、位相フィルタ３の内部および外部を伝播する光に位相差が発生する。位相フィルタ３の高さは、青色の波長を有する光が透過するときに２πの位相差（２π×整数）が発生し、かつ、赤外光の波長を有する光が透過するときにπの位相差（２π×半整数）が発生するように設定されている。赤外光および可視光を含む入射光が、このような構成を有する分光素子３０を透過するとき、位相フィルタ３のフーリエ変換像が形成される位置において、入射光の波長に応じて異なる光の干渉現象が発生する。この干渉により、撮像面に平行なＸＹ面内における光強度の分布が特定のパターンを有することになる。
ここで、国際公開第２００９／０１９８１８号に開示されている高屈折率透明部（以降、位相シフタと称して説明する。）による分光原理と本開示の位相フィルタによる分光原理との相違点を説明する。
当該従来文献における位相シフタでは、その内部を伝搬する光とその周囲の低屈折率層を伝搬する光とが干渉し、この干渉現象によって、位相シフタを通過した直後から光が分離する。
一方、本開示の位相フィルタでは、その内部を伝搬する光、及びその周囲の低屈折率領域を伝搬する光は、位相フィルタを通過した直後も大部分が直進する。そして、位相フィルタのフーリエ変換像を形成する位置においてこれらの光が干渉し、この干渉現象によって光が分離する。
以上のことから、従来文献における位相シフタ及び本開示における位相フィルタの分光原理の違いは、少なくとも位相シフタまたは位相フィルタから光検知器までの距離の違いとして現れる。つまり、本開示における位相フィルタの場合、位相フィルタのフーリエ変換像を形成する位置近傍に光検知器を配置する。位相フィルタの前または後にマイクロレンズを使用する場合は、マイクロレンズの焦平面近傍に光検知器を配置する。通常使用されるマイクロレンズの曲率半径と屈折率とから算出されるマイクロレンズの焦平面位置、及び後述する解析により効果が確認された面内位置を考慮すると、本開示の実施形態においては、赤外光を分離するために位相フィルタから５μｍ以上離れた位置に光検知器が配置される。一方、従来文献における位相シフタの場合、その内部を通過した直後から光が分離するため、例えば位相シフタから１〜２μｍ程度離れた位置に光検知器が配置される。
図４（ｂ）に示されるように、青色の波長の光１２Ｂが入射したときは、単一の集光スポット２１ａ（面上分布２２ａ）が形成される。これに対して、赤外波長の入射光１２ＩＲが入射したときは、位相フィルタ３が存在する領域２０で位相差πが発生するため、図４（ｃ）に示されるように、複数の集光スポット２１ｂ（面上分布２２ｂ）が形成されることになる。図４（ｃ）の領域２０は、赤外光にπの位相段差を発生させるが、青色光には２πの位相段差を発生させる。なお、図４（ｃ）に示される面上分布２２ｂは、集光素子として機能するマイクロレンズ４のフーリエ結像面に相当する位置における特定波長の光の強度分布である。図４（ｃ）の例では、集光素子と位相シフト素子とが集光装置として機能し、面上分布２２ｂ(特定波長の光の強度分布)が４つ葉のクローバー状になるように分光が行われている。すなわち、フーリエ結像面の４つの象限(ｑｕａｄｒａｎｔｓ)の各々にピークを有するように分光が行われる。
赤外光を図４（ｃ）に示すような４個の集光スポットに分離するための主要な条件は、マイクロレンズ４の開口領域が矩形であること、集光スポットの観察面がマイクロレンズ４の焦平面の近傍であること、位相フィルタ４の中心が開口領域の中心と一致している(同軸である)ことである。
集光干渉を行うために位相フィルタ３の平面形状は円である必要はなく、菱形などの他の形状であってもよい。ただし、赤外光を図４（ｃ）に示すような４個の集光スポットに分離するには、分離する４方向に対して実質的に対称な形状を有していることが好ましい。また、光が入射側から、位相フィルタ３およびマイクロレンズ４の順に配置されているが、この順序が入れ替わってもよい。またマイクロレンズ４がなくても（レンズの焦点距離が十分大きいことに相当）、開口から離れた位置、つまり、位相フィルタ３のフーリエ変換像が形成される位置であれば、同じ現象が発生する。また、開口の形状も正方形に限定されず、他の形状であってもよい。なお、マイクロレンズ４が設けられない場合、隣接する開口を仕切るように格子状の遮光層が形成され、それによって開口の形状が規定され得る。開口の形状は、集光干渉によって形成される光の面内強度分布に影響を及ぼす。開口の形状が例えば円形である場合、図４（ｃ）の面上分布２２ｂはリング状になる。
位相フィルタ３のＸＹ面内におけるサイズは、各画素領域の面積に対する位相フィルタ３の占有面積の比率が０．２〜０．８の範囲内に設定され得る。１個の画素領域の面積が例えば５〜６０μｍ2である場合において、位相フィルタ３のＸＹ面に平行な断面の外形が円のとき、その断面の直径は例えば１〜４μｍ程度に設定され得る。この場合、画素ピッチ（隣接する光検知器の中心間距離）は、約２〜８μｍの範囲内、例えば４〜７μｍ程度に設定され得る。
図５Ａは、１つの分光素子３０が、それに対向する第１光検知器Ａに隣接する４個の第２光検知器Ｂに第２の波長範囲の光（点線）を入射させる様子を模式的に示している。一方、図５Ｂは、この分光素子３０が、それに対向する第１光検知器Ａに第１の波長範囲の光（点線）を入射させる様子を模式的に示している。第１の波長範囲として可視光の波長範囲を選択し、第２の波長範囲として、赤外光の波長範囲の一部を選択した場合、分光素子３０に入射した第２の波長範囲に波長を有する光は、図５Ａに示されるように、第２光検知器Ｂに入射する。なお、分光素子３０に入射した第１の波長範囲の光は、図５Ｂに示されるように、（カラーフィルタが無ければ）第１光検知器Ａに入射する。第１光検知器Ａ上にカラーフィルタが配置されている場合は、分光素子３０およびカラーフィルタを透過した光が第１光検知器Ａに入射する。
再び図３を参照する。分光素子３０が上方に配置されていない第２光検知器Ｂには、分光素子アレイ２００のうちで分光素子３０が無い領域を通過した光が直接に入射し得る。このような直接光に加え、上記の分光素子３０の働きにより、本来的には第１光検知器Ａに入射したであろう第２の波長範囲の光が第２光検知器Ｂに入射する。このようにして第２光検知器Ｂには第２の波長範囲の光が集中して入射するため、その光の感度が向上する。第２光検知器Ｂの真上に第１の波長範囲の光をカットまたは減衰させるカラーフィルタが配置されていれば、第２光検知器Ｂの第２の波長範囲の光に対する感度は更に向上する。
このように分光素子３０は、第１光検知器Ａに対向する位置に配置されているが、全ての第１光検知器Ａに対向する位置に必ず分光素子３０が存在する必要は無い。例えば特定の色を検知する第１光検知器Ａに対しては分光素子３０を対向させないような形態も採用可能である。また、分光素子３０の一部が規則的またはランダムなパターンで間引かられていても、残りの分光素子３０の働きにより、全体として赤外光検知の感度は向上する。
なお、図１の構成において、分光素子アレイ２００よりも上側（光検知器アレイ１００から離れる側）に、特定波長域の光線をカットするフィルタ層が配置されていても良い。例えば、取得したい赤外画像を構成する必要のない波長域に属する赤外光をカットする赤外カットフィルタ層が配置されていてもよい。そのような赤外カットフィルタが設けられていても、その赤外カットフィルタを透過する赤外光が存在するため、必要な帯域の赤外光による画像は取得され得る。
以下、本開示の実施形態をより詳細に説明する。
図６（ａ）は、本実施形態における位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂの配置例を示す平面図、図６（ｂ）は、カラーフィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ、９ＩＲの配置例を示す平面図、図６（ｃ）は光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、５ＩＲの配置例を示す平面図である。
図６（ａ）の位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂは、それぞれ、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）の光に対して２πの位相差を形成するように構成されている。位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂは、いずれも、相対的に屈折率が低い材料の透明層内に埋め込まれた相対的に屈折率が高い透明材料の構造物である。図６（ａ）の例では、位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂは、いずれも柱状の形状を有しており、各々の高さ（Ｚ軸方向のサイズ）が色ごとに異なる。位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂを構成している各柱状構造物の高さを独立して調整することにより、位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂがそれぞれレッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）の光に対して２πの位相差を形成することが可能になる。
図６（ｂ）のカラーフィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂは、それぞれ、図６（ｃ）に示される光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、すなわち第１光検知器Ａを覆っており、位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂを透過した可視光がそれぞれ光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに入射するように配置されている。図６（ｃ）において、グレイの矩形領域が、赤外光が入射する光検知器５ＩＲ、すなわち第２光検知器Ｂが位置する画素領域である。カラーフィルタ９ＩＲは、赤外光を検知するための光検知器５ＩＲを覆っており、可視光をカットする。このようなカラーフィルタ９ＩＲは、例えばカラーフィルタ９Ｒとカラーフィルタ９Ｂとを積層することによって簡単に得られる。
図６（ｂ）に示されるように、この例のカラーフィルタによれば、３行３列に配列された９個のカラーフィルタのうち、４個のカラーフィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｇ、９Ｂが可視光を透過し、５個のカラーフィルタ９ＩＲが赤外光を透過する。可視光を透過する４個のカラーフィルタには、グリーン（Ｇ）を透過するフィルタが２個含まれている。これは、人間の視感度はグリーン（Ｇ）で最も高くなるため、グリーン（Ｇ）の受光量を多くするためである。図６（ｂ）の配列は、通常のベイヤー配列に赤外光検知のための画素領域を挿入した構成を有している。
図６（ｃ）では、チェッカーボードパターンの中に、破線の正方形の領域が記載されており、破線の正方形の領域の各々が、光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、５ＩＲの受光領域（光検知領域）を模式的に示している。言い換えると、図６（ｃ）では、相対的に大きな実線の正方形の画素領域の内部に、相対的に小さな破線の正方形の光検知領域が存在している。すなわち、画素領域の全体が光電変換を行う光検知領域（例えばフォートダイオード）である必要はない。光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、５ＩＲは、光検知領域以外の素子領域を含み、光検知領域の平面形状は、画素領域の外形形状と一致する必要はない。本実施形態において、光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、５ＩＲにおける光検知領域の各々は、相互に接触しておらず、撮像面に平行な方向に離隔している。図２、図３、図５Ａ、図５Ｂなどの図面では、簡単のため、正方形の平面形状を有する第１光検知器Ａおよび第２光検知器Ｂが相互に接触しているように記載されているが、現実の固体撮像素子において、第１光検知器Ａと第２光検知器Ｂとが接している必要はない。また、配線および遮光金属層が第１光検知器Ａと第２光検知器Ｂとの間に存在し得るが、上記の図面では、それらの記載が省略されている。
図７（ａ）は図６のａ−ａ線断面図であり、図７（ｂ）は図６のｂ−ｂ線断面図である。図７に示されるように、本実施形態における分光素子アレイ２００は、透明基板１と、透明基板１に支持された低屈折率の透明層２と、透明層２内に埋め込まれた位相フィルタ３Ｂ、３Ｇ、３Ｒと、透明層２に支持されたマイクロレンズ４とを備えている。
また、本実施形態における光検知器アレイ１００は、光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、５ＩＲが形成されたシリコン基板５０と、シリコン基板５０上に設けられた遮光金属層６および低屈折率の透明層７と、透明層７上に設けられた金属配線８、カラーフィルタ９Ｂ、９Ｇ、９Ｒ、９ＩＲ、およびトップレンズ１０とを備えている。
遮光金属層６は、光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、５ＩＲの境界部分を遮光するようにパターニングされた金属膜から形成されている。透明層７は、例えばＳｉＯ2などの透明絶縁材料から形成され、シリコン基板５０の主面を覆っている。金属配線８は、光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、５ＩＲを駆動回路などの周辺回路に電気的に接続する機能を担っている。個々のトップレンズ１０は、対応するカラーフィルタ９Ｂ、９Ｇ、９Ｒ、９ＩＲの各々を覆う位置に設けられており、集光率を高めて開口率を実質的に上昇させる。
図７（ａ）に示されるように、分光素子アレイ２００と光検知器アレイ１００との間は、空気層１１を介して距離ｓだけ離間している。分光素子アレイ２００と光検知器アレイ１００との間には、空気以外の誘電体からなる層が設けられていてもよい。
入射光１２は、分光素子アレイ２００を透過した後、トップレンズ１０に入射する。入射光１２は、その後、トップレンズ１０によって集光され、カラーフィルタ９Ｂ、９Ｇ、９Ｒ、９ＩＲの何れかを透過し、真下に位置する光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、５ＩＲの何れかに入射する。光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、５ＩＲは、それぞれ、入射光量に応じた電気信号を光電変換によって生成する。
分光素子アレイ２００の働きにより、位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂが無ければ光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに入射したであろう赤外光の少なくとも一部は、その光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに隣接する光検知器５ＩＲに入射する。
図７の分光素子アレイ２００は、例えば以下のようにして作製され得る。
まず、公知の薄膜堆積技術により、透明基板１上にＳｉＯ2等の透明層２を成長させる。次に、フォトリソグラフィおよびエッチング技術によって透明層２をパターニングし、透明層２の所定領域に深さの異なる３種類の凹部（リセス）を形成する。次に、パターニングされた透明層２を覆うように例えばＳｉＮ等の相対的に高い屈折率を有する透明材料（高屈折材料）の層を堆積する。
次に、この高屈折材料の層を最表面からエッチングして、透明層２の表面を露出させる。内部に高屈折材料の構造物（位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ）が埋め込まれた透明層２を得ることができる。エッチング条件を調整することにより、位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂおよび透明層２の表面（エッチングされた面）は十分に平坦化され得る。本実施形態における位相フィルタ３Ｂ、３Ｇ、３Ｒは、それぞれ、相対的に低い屈折率を有する透明層２の内部で孤立した高屈折率の柱状構造物である。図６（ａ）に示すように、本実施形態における位相フィルタ３Ｂ、３Ｇ、３Ｒの平面形状は、円である。しかし、位相フィルタ３Ｂ、３Ｇ、３Ｒの平面形状は、円以外の形状、例えば菱形や方形などであってもよい。位相フィルタ３Ｂ、３Ｇ、３Ｒの形状およびサイズは、高屈折材料の層を堆積する前に透明層２に形成する凹部の形状およびサイズを調整することによって任意に設定できる。
最後に、透明層２の平坦化された表面にマイクロレンズ４のアレイを形成して、分光素子アレイ２００が作製される。本実施形態における個々のマイクロレンズ４は、隣のマイクロレンズ４と正方形の境界によって接している。言い換えると、マイクロレンズ４のレンズ面は、画素サイズで区切られた正方形の領域の全面に渡って広がっている。マイクロレンズ４は、後述する集光干渉の機能を強め、分光素子アレイ２００と光検知器アレイ１００との間の距離ｓを短縮する効果を有している。なお、赤外光用の光検知器５ＩＲに対応した位置には、マイクロレンズ４を設ける必要性はない。また、そもそも光距離ｓを短縮する必要がなければ、位相フィルタ３Ｂ、３Ｇ、３Ｒのある位置にもマイクロレンズ４を設ける必要はないと言える。
分光素子アレイ２００を製造する方法は、上記の例に限定されない。たとえば、透明基板１上にマイクロレンズ４のアレイを形成し、その表面をパターニングして、所定領域に深さの凹部（リセス）を形成してもよい。このとき、マイクロレンズ４はフレネルレンズと同じ形状になる。こうして作製された分光素子アレイ２００は、別途製造された光検知器アレイ１００に組み合わせられて一体化される。このとき、分光素子アレイ２００と光検知器アレイ１００との間で位置合わせ（アライメント）が行われ、不図示の支持部材によって分光素子アレイ２００は光検知器アレイ１００に固定される。アライメントは、撮像面に垂直な方向から見たとき、位相フィルタ３Ｂ、３Ｇ、３Ｒの各々の中心位置（ＸＹ座標）を、対応する検出器５Ｂ、５Ｇ、５ＩＲの各光検知領域の中心位置（ＸＹ座標）に一致させることである。このとき、各マイクロレンズ４の中心位置（ＸＹ座標）も光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、５ＩＲの各光検知領域の中心位置（ＸＹ座標）に一致させる。アライメントずれは、少ないことが好ましく、例えば１．５μｍ以下に設定され得る。
位相フィルタ３Ｂ、３Ｇ、３Ｒが形成する位相段差の大きさは、それぞれ、青、緑、赤の波長範囲に対して約２πに設定されている。青、緑、赤の波長範囲は、ある程度の幅を有しているため、各幅の中央値に対して２πの位相差を形成するように位相フィルタ３Ｂ、３Ｇ、３Ｒが設計され得る。
空気層１１の厚さ（例えば１０〜２０μｍ）は、不図示のスペーサーを配置することにより、ほぼ一定に保つことができる。空気層１１を設ける代わりに隙間に樹脂を充填した場合、マイクロレンズの光パワーを確保するために、樹脂よりも屈折率が十分に高い材料（例えばＳｉＮ等）からマイクロレンズ４およびトップレンズ１０を形成すればよい。分光素子アレイ２００と光検知器アレイ１００との間隔は、マイクロレンズ４の焦平面にトップレンズ１０の先端が位置するように設定され得る。
以下、図８〜図１９を参照しながら、分光素子アレイ２００の位相フィルタ３による分光原理に基づく波動計算の結果を説明する。
図８〜図１０は、解析対象とする領域の中心に位置する分光素子に光を入射させた場合のトップレンズ１０の先端位置（マイクロレンズ４の先端からの距離ｓ＝１７μｍ）における面内強度分布を示す。これらの図面の（ａ）は、可視光（波長４５０、５５０、６００ｎｍ）の強度分布を示し、（ｂ）は、赤外光（波長８５０ｎｍ）の強度分布を示している。図面において、明度が低いほど（黒に近いほど）、光強度が高い。マイクロレンズ４の曲率半径は１２μｍであり、マイクロレンズ４の材料の屈折率は１．５程度であるため、s＝１２×２／１.５＝１６μｍが焦平面位置に相当する。図面中の横に並んだ３個の正方形２３は、３個の画素領域の境界を示している。光検知器５Ｂ、５Ｇ、５Ｒ、５ＩＲは、画素領域の境界を覆う格子状の金属遮光層６によって区切られている。
まず、図８を参照する。図８（ａ）は、青色検出用の光検知器５Ｂの位置にある分光素子に赤外光を含む白色光が入射したときの、波長４５０ｎｍの光の強度分布を示している。図８（ｂ）は、そのときの波長８５０ｎｍの光の強度分布を示している。図８（ａ）の強度分布は図４（ｂ）の強度分布に相当し、図８（ｂ）の強度分布は図４（ｃ）の強度分布に相当する。
図８（ａ）から分かるように、波長４５０ｎｍの光強度が高い部分は、光検知器５Ｂに対応する領域内に位置している。これは、光検知器５Ｂに対応する分光素子に入射した光に含まれる波長４５０ｎｍの成分が、分光素子の位相フィルタをそのまま真っ直ぐに透過し、真下に位置する光検知器５Ｂのためのトップレンズ１０に入射することを示している。一方、図８（ｂ）から分かるように、波長８５０ｎｍの光強度が高い部分は、光検知器５Ｂの周囲に対応する領域内に広がっている。これは、光検知器５Ｂに対応する分光素子に入射した光に含まれる波長８５０ｎｍの成分が、分光素子の位相フィルタによって干渉し、赤外用の光検知器ＩＲのためのトップレンズ１０に入射することを示している。
図９（ａ）および図１０（ａ）は、それぞれ、緑色検出用の光検知器５Ｇの位置にある分光素子に赤外光を含む白色光が入射したときの、波長５５０ｎｍの光の強度分布および赤色検出用の光検知器５Ｒの位置にある分光素子に赤外光を含む白色光が入射したときの、波長６００ｎｍの光の強度分布を示している。図９（ｂ）および図１０（ｂ）は、それぞれ、緑色検出用の光検知器５Ｇの位置にある分光素子に赤外光を含む白色光が入射したときの、波長８５０ｎｍの光の強度分布および赤色検出用の光検知器５Ｒの位置にある分光素子に赤外光を含む白色光が入射したときの、波長８５０ｎｍの光の強度分布を示している。図９および図１０から分かるように、緑および赤の光についても、図９を参照して説明したことが成立している。ただし、図８（ｂ）、図９（ｂ）、図１０（ｂ）の順序で、波長８５０ｎｍの光の強度は低下している。これは、各位相フィルタのサイズが、透過すべき可視光の波長（４５０、５５０、６００ｎｍ）に対して２πの位相差を形成するように設計されていることに起因している。すなわち、透過すべき可視光の波長が４５０ｎｍの場合、その位相フィルタによる波長８５０ｎｍの光に対する位相差はπに近い値を持つが、透過すべき可視光の波長が６００ｎｍの場合、その位相フィルタによる波長８５０ｎｍの光に対する位相差はπからのずれが大きくなる。
次に、図１１から図１３を参照する。これらの図は、図８から図１０に対応しているが、算出した光強度分布の面内位置が異なる。すなわち、図１１から図１３は、光検知器の表面（撮像面）における光強度分布を示している。図１１から図１３に示されるように、トップレンズ１０による集光、カラーフィルタ９による吸収、配線８および遮光金属層６による遮光の結果、各光検知器内に収まる集光スポットが得られる。
次に、図１４から図１９を参照する。ここでは、解析領域の全面に一様な強度の光を入射させた場合の、各波長を有する光の面内強度分布を計算した。図１４から図１６は図８から図１０に対応し、図１７から図１９は図１１から図１３に対応している。これらの図から分かるように、可視光では光検知器５Ｂ、５Ｇ、５Ｒ、５ＩＲの間で強度分布（エネルギ分布）に偏りはないが、赤外光では赤外光検知器５ＩＲに強度分布が偏っている。また、図１７から図１９に示されるように、可視光は可視光検知器内に集光され、赤外光は赤外光検知器内に集光されている。このことは、赤外光が赤外光検知器５ＩＲに効率よく集められて検出され得ることを意味する。
図２０は、本実施形態における固体撮像素子の分光特性の一例を示すグラフである。図２０のグラフの横軸は波長、縦軸は検出光量である。このグラフでは、青光検知器５Ｂ、緑光検知器５Ｇ、赤光検知器５Ｒ、赤外光検知器５ＩＲに入射する光の量を、一画素当たりの入射光量で規格化し、それぞれ、曲線Ｂｌ、Ｇｒ、Ｒｅ、ＩＲで示している。
図２１は検出光量の隙間依存性、図２２は、検出光量の位置ずれ依存性、図２３は検出光量の入射角依存性を示す。隙間依存性はマイクロレンズ４の先端からトップレンズ１０先端までの距離ｓ、位置ずれ依存性は光検知器５に対する位相フィルタのｘ方向位置ずれεｘ、入射角依存性は光検知器５に対する入射光１２のｘ方向の傾斜角度θｘがグラフの横軸である。グラフの縦軸には、光検知器５Ｂ、５Ｇ、５Ｒ、５ＩＲにおける４５０、５５０、６００、８５０ｎｍの波長での出力値をそれぞれ、曲線Ｂｌ、Ｇｒ、Ｒｅ、ＩＲでプロットしている。
なお、図２１、図２２、および図２３では、図２１で示された赤外光検知器５ＩＲで検出される光量（曲線ＩＲ）の、可視領域（４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０ｎｍ）での光量和を曲線ＳＬとしてプロットしている。曲線ＳＬの値は、赤外光検知器５ＩＲで検出される可視の迷光成分量を示す。赤外光の検出レベル（曲線ＩＲ）は可視の迷光成分検出レベル（曲線ＳＬ）の６．５倍程度ある。これは、図３０を参照して説明した吸収率の差を考慮しても、赤外光の検出感度が可視の迷光成分検出感度よりも高いことを意味している。
なお、前述したように、本開示の実施形態においては、赤外光を分離するために位相フィルタから５μｍ以上離れた位置に光検知器が配置される。例えば、画素サイズが５．６μｍ、マイクロレンズ４の先端からトップレンズ１０先端までの距離ｓが１６μｍの場合、位相フィルタと光検出器との距離が５μｍ以上であると、光検出量の観点で最適であることを確認した。また、図２１からもわかるようにより、ｓ＝１３〜２０μｍの範囲を含む広い範囲で効果が得られる。なお、画素サイズが例えば２．５μｍの場合でも同様の効果があることを確認している。
次に、比較例を説明する。
図２４（ａ）、（ｂ）は、比較例における固体撮像素子の断面構成図、図２５は、この比較例におけるカラーフィルタの配置を示す平面図である。図２４（ａ）は図２５におけるａ−ａ線断面図、図２４（ｂ）は図２５におけるｂ−ｂ線断面図である。図２６は、比較例における固体撮像素子の分光特性を示すグラフであり、図２７は入射角依存性を示すグラフである。
この比較例は、図７に示す実施形態の構成から分光素子アレイ２００を取り除いた構成を備えている。
実施形態に関する結果（図２０、図２３）と比較例に関する結果（図２６、図２７）とを比べると、赤外光検知器５ＩＲでの赤外光受光量（曲線ＩＲの波長８５０ｎｍにおける比較）が実施形態では１．９倍に増加している。赤外光検知器５ＩＲでの可視光受光量（曲線ＳＬの比較）は、１．１倍（赤外光受光量で規格化すると０．６倍）、可視光検知器５Ｂ、５Ｇ、５Ｒでの可視光受光量（曲線Ｂｌ、Ｇｒ、Ｒｅ等の比較）は０．９倍である。実施形態によれば、赤外光検出感度をほぼ倍増できる。
青、緑、赤、赤外の検出を例にとったが、可視（白色）と赤外の検出に於いて、赤外光に対する感度を向上させるようにしてもよい。図２８（ａ）はこの場合のカラーフィルタの配置を示す説明図であり、白フィルタ（９Ｗ）に対応する位置に位相フィルタが形成される。ただし、この場合の位相フィルタは、単一の深さ（例えば、位相フィルタ９Ｇと同じ深さ）になる。
また、図４に示した位相フィルタ３の代わりに図２９に示す位相フィルタを用いてもよい。図２９（ａ）は、開口の形状が円形のマイクロレンズ４の手前に、位相フィルタ１４が設けられた構成を示す斜視図である。位相フィルタ１４の高さは青波長の光に対して２πの位相差を形成し、かつ、赤外波長の光に対してはπの位相差を形成するように構成されている。図２９（ｂ）に示すように、青波長の光１２Ｂが入射したとき、単一の集光スポット１６ａ（面上分布１７ａ）が形成される。これに対して、図２９（ｃ）に示されるように、赤外波長の光１２ＩＲが入射したときは、領域１５で位相が遅れ、πの位相差が発生するため、焦平面において２つに分離した集光スポット１６ｂ（面上分布１７ｂ）が形成される。
図２９に示すような位相フィルタを用いる場合、赤外光を左右２方向の検出器に分光させることができる。図２８（ｂ）は、この場合のカラーフィルタの配置と位相フィルタの配置とを重ね合わせて示す平面図である。カラーフィルタ（９Ｂ、９Ｇ、９Ｒ）に対応する位置に、その半分の領域を覆う位相フィルタ３Ｂ、３Ｇ、３Ｒが形成される。なお、図２８（ｂ）の例では、赤外フィルタのストライプ状に配列されている。より詳細には、各分光素子の位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂを撮像面の法線方向から見たとき、位相フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂはカラーフィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂの中心から水平方向にオフセットし、画素領域の半分を覆っている。その結果、分光素子は、対向する可視光検知器５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに第１の波長範囲の光（この例では可視光）を入射させ、かつ、可視光検知器９Ｒ、９Ｇ、９Ｂに隣接する赤外光検知器５ＩＲに第２の波長範囲の光（この例では赤外光）を入射させることができる。
赤外フィルタの配置はストライプに限定されず、チェッカーボードパターンであってもよいし、更には正三角形や正六角形の規則パターン、または、これらのパターンが部分的に組み合わさったものであっても良い。
なお、本開示の実施形態では、マイクロレンズ４は位相フィルタ（３Ｂ、３Ｇ、３Ｒ）の下面側に設けられる必要はなく、位相フィルタの上面側に設けられてもよいし、設けなくてもよい。また、赤外光を周囲の４方向に隣接する検出器に分光し、それによって周囲の赤外光検知器の赤外光に対する感度を向上させているが、赤外以外の波長であってもよい。
本開示の撮像装置の実施形態は、上記の固体撮像素子と、この固体撮像素子が出力する電気信号を処理する信号処理部と、固体撮像素子の撮像面に像を形成するための光学系とを備えている。信号処理部および光学系は、公知の撮像装置における任意の信号処理部および光学系が採用され得る。
本開示の実施形態は、可視光画像と赤外線画像とを取得する撮像装置に利用することができる。
１ 透明基板
２ 低屈折率の透明層
３Ｂ、３Ｇ、３Ｒ 位相フィルタ
４ マイクロレンズ
６ 遮光金属層
７ 低屈折率の透明層
８ 金属配線
９Ｂ、９Ｇ、９Ｒ、９ＩＲ カラーフィルタ
１０ トップレンズ
５０ シリコン基板
１００ 光検知器アレイ
２００ 分光素子アレイ

Claims (16)

  1. 複数の第１光検知器および複数の第２光検知器が撮像面内で二次元的に配列された光検知器アレイであって、各第１光検知器に対して交差する複数の異なった方向に位置する第２光検知器が前記第１光検知器に隣接している光検知器アレイと、
    各々が位相フィルタを含む複数の分光素子が二次元的に配列された分光素子アレイであって、前記複数の分光素子の各々が前記複数の第１光検知器の対応する１つに対向するように構成された分光素子アレイと、
    を備え、
    各分光素子の前記位相フィルタは、対向する第１光検知器に第１の波長範囲の光を入射させ、かつ、前記第１光検知器に隣接する前記第２光検知器に第２の波長範囲の光を入射させるように構成されている、固体撮像素子。
  2. 第１の方向に配列された複数の第１光検知器および前記第１の方向に配列された複数の第２光検知器が撮像面内で交互に並んだ光検知器アレイと、
    各々が位相フィルタを含む複数の分光素子が二次元的に配列された分光素子アレイであって、前記複数の分光素子がそれぞれ前記複数の第１光検知器に対向するように構成された分光素子アレイと、
    を備え、
    各分光素子の前記位相フィルタは、前記撮像面の法線方向から見たとき、各位相フィルタが対向する第１光検知器に対して、前記第１の方向に垂直な第２の方向にオフセットしており、前記対向する第１光検知器に第１の波長範囲の光を入射させ、かつ、前記第１光検知器に隣接する前記２個の第２光検知器に第２の波長範囲の光を入射させるように構成されている、固体撮像素子。
  3. 各分光素子はマイクロレンズを含む、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記第１の波長範囲の光は可視光であり、前記第２の波長範囲の光は赤外光である請求項１から３のいずれかに記載の固体撮像素子。
  5. 前記光検知器アレイは、前記位相フィルタから５μｍ以上離れた位置に配置される、請求項４に記載の固体撮像素子。
  6. 前記第２の波長範囲の光は、各分光素子の前記位相フィルタから５μｍ以上離れた位置で干渉して前記第１の波長範囲の光から分離した光である、請求項５に記載の固体撮像素子。
  7. 前記第１光検知器および前記第２光検知器は、前記撮像面内において、行および列状に交互に配列されている請求項１から６のいずれかに記載の固体撮像素子。
  8. 前記第１光検知器および前記第２光検知器は、前記撮像面内において、チェッカーボードパターンを形成するように配列されており、
    前記複数の分光素子の各々は、前記複数の第２光検知器のうち、対向する第１光検知器に隣接する４個に前記第２の波長範囲の光を入射させる請求項１に記載の固体撮像素子。
  9. 前記マイクロレンズのレンズ開口部は四角形であり、前記位相フィルタは柱状構造物であり、請求項８に記載の固体撮像素子。
  10. 前記撮像面の法線方向から見たとき、前記マイクロレンズの中心は前記位相フィルタの中心に一致している請求項９に記載の固体撮像素子。
  11. 前記第１光検知器および前記第２光検知器は、前記撮像面内において、ストライプパターンを形成するように配列されており、
    前記複数の分光素子の各々は、前記複数の第２光検知器のうち、対向する第１光検知器に隣接する２個に前記第２の波長範囲の光を入射させる請求項２に記載の固体撮像素子。
  12. 各分光素子は、マイクロレンズを含み、
    前記撮像面の法線方向から見たとき、前記位相フィルタは、その位相段差が前記マイクロレンズの中心軸を通る位置に整合するように構成されている請求項１１に記載の固体撮像素子。
  13. 前記位相フィルタは、前記第１光検知器に入射させる光の中心波長に対して２πの位相差を与えるように構成されている請求項１から１０のいずれかに記載の固体撮像素子。
  14. 複数の異なる透過特性を有するカラーフィルタが配列されたカラーフィルタアレイを備え、
    前記第１光検知器は、可視光の透過を許容するカラーフィルタによって覆われ、
    前記第２光検知器は、可視光の透過を抑制またはカットするカラーフィルタによって覆われている請求項１から１３のいずれかに記載の固体撮像素子。
  15. 請求項１から１４のいずれかに記載の固体撮像素子と、
    前記固体撮像素子が出力する電気信号を処理する信号処理部と、
    前記固体撮像素子の撮像面に像を形成するための光学系と、
    を備えた撮像装置。
  16. 集光素子と、
    前記集光素子に近接、かつ同軸して配置され、透過する光の位相をシフトさせる位相シフト素子と
    を備え、
    前記集光素子の開口形状は方形であり、
    前記集光素子のフーリエ結像面に相当する位置における特定波長の光の強度分布が４つのピークを有するように前記特定波長の光を分光する、集光装置。
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