KR20080112973A - 어레이형 수광 소자 및 집광 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 집광 수단과, 상기 제1 집광 수단에 의해 집광된 광을 받는 제2 집광 수단과, 상기 제2 집광 수단에 의해 집광된 광을 받는 수광부를 구비하며, 상기 제1 집광 수단은, 구면 형상을 갖고，상기 제2 집광 수단은, 고굴절률부와 저굴절률부를 가지며，상기 고굴절률부는, 원기둥 형상 또는 다각기둥 형상 중 어느 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자를 제공한다.
집광 수단, 어레이, 수광 소자, 수광 효율, 회절 효율, 회절 소자, 굴절률

Description

어레이형 수광 소자 및 집광 방법{ARRAY TYPE LIGHT RECEIVING ELEMENT AND LIGHT CONDENSING METHOD}
본 출원은 일본국 특허 출원 2007-163524(2007년 6월 21일)에 기초한 것으로서, 그 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
본 발명은, 어레이형 수광 소자에 관한 것으로，특히, 수광 효율을 향상시킨 어레이형 수광 소자 및 집광 방법에 관한 것이다．
최근，디지털 카메라나 휴대 전화에 채용되는 카메라의 고정밀화에 수반하여, 탑재되는 어레이형 수광 소자의 미세화가 진행되고 있다. 그런데, 미세화에 수반하여 수광 소자의 화소 피치 간격이 좁아지기 때문에, 렌즈에 들어간 입사광을 효율적으로 수광부에 도입할 수 없다는 하는 문제가 발생하고 있다.
종래, 어레이형 수광 소자에는 구면 형상의 집광 수단이 이용되어 왔다. 그러나，구면 형상만의 집광 수단은, 어레이형 수광 소자에 수직으로 입사한 광을 효율적으로 수광부에 도입하는 효과는 있었지만, 비스듬하게 입사한 광을 효율적으로 수광부에 도입하는 효과는 적었다.
예를 들면, 카메라 렌즈로부터 어레이형 수광 소자에 광이 입사하면，어레이 형 수광 소자의 중앙부에서는 수직 입사광의 성분이 강하고, 어레이형 수광 소자의 주변부에서는 경사 입사광의 성분이 강하다. 그리고，경사 입사광은 소자 내의 배선에 있어서, 소자 내의 수광부에 도달할 수 없는 경우가 있어, 주변부의 수광 감도가 저하한다. 그 때문에，2차원 방향으로 어레이형으로 배열된 소자의 중앙부에서는 수광 효율이 높지만, 주변부에서는 수광 효율이 낮아져서, 그 사이에서 감도차(셰이딩)가 생긴다. 또한，비스듬하게 입사한 광은 집광 수단을 이용하여, 소자의 수광부에 도달시키지 않으면 인접하는 화소의 수광부에 입사하여 색 얼룩을 일으킨다.
셰이딩의 문제에 대하여, 특허 문헌 1에는, 어레이형으로 배열된 소자의 중앙부로부터의 거리가 떨어짐에 따라서, 수광부의 중심이 시프트하는 방법이 기재되어 있다. 이 기술에 의하면 셰이딩을 억제할 수 있지만, 각 화소에서의 구조가 서로 다르기 때문에 제조 프로세스가 복잡해진다.
또한，특허 문헌 2에는, 어레이형으로 배열된 소자의 중앙부로부터의 거리가 떨어짐에 따라서, 다층 배선의 최상층의 배선의 개구경을 서서히 크게 하는 방법이 기재되어 있다. 이 기술에 의하면, 셰이딩을 억제할 수 있지만, 각 화소에서의 구조가 다르기 때문에 제조 프로세스가 복잡해진다.
또한，특허 문헌 3에는, 제1 집광 수단, 제2 집광 수단의 형상을 구면으로 하고, 또한 각 화소마다 바꾸는 방법이 기재되어 있다. 이 기술에 의하면, 셰이딩, 색 얼룩을 억제할 수 있지만, 구면 형상만으로는 비스듬하게 입사하는 광의 수광 효율의 상승이 충분하지 않고, 게다가 각 화소에서의 구조가 서로 다르기 때문 에 제조 프로세스가 복잡해진다.
[특허 문헌 1] 특허 공개 2006-324439
[특허 문헌 2] 특허 공개 2006-229004
[특허 문헌 3] 특허 공개 2006-114592
본 발명은, 피치 간격이 좁아도 비스듬하게 입사한 광에 대하여, 고수광율인 어레이형 수광 소자 및 집광 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 제1 집광 수단과, 상기 제1 집광 수단에 의해 집광된 광을 받는 제2 집광 수단과, 상기 제2 집광 수단에 의해 집광된 광을 받는 수광부를 구비하며，상기 제1 집광 수단은, 구면 형상을 갖고，상기 제2 집광 수단은, 고굴절률부와 저굴절률부를 가지며，상기 고굴절률부는, 원기둥 형상 또는 다각기둥 형상 중 어느 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자가 제공된다.
또한，본 발명의 다른 일 양태에 의하면, 구면 형상의 제1 집광 수단에 의해 집광한 광을, 제2 집광 수단에 의해 집광하고, 수광 소자에 입사시키는 어레이형 수광 소자의 집광 방법으로서，상기 제2 집광 수단은, 고굴절률부와 저굴절률부를 갖고，상기 고굴절률부는, 원기둥 형상 또는 다각형 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자의 집광 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 피치 간격이 좁아도 비스듬하게 입사한 광에 대하여, 고수광율인 어레이형 수광 소자 및 집광 방법을 제공할 수 있다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 어레이형 수광 소자를 설명하기 위한 모식 단면도이다.
또한，도 2는, 카메라 렌즈(150), 어레이형 수광 소자(160)로 구성되는 수광기(140)의 개요도와 어레이형 수광 소자 확대부(190)의 확대도이다. 여기에서, 어레이형 수광 소자 확대부(190)의 R, G, B는, 각각 적, 녹, 청의 각색의 가시광 필터를 갖는 소자의 배치를 표시한다.
우선，도 2를 참조하면서 설명하면, 카메라 렌즈(150)로부터 어레이형 수광 소자(160)에 광이 입사하면，어레이형 수광 소자 중앙부(180)에서는 수직 입사광의 성분이 강하고, 어레이형 수광 소자 주변부(170)에서는 경사 입사광의 성분이 강하다. 그리고，경사 입사광은 소자 내의 배선에 있어서, 소자 내의 수광부에 도달할 수 없는 경우가 있어, 주변부의 수광 감도가 저하한다. 그 때문에，2차원 방향으로 어레이형으로 배치된 소자의 중앙부에서는 수광 효율이 높지만, 주변부에서는 수광 효율이 낮아져, 그 사이에서 감도차(셰이딩)가 생긴다. 또한，비스듬하게 입사한 광은 집광 수단을 이용하여, 소자의 수광부에 도달시키지 않으면 인접하는 화소의 수광부에 입사하여 색 얼룩을 일으킨다.
도 1에는, 본 실시 형태의 어레이형 수광 소자의 2화소분의 단면도와 입사광의 집광 거동이 도시된다. 하나의 소자는, 광의 입사측으로부터 순서대로 제1 집광 수단(10), 컬러 필터(30), 제2 집광 수단(20), 금속 배선부(40), 산화막(60), 광전 변환 수단(50)으로 구성된다. 여기에서, 제1 집광 수단(10)은, 구면 렌즈이지만, 제2 집광 수단(20)은, 예를 들면 원기둥 또는 각기둥 형상이다. 그 때문에, 제2 집광 수단(20)은 단면도에서 사각형으로 표시되어 있다. 미세화가 진행하여 화소 사이즈가 가시광 파장에 근접하면, 제2 집광 수단(20)은 가시광에 대하여 회절 소자로서의 역할을 갖기에 이른다.
제1 집광 수단(10)을 이용하여 수직 입사광과 경사 입사광을 소자 내의 제2 집광 수단(20)의 위치에 집광시킨다. 도 1에서는，수직 입사 평면파(실선)와 경사 입사 평면파(파선)를 각각 화살표 V, A로 나타내었다.
입사광은, 제1 집광 수단(10)에 의해 제2 집광 수단(20)의 위치에 집광되고, 배열한 제2 집광 수단(20)의 회절 효과에 의해, 전파 방향이 변화하지 않는 0차광과, 전파 방향이 θm로 변화되는 ±m차광(m=1, 2, …)으로 이산화된다. 도 1에는, 0차광(100), +m차광(101), -m차광(102)을 도시한다. 수광 효율을 높이기 위해서는, 수직 입사광에 관해서는, ±m차광을 수광 가능하게 하는 것이 바람직하다. 제2 집광 수단(20)과 광전 변환 수단(50) 사이의 거리를 D2로 하였을 때, 광전 변환 수단(50)의 폭을 L로 하여, D2=L/(2tanθ) 이하로 설정함으로써, m차광을 수광부인 광전 변환 수단(50)으로 수광할 수 있다.
경사 입사광에 관해서는, 입사 각도가 커지면 0차광은 광전 변환 수단(50)에 들어가지 않고, 도 1에 도시한 우경사 상방으로부터의 경사 입사광인 경우, -m차광만을 수광하게 된다. 따라서, 경사 입사광에 대해서는, -m차광의 회절 효율이 크게 되도록 제2 집광 수단(20)의 형상을 설계함으로써, 수직 입사광의 수광 효율을 내리지 않고 경사 입사광의 수광 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
이하, 제2 집광 수단(20)의 형상의 설계 및 설계된 제2 집광 수단(20)을 이용한 집광 방법에 대하여 설명한다. 0차광의 회절 효율을 최소로 하여 고차의 회절 효율을 높이는 것이 설계상의 포인트로 된다. 제2 집광 수단이 원기둥 형상 또는 각기둥 형상 및 구면 형상인 각 경우에 대하여, 시뮬레이션에 의한 회절 효율의 계산을 행하고, 제2 집광 수단(20)이 원기둥 형상 또는 각기둥 형상 쪽이 구면 형상보다도, 회절 효율이 개선되는 것을 발견하였다.
여기서, 계산에 이용한 각 파라미터를 설명한다. 화소 피치 사이즈 W는 1.75㎛, 수광부로 되는 광전 변환 수단(50)의 폭 L은 1.15㎛, 제1 집광 수단(10)의 구면 렌즈의 높이 S는 0.4㎛, 컬러 필터(30)의 높이, 즉, 제1, 제2 집광 수단간 거리 D1은 1.8㎛, 제2 집광 수단(20)의 높이 T는 0.58㎛, 제2 집광 수단(20)과 광전 변환 수단(50)과의 거리 D2는 1.8㎛로 하였다. 단，제2 집광 수단(20)이 구면 렌즈인 경우에는 구면의 높이 0.2㎛로 하고, 인접하는 렌즈와는 간극 없이 배열하도록 하였다.
또한，파장 λ는 0.53㎛로 하였다. 또한，제1 집광 수단(10) 및 컬러 필터(30)에는, 수지를 이용할 수 있으며, 굴절률은 예를 들면 1.55이다. 제2 집광 수단(20)은, 주위보다 고굴절률의 재료로 구성되며, 굴절률은 예를 들면 1.9이다. 재료로서는 예를 들면 SiN을 이용할 수 있다. 제2 집광 수단(20)과 광전 변환 수단(50)의 사이는, 예를 들면 SiO2 등의 산화막을 이용할 수 있으며, 그 경우 굴절률은 1.45이다.
또한，금속 배선부(40)는, 데이터 전송부의 역할을 갖고，예를 들면 Al, W을 이용할 수 있다. 광전 변환 수단(50)에는, Si으로 이루어지는 수광부를 이용할 수 있다.
시뮬레이션은, 벡터 파동 해석에 의해 행하였다. 즉, 맥스웰 방정식을 시간 영역에서 푸는 방법에 의하였다. 수광 효율 및 회절 효율의 계산은, TE 편광과 TM편광에서 행하여 평균을 취하였다. 또한，입사각은 수직 입사로부터 30°입사까지 바꾸어, 각 계산을 행하였다.
도 3은, 제2 집광 수단(20)을 회절격자로 표시한 모식도이다.
제2 집광 수단(20)이 사각 형상 단면을 갖는 회절격자이며, 2차원 단면에서의 시뮬레이션을 행한 경우에 대하여 도시하고 있다. 굴절률이 n1=1.9인 고굴절률부와 n2=1.45인 저굴절률부의 반복 단위에 의해 입사광은 회절을 일으킨다. 0차광의 회절 효율을 최소로 하여 고차의 회절 효율을 높이기 위해서는, 3차원의 경우에 대하여 후술하는 것에 대응하여, 2차원 단면 시뮬레이션에서도 고굴절률부와 저굴절률부의 크기의 비에 최적값이 존재한다. 그 최적값은 1:1이므로, 도 3에서는，고굴절률부와 저굴절률부의 길이를, 계산예로 하고 있는 화소 피치 사이즈 1.75㎛의 1/2인 1.75/2㎛로 하였다. 또한，0차광이 0으로 되는 이론적인 이상 조건은, T=λ/(2(n1-n2))이다. 이것은, 고굴절률부와 저굴절률부의 광로 길이 차가 λ/2로 되는 조건으로부터 유도된다.
여기서, 제2 집광 수단(20)의 위치와 저굴절률부의 관계에 대하여 설명한다. 화소 피치 사이즈가 1.75㎛인 경우, 전술한 바와 같이 D1과 D2는 1.8㎛로 설정되고, 또한 제2 집광 수단(20)의 위치는 제1 집광 수단(10)의 초점 위치인 것이 요구된다. 고굴절률부가 전부 산화막(60) 내에 있는 경우, 상기의 이상식에 따르면, T=0.588㎛가 이상값으로 된다.
한편，고굴절률부를 모두 컬러 필터(30) 내에 설치하는 경우에는, 저굴절률부의 굴절률은 1.55로 되고, T=0.75㎛로 된다. 단，실제상으로 고굴절률부는, 컬러 필터(30)와 산화막(60)에 걸치게 된다. 이 경우 정확하게는, 컬러 필터측 높이를 T1, 굴절률을 nc(=1.55)로 하고, 산화막측 높이를 T2, 굴절률을 no(=1.45)로 하여, T=λ/(2×n1)+(nc×T1+no×T2)/n1로 표현된다. T1=0 및 T2=0이며 각각 T=0.588 및 0.75로 된다.
회절을 이용하여 m차의 회절광을 광전 전환부(50)에 유효하게 입사시켜서, 경사 입사광의 수광 효율을 향상시키는 관점으로부터는, 회절 각도가 커지도록 굴절률차가 큰 것이 바람직하며, 그것을 위해서는 고굴절률부는 전부 굴절률이 1.45인 산화막 내에 있는 것이 바람직하다. 또한，수직 입사광에 대해서는, 도 1에 관하여 설명한 바와 같이, 제2 집광 수단(20)과 광전 변환 수단(50)의 거리 D2는 작은 것이 바람직하다. 따라서, 제2 집광 수단(20)의 고굴절률부를 산화막(60) 내에 매립하는 것이, 회절을 이용한 수광 효율 향상에 유효하지만, 컬러 필터(30) 내에 매립하는 경우에 있어서도 수광 효율의 향상을 기대할 수 있다．
도 4는, 수직 입사에 대해서, 회절 효율의 제2 집광 수단(20)의 높이 T 의존성을 2차원 단면에서 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프도이다. n1=1.9 및 n2=1.45를 이용하여 시뮬레이션을 행하고, 3차까지의 회절광, 전 투과율 및 전 반사율에 대하여 기록하였다. 이상 조건에서는，0차광이 0으로 되는 높이 T는 0.588㎛이지만, 화소 피치 사이즈 W가 1.75㎛이기 때문에，T=0.65㎛에서 0차광의 최소가 얻어지고 있다. 화소 피치 사이즈 W가 작아지면 이상 조건의 0.588㎛에 근접한다.
도 5 내지 도 7은, 제2 집광 수단의 형상에 의한 회절 효율의 2차원 단면 시뮬레이션 계산 결과를 도시한 도면이다．
도 5a는, 제2 집광 수단(20)이 원기둥 또는 각기둥 등 사각형의 단면 형상을 갖는 회절 격자로 되는 어레이형 수광 소자에 광이 수직 입사하는 경우를 나타내고, 도5b는, 광이 수직으로 입사한 경우의 회절 효율의 2차원 단면 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 0차광이 가장 약하며, ±1차광의 강도가 가장 크다. 여기에서는，T=0.65㎛를 이용하고 있다. 이것은, 이상값과는 서로 다르지만，도 4에서의 회절 효율의 높이 의존성의 검토로부터 얻어진 결과에 기초하고 있다.
도 6a는, 제2 집광 수단(20)이 원기둥 또는 각기둥 사각형의 단면 형상을 갖는 회절 격자로 되는 어레이형 수광 소자에 광이 경사 20°의 각도로 입사하는 경우를 나타내고, 도 6b는, 광이 경사 20°의 각도로 입사한 경우의 회절 효율의 2차원 단면 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 1차광이 가장 약하며, 최대 강도의 ―2차광이 거의 수직 방향을 얻고 있다.
D2=L/(2tanθ)의 관계로부터, D2=1.8㎛ 및 L=1.15㎛를 이용하면，회절광이 수광부에 입사하기 위해서 허용되는 회절각은 거의 17.5°로 구해지므로, 2차원계산상에서는，수직 입사는, 0차광과 ±1차광이 수광부인 광전 변환 수단(50)에 입사하고, 20°입사에서는，-1차광으로부터 -3차광까지가 광전 변환 수단(50)에 입사 하게 된다. 수직 입사, 경사 입사 모두, 최대 강도를 갖는 회절광, 즉 수직 입사에서는 ±1차광이, 경사 입사에서는 -2차광이, 수광부의 광전 변환 수단(50)에 도달하므로, 어레이형 수광 소자의 주변부에서 광이 비스듬하게 입사하여도 수광 효율의 저하는 억제되는 것이 시사된다.
도 7a는, 제2 집광 수단(20)이 구면 형상으로 되는 어레이형 수광 소자에 광이 경사 20°의 각도로 입사하는 경우를 나타내고, 도 7b는, 광이 경사 20°의 각도로 입사한 경우의 회절 효율을 2차원 단면에서 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 0 차광이 가장 강하지만, 회절각이 커서 수광부인 광전 변환 수단(50)에는 입사할 수 없다. 회절광이 수광부에 입사하기 위해서 허용되는 회절각은 거의 17.5°로 구해지는 것을 고려하면，2차원 계산상에서는，-1차광으로부터 -3차광까지가 광전변환 수단(50)에 입사하게 된다.
제2 집광 수단이 구면 형상인 경우, 어레이형 수광 소자의 주변부에서는， 강도가 강한 0차광과 1차광이 수광부의 광전 변환 수단(50)에 입사할 수 없기 때문에, 수광 효율이 저하하는 것이 시사된다.
도 8은, 제2 집광 수단(20)의 형상에 의한 수광 효율의 입사각 의존성을 2차원 단면에서 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프도이다.
수직 입사에서는，제2 집광 수단(20)이 원기둥 또는 각기둥 형상인 경우, 입사 회절의 효과 때문에 수광 효율이 내려가고, 제2 집광 수단(20)이 구면인 쪽이 약간 수광 효율은 높지만 그 차는 작다. 한편，경사 입사의 넓은 각도 범위에서, 원기둥 또는 각기둥 형상의 제2 집광 수단(20) 쪽이 수광 효율은 높다. 따라서, 전 입사각에 걸친 전체의 수광 효율은, 원기둥 또는 각기둥 형상의 제2 집광 수단(20) 쪽이 높고, 원기둥 또는 각기둥 형상의 제2 집광 수단(20)을 이용함으로써, 셰이딩을 억제하는 것이 가능하다.
다음으로，각기둥 및 원기둥 형상의 제2 집광 수단(20)에 대하여, 회절 효율의 3차원 시뮬레이션 결과를 설명한다. 제2 집광 수단(20)으로서, 각기둥 또는 원기둥이 xy 평면 상에 1.75㎛의 일정 간격으로 무한히 배열한 회절 소자를 가정하고 있다.
3차원 계산에서는，회절광은 ±(m, n) 차광으로 된다. 또한，제2 집광 수단(20)은, 고굴절률부와 저굴절률부의 주기적 반복으로 이루어지는 회절 소자이며, 회절 효율은 반복 단위 중의 고굴절률부와 저굴절률부의 면적비에 의존한다.
고굴절률부와 저굴절률부의 단면의 면적비를 최적화함으로써, 주변부에서의 셰이딩을 억제한 어레이형 수광 소자를 얻는 것이 가능하게 된다．
또한，제2 집광 수단(20)에 의한 회절광을 이용하여, 경사 입사광을 광전 변환 수단(50)에서 수광할 수 있는 방향으로 바꾸는 것이 가능하게 된다.
도 9는, 고굴절률부가 각기둥 형상인 경우의 회절 효율의 면적비 의존성을 도시한다. 화소 피치 사이즈 W를 1.75㎛로 하고, 고굴절률부의 각기둥의 단면의 1 변의 길이를 2r로 하여, 회절 효율의 r 의존성을 나타낸다. (O, O)차광이 최소로 고차의 회절광이 높아지는 것은, 고굴절률부와 저굴절률부의 면적비가 1:1일 때로 되어 있다. 면적비가 1:1로 되는 것은 r=0.62㎛일 때이다. 단，실제로는 r=0.62㎛보다 낮은 값으로, (0, 0)차광의 회절 효율이 최소로 되어 있다. 이것은, 회절 격자의 피치, 즉, 화소 피치 사이즈나 형상 등의 영향이라고 생각된다.
도 10은, 고굴절률부가 원기둥 형상인 경우의 회절효율의 면적비 의존성을 도시한다. 화소 피치 사이즈 W는 1.75㎛로 하고, 고굴절률부의 원기둥의 단면의 원의 반경을 r로 하여, 회절 효율의 r 의존성을 나타낸다. (O, O)차광이 최소로 고차의 회절광이 높아지는 것은, 고굴절률부와 저굴절률부의 면적비가 1:1일 때로 되어 있다. 면적비가 1:1이 되는 것은 r=0.69㎛일 때이다. 단，실제로는 r=0.69㎛보다 낮은 값으로, (0,0) 차광의 회절 효율이 최소로 되어 있다. 이것은, 회절격자의 피치, 즉, 화소 피치 사이즈나 형상 등의 영향이라고 생각된다.
도 11은, 회절 효율의 제2 집광 수단 형상 의존성을 3차원으로 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다.
도 11a는, 구면 형상의 제2 집광 수단의 경우를 도시한다. 도 11b는, 고굴절률부와 저굴절률부의 면적비가 1:1이며, 또한 사각형 제2 집광 수단의 높이 T는 입사광 파장 λ, 고굴절률부와 저굴절률부의 굴절률차 Δn이라 하였을 때, T=λ/(2Δn)의 원기둥 형상의 집광 수단인 경우를 도시한다. 도 11c는, 고굴절률부와 저굴절률부의 면적비가 1:1이며, 또한 T=λ/(2Δn)의 각기둥 형상의 집광 수단의 경우를 도시한다.
고차의 회절광은, 각각 ±5차의 회절광까지 계산에 집어넣었다.
구면의 경우에는 O차광이 강해지지만, 원기둥 및 각기둥의 경우는 O차광이 약해지며, ±m차광, 특히 (±1,0)차광이 강해져 있다. 따라서, 구면 형상과는 달리，원기둥 또는 각기둥 형상에서는，경사 입사광이어도 회절 효과를 이용하여 회절광을 광전 변환 수단(50)에 입사시킬 수 있다. 그 때문에，경사 입사광에 대하여 수광 효율을 높게 할 수 있다.
도 12는, 본 실시 형태에 따른 어레이형 수광 소자(160)를 탑재하는 휴대 전화(200)를 도시한다. 어레이형 수광 소자의 미세화에 대응한 셰이딩 대책이 더욱진행되면, 화소수가 더욱 향상하는 휴대 전화용의 카메라 등에 적용 가능하게 된다. 또한，컴팩트 디지털 카메라에서는，소형화와 고화질화를 양립시키는데도 기여하는 것이 가능하게 된다．
이상, 구체예를 참조하면서, 본 발명의 실시 형태를 설명하였다. 그러나，본 발명은 이들 구체예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제2 집광 수단(20)에 이용하는 재료로서는, 고굴절률 재료의 HfO2(n=2.15)이나 TiO2(n=2.52)이 이용 가능하다. 고굴절률부의 굴절률이 높으면 굴절률차를 크게 할 수 있기 때문에, T=λ/(2(n1-n2))에서 제2 집광 수단(20)의 높이 T를 작게 할 수 있다.
또한，시뮬레이션에서는，각기둥 형상이나 원기둥 형상에 대하여 검토하였지만, 측면에 경사가 있는 형상도 이용 가능하다. 즉, 제2 집광 수단(20)의 형상이 구면 형상과 달리，급준하게 변화함으로써 파면이 흐트러지는 것이, 고차 회절광 강도의 저하를 야기하고 있다. 따라서, 파면의 흐트러짐을 야기할 정도의 급준한 형상 변화가 있으면, 측면에 경사가 있어도 회절 효율을 높여 수광 효율을 높이는 것이 가능하다.
제2 집광 수단(20)의 고굴절률부의 높이 T가 0.6∼0.7㎛ 정도이면, 프로세스의 관계에서 측면에 경사가 생길 가능성은 있지만, 파면의 흐트러짐을 야기할 정도의 급준성을 유지하는 것은 충분히 가능하다.
고굴절률부의 표면은, 평탄한 것이 바람직하지만, 통상의 가공 프로세스에서 얻어지는 정도의 평탄성이 있으면 충분하다.
또한，제2 집광 수단(20)의 고굴절률부의 단면 형상은, 정방형이나 원으로 한정되지 않는다. 좌우 상하 방향의 배열 간격이 극단적으로 서로 다른 등의 상황이 아니면, 회절 소자로서의 주기성을 유지하는 한, 정육각형 등의 정다각형이나 원의 형상에 가까운 다각형이어도 된다．
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 어레이형 수광 소자의 모식 단면도.
도 2는, 일반적인 수광기의 개요도와 어레이형 수광 소자의 부분 확대도.
도 3은, 제2 집광 수단을 회절 소자로서 도시한 모식도.
도 4는, 수직 입사에 대하여, 회절 효율의 제2 집광 수단의 높이 T 의존성을 2차원 단면에서 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프.
도 5는, 사각형 단면 형상의 제2 집광 수단에 의한 수직 입사광의 회절 효율의 2차원 단면 시뮬레이션 계산 결과를 도시한 도면．
도 6은, 사각형 단면 형상의 제2 집광 수단에 의한 20°의 경사 입사광의 회절 효율의 2차원 단면 시뮬레이션 계산 결과를 도시한 도면.
도 7은, 구면 단면 형상의 제2 집광 수단에 의한 20°의 경사 입사광의 회절효율의 2차원 단면 시뮬레이션 계산 결과를 도시한 도면．
도 8은, 제2 집광 수단의 형상에 의한 수광 효율의 입사각 의존성을 2차 원단면에서 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프.
도 9는, 회절 효율의 면적비 의존성을 각기둥 형상의 제2 집광 수단에 대하여 3차원 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프.
도 10은, 회절 효율의 면적비 의존성을 원기둥 형상의 제2 집광 수단에 대하여 3차원 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프.
도 11은, 회절 효율의 제2 집광 수단 형상 의존성을 도시한 도면．
도 12는, 본 실시 형태에 의한 어레이형 수광 소자를 탑재하는 휴대 전화를 도시한 모식도.

Claims (20)

  1. 제1 집광 수단과,
    상기 제1 집광 수단에 의해 집광된 광을 받는 제2 집광 수단과,
    상기 제2 집광 수단에 의해 집광된 광을 받는 수광부
    를 구비하고,
    상기 제1 집광 수단은, 구면 형상을 갖고,
    상기 제2 집광 수단은, 고굴절률부와 저굴절률부를 가지며，
    상기 고굴절률부는, 원기둥 형상 또는 다각기둥 형상 중 어느 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 집광 수단의 높이 T는, 상기 고굴절률부와 상기 저굴절률부와의 굴절률차 Δn과 입사광의 파장 λ를 이용하여, T=λ/2Δn으로 표현되는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고굴절률부와 상기 저굴절률부의 면적비는, 1:1인 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 집광 수단의 광 입사면은, 상기 제1 집광 수단의 초점 위치에 있는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 집광 수단과 상기 수광부의 거리는, 수직 입사광의 주 회절광의 회절각 θ와 상기 수광부의 폭 L을 이용하여, L/(2tanθ) 이하인 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 집광 수단은, 상기 고굴절률부와 상기 저굴절률부의 주기적 반복 단위로 이루어지는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 집광 수단에 의해 집광된 상기 광은, 상기 반복 단위에 의해 회절하는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    수직 입사광에 관하여，상기 반복 단위에 의해 회절한 회절광 중，적어도 최대 강도를 갖는 회절광이, 상기 수광부에 도달하는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  9. 제7항에 있어서,
    경사 입사광에 관하여，상기 반복 단위에 의해 회절한 회절광 중，적어도 최대 강도를 갖는 회절광이, 상기 수광부에 도달하는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 집광 수단과 상기 제2 집광 수단 사이에, 상기 고굴절률부보다 굴절률이 낮은 컬러 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 집광 수단과 상기 수광부 사이에, 상기 고굴절률부보다 굴절률이 낮은 산화막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 집광 수단과 상기 수광부 사이는, 데이터 전송을 행하는 금속 배선을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 수광부는, 광전 변환 수단인 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자.
  14. 구면 형상의 제1 집광 수단에 의해 집광한 광을, 제2 집광 수단에 의해 집광하고, 수광 소자에 입사시키는 어레이형 수광 소자의 집광 방법으로서,
    상기 제2 집광 수단은, 고굴절률부와 저굴절률부를 갖고，상기 고굴절률부는, 원기둥 형상 또는 다각형 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자의 집광 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 집광 수단에 의해 집광한 상기 광을, 상기 제1 집광 수단의 초점 위치에 광 입사면을 배치한 상기 제2 집광 수단에 의해 집광하는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자의 집광 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제2 집광 수단에 입사한 상기 광은, 상기 고굴절률부와 상기 저굴절률부의 주기적 반복 단위에 의해 회절하는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자의 집광 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제2 집광 수단의 높이 T를, 상기 고굴절률부와 상기 저굴절률부와의 굴 절률차 Δn과 입사광의 파장 λ를 이용하여, T=λ/2Δn으로 하고, 상기 고굴절률부와 상기 저굴절률부의 면적비를 1:1로 함으로써, 0차광의 회절 효율을 최소로 하여, 고차광의 회절 효율을 높게 하는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자의 집광 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제2 집광 수단과 상기 수광부와의 거리를, 수직 입사광의 주 회절광의 회절각 θ와 상기 수광부의 폭 L을 이용하여, L/(2tanθ) 이하로 설정함으로써, 수직 입사광에 관하여，회절각이 θ인 회절광이 상기 수광부에 입사 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자의 집광 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    수직 입사광에 관하여，상기 반복 단위에 의한 회절광 중，적어도 최대 강도를 갖는 회절 차수의 회절광을 상기 수광부에 의해 수광하는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자의 집광 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    경사 입사광에 관하여，상기 반복 단위에 의한 회절광 중，적어도 최대 강도를 갖는 회절 차수의 회절광을 상기 수광부에 의해 수광하는 것을 특징으로 하는 어레이형 수광 소자의 집광 방법.
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