WO2021070305A1 - 分光素子アレイ、撮像素子および撮像装置 - Google Patents

分光素子アレイ、撮像素子および撮像装置 Download PDF

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将司 宮田
光雅 中島
橋本　俊和
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日本電信電話株式会社
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    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers

Definitions

  • the present invention relates to a spectroscopic element array, an image pickup device, and an image pickup device including an image pickup element.
  • an image pickup device having a photoelectric conversion element such as a CCD (Charge Coupled Device) sensor or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor
  • a photoelectric conversion element such as a CCD (Charge Coupled Device) sensor or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor
  • incident light is incident on each pixel including the photoelectric conversion element. It is necessary to perform color separation of.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a general color image sensor.
  • the photoelectric conversion element 102 is arranged on the electric wiring 112, and the color reduction type color filter 104 made of an organic material or an inorganic material is arranged so as to face each pixel including the photoelectric conversion element 102. ..
  • a microlens 103 is arranged on the color filter 104.
  • the color filter 104 is used to transmit only the light in the desired wavelength band and absorb or reflect the light in the unnecessary wavelength band, so that red (R) and green are used for each pixel.
  • a color image sensor is configured by using a spectroscopic element such as a prism or a dichroic mirror that can branch the incident light according to the wavelength band. It is proposed to do. In principle, such an approach can greatly reduce the loss of incident light, so that the light utilization efficiency can be significantly improved as compared with the case where the color filter 104 is used.
  • spectroscopic elements such as prisms and dichroic mirrors
  • Non-Patent Document 1 proposes a method of improving light utilization efficiency by eliminating light loss in color separation in principle by using two types of microstructures capable of separating incident light into two wavelength regions. ing.
  • FIG. 2 (a) shows a top view of the color image sensor 200 proposed in Non-Patent Document 1
  • FIG. 2 (b) shows a cross-sectional view of the IIb-IIb
  • FIG. 2 (c) shows the cross-sectional view thereof.
  • the cross-sectional view of IIc-IIc is shown.
  • the incident light has a wavelength due to the fine beam structures 206-1 and 206-2 arranged corresponding to the pixel (photoelectric conversion element 102) instead of the color filter 104. Depending on the region, it is separated into light that goes straight and light that deflects to the left and right.
  • Non-Patent Document 2 light utilization efficiency is improved by arranging a binary fine structure having a constant thickness capable of separating incident light into three wavelength regions on a pixel (photoelectric conversion element 102). A method has been proposed to make it.
  • FIG. 3 (a) shows a top view of the color image sensor 300 having the micro spectroscopic element 306 proposed in Non-Patent Document 2
  • FIG. 3 (b) shows a cross-sectional view of the IIIb-IIIb.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 propose a color reconstruction method using signal processing as a method for generating a color image.
  • the techniques disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2 have practical problems.
  • a color error (noise) due to this signal processing may occur, and the signal-to-noise ratio (SN ratio) of the image may deteriorate. Therefore, even if the light utilization efficiency, that is, the amount of light received by the sensor is increased by the spectroscopic element, the SN ratio of the captured image may not be improved due to the addition of new noise by signal processing, and the substantial sensitivity is improved. There is a risk of not doing it.
  • Non-Patent Document 2 the shape of the microlens, which is usually a perfect circle, is made an ellipse, or the shape of a pixel, which is usually a square, is made a rectangle, without using signal processing. It is possible to consider a form in which color information is acquired directly from the signal strength, but there is a concern that changing the shape of the lens or pixel may not be compatible with the existing manufacturing process, post-stage processing, pixel arrangement, etc., and the spatial resolution of the image is uniform. It is not feasible because it may disturb the sex.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 are both elements that color-separate incident light along only one axial direction on the pixel array. Therefore, the influence of optical crosstalk between pixels is significantly different between the color separation axis and the axis perpendicular to the color separation axis. As a result, there is a concern that the color images generated will have substantially different spatial resolutions on the two axes perpendicular to each other.
  • the present disclosure has been made in view of the above problems, and an object thereof is an imaging capable of generating an image having high sensitivity and uniform spatial resolution without using color reconstruction by signal processing.
  • the purpose is to provide an element and an image pickup device.
  • the imaging element is a two-dimensional pixel array in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion element are arranged in an array on a substrate, and a two-dimensional pixel array.
  • a transparent layer formed on the transparent layer and a two-dimensional spectroscopic element array in which a plurality of spectroscopic elements are arranged in an array inside or on the transparent layer are provided, and each of the spectroscopic elements is based on the refractive index of the transparent layer.
  • each of the spectroscopic elements contains a plurality of microstructures formed from a material having a high refractive index, the plurality of microstructures have a microstructure pattern, and each spectroscopic element disperses the incident light in a two-dimensional direction. Then, the plurality of pixels detect the light dispersed in the two-dimensional direction.
  • each of the spectroscopic elements emits incident light into a first deflected light, a second deflected light, and a third deflected light having different propagation directions depending on a wavelength region.
  • the first pixel, the second pixel, the third pixel, and the fourth pixel which are separated into light and the fourth deflected light and are adjacent to each other directly under each of the spectroscopic elements, are the first deflected light.
  • the second deflected light, the third deflected light, and the fourth deflected light are detected, respectively.
  • a micro spectroscopic element capable of separating incident light into a plurality of wavelength regions along a plane biaxial direction
  • color reconstruction by signal processing can be performed with high sensitivity. It is possible to realize an image pickup device and an image pickup device capable of generating an image having a uniform spatial resolution without using the image sensor.
  • the image sensor according to the embodiment of the present invention is consistent with the Bayer arrangement, which is a widely used pixel arrangement, the configuration of a general color image sensor and the electronic circuit in the subsequent stage. High sensitivity can be achieved by replacing the color filter with a microscopic spectroscopic element without significantly changing.
  • FIG. 1 is a top view of the color image sensor proposed in Non-Patent Document 1
  • (b) is a sectional view taken along line IIb-IIb
  • (c) is a sectional view taken along line IIc-IIc thereof.
  • (A) is a top view of the color image sensor proposed in Non-Patent Document 2
  • FIG. 3 (b) is a cross-sectional view of the color image sensor IIIa-IIIb. It is a side view which showed the schematic structure of the image pickup apparatus 10 which concerns on one Embodiment of this invention.
  • (A) is a diagram schematically showing a part of the configuration seen from the upper surface of the image pickup device 500 including a pixel array and a spectroscopic element array
  • (b) is a diagram schematically showing a cross section of Vb-Vb thereof
  • (C) is a diagram schematically showing the Vc-Vc cross section thereof.
  • (A) is a diagram schematically showing a part of the configuration seen from the upper surface of the image pickup device 600 including the pixel array and the spectroscopic element array
  • (b) is a diagram schematically showing the VIb-VIb cross section thereof.
  • (C) is a diagram schematically showing the VIc-VIc cross section thereof.
  • FIG. 3C is a diagram showing a phase delay distribution of wavelengths corresponding to the third wavelength region (B).
  • (A) is a top view of an example of a microstructure constituting the microspectral element 101 according to the present embodiment, and (b) is a side view of an example of the microstructure.
  • (A) is a diagram schematically showing a part of the configuration seen from the upper surface of the image sensor 900 including the pixel array and the spectroscopic element array, and (b) is a diagram schematically showing the IXb-IXb cross section thereof.
  • (C) is a diagram schematically showing the IXc-IXc cross section thereof.
  • (A) is a diagram schematically showing a part of the configuration seen from the upper surface of the image sensor 900 including a pixel array and a spectroscopic element array, and (b) is a diagram schematically showing an Xb-Xb cross section thereof.
  • (C) is a diagram schematically showing the Xc-Xc cross section thereof.
  • (A) is a diagram showing the phase delay distribution of the wavelength corresponding to the first wavelength region (R), and (b) shows the phase delay distribution of the wavelength corresponding to the second wavelength region (G).
  • (c) is a figure which shows the phase delay distribution of the wavelength corresponding to the 3rd wavelength region (B),
  • (d) is the phase of the wavelength corresponding to the 4th wavelength region (IR). It is a figure which shows the delay distribution.
  • FIG. 4 is a side view showing a schematic configuration of the image pickup apparatus 10 according to the embodiment of the present invention.
  • the image pickup device 10 includes a lens optical system 11, an image pickup element 12, and a signal processing unit 13 that processes a photoelectric conversion signal output from the image pickup element 12 to generate an image signal.
  • the light transmitted / reflected / scattered by the object 1 when the object 1 is irradiated with light such as natural light or illumination light, or the light emitted from the object 1 is imaged by the lens optical system 11 including a photoelectric conversion element such as a CCD or CMOS.
  • An optical image is formed on the element 12.
  • a lens optical system is composed of a lens group consisting of a plurality of lenses arranged along an optical axis in order to correct various optical aberrations.
  • FIG. 4 the drawing is simplified and shown as a single lens. ing.
  • the signal processing unit 13 includes an image signal output that processes the photoelectric conversion signal output from the image sensor 12 to generate an image signal, and sends the generated image signal to the outside.
  • the image pickup apparatus 10 of the present invention may include known components such as an optical filter for cutting infrared light, an electronic shutter, a viewfinder, a power supply (battery), and a flashlight. It is omitted because it is not particularly necessary for understanding the form. Further, the above configuration is merely an example, and in one embodiment of the present invention, known elements may be appropriately combined and used for the components other than the lens optical system 11, the image sensor 12, and the signal processing unit 13. it can.
  • the image sensor 12 of the embodiment of the present invention includes a micro spectroscopic element 101 and a pixel including a photoelectric conversion element 102.
  • a plurality of pixels including the photoelectric conversion element 102 are arranged two-dimensionally to form a pixel array.
  • a plurality of microscopic spectroscopic elements 101 are arranged two-dimensionally to form a spectroscopic element array. A part of the four pixels adjacent to each other is provided at the corresponding positions of one spectroscopic element.
  • the corresponding position of the spectroscopic element includes, for example, a state in which a part of four pixels adjacent to each other of the pixel array overlaps the projection surface lowered from the area occupied by the spectroscopic element to the pixel array in the direction perpendicular to the element surface.
  • FIG. 5A shows a part of the configuration seen from the upper surface of the image pickup device 500 including the pixel array and the spectroscopic element array as an example of the image pickup device 12, and FIG. 5B shows a Vb-Vb cross section thereof.
  • a part of the structure of the image sensor 500 is shown
  • FIG. 5C shows a part of the structure of the image sensor 500 in the Vc—Vc cross section thereof.
  • the spectroscopic element array faces the pixel array.
  • the spectroscopic element array is arranged on the side where the light from the lens optical system 11 is incident.
  • a transparent layer 111 is provided between the spectroscopic element array and the pixel array, and on the lens optical system 11 side of the spectroscopic element array.
  • An electrical wiring 112 (not shown) is provided on the opposite side of the spectroscopic element array of the pixel array.
  • Each micro spectroscopic element 101 constituting the spectroscopic element array has a microstructure pattern having a constant thickness (length in the z-axis direction). More specifically, each microspectral element 101 has a constant thickness, but has a microstructure pattern in which the shapes of the upper surface and the lower surface differ depending on the position of the arrangement.
  • the thickness of the micro spectroscopic element 101 may be a microstructure having a different thickness depending on the position. Further, the microstructure pattern is not limited and can take various arrangement forms.
  • the image sensor 12 according to the embodiment of the present invention may include known components such as a microlens and a light-shielding wall, the description thereof is not particularly necessary for understanding the outline of the present invention. It is omitted in ⁇ 5 (c).
  • the description of the present embodiment classifies the light incident on the image sensor 12 into a first wavelength region, a second wavelength region, a third wavelength region, and a fourth wavelength region for each wavelength region.
  • the combination of the first to fourth wavelength regions is generally red (R: having a peak of light intensity in the red wavelength region of 600 nm or more) and green (G: light intensity in the green wavelength region of wavelength 500 nm to 600 nm).
  • R having a peak of light intensity in the red wavelength region of 600 nm or more
  • G light intensity in the green wavelength region of wavelength 500 nm to 600 nm
  • B has a peak of light intensity in the blue wavelength range of wavelength 500 nm or less
  • near-infrared light IR: peak of light intensity in the near-infrared wavelength range of wavelength 800 nm or more
  • the combination of wavelength regions may be a combination of the three primary colors of red (R), green (G), and blue (B) and ultraviolet light (UV: having a peak of light intensity in the ultraviolet wavelength region having a wavelength of 380 nm or less).
  • R red
  • G green
  • B blue
  • UV ultraviolet light
  • a combination of a plurality of different wavelength regions in the wavelength region of infrared light may be used, or a combination of a plurality of different wavelength regions in the wavelength region of ultraviolet light may be used.
  • the first to third wavelength regions may be different wavelength regions from each other, and the fourth wavelength region may be the same as one of the first to third wavelength regions.
  • Each of the micro spectroscopic elements 101 constituting the spectroscopic element array according to the embodiment of the present invention utilizes the phase delay effect caused by the microstructure described later and the structural dimensional dependence and wavelength dependence thereof. It has a function of spatially separating light on a pixel array by changing the propagation direction of light incident on the image sensor 12 according to the first to third wavelength regions or the first to fourth wavelength regions. That is, in the embodiment of the present invention, the light incident on the image sensor 12 is subjected to the first direction (upper right), the second direction (lower right), the third direction (lower left) and the third direction (lower left) by each microspectral element 101. It separates in four directions in the fourth direction (upper left) and is incident on a part of four pixels adjacent to each other.
  • the microspectral element 101 separates red (R) in the first direction (upper right), green (G) in the second direction (lower right), and blue (B).
  • red (R) in the first direction upper right
  • green (G) in the second direction lower right
  • blue (B) A case of separating in the third direction (lower left) and separating infrared light (IR) in the fourth direction (upper left) will be described.
  • the light in the wavelength region of red (R) spreads in the first direction and has a wide width (light in which wavelength components are arranged), and is a pixel corresponding to red (corresponding to green) among four adjacent pixels. It is incident on the upper side of the pixel and adjacent to the right side of the pixel corresponding to the infrared light (the incident angle of the short wavelength light and the incident angle of the long wavelength light are different).
  • Light in the wavelength region of green (G) spreads in the second direction and has a wide width (light in which wavelength components are lined up), and is adjacent to the pixel corresponding to green (adjacent to the lower side of the pixel corresponding to red and blue). (Adjacent to the right side of the pixel corresponding to) (the incident angle of short wavelength light and the incident angle of long wavelength light are different).
  • the light in the wavelength region of blue (B) spreads in the third direction and has a wide width (light in which wavelength components are arranged), and is adjacent to the pixel corresponding to blue (adjacent to the left side of the pixel corresponding to green) and is infrared.
  • IR infrared light
  • the incident angle of the short wavelength light and the incident angle of the long wavelength light are different.
  • Light in the wavelength region of infrared light (IR) spreads in the fourth direction and has a wide width (light in which wavelength components are lined up), and is adjacent to the pixel corresponding to infrared light (adjacent to the left side of the pixel corresponding to red). However, it is incident on (adjacent to the upper side of the pixel corresponding to blue) (the incident angle of short wavelength light and the incident angle of long wavelength light are different).
  • one spectroscopic unit is formed.
  • the spectroscopic functions of the four microscopic spectroscopic elements 101 are different from each other.
  • one spectroscopic unit includes four types of micro spectroscopic elements.
  • the first type of microspectral element transmits light in the first wavelength region, second wavelength region, light in the third wavelength region, and light in the fourth wavelength region in the first direction (upper right), respectively.
  • the second type of microspectral element emits light in the first wavelength region, the second wavelength region, the third wavelength region, and the fourth wavelength region in the second direction (lower right) and the first, respectively. It has a spectroscopic function that separates in a direction (upper right), a fourth direction (upper left), and a third direction (lower left).
  • the third type of microspectral element emits light in the first wavelength region, the second wavelength region, the third wavelength region, and the fourth wavelength region in the third direction (lower left) and the fourth direction, respectively.
  • the fourth type of microspectral element emits light in the first wavelength region, the second wavelength region, the third wavelength region, and the fourth wavelength region in the fourth direction (upper left) and the third direction, respectively. It has a spectroscopic function that separates in the (lower left), third direction (lower right) and first direction (upper right).
  • the distance between the microspectral element 101 and the pixel including the photoelectric conversion element 102 is the light separated in the first direction (upper right) by the microspectral element 101, and the microspectral adjacent to the right side of the microspectral element 101.
  • the conversion element 102) receives only light in any of the first, second, third, and fourth wavelength regions, respectively.
  • the photoelectric conversion element 102 When light is incident on a pixel, the photoelectric conversion element 102 outputs an electric signal (photoelectric conversion signal) according to the intensity of the incident light, so that a signal corresponding to the wavelength region (color information if the three primary colors are used) is directly output. Will be acquired. Since the micro spectroscopic element 101 and the plurality of pixels (photoelectric conversion element 102) corresponding to the micro spectroscopic element are arranged two-dimensionally, each wavelength region of the optical image of the object formed by the lens optical system Information can be acquired at the same time without using special signal processing. Further, in this configuration, since the light is separated along the two axial directions of the plane, the influence of the optical crosstalk between arbitrary pixels is equal, so that an image having a uniform spatial resolution can be generated.
  • the microspectral element 101 sets that the first to third wavelength regions are the three primary colors of R, G, and B, and the fourth wavelength region is the same as the second wavelength region.
  • the incident light is spatially separated in four directions. That is, almost all of the incident light is incident on the four adjacent pixels (photoelectric conversion element 102) directly under the microspectral element 101 in a state of being separated into the wavelength regions of R, G, and B. Two of the four pixels are incident with light in the same wavelength region. Therefore, the color information can be directly acquired from the photoelectric conversion signal obtained from the pixel (photoelectric conversion element 102).
  • the first to third wavelength regions are the three primary colors of R, G, and B
  • the fourth wavelength region is the infrared light IR
  • the microspectral element 101 is R. , G, B, and IR wavelength regions
  • the incident light is spatially separated in four directions. That is, almost all of the incident light is incident on the four adjacent pixels (photoelectric conversion element 102) directly under the microspectral element 101 in a state where almost all of the incident light is separated into the wavelength regions of R, G, B, and IR. Light in different wavelength regions is incident on all four pixels. Therefore, color information and IR information can be directly acquired from the photoelectric conversion signal obtained from the pixel (photoelectric conversion element 102).
  • an object is obtained without using a dimming type bandpass filter, by optical separation for each wavelength region using a micro spectroscopic element 101, and without using special signal processing. It is possible to acquire information for each wavelength region of the optical image of. That is, if the first to fourth wavelength regions are the three primary colors of R, G, B, and G, a color image can be acquired. Therefore, as compared with an image sensor using a color filter, the total amount of light reaching the pixel array can be increased, and the sensitivity of color imaging can be increased.
  • the first to fourth wavelength regions are the three primary colors of R, G, and B and IR
  • an IR image can be acquired at the same time with high sensitivity in addition to the color image.
  • the effects of optical crosstalk between arbitrary pixels are equal, and an image having uniform spatial resolution can be generated.
  • Problems in the techniques disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2 can be solved.
  • the image sensor 12 according to the embodiment of the present invention does not need to change the pixel arrangement such as the microlens shape, the pixel shape, and the Bayer arrangement that are generally adopted, and therefore, it is compatible with the existing manufacturing process and the image pickup system. It has the advantages of high consistency and the effect can be obtained simply by replacing the filter with a microscopic spectroscopic element.
  • the first to third wavelength regions are set to the three primary colors of R, G, and B
  • the fourth wavelength region is set to be the same as the second region
  • the incident light is separated into R, G, B, and G.
  • the number of wavelength regions to be separated and the wavelength in each wavelength region are not limited to this.
  • at least one of the four wavelength regions may be light having a wavelength other than the three primary colors (for example, infrared light or ultraviolet light).
  • FIG. 6A schematically shows a part of the schematic configuration seen from the upper surface of the image sensor 600 including the pixel array and the spectroscopic element array as an example of the image sensor 12 according to the first embodiment.
  • b) shows a part of the configuration of the image sensor 600 in the VIb-VIb cross section
  • FIG. 6C shows a part of the configuration of the image sensor 600 in the VIc-VIc cross section.
  • a low refractive index transparent layer 111 made of SiO 2 or the like and a plurality of microlenses 103 are laminated on a two-dimensional pixel array in which pixels including a photoelectric conversion element 102 are arranged in an array.
  • a micro spectroscopic element 101 is embedded inside the transparent layer 111 having a low refractive index.
  • the microspectral element 101 includes a plurality of microstructures made of a material such as SiN or TiO 2 having a refractive index higher than that of the transparent layer 111.
  • the plurality of microstructures are formed so as to have a microstructure pattern.
  • the normal direction of the two-dimensional pixel array is defined as the z-axis
  • the horizontal direction parallel to the two-dimensional pixel array is defined as the x-axis
  • the direction perpendicular to the x-axis parallel to the two-dimensional pixel array is defined as the y-axis.
  • the microlens 103, the microspectral element 101, and the pixels are arranged in a grid pattern at the same period on the xy plane to form an array. doing.
  • One microspectral element 101 is arranged directly below each microlens 103. Further, the microlens array and the microspectral element array are shifted from the arrangement of the pixel array along the x-axis and the y-axis by half the length of the array period (distance between the centers), respectively.
  • a position having a length of 1/2 of the array period in the axial direction is set as the center of the micro spectroscopic element 101.
  • the center of the micro spectroscopic element 101 is located directly above the center of the quadrangle formed by the four micro spectroscopic elements 101 adjacent to each other directly under the micro spectroscopic element 101. ..
  • the microspectral element array spatially separates the incident light into three wavelength regions (R, G, B) along four directions parallel to the x-axis on the plane at ⁇ 45 °. It is composed of an element 101. Further, assuming that the four adjacent micro spectroscopic elements 101 are one spectroscopic unit 601 (indicated by a two-dot broken line rectangle in FIG. 6A), the spectroscopic units form an array in a grid pattern in the micro spectroscopic element array. It can be seen that it is. The four adjacent micro spectroscopic elements 101 constituting the spectroscopic unit have different combinations of the four directions assigned to each of the three wavelength regions, and light in the same wavelength region is incident on the four pixels directly under the unit. It is arranged to do.
  • the above unit may be configured by rotating one type of microscopic spectroscopic element having the same spectroscopic function by 90 ° or by inverting it, or may realize four types of spectroscopic functions, respectively. It may be composed of various kinds of micro spectroscopic elements 101.
  • the spectroscopic unit shown in FIG. 6A separates the R light (solid line) in the first direction (upper right), the G light (broken line) in the second direction (lower right), and B.
  • the lower right further includes an element in which the element is rotated 90 ° counterclockwise, an element in which the element is rotated 90 ° clockwise, and an element in which the element is inverted.
  • FIGS. 6A to 6C a case of a two-dimensional pixel array composed of square pixels (photoelectric conversion element 102) arranged in an orthogonal grid pattern has been described, but the pixel arrangement, shape, size, etc. are shown in this figure. It is not limited to the example of. Further, although omitted in FIGS. 6A to 6C, the light from the microspectral element 101 operates in the pixel between the two-dimensional pixel array and the microspectral element array as an internal microlens. A structure having a condensing function due to a concavo-convex structure having a higher refractive index than a transparent layer made of SiN, TiO 2 or the like, which acts to lead to the photoelectric conversion element 102 of the above.
  • the structures shown in FIGS. 6 (a) to 6 (c) can be manufactured by a known semiconductor manufacturing technique.
  • the image sensor 600 shown in FIGS. 6 (a) to 6 (c) has a back-illuminated structure in which light is incident from the opposite side of the wiring layer on which the electrical wiring 112 is formed.
  • the structure is not limited to such a structure, and for example, it may have a surface irradiation type structure that receives light from the side of the wiring layer.
  • the white light incident on the image sensor 600 is first focused by the microlens array, and almost all the light passes through the microspectral element 101 corresponding to each microlens 103.
  • Light is spatially separated in four directions for each of the three wavelength regions by each microspectral element 101, and is received by four adjacent pixels (photoelectric conversion element 102) directly below each microspectral element 101.
  • Due to the configuration of the spectroscopic unit light in the wavelength range of R, G, or B is incident on each pixel of the pixel array directly under the microspectral element array, so that each pixel is R, G, B. Corresponds to the detection of either color information.
  • a structure having a condensing function due to a concave-convex structure having a higher refractive index than a transparent layer made of SiN, TiO 2 or the like operating as an internal microlens may be provided between the pixel array and the microspectral element 101, which will be described later. Since the micro spectroscopic element 101 can have a lens function depending on the phase delay distribution to be formed, it is possible to omit the internal microlens.
  • the micro spectroscopic element 101 in this embodiment will be described.
  • the micro spectroscopic element 101 In order for the micro spectroscopic element 101 to spatially separate the incident light for each of the three wavelength regions (R, G, B) along the above-mentioned four directions, the light transmitted through one micro spectroscopic element 101 is separated. It is necessary to give different phase delay distributions for each wavelength region and change the light wave plane.
  • the phase delay distribution of the wavelength corresponding to the first wavelength region (R) is a distribution in which the phase delay amount linearly increases from 0 to 2 ⁇ from the lower left to the upper right.
  • the phase delay distribution of the wavelength corresponding to the second wavelength region (G) linearly increases from 0 to ⁇ in the phase delay amount from the upper left to the center.
  • a distribution is formed in which the phase delay amount linearly decreases from ⁇ to 0 from the center to the lower right, and as shown in FIG.
  • the phase delay distribution forms a distribution in which the phase delay amount linearly increases from 0 to 2 ⁇ along the upper right to the lower left.
  • the light transmitted through the element having such a phase delay distribution has the first wavelength region (R) in the upper right direction, the second wavelength region (G) in the upper left and lower right directions, and the third wavelength region (B). Propagate along the lower left direction while deflecting each.
  • the above description is an example, and the combination of the wavelength region and the propagation direction can be freely changed depending on the phase delay distribution.
  • the phase delay distribution as described above can be realized by appropriately designing the material, number, shape, size, pattern, etc. of the microstructure as described later. That is, in the microspectral element 101 of the present embodiment, the microstructure is arranged on a two-dimensional plane, different light wave planes are given to the incident light according to the wavelength region, and the color components are spatially separated.
  • FIG. 8A shows the upper surface of an example of the microstructure constituting the microspectral element 101 in the present embodiment
  • FIG. 8B shows a side view of the microstructure.
  • the columnar structure 121 which is an example of the fine structure, is formed of a material such as SiN or TiO 2 having a refractive index n 1 higher than the refractive index n 0 of the transparent layer 111, and the thickness h of the structure is constant. To do. Further, the bottom surface and the upper surface of the columnar structure 121 are square.
  • the columnar structure 121 can be considered as an optical waveguide in which light is confined in the structure and propagated from the difference in refractive index between the transparent layer 111 and the columnar structure 121.
  • the light incident from the upper surface side propagates while being strongly confined in the columnar structure 121, receives the phase delay effect determined by the effective refractive index n eff of the optical waveguide, and is emitted from the bottom surface side.
  • the phase delay amount ⁇ by the columnar structure 121 is ⁇ when the wavelength of the light in the vacuum is ⁇ . It is represented by the equation (1).
  • phase delay amount ⁇ differs depending on the wavelength ⁇ of the light, it is possible to give the light a different phase delay amount depending on the wavelength region (color component) in the same columnar structure 121.
  • n eff is known to be a function of the width w of the columnar structure 121, and takes a value of n 0 ⁇ n eff ⁇ n 1. Therefore, in the examples shown in FIGS. 8A and 8B, it is possible to set various combinations of phase delay amounts according to the wavelength ⁇ of light by changing the width w of the columnar structure 121. is there. Further, since the bottom surface and the upper surface of the columnar structure 121 are square, there is no change in the optical characteristics including the phase delay effect even when the polarization (polarization) direction of the incident light is changed.
  • the width w of the columnar structure 121 is set according to the position so that the above structure conforms to the above-mentioned phase delay distribution, and the width w of the columnar structure 121 is set on the two-dimensional plane.
  • the microscopic spectroscopic element in the present embodiment can be realized.
  • the shape surface includes four-fold rotational symmetry with the center of the surface as the axis of symmetry, the spectroscopic function does not depend on polarization, and the operation as an optical waveguide that brings about a phase delay effect is not lost. .. Therefore, it is desirable to adopt a columnar structure having four-fold rotationally symmetric surfaces such as a square, a hollow square, a circle, a hollow circle, and a cross shape.
  • a micro spectroscopic element composed of such a microstructure having a constant thickness is disclosed in, for example, Non-Patent Document 2.
  • the microspectral element 101 in the present embodiment is not limited to the columnar structure 121 described above, and various forms of microstructures can be used.
  • a microstructure having a structure optimized by a computer and having a constant thickness forms a phase delay distribution for each wavelength region based on the same principle as described above. It is possible to spatially separate the color components. Further, from the equation (1), it is possible to set a wider variety of combinations of phase delay amounts according to the wavelength ⁇ of light by changing the thickness h of the structure in addition to the width w of the columnar structure 121. is there.
  • the width w and the thickness h of the microstructures according to the positions where the microstructures are arranged so as to match the above-mentioned phase delay distribution, and arrange a plurality of the microstructures on a two-dimensional plane. It is possible to realize a micro spectroscopic element in the form.
  • the micro spectroscopic element 101 having the above-mentioned spectroscopic function can be manufactured by performing thin film deposition and patterning by a known semiconductor manufacturing technique.
  • the material constituting the microspectral element As described above, it is possible to provide desired spectral characteristics by appropriately designing the material, number, shape, size, pattern, etc. of the structure constituting the microspectral element. As a result, as described above, it is possible to separate and inject light in a desired wavelength region into individual pixels, and the photoelectric conversion signal output from the photoelectric conversion element in each pixel corresponds to the wavelength region. The signal can be obtained directly. Further, if the material constituting the micro spectroscopic element has a low loss, almost no light loss occurs. Therefore, the total amount of light reaching the pixel array is dramatically increased as compared with the image sensor using the conventional filter. It is possible to increase the sensitivity of color imaging.
  • the micro spectroscopic element 101 constituting a single spectroscopic element array may disperse the incident light in a two-dimensional direction (plane biaxial direction), and is superimposed in the light propagation direction (z-axis direction).
  • a plurality of microscopic spectroscopic elements may disperse the incident light in a two-dimensional direction. Even if the spectral performance of each microspectral element is slightly different from the ideal performance described above, good color information can be obtained by correcting and calculating the acquired signal according to the degree of the difference in performance. It is possible.
  • each separated light is incident on the vicinity of the center of each pixel. Therefore, the angle between the normal direction of the propagation direction and the pixel array of the light deflected by the micro spectroscopic devices theta, when the cycle of the pixel array is P, the interval is 2 0 the output terminal and the photoelectric conversion element of the small spectral element It is preferably in the vicinity of .5 P / tan ⁇ .
  • FIG. 9A shows an image sensor 900 including a pixel array and a spectroscopic element array according to a modified example of the present embodiment
  • FIG. 9B shows a part of the configuration of the image sensor 900 in the IXb-IXb cross section thereof.
  • 9 (c) shows a part of the configuration of the image sensor 900 in the IXc-IXc cross section.
  • the difference from the image sensor 600 shown in FIGS. 6 (a) to 6 (c) is that the color filters 104 R , 104 G , and 104 B corresponding to the color of the pixel are arranged above the pixel corresponding to the color component.
  • the points are the same, and the others are the same.
  • the incident light is color-separated by the micro spectroscopic element 101 and then filtered by the color filter 104 directly above the pixel (photoelectric conversion element 102).
  • the color filter 104 is transmitted after the color separation, the light utilization efficiency is improved as compared with the configuration of only the color filter of the prior art, but it is necessary to transmit two elements, so that only the micro spectroscopic element 101 is transmitted. Compared to the configuration of, the light utilization efficiency is reduced.
  • the configuration of the color filter 104 and the micro spectroscopic element 101 are the only components. Compared with the configuration of, the color reproducibility is greatly improved. Therefore, it can be said that the configuration has a good balance between light utilization rate, that is, sensitivity and color reproducibility.
  • FIG. 10 (a) schematically shows a part of the schematic configuration of the image sensor 1000 including the pixel array and the spectroscopic element array as an example of the image sensor 12, and FIG. 10 (b) shows the Xb.
  • FIG. 10 (c) shows a part of the configuration of the image sensor 1000 in the Xc-Xc cross section.
  • the image sensor 1000 of the present embodiment and the image sensor 10 using the image sensor 1000 have the first to fourth wavelength regions of R, G, and B.
  • the three primary colors and infrared light (IR) are used, and the incident light is spatially separated in four directions for each of the wavelength regions of R, G, B, and IR by the micro spectroscopic element 101. It is different from the image sensor. Therefore, four pixels (photoelectric elements 102 R , 102 G , 102 B , 102 IR) directly under the microspectral element 101 in a state where almost all of the incident light is separated into the wavelength regions of R, G, B, and IR. ).
  • the other components are the same as those of the image sensor of the first embodiment.
  • the differences from the first embodiment will be mainly described, and the overlapping points will be omitted.
  • the microlens 103, the microspectral element 101, and the pixels are arranged in a grid pattern at the same period on the xy plane. Each of them forms an array, and one micro spectroscopic element 101 is arranged on the central axis of each microlens 103. Further, the microlens array and the microspectral element array are shifted from the arrangement of the pixel array along the x-axis and the y-axis by half the length of the array period, respectively.
  • the microspectral element array spatially separates the incident light into four wavelength regions (R, G, B, IR) along four directions parallel to the x-axis in the direction of ⁇ 45 °.
  • micro spectroscopic unit 101 It is composed of an element 101. Further, assuming that four adjacent micro spectroscopic elements are one spectroscopic unit (indicated by a two-dot broken line rectangle in FIG. 10A), the spectroscopic units form an array in a grid pattern in the micro spectroscopic element array. Can be seen as.
  • the microspectral elements 101 constituting the spectroscopic unit are arranged so that the combinations of the four directions assigned to each of the four wavelength regions are different, and the light in the same wavelength region is incident on the four pixels directly under the unit. Has been done. Light in different wavelength regions is incident on all four pixels.
  • the above unit may be configured by rotating one type of microscopic spectroscopic element having the same spectroscopic function by 90 ° or by inverting it, or may realize four types of spectroscopic functions, respectively. It may be composed of various kinds of micro spectroscopic elements 101.
  • the spectroscopic unit shown in FIG. 10A separates the R light (solid line) in the first direction (upper right), the G light (broken line) in the second direction (lower right), and B. Includes an element with a spectroscopic function that separates light (single-point chain line) in the third direction (lower left) and IR light (two-point broken line) in the fourth direction (upper left), on the right and lower sides of the element.
  • the side and lower right further include an element in which the element is rotated 90 ° counterclockwise, an element in which the element is rotated 90 ° clockwise, and an element in which the element is inverted.
  • the white light incident on the image sensor 1000 is first focused by the microlens array, and almost all the light passes through the microspectral element 101 corresponding to each microlens 103.
  • Light is spatially separated in four directions in each of the four wavelength regions by each micro spectroscopic element 101, and is received by four pixels (photoelectric conversion element 102) directly under each micro spectroscopic element 101. Due to the configuration of the spectroscopic unit, light in the wavelength range of R, G, B, or IR is incident on each pixel of the pixel array directly under the microspectral element array, so that each pixel is R, G. It corresponds to the detection of any wavelength region information of, B, and IR.
  • each microspectral element 101 the combination of the wavelength region and the propagation direction can be freely changed, and the arrangement of the pixels corresponding to each of R, G, B, and IR is also changed accordingly.
  • photoelectric conversion is performed by the photoelectric conversion element 102 in each pixel, and the signal is output as an image signal including color information and IR information.
  • 11 (a) to 11 (c) are examples of phase delay distributions that realize spatial separation of incident light in each of the four wavelength regions (R, G, B, IR).
  • the phase delay distribution of the wavelength corresponding to the first wavelength region (R) is a distribution in which the phase delay amount linearly increases from 0 to 2 ⁇ from the lower left to the upper right.
  • the phase delay distribution of the wavelength corresponding to the second wavelength region (G) is linear from the upper left to the lower right with the phase delay amount from 0 to 2 ⁇ .
  • An increasing distribution is formed, and as shown in FIG.
  • the phase delay distribution of the wavelength corresponding to the third wavelength region (B) has a phase delay amount of 0 to 2 ⁇ from the upper right to the lower left.
  • the phase delay distribution of the wavelength corresponding to the fourth wavelength region (IR) has a phase delay amount from the lower right to the upper left. It forms a distribution that linearly increases from 0 to 2 ⁇ .
  • the light transmitted through the element having such a phase delay distribution has the first wavelength region (R) in the upper right direction, the second wavelength region (G) in the lower right direction, and the third wavelength region (B) in the lower left direction.
  • the direction and the fourth wavelength region (IR) propagate along the upper left direction while deflecting each.
  • phase delay distribution as described above can be realized by appropriately designing the material, number, shape, size, pattern, etc. of the microstructure as in the image sensor of the first embodiment.
  • IR information can be acquired at the same time in addition to color information.
  • the present embodiment is the same as the first embodiment except for the above, has the same effect as that described in the first embodiment, and can be modified in the same manner.
  • the first embodiment 1 and the second embodiment described above are merely suitable specific examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the materials of the micro spectroscopic device are SiC, SiC, TiO 2 , and GaN. Etc. are suitable because they have a high refractive index and a small absorption loss.
  • materials such as Si, SiC, SiC, SiC, TiO 2 , GaAs, and GaN are suitable as materials having low loss for these lights. .. Further, in the near infrared region of a long wavelength body (communication wavelength of 1.3 ⁇ m, 1.55 ⁇ m, etc.), InP or the like can be used in addition to the above-mentioned materials.
  • a polyimide such as fluorinated polyimide, BCB (benzocyclobutene), a photocurable resin, a UV epoxy resin, an acrylic resin such as PMMA, and a polymer such as a resist in general Etc. are mentioned as materials.
  • the present invention is not limited thereto. Any material having a refractive index lower than that of the material of the microspectral element 101, such as a general glass material, SiO 2 , and an air layer, and having a low loss with respect to the wavelength of incident light may be used.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment and varies within a range that does not deviate from the gist thereof. It goes without saying that it can be changed.

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Abstract

本開示の撮像素子は、基板上に光電変換素子を含む複数の画素がアレイ状に配列された２次元画素アレイと、２次元画素アレイの上に形成された透明層と、透明層の内部または上に、複数の分光素子がアレイ状に配列された２次元分光素子アレイと、を備える。分光素子の各々は、透明層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から形成された複数の微細構造体を含む。複数の微細構造体は、微細構造体パターンを有する。分光素子の各々は、入射した光を、波長領域に応じて、それぞれ異なる伝搬方向を有する第１の偏向光、第２の偏向光、第３の偏向光、および第４の偏向光に分離する。分光素子の各々の直下にある互いに隣接する第１の画素、第２の画素、第３の画素、および第４の画素は、第１の偏向光、第２の偏向光、第３の偏向光、および第４の偏向光をそれぞれ検出する。

Description

分光素子アレイ、撮像素子および撮像装置
　本発明は、分光素子アレイ、撮像素子および撮像素子を備える撮像装置に関する。
　一般に、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）センサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサといった光電変換素子を備える撮像素子において、撮像対象の色情報を取得するには、光電変換素子を含む各画素上で入射光の色分離を行う必要がある。
　図１に、一般のカラー撮像素子の断面図を示す。従来のカラー撮像素子１００では、電気配線１１２上に光電変換素子１０２が配置され、有機材料または無機材料からなる減色型の色フィルタ１０４が光電変換素子１０２を含む各画素に対向して配置される。色フィルタ１０４の上にはマイクロレンズ１０３が配置される。マイクロレンズ１０３から光が入射すると、色フィルタ１０４を用いて、所望の波長帯の光のみを透過させ、不要な波長帯の光を吸収または反射させることで、画素ごとに赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に対応する３つの光電変換素子１０２から各信号を取得することで、カラーの２次元画像を生成することができる。
　しかし、上記のような一般的なカラー撮像素子１００では、ＲＧＢが１：１：１の割合の入射光の場合、色フィルタ１０４を透過後の総光量が必然的に１／３程度になってしまうという課題がある。失われた残りの光は、色フィルタ１０４による吸収または反射による損失であり、画像の構成に利用することができない。したがって、入射光の光利用効率は最大でも３０％程度となり、撮像素子の感度は大きく制限されている。画素の微細化（画像の高解像度化）が進んでいる近年では、１画素の受ける光量が必然的に低下しており、上記の撮像素子の感度の制限を低減することが望まれている。
　撮像素子の感度の制限を低減するためアプローチとして、色フィルタ１０４の代わりに、入射光を波長帯に応じて分岐することが可能なプリズムやダイクロイックミラーといった分光素子を用いて、カラー撮像素子を構成することが提案されている。このようなアプローチは、原理的に入射光の損失を大きく低減することができるため、色フィルタ１０４を使用した場合に比べて、光利用効率を大幅に向上させることができる。しかしながら、画素の微細化が進んでいる近年では、プリズムやダイクロイックミラーといった分光素子をその機能と特性を保ったまま光電変換素子上への集積することは困難である。
　そこで近年では、光電変換素子上への集積が比較的容易な微細構造からなる分光素子を用いて、カラー撮像素子を構成することが提案されている。非特許文献１では、入射光を２波長領域に分離することが可能な２種類の微細構造を用いることで、色分離における光損失を原理的になくし、光利用効率を向上させる方法が提案されている。
　図２（ａ）に、非特許文献１において提案されているカラー撮像素子２００の上面図を示し、図２（ｂ）に、そのＩＩｂ－ＩＩｂ断面図を示し、図２（ｃ）に、そのＩＩｃ－ＩＩｃ断面図を示す。図示されているように、カラー撮像素子２００は、色フィルタ１０４に代えて画素（光電変換素子１０２）に対応して配置された微細な梁構造２０６－１、２０６－２によって、入射光は波長領域に応じて、直進する光と左右に偏向する光に分離する。これは、微細な梁構造内とその周囲において、入射光が感じる位相遅延効果が、一方の波長領域では大きく異なり、もう一方の波長領域ではほぼ等しくなるためである。したがって、２次元画素アレイ上に、構造厚さが異なる２種類の微細な梁構造２０６－１，２０６－２を行ごとに交互に配置することで、互いに隣接する４つの光電変換素子１０２はそれぞれ異なる波長成分を持った光を受けることが可能になる。その結果、各光電変換素子１０２から出力される光電変換信号に対して行列演算を用いた信号処理を行い、色情報を再生することで、色画像を生成することができる。
　また、非特許文献２では、入射光を３波長領域に分離することが可能な厚さが一定のバイナリー微細構造を、画素（光電変換素子１０２）上に配置することで、光利用効率を向上させる方法が提案されている。
　図３（ａ）に、非特許文献２において提案されている微小分光素子３０６を有するカラー撮像素子３００の上面図を示し、図３（ｂ）に、そのＩＩＩｂ－ＩＩＩｂ断面図を示す。非特許文献２のカラー撮像素子３００を用いることで、非特許文献１のカラー撮像素子２００を用いた場合と同様に、信号処理を用いた色情報再構成により色画像を生成することができる。さらに非特許文献２のカラー撮像素子３００における光利用効率は、非特許文献１のカラー撮像素子２００の光利用効率を上回る。また、非特許文献２のカラー撮像素子２００は、非特許文献１のカラー撮像素子２００で問題であった偏光依存性がなく、また、バイナリー構造であるため作製が容易といった利点がある。
Seiji Nishiwaki, Tatsuya Nakamura, Masao Hiramoto, Toshiya Fujii and Masa-aki Suzuki, "Efficient colour splitters for high-pixel-density image sensors," Nature Photonics, Vol. 7, March 2013, pp.240-246 Masashi Miyata, Mitsumasa Nakajima, Toshikazu Hashimoto, "High-Sensitivity Color Imaging Using Pixel-Scale Color Splitters Based on Dielectric Metasurfaces," ACS Photonics, March 2019, pp1442-1450 David Sell, Jianji Yang, Sage Doshay, Jonathan A. Fan, "Periodic Dielectric Metasurfaces with High‐Efficiency, Multiwavelength Functionalities," Advanced Optical Materials, Vol.5, 2017, 1700645
　非特許文献１および２には、色画像生成の方法として、信号処理を用いた色再構成方法が提案されている。しかしながら、非特許文献１および２で開示された技術には、実用上の課題が存在する。これらの色画像生成の方法は、この信号処理に起因する色のエラー（ノイズ）が生じてしまうことが懸念され、画像の信号対ノイズ比（ＳＮ比）が劣化する恐れがある。したがって、分光素子によって、光利用効率、すなわちセンサでの受光量が増加したとしても、信号処理による新たなノイズの付加により、撮像画像のＳＮ比が改善しない恐れがあり、実質的な感度が向上しない恐れがある。さらに、信号の処理時間が新たに必要になるため、撮像の時間分解能の低下が危惧される。なお、非特許文献２で開示されているように、通常真円であるマイクロレンズの形状を楕円にする、または通常正方形である画素の形状を長方形にするなどして、信号処理を用いずに信号強度から直接色情報を取得する形態を考えることができるが、レンズや画素の形状の変更は既存の作製プロセスや後段処理、画素配置などと適合しない懸念がある他、画像の空間解像度の均一性を乱す恐れがあるため、実現性に乏しい。さらに、非特許文献１および２に開示されている分光素子はともに、入射光を画素アレイ上の１軸方向のみに沿って色分離する素子である。したがって、色分離軸とそれに垂直な軸において、画素間の光クロストークの影響が大きく異なってしまう。これにより、生成される色画像では、互いに垂直な２軸において実質的な空間解像度が異なることが懸念される。
　本開示は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高感度で、信号処理による色再構成を用いることなく、均一な空間解像度をもつ画像を生成することが可能な撮像素子および撮像装置を提供することにある。
　上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る撮像素子は、基板上に光電変換素子を含む複数の画素がアレイ状に配列された２次元画素アレイと、２次元画素アレイの上に形成された透明層と、透明層の内部または上に、複数の分光素子がアレイ状に配列された２次元分光素子アレイと、を備え、分光素子の各々が、透明層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から形成された複数の微細構造体を含み、複数の微細構造体が、微細構造体パターンを有し、分光素子の各々が、入射した光を２次元の方向に分光し、複数の画素が、２次元の方向に分光した光をそれぞれ検出する。一実施形態では、上記の撮像素子において、分光素子の各々が、入射した光を、波長領域に応じて、それぞれ異なる伝搬方向を有する第１の偏向光、第２の偏向光、第３の偏向光、および第４の偏向光に分離し、分光素子の各々の直下にある互いに隣接する第１の画素、第２の画素、第３の画素、および第４の画素が、第１の偏向光、第２の偏向光、第３の偏向光、および第４の偏向光をそれぞれ検出する。
　本発明の一実施形態によれば、平面２軸方向に沿って入射光を複数の波長領域に分離させることが可能な微小分光素子を用いることにより、高感度で、信号処理による色再構成を用いることなく、均一な空間解像度をもつ画像を生成することが可能な撮像素子および撮像装置を実現することができる。また、本発明の一実施形態に係る撮像素子は、広く用いられている画素配置であるベイヤー配置（Ｂａｙｅｒ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）と整合性があるため、一般的なカラー撮像素子の構成およびその後段の電子回路を大きく変更することなく、色フィルタを微小分光素子に置き換えることで、高感度化を達成できる。
一般のカラー撮像素子の断面図である （ａ）は、非特許文献１において提案されているカラー撮像素子の上面図であり、（ｂ）は、そのＩＩｂ－ＩＩｂ断面図であり、および（ｃ）は、そのＩＩｃ－ＩＩｃ断面図である （ａ）は、非特許文献２において提案されているカラー撮像素子の上面図であり、図３（ｂ）は、そのＩＩＩａ－ＩＩＩｂ断面図である 本発明の一実施形態に係る撮像装置１０の概略構成を示した側面図である。 （ａ）は、画素アレイおよび分光素子アレイを含む撮像素子５００の上面から見た構成の一部を模式的に示す図であり、（ｂ）は、そのＶｂ－Ｖｂ断面を模式的に示す図であり、（ｃ）は、そのＶｃ－Ｖｃ断面を模式的に示す図である。 （ａ）は、画素アレイおよび分光素子アレイを含む撮像素子６００の上面から見た構成の一部を模式的に示す図であり、（ｂ）は、そのＶＩｂ－ＶＩｂ断面を模式的に示す図であり、（ｃ）は、そのＶＩｃ－ＶＩｃ断面を模式的に示す図である。 （ａ）は、第１の波長領域（Ｒ）に対応する波長の位相遅延分布を示す図であり、（ｂ）は、第２の波長領域（Ｇ）に対応する波長の位相遅延分布を示す図であり、（ｃ）は、第３の波長領域（Ｂ）に対応する波長の位相遅延分布を示す図ある。 （ａ）は、本実施形態に係る微小分光素子１０１を構成する微細構造体の一例の上面図であり、（ｂ）は微細構造体の一例の側面図である。 （ａ）は、画素アレイおよび分光素子アレイを含む撮像素子９００の上面から見た構成の一部を模式的に示す図であり、（ｂ）は、そのＩＸｂ－ＩＸｂ断面を模式的に示す図であり、（ｃ）は、そのＩＸｃ－ＩＸｃ断面を模式的に示す図である。 （ａ）は、画素アレイおよび分光素子アレイを含む撮像素子９００の上面から見た構成の一部を模式的に示す図であり、（ｂ）は、そのＸｂ－Ｘｂ断面を模式的に示す図であり、（ｃ）は、そのＸｃ－Ｘｃ断面を模式的に示す図である。 （ａ）は、第１の波長領域（Ｒ）に対応する波長の位相遅延分布を示す図であり、（ｂ）は、第２の波長領域（Ｇ）に対応する波長の位相遅延分布を示す図であり、（ｃ）は、第３の波長領域（Ｂ）に対応する波長の位相遅延分布を示す図であり、（ｄ）は、第４の波長領域（ＩＲ）に対応する波長の位相遅延分布を示す図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。ただし、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４は、本発明の一実施形態に係る撮像装置１０の概略構成を示した側面図である。撮像装置１０は、レンズ光学系１１、撮像素子１２、および撮像素子１２から出力される光電変換信号を処理して画像信号を生成する信号処理部１３を備える。
　自然光や照明光等の光が物体１に照射され物体１により透過／反射／散乱した光は、または、物体１から発する光は、レンズ光学系１１によりＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子を含む撮像素子１２上に光学像を形成する。一般に、レンズ光学系は、様々な光学収差を補正するため、光軸に沿って並んだ複数のレンズからなるレンズ群により構成されるが、図４では図面を簡略化して単一のレンズとして示している。信号処理部１３は、撮像素子１２から出力される光電変換信号を処理して画像信号を生成し、生成した画像信号を外部に送出する画像信号出力を備える。なお、本発明の撮像装置１０は、赤外光カットの光学フィルタ、電子シャッタ、ビューファインダ、電源（電池）、フラッシュライトなどの公知の構成要素を備え得るが、それらの説明は本発明の実施形態の理解に特に必要でないため省略する。また、以上の構成はあくまでも一例であり、本発明の一実施形態において、レンズ光学系１１、撮像素子１２、信号処理部１３を除く構成要素には、公知の要素を適切に組み合わせて用いることができる。
　本発明の実施形態の詳細を説明する前に、本発明の実施形態における撮像素子１２の概略を説明する。本発明の実施形態の撮像素子１２は、微小分光素子１０１と、光電変換素子１０２を含む画素とを備える。光電変換素子１０２を含む画素は、２次元状に複数配列されて画素アレイを構成している。また、微小分光素子１０１は、２次元状に複数配列されて、分光素子アレイを構成している。互いに隣接する４つの画素は、その一部が１つの分光素子の対応する位置に設けられている。分光素子の対応する位置とは、たとえば分光素子の占める領域から素子面垂直方向に画素アレイへ下ろした投影面に画素アレイの互いに隣接する４つの画素の一部が重なっている状態を含む。
　図５（ａ）に、撮像素子１２の一例として、画素アレイおよび分光素子アレイを含む撮像素子５００の上面から見た構成の一部を示し、図５（ｂ）に、そのＶｂ－Ｖｂ断面における撮像素子５００の構成の一部を示し、図５（ｃ）に、そのＶｃ－Ｖｃ断面における撮像素子５００の構成の一部を示す。分光素子アレイは画素アレイと対向している。分光素子アレイは、レンズ光学系１１からの光が入射する側に配置されている。分光素子アレイと画素アレイとの間、および分光素子アレイのレンズ光学系１１側には、透明層１１１が設けられている。画素アレイの分光素子アレイの反対側には、電気配線１１２（不図示）が設けられている。
　分光素子アレイを構成する各微小分光素子１０１は、厚み（ｚ軸方向の長さ）一定である微細構造パターンを有している。より具体的には、各微小分光素子１０１は、厚みが一定であるが、上面および下面の形状が配列の位置に応じて異なる微細構造パターンを有している。なお、微小分光素子１０１の厚みは、位置に応じて厚みが異なる微細構造体でもよい。また、微細構造パターンに制限はなく、様々な配列形態をとり得る。なお、本発明の実施形態の撮像素子１２は、マイクロレンズや遮光壁などの公知の構成要素を備え得るが、それらの説明は本発明の概略の理解に特に必要でないため、図５（ａ）～５（ｃ）では省略している。
　本実施形態の説明は、撮像素子１２に入射する光を、波長領域毎に第１の波長領域、第２の波長領域、第３の波長領域、および第４の波長領域に分類する。なお、第１から第４の波長領域の組み合わせは、一般に赤（Ｒ：波長６００ｎｍ以上の赤色波長域で光強度のピークを有する）、緑（Ｇ：波長５００ｎｍ～６００ｎｍの緑色波長域で光強度のピークを有する）、青（Ｂ：波長５００ｎｍ以下の青色波長域で光強度のピークを有する）の３原色と近赤外光（ＩＲ：波長８００ｎｍ以上の近赤外波長域で光強度のピークを有する）の組み合わせであるが、これに限定されない。例えば、波長領域の組み合わせは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色と紫外光（ＵＶ：波長３８０ｎｍ以下の紫外波長域で光強度のピークを有する）の組み合わせでもよく、赤外光の波長領域における互いに異なる複数の波長領域の組み合わせでもよく、紫外光の波長領域における互いに異なる複数の波長領域の組み合わせでもよい。また、第１～第３の波長領域を互いに異なる波長領域とし、第４の波長領域を第１～第３の波長領域のうちの１つと同じとしてもよい。本発明の実施形態における分光素子アレイを構成する微小分光素子１０１の各々は、後述する微細構造体に起因する位相遅延効果およびその構造寸法依存性および波長依存性を利用することで、上述した第１から第３の波長領域、または、第１から第４の波長領域に応じて、撮像素子１２に入射した光の伝搬方向を変え、画素アレイ上において空間的に光を分離する機能を有する。すなわち、本発明の実施形態では、撮像素子１２に入射した光は、各微小分光素子１０１によって、第１の方向（右上）、第２の方向（右下）、第３の方向（左下）および第４の方向（左上）の４方向に分離し、互いに隣接する４つの画素の一部に入射する。より詳細な例として、微小分光素子１０１が、赤（Ｒ）を第１の方向（右上）に分離し、緑（Ｇ）を第２の方向（右下）に分離し、青（Ｂ）を第３の方向（左下）に分離し、赤外光（ＩＲ）を第４の方向（左上）に分離する場合を説明する。赤（Ｒ）の波長領域の光は、第１の方向に広がり幅の広い光（波長成分が並んだ光）として、互いに隣接した４つの画素のうちの赤に対応する画素（緑に対応する画素の上側に隣接し、赤外光に対応する画素の右側に隣接する）に入射する（短波長の光の入射角と長波長の光の入射角が異なる）。緑（Ｇ）の波長領域の光は、第２の方向に広がり幅の広い光（波長成分が並んだ光）として、緑に対応する画素（赤に対応する画素の下側に隣接し、青に対応する画素の右側に隣接する）に入射する（短波長の光の入射角と長波長の光の入射角が異なる）。青（Ｂ）の波長領域の光は、第３の方向に広がり幅の広い光（波長成分が並んだ光）として、青に対応する画素（緑に対応する画素の左側に隣接し、赤外光に対応する画素の下側に隣接する）に入射する（短波長の光の入射角と長波長の光の入射角が異なる）。赤外光（ＩＲ）の波長領域の光は、第４の方向に広がり幅の広い光（波長成分が並んだ光）として、赤外光に対応する画素（赤に対応する画素の左側に隣接し、青に対応する画素の上側に隣接する）に入射する（短波長の光の入射角と長波長の光の入射角が異なる）。
　また、平面２軸方向（ｘｙ平面のｘ軸方向およびｙ軸方向）に隣接する４つの微小分光素子１０１を１つの分光ユニット（分光ユニットは正方形である）とすると、１つの分光ユニットを構成する４つの微小分光素子１０１の分光機能は互いに異なる。具体的に、１つの分光ユニットは、４種類の微小分光素子を含む。例えば、第１の種類の微小分光素子は、第１の波長領域、第２の波長領域、第３の波長領域の光および第４の波長領域の光を、それぞれ第１の方向（右上）、第２の方向（右下）、第３の方向（左下）および第４の方向（左上）に分離させる分光機能を持つ。第２の種類の微小分光素子は、第１の波長領域、第２の波長領域、第３の波長領域および第４の波長領域の光を、それぞれ第２の方向（右下）、第１の方向（右上）、第４の方向（左上）および第３の方向（左下）に分離させる分光機能を持つ。第３の種類の微小分光素子は、第１の波長領域、第２の波長領域、第３の波長領域および第４の波長領域の光を、それぞれ第３の方向（左下）、第４の方向（左上）、第１の方向（右上）および第２の方向（右下）に分離させる分光機能を持つ。第４の種類の微小分光素子は、第１の波長領域、第２の波長領域、第３の波長領域および第４の波長領域の光を、それぞれ第４の方向（左上）、第３の方向（左下）、第３の方向（右下）および第１の方向（右上）に分離させる分光機能を持つ。
　したがって、微小分光素子１０１と光電変換素子１０２を含む画素との距離を、当該微小分光素子１０１により第１の方向（右上）に分離された光、当該微小分光素子１０１の右側に隣接する微小分光素子により第４の方向（左上)に分離された光、当該微小分光素子１０１の右上側に隣接する微小分光素子により第３の方向（左下）に分離された光、および当該微小分光素子１０１の上側に隣接する微小分光素子により第２の方向（右下）に分離された光が、当該光電変換素子１０２に入射する距離にすることで、各々の分光ユニットの直下にある４つの画素（光電変換素子１０２）は、それぞれ第１、第２、第３および第４の波長領域のいずれかの光のみを受けることになる。画素に光が入射すると、光電変換素子１０２が入射した光の強度に応じた電気信号（光電変換信号）を出力するため、波長領域に応じた信号（３原色であればカラー情報）を、直接的に取得するようになる。以上の微小分光素子１０１および微小分光素子に対応した複数の画素（光電変換素子１０２）が、２次元状に配置されているため、レンズ光学系により形成される物体の光学像の波長領域毎の情報を、特別な信号処理を用いることなく同時に取得することができる。また、この構成では平面２軸方向に沿って光の分離を行うため、任意の画素間における光クロストークの影響が等しくなるため、均一な空間解像度をもつ画像を生成できる。
　後述する第１の実施形態については、第１から第３の波長領域をＲ、Ｇ、Ｂの３原色とし、第４の波長領域を第２の波長領域と同じとして、微小分光素子１０１によってＲ、Ｇ、Ｂ、Ｇの波長領域毎に入射光を４方向に空間的に分離する。すなわち、入射光のほぼすべてがＲ、Ｇ、Ｂの波長領域に分離された状態で微小分光素子１０１の直下にある隣接する４つの画素（光電変換素子１０２）に入射する。なお、４つの画素のうちの２つは、同じ波長領域の光が入射する。したがって、画素（光電変換素子１０２）から得られる光電変換信号から、カラー情報を直接的に取得することができる。
　また、後述する第２の実施形態については、第１から第３の波長領域をＲ、Ｇ、Ｂの３原色とし、第４の波長領域を赤外光ＩＲとし、微小分光素子１０１が、Ｒ、Ｇ、Ｂ、およびＩＲの波長領域毎に入射光を４方向に空間的に分離する。すなわち、入射光のほぼすべてがＲ、Ｇ、Ｂ、ＩＲの波長領域に分離された状態で微小分光素子１０１の直下にある隣接する４つの画素（光電変換素子１０２）に入射する。なお、４つの画素は、すべて異なる波長領域の光が入射する。したがって、画素（光電変換素子１０２）から得られる光電変換信号から、直接的に、カラー情報とＩＲ情報を取得することができる。
　本発明の実施形態における撮像素子１２によれば、減光型のバンドパスフィルタを用いることなく、微小分光素子１０１を用いた波長領域毎の光分離により、特別な信号処理を用いることなく、物体の光学像の波長領域毎の情報を取得することができる。すなわち、第１から第４の波長領域をＲ、Ｇ、Ｂ、Ｇの３原色とすれば、カラー画像を取得することができる。したがって、色フィルタを用いた撮像素子と比較して、画素アレイに到達する光総量を増加させることができ、カラー撮像の感度を高めることが可能となる。また、第１から第４の波長領域をＲ、Ｇ、Ｂの３原色とＩＲとすれば、カラー画像に加えてＩＲ画像を高感度に同時に取得することができる。さらに、画素アレイ上において平面２軸方向に沿った光分離により各波長域の情報を取得するため、任意の画素間における光クロストークの影響が等しく、均一な空間解像度をもつ画像を生成できることから、非特許文献１および２で開示された技術における課題を解決することができる。さらに、本発明の実施形態に係る撮像素子１２は、一般的に採用されているマイクロレンズ形状や画素形状、ベイヤー配置などの画素配置を変更する必要がないため、既存の作製プロセスや撮像システムと整合性が高く、フィルタを微小分光素子に置き換えるだけで効果が得られるといった利点がある。
　以下、図面を参照しながら、本発明のより実施形態を詳細に説明する。　
（第１の実施形態）
　以下、本実施形態における撮像素子の構成の概略について説明する。　
　本実施形態では第１から第３の波長領域をＲ、Ｇ、Ｂの３原色とし、第４の波長領域を第２の領域と同じとし、入射光をＲ、Ｇ、Ｂ、Ｇに分光する形態を示すが、分光される波長領域の数や各波長領域における波長はこれに限られない。たとえば、４つの波長領域のうちの少なくとも１つが３原色以外の波長の光（例えば赤外光や紫外光）であっても良い。
　図６（ａ）に、第１の実施形態による撮像素子１２の例として、画素アレイおよび分光素子アレイを含む撮像素子６００の上面から見た概略構成の一部を模式的に示し、図６（ｂ）に、そのＶＩｂ－ＶＩｂ断面における撮像素子６００の構成の一部を示し、図６（ｃ）に、そのＶＩｃ－ＶＩｃ断面における撮像素子６００の構成の一部を示す。光電変換素子１０２を含む画素がアレイ状になるように配列された２次元画素アレイ上に、ＳｉＯ２等からなる低屈折率の透明層１１１、および複数のマイクロレンズ１０３が積層されている。低屈折率の透明層１１１の内部には、微小分光素子１０１が埋め込まれている。
　微小分光素子１０１は、透明層１１１の屈折率よりも高い屈折率を有するＳｉＮやＴｉＯ２等の材料で形成された複数の微細構造体を含む。複数の微細構造体は、微細構造パターンを有するように形成されている。便宜上、以下の説明において、２次元画素アレイの法線方向をｚ軸、２次元画素アレイに平行な水平方向をｘ軸、２次元画素アレイに平行なｘ軸に垂直な方向をｙ軸とするｘｙｚ直交座標系を設定する。
　図６（ａ）～６（ｃ）に示すように、マイクロレンズ１０３、微小分光素子１０１および画素（光電変換素子１０２）はｘｙ平面上において同一の周期で格子状に配置され、それぞれアレイを形成している。各マイクロレンズ１０３の直下に１つの微小分光素子１０１が配置されている。また、マイクロレンズアレイおよび微小分光素子アレイは、画素アレイの配置から、アレイ周期（中心間の距離）の１／２の長さ分、ｘ軸およびｙ軸に沿ってそれぞれシフトしている。微小分光素子１０１における、ｘ軸方向に隣接する微小分光素子との境界からｘ軸方向のアレイ周期の１／２の長さの位置、且つｙ軸方向に隣接する微小分光素子との境界からｙ軸方向のアレイ周期の１／２の長さの位置を、微小分光素子１０１の中心とする。このとき、図６（ａ）に示すように、微小分光素子１０１の中心は、当該微小分光素子１０１の直下にある互いに隣接する４つの微小分光素子１０１が形成する四角形の中心の直上に位置する。微小分光素子アレイは、入射光を３波長領域毎（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に、平面上ｘ軸に対して±４５°の方向にそれぞれ平行な４方向に沿って空間的に分離する微小分光素子１０１からなる。また、隣接する４つの微小分光素子１０１を１つの分光ユニット６０１（図６（ａ）に二点破線の矩形で示す）とすると、微小分光素子アレイは、分光ユニットが格子状にアレイを形成しているとみることができる。分光ユニットを構成する隣接する４つの微小分光素子１０１は、３波長領域毎に割り当てられた４つの方向の組み合わせがそれぞれ異なり、ユニットの直下にある４つの画素にそれぞれ同一の波長領域の光が入射するように配置されている。なお、各々の微小分光素子１０１の直下にある４つの画素のうちの２つは、同じ波長領域の光が入射する。上記のユニットは、同一の分光機能をもつ１種類の微小分光素子を９０°回転させて構成してもよく若しくは反転させて構成してもよく、または、４種類の分光機能をそれぞれ実現する４種類の微小分光素子１０１から構成されていてもよい。図６（ａ）に示す分光ユニットは、Ｒの光(実線)を第１の方向（右上）に分離し、Ｇの光（破線）を第２の方向（右下）に分離し、Ｂの光（一点鎖線）を第３の方向（左下）に分離し、Ｇの光（破線）を第４の方向（左上）に分離させる分光機能をもつ素子を含み、当該素子の右側、下側および右下には当該素子を反時計回りに９０°回転させた素子、当該素子を時計回りに９０°回転させた素子、および当該素子を反転させた素子をさらに含む。
　なお、上述の説明では、一例として、正方形の画素（光電変換素子１０２）からなる直交格子状に配列された２次元画素アレイの場合について説明したが、画素の配列、形状、サイズなどはこの図の例に限らない。また、図６（ａ）～６（ｃ）では省略しているが、２次元画素アレイと微小分光素子アレイとの間に、内部マイクロレンズとして動作し、微小分光素子１０１からの光を画素内の光電変換素子１０２へと導くように作用するＳｉＮやＴｉＯ２等からなる透明層より高い屈折率の凹凸構造による集光機能を持つ構造体を備え得る。図６（ａ）～６（ｃ）に示した構造は、公知の半導体製造技術により作製され得る。
　なお、図６（ａ）～６（ｃ）に示される撮像素子６００は、電気配線１１２が形成された配線層の反対側から光が入射する裏面照射型の構造を有しているが、本実施形態ではこのような構造に限定されず、例えば配線層の側から受光する表面照射型の構造を有していてもよい。
　以下、本実施形態に係る撮像素子６００の各構成要素の働きについて説明する。　
　撮像素子６００に入射する白色の光は、まずマイクロレンズアレイによって集光され、ほぼすべての光が各マイクロレンズ１０３に対応した微小分光素子１０１を通過する。各微小分光素子１０１によって、光は３波長領域毎に４方向に空間的に分離され、各微小分光素子１０１の直下にある隣接する４つの画素（光電変換素子１０２）によりそれぞれ受光される。分光ユニットの構成から、微小分光素子アレイの直下にある画素アレイの各画素はＲ、Ｇ、Ｂのいずれかの波長域の光が入射することになるため、各画素がＲ、Ｇ、Ｂのいずれかのカラー情報の検出を対応する。なお、図６（ａ）～６（ｃ）の例は、４つの画素を１つの画素ユニットとした場合、４つの画素がそれぞれＲ、Ｇ、Ｇ、Ｂの光に対応しているべイヤー配置に適合した一例であって、各微小分光素子１０１の構成によっては、色成分と伝搬方向の組み合わせは自由に変更可能であり、それに伴って、ＲＧＢそれぞれに対応する画素の配置も変更される。最後に、各画素内の光電変換素子１０２によって光電変換がなされ、カラー情報を含む画像信号として出力される。
　なお、画素アレイと微小分光素子１０１との間に、内部マイクロレンズとして動作するＳｉＮやＴｉＯ２等からなる透明層より高い屈折率の凹凸構造による集光機能を持つ構造体を備え得るが、後述する微小分光素子１０１は形成する位相遅延分布によっては、レンズ機能を有することが可能であるため、内部マイクロレンズを省略することも可能である。
　以下、本実施形態における微小分光素子１０１について説明する。　
　微小分光素子１０１が入射光を３波長領域毎（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に、上述の４方向に沿って空間的に分離するには、１つの微小分光素子１０１を透過する光に対して、波長領域毎に異なる位相遅延分布を与え、光波面を変化させることが必要である。
　図７（ａ）～７（ｃ）は、上述した分光特性を実現することが可能な微小分光素子１０１が有する位相遅延分布の１例である。この例では、図７（ａ）に示すように、第１の波長領域（Ｒ）に対応する波長の位相遅延分布は、左下から右上に沿って位相遅延量が０から２πまで線形増加する分布を形成しており、図７（ｂ）に示すように、第２の波長領域（Ｇ）に対応する波長の位相遅延分布は、左上から中央に向かって位相遅延量が０からπまで線形増加し、中央から右下に向かって位相遅延量がπから０まで線形減少する分布を形成しており、図７（ｃ）に示すように、第３の波長領域（Ｂ）に対応する波長の位相遅延分布は、右上から左下に沿って位相遅延量が０から２πまで線形増加する分布を形成している。このような位相遅延分布を有する素子を透過した光は、第１の波長領域（Ｒ）が右上方向、第２の波長領域（Ｇ）が左上および右下方向、第３の波長領域（Ｂ）が左下方向に沿って、それぞれ偏向しながら伝搬する。なお、上述の説明は一例であって、位相遅延分布によっては、波長領域と伝搬方向の組み合わせは自由に変更可能である。以上のような位相遅延分布は、後述するように微細構造体の材料、数、形状、サイズ、パターンなどを適切に設計することにより実現することができる。すなわち、本実施形態における微小分光素子１０１は、微細構造体を２次元平面上に配置し、入射光に対して、波長領域に応じて異なる光波面を与え、色成分を空間的に分離する。
　図８（ａ）に、本実施形態における微小分光素子１０１を構成する微細構造体の一例の上面を示し、図８（ｂ）に微細構造体の側面図を示す。微細構造体の一例である柱状構造体１２１は、透明層１１１の屈折率ｎ０よりも高い屈折率ｎ１を有するＳｉＮやＴｉＯ２等の材料から形成されており、構造の厚みｈを一定とする。また、柱状構造体１２１の底面および上面は正方形である。この柱状構造体１２１は、透明層１１１と柱状構造体１２１との間の屈折率差から、光を構造内に閉じ込めて伝搬させる光導波路として考えることができる。したがって、上面側から入射した光は、柱状構造体１２１内に強く閉じ込められながら伝搬し、光導波路の実効的な屈折率ｎｅｆｆにより決定される位相遅延効果を受けて、底面側から出射する。具体的に、透明層１１１を構造の厚み分の長さを伝搬した光の位相を基準した際、柱状構造体１２１による位相遅延量φは、光の真空中での波長をλとおくと、式（１）で表される。
φ＝（ｎｅｆｆ－ｎ０）×２πｈ／λ　・・・（１）
　この位相遅延量φは、光の波長λによって異なるため、同一の柱状構造体１２１において、光を波長領域（色成分）に応じて異なる位相遅延量を与えることができる。さらに、ｎｅｆｆは柱状構造体１２１の幅ｗの関数であることが知られており、ｎ０＜ｎｅｆｆ＜ｎ１の値をとる。したがって、図８（ａ）および（ｂ）に示す例では、柱状構造体１２１の幅ｗを変化させることで、光の波長λに応じた位相遅延量の多彩な組み合わせを設定することが可能である。また、柱状構造体１２１の底面および上面が正方形であるため、入射光の偏光（偏波）方向を変化させた場合においても、位相遅延効果を含む光学特性に変化はない。
　以上のような構造体を図７（ａ）～（ｃ）を参照して上述した位相遅延分布に適合するように位置に応じて柱状構造体１２１の幅ｗをそれぞれ設定し、２次元平面上に複数配置することで、本実施形態における微小分光素子を実現することができる。また、上述の各柱状構造体１２１の配置において、周期的な構造に起因する不要な回折光が発生することを防ぐため、光の波長以下の間隔で配置することが望ましい。なお、光を効率的に偏向させるには位相遅延分布が０から２πまで変化する分布が適しているため、それぞれの波長域において、厚み一定の柱状構造体１２１による位相遅延量の可変範囲は、２π以上有していることが好ましい。したがって、式（１）から、分離する波長域の最も長波長側の波長域における所望の中心波長をλｒとすると、構造の厚みｈは、ｈ＝λｒ／（ｎ１－ｎ０）以上に設定することが望ましい。上述の例では、柱状構造体１２１の底面および上面が正方形の場合について説明したが、この形状に限定されない。すなわち、面の中心を対称軸として４回回転対称を含む形状面であれば、分光機能の偏光に対する依存性が生じることは無く、位相遅延効果をもたらす光導波路としての動作も失われることは無い。したがって、正方形、中空正方形、円形、中空円形、十字形状といった４回回転対称となる面をもつ柱状構造体を採用することが望ましい。このような厚み一定の微細構造体からなる微小分光素子は、例えば、非特許文献２に開示されている。
　また、本実施形態における微小分光素子１０１は、上述の柱状構造体１２１に限定されることなく、様々な形態の微細構造を用いることができる。例えば、非特許文献３に開示されているような、計算機によって最適化された構造パターンを持つ厚みが一定の微細構造体は、上述した原理と同様の原理で波長領域毎に位相遅延分布を形成することができ、色成分を空間的に分離することが可能である。さらに、式（１）より、柱状構造体１２１の幅ｗに加えて構造の厚みｈを変化させることで、光の波長λに応じた位相遅延量のより多彩な組み合わせを設定することが可能である。したがって、上述の位相遅延分布に適合するように微細構造体が配置される位置に応じて微細構造体の幅ｗおよび厚みｈをそれぞれ設定し、２次元平面上に複数配置することでも、本実施形態における微小分光素子を実現することができる。
　上述した分光機能をもつ微小分光素子１０１は、公知の半導体製造技術により、薄膜堆積およびパターニングを実行することにより、作製され得る。
　以上のように、微小分光素子を構成する構造体の材料、数、形状、サイズ、パターンなどを適切に設計することにより、所望の分光特性を与えることが可能である。その結果、上述したように、個々の画素に所望の波長領域の光を分離して入射させることが可能となり、各画素内の光電変換素子から出力される光電変換信号から、波長領域に対応する信号を直接取得することができる。また、微小分光素子を構成する材料が低損失であれば、光損失はほとんど生じないため、従来技術のフィルタを用いた撮像素子と比較して、画素アレイに到達する光総量を飛躍的に増加させることができ、カラー撮像の感度を高めることが可能となる。また、画素アレイ上において平面２軸方向に沿った光分離により各波長領域の情報を取得するため、任意の画素間における光クロストークの影響が等しく、均一な空間解像度をもつ画像を生成することが可能である。また、本実施形態では、単一の分光素子アレイの形態を用いた撮像素子を説明するが、単一の分光素子アレイの代わりに、複数の分光素子アレイをｚ軸方向に重ねた形態を用いて、撮像素子を実現することも可能である。すなわち、単一の分光素子アレイを構成する微小分光素子１０１が、入射する光を２次元の方向（平面２軸方向）に分光してもよく、光の伝搬方向（ｚ軸方向）に重ねられた複数の微小分光素子が、入射する光を２次元の方向に分光してもよい。なお、各微小分光素子の分光性能が上述した理想的な性能と多少異なっていても、性能の差異の程度に応じて、取得した信号を補正・演算することによって良好な色情報を得ることが可能である。
　なお、微小分光素子による色成分の分離後において、画素アレイ上での画素間の光クロストークを最小にするには、分離した各光が各画素の中心近傍に入射することが望ましい。したがって、微小分光素子によって偏向する光の伝搬方向と画素アレイの法線方向との角度をθ、画素アレイの周期をＰとすると、微小分光素子の出力端と光電変換素子との間隔が２０.５Ｐ／ｔａｎθの近傍であることが好ましい。
　以上の説明では、微小分光素子のみを用いた場合の撮像素子について述べた。次に、減色型の色フィルタを併用した際の変形例について説明する。
　図９（ａ）に、本実施形態の変形例に係る画素アレイおよび分光素子アレイを含む撮像素子９００を示し、図９（ｂ）に、そのＩＸｂ－ＩＸｂ断面における撮像素子９００の構成の一部を示し、図９（ｃ）に、そのＩＸｃ－ＩＸｃ断面における撮像素子９００の構成の一部を示す。図６（ａ）～６（ｃ）に示した撮像素子６００との差異は、色成分に対応した画素の上方に、画素の色にそれぞれ対応した色フィルタ１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂを配置している点であり、その他は同一である。この構成の場合、入射光は、微小分光素子１０１によって色分離された後に、画素（光電変換素子１０２）の直上において色フィルタ１０４によってフィルタリングされる。この場合、色分離後に色フィルタ１０４を透過するため、従来技術の色フィルタのみの構成に比べて、光利用効率が向上する一方、２つの素子を透過する必要があるため、微小分光素子１０１のみの構成に比べて、光利用効率は減少する。また、微小分光素子１０１の分光特性と色フィルタ１０４のフィルタリング特性が掛け合わされ、不要な色成分がより排除された状態で各画素に入射するため、色フィルタ１０４のみの構成および微小分光素子１０１のみの構成に比べて、色再現性が大きく向上する。したがって、光利用率、すなわち感度と色再現性のバランスがよい構成といえる。
（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態における撮像素子の構成の概略について説明する。　
　図１０（ａ）に、撮像素子１２の例として、画素アレイおよび分光素子アレイを含む撮像素子１０００の上面から見た概略構成の一部を模式的に示し、図１０（ｂ）に、そのＸｂ－Ｘｂ断面における撮像素子１０００の構成の一部を示し、図１０（ｃ）に、そのＸｃ－Ｘｃ断面における撮像素子１０００の構成の一部を示す。図１０（ａ）～１０（ｃ）から明らかなように、本実施形態の撮像素子１０００および撮像素子１０００を用いた撮像装置１０は、第１から第４の波長領域をＲ、Ｇ、Ｂの３原色と、赤外光（ＩＲ）とし、微小分光素子１０１によってＲ、Ｇ、Ｂ、およびＩＲの波長領域毎に、入射光を４方向に空間的に分離する点が第１の実施形態の撮像素子と比較して異なる。したがって、入射光のほぼすべてがＲ、Ｇ、Ｂ、およびＩＲの波長領域に分離された状態で微小分光素子１０１の直下にある４つの画素（光電素子１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂ、１０２ＩＲ）に入射する。なお、その他の構成要素は第１の実施形態の撮像素子と同一である。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明し、重複する点は説明を省略する。
　図１０（ａ）～１０（ｃ）に示されているように、マイクロレンズ１０３、微小分光素子１０１、画素（光電変換素子１０２）は、ｘｙ平面上において同一の周期で格子状に配置され、それぞれアレイを形成しており、各マイクロレンズ１０３の中心軸上に１つの微小分光素子１０１が配置されている。また、マイクロレンズアレイおよび微小分光素子アレイは、画素アレイの配置から、アレイ周期の１／２の長さ分、ｘ軸およびｙ軸に沿ってそれぞれシフトしている。微小分光素子アレイは、入射光を４波長領域毎（Ｒ、Ｇ、Ｂ、ＩＲ）に、ｘ軸に対して±４５°の方向にそれぞれ平行な４方向に沿って空間的に分離する微小分光素子１０１からなる。また、隣接する４つの微小分光素子を１つの分光ユニットとすると（図１０（ａ）に二点破線の矩形で示す）、微小分光素子アレイは、分光ユニットが格子状にアレイを形成しているとみることができる。分光ユニットを構成する微小分光素子１０１は、４波長領域毎に割り当てられた４つの方向の組み合わせがそれぞれ異なり、ユニットの直下にある４つの画素にそれぞれ同一の波長領域の光が入射するように配置されている。なお、４つの画素は、すべて異なる波長領域の光が入射する。上記のユニットは、同一の分光機能をもつ１種類の微小分光素子を９０°回転させて構成してもよく若しくは反転させて構成してもよく、または、４種類の分光機能をそれぞれ実現する４種類の微小分光素子１０１から構成されていてもよい。図１０（ａ）に示す分光ユニットは、Ｒの光(実線)を第１の方向（右上）に分離し、Ｇの光（破線）を第２の方向（右下）に分離し、Ｂの光（一点鎖線）を第３の方向（左下）に分離し、ＩＲの光（二点破線）を第４の方向（左上）に分離させる分光機能をもつ素子を含み、当該素子の右側、下側および右下には当該素子を反時計回りに９０°回転させた素子、当該素子を時計回りに９０°回転させた素子、および当該素子を反転させた素子をさらに含む。
　撮像素子１０００に入射する白色の光は、まずマイクロレンズアレイによって集光され、ほぼすべての光が各マイクロレンズ１０３に対応した微小分光素子１０１を通過する。各微小分光素子１０１によって、光は４波長領域毎に４方向に空間的に分離され、各微小分光素子１０１の直下にある４画素（光電変換素子１０２）によりそれぞれ受光される。分光ユニットの構成から、微小分光素子アレイの直下にある画素アレイの各画素はＲ、Ｇ、Ｂ、およびＩＲのいずれかの波長域の光が入射することになるため、各画素がＲ、Ｇ、Ｂ、ＩＲのいずれかの波長領域情報の検出に対応する。なお、各微小分光素子１０１の構成によっては、波長領域と伝搬方向の組み合わせは自由に変更可能であり、それに伴って、Ｒ、Ｇ、ＢおよびＩＲそれぞれに対応する画素の配置も変更される。最後に、各画素内の光電変換素子１０２によって光電変換がなされ、カラー情報とＩＲ情報を含む画像信号として出力される。
　図１１（ａ）～１１（ｃ）は、入射光の４波長領域毎（Ｒ、Ｇ、Ｂ、ＩＲ）の空間的な分離を実現する位相遅延分布の１例である。この例では、図１１（ａ）に示すように、第１の波長領域（Ｒ）に対応する波長の位相遅延分布は、左下から右上に沿って位相遅延量が０から２πまで線形増加する分布を形成しており、図１０（ｂ）に示すように、第２の波長領域（Ｇ）に対応する波長の位相遅延分布は、左上から右下に向かって位相遅延量が０から２πまで線形増加する分布を形成しており、図１０（ｃ）に示すように、第３の波長領域（Ｂ）に対応する波長の位相遅延分布は、右上から左下に沿って位相遅延量が０から２πまで線形増加する分布を形成しており、図１０（ｄ）に示すように、第４の波長領域（ＩＲ）に対応する波長の位相遅延分布は、右下から左上に向かって位相遅延量が０から２πまで線形増加する分布を形成している。このような位相遅延分布を有する素子を透過した光は、第１の波長領域（Ｒ）が右上方向、第２の波長領域（Ｇ）が右下方向、第３の波長領域（Ｂ）が左下方向、第４の波長領域（ＩＲ）が左上方向に沿って、それぞれ偏向しながら伝搬する。なお、上述の説明は一例であって、位相遅延分布によっては、波長領域と伝搬方向の組み合わせは自由に変更可能である。以上のような位相遅延分布は、第１の実施形態の撮像素子と同様に微細構造体の材料、数、形状、サイズ、パターンなどを適切に設計することにより実現することができる。
　以上より、本実施形態の構成において、カラー情報に加えてＩＲ情報も同時に取得することができる。本実施形態は、上記以外は第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態で説明したものと同様の効果を有し、また、同様の変更が可能である。
　上述した第１の実施形態1および第２の実施形態は、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。
　上述した第１の実施形態および第２の実施形態では、微小分光素子の材料としてＳｉＮやＴｉＯ２を想定した例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明の実施形態の撮像素子を光の波長が３８０～１０００ｎｍの範囲の可視光～近赤外光領域で用いる場合は、微小分光素子の材料には、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＯ２、ＧａＮ等の材料が、屈折率が高く、吸収損失が少ないため適している。また、波長が８００～１０００ｎｍの範囲の近赤外光に対しては、これらの光に対して低損失な材料として、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の材料が適している。さらに長波長体の近赤外領域（通信波長である１．３μｍや１．５５μｍ等）では、上述の材料に加えて、ＩｎＰ等を用いることができる。さらに、貼り付け、塗布して微小分光素子を形成する場合、フッ素化ポリイミド等のポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、光硬化性樹脂、ＵＶエポキシ樹脂、ＰＭＭＡ等のアクリル樹脂、レジスト全般などのポリマー等が材料として挙げられる。
　また、第１の実施形態および第２の実施形態では、透明層１１１の材料としてＳｉＯ２を想定した例を示したが、本発明はこれに限定されない。一般的なガラス材料、ＳｉＯ２、空気層等、屈折率が微小分光素子１０１の材料の屈折率より低く、入射光の波長に対して低損失なものであれば何でもよい。
　以上、本発明の実施形態に係る撮像素子および当該撮像素子を用いた撮像装置に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

Claims (10)

  1. 　基板上に光電変換素子を含む複数の画素がアレイ状に配列された２次元画素アレイと、
    　前記２次元画素アレイの上に形成された透明層と、
    　前記透明層の内部または上に、複数の分光素子がアレイ状に配列された２次元分光素子アレイと、
    を備えた撮像素子であって、
    　前記分光素子の各々が、前記透明層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から形成された複数の微細構造体を含み、前記複数の微細構造体が、微細構造体パターンを有し、前記分光素子の各々が、入射した光を２次元の方向に分光し、前記複数の画素が、前記２次元の方向に分光された光を検出する、撮像素子。
  2. 　前記分光素子の各々が、前記入射した光を、波長領域に応じて、それぞれ異なる伝搬方向を有する第１の偏向光、第２の偏向光、第３の偏向光、および第４の偏向光に分離し、
    　前記分光素子の各々の直下にある互いに隣接する第１の画素、第２の画素、第３の画素、および第４の画素が、前記第１の偏向光、前記第２の偏向光、前記第３の偏向光、および前記第４の偏向光をそれぞれ検出する、請求項１に記載の撮像素子。
  3. 　前記分光素子の各々の中心が、前記分光素子の各々の直下にある互いに隣接する前記第１の画素、前記第２の画素、前記第３の画素、および前記第４の画素が形成する四角形の中心の直上にそれぞれ位置しており、
    　互いに隣接する前記第１の画素、前記第２の画素、前記第３の画素、および前記第４の画素の波長領域は、前記第１の画素、前記第２の画素、前記第３の画素、および前記第４の画素の各々が検出する前記第１の偏向光、前記第２の偏向光、前記第３の偏向光、および前記第４の偏向光の波長領域に対応し、
    　前記第１の偏向光、前記第２の偏向光、前記第３の偏向光、および前記第４の偏向光のうちの少なくとも３つの偏向光の波長領域が互いに異なっている、請求項２に記載の撮像素子。
  4. 　前記分光素子の各々における前記複数の微細構造体が、光が透過する方向の厚みが一定である、請求項２または３に記載の撮像素子。
  5. 　前記分光素子の各々における前記複数の微細構造体が、光が透過する方向の厚みが位置に応じて異なる、請求項２または３に記載の撮像素子。
  6. 　前記入射した光が白色光の場合、
    　前記第１の画素に入射する光は、波長５００ｎｍ以下の青色波長域で光強度のピークを有し、
    　前記第２の画素および前記第３の画素に入射する光は、波長５００ｎｍ～６００ｎｍの緑色波長域で光強度のピークを有し、
    　前記第４の画素に入射する光は、波長６００ｎｍ以上の赤色波長域で光強度のピークを有する、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の撮像素子。
  7. 　前記入射した光が白色光の場合、
    　前記第１の画素に入射する光は、波長５００ｎｍ以下の青色波長域で光強度のピークを有し、
    　前記第２の画素に入射する光は、波長５００ｎｍ～６００ｎｍの緑色波長域で光強度のピークを有し、
    　前記第３の画素に入射する光は、波長６００ｎｍ～８００ｎｍの赤色波長域で光強度のピークを有し、
    　前記第４の画素に入射する光は、波長８００ｎｍ以上の近赤外波長域で光強度のピークを有する、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の撮像素子。
  8. 　前記２次元画素アレイと前記２次元分光素子アレイの間に、さらにフィルタアレイを備え、
    　前記フィルタアレイは、
    　　波長５００ｎｍ以下の青色波長域で透過率のピークを有する第１のフィルタ、
    　　波長５００ｎｍ～６００ｎｍの緑色波長域で透過率のピークを有する第２のフィルタ、
    　　波長６００ｎｍ～８００ｎｍの赤色波長域で透過率のピークを有する第３のフィルタ、および
    　　波長８００ｎｍ以上の近赤外波長域で透過率のピークを有する第４のフィルタ、
    のうちの少なくとも１つを含む、請求項６または７に記載の撮像素子。
  9. 　請求項１乃至８のいずれか一項に記載の撮像素子と、
    　前記撮像素子の撮像面に光学像を形成するための撮像光学系と
    　前記撮像素子が出力する電気信号を処理する信号処理部と、
    を備えた撮像装置。
  10. 　透明層の内部または上に、複数の分光素子がアレイ状に配列された２次元分光素子アレイであって、
    　前記分光素子の各々が、前記透明層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から形成された複数の微細構造体を含み、前記複数の微細構造体が、微細構造体パターンを有し、前記分光素子の各々が、入射した光を２次元の方向に分光する、分光素子アレイ。
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