WO2022079757A1 - 光学素子、撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

光学素子、撮像素子及び撮像装置 Download PDF

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成 根本
光雅 中島
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Definitions

  • FIG. 5 and 6 are diagrams showing an example of a schematic configuration of a structure.
  • FIG. 5 shows an example of a side view of the structure 70.
  • FIG. 6 shows an example of a plan view (top view) of the structure 70.
  • the structure 70 is a columnar structure having a rectangular columnar shape, and is formed on the base 70a.
  • the base 70a is, for example, a quartz substrate.
  • the structure 70 has a refractive index different from that of the other portion, more specifically the portion between the structures 70.
  • the structure 70 may have a higher refractive index than the refractive index of the other portion.
  • Examples of the material of the structure 70 are SiN, TiO 2 , and the like.
  • FIG. 11 shows an example of the phase distribution of the optical element 6 for concentrating the incident light on the PD 41 and PD 42.
  • This phase distribution is a phase distribution that combines the phase distribution inside the quadrangle in FIG. 9 and the phase distribution outside the quadrangle in FIG.
  • FIGS. 12 to 14 are diagrams showing an example of the amount of light guided to the PD (detected light amount).
  • the wavelength of light is 520 nm.
  • the amount of light is the average amount of light of both polarizations (for example, polarization in the X-axis direction and polarization in the Y-axis direction). This point is the same in FIGS. 15 to 17, which will be described later.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 12 is the ratio of the arranged area of the structure 71 (the size of the area 61) to the arranged area of the plurality of structures 71 and the plurality of structures 72 (the size of the area 61 and the area 62). Is shown.
  • FIG. 13 shows an example of the light collection distribution when the ratio of the arranged areas of the plurality of structures 71 is 0.32.
  • the amount of focused light on the PD 41 is smaller than the amount of focused light on the PD 42.
  • FIG. 14 shows an example of the light collection distribution when the ratio of the arranged areas of the plurality of structures 71 is 0.08.
  • the amount of focused light on the PD 41 is even smaller than the amount of focused light on the PD 42. From these facts, it can be seen that the light collection to PD41 and PD42 can be controlled by the arrangement area of the plurality of structures 71.
  • the lens function by the above-mentioned optical element 6 may be designed for each corresponding color of PD41 and PD42.
  • the optical element 6 is designed for each color, and as will be described next with reference to FIGS. 15 to 17, the wavelength range used for each pixel (in the case of FIG. 15 as an example, the broken line marked B). It is possible to realize a lens function with small wavelength dependence in the enclosed wavelength band).
  • FIGS. 15 to 17 are diagrams showing the wavelength dependence of the light amount ratio of the light guided to each PD (condensed light amount ratio in this example).
  • FIG. 15 shows an example of the amount of light focused on the PD 41 and PD 42 by the transparent layer 60 designed to be compatible with blue (B).
  • the design range including the center wavelength of 450 nm is indicated by the broken line. No large wavelength dependence is observed around the design wavelength, and it can be seen that it is easy to design a pixel corresponding to blue.
  • FIG. 16 shows an example of the amount of light focused on the PD 41 and PD 42 by the transparent layer 60 designed to be compatible with green (G).
  • the design range including the center wavelength of 520 nm is indicated by the broken line. No large wavelength dependence is seen around the design wavelength, and it can be seen that it is easy to design pixels corresponding to green.
  • the optical element 6 functions as a lens that collects incident light on the PD 41 and PD 42. Further referring to FIGS. 2 and 3, since the region 61 that collects the incident light on the PD 41 is smaller than the region 62 that collects the incident light on the PD 42, the amount of the condensed light on the PD 41 reaches the PD 42. It is smaller than the amount of condensed light of. Therefore, PD41 is less likely to saturate than PD42. In such a pixel 2, for example, by using PD41 as a low-sensitivity photodiode and PD42 as a high-sensitivity photodiode, the dynamic range can be improved. Since the ratio of the amount of condensed light to the entire PD to the incident light is close to 100%, high light utilization efficiency can be realized.
  • the signal processing control unit 13 may control the exposure of PD41 and PD42 so that the exposure periods of PD41 and PD42 are different.
  • a transistor or the like for controlling the photoelectric conversion operation (charge reset, storage, etc.) of the PD 41 and PD 42 may be individually and controllably provided for each PD 41 and PD 42.
  • the signal processing control unit 13 exposes the PD 41 and the PD 42 in different exposure periods by driving the transistors and the like at different timings.
  • the signal processing control unit 13 may control the exposure of PD41 and PD42 so that the exposure period of at least one of PD41 and PD42 is longer than a predetermined period.
  • the signal processing control unit 13 may control the exposure of PD41 and PD42 so that the exposure period of PD41 is longer than the exposure period of PD42. By suppressing the exposure period of the PD 42 to avoid saturation, for example, the occurrence of overexposure can be suppressed.
  • the lens of the optical element may be designed based on the phase distribution symmetrical from the center position of the lens. This will be described with reference to FIGS. 18 to 21.
  • FIGS. 18 to 20 are diagrams showing an example of a lens design of an optical element.
  • FIG. 21 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device.
  • FIG. 18 shows an example of the phase distribution of the optical element for condensing the incident light on the PD 41.
  • the phase distribution shown in FIG. 19 is the phase distribution of the optical element for condensing the incident light on the PD 42.
  • This phase distribution is a symmetric phase distribution in which the phase changes are repeated from the center position of the circularly spreading distribution toward both sides.
  • the phase change repeated toward the left side (the negative direction side of the X-axis) ends in the middle, and after that, a phase distribution for condensing the incident light appears on the PD of the adjacent pixel.
  • phase distribution in the region 62A When the phase distribution in the region 62A is not considered, that is, the phase distribution in the region of the region 61A has symmetry except for the phase distribution in the region 62A and the position symmetric thereof. Since the method of designing the transparent layer that follows the phase distribution has been described above, the description will not be repeated here.
  • the region 61 (plurality of structures 71) is defined as a rectangular shape portion (inside the quadrangle) and the region 62 (plurality of structures 72) is defined as another portion in the transparent layer 60 will be described. bottom.
  • the region 61 and the region 62 may be defined in various other shapes.
  • 22 to 26 are diagrams showing an example of the arrangement area of the structure.
  • the shape of each structure is not shown, and only the arrangement area of the structure is schematically shown.
  • the region 61B is defined as a circular shape portion, and the region 62B is defined as the remaining portion.
  • the area 61B corresponds to the area 61 or the area 61A described above.
  • the area 62B corresponds to the area 62 or the area 62A described above.
  • the region 61C is defined as a rectangular ring-shaped portion in the center and a rectangular ring-shaped portion including the rectangular ring-shaped portion while being separated from the central portion, and the region 62 is defined as the remaining portion.
  • the region 61C corresponds to the region 61 or the region 61A described above.
  • the region 62C corresponds to the region 62 or the region 62A described above.
  • the region 61D is defined as a central circular shape portion and a circular ring-shaped portion including the central circular shape portion while being separated from the central circular shape portion, and the region 62D is defined as the remaining portion.
  • the region 61D corresponds to the region 61 or the region 61A described above.
  • the area 62D corresponds to the area 62 or the area 62A described above.
  • the regions 61F are defined as four fan-shaped portions arranged at intervals in the rotational direction (at 90 ° intervals in this example), and the regions 62F are the remaining portions. It is decided.
  • the area 61F corresponds to the area 61 or the area 61A described above.
  • the area 62F corresponds to the area 62 or the area 62A described above.
  • two types of areas may be arranged in various shapes (not shown). From the viewpoint of the continuity of the phase distribution, a shape having few boundaries between the two types of regions may be adopted.
  • each pixel 2 includes two PD41s and PD42s having different amounts of condensed light.
  • each pixel may have three, four, or a larger number of PDs having different amounts of condensed light.
  • the optical element includes a plurality of structures arranged in different arrangement areas according to the amount of condensed light to each PD. For example, when four PDs are used, in the transparent layer 60, a plurality of first to fourth structures are arranged in a region divided into four so as to have different areas.
  • the PD may be arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
  • the plurality of structures 70 may be provided in the transparent layer 60.
  • the plurality of structures 70 may be provided on the lower surface of the transparent substrate.
  • the transparent layer 60 is an air layer.
  • the portion corresponding to the plurality of structures 70 becomes a plurality of recesses, and a plurality of voids in the plurality of recesses are formed. It is also realized by having a higher refractive index than the material constituting the recess.
  • the voids of the plurality of recesses are filled with a fluid having a higher refractive index than the material constituting the plurality of recesses, and the plurality of recesses are formed.
  • the constituent material being a metamaterial having a refractive index lower than 1.
  • the plurality of structures 71 may not be arranged in the area 61.
  • the region 61 directly guides the incident light to the PD 41.
  • Such a region 61 may be filled with the material of the transparent layer 60.
  • the region 61 overlaps the PD 41 so as to be located inside the PD 41 when viewed in a plan view, even if there is no light collection function by the plurality of structures 71, The light incident on the region 61 is guided to the PD 41.
  • polyimide such as fluorinated polyimide, BCB (benzocyclobutene), photocurable resin, UV epoxy resin, acrylic resin such as PMMA, polymer such as resist in general, etc. Etc. are mentioned as materials.
  • the transparent layer 60 may be a transparent layer having a laminated structure made of a plurality of materials. Further, the transparent layer 60 may be made of the same material as the color filter, for example, an organic material such as a resin, as long as the loss is sufficiently low for the wavelength to reach the corresponding PD. good. In this case, the transparent layer 60 is not only made of the same material as the color filter, but also has the same structure as the color filter, and is designed to have absorption characteristics according to the wavelength of light to be guided to each PD. You may.
  • each of the structures 70 having different refractive indexes may be made of materials having different refractive indexes.
  • Each of the plurality of structures 70 has a width W and / or a refractive index that provides an optical phase delay amount distribution for guiding the light incident on the region 61 to the PD 41 and guiding the light incident on the region 62 to the PD 42. good.
  • the optical phase delay amount distribution may be an optical phase delay amount distribution for condensing light.
  • the optical element 6 can have a lens function, and incident light can be guided (for example, condensed) to PD41 and PD42. Further, the optical element 6 can be manufactured more easily than, for example, when a plurality of structures having different heights are provided.
  • PD41 and PD42 may have the same size when viewed in a plan view.
  • the PDs can be arranged without gaps as compared with the case of using PDs of different sizes, and therefore the light utilization efficiency can be improved.
  • the image pickup device 12 may include a filter layer 5 provided between the pixel 2 and the optical element 6. Thereby, for example, the light of the color corresponding to the pixel 2 can be guided to the PD 41 and the PD 42.
  • the image pickup apparatus 10 described with reference to FIG. 1 and the like is also an aspect of the present disclosure. That is, the image pickup device 10 includes an image pickup element 12 and a signal processing control unit 13 that generates an image signal based on an electric signal obtained from the image pickup element 12. As a result, the image pickup apparatus 10 capable of achieving both improvement of the dynamic range and improvement of the light utilization efficiency can be obtained.

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Abstract

光学素子は、第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子を含む画素を覆うための透明層と、透明層上又は透明層内において、透明層の面方向に配置された複数の構造体と、を備え、透明層は、入射した光を第１の光電変換素子に導く第１の領域と、入射した光を第２の光電変換素子に導く第２の領域と、を含み、第１の領域及び第２の領域のうちの少なくとも第２の領域に複数の構造体が配置され、第１の領域は、第２の領域よりも小さい。

Description

光学素子、撮像素子及び撮像装置
　本発明は、光学素子、撮像素子及び撮像装置に関する。
　撮像装置において、ダイナミックレンジの向上が検討されている。例えば、非特許文献１は、サイズの大きい高感度フォトダイオード及びサイズの小さい低感度フォトダイオードを一つの画素に設けることで、ダイナミックレンジを向上させる手法を開示する。
Boyd　Fowler他１名、"Automotive　Image　Sensors"、[online]、平成３０年２月１日、Electronic　Imaging　2018、［令和２年８月１２日検索］、インターネット＜URL:http://www.imaging.org/Site/PDFS/Conferences/ElectronicImaging/EI2018/Keynotes/EI2018_IMSE_Keynote_Fowler_Solhusvik.pdf＞
　上記のように複数のフォトダイオードを設けると、例えばレンズ・ピクセルの開口率が低下し、その分、光利用効率が低下する。光利用効率に関して、非特許文献１ではとくに検討はなされていない。
　本発明は、ダイナミックレンジの向上と光利用効率の向上との両立を図ることを目的とする。
　本発明に係る光学素子は、第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子を含む画素を覆うための透明層と、透明層上又は透明層内において、透明層の面方向に配置された複数の構造体と、を備え、透明層は、入射した光を第１の光電変換素子に導く第１の領域と、入射した光を第２の光電変換素子に導く第２の領域と、を含み、第１の領域及び第２の領域のうちの少なくとも第２の領域に複数の構造体が配置され、第１の領域は、第２の領域よりも小さいことを特徴とする。
　本発明に係る撮像素子は、上記の光学素子と、各々が第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子を含む複数の画素と、を備えることを特徴とする。
　本発明に係る撮像装置は、上記の撮像素子と、撮像素子から得られた電気信号に基づいて画像信号を生成する信号処理制御部と、を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、ダイナミックレンジの向上と光利用効率の向上との両立を図ることが可能になる。
図１は、実施形態に係る光学素子、撮像素子及び撮像装置の概略構成の例を示す図である。 図２は、撮像素子における一つの画素に対応する部分の概略構成の例を示す図である。 図３は、撮像素子における一つの画素に対応する部分の概略構成の例を示す図である。 図４は、光分布の例を示す図である。 図５は、構造体の概略構成の例を示す図である。 図６は、構造体の概略構成の例を示す図である。 図７は、構造体の特性の例を示す図である。 図８は、構造体の特性の例を示す図である。 図９は、光学素子のレンズ設計の例を示す図である。 図１０は、光学素子のレンズ設計の例を示す図である。 図１１は、光学素子のレンズ設計の例を示す図である。 図１２は、ＰＤに導かれる光の量（検出光量）の例を示す図である。 図１３は、ＰＤに導かれる光の量（検出光量）の例を示す図である。 図１４は、ＰＤに導かれる光の量（検出光量）の例を示す図である。 図１５は、各ＰＤに導かれる光の光量比率の波長依存性を示す図である。 図１６は、各ＰＤに導かれる光の光量比率の波長依存性を示す図である。 図１７は、各ＰＤに導かれる光の光量比率の波長依存性を示す図である。 図１８は、光学素子のレンズ設計の例を示す図である。 図１９は、光学素子のレンズ設計の例を示す図である。 図２０は、光学素子のレンズ設計の例を示す図である。 図２１は、光学素子のレンズ設計の例を示す図である。 図２２は、構造体の配置領域の例を示す図である。 図２３は、構造体の配置領域の例を示す図である。 図２４は、構造体の配置領域の例を示す図である。 図２５は、構造体の配置領域の例を示す図である。 図２６は、構造体の配置領域の例を示す図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図面に示される形状、大きさ及び位置関係等は概略的なものに過ぎず、それによって本発明が限定されることはない。同一部分には同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
　図１は、実施形態に係る光学素子、撮像素子及び撮像装置の概略構成の例を示す図である。撮像装置１０は、物体１（被写体）からの光を入射光として、物体１を撮像する。この例では、物体１は、白抜き矢印として図示される。入射光は、レンズ光学系１１を介して、撮像素子１２に入射する。撮像素子１２は、複数の画素２、及び、複数の画素２に対応する複数の光学素子６を含む。画素２は、波長帯域ごと（例えば色ごと）に設けられる。信号処理制御部１３は、撮像素子１２に関するさまざまな制御を行う。以下、撮像素子１２について図２以降を参照して詳述し、その後、信号処理制御部１３について説明する。
　図２は、撮像素子における一つの画素に対応する部分の概略構成の例を示す図である。図において、ＸＹＺ座標系が示されるとともに、入射光の進行方向が矢印によって模式的に示される。Ｚ軸方向は、後述するＰＤ層４、フィルタ層５及び透明層６０の積層方向に相当する。ＸＹ平面方向は、それらの層の面方向に相当する。以下、「平面視」は、Ｚ軸方向に（例えばＺ軸負方向に）視ることを示し、「側面視」は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向（例えばＹ軸正方向に）視ることを示す。図２は、側面視したときの撮像素子１２の一部の概略構成の例を示す断面図である。
　撮像素子１２は、画素２と、フィルタ層５と、光学素子６とを備える。画素２は、配線層３と、ＰＤ（フォトダイオード）層４とを含む。光学素子６の例はメタサーフェスであり、以下では、光学素子６がメタサーフェスである場合について説明する。メタサーフェスは光の波長以下の幅を持った複数の微細構造体からなる素子で、２次元構造でもよいし、３次元構造であってもよい。光学素子にメタサーフェスを用いることで、微細構造体のパラメータを変えるだけで、光の特性（波長・偏波・入射角）に応じて位相と光強度を制御することが出来るというような効果があり、３次元構造にする場合には上記の設計自由度が上がるという効果がある。
　配線層３及びＰＤ層４のうちのＰＤ層４から述べると、ＰＤ層４は、層の面方向（ＸＹ平面方向）に設けられるＰＤ４１（第１の光電変換素子）及びＰＤ４２（第２の光電変換素子）を含む。ＰＤ４１及びＰＤ４２は、半導体基板１００に形成される。ＰＤ４１及びＰＤ４２は、平面視したときに、同じサイズ（受光面積）を有してよい。ＰＤ４１及びＰＤ４２は、側面視したときに、同じサイズ（深さ）を有してよい。ＰＤ４１及びＰＤ４２は、同じ形状を有してもよい。ＰＤ４１及びＰＤ４２が同じ形状を有する場合には、製造歩留まりが向上する等のメリットがある。
　ＰＤ４１及びＰＤ４２で発生した電荷は、図示しないトランジスタ等によって、画素信号の基礎となる電気信号に変換され、配線層３を介して画素２の外部に出力される。配線層３に含まれる配線のうち、ＰＤ４１に対応するいくつかの配線が配線３１として図示され、ＰＤ４２に対応するいくつかの配線が配線３２として図示される。
　フィルタ層５は、画素２が対応する色の光を通過させるカラーフィルタであり、半導体基板１００の上面（Ｚ軸正方向側の面）上に設けられる。この例では、フィルタ層５は、ＰＤ層４と透明層６０との間に設けられる。フィルタ層５の材料の例は、樹脂などの有機材料である。
　光学素子６は、ＰＤ４１及びＰＤ４２それぞれに入射光を導く。光学素子６は、ＰＤ層４に対向するように設けられ、この例ではフィルタ層５の上面（Ｚ軸正方向側の面）上に設けられる。光学素子６は、透明層６０と、複数の構造体７０とを含む。なお、図２に示される例では、複数の構造体７０は、後述の複数の構造体７１及び複数の構造体７２を含む。透明層６０は、ＰＤ４１及びＰＤ４２を覆う。透明層６０において複数の構造体７０が設けられていない部分は、構造体７０の屈折率よりも低い屈折率を有してよい。そのような透明層６０の材料の例は、ＳｉＯ２等である。透明層６０は空隙であってもよく、その場合、透明層６０の屈折率は空気の屈折率である。透明層６０は、領域６１と、領域６２とを含む。領域６１は、領域６１に入射した光をＰＤ４１に導く第１の領域である。領域６２は、領域６２に入射した光をＰＤ４２に導く第２の領域である。光を「導く」は、光をそのまま透過させること、光の進行方向を変更させること（例えば集光する）等を含む意味である。
　領域６１及び領域６２についてさらに説明する。領域６１は、複数の構造体７１が設けられる領域である。図２に示される例では、複数の構造体７１が透明層６０の上面（Ｚ軸正方向側の面）上に設けられており、領域６１は、少なくとも、透明層６０の上面近傍の部分を指し示す。領域６２は、複数の構造体７２が設けられる領域である。図２に示される例では、複数の構造体７２が透明層６０の上面上に設けられており、領域６２は、少なくとも、透明層６０の上面近傍の部分を指し示す。領域６１と領域６２とは、同じ高さ（Ｚ軸方向の同じ位置）に位置してよい。なお、複数の構造体７１は存在していなくてもよく、その場合、領域６１は、透明層６０のうち、複数の構造体７２が設けられない部分を指し示してよい。以下、とくに説明がある場合を除き、図２に示されるように、領域６１に複数の構造体７１が設けられている形態について説明する。
　改めて複数の構造体７０について述べる。複数の構造体７０は、透明層６０上又は透明層６０内において、透明層６０の面方向（ＸＹ平面方向）に配置される。２次元方向（２次元状に）配置されるともいえる。上述したように、図２に示される例では、複数の構造体７０は、透明層６０の上面上に設けられる。複数の構造体７０は、不等間隔配置されてもよいし、設計を容易にする等のために等間隔配置されてもよい。複数の構造体７０の各々は、入射光の波長（ナノオーダー）と同程度もしくは入射光の波長よりも小さい寸法を有する微細構造体である。複数の構造体７０は、画素２が対応する色、すなわちフィルタ層５の色（通過帯域）の光に対応するように設計される。複数の構造体７０は、画素２に集積化されてもよい。なお、複数の構造体７０が透明層６０内に設けられる場合、領域６１は、少なくとも、透明層６０内において複数の構造体７１が位置する部分を指し示す。領域６２は、少なくとも、透明層６０内において複数の構造体７２が位置する部分を指し示す。
　複数の構造体７０は、ＰＤ４１及びＰＤ４２に入射光を集光するように配置される。透明層６０による集光、すなわちレンズ（オンチップレンズ）機能の原理については後述する。本実施形態において、複数の構造体７０は、複数の構造体７１と、複数の構造体７２とを含む。複数の構造体７１は、ＰＤ４１に入射光を集光するように配置される複数の第１の構造体である。複数の構造体７２はＰＤ４２に入射光を集光するように配置される複数の第２の構造体である。
　図３は、撮像素子における一つの画素に対応する部分の概略構成の例を示す図である。図３には、平面視したときの光学素子６、ＰＤ４１及びＰＤ４２のレイアウトの例が示される。複数の構造体７０よりも下方（Ｚ軸負方向側）に位置する透明層６０の領域６１、領域６２及びＰＤ層４は、破線で示される。また、複数の構造体７０に含まれる複数の構造体７１及び複数の構造体７２を区別しやすいように、図２と同様のハッチングを付している。
　図３に示されるように、平面視したときに、複数の構造体７１の配置面積は、複数の構造体７２の配置面積よりも小さい。すなわち、領域６１は、領域６２よりも小さい。なお、この例では、小さいほうの領域６１が、対応するＰＤ４１の内側に位置するように、ＰＤ４１と重なっている。複数の構造体７１によるＰＤ４１への集光光量は、領域６２による複数の構造体７２によるＰＤ４２への集光光量よりも小さい。これについて、図４も参照して説明する。
　図４は、光分布の例を示す図である。図４には、平面視したときのＰＤ層４での集光分布の例が示される。ｘが０μｍの位置は、Ｘ軸方向におけるＰＤ４１とＰＤ４２との中間位置に相当する。ｙが０μｍの位置は、Ｙ軸方向におけるＰＤ４１の中心位置及びＰＤ４２の中心位置に相当する。すなわち、図４のおよそ左半分（Ｘ軸負方向側の部分）がＰＤ４１に相当し、およそ右半分（Ｘ軸正方向側の部分）がＰＤ４２に相当する。ＰＤ４１への集光光量は、ＰＤ４２への集光光量よりも小さい。したがって、ＰＤ４１の方が、ＰＤ４２よりも飽和しにくくなる。
　上述のような異なる集光位置を持つ複数のレンズが混在したレンズ機能を実現することが可能な光学素子６の構成の例について、図５及び図６を参照して説明する。
　図５及び図６は、構造体の概略構成の例を示す図である。図５には、構造体７０の側面図の例が示される。図６には、構造体７０の平面図（上面図）の例が示される。構造体７０は、矩形柱状形状を有する柱状構造体であり、基部７０ａ上に形成される。基部７０ａは、例えば石英（Ｑｕａｒａｔｚ）基板である。
　構造体７０の高さ（Ｚ軸方向の長さ）を、高さＨと称し図示する。構造体７０の幅（Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さ）を、幅Ｗと称し図示する。同じ構造体７０において、幅Ｗは、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで同じであってもよいし、異なっていてもよい。以下では、幅ＷがＸ軸方向とＹ軸方向とで同じであるものとする。
　基部７０ａの幅（Ｘ軸方向及びＹ軸方向の長さ）は、構造体７０の幅Ｗよりも大きい。例えば、基部７０ａの幅は、３２０ｎｍ程度であってよい。その場合、構造体７０の幅Ｗは、３２０ｎｍ未満である。構造体７０の幅と基部７０ａの幅との差は、隣り合う構造体７０どうしの間の距離（間隔）を与える。構造体７０どうしの間隔は、すべての構造体７０について一定（等間隔）であってもよいし、異なっていてもよい。
　構造体７０は、他の部分、より具体的には構造体７０どうしの間の部分の屈折率とは異なる屈折率を有する。構造体７０は、他の部分の屈折率よりも高い屈折率を有してよい。構造体７０の材料の例は、ＳｉＮ、ＴｉＯ２等である。
　上述の構造体７０は、幅Ｗ及び屈折率の少なくとも一方を変えることにより、特性を変化させることができる。幅Ｗ及び屈折率のうち、以下では、幅Ｗによって特性を変化させる例について説明する。構造体７０の特性の例は、構造体７０を通過する光の透過率及び位相（光位相遅延量）である。これについて、図７及び図８も参照して説明する。なお、先に説明した図２等から理解されるように、入射光は構造体７０をＺ軸方向に通過するので、以下ではこの方向に光が通過する場合について説明する。
　図７及び図８は、構造体の特性の例を示す図である。図７には、構造体７０の幅Ｗと、構造体７０を通過する光の透過率との関係が示される。光の波長は、５２０ｎｍである。図７に示されるように、８０ｎｍ～２４０ｎｍの幅Ｗの範囲にわたって、概ね１．０に近い高い透過率が得られる。なお、図中、他の波長よりも透過率が大きく減少する波長が存在するが、これは、構造体７０の周期、構造幅等との関係によって生じうる。このような透過率の減少が生じにくいように、構造体７０の周期、構造幅等が設計されてよい。
　図８には、構造体７０の幅Ｗと、構造体７０を通過する光の位相との関係が示される。構造体７０は、入射した光に対して、幅Ｗの大きさに応じた光位相遅延量を与える。上述の高い透過率が得られる８０ｎｍ～２４０ｎｍの範囲で幅Ｗを変化させることによって、位相を２π以上変化させることができる。
　上記の特性を備える構造体７０を用いることで、高い光透過率を維持しつつ、２π以上の広範囲な位相制御が行える。光学素子６の各位置で所望の位相特性が得られるように複数の構造体７０を透明層６０の面方向に配置することで、レンズ機能が得られる。これについて、図９～図１１を参照して説明する。
　図９～図１１は、光学素子のレンズ設計の例を示す図である。設計条件は、以下のとおりである。
　　平面視したときのＰＤ４１及びＰＤ４２のサイズ：３．２μｍ×３．２μｍ
　　焦点距離：４．８μｍ
　　設計波長：５２０ｎｍ
　　レンズパターンの面積比：０．０８（８％）
　なお、レンズパターンの面積比は、ＰＤ４１及びＰＤ４２への集光に用いられるパターン面積に占める、ＰＤ４１への集光に用いられるパターン面積の比率である。
　所望の集光位置を有するレンズの位相分布（光位相遅延量分布）は、例えば以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　上記の式（１）において、λｄは、設計波長を示す。（ｘｆ,ｙｆ,ｚｆ）は、集光位置を示す。nsubは、透明基板（図５の基部７０ａ）の屈折率を示す。Ｃは、任意定数を示す。次に説明する図９～図１１に示される例では、ｘｆ＝±１．６μｍ、ｙｆ＝０μｍ、ｚｆ＝４．８μｍ（焦点距離）である。位相分布の値は、０～２πの範囲に収まるように変換されている。例えば、－０．５πは１．５πに、２．５πは０．５πにそれぞれ変換されている。
　図９には、ＰＤ４１に入射光を集光するための光学素子６の位相分布の例が示される。円形に広がる分布の中心位置（レンズ中心位置）が、ＰＤ４１の中心位置に対応する。とくに当該円形部分から右側（Ｘ軸正方向側）に進むにつれて、位相変化が繰り返される。このうち、四角形の内側に示される位相分布が、複数の構造体７１の配置に用いられる。四角形の面積は、複数の構造体７１の配置面積（領域６１の大きさ）に対応する。この例では、四角形の中心は、ＰＤ４１の中心に対応する。ただし、四角形の位置は任意に定められてよい。形状も四角形に限られず、これについては後に図２２～図２６を参照して説明する。
　図１０には、ＰＤ４２に入射光を集光するための光学素子６の位相分布の例が示される。円形に広がる分布の中心位置（レンズ中心位置）が、ＰＤ４２の中心位置に対応する。とくに当該円形部分から左側（Ｘ軸負方向側）に進むにつれて、位相変化が繰り返される。このうち、四角形の外側に示される位相分布が、複数の構造体７２の配置に用いられる。四角形の外側の面積は、構造体７２の配置面積（領域６２の大きさ）に対応する。
　図１１には、ＰＤ４１及びＰＤ４２に入射光を集光するための光学素子６の位相分布の例が示される。この位相分布は、図９における四角形の内側の位相分布と、図１０における四角形の外側の位相分布とを組み合わせた位相分布である。
　図１１に示される位相分布を与えるように、光学素子６の透明層６０において、複数の構造体７０、すなわち複数の構造体７１及び複数の構造体７２が配置される。各構造体７０は、図１１に示される位相分布（光位相遅延量分布）を与える幅Ｗを有する。このため、平面視したときに、複数の構造体７０のうちの少なくとも一部の構造体７０は、互いに異なる幅Ｗを有する。複数の構造体７０の高さＨは、同じであってよい。すなわち、側面視したときに、複数の構造体７０は同じ高さＨを有してよい。
　以上のように設計された光学素子６によるＰＤ４１及びＰＤ４２の集光について、図１２～図１４を参照して説明する。
　図１２～図１４は、ＰＤに導かれる光の量（検出光量）の例を示す図である。ここでは集光光量として説明する。光の波長は、５２０ｎｍである。光量は、両偏光（例えばＸ軸方向の偏光及びＹ軸方向の偏光）の平均光量である。この点は、後述の図１５～図１７も同様である。図１２のグラフの横軸は、複数の構造体７１及び複数の構造体７２の配置面積（領域６１及び領域６２の大きさ）に占める構造体７１の配置面積（領域６１の大きさ）の比率を示す。グラフの縦軸は、入射光の光量で規格化したときの光量を示す。丸プロットを通るグラフ線は、ＰＤ４１への集光光量を示す。ひし形プロットを通るグラフ線は、ＰＤ４２への集光光量を示す。三角プロットを通るグラフ線は、ＰＤ４１への集光光量とＰＤ４２への集光光量との合計光量を示す。
　図１２から理解されるように、複数の構造体７１の配置面積（領域６１の大きさ）が大きくなるにつれて、ＰＤ４１への集光光量（丸プロット）は大きくなり、ＰＤ４２への集光光量（ひし形プロット）は小さくなる。このことから、透明層６０が、ＰＤ４１への集光とＰＤ４２への集光とを制御することが可能なレンズ機能を備えることが分かる。また、ＰＤ全体への集光光量（三角プロット）は０．９７（９７％）を上回り、高い光利用効率が得られている。
　図１３には、複数の構造体７１の配置面積の比率が０．３２であるときの集光分布の例が示される。ＰＤ４１への集光光量は、ＰＤ４２への集光光量よりも小さい。図１４には、複数の構造体７１の配置面積の比率が０．０８であるときの集光分布の例が示される。ＰＤ４１への集光光量は、ＰＤ４２への集光光量よりもさらに小さい。これらのことからも、複数の構造体７１の配置面積によって、ＰＤ４１及びＰＤ４２への集光を制御できることが分かる。
　上述の光学素子６によるレンズ機能は、ＰＤ４１及びＰＤ４２の対応する色ごとに設計されてよい。光学素子６は、色ごとに設計することで、次に図１５～図１７を参照して説明するように、各画素で用いられる波長範囲（図１５を例にするとＢと書かれた破線で囲まれた波長帯）において波長依存性が小さいレンズ機能を実現できる。
　図１５～図１７は、各ＰＤに導かれる光の光量比率（この例では集光光量比率）の波長依存性を示す図である。図１５には、青色（Ｂ）に適合するように設計された透明層６０によるＰＤ４１及びＰＤ４２への集光光量の例が示される。中心波長４５０ｎｍを含む設計範囲が破線で示される。設計波長周辺において大きな波長依存性は見られず、青色に対応する画素を設計し易いことが分かる。
　図１６には、緑色（Ｇ）に適合するように設計された透明層６０によるＰＤ４１及びＰＤ４２への集光光量の例が示される。中心波長５２０ｎｍを含む設計範囲が破線で示される。設計波長周辺において大きな波長依存性は見られず、緑色に対応する画素も設計し易いことが分かる。
　図１７には、赤色（Ｒ）に適合するように設計された透明層６０によるＰＤ４１及びＰＤ４２への集光光量の例が示される。中心波長６３５ｎｍを含む設計範囲が破線で示される。設計波長周辺において大きな波長依存性は見られず、赤色に対応する画素も設計し易いことが分かる。
　これらの設計波長は各色のカラーフィルタの波長特性に合わせて決定することで、最適な強度比となる構造を設計することが出来る。
　以上説明したとおりであるので、実施形態に係る撮像素子１２では、各画素２において、光学素子６が、ＰＤ４１及びＰＤ４２に入射光を集光するレンズとして機能する。再び図２及び図３を参照してさらに述べると、ＰＤ４１に入射光を集光する領域６１が、ＰＤ４２に入射光を集光する領域６２よりも小さいので、ＰＤ４１への集光光量がＰＤ４２への集光光量よりも小さい。したがって、ＰＤ４１の方がＰＤ４２よりも飽和しにくい。このような画素２においては、例えば、ＰＤ４１を低感度フォトダイオードとして用い、ＰＤ４２を高感度フォトダイオードとして用いることで、ダイナミックレンジを向上させることができる。ＰＤ全体への集光光量の入射光に対する比率が１００％に近いことから、高い光利用効率を実現することもできる。
　再び図１を参照し、撮像装置１０の信号処理制御部１３による制御のいくつかの例について説明する。信号処理制御部１３は、撮像素子１２から得られた電気信号に基づいて画素信号を生成する。電気信号を得るために、信号処理制御部１３は、撮像素子１２の制御も行う。撮像素子１２の制御は、撮像素子１２の画素２の露光、ＰＤ層４に蓄積された電荷の電気信号への変換、電気信号の読出し等を含む。画素２の露光は、ＰＤ４１及びＰＤ４２の露光を含み、ＰＤ４１及びＰＤ４２それぞれの露光が個別に制御されてよい。上述のように撮像素子１２によって高ダイナミックレンジが実現されるので、これを利用した信号処理制御部１３による制御のいくつかの例について説明する。
　信号処理制御部１３は、ＰＤ４１における光電変換によって発生した電荷（検出された光）に応じた電気信号（第１の電気信号）と、ＰＤ４２における光電変換によって発生した電荷に応じた電気信号（第２の電気信号）とを用いて、画素信号を生成し、さらには画像信号を生成してよい。例えば、第１の電気信号及び第２の電気信号の合成信号に基づいて画素信号が生成されてよい。第１の電気信号を用いることで、明るい場面（高光照度シーン）の撮像に対応することができる。第２の電気信号を用いることで、暗い場面（低光照度シーン）の撮像に対応することができる。一度の撮像で明るい場所と暗い場所の両方を撮像することができるので、低光照度及び高光照度が混在したシーンの撮像が可能になる。例えば内外で明るさの異なるトンネルを通過する車両等に撮像装置１０が搭載された場合に有用である。
　信号処理制御部１３は、ＰＤ４１及びＰＤ４２の露光期間が異なるように、ＰＤ４１及びＰＤ４２の露光を制御してよい。例えば、ＰＤ４１及びＰＤ４２の光電変換動作（電荷のリセット、蓄積等）を制御するためのトランジスタ等が、ＰＤ４１及びＰＤ４２ごとに個別に制御可能に設けられてよい。信号処理制御部１３は、それらのトランジスタ等を異なるタイミングで駆動することによって、ＰＤ４１及びＰＤ４２を互いに異なる露光期間で露光する。
　信号処理制御部１３は、ＰＤ４１及びＰＤ４２の少なくとも一方の露光期間が、所定の周期よりも長くなるように、ＰＤ４１及びＰＤ４２の露光を制御してよい。所定の周期の例は、照明、信号機等の点滅周期（例えば２０ｍｓ＝１／５０Ｈｚ）よりも長い周期である。これにより、フリッカーを抑制することができる。
　信号処理制御部１３は、ＰＤ４１の露光期間が、ＰＤ４２の露光期間よりも長くなるように、ＰＤ４１及びＰＤ４２の露光を制御してよい。ＰＤ４２の露光期間を抑制して飽和を回避することで、例えば白飛び等の発生を抑制することができる。
　以上、本開示の一実施形態について説明したが、実施形態に係る撮像素子及び撮像装置は、実施形態の趣旨を逸脱しない範囲において、さまざまな変形が可能である。いくつかの変形例について述べる。
　上記実施形態では、レンズ中心位置から片側に向かってのみ位相変化が繰り返される非対称な位相分布に基づいて光学素子のレンズ設計を行う例について説明した（図３及び図９～図１１等）。ただし、レンズ中心位置から対称な位相分布に基づいて光学素子のレンズ設計が行われてもよい。これについて、図１８～図２１を参照して説明する。
　図１８～図２０は、光学素子のレンズ設計の例を示す図である。図２１は、撮像素子の概略構成の例を示す図である。図１８には、ＰＤ４１に入射光を集光するための光学素子の位相分布の例が示される。
　図１８に示される位相分布は、ＰＤ４１に入射光を集光するための光学素子の位相分布である。この位相分布は、円形に広がる分布の中心位置から両側に向かって位相変化が繰り返される対称な位相分布である。右側（Ｘ軸正方向側）に向かって繰り返される位相変化は途中で終了し、その先には、隣の画素のＰＤに入射光を集光するための位相分布が現れる。
　図１９に示される位相分布は、ＰＤ４２に入射光を集光するための光学素子の位相分布である。この位相分布は、円形に広がる分布の中心位置から両側に向かって位相変化が繰り返される対称な位相分布である。左側（Ｘ軸負方向側）に向かって繰り返される位相変化は途中で終了し、その先には、隣の画素のＰＤに入射光を集光するための位相分布が現れる。
　図２０には、図１８及び図１９を組み合わせた位相分布が示される。図２１には、図２０に示される位相分布を実現するための光学素子６Ａの平面レイアウトの例が示される。光学素子６Ａでは、複数の構造体７０Ａのうち、複数の構造体７１Ａが領域６１Ａに設けられ、複数の構造体７２Ａが領域６２Ａに設けられる。領域６１Ａにおける位相分布を考慮しない場合、すなわち領域６１Ａ及びこれと対称な位置における位相分布を除いて、領域６２Ａの領域における位相分布は対称性を有する。領域６２Ａにおける位相分布を考慮しない場合、すなわち領域６２Ａ及びこれと対称な位置における位相分布を除いて、領域６１Ａの領域における位相分布は対称性を有する。位相分布に従う透明層の設計手法については先に説明したとおりであるので、ここでは説明は繰り返さない。
　光学素子６Ａによれば、位相分布が対称性を有する分、好ましいレンズパターンが得られる可能性が高まる。例えば、レンズ中心よりも右側（Ｘ軸正方向側）に入射する光の角度範囲と、レンズの中心よりも左側（Ｘ軸負方向側）に入射する光の角度範囲とが揃いやすくなる。
　上記実施形態では、透明層６０において、領域６１（複数の構造体７１）が矩形形状部分（四角形内）として定められ、領域６２（複数の構造体７２）が他の部分として定められる例について説明した。ただし、これ以外のさまざまな形状に領域６１及び領域６２が定められてよい。いくつかの例を、図２２～図２６を参照して説明する。
　図２２～図２６は、構造体の配置領域の例を示す図である。図において、各構造体の形状は示されず、構造体の配置領域のみが模式的に示される。
　図２２に例示される光学素子６Ｂにおいては、領域６１Ｂが円形形状部分として定められ、領域６２Ｂが残りの部分として定められる。領域６１Ｂは、これまで説明した領域６１又は領域６１Ａに相当する。領域６２Ｂは、これまで説明した領域６２又は領域６２Ａに相当する。
　図２３に例示される光学素子６Ｃにおいては、領域６１Ｃが中央の矩形形状部分及びそれと離間しつつそれを内側に含む矩形リング形状部分として定められ、領域６２が残りの部分として定められる。領域６１Ｃは、これまで説明した領域６１又は領域６１Ａに相当する。領域６２Ｃは、これまで説明した領域６２又は領域６２Ａに相当する。
　図２４に例示される光学素子６Ｄにおいては、領域６１Ｄが中央の円形形状部分及びそれと離間しつつそれを内側に含む円形リング形状部分として定められ、領域６２Ｄが残りの部分として定められる。領域６１Ｄは、これまで説明した領域６１又は領域６１Ａに相当する。領域６２Ｄは、これまで説明した領域６２又は領域６２Ａに相当する。
　図２５に例示される光学素子６Ｅにおいては、領域６１Ｅが回転方向に間隔をあけて（この例では９０°間隔に）配置された４つの三角形状部分として定められ、領域６２Ｅが残りの部分として定められる。領域６１Ｅは、これまで説明した領域６１又は領域６１Ａに相当する。領域６２Ｅは、これまで説明した領域６２又は領域６２Ａに相当する。
　図２６に例示される光学素子６Ｆにおいては、領域６１Ｆが回転方向に間隔をあけて（この例では９０°間隔に）配置された４つの扇形状部分として定められ、領域６２Ｆが残りの部分として定められる。領域６１Ｆは、これまで説明した領域６１又は領域６１Ａに相当する。領域６２Ｆは、これまで説明した領域６２又は領域６２Ａに相当する。
　この他にも、図示しないさまざまな形状に２種類の領域が配置されてよい。位相分布の連続性の観点から、２種類の領域どうしの境界が少ない形状が採用されてよい。
　上記実施形態では、各画素２が、集光光量の異なる２つのＰＤ４１及びＰＤ４２を備える例について説明した。ただし、集光光量の異なる３つ、４つ又はそれよりも多い数のＰＤを各画素が備えていてもよい。この場合、光学素子は、各ＰＤへの集光光量に応じて異なる配置面積で配置された複数の構造体を含む。例えば４つのＰＤが用いられる場合、透明層６０においては、異なる面積を有するように４分割された領域に、複数の第１～第４の構造体が配置される。ＰＤは、１次元配置されてもよいし２次元配置されてもよい。
　上記実施形態では、複数の構造体７０が透明層６０上に設けられる例について説明した。ただし、複数の構造体７０は、透明層６０内に設けられてもよい。複数の構造体７０は、透明基板の下面に設けられてもよい。この場合、透明層６０は、空気層である。また、上記実施形態と同様の、複数の構造体７０が透明層６０上に設けられている構成は、複数の構造体７０に相当する部分が複数の凹部となり、複数の凹部の空隙が複数の凹部を構成する材料よりも高い屈折率を持つことによっても実現される。この、複数の構造体７０に相当する部分が複数の凹部となる構成は、複数の凹部の空隙に複数の凹部を構成する材料よりも高い屈折率を持つ流体を満たすことや、複数の凹部を構成する材料が１よりも低い屈折率を持つメタマテリアルであることにより実現できる。
　上記実施形態では、領域６１に複数の構造体７１が配置され、領域６２に複数の構造体７２が配置される例について説明した。ただし、領域６１に複数の構造体７１が配置されていなくてもよい。この場合、領域６１は、入射した光をそのままＰＤ４１に導く。このような領域６１は、透明層６０の材料によって埋められていてよい。先に図３等を参照して説明したように、平面視したときに領域６１がＰＤ４１の内側に位置するようにＰＤ４１と重なっていれば、複数の構造体７１による集光機能がなくとも、領域６１に入射した光がＰＤ４１に導かれる。
　上記実施形態では、構造体７０の材料としてＳｉＮ及びＴｉＯ２を挙げたが、これらに限定されない。例えば、波長が３８０ｎｍ～１０００ｎｍの光（可視光～近赤外光）の光に対しては、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＯ２、ＧａＮ等が構造体７０の材料として用いられてよい。屈折率が高く、吸収損失が少ないため適している。波長が８００～１０００ｎｍの光（近赤外光）で用いる場合は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、ＧａＡｓ、ＧａＮ等が構造体７０の材料として用いられてよい。低損失であるため適している。長波長帯の近赤外領域（通信波長である１．３μｍや１．５５μｍ等）の光に対しては、上述の材料に加えて、ＩｎＰ等を構造体７０の材料として用いることができる。
　構造体７０が、貼り付け、塗布等によって形成される場合、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。
　上記実施形態では、透明層６０の材料としてＳｉＯ２及び空気層を想定した例を示したが、これらに限定されない。一般的なガラス材料等も含め、構造体７０の材料の屈折率より低い屈折率を有し、入射光の波長に対して低損失なものであればよい。透明層６０は、複数の材料からなる積層構造を有する透明層であってもよい。また、透明層６０は、対応するＰＤに到達すべき波長に対して十分に低損失であればよいため、カラーフィルタと同様の材質であってもよく、例えば樹脂などの有機材料であってもよい。この場合、単に透明層６０がカラーフィルタと同様の材質であるばかりでなく、カラーフィルタと同様の構造を持ち、各々のＰＤに導かれるべき光の波長に応じた吸収特性を持つよう設計されていてもよい。
　上記実施形態では、画素２が対応する色として、ＲＧＢの３原色を例に挙げて説明したが、画素２は、３原色以外の波長の光（例えば、赤外光や紫外光）に対応していてもよい。
　上記実施形態では、構造体７０の幅Ｗを変えることによって、光位相遅延量分布を与える例について説明した。ただし、幅Ｗに代えてあるいは幅Ｗとともに構造体７０の屈折率を変えることによって、光位相遅延量分布を与えてもよい。この場合、屈折率の異なる構造体７０それぞれは、屈折率の異なる材料を用いて作られてよい。
　以上、本発明を具体的な実施の形態に基づいて説明したが、本発明は前記実施の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。
　以上説明した撮像素子は、例えば次のように特定される。図１～図３及び図２１～図２６等を参照して説明したように、光学素子６は、ＰＤ４１及びＰＤ４２を含む画素２を覆うための透明層６０と、透明層６０上又は透明層６０内において、透明層６０の面方向（ＸＹ平面方向）に配置された複数の構造体７０とを備える。透明層６０は、入射した光をＰＤ４１に導く領域６１と、入射した光をＰＤ４２に導く領域６２とを含む。領域６１及び領域６２のうちの少なくとも６２に複数の構造体７０が配置される。領域６１は、領域６２よりも小さい。
　撮像素子１２によれば、領域６１が領域６２よりも小さい。その結果、ＰＤ４１に導かれる光の光量がＰＤ４２に導かれる光の光量よりも小さくなり、したがって、ＰＤ４１はＰＤ４２よりも飽和しにくい。例えばＰＤ４１を低感度フォトダイオードとして用い、ＰＤ４２を高感度フォトダイオードとして用いることで、ダイナミックレンジを向上させることができる。ＰＤ全体に導かれる光の光量の入射光に対する比率が非常に大きい（１００％に近い）ことから、高い光利用効率を実現することもできる。よって、ダイナミックレンジの向上と光利用効率の向上との両立を図ることができる。
　図５～図１１及び図１８～図２０等も参照して説明したように、複数の構造体７０は、複数の構造体７０どうしの間の部分の屈折率よりも高い屈折率を有する柱状構造体であり、平面視したときに、複数の構造体７０のうちの少なくとも一部の構造体７０は、互いに異なる幅Ｗを有し、側面視したときに、前記複数の構造体は同じ高さを有してよい。複数の構造体７０のうちの少なくとも一部の構造体７０は、互いに異なる屈折率を有してもよい。複数の構造体７０の各々は、入射した光に対して、幅Ｗ及び／又は屈折率の大きさに応じた光位相遅延量を与えてよい。複数の構造体７０の各々は、領域６１に入射した光をＰＤ４１に導くとともに領域６２に入射した光をＰＤ４２に導くための光位相遅延量分布を与える幅Ｗ及び／又は屈折率を有してよい。光位相遅延量分布は、光を集光するための光位相遅延量分布であってよい。例えばこのような複数の構造体７０を配置することで光学素子６にレンズ機能を持たせ、ＰＤ４１及びＰＤ４２に入射光を導く（例えば集光する）ことができる。また、例えば高さの異なる複数の構造体を設ける場合よりも、光学素子６を容易に製造することができる。
　図１８～図２１等を参照して説明したように、領域６１Ａ及び領域６２Ａの一方の領域における光位相遅延量分布を考慮しない場合、他方の領域における光位相遅延量分布は対称性を有してよい。光位相遅延量分布が対称性を有する分、好ましいレンズパターンが得られる可能性が高まる。例えば、レンズ中心よりも右側（Ｘ軸正方向側）に入射する光の角度範囲と、レンズの中心よりも左側（Ｘ軸負方向側）に入射する光の角度範囲とが揃いやすくなる。
　図３等を参照して説明したように、平面視したときに、ＰＤ４１及びＰＤ４２は、同じサイズを有してよい。これにより、例えば、異なるサイズのＰＤを用いる場合よりも、各ＰＤを隙間なく並べることができ、したがって、光利用効率を高めることができる。
　図３等を参照して説明したように、平面視したときに、領域６１は、領域６２の内側に位置していてよい。例えばこのようにして、小さい領域６１と大きい領域６２とを配置することができる。
　図１等を参照して説明した撮像素子１２も、本開示の一態様である。すなわち、撮像素子１２は、光学素子６と、各々がＰＤ４１及びＰＤ４２を含む複数の画素２とを備える。これにより、ダイナミックレンジの向上と光利用効率の向上との両立を図ることができる撮像素子１２が得られる。
　図２等を参照して説明したように、撮像素子１２は、画素２と光学素子６との間に設けられたフィルタ層５を備えてよい。これにより、例えば画素２に対応する色の光をＰＤ４１及びＰＤ４２に導くことができる。
　図１等を参照して説明した撮像装置１０も、本開示の一態様である。すなわち、撮像装置１０は、撮像素子１２と、撮像素子１２から得られた電気信号に基づいて画像信号を生成する信号処理制御部１３とを備える。これにより、ダイナミックレンジの向上と光利用効率の向上との両立を図ることができる撮像装置１０が得られる。
　信号処理制御部１３は、ＰＤ４１の露光期間とＰＤ４２の露光期間とが異なるように露光制御してよい。例えばＰＤ４１及びＰＤ４２の少なくとも一方の露光期間を信号機等の点滅周期よりも長くすることで、フリッカーを抑制することができる。例えばＰＤ４１の露光期間がＰＤ４２の露光期間よりも長くなるように露光制御することで、ＰＤ４２の露光期間を抑制して飽和を回避し、白飛び等の発生を抑制することができる。
　　２　画素
　　３　配線層
　　４　ＰＤ層
　　５　フィルタ層
　　６　光学素子
　１０　撮像装置
　１２　撮像素子
　１３　信号処理制御部
　４１　ＰＤ
　４２　ＰＤ
　６０　透明層
　６１　領域
　６２　領域
　７０　構造体
　７１　構造体
　７２　構造体

Claims (16)

  1. 　第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子を含む画素を覆うための透明層と、
    　前記透明層上又は前記透明層内において、前記透明層の面方向に配置された複数の構造体と、
    　を備え、
    　前記透明層は、
    　　入射した光を前記第１の光電変換素子に導く第１の領域と、
    　　入射した光を前記第２の光電変換素子に導く第２の領域と、
    　を含み、
    　前記第１の領域及び前記第２の領域のうちの少なくとも前記第２の領域に前記複数の構造体が配置され、
    　前記第１の領域は、前記第２の領域よりも小さいことを特徴とする、
    　光学素子。
  2. 　前記複数の構造体は、前記複数の構造体どうしの間の部分の屈折率よりも高い屈折率を有する柱状構造体であり、
    　平面視したときに、前記複数の構造体のうちの少なくとも一部の構造体は、互いに異なる幅を有し、
    　側面視したときに、前記複数の構造体は同じ高さを有することを特徴とする、
    　請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記複数の構造体は、前記複数の構造体どうしの間の部分の屈折率よりも高い屈折率を有する柱状構造体であり、
    　前記複数の構造体のうちの少なくとも一部の構造体は、互いに異なる屈折率を有し、
    　側面視したときに、前記複数の構造体は同じ高さを有することを特徴とする、
    　請求項１に記載の光学素子。
  4. 　前記複数の構造体の各々は、入射した光に対して、平面視したときに当該構造体が有する幅の大きさに応じた光位相遅延量を与え、
    　前記複数の構造体の各々は、前記第１の領域に入射した光を前記第１の光電変換素子に導くとともに前記第２の領域に入射した光を前記第２の光電変換素子に導くための光位相遅延量分布を与える幅を有することを特徴とする、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の光学素子。
  5. 　前記複数の構造体の各々は、入射した光に対して、当該構造体が有する屈折率の大きさに応じた光位相遅延量を与え、
    　前記複数の構造体の各々は、前記第１の領域に入射した光を前記第１の光電変換素子に導くとともに前記第２の領域に入射した光を前記第２の光電変換素子に導くための光位相遅延量分布を与える屈折率を有することを特徴とする、
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の光学素子。
  6. 　前記光位相遅延量分布は、光を集光するための光位相遅延量分布であることを特徴とする、
    　請求項４又は５に記載の光学素子。
  7. 　前記第１の領域及び前記第２の領域の一方の領域における前記光位相遅延量分布を考慮しない場合、他方の領域における光位相遅延量分布は対称性を有することを特徴とする、
    　請求項４～６のいずれか１項に記載の光学素子。
  8. 　平面視したときに、前記第１の光電変換素子及び前記第２の光電変換素子は、同じサイズを有することを特徴とする、
    　請求項１～７のいずれか１項に記載の光学素子。
  9. 　平面視したときに、前記第１の領域は、前記第２の領域の内側に位置していることを特徴とする、
    　請求項１～８のいずれか１項に記載の光学素子。
  10. 　請求項１～９のいずれか１項に記載の光学素子と、
    　各々が前記第１の光電変換素子及び前記第２の光電変換素子を含む複数の画素と、
    　を備えることを特徴とする、
    　撮像素子。
  11. 　前記画素と前記光学素子との間に設けられたフィルタ層を備えることを特徴とする、
    　請求項１０に記載の撮像素子。
  12. 　請求項１０又は１１に記載の撮像素子と、
    　前記撮像素子から得られた電気信号に基づいて画像信号を生成する信号処理制御部と、
    　を備えることを特徴とする、
    　撮像装置。
  13. 　前記信号処理制御部は、前記第１の光電変換素子の露光期間と前記第２の光電変換素子の露光期間とが異なるように露光制御することを特徴とする、
    　請求項１２に記載の撮像装置。
  14. 　第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子を含む画素を覆うための透明層と、
    　前記透明層上において、前記透明層の面方向に配置された複数の凹部と、
    　を備え、
    　前記透明層は、
    　　入射した光を前記第１の光電変換素子に導く第１の領域と、
    　　入射した光を前記第２の光電変換素子に導く第２の領域と、
    　を含み、
    　前記第１の領域及び前記第２の領域のうちの少なくとも前記第２の領域に前記複数の凹部が配置され、
    　前記第１の領域は、前記第２の領域よりも小さいことを特徴とする、
    　光学素子。
  15. 　前記複数の凹部を構成する材料の屈折率よりも高い屈折率を持つ流体により、
    　前記複数の凹部の空隙が満たされていることを特徴とする、
    　請求項１４に記載の光学素子。
  16. 　前記複数の凹部を構成する材料が、
    　１よりも低い屈折率を持つメタマテリアルであることを特徴とする、
    　請求項１４に記載の光学素子。
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