WO2022113362A1 - 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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light
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将司 宮田
成 根本
史英 小林
俊和 橋本
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical element, an image pickup device, and an image pickup device.
  • Some image sensors are equipped with optical elements such as microlenses and color filters.
  • the color filter is shown in Non-Patent Document 1, for example.
  • the present invention aims to reduce manufacturing costs.
  • the optical element according to the present invention comprises a transparent layer for covering a plurality of pixels, each including a photoelectric conversion element, and a plurality of structures arranged on the transparent layer or in the transparent layer in the plane direction of the transparent layer.
  • the plurality of structures are arranged so as to condense the light of the color corresponding to each of the plurality of pixels among the incident light to the corresponding pixels, and the plurality of structures view the transparent layer in a plan view. It is characterized by including structures having different types of cross-sectional shapes from each other.
  • the image pickup device is characterized by including the above optical element and the plurality of pixels covered with the transparent layer.
  • the image pickup device is characterized by including the above-mentioned image pickup element and a signal processing unit that generates an image signal based on an electric signal obtained from the image pickup element.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device and an image pickup device in which the optical element according to the embodiment is used.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing light collection to the corresponding pixel.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing light collection to the corresponding pixel.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing light collection to the corresponding pixel.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device and an image pickup device in which the optical element according to the embodiment is used.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the light intensity distribution on the pixel at each wavelength.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of light intensity distribution on a pixel at each wavelength.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the light intensity distribution on the pixel at each wavelength.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a structure.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a structure.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a structure.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a structure.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a structure.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a structure.
  • FIG. 18 is a diagram showing an example of a combination of each wavelength and an optical phase delay amount.
  • FIG. 19 is a diagram showing an example of a combination of each wavelength and an optical phase delay amount.
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of lens design.
  • FIG. 21 is a diagram showing an example of lens design.
  • FIG. 22 is a diagram showing an example of lens design.
  • FIG. 23 is a diagram showing an example of lens design.
  • FIG. 24 is a diagram showing an example of lens design.
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  • FIG. 29 is a diagram showing an example of lens design.
  • FIG. 29 is a diagram showing an example of lens design.
  • FIG. 30 is a diagram showing an example of lens design.
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  • FIG. 39 is a diagram showing an example of lens design.
  • FIG. 40 is a diagram showing an example of a spectrum of light incident on a pixel.
  • FIG. 41 is a diagram showing an example of the intensity distribution of the light incident on the pixel.
  • FIG. 40 is a diagram showing an example of a spectrum of light incident on a pixel.
  • FIG. 41 is a diagram showing an example of the intensity distribution of the light incident on
  • FIG. 42 is a diagram showing an example of the intensity distribution of the light incident on the pixel.
  • FIG. 43 is a diagram showing an example of the intensity distribution of the light incident on the pixel.
  • FIG. 44 is a diagram showing an example of a spectrum of light incident on a pixel.
  • FIG. 45 is a diagram showing an example of the intensity distribution of light incident on a pixel.
  • FIG. 46 is a diagram showing an example of the intensity distribution of light incident on a pixel.
  • FIG. 47 is a diagram showing an example of the intensity distribution of the light incident on the pixel.
  • FIG. 48 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 49 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 50 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 51 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 52 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 53 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 54 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 55 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 56 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 57 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 58 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 59 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 60 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 61 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 62 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 61 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 63 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 64 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 65 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 66 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 67 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device according to a modified example.
  • FIG. 68 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device according to a modified example.
  • FIG. 69 is a diagram showing an example of the cross-sectional shape of the structure.
  • FIG. 70 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device according to a modified example.
  • FIG. 70 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device according to a modified example.
  • FIG. 71 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device according to a modified example.
  • FIG. 72 is a diagram showing an example of a spectrum of light incident on a pixel.
  • FIG. 73 is a diagram showing an example of a spectrum of light incident on a pixel.
  • FIG. 74 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 75 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 76 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 77 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 78 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 79 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 80 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 80 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 81 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 82 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 83 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 84 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 85 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 86 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 87 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 88 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 89 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 90 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 91 is a diagram showing an example of incident angle dependence.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an image pickup device and an image pickup device in which the optical element according to the embodiment is used.
  • the image pickup apparatus 10 takes an image of the object 1 by using the light from the object 1 (subject) shown as a white arrow as incident light.
  • the incident light is incident on the image pickup device 12 via the lens optical system 11.
  • the signal processing unit 13 processes an electric signal from the image pickup device 12 to generate an image signal.
  • FIGS. 2 to 5 are diagrams showing an example of a schematic configuration of an image pickup device.
  • the XYZ coordinate system is shown.
  • the XY plane direction corresponds to the plane direction of the pixel layer 3, the transparent layer 5, and the like, which will be described later.
  • plane view refers to viewing in the Z-axis direction (for example, in the negative direction of the Z-axis).
  • ide view refers to viewing in the X-axis direction or the Y-axis direction (for example, the Y-axis negative direction).
  • the image pickup element 12 includes a wiring layer 2, a pixel layer 3, and an optical element 4.
  • the wiring layer 2, the pixel layer 3, and the optical element 4 are provided in this order in the positive direction of the Z axis.
  • FIG. 2 schematically shows the layout of the pixel layer 3 when viewed in a plan view.
  • the pixel layer 3 is a pixel array including a plurality of pixels arranged in the XY plane direction.
  • Each pixel is configured to include a photoelectric conversion element.
  • An example of a photoelectric conversion element is a photodiode (PD: Photo Diode).
  • PD Photo Diode
  • Each pixel corresponds to any of the colors red (R), green (G) and blue (B).
  • An example of the wavelength band of red light is 600 nm ⁇ 0 , where ⁇ 0 is the wavelength.
  • An example of the wavelength band of green light is 500 nm ⁇ 0 ⁇ 600 nm.
  • An example of the wavelength band of blue light is ⁇ 0 ⁇ 500 nm.
  • Pixels R, Pixels G1, Pixels G2, and Pixels B are designated and illustrated so that each pixel can be distinguished by color. These four pixels R, pixel G 1 , pixel G 2 and pixel B are Bayer-arranged to form one pixel unit (color pixel unit).
  • FIG. 3 shows an example of a cross section of the image pickup device 12 when viewed from the side along the line III-III'of FIG.
  • FIG. 4 shows an example of a cross section of the image pickup device 12 when viewed from the side along the IV-IV'line of FIG.
  • the arrows schematically indicate the light incident on the image sensor 12. The incident light travels along the negative direction of the Z axis and reaches the pixel layer 3 via the optical element 4.
  • the optical element 4 concentrates the red light of the incident light on the pixel R, the green light on the pixel G1 and the pixel G2, and the blue light on the pixel B. Condensate.
  • the electric charges generated in these pixels R, pixel G 1 , pixel G 2 , and pixel B are converted into electrical signals that are the basis of the pixel signal by a transistor (not shown) or the like, and are external to the image pickup element 12 via the wiring layer 2. Is output to. Some of the wiring contained in the wiring layer 2 is illustrated.
  • the optical element 4 is provided so as to cover the pixel layer 3.
  • An example of the optical element 4 is a metasurface.
  • the metasurface is composed of a plurality of microstructures (corresponding to structure 6 described later) having a width equal to or less than the wavelength of light.
  • the metasurface may have a two-dimensional structure or a three-dimensional structure.
  • the phase and light intensity can be controlled according to the characteristics of light (wavelength, polarization, angle of incidence) simply by changing the parameters of the microstructure. In the case of a three-dimensional structure, the degree of freedom in design is improved as compared with the two-dimensional structure.
  • the optical element 4 has two functions, a color separation function and a lens function.
  • the color separation function is a function (spectral function, light separation function) that separates incident light into light of each color (each wavelength band).
  • the lens function is a function of condensing light of each color on the corresponding pixel. In this example, the color separation function separates the incident light into red light, green light, and blue light.
  • the red light is focused on the pixel R
  • the green light is focused on the pixel G1 and the pixel G2
  • the blue light is focused on the pixel B.
  • the optical element 4 includes a transparent layer 5 and a structure 6.
  • the transparent layer 5 is provided on the pixel layer 3 so as to cover the pixel layer 3.
  • the transparent layer 5 may have a refractive index lower than that of the structure 6.
  • An example of the material of the transparent layer 5 is SiO 2 and the like.
  • the transparent layer 5 may be a void, in which case the refractive index of the transparent layer 5 may be equal to the refractive index of air.
  • the material of the transparent layer 5 may be a single material, or a plurality of materials may be layered.
  • the plurality of structures 6 are arranged on the transparent layer 5 or in the transparent layer 5 in the plane direction (XY plane direction) of the transparent layer 5, for example, periodically (having a periodic structure).
  • the structure 6 is provided on the transparent layer 5 on the side opposite to the pixel layer 3 (on the Z-axis positive direction side) with the transparent layer 5 interposed therebetween.
  • the plurality of structures 6 may be arranged at equal intervals or may be arranged at irregular intervals for the sake of facilitating the design.
  • Each structure 6 is a nano-order-sized microstructure having a dimension as small as or smaller than the wavelength of the incident light.
  • FIG. 5 schematically shows an example of a cross section of a plurality of structures 6 corresponding to the portion surrounded by the broken line V in FIG.
  • the plurality of structures 6 include a plurality of structures 61 (first structure), a plurality of structures 62 (second structure), and a plurality of structures 63 (third structure). ..
  • each of the plurality of structures 61 has the same type (first type) cross-sectional shape.
  • Cross-sectional shapes of the same type include cross-sectional shapes with different dimensions (length, width, etc.).
  • each of the plurality of structures 62 has the same type (second type) cross-sectional shape.
  • Each of the plurality of structures 63 has the same type (third type) cross-sectional shape.
  • the cross-sectional shape may be a four-fold rotationally symmetric shape. Such a cross-sectional shape may include, for example, at least one of a square shape, a cross shape, and a circular shape.
  • the structure 61, the structure 62, and the structure 63 have different types of cross-sectional shapes from each other.
  • the cross-sectional shape of the structure 61 is a square shape.
  • the cross-sectional shape of the structure 62 is an X-shape.
  • the X-shape is an example of a shape including a cross shape, and is a shape obtained by rotating the cross shape in an in-plane by 45 °.
  • the cross-sectional shape of the structure 63 is a hollow rhombus shape.
  • the hollow rhombus shape is an example of a shape including a square shape, and is a shape obtained by rotating the hollow square shape in-plane by 45 °.
  • pixel R, pixel G 1 , pixel G 2 and pixel B are Bayer-arranged as described above, they face pixel G 1 (or pixel G 2 ), as can be seen from the comparison of FIGS. 2 and 5.
  • the plurality of structures 6 arranged in the region have an overall arrangement structure in which the overall arrangement structure of the plurality of structures 6 arranged in the region facing the pixel G 2 (or pixel G 1 ) is rotated by 90 °. This is because the arrangement of the adjacent pixels R and B is different between the pixels G1 and the pixels G2.
  • efficient light collection can be achieved even in a complicated color arrangement such as a Bayer arrangement. It will be possible.
  • FIG. 6 to 8 are diagrams schematically showing light collection to the corresponding pixel.
  • blue light is focused on the pixel B.
  • the light of the color corresponding to the pixel B among the light incident on the outside of the region facing the pixel B is also arranged so as to be focused on the pixel B. Will be done.
  • the amount of received light can be increased as compared with the case where only the light incident on the region facing the pixel B is focused on the pixel B.
  • green light is focused on pixel G1 and pixel G2.
  • the light of the color facing the pixel G1 and the pixel G2 among the light incident on the outside of the region facing the pixel G1 and the pixel G2 is also the light of the color facing the pixel G1 and the pixel G2. It is arranged so as to concentrate on 2 . As a result, the amount of received light can be increased as compared with the case where only the light incident on the region facing the pixels G1 and G2 is focused on the pixels G1 and G2.
  • red light is focused on the pixel R.
  • the plurality of structures 6 are arranged so that the light of the color corresponding to the pixel R among the light incident on the outside of the region facing the pixel R is also focused on the pixel R.
  • the amount of received light can be increased as compared with the case where only the light incident on the region facing the pixel R is focused on the pixel R.
  • FIG. 9 to 11 show an example of a light intensity distribution for each wavelength (an example of a calculation result). Areas with high light intensity are shown brightly.
  • FIGS. 12 to 17 are diagrams showing an example of a schematic configuration of a structure.
  • 12 and 13 show an example of a schematic configuration of the structure 61 when viewed from a side view and a plan view.
  • 14 and 15 show an example of a schematic configuration of the structure 62 when viewed sideways and in a plan view.
  • 16 and 17 show an example of a schematic configuration of the structure 63 when viewed sideways and in a plan view.
  • the structure 61, the structure 62, and the structure 63 may be simply referred to as “structure 61 and the like”.
  • the structure 61 and the like are columnar structures extending in the Z-axis direction, and are formed on the base 6a. Examples of materials for columnar structures are TiO 2 (refractive index 2.40) or SiN (refractive index 2.05).
  • the base 6a constitutes a transparent layer below the columnar structure.
  • the base 61a is, for example, a part of a SiO 2 substrate (refractive index 1.45). Air is on the sides and above the structure 61 and the like.
  • the width of the base portion 6a corresponding to each structure 61 or the like is referred to as a width W and is shown in the figure.
  • the width W of the base 6a gives the arrangement period of the structure 61 and the like.
  • the width W may be set to W ⁇ ( ⁇ min / n 2 ) so that diffracted light does not occur on the transmission side.
  • ⁇ min is the shortest wavelength in the wavelength band of the light receiving target, and is, for example, 410 nm.
  • An example of the width W (arrangement period of the structure 61 or the like) is 280 nm.
  • the height (length in the Z-axis direction) of the structure 61 or the like when viewed from the side is referred to as height H and is shown in the figure.
  • the height H of the structure 61 and the like may be the same.
  • the height H is H ⁇ ⁇ r so that the structure 61 or the like can give an optical phase delay amount (phase value) of 2 ⁇ or more to the incident light, that is, the light traveling along the Z-axis direction.
  • / (N 1 ⁇ n 0 ) may be set.
  • the wavelength ⁇ r is a desired center wavelength in the wavelength band on the longest wavelength side of the wavelength bands of light to be color-separated.
  • n 1 is the refractive index of the structure 61 or the like.
  • n 1 2.40
  • the height H is, for example, 1250 nm.
  • n 1 2.05
  • the height H is, for example, 1600 nm.
  • the cross-sectional shape of the structure 61 or the like including dimensional design
  • the number of combinations increases and the degree of freedom in design is further improved.
  • FIGS. 18 and 19 are diagrams showing an example of a combination of each wavelength and an optical phase delay amount.
  • the square plot shows the amount of optical phase delay when various dimensions of the cross-sectional shape of the structure 61 having a square cross-sectional shape are set.
  • the X-shaped plot shows the amount of optical phase delay when various dimensions of the cross-sectional shape are set in the structure 62 having the X-shaped cross-sectional shape.
  • the rhombus plot shows the amount of optical phase delay when various dimensions of the cross-sectional shape are set in the structure 63 having the cross-sectional shape of the hollow rhombus shape. In both cases, the height H is constant.
  • the black circle plot is an ideal amount of optical phase delay in the lens design described later.
  • FIG. 18 shows the amount of optical phase delay when the structure 61 or the like is TiO 2 .
  • FIG. 19 shows the amount of optical phase delay when the structure 61 or the like is SiN.
  • the optical phase delay amount characteristic (phase characteristic) having various wavelength dispersions can be realized only by using a columnar structure having the same height H. This is because the wavelength dispersion characteristics of the resulting optical waveguide mode / optical resonance mode and the resulting optical phase delay amount can be changed depending on the cross-sectional shape.
  • a lens function having different light collection points for each wavelength can be realized by designing the cross-sectional shape and arrangement of the structure 61 or the like arranged in the plane direction of the transparent layer 5. It should be noted that the lens design is possible not only when the wavelength is three but also when the wavelength is two or the wavelength is four or more.
  • the cross-sectional shape and arrangement of the structure 61 and the like are designed so as to realize an ideal optical phase delay amount distribution (phase distribution).
  • the cross-sectional shape and arrangement of the structure 61 and the like are designed according to the ideal optical phase delay amount distribution for each central wavelength of the wavelength bands of red light, green light, and blue light.
  • the size of the pixel is 1.68 ⁇ m ⁇ 1.68 ⁇ m.
  • the focal length is 4.2 ⁇ m.
  • the central wavelength corresponding to blue light is 430 nm.
  • the central wavelength corresponding to green light is 520 nm.
  • the central wavelength corresponding to the red light is 635 m.
  • ⁇ is expressed by the following equation.
  • ⁇ d is the center wavelength (design wavelength).
  • X f , Y f , and Z f are light collecting positions.
  • n 2 is the refractive index of the base 6a.
  • C is an arbitrary constant.
  • the ideal optical phase delay amount distribution is a phase distribution that gives the following focusing positions to each of pixel B, pixel G 1 , pixel G 2 , and pixel R.
  • the boundary region of the optical phase delay amount distribution is set so that the optical phase delay amount distribution at each center wavelength is symmetrical vertically and vertically (together with the adjacent lens) around the focusing position.
  • the constant C may be optimized so that the error (difference from the ideal value) of the optical phase delay amount distribution is minimized at each wavelength. From the optical phase delay amount at each wavelength, the structure most suitable for the optical phase delay amount distribution at each central wavelength (the structure that minimizes the error) was arranged at the corresponding position.
  • 20 to 29 show an example of lens design when the structure 61 or the like is TiO 2 .
  • a plurality of structures 61 and the like are arranged.
  • FIG. 21 shows an ideal optical phase delay amount distribution (Phase (rad / ⁇ )) when the center wavelength is 430 nm (blue light).
  • the dashed line (Ideal) shows the ideal optical phase delay amount distribution
  • the plot (Designed) shows the optical phase delay amount distribution obtained by the arrangement of the plurality of structures 61 and the like shown in FIG. 20 above.
  • FIG. 24 shows an ideal optical phase delay amount distribution when the center wavelength is 520 nm (green light).
  • FIG. 27 shows an ideal optical phase delay amount distribution when the center wavelength is 635 nm (red light).
  • a near-ideal optical phase delay distribution can be obtained at any of the central wavelengths of 430 nm, 520 nm and 635 nm (blue light, green light and red light).
  • FIG. 30 to 39 show an example of lens design when the structure 61 or the like is SiN. As shown in FIG. 30, a plurality of structures 61 and the like are arranged.
  • FIG. 31 shows an ideal optical phase delay amount distribution when the center wavelength is 430 nm (blue light).
  • FIG. 34 shows an ideal optical phase delay amount distribution when the center wavelength is 520 nm (green light).
  • FIG. 37 shows an ideal optical phase delay amount distribution when the center wavelength is 635 nm (red light).
  • a near-ideal optical phase delay distribution can be obtained at any of the central wavelengths of 430 nm, 520 nm and 635 nm (blue light, green light and red light).
  • FIG. 40 shows an example of the spectrum of light incident on each pixel when the structure 61 or the like is TiO 2 .
  • the spectrum is a spectrum when an unpolarized plane light wave is incident perpendicularly to a substrate (XY plane).
  • the distance from the lower end (lens structure end) of the structure 61 or the like to the pixel layer 3 is 4.2 ⁇ m (lens focal length).
  • the horizontal axis of the graph indicates wavelength (Wavelength (nm)).
  • the vertical axis indicates the light receiving efficiency (Detected power).
  • the light receiving efficiency is (light intensity on the pixel) / (light intensity incident on the structure 61 or the like). For example, when half of the light incident on the structure 61 or the like is incident on the pixel, the light receiving efficiency becomes 0.5.
  • each pixel has a peak in the wavelength band of light of the corresponding color.
  • the spectrum of light incident on the pixel R is shown by the graph line R.
  • the spectra of the light incident on the pixels G1 and the pixel G2 are shown by the graph lines G1 and the graph line G2.
  • the spectrum of light incident on pixel B is shown by graph line B.
  • Each of the pixel R, the pixel G 1 , the pixel G 2 and the pixel B has a peak value larger than the upper limit value 0.2 of the comparative example, and the amount of received light received by the pixel may be larger than that of the comparative example.
  • the light receiving efficiency of the pixel B greatly exceeds the upper limit value 0.2 of the comparative example.
  • the light receiving efficiencies of the pixels G1 and the pixel G2 greatly exceed the upper limit of 0.2 in the comparative example.
  • Even at the wavelength of 635 nm indicated by the marker MC the light receiving efficiency of the pixel R greatly exceeds the upper limit value 0.2 of the comparative example.
  • the average value of the total transmittance, that is, (total light intensity on all pixels) / (incident light intensity on the structure 61, etc.) over a wavelength of 400 nm to 700 nm is 93.2%, and a general filter is used. It greatly exceeds the upper limit of 33% when it is present. From this, it can be seen that the light receiving efficiency of the pixels can be improved.
  • FIG. 41 shows the intensity distribution of light (blue light) having the wavelength of the marker MA of FIG. 40. It can be seen that the distribution is concentrated in the pixel B.
  • FIG. 42 shows the intensity distribution of light (green light) having the wavelength of the marker MB in FIG. 40. It can be seen that the distribution is concentrated in the pixels G1 and the pixels G2.
  • FIG. 43 shows the intensity distribution of light (red light) having the wavelength of the marker MC of FIG. 40. It can be seen that the distribution is concentrated in the pixel R.
  • FIG. 44 shows an example of the spectrum of light incident on each pixel when the structure 61 or the like is SiN. Similar to the case where the structure 61 or the like described above is SiO 2 , each of the pixel R, the pixel G 1 , the pixel G 2 and the pixel B has a peak value larger than the upper limit value 0.2 of the comparative example. The amount of light received by the pixels is larger than that of the comparative example. The total transmittance is 97.1%, which greatly exceeds the upper limit to 33% when a general filter is used.
  • FIG. 45 shows the intensity distribution of light (blue light) having the wavelength of the marker MA of FIG. 44. It can be seen that the distribution is concentrated in the pixel B.
  • FIG. 46 shows the intensity distribution of light (green light) having the wavelength of the marker MB of FIG. 44. The wavelength indicated by the marker MB in the case of this SiN is 520 nm. It can be seen that the distribution is concentrated in the pixels G1 and the pixels G2.
  • FIG. 47 shows the intensity distribution of light (red light) having the wavelength of the marker MC of FIG. 44. It can be seen that the distribution is concentrated in the pixel R.
  • 48 to 66 are views showing an example of incident angle dependence.
  • 48 to 58 show an example of the incident angle dependence when the structure 61 or the like is TiO 2 .
  • the pixel R, the pixel G1 , the pixel G2, and the pixel B are arranged.
  • the incident angle dependence when the angle (Angle) in the XZ plane with the Z-axis direction as 0 ° is used as the incident angle is shown in FIGS. 50 to 53.
  • the light receiving efficiency of the pixel R is shown as a spectrum for each wavelength (Wavelength ( ⁇ m)) and for each incident angle (Incient angle (degree)), that is, for each incident angle.
  • FIG. 51 shows the light receiving efficiency of the pixel G 1 as a spectrum for each incident angle.
  • FIG. 52 shows the light receiving efficiency of the pixel G 2 as a spectrum for each incident angle.
  • FIG. 53 shows the light receiving efficiency of pixel B as a spectrum for each incident angle.
  • the spectrum does not change significantly in the range of the incident angle of about ⁇ 12 °.
  • FIGS. 54 the incident angle dependence when the angle (Angle) in the YZ plane with the Z-axis direction as 0 ° is the incident angle is shown in FIGS. 55 to 58.
  • the light receiving efficiency of the pixel R is shown as a spectrum for each incident angle.
  • FIG. 56 shows the light receiving efficiency of the pixel G 1 as a spectrum for each incident angle.
  • FIG. 57 shows the light receiving efficiency of the pixel G 2 as a spectrum for each incident angle.
  • FIG. 58 shows the light receiving efficiency of pixel B as a spectrum for each incident angle.
  • the spectrum does not change significantly in the range of the incident angle of about ⁇ 12 °.
  • FIGS. 59 to 66 show an example of the incident angle dependence when the structure 61 or the like is SiN.
  • FIGS. 59 to 62 The incident angle dependence in the XZ plane as shown in FIG. 49 described above is shown in FIGS. 59 to 62.
  • FIG. 59 shows the dependence of the incident angle on the pixel R.
  • FIG. 60 shows the dependence of the incident angle on the pixel G1.
  • FIG . 61 shows the dependence of the incident angle on the pixel G2.
  • FIG. 62 shows the dependence of the incident angle on the pixel B.
  • the spectrum does not change significantly in the range of the incident angle of about ⁇ 12 °.
  • FIGS. 63 to 66 The angle of incidence dependence in the YZ plane as shown in FIG. 54 described above is shown in FIGS. 63 to 66.
  • FIG. 63 shows the dependence of the incident angle on the pixel R.
  • FIG. 64 shows the dependence of the incident angle on the pixel G1.
  • FIG . 65 shows the dependence of the incident angle on the pixel G2.
  • FIG. 66 shows the dependence of the incident angle on the pixel B.
  • the spectrum does not change significantly in the range of the incident angle of about ⁇ 12 °.
  • the incident angle has a resistance of at least ⁇ 12 °. This means that, for example, even when an image is taken using an image pickup lens having an NA (numerical aperture) of ⁇ 0.21, color errors are unlikely to occur.
  • NA number of a general image pickup lens (telephoto) of a camera such as a smartphone
  • the optical element 4 according to the embodiment may be used for a camera for a smartphone or the like. Since the resistance to the incident angle mainly depends on the focal length, the allowable angle can be further expanded by designing a lens having a shorter focal length.
  • the image pickup device includes a filter (for example, a color filter) instead of the optical element 4. That is, a filter corresponding to the color of each pixel is provided so as to cover the pixel.
  • a filter for example, a color filter
  • the amount of light after passing through the filter remains only about 1/3 of the amount of light incident on the filter, and the light receiving efficiency is lowered.
  • the image pickup device 12 according to the embodiment the amount of light is maintained higher than that (for example, more than 90%) as described above, so that the light receiving efficiency is significantly improved.
  • a microlens is provided on the side opposite to the pixel with a filter in between. Some are (integrated).
  • the structure since the structure has at least a two-layer structure of a filter and a microlens, the structure becomes complicated and the manufacturing cost increases.
  • the optical element 4 according to the embodiment since the color separation function and the lens function can be realized only by the optical element 4, the structure can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. Further, since the plurality of structures 6 can be arranged in the plane (in the XY plane) without gaps, the aperture ratio is increased as compared with the microlens.
  • the signal processing unit 13 of the image pickup apparatus 10 will be described.
  • the signal processing unit 13 generates a pixel signal based on the electric signal obtained from the image pickup device 12.
  • the signal processing unit 13 also controls the image pickup element 12.
  • the control of the image pickup element 12 includes exposure of the pixels of the image pickup element 12, conversion of the electric charge stored in the pixel layer 3 into an electric signal, reading of the electric signal, and the like.
  • FIGS. 67 and 68 are diagrams showing an example of a schematic configuration of an image pickup device according to a modified example.
  • the image pickup device 12A exemplified in FIG. 67 in the optical element 4A, a plurality of structures 6 are provided in the transparent layer 5.
  • the structure 6 is embedded in the transparent layer 5 (on the PD) on the pixel layer 3.
  • the transparent layer 5 in the image pickup device 12B exemplified in FIG. 68, in the optical element 4B, the transparent layer 5 includes a transparent substrate 5a and an air layer 5b.
  • the plurality of structures 6 are provided on the transparent substrate 5a (supported by the transparent substrate 5a) so as to extend from the transparent substrate 5a toward the pixel layer 3 (in the negative direction of the Z axis).
  • the cross-sectional shape of the structure 6 is not limited to the shape shown in FIG. 5 or the like described above.
  • FIG. 69 is a diagram showing an example of the cross-sectional shape of the structure.
  • the structure 6 may have various cross-sectional shapes as exemplified.
  • the exemplified shape is, for example, a four-fold rotationally symmetric shape obtained by various combinations of a square shape, a cross shape, and a circular shape.
  • the image sensor may be equipped with a filter.
  • 70 and 71 are diagrams showing an example of a schematic configuration of an image pickup device according to such a modification.
  • the exemplified image sensor 12C includes a filter layer 7 provided between the pixel layer 3 and the optical element 4.
  • FIG. 70 shows an example of a cross section of the image pickup device 12C when the image pickup device 12 is replaced with the image pickup device 12C in FIG. 2 and viewed from the side along the line III-III'.
  • FIG. 71 shows an example of a cross section of the image pickup device 12C when viewed from the side along the IV-IV'line when the image pickup device 12 is replaced with the image pickup device 12C in FIG.
  • the filter layer 7 includes a filter 7R, a filter 7G 1 , a filter 7G 2 , and a filter 7B.
  • the filter 7R is provided so as to cover the pixel R and allows red light to pass through.
  • the filter 7G 1 is provided so as to cover the pixel G1 and allows green light to pass therethrough.
  • the filter 7G 2 is provided so as to cover the pixel G2 and allows green light to pass therethrough.
  • the filter 7B is provided so as to cover the pixel B and allows blue light to pass therethrough.
  • Examples of the materials of the filter 7R, the filter 7G 1 , the filter 7G 2 and the filter 7B are organic materials such as resin.
  • the light color-separated by the optical element 4 further passes through the filter layer 7 and then reaches the pixel layer 3.
  • Color separation of both the optical element 4 and the filter layer 7 suppresses spectral crosstalk (removes most of the other unwanted color components) and color reproducibility compared to color separation of only one. Is improved.
  • the amount of light is not significantly reduced. Therefore, the light receiving efficiency of the pixels is improved as compared with the case where the optical element 4 is not provided and only the filter layer 7 is provided.
  • 72 and 73 are diagrams showing an example of the spectrum of light incident on the pixel.
  • FIG. 72 shows an example of the spectrum when the structure 61 or the like is TiO 2 .
  • the light receiving efficiency of the pixel R is shown by the graph line Metalens ⁇ R filter (R).
  • the light receiving efficiency of the pixel G 1 and the pixel G 2 is shown by the graph line Metalens ⁇ G filter (G 1 or G 2 ).
  • the light receiving efficiency of the pixel B is shown by the graph line Metalens ⁇ R filter (B).
  • the graph line R filter (R) the light receiving efficiency of the pixel R when the optical element 4 is not provided and only a general filter is provided is shown by the graph line R filter (R).
  • the light receiving efficiency of the pixel G is indicated by the graph line G filter (G 1 or G 2 ).
  • the light receiving efficiency of pixel B is shown by the graph line B filter (B).
  • the peak values of the spectra of the pixels R, the pixel G 1 , the pixel G 2 , and the pixel B are about 1.2 to 2.0 times that of the comparative example, and a higher light receiving efficiency than that of the comparative example can be obtained.
  • the total transmittance is also 43.3%, which greatly exceeds 34.7% of the comparative example (about 1.25 times). Further, it can be seen that the spectrum of the light incident on each pixel is sharper than the spectrum of the comparative example, and the unnecessary other color components can be reduced by that amount. This enhances color reproducibility.
  • FIG. 73 shows an example of the spectrum when the structure 61 or the like is SiN.
  • the peak values of the spectra of the pixels R, the pixel G 1 , the pixel G 2 , and the pixel B are about 1.2 to 2.0 times that of the comparative example, and a higher light receiving efficiency than that of the comparative example can be obtained.
  • the total transmittance is also 45%, which is much higher than the 34.7% of the comparative example (about 1.30 times). Further, it can be seen that the spectrum of the light incident on each pixel is sharper than that of the comparative example as compared with the comparative example, and it is possible to reduce unnecessary other color components by that amount. This enhances color reproducibility.
  • FIGS. 74 to 91. 74 to 83 show an example of the angle of incidence dependence when the structure 6 is TiO 2 .
  • FIGS. 75-78 The angle of incidence dependence in the XZ plane as shown in FIG. 74 is shown in FIGS. 75-78.
  • FIG. 75 shows the dependence of the incident angle on the pixel R.
  • FIG. 76 shows the dependence of the incident angle on the pixel G1.
  • FIG . 77 shows the dependence of the incident angle on the pixel G2.
  • FIG. 78 shows the dependence of the incident angle on the pixel B.
  • the spectrum does not change significantly in the range of the incident angle of about ⁇ 12 °.
  • FIGS. 80-83 The angle of incidence dependence on the YZ plane as shown in FIG. 79 is shown in FIGS. 80-83.
  • FIG. 80 shows the dependence of the incident angle on the pixel R.
  • FIG. 81 shows the dependence of the incident angle on the pixel G1.
  • FIG . 82 shows the dependence of the incident angle on the pixel G2.
  • FIG. 83 shows the dependence of the incident angle on the pixel B.
  • the spectrum does not change significantly in the range of the incident angle of about ⁇ 12 °.
  • FIGS. 84 to 91 show an example of the incident angle dependence when the structure 61 or the like is SiN.
  • FIGS. 84 to 87 The incident angle dependence in the XZ plane as shown in FIG. 74 described above is shown in FIGS. 84 to 87.
  • FIG. 84 shows the dependence of the incident angle on the pixel R.
  • FIG. 85 shows the dependence of the incident angle on the pixel G1.
  • FIG . 86 shows the dependence of the incident angle on the pixel G2.
  • FIG. 87 shows the dependence of the incident angle on the pixel B.
  • the spectrum does not change significantly in the range of the incident angle of about ⁇ 12 °.
  • FIGS. 88 to 91 The incident angle dependence in the YZ plane as shown in FIG. 79 described above is shown in FIGS. 88 to 91.
  • FIG. 88 shows the dependence of the incident angle on the pixel R.
  • FIG. 89 shows the dependence of the incident angle on the pixel G1.
  • FIG . 90 shows the dependence of the incident angle on the pixel G2.
  • FIG. 91 shows the dependence of the incident angle on the pixel B.
  • the spectrum does not change significantly in the range of the incident angle of about ⁇ 12 °.
  • the image pickup device 12C also provided with the filter layer 7, the light receiving efficiency can be improved and the color reproducibility can be further improved.
  • TiO 2 and SiN have been described as examples of the materials of the structure 6.
  • the material of the structure 6 is not limited to them.
  • SiC, TiO 2 , GaN or the like may be used as the material of the structure 6 in addition to SiN. It is suitable because it has a high refractive index and low absorption loss.
  • Si, SiC, SiCN, TiO 2 , GaAs, GaN and the like may be used as the material of the structure 6. Suitable because of its low loss.
  • InP or the like can be used as the material of the structure 6 in addition to the above-mentioned materials.
  • 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 present invention is not limited thereto. Any material having a refractive index lower than that of the material of the structure 6, including a general glass material, and having a low loss with respect to the wavelength of the incident light may be used.
  • the transparent layer 5 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 with respect to the wavelength of light to reach the corresponding pixel. good.
  • the transparent layer 5 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 the corresponding pixel. You may.
  • the three primary colors of RGB have been described as an example of the corresponding colors of the pixels, but the pixels also correspond to light having a wavelength other than the three primary colors (for example, infrared light, ultraviolet light, etc.). It's okay.
  • the optical element 4 includes a transparent layer 5 for covering a plurality of pixels (pixel R, etc.) each including a photoelectric conversion element.
  • a plurality of structures 6 arranged on the transparent layer 5 or in the transparent layer 5 in the plane direction (XY plane direction) of the transparent layer 5 are provided.
  • the plurality of structures 6 are arranged so as to condense the colors (for example, red, green, and blue) corresponding to each of the plurality of pixels of the incident light to the corresponding pixels.
  • the plurality of structures 6 have different types of cross-sectional shapes (for example, a square shape, an X-shape, and a hollow rhombus shape) when the transparent layer 5 is viewed in a plan view (when viewed in the Z-axis direction).
  • the structure 61, the structure 62 and the structure 63 are included.
  • the above optical element 4 has both a color separation function and a lens function (condensing function). Therefore, as compared with the case where a filter (for example, a color filter) corresponding to each pixel is provided or a microlens is provided, the light receiving efficiency of the pixel can be significantly improved and the light receiving sensitivity can be improved. Since the structure is simplified, the manufacturing cost can be reduced. Since the plurality of structures 6 can be arranged in the plane without gaps, the aperture ratio is also increased as compared with the microlens.
  • each of the plurality of structures 6 has a refractive index higher than that of the transparent layer 5, and corresponds to the cross-sectional shape with respect to the incident light. It may be a columnar structure that gives an optical phase delay amount. As described with reference to FIGS. 20 to 39 and the like, the plurality of structures 6 may be arranged according to the optical phase delay amount distribution for realizing the above-mentioned light collection. For example, by arranging such a plurality of structures 6, both the color separation function and the lens function can be realized.
  • the cross-sectional shape of each of the plurality of structures 6 may be a four-fold rotationally symmetric shape. This makes it possible to prevent polarization dependence from occurring.
  • the plurality of structures 6 also include light of a color corresponding to the one pixel among the light incident on the outside of the region facing the one pixel. It may be arranged so as to focus on one pixel. As a result, the amount of received light can be increased as compared with the case where only the light incident on the region facing one pixel is focused on the pixel.
  • the plurality of pixels are Bayer-arranged in one pixel R corresponding to red, two pixels G1 and G2 corresponding to green, and blue.
  • a plurality of structures including a pixel unit composed of one corresponding pixel B and arranged in a region facing one pixel (for example, pixel G 1 ) corresponding to green in the pixel unit among the plurality of structures 6.
  • Reference numeral 6 may have an overall arrangement structure in which the overall arrangement structure of the plurality of structures arranged in the region facing the other pixel corresponding to green (for example, pixel G2) is rotated by 90 °.
  • the image pickup device 12 described with reference to FIGS. 1 to 5 and the like is also an aspect of the present disclosure.
  • the image pickup device 12 includes an optical element 4 and a plurality of pixels (pixel R and the like) covered with the transparent layer 5.
  • pixel R and the like the manufacturing cost can be reduced. It is also possible to improve the light receiving sensitivity and increase the aperture ratio.
  • the image pickup device 12C may include a filter layer 7 provided between a plurality of pixels (pixel R or the like) and the transparent layer 5. As a result, the light receiving efficiency can be improved and the color reproducibility can be further improved.
  • the image pickup apparatus 10 described with reference to FIG. 1 and the like is also an aspect of the present disclosure.
  • the image pickup device 10 includes the above-mentioned image pickup element 12 and a signal processing unit 13 that generates an image signal based on a pixel signal based on an electric signal obtained from the image pickup element 12.
  • the manufacturing cost can be reduced. It is also possible to improve the light receiving sensitivity and increase the aperture ratio.
  • Pixel layer 4 Pixel layer 4
  • Optical element 5 Transparent layer 6
  • Filter layer 10 Image pickup device 11
  • Lens optical system 12 Image pickup element 61
  • Structure 62 Structure 63

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Abstract

光学素子は、各々が光電変換素子を含む複数の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、複数の構造体は、入射した光のうち、複数の画素それぞれに対応する色の光を、対応する画素に集光するように配置され、複数の構造体は、透明層を平面視したときに、互いに異なる種類の断面形状を有する構造体を含む。

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。
　撮像素子には、マイクロレンズ及びカラーフィルタ等の光学素子を備えるものもある。カラーフィルタは例えば非特許文献１に示される。
Takanori　Kudo,　Yuki　Nanjo,　Yuko　Nozaki,　Kazuya　Nagao,　Hidemasa　Yamaguchi,　Wen-Bing　Kang,　Georg　Pawlowski,　PIGMENTED　PHOTORESISTS　FOR　COLOR　FILTERS,　Journal　of　Photopolymer　Science　and　Technology,　1996,　9巻,　1号,　p.109-119,　2006/08/04
　マイクロレンズ及びカラーフィルタの２つの光学素子を用いると、その分、製造コストがかかる。
　本発明は、製造コストを低減することを目的とする。
　本発明に係る光学素子は、各々が光電変換素子を含む複数の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、複数の構造体は、入射した光のうち、複数の画素それぞれに対応する色の光を、対応する画素に集光するように配置され、複数の構造体は、透明層を平面視したときに、互いに異なる種類の断面形状を有する構造体を含むことを特徴とする。
　本発明に係る撮像素子は、上記の光学素子と、前記透明層で覆われた前記複数の画素と、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部と、を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、製造コストを低減することが可能になる。
図１は、実施形態に係る光学素子が用いられる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、撮像素子の概略構成の例を示す図である。 図３は、撮像素子の概略構成の例を示す図である。 図４は、撮像素子の概略構成の例を示す図である。 図５は、撮像素子の概略構成の例を示す図である。 図６は、対応する画素への集光を模式的に示す図である。 図７は、対応する画素への集光を模式的に示す図である。 図８は、対応する画素への集光を模式的に示す図である。 図９は、各波長での画素上の光強度分布の例を示す図である。 図１０は、各波長での画素上の光強度分布の例を示す図である。 図１１は、各波長での画素上の光強度分布の例を示す図である。 図１２は、構造体の概略構成の例を示す図である。 図１３は、構造体の概略構成の例を示す図である。 図１４は、構造体の概略構成の例を示す図である。 図１５は、構造体の概略構成の例を示す図である。 図１６は、構造体の概略構成の例を示す図である。 図１７は、構造体の概略構成の例を示す図である。 図１８は、各波長と光位相遅延量との組み合わせの例を示す図である。 図１９は、各波長と光位相遅延量との組み合わせの例を示す図である。 図２０は、レンズ設計の例を示す図である。 図２１は、レンズ設計の例を示す図である。 図２２は、レンズ設計の例を示す図である。 図２３は、レンズ設計の例を示す図である。 図２４は、レンズ設計の例を示す図である。 図２５は、レンズ設計の例を示す図である。 図２６は、レンズ設計の例を示す図である。 図２７は、レンズ設計の例を示す図である。 図２８は、レンズ設計の例を示す図である。 図２９は、レンズ設計の例を示す図である。 図３０は、レンズ設計の例を示す図である。 図３１は、レンズ設計の例を示す図である。 図３２は、レンズ設計の例を示す図である。 図３３は、レンズ設計の例を示す図である。 図３４は、レンズ設計の例を示す図である。 図３５は、レンズ設計の例を示す図である。 図３６は、レンズ設計の例を示す図である。 図３７は、レンズ設計の例を示す図である。 図３８は、レンズ設計の例を示す図である。 図３９は、レンズ設計の例を示す図である。 図４０は、画素に入射する光のスペクトルの例を示す図である。 図４１は、画素に入射する光の強度分布の例を示す図である。 図４２は、画素に入射する光の強度分布の例を示す図である。 図４３は、画素に入射する光の強度分布の例を示す図である。 図４４は、画素に入射する光のスペクトルの例を示す図である。 図４５は、画素に入射する光の強度分布の例を示す図である。 図４６は、画素に入射する光の強度分布の例を示す図である。 図４７は、画素に入射する光の強度分布の例を示す図である。 図４８は、入射角度依存性の例を示す図である。 図４９は、入射角度依存性の例を示す図である。 図５０は、入射角度依存性の例を示す図である。 図５１は、入射角度依存性の例を示す図である。 図５２は、入射角度依存性の例を示す図である。 図５３は、入射角度依存性の例を示す図である。 図５４は、入射角度依存性の例を示す図である。 図５５は、入射角度依存性の例を示す図である。 図５６は、入射角度依存性の例を示す図である。 図５７は、入射角度依存性の例を示す図である。 図５８は、入射角度依存性の例を示す図である。 図５９は、入射角度依存性の例を示す図である。 図６０は、入射角度依存性の例を示す図である。 図６１は、入射角度依存性の例を示す図である。 図６２は、入射角度依存性の例を示す図である。 図６３は、入射角度依存性の例を示す図である。 図６４は、入射角度依存性の例を示す図である。 図６５は、入射角度依存性の例を示す図である。 図６６は、入射角度依存性の例を示す図である。 図６７は、変形例に係る撮像素子の概略構成の例を示す図である。 図６８は、変形例に係る撮像素子の概略構成の例を示す図である。 図６９は、構造体の断面形状の例を示す図である。 図７０は、変形例に係る撮像素子の概略構成の例を示す図である。 図７１は、変形例に係る撮像素子の概略構成の例を示す図である。 図７２は、画素に入射する光のスペクトルの例を示す図である。 図７３は、画素に入射する光のスペクトルの例を示す図である。 図７４は、入射角度依存性の例を示す図である。 図７５は、入射角度依存性の例を示す図である。 図７６は、入射角度依存性の例を示す図である。 図７７は、入射角度依存性の例を示す図である。 図７８は、入射角度依存性の例を示す図である。 図７９は、入射角度依存性の例を示す図である。 図８０は、入射角度依存性の例を示す図である。 図８１は、入射角度依存性の例を示す図である。 図８２は、入射角度依存性の例を示す図である。 図８３は、入射角度依存性の例を示す図である。 図８４は、入射角度依存性の例を示す図である。 図８５は、入射角度依存性の例を示す図である。 図８６は、入射角度依存性の例を示す図である。 図８７は、入射角度依存性の例を示す図である。 図８８は、入射角度依存性の例を示す図である。 図８９は、入射角度依存性の例を示す図である。 図９０は、入射角度依存性の例を示す図である。 図９１は、入射角度依存性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が用いられる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、白抜き矢印として図示される物体１（被写体）からの光を入射光として、物体１を撮像する。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。信号処理部１３は、撮像素子１２からの電気信号を処理して画像信号を生成する。
　図２～図５は、撮像素子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。ＸＹ平面方向は、後述する画素層３、透明層５等の面方向に相当する。以下、とくに説明がある場合を除き、「平面視」は、Ｚ軸方向に（例えばＺ軸負方向に）視ることを指し示す。「側面視」は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向（例えばＹ軸負方向）に視ることを指し示す。
　撮像素子１２は、配線層２と、画素層３と、光学素子４とを含む。配線層２、画素層３及び光学素子４は、Ｚ軸正方向にこの順に設けられる。
　図２には、平面視したときの画素層３のレイアウトが模式的に示される。画素層３は、ＸＹ平面方向に配置された複数の画素を含む画素アレイである。各画素は、光電変換素子を含んで構成される。光電変換素子の例は、フォトダイオード（ＰＤ：Photo　Diode）である。各画素は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）のいずれかの色に対応する。赤色の光の波長帯域の例は、波長をλ０とすると、６００ｎｍ＜λ０である。緑色の光の波長帯域の例は、５００ｎｍ＜λ０≦６００ｎｍである。青色の光の波長帯域の例は、λ０≦５００ｎｍである。各画素を色ごとに区別できるように、画素Ｒ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｂと称し図示する。これら４つの画素Ｒ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｂは、ベイヤー配列され、１つの画素ユニット（カラー画素ユニット）を構成する。
　図３には、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ´線に沿って側面視したときの撮像素子１２の断面の例が示される。図４には、図２のＩＶ－ＩＶ´線に沿って側面視したときの撮像素子１２の断面の例が示される。図中、矢印は、撮像素子１２に入射する光を模式的に示す。入射した光は、Ｚ軸負方向に沿って進み、光学素子４を介して画素層３に到達する。
　後述の原理により、光学素子４は、入射した光のうちの赤色の光を画素Ｒに集光し、緑色の光を画素Ｇ１及び画素Ｇ２に集光し、青色の光を画素Ｂに集光する。これらの画素Ｒ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｂ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２を介して撮像素子１２の外部に出力される。配線層２に含まれる配線のいくつかが図示される。
　光学素子４は、画素層３を覆うように設けられる。光学素子４の例は、メタサーフェスである。メタサーフェスは、光の波長以下の幅を有する複数の微細構造体（後述の構造体６に相当）を含んで構成される。メタサーフェスは、２次元構造を有してもよいし、３次元構造を有してもよい。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できる。３次元構造の場合、２次元構造よりも設計自由度が向上する。
　光学素子４は、色分離機能及びレンズ機能の２つの機能を有する。色分離機能は、入射した光を各色（各波長帯域）の光に分離する機能（分光機能、光分離機能）である。レンズ機能は、各色の光を対応する画素に集光する機能である。この例では、色分離機能により、入射した光が赤色の光、緑色の光及び青色の光に分離される。レンズ機能により、赤色の光が画素Ｒに集光され、緑色の光が画素Ｇ１及び画素Ｇ２に集光され、青色の光が画素Ｂに集光される。
　光学素子４は、透明層５と、構造体６とを含む。透明層５は、画素層３を覆うように、画素層３上に設けられる。透明層５は、構造体６の屈折率よりも低い屈折率を有してよい。透明層５の材料の例は、ＳｉＯ２等である。透明層５は空隙であってもよく、その場合、透明層５の屈折率は、空気の屈折率に等しくてよい。透明層５の材料は単一であってもよいし、複数の材料が層状になったものでもよい。
　複数の構造体６は、透明層５上又は透明層５内において、透明層５の面方向（ＸＹ平面方向）に、例えば周期的に（周期構造を有して）、配置される。この例では、構造体６は、透明層５を挟んで画素層３とは反対側（Ｚ軸正方向側）において、透明層５上に設けられる。複数の構造体６は、設計を容易にする等のために等間隔配置されてもよいし、不等間隔配置されてもよい。各構造体６は、入射光の波長と同程度又はそれよりも小さい寸法を有するナノオーダーサイズの微細構造体である。
　図５には、図２の破線Ｖで囲まれた部分に対応する複数の構造体６の断面の例が模式的に示される。複数の構造体６は、複数の構造体６１（第１の構造体）と、複数の構造体６２（第２の構造体）と、複数の構造体６３（第３の構造体）とを含む。平面視したときに、複数の構造体６１の各々は、同じ種類（第１の種類）の断面形状を有する。同じ種類の断面形状は、異なる寸法（長さ、幅等）を有する断面形状を含む。同様に、複数の構造体６２の各々は、同じ種類（第２の種類）の断面形状を有する。複数の構造体６３の各々は、同じ種類（第３の種類）の断面形状を有する。断面形状は、４回回転対称形状であってよい。そのような断面形状は、例えば、正方形形状、十字形状、円形形状の少なくとも１つを含んで構成されてよい。
　構造体６１、構造体６２及び構造体６３は、互いに異なる種類の断面形状を有する。図５に示される例では、構造体６１の断面形状は、正方形形状である。構造体６２の断面形状は、Ｘ字形状である。Ｘ字形状は、十字形状を含んで構成された形状の例であり、十字型形状を４５°面内回転させた形状である。構造体６３の断面形状は、中空ひし形形状である。中空ひし形形状は、正方形形状を含んで構成された形状の例であり、中空正方形形状を４５°面内回転させた形状である。
　なお、Ｘ字形状、ひし形形状のような４５°面内回転させた形状を採用すれば、隣接する構造体との間の光学的結合を弱まるので、それぞれの構造体の光学特性が、隣接する構造体の影響を受けず維持されやすくなる。その結果、後述する理想的な位相遅延量分布を再現し易くなる。
　上述のように画素Ｒ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｂがベイヤー配列される場合、図２及び図５の対比から理解されるように、画素Ｇ１（あるいは画素Ｇ２）に対向する領域に配置された複数の構造体６は、画素Ｇ２（あるいは画素Ｇ１）に対向する領域に配置された複数の構造体６の全体配置構造を９０°回転させた全体配置構造を有する。これは、画素Ｇ１及び画素Ｇ２それぞれで隣り合う画素Ｒ及び画素Ｂの配置が異なるからである。画素Ｇ１及び画素Ｇ２の上方における構造体６の全体配置構造を、９０°回転させる点を除いて共通化することで、ベイヤー配列のような複雑な色配置においても効率的な集光が可能になる。
　図６～図８は、対応する画素への集光を模式的に示す図である。図６において矢印で示されるように、青色の光が画素Ｂに集光される。この例では、画素Ｂの上方（Ｚ軸正方向）の光だけでなく、画素Ｂの周辺の画素の上方の光も、画素Ｂに集光される。すなわち、複数の構造体６（図３～図５）は、画素Ｂと対向する領域の外側に入射した光のうちの画素Ｂに対応する色の光も、画素Ｂに集光するように配置される。これにより、画素Ｂと対向する領域に入射した光だけを画素Ｂに集光する場合よりも、受光光量を増加させることができる。
　図７において矢印で示されるように、緑色の光が画素Ｇ１及び画素Ｇ２に集光される。この例では、画素Ｇ１及び画素Ｇ２の上方の光だけでなく、画素Ｇ１及び画素Ｇ２の周辺の画素の上方の光も、画素Ｇ１及び画素Ｇ２に集光される。すなわち、複数の構造体６は、画素Ｇ１及び画素Ｇ２と対向する領域の外側に入射した光のうちの画素Ｇ１及び画素Ｇ２と対向する色の光も、画素Ｇ１及び画素Ｇ２に集光するように配置される。これにより、画素Ｇ１及びＧ２と対向する領域に入射した光だけを画素Ｇ１及び画素Ｇ２に集光する場合よりも、受光光量を増加させることができる。
　図８において矢印で示されるように、赤色の光が画素Ｒに集光される。この例では、画素Ｒの上方の光だけでなく、画素Ｒの周辺の画素の上方の光も、画素Ｒに集光される。すなわち、複数の構造体６は、画素Ｒと対向する領域の外側に入射した光のうちの画素Ｒに対応する色の光も、画素Ｒに集光するように配置される。これにより、画素Ｒと対向する領域に入射した光だけを画素Ｒに集光する場合よりも、受光光量を増加させることができる。
　図９～図１１は、波長ごとの光強度分布の例（計算結果の例）を示す。光強度が大きい箇所が明るく示される。図９に示されるように、青色の光（この例では波長λ０＝４３０ｎｍ）が画素Ｂに集中して分布する。図１０に示されるように、緑色の光（この例では波長λ０＝５２５ｎｍ）が画素Ｇ１及び画素Ｇ２に集中して分布する。図１１に示されるように、赤色の光（この例では波長λ０＝６３５ｎｍ）が画素Ｒに集中して分布する。
　図１２～図１７は、構造体の概略構成の例を示す図である。図１２及び図１３には、側面視及び平面視したときの構造体６１を概略構成の例が示される。図１４及び図１５には、側面視及び平面視したときの構造体６２を概略構成の例が示される。図１６及び図１７には、側面視及び平面視したときの構造体６３の概略構成の例が示される。以下、構造体６１、構造体６２及び構造体６３を単に「構造体６１等」という場合もある。
　構造体６１等は、Ｚ軸方向に延在する柱状構造体であり、基部６ａ上に形成される。柱状構造体の材料の例は、ＴｉＯ２（屈折率２．４０）又はＳｉＮ（屈折率２．０５）である。基部６ａは、柱状構造体の下方の透明層を構成する。基部６１ａは、例えばＳｉＯ２基板（屈折率１．４５）の一部である。構造体６１等の側方及び上方は、空気（Ａｉｒ）である。
　それぞれの構造体６１等に対応する基部６ａの幅を、幅Ｗと称し図示する。基部６ａの幅Ｗは、構造体６１等の配置周期を与える。幅Ｗは、透過側で回折光が生じないように、Ｗ≦（λｍｉｎ／n２）に設定されてよい。λｍｉｎは、受光対象の波長帯域における最短波長であり、例えば４１０ｎｍである。ｎ２は、基部６ａの屈折率であり、基部６ａがＳｉＯ２の場合、ｎ２＝１．４５である。幅Ｗ（構造体６１等の配置周期）の例は、２８０ｎｍである。
　側面視したときの構造体６１等の高さ（Ｚ軸方向の長さ）を、高さＨと称し図示する。構造体６１等の高さＨは同じであってよい。高さＨは、構造体６１等が、入射した光、すなわちＺ軸方向に沿って進む光に対して２π以上の光位相遅延量（位相値）を与えることができるように、Ｈ≧λｒ／（ｎ１－ｎ０）に設定されてよい。波長λｒは、色分離の対象となる光の波長帯域のうち、最も長波長側の波長帯域における所望の中心波長である。ｎ１は、構造体６１等の屈折率である。構造体６１等がＴｉＯ２の場合、ｎ１＝２．４０であり、高さＨは例えば１２５０ｎｍである。構造体６１等がＳｉＮの場合、ｎ１＝２．０５であり、高さＨは例えば１６００ｎｍである。
　構造体６１等の断面形状を設計（寸法設計を含む）することで、各色の光（各波長の光に）対して異なる光位相遅延量を与えることのできるさまざまな組み合わせが実現可能である。断面形状を多様化させることで、組み合わせが増加し、設計自由度はさらに向上する。
　図１８及び図１９は、各波長と光位相遅延量との組み合わせの例を示す図である。青色の光の例として、波長が４３０ｎｍの光に対する光位相遅延量（Ｐｈａｓｅ＠λ＝４３０ｎｍ（ｒａｄ／π））が示される。緑色の光の例として、波長が５２０ｎｍの光に対する光位相遅延量（Ｐｈａｓｅ＠λ＝５２０ｎｍ（ｒａｄ／π））が示される。赤色の光の例として、波長が６３５ｎｍの光に対する光位相遅延量（Ｐｈａｓｅ＠λ＝６３５ｎｍ（ｒａｄ／π））が示される。
　四角プロットは、正方形形状の断面形状を有する構造体６１の断面形状の寸法をさまざまに設定したときの光位相遅延量を示す。Ｘ字プロットは、Ｘ字形状の断面形状を有する構造体６２において、断面形状の寸法をさまざまに設定したときの光位相遅延量を示す。ひし形プロットは、中空ひし形形状の断面形状を有する構造体６３において、断面形状の寸法をさまざまに設定したときの光位相遅延量を示す。いずれも高さＨは一定である。黒丸プロットは、後述のレンズ設計における理想的な光位相遅延量である。
　図１８には、構造体６１等がＴｉＯ２である場合の光位相遅延量が示される。図１９には、構造体６１等がＳｉＮである場合の光位相遅延量が示される。理解されるように、構造体６１等の断面形状の設計により、各色の光（各波長の光）と光位相遅延量とのさまざまな組み合わせを実現できる。すなわち、同じ高さＨを有する柱状構造体を用いるだけでも、多様な波長分散を持つ光位相遅延量特性（位相特性）が実現できる。これは、断面形状によって、生じる光導波モード・光共振モードとそれに起因する光位相遅延量の波長分散特性を変化させることができるからである。
　以上の原理に基づき、透明層５の面方向に配置された構造体６１等の断面形状及び配置の設計により、波長ごとに異なる集光点を持つレンズ機能を実現できる。なお、波長が３つの場合に限らず、波長が２つ又は波長が４つ以上の場合でもレンズ設計は可能である。
　レンズ設計の例について、図２０～図３９を参照して説明する。レンズ設計では、理想的な光位相遅延量分布（位相分布）を実現するように、構造体６１等の断面形状及び配置を設計する。以下に説明する例では、赤色の光、緑色の光及び青色の光それぞれの波長帯域の中心波長ごとに理想的な光位相遅延量分布に従って、構造体６１等の断面形状及び配置を設計した。画素の大きさは、１．６８μｍ×１．６８μｍである。焦点距離は、４．２μｍである。青色の光に対応する中心波長は、４３０ｎｍである。緑色の光に対応する中心波長は、５２０ｎｍである。赤色の光に対応する中心波長は、６３５ｍである。
　理想的な光位相遅延量分布をφとすると、φは以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　上記の式（１）において、λdは、中心波長（設計波長）である。Ｘｆ、Ｙｆ及びＺｆは、集光位置である。ｎ２は、基部６ａの屈折率である。Ｃは、任意定数である。
　理想的な光位相遅延量分布は、画素Ｂ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｒそれぞれに以下の集光位置を与える位相分布とした。なお、４つの画素（画素ユニット）の中心位置が、ｘ＝０、ｙ＝０に対応する。
　画素Ｂ：Ｘｆ＝＋０．８４μｍ、ｙｆ＝－０．８４μｍ、Ｚｆ＝４．２μｍ
　画素Ｇ１：Ｘｆ＝＋０．８４μｍ、ｙｆ＝＋０．８４μｍ、Ｚｆ＝４．２μｍ
　画素Ｇ２：Ｘｆ＝―０．８４μｍ、ｙｆ＝―０．８４μｍ、Ｚｆ＝４．２μｍ
　画素Ｒ：Ｘｆ＝―０．８４μｍ、ｙｆ＝＋０．８４μｍ、Ｚｆ＝４．２μｍ
　φは、０～２πの範囲に収まるように変換している。例えば、－０．５π及び２．５πは、１．５π及び０．５πにそれぞれに変換している。各中心波長における光位相遅延量分布が、集光位置を中心に（隣接レンズとあわせて）左右上下対称となるように光位相遅延量分布の境界領域を設定した。定数Ｃは、各波長において、光位相遅延量分布のエラー（理想値との差）が最小になるように最適化されてよい。各波長における光位相遅延量から、各中心波長での光位相遅延量分布に最も適合する構造（エラーが最小になる構造）を、対応する位置に配置した。
　図２０～図２９には、構造体６１等がＴｉＯ２である場合のレンズ設計の例が示される。図２０に示されるように複数の構造体６１等が配置される。図示される構造体６１等の中心位置が、ｘ＝０、ｙ＝０に対応する。
　図２１には、中心波長が４３０ｎｍ（青色の光）の場合の理想的な光位相遅延量分布（Ｐｈａｓｅ（ｒａｄ／π））が示される。図２２には、ｙ＝０．９８μｍでのＸ軸方向の光位相遅延量分布の例が示される。図２３には、ｙ＝－０．９８μｍでのＸ軸方向の光位相遅延量分布の例が示される。破線（Ｉｄｅａｌ）は理想的な光位相遅延量分布を示し、プロット（Ｄｅｓｉｇｎｅｄ）は、上述の図２０に示される複数の構造体６１等の配置によって得られる光位相遅延量分布を示す。
　図２４には、中心波長が５２０ｎｍ（緑色の光）の場合の理想的な光位相遅延量分布が示される。図２５には、ｙ＝０．９８μｍでのＸ軸方向の光位相遅延量分布の例が示される。図２６には、ｙ＝－０．９８μｍでのＸ軸方向の光位相遅延量分布の例が示される。
　図２７には、中心波長が６３５ｎｍ（赤色の光）の場合の理想的な光位相遅延量分布が示される。図２８には、ｙ＝０．９８μｍでのＸ軸方向の光位相遅延量分布の例が示される。図２９には、ｙ＝－０．９８μｍでのＸ軸方向の光位相遅延量分布の例が示される。
　理解されるように、中心波長が４３０ｎｍ、５２０ｎｍ及び６３５ｎｍ（青色の光、緑色の光及び赤色の光）のいずれにおいても、理想に近い光位相遅延量分布が得られることが分かる。
　図３０～図３９には、構造体６１等がＳｉＮである場合のレンズ設計の例が示される。図３０に示されるように複数の構造体６１等が配置される。
　図３１には、中心波長が４３０ｎｍ（青色の光）の場合の理想的な光位相遅延量分布が示される。図３２には、ｙ＝０．９８μｍでのＸ軸方向の光位相遅延量分布の例が示される。図３３には、ｙ＝－０．９８μｍでのＸ軸方向の光位相遅延量分布の例が示される。　　　
　図３４には、中心波長が５２０ｎｍ（緑色の光）の場合の理想的な光位相遅延量分布が示される。図３５には、ｙ＝０．９８μｍでのＸ軸方向の光位相遅延量分布の例が示される。図３６には、ｙ＝－０．９８μｍでのＸ軸方向の光位相遅延量分布の例が示される。
　図３７には、中心波長が６３５ｎｍ（赤色の光）の場合の理想的な光位相遅延量分布が示される。図３８には、ｙ＝０．９８μｍでのＸ軸方向の光位相遅延量分布の例が示される。図３９には、ｙ＝－０．９８μｍでのＸ軸方向の光位相遅延量分布の例が示される。
　理解されるように、中心波長が４３０ｎｍ、５２０ｎｍ及び６３５ｎｍ（青色の光、緑色の光及び赤色の光）のいずれにおいても、理想に近い光位相遅延量分布が得られることが分かる。
　画素に入射する光のスペクトル及び強度分布について、図４０～図４７を参照して説明する。
　図４０には、構造体６１等がＴｉＯ２である場合の、各画素に入射する光のスペクトルの例が示される。スペクトルは、無偏光の平面光波を、基板（ＸＹ平面）に対して垂直に入射した際のスペクトルである。構造体６１等の下端（レンズ構造端）から画素層３までの距離は、４．２μｍ（レンズ焦点距離）である。グラフの横軸は、波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｎｍ））を示す。縦軸は、受光効率（Ｄｅｔｅｃｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ）を示す。受光効率は、（画素上の光強度）／（構造体６１等への入射光強度）である。例えば構造体６１等に入射した光の半分が画素に入射すると、受光効率は０．５になる。
　各画素が対応する色の光の波長帯域でピークを持つように、各画素に光が集光される。画素Ｒに入射する光のスペクトルが、グラフ線Ｒで示される。画素Ｇ１及び画素Ｇ２に入射する光のスペクトルが、グラフ線Ｇ１及びグラフ線Ｇ２で示される。画素Ｂに入射する光のスペクトルが、グラフ線Ｂで示される。比較例として、実施形態に係る光学素子４に代えて一般的なフィルタ（カラーフィルタ）を用いた場合の受光効率の上限値０．２が、Filter　limit　(with　Tmax=80%)として示される。この受光効率の上限値０．２は、各波長で最大８０％の透過率を有するフィルタを、画素Ｒ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｂの４画素に分割した値（０．８／４＝０．２）である。
　画素Ｒ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｂのいずれもが、比較例の上限値０．２よりも大きいピーク値を持っており、画素での受光光量が比較例よりも大きくなることが分かる。例えば、マーカＭＡで示される波長４３０ｎｍにおいて、画素Ｂの受光効率は、比較例の上限値０．２を大きく上回る。マーカＭＢで示される波長５２５ｎｍにおいても、画素Ｇ１及び画素Ｇ２の受光効率は、比較例の上限値０．２を大きく上回る。マーカＭＣで示される波長６３５ｎｍにおいても、画素Ｒの受光効率は、比較例の上限値０．２を大きく上回る。
　総透過率、すなわち（全画素上の光強度の総和）／（構造体６１等への入射光強度）を波長４００ｎｍ～７００ｎｍにわたって平均した値は９３．２％であり、一般的なフィルタを用いた場合の上限値～３３％を大きく上回る。このことからも、画素の受光効率を向上できることが分かる。
　図４１には、図４０のマーカＭＡの波長の光（青色の光）の強度分布が示される。画素Ｂに分布が集中していることが分かる。図４２には、図４０のマーカＭＢの波長の光（緑色の光）の強度分布が示される。画素Ｇ１及び画素Ｇ２に分布が集中していることが分かる。図４３には、図４０のマーカＭＣの波長の光（赤色の光）の強度分布が示される。画素Ｒに分布が集中していることが分かる。
　図４４には、構造体６１等がＳｉＮである場合の、各画素に入射する光のスペクトルの例が示される。上述の構造体６１等がＳｉＯ２である場合と同様に、画素Ｒ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｂのいずれもが、比較例の上限値０．２よりも大きいピーク値を持っており、画素での受光光量が比較例よりも大きい。総透過率は９７．１％であり、一般的なフィルタを用いた場合の上限値～３３％を大きく上回る。
　図４５には、図４４のマーカＭＡの波長の光（青色の光）の強度分布が示される。画素Ｂに分布が集中していることが分かる。図４６には、図４４のマーカＭＢの波長の光（緑色の光）の強度分布が示される。なお、このＳｉＮの場合のマーカＭＢが示す波長は、５２０ｎｍである。画素Ｇ１及び画素Ｇ２に分布が集中していることが分かる。図４７には、図４４のマーカＭＣの波長の光（赤色の光）の強度分布が示される。画素Ｒに分布が集中していることが分かる。
　図４８～図６６は、入射角度依存性の例を示す図である。図４８～図５８には、構造体６１等がＴｉＯ２である場合の入射角度依存性の例が示される。
　これまでも説明したが、図４８に示されるように、画素Ｒ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｂが配置されている。このときに、図４９に示されるようにＺ軸方向を０°としたＸＺ平面での角度（Angle）を入射角度とした場合の入射角度依存性が、図５０～図５３に示される。図５０には、画素Ｒの受光効率が、波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（μｍ））ごと及び入射角度（Ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ａｎｇｌｅ　（ｄｅｇｒｅｅ））ごとに、すなわち入射角度ごとにスペクトルで示される。図５１には、画素Ｇ１の受光効率が、入射角度ごとにスペクトルで示される。図５２には、画素Ｇ２の受光効率が、入射角度ごとにスペクトルで示される。図５３には、画素Ｂの受光効率が、入射角度ごとにスペクトルで示される。画素Ｒ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｂのいずれにおいても、入射角度が±１２°程度の範囲においてスペクトルに大きな変化は生じない。
　図５４に示されるようにＺ軸方向を０°としたＹＺ平面での角度（Angle）を入射角度した場合の入射角度依存性が、図５５～図５８に示される。図５５には、画素Ｒの受光効率が、入射角度ごとにスペクトルで示される。図５６には、画素Ｇ１の受光効率が、入射角度ごとにスペクトルで示される。図５７には、画素Ｇ２の受光効率が、入射角度ごとにスペクトルで示される。図５８には、画素Ｂの受光効率が、入射角度ごとにスペクトルで示される。画素Ｒ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｂのいずれにおいても、入射角度が±１２°程度の範囲においてスペクトルに大きな変化は生じない。
　図５９～図６６には、構造体６１等がＳｉＮである場合の入射角度依存性の例が示される。
　先に説明した図４９に示されるようなＸＺ平面での入射角度依存性が、図５９～図６２に示される。図５９には、画素Ｒへの入射角度依存性が示される。図６０には、画素Ｇ１への入射角度依存性が示される。図６１には、画素Ｇ２への入射角度依存性が示される。図６２には、画素Ｂへの入射角度依存性が示される。いずれの画素においても、入射角度が±１２°程度の範囲において、スペクトルに大きな変化は生じない。
　先に説明した図５４に示されるようなＹＺ平面での入射角度依存性が、図６３～図６６に示される。図６３には、画素Ｒへの入射角度依存性が示される。図６４には、画素Ｇ１への入射角度依存性が示される。図６５には、画素Ｇ２への入射角度依存性が示される。図６６には、画素Ｂへの入射角度依存性が示される。いずれの画素においても、入射角度が±１２°程度の範囲において、スペクトルに大きな変化は生じない。
　以上のように、入射角度には少なくとも±１２°の耐性があることが確認された。これは、例えばＮＡ（開口数）が～０．２１の撮像レンズを使用して撮像した場合でも色のエラーが生じにくいことを意味する。スマートフォンなどのカメラの一般的な撮像レンズ（望遠）のＮＡが０．２前後であることを考慮すると、実施形態に係る光学素子４は、スマートフォン用カメラ等にも使用できる可能性がある。なお、入射角度に対する耐性は、焦点距離に主に依存するため、より短い焦点距離を持つレンズを設計すれば許容角度がさらに広がる。
　以上説明したように、光学素子４によれば、レンズ機能の両方の機能が実現される。例えば従来技術に係る撮像素子は、光学素子４ではなく、フィルタ（例えばカラーフィルタ）を備えている。すなわち、各画素の色に対応するフィルタが、その画素を覆うように設けられる。この場合、フィルタによって透過波長帯域以外の波長の光が吸収されるので、フィルタ透過後の光量が、フィルタに入射した光の光量の約１／３程度しか残らず、受光効率が低下する。これに対し、実施形態に係る撮像素子１２によれば、上述のとおり光量がそれよりも多く（例えば９０％よりも多く）維持されるので、受光効率が大幅に向上する。
　また、従来技術には、開口率の向上、光入射角度依存性の低減等によって受光光量を増加させる（感度を向上させる）ために、フィルタを挟んで画素とは反対側にマイクロレンズを設けた（集積化した）ものもある。この場合は、少なくともフィルタ及びマイクロレンズの２層構造となるため、構造が複雑化し、製造コストも増加する。実施形態に係る光学素子４によれば、色分離機能及びレンズ機能が光学素子４のみで実現できるので、構造を簡素化し、製造コストを低減することができる。また、複数の構造体６を面内（ＸＹ平面内）に隙間なく配置できるので、マイクロレンズに比べて開口率が増加する。
　再び図１に戻り、撮像装置１０の信号処理部１３について説明する。信号処理部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の画素の露光、画素層３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。
　以上、本開示の一実施形態について説明したが、実施形態に係る光学素子、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、複数の構造体６が、透明層５を挟んで画素層３とは反対側において透明層５上に設けられる例について説明した。ただし、透明層５及び複数の構造体６の構成はこれに限定されない。
　図６７及び図６８は、変形例に係る撮像素子の概略構成の例を示す図である。図６７に例示される撮像素子１２Ａでは、光学素子４Ａにおいて、複数の構造体６が、透明層５内に設けられる。構造体６は、画素層３上の（ＰＤ上の）の透明層５内に埋め込まれる。一方、図６８に例示される撮像素子１２Ｂでは、光学素子４Ｂにおいて、透明層５は、透明基板５ａ及び空気層５ｂを含む。複数の構造体６は、透明基板５ａから画素層３に向かって（Ｚ軸負方向に）延在するように、透明基板５ａ上に設けられる（透明基板５ａに支持される）。
　構造体６の断面形状は、先に説明した図５等に示される形状に限られない。図６９は、構造体の断面形状の例を示す図である。例示されるようなさまざまな断面形状を、構造体６が有してよい。例示される形状は、例えば正方形形状、十字形状及び円形形状をさまざまに組み合わせることによって得られる４回回転対称形状である。
　撮像素子がフィルタを備えてもよい。図７０及び図７１は、そのような変形例に係る撮像素子の概略構成の例を示す図である。例示される撮像素子１２Ｃは、画素層３と光学素子４との間に設けられたフィルタ層７を備える。図７０には、図２において撮像素子１２を撮像素子１２Ｃに置き換えた場合の、ＩＩＩ－ＩＩＩ´線に沿って側面視したときの撮像素子１２Ｃの断面の例が示される。図７１には、図２において撮像素子１２を撮像素子１２Ｃに置き換えた場合の、ＩＶ－ＩＶ´線に沿って側面視したときの撮像素子１２Ｃの断面の例が示される。
　フィルタ層７は、フィルタ７Ｒと、フィルタ７Ｇ１と、フィルタ７Ｇ２と、フィルタ７Ｂとを含む。フィルタ７Ｒは、画素Ｒを覆うように設けられ、赤色の光を通過させる。フィルタ７Ｇ１は、画素Ｇ１を覆うように設けられ、緑色の光を通過させる。フィルタ７Ｇ２は、画素Ｇ２を覆うように設けられ、緑色の光を通過させる。フィルタ７Ｂは、画素Ｂを覆うように設けられ、青色の光を通過させる。フィルタ７Ｒ、フィルタ７Ｇ１、フィルタ７Ｇ２及びフィルタ７Ｂの材料の例は、樹脂等の有機材料である。
　光学素子４によって色分離された光は、さらにフィルタ層７を通過してから、画素層３に到達する。光学素子４及びフィルタ層７の両方の色分離により、一方でのみ色分離される場合よりも、スペクトルのクロストークが抑制され（不要な他の色成分の大部分が除去され）、色再現性が向上する。また、入射した光は光学素子４で分離された後にフィルタ層７を通過するので、光量を大きく減少させることがない。したがって、光学素子４が無くフィルタ層７のみが設けられる場合と比較して、画素の受光効率が向上する。
　図７２及び図７３は、画素に入射する光のスペクトルの例を示す図である。
　図７２には、構造体６１等がＴｉＯ２である場合のスペクトルの例が示される。画素Ｒの受光効率が、グラフ線Ｍｅｔａｌｅｎｓ×Ｒ　ｆｉｌｔｅｒ　（Ｒ）で示される。画素Ｇ１及び画素Ｇ２の受光効率が、グラフ線Ｍｅｔａｌｅｎｓ×Ｇ　ｆｉｌｔｅｒ　（Ｇ１　ｏｒ　Ｇ２）で示される。画素Ｂの受光効率が、グラフ線Ｍｅｔａｌｅｎｓ×Ｒ　ｆｉｌｔｅｒ　（Ｂ）で示される。比較例として、光学素子４が無く一般的なフィルタだけが設けられた場合の画素Ｒの受光効率が、グラフ線Ｒ　ｆｉｌｔｅｒ　（Ｒ）で示される。画素Ｇの受光効率が、グラフ線Ｇ　ｆｉｌｔｅｒ　（Ｇ１　ｏｒ　Ｇ２）で示される。画素Ｂの受光効率が、グラフ線Ｂ　ｆｉｌｔｅｒ　（Ｂ）で示される。
　画素Ｒ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｂのスペクトルのピーク値は比較例の１．２～２．０倍程度もあり、比較例よりも大きな受光効率が得られる。総透過率も４３．３％であり、比較例の３４．７％を大きく上回る（約１．２５倍）。さらに、各画素に入射する光のスペクトルも比較例のスペクトルよりシャープになっており、その分、不要な他の色成分を減少できることも分かる。これにより、色再現性が高められる。
　図７３には、構造体６１等がＳｉＮである場合のスペクトルの例が示される。画素Ｒ、画素Ｇ１、画素Ｇ２及び画素Ｂのスペクトルのピーク値は比較例の１．２～２．０倍程度もあり、比較例よりも大きな受光効率が得られる。総透過率も４５％であり、比較例の３４．７％を大きく上回（約１．３０倍）。さらに、比較例と比べて、各画素に入射する光のスペクトルも比較例のスペクトルよりシャープになっており、その分、不要な他の色成分を減少できることも分かる。これにより、色再現性が高められる。
　入射角度依存性について、図７４～図９１を参照して説明する。図７４～図８３には、構造体６がＴｉＯ２である場合の入射角度依存性の例が示される。
　図７４に示されるようなＸＺ平面での入射角度依存性が、図７５～図７８に示される。図７５には、画素Ｒへの入射角度依存性が示される。図７６には、画素Ｇ１への入射角度依存性が示される。図７７には、画素Ｇ２への入射角度依存性が示される。図７８には、画素Ｂへの入射角度依存性が示される。いずれの画素においても、入射角度が±１２°程度の範囲において、スペクトルに大きな変化は生じない。
　図７９に示されるようなＹＺ平面での入射角度依存性が、図８０～図８３に示される。図８０には、画素Ｒへの入射角度依存性が示される。図８１には、画素Ｇ１への入射角度依存性が示される。図８２には、画素Ｇ２への入射角度依存性が示される。図８３には、画素Ｂへの入射角度依存性が示される。いずれの画素においても、入射角度が±１２°程度の範囲において、スペクトルに大きな変化は生じない。
　図８４～図９１には、構造体６１等がＳｉＮである場合の入射角度依存性の例が示される。
　先に説明した図７４に示されるようなＸＺ平面での入射角度依存性が、図８４～図８７に示される。図８４には、画素Ｒへの入射角度依存性が示される。図８５には、画素Ｇ１への入射角度依存性が示される。図８６には、画素Ｇ２への入射角度依存性が示される。図８７には、画素Ｂへの入射角度依存性が示される。いずれの画素においても、入射角度が±１２°程度の範囲において、スペクトルに大きな変化は生じない。
　先に説明した図７９に示されるようなＹＺ平面での入射角度依存性が、図８８～図９１に示される。図８８には、画素Ｒへの入射角度依存性が示される。図８９には、画素Ｇ１への入射角度依存性が示される。図９０には、画素Ｇ２への入射角度依存性が示される。図９１には、画素Ｂへの入射角度依存性が示される。いずれの画素においても、入射角度が±１２°程度の範囲において、スペクトルに大きな変化は生じない。
　以上説明したように、フィルタ層７をも備える撮像素子１２Ｃによれば、受光効率を向上させるとともに、色再現性をもさらに向上させることができる。
　上記実施形態では、構造体６の材料として、ＴｉＯ２及びＳｉＮを例に挙げて説明した。ただし、構造体６の材料はそ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の他に、ＳｉＣ、ＴｉＯ２、ＧａＮ等が構造体６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６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６の材料として用いることができる。
　構造体６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５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６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５は、対応する画素に到達すべき光の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５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、対応する画素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、画素の対応する色として、ＲＧＢの３原色を例に挙げて説明したが、画素は、３原色以外の波長の光（例えば、赤外光、紫外光等）にも対応してよい。
　上記実施形態では、構造体６１、構造体６２及び構造体６３という異なる３種類の断面形状を有する構造体が用いられる例について説明した。ただし、２種類の構造体（例えば構造体６１及び構造体６２のみ）が用いられてもよいし、４種類以上の構造体が用いられてもよい。
　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。
　以上説明した技術は、例えば次のように特定される。図１～図５、図６７及び図６８等を参照して説明したように、光学素子４は、各々が光電変換素子を含む複数の画素（画素Ｒ等）を覆うための透明層５と、透明層５上又は透明層５内において透明層５の面方向（ＸＹ平面方向）に配置された複数の構造体６と、を備える。複数の構造体６は、入射した光のうち、複数の画素それぞれに対応する色（例えば赤色、緑色及び青色）を、対応する画素に集光するように配置される。複数の構造体６は、透明層５を平面視したときに（Ｚ軸方向にみたときに）、互いに異なる種類の断面形状（例えば正方形形状、Ｘ字形状及び中空ひし形形状）を有する構造体（例えば構造体６１、構造体６２及び構造体６３）を含む。
　上記の光学素子４は、色分離機能及びレンズ機能（集光機能）の両方の機能を兼ね備える。したがって、例えば各画素に対応するフィルタ（例えばカラーフィルタ）を設けたり、さらにはマイクロレンズを設けたりする場合よりも、画素の受光効率を大幅に向上させ、受光感度を向上させることができる。構造が簡素化されるので、製造コストを低減することもできる。複数の構造体６を面内に隙間なく配置できるので、マイクロレンズに比べて開口率も増加する。
　図１２～図１７等を参照して説明したように、複数の構造体６の各々は、透明層５の屈折率よりも高い屈折率を有し、入射した光に対して断面形状に応じた光位相遅延量を与える柱状構造体であってよい。図２０～図３９等を参照して説明したように、複数の構造体６は、上述の集光を実現するための光位相遅延量分布に従って配置されてよい。例えばこのような複数の構造体６の配置により、色分離機能及びレンズ機能の両方の機能を実現することができる。
　図５及び図６９等を参照して説明したように、複数の構造体６の各々の断面形状は、４回回転対称形状であってよい。これにより、偏光依存性が生じないようにすることができる。
　図６～図８等を参照して説明したように、複数の構造体６は、１つの画素と対向する領域の外側に入射した光のうちの当該１つの画素に対応する色の光も当該１つの画素に集光するように配置されてよい。これにより、１つの画素と対向する領域に入射した光だけをその画素に集光する場合よりも、受光光量を増加させることができる。
　図２及び図５等を参照して説明したように、複数の画素は、ベイヤー配列された、赤色に対応する１つの画素Ｒ、緑色に対応する２つの画素Ｇ１及び画素Ｇ２並びに青色に対応する１つの画素Ｂからなる画素ユニットを含み、複数の構造体６のうち、画素ユニット中の緑色に対応する一方の画素（例えば画素Ｇ１）と対向する領域に配置された複数の構造体６は、緑色に対応する他方の画素（例えば画素Ｇ２）と対向する領域に配置された複数の構造体の全体配置構造を９０°回転させた全体配置構造を有してよい。このように複数の構造体６の全体配置構造を、９０°回転させる点を除いて共通化することで、ベイヤー配列のような複雑な色配置においても効率的な集光が可能になる。
　図１～図５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。撮像素子１２は、光学素子４と、透明層５で覆われた複数の画素（画素Ｒ等）と、を備える。これにより、先にも説明したように、製造コストを低減することができる。受光感度を向上させたり、開口率を増加させたりすることもできる。
　図７０及び図７１等を参照して説明したように、撮像素子１２Ｃは、複数の画素（画素Ｒ等）と透明層５との間に設けられたフィルタ層７を備えてよい。これにより、受光効率を向上させるとともに、色再現性をさらに向上させることができる。
　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。撮像装置１０は、上述の撮像素子１２と、撮像素子１２から得られた電気信号に基づいて画素信号に基づいて画像信号を生成する信号処理部１３と、を備える。これにより、先にも説明したように、製造コストを低減することができる。受光感度を向上させたり、開口率を増加させたりすることもできる。
　　３　画素層
　　４　光学素子
　　５　透明層
　　６　構造体
　　７　フィルタ層
　１０　撮像装置
　１１　レンズ光学系
　１２　撮像素子
　６１　構造体
　６２　構造体
　６３　構造体
　　Ｒ　画素
　Ｇ１　画素
　Ｇ２　画素
　　Ｂ　画素

Claims (8)

  1. 　各々が光電変換素子を含む複数の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、
    　前記複数の構造体は、入射した光のうち、前記複数の画素それぞれに対応する色の光を、対応する画素に集光するように配置され、
    　前記複数の構造体は、前記透明層を平面視したときに、互いに異なる種類の断面形状を有する構造体を含むことを特徴とする、
    　光学素子。
  2. 　前記複数の構造体の各々は、前記透明層の屈折率よりも高い屈折率を有し、入射した光に対して断面形状に応じた光位相遅延量を与える柱状構造体であり、
    　前記複数の構造体は、前記集光を実現するための光位相量遅延分布に従って配置されることを特徴とする、
    　請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記複数の構造体の各々の断面形状は、４回回転対称形状であることを特徴とする、
    　請求項１又は２に記載の光学素子。
  4. 　前記複数の構造体は、１つの画素と対向する領域の外側に入射した光のうちの当該１つの画素に対応する色の光も当該１つの画素に集光するように配置され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. 　前記複数の画素は、ベイヤー配列された、赤色に対応する１つの画素、緑色に対応する２つの画素及び青色に対応する１つの画素からなる画素ユニットを含み、
    　前記複数の構造体のうち、前記画素ユニット中の緑色に対応する一方の画素と対向する領域に配置された複数の構造体は、緑色に対応する他方の画素と対向する領域に配置された複数の構造体の全体配置構造を９０°回転させた全体配置構造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. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の光学素子と、
    　前記透明層で覆われた前記複数の画素と、
    　を備えることを特徴とする、
    　撮像素子。
  7. 　前記複数の画素と前記透明層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６に記載の撮像素子。
  8. 　請求項６又は７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部と、
    　を備えることを特徴とする、
    　撮像装置。
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