JP7563473B2

JP7563473B2 - 撮像素子及び撮像装置

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Publication number: JP7563473B2
Application number: JP2022557238A
Authority: JP
Inventors: 将司宮田; 成根本; 光雅中島; 俊和橋本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2020-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2024-10-08
Anticipated expiration: 2040-10-12
Also published as: US20230378210A1; EP4227716A4; WO2022079766A1; EP4227716A1; CN116324526B; JPWO2022079766A1; CN116324526A

Description

本発明は、撮像素子及び撮像装置に関する。

一般的な撮像装置は、レンズ光学系と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどの２次元の撮像素子とを用いて、撮像対象からの光の強度情報と色情報からなる２次元画像を取得する。

ここで、レンズ光学系から撮像素子に入射する光の入射角度は、中央部と外周部とで異なる。しかしながら、センサ周辺部において必要とされる斜め入射光に最適化されたレンズを作製することが困難であるため、受光効率が制限されるという問題がある。

この問題を解決するレンズとして、有効媒質近似を用いた微細構造レンズが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１では、微細構造レンズが波長に比べて非常に小さい場合、微細構造レンズの有効屈折率がレンズと周囲材料の屈折率とのほぼ平均値で表すことができるという近似が記載されている。

Kazutoshi Onozawa, Kimiaki Toshikiyo, Takanori Yogo, Motonori Ishii, Kazuhiko Yamanaka, Toshinobu Matsuno, and Daisuke Ueda, "A MOS Image Sensor With a Digital-Microlens", IEEE transactions on electron devices, VOL. 55, NO. 4, 986-991 (2008).

しかしながら、有効媒質近似を用いた微細構造レンズでは、レンズの屈折率と周囲の屈折率との差が大きくかつレンズの大きさがサブ波長程度の場合、光が構造内部に閉じ込められて光導波路モードや共振モードを励起してしまうため、この近似は適用できなくなる。このため、非特許文献１記載の微細構造レンズは、材料をＳｉＯ_２とし、周囲材料を空気などとする、屈折率差が小さい材料の組み合わせに限定されるため、微細構造レンズのアスペクト比が大きくなり、偏光依存性が存在するという課題がある。さらに、非特許文献１に記載の微細構造レンズは、曲線やステップをもつ構造のため、作製が困難であるという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、アスペクト比が低く構成が簡易であって、画素ごとに主入射角度に対応したレンズ特性を実現できる撮像素子及び撮像装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る撮像素子は、光電変換素子を含む画素が２次元アレイ状に複数配列された画素アレイと、画素アレイと対向して配置され、入射光を、対応する光電変換素子に導く複数の柱状構造体からなる光学素子が２次元アレイ状に配列された光学素子アレイと、を有し、複数の柱状構造体は、平面視したときに、各柱状構造体の入射光の入射角度に応じて、直下の光電変換素子に導くための位相特性を有する幅にそれぞれ形成されるとともに、側面視したときに、同じ高さに形成されることを特徴とする。

また、本発明に係る撮像素子は、光電変換素子を含む画素が２次元アレイ状に複数配列された画素アレイと、画素アレイと対向して配置され、入射光を、対応する光電変換素子に導く複数の柱状構造体からなる光学素子が２次元アレイ状に配列された光学素子アレイと、を有し、複数の柱状構造体は、各柱状構造体の入射光の入射角度に応じて、直下の光電変換素子に導くための位相特性を有するような屈折率を有するとともに、側面視したときに、同じ高さに形成されることを特徴とする。

また、本発明に係る撮像装置は、上記記載の撮像素子と、像素子が出力する電気信号を処理し、画像を生成する信号処理部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、従来と比して、アスペクト比が低く構成が簡易であって、画素ごとに主入射角度に対応したレンズ特性を実現できる光学素子を有する撮像素子及び撮像装置を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る撮像装置の概略構成を示した側面図である。図２は、実施の形態に係る撮像素子の画素アレイ及び偏光波長分離レンズアレイの断面の一部を模式的に示す図である。図３は、実施の形態に係る撮像素子の中央部における画素アレイ及び光学素子アレイの断面の一部を模式的に示す図である。図４は、実施の形態に係る撮像素子の外周部における画素アレイ及び光学素子アレイの断面の一部を模式的に示す図である。図５は、実施の形態に係る撮像素子の中央部における光学素子アレイの上面図である。図６は、従来技術における有媒質近似構造体と実施の形態における柱状構造体との最小構造高さ及び最大アスペクト比を示す図である。図７は、柱状構造体の側面図である。図８は、柱状構造体の平面図である。図９は、柱状構造体の幅と光の透過率との関係を示す図である。図１０は、柱状構造体の幅と、柱状構造体の光の位相特性との関係を示す図である。図１１は、入射角の定義を説明する図である。図１２は、θ＝０°，φ＝０°の入射角で光が入射した場合のレンズの設計目標の位相分布と、該位相分布を実現するレンズパターンを示す図である。図１３は、θ＝４５°，φ＝０°の入射角で光が入射した場合のレンズの設計目標の位相分布と、該位相分布を実現するレンズパターンを示す図である。図１４は、θ＝４５°，φ＝４５°の入射角で光が入射した場合のレンズの設計目標の位相分布と、該位相分布を実現するレンズパターンを示す図である。図１５は、光学素子ユニットによる集光強度とその波長依存性を示す図である。図１６は、光学素子ユニットによる集光強度とその波長依存性を示す図である。図１７は、光学素子ユニットによる集光強度とその波長依存性を示す図である。図１８は、φ＝０°の平行光（λ＝５２０ｎｍ）入射時の光学素子ユニットによる集光強度と入射光の入射角度依存性を示す図である。図１９は、φ＝０°の平行光（λ＝５２０ｎｍ）入射時の光学素子ユニットによる集光強度と入射光の入射角度依存性を示す図である。図２０は、φ＝０°の平行光（λ＝５２０ｎｍ）入射時の光学素子ユニットによる集光強度と入射光の入射角度依存性を示す図である。図２１は、φ＝４５°の平行光（λ＝５２０ｎｍ）入射時の光学素子ユニットによる集光強度と入射光の入射角度依存性を示す図である。図２２は、φ＝４５°の平行光（λ＝５２０ｎｍ）入射時の光学素子ユニットによる集光強度と入射光の入射角度依存性を示す図である。図２３は、φ＝４５°の平行光（λ＝５２０ｎｍ）入射時の光学素子ユニットによる集光強度と入射光の入射角度依存性を示す図である。図２４は、実施の形態に係る撮像素子における画素アレイ及び光学素子アレイの断面の一部の他の例を模式的に示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面とともに詳細に説明する。なお、以下の説明において、各図は本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎず、したがって、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

［実施の形態］
［撮像装置］
まず、本発明の実施の形態に係る撮像装置について説明する。図１は、実施の形態に係る撮像装置の概略構成を示した側面図である。

図１に示すように、実施の形態に係る撮像装置１０は、レンズ光学系１１、撮像素子１２及び信号処理部１３を有する。撮像素子１２は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子を有する。信号処理部１３は、撮像素子１２から出力される光電変換信号を処理して画像信号を生成する。

自然光や照明光等の光が物体１に照射され、物体１により透過／反射／散乱した光、または、物体１から発する光は、レンズ光学系１１により撮像素子１２上に光学像を形成する。一般に、レンズ光学系１１は、様々な光学収差を補正するため、光軸に沿って並んだ複数のレンズからなるレンズ群により構成されるが、図１では図面を簡略化して単一のレンズとして示している。信号処理部１３は、生成した画像信号を外部に送出する画像信号出力を有する。

なお、撮像装置１０は、赤外光カットの光学フィルタ、電子シャッタ、ビューファインダ、電源（電池）、フラッシュライトなどの公知の構成要素を備え得るが、それらの説明は、本発明の理解に特に必要でないため省略する。また、以上の構成はあくまでも一例であり、実施の形態では、レンズ光学系１１、撮像素子１２、信号処理部１３を除く構成要素として、公知の要素を適切に組み合わせて用いることができる。

［撮像素子］
続いて、実施の形態に係る撮像素子１２の概略を説明する。図２は、実施の形態に係るレンズ光学系１１と、撮像素子１２の要部の断面を模式的に示す図である。図２以降では、撮像素子１２の一部を、撮像素子１００として説明する。撮像素子１００は、カラーフィルタ上に、画素アレイの光電変換素子に入射光を導く複数の柱状構造体からなる光学素子を全面に形成した光学素子アレイを有する。また、撮像素子１００では、図２に示すように、レンズ光学系１１から撮像素子１００に入射する光の入射角度θが、中央部と外周部とで異なるため、光学素子アレイに形成した複数の柱状構造体を、入射光の入射角度に応じて、直下の光電変換素子に導くための位相特性を与える大きさに設定している。以降、図３～図５を用いて、撮像素子１００の構造について説明する。

図３は、実施の形態に係る撮像素子の中央部における画素アレイ及び光学素子アレイの断面の一部を模式的に示す図である。図４は、実施の形態に係る撮像素子の外周部における画素アレイ及び光学素子アレイの断面の一部を模式的に示す図である。図５は、実施の形態に係る撮像素子の中央部における光学素子アレイの上面図である。

図３及び図４に示すように、撮像素子１００は、画素アレイ１１０と、画素アレイ１１０と対向して配置された光学素子アレイ１２０とを有する。光学素子アレイ１２０は、レンズ光学系１１からの光が入射する側に配置されている。光学素子アレイ１２０は、画素アレイ１１０上に形成された透明層１５０の上面に形成される。画素アレイ１１０上には、各画素に対応したカラーフィルタ１７０が設けられる。なお、透明層１５０は、ＳｉＯ_２（屈折率ｎ＝１．４５）等の材料からなる低屈折率の透明層である。

画素アレイ１１０は、配線層１８０と、２次元アレイ状に配列された光電変換素子を含む画素１３０とを有する。画素ユニット１４０Ｌの画素１３０は、例えば、Ｇ光を受光し、画素ユニット１４０Ｒの画素１３０は、Ｒ光を受光する。

光学素子アレイ１２０は、入射光を、対応する直下の画素１３０の光電変換素子に導く複数の柱状構造体１６０からなる光学素子が２次元アレイ状に配列される。例えば、図５では、カラーフィルタ１７０が分離する波長領域が赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）である場合について示す。図５の光学素子アレイ１２０では、画素アレイ１１０上の、Ｒ光を受光するＲ画素ユニット、Ｇ光を受光する２つのＧ画素ユニット及びＢ光を受光するＢ画素ユニットがそれぞれ直下に位置するように配置された、Ｒ画素ユニットに対応する光学素子ユニット１２０Ｒ（光学素子）、Ｇ画素ユニットに対応する２つの光学素子ユニット１２０Ｇ（光学素子）、Ｂ画素ユニットに対応する光学素子ユニット１２０Ｂ（光学素子）を１組とした光学素子ユニットが２次元アレイ上に形成される。

複数の柱状構造体１６０は、周囲材料（透明層１５０、空気）の屈折率よりも高い屈折率を有する材料を用いて形成される。これによって、柱状構造体１６０は、柱状構造体内部に光を強く閉じ込めて隣接する柱状構造体との光結合を防ぐ。柱状構造体１６０は、例えば、ＳｉＮ（屈折率ｎ＝２．０５）、ＴｉＯ_２（屈折率ｎ＝２．４）を用いて形成される。

複数の柱状構造体１６０は、図３及び図４に示すように、側面視したときに、同じ高さに形成される。複数の柱状構造体１６０は、入射光の波長よりも短い間隔で、光学素子アレイ１２０全面に形成される。図５に示すように、光学素子ユニット１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂは、平面視したときに、複数の柱状構造体１６０が格子状に形成される。複数の柱状構造体１６０は、角柱である。なお、図５の例は一例であり、柱状構造体は、平面視したときに、中空正方形、円形、中空円形または十字形上のような４回回転対象となる構造体を採用してもよい。

複数の柱状構造体１６０は、平面視したときに、各柱状構造体の入射光の入射角度に応じて、入射光を、対応する直下の画素１３０の光電変換素子に導くための位相特性を有する幅ｗにそれぞれ形成される。複数の柱状構造体１６０の各々は、入射光に対して、平面視したときに当該柱状構造体１６０が有する幅に応じた光位相遅延量を与える。

光学素子ユニット１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂでは、該光学素子ユニット１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂを構成する複数の柱状構造体１６０の各々が、入射光を、対応するＲ画素ユニット、Ｇ画素ユニット、Ｂ画素ユニットの各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。光学素子ユニット１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂでは、該光学素子ユニット１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂを形成する複数の柱状構造体１６０の各々の平面視したときの幅が、入射光の入射角度に応じて、入射光を該光学素子ユニット１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂの直下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に設定されている。なお、光位相遅延量分布は、光を集光するための光位相遅延量である。

撮像素子１００は、高さが同一で、幅が徐々に変換する柱状構造体１６０を、光学素子アレイ１２０全面に形成することで、レンズ機能を実現する。各柱状構造体１６０は、柱状の光導波路のように振る舞うため、撮像素子１００では、柱状構造体１６０の幅を変化させることで、柱状構造体１６０の有効屈折率を変化させて、透過する光の位相を自由に制御することができる。

言い換えると、各柱状構造体１６０は、サブ波長サイズの光導波路として振る舞い、かつ、光閉じ込めにより隣接する柱状構造体１６０との光結合がほとんどないため、柱状構造体１６０の平面視した際の幅ｗをそれぞれ柱状構造体１６０ごとに設計することで、複数の柱状構造体１６０毎に異なる光学特性（例えば位相遅延特性）を与えることが可能である。この位相遅延量の空間分布を（フレネル）レンズと同等のものにすることで、柱状構造体１６０にレンズ機能を付与することができる。

ここで、非特許文献１には、ＳｉＯ_２等の低屈折材料からなる構造体をレンズとして機能させることが記載されている。

非特許文献１では、構造体が波長に比べて非常に小さい場合、構造体の有効屈折率が構造レンズと周囲材料の屈折率とのほぼ平均値で表すことができるという近似が記載されている。しかしながら、構造体の屈折率と周囲の屈折率の差が大きくかつ構造体の大きさがサブ波長程度の場合、光が構造内部に閉じ込められて光導波路モードや共振モードを励起してしまうため、この近似は適用できなくなる。このため、非特許文献１記載の構造体は、材料をＳｉＯ_２とし、周囲材料を空気などとする、屈折率差が小さい材料の組み合わせに限定されるため、構造体のアスペクト比が大きくなる。

これに対し、撮像素子１００では、各柱状構造体１６０を、ＳｉＮやＴｉＯ_２などの高屈折率材料を用いて形成している。このため、位相変化量０～２πを実現するために必要な最小の柱状構造体１６０の高さが、ＳｉＯ_２等の低屈折材料からなる構造体（非特許文献１参照）と比して、低い。したがって、撮像素子１００は、０～２πの位相制御に必要な最小構造高さが比較的小さく、作製しやすい低アスペクト比の柱状構造体１６０でレンズ機能を実現できる。

そして、複数の柱状構造体１６０は、底面が正方形の角柱である。このように、撮像素子１００では、各柱状構造体１６０を、平面視したときに、正方形などの４回回転対称構造にすることで、偏光に対して無依存な特性とする。なお、非特許文献１記載の構造体は、理論式により有効屈折率に偏光依存性を有することが明らかである。

また、非特許文献１には、曲面及びステップを有する構造体が記載されている。これに対し、本実施の形態における各柱状構造体１６０は、段差のない角柱状のバイナリパターンである。したがって、撮像素子１００は、柱状構造体の断面から曲面及びステップを排除できるため、非特許文献１に記載の構造体と比して、柱状構造体１６０の作成が比較的容易である。

また、撮像素子１００は、複数の柱状構造体１６０を、光学素子アレイ１２０全面に形成することで、レンズ機能を実現するため、入射するすべての入射光を受光でき、レンズ開口を最大化することができる。

また、各柱状構造体１６０は、平面視したときに、各柱状構造体１６０の入射光の入射角度に応じて、直下の画素１３０の光電変換素子に導く位相特性を有する幅ｗにそれぞれ形成される。すなわち、撮像素子１００では、主入射角に応じて、画素毎に柱状構造体１６０の構造パターンを受光効率向上に向けて最適化することが可能である。言い換えると、撮像素子１００では、柱状構造体１６０の平面視した際の形状パターンを、各柱状構造体１６０に入射する光の入射角度θに応じて最適化している。

これによって、撮像素子１００では、大きな入射角度θで光が入射する外周部（図４参照）と、垂直に光が入射する中央部（図３参照）とのいずれにおいても、柱状構造体１６０が直下の画素１３０の光電変換素子に集光できるようになる。したがって、撮像素子１００は、多くの光を直下の光電変換素子に集光することができ、撮像素子１００全体で均一な輝度をもつ画像信号を生成できる。

［柱状構造体の高さ］
次に、柱状構造体１６０を側面視したときの高さについて説明する。以降、柱状構造体１６０を側面視したときの高さを、柱状構造体１６０の高さと記載する。そして、柱状構造体１６０の平面視したときの幅を、柱状構造体１６０の幅と記載する。ここでは、０～２πの位相制御に必要な柱状構造体１６０の最小高さについて説明する。

柱状構造体１６０による位相遅延量φは、光の真空中での波長をλ、柱状構造体１６０の高さをｈ、柱状構造体１６０の有効屈折率ｎ_ｅｆｆ、周囲材料の屈折率をｎ_０とすると、式（１）で表される。

撮像素子１００における柱状構造体１６０においても、非特許文献１に記載の構造体（以降、有効媒体近似構造体とする。）においても、式（１）が適用される。

有効媒質近似構造体の場合、有効屈折率ｎ_ｅｆｆは、構造体と周囲材料との面積比で決まることが知られている。有効媒質近似構造体の場合には、偏光によってもｎ_ｅｆｆの値が変動する。そして、柱状構造体１６０の場合は、光導波路モードが柱状構造体１６０の幅に大きく依存するため、有効屈折率ｎ_ｅｆｆは、柱状構造体１６０の幅ｗの関数で表されることが知られている。有効媒質近似構造体、柱状構造体１６０のいずれの場合でも、ｎ_０＜ｎ_ｅｆｆ＜ｎ_１の値をとる。なお、ｎ_１は、構造体を組成する材料の屈折率である。

したがって、位相変化量を０～２πの間で制御するためには、構造体の高さは、式（２）とする必要がある。

図６は、従来技術における有媒質近似構造体と実施の形態における柱状構造体１６０との最小構造高さ及び最大アスペクト比を示す図である。図６では、光の波長が６３５ｎｍである際の最小構造幅を１００ｎｍとして、最大アスペクト比を求めている。

有効媒質近似を適用するには、ｎ_１－ｎ_０を小さくする必要がある。このため、有効媒質近似構造体の場合、必要な構造体の高さは、図６のように１４１１ｎｍと必然的に高くなり、数波長程度必要となる。

これに対し、柱状構造体１６０の場合、ｎ_１が大きい方が光閉じ込めの観点で望ましいため、有効媒質近似構造体よりもｎ_１－ｎ_０の値が大きくなる。例えば、柱状構造体１６０を形成する材料は、ＳｉＮ（ｎ＝２．０５）、ＴｉＯ_２（ｎ＝２．４）であり、ｎ_１－ｎ_０≧０．７となる。

これによって、柱状構造体１６０では、必要な構造高さは、有効媒質近似構造体よりも比較的低くなり、図６に示すように、一般的に１波長以下である。このように、柱状構造体１６０のアスペクト比は、有効媒質近似構造体よりも、低くなる。

［柱状構造体の構造］
柱状構造体１６０の構造の一例について説明する。図７は、柱状構造体１６０の側面図である。図８は、柱状構造体１６０の平面図である。図７及び図８に示すように、例えば、柱状構造体１６０は、石英によって形成される透明層１５０ｕの上面に形成される。そして、柱状構造体１６０の高さ（ｚ軸方向の長さ）は、ｈ＝１０００ｎｍとし、柱状構造体１６０の配置周期は、３２０ｎｍとする。柱状構造体１６０の幅ｗは、０～２πの制御すべき位相に対応させて設定される。

図９は、柱状構造体１６０の幅ｗと光の透過率との関係を示す図である。図１０は、柱状構造体１６０の幅ｗと、柱状構造体１６０の光の位相特性との関係を示す図である。

図９に示すように、柱状構造体１６０の幅ｗを１００～２４０ｎｍの間で変更した場合であっても、高い透過率を保持することができる。そして、柱状構造体１６０の幅ｗを１００～２４０ｎｍの間で調整することで、柱状構造体１６０を透過する光の位相を、０～２πの間の所望の位相に制御することができる。なお、図９及び図１０では、柱状構造体１６０の幅を１００ｎｍまで小さくした場合であっても、柱状構造体１６０のアスペクト比の最大値を１０に抑えることができる。

［レンズの設計］
本実施の形態に係る撮像素子１００では、入射角に対応して、光学素子アレイ１２０下方の画素１３０の中心に集光するように、レンズとして機能する柱状構造体１６０の位相分布を設計する。そして、撮像素子１００では、設計した位相分布となるように、図１０の位相特性を参照しながら柱状構造体１６０の幅ｗを柱状構造体１６０ごとに設定することで、設計目標の理想的な位相分布を実現する。

例えば、以下に設計例のパラメータを示す。
１つの光電変換素子の大きさ＝レンズの面積：３．２μｍ×３．２μｍ
焦点距離：３．２μｍ
設計波長：５２０ｎｍ

図１１は、入射角の定義を説明する図である。図１１に示すように、（θ，φ）の入射角で光が入射する場合について説明する。ある入射角（θ，φ）の光に対してレンズ（柱状構造体１６０）中心の直下の点に焦点距離ｆで集光するレンズの位相分布φは、以下の式（３）で表される。

式（３）において、λ_ｄは、設計波長であり、ｆは、焦点距離であり、ｎ_ｉｎは、入射側の材料の屈折率であり、ｎ_ｏｕｔは出射側の材料の屈折率であり、Ｃは、任意定数である。

例えば、ｆ＝３．２μｍ、ｎ_ｉｎ＝１．０（空気）、ｎ_ｏｕｔ＝１．４４５（石英ガラス）とする。φは、０～２πの範囲に収まるように変換する。例えば、φが－０．５πの場合には１．５πに変換し、２．５πの場合には０．５に変換する。この設定において、任意の入射角で光が入射した場合のレンズの設計目標の位相分布と、該位相分布を実現できるレンズ（柱状構造体１６０）パターンについて、図１２～図１４を参照して説明する。レンズの設計目標の位相分布とは、ある入射角の光に対してレンズ中心の直下の点に焦点距離ｆで集光されるレンズの位相分布である。

図１２は、θ＝０°，φ＝０°の入射角で光が入射した場合のレンズの設計目標の位相分布と、該位相分布を実現するレンズ（柱状構造体１６０）パターンを示す図である。図１３は、θ＝４５°，φ＝０°の入射角で光が入射した場合のレンズの設計目標の位相分布と、該位相分布を実現するレンズパターンを示す図である。図１４は、θ＝４５°，φ＝４５°の入射角で光が入射した場合のレンズの設計目標の位相分布と、該位相分布を実現するレンズパターンを示す図である。図１２の（１）、図１３の（１）、図１４の（１）は、各条件の入射角で光が入射した場合のレンズの設計目標の位相分布である。図１２の（２）、図１３の（２）、図１４の（２）は、図１２の（１）、図１３の（１）、図１４の（１）のそれぞれ位相分布を実現できる柱状構造体１６０の平面図であり、１画素あたりに設計される柱状構造体１６０の形状パターンである。

図１２の（２）、図１３の（２）、図１４の（２）に示すように、柱状構造体１６０は、底面が正方形の角柱である。そして柱状構造体１６０の幅ｗは、図１０に示す、柱状構造体１６０の幅ｗと柱状構造体１６０の光の位相特性との関係を基に、図１２の（１）、図１３の（１）、図１４の（１）の位相分布のうち、それぞれ対応する位置の位相を実現できる幅に設定される。

例えば、図１２の（２）に示す光学素子ユニット１２０－１は、θ＝０°，φ＝０°の入射角で光が入射した場合のレンズの設計目標の位相分布を実現する柱状構造体１６０の形状パターンである。図１３の（２）に示す光学素子ユニット１２０－２は、θ＝４５°，φ＝０°の入射角で光が入射した場合のレンズの設計目標の位相分布を実現する柱状構造体１６０の形状パターンである。図１４の（２）に示す光学素子ユニット１２０－３は、θ＝４５°，φ＝４５°の入射角で光が入射した場合のレンズの設計目標の位相分布を実現する柱状構造体１６０の形状パターンである。

［集光強度の波長依存性］
実施の形態では、図５に示す光学素子ユニット１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂのように、対応する直下の画素ユニットの光電変換素子の設計波長に対応させて、光学素子ユニット１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂの各柱状構造体１６０のパターンを設計する。光学素子ユニットでは、該光学素子ユニットを形成する複数の柱状構造体１６０の各々の平面視したときの幅ｗが、該光学素子ユニットが対応する光電変換素子が受光する波長範囲の光を、該光学素子ユニットが対応する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に設定されている。そこで、光学素子アレイ１２０による集光強度の波長依存性について説明する。

図１５～図１７は、光学素子ユニットによる集光強度とその波長依存性を示す図である。図１５は、波長λ＝４５０ｎｍのＢ光に対応し、図１６は、波長λ＝５２０ｎｍのＧ光に対応し、図１７は、波長λ＝６３５ｎｍのＲ光に対応する。

図１５の（１）、図１６の（１）、図１７の（１）は、垂直入射光（θ＝０°，φ＝０°）に最適設計されたレンズ（柱状構造体１６０）のパターンであり、両偏光の平均をとる。図１５の（２）、図１６の（２）、図１７の（２）は、図１５の（１）、図１６の（１）、図１７の（１）の光学素子ユニット１２０－４，１２０－５，１２０－６による集光強度を示す図である。集光強度は、画素１３０の光電変換素子面上の集光スポット幅内（λ／ＮＡ、ＮＡはレンズのnumerical apertureである。）の全強度である。図１５の（３）、図１６の（３）、図１７の（３）は、光学素子ユニット１２０－４，１２０－５，１２０－６による集光強度の波長依存性を示す図である。

図１５の（３）、図１６の（３）、図１７の（３）に示すように、いずれの光学素子ユニット１２０－４，１２０－５，１２０－６においても、９６％以上の光が構造を透過し画素１３０において受光可能であることがわかる。また、光学素子ユニット１２０－４，１２０－５，１２０－６の集光強度は、設計波長周辺で、最大の集光強度を示す。

したがって、撮像素子１００では、色バンド（Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタの透過バンド）毎に対応させて、光学素子ユニット１２０－４，１２０－５，１２０－６のように柱状構造体１６０のパターンを変化させるのみで、それぞれ設計波長に合わせた集光を設計可能である。撮像素子１００では、画素１３０上のカラーフィルタに合わせて、各画素１３０の設計波長を決め、光学素子ユニット１２０－４，１２０－５，１２０－６を、直下の画素１３０の設計波長に合わせて、それぞれ集積すればよい。

［入射角に対応した光学素子ユニットの設計例］
本実施の形態では、入射光の入射角度に応じて、光学素子ユニットの各柱状構造体１６０のパターンを設計する。光学素子ユニットでは、該光学素子ユニットを形成する複数の柱状構造体１６０の各々の平面視したときの幅ｗが、入射光の入射角度に応じて、入射光を該光学素子ユニットの直下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に設定されている。そこで、光学素子アレイ１２０への入射光の入射角度に対応した光学素子ユニットの設計例について説明する。

図１８～図２０は、φ＝０°の平行光（λ＝５２０ｎｍ）入射時の光学素子ユニットによる集光強度と入射光の入射角度依存性を示す図である。図１８の（１）は、θ＝１５°，φ＝０°の入射光に最適設計された柱状構造体１６０のパターンであり、図１９の（１）は、θ＝３０°，φ＝０°の入射光に最適設計された柱状構造体１６０のパターンであり、図２０の（１）は、θ＝４５°，φ＝０°の入射光に最適設計された柱状構造体１６０のパターンであり、両偏光の平均をとる。図１８の（２）、図１９の（２）、図２０の（２）は、図１８の（１）、図１９の（１）、図２０の（１）の光学素子ユニット１２０－７，１２０－８，１２０－９による集光強度を示す図である。図１８の（３）、図１９の（３）、図２０の（３）は、光学素子ユニット１２０－７，１２０－８，１２０－９による集光強度の入射角度依存性を示す図である。

図１８の（３）、図１９の（３）、図２０の（３）に示すように、いずれの光学素子ユニット１２０－７，１２０－８，１２０－９においても、設計入射角周辺で最大の集光強度を示す。

図２１～図２３は、φ＝４５°の平行光（λ＝５２０ｎｍ）入射時の光学素子ユニットによる集光強度と入射光の入射角度依存性を示す図である。図２１の（１）は、θ＝１５°，φ＝４５°の入射光に最適設計された柱状構造体１６０のパターンであり、図２２の（１）は、θ＝３０°，φ＝４５°の入射光に最適設計された柱状構造体１６０のパターンであり、図２３の（１）は、θ＝４５°，φ＝４５°の入射光に最適設計された柱状構造体１６０のパターンであり、両偏光の平均をとる。図２１の（２）、図２２の（２）、図２３の（２）は、図２１の（１）、図２２の（１）、図２３の（１）の光学素子ユニット１２０－１０，１２０－１１，１２０－１２による集光強度を示す図である。図２１の（３）、図２２の（３）、図２３の（３）は、光学素子ユニット１２０－１０，１２０－１１，１２０－１２による集光強度の入射角度依存性を示す図である。

図２１の（３）、図２２の（３）、図２３の（３）に示すように、いずれの光学素子ユニット１２０－１０，１２０－１１，１２０－１２においても、設計入射角周辺で最大の集光強度を示す。

撮像素子１００では、上述した光学素子ユニット１２０－７～１２０－１２を、入射光の入射角（θ，φ）に合わせて配列することによって、直下の画素１３０の光電変換素子に高い強度で集光が可能となる。

［実施の形態の効果］
このように、実施の形態に係る撮像素子１００では、複数の柱状構造体１６０を、入射光の波長よりも短い間隔で、光学素子アレイ１２０全面に形成することでレンズ機能を実現するため、入射するすべての入射光を受光でき、受光効率の向上を図ることができる。

また、撮像素子１００では、複数の柱状構造体は、平面視したときに、各柱状構造体の入射光の入射角度に応じて、直下の光電変換素子に導くための位相特性を有する幅にそれぞれ形成されるとともに、側面視したときに、同じ高さに形成される。撮像素子１００では、この複数の柱状構造体１６０によって、画素１３０ごとに入射角に対応したレンズ特性を実現できるため、撮像素子１００全体で均一な輝度をもつ画像信号を生成できる。

また、撮像素子１００では、周囲材料の屈折率よりも高い屈折率を有する材料からなる四角柱状のバイナリパターンによる複数の柱状構造体１６０をレンズとして用いる。このため、撮像素子１００がレンズとして用いる複数の柱状構造体１６０は、非特許文献１に記載された構造体と比して、低アスペクト比であるとともに簡易な構成であるため、作成が容易である。

なお、光学素子ユニットは、上記の構成に制限されることはなく、数や間隔、構造形状、配列パターンにおいて様々な形態をとり得る。また、柱状構造体１６０は、それぞれが接続されていてもよく、また透明材料内に埋め込まれた形態でもよい。

また、図３及び図４では、光学素子アレイ１２０が透明層１５０の上面に形成されているがこれに限らない。図２４は、実施の形態に係る撮像素子における画素アレイ及び光学素子アレイの断面の一部の他の例を模式的に示す図である。図２４の撮像素子１００Ａに示すように、光学素子アレイ１２０Ａは、独立した透明基板１９０の底面に形成される。このように、複数の柱状構造体１６０は、透明層１５０Ａ（例えば、空気）内部に形成されていてもよい。

また、上記では、１つの光学素子ユニットの直下に４つの画素が位置する例について説明したが、これに限定されない。

また、実施の形態では、柱状構造体１６０の材料としてＳｉＮ、ＴｉＯ_２を用いた例を示したが、これに限定されない。例えば、撮像素子１００，１００Ａを、光の波長が３８０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲の可視光～近赤外光領域で用いる場合は、柱状構造体１６０の材料には、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＯ_２、ＧａＮ等の材料が、屈折率が高く、吸収損失が少ないため適している。また、撮像素子１００，１００Ａを、波長が８００～１０００ｎｍの範囲の近赤外光領域で用いる場合は、これらの光に対し低損失な柱状構造体１６０の材料として、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＴｉＯ_２、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の材料が適している。さらに、長波長帯の近赤外領域（通信波長である１．３μｍや１．５５μｍ等）では、上述の材料に加えて、ＩｎＰ等を柱状構造体１６０の材料として用いることができる。

そして、貼り付け、塗布して柱状構造体１６０の微小分光素子を形成する場合、フッ素化ポリイミド等のポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、光硬化性樹脂、ＵＶエポキシ樹脂、ＰＭＭＡ等のアクリル樹脂、レジスト全般などのポリマー等が材料として挙げられる。

同様に、実施の形態では、透明層１５０，１５０Ａの材料としてＳｉＯ_２及び空気層を想定した例を示したが、これに限定されない。透明層１５０，１５０Ａの材料は、一般的なガラス材料、ＳｉＯ_２、空気層等、屈折率が柱状構造体１６０の材料の屈折率より低く、入射光の波長に対して低損失なものであれば足りる。また、透明層１５０，１５０Ａ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。

実施の形態では、柱状構造体１６０が対応する波長域の光が、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色の光である場合を例に説明したが、３波長域のうちの少なくとも１つが３原色以外の波長の光（例えば、赤外光や紫外光）であってもよい。

また、光学素子アレイ１２０，１２０Ａでは、図１０に例示する柱状構造体１６０の幅と光の位相特性との関係に基づいて、複数の柱状構造体１６０のうちの少なくとも一部の平面視した際の幅を、入射光を、対応する直下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に設定する。これによって、光学素子アレイ１２０，１２０Ａでは、画素１３０ごとに入射角や光電変換素子における波長範囲に対応したレンズ特性を実現する。これに限らず、本実施の形態では、複数の柱状構造体１６０は、各柱状構造体の入射光の入射角度に応じて、直下の前記光電変換素子に導くための位相特性を有するような屈折率を有していてもよい。言い換えると、本実施の形態では、複数の柱状構造体１６０が、互いに異なる屈折率を有するように設定することで、画素１３０ごとに、入射角や光電変換素子における波長範囲に対応したレンズ特性を実現することもできる。また、本実施の形態では、柱状構造体１６０の平面視した際の幅と、柱状構造値１６０の屈折率とを、柱状構造体ごとに変えることで、画素１３０ごとに、入射角や光電変換素子における波長範囲に対応したレンズ特性を実現することもできる。

また、本実施の形態における光学素子アレイ１２０，１２０Ａは、例えば、メタサーフェスである。上述したように、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からなる素子であり、２次元構造でもよいし、３次元構造であってもいい。光学素子にメタサーフェスを用いることによって、微細構造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。また、メタサーフェスが３次元構造の場合には、上記の設計自由度が上がる。

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。

１物体
１０撮像装置
１１レンズ光学系
１２，１００，１００Ａ撮像素子
１３信号処理部
１１０画素アレイ
１２０，１２０Ａ光学素子アレイ
１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂ，１２０－１～１２０－１２光学素子ユニット
１３０画素
１４０Ｌ，１４０Ｒ画素ユニット
１５０，１５０Ａ透明層
１６０柱状構造体
１７０カラーフィルタ
１８０配線層
１９０透明基板

Claims

光電変換素子を含む画素が２次元アレイ状に複数配列された画素アレイと、
前記画素アレイと対向して配置され、入射光を、対応する前記光電変換素子に導く複数の柱状構造体からなる光学素子が２次元アレイ状に配列された光学素子アレイと、
を有し、
前記複数の柱状構造体は、平面視したときに、各柱状構造体の入射光の入射角度に応じて、直下の前記光電変換素子に導くための位相特性を有する幅にそれぞれ形成されるとともに、側面視したときに、同じ高さに形成され、
前記複数の柱状構造体の各々は、前記入射光に対して、平面視したときに当該柱状構造体が有する幅に応じた光位相遅延量を与え、
前記光学素子は、前記複数の柱状構造体の各々の平面視したときの幅が、直下の前記光電変換素子の設計波長、及び、前記入射光の入射角（θ，φ）に応じて、前記入射光を、該光学素子の前記直下の前記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に設定され、
前記θは、前記光学素子の平面をｘｙ平面とし、入射光が光学素子のｘｙ平面の原点に入射するとした場合、光学素子のｘｙ平面の原点を通る鉛直軸であるｚ軸と入射光との角度であり、
前記φは、前記入射光を、前記光学素子のｘｙ平面に投影した影とｘ軸との角度であることを特徴とする撮像素子。
光電変換素子を含む画素が２次元アレイ状に複数配列された画素アレイと、
前記画素アレイと対向して配置され、入射光を、対応する前記光電変換素子に導く複数の柱状構造体からなる光学素子が２次元アレイ状に配列された光学素子アレイと、
を有し、
前記複数の柱状構造体は、各柱状構造体の入射光の入射角度に応じて、直下の前記光電変換素子に導くための位相特性を有するような屈折率を有するとともに、側面視したときに、同じ高さに形成され、
前記複数の柱状構造体の各々は、前記入射光に対して、平面視したときに当該柱状構造体が有する幅に応じた光位相遅延量を与え、
前記光学素子は、前記複数の柱状構造体の各々の平面視したときの幅が、直下の前記光電変換素子の設計波長、及び、前記入射光の入射角（θ，φ）に応じて、前記入射光を、該光学素子の前記直下の前記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に設定され、
前記θは、前記光学素子の平面をｘｙ平面とし、入射光が光学素子のｘｙ平面の原点に入射するとした場合、光学素子のｘｙ平面の原点を通る鉛直軸であるｚ軸と入射光との角度であり、
前記φは、前記入射光を、前記光学素子のｘｙ平面に投影した影とｘ軸との角度であることを特徴とする撮像素子。
前記複数の柱状構造体は、前記複数の柱状構造体の周囲材料の屈折率よりも高い屈折率を有する材料で形成されるとともに、前記入射光の波長よりも短い間隔で前記光学素子アレイに形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
前記複数の柱状構造体の各々は、平面視したときの幅が、対応する前記直下の光電変換素子ごとに、前記入射光の入射角度に応じて、前記入射光を、前記対応する直下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ように設定されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の撮像素子。
前記複数の柱状構造体は、各々の平面視したときの幅が、前記直下の光電変換素子における波長範囲ごとに異なる値に設定されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の撮像素子。
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であることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の撮像素子。
前記複数の柱状構造体は、角柱であることを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載の撮像素子。
前記画素アレイ上に形成された透明層をさらに有し、
前記複数の柱状構造体は、前記透明層の上部または内部に、前記透明層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料で形成されることを特徴とする請求項１～７のいずれか一つに記載の撮像素子。
前記複数の柱状構造体は、平面視したときに、４回回転対称構造であることを特徴とする請求項１～８のいずれか一つに記載の撮像素子。
請求項１～９のいずれか一つに記載の撮像素子と、
前記撮像素子が出力する電気信号を処理し、画像を生成する信号処理部と、
を有することを特徴とする撮像装置。