(57)【要約】  撮像用光検出装置は、基板（５）上に１次元状あるいは２次元状に配列された複数の光検出器（６）と、複数の光検出器の上方に形成された低屈折率透明層（１２）と、複数の光検出器の配列方向に沿って低屈折率透明層内に埋め込まれた柱状又は板状の複数の高屈折率透明部（１３）とを備える。１つの高屈折率透明部に対して２つ以上の光検出器が対応している。低屈折率透明層及び高屈折率透明部に入射する光は、それらを通過することでその波面に発生した位相シフトにより、０次回折光と１次回折光と−１次回折光とに分離される。これにより、光利用効率の向上と画素の高密度化とを実現できる。
2009019818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に１次元状あるいは２次元状に配列された複数の光検出器と、前記複数の光検出器の上方に形成された低屈折率透明層と、前記複数の光検出器の配列方向に沿って前記低屈折率透明層内に埋め込まれた柱状又は板状の複数の高屈折率透明部とを備え、
１つの前記高屈折率透明部に対して２つ以上の前記光検出器が対応し、
前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光は、それらを通過することでその波面に発生した位相シフトにより、０次回折光と１次回折光と−１次回折光とに分離されることを特徴とする撮像用光検出装置。
【請求項２】
前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光が互いに異なる前記光検出器で検出される請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項３】
前記複数の高屈折率透明部は、少なくとも屈折率、形状、又はサイズにおいて互いに異なる赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなり、
ａ，ｂ，ｃを０以上の整数とすると、前記高屈折率透明部を通過した光と前記低屈折率透明層を通過した光との間で発生する前記位相シフトが、前記赤仕様高屈折率透明部の場合には赤波長の（ａ＋１／２）倍、前記緑仕様高屈折率透明部の場合には緑波長の（ｂ＋１／２）倍、前記青仕様高屈折率透明部の場合には青波長の（ｃ＋１／２）倍である請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項４】
前記ａ，ｂ，ｃは、０又は１である請求項３に記載の撮像用光検出装置。
【請求項５】
前記複数の高屈折率透明部は、赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなり、
ａ，ｂ，ｃを０以上の整数、前記高屈折率透明部及び前記低屈折率透明層の屈折率をそれぞれｎ，ｎ0とすると、前記高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈは、前記赤仕様高屈折率透明部ではｈ＝赤波長＊（２＊ａ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝、前記緑仕様高屈折率透明部ではｈ＝緑波長＊（２＊ｂ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝、前記青仕様高屈折率透明部ではｈ＝青波長＊（２＊ｃ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝を満足する請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項６】
前記ａ，ｂ，ｃは、０又は１である請求項５に記載の撮像用光検出装置。
【請求項７】
前記複数の高屈折率透明部は、少なくとも屈折率、形状、又はサイズにおいて互いに異なる第１波長に対応した第１仕様高屈折率透明部及び第２波長に対応した第２仕様高屈折率透明部からなり、
ａ，ｂを０以上の整数とすると、前記高屈折率透明部を通過した光と前記低屈折率透明層を通過した光との間で発生する前記位相シフトが、前記第１仕様高屈折率透明部の場合には第１波長の（ａ＋１／２）倍、前記第２仕様高屈折率透明部の場合には第２波長の（ｂ＋１／２）倍である請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項８】
前記ａ，ｂは、０又は１である請求項７に記載の撮像用光検出装置。
【請求項９】
前記複数の高屈折率透明部は、第１波長に対応した第１仕様高屈折率透明部及び第２波長に対応した第２仕様高屈折率透明部からなり、
ａ，ｂを０以上の整数、前記高屈折率透明部及び前記低屈折率透明層の屈折率をそれぞれｎ，ｎ0とすると、前記高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈは、前記第１仕様高屈折率透明部ではｈ＝第１波長＊（２＊ａ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝、前記第２仕様高屈折率透明部ではｈ＝第２波長＊（２＊ｂ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝を満足する請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項１０】
前記ａ，ｂは、０又は１である請求項９に記載の撮像用光検出装置。
【請求項１１】
前記複数の高屈折率透明部は、赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなり、
前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光を含む面と前記基板の表面との交線に平行な第１方向において、前記赤仕様高屈折率透明部、前記緑仕様高屈折率透明部、及び前記青仕様高屈折率透明部の順の並び、または前記赤仕様高屈折率透明部、前記青仕様高屈折率透明部、及び前記緑仕様高屈折率透明部の順の並びが繰り返して配置されており、
前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対応する３つの前記光検出器が前記第１方向に沿って配置されており、
前記第１方向に沿って配置された前記３つの光検出器のうちの両外側の２つの光検出器は、前記３つの光検出器に対応する高屈折率透明部に対して前記第１方向において互いに隣り合う２つの高屈折率透明部にも対応している請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項１２】
前記第１方向に沿って配置された前記複数の高屈折率透明部の列における前記赤仕様高屈折率透明部、前記緑仕様高屈折率透明部、及び前記青仕様高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチ分だけ位置ずれしている請求項１１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項１３】
前記複数の高屈折率透明部は、赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなり、
前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光を含む面と前記基板の表面との交線に平行な第１方向において、前記赤仕様高屈折率透明部、前記緑仕様高屈折率透明部、及び前記青仕様高屈折率透明部のうちの２つが交互に配置されており、
前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対応する３つの前記光検出器が前記第１方向に沿って配置されており、
前記第１方向に沿って配置された前記３つの光検出器のうちの両外側の２つの光検出器は、前記３つの光検出器に対応する高屈折率透明部に対して前記第１方向において互いに隣り合う２つの高屈折率透明部にも対応している請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項１４】
前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光を含む面と前記基板の表面との交線に平行な第１方向に沿って配置された前記高屈折率透明部の列における前記高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの半分だけ位置ずれしている請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物体の映像を撮影するために用いられる撮像用光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の撮像用光検出装置が例えば非特許文献１及び非特許文献２に開示されている。これらに開示された撮像用光検出装置の概略を説明する。【０００３】
図９Ａは、従来の撮像装置の概略構成を示した側面図である。自然光等の光が物体１に入射し、これを反射した光は、レンズ系２によりＣＣＤやＣＭＯＳ等の光検出装置４上に像３を形成する。レンズ系２は、一般には光学性能を確保するために光軸に沿って並んだ複数のレンズを組み合わせて構成されるが、図９Ａでは図面を簡略化して単一のレンズとして描かれている。【０００４】
図９Ｂは、光検出装置４の概略構成を示した図であり、図９Ａの部分９Ｂの拡大断面図である。複数のフォトディテクター６が形成された検出基板５上に、ＳｉＯ2等からなる低屈折率の透明バッファー層７、ＳｉＮ等からなる高屈折率の透明バッファー層８、複数の色フィルター９、複数のマイクロレンズ１０がこの順で積層されている。透明バッファー層７の透明バッファー層８と接する表面７ａには、各フォトディテクター６の上で透明バッファー層７の膜厚が小さくなるような凹凸構造が形成されている。一方、透明バッファー層８の色フィルター９と接する表面８ａは平坦である。【０００５】
マイクロレンズ１０は直交格子の各交点位置に配置されており、各マイクロレンズ１０の中心軸上に１つの色フィルター９及び１つのフォトディテクター６が配置されている。【０００６】
マイクロレンズ１０は、光線１１ａ’のようにマイクロレンズ１０の中心軸に対してシフトして入射する光を屈折させてフォトディテクター６に導く働きをなす。透明バッファー層７の表面７ａの凹凸構造もレンズ効果を有し、フォトディテクター６の中心から外れた方向に向かう発散光１１ｂ’を屈折させてフォトディテクター６に導く働きをなす。【０００７】
色フィルター９は赤透過フィルター９Ｒ、緑透過フィルター９Ｇ、青透過フィルター９Ｂの３種類から構成され、赤透過フィルター９Ｒは図１０の曲線Ｒで示されるように赤以外の波長の光をカット（吸収）する光透過特性（分光感度特性）を有し、緑透過フィルター９Ｇは図１０の曲線Ｇで示されるように緑以外の波長の光をカット（吸収）する光透過特性（分光感度特性）を有し、青透過フィルター９Ｂは図１０の曲線Ｂで示されるように青以外の波長の光をカット（吸収）する光透過特性（分光感度特性）を有する（非特許文献２参照）。赤透過フィルター９Ｒ、緑透過フィルター９Ｇ、青透過フィルター９Ｂ、及び明るさ検出用の緑透過フィルター９Ｇからなる４つの色フィルター９と、これらに対応した４つのフォトディテクター６とでカラーの画像情報を検出する一画素を構成する。【０００８】
図１１は、光検出装置４の検出面の拡大平面図である。フォトディテクター６が直交格子の交点位置に互いに離間し且つ絶縁されて配置されている。水平方向に隣り合うフォトディテクター６間には、垂直方向に延びる信号配線である複数の垂直転送ＣＣＤ１７が設けられており、複数の垂直転送ＣＣＤ１７は水平方向に延びる信号配線である水平転送ＣＣＤ１８と接続されている。マイクロレンズ１０で集光された光はその真下に位置するフォトディテクター６により受光され光電変換される。フォトディテクター６に蓄積した電荷は垂直転送ＣＣＤ１７に送られ、さらに水平転送ＣＣＤ１８に送られて、画像信号として出力される。【０００９】
上記の図９Ｂに示した光検出装置４では、各フォトディテクター６に特定の色の光を入射させるために色フィルター９を用いている。これに対して、図１２に示すように、マイクロレンズ（図示せず）を通過した被写体からの光３０をマイクロプリズ３１を用いて分散させ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光をフォトディテクター３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂで検出する光検出装置が提案されている（特許文献１参照）。
【非特許文献１】光技術コンタクト，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１（２００２）、Ｐ２４
【非特許文献２】トランジスタ技術，２００３年２月号、Ｐ１２８
【特許文献１】特表２００２−５０２１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
撮像用光検出装置に対しては、小型且つ高画素化に対する要求が益々高まっている。しかしながら、上記の従来の撮像用光検出装置では、以下の理由によりこの要求を満たすには限界があった。【００１１】
第１の理由は、図９Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では色フィルター９を用いて色分離を行っていることに起因する。例えば青透過フィルター９Ｂでは、青以外の波長の光は吸収されるので、図１０から明らかなように、青透過フィルター９Ｂを透過する光は入射した光の僅か２〜３割程度である。これは他の色フィルター９Ｒ，９Ｇについても同様である。高画素化のためにフォトディテクター６の間隔を小さくすると、フォトディテクター６やマイクロレンズ１０のサイズが小さくなる。これにより、１つのマイクロレンズ１０に入射する光の光量が少なくなり、更に色フィルター９でその多くが吸収されてしまうので、十分な量の光をフォトディテクター６に供給できなくなる。従って、検出信号は光ショットノイズ等のノイズ信号に埋もれてしまう。このため、従来の撮像用光検出装置ではフォトディテクター６の間隔は１．５μｍ程度が限界とされている。【００１２】
第２の理由は、図９Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では、フォトディテクター６に一対一に対応してマイクロレンズ１０が配置されていることに起因する。高画素化のためにフォトディテクター６の間隔を小さくすると、マイクロレンズ１０のサイズが小さくなり、これにともなってマイクロレンズ１０を透過する光束のサイズも小さくなる。ピンホールを透過した光の広がり角がピンホール径に反比例するように、光束のサイズ（即ちマイクロレンズ１０の直径）が微小になると光が拡散（回折）する特性が大きくなりすぎるので、マイクロレンズ１０を使って所望の集光性能を得ることが困難になる。マイクロレンズ１０の集光性能を得るためには、マイクロレンズ１０の直径は少なくとも波長の２〜３倍以上である必要があり、これが高画素化を妨げていた。【００１３】
図１２に示した従来の光検出装置では、光を吸収する色フィルターを用いないので、光利用効率は向上する。しかしながら、プリズムの分散特性を利用した分光の作用（屈折角の波長による差）は極めて小さく、赤と緑、又は緑と青の光の間の変位は極めて小さい。従って、プリズムを光の分光に用いる場合、プリズムと光検出面との間隔を少なくとも数十〜数百μｍ以上に設定する必要があり、試作する上で現実的な寸法にはならない。【００１４】
本発明は上記の従来の問題を解決し、光利用効率を向上させることでフォトディテクターの間隔を大幅に短縮化し、且つ、マイクロレンズに必要なサイズの確保と画素の高密度化とを両立させることを目的とする。また、本発明は、大きな分光作用を利用することで現実的な寸法を有する光検出装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の撮像用光検出装置は、基板上に１次元状あるいは２次元状に配列された複数の光検出器と、前記複数の光検出器の上方に形成された低屈折率透明層と、前記複数の光検出器の配列方向に沿って前記低屈折率透明層内に埋め込まれた柱状又は板状の複数の高屈折率透明部とを備える。１つの前記高屈折率透明部に対して２つ以上の前記光検出器が対応している。前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光は、それらを通過することでその波面に発生した位相シフトにより、０次回折光と１次回折光と−１次回折光とに分離される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の撮像用光検出装置によれば、光の吸収ではなく回折によって光の色分離を行うので、光の利用効率が大幅に向上する。また、１個のマイクロレンズ当たり２種類の色情報の検出が可能になる。従って、マイクロレンズのサイズ確保と画素の高密度化とを両立させることが可能となる。更に、波長による回折角の差を利用して分光するので、高屈折率透明部と光検出器との間隔を狭くすることができ、現実的な寸法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の一実施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１Ｂ】図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置の概略構成を示した図であり、図１Ａの部分１Ｂの拡大断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、赤仕様高屈折率透明部を介してマイクロレンズからフォトディテクターに伝搬する赤波長の光の強度分布を示した図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、赤仕様高屈折率透明部を介してフォトディテクター上に投影された赤波長の光の強度分布を示した図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、赤仕様高屈折率透明部を介してマイクロレンズからフォトディテクターに伝搬する青緑波長の光の強度分布を示した図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、赤仕様高屈折率透明部を介してフォトディテクター上に投影された青緑波長の光の強度分布を示した図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の一例を示した図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の別の例を示した図である。
【図７】図７は、本発明の別の実施形態に係る撮像用光検出装置の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、別の高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、更に別の高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、更に別の高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、更に別の高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図８Ｅ】図８Ｅは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、更に別の高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図８Ｆ】図８Ｆは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、更に別の高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図９Ａ】図９Ａは、従来の撮像装置の概略構成を示した側面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、従来の撮像用光検出装置の概略構成を示した図であり、図８Ａの部分９Ｂの拡大断面図である。
【図１０】図１０は、従来の撮像用光検出装置に用いられる３種の色フィルタの分光感度特性を示した図である。
【図１１】図１１は、従来の撮像用光検出装置の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。
【図１２】図１２は、マイクロプリズムを用いて色分離を行う従来の光検出装置の原理を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
上記の本発明の撮像用光検出装置において、前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光が互いに異なる前記光検出器で検出されることが好ましい。これにより、異なる光検出器で波長が異なる光をそれぞれ検出することができる。【００１９】
また、前記複数の高屈折率透明部は、少なくとも屈折率、形状、又はサイズにおいて互いに異なる赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなることが好ましい。この場合、ａ，ｂ，ｃを０以上の整数とすると、前記高屈折率透明部を通過した光と前記低屈折率透明層を通過した光との間で発生する前記位相シフトが、前記赤仕様高屈折率透明部の場合には赤波長の（ａ＋１／２）倍、前記緑仕様高屈折率透明部の場合には緑波長の（ｂ＋１／２）倍、前記青仕様高屈折率透明部の場合には青波長の（ｃ＋１／２）倍であることが好ましい。これにより、所望する波長帯域の回折光及び透過光を発生させることができる。ここで、ａ，ｂ，ｃは、同一の値であっても、異なる値であっても良い。【００２０】
上記において、前記ａ，ｂ，ｃは、０又は１であることが好ましい。ａ，ｂ，ｃが小さな値をとることにより、高屈折率透明部の厚さ方向の長さを短くすることができるので、光損失を低減でき、また、製作が容易となる。【００２１】
また、前記複数の高屈折率透明部は、赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなることが好ましい。この場合、ａ，ｂ，ｃを０以上の整数、前記高屈折率透明部及び前記低屈折率透明層の屈折率をそれぞれｎ，ｎ0とすると、前記高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈは、前記赤仕様高屈折率透明部ではｈ＝赤波長＊（２＊ａ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝、前記緑仕様高屈折率透明部ではｈ＝緑波長＊（２＊ｂ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝、前記青仕様高屈折率透明部ではｈ＝青波長＊（２＊ｃ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝を満足することが好ましい。これにより、所望する波長帯域の回折光及び透過光を発生させることができる。ここで、ａ，ｂ，ｃは、同一の値であっても、異なる値であっても良い。【００２２】
上記において、前記ａ，ｂ，ｃは、０又は１であることが好ましい。ａ，ｂ，ｃが小さな値をとることにより、高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈを短くすることができるので、光損失を低減でき、また、製作が容易となる。【００２３】
また、前記複数の高屈折率透明部は、少なくとも屈折率、形状、又はサイズにおいて互いに異なる第１波長に対応した第１仕様高屈折率透明部及び第２波長に対応した第２仕様高屈折率透明部からなることが好ましい。この場合、ａ，ｂを０以上の整数とすると、前記高屈折率透明部を通過した光と前記低屈折率透明層を通過した光との間で発生する前記位相シフトが、前記第１仕様高屈折率透明部の場合には第１波長の（ａ＋１／２）倍、前記第２仕様高屈折率透明部の場合には第２波長の（ｂ＋１／２）倍であることが好ましい。これにより、所望する波長帯域の回折光及び透過光を発生させることができる。ここで、ａ，ｂは、同一の値であっても、異なる値であっても良い。【００２４】
上記において、前記ａ，ｂは、０又は１であることが好ましい。ａ，ｂが小さな値をとることにより、高屈折率透明部の厚さ方向の長さを短くすることができるので、光損失を低減でき、また、製作が容易となる。【００２５】
また、前記複数の高屈折率透明部は、第１波長に対応した第１仕様高屈折率透明部及び第２波長に対応した第２仕様高屈折率透明部からなることが好ましい。この場合、ａ，ｂを０以上の整数、前記高屈折率透明部及び前記低屈折率透明層の屈折率をそれぞれｎ，ｎ0とすると、前記高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈは、前記第１仕様高屈折率透明部ではｈ＝第１波長＊（２＊ａ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝、前記第２仕様高屈折率透明部ではｈ＝第２波長＊（２＊ｂ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝を満足することが好ましい。これにより、所望する波長帯域の回折光及び透過光を発生させることができる。ここで、ａ，ｂは、同一の値であっても、異なる値であっても良い。【００２６】
上記において、前記ａ，ｂは、０又は１であることが好ましい。ａ，ｂが小さな値をとることにより、高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈを短くすることができるので、光損失を低減でき、また、製作が容易となる。【００２７】
また、前記複数の高屈折率透明部は、赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなることが好ましい。この場合、前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光を含む面と前記基板の表面との交線に平行な第１方向において、前記赤仕様高屈折率透明部、前記緑仕様高屈折率透明部、及び前記青仕様高屈折率透明部の順の並び、または前記赤仕様高屈折率透明部、前記青仕様高屈折率透明部、及び前記緑仕様高屈折率透明部の順の並びが繰り返して配置されていることが好ましい。更に、前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対応する３つの前記光検出器が前記第１方向に沿って配置されており、前記第１方向に沿って配置された前記３つの光検出器のうちの両外側の２つの光検出器は、前記３つの光検出器に対応する高屈折率透明部に対して前記第１方向において互いに隣り合う２つの高屈折率透明部にも対応していることが好ましい。これにより、３つの色の補色の色分離と検出とが可能となる。【００２８】
上記の場合において、前記第１方向に沿って配置された前記複数の高屈折率透明部の列における前記赤仕様高屈折率透明部、前記緑仕様高屈折率透明部、及び前記青仕様高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチ分だけ位置ずれしていることが好ましい。これにより、モアレの発生を抑えることができる。【００２９】
また、前記複数の高屈折率透明部は、赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなることが好ましい。この場合、前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光を含む面と前記基板の表面との交線に平行な第１方向において、前記赤仕様高屈折率透明部、前記緑仕様高屈折率透明部、及び前記青仕様高屈折率透明部のうちの２つが交互に配置されていることが好ましい。更に、前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対応する３つの前記光検出器が前記第１方向に沿って配置されており、前記第１方向に沿って配置された前記３つの光検出器のうちの両外側の２つの光検出器は、前記３つの光検出器に対応する高屈折率透明部に対して前記第１方向において互いに隣り合う２つの高屈折率透明部にも対応していることが好ましい。これにより、３つの色の補色の色分離と検出とが可能となる。【００３０】
また、前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光を含む面と前記基板の表面との交線に平行な第１方向に沿って配置された前記高屈折率透明部の列における前記高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの半分だけ位置ずれしていることが好ましい。これにより、被写体からの光の利用効率を更に向上させることができる。【００３１】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。これらの図において従来例と共通する要素には、同一の符号を付している。【００３２】
図１Ａは、本発明の一実施形態に係る撮像装置の概略構成を示した側面図である。自然光等の光が物体１に入射し、これを反射した光は、レンズ系２によりＣＣＤやＣＭＯＳ等の光検出装置４上に像３を形成する。レンズ系２は、一般には光学性能を確保するために光軸に沿って並んだ複数のレンズを組み合わせて構成されるが、図１Ａでは図面を簡略化して単一のレンズとして描かれている。以下の説明の便宜のために、光検出装置４の光検出面（または後述する基板５の表面）の法線方向軸をＺ軸、光検出面に平行な垂直方向軸をＸ軸、光検出面に平行な水平方向軸をＹ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。【００３３】
図１Ｂは、光検出装置４の概略構成を示した図であり、図１Ａの部分１Ｂの拡大断面図である。複数のフォトディテクター６が形成された検出基板５上に、ＳｉＯ2等からなる低屈折率の透明バッファー層７、ＳｉＮ等からなる高屈折率の透明バッファー層８、ＳｉＯ2等からなる低屈折率透明層１２、複数のマイクロレンズ１０がこの順で積層されている。低屈折率透明層１２内には、ＳｉＮ等からなる複数の高屈折率透明部１３が埋め込まれている。透明バッファー層７の透明バッファー層８と接する表面７ａには、各マイクロレンズ１０の中心軸上で透明バッファー層７の膜厚が小さくなるような凹凸構造が形成されている。一方、透明バッファー層８の低屈折率透明層１２と接する表面８ａは平坦である。【００３４】
マイクロレンズ１０はＸ軸方向に平行な複数の直線及びＹ軸方向に平行な複数の直線によって形成される直交格子の各交点位置に配置されている。高屈折率透明部１３はマイクロレンズ１０と一対一に対応し、各マイクロレンズ１０の中心軸上に１つの高屈折率透明部１３が配置されている。フォトディテクター６も、Ｘ軸方向に平行な複数の直線及びＹ軸方向に平行な複数の直線によって形成される直交格子の各交点位置に配置されている。Ｘ軸方向（図１Ｂの紙面の上下方向）に隣り合う各マイクロレンズ１０の中心軸はひとつおきにフォトディテクター６の中心を通過する。Ｙ軸方向（図１Ｂの紙面に直交する方向）に隣り合う各マイクロレンズ１０の中心軸は、隣り合う各フォトディテクター６の中心を通過する（後述する図５参照）。【００３５】
マイクロレンズ１０は、光線１１ａ’のようにマイクロレンズ１０の中心軸に対してシフトして入射する光を屈折させてフォトディテクター６に導く働きをなす。透明バッファー層７の表面７ａの凹凸構造もレンズ効果を有し、フォトディテクター６の中心から外れた方向に向かう発散光１１ｂ’を屈折させてフォトディテクター６に導く働きをなす。更に、高屈折率透明部１３は導波路の働きをなすので、マイクロレンズ１０の中心軸に対して傾いた光が入射すると、その光の伝搬方位を矯正し、フォトディテクター６に導く働きをなす。【００３６】
高屈折率透明部１３は、Ｙ軸方向（図１Ｂの紙面に垂直な方向）に連続する板状、または、Ｙ軸方向のマイクロレンズ１０の配置位置に一対一に対応して分離された柱状をなす。高屈折率透明部１３が柱状の場合、そのＹ軸方向寸法はＸ軸方向寸法の２〜３倍以上である。高屈折率透明部１３は、その幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ及び長さ（光検出装置４の厚さ方向、即ちＺ軸方向の寸法）ｈが異なる赤仕様高屈折率透明部１３Ｒ、緑仕様高屈折率透明部１３Ｇ、青仕様高屈折率透明部１３Ｂから構成され、これらがこの順でＸ軸方向に繰り返して周期的に配置されている。赤仕様高屈折率透明部１３Ｒは幅ｗR、長さｈRを有し、緑仕様高屈折率透明部１３Ｇは幅ｗG、長さｈGを有し、青仕様高屈折率透明部１３Ｂは幅ｗB、長さｈBを有する。赤仕様高屈折率透明部１３Ｒに入射した光１１Ｒは、赤仕様高屈折率透明部１３Ｒを出射する際に垂直方向面（ＸＺ面）内において０次回折光Ｒ0、１次回折光Ｒ1、−１次回折光Ｒ-1に分離し、それぞれフォトディテクター６Ｒ-、６ＲＧ、６ＢＲで検出される。緑仕様高屈折率透明部１３Ｇに入射した光１１Ｇは、緑仕様高屈折率透明部１３Ｇを出射する際に垂直方向面（ＸＺ面）内において０次回折光Ｇ0、１次回折光Ｇ1、−１次回折光Ｇ-1に分離し、それぞれフォトディテクター６Ｇ-、６ＧＢ、６ＲＧで検出される。青仕様高屈折率透明部１３Ｂに入射した光１１Ｂは、青仕様高屈折率透明部１３Ｂを出射する際に垂直方向面（ＸＺ面）内において０次回折光Ｂ0、１次回折光Ｂ1、−１次回折光Ｂ-1に分離し、それぞれフォトディテクター６Ｂ-、６ＢＲ、６ＧＢで検出される。０次回折光、１次回折光、及び−１次回折光の各光分布が互いにはっきりと分離するためには、高屈折率透明部１３の先端とフォトディテクター６との間に１μｍ以上の間隔が設けられることが好ましい。【００３７】
図２は、本実施形態の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部１３によって回折光が発生する原理を説明する図である。高屈折率透明部１３は幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ、長さ（Ｚ軸方向寸法）ｈのＹ軸方向（図２の紙面に垂直な方向）に延びた板状とする。高屈折率透明部１３の屈折率をｎ、その周囲の低屈折率透明層１２の屈折率をｎ0とする。マイクロレンズ１０を経て高屈折率透明部１３に入射する光１１の波面を平面波１５とすると、この光１１が高屈折率透明部１３及びその周囲の低屈折率透明層１２を透過することで、出射した光の波面１６には次式で示す位相シフトｄが発生する（真空中での長さに換算）。【００３８】
（式１）    ｄ＝ｈ（ｎ−ｎ0）
この位相シフトにより出射光は０次回折光Ｄ0、１次回折光Ｄ1、−１次回折光Ｄ-1に回折する。このときの回折効率は、位相シフトｄと高屈折率透明部１３の幅ｗ（すなわち入射光１１の光分布１４の広がりに対する高屈折率透明部１３の断面の面積占有率）の大小により決まる。【００３９】
赤波長をλＲ、緑波長をλＧ、青波長をλＢとすると、本実施形態では、赤仕様でｄ＝１．５λＲ、緑仕様でｄ＝１．５λＧ、青仕様でｄ＝１．５λＢとなるように高屈折率透明部１３の寸法が設定されている。すなわち、高屈折率透明部１３の長さが次のように決められている。【００４０】
（式２）    ｈR＝１．５λＲ／（ｎ−ｎ0）
（式３）    ｈG＝１．５λＧ／（ｎ−ｎ0）
（式４）    ｈB＝１．５λＢ／（ｎ−ｎ0）
（式２）より、赤仕様高屈折率透明部１３Ｒでは赤波長λＲの光は１．５波長分の位相シフト、緑波長λＧの光は１．５＊（λＲ／λＧ）波長分の位相シフト、青波長λＢの光は１．５＊（λＲ／λＢ）波長分の位相シフトが発生する。λＲ＝０．６５μｍ、λＧ＝０．５４μｍ、λＢ＝０．４５μｍとすると、緑波長λＧの光、青波長λＢの光ではそれぞれ１．８１波長分、２．１７波長分の位相シフトとなる。光は波であるので整数分の位相シフトはゼロと等価である。従って、各色の位相シフトから整数分を省くと、赤波長の光は０．５波長の位相シフト、緑波長の光及び青波長の光はいずれも０．２波長以下の位相シフトとなる。従って、赤波長の光は強く回折し、その０次回折光Ｄ0がゼロになり、そのエネルギーが１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1に配分される。一方、緑波長の光及び青波長の光の回折は弱く、その１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1が小さく、大半のエネルギーが０次回折光Ｄ0に配分される。【００４１】
（式３）より、緑仕様高屈折率透明部１３Ｇでは赤波長λＲの光は１．５＊（λＧ／λＲ）波長分の位相シフト、緑波長λＧの光は１．５波長分の位相シフト、青波長λＢの光は１．５＊（λＧ／λＢ）波長分の位相シフトが発生する。λＲ＝０．６５μｍ、λＧ＝０．５４μｍ、λＢ＝０．４５μｍとすると、赤波長λＲの光、青波長λＢの光ではそれぞれ１．２５波長分、１．８０波長分の位相シフトとなる。各色の位相シフトから整数分を省くと、緑波長の光は０．５波長の位相シフト、赤波長の光及び青波長の光はいずれも０．２５波長以下の位相シフトとなる。従って、緑波長の光は強く回折し、０次回折光Ｄ0がゼロになり、そのエネルギーが１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1に配分される。一方、赤波長の光及び青波長の光の回折は弱く、その１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1が小さく、大半のエネルギーが０次回折光Ｄ0に配分される。【００４２】
（式４）より、青仕様の高屈折率透明部１３では赤波長λＲの光は１．５＊（λＢ／λＲ）波長分の位相シフト、緑波長λＧの光は１．５＊（λＢ／λＧ）波長分の位相シフト、青波長λＢの光は１．５波長分の位相シフトが発生する。λＲ＝０．６５μｍ、λＧ＝０．５４μｍ、λＢ＝０．４５μｍとすると、赤波長λＲの光、緑波長λＧの光ではそれぞれ１．０４波長分、１．２５波長分の位相シフトとなる。各色の位相シフトから整数分を省くと、青波長の光は０．５波長の位相シフト、赤波長の光及び緑波長の光はいずれも０．２５波長以下の位相シフトとなる。従って、青波長の光は強く回折し、０次回折光Ｄ0がゼロになり、そのエネルギーが１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1に配分される。一方、赤波長の光及び緑波長の光の回折は弱く、その１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1が小さく、大半のエネルギーが０次回折光Ｄ0に配分される。【００４３】
従って、図１Ｂに於いて、フォトディテクター６Ｒ-には赤以外（緑と青、すなわちシアン）の光、６Ｇ-には緑以外（赤と青、すなわちマゼンタ）の光、６Ｂ-には青以外（赤と緑、すなわちイエロー）の光が入射し、フォトディテクター６ＧＢには緑と青（すなわちシアン）の光、６ＢＲには青と赤（すなわちマゼンタ）の光、６ＲＧには赤と緑（すなわちイエロー）の光が入射する。【００４４】
図３Ａ及び図４Ａは、本実施形態の撮像用光検出装置において、マイクロレンズ１０から赤仕様高屈折率透明部１３Ｒを介してフォトディテクター６に伝搬する光の強度分布図を示した図であり（高屈折率透明部から出射後の強度分布のみを表示）、図３Ｂ及び図４Ｂは、フォトディテクター６上に投影された光の強度分布を示した図である。ここでは、高屈折率透明部として赤仕様高屈折率透明部１３Ｒを用いた場合を例示しており、その幅ｗ＝０．３５μｍ、長さｈ＝１．８μｍとした。赤仕様高屈折率透明部１３Ｒの終端は高屈折率の透明バッファー層８の平坦面８ａ（図１Ａ参照）に接し、マイクロレンズ１０の中心軸上において、マイクロレンズの厚さを０．３μｍ、低屈折の透明バッファー層７の膜厚を１．５μｍ、高屈折率の透明バッファー層８の膜厚を０．４μｍとした。マイクロレンズ１０と透明バッファー層７及び低屈折率透明層１２の屈折率はｎ0で同一、透明バッファー層８及び高屈折率透明部１３Ｒの屈折率はｎで同一とした。図３Ａ及び図３Ｂは光の波長λ＝０．６５μｍ（赤波長）、ｎ＝２．０２０、ｎ0＝１．４５４の条件、図４Ａ及び図４Ｂは光の波長λ＝０．５０μｍ（青緑波長）、ｎ＝２．２１２、ｎ0＝１．４６１の条件での、マイクロレンズ１０にその中心軸に沿って入射する光の波動計算結果である。図３Ａ及び図３Ｂでは赤波長（λ＝０．６５μｍ）の光が強く回折して、０次回折光がゼロになり、そのエネルギーが±１次回折光に配分されており、図４Ａ及び図４Ｂでは青緑波長（λ＝０．５０μｍ）の光の回折が弱く、±１次回折光が小さく、大半のエネルギーが０次回折光に配分されていることが分かる。【００４５】
図５は、本実施形態の撮像用光検出装置の光検出面を含む構成要素の拡大平面図である。Ｙ軸方向に隣り合うフォトディテクター６間には、Ｘ軸方向に延びる信号配線である複数の垂直転送ＣＣＤ１７が設けられており、複数の垂直転送ＣＣＤ１７はＹ軸方向に延びる信号配線である水平転送ＣＣＤ１８と接続されている。【００４６】
マイクロレンズ１０で集光された光は、その真下に位置する高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂを透過し、回折することでＸＺ面内で波長毎に分別され、フォトディテクター６Ｒ-、６Ｇ-、６Ｂ-、６ＧＢ、６ＢＲ、６ＲＧにより受光され光電変換される。各フォトディテクターに蓄積した電荷は垂直転送ＣＣＤ１７に送られ、さらに水平転送ＣＣＤ１８に送られて、画像信号として出力される。【００４７】
Ｘ軸方向においては、高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。Ｘ軸方向に沿った高屈折率透明部の列における高屈折率透明部の配置ピッチは一定である。このようにしてＸ軸方向に沿って配置された高屈折率透明部の列は、Ｘ軸方向に１ピッチずつ位置ずれしながら、Ｙ軸方向に配置されている。その結果、Ｙ軸方向においても、高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。【００４８】
フォトディテクター６Ｒ-，６Ｇ-，６Ｂ-はそれぞれ高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの真下（即ち、各マイクロレンズ１０の中心軸上）に配置されている。さらに、Ｘ軸方向において、フォトディテクター６Ｒ-，６Ｇ-間にフォトディテクター６ＲＧが配置され、フォトディテクター６Ｇ，６Ｂ間にフォトディテクター６ＧＢが配置され、フォトディテクター６Ｂ-，６Ｒ-間にフォトディテクター６ＢＲが配置されている。フォトディテクター６Ｒ-，６Ｇ-，６Ｂ-の幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ1はフォトディテクター６ＧＢ，６ＢＲ，６ＲＧの幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ2と同一でも異なっていても良いが、０次回折光に比べ±１次回折光ではそのスポットが広がりやすいことからｗ2＞ｗ1であることが好ましい。【００４９】
図９Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では、赤、緑、青の３色の画像情報を取り込み、それを組み合わせてカラー画像を作成していた。これに対して、本実施形態では３原色の補色にあたるシアン、マゼンタ、イエローの３つの画像情報を取り込み、それを組み合わせてカラー画像を作成する。シアンの信号はフォトディテクター６Ｒ-、６ＧＢから検出され、マゼンタの信号はフォトディテクター６Ｇ-、６ＢＲから検出され、イエローの信号はフォトディテクター６Ｂ-、６ＲＧから検出される。【００５０】
上述したように、図９Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では光の色分離を赤、緑、青の３色のうちの２色を選択的に吸収する色フィルター９により行っていたので、色フィルター９により７〜８割の光が吸収されていた。これに対して、本実施形態の撮像用光検出装置では、光の色分離を光の吸収ではなく、光の回折を利用して行っているので、光の全エネルギーを活用できる。従って、本実施形態では、光の利用効率が従来の３〜４倍に向上する。【００５１】
また、図９Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では、マイクロレンズ１個で１つの色の情報を検出していた。これに対して、本実施形態の撮像用光検出装置では、マイクロレンズ１個で２種類の色情報を検出する。従って、マイクロレンズ１０のサイズを一定にして比較すると、本実施形態では従来に比べ画素密度を２倍にすることが可能となる。【００５２】
更に、図１２に示した従来の光検出装置では、光の色分離を行うためにプリズムの分散特性を利用するので分光の作用（屈折角の波長による差）が小さいという問題があった。これに対して、本実施形態の撮像用光検出装置では、光の波面に発生する位相シフトを利用するので分光の作用（回折角の波長による差）が大きい。従って、図３Ｂ及び図４Ｂに示したように、高屈折率透明部の先端と光検出面との間隔を僅か１〜２μｍに設定すれば、０次光（補色）と±１次光（源色）の３つのスポット間に０．５μｍ以上の変位を与えることができ、試作する上で十分現実的な寸法といえる。【００５３】
図６Ａは本実施形態の撮像用光検出装置のフォトディテクターの配置の一例を示した図であり、これは図５に示した配置と同一である。図６Ａは多数のフォトディテクターの一部の配置を拡大して示している。一点鎖線で示す任意の位置の矩形枠１９内に含まれる２個（Ｘ軸方向）×２個（Ｙ軸方向）の４個のフォトディテクターからは３原色の補色の信号を必ず検出することができる。従って、矩形枠１９内の４個のフォトディテクターでカラーの画像情報を検出する一画素を構成することができ、この画素を光検出装置の光検出面の全領域に形成することができる。【００５４】
任意の位置の矩形枠１９内に含まれる２個（Ｘ軸方向）×２個（Ｙ軸方向）の４個のフォトディテクターから３原色の補色の信号を検出することができるようなフォトディテクターの配置は、図６Ａに限定されない。【００５５】
例えば、Ｘ軸方向において、高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｂ，１３Ｇの順の並びを繰り返して配置することで、図６Ａと異なるフォトディテクターの配置を実現できる。【００５６】
あるいは、Ｘ軸方向において高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂのうちの２つを交互に配置し、且つ、Ｙ軸方向において高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの順の並びを繰り返して配置しても良い。図６Ｂは、高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂをこのように配置した場合のフォトディテクターの配置を示す。この場合も、一点鎖線で示す任意の位置の矩形枠１９内に含まれる２個（Ｘ軸方向）×２個（Ｙ軸方向）の４個のフォトディテクターからは３原色の補色の信号を必ず検出することができる。なお、Ｘ軸方向において高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂのうちの２つを交互に配置し、且つ、Ｙ軸方向において高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｂ，１３Ｇの順の並びを繰り返して配置しても良い。【００５７】
Ｘ軸方向に沿ったマイクロレンズ及び高屈折率透明部の各列を構成するマイクロレンズ及び高屈折率透明部のＸ軸方向の位置を、Ｙ軸方向に隣り合う列間でＸ軸方向の配置ピッチの半分だけずらしてもよい。このように配置された本発明の撮像用光感出装置の拡大平面図の一例を図７に示す。図７は、図５に示したマイクロレンズ及び高屈折率透明部のＸ軸方向の位置をＹ軸方向に隣り合う列間でＸ軸方向に０．５ピッチずつ順にずらしたものである。マイクロレンズ及び高屈折率透明部の位置ずれに応じてフォトディテクターのＸ軸方向の位置もずれている。図７のように配置することで、Ｚ軸と平行に見たとき円形であるマイクロレンズをハニカム状に配置することができる。従って、マイクロレンズ及び高屈折率透明部のＹ軸方向の配置ピッチを小さくして、被写体からの光の利用効率を更に高めることができる。図７は図５に示した配置の変形例を示したが、図５以外の配置についても同様に配置することができる。【００５８】
上記の実施形態では、位相シフトｄを、赤仕様でｄ＝１．５λＲ、緑仕様でｄ＝１．５λＧ、青仕様でｄ＝１．５λＢとなるように各高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂを設定した。この条件が高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂのベストな組み合わせであると思われるが、本発明はこれに限定されない。例えば、高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂのうちの少なくとも１つが、ｄ＝（０以上の整数＋０．５）×λとなるように設定しても良い（λはλＲ、λＧ、λＢのいずれか）。【００５９】
すなわち、高屈折率透明部１３の長さが、（式２）、（式３）、（式４）に代えて、ａ，ｂ，ｃを０以上の整数として次のように決められていても良い。【００６０】
（式５）    ｈR＝λＲ＊（２＊ａ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝
（式６）    ｈG＝λＧ＊（２＊ｂ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝
（式７）    ｈB＝λＢ＊（２＊ｃ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝
例えば、（式３）の代わりに次式
（式６’）    ｈG＝２．５λＧ／（ｎ−ｎ0）
を採用すると、緑仕様高屈折率透明部１３Ｂでは赤波長λＲの光は２．５＊（λＧ／λＲ）波長分の位相シフト、緑波長λＧの光は２．５波長分の位相シフト、青波長λＢの光は２．５＊（λＧ／λＢ）波長分の位相シフトが発生する。λＲ＝０．６５μｍ、λＧ＝０．５４μｍ、λＢ＝０．４５μｍとすると、赤波長λＲの光、青波長λＢの光ではそれぞれ２．０８波長分、３．０波長分の位相シフトとなる。各色の位相シフトからの整数分を省くと、緑波長の光は０．５波長の位相シフト、赤波長の光及び青波長の光はいずれも０．１波長以下の位相シフトとなる。従って、緑波長の光は強く回折し、０次回折光Ｄ0がゼロになり、そのエネルギーが１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1に配分される。一方、赤波長の光及び青波長の光の回折は極めて弱く、その１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1がほぼゼロで、ほとんどのエネルギーが０次回折光Ｄ0に配分される。【００６１】
上記の実施形態では、可視光領域の光を赤、緑、青の３原色の補色に分離するために、赤仕様、緑仕様、及び青仕様の３種類の高屈折率透明部を用いる例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。【００６２】
例えば、上記３種類の高屈折率透明部に加えて、更に別の波長（例えば赤外光の波長）に対応した１種類以上の高屈折率透明部を追加しても良い。あるいは、赤仕様、緑仕様、及び青仕様の高屈折率透明部のうちのいずれか１つ以上を３原色以外の波長（例えば赤外光の波長）に対応した高屈折率透明部に変更しても良い。【００６３】
更に、高屈折率透明部の仕様の種類数を３つ以上にするのではなく、例えば２つにすることもできる。この場合、第１波長（例えば赤外光の波長）をλ１、第２波長（緑色光の波長）をλ２、ａ，ｂを０以上の整数とすると、位相シフトｄが、第１波長に対応した第１仕様高屈折率透明部でλ１＊（ａ＋１／２）、第２仕様に対応した第２仕様高屈折率透明部でλ２＊（ｂ＋１／２）となるように第１仕様及び第２仕様高屈折率透明部の寸法が設定されることが好ましい。即ち、第１仕様及び第２仕様高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈ１，ｈ２が以下のように設定されることが好ましい。【００６４】
（式８）    ｈ１＝λ１＊（２＊ａ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝
（式９）    ｈ２＝λ２＊（２＊ｂ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝
この場合も、上記の実施形態と同様に、ａ，ｂが小さな値（例えば０又は１）をとるほど、高屈折率透明部の長さを短くできるので、光損失を低減することができ、また、製作が容易となる。【００６５】
また、上記の実施形態では各高屈折率透明部１３は図２に示すように幅ｗがＺ軸方向において一定である形状を有していたが、図８Ａに示すように異なる２つの幅ｗ、ｗ’を有する形状であってもよく、図８Ｂに示すように異なる３つ以上の幅を有する形状であっても良い。更に、図８Ｃに示すように、Ｚ軸方向において幅が徐々に狭くなる（又は広くなる）形状であっても良い。また、図８Ｄに示すように、高屈折率透明部１３が、割り箸のようにフォトディテクター側において幅方向に２つ以上に分岐していてもよい。Ｙ軸方向に隣り合う高屈折率透明部１３は長さｈ（Ｚ軸方向の寸法）を変えながら互いに一部で連続していてもよく、完全に独立（分断）していてもよい。独立している場合には、隣り合う高屈折率透明部間には低屈折率透明層１２が充填される。【００６６】
また、上記の実施の形態では、Ｚ軸方向において、高屈折率透明部１３がマイクロレンズ１０の下面と接していたが、高屈折率透明部１３とマイクロレンズ１０とは離間していてもよい。この場合、両者間には低屈折率透明層１２が設けられても良い。【００６７】
高屈折率透明部１３は、入射した光をその広がりを抑えながらフォトディテクター側に導くという導波路としての機能を有するので、条件によってはこれと類似の機能を有するマイクロレンズ１０を省略することも可能である。ただし、高屈折率透明部１３はＹ軸方向に延設されているので、Ｙ軸方向には導波路としての効果が少ない。従って、高屈折率透明部１３にマイクロレンズ１０の代用をさせるには、少なくとも高屈折率透明部１３および低屈折率透明層１２の入射側表面に、高屈折率透明部の列ごとにＸ軸方向を中心軸方向とするシリンドリカル面を形成することが好ましい。【００６８】
さらに、上記の実施形態では透明バッファー層７の透明バッファー層８と接する表面７ａに凹凸構造を形成してレンズ効果を発揮させることで、フォトディテクター６の中心から外れた方向に向かう発散光１１ｂ’を屈折させてフォトディテクター６に導いていた。この作用を、高屈折率透明部１３のフォトディテクター６側端に、図８Ｅのレンズ形状１３ａや図８Ｆのレンズ形状１３ｂを形成することで、高屈折率透明部１３に行わせることが出来る。これにより、透明バッファー層７の表面７ａの凹凸構造や高屈折率の透明バッファー層８を省略し、バッファー層７，８を単層の透明バッファー層に置き換えることが出来る。【００６９】
上記の実施形態では、フォトディテクター６がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って２次元状に配列されていたが、１次元状に配列されていても良い。この場合、マイクロレンズ１０及び高屈折率透明部１３も、フォトディテクター６の配列方向に沿って１次元状に配列される。【００７０】
上記の実施形態では、分光しようとする波長に応じて高屈折率透明部のサイズ（長さｈ）を異ならせていたが、高屈折率透明部の屈折率や形状を異ならせても良く、その場合も上記の実施形態と同様に位相シフトを発生させて所望する波長の光を分光することができる。【００７１】
上記の実施形態では、高屈折率透明部１３の材料としてＳｉＮを用いる例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば酸化タンタルや酸化チタン等の高屈折率材料や、低屈折率透明層１２に対して０．２以上の屈折率差を確保できるのであればポリイミド樹脂等の樹脂材料やナノコンポジット等を用いることもできる。【００７２】
図９Ｂ及び図１１に示した従来の光検出装置の受光領域には、実際にはマイクロレンズとフォトディテクターとの間に金属配線などの遮光部が存在するため、受光領域に入射した光の一部は遮光部によって遮られてしまう。これは、上記の実施形態に示した光検出装置でも同様である。しかしながら、最近、金属配線の影響を受けずに受光領域の全面で受光できる裏面照射型の固体撮像素子が開発されている。光の回折を利用して色分離を行うことで光利用効率を高めることができる本発明の光検出装置を、上記の裏面照射型の固体撮像素子に適用すると、光利用効率を更に向上させることができ、効果的であると考えられる。【００７３】
以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の利用分野は特に制限はなく、物体の像を撮影するための、小型且つ高解像度の撮像用光検出装置として広範囲に利用することができる。
【図１Ａ】
2009019818.tif 000003
【図１Ｂ】
2009019818.tif 000004
【図２】
2009019818.tif 000005
【図３Ａ】
2009019818.tif 000006
【図３Ｂ】
2009019818.tif 000007
【図４Ａ】
2009019818.tif 000008
【図４Ｂ】
2009019818.tif 000009
【図５】
2009019818.tif 000010
【図６Ａ】
2009019818.tif 000011
【図６Ｂ】
2009019818.tif 000012
【図７】
2009019818.tif 000013
【図８Ａ】
2009019818.tif 000014
【図８Ｂ】
2009019818.tif 000015
【図８Ｃ】
2009019818.tif 000016
【図８Ｄ】
2009019818.tif 000017
【図８Ｅ】
2009019818.tif 000018
【図８Ｆ】
2009019818.tif 000019
【図９Ａ】
2009019818.tif 000020
【図９Ｂ】
2009019818.tif 000021
【図１０】
2009019818.tif 000022
【図１１】
2009019818.tif 000023
【図１２】
2009019818.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月13日(2008.11.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に１次元状あるいは２次元状に配列された複数の光検出器と、前記複数の光検出器の上方に形成された低屈折率透明層と、前記複数の光検出器の配列方向に沿って前記低屈折率透明層内に埋め込まれた柱状又は板状の複数の高屈折率透明部とを備え、
１つの前記高屈折率透明部に対して２つ以上の前記光検出器が対応し、
前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光は、それらを通過することでその波面に発生した位相シフトにより、０次回折光と１次回折光と−１次回折光とに分離されることを特徴とする撮像用光検出装置。
【請求項２】
前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光が互いに異なる前記光検出器で検出される請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項３】
前記複数の高屈折率透明部は、少なくとも屈折率、形状、又はサイズにおいて互いに異なる赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなり、
ａ，ｂ，ｃを０以上の整数とすると、前記高屈折率透明部を通過した光と前記低屈折率透明層を通過した光との間で発生する前記位相シフトが、前記赤仕様高屈折率透明部の場合には赤波長の（ａ＋１／２）倍、前記緑仕様高屈折率透明部の場合には緑波長の（ｂ＋１／２）倍、前記青仕様高屈折率透明部の場合には青波長の（ｃ＋１／２）倍である請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項４】
前記ａ，ｂ，ｃは、０又は１である請求項３に記載の撮像用光検出装置。
【請求項５】
前記複数の高屈折率透明部は、赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなり、
ａ，ｂ，ｃを０以上の整数、前記高屈折率透明部及び前記低屈折率透明層の屈折率をそれぞれｎ，ｎ0とすると、前記高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈは、前記赤仕様高屈折率透明部ではｈ＝赤波長＊（２＊ａ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝、前記緑仕様高屈折率透明部ではｈ＝緑波長＊（２＊ｂ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝、前記青仕様高屈折率透明部ではｈ＝青波長＊（２＊ｃ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝を満足する請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項６】
前記ａ，ｂ，ｃは、０又は１である請求項５に記載の撮像用光検出装置。
【請求項７】
前記複数の高屈折率透明部は、少なくとも屈折率、形状、又はサイズにおいて互いに異なる第１波長に対応した第１仕様高屈折率透明部及び第２波長に対応した第２仕様高屈折率透明部からなり、
ａ，ｂを０以上の整数とすると、前記高屈折率透明部を通過した光と前記低屈折率透明層を通過した光との間で発生する前記位相シフトが、前記第１仕様高屈折率透明部の場合には第１波長の（ａ＋１／２）倍、前記第２仕様高屈折率透明部の場合には第２波長の（ｂ＋１／２）倍である請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項８】
前記ａ，ｂは、０又は１である請求項７に記載の撮像用光検出装置。
【請求項９】
前記複数の高屈折率透明部は、第１波長に対応した第１仕様高屈折率透明部及び第２波長に対応した第２仕様高屈折率透明部からなり、
ａ，ｂを０以上の整数、前記高屈折率透明部及び前記低屈折率透明層の屈折率をそれぞれｎ，ｎ0とすると、前記高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈは、前記第１仕様高屈折率透明部ではｈ＝第１波長＊（２＊ａ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝、前記第２仕様高屈折率透明部ではｈ＝第２波長＊（２＊ｂ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝を満足する請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項１０】
前記ａ，ｂは、０又は１である請求項９に記載の撮像用光検出装置。
【請求項１１】
前記複数の高屈折率透明部は、赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなり、
前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光を含む面と前記基板の表面との交線に平行な第１方向において、前記赤仕様高屈折率透明部、前記緑仕様高屈折率透明部、及び前記青仕様高屈折率透明部の順の並び、または前記赤仕様高屈折率透明部、前記青仕様高屈折率透明部、及び前記緑仕様高屈折率透明部の順の並びが繰り返して配置されており、
前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対応する３つの前記光検出器が前記第１方向に沿って配置されており、
前記第１方向に沿って配置された前記３つの光検出器のうちの両外側の２つの光検出器は、前記３つの光検出器に対応する高屈折率透明部に対して前記第１方向において互いに隣り合う２つの高屈折率透明部にも対応している請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項１２】
前記第１方向に沿って配置された前記複数の高屈折率透明部の列における前記赤仕様高屈折率透明部、前記緑仕様高屈折率透明部、及び前記青仕様高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチ分だけ位置ずれしている請求項１１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項１３】
前記複数の高屈折率透明部は、赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなり、
前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光を含む面と前記基板の表面との交線に平行な第１方向において、前記赤仕様高屈折率透明部、前記緑仕様高屈折率透明部、及び前記青仕様高屈折率透明部のうちの２つが交互に配置されており、
前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対応する３つの前記光検出器が前記第１方向に沿って配置されており、
前記第１方向に沿って配置された前記３つの光検出器のうちの両外側の２つの光検出器は、前記３つの光検出器に対応する高屈折率透明部に対して前記第１方向において互いに隣り合う２つの高屈折率透明部にも対応している請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【請求項１４】
前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光を含む面と前記基板の表面との交線に平行な第１方向に沿って配置された前記高屈折率透明部の列における前記高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの半分だけ位置ずれしている請求項１に記載の撮像用光検出装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物体の映像を撮影するために用いられる撮像用光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の撮像用光検出装置が例えば非特許文献１及び非特許文献２に開示されている。これらに開示された撮像用光検出装置の概略を説明する。
【０００３】
図９Ａは、従来の撮像装置の概略構成を示した側面図である。自然光等の光が物体１に入射し、これを反射した光は、レンズ系２によりＣＣＤやＣＭＯＳ等の光検出装置４上に像３を形成する。レンズ系２は、一般には光学性能を確保するために光軸に沿って並んだ複数のレンズを組み合わせて構成されるが、図９Ａでは図面を簡略化して単一のレンズとして描かれている。
【０００４】
図９Ｂは、光検出装置４の概略構成を示した図であり、図９Ａの部分９Ｂの拡大断面図である。複数のフォトディテクター６が形成された検出基板５上に、ＳｉＯ2等からなる低屈折率の透明バッファー層７、ＳｉＮ等からなる高屈折率の透明バッファー層８、複数の色フィルター９、複数のマイクロレンズ１０がこの順で積層されている。透明バッファー層７の透明バッファー層８と接する表面７ａには、各フォトディテクター６の上で透明バッファー層７の膜厚が小さくなるような凹凸構造が形成されている。一方、透明バッファー層８の色フィルター９と接する表面８ａは平坦である。
【０００５】
マイクロレンズ１０は直交格子の各交点位置に配置されており、各マイクロレンズ１０の中心軸上に１つの色フィルター９及び１つのフォトディテクター６が配置されている。
【０００６】
マイクロレンズ１０は、光線１１ａ’のようにマイクロレンズ１０の中心軸に対してシフトして入射する光を屈折させてフォトディテクター６に導く働きをなす。透明バッファー層７の表面７ａの凹凸構造もレンズ効果を有し、フォトディテクター６の中心から外れた方向に向かう発散光１１ｂ’を屈折させてフォトディテクター６に導く働きをなす。
【０００７】
色フィルター９は赤透過フィルター９Ｒ、緑透過フィルター９Ｇ、青透過フィルター９Ｂの３種類から構成され、赤透過フィルター９Ｒは図１０の曲線Ｒで示されるように赤以外の波長の光をカット（吸収）する光透過特性（分光感度特性）を有し、緑透過フィルター９Ｇは図１０の曲線Ｇで示されるように緑以外の波長の光をカット（吸収）する光透過特性（分光感度特性）を有し、青透過フィルター９Ｂは図１０の曲線Ｂで示されるように青以外の波長の光をカット（吸収）する光透過特性（分光感度特性）を有する（非特許文献２参照）。赤透過フィルター９Ｒ、緑透過フィルター９Ｇ、青透過フィルター９Ｂ、及び明るさ検出用の緑透過フィルター９Ｇからなる４つの色フィルター９と、これらに対応した４つのフォトディテクター６とでカラーの画像情報を検出する一画素を構成する。
【０００８】
図１１は、光検出装置４の検出面の拡大平面図である。フォトディテクター６が直交格子の交点位置に互いに離間し且つ絶縁されて配置されている。水平方向に隣り合うフォトディテクター６間には、垂直方向に延びる信号配線である複数の垂直転送ＣＣＤ１７が設けられており、複数の垂直転送ＣＣＤ１７は水平方向に延びる信号配線である水平転送ＣＣＤ１８と接続されている。マイクロレンズ１０で集光された光はその真下に位置するフォトディテクター６により受光され光電変換される。フォトディテクター６に蓄積した電荷は垂直転送ＣＣＤ１７に送られ、さらに水平転送ＣＣＤ１８に送られて、画像信号として出力される。
【０００９】
上記の図９Ｂに示した光検出装置４では、各フォトディテクター６に特定の色の光を入射させるために色フィルター９を用いている。これに対して、図１２に示すように、マイクロレンズ（図示せず）を通過した被写体からの光３０をマイクロプリズ３１を用いて分散させ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光をフォトディテクター３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂで検出する光検出装置が提案されている（特許文献１参照）。
【非特許文献１】光技術コンタクト，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１（２００２）、Ｐ２４
【非特許文献２】トランジスタ技術，２００３年２月号、Ｐ１２８
【特許文献１】特表２００２−５０２１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
撮像用光検出装置に対しては、小型且つ高画素化に対する要求が益々高まっている。しかしながら、上記の従来の撮像用光検出装置では、以下の理由によりこの要求を満たすには限界があった。
【００１１】
第１の理由は、図９Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では色フィルター９を用いて色分離を行っていることに起因する。例えば青透過フィルター９Ｂでは、青以外の波長の光は吸収されるので、図１０から明らかなように、青透過フィルター９Ｂを透過する光は入射した光の僅か２〜３割程度である。これは他の色フィルター９Ｒ，９Ｇについても同様である。高画素化のためにフォトディテクター６の間隔を小さくすると、フォトディテクター６やマイクロレンズ１０のサイズが小さくなる。これにより、１つのマイクロレンズ１０に入射する光の光量が少なくなり、更に色フィルター９でその多くが吸収されてしまうので、十分な量の光をフォトディテクター６に供給できなくなる。従って、検出信号は光ショットノイズ等のノイズ信号に埋もれてしまう。このため、従来の撮像用光検出装置ではフォトディテクター６の間隔は１．５μｍ程度が限界とされている。
【００１２】
第２の理由は、図９Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では、フォトディテクター６に一対一に対応してマイクロレンズ１０が配置されていることに起因する。高画素化のためにフォトディテクター６の間隔を小さくすると、マイクロレンズ１０のサイズが小さくなり、これにともなってマイクロレンズ１０を透過する光束のサイズも小さくなる。ピンホールを透過した光の広がり角がピンホール径に反比例するように、光束のサイズ（即ちマイクロレンズ１０の直径）が微小になると光が拡散（回折）する特性が大きくなりすぎるので、マイクロレンズ１０を使って所望の集光性能を得ることが困難になる。マイクロレンズ１０の集光性能を得るためには、マイクロレンズ１０の直径は少なくとも波長の２〜３倍以上である必要があり、これが高画素化を妨げていた。
【００１３】
図１２に示した従来の光検出装置では、光を吸収する色フィルターを用いないので、光利用効率は向上する。しかしながら、プリズムの分散特性を利用した分光の作用（屈折角の波長による差）は極めて小さく、赤と緑、又は緑と青の光の間の変位は極めて小さい。従って、プリズムを光の分光に用いる場合、プリズムと光検出面との間隔を少なくとも数十〜数百μｍ以上に設定する必要があり、試作する上で現実的な寸法にはならない。
【００１４】
本発明は上記の従来の問題を解決し、光利用効率を向上させることでフォトディテクターの間隔を大幅に短縮化し、且つ、マイクロレンズに必要なサイズの確保と画素の高密度化とを両立させることを目的とする。また、本発明は、大きな分光作用を利用することで現実的な寸法を有する光検出装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の撮像用光検出装置は、基板上に１次元状あるいは２次元状に配列された複数の光検出器と、前記複数の光検出器の上方に形成された低屈折率透明層と、前記複数の光検出器の配列方向に沿って前記低屈折率透明層内に埋め込まれた柱状又は板状の複数の高屈折率透明部とを備える。１つの前記高屈折率透明部に対して２つ以上の前記光検出器が対応している。前記低屈折率透明層及び前記高屈折率透明部に入射する光は、それらを通過することでその波面に発生した位相シフトにより、０次回折光と１次回折光と−１次回折光とに分離される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の撮像用光検出装置によれば、光の吸収ではなく回折によって光の色分離を行うので、光の利用効率が大幅に向上する。また、１個のマイクロレンズ当たり２種類の色情報の検出が可能になる。従って、マイクロレンズのサイズ確保と画素の高密度化とを両立させることが可能となる。更に、波長による回折角の差を利用して分光するので、高屈折率透明部と光検出器との間隔を狭くすることができ、現実的な寸法を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
上記の本発明の撮像用光検出装置において、前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光が互いに異なる前記光検出器で検出されることが好ましい。これにより、異なる光検出器で波長が異なる光をそれぞれ検出することができる。
【００１８】
また、前記複数の高屈折率透明部は、少なくとも屈折率、形状、又はサイズにおいて互いに異なる赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなることが好ましい。この場合、ａ，ｂ，ｃを０以上の整数とすると、前記高屈折率透明部を通過した光と前記低屈折率透明層を通過した光との間で発生する前記位相シフトが、前記赤仕様高屈折率透明部の場合には赤波長の（ａ＋１／２）倍、前記緑仕様高屈折率透明部の場合には緑波長の（ｂ＋１／２）倍、前記青仕様高屈折率透明部の場合には青波長の（ｃ＋１／２）倍であることが好ましい。これにより、所望する波長帯域の回折光及び透過光を発生させることができる。ここで、ａ，ｂ，ｃは、同一の値であっても、異なる値であっても良い。
【００１９】
上記において、前記ａ，ｂ，ｃは、０又は１であることが好ましい。ａ，ｂ，ｃが小さな値をとることにより、高屈折率透明部の厚さ方向の長さを短くすることができるので、光損失を低減でき、また、製作が容易となる。
【００２０】
また、前記複数の高屈折率透明部は、赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなることが好ましい。この場合、ａ，ｂ，ｃを０以上の整数、前記高屈折率透明部及び前記低屈折率透明層の屈折率をそれぞれｎ，ｎ0とすると、前記高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈは、前記赤仕様高屈折率透明部ではｈ＝赤波長＊（２＊ａ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝、前記緑仕様高屈折率透明部ではｈ＝緑波長＊（２＊ｂ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝、前記青仕様高屈折率透明部ではｈ＝青波長＊（２＊ｃ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝を満足することが好ましい。これにより、所望する波長帯域の回折光及び透過光を発生させることができる。ここで、ａ，ｂ，ｃは、同一の値であっても、異なる値であっても良い。
【００２１】
上記において、前記ａ，ｂ，ｃは、０又は１であることが好ましい。ａ，ｂ，ｃが小さな値をとることにより、高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈを短くすることができるので、光損失を低減でき、また、製作が容易となる。
【００２２】
また、前記複数の高屈折率透明部は、少なくとも屈折率、形状、又はサイズにおいて互いに異なる第１波長に対応した第１仕様高屈折率透明部及び第２波長に対応した第２仕様高屈折率透明部からなることが好ましい。この場合、ａ，ｂを０以上の整数とすると、前記高屈折率透明部を通過した光と前記低屈折率透明層を通過した光との間で発生する前記位相シフトが、前記第１仕様高屈折率透明部の場合には第１波長の（ａ＋１／２）倍、前記第２仕様高屈折率透明部の場合には第２波長の（ｂ＋１／２）倍であることが好ましい。これにより、所望する波長帯域の回折光及び透過光を発生させることができる。ここで、ａ，ｂは、同一の値であっても、異なる値であっても良い。
【００２３】
上記において、前記ａ，ｂは、０又は１であることが好ましい。ａ，ｂが小さな値をとることにより、高屈折率透明部の厚さ方向の長さを短くすることができるので、光損失を低減でき、また、製作が容易となる。
【００２４】
また、前記複数の高屈折率透明部は、第１波長に対応した第１仕様高屈折率透明部及び第２波長に対応した第２仕様高屈折率透明部からなることが好ましい。この場合、ａ，ｂを０以上の整数、前記高屈折率透明部及び前記低屈折率透明層の屈折率をそれぞれｎ，ｎ0とすると、前記高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈは、前記第１仕様高屈折率透明部ではｈ＝第１波長＊（２＊ａ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝、前記第２仕様高屈折率透明部ではｈ＝第２波長＊（２＊ｂ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝を満足することが好ましい。これにより、所望する波長帯域の回折光及び透過光を発生させることができる。ここで、ａ，ｂは、同一の値であっても、異なる値であっても良い。
【００２５】
上記において、前記ａ，ｂは、０又は１であることが好ましい。ａ，ｂが小さな値をとることにより、高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈを短くすることができるので、光損失を低減でき、また、製作が容易となる。
【００２６】
また、前記複数の高屈折率透明部は、赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなることが好ましい。この場合、前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光を含む面と前記基板の表面との交線に平行な第１方向において、前記赤仕様高屈折率透明部、前記緑仕様高屈折率透明部、及び前記青仕様高屈折率透明部の順の並び、または前記赤仕様高屈折率透明部、前記青仕様高屈折率透明部、及び前記緑仕様高屈折率透明部の順の並びが繰り返して配置されていることが好ましい。更に、前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対応する３つの前記光検出器が前記第１方向に沿って配置されており、前記第１方向に沿って配置された前記３つの光検出器のうちの両外側の２つの光検出器は、前記３つの光検出器に対応する高屈折率透明部に対して前記第１方向において互いに隣り合う２つの高屈折率透明部にも対応していることが好ましい。これにより、３つの色の補色の色分離と検出とが可能となる。
【００２７】
上記の場合において、前記第１方向に沿って配置された前記複数の高屈折率透明部の列における前記赤仕様高屈折率透明部、前記緑仕様高屈折率透明部、及び前記青仕様高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチ分だけ位置ずれしていることが好ましい。これにより、モアレの発生を抑えることができる。
【００２８】
また、前記複数の高屈折率透明部は、赤仕様高屈折率透明部、緑仕様高屈折率透明部、及び青仕様高屈折率透明部からなることが好ましい。この場合、前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光を含む面と前記基板の表面との交線に平行な第１方向において、前記赤仕様高屈折率透明部、前記緑仕様高屈折率透明部、及び前記青仕様高屈折率透明部のうちの２つが交互に配置されていることが好ましい。更に、前記複数の高屈折率透明部のそれぞれに対応する３つの前記光検出器が前記第１方向に沿って配置されており、前記第１方向に沿って配置された前記３つの光検出器のうちの両外側の２つの光検出器は、前記３つの光検出器に対応する高屈折率透明部に対して前記第１方向において互いに隣り合う２つの高屈折率透明部にも対応していることが好ましい。これにより、３つの色の補色の色分離と検出とが可能となる。
【００２９】
また、前記０次回折光、前記１次回折光、及び前記−１次回折光を含む面と前記基板の表面との交線に平行な第１方向に沿って配置された前記高屈折率透明部の列における前記高屈折率透明部の前記第１方向の位置が、前記第１方向と直交する第２方向において互いに隣り合う２つの列間で前記第１方向の配置ピッチの半分だけ位置ずれしていることが好ましい。これにより、被写体からの光の利用効率を更に向上させることができる。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。これらの図において従来例と共通する要素には、同一の符号を付している。
【００３１】
図１Ａは、本発明の一実施形態に係る撮像装置の概略構成を示した側面図である。自然光等の光が物体１に入射し、これを反射した光は、レンズ系２によりＣＣＤやＣＭＯＳ等の光検出装置４上に像３を形成する。レンズ系２は、一般には光学性能を確保するために光軸に沿って並んだ複数のレンズを組み合わせて構成されるが、図１Ａでは図面を簡略化して単一のレンズとして描かれている。以下の説明の便宜のために、光検出装置４の光検出面（または後述する基板５の表面）の法線方向軸をＺ軸、光検出面に平行な垂直方向軸をＸ軸、光検出面に平行な水平方向軸をＹ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。
【００３２】
図１Ｂは、光検出装置４の概略構成を示した図であり、図１Ａの部分１Ｂの拡大断面図である。複数のフォトディテクター６が形成された検出基板５上に、ＳｉＯ2等からなる低屈折率の透明バッファー層７、ＳｉＮ等からなる高屈折率の透明バッファー層８、ＳｉＯ2等からなる低屈折率透明層１２、複数のマイクロレンズ１０がこの順で積層されている。低屈折率透明層１２内には、ＳｉＮ等からなる複数の高屈折率透明部１３が埋め込まれている。透明バッファー層７の透明バッファー層８と接する表面７ａには、各マイクロレンズ１０の中心軸上で透明バッファー層７の膜厚が小さくなるような凹凸構造が形成されている。一方、透明バッファー層８の低屈折率透明層１２と接する表面８ａは平坦である。
【００３３】
マイクロレンズ１０はＸ軸方向に平行な複数の直線及びＹ軸方向に平行な複数の直線によって形成される直交格子の各交点位置に配置されている。高屈折率透明部１３はマイクロレンズ１０と一対一に対応し、各マイクロレンズ１０の中心軸上に１つの高屈折率透明部１３が配置されている。フォトディテクター６も、Ｘ軸方向に平行な複数の直線及びＹ軸方向に平行な複数の直線によって形成される直交格子の各交点位置に配置されている。Ｘ軸方向（図１Ｂの紙面の上下方向）に隣り合う各マイクロレンズ１０の中心軸はひとつおきにフォトディテクター６の中心を通過する。Ｙ軸方向（図１Ｂの紙面に直交する方向）に隣り合う各マイクロレンズ１０の中心軸は、隣り合う各フォトディテクター６の中心を通過する（後述する図５参照）。
【００３４】
マイクロレンズ１０は、光線１１ａ’のようにマイクロレンズ１０の中心軸に対してシフトして入射する光を屈折させてフォトディテクター６に導く働きをなす。透明バッファー層７の表面７ａの凹凸構造もレンズ効果を有し、フォトディテクター６の中心から外れた方向に向かう発散光１１ｂ’を屈折させてフォトディテクター６に導く働きをなす。更に、高屈折率透明部１３は導波路の働きをなすので、マイクロレンズ１０の中心軸に対して傾いた光が入射すると、その光の伝搬方位を矯正し、フォトディテクター６に導く働きをなす。
【００３５】
高屈折率透明部１３は、Ｙ軸方向（図１Ｂの紙面に垂直な方向）に連続する板状、または、Ｙ軸方向のマイクロレンズ１０の配置位置に一対一に対応して分離された柱状をなす。高屈折率透明部１３が柱状の場合、そのＹ軸方向寸法はＸ軸方向寸法の２〜３倍以上である。高屈折率透明部１３は、その幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ及び長さ（光検出装置４の厚さ方向、即ちＺ軸方向の寸法）ｈが異なる赤仕様高屈折率透明部１３Ｒ、緑仕様高屈折率透明部１３Ｇ、青仕様高屈折率透明部１３Ｂから構成され、これらがこの順でＸ軸方向に繰り返して周期的に配置されている。赤仕様高屈折率透明部１３Ｒは幅ｗR、長さｈRを有し、緑仕様高屈折率透明部１３Ｇは幅ｗG、長さｈGを有し、青仕様高屈折率透明部１３Ｂは幅ｗB、長さｈBを有する。赤仕様高屈折率透明部１３Ｒに入射した光１１Ｒは、赤仕様高屈折率透明部１３Ｒを出射する際に垂直方向面（ＸＺ面）内において０次回折光Ｒ0、１次回折光Ｒ1、−１次回折光Ｒ-1に分離し、それぞれフォトディテクター６Ｒ-、６ＲＧ、６ＢＲで検出される。緑仕様高屈折率透明部１３Ｇに入射した光１１Ｇは、緑仕様高屈折率透明部１３Ｇを出射する際に垂直方向面（ＸＺ面）内において０次回折光Ｇ0、１次回折光Ｇ1、−１次回折光Ｇ-1に分離し、それぞれフォトディテクター６Ｇ-、６ＧＢ、６ＲＧで検出される。青仕様高屈折率透明部１３Ｂに入射した光１１Ｂは、青仕様高屈折率透明部１３Ｂを出射する際に垂直方向面（ＸＺ面）内において０次回折光Ｂ0、１次回折光Ｂ1、−１次回折光Ｂ-1に分離し、それぞれフォトディテクター６Ｂ-、６ＢＲ、６ＧＢで検出される。０次回折光、１次回折光、及び−１次回折光の各光分布が互いにはっきりと分離するためには、高屈折率透明部１３の先端とフォトディテクター６との間に１μｍ以上の間隔が設けられることが好ましい。
【００３６】
図２は、本実施形態の撮像用光検出装置において、高屈折率透明部１３によって回折光が発生する原理を説明する図である。高屈折率透明部１３は幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ、長さ（Ｚ軸方向寸法）ｈのＹ軸方向（図２の紙面に垂直な方向）に延びた板状とする。高屈折率透明部１３の屈折率をｎ、その周囲の低屈折率透明層１２の屈折率をｎ0とする。マイクロレンズ１０を経て高屈折率透明部１３に入射する光１１の波面を平面波１５とすると、この光１１が高屈折率透明部１３及びその周囲の低屈折率透明層１２を透過することで、出射した光の波面１６には次式で示す位相シフトｄが発生する（真空中での長さに換算）。
【００３７】
（式１）    ｄ＝ｈ（ｎ−ｎ0）
この位相シフトにより出射光は０次回折光Ｄ0、１次回折光Ｄ1、−１次回折光Ｄ-1に回折する。このときの回折効率は、位相シフトｄと高屈折率透明部１３の幅ｗ（すなわち入射光１１の光分布１４の広がりに対する高屈折率透明部１３の断面の面積占有率）の大小により決まる。
【００３８】
赤波長をλＲ、緑波長をλＧ、青波長をλＢとすると、本実施形態では、赤仕様でｄ＝１．５λＲ、緑仕様でｄ＝１．５λＧ、青仕様でｄ＝１．５λＢとなるように高屈折率透明部１３の寸法が設定されている。すなわち、高屈折率透明部１３の長さが次のように決められている。
【００３９】
（式２）    ｈR＝１．５λＲ／（ｎ−ｎ0）
（式３）    ｈG＝１．５λＧ／（ｎ−ｎ0）
（式４）    ｈB＝１．５λＢ／（ｎ−ｎ0）
（式２）より、赤仕様高屈折率透明部１３Ｒでは赤波長λＲの光は１．５波長分の位相シフト、緑波長λＧの光は１．５＊（λＲ／λＧ）波長分の位相シフト、青波長λＢの光は１．５＊（λＲ／λＢ）波長分の位相シフトが発生する。λＲ＝０．６５μｍ、λＧ＝０．５４μｍ、λＢ＝０．４５μｍとすると、緑波長λＧの光、青波長λＢの光ではそれぞれ１．８１波長分、２．１７波長分の位相シフトとなる。光は波であるので整数分の位相シフトはゼロと等価である。従って、各色の位相シフトから整数分を省くと、赤波長の光は０．５波長の位相シフト、緑波長の光及び青波長の光はいずれも０．２波長以下の位相シフトとなる。従って、赤波長の光は強く回折し、その０次回折光Ｄ0がゼロになり、そのエネルギーが１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1に配分される。一方、緑波長の光及び青波長の光の回折は弱く、その１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1が小さく、大半のエネルギーが０次回折光Ｄ0に配分される。
【００４０】
（式３）より、緑仕様高屈折率透明部１３Ｇでは赤波長λＲの光は１．５＊（λＧ／λＲ）波長分の位相シフト、緑波長λＧの光は１．５波長分の位相シフト、青波長λＢの光は１．５＊（λＧ／λＢ）波長分の位相シフトが発生する。λＲ＝０．６５μｍ、λＧ＝０．５４μｍ、λＢ＝０．４５μｍとすると、赤波長λＲの光、青波長λＢの光ではそれぞれ１．２５波長分、１．８０波長分の位相シフトとなる。各色の位相シフトから整数分を省くと、緑波長の光は０．５波長の位相シフト、赤波長の光及び青波長の光はいずれも０．２５波長以下の位相シフトとなる。従って、緑波長の光は強く回折し、０次回折光Ｄ0がゼロになり、そのエネルギーが１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1に配分される。一方、赤波長の光及び青波長の光の回折は弱く、その１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1が小さく、大半のエネルギーが０次回折光Ｄ0に配分される。
【００４１】
（式４）より、青仕様の高屈折率透明部１３では赤波長λＲの光は１．５＊（λＢ／λＲ）波長分の位相シフト、緑波長λＧの光は１．５＊（λＢ／λＧ）波長分の位相シフト、青波長λＢの光は１．５波長分の位相シフトが発生する。λＲ＝０．６５μｍ、λＧ＝０．５４μｍ、λＢ＝０．４５μｍとすると、赤波長λＲの光、緑波長λＧの光ではそれぞれ１．０４波長分、１．２５波長分の位相シフトとなる。各色の位相シフトから整数分を省くと、青波長の光は０．５波長の位相シフト、赤波長の光及び緑波長の光はいずれも０．２５波長以下の位相シフトとなる。従って、青波長の光は強く回折し、０次回折光Ｄ0がゼロになり、そのエネルギーが１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1に配分される。一方、赤波長の光及び緑波長の光の回折は弱く、その１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1が小さく、大半のエネルギーが０次回折光Ｄ0に配分される。
【００４２】
従って、図１Ｂに於いて、フォトディテクター６Ｒ-には赤以外（緑と青、すなわちシアン）の光、６Ｇ-には緑以外（赤と青、すなわちマゼンタ）の光、６Ｂ-には青以外（赤と緑、すなわちイエロー）の光が入射し、フォトディテクター６ＧＢには緑と青（すなわちシアン）の光、６ＢＲには青と赤（すなわちマゼンタ）の光、６ＲＧには赤と緑（すなわちイエロー）の光が入射する。
【００４３】
図３Ａ及び図４Ａは、本実施形態の撮像用光検出装置において、マイクロレンズ１０から赤仕様高屈折率透明部１３Ｒを介してフォトディテクター６に伝搬する光の強度分布図を示した図であり（高屈折率透明部から出射後の強度分布のみを表示）、図３Ｂ及び図４Ｂは、フォトディテクター６上に投影された光の強度分布を示した図である。ここでは、高屈折率透明部として赤仕様高屈折率透明部１３Ｒを用いた場合を例示しており、その幅ｗ＝０．３５μｍ、長さｈ＝１．８μｍとした。赤仕様高屈折率透明部１３Ｒの終端は高屈折率の透明バッファー層８の平坦面８ａ（図１Ａ参照）に接し、マイクロレンズ１０の中心軸上において、マイクロレンズの厚さを０．３μｍ、低屈折の透明バッファー層７の膜厚を１．５μｍ、高屈折率の透明バッファー層８の膜厚を０．４μｍとした。マイクロレンズ１０と透明バッファー層７及び低屈折率透明層１２の屈折率はｎ0で同一、透明バッファー層８及び高屈折率透明部１３Ｒの屈折率はｎで同一とした。図３Ａ及び図３Ｂは光の波長λ＝０．６５μｍ（赤波長）、ｎ＝２．０２０、ｎ0＝１．４５４の条件、図４Ａ及び図４Ｂは光の波長λ＝０．５０μｍ（青緑波長）、ｎ＝２．２１２、ｎ0＝１．４６１の条件での、マイクロレンズ１０にその中心軸に沿って入射する光の波動計算結果である。図３Ａ及び図３Ｂでは赤波長（λ＝０．６５μｍ）の光が強く回折して、０次回折光がゼロになり、そのエネルギーが±１次回折光に配分されており、図４Ａ及び図４Ｂでは青緑波長（λ＝０．５０μｍ）の光の回折が弱く、±１次回折光が小さく、大半のエネルギーが０次回折光に配分されていることが分かる。
【００４４】
図５は、本実施形態の撮像用光検出装置の光検出面を含む構成要素の拡大平面図である。Ｙ軸方向に隣り合うフォトディテクター６間には、Ｘ軸方向に延びる信号配線である複数の垂直転送ＣＣＤ１７が設けられており、複数の垂直転送ＣＣＤ１７はＹ軸方向に延びる信号配線である水平転送ＣＣＤ１８と接続されている。
【００４５】
マイクロレンズ１０で集光された光は、その真下に位置する高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂを透過し、回折することでＸＺ面内で波長毎に分別され、フォトディテクター６Ｒ-、６Ｇ-、６Ｂ-、６ＧＢ、６ＢＲ、６ＲＧにより受光され光電変換される。各フォトディテクターに蓄積した電荷は垂直転送ＣＣＤ１７に送られ、さらに水平転送ＣＣＤ１８に送られて、画像信号として出力される。
【００４６】
Ｘ軸方向においては、高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。Ｘ軸方向に沿った高屈折率透明部の列における高屈折率透明部の配置ピッチは一定である。このようにしてＸ軸方向に沿って配置された高屈折率透明部の列は、Ｘ軸方向に１ピッチずつ位置ずれしながら、Ｙ軸方向に配置されている。その結果、Ｙ軸方向においても、高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂがこの順に並び、この並びが繰り返して配置されている。
【００４７】
フォトディテクター６Ｒ-，６Ｇ-，６Ｂ-はそれぞれ高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの真下（即ち、各マイクロレンズ１０の中心軸上）に配置されている。さらに、Ｘ軸方向において、フォトディテクター６Ｒ-，６Ｇ-間にフォトディテクター６ＲＧが配置され、フォトディテクター６Ｇ，６Ｂ間にフォトディテクター６ＧＢが配置され、フォトディテクター６Ｂ-，６Ｒ-間にフォトディテクター６ＢＲが配置されている。フォトディテクター６Ｒ-，６Ｇ-，６Ｂ-の幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ1はフォトディテクター６ＧＢ，６ＢＲ，６ＲＧの幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ2と同一でも異なっていても良いが、０次回折光に比べ±１次回折光ではそのスポットが広がりやすいことからｗ2＞ｗ1であることが好ましい。
【００４８】
図９Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では、赤、緑、青の３色の画像情報を取り込み、それを組み合わせてカラー画像を作成していた。これに対して、本実施形態では３原色の補色にあたるシアン、マゼンタ、イエローの３つの画像情報を取り込み、それを組み合わせてカラー画像を作成する。シアンの信号はフォトディテクター６Ｒ-、６ＧＢから検出され、マゼンタの信号はフォトディテクター６Ｇ-、６ＢＲから検出され、イエローの信号はフォトディテクター６Ｂ-、６ＲＧから検出される。
【００４９】
上述したように、図９Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では光の色分離を赤、緑、青の３色のうちの２色を選択的に吸収する色フィルター９により行っていたので、色フィルター９により７〜８割の光が吸収されていた。これに対して、本実施形態の撮像用光検出装置では、光の色分離を光の吸収ではなく、光の回折を利用して行っているので、光の全エネルギーを活用できる。従って、本実施形態では、光の利用効率が従来の３〜４倍に向上する。
【００５０】
また、図９Ｂに示した従来の撮像用光検出装置では、マイクロレンズ１個で１つの色の情報を検出していた。これに対して、本実施形態の撮像用光検出装置では、マイクロレンズ１個で２種類の色情報を検出する。従って、マイクロレンズ１０のサイズを一定にして比較すると、本実施形態では従来に比べ画素密度を２倍にすることが可能となる。
【００５１】
更に、図１２に示した従来の光検出装置では、光の色分離を行うためにプリズムの分散特性を利用するので分光の作用（屈折角の波長による差）が小さいという問題があった。これに対して、本実施形態の撮像用光検出装置では、光の波面に発生する位相シフトを利用するので分光の作用（回折角の波長による差）が大きい。従って、図３Ｂ及び図４Ｂに示したように、高屈折率透明部の先端と光検出面との間隔を僅か１〜２μｍに設定すれば、０次光（補色）と±１次光（源色）の３つのスポット間に０．５μｍ以上の変位を与えることができ、試作する上で十分現実的な寸法といえる。
【００５２】
図６Ａは本実施形態の撮像用光検出装置のフォトディテクターの配置の一例を示した図であり、これは図５に示した配置と同一である。図６Ａは多数のフォトディテクターの一部の配置を拡大して示している。一点鎖線で示す任意の位置の矩形枠１９内に含まれる２個（Ｘ軸方向）×２個（Ｙ軸方向）の４個のフォトディテクターからは３原色の補色の信号を必ず検出することができる。従って、矩形枠１９内の４個のフォトディテクターでカラーの画像情報を検出する一画素を構成することができ、この画素を光検出装置の光検出面の全領域に形成することができる。
【００５３】
任意の位置の矩形枠１９内に含まれる２個（Ｘ軸方向）×２個（Ｙ軸方向）の４個のフォトディテクターから３原色の補色の信号を検出することができるようなフォトディテクターの配置は、図６Ａに限定されない。
【００５４】
例えば、Ｘ軸方向において、高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｂ，１３Ｇの順の並びを繰り返して配置することで、図６Ａと異なるフォトディテクターの配置を実現できる。
【００５５】
あるいは、Ｘ軸方向において高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂのうちの２つを交互に配置し、且つ、Ｙ軸方向において高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの順の並びを繰り返して配置しても良い。図６Ｂは、高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂをこのように配置した場合のフォトディテクターの配置を示す。この場合も、一点鎖線で示す任意の位置の矩形枠１９内に含まれる２個（Ｘ軸方向）×２個（Ｙ軸方向）の４個のフォトディテクターからは３原色の補色の信号を必ず検出することができる。なお、Ｘ軸方向において高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂのうちの２つを交互に配置し、且つ、Ｙ軸方向において高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｂ，１３Ｇの順の並びを繰り返して配置しても良い。
【００５６】
Ｘ軸方向に沿ったマイクロレンズ及び高屈折率透明部の各列を構成するマイクロレンズ及び高屈折率透明部のＸ軸方向の位置を、Ｙ軸方向に隣り合う列間でＸ軸方向の配置ピッチの半分だけずらしてもよい。このように配置された本発明の撮像用光感出装置の拡大平面図の一例を図７に示す。図７は、図５に示したマイクロレンズ及び高屈折率透明部のＸ軸方向の位置をＹ軸方向に隣り合う列間でＸ軸方向に０．５ピッチずつ順にずらしたものである。マイクロレンズ及び高屈折率透明部の位置ずれに応じてフォトディテクターのＸ軸方向の位置もずれている。図７のように配置することで、Ｚ軸と平行に見たとき円形であるマイクロレンズをハニカム状に配置することができる。従って、マイクロレンズ及び高屈折率透明部のＹ軸方向の配置ピッチを小さくして、被写体からの光の利用効率を更に高めることができる。図７は図５に示した配置の変形例を示したが、図５以外の配置についても同様に配置することができる。
【００５７】
上記の実施形態では、位相シフトｄを、赤仕様でｄ＝１．５λＲ、緑仕様でｄ＝１．５λＧ、青仕様でｄ＝１．５λＢとなるように各高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂを設定した。この条件が高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂのベストな組み合わせであると思われるが、本発明はこれに限定されない。例えば、高屈折率透明部１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂのうちの少なくとも１つが、ｄ＝（０以上の整数＋０．５）×λとなるように設定しても良い（λはλＲ、λＧ、λＢのいずれか）。
【００５８】
すなわち、高屈折率透明部１３の長さが、（式２）、（式３）、（式４）に代えて、ａ，ｂ，ｃを０以上の整数として次のように決められていても良い。
【００５９】
（式５）    ｈR＝λＲ＊（２＊ａ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝
（式６）    ｈG＝λＧ＊（２＊ｂ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝
（式７）    ｈB＝λＢ＊（２＊ｃ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝
例えば、（式３）の代わりに次式
（式６’）    ｈG＝２．５λＧ／（ｎ−ｎ0）
を採用すると、緑仕様高屈折率透明部１３Ｂでは赤波長λＲの光は２．５＊（λＧ／λＲ）波長分の位相シフト、緑波長λＧの光は２．５波長分の位相シフト、青波長λＢの光は２．５＊（λＧ／λＢ）波長分の位相シフトが発生する。λＲ＝０．６５μｍ、λＧ＝０．５４μｍ、λＢ＝０．４５μｍとすると、赤波長λＲの光、青波長λＢの光ではそれぞれ２．０８波長分、３．０波長分の位相シフトとなる。各色の位相シフトからの整数分を省くと、緑波長の光は０．５波長の位相シフト、赤波長の光及び青波長の光はいずれも０．１波長以下の位相シフトとなる。従って、緑波長の光は強く回折し、０次回折光Ｄ0がゼロになり、そのエネルギーが１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1に配分される。一方、赤波長の光及び青波長の光の回折は極めて弱く、その１次回折光Ｄ1及び−１次回折光Ｄ-1がほぼゼロで、ほとんどのエネルギーが０次回折光Ｄ0に配分される。
【００６０】
上記の実施形態では、可視光領域の光を赤、緑、青の３原色の補色に分離するために、赤仕様、緑仕様、及び青仕様の３種類の高屈折率透明部を用いる例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。
【００６１】
例えば、上記３種類の高屈折率透明部に加えて、更に別の波長（例えば赤外光の波長）に対応した１種類以上の高屈折率透明部を追加しても良い。あるいは、赤仕様、緑仕様、及び青仕様の高屈折率透明部のうちのいずれか１つ以上を３原色以外の波長（例えば赤外光の波長）に対応した高屈折率透明部に変更しても良い。
【００６２】
更に、高屈折率透明部の仕様の種類数を３つ以上にするのではなく、例えば２つにすることもできる。この場合、第１波長（例えば赤外光の波長）をλ１、第２波長（緑色光の波長）をλ２、ａ，ｂを０以上の整数とすると、位相シフトｄが、第１波長に対応した第１仕様高屈折率透明部でλ１＊（ａ＋１／２）、第２仕様に対応した第２仕様高屈折率透明部でλ２＊（ｂ＋１／２）となるように第１仕様及び第２仕様高屈折率透明部の寸法が設定されることが好ましい。即ち、第１仕様及び第２仕様高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈ１，ｈ２が以下のように設定されることが好ましい。
【００６３】
（式８）    ｈ１＝λ１＊（２＊ａ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝
（式９）    ｈ２＝λ２＊（２＊ｂ＋１）／｛２＊（ｎ−ｎ0）｝
この場合も、上記の実施形態と同様に、ａ，ｂが小さな値（例えば０又は１）をとるほど、高屈折率透明部の長さを短くできるので、光損失を低減することができ、また、製作が容易となる。
【００６４】
また、上記の実施形態では各高屈折率透明部１３は図２に示すように幅ｗがＺ軸方向において一定である形状を有していたが、図８Ａに示すように異なる２つの幅ｗ、ｗ’を有する形状であってもよく、図８Ｂに示すように異なる３つ以上の幅を有する形状であっても良い。更に、図８Ｃに示すように、Ｚ軸方向において幅が徐々に狭くなる（又は広くなる）形状であっても良い。また、図８Ｄに示すように、高屈折率透明部１３が、割り箸のようにフォトディテクター側において幅方向に２つ以上に分岐していてもよい。Ｙ軸方向に隣り合う高屈折率透明部１３は長さｈ（Ｚ軸方向の寸法）を変えながら互いに一部で連続していてもよく、完全に独立（分断）していてもよい。独立している場合には、隣り合う高屈折率透明部間には低屈折率透明層１２が充填される。
【００６５】
また、上記の実施の形態では、Ｚ軸方向において、高屈折率透明部１３がマイクロレンズ１０の下面と接していたが、高屈折率透明部１３とマイクロレンズ１０とは離間していてもよい。この場合、両者間には低屈折率透明層１２が設けられても良い。
【００６６】
高屈折率透明部１３は、入射した光をその広がりを抑えながらフォトディテクター側に導くという導波路としての機能を有するので、条件によってはこれと類似の機能を有するマイクロレンズ１０を省略することも可能である。ただし、高屈折率透明部１３はＹ軸方向に延設されているので、Ｙ軸方向には導波路としての効果が少ない。従って、高屈折率透明部１３にマイクロレンズ１０の代用をさせるには、少なくとも高屈折率透明部１３および低屈折率透明層１２の入射側表面に、高屈折率透明部の列ごとにＸ軸方向を中心軸方向とするシリンドリカル面を形成することが好ましい。
【００６７】
さらに、上記の実施形態では透明バッファー層７の透明バッファー層８と接する表面７ａに凹凸構造を形成してレンズ効果を発揮させることで、フォトディテクター６の中心から外れた方向に向かう発散光１１ｂ’を屈折させてフォトディテクター６に導いていた。この作用を、高屈折率透明部１３のフォトディテクター６側端に、図８Ｅのレンズ形状１３ａや図８Ｆのレンズ形状１３ｂを形成することで、高屈折率透明部１３に行わせることが出来る。これにより、透明バッファー層７の表面７ａの凹凸構造や高屈折率の透明バッファー層８を省略し、バッファー層７，８を単層の透明バッファー層に置き換えることが出来る。
【００６８】
上記の実施形態では、フォトディテクター６がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って２次元状に配列されていたが、１次元状に配列されていても良い。この場合、マイクロレンズ１０及び高屈折率透明部１３も、フォトディテクター６の配列方向に沿って１次元状に配列される。
【００６９】
上記の実施形態では、分光しようとする波長に応じて高屈折率透明部のサイズ（長さｈ）を異ならせていたが、高屈折率透明部の屈折率や形状を異ならせても良く、その場合も上記の実施形態と同様に位相シフトを発生させて所望する波長の光を分光することができる。
【００７０】
上記の実施形態では、高屈折率透明部１３の材料としてＳｉＮを用いる例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば酸化タンタルや酸化チタン等の高屈折率材料や、低屈折率透明層１２に対して０．２以上の屈折率差を確保できるのであればポリイミド樹脂等の樹脂材料やナノコンポジット等を用いることもできる。
【００７１】
図９Ｂ及び図１１に示した従来の光検出装置の受光領域には、実際にはマイクロレンズとフォトディテクターとの間に金属配線などの遮光部が存在するため、受光領域に入射した光の一部は遮光部によって遮られてしまう。これは、上記の実施形態に示した光検出装置でも同様である。しかしながら、最近、金属配線の影響を受けずに受光領域の全面で受光できる裏面照射型の固体撮像素子が開発されている。光の回折を利用して色分離を行うことで光利用効率を高めることができる本発明の光検出装置を、上記の裏面照射型の固体撮像素子に適用すると、光利用効率を更に向上させることができ、効果的であると考えられる。
【００７２】
以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の利用分野は特に制限はなく、物体の像を撮影するための、小型且つ高解像度の撮像用光検出装置として広範囲に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の一実施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１Ｂ】図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置の概略構成を示した図であり、図１Ａの部分１Ｂの拡大断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、赤仕様高屈折率透明部を介してマイクロレンズからフォトディテクターに伝搬する赤波長の光の強度分布を示した図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、赤仕様高屈折率透明部を介してフォトディテクター上に投影された赤波長の光の強度分布を示した図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、赤仕様高屈折率透明部を介してマイクロレンズからフォトディテクターに伝搬する青緑波長の光の強度分布を示した図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、赤仕様高屈折率透明部を介してフォトディテクター上に投影された青緑波長の光の強度分布を示した図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の一例を示した図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、フォトディテクターの配置の別の例を示した図である。
【図７】図７は、本発明の別の実施形態に係る撮像用光検出装置の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、別の高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、更に別の高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、更に別の高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、更に別の高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図８Ｅ】図８Ｅは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、更に別の高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図８Ｆ】図８Ｆは、本発明の一実施形態に係る撮像用光検出装置において、更に別の高屈折率透明部によって回折光が発生する原理を説明する図である。
【図９Ａ】図９Ａは、従来の撮像装置の概略構成を示した側面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、従来の撮像用光検出装置の概略構成を示した図であり、図８Ａの部分９Ｂの拡大断面図である。
【図１０】図１０は、従来の撮像用光検出装置に用いられる３種の色フィルタの分光感度特性を示した図である。
【図１１】図１１は、従来の撮像用光検出装置の構成要素の平面配置を示した光検出面の拡大平面図である。
【図１２】図１２は、マイクロプリズムを用いて色分離を行う従来の光検出装置の原理を示した図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2009019818.tif 000025
【図１Ｂ】
2009019818.tif 000026
【図２】
2009019818.tif 000027
【図３Ａ】
2009019818.tif 000028
【図３Ｂ】
2009019818.tif 000029
【図４Ａ】
2009019818.tif 000030
【図４Ｂ】
2009019818.tif 000031
【図５】
2009019818.tif 000032
【図６Ａ】
2009019818.tif 000033
【図６Ｂ】
2009019818.tif 000034
【図７】
2009019818.tif 000035
【図８Ａ】
2009019818.tif 000036
【図８Ｂ】
2009019818.tif 000037
【図８Ｃ】
2009019818.tif 000038
【図８Ｄ】
2009019818.tif 000039
【図８Ｅ】
2009019818.tif 000040
【図８Ｆ】
2009019818.tif 000041
【図９Ａ】
2009019818.tif 000042
【図９Ｂ】
2009019818.tif 000043
【図１０】
2009019818.tif 000044
【図１１】
2009019818.tif 000045
【図１２】
2009019818.tif 000046
【国際調査報告】
2009019818.tif 000047
2009019818.tif 000048