(57)【要約】【課題】所望の屈折率を得ることができる光学装置、固体撮像装置及び光学装置の製造方法を提供すること。【解決手段】実施形態に係る光学装置は、基板と、第１光学層と、を含む。前記基板は、第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有する。前記第１光学層は、前記第１面の上に設けられ、前記第１面に沿って配置された複数の第１屈折率設定部を含む。前記複数の第１屈折率設定部のそれぞれは、透磁率を変化させる複数の金属パターンを有する。【選択図】図１
2014145982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有する基板と、
前記第１面の上に設けられ、前記第１面に沿って２次元状に配置された複数の第１屈折率設定部を含む第１光学層と、
を備え、
前記複数の第１屈折率設定部のそれぞれは、前記それぞれの透磁率を変化させる複数の金属パターンを有し、前記透磁率に応じた屈折率を有し、
前記複数の第１屈折率設定部の可視光に対する前記屈折率は、前記第１面に沿って変化し、前記第１光学層は、透過する光にレンズとして作用する光学装置。
【請求項２】
第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有する基板と、
前記第１面の上に設けられ、前記第１面に沿って配置された複数の第１屈折率設定部を有する第１光学層と、
を備え、
前記複数の第１屈折率設定部のそれぞれは、前記それぞれの透磁率を変化させる複数の金属パターンを有し、前記透磁率に応じた屈折率を有する光学装置。
【請求項３】
前記複数の第１屈折率設定部は、前記第１面に沿って２次元状に配置された請求項２記載の光学装置。
【請求項４】
前記複数の第１屈折率設定部の前記屈折率は、前記第１面に沿って変化し、前記第１光学層は、透過する光にレンズとして作用する請求項２または３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記屈折率は、可視光に対する屈折率である請求項２〜４のいずれか１つに記載の光学装置。
【請求項６】
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の光軸上に配置された光学装置と、
を備え、
前記光学装置は、
第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有する基板と、
前記第１面の上に設けられ、前記第１面に沿って配置された複数の屈折率設定部を有する第１光学層と、
を含み、
前記複数の屈折率設定部のそれぞれは、前記それぞれの透磁率を変化させる複数の金属パターンを有し、前記透磁率に応じた屈折率を有する固体撮像装置。
【請求項７】
第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有する基板と、前記第１面の上に設けられ、前記第１面に沿って配置された複数の第１屈折率設定部を有する第１光学層と、を含み、前記複数の第１屈折率設定部のそれぞれは、前記それぞれの透磁率を変化させる複数の金属パターンを有し、前記複数の第１屈折率設定部の前記それぞれは、前記透磁率に応じた屈折率を有する光学装置の製造方法であって、
前記第１面の上に、第１金属膜、層間膜、第２金属膜を順に積層した積層体を形成する工程と、
前記積層体の上にマスクを形成する工程と、
前記マスクを介して前記積層体をエッチングすることで前記第１金属膜及び前記第２金属膜をパターニングして前記２つの金属パターンを形成する工程と、
を備えた光学装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光学装置、固体撮像装置及び光学装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学装置であるレンズの厚さを薄くするためには、屈折率の高い材料を用いる必要がある。例えば、レンズとしてＳｉＯ２系のガラスを使う場合、ＳｉＯ２の屈折率は約１．４５である。レンズの屈折率が例えば３になれば、レンズの厚さはＳｉＯ２系のガラスを使う場合に比べて約１／３になる。
【０００３】
屈折率は、誘電率と透磁率とのそれぞれの平方根の積で決まる。したがって、誘電率及び透磁率のどちらかを大きくすることができれば屈折率を高くすることができる。光学装置においては、所望の屈折率を得られることが望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｍｕｈａｎ Ｃｈｏｉ，  ｅｔ  ａｌ; ｎａｔｕｒｅ  ４７０，７３３４，ｐ．３６９−ｐ．３７３  （２０１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、所望の屈折率を得ることができる光学装置、固体撮像装置及び光学装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態に係る光学装置は、基板と、第１光学層と、を含む。
前記基板は、第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有する。
前記第１光学層は、前記第１面の上に設けられ、前記第１面に沿って配置された複数の第１屈折率設定部を含む。
前記複数の第１屈折率設定部のそれぞれは、透磁率を変化させる複数の金属パターンを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態に係る光学装置を例示する模式図である。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、金属パターンを例示する模式図である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は、金属パターンのレイアウトを例示する模式図である。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、光学シミュレーションを行う際の定義について示す図である。
【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は、光学シミュレーション結果を示す図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、金属パターンの幾何的な関係の変化の例を示す模式図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、光学装置の製造方法を例示する模式的断面図である。
【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、光学装置の製造方法を例示する模式的断面図である。
【図９】図９（ａ）及び（ｂ）は、第３の実施形態に係る光学装置を例示する模式的断面図である。
【図１０】図１０（ａ）及び（ｂ）は、２つの金属パターンの配置を例示する模式図である。
【図１１】図１１（ａ）及び（ｂ）は、２つの金属パターンの間隔について例示する模式図である。
【図１２】図１２（ａ）及び（ｂ）は、金属パターンの他の形状を例示する模式図である。
【図１３】図１３は、光学シミュレーション結果を示す図である。
【図１４】図１４（ａ）及び（ｂ）は、金属パターンの他の形状を例示する模式図である。
【図１５】図１５は、光学装置の他の構成を例示する模式図である。
【図１６】図１６は、第４の実施形態に係る固体撮像装置を例示する模式的断面図である。
【図１７】図１７は、参考例に係る固体撮像装置を例示する模式的断面図である。
【図１８】図１８は、第４の実施形態に係る他の固体撮像装置を例示する模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態に係る光学装置を例示する模式図である。
図１（ａ）には、光学装置１１０の模式的断面図が表される。図１（ｂ）には、光学装置１１０の模式的平面図が表される。図１（ａ）に表される図は、図１（ｂ）のＡ−Ａ線の模式的断面図である。
【００１０】
第１の実施形態に係る光学装置１１０は、基板１０と、第１光学層２０と、を含む。光学装置１１０は、光学レンズとして機能する。基板１０は、所定の波長の光を透過する材料によって形成される。本実施形態では、基板１０は例えば可視光を透過する材料（ＳｉＯ２等）によって形成される。ここで、可視光は、波長３６０ナノメートル（ｎｍ）以上８３０ｎｍ以下の光である。
【００１１】
基板１０は、第１面１０ａと、第１面１０ａとは反対側の第２面１０ｂと、を有する。基板１０は、例えば平板形状をなす。図１（ａ）に表したように、第１面１０ａは、第２面１０ｂと例えば平行である。本実施形態において、第１面１０ａと直交する方向をＺ方向、Ｚ方向と直交する方向のうちの１つをＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向と直交する方向をＹ方向ということにする。光学装置１１０における光軸ｃは、例えばＺ方向である。光は、例えば第１光学層２０を通過して基板１０の第１面１０ａから入射し、第２面１０ｂから出射する。
【００１２】
基板１０の厚さ（第１面１０ａと第２面１０ｂとのＺ方向の距離）は、例えば光学レンズとしての光路長によって決定される。図１（ｂ）に表したように、基板１０のＺ方向にみた外形は、例えば矩形である。なお、基板１０のＺ方向にみた外形は、円形など矩形以外でもよい。
【００１３】
第１光学層２０は、基板１０の第１面１０ａの上に設けられる。第１光学層２０は、複数の第１屈折率設定部２１を含む。実施形態を説明する図面では、説明の便宜上、第１屈折率設定部２１を破線によって表している。図１（ｂ）に表したように、複数の第１屈折率設定部２１は、第１面１０ａに沿って２次元状に配置される。
【００１４】
図１（ｂ）に表した例では、複数の第１屈折率設定部２１はＸ方向及びＹ方向のそれぞれに配置される。すなわち、複数の第１屈折率設定部２１は、第１面１０ａに沿って行列状に配置される。なお、複数の第１屈折率設定部２１の配列は、行列状に限定されない。
【００１５】
複数の第１屈折率設定部２１のそれぞれは、それぞれの透磁率を変化させる複数の金属パターンを有する。すなわち、第１屈折率設定部２１の透磁率は、複数の金属パターンにより調整されている。複数の第１屈折率設定部２１のそれぞれは、透磁率に応じた屈折率を有する。すなわち、複数の金属パターンによって設定された屈折率を有する。
複数の金属パターンが設けられた第１屈折率設定部２１は、いわゆるメタマテリアルである。メタマテリアルとは、金属をあるパターンで周期的に並べることで形成された自然界にない特性を有する人工物質である。  
以下、複数の金属パターンの一例として、２つの金属パターンが設けられた場合を例に挙げて説明する。しかし、本実施形態は、これに限定されるものではなく、第１屈折率設定部２１に３つ以上の金属パターンを設けてもよい。
【００１６】
光学装置１１０においては、第１面１０ａに沿って行列状に配置された複数の第１屈折率設定部２１のＸＹ方向のそれぞれの位置によって屈折率が設定される。光学装置１１０においては、複数の第１屈折率設定部２１のそれぞれについて屈折率が設定されることで、透過する光に対して光学レンズとして作用する。すなわち、光学レンズとしての機能を発揮する。
【００１７】
例えば、光学装置１１０のＸＹ平面における中心を光軸ｃとした場合、ＸＹ平面に沿って光軸ｃから離れるほど屈折率が小さくなるように設定されていると、光学装置１１０は凸レンズとして機能する。反対に、ＸＹ平面に沿って光軸ｃから離れるほど屈折率が大きくなるように設定されていると、光学装置１１０は凹レンズとして機能する。このように、複数の第１屈折率設定部２１のＸＹ方向のそれぞれの位置によって設定する屈折率によって、光学装置１１０の所望のレンズ特性が得られる。
【００１８】
図２（ａ）及び（ｂ）は、金属パターンを例示する模式図である。
図２（ａ）は２つの金属パターンｍｐを例示する模式的斜視図である。図２（ｂ）は金属パターンｍｐを例示する模式的側面図である。図２（ａ）では、説明の便宜上、金属パターンｍｐのみを表示している。
【００１９】
図２（ａ）に表したように、１つの第１屈折率設定部２１には、少なくとも２つの金属パターンｍｐが設けられる。本実施形態では、１つの第１屈折率設定部２１に、第１の金属パターンｍｐ１と、第２の金属パターンｍｐ２とが設けられている場合を例として説明する。本実施形態では、第１の金属パターンｍｐ１及び第２の金属パターンｍｐ２を総称して金属パターンｍｐと言う。
【００２０】
図２（ａ）に表したように、金属パターンｍｐのＺ方向にみた形状は、例えばＨ型である。第１の金属パターンｍｐ１のＺ方向にみた形状は、第２の金属パターンｍｐ２のＺ方向にみた形状と同じでもよい。図２（ｂ）に表したように、１つの第１屈折率設定部２１には、Ｚ方向に所定の間隔で第１の金属パターンｍｐ１と第２の金属パターンｍｐ２とが配置される。例えば、第１の金属パターンｍｐ１は、Ｚ方向にみて第２の金属パターンｍｐ２と重なる位置に配置される。
【００２１】
第１の金属パターンｍｐ１と第２の金属パターンｍｐ２との間には、透光性部材２２が設けられる。透光性部材２２のＺ方向の厚さによって第１の金属パターンｍｐ１と第２の金属パターンｍｐ２との間隔が設定される。透光性部材２２は、できるだけ低い屈折率の材料を用いることがメタマテリアルとしての特性を発揮する上で望ましい。透光性部材２２の材料には、例えばＳｉＯ２や樹脂が用いられる。
【００２２】
図２（ｂ）に表したように、複数の第１屈折率設定部２１のうち隣り合う２つの間には、基板１０の屈折率よりも低い屈折率を有する中間部２３を設けてもよい。中間部２３は、透光性の材料（例えば、透光性部材２２と同じ材料）によって構成されていても、隙間（空間）であってもよい。中間部２３を隙間にすると、隣り合う２つの第１屈折率設定部２１の間の屈折率が１（空気の屈折率）になり、光学装置１１０の実効的が小さくなる。
【００２３】
第１屈折率設定部２１の屈折率は、２つの金属パターンｍｐのそれぞれの幾何的な関係によって調整される。例えば、２つの金属パターンｍｐのそれぞれの大きさ、パターン幅、間隔などによって屈折率が調整される。
【００２４】
図３（ａ）及び（ｂ）は、金属パターンのレイアウトを例示する模式図である。
図３（ａ）には、金属パターンｍｐのレイアウトを例示する模式的平面図が表され、図３（ｂ）には、金属パターンｍｐのレイアウトを例示する模式的断面図が表される。図３（ａ）及び（ｂ）に表した例では、複数の第１屈折率設定部２１のそれぞれに、２つの金属パターンｍｐ（図２（ａ）に表した第１の金属パターンｍｐ１及び第２の金属パターンｍｐ２）が配置される。
【００２５】
光学装置１１０では、複数の第１屈折率設定部２１のそれぞれについて、２つの金属パターンｍｐの幾何的な関係が、屈折率に応じて設定される。例えば、光軸ｃを中心として、光軸ｃから離れるほど金属パターンｍｐのＺ方向にみた大きさが大きく、または小さくなる。これにより、光学装置１１０のＸＹ平面における屈折率が適宜設定され、平板形状であっても光学レンズとして機能することになる。
【００２６】
ここで、光学レンズの屈折率は、光学レンズの誘電率と透磁率とのそれぞれの平方根の積で決まる。したがって、誘電率及び透磁率の少なくとも一方を変化させることで屈折率が変化することになる。本実施形態に係る光学装置１１０では、金属パターンｍｐを用いて誘電率及び透磁率の少なくとも一方を変化させて、第１屈折率設定部２１の屈折率を設定する。そして、複数の第１屈折率設定部２１のそれぞれについて屈折率を設定することで、光学装置１１０を光学レンズとして機能させる。
【００２７】
次に、金属パターンｍｐによる屈折率の変化の光学シミュレーションについて説明する。
図４（ａ）及び（ｂ）は、光学シミュレーションを行う際の定義について示す図である。
図４（ａ）には金属パターンｍｐのＺ方向にみた寸法の定義が表され、図４（ｂ）には金属パターンｍｐのＹ方向にみた寸法の定義が表されている。図４（ａ）に表したように、Ｈ型の金属パターンｍｐは、互いに平行な２つのパターンｐ１及びｐ２と、２つのパターンｐ１及びｐ２を繋ぐパターンｐ３とを有する。
【００２８】
図４（ａ）に表したように、パターンｐ１の内側と、パターンｐ２の内側との距離をＬとする。パターンｐ１の外側と、パターンｐ２の外側との距離をＵとする。パターンｐ１及びパターンｐ２の幅をＷとする。図４（ｂ）に表したように、金属パターンｍｐの厚さをＴとする。第１の金属パターンｍｐ１と第２の金属パターンｍｐ２との間隔（ピッチ）をＤとする。このようなパターンｍｐ１及びｍｐ２の組を単位パターンとして、複数の単位パターンをＸ方向及びＹ方向に所望のピッチ及び周期で配列することで、メタマテリアルを構成する（隣り合う単位パターンは接触しないようにする。）。
【００２９】
図５（ａ）及び（ｂ）は、光学シミュレーション結果を示す図である。
図５（ａ）の横軸は波長、縦軸は屈折率である。図５（ｂ）の横軸は波長、縦軸は透過率である。この光学シミュレーションにおいては、Ｈ型の金属パターンｍｐの幾何的な関係によって、可視光域の波長での屈折率の変化を調べている。
【００３０】
図５（ａ）には、サンプルＲ１〜Ｒ５のシミュレーション結果が表されている。サンプルＲ１〜Ｒ３は、Ｌ＝１０００ｎｍで２層の金属パターンｍｐである。サンプルＲ１はＤ＝３０ｎｍ、サンプルＲ２はＤ＝５０ｎｍ、サンプルＲ３はＤ＝６０ｎｍである。サンプルＲ４はＬ＝１５００ｎｍ、Ｄ＝４０ｎｍで２層の金属パターンｍｐである。サンプルＲ５はＬ＝５００ｎｍ、Ｄ＝６０ｎｍで３層の金属パターンｍｐである。
【００３１】
図５（ａ）に表したシミュレーション結果から分かるように、屈折率は、金属パターンｍｐの幾何的な関係によって変化する。なお、いずれのサンプルＲ１〜Ｒ５においても、可視光域の波長においてＳｉＯ２系のガラスの屈折率（約１．４５）を超えている。
【００３２】
図５（ｂ）に表したシミュレーション結果は、サンプルＲ３の透過率を表している。サンプルＲ３では、可視光域のいずれの波長において０．９を超える透過率を得ている。
【００３３】
本願発明者は、上記のシミュレーション結果を含め、金属パターンｍｐの様々な幾何的な関係について光学シミュレーションを実施した。その結果、金属パターンｍｐとして、間隔Ｕを２マイクロメートル（μｍ）以下、距離Ｌを１μｍ以下、幅Ｗを１００ｎｍ以下、厚さＴを１００ｎｍ以下にすることで、可視光域の波長においてＳｉＯ２系のガラスの屈折率を超え、透過率が８０％以上になることが分かった。
【００３４】
また、金属パターンｍｐの材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）及び銅（Ｃｕ）のうち選択された少なくとも１つを用いることが望ましい。
【００３５】
本実施形態に係る光学装置１１０は、上記のシミュレーション結果に基づき金属パターンｍｐの幾何的な関係によって第１屈折率設定部２１での屈折率を設定する。複数の第１屈折率設定部２１のそれぞれについて屈折率を設定することで、光学装置１１０は所望のレンズ特性を発揮する。
【００３６】
図６（ａ）及び（ｂ）は、金属パターンの幾何的な関係の変化の例を示す模式図である。
図６（ａ）には、金属パターンｍｐの幾何的な関係が一方向に変化する例が表されている。ここでは、金属パターンｍｐの大きさが中央からＸ方向に離れるほど大きくなっている。図６（ａ）に表した金属パターンｍｐの幾何的な関係の変化によって、光学装置１１０は、シリンドリカルレンズのような光学特性を発揮する。
【００３７】
図６（ｂ）には、金属パターンｍｐの幾何的な関係が２次元状に変化する例が表されている。ここでは、金属パターンｍｐの大きさが中央からＸ方向及びＹ方向に離れるほど大きくなっている。図６（ｂ）に表した金属パターンｍｐの幾何的な関係の変化によって、光学装置１１０は、凸レンズまたは凹レンズのような光学特性を発揮する。
【００３８】
図５（ａ）に表したシミュレーション結果から、距離Ｌが大きくなるほど屈折率は大きくなる傾向にある。このことから、図６（ｂ）に表したように、中央からＸ方向及びＹ方向に離れるほど金属パターンｍｐの距離Ｌが小さくなると、中央から外側に向けて屈折率が小さくなる。したがって、図６（ｂ）に表した金属パターンｍｐの距離Ｌの変化によれば、光学装置１１０は凸レンズとして機能することになる。
【００３９】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、光学装置１１０の製造方法について説明する。
図７（ａ）〜図８（ｂ）は、光学装置の製造方法を例示する模式的断面図である。
先ず、図７（ａ）に表したように、ガラス等の基板１０を用意する。次に、基板１０の第１面１０ａ上に第１金属膜２０１を形成する。第１金属膜２０１の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ及びＣｕのうち選択された少なくとも１つである。第１金属膜２０１は、例えばスパッタリングによって形成される。
【００４０】
次に、図７（ｂ）に表したように、第１金属膜２０１の上に透光性材料膜２２０を形成する。透光性材料膜２２０には、例えばＳｉＯ２が用いられる。次に、透光性材料膜２２０の上に第２金属膜２０２を形成する。第２金属膜２０２の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ及びＣｕのうち選択された少なくとも１つである。第２金属膜２０２は、例えばスパッタリングによって形成される。
【００４１】
なお、本実施形態では２層の金属パターンｍｐを形成する場合を例とするが、３層以上の金属パターンｍｐを形成する場合には、層数に応じた金属膜を、透光性材料膜を介して積層すればよい。
【００４２】
次に、図７（ｃ）に表したように、第２金属膜２０２の上にレジスト膜３００を塗布し、リソグラフィ及びエッチングによってレジストパターン３０１を形成する。レジストパターン３０１のＺ方向にみた形状は、形成する金属パターンｍｐの形状に対応している。
【００４３】
次に、図８（ａ）に表したように、レジストパターン３０１をマスクとして、第２金属膜２０２、透光性材料膜２２０及び第１金属膜２０１を一括してエッチングする。エッチングとしては、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やＩＢＥ（Ion Beam Etching）が用いられる。このエッチングによって、エッチングされずに残った第２金属膜２０２は第２金属パターンｍｐ２になる。また、エッチングされずに残った第１金属膜は第１金属パターンｍｐ１になる。エッチング後、レジストパターン３０１を除去する。
【００４４】
これにより、図８（ｂ）に表したように、基板１０の第１面１０ａ上に第１光学層２０が形成され、光学装置１１０が完成する。第１光学層２０には、複数の第１屈折率設定部２１が設けられる。複数の第１屈折率設定部２１のそれぞれには、２つの金属パターンｍｐが設けられる。隣り合う２つの第１屈折率設定部２１の間には、第２金属膜２０２、透光性材料膜２２０及び第１金属膜２０１がエッチングによって除去された中間部２３が設けられる。
【００４５】
この光学装置１１０の製造方法では、図７（ｃ）及び図８（ａ）に表したレジストパターン３０１の形状によって金属パターンｍｐの形状が設定される。したがって、このレジストパターン３０１の形状によって第１屈折率設定部２１の屈折率が設定される。また、レジストパターン３０１をマスクとしたエッチングによって第１の金属パターンｍｐ１及び第２の金属パターンｍｐ２が一括で形成される。すなわち、２つの金属パターンｍｐが１回のエッチング工程によって形成される。
【００４６】
なお、第２金属膜２０２、透光性材料膜２２０及び第１金属膜２０１のエッチングとしてＦＩＢ（Focused Ion Beam）を用いれば、レジストパターン３０１の形成工程が不要になる。
【００４７】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図９（ａ）及び（ｂ）は、第３の実施形態に係る光学装置を例示する模式的断面図である。
図９（ａ）に表した光学装置１２１は、基板１０の第１面１０ａ上に設けられた第１光学層２０に加え、基板１０の第２面１０ｂ上に設けられた第２光学層３０を備える。第２光学層３０は、複数の第２屈折率設定部３１を含む。複数の第２屈折率設定部３１は、第２面１０ｂに沿って２次元状に配置される。
【００４８】
複数の第２屈折率設定部３１のそれぞれは、透磁率を調整する２つの金属パターンｍｐを有する。複数の第１屈折率設定部３１のそれぞれは、２つの金属パターンｍｐによって設定された屈折率を有する。光学装置１２１では、基板１０の第１面１０ａ上に設けられた第１光学層２０と、基板１０の第２面１０ｂ上に設けられた第２光学層３０と、によって、基板１０の表裏で光学レンズとしての機能を発揮する。
【００４９】
光学装置１２１を製造するには、例えば図７（ａ）〜図８（ｂ）に表した工程によって２つの光学装置１１０を形成し、２つの光学装置１１０の互いの基板１０の第２面１０ｂを貼り合わせるようにすればよい。
【００５０】
図９（ｂ）に表した光学装置１２２は、基板１０の第１面１０ａ上に、第１光学層２０及び第２光学層３０が積層された構成を有する。第１光学層２０と第２光学層３０との間には中間層２５が設けられる。光学装置１２２では、基板１０の第１面１０ａ上に設けられた第１光学層２０及び第２光学層３０によって、２枚の光学レンズとしての機能を発揮する。なお、第１光学層２０の上に、中間層２５及び第２光学層３０を複数組形成してもよい。これにより、第１面１０ａ上に、３枚以上の光学レンズが形成される。
【００５１】
光学装置１２２を製造するには、例えば図７（ａ）〜図８（ｂ）に表した工程によって２つの光学装置１１０を形成し、２つの光学装置１１０をＺ方向に積層すればよい。
【００５２】
次に、２つの金属パターンｍｐの配置例について説明する。
図１０（ａ）及び（ｂ）は、２つの金属パターンの配置を例示する模式図である。
図１０（ａ）に表した配置例では、２つの金属パターンｍｐ（第１の金属パターンｍｐ１及び第２の金属パターンｍｐ２）が基板１０の第１面１０ａに沿って配置されている。
【００５３】
図２（ａ）及び（ｂ）に表した第１の金属パターンｍｐ１は、第１面１０ａと直交する方向（Ｚ方向）に第２の金属パターンｍｐ２と重なるように配置されている。これに対し、図１０（ａ）に表した第１の金属パターンｍｐ１は、第１面１０ａに沿った例えばＸ方向に第２の金属パターンｍｐ２と並んで配置される。第１の金属パターンｍｐ１のＺ方向の高さは、第２の金属パターンｍｐ２のＺ方向の高さと等しい。
【００５４】
このような２つの金属パターンｍｐの配置では、金属パターンｍｐの大きさ（図４（ａ）に表した距離Ｌ、Ｕ及び幅Ｗ、図４（ｂ）に表した厚さｔ）に加え、２つの金属パターンｍｐの第１面１０ａに沿った間隔によって屈折率が調整される。
【００５５】
図１０（ｂ）に表した第１の金属パターンｍｐ１は、第１面１０ａに沿った例えばＸ方向に第２の金属パターンｍｐ２と並んで配置される。第１の金属パターンｍｐ１のＺ方向の高さは、第２の金属パターンｍｐ２のＺ方向の高さと異なる。
【００５６】
このような２つの金属パターンｍｐの配置では、金属パターンｍｐの大きさ（図４（ａ）に表した距離Ｌ、Ｕ及び幅Ｗ、図４（ｂ）に表した厚さｔ）に加え、２つの金属パターンｍｐの間隔（最短距離）によって屈折率が調整される。
【００５７】
図１１（ａ）及び（ｂ）は、金属パターンの間隔について例示する模式図である。
図１１（ａ）に表した例では、複数の第１屈折率設定部２１のそれぞれについて、２つの金属パターンｍｐ（第１の金属パターンｍｐ１及び第２の金属パターンｍｐ２）のＺ方向の間隔（ピッチ）Ｄが適宜設定されている。第１屈折率設定部２１の屈折率は、間隔Ｄによって設定される。図１１に表した例では、複数の第１屈折率設定部２１について、Ｘ方向に２つの金属パターンｍｐの間隔Ｄが徐々に変化している。
【００５８】
図１１（ｂ）に表した例では、隣り合う２つの第１屈折率設定部２１のそれぞれの金属パターンｍｐのＸ方向の間隔Ｄｘが、適宜設定されている。複数の第１屈折率設定部２１がＸ方向及びＹ方向にそれぞれ配置される場合には、隣り合う金属パターンｍｐのＹ方向の間隔や、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれの間隔を適宜設定してもよい。隣り合う金属パターンｍｐの間隔（例えば、Ｘ方向の間隔Ｄｘ）が大きくなると、金属パターンｍｐ以外の低屈折率領域が広がる。これにより、第１光学層２０の実効的な屈折率が下がる。
【００５９】
図１０（ａ）〜図１１（ｂ）に表したように、２つの金属パターンｍｐの幾何的な関係や隣り合う金属パターンｍｐの幾何的な関係によって第１屈折率設定部２１の屈折率が設定され、光学装置１１０が光学レンズとして機能することになる。
【００６０】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、金属パターンの他の形状を例示する模式図である。
図１２（ａ）には、金属パターンｍｐ１０の模式的平面図が表され、図１２（ｂ）には、金属パターンｍｐ１０の模式的側面図が表されている。図１２（ａ）に表したように、金属パターンｍｐ１０のＺ方向にみた形状は、環状パターンｃｐの一部が切断された形状を有する。図１２（ｂ）に表したように、金属パターンｍｐ１０は、第１の金属パターン１１と、第２の金属パターン１２と、を有する。本実施形態では、第１の金属パターンｍｐ１１及び第２の金属パターンｍｐ１２を総称して金属パターンｍｐ１０と言う。
【００６１】
第１の金属パターンｍｐ１１のＺ方向にみた形状は、第２の金属パターンｍｐ１２のＺ方向にみた形状と同じでもよい。図１２（ｂ）に表したように、第２の金属パターンｍｐ１２は、第１の金属パターンｍｐ１１と、Ｚ方向に所定の間隔で配置される。例えば、第１の金属パターンｍｐ１１は、Ｚ方向にみて第２の金属パターンｍｐ１２と重なる位置に配置される。
【００６２】
図１２（ａ）に表したように、金属パターンｍｐ１０のＹ方向の大きさをＵ１、金属パターンｍｐの幅をＷ１、環状パターンｃｐの切断された部分の間隔をＳ１とする。図１２（ｂ）に表したように、金属パターンｍｐの厚さをＴ１とする。第１の金属パターンｍｐ１１と第２の金属パターンｍｐ１２との間隔（ピッチ）をＤ１とする。このようなパターンｍｐ１１及びｍｐ１２の組を単位パターンとして、複数の単位パターンをＸ方向及びＹ方向に所望のピッチ及び周期で配列することで、メタマテリアルを構成する（隣り合う単位パターンは接触しないようにする。）。
【００６３】
図１３は、光学シミュレーション結果を示す図である。
図１３（ａ）の横軸は波長、縦軸は屈折率である。図１３（ｂ）の横軸は波長、縦軸は透過率である。この光学シミュレーションにおいては、所定の金属パターンｍｐ１０による、可視光域の波長での屈折率の変化を調べている。
【００６４】
図１３には、サンプルＲ１０のシミュレーション結果が表されている。サンプルＲ１０は、大きさＵ１＝１０００ｎｍ、幅Ｗ１＝１００ｎｍ、間隔Ｓ１＝１００ｎｍ、厚さＴ１＝１００ｎｍ、間隔Ｄ１＝１００ｎｍである。図１３に表したシミュレーション結果から分かるように、サンプルＲ１０の屈折率の波長依存性は、図５（ａ）に表したサンプルＲ１〜Ｒ５の屈折率の波長依存性よりも小さくなる傾向にある。
【００６５】
本願発明者は、上記のシミュレーション結果を含め、金属パターンｍｐ１０の様々な幾何的な関係について光学シミュレーションを実施した。その結果、金属パターンｍｐ１０として、大きさＵ１を２μｍ以下、幅Ｗ１を１００ｎｍ以下、厚さＴ１を１００ｎｍ以下、間隔Ｓ１を２００ｎｍ以下にすることで、可視光域の波長においてＳｉＯ２系のガラスの屈折率を超え、透過率が８０％以上になることが分かった。
【００６６】
また、金属パターンｍｐ１０の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ及びＣｕのうち選択された少なくとも１つを用いることが望ましい。
【００６７】
図１４（ａ）及び（ｂ）は、金属パターンの他の形状を例示する模式図である。
図１４（ａ）は２つの金属パターンｍｐ２０を例示する模式的斜視図である。図１４（ｂ）は金属パターンｍｐ２０を例示する模式的側面図である。図１４（ａ）に表したように、２つの金属パターンｍｐ２０は、図２（ａ）に表した２つの金属パターンｍｐ（第１の金属パターンｍｐ２１及び第２の金属パターンｍｐ２２）をそれぞれ９０度回転させた構成になっている。本実施形態では、第１の金属パターンｍｐ２１及び第２の金属パターンｍｐ２２を総称して金属パターンｍｐ２０と言う。
【００６８】
図１４（ａ）に表したように、金属パターンｍｐ２０のＸ方向にみた形状は、Ｈ型である。第１の金属パターンｍｐ２１のＸ方向にみた形状は、第２の金属パターンｍｐ２２のＸ方向にみた形状と同じでもよい。図１４（ｂ）に表したように、１つの第１屈折率設定部２１には、Ｘ方向に所定の間隔で第１の金属パターンｍｐ２１と第２の金属パターンｍｐ２２とが配置される。例えば、第１の金属パターンｍｐ２１は、Ｘ方向にみて第２の金属パターンｍｐ２２と重なる位置に配置される。
【００６９】
第１屈折率設定部２１の屈折率は、２つの金属パターンｍｐ２０のそれぞれの幾何的な関係によって調整される。このような２つの金属パターンｍｐ２０を第１屈折率設定部２１に設けることで、光学装置１１０のＸＹ平面における屈折率が適宜設定され、平板形状であっても光学レンズとして機能することになる。
【００７０】
上記説明した実施形態において、金属パターンの形状は、金属パターンｍｐ、ｍｐ１０及びｍｐ２０に限定されない。金属パターンの形状は、金属パターンを通過する光による渦電流の発生を抑制する形状であればよい。また、金属パターンは、可視光に対して非共振であることが望ましい。非共振の金属パターンを用いることで、広い帯域で高屈折率が得られる。
【００７１】
図１５は、光学装置の他の構成を例示する模式図である。
図１５に表した光学装置１３０は、支持部１５と、第１光学層２０と、を含む。光学装置１３０において、第１光学層２０は、支持部１５によって支持される。例えば、支持部１５は、第１光学層２０の側面を囲むように設けられる。すなわち、光学装置１３０は、光学装置１１０の基板１０を備えていない。第１光学層２０は、基板１０の代わりに支持部１５によって支持される。光学装置１３０においては、複数の第１屈折率設定部２１のそれぞれについて屈折率が設定されることで、光学装置１１０と同様に光学レンズとしての機能を発揮する。
【００７２】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。
図１６は、第４の実施形態に係る固体撮像装置を例示する模式的断面図である。
図１６に表したように、固体撮像装置５００は、固体撮像素子５１０と、レンズ群５２０と、を備える。固体撮像素子５１０は、レンズ群５２０を介して到達する光を受けて、画素単位で電気信号に変換する光電変換素子である。固体撮像素子５１０は、複数の画素を含む。複数の画素はライン状または２次元状に配置される。
【００７３】
レンズ群５２０は、複数枚の光学レンズ（例えば、光学レンズ５２１〜５２４）を含む。光学レンズ５２１〜５２４のうちの１つである光学レンズ５２２として、本実施形態に係る光学装置１１０が適用される。光学レンズ５２２は、例えば色収差を抑制するためのレンズである。なお、光学レンズ５２２として、光学装置１２１、１２２及び１３０を適用してもよい。
【００７４】
光学レンズ５２２として適用する光学装置１１０、１２１、１２２及び１３０の屈折率は、ＳｉＯ２系のガラスを用いた光学レンズの屈折率よりも高い。したがって、光学レンズ５２２として光学装置１１０、１２１、１２２及び１３０を適用することで、光学レンズ５２２の厚さが薄くなる。
【００７５】
図１７は、参考例に係る固体撮像装置を例示する模式的断面図である。
図１７に表した固体撮像装置９００は、固体撮像素子５１０と、レンズ群９２０と、を備える。レンズ群９２０は、複数枚の光学レンズ（例えば、光学レンズ９２１〜９２４）を含む。レンズ群９２０に含まれる複数枚の光学レンズ９２１〜９２４には、ＳｉＯ２系のガラスが用いられている。
【００７６】
ここで、光学レンズ９２２として、屈折率約１．４５のＳｉＯ２系のガラスを用いた場合の光学レンズ９２２の厚さ（光軸方向の長さ）をＨ０とする。また、図１６に表したレンズ群５２０の光学レンズ５２２の厚さ（光軸方向の長さ）をＨ１とする。光学レンズ５２２として例えば平均屈折率３．０の光学装置１１０を適用した場合、光学レンズ５２２の厚さＨ１は、光学レンズ９２２の厚さＨ０に比べて約１／３になる。
【００７７】
また、図１７に表した固体撮像装置９００の光学レンズ９２４と固体撮像素子５１０との距離をＬ０、図１６に表した固体撮像装置５００の光学レンズ５２４と固体撮像素子５１０との距離をＬ１とした場合、距離Ｌ１は、距離Ｌ０に比べて短くなる。これは、光学装置１１０が負のアッベ数を持つためである（図５（ａ）参照）。負のアッベ数を持つ光学装置１１０を、色収差を抑制するための光学レンズ５２２に用いることで、光路長の増加が抑制され、距離Ｌ１が短くなる。これにより、固体撮像装置５００の全体の小型化が達成される。
【００７８】
図１８は、第４の実施形態に係る他の固体撮像装置を例示する模式的断面図である。
図１８に表したように、固体撮像装置６００は、固体撮像素子５１０と、レンズ群６２０と、を備える。レンズ群６２０は、複数枚の光学レンズ（例えば、光学レンズ６２１〜６２４）を含む。光学レンズ６２１〜６２４のうち光学レンズ６２２及び光学レンズ６２３に、本実施形態に係る光学装置１１０が適用される。なお、光学レンズ６２２及び６２３として、光学装置１２１、１２２及び１３０を適用してもよい。
【００７９】
レンズ群６２０のうち２枚の光学レンズ６２２及び６２３に光学装置１１０、１２１、１２２及び１３０を適用することで、レンズ群６２０の厚さは、レンズ群５２０の厚さよりも薄くなる。したがって、固体撮像装置６００は、固体撮像装置５００よりも小型化する。
【００８０】
なお、レンズ群６２０の複数の光学レンズ６２１〜６２４のうち、３枚以上の光学レンズに光学装置１１０、１２１、１２２及び１３０を適用してもよい。これにより、レンズ群６２０が更に薄型化して、固体撮像装置６００の小型化が達成される。
【００８１】
固体撮像装置５００及び６００では、レンズ群５２０及び６２０の光学レンズに光学装置１１０、１２１、１２２及び１３０を適用する例を説明したが、光学装置１１０、１２１、１２２及び１３０は、レンズ群５２０及び６２０以外に適用してもよい。例えば、光学装置１１０、１２１、１２２及び１３０のＸＹ面内での屈折率の調整によって、ＸＹ面内に複数の光学レンズを設けたのと同様な構成にしてもよい。このようなレンズ構成によれば、例えば画素ごとにレンズを配置したマイクロレンズアレイに光学装置１１０、１２１、１２２及び１３０が適用される。
【００８２】
以上説明したように、実施形態によれば、所望の屈折率を有する光学装置、固体撮像装置及び光学装置の製造方法を得ることができるようになる。
【００８３】
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、基板１０の形状として平板形状である場合を例としたが、基板１０の第１面１０ａ及び第２面１０ｂの少なくとも一方が湾曲していてもよい。また、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【００８４】
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。
【００８５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８６】
１０…基板、１０ａ…第１面、１０ｂ…第２面、１１…金属パターン、１２…金属パターン、１５…支持部、２０…第１光学層、２１…第１屈折率設定部、２２…透光性部材、２３…中間部、２５…中間層、３０…第２光学層、３１…第２屈折率設定部、１１０，１２１，１２２，１３０…光学装置、５００，６００，９００…固体撮像装置、５１０…固体撮像素子、５２０，６２０…レンズ群、５２１〜５２４，６２１〜６２４…光学レンズ、ｍｐ，ｍｐ１，ｍｐ２，ｍｐ１０，ｍｐ１１，ｍｐ１２，ｍｐ２０，ｍｐ２１，ｍｐ２２…金属パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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