(57)【要約】【課題】  偏光子を備えた偏光イメージング装置においては、原理的に光利用効率が５０％となり、高精度な偏光情報取得に十分に対応できない。【解決手段】  並置された少なくとも２つの光電変換領域を有する複数の画素構造体を備えた撮像素子であって、  前記画素構造体は、入射する光の偏光状態に応じて入射した光の波面に与える位相量を異ならせる波面調整素子を、前記光電変換領域よりも光入射側に備え、  前記波面調整素子は、前記２つの光電変換領域が並置された方向に前記波面に与える位相量を異ならせるものであり、  前記２つの光電変換領域より読み出される信号に基づいて前記光の偏光情報を算出する撮像素子。【選択図】  図３
2015115329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
並置された少なくとも２つの光電変換領域を有する複数の画素構造体を備えた撮像素子であって、
前記画素構造体は、入射する光の偏光状態に応じて入射した光の波面に与える位相量を異ならせる波面調整素子を、前記光電変換領域よりも光入射側に備え、
前記波面調整素子は、前記２つの光電変換領域が並置された方向に前記波面に与える位相量を異ならせるものであり、
前記２つの光電変換領域より読み出される信号に基づいて前記光の偏光情報を算出することを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記波面調整素子は、前記入射する光の波長よりも小さな金属構造体を複数配して構成されていることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
【請求項３】
前記金属構造体は、光の入射を受けてプラズモン共鳴を生じ得る材料で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記金属構造体は、金、銀、白金、及びアルミニウムのいずれか、または、これらのいずれかを含む合金により構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記波面調整素子は、複屈折を生じさせる材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記複屈折を生じさせる材料は、構造的な複屈折材料であることを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記２つの光電変換領域より読み出される信号の差に基づいて前記光の偏光情報を算出することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記２つの光電変換領域より読み出される信号の和に基づいて画像信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記画素構造体は、マトリクス状に配されており、前記画素構造体が配された位置に応じて前記波面調整素子により与えられる位相量が異なることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項１０】
前記マトリクスの中央領域と、周辺領域と、で前記波面調整素子により与えられる位相量が異なることを特徴とする請求項９に記載の撮像素子。
【請求項１１】
前記画素構造体が配された位置に応じて、前記光電変換領域の体積が異なることを特徴とする請求項１０に記載の撮像素子。
【請求項１２】
前記画素構造体は、マイクロレンズを有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項１３】
前記画素構造体は、カラーフィルターを有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項１４】
撮像光学系と、信号処理部と、請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の撮像素子と、を備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子およびこれを備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置において、撮像素子の一部あるいは全部の画素に偏光情報を検出する画素（以下、偏光検出画素）を配置し、被写体の偏光情報を検出できる固体撮像装置が提案されている。
【０００３】
特許文献１では、撮像素子の光入射部に偏光子を設置して、異なる偏光状態の光を検出する偏光イメージング装置が提案されている。
【０００４】
それぞれ透過軸が異なる３つ以上の偏光子の領域に分かれた偏光子アレイと前記各領域を透過した光を独立に受光する受光素子アレイと画像処理部を有する偏光イメージング装置が記載されている。
【０００５】
偏光子アレイを透過した光は、特定の偏光成分のみを有しており、その光を受光素子アレイで検出し、受光素子アレイからの信号を画像処理部で演算することによって、被写体の偏光情報を取得することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４９７４５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の装置は、偏光子を用いて入射光の偏光成分を選択するものであり、偏光子透過後の光量が５０％になってしまうという課題がある。残りの５０％は、偏光子による反射・吸収による損失となり、利用できないため、被写体の高精度な偏光情報取得には十分に対応できない懸念がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑み、入射光の偏光情報を高精度に取得可能で、光利用効率を改善した撮像素子およびこれを備えた撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明により提供される撮像素子は、並置された少なくとも２つの光電変換領域を有する複数の画素構造体を備えた撮像素子であって、
前記画素構造体は、入射する光の偏光状態に応じて入射した光の波面に与える位相量を異ならせる波面調整素子を、前記光電変換領域よりも光入射側に備え、
前記波面調整素子は、前記２つの光電変換領域が並置された方向に前記波面に与える位相量を異ならせるものであり、
前記２つの光電変換領域より読み出される信号に基づいて前記光の偏光情報を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の撮像素子においては、入射する光の偏光状態に応じて波面に与える位相量を異ならせる波面調整素子を、光電変換領域よりも光入射側に備えている。そして、波面調整素子は、２つの光電変換領域が並置された方向に波面に与える位相量を異ならせるものであり、２つの光電変換領域には、位相量を異にする波面の光が偏って入射する。加えて、２つの光電変換領域より読み出される信号に基づいて入射する光の偏光情報を算出する。
【００１１】
本発明においては、波面調整素子を経て光が偏って入射した２つの光電変換領域より信号を読み出して偏光情報を算出することで、高精度な偏光情報取得が可能となり高い光利用効率に相当する効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】波面調整素子を備えた画素構造体を説明するための模式図
【図２】波面調整素子を透過する光の振る舞いを説明するための模式図
【図３】波面調整素子を透過する光の振る舞いを説明するための模式図
【図４】波面調整素子が与える位相量と位置との関係を示すグラフ
【図５】波面調整素子が与える位相量と位置との関係を示すグラフ
【図６】波面調整素子を透過する光の振る舞いを説明するための模式図
【図７】実施例１の画素構造体を説明するための模式図
【図８】金属構造体を用いて構成した波面調整素子を説明するための模式図
【図９】波面調整素子を構成する金属構造体を説明するための模式図
【図１０】金属構造体と位相量の関係を示すグラフ
【図１１】金属構造体の構成例を示す模式図
【図１２】金属構造体を用いて波面調整素子を構成した画素構造体の模式図
【図１３】波面調整素子が与える位相量と位置との関係を示すグラフ
【図１４】波面調整素子が与える位相量と位置との関係を示すグラフ
【図１５】波面調整素子が与える位相量と位置との関係を示すグラフ
【図１６】構造性複屈折材料を説明するための模式図
【図１７】構造性複屈折材料を用いて構成した波面調整素子における充填率を屈折率の関係を示すグラフ
【図１８】構造性複屈折材料を用いて構成した波面調整素子を説明するための模式図
【図１９】複数の画素構造体をマトリクス状に配置して構成した撮像素子を示す模式図
【図２０】複数の画素構造体をマトリクス状に配置して構成した撮像素子を示す模式図
【図２１】画素構造体の一例を示す模式図
【図２２】画素構造体の一例を示す模式図
【図２３】画素構造体の一例を示す模式図
【図２４】画素構造体の一例を示す模式図
【図２５】画素構造体の一例を示す模式図
【図２６】画素構造体の一例を示す模式図
【図２７】デジタルカメラの一例を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の撮像素子においては、入射する光の偏光状態に応じて入射した光の波面に与える位相量を異ならせる波面調整素子を、光電変換領域よりも光入射側に備えている。
【００１４】
そして、波面調整素子は、２つの光電変換領域が並置された方向に波面に与える位相量を異ならせるものであり、２つの光電変換領域には、位相量を異にする波面の光が偏って入射する。
【００１５】
加えて、２つの光電変換領域より読み出される信号に基づいて入射する光の偏光情報を算出する。
【００１６】
本発明においては、波面調整素子を経て光が偏って入射した２つの光電変換領域より信号を読み出して偏光情報を算出することで、高精度な偏光情報取得が可能となり高い光利用効率に相当する効果が奏される。
【００１７】
まず、本発明の撮像素子を構成する画素構造体について説明する。
【００１８】
図１は、波面調整素子を備えた画素構造体を説明するための模式図（断面図）である。
【００１９】
図１においては、画素構造体１００は、並置された２つの光電変換領域１０１および１０２を有しており、２つの光電変換領域１０１および１０２に対して光入射側に波面調整素子１０３が配置されている。
【００２０】
なお、図１では、一般的な画素構造体に含まれる金属配線、ゲート電極、メモリ、パッシベーション膜、マイクロレンズ、カラーフィルター等の構成要素は、省略してある。
【００２１】
波面調整素子を透過する光の振る舞いについて図２および図３を参照して説明する。
【００２２】
ここで、波面調整素子１０３は、ｘ方向に平行な偏光成分に対して透過位相に変調を与えず、ｙ方向に平行な偏光成分に対してのみ透過位相に変調を与えるものとする。
【００２３】
ｘ方向に平行な偏光を有する入射光（ｘ偏光）２０４は、波面調整素子１０３を透過した前後で波面は変化せず、波面調整素子１０３透過後の波面２０５（点線で図示）で示すように、そのまま光電変換領域１０１および１０２に入射する。
【００２４】
一方、図３に示すように、ｙ方向に平行な偏光を有する入射光（ｙ偏光）３０４は、波面調整素子１０３を透過した前後で波面が変化し、波面調整素子透過後の波面３０５（点線で図示）で示すように、光電変換領域１０１の方向に波面が曲げられる。そして、光電変換領域１０１に偏って入射する。
【００２５】
以上のように、波面調整素子１０３は、入射光が有する偏光状態に応じて入射した光の波面に与える位相量を異ならせる光学特性を有している。そして、波面調整素子１０３は、２つの光電変換領域が並置された方向に波面に与える位相量を異ならせている。次に、波面調整素子１０３がｘ偏光およびｙ偏光に与える位相量について説明する。図４のグラフは、横軸にｘ座標、縦軸に波面調整素子が入射光に与える位相量を示している。
【００２６】
ｘ座標は、図２および図３におけるｘ軸方向と一致しており、２つの光電変換領域が並置された方向と一致している。
【００２７】
グラフのＯ点は、光電変換領域１０１と１０２とを分割するｘ座標に相当する。
【００２８】
グラフ中の線分４０１は、波面調整素子１０３がｘ偏光に与える位相量を、線分４０２は、波面調整素子１０３がｙ偏光に与える位相量を、それぞれ示している。
【００２９】
線分４０１は、画素構造のｘ座標によらず、同じ位相量を示している。よって、入射したｘ偏光は、波面調整素子１０３を透過後、そのまま波面を保ったまま伝搬する。
【００３０】
一方、線分４０２は、画素構造のｘ座標に対して位相量が変化している。よって、入射したｙ偏光は波面調整素子１０３を透過後、位相量に応じて波面が曲げられて伝搬する。
【００３１】
ここで、ｙ偏光に対して与える位相量（線分４０２）について説明する。
【００３２】
ｘ座標がＯ点から比較的離れた領域においては、波面調整素子１０３が与える位相量は少なく（位相遅れが少なく）、Ｏ点付近では，波面調整素子１０３が与える位相量は多く（位相遅れ量が多く）なっている。
【００３３】
また、与える位相量は、光電変換領域１０１と１０２を分割するｘ座標（Ｏ点）に対して左右非対称な値をとっている。この場合、Ｏ点から比較的離れたプラスの領域における位相量と、マイナスの領域における位相量と、を比較すると、プラスの領域における位相量のほうが少ない。
【００３４】
波面調整素子１０３を透過したｙ偏光は、図３に示す波面３０５（破線で表記）のように振る舞う。光は、波面法線方向に伝搬するため、波面調整素子１０３を透過したｙ偏光は、光電変換領域１０１の側に偏って伝搬する。
【００３５】
波面調整素子１０３は、入射光が有する偏光状態に応じて入射した光の波面に与える位相量を異ならせる光学特性を有している。
【００３６】
そして、波面調整素子１０３は、２つの光電変換領域が並置された方向に波面に与える位相量を異ならせている。このことは、２つの光電変換領域の境界を基準として光電変換領域の一方と、他方と、に入射する光の波面に与える位相量を非対称に分布させるとも捉えることができる。
【００３７】
波面調整素子１０３が入射光波面に与える位相量は、様々な値をとることができる。
【００３８】
一例を図５（ａ）から（ｄ）に示す。
【００３９】
図５の各図において、横軸は、図２および図３中に記載したｘ軸方向と同じ方向を示しており、２つの光電変換領域が並置された方向（光電変換領域を分割する方向に対して平行な方向）であるｘ座標に相当する。
【００４０】
Ｏ点は、２つの光電変換領域１０１および１０２を分割するｘ座標である。
【００４１】
縦軸は、波面調整素子が入射光波面に与える位相量φ（位相遅れ量に相当）を示しており、Ｗは、画素構造体の幅を示している。
【００４２】
図５（ａ）は、波面調整素子１０３が有する位相量が、ｘ座標のプラス側とマイナス側とで異なっており、かつ、プラス側領域およびマイナス側領域での位相量が一定である一例である。
【００４３】
図５（ｂ）は、波面調整素子１０３が有する位相量が、ｘ座標のプラス側とマイナス側とで異なっており、かつ，位相量が階段状に変化している一例である。
【００４４】
図５（ｃ）は、波面調整素子１０３が有する位相量が、ｘ座標のプラス側とマイナス側とで異なっており、かつ、位相量が一次関数で変化している（直線的に変化している）一例である。
【００４５】
図５（ｄ）は、波面調整素子１０３が有する位相量が、ｘ座標のプラス側とマイナス側とで異なっており、かつ、位相量が高次関数で変化している（曲線的に変化している）一例である。
【００４６】
以上のように、波面調整素子１０３を様々な位相量を付与させるものとすることで、入射光の偏光状態に応じて波面を制御することができる。
【００４７】
図６、表１、表２等を参照して、本発明によると、高い精度で光検出が可能であることを説明する。
【００４８】
図６において、画素構造体１００は、光電変換領域１０１および１０２、波面調整素子１０３を備えている。
【００４９】
入射光の偏光状態は、ｘ方向に平行な偏光成分を有する入射光（ｘ偏光）６０４およびｙ方向に平行な偏光成分を有する入射光（ｙ偏光）６０５が混在しており、ｘ偏光およびｙ偏光の強度比が１：１となっている。
【００５０】
波面調整素子１０３を透過した後の波面について説明する。
【００５１】
ｘ偏光６０４に対しては、波面調整素子１０３の透過前後で波面は変化せず、ｘ偏光透過波面６０６のようにそのまま透過する。
【００５２】
ｙ偏光６０５に対しては、波面調整素子１０３の透過前後で波面が変化し、ｙ偏光透過波面６０７のように波面が曲げられる。
【００５３】
一例として、波面調整素子１０３がｘ偏光６０４およびｙ偏光６０５に対して１００％の効率で作用する場合について説明する。
【００５４】
入射光の光量を１００とした場合、ｘ偏光５０４の入射光光量は５０、ｙ偏光５０５の入射光光量は５０と表現できる。
【００５５】
ｘ偏光５０４が波面調整素子１０３を透過した後、光電変換領域１０１および１０２で検出される光量は、それぞれ、２５と２５になる。
【００５６】
同様に、ｙ偏光５０５が波面調整素子１０３を透過した後、光電変換領域１０１および１０２で検出される光量は、それぞれ、５０と０になる。
【００５７】
上記結果から、光電変換領域１０１および１０２で検出される全光量はそれぞれ、７５と２５になる。
【００５８】
画素構造体で検出される全光量は、光電変換領域１０１および１０２で検出した全光量となり、１００になる。
【００５９】
以上のように、入射光の光量１００に対して、画素構造で検出される全光量は１００となり、ここでは、光損失することなく高い光利用効率で光検出することができる。
【００６０】
次に、本発明の重要な特徴である２つの光電変換領域より読み出される信号に基づいて偏光情報を算出する手法について説明する。
【００６１】
第一の例として、ｘ偏光とｙ偏光の入射光量が、それぞれ、５０と５０である場合について説明する。
【００６２】
上述したように、光電変換領域１０１および１０２で読み出し、検出される信号強度は、それぞれ７５と２５である。
【００６３】
ここで、光電変換領域１０１および１０２で検出される信号強度の差分をとると、５０となる。
【００６４】
第二の例として、ｘ偏光とｙ偏光の入射光量が、それぞれ、１００と０である場合、光電変換領域１０１および１０２で読み出し検出される信号強度は、それぞれ５０と５０である。
【００６５】
ここで、光電変換領域１０１および１０２で検出される信号強度の差分をとると、０となる。
【００６６】
第三の例として、ｘ偏光とｙ偏光の入射光量が、それぞれ、０と１００である場合、光電変換領域１０１および１０２で読み出し検出される信号強度は、それぞれ１００と０である。
【００６７】
ここで、光電変換領域１０１および１０２で検出される信号強度の差分をとると、１００となる。
【００６８】
これらの条件についてまとめた表を表１に示す。
【００６９】
【表１】
2015115329.tif 000003
【００７０】
表１において、入射偏光状態は、入射光の総量を１００としたとき、ｘ偏光６０４およびｙ偏光６０５それぞれの光量を表している。
【００７１】
検出信号値は、光電変換領域１０１および１０２で受光した光量に応じた検出信号値を表している。
【００７２】
演算値は、光電変換領域１０１の検出信号値から光電変換領域１０２の検出信号値を引いた値を表している。
【００７３】
表１より入射光の偏光状態と演算値とが一対一の関係をとっており、演算値から入射光の偏光状態を判別することが可能なことが理解される。
【００７４】
光電変換領域１０１および１０２の検出信号値に基づいて被写体を撮影した画像信号を出力する場合について説明する。
【００７５】
画素に入射した光量の総和が画像信号に相当するため、光電変換領域１０１および１０２の検出信号値を足し合わせることによって、被写体の画像信号を生成することができる。
【００７６】
実際の波面調整素子においては、作製誤差や材料による吸収損失などの影響により、透過率が１００％でない場合がある。
【００７７】
一例として、表２では、入射光の総量を１００としたとき、波面調整素子を透過する際に１０％の損失が生ずる場合について示す。
【００７８】
【表２】
2015115329.tif 000004
【００７９】
表２では、ｘ偏光６０４およびｙ偏光６０５それぞれの光量を表している。これは、波面調整素子の透過率が９０％である場合に相当する。
【００８０】
例えば、入射偏光状態がｘ偏光およびｙ偏光がそれぞれ１００および０である場合、波面調整素子を透過して光電変換領域１０１および１０２で検出される検出信号値はそれぞれ４５および４５となる。
【００８１】
表２の演算値で示すように、光電変換領域１０１および１０２の検出信号の差分をとることによって、各偏光状態を検出することができる。
【００８２】
また、波面調整素子の効率が１００％でない場合であっても、各偏光状態を検出可能である。
【００８３】
ここでいう効率とは、特定の偏光状態の光が入射したときに、波面調整素子によって位相変化を与える割合のことを示している。
【００８４】
例えば、ｙ偏光に対して位相変化を与える波面調整素子において、効率が１００％の場合には、入射したｙ偏光の全て（１００％）に対して位相変化を与える。その結果、ｙ偏光の１００％について、与えられた位相量分だけ波面が変化する（曲がる）。
【００８５】
効率が９０％の場合には、入射したｙ偏光の９０％に対して位相変化を与え、残りの１０％に対しては位相変化を与えない。
【００８６】
その結果、ｙ偏光の９０％について、与えられた位相量分だけ波面が変化し、残りの１０％については、位相変化がなく、そのまま伝搬する。
【００８７】
表３に、波面調整素子の効率が９０％の場合について示す。
【００８８】
【表３】
2015115329.tif 000005
【００８９】
表１、表２について説明したのと同様に、光電変換領域１０１および１０２の検出信号値に基づいて演算することによって、入射光の偏光状態を判別することができる。
【００９０】
表３では、光電変換領域１０１および１０２の出力信号値の差分をとることによって偏光状態の判別を行っている。
【００９１】
また、別の演算方法として、表４に示すように、光電変換領域１０１および１０２の出力信号値の比をとることで、入射偏光状態を判別することも可能である。
【００９２】
【表４】
2015115329.tif 000006
【００９３】
以上説明したように、波面調整素子の効率が１００％でない場合においても、入射光偏光状態の判別が確実に可能であり、演算方法についてさまざまな演算方法を適用して入射光の偏光状態を高精度に検出することができる。
【００９４】
尚、本発明における光電変換領域からの信号の読み出しは、一般的なイメージセンサであるＣＭＯＳセンサ（相補型金属酸化物半導体を用いたセンサ）や、ＣＣＤセンサ（電荷結合素子を用いたセンサ）で採用されている手法等を適用して行うことができる。
【００９５】
次に本発明における波面調整素子について説明する。
【００９６】
本発明における波面調整素子は、入射する光の波長よりも小さな微小金属構造体を複数配して構成する形態のものと、複屈折を生じさせる材料を用いて構成する形態のものと、に大別できる。
【００９７】
金属構造体を複数配して構成する形態では、金属構造体は、光の入射を受けてプラズモン共鳴を生じ得る材料で構成することができる。
【００９８】
ここで、プラズモンとは、光などの外部電場により励起される金属表面の自由電子の集団的な振動のことである。電子は電荷を帯びているため、電子が振動することにより、自由電子の粗密分布による分極が生じる。その分極と電磁界とが結合する現象をプラズモン共鳴という。
【００９９】
特に、金属の微粒子表面や微小金属構造体に発生する自由電子のプラズマ振動と光との共鳴現象を局在プラズモン共鳴という。
【０１００】
すなわち、微粒子や微小金属構造体表面の自由電子の集団的な振動が光などの外部電場により励起され、その振動により電子の密度分布とこれに伴う分極が生じ、微粒子や金属構造体の近傍に局在するような電磁場が発生する。
【０１０１】
本発明の波面調整素子では、微小金属構造体の形状と大きさを制御することで、局在プラズモン共鳴により放射される電磁波の方向を制御して入射波面に与える位相量を制御する。
【０１０２】
局在プラズモン共鳴が生ずると共鳴により電磁波が滞留に近い状況に置かれるため、光の伝搬速度に差が生じて、位相差を生じさせることができる。
【０１０３】
本発明では、金属構造体を構成する金属としては、金、銀、白金、及びアルミニウムのいずれか、または、これらのいずれかを含む合金等を挙げることができる。
【０１０４】
微細な金属構造体は、リソグラフィー等を用いてレジストパターンを形成した後、蒸着やスパッタ成膜などの金属薄膜成膜プロセスを実施し、リフトオフプロセスを実施する等して、作製することができる。その他、フォーカスト・イオン・ビーム（ＦＩＢ）等を用いて、描画ビーム上に金属を堆積させてもよい。
【０１０５】
複屈折を生じさせる材料を用いて構成される形態では、構造性複屈折材料を好適な材料として挙げることができる。本願明細書においては、構造性複屈折材料を構造的な複屈折材料とも表現する。
【０１０６】
入射させる波長よりも短いピッチの周期構造体（又は、周期が変化する構造体）は、周期を持つ方向（又は、周期が変化する方向）と持たない方向とで異なる実効屈折率を持ち、複屈折率材料であるかのように振る舞う。これが、構造性複屈折材料である。
【０１０７】
実効屈折率の差により偏光方向の光の伝搬速度に差が生じ、これにより通過する光に位相差を生じる。
【０１０８】
構造性複屈折材料による波面調整素子の動作原理は、入射する光の波長以下の周期構造による実効的な屈折率（誘電率）制御に基づく。
【０１０９】
即ち、周期構造を変化させる（又は、充填率を変化させる）ことによって、実効的な屈折率は緩やかに変調するため、広帯域な波長領域で動作する波面調整素子を作用させる用途では、より有効となる。
【０１１０】
構造性複屈折材料は、リソグラフィーなどによりレジストパターンを形成した後、レジストパターンをマスクとしてドライエッチングやウェットエッチングプロセスを実施することによって、周期的な微細構造を作製することができる。
【０１１１】
構造性複屈折材料とは別に、水晶、ＬｉＮｂＯ３、方解石、などの結晶や液晶材料、ポリマー材料など、様々な複屈折材料を用いて、波長制御素子を構成することができる。例えば、ネマティック液晶等のらせん構造を有する材料を用いることによって、円偏光や楕円偏光など、直線偏光以外の偏光を検出することもできる。
【０１１２】
波面調整素子の具体的な構成例を含めて、以下の実施例で本発明をより詳細に説明する。
【実施例１】
【０１１３】
図７に本実施例の画素構造体の要部概略図（断面図）を示す。
【０１１４】
図７では、画素構造体９００、光電変換領域９０１および９０２、波面調整素子９０３を示している。その他の一般的な画素構造に含まれている配線構造等は、省略している。図８は、本実施例で用いた波面調整素子の構成を示している。波面調整素子１０００は、形状の異なる複数の微細な金属構造体１００１から１００８を用いて構成されている。微細な金属構造体は、金属構造体の大きさが入射する光の波長よりも小さい（サブミクロンオーダーである）ことを意味している。
【０１１５】
金属構造体の構造パラメータは、図９に示す通りであり、ロッド構造の幅１１０１、ロッド構造の長さ１１０２、ロッド間の角度１１０３の他、ロッドの厚さ、ロッドを構成する金属材料、ロッドを配置する基板材料、などをパラメータとして採用することができる。
【０１１６】
金属構造体１００１から１００８それぞれに対する位相量を図１０に示す。
【０１１７】
この例では、金属構造体１００１から１００８まで構造パラメータを変化させることによって、位相量を０から２πの間でほぼ線形性を保ちながら制御している。
【０１１８】
金属構造体の設計例を図１１に示す。
【０１１９】
金属構造体を構成する金属材料は金、ロッドを配置する基板材料は石英、ロッド構造の厚さは６０ｎｍ、とした。
【０１２０】
ロッド構造１００１は、ロッド幅１１０１は１８０ｎｍ、ロッド長さ１１０２は５０ｎｍ、ロッド角度１１０３は７９度である。
【０１２１】
ロッド構造１００２から１００８についても図１１に記載した通りである。
【０１２２】
ロッド構造１００５は、ロッド構造１００１を１８０度回転させた構造である。ロッド構造１００６から１００８についても、それぞれ１００２、１００３、１００４を１８０度回転させた構造となっている。
【０１２３】
このように金属微細構造の構造パラメータを制御することによって、位相量を制御することができる。
【０１２４】
この微細な金属構造体を画素構造体内に配置して波面調整素子を構成した例について図１２を用いて説明する。
【０１２５】
図１２では、画素構造体９００は、並置された２つの光電変換領域９０１および９０２を有して構成され、光電変換領域よりも光入射側に波面調整素子９０３を備えている。図１２では画素構造体は、一つのみ示されているが実際の撮像素子では、この画素構造体をマトリクス状（２次元アレイ状）等、複数配して構成される。
【０１２６】
ここでは、説明のため画素構造体のピッチをＰ、波面調整素子９０３と光電変換領域との間隔をＨ、ｘ座標方向に対して光電変換領域９０１における中心座標をＡ、Ａからｚ方向に平行な線分と波面調整素子との交点をＢ、とする。また、波面調整素子と画素構造体の端面との交点をそれぞれＣ、Ｄ、線分ＡＢと線分ＡＣとがなす角をθ、とする。
【０１２７】
そして、線分ＡＢ上を進む波面に対して、波面調整素子９０３が与える位相量をゼロと設定し、これを位相量の基準とする。
【０１２８】
線分ＡＣ上を進む波面に対する位相量をφＡＣは、式１によって算出される。
φＡＣ＝２π／λ×ΔＬ  ・・・（式１）
【０１２９】
ここで、λは入射光の波長、ΔＬは線分ＡＣと線分ＡＢとの差である。
【０１３０】
図１２より、線分ＡＢの長さはＨ、線分ＡＣの長さはＨ／ｃｏｓθであるので、ΔＬはＨ／ｃｏｓθ−Ｈである。
【０１３１】
線分ＢＣの長さをＷとすると、θはａｒｃｔａｎ（Ｗ／Ｈ）と書けるので、φＡＣは式２のように記述できる。
φＡＣ＝２π／λ×（Ｈ／ｃｏｓ（ａｒｃｔａｎ（Ｗ／Ｈ））−Ｈ）  ・・・（式２）
【０１３２】
例えば、λ＝５３０ｎｍ、Ｈ＝４０００ｎｍ、Ｗ＝５００ｎｍの場合には、φＡＣ＝０．３６９０３５となる。
【０１３３】
同様にして、波面調整素子上の任意の点Ｎにおける位相量φは式３で記述できる。
φ＝２π／λ×（Ｈ／ｃｏｓ（ａｒｃｔａｎ（Ｗｎ／Ｈ））−Ｈ）  ・・・（式３）
【０１３４】
これより、式３を用いることによって、画素構造体の任意の位置について、特定の入射偏光成分のみを光電変換部９０１に集中させる設計値を算出することができる。
【０１３５】
図１３は、波面調整素子が与える位相量の設計例を示すグラフである。この波面調整素子は、ｙ偏光に対してのみ位相量を与えるものとする。
【０１３６】
画素構造体の構造パラメータとして、入射波長λを５３０ｎｍ、画素ピッチＰを２０００ｎｍ、光電変換領域と波面調整素子との間の長さＨを１８５０ｎｍとし、ｙ偏光が光電変換領域９０１に集中するように設計した。
【０１３７】
グラフの横軸について説明する。図１２におけるＢが、図１３（ａ）のグラフにおける波面調整素子上のｘ座標の０に相当している。
【０１３８】
縦軸は位相量を示しており、π＝１として規格化した値を示している。
【０１３９】
具体的な位相量については図１３（ｂ）に示した。ここでは、ｘ座標がゼロの点における位相量が、ほぼ２πとなるようにした。
【０１４０】
上述した式３に基づいて、各波面調整素子上のｘ座標における位相量を算出した。ここでは、最大の位相量がほぼ２πになるようにして設計した。
【０１４１】
算出した位相量に応じた微細な金属構造体を、波面調整素子上のｘ座標に配置することによって、波面調整素子を設計することができる。
【０１４２】
波面調整素子は、設計要求に応じて、最大位相量を４πや６πなど、２πの整数倍に設定し、より波面調整素子が与える位相量を大きく制御してもよい。
【０１４３】
また、作製誤差などのロバスト性を考慮したうえで各構造パラメータの設計値を調整してもよい。
【実施例２】
【０１４４】
微細な金属構造体を用いた波面調整素子に関する別の設計例を図１４に示す。
【０１４５】
グラフの横軸は、波面調整素子上のｘ座標を示しており、Ｂ、Ｃ、Ｄは、図１２に示した座標に相当している。
【０１４６】
縦軸は、位相量を表している。波面調整素子で与える位相量が、座標Ｂを通る一次式で与えられている。
【０１４７】
この場合、波面調整素子を透過した波面は、あたかもプリズムを透過した場合のように曲げられて、図１２における光電変換領域９０１に偏って到達する。このときの微細な金属構造体の配列例を１６０１に示す。
【０１４８】
同様に図１５では、波面調整素子の一部に対して位相量を与えた場合を示す。図１５では、座標ＢからＣの間の領域においては、座標Ｂを通る一次式で与えられている。座標ＢからＣの間の領域では、位相量はＢ点と同じ値となっている。
【０１４９】
図１５のように、波面調整素子上の一部の領域に対して位相量を与えた場合でも、波面調整素子を透過した波面は曲げられて光電変換領域９０１に偏って到達する。このときの微細な金属構造体の配列例を１７０１に示す。
【０１５０】
本実施例２では、位相変化量が一次式で与えられる場合について説明したが、任意の次数の関数を適用してもよい。次数の高い関数を適用することで、より精密に波面を制御し偏光検出精度を高めることができる。
【０１５１】
微細な金属構造体による波面調整素子の動作原理は、異方性な局在プラズモン共鳴現象に基づくものである。よって、特定の動作帯域に対して選択的に作用させる用途では、より有効である。
【０１５２】
また、微細な金属微細構造体を用いることによって、素子厚さが１００ｎｍ程度以下のとても薄い波面調整素子を実現することができる。
【実施例３】
【０１５３】
実施例３では、波面調整素子を、複屈折材料を用いて構成する例について説明する。
【０１５４】
ここで説明するのは、構造性複屈折材料を用いる例である。
【０１５５】
構造性複屈折とは、入射する光の波長以下の周期を有する構造物を光が透過する時に、偏光状態に応じて、光が感じる屈折率（実効的な屈折率）が変化する現象である。ここでは、構造性複屈折を発現する材料のことを構造性複屈折材料（構造的な複屈折材料）とよぶ。
【０１５６】
図１６に構造性複屈折材料の模式図を示す。
【０１５７】
構造性複屈折材料１８００は、材料Ｍ１およびＭ２で構成されている。Ｍ１とＭ２とは周期的に配置されており、周期間隔がＰ、屈折率Ｍ１の幅がＷ、ｚ軸方向の長さがＨ、となる構造物である。
【０１５８】
ここで、周期間隔Ｐが入射波長λよりも十分に小さい場合（一般的には、Ｐがλの数分の１から１０分の１程度以下の場合）、ｘ偏光１８０１が構造性複屈折材料において、ｘ偏光１８０１が感じる実効的な屈折率ｎｘ、および、ｘ偏光１８０１が構造性複屈折材料において、ｙ偏光１８０２が感じる実効的な屈折率ｎｙは、以下の式で表現できる。
（ｎｘ）２＝Ｆ×（ｎ１）２＋（１−Ｆ）×（ｎ２）２              ・・・（式４）
１／（ｎｙ）２＝Ｆ×１／（ｎ１）２＋（１−Ｆ）×１／（ｎ２）２  ・・・（式５）
【０１５９】
ここで、Ｆは充填率Ｗ／Ｐ、ｎ１は材料Ｍ１の屈折率、ｎ２は材料Ｍ２の屈折率を示す。
【０１６０】
ｎ１＝２．０、ｎ２＝１．０とし、充填率Ｆを変数として算出した実効的な屈折率ｎｘおよびｎｙについて図１７に示す。充填率を変化させることによって、ｎｘおよびｎｙの値が変化していることが分かる。
【０１６１】
実効的な屈折率が変化すると偏光方向の光の伝搬速度に差が生じ、ｘ偏光およびｙ偏光に対して異なる位相量を与えることができる。
【０１６２】
これを利用すると、構造性複屈折材料（構造的な複屈折材料）について、充填率を変化させて面内に配置することによって、波面調整素子を構成することができる。
【０１６３】
設計の一例を図１８に示す。
【０１６４】
図１８において、波面調整素子２０００は、基板材料２００６上に、充填率の異なる構造複屈折材料２００１、２００２、２００３、２００４、２００５を有している。
【０１６５】
構造性複屈折材料２００１から２００５および基板材料２００６を構成する材料の屈折率ｎ１は２．０で、低屈折率材料（空気）ｎ２の屈折率は１．０である。
【０１６６】
構造性複屈折率材料２００１から２００５の充填率は、それぞれ０．５、０．６、０．７、０．８、１．０である。
【０１６７】
それぞれの構造性複屈折材料に対する実効的な屈折率ｎｘ、ｎｙについて、表５に示す。
【０１６８】
【表５】
2015115329.tif 000007
【０１６９】
ここで、波面調整素子は、ｙ偏光に対してのみ位相量を制御するものとする。
【０１７０】
それぞれの構造性複屈折材料を透過したあとの、ｘ偏光に対する位相量が同じになるように、それぞれの構造性複屈折材料の高さＨを設計する。
【０１７１】
ここでは、ｘ偏光が透過したあとの位相量φｎｘが１．０となるように高さＨを設計した。
【０１７２】
構造性複屈折材料２００１から２００５の高さＨは、それぞれ、１．００００、０．９４４９、０．８９８０、０．８５７５、０．７９０６となった。高さＨの値は、構造性複屈折材料２００１の高さで規格化した値である。
【０１７３】
このとき、ｙ偏光が透過したあとの位相量φｎｙを算出すると、それぞれ、０．８０００、０．８０５８、０．８２４１、０．８５７５、１．００００、となった。
【０１７４】
設計した波面調整素子によれば、ｘ偏光が入射したときには、位相量の面内分布を与えず、そのまま波面が進行する。一方、ｙ偏光が入射したときには、位相量の面内分布が与えられ、位相量に応じて波面が曲げられる。
【０１７５】
以上のように、構造性複屈折材料の充填率と高さを制御することによって、所望の波面調整素子を設計することができる。
【実施例４】
【０１７６】
実施例４では、画素構造体の構成例について説明する。
【０１７７】
デジタルカメラやビデオカメラなどの撮像装置において、撮像光学系を通過した光が撮像素子上に像を形成する場合、撮像素子の中央領域と周辺領域とで光量差が発生する場合がある。特に広角な撮像光学系において顕著に発生する。
【０１７８】
このような撮影条件下において撮影した画像は、中央から周辺に向かって光量が低下し、周辺領域が暗い画像となってしまう。
【０１７９】
図１９は、複数の画素構造体２２０１を二次元アレイ状に配置して構成した撮像素子２２００を示している。
【０１８０】
図２０は、撮像素子の中央領域２３０１を構成する複数の画素構造体と、撮像素子の周辺領域２３０２を構成する複数の画素構造体と、を備えた撮像素子２３００を示している。
【０１８１】
図２１は、中央領域２３０１に配置する画素構造の一例を示している。
【０１８２】
画素構造体２４００は、並置された光電変換領域２４０１および２４０２と、波面調整素子２４０３、マイクロレンズ２４０４、配線層２４０５、配線２４０６、絶縁層２４０７と、を備えている。
【０１８３】
撮像素子の中央領域２３０１では、撮像素子へ光が入射する角度は、矢印２４０８で示すように、おおむね垂直か入射角度が小さい（おおむね数度程度以内）。よって、画素構造体２４００の中心とマイクロレンズ２４０４の中心とを略一致させることで効率よく光を受光することができる。
【０１８４】
図２２は、撮像素子の周辺領域２３０２に配置する画素構造の一例を示している。
【０１８５】
図２２では、画素構造体を構成する部品の説明は一部省略しているが、図２１で説明したものと同様である。
【０１８６】
画素構造体２４００は、波面調整素子２４０３、マイクロレンズ２５０４、などを備えている。ここで、画素構造体２４００の中心とマイクロレンズ２５０４の中心とは、矢印２５０５で示すように一致させずに、シフトさせて配置している。
【０１８７】
周辺領域２３０２では、撮像素子へ光が入射する角度は、中央領域２３０１と比較して入射角度が大きい（おおむね数度程度以上）。
【０１８８】
よって、図２１で示した画素構造体をそのまま適用すると、画素構造を構成する隔壁や配線層によるケラレが発生し、光電変換領域に到達する光量が減少し、光利用効率が低下することとなる。
【０１８９】
これを改善するために、画素構造体２４００の中心とマイクロレンズ２５０４の中心とを光入射方向と成分が一致する方向（矢印２５０５の方向）に座標シフトさせている。これによって、斜めから入射した光を効率よく光電変換領域に導くことができる。
【０１９０】
以上のように、マイクロレンズの配置位置を工夫することによって、光利用効率の高い画素設計が可能になる。
【０１９１】
マイクロレンズの配置位置を工夫するほか、波面調整素子が透過光に与える位相量について、中央領域２３０１における波面調整素子が透過光に与える位相量と、周辺領域２３０２における波面調整素子が透過光に与える位相量とを、異ならせるように設計しても、同様な効果が得られる。
【０１９２】
例えば、中央領域２３０１における波面調整素子が透過光に与える位相量に比べて、周辺領域２３０２における波面調整素子が透過光に与える位相量を大きく設計することで、入射光の波面は、より大きく曲げられることになり、効率よく光電変換領域に導くことができる。また、図２３に示す画素構造体のように、光電変換領域と波面調整素子との間に層内マイクロレンズを設けてもよい。
【０１９３】
画素構造体２４００は、波面調整素子２４０３、マイクロレンズ２６０２、層内マイクロレンズ２６０２及び光電変換領域を備えて構成されている。
【０１９４】
層内マイクロレンズ２６０２を設けることで、波面調整素子２４０３を透過した後の光束が、層内マイクロレンズによってさらに集光され、より効率的に光電変換領域に導かれる。よって、高効率な偏光検出画素として動作可能になる。
【０１９５】
また、図２４に示す画素構造体２４００のように、画素構造の最上部にマイクロレンズを設けず、波面調整素子２４０３と層内マイクロレンズ２６０３を設けて構成することもできる。
【０１９６】
波面調整素子の位相量を適切に設計することによって、最上部のマイクロレンズを備えなくても波面を制御し、適切に光を導くことができる。作製工程を減らし、より簡易的に作製することができる。
【０１９７】
また、図２５に示すように、検出する波長帯域を選択するためのカラーフィルターを設けてもよい。
【０１９８】
図５における画素構造体２４００は、波面調整素子２４０３、マイクロレンズ２４０４、特定の波長帯域の光を透過する特性を有するカラーフィルター２８０１等を備えて構成されている。
【０１９９】
ここで、カラーフィルター２８０１をマイクロレンズ２４０４と波面調整素子２４０３との間に配置したが、配置位置はこれに限定されない。
【０２００】
吸収型カラーフィルターの場合には、顔料や色素を含む有機材料、金属イオンをドープした無機材料などで構成することができる。
【０２０１】
反射型カラーフィルターの場合には、金属薄膜、誘電体多層膜構造などで構成することができる。
【０２０２】
カラーフィルターを備えることで、波長帯域ごとの偏光情報を取得することができる。例えば、青色、緑色、赤色、各波長帯域を透過するカラーフィルターを備えた撮像素子を用いる場合、可視光波長帯域全域での偏光情報を取得する子ができる。
【０２０３】
単一の波長特性を有するカラーフィルターを備えるなど、特定波長帯域のみを検出する構成にしてもよい。
【０２０４】
波長選択性の高い、金属微細構造を用いた波面調整素子とカラーフィルターを適切に組み合わせることによって、より波長帯域の狭い偏光情報を取得することも可能となる。偏光状態の微小な変化を検出することによって、低コントラスト被写体に対するエッジ検出など、様々な被写体情報を取得することができる。
【０２０５】
以上のように、偏光検出画素にカラーフィルターを設けることによって、様々な波長帯域での偏光情報および撮影画像を取得することができる。
【０２０６】
次に図２６を参照して体積が異なる光電変換領域を有する画素構造体について説明する。
【０２０７】
画素構造体２９００は、光電変換領域２９０１および２９０２、波面調整素子２９０３、マイクロレンズ２９０４等を備えて構成されている。
【０２０８】
ここで、光電変換領域の体積は、光電変換領域２９０１のほうが２９０２よりも大きくなっている。
【０２０９】
図６を用いて上述したように、波面調整素子を透過したｘ偏光およびｙ偏光の光は、光電変換領域で受光されるが、偏光状態に応じて、並置された光電変換領域１０１と１０２とで受光量が変化する。
【０２１０】
図２６においては、並置した光電変換領域２９０１および２９０２で受光する光量が変化する。
【０２１１】
図６の説明においては、光電変換領域１０１で受光する量は、５０から１００、光電変換領域１０２で受光する量は、０から５０であった。
【０２１２】
このことは、光電変換領域１０１および１０２の体積が同じである場合には、光電変換領域１０１のほうが、より、信号値の飽和がしやすいことを意味している。
【０２１３】
光電変換部１０１で信号値の飽和が発生すると、正しく偏光情報を検出することができなくなるという懸念が生じる。また、撮影画像としては白とびなどが発生し、画質の低下が懸念される。
【０２１４】
図２６に示す画素構造体では、光電変換領域２９０１の体積を光電変換領域２９０２よりも大きくすることで、光電変換部２９０１での信号値の飽和が発生しにくくしている。
【０２１５】
こうした工夫により、撮影環境に対してロバスト性が高くなり、様々な撮影条件下において偏光情報の検出および撮影画像の取得が可能になる。
【０２１６】
各光電変換領域の体積については、各光電変換領域で検出する信号値に基づいて適宜設計することができる。
【０２１７】
図６で説明した例では、光電変換領域１０１と１０２における検出信号値の最大値がそれぞれ１００、５０、となっているため、光電変換領域の体積比が、１００対５０程度になるように設計すればよい。
【０２１８】
波面調整素子は、撮像素子を構成する全ての画素構造体に配置してもよいし、一部のみに配置してもよい。
【０２１９】
撮像素子を構成する一部の画素構造体に偏光検出画素を配置する場合、縦あるいは横あるいは斜めのラインに沿って連続的に配置してもよいし、離散的に配列してもよい。
【実施例５】
【０２２０】
実施例５では、これまでに述べた撮像素子を備えた撮像装置について説明する。
【０２２１】
図２７は、本発明にかかる撮像素子を備えたデジタルカメラを示す模式図である。
【０２２２】
デジタルカメラ３０００は、撮像光学系３００１、本発明にかかる撮像素子３００２、信号処理部３００３、を備えて構成されている。
【０２２３】
被写体３００４は、撮影光学系３００１を介して撮像素子３００２に像を生成する。３０１０は、光軸である。
【０２２４】
撮像素子３００２は、例えば、図６で説明した画素構造体１００を備えている。入射するｘ偏光およびｙ偏光に応じて、光電変換領域１０１および１０２で光量を検出する。
【０２２５】
信号処理部３００３は、光電変換領域１０１および１０２で検出した信号値に基づいて、偏光情報の生成および画像情報の生成を行う。
【０２２６】
偏光情報の生成は、光電変換領域１０１および１０２で検出した信号値の差分を演算することによって、ｘ偏光およびｙ偏光の強度情報を取得することができる。
【０２２７】
また、被写体３００４に関わる画像情報の生成は、光電変換領域１０１および１０２で検出した信号値の総和によって取得することができる。
【０２２８】
これにより偏光情報の取得と画像情報の取得が可能なデジタルカメラの提供が可能となる。
【０２２９】
被写体撮影と信号処理とを時系列に連続して実行することによって、動画情報を取得することもできる。即ち、偏光情報と画像情報の取得が可能なビデオカメラを提供することができる。
【０２３０】
本例で示したデジタルカメラおよびビデオカメラは、コンシューマ用カメラ以外にも、監視カメラ、防犯カメラ、産業用機器に搭載するマシンビジョンカメラ、内視鏡カメラなどの医療機器、気象・宇宙観測、物体表面状態の解析、物質同定、などの学術分野用途、など、様々な用途に応用が可能である。また、本発明の撮像素子は、ワンショット干渉計の撮像素子としも適用可能である。
【符号の説明】
【０２３１】
１００  画素構造体
１０１  光電変換領域
１０２  光電変換領域
１０３  波面調整素子
２０５  波面
【図１】
2015115329.tif 000008
【図２】
2015115329.tif 000009
【図３】
2015115329.tif 000010
【図４】
2015115329.tif 000011
【図５】
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【図６】
2015115329.tif 000013
【図７】
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【図８】
2015115329.tif 000015
【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】
2015115329.tif 000022
【図１６】
2015115329.tif 000023
【図１７】
2015115329.tif 000024
【図１８】
2015115329.tif 000025
【図１９】
2015115329.tif 000026
【図２０】
2015115329.tif 000027
【図２１】
2015115329.tif 000028
【図２２】
2015115329.tif 000029
【図２３】
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【図２４】
2015115329.tif 000031
【図２５】
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【図２６】
2015115329.tif 000033
【図２７】
2015115329.tif 000034