(57)【要約】【課題】光量のS/Nの悪化を抑制しつつ、多画素化が可能な光検出素子及び光検出方法、撮像素子及び撮像方法を実現することを目的とする。【解決手段】  幾何学的構造に応じた位置により異なる共鳴波長域をもつ微小光共鳴器からなる分光要素と、前記分光要素による共鳴波長域が異なる場所に配置され、入射光強度を検出する光電変換要素とを有する。【選択図】図３
2008233049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
幾何学的構造に応じた位置により異なる共鳴波長域をもつ微小光共鳴器からなる分光要素と、
前記分光要素による共鳴波長域が異なる場所に配置され、入射光強度を検出する光電変換要素とを有することを特徴とする光検出素子。
【請求項２】
前記検出の対象が電磁的応答であることを特徴とする、請求項１記載の光検出素子。
【請求項３】
前記検出の対象が、熱的応答であることを特徴とする、請求項１記載の光検出素子。
【請求項４】
前記検出の対象が、化学的応答であることを特徴とする、請求項１記載の光検出素子。
【請求項５】
前記微小光共鳴器が、金属からなることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項６】
前記微小光共鳴器が、半導体からなることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項７】
前記微小光共鳴器が、誘電体からなることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項８】
前記微小光共鳴器が、単結晶体であることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項９】
前記微小光共鳴器が、多結晶体であることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項１０】
前記微小光共鳴器が、非晶質体であることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項１１】
前記微小光共鳴器が、プラズモン共鳴体からなることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項１２】
前記微小光共鳴器が、ウィスパリングギャラリーモード共鳴体からなることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項１３】
前記光電変換要素が、光起電材料であることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項１４】
前記光電変換要素が、光導電材料であることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
【請求項１５】
前記光電変換要素が、入射する伝播光の波長帯域よりも高いエネルギーの光のみに応答する材料からなることを特徴とする請求項１３または請求項１４記載の光検出素子。
【請求項１６】
請求項１から１５に記載の微小光共鳴器が、平面または曲面に２次元配列している構造を有することを特徴とする撮像素子。
【請求項１７】
幾何学的構造に応じた位置により異なる共鳴波長域をもつ微小光共鳴器からなる分光要素に光を入射させる工程と、
前記分光要素による共鳴によって生じた光電磁界分布の空間的な偏りを空間的に異なる場所に配置された光電変換要素によって波長域ごとの光強度を検出する工程と、
検出した光強度を信号として出力する工程とを有することを特徴とする光検出方法。
【請求項１８】
前記光の共鳴によって生じた空間的な偏りを検出する工程が、非断熱的過程であることを特徴とする請求項１７記載の光検出方法。
【請求項１９】
前記検出信号出力から入射光の色味を再合成する工程と、色味を信号出力する工程とを有することを特徴とする請求項１７に記載の光検出方法。
【請求項２０】
前記微小光共鳴器が、平面または曲面に２次元配列しており、該２次元配列に基づく光強度信号出力の２次元分布を画像として検出することを特徴とする請求項１９記載の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光及び撮像に用いられる光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元の撮像素子として、CCD、CMOSイメージセンサが用いられている。
【０００３】
近年、撮像素子の多画素化が進行し、これらの撮像素子の単位画素サイズは２μｍ程度、画素の受光開口のサイズは１μｍ程度にまで微細化している。
【０００４】
画素の微細化によってフォトダイオードのS/Nの悪化が問題視されているが、現在のイメージセンサの色分解方法の主流であるベイヤー配列による方法は、光の利用効率が悪く、S/Nの点では不利である。
【０００５】
また、光の利用効率を高めるために、RGB３色の光を受光する層を積層した特許文献１（米国特許第6632701号）が提案されている。
【０００６】
特許文献１に開示される発明では、Ｓｉの光波長による吸収係数の違いを用いて色分解を行っているために、色分解の精度が悪く、色再現性が悪い、言い換えると色のS/Nが悪い。
【０００７】
また、配線が複雑なために画素の微細化に問題がある、感度と色分離がトレードオフの関係にある、などの短所が指摘されている。
【特許文献１】米国特許第6632701号
【非特許文献１】Journal of Luminescence 122−123 (2007) 230−233
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
２次元イメージセンサの多画素化が著しい。多画素化によって単位画素の大きさは２μｍ程度に、受光部分に相当する遮光膜上の開口サイズは１μｍ程度まで微細化が進行している。
【０００９】
撮像素子の多画素化の是非についてさまざまな意見があるが、多画素化の短所として捉えられている主な点は、画素の微細化による感度の低下であり、それ以外には長所がある。
【００１０】
そのため、イメージセンサの開発においては、いかに光量のS/Nの悪化を抑制するかが課題となっている。
【００１１】
さらに、フォトダイオード上の遮光膜に形成された開口によって単位画素の受光領域を規定する従来の方法では、画素（開口）サイズが光の波長程度になると、回折限界によって開口を透過する光量が急激に減少し、光量のS/Nが悪化してしまう。
【００１２】
現在２次元イメージセンサの色分解の方式として広く用いられているベイヤー配列は、２次元に配列したフォトダイオードからなる画素の前に、R、G、Bいずれかの色のフィルタを配置することで色分解を行っている。
【００１３】
そのために、１つの画素はR、G、Bのいずれか１つの光のみを受光する。それ以外の光はフィルタによって吸収されてしまうために、光の利用効率が悪かった。
【００１４】
上記のように、２次元イメージセンサは多画素化によって画素サイズの微細化が進行しているが、光の利用効率の低さや、画素のフォトダイオードの領域の微細化はいずれも光量のS/Nを悪化させる。さらに、光の回折限界のために、画素を区切る遮光膜の開口サイズを光の波長サイズ程度以下にすると、透過光強度の減少のために、光量のS/Nが極端に悪化するという問題があった。
【００１５】
本発明は上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、光量のS/Nの悪化を抑制しつつ、多画素化が可能な光検出素子及び光検出方法、撮像素子及び撮像方法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】
【００１６】
本発明の光検出素子は、幾何学的構造に応じた位置により異なる共鳴波長域をもつ微小光共鳴器からなる分光要素と、
前記分光要素による共鳴波長域が異なる場所に配置され、入射光強度を検出する光電変換要素とを有することを特徴とする。
【００１７】
この場合、前記検出の対象が電磁的応答であるとしてもよい。
【００１８】
また、前記検出の対象が、熱的応答であるとしてもよい。
【００１９】
また、前記検出の対象が、化学的応答であるとしてもよい。
【００２０】
また、前記微小光共鳴器が、金属からなるとしてもよい。
【００２１】
また、前記微小光共鳴器が、半導体からなるとしてもよい。
【００２２】
また、前記微小光共鳴器が、誘電体からなるとしてもよい。
【００２３】
また、前記微小光共鳴器が、単結晶体であるとしてもよい。
【００２４】
また、前記微小光共鳴器が、多結晶体であるとしてもよい。
【００２５】
また、前記微小光共鳴器が、非晶質体（アモルファス）であるとしてもよい。
【００２６】
また、前記微小光共振器が、プラズモン共鳴体からなるとしてもよい。
【００２７】
また、前記微小光共鳴器が、ウィスパリングギャラリーモード共鳴体からなるとしてもよい。
【００２８】
また、前記光電変換要素が、光起電材料であるとしてもよい。
【００２９】
また、前記光電変換要素が、光導電材料であるとしてもよい。
【００３０】
また、前記光電変換要素が、入射する伝播光の波長帯域よりも高いエネルギーの光のみに応答する材料からなるとしてもよい。
【００３１】
本発明の撮像素子は、上記のいずれの微小光共鳴器が、平面または曲面に２次元配列している構造を有することを特徴とする。
【００３２】
本発明の光検出方法は、幾何学的構造に応じた位置により異なる共鳴波長域をもつ微小光共鳴器からなる分光要素に光を入射させる工程と、
前記分光要素による共鳴によって生じた光電磁界分布の空間的な偏りを空間的に異なる場所に配置された光電変換要素によって波長域ごとの光強度として検出する工程と、
検出した光強度を信号として出力する工程とを有することを特徴とする。
【００３３】
この場合、前記光の共鳴によって生じた空間的な偏りを検出する工程が、非断熱的過程であるとしてもよい。
【００３４】
また、前記検出信号出力から入射光の色味を再合成する工程と、色味を信号出力する工程とを有するとしてもよい。
【００３５】
また、前記微小光共鳴器が、平面または曲面に２次元配列しており、該２次元配列に基づく光強度信号出力の２次元分布を画像として検出するとしてもよい。
【００３６】
本発明は、複数の共鳴波長帯域をもつ微小光共鳴器からなる光検出素子であり、共振器によって共鳴する光のエネルギーを空間的に局在させるものであり、フィルタを設けることなく分光可能であり、遮光膜の開口に依ることなく画素の分離が可能なものである。
【００３７】
開口が不要となることで、開口を備えた画素構造のイメージセンサよりも光量のS/Nを悪化させることなく光の波長以下で画素を配列させることが可能となった。
【００３８】
本発明のマルチモード微小共鳴器型光検出素子を用いることで、以下が実現される。
【００３９】
開口の回折限界による光量のS/Nの悪化の影響を受けず、波長サイズ以下の多画素化が可能であり、１つの画素でR、G、B３色の光を受光できるために光の利用効率が高く、厚さが薄い２次元イメージセンサが実現できる。
【００４０】
本発明のマルチモード微小共鳴器型光検出素子の構造と動作を説明する。Ｓｉ、Ｇｅなどの光起電材料または、ＳｅやＺｎＯなどの光導電材料からなる光電変換要素近傍にマルチモード微小光共鳴器が形成されている。
【００４１】
微小光共鳴器の例として、プラズモン共鳴体またはウィスパリングギャラリーモード共鳴体などが挙げられ、その幾何学的構造に応じて共鳴波長を持っている。
【００４２】
この共鳴波長は共鳴体の幾何学的構造を設計することにより、変化させることが可能である。複数の共鳴波長（ex.350nm,500nm,650nm）をもつ共鳴器として設計することも可能であり、さまざまな構造でこれを実現できる。
【００４３】
微小光共鳴器の共鳴波長は、基本的には、共鳴体のもつ構造のうち、光の波長程度の空間周波数成分によって大きく影響を受けるため、該空間周波数成分を調整することで共鳴波長を制御できる。
【００４４】
微小共鳴器の材料は、金属、半導体、誘電体のいずれの物性も、また、単結晶、多結晶、非晶質（アモルファス）のいずれの状態であっても光との相互作用を生じる構造とすることで実現が可能である。
【００４５】
複数の共鳴波長を持つプラズモン共鳴体またはウィスパリングギャラリーモード共鳴体は、異なる共鳴周波数をもつ複数の電気双極子または磁気双極子の重ね合わさった複合体だとみなすことができる。
【００４６】
この複合体のそれぞれの双極子に対応した入射光強度を、空間的に分離して形成された光検出器によって分離して検出する。
【００４７】
入射光のさまざまな波長の成分がそれぞれの双極子にどのように配分されるのかが分かっていれば、求めたい波長帯域の強度を得ることができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の多モード微小光共鳴器型光検出素子を用いることで、光量のS/Nの悪化を抑制しつつ、多画素化が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００５０】
まず、波長による共鳴が空間的に異なる部位で生じることを、プラズモン共鳴体を用いて具体的に説明する。
【００５１】
金属微粒子に光が入射すると、表面プラズモン共鳴が励起される。表面プラズモンは金属微粒子とその外部との界面において、金属中の電子と光が結合することで励起される。
【００５２】
励起された表面プラズモンは金属微粒子構造における入射光偏光方向の曲率不連続点で散乱を受け、散乱されたプラズモン同士が干渉することで定在波が生じ、局在表面プラズモンの一つのモードを形成する。
【００５３】
ここで、定在波を規定するものは金属微粒子構造界面の曲率不連続点間の分布、すなわちプラズモン共鳴体の３次元構造と表面プラズモン（波）の波長である。
【００５４】
図１に示すような不等辺三角形の板状のプラズモン共鳴体１０１においては、形状異方性のために、複数の最低次モードをもつ。
【００５５】
これらのモードは、空間的に異なる部位で共鳴を生じており、電場の集中しやすい頂点に注目してみれば、３つの頂点Ａ，Ｂ，Ｃごとに電場増強に寄与する複数のモードの重なり程度に差違がある。この差違を利用してRGB３色の強度比を検出する。
【００５６】
プラズモン共鳴体の特徴として、共鳴体の構造よりも長い（大きな）波長の光と共鳴できることが挙げられる。
【００５７】
これは、光の波長以下の大きさの微小金属共鳴体に光が入射した場合、微小金属共鳴体によって散乱を受けた結果、高次の回折成分が生じることによって、さまざまな波数をもつ光が生じることによる。
【００５８】
一般に伝搬光と金属中の電子波は位相整合できず表面プラズモン波は励起されないが、この散乱効果によって位相整合条件が満たされ、光と電子の運動が結合して表面プラズモンが生じる。
【００５９】
この光と電子波の結合体である表面プラズモンは、結合する前の光よりも短い波長をもっている。そのために、光としては共鳴できない大きさの構造であっても、表面プラズモンとなることで共鳴を生じる。
【００６０】
言い換えれば、プラズモン共鳴体は自身の大きさよりも大きな波長の光と共鳴して局在させることができ、光検出器として配列させる場合に、狭い配列ピッチで配列させることができる。
【００６１】
本発明による光検出器では、プラズモン共鳴体やウィスパリングギャラリーモード共鳴体の性質を利用して、開口を使用せずに波長以下のサイズで画素を配列し、かつRGB３色が一つの画素で得られる構造となっているために、多画素化が可能となる。
【００６２】
開口を用いずに画素を形成した場合、共鳴と関係のない伝播光成分がノイズとなる可能性も考えられる。
【００６３】
しかしながら、構造によって生じた光の局在が強いものであるほど、相対的に伝播光の寄与は小さくなり、問題とならなくなる。
【００６４】
また、非特許文献１（Journal of Luminescence 122−123 (2007) 230−233）に提唱されている、非断熱的近接場相互作用は、以下を可能とする。
【００６５】
近接場領域での急峻な電場の勾配によって、電子の励起だけでなくフォノンも同時に励起することで、低いエネルギーの入射光で光電変換が可能になる。
【００６６】
そのために、入射させた伝播光の波長では感度をもたない光電変換要素に対しても共鳴体近傍の近接場光に対しては感度を持たせることができる。
【００６７】
この性質を利用することで、開口を用いることなく、入射した伝播光から検出対象の光強度を分離することが可能になる。
【００６８】
また、赤外線は可視光線に比べてエネルギーが低いため、光電変換できる材料が限られていたが、この非断熱的近接場相互作用を利用すれば、光電変換材料として広く用いられているＳｉによって光電変換することが可能になる。
【００６９】
具体的に入射光の色みを検出する方法を不等辺三角形のプラズモン共鳴体１０１を例として以下に述べる。
【００７０】
不等辺三角形のプラズモン共鳴体１０１に光が入射すると、頂点では電子の動きが制限され、電場が集中するので、プラズモン共鳴の状態をセンシングしやすい。そこで、角の３点（A,B,C点）近傍に光強度を測定するフォトダイオードを形成する。
【００７１】
まず、RGBとして得たい分光感度スペクトルを予め設定し、その分光感度スペクトルをｆj（λ）（j=r,g,b）と表す。該分光感度スペクトルｆj（λ）の光の入射強度をＣj（j=r,g,b）とする。
【００７２】
求めたい値はこのＣjである。RGBの分光感度スペクトルｆj（λ）の設定の制限としては、可視域の全ての光の波長を弁別できること、入射光の強度Ｃjも同時に知りえることである。
【００７３】
以上の条件を考慮すると、となり合うｆj（λ）が重なりを持つことが望ましく、となり合うｆj（λ）がピークの半値程度で重なり合う形状がさらに望ましい。
【００７４】
３角形の頂点ABCに生じる電場強度Ｉi（i=a,b,c）は入射光に含まれるそれぞれの波長の光の寄与の足し合わせなので、
【００７５】
【数１】
2008233049.tif 000003
【００７６】
（i=a,b,c）
つまり
【００７７】
【数２】
2008233049.tif 000004
【００７８】
（i=a,b,c）
と書ける。ただし、Ｒi（λ）は波長λの光の強度がi=a,b,cに分配される割合である。
【００７９】
Ｃjはλによらないので、
【００８０】
【数３】
2008233049.tif 000005
【００８１】
（i=a,b,c）
と書くことができ、まとめて行列で表すと、
【００８２】
【数４】
2008233049.tif 000006
【００８３】
ただし、
である。
【００８４】
Ｒi（λ）（i=a,b,c）の値は、電磁界解析もしくは実験によって、該プラズモン共鳴体に単一波長の光を波長を変化させて照射しながら各頂点での電場強度を測定することで得られる。
【００８５】
また、ｆj（λ）（j=r,g,b）は分光感度スペクトルであり、上記の制限内で設定できる。
【００８６】
したがって、Ｓijは該プラズモン共鳴体の構造と設定した分光感度によって一意に決まる行列である。
【００８７】
R,G,Bの強度比Ｃjは
【００８８】
【数５】
2008233049.tif 000007
【００８９】
として得られる。
【００９０】
人間が可視光線を見たときに、その光のスペクトル特性に依った色味を知覚するが、全ての色味は３色の光の混合によって再現することができる。
【００９１】
つまり、入射した光のR,G,Bの成分の強度比が分かれば、人間がその光を見てどのような色味を知覚するのかが分かる。２次元に配列した共鳴器からの強度比（色味）を並べることで、２次元カラー画像を構成することができる。
【００９２】
本発明による光検出器は、プラズモン共鳴体１０１やウィスパリングギャラリーモード共鳴体の特性により、プラズモン共鳴体１０１の大きさよりも大きい（長い）波長の光と相互作用することができる。
【００９３】
図２は、プラズモン共鳴体１０１の角Ｂを起点とし、検出波長と、プラズモン共鳴体１０１の配置関係を示す図である。
【００９４】
図２に示すように、光の波長以下の間隔で画素を配列させることが可能となり、従来のイメージセンサでは不可能な短いサンプリング周期での画素配置が実現し、多画素化が可能になる。
【００９５】
また、単一の共振器が複数の共鳴ピーク波長を持ち、それぞれの強度を得ることが可能であるので、R,G,Bに対応した光検出器をモザイク状に配列させた場合に比べても、実効的な多画素化が可能となる。
【００９６】
通常のイメージセンサでは、R,G,Bの色に対応する波長帯域の光に対して、光電変換材料であるSiの吸収係数が異なる。
【００９７】
このために、Rの光に最適化して作製するとBの光に対しては広すぎる、Bの光に合わせて作製するとRの光に対して狭すぎるという問題があり、フォトダイオード領域の大きさの最適化が難しい。
【００９８】
プラズモン共鳴やウィスパリングギャラリーモード共鳴では、共鳴している波長の光は分光要素の近傍に局在しており、フォトダイオード領域を小さくしても、R,G,Bの光に対して充分な光量を受光できる。
【００９９】
一般にイメージセンサは２次元平面上に光検出器を配列させるが、２次元曲面上に配列させることで、光学系と組み合わせた場合により良い特性を得ることも可能である。
【０１００】
なお、本発明による微小共振器型光検出素子による撮像素子は、受光、分光方法に対するものであり、信号の転送、読出方法は制限を受けない。CCD、CMOSなどさまざまな方法が適用できる。
【実施例１】
【０１０１】
本発明による光検出素子の例を図３に示す。
【０１０２】
微小共振器３０１はSiからなる基板３０２上に、例えば厚さ5nmのSiO2からなる絶縁膜３０３を挟んで形成されている。
【０１０３】
微小共振器３０１および絶縁膜３０３は、三辺の長さが、例えばAB=210nm、BC=180nm、AC=150nm、厚さ50nmのAg金属ナノドットから成っているとする。絶縁膜３０３の厚さは、電気的接続が断絶されていれば、薄いほど好ましい。
【０１０４】
金属ナノドットの平面形状は被検出対象の分光感度内での色のＳ/Ｎが良いこと、言い換えると、求める分光範囲内において最も入射光のスペクトル変化に鋭敏に反応するような構造が望ましい。
【０１０５】
光検出素子に入射した光は、微小共振器３０１に衝突して局在表面プラズモン共鳴を起こす。プラズモン共鳴の結果、金属ナノドットの３つの頂点Ａ，Ｂ，Ｃで電場増強が生じ、強い近接場光が生じる。
【０１０６】
この金属ナノドットの頂点Ａ，Ｂ，Ｃの部分近傍にはフォトダイオード領域３０４が形成されており、３つの頂点Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれの近傍の光強度を独立に受光する。
【０１０７】
フォトダイオード領域３０４は電場強度の強さを電荷の量として出力し、この電荷が蓄積された後に増幅トランジスタ３０５で増幅され、さらに行選択トランジスタ３０６によって位置情報を持って出力される。
【０１０８】
２次元面内での位置情報をもった、Ｒ，Ｇ，Ｂの色みに対応する光強度情報の集合が得られるので、これらを再構成することで２次元イメージを形成する。
【０１０９】
次に、微小共振器である不等辺三角ドットの頂点の光強度を受光することで、回折限界の影響を受けることなく多画素化が可能になる理由を説明する。
【０１１０】
微小共振器３０１に光が入射するとプラズモン共鳴が生じるが、そのプラズモン共鳴に寄与する部位は微小共振器３０１の構造や入射した光の波長に依存する。
【０１１１】
プラズモン共鳴体は、金属表面に励起される局在表面プラズモンの性質として、自身の大きさよりも大きな構造の波長の光と相互作用することができる。
【０１１２】
全ての色味の光は、RGB３色の光の成分の混合だとみなせる。ある色味の光が不等辺三角形である微小共振器３０１に入射した場合を考える。
【０１１３】
入射した光のうち、Rの成分の光は微小共振器３０１の頂点A,B,CにRの光に固有の比率で増強場を生じる。G、Bの成分についても、それぞれ固有の比率で３つの頂点A,B,Cに増強場を生じる。
【０１１４】
この増強場の近傍を光電変換要素としてのフォトダイオード領域３０４とし、その強度を直接受光する。
【０１１５】
実際に測定できるのはA,B,Cそれぞれの場所での光強度であるが、A点に生じる光強度は、Rの光がA点につくる光強度とGの光がA点につくる光強度と、Bの光がA点につくる光強度の和となっている。B,C点についても同様である。
【０１１６】
RGBのそれぞれの光がどのようにA,B,Cに配分される割合を電磁界解析や実験により事前に知っておけば、A,B,Cの光強度をフォトダイオードで検出することで、RGBそれぞれの光強度を逆算することが可能になる。
【０１１７】
この内容は先に数学的に表現している内容である。
【０１１８】
上記のように、波長以下の大きさの共鳴体近傍でＲＧＢ全ての光が受光できるので、開口を用いた光検出器、特にモザイク配列のカラーフィルターと開口を用いたイメージセンサと比べて、Ｓ/Ｎを悪化させることなく大幅な多画素化が可能になる。
【０１１９】
本実施例では、異なる波長帯域の共鳴を電磁的応答としてフォトダイオードで検出した。
【０１２０】
上記の方法以外にも、ゼーベック効果によって熱的応答を熱電変換して検出する方法や、光によって生じる酸化還元反応の電位の変化を検出するような、電気化学的手法によって検出する方法も選択できる。
【実施例２】
【０１２１】
本発明による光検出素子の他の実施例を図４に示す。
【０１２２】
微小共振器４０１は、Ｓｉからなる基板上に、例えば厚さ5nmの絶縁膜４０３を挟んで、正三角形によるフラクタルに準じた階層構造を備えた構造であり、例えば、厚さ50nmのAgドットから成っている。
【０１２３】
絶縁膜４０３は電気的絶縁を保つ範囲内において薄い方が好ましい。
【０１２４】
金属ドットのフラクタル構造は被検出対象の分光感度内での色のＳ/Ｎが良いこと、言い換えると、求める分光範囲内において最も入射光のスペクトル変化に鋭敏に反応するような構造が望ましい。
【０１２５】
光検出素子に入射した光は、微小共振器４０１に衝突して局在表面プラズモン共鳴を起こす。プラズモン共鳴の結果、金属ナノドットの構造によって特定の部位で電場増強が生じ、強い近接場光が生じる。
【０１２６】
上記のプラズモン共鳴によって強く近接場光が生じている部位の近傍にフォトダイオード領域４０４が形成されており、それぞれの共鳴の強度を独立に検出する。
【０１２７】
フォトダイオード領域４０４が設けられる箇所は、微小共振器４０１に発生するプラズモン共鳴の強度の波長依存性が、それぞれ異なる３箇所に対応する位置であればいずれでもよい。
【０１２８】
フォトダイオード領域４０４は電場強度の強さを電荷の量として出力し、この電荷が蓄積された後に増幅トランジスタ３０５で増幅され、さらに行選択トランジスタ３０６によって位置情報を持って出力される。
【０１２９】
２次元面内での位置情報をもった、Ｒ，Ｇ，Ｂの色みに対応する光強度情報の集合が得られるので、これらを再構成することで２次元イメージを形成する。
【０１３０】
RGB３色の光を受光できる理由は上記の実施例１と同様に、光の波長によって微小共振器内での共鳴の分布の相違を利用して行う。
【０１３１】
複数の共鳴長さをもつ金属ナノドットまたは金属ナノホールからなる微小共鳴器の例を図５に示す。
【０１３２】
図５（ａ）に示す微小共振器５０１は、径が異なる環状の金属ナノドット５０１１、５０１２、５０１３が同心的に配置されている。
【０１３３】
フォトダイオード領域が設けられる箇所としては、微小共振器５０１に発生するプラズモン共鳴の大きさがそれぞれ異なる３箇所に対応する位置であればいずれでもよく、例えば、各金属ナノドット５０１１、５０１２、５０１３の直下に形成してもよい。
【０１３４】
図５（ｂ）に示す微小共振器５０２は、長さが異なる矩形の金属ナノドット５０２１、５０２２、５０２３が組み合わされて配置されている。
【０１３５】
フォトダイオード領域が設けられる箇所としては、微小共振器５０２に発生するプラズモン共鳴の大きさがそれぞれ異なる３箇所に対応する位置であればいずれでもよく、例えば、各金属ナノドット５０２１、５０２２、５０２３の直下や矩形の両端部に形成してもよい。
【０１３６】
図５（ｃ）に示す微小共振器５０３は、径が異なる円形の金属ナノドット５０３１、５０３２、５０３３が接続点からの長さがそれぞれ異なる接続具５０３４により組み合わされて配置されている。
【０１３７】
フォトダイオード領域が設けられる箇所としては、微小共振器５０３に発生するプラズモン共鳴の大きさがそれぞれ異なる３箇所に対応する位置であればいずれでもよく、例えば、各金属ナノドット５０３１、５０３２、５０３３の直下に形成してもよい。
【０１３８】
図５（ｄ）に示す微小共振器５０４は、不等辺三角形が形成される溝５０４１を導電性の基板５０４２に形成したものである。
【０１３９】
フォトダイオード領域が設けられる箇所としては、微小共振器５０３に発生するプラズモン共鳴の大きさがそれぞれ異なる３箇所に対応する位置であればいずれでもよく、例えば、溝５０４１により形成される不等辺三角形のそれぞれの辺の直下に形成してもよい。
【０１４０】
また、溝５０４１は単なる空間としてもよく、また、絶縁体を充填するとしてもよい。
【０１４１】
前述のように、光の波長の程度で複数の空間周波数成分が空間的に不均一に分布している構造であればよい。
【０１４２】
これらの構造においても上記実施例１と同様の方法によって、空間的に偏った電場強度を検出することで、ＲＧＢに対応する光強度を得ることができる。
【実施例３】
【０１４３】
本発明による光検出素子の他の実施例について説明する。本実施例の微小共鳴体は、ウィスパリングギャラリーモード共鳴体などの誘電体マイクロキャビティからなっている。
【０１４４】
ウィスパリングギャラリーモードとは、微小円形ディスク内部を周回するように共鳴するモードのことである。光検出素子に入射した光は、微小円形ディスク共振器に衝突してウィスパリングギャラリーモード共鳴を起こす。
【０１４５】
ここで、例として、微小円形ディスクの材料として、例えばSiO2（n=1.46）を選び、直径を175ｎｍとする。このときの、800nm（Ｒ）、540nm（Ｇ）、400nm（Ｂ）に対応する光の電場振幅分布を図６（ａ）〜（ｃ）に示す。
【０１４６】
図６（ａ）〜（ｃ）に示されるように、微小共振器中で異なる部分を電場強度の腹（電場振幅の最大となる位置）として共鳴する。
【０１４７】
上記の３つの共鳴モードは異なる電場の腹と節を持ち、腹の部分では電場増強によって、強い近接場光が生じる。その部位近傍で光を受光すれば、S/Nのよい信号を得ることができる。
【０１４８】
図７はこの円盤の円周方向を横軸として電場の強度分布を示したものである。円周の一部に異方的形状を入れることで、節の部分を固定できる。
【０１４９】
受光部位１、２、３でのRGBの混合比を電磁界解析や実験等により、事前に知っておけば、実施例１の場合と同様の方法によって入射した光のR,G,Bに対応する光の強度を知ることができる。
【０１５０】
ウィスパリングギャラリーモード共鳴体の屈折率が大きいほど、ある波長に対応する共鳴体の大きさを小さくでき、共鳴体を高密度で配列させることができる。
【０１５１】
具体例を図８に示す。微小共鳴体８０１は誘電体ウィスパリングギャラリーモード共鳴体であり、基板８０２上に形成されている。共鳴体に入射した光は、位相制限構造８０３によって電場の節の位置を規定されながらウィスパリングギャラリーモード共鳴を起こす。
【０１５２】
部位ＲＧＢの光の強度がS/Nよく検出される部分である検出部位Ｒ８０４，Ｇ８０５，Ｂ８０６の近傍にはフォトダイオード領域８０７が形成されている。
【０１５３】
これらの光検出強度から、実施例１と同様の方法によって、入射光のＲＧＢの色に対応する成分の光強度を検出する。
【０１５４】
フォトダイオード領域８０７は電場強度の強さを電荷の量として出力し、この電荷が蓄積された後に増幅トランジスタ８０８で増幅され、さらに行選択トランジスタ８０９によって位置情報を持って出力される。
【０１５５】
２次元面内での位置情報をもった、Ｒ，Ｇ，Ｂの色みに対応する光強度情報の集合が得られるので、これらを再構成することで２次元イメージを形成する。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】本発明の微小共鳴体の形態である不等辺三角形を示した説明図である。
【図２】本発明の微小共鳴体の配列を示した説明図である。
【図３】本発明の不等辺三角形共鳴体からなる光検出素子の構造を示した説明図である。
【図４】本発明の準フラクタル構造の微小共鳴体からなる光検出素子の構造を示した説明図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は複数の共鳴長さをもつ構造の例を挙げた図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）はウィスパリングギャラリーモード共鳴体において、波長によって電場の腹と節の部位が異なることを示した説明図である。
【図７】ウィスパリングギャラリーモード共鳴体において、波長ごとの電場の腹と節の部位を円周方向に展開して表示した説明図である。
【図８】本発明のウィスパリングモード共鳴体からなる光検出素子の構造を示した説明図である。
【符号の説明】
【０１５７】
１０１  プラズモン共鳴体
３０１  微小共鳴体
３０２  基板
３０３  絶縁膜
３０４  フォトダイオード領域
３０５  増幅トランジスタ
３０６  行選択トランジスタ
４０１  微小共鳴体
４０２  基板
４０３  絶縁膜
４０４  フォトダイオード領域
４０５  増幅トランジスタ
４０６  行選択トランジスタ
５０１  微小共鳴体
５０２  微小共鳴体
５０３  微小共鳴体
５０４  微小共鳴体
８０１  微小共鳴体
８０２  基板
８０３  位相制限構造
８０４  検出部位Ｒ
８０５  検出部位Ｇ
８０６  検出部位Ｂ
８０７  フォトダイオード領域
８０８  増幅トランジスタ
８０９  行選択トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図４】
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【図６】
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【図８】
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