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CN111095561B - 彩色摄像元件以及摄像装置 - Google Patents

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CN111095561B CN201980004251.8A CN201980004251A CN111095561B CN 111095561 B CN111095561 B CN 111095561B CN 201980004251 A CN201980004251 A CN 201980004251A CN 111095561 B CN111095561 B CN 111095561B
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Abstract

本发明提供一种能够简单地制造、偏振依赖性小，且将能够使入射光分离为三个波长区域的微小分光元件与二维像素阵列对置地集成的高灵敏度的彩色摄像元件以及摄像装置。在摄像元件中，在包括光电转换元件的像素排列成阵列状的二维像素阵列上，层叠有由SiO2等构成的低折射率的透明层、多个微透镜。在低折射率的透明层的内部嵌入有微小分光元件，该微小分光元件包括多个由具有比透明层的折射率高的折射率的SiN等材料形成的、厚度(相对于二维像素阵列垂直的方向的长度)固定的微结构体。

Description

彩色摄像元件以及摄像装置
技术领域
本发明涉及一种彩色摄像元件以及具备彩色摄像元件的摄像装置。
背景技术
通常，在具备CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合器件)传感器、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)传感器等光电转换元件的摄像元件中，为了获取摄像对象的颜色信息，需要进行入射光的颜色分离(colorseparation)。
图16中示出了以往的彩色摄像元件的剖视图。在以往的彩色摄像元件600中，在电气布线601上配置有光电转换元件602，将由有机材料或无机多层膜材料构成的减色型彩色滤光片604与包括光电转换元件602的各像素对置地配置。在彩色滤光片604上配置有微透镜605。
当光从微透镜605入射时，使用彩色滤光片604，仅使期望的波段的光透射，使不需要的波段的光吸收或反射，由此，通过按每个像素从对应于红(R)、绿(G)、蓝(B)的三个光电转换元件602获取各个信号，能生成彩色的二维图像。
然而，在如上所述的一般的彩色摄像元件600中，存在如下问题：在RGB为1∶1∶1的比例的入射光的情况下，透射过彩色滤光片604后的总光量必然变成1/3左右。丢失的其余的光是由于吸收或反射造成的损失，无法到达光电转换元件602。因此，入射光的光利用效率最大为30％左右，大幅地限制了摄像元件的灵敏度。近年来，随着像素的细微化发展，一个像素的接受的光量有时有所降低，因此希望解决上述的问题。
因此，提出了使用能够根据波段对入射光进行分支的微小棱镜、分色镜等分光元件来构成彩色摄像元件来代替彩色滤光片604。通过这样的途径，在原理上能大幅地减少入射光的损失，并能大幅提高光利用效率。然而，近年来，随着像素的细微化发展，难以将如上所述的元件集成到光电转换元件上。
于是，近年来，提出了使用具有比较容易向光电转换元件上集成的微结构的分光元件来构成彩色摄像元件。在非专利文献1中，提出了如下方法：通过使用能够将入射光分离为两个波长区域的两种微结构，在原理上消除颜色分离中的光损失，提高光利用效率。
图17的(a)示出了使用以往的分光元件的彩色摄像元件的俯视图，图17的(b)示出了其XVIIb－XVIIb剖视图，图17的(c)示出了其XVIIc－XVIIc剖视图。如图所示，彩色摄像元件610通过与像素602对应地配置的微细的梁结构606－1、606－2来代替彩色滤光片604，入射光根据波长区域分离为直射的光和偏转的光。这是因为，在微细的梁结构内及其周围，入射光感受到的相位延迟效应在一个波长区域内大不相同，在另一个波长区域内大致相等。
因此，通过在二维像素阵列上逐行地交替地配置结构厚度不同的两种微细的梁结构606－1、606－2，彼此相邻的四个光电转换元件602能够分别接受具有不同的波长分量的光。其结果是，通过使用从各光电转换元件602输出的光电转换信号的矩阵运算，能够生成颜色信息。
而且，在非专利文献1中，如图18所示，同时也提出了通过在像素602上配置能够将入射光分离为三个波长区域的阶梯形状的微结构607来提高光利用效率的彩色摄像元件620。除了根据如上所述的矩阵运算生成颜色信息以外，这种方法还可以将分离出的三个波长区域的光分别入射到邻接的三个光电转换元件602，因此，可以认为，能够使用从各光电转换元件602输出的光电转换信号直接生成颜色信息。
现有技术文献
专利文献
非专利文献1：Seiji Nishiwaki,Tatsuya Nakamura,Masao Hiramoto,ToshiyaFujii and Masa-aki Suzuki,“Efficient colour splitters for high-pixel-densityimage sensors”,Nature Photonics,Vol.7,March 2013,pp.240-246
发明内容
发明所要解决的问题
然而，在非专利文献1所公开的技术中存在实用上的问题。
首先，在使用将入射光分离为两个波长区域的微结构606－1、606－2的方法中，两种微结构606－1、606－2的结构高度互不相同，因此制造过程的成本会增加。此外，微结构606－1、606－2的形状是具有长轴的梁型结构，因此存在如下问题：光感受到的相位延迟效应根据入射光的偏振方向而不同，在颜色分离功能中存在偏振依赖性。而且，根据两组被分离为两个波长区域的光强度数据进行信号处理，恢复RGB信息，因此在颜色再现性方面存在问题。
另一方面，根据使用将入射光分离为三个波长区域的阶梯形状的微结构607的方法，理论上确实可以得到光利用率高、颜色再现性好的彩色图像，但难以制造具有理想的分光特性的微结构607。所公开的阶梯形状的微结构607除了需要多次光刻和刻蚀工艺之外，还需要光刻工艺中的高精度的对位技术，存在制造成本增加的问题。此外，与将入射光分离为两个波长区域的微结构606－1、606－2同样，微结构607的形状也是具有长轴的梁型结构，因此具有在颜色分离功能中存在偏振依赖性的问题。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种能够简单地制造、偏振依赖性小、且将能够使入射光分离为三个波长区域的微小分光元件与二维像素阵列对置地集成的高灵敏度的彩色摄像元件以及摄像装置。
用于解决问题的方案
为了解决上述的问题，本发明的一个方案是一种彩色摄像元件，其特征在于，具备：二维像素阵列，其是包括光电转换元件的多个像素在基板上排列成二维阵列状而成；透明层，形成于所述二维像素阵列上；以及二维分光元件阵列，其是多个分光元件在所述透明层的内部或之上排列成二维阵列状而成，其中，所述分光元件的每一个包括由多个微结构体构成的一组微结构体，所述多个微结构体由具有比所述透明层的折射率高的折射率的材料形成，所述一组微结构体包括多个微结构体，相对于所述多个微结构体而言，相对于所述二维像素阵列垂直的方向的长度相等，相对于所述二维像素阵列水平的方向的形状不同，且以入射的光的波长以下的间隔进行配置，入射到所述分光元件的光的至少一部分被分离为传输方向根据波长而不同的第一至第三偏转光并从所述分光元件出射，分别入射到在所述二维像素阵列的一个方向上连续配置的三个所述像素。
在本发明的另一方案中，其特征在于，所述微结构体是结构底面和上表面具有以中心为对称轴而成为四次旋转对称形状的柱状结构体。
在本发明的另一方案中，其特征在于，所述第一至第三偏转光分别入射到邻接的连续的三个所述像素的第一至第三光电转换元件。
在本发明的另一方案中，其特征在于，在入射光为白色光的情况下，入射到所述第一光电转换元件的光在波长500nm以下的蓝色波长区域中具有光强度的峰值，入射到所述第二光电转换元件的光在波长500nm～600nm的绿色波长区域中具有光强度的峰值，入射到所述第三光电转换元件的光在波长600nm以上的红色波长区域中具有光强度的峰值。
在本发明的另一方案中，其特征在于，所述一组微结构体的形状在构成所述二维分光元件阵列的所有所述分光元件中相同。
在本发明的另一方案中，其特征在于，沿所述二维分光元件阵列的第一方向配置的邻接的所述分光元件的所述一组微结构体的朝向交替地反转，邻接的连续的三个所述像素沿所述第一方向配置，对于沿所述第一方向邻接的三个所述像素中的两个外侧的两个像素而言，从沿所述第一方向邻接的两个所述分光元件入射所述第一至第三偏转光中的任一个。
在本发明的另一方案中，其特征在于，在所述二维像素阵列与所述二维分光元件阵列之间还具备滤色片阵列，所述滤色片阵列是滤色片排列成阵列状而成的，所述滤色片是以下滤色片中的至少一个：第一滤色片，在波长500nm以下的蓝色波长区域中具有透射率的峰值；第二滤色片，在波长500nm～600nm的绿色波长区域中具有透射率的峰值；以及第三滤色片，在波长600nm以上的红色波长区域中具有透射率的峰值。
本发明的另一方案是摄像装置，其特征在于，具备：本发明的一个方案的彩色摄像元件；摄像光学系统，用于在所述彩色摄像元件的摄像面上形成光学图像；以及信号处理部，对所述彩色摄像元件输出的电信号进行处理。
发明效果
根据本发明，通过使用能够简单地制造、偏振依赖性小、并且能够使入射光分离为三个波长区域的微小分光元件，能够比以往更简单地制造光利用率高的彩色摄像元件和摄像装置。
附图说明
图1是表示本发明的摄像装置的概略构成的侧视图。
图2是示意性地表示本发明的实施方式1的摄像元件的像素阵列和分光元件阵列的剖面的一部分的图。
图3的(a)是表示本发明的实施方式1的摄像元件的一部分的概略构成的俯视图，(b)是其剖视图。
图4的(a)是构成本发明的实施方式1的摄像元件的微小分光元件的柱状结构体的俯视图，(b)是其剖视图。
图5的(a)是本发明的实施方式1的摄像元件的微小分光元件的一个例子的剖视图，(b)是表示由微小分光元件分离出的三个波长各自的相位延迟分布的图。
图6的(a)是本发明的实施方式1的摄像元件的微小分光元件的一个例子的俯视图，(b)是其剖视图。
图7的(a)是表示在本发明的实施方式1的摄像元件中，从柱状结构体的上表面入射具有纵向的偏振光的平行光时，从微小分光元件的出射端向三个方向分离并传输的效率的波长依赖性的图，(b)是表示从柱状结构体的上表面入射具有横向的偏振光的平行光时，从微小分光元件的出射端向三个方向分离并传输的效率的波长依赖性的图。
图8的(a)～(h)是表示本发明的实施方式1的摄像元件的微小分光元件的结构图案例的图。
图9的(a)～(c)是示意性地表示与本发明的实施方式1的摄像元件的颜色分量对应的像素的配置的图。
图10的(a)～(c)是示意性地表示与本发明的实施方式1的摄像元件的颜色分量对应的像素的配置的图。
图11表示作为本发明的实施方式1的变形例的摄像元件的概略构成的剖视图。
图12的(a)是本发明的实施方式2的摄像元件的一部分的概略构成的俯视图，(b)是其剖视图。
图13是示意性地表示本发明的实施方式2的摄像元件的像素的配置的图。
图14的(a)是本发明的实施方式3的摄像元件的一部分的概略构成的俯视图，(b)是其剖视图。
图15的(a)是本发明的实施方式4的摄像元件的一部分的概略构成的俯视图，(b)是其剖视图。
图16是以往的彩色摄像元件的剖视图。
图17的(a)是使用以往的分光元件的彩色摄像元件的俯视图，(b)是其XVIIb－XVIIb剖视图，(c)是其XVIIc－XVIIc剖视图。
图18是使用以往的分光元件的另一彩色摄像元件的剖视图。
具体实施方式
以下，使用附图，对本发明的实施方式进行详细说明。其中，以下的实施方式只不过是一个例子，本发明当然不限定于这些实施方式。
图1是表示本发明的摄像装置的概略构成的侧视图。摄像装置10具备：透镜光学系统11；摄像元件12，包括CCD、CMOS等光电转换元件；以及信号处理部13，对从摄像元件12输出的光电转换信号进行处理，生成图像信号。
自然光、照明光等光入射到物体1，在此发生透射/反射/散射后的光或者从物体1发出的光通过透镜光学系统11在摄像元件12上形成光学图像。通常，为了校正各种光学像差，透镜光学系统11由包括沿光轴排列的多个透镜的透镜组构成，但在图1中将附图简化表示为单个透镜。此外，信号处理部13具备将所生成的图像信号送出到外部的图像信号输出。
需要说明的是，本发明的摄像装置10可以具备红外光截止的光学滤波器、电子遮板、取景器(viewfinder)、电源(电池)、闪光灯等公知的构成要素，但这些说明在发明的理解中并不是特别需要，因此省略。此外，以上的构成只是一个例子，在本发明中，在除了透镜光学系统11、摄像元件12、信号处理部13以外的构成要素中，可以适当地组合公知的要素来使用。
在对本发明的具体实施方式进行说明之前，对本发明的实施方式中的摄像元件12的概略进行说明。
本发明的实施方式的摄像元件12具备：像素阵列，其是包括光电转换元件的多个单元(像素)102排列成二维状而成；以及分光元件阵列，其是多个微小分光元件101排列成二维状而成。图2是示意性地表示本发明的实施方式1的摄像元件的像素阵列和分光元件阵列的剖面的一部分的图。分光元件阵列与像素阵列对置，配置于来自透镜光学系统的光所入射的一侧。各微小分光元件101由厚度固定的多个柱状结构体构成。需要说明的是，为了便于说明，微小分光元件101以四个柱状结构体表示，但在数量、间隔、排列图案方面没有限制，可以采用各种排列方式。
将入射到摄像元件12的光中所包括的可见光分量按照每个波长区域分类为第一颜色分量、第二颜色分量、第三颜色分量。需要说明的是，第一至第三颜色分量的组合通常是红(R)、绿(G)、蓝(B)这三原色的组合，但只要是将光分为三个波长区域的情况即可，不限定于此。
本发明的实施方式中的微小分光元件101具有如下功能：通过利用后述的相位延迟效应及其结构尺寸依赖性/波长依赖性，根据上述的第一至第三颜色分量改变入射的光的传输方向，并在像素阵列上使其空间上分离。即，在本发明的实施方式中，入射到摄像元件的光的至少一部分的光通过微小分光元件101根据颜色分量改变传输方向，入射到多个像素102。因此，通过适当地设定微小分光元件101与像素102的距离，能够在不同的像素102上分别接受被分离为三个波长区域的光。
当光入射到像素102时，通过光电转换元件输出与入射的光的强度对应的电信号(光电转换信号)，因此，能直接获取或利用信号运算获取与颜色分量对应的信号(颜色信息)。以上的微小分光元件101和与微小分光元件101对应的多个像素102配置成二维状，因此能获取由透镜光学系统11形成的物体的光学图像的颜色信息。
在后述的实施方式1和实施方式2中使用微透镜阵列，由此，几乎所有入射光都透射过构成分光元件阵列的任意的微小分光元件101，因此，几乎所有入射光以分离为三个波长区域的状态入射到像素阵列。因此，能从光电转换信号直接获取或利用简单的运算获取颜色信息。
在后述的实施方式3和实施方式4中，入射光的一部分透射过构成分光元件阵列的微小分光元件101，因此入射光的一部分以分离为三个波长区域的状态入射到像素阵列。因此，各像素102的一部分输出光电转换信号，该光电转换信号与分离为三个波长区域的状态下的光和未分离的状态下的光的合计的光强度对应。可以通过对输出的光电转换信号使用后述的适当的矩阵运算来求出颜色信息。
根据本发明的实施方式中的摄像元件12，不使用减色型的彩色滤光片，而是能通过使用了微小分光元件101的对三种颜色的损失小的光分离来获得颜色信息。因此，与使用了彩色滤光片的摄像元件相比，能增加到达像素阵列的光总量，并且能提高摄像灵敏度。而且，微小分光元件101由制造简单的厚度固定的结构体构成，且由于结构体上表面/底面的对称性而不会产生偏振依赖性，因此能解决非专利文献1中所公开的以往技术中的颜色分离功能中存在偏振依赖性的问题。
以下，参照附图，对本发明的更具体的实施方式进行说明。
(实施方式1)
以下，对本实施方式1中的摄像元件的构成的概略进行说明。
图3的(a)是本发明的实施方式1的摄像元件的一部分的概略构成的俯视图，图3的(b)是其剖视图。在本实施方式1中的摄像元件100中，在包括光电转换元件的像素102排列成阵列状的二维像素阵列上层叠有由SiO2等构成的低折射率的透明层111、多个微透镜103。在低折射率的透明层111的内部嵌入有微小分光元件101，该微小分光元件101包括由具有比透明层111的折射率高的折射率的SiN等材料形成的、多个厚度(在相对于二维像素阵列垂直的方向的长度)固定的微结构体。为了便于说明，在以下的说明中，设定如下的xyz正交坐标系：将二维像素阵列的法线方向设为z轴，将平行于二维像素阵列且构成像素单元110的三个像素102所排列的方向设为x轴，将平行于二维像素阵列且与x轴正交的方向设为y轴。
如图所示，微透镜103、微小分光元件101、像素102在xy平面上配置成格子状，在各微透镜103的中心轴上配置有一个微小分光元件101。当将在x轴方向上相邻的三个像素设为一个像素单元110时，在x轴方向上相邻的各微透镜103分别与像素单元110一一对应，各微透镜103的中心轴穿过相应的像素单元的中央的像素102的大致中心。即，使一个微透镜103和一个微小分光元件101对应于在x轴方向上相邻的三个像素102，当将上述微透镜103、微小分光元件101、像素单元110设为一个摄像元件单元时，此摄像元件单元在xy平面上排列成格子状。
需要说明的是，在上述的说明中，作为一个例子，对排列成正交格子状的二维像素阵列的情况进行了说明，但像素102的排列、形状、尺寸等并不限定于该图的例子，也可以是公知的任意的排列、形状、尺寸。此外，虽然图3的(a)、(b)中未示出，但是在二维像素阵列与微结构体之间可以具备高折射率的凹凸结构，其由SiN等构成，作为内部微透镜工作，发挥将来自微小分光元件101的光引导至像素102内的光电转换元件的作用。图3的(a)、(b)所示的结构可以通过公知的半导体制造技术来制造。
需要说明的是，图3的(a)、(b)所示的摄像元件100是从布线层112的相反侧接受光的背面照射型的结构，但本实施方式并不限定于这样的结构，也可以具有从布线层112的一侧接受光的表面照射型的结构。
以下，对本实施方式中的摄像元件100的各构成要素的动作进行说明。
入射到摄像元件100的白色光首先由微透镜阵列进行聚光，几乎所有的光都穿过与各微透镜103对应的微小分光元件101。光在xz面内通过各微小分光元件101在空间上被分离为三个波长区域，并且分别被位于各微小分光元件101的正下方的三个像素102接受。在图3的(b)所示的例子中，通过各微小分光元件101，第一颜色分量的光(R)向第一方向(右)传输，第二颜色分量的光(G)向第二方向(直行)传输，第三颜色分量的光(B)向第三方向(左)传输，因此各微小分光元件101正下方的三个像素102DR(右)、DG(中央)、DB(左)分别对应于R、G、B的颜色信息的检测。
需要说明的是，上述是一个例子，可以根据各微小分光元件101的构成自由地变更颜色分量和传输方向的组合，随之，也变更分别与RGB对应的像素102DR、DG、DB。
当如此在空间上被分离为三个波长区域的光分别被三个像素102接受时，通过各像素102内的光电转换元件进行光电转换，输出包括颜色信息的图像信号。
需要说明的是，位于各微小分光元件101的正下方的三个像素102DR、DG、DB的x轴方向的宽度wd1、wd2、wd3可以相同也可以不同。此外，随之，微透镜103的x轴方向的宽度wlx和y轴方向的宽度wly可以相同也可以不同。在图3的例子中，三个像素102DR、DG、DB的x轴方向的宽度wd1、wd2、wd3相同，微透镜103的wlx和wly不同。
此外，可以在像素单元110与微小分光元件101之间具备作为内部微透镜工作的由SiN等构成的高折射率的凹凸结构，但后述的微小分光元件101能够根据形成的相位延迟分布而具有透镜功能，因此也能够省略内部微透镜。
以下，对本实施方式中的微小分光元件进行说明。
本实施方式1中的微小分光元件101由多个微细的柱状结构体121构成。图4的(a)是构成本发明的实施方式1的摄像元件的微小分光元件的柱状结构体的俯视图，图4的(b)是其剖视图。柱状结构体121由具有比透明层111的折射率n0高的折射率n1的SiN等材料形成，结构的厚度h是固定的。
此外，柱状结构体121的底面和上表面是正方形。该柱状结构体121作为光波导发挥功能，所述光波导根据与透明层111的折射率差使光困聚在结构内传输。因此，当使光从上表面侧入射时，光在柱状结构体121内被强烈困聚的同时传输，受到由光波导的有效的折射率neff确定的相位延迟效应的影响，从底面侧输出。具体而言，当以在透明层111中传输柱状结构体121的厚度量的长度的光的相位为基准时，若将光在真空中的波长设为λ，则柱状结构体121的相位延迟量φ表示为：
φ＝(neff-n0)×2πh/λ (1)。
该相位延迟量根据光的波长λ而不同，因此能够对入射到同一柱状结构体121的光赋予根据波长区域(颜色分量)而不同的相位延迟量。此外，柱状结构体121的底面和上表面为正方形，因此即使在改变偏振光方向的情况下，包括相位延迟效应的光学特性也不会发生变化。而且，已知neff是结构尺寸的函数，取n0＜neff＜n1的值。因此，在图4的(a)、(b)所示的例子中，能够通过改变柱状结构体121的宽度w来设定任意的相位延迟量。
图5的(a)的剖视图是在x轴方向上排列两个上述的柱状结构体121－1、121－2而构成的本实施方式1中的微小分光元件101的一个例子。需要说明的是，在y轴方向上，以波长以下的间隔排列有多个上述的柱状结构体121－1、121－2。
如图5的(a)所示，在x轴方向上相邻的柱状结构体121－1、121－2的宽度w不同。由于该宽度w的差异，能够对透射过微小分光元件101的光赋予按每个波长区域而不同的相位延迟分布，并且能够改变光波面。光的传输方向(偏转方向)由该光波面确定，因此能够根据波长区域(颜色分量)在空间上分离透射过微小分光元件101的光。即，本实施方式1中的微小分光元件101通过配置多个柱状结构体121并改变邻接的柱状结构体121－1、121－2的与光的传输方向正交的面上的尺寸w来赋予根据入射光的波长区域而不同的光波面，使颜色分量在空间上分离。
例如，在图5的(a)所示的结构的情况下，如图5的(b)所示，能够赋予根据三个波长(例如，与RGB对应的波长)而不同的相位延迟分布。在该例中，与第一颜色分量的光(R)对应的波长的相位延迟分布沿着相位量从0到+2π线性增加的直线上，与第二颜色分量的光(G)对应的波长的相位延迟分布没有空间上的变化，与第三颜色分量的光(B)对应的波长的相位延迟分布沿着相位量从0到－2π线性减少的直线上。该情况下，如图5的(a)所示，在透射过微小分光元件101的光中，能够分别使第一颜色分量的光(R)向第一方向(右)、第二颜色分量的光(G)向第二方向(直行)、第三颜色分量的光(B)向第三方向(左)高效地传输。
需要说明的是，上述的说明是一个例子，可以根据各柱状结构体121的尺寸自由地变更颜色分量和偏转方向的组合。例如，也可以是，分别使第一颜色分量的光(R)向第二方向(直行)、第二颜色分量的光(G)向第一方向(右)、第三颜色分量的光(B)向第三方向(左)高效地传输。
对本实施方式中的微小分光元件101的更详细的一个例子进行说明。
图6的(a)是本发明的实施方式1的摄像元件的微小分光元件的一个例子的俯视图，图6的(b)是其剖视图。在x轴方向上排列有两列具有互不相同的宽度w1、w2而厚度(在相对于二维像素阵列垂直的方向上的长度)固定的柱状结构体121－1、121－2，在y轴方向上排列有三行相同的柱状结构体121－1、121－2，将以上的结构作为一个微小分光元件101。需要说明的是，示出了如下情况：假定构成柱状结构体121－1、121－2的材料为SiN(n1＝2.03)，假定构成透明层的材料为SiO2(n0＝1.45)，且底面和上表面是正方形。此外，将所有柱状结构体121－1、121－2的厚度h设为1200nm，将图案左侧的柱状结构体121－1的宽度w1设为145nm，将图案右侧的柱状结构体121－2的宽度w2设为340nm，将x轴和y轴方向上的柱状结构体121－1、121－2的间隔p设为450nm。
在图7的(a)、(b)中，示出了在上述的结构中，从柱状结构体121－1、121－2的上表面入射平行光时，从微小分光元件101的出射端分离为三个方向(图6的(b)的R、G、B的各方向)而传输的效率(各传输方向的光强度与入射光强度的比)的波长依赖性(基于严格耦合波理论的计算结果)。图7的(a)是入射图6的(a)中的具有纵向的偏振光的光时的结果，图7的(b)是入射图6的(a)中的具有横向的偏振光的光时的结果。需要说明的是，确认到虽然在计算时假设上述的微小分光元件101在x轴和y轴方向上以P的间隔(P＝3p)排列，但其与单个微小分光元件101的光学功能几乎没有差异。此外，基于光的衍射，将三个方向各自的偏转角θR、θG、θB设为R：sinθR＝λ/P，G：θG＝0(直行)，B：sinθB＝λ/P。
此外，图7的(a)、(b)所示的特性相当于以往的摄像装置中的彩色滤光片的分光灵敏度特性。图7的(a)、(b)所示的结果示出了：第一方向(R)的效率在600nm以上的红色波长区域中形成峰值，第二方向(G)的效率在500nm～600nm的绿色波长区域中形成峰值，第三方向(B)的效率在500nm以下的蓝色波长区域中形成峰值。此外，示出了40％～60％的良好的分光性能，并且在特性上看不到大的偏振依赖性。需要说明的是，曲线R、G、B的总和，即总透射率为95％以上，几乎不会产生由于散射、反射引起的光损失。
以上的结果示出了：通过使用本实施方式1中的微小分光元件101，能够进行颜色分量的高效的空间上的分离。而且，在上述的例子中，单个微小分光元件101的尺寸为1.35μm见方，与一般的CCD和CMOS传感器的最小像素尺寸相同。因此，能够形成与具有最小像素尺寸(Pixel size)的像素单元110对应的微小分光元件101。需要说明的是，也能够根据柱状结构体121的尺寸、数量、排列图案形成不同尺寸的微小分光元件101。
通过适当地设计构成微小分光元件101的柱状结构体121的材料、数量、形状、尺寸、排列图案等，能够赋予期望的分光特性。其结果是，如上所述，可以仅使期望波长区域的光分离并入射到各个光电转换元件，能从输出自各光电转换元件的光电转换信号获取与颜色分量对应的信号。
此外，如上所述，几乎不会产生由于微小分光元件101引起的光损失，因此，与使用了以往技术的彩色滤光片的摄像元件相比，能飞跃性地增加到达像素阵列的光总量，并能提高摄像灵敏度。需要说明的是，即使各微小分光元件101的分光性能与上述理想的性能稍有不同，也可以通过根据性能的差异的程度对获取到的信号进行校正/运算来获得良好的颜色信息。
此外，在上述的各柱状结构体121的配置中，为了防止因周期性的结构引起的不必要的衍射光的产生，理想的是以光的波长以下的间隔进行配置。
在上述的例子中，对柱状结构体的底面和上表面为正方形的情况进行了说明，但并不限定于该形状。即，只要是以穿过底面和上表面中心的轴为对称轴而成为四次旋转对称的形状面，就不会产生分光功能对偏振的依赖性，不会丧失作为带来相位延迟效应的光波导的动作。因此，理想的是采用如图8的(a)～(h)所示的正方形、中空正方形、圆形、中空圆形、十字形状等成为四次旋转对称的面的柱状结构体。
需要说明的是，在通过微小分光元件101进行颜色分量的分离之后，为了使像素单元110上的各光空间分布彼此充分地分离，优选的是微小分光元件101的输出端与像素102的光电转换元件之间具有1μm以上的间隔。另一方面，为了摄像元件100的薄膜化和材料费/工艺时间的节约，优选的是，上述的微小分光元件101的输出端与像素102的光电转换元件的间隔尽可能短。
此外，该情况下，在短的传输距离内，像素单元110上的各光空间分布需要根据颜色分量彼此清晰地分离，因此，优选的是，通过微小分光元件101使光的波面大幅地倾斜，增大偏转(弯曲)的角度。为了增大偏转的角度，适合由微小分光元件101形成的各波长区域中的相位延迟分布分别从0变化到2π的形式，因此，在各自的波长区域中，柱状结构体121的相位延迟量的可变范围优选具有2π以上。因此，根据算式(1)，当将分离的波长区域的最长波长侧的波长区域中的期望的中心波长设为λr时，理想的是柱状结构体121的厚度h设定在h＝λr(n1－n0)附近。
可以通过公知的半导体制造技术执行薄膜沉积和图案化来制造如上所述的具有分光功能的微小分光元件101。本实施方式1的微小分光元件101由多个厚度固定的柱状结构体121构成，因此，与非专利文献1所公开的阶梯状结构等相比，能便宜且容易地制造。
以下，对本实施方式的摄像元件中的微小光学元件和像素的配置进行说明。
在图3所示的一个例子中，沿x轴方向配置的微小分光元件101的行不会在x轴方向上偏移，而是沿y轴方向重复配置，其结果是，微小分光元件101的图案沿y轴方向连续地配置。该情况下，在x轴方向上，与各微小分光元件101正下方的颜色分量对应的三个像素102DB、DG、DR从左起按该顺序排列，这些排列被重复配置。
而且，像素102也是同样，沿x轴方向配置的像素102的行不会在x轴方向上偏移，而是沿y轴方向重复配置，其结果是，三个像素102DB、DG、DR分别沿y轴方向连续地配置。
图9的(a)～(c)是示意性地表示与本发明的实施方式1的摄像元件的颜色分量对应的像素的配置的图。当将在x轴方向上相邻的三个像素102DB、DG、DR设为一个彩色像素单元U时，在图9的(a)所示的彩色像素单元U1和相对于彩色像素单元U1仅向x轴方向位移了单个像素的彩色像素单元U2中，这两者都必须包括与R、G、B对应的像素。即，如果在将彩色像素单元U在xy平面内每次位移单个像素的同时获取颜色信息，则能够获得大致像素数的量的RGB三种颜色的信息。这意味着能够将摄像元件的分辨率提高至像素数的程度(与所谓的拜耳(Bayer)配置等同)。因此，本实施方式1的摄像元件除了高灵敏度之外，还能够以单个像素尺寸的高分辨率生成颜色信息。
实现如上所述的单个像素尺寸的分辨率的微小光学元件和像素的配置并不限定于图9的(a)，可以进行各种变更。图9的(b)和图9的(c)示出了另一例子，沿x轴方向构成的微小分光元件101和彩色像素单元U的行一边在图9的(b)中向x轴方向位移一个像素尺寸量、在图9的(c)中向x轴方向位移两个像素尺寸量，一边依次在y轴方向上配置。在这样的配置中，也能与图9的(a)同样地以单个像素尺寸的分辨率生成颜色信息。
图10的(a)～(c)示出了与图9的(a)～(c)不同的配置的例子，是三个像素DB、DG、DR的顺序按每行反转的构成，关于在x轴方向上的位移分别与上述的图9的(a)～(c)相同。该情况下，也能与图9的(a)同样地以单个像素尺寸的分辨率生成颜色信息。需要说明的是，为了进行三个像素DB、DG、DR的顺序的反转，使用使上述的微小分光元件101的柱状结构体121－1、121－2在x轴上左右反转的图案即可。
在上述的图9的(a)～(c)和图10的(a)～(c)所示的像素配置是假定为如下情况时的配置：入射光通过各微小分光元件101的功能，第一颜色分量的光(R)向第一方向(右)传输、第二颜色分量的光(G)向第二方向(直行)传输、第三颜色分量的光(B)向第三方向(左)的方式传输，各微小分光元件101正下方的三个像素102DR(右)、DG(中央)、DB(左)分别对应于R、G、B的颜色信息的检测。如上所述，根据微小分光元件101的构成，无论变为微小分光元件101正下方的像素102与RGB三种颜色中的哪一种颜色对应的情况，都只不过是变更彩色像素单元U内的顺序。在这种情况下，只要根据图9和图10所示的彩色像素单元U的配置规则来设定配置，就能同样地以单个像素尺寸的分辨率生成颜色信息。
在以上的说明中，对仅使用了微小分光元件101的情况的摄像元件100进行了说明。接着，对并用减色型的彩色滤光片时的变形例进行说明。
图11中示出了作为本发明的实施方式1的变形例的摄像元件的概略构成的剖视图。与图3的不同之处在于，在与颜色分量对应的像素102的上方配置了分别与像素102的颜色对应的彩色滤光片104，除此之外都相同。在该构成的情况下，与以往技术的仅是彩色滤光片的构成相比，提高了光利用效率，且还提高了颜色再现性。
例如，根据图7，微小分光元件101的向RGB的分光效率设为40％～60％。此外，将RGB的彩色滤光片104的对应的波长区域中的透射率(分光效率)分别设为90％。入射光具有RGB1∶1∶1的比率的强度。该情况下，在并用微小分光元件101和彩色滤光片104的构成中，光透过两者并入射到像素，因此到达RGB三个像素102的光强度的总量为36％～54％。而且，在微小分光元件101和彩色滤光片104的分光性能被相乘，不需要的颜色分量被排除的状态下入射到各像素102，因此颜色再现性大幅提高。另一方面，在仅是彩色滤光片104的构成的情况下，到达三个像素102的光强度的总量为30％，与并用的构成相比，颜色再现性也更差。因此，通过使用并用微小分光元件101和彩色滤光片104的构成，在颜色再现性提高的状态下，与以往的仅使用彩色滤光片的构成相比，灵敏度预计可以提高1.2倍～1.8倍。需要说明的是，与仅是微小分光元件101的构成相比，虽然光利用效率降低，但颜色再现性大幅提高，因此可以认为，该实施方式1的变形例是光利用率即灵敏度与颜色再现性的平衡良好的构成。
(实施方式2)
接着，对本发明的实施方式2的摄像元件进行说明。
图12的(a)是本发明的实施方式2的摄像元件的一部分的概略构成的俯视图，图12的(b)是其剖视图。如图12的(a)、(b)所示，与实施方式1相比，本实施方式2的摄像元件300和使用该摄像元件300的摄像装置的不同之处在于，沿x轴方向配置的多个微小分光元件101的结构体图案的朝向交替地反转。
此外，沿x轴方向构成的微小分光元件101和彩色像素单元U的行一边在x轴方向上位移两个像素尺寸量，一边依次在y轴方向上配置，其结果是，微小分光元件101的结构体图案的朝向也在y轴方向上交替地反转。而且，另一个不同之处在于，在接受由一个微小分光元件101分光的光的沿x轴方向彼此邻接的三个像素102中的两个外侧的两个像素102还接受由邻接的其他两个微小分光元件101分光的光。需要说明的是，本实施方式2的其他构成要素与实施方式1的构成要素相同。以下，以与实施方式1的不同点为中心进行说明，省略对重复的点的说明。
如图12的(b)所示，微小分光元件101的结构体图案的朝向沿x轴方向交替地反转，因此，颜色分量和偏转方向的组合交替地相反，随之，与各微小分光元件101正下方的颜色分量对应的像素102成为从左起DR、DG、DB、DG、DR、DG、DB……的顺序。在各微小分光元件101的正下方配置有像素102DG，并且其两侧的像素102DR或DB还接受由邻接的两个微小分光元件101分光的光。
入射到摄像元件300的白色的光首先由微透镜阵列聚光，几乎所有的光穿过与各微透镜103对应的微小分光元件101。通过各微小分光元件101，光在xz面内在空间上分离为三个波长区域，分别被与各微小分光元件101对应的三个像素102接受。此时，微小分光元件101的正下方的像素102(DG)的两侧的像素102(DR、DB)还接受从邻接的两个微小分光元件101传输的光，但由于结构图案的反转，接受相同的波长区域。
需要说明的是，上述是一个例子，可以根据各微小分光元件101的构成自由地变更颜色分量和传输方向的组合，随之，也变更分别与RGB对应的像素102。如此，当在空间上被分离为三个波长区域的光分别被三个像素102接受时，通过各像素102内的光电转换元件进行光电转换，并输出为包括颜色信息的图像信号。
图13是示意性地表示本发明的实施方式2的摄像元件的像素的配置的图。将包括一个DR、两个DG以及一个DB的四个像素102作为一个彩色像素单元U。该情况下，即使相对于图中所示的彩色像素单元U1在x轴方向或y轴方向上仅位移单个像素，也能够构成包括一个DR、两个DG以及一个DB的彩色像素单元U2。即，如果在将彩色像素单元U在xy平面内每次位移单个像素的同时获取颜色信息，则能够获得大致像素数的量的RGB三种颜色的信息。这意味着能将摄像元件的分辨率提高至像素数的程度。因此，本实施方式2的摄像元件300除了高灵敏度之外，还能以单个像素尺寸的高分辨率生成颜色信息。
由此，在本实施方式2的构成中，也能够实现与实施方式1同样的功能。此外，本实施方式2除了与上述实施方式1的不同点以外，与实施方式1相同，这些共同的构成要素具有与在实施方式1中说明的情况相同的效果，此外，可以进行同样的变更。
(实施方式3)
接着，对本发明的实施方式3的摄像元件进行说明。
图14的(a)是本发明的实施方式3的摄像元件的一部分的概略构成的俯视图，图14的(b)是其剖视图。如图14的(a)、(b)所示，与实施方式1相比，本实施方式3的摄像元件400和摄像装置的不同之处在于微透镜配置为与各像素一一对应。此外，不同之处在于，在颜色信息的获取过程中，使用利用来自各像素102的光电转换信号的矩阵运算。需要说明的是，其他构成要素与实施方式1相同。以下，以与实施方式1的不同点为中心进行说明，省略对重复的点的说明。
如图14的(b)所示，微透镜103配置为与各像素102一一对应。随之，在入射到摄像元件400的白色的光中，入射到各微小分光元件101并被颜色分离的光仅是由位于微小分光元件101的正上方的微透镜103聚光后的光，其他的光经由各微透镜103直接入射到各微透镜正下方的像素。
在此，当用W表示向单个的微透镜103入射的白色光的强度，将构成白色光的RGB三种颜色的强度分别设为R、G、B时，经由三个微透镜103入射到像素102DR、DG、DB的光分别是以W+R、G、W+B表示的强度的光。需要说明的是，上述是一个例子，可以根据各微小分光元件101的构成自由地变更颜色分量和传输方向的组合，随之，也变更分别入射到像素102DR、DG、DB的颜色分量的构成。在以下的说明中，对W+R、G、W+B的强度的光分别入射到像素102DR、DG、DB时的通过矩阵运算进行的颜色信息获取进行说明，但矩阵运算符的数值当然可以根据微小分光元件101的构成和分光性能来进行各种变更。
通过光电转换元件对分别入射到各像素102的W+R、G、W+B强度的光进行光电转换，并输出为光电转换信号。在此，将与RGB三种颜色和白色光W的光强度对应的光电转换信号设为SR、SG、SB、SW，将由W+R、G、W+B强度的光入射后的各像素102输出的光电转换信号分别设为SW+R、SG、SW+B。需要说明的是，SW可以用SW＝SR+SG+SB表示，SW+R、SW+B可以分别用SW+R＝SW+SR、SW+B＝SW+SB的关系式表示。此外，入射到像素102DG的光是由微小分光元件101分光而得到的G的分量，因此原样输出SG。
由此，可以通过以下的利用SW+R、SG、SW+B的矩阵运算来获取SR、SG、SB。
[数式1]
因此，可以通过利用从各像素DR、DG、DB输出的三个光电转换信号SW+R、SG、SW+B的信号运算来求出作为三种颜色分量的强度信息的SR、SG、SB。
由此，在本实施方式3的构成中，也能实现与实施方式1同样的功能。本实施方式3除了与上述实施方式1的不同点以外，与实施方式1相同，这些共同的构成要素具有与实施方式1中说明的情况相同的效果，此外，可以进行同样的变更。需要说明的是，在使用了与彩色滤光片并用的变形例中，理想的是，仅在微小分光元件101正下方的像素102上配置对应的颜色分量的彩色滤光片。
(实施方式4)
接着，对本发明的实施方式4的摄像元件进行说明。
图15的(a)是本发明的实施方式4的摄像元件的一部分的概略构成的俯视图，图15的(b)是其剖视图。如图15的(a)、(b)所示，与实施方式2相比，本实施方式4的摄像元件400和使用了该摄像元件500的摄像装置的不同之处在于，微透镜103配置为与各像素102一一对应。此外，不同之处在于，在颜色信息的获取过程中，使用利用来自各像素102的光电转换信号的矩阵运算。需要说明的是，其他构成要素与实施方式2相同。以下，以与实施方式2的不同点为中心进行说明，省略对重复的点的说明。
如图15的(b)所示，微透镜103配置为与各像素102一一对应。随之，在入射到摄像元件500的白色光中，入射到各微小分光元件101并被颜色分离的光仅是由位于微小分光元件101的正上方的微透镜103聚光后的光，其他的光经由各微透镜103直接入射到各微透镜103正下方的像素102。
在此，与实施方式3的说明同样，当用W表示向单个的微透镜103入射的白色光的强度，将构成白色光的RGB三种颜色的强度分别设为R、G、B时，经由五个微透镜103入射到像素102DR、DG、DB的光分别是以W+2R、G、W+2B表示的强度的光。需要说明的是，上述是一个例子，可以根据各微小分光元件101的构成自由地变更颜色分量和传输方向的组合，随之，也变更分别入射到像素102DR、DG、DB的颜色分量的构成。在以下的说明中，对W+2R、G、W+2B的强度的光分别入射到像素102DR、DG、DB时的通过矩阵运算进行的颜色信息获取进行说明，但矩阵运算符的数值当然可以根据微小分光元件101的构成和分光性能来进行各种变更。
通过光电转换元件对分别入射到各像素102的W+2R、G、W+2B的强度的光进行光电转换，并输出为光电转换信号。在此，与实施方式3的说明同样，将与RGB三种颜色和白色光W的光强度对应的光电转换信号设为SR、SG、SB、SW，将由W+2R、G、W+2B的强度的光入射后的各像素102输出的光电转换信号分别设为SW+2R、SG、SW+2B。需要说明的是，SW可以用SW＝SR+SG+SB表示，SW+2R、SW+2B可以分别用SW+2R＝SW+2SR、SW+2B＝SW+2SB的关系式表示。此外，入射到像素102DG的光是由微小分光元件101分光而得到的G的分量，因此原样输出SG。
由此，可以通过以下的利用SW+2R、SG、SW+2B的矩阵运算来获取SR、SG、SB。
[数式2]
因此，可以通过利用从各像素DR、DG、DB输出的三个光电转换信号SW+2R、SG、SW+2B的信号运算来求出作为三种颜色分量的强度信息的SR、SG、SB。
由此，在本实施方式4的构成中，也能实现与实施方式2同样的功能。本实施方式4除了与上述实施方式2的不同点以外，与实施方式2相同，这些共同的构成要素具有与实施方式2中说明的情况相同的效果，此外，可以进行同样的变更。需要说明的是，在使用了与彩色滤光片的并用的变形例中，理想的是，仅在微小分光元件101正下方的像素上配置对应的颜色分量的彩色滤光片。
上述的实施方式1～实施方式4只不过是本发明的优选的具体例，本发明并不限定于此，可以进行各种变更。
在上述的实施方式1～实施方式4中，示出了假定将SiN作为微小分光元件101的材料的例子，但本发明并不限定于此。例如，在光的波长为380nm～800nm范围的可见光区域中使用本发明的摄像元件的情况下，SiN、SiC、TiO2、GaN等材料折射率高、吸收损失小，因此适用于微小分光元件的材料。此外，对于波长为800nm～1000nm范围的近红外光，Si、SiC、SiN、TiO2、GaAs、GaN等材料适合作为对这些光损失小的材料。而且，在长波长体的近红外区域(作为通信波长的1.3μm、1.55μm等)中，除了上述的材料以外，还可以使用InP等。而且，在粘贴、涂布而形成微小分光元件的情况下，作为材料，可以举出氟化聚酰亚胺等聚酰亚胺、BCB(苯并环丁烯)、光固化性树脂、UV环氧树脂、PMMA(Polymethyl methacrylate：聚甲基丙烯酸甲酯)等丙烯酸树脂、抗蚀剂整体等聚合物等。
同样，在上述的实施方式1～实施方式4中，示出了假定将SiO2作为透明层111的材料的例子，但本发明并不限定于此。只要是一般的玻璃材料、SiO2、空气层等折射率比微小分光元件材料的折射率低、相对于入射光的波长损失小的材料即可。
在上述的实施方式1～实施方式4中，对以红、绿、蓝这三原色的光作为与微小分光元件101对应的三个波长区域的光的情况进行了说明，但三个波长区域中的至少一个波长区域也可以是三原色以外的波长的光(例如红外光、紫外光)。
以上，基于具体实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于所述实施方式，当然可以在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。
附图标记说明：
1：物体；
10：摄像装置；
11：透镜光学系统；
12：摄像元件；
13：信号处理部；
100、200、300、400、500、600、610、620：摄像元件；
101：微小分光元件；
102：像素；
103：微透镜；
104：彩色滤光片；
111：透明层；
112：布线层；
121：柱状结构体；
601：布线层；
602：像素；
603：透明层；
604：彩色滤光片；
605：微透镜；
606、607：微结构。

Claims (8)

1.一种彩色摄像元件，其特征在于，具备：
二维像素阵列，其是包括光电转换元件的多个像素在基板上排列成二维阵列状而成；
透明层，形成于所述二维像素阵列上；以及
二维分光元件阵列，其是多个分光元件在所述透明层的内部或者在所述透明层之上排列成二维阵列状而成，其中，
所述分光元件的每一个包括由多个微结构体构成的一组微结构体，所述多个微结构体由具有比所述透明层的折射率高的折射率的材料形成，所述一组微结构体由相对于所述二维像素阵列垂直的方向的长度相等、相对于所述二维像素阵列水平的方向的形状不同且以入射的光的波长以下的间隔彼此分离地进行配置的多个微结构体构成，所述多个微结构体由折射率相等的材料形成，入射到所述分光元件的光的至少一部分被分离为传输方向根据波长而不同的第一至第三偏转光并从所述分光元件出射，分别入射到在所述二维像素阵列的一个方向上连续配置的三个所述像素。
2.根据权利要求1所述的彩色摄像元件，其特征在于，
所述微结构体是结构底面和上表面具有以中心为对称轴而成为四次旋转对称的形状的柱状结构体。
3.根据权利要求1所述的彩色摄像元件，其特征在于，
所述第一至第三偏转光分别入射到邻接的连续的三个所述像素的第一至第三光电转换元件。
4.根据权利要求3所述的彩色摄像元件，其特征在于，
在入射光为白色光的情况下，
入射到所述第一光电转换元件的光在波长500nm以下的蓝色波长区域中具有光强度的峰值，
入射到所述第二光电转换元件的光在波长500nm～600nm的绿色波长区域中具有光强度的峰值，
入射到所述第三光电转换元件的光在波长600nm以上的红色波长区域中具有光强度的峰值。
5.根据权利要求1所述的彩色摄像元件，其特征在于，
所述一组微结构体的形状在构成所述二维分光元件阵列的所有所述分光元件中相同。
6.根据权利要求1所述的彩色摄像元件，其特征在于，
沿所述二维分光元件阵列的第一方向配置的邻接的所述分光元件的所述一组微结构体的朝向交替地反转，
邻接的连续的三个所述像素沿所述第一方向配置，
对于沿所述第一方向邻接的三个所述像素中的两个外侧的两个像素而言，从沿所述第一方向邻接的两个所述分光元件入射所述第一至第三偏转光中的任一个。
7.根据权利要求1所述的彩色摄像元件，其特征在于，
在所述二维像素阵列与所述二维分光元件阵列之间还具备滤色片阵列，所述滤色片阵列是滤色片排列成阵列状而成的，所述滤色片是以下滤色片中的至少一个：
第一滤色片，在波长500nm以下的蓝色波长区域中具有透射率的峰值；
第二滤色片，在波长500nm～600nm的绿色波长区域中具有透射率的峰值；以及
第三滤色片，在波长600nm以上的红色波长区域中具有透射率的峰值。
8.一种摄像装置，其特征在于，具备：
权利要求1所述的彩色摄像元件；
摄像光学系统，用于在所述彩色摄像元件的摄像面上形成光学图像；以及
信号处理部，对所述彩色摄像元件输出的电信号进行处理。
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