JP2015115329A - Image pickup device and image pickup apparatus including the same - Google Patents
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Abstract
【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3PROBLEM TO BE SOLVED: In a polarization imaging apparatus provided with a polarizer, the light use efficiency is 50% in principle, and it is not possible to sufficiently cope with high-accuracy polarization information acquisition. An imaging device including a plurality of pixel structures having at least two photoelectric conversion regions arranged side by side, wherein the pixel structures are formed on a wavefront of incident light according to a polarization state of incident light. A wavefront adjusting element that varies the amount of phase applied is provided on the light incident side of the photoelectric conversion region, and the wavefront adjusting element varies the amount of phase applied to the wavefront in a direction in which the two photoelectric conversion regions are juxtaposed. An imaging device that calculates polarization information of the light based on signals read from the two photoelectric conversion regions. [Selection] Figure 3
Description
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。 The present invention relates to an imaging element and an imaging apparatus including the imaging element.
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。 In an imaging apparatus such as a digital camera or a digital video camera, a solid-state imaging apparatus that can detect polarization information of a subject by disposing pixels (hereinafter referred to as polarization detection pixels) that detect polarization information in some or all of the pixels of the image sensor. Proposed.
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。
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。 A polarization imaging apparatus having a polarizer array that is divided into three or more polarizer regions each having a different transmission axis, a light receiving element array that independently receives light transmitted through each region, and an image processing unit is described.
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。 The light transmitted through the polarizer array has only a specific polarization component. The light is detected by the light receiving element array, and the signal from the light receiving element array is calculated by the image processing unit, so that the polarization information of the subject is obtained. Can be obtained.
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。
The device described in
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。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an imaging element that can acquire polarization information of incident light with high accuracy and has improved light utilization efficiency, and an imaging apparatus including the imaging element.
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。
An imaging device provided by the present invention is an imaging device including a plurality of pixel structures having at least two photoelectric conversion regions juxtaposed,
The pixel structure includes a wavefront adjusting element that varies a phase amount given to a wavefront of incident light according to a polarization state of incident light on a light incident side from the photoelectric conversion region,
The wavefront adjusting element is configured to vary a phase amount given to the wavefront in a direction in which the two photoelectric conversion regions are juxtaposed.
The polarization information of the light is calculated based on signals read from the two photoelectric conversion regions.
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。 In the imaging device of the present invention, a wavefront adjusting element that varies the amount of phase applied to the wavefront according to the polarization state of incident light is provided on the light incident side of the photoelectric conversion region. The wavefront adjusting element is to vary the phase amount given to the wavefront in the direction in which the two photoelectric conversion regions are juxtaposed, and the light waves of the wavefronts having different phase amounts are biased in the two photoelectric conversion regions. Incident. In addition, polarization information of incident light is calculated based on signals read from the two photoelectric conversion regions.
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。 In the present invention, the polarization information is calculated by reading the signals from the two photoelectric conversion regions where the light is polarized and incident through the wavefront adjusting element, thereby obtaining highly accurate polarization information, which corresponds to high light utilization efficiency. An effect is produced.
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。 In the imaging device of the present invention, a wavefront adjusting element that varies the amount of phase applied to the wavefront of incident light according to the polarization state of incident light is provided on the light incident side of the photoelectric conversion region.
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。 The wavefront adjusting element is to vary the phase amount given to the wavefront in the direction in which the two photoelectric conversion regions are juxtaposed, and the light waves of the wavefronts having different phase amounts are biased in the two photoelectric conversion regions. Incident.
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。 In addition, polarization information of incident light is calculated based on signals read from the two photoelectric conversion regions.
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。 In the present invention, the polarization information is calculated by reading the signals from the two photoelectric conversion regions where the light is polarized and incident through the wavefront adjusting element, thereby obtaining highly accurate polarization information, which corresponds to high light utilization efficiency. An effect is produced.
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。 First, the pixel structure constituting the imaging device of the present invention will be described.
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。 FIG. 1 is a schematic diagram (cross-sectional view) for explaining a pixel structure including a wavefront adjusting element.
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。
In FIG. 1, the
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。 In FIG. 1, components such as a metal wiring, a gate electrode, a memory, a passivation film, a microlens, and a color filter included in a general pixel structure are omitted.
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。 The behavior of light passing through the wavefront adjusting element will be described with reference to FIGS.
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。
Here, the
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。
Incident light (x-polarized light) 204 having a polarization parallel to the x direction does not change the wavefront before and after being transmitted through the
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。
On the other hand, as shown in FIG. 3, incident light (y-polarized light) 304 having polarization parallel to the y direction has a wavefront that changes before and after passing through the
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。
As described above, the
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。 The x-coordinate coincides with the x-axis direction in FIGS. 2 and 3, and coincides with the direction in which the two photoelectric conversion regions are juxtaposed.
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。
The point O in the graph corresponds to the x coordinate that divides the
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。
A
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。
A
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。
On the other hand, the phase amount of the
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。 Here, the phase amount (line segment 402) given to the y-polarized light will be described.
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。
In the region where the x coordinate is relatively far from the point O, the phase amount given by the
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。
The phase amount to be given is a value that is asymmetrical with respect to the x coordinate (point O) that divides the
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。
The y-polarized light transmitted through the
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。
The wavefront adjusting
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。
The wavefront adjusting
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。
The phase amount given to the incident light wavefront by the
一例を図5(a)から(d)に示す。 An example is shown in FIGS. 5 (a) to 5 (d).
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。 5, the horizontal axis indicates the same direction as the x-axis direction described in FIGS. 2 and 3, and the direction in which the two photoelectric conversion regions are juxtaposed (in the direction in which the photoelectric conversion regions are divided). It corresponds to the x coordinate which is a direction parallel to the same).
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。
The point O is an x coordinate that divides the two
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。 The vertical axis represents the phase amount φ (corresponding to the phase delay amount) given to the incident light wavefront by the wavefront adjusting element, and W represents the width of the pixel structure.
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。
FIG. 5A is an example in which the phase amount of the
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。
FIG. 5B is an example in which the phase amount of the
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。
In FIG. 5C, the phase amount of the
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。
In FIG. 5D, the phase amount of the
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。
As described above, by providing the
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。 With reference to FIG. 6, Table 1, Table 2, etc., it will be explained that according to the present invention, light detection is possible with high accuracy.
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。
In FIG. 6, the
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。 The polarization state of incident light includes a mixture of incident light (x-polarized light) 604 having a polarization component parallel to the x direction and incident light (y-polarized light) 605 having a polarization component parallel to the y direction. The intensity ratio of polarized light is 1: 1.
波面調整素子103を透過した後の波面について説明する。
The wavefront after passing through the
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。
For the
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。
For the y-polarized
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。
As an example, a case will be described in which the
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。 When the amount of incident light is 100, the amount of incident light of x-polarized light 504 can be expressed as 50, and the amount of incident light of y-polarized light 505 can be expressed as 50.
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。
After the x-polarized light 504 passes through the
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。
Similarly, after the y-polarized light 505 passes through the
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。
From the above results, the total light amounts detected in the
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。
The total amount of light detected by the pixel structure is the total amount of light detected by the
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。
As described above, the total light amount detected by the pixel structure is 100 with respect to the
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。 Next, a method for calculating polarization information based on signals read from two photoelectric conversion regions, which is an important feature of the present invention, will be described.
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。 As a first example, a case where the incident light amounts of x-polarized light and y-polarized light are 50 and 50, respectively, will be described.
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。
As described above, the signal intensities read and detected in the
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。
Here, the difference between the signal intensities detected in the
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。
As a second example, when the incident light amounts of x-polarized light and y-polarized light are 100 and 0, respectively, the signal intensities read and detected in the
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。
Here, the difference between the signal intensities detected in the
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。
As a third example, when the incident light amounts of x-polarized light and y-polarized light are 0 and 100, respectively, the signal intensities read and detected in the
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。
Here, the difference between the signal intensities detected in the
これらの条件についてまとめた表を表1に示す。 Table 1 summarizes these conditions.
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。
In Table 1, the incident polarization state represents the amount of light of each of the
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。
The detection signal value represents a detection signal value corresponding to the amount of light received by the
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。
The calculated value represents a value obtained by subtracting the detection signal value of the
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。 From Table 1, it is understood that the polarization state of the incident light has a one-to-one relationship with the calculated value, and the polarization state of the incident light can be determined from the calculated value.
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。
A case where an image signal obtained by photographing a subject based on the detection signal values of the
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。
Since the total amount of light incident on the pixels corresponds to the image signal, the image signal of the subject can be generated by adding the detection signal values of the
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。 In an actual wavefront adjusting element, the transmittance may not be 100% due to the influence of manufacturing errors and absorption loss due to materials.
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。 As an example, Table 2 shows a case where a loss of 10% occurs when passing through the wavefront adjusting element when the total amount of incident light is 100.
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。
In Table 2, the light amounts of the
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。
For example, when the incident polarization state is x-polarized light and y-polarized light are 100 and 0, respectively, the detection signal values transmitted through the wavefront adjusting element and detected by the
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。
As shown by the calculated values in Table 2, each polarization state can be detected by taking the difference between the detection signals of the
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。 Even if the efficiency of the wavefront adjusting element is not 100%, each polarization state can be detected.
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。 Here, the efficiency indicates the ratio of giving a phase change by the wavefront adjusting element when light in a specific polarization state is incident.
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)。 For example, in a wavefront adjusting element that gives a phase change to y-polarized light, if the efficiency is 100%, the phase change is given to all (100%) of incident y-polarized light. As a result, for 100% of the y-polarized light, the wavefront changes (bends) by the given phase amount.
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。 When the efficiency is 90%, a phase change is given to 90% of the incident y-polarized light, and no phase change is given to the remaining 10%.
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。 As a result, for 90% of the y-polarized light, the wavefront changes by the given phase amount, and the remaining 10% propagates without phase change.
表3に、波面調整素子の効率が90%の場合について示す。 Table 3 shows the case where the efficiency of the wavefront adjusting element is 90%.
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。
Similar to the description of Tables 1 and 2, the polarization state of the incident light can be determined by calculating based on the detection signal values of the
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。
In Table 3, the polarization state is determined by taking the difference between the output signal values of the
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。
As another calculation method, as shown in Table 4, it is also possible to determine the incident polarization state by taking the ratio of the output signal values of the
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。 As described above, even when the efficiency of the wavefront adjusting element is not 100%, it is possible to reliably determine the incident light polarization state, and various calculation methods can be applied to increase the polarization state of the incident light. It can be detected with accuracy.
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。 In the present invention, signals are read from the photoelectric conversion region by a CMOS sensor (a sensor using a complementary metal oxide semiconductor) or a CCD sensor (a sensor using a charge coupled device), which is a general image sensor. It can be carried out by applying a method adopted.
次に本発明における波面調整素子について説明する。 Next, the wavefront adjusting element in the present invention will be described.
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。 The wavefront adjusting element in the present invention is largely divided into a configuration in which a plurality of fine metal structures smaller than the wavelength of incident light are arranged and a configuration in which a material that generates birefringence is used. Can be separated.
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。 In a configuration in which a plurality of metal structures are arranged, the metal structure can be made of a material that can generate plasmon resonance upon receiving light.
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。 Here, plasmon is a collective oscillation of free electrons on a metal surface excited by an external electric field such as light. Since electrons are charged, polarization due to the density distribution of free electrons occurs when the electrons vibrate. The phenomenon in which the polarization and the electromagnetic field are combined is called plasmon resonance.
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。 In particular, the phenomenon of resonance between light and plasma vibration of free electrons generated on the surface of a metal fine particle or a fine metal structure is called localized plasmon resonance.
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。 In other words, collective vibrations of free electrons on the surface of fine particles and fine metal structures are excited by an external electric field such as light, and the vibration causes electron density distribution and accompanying polarization. A localized electromagnetic field is generated.
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。 In the wavefront adjusting element of the present invention, the amount of phase applied to the incident wavefront is controlled by controlling the shape and size of the minute metal structure to control the direction of the electromagnetic wave radiated by localized plasmon resonance.
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。 When localized plasmon resonance occurs, electromagnetic waves are placed in a state close to retention due to resonance, so that a difference occurs in the propagation speed of light and a phase difference can be generated.
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。 In the present invention, examples of the metal constituting the metal structure include gold, silver, platinum, and aluminum, or alloys containing any of these.
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。 A fine metal structure can be produced by forming a resist pattern using lithography or the like, then performing a metal thin film deposition process such as vapor deposition or sputtering deposition, and performing a lift-off process. In addition, a metal may be deposited on the drawing beam using a focused ion beam (FIB) or the like.
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。 In a form configured using a material that generates birefringence, a structural birefringent material can be cited as a suitable material. In the present specification, the structural birefringent material is also expressed as a structural birefringent material.
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。 A periodic structure having a pitch shorter than the incident wavelength (or a structure having a period that changes) has an effective refractive index that differs in a direction having a period (or a direction in which the period changes) and a direction having no period. It behaves as if it is a refractive index material. This is a structural birefringent material.
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。 Due to the difference in effective refractive index, a difference occurs in the propagation speed of light in the polarization direction, thereby causing a phase difference in the passing light.
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。 The principle of operation of the wavefront adjusting element using the structural birefringent material is based on effective refractive index (dielectric constant) control by a periodic structure having a wavelength equal to or less than the wavelength of incident light.
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。 That is, by changing the periodic structure (or changing the filling factor), the effective refractive index is moderately modulated. Therefore, it is more effective for applications in which a wavefront adjusting element operating in a wide wavelength region is used. Become.
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。 The structural birefringent material can form a periodic fine structure by forming a resist pattern by lithography or the like and then performing a dry etching or wet etching process using the resist pattern as a mask.
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。 In addition to the structural birefringent material, the wavelength control element can be configured using various birefringent materials such as crystals such as quartz, LiNbO 3 , calcite, liquid crystal materials, and polymer materials. For example, polarized light other than linearly polarized light such as circularly polarized light and elliptically polarized light can be detected by using a material having a helical structure such as nematic liquid crystal.
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。 The present invention will be described in more detail in the following examples, including a specific configuration example of the wavefront adjusting element.
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。 FIG. 7 shows a schematic diagram (cross-sectional view) of a main part of the pixel structure of this embodiment.
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。
In FIG. 7, a
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。
The structural parameters of the metal structure are as shown in FIG. 9. In addition to the
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。
The phase amounts for the
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。
In this example, by changing the structural parameters from the
金属構造体の設計例を図11に示す。 A design example of the metal structure is shown in FIG.
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。 The metal material constituting the metal structure is gold, the substrate material on which the rod is disposed is quartz, and the thickness of the rod structure is 60 nm.
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。
The
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。
The
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。
The
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。 In this way, the phase amount can be controlled by controlling the structural parameters of the metal microstructure.
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。 An example in which this fine metal structure is arranged in a pixel structure to constitute a wavefront adjusting element will be described with reference to FIG.
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。
In FIG. 12, the
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。
Here, for explanation, the pitch of the pixel structure is P, the interval between the
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。
Then, the phase amount given by the
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)
The phase amount φAC with respect to the wavefront traveling on the line segment AC is calculated by
φAC = 2π / λ × ΔL (Formula 1)
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。 Here, λ is the wavelength of incident light, and ΔL is the difference between the line segment AC and the line segment AB.
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。 From FIG. 12, since the length of the line segment AB is H and the length of the line segment AC is H / cos θ, ΔL is H / cos θ-H.
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)
Assuming that the length of the line segment BC is W, θ can be written as arctan (W / H), so φAC can be described as in
φAC = 2π / λ × (H / cos (arctan (W / H)) − H) (Formula 2)
例えば、λ=530nm、H=4000nm、W=500nmの場合には、φAC=0.369035となる。 For example, when λ = 530 nm, H = 4000 nm, and W = 500 nm, φAC = 0.369035.
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)
Similarly, the phase amount φ at an arbitrary point N on the wavefront adjusting element can be described by
φ = 2π / λ × (H / cos (arctan (Wn / H)) − H) (Formula 3)
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。
Thus, by using
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。 FIG. 13 is a graph showing a design example of the phase amount given by the wavefront adjusting element. This wavefront adjusting element gives a phase amount only to y-polarized light.
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。
As structural parameters of the pixel structure, the incident wavelength λ is 530 nm, the pixel pitch P is 2000 nm, the length H between the photoelectric conversion region and the wavefront adjusting element is 1850 nm, and y-polarized light is concentrated in the
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。 The horizontal axis of the graph will be described. B in FIG. 12 corresponds to 0 of the x coordinate on the wavefront adjusting element in the graph of FIG.
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。 The vertical axis indicates the phase amount, and indicates a value normalized as π = 1.
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。 Specific phase amounts are shown in FIG. Here, the phase amount at the point where the x coordinate is zero is set to approximately 2π.
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。
Based on
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。 The wavefront adjusting element can be designed by arranging a fine metal structure corresponding to the calculated phase amount at the x coordinate on the wavefront adjusting element.
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。 The wavefront adjusting element may set the maximum phase amount to an integer multiple of 2π such as 4π or 6π according to the design requirements, and control the phase amount given by the wavefront adjusting element to be larger.
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。 In addition, the design value of each structural parameter may be adjusted in consideration of robustness such as manufacturing error.
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。 FIG. 14 shows another design example related to a wavefront tuning element using a fine metal structure.
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。 The horizontal axis of the graph indicates the x coordinate on the wavefront adjusting element, and B, C, and D correspond to the coordinates shown in FIG.
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。 The vertical axis represents the phase amount. The phase amount given by the wavefront adjusting element is given by a linear expression passing through the coordinate B.
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。
In this case, the wavefront transmitted through the wavefront adjusting element is bent as if it was transmitted through the prism and reaches the
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。 Similarly, FIG. 15 shows a case where a phase amount is given to a part of the wavefront adjusting element. In FIG. 15, the region between the coordinates B and C is given by a linear expression passing through the coordinates B. In the region between coordinates B and C, the phase amount is the same value as point B.
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。
As shown in FIG. 15, even when a phase amount is given to a partial region on the wavefront adjusting element, the wavefront transmitted through the wavefront adjusting element is bent and reaches the
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。 In the second embodiment, the case where the phase change amount is given by a linear expression has been described, but a function of an arbitrary order may be applied. By applying a higher-order function, the wavefront can be controlled more precisely and the polarization detection accuracy can be increased.
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。 The principle of operation of the wavefront tuning element with a fine metal structure is based on an anisotropic localized plasmon resonance phenomenon. Therefore, it is more effective in applications that selectively act on a specific operating band.
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。 Further, by using a fine metal microstructure, a very thin wavefront adjusting element having an element thickness of about 100 nm or less can be realized.
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。 In Example 3, an example in which the wavefront adjusting element is formed using a birefringent material will be described.
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。 What is described here is an example using a structural birefringent material.
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。 Structural birefringence is a phenomenon in which, when light passes through a structure having a period equal to or shorter than the wavelength of incident light, the refractive index (effective refractive index) felt by the light changes according to the polarization state. . Here, a material that exhibits structural birefringence is called a structural birefringent material (structural birefringent material).
図16に構造性複屈折材料の模式図を示す。 FIG. 16 shows a schematic diagram of a structural birefringent material.
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。
The structural
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)
Here, when the periodic interval P is sufficiently smaller than the incident wavelength λ (generally, when P is a fraction of λ to 1/10 or less), the x-polarized light 1801 is a structural birefringent material. The effective refractive index nx felt by the x-polarized light 1801 and the effective refractive index ny felt by the y-polarized light 1802 when the x-polarized light 1801 is a structural birefringent material can be expressed by the following equations.
(Nx) 2 = F × (n1) 2 + (1−F) × (n2) 2 (Expression 4)
1 / (ny) 2 = F × 1 / (n1) 2 + (1−F) × 1 / (n2) 2 (Equation 5)
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。 Here, F is the filling factor W / P, n1 is the refractive index of the material M1, and n2 is the refractive index of the material M2.
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。 FIG. 17 shows effective refractive indexes nx and ny calculated by setting n1 = 2.0 and n2 = 1.0 and using the filling factor F as a variable. It can be seen that the values of nx and ny are changed by changing the filling rate.
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。 When the effective refractive index changes, a difference occurs in the propagation speed of light in the polarization direction, and different phase amounts can be given to x-polarized light and y-polarized light.
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。 By utilizing this, a wavefront adjusting element can be configured by arranging a structural birefringent material (structural birefringent material) in a plane while changing the filling factor.
設計の一例を図18に示す。 An example of the design is shown in FIG.
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。
In FIG. 18, the
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。
The refractive index n1 of the materials constituting the structural
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。
The filling rates of the
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。 Table 5 shows effective refractive indexes nx and ny for the respective structural birefringent materials.
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。 Here, it is assumed that the wavefront adjusting element controls the phase amount only for y-polarized light.
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。 The height H of each structural birefringent material is designed so that the phase amount with respect to x-polarized light after passing through each structural birefringent material becomes the same.
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。 Here, the height H is designed so that the phase amount φnx after the x-polarized light is transmitted becomes 1.0.
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。
The heights H of the structural
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。 At this time, the phase amounts φny after the y-polarized light was transmitted were 0.8000, 0.8058, 0.8241, 0.8575, and 1.0000, respectively.
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。 According to the designed wavefront adjusting element, when x-polarized light is incident, the in-plane distribution of the phase amount is not given and the wavefront advances as it is. On the other hand, when y-polarized light is incident, an in-plane distribution of the phase amount is given, and the wavefront is bent according to the phase amount.
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。 As described above, a desired wavefront adjusting element can be designed by controlling the filling rate and height of the structural birefringent material.
実施例4では、画素構造体の構成例について説明する。 In the fourth embodiment, a configuration example of a pixel structure will be described.
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。 In an imaging apparatus such as a digital camera or a video camera, when light that has passed through an imaging optical system forms an image on the imaging device, a light amount difference may occur between the central region and the peripheral region of the imaging device. This is particularly noticeable in wide-angle imaging optical systems.
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。 In an image shot under such shooting conditions, the amount of light decreases from the center toward the periphery, and the peripheral region becomes a dark image.
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。
FIG. 19 shows an
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。
FIG. 20 illustrates an
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。
FIG. 21 shows an example of a pixel structure arranged in the
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。
The
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。
In the
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。
FIG. 22 shows an example of a pixel structure arranged in the
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。 In FIG. 22, a part of the description of the parts constituting the pixel structure is omitted, but it is the same as that described in FIG.
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。
The
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)。
In the
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。 Therefore, when the pixel structure shown in FIG. 21 is applied as it is, vignetting occurs due to the partition walls and wiring layers constituting the pixel structure, the amount of light reaching the photoelectric conversion region is reduced, and the light use efficiency is lowered. .
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。
In order to improve this, the center of the
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。 As described above, it is possible to design a pixel with high light utilization efficiency by devising the arrangement position of the microlens.
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。
In addition to devising the arrangement position of the microlens, regarding the phase amount given to the transmitted light by the wavefront adjusting element, the phase amount given to the transmitted light by the wavefront adjusting element in the
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。
For example, the wavefront of the incident light is bent more greatly by designing the phase amount given to the transmitted light by the wavefront adjusting element in the
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。
The
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。
By providing the in-
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。
In addition, unlike the
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。 By appropriately designing the phase amount of the wavefront adjusting element, it is possible to control the wavefront and guide light appropriately without the uppermost microlens. It is possible to reduce the number of manufacturing steps and more easily.
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。 Further, as shown in FIG. 25, a color filter for selecting a wavelength band to be detected may be provided.
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。
A
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。
Here, the
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。 In the case of an absorptive color filter, it can be composed of an organic material containing pigments or pigments, an inorganic material doped with metal ions, or the like.
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。 In the case of a reflective color filter, it can be composed of a metal thin film, a dielectric multilayer film structure, or the like.
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。 By providing the color filter, polarization information for each wavelength band can be acquired. For example, in the case of using an image sensor including a color filter that transmits blue, green, red, and each wavelength band, a child that acquires polarization information in the entire visible light wavelength band can be obtained.
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。 A configuration may be adopted in which only a specific wavelength band is detected, for example, a color filter having a single wavelength characteristic is provided.
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。 It is also possible to acquire polarization information with a narrower wavelength band by appropriately combining a wavefront adjusting element using a metal microstructure with a high wavelength selectivity and a color filter. By detecting a minute change in the polarization state, it is possible to acquire various subject information such as edge detection for a low-contrast subject.
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。 As described above, by providing a color filter in the polarization detection pixel, polarization information and captured images in various wavelength bands can be acquired.
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。 Next, a pixel structure having photoelectric conversion regions having different volumes will be described with reference to FIG.
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。
The
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。
Here, the volume of the photoelectric conversion region is larger in the
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。 As described above with reference to FIG. 6, the x-polarized light and the y-polarized light transmitted through the wavefront adjusting element are received by the photoelectric conversion region, but in accordance with the polarization state, The amount of received light changes.
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。
In FIG. 26, the amount of light received by the juxtaposed
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。
In the description of FIG. 6, the amount of light received by the
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。
This means that when the volumes of the
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。
When signal value saturation occurs in the
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。
In the pixel structure shown in FIG. 26, the volume of the
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。 Such a device increases the robustness with respect to the shooting environment, and enables detection of polarization information and acquisition of a shot image under various shooting conditions.
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。 About the volume of each photoelectric conversion area | region, it can design suitably based on the signal value detected in each photoelectric conversion area | region.
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。
In the example described with reference to FIG. 6, the maximum detection signal values in the
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。 The wavefront adjusting element may be arranged in all the pixel structures constituting the imaging element, or may be arranged only in a part.
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。 When the polarization detection pixels are arranged in a part of the pixel structures constituting the image sensor, they may be arranged continuously along a vertical, horizontal, or diagonal line, or may be arranged discretely.
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。 In the fifth embodiment, an imaging apparatus including the imaging element described so far will be described.
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。 FIG. 27 is a schematic diagram showing a digital camera provided with an image sensor according to the present invention.
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。
The
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。
The subject 3004 generates an image on the
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。
The
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。
The
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。
The generation of polarization information can obtain intensity information of x-polarized light and y-polarized light by calculating a difference between signal values detected in the
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。
Further, the generation of the image information related to the subject 3004 can be acquired by the sum of the signal values detected in the
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。 This makes it possible to provide a digital camera that can acquire polarization information and image information.
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。 Moving picture information can also be acquired by executing subject photographing and signal processing continuously in time series. That is, it is possible to provide a video camera that can acquire polarization information and image information.
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。 In addition to consumer cameras, the digital cameras and video cameras shown in this example are medical cameras such as surveillance cameras, security cameras, machine vision cameras and endoscope cameras installed in industrial equipment, weather and space observations, objects It can be applied to various applications such as academic field applications such as surface state analysis and substance identification. The image sensor of the present invention can also be applied as an image sensor of a one-shot interferometer.
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
DESCRIPTION OF
Claims (14)
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。 An imaging device comprising a plurality of pixel structures having at least two photoelectric conversion regions juxtaposed,
The pixel structure includes a wavefront adjusting element that varies a phase amount given to a wavefront of incident light according to a polarization state of incident light on a light incident side from the photoelectric conversion region,
The wavefront adjusting element is configured to vary a phase amount given to the wavefront in a direction in which the two photoelectric conversion regions are juxtaposed.
An imaging element, wherein polarization information of the light is calculated based on signals read from the two photoelectric conversion regions.
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