JP5312155B2

JP5312155B2 - 屈折率分布型光学素子及び該屈折率分布型光学素子を有する撮像素子

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Publication number: JP5312155B2
Application number: JP2009090664A
Authority: JP
Inventors: 大輔山田
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Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: US8582013B2; US20100253828A1; JP2010243682A

Description

本発明は、屈折率分布型光学素子及び該屈折率分布型光学素子を有する撮像素子に関し、特に、正と負の屈折率が面内で変化した屈折率分布型光学素子とそれを用いた撮像素子に関するものである。

従来より、プロジェクタ等の投射型表示装置や撮像素子等の受光装置等において、見かけ上画素の開口率を向上させ光の方向を変換させるために、光の方向と光の広がりを制御する素子が必要とされている。
まず、このような光の方向と光の広がりを制御する素子をプロジェクタに適用した従来例の概略構成を、図１０（ａ）を参照して説明する。
図１０［ａ−１］において、プロジェクタ８００は、光源８０１、光空間変調器８０２、投射レンズ８０３から構成されている。
投射レンズ８０３から射出した光がスクリーン８０４に投影され、像を表示させる。
上記光空間変調器８０２は、光の透過性を変調させる画素を２次元状に複数配列されている。
図１０［ａ−２］に、空間変調器８０２の周辺画素の断面図を示す。
８１２は射出側のマイクロレンズ、８１３、８１４は基板、８１５は液晶層、８１６はブラックマトリックス、８１７は入射側のマイクロレンズである。
入射光８１１は、ブラックマトリックス８１６間の開口を介して、マイクロレンズ８１２により偏向させて、投射レンズ８０３方向に射出させる。マイクロレンズ８１２、８１７で、見かけ上における画素の開口率を向上させ光の方向を変換させている。
その際、従来においては、投射レンズ８０３方向に偏向させるために、図１０（
ｂ）に示すように、偏心したマイクロレンズ８１２を用いて入射光を偏向させるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、プリズムを用いて偏向させるようにしたものも提案されている（不図示）。

つぎに、上記した光の方向と光の広がりを制御する素子を撮像素子に適用した従来例の概略構成を、図１０（ｂ）を参照して説明する。
図１０［ｂ−１］は撮像素子を２次元状に複数配列したエリアセンサ９００の概略構成を示す図であり、具体的には、９０１は各ＣＣＤまたはＣＭＯＳ素子などの撮像素子であり、２次元状に並べた構成となっている。
図１０［ｂ−２］はエリアセンサ９００を横から見た図であり、カメラレンズの射出瞳９１２からエリアセンサ９００の各撮像素子に光が入射している。
入射光９１０はエリアセンサ９００の中心画素に入射する光を、入射光９１１はエリアセンサ９００の周辺画素に入射する光を示している。
入射光９１０は２次元に配列したエリアセンサ９００の面に垂直に入射し、入射光９１１は２次元に配列したエリアセンサ９００の面に斜めから入射する。

図１０［ｂ−３］に、入射光９１１が入射するエリアセンサ９００の周辺画素の撮像素子の断面図を示す。
９２０はマイクロレンズ、９２１は層間絶縁膜、９２２は配線層または遮光膜、９２３は光電変換部９２４を含む半導体領域である。
このような構成のもとで、入射光９１１は、光電変換部９２４の中心に焦点を結ばず、また、入射光９１１は、途中の配線層によって散乱され光電変換部９２４に効率よく集光できないという課題を有している。
このため、従来においては、図１０［ｂ−４］に示すように、マイクロレンズ９３０で見かけ上画素の開口率を向上させ光の方向を変換させている。
すなわち、マイクロレンズ９３０を光電変換部９２４の中心から中心画素側にシフトさせて、焦点位置を光電変換部９２４側にシフトさせるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
また、プリズムを用いて斜入射光を光電変換部側に偏向させるようにしたものも提案されている。

特開平０６−１８０４４４号公報特開平１０−２２９１８０号公報

しかしながら、上記した従来例における光空間変調器や撮像素子は、つぎのような課題を有している。
まず、図１０（ａ）に示す光空間変調器８０２について説明する。
入射光を偏心レンズやプリズムを用いて投射レンズ８０３側に偏向させることはできるが、図１０に示す従来例の光空間変調器の構成では、偏心レンズ等と開口とのアライメントが困難であるという課題を有している。
つぎに、図１０（ｂ）に示す撮像素子に関して説明する。
マイクロレンズ９３０を用いることで入射光を光電変換部側に偏向させることができるが、図１０（ｂ）に示す撮像素子の構成ではマイクロレンズ９３０から射出した光束径を狭く変換させることができない。そのため、入射光は配線層または遮光膜９２２に当たり散乱する。
また、プリズムを挿入して入射光を光電変換部側に偏向しても、光束径は変換されず、散乱する。
この散乱量はエリアセンサの画素の位置に依存し、中心画素から離れるに従って大きくなる。
このため周辺画素では、入射光の集光率が低下し、散乱光が隣接画素の光電変換部に到達し、混色ノイズが増加するという問題が発生する。
このような集光率の低下やノイズの増加は、画像劣化を引き起こすこととなる。

本発明は、上記課題に鑑み、入射光の角度を偏向し、光束径を変換させて射出させることが可能となる屈折率分布型光学素子及び該屈折率分布型光学素子を有する撮像素子の提供を目的とする。

本発明は、つぎのように構成した屈折率分布型光学素子及び該屈折率分布型光学素子を有する撮像素子を提供するものである。

本発明の撮像素子は、面内で屈折率が変化している屈折率分布型光学素子であって、
前記面内で正の屈折率が変化している正の屈折率分布部と、前記面内で負の屈折率が変化している負の屈折率分布部と、を有し、
前記正の屈折率分布部と前記負の屈折率分布部の屈折率の絶対値が、
前記正の屈折率分布部を形成している領域と、前記負の屈折率分布部を形成している領域の間の方向に向って小さくなるように変化する構成を備えていることを特徴とする。
また、本発明の撮像素子は、光を電気に変換する光電変換部を有する画素を複数配した撮像素子であって、
前記複数の画素における少なくとも１つの画素の光電変換部の光入射側に上記した屈折率分布型光学素子を有することを特徴とする。

本発明によれば、入射光の角度を偏向し、光束径を変換させて射出させることが可能となる屈折率分布型光学素子及び該屈折率分布型光学素子を有する撮像素子を実現することができる。

本発明の実施例１における屈折率分布型光学素子の構成を説明する断面図。本発明の実施例１における屈折率分布型光学素子の屈折率分布を示す図。本発明の実施例２における屈折率分布型光学素子の構成を説明する断面図。本発明の実施例２における屈折率分布型光学素子による光線追跡の結果を示す図。本発明の実施例２における屈折率分布型光学素子によるｘ方向の屈折率変化を示す図。本発明の実施例２の屈折率分布型光学素子において、屈折率を直線状、斜め、同心円状に変化させた場合を説明する図。本発明の実施例３における撮像素子の構成を説明する断面図。本発明の実施例３における撮像素子を構成する屈折率分布型光学素子を説明する図。本発明の実施例３における撮像素子の構成を説明する断面図。従来例を説明する図であり、図１０（ａ）は従来例におけるプロジェクタの構成を示す図、図１０（ｂ）は従来例における撮像素子の構成を示す図。

本発明における屈折率分布型光学素子及びその屈折率分布型光学素子を用いた装置を実施するための形態を、以下の実施例により図面を参照して説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

［実施例１］
図１を用いて、本発明における面内で屈折率が変化している屈折率分布型光学素子の構成を適用した実施例１における屈折率分布型光学素子について説明する。
図１には、入射光線１１０が屈折率分布光学素子１００の表面（ｚ＝０）の入射
側から入射角θで入射し、裏面の射出側から射出される構成が示されている。
但し、屈折率分布光学素子１００の面法線をｚ軸、光の入射面をｘｚ平面となるように座標軸が採られている。
屈折率分布型光学素子１００は、正の屈折率分布部１０１、負の屈折率分布部１０２より成っている。

図２に、本実施例における屈折率分布型光学素子１００のｘ方向の屈折率変化を示す。
正の屈折率分布部１０１は、屈折率分布型光学素子１００の中心軸１０３（ｘ＝ｙ＝０）側に向けて屈折率が連続的に単調に小さくなっている。
一方、負の屈折率分布部１０２は、屈折率分布型光学素子１００の中心軸１０３側に向けて屈折率が連続的に単調に大きくなっている（絶対値は小さくなっている）。
このとき、屈折率分布型光学素子１００内に入射した光線１１０は、スネルの法則を満たしながら射出される。
つまり、入射光線１１１は、正の屈折率分布部１０１表面でｘ軸正の方向に屈折され、正の屈折率分布部１０１中を伝播する。
正の屈折率分布部１０１中の入射光線１１１は、低屈折率側（ｘ軸正の方向）へ伝播するため、入射光線とｚ軸とのなす角が小さくなるように、屈折されながら伝播する。
ｘ軸正の方向に屈折率の絶対値を連続的に小さくしたことで、入射光線１１１は徐々にｚ軸に平行となるように偏向され、屈折率分布光学素子１００を射出する。
またこのとき、入射光線１１１の射出端面のｘ座標位置は、入射端面（ｚ＝０）のｘ座標位置に比べ、中心軸１０３側に変位する。

一方、入射光線１１２は、負の屈折率分布部１０２表面でｘ軸負の方向に屈折され、負の屈折率分布部１０２中を伝播する。
負の屈折率分布部１０２中の入射光線１１２は、絶対値の小さい屈折率側（ｘ軸
負の方向）へ伝播するため、入射光線とｚ軸とのなす角が小さくなるように屈折されながら伝播する。
ｘ軸負の方向に屈折率の絶対値を連続的に小さくしたことで、入射光線１１２は徐々にｚ軸に平行となるように偏向され、屈折率分布光学素子１００を射出する。
またこのとき、入射光線１１２の射出端面のｘ座標位置は、入射端面（ｚ＝０）のｘ座標位置に比べ、中心軸１０３側に変位する。

よって、屈折率分布型光学素子１００に斜入射した光は、屈折率分布型光学素子１００の面法線側に偏向し、射出光の光束径Ｌｏｕｔは入射光の光束径Ｌｉｎより小さく変換され、屈折率分布光学素子１００を射出する。
また、屈折率分布光学素子１００は、異なる入射角θの光に対しても、入射光の傾きをほぼ垂直に偏向し、光束径を狭く射出させることができる。

つぎに、本実施例における屈折率分布型光学素子の作製方法の例について説明する。
正の屈折率分布部１０１と負の屈折率分布部１０２は、ナノ粒子を透明材料の面内に分散させ、粒子密度や粒子径等を変化させ、屈折率を制御すれば良い。
その他にも、エッチングプロセスにより微細構造を形成・積層し、屈折率を変化させても良い。
また、屈折率分布が形成できればどのような作製方法を用いても良い。
なお、負の屈折率材料は、分割リング共振器（ＳｐｌｉｔＲｉｎｇＲｅｓｏｎｅｔｏｒ）、強磁性金属ナノ粒子、フォトニック結晶など負の屈折率をもつ左手系メタ材料を用いれば良い。

また、本実施例では、正の屈折率分布部１０１と負の屈折率分布部１０２の屈折率の変化は単調に変化するように構成したが、必ずしも単調に変化させる必要はない。
高屈折率材料が中心軸側に挿入された構成でも、入射光を偏向し、光束径を変換
できる。
但し、高屈折率材料が中心軸側にあると、屈折率分布型光学素子内の光の伝播距離が長くなり、必要な膜厚が大きくなる。
また、膜厚を小さくすれば、屈折率変化が大きくなり、反射率が大きくなる。この反射成分は、散乱などの迷光の要因となる。このため、屈折率の変化は単調に変化させることが望ましい。

また、本実施例では、正の屈折率分布部１０１と負の屈折率分布部１０２は、屈折率分布型光学素子の中心軸を含む面で接した構成としたが、必ずしも中心軸を含む面で接する必要はない。中心軸を含む面で接していなくても、入射光を偏向し、光束径を変換できる。
但し、正の屈折率分布部と負の屈折率分布部の接した領域付近から光線が射出するため、入射光を屈折率分布型光学素子の中心軸付近から射出させることができる。このため、射出光を容易にアライメントできる。
また、光線の対称性を崩さないためにも、屈折率分布型光学素子の中心軸を含む面で接した構成とすることが望ましい。

［実施例２］
図３を用いて、実施例２における上記した正の屈折率分布部と負の屈折率分布部の屈折率が、階段状に変化するようにした屈折率分布型光学素子について説明する。
図３において、２００は屈折率分布型光学素子、２０１は正の屈折率分布部、２０２は負の屈折率分布部、２１０〜２１９は板部、２２０〜２２９は板部である。
本実施例における屈折率分布型光学素子２００は、正の屈折率分布部２０１と負の屈折率分布部２０２の屈折率が階段状に単調に変化している点で、上記した実施例１と異なっている。
屈折率分布光学素子２００の形状を、例えば、一辺５．０μｍの正方形とし、膜厚３．０μｍとした場合における光線追跡の結果を図４（ａ）（ｂ）に示す。
正の屈折率分布部２０１は板部２１０〜２１９で、負の屈折率分布部２０２は板部２２０〜２２９で構成される。板部はそれぞれ縦５．０μｍ・横２５０ｎｍ・厚さ３．０μｍである。
また、板部２１０〜２２９の屈折率をそれぞれ表１に示す。また、図５に屈折率分布型光学素子２００のｘ方向の屈折率変化を示す。

図４（ａ）に示すように、屈折率分布型光学素子２００の中心軸１０３から２．３８μｍ離れた位置に入射角２０度で入射した光線が、屈折率分布光学素子２００の中心軸側に２．１３μｍシフトし、０．３６度の角度で射出する。
つまり、４．５μｍあった入射光の光束径Ｌｉｎが、０．７５μｍの射出光の光束径Ｌｏｕｔに変換される。
正の屈折率分布部２０１と負の屈折率分布部２０２の屈折率の絶対値を屈折率分布型光学素子の中心軸側ほど小さくなるように構成したことで、屈折率分布型光学素子２００に斜入射光を面に垂直な方向に偏向し、光束径を狭く変換させて射出させることができる。

また、図４（ｂ）に示すように、屈折率分布型光学素子２００の中心軸１０３から２．３８μｍ離れた位置に入射角１４度で入射した光線が、屈折率分布光学素子２００の中心軸側に１．６３μｍシフトし、０．１０度の角度で射出する。
異なる角度で入射する光線に対しても、斜入射光を面に垂直方向に偏向し、光束径を狭く変換させ射出させることができる。
また、本実施例では、屈折率分布型光学素子の一辺に平行で直線状に屈折率を変化させた（図６（ａ））が、屈折率の変化は平行でなく斜めに変化（図６（ｂ））させても良く、直線でなく同心円状に変化（図６（ｃ））させても良い。
この他にも屈折率分布型光学素子の中心軸側ほど屈折率の絶対値が小さく、面内で正と負の屈折率が変化していれば、どのように変化させても良い。また、このことは、屈折率を階段状に変化させた本実施例に限るものではない。

［実施例３］
図７を用いて、本発明の屈折率分布型光学素子を撮像素子に適用した実施例３における構成例について説明する。
本実施例では、光を電気に変換する光電変換部を有する画素を複数配してなる撮像素子における該光電変換部の光入射側に、上記屈折率分布型光学素子が適用される。
図７において、３００は本発明の屈折率分布型光学素子、３１０は入射光線、３１１はカラーフィルタ、３１２は平坦化層、３１３は層内レンズ、３１４は層間絶縁膜、３１５は配線層または遮光膜、３１６は光電変換部３１７を含む半導体領域である。
図７に示す屈折率分布型光学素子３００は、正の屈折率分布部３０１が撮像素子の中心画素側に配し、それと対向する側に負の屈折率分布部３０２を配した構成である。

撮像素子を２次元状に複数配列したエリアセンサの場合、カメラレンズの射出瞳とエリアセンサとの距離が有限長であるため周辺画素の撮像素子では、主光線が傾いて入射する。
例えば、画素サイズ５μｍ□、エリアセンサの大きさがＡＰＳ−Ｃ（１６．７ｍｍ×２３．４ｍｍ）、射出瞳との距離が４０ｍｍの場合、最大２０度の傾きの主光線が周辺画素の撮像素子に入射する。
屈折率分布型光学素子３００に実施例２の屈折率分布型光学素子２００を用いたとすると、光束径４．７６μｍの入射光が、光束径０．７５μｍで屈折率分布型光学素子３００を射出する。
また、入射角２０度の入射光が、光電変換部方向に偏向されて射出する。このため、入射光は配線層または遮光膜による散乱がなく光電変換部に導かれるため、光の利用効率が向上する。

また、図８に示すように、一般的に、射出瞳の中心は撮像素子の中心と一致しているため、主光線３２０は撮像素子の中心と画素の入射位置とを含む面が入射面３２１となる。
このため、撮像素子の中心画素側に正の屈折率分布部３０１、それと対向する側に負の屈折率分布部を配置することが望ましい。
また、本実施例３では、屈折率分布型光学素子の中心軸と光電変換部の中心軸が一致するように構成されているが、必ずしも一致する必要はない。
光電変換部の中心軸と一致しなくても、入射光の光束径を狭くできるため、配線層または遮光膜による散乱を少なくできる。
このため、隣接画素への混色ノイズを低下できる。ただし、光電変換部の中心軸と一致させた方が、入射光が光電変換部に効率良く入射でき光利用効率が向上するため、望ましい。

また、本実施例では、屈折率分布型光学素子と光電変換部の間に、集光部として層内レンズが配置されているが必ずしも集光部は必要ない。
図９に示すように、集光部を設けなくても、入射光を光電変換部側に偏向し、光束径を狭くできるため、配線層または遮光膜などによる散乱を少なくできる。
このため、隣接画素への混色ノイズを低下できる。ただし、集光部を設けると、さらに効率よく光電変換部に光を集光させることができ、光利用効率が向上するため望ましい。
また、集光部は、層内レンズだけでなく、マイクロレンズ、屈折率分布レンズ、フレネルレンズなど、光電変換部に導光する機能を有するものであれば良い。
以上、本発明の屈折率分布型光学素子を用いた撮像素子の実施例を説明してきたが、本発明は撮像素子だけに限らず、プロジェクタやその他様々の変形が可能である。

１００：屈折率分布型光学素子
１０１：正の屈折率分布部
１０２：負の屈折率分布部
１０３：屈折率分布型光学素子の中心軸
１１０、１１１、１１２：入射光線

Claims

面内で屈折率が変化している屈折率分布型光学素子であって、
前記面内で正の屈折率が変化している正の屈折率分布部と、前記面内で負の屈折率が変化している負の屈折率分布部と、を有し、
前記正の屈折率分布部と前記負の屈折率分布部の屈折率の絶対値が、
前記正の屈折率分布部を形成している領域と、前記負の屈折率分布部を形成している領域の間の方向に向って小さくなるように変化する構成を備えていることを特徴とする屈折率分布型光学素子。
前記正の屈折率分布部と前記負の屈折率分布部における前記屈折率の変化は、連続的または階段状に単調に変化することを特徴とする請求項１に記載の屈折率分布型光学素子。
前記正の屈折率分布部と前記負の屈折率分布部は、前記屈折率分布型光学素子における面内の中心軸を含む面で接していることを特徴とする請求項１または２に記載の屈折率分布型光学素子。
光を電気に変換する光電変換部を有する画素を複数配した撮像素子であって、前記複数の画素における少なくとも１つの画素の光電変換部の光入射側に、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の屈折率分布型光学素子を有することを特徴とする撮像素子。
前記少なくとも１つの画素は前記撮像素子の周辺画素であり、
前記屈折率分布型光学素子の前記正の屈折率分布部が、前記撮像素子の中心画素側に配され、それと対向する側に前記負の屈折率分布部が配されていることを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
前記屈折率分布型光学素子における面内の中心軸と、前記光電変換部の中心軸
とが一致していることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の撮像素子。
前記屈折率分布型光学素子と前記光電変換部の間に、光を集光する集光部を有することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の撮像素子。