特許 7339271 ２つの異なる屈折率を有する色スプリッタを含む画像センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-28

(45)【発行日】2023-09-05

(54)【発明の名称】２つの異なる屈折率を有する色スプリッタを含む画像センサ

(51)【国際特許分類】

   H04N 25/13 20230101AFI20230829BHJP

   H04N 23/84 20230101ALI20230829BHJP

   G02B 27/12 20060101ALI20230829BHJP

【ＦＩ】

H04N25/13

H04N23/84

G02B27/12

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2020548739

(86)(22)【出願日】2019-03-08

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-07-26

(86)【国際出願番号】 EP2019055905

(87)【国際公開番号】W WO2019175062

(87)【国際公開日】2019-09-19

【審査請求日】2022-03-08

(31)【優先権主張番号】18305265.3

(32)【優先日】2018-03-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】518341334

【氏名又は名称】インターディジタル・シーイー・パテント・ホールディングス・ソシエテ・パ・アクシオンス・シンプリフィエ

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ダンハニアン、ミトラ

(72)【発明者】

【氏名】シュラムコワ、オクサーナ

(72)【発明者】

【氏名】ドラジック、ヴァルター

【審査官】橋爪 正樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０６３１９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｎ １／４６－ １／６４

Ｈ０４Ｎ ２３／８０－２３／８８

Ｈ０４Ｎ ２５／１１－２５／１３３

Ｇ０６Ｔ １／００

Ｇ０２Ｂ ２７／１０－２７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸によって定義された三次元デカルト座標系と関連付けられた色スプリッタ構造であって、前記色スプリッタ構造は、前記ｘ軸に沿って並べて位置付けられた、第１の部分および第２の部分を含み、前記第１の部分および第２の部分の各々は、前記ｘ軸に沿った誘電部分に隣接し、前記誘電部分の各々は、第１の屈折率ｎ₁を有し、前記第１の部分は、第２の屈折率ｎ₂を有し、前記第２の部分は、第３の屈折率ｎ₃を有し、ｎ₁＜ｎ₃＜ｎ₂であり、平面ｘｚを有する断面に従って、前記色スプリッタ構造の前記第１の部分は、前記ｘ軸に沿った第１の幅Ｗ₁、および前記ｚ軸に沿った高さＨを有し、前記色スプリッタ構造の前記第２の部分は、前記ｘ軸に沿った第２の幅Ｗ₂、および前記ｚ軸に沿った同一の高さＨを有し、前記色スプリッタ構造は更に、前記断面に従って、
－第１のナノジェットビーム（ＮＪ１）を生成することができる、前記ｚ軸に沿った、前記誘電部分の１つと前記色スプリッタ構造の前記第１の部分との間の第１のエッジと、
－第２のナノジェットビーム（ＮＪ２）を生成することができる、前記ｚ軸に沿った、前記色スプリッタ構造の前記第１の部分と前記色スプリッタ構造の前記第２の部分との間の第２のエッジと、
－第３のナノジェットビーム（ＮＪ３）を生成することができる、前記ｚ軸に沿った、前記色スプリッタ構造の前記第２の部分と前記誘電部分の１つとの間の第３のエッジと、を備え、
前記高さＨは、値

【数1】

の±５％内であり、Θ_B1およびΘ_B3はそれぞれ、前記第１のナノジェットビームおよび前記第３のナノジェットビームの放射角である、
ことを特徴とする色スプリッタ構造。

【請求項2】

請求項１に記載の色スプリッタ構造を含む画像センサであって、前記画像センサは更に、前記色スプリッタ構造によって部分的に覆われた少なくとも２つの画素を含む、ことを特徴とする画像センサ。

【請求項3】

前記画素の一方は、第１の色成分に光を記録し、前記画素の他方は、前記第１の色成分とは異なる第２の色成分に光を記録する、ことを特徴とする請求項２に記載の画像センサ。

【請求項4】

前記第１の幅Ｗ₁および前記第２の幅Ｗ₂は、相互に等しい、ことを特徴とする請求項２または３に記載の画像センサ。

【請求項5】

画素の各々のペアは、前記色スプリッタ構造と同一の構造によって部分的に覆われる、ことを特徴とする請求項２または３に記載の画像センサ。

【請求項6】

画素の各々のペアは、代替的に、前記色スプリッタ構造と同一の構造か、または前記色スプリッタ構造と比較して反転した第１の部分および第２の部分を含む構造かのいずれかである構造によって部分的に覆われる、ことを特徴とする請求項２または３に記載の画像センサ。

【請求項7】

各々の連続した構造は、Ｗ₃に等しい、前記ｘ軸に沿った幅を有する同一の誘電部分によって分離され、前記Ｗ₃の値は、２５０ナノメートルから６００ナノメートルまでの間に含まれる、ことを特徴とする請求項５または６に記載の画像センサ。

【請求項8】

前記少なくとも２つの画素のうちの少なくとも１つの画素は更に、前記色スプリッタ構造と前記少なくとも２つの画素の各々と関連付けられた感光材質との間に位置付けられた色フィルタを含む、ことを特徴とする請求項２乃至７のいずれか一項に記載の画像センサ。

【請求項9】

前記第１のナノジェットビームおよび前記第３のナノジェットビームの前記放射角Θ_B1およびΘ_B3は、

【数2】

に等しく、１または３に等しいｊを有する角度α_jは、前記第１のエッジおよび第３のエッジの底角であり、１または３に等しいｊを有するΘ_TIRjは、前記第１のエッジおよび第３のエッジのそれぞれと関連付けられた屈折の臨界角である、ことを特徴とする請求項２乃至８のいずれか一項に記載の画像センサ。

【請求項10】

光学部品であって、
第１の屈折率（ｎ₁）を有する第１の誘電部分と、
第２の屈折率（ｎ₂）を有する第１の色スプリッタ部分であって、前記第１の色スプリッタ部分は、第１のサイドエッジおよび第２のサイドエッジを含む向かい合うサイドエッジを有し、前記第１の色スプリッタ部分は、前記第１のサイドエッジに沿って前記第１の誘電部分と隣接する、第１の色スプリッタ部分と、
第３の屈折率（ｎ₃）を有する第２の色スプリッタ部分であって、ｎ₁＜ｎ₃＜ｎ₂であり、前記第１の色スプリッタ部分および前記第２の色スプリッタ部分は、前記第２のサイドエッジに沿って隣接し、共通の高さＨを有し、前記第２の色スプリッタ部分は、前記第２のサイドエッジと向かい合う第３のサイドエッジを有する、第２の色スプリッタ部分と、
前記第１の屈折率（ｎ₁）を有する第２の誘電部分であって、前記第２の誘電部分および前記第２の色スプリッタ部分は、前記第３のサイドエッジに沿って隣接する、第２の誘電部分と、
を備えたことを特徴とする光学部品。

【請求項11】

【数3】

である、ことを特徴とする請求項１０に記載の光学部品。

【請求項12】

【数4】

である、ことを特徴とする請求項１０に記載の光学部品。

【請求項13】

前記第１の色スプリッタ部分および前記第２の色スプリッタ部分は、共通の高さ（Ｈ）を有する、ことを特徴とする請求項１０に記載の光学部品。

【請求項14】

少なくとも２つの画像センサ画素を更に備え、前記第１の色スプリッタ部分および前記第２の色スプリッタ部分は、関連付けられた前記画像センサ画素を部分的に覆う、ことを特徴とする請求項１０に記載の光学部品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光学系および光工学系（photonics）の分野に関し、特に、画像センサにおいて使用される光学デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

この章は、以下で説明され、および／または特許請求される本発明の様々な態様に関連することができる、本分野の様々な態様への読み手を導入することを意図している。この議論は、本発明の様々な態様のより良好な理解を促進するよう、背景技術の情報を読み手に提供することを支援すると信じされている。したがって、それらの言及がこの観点で読まれることになり、従来技術の受け入れとしてではないことが理解されるべきである。

【0003】

画像の取得の間に色成分を取得するために、画像センサは通常、ベイヤフィルタ（色画像を生成するために後にある種の補間の実行を必要とする、色空間を離散化する（discretize）方式である）、または中心窩（Ｆｏｖｅａ）センサ（色センサのスタックを介して、すなわち、色センサが相互に重畳した、画素ごとに３つの色成分を記録することが可能である）のいずれかを使用することがある。

【0004】

既知の技術の代替を提供するために、画像センサ内での色分離機能性を達成する特定の構造／アーキテクチャが以下で提案される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】欧州特許第３２２３０６３号明細書

【発明の概要】

【0006】

本明細書では、「一実施形態」、「実施形態」、「例示的な実施形態」への言及は、説明される実施形態が特定の特徴、構造、または特性を含んでもよいが、あらゆる実施形態が、必ずしも特定の特徴、構造、または特性を含まなくてもよいことを示す。その上、そのようなフレーズは、同一の実施形態に必ずしも言及しない。更に、特定の特徴、構造、または特性が実施形態と関連して説明されるとき、明確に説明されるかどうかに関わらず、他の実施形態と関連してそのような特徴、構造、または特性に影響を与えるよう、当業者の知識の範囲内であることが認められる。

【0007】

１つの態様では、入射する可視光から色情報を取得する、画素を含む画像センサであって、画像センサは、軸ｘ、ｙ、およびｚによって定義された三次元座標系デカルト座標系と関連付けられ、ｚ軸は、画像センサに対して垂直（normal to）であり、画像センサは、ｘ軸に沿って並べて位置付けられた、第１の部分および第２の部分を含む色スプリッタ構造によって部分的に覆われた少なくとも２つの画素を含み、第１の部分および第２の部分の各々は、ｘ軸に沿った誘電部分に隣接し、誘電部分の各々は、第１の屈折率ｎ₁を有し、第１の部分は、第２の屈折率ｎ₂を有し、第２の部分は、第３の屈折率ｎ₃を有し、ｎ₁＜ｎ₃＜ｎ₂であり、平面ｘｚを有する断面に従って、色スプリッタ構造の第１の部分は、ｘ軸に沿った第１の幅Ｗ₁、およびｚ軸に沿った高さＨを有し、色スプリッタ構造の第２の部分は、ｘ軸に沿った第２の幅Ｗ₂、およびｚ軸に沿った同一の高さＨを有し、色スプリッタ構造は更に、断面に従って、
－近接場ゾーンにおいて第１のビーム（ＮＪ１）を生成することができる、ｚ軸に沿った、誘電部分の１つと色スプリッタ構造の第１の部分との間の第１のエッジと、
－近接場ゾーンにおいて第２のビーム（ＮＪ２）を生成することができる、ｚ軸に沿った、色スプリッタ構造の第１の部分と色スプリッタ構造の第２の部分との間の第２のエッジと、
－近接場ゾーンにおいて第３のビーム（ＮＪ３）を生成することができる、ｚ軸に沿った、色スプリッタ構造の第２の部分と誘電部分の１つとの間の第３のエッジと、を含み、
高さＨは、値

【0008】

【数1】

【0009】

に実質的に等しく、Θ_B1およびΘ_B3はそれぞれ、第１のビームおよび第３のビームの放射角であり、第１の波長λ₁と関連付けられた光は、少なくとも２つの画素の１つによって記録され、光の他の成分は、少なくとも２つの画素のもう１つによって記録され、第１の波長₁は、範囲［３９０ナノメートル，４５０ナノメートル］および［６２０ナノメートル，７００ナノメートル］のうちの１つの可視光に属する、画像センサが提案される。

【0010】

異なるフォトダイオードまたは画像センサの画素によって後に記録することができる光の色成分（青色成分、緑色成分、および赤色成分など）は、異なる方向に偏向する（deviated）。

【0011】

実際に、２つの異なる材質の間の境界面における、色スプリッタ構造のエッジによって生成されたＮＪビームの長さは、入射する波長に正比例する。それらのＮＪビームは干渉し、結果は、どの方向が色スプリッタ要素の全体的な分離方向であるかを定める。設計ルールＨ＝Ｈ_Bは、それらの２つの方向が容易に区別され、よって、色分離が顕著であるケースに対する単純なレシピを与える。

【0012】

変形例では、画像センサは、

【0013】

【数2】

【0014】

を有するパラメータを有し、Ｗ₁＋Ｗ₂に等しい色スプリッタ構造の幅Ｗは、３９０ナノメートルよりも長く、第１の波長λ₁と関連付けられた光を記録する少なくとも２つの画素の１つは、第１の波長₁が範囲［６２０ナノメートル，７００ナノメートル］の可視光に属するケースでは、色スプリッタ構造の第１の部分の法線に位置する。

【0015】

変形例では、画像センサは、

【0016】

【数3】

【0017】

を有するパラメータを有し、Ｗ₁＋Ｗ₂に等しい色スプリッタ構造の幅Ｗは、３９０ナノメートルよりも長く、第１の波長λ₁と関連付けられた光を記録する少なくとも２つの画素の１つは、第１の波長₁が範囲［３９０ナノメートル，４５０ナノメートル］の可視光に属するケースでは、色スプリッタ構造の第２の部分の法線に位置する。

【0018】

変形例では、画像センサは、

【0019】

【数4】

【0020】

を有するパラメータを有し、Ｗ₁＋Ｗ₂に等しい色スプリッタ構造の幅Ｗは、３９０ナノメートルよりも長く、第１の波長λ₁と関連付けられた光を記録する少なくとも２つの画素の１つは、第１の波長₁が範囲［６２０ナノメートル，７００ナノメートル］の可視光に属するケースでは、色スプリッタ構造の第２の部分の法線に位置する。

【0021】

変形例では、画像センサは、

【0022】

【数5】

【0023】

を有するパラメータを有し、Ｗ₁＋Ｗ₂に等しい色スプリッタ構造の幅Ｗは、３９０ナノメートルよりも長く、第１の波長λ₁と関連付けられた光を記録する少なくとも２つの画素の１つは、第１の波長₁が範囲［３９０ナノメートル，４５０ナノメートル］の可視光に属するケースでは、色スプリッタ構造の第１の部分の法線に位置する。

【0024】

変形例では、可視光は、３９０ナノメートルから７００ナノメートルまでに至る波長を有する電磁波を含む。

【0025】

変形例では、第１の幅Ｗ₁および第２の幅Ｗ₂は、相互に等しい。

【0026】

変形例では、画素の各々のペアは、色スプリッタ構造と同一の構造によって覆われる。

【0027】

変形例では、画素の各々のペアは、色スプリッタ構造と同一のいずれかの代わりである構造、または色スプリッタ構造と比較して反転した第１の部分および第２の部分を含む構造、によって部分的覆われる。

【0028】

変形例では、各々の連続した構造は、Ｗ₃に等しい、ｘ軸に沿った幅を有する同一の誘電部分によって分離され、Ｗ₃の値は、２５０ナノメートルから６００ナノメートルまでの間に含まれる。

【0029】

変形例では、各々の第１の部分および第２の部分、ならびに誘電部分は、
－ガラス、
－プラスチック、
－ポリマ材質、
－酸化物、および
－窒化物、
を含むグループに属する材質から構成される。

【0030】

変形例では、少なくとも２つの画素のうちの少なくとも１つの画素は更に、色スプリッタ構造と少なくとも２つの画素の各々と関連付けられた感光材質との間に位置付けられた従来の色フィルタを含む。

【0031】

変形例では、高さＨは、値Ｈ_Bの約±５％である。

【0032】

変形例では、第１のビームおよび第３のビームの放射角Θ_B1およびΘ_B3は、

【0033】

【数6】

【0034】

に等しく、１または３に等しいｊを有する角度α_jは、第１のエッジおよび第３のエッジに対する底角であり、１または３に等しいｊを有するΘ_TIRjは、第１のエッジおよび第３のエッジのそれぞれと関連付けられた屈折の臨界角である。

【0035】

変形例では、画像センサは、第１の波長λ₁と関連付けられた光を記録する少なくとも２つの画素の１つが、別の隣接した色スプリッタ構造から第１の波長と関連付けられた光を更に受ける点で優れている。

【0036】

変形例では、少なくとも２つの画素のもう１つが、別の隣接した色スプリッタ構造からλ₁に等しい波長を有する電磁波が存在せずまたは殆ど存在しないスペクトルを有する光を更に受ける点で優れている。

【0037】

例として与えられ、保護の範囲を限定しない、以下の説明および図面を参照して、本開示をより良好に理解することができる。

【図面の簡単な説明】

【0038】

【図1】本開示の実施形態に従った、二重材質構造（double-material structure）のＸＺ平面にある、断面図を示す。

【図2】（ａ）乃至（ｄ）は、色分離問題（color splitting problem）のコンテキストに適合することを除き、図１にあるのとほぼ同一の構造を提示する。

【図3】パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、およびＨ＝１２００ナノメートルにより定義された構造に対してｘｚ平面における、それぞれの波長λ＝６２０ナノメートル（すなわち、赤色光）、λ＝５３０ナノメートル（すなわち、緑色光）、およびλ＝４５０ナノメートル（すなわち、青色光）を有する３つの異なる入射電磁波に対する、電力密度分布（power density distribution）を提示する。

【図4(a)】開示の実施形態に従った、二重材質構造のアレイの２つの異なるトポロジを提示する。

【図4(b)】開示の実施形態に従った、二重材質構造のアレイの２つの異なるトポロジを提示する。

【図5(a)】開示の実施形態に従った、

【数7】

を有する二重材質誘電構造（double-material dielectric structure）の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図5(b)】開示の実施形態に従った、

【数8】

を有する二重材質誘電構造の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図5(c)】開示の実施形態に従った、

【数9】

を有する二重材質誘電構造の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図5(d)】開示の実施形態に従った、

【数10】

を有する二重材質誘電構造の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図5(e)】開示の実施形態に従った、

【数11】

を有する二重材質誘電構造の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図5(f)】開示の実施形態に従った、

【数12】

を有する二重材質誘電構造の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図6(a)】開示の実施形態に従った、

【数13】

を有する二重材質誘電構造の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図6(b)】開示の実施形態に従った、

【数14】

を有する二重材質誘電構造の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図6(c)】開示の実施形態に従った、

【数15】

を有する二重材質誘電構造の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図6(d)】開示の実施形態に従った、

【数16】

を有する二重材質誘電構造の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図6(e)】開示の実施形態に従った、

【数17】

を有する二重材質誘電構造の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図6(f)】開示の実施形態に従った、

【数18】

を有する二重材質誘電構造の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図7(a)】

【数19】

を有する二重材質誘電構造の第２の周期的配列（periodic arrangement）（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図7(b)】

【数20】

を有する二重材質誘電構造の第２の周期的配列（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図7(c)】

【数21】

を有する二重材質誘電構造の第２の周期的配列（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図7(d)】

【数22】

を有する二重材質誘電構造の第２の周期的配列（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図7(e)】

【数23】

を有する二重材質誘電構造の第２の周期的配列（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図7(f)】

【数24】

を有する二重材質誘電構造の第２の周期的配列（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図8(a)】開示の一実施形態に従った、

【数25】

を有する二重材質誘電構造の周期的配列（図４（ａ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図8(b)】開示の一実施形態に従った、

【数26】

を有する二重材質誘電構造の周期的配列（図４（ａ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図8(c)】開示の一実施形態に従った、

【数27】

を有する二重材質誘電構造の周期的配列（図４（ａ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図8(d)】開示の一実施形態に従った、

【数28】

を有する二重材質誘電構造の周期的配列（図４（ａ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図8(e)】開示の一実施形態に従った、

【数29】

を有する二重材質誘電構造の周期的配列（図４（ａ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図8(f)】開示の一実施形態に従った、

【数30】

を有する二重材質誘電構造の周期的配列（図４（ａ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図9(a)】開示の一実施形態に従った、

【数31】

を有する二重材質誘電構造の周期的配列（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図9(b)】開示の一実施形態に従った、

【数32】

を有する二重材質誘電構造の周期的配列（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図9(c)】開示の一実施形態に従った、

【数33】

を有する二重材質誘電構造の周期的配列（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図9(d)】開示の一実施形態に従った、

【数34】

を有する二重材質誘電構造の周期的配列（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図9(e)】開示の一実施形態に従った、

【数35】

を有する二重材質誘電構造の周期的配列（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図9(f)】開示の一実施形態に従った、

【数36】

を有する二重材質誘電構造の周期的配列（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。

【図10(a)】パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１２００ナノメートル、およびＺ＝１７００ナノメートルを有する、図４（ａ）において提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するピーク電力密度を示す。

【図10(b)】パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１２００ナノメートル、およびＺ＝１７００ナノメートルを有する、図４（ａ）において提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するＮＪホットスポットのＸ座標対Ｗ₃を提示する。

【図11(a)】パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１２００ナノメートル、およびＺ＝１７００ナノメートルを有する、図４（ｂ）において提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するピーク電力密度を示す。

【図11(b)】パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１２００ナノメートル、およびＺ＝１７００ナノメートルを有する、図４（ｂ）において提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するＮＪホットスポットのＸ座標対Ｗ₃を提示する。

【図12(a)】パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝２、ｎ₃＝１．２、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１３００ナノメートル、およびＺ＝１５００ナノメートルを有する、図４（ａ）において提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するピーク電力密度を示す。

【図12(b)】パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝２、ｎ₃＝１．２、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１３００ナノメートル、およびＺ＝１５００ナノメートルを有する、図４（ａ）において提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するＮＪホットスポットのＸ座標対Ｗ₃を提示する。

【図13(a)】パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝２、ｎ₃＝１．２、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１３００ナノメートル、およびＺ＝１５００ナノメートルを有する、図４（ｂ）において提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するピーク電力密度を示す。

【図13(b)】パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝２、ｎ₃＝１．２、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１３００ナノメートル、およびＺ＝１５００ナノメートルを有する、図４（ｂ）において提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するＮＪホットスポットのＸ座標対Ｗ₃を提示する。

【図14(a)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタ（NJ-based dielectric color splitter）の１Ｄアレイに対するｘｚ平面およびｘｙ平面、ならびにθ_i＝±１５度（すなわち、非正規形入射電磁波（non-normal incident electromagnetic wave）に対する）における電力密度分布を示す。

【図14(b)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚ平面およびｘｙ平面、ならびにθ_i＝±１５度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図14(c)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚ平面およびｘｙ平面、ならびにθ_i＝±１５度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図14(d)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚ平面およびｘｙ平面、ならびにθ_i＝±１５度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図14(e)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚ平面およびｘｙ平面、ならびにθ_i＝±１５度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図14(f)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚ平面およびｘｙ平面、ならびにθ_i＝±１５度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図15(a)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚおよびｘｙ、ならびにΘ_i＝±１５度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図15(b)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚおよびｘｙ、ならびにΘ_i＝±１５度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図15(c)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚおよびｘｙ、ならびにΘ_i＝±１５度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図15(d)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚおよびｘｙ、ならびにΘ_i＝±１５度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図15(e)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚおよびｘｙ、ならびにΘ_i＝±１５度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図15(f)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚおよびｘｙ、ならびにΘ_i＝±１５度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図16(a)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚおよびｘｙ、ならびにΘ_i＝±３０度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図16(b)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚおよびｘｙ、ならびにΘ_i＝±３０度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図16(c)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚおよびｘｙ、ならびにΘ_i＝±３０度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図16(d)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚおよびｘｙ、ならびにΘ_i＝±３０度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図16(e)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚおよびｘｙ、ならびにΘ_i＝±３０度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図16(f)】図４（ｂ）において提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚおよびｘｙ、ならびにΘ_i＝±３０度（すなわち、非正規形入射電磁波に対する）における電力密度分布を示す。

【図17(a)】図５（ａ）乃至（ｆ）および図６（ａ）乃至（ｆ）からの色スプリッタのミクロ構造の分離効果（splitting effect）を示す。

【図17(b)】図５（ａ）乃至（ｆ）および図６（ａ）乃至（ｆ）からの色スプリッタのミクロ構造の分離効果を示す。

【図18】提案されるデモザイキング機能（demosaicing function）と共に、画像センサ画素の規則的２Ｄ格子の最上部にあるスプリッタ要素（splitter element）の２Ｄ配列を示す実施形態を提示する。

【図19】前に提示された色スプリッタ構造が少なくとも２つの画素を覆う実施形態を提示する。

【図20】非垂直エッジ（nonvertical edges）を有する二重材質構造の断面図を提示する。

【発明を実施するための形態】

【0039】

図面における構成要素は、必ずしも同一縮尺でなく、代わりに、発明の原理を例示することを強調する。

【0040】

本開示は、ミクロ構造の異なるエッジ（異なるブロック／層と関連付けられた）から生じる全てのナノジェット（ＮＪ：nanojets）ビームが、再結合し、スペクトル依存ＮＪビーム屈折（deflection）の形成に貢献する方式において、異なる屈折率を有する（構成部分（constitutive part）の屈折率は、周囲材質よりも高い）２つ以上の誘電材質を組み合わせることによって、入射する可視光の色帯を分離する技術に関する。

【0041】

思い出させるために、ＮＪビームの生成は、特許文献１において説明されている。数値シミュレーションは、ＮＪビーム屈折に基づいた色分離の提案された原理が、集束した色画像を生成することができることを証明している。生成されたＮＪビームの特性は、対応するブロックのパラメータ、すなわち、ブロック、ブロックの次元、および波の入射の角度の間の屈折率の比率によって制御される。

【0042】

以下では、色分離を実行することができる要素または構造、または偏向構造は、垂直断面において非対称系または対称系を有する異なる屈折率を有する少なくとも２つの誘電材質の組み合わせである、ＮＪビーム形成要素（以下では、二重材質構造とも称される）のより一般的な設計の特定の構成である。以下では、そのようなトポロジを有する構造は、異なる材質の組み合わせに基づいた構造と称される。

【0043】

トポロジ
図１は、本開示の実施形態に従った、二重材質構造１０のｘｚ平面における断面図を示す。

【0044】

断面図におけるそのような二重材質構造１０は、１２および１３の参照符号が付された、材質の２つの異なるブロックの組み合わせに対応する。そのようなブロック１２および１３は、例えば、３Ｄ ＸＹＺ空間において直方体の形状または準円形環の形状を有してもよい。それらの断面は、矩形であるが（図１に示されるように）、台形または直方体の形状であってもよい。

【0045】

１２および１３の参照符号が付されたブロックはそれぞれ、屈折率ｎ₂およびｎ₃（ｎ₂＞ｎ₃）を有し、屈折率ｎ₁＜ｎ₃を有する均質誘電ホスト媒体（homogeneous dielectric host medium）１１に組み込まれる。簡易化のために、全ての材質が、無損失性（lossless）であり、非散発的である（non-dispersive）ことを想定する。

【0046】

ブロック１２および１３はまた、支持層として機能する誘電基板（図示せず）上に配置されてもよい。

【0047】

ブロック１２は、幅Ｗ₁および高さＨを有し、ブロック１３は、幅Ｗ₂および同一の高さＨを有する。

【0048】

以下、ブロック１２および１３は、ｚ軸に並列した垂直エッジ、および底角α＝９０度に対応する、ｘｙ平面に並列した上／底面を有する。しかしながら、いくつかの分光構造（prismatic structure）（任意の底角を有する）も使用されてもよい。可変の底角値は、ＮＪビーム放射の制御における追加の自由度をもたらす。

【0049】

二重材質構造１０は、入射光または電磁波１４を受けると、Ａ、Ｂ、およびＣと参照符号が付された異なるホットスポット、集束ポイント、または位置において交差することがある、いくつかのナノジェットビームを生成する（二重材質構造１０のエッジによってそれぞれ生成される３つのナノジェットビームＮＪ１、ＮＪ２、およびＮＪ３）。

【0050】

本開示に従って、ＮＪホットスポットの位置、ＮＪビームの強度、方向、および偏向の角度を管理するために、構成部分１１、１２、および１３の材質およびサイズを最適化することができる。

【0051】

設計原理および主要な性能特性
この章では、ＮＪビームシフトおよび偏向に対するブロック１２および１３の材質および次元の最適な組み合わせを推定する式の組を提示する。ビーム偏向のホットスポット位置および方向は、構成部分のサイズ（Ｗ₁，Ｗ₂，Ｈ）の影響を受けやすい。いくつかの波長よりも大きい次元を有する構造１０に対し、フレネル回折現象は、大きな影響を有する。

【0052】

生成されたＮＪビームの主要な特性
同一の出願人の名義での特許文献１において証明されているように、ビームフォーミング現象は、異なる屈折率の２つの材質の間のエッジに表れ、そのエッジと唯一関連付けられる。両方の材質の間の屈折率の比率は、垂直のｘｚ平面におけるＮＪビームの投影の角度位置である、生成されたナノジェットビームの仰角を制御することに貢献する。実際に、ＮＪビームの放射角は、スネルの法則によって定義され、近似式（１）を使用して判定されてもよい。

【0053】

【数37】

【0054】

【数38】

【0055】

は、屈折の臨界角であり、ｎ₁は、ホスト媒体１１の屈折率であり、ｎ₂は、二重材質構造の部分の屈折率である。要素の反対側から放射された２つの等しいＮＪビームの交差のポイントは、ＮＪ構造の焦点距離（focal length）を定める。第１の近似では、単一の材質要素（material element）のケースにおいて、ＮＪ構造の焦点距離は、構造の内部および外部の媒体のサイズ（幅）および屈折率に応じて特徴付けられることがある。総放射ＮＪビームは、系の対称軸に沿って方向付けられる。

【0056】

図１に示されるように、屈折率ｎ₃および幅Ｗ₂を有する第２の要素１３が屈折率ｎ₂を有する第１の要素１２と直接接触して付着するとき、両方の要素１２および１３の間の境界からのＮＪビーム放射の角度は、Θ_B1に等しいままではない。新たなＮＪビームは、角度Θ_B2においてより高い屈折率を有する媒体に屈折する。ｎ₂＞ｎ₃である場合、角度Θ_B2は、式（２）として定まり、

【0057】

【数39】

【0058】

【数40】

【0059】

である。

【0060】

ブロック１３とホスト媒体１１との間の、第３のエッジにおけるＮＪビーム放射角は、式（３）に対応し、

【0061】

【数41】

【0062】

【数42】

【0063】

である。

【0064】

異なる屈折率を有する材質１１、１２、および１３の間の３つのエッジによって生成された、それらの３つのＮＪビームの長さおよび強度は異なることに留意されよう。最大強度および最小長さは、屈折率の間の最高比率を有するビームに対応する。図１に示される例示的なケースでは、それは、ブロック１２とホスト媒体１１との間の境界において生成された角度Θ_B1において屈折したＮＪビームである。

【0065】

光学デバイス１０の異なる屈折率の材質の間の境界において生成された３つのナノジェットビームは、総集束ビーム（total focused beam）を生成するよう部分的または全体的に結合し、総集束ビームは、デバイス１０の３つのエッジと関連付けられた３つの主要なナノジェットビームによって生じる干渉パターンに対応する。

【0066】

二重材質構造１０によって放射される総ＮＪビームの振る舞いを説明するために、系１０のエッジと関連付けられ、角度Θ_B1、Θ_B2、およびΘ_B3において放射されたそれらの初期のＮＪビームまたは主要なＮＪビームの交差のポイント（図１では、Ａ、Ｂ、およびＣと表記される）を定めるべきである。

【0067】

第１の（ＮＪビームＮＪ１）および第２のＮＪビーム（ＮＪ２）の交差のポイントＡは、座標（Ｗ_A，Ｈ_A）を有し、式（４）である。

【0068】

【数43】

【0069】

第１の（ＮＪビームＮＪ１）および第３のＮＪビーム（ＮＪ３）は、座標（Ｗ_B，Ｈ_B）を有するポイントＢにおいて交差し、式（５）である。

【0070】

【数44】

【0071】

第２のＮＪビーム（ＮＪ２）および第３のＮＪビーム（ＮＪ３）は、

【0072】

【数45】

【0073】

の場合のみ交差することに留意することが必要である。このケースでは、ポイントＣの座標は、式（６）として定められる。

【0074】

【数46】

【0075】

以下で提示される数値シミュレーションは、３つの異なる波長（λ₁＜λ₂＜λ₃）に対するスペクトル依存ＮＪビーム屈折が

【0076】

【数47】

【0077】

および

【0078】

【数48】

【0079】

に対して観察されることが証明されている。系のそのようなパラメータについて、ＮＪビーム偏向の方向は、入射波の波長に依存する。特に、λ＝λ₁において、

【0080】

【数49】

【0081】

（図２（ｂ））に対して、より低い屈折率ｎ₃を有する部分に向かって偏向した長い集中的ＮＪビームを得ることが観察される。このケースでは、主要入力は、図２（ｂ）における系の右側エッジと関連付けられた短いが最も集中的なＮＪビーム－ＮＪ１からである。より長い波長（λ＝λ_2,3）のケースでは、最大総応答（maximal total response）は、より長いがあまり集中的でないＮＪ２ビームおよびＮＪ３ビームの入力によって定められる。結果として、長い集中的ＮＪビームは、より高い屈折率ｎ₂を有する部分に向かって偏光する。

【0082】

【数50】

【0083】

（図２（ｃ））を考慮すると、反対の状況が観察される。λ＝λ₁において、主要入力がＮＪ３であり（選択されたパラメータに対し、ＮＪ３は、ＮＪ１およびＮＪ２よりも集中的でない）、結果として生じるＮＪビームは、より高い屈折率ｎ₂を有する部分に向かって偏光することが証明される。最も集中的なＮＪ１は、λ＝λ₂における系の応答を定める。議論された両方のケースに対し、λ＝λ₃における系の応答は、中間強度のＮＪビームの入力に関連する。

【0084】

ここで、提案された二重材質ＮＪマイクロレンズの特性に対する平面波入射の角度（Θ_i、図２ｄ）の影響が議論される。斜め入射（oblique incidence）に対し、ＮＪビーム放射角に対する近似式が修正されるべきであり、式（７）の形式で提示されることを考慮することが必要である。

【0085】

【数51】

【0086】

高さＨＢの値を取得するために、それらの角度が式（５）に置き換えられるべきである。

【0087】

色スプリッタ機能性
図１に表された構造の識別された特性に基づいて、以下では、色スプリッタ機能を得るために、そのような構造のパラメータ（すなわち、屈折率値、ならびに／またはそのような構造の幅および／もしくは高さ）にどのように適合するかを定めることが提案される。そのような色スプリッタ機能は、画像センサの分野において特に関心がある。

【0088】

実際に、開示の一実施形態では、画像センサにおいてフォトダイオードによって後に記録されることがある、光の色成分（青色成分、緑色成分、および赤色成分）を異なる方向に偏向することが可能である。

【0089】

図２（ａ）乃至（ｄ）は、色分離問題のコンテキストに適合することを除き、図１にあるのとほぼ同一の構造を提示する。

【0090】

図３は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、およびＨ＝１２００ナノメートルにより定義された構造に対してｘｚ平面における、それぞれの波長λ＝６２０ナノメートル（すなわち、赤色光）、λ＝５３０ナノメートル（すなわち、緑色光）、およびλ＝４５０ナノメートル（すなわち、青色光）を有する３つの異なる入射電磁波に対する、電力密度分布を提示する。

【0091】

よって、図３は、

【0092】

【数52】

【0093】

を有するｘｚ平面における電力密度分布を提示する。特に、図３では、構造の高さＨは、

【0094】

【数53】

【0095】

などによって選択され、すなわち、焦点ポイントＢは、構造の面に近い。

【0096】

構造の構成部分の上に位置する、異なる長さの２つのＮＪビーム（１つのＮＪビームは、ＮＪ１およびＮＪ２の組み合わせである）を見ることが可能である。それらのＮＪビームの長さは異なる（最長ＮＪビームは最高屈折率ｎ₂を有する部分の上に位置する）。最大で

【0097】

【数54】

【0098】

、または約

【0099】

【数55】

【0100】

の構造の高さを選択することによって、構造の構成部分の上に位置する２つの生成されたＮＪビームの間の電力密度の再分布を観察することができる。結果として、λ＝４５０ナノメートルの光に対し、右のＮＪビームが左のＮＪビームよりも長いことを理解することができる。よって、要素の上面からのある距離において、青色に対するスポットがより低い屈折率を有する部分の上に位置し、緑色および赤色に対するスポットがより高い屈折率を有する部分の上にあることを観察することができる。よって、スペクトル依存ＮＪビーム屈折は、

【0101】

【数56】

【0102】

であり、構造の外部境界に関連するＮＪビーム（ＮＪ１およびＮＪ３）に対する焦点ポイントＢが構造の面に近く、または構造内にある場合に発生する。層の材質により行うことにより、異なる色に対する電力密度分布を変化させることができる。

【0103】

構造のアレイ、正規入射
電力密度再分布に対する隣接したＮＪビームの相互影響を学習するために、二重材質構造の２つの異なるアレイを考慮する。研究されたトポロジが図４（ａ）および（ｂ）に提示される。第１のアレイ（図４（ａ））は、屈折率ｎ₁（数値シミュレーションでは、ｎ₁はホスト媒体の屈折率である）を有するブロックによって分離された二重材質構造の周期的交互（periodic alternation）に対応する。Ｗ₃は、ブロック（すなわち、ｎ₁に等しい屈折率を有する材質を有するブロック）の幅であると想定される。第２のアレイ（図４（ｂ））に対し、屈折率ｎ₁を有する媒体は、同一の屈折率を有するブロックを分離する。

【0104】

図５（ａ）乃至（ｆ）および図６（ａ）乃至（ｆ）は、

【0105】

【数57】

【0106】

を有する二重材質誘電構造の２つのアレイに対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。各々のアレイは、３つの二重材質構造を含む。要素の間の距離は、約１つの波長である（Ｗ₃＝６００ナノメートル）であることを想定する。そのような距離Ｗ₃に対し、隣接したＮＪビームは、ほんのわずかに相互に影響を与えることを理解することができる。Ｚ＝１７００ナノメートルの距離に検出器を配置することで、異なる色に対応するスポットを容易に区別することができる。しかしながら、要素の第２の配列に対し（配列は図４（ｂ）に提示される）、青色に対するＮＪビームの強度はより高く、緑色に対するスポットと赤色に対するスポットとの間の距離はより長い。よって、第２の配列は、色スプリッタの適用に対して好ましい。

【0107】

より正確に、図５（ａ）、（ｃ）、および（ｅ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝６００ナノメートル、およびＨ＝１２００ナノメートルを有する、図４（ａ）に提示されたアレイに対するｘｚ平面（Ｙ＝０）における電力密度分布を提示する。

【0108】

図５（ｂ）、（ｄ）、および（ｆ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝６００ナノメートル、およびＨ＝１２００ナノメートルを有する、図４（ａ）に提示されたアレイに対するｘｙ平面（Ｚ＝１７００ナノメートル）における電力密度分布を提示する。

【0109】

図６（ａ）、（ｃ）、および（ｅ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝６００ナノメートル、およびＨ＝１２００ナノメートルを有する、図４（ｂ）に提示されたアレイに対するｘｚ平面（Ｙ＝０）における電力密度分布を提示する。

【0110】

図６（ｂ）、（ｄ）、および（ｆ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝６００ナノメートル、およびＨ＝１２００ナノメートルを有する、図４（ｂ）に提示されたアレイに対するｘｙ平面（Ｚ＝１７００ナノメートル）における電力密度分布を提示する。

【0111】

よって、図６（ａ）乃至（ｆ）に説明された構成により、構造が波長４５０ナノメートルと関連付けられた光を１つの方向に偏向し、他の構成要素が光を別の方向に偏向する点で、青色分離を得ることができる。

【0112】

【数58】

【0113】

を有する二重材質誘電構造に対し、緑色および赤色に対応するスポットは、非常に近いことに留意されよう。前に言及されたように、層の材質を変更することで、スポットの位置を管理することができる。

【0114】

図７（ａ）乃至（ｆ）は、

【0115】

【数59】

【0116】

を有する二重材質誘電構造の第２の周期的配列（図４（ｂ））に対する青色、緑色、および赤色に対応する波長において、ｘｚ平面およびｘｙ平面における電力密度分布を示す。Ｚ＝１５００ナノメートルの距離に検出器を配置することで、緑色に対応するスポットが青色に対応するスポットに近いことを区別することができる。

【0117】

実際に、図７（ａ）、（ｃ）、および（ｅ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝２、ｎ₃＝１．２、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝６００ナノメートル、およびＨ＝１３００ナノメートルを有する、図４（ａ）に提示されたアレイに対するｘｚ平面（Ｙ＝０）における電力密度分布を提示する。

【0118】

図７（ｂ）、（ｄ）、および（ｆ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝２、ｎ₃＝１．２、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝６００ナノメートル、およびＨ＝１３００ナノメートルを有する、図４（ａ）に提示されたアレイに対するｘｙ平面（Ｚ＝１５００ナノメートル）における電力密度分布を提示する。

【0119】

幅Ｗ₃（図８（ａ）乃至（ｆ）および図９（ａ）乃至（ｆ）；Ｗ₃＝２００ナノメートル）が減少する場合、隣接したＮＪビームは相互により影響を与える。構造の両方のアレイに対し、異なる色に対応するスポットの位置が変化することを見ることができる。結果として、距離Ｚ＝１７００ナノメートルにおいて、異なる色に対応するスポットを容易に区別することができない。検出器の位置を変更させることが必要である。しかしながら、より短い幅Ｗ₃に対し、第１の配列が好ましい。

【0120】

実際に、図８（ａ）、（ｃ）、および（ｅ）は、パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｗ₃＝２００ナノメートル、およびＨ＝１２００ナノメートルを有する、図４（ａ）に提示されたアレイに対するｘｚ平面（Ｙ＝０）における電力密度分布を提示する。

【0121】

図８（ｂ）、（ｄ）、および（ｆ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｗ₃＝２００ナノメートル、およびＨ＝１２００ナノメートルを有する、図４（ａ）に提示されたアレイに対するｘｙ平面（Ｚ＝１７００ナノメートル）における電力密度分布を提示する。

【0122】

図９（ａ）、（ｃ）、および（ｅ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｗ₃＝２００ナノメートル、およびＨ＝１２００ナノメートルを有する、図４（ｂ）に提示されたアレイに対するｘｚ平面（Ｙ＝０）における電力密度分布を提示する。

【0123】

図９（ｂ）、（ｄ）、および（ｆ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｗ₃＝２００ナノメートル、およびＨ＝１２００ナノメートルを有する、図４（ｂ）に提示されたアレイに対するｘｙ平面（Ｚ＝１７００ナノメートル）における電力密度分布を提示する。

【0124】

色分離現象に対するアレイにおける要素の間の距離の影響を分析するために、Ｗ₃（図１０（ａ）乃至（ｂ）から１３（ａ）乃至（ｂ））に対するＮＪホットスポットのピーク電力密度およびＸ座標の依存性を考慮する。提示される数値データは、３つの二重材質要素の２つの異なるアレイ（図４（ａ）乃至（ｂ）を参照）における単一の中心要素に対応する。要素の構成部分の間の境界がＸ＝０に対応することが想定されている。図４（ａ）に提示されたアレイ（周期的アレイ）に対し、左側部分（Ｘ＜０）は、より高い屈折率ｎ₂を有する部分であり、図４（ｂ）に提示されたアレイ（屈折率ｎ₁を有する媒体は、同一の屈折率を有するブロックを分離する）に対し、左側部分は、より低い屈折率ｎ₃を有する部分である。全ての考慮されるケースにおいてはほとんど、要素の構成部分を上回る異なる電力密度の２つのＮＪホットスポットを観察することができる。それらの数字の分析の結果として、固定された波長に対し、ホットスポットの位置は、距離Ｗ₃にほとんど依存すると結論付けることができる。同時に、短い距離Ｗ₃に対し、色分離に影響を与える電力密度再分布を有することができる。

【0125】

実際に、図１０（ａ）は、パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１２００ナノメートル、およびＺ＝１７００ナノメートルを有する、図４（ａ）に提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するピーク電力密度を提示し、図１０（ｂ）は、パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１２００ナノメートル、およびＺ＝１７００ナノメートルを有する、図４（ａ）に提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するＮＪホットスポットのＸ座標対Ｗ₃を提示する。

【0126】

図１１（ａ）は、パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１２００ナノメートル、およびＺ＝１７００ナノメートルを有する、図４（ｂ）に提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するピーク電力密度を提示し、図１１（ｂ）は、パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１２００ナノメートル、およびＺ＝１７００ナノメートルを有する、図４（ｂ）に提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するＮＪホットスポットのＸ座標対Ｗ₃を提示する。

【0127】

図１２（ａ）は、パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝２、ｎ₃＝１．２、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１３００ナノメートル、およびＺ＝１５００ナノメートルを有する、図４（ａ）に提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するピーク電力密度を提示し、図１２（ｂ）は、パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝２、ｎ₃＝１．２、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１３００ナノメートル、およびＺ＝１５００ナノメートルを有する、図４（ａ）に提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するＮＪホットスポットのＸ座標対Ｗ₃を提示する。

【0128】

図１３（ａ）は、パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝２、ｎ₃＝１．２、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１３００ナノメートル、およびＺ＝１５００ナノメートルを有する、図４（ｂ）に提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するピーク電力密度を提示し、図１３（ｂ）は、パラメータｎ₁＝１、ｎ₂＝２、ｎ₃＝１．２、Ｗ₁＝Ｗ₂＝６００ナノメートル、Ｈ＝１３００ナノメートル、およびＺ＝１５００ナノメートルを有する、図４（ｂ）に提示されたアレイの単一の（中心）要素に対するＮＪホットスポットのＸ座標対Ｗ₃を提示する。

【0129】

構造のアレイ、照明条件の影響
ＮＪ場分布（NJ field distribution）は、波入射の角度と共に著しく変化する。斜め入射のケースにおいて色分離に対する二重材質誘電構造を使用する可能性を考える。斜め入射に対し、系のエッジに関連するＮＪビームの追加の偏向を有することが観察されている。よって、ポイントＢの位置が変化する。ＮＪ応答の離散および隣接したＮＪビームの相互の影響は、異なる色に対応するスポットのシフト、および電力密度の全体的な新たな再分布につながる。図１４（ａ）乃至（ｆ）および１５（ａ）乃至（ｆ）は、図４（ｂ）に提示されたＮＪベース誘電色スプリッタの１Ｄアレイに対するｘｚ平面およびｘｙ平面、ならびにΘ_i＝±１５度における電力密度分布を示す。Ｚ＝１４００ナノメートルにおける検出器に対する異なる構造の上にある、青色および赤色に対応する集中的スポットを区別することができる。周期的アレイ（図４（ａ））は、色分離機能を提供しない。

【0130】

図１４（ａ）、（ｃ）、および（ｅ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝６００ナノメートル、Ｈ＝１１８０ナノメートル、およびΘ_i＝１５度を有する、図４（ｂ）に提示されたアレイに対するｘｚ平面（Ｙ＝０）における電力密度分布を提示する。

【0131】

図１４（ｂ）、（ｄ）、および（ｆ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝６００ナノメートル、Ｈ＝１１８０ナノメートル、およびΘ_i＝１５度を有する、図４（ｂ）に提示されたアレイに対するｘｙ平面（Ｚ＝１４００ナノメートル）における電力密度分布を提示する。

【0132】

図１５（ａ）、（ｃ）、および（ｅ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝６００ナノメートル、Ｈ＝１１８０ナノメートル、およびΘ_i＝－１５度を有する、図４（ｂ）に提示されたアレイに対するｘｚ平面（Ｙ＝０）における電力密度分布を提示する。

【0133】

図１５（ｂ）、（ｄ）、および（ｆ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝６００ナノメートル、Ｈ＝１１８０ナノメートル、およびΘ_i＝－１５度を有する、図４（ｂ）に提示されたアレイに対するｘｙ平面（Ｚ＝１７００ナノメートル）における電力密度分布を提示する。

【0134】

電磁波入射の角度（図１６（ａ）、（ｃ）、および（ｅ）、Θ_i＝±３０度を有する）を増加して、望ましい光学機能を得ることができる。このケースでは、青色および赤色に対応する集中的スポットの間の距離は短い。

【0135】

図１６（ａ）、（ｃ）、および（ｅ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝６００ナノメートル、Ｈ＝１１００ナノメートル、およびΘ_i＝３０度を有する、図４（ｂ）に提示されたアレイに対するｘｚ平面（Ｙ＝０）における電力密度分布を提示する。

【0136】

図１６（ｂ）、（ｄ）、および（ｆ）は、パラメータ：ｎ₁＝１、ｎ₂＝１．８、ｎ₃＝１．６、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝６００ナノメートル、Ｈ＝１１００ナノメートル、およびΘ_i＝３０度を有する、図４（ｂ）に提示されたアレイに対するｘｙ平面（Ｚ＝１３００ナノメートル）における電力密度分布を提示する。

【0137】

色スプリッタの２Ｄ配列
この章では、画像センサ画素の最上部にある色スプリッタ要素の全２Ｄ配列を実現するために、前の章における設計を使用する一実施形態を提案する。図１７（ａ）および１７（ｂ）は、図５（ａ）乃至（ｆ）および図６（ａ）乃至（ｆ）からの色スプリッタのミクロ構造の分離効果を示す。図１７（ａ）は、緑色波長（λ＝５３０ナノメートル）および赤色波長（λ＝６２０ナノメートル）が１つの方向に屈折し、青色波長（λ＝４５０ナノメートル）が反対の方向に屈折するケースを示す。このスプリッタ構造の色分離の結果を「青色分離（blue separation）」と命名する。図１７（ｂ）は、緑色波長（λ＝５３０ナノメートル）および青色波長（λ＝４５０ナノメートル）が１つの方向に屈折し、赤色波長（λ＝６２０ナノメートル）が反対の方向に屈折するケースを示す。このスプリッタ構造の色分離の結果を「赤色分離（red separation）」と命名する。

【0138】

図１７（ａ）は、図５（ａ）乃至（ｆ）において証明された色スプリッタ設計の結果としての、青色分離を提示する。

【0139】

図１７（ｂ）は、図７（ａ）乃至（ｆ）において証明された色スプリッタ設計の結果としての、赤色分離を提示する。

【0140】

図１８は、提案されるデモザイキング機能と共に、画像センサ画素の規則的２Ｄ格子の最上部にあるスプリッタ要素の２Ｄ配列を示す実施形態を提示する。

【0141】

この実施形態は、図１７（ａ）および１７（ｂ）に示された２つのタイプの色スプリッタ構造を使用し、１つは「青色分離」機能性に適合され、もう１つは「赤色分離」機能性に適合される。図１８はまた、提案されるデモザイキング機能と共に、画像センサ上の各々の画素によって受けられる光成分を示す。

【0142】

図１９は、前に提示された色スプリッタ構造が少なくとも２つの画素を部分的に覆う実施形態を提示する。

【0143】

特定の波長λ₁により電磁波を「偏向する」ことができ、λ₁に等しい波長を有する電磁波が存在せずまたは殆ど存在しないスペクトルを有する光を別の方向に偏向することができる色スプリッタ構造を設計することが可能である。よって、各々の画素（画素１と画素２の間）は、異なる色に対して異なる値を記録する。変形例では、従来の色フィルタは、残存電磁波（residual electromagnetic wave）をフィルタリングするために、感光性材質の最上部に追加される。

【0144】

二重材質を有する構造の底角の修正
図２０は、非垂直エッジを有する二重材質構造の断面図を提示する。

【0145】

この章では、非垂直エッジおよびｘｙ平面に並列な上／底面を有する構造を考慮する。α_i（ｉは１、２、または３に等しい）が二重材質系に対する底角であると想定される。二重材質ＮＪ構造の全体的なトポロジが図２０に示される。この断面図は、屈折率ｎ₁＜ｎ₂＜ｎ₃を有する均質誘電ホスト媒体に組み込まれた二重材質分光系に対応してもよい。

【0146】

底角α_i（ｉは１、２、または３に等しい）を有する構造に対し、ＮＪビーム放射角Θ_Bjは、近似式（８）を使用して定められてもよい。

【0147】

【数60】

【0148】

ここで、Θ`<sub>TIRj</sub>は、非垂直エッジからの屈折の臨界角である。Θ`_TIRjに対する近似式を得るために、エッジの位置を変化させることをまさに考慮する必要がある。結果として、ＮＪビーム放射角は、式（９）のように推定されてもよい。

【0149】

【数61】

【0150】

二重材質構造１０によって放射された総ＮＪビームの振る舞いを説明するために、ＮＪビーム放射角に対するそれらの式を、式（４）乃至（７）と置き換える必要がある。

【0151】

非垂直エッジを有する系のケースでは、前に議論された二重材質系の主な性能特性が保存される。

【0152】

底角の変化は、ＮＪビームの方向を変化させ、よって、ナノジェットビームの交差ポイントおよび色分離効果に影響を与える。非垂直底角による色スプリッタに対する設計ルールは、新たなＮＪビーム偏向角度を計算し、ＮＪビームの交差が起こる高さＨ_Bを計算し、次いで、色分離効果を達成するようＨ_Bに等しいＨを選択することである。

【0153】

より正確に、二重材質構造によって放射された総ＮＪビームの振る舞いを説明するために、ＮＪビーム放射角に対する新たな式を、式（４）乃至（７）と置き換える必要がある。これは、ＮＪビームの断面の座標（図１におけるポイントＡ、Ｂ、およびＣ）を与える。非垂直底角を有する二重材質要素のケースに対して色分離特性を得るために、同一の設計ルールを使用し、スペクトル依存ＮＪビーム屈折（色分離機能性）は、

【0154】

【数62】

【0155】

であり、系の外部境界に関連するＮＪビーム（ＮＪ１およびＮＪ３）に対する焦点ポイントＢがマイクロレンズの面に近く、または系の内にある場合に発生する。唯一の相違は、Ｈ_Bに対する値がＮＪビーム角度に対する修正された式（９）を使用して計算されることである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4(a)】

【図4(b)】

【図5(a)】

【図5(b)】

【図5(c)】

【図5(d)】

【図5(e)】

【図5(f)】

【図6(a)】

【図6(b)】

【図6(c)】

【図6(d)】

【図6(e)】

【図6(f)】

【図7(a)】

【図7(b)】

【図7(c)】

【図7(d)】

【図7(e)】

【図7(f)】

【図8(a)】

【図8(b)】

【図8(c)】

【図8(d)】

【図8(e)】

【図8(f)】

【図9(a)】

【図9(b)】

【図9(c)】

【図9(d)】

【図9(e)】

【図9(f)】

【図10(a)】

【図10(b)】

【図11(a)】

【図11(b)】

【図12(a)】

【図12(b)】

【図13(a)】

【図13(b)】

【図14(a)】

【図14(b)】

【図14(c)】

【図14(d)】

【図14(e)】

【図14(f)】

【図15(a)】

【図15(b)】

【図15(c)】

【図15(d)】

【図15(e)】

【図15(f)】

【図16(a)】

【図16(b)】

【図16(c)】

【図16(d)】

【図16(e)】

【図16(f)】

【図17(a)】

【図17(b)】

【図18】

【図19】

【図20】