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(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】2024-10-21
(45)【発行日】2024-10-29
(54)【発明の名称】撮像素子及び撮像装置
(51)【国際特許分類】
G02B 5/00 20060101AFI20241022BHJP
G02B 1/02 20060101ALI20241022BHJP
G02B 5/20 20060101ALI20241022BHJP
G02B 5/22 20060101ALI20241022BHJP
H01L 27/146 20060101ALI20241022BHJP
H04N 23/12 20230101ALI20241022BHJP
H04N 25/10 20230101ALI20241022BHJP
【ＦＩ】
G02B5/00 Z
G02B1/02
G02B5/20 101
G02B5/22
H01L27/146 D
H04N23/12
H04N25/10
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2022565016
(86)(22)【出願日】2020-11-30
(86)【国際出願番号】 JP2020044561
(87)【国際公開番号】W WO2022113363
(87)【国際公開日】2022-06-02
【審査請求日】2023-03-23
(73)【特許権者】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】宮田 将司
(72)【発明者】
【氏名】根本 成
(72)【発明者】
【氏名】小林 史英
(72)【発明者】
【氏名】橋本 俊和
【審査官】森内 正明
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－１８４９８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１３９２８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１５６９４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－４０４４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２８９６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１２３９６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２０／０６６７３８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－１４６７５０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ １／０２
Ｇ０２Ｂ ５／００
Ｇ０２Ｂ ５／２０
Ｇ０２Ｂ ５／２２
Ｈ０１Ｌ ２７／１４ － ２７／１４８
Ｈ０４Ｎ ９／０１ － ９／１１
Ｈ０４Ｎ ２３／１０ － ２３／１７
Ｈ０４Ｎ ２５／０１ － ２５／１７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
各々が光電変換素子を含む複数の画素と、前記複数の画素を覆う透明層と、
前記透明層上または前記透明層内において前記透明層の面方向に配置された複数の構造体と、
を備える素子であって、
前記複数の構造体は、入射した光のうち、波長が近赤外光領域である第１の光を前記複数の画素のうちの第１の画素に集光し、波長が前記近赤外領域外の領域である第２の色の光を第２の画素に集光するように配置され、
前記複数の構造体は、１つの画素と対向する領域の外側に入射した光のうちの当該１つの画素に対応する波長の光も当該１つの画素に集光するように配置され、
前記入射した光を集光するためのマイクロレンズを含まずに構成されることを特徴とする撮像素子。
【請求項2】
前記複数の構造体の各々は、前記透明層の屈折率よりも高い屈折率を有し、入射した光に対して断面形状に応じた光位相遅延量を与える柱状構造体であり、前記複数の構造体は、前記集光を実現するための光位相量遅延分布に従って断面形状が設定され、前記集光を実現するための光位相量遅延分布に従って配置されることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項3】
前記複数の構造体の各々の断面形状は、４回回転対称形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
【請求項4】
前記複数の画素と前記透明層との間に設けられたフィルタ層を備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の撮像素子。
【請求項5】
前記フィルタ層は、前記第２の画素上にのみ設けられた近赤外吸収フィルタであることを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
【請求項6】
請求項１～５のいずれか一つに記載の撮像素子と、前記撮像素子から得られた電気信号に基づいて画像信号を生成する信号処理部と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、撮像素子及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的な撮像装置は、レンズ光学系と、ＣＣＤ：Charge Coupled Device）センサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどの２次元撮像素子とを用いて、撮像対象からの光の強度情報と色情報からなる２次元画像を取得する。
【0003】
近年、可視光（色情報）に加えて近赤外（ＮＩＲ：Near-Infrared）光の画像を同時撮像への要求が高まっている。近赤外線撮像装置は、夜間撮影が可能となるため、車載カメラや監視カメラなどの用途で注目されている。
【0004】
そこで、可視光の色情報及び近赤外線画像の双方を撮影する撮像素子として、色情報およびＮＩＲ情報の取得のため、各画素上に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）にＮＩＲを加えた４種類のカラーフィルタを集積する構成が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【文献】Takanori Kudo, Yuki Nanjo, Yuko Nozaki, Kazuya Nagao, Hidemasa Yamaguchi, Wen-Bing Kang, Georg Pawlowski, “PIGMENTED PHOTORESISTS FOR COLOR FILTERS”, Journal of Photopolymer Science and Technology, 1996, 9巻, 1号, p.109-119.
【文献】Monno, Yusuke, et al. “Single-Sensor RGB-NIR Imaging: High-Quality System Design and Prototype Implementation”. IEEE Sensors Journal 19.2 (2018): 497-507.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、従来の撮像素子では、カラーフィルタによる透過波長帯域外の光の吸収により、フィルタ透過後の総受光量が減少し、感度に制限があるという問題があった。そして、一般的な色フィルタはＮＩＲ波長領域の光を一部透過するため、従来の撮像素子では、カラー画像を生成するために、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素値からＮＩＲ画素値を減ずる等の色の校正が必要であった。
【0007】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光吸収を起こすことなく、入射光の可視光と近赤外光との受光感度を向上することができる撮像素子及び撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る撮像素子は、各々が光電変換素子を含む複数の画素と、複数の画素を覆う透明層と、透明層上または透明層内において透明層の面方向に配置された複数の構造体と、を備える素子であって、複数の構造体は、入射した光のうち、波長が近赤外光領域である第１の光を複数の画素のうちの第１の画素に集光し、波長が近赤外領域外の領域である第２の色の光を第２の画素に集光するように配置され、複数の構造体は、１つの画素と対向する領域の外側に入射した光のうちの当該１つの画素に対応する波長の光も当該１つの画素に集光するように配置され、入射した光を集光するためのマイクロレンズを含まずに構成されることを特徴とする。
【0009】
また、本発明に係る光学素子は、各々が光電変換素子を含む複数の画素を覆うための透明層と、透明層上または透明層内において透明層の面方向に配置された複数の構造体と、を備え、複数の構造体は、入射した光のうち、近赤外光領域である第１の光を出力し、入射した光のうち、波長が近赤外領域外の領域である第２の色の光を出力することを特徴とする。
【0011】
また、本発明に係る撮像装置は、上記の撮像素子と、撮像素子から得られた電気信号に基づいて画像信号を生成する信号処理部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、光吸収を起こすことなく、入射光の可視光との受光感度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面とともに詳細に説明する。なお、以下の説明において、各図は本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎず、したがって、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
【0015】
【0016】
図１に示すように、実施の形態１に係る撮像装置１０は、レンズ光学系１１、撮像素子１２及び信号処理部１３を有する。レンズ光学系１１は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子を有する。信号処理部１３は、撮像素子１２から出力される光電変換信号を処理して画像信号を生成する。
【0017】
自然光や照明光等の光が物体１に照射され、物体１により透過／反射／散乱した光、または、物体１から発する光は、レンズ光学系１１により撮像素子１２上に光学像を形成する。一般に、レンズ光学系１１は、様々な光学収差を補正するため、光軸に沿って並んだ複数のレンズからなるレンズ群により構成されるが、図１では図面を簡略化して単一のレンズとして示している。信号処理部１３は、生成した画像信号を外部に送出する画像信号出力を有する。
【0018】
なお、撮像装置１０は、赤外光カットの光学フィルタ、電子シャッタ、ビューファインダ、電源（電池）、フラッシュライトなどの公知の構成要素を備え得るが、それらの説明は、本発明の理解に特に必要でないため省略する。また、以上の構成はあくまでも一例であり、実施の形態１では、レンズ光学系１１、撮像素子１２、信号処理部１３を除く構成要素として、公知の要素を適切に組み合わせて用いることができる。
【0019】
［撮像素子］
続いて、実施の形態１に係る撮像素子１２の概略を説明する。本実施の形態１に係る撮像素子１２は、光電変換素子を含む画素が２次元アレイ状に複数配列された画素アレイと、波長分離機能と各画素への集光機能とを有する複数の微細な構造体が全面に配列された光学素子アレイ（光学素子）とを有する。なお、以降では、撮像素子１２の一部を、撮像素子１００として説明する。
続いて、実施の形態１に係る撮像素子１２の概略を説明する。本実施の形態１に係る撮像素子１２は、光電変換素子を含む画素が２次元アレイ状に複数配列された画素アレイと、波長分離機能と各画素への集光機能とを有する複数の微細な構造体が全面に配列された光学素子アレイ（光学素子）とを有する。なお、以降では、撮像素子１２の一部を、撮像素子１００として説明する。
【0020】
図２は、撮像素子を平面視したときに画素アレイの画素配置を模式的に示す図である。図３は、図２のａ－ａ´線に沿って側面視したときの撮像素子１００の断面の一例を示す図である。図４は、図２のｂ－ｂ´線に沿って側面視したときの撮像素子１００の断面の一例を示す図である。なお、図３及び図４において、矢印は、撮像素子１００に入射する光を模式的に示す。図５は、図２に示す光学素子アレイにおける構造体の平面視したときの形状及び配置の一例を示す平面図である。図において、ｘｙｚ座標系が示される。ｘｙ平面方向は、後述する画素アレイ１１０、透明層１５０等の面方向に相当する。以下、特に説明がある場合を除き、「平面視」は、ｚ軸方向に（例えばｚ軸負方向に）視ることを指し示す。「側面視」は、ｘ軸方向またはｙ軸方向（例えばｙ軸負方向）に見ることを指し示す。
【0021】
図３及び図４に示すように、撮像素子１００は、画素アレイ１１０と、画素アレイ１１０と対向して配置された光学素子アレイ１２０とを有する。画素アレイ１１０及び光学素子アレイ１２０は、ｚ軸正方向にこの順に設けられる。
【0022】
図２～図４に示すように、光学素子アレイ１２０は、レンズ光学系１１からの光が入射する側に配置されている。光学素子アレイ１２０は、画素アレイ１１０上に形成された透明層１５０の上面に形成される。なお、透明層１５０は、ＳｉＯ２（屈折率ｎ＝１．４５）等の材料からなる低屈折率の透明層である。
【0023】
画素アレイ１１０は、配線層１８０と、ｘｙ平面方向に配値された複数画素１３０とを有する。各画素１３０は、各々が光電変換素子を含んで構成される。光電変換素子の例は、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）である。各画素は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）及び近赤外（ＮＩＲ）に対応する。赤色の光の波長帯域の例は、波長をλ０とすると、６００ｎｍ＜λ０≦８００ｎｍである。緑色の光の波長帯域の例は、５００ｎｍ＜λ０≦６００ｎｍである。青色の光の波長帯域の例は、λ０≦５００ｎｍ未満である。近赤外光の波長帯域の例は、８００～１０００ｎｍである。各画素を区別できるように、画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂ及び画素ＮＩＲと称し図示する。これら４つの画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂ及び画素ＮＩＲは、図２に示すように、ベイヤー配列され、一つの画素ユニットＵ１を構成する。
【0024】
入射した光は、ｚ軸負方向に沿って進み、光学素子アレイ１２０を介して画素アレイ１１０に到達する。光学素子アレイ１２０は、入射した光のうちの赤色の光を画素Ｒに集光し、緑色の光を画素Ｇに集光し、青色の光を画素Ｂに集光し、近赤外光を画素ＮＩＲに集光する。これらの画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂ及び画素ＮＩＲで発生した電荷は、図示しないトランジスタ等によって、画素信号の基礎となる電気信号に変換され、配線層１８０を介して撮像素子１００の外部に出力される。図３及び図４では、配線層１８０に含まれる配線のいくつかが図示される。
【0025】
光学素子アレイ１２０は、画素アレイ１１０を覆うように設けられる。光学素子アレイ１２０の例は、メタサーフェスである。メタサーフェスは、光の波長以下の幅を有する複数の微細構造体（構造体１６０に相当）を含んで構成される。メタサーフェスは、２次元構造を有してもよいし、３次元構造を有してもよい。光学素子アレイ１２０は、この構造体１６０のパラメータを変えるだけで、光の特性（波長、偏波、入射角）に応じて、位相と光強度を制御することができる。３次元構造の場合、２次元構造よりも設計自由度が向上する。
【0026】
光学素子アレイ１２０は、波長分離機能及びレンズ機能の２つの機能を有する。波長分離機能は、入射した光を各波長帯域の光に分離する機能である。レンズ機能は、各波長の光を、対応する画素に集光する機能である。この例では、光学素子アレイ１２０の波長分離機能により、入射した光が赤色の光、緑色の光、青色の光及びＮＩＲ光に分離される。レンズ機能により、赤色の光が画素Ｒに集光され、緑色の光が画素Ｇに集光され、青色の光が画素Ｂに集光され、ＮＩＲ光が画素ＮＩＲに集光される。
【0027】
光学素子アレイ１２０は、透明層１５０と、複数の構造体１６０とを含む。透明層１５０は、画素アレイ１１０を覆うように、画素アレイ１１０上に設けられる。透明層１５０は、構造体１６０の屈折率よりも低い屈折率を有する。透明層１５０の材料の例は、ＳｉＯ２等である。透明層１５０は空隙であってもよく、その場合、透明層１５０の屈折率は、空気の屈折率に等しくてよい。透明層１５０の材料は単一であってもよいし、複数の材料が層状になったものでもよい。
【0028】
複数の構造体１６０は、透明層１５０上または透明層１５０内において、透明層１５０の面方向（ｘｙ平面方向）に、例えば周期的に（周期構造を有して）、配置される。この例では、構造体１６０は、透明層１５０を挟んで画素アレイ１１０とは反対側（ｚ軸正方向側）において、透明層１５０上に設けられる。複数の構造体１６０は、設計を容易にする等のために等間隔配置されてもよいし、不等間隔配置されてもよい。各構造体１６０は、入射光の波長と同程度またはそれよりも小さい寸法を有するナノオーダーサイズの微細構造体である。複数の構造体１６０は、側面視したときに、同じ高さを有する。
【0029】
図５には、図２の画素ユニットＵ１に対応する領域の複数の構造体１６０の平面視したときの形状及び配置の例が模式的に示される。構造体１６０は、平面視したときに、例えば、正方形形状、十字形状、円形形状を有する。正方形形状、十字形状、円形形状の構造体１６０の各々は、基本形状が同じで異なる寸法（長さ、幅等）を有する。構造体１６０の平面視したときの形状は、４回回転対称形状であってよい。そのような形状は、例えば、正方形形状、十字形状、円形形状の少なくとも一つを含んで構成されてよい。各構造体１６０を、平面視したときに４回回転対称形状とすることで、偏光に対して無依存な特性とする。
【0030】
図５の例では、構造体１６０の平面視したときの形状として、正方形形状、十字形状を４５°面内回転させたＸ字形状、中空ひし形形状が示される。なお、中空ひし形形状は、正方形形状を含んで構成された形状の例であり、中空正方形形状を４５°面内回転させた形状である。
【0031】
なお、Ｘ字形状、ひし形形状のような４５°面内回転させた形状を採用すれば、隣接する構造体との間の光学的結合が弱まるので、それぞれの構造体の光学特性が、隣接する構造体の影響を受けず維持されやすくなる。その結果、後述する理想的な位相遅延量分布を再現し易くなる。
【0032】
図６～図９は、撮像素子１００における画素への集光を模式的に示す図である。撮像素子１００では、図６において矢印で示されるように、青色の光が画素Ｂに集光される。この例では、画素Ｂの上方（Ｚ軸正方向）の光だけでなく、画素Ｂの周辺の画素の上方の光も、画素Ｂに集光される。すなわち、複数の構造体１６０（図３～図５）は、画素Ｂと対向する領域の外側に入射した光のうちの画素Ｂに対応する色の光も、画素Ｂに集光するように配置される。これにより、画素Ｂと対向する領域に入射した光だけを画素Ｂに集光する場合よりも、受光光量を増加させることができる。
【0033】
撮像素子１００では、図７において矢印で示されるように、緑色の光が画素Ｇに集光される。この例では、画素Ｇの上方の光だけでなく、画素Ｇの周辺の画素の上方の光も、画素Ｇに集光される。すなわち、複数の構造体１６０は、画素Ｇと対向する領域の外側に入射した光のうちの画素Ｇと対向する色の光も、画素Ｇに集光するように配置される。これにより、画素Ｇと対向する領域に入射した光だけを画素Ｇに集光する場合よりも、受光光量を増加させることができる。
【0034】
撮像素子１００では、図８において矢印で示されるように、赤色の光が画素Ｒに集光される。この例では、画素Ｒの上方の光だけでなく、画素Ｒの周辺の画素の上方の光も、画素Ｒに集光される。すなわち、複数の構造体１６０は、画素Ｒと対向する領域の外側に入射した光のうちの画素Ｒに対応する色の光も、画素Ｒに集光するように配置される。これにより、画素Ｒと対向する領域に入射した光だけを画素Ｒに集光する場合よりも、受光光量を増加させることができる。
【0035】
撮像素子１００では、図９において矢印で示されるように、近赤外光が画素ＮＩＲに集光される。この例では、画素ＮＩＲの上方の光だけでなく、画素ＮＩＲの周辺の画素の上方の光も、画素ＮＩＲに集光される。すなわち、複数の構造体１６０は、画素ＮＩＲと対向する領域の外側に入射した光のうちの画素ＮＩＲに対応する色の光も、画素ＮＩＲに集光するように配置される。これにより、画素ＮＩＲと対向する領域に入射した光だけを画素ＮＩＲに集光する場合よりも、受光光量を増加させることができる。
【0036】
このように複数の構造体１６０は、入射した光のうち、赤色の光を画素Ｒに集光し、緑色の光を画素Ｇに集光し、青色の光を画素Ｂに集光し、ＮＩＲ光を画素ＮＩＲに集光する。
【0037】
［構造体］
入射光の波長領域に応じて異なる集光位置を有する構造体１６０を実現するには、波長領域毎に異なる光波面を与える構造を実現する必要がある。本実施の形態１では、微細な柱状の構造体１６０が入射光に与える位相遅延量の波長分散特性を利用することで、波長分離機能と集光機能との双方を実現する。
入射光の波長領域に応じて異なる集光位置を有する構造体１６０を実現するには、波長領域毎に異なる光波面を与える構造を実現する必要がある。本実施の形態１では、微細な柱状の構造体１６０が入射光に与える位相遅延量の波長分散特性を利用することで、波長分離機能と集光機能との双方を実現する。
【0038】
構造体１６０は、構造周囲の透明層１５０或いは空気の屈折率ｎ０よりも高い屈折率ｎ１を有するＴｉＯ２ やＳｉＮ等の材料から形成されており、側面視したときの構造体１６０の高さ（ｚ軸方向の長さ）ｈを一定とする。この構造体１６０は、透明層との屈折率差から、光を構造内に閉じ込めて伝搬させる光導波路として考えることができる。
【0039】
したがって、レンズ光学系１１側から光を入射すると、光は構造内に強く閉じ込められながら伝搬し、光導波路の実効的な屈折率ｎｅｆｆにより決定される位相遅延効果を受けて、画素アレイ１１０側から出力される。
【0040】
具体的に、透明層を構造の厚み分の長さを伝搬した光の位相を基準した際、構造体１６０による位相遅延量φは、光の真空中での波長をλとおくと、式（１）で表される。
【0041】
【数1】
【0042】
この位相遅延量φは、光の波長λによって異なるため、同一の構造体において、光を波長領域に応じて異なる位相遅延量を与えることができる。
【0043】
さらに、光導波路の実効的な屈折率ｎｅｆｆは、構造体１６０の断面形状に大きく依存することが知られており、ｎ０＜ｎｅｆｆ＜ｎ１の値をとる。また、光導波路の実効的な屈折率ｎｅｆｆは、光の波長λによっても異なり、その度合いは構造体１６０の断面形状に大きく依存する。
【0044】
したがって、多様な断面形状をもつ柱状の構造体１６０を用いることで、光の波長λに応じた位相遅延量の多彩な組み合わせを設定することが可能であり、波長領域に応じて異なる集光位置をもつレンズを新たに設計、実現することが可能となる。
【0045】
［構造体の形状］
図１０～図１５は、構造体１６０の概略構成の例を示す図である。図１０は、平面視したときの形状が正方形形状である構造体１６０の側面図である。図１１は、図１０に示す構造体１６０の平面図である。図１２は、平面視したときの形状がＸ字形状である構造体１６０の側面図である。図１３は、図１２に示す構造体１６０の平面図である。及び平面視したときを概略構成の一例を示す。図１４は、平面視したときの形状が中空ひし形形状である構造体１６０の側面図である。図１５は、図１４に示す構造体１６０の平面図である。
図１０～図１５は、構造体１６０の概略構成の例を示す図である。図１０は、平面視したときの形状が正方形形状である構造体１６０の側面図である。図１１は、図１０に示す構造体１６０の平面図である。図１２は、平面視したときの形状がＸ字形状である構造体１６０の側面図である。図１３は、図１２に示す構造体１６０の平面図である。及び平面視したときを概略構成の一例を示す。図１４は、平面視したときの形状が中空ひし形形状である構造体１６０の側面図である。図１５は、図１４に示す構造体１６０の平面図である。
【0046】
構造体１６０は、ｚ軸方向に延在する柱状構造体であり、透明層１５０（例えばＳｉＯ２基板（屈折率１．４５））上に形成される。構造体１６０の材料の例は、ＴｉＯ２（屈折率２．４０）である。構造体１６０の側方及び上方は、空気（Ａｉｒ（屈折率１．０））である。
【0047】
それぞれの構造体１６０の配置周期をＰとする。配置周期Ｐは、透過側で回折光が生じないように、式（２）のように設定することが望ましい。
【0048】
【数2】
【0049】
λｍｉｎは、受光対象の波長帯域における最短波長であり、例えば４１０ｎｍである。ｎ２は、透明層１５０の屈折率であり、透明層１５０がＳｉＯ２の場合、ｎ２＝１．４５である。構造体１６０の配置周期Ｐは、例えば、２８０ｎｍである。
【0050】
図１０～図１５では、側面視したときの構造体１６０の高さ（ｚ軸方向の長さ）を、高さｈと称し図示する。構造体１６０の高さｈは、一定である。高さｈは、構造体１６０が、入射した光、すなわちｚ軸方向に沿って進む光に対して２π以上の光位相遅延量（位相値）を与えることができるように、式（３）のように設定することが望ましい。
【0051】
【数3】
【0052】
波長λｒは、波長分離の対象となる光の波長帯域のうち、最も長波長側の波長帯域における所望の中心波長である。ｎ１は、構造体１６０の屈折率である。構造体１６０がＴｉＯ２の場合、ｎ１＝２．４０であり、高さｈは例えば１２５０ｎｍである。また、構造体１６０は、ＳｉＮ（屈折率２．０５）で形成されてもよい。この場合、ｎ１＝２．０５であり、構造体１６０の高さｈは、例えば１６００ｎｍである。
【0053】
構造体１６０の断面形状を設計（寸法設計を含む）することで、各波長の光に対して異なる光位相遅延量を与えることのできる様々な組み合わせが実現可能である。構造体１６０の断面形状を多様化させることで、組み合わせが増加し、設計自由度はさらに向上する。
【0054】
［レンズ設計の例］
レンズ設計の例について、図１６～図２１を参照して説明する。図１６は、画素ユニットの画素配置を模式的に示す図である。レンズ設計では、理想的な光位相遅延量分布（位相分布）を実現するように、構造体１６０の断面形状及び配置を設計する。以下に説明する例では、図１６に示す画素Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＮＩＲのそれぞれに、赤色の光、緑色の光、青色の光及び近赤外光が集光されるように、赤色の光、緑色の光、青色の光及び近赤外光それぞれの波長帯域の中心波長ごとに理想的な光位相遅延量分布に従って、ＴｉＯ２組成構造の構造体１６０の断面形状及び配置を設計した。例えば、画素の大きさは、１．６８μｍ×１．６８μｍである。焦点距離は、５．０μｍである。青色の光に対応する中心波長は、４３０ｎｍである。緑色の光に対応する中心波長は、５２０ｎｍである。赤色の光に対応する中心波長は、６３５ｍである。近赤外光に対応する中心波長は、８５０ｎｍである。
レンズ設計の例について、図１６～図２１を参照して説明する。図１６は、画素ユニットの画素配置を模式的に示す図である。レンズ設計では、理想的な光位相遅延量分布（位相分布）を実現するように、構造体１６０の断面形状及び配置を設計する。以下に説明する例では、図１６に示す画素Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＮＩＲのそれぞれに、赤色の光、緑色の光、青色の光及び近赤外光が集光されるように、赤色の光、緑色の光、青色の光及び近赤外光それぞれの波長帯域の中心波長ごとに理想的な光位相遅延量分布に従って、ＴｉＯ２組成構造の構造体１６０の断面形状及び配置を設計した。例えば、画素の大きさは、１．６８μｍ×１．６８μｍである。焦点距離は、５．０μｍである。青色の光に対応する中心波長は、４３０ｎｍである。緑色の光に対応する中心波長は、５２０ｎｍである。赤色の光に対応する中心波長は、６３５ｍである。近赤外光に対応する中心波長は、８５０ｎｍである。
【0055】
理想的な光位相遅延量分布をφとすると、φは以下の式（４）で表される。
【0056】
【数4】
【0057】
上記の式（４）において、λｄは、中心波長（設計波長）である。ｘｆ、ｙｆ及びｚｆは、集光位置である。ｎ２は、下方の透明層１５０の屈折率である。Ｃは、任意定数である。
【0058】
理想的な光位相遅延量分布は、画素Ｂ、画素Ｇ、画素Ｂ及び画素ＮＩＲそれぞれに以下の集光位置を与える位相分布とした。なお、４つの画素（画素ユニット）の中心位置が、ｘ＝０、ｙ＝０に対応する。
画素Ｂ：ｘｆ＝＋０．８４μｍ、ｙｆ＝－０．８４μｍ、ｚｆ＝５．０μｍ
画素Ｇ：ｘｆ＝＋０．８４μｍ、ｙｆ＝＋０．８４μｍ、ｚｆ＝５．０μｍ
画素Ｒ：ｘｆ＝－０．８４μｍ、ｙｆ＝＋０．８４μｍ、ｚｆ＝５．０μｍ
画素ＮＩＲ：ｘｆ＝－０．８４μｍ、ｙｆ＝－０．８４μｍ、ｚｆ＝５．０μｍ
画素Ｂ：ｘｆ＝＋０．８４μｍ、ｙｆ＝－０．８４μｍ、ｚｆ＝５．０μｍ
画素Ｇ：ｘｆ＝＋０．８４μｍ、ｙｆ＝＋０．８４μｍ、ｚｆ＝５．０μｍ
画素Ｒ：ｘｆ＝－０．８４μｍ、ｙｆ＝＋０．８４μｍ、ｚｆ＝５．０μｍ
画素ＮＩＲ：ｘｆ＝－０．８４μｍ、ｙｆ＝－０．８４μｍ、ｚｆ＝５．０μｍ
【0059】
φは、０～２πの範囲に収まるように変換している。例えば、－０．５π及び２．５πは、１．５π及び０．５πにそれぞれに変換している。各中心波長における光位相遅延量分布が、集光位置を中心に（隣接レンズとあわせて）左右上下対称となるように光位相遅延量分布の境界領域を設定した。定数Ｃは、各波長において、光位相遅延量分布のエラー（理想値との差）が最小になるように最適化されてよい。各波長における光位相遅延量から、上記４波長の各中心波長での光位相遅延量分布に最も適合する構造（エラーが最小になる構造）を、対応する位置に配置した。
【0060】
図１７～図２１は、構造体１６０がＴｉＯ２である場合のレンズ設計の例を示す図である。図２１は、構造体１６０の平面視したときの形状及び配置の一例を示す平面図である。図２１に示すように、図１６に示す画素Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＮＩＲにそれぞれ対応する波長の光を集光させる形状及び配置で、複数の構造体１６０が形成される。なお、図２１の中心位置が、ｘ＝０、ｙ＝０に対応する。
【0061】
図１７には、中心波長が４３０ｎｍ（青色の光）の場合の理想的な光位相遅延量分布（Ｐｈａｓｅ（ｒａｄ／π））が示される。図１８には、中心波長が５２０ｎｍ（緑色の光）の場合の理想的な光位相遅延量分布が示される。図１９には、中心波長が６３５ｎｍ（赤色の光）の場合の理想的な光位相遅延量分布が示される。図２０には、中心波長が８５０ｎｍ（近赤外光）の場合の理想的な光位相遅延量分布が示される。
【0062】
図２１は、図１７～図２０のそれぞれ光位相遅延量分布を実現できる構造体１６０の平面図であり、１画素ユニット（図１６参照）あたりに設計される構造体１６０の形状パターンである。図２１に示すように、構造体１６０の形状は、正方形形状、×字形状、中空ひし形の角柱である。この構造体１６０の平面形状は、図１７～図２０に示す光位相遅延量分布のうち、それぞれ対応する位置の位相を実現できる形状に設定される。このため、構造体１６０の平面形状は、正方形形状、×字形状、中空ひし形の複数種類の形状とせずとも、１種類（例えば、正方形形状）の形状で設定してもよい。また、構造体１６０の形状は、分離対象の波長領域に限定することなく、正方形形状、×字形状、中空ひし形のいずれの種類の形状を設定することができる。なお、分離対象の波長領域ごとに、構造体１６０の平面形状の種類を設定してもよい。
【0063】
図２２は、構造体１６０がＴｉＯ２である場合の、各画素が受光するスペクトルの一例を示す図である。スペクトルは、無偏光の平面光波を、基板（xy平面）に対して垂直に入射した際のスペクトルである。構造体１６０の下端（レンズ構造端）から画素アレイ１１０までの距離は、５．０μｍ（レンズ焦点距離）である。グラフの横軸は、波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｎｍ））を示す。縦軸は、受光効率（Ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｐｏｗｅｒ）を示す。受光効率は、（１画素上の光強度）／（構造体１６０（レンズ（４画素の面積））への入射光強度）である。例えば構造体１６０に入射した光の半分が画素に入射すると、受光効率は０．５になる。
【0064】
各画素が対応する光の波長帯域でピークを持つように、各画素に光が集光される。画素Ｒに入射する光のスペクトルが、グラフ線Ｒで示される。画素Ｇに入射する光のスペクトルが、グラフ線Ｇで示される。画素Ｂに入射する光のスペクトルが、グラフ線Ｂで示される。画素ＮＩＲに入射する光のスペクトルが、グラフ線ＮＩＲで示される。比較例として、実施の形態１に係る光学素子アレイ１２０に代えて、一般的なフィルタ（カラーフィルタ）を用いた場合の受光効率の上限値０．２が、Filter limit (with Tmax=80%)として示される。この受光効率の上限値０．２は、各波長で最大８０％の透過率を有するフィルタを、画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂ及び画素ＮＩＲの４画素に分割した値（０．８／４＝０．２）である。
【0065】
画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂ及び画素ＮＩＲのいずれもが、比較例の上限値０．２よりも大きいピーク値を持っており、画素での受光光量が比較例よりも大きくなることが分かる。例えば、波長４３０ｎｍにおいて、画素Ｂの受光効率は、比較例の上限値０．２を大きく上回る。波長５２５ｎｍにおいても、画素Ｇの受光効率は、比較例の上限値０．２を大きく上回る。波長６３５ｎｍにおいても、画素Ｒの受光効率は、比較例の上限値０．２を大きく上回る。波長８５０ｎｍにおいても、画素ＮＩＲの受光効率は、比較例の上限値０．２を大きく上回る。
【0066】
レンズの総透過率、すなわち（全画素上の光強度の総和）／（構造体１６０への入射光強度）を波長４００ｎｍ～９００ｎｍにわたって平均した値は９４．７％であり、ほぼ全ての入射光を受光することができ、一般的なフィルタを用いた場合の上限値～３０％をも大きく上回る。このことからも、画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂ及び画素ＮＩＲのいずれの画素においても、受光効率を向上できることが分かり、受光量増加を確認できた。
【0067】
［実施の形態１の効果］
以上説明したように、光学素子アレイ１２０によれば、赤の光、緑の光、青の光、近赤外光に対する波長分離機能と、レンズ機能の両方の機能が実現される。例えば従来技術に係る撮像素子は、光学素子アレイ１２０ではなく、フィルタ（例えばカラーフィルタ）を備えている。すなわち、例えば従来技術に係る撮像素子は、各画素の色に対応するフィルタが、その画素を覆うように設けられる。この場合、例えば従来技術に係る撮像素子は、フィルタによって透過波長帯域以外の波長の光が吸収されるので、フィルタ透過後の光量が、フィルタに入射した光の光量の約１／４程度しか残らず、受光効率が低下する。
以上説明したように、光学素子アレイ１２０によれば、赤の光、緑の光、青の光、近赤外光に対する波長分離機能と、レンズ機能の両方の機能が実現される。例えば従来技術に係る撮像素子は、光学素子アレイ１２０ではなく、フィルタ（例えばカラーフィルタ）を備えている。すなわち、例えば従来技術に係る撮像素子は、各画素の色に対応するフィルタが、その画素を覆うように設けられる。この場合、例えば従来技術に係る撮像素子は、フィルタによって透過波長帯域以外の波長の光が吸収されるので、フィルタ透過後の光量が、フィルタに入射した光の光量の約１／４程度しか残らず、受光効率が低下する。
【0068】
これに対し、実施の形態１に係る撮像素子１００によれば、上述のとおり受光量がそれよりも多く（例えば９０％よりも多く）維持されるので、受光効率が大幅に向上する。また、本実施に係る撮像素子１００は、フィルタを設けずともよいため、従来の撮像素子で必要であったカラー画像を生成するための色の校正処理も不要となり、色再現性の向上を図ることができる。
【0069】
また、従来技術には、開口率の向上、光入射角度依存性の低減等によって受光光量を増加させる（感度を向上させる）ために、フィルタを挟んで画素とは反対側にマイクロレンズを設けた（集積化した）ものもある。この場合は、少なくともフィルタ及びマイクロレンズの２層構造となるため、構造が複雑化し、製造コストも増加する。
【0070】
これに対し、実施の形態１に係る光学素子アレイ１２０によれば、波長分離機能及びレンズ機能が光学素子アレイ１２０のみで実現できるので、構造を簡素化し、製造コストを低減することができる。また、複数の構造体１６０を面内（ｘｙ平面内）に隙間なく配置できるので、マイクロレンズに比べて開口率が増加する。
【0071】
なお、図１に示す信号処理部１３は、撮像素子１２から得られた電気信号に基づいて画素信号を生成する。電気信号を得るために、信号処理部１３は、撮像素子１２の制御も行う。撮像素子１２の制御は、撮像素子１２の画素の露光、画素アレイ１１０に蓄積された電荷の電気信号への変換、電気信号の読出し等を含む。
【0072】
また、光学素子アレイ１２０は、上記の構成に制限されることはなく、構造体１６０の数や間隔、構造形状、配列パターンにおいて様々な形態をとり得る。また、構造体１６０は、それぞれが接続されていてもよく、また透明材料内に埋め込まれた形態でもよい。
【0073】
また、図３及び図４では、光学素子アレイ１２０が透明層１５０の上面に形成されているがこれに限らない。図２３及び図２４は、実施の形態１に係る撮像素子における画素アレイ及び光学素子アレイの断面の一部の他の例を模式的に示す図である。
【0074】
図２３の撮像素子１００Ａに示すように、光学素子アレイ１２０は、画素１３０上の透明層１５０Ａの内部に埋め込まれていてもよい。この際、透明層１５０Ａの材料は、単一でもよいし、複数の材料が層状になってものでもよい。また、図２４の撮像素子１００Ｂに示すように、光学素子アレイ１２０は、独立した透明基板１９０の底面に形成されてもよい。この場合、光学素子アレイ１２０と画素１３０との間の領域は、空気１５０Ｂで満たされている。この際、透明基板１９０の材料は、単一でもよいし、複数の材料が層状になってものでもよい。撮像素子１００，１００Ａ，１００Ｂは、オンチップマイクロレンズや内部マイクロレンズ、クロストーク軽減用の画素間障壁などとも併用可能である。
【0075】
また、上記では、１つの光学素子ユニットの直下に４つの画素が位置する例について説明したが、これに限定されない。
【0076】
また、構造体１６０の断面形状は、先に説明した図５等に示される形状に限られない。図２５は、構造体の断面形状の例を示す図である。図２５に例示されるようなさまざまな断面形状を、構造体１６０が有してよい。例示される形状は、例えば正方形形状、十字形状及び円形形状をさまざまに組み合わせることによって得られる４回回転対称形状である。
【0077】
【0078】
図２６及び図２７に示す撮像素子２００は、画素アレイ１１０と光学素子アレイ１２０との間に設けられたフィルタ層１７０を備える。図２６には、図２において撮像素子１００を撮像素子２００に置き換えた場合の、ａ－ａ´線に沿って側面視したときの撮像素子２００の断面の例が示される。図２７には、図２において撮像素子１００を撮像素子１００に置き換えた場合の、ｂ－ｂ´線に沿って側面視したときの撮像素子２００の断面の例が示される。
【0079】
フィルタ層１７０は、画素Ｒを覆うように設けられ、赤の光を透過させるフィルタ１７０Ｒと、画素Ｇを覆うように設けられ、緑の光を透過させるフィルタ１７０Ｇと、画素Ｂを覆うように設けられ、青の光を透過させるフィルタ１７０Ｂと、画素ＮＩＲを覆うように設けられ、近赤外光を透過させるフィルタ１７０ＮＩＲとを含む。フィルタ層１７０の材料の例は、樹脂等の有機材料である。
【0080】
光学素子アレイ１２０によって色分離された光は、さらにフィルタ層１７０を通過してから、画素アレイ１１０に到達する。光学素子アレイ１２０及びフィルタ層１７０の両方の波長分離により、一方でのみ波長分離される場合よりも、スペクトルのクロストークが抑制され（不要な他の波長成分の大部分が除去され）、色再現性が向上する。また、入射した光は光学素子アレイ１２０で分離された後にフィルタ層１７０を通過するので、光量を大きく減少させることがない。したがって、光学素子アレイ１２０が無くフィルタ層１７０のみが設けられる場合と比較して、画素の受光効率が向上する。
【0081】
【0082】
図２８では、画素Ｒの受光効率が、グラフ線Ｍｅｔａｌｅｎｓ×Ｒ ｆｉｌｔｅｒ （Ｒ）で示される。画素Ｇの受光効率が、グラフ線Ｍｅｔａｌｅｎｓ×Ｇ ｆｉｌｔｅｒ （Ｇ１ ｏｒ Ｇ２）で示される。画素Ｂの受光効率が、グラフ線Ｍｅｔａｌｅｎｓ×Ｒ ｆｉｌｔｅｒ （Ｂ）で示される。画素ＮＩＲの受光効率が、グラフ線Ｍｅｔａｌｅｎｓ×Ｒ ｆｉｌｔｅｒ （ＮＩＲ）で示される。比較例として、光学素子アレイ１２０が無く一般的なフィルタだけが設けられた場合の画素Ｒの受光効率が、グラフ線Ｒ ｆｉｌｔｅｒ （Ｒ）で示される。画素Ｇの受光効率が、グラフ線Ｇ ｆｉｌｔｅｒ （Ｇ１ ｏｒ Ｇ２）で示される。画素Ｂの受光効率が、グラフ線Ｂ ｆｉｌｔｅｒ （Ｂ）で示される。画素ＮＩＲの受光効率が、グラフ線 ｆｉｌｔｅｒ （ＮＩＲ）で示される。なお、比較例として併記したフィルタのみが設けられたＲＧＢ－ＩＲセンサの各画素の感度スペクトルは、参考文献１を参照した。
参考文献１：Y. Monno, H. Teranaka, K. Yoshizaki, M. Tanaka, & M. Okutomi, (2018). “Single-sensor RGB-NIR imaging: High-quality system design and prototype implementation”. IEEE Sensors Journal, 19(2), 497-507.
参考文献１：Y. Monno, H. Teranaka, K. Yoshizaki, M. Tanaka, & M. Okutomi, (2018). “Single-sensor RGB-NIR imaging: High-quality system design and prototype implementation”. IEEE Sensors Journal, 19(2), 497-507.
【0083】
画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂ及び画素ＮＩＲのスペクトルのピーク値は、比較例の１．５～１．９倍程度もあり、比較例よりも大きな受光効率が得られる。総透過率も３９．４％であり、比較例の３２．９％を上回る（約１．２０倍）。さらに、各画素に入射する光のスペクトルも比較例のスペクトルよりシャープになっており、その分、不要な他の波長成分を減少できることも分かる。これにより、色再現性が高められる。
【0084】
［実施の形態２の効果］
このように、フィルタ層１７０をさらに備える撮像素子２００によれば、受光効率を向上させるとともに、色再現性をもさらに向上させることができる。
このように、フィルタ層１７０をさらに備える撮像素子２００によれば、受光効率を向上させるとともに、色再現性をもさらに向上させることができる。
【0085】
［実施の形態２の変形例］
図２９～図３２は、実施の形態２の変形例に係る撮像素子の概略構成の例を示す図である。図２９及び図３０の撮像素子２００Ａに示すように、フィルタ層１７０に代えて、近赤外吸収フィルタ１７０Ａを設けてもよい。また、図３１及び図３２の撮像素子２００Ｂに示すように、フィルタ層１７０の上（或いは下）に近赤外吸収フィルタ層１７０Ａを設けてもよい。近赤外吸収フィルタ層１７０Ａは、画素Ｒ、画素Ｇ及び画素Ｂのみの直上に、画素Ｒ、画素Ｇ及び画素Ｂのみを覆うように設けられた近赤外光を吸収するフィルタ１７０ＮＩＲを有する。このように、近赤外吸収フィルタ層１７０Ａが、画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂの直上のみに設けられることで、ノイズ要因となる近赤外光の画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂへの入射を抑制することができる。なお、画素ＮＩＲについては、近赤外光の受光が必要であるため、画素ＮＩＲ上にはフィルタ１７０ＮＩＲは設けられない。
図２９～図３２は、実施の形態２の変形例に係る撮像素子の概略構成の例を示す図である。図２９及び図３０の撮像素子２００Ａに示すように、フィルタ層１７０に代えて、近赤外吸収フィルタ１７０Ａを設けてもよい。また、図３１及び図３２の撮像素子２００Ｂに示すように、フィルタ層１７０の上（或いは下）に近赤外吸収フィルタ層１７０Ａを設けてもよい。近赤外吸収フィルタ層１７０Ａは、画素Ｒ、画素Ｇ及び画素Ｂのみの直上に、画素Ｒ、画素Ｇ及び画素Ｂのみを覆うように設けられた近赤外光を吸収するフィルタ１７０ＮＩＲを有する。このように、近赤外吸収フィルタ層１７０Ａが、画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂの直上のみに設けられることで、ノイズ要因となる近赤外光の画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂへの入射を抑制することができる。なお、画素ＮＩＲについては、近赤外光の受光が必要であるため、画素ＮＩＲ上にはフィルタ１７０ＮＩＲは設けられない。
【0086】
なお、実施の形態１，２では、構造体１６０の材料として、ＴｉＯ２及びＳｉＮを例に挙げて説明した。ただし、構造体１６０の材料はそれらに限定されない。例えば、波長が３８０ｎｍ～１０００ｎｍの光（可視光～近赤外光）の光に対しては、ＳｉＮの他に、ＳｉＣ、ＴｉＯ２、ＧａＮ等が構造体６の材料として用いられてよい。屈折率が高く、吸収損失が少ないため適している。波長が８００～１０００ｎｍの光（近赤外光）で用いる場合は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、ＧａＡｓ、ＧａＮ等が構造体６の材料として用いられてよい。低損失であるため適している。長波長帯の近赤外領域（通信波長である１．３μｍや１．５５μｍ等）の光に対しては、上述の材料に加えて、ＩｎＰ等を構造体１６０の材料として用いることができる。
【0087】
また、構造体１６０が、貼り付け、塗布等によって形成される場合、フッ素化ポリイミド等のポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、光硬化性樹脂、ＵＶエポキシ樹脂、ＰＭＭＡ等のアクリル樹脂、レジスト全般などのポリマー等が材料として挙げられる。
【0088】
また、実施の形態１，２では、透明層１５０の材料としてＳｉＯ２及び空気層を想定した例を示したが、これらに限定されない。一般的なガラス材料等も含め、構造体１６０の材料の屈折率より低い屈折率を有し、入射光の波長に対して低損失なものであればよい。透明層１５０は、対応する画素に到達すべき光の波長に対して十分に低損失であればよいため、カラーフィルタと同様の材質であってもよく、例えば樹脂などの有機材料であってもよい。この場合、単に透明層１５０がカラーフィルタと同様の材質であるばかりでなく、カラーフィルタと同様の構造を持ち、対応する画素に導かれるべき光の波長に応じた吸収特性を持つよう設計されていてもよい。
【0089】
また、実施の形態１，２では、画素の対応する色として、ＲＧＢの３原色及び近赤外光を例に挙げて説明したが、画素は、近赤外光及び３原色以外の波長の光（例えば、赤外光、紫外光等）にも対応してよい。
【0090】
また、実施の形態１，２では、構造体１６０の形状として、正方形形状、×字形状、中空ひし形の異なる３種類の断面形状を有する構造体が用いられる例について説明した。この形状は一例であり、２種類の構造体（例えば正方形形状、×字形状のみ）が用いられてもよいし、４種類以上の構造体が用いられてもよい。
【0091】
以上、本発明を具体的な実施の形態に基づいて説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
【0092】
以上説明した技術は、例えば次のように特定される。図１～図５、図２３及び図２４等を参照して説明したように、光学素子アレイ１２０は、各々が光電変換素子を含む複数の画素を覆うための透明層１５０と、透明層１５０上または透明層１５０内において透明層１５０の面方向（ＸＹ平面方向）に配置された複数の構造体１６０と、を備え、複数の構造体１６０は、入射した光のうち、波長が近赤外光領域である第１の光を前記複数の画素のうちの第１の画素（画素ＮＩＲ）に集光し、波長が近赤外領域外の領域である第２の色（例えば、青）の光を第２の画素（例えば画素Ｂ）に集光するように配置される。
【0093】
上記の光学素子アレイ１２０は、近赤外光領域の波長と他の領域の波長との分離機能及びレンズ機能（集光機能）の両方の機能を兼ね備える。したがって、例えば各画素に対応するフィルタ（例えばカラーフィルタ）を設けたり、さらにはマイクロレンズを設けたりする場合よりも、画素における、入射光の可視光と近赤外光との受光効率を大幅に向上させ、受光感度を向上させることができる。また、構造が簡素化されるため、製造コストを低減することもできる。複数の構造体１６０を面内に隙間なく配置できるため、マイクロレンズに比べて開口率も増加する。色分離機能及びレンズ機能は、近赤外光領域の波長と他の領域の波長とを分離集光する機能に限らず、近赤外光と、３色または２色の光とに対応していてもよい。
【0094】
図１～図５、図２３及び図２４等を参照して説明したように、光学素子アレイ１２０は、各々が光電変換素子を含む複数の画素を覆うための透明層１５０と、透明層１５０上または透明層１５０内において透明層１５０の面方向（平面方向）に配置された複数の構造体１６０と、を備え、入射した光のうち、近赤外光領域である第１の光を出力し、入射した光のうち、波長が前記近赤外領域外の領域である第２の色の光を出力してもよい。これによって、光学素子アレイ１２０は、近赤外光領域の波長と他の領域の波長との分離機能及を備える。
【0095】
図１０～図１５等を参照して説明したように、複数の構造体１６０の各々は、透明層５の屈折率よりも高い屈折率を有し、入射した光に対して断面形状に応じた光位相遅延量を与える柱状構造体であってよい。図１６～図２１等を参照して説明したように、複数の構造体１６０は、上述の集光を実現するための光位相遅延量分布に従って配置されてよい。例えばこのような複数の構造体１６０の配置により、波長分離機能及びレンズ機能の両方の機能を実現することができる。
【0096】
【0097】
図６～図９等を参照して説明したように、複数の構造体６は、１つの画素と対向する領域の外側に入射した光のうちの当該１つの画素に対応する波長の光も当該１つの画素に集光するように配置されてよい。これにより、１つの画素と対向する領域に入射した光だけをその画素に集光する場合よりも、受光光量を増加させることができる。
【0098】
図１～図５等を参照して説明した撮像素子１００も、本開示の一態様である。撮像素子１００は、光学素子アレイ１２０と、透明層１５０で覆われた複数の画素１３０（画素ＮＩＲ等）と、を備える。これにより、先にも説明したように、製造コストを低減することができる。受光感度を向上させたり、開口率を増加させたりすることもできる。
【0099】
図２６及び図２７等を参照して説明したように、撮像素子２００は、複数の画素（画素ＮＩＲ等）と透明層１５０との間に設けられたフィルタ層１７０を備えてよい。これにより、受光効率を向上させるとともに、色再現性をさらに向上させることができる。
【0100】
そして、図２９～図３２を参照して説明したように、撮像素子２００Ａ，２００Ｂは、第２の画素上にのみ設けられた近赤外吸収フィルタ１７０Ａを設けてもよい。第２の画素（画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂ）の直上に、近赤外光を吸収する近赤外吸収フィルタを設けて、ノイズ要因となる近赤外光の第２の画素（画素Ｒ、画素Ｇ、画素Ｂ）への入射を抑制してもよい。
【0101】
図１等を参照して説明した撮像装置１０も、本開示の一態様である。撮像装置１０は、上述の撮像素子１２と、撮像素子１２から得られた電気信号に基づいて画素信号に基づいて画像信号を生成する信号処理部１３と、を備える。これにより、先にも説明したように、製造コストを低減することができる。受光感度を向上させたり、開口率を増加させたりすることもできる。
【符号の説明】
【0102】
１ 物体
１０ 撮像装置
１１ レンズ光学系
１２，１００，１００Ａ，１００Ｂ，２００ 撮像素子
１３ 信号処理部
１１０ 画素アレイ
１２０ 光学素子アレイ
１３０ 画素
１５０，１５０Ａ 透明層
１６０ 構造体
１７０ フィルタ層
１８０ 配線層
１９０ 透明基板
１０ 撮像装置
１１ レンズ光学系
１２，１００，１００Ａ，１００Ｂ，２００ 撮像素子
１３ 信号処理部
１１０ 画素アレイ
１２０ 光学素子アレイ
１３０ 画素
１５０，１５０Ａ 透明層
１６０ 構造体
１７０ フィルタ層
１８０ 配線層
１９０ 透明基板
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】