JP5372102B2 - 光電変換装置および撮像システム - Google Patents

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Description

本発明は、複数の光電変換部を有する半導体基板を備えた光電変換装置およびそれを用いた撮像システムに関する。
複数の光電変換部を備えた光電変換装置においては、複数の光電変換部の各々に適切に光を入射させる必要がある。そのために、入射光を集光するためのレンズ（マイクロレンズ）や、入射光を光電変換部へ導光するための導光路（光導波路）を有する導光構造を設けることが有効である。
特許文献１、２にはレンズおよび導光構造を有する光電変換装置が開示されている。
特開２００７−２０１０９１号公報 特開２００８−１９２９５１号公報
特許文献１、２のように、マイクロレンズや導光路を画素毎に設けているにも関わらず、画像の輪郭がぼやけたり、カラー画像の場合には混色が生じたりするなど、画質の低下が確認された。これは入射光が適切でない光電変換部に入射していることが原因であると考えられる。そこで本発明は、適切な光を光電変換部に精度よく入射させることができる光電変換装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明は、各々が、光電変換部と、第１レンズ部と、前記第１レンズ部と前記光電変換部との間に設けられた第２レンズ部と、前記第２レンズ部と前記光電変換部との間に設けられた導光路と、を備える複数の受光素子が配列された光電変換装置であって、前記複数の受光素子は、第１受光素子と、第１方向において前記第１受光素子に隣り合う第２受光素子と、前記第１方向に対して斜めの第２方向において前記第１受光素子に隣り合う第３受光素子とを含み、前記第１受光素子の第１レンズ部の光軸と前記第２受光素子の第１レンズ部の光軸との距離が、前記第１受光素子の第１レンズ部の前記光軸と前記第３受光素子の第１レンズ部の光軸との距離よりも小さい光電変換装置である。
上記課題を解決するための本発明は、上記光電変換装置に関して、前記第２受光素子の第１レンズ部が前記第１受光素子の第１レンズ部に接し、前記第２受光素子の第２レンズ部が前記第１受光素子の第２レンズ部から離れており、前記複数の受光素子の第２レンズ部の各々は、前記第１レンズ部側に凸の曲面を有する凸レンズ形状を呈し、かつ、レンズ体と、前記曲面に沿って設けられた、前記第２レンズ部の前記レンズ体の屈折率よりも低い屈折率を有する層を含むコーティングと、で構成されており、前記第１受光素子の第２レンズ部と前記第２受光素子の第２レンズ部との間には、前記第２レンズ部の前記レンズ体と同じ材料からなる基体と、前記第２レンズ部の前記コーティングとで構成された連結部が設けられており、前記第１方向における前記第１受光素子の導光路の幅が、前記第１方向における前記第１受光素子の第２レンズ部の幅よりも小さく、前記第１受光素子の第２レンズ部と前記第１受光素子の導光路との間に、前記第１受光素子の第２レンズ部の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率膜が設けられていることを特徴とする。
また、上記課題を解決するための本発明は、上記光電変換装置に関して、前記第２受光素子の第１レンズ部および前記第３受光素子の第１レンズ部が前記第１受光素子の第１レンズ部に接しており、前記第２受光素子の第２レンズ部および前記第３受光素子の第２レンズ部が前記第１受光素子の第２レンズ部から離れており、前記複数の受光素子の第２レンズ部の各々は、前記第１レンズ部側に凸の曲面を有する凸レンズ形状を呈し、前記第１方向における前記第１受光素子の導光路の幅が、前記第１方向における前記第１受光素子の第２レンズ部の幅よりも小さく、前記第２方向における前記第１受光素子の導光路の幅が、前記第２方向における前記第１受光素子の第２レンズ部の幅よりも小さく、前記第１受光素子の第２レンズ部と前記第１受光素子の導光路との間に、前記第１受光素子の第２レンズ部の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率膜が設けられていることを特徴とする。
また、上記課題を解決するための本発明は、上記光電変換装置に関して、前記第１方向における前記第１受光素子の第１レンズ部の幅が、前記第１受光素子の第１レンズ部の前記光軸と前記第２受光素子の第１レンズ部の前記光軸との前記距離に等しく、前記第２方向における前記第１受光素子の第１レンズ部の幅が、前記第１受光素子の第１レンズ部の前記光軸と前記第３受光素子の第１レンズ部の前記光軸との前記距離に等しく、前記第２方向における前記第１受光素子の第２レンズ部の幅が、前記第１受光素子の第１レンズ部の前記光軸と前記第３受光素子の第１レンズ部の前記光軸との前記距離より小さく、前記複数の受光素子の第２レンズ部の各々は、前記第１レンズ部側に凸の曲面を有する凸レンズ形状を呈し、前記第１受光素子の第２レンズ部と前記第３受光素子の第２レンズ部との間には、前記第１受光素子の第２レンズ部と同じ材料で構成された連結部が設けられており、前記第２方向における前記第１受光素子の導光路の幅が、前記第２方向における前記第１受光素子の第２レンズ部の前記幅よりも小さく、前記第１受光素子の第２レンズ部と前記第１受光素子の導光路との間に、前記第１受光素子の第２レンズ部の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率膜が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、適切な光を光電変換部に精度よく入射させることができる。
第１実施形態の光電変換装置を説明する模式図であり、（ａ）は光電変換装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線及びＢ−Ｂ’線における断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線及びＤ−Ｄ’線における断面図断面図である。 第２実施形態の光電変換装置を説明する模式図であり、（ａ）は光電変換装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線及びＢ−Ｂ’線における断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線及びＤ−Ｄ’線における断面図断面図である。 第３実施形態の光電変換装置を説明する模式図であり、（ａ）は光電変換装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線及びＢ−Ｂ’線における断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線及びＤ−Ｄ’線における断面図断面図である。 第４実施形態の光電変換装置を説明する模式図であり、（ａ）は第４実施形態の第１例の断面図、（ｂ）は第４実施形態の第２例の断面図、（ｃ）は第４実施形態の第３例の断面図である。 光電変換装置の変形例を説明する模式図であり、（ａ）は第１変形例の断面図、（ｂ）は第２変形例の断面図、（ｃ）は第３変形例の断面図である。 光電変換装置の変形例を説明する模式図であり、（ａ）は第４変形例の断面図、（ｂ）は第５変形例の断面図、（ｃ）は第６変形例の断面図、（ｄ）は第７変形例の断面図、（ｅ）は第８変形例の断面図である。 第５実施形態の光電変換装置の一例の断面図である。 本発明を説明するための模式図である。 撮像システムの一例を説明するための模式図である。
まず、光電変換装置１の概要について、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。光電変換装置１は複数の受光素子１０、１１、１２を備えている。図１（ａ）は光電変換装置１の平面図であり、３×３の二次元状に配列された９つの受光素子を示した。しかしながら、受光素子の数は２つ以上であれば本発明を適用することができ、２つ以上の受光素子を１次元状に配列してもよい。
９つの受光素子（１０、１１、１２）のうち、説明のために注目する、ある受光素子を注目受光素子１０とする。図１（ａ）の例では、注目受光素子１０は中央に位置しており、注目受光素子１０に隣り合う８つの受光素子（１１，１２）がある。本発明で、「隣り合う」とは、複数の受光素子間に別の受光素子が存在していない形態を意味しており、複数の受光素子同士が接している形態と接していない（離れている）形態の両方を含む。本明細書では、受光素子に限らず、様々な部材について、「隣り合う」を斯かる意味として用いる。なお、「隣接」や「近接」といった用語も、複数の部材同士が接している形態と、複数の部材同士が隣り合って接していない（離れている）形態の両方を意味する場合がある。
注目受光素子１０に隣り合う８つの受光素子（１１，１２）のうちの４つの受光素子（１次近傍受光素子１１）は、注目受光素子１０の対辺方向（図面上で上下左右方向）で隣り合っており、注目受光素子１０との距離（ピッチ）が最も短い位置に配されている。注目受光素子１０に隣り合う８つの受光素子（１１，１２）のうちの残りの４つの受光素子（２次近傍受光素子１２）は、注目受光素子１０の対角方向（図面上で斜め方向）で隣り合っており、１次近傍受光素子１１よりも注目受光素子１０から離れて配されている。なお、注目受光素子１０、１次近傍受光素子１１、２次近傍受光素子１２は相対的な位置関係によって便宜的に区別されるのであって、それぞれが実質的に同じ構造を有することができる。なお、受光素子が２つのみの場合、あるいは一次元状に配列されている場合には２次近傍受光素子１２は存在しない。また、注目受光素子の周りに正六角形状に６つの受光素子が配列されていると、１次近傍受光素子１１は６つとなり、２次近傍受光素子１２も６つとなる場合もある。
図１（ｂ）は、光電変換装置１の注目受光素子１０と１次近傍受光素子１１を含む、図１（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図及びＢ−Ｂ’線における断面図である。図１（ｃ）は光電変換装置１の注目受光素子１０と２次近傍受光素子１２を含む、図１（ａ）のＣ−Ｃ’線における断面図及びＤ−Ｄ’における断面図である。なお、図１（ｂ）に示す構造は、図１（ａ）に示したＡ−Ａ’線の断面とＢ−Ｂ’線の断面の一方のみで成立していてもよいが、両方で成立していることが好ましい。同様に、図１（ｃ）に示す構造は、図１（ａ）に示したＣ−Ｃ’線の断面とＤ−Ｄ’線の断面の一方のみで成立していてもよいが、両方で成立していることが好ましい。
半導体基板２は複数の光電変換部３を有しており、各光電変換部３が複数の受光素子の各々の一部を成している。各受光素子の光電変換部３を複数の領域に分割して、各受光素子が複数の光電変換領域からなる光電変換部を有していてもよい。典型的な半導体基板２はシリコンからなる。光電変換部３はフォトダイオードまたはフォトゲート等で構成されており、光電変換部３への入射光の強度に応じて信号電荷を生成する。また、半導体基板２は光電変換部３以外に、半導体素子４を有することができる。光電変換装置１がいわゆるＣＭＯＳセンサーのような画素増幅型の場合には、半導体素子４として、増幅トランジスタや、転送トランジタ、リセットトランジスタ等を含む。光電変換装置１がいわゆるＣＣＤセンサーのような電荷転送型の場合には、半導体素子４として電荷結合素子を含む。上記したように、各受光素子の光電変換部３が複数の光電変換領域に分割されている場合、各光電変換領域毎に信号を得ることができる。なお、光電変換部３は、典型的には単結晶シリコンウエハに不純物を導入（注入や拡散）して形成されるが、ガラス基板等の上に、ＭＩＳ型構造やＰＩＮ型構造を有する薄膜として形成してもよい。
半導体基板２上には複数の材料を用いて構成された複合部材３００が、複数の光電変換部３を覆うように設けられている。複合部材３００は、少なくとも絶縁膜３１０と、高屈折率部材３２０と高屈折率膜３３０を有している。複合部材３００は光学的機能および電気的機能を少なくとも有している。
高屈折率部材３２０と高屈折率膜３３０は透明である。本発明において、「透明」とは、光電変換部３に入射することによって信号電荷を生成し得る光に対して透過性を有することを意味する。例えば後述するようにカラーフィルタ等の波長選択部材を設ける場合には、波長選択部材を透過した光の波長に対して透過性を有していればよい。
絶縁膜３１０を各々が互いに異なる材料（絶縁材料）からなる複数の絶縁層が積層された多層膜としてもよい。典型的な絶縁膜３１０は透明である。絶縁膜３１０の材料としては、酸化シリコンや酸窒化シリコン、窒化シリコン、ＢＳＧ（硼珪酸塩ガラス）、ＰＳＧ（燐珪酸塩ガラス）、ＢＰＳＧ（硼燐珪酸塩ガラス）が好適である。絶縁膜３１０の屈折率は１．４〜１．６であることが好ましい。絶縁膜３１０の厚みＴＬは０．５５μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることがより好ましい。絶縁膜３１０を極端に厚くすると応力が大きくなったり、製造に時間がかかったりするため、実用的には、絶縁膜３１０の厚みＴＬは１０μｍ以下とする。
絶縁膜３１０は複数の開口３１１を有している。複数の開口３１１は別々の光電変換部３に対応するように、光電変換部３上の領域に設けられている。開口３１１の内側は絶縁膜３１０で囲まれており、絶縁膜３１０の表面の一部が、開口３１１の側面３１２を構成している。図１（ｂ）、（ｃ）では絶縁膜３１０の表面の別の一部が、開口３１１の底面３１３を構成しているが、半導体基板２が開口３１１の底面３１３を構成していてもよい。このように、開口３１１は絶縁膜３１０に設けられた凹部もしくは貫通穴である。半導体基板２が開口３１１の底面３１３を構成する場合には開口３１１は絶縁膜３１０を貫通して設けられるが、光電変換部３へのダメージを低減する観点では、絶縁膜３１０が開口３１１の底面３１３を構成することが好ましい。絶縁膜をエッチングして開口３１１を形成する場合には、絶縁膜にエッチングストップ層（不図示）を設け、当該エッチングストップ層を開口３１１の底面３１３とするとよい。絶縁膜３１０の大部分が酸化シリコンからなる場合には、エッチングストップ層を窒化シリコンとするとよい。開口３１１の深さＤＯは、絶縁膜３１０の厚みＴＩの１／４以上であることが好ましく、絶縁膜３１０の厚みＴＩの１／２以上であることがより好ましい。
開口３１１の平面形状（半導体基板２に平行な面内での開口３１１の形状）は閉ループ状であればよく、図１（ａ）に示す様な円形や、楕円形、角丸四角形、四角形、六角形とすることができる。開口３１１の断面形状（半導体基板２に垂直な面内での開口３１１の形状）は、図１（ｂ）、（ｃ）に示す様な逆台形や、正台形、長方形、正方形、あるいはこれらを組み合わせた階段形とすることができる。
高屈折率部材３２０は複数の開口３１１の各々の内側に設けられている。そのため、複数の高屈折率部材３２０の各々は、絶縁膜３１０で囲まれている。開口３１１が絶縁膜３１０の凹部である場合には、高屈折率部材３２０は、絶縁膜３１０の一部に囲まれていると云える。高屈折率部材３２０の形状は実質的に開口３１１の形状と略一致する。図１の例では、高屈折率部材３２０は円錐台形状を呈するが、開口３１１の形状に応じて、角錐台形状でもよいし、角柱形状、円柱形状でもよい。典型的な高屈折率部材３２０の材料（透明材料）は、絶縁材料である。高屈折率部材３２０の屈折率は絶縁膜３１０の屈折率よりも高い。図１（ｂ）、（ｃ）の例では、高屈折率部材３２０と絶縁膜３１０とが互いに接して界面を成しており、この界面は開口３１１の側面３１２に一致する。この界面では、高屈折率部材３２０の屈折率と絶縁膜３１０の屈折率との違いにより全反射が生じ得る。そのため、開口３１１内の高屈折率部材３２０に入射した光のうち、側面３１２に向かう光を光電変換部３に向けて反射することができる。
高屈折率膜３３０の屈折率は、絶縁膜３１０の屈折率よりも高い。高屈折率膜３３０の材料は高屈折率部材３２０の材料と異なっていてもよいが、高屈折率膜３３０が高屈折率部材３２０と同じ材料（透明材料）からなる場合には、特に好適に本発明を適用できる。本発明において、「同じ材料」とは、化学量論的組成が同じである材料を意味している。そのため、化学量論的組成からずれた（すなわち、非化学量論的組成が異なっている）材料や、結晶性、材料密度、不純物（１ｗｔ％以下）およびその濃度が異なっている材料も「同じ材料」とみなすことができる。例えば、窒化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｎ＝３：４であるが、化学量論的組成比が同じである範囲内において、実際のＳｉとＮの比が互いに異なる材料同士も同じ材料とみなす。なお、化学量論的組成が異なる材料は同じ材料ではない。例えば、一酸化チタン（ＴｉＯ）と二酸化チタン（ＴｉＯ２）はいずれも酸素とチタンの化合物（チタン酸化物）ではあるが、化学量論的には異なる材料である。なお、以下の説明において、「酸化シリコン」と記載した場合は、化学量論的組成比がＳｉ：０＝１：２である二酸化シリコン（ＳｉＯ２）を意味するものとする。また、「窒化シリコン」と記載した場合は、化学量論的組成比がＳｉ：Ｎ＝３：４である四窒化三シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）を意味するものとする。その他の材料については、必要に応じて、組成式を用いて化学量論的組成比を説明する。
高屈折率膜３３０は絶縁膜３１０上に位置している。そして絶縁膜３１０上から複数の高屈折率部材３２０上に延在している。詳細には、高屈折率膜３３０は複数の高屈折率部材３２０に接している。その結果、高屈折率膜３３０は、複数の高屈折率部材３２０同士を連結するように設けられている。
図１（ａ）、（ｂ）の例では、高屈折率膜３３０は高屈折率部材３２０を完全に覆うように、換言すれば開口３１１を覆うように設けているが、高屈折率膜３３０は高屈折率部材３２０と少なくとも一部で接していればよい。高屈折率部材３２０と高屈折率膜３３０とが互いに同じ透明材料であると、高屈折率部材３２０と高屈折率膜３３０が一体となって、高屈折率部材３２０と高屈折率膜３３０との境界が明確に観察できない場合がある。上述したように、高屈折率部材３２０は開口３１１の内側に位置し、高屈折率膜３３０は開口３１１の外側に存在する。したがって、透明材料が、開口３１１の内側に存在するか、開口３１１の外側に存在するかを判断することにより、高屈折率部材３２０と高屈折率膜３３０を区別することができる。開口３１１の内側と外側の区分は、図１（ｂ）、（ｃ）に点線で示す様に、複合部材３００の断面の観察画像において、絶縁膜３１０の上面を開口３１１上まで仮想的に延長する（開口３１１の側面３１２の上端同士を仮想的に直線で結ぶ）ことにより可能である。
高屈折率部材３２０や高屈折率膜３３０の材料（透明材料）は、有機材料（樹脂）でもよいが、無機材料は化学的に安定であるために好ましい。樹脂としては、シロキサン系樹脂やポリイミド等が挙げられる。無機材料としては、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化チタン（ＴｉＯ２）が好適であり、特に窒化シリコンが好ましい。高屈折率部材３２０や高屈折率膜３３０の屈折率は１．６以上であることが好ましい。一般的な樹脂の屈折率は１．３〜１．６、高屈折率樹脂でも１．６〜１．８であるが、金属酸化物等の高屈折率無機材料を含有させることにより、実効的な屈折率を高くすることができる。樹脂に含有させる高屈折率無機材料としては、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウム等が挙げられる。高屈折率膜３３０の厚みＴＴが、高屈折率部材３２０に入射する光の波長をλ、高屈折率膜３３０の屈折率をｎ３３０として、λ／４ｎ３３０以上であると本発明は顕著な効果を奏する。高屈折率膜３３０の厚みＴＴは、典型的には０．１０μｍ以上である。一方、高屈折率膜３３０を極端に厚くすると開口３１１への入射光量が減少する。高屈折率膜３３０の厚みＴＴは開口３１１の深さＤＯ以下であることが好ましく、開口３１１の深さＤＯの半分以下であることがより好ましい。高屈折率膜３３０の厚みＴＴが、高屈折率部材３２０に入射する光の波長をλ、高屈折率膜３３０の屈折率をｎＴとして、２λ／ｎＴ以下であると本発明は顕著な効果を奏する。
高屈折率部材３２０、高屈折率膜３３０、絶縁膜３１０の材料として例示した材料の屈折率の大まかな値を挙げる。酸化シリコンは１．４〜１．５、酸窒化シリコンが１．６〜１．９、窒化シリコンは１．８〜２．３、酸化チタンは２．５〜２．７、ＢＳＧ、ＰＳＧ、ＢＰＳＧは１．４〜２．０である。なお、上記した値は一例であって、同じ材料であっても、成膜方法を変更することによって、非化学量論的組成比や、材料密度が変化するため、屈折率を適宜設定することが可能である。
絶縁膜３１０が多層膜である場合、多層膜の一部の層の屈折率が高屈折率部材３２０の屈折率以上であってもよい。しかしながら、このような高屈折率部材３２０の屈折率以上の層（高屈折率絶縁層：不図示）が開口３１１の側面３１２の大部分を形成することは好ましくない。これは、高屈折率部材３２０に入射した光が高屈折率絶縁層内を伝搬して、開口３１１から漏れる可能性があるためである。そのため、高屈折率絶縁層が成す開口３１１の側面３１２は、開口３１１の側面３１２全体の面積の半分以下とすること好ましく、１／４以下とすることがより好ましい。換言すれば、多層膜のうちの高屈折率部材３２０の屈折率より低い層（低屈折率絶縁層）が、開口３１１の側面３１２全体の面積の半分以上、好ましくは３／４以上を成すことが好ましい。各層が成す開口３１１の側面３１２の面積は、各層の厚みや開口３１１の側面３１２の角度を適宜設定することで調整できる。１つの低屈折率絶縁層の厚みは、典型的には０．１０μｍ以上である。１つの高屈折率絶縁層の厚みは、高屈折率部材３２０に入射する光の波長をλ、高屈折率絶縁層の屈折率をｎＨＩとして、λ／２ｎＨＩ以下であることが好ましく、λ／４ｎＨＩ以下であることがより好ましい。高屈折率絶縁層の厚みは、典型的には０．１０μｍ以下である。
複合部材３００上には、層内レンズ層が設けられており、層内レンズ層上には中間膜５００が設けられており、中間膜５００上には波長選択層４００が設けられており、波長選択層４００上にはトップレンズ層（マイクロレンズ層）が設けられている。以下の説明では、トップレンズ層を第１レンズ層１００とよび、層内レンズ層を第２レンズ層２００と呼ぶことにする。第２レンズ層２００は第１レンズ層１００と複合部材３００との間に位置する。
第１レンズ層１００と第２レンズ層２００の共通点を説明する。各レンズ層は、複数の集光レンズ部を有している。詳細には、第１レンズ層１００は複数の第１集光レンズ部１１０を有しており、第２レンズ層２００は複数の第２集光レンズ部２１０を有している。複数の第１集光レンズ部１１０の各々および複数の第２集光レンズ部２１０の各々は１つの受光素子の一部を成しており、別々の光電変換部３に対応して位置している。詳しくは後述するが、複数の第１集光レンズ部１１０のうちの、互いに隣り合う第１集光レンズ部１１０同士、および、複数の第２集光レンズ部２１０のうちの、互いに隣り合う第１集光レンズ部２１０同士の、少なくとも一方は互いに接している。
各集光レンズ部の形状は光の入射側の面（図面上では上側）が、入射側に向かって凸形状をなす曲面形状（凸レンズ形状）を呈しているか、光の出射側の面（図面上では下側）が出射側に向かって凸形状なす曲面形状（凸レンズ形状）を呈していればよい。曲面形状としては、理想球面形状、略球面形状、非球面形状などが挙げられる。
図１（ｂ）、（ｃ）では、上凸の平凸レンズ形状としているが、両凸レンズ形状であってもよいし、凸メニスカス形状であってもよい。集光レンズ部の屈折率は、集光レンズ部の凸レンズ形状を呈する面と界面を成す膜（ここでは中間膜５００や波長選択層４００）の屈折率よりも高く設定される。集光レンズ部の凸レンズ形状およびその屈折率により、入射光を集光することができる。第１レンズ層１００と第２レンズ層２００の両方を設ける場合には、第１集光レンズ部１１０で集光された入射光が第２集光レンズ部２１０でさらに集光される。なお、光路中に、凹レンズ形状を有する発散レンズ部を設けることもできる。この発散レンズ部も、凹レンズ形状を有する面と界面を成す膜の屈折率よりも高く設定される。例えば、中間膜５００の下面は凹レンズ形状を有しているが、第２レンズ層２００よりも屈折率が低いため、中間膜５００は発散レンズ部ではない。
第１レンズ層１００、第２レンズ層２００の材料は、有機材料（樹脂）でも無機材料でもよい。第１レンズ層１００の屈折率と第２レンズ層２００の屈折率は同じでもよいし、異なっていてもよいが、第２レンズ層の屈折率が第１レンズ層の屈折率よりも高いことが好ましい。例えば、第１レンズ層１００の材料に樹脂を用いて、第２レンズ層２００の材料に窒化シリコンを用いるとよい。第２レンズ層２００の材料が、高屈折率膜３３０と高屈折率部材３２０の材料の少なくとも一方と同じであってもよい。
集光レンズ部（第２集光レンズ部２１０）は、レンズ層（第２レンズ層２００）の表面の凸レンズ形状を成している領域（曲面領域）の、半導体基板２に対する幾何学的な正射影に含まれる部分である。図１（ｂ）に示した連結部（第２連結部２２０）は、レンズ層の表面の、凸レンズ形状を成しておらず実質的に平坦な領域（平面領域）の、半導体基板２対する幾何学的な正射影に含まれる部分である。レンズ層については、後述する第４〜８変形例を用いて詳細に説明する。
図１（ｂ）には、各第１集光レンズ部１１０の光軸と各第２集光レンズ部２１０の光軸を長破線で示した。ここでは、第１集光レンズ部１１０の光軸と第２集光レンズ部２１０の光軸が一致しているが、第１集光レンズ部１１０で集光された光が第２集光レンズ部２１０に入射し得る範囲で光軸がずれていてもよい。１次近傍受光素子１１の第１集光レンズ部１１０の光軸は、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０の光軸から、所定距離Ｐ１だけ離れている。各第１集光レンズ部１１０のＡ−Ａ’断面及びＢ−Ｂ’断面における幅をＷ１１で表している。
また、第１集光レンズ部１１０の光軸と第２集光レンズ部２１０の光軸が一致しているため、１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０の光軸は、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０の光軸から、所定距離Ｐ１だけ離れている。典型的には、所定距離Ｐ１は１０μｍ以下であり、５．０μｍ以下であることが好ましく、２．０μｍ以下であることがより好ましい。各第２集光レンズ部２１０のＡ−Ａ’断面及びＢ−Ｂ’断面における幅をＷ１２で表している。
図１（ｃ）にも、各第１集光レンズ部１１０の光軸と各第２集光レンズ部２１０の光軸を長破線で示した。注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０の光軸と、２次近傍受光素子１２の第１集光レンズ部１１０同士の距離をＰ２で表している。Ｐ２は所定距離Ｐ１よりも長い。ここでは、複数の第１集光レンズ部１１０が正方格子状に配列されているため、Ｐ２＝√２×Ｐ１である。各第１集光レンズ部１１０のＣ−Ｃ’断面及びＤ−Ｄ’断面における幅をＷ２１で表している。
また、第１集光レンズ部１１０の光軸と第２集光レンズ部２１０の光軸が一致しているため、２次近傍受光素子１２の第２集光レンズ部２１０の光軸は、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０の光軸から、距離Ｐ２だけ離れている。各第２集光レンズ部２１０のＣ−Ｃ’断面及びＤ−Ｄ’断面における幅をＷ２２で表している。
なお、第１集光レンズ部１１０の輪郭が円形であればＷ１１＝Ｗ２１となり、第２集光レンズ部２１０の輪郭が円形であればＷ１２＝Ｗ２２となる。図１（ａ）の例では第１集光レンズ部１１０および第２集光レンズ部２１０は角丸四角形であるので、Ｗ１１＜Ｗ２１、Ｗ１２＜Ｗ２２である。
絶縁膜３１０の内部には、半導体基板２に設けられた半導体素子４同士を電気的に接続する配線３４０を設けることができる。配線３４０は多層配線であってもよく、図１（ｂ）では、配線３４０が、第１配線層３４１と、第２配線層３４２と、第１コンタクト層３４３と、第２コンタクト層３４４とで構成された例を示している。第１コンタクト層３４３は、半導体素子４と第１配線層３４１とを接続しており、第２コンタクト層３４４は、第１配線層３４１と第２配線層３４２とを接続している。配線層を２層とした例を示したが、第１配線層３４１と第２配線層３４２との間にさらに配線層を設けて３層以上の配線層としてもよい。配線３４０は複合部材３００の一部を構成する。配線３４０には銅やアルミニウム、タングステン、タンタル、ポリシリコンなどの導電材料を用いることができる。典型的な配線３４０は不透明であり、金属光沢を有している。
波長選択層４００は、各々が別々の光電変換部３に対応して設けられた、互いに異なる波長に対応した複数種類の波長選択部材（カラーフィルタ）を配列することでマルチカラーフィルタを構成することができる。波長選択部材の種類は、原色系（ＲＧＢ）であってもよいし、補色系（ＣＭＹ）であってもよいが、対応する波長は可視光線に限定されない。１種類の波長選択部材のみを用いて、１つの波長のみを複数の光電変換部３の各々に入射させてもよい。複数種類の波長選択部材を用いる場合には、ベイヤー配列やストライプ配列とすることができる。例えば、ベイヤー配列の波長選択層４００を用いた場合、注目受光素子１０が緑色の波長選択部材を有すると、１次近傍受光素子１１は青色の波長選択部材を有する受光素子と、赤色の波長選択部材を有する受光素子とを含む。また、２次近傍受光素子１２はすべて緑色の波長選択部材を有する受光素子となる。
波長選択層４００が第１レンズ層１００と第２レンズ層２００の間に位置する例を示したが、波長選択層４００が第２レンズ層２００と複合部材３００との間に位置してもよい。波長選択層４００を第１レンズ層１００上に設けることもできるが、混色が生じやすくなるので、波長選択層４００は第１レンズ層１００又は第２レンズ層２００と、複合部材３００との間に設けることが好ましい。また、波長選択層４００を光電変換装置１から削除することもできる。後述する撮像システムにおいて、削除された波長選択層４００の代わりに、光電変換装置１から離れた位置に、波長選択部材を設けてもよい。
中間膜５００は第１レンズ層１００と第２レンズ層２００との間に位置している。中間膜５００は、例えば、平凸レンズ形状の第２集光レンズ部２１０を有する第２レンズ層２００の上に、平凸レンズ形状の第１集光レンズ部１１０を有する第１レンズ層１００を設けるための、平坦化膜として機能する。中間膜５００の屈折率は、第１レンズ層１００および第２レンズ層２００よりも低く設定される。中間膜５００は多層膜であってもよい。
以下、本発明の実施形態を図１〜図７を用いて説明するが、同様の機能を有する部分には同じの符号を付し、詳細な説明は省略する。
＜第１実施形態＞
図１（ａ）〜（ｃ）を用いて、第１実施形態の光電変換装置１を説明する。図１（ａ）において、点線は複数の第１集光レンズ部１１０の輪郭を示しており、破線は第２集光レンズ部２１０の輪郭を示しており、実線は開口３１１の側面３１２の上端を示している。
図１（ａ）、（ｂ）に示す様に、第１レンズ層１００において、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と１次近傍受光素子１１との第１集光レンズ部１１０同士が接している。一方、図１（ａ）、（ｂ）に示す様に、第２レンズ層２００において、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士は離れている。注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０の間には集光機能を有しない第２連結部２２０が設けられている。図１（ａ）、（ｃ）に示す様に、第１レンズ層１００において、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と２次近傍受光素子１２との第１集光レンズ部１１０同士は離れている。注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と２次近傍受光素子１２の第２集光レンズ部２１０の間には集光機能を有しない第２連結部２２０が設けられている。また、図１（ａ）、（ｃ）に示す様に、第２レンズ層２００において、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士は離れている。注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と２次近傍受光素子１２の第２集光レンズ部２１０の間は集光機能を有しない第２連結部２２０が設けられている。
集光レンズ部同士が接することは、注目受光素子１０の集光レンズ部の光軸と、１次近傍受光素子１１、２次近傍受光素子１２の集光レンズ部の光軸との距離（ピッチ）が、光軸同士を結ぶ方向における、注目受光素子１０の集光レンズ部の幅と等しいこと実質的に同義である。なお、集光レンズ部の光軸とは、集光レンズ部の入射面あるいは出射面の先端を含む軸であり、典型的には、集光レンズ部の曲面形状の曲率中心を含む軸である。光軸を中心軸（回転対称軸）ということもできる。第１集光レンズ部１１０の曲率は、０．４９（１／μｍ）以上であることが好ましい。例えば、互いに隣り合う第１集光レンズ部１１０の曲率を、０．６３（１／μｍ）とすることができる。一方、第２集光レンズ部２１０の曲率は、第１集光レンズ部１１０の曲率よりも大きいこと、つまり、第２集光レンズ部２１０の曲率半径が第１集光レンズ部１１０の曲率半径よりも小さいことが好ましい。
１次近傍受光素子１１の集光レンズ部が、注目受光素子１０の集光レンズ部から離れていると、注目受光素子１０の集光レンズ部の光軸と１次近傍受光素子１１の集光レンズ部の光軸との距離（ピッチ）が、注目受光素子１０の集光レンズ部の幅よりも大きくなる。なお、ここでいう、注目受光素子１０の集光レンズ部の幅とは、両者の光軸を結ぶ方向（対辺方向）における集光レンズ部の幅である。同様に、２次近傍受光素子１２の集光レンズ部が、注目受光素子１０の集光レンズ部から離れていると、注目受光素子１０の集光レンズ部の光軸と２次近傍受光素子１２の集光レンズ部の光軸との距離（ピッチ）が、注目受光素子１０の集光レンズ部の幅よりも大きくなる。なお、ここでいう、注目受光素子１０の集光レンズ部の幅とは、両者の光軸を結ぶ方向（対角方向）における集光レンズ部の幅である。また、互いに接する集光レンズ部同士の境界線の高さは、連結部の高さと同じ場合もあるが、典型的には連結部の高さよりも高くなる。
図１（ｂ）、（ｃ）を用いて、ピッチと幅の関係を詳細に説明する。
図１（ｂ）に示す様に、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と１次近傍受光素子１１の第１集光レンズ部１１０同士が接しているため、Ｗ１１＝Ｐ１となっている。注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士が離れているため、Ｗ１２＜Ｐ１となっている。つまり、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士はＰ１−Ｗ１２だけ離れている。
図１（ｃ）に示す様に、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と２次近傍受光素子１２の第１集光レンズ部１１０同士が離れているため、Ｗ２１＜Ｐ２となっている。つまり、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と１次近傍受光素子１１の第１集光レンズ部１１０同士はＰ２−Ｗ２１だけ離れている。注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と２次近傍受光素子１２の第２集光レンズ部２１０同士が離れているため、Ｗ２２＜Ｐ２となっている。つまり、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士はＰ２−Ｗ２２だけ離れている。
第１実施形態の図１（ｂ）を比較用に変更した図８を用いて本発明について説明する。図８に示す様に、第１レンズ層１００において互いに隣り合う第１集光レンズ部１１０同士は離れており、第２レンズ層２００において互いに隣り合う第２集光レンズ部２１０同士も離れている。そのため、互いに隣り合う第１集光レンズ部１１０同士の間の第１連結部１２０に入射した光は実質的に集光されず、入射光の光路が曲がることなく互いに隣り合う第２集光レンズ部２１０同士の間に入射する。そして、第２集光レンズ部２１０同士の間の第２連結部２２０に入射した光は、高屈折率膜３３０に入射する。高屈折率膜３３０は絶縁膜３１０より高い屈折率を有しているために、入射光は、幾何光学あるいは波動光学で説明されるように高屈折率膜３３０内を伝搬する。このような、高屈折率膜３３０内での光の伝搬は、注目受光素子１０と１次近傍受光素子１１の集光レンズ部の光軸間の距離（所定距離Ｐ１）が５．０μｍ以下であると生じやすく、２．０μｍ以下である場合に特に顕著になる。高屈折率膜３３０は高屈折率部材３２０同士を連結しているために、高屈折率膜３３０を伝搬した光は別々の高屈折率部材３２０に導かれる。これは、波動光学的には、光は屈折率が低い媒質（絶縁膜３１０）よりも屈折率が高い媒質（高屈折率部材３２０）を伝搬しやすい性質があるためと考えられる。特に、高屈折率部材３２０と高屈折率膜３３０とが互いに同じ材料からなる場合には、高屈折率部材３２０と高屈折率膜３３０とが互いに異なる材料からなる場合に比べて、高屈折率膜３３０と高屈折率部材３２０との間での光の損失が小さくなる。そのため、高屈折率膜３３０内での光の伝搬および高屈折率部材３２０への伝搬の影響は大きい。別々の高屈折率部材３２０に導かれた光は別々の光電変換部３に入射して電荷を生じる。したがって、本来、注目受光素子１０の光電変換部３のみに入射すべき光が、１次近傍受光素子１１の光電変換部３にも入射してしまうことにより、画像の輪郭がぼけてしまうと考えられる。さらに、複数種類の波長選択部材を有する波長選択層４００を用いる場合には、本来注目受光素子１０のみに入射すべき波長の光が、対応波長の異なる波長選択部材を有する１次近傍受光素子１１へも入射してしまう。また、異なる波長に対応した波長選択部材同士が接している場合、特に高屈折率膜３３０上の領域で重なって接している場合には、複数の波長帯域を有する光（混色光）が高屈折率膜３３０に入射し、高屈折率部材３２０に入射してしまう。このような要因により画像に混色が生じると考えられる。注目受光素子１０と２次近傍受光素子１２との間への光の入射も同様に説明することができる。
第１実施形態では、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と１次近傍受光素子１１の第１集光レンズ部１１０同士が接している。そのために、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と１次近傍受光素子１１の第１集光レンズ部１１０の境界に入射した光は、両第１集光レンズ部１１０のどちらかで集光されることが可能となる。したがって、光路が導光部材に向かう方向に曲げられ、高屈折率膜３３０に入射することを抑制できる。そのため、高屈折率膜３３０に入射して伝搬することによって生じ得る受光精度の低下を抑制することができる。
＜第２実施形態＞
図２（ａ）〜（ｃ）を用いて、第２実施形態の光電変換装置１を説明する。図２（ａ）は光電変換装置１の平面図であり、図２（ａ）において、点線は複数の第１集光レンズ部１１０の輪郭を示しており、破線は第２集光レンズ部２１０の輪郭を示しており、実線は開口３１１の側面３１２を示している。図２（ｂ）は、光電変換装置１の注目受光素子１０と１次近傍受光素子１１を含む、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面図及びＢ−Ｂ’断面図である。図２（ｃ）は光電変換装置１の注目受光素子１０と２次近傍受光素子１２を含む、図２（ａ）のＣ−Ｃ’断面図及びＤ−Ｄ’断面図である。ただし、図１（ｂ）に示す構造は、図１（ａ）に示したＡ−Ａ’線の断面とＢ−Ｂ’線の断面の一方のみで成立していてもよいが、両方で成立していることが好ましい。同様に、図２（ｃ）に示す構造は、図２（ａ）に示したＣ−Ｃ’線の断面とＤ−Ｄ’線の断面の一方のみで成立していてもよいが、両方で成立していることが好ましい。
図２（ａ）、（ｂ）に示す様に、第１レンズ層１００において、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と１次近傍受光素子１１の第１集光レンズ部１１０同士が接している。また、図２（ａ）、（ｂ）に示す様に、第２レンズ層２００において、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士が接している。図２（ａ）、（ｃ）に示す様に、第１レンズ層１００において、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と２次近傍受光素子１２の第１集光レンズ部１１０同士は接している。一方、図２（ａ）、（ｃ）に示す様に、第２レンズ層２００において、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と２次近傍受光素子１２の第２集光レンズ部２１０同士は離れている。注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と２次近傍受光素子１２の第２集光レンズ部２１０の間には集光機能を有しない第２連結部２２０が設けられている。
図２（ｂ）、（ｃ）を用いて、ピッチと幅の関係を詳細に説明する。図２（ｂ）、（ｃ）に記載したＷ１１、Ｐ１、Ｗ１２、Ｗ２１、Ｐ２、Ｗ２２の定義は図１（ｂ）、（ｃ）と同じである。
図２（ｂ）に示す様に、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と１次近傍受光素子１１の第１集光レンズ部１１０同士が接しているため、Ｗ１１＝Ｐ１となっている。注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士が接しているため、Ｗ１２＝Ｐ１となっている。また、Ｗ１２＝Ｗ１１となっている。
図２（ｃ）に示す様に、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と２次近傍受光素子１２の第１集光レンズ部１１０同士が接しているため、Ｗ２１＝Ｐ２となっている。注目受光素子１０と１次近傍受光素子１１の第１集光レンズ部１１０同士は、ある程度の幅を持って接しているが、注目受光素子１０と２次近傍受光素子１２の第１集光レンズ部１１０同士は、実質的に１点で接している。そして、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０の輪郭は、図２（ａ）に示す様に正方形となっている。注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と２次近傍受光素子１２の第２集光レンズ部２１０同士が離れているため、Ｗ２２＜Ｐ２となっている。つまり、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と２次近傍受光素子１２の第２集光レンズ部２１０同士はＰ２−Ｗ２２だけ離れている。
第２実施形態では、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と１次近傍受光素子１１の第１集光レンズ部１１０同士が接しており、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と２次近傍受光素子１２の第１集光レンズ部１１０同士が接している。そのため、第１実施形態と異なり、第１レンズ層１００は第１連結部１２０を有しない。そのため、第１レンズ層１００に入射した光が、第２レンズ層２００の第２連結部２２０および高屈折率膜３３０に入射することを抑制することができる。
＜第３実施形態＞
図３（ａ）〜（ｃ）を用いて、第３実施形態の光電変換装置１を説明する。図３（ａ）は光電変換装置１の平面図であり、図３（ａ）において、点線は複数の第１集光レンズ部１１０の輪郭を示しており、破線は第２集光レンズ部２１０の輪郭を示しており、実線は開口３１１の側面３１２を示している。図３（ｂ）は、光電変換装置１の注目受光素子１０と１次近傍受光素子１１を含む、図３（ａ）のＡ−Ａ’断面図及びＢ−Ｂ’断面図である。図３（ｃ）は光電変換装置１の注目受光素子１０と２次近傍受光素子１２を含む、図３（ａ）のＣ−Ｃ’断面図及びＤ−Ｄ’断面図である。ただし、図３（ｂ）に示す構造は、図３（ａ）に示したＡ−Ａ’線の断面とＢ−Ｂ’線の断面の一方のみで成立していてもよいが、両方で成立していることが好ましい。同様に、図３（ｃ）に示す構造は、図３（ａ）に示したＣ−Ｃ’線の断面とＤ−Ｄ’線の断面の一方のみで成立していてもよいが、両方で成立していることが好ましい。
図３（ａ）、（ｂ）に示す様に、第１レンズ層１００において、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と１次近傍受光素子１１との第１集光レンズ部１１０同士が接している。また、図３（ａ）、（ｂ）に示す様に、第２レンズ層２００において、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士が離れている。注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０の間には集光機能を有しない第２連結部２２０が設けられている。一方、図３（ａ）、（ｃ）に示す様に、第１レンズ層１００において、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と２次近傍受光素子１２の第１集光レンズ部１１０同士は接している。また、図３（ａ）、（ｃ）に示す様に、第２レンズ層２００において、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士は離れている。注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と２次近傍受光素子１２の第２集光レンズ部２１０の間には集光機能を有しない第２連結部２２０が設けられている。
図３（ｂ）、（ｃ）を用いて、ピッチと幅の関係を詳細に説明する。図３（ｂ）、（ｃ）に記載したＷ１１、Ｐ１、Ｗ１２、Ｗ２１、Ｐ２、Ｗ２２の定義は図１（ｂ）、（ｃ）と同じである。
図３（ｂ）に示す様に、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と１次近傍受光素子１１の第１集光レンズ部１１０同士が接しているため、Ｗ１１＝Ｐ１となっている。注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士が離れているため、Ｗ１２＜Ｐ１となっている。また、Ｗ１２＜Ｗ１１となっている。
図３（ｃ）に示す様に、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と２次近傍受光素子１２の第１集光レンズ部１１０同士が接しているため、Ｗ２１＝Ｐ２となっている。
注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と２次近傍受光素子１２の第２集光レンズ部２１０同士が離れているため、Ｗ２２＜Ｐ２となっている。つまり、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士はＰ２−Ｗ２２だけ離れている。また、Ｗ２２＜Ｗ２１となっている。
第２集光レンズ部２１０には、第１集光レンズ部１１０で集光された光が入射するために、第２集光レンズ部２１０の面積は、第１集光レンズ部１１０の面積よりも小さくすることが好ましい。第２集光レンズ部２１０の面積を小さくすることにより、第２集光レンズ部２１０の厚みを大きくすることなく、より高い集光性能（より小さい曲率）を第２集光レンズ部２１０に持たせることが可能となる。本実施形態では、第２集光レンズ部２１０の面積を第１集光レンズ部１１０の面積より小さくしても、第２集光レンズ部２１０間に入射する光を低減できる。
本発明は第１〜３実施形態に限定されることなく、第１レンズ層１００と第２レンズ層２００の少なくとも一方において、互いに隣り合う受光素子同士の、集光レンズ部同士が接していればよい。ほかの実施形態の一例を以下に挙げる。
第１実施形態を変形して、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士が接する形態を採用してもよい。第１実施形態を変形して、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と１次近傍受光素子１１の第２集光レンズ部２１０同士が接する形態を採用してもよい。第２実施形態を変形して、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と２次近傍受光素子１２の第２集光レンズ部２１０同士が接した形態を採用してもよい。第２実施形態を変形して、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と１次近傍受光素子１１の第１集光レンズ部１１０同士が離れ、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と２次近傍受光素子１２の第１集光レンズ部１１０同士が離れた形態を採用してもよい。第２実施形態を変形して、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と１次近傍受光素子１１の第１集光レンズ部１１０同士が離れ、注目受光素子１０の第１集光レンズ部１１０と２次近傍受光素子１２の第１集光レンズ部１１０同士が離れ、注目受光素子１０の第２集光レンズ部２１０と２次近傍受光素子１２の第２集光レンズ部２１０同士が接する形態を採用してもよい。
以上、２つのレンズ層を有する形態について説明したが、第１レンズ層１００と第２レンズ層２００の一方のみを設けて、他方を設けない形態を採用してもよい。本発明は、複数の集光レンズ部を有する少なくとも１つのレンズ層を備え、当該レンズ層において、互いに隣り合う受光素子同士の、集光レンズ部同士が接していればよい。例えば、第１実施形態や第３実施形態の第２レンズ層２００のように、注目受光素子１０と第１近傍受光素子の第２集光レンズ部２１０同士が離れている場合には、第２レンズ層２００を削除することもできる。互いに隣り合う集光レンズ部の形成方法は、階調露光法やエッチバック法、リフロー法などを単独であるいは組み合わせて用い、これらの条件を適宜設定することで実現が可能である。例えば、特開２００６−０４１４６７号公報、特開２００４−１４５３１９号公報、特開昭６１−６７００３号公報、特開２００８−２７７８００号公報、特開２００８−５２００４号公報、特開２００３−３３２５４号公報を参照することができる。対角方向で隣り合う集光レンズ部（注目受光素子１０と２次近傍受光素子１２の集光レンズ部）同士が接するようにするには、各集光レンズ部のパターニング時に、対角方向の集光レンズ部用パターン同士が十分な面積で重なるようにすればよい。なお、レンズ層が１層のみの場合に、波長選択層４００を設ける場合にも、レンズ層と複合部材３００の間に波長選択層４００を設けることが好ましい。
＜第４実施形態＞
図４（ａ）〜（ｃ）を用いて第４実施形態の光電変換装置１を説明する。図４（ａ）第４実施形態の第１例を、図４（ｂ）に第４実施形態の第２例を、図４（ｃ）に第４実施形態の第３例を、それぞれ示す。図４（ａ）〜（ｃ）は、図１（ｂ）で示した第１実施形態に各例を適用した例を示したが、第２実施形態および第３実施形態にも本実施形態を適用することできる。第１〜３例は、第２レンズ層２００と高屈折率部材３２０との間に、第２レンズ層２００の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な低屈折率膜が設けられている点が共通している。以下には、低屈折率膜６００が高屈折率膜３３０と界面を成している例を説明するが、低屈折率膜６００が高屈折率部材３２０と界面を成していてもよい。
第１例では、低屈折率膜６００は単層膜であり、第２レンズ層１００と高屈折率膜３３０の間に設けられている。詳細には、低屈折率膜６００の上面は第２レンズ層２００の下面と界面を成し、低屈折率膜６００の下面は高屈折率膜３３０の上面と界面を成している。例えば、第２レンズ層２００の材料が屈折率２．００の窒化シリコンである場合、低屈折率膜６００の材料には屈折率１．７２の酸窒化シリコンまたは、屈折率１．４６の酸化シリコンを用いることができる。
第２集光レンズ部２１０で集光された光は、低屈折率膜６００に対して斜めに入射し得る。低屈折率膜６００の屈折率は第２レンズ層２００の屈折率よりも低いため、低屈折率膜６００内ではスネルの法則に従って、開口３１１の中心（光軸）へ近づく方向に屈折する。そのため、開口３１１に入射する光量を増加させることができる。低屈折率膜６００の屈折率が高屈折率膜３３０の屈折率よりも低い場合、低屈折率膜６００で屈折した光は、高屈折率膜３３０に対して斜めに入射する。高屈折率膜３３０の屈折率は低屈折率膜６００の屈折率よりも高いため、高屈折率膜３３０内ではスネルの法則に従って、開口３１１の中心（光軸）との角度が小さくなるような方向に屈折する。そのため、開口に３１１に入射した後の側面３１２での全反射が生じる光束を増やし、開口３１１の側面３１２から漏れてしまう光の量を減少させることができる。実用的には、低屈折率絶縁膜６００の屈折率は、第２レンズ層２００の屈折率の０．９５倍以下であることが好ましく、０．８５倍以下であることが好ましい。
第２例では、低屈折率膜６００は多層膜であり、第１低屈折率層６１０と第２低屈折率層で構成されている。第１低屈折率層６１０の上面は第２レンズ層２００の下面と界面を成しており、第１低屈折率層６１０の屈折率は、第２レンズ層２００の屈折率よりも低い。第２低屈折率層６２０の上面は第１低屈折率層６１０の下面と界面を成しており、第２低屈折率層６２０の屈折率は、第１低屈折率層の屈折率よりも低い。第２低屈折率層６２０の下面は高屈折率膜３３０の上面と界面を成している。そのため、第１低屈折率層６１０は、第２レンズ層２００の屈折率と、第２低屈折率層６２０の屈折率の間の屈折率を有している。本例は、第１例の単層の低屈折率膜６００を第２低屈折率層６２０と見做して、第１例の単層の低屈折率膜６００と第２レンズ層２００との間に、第１低屈折率層６１０を設けた例であると考えることができる。例えば、第２レンズ層２００の材料が窒化シリコンである場合、第１低屈折率層６１０の材料には酸窒化シリコンを、第２低屈折率層６２０の材料には酸化シリコンを用いることができる。実用的には、最も屈折率が低い層（本例では第２低屈折率層６２０）の屈折率は、１．４０以上１．６０以下であることが好ましい。
第１例の場合、第２レンズ層２００と低屈折率膜６００の屈折率差により、第２レンズ層２００と低屈折率膜６００との界面で垂直入射光の反射が生じる場合がある。この時の反射率Ｒは、Ｒ＝（ｎ２００−ｎ６００）２／（ｎ２００＋ｎ６００）２で表すことができる。ここでｎ２００は第２レンズ層２００の屈折率、ｎ６００は低屈折率膜６００の屈折率である。第２例では、第２レンズ層２００と第１低屈折率層６１０との屈折率差と、第１低屈折率層６１０と第２低屈折率層６１０との屈折率の双方が、第２レンズ層２００と第２低屈折率膜６２０との屈折率差よりも小さい。したがって、第２レンズ層２００と第１低屈折率層６１０との界面での透過率、及び、第１低屈折率層６１０と第２低屈折率層６２０との界面での透過率を向上でき、第２低屈折率層６２０に入射する光量を増加させることができる。
第１低屈折率層６１０の厚みＴＲ１を、を、入射光の波長の（Ｍ−０．５）／４ｎ１倍〜（Ｍ＋０．５）／４ｎ１倍とすると好ましく、入射光の波長のＭ／４ｎ１倍とすることがより好ましい。ここで、Ｍは奇数、ｎ１は第１低屈折率層６１０の屈折率である。Ｍは１又は３であることが好ましく、１であることがより好ましい。第１低屈折率層６１０の厚みＴＲ１をこのように設定すると、第１低屈折率層６１０は第２レンズ層２００との界面での反射光と、第２低屈折率層６２０との界面での反射光の干渉を弱め、第２低屈折率層６２０に入射する光の強度を増加させることができる。
第１例で説明したように光軸へ近づくような屈折を、低屈折率膜６００の厚みが限られた範囲で大きくする上では、第１低屈折率層６１０の厚みＴＲ１と第２低屈折率層６２０の厚みＴＲ２を次のように設定すると良い。まず、第２レンズ層２００と第１低屈折率層６１０との相対屈折率と、第１低屈折率層６１０第２低屈折率層６２０との相対屈折率とを比較する。相対屈折率が大きい方の出射側の媒質（第１低屈折率層６１０と第２低屈折率層６２０の一方）の厚みを、小さい方の出射側の媒質（第１低屈折率層６１０と第２低屈折率層６２０の他方）の厚みよりも大きくする。なお、ここで相対屈折率は、（入射側媒質の屈折率）／（出射側媒質の屈折率）であり、本例では、相対屈折率は１より大きい。なお、これまでの説明において、単に「屈折率」と記載した場合には、絶対屈折率を意味している。スネルの法則によれば、相対屈折率が大きい方が出射角が大きくなるため、上記相対屈折率が大きい方の出射側媒質の厚みを大きくすることにより、出射光をより大きく光軸に近づけることができる。例えば、第２レンズ層２００の屈折率が２．００、第１低屈折率層６１０の屈折率が１．７２、第２低屈折率層６２０の屈折率が１．４６の場合には、２．００／１．７２＜１．７２／１．４６である。したがって、第２低屈折率層６２０の厚みＴＲ２を、第１低屈折率層６１０の厚みＴＲ１よりも大きくすればよい。第２低屈折率層６２０の厚みＴＲ２は６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることがより好ましい。また、第１低屈折率層６１０の厚みＴＲ１は、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましく、４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
第３例でも、低屈折率膜６００は多層膜であり、第１低屈折率層６１０と第２低屈折率層６２０と、第３低屈折率層６３０で構成されている。第１低屈折率層６１０の上面は第２レンズ層２００の下面と界面を成しており、第１低屈折率層６１０の屈折率は、第２レンズ層２００の屈折率よりも低い。第２低屈折率層６２０の上面は第１低屈折率層６１０の下面と界面を成しており、第２低屈折率層６２０の屈折率は、第１低屈折率層の屈折率よりも低い。第３低屈折率層６３０の上面は第２低屈折率層６２０の下面と界面を成しており、第３低屈折率層６３０の屈折率は、第２低屈折率層６２０の屈折率より高い。第３低屈折率層６３０の下面は高屈折率膜３３０の上面と界面を成しており、第３低屈折率層６３０の屈折率は、第３低屈折率層６２０の屈折率は高屈折率膜３３０の屈折率よりも低い。そのため、第３低屈折率層６３０は、第２低屈折率層６２０の屈折率と、高屈折率膜３３０の屈折率の間の屈折率を有している。本例は、上記した第２例で第２低屈折率層６２０の屈折率が高屈折率膜３３０の屈折率より低い場合において、第２例の第２低屈折率層６２０と高屈折率膜３３０との間に第３低屈折率層６３０を設けた例であると考えることができる。例えば、第２レンズ層２００および高屈折率膜３３０の材料が窒化シリコンである場合、第１低屈折率層６１０および第３低屈折率層６３０の材料には酸窒化シリコンを、第２低屈折率層６２０の材料には酸化シリコンを用いることができる。
第３例では、第２低屈折率層６２０と第３低屈折率層６３０との屈折率差と、第３低屈折率層６３０と高屈折率膜３３０との屈折率の双方が、第２低屈折率層６２０と高屈折率膜３３０との屈折率差よりも小さい。したがって、第２低屈折率層６２０と第３低屈折率層６３０との界面での透過率、及び、第３低屈折率層６３０と高屈折率膜３３０との界面での透過率を向上でき、高屈折率膜３３０に入射する光量を増加させることができる。
第３低屈折率層６３０の厚みＴＲ３は、第２例と同様に、入射光の波長の（Ｍ−０．５）／４ｎ３倍〜（Ｍ＋０．５）／４ｎ３倍とすると好ましく、入射光の波長のＭ／４ｎ３倍とすることがより好ましい。ここで、Ｍは奇数、ｎ３は第３低屈折率層６３０の屈折率である。第３低屈折率層６３０の厚みＴＲ３と第２低屈折率層６２０の厚みＴＲ２との大小関係も、第２例と同様に設定することができる。第３低屈折率層６３０の厚みＴＲ３も第２例の第１低屈折率層６１０と同様に、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましく、４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
第１低屈折率層６１０の屈折率ｎ１は、（ｎ２００＋ｎ２）／４以上であることが好ましく、３×（ｎ２００＋ｎ２）／４以下であることも好ましい。第３低屈折率層６３０の屈折率ｎ３は、（ｎ３３０＋ｎ２）／４以上であることが好ましく、３×（ｎ２００＋ｎ２）／４以下であることも好ましい。ここで、ｎ３３０は高屈折率膜３３０の屈折率である。
第２レンズ層２００の屈折率が高屈折率膜３３０の屈折率よりも高い場合、第１低屈折率層６１０の屈折率を第３低屈折率層６３０の屈折率よりも高くすることが好ましい。すなわち、第２レンズ層２００の屈折率をｎ２００、高屈折率膜３３０の屈折率をｎ３３０として、ｎ２＜ｎ３＜ｎ１＜ｎ３３０＜ｎ２００とすることが好ましい。逆に、第２レンズ層２００の屈折率が高屈折率膜３３０の屈折率よりも低い場合、第１低屈折率層６１０の屈折率を第３低屈折率層６３０の屈折率よりも低くすることが好ましい。すなわち、ｎ２＜ｎ１＜ｎ３＜ｎ２００＜ｎ３３０とすることが好ましい。このように、第１低屈折率層６１０と第３低屈折率層６３０の屈折率を、その上下の部材の屈折率に合せて異ならせることで、第２レンズ層２００から高屈折率膜３３０への光の透過率を向上することができ、光電変換装置１の感度を向上することできる。 光電変換装置１の複合部材３００の変形例を説明する。図５（ａ）に第１変形例を、図５（ｂ）に第２変形例を、図５（ｃ）に第３変形例を、それぞれ示す。図５（ａ）〜（ｃ）は、図１（ｂ）で示した第１実施形態に各変形例を適用した例を示したが、第２〜４実施形態にも本変形例を適用することができる。第１〜３変形例は、開口３１１内の部材が第１高屈折率部分３２１と第２高屈折率部分３２２とで構成されている点が共通している。絶縁膜３１０の構成は図１（ａ）と同様であり、光電変換部３に対応した複数の開口３１１が設けられている。
＜第１変形例＞
図５（ａ）に示す第１変形例では、第２高屈折率部分３２２が開口３１１の側面３１２上に設けられており、開口３１１内であって第２高屈折率部分３２２の内側には第１高屈折率部分３２１が設けられている。第２高屈折率部分３２２は図５（ａ）に示す様に開口３１１の底面３１３上にも設けてもよいし、開口３１１の底面３１３を覆わなくてもよい。そのため、第１高屈折率部分３２１と開口３１１の側面３１２との間に第２高屈折率部分３２２が位置している。高屈折率膜３３０は、絶縁膜３１０上に位置しており、第１高屈折率部分３２１上に延在している。高屈折率膜３３０は第１高屈折率部分３２１と同じ透明材料からなる。高屈折率膜３３０の屈折率は絶縁膜３１０の屈折率よりも高く、複数の開口３１１内の各々に設けられた複数の第２高屈折率部分３２２同士を連結するように設けられている。高屈折率膜３３０の材料は第１高屈折率部分３２１の材料と同じであってもよいし異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
第１高屈折率部分３２１の屈折率と第２高屈折率部分３２２の屈折率は異なっている。第１高屈折率部分３２１の屈折率を第２高屈折率部分３２２の屈折率よりも高くすることによって、主に第１高屈折率部分３２１を導光路として用いることができる。逆に、第１高屈折率部分３２１の屈折率を第２高屈折率部分３２２の屈折率よりも低くすることによって、主に第１高屈折率部分３２１を導光路として用いることができる。すなわち、幾何光学的には、第１高屈折率部分３２１と第２高屈折率部分３２２との界面での全反射によって開口３１１内の第１高屈折率部分３２１に入射した光のうち、側面３１２に向かう光を光電変換部３に向けて反射することができる。また、波動光学的には、光は屈折率が高い方へ導かれるために、導光路として機能しうる。
＜第２変形例＞
図５（ｂ）に示す第２変形例では、第２高屈折率部分３２２が開口３１１の側面３１２上に設けられており、開口３１１内であって第２高屈折率部分３２２の内側には第１高屈折率部分３２１が設けられている。そのため、第１高屈折率部分３２１と開口３１１の側面３１２との間に第２高屈折率部分３２２が位置している。高屈折率膜３３０は、絶縁膜３１０上に位置しており、第１高屈折率部分３２１上に延在している。高屈折率膜３３０は第１高屈折率層３３１と、第１高屈折率層３３１と絶縁膜３１０の間に位置する第２高屈折率層３３２とで構成されている。第１高屈折率層３３１の屈折率は絶縁膜３１０の屈折率よりも高く、複数の開口３１１内の各々に設けられた複数の第１高屈折率部分３２１同士を連結するように設けられている。第１高屈折率層３３１の材料は第１高屈折率部分３２１の材料と同じであってもよい。第１高屈折率部分３２１の屈折率と第２高屈折率部分３２２の屈折率は異なる。第１高屈折率層３３１の屈折率と第２高屈折率層の屈折率は異なる。第２高屈折率層３３２の屈折率は絶縁膜３１０の屈折率よりも高く、複数の開口３１１内の各々に設けられた複数の第２高屈折率部分３２２同士を連結するように設けられている。第２高屈折率層３３２の材料は第２高屈折率部分３２２の材料と同じであってもよい。
＜第３変形例＞
図５（ｃ）に示す第３変形例では、第２高屈折率部分３２２は開口３１１の側面３１２上に設けられており、開口３１１内であって第２高屈折率部分３２２の内側には第１高屈折率部分３２１が設けられている。そのため、第１高屈折率部分３２１と開口３１１の側面３１２との間に第２高屈折率部分３２２が位置している。本変形例では、第２高屈折率部分３２２は、第１高屈折率部分３２１の入射側の一部と側面３１２の入射側の一部にのみ設けられている。第１高屈折率部分３２１および第２高屈折率部分３２２の屈折率は、絶縁膜３１０の屈折率よりも高い。第２高屈折率部分３２２の材料は、第１高屈折率部分３２１の材料と同じであってもよい。高屈折率膜３３０は、第１高屈折率領域３３３と第２高屈折率領域３３４とで構成されている。第１高屈折率領域３３３は第１高屈折率部分３２１と同じ材料からなり、第１高屈折率部分上に位置している。第２高屈折率領域３３４の屈折率は、絶縁膜３１０の屈折率よりも高く、第２高屈折率部分３２１上から絶縁膜３１０上に延在している。第２高屈折率領域３３４は、複数の開口３１１内の各々に設けられた複数の第２高屈折率部分３２２同士を連結するように設けられている。第２高屈折率領域３３４の材料は第２高屈折率部分３２２の材料と同じであってもよい。
図５（ａ）で示した第１変形例において、第２高屈折率部分３２２の屈折率を、絶縁層３１０の屈折率よりも低い透明材料に置き換えてもよい。図５（ｂ）で示した第２変形例において、第１高屈折率部分３２１および第１高屈折率層３３１と、第２高屈折率部分３２２および第２高屈折率層３３２と、のいずれか一方を、絶縁層３１０の屈折率よりも低い透明材料に置き換えてもよい。
図５（ａ）、（ｂ）で示した第１変形例、第２変形例において、第２高屈折率部分３２２を、金属光沢を有する不透明材料に置き換えてもよい。その場合には、この第２高屈折率部分３２２に相当する金属材料からなる部分は開口３１１の底面３１３を覆わないように設けるべきである。金属光沢によって開口３１１内の第１高屈折率部分３２１に入射した光のうち、側面３１２に向かう光を光電変換部３に向けて反射することができる。
図５（ａ）、（ｂ）で示した第１変形例、第２変形例において、図５（ｃ）に示したように、第２高屈折率部分を、第１高屈折率部分３２１の入射側の一部と側面３１２の入射側の一部にのみ設けてもよい。
上記第１〜３変形例において、第１高屈折率部分３２１と第２高屈折率部分３２２は互いに異なる屈折率を有する異なる材料を用いてもよいし、互いに異なる屈折率を有する同じ材料で構成されていてもよい。第２変形例の第１高屈折率層３３１と第２高屈折率層３３２、第３変形例の第１高屈折率領域３３３と第２高屈折率領域３３４についても同様である。同じ材料であっても、材料密度を変化させることによって屈折率を異ならせることができる。その場合には、第１高屈折率部分と第２高屈折率部分との間、第１高屈折率層と第２高屈折率層との間、第１高屈折率膜と第２高屈折率膜との間で、屈折率が連続的に変化していることもある。同じ材料を用いて屈折率を異ならせると、材料が異なる場合に比べて応力が抑制できるので好ましい。
光電変換装置１のレンズ層の変形例を説明する。図６（ａ）に第４変形例を、図６（ｂ）に第５変形例を、図６（ｃ）に第６変形例を、図６（ｄ）に第７変形例、図６（ｅ）に第８変形例を、をそれぞれ示す。図６（ａ）〜（ｅ）は、第２レンズ層２００に各変形例を適用した例を示したが、第１レンズ層１００にも同様に、第４〜８変形例を適用することができる。なお、図６（ａ）〜（ｅ）の部材７００は、第２レンズ層２００の下面と界面を成す部材であり、図１（ａ）で示した高屈折率膜３３０や図４（ａ）で示した低屈折率膜６００などに相当する。
第２レンズ層２００は複数の第２集光レンズ部２１０を有しているが、第４、５変形例は、互いに隣り合う第２集光レンズ部同士が離れている形態であり、第６〜８変形例は、互いに隣り合う第２集光レンズ部同士が接している形態である。第５、６、８変形例では、第２レンズ層２００は、互いに隣り合う複数のレンズ体２３０と、レンズ基体２４０と、コーティング２５０とで構成されている。レンズ層は、少なくともレンズ体２３０を有していればよく、レンズ基体２４０やコーティング２５０は適宜省略することができる。
＜第４変形例＞
図６（ａ）に示す第４変形例では、レンズ基体２４０が設けられておらず、互いに離れて隣り合う第２集光レンズ部２１０同士の間には、図１（ｂ）に示したような第２連結部２２０が存在していない。
＜第５変形例＞
図６（ｂ）に示す第５変形例では、第２レンズ層２００は、互いに隣り合う複数のレンズ体２３０と、レンズ基体２４０と、コーティング２５０とで構成されている。レンズ体２３０の表面は略球面を呈しており、互いに隣り合うレンズ体２３０同士は離れている。
複数のレンズ体２３０はレンズ基体２４０上に位置している。レンズ基体２４０は、レンズ体２３０の、全部もしくはレンズ基体２４０近傍の一部の材料と同じ材料の単一の材料からなる。そのため、レンズ体２３０とレンズ基体２４０の境界を観察することは困難な場合が多く、レンズ体２３０の表面（略球面）の端同士を結んだ、仮想的な境界を設定することが好ましい。なお、第２レンズ層２００の材料が高屈折率膜３３０の材料と同じであって、高屈折率膜３３０とレンズ基体２４０との境界が明確でない場合がある。その場合には、上記仮想的な境界を第２レンズ層２００の下面とみなして、第２レンズ層と高屈折率膜３３０とが接していると考えることができる。
レンズ基体２４０の、レンズ体２３０から半導体基板２に向けた正射影の領域に存在する部分をレンズ体対応部２４１と呼び、それ以外の領域に存在する部分をレンズ体非対応部２４２と呼ぶ。レンズ体非対応部２４２は実質的に平坦な表面を有する。
コーティング２５０はレンズ体２３０およびレンズ基体２４０の表面（略球面）に沿って設けられた膜であり、コーティング２５０の表面の一部の領域は略球面を呈しており、この領域を曲面領域２５１と呼ぶ。コーティング２５０は、レンズ体２３０とは異なる材料からなる。コーティング２５０は単層コーティングであってもよいし、材料が異なる２つ以上の層を含む複層コーティングであってもよい。例えば、コーティング２５０を酸化シリコン層と酸窒化シリコン層と窒化シリコン層とフッ素樹脂層から選ばれた二つ以上の層で構成することもできる。コーティング２５０の表面の、曲面領域２５１以外の領域は実質的に平坦であり、この領域を平面領域２５２と呼ぶ。曲面領域２５１から半導体基板２に向けた正射影の領域に位置する、レンズ体２３０の全部と、レンズ基体２４０の一部と、コーティング２５０の一部とが、複数の第２集光レンズ部２１０を構成している。ここでいうレンズ基体２４０の一部とは詳細には、レンズ体対応部２４１の全部とレンズ体非対応部２４２の一部である。一方、平面領域２５２から半導体基板２に向けた正射影の領域に位置する、レンズ基体２４０の一部（詳細には、レンズ体非対応部２４２の残りの一部）と、コーティング２５０の一部とが、第２連結部２２０を構成している。このようにして、互いに隣り合う第２集光レンズ部２１０同士が離れている構成を得ることもできる。
コーティング２５０の屈折率をレンズ体２３０の屈折率よりも低くするとよい。コーティング２５０の屈折率をこのように設定すると、コーティング２５０はレンズ体２３０の表面への入射光の透過率を高める、幾何光学的な視点での反射抑制機能を奏する。
コーティング２５０の厚みＴＣはレンズ体２３０の厚みＴＬより小さい。ＴＣがＴＬの１／２以下であることが好ましい。コーティング２５０の厚みＴＣは２００ｎｍ以下であることが望ましい。コーティング２５０の厚みＴＣを、入射光の波長の（Ｍ−０．５）／４ｎＣ倍〜（Ｍ＋０．５）／４ｎＣ倍とすると好ましく、入射光の波長のＭ／４ｎＣ倍とすることがより好ましい。ここで、Ｍは奇数、ｎＣはコーティング２５０の屈折率である。Ｍは１または３が好ましく、１がより好ましい。コーティング２５０の厚みをこのように設定すると、コーティング２５０はレンズ体２３０の表面での反射光とコーティング２５０の表面での反射光の干渉を弱める、波動光学的な視点での反射抑制機能を奏する。以上のように、レンズ部が反射抑制構造を有することにより、光の損失が低減され、高い感度を有する光電変換装置が得られる。例えば、レンズ体２３０が屈折率２．００の窒化シリコンからなる場合、コーティング２５０は屈折率が１．７３である酸窒化シリコンからなることが好ましい。コーティング２５０の厚みは、例えば８０ｎｍとすることができる。また、例えば、レンズ体２３０が屈折率１．６０の樹脂からなる場合、コーティング２５０は屈折率が１．４６である酸化シリコンからなることが好ましい。コーティング２５０の厚みは、例えば９４ｎｍとすることができる。なお、複層コーティングの場合、コーティング２５０を共にレンズ体２３０の屈折率よりも低い複数の層で構成することもできるが、厚みと波長に因る干渉を弱める条件に基づき、レンズ体２３０よりも屈折率が高い層と、レンズ体２３０よりも屈折率が低い層とで構成することもできる。
＜第６変形例＞
図６（ｃ）に示す第６変形例でも、互いに隣り合うレンズ体２３０同士は離れており、レンズ基体２４０は、実質的に平坦な表面を有するレンズ体非対応部２４２を有している。一方、コーティング２５０の曲面領域２５１同士が接している。したがって、レンズ体２３０の全部と、レンズ基体２４０の全部（詳細には、レンズ体対応部２４１の全部とレンズ体非対応部２４２の全部）と、コーティング２５０の全部とが、複数の第２集光レンズ部２１０を構成している。このように、レンズ体２３０同士が離れていても、コーティング２５０を設けることによって、互いに隣り合う第２集光レンズ部２１０同士が接している構成を得ることもできる。
＜第７変形例＞
図６（ｄ）に示す第７変形例でも、互いに隣り合うレンズ体２３０同士は離れている。なお、本変形例では、レンズ基体２４０を削除している。一方、コーティング２５０の曲面領域２５１同士が接している。したがって、レンズ体２３０の全部と、コーティング２５０の全部とが、複数の第２集光レンズ部２１０を構成している。このように、レンズ体２３０同士が離れていても、コーティング２５０を設けることによって、互いに隣り合う第２集光レンズ部２１０同士が接している構成を得ることもできる。
＜第８変形例＞
図６（ｅ）に示す第８変形例では、互いに隣り合うレンズ体２３０同士が接しており、互いに隣り合う曲面領域２５１も接している。なお、レンズ基体２４０には実質的に平坦なレンズ体非対応部２４２が存在していない。したがって、レンズ体２３０の全部と、レンズ基体２４０の全部と、コーティング２５０の全部とが、複数の第２集光レンズ部２１０を構成している。その結果、互いに隣り合う第２集光レンズ部２１０同士は接している。本実施形態では、レンズ体２３０同士が接しているため、互いに隣り合う第２集光レンズ部２１０同士の境界近傍（曲面領域２５１同士の境界近傍）に入射した光を、より確実に別々のレンズ体２３０で集光することが可能になる。
＜第５実施形態＞
上述したように、第１レンズ層１００にも同様に、第４〜８変形例を適用することができる。第５実施形態として、図４（ｃ）で説明した、第４実施形態の第３例において、第１レンズ層１００に第８変形例を、第２レンズ層２００に第５変形例を適用した例を図７に示す。
第１レンズ層１００の第１集光レンズ部１１０は、第１基体１４０と第１レンズ体１３０と第１コーティング１５０を含んでいる。本例では、第１基体１４０および第１レンズ体１３０は樹脂からなり、第１コーティング１５０は酸化シリコンからなる。第２レンズ層２００の第２集光レンズ部２１０は、第２基体２４０と第２レンズ体２３０と第２コーティング２５０を含んでいる。本例では、本例では、第２基体２４０および第２レンズ体２３０は窒化シリコンからなり、第２コーティング２５０は酸窒化シリコンからなる。
図８を用いて説明したように、レンズ層の連結部に光が入射すると画質の低下が生じる場合がある。そのため、仮に、第１レンズ体部１１０同士の間の第１連結部に、光の反射を抑制するようなコーティングが設けられていると、画質の低下が顕著になってしまう恐れがある。一方、本例では、互いに隣り合う第１レンズ体部１１０が接しているため、上述したように、注目受光素子１０の第１レンズ体部１１０と１次近傍受光素子１１同士の間には連結部が存在しない。そのため、連結部へ入射するような光が存在しないため、画質の低下が抑制される。注目受光素子１０と２次近傍受光素子１１に関しても同様である。
また、第１レンズ層１００から半導体基板２までの間で反射率が高い界面が存在すると、各界面での反射光の干渉が生じやすく、色ムラが顕著になる可能性がある。特に第１レンズ層１００の表面（上面）での反射、第２レンズ層２００の表面（上面）での反射、および半導体基板２の表面での反射が、光の干渉による色ムラの大きな原因となりうる。本例では、第１コーティング１５０により第１レンズ層１００での反射を抑制できるため、色ムラを改善することが可能となる。またさらに本例では、第２コーティングにより第２レンズ層２００の表面での反射を抑制することができる。色ムラは、反射面の間隔が小さ場合に顕著になりうるが、第１レンズ層１００の表面と第２レンズ層２００の表面の双方で反射を抑制することにより、色ムラをより改善することができる。なお、第２レンズ層２００は第２連結部２２０を有しており、第２コーティング２５０により第２連結部２２０での反射も抑制されうるが、第１レンズ層１００の第１レンズ部１１０同士が接していることにより、第２連結部２２０への入射光は可及的に低減される。
第１集光レンズ部１１０の曲率を０．４９（１／μｍ）以上とすることにより、色ムラを抑制することができる。色ムラは、半導体基板２の法線方向で生じる光の干渉が主たる要因である。第１集光レンズ１１０の曲率半径を小さくすることで、第１集光レンズ部１１０の表面（上面）での反射光の進行方向を他の面での反射光の進行方向からずらすことができる。その結果、第１集光レンズ部１１０の表面（上面）での反射光が他の面での反射光と干渉することを抑制することができる。
さらに、本例では、第２レンズ層２００の屈折率（詳細には、第２レンズ層２００の第２基体２４０の屈折率）が高屈折率部材３３０の屈折率よりも高くなっている。例えば、第２レンズ層２００を屈折率が２．００の窒化シリコンとし、高屈折率膜３３０を屈折率が１．８４の窒化シリコンとすることができる。したがって、第３変形例で説明したように、第１低屈折率層６１０の屈折率を第３低屈折率層６３０の屈折率よりも高くすることにより、第２レンズ層２００の下面と高屈折率膜３００の上面での反射光を低減することができる。例えば第１低屈折率層６１０を屈折率が１．７３の酸窒化シリコンとし、第２低屈折率層６２０を屈折率が１．４６の酸化シリコンとし、第３低屈折率層６３０を１．６５とすることができる。
以上説明した光電変換装置１は、例えば、イメージングセンサーや測距センサー、測光センサーとしての利用が可能である。光電変換装置１が、イメージングセンサーと測距センサー、測光センサーとしての機能のうちの複数の機能を兼ね備えていてもよい。
光電変換装置１と、光電変換装置１から出力された電気信号が入力され、当該電気信号を処理する信号処理装置とを備える撮像システムを構築することもできる。図９は、撮像システム１００１の一例を示す図である。電気信号は、光電変換装置１のＯＵＴ１、ＯＵＴ２から出力される。ここでは、出力経路をＯＵＴ１、ＯＵＴ２の２つを設けた例を示したが、出力経路は、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。電気信号は、信号処理装置１０００のＩＮに入力される。電気信号は、電流信号であってもよいし電圧信号でもよく、また、アナログ信号であってもよいしデジタル信号であってもよい。
光電変換装置１をイメージセンサーとして用いる場合には、信号処理装置１０００を、ＩＮに電気信号を入力することにより、ＯＵＴ３から画像信号を出力するように構成する。光電変換装置１を焦点検出用の測距センサーとして用いる場合には、信号処理装置１０００を、ＩＮに電気信号を入力することにより、光電変換装置１の前方に設けられたレンズを駆動するための駆動信号を、ＯＵＴ３から出力するように構成する。光電変換装置１を測光センサーとして用いる場合には、信号処理装置１０００を、ＩＮに電気信号を入力することにより、シャッターを制御して露光時間を調整する制御信号をＯＵＴ３から出力するように構成する。なお、上記シャッターはメカニカルシャッターでも電子シャッターでもよいが、電子シャッターの場合は、実質的に光電変換装置１を制御することになる。本発明の光電変換装置１をイメージセンサーとして用いると特に好適であり、良好な画像を得ることができる。
図９に示した撮像システム１００１における光電変換装置１の一例を説明する。本例では、光電変換装置１として画素増幅型光電変換装置をイメージセンサーとして用いている。図９において、光電変換装置１は、画素部７１１と、垂直走査回路７１２と、２つの読み出し回路７１３と、２つの水平走査回路７１４と、２つの出力アンプ７１５を備えている。画素部７１１以外の領域を周辺回路部とも称する。
画素部７１１は、複数の画素セルが２次元状に配列されて構成される。各画素セルは、複数の画素を含んで構成される。各画素は、読み出し回路７１３、例えば、列アンプ、ＣＤＳ回路、加算回路等を含み、垂直走査回路７１２によって選択された行の画素から垂直信号線を介して読み出された信号に対して増幅、加算等を行う。列アンプ、ＣＤＳ回路、加算回路等は、例えば、画素列又は複数の画素列毎に配置される。水平走査回路７１４は、読み出し回路７１３の信号を順番に読み出すための信号を生成する。出力アンプ７１５は、水平走査回路７１４によって選択された列の信号を増幅して出力する。
以上の構成は、光電変換装置１の一つの構成例に過ぎず、これに限定されるものではない。読み出し回路７１３と水平走査回路７１４と出力アンプ７１５とは、２系統の出力経路（ＯＵＴ１、ＯＵＴ２）を構成するため、画素部７１１を挟んで上下に１つずつ配置されている。
代表的な撮像システム１００１としてはスチルカメラやビデオカメラ等のカメラが挙げられる。撮像システム１００１は、光電変換装置１を移動可能にする移動手段（不図示）を備えることもできる。移動手段としては、電動モーターやレシプロエンジン、ロータリーエンジン等を動力源とする車輪が挙げられる。また、移動手段としては、プロペラ、タービンエンジン、ロケットエンジン等の推進装置も挙げられる。このような、移動手段を備える撮像システムは、自動車や鉄道車両、船舶、航空機、人工衛星等に、光電変換装置１および信号処理装置１０００を搭載することにより実現が可能である。
１ 光電変換装置
３ 光電変換部
３００ 複合部材
３１０ 絶縁膜
３２０ 高屈折率部材
３２１ 第１高屈折率部分
３２２ 第２高屈折率部分
３３０ 高屈折率膜
１１０ 第１集光レンズ部
２１０ 第２集光レンズ部
４００ 波長選択層
６００ 低屈折率膜

Claims (28)

  1. 各々が、光電変換部と、第１レンズ部と、前記第１レンズ部と前記光電変換部との間に設けられた第２レンズ部と、前記第２レンズ部と前記光電変換部との間に設けられた導光路と、を備える複数の受光素子が配列された光電変換装置であって、
    前記複数の受光素子は、第１受光素子と、第１方向において前記第１受光素子に隣り合う第２受光素子と、前記第１方向に対して斜めの第２方向において前記第１受光素子に隣り合う第３受光素子とを含み、前記第１受光素子の第１レンズ部の光軸と前記第２受光素子の第１レンズ部の光軸との距離が、前記第１受光素子の第１レンズ部の前記光軸と前記第３受光素子の第１レンズ部の光軸との距離よりも小さく、
    前記第２受光素子の第１レンズ部が前記第１受光素子の第１レンズ部に接し、前記第２受光素子の第２レンズ部が前記第１受光素子の第２レンズ部から離れており、
    前記複数の受光素子の第２レンズ部の各々は、前記第１レンズ部側に凸の曲面を有する凸レンズ形状を呈し、かつ、レンズ体と、前記曲面に沿って設けられた、前記第２レンズ部の前記レンズ体の屈折率よりも低い屈折率を有する層を含むコーティングと、で構成されており、
    前記第１受光素子の第２レンズ部と前記第２受光素子の第２レンズ部との間には、前記第２レンズ部の前記レンズ体と同じ材料からなる基体と、前記第２レンズ部の前記コーティングとで構成された連結部が設けられており、
    前記第１方向における前記第１受光素子の導光路の幅が、前記第１方向における前記第１受光素子の第２レンズ部の幅よりも小さく、
    前記第１受光素子の第２レンズ部と前記第１受光素子の導光路との間に、前記第１受光素子の第２レンズ部の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率膜が設けられていることを特徴とする光電変換装置。
  2. 前記第３受光素子の第１レンズ部が前記第１受光素子の第１レンズ部に接していることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
  3. 各々が、光電変換部と、第１レンズ部と、前記第１レンズ部と前記光電変換部との間に設けられた第２レンズ部と、前記第２レンズ部と前記光電変換部との間に設けられた導光路と、を備える複数の受光素子が配列された光電変換装置であって、
    前記複数の受光素子は、第１受光素子と、第１方向において前記第１受光素子に隣り合う第２受光素子と、前記第１方向に対して斜めの第２方向において前記第１受光素子に隣り合う第３受光素子とを含み、前記第１受光素子の第１レンズ部の光軸と前記第２受光素子の第１レンズ部の光軸との距離が、前記第１受光素子の第１レンズ部の前記光軸と前記第３受光素子の第１レンズ部の光軸との距離よりも小さく、
    前記第２受光素子の第１レンズ部および前記第３受光素子の第１レンズ部が前記第１受光素子の第１レンズ部に接しており、前記第２受光素子の第２レンズ部および前記第３受光素子の第２レンズ部が前記第１受光素子の第２レンズ部から離れており、
    前記複数の受光素子の第２レンズ部の各々は、前記第１レンズ部側に凸の曲面を有する凸レンズ形状を呈し、
    前記第１方向における前記第１受光素子の導光路の幅が、前記第１方向における前記第１受光素子の第２レンズ部の幅よりも小さく、
    前記第２方向における前記第１受光素子の導光路の幅が、前記第２方向における前記第１受光素子の第２レンズ部の幅よりも小さく、
    前記第１受光素子の第２レンズ部と前記第１受光素子の導光路との間に、前記第１受光素子の第２レンズ部の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率膜が設けられていることを特徴とする光電変換装置。
  4. 前記第１受光素子の第２レンズ部と前記第２受光素子の第２レンズ部との間、および、前記第１受光素子の第２レンズ部と前記第３受光素子の第２レンズ部との間には、前記第１受光素子の第２レンズ部と同じ材料で構成された連結部が設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の光電変換装置。
  5. 各々が、光電変換部と、第１レンズ部と、前記第１レンズ部と前記光電変換部との間に設けられた第２レンズ部と、前記第２レンズ部と前記光電変換部との間に設けられた導光路と、を備える複数の受光素子が配列された光電変換装置であって、
    前記複数の受光素子は、第１受光素子と、第１方向において前記第１受光素子に隣り合う第２受光素子と、前記第１方向に対して斜めの第２方向において前記第１受光素子に隣り合う第３受光素子とを含み、前記第１受光素子のレンズ部の光軸と前記第２受光素子のレンズ部の光軸との距離が、第１受光素子のレンズ部の前記光軸と前記第３受光素子のレンズ部の光軸との距離よりも小さく、
    前記第１方向における前記第１受光素子の第１レンズ部の幅が、前記第１受光素子の第１レンズ部の前記光軸と前記第２受光素子の第１レンズ部の前記光軸との前記距離に等しく、
    前記第２方向における前記第１受光素子の第１レンズ部の幅が、前記第１受光素子の第１レンズ部の前記光軸と前記第３受光素子の第１レンズ部の前記光軸との前記距離に等しく、
    前記第２方向における前記第１受光素子の第２レンズ部の幅が、前記第１受光素子の第１レンズ部の前記光軸と前記第３受光素子の第１レンズ部の前記光軸との前記距離より小さく、
    前記複数の受光素子の第２レンズ部の各々は、前記第１レンズ部側に凸の曲面を有する凸レンズ形状を呈し、前記第１受光素子の第２レンズ部と前記第３受光素子の第２レンズ部との間には、前記第１受光素子の第２レンズ部と同じ材料で構成された連結部が設けられており、
    前記第２方向における前記第１受光素子の導光路の幅が、前記第２方向における前記第１受光素子の第２レンズ部の前記幅よりも小さく、前記第１受光素子の第２レンズ部と前記第１受光素子の導光路との間に、前記第１受光素子の第２レンズ部の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率膜が設けられていることを特徴とする光電変換装置。
  6. 前記第１方向における前記第１受光素子の第２レンズ部の幅が、前記第１受光素子の第１レンズ部の前記光軸と前記第２受光素子の第１レンズ部の前記光軸との前記距離より小さいことを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
  7. 前記複数の受光素子の各々は、前記第１レンズ部と前記第２レンズ部との間に、カラーフィルタを備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  8. 前記複数の受光素子の導光路の各々は、絶縁膜で囲まれていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  9. 前記絶縁膜は前記導光路の屈折率よりも低い屈折率を有する絶縁層を含み、前記複数の受光素子の導光路の各々は、前記絶縁層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率膜で互いに連結されていることを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
  10. 前記高屈折率膜は前記絶縁膜と前記低屈折率膜の間に位置し、前記低屈折率膜は前記高屈折率膜の屈折率よりも低い屈折率を有することを特徴とする請求項９に記載の光電変換装置。
  11. 前記低屈折率膜は、前記第１受光素子の第２レンズ部の屈折率よりも低い屈折率を有する第１低屈折率層と、前記第１低屈折率層と前記導光路の間に配された、前記第１低屈折率層の屈折率よりも低い屈折率を有する第２低屈折率層と、を含むことを特徴とする請求項１０に記載の光電変換装置。
  12. 前記低屈折率膜は、前記第２低屈折率層と前記導光路との間に配された、前記第２低屈折率層の屈折率と前記高屈折率膜の屈折率の間の屈折率を有する第３低屈折率層を含むことを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置。
  13. 前記第１受光素子の第２レンズ部の屈折率が前記導光路の屈折率よりも高く、前記第１低屈折率層の屈折率が、前記第３低屈折率層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１２に記載の光電変換装置。
  14. 前記複数の受光素子の第１レンズ部の各々は、レンズ体と、前記第１レンズ部のレンズ体の曲面に沿って設けられた、前記第１レンズ部のレンズ体の屈折率よりも低い屈折率を有する層を含むコーティングと、で構成されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  15. 前記第２受光素子の第１レンズ部のレンズ体が、前記第３受光素子の第１レンズ部のレンズ体に接していることを特徴とする請求項１４に記載の光電変換装置。
  16. 前記第１レンズ部の前記コーティングは、前記第１レンズ部の前記レンズ体の屈折率よりも高い屈折率を有する層を含むことを特徴とする請求項１４または１５に記載の光電変換装置。
  17. 前記第１レンズ部の前記レンズ体は樹脂からなり、前記第１レンズ部の前記コーティングは酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  18. 前記複数の受光素子の第２レンズ部の各々は、レンズ体と、前記第２レンズ部の前記レンズ体の曲面に沿って設けられた、前記第２レンズ部の前記レンズ体の屈折率よりも低い屈折率を有する層を含むコーティングと、で構成されていることを特徴とする４乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  19. 前記第２レンズ部の前記レンズ体は窒化シリコンからなり、前記第２レンズ部の前記コーティングは酸窒化シリコンを含むことを特徴とする請求項１、２、３または１８に記載の光電変換装置。
  20. 前記第２レンズ部は、前記第１レンズ部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する材料を含むことを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  21. 前記第１受光素子の第１レンズ部の前記光軸と前記第２受光素子の第１レンズ部の前記光軸との前記距離が、２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  22. 前記複数の受光素子の各々の第１レンズ部の曲率が０．４９（１／μｍ）以上であることを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  23. 前記第１低屈折率層および前記第３低屈折率層が酸窒化シリコンからなり、前記第２低屈折率層が酸化シリコンからなることを特徴とする請求項１２または１３に記載の光電変換装置。
  24. 前記高屈折率膜の材料は、前記導光路の材料と同じであることを特徴とする請求項９に記載の光電変換装置。
  25. 前記複数の受光素子の導光路の各々は、第１部分と、前記絶縁層と前記第１部分との間に位置する第２部分とを有しており、前記第１部分の屈折率が前記第２部分の屈折率と異なることを特徴とする請求項８乃至１３および２４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  26. 前記第２部分の材料は、前記第１部分の材料と同じであることを特徴とする請求項２５に記載の光電変換装置。
  27. 前記複数の受光素子の導光路の各々は、前記絶縁層よりも高い屈折率を有する高屈折率膜で互いに連結されており、前記高屈折率膜は下記の条件（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉ）の少なくともいずれかを満たすことを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
    （ｉ）前記高屈折率膜は前記第１部分と同じ材料からなり、前記複数の受光素子の各々の導光路の前記第１部分に接している。
    （ｉｉ）前記高屈折率膜は前記第２部分と同じ材料からなり、前記複数の受光素子の各々の導光路の前記第２部分に接している。
    （ｉｉｉ）前記高屈折率膜は、前記第１部分と同じ材料からなる第１高屈折率層と、前記第２部分と同じ材料からなる第２高屈折率層と、を有しており、前記第１高屈折率層は前記複数の受光素子の各々の導光路の前記第１部分に連続し、前記第２高屈折率層は前記複数の受光素子の各々の導光路の前記第２部分に接している。
  28. 請求項１乃至２７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、前記光電変換装置から出力された電気信号が入力され、前記電気信号を処理する信号処理装置と、を有することを特徴とする撮像システム。
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