CN115461657A - 滤波器阵列及光检测系统 - Google Patents

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Abstract

滤波器阵列具备二维地排列的多个光学滤波器。上述多个光学滤波器中的至少1个光学滤波器包括：干涉层，具有第1表面及上述第1表面的相反侧的第2表面；以及反射层，设置在上述第1表面上。上述至少1个光学滤波器的透射光谱在特定的波长域具有多个极大值。上述反射层没有设置在上述第2表面上。

Description

滤波器阵列及光检测系统
技术领域
本公开涉及滤波器阵列及光检测系统。
背景技术
通过利用分别为窄带的许多个波段、例如几十个波段的光谱信息，能够掌握通过以往的RGB图像不能掌握的对象物的详细的物性。取得这样的多波长的信息的相机被称为“高光谱相机”。高光谱相机利用于食品检查、生物体检查、医药品开发及矿物的成分分析等各种领域。
专利文献1公开了利用压缩感测的高光谱摄像装置的例子。该摄像装置具备：编码元件，其为光透射率的波长依赖性互不相同的多个光学滤波器的阵列；图像传感器，检测透射了编码元件的光；以及信息处理电路。在将被摄体与图像传感器连结的光路上配置编码元件。图像传感器通过按每个像素同时检测叠加有多个波段的成分的光，取得1个波长复用图像。信息处理电路利用编码元件的分光透射率(spectraltransmittance)的空间分布的信息对所取得的波长复用图像应用压缩感测，从而生成关于多个波段各自的图像数据。在专利文献1所公开的摄像装置中，使用在对象波长域内具有两个以上的透射率的峰值(即极大值)的光学滤波器阵列作为编码元件。
专利文献2公开了在反射层中使用电介质多层膜的法布里-珀罗共振器的滤波器阵列的例子。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第9599511号说明书
专利文献2：美国专利第9466628号说明书
发明内容
发明要解决的课题
本公开的目的是提供能够使高光谱相机的波长分辨率以及摄像光量提高的光检测系统、以及在该光检测系统中使用的滤波器阵列。
用来解决课题的手段
有关本公开的一技术方案的滤波器阵列具备二维地排列的多个光学滤波器。上述多个光学滤波器中的至少1个光学滤波器包括：干涉层，具有第1表面及上述第1表面的相反侧的第2表面；以及反射层，设置在上述第1表面上。上述至少1个光学滤波器的透射光谱在特定的波长域具有多个极大值。上述反射层没有设置在上述第2表面上。
本公开的包含性或具体的形态也可以由系统、装置、方法、集成电路、计算机程序或计算机可读取的记录盘等记录介质实现，也可以由系统、装置、方法、集成电路、计算机程序及记录介质的任意的组合实现。计算机可读取的记录介质例如可以包括CD－ROM(Compact Disc—Read Only Memory)等的非易失性的记录介质。装置也可以由1个以上的装置构成。在装置由两个以上的装置构成的情况下，该两个以上的装置既可以配置在1个设备内，也可以分开配置在分离的两个以上的设备内。在本说明书及权利要求书中，“装置”不仅可以指1个装置，还可以指由多个装置构成的系统。
发明效果
根据本公开的技术，能够使高光谱相机的波长分辨率以及摄像光量提高。
附图说明
图1A是示意地表示例示性的实施方式的光检测系统的图。
图1B是表示滤波器阵列从图像传感器离开而配置的光检测系统的结构例的图。
图1C是表示滤波器阵列从图像传感器离开而配置的光检测系统的结构例的图。
图1D是表示滤波器阵列从图像传感器离开而配置的光检测系统的结构例的图。
图2A是示意地表示例示性的实施方式的滤波器阵列的例子的图。
图2B是表示对象波长域中包含的多个波长域各自的光的透射率的空间分布的一例的图。
图2C是表示图2A所示的滤波器阵列中包含的某滤波器的透射光谱的例子的图。
图2D是表示图2A所示的滤波器阵列中包含的另一滤波器的透射光谱的例子的图。
图3A是用来说明对象波长域与其中包含的多个波长域的关系的一例的图。
图3B是用来说明对象波长域与其中包含的多个波长域的关系的另一例的图。
图4A是用来说明滤波器阵列中的某滤波器的透射光谱的特性的图。
图4B是表示将图4A所示的透射光谱按每个波长域平均化的结果的图。
图5A是示意地表示光检测装置的第1例的剖视图。
图5B是示意地表示光检测装置的第2例的剖视图。
图6A是示意地表示图5A所示的滤波器的例子的图。
图6B是表示垂直入射下的单侧DBR构造及两侧DBR构造具有的透射光谱的例子的图。
图7A是表示10度的倾斜入射及垂直入射下的单侧DBR构造具有的透射光谱的例子的图。
图7B是表示10度的倾斜入射及垂直入射下的两侧DBR构造具有的透射光谱的例子的图。
图8A是示意地表示光检测装置的第3例的剖视图。
图8B是示意地表示光检测装置的第4例的剖视图。
图9A是示意地表示光检测装置的第5例的剖视图。
图9B是示意地表示光检测装置的第6例的剖视图。
图10A是示意地表示光检测装置的第7例的剖视图。
图10B是示意地表示光检测装置的第8例的剖视图。
图11A是示意地表示图5A所示的第1例的变形例1的图。
图11B是示意地表示图5A所示的第1例的变形例2的图。
图11C是示意地表示图5A所示的第1例的变形例3的图。
图11D是示意地表示图5A所示的第1例的变形例4的图。
具体实施方式
以下，说明本公开的例示性的实施方式。另外，以下说明的实施方式都表示包含性或具体的例子。因而，在以下的实施方式中表示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置及连接形态、步骤、步骤的顺序等是一例，不是限定本公开的意思。并且，关于以下的实施方式的构成要素中的、在表示最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素，设为任意的构成要素进行说明。此外，各图是示意图，并不一定是严密地图示的。进而，在各图中有对于实质上相同的构成赋予相同的标号而将重复的说明省略或简化的情况。
在说明本公开的实施方式之前，说明作为本公开的基础的认识。
专利文献1公开了能够生成高析像度的多波长图像即关于多个波段各自的图像的摄像装置。在该摄像装置中，由被称为“编码元件”的光学元件将来自对象物的光的像进行编码而拍摄。编码元件例如具有二维地排列的多个区域。该多个区域中的至少两个区域各自的透射光谱在摄像对象的波长域内的多个波长域中分别具有透射率的极大值。多个区域例如可以与图像传感器的多个像素分别对应而配置。在使用该编码元件的拍摄中，各像素的数据包含多个波长域的信息。即，通过拍摄取得的图像数据是波长信息被压缩的数据。因而，持有二维数据就足够，能够抑制数据量。例如，即使在记录介质的容量有制约的情况下，也能够取得长时间的运动图像的数据。多波长图像通过根据拍摄取得的图像重构与多个波长域分别对应的多个图像而生成。在以下的说明中，将按每个波长域即波段生成的各个图像也称为“分离图像”。
编码元件例如可以由包括二维地排列的多个滤波器的滤波器阵列实现。多个滤波器分别例如可以具备包括两个反射层及位于它们之间的干涉层的所谓法布里-珀罗共振器的构造。作为法布里-珀罗共振器，例如可以采用专利文献2中公开的构造。多个滤波器可以设计为，使各滤波器的透射光谱在摄像对象的波长域中具有多个峰值。
在上述的滤波器阵列中可能存在以下的问题。滤波器阵列的透射光谱在垂直入射和倾斜入射间可能变化。结果，多波长图像的波长分辨率有可能下降。进而，在法布里-珀罗共振器的两个反射层两者都在对象波长域中具有相对高的反射率的情况下，在滤波器的透射光谱中，相邻的两个峰值之间的透射率大幅下降。结果，多波长图像的光量有可能下降。
在本公开的技术方案的滤波器阵列中，干涉层具有位于相互相反侧的两个表面。在关于该两个表面的对象波长域的光的反射率中有一定的差异。这样的滤波器阵列降低高光谱相机的波长分辨率及摄像光量下降的可能性。以下，简单地说明本公开的实施方式的滤波器阵列及具备该滤波器阵列的本公开的光检测系统。
(第1项目)
有关第1项目的滤波器阵列具备二维地排列的多个光学滤波器。上述多个光学滤波器中的至少1个光学滤波器包括：干涉层，具有第1表面及上述第1表面的相反侧的第2表面；以及反射层，设置在上述第1表面上。上述至少1个光学滤波器的透射光谱在特定的波长域具有多个极大值。上述反射层没有设置在上述第2表面上。
在该滤波器阵列中，能够抑制因光的入射角的变化带来的透射光谱的变化，并且能够抑制透射光量的损失，结果，能够降低高光谱相机的波长分辨率及摄像光量下降的可能性。
(第2项目)
在有关第1项目的滤波器阵列中，也可以是，上述反射层包含从由分布布拉格反射器及金属膜构成的组中选择的至少1个。
在该滤波器阵列中，能够实现将特定的波长域内的光有效地反射的反射层。
(第3项目)
在有关第2项目的滤波器阵列中，也可以是，上述分布布拉格反射器包括1组以上的第1折射率层及第2折射率层之组。上述第1折射率层的折射率也可以比上述第2折射率层的折射率高。
在该滤波器阵列中，通过使第1折射率层及第2折射率层的组的数量增减，能够适当地设计分布布拉格反射器的反射率。
(第4项目)
在有关第3项目的滤波器阵列中，也可以是，当设上述特定的波长域中包含的波长为λ，设上述第1折射率层的上述折射率为nH，设上述第2折射率层的上述折射率为nL时，上述第1折射率层的厚度为λ/(4nH)，上述第2折射率层的厚度为λ/(4nL)，上述干涉层的厚度大于λ/(2nH)。
在该滤波器阵列中，能够使波长λ的光有效地反射。
(第5项目)
在有关第2项目的滤波器阵列中，也可以是，上述金属膜的厚度为1nm以上且100nm以下。
在该滤波器阵列中，通过适当地调整金属膜的厚度，能够使金属膜的透射率增加。
(第6项目)
在有关第1～第5项目的任一项的滤波器阵列中，也可以是，上述至少1个光学滤波器还包括透明层。上述干涉层也可以配置在上述透明层与上述反射层之间。
(第7项目)
在有关第1～第5项目的任一项的滤波器阵列中，也可以是，上述至少1个光学滤波器还包括透明层。上述反射层也可以配置在上述透明层与上述干涉层之间。
在这些滤波器阵列中，通过透明层，能够保护光学滤波器或抑制向共振构造入射的光的反射。
(第8项目)
在有关第6或第7项目的滤波器阵列中，也可以是，上述至少1个光学滤波器还包括位于上述透明层上的微透镜。
在该滤波器阵列中，能够使由微透镜集束的光有效地向光学滤波器入射。
(第9项目)
有关第9项目的光检测系统具备：有关第1～第8项目的任一项的滤波器阵列；以及图像传感器，配置在接受透射了上述多个光学滤波器的光的位置，对于具有上述特定的波长域中包含的波长的光具有灵敏度。
在该光检测系统中，能够实现波长分辨率及摄像光量提高的高光谱相机。
(第10项目)
有关第9项目的光检测系统也可以是，还具备处理电路，该处理电路基于表示上述多个光学滤波器的透射光谱的空间分布的数据、以及由上述图像传感器取得的图像数据，生成与多个波段分别对应的分光图像数据，上述多个光学滤波器包括具有互不相同的透射光谱的第1光学滤波器及第2光学滤波器。
在本公开中，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分、或框图中的功能块的全部或一部分例如也可以由包括半导体装置、半导体集成电路(IC)或LSI(large scaleintegration)的1个或多个电子电路执行。LSI或IC既可以集成到1个芯片上，也可以将多个芯片组合而构成。例如，也可以将存储元件以外的功能块集成到1个芯片上。这里称为LSI或IC，但根据集成的程度而叫法变化，也可以称为系统LSI、VLSI(very large scaleintegration)或ULSI(ultra large scale integration)。也可以以相同的目的使用可在LSI的制造后编程的Field Programmable Gate Array(FPGA)、或能够进行LSI内部的接合关系的重构或LSI内部的电路划分的设置的reconfigurable logic device。
进而，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分的功能或操作可以通过软件处理来执行。在此情况下，将软件记录到1个或多个ROM、光盘、硬盘驱动器等的非暂时性记录介质中，在软件被处理装置(processor)执行时，由该软件确定的功能被处理装置(processor)及周边装置执行。系统或装置也可以具备记录有软件的1个或多个非暂时性记录介质、处理装置(processor)及需要的硬件设备、例如接口。
(实施方式)
<光检测系统>
图1A是示意地表示本公开的例示性的实施方式的光检测系统400的图。光检测系统400具备光学系统40、滤波器阵列10、图像传感器60和处理电路200。滤波器阵列10具有与专利文献1中公开的“编码元件”同样的功能。因此，也可以将滤波器阵列10称为“编码元件”。光学系统40及滤波器阵列10配置在从对象物70入射的光的光路上。在图1A所示的例子中，滤波器阵列10配置在光学系统40与图像传感器60之间。
在图1A中，作为对象物70的一例而例示了苹果。对象物70并不限于苹果，可以是任意的物体。处理电路200基于图像传感器60所生成的图像数据，关于特定的波长域(以下，也称为“对象波长域”)中包含的多个波段分别生成图像数据。在本说明书中将该图像数据称为“分光图像数据”。这里，将对象波长域中包含的波段的数量设为N(N是4以上的整数)。在以下的说明中，将生成的多个波段的分光图像数据称为分离图像220W1、220W2、…、220WN，将它们统称为分离图像220。在本说明书中，有时将表示图像的信号即表示构成图像的多个像素的像素值的信号的集合简单称为“图像”。
滤波器阵列10具备被排列为行及列状的透光性的多个滤波器。滤波器阵列10是光的透射光谱即光透射率的波长依赖性根据滤波器而不同的光学元件。滤波器阵列10将入射的光的强度按每个波长域调制并使其通过。
在图1A所示的例子中，滤波器阵列10配置在图像传感器60的附近或紧上方。这里“附近”是指以来自光学系统40的光的像在某种程度鲜明的状态下形成于滤波器阵列10的面上的程度接近。“紧上方”是指两者以几乎不发生间隙的程度接近。滤波器阵列10及图像传感器60也可以被一体化。在本说明书中，将具备滤波器阵列10及图像传感器60的装置称为“光检测装置300”。
光学系统40至少包括1个透镜。在图1A中表示为1个透镜，但光学系统40也可以由多个透镜的组合构成。光学系统40经由滤波器阵列10在图像传感器60的摄像面上形成像。
滤波器阵列10也可以从图像传感器60分离而配置。图1B至图1D是表示滤波器阵列10从图像传感器60分离而配置的光检测系统400的结构例的图。在图1B的例子中，滤波器阵列10配置在光学系统40与图像传感器60之间且从图像传感器60分离的位置。在图1C的例子中，滤波器阵列10配置在对象物70与光学系统40之间。在图1D的例子中，光检测系统400具备两个光学系统40A及40B，在它们之间配置有滤波器阵列10。如这些例子那样，也可以在滤波器阵列10与图像传感器60之间配置包括1个以上的透镜的光学系统。滤波器阵列10、光学系统40及图像传感器60之间也可以被大气充满，此外也可以被氮气等的气体封闭。
图像传感器60具备二维地排列的多个光检测元件。图像传感器60可以是例如CCD(Charge－Coupled Device：电荷耦合器件)传感器、CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor：互补金属氧化物半导体)传感器或红外线阵列传感器。光检测元件例如可以包括光电二极管。图像传感器60例如可以是单色型的传感器或彩色型的传感器。对象波长域可以任意地决定。对象波长域并不限于可视的波长域，也可以是紫外、近红外、中红外、远红外或微波的波长范围。
在图1A所示的例子中，多个光检测元件分别与多个滤波器中的1个对置而配置。多个光检测元件分别对于摄像对象的波长域的光具有灵敏度。具体而言，多个光检测元件分别具有对摄像对象的波长域的光进行检测所需要的实质性的灵敏度。例如，该波长域的光检测元件的外部量子效率可以是1％以上。光检测元件的外部量子效率也可以是10％以上。光检测元件的外部量子效率也可以是20％以上。在以下的说明中，将光检测元件也称为“像素”。
处理电路200可以是例如具备处理器和存储器等存储介质的集成电路。处理电路200基于由图像传感器60取得的图像120，生成分别包含多个波段的信息的多个分离图像220的数据。关于多个分离图像220及处理电路200的图像信号的处理方法的详细情况在后面叙述。另外，处理电路200也可以组装在光检测装置300中，也可以是通过有线或无线与光检测装置300电连接的信号处理装置的构成要素。
<滤波器阵列>
以下，说明本实施方式的滤波器阵列10。滤波器阵列10配置在从对象物入射的光的光路上，将入射光的强度按每个波长调制并输出。在本说明书中将由滤波器阵列即编码元件进行的该过程称为“编码”。
图2A是示意地表示滤波器阵列10的例子的图。滤波器阵列10包括二维地排列的多个滤波器。各滤波器具有单独设定的透射光谱。设入射光的波长为λ时，透射光谱由函数T(λ)表示。透射光谱T(λ)可以取0以上且1以下的值。
在图2A所示的例子中，滤波器阵列10具有排列为6行8列的48个矩形状的滤波器。这只不过是例示，在实际用途中，可以设计比其多的滤波器。其数量例如也可以是与图像传感器60的像素数相同的程度。滤波器阵列10中包含的滤波器的数量可在例如几十到几千万的范围中根据用途而决定。
图2B是表示对象波长域中包含的多个波长域W1、W2、…、Wi各自的光的透射率的空间分布的一例的图。在图2B所示的例子中，各滤波器的浓淡的差异表示透射率的差异。越淡的滤波器透射率越高，越浓的滤波器透射率越低。如图2B所示，根据波长域而光透射率的空间分布不同。
图2C及图2D分别是表示图2A的滤波器阵列10的多个滤波器中包含的滤波器A1及滤波器A2的透射光谱的例子的图。滤波器A1的透射光谱和滤波器A2的透射光谱互不相同。这样，滤波器阵列10的透射光谱根据滤波器而不同。但是，并不一定需要全部滤波器的透射光谱不同。在滤波器阵列10中，多个滤波器中的至少两个滤波器的透射光谱互不相同。即，滤波器阵列10包括透射光谱互不相同的两个以上的滤波器。在一例中，滤波器阵列10中包含的多个滤波器的透射光谱的样式的数量可以与对象波长域中包含的波长域的数量i相同或为其以上。滤波器阵列10也可以被设计为，使半数以上的滤波器的透射光谱不同。在本说明书中，多个光学滤波器各自的透射光谱互不相同可以是指多个光学滤波器中的至少两个光学滤波器的透射光谱互不相同。
图3A及图3B是用来说明对象波长域W与其中包含的多个波长域W1、W2、…、Wi的关系的图。对象波长域W根据用途可以设定为各种各样的范围。对象波长域W例如可以是约400nm到约700nm的可视光的波长域、约700nm到约2500nm的近红外线的波长域、或约10nm到约400nm的近紫外线的波长域。或者，对象波长域W也可以是中红外、远红外、太赫兹波或毫米波等的电波域。这样，使用的波长域并不限于可视光域。在本说明书中，并不限于可视光，将近紫外线、近红外线及电波等非可视光也为了方便而称为“光”。
在图3A所示的例子中，设i为4以上的任意的整数，设将对象波长域W进行i等分而得到的各个域设为波长域W1、波长域W2、…、波长域Wi。但是，并不限定于这样的例子。对象波长域W中包含的多个波长域也可以任意地设定。例如，也可以根据波长域而使带宽不均匀。也可以在相邻的波长域之间有间隙。在图3B所示的例子中，根据波长域而带宽不同，并且在相邻的两个波长域之间有间隙。这样，多个波长域只要互不相同即可，其决定方式是任意的。波长的分割数i也可以是3以下。
图4A是用来说明滤波器阵列10中的某滤波器的透射光谱的特性的图。在图4A所示的例子中，透射光谱关于对象波长域W内的波长具有多个极大值P1到极大值P5、以及多个极小值。在图4A所示的例子中，进行了正规化以使对象波长域W内的光透射率的最大值为1、最小值为0。在图4A所示的例子中，在波长域W2及波长域Wi-1等波长域中，透射光谱具有极大值。这样，在本实施方式中，各滤波器的透射光谱在多个波长域W1到波长域Wi中的至少两个多个波长域中具有极大值。根据图4A可知，极大值P1、极大值P3、极大值P4及极大值P5是0.5以上。
如以上这样，各滤波器的光透射率根据波长而不同。因而，滤波器阵列10使入射的光中的某波长域的成分较多地透射，而不怎么使其他波长域的成分透射。例如可以是，关于i个波长域中的k个波长域的光，透射率大于0.5，关于其余的i－k个波长域的光，透射率小于0.5。k是满足2≤k<i的整数。假如入射光是均等地包含全部可视光的波长成分的白色光的情况下，滤波器阵列10将入射光按每个滤波器调制为关于波长具有离散的多个强度的峰值的光，将这些多波长的光叠加并输出。
图4B是作为一例而表示将图4A所示的透射光谱按每个波长域W1、波长域W2、…、波长域Wi平均化的结果的图。平均化的透射率通过将透射光谱T(λ)按每个波长域积分并除以该波长域的带宽而得到。在本说明书中，将这样按每个波长域平均化的透射率的值称为该波长域的透射率。在该例中，在取极大值P1、极大值P3及极大值P5的3个波长域中，透射率突出地变高。特别是，在取极大值P3及极大值P5的两个波长域中，透射率超过了0.8。
各滤波器的透射光谱的波长方向的分辨率可以设定为希望的波长域的带宽左右。换言之，在包含透射光谱曲线中的1个极大值的波长范围中，取与该极大值最接近的极小值和该极大值的平均值以上的值的范围的宽度可以设定为希望的波长域的带宽左右。在此情况下，如果将透射光谱例如通过傅里叶变换分解为频率成分，则相当于该波长域的频率成分的值相对地变大。
典型地，如图2A所示，滤波器阵列10具有被区划为栅格状的多个滤波器。这些滤波器的一部分或全部具有互不相同的透射光谱。滤波器阵列10中包含的多个滤波器的光透射率的波长分布及空间分布例如可以是随机分布或准随机分布。
随机分布及准随机分布的考虑方式如下。首先，滤波器阵列10的各滤波器可以考虑为根据光透射率而具有例如0到1的值的向量要素。这里，在透射率为0的情况下，向量要素的值是0，在透射率为1的情况下，向量要素的值是1。换言之，可以将在行方向或列方向上排列为一列的滤波器的集合考虑为具有0到1的值的多维的向量。因而，可以说滤波器阵列10在列方向或行方向上具备多个多维向量。此时，随机分布是指任意的两个多维向量是独立的，即不平行。此外，准随机分布是指包含在一部分多维向量之间不独立的结构。因而，在随机分布及准随机分布中，以多个滤波器中包含的属于排列在1个行或列中的滤波器的集合的各滤波器的第1波长域的光的透射率的值为要素的向量、与以属于排列在其他的行或列中的滤波器的集合的各滤波器的第1波长域的光的透射率的值为要素的向量是相互独立的。关于与第1波长域不同的第2波长域也同样，以多个滤波器中包含的属于排列在1个行或列中的滤波器的集合的各滤波器的第2波长域的光的透射率的值为要素的向量、与以属于排列在其他的行或列中的滤波器的集合的各滤波器的第2波长域的光的透射率的值为要素的向量是相互独立的。
在将滤波器阵列10配置在图像传感器60的附近或者紧上方的情况下，滤波器阵列10中包含的多个滤波器的相互的间隔也可以与图像传感器60的像素间距大致一致。如果这样，则从滤波器阵列10射出的编码后的光的像的析像度与像素的析像度大致一致。通过使得透射了各单元的光仅向对应的1个像素入射，能够使后述的运算变得容易。在将滤波器阵列10从图像传感器60分离而配置的情况下，也可以根据其距离使单元间距变窄。
在图2A至图2D所示的例子中，滤波器阵列10具有各滤波器的透射率能够取0以上1以下的任意的值的灰阶的透射率分布。但是，并不一定需要设为灰阶的透射率分布。例如，也可以采用各滤波器的透射率能够取大约0或大约1的某个值的二进尺度的透射率分布。在二进尺度的透射率分布中，各滤波器使对象波长域中包含的多个波长域中的至少两个波长域的光的大部分透射，不使其余的波长域的光的大部分透射。这里，“大部分”是指大约80％以上。
也可以将全部滤波器中的一部分例如一半的滤波器替换为透明滤波器。这样的透明滤波器使对象波长域中包含的全部的波长域W1到波长域Wi的光以相同程度的高透射率透射。该高透射率例如是0.8以上。在这样的结构中，多个透明滤波器例如可以以棋盘格(checkerboard)状配置。即，在滤波器阵列10中的多个滤波器的两个排列方向上，可以交替地排列光透射率根据波长而不同的滤波器和透明滤波器。在图2A所示的例子中，两个排列方向是横向及纵向。
表示这样的滤波器阵列10的分光透射率的空间分布的数据基于设计数据或实测定标而事前取得，被保存到处理电路200具备的存储介质中。该数据在后述的运算处理中被使用。
滤波器阵列10例如可以使用多层膜、有机材料、衍射栅格构造或包含金属的微细构造构成。在使用多层膜构成的情况下，例如可以使用电介质多层膜或包含金属层的多层膜。在此情况下可以形成为，按每个单元，各多层膜的厚度、材料及层叠顺序中的至少1个不同。由此，能够实现根据单元而不同的分光特性。通过使用多层膜，能够实现分光透射率的尖锐的上升及下降。使用有机材料的结构可以通过根据单元而使含有的颜料或染料不同、或使不同种类的材料层叠来实现。使用衍射栅格构造的结构可以通过设置按每个单元而不同的衍射间距或深度的衍射构造来实现。在使用包含金属的微细构造的情况下，可以利用基于等离激元效应的分光来制作。
<处理电路>
接着，说明通过处理电路200重构多波长的分离图像220的方法。这里，多波长是指比例如由通常的彩色相机取得的RGB的3色的波长域多的波长域。该波长域的数量例如可以是4至100左右的数量。将该波长域的数量也称为“分光频带数”。根据用途，分光频带数也可以超过100。
想要求出的数据是分离图像220，将该数据表示为f。如果设分光频带数为w，则f是将各频带的图像数据f1、f2、…、fw整合后的数据。这里，如图1A所示，设图像的横向为x方向，设图像的纵向为y方向。如果设应求出的图像数据的x方向的像素数为n，设y方向的像素数为m，则图像数据f1、f2、…、fw分别是n×m像素的二维数据。因而，数据f是要素数n×m×w的三维数据。另一方面，由滤波器阵列10编码及复用而取得的图像120的数据g的要素数是n×m。数据g可以由以下的式(1)表示。
[数式1]
Figure BDA0003917333120000141
这里，f1、f2、…、fw是具有n×m个要素的数据。因而，右边的向量严格地讲是n×m×w行1列的一维向量。将向量g变换为n×m行1列的一维向量来表示，进行计算。矩阵H表示将向量f的各成分f1、f2、…、fw用按每个波长域而不同的编码信息进行编码及强度调制并将它们相加的变换。因而，H是n×m行n×m×w列的矩阵。
如果给出了向量g和矩阵H，则通过求解式(1)的逆问题，应该能够计算f。但是，由于要求出的数据f的要素数n×m×w比取得数据g的要素数n×m多，所以该问题是不良设定问题，在这个状态下不能求解。所以，处理电路200利用数据f中包含的图像的冗长性，使用压缩感测的方法来求解。具体而言，通过解出以下的式(2)，来估计要求出的数据f。
[数式2]
Figure BDA0003917333120000142
这里，f’表示估计出的f的数据。上式的括号内的第1项表示估计结果Hf和取得数据g的偏差量，所谓的残差项。这里将平方和作为残差项，但也可以将绝对值或平方和平方根等作为残差项。括号内的第2项是后述的正则化项或稳定化项。式(2)意味着求出使第1项与第2项之和最小化的f。处理电路200可以通过递归性的反复运算使解收敛，来计算最终的解f’。
式(2)的括号内的第1项是指求出取得数据g与用矩阵H对估计过程的f进行系统变换而得到的Hf的差分的平方和的运算。第2项的Φ(f)是f的正则化的制约条件，是反映了估计数据的稀疏信息的函数。作为作用，有使估计数据变得平滑或稳定的效果。正则化项例如可以通过f的离散余弦变换(DCT)、小波变换、傅里叶变换或总变分(TV)等表示。例如，在使用总变分的情况下，能够取得抑制了观测数据g的噪声的影响的稳定的推测数据。各个正则化项的空间中的对象物70的稀疏性根据对象物70的纹理而不同。也可以选择对象物70的纹理在正则化项的空间中更稀疏的正则化项。或者，也可以在运算中包含多个正则化项。τ是权重系数。权重系数τ越大，则冗长的数据的削减量越多，压缩的比例越高。权重系数τ越小，则向解的收敛性越弱。权重系数τ被设定为，f以某种程度收敛并且不会成为过压缩的适当的值。
另外，在图1B至图1D的结构中，由滤波器阵列10编码的像可以在图像传感器60的摄像面上以模糊的状态取得。因而，可以预先持有该模糊信息，通过使该模糊信息反映到上述的系统矩阵H，来重构分离图像220。这里，模糊信息由点扩散函数(Point SpreadFunction：PSF)表示。PSF是规定点像向周边像素的扩散程度的函数。例如，在图像上相当于1个像素的点像通过模糊而向该像素的周围的k×k像素的区域扩散的情况下，PSF可以规定为表示对该区域内的各像素的亮度的影响的系数群、即矩阵。通过使基于PSF的编码样式的模糊的影响反映到系统矩阵H，能够重构分离图像220。配置滤波器阵列10的位置是任意的，但可以选择滤波器阵列10的编码样式不会过度扩散而消失的位置。
另外，这里表示了使用式(2)所示的压缩感测的运算例，但也可以使用其他的方法求解。例如，可以使用最大似然估计法或贝叶斯估计法等其他的统计方法。此外，分离图像220的数量是任意的，各波长域也可以任意地设定。在专利文献1中公开了重构方法的详细情况。在本说明书中援用专利文献1的全部公开内容。
<具备法布里-珀罗滤波器的滤波器阵列>
接着，参照图5A及图5B，说明本实施方式的滤波器阵列10的具体的构造的例子。图5A及图5B分别是示意地表示光检测装置300的第1例及第2例的剖视图。该剖视图表示图2A所示的滤波器阵列10的1个行及图像传感器60的截面构造的例子。在图5A及图5B所示的例子中，滤波器阵列10配置在图像传感器60上。图像传感器60中包含的多个光检测元件60a分别位于滤波器阵列10所包含的多个滤波器100的紧下方。滤波器阵列10和图像传感器60也可以分离。在此情况下，多个光检测元件60a分别也能够配置在接受透射了多个滤波器中的1个滤波器的光的位置。各构成要素也可以配置为，使透射了多个滤波器的光经由反射镜向多个光检测元件60a分别入射。在此情况下，多个光检测元件60a各自没有配置在多个滤波器中的1个滤波器的紧下方。
本实施方式的滤波器阵列10中包含的全部的滤波器100具备共振构造。共振构造是指某波长的光在内部形成驻波而稳定地存在的构造。图5A所示的共振构造依次包括层叠的基板22、反射层24及干涉层26。图5B所示的共振构造依次包括层叠的基板22、干涉层26及反射层24。图5A及图5B所示的基板22跨全部的滤波器100无阶差而均匀地设置。图5A所示的反射层24与图5B所示的反射层24不同，跨全部的滤波器100无阶差而均匀地设置。如图5A及图5B所示，干涉层26及反射层24的层叠顺序是任意的。基板22并不一定需要。反射层24例如可以包括分布布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector：DBR)。关于反射层24的结构的详细情况在后面叙述。干涉层26的折射率及/或厚度可以根据滤波器100而不同。多个滤波器100的透射光谱根据干涉层26的折射率及/或厚度而不同。各滤波器100的透射光谱在对象波长域W中在多个波长下具有透射率的极大值。
另外，在本实施方式的滤波器阵列10中，也可以是，多个滤波器100中的至少1个滤波器具有上述的共振构造，而其他的滤波器不具有上述的共振构造。例如，滤波器阵列10也可以包括透明滤波器或ND滤波器(Neutral Density Filter：中性密度滤波器)等的不具有光透射率的波长依赖性的滤波器。
在第1例中，干涉层26也可以暴露在大气中。也可以在干涉层26的表面上隔开空间而配置透镜及保护罩等部件。此时，该空间既可以被大气充满，也可以被氮气等气体封闭。关于第2例的反射层24的表面也是同样的。
接着，参照图6A说明滤波器100的结构的例子。图6A是示意地表示图5A所示的滤波器100的例子的图。如图6A所示，反射层24包括交替地层叠有多个第1折射率层24a及多个第2折射率层24b的DBR。DBR包括1组以上的折射率不同的第1折射率层24a及第2折射率层24b的成对层。第1折射率层24a的折射率比第2折射率层24b的折射率高。分布布拉格反射器通过起因于周期构造的布拉格反射而具有反射率高的波长域。该波长域被称为阻带。如果增加上述的成对层的数量，则阻带的反射率接近于100％。
设对象波长域W内的波长为λ，第1折射率层24a的折射率为nH，第2折射率层24b的折射率为nL。包括1组以上的厚度为λ/(4nH)的第1折射率层24a及厚度为λ/(4nL)的第2折射率层24b的成对层的DBR使波长λ的光有效地反射。在对象波长域W为波长λi以上且波长λf以下的范围的情况下，通过使多个第1折射率层24a及多个第2折射率层24b的厚度阶段性地变化，DBR能够包含与波长λi对应的成对层到与波长λf对应的成对层。结果，该DBR能够使对象波长域W内的全部的光有效地反射。
DBR例如可以由对于对象波长域W内的光的吸收率低的材料形成。在对象波长域W处于可视光域内的情况下，该材料例如可以是从由SiO2、Al2O3、SiOxNy、Si3N4、Ta2O5及TiO2构成的组中选择的至少1种。在对象波长域W处于红外域内的情况下，该材料例如可以是从除了上述的SiO2、Al2O3、SiOxNy、Si3N4、Ta2O5及TiO2以外，还包括单晶Si、多晶Si及非晶Si而构成的组中选择的至少1种。
干涉层26具有与反射层24相接的下表面26s1及其相反侧的上表面26s2。在图6A所示的滤波器100中，下表面26s1相当于第1表面，上表面26s2相当于第2表面。在图6A所示的例子中，上表面26s2暴露在外部，与空气接触。也可以在干涉层26上还层叠透明层。在此情况下，上表面26s2与该透明层相接。作为第1表面的下表面26s1的关于对象波长域W的光的反射率(以下称为“第1反射率”)例如可以是80％以上。第1反射率也可以比80％低，但从抑制反射的观点出发，可以设计为40％以上。作为第2表面的上表面26s2的关于对象波长域W的光的反射率(称为“第2反射率”)比第1反射率低，例如可以是1％以上且小于30％。在第1反射率与第2反射率之间有10％以上的一定的差异。
另一方面，在图5B所示的光检测装置300的滤波器100中，在干涉层26的上表面上配置有反射层24。在图5B所示的光检测装置300的滤波器100中，干涉层26的上表面相当于第1表面，下表面相当于第2表面。
在本说明书中，假设只要将光反射的面的正确的位置不成为问题，干涉层26内的光就被作为第1表面的下表面26s1及作为第2表面的上表面26s2反射。在本实施方式中，从干涉层26向反射层24入射的光的一部分实际透入到反射层24内，被多个第1折射率层24a及多个第2折射率层24b的界面反射。将光反射的界面根据波长而不同。但是，为了便于说明，设为这些光被作为第1表面的下表面26s1反射来处理。
通过下表面26s1及上表面26s2上的光的反射，在干涉层26内形成多个驻波。结果，在干涉层26的厚度为规定值以上的情况下，滤波器100的透射光谱在对象波长域W中在多个波长下具有透射率的极大值。换言之，滤波器100的透射光谱在对象波长域W内具有多个峰值。在本说明书中，将这样的滤波器称为“多模滤波器”。
在DBR包含与波长λ对应的成对层的情况下，能够实现多模滤波器的干涉层26的厚度例如可以是第1折射率层24a的厚度的2倍以上、即λ/(2nH)以上。也可以不是设计干涉层26的厚度，而是适当地设计干涉层26的折射率来实现多模滤波器。或者，也可以适当地设计干涉层26的厚度及折射率双方来实现多模滤波器。
干涉层26可以由与DBR同样的材料形成。干涉层26并不限于单一的层，也可以包括层叠的多个层。该多个层也可以由不同的材料形成。该多个层的折射率也可以以不对滤波器100的透射光谱带来实质性的影响的程度不同。在折射率不同的层的界面上可能发生反射。但是，只要是不对透射光谱带来实质性的影响的程度，则该多个层分别可以考虑为是实质上均匀的干涉层26的一部分。容许的折射率的相对误差是0％以上且9％以下。该相对误差是将最大折射率与最小折射率之差的绝对值除以最大折射率而得到的值。例如，Ta2O5及Si3N4的可视光域中的折射率分别是2.2及2.05。这些折射率的相对误差大约是7％。因而，层叠的Ta2O5层及Si3N4层分别可以考虑为是实质上均匀的干涉层26的一部分。
在以下的说明中，将图6A所示的构造称为“单侧DBR构造”。将除了图6A所示的构造以外在干涉层26上还层叠有反射层24的构造称为“两侧DBR构造”。在单侧DBR构造中，在干涉层26的下表面26s1及上表面26s2中的一方设有反射层，在另一方没有设置。在两侧DBR构造中，在干涉层26的下表面26s1及上表面26s2双方设有反射层。
接着，参照图6B说明滤波器100的透射光谱的例子。图6B是表示光垂直地入射的情况下的单侧DBR构造及两侧DBR构造的光的透射光谱的例子的图。在图6B所示的例子中，对象波长域W是450nm以上且850nm以下。图6B所示的实线表示单侧DBR构造的透射光谱。图6B所示的虚线表示两侧DBR构造的透射光谱。如图6B所示，能够从单侧DBR构造及两侧DBR构造双方得到多模滤波器。但是，两者的多模滤波器的特性在以下方面不同。在单侧DBR构造的透射光谱中，多个峰值各自的宽度较宽，并且最大的透射率是0.5左右，最小的透射率是0.1左右。相对于此，在两侧DBR构造的透射光谱中，多个峰值分别较尖锐，并且最大的透射率是1.0左右，最小的透射率是0.02左右。
在单侧DBR构造中，与两侧DBR构造相比，透射率的基线上升。在该例中，单侧DBR构造中的对象波长域W内的平均透射率是约26％，两侧DBR构造中的对象波长域W内的平均透射率是约14％。在单侧DBR构造中，与两侧DBR构造相比，平均透射率是约2倍。这样，单侧DBR构造能够抑制摄像时的光量损失。
接着，参照图7A及图7B，说明与光的入射角对应的透射光谱的变化。图7A是表示10度的倾斜入射及垂直入射下的单侧DBR构造具有的透射光谱的例子的图。图7B是表示10度的倾斜入射及垂直入射下的两侧DBR构造具有的透射光谱的例子的图。图7A及图7B所示的实线表示倾斜入射，图7A及图7B所示的虚线表示垂直入射。如图7A及图7B所示，在单侧DBR构造及两侧DBR构造双方中，透射光谱通过倾斜入射而向短波长侧移位。在该例中，如果将倾斜入射及垂直入射下的透射率之差的绝对值在对象波长域W内平均化，则其平均值在单侧DBR构造中是约4％，在两侧DBR构造中是约12％。可知单侧DBR构造的透射光谱与两侧DBR构造的透射光谱相比，对于光的入射角的变化更为稳健。其理由是因为，单侧DBR构造的透射光谱具有比两侧DBR构造的透射光谱宽度宽的峰值。如果以在垂直入射中透射率具有极大值的峰值波长为基准，则即使通过倾斜入射而宽度较宽的峰值向短波长侧移位，该峰值波长下的透射率也不那么大地减小。相对于此，如果通过倾斜入射而尖锐的峰值向短波长侧移位，则该峰值波长下的透射率大幅减小。
在滤波器阵列10内的全部的滤波器100包含单侧DBR构造的情况下，式(1)中的矩阵H具有的成分即使光的入射角变化也不那么大地变化。因而，在根据使用这样的滤波器阵列10拍摄的图像来重构多个分离图像220的情况下，能够抑制该多个分离图像220的波长分辨率的下降。
接着，参照图8A至图10B，说明光检测装置300的另一例。
图8A及图8B分别是示意地表示光检测装置300的第3例及第4例的剖视图。在图8A所示的第3例中，滤波器100的共振构造除了图5A所示的层叠构造以外还包括层叠在干涉层26上的透明层28。在第3例中，透明层28以干涉层26为基准，位于反射层24的相反侧。在第3例中，干涉层26配置在透明层28与反射层24之间。在图8B所示的第4例中，滤波器100的共振构造除了图5B所示的层叠构造以外还包括层叠于反射层24上的透明层28。在第4例中，透明层28以干涉层26为基准配置在与反射层24相同侧。在第4例中，反射层24配置在透明层28与干涉层26之间。在第3例及第4例中，透明层28例如可以作为反射层24或干涉层26的保护层及/或防反射膜发挥功能。
在第3例中，透明层28例如可以由对于对象波长域W内的光的吸收率低、并且折射率比干涉层26低的材料形成。在干涉层26由Ta2O5或TiO2形成的情况下，该材料例如可以是从由Al2O3及SiO2构成的组中选择的至少1种。Ta2O5及TiO2的在可视光域中的折射率分别是2.2及2.4。Al2O3及SiO2的在可视光域中的折射率分别是1.77及1.46。此外，在透明层28的折射率及厚度的乘积比对象波长域W内的最短的波长λmin的1/4小的情况下，也可以使用折射率比干涉层26高的材料作为透明层28的材料。在第4例中，透明层28例如可以由对象波长域W内的光的吸收率低、并且折射率比反射层24中的与透明层28最近的第1折射率层24a或第2折射率层24b低的材料形成。此外，在透明层28的折射率及厚度的乘积比对象波长域W内的最短的波长λmin的1/4小的情况下，也可以使用折射率比第1折射率层24a或第2折射率层24b高的材料作为透明层28的材料。
在第3例及第4例中，透明层28也可以暴露在大气中。也可以在透明层28的表面上隔开空间而配置透镜及保护罩等部件。此时，该空间既可以被大气充满，也可以被氮气等气体封闭。
图9A及图9B分别是示意地表示光检测装置300的第5例及第6例的剖视图。在图9A所示的第5例中，滤波器100的共振构造除了图5A所示的层叠构造以外，还包括层叠于干涉层26上的透明层28及配置在透明层28上的微透镜40a。在第5例中，透明层28及微透镜40a以干涉层26为基准，位于反射层24的相反侧。在图9B所示的第6例中，滤波器100的共振构造除了图5B所示的层叠构造以外，还包括层叠在反射层24上的透明层28及配置在透明层28上的微透镜40a。在第6例中，透明层28及微透镜40a以干涉层26为基准，位于与反射层24相同侧。关于透明层28的材料如上所述。如图9A及图9B所示，透明层28使与相邻的滤波器100的阶差变得平坦。结果，微透镜40a的配置变得容易。透明层28作为支承微透镜40a的间隔件发挥功能。在反射层24与微透镜40a之间，也可以不存在透明层28，而存在填充有气体的空间。通过由微透镜40a使入射光聚集，光检测元件60a能够高效地检测光。
图10A及图10B分别是示意地表示光检测装置300的第7例及第8例的剖视图。在第7例及第8例中，分别与第1例及第2例不同，反射层25不包含DBR而包含金属膜。金属膜的在对象波长域W中的反射率依赖于金属膜的材料。金属膜的在对象波长域W中的吸收系数依赖于金属膜的厚度。
金属膜可以由对象波长域W中的反射率例如为90％以上的材料形成。在对象波长域W处于可视光域内的情况下，反射率为90％以上的金属膜的材料例如可以是从由Ag及Al构成的组中选择的至少1种。在对象波长域W处于红外域内的情况下，反射率为90％以上的金属膜的材料可以是从由Ag、Al、Au及Cu构成的组中选择的至少1种。即使是反射率相对低的金属膜，在抑制反射率这一方面也是有用的。例如，也可以由对象波长域W中的反射率为40％以上且70％以下的材料形成金属膜。在对象波长域W处于可视光域或红外域内的情况下，反射率为40％以上且70％以下的金属膜的材料例如可以是从由Ni及Pt构成的组中选择的至少1种。金属膜也可以是合金。金属膜也可以通过镀层加工来设置。
金属膜的厚度例如可以是1nm以上且100nm以下。在此情况下，金属膜的可视光域到近红外域中的透射率可以相对变大。金属膜的厚度也可以是几十nm以下。如果金属膜过厚，则入射光不能透射过金属膜。因此，光检测元件60a不能检测金属膜的透射光。
在光检测装置300的第3例到第6例中，也可以将包含DBR的反射层24替换为包含金属膜的反射层25。
接着，参照图11A至图11D，说明图5A所示的第1例的变形例。图11A至图11D是示意地表示图5A所示的第1例的变形例的图。
如图11A所示，在滤波器阵列10中，多个滤波器100也可以被分割。不需要全部的滤波器100被分割，也可以是一部分滤波器100被分割。
如图11B所示，也可以在一部分光检测元件60a上不配置滤波器100。换言之，在滤波器阵列10中，多个滤波器100的至少1个也可以是透明的。
如图11C所示，也可以在滤波器阵列10与图像传感器60之间设置空间。换言之，滤波器阵列10和图像传感器60也可以隔着空间分离。
如图11D所示，也可以将1个滤波器100配置在多个光检测元件60a上。换言之，也可以将干涉层26跨两个以上的滤波器100无阶差而均匀地设置。
在光检测装置300的第2例至第8例中，也可以应用与第1例同样的变形例。
产业上的可利用性
本公开的光检测系统及滤波器阵列例如对于取得多波长的二维图像的相机及测量设备是有用的。本公开的光检测系统及滤波器阵列也能够应用于面向生物体、医疗、美容的感测、食品的异物/残留农药检查系统、遥感系统及车载感测系统等。
标号说明
10 滤波器阵列
24、25 反射层
26 干涉层
26s1 下表面
26s2 上表面
28 透明层
40 光学系统
40a 微透镜
60 图像传感器
60a 光检测元件
70 对象物
100 滤波器
120 图像
200 处理电路
220 分离图像
300 光检测装置
400 光检测系统

Claims (10)

1.一种滤波器阵列，其中，
具备二维地排列的多个光学滤波器，
上述多个光学滤波器中的至少1个光学滤波器包括：
干涉层，具有第1表面及上述第1表面的相反侧的第2表面；以及
反射层，设置在上述第1表面上，
上述至少1个光学滤波器的透射光谱在特定的波长域具有多个极大值，
上述反射层没有设置在上述第2表面上。
2.如权利要求1所述的滤波器阵列，其中，
上述反射层包含从由分布布拉格反射器及金属膜构成的组中选择的至少1个。
3.如权利要求2所述的滤波器阵列，其中，
上述分布布拉格反射器包括1组以上的第1折射率层及第2折射率层之组，
上述第1折射率层的折射率比上述第2折射率层的折射率高。
4.如权利要求3所述的滤波器阵列，其中，
当设上述特定的波长域中包含的波长为λ，
设上述第1折射率层的上述折射率为nH，设上述第2折射率层的上述折射率为nL时，
上述第1折射率层的厚度为λ/(4nH)，上述第2折射率层的厚度为λ/(4nL)，
上述干涉层的厚度大于λ/(2nH)。
5.如权利要求2所述的滤波器阵列，其中，
上述金属膜的厚度为1nm以上且100nm以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的滤波器阵列，其中，
上述至少1个光学滤波器还包括透明层，
上述干涉层配置在上述透明层与上述反射层之间。
7.如权利要求1～5中任一项所述的滤波器阵列，其中，
上述至少1个光学滤波器还包括透明层，
上述反射层配置在上述透明层与上述干涉层之间。
8.如权利要求6或7所述的滤波器阵列，其中，
上述至少1个光学滤波器还包括位于上述透明层上的微透镜。
9.一种光检测系统，其中，具备：
权利要求1～8中任一项所述的滤波器阵列；以及
图像传感器，配置在接受透射了上述多个光学滤波器的光的位置，对于具有上述特定的波长域中包含的波长的光具有灵敏度。
10.如权利要求9所述的光检测系统，其中，
还具备处理电路，该处理电路基于表示上述多个光学滤波器的透射光谱的空间分布的数据、以及由上述图像传感器取得的图像数据，生成与多个波段分别对应的分光图像数据，
上述多个光学滤波器包括具有互不相同的透射光谱的第1光学滤波器及第2光学滤波器。
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