JP2013030626A - 固体撮像素子および撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】高感度かつ高い波長分解能を有する可視・近赤外線用の分光・撮像デバイスを実現することが可能で、空間解像度の高い２次元分光マッピングを可能にする固体撮像素子および撮像システムを提供する。
【解決手段】２次元画素アレイと、２次元画素アレイの画素領域に対向するように配置され、検出すべき波長よりも短い周期的な微細パターンを有する分光機能を備えた複数種類のフィルタと、を有し、各フィルタは、２次元画素アレイの各画素の光電変換素子よりも大きく、隣接する複数の光電変換素子群に対して１種類のフィルタが配置されたて一つのユニットを形成し、複数種類のフィルタは、隣接するユニット群に対して配置されてフィルタバンクを形成し、フィルタバンクが２次元画素アレイの画素領域に対向するように、ＮｘＭユニット（但し、Ｎ，Ｍは１以上の整数）配置されている。
【選択図】図２

Description

本技術は、検出すべき波長より短い周期的な微細パターンを有する金属薄膜フィルタを有する固体撮像素子および撮像システムに関するものである。

医療や美容、健康など様々な分野での非侵襲での検査用途に分光センサが用いられる。
一般的な分光センサは、可視光光源や赤外線光源などの電磁波光や狭帯域波長で発光するレーザー、ＬＥＤなどを被写体に照射し、その反射光やラマン散乱によりシフトした光成分をスリットを通してから回折格子に透過・反射させる。これにより、分光センサは、波長方向の信号強度分布を空間的な信号強度分布に変換する。
そして、空間的に分離された各波長成分の電磁波強度を１次元のリニアセンサ、もしくは２次元センサで検出することで入射スペクトルの復元が可能になる。

ここで検出器として用いられる固体撮像素子としては、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)型やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型の固体撮像素子があげられる。
これら撮像素子は一般的なデジタルスチルカメラやカムコーダー、スマートフォンなどの携帯情報端末用にも用いられている撮像素子と基本的には同等のものであり、一般的な撮像用途の固体撮像素子では、その画素数は１０００万を超えるほどに多画素化している。
分光センサに用いられる固体撮像素子でも、通常の撮像用途に用いられる固体撮像素子でも、撮像素子の各々の画素は被写体からの光強度に応じた信号電荷を蓄積し、蓄積した電荷量に応じた電気信号をアナログもしくはデジタルデータとして標本化し画像化する。

さて分光センサ・撮像センサの如何によらず、固体撮像素子は特定の電磁波波長帯に感度を有する。
たとえば、可視光線・近赤外線帯域で用いられるＣＣＤやＣＭＯＳ型固体撮像素子の多くはシリコンをベースに製造される。シリコンはそのバンドギャップより近赤外線（〜１．１μｍ）よりも短い波長に対してのみ感度を有する。
しかしながら、１．１μｍよりも短波長の電磁波に対しては、エネルギー分解能（波長分解能）がなく、蓄積された電荷からは、どの波長の光を検出したかを特定することはできない。それゆえに分光センサでは色・波長ごとの光強度の情報を検出可能にするために回折格子を用いる場合が一般的である。

回折格子によって分光をする場合に不回避な問題として、光のエネルギーを波長方向に空間的に分離してしまう問題がある。
つまりは被写体のトータルの光を波長方向に希釈して検出するために高い波長分解能（高分散）を有する分光器を実現するには、それだけ固体撮像素子の感度を高める、もしくは積分時間を長くしてやる必要がある。
さらに、入射光は細いスリットを通してやる必要があるため、センサに入射する光の量がそもそも少ないという課題がある。

他方、一般的なカラー撮像デバイスでは、カラー画像を取得するために次のような手法がとられることが多い。
すなわち、２次元画素配列の各画素に特定の波長成分を選択的に透過する数種類のオンチップカラーフィルタを備え、隣接する少数の画素群で複数波長の光強度情報を取得して、デモザイクによる補間処理によってカラー画像を復元する手法を取ることが多い。
これら２次元画素平面に複数種類のフィルタを配置する手法の場合、前述の回折格子およびスリット構造とは異なり、スリットで光を捨てる必要はないが、逆に高い波長分解能で分光したい場合には大きな課題がある。
つまり、フィルタを構成する染料や顔料などの有機素材は塗布により形成されるため、複数種類のフィルタを一度の実装することは事実上不可能である。
つまりＲＧＢ３色からカラー画像を合成する通常のイメージング装置と比較して、１０色や２０色といった極端に多色のフィルタが必要となる分光デバイスではコストが跳ね上がり、実現は容易ではない。

しかしながら近年、導体薄膜に検出波長と同程度もしくはそれよりも微細な開口を周期的に配置したホールアレイ構造、または同構造とネガポジ関係にあるアイランドアレイ構造は、プラズモン共鳴体構造として知られている。
そして、このプラズモン共鳴体構造は、周期や開口・ドット形状を最適化することで、透過波長を物理構造で調整可能なフィルタとして機能することが報告されている（非特許文献１，２参照）。

さらに、このプラズモン共鳴体を色フィルタとして用いる技術も開示されている（特許文献１、２、３参照）。

これらの技術は金属薄膜への周期パターンのパターニングでそれぞれのフィルタが実現できるため、多種類のフィルタを１度に実装できる強みがある。

特開２００８-１７７１９１号公報 ＷＯ２００８/０８２５６９ Ａ１ 特開２０１０-１６５７１８号公報

Ebbesen, T.W. et al., Nature, Volume 391, Issue 6668, pp. 667-669, 1998 P.B.Catrysse & B.A.Wandell, J.Opt.Soc.Am.A, Vol.20, No.12, p.2293-2306, 2003

しかしながら、先行特許が開示する色フィルタ技術を備えた固体撮像素子にも課題が残る。

プラズモン共鳴体構造は、電磁波波長のλ/２，λ/４などの特定間隔の周期構造を繰り返し備えた構造体により分光機能を発生する構造である。このため、波長と同程度の微細化画素に適用するには不適であり、画素サイズが電磁波波長に比べて数倍程度大きい固体撮像素子にのみ適用されるのが現状である。
さらに、高い波長分解能の光信号の強度プロファイルを得るには相当種類のフィルタが必要になるため、空間解像度が更に大きく低下する課題が残る。また、上記各文献には、固体撮像素子の画素出力値から入力スペクトルを復元する具体的手段に関する記述がない。

また、出願人は、金属薄膜フィルタを固体撮像素子の画素領域の一部に実装することにより、安価に分光機能を実現する手法を提案している。しかしこの手法では、フィルタを実装できる画素領域が制限されることから、配置できるフィルタの数が少なくなってしまう課題がある。
それにより、波長分解能や検出する信号のＳＮの観点でフィルタを固体撮像素子全域に実装する場合に比べて劣ってしまう。
さらには、微細加工の精度には制限があり、より高い波長分解能、具体的にはΔλ＝１ｎｍ程度の超高分散分光をこのフィルタ構造のみで実現するには、微細加工の精度に課題があり、現時点での実現性は低い。

また、１種類のプラズモン共鳴フィルタは狭帯域フィルタではなく波長ごとに複雑な透過特性を示す。そのため、それらのフィルタの透過光強度から入力スペクトルを推定するには何らかの信号復元処理が必要になる。
しかしながら、上記の各特許文献にはそれらの波形信号処理に関する手法は開示されていない。

本技術は、高感度かつ高い波長分解能を有する可視・近赤外線用の分光・撮像デバイスを実現することが可能で、空間解像度の高い２次元分光マッピングを可能にする固体撮像素子および撮像システムを提供することにある。

本発明の第１の観点の固体撮像素子は、光電変換素子を含む画素がアレイ状に配列された２次元画素アレイと、上記２次元画素アレイの画素領域に対向するように配置され、検出すべき波長よりも短い周期的な微細パターンを有する分光機能を備えた複数種類のフィルタと、を有し、上記各フィルタは、上記２次元画素アレイの各画素の光電変換素子よりも大きく、隣接する複数の光電変換素子群に対して１種類のフィルタが配置された一つのユニットを形成し、上記複数種類のフィルタは、隣接するユニット群に対して配置されてフィルタバンクを形成し、上記フィルタバンクが上記２次元画素アレイの画素領域に対向するように、ＮｘＭユニット（但し、Ｎ，Ｍは１以上の整数）配置されている。

本発明の第２の観点の撮像システムは、固体撮像素子と、上記固体撮像素子の２次元画素アレイ部に被写体象を結像する光学系と、を有し、上記固体撮像素子は、光電変換素子を含む画素がアレイ状に配列された２次元画素アレイと、上記２次元画素アレイの画素領域に対向するように配置され、検出すべき波長よりも短い周期的な微細パターンを有する分光機能を備えた複数種類のフィルタと、を有し、上記各フィルタは、上記２次元画素アレイの各画素の光電変換素子よりも大きく、隣接する複数の光電変換素子群に対して１種類のフィルタが配置された一つのユニットを形成し、上記複数種類のフィルタは、隣接するユニット群に対して配置されてフィルタバンクを形成し、上記フィルタバンクが上記２次元画素アレイの画素領域に対向するように、ＮｘＭユニット（但し、Ｎ，Ｍは１以上の整数）配置されている。

本発明によれば、高感度かつ高い波長分解能を有する可視・近赤外線用の分光・撮像デバイスを実現することが可能で、空間解像度の高い２次元分光マッピングを可能にする。

本実施形態に係るＣＭＯＳ型固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。 本実施形態に係る固体撮像素子と本金属薄膜フィルタとの位置関係を説明するための図である。 本実施形態に係る金属薄膜フィルタの構造例を示す図である。 ホールアレイ構造とネガポジ反転したアイランド構造のプラズモン共鳴体構造体を示す図である。 裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ型固体撮像素子について本金属薄膜フィルタを配置した第１の構造例を示す図である。 裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ型固体撮像素子について本金属薄膜フィルタを配置した第２の構造例を示す図である。 裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ型固体撮像素子について本金属薄膜フィルタを配置した第３の構造例を示す図である。 裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ型固体撮像素子について本金属薄膜フィルタを配置した第４の構造例を示す図である。 裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ型固体撮像素子について本金属薄膜フィルタを配置した第５の構造例を示す図である。 裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ型固体撮像素子について本金属薄膜フィルタを配置した第６の構造例を示す図である。 本実施形態の分光固体撮像素子を含む分光撮像システムで被写体の電磁波スペクトル波形を類推する手法を概説するための図である。 縦４ユニット、横５ユニットの合計２０ユニットのフィルタバンクで構成される分光デバイスで得られる２次元分光マップの概略図である。 本実施形態に係る固体撮像素子をフィルタバンクの１ユニットの半分の間隔でシフトさせながら各々の場所で色スペクトルを撮影することで空間解像度を上げる手法について概説するための図である。 本実施形態の分光撮像システムが保持するフィルタ透過率のデータベースの校正方法について示すフローチャートである。 本実施形態の分光撮像システムの構成例を示すブロック図である。 金属薄膜フィルタの製造装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．ＣＭＯＳ型固体撮像素子の全体の概略構成例
２．固体撮像素子と金属薄膜フィルタとの位置関係
３．金属膜フィルタの構成例
４．金属薄膜フィルタを配置した固体撮像素子の構造例
５．被写体の電磁波スペクトル波形を類推する手法
６．分光撮像システムの構成例
７．金属薄膜フィルタの製造方法

＜１．ＣＭＯＳ型固体撮像素子の全体の概略構成例＞
図１は、本実施形態に係るＣＭＯＳ型固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。

以下、本技術の金属フィルタを裏面照射型ＣＭＯＳ型固体撮像素子に実装した例を示す。ただし、当然ながら既存の表面照射型ＣＭＯＳ型固体撮像素子でも、ＣＣＤ型固体撮像素子でも、Ｓｉ以外の例えばＣｄＳｅなどの量子ドット構造を光検出部に用いた撮像素子や有機光電素材を用いたフォトコンダクター型の撮像素子にでも適応が可能である。

この固体撮像素子１００は、図１に示すように、２次元画画素アレイとしての画素アレイ部１１０、垂直走査回路１２０、水平転送走査回路１３０、およびＡＤＣ（アナログ−デジタルコンバータ）群であるカラムＡＤＣ回路１４０を有する。
固体撮像素子１００は、ＰＬＬ回路１５０、参照信号ＲＡＭＰを生成するＤＡＣ（デジタル−アナログコンバータ）１６０、およびセンスアンプ回路（Ｓ／Ａ）１７０を有する。

画素アレイ部１１０は、フォトダイオード（光電変換素子）と画素内アンプとを含む複数の画素１１０Ａがｍ行ｎ列の２次元状（マトリクス状）に配列されている。
各画素１１０Ａは光電変換の機能を担うフォトダイオードと蓄積された信号を読み出すための数個のトランジスタで構成される画素読出し回路からなる。
図１には、本実施形態に係る４つのトランジスタで構成されるＣＭＯＳイメージセンサの画素の一例が示されている。

画素１１０Ａにおいて、フォトダイオード１１１に蓄積された電荷は転送トランジスタ１１２を介してＦＤ(Floating Diffusion)１１３に転送される。ＦＤ１１３は増幅トランジスタ１１４のゲートに接続されている。
信号を読み出したい画素は、選択トランジスタ１１５をオンすることで選択することができる。選択された画素の信号は、増幅トランジスタ１１４をソースフォロワ−（Source Follower）駆動することで蓄積電荷量に対応する信号として信号線１１７に読み出される。また画素信号はリセットトランジスタ１１６をオンすることでリセットできる。

各々の画素から読み出された信号はＣＤＳ動作により信号レベルが抽出され、カラムＡＤＣ回路１４０、センスアンプ回路１７０を経てデバイス外部に出力される。

カラムＡＤＣ回路１４０は、ＡＤＣブロックであるカラム処理部（ＡＤＣ）１４１が複数列配列されている。
すなわち、カラムＡＤＣ回路１４０は、ｋビットデジタル信号変換機能を有し、カラム処理部１４１ごとに各垂直信号線（列線）１１７毎に配置され、列並列ＡＤＣブロックが構成される。
各カラム処理部１４１は、ＤＡＣ１６０により生成される参照信号を階段状に変化させたランプ波形である参照信号ＲＡＭＰと、行線毎に画素から垂直信号線を経由し得られるアナログ信号ＶＳＬとを比較する比較器（コンパレータ）１４１−１を有する。
さらに、各カラム処理部１４１は、比較時間をカウントし、カウント結果を保持するカウンタラッチ（カウンタ）１４１−２を有する。
各カウンタ１４１−２の出力は、たとえばｋビット幅の水平転送線ＬＴＲＦに接続されている。
そして、水平転送線ＬＴＲＦに対応したセンスアンプ回路１７０が配置される。

カラムＡＤＣ回路１４０においては、垂直信号線１１７に読み出されたアナログ信号電位ＶＳＬは列毎（カラム毎）に配置された比較器１４１−１で参照信号ＲＡＭＰと比較される。
このとき、比較器１４１−１と同様に列毎に配置されたカウンタ１４１−２が動作している。
各カラム処理部１４１は、ランプ波形のある参照信号ＲＡＭＰとカウンタ値が一対一の対応を取りながら変化することで垂直信号線１１７の電位（アナログ信号）ＶＳＬをデジタル信号に変換する。
カラム処理部（ＡＤＣ）１４１は、参照信号ＲＡＭＰ（電位Ｖｓｌｏｐ）の電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換する。
アナログ信号ＶＳＬと参照信号ＲＡＭＰ（Ｖｓｌｏｐ）が交わったとき、比較器１４１−１の出力が反転し、カウンタ１４１−２の入力クロックを停止し、または、入力を停止していたクロックをカウンタ１４１−２に入力し、ＡＤ変換を完了させる。

以上のＡＤ変換期間終了後、水平転送走査回路１３０により、カウンタ１４１−２に保持されたデータが、水平転送線ＬＴＲＦに転送され、センスアンプ回路１７０を経て外部の信号処理回路に出力され、所定の信号処理により２次元画像が生成される。

外部に出力された画素値データは各々の画素位置では単独のフィルタに対応する強度情報しか持たないため、隣接する異色画素の強度情報から、各々の画素位置での各々の色成分の強度情報をデモザイク処理やコンボリューション処理などの補間により復元される。
その他、ホワイトバランスやガンマ補正、輪郭強調、画像圧縮などの処理が行われ、観測者にとって好ましい、もしくは被写体に忠実な画像が復元される。

なお、チップに画像処理プロセッサが実装されたシステムオンチップ型のイメージセンサの場合は、これらの信号処理も同一チップ上で行うことができ、生画像データの他にｊｐｅｇやｍｐｅｇ方式などの圧縮画像を出力する場合もある。

＜２．固体撮像素子と金属薄膜フィルタとの位置関係＞
図２は、本実施形態に係る固体撮像素子と本金属薄膜フィルタとの位置関係を説明するための図である。

図２において、図１の画素アレイ部１１０が２次元画素群２０１として示されている。
２次元画素群２０１は、たとえば縦・横それぞれ数１０００個の画素ＰＸＬにより形成され、少ないデバイスでも１００万画素程度、多いものでは数１０００万画素にも及ぶ巨大な２次元画素群を構成する。

本実施形態の金属薄膜フィルタ群（フィルタバンク）２０２は、２次元画素群（画素アレイ部）２０１の光入射面に対向するように配置される。
ここで、各フィルタＭＦＬはフィルタバンク２０２の１つの四角形に対応する。各フィルタ２０２ＦＬのサイズは光検出画素ＰＸＬに対して横（Ｘ軸）方向にＵ画素、縦（Ｙ軸）方向にＶ画素の画素領域に対して１種類が実装される。
つまり隣接するＵ＊Ｖ画素に対して１種類のフィルタＭＦＬが実装される。

さにに、フィルタＭＦＬは、横（Ｘ軸）方向にＫ種類、縦（Ｙ軸）方向にＬ種類で１つのユニット（フィルタバンク）２０２を構成する。
図２の例では、Ｋ＝５，Ｌ＝４の２０種類で１つのフィルタバンクを構成する例となっている。

さらに、フィルタバンク２０２は２次元撮像素子全面に横（Ｘ軸）方向にＮユニット、縦（Ｙ軸）方向にＭユニット配置され、Ｎ＊Ｍ種類のフィルタバンクアレイ２０３によって構成される。
つまり、図２の例のフィルタバンク２０２は、Ｋ＝５，Ｌ＝４の２０種類のフィルタを有し、それが、Ｎ＝４，Ｍ＝４、計１６ユニットあることになる。

また、フィルタバンク２０２、もしくはフィルタバンク群の分光機能ブロックである金属薄膜フィルタは層間絶縁膜にはさまれており、その絶縁膜は複数種類の屈折率であっても構わない。
たとえば、フィルタバンクアレイ２０３のうち、図２のＡラインは屈折率＝１．４２であり、Ｂラインは屈折率＝１．４０、Ｃラインでは屈折率＝１．３８、Ｄラインでは屈折率＝１．３６などのように設定可能である。
すなわち、２次元撮像素子領域の画素領域ごとに異なる屈折率を持つようにすることができる。

ここで、ＳｉＯ_２の屈折率のコントロールは、たとえばプラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ_２膜を成膜する際、ＣＦ_４ガスの流量をコントロールすることで屈折率の調整ができる。

＜３．金属膜フィルタの構成例＞
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施形態に係る金属薄膜フィルタの構造例を示す図である。
図３においては、金属膜フィルタを符号３００で示している。
図３（Ａ）はハニカム配列３０１を、図３（Ｂ）は直交行列配列３０２を、図３（Ｃ）は貫通開口と非貫通開口が混在した配列３０３を、図３（Ｄ）は図３（Ａ）のＡ−Ａ‘線の断面であって凹構造を有する非貫通穴を含む配列３０４をそれぞれ示している。

金属薄膜フィルタ３００は、その微細構造パターンにより特定の電磁波波長で自由電子と光とがカップリングした表面プラズモンポラリトンを生ずる。
この金属薄膜フィルタ３００は、紫外線波長帯にプラズマ周波数を有する導体素材（具体的には銀やアルミニウム、金などが好適である）からなる薄膜に微細加工を施したサブ波長構造体である。
そして、金属薄膜フィルタ３００は、導体の物性とパターン周期・開口径・ドットサイズ・膜厚・構造体の周囲の媒質の物性によって決まる共鳴波長を有する。
基本構造はホールアレイ構造で、検出波長よりも小さい径を有する開口（ホール）Ｈｌを２次元配列状に配置する。

ホール配置は図３（Ａ）に示すようなハニカム配列３０１、あるいは図３（Ｂ）に示すような直交行列配列３０２に配置するのが好適であるが、その他の配列でも周期性がある構造であれば構わない。
ここで、ホール間隔やホールサイズ・膜厚が透過特性のキーパラメーターになる。図３では、ホール開口部は３０５、導体部分は３０６で示している。
ホール開口３０５の開口径は透過させたい波長よりも小さく、直径１００［ｎｍ］程度が好適である。設計自由度があるため、大凡５０［ｎｍ］‐２００［ｎｍ］の範囲であれば構わない。
また、導体薄膜３０６の厚みは１００[ｎｍ]程度が好適であるが、１０［ｎｍ］‐２００［ｎｍ］程度の範囲であれば構わない。
また、隣接ホール間との間隔３０７，３０８を調整することで、透過波長を変化させることができるが、媒質中での実効的な電磁波波長の半波長〜１波長程度の範囲が好適であり、具体的には１５０［ｎｍ］‐１０００［ｎｍ］程度のホール間隔が好ましい。

また、ホールアレイ構造の全ての開口が導体薄膜を貫通している必要はなく、図３（Ｃ）および（Ｂ）の配列３０３，３０４に示すように、一部、もしくは全ての開口は導体上に凹構造を有する非貫通穴でも構わない。
図３（Ｃ）および（Ｄ）は、貫通開口３０５と非貫通開口３０９が周期的に配置した場合の実施例である。
また、ホール開口の形状は加工上、円形が好ましいが楕円形状や多角形形状、星型、十字型、リング型、卍形などであっても構わない。

図４（Ａ）および（Ｂ）は、ホールアレイ構造とネガポジ反転したアイランド構造のプラズモン共鳴体構造体を示す図である。
アイランド配置４００は、図４（Ａ）に示すようなハニカム配列４０１、図４（Ｂ）に示すような直交行列配列４０２が好適である。
各アイランド４０３は２０‐２００［ｎｍ］のサイズを有し、アイランド間部４０４はシリコン酸化膜などの誘電体素材で充填される。
隣接アイランド間の基本間隔４０５，４０６は、媒質中での実行的な電磁波波長の半波長が好適であり、設計自由度を加味すると１/４波長〜１波長の範囲が好適である。またアイランド構造の形状は、加工上は円形が好ましいが楕円形状や多角形形状、星型、十字型、リング型、卍形などであっても構わない。

＜４．金属薄膜フィルタを配置した固体撮像素子の構造例＞
図５は、裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ型固体撮像素子について本金属薄膜フィルタを配置した第１の構造例を示す図である。
図５は、２次元固体撮像素子アレイを構成する画素群のうち、隣接する６画素分を抜き出して断面模式図として記載している。当然ながら実際にはこれらの画素が２次元平面に画素数分だけ展開される。

図５の固体撮像素子５００において、５０１はオンチップマイクロレンズを、５０２Ａ，５０２Ｂは金属薄膜フィルタを、５０３は平滑化層を、５０４はフォトダイオードを、５０５は信号配線層を、５０６Ａ，５０６Ｂは隣接画素を、それぞれ示している。

オンチップマイクロレンズ５０１は、フォトダイオード５０４に効率よく光を導くための光学素子である。
フォトダイオード５０４は、Ｐ型領域に囲まれたＮ型領域、もしくはＮ型領域に囲まれたＰ型領域であり、周囲よりも電位の深い領域に光電変換により生じた電子・ホールを信号電荷として蓄積する機能を有する。

金属薄膜フィルタ５０２Ａ，５０２Ｂは、たとえばＡｌやＡｇにより形成される金属薄膜フィルタにサブ波長間隔で周期的な構造をパターニングした構造体である（図３、図４）。
金属薄膜フィルタ５０２Ａ，５０２Ｂは、フォトダイオード５０４上方にシリコン酸化膜・窒化膜などからなる平滑化層５０３を形成し、その上に実装されるのが好ましい。
また、金属薄膜フィルタ５０２Ａ，５０２Ｂを保護する層間絶縁膜・保護膜（平滑化層）５０７はシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）およびＳｉＯ_２を主成分とする複合素材が好適である。そのほかにフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）や中空構造（Ａｉｒ Ｇａｐ）などを低屈折率の媒質として用いることもできる。

ここで導体薄膜フィルタ５０２Ａ，５０２Ｂは、隣接する画素間で共通のパターン構造であることが好ましい。たとえば、図５では隣接３画素５０６Ａが金属薄膜フィルタ５０２Ａを実装し、他の３画素５０６Ｂが金属薄膜フィルタ５０２Ｂを実装している。
当然ながら、フィルタの種類は２種類に限定されず、かつ同一フィルタを共有する画素数も３画素には限定されず、任意の整数（たとえば隣接８画素共有、６４画素共有、１２８画素共有など）で共有することができる。

信号配線層５０５は、光電変換によってフォトダイオード５０４に蓄積された信号電荷を外部に読みだすための信号配線層として形成されている。
フォトダイオード５０４は、隣接するフォトダイオードと電気的に分離するために、ＳＴＩなどの酸化膜分離により素子分離される他、不純物のインプランテイションによるＥＤＩ構造やＣＩＯＮ構造などによって電気的に分離されている。

図６は、裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ型固体撮像素子について本金属薄膜フィルタを配置した第２の構造例を示す図である。
図６において、図５と同一構成部分は、理解を容易にするために同一符号をもって表している。

図６のＣＭＯＳ型固体撮像素子５００Ａが図５のＣＭＯＳ型固体撮像素子５００と異なる点は、以下の通りである。
このＣＭＯＳ型固体撮像素子５００Ａは、オンチップマイクロレンズ５０１の上層にはＳｉＯ_２やフッ化マグネシウム(ＭｇＦ_２)などから形成される低屈折率素材からなる低屈折率平滑化層５０７Ａを有する。ここでオンチップマイクロレンズ５０１の屈折率は平滑化層５０７Ａの屈折率より高い必要がある。
上述したように、金属薄膜フィルタ５０２Ａ，５０２Ｂは、フォトダイオード５０４上方にシリコン酸化膜・窒化膜などからなる平滑化層５０３を形成し、その上に実装されるのが好ましい。
図６の例では、低屈折率平滑化層５０７Ａの上層に平滑化層５０３が形成され、平滑化層５０３上に金属薄膜フィルタ５０２Ａ，５０２Ｂが形成されている。
上述したように、フィルタ５０２Ａ，５０２Ｂは、導体薄膜フィルタ（プラズモン共鳴体）５０２により形成され、たとえばＡｌやＡｇにより形成される金属薄膜フィルタ（図３、図４）にサブ波長間隔で周期的な構造をパターニングした構造体である。

なお一般的な固体撮像素子では、オンチップマイクロレンズ５０１の下流（下層）にＲＧＢなどのカラーフィルタが実装されている場合が多く、図６の例においても、有機顔料・染料からなる一般的なカラーフィルタ５０８を配置することもできる。
それにより、既存のフィルタ５０８と金属薄膜フィルタ６０２Ａ，６０２Ｂとの組み合わせの自由度が高まり、より高い波長分解能で波長スペクトルを得ることが可能になる。

図７は、裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ型固体撮像素子について本金属薄膜フィルタを配置した第３の構造例を示す図である。
図７において、図５および図６と同一構成部分は、理解を容易にするために同一符号をもって表している。

図７のＣＭＯＳ型固体撮像素子５００Ｂが図６のＣＭＯＳ型固体撮像素子５００Ａと異なる点は、以下の通りである。
このＣＭＯＳ型固体撮像素子５００Ｂでは、２画素５０６Ａが金属薄膜フィルタ５０２Ａを実装し、別の２画素５０６Ｃが金属薄膜フィルタ５０２Ｃを実装した例になっている。
２画素５０６Ａと２画素５０６Ｃの間の画素５０６Ｂには画素全面を遮光する金属薄膜フィルタ５０２Ｂが実装されている。
本構成により金属薄膜フィルタ５０２Ａを透過した光が別の金属薄膜フィルタ５０２Ｃを備えた画素５０６Ｃに混入する混色成分は大幅に低減が可能であり、混色による画質劣化や波長スペクトルの劣化の問題を軽減することができる。

上述したように、フィルタ５０２Ａ，５０２Ｂ、５０２Ｃは、導体薄膜フィルタ（プラズモン共鳴体）５０２により形成され、たとえばＡｌやＡｇにより形成される金属薄膜フィルタ（図３、図４）にサブ波長間隔で周期的な構造をパターニングした構造体である。
なお、図７の例においても、有機顔料・染料からなる一般的なカラーフィルタ５０８を配置することもできる。

図８は、裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ型固体撮像素子について本金属薄膜フィルタを配置した第４の構造例を示す図である。
図８において、図５〜図７と同一構成部分は、理解を容易にするために同一符号をもって表している。

図８のＣＭＯＳ型固体撮像素子５００Ｃが図６のＣＭＯＳ型固体撮像素子５００Ａと異なる点は、以下の通りである。
このＣＭＯＳ型固体撮像素子５００Ｃでは、金属薄膜フィルタ５０２Ａ，５０２ＢはＳｉＯ，ＳｉＮなどの誘電体により形成される保護膜としての平滑化層５０３よって周囲を充填された構造になっている。
図８の固体撮像素子５００Ｃは、３画素５０６Ａが金属薄膜フィルタ５０２Ａを実装し、別の３画素５０６Ｂが金属薄膜フィルタ５０２Ｂを実装した例である。
当然ながら、金属薄膜フィルタの種類は２種類に限定されず、かつ同一フィルタを共有する画素数も任意の整数で共有することができる。

上述したように、フィルタ５０２Ａ，５０２Ｂは、導体薄膜フィルタ（プラズモン共鳴体）５０２により形成され、たとえばＡｌやＡｇにより形成される金属薄膜フィルタ（図３、図４）にサブ波長間隔で周期的な構造をパターニングした構造体である。
なお、図８の例においても、有機顔料・染料からなる一般的なカラーフィルタ５０８を配置することもできる。

図９は、裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ型固体撮像素子について本金属薄膜フィルタを配置した第５の構造例を示す図である。
図９において、図５〜図８と同一構成部分は、理解を容易にするために同一符号をもって表している。

図９のＣＭＯＳ型固体撮像素子５００Ｄが図８のＣＭＯＳ型固体撮像素子５００Ｃと異なる点は、以下の通りである。
導体薄膜フィルタは隣接画素間で共通の構造であることが好ましく、このＣＭＯＳ型固体撮像素子５００Ｄでは、２画素５０６Ａ，５０６Ｂ，５０６Ｃの６画素ともに同じ金属薄膜フィルタを実装している。
ただし、充填される誘電体により形成される平滑化層５０３Ａ，５０３Ｂ，５０３Ｃは画素グループごとに異なっており、図９の例では、隣接２画素５０６Ａ，６０６Ｂ，５０６Ｃで異なる屈折率を有する。
本金属薄膜フィルタを保護する層間絶縁膜（保護膜）は、たとえばシリコン酸化膜からなり、シリコン酸化膜はプラズマＣＶＤ法などにより成膜されるが、その屈折率は成膜条件（たとえばＣＦ_４の流量）によりコントロールすることが可能である。
当然ながら屈折率は１画素ごと調整する必要はなく、たとえばフィルタバンクごとや領域ごとに異なる屈折率を実現すること構わない。たとえば図２で、Ｉ列では屈折率＝１．４４、ＩＩ列では１．４２，ＩＩＩ列では１．４０、ＩＶ列では１．３８などに設定される。

上述したように、フィルタ５０２Ａ，５０２Ｂ、５０２Ｃは、導体薄膜フィルタ（プラズモン共鳴体）５０２により形成され、たとえばＡｌやＡｇにより形成される金属薄膜フィルタ（図３、図４）にサブ波長間隔で周期的な構造をパターニングした構造体である。
なお、図９の例においても、有機顔料・染料からなる一般的なカラーフィルタ５０８を配置することもできる。

図１０は、裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ型固体撮像素子について本金属薄膜フィルタを配置した第６の構造例を示す図である。
図１０において、図５〜図９と同一構成部分は、理解を容易にするために同一符号をもって表している。

図１０のＣＭＯＳ型固体撮像素子５００Ｅは、金属薄膜フィルタを配置した図５〜図９のＣＭＯＳ型固体撮像素子５００〜５００Ｄと異なり、フォトニックフィルタを配置した構成を有する。
フォトニックフィルタ５１２Ａ，５１２Ｂは、透過させたい電磁波波長の１/４波長間隔で、高屈折率の媒質と低屈折率の媒質を積層した光学フィルタである。
フォトニックフィルタ５１２Ａ，５１２Ｂは、フィルタ中間の低屈折率層の膜厚を調整することで特定の電磁波波長のみを透過させる狭帯域フィルタの実現が可能である。
図１０はそのフォトニックフィルタ５１２を金属薄膜フィルタのかわりに実装した構造例を示している。

フォトニックフィルタ５１２は、低屈折率層としては、シリコン酸化膜（ＳＩＯ_２)やフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）を用いることができる。
他方、高屈折率の媒質としては、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ニオブ(Ｎｂ_２Ｏ_５)、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）などの酸化物、窒化物が好ましい。

ここで隣接３画素５０６Ａに対してフォトニックフィルタ５１２Ａが実装され、他３画素５０６Ｂに対してフォトニックフィルタ５１２Ｂが実装されるが、当然ながらフィルタは３画素のみならず、任意の数の隣接画素に対して共有が可能である。
なお、図１０の例においても、有機顔料・染料からなる一般的なカラーフィルタ５０８を配置することもできる。

＜５．被写体の電磁波スペクトル波形を類推する手法＞
次に、本実施形態の分光固体撮像素子を含む分光撮像システムで被写体の電磁波スペクトル波形を類推する手法について概説する。
図１１は、本実施形態の分光固体撮像素子を含む分光撮像システムで被写体の電磁波スペクトル波形を類推する手法を概説するための図である。

被写体のスペクトル（Ｉ_λ０，Ｉ_λ１，，，，Ｉ_λＮ）は未知である。
ここでは簡単のため２次元画像ではなく、空間解像度がない波長方向の強度分布のみで考える。被写体の分光プロファイルをＮ点の波長における強度情報プロファイルとして習得したい場合を考える。知りたい波長スペクトルを次のようにＮ点の波長で記述する。

［数１］
λ_０，λ_１，，，，，λ_Ｎ （１）

それぞれの波長はλ_０、λ_１，，，，，λ_Ｎとする。
ここで、本実施形態の固体撮像素子はＮ種類のフィルタをフィルタバンクとして保持しており、各々のフィルタの透過率は次のような透過特性を持つ。

［数２］
Ｆ_０_λ０，Ｆ_０_λ１，，，，Ｆ_０_λＮ （２−１）
Ｆ_１_λ０，Ｆ_１_λ１，，，，Ｆ_１_λＮ （２−２）
・
・
Ｆ_Ｎ_λ０，Ｆ_Ｎ_λ１，，，，Ｆ_Ｎ_λＮ （２−３）

透過特性は金属薄膜フィルタの構造とその周囲を充填する媒質の屈折率とで決まるため、予め設計・測定しておきデータベースとして撮像デバイス内のメモリに格納しておくことが可能である。
すると固体撮像素子の各々の画素が検出する信号量を、式（３）とすると、推定される被写体の電磁波スペクトルは（２）と（３）から図１１に示すように逆行列の計算から直接求めることができる。

［数３］
Ｓ_０，Ｓ_１，，，，，Ｓ_Ｎ （３）

そしてこのことから、信号のＳＮ比（Signal to Noise Ratio)が十分に高く、フィルタの透過率が正確に測定できていれば、Ｎ種類のフィルタから、Ｎ種類の電磁波波長での電磁波強度が得られ、それから波長スペクトルを計算により算出することが可能になる。

さらに本実施形態では、これらのフィルタバンクの透過特性データを書換え可能なデータベースとしてシステム中の記録部分に保持することができる。
ここで、入力スペクトルの波長分解能はΔλ/λ＝Ｎと書くことができる。Δλは波長分解能、λは撮像素子で取りたい帯域幅を示している。フィルタの種類がＮ種類あるとする。

本撮像システムでは、フィルタ特性の行列因子もしくは逆行列因子をデータベースとして保持している。本撮像システムは、各フィルタに対応する画素値との積和演算により入力スペクトルの各波長での強度情報を算出することができ、それらを波長方向に並べることで、入力スペクトルを再現することができる。

図１２は、縦４ユニット、横５ユニットの合計２０ユニットのフィルタバンクで構成される分光デバイスで得られる２次元分光マップの概略図である。
図１２において、６０１がユニットを、６０２がフィルタバンクアレイを、６０３は撮像イメージを、それぞれ示している。

各ユニット６０１は、Ｋ＊Ｌ種類（ここでＫ，Ｌは１以上の整数）のフィルタからなるフィルタバンクで構成されており、図１１で示したように、それぞれは空間解像度を持たない分光スペクトルの再現機能を有する。
さらに、そのフィルタバンクがアレイ状に配置されてフィルタバンクアレイが形成されている。つまり、図１２では、４ｘ５＝２０画素相当の２次元分光撮像イメージ６０３ができることになる。

次に、固体撮像素子をフィルタバンクの１ユニットの半分の間隔でシフトさせながら各々の場所で色スペクトルを撮影することで空間解像度を上げる手法について概説する。
図１３は、本実施形態に係る固体撮像素子をフィルタバンクの１ユニットの半分の間隔でシフトさせながら各々の場所で色スペクトルを撮影することで空間解像度を上げる手法について概説するための図である。

まず、最初のステップＳＴ１では、センサは位置Ａにある（１．Ａ)。位置Ａでの撮影を終えると次のステップでは位置Ｂにシフトする（２．Ｂ）。
その次のステップＳＴ２では、位置Ｃにシフト（３．Ｃ）する。
その次のステップＳＴ３では、位置Ｄにシフトする（４．Ｄ）。
そして、ステップＳＴ４で位置Ｄから位置Ａにシフトすることで、最初の位置に戻ってくる(５．Ａ)。これらそれぞれの位置（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)で撮影を行い、それぞれの波長データを合成することで、より解像度の高い２次元分光イメージングが可能になる。

このように、本実施形態の固体撮像素子は、撮像素子を２次元画素が展開される平面と水平な面内に微小距離だけシフトする機能を有する。その撮像素子をシフトさせるタイミングは画素出力の読出しフレーム時間などのセンサの読出しタイミングに同期する基準時間に対応する。

また、上述にように、固体撮像素子は、撮像素子を２次元画素平面に水平な面内に微小距離だけシフトする機能を有し、そのシフト量はフィルタバンク１ユニットのＸ軸Ｙ軸方向のサイズの半分、もしくはその整数分の１に相当するシフト量である。
２次元撮像素子は微小距離だけセンサをシフトさせる都度、各画素からの分光データを取得することができる。さらに、シフト量の組合せパターンの種類分だけ取得した荒い空間分解能での分光データセットを合成することで、より細かい空間分解能を有する２次元マップを合成することができる。

次に、本実施形態の分光撮像システムが保持するフィルタ透過率のデータベースの構成方法について説明する。
図１４は、本実施形態の分光撮像システムが保持するフィルタ透過率のデータベースの校正方法について示すフローチャートである。

この方法では、校正モードになると（ＳＴ１１）、データベースの校正を行うか否かの判別を行う（ＳＴ１２）。
校正を行う場合には、データベースは標準光源を撮影することで（ＳＴ１３）、新たに上書き更新することができる（ＳＴ１４）。これにより、フィルタ特性やセンサ特性、システムの長年の経時劣化があった場合でも、高い再現性を維持することができる。
なお、データベースの校正を行わない場合には、データベースの更新は行われない（ＳＴ１５）。

＜６．分光撮像システムの構成例＞
図１５は、本実施形態の分光撮像システムの構成例を示すブロック図である。

図１５の分光撮像システム７００は、センサモジュール７０１、光学系７０２、モジュール制御部７０３、光学系制御部７０４、光源制御部７０５、ＤＳＰ（信号処理部）７０６、および撮像素子制御部７０７を有する。
さらに分光撮像システム７００は、画像・スペクトル信号処理部７０８、データベース７０９、記録部７１０、マイクロプロセッサ７１１、およびユーザーインターフェース７１２を有する。
分光撮像システム７００において、モジュール制御部７０３、光学系制御部７０４、光源制御部７０５、撮像素子制御部７０７、画像・スペクトル信号処理部７０８、データベース７０９、記録部７１０、マイクロプロセッサ７１１はバスＢＳにより接続されている。

ユーザーインターフェース７１２を介して入力されるユーザーによる撮像処理等を受けて、マイクロプロセッサ７１１が全体的な制御を行う。
センサモジュール７０１は、上述した本実施形態に係る固体撮像素子７０１１（図１の固体撮像素子１００等）、およびアクチュエータ７０１２が実装されている。
固体撮像素子７０１１をシフトさせる機構であるアクチュエータ７０１２は、静電アクチュエータ、ポリマーアクチュエーター、形状記憶合金などに形成される。
モジュール制御部７０３は、センサモジュール７０１のモジュール光学系を制御する制御部７０３１、アクチュエータ７０１２を制御する制御部７０３２を含み、センサモジュール７０１の駆動系の制御を行う。
光学系７０２は、対物レンズ７０２１や固体撮像素子７０１１の受光面の被写体象を結像する結像レンズ７０２２等を含んで構成され、光学系制御部７０４により制御される。

光源制御部７０５は、ＬＥＤ光源７０５１やレーザー光源７０５２の制御を行う。
このように、本システムはレーザーやＬＥＤ光源など可視波長および近赤外線の特定波長で高輝度の光源出力を備えている。
センサモジュール７０１で得られる撮像データは、ＤＳＰ７０６、撮像素子制御部７０７を通して所定の処理を受けた後、画像・スペクトル信号処理部７０８等に転送される。
画像・スペクトル信号処理部７０８において、上述したようなスペクトル波の類推等の信号処理が行われる。このとき、データベース７０９が上述したように適宜アクセスされ、必要に応じて更新処理等が行われる。
画像・スペクトル信号処理部７０８は、たとえば記憶部が保持するデータベース７０９の各フィルタの透過率情報と各画素出力との積和演算により入力スペクトルを推定する信号復元機能を有する。

＜７．金属薄膜フィルタの製造方法＞
以下では、本分光撮像デバイスにおける金属薄膜フィルタの製造方法について概略を述べる。
ただし、本金属薄膜フィルタの構造を高精度で実現できるのであれば、下記に記述の製造方法に限定しない。また、ここでは一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセスで広く用いられているアルミニウムを用いて、本構造体を実装する手法について説明しているが、当然、それ以外の導体、たとえばＡｇ，Ａｕなどでも構わない。

本構造は固体撮像素子の光検出素子上面にシリコン酸化膜などの平滑化層を形成し、その上層に導体薄膜を配置する構造を基本とする。
当然ながら、本構造以下の光検出部は一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子で良く、更にはＣＭＯＳ型固体撮像素子に限らずＣＣＤ型固体撮像素子でも構わない。したがって、光電変換素子の構造および製造方法については周知の方法を適用可能であり、ここではその説明は省略する。

まず、金属薄膜フィルタを実装するベースとなる平滑化層をプラズマＣＶＤ法などによりシリコン酸化膜を積層させることにより実現する。
その上に、金属薄膜フィルタのベースとなる金属薄膜をスパッタリングなどで積層する。金属薄膜にフィルタ機能を作り込む微細構造は、電子ビームリソグラフィ、フォトリソグラフィ、干渉露光法、エッチングなどの技術により作製する。
エッチングは異方性ドライエッチングが好ましく、エッチングに用いるガスは四フッ化メタン(ＣＦ_４)系のエッチングガスが好適である。
その他、六フッ化硫黄、トリフルオロメタン、二フッ化キセノンなども好適である。その他、電子ビームリソグラフィにより基本構造のナノスタンパを作製し、ナノインプリント技術により構造を転写しても構わない。

次に、金属薄膜フィルタの空隙部を充填する層間絶縁膜をプラズマＣＶＤ法などにより積層する。ここでプラズマＣＶＤ法を用いるのは、減圧ＣＶＤ法に比べて相対的に低い温度（２５０℃〜４００℃)での成膜が可能であるため、Ａｌなどの金属でできた金属薄膜フィルタを実装した後に保護膜を形成するのに有利であるためである。
当然ながら、その他の手法によっても金属薄膜成膜後に用いることが可能な手法であれば、上記手法には限定されない。
なお、可視波長帯域で用いる絶縁層の媒質としては、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）およびＳｉＯ_２を主成分とする複合素材が好適である。その他にフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などを用いることができる。
その他、屈折率が大きくなるが、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ニオブ(Ｎｂ_２Ｏ_５)、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）などの酸化物、窒化物を用いることもできる。

図１６は、金属薄膜フィルタの製造装置の概略構成を示す図である。
図１６の製造装置８００は、高周波電源８０１，８０３、インピーダンス整合器８０２，８０４、基板８０５、ターゲット８０６、真空デュワー８０７等を含んで構成されている。

基板８０５は、インピーダンス整合器８０２を介して高周波電源８０１に接続される。
また、ターゲット８０６も同様にインピーダンス整合器８０４を介して高周波電源８０３に接続される。
ここで高周波電源は、一般に周波数が１３．５６ＭＨｚであることが多い。
真空デュワー８０７中には、不活性ガス（たとえばＡｒガス）を主成分とする混合ガスを充填し、典型的には０．１〜１０ｍＴｏｒｒ程度のガス圧力が好適である。

ターゲット８０６および基板８０５に高周波電源８０３，８０１による電力を供給することでプラズマを生成させる。ターゲット８０６に交流電圧を印加することで、探針特性の非線形性による直流バイアス（自己バイアス効果）がかかりターゲット８０６は時間平均で負電位になる。
したがって、正電荷を持つ気体イオンは電位差による運動エネルギーを獲得してターゲット８０６に衝突する。この反応によりターゲット物質の表面の原子・分子が飛散し、その物質粒子が基板８０５に付着して基板８０５上に薄膜が積層される。
一方で、基板８０５にも高周波電源８０１とインピーダンス整合器８０２が接続されている。そのため、基板８０５に供給する電力、ガスの種類、圧力を調整することで、衝突するイオンの種類、運動エネルギーの大小、スパッタリングの効果を制御することができる。
スパッタリングによる成膜効果を伴わない、単独のスパッタエッチングを行う場合には、基板８０５のみに高周波電源を供給すれば良い。

また成膜する際に、ＣＦ_４などのガス流量を調整しながら成膜を行うことで、ＳｉＯ_２の屈折率は狭い範囲でコントロールすることができる。
そのため、画素領域を複数に分割して、領域ごとに異なる屈折率を有する誘電体膜を実装することが可能になる。それにより、金属薄膜フィルタの加工パターンが共通であっても、プラズモン共鳴波長が微妙に変化し、その結果、より多数種類のフィルタの実装が可能になり、より高い波長分解能（高分散）での分光データの取得が可能になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
単一のチップで高感度な分光スペクトルが可能になる。金属薄膜フィルタの単独フィルタサイズと固体撮像素子の単画素のサイズが異なっていても、撮像画素の隣接画素間でフィルタを共有することで次の利点を供する。
すなわち、専用の固体撮像素子ではなくても、フィルタを実装するだけで分光・撮像機能が実現でき、より安価で高性能な分光・撮像デバイスが実現できる。

同一パターンの金属薄膜フィルタでも屈折率をＸ種類に増やすことで、実効的にフィルタの種類をＸ倍することが可能になり、その結果、より高い波長分解能で分光・撮像することが可能になる。

空間解像度の高い２次元分光マッピングが可能になる。８ｘ８画素や１６ｘ１６画素といった比較的規模の大きい範囲での隣接画素間で金属薄膜フィルタを共有するため、既存の手法では２次元分光マッピングを行う際に、空間解像度が大きく低下する問題があった。本技術による画素シフト法を組み合わせることで、より高い２次元分光撮像の安価な実現が可能になる。

Ｎ種類のフィルタの透過特性データベースを保持、更にその更新が可能な機能を有することで、そのデータと出力画素値との積和演算により入力スペクトルを高精度で復元することが可能になる。
回折格子などの狭帯域フィルタと違って、各々のフィルタは狭帯域ではないため、光を効率よく使用し、計算により入力スペクトルを推定する手法であるため、高波長分解能と高感度の両立が可能になる。

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）光電変換素子を含む画素がアレイ状に配列された２次元画素アレイと、
上記２次元画素アレイの画素領域に対向するように配置され、検出すべき波長よりも短い周期的な微細パターンを有する分光機能を備えた複数種類のフィルタと、を有し、
上記各フィルタは、
上記２次元画素アレイの各画素の光電変換素子よりも大きく、隣接する複数の光電変換素子群に対して１種類のフィルタが配置された一つのユニットを形成し、
上記複数種類のフィルタは、
隣接するユニット群に対して配置されてフィルタバンクを形成し、
上記フィルタバンクが上記２次元画素アレイの画素領域に対向するように、ＮｘＭユニット（但し、Ｎ，Ｍは１以上の整数）配置されている
固体撮像素子。
（２）上記フィルタは、
検出すべき波長よりも短い周期的な微細加工パターンを有する金属薄膜フィルタを含み、
上記金属薄膜フィルタは、
プラズマ周波数が紫外線域・可視波長域にある金属により形成され、
サブミクロンスケールの間隔で凹凸部、または孔構造が周期的に配置された１次元格子または２次元格子である
上記（１）記載の固体撮像素子。
（３）上記金属薄膜フィルタは、
検出すべき所望の電磁波波長帯域内の特定の電磁波を選択的に吸収・透過させるフィルタリング機能を有し、当該フィルタが有する凹凸部または孔構造の周期パターンの間の空隙は、中空構造または誘電体で充填されている
上記（２）記載の固体撮像素子。
（４）上記金属薄膜フィルタは、
検出すべき所望の電磁波波長帯域内の特定の電磁波を選択的に吸収・透過させるフィルタリング機能を有し、当該フィルタが有する凹凸部または孔構造の周期パターンの間の空隙は誘電体で充填されており、かつ複数あるフィルタバンクのうち少なくとも１つのフィルタバンクは他のフィルタバンクとは異なる屈折率を有する誘電体でその空隙部が充填されている
上記（２）記載の固体撮像素子
（５）上記金属薄膜フィルタは、
誘電体からなる平滑化層の上層に配置されている
上記（２）から（４）のいずれか一に記載の固体撮像素子。
（６）上記金属薄膜フィルタは、
誘電体により形成される平滑化層の上層に配置され、当該誘電体の平滑化層の屈折率は上記画素領域の複数領域でそれぞれが異なる屈折率を有する
上記（２）から（４）のいずれか一に記載の固体撮像素子。
（７）上記画素領域に対向して配置される上記金属薄膜フィルタの各フィルタは、
２次元画素アレイを形成する各画素と同等もしくはそれよりも広い面積を有し、隣接する横（Ｘ軸方向）Ｕ画素、縦（Ｙ軸方向）Ｖ画素で形成される画素群に対して１種類のフィルタが配置される
上記（２）から（６）のいずれか一に記載の固体撮像素子。
ここで、Ｕ，Ｖは１以上の整数である。
（８）上記フィルタは、
Ｘ軸方向にＫ種類、Ｙ軸方向にＬ種類あり、
それぞれのフィルタ群はＫ＊Ｌ種類のフィルタで１つのフィルタバンクユニットを形成し、当該フィルタバンクを１ユニット以上有する
上記（１）から（７）のいずれか一に記載の固体撮像素子。
ここで、Ｋ，Ｌはそれぞれ１以上の整数である。
（９）配置される上記フィルタバンクは、
Ｘ軸方向にＮ種類、Ｙ軸方向にＭ種類ある
上記（８）記載の固体撮像素子。
ここで、Ｎ,Ｍはそれぞれ１以上の整数である。
（１０）上記フィルタバンクの各フィルタの電磁波波長ごとの透過率情報をデータベースとして保持する記憶部を有する
上記（１）から（９）のいずれか一に記載の固体撮像素子。
（１１）上記フィルタバンクの各フィルタの波長ごとの透過率情報をデータベースとして保持する記憶部を有し、
上記データベースは、
基準光源を撮影することで再校正および更新が可能である
上記（１）から（９）のいずれか一に記載の固体撮像素子。
（１２）上記記憶部が保持するデータベースの各フィルタの透過率情報と各画素出力との積和演算により入力スペクトルを推定する信号処理部を有する
上記（１０）または（１１）記載の固体撮像素子。
（１３）上記２次元画素アレイにより形成される撮像素子は、画素が２次元に展開される平面と水平な面内に微小距離だけシフトする機構を有し、
上記撮像素子をシフトさせるタイミングは画素出力の読出しフレーム時間などのセンサの読出しタイミングに同期する基準時間に対応する
上記（１）から（１２）のいずれか一に記載の固体撮像素子。
（１４）上記２次元画素アレイにより形成される撮像素子は、画素が２次元に展開される平面と水平な面内に微小距離だけシフトする機構を有し、
そのシフト量はフィルタバンク１ユニットのＸ軸Ｙ軸方向のサイズの半分、もしくはその整数分の１に相当するシフト量であり、
上記撮像素子を微小距離だけセンサをシフトさせる都度、各画素からの分光データを取得し、更にシフト量の組合せパターンの種類分だけ取得した荒い空間分解能での分光データセットを合成することで、より細かい空間分解能を有する２次元マップを合成する処理部を有する
上記（１）から（１３）のいずれか一に記載の固体撮像素子。
（１５）ＣＭＯＳ型固体撮像素子であり、
上記各画素は画素ごとにオンチップ集光素子を備え、上記集光素子よりも屈折率が小さい素材をオンチップ集光素子の上層に積層することで、集光機能を維持したまま平滑化層が配置され、当該平滑化層上に上記フィルタが配置されている
上記（１）から（１４）のいずれか一に記載の固体撮像素子。
（１６）
上記フィルタは、
高屈折率の媒質と低屈折率の媒質を積層した電磁波波長を透過させる光学フィルタを含む
上記（１）、（８）から（１５）のいずれか一に記載の固体撮像素子。
（１７）固体撮像素子と、
上記固体撮像素子の２次元画素アレイ部に被写体象を結像する光学系と、を有し、
上記固体撮像素子は、
光電変換素子を含む画素がアレイ状に配列された２次元画素アレイと、
上記２次元画素アレイの画素領域に対向するように配置され、検出すべき波長よりも短い周期的な微細パターンを有する分光機能を備えた複数種類のフィルタと、を有し、
上記各フィルタは、
上記２次元画素アレイの各画素の光電変換素子よりも大きく、隣接する複数の光電変換素子群に対して１種類のフィルタが配置された一つのユニットを形成し、
上記複数種類のフィルタは、
隣接するユニット群に対して配置されてフィルタバンクを形成し、
上記フィルタバンクが上記２次元画素アレイの画素領域に対向するように、ＮｘＭユニット（但し、Ｎ，Ｍは１以上の整数）配置されている
撮像システム。

１００・・・固体撮像素子、１１０・・・画素アレイ部、１１０Ａ・・・画素、１１１・・・フォトダイオード（光電変換素子）、１１２・・・転送トランジスタ、１１３・・・ＦＤ、１１４・・・増幅トランジスタ、１１５・・・選択トランジスタ、１１６・・・リセットトランジスタ、１２０・・・垂直走査回路、１３０・・・水平転送走査回路、１４０・・・カラムＡＤＣ回路、１５０・・・ＰＬＬ回路、１５０・・・ＤＡＣ（デジタル−アナログコンバータ）、１７０・・・センスアンプ回路（Ｓ／Ａ）、２０１・・・２次元画素群（画素アレイ部）、２０２・・・金属薄膜フィルタ群（フィルタバンク、ユニット）、２０３・・・フィルタバンクアレイ、３００・・・金属薄膜フィルタ、５００，５００Ａ〜５００Ｅ・・・固体撮像素子、５０１・・・オンチップマイクロレンズ、、５０２Ａ，５０２Ｂ，５０２Ｃ・・・金属薄膜フィルタ、５０３・・・平滑化層、５０４・・・フォトダイオード、５０５・・・信号配線層、５０６Ａ，５０６Ｂ，５０６Ｃ・・・隣接画素、５０７，５０７Ａ・・・平滑化層，５１２Ａ，５１２Ｂ・・・フォトニックフィルタ、７００・・・分光撮像システム、７０１・・・センサモジュール、７０２・・・光学系、７０３・・・モジュール制御部、７０４・・・光学系制御部、７０５・・・光源制御部、７０６・・・ＤＳＰ（信号処理部）、７０７・・・撮像素子制御部、７０８・・・画像・スペクトル信号処理部、７０９・・・データベース、７１０・・・記録部、７１１・・・マイクロプロセッサ、７１２・・・ユーザーインターフェース。

Claims (17)

1. 光電変換素子を含む画素がアレイ状に配列された２次元画素アレイと、
   上記２次元画素アレイの画素領域に対向するように配置され、検出すべき波長よりも短い周期的な微細パターンを有する分光機能を備えた複数種類のフィルタと、を有し、
   上記各フィルタは、
   上記２次元画素アレイの各画素の光電変換素子よりも大きく、隣接する複数の光電変換素子群に対して１種類のフィルタが配置された一つのユニットを形成し、
   上記複数種類のフィルタは、
   隣接するユニット群に対して配置されてフィルタバンクを形成し、
   上記フィルタバンクが上記２次元画素アレイの画素領域に対向するように、ＮｘＭユニット（但し、Ｎ，Ｍは１以上の整数）配置されている
   固体撮像素子。
2. 上記フィルタは、
   検出すべき波長よりも短い周期的な微細加工パターンを有する金属薄膜フィルタを含み、
   上記金属薄膜フィルタは、
   プラズマ周波数が紫外線域・可視波長域にある金属により形成され、
   サブミクロンスケールの間隔で凹凸部、または孔構造が周期的に配置された１次元格子または２次元格子である
   請求項１記載の固体撮像素子。
3. 上記金属薄膜フィルタは、
   検出すべき所望の電磁波波長帯域内の特定の電磁波を選択的に吸収・透過させるフィルタリング機能を有し、当該フィルタが有する凹凸部または孔構造の周期パターンの間の空隙は、中空構造または誘電体で充填されている
   請求項２記載の固体撮像素子。
4. 上記金属薄膜フィルタは、
   検出すべき所望の電磁波波長帯域内の特定の電磁波を選択的に吸収・透過させるフィルタリング機能を有し、当該フィルタが有する凹凸部または孔構造の周期パターンの間の空隙は誘電体で充填されており、かつ複数あるフィルタバンクのうち少なくとも１つのフィルタバンクは他のフィルタバンクとは異なる屈折率を有する誘電体でその空隙部が充填されている
   請求項２記載の固体撮像素子
5. 上記金属薄膜フィルタは、
   誘電体からなる平滑化層の上層に配置されている
   請求項２記載の固体撮像素子。
6. 上記金属薄膜フィルタは、
   誘電体により形成される平滑化層の上層に配置され、当該誘電体の平滑化層の屈折率は上記画素領域の複数領域でそれぞれが異なる屈折率を有する
   請求項２記載の固体撮像素子。
7. 上記画素領域に対向して配置される上記金属薄膜フィルタの各フィルタは、
   ２次元画素アレイを形成する各画素と同等もしくはそれよりも広い面積を有し、隣接する横（Ｘ軸方向）Ｕ画素、縦（Ｙ軸方向）Ｖ画素で形成される画素群に対して１種類のフィルタが配置される
   請求項２記載の固体撮像素子。
   ここで、Ｕ，Ｖは１以上の整数である。
8. 上記フィルタは、
   Ｘ軸方向にＫ種類、Ｙ軸方向にＬ種類あり、
   それぞれのフィルタ群はＫ＊Ｌ種類のフィルタで１つのフィルタバンクユニットを形成し、当該フィルタバンクを１ユニット以上有する
   請求項１記載の固体撮像素子。
   ここで、Ｋ，Ｌはそれぞれ１以上の整数である。
9. 配置される上記フィルタバンクは、
   Ｘ軸方向にＮ種類、Ｙ軸方向にＭ種類ある
   請求項８記載の固体撮像素子。
   ここで、Ｎ,Ｍはそれぞれ１以上の整数である。
10. 上記フィルタバンクの各フィルタの電磁波波長ごとの透過率情報をデータベースとして保持する記憶部を有する
    請求項１記載の固体撮像素子。
11. 上記フィルタバンクの各フィルタの波長ごとの透過率情報をデータベースとして保持する記憶部を有し、
    上記データベースは、
    基準光源を撮影することで再校正および更新が可能である
    請求項１記載の固体撮像素子。
12. 上記記憶部が保持するデータベースの各フィルタの透過率情報と各画素出力との積和演算により入力スペクトルを推定する信号処理部を有する
    請求項１０記載の固体撮像素子。
13. 上記２次元画素アレイにより形成される撮像素子は、画素が２次元に展開される平面と水平な面内に微小距離だけシフトする機構を有し、
    上記撮像素子をシフトさせるタイミングは画素出力の読出しフレーム時間などのセンサの読出しタイミングに同期する基準時間に対応する
    請求項１記載の固体撮像素子。
14. 上記２次元画素アレイにより形成される撮像素子は、画素が２次元に展開される平面と水平な面内に微小距離だけシフトする機構を有し、
    そのシフト量はフィルタバンク１ユニットのＸ軸Ｙ軸方向のサイズの半分、もしくはその整数分の１に相当するシフト量であり、
    上記撮像素子を微小距離だけセンサをシフトさせる都度、各画素からの分光データを取得し、更にシフト量の組合せパターンの種類分だけ取得した荒い空間分解能での分光データセットを合成することで、より細かい空間分解能を有する２次元マップを合成する処理部を有する
    請求項１記載の固体撮像素子。
15. ＣＭＯＳ型固体撮像素子であり、
    上記各画素は画素ごとにオンチップ集光素子を備え、上記集光素子よりも屈折率が小さい素材をオンチップ集光素子の上層に積層することで、集光機能を維持したまま平滑化層が配置され、当該平滑化層上に上記フィルタが配置されている
    請求項１記載の固体撮像素子。
16. 上記フィルタは、
    高屈折率の媒質と低屈折率の媒質を積層した電磁波波長を透過させる光学フィルタを含む
    請求項１記載の固体撮像素子。
17. 固体撮像素子と、
    上記固体撮像素子の２次元画素アレイ部に被写体象を結像する光学系と、を有し、
    上記固体撮像素子は、
    光電変換素子を含む画素がアレイ状に配列された２次元画素アレイと、
    上記２次元画素アレイの画素領域に対向するように配置され、検出すべき波長よりも短い周期的な微細パターンを有する分光機能を備えた複数種類のフィルタと、を有し、
    上記各フィルタは、
    上記２次元画素アレイの各画素の光電変換素子よりも大きく、隣接する複数の光電変換素子群に対して１種類のフィルタが配置された一つのユニットを形成し、
    上記複数種類のフィルタは、
    隣接するユニット群に対して配置されてフィルタバンクを形成し、
    上記フィルタバンクが上記２次元画素アレイの画素領域に対向するように、ＮｘＭユニット（但し、Ｎ，Ｍは１以上の整数）配置されている
    撮像システム。

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