JP2014533463A - センサアレイ上にインターリーブ配置された画像コピーのオーバーラップしたセグメントを備えたスペクトルカメラ - Google Patents

Abstract

スペクトルカメラが、対物レンズ（１０）と、画像セグメントの光学コピーを生成するためのレンズアレイ（２５）と、インターリーブ配置された空間パターンを有し、種々の光学チャネルのためのフィルタアレイ（３０）と、画像セグメントのコピーを検出するセンサアレイとを有する。空間的に隣接した光学チャネルの検出したセグメントのコピーは、異なる通過帯域を有し、画像のオーバーラップしたセグメントを表す。空間的に隣接していない光学チャネルでの同じ通過帯域の検出したセグメントのコピーは、共にフィットした画像の隣接したセグメントを表す。コピーした画像のセグメントを有することは、所定のコストでより良好な光学品質を実現できる。オーバーラップしたセグメントを備えた、インターリーブ配置パターンのフィルタ帯域を有することは、画像の各ポイントが異なる帯域で検知され、スペクトル出力が多くの帯域で得られ、同時により良好な時間分解能を提供するのを可能にする。

Description

本発明は、スペクトルカメラ、こうしたカメラを構成する方法、およびこうしたカメラを動作させる方法に関する。

幾つかのカメラが知られており、あるものはマルチスペクトルまたはハイパースペクトルイメージングシステムとも称される。ハイパースペクトルイメージングとは、電磁スペクトルから情報を収集して処理するイメージング手法を参照する。人間の眼は、可視光だけを見ることができるが、ハイパースペクトルイメージングシステムは、可視光および紫外から赤外を見ることができる。ハイパースペクトルセンサは、下記ＵＲＬに記載されているように、電磁スペクトルのより大きな部分を用いて物体を観察する。
http://en.wikipedia.org/wiki/Hyperspectral_imaging

特定の物体は、電磁スペクトルのこの部分において固有の「指紋」を残す。これらの「指紋」は、スペクトルシグネチャ（標識）として知られており、走査した物体を構成する材料の識別を可能にする。こうしたイメージングシステムのハイパースペクトル能力は、種々のタイプの物体を認識することが可能であり、これらの全てが人間の眼にとって同じ色に見えることがある。

マルチスペクトルイメージングは、離散した幾分狭い帯域で幾つかの画像を取り扱うが、ハイパースペクトルイメージングは、連続したスペクトル範囲に渡って狭いスペクトル帯域でイメージングを取り扱う。それは、場面での全ての画素についてスペクトルを生成できる。ＶＩＳ，ＮＩＲ，ＳＷＩＲ，ＭＷＩＲおよびＬＷＩＲをカバーする２０個の離散帯域を備えたセンサがマルチスペクトルと考えられ、一方、２０個の帯域を備えた他のセンサが、５００〜７００ｎｍの範囲を２０個の１０ｎｍ幅帯域でカバーする場合、ハイパースペクトルと考えられるであろう。

ハイパースペクトルセンサは、情報を「画像」のセットとして収集する。各画像が、ある範囲の電磁スペクトルを表しており、スペクトル帯域としても知られている。これらの画像はそれぞれ２つの空間次元を有しており、一連の異なるスペクトル帯域の画像が有効に積み重ねられてキューブ（立方体）を形成する場合、第３の次元はスペクトル次元にできる。こうした３次元のハイパースペクトルキューブが、追加の画像処理および解析にとって有用な表現となる。これらのセンサの精度は、典型的にはスペクトル分解能で測定され、これは、撮影したスペクトルの各帯域の幅である。スキャナーが多数のかなり狭い周波数幅で捕捉する場合、物体が少数の画素で撮影されたとしても、物体を識別することが可能である。しかしながら、空間分解能がスペクトル分解能に追加される要因である。画素が大きすぎる場合、複数の物体が同じ画素に撮影され、識別するのが困難になる。画素が小さすぎる場合、各センサセグメントで撮影されるエネルギーが低く、信号対ノイズ比が減少し、測定される特徴の信頼性を低下させる。

現行のハイパースペクトルカメラは、ハイパースペクトルデータキューブまたは画像キューブを生成し、これは場面のｘｙ面にある２Ｄ画像のスタックからなり、スタックの各画像は、異なる周波数またはスペクトルの帯域からの情報を含む。撮影されるスペクトル範囲は、可視光に限定されず、赤外（ＩＲ）及び／又は紫外（ＵＶ）に及ぶ。３Ｄ画像キューブは、本質的には２Ｄセンサであるセンサアレイを用いて、ハイパースペクトル撮像装置によって撮影される。従って、幾つかの走査方式が使用でき、キューブが多数のフレーム周期に渡って構築される。

ラインスキャナーまたはプッシュブルーム(push broom)システムが、２Ｄ場面の単一ラインを全てのスペクトル帯域で並列に撮影する。場面の全ての空間画素をカバーするために、このタイプのシステムは、例えば、スキャナーおよび場面の相対移動によって、異なるラインを時間に渡って走査する。ステアラー(starer)またはステアリング(staring)システムが、２Ｄセンサアレイを用いて一度に単一スペクトル帯域で完全な場面を撮影し、異なるスペクトル帯域に渡って走査し、３Ｄハイパースペクトル画像キューブを生成する。

文献（Mathew, "Design and fabrication of a low-cost, multispectral imaging system")から光学複製をセンサアレイ上に提供することが知られている。画像コピー間のクロストークが、センサ素子の幾つかを覆う物理的バリアによって制限される。この文献は、下記ＵＲＬで入手可能であった。
http://faculty.cua.edu/mathewss/journals/Appl%20Opt%20V47%20N28%202008.pdf

こうした光学複製を用いた他の公知のデバイスが、Infotonics technology center製の"miniature snapshot multispectral imager"である。これもセンサアレイ上で画像コピー間に壁を有することによって、クロストークを回避している。

本発明の目的は、改善した装置または方法を提供することである。

第１態様が、独立請求項１に記載したようなイメージングシステム用の集積回路を提供する。これは、スペクトル出力を生成するためのスペクトルカメラを提供し、該カメラは、画像を生成するための対物レンズと、画像セグメントの光学コピーを種々の光学チャネルに生成するためのレンズアレイと、種々の光学チャネルと整列し、該アレイに渡ってインターリーブ配置された空間パターンの異なる通過帯域を有するフィルタアレイと、フィルタ済みの種々の光学チャネルにおける画像セグメントのコピーを検出するように配置された１つ以上のセンサアレイとを有し、
インターリーブ配置された空間パターンのフィルタアレイは、空間的に隣接した光学チャネルの検出したセグメントのコピーが、異なる通過帯域を有し、かつ、互いに少なくとも部分的にオーバーラップした画像セグメントを表し、そして、空間的に隣接していない光学チャネルでの同じ通過帯域の検出したセグメントのコピーの少なくともいくつかが、共にフィット(fit)し、隣接した画像セグメントを表すように、配置されている。

全部の画像用ではなく、画像セグメント用の光学チャネルを有する利点は、光学チャネルの数の増加であり、チャネル内の光学コンポーネントのサイズの対応する減少である。これは、所定コストについてより良好な光学品質を実現できる。オーバーラップしたセグメントを備えた、インターリーブ配置パターンのフィルタ帯域を有することは、画像の各ポイントが異なる帯域で検知され、分光出力が多くの帯域で得られ、例えば、連続的なフレーム周期で異なる帯域を走査することに依存したカメラと比較して、同時により良好な時間分解能を提供するのを可能にする。これは、少ない待ち時間が必要される用途、またはカメラと、例えば、被写体との間に相対移動がある用途に有用である。

センサアレイは、画像セグメントのコピーを同時に検出するように配置できる。

インターリーブ配置の空間パターンおよびセグメントのオーバーラッピングは、全ての画像について空間的に均一なスペクトル検出を提供するように配置できる。これは、一貫性のある画像キューブを発生させることができる。インターリーブ配置の空間パターンは、２次元繰り返しパターンの通過帯域を含んでもよい。これは、均一なスペクトルサンプリングを達成するのに便利な手法である。しかし、他の手法も想定できる。

インターリーブ配置の空間パターンおよびセグメントのオーバーラッピングは、画像の種々の部分でどの通過帯域が検出されるか、画像の種々の部分でどのスペクトル範囲が検出されるか、画像の種々の部分でどのスペクトル分解能、空間分解能が検出されるか、種々の通過帯域でどの空間分解能が検出されるか、の何れか１つ以上について変動を有する不均一なスペクトル検出を提供するように配置できる。これは、種々のスペクトル範囲または種々のスペクトル分解能をカバーするのに有用になり、多かれ少なかれ画像キューブの一部における詳細を提供する。

インターリーブ配置の空間パターンは、２次元繰り返しパターンの通過帯域のグループを含んでもよい。画像の種々の部分でのグループは、通過帯域の異なる選択を有する。これは、こうした不均一なスペクトルサンプリングを達成するのに便利な手法である。しかし、他の手法も想定できる。

インターリーブ配置の空間パターンの少なくとも一部は、少なくともＮ１個のフィルタの幅および少なくともＮ２個のフィルタの高さのセグメントを含んでもよく、インターリーブ配置の空間パターンのこの部分での空間的に隣接したチャネルのオーバーラップは、幅方向に１−１／Ｎ１の割合、高さ方向に１−１／Ｎ２の割合となるように配置される。こうした繰り返しパターンの利点は、各通過帯域のセグメントが共にフィットできて、画像を比較的容易に再構築でき、そして、全ての通過帯域および複数の光学チャネルがセンサアレイ上に好都合に整列できることである。フィルタアレイは、センサアレイ上に集積できる。これは、フィルタとセンサとの間に実質的に空洞が存在しないため、クロストークの低減が可能である。

フィルタアレイは、所望の伝送波長の波長の半分の厚さを有するファブリペロー空洞として動作する薄膜を含むことができる。これは、より良好な狭帯域のスペクトル形状、より良好な反射制御、および例えば、入射角への少ない依存性を提供する第１次動作を可能にする。

インターリーブ配置の空間パターンの少なくとも幾つかの部分が、インターリーブ配置の空間パターンよりも微細な粒状性で、重畳したより微細なパターンの通過帯域を有することができる。

これは、フィルタの空間位置決めを光学チャネルの空間配置に依存しないようにすることによって、より柔軟性を提供できる。これは、例えば、画素位置の光学品質とフィルタ応答特性とのバランスをとることができ、あるいは、全ての帯域について位置的な変動可能性を均等にできる。

スペクトルカメラは、所定帯域について検出したセグメントのコピーを電気的に処理して、これらを縫合するための後処理部を有してもよい。これは、より連続的な画像を隙間なしで出力させることができる。

レンズにおいて種々の倍率を有することは、種々の分解能または画像サイズを実現するのに役立つ。

フィルタアレイは、異なるフィルタアレイを使用するためにフィルタアレイを交換することによって、使用時に再構成可能である。これは、種々のスペクトル帯域またはフィルタの種々の空間配置を必要する種々の用途に適合できる。

対物レンズは、六角形の絞り(stop)を有することができ、レンズアレイおよびフィルタアレイは、セグメントのコピーに六角形の輪郭を与えるように配置できる。これは、口径食(vignetting)の問題を低減できる。そして、それは、テレセントリック性、スペクトル分解能、そして空間分解能を改善できる。通過帯域は、センサアレイの一部が、センサアレイの他の部分の不要な高次または低次のスペクトル応答を検出できるように選択できる。これは、こうした漏洩が後で補償することができ、より正確なスペクトル検出性能を可能にし、あるいは、他のフィルタがより緩和した仕様または許容誤差を有することができ、例えば、コストを低減できる。

本発明の他の態様が、スペクトル出力を生成するためのスペクトルカメラの使用方法を提供しており、該スペクトルカメラは、画像を生成するための対物レンズと、画像セグメントの光学コピーを種々の光学チャネルに生成するためのレンズアレイと、選択した帯域の光学スペクトルを通過させる種々の光学チャネルと整列し、該アレイに渡ってインターリーブ配置された空間パターンの異なる通過帯域を有するフィルタアレイと、フィルタ済みの種々の光学チャネルにおける画像セグメントのコピーを検出するように配置された１つ以上のセンサアレイとを有し、
インターリーブ配置された空間パターンのフィルタアレイは、空間的に隣接した光学チャネルの検出したセグメントのコピーが、異なる通過帯域を有し、かつ、互いに少なくとも部分的にオーバーラップした画像セグメントを表し、そして、空間的に隣接していない光学チャネルでの同じ通過帯域の検出したセグメントのコピーの少なくともいくつかが、共にフィットし、隣接した画像セグメントを表すように、配置されており、
該方法は、所定の通過帯域ついて検出したセグメントのコピーを処理して、これらを縫合し、そして、異なる通過帯域ついて縫合したコピーを整列させるステップを有する。使用時にフィルタアレイを交換して、異なるインターリーブ配置のパターンを有するフィルタアレイを使用する追加のステップが存在してもよい。

本発明の他の態様が、製造時にスペクトルカメラを構成する方法を提供しており、該スペクトルカメラは、スペクトル出力を生成するためのものであり、画像を生成するための対物レンズと、画像セグメントの光学コピーを種々の光学チャネルに生成するためのレンズアレイと、選択した帯域の光学スペクトルを通過させる種々の光学チャネルと整列し、該アレイに渡ってインターリーブ配置された空間パターンの異なる通過帯域を有するフィルタアレイと、フィルタ済みの種々の光学チャネルにおける画像セグメントのコピーを検出するように配置された１つ以上のセンサアレイとを有しており、
該方法は、空間的に隣接した光学チャネルの検出したセグメントのコピーが、異なる通過帯域を有し、互いに少なくとも部分的にオーバーラップした画像セグメントを表し、そして、空間的に隣接していない光学チャネルでの同じ通過帯域の検出したセグメントのコピーの少なくともいくつかが、共にフィットし、隣接した画像セグメントを表すように、フィルタアレイの通過帯域およびインターリーブ配置の空間パターンを選択するステップと、
選択した通過帯域およびこれらの空間配置に従って、フィルタアレイを製造するステップとを有する。

レンズ、通過帯域およびこれらの空間配置を選択することは、画像の種々の部分でどの通過帯域が検出されるか、画像の種々の部分でどのスペクトル範囲が検出されるか、画像の種々の部分でどのスペクトル分解能、空間分解能が検出されるか、種々の通過帯域でどの空間分解能が検出されるか、の何れか１つ以上について変動が存在するようにできる。

追加の特徴の何れもが、共に組合せ可能であり、何れの態様とも組合せ可能である。他の利点は、特に他の先行技術に対して当業者に明らかになるであろう。多数の変形および変更が、本発明の請求から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明の形態は、例示的なものに過ぎず、本発明の範囲を限定することを意図していないことを明確に理解すべきである。

本発明がどのように具体化できるかについて、添付図面を参照して例を用いて説明する。

一実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。 他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。 他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。 種々の通過帯域を持つセンサアレイ上にある画像セグメントのコピーの図を示す。 再縫合のためのプロセッサおよび画像キューブのためのデータベースを備えた、他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。 集積フィルタを持つ交換可能なセンサを備えた、他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。 六角形状の画像コピーの図を示す。 異なる配置の通過帯域を持つセンサアレイ上にあるオーバーラッピングした画像セグメントのコピーの種々の配置の図を示す。 異なる配置の通過帯域を持つセンサアレイ上にあるオーバーラッピングした画像セグメントのコピーの種々の配置の図を示す。 異なる配置の通過帯域を持つセンサアレイ上にあるオーバーラッピングした画像セグメントのコピーの種々の配置の図を示す。 異なる配置の通過帯域を持つセンサアレイ上にあるオーバーラッピングした画像セグメントのコピーの種々の配置の図を示す。 異なる配置の通過帯域を持つセンサアレイ上にあるオーバーラッピングした画像セグメントのコピーの種々の配置の図を示す。 カメラの動作方法でのステップを示す。 カメラの動作方法でのステップを示す。 製造時、こうしたカメラを構成する方法でのステップを示す。 製造時、こうしたカメラを構成する方法でのステップを示す。 ファブリペローフィルタアレイが集積されたセンサアレイの断面図を示す。

本発明について特定の実施形態に関して一定の図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されず、請求項によってのみ限定される。記載した図面は、概略的なものに過ぎす、非限定的である。図面において、の幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。

用語「備える、含む(comprising)」を本説明および請求項で使用した場合、他の要素またはステップを除外していない。単数名詞を参照するときに不定冠詞または定冠詞（例えば、"a", "an", "the"）を使用した場合、他に言及していない限り、これは複数の当該名詞を含む。

請求項に使用した用語「備える、含む(comprising)」は、以降に列挙した手段に限定されるものと解釈すべきでない。それは、他の要素またはステップを除外していない。

説明した受信機の要素または部品は、任意の種類の情報処理を実施するための媒体中にエンコードされたロジックを備えてもよい。ロジックは、ディスクまたは他のコンピュータ読み取り可能な媒体中にエンコードされたソフトウエア、及び／又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、他のプロセッサ、ハードウエアなどにエンコードされた命令を含んでもよい。

ソフトウエアへの参照は、プロセッサによって直接または間接的に実行可能である、任意の言語の任意のタイプのプログラムを包含できる。

ロジック、ハードウエア、プロセッサまたは回路への参照は、任意の程度に集積化された任意の種類のロジックまたはアナログ回路を包含でき、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ディスクリート部品、またはトランジスタロジックゲートなどに限定されない。

光学への参照は、人間の可視波長範囲、赤外波長、および紫外帯域まで延びたより短い波長内にある波長を少なくとも包含することを意図しており、光学フィルタの厚さの製造変動に対する敏感さがより顕著である。幾つかの実施形態では、光学フィルタおよび光学センサは、これらの波長の任意のサブセット、例えば、可視波長だけ、または可視波長およびその短い波長である範囲に限定してもよい。

光学フィルタアレイまたは光学センサアレイへの参照は、２次元アレイ、矩形状または非矩形状のアレイ、不等間隔アレイ、非平面アレイなどを包含することを意図している。

集積回路への参照は、例えば、センサアレイ上にモノリシックに集積された光学フィルタアレイを有するダイ(die)またはパッケージダイ、あるいは、光学フィルタアレイが別個に製造され、後でダイまたは同じ集積回路パッケージに追加されたデバイスなどを少なくとも包含することを意図している。

波長スペクトルへの参照は、連続スペクトルまたはほぼ隣接したディスクリート帯域の範囲を包含することを意図している。

さらに、説明での用語「第１」「第２」「第３」などは、類似の要素を区別するために使用しており、必ずしも順次的、時間的な順番を記述するためではない。こうした用いた用語は、適切な状況下で交換可能であり、ここで説明した本発明の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能であると理解すべきである。

さらに、説明での用語「上(top)」、「下(bottom)」、「の上に(over)」、「の下に(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、適切な状況下で交換可能であって、ここで説明した本発明の実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能であると理解すべきである。

本明細書を通じて「一実施形態」または「実施形態」への参照は、該実施形態に関連して説明した特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。こうして本明細書を通じて種々の場所での用語「一実施形態において」または「実施形態において」の出現は、必ずしも全て同じ実施形態を参照していないが、そういうこともある。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つ又はそれ以上の実施形態において、当業者に明らかなように本開示からいずれか適切な方法で組み合わせてもよい。

同様に、本発明の例示の実施形態の説明において、本開示を合理化し、種々の発明の態様の１つ以上の理解を支援する目的で、本発明の種々の特徴が単一の実施形態、図面またはその説明において時には一緒にグループ化されることを理解すべきである。しかしながら、この開示方法は、請求項の発明が、各請求項に明示的に記載されたものより多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈すべきでない。むしろ、下記の請求項が反映しているように、発明の態様が、単一の前述した実施形態の全ての特徴より少ない点にある。こうして詳細な説明に続く請求項は、ここではこの詳細な説明に明示的に組み込まれており、各請求項は本発明の別個の実施形態としてそれ自体に立脚している。

さらに、ここで説明した幾つかの実施形態が他の実施形態に含まれる幾つかの別でない特徴を含むとともに、異なる実施形態の特徴の組合せが、当業者によって理解されるように、本発明の範囲内にあって異なる実施形態を形成することを意味する。例えば、下記の請求項において、請求した実施形態のいずれもがいずれの組合せで使用できる。

ここに用意した説明において、多数の特定の詳細が記述されている。しかしながら、本発明の実施形態が、これらの特定の詳細なしで実施できることは理解されよう。例えば、本説明の理解を曖昧にしないように、周知の方法、構造および手法は詳細には示していない。

本発明について、本発明の幾つかの実施形態の詳細な説明によって説明する。本発明の他の実施形態が、本発明の技術的教示から逸脱することなく、当業者の知識に従って構成可能であることは明らかであり、本発明は、添付の請求項の用語によってのみ限定される。

（実施形態によって対処される課題の概要）
ハイパースペクトルイメージングシステムまたはカメラが、種々のディスクリート部品、例えば、入射する電磁スペクトルを受光するための光学サブシステム、受光したスペクトル内で種々の帯域を生成するためのフィルタアレイ、種々の帯域を検出するための画像センサアレイなどで構成できる。光学サブシステムは、単一または種々のレンズ、アパーチャ及び／又はスリットの組合せで構成できる。フィルタアレイは、１つ以上のプリズム、グレーティング、光ファィバ、音響光学可変同調フィルタ、液晶可変同調フィルタなど、またはこれらの組合せで構成できる。

スペクトルイメージングの特徴は、全体スペクトルが各ポイントで取得され、オペレータは、サンプルの予備知識を必要とせず、後処理がデータセットから全ての利用可能な情報の掘り出しを可能にすることである。短所はコストと複雑さである。高速なコンピュータ、敏感な検出器、大きなデータストレージ容量が、ハイパースペクトルデータを解析するために必要になる。著しいデータストレージ容量が必要であり、ハイパースペクトルキューブが大きな多次元データセットであり、数百メガバイトを超える可能性があるためである。

スペクトル情報のセンシングが、典型的には分散光学素子またはスペクトルフィルタを用いて達成される。プリズムまたはグレーティングなどの分散光学素子は、光のスループットを制限し、多重フレームに渡って時間がかかる空間的走査を必要とし、これは一度に１つのスペクトルおよび１つの空間次元だけを検知するためである。スペクトルフィルタは、１つの波長で２つの空間次元（幅Ｗおよび高さＨ）を撮影し、多重フレームに渡ってスペクトル走査を必要とし、大きなスイッチングオーバーヘッドに起因して著しい量の時間を必要とする。

標準的な光学系を用いてＮＢ個の波長を撮影するためには、場面は、ＮＢ個のフレームに渡ってセンサの前方で空間的に走査する必要があり、各位置がＮＢ個の異なるフィルタを用いて検知されるようにする。１つのフレーム周期で全キューブを撮影することは、全部で３次元のキューブを２次元のセンサにマッピングする必要がある。同様に、各空間ポイントを何とかしてセンサアレイにおいてＮＢ回複製する必要があり、その結果、ＮＢ個の異なるスペクトルサンプルが検知される。

（図１ 一実施形態に係るスペクトルカメラ）
後述のような実施形態が、３Ｄ ＨＳＩキューブのより高速な取得を可能にし、Ｗ×Ｈ×ＮＢサイズのキューブ（但し、ＮＢは通過帯域の数）内の各ポイントをセンサアレイ上のセンサ素子により効率的にマッピングすることによって、スナップショットイメージングを可能にする。ＮＢ個のサブ画像の各々を多数のセグメントに細分化し、これらのセグメントを２Ｄセンサ上で相互に並んでインターリーブ配置することによって、場面で検知されたＷ×Ｈ個の空間ポイントの各々がセンサアレイにおいてＮＢ回光学的に複製される。センサアレイ上で制限されたスペースに起因して、通常、空間分解能とスペクトル分解能との間のトレードオフが存在するようになる。

光学複製は、センサアレイ上の光学チャネルおよびこれらの個々のレンズに対して対物レンズおよびその画像を慎重に位置決めすることによって、各空間ポイントが、√ＮＢ×√ＮＢのオーバーラップしたセグメント、例えば、３×３の画像セグメントのグループに複製されるように実現する。

これは、レンズを、√ＮＢの逆倍率(inverse magnification)で動作させることによって達成され、このことはレンズと対物画像との間の距離を調整することによって確保される。レンズは、システム構成に応じて、（Ｍ＋／−１）．ｆｌｅｎｓの距離に位置決めすべきである。Ｍは、逆倍率を表し、スペクトル帯域の数に基づいて決定される。

図１は、一実施形態に係るカメラの概略図を示す。対物レンズ１０に続いて、センサアレイ４０の上に投影された複数の画像セグメントのコピーを提供するためのレンズアレイ２５が設けられる。フィルタアレイ３０がセンサアレイの上に集積される。典型的には、ＮＢ個以上の多くの光学チャネルが存在し、それぞれアレイ内のレンズの１つによって生成される。各チャネルが１つの（単一または複合）レンズシステムからなる。ＮＢ個のレンズ（システム）は、ＮＢ個のフィルタタイルへのＮＢ個の複製した場面コピーの正確な位置決めを確保するように、慎重に配置できる。

センサアレイ上での画像セグメントのコピーがインターリーブ配置され、その結果、同じ通過帯域のものが離れて配置され、これらは隣接した画像セグメントを表し、異なる通過帯域のオーバーラップしたセグメントコピーとともにインターリーブ配置される。１つの特定の帯域にそれぞれ対応して検出された全てのセグメントが共に縫合され、画像キューブの１つの面を生成する。セグメントのサイズは、設計パラメータであり、対応するそのレンズの最大サイズおよびセグメントの数を決定する。得られたセグメントおよびレンズは、タイル状の撮像装置のものより著しく小さくできるため、（より小型の）マイクロレンズを使用してもよい。このことは、レンズの光学背右脳および分解能を改善する。しかしながら、タイル状の撮像装置と比べて、キューブからスペクトルスライスを生成することは、その帯域のセグメントを共に縫合することを必要とする。

光のスループットが、インターリーブ配置の撮像装置についてより高くなる。これは、対物画像近くの（マイクロ）レンズの位置決めに起因する。対物速度をマイクロレンズ速度に整合させ、視野絞りとして対物アパーチャを使用することによってクロストークを回避でき、これはシステムの光のスループットとセグメント内の口径食との間でトレードオフをもたらし、あるいは、（マイクロ）バッフルをセグメント間に追加することによってクロストークを回避でき、高い光のスループットおよびクロストークセグメントの両方を可能にする。

画像センサアレイと共に集積化されたフィルタアレイを有することが望ましい。この集積コンポーネントまたはモジュールは、光学サブシステムと組合せ可能であり、完全なカメラシステムを形成する。センサアレイは、典型的には、モノリシックに集積されたフィルタアレイを備えた集積回路であり、分光ユニットと称してもよい。長い収集時間の問題は、例えば、国際公開第２０１１０６４４０３号（ＩＭＥＣ）に記載しているようなＨＳＩウェッジ技術によって形成された、高い光のスループットの集積フィルタを用いて部分的に克服できる。こうしたカメラの実用的な商業的実装は、コンパクトで、低いコストで製造可能であり、再構成可能である必要がある。特定の態様では、プロセス技術の態様が、システム統合化および画像処理技術と組合せ可能であり、集積回路製造プロセス条件を緩和する。

（図２ 他の実施形態に係るスペクトルカメラ）
図２は、図１と同様に、他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示しており、光学複製を実行するための光の経路およびレンズセット２５の効果の詳細な表現とともに特定の実装を示す。センサアレイ上の画像セグメントのコピーの平面図も示しており、ここから検出され、読み出され、データバッファに画像キューブとして保存される。対物レンズ１０に続いてレンズアレイ２５が配置されており、対物レンズから到来する光が光学チャネルに分割され、画像セグメント当り１つのレンズが存在する。画像セグメントのコピーの平面図は、規則的なパターンの通過帯域が４×４のブロックの形態で存在し、ブロックはセンサアレイにおいて繰り返されることを示す。

図示した配置の幾つかの実用的な効果は、下記のようになる。
・対物レンズ速度が固定されたまま（より正確には、マイクロレンズのものと整合したまま）である場合、対物レンズは、ズーム動作、再合焦動作の柔軟性を実現できる。
・標準のレンズマウントと互換性がある。
・完全なセンサ使用が、視野絞りおよびレンズシステムの位置決めを用いて理論的に可能である
・インターリーブ配置のおかげで減少したレンズサイズに起因して、在庫レンズコンポーネントを用いて、良好な光学性能（高い分解能、広いＦＯＶ、高い光スループット）が可能である。
・（複合）レンズの標準マウントが可能である。
・スペクトルタイルを再構築するために必要な縫合（口径食、レンズシート欠陥、…と組み合わせて）

（図３ スペクトルカメラの一部の拡大図）
図３は、図２のカメラの一部の拡大図を示す。これは、レンズおよび、集積フィルタを備えたセンサアレイの側面図である。各レンズにつき特定帯域のフィルタが存在する。よって、所定の色の光だけが各レンズで検出されることになる。よって、画像は、レンズの左側で色付きビームを示すが、これは現実であることを意図するものでなく、全ての色が左方からフィルタに到達し、１つの色が通過して検出器に到達することになる。各レンズでは、センサアレイの平面図に示すように、画像の１つのセグメントからの光がセンサ素子のブロックに到達する。センサ素子の各ブロックが、レンズの１つに対応する（ブロックが充分に小さい場合、マイクロレンズでもよい）。

（図４ 種々の通過帯域を持つ画像セグメントのコピーの平面図）
図４は、オーバーラッピングした画像セグメントのコピーの配置の他の例のより詳細な図を示すもので、画像セグメントがセンサアレイ上に投影されるときの平面図で示す。左上図が、繰り返しパターンの一部の表現である。これは、９個の帯域および９個の対応フィルタが３×３のグリッドで配置されることを示す。上の行は帯域１，２，３を有し、第２行は帯域４，５，６を有し、下の行は帯域７，８，９を有する。種々の色の帯域が、濃淡レベルで表現される。各帯域が３ブロック毎に繰り返す。各ブロックは、多くのセンサ素子および対応した数の画素を有することができる。平面図で判るように、ブロックはそれぞれ、隣接ブロック間で画像セグメントのある固定したオーバーラップ量を持つ画像セグメントを表している。このケースでは、隣接ブロックでのオーバーラップは６６％である。これは、１つの介在ブロックを有するブロックと３３％のオーバーラップが存在しており、２つの介在ブロックを有するブロックとのオーバーラップがないことを意味する。これは、同じ通過帯域のブロック全てを採用した場合、オーバーラップが無く、共に縫合して元の画像を再生成できることを意味する。繰り返しは、このケースでは、両方の空間方向において均等であるが、変形例を伴うより複雑な例が他の図に記載している

（図５ 再縫合のためのプロセッサ）
図５は、図１と同様に、センサアレイの読み出し後、再縫合のためのプロセッサ２００の追加を伴う他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。プロセッサは、カメラの中に組み込んだり、あるいは外部の画像処理システムの一部にできる。これは、図４に示したフィルタ配置でセンサアレイから読み出した各帯域について、画像の一部を再縫合するために使用できる。プロセッサは、データバッファのためのアドレス発生器の形態で実装でき、センサアレイがデータバッファ中に読み出された場合、適切なアドレスが発生して、１つの帯域についての画像の一部を単一フレームに対応したアドレスに保存するように、まるで再縫合されたように構成される。

（図６ 集積フィルタを変えるための交換可能なセンサ）
図６は、図１と同様に、集積フィルタを持つ交換可能なセンサアレイ４２を備えた、他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。このケースでは、交換は、交換可能なセンサアレイを旋回軸４１の周りに回転させて、元のセンサアレイ４０の位置を占めるようにすることによって実施できる。原理上は他の配置が想定できる。例えば、センサアレイを移動させるのではなく、光学経路が交換可能なセンサアレイへ移動できたり、あるいは、交換可能なアレイは回転ではなくスライドできるものである。任意の数の異なるセンサアレイが旋回軸に固定できる。幾つかのケースでは、必要に応じて、レンズアレイなどの光学複製機が交換でき、必要に応じて、画像コピーのレイアウトまたはこれらの倍率が変化できるものである。幾つかのケースでは、視野絞りも変える必要があるが、これは別個の機構として実装できる。

（図７ 六角形状の画像コピー）
図７は、六角形状のフィルタ上の六角形状の画像コピーの図を示す。これは、３つの完全な六角形状の画像コピー２３０，２４０，２５０および数多くの半分画像コピー２６０，２７０，２８０，２９０を示す。半分コピーおよび角部セグメントは、再縫合され、異なる帯域の完全な画像を製作できる。

（図８〜図１２ 画像セグメント配置および通過帯域パターンの他の例）
図８は、パターンでの繰り返しが４ブロックごとである点を除いて、図４と同様な例を示す。このケースでは、７つの帯域が存在し、帯域１，２，３が繰り返しで４回現れており、一方、帯域４，５，６，７が１回だけ現れている。よって、判るように、帯域１，２，３のいずれかは、１つの介在ブロックだけを伴って生じ、一方、他の帯域は、これらの帯域の隣接するものの間にある３つの介在ブロックを伴って生ずる。よって、帯域４，５，６，７で完全な画像範囲(coverage )を得るためには、これらの帯域はより低い倍率を有する必要がある。これは、レンズアレイのレンズを設計し、帯域４，５，６，７に対応して配置されたレンズの特定のものについて当該レベルの倍率を提供することによって達成できる。画像の幾つかの部分がこうした倍率の差を示しており、画像の特徴がより小さく示されている。このことは、これらの帯域での空間分解能が低下することを意味し、センサ素子間のピッチが一定であると仮定している。

図９は、このケースでは、種々の帯域でのスペクトル分解能に変動を与えるように帯域が選択されている点を除いて、図４と同様な他の例を示す。隣接帯域間の差が、例えば、１５ｎｍまたはそれ以下である帯域４，５，６，７を除いて、隣接帯域間の差は５０ｎｍである。これは、この部分のスペクトルに、より良好なスペクトル分解能を与える。

図１０は、このケースでは、画像の周辺にあるセグメント用に選択された帯域が帯域１，２，３，４，５，６，７，８，９であり、一方、異なる帯域が画像の中央部のために選択されている点を除いて、図４と同様な他の例を示す。そのためこれは、画像の異なる部分で選択された帯域の変動の一例である。

図１１は、このケースでは、ブロックのうちの１つが帯域５に対応して表記され、より微細な粒状性パターンの種々の帯域を有する点を除いて、図８と同様な他の例を示す。このことは、このブロック内のスペクトル分解能が上昇し、空間サンプリングが低下することを意味する。このことがエイリアシング(aliasing)を引き起こす場合、幾つかの光学エイリアシングが必要になるであろう。これは、異なるレンズを必要とせずに、フィルタの配置を選択することによって達成される。空間分解能が低下すると、何らかのぼけや広がりが生じて、アンチエイリアシング効果を提供するように応用され、１つの画素に対応し、異なる帯域でフィルタ処理されたクラスタでのセンサ素子が画像の異なる部分を検出しないことを確保する。

インターリーブ配置のシステムでは、個々のサブ画像レンズ特性、例えば、倍率を変更することによって、そして、レンズのデフォーカスによる合焦状態を変更することによって、特別な自由度が存在し、当該サブ画像内の空間分解能が減少し、スペクトル分解能が増加し得る。特に、後者のアイデアは、規則的なイメージングが、高分解能の分光コンテントのパターンを用いてインターリーブ配置することが可能になる。

図１２は、図１０と同様なハイブリッドである他の例を示す。このケースでは、図１０と同様に、異なる帯域（２，５，６，８）が画像の中央部のために選択されている。その周辺では、帯域１〜９が使用される。図１０とは異なって、空間分解能は、画像の異なる部分で変動を示す。これは、中央部での繰り返しが２×２ブロックであり、一方、画像の周辺では３×３ブロックであることによって示される。このケースでは、レンズによる異なる倍率が必要になるであろう。

（光学的減衰(fall-off)およびモジュール感度の設計）
画像センサアレイおよびフィルタ構造の両方からなる集積モジュールを設計する場合、相互コンポーネント最適化を行うことができる。低コスト及び／又はコンパクトなシステムを目標とするモジュールでは、より低品質の光学系が予想される。この意味で対処できる１つの影響が、口径食である。口径食は、画像中心と比べて周辺での画像の輝度または飽和の低下である。この影響が、ファブリペローフィルタおよび画像センサの波長依存の効率と連結した場合、波長依存の挙動を強化する代わりに、波長依存の挙動を平坦化するために両方の影響を共に最適化できる。

口径食が、画像の中央部から側部への光強度の低下を生じさせる。強度減衰の影響は、照明によって補償可能であり、当業者に知られているように、いわゆる照明プロファイルの使用による。口径食およびセンサ感度の両方の影響が、フィルタの特定の配置でモジュールの効率に影響を与える。感度を平坦化し、両方の影響のこの追加の挙動を克服するためには、フィルタの配置の適切な選択およびレンズアレイの設計が、両方の影響を考慮して行うことができる。これは、必要に応じて、用途が許容すれば、照明プロファイルと組合せが可能である。

前述の段落で議論したように、ハイパースペクトルイメージングの設計の一部は、画像センサアレイの上での種々のフィルタの配置である。一般に、設計プロセスは、下記の部分に区分できる。
１．目標とする波長範囲の選択
２．当該範囲のための画像センサアレイの選択
３．目標とするスペクトルサンプリング（そして、スペクトル分解能）の選択
４．レンズアレイを設計することによって画像コピーの設計
５．異なるファブリペローフィルタおよびアレイでのこれらの配置の設計

（図１３と図１４ カメラの動作方法でのステップ）
図１３と図１４は、カメラの動作方法でのステップを示す。図１３において、最初のステップ４００が、例えば、対物レンズまたは他の光学部品の機械的調整、あるいはセンサアレイの場所の調整によって、画像コピーの輪郭を設定する予備的な位置合わせ(registration)である。ステップ４１０は、センサアレイから、１つのフレーム時間内で、種々の通過帯域での投影した画像コピーの検出信号の読み出しである。ステップ４２０は、これらの信号を、当該時刻または多数の時刻について画像キューブを表現するデータベースでの値として保存する。図１４は、図１３と同様であり、センサアレイを異なるフィルタアレイを持つものと交換するステップ４３０を追加している。

記載した実施形態の何れも、空間走査機構を使用して、連続したフレーム周期で視野または視野の角度位置を変化させる場合、多重フレーム時間に渡って追加のサンプリングが可能である。これは、画像キューブを拡大でき、あるいは、空間方向での密度を高めることができる。

（図１５と図１６ 製造時にカメラを構成する方法）
図１５は、製造時、こうしたカメラを構成する方法でのステップを示す。ステップ５００は、どれぐらいの数の画像コピーを供給し、これらをセンサアレイ上にどのように配置するかを選択する最初のステップを示す。

ステップ５１０は、通過帯域を選択し、画像コピーでの通過帯域の空間配置を選択することを示す。ステップ５２０は、通過帯域およびこれらの空間配置に従って、集積フィルタの層を製造することを示す。

図１６は、ステップ５１０をステップ５１５で置換している点を除いて図１５と同様であるが、通過帯域およびこれらの空間配置の選択は、画像キューブの異なる部分でどの通過帯域が検出されるかの変動、あるいは画像キューブの異なる部分における検出の空間分解能またはスペクトル分解能の変動を有するようにしている。これは、画像コピーより微細な粒状性を有する空間パターンを含んでもよく、そのため画像コピーの個々の１つについてフィルタアレイの一部について、通過帯域の複数の異なるものの空間パターンが存在する。

（図１７ 集積されたファブリペローフィルタ）
図１７は、ファブリペローフィルタアレイ３１が集積されたセンサアレイ４０の断面図を示す。これは、上部半ミラーコーティング３３と、下部半ミラーコーティング３２を有する。部品間に隙間を示しているが、これは明確さのためであり、実際には隙間は存在しない。この部分の例のより詳細について説明する。

（半導体プロセス）
フィルタアレイは、半導体プロセス技術を用いて、画像センサアレイとともに集積可能であり、即ち、分光ユニットは、半導体プロセス技術およびプロセス工程を用いて、画像センサアレイを含む基板上で後処理で設けられる。こうした半導体技術の例が相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）プロセスであり、ここでは画像センサアレイはＣＭＯＳセンサであり、そして、電荷結合素子（ＣＣＤ）プロセスであり、ここでは画像センサアレイはＣＣＤセンサである。これらの製造技術は、集積電子回路を製造するのに理想的に適している。こうしたモノリシック集積化は、分光ユニットを基板に取り付けるためにインタフェース層が必要でないことから、低コストでの製造、そしてより高性能を提供することが可能になる。よって、迷光の影響がかなり減少する。

大きい範囲のテクノロジー世代を前提とすると、大きなクリティカル寸法（ＣＤ）、例えば、１３０ｎｍを有する最も低コストのテクノロジーでセンサを製造することを選択でき、その結果、画像センサアレイのより大きな画素およびより小さな空間分解能が得られる。代替として、より小さなクリティカル寸法（ＣＤ）、例えば、４５ｎｍを有するより高いコストのテクノロジーで画像センサアレイを製造することを選択でき、その結果、画像センサアレイのより小さな画素およびより高い空間分解能が得られる。

画像センサアレイは、表面照射型センサとすることができ、フィルタアレイは、センサを備えた基板の上部に後処理で設けられる。必要に応じて、この基板は後で薄くし、基板のバルクを除去し、画像センサアレイおよびこれとモノリシックに集積された分光ユニットを含む薄いスライスとする。代替として、画像センサアレイは、裏面照射型センサとすることができ、最初にセンサを備えた基板を裏面から前方へ薄くする。薄くした基板の裏面において、分光ユニットが後処理で設けられる。

任意の次数のファブリペローフィルタが製造でき使用できるが、好ましくは、１次のファブリペローフィルタだけを画像センサアレイ上に形成して、より高次の成分を除去及び／又は阻止するための複雑さを低減している。１次のファブリペローフィルタを備えた、モノリシックに集積されたハイパースペクトルイメージングシステムは、典型的には、光学サブシステムにおいて集光レンズを必要としない。

光学サブシステム、モノリシックに集積されたフィルタアレイおよび画像センサアレイを備えた完全なハイパースペクトルイメージングシステムの例が開示される。これらの完全なイメージングシステムは、モノリシック集積の利点を活用しており、光学サブシステムを設計する際の自由度を与える。

フィルタの設計、例えば、フィルタの空洞長を定義する厚さは、チップ上の特定のフィルタの場所を考慮して、到来する電磁スペクトルの入射角の変動依存性を低減できる。

フィルタは、画像センサアレイ上に後処理で設けられ、全てのフィルタは、画像センサアレイの行(row)または列(column)と整列している。

フィルタは、モノリシックに集積でき、フィルタ構造が画像センサの上に直接に後処理で設けられることを意味する。この集積化は、別個に製造し、後で撮像器と共に組み立てるフィルタ構造と比較して、極めて重要な利点および幾つかの結果を有する。モノリシック集積の利点は、標準的なＣＭＯＳ製造工程によるコスト低減、迷光の低減であり、１次用の設計を可能にし、集光レンズの必要性を回避する。

フィルタ構造が別個に製造され、そして画像センサと共に組み立ててハイパースペクトルモジュールとするハイブリッド集積と比較して、モノリシック集積にとって幾つかの利点がある。最初に、両方の生産シーケンスを組み合わせて１つの組合せフローにすることは、別個に製造され、後にセンサと共に組み立ててモジュールとするフィルタ構造のハイブリッド集積と比較した場合、全体の簡素化および生産コスト削減をもたらす。これは、特に、このフィルタの場合であって、フィルタ構造の後処理が、堆積、パターニングおよびエッチングなどのＣＭＯＳ互換の製造工程だけを必要とするからである。これらの工程を画像センサの通常の生産フローに追加することによって、高価で、エラーが生じやすく、労働集約型のアセンブリ工程を防止できる。例えば、ブラッグスタックでの３層の酸化物およびアモルファスシリコン、１２７個の異なる空洞厚さ、約５０ロットターンを備えたフィルタが必要であり、標準的なＣＭＯＳ撮像器と比べて、２０％前後の追加コストを与える。上部および下部ミラー層の堆積のためのロットターン数は、異なる層が同じツールにおいて交互に堆積可能である場合、低減できる。

第２に、フィルタ構造を撮像器の画素上に直接に製造することによって、フォトンがフィルタから下方の画素に直接通過できる。表面照射型センサの場合、フォトンが最初にメタライゼーション層および幾つかの誘電体層を通過することになる。フィルタ構造を別個に生産し、画像センサの上に積み上げた場合、両方の構造の間に非機能的な層または隙間が常に存在するようになる。

フィルタおよび基板の組合せが反転して、フィルタが支持基板と画像センサとの間に設置された場合でも、光は、最初に基板を通過し、そしてフィルタを通過し、最後に薄い空気または接着の隙間を通って、画像センサフォトダイオードに入射する。フィルタ構造を画像センサと組み合わせた場合、それが種々の層の間に空気または接着を有する相互の上部に積み上げられれば、フィルタ構造と下地の画素行との間のこの余分な基板は、特定の量の性能劣化を引き起こすことになる。その理由は下記に示す。

１．クロストーク
特定画素の上にあるフィルタ構造を出射したフォトンが、隙間を横切って隣りの画素に入射する。この影響は、画素上へのフィルタの直接後処理によって隙間が減少または完全に除去された場合、大きく減少することになる。しかしながら、フィルタ自体の厚さの結果として、あるクロストークが存在し得る。一画素の上にあるフィルタに入射するフォトンが、フィルタを通過して隣りの画素に入射することがあるためである。これは、より薄いフィルタを設計し、入射角を制御することによって減少する。

２．迷光
余分な非機能的な層は、屈折率が整合していなければ、その境界上で余分な反射を引き起こし、よって、上述のクロストークに加えて余分な迷光を生じさせる。種々の入射角について、フィルタと画像センサの画素アレイとの間の有効距離Ｓを減少させることによって、迷光は減少する。より小さい距離Ｓ、例えば、１ｎｍでは、迷光が進行する距離（Ｄ）は、通常の画素寸法（例えば、１〜１５＿ｍ）内である。これは、進行する光の距離Ｄが数十から数百画素の範囲に及ぶ、よりマクロ的な集積距離、例えば、１ｍｍ基板のケースではそうではなく、空間分解能およびスペクトル分解能の深刻な劣化をもたらす。あるケースでは、距離Ｄは相当に大きくなり、光を画素上に再び集光させるために追加の集光レンズが必要になる。

３．迷光によって生ずる寄生ファブリペロー
さらに、前項目に示したように、フォトダイオードの上にある誘電体スタックおよび金属は、光の一部を反射する。不均一集積による隙間および空洞の下部ミラーとともに、これは、実際のものと干渉する寄生ファブリペローを形成する。このプロセスは、モノリシック集積を用いて最適化できる。撮像器内の誘電体層は、同様な材料（例えば、酸化物）に製作された下部ブラッグスタックの一部となり、これらの層の幅に対してあまり敏感でないからである。

画像センサ上に後処理で組み立てられるハイブリッドフィルタ構造がこの問題に悩まされる１つの重要な理由が、極めて薄いフィルタ構造の構築は、フィルタを機械的に支持し、積み重ねを可能にする（透明な）支持基板の追加の挿入を別個に必要とすることである。この層をフィルタと画像センサとの間に設置した場合、非機能的な隙間は、この層および、支持層と画像センサとの間にある追加の空気または接着からなる。支持構造を上に設置した場合、それもまた追加の反射を発生することがあり、（例えば、反射防止コーティングを追加することによって）別個に最適化すべきであるが、フィルタと画像センサとの間に空気または接着の層が存在するようになる。これの全てが、上述したように、フィルタ構造を画像センサ上に直接に後処理で設けることによって不必要にできる。

第３の利点が、モノリシック集積は、極めて正確なＣＭＯＳ製造手法と組み合わせて、かなり小さい厚さを持つフィルタ構造の構築を可能にすることである。後述するように、ファブリペローフィルタ構造は、空洞長を同調させることによって、特定の波長を選択するように設計される。より薄いフィルタは入射角に対してあまり感度がなく、それは非垂直入射においてフィルタ内の内部反射がカバーする距離が小さいからである。より厚いフィルタが、伝送ビームのより長い変位Ｄに悩まされることになり、１０ｍｍ超に広がる。このことは、空間分解能およびスペクトル分解能での深刻な減少をもたらすものであり、フィルタを通過する光が画素の他の列または行に入射するからである。従って、このマクロ的なフィルタは集光レンズを必要とする。

薄いフィルタは、これに対してかなり感度がなく、変位Ｄは、多くのケースでは、ほぼ最大の入射角および最小の画素サイズについて、画素寸法未満、即ち、好ましくは、１〜１０ｎｍの範囲に収まる。従来の生産手法は、フィルタ構造および画像センサのハイブリッド集積との組合せで、１次のファブリペローフィルタを製造するのに必要な精度に到達できない。よって、より高次のファブリペロー構造を使用する必要がある。このケースでは、必要な次数だけを選択するために、追加のダイクロイックフィルタまたは他のフィルタをモジュールに追加する必要がある。これは、追加のエネルギー損失、追加のコスト、そして、減少した全体システムの最適性を生じさせる。

最後に、ファブリペローフィルタが画像センサから離れてある距離に設置した場合、フィルタの出力は、レンズによって集光した場合、同心円の形態をとる位相差を示す。同心円は、異なる場所に建設的干渉および相殺的干渉を有する種々の干渉波の結果である。集光レンズは、マクロ的なフィルタに必要であり、フィルタ内部の反射によってカバーされる大きな距離のため、そして、これら全ての反射を１つの画素に再び集光するためである。

開示した集積イメージングモジュールでは、フィルタ構造と画像センサとの間の距離は極めて小さく、フィルタが１次用に設計されているため、集光レンズの必要性がない。薄いフィルタは、この集光レンズを要しない。それは、内部反射がカバーする距離がかなり小さく、提案したフィルタの場合、全ての光が１つの画素に入射するからである（極めて多数の内部反射の後は、単一画素のサイズを超える光線に残るエネルギーは無視できる）。位相差の結果である同心円は、依然としてそこにあるが、同じ画素内に全て集光されるようになり、これらの効果は当該画素の出力に全て統合される。

能動ＩＣ、このケースでは画像センサ、の上部におけるフィルタ構造の直接後処理は、当該ＩＣの汚染制限、機械的制限、温度制限および他の制限と適合すべきである。このことは、例えば、フィルタの製造で使用される工程のうち、下方の画像センサに損傷を与えるであろう材料またはプロセスを使用できるものはないことを意味する。

後述するように、最も重要な制限の１つは、ＣＭＯＳ生産環境を考慮すると、利用可能な材料での制約である。提案したフィルタにおいて、材料選択は、標準的な材料を使用し、標準的なプロセスと完全に適合するように行った。幾つかの材料、例えば、ＡｕまたはＡｇを使用することが不可能であり、これらは種々の層およびツールの中に拡散する傾向があり、これにより電流の収量および将来の処理工程に悪影響を及ぼす。幾つかのケースでは、通常のプロセスラインの外部で堆積を行った場合、そして、ツールを当該目的のために使用しただけの場合、こうした層が最終工程（上部層）として許容可能である。これは、最終工程としてのみ行うことができ、ウエハは、その操作後に通常フローに入らないからである。

材料選択に関連した他の制限が、プロセスにとって利用可能な温度収支(budget)または温度ウインドウである。画像センサに損傷を与えることなく後処理を実施するために。損傷を防止するには、プロセス工程の最大温度は、ある最大値、例えば、４００℃を超えるべきでない。これもまた、設計に利用可能な材料および結晶化の選択肢を制限する。

画像センサおよび別個に生産されたフィルタ構造を後にモジュールに組み立てるハイブリッド手法に関して、そこにはあまり自由度がない。モノリシック設計の場合、設計の全体を通じて制約を考慮する必要がある。画像センサ自体の設計の際に、特定の設計選択を行って、フィルタのプロセスに対する制約条件を緩和する（例えば、後処理にとって許容される温度を上昇させる）場合、これも考慮できる。そして、これは、画像センサまたはフィルタ構造の代わりに、モジュールレベルでの最適化問題をもたらす。フィルタ構造への制約は、常に適用される。後で画像センサの上部に処理されるからである。

（ファブリペローフィルタ）
画像センサの全画素は、特定の波長に対して感度を有する、それ自体の光学フィルタを有することができる。センサ上での種々の光学フィルタの編成は、その使用法に依存する。集積化できる種々のタイプのフィルタ、例えば、ダイクロイックフィルタが存在する。説明した例で使用したタイプは、ファブリペロー干渉計である。

ファブリペローフィルタが、透明層（空洞と称する）および当該層の両側にある２つの反射面で製作される。ファブリペロー波長選択が、反射される空洞内で複数の光線を含み、これは、光の波長、半ミラー間の距離ｌおよび入射角θに基づいて建設的干渉および相殺的干渉を生じさせる。（ｂ）より高次も選択され、これは次数選択の問題をもたらす。フィルタ動作は、この周知のファブリペロー原理に基づいており、各フィルタの高さが、所望の通過帯域に同調するように選択される。各フィルタが共振空洞によって形成され、その共振周波数がフィルタの高さによって決定される。空洞の上部および下部において、光線を部分的に反射する半透明ミラーが設置される。反射のため、光路差が導入され、相殺的干渉および建設的干渉を生じさせる（入射する波長に依存する）。こうしたフィルタの原理および特性のより詳細が、上記の国際公開第２０１１０６４４０３号に記載している。

（光学フィルタの設計）
反射面：
空洞の両側にある反射面の設計および性能は、ファブリペロー光学フィルタの性能にとって重要である。高いフィネス(finesse)、良好なスペクトル分解能を持つファブリペロー光学フィルタが、高反射ミラーを用いることによって得られる。第２の重要なミラーのパラメータがこれらの吸収であり、これはフィルタの効率を決定するためである。ファブリペロー光学フィルタの全範囲が特定の波長範囲に渡って構築する必要がある場合、これらの２つのパラメータ（反射率および吸収率）が、このスペクトル範囲に渡って可能な限り一定に収まることは有益である。このケースでは、波長範囲は、ファブリペローフィルタの空洞長だけを変化させることによって、カバー／サンプリングでき、材料およびミラー層は一定に維持できる。選択した波長範囲は、モジュールの第２の部品である、選択した画像センサの感度と整合する必要がある。

モノリシック集積を提案する本手法は、特定の非標準的センサ設計を使用しており、コストを増加させ、速度を減少させる。ＣＭＯＳセンサでのＣＭＯＳ互換のプロセス工程への切り替えが集積化の問題を提起しており、それが、汚染および温度収支に起因して、例えば、材料選択に影響をもたらすからである。Ａｇなどの金属が、下部ミラーに使用できない。最新のファブリペローフィルタは、Ａｌを使用する必要があり、フィルタ品質または光学スループット（速度）の重大な減少を引き起こす。誘電体スタックが好ましいが、汚染レベルおよび温度収支が材料選択を制限する。

選択した周波数範囲において必要なスペクトル範囲を得るために、プロセス適合した材料がｎ／ｋの正しい組合せを有することが必要である。低ｎ材料を有するこれらの誘電体材料の例がＳｉＯ_２であり、ｎをさらに減少させるように調整することが可能である。高ｎ材料の例が、アモルファスシリコンであり、プロセスパラメータ、例えば、温度および水素含有量の調整のため、減少した吸収率を有する。

硬い酸化物が良好な許容範囲を有するが、標準のＣＭＯＳプロセスで許容されたものより高い温度の必要性のため、使用できない。

こうした代替のミラーシステムの例が、（分散型）ブラッグスタックであり、２つのタイプの誘電体を２つ以上の材料（一方が低い屈折率を有し、もう一方が高い屈折率を有する）の交互配置したスタックに組み合わせることによって形成される。ブラッグスタックの第１の特性が、式（１）で与えられるように、その帯域幅であり、即ち、反射率がほぼ一定であるスペクトル範囲Δλ_０である。

この式から、帯域幅Δλ_０は、中心波長λおよび選択した材料の屈折率ｎ_１，ｎ_２の両方に依存することが判る。特定の中心波長付近で広いスペクトル範囲をカバーできるためには（例えば、７００ｎｍ付近の６００ｎｍスペクトル範囲）、ｎ_１とｎ_２の大きな差が必要になる。標準の半導体プロセスで使用される材料のリストから、ＳｉＯ_２が最も低い屈折率のうちの１つ（１．４６）および極めて低い吸収係数を有する。両方のパラメータが極めて大きなスペクトル範囲に渡って安定している。７００ｎｍの中心波長付近の６００ｎｍのスペクトル範囲（ＶＮＩＲ範囲）では、これは、ブラッグスタックでの第２材料が理想的には、可能な限り０に近い吸収係数に加えて、６．４に等しい屈折率を有する必要があることを意味する。プロセスフローと適合した、標準のＩＣプロセス材料で利用可能なこうした理想的な材料は存在せず、既存の材料を良好な屈折率およびより低い吸収のために適合させる必要がある。ＳｉＯ_２の屈折率は、多孔質(porous)にすることによって低くできる（１の屈折率を有する空気と混合させる）。これは、同じスペクトル範囲および中心波長で、５と等しい良好な製造可能な屈折率の必要性をもたらす。材料工学の他の例が、温度、水素の濃度などのプロセス（堆積）パラメータを変化させることによって、アモルファスシリコンの吸収率を低下させることである。

式（２）に示すように、こうしたブラッグミラーの反射率Ｒは、誘電体層のペアの数によって容易に制御される。層が多くなるほど、反射率は高くなり、当該ミラーを用いて構築されるファブリペローフィルタのフィネスが高くなる。式（２）において、ｎ_０は周囲媒体の屈折率、ｎ_ｓは基板の屈折率、ｎ_１は第１材料の屈折率、ｎ_２は第２材料の屈折率、Ｎはブラッグスタックでのペアの数である。

分散型ブラッグスタックの第１の例が、７００ｎｍ付近の中心波長で５４０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲について、ＳｉＯ_２と人工アモルファスシリコンの組合せである。第２の例が、１５００ｎｍの中心波長および１０００ｎｍの帯域幅、即ち、１０００ｎｍ〜２０００ｎｍについて、ＳｉＯ_２とＳｉＧｅの組合せである。ミラー層のためにブラッグスタックを使用した結果が、光の反射の際における追加の位相シフトである。

使用の際、２次漏れの出現は、波長λ_ｊ用に設計したファブリペローフィルタが、高次と称されるλ_ｊの倍数である入射波長も通過させることの結果である。

しかしながら、ファブリペローフィルタおよび下地の画像センサの両方が妥当な効率を有する波長範囲に入るこれらの高次の波長だけを考慮すべきである。

（製造）
１Ｄまたは２Ｄのファブリペローフィルタを製造するための製造方法が、連続的なパターニングおよびエッチング工程を含み、ｋ個の異なる厚さを製作するために、数多くの処理工程を必要とする。

（画像センサの平面性）
良好に制御された状態で開始するために、フィルタ構造を構築する前に、画像センサは平坦化することが重要である。これは、堆積工程を用い、続いて、全ての凹凸を除去するためにＣＭＰ（化学機械研磨）工程を実施することによって行われる。こうすることによって、処理の残りは正確なＢＥＯＬ配置にもはや依存しない。この平坦化層の厚さおよび材料は、フィルタ構造の設計の際にある程度考慮できる。しかしながら、この層は、機能するフィルタ構造の一部ではなく、正しい材料変遷（屈折率にとって重要）が正しく考慮されている限り、フィルタ自体に対して大きな効果を有していない。ファブリペローフィルタがこの平坦化層の上に堆積されると、変動がウエハ全体に充分にゆっくりである限り（例えば、鋭いエッジがない）、この層の変動が上に伝搬することはない。ＣＭＰが、ウエハ全体にナノメートルスケールの平坦性および変動を持つ表面を生成できることから、この条件は成就できる。

（堆積許容誤差および他の変動）
ファブリペローフィルタの構成部品、即ち、ブラッグスタック層での堆積厚さおよび空洞の厚さの変動が、設計したフィルタと製造したフィルタとの間の不整合を生じさせる。空洞の厚さの変動の影響は、全てのフィルタの厚さがおおよそ等しい量だけ変化すると、理論的設計の左右へのスペクトル範囲のシフトを生じさせる点である。選択した波長でのこの広範囲シフトは、設計したフィルタ場所に対して上向きまたは下向きであり、設計パラメータの１つである通過帯域のスペクトル幅の小さな割合である場合は、許容できる。

ウエハ幅の堆積許容誤差に加えて、エッチング許容誤差、他のダイ内部変動、そして、ダイ間変動が存在し得る。従来、これは、ビニング(binning)により、特定の波長範囲について特定のデバイスを選択することによって軽減される。

区画化のために用いられるエッチングプロセスが無方向性のプロセスである場合、１つのフィルタと次のものとの間の遷移を形成する鋭いエッジが丸みを帯びるようになる。幾つかの実施形態では、各フィルタの幅は複数列のセンサ素子を覆うことができ、他の場合、１つまたは２つのセンサ素子を覆うことができ、この場合、こうした角の丸み付けが通過帯域に対してより多くの影響を有することがある。

（アライメント許容誤差）
標準のＩＣプロセス技術を用いた場合、画素当り数ミクロンの寸法を持つ画素の行／列の上でのフィルタ構造のアライメントが充分に最新技術の可能性の範囲内にある。従って、トップレベルでのアライメントは、あまり重大ではない。

（処理ハードウエア）
例えば、画像処理のための上述した方法ステップの幾つかが、ハードウエアの形態のロジックによって、あるいは、例えば、処理エンジン、例えば、マイクロプロセッサまたはプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、例えば、ＰＬＡ（プログラマブルロジックアレイ）、ＰＡＬ（プログラマブルアレイロジック）、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）を用いたソフトウエアで実装してもよい。

内蔵したプロセッサを備えた回路の例が、単一チップ上に他の部品とともに合体できる、内蔵プロセッサ周辺のＶＬＳＩチップとして構築してもよい。

代替として、他の適切なプロセッサが使用でき、これらは内蔵する必要はなく、例えば、米国インテル社によって供給されるペンティアム（登録商標）プロセッサである。ゼロウェイト状態のＳＲＡＭメモリをオンチップで、そして、例えばキャッシュメモリとして設けてもよい。典型的には、Ｉ／Ｏ（入力／出力）インタフェースが、例えば、データネットワークを経由して、外部ストレージにアクセスするために設けられる。ＦＩＦＯバッファが、プロセッサをこれらのインタフェースを経由してデータ転送から切り離すために使用してもよい。インタフェースは、ネットワーク接続、即ち、適切なポートおよびネットワークアドレスを提供でき、例えば、インタフェースはネットワークカードの形態でもよい。

（ソフトウエア）
ソフトウエアプログラムが、内部ＲＯＭ（リードオンリメモリ）及び／又は何れか他の不揮発性メモリに保存してもよく、例えば、これらは外部メモリに保存してもよい。外部メモリへのアクセスは、必要に応じてアドレスバス、データバスおよびコントロールバスを備えた外部バスインタフェースを含む従来のハードウエアによって提供してもよい。本発明の方法および装置の特徴は、プロセッサ上で走るソフトウエアとして実装してもよい。特に本発明に係る画像処理は、プロセッサの適切なプログラミングによって実装してもよい。上述した方法および手順は、適切なコンピュータ言語、例えばＣ言語でコンピュータプログラムとして記述してもよく、そして内蔵した設計での特定プロセッサ用にコンパイルされる。例えば、ソフトウエアは、Ｃ言語で記述して、既知のコンパイラおよび既知のアセンブラを用いてコンパイルしてもよい。ソフトウエアは、処理エンジン上で実行した場合、本発明の方法および画像プロセッサを提供するコードを有する。ソフトウエアプログラムは、任意の適切な機械読み取り可能な媒体、例えば、磁気ディスク、ディケット、固体メモリ、テープメモリ、ＣＤ−ＲＯＭまたはＤＶＤ−ＲＯＭなどの光ディスク等に保存してもよい。他の変形は、請求項の範囲内で想定できる。

Claims (17)

1. スペクトル出力を生成するためのスペクトルカメラであって、
   画像を生成するための対物レンズ（１０）と、
   画像セグメントの光学コピーを種々の光学チャネルに生成するためのレンズアレイ（２５）と、
   該アレイに渡ってインターリーブ配置された空間パターンの異なる通過帯域を有する、種々の光学チャネルのためのフィルタアレイ（３０）と、
   フィルタ済みの種々の光学チャネルにおける画像セグメントのコピーを検出するように配置された１つ以上のセンサアレイ（４０）とを有し、
   インターリーブ配置された空間パターンのフィルタアレイは、空間的に隣接した光学チャネルの検出したセグメントのコピーが、異なる通過帯域を有し、かつ、互いに少なくとも部分的にオーバーラップした画像セグメントを表し、そして、空間的に隣接していない光学チャネルでの同じ通過帯域の検出したセグメントのコピーの少なくともいくつかが、共にフィットし、隣接した画像セグメントを表すように、配置されているスペクトルカメラ。
2. センサアレイは、画像セグメントのコピーを同時に検出するように配置される請求項１記載のスペクトルカメラ。
3. インターリーブ配置の空間パターンおよびセグメントのオーバーラッピングは、全ての画像について空間的に均一なスペクトル検出を提供するように配置される請求項１または２記載のスペクトルカメラ。
4. インターリーブ配置の空間パターンは、２次元繰り返しパターンの通過帯域を含む請求項１〜３のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
5. インターリーブ配置の空間パターンおよびセグメントのオーバーラッピングは、画像の種々の部分でどの通過帯域が検出されるか、画像の種々の部分でどのスペクトル範囲が検出されるか、画像の種々の部分でどのスペクトル分解能、空間分解能が検出されるか、種々の通過帯域でどの空間分解能が検出されるか、の何れか１つ以上について変動を有する不均一なスペクトル検出を提供するように配置される請求項１，２または４記載のスペクトルカメラ。
6. インターリーブ配置の空間パターンの少なくとも一部は、少なくともＮ１個のフィルタの幅および少なくともＮ２個のフィルタの高さのセグメントを含み、
   インターリーブ配置の空間パターンのこの部分での空間的に隣接したチャネルのオーバーラップは、幅方向に１−１／Ｎ１の割合、高さ方向に１−１／Ｎ２の割合となるように配置される請求項１〜５のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
7. フィルタアレイは、センサアレイ上に集積されている請求項１〜６のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
8. フィルタアレイは、所望の伝送波長の波長の半分の厚さを有するファブリペロー空洞として動作する薄膜を含む請求項１〜７のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
9. インターリーブ配置の空間パターンの少なくとも幾つかの部分が、インターリーブ配置の空間パターンよりも微細な粒状性で、重畳したより微細なパターンの通過帯域を有する請求項１〜８のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
10. 所定帯域について検出したセグメントのコピーを電気的に処理して、これらを縫合するための後処理部を有する請求項１〜９のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
11. フィルタアレイは、異なるフィルタアレイを使用するためにフィルタアレイを交換することによって、使用時に再構成可能であるようにした請求項１〜１０のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
12. 対物レンズは、六角形の絞りを有し、レンズアレイおよびフィルタアレイは、セグメントのコピーに六角形の輪郭を与えるように配置される請求項１〜１１のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
13. 通過帯域は、センサアレイの一部が、センサアレイの他の部分の不要な高次または低次のスペクトル応答を検出できるように選択される請求項１〜１２のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
14. スペクトル出力を生成するためのスペクトルカメラの使用方法であって、
    該スペクトルカメラは、画像を生成するための対物レンズ（１０）と、
    画像セグメントの光学コピーを種々の光学チャネルに生成するためのレンズアレイ（２５）と、
    該アレイに渡ってインターリーブ配置された空間パターンの異なる通過帯域を有する、選択した帯域の光学スペクトルを通過させる種々の光学チャネルのためのフィルタアレイ（３０）と、
    フィルタ済みの種々の光学チャネルにおける画像セグメントのコピーを検出するように配置された１つ以上のセンサアレイ（４０）とを有し、
    インターリーブ配置された空間パターンのフィルタアレイは、空間的に隣接した光学チャネルの検出したセグメントのコピーが、異なる通過帯域を有し、かつ、互いに少なくとも部分的にオーバーラップした画像セグメントを表し、そして、空間的に隣接していない光学チャネルでの同じ通過帯域の検出したセグメントのコピーの少なくともいくつかが、共にフィットし、隣接した画像セグメントを表すように、配置されており、
    該方法は、所定の通過帯域ついて検出したセグメントのコピーを処理して、これらを縫合し、そして、異なる通過帯域ついて縫合したコピーを整列させるステップを有する、方法。
15. 使用時にフィルタアレイを交換して、異なるインターリーブ配置のパターンを有するフィルタアレイを使用するステップを有する請求項１４記載の方法。
16. 製造時にスペクトルカメラを構成する方法であって、
    該スペクトルカメラは、スペクトル出力を生成するためのものであり、
    画像を生成するための対物レンズ（１０）と、
    画像セグメントの光学コピーを種々の光学チャネルに生成するためのレンズアレイ（２５）と、
    該アレイに渡ってインターリーブ配置された空間パターンの異なる通過帯域を有する、選択した帯域の光学スペクトルを通過させる種々の光学チャネルのためのフィルタアレイ（３０）と、
    フィルタ済みの種々の光学チャネルにおける画像セグメントのコピーを検出するように配置された１つ以上のセンサアレイ（４０）とを有し、
    該方法は、空間的に隣接した光学チャネルの検出したセグメントのコピーが、異なる通過帯域を有し、かつ、互いに少なくとも部分的にオーバーラップした画像セグメントを表し、そして、空間的に隣接していない光学チャネルでの同じ通過帯域の検出したセグメントのコピーの少なくともいくつかが、共にフィットし、隣接した画像セグメントを表すように、フィルタアレイの通過帯域およびインターリーブ配置の空間パターンを選択するステップと、
    選択した通過帯域およびこれらの空間配置に従って、フィルタアレイを製造するステップ（５２０）とを有する、方法。
17. 通過帯域およびこれらの空間配置を選択すること（５１５）は、画像の種々の部分でどの通過帯域が検出されるか、画像の種々の部分でどのスペクトル範囲が検出されるか、画像の種々の部分でどのスペクトル分解能、空間分解能が検出されるか、種々の通過帯域でどの空間分解能が検出されるか、の何れか１つ以上について変動が存在するようにする請求項１６記載の方法。

Images