JP2017201317A - 各画素についてモザイク状フィルタを備えたスペクトルカメラ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スペクトル出力を生成するためのスペクトルカメラが、画像を生成するための対物レンズ10と、光学スペクトルの異なる帯域を通過させるためのモザイク状フィルタ30と、該フィルタを通過した異なる帯域で画像の画素を検出するように配置されたセンサアレイ40とを有し、画素の各々について、センサアレイは、異なる帯域を検出するための一群のセンサ素子を有し、該モザイクは、センサ素子上に集積された、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、画像は、異なる帯域で同時に検出可能である。フィルタは、1次のファブリペローフィルタであり、任意の所望の通過帯域を提供し、高いスペクトル鮮明度を提供できる。寄生空洞が存在しないため、クロストークが低減できる。
【選択図】図1
Description
http://en.wikipedia.org/wiki/Hyperspectral_imaging
http://faculty.cua.edu/mathewss/journals/Appl%20Opt%20V47%20N28%202008.pdf
画素の各々について、1つ以上のセンサアレイは、異なる帯域を検出するための一群(cluster)のセンサ素子を有し、該モザイクは、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、各フィルタは、センサ素子のうちの1つの上に集積され、画像は、スペクトル出力を供給するために異なる帯域で同時に検出可能である。ここで、フィルタは、ファブリペローフィルタである。
画素の各々について、1つ以上のセンサアレイは、異なる帯域を検出するための一群のセンサ素子を有し、該モザイクは、センサ上に集積された、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、センサの各々に異なる帯域の個々のものを設けており、画像は、異なる帯域で同時に検出可能であり、
該フィルタは、ファブリペローフィルタであり、
該方法は、異なる帯域での画素の検出をセンサアレイから読み出すステップと、
該読み出しを処理して、各帯域について検出した画像コピーを構築(assemble)するステップとを有する。
画素の各々について、1つ以上のセンサアレイは、異なる帯域を検出するための一群のセンサを有し、該モザイクは、センサ上に集積された、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、センサの各々に異なる帯域の個々のものを設けており、画像は、異なる帯域で同時に検出可能であり、
該フィルタは、ファブリペローフィルタであり、
該方法は、使用する帯域を選択し、群についてこれらの空間配置を選択するステップと、
選択した帯域およびこれらの空間配置に従ってセンサアレイ上に層を形成することによって、集積フィルタを製作するステップとを有する。
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。
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。場面で検知されたW×H個の空間ポイントの各々が、センサアレイ上で、それぞれ異なるフィルタ通過帯域を有する一群のセンサ素子に渡って光学的に広がっている。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。
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、光の経路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。単一画像が存在することを示す、モザイク状フィルタの配置の平面図もあり、各画素が異なる帯域の一群のセンサ素子によって検出されるため、複数の画僧コピーが生成できる。センサアレイからは、異なる帯域での各画素の複数の値が検出され、読み出され、データバッファに再構築された画像キューブとして保存できる。前述のように、光学複製レンズなしで画像をセンサアレイ40の上に投影する対物レンズ10が存在する。
・対物レンズは、ズーム動作、光のスループットおよび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理論的に可能である。
図3は、図2のセンサアレイの一部の拡大図を示す。これは、異なる帯域の群の繰り返しパターンを示す集積フィルタを備えたセンサアレイの一部を示す。一群の例をさらに拡大して示している。一画素では、帯域1〜4,5〜8,9〜12,13〜16をそれぞれ備えた4つの行に配置された、異なる帯域の16個のフィルタからなるブロックが存在する。
図4は、図1と同様なカメラの他の例の概略図を示す。アンチエイリアシング部50が、光経路に配置され、センサアレイ上の群に渡って各画素の広がりを実行する。これは、種々の方法、例えば、光学フィルタリング、または対物レンズのデフォーカスなどで実装できる。
図5は、図1と同様な他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示し、画像を各帯域で再構築するためのプロセッサ200の追加を伴い、センサアレイの読み出し後、帯域間予測機構を用いるため、空間群(cluster)周波数より高い空間分解能でスペクトルデータを推定する。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3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、画像を再構築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構成される。
図6は、図1と同様な他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示し、次数除去のためのプロセッサ210の追加を伴う。これは、フィルタ帯域の選択が、同じ群または隣接する群での他のフィルタの不要な2次または他の次数のスペクトル応答と一致するように配置された幾つかの特別な帯域を含む場合に有用である。そして、特別な通過帯域は、不要な信号の量を検出するために使用でき、これは、一次の値を提供し、不要な2次信号も有することを意図したセンサ素子から読み出された値から引き算できる。幾つかのケースでは、センサは、より高次の波長に対して本質的に感度がなく(例えば、800〜1000nmの範囲の帯域を除いて)、多くの場合、全ての帯域に感受性がない。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。
図7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、図11に示すような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。
図8は、符号1〜9を付与した3行3個の異なる通過帯域を持つ一群のフィルタの一例を示す。通過帯域の中心値は、各帯域ごとに列挙している。これは、図3の例とは、群のサイズの点で相違しており、このケースでは、異なる帯域についてスペクトル分解能の変動を提供するように帯域が選択されている。隣接する帯域間の差は50nmであるが、例外として帯域4,5,6,7,8は、例えば、隣接する帯域間の差が15nmまたはそれ以下である。これは、スペクトルのこの部分でより良好なスペクトル分解能を提供する。
図11は、光学複製(20)のためのレンズまたはミラーが存在しており、複数の画像コピーがセンサアレイの異なる部分に投影される点を除いて、図1のもの同様な配置を示す。これにより、異なる倍率を実現でき、または画像の同じ部分が、異なる帯域または分解能で2回検出できるようになる。画像コピーの境界は、視野絞りまたは物理的バリアによって設定してもよいであろう。
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彩度の低下である。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。
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12と図13は、カメラの動作方法でのステップを示す。図12において、あるケースにおいて必要に応じて、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)を示していない。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、種々の通過帯域で各画素の検出信号の読み出しである。ステップ420は、これらの信号を読み出して、当該時刻または多数の時刻について画像キューブの再構築を表現するデータベースでの値として保存する。図13は、図12と同様であり、この読み出しを処理し、不要な次数の信号量を検出し、上述したように、画素値の幾つかからの引き算によってこうした不要成分を除去するステップ425を追加している。
図14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510は、通過帯域を選択し、各画素について群内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15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14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。
図16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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (11)
- 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、
光学スペクトルの異なる帯域を通過させるためのモザイク状フィルタ(30)と、
該フィルタを通過した異なる帯域で画像の画素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、
画素の各々について、1つ以上のセンサアレイは、異なる帯域を検出するための一群のセンサ素子を有し、
該モザイクは、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、各フィルタは、センサ素子のうちの1つの上に集積され、画像は、スペクトル出力を供給するために異なる帯域で同時に検出可能であり、
該フィルタは、ファブリペローフィルタである、スペクトルカメラ。 - ファブリペローフィルタの少なくとも幾つかが、1次のフィルタである請求項1記載のスペクトルカメラ。
- 個々の群の異なるフィルタに到達する光を均等化するためのフィルタの前に、光学的アンチエイリアシング部(50)を有する請求項1または2記載のスペクトルカメラ。
- アンチエイリアシング部は、2×2より多いセンサ素子に渡って延びる複屈折フィルタ、整合したアパーチャ絞りを備えたデフォーカス対物レンズ、および劣化した対物レンズのうち何れか1つ以上を備える請求項3記載のスペクトルカメラ。
- 群の幾つかが、1つ以上の追加のセンサ素子、およびフィルタの他の不要な高次または低次のスペクトル応答に対応した帯域を検出するように配置された対応するフィルタを有する請求項1〜4のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
- 群の幾つかでの帯域の選択は、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配置できる請求項1〜5のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
- 異なるフィルタアレイを有する異なるセンサアレイを使用するために、センサアレイ上に集積されたフィルタアレイを交換することによって、使用時にフィルタアレイが再構成可能なように構成された請求項1〜6のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
- 複数の画像コピーをセンサアレイの異なる部分に投影するための光学複製部(20)を有する請求項1〜7のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
- スペクトル出力を生成するためにスペクトルカメラを動作させる方法であって、
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、
光学スペクトルの異なる帯域を通過させるためのモザイク状フィルタ(30)と、
該フィルタを通過した異なる帯域で画像の画素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、
画素の各々について、1つ以上のセンサアレイは、異なる帯域を検出するための一群のセンサ素子を有し、
該モザイクは、センサ上に集積された、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、センサの各々に異なる帯域の個々のものを設けており、画像は、異なる帯域で同時に検出可能であり、
該フィルタは、ファブリペローフィルタであり、
該方法は、異なる帯域での画素の検出をセンサアレイから読み出すステップ(410)と、
該読み出しを処理して、各帯域について検出した画像コピーを構築するステップ(420)とを有する、方法。 - 該読み出しを処理して、不要な次数を検出し、これらを除去するステップ(425)を有する請求項9記載の方法。
- 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、画像を生成するための対物レンズ(10)と、
光学スペクトルの異なる帯域を通過させるためのモザイク状フィルタ(30)と、
該フィルタを通過した異なる帯域で画像の画素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、
画素の各々について、1つ以上のセンサアレイは、異なる帯域を検出するための一群のセンサを有し、
該モザイクは、センサ上に集積された、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、センサの各々に異なる帯域の個々のものを設けており、画像は、異なる帯域で同時に検出可能であり、
該フィルタは、ファブリペローフィルタであり、
該方法は、使用する帯域を選択し、群についてこれらの空間配置を選択するステップと、
選択した帯域およびこれらの空間配置に従ってセンサアレイ上に層を形成することによって、集積フィルタを製作するステップとを有する、方法。
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