JP2019515271A - 多スペクトル撮像デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、ピクセルのマトリクスから構成された感光性検出器ＤＥＴと、該ピクセルのマトリクスに対応するマイクロレンズＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３のアレイと、該ピクセルのマトリクスに対応する、個別のフィルタλ１，λ２，λ３のマトリクスによって形成されるフィルタモジュールＭＦと、を備えた多スペクトル撮像デバイスに関する。該デバイスは、該マイクロレンズのアレイは該検出器と直接接触し、該フィルタモジュールは、該マイクロレンズのアレイと接触した基板上に製造されていることに特徴づけられる。【選択図】図７

Description

本発明は、多スペクトル撮像デバイス（イメージングデバイス）に関する。

分光分析は、固体状、液体状または気体状媒体の化合物の化学的構成要素を見つけ出そうとする。分光分析は、反射または透過において媒体の吸収スペクトルを記録することを含む。媒体と相互作用を生じた光は、所定の波長帯において吸収される。選択的な吸収は、媒体の構成要素の一部または全部の特徴を与える。測定されるスペクトルの波長域は、紫外域、及び／または可視光域、及び／または（近、中、遠）赤外域であってよい。

上記の分析は、通常、分光計を使用して実施される。

分光計には、少なくとも一つのファブリー−ペローフィルタを使用するものがある。

そのようなフィルタは、スペーサーと呼称される、（通常、空気、二酸化ケイ素のような低屈折率の）材料からなる平行平面板であることを想起すべきである。スペーサーは2枚のミラーの間に存在する。フィルタは、真空中の薄膜蒸着によって製造されることが多い。このように、中央波長λを中心とする帯域を有するフィルタに対して、第１のミラーは、高屈折率材料Ｈ及び低屈折材料Ｂの層のｍ個の反復からなる。ここで、それぞれの層は、λ／４の光学的厚さを有する。該ミラーは半反射性の薄い金属層でもよい。スペーサーは、λ／４の光学的厚さの低屈折材料Ｂの2個の層であることが多い。一般的に、第２のミラーは第１のミラーと対称である。スペーサーの幾何学的厚さを変えることによって、光学的厚さがλ／２の倍数に等しい中央波長に該フィルタを調整することができる。

公知技術の一つは、分析対象の帯域ごとに一つのフィルタを含むフィルタモジュールに依存する。帯域の数がｎであれば、ｎ個のフィルタを製造するには、ｎ個の別個の真空蒸着作業が必要となる。したがって、小さなセットでは、コストは非常に高く（実際には帯域の数ｎに比例し）、十分な大きさのセットの場合に限り、真に有利となる。さらに、この構成の小型化の可能性は限定されており、多数のフィルタを提供することを考えるのは困難である。

より最近開発された代替技術は、基板に垂直な平面のプロファイルが、平行ではなく楔形に配置された２枚のミラーを備えたファブリー−ペローフィルタを使用する。Ｏｘｙとされる上記の平面において、軸Ｏｘ及びＯｙは、それぞれ基板と同一方向及び基板と垂直であり、スペーサーのＯｙ方向の厚さは、測定される場所の、Ｏｘ軸に沿った位置の関数として線形に変化する。

特許文献１（US2006/029413）は、そのようなフィルタモジュールを含む波長分光装置を開示している。上記の装置において調整波長は、軸Ｏｘに沿って連続的に変化することとなる。

上記の種々の技術によって、連続スペクトルが望ましい場合には、十分なスペクトル分解能で対象を分析することが可能となる。

これらの技術は、求める成分を特定するために、比較的狭い有限個の帯域（すなわち、連続的なスペクトルと比較して離散的なスペクトル）で十分である状況においてもうまく適用される。

しかし、これらの技術は、分析される対象を不可分の存在、すなわち3次元に分解できない存在として考えるので、特に、単一の対象の内部において光の透過または反射の変化を識別するには適していない。

特許文献２（FR2904432）は、マトリクス構造の光学的フィルタ及び結合したイメージセンサを示している。そのアイデアは、種々の色を把握することができる。詳細には、可視域のスペクトルにおいて取得された三原色（赤、緑、青）から開始して、ほとんどの色を再現することができる。

上記の状況において、検出器のマトリクスの表面に配置されたフィルタのマトリクスが使用される。フィルタのマトリクスは、ベイヤーフィルタ（”Bayer” filter）であるが、このことは本発明にとって重要ではない。検出器のマトリクスは、アクティブピクセルセンサ相補型ＭＯＳ（ＡＰＳ ＣＭＯＳ）マトリクスである。上記の検出器のマトリクスは、半導体基板上に電子回路及び電気接点とともに配置された感光性の領域を有する半導体基板上に実現される。

個別ピクセルに関し、感光性の領域は全面積の一部のみであり、残りの面積は制御用エレクトロニクスが占める。したがって、ピクセルの感光性の領域に入射光を集光させるために、ピクセルごとにマイクロレンズを備える必要がある。フィルタのマトリクスは、検出器と接触して配置され、組立品は、検出器−フィルタ−マイクロレンズを含む積み重ねからなるコンポーネントの形態となる。

実際に、マイクロレンズの形状は特徴的であるので、マイクロレンズ上にフィルタのマトリクスを堆積させることを考えることはできない。さらに、マイクロレンズは樹脂からなるので、有機材料上に無機のフィルタを製造するのは困難な場合がある。

他方、フィルタをマイクロレンズの下に配置する場合に、フィルタへの入射ビームの開口角は大きい。フィルタの応答は、この入射角と密接に関連している。このことは、スペクトル応答の変化となる。

この主題に関し、特許文献３（US2014/0268146）は、検出器が追加される、一体的な帯域フィルタを備えたマイクロレンズのアレイを開示している。さらに、マイクロレンズのアレイと検出器との間にはディフレクタが存在している。

フィルタへの入射角のこの問題を避けるために、マイクロレンズを省略することを考えることもできる。しかし、感光性の領域は、ピクセルの全面積と比較して小さな面積を示す。マイクロレンズによってもたらされる感度の増加は約５０％である。したがって、マイクロレンズを省略することによって感度を失うのが適切ではないことは明らかである。

また、そのようなコンポーネントの製造歩留まりは比較的低いことに言及すべきである。全体歩留まりは、以下の三つの歩留まりの積にほぼ等しい。

検出器製造歩留まり
フィルタマトリクス製造歩留まり、及び
マイクロレンズアレイ製造歩留まり
上記の製造作業を重ねると、全体歩留まりは減少するという結果となる。

US2006/0209413 FR2904432 US2014/0268146

本発明の目的は、上記の制約を示さない多スペクトル撮像デバイスを提供することである。

本発明によれば、多スペクトル撮像デバイスは、ピクセルのマトリクスから構成された感光性検出器と、該ピクセルのマトリクスに対応するマイクロレンズのアレイと、該ピクセルのマトリクスに対応する、個別のフィルタのマトリクスによって形成されるフィルタモジュールと、を備える。上記のデバイスは、該マイクロレンズのアレイは該検出器と直接接触し、該フィルタモジュールは、該マイクロレンズのアレイと接触した基板上に製造されたことを特徴とする。

フィルタへの入射角に関連する問題を避けるためには、マイクロレンズの上にフィルタを配置するのが有利である。

マイクロレンズを維持することによってデバイスの感度は維持される。

製造歩留まりに関し、本発明のデバイスは優れた利点を有する。特に、分類された検出器と結合させるために、フィルタモジュールを分類することができる。

さらに、フィルタモジュール及び検出器に対して選択された構成における自由度が高い。解像度、感度、ノイズなどの撮像装置の特定の性質を強化するために、多数の検出器に対してフィルタリング処理を適応させることができる。

該フィルタモジュールは、その周縁で接着剤によって該検出器に結合されているのが有利である。

全表面にわたって存在する接着剤とは対照的に、該フィルタモジュールと該検出器との間には接着剤が存在しない。

この解決策の第１の利点は、マイクロレンズの光学機能を維持することであり、それによって感光領域への光束を５０％増加させる。接着剤はレンズの屈折率と近い屈折率を有するので、該フィルタモジュールと該検出器との間に接着剤が存在するとマイクロレンズの効率を大幅に減少させる。

この解決策の第２の利点は、該フィルタモジュールと該マイクロレンズとの間に必然的に存在する空気の層に起因する干渉縞が、接着剤が存在する場合と対比して大幅に少なくなる（約１０倍少ない）ということである。

さらなる特徴によれば、該フィルタモジュールがアライメントパターンを備えている。

好ましい実施形態において、該フィルタモジュールがスペーサーによって隔てられた２枚のミラーから構成され、該フィルタモジュールは複数のフィルタセルを有し、該フィルタセルのそれぞれは少なくとも２個のフィルタを有する。

該フィルタの少なくとも１個が帯域伝送機能を有するのが好ましい。

特定の配置において、該フィルタセルの少なくとも一部は、第１の帯に一直線に配置されている。

同様に、該フィルタセルの少なくとも一部、第１の帯とは別で第１の帯に平行な第２の帯に一直線に配置されている。

該フィルタの隣接する少なくとも二個がクロストーク障壁によって隔てられているのが有利である。

他のさらなる特徴によれば、該検出器はＣＭＯＳ技術で一体化されている。

オプションとして、該フィルタの少なくとも１個がパンクロマチック（全整色性）である。

広いスペクトル帯域のフィルタを採用する利点は、それが画像の光度測定の基準を与えることである。スペクトル帯域において積分される光束のレベルは、「色」帯域に含まれる光束に等しい。このことは、パンクロマチックなピクセルに隣接する、飽和するピクセルを防止するのに役立つ。

本発明を、説明のための実施形態の以下の記載により、また添付の図面を参照することにより、より詳細に示す。

図１ａ−図１ｂは、１次元のフィルタセルの原理図であり、図１ａは、より詳細にセルの平面図であり、図１ｂは、より詳細にセルの断面図である。 図２ａ−図２ｃは、フィルタモジュールを製造するための第１の技術の三段階を示す図である。 図３ａ−図３ｆは、フィルタモジュールを製造するための第２の技術の六段階を示す図である。 ２次元のフィルタモジュールの原理図である。 遮蔽格子を備え、６４個のフィルタを有するフィルタモジュールの図である。 それぞれのセルが９個のフィルタを備えるフィルタモジュールの図である。 本発明のデバイスの断面図である。

二以上の図面に存在する構成要素にはそれぞれの図面で同じ符号を与えている。

複数のほぼ同じフィルタセルを有するフィルタモジュールについて説明する。

図１ａ及び１ｂを参照すると、フィルタセルは、帯を形成するように連続して一列に配置された、３個のファブリー−ペロー型の干渉フィルタＦＰ１、ＦＰ２及びＦＰ３を備える。

該セルは、たとえば、ガラスまたは二酸化ケイ素からなる基板ＳＵＢ上の積み重ねから構成される。該積み重ねは、第１のミラーＭＩＲ１、スペーサーＳＰ及び第２のミラーＭＩＲ２を備える。

各フィルタの中央波長を規定するスペーサーＳＰは、所定のフィルタに対して一定であり、フィルタごとに変化する。各フィルタはほぼ長方形の面を有するので、フィルタモジュールの断面は階段状である。

薄膜技術でフィルタモジュールを製造する第１の方法を例として示す。

図２ａを参照して、基板ＳＵＢ上に、最初に第１のミラーＭＩＲ１、続いてスペーサーＳＰを規定する一つまたは複数の誘電体層ＴＦを堆積させる。ミラーは金属または誘電体である。

図２ｂを参照して、誘電体ＴＦをエッチングする。

最初に、第２及び第３のフィルタＦＰ２及びＦＰ３において、第２のフィルタＦＰ２におけるスペーサーＳＰの厚さを規定するためにエッチングする。

その後、第３のフィルタＦＰ３において、第３のフィルタＦＰ３におけるスペーサーＳＰの厚さを規定するためにエッチングする。

第１のフィルタＦＰ１におけるスペーサーＳＰは堆積厚さを有する。

図２ｃを参照して、３個のフィルタを完成させるために第２のミラーＭＩＲ２をスペーサーＳＰ上に堆積させる。

スペーサーＳＰは、誘電体ＴＦを堆積させ、続いて上述のようにエッチングして得てもよいが、複数の薄い層を続けて堆積させることによって得ることもできる。

例として、８００ナノメータ（ｎｍ）から１０００ｎｍの波長領域は、スペーサーの光学的厚さを１．４λ_０／２から２．６λ_０／２の範囲で変更することによってカバーすることができる（λ_０＝９００ｎｍ及びｎ＝１．４５に対して、ｅは２１７ｎｍから４０３ｎｍの範囲にわたり変化）。

ここで、スペーサーの厚さは、探査する範囲において一つの伝送帯のみを得るように、十分に小さい必要があることに注目すべきである。特に、この厚さが大きいほど、条件［ne=kλ/2］を満たす波長の数が多くなる。

フィルタモジュールを製造する第２の方法を以下に説明する。

図３ａを参照して、シリコン基板ＳＩＬの底面ＯＸ１及び上面ＯＸ２を熱によって酸化させることによって該方法は始まる。

図３ｂを参照して、基板の底面及び上面ＯＸ１及びＯＸ２を、それぞれ、感光性の樹脂からなる底面の層ＰＨＲ１及び上面の層ＰＨＲ２によって覆う。その後、フォトリソグラフィによって、底面の層ＰＨＲ１に長方形の開口を形成する。

図３ｃを参照して、底面ＯＸ１上の熱による酸化物を、底面の層ＰＨＲ１に形成された長方形の開口に合わせてエッチングする。その後、底面の層及び上面の層ＰＨＲ１及びＰＨＲ２を除去する。

図３ｄを参照して、長方形の開口に合わせて、基板ＳＩＬに異方性エッチング（たとえば、結晶の向き１−０−０）を実施する。ここで、底面ＯＸ１の熱による酸化物はマスクとして機能し、上面ＯＸ２の熱による酸化物はエッチング停止層として機能する。エッチングは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化トリメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）の溶液を使用したウェットであっても、プラズマ中のドライであってもよい。この操作の結果は、長方形の開口の底面に酸化物の膜のみが残る。

図３ｅを参照して、この酸化物をエッチングする。

最初に、第２及び第３のフィルタＦＰ２及びＦＰ３において、第２のフィルタＦＰ２におけるスペーサーＳＰの厚さを規定するためにエッチングする。

その後、第３のフィルタＦＰ３において、第３のフィルタＦＰ３におけるスペーサーＳＰの厚さを規定するためにエッチングする。

図３ｆを参照して、第１及び第２のミラーＭ１及びＭ２を基板ＳＩＬの底面及び上面ＯＸ１及びＯＸ２の表面に堆積させる。

オプションとして、底面及び上面ＯＸ１及びＯＸ２の一方または両方の表面に不活性化層（図示せず）を堆積させることによってフィルタモジュールの製造を終了することも可能である。

このように、本発明によって、１次元空間と関係づけられた、並べられた複数のフィルタの組を製造することが可能となる。

図４を参照して、本発明によって、２次元空間にフィルタセルを配置させることができる。そのような配置は、しばしばマトリクスと呼称される。

４個の同一の水平方向の帯がそれぞれ４個のセルを備える。図の上部に見える第１の帯は、マトリクスの第１の行に対応し、セルＩＦ１１からＩＦ１４を備える。第２、第３及び第４の帯は、それぞれ、セルＩＦ２１からＩＦ２４、セルＩＦ３１からＩＦ３４、及びセルＩＦ４１からＩＦ４４を備える。

ｊ番目の水平の帯に所属するセルＩＦｊｋは、セルＩＦ１ｋ，ＩＦ２ｋ，．．．，ＩＦ４ｋを備えるｋ番目の鉛直の帯の一部でもあるので、上記の配置はマトリクスといわれる。

図５を参照して、一つのフィルタがそれに隣接するフィルタに部分的に重なるのを防止し、クロストークに関する問題を最小化するために、フィルタモジュールの種々のフィルタは十分に間隔を空けるのが望ましい。これを実施するため、全てのフィルタの境界を定めるクロストーク障壁を構成する、フィルタモジュール上の格子（図において黒で示す）を追加することも可能である。この格子は、吸収性であるべきである。例として、吸収性の格子は、黒クロム（クロム＋酸化クロム）を堆積しエッチングして製造してもよく、他方、反射性格子は、クロムを堆積しエッチングして製造してもよい。

図６を参照して、それぞれのフィルタセルは９個のフィルタを有する。これらのセルのそれぞれは、正方形の形状であり、その中に別個の波長λ１，λ２，λ３，λ４，．．．，λ９に調整された対応するフィルタが存在する。

本図において、わかりやすくするために、セル間の間隔は２個のフィルタ間の間隔と比較して大きくしている。いうまでもなく、実際には、セル間及びフィルタ間の間隔は同じである。

このようにフィルタモジュールは、種々のフィルタによって生成される光束を測定することのできる検出器と結合している。検出器は複数の区画から構成される。

図７を参照すると、図６に示すフィルタモジュールＭＦが見られる。

検出器ＤＥＴは、シリコンからなる基板ＳＳ上にＣＭＯＳ技術を使用して製造される。正方形状のそれぞれの区画ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３の中心に感光性の領域ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３が存在する。

それぞれの区画ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３の上には、区画の辺と同じ直径のマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３が存在する。

フィルタモジュールＭＦは、フィルタλ１，λ２，λ３がマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３に向き合うように、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３のアレイに支えられる。

このモジュールＭＦの位置合わせは、フォトリソグラフィの当業者に知られた技術であるアライメントパターンによって実施する。したがって、この技術についてここで詳細には記載しない。

フィルタモジュールＭＦは、接着剤からなる縁ＳＴによって検出器ＤＥＴに固定される。

アイデアを明確にするために、ピクセルは通常５マイクロメータのオーダーのサイズを有することを明示する。

本発明の上述の実施形態は、具体的な性質のために選択されたものである。しかし、本発明に含まれるすべての実施形態を網羅的に識別することは不可能である。特に、記載されたいずれの手段も、本発明の範囲を超えることなく、等価の手段と置き換えてもよい。

Claims (10)

1. ピクセルのマトリクスから構成された感光性検出器（ＤＥＴ）と、
   該ピクセルのマトリクスに対応するマイクロレンズ（ＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３）のアレイと、
   該ピクセルのマトリクスに対応する、個別のフィルタ（λ１，λ２，λ３）のマトリクスによって形成されるフィルタモジュール（ＭＦ）と、を備えた多スペクトル撮像デバイスであって、
   該マイクロレンズのアレイは該検出器と直接接触し、該フィルタモジュールは、該マイクロレンズのアレイと接触した基板上に製造された多スペクトル撮像デバイス。
2. 該フィルタモジュール（ＭＦ）は、その周縁で接着剤によって該検出器（ＤＥＴ）に結合された請求項１に記載の多スペクトル撮像デバイス。
3. 該フィルタモジュール（ＭＦ）がアライメントパターンを備えた請求項１または２に記載の多スペクトル撮像デバイス。
4. 該フィルタモジュール（ＭＦ）がスペーサー（ＳＰ）によって隔てられた２枚のミラー（ＭＩＲ１，ＭＩＲ１；Ｍ１，Ｍ２）から構成され、該フィルタモジュールは複数のフィルタセル（ＩＦ１１，ＩＦ１２，．．．，ＩＦ４４）を有し、該フィルタセルのそれぞれは少なくとも２個のフィルタ（ＦＰ１，ＦＰ２）を有する請求項１から３のいずれかに記載の多スペクトル撮像デバイス。
5. 該フィルタ（ＦＰ１，ＦＰ２，ＦＰ３）の少なくとも１個が帯域伝送機能を有する請求項４に記載の多スペクトル撮像デバイス。
6. 該フィルタセルの少なくとも一部（ＩＦ１１，ＩＦ１２，ＩＦ１３，ＩＦ１４）は、第１の帯に一直線に配置されている請求項４または５に記載の多スペクトル撮像デバイス。
7. 該フィルタセルの少なくとも一部（ＩＦ２１−ＩＦ２４）は、第１の帯とは別で第１の帯に平行な第２の帯に一直線に配置されている請求項６に記載の多スペクトル撮像デバイス。
8. 該フィルタ（ＦＰ１，ＦＰ２，ＦＰ３）の隣接する少なくとも二個がクロストーク障壁によって隔てられている請求項４から７のいずれかに記載の多スペクトル撮像デバイス。
9. 該フィルタ（ＦＰ１，ＦＰ２，ＦＰ３）の少なくとも１個がパンクロマチックである請求項４から８のいずれかに記載の多スペクトル撮像デバイス。
10. 該検出器（ＤＥＴ）はＣＭＯＳ技術で一体化されている請求項１から９のいずれかに記載の多スペクトル撮像デバイス。

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