JP2020053910A - Optical device and imaging device - Google Patents

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石川 篤
Atsushi Ishikawa
篤 石川
安寿 稲田
Yasuhisa Inada
安寿 稲田
貴真 安藤
Takamasa Ando
貴真 安藤
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Abstract

To provide an optical device which enables the suppression of the worsening of wavelength resolution of an encoding element.SOLUTION: An optical device comprises: a filter array having a plurality of light transmissive filters arrayed in two dimensions, provided that the plurality of filters include two or more filters different from each other in the wavelength dependence of an optical transmittance, and the wavelength dependence of each optical transmittance of the plurality of filters varies according to an incident angle of light; an optical system disposed between a target object and the filter array and serving to focus light coming from the target object on a face of the filter array; and a light-shielding element located between the target object and the optical system or between the optical system and the filter array, and having one or more light transmissive regions and one or more light-shielding regions, provided that the one or more light-shielding regions serve to reduce the intensity of light incident at one or more particular incident angles, which is a part of light travelling from the optical system toward the filter array.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本開示は、光学デバイス、および撮像装置に関する。   The present disclosure relates to an optical device and an imaging device.

各々が狭帯域である多数のバンドのスペクトル情報を活用することにより、従来のRGB画像では不可能であった観測物の詳細な物性を把握することができる。多数のバンドは、例えば数十バンド以上である。この多波長の情報を取得するカメラは、「ハイパースペクトルカメラ」と呼ばれる。ハイパースペクトルカメラは、食品検査、生体検査、医薬品開発、および鉱物の成分分析などのあらゆる分野で利用されている。特許文献1から特許文献4は、そのようなハイパースペクトルカメラの例を開示している。   By utilizing the spectral information of a large number of bands each having a narrow band, it is possible to grasp the detailed physical properties of the observed object that were impossible with the conventional RGB image. The number of bands is, for example, several tens or more. A camera that acquires this multi-wavelength information is called a “hyperspectral camera”. Hyperspectral cameras are used in all fields, including food testing, biopsy, drug development, and mineral component analysis. Patent Documents 1 to 4 disclose examples of such a hyperspectral camera.

国際公開第13/002350号International Publication No. 13/002350 特開2007−108124号公報JP 2007-108124 A 特開2011−89895号公報JP 2011-89895 A 米国特許第7283231号明細書U.S. Pat. No. 7,283,231

対象物からの光の像は、符号化素子によって符号化されて撮像され得る。   The image of light from the object can be encoded and captured by the coding element.

本開示は、符号化素子の波長分解能の低下を抑制し得る新規な光学デバイスを提供する。   The present disclosure provides a novel optical device that can suppress a decrease in the wavelength resolution of an encoding element.

本開示の一態様に係る光学デバイスは、対象物から入射する光の光路に配置されたフィルタアレイであって、前記光路に交差する面に沿って2次元に配列された透光性の複数のフィルタを備え、前記複数のフィルタは、光透過率の波長依存性が互いに異なる2つ以上のフィルタを含み、前記複数のフィルタの光透過率の波長依存性は、光の入射角度に応じて変化する、フィルタアレイと、前記対象物と前記フィルタアレイとの間に配置され、前記対象物から入射する前記光を前記フィルタアレイの前記面上に集束させる光学系と、前記対象物と前記光学系との間、または、前記光学系と前記フィルタアレイとの間に位置する遮光素子であって、1つ以上の透光領域および1つ以上の遮光領域を備え、前記1つ以上の遮光領域は、前記光学系から前記フィルタアレイに向かう光のうち、特定の1つ以上の入射角度で入射する光の強度を低減する、遮光素子と、を備える。   An optical device according to an aspect of the present disclosure is a filter array arranged in an optical path of light incident from an object, and a plurality of translucent pluralities arranged two-dimensionally along a plane intersecting the optical path. A filter, wherein the plurality of filters include two or more filters having different wavelength dependences of light transmittance, and the wavelength dependence of light transmittance of the plurality of filters changes according to an incident angle of light. A filter array, an optical system disposed between the object and the filter array, and configured to focus the light incident from the object on the surface of the filter array, and the object and the optical system. Or a light-blocking element located between the optical system and the filter array, comprising one or more light-transmitting regions and one or more light-blocking regions, wherein the one or more light-blocking regions are , The optical system Of the light toward the filter array, to reduce the intensity of light incident on a particular one or more incident angles, comprising a shielding element.

本開示の包括的または具体的な態様は、デバイス、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせによって実現されてもよい。   The general or specific aspects of the present disclosure may be implemented by a device, a system, a method, or any combination thereof.

本開示によれば、符号化素子の波長分解能の低下を抑制することができる。さらに、符号化素子の各領域の構造に応じて、各領域の分光透過率を変化させることができる。   According to the present disclosure, it is possible to suppress a decrease in the wavelength resolution of the encoding element. Further, the spectral transmittance of each region can be changed according to the structure of each region of the encoding element.

図1Aは、符号化素子の例を模式的に示す図である。FIG. 1A is a diagram schematically illustrating an example of an encoding element. 図1Bは、対象波長域に含まれる複数の波長域のそれぞれの光の透過率の空間分布の一例を示す図である。FIG. 1B is a diagram illustrating an example of a spatial distribution of transmittance of light in each of a plurality of wavelength ranges included in the target wavelength range. 図1Cは、図1Aに示す符号化素子の複数の領域に含まれる2つの領域の一方の分光透過率の例を示す図である。FIG. 1C is a diagram illustrating an example of the spectral transmittance of one of two regions included in the plurality of regions of the encoding element illustrated in FIG. 1A. 図1Dは、図1Aに示す符号化素子の複数の領域に含まれる2つの領域の他方の分光透過率の例を示す図である。FIG. 1D is a diagram illustrating an example of the spectral transmittance of the other of the two regions included in the plurality of regions of the encoding element illustrated in FIG. 1A. 図2Aは、対象波長域と、それに含まれる複数の波長域との関係を説明するための図である。FIG. 2A is a diagram for explaining a relationship between a target wavelength band and a plurality of wavelength bands included therein. 図2Bは、対象波長域と、それに含まれる複数の波長域との関係を説明するための図である。FIG. 2B is a diagram for explaining a relationship between a target wavelength band and a plurality of wavelength bands included therein. 図3Aは、符号化素子のある領域における分光透過率の特性を説明するための図である。FIG. 3A is a diagram for explaining the characteristic of the spectral transmittance in a certain region of the coding element. 図3Bは、図3Aに示す分光透過率を、波長域ごとに平均化した結果を示す図である。FIG. 3B is a diagram illustrating a result of averaging the spectral transmittance illustrated in FIG. 3A for each wavelength region. 図4Aは、フィルタの例を模式的に示す図である。FIG. 4A is a diagram schematically illustrating an example of a filter. 図4Bは、図4Aに示す光導波層の厚さと、実効屈折率との関係の計算結果を示す図である。FIG. 4B is a diagram illustrating a calculation result of a relationship between the thickness of the optical waveguide layer illustrated in FIG. 4A and an effective refractive index. 図4Cは、図4Aに示すフィルタに光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。FIG. 4C is a diagram illustrating a calculation result of a spectral transmittance when light is vertically incident on the filter illustrated in FIG. 4A. 図4Dは、図4Aに示すフィルタの、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。FIG. 4D is a diagram illustrating a calculation result of a relationship between an incident angle and a spectral transmittance of the filter illustrated in FIG. 4A. 図5Aは、図4Aに示すフィルタの上部に光学系が配置された例を模式的に示す図である。FIG. 5A is a diagram schematically illustrating an example in which an optical system is arranged above the filter illustrated in FIG. 4A. 図5Bは、垂直に入射した光が光学系によって集束されてフィルタに入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。FIG. 5B is a diagram illustrating a calculation result of a spectral transmittance when vertically incident light is focused by the optical system and enters the filter. 図6Aは、図5Aに示す光学系の上部に遮光素子が配置された例を模式的に示す図である。FIG. 6A is a diagram schematically illustrating an example in which a light shielding element is disposed above the optical system illustrated in FIG. 5A. 図6Bは、垂直に入射した光が遮光素子を通過し、光学系によって集束されてフィルタに入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。FIG. 6B is a diagram illustrating a calculation result of a spectral transmittance when vertically incident light passes through the light blocking element, is focused by the optical system, and enters the filter. 図6Cは、上図および下図において、それぞれXZ平面およびXY平面における遮光素子の形状を模式的に示す図である。FIG. 6C is a diagram schematically showing the shape of the light shielding element in the XZ plane and the XY plane in the upper and lower figures, respectively. 図7Aは、垂直に入射した光が遮光素子を通過し、光学系によって集束されてフィルタに入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。FIG. 7A is a diagram illustrating a calculation result of a spectral transmittance when vertically incident light passes through a light blocking element, is focused by an optical system, and enters a filter. 図7Bは、垂直に入射した光が遮光素子を通過し、光学系によって集束されてフィルタに入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。FIG. 7B is a diagram illustrating a calculation result of the spectral transmittance when the vertically incident light passes through the light blocking element, is focused by the optical system, and enters the filter. 図8は、撮像素子の直上に配置された符号化素子のうちの3つの領域でのフィルタの分光透過率の計算結果を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a calculation result of the spectral transmittance of the filter in three regions of the encoding elements arranged immediately above the imaging element. 図9は、本実施形態における撮像装置の例を模式的に示す図である。FIG. 9 is a diagram schematically illustrating an example of an imaging device according to the present embodiment. 図10Aは、フィルタの変形例を模式的に示す図である。FIG. 10A is a diagram schematically illustrating a modified example of the filter. 図10Bは、図10Aに示すフィルタに光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。FIG. 10B is a diagram illustrating a calculation result of a spectral transmittance when light is vertically incident on the filter illustrated in FIG. 10A. 図10Cには、図10Aに示すフィルタの、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。FIG. 10C is a diagram illustrating a calculation result of a relationship between an incident angle and a spectral transmittance of the filter illustrated in FIG. 10A. 図11Aは、フィルタの変形例を模式的に示す図である。FIG. 11A is a diagram schematically illustrating a modified example of the filter. 図11Bは、図11Aに示すフィルタに光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。FIG. 11B is a diagram illustrating a calculation result of a spectral transmittance when light is vertically incident on the filter illustrated in FIG. 11A. 図11Cには、図11Aに示すフィルタの、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。FIG. 11C is a diagram illustrating a calculation result of a relationship between an incident angle and a spectral transmittance of the filter illustrated in FIG. 11A. 図12Aは、フィルタの変形例を模式的に示す図である。FIG. 12A is a diagram schematically illustrating a modified example of the filter. 図12Bは、図12Aに示すフィルタに光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。FIG. 12B is a diagram illustrating a calculation result of a spectral transmittance when light is vertically incident on the filter illustrated in FIG. 12A. 図12Cには、図12Aに示すフィルタの、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。FIG. 12C is a diagram illustrating a calculation result of a relationship between an incident angle and a spectral transmittance of the filter illustrated in FIG. 12A. 図13Aは、フィルタの変形例を模式的に示す図である。FIG. 13A is a diagram schematically illustrating a modified example of the filter. 図13Bは、図13Aに示すフィルタに光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。FIG. 13B is a diagram illustrating a calculation result of a spectral transmittance when light is vertically incident on the filter illustrated in FIG. 13A. 図13Cには、図13Aに示すフィルタの、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。FIG. 13C is a diagram illustrating a calculation result of a relationship between an incident angle and a spectral transmittance of the filter illustrated in FIG. 13A.

本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。   Before describing the embodiments of the present disclosure, the knowledge that became the basis of the present disclosure will be described.

観測対象の波長を狭帯域に限定して取得された画像の活用例として、特許文献1は、被験体の腫瘍部位と非腫瘍部位との判別を行う装置を開示している。この装置は、励起光の照射により、癌細胞内に蓄積されるプロトポルフィリンIXが635nmの蛍光を発し、フォト−プロトポルフィリンが675nmの蛍光を発することを検出する。これにより、腫瘍部位と非腫瘍部位との識別を行う。   As an example of using an image obtained by restricting the wavelength of an observation target to a narrow band, Patent Document 1 discloses an apparatus for discriminating between a tumor site and a non-tumor site of a subject. This apparatus detects that protoporphyrin IX accumulated in cancer cells emits 635 nm fluorescence and photo-protoporphyrin emits 675 nm fluorescence by irradiation with excitation light. Thus, a tumor site and a non-tumor site are identified.

特許文献2は、時間経過に伴って低下する生鮮食品の鮮度を、連続的な多波長の光の反射率特性の情報を取得することによって判定する方法を開示している。   Patent Literature 2 discloses a method of determining the freshness of fresh food that decreases with time by acquiring information on the reflectance characteristics of continuous multi-wavelength light.

多波長の画像または反射率を測定できるハイパースペクトルカメラは、以下の4つの方式に大別することができる。
(a)ラインセンサ方式
(b)電子フィルタ方式
(c)フーリエ変換方式
(d)干渉フィルタ方式
Hyperspectral cameras that can measure multi-wavelength images or reflectivity can be broadly classified into the following four methods.
(A) Line sensor method (b) Electronic filter method (c) Fourier transform method (d) Interference filter method

(a)ラインセンサ方式では、ライン状のスリットを有する部材を用いて対象物の1次元情報が取得される。スリットを通過した光は、回折格子またはプリズムなどの分光素子によって波長に応じて分離される。分離された波長ごとの光は、2次元に配列された複数の画素を有する撮像素子によって検出される。撮像素子は、例えば、イメージセンサである。この方式では、一度に対象物の1次元情報しか得られないため、カメラ全体あるいは対象物をスリット方向に垂直に走査することによって2次元のスペクトル情報を得る。ラインセンサ方式では、高解像度の多波長画像が得られるという利点がある。特許文献3は、ラインセンサ方式のハイパースペクトルカメラの例を開示している。   (A) In the line sensor method, one-dimensional information of an object is acquired using a member having a linear slit. The light that has passed through the slit is separated according to the wavelength by a spectral element such as a diffraction grating or a prism. The separated light for each wavelength is detected by an image sensor having a plurality of pixels arranged two-dimensionally. The image sensor is, for example, an image sensor. In this method, only one-dimensional information of an object can be obtained at a time. Therefore, two-dimensional spectrum information is obtained by scanning the entire camera or the object perpendicular to the slit direction. The line sensor method has an advantage that a high-resolution multi-wavelength image can be obtained. Patent Document 3 discloses an example of a line sensor type hyperspectral camera.

(b)電子フィルタ方式には、液晶チューナブルフィルタ(Liquid Crystal Tunable Filter:LCTF)を用いる方法と、音響光学素子(Acousto−Optic Tunable Filter:AOTF)を用いる方法とがある。液晶チューナブルフィルタは、リニアポラライザ、複屈折フィルタ、および液晶セルを多段に並べた素子である。電圧制御だけで不要な波長の光を排除し任意の特定波長の光のみを抽出できる。音響光学素子は、圧電素子が接着された音響光学結晶によって構成される。音響光学結晶に電気信号を印加すると、超音波が発生し、結晶内に疎密の定常波が形成される。それによる回折効果によって任意の特定波長の光のみを抽出することができる。この方式は、波長が限定されるが高解像度の動画のデータを取得できるという利点がある。   (B) The electronic filter method includes a method using a liquid crystal tunable filter (Liquid Crystal Tunable Filter: LCTF) and a method using an acousto-optic element (Acousto-Optical Tunable Filter: AOTF). The liquid crystal tunable filter is an element in which a linear polarizer, a birefringent filter, and a liquid crystal cell are arranged in multiple stages. Light of an unnecessary wavelength can be eliminated by only voltage control, and only light of an arbitrary specific wavelength can be extracted. The acousto-optic element is made of an acousto-optic crystal to which a piezoelectric element is bonded. When an electric signal is applied to the acousto-optic crystal, an ultrasonic wave is generated, and a dense standing wave is formed in the crystal. Due to the diffraction effect, only light of an arbitrary specific wavelength can be extracted. This method has an advantage that the wavelength is limited, but high-resolution moving image data can be acquired.

(c)フーリエ変換方式は、2光束干渉計の原理を用いる。測定対象からの光束はビームスプリッターによって分岐され、それぞれの光束が固定ミラーおよび移動ミラーで反射され、再度結合した後、検出器で観測される。移動ミラーの位置を時間的に変動させることにより、光の波長に依存した干渉の強度変化を示すデータを取得することができる。得られたデータをフーリエ変換することにより、スペクトル情報が得られる。フーリエ変換方式の利点は、多波長の情報を同時に取得できることである。   (C) The Fourier transform method uses the principle of a two-beam interferometer. The light beam from the object to be measured is split by the beam splitter, and each light beam is reflected by the fixed mirror and the moving mirror, recombined, and observed by the detector. By varying the position of the moving mirror over time, data indicating a change in the intensity of interference depending on the wavelength of light can be obtained. By performing Fourier transform on the obtained data, spectrum information can be obtained. An advantage of the Fourier transform method is that information of multiple wavelengths can be obtained simultaneously.

(d)干渉フィルタ方式は、ファブリ・ペロー干渉計の原理を用いた方式である。所定の間隔だけ離れた反射率の高い2つの面を有する光学素子をセンサ上に配置した構成が用いられる。光学素子の2面間の間隔は領域ごとに異なり、所望の波長の光の干渉条件に一致するように決定される。干渉フィルタ方式は、多波長の情報を同時にかつ動画として取得できるという利点がある。   (D) The interference filter method is a method using the principle of the Fabry-Perot interferometer. A configuration is used in which an optical element having two surfaces with high reflectance separated by a predetermined distance is arranged on the sensor. The distance between the two surfaces of the optical element differs for each region and is determined so as to match the interference condition of light having a desired wavelength. The interference filter method has an advantage that information of multiple wavelengths can be acquired simultaneously and as a moving image.

これらの方式以外にも、例えば特許文献4に開示されているように、圧縮センシングを利用した方法もある。特許文献4に開示された装置は、測定対象からの光をプリズムなどの第1の分光素子によって分光した後、符号化マスクによってマーキングし、さらに第2の分光素子によって光線の経路を戻す。これにより、符号化され、かつ波長軸に関して多重化された画像がセンサによって取得される。多重化された画像から圧縮センシングの適用により、多波長の複数枚の画像を再構成することができる。   In addition to these methods, there is a method using compressed sensing as disclosed in Patent Document 4, for example. The device disclosed in Patent Literature 4 disperses light from a measurement target using a first spectral element such as a prism, marks the image using an encoding mask, and returns the path of the light beam using a second spectral element. Thereby, an image that is coded and multiplexed with respect to the wavelength axis is acquired by the sensor. By applying compressed sensing from a multiplexed image, a plurality of images of multiple wavelengths can be reconstructed.

圧縮センシングとは、少ないサンプル数の取得データから、それよりも多くのデータを復元する技術である。測定対象の2次元座標を(X、Y)、波長をλとすると、求めたいデータは、X、Y、λの3次元のデータである。これに対し、センサによって得られる画像データは、λ軸方向に圧縮および多重化された2次元のデータである。相対的にデータ量が少ない取得画像から、相対的にデータ量が多いデータを求める問題は、いわゆる不良設定問題であり、このままでは解くことができない。しかし、一般に、自然画像のデータは冗長性を有しており、それを巧みに利用することでこの不良設定問題を良設定問題に変換することができる。画像の冗長性を活用してデータ量を削減する技術の例に、jpeg圧縮がある。jpeg圧縮は、画像情報を周波数成分に変換し、データの本質的でない部分、例えば、視覚の認識性が低い成分を除去するといった方法が用いられる。圧縮センシングでは、このような技法を演算処理に組入れ、求めたいデータ空間を冗長性で表された空間に変換することで未知数を削減し解を得る。この変換には、例えば、離散的コサイン変換(DCT)、ウェーブレット変換、フーリエ変換、トータルバリエーション(TV)などが使用される。   Compressed sensing is a technique for restoring more data from acquired data with a small number of samples. Assuming that the two-dimensional coordinates of the measurement target are (X, Y) and the wavelength is λ, the data to be obtained is three-dimensional data of X, Y, λ. On the other hand, image data obtained by the sensor is two-dimensional data compressed and multiplexed in the λ-axis direction. The problem of obtaining data having a relatively large data amount from an acquired image having a relatively small data amount is a so-called defect setting problem, and cannot be solved as it is. However, in general, the data of a natural image has redundancy, and by utilizing this data skillfully, this defective setting problem can be converted into a good setting problem. An example of a technique for reducing the amount of data by utilizing image redundancy is jpeg compression. The jpeg compression uses a method of converting image information into frequency components and removing non-essential parts of the data, for example, components with low visual recognition. In the compressed sensing, such a technique is incorporated into arithmetic processing, and a data space to be obtained is converted into a space represented by redundancy to reduce unknowns and obtain a solution. For this conversion, for example, a discrete cosine transform (DCT), a wavelet transform, a Fourier transform, a total variation (TV), or the like is used.

本発明者は、前述した従来のハイパースペクトルカメラを検討した。(a)ラインセンサ方式は、2次元画像を得るためにカメラを走査する必要があり、測定対象の動画撮影には不向きである。(c)フーリエ変換方式も、反射鏡を移動させる必要があるため、動画撮影には不向きである。(b)電子フィルタ方式は、1波長ずつ画像を取得するため、多波長の画像を同時に取得できない。(d)干渉フィルタ方式は、画像を取得できる波長の帯域数と空間分解能とがトレードオフとなるため、多波長画像を取得する場合、空間分解能が犠牲になる。このように、高解像度、多波長、およびワンショットの動画撮影の3つを同時に満足する既存のハイパースペクトルカメラは存在しない。   The present inventors have studied the above-described conventional hyperspectral camera. (A) The line sensor method requires scanning a camera to obtain a two-dimensional image, and is not suitable for capturing a moving image of a measurement target. (C) The Fourier transform method is also unsuitable for moving image capturing because the reflecting mirror needs to be moved. (B) The electronic filter method acquires images one wavelength at a time, and therefore cannot acquire images of multiple wavelengths at the same time. (D) In the interference filter method, the number of wavelength bands at which an image can be acquired is traded off with the spatial resolution, so that when acquiring a multi-wavelength image, the spatial resolution is sacrificed. As described above, there is no existing hyperspectral camera that simultaneously satisfies three of high resolution, multiple wavelengths, and one-shot moving image shooting.

圧縮センシングを利用した構成は、一見すると高解像度、多波長、および動画撮影を同時に満たすことができるようにも思われる。しかし、もともと少ないデータから推測に基づいて画像を再構成するため、取得される画像の空間解像度は本来の画像に比べて低下しやすい。特に取得データの圧縮率が高いほどその影響が顕著に現れる。さらに、プリズム等の分光素子が光路上に挿入されるため、コマ収差が発生し、解像度が低下する。   At first glance, it seems that the configuration using the compressed sensing can simultaneously satisfy high resolution, multiple wavelengths, and moving image shooting. However, since the image is reconstructed based on the guess from the originally small amount of data, the spatial resolution of the obtained image tends to be lower than that of the original image. In particular, the higher the compression ratio of the acquired data is, the more the effect appears. Further, since a spectral element such as a prism is inserted on the optical path, coma occurs and the resolution is reduced.

一方、対象物からの光の像は、符号化素子によって符号化されて撮像され得る。符号化素子の各領域の分光透過率を適切に設計することにより、コマ収差の発生を抑え、解像度を向上させることができる。さらに、高解像度、多波長、ワンショットの動画撮影の3つの要求を同時に満たすことができる。また、符号化素子を用いた撮像では、X方向、Y方向、および波長方向の3次元情報のうち波長方向の情報が圧縮される。したがって、2次元データを保有するだけで済み、データ量を抑えることができる。このため、長時間のデータ取得が可能になる。   On the other hand, the image of the light from the object can be encoded by the encoding element and captured. By appropriately designing the spectral transmittance of each region of the encoding element, the occurrence of coma can be suppressed and the resolution can be improved. Further, the three requirements of high-resolution, multi-wavelength, and one-shot moving image shooting can be simultaneously satisfied. Further, in imaging using an encoding element, information in the wavelength direction among the three-dimensional information in the X direction, the Y direction, and the wavelength direction is compressed. Therefore, it is only necessary to hold two-dimensional data, and the amount of data can be reduced. For this reason, data acquisition for a long time becomes possible.

符号化素子は、様々な方法を用いて構成され得る。   An encoding element may be configured using various methods.

例えば、有機材料を用いた構成では、各領域に、顔料または染料などの異なる光吸収材料が配置される。このような構成では、配置する光吸収材料の数だけ製造工程数が増える。このため、符号化素子の作製が容易ではなく、コストがかかる。   For example, in a configuration using an organic material, a different light absorbing material such as a pigment or a dye is arranged in each region. In such a configuration, the number of manufacturing steps increases by the number of light absorbing materials to be arranged. For this reason, it is not easy to manufacture the encoding element and the cost is high.

一方、例えば多層膜、回折格子、または金属を含む微細構造を用いた構成では、各領域の構造を変化させることにより、各領域の分光透過率を変化させることができる。したがって、上記の有機材料を用いた構成に比べて、製造が容易である。   On the other hand, for example, in a configuration using a multilayer structure, a diffraction grating, or a fine structure including a metal, the spectral transmittance of each region can be changed by changing the structure of each region. Therefore, the production is easier as compared with the configuration using the above organic material.

しかし、上記の微細構造を用いた構成は、原理上、その分光透過率が入射光の入射角度に依存する。そのような構成をそのまま符号化素子に適用した場合、符号化素子の波長分解能が低下し得る。対象物からの光の像は光学系を通して、符号化素子が直上に配置された撮像素子に結像される。この際、光学系40の開口数(Nuemrical Aperture)がNAとして表され、垂直入射の入射角度が0°である場合、符号化素子100Cには、最小角度0°から最大角度sin−1(NA)°までの連続した入射角度を有する光が入射する。したがって、符号化素子を通過した光の分光透過率は、各入射角度に応じた分光透過率の重ね合わせになる。その結果、符号化素子の波長分解能が低下し得る。このように、符号化素子の構成には、改善の余地があった。 However, in the configuration using the above fine structure, in principle, the spectral transmittance depends on the incident angle of the incident light. If such a configuration is applied to the coding element as it is, the wavelength resolution of the coding element may be reduced. An image of light from the object is formed through an optical system on an image sensor on which an encoding element is disposed immediately above. At this time, the numerical aperture (Numerical Aperture) of the optical system 40 is expressed as NA, and when the incident angle of vertical incidence is 0 °, the encoding element 100C provides the encoding element 100C with the minimum angle 0 ° to the maximum angle sin −1 (NA ) Light having a continuous incident angle of up to ° is incident. Therefore, the spectral transmittance of the light that has passed through the encoding element is a superposition of the spectral transmittance according to each incident angle. As a result, the wavelength resolution of the encoding element may decrease. Thus, there is room for improvement in the configuration of the coding element.

本発明者は、以上の検討に基づき、以下の項目に記載の分光システムに想到した。   The present inventor has arrived at a spectroscopic system described in the following items based on the above study.

第1の項目に係る光学デバイスは、対象物から入射する光の光路に配置されたフィルタアレイであって、前記光路に交差する面に沿って2次元に配列された透光性の複数のフィルタを備え、前記複数のフィルタは、光透過率の波長依存性が互いに異なる2つ以上のフィルタを含み、前記複数のフィルタの光透過率の波長依存性は、光の入射角度に応じて変化する、フィルタアレイと、前記対象物と前記フィルタアレイとの間に配置され、前記対象物から入射する前記光を前記フィルタアレイの前記面上に集束させる光学系と、前記対象物と前記光学系との間、または、前記光学系と前記フィルタアレイとの間に位置する遮光素子であって、1つ以上の透光領域および1つ以上の遮光領域を備え、前記1つ以上の遮光領域は、前記光学系から前記フィルタアレイに向かう光のうち、特定の1つ以上の入射角度で入射する光の強度を低減する、遮光素子と、を備える。   The optical device according to the first item is a filter array arranged in an optical path of light incident from an object, and a plurality of translucent filters arranged two-dimensionally along a plane intersecting the optical path. Wherein the plurality of filters include two or more filters having different wavelength dependences of light transmittance, and the wavelength dependence of light transmittance of the plurality of filters changes according to an incident angle of light. A filter array, disposed between the object and the filter array, an optical system for focusing the light incident from the object on the surface of the filter array, and the object and the optical system Or a light-blocking element located between the optical system and the filter array, comprising one or more light-transmitting regions and one or more light-blocking regions, wherein the one or more light-blocking regions are Front from the optical system Of the light towards the filter array, to reduce the intensity of light incident on a particular one or more incident angles, comprising a shielding element.

この光学デバイスでは、遮光素子により、フィルタに向けて、特定の入射角度の光を選択的に通過させることができる。その結果、入射角度の依存性に起因する波長分解能の低下を抑制することができる。   In this optical device, light having a specific incident angle can be selectively transmitted toward the filter by the light shielding element. As a result, it is possible to suppress a decrease in the wavelength resolution due to the dependency of the incident angle.

第2の項目に係る光学デバイスは、第1の項目に係る光学デバイスにおいて、前記光学系が、凸レンズを含む。前記1つ以上の透光領域は、前記凸レンズの光軸を中心とする同心円状の構造を有する。前記1つ以上の遮光領域は、前記凸レンズの前記光軸を中心とする同心円状の構造を有し、入射する光を反射または吸収する。   An optical device according to a second item is the optical device according to the first item, wherein the optical system includes a convex lens. The one or more light-transmitting regions have a concentric structure centered on the optical axis of the convex lens. The one or more light-shielding regions have a concentric structure centered on the optical axis of the convex lens, and reflect or absorb incident light.

この光学デバイスでは、第1の項目に係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。   With this optical device, the same effects as those of the optical device according to the first item can be obtained.

第3の項目に係る光学デバイスは、第1または第2の項目に係る光学デバイスにおいて、前記光学系の開口数をNAとすると、前記光学系から前記フィルタアレイに入射する光の入射角度の最小値が0度であり、前記入射角度の最大値が、sin−1(NA)度である。 The optical device according to the third item is the optical device according to the first or second item, wherein NA is the numerical aperture of the optical system, and the minimum incident angle of light incident on the filter array from the optical system. The value is 0 degree, and the maximum value of the incident angle is sin -1 (NA) degree.

この光学デバイスでは、遮光素子を通過した光がフィルタアレイに入射するときの当該光の特定の入射角度は、0度からsin−1(NA)度までの間である。 In this optical device, the specific incident angle of the light passing through the light blocking element when entering the filter array is between 0 degrees and sin -1 (NA) degrees.

第4の項目に係る光学デバイスは、第1から第3の項目のいずれかに係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、導波路共鳴格子フィルタ、導波路プラズモンフィルタ、ファブリ・ペローフィルタ、多層膜フィルタ、および金属−絶縁体−金属の積層構造を備えるフィルタからなる群から選択される1つのフィルタである。   The optical device according to the fourth item is the optical device according to any one of the first to third items, wherein each of the plurality of filters is a waveguide resonance grating filter, a waveguide plasmon filter, a Fabry-Perot filter, This is one filter selected from the group consisting of a multilayer filter and a filter having a laminated structure of metal-insulator-metal.

この光学デバイスでは、第1から第3の項目のいずれかに係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。   With this optical device, the same effects as those of the optical device according to any of the first to third items can be obtained.

第5の項目に係る光学デバイスは、第1から第4の項目のいずれかに係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、基板と、前記基板上の光導波層と、前記光導波層上のグレーティングとを備える導波路共鳴格子フィルタである。   An optical device according to a fifth item is the optical device according to any one of the first to fourth items, wherein each of the plurality of filters includes a substrate, an optical waveguide layer on the substrate, and the optical waveguide layer. A waveguide resonant grating filter including the above grating.

この光学デバイスでは、第1から第4の項目のいずれかに係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。さらに、グレーティングの周期を変化させることにより、厚さが均一であり、かつフィルタごとに分光透過率が異なるフィルタアレイを実現することができる。   With this optical device, the same effects as those of the optical device according to any of the first to fourth items can be obtained. Further, by changing the period of the grating, it is possible to realize a filter array having a uniform thickness and a different spectral transmittance for each filter.

第6の項目に係る光学デバイスは、第5の項目に係る光学デバイスにおいて、前記フィルタアレイに入射する光の波長をλとし、前記フィルタアレイに入射する前記光の入射角度をθとし、前記グレーティングによって回折される光のモード数をmとし、前記光導波層の厚さをTとし、前記光導波層内を伝搬する光の導波モードの実効屈折率をneffとし、前記基板の屈折率をnとし、前記光導波層の屈折率をnとし、前記グレーティング上にある媒質の屈折率をnとし、前記光導波層内を伝搬する光の導波モードのモード数をmとすると、

Figure 2020053910
を満たし、かつ、
Figure 2020053910
または、
Figure 2020053910
を満たす。 The optical device according to the sixth item is the optical device according to the fifth item, wherein the wavelength of light incident on the filter array is λ, the incident angle of the light incident on the filter array is θ, and the grating is The number of modes of light diffracted by the optical waveguide layer is m 1 , the thickness of the optical waveguide layer is T, the effective refractive index of the waveguide mode of light propagating in the optical waveguide layer is n eff, and the refractive index of the substrate is rates and n s, a refractive index of the optical waveguide layer and n f, the refractive index of the medium is on the grating and n c, the number of modes of the guided mode of light propagating through the optical waveguide layer m Assuming 2 ,
Figure 2020053910
Satisfy and
Figure 2020053910
Or
Figure 2020053910
Meet.

この光学デバイスでは、第5の項目に係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。   With this optical device, the same effects as those of the optical device according to the fifth item can be obtained.

第7の項目に係る光学デバイスは、第1から第4の項目に係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、基板と、前記基板上の光導波層と、前記光導波層上の金属から形成されたグレーティングと、を備える導波路プラズモンフィルタである。   An optical device according to a seventh item is the optical device according to the first to fourth items, wherein each of the plurality of filters includes a substrate, an optical waveguide layer on the substrate, and a metal on the optical waveguide layer. And a grating formed from the above.

この光学デバイスでは、第1から第4の項目に係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。さらに、グレーティングの周期を変化させることにより、厚さが均一であり、かつフィルタごとに分光透過率が異なるフィルタアレイを実現することができる。   With this optical device, the same effects as those of the optical devices according to the first to fourth items can be obtained. Further, by changing the period of the grating, it is possible to realize a filter array having a uniform thickness and a different spectral transmittance for each filter.

第8の項目に係る光学デバイスは、第1から第4の項目のいずれかに係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、基板と、前記基板上の光導波層と、前記光導波層上のバッファ層と、前記バッファ層上の金属から形成されたグレーティングと、を備える導波路プラズモンフィルタである。   An optical device according to an eighth item is the optical device according to any one of the first to fourth items, wherein each of the plurality of filters includes a substrate, an optical waveguide layer on the substrate, and the optical waveguide layer. A waveguide plasmon filter including an upper buffer layer and a grating formed of a metal on the buffer layer.

この光学デバイスでは、第1から第4の項目のいずれかに係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。さらに、グレーティングの周期を変化させることにより、厚さが均一であり、かつフィルタごとに分光透過率が異なるフィルタアレイを実現することができる。   With this optical device, the same effects as those of the optical device according to any of the first to fourth items can be obtained. Further, by changing the period of the grating, it is possible to realize a filter array having a uniform thickness and a different spectral transmittance for each filter.

第9の項目に係る光学デバイスは、第1から第4の項目のいずれかに係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、基板と、前記基板上の第1ミラーと、前記第1ミラー上の中間層と、前記中間層上の第2ミラーと、を備えるファブリ・ペローフィルタである。   An optical device according to a ninth item is the optical device according to any one of the first to fourth items, wherein each of the plurality of filters includes a substrate, a first mirror on the substrate, and the first mirror. A Fabry-Perot filter comprising an upper intermediate layer and a second mirror on the intermediate layer.

この光学デバイスでは、第1から第4の項目のいずれかに係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。   With this optical device, the same effects as those of the optical device according to any of the first to fourth items can be obtained.

第10の項目に係る光学デバイスは、第1から第4の項目のいずれかに係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、基板と、前記基板上の誘電体多層膜とを備える多層膜フィルタである。前記誘電体多層膜は、第1誘電体層と第2誘電体層とが、前記基板に垂直な方向に交互に積層された構造を備える。前記第1誘電体層の屈折率は、前記第2誘電体層の屈折率と異なる。   An optical device according to a tenth item is the optical device according to any of the first to fourth items, wherein each of the plurality of filters includes a substrate and a dielectric multilayer film on the substrate Filter. The dielectric multilayer film has a structure in which first dielectric layers and second dielectric layers are alternately stacked in a direction perpendicular to the substrate. The refractive index of the first dielectric layer is different from the refractive index of the second dielectric layer.

この光学デバイスでは、第1から第4の項目のいずれかに係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。   With this optical device, the same effects as those of the optical device according to any of the first to fourth items can be obtained.

第11の項目に係る光学デバイスは、第1から第4の項目のいずれかに係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、基板と、前記基板上のグレーティングとを備える。前記グレーティングは、前記基板の表面に沿って等間隔に並んだ複数の積層構造体を含む。前記複数の積層構造体の各々は、前記基板上の第1金属層と、前記第1金属層上の絶縁体層と、前記絶縁体層上の第2金属層とを含む。   An optical device according to an eleventh item is the optical device according to any one of the first to fourth items, wherein each of the plurality of filters includes a substrate and a grating on the substrate. The grating includes a plurality of stacked structures arranged at equal intervals along the surface of the substrate. Each of the plurality of stacked structures includes a first metal layer on the substrate, an insulator layer on the first metal layer, and a second metal layer on the insulator layer.

この光学デバイスでは、第1から第4の項目のいずれかに係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。さらに、グレーティングの周期を変化させることにより、厚さが均一であり、かつフィルタごとに分光透過率が異なるフィルタアレイを実現することができる。   With this optical device, the same effects as those of the optical device according to any of the first to fourth items can be obtained. Further, by changing the period of the grating, it is possible to realize a filter array having a uniform thickness and a different spectral transmittance for each filter.

第12の項目に係る撮像装置は、第1から第11の項目のいずれかに係る光学デバイスと、前記光学デバイスを通過した光の光路に配置され、前記光学デバイスを通過した複数の波長域の成分が重畳した画像を取得する撮像素子と、を備える。   An imaging device according to a twelfth item, the optical device according to any one of the first to eleventh items, disposed in an optical path of light that has passed through the optical device, and has a plurality of wavelength ranges that have passed through the optical device An imaging element for acquiring an image on which components are superimposed.

この撮像装置では、対象物から入射する光の像が符号化された画像において、入射角度の依存性に起因する波長分解能の低下を抑制することができる。   With this imaging device, it is possible to suppress a decrease in wavelength resolution due to the dependence of the incident angle on an image in which an image of light incident from a target is encoded.

以下、図面を参照しながら、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。   Hereinafter, more specific embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. However, an unnecessary detailed description may be omitted. For example, detailed descriptions of well-known matters and redundant description of substantially the same configuration may be omitted. This is to prevent the following description from being unnecessarily redundant and to facilitate understanding of those skilled in the art. The inventors provide the accompanying drawings and the following description so that those skilled in the art can fully understand the present disclosure, and they are intended to limit the subject matter described in the claims. is not. In the following description, the same or similar components are denoted by the same reference numerals.

(実施形態)
<符号化素子>
以下に、本実施形態における符号化素子を説明する。符号化素子は、撮像対象の波長域に含まれる複数の波長域ごとの画像を生成する分光システムにおいて用いられる。本明細書において、「対象波長域」と称することがある。符号化素子は、対象物から入射する光の光路に配置され、入射光の強度を波長ごとに変調して出力する。符号化素子によるこの過程を、本明細書では「符号化」と称する。
(Embodiment)
<Coding element>
Hereinafter, the coding element according to the present embodiment will be described. The coding element is used in a spectral system that generates an image for each of a plurality of wavelength ranges included in the wavelength range to be imaged. In this specification, it may be referred to as “target wavelength range”. The encoding element is arranged in an optical path of light incident from an object, and modulates the intensity of the incident light for each wavelength and outputs the modulated light. This process by the coding element is referred to herein as "coding".

図1Aは、符号化素子100Cの例を模式的に示す図である。符号化素子Cは、2次元に配列された複数の領域を有する。本明細書では、当該領域を、「セル」と称することがある。各領域には、個別に設定された分光透過率を有するフィルタが配置されている。ここで、「分光透過率」とは、波長依存性を有する光透過率を意味する。分光透過率は、入射光の波長をλとして、関数T(λ)で表される。分光透過率T(λ)は、0以上1以下の値を取り得る。符号化素子100Cは、光路に交差する面に沿って2次元に配列された複数のフィルタを備えるフィルタアレイであるとも言い得る。フィルタの構成の詳細については、後述する。   FIG. 1A is a diagram schematically illustrating an example of the coding element 100C. The coding element C has a plurality of regions arranged two-dimensionally. In this specification, the region may be referred to as a “cell”. In each region, a filter having an individually set spectral transmittance is arranged. Here, “spectral transmittance” means a wavelength-dependent light transmittance. The spectral transmittance is represented by a function T (λ), where λ is the wavelength of the incident light. The spectral transmittance T (λ) can take a value of 0 or more and 1 or less. The coding element 100C may be said to be a filter array including a plurality of filters arranged two-dimensionally along a plane intersecting the optical path. Details of the configuration of the filter will be described later.

図1Aに示す例では、符号化素子100Cは、6行8列に配列された48個の矩形領域を有しているが、実際の用途では、これよりも多くの領域が設けられ得る。その数は、例えばイメージセンサなどの一般的な撮像素子の画素数と同程度であり得る。当該画素数は、例えば数十万から数千万である。ある例では、符号化素子100Cは、撮像素子の直上に配置され、各領域が撮像素子の1つの画素に対応するように配置され得る。各領域は、例えば、撮像素子の1つの画素に対向する。   In the example shown in FIG. 1A, the encoding element 100C has 48 rectangular regions arranged in 6 rows and 8 columns, but in an actual application, more regions may be provided. The number can be, for example, about the same as the number of pixels of a general image sensor such as an image sensor. The number of pixels is, for example, hundreds of thousands to tens of millions. In one example, the encoding element 100C is disposed immediately above the image sensor, and may be disposed such that each region corresponds to one pixel of the image sensor. Each region faces, for example, one pixel of the image sensor.

図1Bは、対象波長域に含まれる複数の波長域W1、W2、・・・、Wiのそれぞれの光の透過率の空間分布の一例を示す図である。図1Bに示す例では、各領域の濃淡の違いは、透過率の違いを表している。淡い領域ほど透過率が高く、濃い領域ほど透過率が低い。図1Bに示すように、波長域によって光透過率の空間分布が異なっている。   FIG. 1B is a diagram illustrating an example of a spatial distribution of light transmittance of each of a plurality of wavelength ranges W1, W2,..., Wi included in the target wavelength range. In the example shown in FIG. 1B, the difference in shading of each region indicates the difference in transmittance. The lighter the region, the higher the transmittance, and the darker the region, the lower the transmittance. As shown in FIG. 1B, the spatial distribution of the light transmittance differs depending on the wavelength region.

図1Cおよび図1Dは、それぞれ、図1Aに示す符号化素子100Cの複数の領域に含まれる領域A1および領域A2の分光透過率の例を示す図である。領域A1の分光透過率と領域A2の分光透過率とは、互いに異なっている。このように、符号化素子100Cの分光透過率は、領域によって異なる。ただし、必ずしもすべての領域の分光透過率が異なっている必要はない。符号化素子100Cでは、複数の領域の少なくとも一部の領域の分光透過率が互いに異なっている。当該少なくとも一部の領域は、2以上の領域である。すなわち、符号化素子100Cは、分光透過率が互いに異なる2つ以上のフィルタを含む。ある例では、符号化素子100Cに含まれる複数の領域の分光透過率のパターンの数は、対象波長域に含まれる波長域の数iと同じか、それ以上であり得る。典型的には、符号化素子100Cは、半数以上の領域の分光透過率が異なるように設計される。   1C and 1D are diagrams illustrating examples of the spectral transmittances of the regions A1 and A2 included in the plurality of regions of the encoding element 100C illustrated in FIG. 1A, respectively. The spectral transmittance of the area A1 and the spectral transmittance of the area A2 are different from each other. As described above, the spectral transmittance of the encoding element 100C differs depending on the region. However, it is not necessary that the spectral transmittances of all the regions be different. In the encoding element 100C, at least some of the plurality of regions have different spectral transmittances from each other. The at least part of the region is two or more regions. That is, the encoding element 100C includes two or more filters having different spectral transmittances from each other. In one example, the number of patterns of the spectral transmittance of the plurality of regions included in the encoding element 100C may be equal to or greater than the number i of the wavelength ranges included in the target wavelength range. Typically, encoding element 100C is designed so that more than half of the regions have different spectral transmittances.

図2Aおよび図2Bは、対象波長域Wと、それに含まれる複数の波長域W1、W2、・・・、Wiとの関係を説明するための図である。対象波長域Wは、用途によって様々な範囲に設定され得る。対象波長域Wは、例えば、約400nmから約700nmの可視光の波長域、約700nmから約2500nmの近赤外線の波長域、約10nm〜約400nmの近紫外線の波長域、その他、中赤外、遠赤外、テラヘルツ波、またはミリ波などの電波域であり得る。このように、使用される波長域は可視光域とは限らない。本明細書では、可視光に限らず、近紫外線、近赤外線、および電波などの非可視光も便宜上「光」と称する。   2A and 2B are diagrams for explaining the relationship between the target wavelength range W and a plurality of wavelength ranges W1, W2,..., Wi included therein. The target wavelength range W can be set in various ranges depending on the application. The target wavelength range W is, for example, a visible light wavelength range of about 400 nm to about 700 nm, a near infrared wavelength range of about 700 nm to about 2500 nm, a near ultraviolet wavelength range of about 10 nm to about 400 nm, other mid-infrared rays, It may be a radio wave region such as far infrared, terahertz wave, or millimeter wave. Thus, the wavelength range used is not limited to the visible light range. In the present specification, not only visible light but also invisible light such as near-ultraviolet light, near-infrared light, and radio waves are referred to as “light” for convenience.

図2Aに示す例では、iを4以上の任意の整数として、対象波長域Wをi等分したそれぞれを波長域W1、W2、・・・、Wiとしている。ただしこのような例に限定されない。対象波長域Wに含まれる複数の波長域は任意に設定してもよい。例えば、波長域によって帯域幅を不均一にしてもよい。隣接する波長域の間にギャップがあってもよい。図2Bに示す例では、波長域によって帯域幅が異なり、かつ、隣接する2つの波長域の間にギャップがある。このように、複数の波長域は、互いに異なっていればよく、その決め方は任意である。波長の分割数iは3以下でもよい。   In the example shown in FIG. 2A, i is an arbitrary integer equal to or greater than 4, and the target wavelength band W is equally divided into i, and the wavelength bands are W1, W2,..., Wi. However, it is not limited to such an example. A plurality of wavelength ranges included in the target wavelength range W may be set arbitrarily. For example, the bandwidth may be non-uniform depending on the wavelength range. There may be gaps between adjacent wavelength ranges. In the example shown in FIG. 2B, the bandwidth differs depending on the wavelength range, and there is a gap between two adjacent wavelength ranges. As described above, the plurality of wavelength ranges only need to be different from each other, and how to determine them is arbitrary. The number of wavelength divisions i may be 3 or less.

図3Aは、符号化素子100Cのある領域における分光透過率の特性を説明するための図である。図3Aに示す例では、分光透過率は、対象波長域W内の波長に関して、複数の極大値P1から極大値P5、および複数の極小値を有する。図3Aに示す例では、対象波長域W内での光透過率の最大値が1、最小値が0となるように正規化されている。図3Aに示す例では、波長域W2、および波長域Wi−1などの波長域において、分光透過率が極大値を有している。このように、本実施形態では、各領域の分光透過率は、複数の波長域W1から波長域Wiのうち、少なくとも2つの複数の波長域において極大値を有する。図3Aからわかるように、極大値P1、P3、P4、およびP5は0.5以上である。   FIG. 3A is a diagram for explaining the characteristic of the spectral transmittance in a certain region of the encoding element 100C. In the example illustrated in FIG. 3A, the spectral transmittance has a plurality of maximum values P1 to P5 and a plurality of minimum values for the wavelength within the target wavelength range W. In the example shown in FIG. 3A, the light transmittance in the target wavelength region W is normalized such that the maximum value is 1 and the minimum value is 0. In the example shown in FIG. 3A, the spectral transmittance has a maximum value in a wavelength range such as the wavelength range W2 and the wavelength range Wi-1. As described above, in the present embodiment, the spectral transmittance of each region has a local maximum value in at least two of the plurality of wavelength ranges W1 to Wi. As can be seen from FIG. 3A, the maximum values P1, P3, P4, and P5 are 0.5 or more.

以上のように、各領域の光透過率は、波長によって異なる。したがって、符号化素子100Cは、入射する光のうち、ある波長域の成分を多く透過させ、他の波長域の成分をそれほど透過させない。例えば、i個の波長域のうちのk個の波長域の光については、透過率が0.5よりも大きく、残りのi−k個の波長域の光については、透過率が0.5未満であり得る。kは、2≦k<iを満たす整数である。仮に入射光が、すべての可視光の波長成分を均等に含む白色光であった場合には、符号化素子100Cは、入射光を領域ごとに、波長に関して離散的な複数の強度のピークを有する光に変調し、これらの多波長の光を重畳して出力する。   As described above, the light transmittance of each region differs depending on the wavelength. Therefore, the encoding element 100C transmits a large amount of components in a certain wavelength range and does not transmit much components in other wavelength ranges in the incident light. For example, the transmittance of light of k wavelength ranges of the i wavelength ranges is greater than 0.5, and the transmittance of light of the remaining ik wavelength ranges is 0.5. May be less than. k is an integer satisfying 2 ≦ k <i. If the incident light is white light including all the wavelength components of visible light equally, the encoding element 100C has a plurality of intensity peaks that are discrete with respect to wavelength for each region of the incident light. The light is modulated into light, and these multi-wavelength lights are superimposed and output.

図3Bは、一例として、図3Aに示す分光透過率を、波長域W1、W2、・・・、Wiごとに平均化した結果を示す図である。平均化された透過率は、分光透過率T(λ)を波長域ごとに積分してその波長域の帯域幅で除算することによって得られる。本明細書では、このように波長域ごとに平均化した透過率の値を、その波長域における透過率と称する。この例では、極大値P1、極大値P3、および極大値P5をとる3つの波長域において、透過率が突出して高くなっている。特に、極大値P3、および極大値P5をとる2つの波長域において、透過率が0.8を超えている。   FIG. 3B is a diagram illustrating, as an example, a result of averaging the spectral transmittance illustrated in FIG. 3A for each of the wavelength ranges W1, W2,. The averaged transmittance is obtained by integrating the spectral transmittance T (λ) for each wavelength region and dividing by the bandwidth of the wavelength region. In this specification, the value of the transmittance averaged for each wavelength region in this manner is referred to as the transmittance in that wavelength region. In this example, the transmittance is prominently high in three wavelength ranges having the maximum value P1, the maximum value P3, and the maximum value P5. In particular, the transmittance exceeds 0.8 in two wavelength ranges having the maximum value P3 and the maximum value P5.

各領域の分光透過率の波長方向の分解能は、所望の波長域の帯域幅程度に設定され得る。言い換えれば、分光透過率曲線における1つの極大値を含む波長範囲のうち、当該極大値に最も近接する極小値と当該極大値との平均値以上の値をとる範囲の幅は、所望の波長域の帯域幅程度に設定され得る。この場合、分光透過率を、例えばフーリエ変換によって周波数成分に分解すれば、その波長域に相当する周波数成分の値が相対的に大きくなる。   The resolution in the wavelength direction of the spectral transmittance of each region can be set to about the bandwidth of a desired wavelength region. In other words, in the wavelength range including one local maximum value in the spectral transmittance curve, the width of the range that takes a value equal to or more than the average value of the local minimum value closest to the local maximum value and the local maximum value is the desired wavelength range. Of bandwidth. In this case, if the spectral transmittance is decomposed into frequency components by, for example, Fourier transform, the value of the frequency component corresponding to the wavelength range becomes relatively large.

符号化素子100Cは、典型的には、図1Aに示すように、格子状に区分けされた複数のセルに分割される。これらのセルが、互いに異なる分光透過率を有する。符号化素子100Cでの各領域の光透過率の波長分布および空間分布は、例えばランダム分布または準ランダム分布であり得る。   The encoding element 100C is typically divided into a plurality of cells divided in a grid, as shown in FIG. 1A. These cells have different spectral transmittances. The wavelength distribution and the spatial distribution of the light transmittance of each region in the encoding element 100C may be, for example, a random distribution or a quasi-random distribution.

ランダム分布および準ランダム分布の考え方は次の通りである。まず、符号化素子100Cにおける各領域は、光透過率に応じて、例えば0から1の値を有するベクトル要素と考えることができる。ここで、透過率が0の場合、ベクトル要素の値は0であり、透過率が1の場合、ベクトル要素の値は1である。言い換えると、行方向または列方向に一列に並んだ領域の集合を0から1の値を有する多次元のベクトルと考えることができる。したがって、符号化素子100Cは、多次元ベクトルを列方向または行方向に複数備えていると言える。このとき、ランダム分布とは、任意の2つの多次元ベクトルが独立である、すなわち平行でないことを意味する。また、準ランダム分布とは、一部の多次元ベクトル間で独立でない構成が含まれることを意味する。したがって、ランダム分布および準ランダム分布においては、複数の領域に含まれる1つの行または列に並んだ領域の集合に属する各領域での第1の波長域の光の透過率の値を要素とするベクトルと、他の行または列に並んだ領域の集合に属する各領域における第1の波長域の光の透過率の値を要素とするベクトルとは、互いに独立である。第1の波長域とは異なる第2の波長域についても同様に、複数の領域に含まれる1つの行または列に並んだ領域の集合に属する各領域における第2の波長域の光の透過率の値を要素とするベクトルと、他の行または列に並んだ領域の集合に属する各領域における第2の波長域の光の透過率の値を要素とするベクトルとは、互いに独立である。   The concept of random distribution and quasi-random distribution is as follows. First, each region in the encoding element 100C can be considered as a vector element having a value of, for example, 0 to 1 according to the light transmittance. Here, when the transmittance is 0, the value of the vector element is 0, and when the transmittance is 1, the value of the vector element is 1. In other words, a set of regions arranged in a line in the row or column direction can be considered as a multidimensional vector having a value from 0 to 1. Therefore, it can be said that the coding element 100C includes a plurality of multidimensional vectors in the column direction or the row direction. At this time, the random distribution means that any two multidimensional vectors are independent, that is, not parallel. The quasi-random distribution means that some multidimensional vectors include configurations that are not independent. Therefore, in the random distribution and the quasi-random distribution, the value of the light transmittance of the first wavelength band in each region belonging to a set of regions arranged in one row or column included in a plurality of regions is used as an element. The vector and the vector having the value of the transmittance of light in the first wavelength band in each region belonging to the set of regions arranged in another row or column are independent of each other. Similarly, for a second wavelength region different from the first wavelength region, the transmittance of light in the second wavelength region in each region belonging to a set of regions arranged in one row or column included in the plurality of regions. And the vector having the element of the value of the light transmittance of the second wavelength band in each region belonging to the set of regions arranged in another row or column are independent of each other.

符号化素子100Cを撮像素子の近傍あるいは直上に配置する場合、符号化素子100Cでの複数の領域の相互の間隔であるセルピッチは、撮像素子の画素ピッチと略一致させてもよい。このようにすれば、符号化素子100Cから出射した符号化された光の像の解像度が画素の解像度と略一致する。各セルを透過した光が対応する1つの画素にのみ入射するようにすることで、後述する演算を容易にすることができる。符号化素子100Cを撮像素子から離して配置する場合には、その距離に応じてセルピッチを細かくしてもよい。   When the encoding element 100C is arranged near or directly above the imaging element, the cell pitch, which is the interval between a plurality of regions in the encoding element 100C, may be substantially equal to the pixel pitch of the imaging element. In this case, the resolution of the image of the encoded light emitted from the encoding element 100C substantially matches the resolution of the pixel. By making the light transmitted through each cell incident on only one corresponding pixel, it is possible to facilitate the later-described calculation. When the encoding element 100C is arranged apart from the imaging element, the cell pitch may be reduced according to the distance.

図1に示す例では、各領域の透過率が0以上1以下の任意の値をとり得るグレースケールの透過率分布を想定した。しかし、必ずしもグレースケールの透過率分布にする必要はない。例えば、各領域の透過率が略0または略1のいずれかの値を取り得るバイナリ−スケールの透過率分布を採用してもよい。バイナリ−スケールの透過率分布では、各領域は、対象波長域に含まれる複数の波長域のうちの少なくとも2つの波長域の光の大部分を透過させ、残りの波長域の光の大部分を透過させない。ここで「大部分」とは、概ね80%以上を指す。   In the example shown in FIG. 1, a gray scale transmittance distribution in which the transmittance of each region can take any value of 0 or more and 1 or less is assumed. However, it is not always necessary to provide a gray scale transmittance distribution. For example, a binary-scale transmittance distribution in which the transmittance of each region can take a value of approximately 0 or approximately 1 may be adopted. In the binary-scale transmittance distribution, each region transmits most of the light in at least two wavelength ranges of the plurality of wavelength ranges included in the target wavelength range, and transmits most of the light in the remaining wavelength ranges. Do not transmit. Here, “most” indicates approximately 80% or more.

全セルのうちの一部、例えば半分のセルを、透明領域に置き換えてもよい。そのような透明領域は、対象波長域に含まれるすべての波長域W1から波長域Wiの光を同程度の高い透過率で透過させる。当該高い透過率は、例えば0.8以上である。そのような構成では、複数の透明領域は、例えば市松状に配置され得る。すなわち、符号化素子100Cにおける複数の領域の2つの配列方向において、光透過率が波長によって異なる領域と、透明領域とが交互に配列され得る。図1Aに示す例では、2つの配列方向は、横方向および縦方向である。   A part of all the cells, for example, half of the cells may be replaced with a transparent area. Such a transparent region transmits the light in the wavelength range Wi from all the wavelength ranges W1 included in the target wavelength range at the same high transmittance. The high transmittance is, for example, 0.8 or more. In such a configuration, the plurality of transparent regions may be arranged, for example, in a checkered pattern. That is, in the two arrangement directions of the plurality of regions in the encoding element 100C, regions in which the light transmittance differs depending on the wavelength and transparent regions can be alternately arranged. In the example shown in FIG. 1A, the two arrangement directions are a horizontal direction and a vertical direction.

<符号化素子の領域でのフィルタ>
以下に、符号化を実現するために、符号化素子100Cの少なくとも1つの領域に配置され得るフィルタの例を説明する。
<Filter in the region of the coding element>
Hereinafter, an example of a filter that can be arranged in at least one region of the encoding element 100C to realize encoding will be described.

図4Aは、フィルタ100の例を模式的に示す図である。図4Aに示す例では、フィルタ100は、基板10と、基板10上の光導波層20と、光導波層20上のグレーティング30とを備える。本明細書では、図4Aに示すフィルタ100を、「導波路共鳴格子フィルタ」と称することがある。上部の下向きの矢印は、フィルタ100に垂直に入射する光を表し、下部の下向きの矢印は、基板10を垂直に透過する光を表す。以下の図においても同様である。   FIG. 4A is a diagram schematically illustrating an example of the filter 100. In the example shown in FIG. 4A, the filter 100 includes a substrate 10, an optical waveguide layer 20 on the substrate 10, and a grating 30 on the optical waveguide layer 20. In this specification, the filter 100 shown in FIG. 4A may be referred to as a “waveguide resonance grating filter”. The downward arrow at the top represents light vertically incident on the filter 100, and the downward arrow at the bottom represents light vertically transmitting through the substrate 10. The same applies to the following figures.

基板10、光導波層20、およびグレーティング30は、対象波長域において透明である。透明とは、吸収損失が非常に小さいことを意味する。例えば、可視光域では、基板10、光導波層20、およびグレーティング30の少なくとも1つは、SiOまたはSiなどの誘電体材料から形成され得る。また、光導波層20およびグレーティング30は、同じ材料から形成されていてもよく、一体化されていてもよい。基板10、光導波層20、およびグレーティング30の各々は、2種類以上の誘電体層を含む多層構造であってもよい。図4Aに示す例では、グレーティング30は、X方向において周期的であるが、さらにXY平面内の他の方向において周期的であってもよい。 The substrate 10, the optical waveguide layer 20, and the grating 30 are transparent in a target wavelength range. Transparent means that the absorption loss is very small. For example, in the visible light region, the substrate 10, at least one of the optical waveguide layer 20, and the grating 30 may be formed from a dielectric material such as SiO 2 or Si 3 N 4. Further, the optical waveguide layer 20 and the grating 30 may be formed from the same material or may be integrated. Each of the substrate 10, the optical waveguide layer 20, and the grating 30 may have a multilayer structure including two or more types of dielectric layers. In the example shown in FIG. 4A, the grating 30 is periodic in the X direction, but may be periodic in another direction in the XY plane.

次に、図4Aに示すフィルタ100の基本的な原理を説明する。   Next, the basic principle of the filter 100 shown in FIG. 4A will be described.

上部から入射した光は、グレーティング30によって回折される。これにより、光導波層20内を伝搬する導波光が励起される。当該導波光は、グレーティング30によって再び回折されて上部に再放射される。その結果、図4Aに示すフィルタ100は、特定の波長の光が反射され、それ以外の波長の光が透過するという分光特性を示す。グレーティング30によって回折され、反射される光の波長は、以下の式(1)を満たす。

Figure 2020053910
Light incident from above is diffracted by the grating 30. Thereby, the guided light propagating in the optical waveguide layer 20 is excited. The guided light is diffracted again by the grating 30 and re-emitted to the upper part. As a result, the filter 100 shown in FIG. 4A has a spectral characteristic in which light of a specific wavelength is reflected and light of other wavelengths is transmitted. The wavelength of the light that is diffracted and reflected by the grating 30 satisfies the following equation (1).
Figure 2020053910

ここで、λは、空気中での入射光の波長である。θは、符号化素子100Cに入射する光の入射角度である。入射角度とは、符号化素子100Cに垂直な線と、符号化素子100Cに入射する光とがなす角度である。Λは、グレーティング30の周期である。mは、次数であり1以上の整数である。neffは、導波モードの実効屈折率である。式(1)から、グレーティング30によって回折され、反射される光の波長λは、入射角度θに依存することがわかる。すなわち、図4Aに示すフィルタ100の分光透過率は、入射角度の依存性を示す。 Here, λ is the wavelength of incident light in air. θ is an incident angle of light incident on the encoding element 100C. The incident angle is an angle between a line perpendicular to the encoding element 100C and light incident on the encoding element 100C. Λ is the period of the grating 30. m is an order and is an integer of 1 or more. n eff is the effective refractive index of the guided mode. Equation (1) shows that the wavelength λ of light diffracted and reflected by the grating 30 depends on the incident angle θ. That is, the spectral transmittance of the filter 100 shown in FIG. 4A indicates the dependency of the incident angle.

次に、光導波層20の条件および設計を説明する。前述の原理から、光導波層20内には、グレーティング30によって励起された導波光が閉じ込められる。図4Aに示す光導波層20内には、TM導波モードおよびTE導波モードが存在する。TM導波モードでは、電界がX方向およびZ方向の成分を有し、磁界がY方向の成分を有する。TE導波モードでは、電界がY方向の成分を有し、磁界がX方向およびZ方向の成分を有する。   Next, conditions and design of the optical waveguide layer 20 will be described. From the above-mentioned principle, the guided light excited by the grating 30 is confined in the optical waveguide layer 20. In the optical waveguide layer 20 shown in FIG. 4A, there are a TM waveguide mode and a TE waveguide mode. In the TM guided mode, the electric field has components in the X and Z directions, and the magnetic field has components in the Y direction. In the TE guided mode, the electric field has a component in the Y direction and the magnetic field has components in the X and Z directions.

TM導波モードでの固有値方程式は、以下の式(2)によって表される。

Figure 2020053910
The eigenvalue equation in the TM guided mode is represented by the following equation (2).
Figure 2020053910

ここで、Tは、光導波層20の厚さである。n、n、およびnは、それぞれ基板10、光導波層20、およびクラッドの屈折率である。図4Aに示す例では、クラッドは、グレーティング30上にある媒質である。当該媒質は、例えば空気である。光導波層20の屈折率は、基板10の屈折率、およびクラッドの屈折率よりも高い。このとき、光導波層20は、導波光を閉じ込める。 Here, T is the thickness of the optical waveguide layer 20. n s, n f, and n c are each substrate 10, the optical waveguide layer 20, and the refractive index of the cladding. In the example shown in FIG. 4A, the cladding is a medium on the grating 30. The medium is, for example, air. The refractive index of the optical waveguide layer 20 is higher than the refractive index of the substrate 10 and the refractive index of the clad. At this time, the optical waveguide layer 20 confines the guided light.

TE導波モードでの固有値方程式は、以下の式(3)によって表される。

Figure 2020053910
The eigenvalue equation in the TE guided mode is represented by the following equation (3).
Figure 2020053910

以下では、TM導波モードを例として説明するが、これに限られない。以下の議論は、TE導波モードにも適用することができる。   Hereinafter, the TM waveguide mode will be described as an example, but the present invention is not limited to this. The following discussion can also be applied to the TE guided mode.

図4Bは、図4Aに示す光導波層20の厚さTと、実効屈折率neffとの関係の計算結果を示す図である。当該計算には、MathWorks社のMATLABが用いられた。基板10は、屈折率n=1.46のSiOから形成された。光導波層20は、屈折率n=2.05のSiから形成された。クラッドは、屈折率n=1.0の空気である。波長は、λ=541.6nmである。光導波層20の厚さTを薄くすると、各次数の導波モードの実効屈折率が小さくなる。実効屈折率neffが基板の屈折率nと一致するときの光導波層20の厚さTが、カットオフに相当する。図4Bに示す例では、光導波層20の厚さTが100nm以上のとき、少なくとも1つの導波モードが存在する。なお、厳密には、光導波層20上にはグレーティング30がある。しかし、グレーティング30を無視しても、大体の条件および設計を決定することができる。 FIG. 4B is a diagram illustrating a calculation result of a relationship between the thickness T of the optical waveguide layer 20 illustrated in FIG. 4A and an effective refractive index n eff . For the calculation, MathWorks' MATLAB was used. The substrate 10 was formed from SiO 2 having a refractive index of n s = 1.46. The optical waveguide layer 20 was formed from Si 3 N 4 having a refractive index of n s = 2.05. The cladding is air with a refractive index n c = 1.0. The wavelength is λ = 541.6 nm. When the thickness T of the optical waveguide layer 20 is reduced, the effective refractive index of the waveguide mode of each order decreases. The thickness T of the optical waveguide layer 20 when the effective refractive index n eff matches the refractive index n s of the substrate corresponds to a cutoff. In the example shown in FIG. 4B, when the thickness T of the optical waveguide layer 20 is 100 nm or more, at least one waveguide mode exists. Strictly speaking, there is a grating 30 on the optical waveguide layer 20. However, ignoring the grating 30, the general conditions and design can be determined.

図4Cは、図4Aに示すフィルタ100に光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。基板10は、屈折率n=1.46のSiOから形成された。光導波層20およびグレーティング30は、屈折率n=2.05のSiから形成された。光導波層20の厚さはT=100nmである。グレーティング30の高さは50nmであり、凸部の幅は175nmであり、周期は350nmである。グレーティング30の凹部は、貫通している。入射光は、TMモードの垂直入射光である。当該計算には、RSoft社の厳密結合波理論(RCWA:Rigorous Coupled−Wave Analysis)に基づくDiffractMODが用いられた。図4Cに示す例から、図4Aに示すフィルタ100は、波長540nmの光を反射する機能を有することがわかる。当該反射は、入射光がTM導波モードに結合した後、上部に再放射されることに起因する。 FIG. 4C is a diagram illustrating a calculation result of a spectral transmittance when light is vertically incident on the filter 100 illustrated in FIG. 4A. The substrate 10 was formed from SiO 2 having a refractive index of n s = 1.46. The optical waveguide layer 20 and the grating 30 were formed from Si 3 N 4 having a refractive index of n s = 2.05. The thickness of the optical waveguide layer 20 is T = 100 nm. The height of the grating 30 is 50 nm, the width of the projection is 175 nm, and the period is 350 nm. The concave portion of the grating 30 penetrates. The incident light is TM mode normal incident light. For the calculation, DiffractMOD based on Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA) of RSSoft was used. 4C shows that the filter 100 shown in FIG. 4A has a function of reflecting light having a wavelength of 540 nm. The reflection is due to the incident light being re-emitted to the top after coupling into the TM guided mode.

一方、図4Aに示すフィルタ100は、式(1)に示すように、入射角度の依存性を示す。   On the other hand, the filter 100 shown in FIG. 4A shows the dependency of the incident angle as shown in Expression (1).

図4Dは、図4Aに示すフィルタ100の、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。図4Dに示すように、入射角度が大きくなるにつれて、入射角度0°での透過率の1つのディップが、2つのディップに分裂する。入射角度が大きくなるにつれて、分裂した一方のディップは、短波長側にシフトし、他方のディップは、長波長側にシフトする。このように、図4Aに示すフィルタ100の分光透過率は、入射角度の依存性を示すことがわかる。図4に示すフィルタ100の分光透過率は、光の入射角度に応じて変化するとも言い得る。   FIG. 4D is a diagram illustrating a calculation result of a relationship between an incident angle and a spectral transmittance of the filter 100 illustrated in FIG. 4A. As shown in FIG. 4D, as the angle of incidence increases, one dip in transmittance at an angle of incidence of 0 ° splits into two dips. As the angle of incidence increases, one split dip shifts to shorter wavelengths and the other dip shifts to longer wavelengths. Thus, it can be seen that the spectral transmittance of the filter 100 shown in FIG. 4A shows the dependence on the incident angle. It can be said that the spectral transmittance of the filter 100 shown in FIG. 4 changes according to the incident angle of light.

前述した例では、対象物からの光は、符号化素子100Cの各領域に垂直に入射する。実際には、符号化素子100Cを用いた撮像では、対象物から入射する光は、対象物と符号化素子100Cとの間に配置された光学系により、符号化素子100Cの面上に集束される。   In the example described above, the light from the target is vertically incident on each region of the encoding element 100C. In practice, in imaging using the coding element 100C, light incident from the object is focused on the surface of the coding element 100C by an optical system disposed between the object and the coding element 100C. You.

図5Aは、図4Aに示すフィルタ100の上部に光学系40が配置された例を模式的に示す図である。図5Aに示す例では、対象物からの光の像が、光学系40を構成するレンズの中心を通る場合、当該光の像は、フィルタ100に垂直に入射する。一方、対象物からの光の像が、光学系40を構成するレンズの中心以外を通る場合、当該光の像は、フィルタ100に有限の入射角度で斜めに入射する。当該有限の入射角度は、光学系40の開口数NAによって決定される。すなわち、光学系40から符号化素子100Cに入射する光の入射角度の最小値は0°であり、入射角度の最大値は、sin−1(NA)°である。   FIG. 5A is a diagram schematically illustrating an example in which the optical system 40 is disposed above the filter 100 illustrated in FIG. 4A. In the example illustrated in FIG. 5A, when the image of the light from the object passes through the center of the lens configuring the optical system 40, the image of the light is perpendicularly incident on the filter 100. On the other hand, when an image of light from the object passes through a part other than the center of the lens constituting the optical system 40, the image of the light obliquely enters the filter 100 at a finite incident angle. The finite incident angle is determined by the numerical aperture NA of the optical system 40. That is, the minimum value of the incident angle of light incident on the encoding element 100C from the optical system 40 is 0 °, and the maximum value of the incident angle is sin−1 (NA) °.

図5Bは、垂直に入射した光が光学系40によって集束されてフィルタ100に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。図5Bに示す例では、入射角度の最大角度は10°である。当該最大角度は、光学系40の開口数NA=sin10°=0.1736に相当する。図5Bに示す分光透過率は、図4Cに示す分光透過率と比較して、ブロードになる。これは、図5Bに示す分光透過率が、最小角度θmin=0°から最大角度θmax=10°までの分光透過率の重ね合わせであることに起因する。したがって、このままでは、フィルタ100は、対象物からの光を十分に符号化することはできない。 FIG. 5B is a diagram illustrating a calculation result of the spectral transmittance when vertically incident light is focused by the optical system 40 and enters the filter 100. In the example shown in FIG. 5B, the maximum incident angle is 10 °. The maximum angle corresponds to a numerical aperture NA of the optical system 40 = sin10 ° = 0.1736. The spectral transmittance shown in FIG. 5B is broader than the spectral transmittance shown in FIG. 4C. This is because the spectral transmittance shown in FIG. 5B is a superposition of the spectral transmittance from the minimum angle θ min = 0 ° to the maximum angle θ max = 10 °. Therefore, as it is, the filter 100 cannot sufficiently encode the light from the object.

そこで、本実施形態では、フィルタ100によって対象物からの光を符号化するために、遮光素子50が用いられる。   Therefore, in the present embodiment, the light shielding element 50 is used in order to encode the light from the object by the filter 100.

図6Aは、図5Aに示す光学系40の上部に遮光素子50が配置された例を模式的に示す図である。遮光素子50は、1つ以上の遮光領域50a、および1つ以上の透光領域50bを備える。遮光素子50は、図5Aに示す光学系40の下部であり、かつ、フィルタ100の上部に配置されていてもよい。遮光素子50の形状の詳細については後述する。遮光素子50により、フィルタ100に向けて、特定の入射角度の光を選択的に通過させることができる。当該光は、離散的な複数の方向から入射する光である。遮光素子50の1つ以上の遮光領域は、光学系40から符号化素子100Cに向かう光のうち、特定の1つ以上の入射角度で入射する光の強度を低減する。その結果、入射角度の依存性に起因する波長分解能の低下を抑制することができる。   FIG. 6A is a diagram schematically illustrating an example in which the light shielding element 50 is disposed above the optical system 40 illustrated in FIG. 5A. The light shielding element 50 includes one or more light shielding regions 50a and one or more light transmitting regions 50b. The light blocking element 50 may be disposed below the optical system 40 shown in FIG. Details of the shape of the light shielding element 50 will be described later. The light shielding element 50 allows light having a specific incident angle to be selectively transmitted toward the filter 100. The light is light incident from a plurality of discrete directions. The one or more light-shielding regions of the light-shielding element 50 reduce the intensity of light incident at one or more specific incident angles among the light traveling from the optical system 40 to the encoding element 100C. As a result, it is possible to suppress a decrease in the wavelength resolution due to the dependency of the incident angle.

図6Bは、垂直に入射した光が遮光素子50を通過し、光学系40によって集束されてフィルタ100に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。図6Bに示す例では、遮光素子50を通過して、光学系40によって集束された光は、フィルタ100に、入射角度0°から1°、2°から4°、5°から7°、および8°から10°で入射する。これにより、選択された入射角度の範囲の分光透過率の重ね合わせにより、分光透過率の波長分解能の低下を抑制することができる。選択された入射角度の範囲の分光透過率は、図4Dに示す例から知ることができる。   FIG. 6B is a diagram illustrating a calculation result of the spectral transmittance when vertically incident light passes through the light blocking element 50, is focused by the optical system 40, and enters the filter 100. In the example shown in FIG. 6B, the light passing through the light blocking element 50 and being focused by the optical system 40 is applied to the filter 100 at an incident angle of 0 ° to 1 °, 2 ° to 4 °, 5 ° to 7 °, and It is incident at 8 ° to 10 °. This makes it possible to suppress a decrease in the spectral resolution of the spectral transmittance by overlapping the spectral transmittances in the range of the selected incident angle. The spectral transmittance in the range of the selected incident angle can be known from the example shown in FIG. 4D.

次に、遮光素子50の形状を説明する。   Next, the shape of the light shielding element 50 will be described.

図6Cは、上図および下図において、それぞれXZ平面およびXY平面における遮光素子50の形状を模式的に示す図である。図6Cに示す例では、遮光素子50は、凸レンズを含む光学系40の瞳位置に配置される。1つ以上の遮光領域50a、および1つ以上の透光領域50bは、凸レンズの光軸を中心とする同心円状の構造を有する。1つ以上の遮光領域50aは、入射する光を反射または吸収する。隣り合う2つの遮光領域50aの一部は、つながっていてもよい。1つの遮光領域50aは、渦巻き状の構造を有していてもよい。図6Cに示す遮光素子50は、例えば、ガラス基板上にクロム薄膜を蒸着して、当該クロム薄膜をパターニングすることよって作製され得る。遮光素子50の形状は、光学系40の形状に依存する。光学系40がY方向に沿って一様であるシリンドリカルレンズを含む場合、遮光素子50は、XZ平面では図6Cの上図に示す断面を有し、XY平面ではY方向に沿って一様なストライプ形状を有する。   FIG. 6C is a diagram schematically showing the shape of the light blocking element 50 in the XZ plane and the XY plane in the upper and lower figures, respectively. In the example shown in FIG. 6C, the light blocking element 50 is arranged at the pupil position of the optical system 40 including the convex lens. One or more light-shielding regions 50a and one or more light-transmitting regions 50b have a concentric structure centered on the optical axis of the convex lens. One or more light-shielding regions 50a reflect or absorb incident light. A part of two adjacent light-shielding regions 50a may be connected. One light shielding area 50a may have a spiral structure. The light shielding element 50 shown in FIG. 6C can be manufactured, for example, by depositing a chromium thin film on a glass substrate and patterning the chromium thin film. The shape of the light shielding element 50 depends on the shape of the optical system 40. When the optical system 40 includes a cylindrical lens that is uniform along the Y direction, the light shielding element 50 has a cross section shown in the upper diagram of FIG. 6C in the XZ plane, and has a uniform cross section along the Y direction in the XY plane. It has a stripe shape.

フィルタ100自体の分光透過率を変化させなくても、遮光素子50の透光領域50bの形状を変化させることにより、分光透過率を変化させることもできる。   Even without changing the spectral transmittance of the filter 100 itself, the spectral transmittance can be changed by changing the shape of the light transmitting region 50b of the light shielding element 50.

図7Aおよび図7Bは、垂直に入射した光が透光領域50bの形状の異なる遮光素子50を通過し、光学系40によって集束されてフィルタ100に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。図7Aに示す例では、遮光素子50を通過して、光学系40によって集束された光は、フィルタ100に、入射角度0°から2°、3°から5°、6°から8°、および9°から10°で入射する。図7Bに示す例では、遮光素子50を通過して、光学系40によって集束された光は、フィルタ100に、入射角度1°から3°、4°から6°、および7°から9°で入射する。   FIGS. 7A and 7B show calculation results of the spectral transmittance when vertically incident light passes through the light-blocking element 50 having a different shape of the light-transmitting region 50b, is focused by the optical system 40, and enters the filter 100. FIG. In the example shown in FIG. 7A, the light passing through the light blocking element 50 and being focused by the optical system 40 is applied to the filter 100 at an incident angle of 0 ° to 2 °, 3 ° to 5 °, 6 ° to 8 °, and It is incident at 9 ° to 10 °. In the example shown in FIG. 7B, the light passing through the light shielding element 50 and focused by the optical system 40 is applied to the filter 100 at incident angles of 1 ° to 3 °, 4 ° to 6 °, and 7 ° to 9 °. Incident.

図7Aおよび図7Bに示すように、遮光素子50の透光領域50bの幅および数の設計に応じて、分光透過率のディップまたはピークを調整することができる。ディップまたはピークの線幅は、遮光素子50の透光領域50bの幅によって決定される。ディップまたはピークの数は、遮光素子50の透光領域50bの数によって決定される。ディップまたはピークの波長が、フィルタ100の動作波長である。すなわち、本実施形態では、遮光素子50の透光領域50bの幅および数の設計により、任意の数の波長で動作する符号化素子100Cを構成することができる。   As shown in FIGS. 7A and 7B, the dip or peak of the spectral transmittance can be adjusted according to the design of the width and the number of the light-transmitting regions 50b of the light-blocking element 50. The line width of the dip or peak is determined by the width of the light transmitting region 50b of the light shielding element 50. The number of dips or peaks is determined by the number of light transmitting regions 50b of the light shielding element 50. The wavelength of the dip or peak is the operating wavelength of the filter 100. That is, in the present embodiment, the coding element 100C that operates at an arbitrary number of wavelengths can be configured by designing the width and the number of the light transmitting regions 50b of the light shielding element 50.

以上から、光導波層20上に式(1)を満たすグレーティング30を配置することにより、任意の波長で動作する符号化素子100Cを設計することができる。例えば、図4Bに示す解析条件では、光導波層20の実効屈折率neffは、1.46<neff<2.05である。下限値1.46は、基板10の屈折率nであり、上限値2.05は、光導波層20の屈折率nである。θ=0°の垂直入射では、式(1)から、Λ=λ/neffが得られる。したがって、波長400nmから700nmの可視光域内で動作するためには、グレーティング30の周期Λは、195nm<Λ<480nmである。下限値195nmは、400nm/2.05から算出され、上限値480nmは、700nm/1.46から算出された。 As described above, by arranging the grating 30 satisfying the expression (1) on the optical waveguide layer 20, it is possible to design the encoding element 100C that operates at an arbitrary wavelength. For example, under the analysis conditions shown in FIG. 4B, the effective refractive index n eff of the optical waveguide layer 20 is 1.46 <n eff <2.05. The lower limit 1.46 is the refractive index n s of the substrate 10, and the upper limit 2.05 is the refractive index n f of the optical waveguide layer 20. At normal incidence at θ = 0 °, Λ = λ / n eff is obtained from equation (1). Therefore, in order to operate in the visible light range of wavelengths from 400 nm to 700 nm, the period の of the grating 30 is 195 nm <Λ <480 nm. The lower limit 195 nm was calculated from 400 nm / 2.05, and the upper limit 480 nm was calculated from 700 nm / 1.46.

本実施形態では、各領域でのフィルタ100のグレーティング30の周期を変化させることにより、領域ごとに異なる分光透過率を有する符号化素子100Cを作製することできる。したがって、異なる光吸収材料を各領域に配置する構成に比べて、作製しやすいという利点がある。   In the present embodiment, by changing the period of the grating 30 of the filter 100 in each region, it is possible to manufacture the encoding element 100C having a different spectral transmittance for each region. Therefore, there is an advantage that it can be easily manufactured as compared with a configuration in which different light absorbing materials are arranged in each region.

図8は、撮像素子60の直上に配置された符号化素子100Cのうちの3つの領域でのフィルタ100の分光透過率の計算結果を示す図である。図8の左図に示す例では、太線によって囲まれた3つの領域でのフィルタ100は、上から反時計回りにΛ=350nm、400nm、および300nmのグレーティング30の周期を有する。図8の右図には、これら3つの領域でのフィルタ100の分光透過率が示されている。図8の右図に示すように、遮光素子50の透光領域50bの幅および数の設計は同じでも、各領域でのフィルタ100のグレーティング30の周期を変えることにより、波長400nmから700nmの可視光域の全域をカバーする符号化素子100Cを作製することができる。   FIG. 8 is a diagram illustrating a calculation result of the spectral transmittance of the filter 100 in three regions of the encoding device 100 </ b> C disposed immediately above the imaging device 60. In the example illustrated in the left diagram of FIG. 8, the filter 100 in the three regions surrounded by the thick lines has the periods of the grating 30 of Λ = 350 nm, 400 nm, and 300 nm in a counterclockwise direction from above. The right side of FIG. 8 shows the spectral transmittance of the filter 100 in these three regions. As shown in the right diagram of FIG. 8, even if the design of the width and the number of the light-transmitting regions 50 b of the light-blocking element 50 is the same, by changing the period of the grating 30 of the filter 100 in each region, the visible wavelength of 400 nm to 700 nm is changed. An encoding device 100C that covers the entire optical region can be manufactured.

<撮像装置>
次に、本実施形態における撮像装置300を説明する。
<Imaging device>
Next, the imaging device 300 according to the present embodiment will be described.

図9は、本実施形態における撮像装置300の例を模式的に示す図である。撮像装置300は、撮像素子60と、撮像素子60に集光する光学デバイス150とを備える。光学デバイス150は、対象物70から入射する光の光路に配置されている。光学デバイス150は、符号化素子100Cと、遮光素子50と、光学系40とを備える。   FIG. 9 is a diagram schematically illustrating an example of the imaging device 300 according to the present embodiment. The imaging device 300 includes an imaging device 60 and an optical device 150 that focuses light on the imaging device 60. The optical device 150 is arranged in an optical path of light incident from the object 70. The optical device 150 includes an encoding element 100C, a light shielding element 50, and the optical system 40.

遮光素子50は、対象物70と光学系40との間、または、光学系40と符号化素子100Cとの間に配置され得る。図9に示す例では、遮光素子50は、対象物70と光学系40との間の、光学系40の瞳位置に配置されている。   The light blocking element 50 can be arranged between the object 70 and the optical system 40 or between the optical system 40 and the coding element 100C. In the example shown in FIG. 9, the light blocking element 50 is arranged at a pupil position of the optical system 40 between the object 70 and the optical system 40.

光学系40は、少なくとも1つの撮像レンズを含む。図9では、1つのレンズとして示されているが、光学系40は複数のレンズの組み合わせによって構成されていてもよい。光学系40は、符号化素子100Cを介して、撮像素子60の撮像面上に像を形成する。   The optical system 40 includes at least one imaging lens. Although FIG. 9 shows one lens, the optical system 40 may be configured by a combination of a plurality of lenses. The optical system 40 forms an image on the imaging surface of the imaging device 60 via the encoding device 100C.

符号化素子100Cは、撮像素子60の近傍または直上に配置されている。ここで「近傍」とは、光学系40からの光の像がある程度鮮明な状態で符号化素子100Cの面上に形成される程度に近接していることを意味する。「直上」とは、ほとんど隙間が生じない程両者が近接していることを意味する。符号化素子100Cおよび撮像素子60は一体化されていてもよい。符号化素子100Cは、光透過率の空間分布を有するマスクである。符号化素子100Cは、入射した光の強度を変調させて通過させる。   The encoding device 100C is arranged near or directly above the imaging device 60. Here, “near” means that the image of the light from the optical system 40 is close enough to be formed on the surface of the encoding element 100C in a somewhat clear state. “Directly above” means that the two are close to each other so that a gap hardly occurs. The encoding device 100C and the imaging device 60 may be integrated. The coding element 100C is a mask having a spatial distribution of light transmittance. The encoding element 100C modulates the intensity of the incident light and passes the modulated light.

遮光素子50により、符号化素子100Cには、離散的な複数の方向から、光が入射する。この場合、符号化素子100Cの各領域に入射する光の離散的な複数の方向は、厳密には異なる。例えば、符号化素子100Cの中央付近と端付近とでは、光が入射する離散的な複数の方向の違いは小さくないと考えられる。しかし、実際には、対象物70からの光の像は、光学系40によって、符号化素子100Cの中央付近に集束される。中央付近の各領域では、光が入射する離散的な複数の方向はほとんど同じであると考えられる。したがって、前述した符号化の議論は、図9に示す撮像装置300にも有効である。   Due to the light shielding element 50, light enters the encoding element 100C from a plurality of discrete directions. In this case, the plurality of discrete directions of light incident on each region of the encoding element 100C are strictly different. For example, it is considered that the difference between a plurality of discrete directions in which light enters near the center and near the end of the coding element 100C is not small. However, in practice, the light image from the object 70 is focused by the optical system 40 near the center of the coding element 100C. In each region near the center, it is considered that the plurality of discrete directions in which light is incident are almost the same. Therefore, the above discussion of the encoding is also valid for the imaging device 300 shown in FIG.

撮像素子60は、光学デバイス150を通過した光の光路に配置され、光学デバイス150を通過した複数の波長域の成分が重畳した画像を取得する。   The imaging element 60 is arranged on the optical path of the light that has passed through the optical device 150, and acquires an image in which components in a plurality of wavelength ranges that have passed through the optical device 150 are superimposed.

図9には、撮像素子60から出力された画像信号を処理する信号処理回路200も示されている。信号処理回路200は、撮像装置300に組み込まれていてもよいし、撮像装置300に有線または無線によって電気的に接続された信号処理装置の構成要素であってもよい。信号処理回路200は、撮像素子60によって取得された画像120に基づいて、対象物70からの光の波長帯域ごとに分離された複数の画像220を推定する。推定方法の詳細は、米国特許出願公開第2016/138975号明細書に開示されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。   FIG. 9 also shows a signal processing circuit 200 that processes an image signal output from the image sensor 60. The signal processing circuit 200 may be incorporated in the imaging device 300, or may be a component of the signal processing device electrically connected to the imaging device 300 by wire or wirelessly. The signal processing circuit 200 estimates a plurality of images 220 separated for each wavelength band of light from the object 70 based on the image 120 acquired by the image sensor 60. Details of the estimation method are disclosed in US Patent Application Publication No. 2016/138975. The entire disclosure of this document is incorporated herein by reference.

<フィルタの変形例>
以下に、本実施形態におけるフィルタ100の変形例を説明する。以下の計算には、RSoft社のRCWAに基づくDiffractMODが用いられた。
<Modified example of filter>
Hereinafter, a modified example of the filter 100 in the present embodiment will be described. For the following calculations, DiffMOD based on RSSoft's RCWA was used.

図10Aは、フィルタ100の変形例を模式的に示す図である。図10Aに示す例では、フィルタ100は、基板10と、基板10上の光導波層20と、光導波層20上のバッファ層22と、バッファ層22上の金属グレーティング32とを備える。光導波層20の屈折率は、基板10の屈折率、バッファ層22の屈折率、および、金属グレーティング32上にある媒質の屈折率よりも高い。本明細書では、図10Aに示すフィルタ100を、「導波路プラズモンフィルタ」と称することがある。   FIG. 10A is a diagram schematically illustrating a modified example of the filter 100. In the example shown in FIG. 10A, the filter 100 includes the substrate 10, the optical waveguide layer 20 on the substrate 10, the buffer layer 22 on the optical waveguide layer 20, and the metal grating 32 on the buffer layer 22. The refractive index of the optical waveguide layer 20 is higher than the refractive index of the substrate 10, the refractive index of the buffer layer 22, and the refractive index of the medium on the metal grating 32. In this specification, the filter 100 shown in FIG. 10A may be referred to as a “waveguide plasmon filter”.

バッファ層22はなくてもよい。その場合、フィルタ100は、基板10と、基板10上の光導波層20と、光導波層20上の金属グレーティング32とを備える。光導波層20の屈折率は、基板10の屈折率、および、金属グレーティング32上にある媒質の屈折率よりも高い。   The buffer layer 22 may not be provided. In that case, the filter 100 includes the substrate 10, the optical waveguide layer 20 on the substrate 10, and the metal grating 32 on the optical waveguide layer 20. The refractive index of the optical waveguide layer 20 is higher than the refractive index of the substrate 10 and the refractive index of the medium on the metal grating 32.

基板10、光導波層20、およびバッファ層22は、対象波長域において透明である。例えば、可視光域では、基板10、光導波層20、およびバッファ層22の少なくとも1つは、SiO、TiO、Nb、TaまたはSiなどの誘電体材料から形成され得る。基板10、光導波層20、およびバッファ層22の各々は、2種類以上の誘電体層を含む多層構造であってもよい。 The substrate 10, the optical waveguide layer 20, and the buffer layer 22 are transparent in a target wavelength range. For example, in the visible light region, the substrate 10, the optical waveguide layer 20, and at least one of the buffer layer 22, a dielectric material such as SiO 2, TiO 2, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5 or Si 3 N 4 Can be formed from Each of the substrate 10, the optical waveguide layer 20, and the buffer layer 22 may have a multilayer structure including two or more types of dielectric layers.

金属グレーティング32は、対象波長域内で反射率が高く、吸収損失が小さい金属から形成され得る。例えば、可視光域では、当該金属は、金、銀、またはアルミから形成され得る。図10Aに示す例では、金属グレーティング32は、X方向において周期的であるが、さらにXY平面内の他の方向において周期的であってもよい。   The metal grating 32 can be formed from a metal having a high reflectance and a small absorption loss in the target wavelength range. For example, in the visible light range, the metal can be formed from gold, silver, or aluminum. In the example shown in FIG. 10A, the metal grating 32 is periodic in the X direction, but may be periodic in another direction in the XY plane.

図10Bは、図10Aに示すフィルタ100に光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。基板10、およびバッファ層22の各々は、SiOから形成された。光導波層20は、Siから形成された。金属グレーティング32は、銀から形成された。光導波層20の厚さは、100nmである。バッファ層22の厚さは50nmである。金属グレーティング32の高さは40nmであり、凸部の幅は260nmであり、周期は350nmである。金属グレーティング32の凹部は、貫通している。入射光は、TMモードの垂直入射光である。 FIG. 10B is a diagram illustrating a calculation result of the spectral transmittance when light is vertically incident on the filter 100 illustrated in FIG. 10A. Each of the substrate 10 and the buffer layer 22 was formed from SiO 2 . The optical waveguide layer 20 was formed from Si 3 N 4 . The metal grating 32 was formed from silver. The thickness of the optical waveguide layer 20 is 100 nm. The thickness of the buffer layer 22 is 50 nm. The height of the metal grating 32 is 40 nm, the width of the projection is 260 nm, and the period is 350 nm. The concave portion of the metal grating 32 penetrates. The incident light is TM mode normal incident light.

図10Cは、図10Aに示すフィルタ100の、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。図10Cに示す分光透過率は、式(1)に基づいて、入射角度の依存性を示すことがわかる。したがって、符号化素子100Cの少なくとも一部の領域に図10Aに示すフィルタ100を配置することにより、前述した本開示の効果を得ることができる。   FIG. 10C is a diagram illustrating a calculation result of the relationship between the incident angle and the spectral transmittance of the filter 100 illustrated in FIG. 10A. It can be seen that the spectral transmittance shown in FIG. 10C shows the dependence of the incident angle based on equation (1). Therefore, the effect of the present disclosure described above can be obtained by arranging the filter 100 shown in FIG. 10A in at least a part of the region of the encoding element 100C.

図11Aは、フィルタ100の変形例を模式的に示す図である。図11Aに示す例では、フィルタ100は、基板10と、基板10上の第1ミラー24aと、第1ミラー24a上の中間層26と、中間層26上の第2ミラー24bとを備える。本明細書では、図11Aに示すフィルタ100を、「ファブリ・ペローフィルタ」と称することがある。   FIG. 11A is a diagram schematically illustrating a modified example of the filter 100. In the example illustrated in FIG. 11A, the filter 100 includes the substrate 10, a first mirror 24a on the substrate 10, an intermediate layer 26 on the first mirror 24a, and a second mirror 24b on the intermediate layer 26. In this specification, the filter 100 shown in FIG. 11A may be referred to as a “Fabry-Perot filter”.

中間層26は、対象波長域において透明である。例えば、可視光域では、中間層26は、SiO、TiO、Nb、TaまたはSiなどの誘電体材料から形成され得る。中間層26は、2種類以上の誘電体層を含む多層構造であってもよい。 The intermediate layer 26 is transparent in the target wavelength range. For example, in the visible light region, the intermediate layer 26 may be formed from a dielectric material such as SiO 2, TiO 2, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5 or Si 3 N 4. The intermediate layer 26 may have a multilayer structure including two or more dielectric layers.

第1ミラー24aおよび第2ミラー24bの少なくとも一方は、例えば、誘電体多層膜、または金属薄膜から形成されてもよい。   At least one of the first mirror 24a and the second mirror 24b may be formed from, for example, a dielectric multilayer film or a metal thin film.

図11Bは、図11Aに示すフィルタ100に光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。基板10、および中間層26の各々は、SiOから形成された。第1ミラー24aおよび第2ミラー24bの各々は、銀から形成された。中間層26の厚さは、150nmである。第1ミラー24aおよび第2ミラー24bの各々の厚さは15nmである。入射光は、TMモードの垂直入射光である。 FIG. 11B is a diagram illustrating a calculation result of a spectral transmittance when light is vertically incident on the filter 100 illustrated in FIG. 11A. Each of the substrate 10 and the intermediate layer 26 was formed from SiO 2 . Each of the first mirror 24a and the second mirror 24b was formed from silver. The thickness of the intermediate layer 26 is 150 nm. The thickness of each of the first mirror 24a and the second mirror 24b is 15 nm. The incident light is TM mode normal incident light.

図11Cには、図11Aに示すフィルタ100の、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。図11Aに示すフィルタ100では、外部から入射した光により、中間層26内で多重反射が生じる。したがって、以下の式(4)が得られる。

Figure 2020053910
FIG. 11C is a diagram illustrating a calculation result of a relationship between the incident angle and the spectral transmittance of the filter 100 illustrated in FIG. 11A. In the filter 100 shown in FIG. 11A, multiple reflection occurs in the intermediate layer 26 due to light incident from the outside. Therefore, the following equation (4) is obtained.
Figure 2020053910

ここで、λは、入射光の波長である。θは、入射光の入射角度である。Lは、中間層26の厚さである。mは、1以上の整数である。nは、中間層の屈折率である。図11Cに示す分光透過率は、式(4)に基づいて、入射角度の依存性を示すことがわかる。したがって、符号化素子100Cの少なくとも一部の領域に図11Aに示すフィルタ100を配置することにより、前述した本開示の効果を得ることができる。   Here, λ is the wavelength of the incident light. θ is the incident angle of the incident light. L is the thickness of the intermediate layer 26. m is an integer of 1 or more. n is the refractive index of the intermediate layer. It can be seen that the spectral transmittance shown in FIG. 11C shows the dependence of the incident angle based on equation (4). Therefore, the effect of the present disclosure described above can be obtained by disposing the filter 100 illustrated in FIG. 11A in at least a part of the region of the encoding element 100C.

図12Aは、フィルタ100の変形例を模式的に示す図である。図12Aに示す例では、フィルタ100は、基板10と、基板10上の誘電体多層膜28とを備える。本明細書では、図12Aに示すフィルタ100を、「多層膜フィルタ」と称することがある。   FIG. 12A is a diagram schematically illustrating a modified example of the filter 100. In the example illustrated in FIG. 12A, the filter 100 includes the substrate 10 and the dielectric multilayer film 28 on the substrate 10. In this specification, the filter 100 illustrated in FIG. 12A may be referred to as a “multilayer filter”.

誘電体多層膜28は、第1誘電体層28aと、第2誘電体層28bとが、基板10に垂直な方向に交互に積層された構造を備える。第1誘電体層28aの屈折率は、第2誘電体層28bの屈折率と異なる。図12Aに示す例では、第1誘電体層28aの屈折率は、第2誘電体層28bの屈折率よりも高い。基板10、ならびに第1誘電体層28aおよび第2誘電体層28bは、対象波長域において透明である。例えば、可視光域では、基板10、ならびに第1誘電体層28aおよび第2誘電体層28bの少なくとも1つは、SiO、TiO、Nb、TaまたはSiなどの誘電体材料から形成され得る。 The dielectric multilayer film 28 has a structure in which first dielectric layers 28a and second dielectric layers 28b are alternately stacked in a direction perpendicular to the substrate 10. The refractive index of the first dielectric layer 28a is different from the refractive index of the second dielectric layer 28b. In the example shown in FIG. 12A, the refractive index of the first dielectric layer 28a is higher than the refractive index of the second dielectric layer 28b. The substrate 10 and the first and second dielectric layers 28a and 28b are transparent in the target wavelength range. For example, in the visible light range, the substrate 10 and at least one of the first dielectric layer 28a and the second dielectric layer 28b are made of SiO 2 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5, or Si 3 N 4. And the like.

図12Bは、図12Aに示すフィルタ100に光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。基板10は、SiOから形成された。第1誘電体層28aは、Siから形成され、第2誘電体層28bはSiOから形成された。第1誘電体層28aの厚さは、70nmであり、第2誘電体層28bの厚さは、90nmである。9層の第1誘電体層28a、および8層の第2誘電体層28bが、交互に積層された。入射光は、TMモードの垂直入射光である。図12Aに示すフィルタ100では、外部から入射した特定の波長域の光は、周期構造に起因するブラッグ反射によって強く反射される。 FIG. 12B is a diagram illustrating a calculation result of a spectral transmittance when light is vertically incident on the filter 100 illustrated in FIG. 12A. Substrate 10 was formed of SiO 2. The first dielectric layer 28a was formed from Si 3 N 4 and the second dielectric layer 28b was formed from SiO 2 . The thickness of the first dielectric layer 28a is 70 nm, and the thickness of the second dielectric layer 28b is 90 nm. Nine first dielectric layers 28a and eight second dielectric layers 28b were alternately stacked. The incident light is TM mode normal incident light. In the filter 100 illustrated in FIG. 12A, light in a specific wavelength range that is incident from the outside is strongly reflected by Bragg reflection caused by the periodic structure.

図12Cは、図12Aに示すフィルタ100の、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。図12Cに示す分光透過率は、入射角度の依存性を示すことがわかる。したがって、符号化素子100Cの少なくとも一部の領域に図12Aに示すフィルタ100を配置することにより、前述した本開示の効果を得ることができる。   FIG. 12C is a diagram illustrating a calculation result of the relationship between the incident angle and the spectral transmittance of the filter 100 illustrated in FIG. 12A. It can be seen that the spectral transmittance shown in FIG. 12C shows the dependency of the incident angle. Therefore, the effect of the present disclosure described above can be obtained by arranging the filter 100 shown in FIG. 12A in at least a part of the region of the encoding element 100C.

図13Aは、フィルタ100の変形例を模式的に示す図である。図13Aに示す例では、フィルタ100は、基板10と、基板10上のグレーティング34とを備える。グレーティング34は、基板10の表面に沿って等間隔に並んだ複数の積層構造体を含む。当該複数の積層構造体の各々は、基板10上の第1金属層29aと、第1金属層29a上の絶縁体層27と、絶縁体層27上の第2金属層29bと、を含む。本明細書では、図13Aに示すフィルタ100を、「金属−絶縁体−金属の積層構造を備えるフィルタ」と称することがある。   FIG. 13A is a diagram schematically illustrating a modified example of the filter 100. In the example illustrated in FIG. 13A, the filter 100 includes the substrate 10 and the grating 34 on the substrate 10. The grating 34 includes a plurality of stacked structures arranged at equal intervals along the surface of the substrate 10. Each of the plurality of stacked structures includes a first metal layer 29a on the substrate 10, an insulator layer 27 on the first metal layer 29a, and a second metal layer 29b on the insulator layer 27. In this specification, the filter 100 illustrated in FIG. 13A may be referred to as a “filter including a metal-insulator-metal stacked structure”.

基板10および絶縁体層27は、対象波長域において透明である。例えば、可視光域では、基板10および絶縁体層27の少なくとも一方は、SiO、TiO、Nb、TaまたはSiなどの誘電体材料から形成され得る。 The substrate 10 and the insulator layer 27 are transparent in a target wavelength range. For example, in the visible light region, at least one of the substrate 10 and insulator layer 27 may be formed from a dielectric material such as SiO 2, TiO 2, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5 or Si 3 N 4.

第1金属層29aおよび第2金属層29bの少なくとも一方は、例えば、金、銀、またはアルミから形成され得る。   At least one of the first metal layer 29a and the second metal layer 29b can be formed from, for example, gold, silver, or aluminum.

図13Bは、図13Aに示すフィルタ100に光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。基板10および絶縁体層27の各々は、SiOから形成された。第1金属層29aおよび第2金属層29bの各々は、銀から形成された。絶縁体層27の厚さは、75nmである。第1金属層29aおよび第2金属層29bの各々の厚さは、75nmである。グレーティング34の凸部の幅は、300nmであり、周期は、350nmである。グレーティング34の凹部は、貫通している。入射光は、TMモードの垂直入射光である。 FIG. 13B is a diagram illustrating a calculation result of a spectral transmittance when light is vertically incident on the filter 100 illustrated in FIG. 13A. Each of the substrate 10 and the insulator layer 27 was formed from SiO 2 . Each of the first metal layer 29a and the second metal layer 29b was formed from silver. The thickness of the insulator layer 27 is 75 nm. Each thickness of the first metal layer 29a and the second metal layer 29b is 75 nm. The width of the convex portion of the grating 34 is 300 nm, and the period is 350 nm. The concave portion of the grating 34 penetrates. The incident light is TM mode normal incident light.

図13Cは、図13Aに示すフィルタ100の、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。図13Cに示す分光透過率は、入射角度の依存性を示すことがわかる。したがって、符号化素子100Cの少なくとも一部の領域に図13Aに示すフィルタ100を配置することにより、前述した本開示の効果を得ることができる。   FIG. 13C is a diagram illustrating a calculation result of the relationship between the incident angle and the spectral transmittance of the filter 100 illustrated in FIG. 13A. It can be seen that the spectral transmittance shown in FIG. 13C shows the dependency of the incident angle. Therefore, the effect of the present disclosure described above can be obtained by arranging the filter 100 illustrated in FIG. 13A in at least a part of the region of the encoding element 100C.

符号化素子100Cの複数のフィルタの各々は、導波路共鳴格子フィルタ、導波路プラズモンフィルタ、ファブリ・ペローフィルタ、多層膜フィルタ、および金属−絶縁体−金属の積層構造を備えるフィルタからなる群から選択される1つのフィルタであり得る。   Each of the plurality of filters of the encoding element 100C is selected from the group consisting of a waveguide resonance grating filter, a waveguide plasmon filter, a Fabry-Perot filter, a multilayer filter, and a filter having a metal-insulator-metal stacked structure. Filter.

前述したフィルタ100のうち、図4A、図10A、および図13Aに示すフィルタ100は、それぞれ、グレーティング30、金属グレーティング32、およびグレーティング34を備える。図4A、図10A、および図13Aに示すフィルタ100では、グレーティング30、金属グレーティング32、およびグレーティング34の周期を変化させることにより、フィルタ100の厚さを変化させることなく、異なる分光透過率を得ることができる。したがって、符号化素子100Cの各領域に図4A、図10A、および図13Aのいずれかに示すフィルタ100が配置することにより、厚さが均一であり、かつ領域ごとに分光透過率が異なる符号化素子100Cを実現することができる。   Of the above-described filters 100, the filters 100 shown in FIGS. 4A, 10A, and 13A include a grating 30, a metal grating 32, and a grating 34, respectively. In the filter 100 shown in FIGS. 4A, 10A, and 13A, different spectral transmittances can be obtained by changing the periods of the grating 30, the metal grating 32, and the grating 34 without changing the thickness of the filter 100. be able to. Therefore, by arranging the filter 100 shown in FIG. 4A, FIG. 10A, or FIG. 13A in each region of the coding element 100C, the coding is uniform in thickness and the spectral transmittance differs in each region. The element 100C can be realized.

本開示における光学デバイスおよび撮像装置は、例えば、多波長の2次元画像を取得するカメラおよび測定機器に有用である。本開示における光学デバイスおよび撮像装置は、生体・医療・美容向けセンシング、食品の異物・残留農薬検査システム、リモートセンシングシステムおよび車載センシングシステム等にも応用できる。   The optical device and the imaging device according to the present disclosure are useful for, for example, a camera and a measurement device that acquire a two-dimensional image of multiple wavelengths. The optical device and the imaging device according to the present disclosure can also be applied to sensing for living organisms, medical care, and beauty, a foreign matter / pesticide residue inspection system for food, a remote sensing system, a vehicle-mounted sensing system, and the like.

10 :基板
20 :光導波層
22 :バッファ層
24a :第1ミラー
24b :第2ミラー
26 :中間層
27 :絶縁体層
28 :誘電体多層膜
28a :第1誘電体層
28b :第2誘電体層
29a :第1金属層
29b :第2金属層
30 :グレーティング
32 :金属グレーティング
34 :グレーティング
40 :光学系
50 :遮光素子
50a :遮光領域
50b :透光領域
60 :撮像素子
70 :対象物
100 :フィルタ
100C :符号化素子
120 :画像
150 :光学デバイス
200 :信号処理回路
220 :画像
300 :撮像装置
Reference Signs List 10: substrate 20: optical waveguide layer 22: buffer layer 24 a: first mirror 24 b: second mirror 26: intermediate layer 27: insulator layer 28: dielectric multilayer film 28 a: first dielectric layer 28 b: second dielectric Layer 29a: First metal layer 29b: Second metal layer 30: Grating 32: Metal grating 34: Grating 40: Optical system 50: Light-shielding element 50a: Light-shielding area 50b: Light-transmitting area 60: Imaging element 70: Object 100: Filter 100C: Coding element 120: Image 150: Optical device 200: Signal processing circuit 220: Image 300: Imaging device

Claims (12)

対象物から入射する光の光路に配置されたフィルタアレイであって、前記光路に交差する面に沿って2次元に配列された透光性の複数のフィルタを備え、前記複数のフィルタは、光透過率の波長依存性が互いに異なる2つ以上のフィルタを含み、前記複数のフィルタの光透過率の波長依存性は、光の入射角度に応じて変化する、フィルタアレイと、
前記対象物と前記フィルタアレイとの間に配置され、前記対象物から入射する前記光を前記フィルタアレイの前記面上に集束させる光学系と、
前記対象物と前記光学系との間、または、前記光学系と前記フィルタアレイとの間に位置する遮光素子であって、1つ以上の透光領域および1つ以上の遮光領域を備え、前記1つ以上の遮光領域は、前記光学系から前記フィルタアレイに向かう光のうち、特定の1つ以上の入射角度で入射する光の強度を低減する、遮光素子と、
を備える、
光学デバイス。
A filter array arranged in an optical path of light incident from an object, comprising a plurality of translucent filters two-dimensionally arranged along a plane intersecting the optical path, wherein the plurality of filters include A filter array including two or more filters having different wavelength dependencies of transmittance, wherein the wavelength dependency of light transmittance of the plurality of filters changes according to an incident angle of light;
An optical system disposed between the object and the filter array, for focusing the light incident from the object on the surface of the filter array;
A light-blocking element located between the object and the optical system, or between the optical system and the filter array, comprising one or more light-transmitting regions and one or more light-blocking regions, One or more light-shielding regions, among light traveling from the optical system toward the filter array, a light-shielding element that reduces the intensity of light incident at one or more specific incident angles;
Comprising,
Optical device.
前記光学系は、凸レンズを含み、
前記1つ以上の透光領域は、前記凸レンズの光軸を中心とする同心円状の構造を有し、
前記1つ以上の遮光領域は、前記凸レンズの前記光軸を中心とする同心円状の構造を有し、入射する光を反射または吸収する、
請求項1に記載の光学デバイス。
The optical system includes a convex lens,
The one or more light-transmitting regions have a concentric structure centered on the optical axis of the convex lens,
The one or more light-shielding regions have a concentric structure centered on the optical axis of the convex lens, and reflect or absorb incident light,
The optical device according to claim 1.
前記光学系の開口数をNAとすると、
前記光学系から前記フィルタアレイに入射する光の入射角度の最小値は0度であり、
前記入射角度の最大値は、sin−1(NA)度である、
請求項1または2に記載の光学デバイス。
When the numerical aperture of the optical system is NA,
The minimum value of the incident angle of light incident on the filter array from the optical system is 0 degrees,
The maximum value of the incident angle is sin −1 (NA) degrees.
The optical device according to claim 1.
前記複数のフィルタの各々は、導波路共鳴格子フィルタ、導波路プラズモンフィルタ、ファブリ・ペローフィルタ、多層膜フィルタ、および金属−絶縁体−金属の積層構造を備えるフィルタからなる群から選択される1つのフィルタである、
請求項1から3のいずれかに記載の光学デバイス。
Each of the plurality of filters is one selected from the group consisting of a waveguide resonance grating filter, a waveguide plasmon filter, a Fabry-Perot filter, a multilayer filter, and a filter having a metal-insulator-metal stacked structure. Filter
The optical device according to claim 1.
前記複数のフィルタの各々は、基板と、前記基板上の光導波層と、前記光導波層上のグレーティングとを備える導波路共鳴格子フィルタである、
請求項1から4のいずれかに記載の光学デバイス。
Each of the plurality of filters is a waveguide resonance grating filter comprising a substrate, an optical waveguide layer on the substrate, and a grating on the optical waveguide layer,
The optical device according to claim 1.
前記フィルタアレイに入射する光の波長をλとし、
前記フィルタアレイに入射する前記光の入射角度をθとし、
前記グレーティングによって回折される光のモード数をmとし、
前記光導波層の厚さをTとし、
前記光導波層内を伝搬する光の導波モードの実効屈折率をneffとし、
前記基板の屈折率をnとし、
前記光導波層の屈折率をnとし、
前記グレーティング上にある媒質の屈折率をnとし、
前記光導波層内を伝搬する光の導波モードのモード数をmとすると、
Figure 2020053910
を満たし、かつ、
Figure 2020053910
または、
Figure 2020053910
を満たす、
請求項5に記載の光学デバイス。
The wavelength of light incident on the filter array is λ,
The incident angle of the light incident on the filter array is θ,
The number of modes of light diffracted by the grating and m 1,
T is the thickness of the optical waveguide layer,
An effective refractive index of a guided mode of light propagating in the optical waveguide layer is n eff ,
The refractive index of the substrate as n s,
The refractive index of the optical waveguide layer and n f,
The refractive index of the medium is on the grating and n c,
Assuming that the number of guided modes of light propagating in the optical waveguide layer is m 2 ,
Figure 2020053910
Satisfy and
Figure 2020053910
Or
Figure 2020053910
Meet,
The optical device according to claim 5.
前記複数のフィルタの各々は、基板と、前記基板上の光導波層と、前記光導波層上の金属から形成されたグレーティングと、を備える導波路プラズモンフィルタである、
請求項1から4のいずれかに記載の光学デバイス。
Each of the plurality of filters is a waveguide plasmon filter comprising a substrate, an optical waveguide layer on the substrate, and a grating formed of metal on the optical waveguide layer,
The optical device according to claim 1.
前記複数のフィルタの各々は、基板と、前記基板上の光導波層と、前記光導波層上のバッファ層と、前記バッファ層上の金属から形成されたグレーティングと、を備える導波路プラズモンフィルタである、
請求項1から4のいずれかに記載の光学デバイス。
Each of the plurality of filters is a waveguide plasmon filter including a substrate, an optical waveguide layer on the substrate, a buffer layer on the optical waveguide layer, and a grating formed of metal on the buffer layer. is there,
The optical device according to claim 1.
前記複数のフィルタの各々は、基板と、前記基板上の第1ミラーと、前記第1ミラー上の中間層と、前記中間層上の第2ミラーと、を備えるファブリ・ペローフィルタである、
請求項1から4のいずれかに記載の光学デバイス。
Each of the plurality of filters is a Fabry-Perot filter including a substrate, a first mirror on the substrate, an intermediate layer on the first mirror, and a second mirror on the intermediate layer.
The optical device according to claim 1.
前記複数のフィルタの各々は、基板と、前記基板上の誘電体多層膜とを備える多層膜フィルタであり、
前記誘電体多層膜は、第1誘電体層と第2誘電体層とが、前記基板に垂直な方向に交互に積層された構造を備え、
前記第1誘電体層の屈折率は、前記第2誘電体層の屈折率と異なる、
請求項1から4のいずれかに記載の光学デバイス。
Each of the plurality of filters is a multilayer filter including a substrate and a dielectric multilayer film on the substrate,
The dielectric multilayer film has a structure in which first dielectric layers and second dielectric layers are alternately stacked in a direction perpendicular to the substrate,
A refractive index of the first dielectric layer is different from a refractive index of the second dielectric layer;
The optical device according to claim 1.
前記複数のフィルタの各々は、基板と、前記基板上のグレーティングとを備え、
前記グレーティングは、前記基板の表面に沿って等間隔に並んだ複数の積層構造体を含み、
前記複数の積層構造体の各々は、前記基板上の第1金属層と、前記第1金属層上の絶縁体層と、前記絶縁体層上の第2金属層とを含む、
請求項1から4のいずれかに記載の光学デバイス。
Each of the plurality of filters includes a substrate, and a grating on the substrate,
The grating includes a plurality of laminated structures arranged at equal intervals along the surface of the substrate,
Each of the plurality of stacked structures includes a first metal layer on the substrate, an insulator layer on the first metal layer, and a second metal layer on the insulator layer.
The optical device according to claim 1.
請求項1から11のいずれかに記載の光学デバイスと、
前記光学デバイスを通過した光の光路に配置され、前記光学デバイスを通過した複数の波長域の成分が重畳した画像を取得する撮像素子と、
を備える、
撮像装置。
An optical device according to any one of claims 1 to 11,
An image sensor that is arranged in an optical path of light that has passed through the optical device and acquires an image in which components in a plurality of wavelength ranges that have passed through the optical device are superimposed,
Comprising,
Imaging device.
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