JP2021099485A - 偏光分光フィルタ、偏光分光フィルタアレイ及び偏光分光センサ - Google Patents

偏光分光フィルタ、偏光分光フィルタアレイ及び偏光分光センサ Download PDF

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Abstract

【課題】偏光分光フィルタ、偏光分光フィルタアレイ及び偏光分光センサを提供する。【解決手段】特定の線偏光成分を有する特定波長帯域光を選択的に透過させることができる偏光分光フィルタに係り、該偏光分光フィルタ１００は、第１方向に互いに対向して配置された第１反射器１１０及び第２反射器１３０と、第１反射器１１０と第２反射器１３０との間に配置された格子層１２０と、を含み、格子層１２０は、第１方向に垂直な第２方向に沿って交互に配列された多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとを含み、それぞれの第１格子要素１２０ａは、第１屈折率を有する第１誘電体材料からなり、それぞれの第２格子要素１２０ｂは、第１屈折率より高い第２屈折率を有する第２誘電体材料からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、偏光分光フィルタ、偏光分光フィルタアレイ及び偏光分光センサに係り、さらに詳細には、特定の線偏光成分を有する特定波長帯域光を選択的に透過させることができる偏光分光フィルタ、偏光分光フィルタアレイ、及び偏光分光フィルタアレイを利用し、入射光の偏光情報と分光情報とを同時に獲得することができる偏光分光センサに関する。
分光器は、ドローン、人工衛星、航空機などから地上撮影を行い、農業現場状態分析、鉱物分布、地表面植生、汚染程度などを分析するところに使用されており、食品安全、皮膚／顔分析、認証認識、生体組織分析のような多様な分野においても応用されている。最近では、モバイルヘルスケア（ｍｏｂｉｌｅ ｈｅａｌｔｈｃａｒｅ）のような分野にも、分光器の応用が拡大されている。
ここで、偏光映像は、産業装備、自動車電装部品のような分野において、一般的なＲＧＢ情報以外に、圧力、表面欠陥、スクラッチのようなさらなる情報を提供することができる。また、該偏光映像は、曇ったり、霧がかかったりする天候において、さらに正確に物体を識別可能なものとする。
従って、そのような分光映像や偏光映像を獲得することができるセンサの活用分野が拡大されている。また、イメージセンサが小型化され、イメージセンサの解像度が上昇しながら、該イメージセンサに統合され、高分解能の分光映像や偏光映像を獲得するための研究が進行中である。
米国特許出願公開第２００２／００８０４９３号明細書 米国特許出願公開第２００６／０２６２２５０号明細書 米国特許第９０５２４５４号明細書
本発明が解決しようとする課題は、特定の線偏光成分を有する特定波長帯域光を選択的に透過させることができる偏光分光フィルタと、偏光分光フィルタアレイとを提供する。
また、該偏光分光フィルタアレイを利用し、入射光の偏光情報と分光情報とを同時に獲得することができる偏光分光センサを提供する。
一実施形態による偏光分光フィルタは、第１反射器と、前記第１反射器と第１方向に互いに対向して配置された第２反射器と、前記第１反射器と前記第２反射器との間に配置された格子層と、を含み、前記格子層は、第１方向に垂直な第２方向に沿って交互に配列された多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素とを含み、それぞれの第１格子要素は、第１屈折率を有する第１誘電体材料からなり、それぞれの第２格子要素は、第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２誘電体材料からもなる。
それぞれの第１格子要素と、それぞれの第２格子要素は、棒形態を有し、前記多数の第１格子要素と、前記多数の第２格子要素とが一次元配列されてもよい。
それぞれの第１格子要素の第１表面と、それぞれの第２格子要素の第１表面とが前記第１反射器に接触し、それぞれの第１格子要素の第１表面に対向するそれぞれの第１格子要素の第２表面と、それぞれの第２格子要素の第１表面に対向するそれぞれの第２格子要素の第２表面とが前記第２反射器に接触することができる。
前記偏光分光フィルタが、第１線偏光成分を有する光のうち、第１波長帯域の光を透過させ、第１線偏光成分に垂直な第２線偏光成分を有する光のうち、第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を透過させるように、それぞれの第１格子要素と、それぞれの第２格子要素との厚み、多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素との配列周期、及び第１格子要素と第２格子要素との比率が決定されうる。
例えば、それぞれの第１格子要素と、それぞれの第２格子要素との厚みは、９０ｎｍないし３５０ｎｍでもある。
例えば、多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素との配列周期は、１５０ｎｍないし３００ｎｍでもある。
例えば、多数の第２格子要素に対する多数の第１格子要素の比率は、０．２ないし０．７でもある。
前記第１誘電体材料と前記第２誘電体材料は、第１波長帯域の光、及び第２波長帯域の光に対して透明でもある。
前記偏光分光フィルタは、前記第１反射器の表面に配置されたものであり、第１波長帯域の光を遮断し、第２波長帯域の光を透過させる帯域通過フィルタをさらに含んでもよい。
前記偏光分光フィルタは、前記第１反射器の表面に配置された１／４波長板をさらに含んでもよい。
前記第１反射器は、第３方向に沿って交互に積層された多数の第１誘電体層と、多数の第２誘電体層とを含み、前記第２反射器は、第３方向に沿って交互に積層された多数の第３誘電体層と、多数の第４誘電体層とを含み、それぞれの第１誘電体層と、それぞれの第２誘電体層は、互いに異なる屈折率を有する誘電体材料からなり、それぞれの第３誘電体層と、それぞれの第４誘電体層は、互いに異なる屈折率を有する誘電体材料からもなる。
前記第１反射器の第１誘電体層、及び前記第２反射器の第３誘電体層は、前記第１誘電体材料からなり、前記第１反射器の第２誘電体層、及び前記第２反射器の第４誘電体層は、前記第２誘電体材料からもなる。
前記格子層は、第１屈折率及び第２屈折率と異なる第３屈折率を有する第３誘電体材料からなる多数の第３格子要素をさらに含み、前記多数の第１格子要素、前記多数の第２格子要素、及び前記多数の第３格子要素は、第１方向に垂直な第２方向に沿って交互に配列されてもよい。
他の実施形態による偏光分光フィルタアレイは、二次元配列された多数の単位フィルタアレイを含み、それぞれの単位フィルタアレイは、第１波長帯域の光を透過させる第１偏光分光フィルタ集合、及び第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を透過させる第２偏光分光フィルタ集合を含み、前記第１偏光分光フィルタ集合は、第１波長帯域の光のうち、第１線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第１偏光分光フィルタ、及び第１波長帯域の光のうち、第１線偏光成分に垂直な第２線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第２偏光分光フィルタを含み、前記第２偏光分光フィルタ集合は、第２波長帯域の光のうち、第１線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第３偏光分光フィルタ、及び第２波長帯域の光のうち、第２線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第４偏光分光フィルタを含み、前記第１偏光分光フィルタないし前記第４偏光分光フィルタは、それぞれ、第１方向に互いに対向して配置された第１反射器及び第２反射器と、前記第１反射器と前記第２反射器との間に配置された格子層と、を含み、前記格子層は、第１方向に垂直な第２方向に沿って交互に配列された多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素とを含み、それぞれの第１格子要素は、第１屈折率を有する第１誘電体材料からなり、それぞれの第２格子要素は、第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２誘電体材料からもなる。
前記第２偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素は、前記第１偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素とに対し、第１方向に垂直な平面上において、９０°回転されており、前記第４偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素は、前記第３偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素とに対し、第１方向に垂直な平面上において、９０°回転されてもいる。
それぞれの第１格子要素と、それぞれの第２格子要素は、棒形態を有し、前記多数の第１格子要素と、前記多数の第２格子要素とが一次元配列されてもよい。
前記第１偏光分光フィルタないし前記第４偏光分光フィルタのそれぞれに対し、それぞれの第１格子要素と、それぞれの第２格子要素との厚み、多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素との配列周期、及び第１格子要素と第２格子要素との比率を基に、前記第１偏光分光フィルタは、第１線偏光成分を有する光のうち、第１波長帯域の光を透過させるように構成され、前記第２偏光分光フィルタは、第２線偏光成分を有する光のうち、第１波長帯域の光を透過させるように構成され、前記第３偏光分光フィルタは、第１線偏光成分を有する光のうち、第２波長帯域の光を透過させるように構成され、前記第４偏光分光フィルタは、第２線偏光成分を有する光のうち、第２波長帯域の光を透過させるようにも構成される。
前記第１偏光分光フィルタのそれぞれの第１格子要素の幅及び厚み、それぞれの第２格子要素の幅及び厚み、並びに第１格子要素と第２格子要素との比率は、前記第２偏光分光フィルタのそれぞれの第１格子要素の幅及び厚み、それぞれの第２格子要素の幅及び厚み、並びに第１格子要素と第２格子要素との比率と同一であり、前記第３偏光分光フィルタのそれぞれの第１格子要素の幅及び厚み、それぞれの第２格子要素の幅及び厚み、並びに第１格子要素と第２格子要素との比率は、前記第４偏光分光フィルタのそれぞれの第１格子要素の幅及び厚み、それぞれの第２格子要素の幅及び厚み、並びに第１格子要素と第２格子要素との比率と同一でもある。
前記第１偏光分光フィルタないし前記第４偏光分光フィルタのそれぞれは、それぞれの前記第１反射器の表面に配置され、第１波長帯域、及び第２波長帯域の光を透過させ、残りの他の波長帯域の光を遮断する帯域通過フィルタをさらに含んでもよい。
前記第１偏光分光フィルタ集合は、第１波長帯域の光のうち、第１線偏光成分に対して４５°回転された第３線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第５偏光分光フィルタをさらに含み、前記第２偏光分光フィルタ集合は、第２波長帯域の光のうち、第１線偏光成分に対して４５°回転された第３線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第６偏光分光フィルタをさらに含み、前記第５偏光分光フィルタ及び前記第６偏光分光フィルタは、それぞれ前記第１反射器、前記第２反射器及び前記格子層を含んでもよい。
前記第５偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素は、前記第１偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素とに対し、第１方向に垂直な平面上において、４５°回転されており、前記第６偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素は、前記第３偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素とに対し、第１方向に垂直な平面上において、４５°回転されてもいる。
前記第１偏光分光フィルタ集合は、第１波長帯域の光のうち、第１線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第５偏光分光フィルタをさらに含み、前記第２偏光分光フィルタ集合は、第２波長帯域の光のうち、第１線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第６偏光分光フィルタをさらに含み、前記第５偏光分光フィルタ及び前記第６偏光分光フィルタは、それぞれ前記第１反射器、前記第２反射器及び前記格子層を含んでもよい。
さらに他の実施形態による偏光分光センサは、上述した偏光分光フィルタアレイと、前記偏光分光フィルタアレイを透過した光の強度を感知する多数の二次元配列されたセンシング画素を含むイメージセンサと、を含む。
一実施形態による偏光分光フィルタの構成を概略的に示す断面図である。 図１に図示された偏光分光フィルタの格子層の構成を概略的に示す斜視図である。 図１に図示された偏光分光フィルタの透過特性を例示的に示すグラフである。 図１に図示された偏光分光フィルタの２個の異なる透過波長帯域の偏光角度による透過特性を例示的に示すグラフである。 図１に図示された偏光分光フィルタの透過特性の変化を例示的に示すグラフである。 他の実施形態による偏光分光フィルタの構成を概略的に示す断面図である。 他の実施形態による偏光分光フィルタの構成を概略的に示す断面図である。 図７に図示された偏光分光フィルタの透過特性を例示的に示すグラフである。 さらに他の実施形態による偏光分光フィルタの構成を概略的に示す断面図である。 さらに他の実施形態による偏光分光フィルタの構成を概略的に示す断面図である。 さらに他の実施形態による偏光分光フィルタの構成を概略的に示す断面図である。 一実施形態による偏光分光フィルタアレイ、及びそれを含む偏光分光センサの構成を概略的に示す斜視図である。 図１２に図示された偏光分光フィルタアレイの構成を例示的に示す図面である。 図１２に図示された偏光分光フィルタアレイのそれぞれの単位フィルタアレイの１つの偏光分光フィルタ集合内の偏光分光フィルタ配列の例を示す図面である。 図１４のＡ−Ａ’ラインに沿う断面図である。 図１２に図示された偏光分光フィルタアレイのそれぞれの単位フィルタアレイの１つの偏光分光フィルタ集合内の偏光分光フィルタ配列の他例を示す図面である。 図１６のＢ−Ｂ’ラインに沿う断面図である。 図１６のＢ−Ｂ’ラインに沿う他の断面図である。 図１６のＢ−Ｂ’ラインに沿うさらに他の断面図である。
以下、添付された図面を参照し、偏光分光フィルタ、偏光分光フィルタアレイ及び偏光分光センサについて詳細に説明する。以下の図面において、同一参照符号は、同一構成要素を指し、図面上において、各構成要素の大きさは、説明の明瞭性と便宜性とのために誇張されてもいる。また、以下で説明される実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、そのような実施形態から多様な変形が可能である。
以下において、「上部」であったり、「上」であったりと記載されたところは、接触して真上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものも含んでもよい。単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、多数の表現を含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、それは、特別に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいということを意味する。
「前記」の用語、及びそれと類似した指示用語の使用は、単数及び多数のいずれにも該当しうる。方法を構成する段階について明白に順序を記載するか、あるいはそれと反対になる記載がなければ、そのような段階は、適切な順序によっても遂行されるが、必ずしも記載された順序に限定されるものではない。
また、明細書に記載された「…部」、「モジュール」というような用語は、少なくとも１つの機能や動作を処理する単位を意味し、それは、ハードウェアまたはソフトウェアによって具現されるか、あるいはハードウェアとソフトウェアとの結合によっても具現される。
図面に図示された構成要素間の線の連結または連結部材は、機能的な連結、及び／または物理的または回路的連結を例示的に示したものであり、実際の装置においては、代替可能であったり、追加されたりする多様な機能的な連結、物理的な連結、または回路連結としても示される。
全ての例、または例示的な用語の使用は、単に、技術的思想について詳細に説明するためのものであり、特許請求の範囲によって限定されない以上、そのような例、または例示的な用語によって範囲が限定されるものではない。
図１は、一実施形態による偏光分光フィルタの構成を概略的に示す断面図である。図１を参照すれば、一実施形態による偏光分光フィルタ１００は、第１反射器１１０、第１反射器１１０上に配置された格子層１２０、及び格子層１２０上に配置された第２反射器１３０を含んでもよい。従って、第１反射器１１０と第２反射器１３０は、厚み方向（すなわち、偏光分光フィルタ１００の上下方向）に沿って互いに対向して配置され、格子層１２０は、第１反射器１１０と第２反射器１３０との間に配置される。
第１反射器１１０と第２反射器１３０は、例えば、屈折率が互いに異なる２個の誘電体層を反復して交互に積層して形成された分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）でもある。例えば、第１反射器１１０は、厚み方向に沿って交互に積層された多数の第１誘電体層１１０ａと、多数の第２誘電体層１１０ｂとを含んでもよい。第２反射器１３０は、厚み方向に沿って交互に積層された多数の第３誘電体層１３０ａと、多数の第４誘電体層１３０ｂとを含んでもよい。それぞれの第１誘電体層１１０ａと、それぞれの第２誘電体層１１０ｂは、互いに異なる屈折率を有する誘電体材料からもなる。また、それぞれの第３誘電体層１３０ａと、それぞれの第４誘電体層１３０ｂも、互いに異なる屈折率を有する誘電体材料からもなる。例えば、それぞれの第１誘電体層１１０ａは、第１屈折率を有する第１誘電体材料を含み、それぞれの第２誘電体層１１０ｂは、第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２誘電体材料を含み、それぞれの第３誘電体層１３０ａは、第３屈折率を有する第３誘電体材料を含み、それぞれの第４誘電体層１３０ｂは、第３屈折率と異なる第４屈折率を有する第４誘電体材料を含む。
例えば、第１誘電体層１１０ａと第２誘電体層１１０ｂは、Ｓｉ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｓｉ２Ｎ３のうちから選択された互いに異なる２個の誘電体材料からもなり、第３誘電体層１３０ａと第４誘電体層１３０ｂも、Ｓｉ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｓｉ２Ｎ３のうちから選択された互いに異なる２個の誘電体材料からもなる。例えば、第１誘電体層１１０ａは、Ｓｉ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＳｉ２Ｎ３のうちから選択された誘電体材料を含み、第２誘電体層１１０ｂは、Ｓｉ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＳｉ２Ｎ３のうちから選択された他の誘電体材料を含んでもよい。また、第１反射器１１０の第１誘電体層１１０ａと、第２反射器１３０の第３誘電体層１３０ａとが同一誘電体材料からなり、第１反射器１１０の第２誘電体層１１０ｂと、第２反射器１３０の第４誘電体層１３０ｂとが同一誘電体材料からもなる。または、第１反射器１１０の第１誘電体層１１０ａと、第２反射器１３０の第４誘電体層１３０ｂとが同一誘電体材料からなり、第１反射器１１０の第２誘電体層１１０ｂと、第２反射器１３０の第３誘電体層１３０ａとが同一誘電体材料からなってもよい。
そのような第１反射器１１０と第２反射器１３０との構造によれば、屈折率が互いに異なる第１誘電体層１１０ａと第２誘電体層１１０ｂとの界面、及び屈折率が互いに異なる第３誘電体層１３０ａと第４誘電体層１３０ｂとの界面において反射が起こるが、反射する全ての光の位相を一致させることにより、高反射率を得ることができる。そのために、第１誘電体層１１０ａないし第４誘電体層１３０ｂそれぞれの光学的厚（すなわち、物理的厚に層材料の屈折率を乗じた値）を、大体のところ、偏光分光フィルタ１００が透過させる光の波長帯域の１／４に選択することができる。
互いに対向して配置された第１反射器１１０と第２反射器１３０は、光を共振させる共振器を形成する。第１反射器１１０と第２反射器１３０とによって形成される共振器内には、格子層１２０が配置されている。第１反射器１１０の上部表面を介して入射した光は、第１反射器１１０と第２反射器１３０との間で共振しながら、第２反射器１３０の下部表面を介して出射することができる。光は、第１反射器１１０と第２反射器１３０との間で共振する間、格子層１２０を反復して通過する。従って、第２反射器１３０の下部表面を介して出射する光の特性は、格子層１２０の構造によって主に決定されうる。
開示された実施形態において、格子層１２０は、偏光依存的な特性を有するようにも構成される。そのために、格子層１２０は、厚み方向に垂直な水平方向に沿って交互に配列された多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとを含んでもよい。例えば、厚み方向に、多数の第１格子要素１２０ａの下部表面と、厚み方向に、多数の第２格子要素１２０ｂの下部表面とが第１反射器１１０に接触して同一平面上に位置し、厚み方向に、多数の第１格子要素１２０ａの上部表面と、厚み方向に、多数の第２格子要素１２０ｂの上部表面とが第２反射器１３０に接触して同一平面上に位置するように、多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとが配列されてもよい。
第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂは、互いに異なる屈折率を有する誘電体材料からもなる。言い換えれば、それぞれの第１格子要素１２０ａは、第１屈折率を有する第１誘電体材料からなり、それぞれの第２格子要素１２０ｂは、第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２誘電体材料からもなる。例えば、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂは、Ｓｉ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｓｉ２Ｎ３のうちから選択された互いに異なる２個の誘電体材料からもなる。前述の材料以外にも、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとをなす第１誘電体材料と第２誘電体材料は、偏光分光フィルタ１００の透過波長帯域の光に対して透明な他のいかなる材料を含んでもよい。
また、第１格子要素１２０ａは、第１反射器１１０の第１誘電体層１１０ａ、及び第２反射器１３０の第３誘電体層１３０ａと同一誘電体材料からなり、第２格子要素１２０ｂは、第１反射器１１０の第２誘電体層１１０ｂ、及び第２反射器１３０の第４誘電体層１３０ｂと同一誘電体材料からもなる。または、第１格子要素１２０ａは、第１反射器１１０の第１誘電体層１１０ａ、及び第２反射器１３０の第４誘電体層１３０ｂと同一誘電体材料からなり、第２格子要素１２０ｂは、第１反射器１１０の第２誘電体層１１０ｂ、及び第２反射器１３０の第３誘電体層１３０ａと同一誘電体材料からなってもよい。
図２は、図１に図示された偏光分光フィルタ１００の格子層１２０の構成を概略的に示す斜視図である。図２を参照すれば、格子層１２０のそれぞれの第１格子要素１２０ａと、それぞれの第２格子要素１２０ｂは、一方向に長く延長された棒形態を有することができる。そして、多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂは、その幅方向に沿って反復して交互に配列される。第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂは、同一厚Ｔを有する。また、多数の第１格子要素１２０ａは、同一幅Ｗ１を有し、多数の第２格子要素１２０ｂは、互いに同一幅Ｗ２を有する。従って、多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂは、一定周期Ｐで配列される。
多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとが前述の方式で一次元配列されているために、格子層１２０及び偏光分光フィルタ１００は、偏光依存的な特性を有することができる。例えば、第１反射器１１０と第２反射器１３０との間で共振する光のうち、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に平行な偏光成分を有する光に対する偏光分光フィルタ１００の透過率と、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に垂直な偏光成分を有する光に対する偏光分光フィルタ１００の透過率とが異なりうる。特に、本実施形態による偏光分光フィルタ１００は、光の偏光方向により、透過波長の帯域が異なりうる。
例えば、図３は、図１に図示された偏光分光フィルタ１００の透過特性を例示的に示すグラフである。図３を参照すれば、偏光分光フィルタ１００を透過した光の波長は、分離された２個の狭い波長帯域でピークを有する。例えば、偏光分光フィルタ１００を透過した光は、約８２５ｎｍの中心波長を有する第１スペクトルＳＰ１と、約８７５ｎｍの中心波長を有する第２スペクトルＳＰ２とを有することができる。第１スペクトルＳＰ１と第２スペクトルＳＰ２は、狭い波長幅を有することができる。例えば、第１スペクトルＳＰ１の半値幅（ＦＷＨＭ）と、第２スペクトルＳＰ２の半値幅は、約１ｎｍないし約１０ｎｍの範囲を有することができる。従って、第１スペクトルＳＰ１と第２スペクトルＳＰ２は、互いに重畳されず、第１スペクトルＳＰ１と第２スペクトルＳＰ２との間の波長帯域において、偏光分光フィルタ１００の透過率は、ほぼ０に近い。第１スペクトルＳＰ１の半値幅と、第２スペクトルＳＰ２の半値幅は、第１反射器１１０の第１誘電体層１１０ａと第２誘電体層１１０ｂとの対の個数、及び第２反射器１３０の第３誘電体層１３０ａと第４誘電体層１３０ｂとの対の個数が増加するほど小さくもなる。
特に、第１スペクトルＳＰ１の光は、格子層１２０の第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に垂直な偏光成分を有し、第２スペクトルＳＰ２の光は、格子層１２０の第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に平行な偏光方向を有する。従って、偏光分光フィルタ１００は、互いに垂直な偏光方向を有する２個の異なる透過波長帯域を有する。言い換えれば、偏光分光フィルタ１００は、２個の異なる透過波長帯域を有し、偏光分光フィルタ１００は、２個の透過波長帯域に対し、互いに垂直な偏光特性を有する。
例えば、図４は、図１に図示された偏光分光フィルタ１００の２個の異なる透過波長帯域の偏光角度による透過特性を例示的に示すグラフである。図４を参照すれば、第１スペクトルＳＰ１の光のうち、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に平行な光は、偏光分光フィルタ１００に対する透過率が、ほぼ０に近い。そして、第１スペクトルＳＰ１の光のうち、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に垂直な光は、偏光分光フィルタ１００に対する透過率が約０．９に近い。一方、第２スペクトルＳＰ２の光のうち、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に垂直な光は、偏光分光フィルタ１００に対する透過率がほぼ０に近い。そして、第２スペクトルＳＰ２の光のうち、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に平行な光は、偏光分光フィルタ１００に対する透過率が約０．９に近い。
偏光分光フィルタ１００の具体的な透過波長帯域及び偏光特性は、それぞれの第１格子要素１２０ａと、それぞれの第２格子要素１２０ｂとの厚みＴ、多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとの配列周期Ｐ、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの比率などによって決定されうる。例えば、それぞれの第１格子要素１２０ａと、それぞれの第２格子要素１２０ｂとの厚みＴは、約９０ｎｍないし約３５０ｎｍの範囲を有することができる。また、多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとの配列周期Ｐは、１５０ｎｍないし３００ｎｍの範囲を有することができる。
従って、それぞれの第１格子要素１２０ａと、それぞれの第２格子要素１２０ｂとの大きさは、偏光分光フィルタ１００の透過波長よりも小さい。例えば、それぞれの第１格子要素１２０ａと、それぞれの第２格子要素１２０ｂとの厚みＴは、偏光分光フィルタ１００の透過波長の１／２または１／３よりも小さい。また、多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとの配列周期Ｐは、偏光分光フィルタ１００の透過波長の１／２または１／３よりも小さい。
第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとが同一厚を有するために、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの比率は、第１格子要素１２０ａの幅Ｗ１と、第２格子要素１２０ｂとの幅Ｗ２との比率と同じである。例えば、第１格子要素１２０ａをなす第１誘電体材料の第１屈折率が、第２格子要素１２０ｂをなす第２誘電体材料の第２屈折率より低い場合、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）は、約０．２ないし約０．７の範囲を有することができる。第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの厚みＴ、及び多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとの配列周期Ｐを固定しておき、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）を調節することだけでも、偏光分光フィルタ１００の透過特性を調節することができる。
例えば、図５は、格子層１２０内の第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）変化による、図１に図示された偏光分光フィルタ１００の透過特性の変化を例示的に示すグラフである。図５において、「ｓｔｒ１」と表示されたグラフは、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）が０．７である場合を示し、「ｓｔｒ２」と表示されたグラフは、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）が０．５である場合を示し、「ｓｔｒ３」と表示されたグラフは、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）が０．３である場合を示す。また、図５において、左側の３個のピークは、格子層１２０の第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に垂直な偏光成分であり、右側の３個のピークは、格子層１２０の第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に平行な偏光成分である。図５を参照すれば、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）が増大加するほど、偏光分光フィルタ１００の２個の透過波長帯域がだんだんと長波長側に移動することが分かる。
以上、格子層１２０が、第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂだけを含むとして説明したが、必ずしもそれに限定されるものではない。屈折率が互いに異なる３個以上または４個以上の多数の格子要素を交互に配置し、格子層１２０を構成することもできる。格子層１２０内において、交互に配置される格子要素の個数には、特別な制限がない。
例えば、図６は、他の実施形態による偏光分光フィルタの構成を概略的に示す断面図である。図６に図示された偏光分光フィルタ２００は、図１に図示された偏光分光フィルタ１００の構成と類似しており、ただし、格子層１２０が３個の格子要素を含むという点において違いがある。図６を参照すれば、格子層１２０は、交互に配列された多数の第１格子要素１２０ａ、多数の第２格子要素１２０ｂ及び多数の第３格子要素１２０ｃを含んでもよい。それぞれの第１格子要素１２０ａは、第１屈折率を有する第１誘電体材料からなり、それぞれの第２格子要素１２０ｂは、第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２誘電体材料からなり、またそれぞれの第３格子要素１２０ｃは、第１屈折率及び第２屈折率と異なる第３屈折率を有する第３誘電体材料からもなる。多数の第１格子要素１２０ａ、多数の第２格子要素１２０ｂ、及び多数の第３格子要素１２０ｃは、厚み方向に垂直な水平方向に沿って一次元配列されてもよい。
一方、図３及び図５のグラフにおいて、偏光分光フィルタ１００は、互いに垂直な偏光特性を有する２個の異なる透過波長帯域を有する。そして、そのような２個の透過波長帯域が完全に分離されて互いに重畳しない。従って、２個の異なる透過波長帯域のうちただ１つの透過波長帯域のみを選択すれば、偏光分光フィルタ１００は、特定の透過波長帯域光のうち、特定の偏光成分を有する光のみを透過させるようにも構成される。または、他の実施形態による偏光分光フィルタにおいて、１つの透過波長帯域を選択する方法について、以下で記述される。
図７は、他の実施形態による偏光分光フィルタの構成を概略的に示す断面図である。図７に図示された偏光分光フィルタ３００は、図１に図示された偏光分光フィルタ１００の構成と類似しており、第２反射器１３０の上部表面に配置された帯域通過フィルタ１４０をさらに含むという点において違いがある。言い換えれば、帯域通過フィルタ１４０は、偏光分光フィルタ３００の入光面に配置される。そのような帯域通過フィルタ１４０は、図３に図示された第１スペクトルＳＰ１の波長帯域と、第２スペクトルＳＰ２の波長帯域といずれか１つの波長帯域のみを透過させ、他の波長帯域を遮断するようにも構成される。例えば、帯域通過フィルタ１４０は、８００ｎｍないし８５０ｎｍの波長範囲内にある光を遮断し、８５０ｎｍないし９００ｎｍの波長範囲内にある光を透過させるようにも構成される。それにより、偏光分光フィルタ３００は、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に平行な偏光成分を有する第２スペクトルＳＰ２の光のみを透過させ、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に垂直な偏光成分を有する第１スペクトルＳＰ１の光を遮断するようにも構成される。
図８は、図７に図示された偏光分光フィルタ３００の透過特性を例示的に示すグラフである。図８において、「ｓｔｒ１」と表示されたグラフは、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）が０．７である場合を示し、「ｓｔｒ２」と表示されたグラフは、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）が０．５である場合を示し、「ｓｔｒ３」と表示されたグラフは、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）が０．３である場合を示す。図８を参照すれば、帯域通過フィルタ１４０を使用する場合、格子層１２０の第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に平行な偏光成分を有する光が偏光分光フィルタ３００を透過し、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）により、偏光分光フィルタ３００を透過する光の波長帯域を調節することができる。
代案として、帯域通過フィルタ１４０は、例えば、８００ｎｍないし８５０ｎｍの波長範囲内にある光を透過させ、８５０ｎｍないし９００ｎｍの波長範囲内にある光を遮断するようにも構成される。その場合、偏光分光フィルタ３００は、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に垂直な偏光成分を有する光のみを透過させることができる。また、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）を調節することにより、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの長手方向に垂直な偏光成分を有する光の透過波長帯域を調節することができる。
図９は、さらに他の実施形態による偏光分光フィルタの構成を概略的に示す断面図である。図７には、帯域通過フィルタ１４０が第２反射器１３０の上部表面に配置されているように図示されたが、帯域通過フィルタ１４０の位置は、必ずしもそれに限定されるものではない。帯域通過フィルタ１４０は、第１反射器１１０と第２反射器１３０とによって形成される共振器の外側のどこに配置されてもよい。例えば、図９を参照すれば、偏光分光フィルタ４００は、第１反射器１１０の下部表面に配置された帯域通過フィルタ１４０を含んでもよい。言い換えれば、帯域通過フィルタ１４０は、偏光分光フィルタ４００の出光面にも配置される。
図１０は、さらに他の実施形態による偏光分光フィルタの構成を概略的に示す断面図である。図１０を参照すれば、偏光分光フィルタ５００は、図７に図示された偏光分光フィルタ３００の構成と類似しており、帯域通過フィルタ１４０と第２反射器１３０との間に配置された１／４波長板１５０をさらに含んでもよい。１／４波長板１５０は、入射光の位相を、入射光の波長の１／４波長ほど遅延させる役割を行う。そのような１／４波長板１５０は、屈折率が比較的高い誘電体材料を、光の波長より小さいナノスケール構造にパターニングしても形成される。例えば、１／４波長板１５０は、Ｓｉ、ＴｉＯ２またはＳｉ２Ｎ３からなるメタ表面によっても形成される。
入射光の位相が１／４波長板１５０により、入射光の波長の１／４波長ほど遅延されれば、入射光の線偏光成分は、円偏光成分に変わり、円偏光成分は、線偏光成分に変わることになる。言い換えれば、１／４波長板１５０は、線偏光を円偏光に変え、円偏光を線偏光に変える役割を行うことができる。例えば、第１線偏光成分は、１／４波長板１５０により、第１円偏光成分に変わり、第１線偏光成分に垂直な第２線偏光成分は、１／４波長板１５０により、第１円偏光成分に対して反対側方向に回転された第２円偏光成分に変わることになる。従って、１／４波長板１５０をさらに配置することにより、円偏光成分を有する光が偏光分光フィルタ５００を透過することになる。
図１１は、さらに他の実施形態による偏光分光フィルタの構成を概略的に示す断面図である。図１０には、１／４波長板１５０が、第２反射器１３０の上部表面に配置されているように図示されたが、１／４波長板１５０の位置は、必ずしもそれに限定されるものではない。そのような１／４波長板１５０は、第１反射器１１０と第２反射器１３０とによって形成される共振器の外側どこにも配置される。例えば、図１１を参照すれば、偏光分光フィルタ６００は、第１反射器１１０の下部表面に配置された１／４波長板１５０を含んでもよい。言い換えれば、１／４波長板１５０は、偏光分光フィルタ６００の出光面にも配置される。
また、図１０及び図１１に図示された実施形態において、１／４波長板１５０と帯域通過フィルタ１４０との位置は、互いに変わりもする。例えば、第２反射器１３０の上部表面上に帯域通過フィルタ１４０が配置され、帯域通過フィルタ１４０の上部表面上に１／４波長板１５０が配置されうる。また、第１反射器１１０の下部表面に、帯域通過フィルタ１４０が配置され、帯域通過フィルタ１４０の下部表面に、１／４波長板１５０が配置されうる。
また、１／４波長板１５０と帯域通過フィルタ１４０とが互いに反対側にも配置される。例えば、１／４波長板１５０は、第２反射器１３０の上部表面に配置され、帯域通過フィルタ１４０は、第１反射器１１０の下部表面にも配置される。または、帯域通過フィルタ１４０が第２反射器１３０の上部表面に配置され、１／４波長板１５０が第１反射器１１０の下部表面にも配置される。
前述の実施形態による偏光分光フィルタは、別途の偏光フィルタと、別途の分光フィルタとをそれぞれ使用せずとも、特定の線偏光または円偏光成分を有する特定波長帯域光を選択的に透過させることができる。また、前述の実施形態による偏光分光フィルタは、イメージセンサの画素サイズに小さく作製されうる。従って、前述の実施形態による偏光分光フィルタのアレイは、イメージセンサと統合され、偏光情報と分光情報とを同時に獲得するところにも使用される。また、前述の実施形態による偏光分光フィルタのアレイと、イメージセンサとを統合することにより、例えば、スマートフォンのような小型モバイル装置に搭載される小型化された偏光分光イメージセンサを提供することができる。
例えば、図１２は、一実施形態による偏光分光フィルタアレイ、及びそれを含む偏光分光センサの構成を概略的に示す斜視図である。図１２を参照すれば、一実施形態による偏光分光センサ１０００は、イメージセンサ１１００、及びイメージセンサ１１００上に配置された偏光分光フィルタアレイ１２００を含んでもよい。偏光分光フィルタアレイ１２００は、二次元配列（例えば、行と列とに沿って配列）され多数の単位フィルタＵＰＦ１１，ＵＰＦ１２，ＵＰＦ２１，…のアレイを含んでもよい。また、イメージセンサ１１００は、入射光の強度を電気的な信号に変換する二次元配列された多数のセンシング画素を含んでもよい。従って、イメージセンサ１１００のセンシング画素は、偏光分光フィルタアレイ１２００を透過した光の強度を感知することができる。
図１３は、図１２に図示された偏光分光フィルタアレイ１２００の構成を例示的に示す。図１３を参照すれば、偏光分光フィルタアレイ１２００は、二次元配列された多数の単位フィルタＵＰＦ１１，ＵＰＦ１２，ＵＰＦ２１，…を含む。偏光分光フィルタアレイ１２００のそれぞれの単位フィルタＵＰＦ１１，ＵＰＦ１２，ＵＰＦ２１，…は、多数の異なる波長の光に係わる多数の異なる偏光状態を分析することができるように構成される。それぞれの単位フィルタＵＰＦ１１，ＵＰＦ１２，ＵＰＦ２１，…は、入射光に係わる偏光情報と分光情報とをいずれも同時に得るための偏光分光フィルタアレイ１２００の最小単位になる。
それぞれの単位フィルタＵＰＦ１１，ＵＰＦ１２，ＵＰＦ２１，…は、互いに異なる波長の光を透過させる多数の偏光分光フィルタ集合（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｉｌｔｅｒ ｓｅｔ）ＷＦを含んでもよい。図１３には、例示的に、それぞれの単位フィルタＵＰＦ１１，ＵＰＦ１２，ＵＰＦ２１，…が、第１波長帯域光λ１ないし第１６波長帯域光λ１６をそれぞれ透過させる１６個の偏光分光フィルタ集合ＷＦを含むように図示されている。しかし、それぞれの単位フィルタＵＰＦ１１，ＵＰＦ１２，ＵＰＦ２１，…内に配列された偏光分光フィルタ集合ＷＦの個数は、必ずしもそれに限定されるものではなく、必要により、さらに多くの偏光分光フィルタ集合ＷＦが配列されもし、あるいは少ない偏光分光フィルタ集合ＷＦが配列されもする。それぞれの単位フィルタＵＰＦ１１，ＵＰＦ１２，ＵＰＦ２１，…内において、多数の偏光分光フィルタ集合ＷＦは、二次元アレイの形態にも配列される。
図１４は、図１２に図示された偏光分光フィルタアレイ１２００のそれぞれの単位フィルタアレイＵＰＦ１１，ＵＰＦ１２，ＵＰＦ２１，…の１つの偏光分光フィルタ集合ＷＦ内の偏光分光フィルタ配列の例を示す。図１４を参照すれば、それぞれの偏光分光フィルタ集合ＷＦは、例えば、２×２のアレイ状に配列された第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４を含んでもよい。第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４は、互いに異なる方向の線偏光成分を有する光を透過させるようにも構成される。例えば、第１偏光分光フィルタＰＦ１は、第１線偏光成分を有する光を透過させるようにも構成される。第２偏光分光フィルタＰＦ２は、第１線偏光成分に垂直な第２線偏光成分を有する光を透過させるようにも構成される。第３偏光分光フィルタＰＦ３は、第１線偏光成分に対して４５°傾いた第３線偏光成分を有する光を透過させるようにも構成される。また、第４偏光分光フィルタＰＦ４は、第１線偏光成分に対して１３５°傾いた第４線偏光成分を有する光を透過させるようにも構成される。
図１５は、図１４のＡ−Ａ’ラインに沿う断面図である。図１５は、図１４に図示された１つの偏光分光フィルタ集合ＷＦ内の偏光分光フィルタの配列、及びそれに対応するイメージセンサ１１００を含む偏光分光センサ１０００の一部構成の例を概略的に示す。図１５を参照すれば、第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４のそれぞれは、例えば、図７に図示された偏光分光フィルタ３００の構造と同一構造を有することができる。図１５は、ただ、第１偏光分光フィルタＰＦ１及び第３偏光分光フィルタＰＦ３のみを図示しているが、第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４に、前述の構成が同一にも適用される。言い換えれば、第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４は、それぞれ第１反射器１１０、格子層１２０、第２反射器１３０及び帯域通過フィルタ１４０を含んでもよい。第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４において、第１反射器１１０、第２反射器１３０及び帯域通過フィルタ１４０は、共通構成として、互いに一体にも延長される。
第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４が、互いに異なる線偏光成分の光を透過させることができるように、第１偏光分光フィルタＰＦ１内ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４内において、格子層１２０の多数の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂは、互いに異なる方向に沿って配列されてもよい。例えば、第２偏光分光フィルタＰＦ２の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂは、第１偏光分光フィルタＰＦ１の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂに対して垂直に配列されてもよい。言い換えれば、第２偏光分光フィルタＰＦ２の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂは、第１偏光分光フィルタＰＦ１の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂに対して水平面上において、９０°回転されている。
また、第３偏光分光フィルタＰＦ３の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂは、第１偏光分光フィルタＰＦ１の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂに対して４５°傾くように配列されてもよい。言い換えれば、第３偏光分光フィルタＰＦ３の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂは、第１偏光分光フィルタＰＦ１の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂに対して水平面上において、４５°回転されている。また、第４偏光分光フィルタＰＦ４の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂは、第１偏光分光フィルタＰＦ１の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂに対して１３５°傾くように配列されてもよい。言い換えれば、第４偏光分光フィルタＰＦ４の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂは、第１偏光分光フィルタＰＦ１の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂに対して水平面上において、１３５°回転されている。
１つの同一偏光分光フィルタ集合ＷＦ内に配列された第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４は、いずれも同一波長帯域光を透過させるように構成される。前述のように、第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４の透過帯域は、第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの厚みＴ、多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとの配列周期Ｐ、及び第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）によっても決定される。従って、１つの同一偏光分光フィルタ集合ＷＦ内において、第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４の第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの厚みＴは、互いに同一であり、多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとの配列周期Ｐは、互いに同一であり、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）も互いに同一である。
第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４を透過した光は、イメージセンサ１１００の互いに異なる画素に入射することができる。そのために、第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４は、それぞれイメージセンサ１１００の画素に一対一に対応するように配列される。それにより、イメージセンサ１１００の第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４にそれぞれ対応する画素から出力される電気的信号を分析することにより、同一波長帯域光において、第１線偏光成分の光の強度、第２線偏光成分の光の強度、第３線偏光成分の光の強度、及び第４線偏光成分の光の強度についての情報を抽出することができる。
全ての偏光分光フィルタ集合ＷＦは、それぞれ前述の第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４を含んでもよい。互いに異なる偏光分光フィルタ集合ＷＦ内に配列された第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４は、互いに異なる波長帯域光を透過させるように構成される。例えば、第１波長帯域光λ１の線偏光成分を分析するための偏光分光フィルタ集合ＷＦ内の第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４は、第１波長帯域光λ１を透過させるように構成され、第２波長帯域光λ２の線偏光成分を分析するための偏光分光フィルタ集合ＷＦ内の第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４は、第２波長帯域光λ２を透過させるように構成される。
製造工程の便宜のために、偏光分光フィルタアレイ１２００内において、全体的に全ての第１格子要素１２０ａと第２格子要素１２０ｂとの厚みＴは、同一でもある。その場合、第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４の透過帯域は、多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとの配列周期Ｐ、及び第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）によって主に決定されうる。従って、互いに異なる偏光分光フィルタ集合ＷＦ内にそれぞれ配列された第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４は、第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとの配列周期Ｐが互いに異なるか、あるいは第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）が互いに異なりうる。
一実施形態において、偏光分光フィルタアレイ１２００内において、全体的に多数の第１格子要素１２０ａと、多数の第２格子要素１２０ｂとの厚みＴと、配列周期Ｐとが互いに同一でもある。その場合、互いに異なる偏光分光フィルタ集合ＷＦ内にそれぞれ配列された第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４は、第２格子要素１２０ｂに対する第１格子要素１２０ａの比率（Ｗ１／Ｗ２）だけが互いに異なりうる。
また、第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４の透過帯域は、帯域通過フィルタ１４０の透過帯域によっても決定される。互いに異なる偏光分光フィルタ集合ＷＦ内において、帯域通過フィルタ１４０の透過帯域が互いに異なってもよい。代案として、偏光分光フィルタアレイ１２００において、全体的に１つの共通帯域通過フィルタ１４０が使用されもする。その場合、帯域通過フィルタ１４０は、第１波長帯域光λ１ないし第１６波長帯域光λ１６を透過させ、残り波長帯域光を遮断するようにも構成される。
図１６は、図１２に図示された偏光分光フィルタアレイ１２００のそれぞれの単位フィルタアレイＵＰＦ１１，ＵＰＦ１２，ＵＰＦ２１，…の１つの偏光分光フィルタ集合ＷＦ内の偏光分光フィルタ配列の他例を示す。また、図１７は、図１６のＢ−Ｂ’ラインに沿う例示的な断面図である。図１７は、図１６に図示された１つの偏光分光フィルタ集合ＷＦ内の偏光分光フィルタの配列、及びそれに対応するイメージセンサ１１００を含む偏光分光センサ１０００の一部構成の例を概略的に示す。
図１６を参照すれば、それぞれの偏光分光フィルタ集合ＷＦは、例えば、２×３のアレイ状に配列された第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第６偏光分光フィルタＰＦ６を含んでもよい。第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４は、互いに異なる方向の線偏光成分を有する光を透過させるようにも構成される。第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４の構成及び動作は、図１４を介してすでに説明したところと同一であるので、それに係わる説明は、省略する。
第５偏光分光フィルタＰＦ５は、第１円偏光成分を有する光を透過させるように構成され、第６偏光分光フィルタＰＦ６は、第１円偏光成分に反対方向に回転された第２円偏光成分を有する光を透過させるように構成される。そのために、第５偏光分光フィルタＰＦ５は、図１７に図示されているように、第２反射器１３０と帯域通過フィルタ１４０との間に配置された１／４波長板１５０をさらに含んでもよい。図１７には、図示されていないが、第６偏光分光フィルタＰＦ６も、第２反射器１３０と帯域通過フィルタ１４０との間に配置された１／４波長板１５０をさらに含んでもよい。従って、第５偏光分光フィルタＰＦ５と第６偏光分光フィルタＰＦ６との構成は、図１０に図示された偏光分光フィルタ５００の構成と同一でもある。
第５偏光分光フィルタＰＦ５の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂは、第１偏光分光フィルタＰＦ１の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂと平行に配列されてもよい。一方、第６偏光分光フィルタＰＦ６の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂは、第１偏光分光フィルタＰＦ１の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂに対して垂直に配列されてもよい。従って、第６偏光分光フィルタＰＦ６の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂは、第２偏光分光フィルタＰＦ２の格子層１２０の第１格子要素１２０ａ及び第２格子要素１２０ｂと平行に配列される。それにより、第５偏光分光フィルタＰＦ５を透過した光と、第６偏光分光フィルタＰＦ６を透過した光は、互いに反対方向に回転された円偏光成分を有することになる。
図１６及び図１７に図示された実施形態によれば、イメージセンサ１１００の第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第６偏光分光フィルタＰＦ６にそれぞれ対応する画素から出力される電気的信号を分析することにより、同一波長帯域光において、多様な線偏光成分の光の強度、及び円偏光成分の光の強度についての情報を抽出することができる。
一方、図１７に図示されているように、第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４は、帯域通過フィルタ１４０の厚み方向位置を一定に維持するために、第２反射器１３０上に配置されたスペーサ１６０をさらに含んでもよい。スペーサ１６０の厚みは、１／４波長板１５０の厚みと同一でもある。
図１８は、図１６のＢ−Ｂ’ラインに沿う他例の断面図である。図１８は、図１６に図示された１つの偏光分光フィルタ集合ＷＦ内の偏光分光フィルタの配列、及びそれに対応するイメージセンサ１１００を含む偏光分光センサ１０００の一部構成の他例を概略的に示す。図１８を参照すれば、帯域通過フィルタ１４０は、第１反射器１１０下にも配置される。その場合、帯域通過フィルタ１４０がイメージセンサ１１００と対向しても配置される。また、第５偏光分光フィルタＰＦ５及び第６偏光分光フィルタＰＦ６において、１／４波長板１５０は、第１反射器１１０と帯域通過フィルタ１４０との間にも配置される。図１８に図示された実施形態において、１／４波長板１５０は、通過フィルタ１４０内に埋め込まれる。それにより、別途のスペーサを使用しなくともよい。
図１９は、図１６のＢ−Ｂ’ラインに沿うさらに他の例の断面図である。図１９は、図１６に図示された１つの偏光分光フィルタ集合ＷＦ内の偏光分光フィルタの配列、及びそれに対応するイメージセンサ１１００を含む偏光分光センサ１０００の一部構成のさらに他の例を概略的に示す。図１９を参照すれば、帯域通過フィルタ１４０は、第２反射器１３０の上部表面に配置され、第５偏光分光フィルタＰＦ５及び第６偏光分光フィルタＰＦ６において、１／４波長板１５０は、第１反射器１１０の下部表面にも配置される。また、第１偏光分光フィルタＰＦ１ないし第４偏光分光フィルタＰＦ４の第１反射器１１０の下部表面には、スペーサ１６０がさらに配置されうる。スペーサ１６０の厚みは、１／４波長板１５０の厚みと同一でもある。
前述の偏光分光フィルタ、偏光分光フィルタアレイ及び偏光分光センサは、図面に図示された実施形態を参照して説明されたが、それらは、例示的なものに過ぎず、当該分野で当業者であるならば、それらから多様な変形、及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解するであろう。従って、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されなければならない。権利範囲は、前述の説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にある全ての差異は、権利範囲に含まれものであると解釈されなければならないのである。
１００，２００，３００，４００，５００，６００，ＰＦ 偏光分光フィルタ
１１０，１３０ 反射器
１１０ａ，１１０ｂ，１３０ａ，１３０ｂ 誘電体層
１２０ 格子層
１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ 格子要素
１４０ 帯域通過フィルタ
１５０ １／４波長板
１６０ スペーサ
１０００ 偏光分光センサ
１１００ イメージセンサ
１２００ 偏光分光フィルタアレイ
ＵＰＦ１１，ＵＰＦ１２，ＵＰＦ２１ 単位フィルタアレイ
ＷＦ 偏光分光フィルタ集合

Claims (23)

  1. 第１反射器と、
    前記第１反射器と第１方向に互いに対向して配置された第２反射器と、
    前記第１反射器と前記第２反射器との間に配置された格子層と、を含み、
    前記格子層は、第１方向に垂直な第２方向に沿って交互に配列された多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素とを含み、
    それぞれの第１格子要素は、第１屈折率を有する第１誘電体材料からなり、
    それぞれの第２格子要素は、第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２誘電体材料からなる、偏光分光フィルタ。
  2. それぞれの第１格子要素と、それぞれの第２格子要素は、棒形態を有し、前記多数の第１格子要素と、前記多数の第２格子要素とが一次元配列されている、請求項１に記載の偏光分光フィルタ。
  3. それぞれの第１格子要素の第１表面と、それぞれの第２格子要素との第１表面とが前記第１反射器に接触し、
    それぞれの第１格子要素の第１表面に対向するそれぞれの第１格子要素の第２表面と、それぞれの第２格子要素との第１表面に対向するそれぞれの第２格子要素の第２表面とが前記第２反射器に接触する、請求項１に記載の偏光分光フィルタ。
  4. 前記偏光分光フィルタが、第１線偏光成分を有する光のうち、第１波長帯域の光を透過させ、第１線偏光成分に垂直な第２線偏光成分を有する光のうち、第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を透過させるように、それぞれの第１格子要素と、それぞれの第２格子要素との厚み、多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素との配列周期、及び第１格子要素と第２格子要素との比率が決定される、請求項１に記載の偏光分光フィルタ。
  5. それぞれの第１格子要素と、それぞれの第２格子要素との厚みは、９０ｎｍないし３５０ｎｍである、請求項４に記載の偏光分光フィルタ。
  6. 多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素との配列周期は、１５０ｎｍないし３００ｎｍである、請求項４に記載の偏光分光フィルタ。
  7. 多数の第２格子要素に対する多数の第１格子要素の比率は、０．２ないし０．７である、請求項４に記載の偏光分光フィルタ。
  8. 前記第１誘電体材料と前記第２誘電体材料は、第１波長帯域の光、及び第２波長帯域の光に対して透明である、請求項４に記載の偏光分光フィルタ。
  9. 前記第１反射器の表面に配置されたものであり、第１波長帯域の光を遮断し、第２波長帯域の光を透過させる帯域通過フィルタをさらに含む、請求項４に記載の偏光分光フィルタ。
  10. 前記第１反射器の表面に配置された１／４波長板をさらに含む、請求項１に記載の偏光分光フィルタ。
  11. 前記第１反射器は、第３方向に沿って交互に積層された多数の第１誘電体層と、多数の第２誘電体層とを含み、
    前記第２反射器は、第３方向に沿って交互に積層された多数の第３誘電体層と、多数の第４誘電体層とを含み、
    それぞれの第１誘電体層と、それぞれの第２誘電体層は、互いに異なる屈折率を有する誘電体材料からなり、
    それぞれの第３誘電体層と、それぞれの第４誘電体層は、互いに異なる屈折率を有する誘電体材料からなる、請求項１に記載の偏光分光フィルタ。
  12. 前記第１反射器の第１誘電体層、及び前記第２反射器の第３誘電体層は、前記第１誘電体材料からなり、前記第１反射器の第２誘電体層、及び前記第２反射器の第４誘電体層は、前記第２誘電体材料からなる、請求項１１に記載の偏光分光フィルタ。
  13. 前記格子層は、第１屈折率及び第２屈折率と異なる第３屈折率を有する第３誘電体材料からなる多数の第３格子要素をさらに含み、
    前記多数の第１格子要素、前記多数の第２格子要素、及び前記多数の第３格子要素は、第１方向に垂直な第２方向に沿って交互に配列される、請求項１に記載の偏光分光フィルタ。
  14. 二次元配列された多数の単位フィルタアレイを含み、
    それぞれの単位フィルタアレイは、第１波長帯域の光を透過させる第１偏光分光フィルタ集合、及び第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を透過させる第２偏光分光フィルタ集合を含み、
    前記第１偏光分光フィルタ集合は、第１波長帯域の光のうち、第１線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第１偏光分光フィルタ、及び第１波長帯域の光のうち、第１線偏光成分に垂直な第２線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第２偏光分光フィルタを含み、
    前記第２偏光分光フィルタ集合は、第２波長帯域の光のうち、第１線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第３偏光分光フィルタ、及び第２波長帯域の光のうち、第２線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第４偏光分光フィルタを含み、
    前記第１偏光分光フィルタないし前記第４偏光分光フィルタは、それぞれ、
    第１方向に互いに対向して配置された第１反射器及び第２反射器と、
    前記第１反射器と前記第２反射器との間に配置された格子層と、を含み、
    前記格子層は、第１方向に垂直な第２方向に沿って交互に配列された多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素とを含み、
    それぞれの第１格子要素は、第１屈折率を有する第１誘電体材料からなり、
    それぞれの第２格子要素は、第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２誘電体材料からなる、偏光分光フィルタアレイ。
  15. 前記第２偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素は、前記第１偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素とに対し、第１方向に垂直な平面上において、９０°回転されており、
    前記第４偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素は、前記第３偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素とに対し、第１方向に垂直な平面上において、９０°回転されている、請求項１４に記載の偏光分光フィルタアレイ。
  16. それぞれの第１格子要素と、それぞれの第２格子要素は、棒形態を有し、前記多数の第１格子要素と、前記多数の第２格子要素とが一次元配列されている、請求項１５に記載の偏光分光フィルタアレイ。
  17. 前記第１偏光分光フィルタないし前記第４偏光分光フィルタのそれぞれに対し、それぞれの第１格子要素と、それぞれの第２格子要素との厚み、多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素との配列周期、及び第１格子要素と第２格子要素との比率を基に、
    前記第１偏光分光フィルタは、第１線偏光成分を有する光のうち、第１波長帯域の光を透過させるように構成され、
    前記第２偏光分光フィルタは、第２線偏光成分を有する光のうち、第１波長帯域の光を透過させるように構成され、
    前記第３偏光分光フィルタは、第１線偏光成分を有する光のうち、第２波長帯域の光を透過させるように構成され、
    前記第４偏光分光フィルタは、第２線偏光成分を有する光のうち、第２波長帯域の光を透過させるように構成される、請求項１５に記載の偏光分光フィルタアレイ。
  18. 前記第１偏光分光フィルタのそれぞれの第１格子要素の幅及び厚み、それぞれの第２格子要素の幅及び厚み、並びに第１格子要素と第２格子要素との比率は、前記第２偏光分光フィルタのそれぞれの第１格子要素の幅及び厚み、それぞれの第２格子要素の幅及び厚み、並びに第１格子要素と第２格子要素との比率と同一であり、
    前記第３偏光分光フィルタのそれぞれの第１格子要素の幅及び厚み、それぞれの第２格子要素の幅及び厚み、並びに第１格子要素と第２格子要素との比率は、前記第４偏光分光フィルタのそれぞれの第１格子要素の幅及び厚み、それぞれの第２格子要素の幅及び厚み、並びに第１格子要素と第２格子要素との比率と同一である、請求項１７に記載の偏光分光フィルタアレイ。
  19. 前記第１偏光分光フィルタないし前記第４偏光分光フィルタのそれぞれは、それぞれの前記第１反射器の表面に配置され、第１波長帯域、及び第２波長帯域の光を透過させ、残りの他の波長帯域の光を遮断する帯域通過フィルタをさらに含む、請求項１４に記載の偏光分光フィルタアレイ。
  20. 前記第１偏光分光フィルタ集合は、第１波長帯域の光のうち、第１線偏光成分に対して４５°回転された第３線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第５偏光分光フィルタをさらに含み、
    前記第２偏光分光フィルタ集合は、第２波長帯域の光のうち、第１線偏光成分に対して４５°回転された第３線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第６偏光分光フィルタをさらに含み、
    前記第５偏光分光フィルタ及び前記第６偏光分光フィルタは、それぞれ前記第１反射器、前記第２反射器及び前記格子層を含む、請求項１４に記載の偏光分光フィルタアレイ。
  21. 前記第５偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素は、前記第１偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素とに対し、第１方向に垂直な平面上において、４５°回転されており、
    前記第６偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素は、前記第３偏光分光フィルタの格子層の多数の第１格子要素と、多数の第２格子要素とに対し、第１方向に垂直な平面上において、４５°回転されている、請求項２０に記載の偏光分光フィルタアレイ。
  22. 前記第１偏光分光フィルタ集合は、第１波長帯域の光のうち、第１線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第５偏光分光フィルタをさらに含み、
    前記第２偏光分光フィルタ集合は、第２波長帯域の光のうち、第１線偏光成分を有する光を透過させるように構成された第６偏光分光フィルタをさらに含み、
    前記第５偏光分光フィルタ及び前記第６偏光分光フィルタは、それぞれ前記第１反射器、前記第２反射器及び前記格子層を含む、請求項１４に記載の偏光分光フィルタアレイ。
  23. 請求項１４〜２２のいずれか一つに記載の偏光分光フィルタアレイと、
    前記偏光分光フィルタアレイを透過した光の強度を感知する多数の二次元配列されたセンシング画素を含むイメージセンサと、を含む、偏光分光センサ。
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