JP2021532402A - フィルタアセンブリ、検出器およびフィルタアセンブリの製造方法 - Google Patents

フィルタアセンブリ、検出器およびフィルタアセンブリの製造方法 Download PDF

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Abstract

フィルタアセンブリは、入射媒体(10)と、スペーサ(30)と、少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)と、出射媒体(70)とを備えている。スペーサ(30)は、入射媒体(10)と少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)の間に配置され、入射媒体(10)と少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)が作動距離(32)だけ離隔することで、入射媒体(10)よりも低屈折率の媒体を取り囲む。少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)は、出射媒体(70)上に配置される。

Description

本発明は、フィルタアセンブリ、検出器、およびフィルタアセンブリの製造方法に関する。
干渉フィルタなどの誘電体フィルタは、とりわけ、スペクトロスコピー、医療技術、消費者およびセキュリティアプリケーションなど、多くの異なるアプリケーション向けに広く商業的に使用されている。干渉フィルタは、例えばカラーコーティングなどの他のタイプの光学フィルタと比較していくつかの利点を提供する。干渉フィルタは、光学的にモデル化されて性能を予測し、特定のアプリケーションに合わせて設計され得るため、エンジニアリング設計の面でフレキシビリティを提供する。干渉フィルタは、機械的および熱的安定性も提供する。干渉フィルタは、異なる屈折率を有する誘電体材料の複数の薄膜層で構成されている。層の界面で反射した入射光の建設的または破壊的な干渉を利用して、目的の波長での吸収を最小限に抑えながら、1つ以上のスペクトルバンドまたはラインを選択して透過させる。
誘電体フィルタは、入射光の角度に対して強い角度依存性を示すことが知られている。透過波長またはエッジ位置は、入射角を増加させるために主に短波長側にシフトさせられる。拡散光条件では、スペクトルブロードニングやスミアリングを引き起こし、それがスペクトル分解能を低下させるため、これは問題となり得る。干渉フィルタは通常、照明ビームの入射角を定義して設計されているか、またはフィルタを傾けることで所望のスペクトル位置を調整できる。しかしながら、干渉フィルタは、ディフューザによって提供されるような拡散光条件で動作するように設計で適合させることができる。誘電体材料の複数の薄層は、スペクトルシフトを低減するために、光学的特性および材料特性に関して調整される。これには複雑なシミュレーションが必要となることが多く、一般的には異なるセンサ設計に適用され得ない。低スペクトルシフトと組み合わせて十分な視野を達成することは、依然として課題となっている。
スペクトルスミアリングを低減するための既知の方法には、光の方向を絞るための光学素子の使用や、入射光の角度を制限するための光絞りの使用がある。例えば、拡散光条件下でスペクトルシフトを低減する試みには、拡散光を収集し、照明ビームの定義された入射角、例えば垂直入射でフィルタにチャネルするために、フィルタ設計に組み込まれたコリメート光学素子が含まれる。別のアプローチは、視野絞りを使用してデバイス設計の視野を制御することで、規定された入射角までの光のみが入射できるようにし、それによってスペクトルブロードニングを低減することである。以前の研究では、干渉フィルタをポリマー層と組み合わせることも検討されていたが、それは、ポリマーコーティングが、不要な波長の一部を吸収して透過信号を改善することができるためであった。
全く異なるアプローチは、パターニングステップを含み、一定の厚さを有するファブリペロー空洞内の屈折率の空間変調を使用する。サブ波長パターンが第1の透過性材料に形成され、その後、異なる屈折率を有する第2の透過性材料によってギャップ充填される。有効屈折率とピーク波長は体積比に直接関係しており、ナノ構造体の横方向の寸法を変えることにより、ファブリペロー空洞の有効屈折率を増加させ、波長シフトを補償することができる。
拡散光下でのスペクトルシフトの影響は、専用の光学設計およびシミュレーションソフトウェアを用いてシミュレートされ得る。図6Aは、先行技術のフィルタアセンブリを示す。フィルタアセンブリは、出射媒体70、例えば光学センサ上に配置された誘電体フィルタ50を含む。周囲大気は、屈折率N=1の入射媒体と見なし得る。シミュレーションは、誘電体フィルタの表面法線に対して±90°以内からの入射角AOIを想定している。
図6Bは、図6Aのフィルタアセンブリのスペクトル透過曲線を示す。曲線は、波長λおよび2つのAOI(実線:AOI=0°および破線:AOI=90°)の関数としての模擬透過グラフ(フィルタ透過率T[%])を示す。グラフは、AOIを0°から90°に変更すると、透過率T[%]が減少し、スペクトルピークが低波長側にシフトすることを示している。グラフの赤/赤外部分の透過率で赤外リークが示されている。また、入射角が高くなるほどリークが大きくなる。拡散光条件下での透過は、すべての角度にわたって結合されたグラフの結果となり、スペクトルスミアリングまたはスペクトルブロードニングとして知られるピークのブロードニングにつながる。
図7Aは、別の先行技術のフィルタアセンブリを示す。このフィルタアセンブリは、上述の図6Aに示されたものに基づいているが、入射媒体10としてのディフューザをさらに含んでいる。入射媒体10は、ポリマー、シンチレータ、または任意の他の光学媒体に相当し得るN=1,5の高い屈折率を有する。図7Bは、図6Bと同様の模擬スペクトル透過曲線を示す。結果としての透過曲線は、0°から90°までの全入射角にわたるシミュレーションの結果である。このグラフは、入射媒体の屈折率が増加するにつれて透過特性が悪化する可能性があることを示している。
図8Aは、別の先行技術のフィルタアセンブリを示す。アセンブリは、図6Aに示されたものと類似している。この場合、2つ以上のフィルタ50が組み込まれている。入射媒体10は、例えば、ショートパスフィルタ51とロングパスフィルタ52であるフィルタとが直接接触している。出射媒体は、シリコンフォトダイオード検出器であっても、または別のタイプの検出器であってもよい。これは、デュアルフィルタの例であるが、同例は、より多くのフィルタを含むように拡張され得る。
図8Bは、図8Aの実施形態に係る理想スペクトル透過曲線を示す。一例として、ショートパスフィルタ51は、450nmまでの波長を透過し、より長い波長を反射するように最適化され得、ロングパスフィルタは、670nm以上の波長を透過し、より短い波長を反射するように最適化され得る。理想的には、450nmから670nmの間は透過がないことが好ましく、例えば、入射緑色光は540nmで可能な限り反射される。
図8Cは、図8Aの実施形態に係る模擬スペクトル透過曲線を示す。結果としての透過曲線は、0°から90°までの全入射角にわたるシミュレーションの結果である。光学的シミュレーションは、この場合、透過率グラフが図8Bとは異なるように見えることを示している。拡散光条件下での誘電体フィルタの最適化されていない性能は、かなりのスペクトルスミアリングをもたらし、540nmでの緑色光の透過を可能にする。
目的は、例えば拡散光条件下でのスペクトル分解能の強化とスペクトルブロードニングの低減を可能にするフィルタアセンブリ、およびフィルタのスペクトルシフトの限界を低減することを可能にするフィルタアセンブリの製造方法を提供することである。
この目的は、独立請求項の主題によって達成される。さらなる展開および実施形態は、従属請求項に記載されている。
任意の1つの実施形態に関連して以下に記載される任意の特徴は、単独で、または以下に記載される他の特徴と組み合わせて使用され得、また、代替例として明示的に記載されない限り、任意の他の実施形態の1つ以上の特徴と組み合わせて使用され得ることも理解されるであろう。さらに、以下に記載されていない等価物および修正も、添付の特許請求の範囲に定義されているフィルタアセンブリおよびフィルタアセンブリの製造方法の範囲から逸脱することなく採用され得る。
フィルタアセンブリは、入射媒体、誘電体フィルタ、および出射媒体を備えている。一態様は、入射媒体と誘電体フィルタとの間のスペーサ、例えば、入射媒体とフィルタまたは複数のフィルタとの間のエアギャップを設計することに関連している。スペーサ、例えばエアギャップを設計することにより、フィルタアセンブリの有効屈折率の低減が可能になることが判明している。スペクトルスミアリングを低減でき、透過光分解能を強化できることが、例えばシミュレーションによって示され得る。
少なくとも1つの実施形態では、フィルタアセンブリは、入射媒体、スペーサ、少なくとも1つの誘電体フィルタ、および出射媒体を含む。前記スペーサは、前記入射媒体と前記少なくとも1つの誘電体フィルタとの間に配置され、その結果、前記入射媒体と前記少なくとも1つの誘電体フィルタが作動距離だけ離隔する。さらに、前記スペーサと、前記入射媒体と、前記少なくとも1つの誘電体フィルタとは、前記入射媒体よりも低屈折率の媒体を包囲している。前記少なくとも1つの誘電体フィルタは前記出射媒体上に配置されている。
「フィルタアセンブリ」という用語は、入射媒体、スペーサ、少なくとも1つの誘電体フィルタ、および出射媒体を含むスタックを示す。言い換えると、フィルタアセンブリの構成要素は、共通の光軸に沿って互いに対して積層されている。スタックまたはフィルタアセンブリにおいて、入射媒体、スペーサ、少なくとも1つの誘電体フィルタ、および出射媒体のうちの1つ以上の間に、さらなる層が設けられてもよい。しかしながら、フィルタアセンブリの一部またはすべての構成要素は、互いに直接接触していてもよい。
「誘電体フィルタ」は、フィルタの設計によって決まる透過特性を有する。透過特性は入射角の関数である。この意味で、誘電体フィルタの透過率は方向依存性である。誘電体フィルタの例は、プラズモニックフィルタや干渉フィルタ、例えばカットオフフィルタ、フォトピックフィルタ、カラーフィルタ、バンドパスフィルタ、およびそれらの組み合わせを含む。
外部放射源からの入射光は、入射媒体に様々な角度から当射することがある。光は、入射媒体の材料特性に応じた角度分布で入射媒体から出る。入射媒体と低屈折率媒体との間の第1の境界で、入射光は屈折し、低屈折率媒体の下流に位置する誘電体フィルタに向かって通過する。低屈折率媒体と誘電体フィルタの間の第2の境界で、入射光は屈折し、誘電体フィルタに結合される。前記入射媒体、前記低屈折率媒体、および前記誘電体フィルタを、平均屈折率を有するハイブリッドスタックと見なすことができる。前記平均屈折率または有効屈折率は、前記スペーサと、特に、前記作動距離に依存する。
入射光の一部は、誘電体フィルタに当射する可能性があり、誘電体フィルタの透過特性に応じてフィルタリングされる。そのようにフィルタリングされた光は、最終的には、誘電体フィルタの下流に位置する光学センサや電磁放射センサなどの出射媒体に向かって通過する。
シミュレーションは、スペーサがスペクトルシフトとスミアリングを効果的に低減することを示している。典型的には、誘電体フィルタのスペクトルシフトは、上記の境界、特に第1の境界での屈折率の変化が大きいと、より大きな程度まで減少する。同時に、スペクトルスミアリングまたはブロードニングが低減される。さらに、誘電体フィルタのフィルタ設計は、予想される入射角の範囲に適合するように調整され得、これにより、スペクトル選択性がさらに改善され、スペクトルスミアリングまたはブロードニングが低減される。
提案されるフィルタアセンブリは、多くの干渉フィルタのスペクトル性能を改善するために、例えば拡散光条件下で適用され得て、特に入射媒体の屈折率が高い場合に適用可能である。2つの例示的なシミュレーション結果は、例えばコンピュータトモグラフィー(CT)検出器とフォトニックフィルタのような2つの例示的な適用について、スペクトル性能がどの程度改善されるかを示している。しかしながら、フィルタアセンブリの適用は、これら2つの適用に限定されるものではなく、フィルタアセンブリは、多くの干渉フィルタ、例えば拡散光条件下でも適用可能である。また、可視波長域に限定されるものではなく、他の波長域、例えば赤外干渉フィルタにも適用可能である。
少なくとも1つの実施形態では、スペーサは単一材料本体で構成されている。あるいは、スペーサは、誘電体フィルタの異なる位置に配置され、共同してスペーサを形成する複数のスペーサセクションに基づいて実装されてもよい。こうして、スペーサは一体型でも、または、何体かでも製造され得るため、設計の自由度を高めることを可能にする。
少なくとも1つの実施形態では、前記入射媒体は、入射放射線を変化させて、変化した放射線が、拡散放射線分布で前記入射媒体から出るように配置されている。例えば、前記入射媒体は、ディフューザまたはシンチレータとして配置され得る。
このように、入射媒体はランベルト表面を構成し、すなわち、入射媒体は等方的出射輝度を有し、輝度はランベルトの余弦則に従う。このようなランベルト散乱は角度に依存せず、その結果、表面に隣接する半空間にある全方向から見たときに等しい輝度がある。ディフューザを使用することは、視野を拡大することを可能にする。シンチレータを介して入射媒体を実装することは、例えばコンピュータトモグラフィー検出器内にフィルタアセンブリを配置することによって、X線アプリケーションを可能にする。
ディフューザまたは光学ディフューザは、光を拡散または散乱させる材料、すなわち、入射媒体への入射光を変化させて、入射媒体から拡散放射分布で出るようにする材料を含む。シンチレータは、入射X線放射を特定の波長の光に変換する。特定の波長は、シンチレータの材料特性によって概ね決定される。例えば、異なるシンチレータ層は、異なる特定波長を有し得る。シンチレータ内で生成された光は、本質的に拡散性であり、入射媒体から拡散放射分布で出射する可能性がある。
少なくとも1つの実施形態では、前記入射媒体と、前記スペーサと、前記少なくとも1つの誘電体フィルタとは、空洞を包囲する。前記空洞は、前記入射媒体よりも低屈折率の媒体を構成し、したがって、上記の平均屈折率に寄与する。
少なくとも1つの実施形態では、前記空洞は周囲環境に開放されている。このように、前記低屈折率媒体は、周囲大気を構成し、N=1の屈折率を有する。典型的には、この状況で、第1および第2の境界での屈折が最大の効果を有し得る。あるいは、前記空洞は周囲環境に対して閉鎖されている。この場合、前記低屈折率媒体は、周囲大気でもあり得るが、さらに、異なる屈折率を有する光学的に透明または半透明の材料でもあり得る。
少なくとも1つの実施形態では、前記入射媒体は1より大きい屈折率を有する。前記入射媒体の屈折率とスペーサに関連する低屈折率媒体の屈折率との間の差が大きいほど、第1の境界および第2の境界での屈折の効果が大きくなる。
少なくとも1つの実施形態では、前記作動距離は0.25μm〜10μmの値を有する、および/または前記作動距離は少なくとも2μmの値を有する。シミュレーションでは、前記作動距離を2μmまで増加させると、スペクトルシフトおよびスペクトルスミアリングが減少することを示している。前記作動距離を2μmより増やしても、無視できる程度の効果しかない。
少なくとも1つの実施形態では、空洞は開放されており、周囲大気で満たされている。前記作動距離は、少なくとも2μmの値を有する。シミュレーションでは、2μmを超える作動距離が、改善されたスペクトル性能を示すことが明らかになった。
少なくとも1つの実施形態では、前記スペーサは、前記少なくとも1つの誘電体フィルタの1つまたは複数の端に配置されるか、あるいは前記少なくとも1つの誘電体フィルタを縁取る。フィルタアセンブリのスペクトル特性に対する効果とは別に、前記スペーサは、機械的支持、例えば、入射媒体および誘電体フィルタのための機械的支持をも提供する。
少なくとも1つの実施形態では、前記スペーサは、パターニングされた接着剤、パターニングされた光学接着剤、および/または金属層を含む。これは、フィルタアセンブリが実装される所与のデバイスを製造するために使用されるプロセス技術に適合され得る付加的な設計オプションを提供する。
少なくとも1つの実施形態では、前記出射媒体は、電磁放射検出器の少なくとも1つの活性表面を備えている。前記出射媒体は、光学センサまたはX線検出器等の他の検出器の一部であり得る。このように、フィルタアセンブリは、様々なタイプの電磁石検出器、例えばコンピュータトモグラフィー検出器またはカラーセンサ等のような、より大きな装置の一体部分として形成され得る。
少なくとも1つの実施形態では、前記少なくとも1つの誘電体フィルタは、フィルタ要素を含む。前記フィルタ要素は、異なる透過特性を有する。例えば、前記フィルタ要素は、バイカラーまたは多色アプリケーション向けの、ショートパス、バンドパス、またはローパスフィルタであり得る。前記フィルタ要素は、単一の誘電体フィルタの一部として実装されてもよいし、少なくとも1つの誘電体フィルタよりも多い誘電体フィルタが存在してもよい。この場合、前記誘電体フィルタと前記フィルタ要素は同じであってもよい。これにより、昼間および夜間の条件で人間の視覚を模倣するためのフォトピックフィルタ設計およびスコトピックフィルタ設計のようなバイカラーまたはマルチカラーアプリケーションを実現することが可能である。
少なくとも1つの実施形態では、前記フィルタ要素は、バイカラー、多色、フォトピックおよび/またはフォトピック用途向けに配置されている。これらの用途は、改善されたスペクトル特性から利益を得ることができ、特に、改善されたスペクトル分解能は、センサ読み取り値のより正確な評価を提供する。例えば、カラーセンサ内の隣接するカラーチャネル間のスペクトルオーバーラップが低減される。
少なくとも1つの実施形態では、コンピュータトモグラフィー検出器は、上述した態様によるフィルタアセンブリを備えている。さらに、前記検出器は、1つ以上の感光領域を備えた光学センサをさらに備えている。
少なくとも1つの実施形態では、入射媒体は、1つ以上のシンチレータ層を有するシンチレータを備えている。この1つ以上のシンチレータ層は、入射X線放射を1つ以上の特定波長の光に変換するように配置されている。さらに、誘電体フィルタは、1つ以上の特定の波長に対応する異なる透過特性を有する1つ以上のフィルタ要素を備えている。最後に、出射媒体は、コンピュータトモグラフィー検出器によって構成される。
X線放射は、コンピュータトモグラフィー検出器内に配置された線源の外部から発生してもよい。人体部分のような物体を通過した後、X線はシンチレータに当射してもよい。次いで、例えば赤外線、可視光、または紫外線の光が、本質的に拡散性のシンチレータ層内で生成され、拡散角度分布でシンチレータから出射する。生成された光は、1つ以上の特定の波長によって特徴付けられることができ、フィルタ要素の透過特性、例えばショートパスおよびロングパスフィルタの透過特性それぞれに従って、誘電体フィルタによってフィルタリングされる。
模擬スペクトル透過曲線は、改善されたスペクトル特性を示し、例えば、スペクトルスミアリングに起因するフィルタ要素間のスペクトルオーバーラップが低減され得る。これにより、X線センサやコンピュータトモグラフィー検出器などの用途におけるスペクトル選択性の向上が可能となる。
少なくとも1つの実施形態では、検出器は、上述した態様によるフィルタアセンブリを備えている。さらに、検出器は、1つ以上の感光領域を有する光学センサを備えている。出射媒体は、光学センサによって構成される。入射媒体は、例えば、ディフューザまたはシンチレータを含んでもよい。
少なくとも1つの実施形態では、検出器は、上述した態様によるフィルタアセンブリを備えている。さらに、光学センサは、1つ以上の感光領域を構成するカラーセンサとして構成される。誘電体フィルタは、1つ以上のフィルタ要素を備え、その1つ以上のフィルタ要素は、それぞれ異なる透過特性を有する。例えば、異なる透過特性は、赤、緑、青、もしくは他のスペクトルバンドまたは関心のあるスペクトルラインのような異なる色に起因し得る。出射媒体は、カラーセンサによって構成される。
フィルタ要素の数に応じてバイカラーまたは多色であるセンサなどのカラーセンサは、誘電体フィルタによって構成される個々のフィルタ要素に関してスペクトル特性が改善されて実装され得る。特に、スペクトルスミアリングによるフィルタ要素間のスペクトルオーバーラップが低減され得る。これにより、異なるフィルタ要素を介して記録されるセンサ信号間のスペクトル選択性が向上され得る。これは、色検出の精度向上に寄与し得る。
少なくとも1つの実施形態では、フィルタアセンブリの製造方法は、入射媒体を提供するステップと、前記入射媒体と少なくとも1つの誘電体フィルタとの間にスペーサを配置するステップとを含む。前記スペーサは、前記入射媒体と前記少なくとも1つの誘電体フィルタが作動距離だけ離隔し、前記入射媒体よりも低屈折率の媒体を包囲するように配置される。最後に、前記少なくとも1つの誘電体フィルタが出射媒体上に配置される。
少なくとも1つの実施形態では、前記スペーサは、接着剤および/または光学接着剤をパターニングすることによって、前記入射媒体と前記少なくとも1つの誘電体フィルタとの間に配置される。パターニングは、前記入射媒体上に、または前記入射媒体に直接実行され得る。代替的に、パターニングはまた、前記少なくとも1つの誘電体フィルタ上に、または前記少なくとも1つの誘電体フィルタに直接実行され得る。
少なくとも1つの実施形態では、前記スペーサは、金属層をパターニングすることにより、前記入射媒体と前記少なくとも1つの誘電体フィルタとの間に配置される。パターニングは、前記入射媒体上で、または前記入射媒体に直接実行され得る。あるいは、パターニングはまた、前記少なくとも1つの誘電体フィルタ上で、または前記少なくとも1つの誘電体フィルタに直接実行され得る。
フィルタアセンブリの製造方法のさらなる実装は、フィルタアセンブリおよび検出器の様々な実装および実施形態から容易に導出され、また、逆に、フィルタアセンブリおよび検出器のさらなる実装は、フィルタアセンブリの製造方法の様々な実装および実施形態から容易に導出される。
以下では、上述した原理を、例示的な実施形態が示されている図面を参照してさらに詳細に説明する。
フィルタアセンブリの例示的な実施形態を示す図である。 スペクトル透過曲線の例示的な実施形態を示す図である。 フィルタアセンブリの別の例示的な実施形態を示す図である。 スペクトル透過曲線の別の例示的な実施形態を示す図である。 フィルタアセンブリの例示的な実施形態のシミュレーション結果を示す図である。 フィルタアセンブリの例示的な実施形態のシミュレーション結果を示す図である。 シンチレータおよびCT検出器向けのフィルタアセンブリの例示的な実施形態を示す図である。 スペクトル透過曲線の例示的な実施形態を示す図である。 フォトピックフィルタのスペクトル透過曲線の一例を示す図である。 先行技術のフィルタアセンブリを示す図である。 先行技術のスペクトル透過曲線を示す図である。 別の先行技術のフィルタアセンブリを示す図である。 別の先行技術のスペクトル透過曲線を示す図である。 別の先行技術のフィルタアセンブリを示す図である。 別の先行技術のスペクトル透過曲線を示す図である。 別の先行技術のスペクトル透過曲線を示す図である。
図1Aは、フィルタアセンブリの例示的な実施形態を示す。フィルタアセンブリは、光学センサ向けに配置されている。特に、フィルタアセンブリは、入射媒体10、スペーサ30、誘電体フィルタ50、および出射媒体70を備えている。この実施形態では、出射媒体70は、光学センサ71の一部として実装される。
光学センサ71は、主面73を有する半導体基板72を備えている。集積回路75が、半導体基板72の主面73に、またはその近傍に配置されている。集積回路75は、感光領域74を有する。製造時に、半導体基板72は、シリコンウェハであってもよいし、シリコンウェハの一部であってもよい。例えば、集積回路75は、1つ以上のフォトダイオード、好ましくは、電磁スペクトルの視覚的、紫外線または(近)赤外領域で感応するフォトダイオードを備えている。フォトダイオードは、CMOSプロセス技術を用いて集積化されてもよい。
誘電体フィルタ50は、光学センサ71の主面73上に配置される。誘電体フィルタ50は、主表面73上に直接配置されてもよいし、またはその間に誘電体層(図示せず)が存在してもよい。典型的には、誘電体フィルタは、集積回路75の感光領域74を覆う。誘電体フィルタ50は、ウェハレベルのプロセスにおいて、光学センサ71、例えば感光領域74または集積回路75が製造されたCMOSプロセスの最終層(例えば平坦化酸化物)の上にスパッタリングまたは堆積され得る複数の層を備えている。
例えば、誘電体フィルタ50は、干渉フィルタとして、またはプラズモニックフィルタとして設計され得る。どちらの場合も、誘電体フィルタは、異なる部分層のスタックを含む。干渉フィルタは、例えば、ターゲットスペクトルの屈折率が異なる誘電体材料の交互の層を含む。個々の層の厚さは、フィルタ設計、例えば専用のフィルタ設計ソフトウェアによって決定される。誘電体フィルタ50は、そのフィルタ設計によって決まる透過特性を有する。透過特性は入射角の関数である。この意味で、誘電体フィルタの透過は方向依存性を有する。干渉フィルタの例は、カットオフフィルタ、フォトピックフィルタ、カラーフィルタ、バンドパスフィルタ、およびそれらの任意の組み合わせを含む。
スペーサ30は、誘電体フィルタ50上に配置されている。実際には、スペーサ30は、入射媒体10と誘電体フィルタ50とが離隔しており、空洞31を包囲するように、入射媒体10と誘電体フィルタ50との間に配置される。空洞31は、入射媒体10よりも低屈折率の媒体、例えば周囲大気で構成されている。このように、スペーサ30により、入射媒体10と誘電体フィルタ50は、作動距離32だけ離隔して配置されている。空洞31が開放しており、低屈折率媒体として大気がある場合、作動距離32はエアギャップと見なされ得る。
スペーサ30は、異なる方法で製造することができ、例えば、ウェハレベルなどの製造環境でフィルタ設計に実装され得る。特定の方法は、スペーサに使用される材料に依存する。
1つの方法は、スペーサ材料として光学接着剤を使用し、誘電体フィルタ50上にスペーサ材料をパターニングすることによってスペーサを実装することである。このプロセスは、例えばスクリーン印刷またはマイクロステンシルを用いて実施され得る。光学接着剤は、パターニング後に加熱またはUV硬化され得る。このプロセスは、硬化後に、規定の均一な厚さを確立するように適合され得る。代替的なアプローチは、スペーサ材料として金属を使用することである。スパッタリングを使用して、薄い金属層をスペーサとして堆積させてもよく、その後、電気めっきを使用して必要な厚さまで厚さを増加させる。これは、金属シード層を規定するためにパターニングステップを必要とする場合がある。これらは、スペーサ30が製造され得る方法の2つの例に過ぎない。本発明の提案は、これら2つの選択肢に限定されると見なされるべきではない。
スペーサ30は異なる形状を有し得る。例えば、スペーサ30は、誘電体フィルタ50の1つ以上の端に配置され得る。さらに、スペーサ30は、誘電体フィルタ50を縁取ってもよい。この意味で、スペーサ30は、例えば、フィルタの端で、またはフィルタを縁取ることによって、1つ以上のセクションで構成されてもよい。こうして、スペーサは、少量の入射光のみを遮断してもよい。しかしながら、スペーサ30は、入射光の吸収または遮断をさらに低減するために、上述した光学接着剤のような光学的に透明な材料を用いて製造されてもよい。スペーサ30は、そのプロファイルに沿って入射媒体または誘電体フィルタを覆うような意味での層ではない。むしろ、スペーサ30は、光がより低い屈折率の媒体を通過することを可能にするように構造化されているか、またはパターニングされている。
入射媒体10は、光学的に透明または半透明な材料を含む。さらに、入射媒体10は、1より大きい、例えば、N=1.5の屈折率Nを有する。例えば、入射媒体10はディフューザとして実装され得る。ディフューザとして実装される場合、入射媒体10は、例えば、スペーサ30の上にスピンオンされるか、または成形によって配置され得る。入射媒体10は、透明な有機層を用いて実装されてもよく、光散乱粒子が媒体に添加されてもよい。光散乱粒子は、典型的には、例えば1〜15マイクロメートルの間のサイズを有する。一般的に、サイズは、ディフューザ内での散乱が幾何光学の法則に従うように選択されるので、本質的に、散乱は波長に依存しない。さらに、ディフューザの材料および光散乱粒子の両方が、標的波長領域で吸収しないように選択される。ディフューザの厚さは、通常、20〜数100マイクロメートルの範囲内である。
入射光は、入射媒体10、例えばディフューザに、様々な入射角度(図面中の光線によって示されるように)から、すなわち、フィルタアセンブリの任意の適切な表面によって規定され得る表面法線に対して±90°の範囲内から当射してもよい。光は、角度の拡散分布を有する角度で入射媒体10から出る。言い換えると、ディフューザとしての入射媒体は、ランベルト表面を構成し、すなわち、入射媒体は、等方的出射輝度を有し、発光強度は、ランベルトの余弦則に従う。このようなランベルト散乱は角度に依存せず、その結果、表面に隣接する半空間にある全方向から見たときに等しい輝度がある。
入射光は、最終的には入射媒体10を通過し、上述したような角度の拡散分布で出射面11から出る。入射光は、所与の屈折率を有する入射媒体10と空洞31内の低屈折率媒体との間の第1の境界で屈折する。この低屈折率媒体、例えば周囲大気は、入射媒体10と誘電体フィルタ50とによって包囲されている。入射媒体10の間の第1の境界、すなわち出射面11から、入射光は、空洞31内の低屈折率媒体の下流に位置する誘電体フィルタ50に向かって通過する。第2の境界は、空洞31内の低屈折率媒体と誘電体フィルタ50との間に位置している。入射光は再び屈折し、誘電体フィルタ50に結合される。入射媒体10、より低屈折率の媒体、および誘電体フィルタ50は、平均屈折率を有するハイブリッドスタックと見なされ得る。平均屈折率は、スペーサ30および特に、作動距離32に依存する。
第1の境界での屈折は、主に、入射媒体10と、エンクロージャ、または空洞31内の低屈折率媒体、例えば周囲大気との間の屈折率の差によって決まる。作動距離32内に配置された場合、誘電体フィルタ50の透過特性(例えば、その中心波長)のスペクトルシフトは、変化する入射角の下で所与の範囲内に保たれ得る。例えば、±30°、±20°、±10°等よりも小さい間隔からの入射角の下では、例えば、スペクトルシフトを一定(又は±1nm、±2nm、±5nm等の範囲内)に保つことができる。このように、スペクトルシフトは、(諸パラメータの中でも特に)スペーサ30の特性によって決定される度合いに制限され得る。作動距離32は、専用の光学設計およびシミュレーションソフトウェアを用いて決定され得る。
最後に、誘電体フィルタ50に当射する光は、誘電体フィルタ50の透過特性に従ってフィルタリングされる。そのようにフィルタリングされた光は、次に、光学センサ71(出射媒体70として機能する)、特に集積回路75の感光領域74によって検出され得る。
図1Bは、図1Aのフィルタアセンブリの例示的な実施形態のスペクトル透過曲線を示す。シミュレーションは、スペーサ30の作動距離32に対する適切な値、例えば、入射媒体10と誘電体フィルタ50または複数のフィルタとの間のエアギャップが、透過光分解能を向上させるだけでなく、スペクトルブロードニングおよびスペクトルシフトを低減させ得ることを示している。
曲線は、作動距離がゼロでない場合(破線)と、作動距離がゼロの場合(実線)の、波長λ[nm]の関数としての模擬透過率グラフ(フィルタ透過率T[%])を示す。これらの結果は、ゼロでない作動距離の存在により、透過率グラフの形状が大幅に改善され、低波長と高波長でリークの少ない、よりピーク形の形状を示していることを示唆している。シミュレーションは、図1Aの実施形態を想定した。そのため、±90°以内の様々な入射角と、N=1.5の入射媒体が考慮されている。空洞31は開放されており、したがって、N=1.0の屈折率を有する周囲大気で満たされている。
結論として、図1Aの実施形態は、スペクトルシフトおよびスペクトルスミアリングの影響がかなり低減されていることを示している。さらに、赤外におけるスペクトルリークも同様に低減されている。これは主に、入射媒体10、空洞31内の低屈折率媒体、および誘電体フィルタ50を備えたハイブリッド構造内に配置されたスペーサ30によるものである。特に、ハイブリッド構造は、第1の境界および第2の境界での入射光の屈折によって規定される平均屈折率によって表され得る。実際、空洞31内の入射媒体と低屈折率媒体との間の屈折率の差が、誘電体フィルタ50のスペクトル特性を向上させることがわかっている。
図2Aは、フィルタアセンブリの別の例示的な実施形態を示す。この実施形態は、図1Aに示されたものと類似しており、すなわち、フィルタアセンブリは、光学センサ71向けに配置されている。特に、フィルタアセンブリは、入射媒体10とスペーサ30とを備えている。この特定の実施形態では、入射媒体は屈折率N=1.8を有する。しかしながら、誘電体フィルタ50は、デュアルフィルタ設計であり、第1のフィルタ51と第2のフィルタ52とを有する。第1のフィルタ51と第2のフィルタ52は、それぞれ異なる透過特性、例えばショートパスとロングパスを有する。
第1のフィルタ51と第2のフィルタ52は、別個に配置されていてもよいし、同じキャリア上に配置されていてもよい。出射媒体70は、光学センサ71の一部として実装されているが、2つの異なる感光領域76,77を有する。出射媒体70は、同じ半導体基板72および同じ集積回路75に配置され得る。あるいは、光学センサ71は、別個の半導体基板および/または別個の集積回路にわたって配置され得る。いずれにしても、各フィルタ51、52は、感光領域76,77のうちの1つの専用の感光領域に関連付けられている。
例えば、光学センサはバイカラーセンサである。本発明は、例えば、各フィルタ要素が専用の感光領域に関連付けられているマルチフィルタ設計を使用することによって、マルチカラーセンサに拡張され得る。
図2Bは、図2Aのフィルタアセンブリの例示的な実施形態のスペクトル透過曲線を示す。曲線は、作動距離がゼロでない場合(破線)と、スペーサが無く入射媒体と誘電体フィルタとの間に作動距離が配置されていない場合(実線)の、波長λ[nm]の関数としての模擬透過グラフ(フィルタ透過率T[%])を表している。2本の実線は、それぞれショートパスとロングパスの透過フィルタを表している。シミュレーションは、図2Aの実施形態を想定した。±90°以内の様々な入射角と、N=1.8の入射媒体を想定している。空洞31は開放されており、したがって、屈折率N=1.0の周囲大気で満たされている。
結果は、スペーサ無し設計と、開放した空洞またはエアギャップ設計の場合のフィルタ透過を比較したものである。シミュレーションは、フィルタ設計にスペーサ30を工学的に組み込むことにより、透過プロファイルが有意に改善され、理想的な透過グラフに近づくことを示している。
結論として、図1Aの実施形態に関して上述した知見は、バイカラーまたは多色センサおよびアプリケーションに拡張され得る。したがって、スペクトル特性は、誘電体フィルタ50によって構成される個々のフィルタ要素について改善される。特に、スペクトルスミアリングに起因するフィルタ要素間のスペクトルオーバーラップが低減され得る。これにより、バイカラーまたは多色センサおよびアプリケーションにおいて、改善されたスペクトル選択性を得ることができる。
図3Aおよび3Bは、図2Aのフィルタアセンブリの例示的な実施形態のフィルタアセンブリの例示的な実施形態のシミュレーション結果を示す。曲線は、波長λ[nm]の関数としての模擬透過グラフ(フィルタ透過率T[%])を表す。シミュレーションは、図2Aの実施形態を想定している。透過グラフは、様々な作動距離32、特に0.25μm、0.5μm、1.0μm、1.5μm、2.0μm(図3Aの凡例を参照)、および2.0μm、5.0μm、10.0μm(図3Bの凡例を参照)に関してシミュレートされている。結果は、2μmを超える作動距離32では、フィルタの透過率が高く、ショートパスおよびロングパスフィルタ51,52の間に改善されたスペクトル選択性があることを示している。
本発明の提案は、入射媒体としてのディフューザに限定されないが、それは、改善されたスペクトル分解能を必要とする任意の用途に、例えば拡散入射光の存在下で適用され得るからである。以下に挙げる2つの例示的な実施形態は、(1)コンピュータトモグラフィー(CT)検出器、および(2)フォトピックフィルタの性能を向上させるために本発明がどのように使用され得るかを説明する。
図4Aは、フィルタアセンブリの別の例示的な実施形態を示す。フィルタアセンブリは、コンピュータトモグラフィー検出器78(CT検出器)向けに配置されている。特に、フィルタアセンブリは、入射媒体10としてのシンチレータ12と、スペーサ30と、誘電体フィルタ50と、出射媒体70とを備えている。この実施形態では、出射媒体70は、出射媒体としてのCT検出器の一部として実施される。CT検出器は、約N=4.4の屈折率を有していてもよい。CT検出器78は、複数の検出器要素または感光領域(図示せず)を含む。検出器要素は、出射媒体内に配置されたフォトダイオードまたはシリコン光電子増倍器として実装されてもよい。さらに、CT検出器78は、上述した光検出器と同様の集積回路を含んでもよい。
シンチレータ12は、シンチレータ層として配置されている。例えば、2つのシンチレータ層があると想定する、すなわち、第1のシンチレータ層は、ガドリニウムオキシサルファイド(GOS)であり得、第2のシンチレータ層は、セリウムドープルテチウム(LYSO)であり得る。シンチレータは、例えば、約N=1.85の屈折率を有する。
スペーサ30は、先行実施形態と同様に誘電体フィルタ50上に配置されている。実際には、スペーサ30は、シンチレータ12と誘電体フィルタ50との間に配置されており、それらは、それによって離隔しており、開放された空洞31を包囲する。したがって、空洞31は周囲大気で満たされており、屈折率N=1.0に寄与する。誘電体フィルタ50は、複数のフィルタ要素を備え、それぞれが検出器要素に帰属され得る。例えば、誘電体フィルタ50は、2つのフィルタ要素、例えばショートパスおよびロングパスフィルタを備えている。
CT検出器78は、X線源によって生成され物体を通過したX線を検出するように配置されている。X線は最終的にシンチレータ12およびそのシンチレータ層に当射し、X線を特定の波長の光に変換する。特定の波長は、シンチレータ層の材料特性によって概ね決定される。例えば、2つのシンチレータ層は、異なる特定の波長を有する。GOSから作られた第1のシンチレータ層は、入射したX線を2つの異なる波長、すなわち670nm(赤色光)と520nm(緑色光)に変換する。LYSOから作られた第2のシンチレータ層は、入射したX線を420nmの波長(青色光)に変換する。
シンチレータ層内で発生した光は、その性質上拡散性を有し、図1Aに関して上述したように、シンチレータ12(入射媒体10としての)から、出射面11で、拡散分布角度で出射する。最後に、誘電体フィルタ50に当射した光は、誘電体フィルタ51,52の透過特性に従ってフィルタリングされる。2つのフィルタ要素、例えばショートパスとロングパスのフィルタ要素は、赤色光と青色光を光検出器に通過させ、例えば緑色光を遮断するために使用される。
図4Bは、図4Aのフィルタアセンブリの例示的な実施形態のスペクトル透過曲線を示す。曲線は、作動距離がゼロでない場合(破線)と、入射媒体と誘電体フィルタとの間に配置されたスペーサが無い場合(実線)での波長λ[nm]の関数としての模擬透過グラフ(フィルタ透過率T[%])を表す。シミュレーションは、図4Aの実施形態を想定した。
スペーサ30が無いフィルタアセンブリは、光が誘電体フィルタを通過するときにスペクトルスミアリングを生じることは明らかである。結果として得られる透過率グラフは、理想的なものとは程遠い(実線を参照)。緑色光の約50%の透過率が示されている。提案されたフィルタ設計を適用することによって、すなわち、スペーサ30とゼロでない作動距離を組み込むことによって、結果として得られる透過率曲線は、図面(破線)に示されているように有意に改善され得る。緑色光の透過率は、10%未満に低減される。
結論として、提案されたフィルタアセンブリは、光学センサ以外のセンサタイプにも適用され得る。CT検出器78のようなX線検出器は、シンチレータに基づいており、このシンチレータは、性質上、シンチレータ層内で生成された光に角度の拡散分布をもたらす。スペクトル特性は、誘電体フィルタ50に対して改善され、例えば、スペクトルスミアリングに起因するフィルタ要素間のスペクトルオーバーラップが低減され得る。これにより、X線センサやCT検出器などの用途におけるスペクトル選択性を向上させることができる。
図5は、フォトピックフィルタの模擬スペクトル透過曲線を示している。このシミュレーションでは、高透過率材料としてNb、低透過率材料としてSiOの多層膜からなる誘電体フィルタ50をそれぞれ想定している。この誘電体フィルタ50は、例えば、図1Aの実施形態では、フィルタとして使用され得る。例えば、1つの目的は、555nm、全幅−半値最大FWHM=100nmの光を通過する光干渉フィルタを生成することであり得る。
シミュレーション結果は、入射媒体10と誘電体フィルタ50との間に配置されたスペーサ30がある場合(破線)と、スペーサ30が無い場合(実線)での、波長λの関数としての模擬透過グラフ(フィルタ透過率T[%])として描かれている。光干渉フィルタ50が0°AOI(公称入射)で平行光で照明される場合、ピーク位置は555nmを中心とする。同じフィルタ50を、AOIのランベルト分布を有する拡散光で照射すると、ピーク位置がシフトし、フィルタ形状のブロードニングがあり、赤外リークが増加する(実線参照)。本明細書で提案されているように、スペーサ30および作動距離32を適用することにより、光干渉フィルタ50のスペクトル応答性を向上させることができる。エアギャップを有するコーティング(すなわち、開放した空洞設計)の場合には、フィルタ50の阻止帯域および透過率性能は、エアギャップを有しないコーティングの場合よりもかなり改善される(破線参照)。
結論として、スペーサを含むハイブリッド構造は、フォトピックフィルタ設計におけるスペクトル特性の向上を可能にしている。同じ原理は、スコトピックフィルタ設計にも適用され得る。これらのタイプのフィルタは、それぞれ昼間と夜間の人間の視覚に似せて設計されている。スペクトルシフト、スミアリング、リークの影響を低減することで、カラーセンサなどの人間の視覚用途における光学センサの性能を向上させることができる。
別の実施形態では(図示せず)、フィルタアセンブリは、スペクトルの赤外(IR)部分、例えば近赤外向けに構成されている。誘電体フィルタ50は、赤外線、例えば700nm〜1mmの間のスペクトル窓を有する透過特性を有する。例えば、スペクトル窓(複数可)は、0.75〜1.4μmの間の近赤外(NIR)にある。上記に示された実施形態は、赤外と近赤外でも、フィルタアセンブリと共に使用され得る。しかし、スペクトル窓によっては、入射媒体と出射媒体に使用する材料は、その光学特性が一致するように調整されてもよい。例えば、半導体基板72の材料としてのシリコンなどの半導体は、赤外域での透過を示すものであり、赤外域での有意な透過を特徴としない材料と交換されてもよい。
一般に、フィルタアセンブリは、多くの干渉フィルタのスペクトル性能を改善するために、例えば拡散光条件下で適用され得るものであり、入射媒体の屈折率が高い場合に特に適用可能である。フィルタアセンブリは、拡散光条件または可視波長に限定されない。実際、フィルタアセンブリは、他の波長範囲、例えば赤外または紫外、UVの干渉フィルタに適用され得る。
10 入射媒体
11 出射面
12 シンチレータ
30 スペーサ
31 空洞
32 作動距離
50 誘電体フィルタ
51 第1のフィルタ
52 第2のフィルタ
70 出射媒体
71 光学センサ
72 半導体基板
73 主面
74 感光領域
75 集積回路
76,77 感光領域
78 CT検出器
T[%] フィルタ透過率
λ[nm] 波長(ナノメートル)

Claims (20)

  1. 入射媒体(10)と、スペーサ(30)と、少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)と、出射媒体(70)とを備えたフィルタアセンブリであって、
    前記スペーサ(30)は、前記入射媒体(10)と前記少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)が作動距離(32)だけ離隔するように前記入射媒体(10)と前記少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)の間に配置され、それにより前記入射媒体(10)よりも低屈折率の媒体を取り囲み、
    前記少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)は、前記出射媒体(70)上に配置されている、
    フィルタアセンブリ。
  2. 前記スペーサ(30)は、変化する入射角の下で入射する光のスペクトルシフトを制限するように配置されている、
    請求項1に記載のフィルタアセンブリ。
  3. 前記入射媒体から前記作動距離(32)内に配置された前記誘電体フィルタ(50)は、透過特性を有し、
    前記誘電体フィルタ(50)の透過特性のスペクトルシフトが、入射角が変化しても所定の範囲内に収まるように、前記作動距離(32)が配置されている、
    請求項1または2に記載のフィルタアセンブリ。
  4. 前記スペクトルシフトが、±30°、±20°、±10°未満等の間隔からの入射角の下で、一定または±1nm、±2nm、±5nm等の範囲内に保たれている、
    請求項2または3に記載のフィルタアセンブリ。
  5. 前記入射媒体(10)と、低屈折率媒体と、前記誘電体フィルタ(50)とが、平均屈折率を有するハイブリッドスタックを形成し、
    前記平均屈折率は、前記スペーサ(30)と前記作動距離(32)に依存し、
    前記誘電体フィルタ(50)のスペクトル特性は、前記平均屈折率に依存する、
    請求項1から4のうちいずれか一項に記載のフィルタアセンブリ。
  6. 前記入射媒体(10)は、入射放射線を変化させることで当該変化した放射線が拡散放射線分布で前記入射媒体から出るように、配置されている、請求項1から5のうちいずれか一項に記載のフィルタアセンブリ。
  7. 前記入射媒体(10)と、前記スペーサ(30)と、前記少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)とが空洞(31)を取り囲み、
    前記空洞(31)は、前記入射媒体よりも低屈折率の媒体を備える、
    請求項1から6のうちいずれか一項に記載のフィルタアセンブリ。
  8. 前記入射媒体(10)は1より大きい屈折率を有する、
    請求項1から7のうちいずれか一項に記載のフィルタアセンブリ。
  9. 前記作動距離(32)は、0.25μm〜10μmの値を有する、および/または、
    前記作動距離(32)は、少なくとも2μmの値を有する、
    請求項1から8のうちいずれか一項に記載のフィルタアセンブリ。
  10. 前記空洞(31)は、周囲環境に開放されており、または、
    前記空洞(31)は、開放されると共に周囲大気で満たされており、前記作動距離(32)は少なくとも2μmの値を有しており、または、
    前記空洞(31)は、周囲環境に対して閉鎖されている、
    請求項9に記載のフィルタアセンブリ。
  11. 前記スペーサ(30)は、前記少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)の1つまたは複数の端若しくはフレームに配置されている、
    請求項1から10のうちいずれか一項に記載のフィルタアセンブリ。
  12. 前記スペーサ(30)は、
    パターニングされた接着剤、
    パターニングされた光学接着剤、および/または
    金属層、
    を含む請求項1から11のうち一項に記載のフィルタアセンブリ。
  13. 前記出射媒体(70)は、電磁放射用検出器の少なくとも1つの活性表面を備えている
    請求項1から12のうちいずれか一項に記載のフィルタアセンブリ。
  14. 前記少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)が複数のフィルタ要素を備え、
    前記複数のフィルタ要素は異なる透過特性を有する、
    請求項1から13のうちいずれか一項に記載のフィルタアセンブリ。
  15. 前記フィルタ要素は、バイカラー、マルチカラー、フォトピックおよび/またはフォトピックアプリケーション向けに配置されている、請求項14に記載のフィルタアセンブリ。
  16. 入射媒体(10)を提供するステップと、
    前記入射媒体(10)と少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)とが作動距離(32)だけ離隔すると共に、前記入射媒体よりも低屈折率の媒体を取り囲むように、前記入射媒体(10)と前記少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)との間にスペーサ(30)を配置するステップと、
    前記少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)を出射媒体(70)上に配置するステップと、
    を含む、フィルタアセンブリの製造方法。
  17. 前記スペーサ(30)は、接着剤および/または光学接着剤をパターニングすることで、前記入射媒体(10)と前記少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)との間に配置され、または、
    前記スペーサ(30)は、金属層をパターニングすることで、前記入射媒体(10)と前記少なくとも1つの誘電体フィルタ(50)との間に配置される、
    請求項16に記載の方法。
  18. 請求項1から15のうちいずれか一項に記載のフィルタアセンブリと、
    1以上の感光領域を含む光学センサと、
    を備え、
    前記出射媒体(70)が前記光学センサによって構成されている、
    検出器。
  19. 前記誘電体フィルタ(50)が1以上のフィルタ要素を含み、
    前記1以上のフィルタ要素がそれぞれ異なる透過特性を有する、
    請求項18に記載の検出器。
  20. 前記検出器がコンピュータトモグラフィー検出器である、請求項18または19に記載の検出器。
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