JP2023121766A - 光検出装置 - Google Patents

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基樹 八子
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Atsushi Ishikawa
誓 細川
Sei Hosokawa
拓 平澤
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Abstract

【課題】撮像特性を向上させることができる光検出装置を提供する。【解決手段】光検出装置は、各々が光入射面および光出射面を有し、２次元平面内に配置された複数のフィルタを含むフィルタアレイであって、前記複数のフィルタは互いに異なる透過スペクトルを有するフィルタアレイと、前記光出射面に対向する光検出面を有するイメージセンサであって、前記光検出面に沿って２次元平面内に配置された複数の光検出素子を備えるイメージセンサと、を備え、前記光出射面と前記光検出面との距離が、前記フィルタごとに異なっており、前記光出射面と前記光検出面との最小距離は、０．１μｍよりも大きく、かつ２００μｍ以下である。【選択図】図７

Description

本開示は、光検出装置に関する。
各々が狭帯域である多数のバンド、例えば数十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対象物の詳細な物性を把握することができる。このような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様々な分野で利用されている。
特許文献１は、圧縮センシングを利用したハイパースペクトル撮像装置の例を開示している。当該撮像装置は、光透過率の波長依存性が互いに異なる複数の光学フィルタのアレイである符号化素子と、符号化素子を透過した光を検出するイメージセンサと、信号処理回路とを備える。被写体とイメージセンサとを結ぶ光路上に、符号化素子が配置される。イメージセンサは、画素ごとに、複数の波長域の成分が重畳された光を同時に検出することにより、１つの波長多重画像を取得する。信号処理回路は、符号化素子の分光透過率（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）の空間分布の情報を利用して、取得された波長多重画像に圧縮センシングを適用することにより、複数の波長域のそれぞれについての画像データを生成する。特許文献１に開示された撮像装置においては、符号化素子として、対象波長域内で２つ以上の透過率のピーク（すなわち極大値）をもつ光学フィルタアレイが用いられる。
特許文献２は、誘電体多層膜を反射層に用いたファブリ・ペロー共振器を備えるフィルタアレイの例を開示している。特許文献３から５は、フィルタアレイとイメージセンサとの配置の例を開示している。
米国特許第９５９９５１１号明細書 米国特許第９４６６６２８号明細書 特表２０１３－５１２４４５号公報 特開昭６３－１５１０７６号公報 特開昭５９－２１８７７０号公報
本開示は、撮像特性を向上させることができる光検出装置を提供する。
本開示の一態様に係る光検出装置は、各々が光入射面および光出射面を有し、２次元的に配列された複数のフィルタを含むフィルタアレイであって、前記複数のフィルタは互いに異なる透過スペクトルを有する複数種類のフィルタを含む、フィルタアレイと、前記光出射面に対向する光検出面を有するイメージセンサであって、前記光検出面に沿って２次元的に配列された複数の光検出素子を備えるイメージセンサと、を備え、前記光出射面と前記光検出面との距離が、前記フィルタごとに異なっている。
本開示の包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能な記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよびコンピュータ読み取り可能な記録媒体の任意の組み合わせで実現されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えばＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ‐Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の不揮発性の記録媒体を含む。装置は、１つ以上の装置で構成されてもよい。装置が２つ以上の装置で構成される場合、当該２つ以上の装置は、１つの機器内に配置されてもよく、分離した２つ以上の機器内に分かれて配置されてもよい。本明細書および特許請求の範囲では、「装置」とは、１つの装置を意味し得るだけでなく、複数の装置からなるシステムも意味し得る。
本開示の技術によれば、例えばハイパースペクトルカメラなどの光検出装置の撮像特性を向上させることができる。
図１は、例示的な実施形態による光検出システムを模式的に示す図である。 図２Ａは、例示的な実施形態によるフィルタアレイの例を模式的に示す図である。 図２Ｂ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。 図２Ｃは、図２Ａに示すフィルタアレイに含まれるあるフィルタの透過スペクトルの例を示す図である。 図２Ｄは、図２Ａに示すフィルタアレイに含まれる他のフィルタの透過スペクトルの例を示す図である。 図３Ａは、対象波長域と、それに含まれる複数の波長域との関係の一例を説明するための図である。 図３Ｂは、対象波長域と、それに含まれる複数の波長域との関係の他の例を説明するための図である。 図４Ａは、フィルタアレイにおけるあるフィルタの透過スペクトルの特性を説明するための図である。 図４Ｂは、図４Ａに示す透過スペクトルを、波長域ごとに平均化した結果を示す図である。 図５Ａは、本開示の実施形態によるフィルタアレイの第１の例を模式的に示す断面図である。 図５Ｂは、本開示の実施形態によるフィルタアレイの第２の例を模式的に示す断面図である。 図５Ｃは、本開示の実施形態によるフィルタアレイの第３の例を模式的に示す断面図である。 図６は、光が垂直に入射する場合における両側ＤＢＲ構造および片側ＤＢＲ構造の光の透過スペクトルの例を示す図である。 図７は、本開示の実施形態による光検出装置の第１の例を模式的に示す断面図である。 図８は、屈折率が同じ２つの媒質およびその間に位置する空気のギャップ層を備える構成における透過スペクトルを示すグラフである。 図９Ａは、図７に示す光検出装置の変形例を模式的に示す図である。 図９Ｂは、図７に示す光検出装置の他の変形例を模式的に示す図である。 図１０は、光検出装置の第２の例を模式的に示す断面図である。 図１１は、光検出装置の第３の例を模式的に示す断面図である。 図１２は、光検出装置の第４の例を模式的に示す断面図である。 図１３は、光検出装置の第５の例を模式的に示す平面図である。 図１４は、ＸＹ平面においてフィルタアレイをイメージセンサに対して０°から４５°まで５°刻みの角度で回転させた構成を模式的に示す平面図である。 図１５Ａは、光検出装置の第６の例を模式的に示す断面図である。 図１５Ｂは、図１５Ａに示す光検出装置からフィルタアレイおよび基板を除いた状態を示す断面図である。 図１５Ｃは、図１５Ｂに示す両面テープ３０の配置の他の例を模式的に示す平面図である。 図１６Ａは、光検出装置の第７の例を模式的に示す断面図である。 図１６Ｂは、図１６Ａに示す光検出装置からフィルタアレイおよび基板を除いた状態を示す平面図である。 図１６Ｃは、図１６Ｂに示す複数のスペーサの配置の他の例を模式的に示す平面図である。 図１６Ｄは、図１６Ｂに示す複数のスペーサの配置のさらに他の例を模式的に示す平面図である。 図１６Ｅは、図１６Ｂに示す複数のスペーサの配置のさらに他の例を模式的に示す平面図である。 図１７Ａは、スペーサの形成方法における工程の例を説明するための図である。 図１７Ｂは、スペーサの形成方法における工程の例を説明するための図である。 図１７Ｃは、スペーサの形成方法における工程の例を説明するための図である。 図１７Ｄは、スペーサの形成方法における工程の例を説明するための図である。 図１８Ａは、フィルタアレイとイメージセンサとを貼り合わる方法における工程の例を説明するための図である。 図１８Ｂは、フィルタアレイとイメージセンサとを貼り合わる方法における工程の例を説明するための図である。 図１８Ｃは、フィルタアレイとイメージセンサとを貼り合わる方法における工程の例を説明するための図である。 図１９は、光検出装置の第８の例を模式的に示す断面図である。 図２０は、光検出装置の第９の例を模式的に示す断面図である。 図２１は、赤色フィルタ、緑色フィルタ、および青色フィルタの透過スペクトルを模式的に示す図である。 図２２は、光検出装置の第１０の例を模式的に示す断面図である。 図２３Ａは、図２２に示す光検出装置の変形例を模式的に示す断面図である。 図２３Ｂは、図２２に示す光検出装置の他の変形例を模式的に示す断面図である。 図２４Ａは、光検出装置の第１１の例を模式的に示す断面図である。 図２４Ｂは、光検出装置の第１２の例を模式的に示す断面図である。 図２４Ｃは、光検出装置の第１３の例を模式的に示す断面図である。 図２５は、光検出装置の第１４の例を模式的に示す断面図である。 図２６は、光検出装置の第１５の例を模式的に示す断面図である。 図２７は、光検出装置の第１６の例を模式的に示す断面図である。 図２８は、光検出装置の第１７の例を模式的に示す断面図である。 図２９は、光検出装置の第１８の例を模式的に示す断面図である。 図３０は、光検出装置の第１９の例を模式的に示す断面図である。 図３１は、光検出装置の第２０の例を模式的に示す断面図である。
以下、本開示の例示的な実施形態を説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。さらに、各図において、実質的に同一の構成要素に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化される場合がある。
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。
特許文献１は、高い解像度の多波長画像すなわち複数の波長域のそれぞれについての画像を生成することが可能な撮像装置を開示している。当該撮像装置では、対象物からの光の像が、「符号化素子」と称される光学素子によって符号化されて撮像される。符号化素子は、例えば、２次元的に配列された複数の領域を有する。当該複数の領域のうちの少なくとも２つの領域の各々の透過スペクトルは、撮像対象の波長域内の複数の波長域において、それぞれ透過率の極大値を有する。複数の領域は、例えばイメージセンサの複数の画素にそれぞれ対応して配置され得る。当該符号化素子を用いた撮像において、各画素のデータは、複数の波長域の情報を含む。すなわち、撮像によって取得される画像データは、波長情報が圧縮された圧縮画像データである。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。例えば、記録媒体の容量に制約がある場合であっても、長時間の動画像のデータを取得することが可能である。多波長画像は、撮像によって取得された画像から、複数の波長域にそれぞれ対応する複数の画像を再構成することによって生成される。
符号化素子は、例えば、２次元的に配列された複数のフィルタを含むフィルタアレイによって実現され得る。複数のフィルタの各々は、例えば、干渉層を含むいわゆるファブリ・ペロー共振器の構造を備え得る。ファブリ・ペロー共振器として、例えば特許文献２に開示された構造を採用することができる。複数のフィルタは、各フィルタの透過スペクトルが、撮像対象の波長域において複数のピークを有するように設計され得る。干渉層の厚さが異なる複数のフィルタは、互いに異なる透過スペクトルを有する。
フィルタアレイを透過した光はイメージセンサによって検出される。特許文献３から５は、フィルタアレイおよびイメージセンサの配置の例を開示している。特許文献３に開示されている配置では、イメージセンサ上にフィルタアレイが集積されている。このような構成では、フィルタアレイの構成を変更すると製造工程も変更するので結果的にコストが高くなってしまう。特許文献４に開示されている配置では、フィルタアレイおよびイメージセンサが、それらの間に隙間がある状態で接着されている。このような構成では、フィルタアレイとイメージセンサとの間で生じる光の干渉によって撮像画像にニュートンリングなどの干渉縞が現れる。その結果、撮像特性が低下する。特許文献５に開示されている配置では、フィルタアレイおよびイメージセンサが、それらの間に隙間がない状態で接着されている。しかし、フィルタアレイおよび／またはイメージセンサが反りを有する場合、隙間がない状態で接着しようとしても隙間ができてしまう可能性がある。
以上の検討から、本発明者らは、光の干渉による撮像特性の低下を低コストで抑制できるフィルタアレイおよびイメージセンサの配置に想到した。本開示の実施形態による光検出装置は、光入射面およびその反対側の光出射面を有するフィルタアレイと、当該光出射面に対向する光検出面を有するイメージセンサとを備える。フィルタアレイは、特定の波長域内で互いに透過スペクトルが異なる複数種類のフィルタを備える。光出射面と光検出面との距離は、フィルタの透過スペクトルに応じて異なっている。光出射面と光検出面との距離が不均一であることにより、撮像画像に干渉縞の影響が現れることを抑制できる。その結果、撮像特性を向上させることができる。さらに、イメージセンサ上にフィルタアレイを集積する必要がないので、低コストで光検出装置を製造することができる。本開示の実施形態による光検出装置は、ハイパースペクトルカメラだけでなく、例えば３原色の画像を取得する一般的なカラーカメラにも適用することができる。以下に、本開示の実施形態による光検出装置を簡単に説明する。
第１の項目に係る光検出装置は、各々が光入射面および光出射面を有し、２次元的に配列された複数のフィルタを含むフィルタアレイであって、前記複数のフィルタは互いに異なる透過スペクトルを有する複数種類のフィルタを含む、フィルタアレイと、前記光出射面に対向する光検出面を有するイメージセンサであって、前記光検出面に沿って２次元的に配列された複数の光検出素子を備えるメージセンサと、を備える。前記光出射面と前記光検出面との距離が前記フィルタごとに異なっている。
この光検出装置では、撮像画像に干渉縞が現れることを抑制できる。
第２の項目に係る光検出装置は、第１の項目に係る光検出装置において、前記複数種類のフィルタの各々が、互いに反対側に位置する第１表面および第２表面を有する干渉層と、前記第１表面に設けられた反射層とを含む共振構造を備える。前記干渉層の厚さは、前記フィルタの透過スペクトルに応じて異なっている。前記複数種類のフィルタの各々の透過スペクトルは、特定の波長域に含まれる２つ以上の波長の各々において透過率の極大値を有する。前記イメージセンサは、前記特定の波長域に感度を有する。
この光検出装置では、多波長画像を取得することができる。
第３の項目に係る光検出装置は、第１の項目に係る光検出装置において、前記複数種類のフィルタが、２種類以上のカラーフィルタを含む。
この光検出装置では、多波長画像を取得することができる。
第４の項目に係る光検出装置は、第３の項目に係る光検出装置において、前記複数種類のカラーフィルタの少なくとも１つが、前記光出射面に反射防止膜を備える。
この光検出装置では、撮像画像に干渉縞が現れることをさらに抑制できる。
第５の項目に係る光検出装置は、第１から第４の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記複数種類のフィルタが不規則に配置されている。
この光検出装置では、撮像画像に干渉縞が現れることをさらに抑制できる。さらに、多波長画像を取得する場合、多波長画像の復元誤差を低減することができる。
第６の項目に係る光検出装置は、第１から第５の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記光出射面と前記光検出面との最小距離が、０．１μｍ以上２００μｍ以下である。
この光検出装置では、各フィルタを通過した光の大部分を、光検出面内の各フィルタの直下に位置する領域に入射させることができる。
第７の項目に係る光検出装置は、第１から第６の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記複数のフィルタが、前記複数の光検出素子にそれぞれ対向している。
この光検出装置では、各フィルタを通過した光を、１つの光検出素子に入射させることができる。
第８の項目に係る光検出装置は、第１から第６の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記複数のフィルタの少なくとも１つが、前記複数の光検出素子のうち、２つの隣り合う光検出素子の各々の一部に対向する部分を有する。
この光検出装置では、複数の光検出素子が検出する光のスペクトルのランダム性を向上させることができる。
第９の項目に係る光検出装置は、第１から第８の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記複数のフィルタにおける前記光入射面および前記光検出面が互いに平行である。
この光検出装置では、フィルタアレイとイメージセンサとの間隔を、互いに接触させることなく小さくすることができる。
第１０の項目に係る光検出装置は、第１から第８の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記複数のフィルタにおける前記光入射面および前記光検出面が互いに平行ではない。
この光検出装置では、撮像画像に干渉縞が現れることをさらに抑制できる。
第１１の項目に係る光検出装置は、第１から第１０の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記光入射面の側から見て、前記複数のフィルタが、第１方向および前記第１方向から反時計回りに所定の角度だけ回転した第２方向に沿って２次元的に配列されており、前記複数の光検出素子が、第３方向および前記第３方向から反時計回りに前記所定の角度だけ回転した第４方向に沿って２次元的に配列されている。前記第１方向と前記第３方向とがなす角度は、前記所定の角度の１／４以上１／２以下である。
この光検出装置では、モアレを抑制して撮像特性を向上させることができる。
第１２の項目に係る光検出装置は、第１１の項目に係る光検出装置において、前記所定の角度は９０度である。
この光検出装置では、モアレを抑制できる角度の範囲が大きくなる。
第１３の項目に係る光検出装置は、第１から第１２の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記フィルタアレイおよび前記イメージセンサが、同一傾向の反りを有する。
この光検出装置では、フィルタアレイとイメージセンサとの間隔を、互いに接触させることなく小さくすることができる。
第１４の項目に係る光検出装置は、第１から第１２の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記フィルタアレイおよび前記イメージセンサが、反対傾向の反りを有する。
この光検出装置では、撮像画像に干渉縞が現れることをさらに抑制できる。
第１５の項目に係る光検出装置は、第１から第１４の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記複数のフィルタの前記光入射面に基板を備える。
この光検出装置では、フィルタアレイが設けられた基板を構成要素とすることにより、基板を除去する工程を省略できる。
第１６の項目に係る光検出装置は、第１５の項目に係る光検出装置において、前記基板が、前記フィルタアレイの側の面とは反対側の面に反射防止膜を備える。
この光検出装置では、光検出効率を向上させることができる。
第１７の項目に係る光検出装置は、第１から第１６の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記複数のフィルタの前記光出射面の周囲に位置する周縁領域の少なくとも一部と、前記イメージセンサの前記光検出面の周囲に位置する周縁領域の少なくとも一部とを貼り合わせる両面テープを備える。
この光検出装置では、フィルタアレイおよびイメージセンサの配置を固定することができる。
第１８の項目に係る光検出装置は、第１から第１６の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記フィルタアレイと前記イメージセンサとによって挟まれ、各フィルタの前記光出射面と前記光検出面との前記距離を規定する複数のスペーサを備える。前記複数のフィルタの前記光出射面の少なくとも一部と前記光検出面の少なくとも一部とが、透明接着剤で接着されている。
この光検出装置では、フィルタアレイおよびイメージセンサの配置を固定することができる。
第１９の項目に係る光検出装置は、第１８の項目に係る光検出装置において、平面視において、前記複数のスペーサの少なくとも１つが、前記複数の光検出素子の少なくとも１つと重なる位置に配置される。
この光検出装置では、複数の光検出素子が検出する光のスペクトルのランダム性を向上させることができる。
第２０の項目に係る光検出装置は、第１から第１９の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記イメージセンサが、前記複数の光検出素子にそれぞれ配置された複数の第１マイクロレンズを備える。
この光検出装置では、フィルタを透過した光を第１マイクロレンズによって光検出素子に効率的に入射させることができる。
第２１の項目に係る光検出装置は、第１から第２０の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記フィルタアレイが、前記複数のフィルタの光出射面にそれぞれ配置された複数の第２マイクロレンズを備える。
この光検出装置では、フィルタを透過した光を第２マイクロレンズによって光検出素子に効率的に入射させることができる。
第２２の項目に係る光検出装置は、第１から第２１の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記光出射面と前記光検出面との最小距離が、０．１μｍよりも大きい。
この光検出装置では、対象波長域において、波長４００ｎｍ付近での干渉の影響を低減することができる。
第２３の項目に係る光検出装置は、第１から第２１の項目のいずれかに係る光検出装置において、対象波長域がλ１以上λ２以下であるとき、前記光出射面と前記光検出面との最小距離が、λ１／４よりも大きい。
この光検出装置では、対象波長域における撮像特性を向上させることができる。
第２４の項目に係る光検出装置は、第１から第２１の項目のいずれかに係る光検出装置において、対象波長域がλ１以上λ２以下であるとき、前記光出射面と前記光検出面との最小距離が、λ２／４よりも大きい。
この光検出装置では、対象波長域における撮像特性をさらに向上させることができる。
第２５の項目に係る光検出装置は、第１から第２４の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記フィルタアレイを支持する透明カバーと、前記イメージセンサが設けられる第１領域を有する底部、および前記底部のうち、前記第１領域の周囲に位置する第２領域から延び、前記イメージセンサを囲む側壁を備えるパッケージと、を備える。前記透明カバーおよび前記パッケージは、前記フィルタアレイおよび前記イメージセンサを封止する。
この光検出装置では、塵、ほこり、または水分が光検出装置の内部に混入することを抑制できる。
第２６の項目に係る光検出装置は、第１から第２５の項目のいずれかに係る光検出装置において、信号処理回路をさらに備える。前記信号処理回路は、前記フィルタアレイにより符号化された圧縮画像から、４つ以上の波長域ごとの複数の分光画像を復元する。
この光検出装置では、ＲＧＢのカラー画像よりも多くの波長情報を含む画像を得ることができる。
第２７の項目に係る構造体の製造方法は、２次元的に配列された複数のフィルタを含み、かつ凹凸面を有するフィルタアレイであって、前記複数のフィルタは互いに異なる透過スペクトルを有する、フィルタアレイを用意する工程と、前記フィルタアレイの前記凹凸面に、スピンコートによってフォトレジストを形成する工程と、前記フォトレジストをパターニングすることにより、前記フィルタアレイの前記凹凸面に複数のスペーサを形成する工程と、を含む。
このフィルタアレイの製造方法では、フィルタアレイの凹凸面に高さが揃った複数のスペーサを形成することができる。
第２８の項目に係る光検出装置の製造方法は、第２７の項目に係る構造体の製造方法によって製造される構造体、および光検出面を有するイメージセンサを用意する工程と、前記フィルタアレイの前記凹凸面と、前記イメージセンサの前記光検出面を互いに対向させた状態で、前記複数のスペーサを介して前記フィルタアレイと前記イメージセンサとを貼り合わせる工程と、を含む。
この光検出装置の製造方法では、フィルタアレイとイメージセンサとを互いにほぼ平行な状態で貼り合わせることができる。
第２９の項目に係る光検出装置の製造方法は、第２８の項目に係る光検出装置の製造方法において、前記イメージセンサの前記光検出面および／または前記光検出面の周囲に位置する周縁領域には、複数の接着剤が配置されており、前記フィルタアレイと前記イメージセンサとを貼り合わせる工程は、前記フィルタアレイを、前記複数のスペーサおよび前記複数の接着剤を介して前記イメージセンサに押し当てることを含む。
この光検出装置の製造方法では、複数の接着剤を硬化させてフィルタアレイとイメージセンサとを貼り合わせることができる。
本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または操作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。
（実施形態）
＜光検出システム＞
図１は、本開示の例示的な実施形態による光検出システム４００を模式的に示す図である。光検出システム４００は、光学系４０と、フィルタアレイ１０と、イメージセンサ６０と、信号処理回路２００とを備える。フィルタアレイ１０は、特許文献１に開示されている「符号化素子」と同様の機能を有する。このため、フィルタアレイ１０を、「符号化素子」と称することもできる。光学系４０およびフィルタアレイ１０は、対象物７０から入射する光の光路に配置されている。図１に示す例では、フィルタアレイ１０は、光学系４０とイメージセンサ１６０との間に配置されている。
図１には、対象物７０の一例として、リンゴが例示されている。対象物７０は、リンゴに限らず、任意の物体であり得る。信号処理回路２００は、イメージセンサ６０が生成した画像データに基づいて、特定の波長域（以下、「対象波長域」とも称する。）に含まれる複数の波長域のそれぞれについて画像データを生成する。この画像データを、本明細書において「分光画像データ」と称する。ここで、対象波長域に含まれる波長域の数をＮ（Ｎは４以上の整数）とする。以下の説明において、生成される複数の波長域の分光画像データを、分離画像２２０Ｗ１、２２０Ｗ２、・・・、２２０ＷＮと称し、これらを分離画像２２０と総称する。本明細書において、画像を示す信号、すなわち、画像を構成する複数の画素の画素値を表す信号の集合を、単に「画像」とも称する。
フィルタアレイ１０は、行および列状に配列された透光性の複数のフィルタを備える。フィルタアレイ１０は、光の透過スペクトル、すなわち光透過率の波長依存性がフィルタによって異なる光学素子である。フィルタアレイ１０は、入射した光の強度を波長域ごとに変調させて通過させる。
図１に示す例において、フィルタアレイ１０は、イメージセンサ６０の近傍に配置されている。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フィルタアレイ１０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。本明細書において、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０を備える装置を、「光検出装置３００」と称する。
光学系４０は、少なくとも１つのレンズを含む。図１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、フィルタアレイ１０を介して、イメージセンサ６０の撮像面上に像を形成する。
イメージセンサ６０は、２次元的に配列された複数の光検出素子を備える。イメージセンサ６０は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ－Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサ、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサ、または赤外線アレイセンサであり得る。光検出素子は、例えばフォトダイオードを含み得る。イメージセンサ６０は、例えばモノクロタイプのセンサ、またはカラータイプのセンサであり得る。対象波長域は任意に決定してよい。対象波長域は、可視の波長域に限らず、紫外、近赤外、中赤外、遠赤外、またはマイクロ波の波長範囲であってもよい。
図１に示す例において、複数の光検出素子の各々は、複数のフィルタの１つに対向して配置されている。複数の光検出素子の各々は、撮像対象の波長域の光に対して感度を有する。具体的には、複数の光検出素子の各々は、撮像対象の波長域の光を検出するのに必要な実質的な感度を有する。例えば、当該波長域における光検出素子の外部量子効率は１％以上であり得る。光検出素子の外部量子効率は１０％以上であってもよい。光検出素子の外部量子効率は２０％以上であってもよい。以下の説明において、光検出素子を「画素」とも称する。
信号処理回路２００は、例えばプロセッサとメモリ等の記憶媒体とを備える集積回路であり得る。信号処理回路２００は、イメージセンサ６０によって取得された画像１２０に基づいて、複数の波長域の情報をそれぞれ含む複数の分離画像２２０のデータを生成する。複数の分離画像２２０、および信号処理回路２００の画像信号の処理方法の詳細については、後述する。なお、信号処理回路２００は、光検出装置３００に組み込まれていてもよいし、光検出装置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。
＜フィルタアレイ＞
以下に、本実施形態によるフィルタアレイ１０を説明する。フィルタアレイ１０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。フィルタアレイすなわち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。
図２Ａは、フィルタアレイ１０の例を模式的に示す図である。フィルタアレイ１０は、２次元的に配列された複数のフィルタを含む。各フィルタは、個別に設定された透過スペクトルを有する。透過スペクトルは、入射光の波長をλとして、関数Ｔ（λ）で表される。透過スペクトルＴ（λ）は、０以上１以下の値を取り得る。
図２Ａに示す例では、フィルタアレイ１０は、６行８列に配列された４８個の矩形状のフィルタを有している。これはあくまで例示であり、実際の用途では、これよりも多くのフィルタが設けられ得る。その数は、例えばイメージセンサ６０の画素数と同程度であってもよい。フィルタアレイ１０に含まれるフィルタの数は、例えば数十から数千万の範囲で用途に応じて決定される。
図２Ｂ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２Ｂに示す例では、各フィルタの濃淡の違いは、透過率の違いを表している。淡いフィルタほど透過率が高く、濃いフィルタほど透過率が低い。図２Ｂ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。
図２Ｃおよび図２Ｄは、それぞれ、図２Ａのフィルタアレイ１０の複数のフィルタに含まれるフィルタＡ１およびフィルタＡ２の透過スペクトルの例を示す図である。フィルタＡ１の透過スペクトルとフィルタＡ２の透過スペクトルとは、互いに異なっている。このように、フィルタアレイ１０の透過スペクトルは、フィルタによって異なる。ただし、必ずしもすべてのフィルタの透過スペクトルが異なっている必要はない。フィルタアレイ１０において、複数のフィルタのうちの少なくとも２つ以上のフィルタの透過スペクトルが互いに異なっている。すなわち、フィルタアレイ１０は、透過スペクトルが互いに異なる２つ以上のフィルタを含む。ある例では、フィルタアレイ１０に含まれる複数のフィルタの透過スペクトルのパターンの数は、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。フィルタアレイ１０は、半数以上のフィルタの透過スペクトルが異なるように設計されていてもよい。
図３Ａおよび図３Ｂ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、または約１０ｎｍから約４００ｎｍの近紫外線の波長域であり得る。あるいは、対象波長域Ｗは、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ってもよい。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。
図３Ａ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、波長域Ｗ２、・・・、波長域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３Ｂ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。
図４Ａは、フィルタアレイ１０におけるあるフィルタの透過スペクトルの特性を説明するための図である。図４Ａに示す例では、透過スペクトルは、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４Ａ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４Ａ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、透過スペクトルが極大値を有している。このように、本実施形態では、各フィルタの透過スペクトルは、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４Ａからわかるように、極大値Ｐ１、極大値Ｐ３、極大値Ｐ４、および極大値Ｐ５は０．５以上である。
以上のように、各フィルタの光透過率は、波長によって異なる。したがって、フィルタアレイ１０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、フィルタアレイ１０は、入射光をフィルタごとに、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。
図４Ｂは、一例として、図４Ａに示す透過スペクトルを、波長域Ｗ１、波長域Ｗ２、・・・、波長域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、透過スペクトル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。
各フィルタの透過スペクトル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、透過スペクトル曲線における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、透過スペクトルを、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。
フィルタアレイ１０は、典型的には、図２Ａに示すように、格子状に区分けされた複数のフィルタを有する。これらのフィルタの一部または全部が、互いに異なる透過スペクトルを有する。フィルタアレイ１０に含まれる複数のフィルタ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。
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、フィルタアレイ１０における各フィルタは、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フィルタの集合を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、フィルタアレイ１０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、複数のフィルタに含まれる１つの行または列に並んだフィルタの集合に属する各フィルタでの第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フィルタの集合に属する各フィルタにおける第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、複数のフィルタに含まれる１つの行または列に並んだフィルタの集合に属する各フィルタにおける第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フィルタの集合に属する各フィルタにおける第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。
フィルタアレイ１０をイメージセンサ６０の近傍に配置する場合、フィルタアレイ１０に含まれる複数のフィルタの相互の間隔は、イメージセンサ６０の画素ピッチと略一致させてもよい。このようにすれば、フィルタアレイ１０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つの画素に入射するようにすることにより、後述する演算を容易にすることができる。フィルタアレイ１０をイメージセンサ６０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。
図２Ａから図２Ｄに示す例では、フィルタアレイ１０は、各フィルタの透過率が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有する。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、各フィルタの透過率がほぼ０またはほぼ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において、各フィルタは、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。
すべてのフィルタのうちの一部、例えば半分のフィルタを、透明フィルタに置き換えてもよい。そのような透明フィルタは、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、複数の透明フィルタは、例えば市松（ｃｈｅｃｋｅｒｂｏａｒｄ）状に配置され得る。すなわち、フィルタアレイ１０における複数のフィルタの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フィルタと、透明フィルタとが交互に配列され得る。図２Ａに示す例において、２つの配列方向は、横方向および縦方向である。
このようなフィルタアレイ１０の分光透過率の空間分布を示すデータは、設計データまたは実測キャリブレーションに基づいて事前に取得され、信号処理回路２００が備える記憶媒体に格納される。このデータは、後述する演算処理に利用される。
フィルタアレイ１０は、例えば、多層膜、有機材料、回折格子構造、または金属を含む微細構造を用いて構成され得る。多層膜を用いて構成される場合、例えば、誘電体多層膜または金属層を含む多層膜が用いられ得る。この場合、セルごとに各多層膜の厚さ、材料、および積層順序の少なくとも１つが異なるように形成され得る。これにより、セルによって異なる分光特性を実現できる。多層膜を用いることにより、分光透過率におけるシャープな立ち上がりおよび立下りを実現できる。有機材料を用いた構成は、セルによって含有する顔料または染料が異なるようにしたり、異種の材料を積層させたりすることによって実現され得る。回折格子構造を用いた構成は、セルごとに異なる回折ピッチまたは深さの回折構造を設けることによって実現され得る。金属を含む微細構造を用いる場合は、プラズモン効果による分光を利用して作製され得る。
＜信号処理回路＞
次に、信号処理回路２００によって多波長の分離画像２２０を再構成する方法を説明する。ここで多波長とは、例えば通常のカラーカメラで取得されるＲＧＢの３色の波長域よりも多くの波長域、すなわち４つ以上の波長域を意味する。この波長域の数は、例えば４から１００程度の数であり得る。この波長域の数を、「分光帯域数」とも称する。用途によっては、分光帯域数は１００を超えていてもよい。
求めたいデータは分離画像２２０であり、そのデータは、ｆとして表される。分光帯域数をｗとすると、ｆは、各帯域の画像データｆ１、ｆ２、・・・、ｆｗを統合したデータである。ここで、図１に示すように、画像の横方向をｘ方向、画像の縦方向をｙ方向とする。求めるべき画像データのｘ方向の画素数をｎとし、ｙ方向の画素数をｍとすると、画像データｆ１、ｆ２、・・・、ｆｗの各々は、ｎ×ｍ画素の２次元データである。したがって、データｆは要素数ｎ×ｍ×ｗの３次元データである。一方、フィルタアレイ１０によって符号化および多重化されて取得される画像１２０のデータｇの要素数はｎ×ｍである。データｇは、以下の式（１）によって表すことができる。
Figure 2023121766000002
ここで、ｆ１、ｆ２、・・・、ｆｗは、ｎ×ｍ個の要素を有するデータである。したがって、右辺のベクトルは、厳密にはｎ×ｍ×ｗ行１列の１次元ベクトルである。ベクトルｇは、ｎ×ｍ行１列の１次元ベクトルに変換して表され、計算される。行列Ｈは、ベクトルｆの各成分ｆ１、ｆ２、・・・、ｆｗを波長域ごとに異なる符号化情報で符号化および強度変調し、それらを加算する変換を表す。したがって、Ｈは、ｎ×ｍ行ｎ×ｍ×ｗ列の行列である。
ベクトルｇと行列Ｈが与えられれば、式（１）の逆問題を解くことにより、ｆを算出することができそうである。しかし、求めるデータｆの要素数ｎ×ｍ×ｗが取得データｇの要素数ｎ×ｍよりも多いため、この問題は不良設定問題であり、このままでは解くことができない。そこで、信号処理回路２００は、データｆに含まれる画像の冗長性を利用し、圧縮センシングの手法を用いて解を求める。具体的には、以下の式（２）を解くことにより、求めるデータｆが推定される。
Figure 2023121766000003
ここで、ｆ’は、推定されたｆのデータを表す。上式の括弧内の第１項は、推定結果Ｈｆと取得データｇとのずれ量、いわゆる残差項を表す。ここでは２乗和を残差項としているが、絶対値あるいは二乗和平方根等を残差項としてもよい。括弧内の第２項は、後述する正則化項または安定化項である。式（２）は、第１項と第２項との和を最小化するｆを求めることを意味する。信号処理回路２００は、再帰的な反復演算によって解を収束させ、最終的な解ｆ’を算出することができる。
式（２）の括弧内の第１項は、取得データｇと、推定過程のｆを行列Ｈによってシステム変換したＨｆとの差分の二乗和を求める演算を意味する。第２項のΦ（ｆ）は、ｆの正則化における制約条件であり、推定データのスパース情報を反映した関数である。働きとしては、推定データを滑らかまたは安定にする効果がある。正則化項は、例えば、ｆの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、またはトータルバリエーション（ＴＶ）などによって表され得る。例えば、トータルバリエーションを使用した場合、観測データｇのノイズの影響を抑えた安定した推測データを取得できる。それぞれの正則化項の空間における対象物７０のスパース性は、対象物７０のテキスチャによって異なる。対象物７０のテキスチャが正則化項の空間においてよりスパースになる正則化項を選んでもよい。あるいは、複数の正則化項を演算に含んでもよい。τは、重み係数である。重み係数τが大きいほど冗長的なデータの削減量が多くなり、圧縮する割合が高まる。重み係数τが小さいほど解への収束性が弱くなる。重み係数τは、ｆがある程度収束し、かつ、過圧縮にならない適度な値に設定される。
なお、ここでは式（２）に示す圧縮センシングを用いた演算例を示したが、その他の方法を用いて解いてもよい。例えば、最尤推定法またはベイズ推定法などの他の統計的方法を用いることができる。また、分離画像２２０の数は任意であり、各波長域も任意に設定してよい。再構成の方法の詳細は、特許文献１に開示されている。特許文献１の開示内容の全体を本明細書に援用する。
＜ファブリ・ペローフィルタを含むフィルタアレイ＞
次に、図５Ａから図５Ｃを参照して、本開示の実施形態によるフィルタアレイ１０の具体的な構造の例を説明する。図５Ａから図５Ｃは、それぞれ本開示の実施形態によるフィルタアレイ１０の第１から第３の例を模式的に示す断面図である。これらの断面図では、簡単のために、１つの行に含まれる５つのフィルタ１００が示されている。図５Ａから図５Ｃに示す例において、フィルタアレイ１０は基板２０によって支持されている。フィルタアレイ１０は、図２Ａに示すように、正方格子状に２次元的に配列された複数のフィルタ１００を含む。図５Ａに示す第１の例から図５Ｃに第３の例において、フィルタアレイ１０に含まれるすべてのフィルタ１００は共振構造を備える。共振構造とは、ある波長の光が内部で定在波を形成して安定に存在する構造を意味する。
図５Ａに示す第１の例において、基板２０上に、第１反射層１４ａ、干渉層１２、および第２反射層１４ｂがこの順に積層されている。図５Ａに示す各共振構造は、互いに反対側に位置する第１表面１２ｓ１および第２表面１２ｓ２を有する干渉層１２と、第１表面１２ｓ１に設けられた第１反射層１４ａと、第２表面１２ｓ２に設けられた第２反射層１４ｂとを含む。第１表面１２ｓ１および第２表面１２ｓ２の各々の対象波長域Ｗの光についての反射率は、例えば８０％以上であり得る。当該反射率は、８０％よりも低くてもよいが４０％以上に設計され得る。第１反射層１４ａの厚さおよび第２反射層１４ｂの厚さは等しくなるように設計され得る。干渉層１２の厚さが互いに異なる複数のフィルタ１００は、対象波長域Ｗ内で互いに異なる透過スペクトルを有する。図５Ａに示す各共振構造の透過スペクトルは、後述するように対象波長域Ｗ内に２つ以上の鋭いピークを有する。
図５Ａに示す第１の例において、第１反射層１４ａおよび第２反射層１４ｂの各々は、複数の高屈折率層および複数の低屈折率層が交互に積層された分布ブラッグ反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）から形成されている。第１反射層１４ａおよび第２反射層１４ｂの各々は金属薄膜から形成されていてもよい。
ＤＢＲは、屈折率が異なる高屈折率層および低屈折率層のペア層を１組以上含む。高屈折率層の屈折率は、低屈折率層の屈折率よりも高い。ＤＢＲは、周期的な積層構造に起因するブラッグ反射により、反射率が高い波長域を有する。当該波長域はストップバンドと呼ばれる。上記のペア層の数を増加させると、ストップバンドの反射率は１００％に近づく。
対象波長域Ｗ内の波長をλ、高屈折率層の屈折率をｎＨ、低屈折率層の屈折率をｎＬとする。厚さがλ／（４ｎＨ）である高屈折率層、および厚さがλ／（４ｎＬ）である低屈折率層のペア層を１組以上含むＤＢＲは、波長λの光を効率的に反射させる。対象波長域Ｗが波長λｉ以上波長λｆ以下の範囲である場合、複数の高屈折率層および複数の低屈折率層の厚さを段階的に変化させることにより、ＤＢＲは、波長λｉに対応するペア層から波長λｆに対応するペア層を含むことができる。その結果、当該ＤＢＲは、対象波長域Ｗ内のすべての光を効率的に反射させることができる。
第１反射層１４ａおよび第２反射層１４ｂの各々に含まれる高屈折率層および低屈折率層、ならびに干渉層１２は、例えば、対象波長域Ｗ内の光について吸収率の低い材料から形成され得る。対象波長域Ｗが可視光領域内にある場合、そのような材料は、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘＮｙ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔａ２Ｏ５、およびＴｉＯ２からなる群から選択される少なくとも１つであり得る。対象波長域Ｗが赤外領域内にある場合、そのような材料は、例えば、上記のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘＮｙ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔａ２Ｏ５、およびＴｉＯ２に加えて、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、およびアモルファスＳｉからなる群から選択される少なくとも１つであり得る。同様に、基板２０は、例えば、対象波長域Ｗ内の光について吸収率の低い材料から形成され得る。対象波長域Ｗが可視光領域内にある場合、そのような材料は、ＳｉＯ２、ＩＴＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＧａＮ、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、およびＳｉＣからなる群から選択される少なくとも１つであり得る。対象波長域Ｗが赤外領域内にある場合、そのような材料は、例えば、上記のＳｉＯ２、ＩＴＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＧａＮ、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、およびＳｉＣに加えて、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、およびＩｎＰからなる群から選択される少なくとも１つであり得る。第１反射層１４ａおよび第２反射層１４ｂの各々の厚さは、例えば１００ｎｍ以上９００ｎｍ以下であり得る。干渉層１２の厚さは、例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり得る。基板２０の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であり得る。
図５Ｂに示す第２の例において、基板２０上に、第１反射層１４ａおよび干渉層１２がこの順に積層されている。図５Ｂに示す各共振構造は、干渉層１２と、第１表面１２ｓ１に設けられた第１反射層１４ａと含む。図５Ｂに示す第２の例が図５Ａに示す第１の例と異なる点は、第２表面１２ｓ２に第２反射層１４ｂが設けられていないことである。図５Ｂに示す各共振構造の透過スペクトルは、後述するように対象波長域Ｗ内に２つ以上の幅広いピークを有する。
図５Ｂに示す例において、第２表面１２ｓ２は外部に露出し、空気に接している。干渉層１２の第２表面１２ｓ２上に、透明層をさらに積層してもよい。第１表面１２ｓ１における対象波長域Ｗの光についての反射率（以下、「第１反射率」と称する。）は、例えば８０％以上であり得る。第１反射率は、８０％よりも低くてもよいが４０％以上に設計され得る。第２表面１２ｓ２における対象波長域Ｗの光についての反射率（「第２反射率」と称する。）は、第１反射率よりも低く、例えば１％以上３０％未満であり得る。第１反射率と第２反射率との間には１０％以上の一定の差異がある。
本明細書では、図５Ａに示す共振構造を「両側ＤＢＲ構造」と称し、図５Ｂに示す共振構造を「片側ＤＢＲ構造」と称する。本明細書では、両側ＤＢＲ構造および片側ＤＢＲ構造において、光を反射する面の正確な位置が問題にならない限り、干渉層１２内の光は、第１表面１２ｓ１および第２表面１２ｓ２で反射されるものとする。本実施形態において、干渉層１２から第１反射層１４ａまたは第２反射層１４ｂに入射する光の一部は、実際には、第１反射層１４ａまたは第２反射層１４ｂ内に浸入し、複数の高屈折率層および複数の低屈折率層の界面で反射される。光が反射される界面は、波長によって異なる。しかし、説明の便宜上、これらの光は、第１表面１２ｓ１および第２表面１２ｓ２で反射されるものとして取り扱う。
図５Ｃに示す第３の例において、一部のフィルタ１００は両側ＤＢＲ構造を有し、他の一部のフィルタ１００は片側ＤＢＲ構造を有する。フィルタアレイ１０に含まれるすべてのＤＢＲ構造に対する片側ＤＢＲ構造の割合は、例えば１０％以上９０％以下であり得る。片側ＤＢＲ構造の割合は、両側ＤＢＲ構造の割合よりも小さくてもよいし、両側ＤＢＲ構造の割合に等しくてもよいし、両側ＤＢＲ構造の割合よりも大きくてもよい。両側ＤＢＲ構造および片側ＤＢＲ構造の配置は、規則的であってもよいし不規則であってもよい。両側ＤＢＲ構造および片側ＤＢＲ構造が混在することにより、フィルタアレイ１０に含まれる複数のフィルタ１００の透過スペクトルのランダム性を向上させることができる。その結果、より正確な複数の分離画像２２０を得ることができる。
次に、図６を参照して、フィルタ１００の透過スペクトルの例を説明する。図６は、光が垂直に入射する場合における両側ＤＢＲ構造および片側ＤＢＲ構造の光の透過スペクトルの例を示す図である。図６に示す例において、対象波長域Ｗは４５０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下である。図６に示す実線は両側ＤＢＲ構造の透過スペクトルを表し、図６に示す破線は片側ＤＢＲ構造の透過スペクトルを表す。図６に示すように、両側ＤＢＲ構造および片側ＤＢＲ構造の透過スペクトルは、対象波長域Ｗ内に２つ以上の波長の各々で透過率の極大値を有する。本明細書では、このような透過スペクトルを有するフィルタを「多モードフィルタ」と称する。透過率が極大値を示す波長は、干渉層１２を薄くすると短波長側にシフトし、干渉層１２を厚くすると長波長側にシフトする。
両側ＤＢＲ構造および片側ＤＢＲ構造の特性は以下の点において異なる。両側ＤＢＲ構造の透過スペクトルにおいて、各ピークは鋭く、かつ、最大の透過率が１．０程度であり、最小の透過率が０．０２程度である。これに対して、片側ＤＢＲ構造の透過スペクトルにおいて、各ピークは幅広く、かつ、最大の透過率が０．５程度であり、最小の透過率が０．１程度である。片側ＤＢＲ構造では、両側ＤＢＲ構造と比較して、透過率のベースラインが上昇する。図６に示す例において、片側ＤＢＲ構造の対象波長域Ｗ内の平均透過率は約２６％であり、両側ＤＢＲ構造の対象波長域Ｗ内の平均透過率は約１４％である。片側ＤＢＲ構造では、両側ＤＢＲ構造と比較して、平均透過率が約２倍である。このように、片側ＤＢＲ構造は、撮像時の光量損失を抑制することができる。
本実施形態によるフィルタアレイ１０では、対象波長域Ｗ内で互いに透過スペクトルが異なる複数種類の多モードフィルタが不規則に配置され得る。不規則な配置とは、明確な規則性または周期性を示さない配置であり、非周期的な配置でもある。不規則な配置は、例えば前述のランダム分布または準ランダム分布の考え方に従った配置であり得る。ある例において、フィルタアレイ１０は２次元的に配列された数百万個のフィルタ１００を含み、当該数百万個のフィルタ１００は不規則に配置された９種類の多モードフィルタを含む。９種類の多モードフィルタが、高いランダム性をもって配列され得る。そのようなランダム性の高いフィルタ配列を有するフィルタアレイ１０により、分離画像２２０の復元誤差を低減することができる。不規則な配置であることから、隣り合うフィルタが同種類のフィルタである場合もある。しかし、そのような場合はまれであると考えられるので、大きな問題にはならない。
なお、本実施形態によるフィルタアレイ１０は、上記の共振構造を有しないフィルタを含んでいてもよい。本実施形態によるフィルタアレイ１０は、例えば、透明フィルタまたはＮＤフィルタ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｉｌｔｅｒ）などの、光透過率の波長依存性を有しないフィルタを含んでいてもよい。
本明細書では、両側ＤＢＲ構造および／または片側ＤＢＲ構造を備えるフィルタ１００を、「ファブリ・ペローフィルタ」とも称する。ファブリ・ペローフィルタは干渉フィルタの一種である。ファブリ・ペローフィルタに代えて、例えば回折格子などから構成される色分離フィルタなど、他の種類の干渉フィルタを用いることができる。
＜フィルタアレイおよびイメージセンサの配置関係＞
次に、図７から図１４を参照して、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０の配置関係の例を説明する。図７および以降の図に示す例においては、簡単のために、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０の各々が２次元的に配列された５×５のユニットセルを含むものとして説明されている。しかし、実際には、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０の各々は、例えば２次元的に配列された数百万個のユニットセルを含み得る。図示されている構造は例示にすぎず、ユニットセルの数および配置は任意に決定され得る。
図７は、本開示の実施形態による光検出装置３００の第１の例を模式的に示す断面図である。当該断面図は、ある１つの行についてのフィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０の断面図である。図７に示す構造は、光検出装置３００の部分構造である。説明の便宜上、図７には、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸が示されている。Ｘ軸の矢印の方向を＋Ｘ方向と称し、その反対の方向を－Ｘ方向と称する。Ｙ軸およびＺ軸の矢印の方向およびその反対の方向についても同様である。＋Ｚ方向側を「上」とも称し、－Ｚ方向側を「下」とも称する。これらの軸は、光検出装置３００の配置および姿勢を限定するものではなく、実際の光検出装置３００の配置および姿勢は任意である。本実施形態による光検出装置３００は、フィルタアレイ１０と、フィルタアレイ１０を支持する基板２０と、イメージセンサ６０とを備える。
図７に示すフィルタアレイ１０および基板２０の構成は、上下を反転させた点を除き、図５Ｃに示すフィルタアレイ１０および基板２０の構成と同じである。図５Ｃに示す構成の代わりに、図５Ａまたは図５Ｂに示す構成を採用してもよい。基板２０は、光検出装置３００を製造する工程において用いられる。基板２０は必ずしも必要ではないが、光検出装置３００の製造において基板２０を除去しない場合には、基板２０が光検出装置３００に含まれる。
フィルタアレイ１０は、ＸＹ平面に沿って正方格子状に２次元的に配列された複数のフィルタ１００を含む。複数のフィルタ１００は、対象波長域Ｗ内で透過スペクトルが互いに異なる複数種類の多モードフィルタを含む。干渉層１２の厚さは、多モードフィルタの透過スペクトルに応じて異なっている。複数のフィルタ１００のＸ方向およびＹ方向における配列ピッチはすべて等しい。複数種類の多モードフィルタは、例えば前述のランダム分布または準ランダム分布の考え方に従って不規則に配置されている。
フィルタアレイ１０は、光入射面１０ｓ１およびその反対側の光出射面１０ｓ２を有する。光入射面１０ｓ１は、複数のフィルタ１００の光入射面の集まりによって形成される。光出射面１０ｓ２は、複数のフィルタ１００の光出射面の集まりによって形成される。図７に示す例において、光入射面１０ｓ１は平坦である。言い換えれば、複数のフィルタ１００における光入射面は段差のない平坦面を形成する。これに対して、光出射面１０ｓ２は凹凸すなわち段差を有する。言い換えれば、複数のフィルタ１００における光出射面は凹凸面を形成する。この凹凸は、フィルタ１００によって厚さが異なることに起因して生じる。フィルタ１００ごとの厚さの違いは、干渉層の厚さが異なること、あるいは第２反射層１４ｂの有無に起因して生じる。基板２０は、フィルタアレイ１０の光入射面１０ｓ１に設けられている。
イメージセンサ６０は、光出射面１０ｓ２に対向する光検出面６０ｓを有し、光検出面６０ｓに沿って正方格子状に２次元的に配列された複数の光検出素子６０ａを含む。光検出面６０ｓは平坦である。複数の光検出素子６０ａは対象波長域Ｗに感度を有する。複数の光検出素子６０ａは、複数のフィルタ１００にそれぞれ対向している。図７に示す第１の例において、複数の光検出素子６０ａのＸ方向およびＹ方向における配列ピッチはすべて等しい。光検出素子６０ａのＸ方向およびＹ方向における配列ピッチは異なっていてもよい。光検出素子６０ａの配列ピッチは、例えば１μｍ以上１０μｍ以下であり得る。図７に示す第１の例において、フィルタ１００の配列ピッチは、光検出素子６０ａの配列ピッチに等しくなるように設計されている。複数の光検出素子６０ａは、それぞれ、直上に複数のマイクロレンズ４０ａを備える。マイクロレンズ４０ａは、フィルタ１００を透過した光を光検出素子６０ａに効率的に入射させる。光入射面１０ｓ１および光検出面６０ｓは互いに平行である。「光入射面１０ｓ１および光検出面６０ｓが互いに平行である」とは、厳密に平行であることを意味するのではなく、光入射面１０ｓ１の法線方向と光検出面６０ｓの法線方向とがなす角度が１０°以下であることを意味する。光入射面１０ｓ１の法線方向は、光入射面１０ｓ１に垂直であり、かつ、フィルタアレイ１０から遠ざかる方向である。光検出面６０ｓの法線方向は、光検出面６０ｓに垂直であり、かつ、イメージセンサ６０から遠ざかる方向である。
対象物７０で反射された光は、主に－Ｚ方向に沿って基板２０を介してフィルタアレイ１０の光入射面１０ｓ１に入射し、フィルタアレイ１０を通り、フィルタアレイ１０の光出射面１０ｓ２から出射する。フィルタアレイ１０の光出射面１０ｓ２から出射した光は、イメージセンサ６０の光検出面６０ｓに入射する。
光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの距離は、多モードフィルタごとに異なっている。本実施形態の光検出装置３００は、図５Ｃに示す構造物およびイメージセンサ６０を、フィルタアレイ１０の凹凸面が光検出面６０ｓに対向するように固定することによって製造される。光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの距離が不均一になるので、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの間で光の多重反射が生じても、撮像画像に光の干渉による干渉縞が現れることを抑制できる。したがって、光検出装置３００の撮像特性を向上させることができる。複数種類の多モードフィルタの不規則な配置により、複数の分離画像２２０の復元誤差を低減できるだけでなく、撮像画像に干渉縞が現れることをさらに抑制できる。
さらに、本実施形態では、基板２０ではなく第２反射層１４ｂがイメージセンサ６０の光検出面６０ｓに対向するように配置することにより、フィルタアレイ１０とイメージセンサ６０とを近づけることができる。光出射面１０ｓ２のうち、最も光検出面６０ｓに近い部分と光検出面６０ｓとの距離（以下、「最小距離ｄｍ」と称することがある。）は、例えば０．１μｍ以上２００μｍ以下であり得る。本実施形態において、図１に示す光学系４０のＦ値は１６以下であり、光検出素子６０ａの配列ピッチは６μｍ程度であり得る。この場合、焦点深度が約２００μｍ程度となるので、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの最小距離が上記の範囲内であれば、各フィルタ１００を通過した光の大部分を、光検出面６０ｓ内の各フィルタ１００の直下に位置する領域に入射させることができる。図７に示す第１の例では、当該領域に１つの光検出素子６０ａが位置する。
光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの距離によっては、両者の間に光の干渉が発生し得る。この干渉の影響により、光検出素子６０ａによって検出される光のスペクトルと、多モードフィルタの透過スペクトルとがずれる可能性がある。ここで発生し得る干渉は、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの間の距離ｄに依存する。光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓと往復距離２ｄが波長λの整数倍である場合、すなわち距離ｄ＝ｍ１λ／２の場合、光は干渉によって強め合い、その結果、波長λ＝２ｄ／ｍ１で透過率が極大になる。ｍ１は１以上の整数である。これに対して、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓと往復距離２ｄが波長λの半整数倍である場合、すなわち距離ｄ＝（ｍ２＋１／２）λ／２の場合、光は干渉によって弱め合い、その結果、波長λ＝２ｄ／（ｍ２＋１／２）で透過率が極小になる。ｍ２は０以上の整数である。干渉によって透過率が極小になる最大波長はｍ２＝０の場合、すなわちλ＝４ｄである。本明細書では、距離ｄ＝λ／４で生じる干渉を「基本モードの干渉」と称する。
図８は、屈折率が同じ２つの媒質およびその間に位置する空気のギャップ層を備える構成における透過スペクトルを示すグラフである。図８に示す実線、点線、および破線は、それぞれ、ギャップ層の厚さｄが１００ｎｍ、１２５ｎｍ、および１５０ｎｍである場合を表す。２つの媒質はＳｉＯ２であり、それぞれの屈折率はｎ＝１．５である。図８に示すように、距離ｄ＝１００ｎｍでは波長λ＝４００ｎｍの光について基本モードの干渉が発生し、波長λ＝４００ｎｍ付近で透過率が極小になる。同様に、距離ｄ＝１２５ｎｍでは波長λ＝５００ｎｍ付近で透過率が極小になり、距離ｄ＝１５０ｎｍでは波長λ＝６００ｎｍ付近で透過率が極小になる。図８に示すように、基本モードの干渉が生じる波長よりも波長が長くなると、透過率は緩やかに増加し、基本モードの干渉が生じる波長よりも波長が短くなると、透過率は極大値に向けて急峻に増加する。
各画素の光検出素子は、多モードフィルタの透過スペクトルに上記の干渉の影響が加味された光を検出することになる。すなわち、各画素において検出される光のスペクトルと、多モードフィルタの透過スペクトルとが大きく異なる可能性がある。その結果、分離画像２２０の復元誤差が増加するといった撮像特性の低下を招く可能性がある。
対象波長域が可視光の波長域、すなわち約４００ｎｍ以上約７００ｍ以下であるとする。最小距離ｄｍが０．１μｍ以下である場合、対象波長域の全体にわたって、透過率は干渉の影響を受けて低くなる可能性がある。最小距離ｄｍが０．１μｍよりも大きい場合、すなわち距離ｄｍが０．１μｍ以下となる画素が存在しない場合であれば、対象波長域において、波長４００ｎｍ付近での干渉の影響を低減することができる。したがって、最小距離ｄｍが０．１μｍ以下である場合よりも、撮像特性を向上させることができる。
同様に、最小距離ｄｍが０．１２５μｍよりも大きい場合、対象波長域のうち、４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長域における干渉の影響を低減することができ、撮像特性をより向上させることが可能になる。同様に、最小距離ｄｍが０．１５０μｍよりも大きい場合、対象波長域のうち、４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長域における干渉の影響を低減することができ、撮像特性をさらに向上させることが可能になる。
一般化すると、対象波長域がλ１≦λ≦λ２である場合、最小距離ｄｍをλ１／４よりも大きくすることにより、撮像特性を向上させることができる。最小距離ｄｍをλ２／４よりも大きくすることにより、撮像特性をさらに向上させることができる。
最小距離ｄｍを大きくするほど、干渉の影響により、図８に示す透過率は、対象波長域において波長の変化に伴ってより短い周期で振動する。この振動幅が、例えば図３Ａに示す対象波長域に含まれる各波長域Ｗｉよりも十分に小さい場合、短い周期の振動が各波長域Ｗｉにおいて平均化されて打ち消されるので、複数の分離画像２２０は、干渉の影響をほとんど受けず、撮像特性をさらに向上させることができる。
対象波長域の下限波長λ１および上限波長λ２は、それぞれ、分離画像２２０に含まれる波長成分の下限波長および上限波長としてもよい。あるいは、対象波長域の下限波長λ１および上限波長λ２は、それぞれ、光検出装置３００におけるイメージセンサ６０が検出可能な光の下限波長および上限波長としてもよい。あるいは、対象波長域の下限波長λ１および上限波長λ２は、それぞれ、光検出装置３００におけるイメージセンサ６０に入射する光の下限波長および上限波長としてもよい。
フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０は反りを有することがある。フィルタアレイ１０を支持する基板２０も、フィルタアレイ１０と同じ方向に反りを有することがある。例えば、フィルタアレイ１０またはイメージセンサ６０の一辺が１０ｍｍである場合、反りによってその中央部と端部とでＺ方向に１μｍ程度の差異が生じ得る。フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０は、互いに同じ傾向の反りを有し得る。すなわち、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０は、ともに上に凸または下に凸の反りを有し得る。あるいは、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０は互いに反対の傾向の反りを有することもある。すなわち、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０のうち、一方は上に凸の反りを有し、他方は下に凸の反りを有することがある。特に、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０が互いに反対の傾向の反りを有する場合、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの距離がより不均一になるので、撮像画像に干渉縞が現れることをさらに抑制することができる。なお、本明細書において「光入射面１０ｓ１および光検出面６０ｓは平坦である」と言うときは、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０の反りは無視される。
図７に示す光検出装置３００の変形例として、フィルタアレイ１０における複数のフィルタ１００の光出射面に複数のマイクロレンズがそれぞれ配置されていてもよい。図９Ａは、図７に示す光検出装置３００の変形例を模式的に示す図である。図９Ａに示す光検出装置３００が図７に示す光検出装置３００とは異なる点は、フィルタアレイ１０が、複数のフィルタ１００の光出射面にそれぞれ配置された複数のマイクロレンズ４０ｂを備えることである。光出射面１０ｓ２に配置された複数のマイクロレンズ４０ｂは、光検出面６０ｓに配置された複数のマイクロレンズ４０ａにそれぞれ対向する。そのような構成により、各フィルタ１００を通過した光の大部分をマイクロレンズ４０ｂによって集光またはコリメートさせて、その下にあるマイクロレンズ４０ａを介して光検出素子６０ａに入射させることができる。マイクロレンズ４０ａおよび４０ｂを併用することにより、各フィルタ１００ａを通過する光を、対応する光検出素子６０ａにより効率的に入射させることができる。
図９Ｂは、図７に示す光検出装置３００の他の変形例を模式的に示す図である。図９Ｂに示す光検出装置３００が図９Ａに示す光検出装置３００とは異なる点は、光検出面６０ｓに複数のマイクロレンズ４０ａが配置されていないことである。本変形例のように、複数のマイクロレンズ４０ａを配置せず、光出射面１０ｓ２に配置された複数のマイクロレンズ４０ｂを用いることによって、光検出素子６０ａに光を効率的に入射させてもよい。
本明細書では、光検出面６０ｓに配置される複数のマイクロレンズ４０ａを「複数の第１マイクロレンズ」とも称し、光出射面１０ｓ２に設けられる複数のマイクロレンズ４０ｂを「複数の第２マイクロレンズ」とも称する。
図７に示す構造に、他の構成要素を追加してもよい。図１０は、光検出装置３００の第２の例を模式的に示す断面図である。図１０に示す構造が図７に示す構造とは異なる点は、基板２０が、フィルタアレイ１０を支持する面とは反対側の面に反射防止膜２２を備えることである。反射防止膜２２は、図７に示す第１の例における基板２０と空気との界面で生じる光の反射を抑制することができる。したがって、光検出装置３００の光検出効率を向上させることができる。さらに、反射防止膜２２により、フィルタアレイ１０および基板２０の反りを緩やかにしたり、その反りの方向を反転させたりすることができる。反射防止膜２２によってフィルタアレイ１０および基板２０の反りを調整することにより、撮像画像に干渉縞が現れることをさらに抑制できる。
図７に示す構成の配置を変更してもよい。図１１は、光検出装置３００の第３の例を模式的に示す断面図である。図１１に示す構造が図７に示す構造とは異なる点は、フィルタアレイ１０とイメージセンサ６０との配置関係が、光検出面６０ｓに平行な一方向に沿ってずれていることである。図１１に示す第３の例において、当該方向はＸ方向である。ずれの大きさはフィルタ１００の配列ピッチまたは光検出素子６０ａの配列ピッチよりも小さい。図１１に示す第３の例において、複数のフィルタ１００および複数の光検出素子６０ａは１対１で対向していない。端に位置するフィルタ１００を除き、複数のフィルタ１００の各々は、Ｚ方向から見た場合に、２つの隣り合う光検出素子６０ａに重なる。言い換えれば、それらのフィルタ１００の各々は、２つの隣り合う光検出素子６０ａの各々の一部に対向する部分を有する。この場合、各フィルタ１００を透過した光のうち、一部はある光検出素子６０ａに入射し、他の一部はその隣の他の光検出素子６０ａに入射する。したがって、複数の光検出素子６０ａが検出する光のスペクトルのランダム性を向上させることができる。その結果、複数の分離画像２２０をより正確に復元することができる。
図１１に示す例において、フィルタ１００の配列ピッチと光検出素子６０ａの配列ピッチとが等しいが、これらの配列ピッチが異なっていてもよい。あるいは、複数のフィルタ１００の配列ピッチおよび／または複数の光検出素子６０ａの配列ピッチが不均一であってもよい。そのような配列により、フィルタアレイ１０の光出射面０ｓ２とイメージセンサ６０の光検出面６０ｓとを対向させると、複数のフィルタ１００および複数の光検出素子６０ａが１対１で対向していない構成を得ることができる。そのような構成において、一部のフィルタ１００および一部の光検出素子６０ａが１対１で対向していてもよい。本実施形態において、複数のフィルタ１００の少なくとも１つは、２つの隣り合う光検出素子６０ａの各々の一部に対向する部分を有し得る。
図１２は、光検出装置３００の第４の例を模式的に示す断面図である。図１２に示す第４の例が図７に示す第１の例とは異なる点は、フィルタアレイ１０の光入射面１０ｓ１とイメージセンサ６０の光検出面６０ｓとが互いに平行ではないことである。光入射面１０ｓ１の法線方向および光検出面６０ｓの法線方向は交差している。これらの法線方向が交差する角度は、例えば３０°以上４５°以下であり得る。本実施形態のように光入射面１０ｓ１と光検出面６０ｓとが平行ではない構成では、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの距離がより不均一になる。その結果、撮像画像に干渉縞が現れることをさらに抑制することができる。
図１３は、光検出装置３００の第５の例を模式的に示す平面図である。当該平面図は、フィルタアレイ１０の光入射面１０ｓ１の側から光検出装置３００を見た図である。当該平面図には、基板２０の図示が省略されている。図１３に示す第５の例において、太い線は、５×５のフィルタ１００を含むフィルタアレイ１０を表し、細い線は５×５の光検出素子６０ａを含むイメージセンサ６０を表す。図１３に示す第５の例が図７に示す第１の例とは異なる点は、ＸＹ平面内において、フィルタアレイ１０がイメージセンサ６０に対してある角度だけ回転していることである。フィルタアレイ１０に含まれる複数のフィルタ１００は、第１ベクトルＤ１と第１ベクトルＤ１を反時計回りに９０°だけ回転させた第２ベクトルＤ２とを基本ベクトルとして、これらの基本ベクトルの方向に沿って２次元的に配列されている。イメージセンサ６０における複数の光検出素子６０ａは、第３ベクトルＤ３と第３ベクトルＤ３を反時計回りに９０°だけ回転させた第４ベクトルＤ４とを基本ベクトルとして、これらの基本ベクトルの方向に沿って２次元的に配列されている。第１および第２ベクトルＤ１、Ｄ２の大きさは、それぞれ第１および第２ベクトルＤ１、Ｄ２の方向におけるフィルタ１００の配列ピッチに等しい。第３および第４ベクトルＤ３、Ｄ４の大きさは、それぞれ第３および第４ベクトルＤ３、Ｄ４の方向における光検出素子６０ａの配列ピッチに等しい。第１ベクトルＤ１から第４ベクトルＤ４の大きさはすべて等しい。図７に示す第１の例では、第１ベクトルＤ１および第３ベクトルＤ３は互いに平行であり、第２ベクトルＤ２および第４ベクトルＤ４は互いに平行である。これに対して、図１３に示す第５の例において、第３ベクトルＤ３は第１ベクトルＤ１に交差しており、第４ベクトルＤ４は第２ベクトルＤ２に交差している。
図１４は、ＸＹ平面においてフィルタアレイ１０をイメージセンサ６０に対して０°から４５°まで５°刻みの角度で回転させた構成を模式的に示す平面図である。４５°から９０°までの回転角の構成は、図１４に示す４５°から０°の回転角の構成に等しい。例えば、５５°の回転角の構成は３５°の回転角の構成に等しく、８０°の回転角の構成は１０°の回転角の構成に等しい。図１４に示すように、０°以外の回転角では、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０が重なる部分に、モアレ、すなわち規則的な明暗が現れる。回転角が増加するほど、モアレの模様が細かくなる。回転角が２５°以上４５°以下の範囲ではモアレは視認されにくい。
より高品質なハイパースペクトル画像を得るために、モアレは可能な限り抑制してもよい。フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０を回転させずに配置しようとしても、実際には数度の回転角の誤差が生じ得る。図１４に示すように５°の回転角でさえ顕著なモアレが現れる。これに対して、２５°以上４５°以下の回転角でフィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０を配置する場合、数度の回転角の誤差が生じても、図１４に示すようにモアレはほとんど変化せず、かつ視認されにくい。したがって、配置誤差に起因するモアレの増加を抑制することができる。
さらに、図１３に示す第５の例では、図１１に示す第３の例と同様に、複数のフィルタ１００および複数の光検出素子６０ａが１対１で対向していない。したがって、複数の光検出素子６０ａが検出する光のスペクトルのランダム性を向上させることができる。その結果、複数の分離画像２２０をより正確に復元することができる。
図１３に示す例において、第１ベクトルＤ１と第２ベクトルＤ２とがなす角度、および第３ベクトルＤ３と第４ベクトルとがなす角度は９０°である。当該角度は正方格子の配列に対応する。第１ベクトルＤ１と第２ベクトルＤ２とがなす角度、および第３ベクトルＤ３と第４ベクトルとがなす角度は９０°以外の所定の角度であってもよい。例えば、６０°の角度は三角格子の配列に対応する。モアレが視認されにくい回転角は、当該所定の角度の１／４以上１／２以下である。
＜フィルタアレイおよびイメージセンサの配置の固定＞
次に、図１５Ａから図１６Ｅを参照して、フィルタアレイ１０とイメージセンサ６０とを互いに固定する構造の例を説明する。
図１５Ａは、光検出装置３００の第６の例を模式的に示す断面図である。図１５Ｂは、図１５Ａに示す光検出装置３００からフィルタアレイ１０および基板２０を除いた状態を示す平面図である。図１５Ａに示す第６の例において、フィルタアレイ１０は、光出射面１０ｓ２の周囲に位置する周縁領域１０ｐを有し、イメージセンサ６０は、光検出面６０ｓの周囲に位置する周縁領域６０ｐを有する。フィルタアレイ１０の周縁領域１０ｐおよびイメージセンサ６０の周縁領域６０ｐは平坦である。図１５Ａに示す第６の例において、光検出装置３００は、フィルタアレイ１０の周縁領域１０ｐと、イメージセンサ６０の周縁領域６０ｐとを貼り合わせる両面テープ３０を備える。両面テープ３０は、図１５Ａに示すように、光検出面６０ｓに対して垂直な方向に沿って延びる形状を有し、かつ、図１５Ｂに示すように、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの間の空間を囲む形状を有する。両面テープ３０は、各フィルタ１００の光出射面と光検出面６０ｓとの距離を規定する。両面テープ３０の高さは、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの距離が前述した最小距離を満足するように設計され得る。両面テープ３０によってフィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０の配置を固定することにより、低コストで簡素な工程によって光検出装置３００を製造することができる。
図１５Ｃは、図１５Ｂに示す両面テープ３０の配置の他の例を模式的に示す平面図である。図１５Ｃに示す例では、フィルタアレイ１０の周縁領域１０ｐの四隅と、イメージセンサ６０の周縁領域６０ｐの四隅とが、両面テープ３０で貼り合わせられている。本実施形態では、フィルタアレイ１０の周縁領域１０ｐの少なくとも一部と、イメージセンサ６０の周縁領域６０ｐの少なくとも一部とが両面テープ３０で貼り合わせられる。その結果、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０の配置を固定することができる。
図１６Ａは、光検出装置３００の第７の例を模式的に示す断面図である。図１６Ｂは、図１６Ａに示す光検出装置３００からフィルタアレイ１０および基板２０を除いた状態を示す平面図である。図１６Ａに示す第７の例において、光検出装置３００は、フィルタアレイ１０とイメージセンサ６０とによって挟まれた複数のスペーサ３２を備える。光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとが透明接着剤３４で接着されている。透明接着剤３４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。複数のスペーサ３２は剛性を有し、各フィルタ１００の光出射面と光検出面６０ｓとの距離をより正確に規定する。スペーサ３２は、例えば液晶ディスプレイにおける液晶材料が注入される空間の高さを規定するフォトスペーサであり得る。フォトスペーサは、例えばネガ型フォトレジストＳＵ８（日本化薬社製）から形成され得る。透明接着剤３４は、例えば光路結合用接着剤ＧＡ７００Ｌ（ＮＴＴアドバンストテクノロジ社製）から形成され得る。スペーサ３２の形成方法については後述する。
各スペーサ３２のＸＹ平面における断面のサイズが光検出素子６０ａのサイズよりも大きい場合、各スペーサ３２は、フィルタ１００の光出射面とマイクロレンズ４０ａの頂部とによって支持される。各スペーサ３２の断面のサイズが光検出素子６０ａのサイズと同程度である場合でも、一部のスペーサ３２が、フィルタ１００の光出射面とマイクロレンズ４０ａの頂部とによって支持される。いずれの場合でも、スペーサ３２によって各フィルタ１００の光出射面と光検出面６０ｓとの距離をより正確に規定することができる。
図１６Ｂに示す例において、複数のスペーサ３２は不規則に配置されている。スペーサ３２の分布密度は、所定の大きさの領域（例えば３×３のユニットセルに相当する領域等）ごとに均一になるように設計され得る。複数のスペーサ３２の断面のサイズは均一であってもよいし、不均一であってもよい。スペーサ３２の断面のサイズは、例えば光検出素子６０ａのサイズよりも大きくてもよいし、同程度であってもよい。一部のスペーサ３２の断面のサイズは、光検出素子６０ａのサイズよりも小さくてもよい。スペーサ３２は透光性を有してもよいし、透光性を有していなくてもよい。平面視において、複数のスペーサ３２の少なくとも１つは、マイクロレンズ４０ａに重なる位置に配置され得る。
複数のスペーサ３２は、それらがイメージセンサ６０の周縁領域６０ｐ付近および光検出面６０ｓのいずれに設けられているかに関係なく、各フィルタ１００の光出射面と光検出面６０ｓとの距離をより正確に規定することに役立つ。光検出面６０ｓに設けられ、マイクロレンズ４０ａに重なるスペーサ３２は、光検出素子６０ａが検出する光のスペクトルのランダム性を向上させることにも役立つ。スペーサ３２の屈折率が透明接着剤３４の屈折率と異なっていれば、光検出素子６０ａに入射する光の一部が、スペーサ３２によって変調されるからである。
図１６Ａおよび図１６Ｂに示す例において、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの間の空間は、透明接着剤３４で充填されている。したがって、光検出装置３００の機械的強度を向上させることができる。その結果、光検出装置３００の信頼性を向上させることができる。さらに、イメージセンサ６０から発せられた熱が、透明接着剤３４を介してフィルタアレイ１０および基板２０に伝わるので、当該熱を効率的に外部に放出することができる。本実施形態では、光出射面１０ｓ２の少なくとも一部と光検出面６０ｓの少なくとも一部とが透明接着剤３４で接着されている。あるいは、図１５Ａから図１５Ｃに示すように、フィルタアレイ１０の周縁領域１０ｐの少なくとも一部とイメージセンサ６０の周縁領域６０ｐの少なくとも一部とを接着剤で貼り合わせてもよい。この場合、当該接着剤は透明である必要はない。
図１６Ｃは、図１６Ｂに示す複数のスペーサ３２の配置の他の例を模式的に示す平面図である。図１６Ｃに示す例では、複数のスペーサ３２が、イメージセンサ６０の周縁領域６０ｐではなくイメージセンサ６０の光検出面６０ｓに設けられている。光検出素子６０ａが検出する光のスペクトルのランダム性をさらに向上させる必要がある場合、図１６Ｃに示す複数のスペーサ３２の配置が有効である。
図１６Ｄは、図１６Ｂに示す複数のスペーサ３２の配置のさらに他の例を模式的に示す平面図である。図１６Ｄに示す例では、複数のスペーサ３２が、イメージセンサ６０の光検出面６０ｓよりもむしろイメージセンサ６０の周縁領域６０ｐ付近に設けられている。光検出素子６０ａが検出する光のスペクトルのランダム性を向上させる必要がなく、各フィルタ１００の光出射面と光検出面６０ｓとの距離をより正確に規定する必要がある場合、図１６Ｄに示す複数のスペーサ３２の配置が有効である。
図１６Ｅは、図１６Ｂに示す複数のスペーサ３２の配置のさらに他の例を模式的に示す平面図である。図１６Ｅに示す例では、複数のスペーサ３２および複数の接着剤３５が、イメージセンサ６０の周縁領域６０ｐに配置されている。接着剤３５は、スペーサ３２と同様に柱状形状を有する。周縁領域６０ｐに配置される接着剤３５は透明でなくてもよい。周縁領域６０ｐは光検出に寄与しないからである。光入射面１０ｓ１の法線方向から見たとき、接着剤３５およびスペーサ３２は、互いに重ならない。したがって、フィルタアレイ１０の光出射面１０ｓ２と、イメージセンサ６０の光検出面６０ｓとの距離を正確に規定することができ、フィルタアレイ１０とイメージセンサ６０とをより平行に近い状態で貼り合わせることが可能になる。さらに、光検出面６０ｓにスペーサ３２および透明接着剤３４が配置されていないので、スペーサ３２および透明接着剤３４による光の減衰はない。光検出素子６０ａが検出する光のスペクトルのランダム性を向上させる必要がなく、透明接着剤３４によって機械的強度を向上させる必要がなく、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの距離をより正確に規定する必要がある場合、図１６Ｅに示す複数のスペーサ３２の配置が有効である。
図１６Ｅに示す例では、複数のスペーサ３２および複数の接着剤３５が、イメージセンサ６０の周縁領域６０ｐに交互に配置されている。複数のスペーサ３２および複数の接着剤３５は交互に配置される必要はなく、２つ以上のスペーサ３２が連続して配置されていてもよいし、２つ以上の接着剤３５が連続して配置されていてもよい。あるいは、イメージセンサ６０の周縁領域６０ｐのうち、四隅に４つのスペーサ３２がそれぞれ配置されており、それ以外の部分に、複数の接着剤３５が配置されていてもよい。図１６Ｅに示す例において、スペーサ３２は、矩形の断面形状を有しているが、円形の断面形状を有していてもよい。接着剤３５は、円形を有しているが、楕円形であってもよい。光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの距離を正確に規定する必要がない場合、光入射面１０ｓ１の法線方向から見たとき、接着剤３５およびスペーサ３２は、互いに重なっていてもよい。
＜スペーサの形成方法＞
スペーサ３２の形成方法として、例えば、イメージセンサ６０の光検出面６０ｓに複数のスペーサ３２を形成する方法が考えられる。しかし、当該方法では、以下の課題が生じ得る。光検出面６０ｓに複数のスペーサ３２を形成したイメージセンサ６０と、凹凸面である光出射面１０ｓ２を有するフィルタアレイ１０とを貼り合わせる場合を想定する。この場合、イメージセンサ６０の光検出面６０ｓとフィルタアレイ１０の光出射面１０ｓ２との距離が画素ごとに異なること、または、フィルタアレイ１０の周縁領域１０ｐとイメージセンサ６０の周縁領域６０ｐとの距離が場所ごとに異なることから、一部のスペーサ３２が、フィルタアレイ１０の光出射面１０ｓ２に接触しない可能性がある。そのような構成では、貼り合わされたフィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０の機械的強度が低下したり、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの間の距離を規定する精度が低下したりする課題が生じ得る。当該課題を解決するため、本発明者らは、フィルタアレイ１０の光出射面１０ｓ２に複数のスペーサ３２を形成する方法に想到した。
以下に、図１７Ａから図１７Ｄを参照して、フィルタアレイ１０の光出射面１０ｓ２に複数のスペーサ３２を形成する方法を説明する。図１７Ａから図１７Ｄは、スペーサの形成方法における工程の例を説明するための図である。
最初の工程において、図１７Ａに示すように、凹凸面を有するフィルタアレイ１０が用意される。図１７Ａに示す例において、フィルタアレイ１０は基板２０によって支持されているが、基板２０はなくてもよい。
次の工程において、図１７Ｂに示すように、フィルタアレイ１０の光出射面１０ｓ２に、例えばスピンコートによって液体状のフォトレジスト３２Ａが塗布される。スピンコートされたフォトレジスト３２Ａは、光出射面１０ｓ２の不規則な凹凸を吸収する、または埋めるので、フォトレジスト３２Ａの最表面は平坦になる。図１７Ｂを参照して説明する工程により、フィルタアレイ１０の凹凸面にフォトレジストを形成することができる。
次の工程において、図１７Ｃまたは図１７Ｄに示すように、フォトレジストをパターニングすることにより、フィルタアレイ１０の光出射面１０ｓ２に高さが揃った複数のスペーサ３２が形成される。ここで、高さが揃うとは、複数のスペーサ３２の端部が、鉛直方向において、ほぼ同一の高さに位置することを意味する。図１７Ｃに示すように、各スペーサ３２の断面のサイズが、１つの画素のサイズ以下である場合、画素ごとにスペーサの鉛直方向の長さは異なる一方、フィルタアレイ１０内で複数のスペーサ３２の高さは揃う。図１７Ｄに示すように、各スペーサ３２の断面のサイズが、１つの画素のサイズよりも大きい場合であっても、フィルタアレイ１０内で複数のスペーサ３２の高さは揃う。図１７Ｃまたは図１７Ｄを参照して説明する工程により、フィルタアレイ１０の凹凸面に複数のスペーサを形成することができる。
図１７Ａから図１７Ｄに示す例では、フィルタアレイ１０の光出射面１０ｓ２に複数のスペーサ３２が形成されている。この例に限定されず、フィルタアレイ１０の光出射面１０ｓ２および／または周縁領域１０ｐに複数のスペーサ３２が形成されてもよい。本明細書では、複数のスペーサ３２が形成されたフィルタアレイ１０を、「構造体」とも称する。
＜フィルタアレイ１０とイメージセンサ６０との貼り合わせ＞
次に、図１８Ａから図１８Ｃを参照して、フィルタアレイ１０とイメージセンサ６０とを貼り合わる方法を説明する。図１８Ａから図１８Ｃは、フィルタアレイ１０とイメージセンサ６０とを貼り合わる方法における工程の例を説明するための図である。
最初の工程において、図１８Ａに示すように、光出射面１０ｓ２に複数のスペーサ３２が形成されたフィルタアレイ１０と、光検出面６０ｓに複数の接着剤３５が点状に配置されたイメージセンサ６０とが用意される。接着剤３５は、例えば光硬化樹脂または熱硬化性樹脂から形成され得る。光硬化樹脂は、紫外線硬化樹脂または可視光硬化性樹脂であり得る。図１８Ａに示す例において、接着剤３５は、概略的に半楕円球状の形状を有する。接着剤３５の形状は任意である。
次の工程において、図１８Ｂに示すように、フィルタアレイ１０の光出射面１０ｓとイメージセンサ６０の光検出面６０ｓとを互いに対向させた状態で、フィルタアレイ１０が、複数のスペーサ３２および複数の接着剤３５を介してイメージセンサ６０に押し当てられる。図１８Ｂに示すように、光入射面１０ｓ１に対して垂直な方向から見たとき、スペーサ３２と接着剤３５とが互いに重ならないように配置されていてもよい。この工程において、接着剤３５は、フィルタアレイ１０によって押さえつけられて概略的に円柱形状を有するようになる。押さえつけにより、図１８Ｂに示す接着剤３５の径は、図１８Ａに示す接着剤３５の径よりも大きくなる。
次の工程において、接着剤３５が光硬化樹脂から形成される場合、図１８Ｃに示すように、フィルタアレイ１０および基板２０を介して複数の接着剤３５が光で照射される。図１８Ｃに示す矢印は、光照射の様子を表す。光硬化樹脂が紫外線硬化樹脂である場合、照射光は紫外線であり、光硬化樹脂が可視光硬化性樹脂である場合、照射光は可視光である。光照射によって複数の接着剤３５が硬化されて、フィルタアレイ１０とイメージセンサ６０とが互いにほぼ平行な状態で貼り合わせられる。この貼り合わせにより、各フィルタ１００の光出射面と、対応する光検出素子６０ａの光検出面との距離を正確に規定することができる。接着剤３５が熱硬化性樹脂から形成される場合、複数の接着剤３５が加熱によって硬化されて、フィルタアレイ１０とイメージセンサ６０とが互いにほぼ平行な状態で貼り合わせられる。
図１８Ａから図１８Ｃに示す例では、光出射面１０ｓ２に複数のスペーサ３２が形成されたフィルタアレイ１０と、光検出面６０ｓに複数の接着剤３５が配置されたイメージセンサ６０とが貼り合わせられる。この例に限定されず、光出射面１０ｓ２および／または周縁領域１０ｐに複数のスペーサ３２が形成されたフィルタアレイ１０と、光検出面６０ｓおよび／または周縁領域６０ｐに複数の接着剤３５が配置されたイメージセンサ６０とが貼り合わせられてもよい。図１８Ａから図１８Ｃでは示していないが、フィルタアレイ１０の周縁領域１０ｐとイメージセンサ６０の周縁領域６０ｐとは互いに対向している。
＜フィルタアレイおよびイメージセンサの封止＞
次に、図１９および図２０を参照して、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０をパッケージ内に封止する例を説明する。
図１９は、光検出装置３００の第８の例を模式的に示す断面図である。図１９に示す第８の例が図１６Ａに示す第７の例とは異なる点は、光検出装置３００が透明カバー５０とパッケージ８０とを備え、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの間の透明接着剤３４を備えないことである。透明カバー５０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。透明カバー５０は凸部５０ｐを有する。透明カバー５０の凸部５０ｐは、透明接着剤３６を介してフィルタアレイ１０および基板２０を支持する。透明カバー５０は、例えばガラスまたはプラスチックから形成され得る。透明接着剤３６の屈折率が透明カバー５０の屈折率に近ければ、透明カバー５０と透明接着剤３６との界面での光の反射を抑制することができる。パッケージ８０は、底部８２と、側壁８４と、底部８２を貫通する複数対のリード電極８０ａとを備える。底部８２は、イメージセンサ６０が設けられる第１領域８２ａを有する。側壁８４は、底部８２のうち、第１領域８２ａの周囲に位置する第２領域８２ｂから底部８２に垂直な方向に延び、イメージセンサ６０を囲む形状を有する。複数対のリード電極８０ａは、それぞれイメージセンサ６０に含まれる複数の光検出素子６０ａに電気的に接続されている。各光検出素子６０ａで発生した光電流を、一対のリード電極８０ａから取り出すことができる。
パッケージ８０の側壁８４の上面と、透明カバー５０のうち、当該上面に対向する周縁領域とが接合される。この接合には、例えば、はんだ付け材料もしくはろう付け材料、または光硬化性樹脂もしくは熱硬化性樹脂が用いられ得る。図１９に示すように、透明カバー５０およびパッケージ８０は、フィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０を封止する。この封止により、塵、ほこり、または水分が光検出装置３００の内部に混入することを抑制できる。その結果、光検出装置３００の信頼性を向上させることができる。
図１９に示す光検出装置３００は、イメージセンサ６０および複数対のリード電極８０ａを含むパッケージ８０を、透明接着剤３６を介してフィルタアレイ１０および基板２０を支持する透明カバー５０で覆うことによって製造することができる。パッケージ８０を透明カバー５０で覆うので、低コストで簡素な工程によって光検出装置３００を製造することができる。複数のスペーサ３２は、パッケージ８０を透明カバー５０で覆う前に、光出射面１０ｓ２に設けられている。透明カバー５０の凸部５０ｐの厚さおよび透明接着剤３６の厚さは、パッケージ８０を透明カバー５０で覆うときに、複数のスペーサ３２が光検出面６０ｓに接触するように設計されている。パッケージ８０を透明カバー５０で覆うと、硬化前の透明接着剤３６が圧縮されて透明接着剤３６の厚さが減少する。その結果、各フィルタ１００の光出射面と光検出面６０ｓとの距離は、複数のスペーサ３２によってより正確に規定される。パッケージ８０の側壁８４の高さに製造誤差がある場合、基板２０と透明カバー５０との隙間の大きさはパッケージ８０ごとに異なり得る。当該製造誤差は、例えば１００μｍから３００μｍになることもある。透明接着剤３６が光硬化性樹脂から形成されている場合、基板２０と透明カバー５０との隙間の大きさがパッケージ８０ごとに異なっていても、当該隙間を硬化前の伸縮する透明接着剤３６で埋めることができる。透明接着剤３６は、その後光で照射されて、または加熱されて硬化される。図１９に示す形態とは異なり、フィルタアレイ１０の上に位置する基板２０と透明カバー５０とを透明接着剤３６によって互いに接合しなくてもよい。この場合、基板２０と透明カバー５０との間には隙間があるので、両者は互いに接触しない。フィルタアレイ１０は接着剤３５によってイメージセンサ６０に固定される。
図２０は、光検出装置３００の第９の例を模式的に示す断面図である。図２０に示す第９の例が図１９に示す第８の例とは異なる点は以下の３点である。透明カバー５０の凸部５０ｐが基板２０を介さずにフィルタアレイ１０を直接支持する。パッケージ８０の側壁８４が、基板２０がない分だけより低くなっている。パッケージ８０の側壁８４の上面と、透明カバー５０のうち、当該上面に対向する周縁領域とが、光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂から形成された接着剤３８で接合される。
図２０に示すように、フィルタアレイ１０を透明カバー５０の凸部５０ｐ上に直接積層してもよい。図１９に示す第８の例と比較して、基板２０がない分だけ、部品の数を減らすことができる。パッケージ８０の側壁８４の高さに製造誤差があっても、パッケージ８０の側壁８４の上面と、透明カバー５０の周縁領域との隙間を、硬化前の伸縮する接着剤３８で埋めることができる。接着剤３８は、その後光で照射されて、または加熱されて硬化される。その結果、透明カバー５０がパッケージ８０に接合される。接着剤３８は透明である必要はない。
＜カラーフィルタを含むフィルタアレイおよびイメージセンサの配置関係＞
前述した例において、フィルタアレイ１０はファブリ・ペローフィルタを含む。そのようなフィルタアレイ１０は、ハイパースペクトルカメラに使用され得る。本開示のフィルタアレイは、ハイパースペクトルカメラに限らず、例えば３原色（赤、緑、青）のカラー画像を取得する一般的なカメラ（すなわち撮像装置）にも用いることができる。その場合、フィルタアレイ１０は、ファブリ・ペローフィルタではなくカラーフィルタを含み得る。前述の干渉縞の影響を低減する効果は、ファブリ・ペローフィルタに限らず、カラーィルタによるフィルタアレイにおいても得られる。カラーフィルタを含むフィルタアレイは、ハイパースペクトルカメラにも使用され得る。以下、そのようなフィルタアレイを用いてハイパースペクトル画像、すなわち前述の分離画像２２０を取得する構成の例を説明する。
図２１は、赤色フィルタ、緑色フィルタ、および青色フィルタの透過スペクトルを模式的に示す図である。図２１に示す「Ｒ」、「Ｇ」、および「Ｂ」は、それぞれ赤色、緑色、および青色を表す。本明細書において、赤色、緑色、および青色のカラーフィルタをそれぞれ「Ｒフィルタ」、「Ｇフィルタ」、および「Ｂフィルタ」と称する。Ｒフィルタの透過スペクトルは、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲の波長で極大値を有し、この範囲と同程度のピーク幅を有する。Ｇフィルタの透過スペクトルは、５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲の波長で極大値を有し、この範囲と同程度のピーク幅を有する。Ｂフィルタの透過スペクトルは、４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲の波長で極大値を有し、この範囲と同程度のピーク幅を有する。各カラーフィルタの透過スペクトルは、対象波長域Ｗ内で単一の幅広いピークを有する。このピーク幅は、対象波長域Ｗに含まれる複数の波長域Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗｉのうち、２つ以上の波長域を含むほど広い。各カラーフィルタの透過スペクトルがこのような幅広いピークを有していれば、いずれかのカラーフィルタが対象波長域Ｗ内の隣り合う波長域Ｗiと波長域Ｗi+1との間で透過率の差を有し得る。この場合、各カラーフィルタの透過スペクトルが対象波長域Ｗ内で２つ以上のピークを有さなくても、複数の分離画像２２０を得ることができる。
したがって、図７に示す第１の例から図２０に示す第９の例におけるファブリ・ペローフィルタを含むフィルタアレイ１０を、カラーフィルタを含むフィルタアレイ１０に置き換えてもよい。カラーフィルタを用いることにより、低コストでフィルタアレイ１０を製造することができる。
次に、図２２から図３１を参照して、カラーフィルタを含むフィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０の配置関係の例を説明する。前述した説明と重複する説明については省略する。
図２２は、本開示の実施形態による光検出装置３００の第１０の例を模式的に示す断面図である。図２２に示す第１０の例が図７に示す第１の例とは異なる点は、フィルタアレイ１０が、カラーフィルタであるフィルタ１００を含むことである。カラーフィルタは、例えばカラーレジストから形成され得る。フィルタアレイ１０は、基板２０上に、ランダム分布または準ランダム分布のように不規則に配列された複数のＲフィルタ、複数のＧフィルタ、および複数のＢフィルタを含む。Ｒフィルタ、Ｇフィルタ、およびＢフィルタの厚さは互いに異なっている。各フィルタの厚さは、例えば１００ｎｍ以上５μｍ以下であり得る。光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの距離は、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ、およびＢフィルタごとに異なっている。光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの距離が不均一になるので、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの間で光の多重反射が生じても、撮像画像に干渉縞が現れることを抑制できる。光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの距離が不均一であれば、フィルタアレイ１０が通常のベイヤー配列のカラーフィルタを含んでいても、撮像画像に干渉縞が現れることを抑制できる。ファブリ・ペローフィルタを含むフィルタアレイ１０とは異なり、カラーフィルタを含むフィルタアレイ１０は実質的な反りを有しない。したがって、フィルタアレイ１０が基板２０の反りに及ぼす影響は十分に小さい。
本実施形態によるフィルタアレイ１０は、対象波長域Ｗ内で透過スペクトルが互いに異なる２種類以上のカラーフィルタを備える。光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの距離は、当該２種類以上のカラーフィルタごとに異なっている。カラーフィルタは、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ、およびＢフィルタのような原色系フィルタであってもよい。あるいは、カラーフィルタは、シアン色のフィルタ、マゼンタ色のフィルタ、および黄色のフィルタのような補色系フィルタであってもよい。あるいは、カラーフィルタは、原色系フィルタおよび補色系フィルタが混合したフィルタであってもよい。なお、本実施形態によるフィルタアレイ１０は、透明フィルタまたはＮＤフィルタなどの、光透過率の波長依存性を有しないフィルタを含んでいてもよい。
図２３Ａおよびお図２３Ｂは、図２２に示す光検出装置の変形例を模式的に示す断面図である。図２３Ａおよび図２３Ｂに示す変形例は、それぞれ、図９Ａおよび図９Ｂに示す変形例に相当する。
図２４Ａから図２４Ｃは、それぞれ本開示の実施形態による光検出装置３００の第１１から第１３の例を模式的に示す断面図である。図２４Ａに示す第１１の例は、図１０に示す第２の例に相当する。図２４Ｂに示す第１２の例および図２４Ｃに示す第１３の例は、カラーフィルタを含むフィルタアレイ１０に特有の構成である。
図２４Ｂに示す第１２の例が図２２に示す第１０の例とは異なる点は、複数のフィルタ１００の各々が、光出射面に反射防止膜２２を備えることである。すべてのフィルタ１００ではなく、少なくとも１つのフィルタ１００が反射防止膜２２を備えていてもよい。ファブリ・ペローフィルタに反射防止膜２２を直接設けると、ファブリ・ペローフィルタの透過スペクトルが変化する可能性がある。これに対して、カラーフィルタに反射防止膜２２を直接設けても、カラーフィルタの透過スペクトルは変化しない。したがって、カラーフィルタを含むフィルタアレイ１０では、光出射面１０ｓ２に反射防止膜２２を設けることができる。反射防止膜２２は、図２２に示す第１０の例におけるフィルタアレイ１０と空気との界面で生じる光の反射を抑制することができる。したがって、光出射面１０ｓ２と光検出面６０ｓとの間で生じる光の多重反射を抑制することができる。その結果、撮像画像に干渉縞が現れることをさらに抑制することができる。図２４Ｃに示す第１３の例が図２４Ｂに示す第１２の例とは異なる点は、基板２０が、フィルタアレイ１０を支持する面とは反対側の面に反射防止膜２２をさらに備えることである。２つの反射防止膜２２により、光検出装置３００の光検出効率をさらに向上させることができる。
図２５および図２６は、それぞれ本開示の実施形態による光検出装置３００の第１４および第１５の例を模式的に示す断面図である。図２５に示す第１４の例は、図１１に示す第３の例に相当する。図２６に示す第１５の例は、図１２に示す第４の例に相当する。
図２７は、本開示の実施形態による光検出装置３００の第１６の例を模式的に示す平面図である。図２７に示す第１６の例は、図１３に示す第５の例に相当する。
図２８は、本開示の実施形態による光検出装置３００の第１７の例を模式的に示す断面図である。図２８に示す第１７の例は、図１５Ａに示す第６の例に相当する。図２８に示すフィルタアレイ１０の周縁領域１０ｐは、例えば、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ、およびＢフィルタのいずれかのフィルタの表面であり得る。
図２９から図３１は、それぞれ本開示の実施形態による光検出装置３００の第１８から２０の例を模式的に示す断面図である。図２９に示す第１８の例は、図１６Ａに示す第７の例に相当する。図３０に示す第１９に示す例は、図１９に示す第８の例に相当する。図３１に示す第２０の例は、図２０に示す第９の例に相当する。
なお、上記の光検出装置３００の複数の例の一部または全部を、目的または用途に応じて任意に組み合わせてもよい。例えば、図１０に示す第２の例における反射防止膜２２を、図１１に示す第３の例から図２０に示す第９の例のいずれかに適用してもよい。あるいは、図１３に示す第５の例におけるフィルタアレイ１０およびイメージセンサ６０を、図１９に示す第８の例または図２０に示す第９の例における透明カバー５０およびパッケージ８０によって封止してもよい。
本開示における光検出装置、およびフィルタアレイは、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。本開示における光検出装置、およびフィルタアレイは、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。
１０ フィルタアレイ
１０ｓ１ 光入射面
１０ｓ２ 光出射面
１０ｐ フィルタアレイの周縁領域
１２ 干渉層
１４ａ 第１反射層
１４ｂ 第２反射層
２０ 基板
２２ 反射防止膜
３０ 両面テープ
３２ スペーサ
３２Ａ フォトレジスト
３４、３６ 透明接着剤
３５ 接着剤
３８ 接着剤
４０ 光学系
４０ａ マイクロレンズ
５０ 透明カバー
５０ｐ 透明カバーの凸部
６０ イメージセンサ
６０ｓ 光検出面
６０ａ 光検出素子
６０ｐ イメージセンサの周縁領域
７０ 対象物
８０ パッケージ
８２ 底部
８２ａ 底部の第１領域
８２ｂ 底部の第２領域
８４ 側壁
１００ フィルタ
１２０ 画像
２００ 信号処理回路
２２０ 分離画像
３００ 光検出装置
４００ 光検出システム

Claims (7)

  1. 各々が光入射面および光出射面を有し、２次元平面内に配置された複数のフィルタを含むフィルタアレイであって、前記複数のフィルタは互いに異なる透過スペクトルを有するフィルタアレイと、
    前記光出射面に対向する光検出面を有するイメージセンサであって、前記光検出面に沿って２次元平面内に配置された複数の光検出素子を備えるイメージセンサと、
    を備え、
    前記光出射面と前記光検出面との距離が、前記フィルタごとに異なっており、
    前記光出射面と前記光検出面との最小距離は、０．１μｍよりも大きく、かつ２００μｍ以下である、
    光検出装置。
  2. 前記光出射面の少なくとも一部と前記光検出面の少なくとも一部とが、透明接着剤で接着されている、
    請求項１に記載の光検出装置。
  3. 前記複数のフィルタの前記光出射面の周囲に位置する周縁領域の少なくとも一部と、前記光検出面の周囲に位置する周縁領域の少なくとも一部とが、接着剤で接着されている、
    請求項１に記載の光検出装置。
  4. 前記フィルタアレイと前記イメージセンサとの間に位置する複数のスペーサをさらに備える、
    請求項３に記載の光検出装置。
  5. 前記光入射面の法線方向から見たとき、前記接着剤および前記複数のスペーサのそれぞれは、互いに重ならない、
    請求項４に記載の光検出装置。
  6. 前記複数のフィルタの厚みが互いに異なることにより、前記光出射面と前記光検出面との前記距離が、前記フィルタごとに異なっている、
    請求項１に記載の光検出装置。
  7. 信号処理回路をさらに備え、
    前記信号処理回路は、前記イメージセンサによって検出された光に基づき、多波長画像を生成する、
    請求項１に記載の光検出装置。
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