JP6348271B2 - 混合材マルチスペクトル・スターリングアレイセンサ - Google Patents

Description

マルチスペクトルイメージングシステムは、スペクトルの可視光、近紫外光（ＶＮ ＩＲ），紫外光（ＵＶ）、及び赤外光（ＩＲ）の波長を含む複数の離散スペクトル帯域 内の電磁エネルギを収集し、記録する。その結果得られる画像は、スペクトル帯域情報 を１つ又は多くのチャネルに組み合わせて画像のグレースケール又はカラー表現を形成 することによって表示される。マルチスペクトルイメージングデバイスは、ピクセルと 呼ばれる多数の空間画素で多くの離散スペクトル帯域内のエネルギを画像センサで同時 に記録する分光器の一種である。標準型の広帯域イメージャは、広いスペクトルにわた って検出された入射エネルギの全てについて各々のピクセルで１つの値を記録し、二次 元アレイの検出器から２つの空間的次元で画像を生成する。マルチスペクトルイメージ ングデバイスは、付加的な空間的次元を有する画像を生成する点で標準型の広帯域イメ ージャとは異なっている。各々のマルチスペクトルピクセルは、各々の値をサブピクセ ルと見なした場合、記録される数１０又は数百の波長値を有することができる。スター リングアレイは、焦点面での二次元アレイの検出器が選択されたスペクトル帯域内のエ ネルギを捕捉することで、ピクセル及びサブピクセルから画像を直接構成できるイメー ジングデバイスの一種である。

米国特許第８１４３５６５号明細書

本発明の一態様はマルチスペクトルスターリングアレイに関する。マルチスペクト ルスターリングアレイは、各々が異なる所定スペクトル感度で画像を検出するようにさ れた少なくとも２つのセンサと、入射スペクトル帯域を合焦させる第１のレンズと、レ ンズと少なくとも２つのセンサとの間の、入射スペクトル帯域を細分化するように構成 されたスペクトルフィルタと、細分化された入射スペクトル帯域を少なくとも２つのセ ンサの各々に向け、そこに合焦させるように構成された第２のレンズとを備えている

本発明の実施形態によるマルチスペクトルスターリングアレイの概略図で ある。 本発明の別の実施形態によるマルチスペクトルスターリングアレイの概略 図である。 本発明の更に別の実施形態によるマルチスペクトルスターリングアレイの 概略図である。 本発明の実施形態による混合材検出器の概略図である。 別の実施形態による混合材検出器の概略図である。 本発明の実施形態による図４又は図５の混合材検出器を有するマルチスペ クトルスターリングアレイの概略図である。

発明の背景、及び下記の記載で、説明目的のため、本明細書に記載の技術を十分に 理解できるように多くの特定の細部が記載される。しかし、例示的実施形態をこれらの 特定の細部なしで実施してもよいことが当業者には明らかであろう。別の場合は、例示 的実施形態を説明し易くするため構造及びデバイスは図で示される。

例示的実施形態は図面を参照して記載される。これらの図面は、本明細書に記載の 技術を実装する特定の実施形態のある細部を示すものである。しかし、図面は図面に示 されることがある何らかの限定性を加えるものと解釈されるべきではない。

実施形態で開示されるマルチスペクトルスターリングアレイの技術的効果には、可 視光及び赤外光の両方を収集するために必要な検出システムの複雑さの大幅な低減が含 まれている。センサの統合により光学的な複雑さが低減し、単一の多機能半導体の生成 が可能になる。その結果、実施形態で開示されるスターリングアレイを実装するマルチ スペクトルイメージングデバイスを、従来の対応品よりも重さと電力要求を低減させた より小型の形態で組み込むことができる。加えて、本発明の実施形態で開示されるよう に、異なる種類のセンサを単一の半導体に統合することで、複雑な分光技術により通常 は失われる、システムに使用できる光パワーが節減される。単一のスペクトル感度を有 するセンサを単一の半導体チップ上に統合することによって、本発明で実施されるマル チスペクトルイメージングデバイスは高ダイナミックレンジの画像を実質的にリアルタ イムで形成することができる。最後に、マルチスペクトルスターリングアレイの実施形 態は、サンプリングのコヒーレンシーを保つ。

図１は、本発明の一実施形態によるマルチスペクトルスターリングアレイ１０を示 している。マルチスペクトルスターリングアレイ１０は、オブジェクト１２から反射又 は放射される電磁エネルギの帯域幅のセットの強度に基づいてオブジェクト１２の画像 を検出する。マルチスペクトルスターリングアレイ１０は、スペクトル感度が変化する スペクトル帯域を分離し、検出する素子を含んでいる。スペクトル感度は、光波長の関 数としての相対的光検出効率である。検出された光の帯域幅は、スペクトル感度がゼロ ではない場合の波長の間隔によって決定される。検出された入射光にスペクトル感度に 影響を及ぼし得るマルチスペクトルスターリングアレイの素子には、スペクトルフィル タ２０、２２、マイクロレンズアレイ２４、２６などのレンズ、及びセンサ２８、３０ が含まれる。センサは好ましくはＶＮＩＲ、ＵＶ及びＩＲスペクトルの複数部分から波 長内の光を検出可能な混合材センサである。あるいは、各センサはＶＮＩＲ、ＵＶ及び ＩＲスペクトルの単一部分から波長内の光を検出可能であってもよい。この実装形態で は、付加的なセンサを追加することにより追加のスペクトルが検出されてもよい。加え て、マルチスペクトルスターリングアレイ１０は、レンズ１４及びミラー１６を含んで もよい画像形成光学素子を含んでいる。マルチスペクトルスターリングアレイ内の光学 素子の数及び配置は実装形態に応じて異なってもよいことが理解される。

アレイ１０はレンズ１４などの入力開口部を含んでいる。レンズ１４は入射する電 磁エネルギを収集するように構成されている。図１に示すように、電磁エネルギはレン ズ１４を通してミラー１６に透過される。電磁エネルギはミラー１６によって反射され 、スペクトルフィルタ２２を通過する。スペクトルフィルタの波長応答は位置の関数と して変化するので、スペクトルフィルタ２２は広帯域電磁エネルギをスペクトル帯域の セットに細分化するように構成されている。

電磁エネルギの細分化されたスペクトル帯域は次いでマイクロレンズアレイ２６に 到達する。複数のマイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズは電磁エネルギの細分 化されたスペクトル帯域を、マイクロレンズアレイ２６からセンサ２８への３２及び３ ４などの光線のセットで示されるようにセンサ２８へと向け、そこに合焦させる。セン サ２８はスペクトルフィルタ２２への像面４０上に位置している。センサ２８は検出器 のアレイであり、各検出器は所定のスペクトル感度を有するスペクトル帯域の電磁エネ ルギを検出するように構成されてもよい。

スペクトルフィルタ２２、マイクロレンズアレイ２６、及びセンサ２８は、アレイ 内の各検出器が、結像されるオブジェクト１２に対応する特定のスペクトル帯域を検出 するように構成されている。このように、センサ２８は結像されるマルチスペクトルピ クセルを形成するように配置された検出器素子を含んでいる。結像されるオブジェクト １２の特定領域から反射又は放射する入射電磁エネルギを検出するセンサ２８上の検出 器素子のセットはマルチスペクトルピクセルを形成する。

図１に示すように、ジンバルマウントなどの駆動器３６がミラー１６を第２の位置 １８に作動させる。あるいは、ミラーを第１の配向から第２の配向へと作動させてミラ ー１６の第１の位置からミラーの第２の位置１８への光路を方向転換するように変形可 能なミラーを実装してもよい。次いで電磁エネルギの光路は自由空間伝搬又は光導体に よって１８の位置にあるミラーから第２のスペクトルフィルタ２０へと進行する。第１ のスペクトルフィルタ２２と同様に、第２のスペクトルフィルタ２０は、広帯域電磁エ ネルギをスペクトル帯域のセットへと細分化する。電磁エネルギの細分化されたスペク トル帯域は次いでマイクロレンズアレイ２４に到達し、第２のセンサ３０上に結像され る。第２のセンサ３０は像面４２上に位置している。

第２の空間フィルタ２０、第２のマイクロレンズアレイ２４、及び第２のセンサ３ ０の冗長素子によって、高度な構成が可能なイメージャが可能になる。第２のスペクト ルフィルタ２０は、第１のスペクトルフィルタ２２とは異なる波長応答を有するように 構成されてもよい。同様に、第２のセンサ３０は、各検出器が第１のセンサ２８の同類 の検出器とは異なるスペクトル感度を有するスペクトル帯域のセットを検出するように 構成された検出器アレイから成っていてもよい。このように、マルチスペクトルスター リングアレイ１０はより高いスペクトル解像度を達成できる。すなわち、第１のスペク トルフィルタ２２及び第１のマイクロレンズアレイ２６を使用してミラー１６から第１ のセンサ２８に至る単一の光路を使用する場合よりも、ピクセル当たりでより多数のス ペクトル帯域を検出することができる。

あるいは、マルチスペクトルスターリングアレイ１０はより高いダイナミックレン ジを達成できる。すなわち、同じスペクトル帯域幅についてスペクトル感度が異なる２ つのセンサ２８及び３０を使用することによって、単一のセンサを使用する場合よりも 検出可能な輝度の限度が拡張される。加えて、本発明の実施形態によれば、マルチスペ クトルスターリングアレイ１０は、ミラー切り換えのタイミングを変更することによっ て高ダイナミックレンジ（ＨＤＲ）の結像を更に増強できる。例えば、１６の位置にあ るミラーは、センサ２８が画像の明領域の場面の輝度分散を捕捉できるためには第１の 位置１６に比較的短時間だけ留まり、センサ３０が画像の暗領域の場面の輝度分散を捕 捉できるには第２の位置１８に比較的長時間留まるであろう。

図２は、本発明の別の実施形態によるマルチスペクトルスターリングアレイ１０を 示している。入力開口部は、入射光を合焦させるためのレンズ１４を含んでいる。光は 、入射スペクトル帯域を細分化するように構成されたスペクトルフィルタ１１０を通過 する。

電磁エネルギの細分化されたスペクトル帯域は次いでマイクロレンズアレイ１１２ に到達する。マイクロレンズアレイ１１２の各々のマイクロレンズは、電磁エネルギの 細分化されたスペクトル帯域を３つのセンサ１１４、１１６及び１１８に１つに向け、 そこに合焦させる。このように、マイクロレンズアレイ１１２は、図１の作動式ミラー １６、１８と同じ能力で動作する。マイクロレンズアレイ１１２内のマイクロレンズの 第１のサブセットは、細分化された入射スペクトル帯域を像面１２０上に位置する第１ のセンサ１１４に向け、そこに合焦させることができる。同様に、マイクロレンズアレ イ１１２内のマイクロレンズの第２及び第３のサブセットは、細分化された入射スペク トル帯域を像面１２２及び１２４上に位置する第２及び第３のセンサ１１６、１１８に 向け、そこに合焦させることができる。図１の実施形態と同様に、各センサは異なるセ ットの所定のスペクトル感度を検出するように構成され、それによってマルチスペクト ルスターリングアレイ１００のスペクトル解像度又はダイナミックレンジを増強する検 出器アレイから成っていてもよい。

図３は、本発明の更に別の実施形態によるマルチスペクトルスターリングアレイを 示している。図１及び図２と同様に、入力開口部は入射光を合焦させるレンズ１４を含 んでいる。図２と同様に、光は入射スペクトル帯域を細分化するように構成されたスペ クトルフィルタ１１０を通過し、電磁エネルギの細分化されたスペクトル帯域は次いで マイクロレンズアレイ１１２などのレンズに到達する。マイクロレンズアレイ１１２の 各々のマイクロレンズは、各々が像面２２６、２２８及び２３０上に位置する３つのセ ンサ２１０、２１４、２１６の１つに電磁エネルギの細分化されたスペクトル帯域を向 け、そこに合焦させる。本発明のこの実施形態では、センサ２１４及び２１６への光路 にはミラー２２０及び２１８でのそれぞれの反射が含まれる。

図２の実施形態が示すように、センサ２１０、２１４及び２１６は異なるスペクト ル感度に作用するため構成されてもよい。ミラー２１８、２２０はマウント２２２及び ２２４によって静止状態に保たれる。その結果、３つのセンサ２１０、２１４及び２１ ６はミラーをある位置から別の位置に作動させる必要なく、画像を同時に検出できる。

しかし、前述のようにＨＤＲ結像を増強するために光がセンサ２１４、２１６に当たる 時間量を設定するために、ミラー２１８及び２２０を作動させてもよい。

本発明の実施形態を可能にするため、図１の実施形態の２８及び３０に位置するセ ンサ、図２の実施形態の１１４、１１６に位置するセンサ、及び図３の実施形態の２１ ０、２１４に位置するセンサは、スペクトル感度が異なる検出器素子、又は異なる作動 時間に調整されたミラーを含んでもよい。図４は、ＩＲからＶＮＩＲを経てＵＶスペク トルの範囲までのスペクトル帯域のセットに応動可能な本発明の実施形態による混合材 センサ３００を示している。センサ３００は混合材スターリングアレイイメージング半 導体である。半導体はＶＮＩＲ検出器アレイ３１０、ＩＲ検出器アレイ３１２、及びＵ Ｖ検出器アレイ３１４の１つ又は複数のインスタンスを有している。異なる種類の検出 器が単一の半導体へと統合され、コープレナ型である。各々の検出器アレイ３１０、３ １２及び３１４は、画像のサブピクセルを含む幾つかの検出器素子から成っている。各 素子は検出器アレイ用のスペクトル帯域のサブセットでよいスペクトル帯域に応動する 。例えば、ＶＮＩＲ検出器アレイ３１０は図４に３１６及び３１８などの９つのサブピ クセル素子から成ることが示されている。９つの素子は各々がＶＮＩＲスペクトル内の 異なるサブ帯域に応動してもよい。実装形態に応じて、特定の検出器アレイの各々のア レイ素子は、特定の検出器アレイ内のサブピクセルに特有のスペクトルサブ帯域に応動 してもよい。しかし、幾つかの実装形態では、検出器アレイ内の各々のサブピクセルは 同じスペクトル帯域に応動してもよい。これらの実装形態では、図１の実施形態の２２ などのスペクトルフィルタは、特定のサブピクセルに入射する電磁エネルギのスペクト ル帯域をフィルタリングしてもよい。本発明の一実施形態では、フィルタリングされた スペクトル帯域は、スペクトルフィルタ又は混合材センサ、又はこれら２つの組み合わ せのいずれかの構成を介してマルチスペクトルスターリングアレイをハイパースペクト ルイメージングデバイスへとレンダリングする。

図５の示すような混合材センサの別の実施形態では、ＶＮＩＲ検出器アレイ３１０ 、ＩＲ検出器アレイ３１２、及びＵＶ検出器アレイ３１４の素子は、異なる光検出器ア レイ３１０、３１２及び３１４を均一に配分する簡単なパターンへとテッセレーション 処理される。物理的により大きいＩＲ検出器アレイ３１２の素子は、匹敵するサイズの ＵＶ検出器アレイ３１４の素子とＶＮＩＲ検出器アレイ３１０の素子との組み合わせに 交互に積層されてもよい。図５に示すように、ＶＮＩＲ検出器アレイ３１０は１２のサ ブピクセル素子から成ることが示されている。１２の素子は各々ＶＮＩＲスペクトル内 の異なるサブ帯域に応動してもよい。実装形態に応じて別の構成の検出器アレイも可能 である。図５に示す構成では異なるスペクトル帯域について空間的に均一な場面のサン プリングが生じるが、特定の光学的設計パラメータに応じて別の構成が望ましいことも ある。

イメージング検出器には多くの半導体材料が使用されることが知られている。本発 明のいずれかの実施形態では、これらの材料を単一のチップ上に組み合わせてもよい。

例えば、ＵＶ及びＶＮＩＲ波長検出器３１０、３１４は電荷結合デバイス（ＣＣＤ）又 は相補型金属酸化膜半導体検出器（ＣＭＯＳ）の変形形態に基づくものでよい。ＩＲ検 出器３１２はテルリド、インジウム、又はその他の合金から成る光検出器でよく、ＶＮ ＩＲ及びＵＶ検出器３１０、３１４を組み込んでもよい。シリコンなどの種類の検出器 用の共通の基板を有する同じ半導体上に同じ種類の検出器を積層すると、複数のドーピ ング及びエッチングステップを用いて同じベース上に検出器が生成され、積層された混 合波長光検出器が製造される。例えば、ＵＶ検出器３１４はＣＣＤをベースにしたＶＮ ＩＲ検出器３１０のゲートドレン上に形成されてもよい。図５、６は本発明の実施形態 による図４又は図５の実施形態の混合材検出器を有するマルチスペクトルスターリング アレイを示している。図１〜３のマルチスペクトルスターリングアレイのどの組み合わ せをも図４又は図５の例示した混合材センサ３００と共に実装してもよいが、図５の混 合材検出器を有するマルチスペクトルスターリングアレイ４００は、本発明の特に簡単 な実施形態を明示している。入力開口部は入射光を収集するレンズ１４を含んでいる。

電磁エネルギの細分化されたスペクトル帯域は次いでマイクロレンズアレイ１１２など のレンズに到達する。マイクロレンズ１１２の各々のマイクロレンズは、電磁エネルギ の細分化されたスペクトル帯域を混合材センサ４１０に向け、そこに合焦させる。マイ クロレンズアレイ１１２は、混合材センサ４１０に入射する光を図４又は図５の３１０ 、３１２、及び３１４などの各検出器に向け、そこで合焦させることによってピクセル の決定論的カバレッジ及び物理的な割り当てを確実なものにするために使用される。セ ンサ４１０は像面４１２上に位置している。本記述要件は、諸例を用いて最良の形態を 含めて本発明を開示し、又、当業者が本発明を実施することを、任意のデバイス又はシ ステムを作製及び使用すること、及び組み込まれる任意の方法を実施することを含めて 可能にしている。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲に定義されており、又、当 業者に想到される他の例を含むことができる。このような他の例は、それが特許請求の 範囲の文字言語と相違しない構造要素を有する場合、又は、特許請求の範囲の文字言語 と実質的な相違がない等価の構想要素を有する場合には、特許請求の範囲内にあるもの とする。

１０ マルチスペクトルスターリングアレイ
１２ 結像されるオブジェクト
１４ レンズ
１６ 作動式ミラー
１８ ミラー
２０ スペクトルフィルタ
２２ スペクトルフィルタ
２４ マイクロレンズアレイ
２６ マイクロレンズアレイ
２８ 混合センサ
３０ 混合センサ
３２ 光線
３４ 光線
３６ 駆動器
４０ 像面
４２ 像面
１００ マルチスペクトルスターリングアレイ
１１０ スペクトルフィルタ
１１２ マイクロレンズアレイ
１１４ センサ
１１６ センサ
１１８ センサ
１２０ 像面
１２２ 像面
１２４ 像面
２１０ センサ
２１４ センサ
２１６ センサ
２１８ センサ
２２０ センサ
２２２ マウント
２２４ マウント
２２６ 像面
２２８ 像面
２３０ 像面
３００ 混合センサ
３１０ ＶＮＩＲ検出器アレイ
３１２ ＩＲ検出器
３１４ ＵＶ検出器
３１６ ＶＮＩＲピクセル
３１８ ＶＮＩＲピクセル
４００ マルチスペクトルスターリングアレイ
４１０ 混合センサ
４１２ 像面

Claims (9)

1. マルチスペクトルスターリングアレイであって、
   各々が異なる所定スペクトル感度で画像を検出するようにされた少なくとも２つのセンサであって、該少なくとも２つのセンサが、同一でも平行でもない像面に配置される前記少なくとも２つのセンサと、
   入射スペクトル帯域を捕捉する第１のレンズと、
   前記第１のレンズと前記少なくとも２つのセンサとの間の、前記入射スペクトル帯域を細分化するように構成されたスペクトルフィルタと、
   前記細分化された入射スペクトル帯域を前記少なくとも２つのセンサの各々に向け、そこに合焦させる第２のレンズと、
   前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間にある作動可能なミラーと、
   を備えるマルチスペクトルスターリングアレイ。
2. 前記第１のレンズと前記スペクトルフィルタとの間に変形可能ミラーを備える請求項１に記載のアレイ。
3. 前記第２のレンズがマイクロレンズアレイである請求項１または２に記載のアレイ。
4. 前記スペクトルフィルタが前記第１のレンズと前記マイクロレンズアレイとの間にある請求項３に記載のアレイ。
5. 前記ミラーと前記スペクトルフィルタの間に光導体を更に備える請求項１乃至４のいずれかに記載のアレイ。
6. 前記マイクロレンズアレイから前記少なくとも２つのセンサの各々へと光を向ける固定ミラーを備える請求項３に記載のアレイ。
7. 前記第１のレンズと前記スペクトルフィルタとの間に作動式ミラーと、
   前記作動式ミラーを作動させる駆動器と、
   を備える請求項１乃至６のいずれかに記載のアレイ。
8. 前記所定のスペクトル感度が、可視光及び近紫外光（ＶＮＩＲ）、紫外光（ＵＶ）及び赤外光（ＩＲ）の少なくとも１つで最大化される請求項１乃至７のいずれかに記載のアレイ。
9. 前記入射スペクトル帯域が連続する帯域である請求項１乃至８のいずれかに記載のアレイ。