JP6775196B2 - Photodetector - Google Patents
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本開示は、干渉素子を備えた光検出装置に関する。 The present disclosure relates to a photodetector including an interfering element.
光の干渉現象を利用して、物体の形状や距離を高精度かつ非接触で計測する装置が実用化されている。一般にこのような装置では、物体を反射または透過した光(物体光)と参照面を反射した光(参照光)とを干渉させ、生成された干渉光を撮像して観測する。参照面の平面度が十分に保証された状態では、干渉光の干渉縞は物体光の光路長に対応して発生する。光の波長分の光路長の変化により1周期の干渉縞が生ずるので、干渉縞のパターンから物体の計測対象面の立体形状を求めることができる。 A device that measures the shape and distance of an object with high accuracy and non-contact by utilizing the interference phenomenon of light has been put into practical use. Generally, in such a device, the light reflected or transmitted through an object (object light) and the light reflected by a reference surface (reference light) are made to interfere with each other, and the generated interference light is imaged and observed. When the flatness of the reference surface is sufficiently guaranteed, the interference fringes of the interference light are generated corresponding to the optical path length of the object light. Since the interference fringes of one period are generated by the change of the optical path length corresponding to the wavelength of light, the three-dimensional shape of the measurement target surface of the object can be obtained from the pattern of the interference fringes.
光の波長以上の光路長の差は干渉縞の繰り返しとして生じる。物体の計測対象面がなめらかであれば、この干渉縞の数を数えることにより、光の波長を超える光路長の差を見積もることも可能である。 Differences in optical path lengths above the wavelength of light occur as repeated interference fringes. If the measurement target surface of the object is smooth, it is possible to estimate the difference in the optical path length exceeding the wavelength of light by counting the number of the interference fringes.
物体の計測対象面に波長を超える段差がある場合には、段差の部分で干渉縞が欠落するので、光路長の差を正しく求めることができない。このような場合の物体の形状の計測方法として、2波長干渉法が知られている。2波長干渉法は、例えば特許文献1や非特許文献1に記載されている。
When there is a step exceeding the wavelength on the measurement target surface of the object, the interference fringes are missing at the step portion, so that the difference in the optical path length cannot be obtained correctly. A two-wavelength interferometry is known as a method for measuring the shape of an object in such a case. The two-wavelength interferometry is described in, for example,
2波長干渉法は2つの波長の光を用いて干渉計測をする。それぞれの波長の光による干渉縞の画像を独立または同時に撮像し、両方の波長の干渉縞情報をもとに物体の計測対象面の形状を求める。2つの波長をλ1およびλ2とすると、2波長干渉法による実効的な測定波長λeffは以下のようになることが知られている。
例えば、λ2=1.1×λ1である場合、λeff=11×λ1となり、より大きな段差を正しく見積もることができる。 For example, when λ 2 = 1.1 × λ 1 , λ eff = 11 × λ 1 , and a larger step can be estimated correctly.
本開示の、限定的ではない例示的なある実施の形態は、光学部分がより小型で、周囲環境の影響をより受けにくい光検出装置を提供する。 An exemplary, but not limited, embodiment of the present disclosure provides a photodetector having smaller optical portions and less sensitive to the surrounding environment.
本開示の一態様にかかる光検出装置は、複数の第1画素、複数の第2画素、複数の第3画素および複数の第4画素を含む撮像素子と、複数の第1入射領域および複数の第2入射領域を有する干渉素子と、第1波長帯域の光を前記複数の第1入射領域に入射させ、前記第1波長帯域と異なる第2波長帯域の光を前記複数の第2入射領域に入射させる光学系と、を備える。前記干渉素子は、前記複数の第1入射領域のうち互いに隣接した2つの第1入射領域に入射した前記第1波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第1画素のいずれかに導き、前記2つの第1入射領域に入射した前記第1波長帯域の光の他の一部を前記複数の第2画素のいずれかに導き、前記複数の第2入射領域のうち互いに隣接した2つの第2入射領域に入射した前記第2波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第3画素群のいずれかに導き、前記2つの第2入射領域に入射した前記第2波長帯域の光の他の一部を前記複数の第4画素のいずれかに導く。 The photodetector according to one aspect of the present disclosure includes an image sensor including a plurality of first pixels, a plurality of second pixels, a plurality of third pixels, and a plurality of fourth pixels, a plurality of first incident regions, and a plurality of first incident regions. An interference element having a second incident region and light in the first wavelength band are incident on the plurality of first incident regions, and light in a second wavelength band different from the first wavelength band is incident on the plurality of second incident regions. It is provided with an optical system for incident. The interfering element interferes with a part of the light in the first wavelength band incident on the two first incident regions adjacent to each other among the plurality of first incident regions, and causes the interfered light to interfere with the plurality of first incident regions. The other part of the light in the first wavelength band incident on any of the two first incident regions is guided to one of the plurality of second pixels, and the plurality of second incident regions are guided. Of these, a part of the light in the second wavelength band incident on the two adjacent second incident regions is made to interfere with each other, and the interfered light is guided to one of the plurality of third pixel groups, and the two The other part of the light in the second wavelength band incident on the second incident region is guided to any of the plurality of fourth pixels.
本開示によれば、光学部分がより小型で、周囲環境の影響をより受けにくい光検出装置が実現し得る。 According to the present disclosure, it is possible to realize a photodetector having a smaller optical portion and less susceptible to the influence of the surrounding environment.
(本開示の一態様に至った経緯)
本開示は、光の干渉現象を利用して、物体の形状や距離に関連する情報を画像として取得する光検出装置に関する。特に波長を超える段差や形状の変化を、画像として高精度に計測できる光検出装置に関する。本発明者らは、特許文献1および非特許文献1に開示された従来の光検出装置を詳細に検討した。これらの文献に開示された光検出装置によれば、干渉光を発生させるためのハーフミラーが必須であり、撮像管または撮像素子が波長ごとに必要になる場合もある。このため、光検出装置における光学系を小型化するには限界があると考えられる。また、光路が所定の空間中に存在することから空気の対流、光学系の振動など周囲環境の変化や影響を受けやすいと考えられる。
(Background to one aspect of this disclosure)
The present disclosure relates to a photodetector that acquires information related to the shape and distance of an object as an image by utilizing the light interference phenomenon. In particular, the present invention relates to a photodetector capable of measuring a step or a change in shape exceeding a wavelength with high accuracy as an image. The present inventors have examined in detail the conventional photodetectors disclosed in
このような課題に鑑み、本発明者らは、光学系の小型化が可能であり、周囲環境の影響を受けにくい、新規な光検出装置を想到した。 In view of these problems, the present inventors have conceived a new photodetector that can reduce the size of the optical system and is not easily affected by the surrounding environment.
本開示の一態様の光検出装置は、複数の第1画素、複数の第2画素、複数の第3画素および複数の第4画素を含む撮像素子と、複数の第1入射領域および複数の第2入射領域を有する干渉素子と、第1波長帯域の光を前記複数の第1入射領域に入射させ、前記第1波長帯域と異なる第2波長帯域の光を前記複数の第2入射領域に入射させる光学系と、を備えている。前記干渉素子は、前記複数の第1入射領域のうち互いに隣接した2つの第1入射領域に入射した前記第1波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第1画素のいずれかに導き、前記2つの第1入射領域に入射した前記第1波長帯域の光の他の一部を前記複数の第2画素のいずれかに導き、前記複数の第2入射領域のうち互いに隣接した2つの第2入射領域に入射した前記第2波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第3画素群のいずれかに導き、前記2つの第2入射領域に入射した前記第2波長帯域の光の他の一部を前記複数の第4画素のいずれかに導く。 The light detection device of one aspect of the present disclosure includes an image sensor including a plurality of first pixels, a plurality of second pixels, a plurality of third pixels, and a plurality of fourth pixels, a plurality of first incident regions, and a plurality of first. An interference element having two incident regions and light in the first wavelength band are incident on the plurality of first incident regions, and light in a second wavelength band different from the first wavelength band is incident on the plurality of second incident regions. It is equipped with an optical system to make it work. The interfering element interferes with a part of the light in the first wavelength band incident on the two first incident regions adjacent to each other among the plurality of first incident regions, and causes the interfered light to interfere with the plurality of first incident regions. The other part of the light in the first wavelength band incident on any of the two first incident regions is guided to one of the plurality of second pixels, and the plurality of second incident regions are guided. Of these, a part of the light in the second wavelength band incident on the two adjacent second incident regions is made to interfere with each other, and the interfered light is guided to one of the plurality of third pixel groups, and the two The other part of the light in the second wavelength band incident on the second incident region is guided to any of the plurality of fourth pixels.
ここで、「第1波長帯域の光」とは、第1波長帯域に含まれる何れかの波長を有する光である。また、「第2波長帯域の光」とは、第2波長帯域に含まれる何れかの波長を有する光である。よって、第1および第2波長帯域の光は、単波長の光であってもよく、また、所定の帯域幅を有する光であってもよい。 Here, the "light in the first wavelength band" is light having any wavelength included in the first wavelength band. Further, the "light in the second wavelength band" is light having any wavelength included in the second wavelength band. Therefore, the light in the first and second wavelength bands may be light having a single wavelength or light having a predetermined bandwidth.
光検出装置は、前記複数の第1画素が検出した光強度情報および前記複数の第2画素が検出した光強度情報から第1位相差情報を求め、前記複数の第3画素が検出した光強度情報および前記複数の第4画素が検出した光強度情報から第2位相差情報を求める、演算回路をさらに備えていてもよい。 The light detection device obtains the first phase difference information from the light intensity information detected by the plurality of first pixels and the light intensity information detected by the plurality of second pixels, and the light intensity detected by the plurality of third pixels. An arithmetic circuit that obtains the second phase difference information from the information and the light intensity information detected by the plurality of fourth pixels may be further provided.
前記演算回路は、前記第1位相差情報および前記第2位相差情報から、第1波長帯域に含まれる第1波長および前記第2波長帯域に含まれる第2波長の等価波長における位相差情報を求めてもよい。 From the first phase difference information and the second phase difference information, the arithmetic circuit obtains phase difference information at equivalent wavelengths of the first wavelength included in the first wavelength band and the second wavelength included in the second wavelength band. You may ask.
前記干渉素子は、複数の光結合層を含み、前記複数の光結合層は、それぞれ、回折格子を有する導波層を備えていてもよい。 The interference element may include a plurality of optical coupling layers, and each of the plurality of optical coupling layers may include a waveguide layer having a diffraction grating.
前記干渉素子は、前記2つの第1入射領域の間に位置する第1遮光領域と、前記2つの第2入射領域の間に位置する第2遮光領域とを有していてもよい。前記複数の光結合層は、前記2つの第1入射領域および前記第1遮光領域、または、前記2つの第2入射領域および前記第2遮光領域に対応して位置する光結合層を含んでいてもよい。前記複数の第2画素は、前記2つの第1入射領域に対応して位置する2つの第2画素を含んでいてもよい。前記複数の第1画素は、前記第1遮光領域に対応して位置する第1画素を含んでいてもよい。前記複数の第4画素は、前記2つの第2入射領域に対応して位置する2つの第4画素を含んでいてもよい。前記複数の第3画素は、前記第2遮光領域に対応して位置する第3画素を含んでいてもよい。 The interference element may have a first light-shielding region located between the two first incident regions and a second light-shielding region located between the two second incident regions. The plurality of optical coupling layers include the two first incident regions and the first light-shielding region, or the photo-bonding layers located corresponding to the two second incident regions and the second light-shielding region. May be good. The plurality of second pixels may include two second pixels located corresponding to the two first incident regions. The plurality of first pixels may include a first pixel located corresponding to the first shading region. The plurality of fourth pixels may include two fourth pixels located corresponding to the two second incident regions. The plurality of third pixels may include a third pixel located corresponding to the second shading region.
前記干渉素子は、第1光伝搬路と、第2光伝搬路と、前記第1光伝搬路と前記第2光伝搬路との間を接続する第3光伝搬路を備えていてもよい。 The interference element may include a first light propagation path, a second light propagation path, and a third light propagation path connecting the first light propagation path and the second light propagation path.
前記第1光伝搬路は、前記2つの第1入射領域の一方または前記2つの第2入射領域の一方からの光が入射する入射部と、前記入射した光の一部を前記複数の第2画素の何れかまたは前記複数の第4画素の何れかに出射する出射部と、を備えていてもよい。前記第2光伝搬路は、前記2つの第1入射領域の他方または前記2つの第2入射領域の他方からの光が入射する入射部と、前記入射した光の一部を前記複数の第2画素の何れかまたは前記複数の第4画素の何れかに出射する出射部と、を備えていてもよい。 The first light propagation path includes an incident portion in which light from one of the two first incident regions or one of the two second incident regions is incident, and a part of the incident light in the plurality of second incident regions. An exiting portion that emits light to any of the pixels or any of the plurality of fourth pixels may be provided. The second light propagation path includes an incident portion where light from the other of the two first incident regions or the other of the two second incident regions is incident, and a part of the incident light is the plurality of second incident regions. An exiting portion that emits light to any of the pixels or any of the plurality of fourth pixels may be provided.
前記干渉素子は、第4光伝搬路をさらに備え、前記第4光伝搬路は、前記第3光伝搬路と接続された入射部と、前記入射部から入射した光を前記複数の第1画素のいずれか又は前記複数の第3画素のいずれかに出射する出射部と、を備えていてもよい。 The interference element further includes a fourth light propagation path, and the fourth light propagation path includes an incident portion connected to the third light propagation path and the plurality of first pixels of light incident from the incident portion. It may be provided with an exiting portion that emits light to any one of the above or any of the plurality of third pixels.
前記光学系は、前記第1波長帯域の光を選択的に透過する複数の第1バンドパスフィルタおよび前記第2波長帯域の光を選択的に透過する複数の第2バンドパスフィルタを有するフィルタアレイを含んでいてもよい。 The optical system is a filter array having a plurality of first bandpass filters that selectively transmit light in the first wavelength band and a plurality of second bandpass filters that selectively transmit light in the second wavelength band. May include.
前記光学系は、前記第1波長帯域の光を選択的に透過する第1バンドパスフィルタと、前記第2波長帯域の光を選択的に透過する第2バンドパスフィルタと、前記第1バンドパスフィルタを透過した前記第1波長帯域の光を、前記複数の第1入射領域に入射させ、前記第2バンドパスフィルタを透過した前記第2波長帯域の光を、前記複数の第2入射領域に入射させるアレイ状光学素子と、を備えていてもよい。 The optical system includes a first bandpass filter that selectively transmits light in the first wavelength band, a second bandpass filter that selectively transmits light in the second wavelength band, and the first bandpass. The light of the first wavelength band transmitted through the filter is incident on the plurality of first incident regions, and the light of the second wavelength band transmitted through the second bandpass filter is incident on the plurality of second incident regions. It may be provided with an array-shaped optical element for incident.
本開示の他の態様の光検出装置は、複数の第5画素および複数の第6画素を含む撮像素子と、複数の第5入射領域を含む干渉素子と、第1波長帯域の光および前記第1波長帯域と異なる第2波長帯域の光を出射する照明と、を備えている。前記干渉素子は、前記複数の第5入射領域のうち互いに隣接した2つの第5入射領域に入射した前記第1波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第5画素のいずれかに導き、前記2つの第5入射領域に入射した前記第1波長帯域の光の他の一部を前記複数の第6画素のいずれかに導き、前記2つの第5入射領域に入射した前記第2波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第5画素のいずれかに導き、前記2つの第5入射領域に入射した前記第2波長帯域の光の他の一部を前記複数の第6画素のいずれかに導く。 The photodetector of another aspect of the present disclosure includes an image pickup element including a plurality of fifth pixels and a plurality of sixth pixels, an interference element including a plurality of fifth incident regions, light in a first wavelength band, and the first wavelength band. It is provided with an illumination that emits light in a second wavelength band different from the one wavelength band. The interfering element interferes with a part of the light of the first wavelength band incident on the two adjacent fifth incident regions of the plurality of fifth incident regions, and causes the interfered light to interfere with the plurality of third incident regions. The other part of the light in the first wavelength band incident on the two fifth incident regions is guided to one of the five pixels and guided to one of the plurality of sixth pixels, and the two fifth incident regions are guided. A part of the light of the second wavelength band incident on the second wavelength band is interfered with, and the interfered light is guided to any of the plurality of fifth pixels, and the second wavelength band incident on the two fifth incident regions. The other part of the light is guided to any of the plurality of sixth pixels.
前記照明は、前記第1波長帯域の光および前記第2波長帯域の光を同時に出射してもよい。前記照明は、前記第1波長帯域の光および前記第2波長帯域の光を時分割で出射してもよい。 The illumination may simultaneously emit light in the first wavelength band and light in the second wavelength band. The illumination may emit light in the first wavelength band and light in the second wavelength band in a time-division manner.
前記第1、第2および第3光伝搬路は、フォトニック結晶によって構成されていてもよい。前記第1、第2、第3および第4光伝搬路は、フォトニック結晶によって構成されていてもよい。 The first, second and third light propagation paths may be composed of photonic crystals. The first, second, third and fourth light propagation paths may be composed of photonic crystals.
以下、図面を参照しながら、本開示による光検出装置の実施形態を具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of the photodetector according to the present disclosure will be specifically described with reference to the drawings.
(第1実施形態の概要)
図1は、本開示の第1実施形態に係る光検出装置の構成の概要を示す模式図である。光検出装置は、光学系101、干渉素子106および撮像素子109を備える。説明のため、この図では干渉素子および撮像素子は断面で示させている。また図の理解を容易にするため、図1以降の各図には、xyz方向の3軸の向き(左手系)を併記している。各構成部分の具体例は後述する。
(Outline of the first embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of the configuration of the photodetector according to the first embodiment of the present disclosure. The photodetector includes an
撮像素子109は複数の画素をそれぞれ有する第1、第2、第3および第4画素群110、111、112、113を含む。立体形状や距離を正確に測定したい対象物からの反射光は、入射光として光学系101に入射する。
The
光学系101は、第1波長帯域の光102および第2波長帯域の光103を干渉素子106に入射させる。干渉素子106は、複数の入射領域をそれぞれ有する第1入射領域群104および第2入射領域群105を含む。光学系101は、第1波長帯域の光102を主として干渉素子106の第1入射領域群104に入射させる。また光学系101は、第2波長帯域の光103を主として第2入射領域群105に入射させる。
The
ここで第2波長帯域の光103は、第1波長帯域の光102とその中心波長が異なっている。また第2波長帯域の光103の帯域と第1波長帯域の光102の帯域とは重ならないことが、物体の段差や形状をより正確に求められる点でより好ましい。また、第1波長帯域の光102および第2波長帯域の光103の帯域幅はそれぞれ20nm以下であることが、二つの波長帯域の光の中心波長を近づけて計測範囲を広げられる点でより好ましく、5nm以下であればさらに好ましい。 Here, the light 103 in the second wavelength band has a central wavelength different from that of the light 102 in the first wavelength band. Further, it is more preferable that the band of the light 103 in the second wavelength band and the band of the light 102 in the first wavelength band do not overlap, because the step and shape of the object can be obtained more accurately. Further, it is more preferable that the bandwidths of the light 102 in the first wavelength band and the light 103 in the second wavelength band are 20 nm or less, respectively, because the central wavelengths of the light in the two wavelength bands can be brought closer to each other and the measurement range can be expanded. It is more preferable if it is 5 nm or less.
干渉素子106に存在する第1入射領域群104および第2入射領域群105は、少なくとも光を透過させることのできる開口部があればよく、物理的な構造物が存在しなくてもよい。また、第1入射領域群104と第2入射領域群105が物理的に同じものであってもよい。本明細書で「第1」入射領域群と「第2」入射領域群とを分けて説明しているのは、各入射領域群に入射する光の性質が異なるからである。
The first
第1入射領域群104に入射した光のうち、隣接する少なくとも1対の入射領域から入射した光の一部を、干渉素子106内で互いに干渉させて、干渉光107として撮像素子109側に放射させる。また、上記1対の入射領域から入射した光の別の一部は、干渉させずに透過光108として直接撮像素子109側に放射させる。第2入射領域群105に入射した光についても、第1入射領域群104に入射した光と同様に、干渉光107および透過光108として撮像素子109側に放射させる。
Of the light incident on the first
干渉素子106と撮像素子109との距離は、干渉光107および透過光108を効率良く撮像素子の各画素に入射させる(すなわち結合効率を高める)ために、近接させることが望ましい。距離は100μm以下であることが好ましく、10μm以下であればさらに好ましい。
It is desirable that the distance between the
第1波長帯域の光102から生成された干渉光107を、主として撮像素子109内の第1画素群110に導き、透過光108を主として第2画素群111に導く。同様に第2波長帯域の光103から生成された干渉光107と透過光108を、主としてそれぞれ第3画素群112と第4画素群113に導く。
The
ここで第1〜第4画素群110〜113は、フォトダイオードなどの光検出器であればよく、いずれも物理的に同じ構造の検出器であってもよい。本明細書で「第1」〜「第4」の画素群を分けて説明しているのは、各画素群に入射する光の性質が異なるからである。
Here, the first to
光検出装置は、撮像素子109から得られる電気的信号を処理するために、第1演算部114、第2演算部115および第3演算部118をさらに備える。第1画素群110および第2画素群111に入射した光の強度情報は、電気信号として第1演算部114に入力される。第1演算部114は入力された信号をもとにして、第1位相差情報116を算出し出力する。これは第1波長帯域の中心波長(すなわち従来例のλ1)に対する位相差
情報に相当する。
The photodetector further includes a first
同様にして、第3画素群112および第4画素群113に入射した光の強度情報は、電気信号として第2演算部115に入力される。第2演算部115は入力された信号をもとにして、第2位相差情報117を算出し出力する。これは第2波長帯域の中心波長(すなわち従来例のλ2)に対する位相差情報に相当する。
Similarly, the intensity information of the light incident on the
第3演算部118では、第1位相差情報116および第2位相差情報117をもとにして、等価位相差情報119(すなわち従来例のλeffに対する位相差情報)を算出し出力する。
The
このような構成により、光学部分がより小型で、周囲環境の影響をより受けにくく、光の波長を超える段差のある物体でも誤りなく形状を測定できる光検出装置を実現できる。 With such a configuration, it is possible to realize a photodetector having a smaller optical portion, less susceptible to the influence of the surrounding environment, and capable of measuring the shape of an object having a step exceeding the wavelength of light without error.
(光学系の具体構成例)
次に、光学系101の具体的な構成例について、図2および図3A〜図3Fを参照しながら説明する。
(Specific configuration example of optical system)
Next, a specific configuration example of the
図2は光学系101の一部としてフィルタアレイを備える。フィルタアレイは、干渉素子106の光入射側に近接して配置された複数の第1バンドパスフィルタ201および複数の第2バンドパスフィルタ202を含む。第1バンドパスフィルタ201は第1波長帯域の光を透過する波長特性を有し、第1入射領域群104に隣接して配置されている。第2バンドパスフィルタ202は第2波長帯域の光を透過する波長特性を有し、第2入射領域群105に隣接して配置されている。バンドパスフィルタは例えば誘電体多層膜や顔料を成膜することで作製する。光学系101のうち、バンドパスフィルタが存在しない領域は遮光領域であることが好ましい。
FIG. 2 includes a filter array as part of the
図3Aから図3Dは、光学系101が、瞳領域近傍に設けられたバンドパスフィルタとアレイ状光学素子を含む例を示す。光学系101は、瞳領域を有する絞り306と、フィルタアレイ307と、レンズ304と、アレイ状光学素子305とを含む。図3Aは光学系101の構成の概略を示し、図3Bはフィルタアレイ307の平面構造を示す。図3Cは、アレイ状光学素子305の模式的な斜視図であり、図3Dは、光学系101を透過し干渉素子106に入射する光を模式的に示す。
3A to 3D show an example in which the
図3Aおよび図3Bに示すように、絞り306の瞳領域は、光学系101の光軸Vを含む水平方向に広がる平面によって領域D1および領域D2に分割されている。フィルタアレイ307は、領域D2に配置された第2バンドパスフィルタ303と、領域D1に配置された第1バンドパスフィルタ302を有する。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the pupil region of the
第1および第2光学領域D1、D2を通過した入射光は、レンズ304によって集束し、アレイ状光学素子305に入射する。アレイ状光学素子305は、例えば、x方向に伸びるシリンドリカルレンズがy方向に複数配列されたレンチキュラーレンズである。アレイ状光学素子305は第1バンドパスフィルタ302を透過した前記第1波長帯域の光を、第1入射領域群104に入射させ、第2バンドパスフィルタ303を透過した第2波長帯域の光を、第2入射領域群105に入射させる。第1入射領域群104および第2入射領域群105への入射効率を高めるため、干渉素子106の表面にマイクロレンズアレイ308を設けてもよい。後述するように、フィルタアレイ307およびアレイ状光学素子305は、図3Eおよび図3Fに示す形状を有していてもよい。
The incident light that has passed through the first and second optical regions D1 and D2 is focused by the
これらの第1および第2バンドパスフィルタ302、303の透過波長特性は、それぞれ図2に説明した第1および第2バンドパスフィルタ201および202の透過波長特性とそれぞれ同様のものである。異なるのはバンドパスフィルタのサイズが大きいことであり、サイズが大きいと作製が容易になる利点がある。また、バンドパスフィルタのみを中心波長の異なるものに交換することで、計測可能範囲を変えることもできる。
The transmission wavelength characteristics of the first and second
図2および図3A〜Fに示した例では、入射光の波長帯域幅が比較的広い場合(例えばハロゲンランプや白色LED光源を用いる場合)も、バンドパスフィルタによって二つの波長帯の光を適切に取り出すことができる(図26参照)。入射光に含まれる二つの波長帯域が、それぞれバンドパスフィルタの透過波長帯域と同程度以下の帯域幅をもともと有している場合(例えば2つのレーザ光源)は、バンドパスフィルタの透過帯域幅は必ずしも狭い必要はない。このような場合、バンドパスフィルタの透過帯域幅は、二つの波長帯域の光を互いに分離できれば、比較的広いものであってもよい。バンドパスフィルタの代わりに、第1波長帯域の光を透過させるローパスフィルタおよび第2波長帯域の光を透過させるハイパスフィルタを用いても良い(図27参照)。透過帯域幅が広い光学フィルタは容易に製造することができる。 In the examples shown in FIGS. 2 and 3A to 3F, even when the wavelength bandwidth of the incident light is relatively wide (for example, when a halogen lamp or a white LED light source is used), the bandpass filter is suitable for light in two wavelength bands. Can be taken out (see FIG. 26). When the two wavelength bands contained in the incident light originally have a bandwidth equal to or less than the transmission wavelength band of the bandpass filter (for example, two laser light sources), the transmission bandwidth of the bandpass filter is It doesn't have to be narrow. In such a case, the transmission bandwidth of the bandpass filter may be relatively wide as long as the light in the two wavelength bands can be separated from each other. Instead of the bandpass filter, a low-pass filter that transmits light in the first wavelength band and a high-pass filter that transmits light in the second wavelength band may be used (see FIG. 27). Optical filters with a wide transmission bandwidth can be easily manufactured.
(入射領域群の配置例)
図1では干渉素子106を断面図として示したが、正面(すなわち光入射側)から見た場合の干渉素子内の入射領域群の配置例を図4を用いて説明する。
(Example of arrangement of incident area group)
Although the
図4Aは、第1入射領域群104および第2入射領域群105を併せて一列に並べて配置した例である。このような配置を用いれば、被測定物体の一次元的な形状や距離情報を、ライン型の撮像素子を用いて計測することができる。
FIG. 4A is an example in which the first
図4Bは、第1入射領域群104と第2入射領域群105をそれぞれ一列に並べて配置した例である。このような配置を用いれば、グレーティングを用いて干渉素子を作製する場合に作製が容易となる利点がある(後述する)。
FIG. 4B is an example in which the first
図4Cは、図4Bに示した入射領域群の配置を2次元に拡張したものである。被測定物体の2次元的な形状や距離情報を画像として計測することができる。 FIG. 4C is a two-dimensional extension of the arrangement of the incident region group shown in FIG. 4B. The two-dimensional shape and distance information of the object to be measured can be measured as an image.
図4Dは、入射領域群の別の2次元的な配置例である。第1入射領域群104と第2入射領域群105とを2列おきに配置している。この例で各入射領域群に近接してバンドパスフィルタを設ける場合、各バンドパスフィルタの幅を広く取れる(すなわち入射領域群2列分の幅にできる)ので、バンドパスフィルタの作製が容易になる利点がある。
FIG. 4D is another two-dimensional arrangement example of the incident region group. The first
図4Eは、入射領域群のさらに別の2次元的な配置例である。第1入射領域群104と第2入射領域群105を、それぞれ4行4列(合計8領域)ごとに配置している。この場合も、各バンドパスフィルタの幅を広く取れる(すなわち4列分の幅にできる)ので、バンドパスフィルタの作製が容易になる利点がある。
FIG. 4E is yet another two-dimensional arrangement example of the incident region group. The first
なお入射領域を正面から見たときの形状は必ずしも正方形である必要はなく、円形や長方形等であってもよい。 The shape of the incident region when viewed from the front does not necessarily have to be square, and may be circular, rectangular, or the like.
光学系101として、図2に示すように、干渉素子106の光入射側に近接して配置されたフィルタアレイを用いる場合、図4Aから図4Eに示される、第1入射領域群104および第2入射領域群105の配置に対応して、複数の第1バンドパスフィルタ201および複数の第2バンドパスフィルタ202が配置されたフィルタアレイを用いればよい。
When a filter array arranged close to the light incident side of the interfering
図3Aから図3Dを参照して説明したように、光学系101が、瞳領域近傍に設けられたバンドパスフィルタとアレイ状光学素子を含む場合には、以下に説明するように構成する。
As described with reference to FIGS. 3A to 3D, when the
まず、図4Aに示すように、干渉素子106において、第1入射領域群104および第2入射領域群105がy方向に1次元に配列されている場合には、図3Aに示すように、第2バンドパスフィルタ303および第1バンドパスフィルタ302がy方向に配列されたフィルタアレイ307と、図3Cに示すように、x方向に伸びるシリンドリカルレンズがy方向に配列されたアレイ状光学素子(レンチキュラーレンズ)305を用いる。この場合、干渉素子106の第1入射領域群104および第2入射領域群105は1次元に配列されているため、アレイ状光学素子305のx方向の長さは1画素分でよい。
First, as shown in FIG. 4A, when the first
図4Bから図4Dに示すように第1入射領域群104および第2入射領域群105が異なる列に配置された干渉素子106を用いる場合には、図3Aに示すフィルタアレイ307および図3Cに示すアレイ状光学素子305のx方向とy方向との配列を入れ替えたもの、つまり、第2バンドパスフィルタ303および第1バンドパスフィルタ302がx方向に配列されたフィルタアレイと、y方向に伸びるシリンドリカルレンズがx方向に配列されたレンチキュラーレンズを用いる。図4Bおよび図4Cに示すように1列の第1入射領域群104と1列の第2入射領域群105との組を一単位として並べた干渉素子106を用いる場合には、レンチキュラーレンズの各シリンドリカルレンズの幅は2画素分に対応した幅を有している。また、図4Dに示すように、2列の第1入射領域群104と2列の第2入射領域群105との組を一単位として並べた干渉素子106を用いる場合には、レンチキュラーレンズの各シリンドリカルレンズの幅は4画素分に対応した幅を有している。
When the
図4Eに示すように第1入射領域群104および第2入射領域群105をチェックパターン状に並べた干渉素子106を用いる場合には、図3Eに示すフィルタアレイ307を用いる。絞り306の瞳領域は、光学系101の光軸Vを含む互いに直交する2つの平面によって領域D1からD4に分割されている。フィルタアレイ307は、領域D2、D4に配置された第2バンドパスフィルタ303と、領域D1、D3に配置された第1バンドパスフィルタ302を有する。アレイ状光学素子305には、図3Fに示すように、x方向およびy方向に配列されたマイクロレンズアレイを用いる。各マイクロレンズMはx方向およびy方向にそれぞれ4つずつ配置された16画素分の大きさに対応している。
When the
(干渉素子の具体構成例)
次に、干渉素子106の具体的な構成例、および画素群との配置関係について、図5および図6を参照しながら説明する。
(Specific configuration example of the interference element)
Next, a specific configuration example of the
図5Aから図5Dは、干渉素子106に複数の光結合層を用いた場合の例を断面図として示している。
5A to 5D show a cross-sectional view of an example in which a plurality of optical coupling layers are used for the
複数の光結合層502は、それぞれ、グレーティング503が形成された導波層504を含む。導波層504は、第1入射領域群104の互いに隣接した2つの入射領域、または第2入射領域群105の互いに隣接した2つの入射領域にそれぞれ対応して位置している。干渉素子106の基材は例えばSiO2からなる。導波層504は基材よりも高屈折率の層であり、例えばTa2O5からなる。導波層504は1層に限られず、低屈折率の層を挟んで複数の層から構成されていてもよい。
Each of the plurality of optical coupling layers 502 includes a
導波層504の少なくとも入射側界面には、所定のピッチのグレーティング503が位置している。グレーティング503は直線グレーティングであり、その格子ベクトルの方向は光結合層502の面内で、図5Aから図5Dの紙面上下方向に平行とする。
A grating 503 having a predetermined pitch is located at least at the interface on the incident side of the
干渉素子106の光入射側において、第1および第2入射領域群104、105ではない領域には、遮光領域501を設ける。つまり、第1入射領域群104の互いに隣接した2つの入射領域、および、第2入射領域群105の互いに隣接した2つの入射領域の間には、遮光領域が位置している。遮光領域501は、例えばAl、Ag、Auなどの反射性の金属材料からなり、第1および第2波長帯域の光を十分遮光できる程度の厚さを有する。
On the light incident side of the
以下、図5Aを用いて第1入射領域群104に入射した光の光路を説明する。第1波長帯域の光が結合するようにグレーティング503のピッチを設定すれば、第1入射領域群の互いに隣接した2つの入射領域104aおよび104bを入射した光の一部は、それぞれ導波光506aおよび506bとして導波層504内に入射し伝搬する。導波光506aおよび506bは導波層504内で干渉し、干渉光107aとして導波層504から撮像素子109側に放射され、第1画素群110のうちの一つの画素110aに入射する。ここで導波光506aおよび506bは、隣接する一対の入射領域104aおよび104bからそれぞれ伝搬した光である。干渉光107の強度は第1入射領域群104に入射した光の位相差に依存する。入射領域104aおよび104bを入射した光の別の一部は、導波光とはならずに、透過光108aおよび108bとして撮像素子109側に放射され、第2画素群111のうちの画素111aおよび111bに入射する。したがって、画素110a、111aおよび111bに入射した光の強度を検出することによって、入射領域104aおよび104bに入射した、第1波長帯域の光の位相差を求めることができる。
Hereinafter, the optical path of the light incident on the first
図5Aに示すように、第2入射領域群105に入射した光の光路についても、上記と同様に説明できる。第2入射領域群105のうち隣接した一対の入射領域に入射した光の位相差を、第3画素群112および第4画素群113に入射した光の強度から求めることができる理由も、第1入射領域群の場合と同様である。
As shown in FIG. 5A, the optical path of the light incident on the second
図5Aは、第1および第2入射領域群104、105が図4Aに示すように1次元に配置された干渉素子106における複数の光結合層502の断面構成を示している。この構成では、グレーティングの格子ベクトルの方向に第1入射領域群104および第2入射領域群105の両方が存在するので、第1および第2入射領域群104、105の境界で導波層504より低屈折率の媒質を介して複数の光結合層502を分離させていてもよい。このようにすれば、バンドパスフィルタで分離した第1および第2波長帯域の光が互いに干渉しないため、第1波長帯域の光の位相差と第2波長帯域の光の位相差を、それぞれ独立して検出することができる。
FIG. 5A shows the cross-sectional configuration of the plurality of optical coupling layers 502 in the
図5Bおよび図5Cは、第1および第2入射領域群104、105が図4B、図4Cおよび図4Dに示すように異なる列に配置されている場合における光結合層502の断面構成を示している。図5Bは第1入射領域群104の列で切断したときの断面図であり、図5Cは第2入射領域群105の列で切断したときの断面図である。この構成ではグレーティングの格子ベクトルの方向には第1入射領域群104または第2入射領域群105のいずれかしか存在しないので、光結合層を分離しなくても、第1波長帯域の光の位相差と第2波長帯域の光の位相差を、それぞれ独立して検出することができる。光結合層502を分離しない構造のほうが、光結合層502の作製は容易である。
5B and 5C show the cross-sectional configuration of the
図5Dは、第1および第2入射領域群104、105が図4Eに示すようにチェックパターン状に配置されている場合における複数の光結合層502の断面構成を示している。この構成では図5Aと同様に、グレーティングの格子ベクトルの方向に第1入射領域群104および第2入射領域群105の両方が存在するので、第1および第2入射領域群104、105の境界で複数の光結合層を分離させていてもよく、光結合層を分離させた部分の直下にある画素は未使用画素505として、位相差情報の算出には用いないことにしてもよい。
FIG. 5D shows the cross-sectional configuration of the plurality of optical coupling layers 502 when the first and second
(干渉素子の具体構成の別の例)
図6Aから図6Dは、干渉素子106にフォトニック結晶を用いた場合の例を断面図として示している。
(Another example of the specific configuration of the interfering element)
6A to 6D show a cross-sectional view of an example in which a photonic crystal is used for the
フォトニック結晶601は光伝搬路を構成するために用いる。光伝搬路は、少なくとも、第1および第2光伝搬路602、603と、第1光伝搬路602と第2光伝搬路603との間を結ぶ第3光伝搬路604とを含んでいる。第1光伝搬路602の入射部は、第2光伝搬路603の入射部とは異なる位置に配置され、第1光伝搬路602の出射部は、第2光伝搬路603の出射部とは異なる位置に配置される。図6に示す光伝搬路は、さらに、第4光伝搬路605を含んでいる。第4光伝搬路605は、第3光伝搬路604に接続され、第3光伝搬路604から入射した光が伝播する。複数の光結合層502で干渉素子を構成した場合と同様に干渉光と透過光を分離して検出する場合、光伝搬路は第4光伝搬路605を含むことが好ましい。ただし、第1および第2光伝搬路602、603の出射光の強度は、第1および第2光伝搬路602、603に入射した光の位相差に依存して変化するので、第4光伝搬路605が存在しない構成であっても、位相差情報を求めることは可能である。
The
フォトニック結晶601は、例えば空洞、屈折率の異なる領域、誘電体ポスト等の周期的な配列からなり、光伝搬路は周期的な配列の一部を除去することによって形成する。第1および第2光伝搬路602、603の入射部の位置は、第1入射領域群104の互いに隣接した2つの入射領域とそれぞれ一致している。つまり、第1および第2光伝搬路602、603は、第1入射領域群104の互いに隣接した2つの入射領域にそれぞれ接続している。第1入射領域群104は、上述したような互いに隣接した2つの入射領域の組を複数含む。また、第2入射領域群105も、互いに隣接した2つの入射領域の組を複数含む。これらの複数の入射領域の組に対応して複数の第1および第2光伝搬路の組が、上記と同様に配置される。また、第1および第2光伝搬路の各組に対応して、第1光伝搬路と第2光伝搬路との間を結ぶ第3光伝搬路、および第3光伝搬路に接続された第4光伝搬路が設けられる。
The
また、第1、第2光伝搬路602、603のそれぞれの出射部に隣接して第2画素群111のいずれかの画素が配置され、第4光伝搬路605の出射部に隣接して第1画素群110のいずれかの画素が配置される。第1入射領域群104の他の入射領域の各組に対応する第1および第2光伝搬路の出射部についても同様に、これらの出射部それぞれに隣接して第2画素群111のいずれかの画素が配置される。また、これらの第1光伝搬路と第2光伝搬路との間を結ぶ第3光伝搬路に接続された第4光伝搬路の出射部に隣接して第1画素群110のいずれかの画素が配置される。また、第2入射領域群105の入射領域の各組に対応する第1および第2光伝搬路の出射部についても同様に、これらの出射部それぞれに隣接して第4画素群113のいずれかの画素が配置される。また、これらの第1光伝搬路と第2光伝搬路との間を結ぶ第3光伝搬路に接続された第4光伝搬路の出射部に隣接して第3画素群112のいずれかの画素が配置される。
この構成では、第3光伝搬路604が伸びる方向に第1入射領域群104および第2入射領域群105の両方が存在するので、第1および第2入射領域群104、105の境界において誘電体ポストを残すことで第3光伝搬路604を分離させていてもよい。このようにすれば、バンドパスフィルタで分離した第1および第2波長帯域の光が互いに干渉しないため、第1波長帯域の光の位相差と第2波長帯域の光の位相差を、それぞれ独立して検出することができる。
Further, one of the pixels of the
In this configuration, since both the first
このような構成にすることにより、第1および第2入射領域群104、105のうち、隣接する一対の入射領域から入射した光の一部は第3光伝搬路で干渉し、干渉光107として干渉素子106から出射する。第3光伝搬路における光の干渉状態は、隣接する一対の入射領域から入射した光の位相差に依存して変化する。また入射領域から入射した光の別の一部は透過光108として干渉素子106から出射する。これらの干渉光107および透過光108の強度を撮像素子109の画素で検出することにより、複数の光結合層502で干渉素子を構成した場合と同様に、光の位相差情報を求めることができる。
With such a configuration, a part of the light incident from the pair of adjacent incident regions in the first and second
図6Aは、図4Aに示すように1次元に第1および第2入射領域群104、105が配置された干渉素子106の断面構成を示している。
FIG. 6A shows the cross-sectional configuration of the
図6Bおよび図6Cは、第1および第2入射領域群104、105が図4B、図4Cおよび図4Dに示すように異なる列に配置されている場合における干渉素子106の断面構成を示している。この構成では第3光伝搬路604が伸びる方向には第1入射領域群104または第2入射領域群105のいずれかしか存在しないので、第3光伝搬路604を分離しなくても、第1波長帯域の光の位相差と第2波長帯域の光の位相差を、それぞれ独立して検出することができる。
6B and 6C show the cross-sectional configuration of the interfering
図6Dは、第1および第2入射領域群104、105が図4Eに示すようにチェックパターン状に配置されている場合の干渉素子106の断面構成を示している。図6Aおよび図6Dでは同じ列に第1および第2入射領域群104、105が配置される構成となっている。このような構成では、図6Aおよび図6Dで示しているように、入射領域から入射する波長帯域ごとに光伝搬路を分離すれば、第1波長帯域の光の位相差と第2波長帯域の光の位相差を、それぞれ独立して検出することができる。
FIG. 6D shows the cross-sectional configuration of the
(撮像素子の画素配置)
図1、図5および図6では撮像素子109を断面図として示したが、正面(すなわち光入射側)から見た場合の撮像素子109内の画素群の配置例を、図7Aから図7Eを用いて説明する。
図7Aから図7Eは、それぞれ図4Aから図4Eに示すように第1および第2入射領域群104、105が配置されている場合における画素群の配置例を示している。第1入射領域群104に入射した光の干渉光107が第1画素群110のうちのいずれかの画素に、第1入射領域群104に入射した光の透過光108が第2画素群111のうちのいずれかの画素に、第2入射領域群105に入射した光の干渉光107が第3画素群112のうちのいずれかの画素に、第2入射領域群105に入射した光の透過光108が第4画素群113のうちのいずれかの画素に入射するような、画素群の配置となっている。各入射領域の位置と各画素の位置とは、ほぼ一致している、すなわち、ほぼずれがないことが、各画素への不要なクロストーク成分を減らせることから、より好ましい。
(Pixel arrangement of image sensor)
Although the
7A to 7E show an example of arranging the pixel groups when the first and second
(演算部の構成例)
図8および図9を用いて、図1に示す光検出装置における撮像素子109からの信号の流れと、演算部の構成の例を説明する。
(Configuration example of calculation unit)
An example of the signal flow from the
図8に示すように、入射領域および遮光領域と撮像素子の各画素から出力される信号を定義する。各信号はいずれも対応する各画素に入射した光の強度に応じて出力される。 As shown in FIG. 8, the incident region, the light-shielding region, and the signals output from each pixel of the image sensor are defined. Each signal is output according to the intensity of light incident on each corresponding pixel.
入射領域および遮光領域は以下のように呼ぶ。第mの入射領域群に属するn番目の入射領域をAmnで表す。Am1とAm2の組、Am3とAm4の組はそれぞれ第m入射領域群の隣接する一対の入射領域である。入射領域の間にある、n番目の遮光領域(または入射領域でない領域)をS0nで表す。 The incident area and the light-shielded area are called as follows. The nth incident region belonging to the mth incident region group is represented by Amn . The pair of A m1 and A m2 and the pair of A m3 and A m4 are a pair of adjacent incident regions of the mth incident region group, respectively. The nth light-shielding region (or non-incident region) between the incident regions is represented by S 0n .
信号は以下のように呼ぶ。入射領域Amnまたは遮光領域Smnの直下にある画素からの、透過光の信号をtmnで表す。入射領域Amnまたは遮光領域Smnの直下にある画素からの、干渉光の信号はimnで表す。 The signal is called as follows. From the pixel immediately below the entrance region A mn or shading region S mn, a signal of the transmitted light expressed by t mn. The signal of the interference light from the pixel directly under the incident region A mn or the light-shielding region S mn is represented by i mn .
図9に示すように、第1演算部114は、信号t11、i01、t12、t13、i03、t14を入力し、第1の位相差情報p11、p01、p12、p13、p03、p14を出力する。また、第2演算部115は、信号t21、i02、t12、t23、i04、t24を入力し、第2の位相差情報p21、p02、p22、p23、p04、p24を出力する。また、第3演算部118は、第1の位相差情報p11、p01、p12、p13、p03、p14および第2の位相差情報p21、p02、p22、p23、p04、p24を入力し、等価位相差情報E11、E01、E12、E13、E02、E22、E13、E03、E14、E23、E04、E24を出力する。これらの情報は電気信号で表されるものであってもよいし、コンピュータ等のメモリに保持される情報であってもよい。また、第1、第2および第3演算部114、115、118は1つ又は複数の電子回路により構成されるものであってもよいし、コンピュータ、サーバー、携帯電子機器等で動作するプログラムに含まれるものであってもよい。
As shown in FIG. 9, the
第1位相差情報116は第1波長帯域の中心波長(すなわち従来例のλ1)に対する位相差情報であり、第2位相差情報117は第2波長帯域の中心波長(すなわち従来例のλ2)位相差情報である。入射領域Amnまたは遮光領域Smnの位置から隣接距離dadj(すなわち隣接する一対の入射領域間の距離)だけ離れた光同士の位相差情報をpmnで表す。
The first
等価位相差情報119は、等価波長(すなわち従来例のλeff)に対する位相差情報である。入射領域Amnまたは遮光領域Smnの位置から隣接距離dadj(すなわち隣接する一対の入射領域間の距離)だけ離れた光同士の等価位相差情報をEmnで表す。
The equivalent
第1演算部114は、第1波長帯域の光を干渉または透過させて出力された信号(t11、i01、t12、t13、i03、t14)から、演算によって、各々の入射領域または遮光領域における位相差情報(p11、p01、p12、p13、p03、p14)を求める。これは、干渉光107または透過光108の光強度と、直上の入射領域または遮光領域における位相差との関係を、あらかじめ実験で求め、テーブルや計算式としてメモリに保持し、保持したテーブルや計算式を用いて求めることができる。例えば、位相差が既知である2つの第1波長の光を、第1入射領域群の隣接する2つの入射領域に入射させ、干渉光または透過光の強度を測定する。2つの第1波長の光の位相差を異ならせ、干渉光または透過光の強度測定を繰り返すことにより、位相差と光強度との関係を実験的に求めることができる。用いた光の波長から位相差に対応する距離が計算によって求められる。
The
第2演算部115は、第1演算部114と同様に、第2波長領域の光を干渉または透過させて出力された信号(t21、i02、t12、t23、i04、t24)から、演算によって、各々の入射領域または遮光領域における位相差情報(p21、p02、p22、p23、p04、p24)を求める。
Similar to the
第3演算部118は、第1波長帯域の光に関連する第1位相差情報(p11、p01、p12、p13、p03、p14)と、第2波長帯域の光に関連する第2位相差情報(p21、p02、p22、p23、p04、p24)とを用いて、等価位相差情報(E11、E01、E12、E13、E02、E22、E13、E03、E14、E23、E04、E24)を求める。等価位相差情報は、特許文献1や非特許文献1に記載の、公知の手法を用いて求めることができる。
Third
ここで位相差情報は、必ずしもすべての入射領域または遮光領域(すなわち、撮像素子の画素)に対応付けて求める必要はない。複数の入射領域または遮光領域にわたった領域(例えば図8のA11、S01およびA12領域)の平均的な位相差情報を求めるものであってもよい。また、位相差情報として実際の位相差の値そのものを求めるものでなくてもよく、干渉素子の特定の領域間に入射した光の位相差に関連のある値であればよい。この位相差情報をもとにして、被測定物体の形状を求める。 Here, the phase difference information does not necessarily have to be obtained in association with all incident regions or light-shielding regions (that is, pixels of the image sensor). The average phase difference information of a region extending over a plurality of incident regions or light-shielding regions (for example, A 11 , S 01, and A 12 regions in FIG. 8) may be obtained. Further, the actual phase difference value itself does not have to be obtained as the phase difference information, and it may be a value related to the phase difference of the light incident between the specific regions of the interfering element. Based on this phase difference information, the shape of the object to be measured is obtained.
(第1実施形態の効果)
本実施形態によれば、撮像素子109に近接させた干渉素子106の内部で干渉光を発生させているので、ハーフミラーや参照鏡といった大型の光学部品が不要となり、従来よりも小型の光検出装置を実現し得る。また、干渉素子直上や瞳領域近傍に設けたバンドパスフィルタで2つの波長帯域を分離するので、複数の撮像管あるいは撮像素子を用いる必要がなく、従来よりも光検出装置の光学部分を小型化できる。また、複数の波長帯域の光を計測に用いるので、光の波長を超える段差のある物体でも誤りなく形状を計測できる。さらに、干渉現象の発生のために光路を空気中で引き回す必要がないので、周囲環境(例えば空気対流や振動)の影響を受けにくい、精密な計測結果を得ることができる。
(Effect of the first embodiment)
According to this embodiment, since the interference light is generated inside the
(第2実施形態)
第1実施形態では、入射光をバンドパスフィルタに透過させることによって、中心波長の異なる二つの波長帯域の光を得ていた。第1実施形態によれば、入射光がある程度波長帯域が広い光(例えばハロゲンランプや白色LED光源)場合でも、入射光の波長帯域よりも狭い通過帯域のバンドパスフィルタを用いることにより、適切に2つの波長帯域の光を得ることができる。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the incident light is transmitted through a bandpass filter to obtain light in two wavelength bands having different center wavelengths. According to the first embodiment, even when the incident light has a wide wavelength band to some extent (for example, a halogen lamp or a white LED light source), the band pass filter having a pass band narrower than the wavelength band of the incident light can be used appropriately. Light in two wavelength bands can be obtained.
これに対し、入射光である二つの波長帯域の光が、それぞれバンドパスフィルタの透過波長帯域と同程度の幅の波長スペクトルをもともと有していれば、バンドパスフィルタを有しない構成の実施形態も考えられる。以下では、その実施形態について説明する。このような光源としては、例えばレーザ光源が挙げられる。 On the other hand, if each of the two wavelength bands of incident light originally has a wavelength spectrum having a width similar to that of the transmission wavelength band of the bandpass filter, the embodiment of the configuration without the bandpass filter Is also possible. Hereinafter, the embodiment will be described. Examples of such a light source include a laser light source.
図10は、本開示の第2実施形態の構成を説明する図である。 FIG. 10 is a diagram illustrating the configuration of the second embodiment of the present disclosure.
照明1001は、被測定物体に第1または第2波長帯域の光を照射する。波長帯域切換器1002は、照明1001が中心波長の異なる二つの波長帯域の光を時分割で切り換えて放射させるように、照明1001を制御する。
The
例えば、照明1001が、波長チューナブルレーザ光源を備え、波長帯域切換器1002が、波長チューナブルレーザ光源の波長を切り替える回路を備えていてもよい。また、照明1001が、放射波長帯域の異なる2つのレーザ光源を備え、波長帯域切換器1002が、2つのレーザ光源の放射/非放射を交替に切り換える回路を備えていてもよい。また、照明1001が、比較的波長帯域の広い光源と複数のバンドパスフィルタを備え、波長帯域切換器1002が、光源からの光路上に配置するバンドパスフィルタを交替に切り換える機構を備えていてもよい。
For example, the
被測定物体を透過または反射した光は入射光として光学系1003に入射する。光学系1003は入射光の波長帯域を空間的に分けることなく、第1または第2波長帯域の光1004を第5の入射領域群1005に入射させる。干渉素子106内で干渉光107と透過光108が発生する過程は第1実施形態と同様である。また、撮像素子109の第5の画素群1006と第6の画素群1007に干渉光107と透過光108が発生する過程も第1実施形態と同様である。第1実施形態と異なるのは、いずれの入射領域およびいずれの画素にも、第1および第2波長帯域の光1004が入射し得ることである。
The light transmitted or reflected from the object to be measured is incident on the optical system 1003 as incident light. The optical system 1003 causes the light 1004 in the first or second wavelength band to be incident on the fifth
第5の画素群1006および第6の画素群1007から出力された光強度信号を第4演算部1009に入力する。第4演算部1009は入力された信号をもとにして、第1位相差情報116および第2位相差情報117を算出し出力する。光強度信号から位相差情報を求める過程は第1実施形態と同様である。異なるのは、波長帯域切換器1002からの同期信号1008をもとにして、第1波長帯域の光が照射されているタイミングの光強度信号を用いて第1位相差情報116を求め、第2波長帯域の光が照射されているタイミングの光強度信号を用いて第2位相差情報117を求めることである。
The light intensity signals output from the
第1実施形態と同様に、第3演算部118では、第1位相差情報116および第2位相差情報117をもとにして、等価位相差情報119を算出し出力する。
Similar to the first embodiment, the
このような構成では、光学系にバンドパスフィルタを用いる必要がないので、さらに簡易な構成の光検出装置を実現できる。 In such a configuration, it is not necessary to use a bandpass filter in the optical system, so that a photodetector having a simpler configuration can be realized.
(第3実施形態)
第2実施形態では、中心波長の異なる2つの波長帯域の照明を時分割で切り換えて放射する構成を説明した。第3実施形態では、これら2つの波長帯域の照明を同時に照射する構成について述べる。
(Third Embodiment)
In the second embodiment, a configuration has been described in which illumination in two wavelength bands having different center wavelengths is switched and emitted in a time-division manner. In the third embodiment, a configuration in which illuminations in these two wavelength bands are simultaneously irradiated will be described.
図11は、本開示の第3実施形態の構成を説明する図である。 FIG. 11 is a diagram illustrating the configuration of the third embodiment of the present disclosure.
第1波長帯域の照明1101と第2波長帯域の照明1102は、同時に被測定物体に照射される。これら2つの照明は、中心波長が異なる放射波長帯域を有する。また、これら2つの照明は、例えばビームスプリッタを用いて、光軸および放射方向を同じにして放射することがより好ましい。
The
被測定物体を透過または反射した光は入射光として光学系1003に入射する。光学系1003は入射光の波長帯域を空間的に分けることなく、第1および第2波長帯域の光1103を第5の入射領域群1005に入射させる。第5の入射領域群のいずれの入射領域およびいずれの画素にも、第1および第2波長帯域の光が入射し得ることは、第2実施形態と同様である。
The light transmitted or reflected from the object to be measured is incident on the optical system 1003 as incident light. The optical system 1003 causes the light 1103 in the first and second wavelength bands to be incident on the fifth
第5の画素群1006には干渉光107が、第6の画素群1007には透過光108が入射する。ここで、干渉光107および透過光108は第1および第2両方の波長帯域の光から生成されるので、2つの波長帯域の光の重ね合わせが生じる。
この状態では、第1および第2波長帯域の位相差に基づく光強度信号を独立に取得することはできないが、その代わりに画素群からの信号には、隣接した一対の入射領域に入射した光の位相差を等価波長で観測した場合に相当する成分が含まれる。第5の演算部1104では、この等価波長で観測した場合に相当する成分を抽出して、等価位相差情報119を算出する。
In this state, the light intensity signal based on the phase difference between the first and second wavelength bands cannot be acquired independently, but instead, the signal from the pixel group includes light incident on a pair of adjacent incident regions. The component corresponding to the case where the phase difference of is observed at the equivalent wavelength is included. The
このような構成では、時分割で照明を切り換える必要がないので、さらに簡易な構成の光検出装置を実現できる。 In such a configuration, it is not necessary to switch the illumination by time division, so that a photodetector having a simpler configuration can be realized.
(第1実施例)
以下では、本開示の第1実施例を説明する。
(First Example)
The first embodiment of the present disclosure will be described below.
本実施例では、第1入射領域群104と第2入射領域群105の配置は図4Cに示す形態とした。すなわち、干渉素子106では、第1入射領域群と第2入射領域群は1列ごとに交互に配置される。言い換えれば、第1波長帯域の光(この光の中心波長をλ1とする)と、第2波長帯域の光(この光をλ2とする)は、干渉素子106上で1列ごとに交互に入射する。各列では入射領域と遮光領域とが交互に配置される。
In this embodiment, the arrangement of the first
第1〜第4画素群110〜113は図7Cに示す形態を有するものとした。前述したように、第1および第2画素群と第1入射領域群、第3および第4画素群と第2入射領域群は、それぞれ対応関係にある。画素数は100ピクセル×100ピクセルとした。
The first to
本実施例で用いた干渉素子の具体的な断面構造を図12に示す。干渉素子106は光結合層を有する。入射光は入射領域1201および遮光領域501に向けて照射される。遮光層1202は入射領域と遮光領域を区別するために設けられている。遮光層の材料はAlで厚さは100nmとした。入射領域および遮光領域の幅はいずれも5.6μmである。
FIG. 12 shows a specific cross-sectional structure of the interference element used in this embodiment. The interfering
光結合層502は6層の導波層からなり、導波層の上下界面にはグレーティングが形成されている。導波層は相対的に屈折率の高い透明層であり、本実施例ではTa2O5を用いて構成した。導波層を挟む材料は相対的に屈折率の低い透明層であり、本実施例ではSiO2を用いて構成した。グレーティングの深さは0.2μm、ピッチ(図12中のΛ)は0.45μmである。Ta2O5層の厚さ(図12中のt1)は0.34μm、導波層間のSiO2層の厚さ(図12中のt2)は0.22μmとした。
The
このような構造の干渉素子106に対して波長850nmの光を入射面に垂直に入射させたとき、干渉光領域1203から放射される干渉光107の強度と、透過光領域1204から放射される透過光108の強度を、FDTD(Finite−difference time−domain method)法により計算した。入射光のパラメータとして、隣接した入射領域1201に入射する光の強度を同等とし、位相差を−180度から180度まで変化させた。
When light having a wavelength of 850 nm is incident on the
図13に、入射光の位相差に対する干渉光107および透過光108の強度の計算結果を示す(図では、位相差の単位「度」を[deg.]と表記している)。強度比は入射光の強度に対する比率を示している。
FIG. 13 shows the calculation results of the intensities of the
位相差がほぼ0度(すなわち同相)の場合には、干渉光の強度が最大になり、透過光の強度が最小になっている。また、位相差がほぼ±180度の場合には、干渉光の強度が最小となり、透過光の強度が最大となっている。これらの結果から、位相差に応じて干渉光と透過光の強度が変化していることが分かる。このことは、干渉素子内で、隣接した入射領域から入射した光が互いに干渉した結果、干渉光および透過光が放射されていることを示している。 When the phase difference is approximately 0 degrees (that is, in-phase), the intensity of the interference light is maximized and the intensity of transmitted light is minimized. When the phase difference is approximately ± 180 degrees, the intensity of the interference light is the minimum and the intensity of the transmitted light is the maximum. From these results, it can be seen that the intensities of the interference light and the transmitted light change according to the phase difference. This indicates that the interference light and the transmitted light are emitted as a result of the light incident from the adjacent incident regions interfering with each other in the interference element.
次にこの結果を用いて、被測定物体を透過した光から物体の形状を推定する過程を、計算で説明する。 Next, using this result, the process of estimating the shape of the object from the light transmitted through the object to be measured will be described by calculation.
被測定物体として、図14Aに示す形状のサンプルを設定する。サンプルは細いくさび状の底部と中央の凸部からなる。x方向からサンプルを見たときの形状の概略を図14Bに示す。くさびの太さは600nmであり、凸部の高さは50μmである。サンプルの屈折率は1.45とした。 A sample having the shape shown in FIG. 14A is set as the object to be measured. The sample consists of a narrow wedge-shaped bottom and a central protrusion. FIG. 14B shows an outline of the shape when the sample is viewed from the x direction. The thickness of the wedge is 600 nm, and the height of the convex portion is 50 μm. The refractive index of the sample was 1.45.
このサンプルの底面側から入射した光がサンプルを透過し、光路長差を生じた状態で、入射光として光学系に入射するものとした。また、サンプルのx=1〜100およびy=1〜100の範囲の平面に対応する領域を通過した光が、撮像素子の100×100ピクセルの範囲の画素に入射すると仮定した。 It is assumed that the light incident from the bottom surface side of this sample passes through the sample and enters the optical system as incident light in a state where a difference in optical path length is generated. Further, it is assumed that the light passing through the region corresponding to the plane in the range of x = 1 to 100 and y = 1 to 100 of the sample is incident on the pixels in the range of 100 × 100 pixels of the image sensor.
サンプルに入射させる光の中心波長は、λ1=845nmおよびλ2=855nmとした。それぞれの光の帯域幅は、半値全幅で5nmである。 The central wavelengths of the light incident on the sample were λ 1 = 845 nm and λ 2 = 855 nm. The bandwidth of each light is 5 nm in full width at half maximum.
図15に、撮像素子の各画素に入射した光の強度を示す。図15Aは中心波長λ1の干渉光(すなわち第1画素群に入射した光)、図15Bは中心波長λ2の干渉光(すなわち第2画素群に入射した光)、図15Cは中心波長λ1の透過光(すなわち第2画素群に入射した光)、図15Dは中心波長λ2の透過光(すなわち第4画素群に入射した光)である。図15の各図で、図示している画素群に該当しない画素(例えば図15Aの第2、第3および第4画素群に該当する画素)は、強度をゼロとして示した。図15の各図からは、列方向(すなわち図のy方向)で見たときに、隣接した入射領域で光路長差が大きく変化した箇所では大きな強度変化が生じていることがわかる。 FIG. 15 shows the intensity of light incident on each pixel of the image sensor. FIG. 15A is interference light having a center wavelength λ 1 (that is, light incident on the first pixel group), FIG. 15B is interference light having a center wavelength λ 2 (that is, light incident on the second pixel group), and FIG. 15C is a center wavelength λ. 1 transmitted light (that is, light incident on the second pixel group), FIG. 15D is transmitted light having a center wavelength λ 2 (that is, light incident on the fourth pixel group). In each of the figures of FIG. 15, the pixels that do not correspond to the pixel group shown (for example, the pixels that correspond to the second, third, and fourth pixel groups of FIG. 15A) are shown with the intensity set to zero. From each figure of FIG. 15, it can be seen that when viewed in the column direction (that is, in the y direction of the figure), a large intensity change occurs at a portion where the optical path length difference greatly changes in the adjacent incident region.
実際の計測では、図13に示した関係を用いれば、撮像素子の各画素に入射した光の強度から、その画素における位相差の絶対値を求めることができる。これは、第1演算部114および第2演算部115における演算で、位相差情報を求める工程に相当する。ただし、中心波長λ1の位相差値と中心波長λ2の位相差値は1列ごとに交互に取得されるので、それぞれの中心波長で位相差の絶対値が取得できない列は、例えば両隣の列の位相差の絶対値から補間することによって位相差の絶対値を求める。このようにして算出した中心波長λ1およびλ2における位相差の絶対値を、それぞれ図16Aおよび図16Bに示した。
In the actual measurement, if the relationship shown in FIG. 13 is used, the absolute value of the phase difference in each pixel of the image sensor can be obtained from the intensity of the light incident on each pixel. This is a calculation performed by the
位相差の極性を判別するには、例えば、x方向を軸にしてサンプルをわずかに傾けたときの、位相差の絶対値の変化を観測すればよい。位相差の極性によって、位相差の絶対値の増減方向が変わるからである。このようにして、極性付きで求めた中心波長λ1およびλ2における位相差の値を、それぞれ図17Aおよび図17Bに示した。 To determine the polarity of the phase difference, for example, the change in the absolute value of the phase difference when the sample is slightly tilted about the x direction may be observed. This is because the direction of increase / decrease in the absolute value of the phase difference changes depending on the polarity of the phase difference. In this way, the values of the phase difference at the center wavelengths λ 1 and λ 2 obtained with polarity are shown in FIGS. 17A and 17B, respectively.
中心波長λ1およびλ2における隣接した入射領域の位相差の値から、等価波長λeffにおける隣接した入射領域の位相差の値を算出することは、特許文献1や非特許文献1などに記載されている方法を用いれば可能である。これは、第3演算部118における演算で、位相差情報を求める工程に相当する。このようにして求めた等価波長λeffにおける位相差値を、図18に示す。
It is described in
λeffにおける位相差値を列方向で積分すれば、λeffにおける位相値を算出できる。図19は、λeffにおける位相値の算出結果である。 The phase value at λ eff can be calculated by integrating the phase difference value at λ eff in the column direction. FIG. 19 shows the calculation result of the phase value at λ eff .
なお、λ1およびλ2における位相差値をそれぞれ列方向で積分して、λ1およびλ2における位相値を算出し、その算出結果からλeffにおける位相値を求めてもよい。λ1およびλ2における位相値をそれぞれ図20Aおよび図20Bに示す。 The phase difference values at λ 1 and λ 2 may be integrated in the column direction to calculate the phase values at λ 1 and λ 2, and the phase value at λ eff may be obtained from the calculation results. The phase values at λ 1 and λ 2 are shown in FIGS. 20A and 20B, respectively.
λeffにおける位相値から光路長差の分布を求めることができるので、サンプルの屈折率の値を用いて、サンプルの形状を復元して推定することができる。推定した形状を図21に示す。図14Aに示した、もとのサンプルの形状をほぼ復元できていることがわかる。 Since the distribution of the optical path length difference can be obtained from the phase value at λ eff , the shape of the sample can be restored and estimated by using the value of the refractive index of the sample. The estimated shape is shown in FIG. It can be seen that the shape of the original sample shown in FIG. 14A can be almost restored.
このサンプルのように、高さが約50μmの段差がある形状を誤りなく復元できたのは、λ1およびλ2の2つの波長の光を用いたからである。本実施例の等価波長λeffは、(855×845)/(855−845)=72.2μmとなるので、この等価波長を超えない光路長差に相当する段差であれば、誤りなく復元できることになる。比較として、λ1またはλ2のいずれかの光のみから形状を復元した結果を図22Aおよび図22Bに示す。サンプルの凸部の段差が波長を超えているので、形状を正確に復元できていないことがわかる。 The reason why the shape with a step of about 50 μm in height like this sample could be restored without error is because light of two wavelengths λ 1 and λ 2 was used. Since the equivalent wavelength λ eff of this embodiment is (855 × 845) / (855-845) = 72.2 μm, any step corresponding to the optical path length difference not exceeding this equivalent wavelength can be restored without error. become. For comparison, the results of restoring the shape from only the light of either λ 1 or λ 2 are shown in FIGS. 22A and 22B. Since the step of the convex part of the sample exceeds the wavelength, it can be seen that the shape cannot be accurately restored.
以上述べたように、本開示は、光学部分がより小型で、周囲環境の影響をより受けにくく、光の波長を超える段差のある物体でも誤りなく形状を測定できる光検出装置を提供する。 As described above, the present disclosure provides a photodetector having a smaller optical portion, less susceptible to the influence of the surrounding environment, and capable of measuring the shape of an object having a step exceeding the wavelength of light without error.
(第2実施例)
以下では、本開示の第2実施例について述べる。
(Second Example)
The second embodiment of the present disclosure will be described below.
本実施例は、本開示の第3実施形態で述べた光検出装置で、被測定物体の段差を計測する方法を説明する。 This embodiment describes a method of measuring a step of an object to be measured by the photodetector described in the third embodiment of the present disclosure.
光検出装置は図11に示す構成を用いる。すなわち、第1および第2波長帯域の光が、光学系により空間的に分離されない構成としている。干渉素子の構造は上記第1実施例と同様である。また、第1実施形態と同じく、サンプルに入射させる光の中心波長は、λ1=845nmおよびλ2=855nmとした。 The photodetector uses the configuration shown in FIG. That is, the light in the first and second wavelength bands is not spatially separated by the optical system. The structure of the interfering element is the same as that of the first embodiment. Further, as in the first embodiment, the central wavelengths of the light incident on the sample were λ 1 = 845 nm and λ 2 = 855 nm.
被測定物体として、図23に示す形状のサンプルを想定した。高さの異なる2個のサンプルを接触させて設置し、サンプル間の段差をL としている。サンプルの屈折率は1.45とした。 As the object to be measured, a sample having the shape shown in FIG. 23 was assumed. Two samples with different heights are placed in contact with each other, and the step between the samples is L. The refractive index of the sample was 1.45.
このサンプルの底面側から入射した光がサンプルを透過し、段差によって光路長差を生じた状態で、入射光として光学系に入射するものとした。 The light incident from the bottom surface side of this sample passes through the sample, and the light path length difference is caused by the step, and the light is incident on the optical system as incident light.
隣接する一対の入射領域に入射した光がこの光路長差を有する場合に、得られる干渉光と透過光の強度を、それぞれ図24Aおよび図24Bに示す。強度比は入射光に対する干渉光または透過光の強度の比を示す。また強度比は段差Lをパラメータとして、中心波長λ1とλ2に分けてプロットした。λ1とλ2は波長が異なるので、同じ段差Lでも位相差がずれる。その結果、干渉光および透過光の強度も、λ1とλ2とで段差Lによって強度がずれることがわかる。 When the light incident on the pair of adjacent incident regions has this optical path length difference, the intensities of the interference light and the transmitted light obtained are shown in FIGS. 24A and 24B, respectively. The intensity ratio indicates the ratio of the intensity of the interference light or the transmitted light to the incident light. The intensity ratio was plotted separately for the center wavelengths λ 1 and λ 2 with the step L as a parameter. Since λ 1 and λ 2 have different wavelengths, the phase difference is shifted even at the same step L. As a result, it can be seen that the intensities of the interference light and the transmitted light also deviate between λ 1 and λ 2 due to the step L.
図11に示した光検出装置の構成では、中心波長λ1とλ2の光が同時に撮像素子の画素に入射するので、撮像素子から得られる光強度信号はλ1とλ2の光を重ね合わせたものになる。重ね合わせられた干渉光および透過光の強度と、段差Lとの関係とをプロットしたものを、それぞれ図25Aおよび図25Bに示す。図からわかるように、干渉光および透過光のいずれにおいても、包絡線の成分が段差Lに対して緩やかに変化していることがわかる。これが、等価波長λeffで位相差を観測した場合に相当する成分である。 In the configuration of the photodetector shown in FIG. 11, light having central wavelengths λ 1 and λ 2 is simultaneously incident on the pixels of the image sensor, so that the light intensity signal obtained from the image sensor superimposes the light of λ 1 and λ 2. It will be a combination. The plots of the intensities of the superposed interference light and transmitted light and the relationship with the step L are shown in FIGS. 25A and 25B, respectively. As can be seen from the figure, it can be seen that the component of the envelope changes gently with respect to the step L in both the interference light and the transmitted light. This is the component corresponding to the case where the phase difference is observed at the equivalent wavelength λ eff .
この現象を用いると、例えばサンプルを熱膨張させて段差Lの変化を計測できる。すなわち、段差Lを変化させながら干渉光または透過光の強度を観測し、包絡線の成分を抽出すれば(これは第5の演算部で演算する工程に相当する)、入射光の波長を超える段差を誤りなく計測することが可能である。 By using this phenomenon, for example, the sample can be thermally expanded and the change in the step L can be measured. That is, if the intensity of the interference light or the transmitted light is observed while changing the step L and the envelope component is extracted (this corresponds to the step of calculating by the fifth calculation unit), the wavelength of the incident light is exceeded. It is possible to measure the step without error.
なお、上記実施形態の光検出装置では入射光を中心波長の異なる2つの帯域の光としたが、3つ以上の帯域でもよい。また、波長の値も上記に限るものではなく、用途に応じて最適な値を設定すればよい。 In the photodetector of the above embodiment, the incident light is light in two bands having different center wavelengths, but it may be in three or more bands. Further, the wavelength value is not limited to the above, and an optimum value may be set according to the application.
また、上記の実施の形態および実施例で用いた光検出装置の構成は上述のものに限るわけではなく、上記発明の構成および効果を満たす範囲内で適切なものに変更することが可能である。 Further, the configuration of the photodetector used in the above embodiments and examples is not limited to the above, and can be changed to an appropriate one within a range satisfying the configurations and effects of the above invention. ..
本開示の光検出装置は、産業用、医療用、美容用、セキュリティ用、車載用等の計測に応用できる。また、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等に対して、位相差分布または位相分布という新たな撮像機能を付加しうるものである。 The photodetector of the present disclosure can be applied to measurement for industrial use, medical use, beauty use, security use, in-vehicle use, and the like. Further, a new imaging function such as a phase difference distribution or a phase distribution can be added to a digital still camera, a video camera, or the like.
101 光学系
102 第1波長帯域の光
103 第2波長帯域の光
104 第1入射領域群
105 第2入射領域群
106 干渉素子
107 干渉光
109 撮像素子
110〜113 第1〜第4画素群
114 第1演算部
115 第2演算部
116 第1位相差情報
117 第2位相差情報
118 第3演算部
119 等価位相差情報
201 第1バンドパスフィルタ
202 第2バンドパスフィルタ
302 第1バンドパスフィルタ
303 第2バンドパスフィルタ
304 レンズ
305 アレイ状光学素子
306 絞り
307 フィルタアレイ
308 マイクロレンズアレイ
501 遮光領域
502 光結合層
503 グレーティング
504 導波層
505 未使用画素
506a 導波光
601 フォトニック結晶
602〜605 第1〜第4光伝搬路
1001 照明
1002 波長帯域切換器
1003 光学系
1004、1103 光
1006 第5の画素群
1007 第6の画素群
1008 同期信号
1009 第4演算部
1101、1102 照明
1104 第5の演算部
1201 入射領域
1202 遮光層
1203 干渉光領域
1204 透過光領域
101
Claims (15)
複数の第1入射領域および複数の第2入射領域を有する干渉素子と、
第1波長帯域の光を前記複数の第1入射領域に入射させ、前記第1波長帯域と異なる第2波長帯域の光を前記複数の第2入射領域に入射させる光学系と、
を備え、
前記干渉素子は、
前記複数の第1入射領域のうち互いに隣接した2つの第1入射領域に入射した前記第1波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第1画素のいずれかに導き、前記2つの第1入射領域に入射した前記第1波長帯域の光の他の一部を前記複数の第2画素のいずれかに導き、
前記複数の第2入射領域のうち互いに隣接した2つの第2入射領域に入射した前記第2波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第3画素群のいずれかに導き、前記2つの第2入射領域に入射した前記第2波長帯域の光の他の一部を前記複数の第4画素のいずれかに導く、光検出装置。 An image sensor including a plurality of first pixels, a plurality of second pixels, a plurality of third pixels, and a plurality of fourth pixels.
Interfering elements having a plurality of first incident regions and a plurality of second incident regions,
An optical system in which light in the first wavelength band is incident on the plurality of first incident regions and light in a second wavelength band different from the first wavelength band is incident on the plurality of second incident regions.
With
The interfering element is
A part of the light of the first wavelength band incident on the two adjacent first incident regions of the plurality of first incident regions is interfered with, and the interfered light is made to interfere with any one of the plurality of first pixels. To guide the other part of the light in the first wavelength band incident on the two first incident regions to any of the plurality of second pixels.
A part of the light of the second wavelength band incident on the two adjacent second incident regions of the plurality of second incident regions is made to interfere with each other, and the interfered light is caused by any of the plurality of third pixel groups. A photodetector that guides the other part of the light in the second wavelength band incident on the two second incident regions to any of the plurality of fourth pixels.
前記複数の第3画素が検出した光強度情報および前記複数の第4画素が検出した光強度情報から第2位相差情報を求める、演算回路
をさらに備えた、請求項1に記載の光検出装置。 The first phase difference information is obtained from the light intensity information detected by the plurality of first pixels and the light intensity information detected by the plurality of second pixels.
The photodetector according to claim 1, further comprising an arithmetic circuit for obtaining second phase difference information from the light intensity information detected by the plurality of third pixels and the light intensity information detected by the plurality of fourth pixels. ..
前記複数の光結合層は、それぞれ、回折格子を有する導波層を備える、請求項1に記載の光検出装置。 The interfering element includes a plurality of optical coupling layers.
The photodetector according to claim 1, wherein each of the plurality of optical coupling layers includes a waveguide having a diffraction grating.
前記複数の光結合層は、前記2つの第1入射領域および前記第1遮光領域、または、前記2つの第2入射領域および前記第2遮光領域に対応して位置する光結合層を含み、
前記複数の第2画素は、前記2つの第1入射領域に対応して位置する2つの第2画素を含み、
前記複数の第1画素は、前記第1遮光領域に対応して位置する第1画素を含み、
前記複数の第4画素は、前記2つの第2入射領域に対応して位置する2つの第4画素を含み、
前記複数の第3画素は、前記第2遮光領域に対応して位置する第3画素を含む、請求項4に記載の光検出装置。 The interference element has a first light-shielding region located between the two first incident regions and a second light-shielding region located between the two second incident regions.
The plurality of optical coupling layers include the two first incident regions and the first light-shielding region, or the photo-bonding layers located corresponding to the two second incident regions and the second light-shielding region.
The plurality of second pixels include two second pixels located corresponding to the two first incident regions.
The plurality of first pixels include a first pixel located corresponding to the first shading region.
The plurality of fourth pixels include two fourth pixels located corresponding to the two second incident regions.
The photodetector according to claim 4, wherein the plurality of third pixels include a third pixel located corresponding to the second light-shielding region.
第1光伝搬路と、
第2光伝搬路と、
前記第1光伝搬路と前記第2光伝搬路との間を接続する第3光伝搬路を備える、請求項1に記載の光検出装置。 The interfering element is
The first light propagation path and
The second light propagation path and
The photodetector according to claim 1, further comprising a third light propagation path connecting the first light propagation path and the second light propagation path.
前記第2光伝搬路は、前記2つの第1入射領域の他方または前記2つの第2入射領域の他方からの光が入射する入射部と、前記入射した光の一部を前記複数の第2画素の何れかまたは前記複数の第4画素の何れかに出射する出射部と、を備える請求項6に記載の光検出装置。 The first light propagation path includes an incident portion in which light from one of the two first incident regions or one of the two second incident regions is incident, and a part of the incident light in the plurality of second incident regions. A light emitting unit that emits light to any one of the pixels or any of the plurality of fourth pixels is provided.
The second light propagation path includes an incident portion where light from the other of the two first incident regions or the other of the two second incident regions is incident, and a part of the incident light is the plurality of second incident regions. The light detection device according to claim 6, further comprising an exit unit that emits light to any one of the pixels or any of the plurality of fourth pixels.
前記第4光伝搬路は、前記第3光伝搬路と接続された入射部と、前記入射部から入射した光を前記複数の第1画素のいずれか又は前記複数の第3画素のいずれかに出射する出射部と、を備える請求項7に記載の光検出装置。 The interfering element further comprises a fourth light propagation path.
The fourth light propagation path has an incident portion connected to the third light propagation path and light incident from the incident portion to either one of the plurality of first pixels or the plurality of third pixels. The light detection device according to claim 7, further comprising an emitting unit for emitting light.
前記第1波長帯域の光を選択的に透過する第1バンドパスフィルタと、
前記第2波長帯域の光を選択的に透過する第2バンドパスフィルタと、
前記第1バンドパスフィルタを透過した前記第1波長帯域の光を、前記複数の第1入射領域に入射させ、前記第2バンドパスフィルタを透過した前記第2波長帯域の光を、前記複数の第2入射領域に入射させるアレイ状光学素子と、
を備える請求項1に記載の光検出装置。 The optical system is
A first bandpass filter that selectively transmits light in the first wavelength band,
A second bandpass filter that selectively transmits light in the second wavelength band,
The light in the first wavelength band transmitted through the first bandpass filter is incident on the plurality of first incident regions, and the light in the second wavelength band transmitted through the second bandpass filter is incident on the plurality of first incident regions. An array of optical elements incident on the second incident region and
The photodetector according to claim 1.
複数の第5入射領域を含む干渉素子と、
第1波長帯域の光および前記第1波長帯域と異なる第2波長帯域の光を出射する照明と、
を備え、
前記干渉素子は、
前記複数の第5入射領域のうち互いに隣接した2つの第5入射領域に入射した前記第1波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第5画素のいずれかに導き、前記2つの第5入射領域に入射した前記第1波長帯域の光の他の一部を前記複数の第6画素のいずれかに導き、
前記2つの第5入射領域に入射した前記第2波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第5画素のいずれかに導き、前記2つの第5入射領域に入射した前記第2波長帯域の光の他の一部を前記複数の第6画素のいずれかに導く、光検出装置。 An image sensor containing a plurality of fifth pixels and a plurality of sixth pixels,
Interfering elements containing a plurality of fifth incident regions and
Lighting that emits light in the first wavelength band and light in a second wavelength band different from the first wavelength band, and
With
The interfering element is
A part of the light of the first wavelength band incident on the two adjacent fifth incident regions of the plurality of fifth incident regions is interfered with, and the interfered light is made to interfere with any one of the plurality of fifth pixels. To guide the other part of the light in the first wavelength band incident on the two fifth incident regions to any of the plurality of sixth pixels.
A part of the light in the second wavelength band incident on the two fifth incident regions is interfered with, and the interfered light is guided to one of the plurality of fifth pixels to the two fifth incident regions. A photodetector that guides another portion of incident light in the second wavelength band to any of the plurality of sixth pixels.
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