JP7142251B2 - フィルタアレイおよび光検出システム - Google Patents
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Description
第1の項目に係るフィルタアレイは、特定の波長域に含まれるN個(Nは2以上の整数)の波長バンドのそれぞれに対応する画像データを生成する光検出装置において用いられるフィルタアレイであって、複数の光学フィルタを備える。前記複数の光学フィルタは、前記N個の波長バンドの各々についての光透過率が互いに異なる複数種類の光学フィルタを含み、前記N個の波長バンドのうちの第iの波長バンド(iは1以上N以下の整数)に含まれる波長を有する光についての前記複数の光学フィルタの光透過率の平均値をμiとし、前記第iの波長バンドに含まれる波長を有する前記光についての前記複数の光学フィルタの前記光透過率の標準偏差をσiとし、Mi=μi-σiとすると、前記N個の波長バンドの各々について、Mi≧0.1である。なお、Nは4以上の整数であってもよい。
第1の項目に係るフィルタアレイにおいて、前記N個の波長バンドの各々について、σi≧0.05であってもよい。
第1または第2の項目に係るフィルタアレイにおいて、前記N個の波長バンドの各々について、μi≧0.2であってもよい。
第1から第3の項目のいずれかに係るフィルタアレイにおいて、前記N個の波長バンドについて、最大のMiをMmaxとし、最小のMiをMminとすると、Mmax/Mmin≦3であってもよい。
第1から第4の項目のいずれかに係るフィルタアレイにおいて、前記複数の光学フィルタのうちの少なくとも1つの光学フィルタが、第1表面、および前記第1表面の反対側の第2表面を有する干渉層、及び前記第1表面上に設けられた反射層を含んでもよい。前記少なくとも1つの光学フィルタの透過スペクトルは、前記特定の波長域に複数の極大値を有し、前記反射層は、前記第2表面上には設けられていなくてもよい。
第5の項目に係るフィルタアレイにおいて、前記反射層が、分布ブラッグ反射器および金属膜からなる群から選択される少なくとも1つを含んでもよい。
第6の項目に係るフィルタアレイにおいて、前記分布ブラッグ反射器が、第1屈折率層および第2屈折率層の組を1組以上含んでもよい。前記第1屈折率層の屈折率は、前記第2屈折率層の屈折率よりも高くてもよい。
第7の項目に係るフィルタアレイにおいて、前記特定の波長域に含まれる波長をλとし、前記第1屈折率層の前記屈折率をnHとし、前記第2屈折率層の前記屈折率をnLとすると、前記第1屈折率層の厚さがλ/(4nH)であり、前記第2屈折率層の厚さがλ/(4nL)であり、前記干渉層の厚さがλ/(2nH)よりも大きくてもよい。
第6の項目に係るフィルタアレイにおいて、前記金属膜の厚さが1nm以上100nm以下であってもよい。
第1から第4の項目のいずれかに係るフィルタアレイにおいて、前記光検出装置はイメージセンサを含み、前記フィルタアレイは、前記複数の光学フィルタを通過した光が前記イメージセンサに入射するように配置されていてもよい。前記複数の光学フィルタの少なくとも1つは、2次元的に配列された複数のサブフィルタを含むサブフィルタアレイであってもよい。前記サブフィルタアレイは、透過波長域が互いに異なる複数種類の第1サブフィルタと、各々が、前記N個の波長バンドのうちの対応する波長バンドに含まれる波長を有するN個の光を透過させる1つ以上の第2サブフィルタまたは開口部と、を含んでもよい。前記サブフィルタアレイの全体の面積に占める前記1つ以上の第2サブフィルタまたは開口部の面積の割合は4%以上であってもよい。
第10の項目に係るフィルタアレイにおいて、前記複数種類の第1サブフィルタが、赤フィルタ、緑フィルタ、および青フィルタを含んでもよい。
第12の項目に係る光検出システムは、第1の項目から第11の項目のいずれかに係るフィルタアレイと、前記複数の光学フィルタを透過した光を受ける位置に配置された、前記特定の波長域に含まれる波長を有する光に感度を有するイメージセンサと、を備える。
第12の項目に係る光検出システムは、前記複数の光学フィルタの前記光透過率の空間分布を示すデータと、前記イメージセンサによって取得された圧縮画像データとに基づいて、前記画像データを生成する処理回路、をさらに備えていてもよい。
<光検出システム>
図1A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、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1A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60との間に配置されている。
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。
次に、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色の波長バンドよりも多くの波長バンドを意味する。この波長バンドの数は、例えば4から100程度の数であり得る。この波長バンドの数を、「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。
実際にフィルタアレイ10を用いて撮像された画像は、光ショットノイズと呼ばれるランダムノイズを含み得る。ランダムノイズは、検出光量の平方根に比例して増加する。ここでは、図5Aおよび図5Bを参照して、後述のランダムノイズの議論に用いられる、本実施形態によるフィルタアレイ10が有する特徴量を説明する。図5Aは、フィルタアレイ10における複数の波長バンドの各々についての光透過率の空間パターンを模式的に示す図である。当該空間パターンは、モザイクパターンとして表現されている。波長バンドの数をN(Nは4以上の整数)とする。図5Aに示すように、波長バンドごとに、フィルタアレイ10の光透過率の分布が異なる。図5Bは、第i(iは1以上N以下の整数)の波長バンドについて、フィルタアレイ10が有する透過率のヒストグラムの例を模式的に示す図である。図5Bに示す例において、横軸は透過率を表し、縦軸はその透過率を有するフィルタの数を表す。図5Bに示すヒストグラムから、フィルタアレイ10の特徴量として、第iの波長バンドの光についての透過率の平均値μiおよび有限の標準偏差σiが得られる。図5Bに示すヒストグラムがガウス分布を有する場合、透過率がμi-σi以上μi+σi以下の範囲内に含まれるフィルタの数は、全体の約68%を占める。透過率がμi-2σi以上μi+2σi以下の範囲内に含まれるフィルタの数は、全体の約95%を占める。図5Bに示すように、μi-2σiの値が大きければ、高い透過率を有するフィルタの数が増加する。σiが大きければ、フィルタ100同士の分別が容易である。
次に、図6Aから図7Bを参照して、ランダムノイズが分離画像に及ぼす影響を説明する。
以下に、上記の課題を解決することが可能な本実施形態によるフィルタアレイ10を説明する。図5Bに示すμi-2σiの値が大きいフィルタアレイ10は、ノイズ耐性を有する。そのようなフィルタアレイ10では、透過率が高いからである。一方、図5Bに示すσiが大きいフィルタアレイ10もまた、ノイズ耐性を有する。そのようなフィルタアレイ10では、フィルタ間の透過率の分散が大きくフィルタ100同士の分別が容易であるため、分離画像の復元精度が向上するからである。以上のことから、μi-2σiおよびσiの和であるMi=μi-σiをノイズ耐性の指標として、本実施形態によるフィルタアレイ10の光学特性を説明する。なお、本実施形態によるフィルタアレイ10は、前述した例と同様に、ランダム分布または準ランダム分布で配列された複数種類のフィルタを含む。
・(Miが小さい場合)波長バンド間のSN比は高い。したがって、σnoiseが小さいとき、分離画像の復元精度は高い。σnoiseが増加すると、フィルタアレイ10の少ない透過光量と比較して、ランダムノイズの量が無視できなくなる。その結果、分離画像の復元精度が大きく低下する。
・(Miが大きすぎる場合)波長バンド間のSN比は低い。したがって、σnoiseが小さくても、分離画像の復元精度は低い。
・(Miが適度に大きい場合)σnoiseが小さいとき、分離画像の復元精度は高い。σnoiseが増加しても、フィルタアレイ10の透過光量と比較して、ランダムノイズの量はそれほど大きくはならない。その結果、分離画像の復元精度の低下が抑制される。
・複数の波長バンドの各々についてσi≧0.05である。この場合、フィルタ100同士の分別が容易であることから、分離画像の復元精度を向上させることができる。
・複数の波長バンドの各々についてμi≧0.2である。この場合、図8から図9Cに示す0.05≦σi≦0.1についてMi≧0.1が満たされる。
・複数の波長バンドについて最大のMiおよび最小のMiをそれぞれMmaxおよびMminとすると、Mmax/Mmin≦3である。この場合、複数の波長バンド間での分離画像の復元精度がばらつくことを抑制することができる。
次に、図10Aおよび図10Bを参照して、複数の波長バンドの各々についてMi≧0.1を満たす本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10Aおよび図10Bは、それぞれ、光検出装置300の第1の例および第2の例を模式的に示す断面図である。当該断面図は、図2Aに示すフィルタアレイ10の1つの行およびイメージセンサ60の断面構造の例を示す。図10Aおよび図10Bに示す例では、フィルタアレイ10がイメージセンサ60上に配置されている。イメージセンサ60に含まれる複数の光検出素子60aは、それぞれ、フィルタアレイ10に含まれる複数のフィルタ100の直下に位置する。フィルタアレイ10とイメージセンサ60とが分離していてもよい。その場合であっても、複数の光検出素子60aの各々は、複数のフィルタの1つを透過した光を受ける位置に配置され得る。複数のフィルタを透過した光が、ミラーを介して複数の光検出素子60aにそれぞれ入射するように、各構成要素が配置されていてもよい。その場合、複数の光検出素子60aの各々は、複数のフィルタの1つの直下には配置されない。
24、25 反射層
26 干渉層
26s1 下面
26s2 上面
30 サブフィルタ
30a 第1サブフィルタ
30b 第2サブフィルタ
40 光学系
60 イメージセンサ
60a 光検出素子
70 対象物
100 フィルタ
110 フィルタ、サブフィルタアレイ
120 画像
200 処理回路
220 分離画像
300 光検出装置
400 光検出システム
Claims (13)
- 特定の波長域に含まれるN個(Nは2以上の整数)の波長バンドのそれぞれに対応する画像データを生成する光検出装置において用いられるフィルタアレイであって、
複数の光学フィルタを備え、
前記複数の光学フィルタは、前記N個の波長バンドの各々についての光透過率が互いに異なる複数種類の光学フィルタを含み、
前記N個の波長バンドのうちの第iの波長バンド(iは1以上N以下の整数)に含まれる波長を有する光についての前記複数の光学フィルタの光透過率の平均値をμiとし、前記第iの波長バンドに含まれる波長を有する前記光についての前記複数の光学フィルタの前記光透過率の標準偏差をσiとし、Mi=μi-σiとすると、
前記N個の波長バンドの各々について、Mi≧0.1である、
フィルタアレイ。 - 前記N個の波長バンドの各々について、σi≧0.05である、
請求項1に記載のフィルタアレイ。 - 前記N個の波長バンドの各々について、μi≧0.2である、
請求項1または2に記載のフィルタアレイ。 - 前記N個の波長バンドについて、最大のMiをMmaxとし、最小のMiをMminとすると、
Mmax/Mmin≦3である、
請求項1から3のいずれかに記載のフィルタアレイ。 - 前記複数の光学フィルタのうちの少なくとも1つの光学フィルタは、
第1表面、および前記第1表面の反対側の第2表面を有する干渉層、及び
前記第1表面上に設けられた反射層を含み、
前記少なくとも1つの光学フィルタの透過スペクトルは、前記特定の波長域に複数の極大値を有し、
前記反射層は、前記第2表面上には設けられていない、
請求項1から4のいずれかに記載のフィルタアレイ。 - 前記反射層は、分布ブラッグ反射器および金属膜からなる群から選択される少なくとも1つを含む、請求項5に記載のフィルタアレイ。
- 前記分布ブラッグ反射器は、第1屈折率層および第2屈折率層の組を1組以上含み、
前記第1屈折率層の屈折率は、前記第2屈折率層の屈折率よりも高い、
請求項6に記載のフィルタアレイ。 - 前記特定の波長域に含まれる波長をλとし、
前記第1屈折率層の前記屈折率をnHとし、前記第2屈折率層の前記屈折率をnLとすると、
前記第1屈折率層の厚さはλ/(4nH)であり、前記第2屈折率層の厚さはλ/(4nL)であり、
前記干渉層の厚さはλ/(2nH)よりも大きい、
請求項7に記載のフィルタアレイ。 - 前記金属膜の厚さは1nm以上100nm以下である、
請求項6に記載のフィルタアレイ。 - 前記光検出装置はイメージセンサを含み、
前記フィルタアレイは、前記複数の光学フィルタを通過した光が前記イメージセンサに入射するように配置され、
前記複数の光学フィルタの少なくとも1つは、2次元的に配列された複数のサブフィルタを含むサブフィルタアレイであり、
前記サブフィルタアレイは、透過波長域が互いに異なる複数種類の第1サブフィルタと、各々が、前記N個の波長バンドのうちの対応する波長バンドに含まれる波長を有するN個の光を透過させる1つ以上の第2サブフィルタまたは開口部と、を含み、
前記サブフィルタアレイの全体の面積に占める、前記1つ以上の第2サブフィルタまたは前記開口部の面積の割合は4%以上である、
請求項1から4のいずれかに記載のフィルタアレイ。 - 前記複数種類の第1サブフィルタは、赤フィルタ、緑フィルタ、および青フィルタを含む、
請求項10に記載のフィルタアレイ。 - 請求項1から11のいずれかに記載のフィルタアレイと、
前記複数の光学フィルタを透過した光を受ける位置に配置され、前記特定の波長域に含まれる波長を有する光に感度を有するイメージセンサと、
を備える、
光検出システム。 - 前記複数の光学フィルタの前記光透過率の空間分布を示すデータと、前記イメージセンサによって取得された圧縮画像データとに基づいて、前記画像データを生成する処理回路、をさらに備える、
請求項12に記載の光検出システム。
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