JP7257644B2 - 光検出装置、光検出システム、およびフィルタアレイ - Google Patents
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Description
第1の項目に係る光検出装置は、2次元に配列された複数のフィルタを含むフィルタアレイと、複数の光検出素子を含むイメージセンサとを備える。前記複数のフィルタは、第1フィルタおよび第2フィルタを含む。前記第1フィルタおよび前記第2フィルタの各々は、第1反射層、第2反射層、および前記第1反射層と前記第2反射層との間の中間層を含み、かつ互いに次数の異なる複数の共振モードを有する共振構造を有する。前記第1フィルタの前記中間層の屈折率および厚さからなる群から選択される少なくとも1つは、前記第2フィルタの前記中間層の屈折率および厚さからなる群から選択される前記少なくとも1つと異なる。前記第1フィルタおよび前記第2フィルタの各々の透過スペクトルが、ある波長域に含まれる複数の波長の各々において透過率の極大値を有し、前記複数の波長は前記複数の共振モードにそれぞれ対応する。前記複数の光検出素子の各々は、前記複数のフィルタの1つを透過した光を受ける位置に配置され、且つ前記波長域の光に感度を有する。
第1の項目に係る光検出装置において、前記波長域が400nm以上700nm以下であってもよい。
第2の項目に係る光検出装置において、前記透過スペクトルが、前記波長域に含まれる4つ以上の波長の各々において透過率の極大値を有していてもよい。
第2の項目に係る光検出装置において、前記透過スペクトルが、前記波長域に含まれる6つ以上の波長の各々において透過率の極大値を有していてもよい。
第1の項目に係る光検出装置において、前記第1フィルタまたは前記第2フィルタにおける前記中間層の厚さをLとし、前記中間層の波長700nmの光に対する屈折率をn1とし、前記中間層の波長400nmの光に対する屈折率をn2とし、mを1以上の整数とするとき、
第1の項目に係る光検出装置において、前記第1フィルタまたは前記第2フィルタにおける前記中間層の厚さをLとし、前記中間層の波長700nmの光に対する屈折率をn1とし、前記中間層の波長400nmの光に対する屈折率をn2とし、mを1以上の整数とするとき、
第1の項目に係る光検出装置において、前記第1フィルタまたは前記第2フィルタにおける前記中間層の厚さをLとし、前記中間層の波長700nmの光に対する屈折率をn1とし、前記中間層の波長400nmの光に対する屈折率をn2とし、mを1以上の整数とするとき、
第1から第7の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記第1フィルタの前記中間層の厚さをLとし、前記第2フィルタの前記中間層の厚さをL+ΔLとし、前記第1フィルタの前記中間層の屈折率および前記第2フィルタの前記中間層の屈折率をnとし、前記フィルタアレイに入射する光の最大入射角をθiとするとき、
第1から第9の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記第1反射層および前記第2反射層からなる群から選択される少なくとも1つが、誘電体多層膜および金属膜からなる群から選択される少なくとも1つを含んでいてもよい。
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、前記中間層は、シリコン、シリコン窒化物、チタン酸化物、ニオブ酸化物、およびタンタル酸化物からなる群から選択される少なくとも1つを含んでいてもよい。
第1から第11の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記中間層は、前記第1フィルタおよび前記第2フィルタに跨り連続的に設けられていてもよい。
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、前記第1反射層および前記第2反射層からなる群から選択される少なくとも1つが、前記第1フィルタおよび前記第2フィルタに跨り連続的に設けられていてもよい。
第1から第13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つが透明であってもよい。
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、前記フィルタアレイは前記イメージセンサと接触していてもよい。
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、前記フィルタアレイは前記イメージセンサと分離していてもよい。
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が、前記第1フィルタの表面と前記第2フィルタの表面との間の段差を平坦化するための透明層をさらに含んでいてもよい。
第1から第17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各々が、前記共振構造を有していてもよい。
第1から第18の項目のいずれかに係る光検出装置は、前記第1フィルタ上に配置される第1マイクロレンズ、および前記第2フィルタ上に配置される第2マイクロレンズをさらに備えていてもよい。
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、前記第1フィルタおよび前記第2フィルタの各々の前記透過スペクトルは、前記透過率の前記極大値と、前記極大値から波長が短くなる方向および波長が長くなる方向にそれぞれ延びる部分とを含むピークを有し、前記第1フィルタの前記透過スペクトルにおける前記ピークと、前記第2フィルタの前記透過スペクトルにおける前記ピークとは、少なくとも部分的に重なっていてもよい。
第21の項目に係る光検出システムは、第1から第20の項目のいずれかに係るの光検出装置と、信号処理回路と、を備える。前記信号処理回路は、前記複数の光検出素子からの信号に基づいて、前記複数の波長の情報を含む画像データを生成する。
第21の項目に係る光検出システムにおいて、前記画像データが、前記複数の波長ごとに分光された複数の画像を表すデータを含んでいてもよい。
第22の項目に係る光検出システムにおいて、前記複数の画像の数をNとし、前記複数の光検出素子の数をMとしたとき、前記複数の画像の各々に含まれる画素の数が、M/Nよりも大きくてもよい。
第23の項目に係る光検出システムにおいて、前記画素の数が、前記複数の光検出素子の数と等しくてもよい。
第25の項目に係るフィルタアレイは、2次元に配列された複数のフィルタを備える。前記複数のフィルタは、第1フィルタおよび第2フィルタを含む。前記第1フィルタおよび前記第2フィルタの各々が、第1反射層、第2反射層、および前記第1反射層と前記第2反射層との間の中間層を含み、かつ互いに次数の異なる複数の共振モードを有する共振構造を有する。前記第1フィルタの前記中間層の屈折率および厚さからなる群から選択される少なくとも1つは、前記第2フィルタの前記中間層の屈折率および厚さからなる群から選択される前記少なくとも1つと異なる。前記第1フィルタおよび前記第2フィルタの各々の透過スペクトルが、ある波長域に含まれる複数の波長の各々において透過率の極大値を有し、前記複数の波長は前記複数の共振モードにそれぞれ対応する。
<光検出システム>
最初に、本実施形態における光検出システムを説明する。
以下に、本実施形態におけるフィルタアレイ100Cを説明する。フィルタアレイ100Cは、撮像対象の波長域に含まれる複数の波長域ごとの画像を生成する分光システムにおいて用いられる。本明細書において、撮像対象の波長域を、「対象波長域」と称することがある。フィルタアレイ100C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、図1に示す信号処理回路200により、画像120、およびフィルタアレイ100Cの波長ごとの透過率の空間分布特性に基づい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」と称することがある。用途によっては、分光帯域数は100を超えていてもよい。
次に、フィルタアレイ100Cのより具体的な構造の例を説明する。
27 透明層
28a 第1反射層
28b 第2反射層
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
100C フィルタアレイ
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 (9)
- 2次元に配列された複数のフィルタを含むフィルタアレイと、
複数の光検出素子を含むイメージセンサと、
を備え、
前記複数のフィルタは、第1フィルタおよび、前記第1フィルタと透過スペクトルが異なる第2フィルタを含み、
前記第1フィルタおよび前記第2フィルタの各々が、第1反射層、第2反射層、および前記第1反射層と前記第2反射層との間の中間層を有する共振構造を含み、
前記第1フィルタおよび前記第2フィルタの各々の透過スペクトルが、複数の波長において、前記共振構造に起因する透過率の極大値を有し、
前記複数の光検出素子の各々が、前記複数のフィルタの少なくとも1つを透過した透過光を受ける位置に配置され、且つ前記透過光に含まれる前記複数の波長の光を検出する、
光検出装置。 - 前記第1フィルタおよび前記第2フィルタの各々の前記透過スペクトルは、前記透過率の前記極大値と、前記極大値から波長が短くなる方向および波長が長くなる方向にそれぞれ延びる部分とを含むピークを有し、
前記第1フィルタの前記透過スペクトルにおける前記ピークと、前記第2フィルタの前記透過スペクトルにおける前記ピークとは、少なくとも部分的に重なる、
請求項1または2に記載の光検出装置。 - 前記イメージセンサに対向する前記第1フィルタの表面と前記第2フィルタの表面との間に、段差を有する、
請求項1から3のいずれかに記載の光検出装置。 - 前記複数のフィルタの各々が、前記共振構造を有する、
請求項1から4のいずれかに記載の光検出装置。 - 前記λiは400nmであり、λeは700nmである、
請求項2に記載の光検出装置。 - 請求項1から6のいずれかに記載の光検出装置と、
信号処理回路と、を備え、
前記信号処理回路は、前記複数の光検出素子の各々が検出した前記複数の波長の光に基づいて、少なくとも2つ以上の波長それぞれに対応する複数の画像を生成する、
光検出システム。 - 前記信号処理回路は、前記複数の波長の光と、前記複数のフィルタの前記透過スペクトルに基づき、前記複数の画像を生成する、
請求項7に記載の光検出システム。 - 前記信号処理回路は、圧縮センシングのアルゴリズムを適用することにより、前記複数の画像を生成する、
請求項8に記載の光検出システム。
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