WO2007029714A1 - 波長分割画像計測装置 - Google Patents

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WO2007029714A1
WO2007029714A1 PCT/JP2006/317576 JP2006317576W WO2007029714A1 WO 2007029714 A1 WO2007029714 A1 WO 2007029714A1 JP 2006317576 W JP2006317576 W JP 2006317576W WO 2007029714 A1 WO2007029714 A1 WO 2007029714A1
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Yasuo Ohtera
Takashi Sato
Shojiro Kawakami
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Tohoku Techno Arch Co., Ltd.
Photonic Lattice Inc.
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Definitions

  • the present invention relates to a wavelength division image measuring apparatus. More specifically, the present invention relates to an array of wavelength filters having minute element region forces having different in-plane periodic shapes, and a color distribution information measuring apparatus using the same. The present invention also relates to a wavelength-division image measurement apparatus capable of measuring wavelength-division images in real time, which enables acquisition of a spatial distribution for each wavelength component in a narrow band contained in measurement light by a single imaging.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-325902
  • Patent Document 2 JP 2004-341506 A
  • Patent Document 3 Japanese Patent No. 3766844
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-26567
  • a wavelength filter is an element that selectively transmits or reflects only a component in a desired wavelength region from a broadband optical wavelength spectrum emitted from a measurement target.
  • the color sensitivity can be obtained by combining with a light receiving element that does not depend on the light wavelength or has a small wavelength dependence, and emits light with a wide and wide wavelength range. This is a basic element used to extract the light intensity distribution of a specific wavelength component.
  • a wavelength selective filter with a large area of several mm square force and several tens of cm square, and a uniform structure within that area, is relatively easy to manufacture industrially, and a large number of filters with various characteristics are produced. Yes. These are realized, for example, by a structure in which a specific pigment is dispersed in a resin or a multilayer structure of a uniform transparent or colored thin film.
  • an array of V or so-called wavelength filters in which a large number of minute filter elements having different wavelength characteristics are arranged adjacent to each other, has many application fields as described later. Because of this difficulty, only limited characteristics have been realized. As a typical example, three colors of red, green, and blue or four colors of cyan, magenta, yellow, and green are used as ink and Some are compounded in a resist and formed into a mosaic on a substrate by printing technology. Ink and resist type color filters are generally difficult to have sharp wavelength selection characteristics.
  • a “wavelength division image measuring apparatus” for imaging an intensity distribution for each wavelength in a target object several methods have been realized. Alternatively, it can be realized by combining existing optical elements.
  • One example is a combination of the above-described mosaic color filter and a CCD (charge coupled device) array, which is mounted on a digital still camera or a digital video camera.
  • CCD charge coupled device
  • the light emitted from the target object is successively passed through a plurality of wavelength filters having different transmission wavelengths, and the wavelength components separated into different optical paths are detected by separate light receiving elements, or
  • light is incident on a common light receiving element in a time-sharing manner using a light shatter.
  • This method requires a large number of optical elements, which complicates the optical system, or requires accurate alignment between the elements in order to match the images of the separated wavelengths. There is.
  • a plurality of replaceable wavelength filters are prepared in front of a common light receiving element, and images are taken one after another while exchanging them, and finally an image of each wavelength is synthesized. By doing so, a color image is obtained.
  • This method has the following problems: it takes a certain amount of time to obtain a single composite image, so it is difficult to capture high-speed phenomena, it cannot be applied to measurements that dislike vibration because it includes moving parts, and the equipment is enlarged. is there.
  • a method of giving wavelength selectivity to the light receiving element itself is also realized! For example, when splitting incident light into three colors of red, blue, and green, a light-receiving element that absorbs light of red wavelength and transmits light of blue and green wavelengths, and light of green wavelength complementarily. Color information in the three wavelength ranges is acquired simultaneously by overlapping the light-receiving elements that absorb only light and the light-receiving elements that absorb only light of the blue wavelength and arranging them in a row. According to this method, the problem of positional deviation of the image for each wavelength in the second example and the real-time problem in the third example are solved. On the other hand, the degree of freedom in designing wavelength characteristics depends on the material constant of the light receiving element.
  • paragraph number (0072) of Patent Document 1 is, paragraph number (0086) of Patent Document 2 and FIG. 1 show that two or more kinds of transparent materials are formed on a substrate parallel to the xy plane.
  • a photonic crystal which is a multilayer structure laminated alternately in a direction and divided into element regions having different lattice constants in the xy plane is used as a filter.
  • an array type wavelength demultiplexer is configured using this filter.
  • the spatial distribution of each narrowband wavelength component contained in the measurement light cannot be acquired with a single imaging!
  • Patent Document 4 implements both spectral and condensing functions by stacking a self-cloning circular periodic multilayer film on a CCD image sensor semiconductor layer as a base. How to do is described. However, since this method requires that the underlying CCD layer is not damaged by the multilayer film, significant limitations such as low power are imposed on the sputtering and etching conditions that constitute the self-closure method. As a result, the shape of the periodic structure that can be realized is limited. Also, in the concentric periodic structure as described in this document, the effective refractive index distribution felt by each linearly polarized component of the incident light does not become concentric with the same shape. The shape of is not a focused circular beam spot.
  • the present invention has the above-described conventional wavelength division imaging apparatus that it is difficult to narrow the selected wavelength, it is difficult to simultaneously acquire images of the respective wavelengths, Picture
  • the alignment of the image is complicated, the use of a large number of optical elements increases the size of the device, the alignment between elements becomes complicated, and the detector changes such as ultraviolet, visible, and infrared.
  • the purpose is to solve issues such as the need to drastically change the design concept, the spectral filter design being limited by the configuration of the photoelectric conversion unit, and the low spectral selectivity within the pixel. And
  • An object of the present invention is to provide a wavelength division image measuring apparatus capable of acquiring a spatial distribution for each wavelength component in a narrow band included in measurement light by one imaging.
  • the wavelength division image measuring apparatus of the present invention is a three-dimensional orthogonal coordinate system (X, y, z) in which two or more transparent materials are alternately stacked in the z direction on a substrate parallel to the xy plane.
  • X, y, z three-dimensional orthogonal coordinate system
  • at least three lattice constants are divided into different element regions in the xy plane, and in those regions, periodic uneven shapes are repeated in the xy plane with a period determined for each region.
  • a wavelength filter array having specific wavelength transmission characteristics determined by the uneven shape of each region and the refractive index distribution of the multilayer film for light incident from a direction not parallel to the substrate, and the array And a light receiving element array having pixels arranged to face the individual element regions.
  • the present invention uses an array of photonic crystal type wavelength filters characterized in that the refractive index distribution periodically changes in the plane and in the thickness direction in order to solve the above problems.
  • a wavelength division image measuring apparatus is configured by combining the filter array and the light receiving element array.
  • the wavelength selection filter having the structural power of the present invention makes it possible to divide measurement light having a wide wavelength component into a plurality of wavelength components with extremely sharpness and selectivity.
  • a light receiving element array such as a CCD
  • the spatial distribution of each narrow-band wavelength component contained in the measurement light which was difficult with the conventional technology, can be obtained once. It can be acquired by imaging.
  • the type of filter element to be arrayed By increasing the number, the number of wavelengths to be divided can be increased.
  • the integration is easy and the size can be reduced.
  • wavelength-division image measurement devices using such a wavelength filter array can provide image measurement functions not found in the wide-spread conventional color image sensors.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a top view of a wavelength filter array of the present invention.
  • FIG. 3 Conceptual diagram of an image measuring device that can be formed by combining a wavelength filter array and a light receiving element array of the present invention.
  • FIG. 4 Conceptual diagram of the short wavelength elimination filter array according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing the film thickness configuration of the multilayer film in the first example.
  • FIG. 6 is a diagram showing the transmission characteristics of each element region of the filter array in the first example.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a spectral distribution of light incident on the filter array of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a spectral distribution after the light in FIG. 7 has passed through each element region of the filter array of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram of a second embodiment of a narrow band wavelength selective filter array.
  • FIG. 10 is a diagram showing the transmission characteristics of each element region of the filter array in the second embodiment.
  • FIG. 11 Conceptual diagram showing the combination of the wavelength filter array and uniform wavelength filter according to the third embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of transmission characteristics of a uniform wavelength filter in the third embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing the transmission characteristics of one element region in the third embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram showing the transmission characteristics of each element region of the filter array in the fourth embodiment.
  • FIG. 16 is a conceptual diagram showing a combination of a polarization-dependent wavelength filter array and a uniform polarizing plate according to a fifth embodiment.
  • FIG. 17 is a conceptual diagram showing a combination of a wavelength filter array and a light receiving element array according to a sixth embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram showing an example of an arrangement method of element regions of a wavelength filter in the sixth embodiment.
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of an arrangement method of element regions of a wavelength filter in the sixth embodiment.
  • Figure 7 shows the relationship between the wavelength filter element area and light receiving element pixels in Example 7
  • ⁇ 22 Diagram showing the relationship between the wavelength filter element area and the light receiving element pixel in the seventh embodiment.
  • FIG. 24 is a diagram showing the transmission characteristics of each element region of the filter array in the eighth embodiment.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of the upper surface of the wavelength filter array of the present invention.
  • the entire array is composed of a collection of small photonic crystal element regions 101. Within each element region 101, the transmission characteristics with respect to wavelength are uniform or almost uniform. As will be described later, this wavelength filter array and a light receiving element array such as a CCD are combined to form a wavelength division image measuring apparatus.
  • the pixel size of the light receiving element array is about several zm square to 10 m square.
  • the dimension of the element region 101 is set to the above-mentioned level.
  • a photonic crystal wavelength filter is formed of a multilayer film structure.
  • a multilayer structure with different wavelength characteristics is several ⁇ m and the number is 10
  • a photonic crystal structure according to a self-cloning method (Kawakami et al., “3-D periodic structure and manufacturing method thereof, and film manufacturing method”, Japanese Patent No. 3325825) is used in order to accurately arrange a large number at intervals of about m.
  • a method of manufacturing a filter array by this method will be described with reference to FIG.
  • a mask pattern on a one-dimensional or two-dimensional periodic lattice is formed on the substrate 201 by photolithography, and then the pattern is transferred to the substrate using reactive ion etching.
  • the one-dimensional pattern is a periodic groove array, and the two-dimensional pattern is, for example, a circular hole or a square hole periodically arranged in two directions in the substrate surface.
  • Figure 2 shows an example of a one-dimensional pattern.
  • two or more kinds of dielectric materials are alternately laminated on the substrate subjected to such a lattice force using a notch film forming process including a sputter etching in part.
  • a plurality of types of dielectric material targets 203 and 204 are disposed in a vacuum chamber 202, and a substrate is disposed thereon.
  • a bias high frequency power 207 is also applied to a force substrate that generates a plasma 206 of argon gas or the like in the chamber to cause sputter etching.
  • An alternating multilayer film as described above can be formed by alternately applying electric power to the targets 203 and 204 and moving the location of the substrate back and forth on each target in synchronization therewith.
  • the wavelength filter characteristics for example, in order to provide a narrow band wavelength selection characteristic, first, a lower distributed reflector layer, a cavity layer, and an upper distributed reflector layer may be laminated in this order. If the balance between sputter etching and sputter deposition is adjusted appropriately, the in-plane irregular shape is maintained up to the final layer.
  • the region on the one-dimensional pattern becomes a two-dimensional photonic crystal, and the region on the two-dimensional pattern becomes a three-dimensional photonic crystal.
  • the wavelength characteristics of the wavelength filter thus formed depend on the grating shape in the horizontal plane in addition to the refractive index distribution in the thickness direction of the multilayer film. Therefore, if the lattice shape is changed for each element region in the initial substrate processing stage, an array of minute wavelength filters having different characteristics can be obtained.
  • the general structure of such a “lattice modulation” type photonic crystal and the manufacturing method thereof are disclosed in, for example, Kawakami et al., “Lattice modulation photonic crystal”, Japanese Patent No. 3766844.
  • a designed array such as the lattice modulation state, that is, the area and arrangement method of crystal elements, the number of repetitions of the elements themselves, and the like is used with a focus on synchronizing with the pixels of the light receiving element array. All of these in-plane shapes use electron beam writing for initial substrate strength. Thus, it can be set very accurately.
  • the area of one wavelength filter is an optical fiber.
  • the diameter was equal to or larger than the diameter, ie, 100 m to several mm on a side. If one side is 100 / z m and the lattice constant of the photonic crystal is 500 nm, there are 200 lattices in one side, so the filter behaves as a photonic crystal with an almost infinite period for incident light. In this way, the transmission spectrum calculated for an ideal crystal structure with an infinite number of periods can be used as it is as the design value of the filter.
  • the wavelength filter array of the present invention is characterized in that the size of each individual filter is approximately the same as the pixel pitch of the image sensor.
  • the pixel pitch of a typical CCD image sensor is about 5 ⁇ m
  • the force that about 10 photonic crystals with a lattice constant of 500 nm can enter in this area is a periodic structure with such a small number of periods.
  • an image measuring device is configured by combining the wavelength filter array 301 and the light receiving element array 302 in the manner shown in FIG.
  • the wavelength filter array 301 and the light receiving element array 302 By matching the size and relative position of the element region constituting the wavelength filter and the pixel 303 of the light receiving element, only a predetermined wavelength component reaches each pixel of the light receiving element.
  • collecting only information on the pixel group corresponding to the element region having the same wavelength characteristic allows the image at that wavelength to be reconstructed.
  • the ability to reconstruct the image of the remaining pixel groups in the same way Originally, the light intensity distribution of all the pixels was captured at the same time, so the images of each pixel group represent images by wavelength at the same time. It will be.
  • the amount of positional deviation in the plane between the pixel groups for each wavelength is an integral multiple of the pixel interval, it can be accurately grasped. Needless to say, this deviation does not change even after the device is manufactured. Furthermore, depending on the design of the refractive index distribution of the multilayer film constituting the filter, it is possible to easily realize extremely sharp and wavelength selective characteristics that are not found in conventional mosaic type color filters. Except for the imaging optical system between the object to be measured and the wavelength filter array, the minimum required components for this device are only one photonic crystal wavelength filter array and one light receiving element array. Significant miniaturization of equipment Is possible.
  • FIG. 4 is a diagram showing one embodiment of the present invention. Here, an embodiment using the edge filter characteristics of the photonic crystal in the visible wavelength region is shown.
  • a mask layer made of Cr having a thickness of 200 nm is formed on the quartz substrate 401 by sputtering, and a photoresist is applied thereon.
  • Four types of lattice shapes are drawn there by direct drawing with an electron beam.
  • the region 402 has a lattice spacing of 420 nm
  • the region 403 has a 440 region
  • the region 404 has a 460 nm
  • the region 405 has a square lattice of 480 nm.
  • the area of each region was a square with a side of 5 m.
  • the chromium (Cr) mask was removed by RIE (reactive ion etching), and the pattern was transferred to a quartz substrate.
  • the etching depth of Ishihide's substrate was lOOnm.
  • a total of 78 layers were laminated by the self-cloning method using the film thickness profile shown in FIG.
  • the final layer is quartz.
  • the film formation process of the self-cloning method is Miura et al., “Low-loss photonic crystal waveguides for self-cloning” (Journal of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers C Vo 1. J88—C No. 4 2005) p. 245 ⁇ Use the conditions listed here. Even if the transition layer 406 is omitted, there is no essential difference in device operation.
  • Fig. 6 shows the numerical simulation results by the finite difference time domain method (FDTD method) of the transmission characteristics of optical power for normal incidence in each of the regions 402, 403, 404, and 405. It can be seen that each region has different wavelength characteristics. In particular, there is a very steep wavelength separation band between wavelengths 790 ⁇ 880nm due to the photonic bandgap due to the multilayer structure.
  • FDTD method finite difference time domain method
  • transmission spectra can be used as they are, and, for example, by calculating the difference between the transmitted light intensity of the region 402 and the transmitted light intensity of the region 403, a spectrum in a limited band of wavelengths 790 nm and 815 nm is obtained. Tato It is also possible to obtain only the components.
  • the transmittance is oscillated on the long wavelength side of the transmission spectrum of each region. This is mainly due to the multiple reflection of light between the lowermost layer and the uppermost layer of the multilayer film. It is also possible to finely adjust the thickness of the lowermost layer and the vicinity of the uppermost layer to make a non-reflection termination.
  • the measurement target light may be incident on the substrate side force of the wavelength filter array, or the surface, that is, the side force on which the photonic crystal is exposed may also be incident.
  • quartz is used for the substrate.
  • the material is not limited to quartz, and various glasses, semiconductors, plastics, and the like may be used.
  • the material and thickness of the metal mask are not limited to the above-described Cr, and other combinations may be used as long as they can withstand the transfer force to the lattice-shaped substrate.
  • the operating wavelength range of the wavelength filter made of the photonic crystal can be designed with a large degree of freedom by selecting the refractive index, the film thickness, and the in-plane period of the grating.
  • the most common low-refractive-index medium that can be formed by the self-cloning method is Si02 as the main component.
  • the transparent wavelength range is wide, and it is chemically, thermally, and mechanically stable. If you can do it, you have the advantage.
  • other optical glasses and aluminum oxide (Al 2 O 3) may be used, such as magnesium fluoride (MgF).
  • a material having a low refractive index may be used.
  • Ta for visible wavelength region As a high refractive index material, Ta for visible wavelength region
  • TiO 2 titanium oxide
  • Nb 2 O 3 niobium pentoxide
  • HfO hafnium oxide
  • Oxides and nitrides such as silicon nitride (Si N) can be used.
  • silicon nitride Si N
  • semiconductors such as silicon (Si) and germanium (Ge) are also transparent and can be used.
  • FIG. 9 shows a second embodiment of the present invention.
  • a method for utilizing the narrow band wavelength selection characteristics of a photonic crystal will be described.
  • the lattice type of the substrate, the formation method thereof, and the multilayer film fabrication method by the self-cloning method are the same as those in Example 1, but the lattice period in the force plane and the film configuration of the multilayer film are different. That is, four types of regions 901 902 903 904 having in-plane lattice constant forces of 00 250 nm, 300 nm, and 350 nm are provided as filter element regions.
  • Ta2 with a thickness of 95.2 nm on a quartz substrate 905 05 layers 906 and 133.3 nm thick SiO layers 907 were stacked alternately for a total of 20 layers, followed by cavity
  • a TaO layer 908 having a thickness of 133.3 nm is stacked as a layer. Next, 133.3 nm thick SiO and
  • the substrate shaping layer 909 may be provided.
  • the upper and lower alternating multilayer films sandwiching the cavity layer function as a highly reflective distributed reflector.
  • FIG. 10 shows the numerical simulation results by the FDTD method of the transmission characteristics of the optical power in the regions 901, 902, 903, and 904, respectively. It can be seen that each region force has a narrow linewidth transmission peak with a different central wavelength in the photonic band gap.
  • the regions 901, 902, 903, and 904 have a wavelength of 746 nm, 751 nm, 758 nm, and 764 nm, respectively, and are narrow with a width of about 25 nm. !, Only the wavelength components in the range will be transmitted.
  • the incident spectrum can be finely divided on the wavelength axis and guided to the subsequent light receiving element.
  • FIG. 11 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. That is, the filter 1101 of Example 1 or Example 2 described above (this is referred to as “first filter” only in this example) is not arrayed, that is, over the entire incident surface. This is a combination of the second wavelength filter 1102 having uniform wavelength characteristics.
  • Figure 12 shows an example of the wavelength characteristics of the second filter. Since this is a uniform structure on the entire surface, no special device is required for design and manufacturing.
  • the region 404 of the filter shown in the first embodiment is used as the first filter, the combined transmission characteristics of both are as shown in FIG.
  • wavelength components with a wavelength of 770 nm or less are also transmitted in Example 1, but such an unnecessary wavelength component is used in the configuration of this example. Can be removed.
  • FIG. 14 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
  • Each filter region is constituted by a two-dimensional photonic crystal, that is, an in-plane groove array and alternating multilayer films in the thickness direction.
  • a straight line so that the electric field has only a component parallel to the groove.
  • TM polarized light There is a difference in wavelength characteristics between polarized incident light (called TE polarized light) and linearly polarized incident light (called TM polarized light) so that the magnetic field has only a component parallel to the groove. Arise.
  • the transmission wavelength of each element crystal region is not only in-plane groove spacing but also in the groove direction. Relying on it depends on you.
  • the grooves are parallel to the X axis, and the groove intervals are 200 nm and 300 nm, respectively, while in regions 1403 and 1404, the grooves are parallel to the y axis and the groove intervals are Similarly, the configuration with 200nm and 300nm is shown.
  • a total of 20 layers of 3nm SiO layers 1407 were stacked alternately, followed by a thickness 1 as a cavity layer.
  • Figure 15 shows the calculation result of the transmission vector at normal incidence for linearly polarized light polarized in the X direction. Each region exhibits different transmission characteristics.
  • FIG. 16 is a diagram showing a fifth embodiment of the present invention. That is, the configuration is a combination of the polarization-dependent filter array 1601 shown in Example 4 and the polarizing plate 1602 that transmits only one of the intrinsic polarizations.
  • This polarizing plate 1602 has almost uniform wavelength characteristics and polarization characteristics in the plane.
  • a photonic crystal polarizer Kawakami et al., “Polarizer and its production method”, Patent No. 3288976
  • Patent No. 3288976 a photonic crystal polarizer
  • Example 4 when light of various polarization components is emitted from the measurement target, the light incident on a certain photonic crystal region has both the transmission wavelength of the TE wave and the transmission wavelength of the TM wave. It passes through the filter at the wavelength.
  • one polarization component is removed in advance by the uniform polarization plate, so even if the radiated light of the force to be measured has an arbitrary polarization state, a specific polarization among them. Only wavelength components corresponding to light having a wavefront can be selectively extracted.
  • FIG. 17 is a diagram showing a sixth example of the present invention. That is, from Example 1 to Example 5 The wavelength filter array 1701 and the light receiving element array 1702 are combined.
  • a CCD (charge coupled device) image sensor can be used as the light receiving element array in the visible wavelength range.
  • the light receiving element is not limited to a CCD, but it is essential that the wavelength filter array and the pixel correspond spatially.
  • a photodiode array, an imaging tube, a vidicon, or the like may be used.
  • MOS type image sensors such as C MOS (complementary metal oxide semiconductor) and NMOS (n type metal oxide semiconductor) may be used.
  • the force shown in the example in which the wavelength filter array is directly disposed immediately before the light receiving element array is used to spatially form an image on the wavelength filter array on the light receiving element by sandwiching a relay lens between the two. May be.
  • the wavelength filter array may have the surface of the substrate facing the light incident side or the light receiving element array side.
  • the former configuration is used. In other words, a configuration in which the surface of the photonic crystal and the surface of the light receiving element are in contact with each other is desirable.
  • the element regions A, B, C, and D having different wavelength characteristics in the wavelength filter are grouped together and repeated at least twice each in both the X and y directions.
  • the transmission center wavelength in each element area is given by A, E B, ⁇
  • the intensity distribution image of the wavelength at the shooting time e, e, e, ⁇
  • An image can be obtained.
  • the element regions 2001 and 2002 corresponding to them may be arranged in a pine pattern. In this case The position of the pixel group belonging to the same wavelength is shifted by 1 pixel between adjacent columns. The whole image can be similarly reconstructed by using an appropriate function interpolation method.
  • FIG. 21 is a view showing a cross section of the seventh embodiment of the present invention.
  • a plurality of pixels 2102 of the light receiving element correspond to each of the element regions 2101 of the photonic crystal.
  • a configuration in which three pixels are included in one filter element region is shown.
  • the filter array 2103 and the light receiving element array 2104 are shown after the filter element region dimensions are actually designed so that it has an area equivalent to (n X n) pixels.
  • the original filter element dimensions remain the same as the pixels, and the lateral magnification of the optical system inserted between the filter array 2201 and the light receiving element array 2202 is as shown in Fig. 22.
  • Figure 22 shows an example of a configuration of an optical system that can be tripled vertically and horizontally. That is, the ratio of the focal lengths of the objective lens 2203 and the imaging lens 2204 is 1: 3, and the wavelength filter array and the light receiving element array are respectively arranged on the former front focal plane and the latter rear focal plane.
  • the optical system for enlarging the lateral magnification is not limited to the example shown here.
  • m: l reduction optical system may be used in which m element regions of the wavelength filter array correspond to one pixel. In this case, light transmitted through any of the m element regions reaches the pixel.
  • FIG. 23 shows an eighth embodiment of the present invention. This is a configuration example for the infrared region near the wavelength 2 / z m.
  • a vidicon, image pickup tube, or InGaAs image sensor is used as the light receiving element.
  • germanium germanium (Ge, with a refractive index of about 4.1 at a wavelength of 2 m) and SiO (at a wavelength of 2 m) are transparent and have a large refractive index difference in this wavelength range.
  • the filter element regions 2301, 2302, 2303, and 2304 have self-cloning type two-dimensional photonic crystal structures with in-plane groove spacing forces of 300, 400, and 500 nm, respectively.
  • a lower distributed reflector 2306, a cavity layer 2307 made of Ge having a thickness of 317 nm, and an upper distributed reflector layer 2308 are laminated on a quartz substrate 2305.
  • L on the 133.3 nm thick SiO layer Using a symbol of H for a 95.2 nm thick Ge layer, the film structure is (quartz substrate) —LHLHL— (G e cavity) —LHLHL— (air).
  • Figure 24 shows the calculated transmission characteristics of each element region with respect to x polarization in this configuration.
  • the design guideline for the infrared wavelength filter of this example is a numerical calculation of the transmittance of a multidimensional photonic crystal based on the same theory of dielectric multilayer filter as in the visible region. It is important to be able to proceed in exactly the same way. Even if it is necessary to use another light-receiving element for the ultraviolet wavelength or far-infrared wavelength region, select a dielectric material that is transparent and capable of forming a sputtering film in that wavelength region.
  • the wavelength filter array can be designed independently with the same guidelines.
  • the wavelength filter array and wavelength division image display apparatus can meet the demands for measurement functions that have been difficult with conventional devices in a very wide range of fields as will be described below.
  • the activation state of a specific protein in a cell and its temporal change are indirectly measured by visualizing the fluorescence of the protein. In this case, it is necessary to first separate the wavelength components of the excitation light in terms of image power.
  • a narrow-band wavelength filter is used to identify proteins with a slightly different fluorescence center wavelength for each type.
  • a conventional fluorescent microscope has a configuration using a plurality of color filters, and it is inevitable to increase the size of the apparatus.
  • the wavelength division image measuring apparatus of the present invention can reduce the size.
  • Plasma physics field Since the spontaneous emission spectrum by plasma is a collection of line spectra determined by constituent molecules and intermolecular bonds, the spatial distribution of molecules of interest can be selectively known by measuring images at specific wavelengths. . Real-time measurement is also necessary to know the time transition of chemical reaction in the vacuum vessel immediately after plasma generation. The device of the present invention makes these possible.
  • the present invention it is possible to simultaneously extract image components at a plurality of desired wavelengths from an object image including many wavelength components.
  • the center wavelength and wavelength bandwidth of each selected component can be designed with a large degree of freedom.
  • the positional relationship between the images of each wavelength can be known accurately, and in principle, no positional deviation occurs after the device is manufactured.
  • the same guidelines for visible wavelengths can be used when designing devices, even for applications such as ultraviolet and infrared where wavelength imaging elements other than visible wavelengths need to be used.

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Abstract

　計測対象物からの広帯域の入射光を、選択性よく複数の波長に分割し、それらの像を同時一括に計測することのできる、波長分割画像計測装置を提供すること。 　基板上３０２に、微細な周期的な凹凸格子を加工する。このとき、格子形状や格子周期の異なる微小な要素領域１０１を基板３０２面内に複数、繰り返し配置しておく。次にバイアススパッタ法を用いて、高屈折率材料と低屈折率材を交互に多層積層してフォトニック結晶構造の波長フィルタ３０１を形成する。このようにして、鋭い波長選択特性を持ち、かつ波長透過特性の異なるフォトニック結晶波長フィルタ０３１のアレイを得ることができる。このアレイと、要素領域１０１に対向させて配置した画素３０３を有する受光素子３０２のアレイとを組み合わせて波長分割画像計測装置とする。

Description

波長分割画像計測装置
技術分野
[0001] 本発明は、波長分割画像計測装置に係る。より詳細には、面内の周期形状が異な る微小な要素領域力 なる波長フィルタのアレイ、およびそれを用いた色分布情報の 計測装置に関するものである。また、計測光に含まれる狭帯域の波長成分ごとの空 間分布を 1回の撮像で取得することが可能になる実時間で波長分割画像計測が可 能な波長分割画像計測装置に関する。
背景技術
[0002] 特許文献 1：特開 2004— 325902号公報
特許文献 2 :特開 2004— 341506号公報
特許文献 3：特許 3766844号公報
特許文献 4：特開 2005 - 26567号公報
[0003] 波長フィルタは、計測対象から出射される広帯域の光波長スペクトルの中から、所 望の波長域の成分のみを選択的に透過または反射させる素子である。光計測や画 像工学の分野において、受光感度に光波長依存性のない、もしくは波長依存性の小 さ 、受光素子と組み合わせることでカラー画像を取得したり、広 、波長幅を持つ光を 放出している計測対象物体力 特定の波長成分の光強度分布を抽出したりするのに 用いられる基本的な素子である。
数 mm四方力 数十 cm四方程度の大きな面積を持ち、その面積内で構造の一様 な波長選択フィルタは工業的に作製が比較的容易であり、種々の特性のものが大量 に生産されている。これらは例えば特定の色素を榭脂中に分散させた構造や、一様 な透明または着色薄膜の多層膜構造で実現されて 、る。
[0004] 他方、波長特性の異なる微小なフィルタ要素が多数隣接して配列したような、 V、わ ば波長フィルタのアレイは、後述のように多数の応用分野があるにも関わらず、その 作製の困難さから、限定された特性のものしか実現されていない。代表的な例として 赤、緑、青の 3色またはシアン、マゼンタ、イェロー、グリーンの 4色の色素をインクや レジスト中に配合し、それを印刷技術によって基板上にモザイク状に形成したものが ある。インクやレジスト型のカラーフィルタでは、一般的に鋭い波長選択特性を持た せることが難しい。他方、対象物体における波長毎の強度分布を画像ィ匕する、いわ ば「波長分割画像計測装置」としては、従来いくつかの方法が実現されている。また は既存の光学素子を組み合わせて実現することができる。
[0005] そのひとつの例が前述のモザイク状カラーフィルタと CCD (電荷結合素子）アレイを 組み合わせたもので、これはデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラに搭載さ れている。しかし色素の吸収スペクトルの違いを利用しているために、それぞれの色 要素の透過波長幅が一般に広い。極めて鋭い波長透過特性を実現するのは困難で ある。
[0006] また別の例は、対象物体からの出射光を透過波長の異なる複数の波長フィルタに 次々と通し、それぞれで別の光路に分離された波長成分を別々の受光素子で検出 する、もしくは共通の受光素子に光シャツタなどを用いて時分割で入射させる構成で ある。この方法には多数の光学素子を要するため光学系が複雑になる、あるいは分 離された各波長の像同士を一致させるために、素子同士の正確な位置合わせが必 要となるなどの問題点がある。
[0007] 第 3の例は、共通の受光素子の前に交換可能な複数の波長フィルタを用意してお き、それらを交換しながら次々と画像を撮影して最後に各波長の画像を合成すること でカラーの画像を得るものである。この方法には、 1枚の合成画像を得るまでに相応 の時間を要するため高速現象の撮影が難しい、可動部品を含むため振動を嫌う計測 に適用できない、装置が大型化するなどの問題点がある。
[0008] 第 4の例として、受光素子自体に波長選択性を持たせる方法も実現されて!ヽる。例 えば入射光を赤、青、緑の 3色に分解する場合、赤の波長の光を吸収し青、緑の波 長の光を透過させる受光素子と、それと相補的に緑の波長の光のみを吸収する受光 素子、青の波長の光のみを吸収する受光素子を重ねて並べ光を通過させることによ り、 3つの波長域での色情報を同時に取得するものである。この方法によれば第 2の 例にある波長毎の像が位置ずれを生じる問題や、第 3の例にある実時間性の問題は 解決されている。その一方で、波長特性の設計の自由度が受光素子の材料定数に より大幅な制約を受ける、例えば赤外など、受光素子の材料系や原理が変わった場 合、フィルタ特性を実現するために根本的な材料プロセスの探索が必要になるなど の重大な問題を孕んで 、る。これは波長フィルタと受光素子を独立して設計できな ヽ ことに起因している。
[0009] 一方、特許文献 1の段落番号 (0072)、ある 、は特許文献 2の段落番号 (0086)や 図 1には、 xy面に平行な基板の上に 2種以上の透明材料を z方向に交互に積層した 多層構造体であって、 xy面内において格子定数の異なる要素領域に分かれたフォト ニック結晶をフィルタとすることが開示されている。また、このフィルタを用いてアレイ 型波長分波器を構成することも記載されている。しかし、計測対象物からの広帯域の 入射光を、選択性よく複数の波長に分割し、それらの像を同時一括に計測することに ついての記載はない。さらに、計測光に含まれる狭帯域の波長成分ごとの空間分布 を 1回の撮像で取得することはできな!、。
[0010] また、特許文献 4には、 CCDイメージセンサーの半導体層を下地としてその上に自 己クロー-ング型の円形周期多層膜を積層することにより、分光と集光の両方の機能 を実装する方法が記載されている。し力しこの方法では下地の CCD層が多層膜の成 膜によってダメージを受けないことが要求されるため、自己クローユング法を構成する スパッタリング及びエッチングの条件に低パワー性などの大幅な制限が課され、その 結果実現可能な周期構造の形状が限られることが問題である。またこの文献にあるよ うな同心円状の周期構造では、入射光の各直線偏波成分が感じる実効的な屈折率 分布が形状と同じ同心円状にはならないため、 CCDの光電変換部に到達した光の 形状も集光された円形ビームスポットとはならない。また光の分散関係が画素内の場 所によって変化するので、一般に同じ画素内にある光の波長成分が通過する場所と 通過しない場所が存在することになる。このように同文献に記載の方法では、明確な スペクトルの分離が困難であるという問題がある。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0011] 本発明は上述した従来の波長分割画像化装置が有していた、選択波長の狭帯域 化が困難であること、各波長の画像を同時に取得することが困難なこと、波長毎の画 像の位置合わせが煩雑であること、多数の光学素子を用いることにより機器が大型化 すること及び素子間の位置合わせが煩雑になること、紫外 ·可視 ·赤外など検出器が 変わるとフィルタの設計概念も大幅に変更する必要があること、分光用フィルターの 設計が光電変換部の構成による制限を受けること、そして画素内でのスペクトルの選 択性が低いこと、などの課題の解決を目的とする。
計測対象物からの広帯域の入射光を、選択性よく複数の波長に分割し、それらの 像を同時一括に計測することのできる波長分割画像計測装置を提供することを目的 とする。計測光に含まれる狭帯域の波長成分ごとの空間分布を 1回の撮像で取得す ることが可能な波長分割画像計測装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0012] 本発明の波長分割画像計測装置は、 3次元の直交座標系（X, y, z)において、 xy 面に平行な基板の上に 2種以上の透明材料を z方向に交互に積層した多層構造体 であって、 xy面内においては少なくとも 3つの格子定数が異なる要素領域に分かれ ており、それらの領域内では領域毎に定まる周期をもって xy面内に繰り返される周期 的な凹凸形状を有し、基板に対して平行ではない方向から入射される光に対して、 各領域の凹凸形状と多層膜の屈折率分布から定まる特定の波長透過特性を有する 波長フィルタアレイと、該アレイを構成する個別の要素領域に対向させて配置した画 素を有する受光素子アレイとを組み合わせたことを特徴とする。すなわち、本発明は 上記の問題を解決するために、面内及び厚み方向に屈折率分布が周期的に変化す ることを特徴とする、フォトニック結晶型の波長フィルタのアレイを用いる。また複数の 波長における画像を同時に一括で取得するために、上記フィルタのアレイと受光素 子のアレイを組み合わせて波長分割画像計測装置を構成する。
発明の効果
[0013] 本発明の構造力 なる波長選択フィルタは、広い波長成分を持つ計測対象光を極 めて鋭 、選択性をもって、複数の波長成分に分割することを可能としたものである。 この構造で構成した波長フィルタアレイを CCDなどの受光素子アレイと一体ィ匕するこ とで、従来技術では困難であった、計測光に含まれる狭帯域の波長成分ごとの空間 分布を 1回の撮像で取得することが可能になる。アレイ化するフィルタ要素の種類を 増やすことで、分割する波長の数も増やすことができる。
また、波長フィルタアレイと受光素子アレイとのみが用いられるため集積ィ匕が容易で あり、小型化が可能となる。
さらに、計測対象とする波長域自体が大幅に変更されても、フィルタアレイの設計と 作製は共通の指針及びプロセスに従って実現することができる。このような波長フィ ルタアレイを用いた波長分割画像計測装置の工業用途は広ぐ従来のカラーィメー ジセンサにない画像計測機能を提供することができる。
図面の簡単な説明
[図 1]本発明の波長フィルタアレイの上面図を表す概念図
[図 2]自己クローユング法によるフォトニック結晶の形成を示す概念図
[図 3]本発明の波長フィルタアレイと受光素子アレイを組み合わせてできる画像計測 装置の概念図
[図 4]第 1の実施例である短波長除去フィルタアレイの概念図
[図 5]第 1の実施例における多層膜の膜厚構成を示す図
[図 6]第 1の実施例におけるフィルタアレイの各要素領域の透過特性を示す図
[図 7]第 1の実施例のフィルタアレイに入射させる光のスペクトル分布の一例を示す図
[図 8]図 7の光が第 1の実施例のフィルタアレイの各要素領域を通過した後のスぺタト ル分布を示す図
[図 9]第 2の実施例である狭帯域波長選択フィルタアレイの概念図
[図 10]第 2の実施例におけるフィルタアレイの各要素領域の透過特性を示す図
[図 11]第 3の実施例である波長フィルタアレイと一様波長フィルタの組み合わせを示 す概念図
[図 12]第 3の実施例における一様波長フィルタの透過特性の一例を示す図
[図 13]第 3の実施例における一つの要素領域の透過特性を示す図
[図 14]第 4の実施例である偏波依存性波長フィルタアレイの概念図
[図 15]第 4の実施例におけるフィルタアレイの各要素領域の透過特性を示す図
[図 16]第 5の実施例である偏波依存性波長フィルタアレイと一様偏光板の組み合わ せを示す概念図 [図 17]第 6の実施例である波長フィルタアレイと受光素子アレイの組み合わせを示す 概念図
圆 18]第 6の実施例における波長毎の像の再構成を示す概念図
[図 19]第 6の実施例における波長フィルタの要素領域の配置方法の一例を示す図 [図 20]第 6の実施例における波長フィルタの要素領域の配置方法の一例を示す図 圆 21]第 7の実施例における波長フィルタの要素領域と受光素子の画素の関係を示 す図
圆 22]第 7の実施例における波長フィルタの要素領域と受光素子の画素の関係を示 す図
圆 23]第 8の実施例である赤外波長用フィルタアレイの構成を示す概念図
[図 24]第 8の実施例におけるフィルタアレイの各要素領域の透過特性を示す図 符号の説明
101 波長フィルタアレイを構成するフォトニック結晶の要素領域
201 基板
202 真空チャンノ
203 誘電体材料ターゲット
204 誘電体材料ターゲット
205 高周波電源
206 プラズマ
207 バイアス用高周波電源
301 波長フィルタアレイ
302 受光素子アレイ
303 受光素子の画素
401 石:^ 板
402 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
403 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
404 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
405 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ 406 基板整形層
407 五酸化タンタル層
408 石英層
901 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
902 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
903 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
904 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
905 石英基板
906 五酸化タンタル層
907 石英層
908 五酸ィ匕タンタルによるキヤビティ層
909 基板整形層
1101 波長フィルタアレイ
1102 一様波長フィルタ
1401 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
1402 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
1403 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
1404 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
1405 石英基板
1406 五酸化タンタル層
1407 石 層
1408 五酸化タンタルによるキヤビティ層
1409 基板整形層
1601 波長フィルタアレイ
1602 一様偏光板
1701 波長フィルタアレイ
1702 受光素子アレイ
1901 波長フィルタアレイの繰り返しの単位である要素領域群 2001 一つの波長に対応する要素領域
2002 一つの波長に対応する要素領域
2101 要素領域
2102 受光素子の画素
2103 波長フィルタアレイ
2104 受光素子アレイ
2201 波長フィルタアレイ
2202 受光素子アレイ
2203 対物レンズ
2204 結像レンズ
2301 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
2302 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
2303 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
2304 波長フィルタアレイの要素領域のひとつ
2305 石:^ 板
2306 下部分布反射鏡
2308 ゲルマニウムからなるキヤビティ層
2308 上部分布反射鏡
発明を実施するための最良の形態
[0016] 図 1は本発明の波長フィルタアレイ上面の概念図である。アレイ全体は微小なフォト ニック結晶の要素領域 101の集まりで構成される。個々の要素領域 101の内部では 波長に対する透過特性は一様またはほぼ一様である。後述のとおりこの波長フィルタ アレイと、 CCDなどの受光素子アレイを組み合わせて波長分割画像計測装置を構成 するが、一般に受光素子アレイの画素寸法は数/ z m四方ないし 10 m四方程度で あるので、フィルタアレイ上の要素領域 101と受光素子の画素を対応させるために要 素領域 101の寸法を上記の程度としておく。
[0017] 一方、鋭い波長選択特性を持たせるためにフォトニック結晶の波長フィルタを多層 膜構造で構成する。このように波長特性の異なる多層膜構造を数 μ mな ヽし数 10 m程度の間隔で多数にわたって精度よく配置するために、自己クローユング法 (川上 他、「3次元周期構造体及びその作製方法並びに膜の製造方法」特許 3325825号） によるフォトニック結晶構造を用いる。この方法によるフィルタアレイの製造方法を図 2 を使って説明する。基板 201上にフォトリソグラフィによって 1次元または 2次元の周 期格子上のマスクパターンを形成し、続、て反応性イオンエッチングを用いてそのパ ターンを基板に転写する。 1次元パターンとはすなわち周期的な溝列であり、 2次元 パターンとは例えば円孔ゃ方形孔が基板面内の 2方向に周期配列したものである。 図 2に示したのは 1次元パターンの例である。続いてこのような格子力卩ェの施された 基板上に、一部にスパッタエッチングを含むスノッタ成膜プロセスを用いて、 2種類以 上の誘電体材料を交互に積層する。例として真空チャンバ 202に複数種類の誘電体 材料ターゲット 203及び 204を配し、その上部に基板を配置する。高周波電力 205 の印加によってチャンバ内にアルゴンガス等によるプラズマ 206を発生させる力 基 板にもバイアス用の高周波電力 207を印加してスパッタエッチングを発現させる。電 力をターゲット 203と 204に交互に印加し、基板の場所もそれと同期して各ターゲット 上を行き来させることで上記のような交互多層膜を形成することができる。波長フィル タ特性として、例えば狭帯域の波長選択特性を持たせる場合には、まず下部分布反 射鏡層、キヤビティ層、そして上部分布反射鏡層の順で積層すればよい。スパッタエ ツチングとスパッタ堆積のバランスを適当に調整すると、最終層まで面内の凹凸形状 が保持される。 1次元パターン上の領域は 2次元フォトニック結晶に、 2次元パターン 上の領域は 3次元フォトニック結晶となる。こうしてできた波長フィルタの波長特性は 多層膜の厚さ方向の屈折率分布に加え、水平面内の格子形状にも依存する。従つ て初期の基板加工の段階で、要素領域毎に格子形状を変えておけば、特性の異な る微小な波長フィルタのアレイができることになる。このような「格子変調」型のフォト- ック結晶の一般構成及びその作製法については、例えば、川上他、「格子変調フォト ニック結晶」、特許 3766844号公報に開示されている。本発明では特に組となる受 光素子アレイの画素に同期させることを主眼として、格子の変調状態、すなわち結晶 要素の領域面積および配列方法、要素自体の繰り返し数などの設計されたアレイを 用いる。これら面内の形状はいずれも、初期の基板力卩ェに電子ビーム描画を用いる ことで、極めて精確に設定することができる。
[0019] 上に示した「格子変調フォトニック結晶」型の波長選択フィルタ一として、従来実証さ れてきたのは特許文献 2に記載されているように、一つの波長フィルターの面積が光 ファイバーの直径と同じかそれ以上、すなわち一辺が 100 mないし数 mmの大きさ のものであった。一辺が 100 /z mでフォトニック結晶の格子定数が 500nmならば、一 辺の中に格子が 200個入るので、フィルタ一は入射光にとってははほぼ無限周期の フォトニック結晶として振舞うことになる。このようにして周期数が無限の理想的な結晶 構造にお 、て計算された透過スペクトルをフィルターの設計値としてそのまま用いる ことができた。これに対して本発明の波長フィルターアレイでは、個々の要素フィルタ 一の寸法はイメージセンサーの画素ピッチと同程度とするのが特徴である。例えば典 型的な CCDイメージセンサーの画素ピッチは 5 μ m程度であるので、この中には格 子定数 500nmのフォトニック結晶が一辺あたり 10個ほどが入る力 このような周期数 の少ない周期構造が引き継いだ元の無限周期構造の光学的性質を利用するのが本 発明の分光フィルターの構成上の特徴である。
[0020] 次に、図 3に示す要領でこの波長フィルタのアレイ 301と、受光素子アレイ 302を組 み合わせて画像計測装置を構成する。波長フィルタを構成する要素領域と受光素子 の画素 303の寸法及び相対位置を合わせることで、受光素子のそれぞれの画素に は決まった波長成分のみが到達する。全画素の光強度を一括で計測した後、同じ波 長特性を持つ要素領域に対応する画素群の情報のみを集めることで、その波長に おける画像を再構成することができる。同様にして残りの画素群の画像も再構成でき る力 元々全画素の光強度分布を同時に撮影しているため、それぞれの画素群の画 像は同時刻での波長別の画像を現していることになる。また波長毎の画素群同士の 面内での位置ずれ量は画素間隔の整数倍であるので、正確に把握することができる 。言うまでもなくこのずれ量は装置製造後にも変化しない。更にフィルタを構成する多 層膜の屈折率分布の設計次第で、従来のモザイク型カラーフィルタにはない極めて 鋭 、波長選択特性を容易に実現することができる。また被計測物体と波長フィルタァ レイの間の結像光学系を除けば、本装置に最低限必要な構成要素はフォトニック結 晶波長フィルタアレイ 1枚と、受光素子アレイ 1個のみであり、計測装置の大幅な小型 化が可能である。
実施例 1
[0021] 図 4は、本発明の一つの実施例を示す図である。ここでは可視波長域における、フ ォトニック結晶のエッジフィルタ特性を利用する実施例を示す。石英基板 401上に厚 さ 200nmの Crからなるマスク層をスパッタ法にて形成し、その上にフォトレジストを塗 布する。そこに電子ビームによる直接描画にて 4種類の格子形状を描画する。すなわ ち領域 402は格子間隔 420nm、領域 403は 440 領域 404は 460nm、領域 40 5は 480nmにて正方格子配列で正方形を配列させたものである。それぞれの領域 の面積は一辺 5 mの正方形とした。続いてレジストを現像後、 RIE (反応性イオンェ ツチング）にてクロム (Cr)のマスクを除去し、そのパターンを石英基板に転写した。石 英基板のエッチング深さは lOOnmとした。
[0022] 続いてこの基板上に、石英からなり基板の矩形形状と自己クローユング法の固有形 状である三角波形状を接続するための遷移層 406を形成した後、五酸化タンタル (T a O、屈折率約 2. 1)の層 407と石英（SiO、屈折率約 1. 5)の層 408をこの順番で
2 5 2
交互に、図 5に示す膜厚プロファイルにて計 78層自己クロー-ング法にて積層した。 最終層は石英である。自己クローユング法の成膜プロセスには、三浦ほか、「自己ク ローニング方フォトニック結晶導波路の低損失化」（電子情報通信学会論文誌 C Vo 1. J88— C No. 4 2005年) p. 245【こ記載の条件を用!ヽた。なお遷移層 406を省 略しても素子の動作に本質的な違いはな 、。
[0023] 領域 402 403 404 405それぞれにおける垂直入射に対する光パワーの透過 特性の、有限差分時間領域法 (FDTD法）による数値シミュレーション結果を図 6に 示す。それぞれの領域で異なった波長特性を持つのが分かる。特に波長 790ηπ 880nmの間に、多層構造によるフォトニック'バンドギャップに起因する極めて急峻 な波長分離帯がある。ここに図 7に示す波長スペクトルを持つ計測対象光を入射させ ると、各領域からは図 8に示すとおり、それぞれ異なる遮断波長にて短波長側の成分 が鋭く除去されたスペクトルが出射光として得られる。これらの透過スペクトルをその まま利用してもよ 、し、また例えば領域 402の透過光強度と領域 403の透過光強度 の差を計算することによって、波長 790nm 815nmの限られた帯域にあるスぺタト ル成分のみを得ることもできる。なお図 6において、各領域の透過スペクトルの長波 長側では透過率に振動がみられるが、これは主として多層膜の最下層と最上層の間 での光の多重反射に起因するものである。最下層及び最上層付近の層の厚みを微 調整し、無反射終端とすることも可能である。さらに計測対象光は波長フィルタアレイ の基板側力 入射させてもよいし、表面、すなわちフォトニック結晶が露出している側 力も入射させてもよい。
[0024] この例では基板に石英を用いたが、計測対象とする波長域で透明であるならば材 質は石英に限られるものではなぐ各種ガラスや半導体、プラスチックなどを用いても よい。また金属マスクの材質及び厚さも上記に示した Crに限定されるものではなぐ 格子形状の基板への転写力卩ェに耐えるものであれば他の組み合わせでもよい。 また当該フォトニック結晶からなる波長フィルタの動作波長域は、構成する材料の 屈折率、膜厚、格子の面内周期の選択により、大きな自由度で設計することができる 。 自己クローユング法で形成できる低屈折率媒質としては Si02を主成分とする材料 が最も一般的であり、透明波長領域が広ぐ化学的、熱的、機械的にも安定であり、 成膜も容易に行なうことができると 、う利点を有して 、る。しかしながらその他の光学 ガラス類や酸化アルミニウム (Al O )でもよく、フッ化マグネシウム（MgF )のようによ
2 3 2
り屈折率の低い材料を用いてもよい。高屈折率材料としては、可視波長域用には Ta
2
Oの他に、酸化チタン (TiO )、五酸化ニオブ（Nb O )、酸化ハフニウム（HfO)、窒
5 2 2 5
化シリコン (Si N )などの酸ィ匕物や窒化物を使用できる。一方、近赤外から赤外の波
3 4
長域では、シリコン（Si)、ゲルマニウム (Ge)などの半導体も透明であるため、用いる ことができる。
実施例 2
[0025] 図 9には本発明の第 2の実施例を示す。本実施例ではフォトニック結晶の狭帯域波 長選択特性を利用するための方法を示す。この例では基板の格子型とその形成方 法、及び自己クローユング法による多層膜の作製方法は実施例 1と同じである力 面 内の格子周期及び多層膜の膜構成が異なって 、る。すなわちフィルタの要素領域と して、面内の格子定数力 00 250nm, 300nm 350nmの四種類の領域 901 902 903 904を設ける。膜厚方向には、石英基板 905上に厚さ 95. 2nmの Ta2 05層 906と厚さ 133. 3nmの SiO層 907を交互に計 20層積層し、続いてキヤビティ
2
層として厚さ 133. 3nmの Ta O層 908を積層する。続いて厚さ 133. 3nmの SiOと
2 5 2 厚さ 95. 2nmの Ta Oとを交互に計 20層積層したものである。実施例 1と同様、必要
2 5
に応じて基板整形層 909を設けても良い。キヤビティ層を挟む上下の交互多層膜は 高反射率の分布反射鏡として機能する。
[0026] 領域 901、 902、 903、 904それぞれにおける光パワーの透過特性の FDTD法に よる数値シミュレーション結果を図 10に示す。それぞれの領域力 フォトニック'バンド ギャップ中に、異なる中心波長を持つ狭い線幅の透過ピークを持つことが分かる。こ こで波長 740nm力も 800nmまでの波長成分を持つ計測光が入射すると、領域 901 、 902、 903、 904にはそれぞれ波長 746nm、 751nm、 758nm、 764nmを中'、と して幅 25nm程度の狭!、範囲の波長成分のみが透過されることになる。このように本 実施例では、入射スペクトルを波長軸上で細かく分割して続く受光素子へ導くことが できる。
実施例 3
[0027] 図 11は、本発明の第 3の実施例を示す図である。すなわち先に述べた実施例 1ま たは実施例 2のフィルタ 1101 (これを本実施例中に限り、「第 1のフィルタ」と呼ぶ）に 、アレイ化していない、すなわち入射面全面に渡って波長特性の均一な、第 2の波長 フィルタ 1102を組み合わせたものである。第 2のフィルタの波長特性の例を図 12に 示す。これは全面一様な構造なので、設計及び製造に関し特別の工夫を要しない。 実施例 1に示すフィルタの領域 404を第 1のフィルタとして用いた場合、両者の合成 の透過特性は図 13のようになる。すなわち波長 700nmから 950nmにわたる広い波 長幅を持つ計測光が入射した場合、実施例 1では波長 770nm以下の波長成分も透 過してしまうが、本実施例の構成ではこのような不要な波長成分を除去することがで きる。
実施例 4
[0028] 図 14は本発明の第 4の実施例を示す図である。各フィルタ領域は 2次元フォト-ッ ク結晶、すなわち面内には凹凸の溝列、厚み方向には交互多層膜で構成されている 。 2次元フォトニック結晶においては、電界が溝に平行な成分のみを持つように直線 偏光した入射光 (これを TE偏波と呼ぶ）と、磁界が溝に平行な成分のみを持つように 直線偏光した入射光 (これを TM偏波と呼ぶ）との間に波長特性の違いが生じる。従 つて計測対象からの入射光が溝に平行な方向または垂直な方向にあらかじめ偏光し ている場合、個々の要素結晶領域の透過波長は面内の溝間隔のみならず、溝の方 向にも依存すること〖こなる。図 14には、領域 1401と領域 1402では溝を X軸と平行に し、それぞれの溝間隔を 200nm及び 300nmとし、一方領域 1403と領域 1404では 溝を y軸と平行にし、それぞれの溝間隔を同じく 200nmと 300nmとした場合の構成 を示した。膜厚方向には、石英基板 1405上に厚さ 95. 2nmの Ta O層 1406と厚さ
2 5
133. 3nmの SiO層 1407を交互に計 20層積層し、続いてキヤビティ層として厚さ 1
2
71. 4nmの Ta205層 1408を積層する。続! /、て厚さ 133. 3nmの SiOと厚さ 95. 2
2
nmの Ta20とを交互に計 20層積層したものである。これも必要に応じて基板整形
5
層 1409を挿入してもよ ヽ。 X方向に偏光した直線偏光に対する垂直入射時の透過ス ベクトルの計算結果を図 15に示す。各領域はいずれも異なる透過特性を示す。 実施例 5
[0029] 図 16は、本発明の第 5の実施例を示す図である。すなわち実施例 4に示す偏光依 存性を持つフィルタアレイ 1601と、その固有偏波のいずれか片方のみを透過するよ うな偏光板 1602を組み合わせた構成である。この偏光板 1602は面内でほぼ一様な 波長特性及び偏波特性を示すものとする。このような偏光子の例として、従来市販さ れている有機フィルムによる偏光板の他に、例えばフォトニック結晶偏光子 (川上他、 「偏光子とその作製方法」特許第 3288976号)を用いることができる。先の実施例 4 において、計測対象から様々な偏波成分の光が放出されている場合、あるフォト-ッ ク結晶領域に入射した光は TE波の透過波長と TM波の透過波長の両方の波長にお いてフィルタを通過してしまう。一方、本実施例では、予め片方の偏波成分が一様偏 光板で除去されているため、計測対象力 の放射光が任意の偏波状態を持っている 場合でも、そのうちのある特定の偏波面を持つ光に対応する波長成分のみを選択的 に取り出すことができる。
実施例 6
[0030] 図 17は、本発明の第 6の実施例を示す図である。すなわち実施例 1から実施例 5の 波長フィルタアレイ 1701と、受光素子アレイ 1702を組み合わせた構成である。ここ で受光素子アレイとしては、可視波長域では CCD (電荷結合素子)イメージセンサを 用いることができる。なお受光素子は CCDに限定されるものではなぐ波長フィルタ のアレイと画素とが空間的に対応していることが本質的に重要であって、それさえ満 足されていれば例えば InGaAsセンサのアレイ、フォトダイオードのアレイ、撮像管、 ビジコンなどを用いてもよい。また比較的動きの少ない現象の計測用途であれば、 C MOS (相補型金属酸化膜半導体)や NMOS (n型金属酸化膜半導体)などの MOS 型イメージセンサを用いてもよい。本実施例では受光素子アレイの直前に直接波長 フィルタアレイを配置する例を示した力 両者の間にリレーレンズを挟むことによって 、波長フィルタアレイ上の像を空間的に受光素子上に結像させてもよい。この場合も 、波長フィルタアレイの各要素と受光画素の対応を取ることが重要である。波長フィル タアレイは、基板のある面を光の入射側に向けてもよいし、受光素子アレイ側に向け てもよいが、基板通過に伴う光の回折の効果を取り除くためには、前者の構成、すな わちフォトニック結晶の表面と受光素子の表面が接する構成の方が望ましい。
ここで図 17に示すように、波長フィルタにおいて異なる波長特性を持つ要素領域 A , B, C, Dをひと固まりとして、それを Xと yの両方向に少なくともそれぞれ 2回以上繰り 返す構成とする。それぞれの要素領域での透過中心波長をえ A、え B、 λ
C、え Dとす る。この様な素子構成によって波長広がりのある計測光を撮影する。その後図 18に 示すように、 A, B, C, D,に対応する画素群 P , P , P、 Pからの画像情報をそれ
A B C D
ぞれで合成することにより、撮影時刻における波長え 、え 、え 、 λ の強度分布画
A B C D
像を得ることができる。
この例では X方向 2種類 X y方向 2種類の計 4種類の要素領域をひと固まりとしてァ レイ状に配列させた力 一般には図 19のように X方向 n種類 X y方向 m種類の計 (n X m)種類の要素領域をまとめたものを繰り返しの単位 1901とし、それをアレイ化さ せてもよい。こうすることで一度に取得できる波長の種類を増やすことができるが、受 光素子の全体の画素数が決まって 、る場合、一波長あたりの画素数と像の解像度は 低下することになる。また図 20に示すように、抽出すべき波長の種類が 2つの場合、 それらに対応する要素領域 2001と 2002を巿松模様状に配置してもよい。この場合 隣接する列同士で、同一波長に属する画素群の位置が 1ピクセルずつずれてしまう 力 適当な関数補間法等を用いることで同様に全体の画像を再構成することが可能 である。
実施例 7
[0032] 図 21は本発明の第 7の実施例の断面を示す図である。この構成ではフォトニック結 晶の要素領域 2101のそれぞれに対し、受光素子の画素 2102の複数個が対応する 。この実施例では 3個の画素が一つのフィルタ要素領域に入る構成を示した。この様 な構成を実現する方法として、実際に画素の (n X n)個分の面積を持つようにフィル タ要素領域の寸法を設計'作製した上でフィルタアレイ 2103と受光素子アレイ 2104 を図 21の要領で直接重ね合わせる方法と、図 22に示すように元のフィルタ要素の寸 法は画素と同一のままで、フィルタアレイ 2201と受光素子アレイ 2202の間に挿入す る光学系の横倍率を n倍にする方法などがある。図 22では縦横 3倍にするための光 学系の一つの構成例を示した。すなわち対物レンズ 2203と結像レンズ 2204の焦点 距離の比を 1 : 3とし、前者の前側焦点面及び後者の後側焦点面に、波長フィルタァ レイと受光素子アレイをそれぞれ配置するものである。勿論、横倍率を拡大するため の光学系はここに示した例に限定されるものではない。また波長フィルタアレイの要 素領域 m個を 1つの画素に対応させる、 m: lの縮小光学系としてもよい。この場合 m 個の要素領域のいずれかを透過した光が画素に到達する。
実施例 8
[0033] 図 23に本発明の第 8の実施例を示す。これは波長 2 /z m付近の赤外域用の構成 例である。受光素子にはビジコンもしくは撮像管もしくは InGaAsイメージセンサを用 いる。一方波長フィルタアレイについては、この波長域で透明かつ屈折率差の大きな ゲルマニウム（Ge、波長 2 mにおいて屈折率約 4. 1)と SiO (波長 2 mにおいて
2
屈折率約 1. 44)の組み合わせを用いる。フィルタの要素領域 2301, 2302, 2303, 2304はそれぞれ面内の溝間隔力 00應， 300nm, 400nm, 500nmであるような 自己クロー-ング型の 2次元フォトニック結晶構造である。また断面内では、石英基 板 2305の上に下部分布反射鏡 2306,厚さ 317nmの Geからなるキヤビティ層 2307 ,上部分布反射鏡層 2308を積層する。具体的には厚さ 133. 3nmの SiO層に L、 厚さ 95. 2nmの Ge層を Hの記号をそれぞれ用いると、（石英基板）—LHLHL— (G eキヤビティ）— LHLHL— (空気）という膜構成である。この構成での x偏波に対する 各要素領域の透過特性の計算値を図 24に示す。本実施例の赤外波長用フィルタの 設計指針は可視領域と同じぐ誘電体多層膜フィルタの理論を基盤とした多次元フォ トニック結晶の透過率の数値計算であり、計算ソフトウェアを含めて可視領域と全く同 じ考え方で進めることができることが重要である。紫外波長や遠赤外波長域用に、ま た別の受光素子を使用することが必要になる場合でも、その波長域で透明かつスパ ッタ成膜の可能な誘電体材料を選択して、同じ指針で波長フィルタアレイを独立して 設計することができる。
産業上の利用可能性
本発明による波長フィルタアレイ及び波長分割画像ィ匕装置は、以下に挙げるように 非常に広範囲にわたる分野において、従来機器では難しかった計測機能への要求 に応えることができる。
1.医用生体計測分野。種々の組織の酸素飽和度およびその時間的変化を 2次元 的に可視化することができる。酸素を多く含んだ血液は鮮やかな赤に、そうでない血 液は青みがかって見える。これは血液に含まれる酸ィ匕ヘモグロビンと還元へモグロビ ンの吸光スペクトルの違いに起因する。すなわち赤色可視波長の吸光度は酸化へモ グロビンの方が小さい。この差を利用し、波長 650〜850nm近辺の赤色可視波長領 域で複数の波長で組織を撮影し、像間で演算を行なうことにより酸素飽和度の 2次元 分布を得ることが出来る。本発明の狭帯域フィルタアレイを用いることによりかかる酸 素飽和度の 2次元分布を得ることが実現できる。
2.分子生物学分野。細胞中における特定の蛋白質の活性化状況とその時間変化 を、その蛋白質の蛍光を可視化することで間接的に計測することが通常行なわれる。 この場合、像力もまず励起光の波長成分を分離することが必要である。また狭帯域の 波長フィルタを用いて、蛍光の中心波長が種類ごとに少しずつ異なる蛋白質を同定 する。従来の蛍光顕微鏡は複数のカラーフィルタを用いる構成で、装置の大型化が 避けられないが、本発明の波長分割画像計測装置により小型化が実現できる。
3.天体観測分野。天体の波長分割画像を得るのに、波長フィルタを交換しながら それぞれ長時間露光で撮影し、最後に画像を合成することが行なわれる。波長間で 計測時間がずれていることと、その間の計測機器の変位が問題である。本発明の画 像ィ匕装置を用いるとそれらを本質的に同時に撮影することができる。
4.プラズマ物理分野。プラズマによる自発発光スペクトルは構成分子及び分子間 結合によって決まる線スペクトルの集まりであるので、特定の波長での画像を計測す ることにより、興味のある分子の空間分布を選択的に知ることができる。またプラズマ の生成直後からの真空容器中での化学反応の時間推移を知るためには、リアルタイ ム計測も必要となる。本発明の装置はこれらを可能とする。
以上の例の他にも多数の応用が考えられる。本発明によれば、多くの波長成分を 含む物体像から、複数の所望の波長における画像成分を同時に抽出することが可能 である。選択する個々の成分の中心波長及び波長帯域幅は大きな自由度をもって 設計することができる。また各波長の像同士の位置関係も正確に知ることができ、機 器製造後は原理的に位置ずれを生じない。紫外や赤外など、可視波長とは別の撮 像素子を用いる必要のある波長帯への応用においても、装置の設計に際して可視 波長と同じ指針を用いることができる。

Claims

請求の範囲
[1] 3次元の直交座標系（X, y, z)において、 xy面に平行な基板の上に 2種以上の透明 材料を z方向に交互に積層した多層構造体であって、 xy面内にお 、ては少なくとも 2 つの格子定数が異なる要素領域に分かれており、それらの領域内では領域毎に定 まる周期をもって xy面内に繰り返される周期的な凹凸形状を有し、基板に対して平 行ではない方向から入射される光に対して、各領域の凹凸形状と多層膜の屈折率分 布から定まる特定の波長透過特性を有する波長フィルタアレイと、該アレイを構成す る個別の要素領域に対向させて配置した画素を有する受光素子アレイとを組み合わ せたことを特徴とする波長分割画像計測装置。
[2] 全画素の光強度を一括で計測した後、同じ波長特性を持つ要素領域に対応する画 素の群の情報のみを集めるようにしたことを特徴とする請求項 1記載の波長分割画像 計測装置。
[3] 格子定数または格子形状が異なる 2種類以上の要素領域を一つの繰り返し単位とし
、その繰り返し単位を X方向乃至 y方向に少なくとも 2回以上繰り返すことを特徴とす る請求項 1又は 2記載の波長分割画像計測装置。
[4] 前記アレイを構成する要素領域の一部または全部において、各要素領域中での周 期形状力 方向と y方向とで異ならしめて波長透過特性が偏波依存性を示すようにし たことを特徴とする請求項 1乃至 3のいずれか 1項記載の波長分割画像計測装置。
[5] 前記アレイを構成する要素領域における xy面内の凹凸の周期が、動作波長の 10分 の 1ないし 10分の 8の間の値であることを特徴とする請求項 1乃至 4のいずれ力 1項 記載の波長分割画像計測装置。
[6] 前記フィルタを構成する多層膜構造が一部にスパッタエッチングを含むスパッタリン グ法にて作製されることを特徴とする請求項 1乃至 5のいずれ力 1項記載の波長分割 画像計測装置。
[7] 前記アレイにおいて、透過特性の異なる少なくとも 2つ以上の要素領域が周期的に 配列して 、ることを特徴とする請求項 1乃至 6の 、ずれか 1項記載の波長分割画像計 測装置。
[8] 一つの要素領域に対応して複数の画素を対向配置したことを特徴とする請求項 1乃 至 7の ヽずれか 1項記載の波長分割画像計測装置。
前記受光素子アレイが、フォトダイオードアレイ、または CCDイメージセンサ、または MOSイメージセンサ、または InGaAsイメージセンサ、または撮像管、またはビジコン であることを特徴とする請求項 1乃至 8のいずれか 1項記載の波長分割画像計測装 置。
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