JP2015502523A - 集積フィルタとセンサアレイ上に投影された多重隣接画像コピーとを有するスペクトルカメラ - Google Patents
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Abstract
Description
http://en.wikipedia.org/wiki/Hyperspectral_imaging
http://faculty.cua.edu/mathewss/journals/Appl%20Opt%20V47%20N28%202008.pdf
これは、スペクトル出力を生成するスペクトルカメラであって、画像を生成するための対物レンズ、種々の光学チャネル上に画像の光学コピーを生成する光学複製機、複数の光学チャネルのうち種々の光学チャネルに対して、光スペクトルの異なる通過帯域を通過させるフィルタアレイ、1つ以上のセンサアレイ(その種々の部分でフィルタ済みの(filtered)画像コピーを同時に検出するように配置されている)、1つ以上のセンサアレイ上に投影される画像コピーの輪郭を画定する視野絞り(field stop)を有し、
フィルタアレイは、1つ以上のセンサアレイ上に集積され、1つ以上のセンサアレイは、隣接する各光学チャネル間のクロストークを妨げるための垂直な物理的バリアを有さない平面構造を有し、1つ以上のセンサアレイ上の投影画像コピーの輪郭とアライメントは、複数の投影画像コピーのうち少なくとも隣接する幾つかが組み合わされる(fit together)ようになっており、センサが該バリアに不明瞭にされることで未使用状態にされることがない、スペクトルカメラを提供する。
フィルタアレイは、所望の透過波長の半波長分の厚さを有するファブリペロキャビティとして動作する薄膜を含んでもよい。
これにより、例えば、より良好な狭帯域スペクトル形状、より良好な反射制御、および、より低い入射角への依存性を与える一次動作(first order operation)が可能となる。
したがって、種々のパラメータ(分解能や相対照度、入射角など)の空間位置を用いて、変動を一様にし、または協調するようにパターンを構成できる(例えば図4を参照)。
これは、センシング後にセグメントの再縫合(restitching)が必要となることを避けるのに役立つ(例えば図3を参照)。
これにより、センサアレイの種々の部分でセグメントをインターリーブする方法において柔軟性を向上させることができる(図6と図7を参照)。
これは例えば、レンズがより多くの光を集めることができる点で平面ミラーよりも優れているであろう(図2を参照)。
これにより、種々の分解能または画像サイズが得られる(例えば図5を参照)。
これにより、種々のスペクトル帯域またはフィルタの種々の空間配置を必要とする種々の用途に適応することが可能となる(図8を参照)。
これは、各画像コピーの中心からその周縁部までの最大径方向距離を低下させ、したがって周縁部で照度が低下するという問題、入射角が増加するという問題、口径食(vignetting)の問題を軽減するのに役立つという利点が得られる(例えば図9を参照)。
これにより、より多くの光を再度レンズアレイの方向へ向け、これにより口径食を低下させることができる(例えば図11を参照)。
これにより、各画像コピー内でセンサをより集中させることができるので、センサアレイの表面積をより良好に利用できる。例えばこれにより、種々の画像コピー間にマージンを入れることができ、これにより対応するレンズをより大きくして光学特性を向上させることができる(例えば図12と図13を参照)。
通過帯域は、センサアレイの一部が、センサアレイの他の部分の不要な高次または低次のスペクトル応答に対応する帯域を検出できるように選択されてもよい。
これにより、こうしたリークを後で補償して、より正確なスペクトル検出性能を得て、または、他のフィルタがより緩和された仕様または公差を有することができるようにして、例えばコストを削減できる。
フィルタアレイは、1つ以上のセンサアレイ上に集積され、1つ以上のセンサアレイは、隣接する各光学チャネル間のクロストークを妨げるための垂直な物理的バリアを有さない平面構造を有するものであり、
予備的な位置合わせを実行して、1つ以上のセンサアレイ上の投影画像コピーの輪郭とアライメントを設定し、複数の投影画像コピーのうち少なくとも隣接する幾つかが密接に結びつき(fit tightly)、センサが該バリアに不明瞭にされることで未使用状態にされることがないようにした工程、フレーム時間内で、種々の通過帯域での投影画像コピーを読み出す工程、検出された投影画像コピーの画像キューブを保存する工程を有する方法を提供する。
動作中、バリア用のギャップを有しないでセンサ面積を最大限活用することができることは、より優れた空間分解能を得ることに役立つ(例えば図18を参照)。
スペクトルカメラは、投影画像コピーの少なくとも幾つかが画像全体のセグメントであるように配置さてもよく、方法は、検出されたセグメントを電気的に処理して一緒に縫合する工程を有してもよい(例えば図20を参照)。
フィルタアレイは、1つ以上のセンサアレイ上に集積され、1つ以上のセンサアレイは、隣接する各光学チャネル間のクロストークを妨げるための垂直な物理的バリアを有さない平面構造を有し、1つ以上のセンサアレイ上の投影画像コピーの輪郭とアライメントは、複数の投影画像コピーのうち少なくとも隣接する幾つかが組み合わされるようになっており、センサが該バリアに不明瞭にされることで未使用状態にされることがなく、
画像コピーの数を選択して、画像コピーのセンサアレイ上での配置を与える工程、使用する通過帯域と、その画像コピー上での空間配置とを選択する工程、選択した通過帯域とその空間配置に従って、1つ以上のセンサアレイ上の集積層を製造し、フィルタアレイを構成する工程を有する方法を提供する。
集積フィルタを有することにより、加えて、物理的バリアを必要とすることなく、画像コピーを描出する(delineate)視野絞りを有することに起因してより多くのセンサが利用可能となることにより、設計時間での、画像コピーのレイアウトと対応するフィルタレイアウトのこうしたコンフィギュアビリティ(configurability)が、より容易かつ柔軟にされる(例えば図21を参照)。
これは、カバーすべき種々のスペクトル範囲または種々のスペクトル分解能を得て、画像キューブの種々の部分で多少の詳細を与えることができる点で有用であることがある(例えば図14から図17を参照)。
位置に応じて変化する光学性能パラメータについてのこの効果は、こうしたより細かい粒状度(granularity)のフィルタ構成により、例えば、種々の通過帯域にわたって変動をより均一に広げることができ、あるいは選択した通過帯域で変動を強めまたは弱めることができることである。
こうした位置依存パラメータは、例えば解像度、相対照度、入射角などである(例えば図4を参照)。
ハイパースペクトルイメージングシステムまたはカメラが、種々のディスクリート部品、例えば、入射する電磁スペクトルを受光するための光学サブシステム、受光したスペクトル内で種々の帯域を生成するためのフィルタアレイ、種々の帯域を検出するための画像センサアレイなどで構成できる。光学サブシステムは、単一または種々のレンズ、アパーチャおよび/またはスリットの組合せで構成できる。フィルタアレイは、1つ以上のプリズム、グレーティング、光ファイバ、音響光学可変同調フィルタ、液晶可変同調フィルタなど、またはこれらの組合せで構成できる。
後述のような実施形態が、3D HSIキューブのより高速な取得を可能にし、W×H×NBサイズのキューブ(但し、NBは通過帯域の数)内の各ポイントをセンサアレイ上のセンサにより効率的にマッピングすることによって、スナップショットイメージングを可能にする。集積フィルタ(第2のキャビティを生じない)により、非効率的な物理的バリアを必要とせず、視野絞り単独でスペクトルのクロストークを避けることができる。キューブ内のNB個の画像コピーのそれぞれを2Dセンサ上に並べて配置することにより、シーンで検知されるWxH個の空間ポイントのそれぞれが、センサ上でNB回光学複製される。センサ上の制限空間に起因して、空間分解能とスペクトル分解能との間でトレードオフが存在することになる。したがって、こうしたデバイスでは、センサアレイを最大限利用することがより重要である。
対物レンズ10の後段に、視野絞り50と、センサアレイ40上に投影される多重の画像コピーを与える光学複製機20とがある。センサアレイ上にはフィルタアレイ30が集積される。光学複製は、NB個の光学チャネル(それぞれ1つの(単一または複合)レンズ系またはミラーからなる)を介して対物レンズの光をセンサに中継することにより実現できる。NB個のレンズ(系)は、NB個のフィルタタイル(tile)の上でNB個の複製シーンのコピーの正確な位置を確保するように慎重に配置できる。クロストークにつながらせず、密に充填された2Dセンサアレイ上に複製画像を配置できるように、視野絞りを使用してシーン画像の境界を形成する。
図2は、図1の実施形態と類似の、他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示しており、光学複製を実行するための光路およびレンズセット25の効果の詳細な説明とともに特定の実装を示す。
また、センサアレイ上の画像コピーの平面図と、センサアレイから読み出された後にデータバッファ内に保存された画像キューブ100の説明がある。前述同様に、対物レンズ10の後段に視野絞り50が存在する。ここで光学複製機は、対物レンズから到来する光をNB個の光学チャネルに分割する(帯域ごとに1つ)ように構成されたレンズアレイ25により実装される。これにより、センサアレイ上で画像コピーのタイル状(tiled)レイアウトが生成される。この例では、帯域につき1つの大きいフィルタタイルで構成されるフィルタを示している。
図のように、4対8の長方形で32個の画像コピーが存在する。当然ながら、こうしたコピーはより少ないあるいは多い数存在してもよく、長方形である必要も長方形内にグループ化される必要もない。帯域特有の(band-specific)光学チャネルはそれぞれ、対物レンズからそのターゲットタイルへ光を中継する単一レンズまたは複合レンズを有してもよい。複合レンズにより、高い光スループット(速度)、広い視野および高い解像度が可能となる。これらの光学チャネルは、同じ面積を有することも同じ倍率を有することも必要としない。それらは、NB個の画像がオーバーラップ(クロストークに等しい)なしに密接に結びつくように(すなわち、シーンの中央を各フィルタタイルの中央にマッピングすることにより)慎重に配置して、対物レンズ画像をセンサ上にNB回中継するようにすべきである。さらに、これは対物(objective)画像の形状に制限を加えるところ、対物画像面の位置にある視野絞りを使用して満たすことができる。
また、NB個の光学チャネルにより対物光束から中継された光の口径食は、NB個の光学チャネルの位置および組み合わせ高さに応じて視野高さ(field height)を制限することにより、あるいは、対物画像面にフィールドレンズを追加し、対物光束をNB個の光学チャネルに対して曲げることにより避ける必要がある。
対物レンズにより、ズームとリフォーカスの柔軟性が得られる。
それが標準のレンズマウントに適合し、コストを削減できる可能性がある。
画像コピー間のバリアが全く必要とされないので、調整済みの視野絞りおよびレンズ系の配置を使用することにより、理論的には、センサアレイの全領域を利用することが可能となる。
画像コピーのセグメントの再縫合は必要とされず、せいぜいタイル間での位置合わせが必要とされるだけである。
優れた光学特性(高い分解能、広い視野(FOV)、高い光スループット)を、特に複合レンズ系を使用した場合に達成できる。
図3から図5は、種々のフィルタ構成を有する投影画像コピーの図を示す。
図3と図4で、1から9の符号を付され、3×3格子内に配置された9個の帯域が存在する。図3中の各画像コピーについて1つのフィルタが設けられる。
図4では各画像コピーについてより細かいパターンが存在し、この例で、各画像コピーは9個のより小さいフィルタを有し、各帯域で、複数の画像コピーのうちの種々の画像コピーにわたる9個のより小さいフィルタが存在する。この場合、それらは画像全体の9個の全帯域でフルカバレッジ(full coverage)が存在するように構成される。特に、帯域の数が少ないほどその9個の構成フィルタが中央に近くなるように構成される。それゆえ、帯域1が最も中央であり、帯域9が中央から最も遠い隅部の位置をとる。これは、帯域1が最も重要であって帯域9が最も重要でない、あるいは少なくとも中央から離れると増加する歪み(例えば、入射角や光のレベルに依存する歪み)に耐える場合に好適であろう。画像コピーが同じ位置にとどまるので、図3と図4ではレンズ内の変化が必要とされない。各帯域について完全な画像を有することを望む場合には、以下で図6を参照して説明するように、センサアレイから読み出した後に各帯域について画像の再縫合を実行できる。
これは、それらに対応する光路(レンズまたはミラーを通る)が異なる倍率を有するように構成されていることを意味する。フィルタは、対応する領域を有することになる。
画像センサアレイおよびフィルタ構造の両方からなる集積モジュールを設計する場合、クロスコンポーネント(cross-component)の最適化を行うことができる。低コストで且つ/またはコンパクトなシステムを目標とするモジュールでは、より低品質の光学系が予想される。この意味で対処できる1つの影響が、口径食である。口径食では、画像中央と比べて周縁部での画像の輝度または彩度が低下する。この影響が、ファブリペローフィルタおよび画像センサの波長依存の効率とつながった場合、両方の影響を共に最適化して、波長依存の挙動を強化しないで波長依存の挙動を平坦化することができる。
1.目標とする波長範囲の選択
2.当該範囲のための画像センサアレイの選択
3.目標とするスペクトルサンプリング(そして、スペクトル分解能)の選択
4.レンズアレイと視野絞りを設計することによる画像コピーの設計
5.異なるファブリペローフィルタおよびアレイでのこれらの配置の設計
図6は、図1の実施形態と類似の、センサアレイの読み出し後の再縫合用プロセッサ200が追加された、他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。
プロセッサはカメラに組み込まれてもよく、例えば外部画像処理システムの一部であってもよい。これを使用すれば、図4に示されるフィルタ配置用のセンサアレイから読み出された各帯域について、画像の一部を再縫合することができるだろう。このプロセッサは、センサアレイがデータバッファ内に読み出されたときに、適切なアドレスが発生して、あたかも再縫合された、1つの帯域についての画像の一部を単一フレームに対応したアドレスに保存するように構成された、フレームバッファ用のアドレス発生器の形で実装できる。一例では、図4に対応する読み出し部であれば、図3に示すパターン内の位置に対応するアドレスで、または完全な画像の画像キューブとして保存できるだろう。
この例では4つの画像コピーが存在し、それらのうち3つは分かれて周縁部に存在する。矢印で示すように、これらの部分は再縫合されて3つの完全な画像となる。
図8は、図1の実施形態と類似の、他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示しており、集積フィルタを有する交換可能なセンサアレイ42を備えている。
この例では、交換可能なセンサアレイを旋回軸41周りに回転させることにより交換を実行でき、その結果、それは元のセンサアレイ40の位置をとる。原理的には、他の構成も考えられる。例えば、センサアレイを移動させるのでなく、交換可能なセンサアレイの位置まで光路を移動させてもよく、または、交換可能なアレイは、回転させるのでなくスライドさせてもよい。任意の数の種々のセンサアレイを旋回軸に固定できる。幾つかの例では、必要であれば、レンズアレイなどの光学複製機も交換して、画像コピーのレイアウトまたはその倍率を変更できる。幾つかの例では、視野絞りも変更する必要があるところ、これは別個の機構として実装できる。
図9は、六角形フィルタ上の六角形画像コピーの図を示す。これは、3つの完全な六角形画像コピー230,240,250と、幾つかの半分の画像コピー260,270,280,290を示す。
半分のコピー、更には隅部のコピーは、再縫合し、種々の帯域での完全な画像を生成できる。
図10と図11は、図2の実施形態と類似の、他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示しており、それぞれ、視野絞りの位置にフィールドレンズを有しないスペクトルカメラとフィールドレンズを有するスペクトルカメラを示している。
図10は、軸外光束は全レンズチャネルを照明しないことを示す。中央部付近の光学チャネルが周縁部の光学チャネルよりも多くの光を受容する点で、口径食につながる。
図11は、フィールドレンズが設けられる場合の光路に対する影響を示すと共に、軸外光のより多くが光学複製機に再度方向付けられて光学チャネルがより均一に照明されることを示す。
図12と図13は、センサアレイと対応するレンズアレイの2つのバージョンを示しており、センサアレイ上の読み出し回路の種々の構成を示す。
図12で、読み出し回路130はセンシング要素のエッジ周りに配置され、複数のセンシング要素は間に読み出し回路または他の回路用のギャップを有しない。一方、図13では、こうした回路が画像コピー間に配される(routed)ようにセンシング要素は広がっており、センシング要素は離れている。これは、画像コピーがわずかに隔てられるので、レンズアレイ25内の対応するレンズをより大きくすることができるという顕著な効果を有する。これは、この例ではギャップにセンサ要素が存在しないので、「複数の画像コピーのうち隣接するものが組み合わされ、センサ要素が未使用状態とされることがない」というコンセプトに含まれる。
図14から図17は、実施形態に係る、他のフィルタ構成を有する投影画像コピーを示す。
図14で、画像コピーは、1から4の符号を付された帯域に4つの完全な画像が存在し、その周縁部に配置された帯域5から9に画像の一部が配置されている。これらの部分は半分の大きさで示されており、これにより、それらの光学チャネルの倍率がより小さくなる。
図15では4つの完全な画像コピーが存在し、各画像300,310,320,330の中央に異なる帯域が存在するようにフィルタが配置されている。
図16では、各画像コピーに一帯域を有する4×4格子内に配置された16個の完全な画像コピー340,342,344,346,348,350,352,354,356,358,360,362,364,366,368,370が存在する。図のように、帯域は、50nmのステップで400nmから900nmまで及ぶスペクトル分解能を有し、520nmと570nmの間では、10nmのステップを用いてスペクトル分解能を特別に変化させる。したがって、単に帯域を選択することにより、スペクトル範囲の1つの部分に高いスペクトル分解能が存在する。
右下隅部600には、拡大して、この隅部に種々のフィルタのより細かいパターンを示しており、このパターンは、センサ要素と同じ空間粒状度でフィルタを有することが示されている。それゆえこれは、モザイクタイプのパターンである。センサアレイの残りの8帯域と比較すると、スペクトル分解能またはスペクトル範囲は、画像コピーの残りの部分(例えば64帯域を有する)よりも高い。同じ帯域に位置する検出部間に、より大きいピッチが存在することになり(この例では8倍になる)、これにより空間分解能が低下する。したがってこれは、種々の空間位置での空間分解能の変動の例である。これはエイリアシングにつながりうるので、モザイクパターンの各繰り返しの多くの帯域にわたって画像を均質化し、または不鮮明にすることにより、光学ドメインでアンチエイリアシングを幾らか実行するべきである。
図18から図20は、カメラの動作方法でのステップを示す。図18において、最初のステップ400が、例えば、対物レンズまたは視野絞りの機械的調整、あるいはセンサアレイの場所の調整によって、画像コピーの輪郭を設定する予備的な位置合わせ(registration)である。ステップ410は、センサアレイから、1つのフレーム時間内で、種々の通過帯域での投影画像コピーの検出信号の読み出しである。ステップ420は、これらの信号を、当該時刻または多数の時刻について画像キューブを表現するデータベースでの値として保存する。図19は、図18に類似し、センサアレイを異なるフィルタアレイを持つものと交換するステップ430を追加している。図20は図18に類似し、図4、図6、図7に関連して前述したプロセッサを使用して再縫合する工程440が追加されている。
図21は、製造時、こうしたカメラを構成する方法でのステップを示す。ステップ500は、どれぐらいの数の画像コピーを供給し、これらをセンサアレイ上にどのように配置するかを選択する最初のステップを示す。ステップ510は、通過帯域を選択し、画像コピーでの通過帯域の空間配置を選択することを示す。ステップ520は、通過帯域およびこれらの空間配置に従って、集積フィルタの層を製造することを示す。
図22は、ステップ510をステップ515で置換している点を除いて図21と同様であるが、通過帯域およびこれらの空間配置の選択は、画像キューブの異なる部分でどの通過帯域が検出されるかの変動、あるいは画像キューブの異なる部分における検出の空間分解能またはスペクトル分解能の変動を有するようにしている。これは、画像コピーより微細な粒状性を有する空間パターンを含んでもよく、そのため画像コピーの個々の1つについてフィルタアレイの一部について、通過帯域の複数の異なるものの空間パターンが存在する。
図23は、他の実施形態に係る、光学複製用のミラーを有するスペクトルカメラの概略図を示す。この設計は、レンズを使用する上記他のフィルタレイアウトと同じフィルタレイアウトを使用できる。NB個の光学チャネルを分離するレンズの代わりにミラーを使用できる。収差を導入しないようにミラーは平坦であってもよく、画質は対物レンズにより決定される。光をリフォーカス(refocus)するレンズは存在しないので、各チャネルについて対物光コーンが少なくともNB個に減る。NB個の第1ミラーセット27は、可能な限り対物口径に近接して配置され(口径食を低下させるために)、NB個の光の組を対象から離すように方向付ける。第1セット内の個別のミラーのそれぞれが、種々のターゲットタイルについて偏向した光束が分離されるように配置され、方向付けられ、これにより第2セット28のミラーは、全くクロストークなしに特定の光束を反射する。第2組ミラーセットは、NB個の光路のバランスをとるように配置され、各部分画像(subimage)が、センサアレイ29(およびそのフィルタタイル)の正確な深さと位置で焦点が合うようになっている。原理上、フィルタはセンサアレイ上または他の場所(例えばミラー上)に集積されてもよい。
図24は、ファブリペローフィルタアレイ31が集積されたセンサアレイ40の断面図を示す。これは、上部半ミラーコーティング33と、下部半ミラーコーティング32を有する。部品間に隙間を示しているが、これは明確さのためであり、実際には隙間は存在しない。この部分の例のより詳細について説明する。
フィルタアレイは、半導体プロセス技術を用いて、画像センサアレイとともに集積可能であり、即ち、分光ユニットは、半導体プロセス技術およびプロセス工程を用いて、画像センサアレイを含む基板上に後処理により設けられる。こうした半導体技術の例が相補型金属酸化膜半導体(CMOS)プロセスであり、ここでは画像センサアレイはCMOSセンサであり、そして、電荷結合素子(CCD)プロセスであり、ここでは画像センサアレイはCCDセンサである。これらの製造技術は、集積電子回路を製造するのに理想的に適している。こうしたモノリシック集積化は、分光ユニットを基板に取り付けるためにインタフェース層が必要でないことから、低コストでの製造、そしてより高性能を提供することが可能になる。よって、迷光の影響がかなり減少する。
特定画素の上にあるフィルタ構造を出射したフォトンが、隙間を横切って隣接画素に入射する。この影響は、画素上へのフィルタの直接後処理によって隙間が減少または完全に除去された場合、大きく減少することになる。しかしながら、フィルタ自体の厚さの結果として、あるクロストークが存在し得る。一画素の上にあるフィルタに入射するフォトンが、フィルタを通過して隣接画素に入射することがあるためである。これは、より薄いフィルタを設計し、入射角を制御することによって減少する。
余分な非機能的な層は、屈折率が整合していなければ、その境界上で余分な反射を引き起こし、よって、上述のクロストークに加えて余分な迷光を生じさせる。種々の入射角について、フィルタと画像センサの画素アレイとの間の有効距離Sを減少させることによって、迷光は減少する。より小さい距離S、例えば、1nmでは、迷光が進行する距離(D)は、通常の画素寸法(例えば、1〜15_m)内である。これは、進行する光の距離Dが数十から数百画素の範囲に及ぶ、よりマクロ的な集積距離、例えば、1mm基板の例ではそうではなく、空間分解能およびスペクトル分解能の深刻な劣化をもたらす。ある例では、距離Dは相当に大きくなり、光を画素上に再び集光させるために追加の集光レンズが必要になる。
さらに、前項目に示したように、フォトダイオードの上にある誘電体スタックおよび金属は、光の一部を反射する。不均一集積による隙間およびキャビティの下部ミラーとともに、これは、実際のものと干渉する寄生ファブリペローを形成する。このプロセスは、モノリシック集積を用いて最適化できる。撮像器内の誘電体層は、同様な材料(例えば、酸化物)に製作された下部ブラッグスタックの一部となり、これらの層の幅に対してあまり敏感でないからである。
画像センサの全画素は、特定の波長に対して感度を有する、それ自体の光学フィルタを有することができる。センサ上での種々の光学フィルタの編成は、その使用法に依存する。集積化できる種々のタイプのフィルタ、例えば、ダイクロイックフィルタが存在する。説明した例で使用したタイプは、ファブリペロー干渉計である。
反射面:
キャビティの両側にある反射面の設計および性能は、ファブリペロー光学フィルタの性能にとって重要である。高いフィネス(finesse)、良好なスペクトル分解能を持つファブリペロー光学フィルタが、高反射ミラーを用いることによって得られる。第2の重要なミラーのパラメータがこれらの吸収であり、これはフィルタの効率を決定するためである。ファブリペロー光学フィルタの全範囲が特定の波長範囲にわたって構築する必要がある場合、これらの2つのパラメータ(反射率および吸収率)が、このスペクトル範囲にわたって可能な限り一定に収まることは有益である。この例では、波長範囲は、ファブリペローフィルタのキャビティ長だけを変化させることによって、カバー/サンプリングでき、材料およびミラー層は一定に維持できる。選択した波長範囲は、モジュールの第2の部品である、選択した画像センサの感度と整合する必要がある。
1Dまたは2Dのファブリペローフィルタを製造するための製造方法が、連続的なパターニングおよびエッチング工程を含み、k個の異なる厚さを製作するために、数多くの処理工程を必要とする。
良好に制御された状態で開始するために、フィルタ構造を構築する前に、画像センサは平坦化することが重要である。これは、堆積工程を用い、続いて、全ての凹凸を除去するためにCMP(化学機械研磨)工程を実施することによって行われる。こうすることによって、処理の残りは正確なBEOL配置にもはや依存しない。この平坦化層の厚さおよび材料は、フィルタ構造の設計の際にある程度考慮できる。しかしながら、この層は、機能するフィルタ構造の一部ではなく、正しい材料変遷(屈折率にとって重要)が正しく考慮されている限り、フィルタ自体に対して大きな効果を有していない。ファブリペローフィルタがこの平坦化層の上に堆積されると、変動がウエハ全体に充分にゆっくりである限り(例えば、鋭いエッジがない)、この層の変動が上に伝搬することはない。CMPが、ウエハ全体にナノメートルスケールの平坦性および変動を持つ表面を生成できることから、この条件は成就できる。
ファブリペローフィルタの構成部品、即ち、ブラッグスタック層での堆積厚さおよびキャビティの厚さの変動が、設計したフィルタと製造したフィルタとの間の不整合を生じさせる。キャビティの厚さの変動の影響は、全てのフィルタの厚さがおおよそ等しい量だけ変化すると、理論的設計の左右へのスペクトル範囲のシフトを生じさせる点である。選択した波長でのこの広範囲シフトは、設計したフィルタ場所に対して上向きまたは下向きであり、設計パラメータの1つである通過帯域のスペクトル幅の小さな割合である場合は、許容できる。
標準のICプロセス技術を用いた場合、画素当り数ミクロンの寸法を持つ画素の行/列の上でのフィルタ構造のアライメントが充分に最新技術の可能性の範囲内にある。従って、トップレベルでのアライメントは、あまり重大ではない。
例えば、画像処理のための上述した方法ステップの幾つかが、ハードウエアの形態のロジックによって、あるいは、例えば、処理エンジン、例えば、マイクロプロセッサまたはプログラマブルロジックデバイス(PLD)、例えば、PLA(プログラマブルロジックアレイ)、PAL(プログラマブルアレイロジック)、FPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)を用いたソフトウエアで実装してもよい。
ソフトウエアプログラムが、内部ROM(リードオンリメモリ)および/またはいずれか他の不揮発性メモリに保存してもよく、例えば、これらは外部メモリに保存してもよい。外部メモリへのアクセスは、必要に応じてアドレスバス、データバスおよびコントロールバスを備えた外部バスインタフェースを含む従来のハードウエアによって提供してもよい。本発明の方法および装置の特徴は、プロセッサ上で走るソフトウエアとして実装してもよい。特に本発明に係る画像処理は、プロセッサの適切なプログラミングによって実装してもよい。上述した方法および手順は、適切なコンピュータ言語、例えばC言語でコンピュータプログラムとして記述してもよく、そして内蔵した設計での特定プロセッサ用にコンパイルされる。例えば、ソフトウエアは、C言語で記述して、既知のコンパイラおよび既知のアセンブラを用いてコンパイルしてもよい。ソフトウエアは、処理エンジン上で実行した場合、本発明の方法および画像プロセッサを提供するコードを有する。ソフトウエアプログラムは、任意の適切な機械読み取り可能な媒体、例えば、磁気ディスク、ディケット、固体メモリ、テープメモリ、CD−ROMまたはDVD−ROMなどの光ディスク等に保存してもよい。他の変形は、請求項の範囲内で想定できる。
Claims (18)
- スペクトル出力を生成するスペクトルカメラであって、
画像を生成するための対物レンズ(10)、
種々の光学チャネル上に画像の光学コピーを生成する光学複製機(20)、
複数の光学チャネルのうち種々の光学チャネルに対して、光スペクトルの異なる通過帯域を通過させるフィルタアレイ(30)、
1つ以上のセンサアレイ(40)、ここで該1つ以上のセンサアレイ(40)は、その種々の部分でフィルタ済みの画像コピーを同時に検出するように配置されており、
1つ以上のセンサアレイ上に投影される画像コピーの輪郭を画定する視野絞り(50)
を有し、
フィルタアレイは、1つ以上のセンサアレイ上に集積され、
1つ以上のセンサアレイは、隣接する各光学チャネル間のクロストークを妨げるための垂直な物理的バリアを有さない平面構造を有し、
1つ以上のセンサアレイ上の投影画像コピーの輪郭とアライメントは、複数の投影画像コピーのうち少なくとも隣接する幾つかが組み合わされるようになっており、センサ要素が該バリアに不明瞭にされることで未使用状態にされることがない、
スペクトルカメラ。 - フィルタアレイは、所望の透過波長の半波長分の厚さを有するファブリペロキャビティとして動作する薄膜を含む、
請求項1に記載のスペクトルカメラ。 - フィルタアレイは、複数の画像コピーのうち少なくとも幾つかについて、各画像コピーについての該アレイの一部の内側に、種々の多重通過帯域の空間パターンが存在するように配置された、
請求項1または2に記載のスペクトルカメラ。 - 投影画像コピーの少なくとも幾つかが、セグメント化されていない、画像全体の完全なコピーであるように構成された、
スペクトルカメラ。 - 投影画像コピーの少なくとも幾つかが画像全体のセグメントであるように構成され、
検出されたセグメントを電気的に処理して一緒に縫合するデジタル処理部を有する、
請求項1から4のいずれか1項に記載のスペクトルカメラ。 - 光学複製機は、レンズアレイ(25)を含む、
請求項1から5のいずれか1項に記載のスペクトルカメラ。 - フィルタアレイと光学複製機は、複数の投影画像コピーのうち種々の画像コピーについて異なる倍率を与えるように配置された、
請求項1から6のいずれか1項に記載のスペクトルカメラ。 - センサアレイ上に集積されたフィルタアレイを交換して、異なるフィルタアレイを有する別のセンサアレイを使用することにより、使用時にフィルタアレイは再構成可能であるように構成された、
請求項1から7のいずれか1項に記載のスペクトルカメラ。 - 視野絞り、フィルタおよび複製機は、投影画像コピーに六角形輪郭を与えるように配置された、
請求項1から8のいずれか1項に記載のスペクトルカメラ。 - 視野絞りは、フィールドレンズを有する、
請求項1から9のいずれか1項に記載のスペクトルカメラ。 - 1つ以上のセンサアレイは、回路トラックのレイアウトを有し、
これらのトラックは、画像コピーの投影位置の周縁部に集中している、
請求項1から10のいずれか1項に記載のスペクトルカメラ。 - 画像コピーの配置と通過帯域の選択は、
画像の種々の部分で検出される通過帯域、
画像の種々の部分でのスペクトル分解能、
スペクトル域の種々の部分でのスペクトル分解能、
画像の種々の部分での検出の空間分解能、
種々の通過帯域での検出の空間分解能
のうちいずれか1つ以上の変動が存在するように配置されるように行われる、
請求項1から11のいずれか1項に記載のスペクトルカメラ。 - スペクトルカメラを動作させる方法であって、該スペクトルカメラは、
画像を生成するための対物レンズ(10)、
種々の光学チャネル上に画像の光学コピーを生成する光学複製機(20)、
複数の光学チャネルのうち種々の光学チャネルに対して、光スペクトルの異なる通過帯域を通過させるフィルタアレイ(30)、
1つ以上のセンサアレイ(40)、ここで該1つ以上のセンサアレイ(40)は、その種々の部分でフィルタ済みの画像コピーを同時に検出するように配置されており、
1つ以上のセンサアレイ上に投影される画像コピーの輪郭を画定する視野絞り(50)
を有し、
フィルタアレイは、1つ以上のセンサアレイ上に集積され、
1つ以上のセンサアレイは、隣接する各光学チャネル間のクロストークを妨げるための垂直な物理的バリアを有さない平面構造を有するものであり、
予備的な位置合わせを実行して、1つ以上のセンサアレイ上の投影画像コピーの輪郭とアライメントを設定し、複数の投影画像コピーのうち少なくとも隣接する幾つかが密接に結びつき、センサが該バリアに不明瞭にされることで未使用状態にされることがないようにした工程(400)、
1フレーム時間内で、種々の通過帯域での投影画像コピーを読み出す工程(410)、
検知された投影画像コピーの画像キューブを保存する工程(420)
を有する方法。 - フィルタアレイと一緒に集積されたセンサアレイを、異なるフィルタアレイを有するセンサアレイと交換する工程(430)を有する、
請求項12に記載の方法。 - スペクトルカメラは、投影画像コピーの少なくとも幾つかが画像全体のセグメントであるように配置され、
検出されたセグメントを電気的に処理して一緒に縫合する工程を有する、
請求項12または13に記載の方法。 - 製造時にスペクトルカメラを構成する方法であって、該スペクトルカメラは、
画像を生成するための対物レンズ(10)、
種々の光学チャネル上に画像の光学コピーを生成する光学複製機(20)、
複数の光学チャネルのうち種々の光学チャネルに対して、光スペクトルの異なる通過帯域を通過させるフィルタアレイ(30)、
1つ以上のセンサアレイ(40)、ここで該1つ以上のセンサアレイ(40)は、その種々の部分でフィルタ済みの画像コピーを同時に検出するように配置されており、
1つ以上のセンサアレイ上に投影される画像コピーの輪郭を画定する視野絞り(50)
を有し、
フィルタアレイは、1つ以上のセンサアレイ上に集積され、
1つ以上のセンサアレイは、隣接する各光学チャネル間のクロストークを妨げるための垂直な物理的バリアを有さない平面構造を有し、
1つ以上のセンサアレイ上の投影画像コピーの輪郭とアライメントは、複数の投影画像コピーのうち少なくとも隣接する幾つかが組み合わされるようになっており、センサが該バリアに不明瞭にされることで未使用状態にされることがなく、
画像コピーの数を選択して、画像コピーのセンサアレイ上での配置を与える工程(500)、
使用する通過帯域と、その画像コピー上での空間配置とを選択する工程(510,515)、
選択した通過帯域とその空間配置に従って、1つ以上のセンサアレイ上の集積層を製造し、フィルタアレイを構成する工程(520)
を有する方法。 - 通過帯域とその空間配置を選択する工程(515)は、
画像の種々の部分で検出される通過帯域、
スペクトル分解能、
画像の種々の部分での検出の空間分解能、
種々の通過帯域での検出の空間分解能
のうちいずれか1つ以上の変動が存在するように配置されるように行う、
請求項15に記載の方法。 - 通過帯域とその空間配置を選択する工程は、複数の画像コピーの少なくとも幾つかについて、複数の画像コピーのうち各画像コピーについてのアレイの一部が、複数の通過帯域のうち種々の多重通過帯域の空間パターンを有するように行う、
請求項15または16に記載の方法。
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