JP2017097121A - 分光デバイス及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のスリットが所定の周期で形成された金属層を含み、特定の波長域の光を主に透過するスリット型の光学フィルタを備える分光デバイスにおいて、光の透過特性を向上させる。【解決手段】分光デバイス（１２）は、偏光フィルタ（２０）と、光学フィルタ（２２）とを備える。偏光フィルタは、入射する光のうち、特定の偏光成分を有する光を透過する。偏光フィルタに入射した光は、偏光フィルタを通過することにより、直線偏光になる。光学フィルタには、偏光フィルタを通過した光が入射する。光学フィルタは、特定の周波数域の光を透過する。光学フィルタは、金属層（２４）と、誘電体層（２６）とを含む。誘電体層は、金属層に接して形成されている。金属層には、複数のスリット（２５）が形成されている。複数のスリットは、所定の方向に等間隔に並んでいる。複数のスリットが延びる方向は、偏光フィルタを通過した光の偏光方向に垂直である。【選択図】図１

Description

本発明は、分光デバイスに関し、詳しくは、複数のスリットが所定の周期で形成された金属層を含み、特定の波長域の光を主に透過するスリット型の光学フィルタを備える分光デバイスに関する。

近年、複数のスリットが所定の周期で形成された金属層により、特定の波長域の光を主に透過する光学フィルタ（スリット型の光学フィルタ）が提案されている。スリット型の光学フィルタは、例えば、特表２０１３−５２５８６３号公報に開示されている。

特表２０１３−５２５８６３号公報

光学フィルタを使用するときには、反射波や、隣の画素から回り込む光、意図しない隙間から漏れる光、意図しない共鳴波等は、全てノイズとなる。ノイズの影響を受けると、被写体の真のスペクトル特性がわからなくなる。これは、選択波長域が狭い分光デバイスを備える撮像装置（例えば、マルチスペクトルカメラ）にとって、問題になる。加えて、上記のようなスリット型の光学フィルタでは、意図しない共鳴波や反射波によって、ＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum）が広くなってしまう。

本発明の目的は、複数のスリットが所定の周期で形成された金属層を含み、特定の波長域の光を主に透過するスリット型の光学フィルタを備える分光デバイスにおいて、光の透過特性を向上させることである。

本発明の実施の形態による分光デバイスは、偏光フィルタと、光学フィルタとを備える。偏光フィルタは、入射する光のうち、特定の偏光成分を有する光を透過する。偏光フィルタに入射した光は、偏光フィルタを通過することにより、直線偏光になる。光学フィルタには、偏光フィルタを通過した光が入射する。光学フィルタは、特定の周波数域の光を透過する。光学フィルタは、金属層と、誘電体層とを含む。誘電体層は、金属層に接して形成されている。金属層には、複数のスリットが形成されている。複数のスリットは、所定の方向に等間隔に並んでいる。複数のスリットが延びる方向は、偏光フィルタを通過した光の偏光方向に垂直である。

本発明の実施の形態による分光デバイスは、光の透過特性を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態による撮像装置の概略構成を示す模式図である。 図１に示す撮像装置が備える光学フィルタの概略構成を示す平面図である。 フィルタ部の概略構成を示す模式図である。 光学フィルタの製造方法を示す説明図であって、金属層、誘電体層及び金属層をこの順番で順次形成した状態を示す説明図である。 光学フィルタの製造方法を示す説明図であって、金属層、誘電体層及び金属層にスリットを形成した状態を示す説明図である。 光学フィルタの製造方法を示す説明図であって、スリットが誘電体層で埋められた状態を示す説明図である。 光学フィルタのスリットと、偏光フィルタのスリットと、受光部の画素との関係を示す概念図である。 光学フィルタの透過スペクトルを示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態の変形例１に係る撮像装置の概略構成を示す模式図である。 第１の実施の形態の変形例２に係る撮像装置で採用される光学フィルタの概略構成を示す平面図である。 光学フィルタのうち、１つの画素に対応する領域に含まれるフィルタ部の変形例を示す平面図である。 光学フィルタのうち、１つの画素に対応する領域に含まれるフィルタ部の他の変形例を示す平面図である。 光学フィルタのうち、１つの画素に対応する領域に含まれるフィルタ部の他の変形例を示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態で採用される光学フィルタの概略構成を示す模式図である。 光学フィルタの透過スペクトルのシミュレーション結果を示すグラフであって、光学フィルタがＭＩＭ構造である場合のグラフである。 光学フィルタの透過スペクトルのシミュレーション結果を示すグラフであって、光学フィルタがＩＭ構造である場合のグラフである。 本発明の第３の実施の形態による撮像装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の第５の実施の形態で採用される光学フィルタの概略構成を示す平面図である。 本発明の第５の実施の形態による撮像装置が備える制御部の概略構成を示すブロック図である。 制御部による処理が行われたスペクトル特性を示すグラフである。

本発明の実施の形態による分光デバイスは、偏光フィルタと、光学フィルタとを備える。偏光フィルタは、入射する光のうち、特定の偏光成分を有する光を透過する。偏光フィルタに入射した光は、偏光フィルタを通過することにより、直線偏光になる。光学フィルタには、偏光フィルタを通過した光が入射する。光学フィルタは、特定の周波数域の光を透過する。光学フィルタは、金属層と、誘電体層とを含む。誘電体層は、金属層に接して形成されている。金属層には、複数のスリットが形成されている。複数のスリットは、所定の方向に等間隔に並んでいる。複数のスリットが延びる方向は、偏光フィルタを通過した光の偏光方向に垂直である。

上記分光デバイスでは、偏光フィルタを通過した光の偏光方向は、前記複数のスリットが延びる方向に垂直である。そのため、光学フィルタを通過した光には、ノイズ成分が含まれ難くなる。その結果、分光デバイスにおける光の透過特性が向上する。

上記分光デバイスにおいて、光学フィルタは、好ましくは、第１フィルタと、第２フィルタとを含む。第２フィルタは、第１フィルタの隣に配置されている。第１フィルタにおける複数のスリットの間隔は、第２フィルタにおける複数のスリットの間隔と異なっている。

この場合、第１フィルタが透過する光の波長域と、第２フィルタが透過する光の波長域とが異なる。その結果、分光デバイスは、複数の波長域の光を透過することができる。

上記分光デバイスにおいて、光学フィルタは、第１フィルタと、第２フィルタとを含んでいてもよい。第２フィルタは、第１フィルタの隣に配置される。第１フィルタに形成された複数のスリットが延びる方向は、第２フィルタに形成された複数のスリットが延びる方向と異なっている。

この場合、偏光フィルタは、好ましくは、光学フィルタに対して回転可能に配置される。偏光フィルタの光学フィルタに対する位置は、第１位置と、第２位置とを含む。第１位置では、第１フィルタに形成された複数のスリットが延びる方向は、偏光フィルタを通過した光の偏光方向に垂直となる。第２位置では、第２フィルタに形成された複数のスリットが延びる方向は、偏光フィルタを通過した光の偏光方向に垂直となる。

この場合、偏光フィルタを光学フィルタに対して回転することにより、偏光フィルタの光学フィルタに対する位置を変更することができる。例えば、第１フィルタと、第２フィルタとで、複数のスリットの間隔が異なる場合には、偏光フィルタの光学フィルタに対する位置に応じて、透過する光の波長域を変更することができる。

本発明の実施の形態による撮像装置は、分光デバイスと、分光デバイスを通過した光を検出する受光部とを備える。分光デバイスは、偏光フィルタと、光学フィルタとを備える。偏光フィルタは、入射する光のうち、特定の偏光成分を有する光を透過する。偏光フィルタに入射した光は、偏光フィルタを通過することにより、直線偏光になる。光学フィルタには、偏光フィルタを通過した光が入射する。光学フィルタは、特定の周波数域の光を透過する。光学フィルタは、金属層と、誘電体層とを含む。誘電体層は、金属層に接して形成されている。金属層には、複数のスリットが形成されている。複数のスリットは、所定の方向に等間隔に並んでいる。複数のスリットが延びる方向は、偏光フィルタを通過した光の偏光方向に垂直である。

上記撮像装置においては、分光デバイスの光を透過する特性が向上するので、得られる画像の質が向上する。

撮像装置は、好ましくは、第１レンズをさらに備える。第１レンズは、光学フィルタに対して、光が入射する側に配置される。第１レンズに入射した光は、第１レンズを通過することにより、平面波になる。この場合、光学フィルタにおける光の透過特性が向上する。

撮像装置は、好ましくは、第２レンズをさらに備える。第２レンズは、光学フィルタと受光部との間に配置される。第２レンズに入射した光は、第２レンズを通過することにより、受光部に向かって集光される。この場合、受光部が光を検出しやすくなる。

撮像装置が撮影する被写体は、光学フィルタよりも光の入射側に配置されていればよい。例えば、被写体は、偏光フィルタを通過した光が照射される位置に配置される。光学フィルタは、被写体に照射された光のうち、被写体によって反射された光が入射する位置に配置される。この場合、撮像装置は、好ましくは、光源をさらに備える。光源は、被写体に向かって光を発する。光源は、偏光フィルタにおける光の入射側に配置される。

受光部は、第１受光部と、第２受光部とを備える。第２受光部は、第１受光部の隣に配置されている。光学フィルタは、第１フィルタと、第２フィルタとを含む。第２フィルタは、第１フィルタの隣に配置されている。第１フィルタに形成された複数のスリットが延びる方向は、第２フィルタに形成された複数のスリットが延びる方向と異なっている。撮像装置は、さらに、差分演算部と、スペクトル特性演算部とを含む。差分演算部は、第１受光部の検出値と、第２受光部の検出値との差分を演算する。スペクトル特性演算部は、差分演算部の演算結果を用いて、受光部が検出した光のスペクトル特性を演算する。

この場合、ノイズを低減することができる。

以下、本発明のより具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態による撮像装置１０の概略構成を示す模式図である。図１中の矢印は、光の進行方向を示す。図示はしていないが、偏光フィルタ２０の外側（光の入射側）には、被写体が存在する。撮像装置１０は、被写体を撮影し、被写体のスペクトル特性を得る。

撮像装置１０は、分光デバイス１２と、アウターレンズ１４と、インナーレンズ１６と、受光部１８とを備える。分光デバイス１２は、偏光フィルタ２０と、光学フィルタ２２とを備える。

偏光フィルタ２０は、入射する光のうち、特定の偏光成分を有する光（つまり、特定の方向に振動する光）を透過する。偏光フィルタ２０は、入射した光を直線偏光に変換する。つまり、偏光フィルタ２０に入射した光は、偏光フィルタ２０を通過することにより、直線偏光となる。偏光フィルタ２０は、入射する光を直線偏光に変換するものであれば、特に限定されない。例えば、スリット型偏光板等が採用される。

光学フィルタ２２は、偏光フィルタ２０を通過した光が入射する位置に配置されている。光学フィルタ２２は、特定の波長域の光を主に透過する。

図２は、光学フィルタ２２の概略構成を示す平面図である。光学フィルタ２２は、複数のフィルタ部２２Ａと、複数のフィルタ部２２Ｂとを備える。なお、図２では、フィルタ部２２Ａとフィルタ部２２Ｂとの境界は、一点鎖線で示している。図２において、破線で示す領域は、後述する受光部に対応する領域である。

フィルタ部２２Ａ及びフィルタ部２２Ｂは、平面視で矩形形状（本実施の形態では、正方形状）を有する。光学フィルタ２２では、フィルタ部２２Ａとフィルタ部２２Ｂとが、行方向及び列方向（図２中のＸ方向及びＹ方向）に交互に並んでいる。フィルタ部２２Ａには、複数のスリット２５Ａが形成されている。フィルタ部２２Ｂには、複数のスリット２５Ｂが形成されている。フィルタ部２２Ａに形成されているスリット２５Ａは、フィルタ部２２Ｎに形成されているスリット２５Ｂと同じ方向に延びている。フィルタ部２２Ａに形成されているスリット２５Ａの数は、フィルタ部２２Ｂに形成されているスリット２５Ｂの数よりも多い。フィルタ部２２Ａに形成されている複数のスリット２５Ａの間隔は、フィルタ部２２Ｂに形成されている複数のスリット２５Ｂの間隔よりも狭い。

図３は、光学フィルタ２２のうち、フィルタ部２２Ａの概略構成を示す模式図である。図３を参照しながら、フィルタ部２２Ａについて説明する。なお、フィルタ部２２Ｂは、フィルタ部２２Ａと比べて、スリット２５Ｂの数が異なっているが、それ以外は同じである。そこで、フィルタ部２２Ｂについての詳細な説明は省略する。

フィルタ部２２Ａは、２つの金属層２４と、１つの誘電体層２６とを備える。なお、図３では、各層２４、２６の幅方向をＸ方向とし、長さ方向をＹ方向とし、厚さ方向（法線方向）をＺ方向としている。

２つの金属層２４のうち、一方の金属層２４（以下、金属層２４１とする）は、図示しない支持基板上に形成される。支持基板は、下地層と、ベース基板とを含む。下地層は、例えば、シリコン酸化膜である。ベース基板は、光を透過する。ベース基板は、例えば、ガラス基板である。撮像装置１０をイメージングデバイスとして使用する場合には、撮像素子として、ＣＭＯＳ及びＣＣＤの何れかを用いる。この場合、コンタクトホールを形成する工程又は配線を形成する工程で形成される層間膜を下地層として使うことが望ましい。この場合、必要に応じて、ＣＭＰ等の平坦化工程を実施してもよい。

２つの金属層２４のうち、他方の金属層２４（以下、金属層２４２とする）は、金属層２４１から離れて配置されている。金属層２４２は、光の進行方向で金属層２４１から離れて配置されている。

金属層２４は、Ａｌを主成分とする。金属層２４は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｃｕ、ＡｌＣｕ等からなるものであってもよい。金属層２４の屈折率は、好ましくは、可視光域において、０．３５〜４．０である。本実施の形態では、金属層２４の屈折率は、５５０ｎｍの波長を有する光に対して、０．７４である。

金属層２４の厚みは、加工の都合上、好ましくは、２０〜１００ｎｍである。本実施の形態では、金属層２４の厚みは、４０ｎｍである。２つの金属層２４の厚みは同じであってもよいし、異なっていてもよい。本実施の形態では、２つの金属層２４の厚みは同じである。

金属層２４には、複数のスリット２５Ａが形成されている。複数のスリット２５Ａは、所定の方向（図３に示す例では、Ｘ方向、つまり、金属層２４の幅方向）に等間隔に形成されている。各金属層２４において、複数のスリット２５Ａは、同じ位置に形成されている。複数のスリット２５Ａが形成された周期Ｃ１は、好ましくは、１４０〜１１２０ｎｍである。本実施の形態では、周期Ｃ１は、３００ｎｍである。

スリット２５Ａの幅Ｓ１は、フィルタ部２２Ａが透過すべき光の波長（選択波長）に応じて、適宜、設定される。幅Ｓ１は、好ましくは、８０〜２００ｎｍである。本実施形態では、幅Ｓ１は、１００ｎｍである。幅Ｓ１は、好ましくは、周期Ｃ１の１０〜５０％である。本実施の形態では、幅Ｓ１は周期Ｃ１の約３３％である。図３に示す例では、幅Ｓ１は、スリット２５Ａの長さ方向（図３に示すＹ方向）の全長に亘って同じである。なお、厳密な意味において、幅Ｓ１は、スリット２５Ａの長さ方向の全長に亘って同じでなくてもよい。図３に示す例では、各スリット２５Ａの幅Ｓ１は、同じである。

スリット２５Ａの長さ（図３に示すＹ方向での長さ）は、フィルタ部２２Ａの長さよりも短くてもよいし、フィルタ部２２Ａの長さと同じであってもよい。スリット２５Ａの長さは、周期Ｃ１と幅Ｓ１との差分Ｌ１の１０倍以上であることが好ましい。これにより、十分な透過率を確保することができる。

誘電体層２６は、金属層２４に接して形成される。誘電体層２６の一部は、スリット２５Ａ内に存在する。誘電体層２６の材料は、例えば、ＳｉＮ、ＺｎＳｅ、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ等である。誘電体層２６のうち、２つの金属層２４の間に存在する部分（光の進行方向、つまり、図３中の上下方向で２つの金属層２４の間に位置する部分）の材料は、スリット２５Ａ内に存在する部分の材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

誘電体層２６の厚み（具体的には、誘電体層２６のうち、２つの金属層２４の間に存在する部分の厚み）は、光学フィルタ２２が透過すべき光の波長（選択波長）に応じて、適宜、設定される。誘電体層２６の厚みは、好ましくは、４０〜２００ｎｍである。本実施の形態では、誘電体層２６の厚みは、１００ｎｍである。誘電体層２６の厚みは、好ましくは、金属層２４の厚みの１〜５倍である。本実施の形態では、誘電体層２６の厚みは、金属層２４の厚みの２．５倍である。

誘電体層２６の屈折率（具体的には、誘電体層２６のうち、２つの金属層２４の間に存在する部分の屈折率）は、フィルタ部２２Ａが透過すべき光の波長（選択波長）に応じて、適宜、設定される。誘電体層２６の屈折率は、例えば、誘電体層２６の材料を変更することで、設定することができる。誘電体層２６の屈折率は、好ましくは、１．４よりも大きく、且つ、３．０以下である。

フィルタ部２２Ａは、金属層２４と誘電体層２６との界面の共鳴現象に類似する現象を利用して、入射した光のうち、特定の波長域の光を主に透過する。当該現象に関連するパラメータ（例えば、金属層２４の厚みや、金属層２４に形成されたスリット２５Ａの幅、スリット２５Ａの周期、誘電体層２６の厚み、誘電体層２６の屈折率等）を最適化することにより、フィルタ部２２Ａによる光の透過特性を向上させることができる。

金属層２４及び誘電体層２６の厚みや、スリット２５Ａの幅Ｓ１、スリット２５Ａの周期Ｃ１は、各層２４、２６を形成する材料の特性（特に、屈折率）や選択波長によって変える必要がある。特に、屈折率は、波長依存性があるため、予めシミュレーションをして、選択波長ごとに値を算出しておくことが好ましい。選択波長は、差分Ｌ１と、誘電体層２６の厚みとに依存する。

各層２４、２６を形成する材料は、上記のものに限定されない。金属層２４と誘電体層２６との界面でのプラズモン共鳴が発生する材料であればよい。具体的には、金属層２４は、負の誘電率を持つ材料であればよい。誘電体層２６の屈折率は、金属層２４１が接する下地層（シリコン酸化膜）の屈折率（１．４）よりも高ければよい。

続いて、光学フィルタ２２の製造方法について説明する。

先ず、図４Ａに示すように、金属層２４１、誘電体層２６及び金属層２４２を、この順番で、支持基板上に順次形成する。具体的には、金属層２４１は、スパッタリングにより、支持基板上に形成する。誘電体層２６は、ＣＶＤ法により、金属層２４１上に形成する。金属層２４２は、スパッタリングにより、誘電体層２６上に形成する。

続いて、図４Ｂに示すように、フォトリソグラフィ法により、金属層２４１、誘電体層２６及び金属層２４２にスリット２５を形成する。その後、スリット２５を埋めるようにして、誘電体層２６Ａを形成する。その結果、図４Ｃに示すように、光学フィルタ２２が製造される。なお、図４Ｃに示すのは、光学フィルタ２２のうち、フィルタ部２２Ａである。図４Ｃにおいて、金属層２４２のうち、金属層２４１側の面、つまり、誘電体層２６に接する面とは反対側の面は、誘電体層で覆われていてもよい。

再び、図１を参照しながら、説明する。アウターレンズ１４は、偏光フィルタ２０と、光学フィルタ２２との間に配置されている。つまり、偏光フィルタ２０を通過した光は、アウターレンズ１４に入射する。アウターレンズ１４を通過した光は、光学フィルタ２２に入射する。アウターレンズ１４は、偏光フィルタ２０を通過した光を平面波の光に変換する。つまり、アウターレンズ１４を通過した光は、平面波の光になっている。光学フィルタ２２には、平面波の光が照射される。

インナーレンズ１６は、光学フィルタ２２と受光部１８との間に配置されている。つまり、光学フィルタ２２を通過した光は、インナーレンズ１６に入射する。インナーレンズ１６を通過した光は、受光部１８に入射する。インナーレンズ１６は、入射した光を受光部１８に向けて集光する。

受光部１８は、インナーレンズ１６を通過した光を受光する。受光部１８は、撮像素子である。

受光部１８は、図５に示すように、複数の画素１８Ａを含む。複数の画素１８Ａは、行方向及び列方向（図５中のＸ方向及びＹ方向）に並んで配置されている。画素１８Ａは、図２及び図５に示すように、２行２列に配置された合計４個のフィルタ部２２Ａ及びフィルタ部２２Ｂと同じ大きさを有する。画素１８Ａは、例えば、フォトダイオードを含む。

光学フィルタ２２では、図５に示すように、光学フィルタ２２に形成されたスリット２５Ａ及びスリット２５Ｂが延びる方向は、偏光フィルタ２０に形成されたスリット２０Ａが延びる方向と直交している。そのため、光学フィルタ２２を通過した光には、ノイズが含まれ難くなっている。その理由は、以下のとおりである。

図６は、受光部が検出した光のスペクトル特性を示すグラフである。図６において、グラフＧＬ１は、光学フィルタに形成されたスリットが延びる方向と、偏光フィルタに形成されたスリットが延びる方向とが直交している場合に、受光部が検出した光のスペクトル特性を示す。図６において、グラフＧＬ２は、光学フィルタに形成されたスリットが延びる方向と、偏光フィルタに形成されたスリットが延びる方向とが平行である場合に、受光部が検出した光のスペクトル特性を示す。図６において、グラフＧＬ３は、偏光フィルタが設けられていない場合に、受光部が検出した光のスペクトル特性を示す。

図６に示すように、光学フィルタに形成されたスリットが延びる方向と、偏光フィルタに形成されたスリットが延びる方向とが直交している場合（グラフＧＬ１）には、光学フィルタに形成されたスリットが延びる方向と、偏光フィルタに形成されたスリットが延びる方向とが平行である場合（グラフＧＬ２）よりも、４５０ｎｍ付近のノイズピークが小さくなる（図６において、破線で囲んだ部分を参照）また、６４０ｎｍ付近のメインピークが大きくなる（図６において、一点鎖線で囲んだ部分を参照）。光学フィルタに形成されたスリットと偏光フィルタに形成されたスリットとを直交させることにより、分光デバイス１２は、ノイズに強いバンドパスフィルタとして機能する。

光学フィルタ２２においては、波長と偏光方向とを同時に選択することができる。ここで、波長は、スリット２５Ａ、２５Ｂの間隔と相関関係がある。偏光方向は、スリット２５Ａ、２５Ｂが延びる方向と相関関係がある。それぞれのパラメータは、互いに独立して設計することができる。

光学フィルタ２２を製造するとき、スリット２５Ａ、２５Ｂの間隔や、スリット２５Ａ、２５Ｂが延びる方向は、１枚の露光マスクで規定することができる。そのため、光学フィルタ２２において、フィルタ部の種類（つまり、選択波長の種類）が増えても、基本的に、露光工程は、一回で済む。そのため、有機膜や多層膜で光学フィルタを形成する場合と比べて、金型や工程数を大幅に削減することができる。

また、露光マスクのレイアウトを変更すれば、任意の選択波長や偏光方向に変更することができる。

加えて、アルミニウムやシリコン等の従来の半導体プロセスで用いられている材料で形成することができる。

撮像装置１０においては、アウターレンズ１４が設けられている。そのため、光学フィルタ２２における分光特性が向上する。その理由は、以下のとおりである。

光学フィルタ２２においては、光が斜めに入射すると、分光特性（つまり、特定の波長域の光を透過する特性）が低下する。そこで、アウターレンズ１４を設けて、光学フィルタ２２に入射する光を平面波にすることで、光学フィルタ２２における分光特性が向上する。

撮像装置１０においては、インナーレンズ１６が設けられている。そのため、受光部１８による光の検出感度が向上する。その理由は、以下のとおりである。

光学フィルタ２２を通過した光は、球面波になっている。そこで、インナーレンズ１６を設けて、光学フィルタ２２を通過した光を受光部１８に向かって集光させることで、受光部１８による光の検出感度が向上する。

撮像装置１０においては、上記のように、アウターレンズ１４及びインナーレンズ１６が設けられている。そのため、得られる画像のコントラストを向上させることができる。

［第１の実施の形態の変形例１］
図７は、第１の実施の形態の変形例１に係る撮像装置１０Ａを示す。撮像装置１０Ａは、撮像装置１０と比べて、アウターレンズ１４の配置が異なっている。撮像装置１０Ａでは、偏光フィルタ２０よりも光の入射側に配置されている。このような位置にアウターレンズ１４を配置していても、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

［第１の実施の形態の変形例２］
図８は、第１の実施の形態の変形例２に係る撮像装置で採用される光学フィルタ２２１の概略構成を示す平面図である。なお、図８では、フィルタ部２２Ａとフィルタ部２２Ｂとの境界は、一点鎖線で示している。図８において、破線で示す領域は、後述する受光部に対応する領域である。

図８に示す光学フィルタ２２１は、図２に示す光学フィルタ２２と比べて、フィルタ部２２Ａ及びフィルタ部２２Ｂのそれぞれのサイズが、画素１８Ａのサイズと同じである。この場合、スリット２５Ａ、２５Ｂの長さを、図２に示す場合と比べて、約２倍にすることができる。また、スリット２５Ａ、２５Ｂの数を、図２に示す場合と比べて、約２倍にすることができる。図８に示す例では、フィルタ部２２Ａ及びフィルタ部２２Ｂは、画素１８Ａと対応する位置ではなく、行方向及び列方向（図８中のＸ方向及びＹ方向）のそれぞれに、１／２ずつずれた位置に配置されている。図８に示す例では、画素１８Ａのサイズが小さくなっても、光の透過強度を確保することができるので、図２に示す場合と同様な分光特性を得ることができる。また、異なるパターンで形成されたフィルタ部間の干渉ノイズも軽減することができる。

［第１の実施の形態の変形例３］
例えば、図９に示すように、光学フィルタのうち、１つの画素１８Ａと対応する領域において、９つのフィルタ部２２Ｃ１〜２２Ｃ９が３行３列に配置されていてもよい。また、各フィルタ部２２Ｃ１〜２２Ｃ９に形成されたスリット２５Ｃは、互いに同じ方向に延びていてもよいし、互いに異なる方向に延びていてもよい。各フィルタ部２２Ｃ１〜２２Ｃ９に形成されたスリット２５Ｃのうち、少なくとも同じ方向に延びるスリット２５Ｃについては、互いに異なる間隔で形成されている。各フィルタ部２２Ｃ１〜２２Ｃ９に形成されたスリットが互いに異なる方向に延びている場合、偏光フィルタ２０は、光学フィルタ２２に対して、回転可能に配置される。複数のフィルタ部２２Ｃ１〜２２Ｃ９から使用するフィルタ部２２Ｃ１〜２２Ｃ９を選択し、選択したフィルタ部２２Ｃ１〜２２Ｃ９のスリット２５Ｃが延びる方向と、偏光フィルタ２０のスリット２０Ａが延びる方向とが直交するように、偏光フィルタ２０を光学フィルタ２２に対して回転させればよい。

［第１の実施の形態の変形例４］
例えば、偏光フィルタ２０を光学フィルタ２２に対して回転可能に配置する場合、偏光フィルタ２０において、スリットの延びる方向や間隔が互いに異なる複数のフィルタ部を形成してもよい。この場合、光学フィルタ２２において、スリットの延びる方向や間隔が互いに異なる複数のフィルタ部を形成しなくてもよい。そのため、光学フィルタ２２にスリットを形成するときの露光マスクのレイアウトが簡素化される。その結果、設計マージンが広がる。

［第１の実施の形態の変形例５］
第１の実施の形態では、光学フィルタ２２のうち、１つの画素１８Ａに対応する領域には、フィルタ部２２Ａ及びフィルタ部２２Ｂが２つずつ、つまり、同じ選択波長を有するフィルタ部が２つずつ配置されていたが、例えば、光学フィルタ２２のうち、１つの画素１８Ａに対応する領域に配置される複数のフィルタ部の各々が、互いに異なる選択波長を有するようにしてもよい。

［第１の実施の形態の変形例６］
第１の実施の形態では、１つの画素１８Ａに対応する領域に配置される複数のフィルタ部の各々にスリットが形成されていたが、例えば、図１０及び図１１に示すように、１つの画素１８Ａに対応する領域に配置される複数のフィルタ部は、スリット２５Ｆが形成されたフィルタ部２２Ｆと、開口２５Ｇが形成されたフィルタ部２２Ｇとを含んでいてもよい。

複数のフィルタ部２２Ｆが含まれている場合、各フィルタ部２２Ｆに形成されたスリット２５Ｆが延びる方向は、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。また、複数のフィルタ部２２Ｆが含まれている場合、各フィルタ部２２Ｆに形成されたスリット２５Ｆの間隔は、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。

フィルタ部２２Ｇに形成された開口２５Ｇの形状は、特に限定されない。例えば、図１０及び図１１に示すように、正方形であってもよいし、他の多角形であってもよいし、円形であってもよい。フィルタ部２２Ｇを透過する光の偏光特性は、偏光フィルタ２０の偏光特性と同じである。

フィルタ部２２Ｇの透過率がフィルタ部２２Ｆの透過率よりも高くなり過ぎる場合には、開口２５Ｇの面積を調整することで、任意の透過率を得ることができる。例えば、図１０及び図１１に示す例では、開口２５Ｇの各辺の長さＬ１を変更して、開口２５Ｇの面積を調整すればよい。

図１０及び図１１に示す態様は、偏光バンドパスフィルタと、偏光エッジパスフィルタとを同一フレーム内で演算する場合に、特に有効である。例えば、光沢の強い被写体について分光評価をする場合等に有効である。その理由は、光沢を偏光で低減しながら、波長特性をリアルタイムで捉えることができるからである。

なお、フィルタ部２２Ｇの透過率とフィルタ部２２Ｆの透過率とを調整する方法は、上記のように、開口２５の面積を調整する方法に限定されない。例えば、開口２５の面積を調整するだけでなく、必要に応じて、スリット２５Ｆの長さを調整してもよい。場合によっては、スリット２５Ｆの長さを調整するだけでもよい。

複数のフィルタ部２２Ｇが含まれている場合、各フィルタ部２２Ｇに形成された開口２５Ｇの大きさは、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。

［第１の実施の形態の変形例７］
例えば、第１の実施の形態において、撮像装置１０は、アウターレンズ１４及びインナーレンズ１６を備えていなくてもよい。

［第２の実施の形態］
図１２を参照しながら、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１２は、本実施の形態で採用される光学フィルタ２２２のフィルタ部２２Ａの概略構成を示す模式図である。光学フィルタ２２２は、光学フィルタ２２と比べて、金属層２４２を備えていない。

図１３は、光学フィルタ２２の透過スペクトルを示すシミュレーションの結果である。具体的には、光学フィルタ２２のスリット２５Ａ、２５Ｂに垂直な偏光と平行な偏光とが入射された場合の透過スペクトルを示すグラフＧＬ４と、光学フィルタ２２のスリット２５Ａ、２５Ｂに垂直な偏光のみが入射された場合の透過スペクトルを示すグラフＧＬ５とを示す。

図１４は、光学フィルタ２２２の透過スペクトルを示すシミュレーションの結果である。具体的には、光学フィルタ２２２のスリット２５Ａに垂直な偏光と平行な偏光とが入射された場合の透過スペクトルを示すグラフＧＬ６と、光学フィルタ２２２のスリット２５Ａに垂直な偏光のみが入射された場合の透過スペクトルを示すグラフＧＬ７とを示す。

何れのシミュレーションもＦＤＴＤ法（時間領域差分法）を用いて行った。図１３及び図１４でピーク波長が異なるのは、光学フィルタ２２と光学フィルタ２２２の構造が異なるからである。

図１３に示すように、光学フィルタ２２では、５００ｎｍ付近の意図しない共鳴ピークを除去することができる（破線で囲んだ部分を参照）。図１４に示すように、光学フィルタ２２２では、５２０ｎｍ付近の共鳴ピークを除去することができる（破線で囲んだ部分を参照）。加えて、光学フィルタ２２２では、７００ｎｍ以上の長波長側での漏れ光も低減することができる（一点鎖線で囲んだ部分を参照）。

光学フィルタ２２２は、光学フィルタ２２と比べて、金属層２４２を備えていない。そのため、スリットを形成するときに、金属層２４１の形状が安定し易い。その結果、光学フィルタ２２と比べて、歩留まりが向上する。

［第３の実施の形態］
図１５を参照しながら、本発明の第３の実施の形態の撮像装置１０Ｂについて説明する。図１５は、撮像装置１０Ｂの概略構成を示す模式図である。

撮像装置１０Ｂは、撮像装置１０と比べて、光源３２を備える。光源３２からの光は、偏光フィルタ２０を通過する。偏光フィルタ２０を通過した光は、被写体３４に照射され、被写体３４で反射される。被写体３４で反射された光は、光学フィルタ２２に入射する。光学フィルタ２２に入射した光は、受光部１８に入射する。これにより、被写体３４のスペクトルが得られる。

被写体３４の表面を観察する場合には、光学フィルタ２２のスリットが延びる方向を偏光フィルタ２０のスリットが延びる方向に対して垂直にすればよい。

被写体３４の内部の情報を得る場合には、光路差を考慮して、偏光フィルタ２０のスリットが延びる方向と、光学フィルタ２２のスリットが延びる方向とを調整する。被写体３４の内部の情報は、拡散反射成分である。偏光された鏡面反射成分（例えば、Ｓ波やＰ波）は、拡散反射成分にとって、ノイズとなる。そこで、偏光フィルタ２０のスリットが延びる方向と、光学フィルタ２２のスリットが延びる方向とを調整して、このノイズを低減する。具体的には、偏光フィルタ２０がスリットの延びる方向と、光学フィルタ２２のスリットが延びる方向とを垂直にする。

偏光フィルタ２０は、光源３２に設けてもよいし、被写体３４に設けてもよい。

［第４の実施の形態］
図１４は、本発明の第４の実施の形態で採用される光学フィルタ２２３の概略構成を示す平面図である。光学フィルタ２２３では、隣り合う２つのフィルタ部２２Ｄ、２２Ｅのスリット２５Ｄ、２５Ｅの延びる方向が互いに直交している。つまり、本実施の形態では、フィルタ部２２Ｄのスリット２５Ｄが延びる方向は、偏光フィルタ２０のスリット２０Ａが延びる方向に直交しているが、フィルタ部２２Ｅのスリット２５Ｅが延びる方向は、偏光フィルタ２０のスリット２０Ａが延びる方向に平行となっている。なお、本実施の形態において、受光部１８は、光学フィルタ２２３に形成された複数のフィルタ部２２Ｄ、２２Ｅの各々と対応する領域に、画素を有する。

図１５は、本実施の形態の撮像装置が備える制御部４０を示すブロック図である。制御部４０は、差分演算部４０Ａと、スペクトル特性演算部４０Ｂとを含む。差分演算部４０Ａは、フィルタ部２２Ｄを透過し、且つ、フィルタ部２２Ｄと対応する領域に配置された画素で検出された光の検出値と、フィルタ部２２Ｅを通過し、且つ、フィルタ部２２Ｅと対応する領域に配置された画素で検出された光の検出値との差分を算出する。スペクトル特性演算部４０Ｂは、差分演算部４０Ａの演算結果に基づいて、受光部１８が検出した光のスペクトル特性を算出する。

図１６は、受光部１８が検出した光のスペクトル特性を示すグラフである。具体的には、グラフＧＬ８は、偏光フィルタ２０を備えていない場合の受光部１８が検出した光のスペクトル特性を示す。グラフＧＬ９は、スペクトル特性演算部４０Ｂの演算結果を示す。図１６に示すように、本実施の形態では、４５０ｎｍ付近のノイズを除去することができる。なお、上記のように差分を演算するのみでは対応できない場合には、光源を工夫したり、補助的なフィルタを使用してもよい。また、図１６では、５００ｎｍ以下で負の値が算出されるので、負の値を扱うことができない場合には、例えば、ブルーカットフィルタで５００ｎｍ以下の波長を有する光をカットしてもよい。

以上、本発明の実施形態について、詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、上述の実施形態によって、何等、限定されない。

１０：撮像装置、１２：分光デバイス、１４：アウターレンズ、１６：インナーレンズ、１８：受光部、２０：偏光フィルタ、２０Ａ：スリット、２２：光学フィルタ、２４：金属層、２５Ａ：スリット、２５Ｂ：スリット、２６：誘電体層、３２：光源

Claims (9)

1. 入射する光のうち、特定の偏光成分を有する光を透過する偏光フィルタと、
   前記偏光フィルタを通過した光が入射し、且つ、特定の周波数域の光を透過する光学フィルタとを備え、
   前記偏光フィルタに入射した光は、前記偏光フィルタを通過することにより、直線偏光になり、
   前記光学フィルタは、
   所定の方向に等間隔に並ぶ複数のスリットが形成された金属層と、
   前記金属層に接して形成された誘電体層とを含み、
   前記複数のスリットが延びる方向は、前記偏光フィルタを通過した光の偏光方向に垂直である、分光デバイス。
2. 請求項１に記載の分光デバイスであって、
   前記光学フィルタは、
   第１フィルタと、
   前記第１フィルタの隣に配置された第２フィルタとを含み、
   前記第１フィルタにおける前記複数のスリットの間隔は、前記第２フィルタにおける前記複数のスリットの間隔と異なっている、分光デバイス。
3. 請求項１に記載の分光デバイスであって、
   前記光学フィルタは、
   第１フィルタと、
   前記第１フィルタの隣に配置された第２フィルタとを含み、
   前記第１フィルタにおける前記複数のスリットが延びる方向は、前記第２フィルタにおける前記複数のスリットが延びる方向と異なっている、分光デバイス。
4. 請求項３に記載の分光デバイスであって、
   前記偏光フィルタは、前記光学フィルタに対して回転可能に配置されており、
   前記偏光フィルタの前記光学フィルタに対する位置は、
   前記第１フィルタにおける前記複数のスリットの延びる方向が、前記偏光フィルタを通過した光の偏光方向に垂直となる第１位置と、
   前記第２フィルタにおける前記複数のスリットの延びる方向が、前記偏光フィルタを通過した光の偏光方向に垂直となる第２位置とを含む、分光デバイス。
5. 分光デバイスと、
   前記分光デバイスを通過した光を検出する受光部とを備え、
   前記分光デバイスは、
   入射する光のうち、特定の偏光成分を有する光を透過する偏光フィルタと、
   前記偏光フィルタを通過した光が入射し、且つ、特定の周波数域の光を透過する光学フィルタとを備え、
   前記偏光フィルタに入射した光は、前記偏光フィルタを通過することにより、直線偏光になり、
   前記光学フィルタは、
   所定の方向に等間隔に並ぶ複数のスリットが形成された金属層と、
   前記金属層に接して形成された誘電体層とを含み、
   前記複数のスリットが延びる方向は、前記偏光フィルタを通過した光の偏光方向に垂直である、撮像装置。
6. 請求項５に記載の撮像装置であって、さらに、
   前記光学フィルタに対して、光が入射する側に配置された第１レンズを備え、
   前記第１レンズに入射した光は、前記第１レンズを通過することにより、平面波になる、撮像装置。
7. 請求項６に記載の撮像装置であって、さらに、
   前記光学フィルタと前記受光部との間に配置された第２レンズを備え、
   前記第２レンズに入射した光は、前記第２レンズを通過することにより、前記受光部に向かって集光される、撮像装置。
8. 請求項５〜７の何れか１項に記載の撮像装置であって、さらに、
   被写体に向かって光を発する光源を備え、
   前記光源は、前記偏光フィルタにおける光の入射側に配置され、
   前記被写体は、前記偏光フィルタを通過した光が照射される位置に配置され、
   前記光学フィルタは、前記被写体に照射された光のうち、前記被写体によって反射された光が入射する位置に配置されている、撮像装置。
9. 請求項５〜８の何れか１項に記載の撮像装置であって、
   受光部は、
   第１受光部と、
   前記第１受光部の隣に配置される第２受光部とを備え、
   前記光学フィルタは、
   第１フィルタと、
   前記第１フィルタの隣に配置された第２フィルタとを含み、
   前記第１フィルタにおける前記複数のスリットが延びる方向は、前記第２フィルタにおける前記複数のスリットが延びる方向と異なっており、
   前記撮像装置は、さらに、
   前記第１受光部の検出値と、前記第２受光部の検出値との差分を演算する差分演算部と、
   前記差分演算部の演算結果を用いて、前記受光部が検出した光のスペクトル特性を演算するスペクトル特性演算部とを含む、撮像装置。

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