JP5964235B2 - スペクトル・イメージングシステム - Google Patents
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Description
ハイパースペクトル・イメージングとは、電磁スペクトルから情報を収集し処理するイメージングテクニックを意味する。人間の眼は可視光だけが見えるが、ハイパースペクトル・イメージングシステムは、可視光とともに紫外から赤外までの光が見える。ハイパースペクトルセンサは、http://en.wikipedia.org/wiki/Hyperspectral_imaging に記述しているように、電磁スペクトルのより大きな部分を用いて物体を観察する。
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、いろいろなディスクリート・コンポーネントで構成でき、例えば、到来する電磁スペクトルを受けるための光学サブシステムと、受けたスペクトル内で異なる帯域を生成する分光ユニットと、異なる帯域を検出するための画像センサアレイなどで構成される。光学サブシステムは、単一レンズまたは異なるレンズの組合せ、アパーチャ及び/又はスリットで構成できる。分光ユニットは、プリズム、グレーティング、光学フィルタ、音響光学チューナブルフィルタ、液晶チューナブルフィルタ等の1つ又はそれ以上、またはこれらの組合せで構成できる。
画像センサアレイと組み合わせた分光ユニットを有することが望ましい。この一体化コンポーネントは、光学サブシステムと組み合わせる必要があり、完全なハイパースペクトル・カメラシステムを形成する。こうしたハイパースペクトル・イメージングシステムは、コンパクトで、低コストでの製造が可能であり、再構成可能であることが必要である。ある態様では、プロセス技術態様が、システム集積化および画像処理技術と組み合わされ、集積回路製造プロセス要求を軽減する。幾つかの例では、光学センサアレイとモノリシックに一体化した分光ユニットを備えた集積回路を含み、画像センサアレイを形成しているハイパースペクトル・イメージングシステムが開示されている。
フィルタは、画像センサアレイの上部に後付けされ、各ステップが、画像センサアレイの単一または複数の行または列に沿って整列している。ウェッジの各ステップが、異なるスペクトル帯域をフィルタ除去する。その結果、センサおよびウェッジフィルタの組合せは、プッシュブルーム(push broom)のラインスキャナー方式またはハイブリッドのラインスキャナ/観察器方式のハイパースペクトル撮像装置において使用できる。ハイパースペクトルカメラシステムが、上記で規定したような画像センサアレイに後付けされた光学フィルタを備えることができ、該システムはさらに、対物レンズ及び/又はスリット及び/又はコリメータを備える。
ある画素の上方にあるフィルタ構造を出射したフォトンは、隙間を横断して、隣の画素に入射することがある。この影響は、画素へのフィルタの直接後付けによって、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。フィルタ自体の厚さの結果として、いくらかクロストークが存在することがある。1つの画素の上方にあるフィルタに入射したフォトンがフィルタを通過して、隣の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低減される。
屈折率が整合していない場合(下記の式(8)を参照)、特別な非機能層がその境界で特別な反射を引き起こし、従って、上述したクロストークに加えて特別な迷光になる。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をいろいろな入射角について減少させることによって、迷光が減少する。より小さな距離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)の範囲内である。これは、より巨視的な集積距離、例えば、1mm基板の場合でそうではない。この場合、進行した光の距離Dが数十から数百の画素に渡って及び、空間およびスペクトル分解能の重大な劣化をもたらす。幾つかの場合は、距離Dはとても大きくなることがあり、光を画素に再び集光するために、追加の集光レンズが必要になる。
さらに、前項で示したように、フォトダイオードの上部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。隙間とともに、ヘテロ集積化および空洞の下部ミラーのため、これは、実際のものと干渉する寄生ファブリペロを形成する。このプロセスは、モノリシック集積化とともに最適化できる。それは、撮像装置の誘電体層が下部ブラッグスタックの一部になり、類似の材料(例えば、酸化物)に製作され、これらの層の幅に対してあまり敏感でないためである。
画像センサの各画素は、1つの特定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。センサ上の異なる光学フィルタの編成は、その使用法に依存する。ラインセンサが、同じライン上にある各画素につき同じ波長選択性を要求しており、その場合、それをラインフィルタと称している。異なるタイプのフィルタが存在する。本開示で使用するタイプは、ファブリペロ干渉計である。
図2は、ファブリペロ波長選択を示す。図2(a)は、ファブリペロの動作原理であり、多重光線が反射し、光の波長、半ミラー間の距離lおよび入射角θに基づいて建設的干渉および相殺的干渉が生ずる。図2(b)は、より高次のものも選択されて、次数選択の問題が生ずる。フィルタ動作は、周知のファブリペロ原理に基づいており、各ステップの高さが、フィルタされるスペクトル帯域に調整される。各ステップが共振空洞を形成し、その共振周波数がステップの高さによって決定される。空洞の上部および下部において、半透明ミラーが光線を部分反射するように配置される。反射のため、光路差が導入され、その結果、図2(a)に示すように、建設的干渉および相殺的干渉が生ずる(到来する波長に依存して)。
反射面:空洞の両側にある反射面の設計および性能は、ファブリペロ光学フィルタの性能にとって重要である。高いフィネスを備え、良好なスペクトル分解能を持つファブリペロ光学フィルタは、高反射ミラーを用いることによって得られるだけである。ミラーの第2の重要なパラメータはこれらの吸収率であり、これはフィルタの効率を決定するからである。全範囲のファブリペロ光学フィルタをある波長範囲について構築する必要がある場合、これらの2つパラメータ(反射率と吸収率)がこのスペクトル範囲に渡って可能な限り一定のままであることが利益である。その場合、波長範囲は、ファブリペロフィルタの空洞長のみ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、選択した画像センサの感度と整合する必要があり、これはモジュールの第2コンポーネントである。
図6a〜図6bに示すようなウェッジフィルタが、ステップ状の構造からなる光学フィルタである。これらのステップは、高さが増加するように順序付けられ、この場合、単調なウェッジ状の構造を形成する。しかしながら、この順序は必須ではなく、即ち、非単調な構造も可能である。フィルタは、画像センサの上部に後付け、即ち、モノリシックに一体化され、各ステップが画像センサの複数の行または列の1つと整列している。ウェッジフィルタの各ステップが、異なるスペクトル帯域をフィルタ除去する。その結果、センサおよびウェッジフィルタの組合せは、プッシュブルーム(push broom)式、ラインスキャナ式またはハイブリッドラインスキャナ/観察器式のハイパースペクトル撮像装置に使用できる。
1Dまたは2Dのファブリペロフィルタを製造する方法が、階段のバイナリ(binary)または対数の構造を含むことができる。階段構造の素直な実施態様が、連続的なパターニングおよびエッチング工程を用いて、k個のステップを持つ階段を形成するには多数の処理工程を必要とするであろう。ここで、kは典型的には50より大きい。いわゆるバイナリまたは対数のパターニングを用いることによって、図5に示すように、必要な工程数はlog2kに低減できる。
ウェッジフィルタの寸法に対するプロセス技術の要求は極めて厳しいため、ステップ高さ、幅、配置、角の鋭さ、配向での変動が予想される。設計は、名目上の設計が、目標とする用途が要求するものより広い範囲の波長を目標とするようにし、これは、図12に示すように、ウェッジフィルタへの特別なステップの挿入に対応している。その結果、名目上の設計に対する製造高さの偏差が、有効なフィルタ範囲においてセンサ片側へのシフトを生じさせる。特別なステップの片側への挿入により、要求された波長範囲は、画素の異なる列を読み出すことによって回復できる(後生産の較正工程の後)。
よく管理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、画像センサを平坦化することが重要である。これは、堆積工程そして、全ての凹凸形状を除去するCMP(化学機械研磨)工程を用いて実施できる。これにより、後のプロセスが、正確なBEOL配置に依存しなくなる。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、ある程度は考慮できる。しかしながら、この層は、アクティブフィルタ構造の一部ではなく、適正な材料遷移(屈折率にとって重要)が正しく考慮されている限りは、フィルタ自体へ大きな影響がない。ファブリペロフィルタをこの平坦化層の上部に堆積した場合、変動がウエハ全体で充分にゆっくりである限りは(例えば、鋭いエッジがない)、この層の変動は上に伝達されることはない。CMPが、ナノメータのスケールでウエハ全体の平面性および変動を持つ表面を生成できると、この要求を満足できる。
ファブリペロフィルタのコンポーネントでの堆積厚さ、例えば、ブラッグスタックの層および空洞の厚さの変動が、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もたらすことになる。空洞の厚さに対する変動の影響は、全てのフィルタの厚さは、多かれ少なかれ等しい量だけ変化して、理論設計の左または右にスペクトル範囲のシフトを生じさせることである。設計したフィルタ場所に対して選択波長でのこの全体的シフトは、上でも下でも、その範囲を拡張することによって補償できる。所望のスペクトル範囲の両側で安全ゾーンをカバーする追加のフィルタ構造を追加することによって、空洞の堆積に対する許容誤差がカバーできる。例えば、空洞の堆積高さに対する全体変動が最大で20nmである場合、これは、追加すべき追加ステップ数に関係してくる。例えば、両者で5nmのスペクトル差では、空洞は、設計のものより10nm多くまたは少なくでき、最小の空洞長および最大の空洞長の両方で、2つの追加ステップを含む変更した範囲設計を導く。これは、必要なスペクトル帯域数、1つの帯域での空間ライン数、センサのサイズを組み合わせることによって、実際の設計と関連付けられる。これは、特別帯域の量および、堆積での最大許容変動を計算するために、入力として使用するセンサでの自由エリアを決定する。
ファブリペロフィルタの空洞材料の初期堆積の後、異なるフィルタの例、例えば、異なるラインフィルタがこの空洞材料をエッチングすることによって製作できる。得られたファブリペロフィルタは、これらの個々の異なる空洞高さによって規定されることになる。個々のラインフィルタの正確な波長応答は、ステップの最終高さが規定される種々のエッチング工程の目標高さおよび処理許容誤差に依存することになる。必要とされるエッチング工程の全体数を低減するために、バイナリマスクまたは対数マスクなどのテクニックが使用でき、これにより2n個の異なる空洞高さを製造するのに必要なエッチング工程は、n個だけになる。上述したように、ある目標の空洞長を規定するのに必要とされる異なるエッチング工程での累積変動は制限すべきであり、2つのステップ間の差(例えば、3nm)未満にする。しかしながら、この要求を引き伸ばすために、幾つかの設計トリックが適用できる。ここで、オーバーラップを導入することによって、この許容誤差が完全にカバーされるように光学フィルタを設計した場合、即ち、図13に示すように、マスクの幾つかの部分が同じ波長を含む場合、適正な波長が、較正およびソフトウエアプロセスを用いて割り当て可能である。
標準のICプロセス技術を用いた場合、画素当たり数ミクロンの寸法を持つ画素の行/列の上部におけるフィルタ構造のアライメントが、先行技術の可能性の範囲内である。従って、上部レベルでのアライメントはあまり重大ではない。前の段落で検討したように、ミスアライメントが生じた場合、単一のラインフィルタが複数列の画素をカバーできるため、有害な列は不能にできる。再び、これは同じトレードオフの一部である。
画像センサおよびフィルタ構造の両方からなるハイパースペクトルモジュールを設計する場合、コンポーネント間の最適化を行うことができる。提案したハイパースペクトルモジュールは、低コスト及び/又はコンパクトシステムを目標としているため、より低い品質の光学系が予想される。この状況で対処できる1つの影響が口径食(vignetting)である。口径食は、画像中心と比べて周辺での画像輝度の減少または飽和である。この影響が、波長に依存したファブリペロフィルタおよび画像センサの効率と結合した場合、波長依存の挙動を平坦化するために、それを増強する代わりに、両方の影響を共に最適化できる。口径食は、光強度を画像の中心から側方に向けて低下させるため、走査応用のための影響は2つの成分に分割できる。走査方向に対して垂直な強度減衰の影響は、照明によって補償でき、当業者に知られているように、いわゆる照明プロファイルの使用によるものである。
1.目標とする波長範囲の選択
2.その範囲について画像センサの選択
3.目標とするスペクトルサンプリング(スペクトル分解能)の選択
4.異なるファブリペロラインフィルタの設計
5.画像センタ上でのこれらのファブリペロラインフィルタの順序付け
順序除去のために、追加のフィルタの使用を回避する。順序除去のために、画像処理を使用する。
このサブセクションは、提案したフィルタモジュールを、純粋なライン走査ハイパースペクトルカメラとして使用する可能性のある光学システム設定を説明する。この設定では、単一ラインの全ての波長が同じ時間で収集される。図1に示すように、ハイパースペクトル画像立方体は、場面をラインごとに走査して構築される。画像形成用の対物レンズが用いられ、この画像から単一ラインを選択するためのスリット。コリメータは、光学フィルタまたは撮像装置への光線の入射角を制御(最小化)するために使用される。コリメータの出力では、光線はほぼ平行である。光軸上にあるスリットの良好に選択された場所、およびスリットの極めて小さなサイズのため、これらの光線は、光軸に対して平行である。コリメータは、平凸レンズで、回転対称レンズではない。そのコリメート機能は、図示した断面の方向に限定される。その垂直な方向、スリットの方向では、コリメートの効果はない。その結果、スリットによって選択された画像ラインは、光学フィルタに対して垂直な入射角で、センタ全体に渡って複製される。その結果、そのライン内の光のエネルギーは、センタ全体に渡って広がる。光軸の上方または下方にある画像ラインに由来する光線が(例えば、スリットを広げることによって)、コリメート後に平行になるが、光軸と平行にならない。従って、コリメータを用いたシステムのスペクトル分解能は、対物レンズのf/#から独立しているが、スリットサイズに依存することになる。
代替のシステム設定がスリットを有しておらず、全ての画像フレームをセンサに投射する。図31に示すように、対物レンズ82および集積回路5が存在する。検知した画像は、物体での全ての空間情報を表することになるが、センサ上の異なるラインは異なるスペクトル帯域に対して感度があり、画像内の異なるラインは異なるスペクトル帯域からの情報を含んでいる。あるラインについて全てのスペクトル帯域を収集することは、センサ上でそのラインを走査し、続いて、異なるフレームからの同じ空間ラインに対応した全てのスペクトル情報を1つのハイパースペクトル画像立方体に組み合わせることによって行われる。
図23は、異なる厚さの光学フィルタ10の下方に、光学センサ40をグループ20ごとに有する集積回路を示す。読み出し回路30が、各グループについて出力回路A,Bを有し(明確化のため、1つのグループについて出力回路を図示している)、種々のスペクトル帯域を有する画像が出力可能である(マルチ波長画像)。各グループでは、光学センサの幾つかが出力回路Aと接続され、他方が出力回路Bと接続される。当然ながら、これより多くてもよい。ある場合は、センサ当たり1つの出力回路が存在して、読み出しの際、より完全な並列処理を提供してもよい。これにより、1つのグループについて光学センサを並列で読み出し可能になって、より高速に読み出され、またはより大きなグループが所定の時間で読み出し可能になる。グループは、ラインでもよく、または他の形状でもよい。並列出力が並列で出力でき、あるいは、集積回路を出る前にマルチプレクスしてもよい。各出力回路ごとの光学センサは、他の出力回路のものとインターリーブしてもよく、あるいは、例えば、ラインの連結(concatenated)セクションでもよい。
図24は、異なる厚さの光学フィルタ10の下方に、光学センサ40をグループ20ごとに有する集積回路を示す。読み出し回路30が、種々のスペクトル帯域を有する画像が出力可能なように設けられる(マルチ波長画像)。この場合、厚さは、アレイを横断して増加し減少するように変化しており、単調に変化していない。
図27は、異なる厚さの光学フィルタ10の下方に、光学センサ40をグループ20ごとに有する他の実施形態に係る集積回路を示す。読み出し回路30が、異なる光学フィルタ(2つ又はそれ以上のこうしたフィルタの集団)について出力回路C,Dと、これらの出力回路のいずれかを選択しまたはこれらの間で補間するように配置された波長セレクタ50とを有し、種々のスペクトル帯域を有する画像が出力可能である(マルチ波長画像)。これによりスペクトルサンプリングまたはスペクトル補間が可能になり、光学フィルタの厚さのより大きな許容誤差を可能にする。幾つかの光学フィルタが2つの集団に属するように、集団が互いに有効にオーバーラップしている場合、波長セレクタは、必ずしもサブサンプリングなしで、波長を有効にシフトするように制御可能である。
集積回路は、集積回路全体にストリップとしてのレイアウトを有する各々の光学フィルタを有することができ、光学フィルタの個々の1つについてセンサのグループは、対応するストリップとして延びるレイアウトを有する。センサのグループは、ストリップのレイアウトに対応した、2つ又はそれ以上のラインのセンサとして構成されたレイアウトを有することができ、センサの各ラインが出力回路の異なる1つと接続される。
*ライン走査撮像装置では、良好なスペクトル分解能が、典型的にはスリットおよびコリメートレンズの組合せ使用によって得られる。これらの部品を排除することは、減少したスペクトル分解能を生じさせる。本来、スリットおよびコリメートレンズは、センサ上での光の入射角を制御するものであり、これは、多くの波長セレクタでは、重要なパラメータである。スペクトル分解能は、センサ上での光の入射角の関数として変化することが知られている。しかしながら、スリットの排除は、光学スループットを増加させ、システムの速度を増加させる。
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、ハードウエア形態のロジックにより、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)を用いてソフトウエアで実施してもよい。
ソフトウエアプログラムを、内部ROM(リードオンリーメモリ)及び/又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が、必要ならば、アドレスバス、データバスおよび制御バスを持つ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が、プロセッサ上で実行するソフトウエアとして実装してもよい。特に、本発明に係る特定の画像処理は、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でコンピュータプログラムとして記述し、そして、埋込み設計での特定プロセッサ向けにコンパイルしてもよい。例えば、ソフトウエアは、Cで記述してもよく、そして公知のコンパイラおよび公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をいずれか適切な機械読取可能な媒体、例えば、磁気ディスク、ディスケット、固体メモリ、テープメモリ、CR−ROMやDVD−ROMなどの光ディスクなどに保存してもよい。他の変形例が請求項の範囲内で想定できる。
Claims (8)
- イメージングシステム用の集積回路と、
画像を表す画素値を受信するように接続され、受信した画像の画像処理したバージョンを出力する外部の画像処理部と、を備えたイメージングシステムであって、
集積回路は、
光学センサアレイと、ある波長帯域を1つ又はそれ以上の光学センサに向けて通過させるようにそれぞれ構成された光学フィルタアレイとを有し、
光学フィルタアレイは、光学センサアレイとモノリシックに一体化しており、
集積回路は、光学センサアレイから画素値を読み出して画像を表現する読み出し回路を有し、
光学フィルタの異なるものが異なる厚さを有するように構成され、干渉を用いて異なる波長帯域を通過させて、波長スペクトルの検出を可能にし、
光学センサの少なくとも幾つかが、光学フィルタの同じものの下方にグループで配置されており、
当該グループについての読み出し回路は、当該グループのセンサの異なるものとそれぞれ接続された2つ又はそれ以上の出力回路を備え、当該グループの複数の画素が出力回路から並列で読み出し可能であり、
イメージングシステムは、波長選択または波長組合せ画像処理機能を適用して、画像立方体をスペクトル次元でシフトするように構成され、
イメージングシステムは、光学フィルタアレイでの場所に従って、スペクトルシフト量を変化させるように構成され、
場所に従うスペクトルシフト量の変化は、a)異なる場所での光学フィルタ厚さの製造変動、b)光学フィルタを通る光学経路の入射角の変動による歪み、c)より高い次数の除去、d)他の光学コンポーネントからの歪み、のうちのいずれか1つ又はそれ以上を補償するのに適している、イメージングシステム。 - 光学フィルタの各々は、集積回路を横断するストリップとしてのレイアウトを有し、
光学フィルタの個々についてのセンサのグループは、対応するストリップとして延びるレイアウトを有する請求項1記載のイメージングシステム。 - センサのグループは、ストリップのレイアウトに対応する2つ又はそれ以上のラインのセンサとして構成されたレイアウトを有し、
センサのラインの各々は、出力回路の異なるものと接続されている請求項1または2記載のイメージングシステム。 - 読み出し回路は、異なる光学フィルタの対応する画素の読み出し信号の間で選択しまたは組み合わせて、特定の波長に対応した出力に同調する波長セレクタを有する請求項1〜3のいずれかに記載のイメージングシステム。
- イメージングシステムは、集積回路および撮像物体の相対運動によって、物体の画像立方体を生成し保存するように構成され、画像立方体はx,y空間次元とスペクトル次元を有するものである請求項1記載のイメージングシステム。
- イメージングシステムは、波長選択または波長組合せ画像処理機能を適用して、画像立方体をスペクトル次元でサブサンプリングするように構成される請求項1または5記載のイメージングシステム。
- イメージングシステムは、対物レンズ、スリット、コリメータのいずれか1つ又はそれ以上を、光学フィルタアレイに導く光学経路に有する請求項1、5、6のいずれかに記載のイメージングシステム。
- 光学フィルタの少なくとも幾つかは、より高い次数の干渉を区別するのに適した厚さを有し、
画像プロセッサは、これらの光学フィルタによって区別されるより高い次数の干渉の量に従って、画像表現の残余においてより高い次数の干渉効果を補償するように構成される請求項1、5〜7のいずれかに記載のイメージングシステム。
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