JP7213456B2 - 光検出装置、光検出システム、およびフィルタアレイ - Google Patents

Description

本開示は、光検出装置、光検出システム、およびフィルタアレイに関する。

各々が狭帯域である多数のバンド、例えば数十バンドのスペクトル情報を活用することにより、従来のＲＧＢ画像では不可能であった対象物の詳細な物性を把握することができる。このような多波長の情報を取得するカメラは、「ハイパースペクトルカメラ」と呼ばれる。例えば、特許文献１から５に開示されているように、ハイパースペクトルカメラは、食品検査、生体検査、医薬品開発、および鉱物の成分分析などの様々な分野で利用されている。

米国特許出願公開第２０１６／１３８９７５号明細書 米国特許第７９０７３４０号明細書 米国特許第９９２９２０６号明細書 特表２０１３－５１２４４５号公報 特表２０１５－５０１４３２号公報

本開示は、ハイパースペクトルカメラの波長分解能を向上させることができる新規な光検出装置を提供する。

本開示の一態様に係る光検出装置は、２次元に配列された複数のフィルタを含むフィルタアレイであって、前記複数のフィルタは、第１フィルタおよび第２フィルタを含み、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの各々が、第１反射層、第２反射層、および前記第１反射層と前記第２反射層との間の中間層を含み、かつ互いに次数の異なる複数の共振モードを有する共振構造を有し、前記第１フィルタの前記中間層の屈折率および厚さからなる群から選択される少なくとも１つは、前記第２フィルタの前記中間層の屈折率および厚さからなる群から選択される前記少なくとも１つと異なる、フィルタアレイと、前記第１フィルタを透過した光を受ける位置に配置された第１光検出素子および前記第２フィルタを透過した光を受ける位置に配置された第２光検出素子を含むイメージセンサと、を備える。前記第１反射層は、各々が第１の屈折率を有する複数の第１誘電体層と、各々が前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する複数の第２誘電体層と、を含む。前記第１反射層において、前記複数の第１誘電体層と前記複数の第２誘電体層とが交互に位置している。前記複数の第１誘電体層の少なくとも２つは、互いに異なる厚さを有し、前記複数の第２誘電体層の少なくとも２つは、互いに異なる厚さを有する。前記第２反射層は、各々が第３の屈折率を有する複数の第３誘電体層と、各々が前記第３の屈折率よりも高い第４の屈折率を有する複数の第４誘電体層と、を含む。前記第２反射層において、前記複数の第３誘電体層と前記複数の第４誘電体層とが交互に位置している。前記複数の第３誘電体層の少なくとも２つは、互いに異なる厚さを有し、前記複数の第４誘電体層の少なくとも２つは、互いに異なる厚さを有する。

本開示によれば、ハイパースペクトルカメラの波長分解能を向上させることができる。

図１は、例示的な実施形態における光検出システムを模式的に示す図である。 図２Ａは、フィルタアレイの例を模式的に示す図である。 図２Ｂは、対象波長域に含まれる複数の波長域のそれぞれの光の透過率の空間分布の一例を示す図である。 図２Ｃは、図２Ａに示すフィルタアレイの複数の領域に含まれる２つの領域の一方の透過スペクトルの例を示す図である。 図２Ｄは、図２Ａに示すフィルタアレイの複数の領域に含まれる２つの領域の他方の透過スペクトルの例を示す図である。 図３Ａは、対象波長域と、それに含まれる複数の波長域との関係を説明するための図である。 図３Ｂは、対象波長域と、それに含まれる複数の波長域との関係を説明するための図である。 図４Ａは、フィルタアレイのある領域における透過スペクトルの特性を説明するための図である。 図４Ｂは、図４Ａに示す透過スペクトルを、波長域ごとに平均化した結果を示す図である。 図５は、例示的な実施形態における光検出装置を模式的に示す断面図である。 図６は、各画素での透過スペクトルの例を模式的に示す図である。 図７Ａは、一般的な誘電体多層膜を含むファブリ・ペローフィルタの例を模式的に示す図である。 図７Ｂは、図７Ａに示すファブリ・ペローフィルタの透過スペクトルを示す図である。 図８Ａは、基板上の、複数のペア層の厚さが線形に変調された誘電体多層膜を含むファブリ・ペローフィルタの例を模式的に示す図である。 図８Ｂは、図８Ａに示すファブリ・ペローフィルタの透過スペクトルを示す図である。 図９Ａは、複数のペア層の厚さが非線形に変調された誘電体多層膜を含むファブリ・ペローフィルタの例を模式的に示す図である。 図９Ｂは、図９Ａに示すファブリ・ペローフィルタの透過スペクトルを示す図である。 図１０Ａは、複数のペア層の厚さが非線形に変調された誘電体多層膜を含むファブリ・ペローフィルタの第１の例を模式的に示す図である。 図１０Ｂは、複数のペア層の厚さが非線形に変調された誘電体多層膜を含むファブリ・ペローフィルタの第２の例を模式的に示す図である。 図１０Ｃは、複数のペア層の厚さが非線形に変調された誘電体多層膜を含むファブリ・ペローフィルタの第３の例を模式的に示す図である。 図１０Ｄは、複数のペア層の厚さが非線形に変調された誘電体多層膜を含むファブリ・ペローフィルタの第４の例を模式的に示す図である。 図１１Ａは、図１０Ａに示すファブリ・ペローフィルタの透過スペクトルを示す図である。 図１１Ｂは、図１０Ｂに示すファブリ・ペローフィルタの透過スペクトルを示す図である。 図１１Ｃは、図１０Ｃに示すファブリ・ペローフィルタの透過スペクトルを示す図である。 図１１Ｄは、図１０Ｄに示すファブリ・ペローフィルタの透過スペクトルを示す図である。 図１２Ａは、図５に示す光検出装置の第１の変形例を模式的に示す図である。 図１２Ｂは、図５に示す光検出装置の第２の変形例を模式的に示す図である。 図１２Ｃは、図５に示す光検出装置の第３の変形例を模式的に示す図である。 図１２Ｄは、図５に示す光検出装置の第４の変形例を模式的に示す図である。 図１２Ｅは、図５に示す光検出装置の第５の変形例を模式的に示す図である。 図１２Ｆは、図５に示す光検出装置の第６の変形例を模式的に示す図である。

本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

特許文献１は、高い解像度の多波長画像を取得することが可能な撮像装置を開示している。当該撮像装置では、対象物からの光の像が、「符号化素子」と称される光学素子によって符号化されて撮像される。符号化素子は、２次元に配列された複数の領域を有する。当該複数の領域のうちの少なくとも２つの領域の各々の透過スペクトルは、複数の波長域において、それぞれ透過率の極大値を有する。複数の領域は、例えばイメージセンサの複数の画素にそれぞれ対応して配置される。当該符号化素子を用いた撮像では、各画素のデータは、複数の波長域の情報を含む。すなわち、生成される画像データは、波長情報が圧縮されたデータである。したがって、２次元データを保有するだけで済み、データ量を抑えることができる。例えば、記録媒体の容量に制約がある場合であっても、長時間の動画像のデータを取得することが可能になる。

符号化素子は、様々な方法を用いて製造され得る。例えば、顔料または染料などの有機材料を用いた方法が考えられる。この場合、符号化素子の複数の領域は、異なる光透過特性を有する光吸収材料によって形成される。そのような構造では、配置する光吸収材料の種類の数に応じて製造工程数が増える。このため、有機材料を用いた符号化素子の作製は容易ではない。

一方、特許文献２から特許文献５は、互いに異なる透過スペクトルを有する複数のファブリ・ペローフィルタを備える装置を開示している。ファブリ・ペローフィルタは、有機材料から形成されたフィルタよりも容易に作製することができる。しかし、特許文献２から特許文献５に開示された例のいずれにおいても、各画素のデータは、単一の波長域の情報しか含まない。このため、空間分解能が犠牲になる。

本発明者らは、以上の検討に基づき、以下の項目に記載の光検出装置、光検出システム、およびフィルタアレイに想到した。

（第１の項目）
第１の項目に係る光検出装置は、２次元に配列された複数のフィルタを含むフィルタアレイであって、前記複数のフィルタは、第１フィルタおよび第２フィルタを含み、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの各々が、第１反射層、第２反射層、および前記第１反射層と前記第２反射層との間の中間層を含み、かつ互いに次数の異なる複数の共振モードを有する共振構造を有し、前記第１フィルタの前記中間層の屈折率および厚さからなる群から選択される少なくとも１つは、前記第２フィルタの前記中間層の屈折率および厚さからなる群から選択される前記少なくとも１つと異なる、フィルタアレイと、前記第１フィルタを透過した光を受ける位置に配置された第１光検出素子および前記第２フィルタを透過した光を受ける位置に配置された第２光検出素子を含むイメージセンサと、を備える。前記第１反射層は、各々が第１の屈折率を有する複数の第１誘電体層と、各々が前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する複数の第２誘電体層と、を含む。前記第１反射層において、前記複数の第１誘電体層と前記複数の第２誘電体層とが交互に位置している。前記複数の第１誘電体層の少なくとも２つは、互いに異なる厚さを有し、前記複数の第２誘電体層の少なくとも２つは、互いに異なる厚さを有する。前記第２反射層は、各々が第３の屈折率を有する複数の第３誘電体層と、各々が前記第３の屈折率よりも高い第４の屈折率を有する複数の第４誘電体層と、を含む。前記第２反射層において、前記複数の第３誘電体層と前記複数の第４誘電体層とが交互に位置している。前記複数の第３誘電体層の少なくとも２つは、互いに異なる厚さを有し、前記複数の第４誘電体層の少なくとも２つは、互いに異なる厚さを有する。

この光検出装置では、上記のフィルタアレイにより、透過スペクトルの複数の波長域にそれぞれ含まれる複数のピークの線幅の不均一さおよびピーク間隔の不均一さの少なくとも一方が抑制される。これにより、イメージセンサによって検出される各波長域における光量の均一性を向上させることができる。その結果、光検出装置の波長分解能を向上させることができる。

（第２の項目）
第１の項目に係る光検出装置において、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの各々の透過スペクトルは、ある波長域に含まれる複数の波長の各々において透過率の極大値を有し、前記複数の波長は前記複数の共振モードにそれぞれ対応し、前記第１光検出素子および前記第２光検出素子の各々は、前記波長域の光に感度を有していてもよい。

この光検出装置では、透過スペクトルのある波長域に含まれる複数のピークにより、多波長画像を取得することができる。

（第３の項目）
第１または第２の項目に係る光検出装置において、前記複数の第１誘電体層の各々の光学長が、前記複数の第２誘電体層のうち、前記複数の第１誘電体層の各々に隣り合う第２誘電体層の光学長に等しく、前記複数の第３誘電体層の各々の光学長が、前記複数の第４誘電体層のうち、前記複数の第３誘電体層の各々に隣り合う第４誘電体層の光学長に等しくてもよい。

この光検出装置では、上記の光学長に対応する波長の光が、第１反射層および第２反射層によって反射される。これにより、複数のピークの線幅の不均一さおよびピーク間隔の不均一さの少なくとも一方が抑制される。

（第４の項目）
第１から第３の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記第１反射層の少なくとも一部において、前記複数の第１誘電体層の各々の厚さ、および前記複数の第２誘電体層の各々の厚さが、前記中間層から離れる第１の方向に沿って漸減または漸増し、前記第２反射層の少なくとも一部において、前記複数の第３誘電体層の各々の厚さ、および前記複数の第４誘電体層の各々の厚さが、前記第１の方向とは反対の第２の方向に沿って漸減または漸増してもよい。

この光検出装置では、第１および第２誘電体層の厚さが漸減した場合に複数のピークの線幅の不均一さがさらに抑制され、第１および第２誘電体層の厚さが漸増した場合にピーク間隔の不均一さがが、さらに抑制される。

（第５の項目）
第４の項目に係る光検出装置において、前記複数の第１誘電体層は、第１膜厚を有する第１誘電体層と、各々が前記第１膜厚よりも大きなまたは小さな第２膜厚を有する２つの第１誘電体層と、を含み、前記２つの第１誘電体層は、前記複数の第２誘電体層のうちの１つの第２誘電体層を挟んで、連続して配置され、前記複数の第３誘電体層は、第３膜厚を有する第３誘電体層と、各々が前記第３膜厚よりも大きなまたは小さな第４膜厚を有する２つの第３誘電体層と、を含み、前記２つの第３誘電体層は、前記複数の第４誘電体層のうちの１つの第４誘電体層を挟んで、連続して配置されていてもよい。

この光検出装置では、第１膜厚よりも第２膜厚が大きく、第３膜厚よりも第４膜厚が大きい場合に複数のピークの線幅の不均一さが、第１膜厚よりも第２膜厚が小さく、第３膜厚よりも第４膜厚が小さい場合に複数のピークの間隔の不均一さが、さらに抑制される。

（第６の項目）
第１から第５の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記第１の屈折率が、前記第３の屈折率に等しく、前記第２の屈折率が、前記第４の屈折率に等しくてもよい。

この光検出装置では、第１から第５の項目のいずれかに係る光検出装置と同様の効果を得ることができる。

（第７の項目）
第１から第６の項目のいずれかに係る光検出装置において、前記中間層が、シリコン、シリコン窒化物、チタン酸化物、ニオブ酸化物、およびタンタル酸化物からなる群から選択される少なくとも１つを含んでいてもよい。

この光検出装置では、第１から第６の項目のいずれかに係る光検出装置と同様の効果を得ることができる。

（第８の項目）
第８の項目に係る光検出システムは、第２の項目に係る光検出装置と、信号処理回路と、を備える。前記信号処理回路は、前記第１光検出素子からの信号および前記第２光検出素子からの信号に基づいて、前記複数の波長の情報を含む画像データを生成する。

この光検出システムでは、多波長情報を含む画像データを生成することができる。

（第９の項目）
第９の項目に係るフィルタアレイは、２次元に配列された複数のフィルタを備え、前記複数のフィルタは、第１フィルタおよび第２フィルタを含み、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの各々が、第１反射層、第２反射層、および前記第１反射層と前記第２反射層との間の中間層を含み、かつ互いに次数の異なる複数の共振モードを有する共振構造を有し、前記第１フィルタの前記中間層の屈折率および厚さからなる群から選択される少なくとも１つは、前記第２フィルタの前記中間層の屈折率および厚さからなる群から選択される前記少なくとも１つと異なり、第１から第７の項目のいずれかに係る光検出装置に用いられる。

このフィルタアレイでは、透過スペクトルの複数の波長域にそれぞれ含まれる複数のピークの線幅の不均一さおよびピーク間隔の不均一さの少なくとも一方が抑制される。

本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。

さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または動作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。

以下、図面を参照しながら、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。

（実施形態）
＜光検出システム＞
最初に、本実施形態における光検出システムを説明する。

図１は、例示的な実施形態における光検出システム４００を模式的に示す図である。光検出システム４００は、光学系４０と、フィルタアレイ１００Ｃと、イメージセンサ６０と、信号処理回路２００とを備える。フィルタアレイ１００Ｃは、特許文献１に開示されている「符号化素子」と同様の機能を有する。このため、フィルタアレイ１００Ｃを、「符号化素子」と称することもできる。光学系４０、およびフィルタアレイ１００Ｃは、対象物７０から入射する光の光路に配置されている。

フィルタアレイ１００Ｃは、行および列状に配列された透光性の複数の領域を備える。フィルタアレイ１００Ｃは、光の透過スペクトル、すなわち光透過率の波長依存性が領域によって異なる光学素子である。フィルタアレイ１００Ｃは、入射した光の強度を変調させて通過させる。フィルタアレイ１００Ｃは、イメージセンサ６０の近傍または直上に配置され得る。ここで「近傍」とは、光学系４０からの光の像がある程度鮮明な状態でフィルタアレイ１００Ｃの面上に形成される程度に近接していることを意味する。「直上」とは、ほとんど隙間が生じない程両者が近接していることを意味する。フィルタアレイ１００Ｃおよびイメージセンサ６０は一体化されていてもよい。フィルタアレイ１００Ｃおよびイメージセンサ６０を備える装置を、「光検出装置３００」と称する。

光学系４０は、少なくとも１つのレンズを含む。図１では、１つのレンズとして示されているが、光学系４０は複数のレンズの組み合わせによって構成されていてもよい。光学系４０は、フィルタアレイ１００Ｃを介して、イメージセンサ６０の撮像面上に像を形成する。

信号処理回路２００は、イメージセンサ６０によって取得された画像１２０に基づいて、多波長の情報を含む複数の分離画像２２０を再構成する。複数の分離画像２２０、および信号処理回路２００の画像信号の処理方法の詳細については、後述する。なお、信号処理回路２００は、光検出装置３００に組み込まれていてもよいし、光検出装置３００に有線または無線によって電気的に接続された信号処理装置の構成要素であってもよい。

＜フィルタアレイ＞
以下に、本実施形態におけるフィルタアレイ１００Ｃを説明する。フィルタアレイ１００Ｃは、撮像対象の波長域に含まれる複数の波長域ごとの画像を生成する分光システムにおいて用いられる。本明細書において、撮像対象の波長域を、「対象波長域」と称することがある。フィルタアレイ１００Ｃは、対象物から入射する光の光路に配置され、入射光の強度を波長ごとに変調して出力する。フィルタアレイすなわち符号化素子によるこの過程を、本明細書では「符号化」と称する。

図２Ａは、フィルタアレイ１００Ｃの例を模式的に示す図である。フィルタアレイ１００Ｃは、２次元に配列された複数の領域を有する。本明細書では、当該領域を、「セル」と称することがある。各領域には、個別に設定された透過スペクトルを有するフィルタが配置されている。透過スペクトルは、入射光の波長をλとして、関数Ｔ（λ）で表される。透過スペクトルＴ（λ）は、０以上１以下の値を取り得る。フィルタの構成の詳細については、後述する。

図２Ａに示す例では、フィルタアレイ１００Ｃは、６行８列に配列された４８個の矩形領域を有している。これはあくまで例示であり、実際の用途では、これよりも多くの領域が設けられ得る。その数は、例えばイメージセンサなどの一般的な光検出器の画素数と同程度であり得る。当該画素数は、例えば数十万から数千万である。ある例では、フィルタアレイ１００Ｃは、光検出器の直上に配置され、各領域が光検出器の１つの画素に対応するように配置され得る。各領域は、例えば、光検出器の１つの画素に対向する。

図２Ｂは、対象波長域に含まれる複数の波長域Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗｉのそれぞれの光の透過率の空間分布の一例を示す図である。図２Ｂに示す例では、各領域の濃淡の違いは、透過率の違いを表している。淡い領域ほど透過率が高く、濃い領域ほど透過率が低い。図２Ｂに示すように、波長域によって光透過率の空間分布が異なっている。

図２Ｃおよび図２Ｄは、それぞれ、図２Ａに示すフィルタアレイ１００Ｃの複数の領域に含まれる領域Ａ１および領域Ａ２の透過スペクトルの例を示す図である。領域Ａ１の透過スペクトルと領域Ａ２の透過スペクトルとは、互いに異なっている。このように、フィルタアレイ１００Ｃの透過スペクトルは、領域によって異なる。ただし、必ずしもすべての領域の透過スペクトルが異なっている必要はない。フィルタアレイ１００Ｃでは、複数の領域の少なくとも一部の領域の透過スペクトルが互いに異なっている。当該少なくとも一部の領域は、２以上の領域である。すなわち、フィルタアレイ１００Ｃは、透過スペクトルが互いに異なる２つ以上のフィルタを含む。ある例では、フィルタアレイ１００Ｃに含まれる複数の領域の透過スペクトルのパターンの数は、対象波長域に含まれる波長域の数ｉと同じか、それ以上であり得る。フィルタアレイ１００Ｃは、半数以上の領域の透過スペクトルが異なるように設計されていてもよい。

図３Ａおよび図３Ｂは、対象波長域Ｗと、それに含まれる複数の波長域Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗｉとの関係を説明するための図である。対象波長域Ｗは、用途によって様々な範囲に設定され得る。対象波長域Ｗは、例えば、約４００ｎｍから約７００ｎｍの可視光の波長域、約７００ｎｍから約２５００ｎｍの近赤外線の波長域、約１０ｎｍから約４００ｎｍの近紫外線の波長域、その他、中赤外、遠赤外、テラヘルツ波、またはミリ波などの電波域であり得る。このように、使用される波長域は可視光域とは限らない。本明細書では、可視光に限らず、近紫外線、近赤外線、および電波などの非可視光も便宜上「光」と称する。

図３Ａに示す例では、ｉを４以上の任意の整数として、対象波長域Ｗをｉ等分したそれぞれを波長域Ｗ１、波長域Ｗ２、・・・、波長域Ｗｉとしている。ただしこのような例に限定されない。対象波長域Ｗに含まれる複数の波長域は任意に設定してもよい。例えば、波長域によって帯域幅を不均一にしてもよい。隣接する波長域の間にギャップがあってもよい。図３Ｂに示す例では、波長域によって帯域幅が異なり、かつ、隣接する２つの波長域の間にギャップがある。このように、複数の波長域は、互いに異なっていればよく、その決め方は任意である。波長の分割数ｉは３以下でもよい。

図４Ａは、フィルタアレイ１００Ｃのある領域における透過スペクトルの特性を説明するための図である。図４Ａに示す例では、透過スペクトルは、対象波長域Ｗ内の波長に関して、複数の極大値Ｐ１から極大値Ｐ５、および複数の極小値を有する。図４Ａに示す例では、対象波長域Ｗ内での光透過率の最大値が１、最小値が０となるように正規化されている。図４Ａに示す例では、波長域Ｗ２、および波長域Ｗｉ－１などの波長域において、透過スペクトルが極大値を有している。このように、本実施形態では、各領域の透過スペクトルは、複数の波長域Ｗ１から波長域Ｗｉのうち、少なくとも２つの複数の波長域において極大値を有する。図４Ａからわかるように、極大値Ｐ１、極大値Ｐ３、極大値Ｐ４、および極大値Ｐ５は０．５以上である。

以上のように、各領域の光透過率は、波長によって異なる。したがって、フィルタアレイ１００Ｃは、入射する光のうち、ある波長域の成分を多く透過させ、他の波長域の成分をそれほど透過させない。例えば、ｉ個の波長域のうちのｋ個の波長域の光については、透過率が０．５よりも大きく、残りのｉ－ｋ個の波長域の光については、透過率が０．５未満であり得る。ｋは、２≦ｋ＜ｉを満たす整数である。仮に入射光が、すべての可視光の波長成分を均等に含む白色光であった場合には、フィルタアレイ１００Ｃは、入射光を領域ごとに、波長に関して離散的な複数の強度のピークを有する光に変調し、これらの多波長の光を重畳して出力する。

図４Ｂは、一例として、図４Ａに示す透過スペクトルを、波長域Ｗ１、波長域Ｗ２、・・・、波長域Ｗｉごとに平均化した結果を示す図である。平均化された透過率は、透過スペクトルＴ（λ）を波長域ごとに積分してその波長域の帯域幅で除算することによって得られる。本明細書では、このように波長域ごとに平均化した透過率の値を、その波長域における透過率と称する。この例では、極大値Ｐ１、極大値Ｐ３、および極大値Ｐ５をとる３つの波長域において、透過率が突出して高くなっている。特に、極大値Ｐ３、および極大値Ｐ５をとる２つの波長域において、透過率が０．８を超えている。

各領域の透過スペクトルの波長方向の分解能は、所望の波長域の帯域幅程度に設定され得る。言い換えれば、透過スペクトル曲線における１つの極大値を含む波長範囲のうち、当該極大値に最も近接する極小値と当該極大値との平均値以上の値をとる範囲の幅は、所望の波長域の帯域幅程度に設定され得る。この場合、透過スペクトルを、例えばフーリエ変換によって周波数成分に分解すれば、その波長域に相当する周波数成分の値が相対的に大きくなる。

フィルタアレイ１００Ｃは、典型的には、図２Ａに示すように、格子状に区分けされた複数のセルに分割される。これらのセルが、互いに異なる透過スペクトルを有する。フィルタアレイ１００Ｃでの各領域の光透過率の波長分布および空間分布は、例えばランダム分布または準ランダム分布であり得る。

ランダム分布および準ランダム分布の考え方は次の通りである。まず、フィルタアレイ１００Ｃにおける各領域は、光透過率に応じて、例えば０から１の値を有するベクトル要素と考えることができる。ここで、透過率が０の場合、ベクトル要素の値は０であり、透過率が１の場合、ベクトル要素の値は１である。言い換えると、行方向または列方向に一列に並んだ領域の集合を０から１の値を有する多次元のベクトルと考えることができる。したがって、フィルタアレイ１００Ｃは、多次元ベクトルを列方向または行方向に複数備えていると言える。このとき、ランダム分布とは、任意の２つの多次元ベクトルが独立である、すなわち平行でないことを意味する。また、準ランダム分布とは、一部の多次元ベクトル間で独立でない構成が含まれることを意味する。したがって、ランダム分布および準ランダム分布においては、複数の領域に含まれる１つの行または列に並んだ領域の集合に属する各領域での第１の波長域の光の透過率の値を要素とするベクトルと、他の行または列に並んだ領域の集合に属する各領域における第１の波長域の光の透過率の値を要素とするベクトルとは、互いに独立である。第１の波長域とは異なる第２の波長域についても同様に、複数の領域に含まれる１つの行または列に並んだ領域の集合に属する各領域における第２の波長域の光の透過率の値を要素とするベクトルと、他の行または列に並んだ領域の集合に属する各領域における第２の波長域の光の透過率の値を要素とするベクトルとは、互いに独立である。

フィルタアレイ１００Ｃをイメージセンサ６０の近傍あるいは直上に配置する場合、フィルタアレイ１００Ｃでの複数の領域の相互の間隔であるセルピッチは、イメージセンサ６０の画素ピッチと略一致させてもよい。このようにすれば、フィルタアレイ１００Ｃから出射した符号化された光の像の解像度が画素の解像度と略一致する。各セルを透過した光が対応する１つの画素にのみ入射するようにすることにより、後述する演算を容易にすることができる。フィルタアレイ１００Ｃをイメージセンサ６０から離して配置する場合には、その距離に応じてセルピッチを細かくしてもよい。

図２Ａから図２Ｄに示す例では、各領域の透過率が０以上１以下の任意の値をとり得るグレースケールの透過率分布を想定した。しかし、必ずしもグレースケールの透過率分布にする必要はない。例えば、各領域の透過率が略０または略１のいずれかの値を取り得るバイナリ－スケールの透過率分布を採用してもよい。バイナリ－スケールの透過率分布では、各領域は、対象波長域に含まれる複数の波長域のうちの少なくとも２つの波長域の光の大部分を透過させ、残りの波長域の光の大部分を透過させない。ここで「大部分」とは、概ね８０％以上を指す。

全セルのうちの一部、例えば半分のセルを、透明領域に置き換えてもよい。そのような透明領域は、対象波長域に含まれるすべての波長域Ｗ１から波長域Ｗｉの光を同程度の高い透過率で透過させる。当該高い透過率は、例えば０．８以上である。そのような構成では、複数の透明領域は、例えば市松状に配置され得る。すなわち、フィルタアレイ１００Ｃにおける複数の領域の２つの配列方向において、光透過率が波長によって異なる領域と、透明領域とが交互に配列され得る。図２Ａに示す例では、２つの配列方向は、横方向および縦方向である。

＜信号処理回路＞
次に、図１に示す信号処理回路２００により、画像１２０、およびフィルタアレイ１００Ｃの波長ごとの透過率の空間分布特性に基づいて多波長の分離画像２２０を再構成する方法を説明する。ここで多波長とは、例えば通常のカラーカメラで取得されるＲＧＢの３色の波長域よりも多くの波長域を意味する。この波長域の数は、例えば４から１００程度の数であり得る。この波長域の数を、「分光帯域数」と称することがある。用途によっては、分光帯域数は１００を超えていてもよい。

求めたいデータは分離画像２２０であり、そのデータは、ｆとして表される。分光帯域数がｗとして表されると、ｆは、各帯域の画像データｆ_１、ｆ_２、・・・、ｆ_ｗを統合したデータである。求めるべき画像データのｘ方向の画素数がｎとして表され、ｙ方向の画素数がｍとして表されると、画像データｆ_１、ｆ_２、・・・、ｆ_ｗの各々は、ｎ×ｍ画素の２次元データの集まりである。したがって、データｆは要素数ｎ×ｍ×ｗの３次元データである。一方、フィルタアレイ１００Ｃによって符号化および多重化されて取得される画像１２０のデータｇの要素数はｎ×ｍである。本実施の形態におけるデータｇは、以下の式（１）によって表すことができる。

ここで、ｆ_１、ｆ_２、・・・、ｆ_ｗは、ｎ×ｍ個の要素を有するデータである。したがって、右辺のベクトルは、厳密にはｎ×ｍ×ｗ行１列の１次元ベクトルである。ベクトルｇは、ｎ×ｍ行１列の１次元ベクトルに変換して表され、計算される。行列Ｈは、ベクトルｆの各成分ｆ_１、ｆ_２、・・・、ｆ_ｗを波長域ごとに異なる符号化情報で符号化・強度変調し、それらを加算する変換を表す。したがって、Ｈは、ｎ×ｍ行ｎ×ｍ×ｗ列の行列である。

さて、ベクトルｇと行列Ｈが与えられれば、式（１）の逆問題を解くことにより、ｆを算出することができそうである。しかし、求めるデータｆの要素数ｎ×ｍ×ｗが取得データｇの要素数ｎ×ｍよりも多いため、この問題は不良設定問題となり、このままでは解くことができない。そこで、本実施の形態の信号処理回路２００は、データｆに含まれる画像の冗長性を利用し、圧縮センシングの手法を用いて解を求める。具体的には、以下の式（２）を解くことにより、求めるデータｆが推定される。

ここで、ｆ’は、推定されたｆのデータを表す。上式の括弧内の第１項は、推定結果Ｈｆと取得データｇとのずれ量、いわゆる残差項を表す。ここでは２乗和を残差項としているが、絶対値あるいは二乗和平方根等を残差項としてもよい。括弧内の第２項は、後述する正則化項または安定化項である。式（２）は、第１項と第２項との和を最小化するｆを求めることを意味する。信号処理回路２００は、再帰的な反復演算によって解を収束させ、最終的な解ｆ’を算出することができる。

式（２）の括弧内の第１項は、取得データｇと、推定過程のｆを行列Ｈによってシステム変換したＨｆとの差分の二乗和を求める演算を意味する。第２項のΦ（ｆ）は、ｆの正則化における制約条件であり、推定データのスパース情報を反映した関数である。働きとしては、推定データを滑らかまたは安定にする効果がある。正則化項は、例えば、ｆの離散的コサイン変換（ＤＣＴ）、ウェーブレット変換、フーリエ変換、またはトータルバリエーション（ＴＶ）などによって表され得る。例えば、トータルバリエーションを使用した場合、観測データｇのノイズの影響を抑えた安定した推測データを取得できる。それぞれの正則化項の空間における対象物７０のスパース性は、対象物７０のテキスチャによって異なる。対象物７０のテキスチャが正則化項の空間においてよりスパースになる正則化項を選んでもよい。あるいは、複数の正則化項を演算に含んでもよい。τは、重み係数である。重み係数τが大きいほど冗長的なデータの削減量が多くなり、圧縮する割合が高まる。重み係数τが小さいほど解への収束性が弱くなる。重み係数τは、ｆがある程度収束し、かつ、過圧縮にならない適度な値に設定される。

なお、ここでは式（２）に示す圧縮センシングを用いた演算例を示したが、その他の方法を用いて解いてもよい。例えば、最尤推定法またはベイズ推定法などの他の統計的方法を用いることができる。また、分離画像２２０の数は任意であり、各波長域も任意に設定してよい。再構成の方法の詳細は、特許文献１に開示されている。特許文献１の開示内容全体を本明細書に援用する。

＜ファブリ・ペローフィルタを備えるフィルタアレイ＞
次に、フィルタアレイ１００Ｃのより具体的な構造の例を説明する。

図５は、例示的な実施形態における光検出装置３００を模式的に示す断面図である。光検出装置３００は、フィルタアレイ１００Ｃと、イメージセンサ６０とを備える。

フィルタアレイ１００Ｃは、２次元に配列された複数のフィルタ１００を備える。複数のフィルタ１００は、例えば図２Ａに示すように、行および列状に配列されている。図５は、図２Ａに示す１つの行の断面構造を模式的に示している。複数のフィルタ１００の各々は、共振構造を備える。共振構造とは、ある波長の光が、内部で定在波を形成して安定に存在する構造を意味する。当該光の状態を、「共振モード」と称することがある。図５に示す共振構造は、第１反射層２８ａ、第２反射層２８ｂ、および第１反射層２８ａと第２反射層２８ｂとの間の中間層２６を含む。第１反射層２８ａおよび／または第２反射層２８ｂは、誘電体多層膜または金属薄膜から形成され得る。中間層２６は、特定の波長域において透明な誘電体または半導体から形成され得る。中間層２６は、例えば、シリコン、シリコン窒化物、チタン酸化物、ニオブ酸化物、およびタンタル酸化物からなる群から選択される少なくとも１つから形成され得る。複数のフィルタ１００の中間層２６の屈折率および／または厚さは、フィルタによって異なる。複数のフィルタ１００の各々の透過スペクトルは、複数の波長で透過率の極大値を有する。当該複数の波長は、上記の共振構造における次数の異なる複数の共振モードにそれぞれ対応する。本実施形態では、フィルタアレイ１００Ｃにおける全てのフィルタ１００が上記の共振構造を備える。フィルタアレイ１００Ｃは、上記の共振構造を有しないフィルタを含んでいてもよい。例えば、透明フィルタまたはＮＤフィルタ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｉｌｔｅｒ）などの、光透過率の波長依存性を有しないフィルタがフィルタアレイ１００Ｃに含まれていてもよい。本開示において、複数のフィルタ１００のうちの２つ以上のフィルタ１００の各々が上記の共振構造を備える。

イメージセンサ６０は、複数の光検出素子６０ａを備える。複数の光検出素子６０ａの各々は、複数のフィルタの１つに対向して配置されている。複数の光検出素子６０ａの各々は、特定の波長域の光に感度を有する。この特定の波長域は、前述の対象波長域Ｗに相当する。なお、本開示において「ある波長域の光に感度を有する」とは、当該波長域の光を検出するのに必要な実質的な感度を有することを指す。例えば、当該波長域における外部量子効率が１％以上であることを指す。光検出素子６０ａの外部量子効率は１０％以上であってもよい。光検出素子６０ａの外部量子効率は２０％以上であってもよい。各フィルタ１００の光透過率が極大値をとる複数の波長は、いずれも対象波長域Ｗに含まれる。以下の説明において、光検出素子６０ａを「画素」と称することがある。

図５に示す例に限らず、フィルタアレイ１００Ｃとイメージセンサ６０とが分離していてもよい。その場合であっても、複数の光検出素子６０ａの各々は、複数のフィルタの１つを透過した光を受ける位置に配置される。複数のフィルタを透過した光が、ミラーを介して複数の光検出素子６０ａにそれぞれ入射するように、各構成要素が配置されていてもよい。その場合、複数の光検出素子６０ａの各々は、複数のフィルタの１つの直下には配置されない。

本明細書では、上記の共振構造を備えるフィルタ１００を、「ファブリ・ペローフィルタ」と称することがある。本明細書では、極大値を有する透過スペクトルの部分を、「ピーク」と称し、透過スペクトルが極大値を有する波長を、「ピーク波長」と称することがある。

次に、ファブリ・ペローフィルタであるフィルタ１００の透過スペクトルを説明する。

フィルタ１００において、中間層２６の厚さをＬ、屈折率をｎ、フィルタ１００に入射する光の入射角度をθ_ｉ、共振モードのモード次数をｍとする。ｍは１以上の整数である。このとき、フィルタ１００の透過スペクトルのピーク波長λ_ｍは、以下の式（３）によって表される。

対象波長域Ｗのうちの最短波長をλ_ｉ、最長波長をλ_ｅとする。本明細書では、λ_ｉ≦λ_ｍ≦λ_ｅを満たすｍが１つ存在するフィルタ１００を、「単一モードフィルタ」と称する。λ_ｉ≦λ_ｍ≦λ_ｅを満たすｍが２つ以上存在するフィルタ１００を、「多モードフィルタ」と称する。以下、対象波長域Ｗの最短波長がλ_ｉ＝４００ｎｍであり、最長波長がλ_ｅ＝７００ｎｍである場合の例を説明する。

例えば、厚さＬ＝３００ｎｍ、屈折率ｎ＝１．０、垂直入射θ_ｉ＝０°のフィルタ１００では、ｍ＝１のときのピーク波長は、λ_１＝６００ｎｍであり、ｍ≧２のときのピーク波長は、λ_ｍ≧２≦３００ｎｍである。したがって、このフィルタ１００は、対象波長域Ｗに１つのピーク波長が含まれる単一モードフィルタである。

一方、厚さＬを３００ｎｍよりも大きくすると、対象波長域Ｗに、複数のピーク波長が含まれる。例えば、厚さＬ＝３０００ｎｍ、ｎ＝１．０、垂直入射θ_ｉ＝０のフィルタ１００では、１≦ｍ≦８のときのピーク波長は、λ_{１≦ｍ≦８}≧７５０ｎｍであり、９≦ｍ≦１５のときのピーク波長は、４００ｎｍ≦λ_{９≦ｍ≦１５}≦７００ｎｍであり、ｍ≧１６のときのピーク波長は、λ_ｍ≧１６≦３７５ｎｍである。したがって、このフィルタ１００は、対象波長域Ｗに７つのピーク波長が含まれる多モードフィルタである。

以上のように、フィルタ１００の中間層２６の厚さを適切に設計することにより、多モードフィルタを実現することができる。中間層２６の厚さの代わりに、フィルタ１００の中間層２６の屈折率を適切に設計してもよい。あるいは、フィルタ１００の中間層２６の厚さおよび屈折率の両方を適切に設計してもよい。

図６は、互いに透過スペクトルが異なる複数の多モードフィルタが、複数の光検出素子６０ａである複数の画素上にそれぞれ配置された場合における、各画素での透過スペクトルの例を模式的に示す図である。図６には、画素Ａ、画素Ｂ、および画素Ｃでの透過スペクトルが例示されている。複数の多モードフィルタは、画素ごとにピーク波長がわずかに異なるように設計されている。このような設計は、式（３）における厚さＬおよび／または屈折率ｎをわずかに変化させることによって実現することができる。この場合、各画素では、対象波長域Ｗにおいて複数のピークが現れる。当該複数のピークのそれぞれのモード次数は、各画素６０ａにおいて同じである。図６に示されている複数のピークのモード次数は、ｍ、ｍ＋１、およびｍ＋２である。本実施形態における光検出装置３００は、画素ごとに異なる、複数のピーク波長の光を同時に検出することができる。

次に、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々が、誘電体多層膜から形成される例を説明する。

図７Ａは、一般的な誘電体多層膜を含むファブリ・ペローフィルタであるフィルタ１０００の例を模式的に示す図である。フィルタ１０００は、基板８０上に設けられている。第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々は、誘電体多層膜から形成されている。すなわち、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々は、複数の低屈折率を有する誘電体層である低屈折率層２７ｌと、複数の高屈折率を有する誘電体層である高屈折率層２７ｈとが交互に位置する構造を備える。複数の低屈折率層２７ｌの各々は、屈折率ｎ_ｌを有し、複数の高屈折率層２７ｈの各々は、屈折率ｎ_ｌよりも高い屈折率ｎ_ｈを有する。第１反射層２８ａでの低屈折率層２７ｌと、第２反射層２８ｂでの低屈折率層２７ｌとは、同じ屈折率を有していてもよいし、異なる屈折率を有していてもよい。第１反射層２８ａでの高屈折率層２７ｈと、第２反射層２８ｂでの高屈折率層２７ｈとは、同じ屈折率を有していてもよいし、異なる屈折率を有していてもよい。なお、本明細書において、第１反射層２８ａでの低屈折率層２７ｌを、「第１誘電体層」と称し、第１反射層２８ａでの高屈折率層２７ｈを、「第２誘電体層」と称し、第２反射層２８ｂでの低屈折率層２７ｌを、「第３誘電体層」と称し、第２反射層２８ｂでの高屈折率層２７ｈを、「第４誘電体層」と称することがある。第１反射層２８ａでの低屈折率層２７ｌの屈折率を、「第１の屈折率」と称し、第１反射層２８ａでの高屈折率層２７ｈの屈折率を、「第２の屈折率」と称し、第２反射層２８ｂでの低屈折率層２７ｌの屈折率を、「第３の屈折率」と称し、第２反射層２８ｂでの高屈折率層２７ｈの屈折率を、「第４の屈折率」と称することがある。

誘電体多層膜は、複数のペア層を備える。１つのペア層は、１つの低屈折率層２７ｌ、および１つの高屈折率層２７ｈを含む。図７Ａに示す例では、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々は、８層の屈折率層を含む４つのペア層を備える。図７Ａに示す例では、対象波長域Ｗ内の特定の波長λ_０において高い反射率を得るために、高屈折率層２７ｈの厚さは、ｔ_ｈ＝λ_０／（４ｎ_ｈ）に設定され、低屈折率層２７ｌの厚さは、ｔ_ｌ＝λ_０／（４ｎ_ｌ）に設定される。言い換えれば、高屈折率層２７ｈの厚さｔ_ｈの光学長、および低屈折率層２７ｌの厚さｔ_ｌの光学長は、λ_０／４である。ここで、光学長とは、厚さに屈折率を掛けた値を意味する。特定の波長λ_０は、例えば、対象波長域Ｗの中心波長（λ_ｉ＋λ_ｅ）／２に設定され得る。

図７Ｂは、図７Ａに示すフィルタ１０００の透過スペクトルを示す図である。この例では、低屈折率層２７ｌは二酸化ケイ素から形成され、高屈折率層２７ｈは二酸化チタンから形成されている。中間層２６は、二酸化チタンから形成されている。透過スペクトルの計算には、ＲＳｏｆｔ社の厳密結合波理論（ＲＣＷＡ：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ－Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）に基づくＤｉｆｆｒａｃｔＭＯＤが用いられた。図７Ｂに示すように、対象波長域Ｗにおいて、複数のピークが現れる。ここでは、簡単のために、対象波長域Ｗのうち、４００ｎｍから４６０ｎｍまで、および６８０ｎｍから７００ｎｍまでの透過率が高い部分は考慮されない。複数のピークの線幅及びピーク間隔は均一ではない。図７Ｂに示す例では、対象波長域Ｗの中央付近でのピークの線幅は狭く、対象波長域Ｗの中央から離れると、ピークの線幅は広くなり、また、短波長側ではピーク間隔は狭く、長波長側ではピーク間隔は広くなる。ピークの線幅は、フィルタ１０００に入射した光が中間層２６に閉じ込められる時間に関係している。フィルタ１０００に入射した光は、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂによる反射によって中間層２６に一定時間閉じ込められた後、基板８０側に出射される。ピークの線幅が狭いほど、入射光がフィルタ１０００内に閉じ込められる時間が長い。逆に、ピークの線幅が広いほど、入射光がフィルタ１０００内に閉じ込められる時間が短い。一般的な誘電体多層膜では、対象波長域Ｗの中心波長λ_０での反射率が最も高く、対象波長域Ｗの中央から離れると、反射率は減少する。言い換えれば、通常の誘電体多層膜での反射率は、対象波長域Ｗにおいて不均一である。このため、入射光がフィルタ１０００内に閉じ込められる時間が、波長によって異なる。その結果、対象波長域Ｗでの複数のピークの線幅は均一にならない。ピークの間隔は式（３）の関係から決定される。一般に、ファブリ・ペローフィルタにおいてピーク間隔、すなわちλ_m―λ_m+1は中間層の光学長の逆数と波長の二乗に比例する。図７Ｂに示す例では、対象波長域Ｗ内の光は第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂによる反射によって中間層２６に閉じ込められるため、中間層の光学長は中間層２６の屈折率と膜厚の乗算により一意に定められ、ピーク間隔は波長の二乗に比例する。その結果、短波長側でピーク間隔は狭く、長波長側でピーク間隔は広くなり、対象波長域Ｗでの複数のピークの間隔は均一にならない。

対象波長域Ｗでの複数のピークの線幅及びピーク間隔が不均一であると、以下の問題が生じ得る。画素によって検出されるピークの光量は、ピークの線幅の範囲内で透過率を積分した値に相当する。ピークの線幅が狭いと、あるいはピーク間隔が広いと、光量は少なくなる。このため、画素の感度によっては、分離画像２２０の再構成の演算処理の際に、波長情報が失われることがある。その結果、分離画像２２０の空間分解能が低下し得る。逆に、ピークの線幅が広いと、あるいはピーク間隔が狭いと、光量は多くなる。これにより、有効な光量が得られる一方、分離画像２２０の波長分解能が低下し得る。

本発明者らは、上記の課題を見出し、新たなファブリ・ペローフィルタの構造に想到した。以下、対象波長域Ｗでの複数のピークの線幅の不均一さ及びピーク間隔を抑制するファブリ・ペローフィルタの例を説明する。

図８Ａは、複数のペア層の厚さが線形に変調された誘電体多層膜を含むファブリ・ペローフィルタであるフィルタ１００の例を模式的に示す図である。複数のペア層の厚さが積層方向に徐々に増加または減少する誘電体多層膜は、「チャープミラー（ｃｈｉｒｐｅｄ ｍｉｒｒｏｒ）」とも称される。図８Ａに示す例では、図７に示す例とは異なり、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々において、複数の高屈折率層２７ｈの厚さ、および複数の低屈折率層２７ｌの厚さは、均一ではない。すなわち、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々において、低屈折率層２７ｌの少なくとも２つは、互いに異なる厚さを有し、高屈折率層２７ｈの少なくとも２つは、互いに異なる厚さを有する。第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々において、複数の低屈折率層２７ｌの各々の光学長は、低屈折率層２７ｌに隣り合う高屈折率層２７ｈの光学長に等しい。図８Ａに示す誘電体多層膜は、例えば、波長λ_ｓから波長λ_ｌまでの波長域の光を反射するように設計され得る。波長λ_ｌは、波長λ_ｓよりも長い。第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々において、複数のペア層を、中間層２６から遠い順に、ｎ＝０からｎ＝３のように番号付けすると、高屈折率層２７ｈの厚さは、ｔ_ｈ（ｎ）＝［λ_ｓ＋ｎ（λ_ｌ－λ_ｓ）／３］／（４ｎ_ｈ）であり、低屈折率層２７ｌの厚さは、ｔ_ｌ（ｎ）＝［λ_ｓ＋ｎ（λ_ｌ－λ_ｓ）／３］／（４ｎ_ｌ）である。このように、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々において、高屈折率層２７ｈの厚さｔ_ｈ（ｎ）、および低屈折率層２７ｌの厚さｔ_ｌ（ｎ）の両方とも、λ_ｓ／４からλ_ｌ／４まで線形に変調されている。以下では、波長λ_ｓ＝３５０ｎｍおよび波長λ_ｌ＝７００ｎｍとする。このとき、ペア層の各厚さの光学長は、λ_ｓ／４＝８７．５ｎｍからλ_ｌ／４＝１７５ｎｍまで線形に変化する。なお、波長λ_ｓ＝λ_ｉおよび波長λ_ｌ＝λ_ｅとしてもよい。

図８Ａに示す例において、細い線の第１ループ２９ａおよび太い線の第２ループ２９ｂは、それぞれ、フィルタ１００内に閉じ込められる波長λ_ｓおよび波長λ_ｌの光を表している。波長λ_ｓの光は、第１反射層２８ａでの入射面側のペア層と、第２反射層２８ｂでの基板８０側のペア層によって反射される。波長λ_ｌの光は、第１反射層２８ａでの中間層２６側のペア層と、第２反射層２８ｂでの中間層２６側のペア層によって反射される。このように、入射光は、その波長に対応するペア層によって反射される。これにより、誘電体多層膜における対象波長域Ｗでの反射率の不均一さが抑制される。

図８Ｂは、図８Ａに示すフィルタ１００の透過スペクトルを示す図である。図８Ｂに示す例では、図７Ｂに示す例とは異なり、対象波長域Ｗ全体において、複数のピークが得られる。さらに、対象波長域Ｗの中央付近でのピークの線幅が、最短波長λ_ｉに近いピークの線幅と同程度に広くなっている。このように、対象波長域Ｗでの複数のピークの線幅の均一性が改善される。一方、最長波長λ_ｅに近いピークの線幅は、対象波長域Ｗの中央付近でのピークの線幅、および最短波長λ_ｉに近いピークの線幅よりも広い。これは、以下のことが原因であると考えられる。フィルタ１００内に閉じ込められた光の強度分布は、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂでは、中間層２６から離れる方向に沿って減少する。フィルタ１００内に閉じ込められた光の波長が短いとき、光の強度分布は急峻に減少し、当該波長が長いときは、光の強度分布は緩やかに減少する傾向にある。したがって、光の閉じ込めが不十分になることから、長波長の光がフィルタ１００内で閉じ込められる時間が短くなる。その結果、最長波長λ_ｅに近いピークの線幅は広くなる傾向にある。

そこで、長波長の光が閉じ込められる時間を長くするファブリ・ペローフィルタの例を説明する。

図９Ａは、複数のペア層の厚さが非線形に変調された誘電体多層膜を含むファブリ・ペローフィルタであるフィルタ１００の例を模式的に示す図である。図８Ａに示す例と比較して、各厚さの光学長がλ_ｌ／４であるペア層が、中間層２６の両側に新たに追加されている。第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々は、１０層の屈折率層を含む５つのペア層を備える。ここで、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８の各々において、複数のペア層を、中間層２６に遠い順に、ｎ＝０からｎ＝４のように番号付けする。すると、ｎ＝０からｎ＝３では、高屈折率層２７ｈの厚さは、ｔ_ｈ（ｎ）＝［λ_ｓ＋ｎ（λ_ｌ－λ_ｓ）／３］／（４ｎ_ｈ）であり、低屈折率層２７ｌの厚さは、ｔ_ｌ（ｎ）＝［λ_ｓ＋ｎ（λ_ｌ－λ_ｓ）／３］／（４ｎ_ｌ）である。ｎ＝４では、高屈折率層２７ｈの厚さは、λ_ｌ／（４ｎ_ｈ）であり、低屈折率層２７ｌの厚さは、λ_ｌ／（４ｎ_ｌ）である。すなわち、ｎ＝０からｎ＝３までは、高屈折率層２７ｈの厚さおよび低屈折率層２７ｌの厚さは線形に変化し、ｎ＝４での高屈折率層２７ｈの厚さおよび低屈折率層２７ｌの厚さは、それぞれ、ｎ＝３での高屈折率層２７ｈの厚さおよび低屈折率層２７ｌの厚さに等しい。言い換えれば、第１反射層２８ａにおいて、複数の低屈折率層２７ｌのうち、中間層２６に最も近い層の厚さ、および中間層２６に２番目に近い層の厚さは等しい。第１反射層２８ａにおいて、複数の高屈折率層２７ｈのうち、中間層２６に最も近い層の厚さ、および中間層２６に２番目に近い層の厚さは等しい。同様に、第２反射層２８ｂにおいて、複数の低屈折率層２７ｌのうち、中間層２６に最も近い層の厚さ、および中間層２６に２番目に近い層の厚さは等しい。第２反射層２８ｂにおいて、複数の高屈折率層２７ｈのうち、中間層２６に最も近い層の厚さ、および中間層２６に２番目に近い層の厚さは等しい。このように、第１反射層２８ａにおいて、複数の低屈折率層２７ｌは、第１膜厚を有する低屈折率層２７ｌと、第１膜厚よりも大きな第２膜厚を有する低屈折率層２７ｌが２層以上繰り返される部分とを含む。第２反射層２８ｂにおいて、複数の低屈折率層２７ｌは、第３膜厚を有する低屈折率層２７ｌと、第３膜厚よりも大きな第４膜厚を有する低屈折率層２７ｌが２層以上繰り返される部分とを含む。第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂにおける複数の高屈折率層２７ｈについても同様である。

以上のように、高屈折率層２７ｈの厚さおよび低屈折率層２７ｌの厚さは、全体として、非線形に変調されている。図９Ａに示す例では、図８Ａに示す例と比較して、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々と、中間層２６との間に、各厚さの光学長がλ_ｌ／４である１つのペア層が新たに追加されている。これにより、長波長の光は、中間層２６付近における各厚さの光学長がλ_ｌ／４である２つのペア層により、図８Ａに示す例よりも強く反射される。その結果、フィルタ１００内で長波長の光が閉じ込められる時間が長くなる。このため、最長波長λ_ｅに近いピークの線幅が狭くなることが期待できる。

図９Ｂは、図９Ａに示すフィルタ１００の透過スペクトルを示す図である。図９Ｂに示す例では、図８Ｂに示す例とは異なり、最長波長λ_ｅに近いピークの線幅が狭くなっている。このように、複数のペア層の厚さが非線形に変調された誘電体多層膜により、対象波長域Ｗにおける複数のピークの線幅がより均一になる。

図９Ｂに示す例では、誘電体多層膜において、厚さが線形に変調された複数のペア層に新たに１つのペア層が追加されているが、このような構造に限定されない。例えば、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々において、中間層２６に近づくにつれ、複数のペア層の厚さの光学長が、λ_ｉ／４からλ_ｅ／４まで漸近的に増加してもよい。言い換えれば、中間層２６に近づくにつれ、複数のペア層の厚さの光学長の増加率が緩やかになってもよい。

なお、第１反射層２８ａの全部ではなく少なくとも一部において、複数の低屈折率層２７ｌの各々の厚さ、および複数の高屈折率層２７ｈの各々の厚さが、中間層２６から離れて入射面に向かう方向に沿って漸減していてもよい。同様に、第２反射層２８ｂの全部ではなく少なくとも一部において、複数の低屈折率層２７ｌの各々の厚さ、および複数の高屈折率層２７ｈの各々の厚さが、中間層２６から離れて基板８０に向かう方向に沿って漸減していてもよい。

次に、誘電体多層膜における複数のペア層の厚さが変化する方向と、対象波長域Ｗにおけるピークの数との関係を説明する。

図１０Ａから図１０Ｄは、複数のペア層の厚さが異なる方向に非線形に変調された誘電体多層膜を含むファブリ・ペローフィルタであるフィルタ１００の例を模式的に示す図である。図１０Ｂは図９Ａと同じである。

図１０Ａに示す例では、入射面から中間層２６に向かって、第１反射層２８ａにおける複数のペア層の厚さが非線形に増加し、中間層２６から基板８０に向かって、第２反射層２８ｂにおける複数のペア層の厚さが非線形に増加する。第１ループ２９ａによって表すように、波長λ_ｓの光は、第１反射層２８ａでの入射面側のペア層と、第２反射層２８ｂでの中間層２６側のペア層とによって閉じ込められる。第２ループ２９ｂによって表すように、波長λ_ｌの光は、第１反射層２８ａでの中間層２６側のペア層と、第２反射層２８ｂでの基板８０側のペア層とによって閉じ込められる。

図１０Ｂに示す例では、入射面から中間層２６に向かって、第１反射層２８ａにおける複数のペア層の厚さが非線形に増加し、中間層２６から基板８０に向かって、第２反射層２８ｂにおける複数のペア層の厚さが非線形に減少する。第１ループ２９ａによって表すように、波長λ_ｓの光は、第１反射層２８ａでの入射面側のペア層と、第２反射層２８ｂでの基板８０側のペア層とによって閉じ込められる。第２ループ２９ｂによって表すように、波長λ_ｌの光は、第１反射層２８ａでの中間層２６側のペア層と、第２反射層２８ｂでの中間層２６側のペア層とによって閉じ込められる。

図１０Ｃに示す例では、入射面から中間層２６に向かって、第１反射層２８ａにおける複数のペア層の厚さが非線形に減少し、中間層２６から基板８０に向かって、第２反射層２８ｂにおける複数のペア層の厚さが非線形に減少する。第１ループ２９ａによって表すように、波長λ_ｓの光は、第１反射層２８ａでの中間層２６側のペア層と、第２反射層２８ｂでの基板８０側のペア層とによって閉じ込められる。第２ループ２９ｂによって表すように、波長λ_ｌの光は、第１反射層２８ａでの入射面側のペア層と、第２反射層２８ｂでの中間層２６側のペア層とによって閉じ込められる。

図１０Ｄに示す例では、光の入射面から中間層２６に向かって、第１反射層２８ａにおける複数のペア層の厚さが非線形に減少し、中間層２６から基板８０に向かって、第２反射層２８ｂにおける複数のペア層の厚さが非線形に増加する。第１ループ２９ａによって表すように、波長λ_ｓの光は、第１反射層２８ａでの中間層２６側のペア層と、第２反射層２８ｂでの中間層２６側のペア層とによって閉じ込められる。第２ループ２９ｂによって表すように、波長λ_ｌの光は、第１反射層２８ａでの入射面側のペア層と、第２反射層２８ｂでの基板８０側のペア層とによって閉じ込められる。このとき、波長λ_ｓの光と波長λ_ｌの光において中間層の光学長が異なる。すなわち、波長λｓの光は中間層２６のみがファブリ・ペローフィルタの中間層となるのに対し、波長λｌの光は第１反射層２８ａでの入射面側のペア層と、第２反射層２８ｂでの基板８０側のペア層で挟まれた領域がファブリ・ペローフィルタの実質的な中間層となる。すなわち、長波長の光ほどファブリ・ペローフィルタの中間層の光学長が長くなることにより、波長の二乗に比例したピーク間隔の拡大と、中間層の光学長の逆数が小さくなることによるピーク間隔の縮小が打ち消しあい、対象波長域Ｗにおける複数のピークの間隔がより均一になる。

図１０Ａから図１０Ｄに示すように、入射光は、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂにおけるその波長に対応するペア層によって反射される。これにより、入射光がフィルタ１００内に閉じ込められる領域は、入射光の波長に応じて変化する。すなわち、複数のペア層の厚さを変調することにより、入射光の波長に応じて、中間層２６の実質的な厚さを変化させることができる。

図１１Ａから図１１Ｄは、それぞれ、図１０Ａから図１０Ｄに示すフィルタ１００の透過スペクトルを示す図である。図１１Ｂは図９Ｂと同じである。図１１Ａから図１１Ｄに示す例において、対象波長域Ｗでのピークの数は、それぞれ、８本、９本、８本、および７本である。これにより、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂの各々において、複数のペア層の厚さが、中間層２６から外側に向かう方向に非線形に減少するときに、対象波長域Ｗにおいて最も多くのピークを得ることができる。

表１は、第１反射層２８ａおよび第２反射層２８ｂでの複数のペア層の厚さの変化と、対象波長域Ｗでのピーク数との関係を表している。

フィルタアレイ１００Ｃに含まれる各フィルタ１００が対象波長域Ｗにおいて多くのピークを有すれば、分離画像２２０をより精度よく再構成することができる。確かに、前述したように、式（３）により、中間層２６の厚さＬを増加させれば、対象波長域Ｗにおけるピークの数が多くなる。しかし、中間層２６を厚くすると、光検出装置３００におけるフィルタ１００のアスペクト比が増加する。このような光検出装置３００の作製は容易ではない可能性がある。この点において、誘電体多層膜において複数のペア層の厚さが変化する方向を調整することにより、対象波長域Ｗにおけるピークの数を増加させるほうが、光検出装置３００の作製が容易になる。

以上のように、誘電体多層膜における複数のペア層の厚さを線形または非線形に変調することにより、対象波長域Ｗにおける複数のピークの線幅の均一性を向上させることができる。これにより、ハイパースペクトルカメラの空間分解能および波長分解能を向上させることができる。

次に、図５に示す光検出装置３００の変形例を説明する。

図１２Ａから図１２Ｆは、図５に示す光検出装置３００の変形例を模式的に示す図である。

図１２Ａに示すように、フィルタアレイ１００Ｃにおいて、複数のフィルタ１００が分割されていてもよい。すべてのフィルタ１００が分割される必要はない。一部のフィルタ１００が分割されていてもよい。

図１２Ｂに示すように、一部の画素上にフィルタ１００を配置しなくてもよい。言い換えれば、フィルタアレイ１００Ｃにおいて、複数のフィルタ１００の少なくとも１つは、透明であってもよい。

図１２Ｃに示すように、フィルタアレイ１００Ｃとイメージセンサ６０との間にスペースを設けてもよい。言い換えれば、フィルタアレイ１００Ｃとイメージセンサ６０とは、空間を介して分離していてもよい。

図１２Ｄに示すように、１つのフィルタ１００を複数の画素上に跨いで配置してもよい。言い換えれば、中間層２６は、２つ以上の画素に跨り連続的に設けられている。第１反射層２８ａおよび／または第２反射層２８ｂは、２つ以上のフィルタ１００に跨り連続的に設けられていてもよい。

図１２Ｅおよび図１２Ｆに示すように、透明層２７を配置して、フィルタアレイ１００Ｃの段差を平坦化してもよい。言い換えれば、フィルタアレイ１００Ｃは、上記の共振構造を備える２つ以上のフィルタ１００の段差を平坦化する透明層２７をさらに備えていてもよい。図１２Ｅに示す例では、フィルタアレイ１００Ｃの第２反射層２８ｂの上面に、段差が存在する。図１２Ｆに示す例では、フィルタアレイ１００Ｃの第１反射層２８ａの下面に、段差が存在する。透明層２７によって２つ以上のフィルタ１００の段差を平坦化することにより、透明層２７上に他の部材を配置しやすくなる。

図１２Ｅおよび図１２Ｆに示すように、フィルタアレイ１００Ｃ上に複数のマイクロレンズ４０ａを配置してもよい。複数のマイクロレンズ４０ａの各々は、複数のフィルタ１００の１つのフィルタ１００上に配置されている。言い換えれば、フィルタアレイ１００Ｃは、２つ以上のマイクロレンズ４０ａをさらに備える。２つ以上のマイクロレンズ４０ａの各々は、上記の共振構造を備える２つ以上のフィルタ１００の１つのフィルタ上に配置されている。２つ以上のマイクロレンズ４０ａによって入射光を集光することにより、効率よく光を検出することができる。

本開示における光検出装置、およびフィルタアレイは、例えば、多波長の２次元画像を取得するカメラおよび測定機器に有用である。本開示における光検出装置、およびフィルタアレイは、生体・医療・美容向けセンシング、食品の異物・残留農薬検査システム、リモートセンシングシステムおよび車載センシングシステム等にも応用できる。

２６ 中間層
２７ｈ 高屈折率層
２７ｌ 低屈折率層
２８ａ 第１反射層
２８ｂ 第２反射層
４０ 光学系
４０ａ マイクロレンズ
６０ａ 光検出素子
７０ 対象物
８０ 基板
１００ フィルタ
１００Ｃ フィルタアレイ
１２０ 画像
２００ 信号処理回路
２２０ 分離画像
３００ 光検出装置

Claims (7)

1. ２次元平面内に配置された複数のフィルタを含むフィルタアレイであって、
   前記複数のフィルタは、第１フィルタおよび前記第１フィルタと透過スペクトルが異なる第２フィルタを含み、
   前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの各々が、第１反射層、第２反射層、および前記第１反射層と前記第２反射層との間の中間層を含み、かつ共振構造を有するフィルタアレイと、
   前記フィルタアレイを透過した光を受ける位置に配置されたイメージセンサと、
   を備え、
   前記第１反射層は、
   第１屈折率層と、
   前記第１屈折率層よりも高い屈折率を有し、かつ前記第１屈折率層と隣り合う第２屈折率層と、
   第３屈折率層と、
   前記第３屈折率層よりも高い屈折率を有し、かつ前記第３屈折率層と隣り合う第４屈折率層と、を含み、
   前記第１屈折率層および前記第２屈折率層の各々は、第１光学長を有し、
   前記第３屈折率層および前記第４屈折率層の各々は、前記第１光学長とは異なる第２光学長を有する、
   光検出装置。
2. 前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの各々の前記透過スペクトルは、複数の波長において、前記共振構造に起因した透過率の極大値を有し、
   前記イメージセンサは、前記複数の波長の光を検出する、
   請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記第１屈折率層の厚さと前記第３屈折率層の厚さとは互いに異なり、
   前記第２屈折率層の厚さと前記第４屈折率層の厚さとは互いに異なる、
   請求項１または２に記載の光検出装置。
4. 前記第１反射層は、
   第５屈折率層と、
   前記第５屈折率層よりも高い屈折率を有し、かつ前記第５屈折率層と隣り合う第６屈折率層とをさらに含み、
   前記第２光学長は、前記第１光学長よりも長く、
   前記第５屈折率層および前記第６屈折率層の各々は前記第２光学長を有する、
   請求項１から３のいずれかに記載の光検出装置。
5. 前記第１フィルタに含まれる前記中間層の光学長と、前記第２フィルタに含まれる前記中間層の光学長とは互いに異なる、
   請求項１から４のいずれかに記載の光検出装置。
6. 請求項２に記載の光検出装置と、
   信号処理回路と、を備え、
   前記信号処理回路は、前記イメージセンサからの信号に基づいて、前記複数の波長の情報を含む画像データを生成する、
   光検出システム。
7. 光検出装置に用いられるフィルタアレイであって、
   ２次元平面内に配置された複数のフィルタを備え、
   前記複数のフィルタは、第１フィルタおよび前記第１フィルタと透過スペクトルが異なる第２フィルタを含み、
   前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの各々が、第１反射層、第２反射層、および前記第１反射層と前記第２反射層との間の中間層を含み、かつ共振構造を有し、
   前記第１反射層は、
   第１屈折率層と、
   前記第１屈折率層よりも高い屈折率を有し、かつ前記第１屈折率層と隣り合う第２屈折率層と、
   第３屈折率層と、
   前記第３屈折率層よりも高い屈折率を有し、かつ前記第３屈折率層と隣り合う第４屈折率層と、を含み、
   前記第１屈折率層および前記第２屈折率層の各々は、第１光学長を有し、
   前記第３屈折率層および前記第４屈折率層の各々は、前記第１光学長とは異なる第２光学長を有する、
   フィルタアレイ。

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