JP5022221B2

JP5022221B2 - 波長分割画像計測装置

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Publication number: JP5022221B2
Application number: JP2007534435A
Authority: JP
Inventors: 康夫大寺; 尚佐藤; 彰二郎川上
Original assignee: Photonic Lattice Inc
Current assignee: Photonic Lattice Inc
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-09-05
Also published as: JPWO2007029714A1; WO2007029714A1; US20090116029A1

Description

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から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。

特開２００４−３２５９０２号公報特開２００４−３４１５０６号公報特許３７６６８４４号公報特開２００５−２６５６７号公報

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い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、広い波長幅を持つ光を放出している計測対象物体から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四方から数十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樹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いる。

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、い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、イエロー、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化する、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。

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。

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ッ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。

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。

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いる。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いる。これは波長フィルタと受光素子を独立して設計できないことに起因している。

一方、特許文献１の段落番号（００７２）、あるいは特許文献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い。

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ニ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。しか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、自己クローニ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。

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。

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エッジフィルタ構造の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揖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。

本発明の構造から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い選択性をもって、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化することで、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化が容易であり、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く、従来のカラーイ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。

本発明の波長フィルタアレイの上面図を表す概念図自己クローニング法によるフォトニック結晶の形成を示す概念図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第１の実施例における多層膜の膜厚構成を示す図第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ペクトル分布を示す図第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真空チャンバ
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石英基板
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
９０８五酸化タンタルによるキャビティ層
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石英層
１４０８五酸化タンタルによるキャビティ層
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石英基板
２３０６下部分布反射鏡
２３０８ゲルマニウムからなるキャビティ層
２３０８上部分布反射鏡

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μｍ四方ないし１０μｍ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。

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μｍないし数１０μｍ程度の間隔で多数にわたって精度よく配置するために、自己クローニング法（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、続い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や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加工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パ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を発生させるが、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、キャビティ層、そして上部分布反射鏡層の順で積層すればよい。スパッタエッ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。従っ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」型のフォトニ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、初期の基板加工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。

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ーとして、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１００μｍないし数ｍｍの大きさのものであった。一辺が１００μｍ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、フィルター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い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ー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５μｍ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個ほどが入るが、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。

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が、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い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ア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。

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４４０ｎｍ、領域４０４は４６０ｎｍ、領域４０５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５μｍの正方形とした。続いてレジストを現像後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）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１００ｎｍとした。

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ニ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（Ｔａ_２Ｏ_５、屈折率約２．１）の層４０７と石英（ＳｉＯ_２、屈折率約１．５）の層４０８をこの順番で交互に、図５に示す膜厚プロファイルにて計７８層自己クローニング法にて積層した。最終層は石英である。自己クローニ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、Ｖｏｌ．Ｊ８８−Ｃ、Ｎｏ．４、２００５年）ｐ．２４５に記載の条件を用いた。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い。

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７９０ｎｍ〜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いし、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ペク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から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から入射させてもよい。

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く、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く、格子形状の基板への転写加工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。自己クローニング法で形成できる低屈折率媒質としてはＳｉＯ２を主成分とする材料が最も一般的であり、透明波長領域が広く、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いう利点を有している。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_２Ｏ_３）でもよく、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）のようによ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_２Ｏ_５の他に、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの酸化物や窒化物を使用できる。一方、近赤外から赤外の波長域では、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。

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、及び自己クローニング法による多層膜の作製方法は実施例１と同じであるが、面内の格子周期及び多層膜の膜構成が異なっている。すなわちフィルタの要素領域として、面内の格子定数が２００ｎｍ、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Ｔａ２Ｏ５層９０６と厚さ１３３．３ｎｍのＳｉＯ_２層９０７を交互に計２０層積層し、続いてキャビティ層として厚さ１３３．３ｎｍのＴａ_２Ｏ_５層９０８を積層する。続いて厚さ１３３．３ｎｍのＳｉＯ_２と厚さ９５．２ｎｍのＴａ_２Ｏ_５とを交互に計２０層積層したものである。実施例１と同様、必要に応じて基板整形層９０９を設けても良い。キャ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。

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。それぞれの領域が、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から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を中心として幅２５ｎｍ程度の狭い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。

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。

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次元フォトニック結晶、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。従っ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になる。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_２Ｏ_５層１４０６と厚さ１３３．３ｎｍのＳｉＯ_２層１４０７を交互に計２０層積層し、続いてキャビティ層として厚さ１７１．４ｎｍのＴａ２Ｏ５層１４０８を積層する。続いて厚さ１３３．３ｎｍのＳｉＯ_２と厚さ９５．２ｎｍのＴａ２Ｏ_５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層１４０９を挿入してもよい。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ペ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。

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、あるフォトニ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、計測対象から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。

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く、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、ＣＭＯＳ（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が、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λ_Ａ、λ_Ｂ、λ_Ｃ、λ_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_Ａ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｃ、Ｐ_Ｄからの画像情報をそれぞれで合成することにより、撮影時刻における波長λ_Ａ、λ_Ｂ、λ_Ｃ、λ_Ｄの強度分布画像を得ることができる。
この例ではｘ方向２種類×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アレイ状に配列させたが、一般には図１９のようにｘ方向ｎ種類×ｙ方向ｍ種類の計（ｎ×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いる場合、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を市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が、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。

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×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、波長フィルタア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：１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。

図２３に本発明の第８の実施例を示す。これは波長２μｍ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２μｍにおいて屈折率約４．１）とＳｉＯ_２（波長２μｍにおいて屈折率約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が２００ｎｍ，３００ｎｍ，４００ｎｍ，５００ｎｍであるような自己クローニング型の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からなるキャビティ層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_２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−（Ｇｅキャビティ）−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く、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。

本発明による波長フィルタアレイ及び波長分割画像化装置は、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化ヘモグロビンと還元ヘ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ヘ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、像から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。本発明の画像化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

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エッジフィルタ構造の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。
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微とする請求項1記載の波長分割画像計測装置。
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。
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がx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微とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の波長分割画像計測装置。
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のいずれか1項記載の波長分割画像計測装置。
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のいずれか1項記載の波長分割画像計測装置。
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いることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載の波長分割画像計測装置。
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のいずれか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lnGaAs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。
波長範囲が７９０〜８８０ｎｍである請求項１乃至９のいずれか１項記載の波長分割画像計測装置。
請求項１乃至１０のいずれか１項記載の装置を用い、受光素子のそれぞれの画素には決まった波長成分のみを受光し、全画素の光強度を一括して計測した後、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画像計測方法。