(57)【要約】【課題】符号化素子の波長分解能の低下を抑制し得る光学デバイスを提供する。【解決手段】光学デバイスは、２次元に配列された透光性の複数のフィルタを備え、前記複数のフィルタは、光透過率の波長依存性が互いに異なる２つ以上のフィルタを含み、前記複数のフィルタの光透過率の波長依存性は、光の入射角度に応じて変化する、フィルタアレイと、対象物と前記フィルタアレイとの間に配置され、前記対象物から入射する光を前記フィルタアレイの面上に集束させる光学系と、前記対象物と前記光学系との間、または、前記光学系と前記フィルタアレイとの間に位置する遮光素子であって、１つ以上の透光領域および１つ以上の遮光領域を備え、前記１つ以上の遮光領域は、前記光学系から前記フィルタアレイに向かう光のうち、特定の１つ以上の入射角度で入射する光の強度を低減する、遮光素子と、を備える。【選択図】図９
2020053910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物から入射する光の光路に配置されたフィルタアレイであって、前記光路に交差する面に沿って２次元に配列された透光性の複数のフィルタを備え、前記複数のフィルタは、光透過率の波長依存性が互いに異なる２つ以上のフィルタを含み、前記複数のフィルタの光透過率の波長依存性は、光の入射角度に応じて変化する、フィルタアレイと、
前記対象物と前記フィルタアレイとの間に配置され、前記対象物から入射する前記光を前記フィルタアレイの前記面上に集束させる光学系と、
前記対象物と前記光学系との間、または、前記光学系と前記フィルタアレイとの間に位置する遮光素子であって、１つ以上の透光領域および１つ以上の遮光領域を備え、前記１つ以上の遮光領域は、前記光学系から前記フィルタアレイに向かう光のうち、特定の１つ以上の入射角度で入射する光の強度を低減する、遮光素子と、
を備える、
光学デバイス。
【請求項２】
前記光学系は、凸レンズを含み、
前記１つ以上の透光領域は、前記凸レンズの光軸を中心とする同心円状の構造を有し、
前記１つ以上の遮光領域は、前記凸レンズの前記光軸を中心とする同心円状の構造を有し、入射する光を反射または吸収する、
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記光学系の開口数をＮＡとすると、
前記光学系から前記フィルタアレイに入射する光の入射角度の最小値は０度であり、
前記入射角度の最大値は、ｓｉｎ−１（ＮＡ）度である、
請求項１または２に記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記複数のフィルタの各々は、導波路共鳴格子フィルタ、導波路プラズモンフィルタ、ファブリ・ペローフィルタ、多層膜フィルタ、および金属−絶縁体−金属の積層構造を備えるフィルタからなる群から選択される１つのフィルタである、
請求項１から３のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記複数のフィルタの各々は、基板と、前記基板上の光導波層と、前記光導波層上のグレーティングとを備える導波路共鳴格子フィルタである、
請求項１から４のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項６】
前記フィルタアレイに入射する光の波長をλとし、
前記フィルタアレイに入射する前記光の入射角度をθとし、
前記グレーティングによって回折される光のモード数をｍ１とし、
前記光導波層の厚さをＴとし、
前記光導波層内を伝搬する光の導波モードの実効屈折率をｎｅｆｆとし、
前記基板の屈折率をｎｓとし、
前記光導波層の屈折率をｎｆとし、
前記グレーティング上にある媒質の屈折率をｎｃとし、
前記光導波層内を伝搬する光の導波モードのモード数をｍ２とすると、
【数１】
2020053910.tif 000010
を満たし、かつ、
【数２】
2020053910.tif 000011
または、
【数３】
2020053910.tif 000012
を満たす、
請求項５に記載の光学デバイス。
【請求項７】
前記複数のフィルタの各々は、基板と、前記基板上の光導波層と、前記光導波層上の金属から形成されたグレーティングと、を備える導波路プラズモンフィルタである、
請求項１から４のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項８】
前記複数のフィルタの各々は、基板と、前記基板上の光導波層と、前記光導波層上のバッファ層と、前記バッファ層上の金属から形成されたグレーティングと、を備える導波路プラズモンフィルタである、
請求項１から４のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項９】
前記複数のフィルタの各々は、基板と、前記基板上の第１ミラーと、前記第１ミラー上の中間層と、前記中間層上の第２ミラーと、を備えるファブリ・ペローフィルタである、
請求項１から４のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１０】
前記複数のフィルタの各々は、基板と、前記基板上の誘電体多層膜とを備える多層膜フィルタであり、
前記誘電体多層膜は、第１誘電体層と第２誘電体層とが、前記基板に垂直な方向に交互に積層された構造を備え、
前記第１誘電体層の屈折率は、前記第２誘電体層の屈折率と異なる、
請求項１から４のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１１】
前記複数のフィルタの各々は、基板と、前記基板上のグレーティングとを備え、
前記グレーティングは、前記基板の表面に沿って等間隔に並んだ複数の積層構造体を含み、
前記複数の積層構造体の各々は、前記基板上の第１金属層と、前記第１金属層上の絶縁体層と、前記絶縁体層上の第２金属層とを含む、
請求項１から４のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載の光学デバイスと、
前記光学デバイスを通過した光の光路に配置され、前記光学デバイスを通過した複数の波長域の成分が重畳した画像を取得する撮像素子と、
を備える、
撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光学デバイス、および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各々が狭帯域である多数の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観測物の詳細な物性を把握することができる。多数のバンドは、例えば数十バンド以上である。この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。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あらゆる分野で利用されている。特許文献１から特許文献４は、そのようなハイパースペクトルカメラの例を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第１３／００２３５０号
【特許文献２】特開２００７−１０８１２４号公報
【特許文献３】特開２０１１−８９８９５号公報
【特許文献４】米国特許第７２８３２３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
対象物からの光の像は、符号化素子によって符号化されて撮像され得る。
【０００５】
本開示は、符号化素子の波長分解能の低下を抑制し得る新規な光学デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係る光学デバイスは、対象物から入射する光の光路に配置されたフィルタアレイであって、前記光路に交差する面に沿って２次元に配列された透光性の複数のフィルタを備え、前記複数のフィルタは、光透過率の波長依存性が互いに異なる２つ以上のフィルタを含み、前記複数のフィルタの光透過率の波長依存性は、光の入射角度に応じて変化する、フィルタアレイと、前記対象物と前記フィルタアレイとの間に配置され、前記対象物から入射する前記光を前記フィルタアレイの前記面上に集束させる光学系と、前記対象物と前記光学系との間、または、前記光学系と前記フィルタアレイとの間に位置する遮光素子であって、１つ以上の透光領域および１つ以上の遮光領域を備え、前記１つ以上の遮光領域は、前記光学系から前記フィルタアレイに向かう光のうち、特定の１つ以上の入射角度で入射する光の強度を低減する、遮光素子と、を備える。
【０００７】
本開示の包括的または具体的な態様は、デバイス、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせによって実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、符号化素子の波長分解能の低下を抑制することができる。さらに、符号化素子の各領域の構造に応じて、各領域の分光透過率を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】図１Ａは、符号化素子の例を模式的に示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂ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１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａに示す符号化素子の複数の領域に含まれる２つの領域の一方の分光透過率の例を示す図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、図１Ａに示す符号化素子の複数の領域に含まれる２つの領域の他方の分光透過率の例を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａ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２Ｂ】図２Ｂ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３Ａ】図３Ａは、符号化素子のある領域における分光透過率の特性を説明するための図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａに示す分光透過率を、波長域ごとに平均化した結果を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、フィルタの例を模式的に示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示す光導波層の厚さと、実効屈折率との関係の計算結果を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａに示すフィルタに光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図４Ａに示すフィルタの、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図４Ａに示すフィルタの上部に光学系が配置された例を模式的に示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、垂直に入射した光が光学系によって集束されてフィルタに入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図５Ａに示す光学系の上部に遮光素子が配置された例を模式的に示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、垂直に入射した光が遮光素子を通過し、光学系によって集束されてフィルタに入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、上図および下図において、それぞれＸＺ平面およびＸＹ平面における遮光素子の形状を模式的に示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、垂直に入射した光が遮光素子を通過し、光学系によって集束されてフィルタに入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、垂直に入射した光が遮光素子を通過し、光学系によって集束されてフィルタに入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。
【図８】図８は、撮像素子の直上に配置された符号化素子のうちの３つの領域でのフィルタの分光透過率の計算結果を示す図である。
【図９】図９は、本実施形態における撮像装置の例を模式的に示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、フィルタの変形例を模式的に示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａに示すフィルタに光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃには、図１０Ａに示すフィルタの、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、フィルタの変形例を模式的に示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａに示すフィルタに光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃには、図１１Ａに示すフィルタの、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、フィルタの変形例を模式的に示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２Ａに示すフィルタに光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃには、図１２Ａに示すフィルタの、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、フィルタの変形例を模式的に示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａに示すフィルタに光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃには、図１３Ａに示すフィルタの、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
観測対象の波長を狭帯域に限定して取得された画像の活用例として、特許文献１は、被験体の腫瘍部位と非腫瘍部位との判別を行う装置を開示している。この装置は、励起光の照射により、癌細胞内に蓄積されるプロトポルフィリンＩＸが６３５ｎｍの蛍光を発し、フォト−プロトポルフィリンが６７５ｎｍの蛍光を発することを検出する。これにより、腫瘍部位と非腫瘍部位との識別を行う。
【００１２】
特許文献２は、時間経過に伴って低下する生鮮食品の鮮度を、連続的な多波長の光の反射率特性の情報を取得することによって判定する方法を開示している。
【００１３】
多波長の画像または反射率を測定できるハイパースペクトルカメラは、以下の４つの方式に大別することができる。
（ａ）ラインセンサ方式
（ｂ）電子フィルタ方式
（ｃ）フーリエ変換方式
（ｄ）干渉フィルタ方式
【００１４】
（ａ）ラインセンサ方式では、ライン状のスリットを有する部材を用いて対象物の１次元情報が取得される。スリットを通過した光は、回折格子またはプリズムなどの分光素子によって波長に応じて分離される。分離された波長ごとの光は、２次元に配列された複数の画素を有する撮像素子によって検出される。撮像素子は、例えば、イメージセンサである。この方式では、一度に対象物の１次元情報しか得られないため、カメラ全体あるいは対象物をスリット方向に垂直に走査することによって２次元のスペクトル情報を得る。ラインセンサ方式では、高解像度の多波長画像が得られるという利点がある。特許文献３は、ラインセンサ方式のハイパースペクトルカメラの例を開示している。
【００１５】
（ｂ）電子フィルタ方式には、液晶チューナブルフィルタ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｆｉｌｔｅｒ：ＬＣＴＦ）を用いる方法と、音響光学素子（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｆｉｌｔｅｒ：ＡＯＴＦ）を用いる方法とがある。液晶チューナブルフィルタは、リニアポラライザ、複屈折フィルタ、および液晶セルを多段に並べた素子である。電圧制御だけで不要な波長の光を排除し任意の特定波長の光のみを抽出できる。音響光学素子は、圧電素子が接着された音響光学結晶によって構成される。音響光学結晶に電気信号を印加すると、超音波が発生し、結晶内に疎密の定常波が形成される。それによる回折効果によって任意の特定波長の光のみを抽出することができる。この方式は、波長が限定されるが高解像度の動画のデータを取得できるという利点がある。
【００１６】
（ｃ）フーリエ変換方式は、２光束干渉計の原理を用いる。測定対象からの光束はビームスプリッターによって分岐され、それぞれの光束が固定ミラーおよび移動ミラーで反射され、再度結合した後、検出器で観測される。移動ミラーの位置を時間的に変動させることにより、光の波長に依存した干渉の強度変化を示すデータを取得することができる。得られたデータをフーリエ変換することにより、スペクトル情報が得られる。フーリエ変換方式の利点は、多波長の情報を同時に取得できることである。
【００１７】
（ｄ）干渉フィルタ方式は、ファブリ・ペロー干渉計の原理を用いた方式である。所定の間隔だけ離れた反射率の高い２つの面を有する光学素子をセンサ上に配置した構成が用いられる。光学素子の２面間の間隔は領域ごとに異なり、所望の波長の光の干渉条件に一致するように決定される。干渉フィルタ方式は、多波長の情報を同時にかつ動画として取得できるという利点がある。
【００１８】
これらの方式以外にも、例えば特許文献４に開示されているように、圧縮センシングを利用した方法もある。特許文献４に開示された装置は、測定対象からの光をプリズムなどの第１の分光素子によって分光した後、符号化マスクによってマーキングし、さらに第２の分光素子によって光線の経路を戻す。これにより、符号化され、かつ波長軸に関して多重化された画像がセンサによって取得される。多重化された画像から圧縮センシングの適用により、多波長の複数枚の画像を再構成することができる。
【００１９】
圧縮センシングとは、少ないサンプル数の取得データから、それよりも多くのデータを復元する技術である。測定対象の２次元座標を（Ｘ、Ｙ）、波長をλとすると、求めたいデータは、Ｘ、Ｙ、λの３次元のデータである。これに対し、センサによって得られる画像データは、λ軸方向に圧縮および多重化された２次元のデータである。相対的にデータ量が少ない取得画像から、相対的にデータ量が多いデータを求める問題は、いわゆる不良設定問題であり、このままでは解くことができない。しかし、一般に、自然画像のデータは冗長性を有しており、それを巧みに利用することでこの不良設定問題を良設定問題に変換することができる。画像の冗長性を活用してデータ量を削減する技術の例に、ｊｐｅｇ圧縮がある。ｊｐｅｇ圧縮は、画像情報を周波数成分に変換し、データの本質的でない部分、例えば、視覚の認識性が低い成分を除去するといった方法が用いられる。圧縮センシングでは、このような技法を演算処理に組入れ、求めたいデータ空間を冗長性で表された空間に変換することで未知数を削減し解を得る。この変換には、例えば、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、トータルバリエーション（ＴＶ）などが使用される。
【００２０】
本発明者は、前述した従来のハイパースペクトルカメラを検討した。（ａ）ラインセンサ方式は、２次元画像を得るためにカメラを走査する必要があり、測定対象の動画撮影には不向きである。（ｃ）フーリエ変換方式も、反射鏡を移動させる必要があるため、動画撮影には不向きである。（ｂ）電子フィルタ方式は、１波長ずつ画像を取得するため、多波長の画像を同時に取得できない。（ｄ）干渉フィルタ方式は、画像を取得できる波長の帯域数と空間分解能とがトレードオフとなるため、多波長画像を取得する場合、空間分解能が犠牲になる。このように、高解像度、多波長、およびワンショットの動画撮影の３つを同時に満足する既存のハイパースペクトルカメラは存在しない。
【００２１】
圧縮センシングを利用した構成は、一見すると高解像度、多波長、および動画撮影を同時に満たすことができるようにも思われる。しかし、もともと少ないデータから推測に基づいて画像を再構成するため、取得される画像の空間解像度は本来の画像に比べて低下しやすい。特に取得データの圧縮率が高いほどその影響が顕著に現れる。さらに、プリズム等の分光素子が光路上に挿入されるため、コマ収差が発生し、解像度が低下する。
【００２２】
一方、対象物からの光の像は、符号化素子によって符号化されて撮像され得る。符号化素子の各領域の分光透過率を適切に設計することにより、コマ収差の発生を抑え、解像度を向上させることができる。さらに、高解像度、多波長、ワンショットの動画撮影の３つの要求を同時に満たすことができる。また、符号化素子を用いた撮像では、Ｘ方向、Ｙ方向、および波長方向の３次元情報のうち波長方向の情報が圧縮される。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。このため、長時間のデータ取得が可能になる。
【００２３】
符号化素子は、様々な方法を用いて構成され得る。
【００２４】
例えば、有機材料を用いた構成では、各領域に、顔料または染料などの異なる光吸収材料が配置される。このような構成では、配置する光吸収材料の数だけ製造工程数が増える。このため、符号化素子の作製が容易ではなく、コストがかかる。
【００２５】
一方、例えば多層膜、回折格子、または金属を含む微細構造を用いた構成では、各領域の構造を変化させることにより、各領域の分光透過率を変化させることができる。したがって、上記の有機材料を用いた構成に比べて、製造が容易である。
【００２６】
しかし、上記の微細構造を用いた構成は、原理上、その分光透過率が入射光の入射角度に依存する。そのような構成をそのまま符号化素子に適用した場合、符号化素子の波長分解能が低下し得る。対象物からの光の像は光学系を通して、符号化素子が直上に配置された撮像素子に結像される。この際、光学系４０の開口数（Ｎｕｅｍｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）がＮＡとして表され、垂直入射の入射角度が０°である場合、符号化素子１００Ｃには、最小角度０°から最大角度ｓｉｎ−１（ＮＡ）°までの連続した入射角度を有する光が入射する。したがって、符号化素子を通過した光の分光透過率は、各入射角度に応じた分光透過率の重ね合わせになる。その結果、符号化素子の波長分解能が低下し得る。このように、符号化素子の構成には、改善の余地があった。
【００２７】
本発明者は、以上の検討に基づき、以下の項目に記載の分光システムに想到した。
【００２８】
第１の項目に係る光学デバイスは、対象物から入射する光の光路に配置されたフィルタアレイであって、前記光路に交差する面に沿って２次元に配列された透光性の複数のフィルタを備え、前記複数のフィルタは、光透過率の波長依存性が互いに異なる２つ以上のフィルタを含み、前記複数のフィルタの光透過率の波長依存性は、光の入射角度に応じて変化する、フィルタアレイと、前記対象物と前記フィルタアレイとの間に配置され、前記対象物から入射する前記光を前記フィルタアレイの前記面上に集束させる光学系と、前記対象物と前記光学系との間、または、前記光学系と前記フィルタアレイとの間に位置する遮光素子であって、１つ以上の透光領域および１つ以上の遮光領域を備え、前記１つ以上の遮光領域は、前記光学系から前記フィルタアレイに向かう光のうち、特定の１つ以上の入射角度で入射する光の強度を低減する、遮光素子と、を備える。
【００２９】
この光学デバイスでは、遮光素子により、フィルタに向けて、特定の入射角度の光を選択的に通過させることができる。その結果、入射角度の依存性に起因する波長分解能の低下を抑制することができる。
【００３０】
第２の項目に係る光学デバイスは、第１の項目に係る光学デバイスにおいて、前記光学系が、凸レンズを含む。前記１つ以上の透光領域は、前記凸レンズの光軸を中心とする同心円状の構造を有する。前記１つ以上の遮光領域は、前記凸レンズの前記光軸を中心とする同心円状の構造を有し、入射する光を反射または吸収する。
【００３１】
この光学デバイスでは、第１の項目に係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。
【００３２】
第３の項目に係る光学デバイスは、第１または第２の項目に係る光学デバイスにおいて、前記光学系の開口数をＮＡとすると、前記光学系から前記フィルタアレイに入射する光の入射角度の最小値が０度であり、前記入射角度の最大値が、ｓｉｎ−１（ＮＡ）度である。
【００３３】
この光学デバイスでは、遮光素子を通過した光がフィルタアレイに入射するときの当該光の特定の入射角度は、０度からｓｉｎ−１（ＮＡ）度までの間である。
【００３４】
第４の項目に係る光学デバイスは、第１から第３の項目のいずれかに係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、導波路共鳴格子フィルタ、導波路プラズモンフィルタ、ファブリ・ペローフィルタ、多層膜フィルタ、および金属−絶縁体−金属の積層構造を備えるフィルタからなる群から選択される１つのフィルタである。
【００３５】
この光学デバイスでは、第１から第３の項目のいずれかに係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。
【００３６】
第５の項目に係る光学デバイスは、第１から第４の項目のいずれかに係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、基板と、前記基板上の光導波層と、前記光導波層上のグレーティングとを備える導波路共鳴格子フィルタである。
【００３７】
この光学デバイスでは、第１から第４の項目のいずれかに係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。さらに、グレーティングの周期を変化させることにより、厚さが均一であり、かつフィルタごとに分光透過率が異なるフィルタアレイを実現することができる。
【００３８】
第６の項目に係る光学デバイスは、第５の項目に係る光学デバイスにおいて、前記フィルタアレイに入射する光の波長をλとし、前記フィルタアレイに入射する前記光の入射角度をθとし、前記グレーティングによって回折される光のモード数をｍ１とし、前記光導波層の厚さをＴとし、前記光導波層内を伝搬する光の導波モードの実効屈折率をｎｅｆｆとし、前記基板の屈折率をｎｓとし、前記光導波層の屈折率をｎｆとし、前記グレーティング上にある媒質の屈折率をｎｃとし、前記光導波層内を伝搬する光の導波モードのモード数をｍ２とすると、
【数１】
2020053910.tif 000003
を満たし、かつ、
【数２】
2020053910.tif 000004
または、
【数３】
2020053910.tif 000005
を満たす。
【００３９】
この光学デバイスでは、第５の項目に係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。
【００４０】
第７の項目に係る光学デバイスは、第１から第４の項目に係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、基板と、前記基板上の光導波層と、前記光導波層上の金属から形成されたグレーティングと、を備える導波路プラズモンフィルタである。
【００４１】
この光学デバイスでは、第１から第４の項目に係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。さらに、グレーティングの周期を変化させることにより、厚さが均一であり、かつフィルタごとに分光透過率が異なるフィルタアレイを実現することができる。
【００４２】
第８の項目に係る光学デバイスは、第１から第４の項目のいずれかに係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、基板と、前記基板上の光導波層と、前記光導波層上のバッファ層と、前記バッファ層上の金属から形成されたグレーティングと、を備える導波路プラズモンフィルタである。
【００４３】
この光学デバイスでは、第１から第４の項目のいずれかに係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。さらに、グレーティングの周期を変化させることにより、厚さが均一であり、かつフィルタごとに分光透過率が異なるフィルタアレイを実現することができる。
【００４４】
第９の項目に係る光学デバイスは、第１から第４の項目のいずれかに係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、基板と、前記基板上の第１ミラーと、前記第１ミラー上の中間層と、前記中間層上の第２ミラーと、を備えるファブリ・ペローフィルタである。
【００４５】
この光学デバイスでは、第１から第４の項目のいずれかに係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。
【００４６】
第１０の項目に係る光学デバイスは、第１から第４の項目のいずれかに係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、基板と、前記基板上の誘電体多層膜とを備える多層膜フィルタである。前記誘電体多層膜は、第１誘電体層と第２誘電体層とが、前記基板に垂直な方向に交互に積層された構造を備える。前記第１誘電体層の屈折率は、前記第２誘電体層の屈折率と異なる。
【００４７】
この光学デバイスでは、第１から第４の項目のいずれかに係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。
【００４８】
第１１の項目に係る光学デバイスは、第１から第４の項目のいずれかに係る光学デバイスにおいて、前記複数のフィルタの各々が、基板と、前記基板上のグレーティングとを備える。前記グレーティングは、前記基板の表面に沿って等間隔に並んだ複数の積層構造体を含む。前記複数の積層構造体の各々は、前記基板上の第１金属層と、前記第１金属層上の絶縁体層と、前記絶縁体層上の第２金属層とを含む。
【００４９】
この光学デバイスでは、第１から第４の項目のいずれかに係る光学デバイスと同様の効果を得ることができる。さらに、グレーティングの周期を変化させることにより、厚さが均一であり、かつフィルタごとに分光透過率が異なるフィルタアレイを実現することができる。
【００５０】
第１２の項目に係る撮像装置は、第１から第１１の項目のいずれかに係る光学デバイスと、前記光学デバイスを通過した光の光路に配置され、前記光学デバイスを通過した複数の波長域の成分が重畳した画像を取得する撮像素子と、を備える。
【００５１】
この撮像装置では、対象物から入射する光の像が符号化された画像において、入射角度の依存性に起因する波長分解能の低下を抑制することができる。
【００５２】
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。
【００５３】
（実施形態）
＜符号化素子＞
以下に、本実施形態における符号化素子を説明する。符号化素子は、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、「対象波長域」と称することがある。符号化素子は、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。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。
【００５４】
図１Ａは、符号化素子１００Ｃの例を模式的に示す図である。符号化素子Ｃ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、個別に設定された分光透過率を有するフィルタが配置されている。ここで、「分光透過率」とは、波長依存性を有する光透過率を意味する。分光透過率は、入射光の波長をλとして、関数Ｔ（λ）で表される。分光透過率Ｔ（λ）は、０以上１以下の値を取り得る。符号化素子１００Ｃは、光路に交差する面に沿って２次元に配列された複数のフィルタを備えるフィルタアレイであるとも言い得る。フィルタの構成の詳細については、後述する。
【００５５】
図１Ａに示す例では、符号化素子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が、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撮像素子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、符号化素子１００Ｃは、撮像素子の直上に配置され、各領域が撮像素子の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、撮像素子の１つの画素に対向する。
【００５６】
図１Ｂ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１Ｂ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１Ｂ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。
【００５７】
図１Ｃおよび図１Ｄは、それぞれ、図１Ａに示す符号化素子１００Ｃの複数の領域に含まれる領域Ａ１および領域Ａ２の分光透過率の例を示す図である。領域Ａ１の分光透過率と領域Ａ２の分光透過率とは、互いに異なっている。このように、符号化素子１００Ｃの分光透過率は、領域によって異なる。ただし、必ずしもすべての領域の分光透過率が異なっている必要はない。符号化素子１００Ｃでは、複数の領域の少なくとも一部の領域の分光透過率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、符号化素子１００Ｃは、分光透過率が互いに異なる２つ以上のフィルタを含む。ある例では、符号化素子１００Ｃに含まれる複数の領域の分光透過率のパターンの数は、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。典型的には、符号化素子１００Ｃは、半数以上の領域の分光透過率が異なるように設計される。
【００５８】
図２Ａおよび図２Ｂ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〜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。
【００５９】
図２Ａ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、Ｗ２、・・・、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２Ｂ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。
【００６０】
図３Ａは、符号化素子１００Ｃのある領域における分光透過率の特性を説明するための図である。図３Ａに示す例では、分光透過率は、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３Ａ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３Ａ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、分光透過率が極大値を有している。このように、本実施形態では、各領域の分光透過率は、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３Ａからわかるように、極大値Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４、およびＰ５は０．５以上である。
【００６１】
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、符号化素子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、符号化素子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。
【００６２】
図３Ｂは、一例として、図３Ａに示す分光透過率を、波長域Ｗ１、Ｗ２、・・・、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、分光透過率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。
【００６３】
各領域の分光透過率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、分光透過率曲線における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、分光透過率を、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。
【００６４】
符号化素子１００Ｃは、典型的には、図１Ａ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、互いに異なる分光透過率を有する。符号化素子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。
【００６５】
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、符号化素子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、符号化素子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。
【００６６】
符号化素子１００Ｃを撮像素子の近傍あるいは直上に配置する場合、符号化素子１００Ｃでの複数の領域の相互の間隔であるセルピッチは、撮像素子の画素ピッチと略一致させてもよい。このようにすれば、符号化素子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で、後述する演算を容易にすることができる。符号化素子１００Ｃを撮像素子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。
【００６７】
図１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。
【００６８】
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、符号化素子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１Ａ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。
【００６９】
＜符号化素子の領域でのフィルタ＞
以下に、符号化を実現するために、符号化素子１００Ｃの少なくとも１つの領域に配置され得るフィルタの例を説明する。
【００７０】
図４Ａは、フィルタ１００の例を模式的に示す図である。図４Ａに示す例では、フィルタ１００は、基板１０と、基板１０上の光導波層２０と、光導波層２０上のグレーティング３０とを備える。本明細書では、図４Ａに示すフィルタ１００を、「導波路共鳴格子フィルタ」と称することがある。上部の下向きの矢印は、フィルタ１００に垂直に入射する光を表し、下部の下向きの矢印は、基板１０を垂直に透過する光を表す。以下の図においても同様である。
【００７１】
基板１０、光導波層２０、およびグレーティング３０は、対象波長域において透明である。透明とは、吸収損失が非常に小さいことを意味する。例えば、可視光域では、基板１０、光導波層２０、およびグレーティング３０の少なくとも１つは、ＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４などの誘電体材料から形成され得る。また、光導波層２０およびグレーティング３０は、同じ材料から形成されていてもよく、一体化されていてもよい。基板１０、光導波層２０、およびグレーティング３０の各々は、２種類以上の誘電体層を含む多層構造であってもよい。図４Ａに示す例では、グレーティング３０は、Ｘ方向において周期的であるが、さらにＸＹ平面内の他の方向において周期的であってもよい。
【００７２】
次に、図４Ａに示すフィルタ１００の基本的な原理を説明する。
【００７３】
上部から入射した光は、グレーティング３０によって回折される。これにより、光導波層２０内を伝搬する導波光が励起される。当該導波光は、グレーティング３０によって再び回折されて上部に再放射される。その結果、図４Ａに示すフィルタ１００は、特定の波長の光が反射され、それ以外の波長の光が透過するという分光特性を示す。グレーティング３０によって回折され、反射される光の波長は、以下の式（１）を満たす。
【数４】
2020053910.tif 000006
【００７４】
ここで、λは、空気中での入射光の波長である。θは、符号化素子１００Ｃに入射する光の入射角度である。入射角度とは、符号化素子１００Ｃに垂直な線と、符号化素子１００Ｃに入射する光とがなす角度である。Λは、グレーティング３０の周期である。ｍは、次数であり１以上の整数である。ｎｅｆｆは、導波モードの実効屈折率である。式（１）から、グレーティング３０によって回折され、反射される光の波長λは、入射角度θに依存することがわかる。すなわち、図４Ａに示すフィルタ１００の分光透過率は、入射角度の依存性を示す。
【００７５】
次に、光導波層２０の条件および設計を説明する。前述の原理から、光導波層２０内には、グレーティング３０によって励起された導波光が閉じ込められる。図４Ａに示す光導波層２０内には、ＴＭ導波モードおよびＴＥ導波モードが存在する。ＴＭ導波モードでは、電界がＸ方向およびＺ方向の成分を有し、磁界がＹ方向の成分を有する。ＴＥ導波モードでは、電界がＹ方向の成分を有し、磁界がＸ方向およびＺ方向の成分を有する。
【００７６】
ＴＭ導波モードでの固有値方程式は、以下の式（２）によって表される。
【数５】
2020053910.tif 000007
【００７７】
ここで、Ｔは、光導波層２０の厚さである。ｎｓ、ｎｆ、およびｎｃは、それぞれ基板１０、光導波層２０、およびクラッドの屈折率である。図４Ａに示す例では、クラッドは、グレーティング３０上にある媒質である。当該媒質は、例えば空気である。光導波層２０の屈折率は、基板１０の屈折率、およびクラッドの屈折率よりも高い。このとき、光導波層２０は、導波光を閉じ込める。
【００７８】
ＴＥ導波モードでの固有値方程式は、以下の式（３）によって表される。
【数６】
2020053910.tif 000008
【００７９】
以下では、ＴＭ導波モードを例として説明するが、これに限られない。以下の議論は、ＴＥ導波モードにも適用することができる。
【００８０】
図４Ｂは、図４Ａに示す光導波層２０の厚さＴと、実効屈折率ｎｅｆｆとの関係の計算結果を示す図である。当該計算には、ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社のＭＡＴＬＡＢが用いられた。基板１０は、屈折率ｎｓ＝１．４６のＳｉＯ２から形成された。光導波層２０は、屈折率ｎｓ＝２．０５のＳｉ３Ｎ４から形成された。クラッドは、屈折率ｎｃ＝１．０の空気である。波長は、λ＝５４１．６ｎｍである。光導波層２０の厚さＴを薄くすると、各次数の導波モードの実効屈折率が小さくなる。実効屈折率ｎｅｆｆが基板の屈折率ｎｓと一致するときの光導波層２０の厚さＴが、カットオフに相当する。図４Ｂに示す例では、光導波層２０の厚さＴが１００ｎｍ以上のとき、少なくとも１つの導波モードが存在する。なお、厳密には、光導波層２０上にはグレーティング３０がある。しかし、グレーティング３０を無視しても、大体の条件および設計を決定することができる。
【００８１】
図４Ｃは、図４Ａに示すフィルタ１００に光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。基板１０は、屈折率ｎｓ＝１．４６のＳｉＯ２から形成された。光導波層２０およびグレーティング３０は、屈折率ｎｓ＝２．０５のＳｉ３Ｎ４から形成された。光導波層２０の厚さはＴ＝１００ｎｍである。グレーティング３０の高さは５０ｎｍであり、凸部の幅は１７５ｎｍであり、周期は３５０ｎｍである。グレーティング３０の凹部は、貫通している。入射光は、ＴＭモードの垂直入射光である。当該計算には、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４Ｃに示す例から、図４Ａに示すフィルタ１００は、波長５４０ｎｍの光を反射する機能を有することがわかる。当該反射は、入射光がＴＭ導波モードに結合した後、上部に再放射されることに起因する。
【００８２】
一方、図４Ａに示すフィルタ１００は、式（１）に示すように、入射角度の依存性を示す。
【００８３】
図４Ｄは、図４Ａに示すフィルタ１００の、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。図４Ｄに示すように、入射角度が大きくなるにつれて、入射角度０°での透過率の１つのディップが、２つのディップに分裂する。入射角度が大きくなるにつれて、分裂した一方のディップは、短波長側にシフトし、他方のディップは、長波長側にシフトする。このように、図４Ａに示すフィルタ１００の分光透過率は、入射角度の依存性を示すことがわかる。図４に示すフィルタ１００の分光透過率は、光の入射角度に応じて変化するとも言い得る。
【００８４】
前述した例では、対象物からの光は、符号化素子１００Ｃの各領域に垂直に入射する。実際には、符号化素子１００Ｃを用いた撮像では、対象物から入射する光は、対象物と符号化素子１００Ｃとの間に配置された光学系により、符号化素子１００Ｃの面上に集束される。
【００８５】
図５Ａは、図４Ａに示すフィルタ１００の上部に光学系４０が配置された例を模式的に示す図である。図５Ａに示す例では、対象物からの光の像が、光学系４０を構成するレンズの中心を通る場合、当該光の像は、フィルタ１００に垂直に入射する。一方、対象物からの光の像が、光学系４０を構成するレンズの中心以外を通る場合、当該光の像は、フィルタ１００に有限の入射角度で斜めに入射する。当該有限の入射角度は、光学系４０の開口数ＮＡによって決定される。すなわち、光学系４０から符号化素子１００Ｃに入射する光の入射角度の最小値は０°であり、入射角度の最大値は、ｓｉｎ−１（ＮＡ）°である。
【００８６】
図５Ｂは、垂直に入射した光が光学系４０によって集束されてフィルタ１００に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。図５Ｂに示す例では、入射角度の最大角度は１０°である。当該最大角度は、光学系４０の開口数ＮＡ＝ｓｉｎ１０°＝０．１７３６に相当する。図５Ｂに示す分光透過率は、図４Ｃに示す分光透過率と比較して、ブロードになる。これは、図５Ｂに示す分光透過率が、最小角度θｍｉｎ＝０°から最大角度θｍａｘ＝１０°までの分光透過率の重ね合わせであることに起因する。したがって、このままでは、フィルタ１００は、対象物からの光を十分に符号化することはできない。
【００８７】
そこで、本実施形態では、フィルタ１００によって対象物からの光を符号化するために、遮光素子５０が用いられる。
【００８８】
図６Ａは、図５Ａに示す光学系４０の上部に遮光素子５０が配置された例を模式的に示す図である。遮光素子５０は、１つ以上の遮光領域５０ａ、および１つ以上の透光領域５０ｂを備える。遮光素子５０は、図５Ａに示す光学系４０の下部であり、かつ、フィルタ１００の上部に配置されていてもよい。遮光素子５０の形状の詳細については後述する。遮光素子５０により、フィルタ１００に向けて、特定の入射角度の光を選択的に通過させることができる。当該光は、離散的な複数の方向から入射する光である。遮光素子５０の１つ以上の遮光領域は、光学系４０から符号化素子１００Ｃに向かう光のうち、特定の１つ以上の入射角度で入射する光の強度を低減する。その結果、入射角度の依存性に起因する波長分解能の低下を抑制することができる。
【００８９】
図６Ｂは、垂直に入射した光が遮光素子５０を通過し、光学系４０によって集束されてフィルタ１００に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。図６Ｂに示す例では、遮光素子５０を通過して、光学系４０によって集束された光は、フィルタ１００に、入射角度０°から１°、２°から４°、５°から７°、および８°から１０°で入射する。これにより、選択された入射角度の範囲の分光透過率の重ね合わせにより、分光透過率の波長分解能の低下を抑制することができる。選択された入射角度の範囲の分光透過率は、図４Ｄに示す例から知ることができる。
【００９０】
次に、遮光素子５０の形状を説明する。
【００９１】
図６Ｃは、上図および下図において、それぞれＸＺ平面およびＸＹ平面における遮光素子５０の形状を模式的に示す図である。図６Ｃに示す例では、遮光素子５０は、凸レンズを含む光学系４０の瞳位置に配置される。１つ以上の遮光領域５０ａ、および１つ以上の透光領域５０ｂは、凸レンズの光軸を中心とする同心円状の構造を有する。１つ以上の遮光領域５０ａは、入射する光を反射または吸収する。隣り合う２つの遮光領域５０ａの一部は、つながっていてもよい。１つの遮光領域５０ａは、渦巻き状の構造を有していてもよい。図６Ｃに示す遮光素子５０は、例えば、ガラス基板上にクロム薄膜を蒸着して、当該クロム薄膜をパターニングすることよって作製され得る。遮光素子５０の形状は、光学系４０の形状に依存する。光学系４０がＹ方向に沿って一様であるシリンドリカルレンズを含む場合、遮光素子５０は、ＸＺ平面では図６Ｃの上図に示す断面を有し、ＸＹ平面ではＹ方向に沿って一様なストライプ形状を有する。
【００９２】
フィルタ１００自体の分光透過率を変化させなくても、遮光素子５０の透光領域５０ｂの形状を変化させることにより、分光透過率を変化させることもできる。
【００９３】
図７Ａおよび図７Ｂは、垂直に入射した光が透光領域５０ｂの形状の異なる遮光素子５０を通過し、光学系４０によって集束されてフィルタ１００に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。図７Ａに示す例では、遮光素子５０を通過して、光学系４０によって集束された光は、フィルタ１００に、入射角度０°から２°、３°から５°、６°から８°、および９°から１０°で入射する。図７Ｂに示す例では、遮光素子５０を通過して、光学系４０によって集束された光は、フィルタ１００に、入射角度１°から３°、４°から６°、および７°から９°で入射する。
【００９４】
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、遮光素子５０の透光領域５０ｂの幅および数の設計に応じて、分光透過率のディップまたはピークを調整することができる。ディップまたはピークの線幅は、遮光素子５０の透光領域５０ｂの幅によって決定される。ディップまたはピークの数は、遮光素子５０の透光領域５０ｂの数によって決定される。ディップまたはピークの波長が、フィルタ１００の動作波長である。すなわち、本実施形態では、遮光素子５０の透光領域５０ｂの幅および数の設計により、任意の数の波長で動作する符号化素子１００Ｃを構成することができる。
【００９５】
以上から、光導波層２０上に式（１）を満たすグレーティング３０を配置することにより、任意の波長で動作する符号化素子１００Ｃを設計することができる。例えば、図４Ｂに示す解析条件では、光導波層２０の実効屈折率ｎｅｆｆは、１．４６＜ｎｅｆｆ＜２．０５である。下限値１．４６は、基板１０の屈折率ｎｓであり、上限値２．０５は、光導波層２０の屈折率ｎｆである。θ＝０°の垂直入射では、式（１）から、Λ＝λ／ｎｅｆｆが得られる。したがって、波長４００ｎｍから７００ｎｍの可視光域内で動作するためには、グレーティング３０の周期Λは、１９５ｎｍ＜Λ＜４８０ｎｍである。下限値１９５ｎｍは、４００ｎｍ／２．０５から算出され、上限値４８０ｎｍは、７００ｎｍ／１．４６から算出された。
【００９６】
本実施形態では、各領域でのフィルタ１００のグレーティング３０の周期を変化させることにより、領域ごとに異なる分光透過率を有する符号化素子１００Ｃを作製することできる。したがって、異なる光吸収材料を各領域に配置する構成に比べて、作製しやすいという利点がある。
【００９７】
図８は、撮像素子６０の直上に配置された符号化素子１００Ｃのうちの３つの領域でのフィルタ１００の分光透過率の計算結果を示す図である。図８の左図に示す例では、太線によって囲まれた３つの領域でのフィルタ１００は、上から反時計回りにΛ＝３５０ｎｍ、４００ｎｍ、および３００ｎｍのグレーティング３０の周期を有する。図８の右図には、これら３つの領域でのフィルタ１００の分光透過率が示されている。図８の右図に示すように、遮光素子５０の透光領域５０ｂの幅および数の設計は同じでも、各領域でのフィルタ１００のグレーティング３０の周期を変えることにより、波長４００ｎｍから７００ｎｍの可視光域の全域をカバーする符号化素子１００Ｃを作製することができる。
【００９８】
＜撮像装置＞
次に、本実施形態における撮像装置３００を説明する。
【００９９】
図９は、本実施形態における撮像装置３００の例を模式的に示す図である。撮像装置３００は、撮像素子６０と、撮像素子６０に集光する光学デバイス１５０とを備える。光学デバイス１５０は、対象物７０から入射する光の光路に配置されている。光学デバイス１５０は、符号化素子１００Ｃと、遮光素子５０と、光学系４０とを備える。
【０１００】
遮光素子５０は、対象物７０と光学系４０との間、または、光学系４０と符号化素子１００Ｃとの間に配置され得る。図９に示す例では、遮光素子５０は、対象物７０と光学系４０との間の、光学系４０の瞳位置に配置されている。
【０１０１】
光学系４０は、少なくとも１つの撮像レンズを含む。図９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、符号化素子１００Ｃを介して、撮像素子６０の撮像面上に像を形成する。
【０１０２】
符号化素子１００Ｃは、撮像素子６０の近傍または直上に配置されている。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符号化素子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。符号化素子１００Ｃおよび撮像素子６０は一体化されていてもよい。符号化素子１００Ｃは、光透過率の空間分布を有するマスクである。符号化素子１００Ｃは、入射した光の強度を変調させて通過させる。
【０１０３】
遮光素子５０により、符号化素子１００Ｃには、離散的な複数の方向から、光が入射する。この場合、符号化素子１００Ｃの各領域に入射する光の離散的な複数の方向は、厳密には異なる。例えば、符号化素子１００Ｃの中央付近と端付近とでは、光が入射する離散的な複数の方向の違いは小さくないと考えられる。しかし、実際には、対象物７０からの光の像は、光学系４０によって、符号化素子１００Ｃの中央付近に集束される。中央付近の各領域では、光が入射する離散的な複数の方向はほとんど同じであると考えられる。したがって、前述した符号化の議論は、図９に示す撮像装置３００にも有効である。
【０１０４】
撮像素子６０は、光学デバイス１５０を通過した光の光路に配置され、光学デバイス１５０を通過した複数の波長域の成分が重畳した画像を取得する。
【０１０５】
図９には、撮像素子６０から出力された画像信号を処理する信号処理回路２００も示されている。信号処理回路２００は、撮像装置３００に組み込まれていてもよいし、撮像装置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。信号処理回路２００は、撮像素子６０によって取得された画像１２０に基づいて、対象物７０からの光の波長帯域ごとに分離された複数の画像２２０を推定する。推定方法の詳細は、米国特許出願公開第２０１６／１３８９７５号明細書に開示されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。
【０１０６】
＜フィルタの変形例＞
以下に、本実施形態におけるフィルタ１００の変形例を説明する。以下の計算には、ＲＳｏｆｔ社のＲＣＷＡに基づくＤｉｆｆｒａｃｔＭＯＤが用いられた。
【０１０７】
図１０Ａは、フィルタ１００の変形例を模式的に示す図である。図１０Ａに示す例では、フィルタ１００は、基板１０と、基板１０上の光導波層２０と、光導波層２０上のバッファ層２２と、バッファ層２２上の金属グレーティング３２とを備える。光導波層２０の屈折率は、基板１０の屈折率、バッファ層２２の屈折率、および、金属グレーティング３２上にある媒質の屈折率よりも高い。本明細書では、図１０Ａに示すフィルタ１００を、「導波路プラズモンフィルタ」と称することがある。
【０１０８】
バッファ層２２はなくてもよい。その場合、フィルタ１００は、基板１０と、基板１０上の光導波層２０と、光導波層２０上の金属グレーティング３２とを備える。光導波層２０の屈折率は、基板１０の屈折率、および、金属グレーティング３２上にある媒質の屈折率よりも高い。
【０１０９】
基板１０、光導波層２０、およびバッファ層２２は、対象波長域において透明である。例えば、可視光域では、基板１０、光導波層２０、およびバッファ層２２の少なくとも１つは、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５またはＳｉ３Ｎ４などの誘電体材料から形成され得る。基板１０、光導波層２０、およびバッファ層２２の各々は、２種類以上の誘電体層を含む多層構造であってもよい。
【０１１０】
金属グレーティング３２は、対象波長域内で反射率が高く、吸収損失が小さい金属から形成され得る。例えば、可視光域では、当該金属は、金、銀、またはアルミから形成され得る。図１０Ａに示す例では、金属グレーティング３２は、Ｘ方向において周期的であるが、さらにＸＹ平面内の他の方向において周期的であってもよい。
【０１１１】
図１０Ｂは、図１０Ａに示すフィルタ１００に光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。基板１０、およびバッファ層２２の各々は、ＳｉＯ２から形成された。光導波層２０は、Ｓｉ３Ｎ４から形成された。金属グレーティング３２は、銀から形成された。光導波層２０の厚さは、１００ｎｍである。バッファ層２２の厚さは５０ｎｍである。金属グレーティング３２の高さは４０ｎｍであり、凸部の幅は２６０ｎｍであり、周期は３５０ｎｍである。金属グレーティング３２の凹部は、貫通している。入射光は、ＴＭモードの垂直入射光である。
【０１１２】
図１０Ｃは、図１０Ａに示すフィルタ１００の、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。図１０Ｃに示す分光透過率は、式（１）に基づいて、入射角度の依存性を示すことがわかる。したがって、符号化素子１００Ｃの少なくとも一部の領域に図１０Ａに示すフィルタ１００を配置することにより、前述した本開示の効果を得ることができる。
【０１１３】
図１１Ａは、フィルタ１００の変形例を模式的に示す図である。図１１Ａに示す例では、フィルタ１００は、基板１０と、基板１０上の第１ミラー２４ａと、第１ミラー２４ａ上の中間層２６と、中間層２６上の第２ミラー２４ｂとを備える。本明細書では、図１１Ａに示すフィルタ１００を、「ファブリ・ペローフィルタ」と称することがある。
【０１１４】
中間層２６は、対象波長域において透明である。例えば、可視光域では、中間層２６は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５またはＳｉ３Ｎ４などの誘電体材料から形成され得る。中間層２６は、２種類以上の誘電体層を含む多層構造であってもよい。
【０１１５】
第１ミラー２４ａおよび第２ミラー２４ｂの少なくとも一方は、例えば、誘電体多層膜、または金属薄膜から形成されてもよい。
【０１１６】
図１１Ｂは、図１１Ａに示すフィルタ１００に光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。基板１０、および中間層２６の各々は、ＳｉＯ２から形成された。第１ミラー２４ａおよび第２ミラー２４ｂの各々は、銀から形成された。中間層２６の厚さは、１５０ｎｍである。第１ミラー２４ａおよび第２ミラー２４ｂの各々の厚さは１５ｎｍである。入射光は、ＴＭモードの垂直入射光である。
【０１１７】
図１１Ｃには、図１１Ａに示すフィルタ１００の、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。図１１Ａに示すフィルタ１００では、外部から入射した光により、中間層２６内で多重反射が生じる。したがって、以下の式（４）が得られる。
【数７】
2020053910.tif 000009
【０１１８】
ここで、λは、入射光の波長である。θは、入射光の入射角度である。Ｌは、中間層２６の厚さである。ｍは、１以上の整数である。ｎは、中間層の屈折率である。図１１Ｃに示す分光透過率は、式（４）に基づいて、入射角度の依存性を示すことがわかる。したがって、符号化素子１００Ｃの少なくとも一部の領域に図１１Ａに示すフィルタ１００を配置することにより、前述した本開示の効果を得ることができる。
【０１１９】
図１２Ａは、フィルタ１００の変形例を模式的に示す図である。図１２Ａに示す例では、フィルタ１００は、基板１０と、基板１０上の誘電体多層膜２８とを備える。本明細書では、図１２Ａに示すフィルタ１００を、「多層膜フィルタ」と称することがある。
【０１２０】
誘電体多層膜２８は、第１誘電体層２８ａと、第２誘電体層２８ｂとが、基板１０に垂直な方向に交互に積層された構造を備える。第１誘電体層２８ａの屈折率は、第２誘電体層２８ｂの屈折率と異なる。図１２Ａに示す例では、第１誘電体層２８ａの屈折率は、第２誘電体層２８ｂの屈折率よりも高い。基板１０、ならびに第１誘電体層２８ａおよび第２誘電体層２８ｂは、対象波長域において透明である。例えば、可視光域では、基板１０、ならびに第１誘電体層２８ａおよび第２誘電体層２８ｂの少なくとも１つは、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５またはＳｉ３Ｎ４などの誘電体材料から形成され得る。
【０１２１】
図１２Ｂは、図１２Ａに示すフィルタ１００に光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。基板１０は、ＳｉＯ２から形成された。第１誘電体層２８ａは、Ｓｉ３Ｎ４から形成され、第２誘電体層２８ｂはＳｉＯ２から形成された。第１誘電体層２８ａの厚さは、７０ｎｍであり、第２誘電体層２８ｂの厚さは、９０ｎｍである。９層の第１誘電体層２８ａ、および８層の第２誘電体層２８ｂが、交互に積層された。入射光は、ＴＭモードの垂直入射光である。図１２Ａに示すフィルタ１００では、外部から入射した特定の波長域の光は、周期構造に起因するブラッグ反射によって強く反射される。
【０１２２】
図１２Ｃは、図１２Ａに示すフィルタ１００の、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。図１２Ｃに示す分光透過率は、入射角度の依存性を示すことがわかる。したがって、符号化素子１００Ｃの少なくとも一部の領域に図１２Ａに示すフィルタ１００を配置することにより、前述した本開示の効果を得ることができる。
【０１２３】
図１３Ａは、フィルタ１００の変形例を模式的に示す図である。図１３Ａに示す例では、フィルタ１００は、基板１０と、基板１０上のグレーティング３４とを備える。グレーティング３４は、基板１０の表面に沿って等間隔に並んだ複数の積層構造体を含む。当該複数の積層構造体の各々は、基板１０上の第１金属層２９ａと、第１金属層２９ａ上の絶縁体層２７と、絶縁体層２７上の第２金属層２９ｂと、を含む。本明細書では、図１３Ａに示すフィルタ１００を、「金属−絶縁体−金属の積層構造を備えるフィルタ」と称することがある。
【０１２４】
基板１０および絶縁体層２７は、対象波長域において透明である。例えば、可視光域では、基板１０および絶縁体層２７の少なくとも一方は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５またはＳｉ３Ｎ４などの誘電体材料から形成され得る。
【０１２５】
第１金属層２９ａおよび第２金属層２９ｂの少なくとも一方は、例えば、金、銀、またはアルミから形成され得る。
【０１２６】
図１３Ｂは、図１３Ａに示すフィルタ１００に光が垂直に入射したときの、分光透過率の計算結果を示す図である。基板１０および絶縁体層２７の各々は、ＳｉＯ２から形成された。第１金属層２９ａおよび第２金属層２９ｂの各々は、銀から形成された。絶縁体層２７の厚さは、７５ｎｍである。第１金属層２９ａおよび第２金属層２９ｂの各々の厚さは、７５ｎｍである。グレーティング３４の凸部の幅は、３００ｎｍであり、周期は、３５０ｎｍである。グレーティング３４の凹部は、貫通している。入射光は、ＴＭモードの垂直入射光である。
【０１２７】
図１３Ｃは、図１３Ａに示すフィルタ１００の、入射角度と分光透過率との関係の計算結果を示す図である。図１３Ｃに示す分光透過率は、入射角度の依存性を示すことがわかる。したがって、符号化素子１００Ｃの少なくとも一部の領域に図１３Ａに示すフィルタ１００を配置することにより、前述した本開示の効果を得ることができる。
【０１２８】
符号化素子１００Ｃの複数のフィルタの各々は、導波路共鳴格子フィルタ、導波路プラズモンフィルタ、ファブリ・ペローフィルタ、多層膜フィルタ、および金属−絶縁体−金属の積層構造を備えるフィルタからなる群から選択される１つのフィルタであり得る。
【０１２９】
前述したフィルタ１００のうち、図４Ａ、図１０Ａ、および図１３Ａに示すフィルタ１００は、それぞれ、グレーティング３０、金属グレーティング３２、およびグレーティング３４を備える。図４Ａ、図１０Ａ、および図１３Ａに示すフィルタ１００では、グレーティング３０、金属グレーティング３２、およびグレーティング３４の周期を変化させることにより、フィルタ１００の厚さを変化させることなく、異なる分光透過率を得ることができる。したがって、符号化素子１００Ｃの各領域に図４Ａ、図１０Ａ、および図１３Ａのいずれかに示すフィルタ１００が配置することにより、厚さが均一であり、かつ領域ごとに分光透過率が異なる符号化素子１００Ｃを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本開示における光学デバイスおよび撮像装置は、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。本開示における光学デバイスおよび撮像装置は、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。
【符号の説明】
【０１３１】
１０      ：基板
２０      ：光導波層
２２      ：バッファ層
２４ａ    ：第１ミラー
２４ｂ    ：第２ミラー
２６      ：中間層
２７      ：絶縁体層
２８      ：誘電体多層膜
２８ａ    ：第１誘電体層
２８ｂ    ：第２誘電体層
２９ａ    ：第１金属層
２９ｂ    ：第２金属層
３０      ：グレーティング
３２      ：金属グレーティング
３４      ：グレーティング
４０      ：光学系
５０      ：遮光素子
５０ａ    ：遮光領域
５０ｂ    ：透光領域
６０      ：撮像素子
７０      ：対象物
１００    ：フィルタ
１００Ｃ  ：符号化素子
１２０    ：画像
１５０    ：光学デバイス
２００    ：信号処理回路
２２０    ：画像
３００    ：撮像装置
【図１Ａ】
2020053910.tif 000013
【図１Ｂ】
2020053910.tif 000014
【図１Ｃ】
2020053910.tif 000015
【図１Ｄ】
2020053910.tif 000016
【図２Ａ】
2020053910.tif 000017
【図２Ｂ】
2020053910.tif 000018
【図３Ａ】
2020053910.tif 000019
【図３Ｂ】
2020053910.tif 000020
【図４Ａ】
2020053910.tif 000021
【図４Ｂ】
2020053910.tif 000022
【図４Ｃ】
2020053910.tif 000023
【図４Ｄ】
2020053910.tif 000024
【図５Ａ】
2020053910.tif 000025
【図５Ｂ】
2020053910.tif 000026
【図６Ａ】
2020053910.tif 000027
【図６Ｂ】
2020053910.tif 000028
【図６Ｃ】
2020053910.tif 000029
【図７Ａ】
2020053910.tif 000030
【図７Ｂ】
2020053910.tif 000031
【図８】
2020053910.tif 000032
【図９】
2020053910.tif 000033
【図１０Ａ】
2020053910.tif 000034
【図１０Ｂ】
2020053910.tif 000035
【図１０Ｃ】
2020053910.tif 000036
【図１１Ａ】
2020053910.tif 000037
【図１１Ｂ】
2020053910.tif 000038
【図１１Ｃ】
2020053910.tif 000039
【図１２Ａ】
2020053910.tif 000040
【図１２Ｂ】
2020053910.tif 000041
【図１２Ｃ】
2020053910.tif 000042
【図１３Ａ】
2020053910.tif 000043
【図１３Ｂ】
2020053910.tif 000044
【図１３Ｃ】
2020053910.tif 000045