(57)【要約】 【課題】位相シフトのホログラムを用いたレンズフリーイメージセンサを提供する。【解決手段】入射光を受光する複数の光電素子を含み、前記光電素子は、複数のユニットセル内に配置され、各前記ユニットセルは、第１の光電素子および第２の光電素子を含み、各前記ユニットセルの前記第１の光電素子は、第１の位相の第１の画素を撮像し、各前記ユニットセルの前記第２の光電素子は、第２の位相の第２の画素を撮像し、前記第１の位相は、前記第２の位相と異なるイメージセンサ。【選択図】  図２Ａ
2019033467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を受光する複数の光電素子を含み、
前記光電素子は、複数のユニットセル内に配置され、各前記ユニットセルは、第１の光電素子および第２の光電素子を含み、
各前記ユニットセルの前記第１の光電素子は、第１の位相の第１の画素を撮像し、各前記ユニットセルの前記第２の光電素子は、第２の位相の第２の画素を撮像し、
前記第１の位相は、前記第２の位相と異なるイメージセンサ。
【請求項２】
各前記ユニットセルは、第３の位相の第３の画素を撮像する第３の光電素子および第４の位相の第４の画素を撮像する第４の光電素子を更に含み、
前記第１の位相、前記第２の位相、前記第３の位相、および前記第４の位相は異なる請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
各前記ユニットセルの前記第１の光電素子、前記第２の光電素子、前記第３の光電素子、および前記第４の光電素子は、特定の材料でできており、且つ異なる高さであり、
前記第１の位相、前記第２の位相、前記第３の位相、および前記第４の位相は、それぞれ０、π／２、π、および３π／２である請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
各前記ユニットセルの前記第１の光電素子、前記第２の光電素子、前記第３の光電素子、および前記第４の光電素子は、異なる材料でできており、且つ同じ高さであり、
前記第１の位相、前記第２の位相、前記第３の位相、および前記第４の位相は、それぞれπ／４、３π／４、５π／８、および７π／８である請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
第１の位相シフトのホログラム画像および第２の位相シフトのホログラム画像は、前記ユニットセルによって撮像された前記第１の位相の前記第１の画素と前記第２の位相の前記第２の画素をそれぞれ組み合わせることによって得られ、
物体波は、前記第１の位相シフトのホログラム画像および前記第２の位相シフトのホログラム画像に基づいて計算され、物体像は、逆変換を前記物体波に行うことにより再構成される請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項６】
第１の位相シフトのホログラム画像、第２の位相シフトのホログラム画像、第３の位相シフトのホログラム画像、および第４の位相シフトのホログラム画像は、前記ユニットセルによって撮像された前記第１の位相の前記第１の画素、前記第２の位相の前記第２の画素、前記第３の位相の前記第３の画素、および前記第４の位相の前記第４の画素をそれぞれ組み合わせることによって得られ、
物体波は、前記第１の位相シフトのホログラム画像、前記第２の位相シフトのホログラム画像、前記第３の位相シフトのホログラム画像、および前記第４の位相シフトのホログラム画像に基づいて計算され、物体像は、逆変換を前記物体波に行うことにより再構成される請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項７】
前記ユニットセルは、複数のマクロユニットセル内に配置され、各前記マクロユニットセルは、２×２のアレイに配置された４つのユニットセルを含み、各前記マクロユニットセルの前記４つのユニットセルの中の少なくとも１つは、それぞれの所定の角度によって回転されることができる請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項８】
入射光から緑色光を抽出する第１の緑色フィルターおよび第２の緑色フィルター、
前記入射光から赤色光を抽出する赤色フィルター、および
前記入射光から青色光を抽出する青色フィルターを含むフィルターアレイを更に含む請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項９】
前記ユニットセルは、複数のマクロユニットセル内に配置され、各前記マクロユニットセルは、２×２のアレイに配置された第１のユニットセル、第２のユニットセル、第３のユニットセル、および第４のユニットセルを含み、
各前記マクロユニットセルの前記第１のユニットセル、前記第２のユニットセル、前記第３のユニットセル、および前記第４のユニットセルは、前記第１の緑色フィルター、前記第２の緑色フィルター、前記赤色フィルター、および前記青色フィルターによって、前記緑色光、前記緑色光、前記赤色光、および前記青色光をそれぞれ受光し、
前記第１の緑色フィルター、前記第２の緑色フィルター、前記赤色フィルター、および前記青色フィルターは、ベイヤーパターンに配置され、
各前記マクロユニットセルの前記第１のユニットセル、前記第２のユニットセル、前記第３のユニットセル、および前記第４のユニットセルの前記第１の光電素子と前記第２の光電素子の高さは、前記緑色光、前記緑色光、前記赤色光、および前記青色光の波長にそれぞれ比例する請求項８に記載のイメージセンサ。
【請求項１０】
前記ユニットセルは、複数のマクロユニットセル内に配置され、各前記マクロユニットセルは、２×２のアレイに配置された第１のユニットセル、第２のユニットセル、第３のユニットセル、および第４のユニットセルを含み、
各前記マクロユニットセルの前記第１のユニットセル、前記第２のユニットセル、前記第３のユニットセル、および前記第４のユニットセルは、前記第１の緑色フィルター、前記第２の緑色フィルター、前記赤色フィルター、および前記青色フィルターによって、前記緑色光、前記緑色光、前記赤色光、および前記青色光をそれぞれ受光し、
各前記ユニットセルは、第３の位相の第３の画素を撮像する第３の光電素子および第４の位相の第４の画素を撮像する第４の光電素子を更に含み、
前記第１の位相、前記第２の位相、前記第３の位相、および前記第４の位相は異なる請求項８に記載のイメージセンサ。
【請求項１１】
第１の緑色位相シフトのホログラム画像、第２の緑色位相シフトのホログラム画像、第３の緑色位相シフトのホログラム画像、および第４の緑色位相シフトのホログラム画像は、前記第１のユニットセルによって撮像された前記第１の位相の前記第１の画素、前記第２の位相の前記第２の画素、前記第３の位相の前記第３の画素、および前記第４の位相の前記第４の画素をそれぞれ組み合わせることによって得られ、
第５の緑色位相シフトのホログラム画像、第６の緑色位相シフトのホログラム画像、第７の緑色位相シフトのホログラム画像、および第８の緑色位相シフトのホログラム画像は、前記第２のユニットセルによって撮像された前記第１の位相の前記第１の画素、前記第２の位相の前記第２の画素、前記第３の位相の前記第３の画素、および前記第４の位相の前記第４の画素をそれぞれ組み合わせることによって得られ、
第１の赤色位相シフトのホログラム画像、第２の赤色位相シフトのホログラム画像、第３の赤色位相シフトのホログラム画像、および第４の赤色位相シフトのホログラム画像は、前記第３のユニットセルによって撮像された前記第１の位相の前記第１の画素、前記第２の位相の前記第２の画素、前記第３の位相の前記第３の画素、および前記第４の位相の前記第４の画素をそれぞれ組み合わせることによって得られ、
第１の青色位相シフトのホログラム画像、第２の青色位相シフトのホログラム画像、第３の青色位相シフトのホログラム画像、および第４の青色位相シフトのホログラム画像は、前記第４のユニットセルによって撮像された前記第１の位相の前記第１の画素、前記第２の位相の前記第２の画素、前記第３の位相の前記第３の画素、および前記第４の位相の前記第４の画素をそれぞれ組み合わせることによって得られる請求項１０に記載のイメージセンサ。
【請求項１２】
第１の緑色の物体波は、前記第１の緑色の位相シフトのホログラム画像、前記第２の緑色の位相シフトのホログラム画像、前記第３の緑色の位相シフトのホログラム画像、および前記第４の緑色の位相シフトのホログラム画像に基づいて計算され、第１の緑色の物体像は、逆変換を前記第１の緑色の物体波に行うことにより再構成され、
第２の緑色の物体波は、前記第６の緑色の位相シフトのホログラム画像、前記第６の緑色の位相シフトのホログラム画像、前記第７の緑色の位相シフトのホログラム画像、および前記第８の緑色の位相シフトのホログラム画像に基づいて計算され、第２の緑色の物体像は、前記逆変換を前記第２の緑色の物体波に行うことにより再構成され、
赤色の物体波は、前記第１の赤色の位相シフトのホログラム画像、前記第２の赤色の位相シフトのホログラム画像、前記第３の赤色の位相シフトのホログラム画像、および前記第４の赤色の位相シフトのホログラム画像に基づいて計算され、赤色の物体像は、前記逆変換を前記赤色の物体波に行うことにより再構成され、
青色の物体波は、前記第１の青色の位相シフトのホログラム画像、前記第２の青色の位相シフトのホログラム画像、前記第３の青色の位相シフトのホログラム画像、および前記第４の青色の位相シフトのホログラム画像に基づいて計算され、青色の物体像は、前記逆変換を前記青色の物体波に行うことにより再構成される請求項１１に記載のイメージセンサ。
【請求項１３】
各前記マクロユニットセルの前記第１のユニットセル、前記第２のユニットセル、前記第３のユニットセル、および前記第４のユニットセルの前記第１の光電素子、前記第２の光電素子、前記第３の光電素子、および前記第４の光電素子の高さは、前記緑色光、前記緑色光、前記赤色光、および前記青色光の波長にそれぞれ比例する請求項１０に記載のイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサに関し、特に、位相シフトのホログラムを用いたレンズフリーイメージセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
技術の進展に伴い、カメラを備えた電子機器が非常に人気となっている。しかしながら、従来のカメラのモジュラー型レンズ、ａ．ｋ．ａ．密着イメージセンサ（ＣＩＳ）デバイスは、一般的に、入射光を取り込み、取り込んだ光をデジタル画像に変換する。しかしながら、従来の画像化技術の制限により、画像は、レンズで形成され、且つモジュラー型レンズは、カメラ内の利用可能な空間の大部分を占める。携帯型電子機器のサイズは、ますます小型化されてきているため、大きなサイズのモジュラー型レンズは、これらの電子機器に適さない。
【０００３】
従って、カメラの大きさを減少するレンズフリーイメージセンサの需要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
位相シフトのホログラムを用いたレンズフリーイメージセンサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
イメージセンサが提供される。イメージセンサは、入射光を受光する複数の光電素子を含む。光電素子は、複数のユニットセル内に配置され、各ユニットセルは、第１の光電素子および第２の光電素子を含む。各ユニットセルの第１の光電素子は、第１の位相の第１の画素を撮像し、各ユニットセルの第２の光電素子は、第２の位相の第２の画素を撮像し、第１の位相は、第２の位相と異なる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】位相シフトデジタルホログラフィ装置の概略図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態に係る、イメージセンサの側面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの実施形態に係る、イメージセンサの上面図である。
【図２Ｃ】図２Ａの実施形態に係るイメージセンサの斜視図である。
【図２Ｄ】本発明のもう１つの実施形態に係る、イメージセンサの斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る、イメージセンサに用いる４ステップ位相シフトデジタルホログラフィ法のフローチャートである。
【図４Ａ】本発明のもう１つの実施形態に係る、イメージセンサの上面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの実施形態に係る、イメージセンサの斜視図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態に係る、カラーイメージセンサの側面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの実施形態に係る、カラーイメージセンサの上面図である。
【図５Ｃ】図５Ａの実施形態に係るカラーイメージセンサの斜視図である。
【図５Ｄ】図５Ａの実施形態に係る詳細な側面図の部分である。
【図５Ｅ】図５Ａの実施形態に係る詳細な側面図のもう１つの部分である。
【図６】本発明の実施形態に係る、カラーイメージセンサに用いる４ステップ位相シフトデジタルホログラフィ法のフローチャートである。
【図７Ａ】本発明の実施形態に係る、カラーイメージセンサの側面図である。
【図７Ｂ】図７Ａの実施形態に係る、イメージセンサの上面図である。
【図７Ｃ】図７Ａの実施形態に係るイメージセンサの斜視図である。
【図７Ｄ】本発明のもう１つの実施形態に係る、イメージセンサの斜視図である。
【図８Ａ】本発明のもう１つの実施形態に係る、カラーイメージセンサの側面図である。
【図８Ｂ】図８Ａの実施形態に係る、カラーイメージセンサの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の説明は、本発明を実施するベストモードが開示されている。この説明は、本発明の一般原理を例示する目的のためのもので本発明を限定するものではない。
【０００８】
図１は、位相シフトデジタルホログラフィ装置の概略図である。図１に示されるように、位相シフトデジタルホログラフィ装置１００は、レーザー光源１１０、ビームエミッタ１１１、ビームスプリッタ１０１と１０３、ピエゾ（piezoelectric transducer；ＰＺＴ）鏡１０２、ミラー１０４、およびセンサアレイ１２０を含む。レーザー光源１１０から出射したレーザー光は、ビームエミッタ１１１で更に増強され、ビームエミッタ１１１から出射した光は、ビームスプリッタ１０１によって物体光と参照光に分けられる。参照光は、光を位相変調するＰＺＴ鏡１０２によって反射される。一定の位相を参照光にシフトすることにより、異なるホログラムが物体波の複素振幅を求めるために得られる。
【０００９】
例えば、参照波の初期位相は、ゼロであり、各ステップでπ／２ずつ変化する。４ステップ位相シフトデジタルホログラフィのアルゴリズムが用いられる場合、０、π／２、π、および３π／２などの異なる位相の干渉パターンの強度は、式（１）〜（４）でそれぞれ表されることができる：
【数１】
2019033467.tif 000003
【００１０】
位相０、π／２、π、および３π／２の干渉パターンの強度を得た後、物体光の複素振幅は、以下の式で与えられる。
【数２】
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【００１１】
物体光の複素振幅は、デジタル逆伝播を行うことによってΨ0から物体面の物体光の振幅分布を求める（ｒｅｔｒｉｅｖｅ）ことができるため、複素ホログラムと呼ぶこともある。
【００１２】
よって、参照光の複素振幅は、物体波を計算するために分かっていなければならない。通常、参照光は、平面波または球面波であるため、その位相は、測定なしでも知られている。当業者にとっては、異なる位相で物体波を用いて物体像（ｏｂｊｅｃｔ  ｉｍａｇｅ）を再構成する技術が理解されるだろう。従って、詳細はここでは省略する。
【００１３】
留意すべきことは、図１の実施形態に示された位相シフトデジタルホログラフィ装置１００は、位相を各ステップで変えなければならず、位相を変える、干渉パターンの強度の計算をする、且つ物体像の再構成をするのに時間がかかる。従って、現在市場で販売されている携帯型電子機器に装置１００を用いるのは、実用的でない。
【００１４】
しかしながら、位相シフトデジタルホログラフィのアルゴリズムの位相遅延の概念は、本発明のイメージセンサに用いられることができる。図２Ａは、本発明の実施形態に係るイメージセンサの側面図である。説明の目的のために、イメージセンサ２００は、例えば、モノカラーのイメージセンサである。図２に示されるように、イメージセンサ２００は、センサアレイ２２０を含む。センサアレイ２２０は、入射光を受光する複数の光電素子２２１を含む。光電素子２２１は、半導体製造プロセスによって基板２３０（図２Ｃおよび図２Ｄに示されるように）の上に実装されることができる。留意すべきことは、イメージセンサ２００にレンズは用いられず、且つ説明の目的のために、図２Ａのセンサアレイ２２０は、センサアレイの光電素子の相対的な高さ（即ち、厚さ）を示さないことである。
【００１５】
図２Ｂは、図２Ａの実施形態に係る、イメージセンサの上面図である。図２Ｃは、図２Ａの実施形態に係るイメージセンサの斜視図である。
【００１６】
図２Ｂに示されるように、センサアレイ２２０は、複数のユニットセル２５０を含み、各ユニットセルは、２×２のアレイに配置された４つの光電素子を有する。例えば、光電素子２５１、２５２、２５３、および２５４は、異なる高さであり、各光電素子２５１、２５２、２５３、および２５４の高さは、対応するホログラムの特定の位相を表している。光電素子２５１〜２５４の高さは、以下の式を用いて計算することができる。
【数３】
2019033467.tif 000005
【００１７】
λは、特定の波長を示し、ｎは、光電素子の材料の屈折率を示し、且つδｍは、与えられた位相値、例えば、０、π／２、π、および３π／２を示している。留意すべきことは、センサアレイ２２０の全ての光電素子は、同じ材料で実装されることができるため、同じ屈折率を有することができる。特に、４ステップ位相シフトデジタルホログラフィ法は、イメージセンサ２００の構造に用いられる。例えば、光電素子２５１〜２５４の高さは、位相δ０、δ１、δ２、およびδ３にそれぞれ対応するｄ０、ｄ１、ｄ２、およびｄ３である。δ０、δ１、δ２、およびδ３の値は、それぞれ０、π／２、π、および３π／２である。高さｄ０〜ｄ４が式（６）と整合するため、ｄ０、ｄ１、ｄ２、およびｄ３の値は、０、λ／４ｎ、λ／２ｎ、および３λ／４ｎとしてそれぞれ計算されることができる。光電素子２５１〜２５４の高さの違いは、図２Ｃに示されている。留意すべきことは、ユニットセル２５０は、センサアレイに繰り返し配置され、各ユニットセル２５０の各光電素子は、４つの異なる位相の個別の位相の画素を撮像することができる。例えば、各ユニットセル２５０の光電素子２５１、２５２、２５３、および２５４は、第１の位相の第１の画素、第２の位相の第２の画素、第３の位相の第３の画素、および第４の位相の第４の画素をそれぞれ撮像することができる。第１の画素、第２の画素、第３の画素、および第４の画素は、各ユニットセル２５０の光電素子２５１〜２５４によって撮像されるため、第１の画素、第２の画素、第３の画素、および第４の画素の位置は、実質的に同じである。例えば、δ０のホログラム画像は、各ユニットセル２５０の光電素子２５１の撮像された画素から得られることができる。同様に、δ１、δ２、およびδ３のホログラム画像は、各ユニットセル２５０の光電素子２５１、２５２、２５３の撮像された画素からそれぞれ得られることができる。
【００１８】
４つの位相のホログラム画像を得た後、フーリエ領域（ｄｏｍａｉｎ）の物体波は、式（５）を用いて得ることができる。次いで、逆フーリエ変換が物体波に行われ、空間領域の物体像を再構成する。また、フーリエ領域の物体波を空間領域の物体像に変換する変換関数Ｈ（ｘ、ｙ）は、予め推定されることができ、よって、物体波と変換関数との畳み込みが物体像を得るために行われることができる。
【００１９】
図２Ｄは、本発明のもう１つの実施形態に係る、イメージセンサの斜視図である。他の実施形態では、ユニットセル２５０の光電素子２５１〜２５４の位置は、図２Ｂのそれらと同じであるが、図２Ｄに示されるように、ユニットセル２５０の光電素子２５１〜２５４の高さは、同じである。例えば、光電素子２５１〜２５４は、異なる屈折率を有する異なる材料からできている。具体的に言うと、各光電素子の材料の屈折率は、以下の式に従わなければならない。
【数４】
2019033467.tif 000006
【００２０】
式（７）に示すように、高さｄは、一定であり、屈折率ｎｍは、可変である。４ステップ位相シフトホログラフィがここで用いられることもできる例えば、４ステップ位相シフトホログラフィ法の位相は、π／４、３π／４、５π／８、および７π／８である。高さｄが０．５λと等しいとした場合、光電素子２５１〜２５４の材料の屈折率は、０．５〜１．２の範囲である。
【００２１】
図３は、本発明の実施形態に係る、イメージセンサに用いる４ステップ位相シフトデジタルホログラフィ法のフローチャートである。ステップＳ３１０では、異なる位相の４つの位相シフトのホログラム画像が得られる。例えば、図２Ｃまたは図２Ｄに示される画像センサ２００を用いることができる。説明の目的のために、図２Ｃのイメージセンサが次の実施形態に用いられる。具体的に言うと、４つの位相シフトのホログラム画像が位相０、π／２、π、および３π／２に対応する。
【００２２】
ステップＳ３２０では、フーリエ変換の物体波は、異なる位相の４つの位相シフトのホログラム画像に基づいて計算される。例えば、０、π／２、π、および３π／２などの異なる位相のホログラムの強度は、式（１）〜（４）を用いて計算されることができ、物体波は式（５）を用いて計算されることができる。しかしながら、物体波の計算を簡易化するために、物体波φ０は、以下の式を用いておおよそ計算されることができる。
【数５】
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【００２３】
ステップＳ３３０では、物体像は、物体波に基づいて再構成される。例えば、物体波φ０は、フーリエ領域にあり、物体像は、空間領域にあり、よって、逆フーリエ変換が物体波φ０に施され、物体像を再構成する。また、フーリエ領域の物体波を空間領域の物体像に変換する変換関数Ｈ（ｘ、ｙ）は、予め推定されることができ、よって、物体波と変換関数との畳み込みが物体像を得るために行われることができる。
【００２４】
図４Ａは、本発明のもう１つの実施形態に係る、イメージセンサの上面図である。図４Ｂは、図４Ａの実施形態に係る、イメージセンサの斜視図である。図２Ｂの実施形態に示されるように、各ユニットセルは、２×２のアレイに配置された４つの光電素子を含む。図４Ａに示されるように、もう１つの実施形態では、センサアレイ２２０は、複数のマクロユニットセルを含み、各マクロユニットセルは、２×２のユニットセルアレイで配置された４つのユニットセルを含む。具体的に言うと、各マクロユニットセルは、４×４のアレイで配置された１６の光電素子を含む。
【００２５】
例えば、マクロユニットセル４５０は、ユニットセル４１０、４２０、４３０、および４４０を含み、各ユニットセルは、４つの光電素子を含み、各ユニットセルの各光電素子は、４つの異なる位相の個別の位相の画素を撮像する。ユニットセル４１０、４２０、４３０、および４４０の光電素子の高さは、例えば、位相０、π／２、π、および３π／２が用いられている、上述のような４ステップ位相シフトホログラフィ法に従う。また、マクロユニットセル４５０のユニットセル４１０、４２０、４３０、および４４０の２つは、回転される。具体的に言うと、モアレ効果が各撮像されたホログラム画像、およびイメージセンサの対応する斜視図に生じるのを防ぐために、ユニットセル４３０は、ユニットセル４１０に対して反時計回りに９０度回転され、ユニットセル４４０は、ユニットセル４２０に対して時計回りに９０度回転される。
【００２６】
留意すべきことは、図４Ａに示されたユニットセル４３０と４４０の回転は一例であり、本発明を限定するものではない。マクロユニットセル４５０の１つ以上のユニットセルは、モアレ効果を防ぐために、所定の配置（例えば、１つ以上の所定の角度）に回転されることができる。
【００２７】
図５Ａは、本発明の実施形態に係る、カラーイメージセンサの側面図である。カラーイメージセンサ５００は、フィルターアレイ５１０およびセンサアレイ５２０を含む。フィルターアレイ５１０は、赤色フィルター５１１、緑色フィルター５１２、および青色フィルター５１３などの複数のカラーフィルターを含む。例えば、２つの緑色フィルター、１つの赤色フィルター、および１つの青色フィルターは、ベイヤーパターンの２×２のカラーフィルターアレイに配置される。センサアレイ５２０は、フィルターアレイ５１０によって入射光を受光する複数の光電素子５２１を含む。光電素子５２１は、複数のユニットセル内に配置される。説明の目的のために、図５Ａのセンサアレイ５２０は、センサアレイ５２０の光電素子の相対的な高さを示していない。
【００２８】
図５Ｂは、図５Ａの実施形態に係る、カラーイメージセンサの上面図である。図５Ｃは、図５Ａの実施形態に係る、カラーイメージセンサの斜視図である。図５Ｂに示されるように、２×２のアレイに配置されたユニットセル５３０、５４０、５５０、および５６０は、フィルターアレイ５１０の２×２のカラーフィルターアレイに対応する２×２のアレイに配置される。従って、ユニットセル５３０、５４０、５５０、および５６０は、緑色光、青色光、および赤色光を受光し、緑色光は、フィルターアレイ５１０の２×２のカラーフィルターアレイをそれぞれ通過する。具体的に言うと、マクロユニットセル５７０の４つのユニットセル５３０、５４０、５５０、および５６０は、０、π／２、π、および３π／２などの４つの異なる位相の緑色、青色、赤色、および緑色画素を撮像するように構成される。ユニットセル５３０、５４０、５５０、および５６０の光電素子５３１〜５３４、５４１〜５４４、５５１〜５５４、および５６１〜５６４の高さの設計は、センサアレイ５２０の光電素子が同じ材料でできているとき、上述の式（６）に従うことができる。従って、詳細はここでは省略する。しかしながら、式（６）は、固定波長で単色用に設計されている。
【００２９】
λＲ、λＧ、およびλＢが赤色光、緑色光、および青色光の波長をそれぞれ表すとした場合、赤色光、緑色光、および青色光の中で赤色光が最長波長を有し、青色光が最短波長を有するため、波長間の関係は、λＲ＞λＧ＞λＢであると結論されることができる。よって、センサアレイ５２０の光電素子が同じ材料でできている場合、赤色光を受光するユニットセル５５０の光電素子５５１〜５５４は、マクロユニットセル５７０の他のユニットセルの光電素子よりも相対的に大きい高さを有する。即ち、各ユニットセルの光電素子の高さは、受光した光の波長に比例する。
【００３０】
例えば、図５Ｃに示すように、赤色光を受光するユニットセル５５０の光電素子５５１〜５５４の高さは、同一場所に配置された緑色光を受光するユニットセル５３０の光電素子５３１〜５３４（即ち、同じ位相）の高さよりも相対的に高い。
【００３１】
図５Ｄは、図５Ａの実施形態に係る詳細な側面図の部分である。図５Ｅは、図５Ａの実施形態に係る詳細な側面図のもう１つの部分である。図５Ｄの側面図は、緑色光を受光するユニットセル５３０の光電素子５３１〜５３２と、赤色光を受光するユニットセル５５０の光電素子５５１〜５５２の相対的な高さを示している。同じ位相では、光電素子５５１は、光電素子５３１より大きな高さを有し、光電素子５５２は、光電素子５３２より大きな高さを有する。
【００３２】
図５Ｅの側面図は、緑色光を受光するユニットセル５３０の光電素子５３１〜５３２と、青色光を受光するユニットセル５４０の光電素子５４１〜５４２の相対的な高さを示している。同じ位相では、光電素子５３１は、光電素子５４１より大きな高さを有し、光電素子５３２は、光電素子５４２より大きな高さを有する。
【００３３】
マクロユニットセル５７０は、センサアレイ５２０に繰り返し配置されるため、４つの位相シフトのホログラム画像は、センサアレイ５２０のマクロユニットセルの各ユニットセル５３０、５４０、５５０、および５６０によって撮像された画素を組み合わせることによって得られ、よって、全ての１６の位相シフトのホログラム画像を得ることができる。留意すべきことは、ユニットセル５３０によって撮像された緑色の位相シフトのホログラム画像は、ユニットセル５６０によって撮像されたホログラム画像と異なることである。例えば、全ての１６の位相シフトのホログラム画像は、（Ｒδ０、Ｒδ１、Ｒδ２、Ｒδ３）、（Ｇ１δ０、Ｇ１δ１、Ｇ１δ２、Ｇ１δ３）、（Ｂδ０、Ｂδ１、Ｂδ２、Ｂδ３）、および（Ｇ２δ０、Ｇ２δ１、Ｇ２δ２、Ｇ２δ３）であることができる。緑色の位相シフトのホログラム画像（Ｇ２δ０、Ｇ２δ１、Ｇ２δ２、Ｇ２δ３）は、ユニットセル５６０によって撮像される。
【００３４】
図６は、本発明の実施形態に係る、カラーイメージセンサに用いる４ステップ位相シフトデジタルホログラフィ法のフローチャートである。図３のフローチャートと異なり、図６のフローチャートは、カラーイメージセンサに用いられるものである。ステップＳ６１０では、異なるカラーチャネルおよび異なる位相の１６の位相シフトのホログラム画像が得られる。例えば、図５に示されたイメージセンサ５００がもちいられることができる。１６の位相シフトのホログラム画像は、上述のように、（Ｒδ０、Ｒδ１、Ｒδ２、Ｒδ３）、（Ｇ１δ０、Ｇ１δ１、Ｇ１δ２、Ｇ１δ３）、（Ｂδ０、Ｂδ１、Ｂδ２、Ｂδ３）、および（Ｇ２δ０、Ｇ２δ１、Ｇ２δ２、Ｇ２δ３）である。
【００３５】
ステップＳ６２０では、フーリエ領域の各カラーチャネルの物体波は、異なるカラーチャネルおよび異なる位相の１６のホログラム画像に基づいて計算される。
【００３６】
ステップＳ６３０では、各カラーチャネルの物体像は、各カラーチャネルの物体波に基づいて再構成される。特に、カラーイメージセンサの１つの赤色チャネル、１つの青色チャネル、および２つの緑色チャネルなどの４つのカラーチャネルがあり、単一のカラーチャネルの物体波の計算および物体像の構成の動作は、図３の実施形態において参照でき、詳細はここでは繰り返されない。
【００３７】
従って、１つの赤色チャネル、１つの青色チャネル、および２つの緑色チャネルを表す４つの物体像は、ステップＳ３３０の後に得られ、カラーイメージセンサ５００に結合された画像信号処理装置（図示されていない）は、４つの物体像を用いて元のカラーイメージを再構成することができる。
【００３８】
図７Ａは、本発明の実施形態に係る、イメージセンサの側面図である。説明の目的のために、例えば、イメージセンサ７００は、単色イメージセンサである。図７Ａに示されるように、イメージセンサ７００は、センサアレイ７２０を含む。センサアレイ７２０は、入射光を受光する複数の光電素子７２１を含む。光電素子７２１は、半導体製造プロセスによって基板７３０の上に実装されることができる。留意すべきことは、イメージセンサ７００にレンズは用いられず、且つ説明の目的のために、図７Ａのセンサアレイ７２０は、センサアレイの光電素子の相対的な高さ（即ち、厚さ）を示さないことである。
【００３９】
図７Ｂは、図７Ａの実施形態に係る、イメージセンサの上面図である。
図７Ｃは、図７Ａの実施形態に係るイメージセンサの斜視図である。
【００４０】
図７Ｂに示されるように、センサアレイ７２０は、複数のユニットセル７５０を含み、各ユニットセルは、２×１アレイに配置された２つの光電素子を有する。例えば、光電素子７５１と７５２は、異なる高さであり、各光電素子７５１と７５２の高さは、対応するホログラムの特定の位相を表している。例えば、２ステップの直交位相シフトホログラフィ法がセンサアレイ７２０に用いられ、２つの異なる位相は、０とπ／２であることができる。位相０とπ／２の干渉パターンの強度を得た後、物体光の複素振幅は、以下の式で与えられる。
【数６】
2019033467.tif 000008
【００４１】
例えば、光電素子７５１と７５２の高さは、以下の式によって計算されることができる：
【数７】
2019033467.tif 000009
【００４２】
λは、特定の波長を示し、ｎは、光電素子の材料の屈折率を示し、且つδｍは、与えられた位相値、例えば、０、およびπ／２（またはπおよび３π／２）を示している。留意すべきことは、センサアレイ７２０の全ての光電素子は、同じ材料で実装されることができるため、同じ屈折率を有することができる。特に、２ステップ位相シフトデジタルホログラフィ法は、イメージセンサ７００の構造に用いられる。例えば、光電素子７５２と７５２の高さは、位相δ０とδ１にそれぞれ対応するｄ０とｄ１である。δ０、およびδ１の値は、それぞれ０とπ／２（またはπおよび３π／２）である。高さｄ０〜ｄ１が式（１０）と整合するため、ｄ０とｄ１の値は、０とλ／４ｎとしてそれぞれ計算されることができる。光電素子７５１と７５２の高さの違いは、図７Ｃに示されている。留意すべきことは、ユニットセル７５０は、センサアレイ７２０に繰り返し配置され、各ユニットセル７５０の各光電素子は、２つの異なる位相の個別の位相の画素を撮像することができる。例えば、各ユニットセル７５０の光電素子７５１と７５２は、第１の位相の第１の画素、第２の位相の第２の画素をそれぞれ撮像することができる。第１の画素および第４の画素は、各ユニットセル７５０の光電素子７５１と７５２によって撮像されるため、第１の画素および第２の画素は、実質的に同じである。例えば、δ０のホログラム画像は、各ユニットセル７５０の光電素子７５１の撮像された画素から得られることができる。同様に、δ１のホログラム画像は、各ユニットセル７５０の光電素子７５２の撮像された画素からそれぞれ得られることができる。
【００４３】
２つの位相のホログラム画像を得た後、フーリエ領域（ｄｏｍａｉｎ）の物体波は、式（９）を用いて得ることができる。次いで、逆フーリエ変換が物体波に行われ、空間領域の物体像を再構成する。また、フーリエ領域の物体波を空間領域の物体像に変換する変換関数Ｈ（ｘ、ｙ）は、予め推定されることができ、よって、物体波と変換関数との畳み込みが物体像を得るために行われることができる。
【００４４】
図７Ｄは、本発明のもう１つの実施形態に係る、イメージセンサの斜視図である。他の実施形態では、ユニットセル７５０の光電素子７５１と７５２の位置は、図７Ｂのそれらと同じであるが、図７Ｄに示されるように、ユニットセル７５０の光電素子７５１と７５２の高さは、同じである。例えば、光電素子７５１と７５２は、異なる屈折率を有する異なる材料からできている。具体的に言うと、各光電素子の材料の屈折率は、以下の式に従わなければならない。
【数８】
2019033467.tif 000010
【００４５】
式（１１）に示すように、高さｄは、一定であり、屈折率ｎｍは、可変である。２ステップ位相シフトホログラフィがここで用いられることもできる例えば、２ステップ位相シフトホログラフィ法の位相は、０とπ／２（またはπと３π／２）である。高さｄが０．５λと等しいとした場合、光電素子７５１と７５２の材料の屈折率は、式（１１）を用いて計算されることができる。
【００４６】
図８Ａは、本発明のもう１つの実施形態に係る、カラーイメージセンサの側面図である。カラーイメージセンサ８００は、フィルターアレイ８１０およびセンサアレイ８２０を含む。フィルターアレイ８１０は、赤色フィルター、緑色フィルター、および青色フィルターなどの複数のカラーフィルターを含む。例えば、２つの緑色フィルター、１つの赤色フィルター、および１つの青色フィルターは、ベイヤーパターンの２×２のカラーフィルターアレイに配置される。センサアレイ８２０は、フィルターアレイ８１０によって光を受光する複数のユニットセル８２１を含む。説明の目的のために、図８Ａのセンサアレイ８２０は、センサアレイ８２０の光電素子の相対的な高さを示していない。
【００４７】
図８Ｂは、図８Ａの実施形態に係る、カラーイメージセンサの上面図である。図７Ｂに示されるように、ユニットセル８３０、８４０、８５０、および８６０は、緑色光、青色光、赤色光、および緑色光をそれぞれ受光する。各ユニットセル８３０、８４０、８５０、および８６０は、２つの光電素子を有し、対応するカラーフィルターを有する。例えば、ユニットセル８３０、８４０、８５０、および８６０は、フィルターアレイ８１０によって緑色光、青色光、赤色光、および緑色光を受光する。特に、ベイヤーパターンの方式のマクロユニットセル８７０は、ユニットセル８３０、８４０、８５０、および８６０を用いて形成されることができる。
【００４８】
実施形態では、２ステップ位相シフトホログラフィ法が用いられる。例えば、各ユニットセルの２つの光電素子は、例えば０およびπ／２などの異なる位相の画素を受けるように設計された異なる高さを有する。
【００４９】
ユニットセル８３０、８４０、８５０、および８６０の光電素子８３１〜８３２、８４１〜８４２、８５１〜８５３、および８６１〜８６２の高さの設計は、センサアレイ８２０の光電素子が同じ材料でできているとき、上述の式（６）に従うことができる。従って、詳細はここでは省略する。しかしながら、式（６）は、固定波長で単色用に設計されている。
【００５０】
λＲ、λＧ、およびλＢが赤色光、緑色光、および青色光の波長をそれぞれ表すとした場合、赤色光、緑色光、および青色光の中で赤色光が最長波長を有し、青色光が最短波長を有するため、波長間の関係は、λＲ＞λＧ＞λＢであると結論されることができる。よって、センサアレイ８２０の光電素子が同じ材料でできている場合、赤色光を受光するユニットセル８５０の光電素子８５１〜８５２は、マクロユニットセル８７０の他のユニットセルの光電素子よりも相対的に大きい高さを有する。
【００５１】
図５のセンサアレイ５２０と比較すると、マクロユニットセルのサイズがセンサアレイ８２０で４×２であり、マクロユニットセルのサイズがセンサアレイ５２０で４×４であるため、垂直方向の解像度は、センサアレイ８２０を用いたとき、２倍である。しかしながら、センサアレイ８２０を用いて物体波を得る演算量の複雑さは、高くなっている。例えば、２ステップ位相シフトホログラフィ法の物体波は、以下の式を用いて計算されることができる。
【数９】
2019033467.tif 000011
【００５２】
このことから、レンズフリーイメージセンサが提供される。４ステップ位相シフトホログラフィのアルゴリズムの異なる位相で設計された、異なる高さを有する光電素子をセンサアレイ内に配置することにより、物体像は、光電素子によって撮像された位相シフトのホログラム画像を用いて再構成されることができる。従って、モジュラー型レンズは、レンズフリーイメージセンサを用いたカメラモジュールに必要でないため、全体的なカメラモジュールのコストを減少することができ、カメラモジュールの厚さは、薄くすることができる。
【００５３】
本発明は、例として及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、当業者には自明の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである。よって、添付の特許請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。
【符号の説明】
【００５４】
１００  位相シフトデジタルホログラフィ装置
１０１、１０３  ビームスプリッタ
１０２  ピエゾ鏡
１０４  ミラー
１１０  レーザー光源
１１１  ビームエミッタ
１２０  センサアレイ
２００  イメージセンサ
２２０  センサアレイ
２２１  光電素子
２３０  基板
２５０  ユニットセル
２５１、２５２、２５３、２５４  光電素子
４１０、４２０、４３０、４４０  ユニットセル
４１１〜４１４  光電素子
４２１〜４２４  光電素子
４３１〜４３４  光電素子
４４１〜４４４  光電素子
４５０  マクロセルユニット
５００  カラーイメージセンサ
５１０  フィルターアレイ
５１１  赤色フィルター
５１２  緑色フィルター
５１３  青色フィルター
５２０  センサアレイ
５２１  光電素子
５３０、５４０、５５０、５６０  ユニットセル
５３１〜５３４  光電素子
５４１〜５４４  光電素子
５５１〜５５４  光電素子
５６１〜５６４  光電素子
５７０  マクロユニットセル
７００  イメージセンサ
７２０  センサアレイ
７２１  光電素子
７３０  基板
７５０  ユニットセル
７５１  光電素子
７５２  光電素子
８００  カラーイメージセンサ
８１０  フィルターアレイ
８２０  センサアレイ
８２１  ユニットセル
８３０、８４０、８５０、８６０  ユニットセル
８３１〜８３２  光電素子
８４１〜８４２  光電素子
８５１〜８５３  光電素子
８６１〜８６２  光電素子
８７０  マクロユニットセル
【図１】
2019033467.tif 000012
【図２Ａ】
2019033467.tif 000013
【図２Ｂ】
2019033467.tif 000014
【図２Ｃ】
2019033467.tif 000015
【図２Ｄ】
2019033467.tif 000016
【図３】
2019033467.tif 000017
【図４Ａ】
2019033467.tif 000018
【図４Ｂ】
2019033467.tif 000019
【図５Ａ】
2019033467.tif 000020
【図５Ｂ】
2019033467.tif 000021
【図５Ｃ】
2019033467.tif 000022
【図５Ｄ】
2019033467.tif 000023
【図５Ｅ】
2019033467.tif 000024
【図６】
2019033467.tif 000025
【図７Ａ】
2019033467.tif 000026
【図７Ｂ】
2019033467.tif 000027
【図７Ｃ】
2019033467.tif 000028
【図７Ｄ】
2019033467.tif 000029
【図８Ａ】
2019033467.tif 000030
【図８Ｂ】
2019033467.tif 000031