(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象の波長帯にわたって入射光のパターンを検知する撮像装置であって、
焦点面を画定する光検出器アレイと、
前記入射光を受光する横断面を画定する位相格子と、
を含み、
前記位相格子は、
第１のセグメント幅Ｗ１を有し、前記横断面に延びる奇対称の境界を画定する、対になった隣接する第１の格子セグメントであって、前記第１の格子セグメントは、前記奇対称の境界の下の前記焦点面において、前記対象の波長帯内の前記入射光に対して弱め合う干渉を誘導する、対になった第１の格子セグメントと、
前記第１のセグメント幅より大きい第２のセグメント幅Ｗ２を有し、前記対になった第１の格子セグメントの両側に１つずつセグメントが存在する、対になった第２の格子セグメントであって、前記第２の格子セグメントは、前記奇対称の境界の下の前記焦点面において、前記対象の波長帯内の前記入射光に対して弱め合う干渉を誘導する、対になった第２の格子セグメントと、
第３のセグメント幅Ｗ３を有し、前記対になった第２の格子セグメントの両側に１つずつセグメントが存在する、対になった第３の格子セグメントであって、前記第３の格子セグメントは、前記奇対称の境界の下の前記焦点面において、前記対象の波長帯内の前記入射光に対して弱め合う干渉を誘導する、対になった第３の格子セグメントと、
を含む、撮像装置。
【請求項２】
前記第３のセグメント幅Ｗ３は、前記第２のセグメント幅より大きい、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
追加の奇対称の境界を画定する、前記第１の格子セグメントの追加の対をさらに含む、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１の格子セグメントの前記追加の対との境界を形成する、前記第２の格子セグメントの追加の対をさらに含む、請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第３の格子セグメントの各々は、前記奇対称の境界のうちの２つの間にある、請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第３の格子セグメントの各々は、前記奇対称の境界のうちの前記２つの中心にある、請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記格子セグメントの各対の一方は、該対の他方に対して、前記対象の波長帯内の光の半波長分だけ前記入射光を遅らせる、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記奇対称の境界は曲線である、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第１の幅Ｗ１は前記横断面内で変化する、請求項３に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記奇対称の境界は交点で交差し、前記第１の幅Ｗ１は前記交点からの距離に伴い前記境界に沿って増加する、請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記交点は前記格子の中心にある、請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記第２の格子セグメントの各々は、前記第２の格子セグメントのうちの１つと、前記第３の格子セグメントのうちの１つとに対して直接隣接する、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記位相格子は、前記光検出器アレイに接触する本体を含む、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記焦点面は、前記横断面から２０ミクロンより大きく離れている、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１５】
光素子のアレイであって、前記アレイに入射し、対象の波長帯内に平均波長を有する光線セットを伝達するように動作可能な光素子のアレイと、
前記光素子のアレイに対向して横断面を画定する透過位相格子と、
を含み、
前記位相格子は、前記アレイから離間され、かつ奇対称の境界を有し、各境界は、
前記横断面において前記各境界に沿って延びる第１の位相格子フィーチャであって、各第１の位相格子フィーチャは、前記境界に隣接する第１のセグメントであって、前記面内における前記境界に直交する寸法において第１の幅Ｗ１を有する第１のセグメントと、前記第１のセグメントに隣接し、前記境界に関して逆側の第２のセグメントであって、前記寸法において前記第１の幅と異なる第２の幅Ｗ２を有する第２のセグメントと、前記第２のセグメントに隣接し、前記境界に関して逆側の第３のセグメントであって、前記寸法において第３の幅Ｗ３を有する第３のセグメントと、を含む、第１の位相格子フィーチャと、
前記横断面において前記各境界に沿って延びる第２の位相格子フィーチャであって、各第２の位相格子フィーチャは、前記境界に隣接する第１のセグメントであって、前記面内における前記境界に直交する前記寸法において前記第１の幅Ｗ１を有する第１のセグメントと、前記第１のセグメントに隣接し、前記境界に関して逆側の第２のセグメントであって、前記寸法において前記第２の幅Ｗ２を有する第２のセグメントと、前記第２のセグメントに隣接し、前記境界に関して逆側の第３のセグメントであって、前記寸法において前記第３の幅Ｗ３を有する第３のセグメントと、を含む、第２の位相格子フィーチャと、を含む、撮像装置。
【請求項１６】
前記第１の位相格子フィーチャの前記第１のセグメントは、前記第２の位相格子フィーチャの前記第１のセグメントに対して、前記波長の整数倍に前記波長の１／２を加えた遅
延を誘導し、前記第２の位相格子フィーチャの前記第２のセグメントは、前記第１の位相格子フィーチャの前記第２のセグメントに対して、前記波長の整数倍に前記波長の１／２を加えた遅延を誘導する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第３の幅Ｗ３は、前記第２の幅Ｗ２より広い、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記境界は曲線である、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記境界は不連続である、請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
焦点面を画定する光検出器アレイと、
対象の波長帯にわたって入射光を受光する横断面を画定する位相格子と、を含む撮像装置であって、
前記位相格子は、
前記入射光の第１の位相遅延を誘導する第１のセグメントと、
前記入射光の第２の位相遅延を誘導する、前記第１のセグメントの間の第２のセグメントであって、前記第２の位相遅延は、前記対象の波長帯にわたって前記第１の波長遅延と半波長分異なる、第２のセグメントと、を含み、
第１の幅Ｗ１を有する前記第１および第２のセグメントの隣接する対によって対称線が画定され、
前記第１の幅Ｗ１を有する前記第１のセグメントの対同士は、前記第１の幅Ｗ１より大きい第２の幅Ｗ２を有する前記第２のセグメントのうちのいくつかのセグメントによって隔てられ、
前記第１の幅Ｗ１を有する前記第２のセグメントの対同士は、前記第２の幅Ｗ２を有する前記第１のセグメントのうちのいくつかのセグメントによって隔てられる、
撮像装置。
【請求項２１】
前記第２の幅Ｗ２を有する前記第１および第２のセグメントのうちの前記いくつかのセグメントはそれぞれ、前記第１の幅Ｗ１を有する前記第１および第２のセグメントのうちの一つのセグメントに隣接する、請求項２０に記載の撮像装置。
【請求項２２】
前記第２の幅Ｗ２を有する前記第１および第２のセグメントのうちの前記いくつかのセグメントはそれぞれ、前記第１の幅Ｗ１を有する前記第１および第２のセグメントのうちの二つのセグメントに隣接する、請求項２０に記載の撮像装置。
【請求項２３】
前記対称線は奇対称の境界を含む、請求項２０に記載の撮像装置。
【請求項２４】
前記対称線のうちの隣接する第１および第２の対称線の間にある前記第１のセグメントの幅の第１の合計が、前記対称線のうちの前記第２の対称線と、前記対称線のうちの第３の対称線であって、前記対称線のうちの前記第２の対称線に隣接する第３の対称線との間にある前記第１のセグメントの幅の第２の合計に等しい、請求項２０に記載の撮像装置。
【請求項２５】
前記対称線は曲線である、請求項２０に記載の撮像装置。
【請求項２６】
前記第１の幅Ｗ１は前記横断面内で変化する、請求項２０に記載の撮像装置。
【請求項２７】
前記線は交点で交差し、前記第１の幅Ｗ１は前記交点からの距離に伴い前記線に沿って増加する、請求項２６に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
背景
平坦フーリエ捕捉アレイ（ＰＦＣＡ：planar Fourier capture array）は、角度高感度ピクセルアレイを利用して、ミラー、レンズ、焦点距離、又は可動部の必要性をなくした画像検知装置である。ピクセルアレイは、標準の集積回路製造プロセスを使用して製作することができる。これらの利点の結果として、ＰＦＣＡは、最小のフォーカスカメラよりもはるかに小型且つ安価にすることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
幾つかのＰＦＣＡは、「タルボット効果」として知られる近接場回折効果を利用して、角度高感度ピクセルを生成する。そのようなイメージセンサは、フォトセンサアレイ上にパターニングされ、フォトセンサアレイに平行する２つの回折格子を含む。格子の間隔は重要であり、安価で容易に入手可能な製造プロセスを使用して確実に得ることは困難であり得る。さらに、格子は、対称となる波長帯内の入射光の波長の影響を受けやすく、カラー画像を正確に再現することが難しい。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１Ａ】奇対称格子１０５が光検出器アレイ１１０に重ねられ、入射平面１１５の光をシミュレートする検知装置１００の断面図である。
【図１Ｂ】奇対称格子１０５が光検出器アレイ１１０に重ねられ、入射平面１６０の光をシミュレートする検知装置１００の断面図である。
【図２】一実施形態によるバイナリ奇対称格子２００を示す。
【図３】バイナリ奇対称位相格子３０５が、２つの異なる屈折率の材料の界面によって形成される一実施形態による検知装置３００を示す。
【図４Ａ】別の実施形態によるセンサ４００の平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａのセンサ４００の三次元斜視図である。
【図５Ａ】二次元フォトダイオードアレイ５０５上の奇対称の３つの境界５００を示す。
【図５Ｂ】二次元フォトダイオードアレイ５０５上の奇対称の３つの境界５００を示す。
【図５Ｃ】二次元フォトダイオードアレイ５０５上の奇対称の３つの境界５００を示す。
【図６】異なる相対幅のフィーチャセグメントをそれぞれ有する３つの奇対称格子６００、６２０、及び６３０を示す。
【図７Ａ】３つ以上のレベルを奇対称の生成に使用する一実施形態による位相格子７００の断面である。
【図７Ｂ】図７Ａの位相格子７００と光学的に同様であるが、より少数の層を使用する位相格子７１０の断面である。
【図８】奇対称を曲線関数にいかに拡張することができるかを示す位相格子８００の断面である。
【図９】奇対称９０５の境界が格子の中心から半径方向に延び、フィーチャセグメントの幅が、中心から離れると徐々に広げられる一実施形態による格子９００の平面図である。
【図１０】奇対称１００５の同心境界を有する一実施形態による格子１０００の平面図であり、線Ａ−Ａに沿った断面図を含む。
【図１１】図９の格子９００と同様の一実施形態による格子１１００の平面図である。
【図１２】別の実施形態による格子１２００の平面図である。
【図１３】別の実施形態による格子１３００を示す。
【図１４】格子１４００と、関連付けられたフォトダイオードアレイ１４０５とを示す。
【図１５】格子１５００と、関連付けられたフォトダイオードアレイ１５０５とを示す。
【図１６】奇対称１６０５の五角形境界を有する一実施形態による格子１６００の平面図である。
【図１７Ａ】別の実施形態による格子１７００の平面図である。
【図１７Ｂ】境界１７０５の形状を示す図である。
【図１８】フォトダイオードアレイ（図示せず）を覆って配置される格子１８０５の二次元アレイ１８００を示す。
【図１９】画像１９０５が図１７の格子１７００によりいかに捕捉され解像されるかを詳述するフローチャート１９００である。
【図２０】一実施形態によるイメージセンサ２０００を形成するリソグラフィプロセスを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
図面は、限定ではなく例としての図面である。図面中の同様の参照符号は同様の要素を指す。
【０００５】
詳細な説明
図１Ａは、奇対称格子１０５が光検出器アレイ１１０に重ねられた検知装置１００の断面図である。格子１０５のフィーチャは、対称となる波長帯内の入射光の波長の影響を略受けず、また、格子１０５と光検出器アレイ１１０との間の製造距離の影響も略受けない。格子１０５は、アレイ１１０によって捕捉される干渉パターンを生成する。次に、写真及び他の画像情報をパターンから抽出することができる。したがって、画像は、レンズなしで捕捉することができ、カメラは、レンズ及び光線光学結像に頼るカメラよりも小型にすることができる。
【０００６】
可視スペクトル等の対象となる波長帯の光は、格子１０５の横断面１２０に直交する方向１１５から格子１０５に入射する。破線１２５は、略奇対称の周期的な境界を強調表示する。これらの境界のそれぞれは、奇対称のフィーチャ１３０及び１３５の結果であり、隣接するフィーチャ１３０と１３５との間の弱め合う位相干渉によって生じる最小強度の法線配置される幕１４０を生成する。幕１４０は、焦点１４５によって隔てられ、幕１４０と焦点１４５（最大光強度の幕）との集まりは、格子１０５から装置１００の本体１５０を通って延び、光検出器アレイ１１０上に干渉パターンを生成する。焦点１４５の下のアレイ１１０内の１つの感光素子１５５は陰影が付けられて、入射光の角度に対する装置１００の感度についての続く考察の参照としての役割を果たす。
【０００７】
図１Ａの画像は、以下のパラメータを有し、特定のパラメータを仮定して検知装置のシミュレーションから生成されたものである。本体１５０は、溶融石英のものであり、従来の光検出器アレイ１１０に接触し、感光素子は２．２μｍ間隔である。格子１０５の上部は、この例では空気界面である。フィーチャ１３０及び１３５の比較的小さなセグメントは、約１μｍであり、比較的大きなセグメントは約４μｍである。これらのセグメントは一般に横断面１２０を形成し、横断面１２０はアレイ１１０から約２５μｍだけ隔てられる。幕１４０及び焦点１４５は、５３２ｎｍ入射光での弱め合う干渉パターン及び強め合う干渉パターンである。
【０００８】
本体１５０の厚さは、シミュレーションに５３２ｎｍ光が選択されるにも拘わらず、４００ｎｍ光に向けて最適化された。その結果、最良の結像は、アレイ１１０の約５μｍ上で生じる（２０μｍの印の箇所で）。その結果生じる幕１４０は、２０μｍの印のかなり上及びかなり下で焦点１４５を明確に分けるが、対象となる帯内の波長の影響に対する強い非感受性を示す。幕１４０の比較的深く連続した貫入により、本体１５０の厚さに対してかなりの製造許容差も提供する。
【０００９】
図１Ｂは、鋭角１６０で平面１２０に入射する光をシミュレートして、入射角に対する幕１４０及び焦点１４５の感度を示す図１Ａのセンサ１００を示す。素子１５５を参照点として使用すると、図１Ａにおいて素子１５５上で光る焦点１４５が、図１Ｂでは右側にかなり移っていることが分かる。幕１４０及び焦点１４５は、スネルの法則に従って角度１６０に関連する鋭角で延びる。幕１４０による焦点１４５の分離は維持される。したがって、センサ１００は入射角に対して高感度である。
【００１０】
図２は、一実施形態によるバイナリ奇対称格子２００を示す。奇対称の３つの境界はそれぞれ、垂直の破線を使用して示されている。格子２００の上部フィーチャは、下部フィーチャに相対して、対象となる帯内に半波長の遅延、すなわち、πラジアンの相対位相遅延を誘導するのに十分な高さにある。各境界の両側にあるフィーチャ２０５及び２１０は奇対称を示し、３つの異なるサイズのセグメントであって最も幅が狭いものからＷ１、Ｗ２、及びＷ３を有する。この構成を用いると、対になったセグメント（例えば、フィーチャ２０５及び２１０内のＷ３）は、対象となる波長帯から波長の約半分だけ異なる各位相遅延を誘導する。
【００１１】
図３は、バイナリ奇対称位相格子３０５が、２つの異なる屈折率の材料、この例では、ポリカーボネート層３１５及び光学ランタン重フリントガラス３２０の界面によって形成される一実施形態による検知装置３００を示す。奇対称３２５の４つの境界のそれぞれは、垂直の破線を使用して示される。上記例と同様に、格子３１０の上部フィーチャは、下部フィーチャに相対して１／２波長（πラジアン）の位相遅延を誘導する。各境界の両側のフィーチャ３３０及び３３５は奇対称を示す。この構成を用いると、対になったフィーチャは、対象となる波長帯から約１／２波長だけ異なる各位相遅延を誘導する。
【００１２】
これらの要素は、図１Ａ及び図１Ｂに関連して詳述したように、解析層３２７（例えば、従来のフォトダイオードアレイ）上に干渉パターンを生成する。この例は、格子３００の光界面に入射する光が位相格子３１０の横断面に直交し、その場合、ロケーション（−Ｘ，０）及び（Ｘ，０）等の奇対称３２５の境界のうちの１つから等距離で格子３１０に入る光線が、アレイ３１０の下のポイント（例えば、ポイント（０，Ｚ））で位相ずれし、したがって、弱め合う干渉が最小強度の幕（例えば、図１の幕１４０）を生成すると仮定する。深度Ｚも光の波長もこの弱め合う干渉に実質的に影響しない。強め合う干渉も同様に、最大強度の焦点（例えば、図１の焦点１４５）を生成する。高フィーチャ及び低フィーチャは両方とも光を受け入れ、選択的に遮光する格子よりも比較的高い量子効率を提供する。
【００１３】
図４Ａは、別の実施形態によるセンサ４００の平面図である。奇対称４１５の８つの境界のそれぞれの両側にある比較的高いセグメント４０５及び低いセグメント４１０は、セグメントの幅が、センサの中心からの距離に伴って増大する格子を生成する。所与の焦点深度の場合、高周波数の光ほど、狭いフィーチャ幅を有する明確な焦点を生成する傾向がある。したがって、センサ４００は、格子の中心部分が比較的高い周波数の光の収集に最適化され、周縁エリアが比較的低い周波数の光の収集に最適化されるように最適化することができる。この題目について、他の図に関連して以下に詳細に説明する。
【００１４】
図４Ｂは、図４Ａのセンサ４００の三次元斜視図であり、格子面に直交する方向からの光４２０が、いかに下にあるフォトダイオードアレイ４３０上に干渉パターン４２５を投射するかを示す。幕及び焦点はそれぞれ、上で詳述したように、アレイ４３０の個々の感光素子４４５によって検知される影４３５及び明形状４４０を投射する。アレイ４３０は、パターン４２５のデジタル表現を捕捉する。
【００１５】
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、及び図５Ｄはそれぞれ、二次元フォトダイオードアレイ５０５上の奇対称５００の３つの境界を示す。幕５１０は影５１５を下にある光検出器５２０上に投射し、そうして生成されるパターンは入射光の角度に応じて異なる。したがって、アレイ５０５は、結果として生成される干渉パターンをサンプリングして、入射角についての情報を取得することができる。
【００１６】
図６は３つの奇対称格子６００、６２０、及び６３０を示し、各格子は異なる相対幅のフィーチャセグメントを有する。示されるように複数の幅比率を有して、格子フィーチャの相対高さに影響する製造許容差を補償するセンサを生成することが有用であり得る。例えば、格子６００が対象となる製造プロセスに幅最適化されるが、プロセスが、所望の位置に最小強度の幕を形成するのに理想的な５０％ではなく４０％の相対位相遅延を生成すると仮定する。まず、格子６３０に示されるように、比較的広いセグメントの広い幅は、誤った位相オフセットに起因する歪みを改善することができる。５０％を超える位相オフセットは、格子６２０に示されるように、比較的広いセグメントを狭めることによって補正することができる。幾つかの実施形態は、フォトダイオードアレイの異なるエリアをカバーする相対セグメント幅の混合を含み、それにより、製造許容差に適合する。最も鮮鋭な焦点又はある波長範囲のうちのある波長で最も鮮鋭な焦点を提供する格子に関連付けられた画像を選択するか、又は結合して、所望の画像データを取得することができる。異なる格子の性能が、異なる波長の光又は入射角度に対してより良好であるため、所与の画像のどの格子を使用するかの選択は、製造許容差以外の変数に関して最適化し得る。
【００１７】
図７Ａは、３つ以上のレベルを奇対称の生成に使用する一実施形態による位相格子７００の断面である。レベルの追加により、焦点をより鮮鋭することができるが、より複雑な製造プロセスが必要であり得る。格子を、例えばフォトリソグラフィを使用して製造すべき場合、レベルを追加するには、追加のマスクステップが必要である。奇対称の各境界の両側にある対となった表面は、対象となる波長帯から、波長の整数倍に波長の約１／２を加えたものだけ異なる対となった位相遅延をそれぞれ導入する。
【００１８】
図７Ｂは、図７Ａの位相格子７００と光学的に同様であるが、より少数の層を使用する位相格子７１０の断面である。結果として生成されるより大きく急な不連続性７１５は、望ましくない画像アーチファクトを導入するか、又は正確に製造することが困難であり得るが、レベル数の低減により、製造費を低減し得る。
【００１９】
図８は、奇対称を曲線関数にいかに拡張することができるかを示す位相格子８００の断面である。
【００２０】
図９は、奇対称９０５の境界が格子の中心から半径方向に延び、フィーチャセグメントの幅が、中心から離れると徐々に広げられる一実施形態による格子９００の平面図である。格子９００は、連続して変化する１組の幅を有する１６の離散角度で画像情報を捕捉する。格子９００を円として描くことが好都合であるが、他の形状を使用することもできる。幾つかの実施形態では、例えば、格子の集まりはフォトダイオードアレイ上に配列される。そのような場合、共通の境界（例えば、六角形、正方形、又は三角形の境界等）を共有する格子は、下にあるフォトダイオードをより効率的に利用する。
【００２１】
図１０は、奇対称１００５の同心境界を有する一実施形態による格子１０００の平面図であり、線Ａ−Ａに沿った断面図を含む。この例では、フィーチャセグメントの幅は離散しており、角度は連続している。格子１０００の間隔は一定に見えるが、ある範囲の波長、入射角度、又は製造のばらつきに関して鮮鋭な焦点を可能にするように変更し得る。
【００２２】
図１１は、図９の格子９００と同様の一実施形態による格子１１００の平面図である。格子９００の２つの半分は基本的に同じ情報を提供する。格子１１００は、直交する向きを有する半円偏光フィルタ１１０５を追加する。したがって、格子１１００の各半分は、２つの偏光のうちの一方に固有の画像データを生成し、これらのデータは別個に、又は一緒に使用することができる。他の実施形態では、同じ又は異なる向きのより少数又は多数のフィルタを使用し得る。異なるタイプのフィルタを使用して、本明細書に記載されるタイプの格子の全て又は一部を覆うこともできる。
【００２３】
図１２は、別の実施形態による格子１２００の平面図である。奇対称１２０５の曲線境界は、格子の中心から半径方向に延び、フィーチャセグメントの幅は、中心から離れて徐々に広くなる。境界１２０５の曲率は、図９の格子９００の連続して変化する間隔を保持しながら、図１０の格子１０００から利用可能なものと同様の連続して変化する角度情報を提供する。
【００２４】
図１３は、別の実施形態による格子１３００を示す。上述したように、格子フィーチャの異なる幅は、対象となる波長帯内の光の異なる色により鮮鋭な焦点を提供する。格子１３００は、図９の格子９００と同じ中心対称性を有するが、間隔が青色光、緑色光、及び赤色光に最適化されたエリアが、それぞれの波長を受け入れるフィルタを用いて提供される。下にある解析器にぶれた干渉パターンを提供する波長を省くことにより、画像の鮮鋭さを改善することができる。格子１３００は、アパーチャの制限を画定する不透明マスク１３０５によって区切られる。
【００２５】
図１４は、格子１４００と、関連付けられたフォトダイオードアレイ１４０５とを示す。格子１４００は平行奇対称境界１４１０を有し、これは、同じ若しくは異なる幅のフィーチャ又は１つ若しくは複数の境界に沿って変化する幅のフィーチャを有し得る。十分な数の空間周波数のサンプリングに必要とされる多様性の幅及び間隔を有する平行境界は、例えば、バーコードを撮像することができる。アレイ１４０５は下ではなく横に示されて、境界１４１０の方向と、アレイ１４０５内の感光素子の列との角度θＡを強調表示する。角度θＡは、線形影が異なる行内のピクセルの異なる割合を覆うため、より多様な測定値を生成する。一実施形態では、角度θＡは、各境界の上部がアレイ１４０５のピクセル約１つ分、下部からオフセットされるように選択される。
【００２６】
図１５は、格子１５００と、関連付けられたフォトダイオードアレイ１５０５とを示す。格子１５００は、平行する直角境界１５１０を有し、これは、同じ若しくは異なる幅のフィーチャ又は１つ若しくは複数の境界に沿って変化する幅のフィーチャを有し得る。十分な数の空間周波数のサンプリングに必要とされる多様性の幅及び間隔を２つの寸法に沿って有する平行境界は、例えば、点源を撮像して、例えば、太陽の位置を識別することができる。角度θＡは、図１４に関連して上で提示した理由により導入することができる。
【００２７】
図１６は、奇対称１６０５の五角形境界を有する一実施形態による格子１６００の平面図である。この例では、フィーチャセグメントの幅は離散しているが、他の実施形態では、１つ又は複数の境界に沿って可変である。線分は精密な奇対称性をより容易に提供することができるため、直線の境界は、曲線の境界よりも有利であり得る。
【００２８】
格子１６００は、５つの異なる向きでの情報を提供する。他の実施形態では、他の多角形等の他の境界形状が使用される。一般に、奇数の辺を有する多角形は、同様であるが、偶数の辺を有する多角形よりも大きな向き多様性を提供する（例えば、五角形は正方向又は六角形よりも多くの向き多様性を提供する）。
【００２９】
図１７Ａは、別の実施形態による格子１７００の平面図である。比較的狭い（広い）セグメント間隔が、比較的高い（低い）周波数に対してよりよく機能することを想起すると、フィーチャ間隔は、中心からの距離に伴って奇対称境界（暗領域と明領域との間）に沿って増大する。奇対称１７０５の曲線境界は、格子の中心から周縁に半径方向に延び、暗（隆起）アームと明（溝）アームとの間で中心近傍から放射線状外側に延びる。曲線境界は、図１７Ａでは格子フィーチャによって不明瞭であるが、検討し易いように、境界１７０５の形状が図１７Ｂに示される。
【００３０】
対象となる所与の波長幅に所望の最大幅がある（例えば、最大の幅は可視赤色光の最低周波数に対応し得る）ため、セグメント幅は、半径に伴って増大し続けない。したがって、境界１７０５を画定するフィーチャは、格子１７００の周縁に向かって延びるにつれて不連続性を示す。この例では、格子１７００は、対象となる帯内の波長のサブセット又は全てにそれぞれ調整された３つの離散エリアを有する。
【００３１】
図１８は、フォトダイオードアレイ（図示せず）を覆って配置される格子１８０５の二次元アレイ１８００を示す。格子１８０５のそれぞれは同一であるが、任意の数のパラメータは、格子１８０５内又は格子１８０５間で可変であり、任意の数のパラメータのうちの多くは上述した。例えば、異なる形状及びタイプの格子を使用して、異なるタイプの干渉パターンを生成し撮像して、結合するか、又は別個に使用して、何らかの所望の結果を得ることができる。構成要素である格子のうちの１つ又は複数によって生成される情報の全てを考慮するか、又はその特定のサブセットを考慮するかの判断は、プロセスのばらつきを吸収するように、製造時に１つ行うことができるか、又はシーンの異なる側面を強調表示するように動的に行うことができる。異なるパターンの側面の強調は、例えば、異なる偏光、波長、又は入射角の光を強調表示するために使用することができる。
【００３２】
同じ方向に面する離間された格子は、特にフィーチャが上手く一致する場合、移動するオブジェクトの検知に使用することができる。一定間隔の一致する格子が同じシーンからの光を受けると仮定すると、各解析層の光電流の差は、その対に比較的近いオブジェクトのみに高感度である。さらに、この差の時間導関数は、付近の移動中のオブジェクトに感度を有し、比較的遠い移動中又は静止したオブジェクトには感度を有さない。
【００３３】
図１９は、画像１９０５が図１７の格子１７００によりいかに捕捉され解像されるかを詳述するフローチャート１９００である。まず、画像１９１０からの光が格子１７００に入射するように、画像１９１０が提示される。入射光は位相格子１７００を通過して、下にあるフォトセンサ（図示せず）の二次元アレイ上に強度パターン１９２０を生成し、フォトセンサはパターンを捕捉する（１９１５）。捕捉されたパターン１９２０は、人間には不明瞭に見え得るが、格子１７００は点広がり関数（ＰＳＦ）で鮮鋭なフィーチャを有するため、パターンは画像についての豊富な情報を含む。
【００３４】
格子１７００のＰＳＦは、可能な場合には下にあるアレイと組み合わせて、較正前又は高忠実度シミュレーション前から既知である。ＰＳＦが入射角及び色の関数として変化する方法も同様に決定し得る。この情報は応答１９３０によって表される。したがって、この応答に基づく数学的変換を使用して、パターン１９２０から画像１９１０を再構築することができる。
【００３５】
元画像を復元するために、応答１９２０及び１９３０を結合して、逆問題を形成し（１９２５）、これを解いて（１９３５）、元画像のバージョン１９４０を復元する。一実施形態は、周知のチコノフ正則化反転技法を利用して、ステップ１９２５及び１９３５を達成する。開始点としてａ）格子１７００のＰＳＦの詳細な知識、ｂ）現在の照明状況下のシステムのノイズレベルの知識、及びｃ）この画像に観測される特定の読み取り値（パターン１９１５）をとる。未知の画像をＮ×１ベクトルｘとして表し、ここで、Ｎは、再構築したいピクセルの総数である。フォトセンサからの読み取り値をＭ×１ベクトルｙとして表し、ここで、Ｍはアレイ内のフォトセンサの総数である。ＰＳＦの詳細な知識をＭ×Ｎ行列Ａとして表し、ここで、任意の画像ｘについて、式、ｘ下での観測が期待される信号ｙは、ｙ＝Ａｘであり、これは「前向き方程式」と呼ばれる。
【００３６】
画像を再構築するために、既知の測定ベクトルｙを用いて、未知の画像ｘについて、以下のように前向き方程式を解くだけで十分である。前向き方程式の両辺をＡの転置（ＡＴ）で乗算して、ＡＴｙ＝ＡＴＡｘを得る。行列ＡＴＡは正方であり、原理上、直接反転させてｘを復元することができるが、通常、この反転は、ノイズが存在し、ＡＴＡの固有ベクトルの全てが、等しく大きな関連する固有ベクトルを有するわけではない場合、条件がよくない。したがって、実際には、チコノフ正則化（以下のように）が通常、好ましい結果をもたらす。
【００３７】
次に、現在の照明状況でのノイズレベルに基づいて、正則化パラメータλ＞０を選択する。最後に、行列を反転させ（ＡＴＡ＋λＩ）（ここで、Ｉは単位行列）、（ＡＴＡ＋λＩ）≒（ＡＴＡ）と仮定し、先の方程式の左側で乗算して、ｘ≒（ＡＴＡ＋λＩ）−１ＡＴｙを得る。したがって、所与の正則化パラメータλで、チコノフ正則化を通して復元される画像は、フォトセンサからの読み取り値の線形結合である。ＰＳＦが、空間依存性を無視することができる程度まで十分に空間的に不変である場合、これらの計算をフーリエ領域で行うことができ、はるかに高速な値計算が可能である。
【００３８】
別の実施形態は、圧縮検知を使用して行列ｘを復元する。シーンが何らかのベースでスパースであると予期される場合（自然画像の場合のウェーブレット変換Ｗ等）、以下の方法論を使用することができる。スパースシーン構成要素ｚは、以下の費用関数：
【数１】
0006374888.tif 000002
を最小化するｚを見つけることにより、復元することができる。但し、ｘ＝Ｗｚであり、ｒは残余（ｙ−ＡＷｚ）であり、λ＞０は正規化パラメータ（（５）とは異なるが、ここでもノイズ依存である）であり、ｆ（ｚ）は非スパースｚにペナルティを課す関数である。ｆ（ｚ）がＬ１ノルム等のｚの凸関数である場合、この最適化問題は、凸最適化技法を使用して効率的に解くことができる。ペナルティ関数ｆ（ｚ）は、再構築画像ｘでの全変動にペナルティを課す項又は他のシーン事前知識を含め、他の形態をとることもできる。
【００３９】
チコノフ正則化等の線形手法よりも優れた圧縮検知の主な利点の幾つかは、式により、予期されるシーン構造についてのより多くの事前情報を、最終的な画像の整形に役立てることができることである。さらに、ＡＴＡが最大階数を有さないか、又はシーンの測定の側面を測定することができない（例えば、ＰＳＦの２Ｄフーリエ変換の幾つかのゼロに近い領域に起因して）場合、圧縮検知を使用することで、予期される画像についての正確な事前情報を所与として、これらの制限が解消されることがある。
【００４０】
上記チコノフ技法及び圧縮検知技法は、問題の複雑性を低減するために、反復法を含むことができる。例えば、リチャードソンルーシーデコンボリューションは、チコノフ正則化反転を反復近似することができ、反復ウェーブレット閾値処理は、圧縮検知様の解に収束する数値的に効率的な方法であることができる。
【００４１】
幾つかの実施形態では、センサの目的は、画像の再構築ではなく、何らかの光学的検知タスクの実行である。そのような場合、ベクトルｘは、画像ピクセルのフィールドではなく求められる測定値を表し得、前向き変換Ａは適宜変更することができる。
【００４２】
図２０は、一実施形態によるイメージセンサ２０００を形成するリソグラフィプロセスを示す。まず、対象となる波長帯にわたって透明な材料のウェーハ２００５が、本明細書で詳述したタイプの奇対称格子表面になるものの比較的高いフィーチャを画定するマスク２０１０でパターニングされる。次に、ウェーハ２００５の露光面がエッチングされて、溝領域２０１５が生成される。次に、マスク２０１０が取り外される。最後に、ウェーハ２００５は、ここでは格子を含み、フォトダイオードアレイ２０２５に接合される。フォトリソグラフィプロセス及びウェーハ接合プロセスは当業者に周知であるため、詳細な考察を省く。
【００４３】
本発明について、特定の実施形態に関連して説明したが、他の実施形態も考えられる。例えば、先に詳述した各格子は、光受容体と関連して使用して、入射光を収集し得、これら及び他の実施形態による格子は、画像の検知ではなく、又は画像の検知に加えて、画像を光エミッタから投射する撮像装置でより一般的に使用することができる。他の変形も当業者に明らかになろう。したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲は、上記説明に限定されるべきではない。特に「〜する手段（“means for”）」又は「〜するステップ（“step for”）」と記載する請求項のみが、米国特許法第１１２条の第６段落下で要求されるように構築されるべきである。
【図１Ａ】
0006374888.tif 000003
【図１Ｂ】
0006374888.tif 000004
【図２】
0006374888.tif 000005
【図３】
0006374888.tif 000006
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
0006374888.tif 000009
【図５Ｂ】
0006374888.tif 000010
【図５Ｃ】
0006374888.tif 000011
【図５Ｄ】
0006374888.tif 000012
【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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