(57)【要約】スペクトル出力を生成するためのスペクトルカメラが、画像を生成するための対物レンズ（１０）と、光学スペクトルの異なる帯域を通過させるためのモザイク状フィルタ（３０）と、該フィルタを通過した異なる帯域で画像の画素を検出するように配置されたセンサアレイ（４０）とを有し、画素の各々について、センサアレイは、異なる帯域を検出するための一群のセンサ素子を有し、該モザイクは、センサ素子上に集積された、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、画像は、異なる帯域で同時に検出可能である。フィルタは、１次のファブリペローフィルタであり、任意の所望の通過帯域を提供し、高いスペクトル鮮明度を提供できる。寄生空洞が存在しないため、クロストークが低減できる。
2015501432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペクトル出力を生成するためのスペクトルカメラであって、
画像を生成するための対物レンズ（１０）と、
光学スペクトルの異なる帯域を通過させるためのモザイク状フィルタ（３０）と、
該フィルタを通過した異なる帯域で画像の画素を検出するように配置された１つ以上のセンサアレイ（４０）とを有し、
画素の各々について、１つ以上のセンサアレイは、異なる帯域を検出するための一群のセンサ素子を有し、
該モザイクは、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、各フィルタは、センサ素子のうちの１つの上に集積され、画像は、スペクトル出力を供給するために異なる帯域で同時に検出可能であり、
該フィルタは、ファブリペローフィルタである、スペクトルカメラ。
【請求項２】
ファブリペローフィルタの少なくとも幾つかが、１次のフィルタである請求項１記載のスペクトルカメラ。
【請求項３】
個々の群の異なるフィルタに到達する光を均等化するためのフィルタの前に、光学的アンチエイリアシング部（５０）を有する請求項１または２記載のスペクトルカメラ。
【請求項４】
アンチエイリアシング部は、２×２より多いセンサ素子に渡って延びる複屈折フィルタ、整合したアパーチャ絞りを備えたデフォーカス対物レンズ、および劣化した対物レンズのうち何れか１つ以上を備える請求項３記載のスペクトルカメラ。
【請求項５】
群の幾つかが、１つ以上の追加のセンサ素子、およびフィルタの他の不要な高次または低次のスペクトル応答に対応した帯域を検出するように配置された対応するフィルタを有する請求項１〜４のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
【請求項６】
群の幾つかでの帯域の選択は、画像の種々の部分でどの通過帯域が検出されるか、画像の種々の部分でどのスペクトル範囲が検出されるか、画像の種々の部分でどのスペクトル分解能、空間分解能が検出されるか、種々の通過帯域でどの空間分解能が検出されるか、の何れか１つ以上について変動が存在するように配置できる請求項１〜５のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
【請求項７】
異なるフィルタアレイを有する異なるセンサアレイを使用するために、センサアレイ上に集積されたフィルタアレイを交換することによって、使用時にフィルタアレイが再構成可能なように構成された請求項１〜６のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
【請求項８】
複数の画像コピーをセンサアレイの異なる部分に投影するための光学複製部（２０）を有する請求項１〜７のいずれかに記載のスペクトルカメラ。
【請求項９】
スペクトル出力を生成するためにスペクトルカメラを動作させる方法であって、
該スペクトルカメラは、画像を生成するための対物レンズ（１０）と、
光学スペクトルの異なる帯域を通過させるためのモザイク状フィルタ（３０）と、
該フィルタを通過した異なる帯域で画像の画素を検出するように配置された１つ以上のセンサアレイ（４０）とを有し、
画素の各々について、１つ以上のセンサアレイは、異なる帯域を検出するための一群のセンサ素子を有し、
該モザイクは、センサ上に集積された、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、センサの各々に異なる帯域の個々のものを設けており、画像は、異なる帯域で同時に検出可能であり、
該フィルタは、ファブリペローフィルタであり、
該方法は、異なる帯域での画素の検出をセンサアレイから読み出すステップ（４１０）と、
該読み出しを処理して、各帯域について検出した画像コピーを構築するステップ（４２０）とを有する、方法。
【請求項１０】
該読み出しを処理して、不要な次数を検出し、これらを除去するステップ（４２５）を有する請求項９記載の方法。
【請求項１１】
製造時にスペクトルカメラを構成する方法であって、
該スペクトルカメラは、画像を生成するための対物レンズ（１０）と、
光学スペクトルの異なる帯域を通過させるためのモザイク状フィルタ（３０）と、
該フィルタを通過した異なる帯域で画像の画素を検出するように配置された１つ以上のセンサアレイ（４０）とを有し、
画素の各々について、１つ以上のセンサアレイは、異なる帯域を検出するための一群のセンサを有し、
該モザイクは、センサ上に集積された、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、センサの各々に異なる帯域の個々のものを設けており、画像は、異なる帯域で同時に検出可能であり、
該フィルタは、ファブリペローフィルタであり、
該方法は、使用する帯域を選択し、群についてこれらの空間配置を選択するステップと、
選択した帯域およびこれらの空間配置に従ってセンサアレイ上に層を形成することによって、集積フィルタを製作するステップとを有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトルカメラに関し、こうしたカメラを構成する方法、およびこうしたカメラを動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
幾つかのカメラが知られており、あるものはマルチスペクトルまたはハイパースペクトルイメージングシステムとも称される。ハイパースペクトルイメージングとは、電磁スペクトルから情報を収集して処理するイメージング手法を参照する。人間の眼は、可視光だけを見ることができるが、ハイパースペクトルイメージングシステムは、可視光および紫外から赤外を見ることができる。ハイパースペクトルセンサは、下記ＵＲＬに記載されているように、電磁スペクトルのより大きな部分を用いて物体を観察する。
http://en.wikipedia.org/wiki/Hyperspectral_imaging
【０００３】
特定の物体は、電磁スペクトルのこの部分において固有の「指紋」を残す。これらの「指紋」は、スペクトルシグネチャ（標識）として知られており、走査した物体を構成する材料の識別を可能にする。こうしたイメージングシステムのハイパースペクトル能力は、種々のタイプの物体を認識することが可能であり、これらの全てが人間の眼にとって同じ色に見えることがある。
【０００４】
マルチスペクトルイメージングは、離散した幾分狭い帯域で幾つかの画像を取り扱うが、ハイパースペクトルイメージングは、連続したスペクトル範囲に渡って狭いスペクトル帯域でイメージングを取り扱う。それは、場面での全ての画素についてスペクトルを生成できる。ＶＩＳ，ＮＩＲ，ＳＷＩＲ，ＭＷＩＲおよびＬＷＩＲをカバーする２０個の離散帯域を備えたセンサがマルチスペクトルと考えられ、一方、２０個の帯域を備えた他のセンサが、５００〜７００ｎｍの範囲を２０個の１０ｎｍ幅帯域でカバーする場合、ハイパースペクトルと考えられるであろう。
【０００５】
ハイパースペクトルセンサは、情報を「画像」のセットとして収集する。各画像が、ある範囲の電磁スペクトルを表しており、スペクトル帯域としても知られている。これらの画像はそれぞれ２つの空間次元を有しており、一連の異なるスペクトル帯域の画像が有効に積み重ねられてキューブ（立方体）を形成する場合、第３の次元はスペクトル次元にできる。こうした３次元のハイパースペクトルキューブが、追加の画像処理および解析にとって有用な表現となる。これらのセンサの精度は、典型的にはスペクトル分解能で測定され、これは、撮影したスペクトルの各帯域の幅である。スキャナーが多数のかなり狭い周波数幅で捕捉する場合、物体が少数の画素で撮影されたとしても、物体を識別することが可能である。しかしながら、空間分解能がスペクトル分解能に追加される要因である。画素が大きすぎる場合、複数の物体が同じ画素に撮影され、識別するのが困難になる。画素が小さすぎる場合、各センサセグメントで撮影されるエネルギーが低く、信号対ノイズ比が減少し、測定される特徴の信頼性を低下させる。
【０００６】
現行のハイパースペクトルカメラは、ハイパースペクトルデータキューブまたは画像キューブを生成し、これは場面のｘｙ面にある２Ｄ画像のスタックからなり、スタックの各画像は、異なる周波数またはスペクトルの帯域からの情報を含む。撮影されるスペクトル範囲は、可視光に限定されず、赤外（ＩＲ）及び／又は紫外（ＵＶ）に及ぶ。３Ｄ画像キューブは、本質的には２Ｄセンサであるセンサアレイを用いて、ハイパースペクトル撮像装置によって撮影される。従って、幾つかの走査方式が使用でき、キューブが多数のフレーム周期に渡って構築される。
【０００７】
ラインスキャナーまたはプッシュブルーム(push broom)システムが、２Ｄ場面の単一ラインを全てのスペクトル帯域で並列に撮影する。場面の全ての空間画素をカバーするために、このタイプのシステムは、例えば、スキャナーおよび場面の相対移動によって、異なるラインを時間に渡って走査する。ステアラー(starer)またはステアリング(staring)システムが、２Ｄセンサアレイを用いて一度に単一スペクトル帯域で完全な場面を撮影し、異なるスペクトル帯域に渡って走査し、３Ｄハイパースペクトル画像キューブを生成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
文献（Mathew, "Design and fabrication of a low-cost, multispectral imaging system")から光学複製をセンサアレイ上に提供することが知られている。画像コピー間のクロストークが、センサ素子の幾つかを覆う物理的バリアによって制限される。この文献は、下記ＵＲＬで入手可能であった。
http://faculty.cua.edu/mathewss/journals/Appl%20Opt%20V47%20N28%202008.pdf
【０００９】
こうした光学複製を用いた他の公知のデバイスが、Infotonics technology center製の"miniature snapshot multispectral imager"である。これもセンサアレイ上で画像コピー間に壁を有することによって、クロストークを回避している。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、改善した装置または方法を提供することである。
【００１１】
第１態様が、独立請求項１に記載したようなイメージングシステム用の集積回路を提供する。これは、スペクトル出力を生成するためのスペクトルカメラを提供し、該カメラは、画像を生成するための対物レンズと、光学スペクトルの異なる帯域を通過させるためのモザイク状フィルタと、該フィルタを通過した異なる帯域で画像の画素を検出するように配置された１つ以上のセンサアレイとを有し、
画素の各々について、１つ以上のセンサアレイは、異なる帯域を検出するための一群(cluster)のセンサ素子を有し、該モザイクは、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、各フィルタは、センサ素子のうちの１つの上に集積され、画像は、スペクトル出力を供給するために異なる帯域で同時に検出可能である。ここで、フィルタは、ファブリペローフィルタである。
【００１２】
フィルタが集積ファブリペロー型であることの効果は、これらが任意の所望の通過帯域を提供し、必要に応じて特に狭い通過帯域を提供し、高いスペクトル鮮明度を提供するように、設計および製造が可能であることである。こうしたパラメータが、空洞を形成する集積層の厚さおよび厚さの精度に大きく依存する。さらに、フィルタをセンサアレイ上に集積することによって、クロストークが低減できる。これは、フィルタとセンサアレイとの間に寄生空洞が存在しないためであり、センサに対するフィルタのアライメントがより容易に達成できる。
【００１３】
任意の追加の特徴が追加または放棄でき、幾つかについてはより詳細に以下に記載している。幾つかのケースでは、ファブリペローフィルタの少なくとも幾つかが、１次のフィルタとすることができる。１次の動作は、より良好な狭帯域スペクトル形状、より良好な反射制御、および例えば、入射角への少ない依存性を提供する。
【００１４】
幾つかのケースでは、スペクトルカメラは、個々の群の異なるフィルタに到達する光を均等化するためのフィルタの前に、光学的アンチエイリアシング(anti-aliasing)部を有してもよい。これは、所定の一群のセンサがわずかに異なる場所になることで生ずる、不要な画像アーチファクト（疑似画像）を回避するのに役立つ。
【００１５】
アンチエイリアシング部は、２×２より多いセンサ素子に渡って延びる複屈折フィルタ、整合したアパーチャ絞りを備えたデフォーカス対物レンズ、および劣化した(degraded)対物レンズのうち何れか１つ以上を備えることができる。群の幾つかが、１つ以上の追加のセンサ素子、およびフィルタの他の不要な高次または低次のスペクトル応答に対応した帯域を検出するように配置された対応するフィルタを有してもよい。これは、こうした漏洩が後で補償することができ、より正確なスペクトル検出性能を可能にし、あるいは、他のフィルタがより緩和した仕様または許容誤差を有することができ、例えば、コストを低減できる。
【００１６】
群の幾つかでの帯域の選択は、画像の種々の部分でどの通過帯域が検出されるか、画像の種々の部分でどのスペクトル範囲が検出されるか、画像の種々の部分でどのスペクトル分解能、空間分解能が検出されるか、種々の通過帯域でどの空間分解能が検出されるか、の何れか１つ以上について変動が存在するように配置できる。これは、色バランス取りを可能にし、あるいは、得られた画像キューブの異なる部分が、例えば、空間方向またはスペクトル方向により高い又はより低い密度を有することが可能になる。
【００１７】
スペクトルカメラは、異なるフィルタアレイを有する異なるセンサアレイを使用するために、センサアレイ上に集積されたフィルタアレイを交換することによって、使用時にフィルタアレイが再構成可能なように構成できる。これは、種々のスペクトル帯域またはフィルタの種々の空間配置を必要する種々の用途に適合できる。
【００１８】
スペクトルカメラは、複数の画像コピーをセンサアレイの異なる部分に投影するための光学複製部を有してもよい。これは、スペクトル分解能および空間分解能のトレードオフでより柔軟性を実現できる。
【００１９】
他の態様が、スペクトル出力を生成するためにスペクトルカメラを動作させる方法を提供するものであり、該カメラは、画像を生成するための対物レンズと、光学スペクトルの異なる帯域を通過させるためのモザイク状フィルタと、該フィルタを通過した異なる帯域で画像の画素を検出するように配置された１つ以上のセンサアレイとを有し、
画素の各々について、１つ以上のセンサアレイは、異なる帯域を検出するための一群のセンサ素子を有し、該モザイクは、センサ上に集積された、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、センサの各々に異なる帯域の個々のものを設けており、画像は、異なる帯域で同時に検出可能であり、
該フィルタは、ファブリペローフィルタであり、
該方法は、異なる帯域での画素の検出をセンサアレイから読み出すステップと、
該読み出しを処理して、各帯域について検出した画像コピーを構築(assemble)するステップとを有する。
【００２０】
該読み出しを処理して、不要な次数を検出し、これらを除去するステップを有してもよい。
【００２１】
他の態様が、製造時にスペクトルカメラを構成する方法を提供しており、該スペクトルカメラは、画像を生成するための対物レンズと、光学スペクトルの異なる帯域を通過させるためのモザイク状フィルタと、該フィルタを通過した異なる帯域で画像の画素を検出するように配置された１つ以上のセンサアレイとを有し、
画素の各々について、１つ以上のセンサアレイは、異なる帯域を検出するための一群のセンサを有し、該モザイクは、センサ上に集積された、対応する一群の異なる帯域のフィルタを有し、センサの各々に異なる帯域の個々のものを設けており、画像は、異なる帯域で同時に検出可能であり、
該フィルタは、ファブリペローフィルタであり、
該方法は、使用する帯域を選択し、群についてこれらの空間配置を選択するステップと、
選択した帯域およびこれらの空間配置に従ってセンサアレイ上に層を形成することによって、集積フィルタを製作するステップとを有する。
【００２２】
追加の特徴の何れもが、共に組合せ可能であり、何れの態様とも組合せ可能である。他の利点は、特に他の先行技術に対して当業者に明らかになるであろう。多数の変形および変更が、本発明の請求から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明の形態は、例示的なものに過ぎず、本発明の範囲を限定することを意図していないことを明確に理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
本発明がどのように具体化できるかについて、添付図面を参照して例を用いて説明する。
【００２４】
【図１】一実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。
【図２】他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。
【図３】他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。
【図４】アンチエイリアシング部を備えたカメラの一部の概略図を示す。
【図５】読み出しの処理を備えた他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。
【図６】読み出しの処理を備えた他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。
【図７】集積フィルタを持つ交換可能なセンサアレイを備えた、他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。
【図８】通過帯域の異なる配置図を示す。
【図９】通過帯域の異なる配置図を示す。
【図１０】通過帯域の異なる配置図を示す。
【図１１】複数の画像コピーを有する一実施形態に係るカメラを示す。
【図１２】カメラの動作方法でのステップを示す。
【図１３】カメラの動作方法でのステップを示す。
【図１４】製造時、こうしたカメラを構成する方法でのステップを示す。
【図１５】製造時、こうしたカメラを構成する方法でのステップを示す。
【図１６】ファブリペローフィルタアレイが集積されたセンサアレイの断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明について特定の実施形態に関して一定の図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されず、請求項によってのみ限定される。記載した図面は、概略的なものに過ぎす、非限定的である。図面において、の幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。
【００２６】
用語「備える、含む(comprising)」を本説明および請求項で使用した場合、他の要素またはステップを除外していない。単数名詞を参照するときに不定冠詞または定冠詞（例えば、"a", "an", "the"）を使用した場合、他に言及していない限り、これは複数の当該名詞を含む。
【００２７】
請求項に使用した用語「備える、含む(comprising)」は、以降に列挙した手段に限定されるものと解釈すべきでない。それは、他の要素またはステップを除外していない。
【００２８】
説明した受信機の要素または部品は、任意の種類の情報処理を実施するための媒体中にエンコードされたロジックを備えてもよい。ロジックは、ディスクまたは他のコンピュータ読み取り可能な媒体中にエンコードされたソフトウエア、及び／又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、他のプロセッサ、ハードウエアなどにエンコードされた命令を含んでもよい。
【００２９】
ソフトウエアへの参照は、プロセッサによって直接または間接的に実行可能である、任意の言語の任意のタイプのプログラムを包含できる。
【００３０】
ロジック、ハードウエア、プロセッサまたは回路への参照は、任意の程度に集積化された任意の種類のロジックまたはアナログ回路を包含でき、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ディスクリート部品、またはトランジスタロジックゲートなどに限定されない。
【００３１】
光学への参照は、人間の可視波長範囲、赤外波長、および紫外帯域まで延びたより短い波長内にある波長を少なくとも包含することを意図しており、光学フィルタの厚さの製造変動に対する敏感さがより顕著である。幾つかの実施形態では、光学フィルタおよび光学センサは、これらの波長の任意のサブセット、例えば、可視波長だけ、または可視波長およびその短い波長である範囲に限定してもよい。
【００３２】
光学フィルタアレイまたは光学センサアレイへの参照は、２次元アレイ、矩形状または非矩形状のアレイ、不等間隔アレイ、非平面アレイなどを包含することを意図している。
【００３３】
集積回路への参照は、例えば、センサアレイ上にモノリシックに集積された光学フィルタアレイを有するダイ(die)またはパッケージダイを少なくとも包含することを意図している。
【００３４】
波長スペクトルへの参照は、連続スペクトルまたはほぼ隣接したディスクリート帯域の範囲を包含することを意図している。
【００３５】
さらに、説明での用語「第１」「第２」「第３」などは、類似の要素を区別するために使用しており、必ずしも順次的、時間的な順番を記述するためではない。こうした用いた用語は、適切な状況下で交換可能であり、ここで説明した本発明の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能であると理解すべきである。
【００３６】
さらに、説明での用語「上(top)」、「下(bottom)」、「の上に(over)」、「の下に(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、適切な状況下で交換可能であって、ここで説明した本発明の実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能であると理解すべきである。
【００３７】
本明細書を通じて「一実施形態」または「実施形態」への参照は、該実施形態に関連して説明した特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。こうして本明細書を通じて種々の場所での用語「一実施形態において」または「実施形態において」の出現は、必ずしも全て同じ実施形態を参照していないが、そういうこともある。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つ又はそれ以上の実施形態において、当業者に明らかなように本開示からいずれか適切な方法で組み合わせてもよい。
【００３８】
同様に、本発明の例示の実施形態の説明において、本開示を合理化し、種々の発明の態様の１つ以上の理解を支援する目的で、本発明の種々の特徴が単一の実施形態、図面またはその説明において時には一緒にグループ化されることを理解すべきである。しかしながら、この開示方法は、請求項の発明が、各請求項に明示的に記載されたものより多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈すべきでない。むしろ、下記の請求項が反映しているように、発明の態様が、単一の前述した実施形態の全ての特徴より少ない点にある。こうして詳細な説明に続く請求項は、ここではこの詳細な説明に明示的に組み込まれており、各請求項は本発明の別個の実施形態としてそれ自体に立脚している。
【００３９】
さらに、ここで説明した幾つかの実施形態が他の実施形態に含まれる幾つかの別でない特徴を含むとともに、異なる実施形態の特徴の組合せが、当業者によって理解されるように、本発明の範囲内にあって異なる実施形態を形成することを意味する。例えば、下記の請求項において、請求した実施形態のいずれもがいずれの組合せで使用できる。
【００４０】
ここに用意した説明において、多数の特定の詳細が記述されている。しかしながら、本発明の実施形態が、これらの特定の詳細なしで実施できることは理解されよう。例えば、本説明の理解を曖昧にしないように、周知の方法、構造および手法は詳細には示していない。
【００４１】
本発明について、本発明の幾つかの実施形態の詳細な説明によって説明する。本発明の他の実施形態が、本発明の技術的教示から逸脱することなく、当業者の知識に従って構成可能であることは明らかであり、本発明は、添付の請求項の用語によってのみ限定される。
【００４２】
（実施形態によって対処される課題の概要）
ハイパースペクトルイメージングシステムまたはカメラが、種々のディスクリート部品、例えば、入射する電磁スペクトルを受光するための光学サブシステム、受光したスペクトル内で種々の帯域を生成するためのフィルタアレイ、種々の帯域を検出するための画像センサアレイなどで構成できる。光学サブシステムは、単一または種々のレンズ、アパーチャ及び／又はスリットの組合せで構成できる。フィルタアレイは、１つ以上のプリズム、グレーティング、光ファィバ、音響光学可変同調フィルタ、液晶可変同調フィルタなど、またはこれらの組合せで構成できる。
【００４３】
スペクトルイメージングの特徴は、全体スペクトルが各ポイントで取得され、オペレータは、サンプルの予備知識を必要とせず、後処理がデータセットから全ての利用可能な情報の掘り出しを可能にすることである。短所はコストと複雑さである。高速なコンピュータ、敏感な検出器、大きなデータストレージ容量が、ハイパースペクトルデータを解析するために必要になる。著しいデータストレージ容量が必要であり、ハイパースペクトルキューブが大きな多次元データセットであり、数百メガバイトを超える可能性があるためである。
【００４４】
スペクトル情報のセンシングが、典型的には分散光学素子またはスペクトルフィルタを用いて達成される。プリズムまたはグレーティングなどの分散光学素子は、光のスループットを制限し、多重フレームに渡って時間がかかる空間的走査を必要とし、これは一度に１つのスペクトルおよび１つの空間次元だけを検知するためである。スペクトルフィルタは、１つの波長で２つの空間次元（幅Ｗおよび高さＨ）を撮影し、多重フレームに渡ってスペクトル走査を必要とし、大きなスイッチングオーバーヘッドに起因して著しい量の時間を必要とする。
【００４５】
標準的な光学系を用いてＮＢ個の波長を撮影するためには、場面は、ＮＢ個のフレームに渡ってセンサの前方で空間的に走査する必要があり、各位置がＮＢ個の異なるフィルタを用いて検知されるようにする。１つのフレーム周期で全キューブを撮影することは、全部で３次元のキューブを２次元のセンサにマッピングする必要がある。同様に、各空間ポイントを何とかしてセンサアレイにおいてＮＢ回複製する必要があり、その結果、ＮＢ個の異なるスペクトルサンプルが検知される。
【００４６】
（図１  一実施形態に係るスペクトルカメラ）
後述のような実施形態が、３Ｄ  ＨＳＩキューブのより高速な取得を可能にし、Ｗ×Ｈ×ＮＢサイズのキューブ（但し、ＮＢは通過帯域の数）内の各ポイントをセンサアレイ上のセンサ素子により効率的にマッピングすることによって、スナップショットイメージングを可能にする。場面で検知されたＷ×Ｈ個の空間ポイントの各々が、センサアレイ上で、それぞれ異なるフィルタ通過帯域を有する一群のセンサ素子に渡って光学的に広がっている。センサアレイ上で制限されたスペースに起因して、通常、空間分解能とスペクトル分解能との間のトレードオフが存在するようになる。
【００４７】
図１は、一実施形態に係るカメラの概略図を示す。対物レンズ１０が、画像をセンサアレイ４０の上に投影する。フィルタアレイ３０がセンサアレイの上に集積される。センサアレイは、各画素について一群のセンサ素子を有する。フィルタは、異なる帯域のモザイクとして配置され、各センサ素子につき１つである。従って、一群のフィルタが存在する。その配置は、ハイパーバイヤ(hyperbayer)配置として見ることができる。それにより、画像を複製するためのレンズを必要とせずに、異なる帯域での画像コピーが検出可能になる。画像は、センサアレイ上にセンサ素子のピッチより僅かに低い空間分解能で投影可能であり、その結果、一群のセンサ素子が一画素ごとに一様に照射される。このことは、必要に応じてエイリアシング(aliasing)を回避する。幾つかのケースでは、エイリアシングは、それを回避しようとせずに許容してもよい。
【００４８】
画像センサアレイと共に集積化されたフィルタアレイを有することが望ましい。この集積コンポーネントまたはモジュールは、光学サブシステムと組合せ可能であり、完全なカメラシステムを形成する。センサアレイは、典型的には、モノリシックに集積されたフィルタアレイを備えた集積回路であり、分光ユニットと称してもよい。長い収集時間の問題は、例えば、国際公開第２０１１０６４４０３号（ＩＭＥＣ）に記載しているようなＨＳＩウェッジ技術によって形成された、高い光のスループットの集積フィルタを用いて部分的に克服できる。こうしたカメラの実用的な商業的実装は、コンパクトで、低いコストで製造可能であり、再構成可能である必要がある。特定の態様では、プロセス技術の態様が、システム統合化および画像処理技術と組合せ可能であり、集積回路製造プロセス条件を緩和する。
【００４９】
（図２  他の実施形態に係るスペクトルカメラ）
図２は、図１と同様に、他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示しており、光の経路の詳細な表現とともに特定の実装を示す。センサアレイ上の画像セグメントのコピーの平面図も示しており、ここから検出され、読み出され、データバッファに画像キューブとして保存される。単一画像が存在することを示す、モザイク状フィルタの配置の平面図もあり、各画素が異なる帯域の一群のセンサ素子によって検出されるため、複数の画僧コピーが生成できる。センサアレイからは、異なる帯域での各画素の複数の値が検出され、読み出され、データバッファに再構築された画像キューブとして保存できる。前述のように、光学複製レンズなしで画像をセンサアレイ４０の上に投影する対物レンズ１０が存在する。
【００５０】
図示した配置の幾つかの実用的な効果は、下記のようになる。
・対物レンズは、ズーム動作、光のスループットおよび再合焦動作の柔軟性を実現できる。
・標準のレンズマウントと互換性がある。
・完全なセンサ使用が理論的に可能である。
【００５１】
（図３  センサアレイの一部の拡大図）
図３は、図２のセンサアレイの一部の拡大図を示す。これは、異なる帯域の群の繰り返しパターンを示す集積フィルタを備えたセンサアレイの一部を示す。一群の例をさらに拡大して示している。一画素では、帯域１〜４，５〜８，９〜１２，１３〜１６をそれぞれ備えた４つの行に配置された、異なる帯域の１６個のフィルタからなるブロックが存在する。
【００５２】
（図４  アンチエイリアシング部を有する他の実施形態）
図４は、図１と同様なカメラの他の例の概略図を示す。アンチエイリアシング部５０が、光経路に配置され、センサアレイ上の群に渡って各画素の広がりを実行する。これは、種々の方法、例えば、光学フィルタリング、または対物レンズのデフォーカスなどで実装できる。
【００５３】
（図５  画像を再構築するためのプロセッサ）
図５は、図１と同様な他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示し、画像を各帯域で再構築するためのプロセッサ２００の追加を伴い、センサアレイの読み出し後、帯域間予測機構を用いるため、空間群(cluster)周波数より高い空間分解能でスペクトルデータを推定する。プロセッサは、カメラの中に組み込んだり、あるいは外部の画像処理システムの一部にできる。これは、図３に示したフィルタ配置でセンサアレイから読み出した各帯域について、画像を再構築するために使用できる。プロセッサは、データバッファのためのアドレス発生器の形態で実装でき、センサアレイがデータバッファ中に読み出された場合、適切なアドレスが発生して、１つの帯域についての画像の一部を単一フレームに対応したアドレスに保存するように構成される。
【００５４】
（図６  次数除去のためのプロセッサ）
図６は、図１と同様な他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示し、次数除去のためのプロセッサ２１０の追加を伴う。これは、フィルタ帯域の選択が、同じ群または隣接する群での他のフィルタの不要な２次または他の次数のスペクトル応答と一致するように配置された幾つかの特別な帯域を含む場合に有用である。そして、特別な通過帯域は、不要な信号の量を検出するために使用でき、これは、一次の値を提供し、不要な２次信号も有することを意図したセンサ素子から読み出された値から引き算できる。幾つかのケースでは、センサは、より高次の波長に対して本質的に感度がなく（例えば、８００〜１０００ｎｍの範囲の帯域を除いて）、多くの場合、全ての帯域に感受性がない。プロセッサは、カメラの中に組み込んだり、あるいは外部の画像処理システムの一部にできる。
【００５５】
（図７  集積フィルタを変えるための交換可能なセンサアレイ）
図７は、図１と同様に、集積フィルタを持つ交換可能なセンサアレイ４２を備えた、他の実施形態に係るスペクトルカメラの概略図を示す。このケースでは、交換は、交換可能なセンサアレイを旋回軸４１の周りに回転させて、元のセンサアレイ４０の位置を占めるようにすることによって実施できる。原理上は他の配置が想定できる。例えば、センサアレイを移動させるのではなく、光学経路が交換可能なセンサアレイへ移動できたり、あるいは、交換可能なアレイは回転ではなくスライドできるものである。任意の数の異なるセンサアレイが旋回軸に固定できる。幾つかのケースでは、必要に応じて、図１１に示すようなレンズアレイなどの光学複製機が交換でき、必要に応じて、画像コピーのレイアウトまたはこれらの倍率が変化できるものである。
【００５６】
（図８〜図１０  通過帯域パターンの他の例）
図８は、符号１〜９を付与した３行３個の異なる通過帯域を持つ一群のフィルタの一例を示す。通過帯域の中心値は、各帯域ごとに列挙している。これは、図３の例とは、群のサイズの点で相違しており、このケースでは、異なる帯域についてスペクトル分解能の変動を提供するように帯域が選択されている。隣接する帯域間の差は５０ｎｍであるが、例外として帯域４，５，６，７，８は、例えば、隣接する帯域間の差が１５ｎｍまたはそれ以下である。これは、スペクトルのこの部分でより良好なスペクトル分解能を提供する。
【００５７】
図９は、このケースで２つのタイプの群が存在する点を除いて、図８と同様な他の例を示す。第１のものは、帯域１，２，３，４，５，６，７，８，９を用いて画像の周辺について選択された帯域を有し、一方、画像の中央部については、帯域１０〜１８として付与された異なる帯域が選択される。そのため、これは、画像の異なる部分で選択された帯域の変動の一例である。
【００５８】
図１０は、群が２×２のパターンを有し、代替の群がこれらの帯域の選択の点で相違しており、そのため繰り返しが４×４のパターンである点を除いて、図８と同様な他の例を示す。このケースでは、７つの帯域が存在し、帯域１，２，３が繰り返しで４回現れており、一方、帯域４，５，６，７が１回だけ現れている。よって、判るように、帯域１，２，３のいずれかは、１つの介在素子だけを伴って生じ、一方、他の帯域は、これらの帯域の隣接するものの間にある３つの介在素子を伴って生ずる。よって、画素が２×２の群に渡ってそれぞれ広がる場合、帯域４，５，６，７での完全な分解能の画像サンプリングが存在しないことになる。このことは、帯域間予測機構が適用できない限り、これらの帯域での空間分解能が低下することを意味する。
【００５９】
（図１１  画像の光学複製）
図１１は、光学複製（２０）のためのレンズまたはミラーが存在しており、複数の画像コピーがセンサアレイの異なる部分に投影される点を除いて、図１のもの同様な配置を示す。これにより、異なる倍率を実現でき、または画像の同じ部分が、異なる帯域または分解能で２回検出できるようになる。画像コピーの境界は、視野絞りまたは物理的バリアによって設定してもよいであろう。
【００６０】
（光学的減衰(fall-off)およびモジュール感度の設計）
画像センサアレイおよびフィルタ構造の両方からなる集積モジュールを設計する場合、相互コンポーネント最適化を行うことができる。低コスト及び／又はコンパクトなシステムを目標とするモジュールでは、より低品質の光学系が予想される。この意味で対処できる１つの影響が、口径食である。口径食は、画像中心と比べて周辺での画像の輝度または彩度の低下である。この影響が、ファブリペローフィルタおよび画像センサの波長依存の効率と連結した場合、波長依存の挙動を強化する代わりに、波長依存の挙動を平坦化するために両方の影響を共に最適化できる。
【００６１】
口径食およびセンサ感度の両方の影響が、フィルタの特定の配置でモジュールの効率に影響を与える。感度を平坦化し、両方の影響のこの追加の挙動を克服するためには、フィルタの配置の適切な選択およびレンズアレイの設計が、両方の影響を考慮して行うことができる。これは、必要に応じて、用途が許容すれば、照明プロファイルと組合せが可能である。
【００６２】
前述の段落で議論したように、ハイパースペクトルイメージングの設計の一部は、画像センサアレイの上での種々のフィルタの配置である。一般に、設計プロセスは、下記の部分に区分できる。
１．目標とする波長範囲の選択
２．当該範囲のための画像センサアレイの選択
３．目標とするスペクトルサンプリング（そして、スペクトル分解能）の選択
４．レンズアレイを設計することによって画像コピーの設計
５．異なるファブリペローフィルタおよびアレイでのこれらの配置の設計
【００６３】
（図１２と図１３  カメラの動作方法でのステップ）
図１２と図１３は、カメラの動作方法でのステップを示す。図１２において、あるケースにおいて必要に応じて、例えば、対物レンズまたは他の光学部品の機械的調整、あるいはセンサアレイの場所の調整によって、画像コピーの輪郭を設定する予備的な位置合わせ(registration)を示していない。ステップ４１０は、センサアレイから、１つのフレーム時間内で、種々の通過帯域で各画素の検出信号の読み出しである。ステップ４２０は、これらの信号を読み出して、当該時刻または多数の時刻について画像キューブの再構築を表現するデータベースでの値として保存する。図１３は、図１２と同様であり、この読み出しを処理し、不要な次数の信号量を検出し、上述したように、画素値の幾つかからの引き算によってこうした不要成分を除去するステップ４２５を追加している。
【００６４】
記載した実施形態の何れも、空間走査機構を使用して、連続したフレーム周期で視野または視野の角度位置を変化させる場合、多重フレーム時間に渡って追加のサンプリングが可能である。これは、画像キューブを拡大でき、あるいは、空間方向での密度を高めることができる。
【００６５】
（図１４と図１５  製造時にカメラを構成する方法）
図１４は、製造時、こうしたカメラを構成する方法でのステップを示す。ステップ５１０は、通過帯域を選択し、各画素について群内での通過帯域の空間配置を選択することを示す。ステップ５２０は、通過帯域およびこれらの空間配置に従って、集積フィルタの層を製造することを示す。図１５は、ステップ５１０をステップ５１５で置換している点を除いて図１４と同様であるが、通過帯域およびこれらの空間配置の選択は、画像キューブの異なる部分でどの通過帯域が検出されるかの変動、あるいは画像キューブの異なる部分における検出の空間分解能またはスペクトル分解能の変動を有するようにしている。
【００６６】
（図１６  集積されたファブリペローフィルタ）
図１６は、ファブリペローフィルタアレイ３１が集積されたセンサアレイ４０の断面図を示す。これは、上部半ミラーコーティング３３と、下部半ミラーコーティング３２を有する。部品間に隙間を示しているが、これは明確さのためであり、実際には隙間は存在しない。この部分の例のより詳細について説明する。
【００６７】
（半導体プロセス）
フィルタアレイは、半導体プロセス技術を用いて、画像センサアレイとともに集積可能であり、即ち、分光ユニットは、半導体プロセス技術およびプロセス工程を用いて、画像センサアレイを含む基板上で後処理で設けられる。こうした半導体技術の例が相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）プロセスであり、ここでは画像センサアレイはＣＭＯＳセンサであり、そして、電荷結合素子（ＣＣＤ）プロセスであり、ここでは画像センサアレイはＣＣＤセンサである。これらの製造技術は、集積電子回路を製造するのに理想的に適している。こうしたモノリシック集積化は、分光ユニットを基板に取り付けるためにインタフェース層が必要でないことから、低コストでの製造、そしてより高性能を提供することが可能になる。よって、迷光の影響がかなり減少する。
【００６８】
大きい範囲のテクノロジー世代を前提とすると、大きなクリティカル寸法（ＣＤ）、例えば、１３０ｎｍを有する最も低コストのテクノロジーでセンサを製造することを選択でき、その結果、画像センサアレイのより大きな画素およびより小さな空間分解能が得られる。代替として、より小さなクリティカル寸法（ＣＤ）、例えば、４５ｎｍを有するより高いコストのテクノロジーで画像センサアレイを製造することを選択でき、その結果、画像センサアレイのより小さな画素およびより高い空間分解能が得られる。
【００６９】
画像センサアレイは、表面照射型センサとすることができ、フィルタアレイは、センサを備えた基板の上部に後処理で設けられる。必要に応じて、この基板は後で薄くし、基板のバルクを除去し、画像センサアレイおよびこれとモノリシックに集積された分光ユニットを含む薄いスライスとする。代替として、画像センサアレイは、裏面照射型センサとすることができ、最初にセンサを備えた基板を裏面から前方へ薄くする。薄くした基板の裏面において、分光ユニットが後処理で設けられる。
【００７０】
任意の次数のファブリペローフィルタが製造でき使用できるが、好ましくは、１次のファブリペローフィルタだけを画像センサアレイ上に形成して、より高次の成分を除去及び／又は阻止するための複雑さを低減している。１次のファブリペローフィルタを備えた、モノリシックに集積されたハイパースペクトルイメージングシステムは、典型的には、光学サブシステムにおいて集光レンズを必要としない。
【００７１】
光学サブシステム、モノリシックに集積されたフィルタアレイおよび画像センサアレイを備えた完全なハイパースペクトルイメージングシステムの例が開示される。これらの完全なイメージングシステムは、モノリシック集積の利点を活用しており、光学サブシステムを設計する際の自由度を与える。
【００７２】
フィルタの設計、例えば、フィルタの空洞長を定義する厚さは、チップ上の特定のフィルタの場所を考慮して、到来する電磁スペクトルの入射角の変動依存性を低減できる。
【００７３】
フィルタは、画像センサアレイ上に後処理で設けられ、全てのフィルタは、画像センサアレイの行(row)または列(column)と整列している。
【００７４】
フィルタは、モノリシックに集積でき、フィルタ構造が画像センサの上に直接に後処理で設けられることを意味する。この集積化は、別個に製造し、後で撮像器と共に組み立てるフィルタ構造と比較して、極めて重要な利点および幾つかの結果を有する。モノリシック集積の利点は、標準的なＣＭＯＳ製造工程によるコスト低減、迷光の低減であり、１次用の設計を可能にし、集光レンズの必要性を回避する。
【００７５】
フィルタ構造が別個に製造され、そして画像センサと共に組み立ててハイパースペクトルモジュールとするハイブリッド集積と比較して、モノリシック集積にとって幾つかの利点がある。最初に、両方の生産シーケンスを組み合わせて１つの組合せフローにすることは、別個に製造され、後にセンサと共に組み立ててモジュールとするフィルタ構造のハイブリッド集積と比較した場合、全体の簡素化および生産コスト削減をもたらす。これは、特に、このフィルタの場合であって、フィルタ構造の後処理が、堆積、パターニングおよびエッチングなどのＣＭＯＳ互換の製造工程だけを必要とするからである。これらの工程を画像センサの通常の生産フローに追加することによって、高価で、エラーが生じやすく、労働集約型のアセンブリ工程を防止できる。例えば、ブラッグスタックでの３層の酸化物およびアモルファスシリコン、１２７個の異なる空洞厚さ、約５０ロットターンを備えたフィルタが必要であり、標準的なＣＭＯＳ撮像器と比べて、２０％前後の追加コストを与える。上部および下部ミラー層の堆積のためのロットターン数は、異なる層が同じツールにおいて交互に堆積可能である場合、低減できる。
【００７６】
第２に、フィルタ構造を撮像器の画素上に直接に製造することによって、フォトンがフィルタから下方の画素に直接通過できる。表面照射型センサの場合、フォトンが最初にメタライゼーション層および幾つかの誘電体層を通過することになる。フィルタ構造を別個に生産し、画像センサの上に積み上げた場合、両方の構造の間に非機能的な層または隙間が常に存在するようになる。
【００７７】
フィルタおよび基板の組合せが反転して、フィルタが支持基板と画像センサとの間に設置された場合でも、光は、最初に基板を通過し、そしてフィルタを通過し、最後に薄い空気または接着の隙間を通って、画像センサフォトダイオードに入射する。フィルタ構造を画像センサと組み合わせた場合、それが種々の層の間に空気または接着を有する相互の上部に積み上げられれば、フィルタ構造と下地の画素行との間のこの余分な基板は、特定の量の性能劣化を引き起こすことになる。その理由は下記に示す。
【００７８】
１．クロストーク
特定画素の上にあるフィルタ構造を出射したフォトンが、隙間を横切って隣りの画素に入射する。この影響は、画素上へのフィルタの直接後処理によって隙間が減少または完全に除去された場合、大きく減少することになる。しかしながら、フィルタ自体の厚さの結果として、あるクロストークが存在し得る。一画素の上にあるフィルタに入射するフォトンが、フィルタを通過して隣りの画素に入射することがあるためである。これは、より薄いフィルタを設計し、入射角を制御することによって減少する。
【００７９】
２．迷光
余分な非機能的な層は、屈折率が整合していなければ、その境界上で余分な反射を引き起こし、よって、上述のクロストークに加えて余分な迷光を生じさせる。種々の入射角について、フィルタと画像センサの画素アレイとの間の有効距離Ｓを減少させることによって、迷光は減少する。より小さい距離Ｓ、例えば、１ｎｍでは、迷光が進行する距離（Ｄ）は、通常の画素寸法（例えば、１〜１５＿ｍ）内である。これは、進行する光の距離Ｄが数十から数百画素の範囲に及ぶ、よりマクロ的な集積距離、例えば、１ｍｍ基板のケースではそうではなく、空間分解能およびスペクトル分解能の深刻な劣化をもたらす。あるケースでは、距離Ｄは相当に大きくなり、光を画素上に再び集光させるために追加の集光レンズが必要になる。
【００８０】
３．迷光によって生ずる寄生ファブリペロー
さらに、前項目に示したように、フォトダイオードの上にある誘電体スタックおよび金属は、光の一部を反射する。不均一集積による隙間および空洞の下部ミラーとともに、これは、実際のものと干渉する寄生ファブリペローを形成する。このプロセスは、モノリシック集積を用いて最適化できる。撮像器内の誘電体層は、同様な材料（例えば、酸化物）に製作された下部ブラッグスタックの一部となり、これらの層の幅に対してあまり敏感でないからである。
【００８１】
画像センサ上に後処理で組み立てられるハイブリッドフィルタ構造がこの問題に悩まされる１つの重要な理由が、極めて薄いフィルタ構造の構築は、フィルタを機械的に支持し、積み重ねを可能にする（透明な）支持基板の追加の挿入を別個に必要とすることである。この層をフィルタと画像センサとの間に設置した場合、非機能的な隙間は、この層および、支持層と画像センサとの間にある追加の空気または接着からなる。支持構造を上に設置した場合、それもまた追加の反射を発生することがあり、（例えば、反射防止コーティングを追加することによって）別個に最適化すべきであるが、フィルタと画像センサとの間に空気または接着の層が存在するようになる。これの全てが、上述したように、フィルタ構造を画像センサ上に直接に後処理で設けることによって不必要にできる。
【００８２】
第３の利点が、モノリシック集積は、極めて正確なＣＭＯＳ製造手法と組み合わせて、かなり小さい厚さを持つフィルタ構造の構築を可能にすることである。後述するように、ファブリペローフィルタ構造は、空洞長を同調させることによって、特定の波長を選択するように設計される。より薄いフィルタは入射角に対してあまり感度がなく、それは非垂直入射においてフィルタ内の内部反射がカバーする距離が小さいからである。より厚いフィルタが、伝送ビームのより長い変位Ｄに悩まされることになり、１０ｍｍ超に広がる。このことは、空間分解能およびスペクトル分解能での深刻な減少をもたらすものであり、フィルタを通過する光が画素の他の列または行に入射するからである。従って、このマクロ的なフィルタは集光レンズを必要とする。
【００８３】
薄いフィルタは、これに対してかなり感度がなく、変位Ｄは、多くのケースでは、ほぼ最大の入射角および最小の画素サイズについて、画素寸法未満、即ち、好ましくは、１〜１０ｎｍの範囲に収まる。従来の生産手法は、フィルタ構造および画像センサのハイブリッド集積との組合せで、１次のファブリペローフィルタを製造するのに必要な精度に到達できない。よって、より高次のファブリペロー構造を使用する必要がある。このケースでは、必要な次数だけを選択するために、追加のダイクロイックフィルタまたは他のフィルタをモジュールに追加する必要がある。これは、追加のエネルギー損失、追加のコスト、そして、減少した全体システムの最適性を生じさせる。
【００８４】
最後に、ファブリペローフィルタが画像センサから離れてある距離に設置した場合、フィルタの出力は、レンズによって集光した場合、同心円の形態をとる位相差を示す。同心円は、異なる場所に建設的干渉および相殺的干渉を有する種々の干渉波の結果である。集光レンズは、マクロ的なフィルタに必要であり、フィルタ内部の反射によってカバーされる大きな距離のため、そして、これら全ての反射を１つの画素に再び集光するためである。
【００８５】
開示した集積イメージングモジュールでは、フィルタ構造と画像センサとの間の距離は極めて小さく、フィルタが１次用に設計されているため、集光レンズの必要性がない。薄いフィルタは、この集光レンズを要しない。それは、内部反射がカバーする距離がかなり小さく、提案したフィルタの場合、全ての光が１つの画素に入射するからである（極めて多数の内部反射の後は、単一画素のサイズを超える光線に残るエネルギーは無視できる）。位相差の結果である同心円は、依然としてそこにあるが、同じ画素内に全て集光されるようになり、これらの効果は当該画素の出力に全て統合される。
【００８６】
能動ＩＣ、このケースでは画像センサ、の上部におけるフィルタ構造の直接後処理は、当該ＩＣの汚染制限、機械的制限、温度制限および他の制限と適合すべきである。このことは、例えば、フィルタの製造で使用される工程のうち、下方の画像センサに損傷を与えるであろう材料またはプロセスを使用できるものはないことを意味する。
【００８７】
後述するように、最も重要な制限の１つは、ＣＭＯＳ生産環境を考慮すると、利用可能な材料での制約である。提案したフィルタにおいて、材料選択は、標準的な材料を使用し、標準的なプロセスと完全に適合するように行った。幾つかの材料、例えば、ＡｕまたはＡｇを使用することが不可能であり、これらは種々の層およびツールの中に拡散する傾向があり、これにより電流の収量および将来の処理工程に悪影響を及ぼす。幾つかのケースでは、通常のプロセスラインの外部で堆積を行った場合、そして、ツールを当該目的のために使用しただけの場合、こうした層が最終工程（上部層）として許容可能である。これは、最終工程としてのみ行うことができ、ウエハは、その操作後に通常フローに入らないからである。
【００８８】
材料選択に関連した他の制限が、プロセスにとって利用可能な温度収支(budget)または温度ウインドウである。画像センサに損傷を与えることなく後処理を実施するために。損傷を防止するには、プロセス工程の最大温度は、ある最大値、例えば、４００℃を超えるべきでない。これもまた、設計に利用可能な材料および結晶化の選択肢を制限する。
【００８９】
画像センサおよび別個に生産されたフィルタ構造を後にモジュールに組み立てるハイブリッド手法に関して、そこにはあまり自由度がない。モノリシック設計の場合、設計の全体を通じて制約を考慮する必要がある。画像センサ自体の設計の際に、特定の設計選択を行って、フィルタのプロセスに対する制約条件を緩和する（例えば、後処理にとって許容される温度を上昇させる）場合、これも考慮できる。そして、これは、画像センサまたはフィルタ構造の代わりに、モジュールレベルでの最適化問題をもたらす。フィルタ構造への制約は、常に適用される。後で画像センサの上部に処理されるからである。
【００９０】
（ファブリペローフィルタ）
画像センサの全画素は、特定の波長に対して感度を有する、それ自体の光学フィルタを有することができる。センサ上での種々の光学フィルタの編成は、その使用法に依存する。集積化できる種々のタイプのフィルタ、例えば、ダイクロイックフィルタが存在する。説明した例で使用したタイプは、ファブリペロー干渉計である。
【００９１】
ファブリペローフィルタが、透明層（空洞と称する）および当該層の両側にある２つの反射面で製作される。ファブリペロー波長選択が、反射される空洞内で複数の光線を含み、これは、光の波長、半ミラー間の距離ｌおよび入射角θに基づいて建設的干渉および相殺的干渉を生じさせる。（ｂ）より高次も選択され、これは次数選択の問題をもたらす。フィルタ動作は、この周知のファブリペロー原理に基づいており、各フィルタの高さが、所望の通過帯域に同調するように選択される。各フィルタが共振空洞によって形成され、その共振周波数がフィルタの高さによって決定される。空洞の上部および下部において、光線を部分的に反射する半透明ミラーが設置される。反射のため、光路差が導入され、相殺的干渉および建設的干渉を生じさせる（入射する波長に依存する）。こうしたフィルタの原理および特性のより詳細が、上記の国際公開第２０１１０６４４０３号に記載している。
【００９２】
（光学フィルタの設計）
反射面：
空洞の両側にある反射面の設計および性能は、ファブリペロー光学フィルタの性能にとって重要である。高いフィネス(finesse)、良好なスペクトル分解能を持つファブリペロー光学フィルタが、高反射ミラーを用いることによって得られる。第２の重要なミラーのパラメータがこれらの吸収であり、これはフィルタの効率を決定するためである。ファブリペロー光学フィルタの全範囲が特定の波長範囲に渡って構築する必要がある場合、これらの２つのパラメータ（反射率および吸収率）が、このスペクトル範囲に渡って可能な限り一定に収まることは有益である。このケースでは、波長範囲は、ファブリペローフィルタの空洞長だけを変化させることによって、カバー／サンプリングでき、材料およびミラー層は一定に維持できる。選択した波長範囲は、モジュールの第２の部品である、選択した画像センサの感度と整合する必要がある。
【００９３】
モノリシック集積を提案する本手法は、特定の非標準的センサ設計を使用しており、コストを増加させ、速度を減少させる。ＣＭＯＳセンサでのＣＭＯＳ互換のプロセス工程への切り替えが集積化の問題を提起しており、それが、汚染および温度収支に起因して、例えば、材料選択に影響をもたらすからである。Ａｇなどの金属が、下部ミラーに使用できない。最新のファブリペローフィルタは、Ａｌを使用する必要があり、フィルタ品質または光学スループット（速度）の重大な減少を引き起こす。誘電体スタックが好ましいが、汚染レベルおよび温度収支が材料選択を制限する。
【００９４】
選択した周波数範囲において必要なスペクトル範囲を得るために、プロセス適合した材料がｎ／ｋの正しい組合せを有することが必要である。低ｎ材料を有するこれらの誘電体材料の例がＳｉＯ２であり、ｎをさらに減少させるように調整することが可能である。高ｎ材料の例が、アモルファスシリコンであり、プロセスパラメータ、例えば、温度および水素含有量の調整のため、減少した吸収率を有する。
【００９５】
硬い酸化物が良好な許容範囲を有するが、標準のＣＭＯＳプロセスで許容されたものより高い温度の必要性のため、使用できない。
【００９６】
こうした代替のミラーシステムの例が、（分散型）ブラッグスタックであり、２つのタイプの誘電体を２つ以上の材料（一方が低い屈折率を有し、もう一方が高い屈折率を有する）の交互配置したスタックに組み合わせることによって形成される。ブラッグスタックの第１の特性が、式（１）で与えられるように、その帯域幅であり、即ち、反射率がほぼ一定であるスペクトル範囲Δλ０である。
【００９７】
【数１】
2015501432.tif 000003
【００９８】
この式から、帯域幅Δλ０は、中心波長λおよび選択した材料の屈折率ｎ１，ｎ２の両方に依存することが判る。特定の中心波長付近で広いスペクトル範囲をカバーできるためには（例えば、７００ｎｍ付近の６００ｎｍスペクトル範囲）、ｎ１とｎ２の大きな差が必要になる。標準の半導体プロセスで使用される材料のリストから、ＳｉＯ２が最も低い屈折率のうちの１つ（１．４６）および極めて低い吸収係数を有する。両方のパラメータが極めて大きなスペクトル範囲に渡って安定している。７００ｎｍの中心波長付近の６００ｎｍのスペクトル範囲（ＶＮＩＲ範囲）では、これは、ブラッグスタックでの第２材料が理想的には、可能な限り０に近い吸収係数に加えて、６．４に等しい屈折率を有する必要があることを意味する。プロセスフローと適合した、標準のＩＣプロセス材料で利用可能なこうした理想的な材料は存在せず、既存の材料を良好な屈折率およびより低い吸収のために適合させる必要がある。ＳｉＯ２の屈折率は、多孔質(porous)にすることによって低くできる（１の屈折率を有する空気と混合させる）。これは、同じスペクトル範囲および中心波長で、５と等しい良好な製造可能な屈折率の必要性をもたらす。材料工学の他の例が、温度、水素の濃度などのプロセス（堆積）パラメータを変化させることによって、アモルファスシリコンの吸収率を低下させることである。
【００９９】
【数２】
2015501432.tif 000004
【０１００】
式（２）に示すように、こうしたブラッグミラーの反射率Ｒは、誘電体層のペアの数によって容易に制御される。層が多くなるほど、反射率は高くなり、当該ミラーを用いて構築されるファブリペローフィルタのフィネスが高くなる。式（２）において、ｎ０は周囲媒体の屈折率、ｎｓは基板の屈折率、ｎ１は第１材料の屈折率、ｎ２は第２材料の屈折率、Ｎはブラッグスタックでのペアの数である。
【０１０１】
分散型ブラッグスタックの第１の例が、７００ｎｍ付近の中心波長で５４０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲について、ＳｉＯ２と人工アモルファスシリコンの組合せである。第２の例が、１５００ｎｍの中心波長および１０００ｎｍの帯域幅、即ち、１０００ｎｍ〜２０００ｎｍについて、ＳｉＯ２とＳｉＧｅの組合せである。ミラー層のためにブラッグスタックを使用した結果が、光の反射の際における追加の位相シフトである。
【０１０２】
使用の際、２次漏れの出現は、波長λｊ用に設計したファブリペローフィルタが、高次と称されるλｊの倍数である入射波長も通過させることの結果である。
【０１０３】
しかしながら、ファブリペローフィルタおよび下地の画像センサの両方が妥当な効率を有する波長範囲に入るこれらの高次の波長だけを考慮すべきである。
【０１０４】
（製造）
１Ｄまたは２Ｄのファブリペローフィルタを製造するための製造方法が、連続的なパターニングおよびエッチング工程を含み、ｋ個の異なる厚さを製作するために、数多くの処理工程を必要とする。
【０１０５】
（画像センサの平面性）
良好に制御された状態で開始するために、フィルタ構造を構築する前に、画像センサは平坦化することが重要である。これは、堆積工程を用い、続いて、全ての凹凸を除去するためにＣＭＰ（化学機械研磨）工程を実施することによって行われる。こうすることによって、処理の残りは正確なＢＥＯＬ配置にもはや依存しない。この平坦化層の厚さおよび材料は、フィルタ構造の設計の際にある程度考慮できる。しかしながら、この層は、機能するフィルタ構造の一部ではなく、正しい材料変遷（屈折率にとって重要）が正しく考慮されている限り、フィルタ自体に対して大きな効果を有していない。ファブリペローフィルタがこの平坦化層の上に堆積されると、変動がウエハ全体に充分にゆっくりである限り（例えば、鋭いエッジがない）、この層の変動が上に伝搬することはない。ＣＭＰが、ウエハ全体にナノメートルスケールの平坦性および変動を持つ表面を生成できることから、この条件は成就できる。
【０１０６】
（堆積許容誤差および他の変動）
ファブリペローフィルタの構成部品、即ち、ブラッグスタック層での堆積厚さおよび空洞の厚さの変動が、設計したフィルタと製造したフィルタとの間の不整合を生じさせる。空洞の厚さの変動の影響は、全てのフィルタの厚さがおおよそ等しい量だけ変化すると、理論的設計の左右へのスペクトル範囲のシフトを生じさせる点である。選択した波長でのこの広範囲シフトは、設計したフィルタ場所に対して上向きまたは下向きであり、設計パラメータの１つである通過帯域のスペクトル幅の小さな割合である場合は、許容できる。
【０１０７】
ウエハ幅の堆積許容誤差に加えて、エッチング許容誤差、他のダイ内部変動、そして、ダイ間変動が存在し得る。従来、これは、ビニング(binning)により、特定の波長範囲について特定のデバイスを選択することによって軽減される。
【０１０８】
区画化のために用いられるエッチングプロセスが無方向性のプロセスである場合、１つのフィルタと次のものとの間の遷移を形成する鋭いエッジが丸みを帯びるようになる。幾つかの実施形態では、各フィルタの幅は複数列のセンサ素子を覆うことができ、他の場合、１つまたは２つのセンサ素子を覆うことができ、この場合、こうした角の丸み付けが通過帯域に対してより多くの影響を有することがある。
【０１０９】
（アライメント許容誤差）
標準のＩＣプロセス技術を用いた場合、画素当り数ミクロンの寸法を持つ画素の行／列の上でのフィルタ構造のアライメントが充分に最新技術の可能性の範囲内にある。従って、トップレベルでのアライメントは、あまり重大ではない。
【０１１０】
（処理ハードウエア）
例えば、画像処理のための上述した方法ステップの幾つかが、ハードウエアの形態のロジックによって、あるいは、例えば、処理エンジン、例えば、マイクロプロセッサまたはプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、例えば、ＰＬＡ（プログラマブルロジックアレイ）、ＰＡＬ（プログラマブルアレイロジック）、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）を用いたソフトウエアで実装してもよい。
【０１１１】
内蔵したプロセッサを備えた回路の例が、単一チップ上に他の部品とともに合体できる、内蔵プロセッサ周辺のＶＬＳＩチップとして構築してもよい。
【０１１２】
代替として、他の適切なプロセッサが使用でき、これらは内蔵する必要はなく、例えば、米国インテル社によって供給されるペンティアム（登録商標）プロセッサである。ゼロウェイト状態のＳＲＡＭメモリをオンチップで、そして、例えばキャッシュメモリとして設けてもよい。典型的には、Ｉ／Ｏ（入力／出力）インタフェースが、例えば、データネットワークを経由して、外部ストレージにアクセスするために設けられる。ＦＩＦＯバッファが、プロセッサをこれらのインタフェースを経由してデータ転送から切り離すために使用してもよい。インタフェースは、ネットワーク接続、即ち、適切なポートおよびネットワークアドレスを提供でき、例えば、インタフェースはネットワークカードの形態でもよい。
【０１１３】
（ソフトウエア）
ソフトウエアプログラムが、内部ＲＯＭ（リードオンリメモリ）及び／又は何れか他の不揮発性メモリに保存してもよく、例えば、これらは外部メモリに保存してもよい。外部メモリへのアクセスは、必要に応じてアドレスバス、データバスおよびコントロールバスを備えた外部バスインタフェースを含む従来のハードウエアによって提供してもよい。本発明の方法および装置の特徴は、プロセッサ上で走るソフトウエアとして実装してもよい。特に本発明に係る画像処理は、プロセッサの適切なプログラミングによって実装してもよい。上述した方法および手順は、適切なコンピュータ言語、例えばＣ言語でコンピュータプログラムとして記述してもよく、そして内蔵した設計での特定プロセッサ用にコンパイルされる。例えば、ソフトウエアは、Ｃ言語で記述して、既知のコンパイラおよび既知のアセンブラを用いてコンパイルしてもよい。ソフトウエアは、処理エンジン上で実行した場合、本発明の方法および画像プロセッサを提供するコードを有する。ソフトウエアプログラムは、任意の適切な機械読み取り可能な媒体、例えば、磁気ディスク、ディケット、固体メモリ、テープメモリ、ＣＤ−ＲＯＭまたはＤＶＤ−ＲＯＭなどの光ディスク等に保存してもよい。他の変形は、請求項の範囲内で想定できる。
【図１】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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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２】
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【図３】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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