(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024154532
(43)【公開日】2024-10-31
(54)【発明の名称】分光イメージングセンサ
(51)【国際特許分類】
G01J 3/12 20060101AFI20241024BHJP
G01J 3/36 20060101ALI20241024BHJP
G02B 5/20 20060101ALI20241024BHJP
H01L 27/146 20060101ALI20241024BHJP
【ＦＩ】
G01J3/12
G01J3/36
G02B5/20
H01L27/146 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023068381
(22)【出願日】2023-04-19
(71)【出願人】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110002572
【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】クマル ラフル
(72)【発明者】
【氏名】沖野 泰之
【テーマコード（参考）】
2G020
2H148
4M118
【Ｆターム（参考）】
2G020CB04
2G020CC01
2G020CC16
2G020CC26
2G020CC31
2G020CC63
2G020CD04
2G020CD24
2G020CD33
2G020CD36
2G020CD37
2H148AA07
2H148AA18
2H148AA21
4M118AA10
4M118AB01
4M118AB04
4M118BA10
4M118BA14
4M118CA01
4M118CB01
4M118GC20
(57)【要約】
【課題】複雑な広帯域スペクトルを有する入射光を精度よく再構成することができる分光イメージングセンサを提供する。
【解決手段】本発明に係る分光イメージングセンサは、複素誘電率の虚部が互いに異なる第１および第２層によって構成された光フィルタユニットを備え、各層を貫通する第１および第２孔の平面形状プロファイルは互いに異なる。
【選択図】図２Ａ
【解決手段】本発明に係る分光イメージングセンサは、複素誘電率の虚部が互いに異なる第１および第２層によって構成された光フィルタユニットを備え、各層を貫通する第１および第２孔の平面形状プロファイルは互いに異なる。
【選択図】図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
分光法を用いて入射光を検出する分光イメージングセンサであって、
前記入射光をフィルタリングする光フィルタユニット、
前記光フィルタユニットによってフィルタリングされた前記入射光を検出するイメージセンサ、
を備え、
前記光フィルタユニットは、第１層と第２層とを備え、
前記第１層は、第１虚部を有する第１複素誘電率を有し、
前記第２層は、前記第１虚部とは異なる第２虚部を有する第２複素誘電率を有し、
前記光フィルタユニットはさらに、それぞれ前記光フィルタユニットを貫通する第１孔と第２孔とを備え、
前記第１孔は、第１平面形状プロファイルを有し、
前記第２孔は、前記第１平面形状プロファイルとは異なる第２平面形状プロファイルを有する
ことを特徴とする分光イメージングセンサ。
前記入射光をフィルタリングする光フィルタユニット、
前記光フィルタユニットによってフィルタリングされた前記入射光を検出するイメージセンサ、
を備え、
前記光フィルタユニットは、第１層と第２層とを備え、
前記第１層は、第１虚部を有する第１複素誘電率を有し、
前記第２層は、前記第１虚部とは異なる第２虚部を有する第２複素誘電率を有し、
前記光フィルタユニットはさらに、それぞれ前記光フィルタユニットを貫通する第１孔と第２孔とを備え、
前記第１孔は、第１平面形状プロファイルを有し、
前記第２孔は、前記第１平面形状プロファイルとは異なる第２平面形状プロファイルを有する
ことを特徴とする分光イメージングセンサ。
【請求項2】
前記第１層は、前記第１虚部が０．０１未満の誘電材料で形成されており、
前記第２層は、前記第２虚部が０．０１より大きい半導体材料で形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
前記第２層は、前記第２虚部が０．０１より大きい半導体材料で形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
【請求項3】
前記光フィルタユニットはさらに、前記第１層と前記第２層を支持する支持層を備え、
前記第１層は前記第２層上に配置され、
前記第１層または前記第２層のうちいずれか一方は前記支持層と直接接触している
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
前記第１層は前記第２層上に配置され、
前記第１層または前記第２層のうちいずれか一方は前記支持層と直接接触している
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
【請求項4】
前記光フィルタユニットは、前記イメージセンサの第１画素に対応する第１フィルタと、前記イメージセンサの第２画素に対応する第２フィルタとを備え、
前記第１フィルタは、前記入射光を第１スペクトル特性で通過させ、
前記第２フィルタは、前記入射光を第２スペクトル特性で通過させ、
前記第１フィルタと前記第２フィルタは、前記第１虚部、前記第２虚部、前記第１平面形状プロファイル、および前記第２平面形状プロファイルによって、前記第１スペクトル特性と前記第２スペクトル特性との間の相関が０．１未満となるように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
前記第１フィルタは、前記入射光を第１スペクトル特性で通過させ、
前記第２フィルタは、前記入射光を第２スペクトル特性で通過させ、
前記第１フィルタと前記第２フィルタは、前記第１虚部、前記第２虚部、前記第１平面形状プロファイル、および前記第２平面形状プロファイルによって、前記第１スペクトル特性と前記第２スペクトル特性との間の相関が０．１未満となるように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
【請求項5】
前記第１層は第１厚さを有し、
前記第２層は第２厚さを有し、
前記光フィルタユニットは、前記イメージセンサの第１画素に対応する第１フィルタと、前記イメージセンサの第２画素に対応する第２フィルタとを備え、
前記第１フィルタは、前記入射光を第１スペクトル特性で通過させ、
前記第２フィルタは、前記入射光を第２スペクトル特性で通過させ、
前記第１厚さと前記第２厚さは、前記第１スペクトル特性と前記第２スペクトル特性との間の相関が０．１未満となるように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
前記第２層は第２厚さを有し、
前記光フィルタユニットは、前記イメージセンサの第１画素に対応する第１フィルタと、前記イメージセンサの第２画素に対応する第２フィルタとを備え、
前記第１フィルタは、前記入射光を第１スペクトル特性で通過させ、
前記第２フィルタは、前記入射光を第２スペクトル特性で通過させ、
前記第１厚さと前記第２厚さは、前記第１スペクトル特性と前記第２スペクトル特性との間の相関が０．１未満となるように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
【請求項6】
前記第１平面形状プロファイルは、第１開口形状を有し、
前記第２平面形状プロファイルは、前記第１開口形状とは異なる第２開口形状を有する
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
前記第２平面形状プロファイルは、前記第１開口形状とは異なる第２開口形状を有する
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
【請求項7】
前記分光イメージングセンサは、複数の前記第１孔と複数の前記第２孔とを備え、
前記第１平面形状プロファイルは、前記第１孔間の間隔が第１間隔となるように構成されており、
前記第２平面形状プロファイルは、前記第２孔間の間隔が第２間隔となるように構成されており、
前記第２間隔は前記第１間隔とは異なる
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
前記第１平面形状プロファイルは、前記第１孔間の間隔が第１間隔となるように構成されており、
前記第２平面形状プロファイルは、前記第２孔間の間隔が第２間隔となるように構成されており、
前記第２間隔は前記第１間隔とは異なる
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
【請求項8】
前記分光イメージングセンサはさらに、前記イメージセンサからの出力にしたがって前記入射光のスペクトルプロファイルを再構成するように構成されたプロセッサを備える
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
【請求項9】
前記光フィルタユニットはさらに第３層を備え、
前記第３層は、
前記第３層の厚さが、前記第１層の厚さまたは前記第２層の厚さのうち少なくともいずれかとは異なる、
前記第３層の複素誘電率の第３虚部が、前記第１虚部または前記第２虚部のうち少なくともいずれかとは異なる、
前記第３層の材料が、前記第１層の材料または前記第２層の材料のうち少なくともいずれかとは異なる、
のうち少なくともいずれかとなるように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
前記第３層は、
前記第３層の厚さが、前記第１層の厚さまたは前記第２層の厚さのうち少なくともいずれかとは異なる、
前記第３層の複素誘電率の第３虚部が、前記第１虚部または前記第２虚部のうち少なくともいずれかとは異なる、
前記第３層の材料が、前記第１層の材料または前記第２層の材料のうち少なくともいずれかとは異なる、
のうち少なくともいずれかとなるように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
【請求項10】
前記分光イメージングセンサはさらに、
非透明層、
前記光フィルタユニットと前記非透明層との間に配置された薄膜、
を備え、
前記非透明層の一部は、前記薄膜に向かって凹んだ部分を有することにより、前記入射光が前記第１孔と前記第２孔を通過するとともに前記薄膜を透過して前記非透明層の外側に向かうように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
非透明層、
前記光フィルタユニットと前記非透明層との間に配置された薄膜、
を備え、
前記非透明層の一部は、前記薄膜に向かって凹んだ部分を有することにより、前記入射光が前記第１孔と前記第２孔を通過するとともに前記薄膜を透過して前記非透明層の外側に向かうように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
【請求項11】
前記分光イメージングセンサはさらに、
２次元に配列された複数の前記光フィルタユニット、
前記イメージセンサからの出力にしたがって前記入射光を再構成するように構成されたプロセッサ、
を備え、
前記イメージセンサは、各前記光フィルタユニットにそれぞれ対応する画素を備え、
前記プロセッサは、前記イメージセンサからの出力にしたがってハイパースペクトルデータキューブを作成する
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
２次元に配列された複数の前記光フィルタユニット、
前記イメージセンサからの出力にしたがって前記入射光を再構成するように構成されたプロセッサ、
を備え、
前記イメージセンサは、各前記光フィルタユニットにそれぞれ対応する画素を備え、
前記プロセッサは、前記イメージセンサからの出力にしたがってハイパースペクトルデータキューブを作成する
ことを特徴とする請求項１記載の分光イメージングセンサ。
【請求項12】
前記分光イメージングセンサはさらに、
２次元に配列された複数の前記光フィルタユニット、
前記イメージセンサからの出力にしたがって前記入射光を再構成するように構成されたプロセッサ、
を備え、
前記光フィルタユニットの数は、前記プロセッサによって再構成されるスペクトルチャネルの数以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の分光イメージングセンサ。
２次元に配列された複数の前記光フィルタユニット、
前記イメージセンサからの出力にしたがって前記入射光を再構成するように構成されたプロセッサ、
を備え、
前記光フィルタユニットの数は、前記プロセッサによって再構成されるスペクトルチャネルの数以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の分光イメージングセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、分光イメージングセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
従来の回折格子を用いた分光計は、良好なスペクトル分解能を提供するために長い光路を必要とする。このような長い光路は、分光計を小型化するに際して制約となり、例えば携帯型分光計を製造する際の妨げとなる。
【0003】
近年、いくつかのオンチップ光学フィルタユニットを使用するとともに圧縮センシング技術を利用して、入射スペクトル信号を再構成することができる、光学フィルタベースの小型分光計が開発されている。しかしながら、そのような小型分光計は、いくつかの要件を満たす必要がある。例えば以下のような要件が考えられる。各光学フィルタユニットのスペクトル特性間の相関が可能な限り低くあるべきである。フィルタにおける入射スペクトル信号の反射および吸収は、より良好な信号対雑音比を保証するために、より少なくあるべきである。光学フィルタ構造の設計は、既存のウエハレベルの大規模製造プロセスと互換性があるべきである。
【0004】
特許文献１は、この分野に関連する先行技術であり、入射スペクトル信号を再構成するために、単層からなる光学フィルタ構造を使用してコンパクトな分光計を実現する。このデバイスは、スペクトルのピーク値がごく少数であるような狭帯域スペクトル信号を感知することができるが、多数のスペクトルピーク値を有する複雑な広帯域スペクトル信号を感知することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】ＵＳ２０２２／０１７８７４８Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
現在、光学フィルタベースのコンパクト分光計は、広帯域スペクトルおよび他の複雑なスペクトルを再構成する能力が限られている。さらに、構成材料の光学特性の制約のために、スペクトル範囲に依存して、複雑なスペクトルを再構成するときの光学分解能には制限がある。上述のように、小型分光計が備える光学フィルタは、固有かつ多様な光透過特性を有するべきである。しかし、単層（誘電体または半導体材料）ベースの従来の光学フィルタは、多様なスペクトルを生成することが困難であり、したがって従来の小型分光計は信号再構成能力に限界がある。
【0007】
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、複雑な広帯域スペクトルを有する入射光を精度よく再構成することができる分光イメージングセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明に係る分光イメージングセンサは、複素誘電率の虚部が互いに異なる第１および第２層によって構成された光フィルタユニットを備え、各層を貫通する第１および第２孔の平面形状プロファイルは互いに異なる。
【発明の効果】
【0009】
本発明に係る分光イメージングセンサによれば、複雑な広帯域スペクトルを有する入射光を精度よく再構成することができる。本発明のその他の課題、構成、利点などについては、以下の実施形態の説明によって明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1A】実施形態１に係る分光イメージングセンサが備える光学フィルタユニット１の構造を示す側面図である。
【図1B】実施形態１に係る分光イメージングセンサが備える光学フィルタユニット１の構造を示す側面図である。
【図2A】光学フィルタユニット１を画像センサユニット２に対して取り付ける方法を示す。
【図2B】光学フィルタユニット１を画像センサユニット２に対して取り付ける方法を示す。
【図3】光学フィルタユニット１が提供するスペクトル特性を説明する図である。
【図4】バックグラウンド信号がゼロではないマルチバンド信号を再構成した例を示す。
【図5】広帯域信号のスペクトルを再構成した例を示す。
【図6】光学フィルタユニット１の光学材料層の別構成例を示す。
【図7】実施形態２に係る光学フィルタユニット１が備えるナノホール１３のパターンアレイの例を示す平面図である。
【図8】光学フィルタユニット１と画像センサユニット２のピクセルとの間の関係を示す模式図である。
【図9A】実施形態３に係る光学フィルタユニット１の構成例を示す側面図である。
【図9B】実施形態３に係る光学フィルタユニット１の構成例を示す側面図である。
【図9C】実施形態３に係る光学フィルタユニット１の構成例を示す側面図である。
【図10】実施形態４に係る光学フィルタユニット１のアプリケーション例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
＜本発明の一般的原理について＞
本発明者は、誘電体の複素誘電率の虚数部（ε’’）の値に基づいて選択された、複数の光学材料からなるハイブリッド多層構造を有する光学フィルタ、およびこれを用いるコンパクトな分光計設計を提案する。光学フィルタの材料層の層厚は、ランダムで多様なスペクトル透過特性を形成するように最適化されており、圧縮センシング技術を使用する未知のスペクトル信号再構成において適している。この多層光学フィルタ設計を使用して、複雑で広帯域の入射スペクトル信号を再構成することが可能である。
本発明者は、誘電体の複素誘電率の虚数部（ε’’）の値に基づいて選択された、複数の光学材料からなるハイブリッド多層構造を有する光学フィルタ、およびこれを用いるコンパクトな分光計設計を提案する。光学フィルタの材料層の層厚は、ランダムで多様なスペクトル透過特性を形成するように最適化されており、圧縮センシング技術を使用する未知のスペクトル信号再構成において適している。この多層光学フィルタ設計を使用して、複雑で広帯域の入射スペクトル信号を再構成することが可能である。
【0012】
本発明の光学フィルタは、複素誘電率の虚数部（ε’’）の値が異なる複数の材料層からなる。光学フィルタ構造体内の層の順序は、製造工程の容易さに基づいて決定することができる。光学フィルタは以下の実施形態で論じられるように、複数の異なる方法で、画像センサの上に取り付け、または配置することができる。光学フィルタの目的に応じて、材料層の組み合わせを変更することができる。
【0013】
圧縮センシングは、計測対象データがスパースであると仮定して、本来必要であるよりも少ない計測データから計測対象を復元する技術である。従来、圧縮センシング技術を使用して広帯域信号を正確に再構成することは、スペクトルピークの数が大きいので一般に困難である。未知数パラメータの数に応じて方程式の数が増加するので、広帯域信号をより正確に再構成するためには、より多くの数の光学フィルタユニットが必要である。本発明の光学フィルタ構造は、少ない数の光学フィルタであっても、フィルタが固有の多様なスペクトル特性を有することにより、スペクトル信号を再構成するために必要な情報を捕捉することができるので、広帯域信号を良好に再構成することができる。
【0014】
本発明における光学フィルタユニットは、圧縮センシング技術を実行するのに適した方法で入射光を調整する。本発明における光学フィルタは、圧縮センシング技術を用いた元の入射信号の効果的な再構成において役立つ信号を生成することができる。光学フィルタユニットおよび小型分光計について、以下の実施形態を通してより詳細に説明する。
【0015】
＜実施の形態１＞
図１Ａ～図１Ｂは、本発明の実施形態１に係る分光イメージングセンサが備える光学フィルタユニット１の構造を示す側面図である。光学材料層は、複数の薄膜層からなり、支持層１４上に配置されている。光学材料層のうち１つの層は、０．０１未満の複素誘電率の虚部を有し、他の層は０．０１を超える複素誘電率の虚部を有する。例えば前者は誘電体層１１（第１層）であり、後者は半導体材料層１２（第２層）である。特定の波長に対する任意の光学材料の複素誘電率εは、下記式で表すことができる。ε’は実数部であり、ε’’は虚数部である：ε＝ε’－ｉε’’。一般に、誘電体はε’’＜０．０１であり、半導体材料はε’’＞０．０１であるが、本発明はこれらの条件に厳密に限定されるものではない。
図１Ａ～図１Ｂは、本発明の実施形態１に係る分光イメージングセンサが備える光学フィルタユニット１の構造を示す側面図である。光学材料層は、複数の薄膜層からなり、支持層１４上に配置されている。光学材料層のうち１つの層は、０．０１未満の複素誘電率の虚部を有し、他の層は０．０１を超える複素誘電率の虚部を有する。例えば前者は誘電体層１１（第１層）であり、後者は半導体材料層１２（第２層）である。特定の波長に対する任意の光学材料の複素誘電率εは、下記式で表すことができる。ε’は実数部であり、ε’’は虚数部である：ε＝ε’－ｉε’’。一般に、誘電体はε’’＜０．０１であり、半導体材料はε’’＞０．０１であるが、本発明はこれらの条件に厳密に限定されるものではない。
【0016】
各層は、２次元パターンで配置された、異なるサイズおよび形状のナノホール１３の周期的アレイを有し、ナノホール１３は光学フィルタ構造を貫通する。入射スペクトル信号は、これらナノホール１３と相互作用しながら変調される。変調された信号は、各フィルタユニットの下に位置し、各フィルタユニットに対応する画像センサピクセルによって、捕捉される。
【0017】
光学フィルタユニット１の光学材料層の順序は、用途および製造方法に応じて、図１Ａまたは図１Ｂいずれの順序であってもよい。図１Ａは支持層１４に対して半導体材料層１２が直接接している例であり、図１Ｂは支持層１４に対して誘電体層１１が直接接している例である。
【0018】
図２Ａ～図２Ｂは、光学フィルタユニット１を画像センサユニット２に対して取り付ける方法を示す。用途および光学干渉現象に応じて、図２Ａ～図２Ｂに示すように、光学フィルタユニット１を２つの方法で取り付けることができる。光学干渉の効果は、取付方法によって異なり、これにより機能性に対して影響を及ぼす可能性がある。支持層１４は例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）または石英の薄層などの光透過性媒体層である。支持層１４の厚さは、用途および使用される製造方法に応じて、例えば１ミクロンから４００ミクロンである。
【0019】
光学フィルタ中の薄層は、化学蒸着、スパッタリングなどの技術を使用して堆積させることができる。ナノホール１３のパターンアレイはリソグラフィおよびドライエッチングなどの標準的な技術を使用して作製することができるが、これらに限定されない。
【0020】
例えば、入射光が３００ｎｍ～１０００ｎｍの波長範囲の場合、光学フィルタ層構造を形成する適切な材料としては、シリコン（Ｓｉ）と窒化ケイ素（ＳｉＮ）との組み合わせが考えられる。ＳｉＮは誘電体層１１として用いることができる。Ｓｉは半導体材料層１２として用いることができる。石英ウエハまたはシリコンウェハは支持層１４として作用することができるが、これらに限定されない。層厚はそれぞれ、（ＳｉＮ）＝１８０ｎｍおよび（Ｓｉ）＝２０ｎｍとすることができるが、これらの寸法のみに限定されない。一般に、Ｓｉ層は１０ｎｍから１００ｎｍまでとすることができ、ＳｉＮ層は１００ｎｍから４００ｎｍまでとすることができる。特定のカスタマイズされた用途を達成するために、金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）などのような金属層を添加することによって表面プラズモン共鳴の効果を発揮させることも可能であるが、添加金属はこれらに限定されない。本発明者らは一般的な説明のために実施形態において光学フィルタの２重層構造を示したが、異なる材料の３つ以上の層を配置することにより、それら材料層の累積効果が非常に多様で独特なスペクトル特性となるようにすることができる。
【0021】
図３は、光学フィルタユニット１が提供するスペクトル特性を説明する図である。図３におけるグラフ内の線は、１つのナノホールグループ（具体例は後述）のスペクトル透過特性を表す。図３に示すように、光学フィルタユニット１の光学材料層においてＳｉおよびＳｉＮからなる多層（２重層）を使用すると、これらの材料の単層のみを使用して生成される透過スペクトル特性と比較して、より多様な透過スペクトル特性を生成することができる。本実施形態における光学フィルタユニット１は例えば、全ての透過スペクトルを考慮した平均相関（ｃａｖｇ）を＜０．１の非常に低い値に低減することができる。このような低い相関は、マイクロ分光計の効果的な動作において必要とされるスペクトル特性の一意性を示す。すなわち、各ナノホールグループのスペクトル透過特性間の相関は０．１未満となるようにすることができる。このような材料層の組み合わせは、スペクトルの均一な分布と、多様なスペクトル特性とを実現することができる。これらは、信号の圧縮センシング再構成のための重要な要因である。
【0022】
入射スペクトルを再構成する性能の評価のために、再構成誤差を評価した。再構成誤差ＲＥは、ＲＥ＝１００（％）×｜Ｉ－Ｉ’｜／Ｉと定義される。Ｉは入射スペクトル信号であり、Ｉ’は再構成したスペクトル信号である。図３に示すように、共通の基準スペクトル信号について、本実施形態における多層構造は、他の単層ベースの構造と比較して、最小のＲＥ値を示す。これは、多材料および多層設計による多様なスペクトル特性に起因する。
【0023】
図４は、バックグラウンド信号がゼロではないマルチバンド信号を本実施形態によって再構成した例を示す。図４に示すように、バックグラウンド信号がゼロではないマルチバンド信号は、本発明者らの提案した分光計を用いて精度よく再構成することができる。
【0024】
図５は、広帯域信号のスペクトルを本実施形態によって再構成した例を示す。図５の信号は、スペクトルピークが複数存在する複雑なスペクトル特性を有する。従来、このような信号は分光計を使用して再構成することが困難である。本実施形態によれば、図５のような複雑なスペクトル特性を有する入射信号であっても、そのスペクトル特性を精度よく再構成することができる。
【0025】
光学フィルタユニット１の光学材料層は、再構成する入射光のスペクトル範囲によって最適化することができる。例えば近赤外（ＮＩＲ）のスペクトル範囲を再構成する場合においては、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、ＳｉＣなどを半導体材料層１２として用い、ＳｉＮを誘電体層１１として用いることができる。光学材料層の構成はこれらに限定されない。
【0026】
図６は、光学フィルタユニット１の光学材料層の別構成例を示す。図６における光学材料層は、様々な厚さのいくつかの光学材料の複数の層からなる。この例においては誘電体層１１と半導体材料層１２に加えて層６１（第３層）を追加した例を示したがこれに限らない。異なるスペクトル領域において感度が高いいくつかの材料を組み合わせることにより、より広いスペクトル範囲に対して多様なスペクトル特性を再構成することができる。
【0027】
層６１の材料、層６１の厚さ、層６１の複素誘電率の虚部、のうち少なくともいずれかは、他層の材料、厚さ、複素誘電率の虚部、とは異なるように構成することが望ましい。ただし必ずしも誘電体層１１と半導体材料層１２いずれとも異なるように構成する必要はなく、少なくとも誘電体層１１と半導体材料層１２のうちいずれかと異なるように構成すればよい。換言すると、各ナノホールグループのスペクトル透過特性間の相関が十分低ければよい。
【0028】
＜実施の形態１：まとめ＞
実施形態１に係る光学フィルタユニット１は、誘電体層１１と半導体材料層１２を備え、これらの層の複素誘電率の虚部は互いに異なる。さらに、複数のナノホール１３の平面形状プロファイル（開口形状、隣接するナノホール１３間の間隔、その他の２次元形状）は、互いに異なるように構成されている。これにより、ナノホールグループのスペクトル透過特性間の相関を最小化することができるので、広帯域入射光の再構成誤差を最小化することができる。
実施形態１に係る光学フィルタユニット１は、誘電体層１１と半導体材料層１２を備え、これらの層の複素誘電率の虚部は互いに異なる。さらに、複数のナノホール１３の平面形状プロファイル（開口形状、隣接するナノホール１３間の間隔、その他の２次元形状）は、互いに異なるように構成されている。これにより、ナノホールグループのスペクトル透過特性間の相関を最小化することができるので、広帯域入射光の再構成誤差を最小化することができる。
【0029】
＜実施の形態２＞
図７は、本発明の実施形態２に係る光学フィルタユニット１が備えるナノホール１３のパターンアレイの例を示す平面図である。ナノホール１３は、光学フィルタユニット１の光入射面において、互いに異なるパターン形状のアレイを構成することができる。図７においては、アレイ１３１～１３４の４種類のパターン形状アレイを例示した。ナノホールアレイ以外に関する事項は実施形態１と同様である。アレイ１３１～１３４はそれぞれナノホールグループを構成する。各ナノホールグループは１つの光学フィルタとして動作することができる。
図７は、本発明の実施形態２に係る光学フィルタユニット１が備えるナノホール１３のパターンアレイの例を示す平面図である。ナノホール１３は、光学フィルタユニット１の光入射面において、互いに異なるパターン形状のアレイを構成することができる。図７においては、アレイ１３１～１３４の４種類のパターン形状アレイを例示した。ナノホールアレイ以外に関する事項は実施形態１と同様である。アレイ１３１～１３４はそれぞれナノホールグループを構成する。各ナノホールグループは１つの光学フィルタとして動作することができる。
【0030】
ナノホール１３のアレイはいくつかの開口形状が可能であり、例えば円形、正方形、十字形などの開口形状を有することができるが、これらに限定されない。逆設計のための深層学習技法を使用することによる対称自由形状の生成も可能である。ナノホール１３のレイアウトは、それらとの光相互作用が入射スペクトル信号の偏光に対して鈍感であるように、例えば４回対称であるように設計することができ、このようにして、任意のタイプの信号に対する最大の応答が保証される。
【0031】
３００ｎｍ～１０００ｎｍのスペクトル範囲における用途のために、ナノホール１３の開口サイズは例えば１００ｎｍ～７５０ｎｍとすることができ、周期性（隣接するナノホール１３間の間隔）は例えば３００ｎｍ～１０００ｎｍとすることができる。これらのパラメータは、関連するスペクトル領域および選択される光学材料のタイプに応じて変化し得る。光学フィルタユニット１の数は用途に応じて例えば３６から４００まで変化し得るが、厳密にはこの値の範囲に限定されない。
【0032】
図８は、光学フィルタユニット１と画像センサユニット２のピクセルとの間の関係を示す模式図である。光学フィルタユニット１は、画像センサユニット２の各ピクセル値（ｐ１，ｐ２，・・・）がそれぞれ異なるスペクトル特性を受け取るように構成される。すなわち、各ピクセル値（ｐ１，ｐ２，・・・）に対応する光学フィルタユニット１上のピクセル（ｔ１，ｔ２，・・・）は、透過特性の平均相関が最小となるように構成される。光学フィルタユニット１上のピクセルは、ナノホールグループによって構成することができる。例えば１つのナノホールグループは、画像センサユニット２の１つのピクセルに対応して配置されている。
【0033】
光学フィルタユニット１に対応する各画素値を考慮し、図８に示すように、実際の信号を再構成するためにスペクトル再構成アルゴリズムを使用する。スペクトル信号タイプに応じて、再構成アルゴリズムは、Ｌノルム、辞書学習、畳み込みネットワークを使用するディープラーニング、などに基づくことができる。所望のスペクトル分解能および再構成誤差許容度に基づいて、フィルタチップ上の光学フィルタユニット１の数をカスタマイズすることができる。
【0034】
プロセッサ３は、画像センサユニット２の各ピクセルが検出した信号を用いて、入射信号のスペクトル特性を再構成する。プロセッサ３は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアをＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算装置が実行することによって構成することもできる。
【0035】
光学フィルタユニット１を含むフィルタチップ、画像センサユニット２、プロセッサ３は、入射光信号のスペクトル特性を再構成する分光イメージングセンサとして動作することができる。
【0036】
図８のような光学フィルタユニット１は、ＣＭＯＳ、ＣＣＤ、ＩｎＧａＡｓセンサなどの適切な画像センサを選択することができる領域に応じて、電磁スペクトルの異なる領域、すなわち、紫外線、可視、近赤外線、短波赤外線などで動作するように設計することができる。
【0037】
＜実施の形態３＞
図９Ａ～図９Ｃは、本発明の実施形態３に係る光学フィルタユニット１の構成例を示す側面図である。本実施形態における光学フィルタユニット１は、自立薄膜型ユニットとして構成されている。例えばＳｉウエハ９１（非透明層）上に薄い酸化物層９２（薄膜）を配置し、さらにその上に実施形態１で説明した光学材料層を積層することにより、本実施形態における光学フィルタユニット１を形成することができる。その他の構成は実施形態１～２と同様である。Ｓｉウエハ９１に代えてその他の光を透過しない（または光透過率が小さい）材料層を用いることもできる。
図９Ａ～図９Ｃは、本発明の実施形態３に係る光学フィルタユニット１の構成例を示す側面図である。本実施形態における光学フィルタユニット１は、自立薄膜型ユニットとして構成されている。例えばＳｉウエハ９１（非透明層）上に薄い酸化物層９２（薄膜）を配置し、さらにその上に実施形態１で説明した光学材料層を積層することにより、本実施形態における光学フィルタユニット１を形成することができる。その他の構成は実施形態１～２と同様である。Ｓｉウエハ９１に代えてその他の光を透過しない（または光透過率が小さい）材料層を用いることもできる。
【0038】
Ｓｉウエハ９１は、入射光が、ナノホール１３と酸化物層９２を通過し、画像センサの画素によって感知されることができるように、裏面からエッチングされる。したがってＳｉウエハ９１は、ナノホール１３の下方において、凹部を有する。凹部は酸化物層９２まで達している。酸化物層９２は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等などのような光透過性材料によって構成することができる。
【0039】
図９Ａに示す構造を製造するために、リフトオフフリーウエハスケール製造方法を使用することができる。ナノホール１３のアレイパターンは、ＵＶリソグラフィを使用することによって形成できる。ドライエッチングによって、光学材料層を貫通するナノホール１３が実現される。Ｓｉウエハ９１裏面の窓パターン（凹部）をリソグラフィにより作製し、ＫＯＨ溶液を用いたウェットエッチングにより、本実施形態に係る自立薄膜型光学フィルタユニット１を作製することができる。
【0040】
光学フィルタユニット１は、２つの異なる方法で画像センサユニット２に対して取り付けることができる。図９Ｂの例においては、裏面をエッチング除去されたＳｉウエハ９１が画像センサユニット２と直接接触する。図９Ｃの例においては、ナノホール１３のパターンを有する層が、画像センサユニット２と直接接触する。
【0041】
＜実施の形態４＞
図１０は、本発明の実施形態４に係る光学フィルタユニット１のアプリケーション例を示す模式図である。実施形態１～３で説明した光学フィルタユニット１は、図１０に示すように、スナップショットタイプのハイパースペクトルイメージャを実現するために用いることができる。ハイパースペクトルイメージャ（ＨＳＩ）は基本的にイメージング分光技術を用いるものであり、光学フィルタユニット１のグループであるマイクロピクセルがマイクロ分光計として機能する。このマイクロピクセルを使用して、広い波長範囲にわたる連続スペクトルデータが画像として捕捉され、ハイパースペクトルデータキューブとして処理される。
図１０は、本発明の実施形態４に係る光学フィルタユニット１のアプリケーション例を示す模式図である。実施形態１～３で説明した光学フィルタユニット１は、図１０に示すように、スナップショットタイプのハイパースペクトルイメージャを実現するために用いることができる。ハイパースペクトルイメージャ（ＨＳＩ）は基本的にイメージング分光技術を用いるものであり、光学フィルタユニット１のグループであるマイクロピクセルがマイクロ分光計として機能する。このマイクロピクセルを使用して、広い波長範囲にわたる連続スペクトルデータが画像として捕捉され、ハイパースペクトルデータキューブとして処理される。
【0042】
スナップショットタイプのＨＳＩは、妥当な空間分解能およびスペクトル分解能を提供することができるので、大きな可能性を有する。また、装置の小型化、軽量化により、ドローンを用いた空中測量、監視、森林管理などの用途へ向けてＨＳＩの産業化を早めることができる。スナップショットタイプＨＳＩの場合、空間分解能とスペクトルチャネルの総数との間にトレードオフがあり、それらはマイクロピクセル内の光学フィルタユニット１の総数に依存する。マイクロピクセル内の光学フィルタユニット１の数は、スペクトル信号再構成品質を同じレベルに保ちながら低減することができる。すなわち、マイクロピクセル内の光学フィルタユニット１の個数は、再構成するスペクトルチャネル数以下にすることができる。これにより、マイクロピクセルの数を増加させることができるので、空間分解能を向上させることができる。
【0043】
ＨＳＩレイアウトおよび分光計レイアウトからなるチップレイアウトを設計することが可能であり、その結果、分光計デバイスは、フルスペクトル範囲分光計およびＨＳＩ機能の２つの機能を有することができる。分光計デバイスの小型化により、将来的には、ＨＳＩとハンドヘルドスマートフォンカメラとを統合することが可能であると考えられる。
【0044】
＜本発明の変形例について＞
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることが可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることが可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【0045】
以上の実施形態において、ナノホール１３は光学材料層（誘電体層１１と半導体材料層１２）を貫通することを説明したが、入射光が光学材料層を透過することができるのであれば必ずしも貫通する必要はない。あるいはナノホール１３のうち一部のみが貫通するようにしてもよい。
【0046】
以上の実施形態において、１つのナノホールグループは画像センサユニット２の１つのピクセルに対応して配置されていることを説明したが、必ずしもこれに限らない。例えば画像センサユニット２の１つのピクセルに対応して、２つ以上のナノホールグループを対応させて配置することができる。あるいは１つのナノホールグループに対して画像センサユニット２の複数のピクセルを対応させることができる。
【符号の説明】
【0047】
１：光学フィルタユニット
１１：誘電体層
１２：半導体材料層
２：画像センサユニット
３：プロセッサ
１１：誘電体層
１２：半導体材料層
２：画像センサユニット
３：プロセッサ
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10】