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技術 一定ではない入射の放射を扱うのに適した光学フィルタ及びそのフィルタを含む検出器

出願人 コミッサリアアレネルジーアトミークエオゼネルジザルタナテイヴ
発明者 サリム・ブタミヨハン・デジエールローラン・フレイジル・グラン
出願日 2011年4月27日 (9年2ヶ月経過) 出願番号 2011-099277
公開日 2011年12月8日 (8年6ヶ月経過) 公開番号 2011-248350
状態 未査定
技術分野 光学フィルタ
主要キーワード 端部層 フィルタリング表 ナノ細孔性 可視フィールド 樹脂フィルタ 小型フィルタ 移行ゾーン 電磁放射検出器
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図面 (7)

課題

一定ではない入射角電磁放射フィルタリングするための光学フィルタを提供する。

解決手段

光学フィルタ(60)は、二つの部分反射性の層(68、70、72)の間に配置された少なくとも一層の誘電体又は半導体の層(64、66)の積層体を備える。その積層体が所定の波長に対して設定されたファブリペロー共振器の組を形成している。誘電体又は半導体の層(64、66)の平均屈折率は、その共振器透過スペクトルに対する電磁放射の入射角の変化の効果を補償するように、積層体の積層方向(E)に直交する平面内において一定ではない。

概要

背景

可視イメージングシステムは通常、広範な可視放射感知する、特に赤色波長青色波長及び緑色波長を同時に感知するフォトサイト(photosite)(例えばCCDやCMOS)のアレイを備える。自明なように、各フォトサイトは、ベイヤー(Bayer)アレイで分布した赤色フィルタ緑色フィルタ及び青色フィルタを重ねることによって、それらの波長のうち一つの検出専用とされる。

最も良く知られたフィルタアレイは、フォトサイトアレイ上に配置された着色樹脂で構成されたものである。しかしながら、この種の着色樹脂ベースのフィルタアレイは、光の入射角に対して敏感であり、広い入射角は、樹脂中のより実質的な伝播距離をもたらす。

更に、着色樹脂について、非常に小さな画素サイズ、つまり1マイクロメートル以下のサイズにアクセルすることは困難であるが、これは一つには、画素間のクロストークを生じさせる着色樹脂の限られた色素密度によって樹脂の厚さを減少させることが難しくなるからであり、もう一つには、わずかなサイズなものではない隣接する画素間の移行ゾーンのせいである。その移行ゾーンがわずかなサイズのものにならないのは、異なる色に関連する樹脂が完全に正確には連続的に堆積されない(堆積されたままには側面の傾斜が保たれない)からである。

更に、自明なように、可視イメージングシステムには通常、フォトサイトアレイの前方に配置された赤外線フィルタが設けられている。実際、CCD技術のフォトサイト、更にはCMOS技術に基づいたフォトサイトは、赤外において高感度を有し、その測定が行われないのであれば可視光検出の質にとっては有害である。

実際のところ、赤外線フィルタは、放射の入射角に対して敏感である。特に、入射角が大きくなると(垂直入射から離れていくと)、そのフィルタカットオフシフトして、青色に向けてシフトする。従って、広範な入射角に対しては、可視スペクトルの有用な部分が、特に赤色においてカットオフされる。従って、入射角に対して極めて敏感である赤外線樹脂フィルタは、問題である。

ファブリペロー共振器に基づいたフィルタアレイは、有色及び赤外線フィルタリングを同時に提供するにように設計されている。こうしたアレイは従来、一層以上の誘電体層によって分離された複数の金属層を含み、その屈折率及び厚さは、ファブリ・ペロー共振器の波長を設定するように選択される。誘電体層は従来、単一の物質製であり、その屈折率はアレイ全体にわたって一定である。従って、異なる複数の波長に設定されているが互いに並置された(例えばベイヤーアレイで)複数のファブリ・ペロー共振器を得るためには、一定ではない厚さの一つ以上の誘電体層がアレイに設けられ、その厚さは、共振器の波長を設定するのに用いられる。この種のファブリ・ペロー共振器のアレイについての更なる詳細については、例えば特許文献1を参照されたい。金属‐誘電体フィルタに対しては、金属によって赤外線がカットされるので、製外線フィルタはもはや必要ではない。

この解決策では、略1/2に低減されるフィルタの厚さの問題に向けられたものであるが、入射角に対するスペクトル応答依存性は顕著に改善されず、フィルタが平坦ではないことによる画素間の移行ゾーンの問題も顕著に改善されない。

更に、一定ではない厚さのファブリ・ペロー共振器のアレイの製造は、非常に多くのマスキング及びエッチングステップを必要とし、製造時間が大幅に長くなり、赤外線フィルタの省略によって得られるアレイの最終的なコスト利得を減じるので、工業プロセスの点において極めて制限的なものである。更に、アレイの表面がその後マイクロレンズを形成するのに使用されるので、アレイの平坦化が一般的には必要とされる。従って、追加的な厚さがファブリ・ペロー共振器の積層体に加えられて、樹脂フィルタの場合のレベル未満であるとしても、フォトサイトに到達するために通過する物質の厚さに直接関係するクロストーク効果を増大させるという結果になる。

特許文献2では、その図13Aから図13Eに示される実施形態において、一定の厚さのファブリ・ペロー共振器のアレイが提案されている。一層以上の誘電体層の厚さを共振器の波長を設定するために用いるのではなくて、特許文献2では、屈折率を用いることを提案している。

本願の図1は、特許文献2の図13Dを再利用したものであり、ファブリ・ペロー共振器のアレイ10の断面図であり、青色透過フィルタ12、赤色透過フィルタ14及び緑色透過フィルタ16を形成している三つの並置されたファブリ・ペロー共振器が示されている。

アレイ10は、
絶縁基板20と、
基板20上に堆積され半反射表面を形成しているSiO2及びTiO2の誘電体層の第一の交互体22と、
・ 一定ではない屈折率の誘電体層24と、
・ 誘電体層24上に堆積され半反射表面を形成しているSiO2及びTiO2の誘電体層の第二の交互体26と、を備える。

誘電体層24は、異なる平均屈折率の三つの別個ゾーンで形成され、具体的には、TiO2で構成された第一のゾーン28と、SiO2で構成された第二のゾーン30と、第一のゾーン28及び第二のゾーン30の間に形成され、SiO2の層中に埋め込まれたTiO2の帯状体周期ネットワークで構成された第三のゾーン32とである。TiO2は、第三のゾーン32の体積の1/5を占めるので、SiO2がその体積の1/5を占めて、ゾーン32の平均屈折率は、



と等しくなる。

従って、この構造は、並置された三つのファブリ・ペロー共振器を形成して、青色波長、赤色波長、緑色波長にそれぞれ設定されている。

しかしながら、ファブリ・ペロー共振器において共振が得られる波長、つまりは所望の効果(具体的には、その波長周辺での狭い透過バンド幅)は、屈折率及び誘電体層の厚さだけに依存するのではなく、共振器に対する電磁放射の入射角にも依存する。

実際には、ファブリ・ペロー共振器のアレイの表面全体に対して一定の入射の放射の場合というのは、極めて稀である。

特に、イメージングの分野では、共振器のアレイが重ねられているフォトサイトアレイは、センサ上で観測されるシーンの画像を形成するために、常に焦点面内に配置される。この種の検出器が図2に示されている。図2は、光軸OXの光学系42及び平面状のセンサ44を備えた検出器40(例えばカメラ等)をダイヤグラムで示す。センサ44は、光学系42の焦点面内に配置されたフォトサイトアレイを有する検出器回路46と、特許文献2のものと同様のものであって検出器回路46の上に重ねられたファブリ・ペロー共振器のアレイ48を有する。

自明なように、光学系は、そのシーンの実質的な球面画像を形成する。図2では、球面波面50は、アレイ48に入射する放射の入射角の変化の問題を例示するために、特大サイズで示されている。従って、この放射は、光軸OX上におけるアレイ48に対する垂直入射と、その他の箇所での垂直ではない入射とを有する。そこで、例えば、従来技術のセンサ44のサイズに関して、アレイ48の縁における入射角θLが20°に等しく、入射角がアレイ48の平面におけるノルムに対して相対的に識別されるということは珍しくはない。

図3は、ファブリ・ペロー共振器の透過バンド幅のスペクトル位置に対する入射角の影響を示す。透過応答“C”は例えば光軸OX上に配置された共振器52のものであり、透過応答“B”は例えばアレイ48の縁に配置された共振器54のものである。二つの共振器52及び54は同一のものであり、緑色の波長に設定されている。光軸OX上の共振器52は、垂直入射の放射を受光する一方、アレイ48の縁の共振器は、20°に等しい入射角の放射を受光する。

見て取れるように、二つの透過応答間には実質的なシフトが存在し、応答“B”が青色により近い一方で、応答“C”は緑色の波長に対応する。従って、アレイ48の共振器の位置に応じて、選択された波長内における大きな変化が存在している。従って、検出回路46によって検出される画像は、観測されたシーンの実際の色彩忠実なものではない。

概要

一定ではない入射角の電磁放射をフィルタリングするための光学フィルタを提供する。光学フィルタ(60)は、二つの部分反射性の層(68、70、72)の間に配置された少なくとも一層の誘電体又は半導体の層(64、66)の積層体を備える。その積層体が所定の波長に対して設定されたファブリ・ペロー共振器の組を形成している。誘電体又は半導体の層(64、66)の平均屈折率は、その共振器の透過スペクトルに対する電磁放射の入射角の変化の効果を補償するように、積層体の積層方向(E)に直交する平面内において一定ではない。

目的

ファブリ・ペロー共振器に基づいたフィルタアレイは、有色及び赤外線フィルタリングを同時に提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

一定ではない入射角電磁放射フィルタリングするための光学フィルタ(60)であって、二つの部分反射性の層(68、70、72)の間に配置された少なくとも一層の誘電体又は半導体の層(64、66)の積層体を含み、前記積層体が、所定の波長に設定された複数のファブリペロー共振器からなる組を形成していて、前記誘電体又は半導体の層(64、66)の平均屈折率が、前記ファブリ・ペロー共振器の透過スペクトルに対する電磁放射の入射角の変化の効果を補償するように、前記積層体の積層方向(E)に対して直交する平面内において一定ではない、光学フィルタ。

請求項2

入射角θ放射受光するファブリ・ペロー共振器の平均屈折率が、関係式n=n画素・中心/cosθを実質的に満たし、nがファブリ・ペロー共振器の平均屈折率であり、n画素・中心が垂直入射下において放射を受光するファブリ・ペロー共振器の平均屈折率である、請求項1に記載の光学フィルタ。

請求項3

前記ファブリ・ペロー共振器が少なくとも二種の物質を備え、各ファブリ・ペロー共振器内における前記二種の物質の屈折率及び割合が、所定の設定波長に該ファブリ・ペロー共振器を設定するために該ファブリ・ペロー共振器に対する放射の入射角の関数として選択されている、請求項1又は2に記載の光学フィルタ。

請求項4

各ファブリ・ペロー共振器が二種の物質で構成されていて、一方の物質が、他方の物質中に形成された周期パターン(82、84、86)の形状とされていて、前記周期パターンのフィルファクタが該ファブリ・ペロー共振器の平均屈折率を設定している、請求項3に記載の光学フィルタ。

請求項5

前記周期パターン(82、84、86)が、前記誘電体又は半導体の層の厚さ以下の厚さを有し、前記ファブリ・ペロー共振器の前記周期パターンの厚さが、該ファブリ・ペロー共振器に対する放射の入射角の関数として選択されている、請求項4に記載の光学フィルタ。

請求項6

各ファブリ・ペロー共振器が二種の物質で構成されていて、一方の物質が、他方の物質中に形成された周期パターン(82、84、86)の形状とされていて、該ファブリ・ペロー共振器が実質的に一様な屈折率を有するように、前記周期パターンの周期が、該ファブリ・ペロー共振器が設定されている波長よりも小さくなるように、選択されている、請求項3から5のいずれか一項に記載の光学フィルタ。

請求項7

前記周期パターンの周期が、d=(λres×cosθ)/2以下であり、λresが、ファブリ・ペロー共振器が設定されている波長であり、θがファブリ・ペロー共振器に対する放射の入射角である、請求項6に記載の光学フィルタ。

請求項8

部分反射性の中心層(68)によって分離されていて且つ二つの部分反射性の端部層(70、72)の間に配置された二つの別個の誘電体又は半導体の層(64、66)の積層体を備えた請求項1から7のいずれか一項に記載の光学フィルタ。

請求項9

前記中心層(68)の厚さが前記端部層(70、72)の各々の厚さよりも大きい、請求項8に記載の光学フィルタ。

請求項10

部分反射性の層(68、70、72)が金属である、請求項1から9のいずれか一項に記載の光学フィルタ。

請求項11

赤色波長緑色波長青色波長にそれぞれ設定されていてベイヤーアレイで配置された三組のファブリ・ペロー共振器を備えた請求項1から10のいずれか一項に記載の光学フィルタ。

請求項12

複数の前記ファブリ・ペロー共振器が同一の厚さのものである、請求項1から11のいずれか一項に記載の光学フィルタ。

請求項13

複数の前記ファブリ・ペロー共振器が異なる厚さのものであり、前記ファブリ・ペロー共振器の屈折率及び厚さが、該ファブリ・ペロー共振器の透過スペクトルに対する電磁放射の入射角の変化の効果を補償するように、選択されている、請求項1から12のいずれか一項に記載の光学フィルタ。

請求項14

二つの部分反射性の層(68、70、72)の間に配置された少なくとも一層の誘電体又は半導体の層(64、66)の積層体を含む光学フィルタの使用であって、前記積層体が、所定の波長に設定された複数のファブリ・ペロー共振器からなる組を形成していて、前記ファブリ・ペロー共振器の透過スペクトルに対する電磁放射の入射角の変化の効果を補償するように、前記積層体の積層方向に対して直交する平面内において一定ではない屈折率を有している光学フィルタの使用。

請求項15

実質的な球面画像を形成する光学系と、複数の感光性素子からなるアレイを備え、前記光学系の光軸に対して直交する平面において前記光学系の出力に配置された平面状の検出器回路と、複数のファブリ・ペロー共振器からなるアレイを備えていて、前記検出器回路と前記光学系との間に配置されていて、且つ前記検出器回路に平行に延在している平面状のマトリクスフィルタと、を備えた電磁放射検出器であって、各ファブリ・ペロー共振器が各感光性素子の上方に配置されていて、前記フィルタが請求項1から14のいずれか一項に記載のものであり、前記ファブリ・ペロー共振器の平均屈折率が、前記光学系によって形成され前記フィルタに入射する実質的な球面画像の一定ではない入射角に適合することができるように一定ではない、電磁放射検出器。

技術分野

0001

本発明は、ファブリペロー共振器に基づき且つ大型のフィルタリング表面によって特徴付けられる光学フィルタの分野に関する。本発明は、特に、可視イメージングシステムにおいて使用されるRGBフィルタの分野において用いられる。

背景技術

0002

可視イメージングシステムは通常、広範な可視放射感知する、特に赤色波長青色波長及び緑色波長を同時に感知するフォトサイト(photosite)(例えばCCDやCMOS)のアレイを備える。自明なように、各フォトサイトは、ベイヤー(Bayer)アレイで分布した赤色フィルタ緑色フィルタ及び青色フィルタを重ねることによって、それらの波長のうち一つの検出専用とされる。

0003

最も良く知られたフィルタアレイは、フォトサイトアレイ上に配置された着色樹脂で構成されたものである。しかしながら、この種の着色樹脂ベースのフィルタアレイは、光の入射角に対して敏感であり、広い入射角は、樹脂中のより実質的な伝播距離をもたらす。

0004

更に、着色樹脂について、非常に小さな画素サイズ、つまり1マイクロメートル以下のサイズにアクセルすることは困難であるが、これは一つには、画素間のクロストークを生じさせる着色樹脂の限られた色素密度によって樹脂の厚さを減少させることが難しくなるからであり、もう一つには、わずかなサイズなものではない隣接する画素間の移行ゾーンのせいである。その移行ゾーンがわずかなサイズのものにならないのは、異なる色に関連する樹脂が完全に正確には連続的に堆積されない(堆積されたままには側面の傾斜が保たれない)からである。

0005

更に、自明なように、可視イメージングシステムには通常、フォトサイトアレイの前方に配置された赤外線フィルタが設けられている。実際、CCD技術のフォトサイト、更にはCMOS技術に基づいたフォトサイトは、赤外において高感度を有し、その測定が行われないのであれば可視光検出の質にとっては有害である。

0006

実際のところ、赤外線フィルタは、放射の入射角に対して敏感である。特に、入射角が大きくなると(垂直入射から離れていくと)、そのフィルタカットオフシフトして、青色に向けてシフトする。従って、広範な入射角に対しては、可視スペクトルの有用な部分が、特に赤色においてカットオフされる。従って、入射角に対して極めて敏感である赤外線樹脂フィルタは、問題である。

0007

ファブリ・ペロー共振器に基づいたフィルタアレイは、有色及び赤外線フィルタリングを同時に提供するにように設計されている。こうしたアレイは従来、一層以上の誘電体層によって分離された複数の金属層を含み、その屈折率及び厚さは、ファブリ・ペロー共振器の波長を設定するように選択される。誘電体層は従来、単一の物質製であり、その屈折率はアレイ全体にわたって一定である。従って、異なる複数の波長に設定されているが互いに並置された(例えばベイヤーアレイで)複数のファブリ・ペロー共振器を得るためには、一定ではない厚さの一つ以上の誘電体層がアレイに設けられ、その厚さは、共振器の波長を設定するのに用いられる。この種のファブリ・ペロー共振器のアレイについての更なる詳細については、例えば特許文献1を参照されたい。金属‐誘電体フィルタに対しては、金属によって赤外線がカットされるので、製外線フィルタはもはや必要ではない。

0008

この解決策では、略1/2に低減されるフィルタの厚さの問題に向けられたものであるが、入射角に対するスペクトル応答依存性は顕著に改善されず、フィルタが平坦ではないことによる画素間の移行ゾーンの問題も顕著に改善されない。

0009

更に、一定ではない厚さのファブリ・ペロー共振器のアレイの製造は、非常に多くのマスキング及びエッチングステップを必要とし、製造時間が大幅に長くなり、赤外線フィルタの省略によって得られるアレイの最終的なコスト利得を減じるので、工業プロセスの点において極めて制限的なものである。更に、アレイの表面がその後マイクロレンズを形成するのに使用されるので、アレイの平坦化が一般的には必要とされる。従って、追加的な厚さがファブリ・ペロー共振器の積層体に加えられて、樹脂フィルタの場合のレベル未満であるとしても、フォトサイトに到達するために通過する物質の厚さに直接関係するクロストーク効果を増大させるという結果になる。

0010

特許文献2では、その図13Aから図13Eに示される実施形態において、一定の厚さのファブリ・ペロー共振器のアレイが提案されている。一層以上の誘電体層の厚さを共振器の波長を設定するために用いるのではなくて、特許文献2では、屈折率を用いることを提案している。

0011

本願の図1は、特許文献2の図13Dを再利用したものであり、ファブリ・ペロー共振器のアレイ10の断面図であり、青色透過フィルタ12、赤色透過フィルタ14及び緑色透過フィルタ16を形成している三つの並置されたファブリ・ペロー共振器が示されている。

0012

アレイ10は、
絶縁基板20と、
基板20上に堆積され半反射表面を形成しているSiO2及びTiO2の誘電体層の第一の交互体22と、
・ 一定ではない屈折率の誘電体層24と、
・ 誘電体層24上に堆積され半反射表面を形成しているSiO2及びTiO2の誘電体層の第二の交互体26と、を備える。

0013

誘電体層24は、異なる平均屈折率の三つの別個ゾーンで形成され、具体的には、TiO2で構成された第一のゾーン28と、SiO2で構成された第二のゾーン30と、第一のゾーン28及び第二のゾーン30の間に形成され、SiO2の層中に埋め込まれたTiO2の帯状体周期ネットワークで構成された第三のゾーン32とである。TiO2は、第三のゾーン32の体積の1/5を占めるので、SiO2がその体積の1/5を占めて、ゾーン32の平均屈折率は、



と等しくなる。

0014

従って、この構造は、並置された三つのファブリ・ペロー共振器を形成して、青色波長、赤色波長、緑色波長にそれぞれ設定されている。

0015

しかしながら、ファブリ・ペロー共振器において共振が得られる波長、つまりは所望の効果(具体的には、その波長周辺での狭い透過バンド幅)は、屈折率及び誘電体層の厚さだけに依存するのではなく、共振器に対する電磁放射の入射角にも依存する。

0016

実際には、ファブリ・ペロー共振器のアレイの表面全体に対して一定の入射の放射の場合というのは、極めて稀である。

0017

特に、イメージングの分野では、共振器のアレイが重ねられているフォトサイトアレイは、センサ上で観測されるシーンの画像を形成するために、常に焦点面内に配置される。この種の検出器図2に示されている。図2は、光軸OXの光学系42及び平面状のセンサ44を備えた検出器40(例えばカメラ等)をダイヤグラムで示す。センサ44は、光学系42の焦点面内に配置されたフォトサイトアレイを有する検出器回路46と、特許文献2のものと同様のものであって検出器回路46の上に重ねられたファブリ・ペロー共振器のアレイ48を有する。

0018

自明なように、光学系は、そのシーンの実質的な球面画像を形成する。図2では、球面波面50は、アレイ48に入射する放射の入射角の変化の問題を例示するために、特大サイズで示されている。従って、この放射は、光軸OX上におけるアレイ48に対する垂直入射と、その他の箇所での垂直ではない入射とを有する。そこで、例えば、従来技術のセンサ44のサイズに関して、アレイ48の縁における入射角θLが20°に等しく、入射角がアレイ48の平面におけるノルムに対して相対的に識別されるということは珍しくはない。

0019

図3は、ファブリ・ペロー共振器の透過バンド幅のスペクトル位置に対する入射角の影響を示す。透過応答“C”は例えば光軸OX上に配置された共振器52のものであり、透過応答“B”は例えばアレイ48の縁に配置された共振器54のものである。二つの共振器52及び54は同一のものであり、緑色の波長に設定されている。光軸OX上の共振器52は、垂直入射の放射を受光する一方、アレイ48の縁の共振器は、20°に等しい入射角の放射を受光する。

0020

見て取れるように、二つの透過応答間には実質的なシフトが存在し、応答“B”が青色により近い一方で、応答“C”は緑色の波長に対応する。従って、アレイ48の共振器の位置に応じて、選択された波長内における大きな変化が存在している。従って、検出回路46によって検出される画像は、観測されたシーンの実際の色彩忠実なものではない。

0021

米国特許第6031653号明細書
欧州特許第1592067号明細書

先行技術

0022

Peter B.Catrysse、Brian A.Wandell、“Optical efficiency of image sensor pixels”、J.Opt.Am.A、2002年8月、第19巻、第8号、p.1610

発明が解決しようとする課題

0023

従って、本発明の目的は、上述の問題を解決するために、一定の厚さのファブリ・ペロー共振器であって、その透過応答が所定の電磁放射の入射角の変化に敏感ではないファブリ・ペロー共振器を備えたフィルタを提案することである。

課題を解決するための手段

0024

このため、本発明の対象は、一定ではない(variable)入射角の電磁放射をフィルタリングするための光学フィルタであって、二つの部分反射性の層の間に配置された少なくとも一層の誘電体又は半導体の層の積層体を含む光学フィルタである。そして、その積層体が、所定の波長に対して設定された複数のファブリ・ペロー共振器の少なくとも一つの組を形成している。

0025

本発明によると、誘電体又は半導体の層の平均屈折率は、共振器の透過スペクトルに対する電磁放射の入射角の変化の効果を補償するように、積層体の積層方向に直交する平面内において一定ではない。

0026

言い換えると、屈折率だけによって、ファブリ・ペロー共振器がフィルタ内のどの位置においても実質的に同じ透過プロファイルを有するように、そのファブリ・ペロー共振器を設定することができる。

0027

特に、実質的な球面波面を有する放射用適合された本発明の一実施形態によると、入射角θの放射を受光する共振器の平均屈折率は、関係式n=n画素・中心/cosθを実質的に満たし、ここでnは共振器の平均屈折率であり、n画素・中心は、垂直入射下において放射を受光するとした共振器の平均屈折率である。

0028

本発明の一実施形態によると、ファブリ・ペロー共振器は、少なくとも二種の物質を備え、各共振器内の物質の屈折率及び割合は、所定の設定波長に対して共振器を設定するために、共振器に対する放射の入射角の関数として選択される。より具体的には、各共振器は、二種の物質で構成され、その一方の物質は、他方の物質中に形成された周期的パターンの形状とされ、そのパターンフィルファクタが共振器の平均屈折率を設定する。

0029

特に、パターンは、誘電体又は半導体の層の厚さ以下の厚さを有し、共振器のパターンの厚さは、その共振器に対する放射の入射角の関数として選択される。

0030

有利には、各共振器は二種の物質で構成され、その一方の物質は、他方の物質中に形成された周期パターンの形状とされ、そのパターンの周期は、共振器が設定される波長(共振器がその波長に対して共振器が実質的に一様な屈折率を有するようにされる)未満であるように選択される。より具体的には、パターンの周期は、d=(λres×cosθ)/2以下であり、ここでλresは、共振器が設定されている波長であり、θは共振器に対する放射の入射角である。

0031

本発明の一実施形態によると、フィルタは、部分反射性の中心層によって分離され且つ二つの部分反射性の端部層の間に配置された二つの別個の誘電体又は半導体の層の積層体を備える。

0032

より具体的には、中心層の厚さは、各端部層の厚さよりも大きい。

0033

本発明の一実施形態によると、部分反射性の層は金属である。

0034

本発明の一実施形態によると、フィルタは、赤色波長、緑色波長及び青色波長のそれぞれに設定されていてベイヤーアレイで配置された三組の複数のファブリ・ペロー共振器を備える。

0035

一実施形態によると、複数のファブリ・ペロー共振器は同一の厚さのものである。従って、ファブリ・ペロー共振器が同じ厚さを保つので、特に、小型フィルタを生成することができ、結果として小型フォトサイトも生成することができる。

0036

他の実施形態によると、複数のファブリ・ペロー共振器が異なる厚さのものであり、共振器の屈折率及び厚さが、その共振器の透過スペクトルに対する電磁放射の入射角の変化の効果を補償するように選択される。

0037

本発明の更なる対象は、一定ではない入射角の電磁放射をフィルタリングするための光学フィルタであって、二つの部分反射性の層の間に配置された少なくとも一層の誘電体又は半導体の層の積層体を含む光学フィルタの使用であり、その積層体は、所定の波長に設定されていて、積層体の積層方向に直交する平面内において一定ではない屈折率を有するファブリ・ペロー共振器の組を形成していて、ファブリ・ペロー共振器の透過スペクトルに対する電磁放射の入射角の変化の効果を補償するようにされている。

0038

本発明の更なる対象は電磁放射検出器であり、その電磁放射検出器は、
・ 実質的な球面画像を形成する光学系と、
感光性素子のアレイを備え、光学系の出力に配置され且つその光学系の光軸に直交する平面状の検出器回路と、
・ファブリ・ペロー共振器のアレイを備え、検出器回路と光学系との間に配置され、検出器回路に平行な平面状のマトリクスのフィルタと、を備え、各ファブリ・ペロー共振器が各感光性素子の上方に配置されている。

0039

本発明によると、そのフィルタは、いずれかの請求項に記載されたものであり、共振器の平均屈折率は、光学系によって形成されてフィルタ上に入射する実質的な球面画像の一定ではない入射角に適合するように、変化して、特に、光軸が通過するフィルタ上の点からの光線に沿って減少する。

0040

本発明は、同一の参照符号が同一又は同様の要素を指し示す添付図面を参照して単に例示目的で提供される以下の説明を読むことによって、より良く理解されるものである。

図面の簡単な説明

0041

従来技術によるファブリ・ペロー共振器のアレイの断面のダイヤグラム図である。
図1の共振器のアレイを備えた検出器の断面のダイヤグラム図である。
図2の検出器の光軸上に配置されたファブリ・ペロー共振器の透過応答のパターンと、アレイの縁に配置されたファブリ・ペロー共振器の透過応答のパターンとである。
本発明によるファブリ・ペロー共振器のアレイの断面のダイヤグラム図である。
本発明によるファブリ・ペロー共振器のアレイの一変形例の断面のダイヤグラム図である。
検出器の光軸上に配置されたファブリ・ペロー共振器の透過応答のパターンと、アレイの縁に配置されたファブリ・ペロー共振器についてのその共振器に入射する放射の入射角が補償された及び補償されていない透過応答のパターンとである。

実施例

0042

図4は、ファブリ・ペロー共振器のアレイ60の断面のダイヤグラム図であり、この例では、赤色フィルタ、緑色フィルタ及び青色フィルタの三つを形成している。アレイ60は、例えば図2のものと同様の検出器に配置される。

0043

アレイ60は、絶縁基板62を備え、その基板上に、中心金属層68によって分離され且つ二つの金属端部層70及び72の間に配置された二つの別個の誘電体又は半導体の層64、66の積層体が堆積される。多様な層は平面状であり、方向Eに沿って積層される。

0044

層64及び66の屈折率は、異なる複数のフィルタリングゾーンを画定するために、積層体の方向Eに垂直な平面内において変化している。より具体的には、層64及び66は、平均屈折率の異なるゾーン74、76、78に分けられる。層64及び66の各ゾーンは、二種の誘電体又は二種の半導体で構成されていて、周期パターン82、84、86(層64及び66の厚さ方向に形成された矩形断面の平行な帯状体等)を形成している。これらの物質の個々の割合が、ゾーンの平均屈折率を設定する。

0045

従って、各ゾーン74、76、78は、金属層68、70、72と組み合わさって、ファブリ・ペロー共振器を形成し、そのファブリ・ペロー共振器の共振波長は、共振器の厚さ、ゾーンの屈折率、及び共振器に対する放射の入射角の関数である。以下において、ゾーンの屈折率と、対応するファブリ・ペロー共振器の屈折率とを区別しない。

0046

図3の例では隣り合って示されているが、ファブリ・ペロー共振器によって形成される赤色フィルタ、緑色フィルタ及び青色フィルタを、使用目的に応じて、例えばベイヤーアレイ等の異なった分布とすることができる点は理解されたい。

0047

このようにして形成された各ファブリ・ペロー共振器は、以下の関係式に従って、波長λresに対する電磁共振器を形成する:



ここで、
・ nは共振器の平均屈折率であり、
・ hは、共振器の厚さ、つまり層64、66の厚さであり、
・ θは共振器に対する放射の平均入射角であり、
・ mは共振器の次数を定める正の整数であり、
・ φ1及びφ2は、金属層68及び72に対する反射位相シフト、又は層68及び70に対するその等価物であり、
・ fは第一の物質、例えば屈折率が最低の物質の割合であり、その数fは“フィルファクタ”とも称されて、0と1との間である。
・ nbは第一の物質の屈折率であり、nhは第二の物質の屈折率である。

0048

対象の赤色波長λres赤、青色波長λres青、緑色波長λres緑の各々に対して、対応するファブリ・ペロー共振器の屈折率nは、アレイ60中の共振器の位置がどうであっても、以下の関係式を満たすように選択され:
n×cosθ=n画素・中心 (3)
ここで、n画素・中心は、対象の波長に設定され且つ垂直入射(θ=0)の放射を受光する共振器の屈折率に等しい定数である。

0049

関係式(3)は、あらゆる種類のファブリ・ペロー共振器に対して汎用なものであり、一層の誘電体又は半導体の層のみを含む共振器も含まれる。

0050

従って、共振器の屈折率は、以下の関係式に従って選択されるフィルファクタfを用いて、放射の入射角の関数として単純に設定される:

0051

有利には、ファブリ・ペロー共振器の周期パターンの周期は、対象の波長よりも極めて短くて、共振器がその波長に対して一様な屈折率を有するようにする。

0052

より具体的には、第二の物質中の第一の物質の帯状体のネットワークの周期p1、同様に第一の物質中の第二の物質の帯状体のネットワークの周期p2は以下の関係式を満たす:

0053

このように、本発明者は、ファブリ・ペロー共振器が、対象の波長に対して、一様な屈性率の共振器のように振る舞うことを発見した。関係式(5)で定められる限界を超えると、入射角が効果的に補償されたままの場合でも、ファブリ・ペロー共振器の透過スペクトルは劣化して(特に透過率が低下して、複数の透過ピーク出現する)、もはや一様な屈折率の共振器スペクトルには対応しない。

0054

更に、複数のファブリ・ペロー共振器が配置されるものではあるが、一つのファブリ・ペロー共振器の屈折率が、その共振器に対する対象の波長について一様及び/又は一定であることが好ましい。

0055

好ましくは、層64及び66を構成する二物質はそれぞれ、例えば、Si、HfO2、SiN、ZnS又はTiO2等の高屈折率の物質と、SiO2、Al2O3、SiOC又はナノ細孔性若しくは低密度の物質(ナノ細孔性SiO2やナノ細孔性SiOC等)等の低屈折率の物質とである。

0056

好ましくは、低屈折率の物質は、最低屈折率(f=1)の共振器、つまり青色波長に対して設定されて且つ垂直入射の放射を受光する共振器を完全に構成するように選択される。同様に、高屈折率の物質は、最高屈折率(f=0)の共振器、つまり赤色波長に対して設定されて且つ最大入射の放射を受光する共振器を完全に構成するように選択される。これは、必要な有効屈折率に関して両端の共振器を考慮することによって、有効な端部の屈折率が、最低屈折率の物質及び最高屈折率の物質によって区切られる範囲内に含まれることを保証することができるということを意味する。

0057

金属68、70、72は、例えばAg、Al、Au又はCu製である。金属層は、赤外において低い透過率を有するので、可視フィールドにおいて有利である。

0058

更に、中心金属層68は、端部層70、72の各々の厚さよりも大きな厚さを有し、好ましくは、層70、72の各々の厚さの二倍の厚さを有して、単一のピークを備えた透過応答を与える。

0059

フィルファクタfが非常に小さい(又は非常に大きい)場合、第二の物質中の第一の物質の帯状体(及び第一の物質中の第二の物質の帯状体)の幅は非常に小さく、従来のリソグラフィ及びエッチング方法では、製造し難いものになり得る。

0060

周期ネットワークの製造を単純化するため、その構成パターンは、層64及び66の厚さ全体にわたってはエッチングされず、図5A及び5Bに見て取れるように、これらの層に部分的にエッチングされる。

0061

図5Aは、層64及び66の厚さ全体に設けられた帯状体を備えた上述のようなファブリ・ペロー共振器を示し、その全表面は、共振器の表面の15%を占める。

0062

図5Bは、層64及び66の厚さ方向に部分的に設けられた帯状体を備えた共振器を示し、ここでは層の厚さの半分に対してであるが、フィルファクタfは図5Aの共振器のものと同一である。図5Bでは、帯状体の全表面は共振器の表面の50%を占める。見て取れるように、図5Bの帯状体はより幅広であるので、製造がより単純であるが、共振器の波長が変わらないままである。

0063

例えば、金属層68、70、72はAu製であり、それぞれ40nm、60nm、40nmの厚さを有し、層64及び66は80nmの厚さを有し、TiO2及びSiO2製であり、SiO2の割合は0%(実際には、SiO2の最小割合は最大入射を受光する赤色画素によって固定されて、有効屈折率は垂直入射に対してよりも高くなければならない(15%))から85%(f=0.85であり、垂直入射における青色フィルタによって固定される)である。垂直入射においては、ファブリ・ペロー共振器は、赤色波長に対して15%の割合のSiO2(f=0.15)を有し、緑色波長に対して50%(f=0.5)、青色波長に対して85%(f=0.85)である。

0064

図6は、緑色波長に対するファブリ・ペロー共振器の屈折率の選択における入射角を考慮した効果を示す:
曲線“C”は、50%に等しいSiO2の割合を有する共振器の垂直入射の放射下における透過応答であり、
・ 曲線“B”は、20°に等しい入射の放射下における同じ共振器の応答であり、
・ 曲線“B補償”は、35%に等しいSiO2の割合を有する共振器の20°に等しい入射の放射に晒された際の透過応答である。

0065

見て取れるように、“B補償”の応答は“C”の応答と同一であり、垂直ではない入射角の効果的な補償を示している。

0066

実際には、本発明によるファブリ・ペロー共振器のアレイを設計するには、なによりもまず、共振器のアレイに対応する平面に対する電磁放射の入射角を求めるようにその電磁放射が決定される。例えば、可視検出器の場合、光学系からの放射の形状は完璧に分かっている。例えば非特許文献1を参照されたい。

0067

ファブリ・ペロー共振器が平行な帯状体の周期ネットワークによって構築されると説明してきた。このような共振器は最大の透過強度を有するが、入射放射偏光に対して敏感なものである。

0068

代替例として、平行な帯状体の二つの周期ネットワークであって互いに直交している二つのネットワークによって、共振器を構築する。これによって、放射の偏光に対して共振器が敏感ではないようにすることができるが、共振器の透過応答の最大強度は低下する。

0069

同様に、複数のファブリ・ペロー共振器が同一の厚さのものであると説明してきたが、ファブリ・ペロー共振器に対して異なる複数の厚さを選択することも可能である。その厚さの値は、屈折率の値と組み合わさって、例えばその厚さ及び屈折率の選択に対する関係式(1)及び(2)に従って、放射の一定ではない入射角を補償するように選択される。

0070

同様に、可視イメージングの分野における使用について説明してきたが、本発明が他のスペクトル範囲に対しても適用されることは理解されたい。

0071

60ファブリ・ペロー共振器のアレイ
62絶縁基板
64、66誘電体又は半導体の層
68中心金属層
70、72金属端部層
74、76、78ゾーン
82、84、86 周期パターン

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