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図面 (7)

課題

可視光及び赤外光の両方を収集するために必要な検出システムにおいて、センサ統合により光学的な複雑さを低減し、単一の多機能半導体の生成を可能にする。

解決手段

マルチスペクトルスターリングアレイ10は、特に各々が異なる所定スペクトル感度で画像を検出するようにされた少なくとも2つのセンサ28、30と、入射スペクトル帯域を合焦させ、捕捉する第1のレンズ14と、レンズとセンサとの間の、入射スペクトル帯域を細分化するためのスペクトルフィルタ20、22と、細分化された入射スペクトル帯域を各々のセンサに向け、そこに合焦させる第2のレンズ24、26とを備えている。

概要

背景

概要

可視光及び赤外光の両方を収集するために必要な検出システムにおいて、センサ統合により光学的な複雑さを低減し、単一の多機能半導体の生成を可能にする。マルチスペクトルスターリングアレイ10は、特に各々が異なる所定スペクトル感度で画像を検出するようにされた少なくとも2つのセンサ28、30と、入射スペクトル帯域を合焦させ、捕捉する第1のレンズ14と、レンズとセンサとの間の、入射スペクトル帯域を細分化するためのスペクトルフィルタ20、22と、細分化された入射スペクトル帯域を各々のセンサに向け、そこに合焦させる第2のレンズ24、26とを備えている。

目的

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請求項1

マルチスペクトルスターリングアレイであって、各々が異なる所定スペクトル感度で画像を検出するようにされた少なくとも2つのセンサと、入射スペクトル帯域捕捉する第1のレンズと、前記レンズと前記少なくとも2つのセンサとの間の、前記入射スペクトル帯域を細分化するように構成されたスペクトルフィルタと、前記細分化された入射スペクトル帯域を前記少なくとも2つのセンサの各々に向け、そこに合焦させる第2のレンズと、を備えるマルチスペクトルスターリングアレイ。

請求項2

前記少なくとも2つのセンサが単一チップ上にある請求項1に記載のアレイ。

請求項3

前記第2のレンズがマイクロレンズアレイである請求項1に記載のアレイ。

請求項4

前記スペクトルフィルタが前記レンズと前記マイクロレンズアレイとの間にある請求項3に記載のアレイ。

請求項5

前記マイクロレンズアレイと前記少なくとも2つのセンサの各々の間に光導体を更に備える請求項3に記載のアレイ。

請求項6

前記マイクロレンズアレイから前記少なくとも2つのセンサの各々へと光を向ける固定ミラーを更に備える請求項3に記載のアレイ。

請求項7

前記レンズと前記スペクトルフィルタとの間に作動式ミラーを更に備える請求項1に記載のアレイ。

請求項8

前記レンズと前記スペクトルフィルタトの間に変形可能ミラーを更に備える請求項1に記載のアレイ。

請求項9

前記少なくとも2つのセンサがコープレナ型センサである請求項1に記載のアレイ。

請求項10

前記所定のスペクトル感度が、可視光及び近紫外光(VNIR)、紫外光(UV)及び赤外光(IR)の少なくとも1つで最大化される請求項1に記載のアレイ。

請求項11

前記入射スペクトル帯域が連続する帯域である請求項1に記載のアレイ。

技術分野

0001

マルチスペクトルイメージングシステムは、スペクトル可視光近紫外光(VN IR),紫外光(UV)、及び赤外光(IR)の波長を含む複数の離散スペクトル帯域内の電磁エネルギ収集し、記録する。その結果得られる画像は、スペクトル帯域情報 を1つ又は多くのチャネルに組み合わせて画像のグレースケール又はカラー表現を形成 することによって表示される。マルチスペクトルイメージングデバイスは、ピクセルと 呼ばれる多数の空間画素で多くの離散スペクトル帯域内のエネルギ画像センサで同時 に記録する分光器一種である。標準型広帯域イメージャは、広いスペクトルにわた って検出された入射エネルギの全てについて各々のピクセルで1つの値を記録し、二次 元アレイ検出器から2つの空間的次元で画像を生成する。マルチスペクトルイメージ ングデバイスは、付加的な空間的次元を有する画像を生成する点で標準型の広帯域イメジャとは異なっている。各々のマルチスペクトルピクセルは、各々の値をサブピクセルと見なした場合、記録される数10又は数百の波長値を有することができる。スターリングアレイは、焦点面での二次元アレイの検出器が選択されたスペクトル帯域内のエネルギを捕捉することで、ピクセル及びサブピクセルから画像を直接構成できるイメージングデバイスの一種である。

先行技術

0002

米国特許第8143565号明細書

0003

本発明の一態様はマルチスペクトルスターリングアレイに関する。マルチスペクトルスターリングアレイは、各々が異なる所定スペクトル感度で画像を検出するようにさ れた少なくとも2つのセンサと、入射スペクトル帯域を合焦させる第1のレンズと、レ ンズと少なくとも2つのセンサとの間の、入射スペクトル帯域を細分化するように構成 されたスペクトルフィルタと、細分化された入射スペクトル帯域を少なくとも2つのセ ンサの各々に向け、そこに合焦させるように構成された第2のレンズとを備えている

図面の簡単な説明

0004

本発明の実施形態によるマルチスペクトルスターリングアレイの概略図で ある。
本発明の別の実施形態によるマルチスペクトルスターリングアレイの概略 図である。
本発明の更に別の実施形態によるマルチスペクトルスターリングアレイの 概略図である。
本発明の実施形態による混合材検出器の概略図である。
別の実施形態による混合材検出器の概略図である。
本発明の実施形態による図4又は図5の混合材検出器を有するマルチスペクトルスターリングアレイの概略図である。

実施例

0005

発明の背景、及び下記の記載で、説明目的のため、本明細書に記載の技術を十分に 理解できるように多くの特定の細部が記載される。しかし、例示的実施形態をこれらの 特定の細部なしで実施してもよいことが当業者には明らかであろう。別の場合は、例示 的実施形態を説明し易くするため構造及びデバイスは図で示される。

0006

例示的実施形態は図面を参照して記載される。これらの図面は、本明細書に記載の 技術を実装する特定の実施形態のある細部を示すものである。しかし、図面は図面に示 されることがある何らかの限定性を加えるものと解釈されるべきではない。

0007

実施形態で開示されるマルチスペクトルスターリングアレイの技術的効果には、可 視光及び赤外光の両方を収集するために必要な検出システムの複雑さの大幅な低減が含 まれている。センサの統合により光学的な複雑さが低減し、単一の多機能半導体の生成 が可能になる。その結果、実施形態で開示されるスターリングアレイを実装するマルチスペクトルイメージングデバイスを、従来の対応品よりも重さと電力要求を低減させた より小型の形態で組み込むことができる。加えて、本発明の実施形態で開示されるよう に、異なる種類のセンサを単一の半導体に統合することで、複雑な分光技術により通常 は失われる、システムに使用できる光パワー節減される。単一のスペクトル感度を有 するセンサを単一の半導体チップ上に統合することによって、本発明で実施されるマルチスペクトルイメージングデバイスは高ダイナミックレンジの画像を実質的にリアルタ イムで形成することができる。最後に、マルチスペクトルスターリングアレイの実施形 態は、サンプリングコヒーレンシーを保つ。

0008

図1は、本発明の一実施形態によるマルチスペクトルスターリングアレイ10を示 している。マルチスペクトルスターリングアレイ10は、オブジェクト12から反射又 は放射される電磁エネルギの帯域幅のセットの強度に基づいてオブジェクト12の画像 を検出する。マルチスペクトルスターリングアレイ10は、スペクトル感度が変化するスペクトル帯域を分離し、検出する素子を含んでいる。スペクトル感度は、光波長の関 数としての相対的光検出効率である。検出された光の帯域幅は、スペクトル感度がゼロ ではない場合の波長の間隔によって決定される。検出された入射光にスペクトル感度に 影響を及ぼし得るマルチスペクトルスターリングアレイの素子には、スペクトルフィルタ20、22、マイクロレンズアレイ24、26などのレンズ、及びセンサ28、30 が含まれる。センサは好ましくはVNIR、UV及びIRスペクトル複数部分から波 長内の光を検出可能な混合材センサである。あるいは、各センサはVNIR、UV及び IRスペクトルの単一部分から波長内の光を検出可能であってもよい。この実装形態で は、付加的なセンサを追加することにより追加のスペクトルが検出されてもよい。加え て、マルチスペクトルスターリングアレイ10は、レンズ14及びミラー16を含んで もよい画像形成光学素子を含んでいる。マルチスペクトルスターリングアレイ内の光学素子の数及び配置は実装形態に応じて異なってもよいことが理解される。

0009

アレイ10はレンズ14などの入力開口部を含んでいる。レンズ14は入射する電 磁エネルギを収集するように構成されている。図1に示すように、電磁エネルギはレンズ14を通してミラー16に透過される。電磁エネルギはミラー16によって反射され 、スペクトルフィルタ22を通過する。スペクトルフィルタの波長応答は位置の関数と して変化するので、スペクトルフィルタ22は広帯域電磁エネルギをスペクトル帯域の セットに細分化するように構成されている。

0010

電磁エネルギの細分化されたスペクトル帯域は次いでマイクロレンズアレイ26に 到達する。複数のマイクロレンズアレイ26の各マイクロレンズは電磁エネルギの細分 化されたスペクトル帯域を、マイクロレンズアレイ26からセンサ28への32及び3 4などの光線のセットで示されるようにセンサ28へと向け、そこに合焦させる。センサ28はスペクトルフィルタ22への像面40上に位置している。センサ28は検出器のアレイであり、各検出器は所定のスペクトル感度を有するスペクトル帯域の電磁エネ ルギを検出するように構成されてもよい。

0011

スペクトルフィルタ22、マイクロレンズアレイ26、及びセンサ28は、アレイ内の各検出器が、結像されるオブジェクト12に対応する特定のスペクトル帯域を検出 するように構成されている。このように、センサ28は結像されるマルチスペクトルピクセルを形成するように配置された検出器素子を含んでいる。結像されるオブジェクト 12の特定領域から反射又は放射する入射電磁エネルギを検出するセンサ28上の検出 器素子のセットはマルチスペクトルピクセルを形成する。

0012

図1に示すように、ジンバルマウントなどの駆動器36がミラー16を第2の位置 18に作動させる。あるいは、ミラーを第1の配向から第2の配向へと作動させてミラ ー16の第1の位置からミラーの第2の位置18への光路方向転換するように変形可 能なミラーを実装してもよい。次いで電磁エネルギの光路は自由空間伝搬又は光導体に よって18の位置にあるミラーから第2のスペクトルフィルタ20へと進行する。第1 のスペクトルフィルタ22と同様に、第2のスペクトルフィルタ20は、広帯域電磁エネルギをスペクトル帯域のセットへと細分化する。電磁エネルギの細分化されたスペクトル帯域は次いでマイクロレンズアレイ24に到達し、第2のセンサ30上に結像され る。第2のセンサ30は像面42上に位置している。

0013

第2の空間フィルタ20、第2のマイクロレンズアレイ24、及び第2のセンサ3 0の冗長素子によって、高度な構成が可能なイメージャが可能になる。第2のスペクトルフィルタ20は、第1のスペクトルフィルタ22とは異なる波長応答を有するように 構成されてもよい。同様に、第2のセンサ30は、各検出器が第1のセンサ28の同類の検出器とは異なるスペクトル感度を有するスペクトル帯域のセットを検出するように 構成された検出器アレイから成っていてもよい。このように、マルチスペクトルスターリングアレイ10はより高いスペクトル解像度を達成できる。すなわち、第1のスペクトルフィルタ22及び第1のマイクロレンズアレイ26を使用してミラー16から第1 のセンサ28に至る単一の光路を使用する場合よりも、ピクセル当たりでより多数のス ペクトル帯域を検出することができる。

0014

あるいは、マルチスペクトルスターリングアレイ10はより高いダイナミックレンジを達成できる。すなわち、同じスペクトル帯域幅についてスペクトル感度が異なる2 つのセンサ28及び30を使用することによって、単一のセンサを使用する場合よりも 検出可能な輝度限度拡張される。加えて、本発明の実施形態によれば、マルチスペクトルスターリングアレイ10は、ミラー切り換えのタイミングを変更することによっ て高ダイナミックレンジ(HDR)の結像を更に増強できる。例えば、16の位置にあ るミラーは、センサ28が画像の明領域の場面の輝度分散を捕捉できるためには第1の 位置16に比較的短時間だけ留まり、センサ30が画像の暗領域の場面の輝度分散を捕 捉できるには第2の位置18に比較的長時間留まるであろう。

0015

図2は、本発明の別の実施形態によるマルチスペクトルスターリングアレイ10を 示している。入力開口部は、入射光を合焦させるためのレンズ14を含んでいる。光は 、入射スペクトル帯域を細分化するように構成されたスペクトルフィルタ110を通過 する。

0016

電磁エネルギの細分化されたスペクトル帯域は次いでマイクロレンズアレイ112 に到達する。マイクロレンズアレイ112の各々のマイクロレンズは、電磁エネルギの 細分化されたスペクトル帯域を3つのセンサ114、116及び118に1つに向け、 そこに合焦させる。このように、マイクロレンズアレイ112は、図1の作動式ミラー16、18と同じ能力で動作する。マイクロレンズアレイ112内のマイクロレンズの 第1のサブセットは、細分化された入射スペクトル帯域を像面120上に位置する第1 のセンサ114に向け、そこに合焦させることができる。同様に、マイクロレンズアレ イ112内のマイクロレンズの第2及び第3のサブセットは、細分化された入射スペクトル帯域を像面122及び124上に位置する第2及び第3のセンサ116、118に 向け、そこに合焦させることができる。図1の実施形態と同様に、各センサは異なるセ ットの所定のスペクトル感度を検出するように構成され、それによってマルチスペクトルスターリングアレイ100のスペクトル解像度又はダイナミックレンジを増強する検出器アレイから成っていてもよい。

0017

図3は、本発明の更に別の実施形態によるマルチスペクトルスターリングアレイを 示している。図1及び図2と同様に、入力開口部は入射光を合焦させるレンズ14を含 んでいる。図2と同様に、光は入射スペクトル帯域を細分化するように構成されたスペクトルフィルタ110を通過し、電磁エネルギの細分化されたスペクトル帯域は次いでマイクロレンズアレイ112などのレンズに到達する。マイクロレンズアレイ112の 各々のマイクロレンズは、各々が像面226、228及び230上に位置する3つのセ ンサ210、214、216の1つに電磁エネルギの細分化されたスペクトル帯域を向 け、そこに合焦させる。本発明のこの実施形態では、センサ214及び216への光路にはミラー220及び218でのそれぞれの反射が含まれる。

0018

図2の実施形態が示すように、センサ210、214及び216は異なるスペクトル感度に作用するため構成されてもよい。ミラー218、220はマウント222及び 224によって静止状態に保たれる。その結果、3つのセンサ210、214及び21 6はミラーをある位置から別の位置に作動させる必要なく、画像を同時に検出できる。

0019

しかし、前述のようにHDR結像を増強するために光がセンサ214、216に当たる 時間量を設定するために、ミラー218及び220を作動させてもよい。

0020

本発明の実施形態を可能にするため、図1の実施形態の28及び30に位置するセ ンサ、図2の実施形態の114、116に位置するセンサ、及び図3の実施形態の21 0、214に位置するセンサは、スペクトル感度が異なる検出器素子、又は異なる作動 時間に調整されたミラーを含んでもよい。図4は、IRからVNIRを経てUVスペクトルの範囲までのスペクトル帯域のセットに応動可能な本発明の実施形態による混合材センサ300を示している。センサ300は混合材スターリングアレイイメージング導体である。半導体はVNIR検出器アレイ310、IR検出器アレイ312、及びU V検出器アレイ314の1つ又は複数のインスタンスを有している。異なる種類の検出 器が単一の半導体へと統合され、コープレナ型である。各々の検出器アレイ310、3 12及び314は、画像のサブピクセルを含む幾つかの検出器素子から成っている。各素子は検出器アレイ用のスペクトル帯域のサブセットでよいスペクトル帯域に応動する 。例えば、VNIR検出器アレイ310は図4に316及び318などの9つのサブピクセル素子から成ることが示されている。9つの素子は各々がVNIRスペクトル内の 異なるサブ帯域に応動してもよい。実装形態に応じて、特定の検出器アレイの各々のアレイ素子は、特定の検出器アレイ内のサブピクセルに特有スペクトルサブ帯域に応動 してもよい。しかし、幾つかの実装形態では、検出器アレイ内の各々のサブピクセルは 同じスペクトル帯域に応動してもよい。これらの実装形態では、図1の実施形態の22 などのスペクトルフィルタは、特定のサブピクセルに入射する電磁エネルギのスペクトル帯域をフィルタリングしてもよい。本発明の一実施形態では、フィルタリングされた スペクトル帯域は、スペクトルフィルタ又は混合材センサ、又はこれら2つの組み合わ せのいずれかの構成を介してマルチスペクトルスターリングアレイをハイパースペクト ルイメージングデバイスへとレンダリングする。

0021

図5の示すような混合材センサの別の実施形態では、VNIR検出器アレイ310 、IR検出器アレイ312、及びUV検出器アレイ314の素子は、異なる光検出器アレイ310、312及び314を均一に配分する簡単なパターンへとテッセレーション処理される。物理的により大きいIR検出器アレイ312の素子は、匹敵するサイズの UV検出器アレイ314の素子とVNIR検出器アレイ310の素子との組み合わせに 交互に積層されてもよい。図5に示すように、VNIR検出器アレイ310は12のサ ブピクセル素子から成ることが示されている。12の素子は各々VNIRスペクトル内 の異なるサブ帯域に応動してもよい。実装形態に応じて別の構成の検出器アレイも可能 である。図5に示す構成では異なるスペクトル帯域について空間的に均一な場面のサンプリングが生じるが、特定の光学的設計パラメータに応じて別の構成が望ましいことも ある。

0022

イメージング検出器には多くの半導体材料が使用されることが知られている。本発 明のいずれかの実施形態では、これらの材料を単一のチップ上に組み合わせてもよい。

0023

例えば、UV及びVNIR波長検出器310、314は電荷結合デバイス(CCD)又 は相補型金属酸化膜半導体検出器(CMOS)の変形形態に基づくものでよい。IR検出器312はテルリドインジウム、又はその他の合金から成る光検出器でよく、VN IR及びUV検出器310、314を組み込んでもよい。シリコンなどの種類の検出器 用の共通の基板を有する同じ半導体上に同じ種類の検出器を積層すると、複数のドーピ ング及びエッチングステップを用いて同じベース上に検出器が生成され、積層された混合波長光検出器が製造される。例えば、UV検出器314はCCDをベースにしたVNIR検出器310のゲートドレン上に形成されてもよい。図5、6は本発明の実施形態 による図4又は図5の実施形態の混合材検出器を有するマルチスペクトルスターリングアレイを示している。図1〜3のマルチスペクトルスターリングアレイのどの組み合わ せをも図4又は図5の例示した混合材センサ300と共に実装してもよいが、図5の混合材検出器を有するマルチスペクトルスターリングアレイ400は、本発明の特に簡単 な実施形態を明示している。入力開口部は入射光を収集するレンズ14を含んでいる。

0024

電磁エネルギの細分化されたスペクトル帯域は次いでマイクロレンズアレイ112など のレンズに到達する。マイクロレンズ112の各々のマイクロレンズは、電磁エネルギ の細分化されたスペクトル帯域を混合材センサ410に向け、そこに合焦させる。マイクロレンズアレイ112は、混合材センサ410に入射する光を図4又は図5の310 、312、及び314などの各検出器に向け、そこで合焦させることによってピクセルの決定論的カバレッジ及び物理的な割り当てを確実なものにするために使用される。セ ンサ410は像面412上に位置している。本記述要件は、諸例を用いて最良の形態を 含めて本発明を開示し、又、当業者が本発明を実施することを、任意のデバイス又はシステムを作製及び使用すること、及び組み込まれる任意の方法を実施することを含めて 可能にしている。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲に定義されており、又、当 業者に想到される他の例を含むことができる。このような他の例は、それが特許請求の 範囲の文字言語相違しない構造要素を有する場合、又は、特許請求の範囲の文字言語 と実質的な相違がない等価の構想要素を有する場合には、特許請求の範囲内にあるもの とする。

0025

10マルチスペクトルスターリングアレイ
12結像されるオブジェクト
14レンズ
16 作動式ミラー
18 ミラー
20スペクトルフィルタ
22 スペクトルフィルタ
24マイクロレンズアレイ
26 マイクロレンズアレイ
28 混合センサ
30 混合センサ
32光線
34 光線
36駆動器
40 像面
42 像面
100 マルチスペクトルスターリングアレイ
110 スペクトルフィルタ
112 マイクロレンズアレイ
114 センサ
116 センサ
118 センサ
120 像面
122 像面
124 像面
210 センサ
214 センサ
216 センサ
218 センサ
220 センサ
222マウント
224 マウント
226 像面
228 像面
230 像面
300 混合センサ
310 VNIR検出器アレイ
312 IR検出器
314UV検出器
316 VNIRピクセル
318 VNIRピクセル
400 マルチスペクトルスターリングアレイ
410 混合センサ
412 像面

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