撮像素子およびこれを用いた撮像装置
【課題】検出効率の低下や、解像度の劣化を生じることなく、大きく異なる複数の周波数帯域の電磁波による像を撮像する撮像素子およびこれを用いた撮像装置を提供する
【解決手段】撮像素子１０は、複数種類の画素群を備える。この複数種類の画素群を構成する画素１１、１２および１３は、それぞれ互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出し、且つ、互いに異なる画素配置パターンまたは画素密度を有する。
【解決手段】撮像素子１０は、複数種類の画素群を備える。この複数種類の画素群を構成する画素１１、１２および１３は、それぞれ互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出し、且つ、互いに異なる画素配置パターンまたは画素密度を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる複数の周波数帯域の電磁波による像を撮像する撮像素子およびこれを用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大きく異なる複数の周波数帯域で動作可能な光学素子は、さまざまな領域で必要とされている。例えば、赤外光を観察することによって、物や人の温度を検出することができ、テラヘルツ波を観察することにより、人体からの自然放射を映像化して隠匿物を発見したり、物質を被接触で弁別したりすることができる。そこで、可視光と赤外光あるいは可視光とテラヘルツ波の領域で動作する撮像システムを構築すれば、セキュリティや化学分析等の分野での活用が見込まれる。また、車載レーダーでは、約０．１ＴＨｚのミリ波と、赤外光によるサーモグラフィとを組み合わせて、生き物を感知して衝突を避けることも可能になる。
【０００３】
一般に可視光と赤外光、テラヘルツ波、ミリ波など周波数帯が大きく異なる電磁波の画像を検出するには、それぞれ構造や大きさ等が種々異なる撮像素子が必要になる。例えば、マイクロ波やミリ波に対してはアンテナ、テラヘルツ波に対してはボロメータ、光波に対してはフォトダイオード（ＰＤ）等が使用される。そこで、このような大きく異なる複数の周波数帯に対応する広帯域の撮像システムは、それぞれの帯域用に構成した撮像システムを併用することによって実現することができる。しかし、そのようなシステムは、構成が複雑かつ大型になることに加え、異なる帯域で検出した画像（映像）間の「対応づけ」のために膨大な処理を必要とする。
【０００４】
このため、大きく異なる複数の周波数帯域の電磁波を、一つの撮像素子で撮像できることが望ましい。そこで、同一の基板上に配置した検出器により、可視光による画像と遠赤外線による画像とを、ほぼ同時に取得する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の撮像素子は、可視光検出部と、赤外線検出部とが基板上に交互に２次元的に配列され、さらに、赤外線検出部は、受光面積を増やすために、可視光検出部の上部を覆うように配置された可視光に対して透明な赤外線吸収部に接続されている。これによって、一つの撮像素子により、可視光と遠赤外線との画像を撮像することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２０４９７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、引用文献１に記載の撮像素子では、赤外線吸収部を可視光検出部の前面に配置したので、赤外光より高い解像度が求められる観察対象からの可視光が、赤外線吸収部を透過する際に吸収されたり、散乱されたりするため、検出効率の低下や、解像度の劣化が生じるという課題があった。
【０００７】
また、赤外線検出部と可視光検出部とが同じ密度および同じパターンで配列されているため、赤外線検出部の検出効率を高めるためには、赤外線検出部に接続される赤外線吸収部の面積を大きくしなければならない。このため、赤外線検出部の密度を高くすることができず、その結果、可視光検出部の密度、すなわち可視光による解像度も犠牲にしなければならない。
【０００８】
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、検出効率の低下や、解像度の劣化を生じることなく、大きく異なる複数の周波数帯域の電磁波による像を撮像する撮像素子およびこれを用いた撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する撮像素子の発明は、複数種類の画素群を備える撮像素子であって、前記複数種類の画素群は、それぞれ互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出し、且つ、互いに異なる画素配置パターンまたは画素密度を有することを特徴とするものである。
【００１０】
好適には、前記互いに異なる周波数帯域の電磁波のうち少なくとも２つの電磁波の中心周波数は、５倍以上異なっている。
【００１１】
また、前記複数種類の画素群の各画素群は、前記検出する電磁波の前記周波数帯域が高いほど、該画素群を構成する画素密度が高いことが好ましい。あるいは、前記複数種類の画素群の各画素群は、前記検出する電磁波の前記周波数帯域が低いほど、該画素群を構成する画素の検出面の面積が大きいことが好ましい。
【００１２】
さらに、前記複数種類の画素群は、それぞれ互いに異なる３以上の周波数帯域の電磁波を検出する３種類以上の画素群であっても良い。
【００１３】
また、前記複数種類の画素群は、第１の画素群と第２の画素群とを含み、前記第１の画素群および前記第２の画素群は、互いに積層された第１の検出面および第２の検出面にそれぞれ配列されていても良い。あるいは、前記複数種類の画素群は、第１の画素群と第２の画素群とを含み、前記第１の画素群および前記第２の画素群は、同一の基板の表面と裏面とにそれぞれ形成された第１の検出面および第２の検出面にそれぞれ配列されていても良い。
【００１４】
ここで、好適には、前記第１の画素群は、第１の周波数帯域の電磁波を検出し、前記第２の画素群は、前記第１の周波数帯域よりも低い第２の周波数帯域の電磁波を検出し、前記第１の検出面から入射した前記第２の周波数帯域の電磁波は、前記第１の検出面を透過して前記第２の画素群により検出される。
【００１５】
さらに、前記複数種類の画素群は、フォトダイオードを有する第１の画素群と、パッチアンテナを有する第２の画素群とを備えることもできる。ここで、前記第１の画素群はＣＣＤとして構成され、前記パッチアンテナの少なくとも一部は、前記第１の画素群の遮光膜を兼ねても良い。
【００１６】
また、上記目的を達成する撮像装置の発明は、複数種類の画素群を備える撮像素子であって、前記複数種類の画素群は、複数の互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出し、且つ、配置のパターンまたは密度において、互いに異なっていることを特徴とする撮像素子と、前記互いに異なる周波数帯域の電磁波による被写体の像を、前記撮像素子の検出面に結像させる結像光学系とを備えるものである。
【００１７】
好ましくは、前記結像光学系は、前記互いに異なる周波数帯域の電磁波を分岐する分岐部と、前記分岐部により分岐された前記互いに異なる周波数帯域の前記電磁波を合波する合波部と、前記分岐部と前記合波部との間に設けられ、前記互いに異なる周波数帯域の前記電磁波を、それぞれ前記合波部で合波した後前記検出面に結像させる結像素子とを有する。
【００１８】
あるいは、前記結像光学系は、第１の誘電体中に前記第１の誘電体とは誘電率の異なる第２の誘電体を分散させてなる複合誘電体で構成された電磁波素子であって、所定の第１の波長の電磁波および前記第１の波長よりも長い所定の第２の波長の電磁波に対して略等しい有効誘電率を有し、前記第２の誘電体の平均的な粒径および平均的な間隔は、前記第１の波長よりも小さい電磁波素子を備えても良い。
【００１９】
さらに、好ましくは、前記第１の誘電体と前記第２の誘電体の少なくともいずれか一方は、前記第１の波長と前記第２の波長との間に、誘電率が大きく変化する共振波長を有する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、それぞれ互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出する複数種類の画素群が、互いに異なる画素配置パターンまたは画素密度を有するので、検出効率の低下や、解像度の劣化を生じることなく、大きく異なる複数の周波数帯域の電磁波による像を撮像することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る撮像素子の斜視図である。
【図２】本発明の第２実施の形態に係る撮像素子の斜視図である。
【図３】本発明の第３実施の形態に係る撮像素子を示す図である。
【図４】本発明の第４実施の形態に係る撮像素子の画素配置を示す図である。
【図５】本発明の第５実施の形態に係る撮像素子の概略構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第６実施の形態に係る撮像装置の光学系を示す図である。
【図７】図６の結像レンズを構成する複合誘電体の構成を示す模式図である。
【図８】図６の結像レンズの有効誘電率を２πａ／λ１の関数として表したグラフである。
【図９】本発明の第７実施の形態に係る撮像装置の光学系を示す図である。
【図１０】本発明の第８実施の形態に係る撮像装置の光学系を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る撮像素子の斜視図である。この撮像素子１０は、それぞれ異なる３つの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波を検出する、第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３をそれぞれ複数有している。以下において、適宜これら複数の第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３から構成される画素群を、それぞれ、第１の画素群、第２の画素群および第３の画素群と呼ぶ。以下の実施例においても同様とする。
【００２４】
３つの異なる周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３は、それぞれ波長の大きく異なる周波数帯域に属し、次の関係を満たす。
ｆ１＞ｆ２＞ｆ３ （１）
これら周波数の帯域のうち少なくとも２つは、周波数が大きく異なる。大きく異なるとは、可視光と、赤外光、ミリ波などのように、例えば、中心周波数が互いに５倍以上異なる場合を含む。周波数が５倍も違えば、一般的な光学素子により大きな色収差が発生する。
【００２５】
第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３は、それぞれ、周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３に対応して設けられた検出部を有する。例えば、ｆ１を可視光（約４００ＴＨｚ〜７５０ＴＨｚ）、ｆ２をテラヘルツ波（約０．３〜３ＴＨｚ）、ｆ３をミリ波（約３０ＧＨｚ〜０．３ＴＨｚ）の帯域に属するとすると、第１の画素１１はフォトダイオード（ＰＤ）の前面に波長フィルタを配置し、第２の画素１２はボロメータを用い、第３の画素１３は、パッチアンテナを用いて構成することができる。もちろん。周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の組み合わせはこれに限られず、紫外線、赤外線等の周波数領域等も含むことができる。また、これに対応する第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３の検出部も、平面アンテナや半導体検出器、温度センサ等種々の検出部を用いることができる。
【００２６】
第１の画素１１、第２の画素１２、第３の画素１３は、それぞれ略等しい面積を有し、第１の画素１１は、撮像素子１０の受光面上に、縦方向および横方向にそれぞれ１画素分の間隔を空けて交互に市松模様の一方の領域を形成するように、規則正しく配列されている。一方、例えば第３の画素１３は、互いに縦方向および横方向に３画素分の間隔を空けて配置された正方形の頂点およびその重心位置に配置されている。また、第２の画素１２は、第１の画素１１と第３の画素１３の配置されていない位置に配置されている。このように、画素配置のパターンは、それぞれの画素が形成する画素群ごとに互いに異なっている。
【００２７】
また、第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３の画素の各画素群は、検出する電磁波の周波数が高いほど、画素密度が高く配置されている。なお、ここで画素密度は、単位面積当たりの画素数を表している。例えば、図１では表示した領域にある合計１００画素のうち、第１の画素が５０個、第２の画素が３８個、第３の画素が１２個となっている。すなわち、第１の画素群、第２の画素群および第３の画素群の画素密度は互いに異なっている。
【００２８】
以上のような構成によって、本撮像素子１０を撮像装置に適用した場合、一つの撮像素子１０により、第１の画素群、第２の画素群および第３の画素群から、それぞれ周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波の２次元データが得られる。すなわち、それぞれの周波数に対応した３つの画像が得られる。また、第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３は、同一の受光面上に配置されているので、互いの画像データを容易に対応付けすることができる。従って、本撮像素子１０から出力される、それぞれ周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波の２次元データを画像処理することによって、例えば、可視光の画像上に、テラヘルツ波を観測して得られる画像や、ミリ波を観測して得られる画像などを重ね合わせて表示することができる。
【００２９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、それぞれ互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出する複数種類の画素群が、互いに異なる画素配置パターンおよび画素密度を有するので、検出効率の低下や、解像度の劣化を生じることなく、大きく異なる複数の周波数帯域の電磁波による像を撮像することができる。
【００３０】
すなわち、本実施の形態では、波長の短い周波数ｆ１に対応する第１の画素１１の前面を、より波長の長い第２の画素１２または第３の画素１３の検出部の一部が覆うことがないので、高い解像度が求められる観察対象からの周波数ｆ１の電磁波が、他の周波数ｆ２やｆ３の検出部を透過する際に吸収されたり、散乱されたりすることがなく、検出効率の低下や、解像度の劣化が生じることがない。
【００３１】
また、検出する周波数が高いほど、画素密度が高くなるように第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３を配置したので、周波数が高いほど空間的に精細な情報を検出することができる。これによって、周波数帯域ごとの解像度の特性に対応して、より高周波数の電磁波により、より高精細の画像を得ることができる。特に、第１の画素群により、高精細が必要とされる可視光領域で高解像度の画像を得ることができる。
【００３２】
（第２実施の形態）
図２は、本発明の第２実施の形態に係る撮像素子の斜視図である。この撮像素子２０は、それぞれ異なる３つの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波を検出する、第１の画素２１、第２の画素２２および第３の画素２３をそれぞれ複数有している。周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３は、第１実施の形態と同様に（１）式の関係を満たすものとする。
【００３３】
第１の画素２１、第２の画素２２および第３の画素２３の画素密度は、検出する電磁波の周波数が高いほど、画素密度が高く配置されている。さらに、第１の画素２１、第２の画素２２および第３の画素２３は、検出する電磁波の周波数帯域が低いほど、画素の検出面の面積が大きく構成されている。これは、検出対象の電磁波の波長より小さい検出器では、電磁波を検出することはできるが、検出の際の検出効率が低下してしまうことに基づいている。なお、図２において、第３の画素２３は、一部の第１の画素２１を囲むように配置されている。
【００３４】
本実施の形態によれば、より低い周波数に対応する画素ほどより大きくなるように構成しているので、異なる周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波に対してより均等な検出効率または信号強度で撮像することができる。また、周波数に応じて画素配置パターンや画素密度を異ならせることによって、第１の画素２１、第２の画素２２および第３の画素２３を互いに重なり合わさることなく、高い周波数ｆ１に対応した第１の画素２１の画素密度を確保しつつ、低い周波数ｆ３に対応した第３の画素２３の検出感度を高めている。これによって、第１実施の形態と同様に、検出効率の低下や、解像度の劣化が生じることがない。
【００３５】
なお、第１および第２実施の形態において、異なる３つの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３を検出する撮像素子について例示したが、検出される周波数は３つに限られず、２つまたは４つ以上の周波数帯に対応した撮像素子を構成できる。
【００３６】
（第３実施の形態）
図３は、本発明の第３実施の形態に係る撮像素子を示す図であり、（ａ）は撮像素子３０の斜視図であり、（ｂ）は、積層された下側の基板３３のみを示す斜視図である。この撮像素子３０は、第１の基板３１上の第１の検出面３２と第２の基板３３上の第２の検出面３４との２つの検出面を有する。第１の検出面３２および第２の検出面３４には、それぞれ異なる２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を検出する、第１の画素３５および第２の画素３６がそれぞれ複数配置されている。
【００３７】
ここで、周波数ｆ１およびｆ２は、次の関係を満たす。
ｆ１＞ｆ２ （２）
周波数ｆ１の電磁波は、例えば、可視光であり、周波数ｆ２の電磁波は、赤外光またはそれよりも周波数の低い電磁波である。より低い周波数ｆ２に対応する第２の画素３６は、より高い周波数ｆ１に対応する第１の画素３５に比べ、検出面の面積が大きくなっている。
【００３８】
第１の画素３５の検出部は、ＰＤにより構成される。一般に、ＰＤを構成する半導体材料の多くは、赤外から低周波側の電磁波に対して透明であり、本実施の形態の第１の画素３５も、そのようなＰＤを備える。したがって、第１の検出面３２に対して周波数ｆ１とｆ２を有する電磁波が照射されると、第１の画素３５による画素群（第１の画素群）が、第１の周波数ｆ１の電磁波を検出し、第１の検出面３２を透過した周波数ｆ２の第２の周波数ｆ２の電磁波を、第２の画素３６による画素群（第２の画素群）が検出する。
【００３９】
本実施の形態によれば、撮像素子３０は、より低い周波数に対応する画素ほど大きくなるように構成しているので、異なる周波数ｆ１およびｆ２の電磁波に対してより均等な検出効率で撮像することができる。また、それぞれ第１の画素３５の画素群と第２の画素３６の画素群とを有する第１の基板３１と第２の基板３３とを重ね合わせながら、第１の画素３５の検出部が周波数ｆ２の電磁波に対して透明であるため、周波数ｆ２の電磁波が第１の画素３５の検出部を透過する際に吸収されたり、散乱されたりすることが無く、検出効率の低下や、解像度の劣化が生じることがない。
【００４０】
なお、本実施の形態では、２種類の周波数ｆ１およびｆ２に対応した第１の画素３５と第２の画素３６とを設けたが、撮像素子が検出するのは２つの周波数帯域に限られず、３つ以上の周波数の電磁波を検出するようにしても良い、その場合、それぞれ異なる周波数に対応した画素群を有する３つ以上の基板を積層する。その際、電磁波の入射側から見て積層される後側の基板上の画素に対応する電磁波は、前側の基板上の各画素の検出部を透過するものとする。あるいは、第２の基板には、第１実施の形態または第２実施の形態で示した撮像素子１０または撮像素子２０を用いても良い。
【００４１】
（第４実施の形態）
図４は、本発明の第４実施の形態に係る撮像素子の画素配置を示す図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）は断面図を示している。この撮像素子４０は、同一の基板の表面と裏面とにそれぞれ第１の検出面４１と第２の検出面４２とを有している。第１の検出面４１および第２の検出面４２には、それぞれ異なる２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を検出する、第１の画素４３および第２の画素４４がそれぞれ複数配置され、第１の画素群および第２の画素群を形成している。周波数ｆ１と周波数ｆ２とは、第３実施の形態と同様に、（２）式の関係を満たし、周波数ｆ１の電磁波は、例えば、可視光である。まその場合、第１の画素４３の検出部は、例えばＰＤにより構成される。さらに、より低い周波数ｆ２に対応する第２の画素４４は、より高い周波数ｆ１に対応する第１の画素４３に比べ、検出面の面積が大きくなっている。
【００４２】
以上のような構成により、撮像素子４０が撮像装置に適用された場合、第１の検出面４１に対して周波数ｆ１とｆ２を有する電磁波が入射すると、第１の画素４３による第１の画素群が、第１の周波数帯域ｆ１の電磁波を検出し、第１の検出面４３を透過した周波数ｆ２の第２の周波数帯域ｆ２の電磁波を、第２の画素４４による第２の画素群が検出する。これによって、周波数ｆ１およびｆ２に対応した２つの画像信号が得られる。
【００４３】
本実施の形態によれば、第３実施の形態と同様に、撮像素子４０は、異なる周波数ｆ１およびｆ２の電磁波に対してより均等な検出効率または信号強度で撮像することができる。また、第１の画素群の検出部が周波数ｆ２の電磁波に対して透明であるため、周波数ｆ２の電磁波が第１の画素４３の検出部を透過する際に吸収されたり、散乱されたりすることがなく、検出効率の低下や、解像度の劣化が生じることがない。
【００４４】
なお、本実施の形態では、撮像素子は表面と裏面とに形成された２つの検出面４１、４２に配置された２つの画素群を有していたが、何れか一方または双方の検出面に、2種類以上の画素群を配置することも可能である。あるいは、裏面の第２の検出面を透過した電磁波をさらに検出するための、第３の検出面を有する基板を該裏面に接するようにあるいは近接させて配置することもできる。この場合、第３の検出面を、第１実施の形態または第２実施の形態で示した撮像素子１０または撮像素子２０の画素配置を有するように構成しても良い。
【００４５】
（第５実施の形態）
本発明の第５実施の形態に係る撮像素子の概略構成を示す断面図である。撮像素子５０は、２つの異なる周波数ｆ１およびｆ２の電磁波の検出機構を一体化して構成している。周波数ｆ１は可視光または赤外光の領域にあり、周波数ｆ２はｆ１より低く、例えば、ミリ波帯に属する。
【００４６】
撮像素子５０は、一般的なＣＣＤに基づいた構成を有しており、半導体の基板５１上に複数のフォトダイオード（ＰＤ）５２が２次元的に配列されている。また、撮像素子５０は、マイクロレンズアレイ５３と、埋め込みチャネル５４と転送電極５５とを備える。周波数ｆ１の光（図５において矢印で示される）は、マイクロレンズアレイ５３によって収束され、ＰＤ５２に照射され、信号電荷に変換される。この電荷は、埋め込みチャネル５４および転送電極５５により図示しない出力部へ転送される。さらに、ＰＤ５２以外で光電効果が生じると不要なノイズを生じさせるので、転送電極５５の上部には金属製（アルミ製）の遮光膜５６が形成されている。
【００４７】
さらに、撮像素子５０では、上述のような一般的なＣＣＤの構成に加え、基板５１の裏面に金属のグランド板５７を設けて接地するとともに、遮光膜５６に図示しない配線を接続した構成とし、グランド板５７と遮光膜５６とによりパッチアンテナアレイを構成する。このパッチアンテナにより、周波数ｆ２の電磁波を検出する。
【００４８】
遮光膜５６は、ＰＤ５２の上方の開口部以外を覆うようにしつつ、複数の領域に区分され、これによってパッチアンテナの形状、配置が適宜設定できる。撮像素子５０を上面側から見たとき、ＰＤ５２とパッチアンテナの配置関係は、市松模様のように交互に升目状に配置されていても良く、図２の第１画素２１および第３の画素２３のように、パッチアンテナがフォトダイオードを囲むように配置されていても良い。
【００４９】
以上のような構成によって、撮像素子５０に結像される周波数ｆ１とｆ２の電磁波のうち、周波数ｆ１の電磁波は、ＰＤ５２により検出される。一方、周波数ｆ２の電磁波は、遮光膜５６とグランド板５７により構成されるパッチアンテナにより検出される。
【００５０】
したがって、本実施の形態によれば、一般的なＣＣＤの構成をベースとしながら、配線とグランド板など単純な構成の付加によって、パッチアンテナ機能を付加して、異なる周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を検出することができる。また、パッチアンテナの密度や配置は、種々に設計することが可能であり、これによって、周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を検出光率の低下や解像度の劣化を招くことなく良好に検出することができる。
【００５１】
なお、第１〜第５実施の形態の撮像素子は、それぞれ周波数ｆ１、ｆ２またはｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波を検出するものとしたが、これらの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３は、厳密にこれらの周波数の電磁波に限るものではなく、これらの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３を中心周波数とする一定の帯域幅を有する電磁波としても良い。その帯域幅は、撮像素子の各画素群の検出部に応じて、種々の帯域幅とすることができる。
【００５２】
(第６実施の形態）
図６は、本発明の第６実施の形態に係る撮像装置の光学系を示す図である。なお、本願では、一般に光の領域に分類されない電磁波に対しても、電磁波を物体から撮像素子に導く経路について「光学系」の用語を用いている。この撮像システム６０は撮像素子６１と、結像レンズ６２（電磁波素子）とを含む。撮像素子６１は、２つの異なる周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を検出する撮像素子であり、例えば、第３〜５実施の形態の各撮像素子３０，４０および５０を用いることができる。結像レンズ６２は、周波数ｆ１および周波数ｆ２の電磁波に対して、同一の屈折率を有する素子であり、物体６３の像６４を撮像素子６１上に結像させる。物体の１点を発した電磁波は、結像レンズにより撮像素子上で再び１点に集められて像を形成する。
【００５３】
本撮像システムは２つの周波数ｆ１およびｆ２で動作するように構成されており、図中の光線のうち実線はｆ１、破線はｆ２の電磁波に対応する。それぞれの周波数の電磁波による像６４は、撮像素子６１で電気信号へ変換されて、図示しない画像処理系により画像情報が形成される。通常、周波数が大きく異なる場合、それぞれの帯域における結像系の屈折率差に起因する色収差が発生する。本実施の形態によれば、周波数ｆ１および周波数ｆ２の電磁波に対して、同一の屈折率を有する結像レンズ６２を用いたので、色収差の影響を受けることがない。このような結像レンズ６２は、以下に図７および図８を用いて説明する複合誘電体を用いることによって構成することができる。なお、以下の説明では電磁波の真空中の波長を用いて説明するが、電磁波の波長λ１は周波数ｆ１に対応し、波長λ２は周波数ｆ２に対応する。
【００５４】
図７は、図６の結像レンズを構成する複合誘電体の構成を示す模式図である。この複合誘電体６５は、第１の誘電体６６中に第１の誘電体６６とは誘電率の異なる第２の誘電体６７が分散されている。ここで、第１の誘電体６６の誘電率をε１、第２の誘電体６７の誘電率をε２とする。簡単のために、第２の誘電体６７は全て半径ａの球体であり、図には示されていないが、３次元的に配置されて周期ｐ（＞ａ）の正方格子を形成しているものと仮定する。この場合、全体に占める第２の誘電体６７の体積占有率は、（３）式で与えられる。
【００５５】
【数１】
【００５６】
このｆを、以後、単に体積占有率と呼ぶ。このような複合誘電体６５を、２つの異なる波長の電磁波に対して使用するものとし、使用するそれぞれの電磁波の真空中における波長をλ１およびλ２とする。第２の誘電体６７が配列された格子の周期ｐと第１および第２の電磁波の波長λ１，λ２との間には、（４）の関係が成立するものとする。
【００５７】
【数２】
【００５８】
この場合、複合誘電体６５に対して実効的な誘電率を定義することができる。これを有効誘電率と呼びεeffで表す。有効誘電率εeffは、（５）式で表されることが知られている（C. L. Holloway et al., IEEE Transactions on Antenna and Propagation, Vol. 51, p.2596-2603 (2003)参照）。
【００５９】
【数３】
【００６０】
ここで、F（θ）は（６）式で定義される。
【００６１】
【数４】
【００６２】
図８は、第１の波長であるλ１を５００ｎｍとしたときの（５）式で表される有効誘電率を、２πａ／λ１を横軸にとって表したグラフである。ここで、第１の誘電体６６としてＳｉＯ２（ε１（λ１）＝２．１４）を、第２の誘電体６７としてＺｎＳ（ε２（λ１）＝５．８６）をそれぞれ用い、体積占有率をｆ＝０．２６８とした。第１の誘電体６６および第２の誘電体６７の誘電率ε１（λ１）およびε２（λ１）は、波長λ１＝５００ｎｍに対する値である。このグラフの左端（２πａ／λ１＝０）での有効誘電率はε０eff（λ１）＝２．８４である。グラフの左端から２πａ／λ１が増大するにつれて有効誘電率は増大し、２πａ／λ１＝１．３９の近傍で、急峻に増大し発散する。これは、第２の誘電体６７により構成される誘電率ε２の誘電体球が共振器として作用することに起因しており、この領域では、複合誘電体６５の構造周期を調整することによって、２．８４以上の任意の有効誘電率を実現することができる。
【００６３】
一方、第２の波長λ２を１００μmとしたとき、第１の誘電体６６および第２の誘電体６７の誘電率は、それぞれ、ε１（λ２）＝３．８８、ε２（λ２）＝９．３６である。この場合も、第２の波長λ２に対する有効誘電率のグラフは図２と同様に、所定の２πａ／λ２で発散する曲線となる。ここで、λ２はλ１の、約２００倍であることを考慮すれば、第２の波長λ２の電磁波に対して有効誘電率が発散する第２の誘電体６７の半径ａ２の値は、第１の波長λ１の電磁波に対して、有効誘電率が発散する半径ａ１の値よりもかなり（２桁程度）大きくなる。したがって、０＜２πａ／λ１＜１．３９を満たすａの範囲では、第２の波長λ２に対する発散は発生せず、有効誘電率は、εeff（λ２）＝４．９７でほぼ一定値となる。
【００６４】
したがって、半径ａを適切な値に設定することによって、第１の波長λ１の電磁波の有効誘電率εeffを、第２の電磁波の有効誘電率εeffと略一致させることが可能である。具体的には、図２において２πａ／λ１＝１．１８ のとき、第１の電磁波に対する有効誘電率がεeff＝４．９８となるので、波長λ１＝５００ｎｍに対しても、波長λ２＝１００μｍに対しても、ほぼ同じ値の有効誘電率が得られることになる。誘電体は磁気的応答を示さないため、複合誘電体の実効的な屈折率（有効屈折率）は有効誘電率の平方根に等しい。したがって、上記の例では、複合誘電体は波長λ１およびλ２のいずれに対してもほぼ同じ値の有効屈折率を示す。
【００６５】
なお、上記の説明では、２πａ／λ１＝１．３９の近傍で、第２の誘電体６７を構成する球体の半径ａを調整し、第１の波長λ１の電磁波に対する有効誘電率εeffを、第２の波長λ２の有効誘電率εeffと同じ値となるようにした。一方、同じく２πａ／λ１＝１．３９の近傍で、第１の波長λ１を調整することによっても、有効誘電率εeffを変化させることが可能である。
【００６６】
したがって、上述の複合誘電体６５により構成される結像レンズ６２を用いることによって、色収差の補正を考慮することなく単純な構成により、２つの周波数ｆ１およびｆ２電磁波に対して同じ屈折率を有する光学系を構成することができる。また、図６では結像レンズ６２一つからなる単純な光学系を例示したが、複合誘電体６５よりなる複数の素子を用いて光学系を構成しても良い。
【００６７】
本実施の形態に係る撮像装置６０は、互いに大きく異なる２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を検出する２つの画素群を有する撮像素子６１と、周波数ｆ１およびｆ２の電磁波に対して略等しい屈折率を有する複合誘電体により構成される結像レンズ６２（電磁波素子）を有する結像光学系により構成されているので、大きく異なる２つの周波数帯の電磁波による画像を、単一の撮像装置６０より撮像することができる。とくに、複合誘電体６５を用いたことにより、光学系を単純化することができ、装置を小型、軽量に構成することが可能になる。これによって、例えば、可視光と赤外光や可視光とミリ波などの組み合わせによる画像を同時に同一の撮像素子６１を用いて撮像することができ、さらに、撮像した画像間の対応付けが容易である。
【００６８】
（第７実施の形態）
図９は、本発明の第７実施の形態に係る撮像装置の光学系を示す図である。周波数ｆ１とｆ２とが大きく異なる場合、それぞれの帯域における結像レンズ（系）の屈折率の差に起因する色収差が、通常の収差補正（レンズ設計）の技術によって十分に補正できない。そこで、この撮像装置７０は、それぞれの周波数に対して個別に結像レンズ（系）を設け、それぞれ２つの周波数ｆ１およびｆ２で動作するように構成している。図中の光線のうち実線はｆ１、破線はｆ２の電磁波に対応する。以下にこの撮像装置７０の光学系の構成を説明する。なお、撮像対象となるのは周波数ｆ１およびｆ２の電磁波のみであるが、物体から発する電磁波にはそれら以外の周波数成分が含まれていてもよい。
【００６９】
撮像装置７０は、撮像素子７１と、第１のダイクロイックミラー７２、第２のダイクロイックミラー７３、第１のフィルタ７４、第１のミラー７５、第１の結像レンズ７６、第２のフィルタ７７、第２のミラー７８および第２の結像レンズ７９を含む結像光学系とを備える。
【００７０】
第１のダイクロイックミラー７２は、周波数ｆ１を含む電磁波と周波数ｆ２を含む電磁波とを分岐させる素子であり分岐部を構成する。物体８０から発した一方の電磁波は直進し、他方の電磁波は、第１のダイクロイックミラー７２により反射されて分離される。図９では、周波数ｆ１の電磁波が直進し、周波数ｆ２の電磁波が反射される例を示しており、以下これに基づいて説明する。
【００７１】
第１のダイクロイックミラー７２を透過した電磁波は、周波数ｆ１以外の成分が第１のフィルタ７４によって除去され、第１のミラー７５で反射された後に第１の結像レンズ７６（結像素子）により撮像素子７１上に結像される。ここで、第１の結像レンズ７６と撮像素子７１との間には、合波部である第２のダイクロイックミラー７３が設けられ、周波数ｆ１の電磁波を撮像素子７１の検出面に向けて反射させる。
【００７２】
また、第１のダイクロイックミラー７２により反射された電磁波は、周波数ｆ２以外の成分が第２のフィルタ７７によって除去され、第２のミラー７８で反射された後に第２の結像レンズ７９（結像素子）により撮像素子７１上に結像される。第２の結像レンズ７９と撮像素子７１との間には、上述の第２のダイクロイックミラー７３が配置され、周波数ｆ２の電磁波を撮像素子７１の検出面に向けて透過させる。
【００７３】
したがって、第２のダイクロイックミラー７３は、周波数ｆ１の電磁波と周波数ｆ２の電磁波とを同じ撮像素子７１の検出面上に、像８１を結像するように合波している。
【００７４】
撮像素子７１は、例えば、第３〜５実施の形態の各撮像素子３０，４０または５０を用いることができる。それぞれの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波による像は、撮像素子７１で電気信号へ変換されて、画像処理系により画像情報が作成される。
【００７５】
本実施の形態によれば、互いに大きく異なる２つの周波数帯域ｆ１およびｆ２の電磁波を、それぞれ分離して異なる結像レンズ７６および７９を用いて撮像素子７１に結像させているので、大きく異なる２つの周波数帯の電磁波による像８１を、単一の撮像装置７０により撮像することができる。また、それぞれの結像レンズにより結像されるべき電磁波は単一の周波数に限られるので、その周波数に対して結像レンズの設計を最適化することができ、ｆ１およびｆ２のいずれの周波数に対しても良好な結像性能を容易に得ることができる。
【００７６】
(第８実施の形態）
図１０は、本発明の第８実施の形態に係る撮像装置の光学系を示す図である。本実施の形態に係る撮像装置９０は、３つの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波を用いて撮像を行う撮像装置である。
【００７７】
この撮像装置９０は、それぞれの周波数ｆ１、ｆ２、およびｆ３に対して個別に結像レンズ（系）を設け、３つの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３で動作するように構成している。図中の光線のうち一点鎖線は周波数ｆ１、実線は周波数ｆ２、破線は周波数ｆ３の電磁波に相当する。以下にこの撮像装置９０の光学系の構成を説明する。
【００７８】
撮像装置９０は、撮像素子９１と、第１のダイクロイックミラー９２、第２のダイクロイックミラー９３、第３のダイクロイックミラー９４、第４のダイクロイックミラー９５およびこれらの間に配置される光学素子を含む結像光学系とを備える。第１のダイクロイックミラー９２は、物体１０４から発した電磁波のうち周波数ｆ１の電磁波と周波数ｆ２および周波数ｆ３の電磁波とを分岐させる。第２のダイクロイックミラー９３は、周波数ｆ２の電磁波と周波数ｆ３の電磁波とを分岐させる。また、第３のダイクロイックミラー９４は、周波数ｆ１の電磁波と周波数ｆ２の電磁波とを合波する。さらに、第４のダイクロイックミラー９５は、周波数ｆ１およびｆ２の電磁波と周波数ｆ３の電磁波とを合波する。従って、第１のダイクロイックミラー９２と、第２のダイクロイックミラー９３とは分岐部に相当し、第３のダイクロイックミラー９４と、第４のダイクロイックミラー９５とは合波部に相当する。
【００７９】
また、第１のダイクロイックミラー９２と第３のダイクロイックミラー９４との間には、第１のフィルタ９６，第１のミラー９７および第１の結像レンズ９８が配置される。物体１０４から発して、第１のダイクロイックミラー９２を透過した電磁波は、周波数ｆ１以外の成分が第１のフィルタ９６によって除去され、第１のミラー９７で反射された後に第１の結像レンズ９８（結像素子）により撮像素子９１の検出面上に、像１０５を結像する。
【００８０】
また、第２のダイクロイックミラー９３と第３のダイクロイックミラー９４との間には、第２のフィルタ９９および第２の結像レンズ１００が配置される。物体１０４から発して、第２のダイクロイックミラー９３で反射された電磁波は、周波数ｆ２以外の成分が第２のフィルタ９９によって除去された後に第２の結像レンズ１００（結像素子）により撮像素子９１の検出面上に、像１０５を結像する。
【００８１】
さらに、第２のダイクロイックミラー９３と第４のダイクロイックミラー９５との間には、第３のフィルタ１０１、第３の結像レンズ１０２および第２のミラー１０３が配置される。物体１０４から発して、第３のダイクロイックミラー９３を透過した電磁波は、周波数ｆ３以外の成分が第３のフィルタ１０１によって除去され、第２のミラー１０３の前段に配置された第３の結像レンズ１０２（結像素子）により撮像素子９１の検出面上に、像１０５を結像する。
【００８２】
撮像素子９１は、例えば、本願の第１または第２実施の形態に係る撮像素子１０または２０を用いることができる。それぞれの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波による像は、撮像素子９１で電気信号へ変換されて、画像処理系により画像情報が作成される。
【００８３】
本実施の形態によれば、互いに大きく異なる３つの周波数帯域ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波を、それぞれ分離して異なる結像レンズ９８、１００および１０２を用いて撮像素子９１に結像させているので、大きく異なる３つの周波数帯の電磁波による画像を、単一の撮像装置９０により撮像することができる。また、それぞれの結像レンズにより結像されるべき電磁波は単一の周波数に限られるので、その周波数に対して結像レンズの設計を最適化することができ、ｆ１、ｆ２およびｆ３のいずれの周波数に対しても良好な結像性能を容易に得ることができる。
【００８４】
本発明の撮像素子および撮像装置は、色収差の影響が非常に大きくなるような場合、例えば、周波数が１００倍以上異なる場合に、さらに有効である。
【００８５】
なお、第６〜８実施の形態では、２つの周波数ｆ１およびｆ２または３つの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３を用いた撮像システムの例を示したが、利用できる周波数は厳密にこの２つまたは３つの周波数に限定されるわけではない。物体から発する電磁波に広帯域の周波数成分が含まれる場合、例えば周波数ｆ１を中心とするある程度の帯域の電磁波は、周波数ｆ１の電磁波と同様に良好な結像が可能である。周波数ｆ２およびｆ３電磁波についても同様である。良好な結像が得られる帯域は、主として結像レンズの色収差の度合いにより決まる。周波数ｆ１において結像レンズの色収差が小さいか、あるいはよく補正されている場合には、ｆ１を中心とするより広い帯域の電磁波を用いて良好な結像を得ることができる。撮像の目的や結像レンズの色収差を考慮して、結像に寄与する電磁波の帯域を調整したいときには、所望の周波数特性を有するダイクロイックミラーやフィルタを用いればよい。
【００８６】
また、第６実施の形態においては、第７および第８実施の形態のように、異なる周波数毎に光路を分岐する構成を含んでも良い。その場合、複合誘電体より成る結像レンズに入射する前の各周波数帯の光路長の差がほぼ０となるように調整することが好ましい。また、第６〜８実施の形態において、第３および第４実施の形態のように、第３および第４実施の形態で示したような、周波数ごとの検出面の光軸方向の位置が異る撮像素子を用い、且つ、その差異が無視できない場合は、その差異を考慮して光路差を設けることが好ましい。
【００８７】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、撮像素子の、複数種類の画素群は４種類以上の画素群であっても良い。また、全ての画素群の検出する周波数領域が、全て互いに大きく異なっている必要は無い。例えば、４種類の画素群を有し、そのうち３種類の画素は、Ｒ、Ｇ、Ｂの可視光に対応し、他の１種類の画素がミリ波やテラヘルツ波を検出するものであっても良い。
【００８８】
また、第７および第８実施の形態に係る撮像装置の結像光学系は、２つまたは３つの異なる周波数帯域に対応していたが、分岐部でより多くの周波数帯域に分岐させることにより、４つ以上の周波数帯に対応する結像光学系を構築することもできる。
【符号の説明】
【００８９】
１０，２０，３０，４０，５０ 撮像素子
１１，２１，３５，４３ 第１の画素
１２，２２，３６，４４ 第２の画素
１３，２３ 第３の画素
３１ 第１の基板
３２，４１ 第１面
３３ 第２の基板
３４，４２ 第２面
３５ 第１の基板
３６ 第２の基板
５１ 基板
５２ フォトダイオード
５３ マイクロレンズアレイ
５４ 埋め込みチャネル
５５ 転送電極
５６ 遮光膜
５７ グランド板
６０，７０ 撮像装置
６１，７１，９１ 撮像素子
６２ 結像レンズ
６３，８０，１０４ 物体
６４，８１，１０５ 像
６５ 複合誘電体
６６ 第１の誘電体
６７ 第２の誘電体
７２，９２ 第１のダイクロイックミラー
７３，９３ 第２のダイクロイックミラー
７４，９６ 第１のフィルタ
７５，９７ 第１のミラー
７６，９８ 第１の結像レンズ
７７，９９ 第２のフィルタ
７８，１０３ 第２のミラー
７９，１００ 第２の結像レンズ
９４ 第３のダイクロイックミラー
９５ 第４のダイクロイックミラー
１０１ 第３のフィルタ
１０２ 第３の結像レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる複数の周波数帯域の電磁波による像を撮像する撮像素子およびこれを用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大きく異なる複数の周波数帯域で動作可能な光学素子は、さまざまな領域で必要とされている。例えば、赤外光を観察することによって、物や人の温度を検出することができ、テラヘルツ波を観察することにより、人体からの自然放射を映像化して隠匿物を発見したり、物質を被接触で弁別したりすることができる。そこで、可視光と赤外光あるいは可視光とテラヘルツ波の領域で動作する撮像システムを構築すれば、セキュリティや化学分析等の分野での活用が見込まれる。また、車載レーダーでは、約０．１ＴＨｚのミリ波と、赤外光によるサーモグラフィとを組み合わせて、生き物を感知して衝突を避けることも可能になる。
【０００３】
一般に可視光と赤外光、テラヘルツ波、ミリ波など周波数帯が大きく異なる電磁波の画像を検出するには、それぞれ構造や大きさ等が種々異なる撮像素子が必要になる。例えば、マイクロ波やミリ波に対してはアンテナ、テラヘルツ波に対してはボロメータ、光波に対してはフォトダイオード（ＰＤ）等が使用される。そこで、このような大きく異なる複数の周波数帯に対応する広帯域の撮像システムは、それぞれの帯域用に構成した撮像システムを併用することによって実現することができる。しかし、そのようなシステムは、構成が複雑かつ大型になることに加え、異なる帯域で検出した画像（映像）間の「対応づけ」のために膨大な処理を必要とする。
【０００４】
このため、大きく異なる複数の周波数帯域の電磁波を、一つの撮像素子で撮像できることが望ましい。そこで、同一の基板上に配置した検出器により、可視光による画像と遠赤外線による画像とを、ほぼ同時に取得する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の撮像素子は、可視光検出部と、赤外線検出部とが基板上に交互に２次元的に配列され、さらに、赤外線検出部は、受光面積を増やすために、可視光検出部の上部を覆うように配置された可視光に対して透明な赤外線吸収部に接続されている。これによって、一つの撮像素子により、可視光と遠赤外線との画像を撮像することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２０４９７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、引用文献１に記載の撮像素子では、赤外線吸収部を可視光検出部の前面に配置したので、赤外光より高い解像度が求められる観察対象からの可視光が、赤外線吸収部を透過する際に吸収されたり、散乱されたりするため、検出効率の低下や、解像度の劣化が生じるという課題があった。
【０００７】
また、赤外線検出部と可視光検出部とが同じ密度および同じパターンで配列されているため、赤外線検出部の検出効率を高めるためには、赤外線検出部に接続される赤外線吸収部の面積を大きくしなければならない。このため、赤外線検出部の密度を高くすることができず、その結果、可視光検出部の密度、すなわち可視光による解像度も犠牲にしなければならない。
【０００８】
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、検出効率の低下や、解像度の劣化を生じることなく、大きく異なる複数の周波数帯域の電磁波による像を撮像する撮像素子およびこれを用いた撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する撮像素子の発明は、複数種類の画素群を備える撮像素子であって、前記複数種類の画素群は、それぞれ互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出し、且つ、互いに異なる画素配置パターンまたは画素密度を有することを特徴とするものである。
【００１０】
好適には、前記互いに異なる周波数帯域の電磁波のうち少なくとも２つの電磁波の中心周波数は、５倍以上異なっている。
【００１１】
また、前記複数種類の画素群の各画素群は、前記検出する電磁波の前記周波数帯域が高いほど、該画素群を構成する画素密度が高いことが好ましい。あるいは、前記複数種類の画素群の各画素群は、前記検出する電磁波の前記周波数帯域が低いほど、該画素群を構成する画素の検出面の面積が大きいことが好ましい。
【００１２】
さらに、前記複数種類の画素群は、それぞれ互いに異なる３以上の周波数帯域の電磁波を検出する３種類以上の画素群であっても良い。
【００１３】
また、前記複数種類の画素群は、第１の画素群と第２の画素群とを含み、前記第１の画素群および前記第２の画素群は、互いに積層された第１の検出面および第２の検出面にそれぞれ配列されていても良い。あるいは、前記複数種類の画素群は、第１の画素群と第２の画素群とを含み、前記第１の画素群および前記第２の画素群は、同一の基板の表面と裏面とにそれぞれ形成された第１の検出面および第２の検出面にそれぞれ配列されていても良い。
【００１４】
ここで、好適には、前記第１の画素群は、第１の周波数帯域の電磁波を検出し、前記第２の画素群は、前記第１の周波数帯域よりも低い第２の周波数帯域の電磁波を検出し、前記第１の検出面から入射した前記第２の周波数帯域の電磁波は、前記第１の検出面を透過して前記第２の画素群により検出される。
【００１５】
さらに、前記複数種類の画素群は、フォトダイオードを有する第１の画素群と、パッチアンテナを有する第２の画素群とを備えることもできる。ここで、前記第１の画素群はＣＣＤとして構成され、前記パッチアンテナの少なくとも一部は、前記第１の画素群の遮光膜を兼ねても良い。
【００１６】
また、上記目的を達成する撮像装置の発明は、複数種類の画素群を備える撮像素子であって、前記複数種類の画素群は、複数の互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出し、且つ、配置のパターンまたは密度において、互いに異なっていることを特徴とする撮像素子と、前記互いに異なる周波数帯域の電磁波による被写体の像を、前記撮像素子の検出面に結像させる結像光学系とを備えるものである。
【００１７】
好ましくは、前記結像光学系は、前記互いに異なる周波数帯域の電磁波を分岐する分岐部と、前記分岐部により分岐された前記互いに異なる周波数帯域の前記電磁波を合波する合波部と、前記分岐部と前記合波部との間に設けられ、前記互いに異なる周波数帯域の前記電磁波を、それぞれ前記合波部で合波した後前記検出面に結像させる結像素子とを有する。
【００１８】
あるいは、前記結像光学系は、第１の誘電体中に前記第１の誘電体とは誘電率の異なる第２の誘電体を分散させてなる複合誘電体で構成された電磁波素子であって、所定の第１の波長の電磁波および前記第１の波長よりも長い所定の第２の波長の電磁波に対して略等しい有効誘電率を有し、前記第２の誘電体の平均的な粒径および平均的な間隔は、前記第１の波長よりも小さい電磁波素子を備えても良い。
【００１９】
さらに、好ましくは、前記第１の誘電体と前記第２の誘電体の少なくともいずれか一方は、前記第１の波長と前記第２の波長との間に、誘電率が大きく変化する共振波長を有する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、それぞれ互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出する複数種類の画素群が、互いに異なる画素配置パターンまたは画素密度を有するので、検出効率の低下や、解像度の劣化を生じることなく、大きく異なる複数の周波数帯域の電磁波による像を撮像することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る撮像素子の斜視図である。
【図２】本発明の第２実施の形態に係る撮像素子の斜視図である。
【図３】本発明の第３実施の形態に係る撮像素子を示す図である。
【図４】本発明の第４実施の形態に係る撮像素子の画素配置を示す図である。
【図５】本発明の第５実施の形態に係る撮像素子の概略構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第６実施の形態に係る撮像装置の光学系を示す図である。
【図７】図６の結像レンズを構成する複合誘電体の構成を示す模式図である。
【図８】図６の結像レンズの有効誘電率を２πａ／λ１の関数として表したグラフである。
【図９】本発明の第７実施の形態に係る撮像装置の光学系を示す図である。
【図１０】本発明の第８実施の形態に係る撮像装置の光学系を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る撮像素子の斜視図である。この撮像素子１０は、それぞれ異なる３つの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波を検出する、第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３をそれぞれ複数有している。以下において、適宜これら複数の第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３から構成される画素群を、それぞれ、第１の画素群、第２の画素群および第３の画素群と呼ぶ。以下の実施例においても同様とする。
【００２４】
３つの異なる周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３は、それぞれ波長の大きく異なる周波数帯域に属し、次の関係を満たす。
ｆ１＞ｆ２＞ｆ３ （１）
これら周波数の帯域のうち少なくとも２つは、周波数が大きく異なる。大きく異なるとは、可視光と、赤外光、ミリ波などのように、例えば、中心周波数が互いに５倍以上異なる場合を含む。周波数が５倍も違えば、一般的な光学素子により大きな色収差が発生する。
【００２５】
第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３は、それぞれ、周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３に対応して設けられた検出部を有する。例えば、ｆ１を可視光（約４００ＴＨｚ〜７５０ＴＨｚ）、ｆ２をテラヘルツ波（約０．３〜３ＴＨｚ）、ｆ３をミリ波（約３０ＧＨｚ〜０．３ＴＨｚ）の帯域に属するとすると、第１の画素１１はフォトダイオード（ＰＤ）の前面に波長フィルタを配置し、第２の画素１２はボロメータを用い、第３の画素１３は、パッチアンテナを用いて構成することができる。もちろん。周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の組み合わせはこれに限られず、紫外線、赤外線等の周波数領域等も含むことができる。また、これに対応する第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３の検出部も、平面アンテナや半導体検出器、温度センサ等種々の検出部を用いることができる。
【００２６】
第１の画素１１、第２の画素１２、第３の画素１３は、それぞれ略等しい面積を有し、第１の画素１１は、撮像素子１０の受光面上に、縦方向および横方向にそれぞれ１画素分の間隔を空けて交互に市松模様の一方の領域を形成するように、規則正しく配列されている。一方、例えば第３の画素１３は、互いに縦方向および横方向に３画素分の間隔を空けて配置された正方形の頂点およびその重心位置に配置されている。また、第２の画素１２は、第１の画素１１と第３の画素１３の配置されていない位置に配置されている。このように、画素配置のパターンは、それぞれの画素が形成する画素群ごとに互いに異なっている。
【００２７】
また、第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３の画素の各画素群は、検出する電磁波の周波数が高いほど、画素密度が高く配置されている。なお、ここで画素密度は、単位面積当たりの画素数を表している。例えば、図１では表示した領域にある合計１００画素のうち、第１の画素が５０個、第２の画素が３８個、第３の画素が１２個となっている。すなわち、第１の画素群、第２の画素群および第３の画素群の画素密度は互いに異なっている。
【００２８】
以上のような構成によって、本撮像素子１０を撮像装置に適用した場合、一つの撮像素子１０により、第１の画素群、第２の画素群および第３の画素群から、それぞれ周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波の２次元データが得られる。すなわち、それぞれの周波数に対応した３つの画像が得られる。また、第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３は、同一の受光面上に配置されているので、互いの画像データを容易に対応付けすることができる。従って、本撮像素子１０から出力される、それぞれ周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波の２次元データを画像処理することによって、例えば、可視光の画像上に、テラヘルツ波を観測して得られる画像や、ミリ波を観測して得られる画像などを重ね合わせて表示することができる。
【００２９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、それぞれ互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出する複数種類の画素群が、互いに異なる画素配置パターンおよび画素密度を有するので、検出効率の低下や、解像度の劣化を生じることなく、大きく異なる複数の周波数帯域の電磁波による像を撮像することができる。
【００３０】
すなわち、本実施の形態では、波長の短い周波数ｆ１に対応する第１の画素１１の前面を、より波長の長い第２の画素１２または第３の画素１３の検出部の一部が覆うことがないので、高い解像度が求められる観察対象からの周波数ｆ１の電磁波が、他の周波数ｆ２やｆ３の検出部を透過する際に吸収されたり、散乱されたりすることがなく、検出効率の低下や、解像度の劣化が生じることがない。
【００３１】
また、検出する周波数が高いほど、画素密度が高くなるように第１の画素１１、第２の画素１２および第３の画素１３を配置したので、周波数が高いほど空間的に精細な情報を検出することができる。これによって、周波数帯域ごとの解像度の特性に対応して、より高周波数の電磁波により、より高精細の画像を得ることができる。特に、第１の画素群により、高精細が必要とされる可視光領域で高解像度の画像を得ることができる。
【００３２】
（第２実施の形態）
図２は、本発明の第２実施の形態に係る撮像素子の斜視図である。この撮像素子２０は、それぞれ異なる３つの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波を検出する、第１の画素２１、第２の画素２２および第３の画素２３をそれぞれ複数有している。周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３は、第１実施の形態と同様に（１）式の関係を満たすものとする。
【００３３】
第１の画素２１、第２の画素２２および第３の画素２３の画素密度は、検出する電磁波の周波数が高いほど、画素密度が高く配置されている。さらに、第１の画素２１、第２の画素２２および第３の画素２３は、検出する電磁波の周波数帯域が低いほど、画素の検出面の面積が大きく構成されている。これは、検出対象の電磁波の波長より小さい検出器では、電磁波を検出することはできるが、検出の際の検出効率が低下してしまうことに基づいている。なお、図２において、第３の画素２３は、一部の第１の画素２１を囲むように配置されている。
【００３４】
本実施の形態によれば、より低い周波数に対応する画素ほどより大きくなるように構成しているので、異なる周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波に対してより均等な検出効率または信号強度で撮像することができる。また、周波数に応じて画素配置パターンや画素密度を異ならせることによって、第１の画素２１、第２の画素２２および第３の画素２３を互いに重なり合わさることなく、高い周波数ｆ１に対応した第１の画素２１の画素密度を確保しつつ、低い周波数ｆ３に対応した第３の画素２３の検出感度を高めている。これによって、第１実施の形態と同様に、検出効率の低下や、解像度の劣化が生じることがない。
【００３５】
なお、第１および第２実施の形態において、異なる３つの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３を検出する撮像素子について例示したが、検出される周波数は３つに限られず、２つまたは４つ以上の周波数帯に対応した撮像素子を構成できる。
【００３６】
（第３実施の形態）
図３は、本発明の第３実施の形態に係る撮像素子を示す図であり、（ａ）は撮像素子３０の斜視図であり、（ｂ）は、積層された下側の基板３３のみを示す斜視図である。この撮像素子３０は、第１の基板３１上の第１の検出面３２と第２の基板３３上の第２の検出面３４との２つの検出面を有する。第１の検出面３２および第２の検出面３４には、それぞれ異なる２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を検出する、第１の画素３５および第２の画素３６がそれぞれ複数配置されている。
【００３７】
ここで、周波数ｆ１およびｆ２は、次の関係を満たす。
ｆ１＞ｆ２ （２）
周波数ｆ１の電磁波は、例えば、可視光であり、周波数ｆ２の電磁波は、赤外光またはそれよりも周波数の低い電磁波である。より低い周波数ｆ２に対応する第２の画素３６は、より高い周波数ｆ１に対応する第１の画素３５に比べ、検出面の面積が大きくなっている。
【００３８】
第１の画素３５の検出部は、ＰＤにより構成される。一般に、ＰＤを構成する半導体材料の多くは、赤外から低周波側の電磁波に対して透明であり、本実施の形態の第１の画素３５も、そのようなＰＤを備える。したがって、第１の検出面３２に対して周波数ｆ１とｆ２を有する電磁波が照射されると、第１の画素３５による画素群（第１の画素群）が、第１の周波数ｆ１の電磁波を検出し、第１の検出面３２を透過した周波数ｆ２の第２の周波数ｆ２の電磁波を、第２の画素３６による画素群（第２の画素群）が検出する。
【００３９】
本実施の形態によれば、撮像素子３０は、より低い周波数に対応する画素ほど大きくなるように構成しているので、異なる周波数ｆ１およびｆ２の電磁波に対してより均等な検出効率で撮像することができる。また、それぞれ第１の画素３５の画素群と第２の画素３６の画素群とを有する第１の基板３１と第２の基板３３とを重ね合わせながら、第１の画素３５の検出部が周波数ｆ２の電磁波に対して透明であるため、周波数ｆ２の電磁波が第１の画素３５の検出部を透過する際に吸収されたり、散乱されたりすることが無く、検出効率の低下や、解像度の劣化が生じることがない。
【００４０】
なお、本実施の形態では、２種類の周波数ｆ１およびｆ２に対応した第１の画素３５と第２の画素３６とを設けたが、撮像素子が検出するのは２つの周波数帯域に限られず、３つ以上の周波数の電磁波を検出するようにしても良い、その場合、それぞれ異なる周波数に対応した画素群を有する３つ以上の基板を積層する。その際、電磁波の入射側から見て積層される後側の基板上の画素に対応する電磁波は、前側の基板上の各画素の検出部を透過するものとする。あるいは、第２の基板には、第１実施の形態または第２実施の形態で示した撮像素子１０または撮像素子２０を用いても良い。
【００４１】
（第４実施の形態）
図４は、本発明の第４実施の形態に係る撮像素子の画素配置を示す図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）は断面図を示している。この撮像素子４０は、同一の基板の表面と裏面とにそれぞれ第１の検出面４１と第２の検出面４２とを有している。第１の検出面４１および第２の検出面４２には、それぞれ異なる２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を検出する、第１の画素４３および第２の画素４４がそれぞれ複数配置され、第１の画素群および第２の画素群を形成している。周波数ｆ１と周波数ｆ２とは、第３実施の形態と同様に、（２）式の関係を満たし、周波数ｆ１の電磁波は、例えば、可視光である。まその場合、第１の画素４３の検出部は、例えばＰＤにより構成される。さらに、より低い周波数ｆ２に対応する第２の画素４４は、より高い周波数ｆ１に対応する第１の画素４３に比べ、検出面の面積が大きくなっている。
【００４２】
以上のような構成により、撮像素子４０が撮像装置に適用された場合、第１の検出面４１に対して周波数ｆ１とｆ２を有する電磁波が入射すると、第１の画素４３による第１の画素群が、第１の周波数帯域ｆ１の電磁波を検出し、第１の検出面４３を透過した周波数ｆ２の第２の周波数帯域ｆ２の電磁波を、第２の画素４４による第２の画素群が検出する。これによって、周波数ｆ１およびｆ２に対応した２つの画像信号が得られる。
【００４３】
本実施の形態によれば、第３実施の形態と同様に、撮像素子４０は、異なる周波数ｆ１およびｆ２の電磁波に対してより均等な検出効率または信号強度で撮像することができる。また、第１の画素群の検出部が周波数ｆ２の電磁波に対して透明であるため、周波数ｆ２の電磁波が第１の画素４３の検出部を透過する際に吸収されたり、散乱されたりすることがなく、検出効率の低下や、解像度の劣化が生じることがない。
【００４４】
なお、本実施の形態では、撮像素子は表面と裏面とに形成された２つの検出面４１、４２に配置された２つの画素群を有していたが、何れか一方または双方の検出面に、2種類以上の画素群を配置することも可能である。あるいは、裏面の第２の検出面を透過した電磁波をさらに検出するための、第３の検出面を有する基板を該裏面に接するようにあるいは近接させて配置することもできる。この場合、第３の検出面を、第１実施の形態または第２実施の形態で示した撮像素子１０または撮像素子２０の画素配置を有するように構成しても良い。
【００４５】
（第５実施の形態）
本発明の第５実施の形態に係る撮像素子の概略構成を示す断面図である。撮像素子５０は、２つの異なる周波数ｆ１およびｆ２の電磁波の検出機構を一体化して構成している。周波数ｆ１は可視光または赤外光の領域にあり、周波数ｆ２はｆ１より低く、例えば、ミリ波帯に属する。
【００４６】
撮像素子５０は、一般的なＣＣＤに基づいた構成を有しており、半導体の基板５１上に複数のフォトダイオード（ＰＤ）５２が２次元的に配列されている。また、撮像素子５０は、マイクロレンズアレイ５３と、埋め込みチャネル５４と転送電極５５とを備える。周波数ｆ１の光（図５において矢印で示される）は、マイクロレンズアレイ５３によって収束され、ＰＤ５２に照射され、信号電荷に変換される。この電荷は、埋め込みチャネル５４および転送電極５５により図示しない出力部へ転送される。さらに、ＰＤ５２以外で光電効果が生じると不要なノイズを生じさせるので、転送電極５５の上部には金属製（アルミ製）の遮光膜５６が形成されている。
【００４７】
さらに、撮像素子５０では、上述のような一般的なＣＣＤの構成に加え、基板５１の裏面に金属のグランド板５７を設けて接地するとともに、遮光膜５６に図示しない配線を接続した構成とし、グランド板５７と遮光膜５６とによりパッチアンテナアレイを構成する。このパッチアンテナにより、周波数ｆ２の電磁波を検出する。
【００４８】
遮光膜５６は、ＰＤ５２の上方の開口部以外を覆うようにしつつ、複数の領域に区分され、これによってパッチアンテナの形状、配置が適宜設定できる。撮像素子５０を上面側から見たとき、ＰＤ５２とパッチアンテナの配置関係は、市松模様のように交互に升目状に配置されていても良く、図２の第１画素２１および第３の画素２３のように、パッチアンテナがフォトダイオードを囲むように配置されていても良い。
【００４９】
以上のような構成によって、撮像素子５０に結像される周波数ｆ１とｆ２の電磁波のうち、周波数ｆ１の電磁波は、ＰＤ５２により検出される。一方、周波数ｆ２の電磁波は、遮光膜５６とグランド板５７により構成されるパッチアンテナにより検出される。
【００５０】
したがって、本実施の形態によれば、一般的なＣＣＤの構成をベースとしながら、配線とグランド板など単純な構成の付加によって、パッチアンテナ機能を付加して、異なる周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を検出することができる。また、パッチアンテナの密度や配置は、種々に設計することが可能であり、これによって、周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を検出光率の低下や解像度の劣化を招くことなく良好に検出することができる。
【００５１】
なお、第１〜第５実施の形態の撮像素子は、それぞれ周波数ｆ１、ｆ２またはｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波を検出するものとしたが、これらの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３は、厳密にこれらの周波数の電磁波に限るものではなく、これらの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３を中心周波数とする一定の帯域幅を有する電磁波としても良い。その帯域幅は、撮像素子の各画素群の検出部に応じて、種々の帯域幅とすることができる。
【００５２】
(第６実施の形態）
図６は、本発明の第６実施の形態に係る撮像装置の光学系を示す図である。なお、本願では、一般に光の領域に分類されない電磁波に対しても、電磁波を物体から撮像素子に導く経路について「光学系」の用語を用いている。この撮像システム６０は撮像素子６１と、結像レンズ６２（電磁波素子）とを含む。撮像素子６１は、２つの異なる周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を検出する撮像素子であり、例えば、第３〜５実施の形態の各撮像素子３０，４０および５０を用いることができる。結像レンズ６２は、周波数ｆ１および周波数ｆ２の電磁波に対して、同一の屈折率を有する素子であり、物体６３の像６４を撮像素子６１上に結像させる。物体の１点を発した電磁波は、結像レンズにより撮像素子上で再び１点に集められて像を形成する。
【００５３】
本撮像システムは２つの周波数ｆ１およびｆ２で動作するように構成されており、図中の光線のうち実線はｆ１、破線はｆ２の電磁波に対応する。それぞれの周波数の電磁波による像６４は、撮像素子６１で電気信号へ変換されて、図示しない画像処理系により画像情報が形成される。通常、周波数が大きく異なる場合、それぞれの帯域における結像系の屈折率差に起因する色収差が発生する。本実施の形態によれば、周波数ｆ１および周波数ｆ２の電磁波に対して、同一の屈折率を有する結像レンズ６２を用いたので、色収差の影響を受けることがない。このような結像レンズ６２は、以下に図７および図８を用いて説明する複合誘電体を用いることによって構成することができる。なお、以下の説明では電磁波の真空中の波長を用いて説明するが、電磁波の波長λ１は周波数ｆ１に対応し、波長λ２は周波数ｆ２に対応する。
【００５４】
図７は、図６の結像レンズを構成する複合誘電体の構成を示す模式図である。この複合誘電体６５は、第１の誘電体６６中に第１の誘電体６６とは誘電率の異なる第２の誘電体６７が分散されている。ここで、第１の誘電体６６の誘電率をε１、第２の誘電体６７の誘電率をε２とする。簡単のために、第２の誘電体６７は全て半径ａの球体であり、図には示されていないが、３次元的に配置されて周期ｐ（＞ａ）の正方格子を形成しているものと仮定する。この場合、全体に占める第２の誘電体６７の体積占有率は、（３）式で与えられる。
【００５５】
【数１】
【００５６】
このｆを、以後、単に体積占有率と呼ぶ。このような複合誘電体６５を、２つの異なる波長の電磁波に対して使用するものとし、使用するそれぞれの電磁波の真空中における波長をλ１およびλ２とする。第２の誘電体６７が配列された格子の周期ｐと第１および第２の電磁波の波長λ１，λ２との間には、（４）の関係が成立するものとする。
【００５７】
【数２】
【００５８】
この場合、複合誘電体６５に対して実効的な誘電率を定義することができる。これを有効誘電率と呼びεeffで表す。有効誘電率εeffは、（５）式で表されることが知られている（C. L. Holloway et al., IEEE Transactions on Antenna and Propagation, Vol. 51, p.2596-2603 (2003)参照）。
【００５９】
【数３】
【００６０】
ここで、F（θ）は（６）式で定義される。
【００６１】
【数４】
【００６２】
図８は、第１の波長であるλ１を５００ｎｍとしたときの（５）式で表される有効誘電率を、２πａ／λ１を横軸にとって表したグラフである。ここで、第１の誘電体６６としてＳｉＯ２（ε１（λ１）＝２．１４）を、第２の誘電体６７としてＺｎＳ（ε２（λ１）＝５．８６）をそれぞれ用い、体積占有率をｆ＝０．２６８とした。第１の誘電体６６および第２の誘電体６７の誘電率ε１（λ１）およびε２（λ１）は、波長λ１＝５００ｎｍに対する値である。このグラフの左端（２πａ／λ１＝０）での有効誘電率はε０eff（λ１）＝２．８４である。グラフの左端から２πａ／λ１が増大するにつれて有効誘電率は増大し、２πａ／λ１＝１．３９の近傍で、急峻に増大し発散する。これは、第２の誘電体６７により構成される誘電率ε２の誘電体球が共振器として作用することに起因しており、この領域では、複合誘電体６５の構造周期を調整することによって、２．８４以上の任意の有効誘電率を実現することができる。
【００６３】
一方、第２の波長λ２を１００μmとしたとき、第１の誘電体６６および第２の誘電体６７の誘電率は、それぞれ、ε１（λ２）＝３．８８、ε２（λ２）＝９．３６である。この場合も、第２の波長λ２に対する有効誘電率のグラフは図２と同様に、所定の２πａ／λ２で発散する曲線となる。ここで、λ２はλ１の、約２００倍であることを考慮すれば、第２の波長λ２の電磁波に対して有効誘電率が発散する第２の誘電体６７の半径ａ２の値は、第１の波長λ１の電磁波に対して、有効誘電率が発散する半径ａ１の値よりもかなり（２桁程度）大きくなる。したがって、０＜２πａ／λ１＜１．３９を満たすａの範囲では、第２の波長λ２に対する発散は発生せず、有効誘電率は、εeff（λ２）＝４．９７でほぼ一定値となる。
【００６４】
したがって、半径ａを適切な値に設定することによって、第１の波長λ１の電磁波の有効誘電率εeffを、第２の電磁波の有効誘電率εeffと略一致させることが可能である。具体的には、図２において２πａ／λ１＝１．１８ のとき、第１の電磁波に対する有効誘電率がεeff＝４．９８となるので、波長λ１＝５００ｎｍに対しても、波長λ２＝１００μｍに対しても、ほぼ同じ値の有効誘電率が得られることになる。誘電体は磁気的応答を示さないため、複合誘電体の実効的な屈折率（有効屈折率）は有効誘電率の平方根に等しい。したがって、上記の例では、複合誘電体は波長λ１およびλ２のいずれに対してもほぼ同じ値の有効屈折率を示す。
【００６５】
なお、上記の説明では、２πａ／λ１＝１．３９の近傍で、第２の誘電体６７を構成する球体の半径ａを調整し、第１の波長λ１の電磁波に対する有効誘電率εeffを、第２の波長λ２の有効誘電率εeffと同じ値となるようにした。一方、同じく２πａ／λ１＝１．３９の近傍で、第１の波長λ１を調整することによっても、有効誘電率εeffを変化させることが可能である。
【００６６】
したがって、上述の複合誘電体６５により構成される結像レンズ６２を用いることによって、色収差の補正を考慮することなく単純な構成により、２つの周波数ｆ１およびｆ２電磁波に対して同じ屈折率を有する光学系を構成することができる。また、図６では結像レンズ６２一つからなる単純な光学系を例示したが、複合誘電体６５よりなる複数の素子を用いて光学系を構成しても良い。
【００６７】
本実施の形態に係る撮像装置６０は、互いに大きく異なる２つの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波を検出する２つの画素群を有する撮像素子６１と、周波数ｆ１およびｆ２の電磁波に対して略等しい屈折率を有する複合誘電体により構成される結像レンズ６２（電磁波素子）を有する結像光学系により構成されているので、大きく異なる２つの周波数帯の電磁波による画像を、単一の撮像装置６０より撮像することができる。とくに、複合誘電体６５を用いたことにより、光学系を単純化することができ、装置を小型、軽量に構成することが可能になる。これによって、例えば、可視光と赤外光や可視光とミリ波などの組み合わせによる画像を同時に同一の撮像素子６１を用いて撮像することができ、さらに、撮像した画像間の対応付けが容易である。
【００６８】
（第７実施の形態）
図９は、本発明の第７実施の形態に係る撮像装置の光学系を示す図である。周波数ｆ１とｆ２とが大きく異なる場合、それぞれの帯域における結像レンズ（系）の屈折率の差に起因する色収差が、通常の収差補正（レンズ設計）の技術によって十分に補正できない。そこで、この撮像装置７０は、それぞれの周波数に対して個別に結像レンズ（系）を設け、それぞれ２つの周波数ｆ１およびｆ２で動作するように構成している。図中の光線のうち実線はｆ１、破線はｆ２の電磁波に対応する。以下にこの撮像装置７０の光学系の構成を説明する。なお、撮像対象となるのは周波数ｆ１およびｆ２の電磁波のみであるが、物体から発する電磁波にはそれら以外の周波数成分が含まれていてもよい。
【００６９】
撮像装置７０は、撮像素子７１と、第１のダイクロイックミラー７２、第２のダイクロイックミラー７３、第１のフィルタ７４、第１のミラー７５、第１の結像レンズ７６、第２のフィルタ７７、第２のミラー７８および第２の結像レンズ７９を含む結像光学系とを備える。
【００７０】
第１のダイクロイックミラー７２は、周波数ｆ１を含む電磁波と周波数ｆ２を含む電磁波とを分岐させる素子であり分岐部を構成する。物体８０から発した一方の電磁波は直進し、他方の電磁波は、第１のダイクロイックミラー７２により反射されて分離される。図９では、周波数ｆ１の電磁波が直進し、周波数ｆ２の電磁波が反射される例を示しており、以下これに基づいて説明する。
【００７１】
第１のダイクロイックミラー７２を透過した電磁波は、周波数ｆ１以外の成分が第１のフィルタ７４によって除去され、第１のミラー７５で反射された後に第１の結像レンズ７６（結像素子）により撮像素子７１上に結像される。ここで、第１の結像レンズ７６と撮像素子７１との間には、合波部である第２のダイクロイックミラー７３が設けられ、周波数ｆ１の電磁波を撮像素子７１の検出面に向けて反射させる。
【００７２】
また、第１のダイクロイックミラー７２により反射された電磁波は、周波数ｆ２以外の成分が第２のフィルタ７７によって除去され、第２のミラー７８で反射された後に第２の結像レンズ７９（結像素子）により撮像素子７１上に結像される。第２の結像レンズ７９と撮像素子７１との間には、上述の第２のダイクロイックミラー７３が配置され、周波数ｆ２の電磁波を撮像素子７１の検出面に向けて透過させる。
【００７３】
したがって、第２のダイクロイックミラー７３は、周波数ｆ１の電磁波と周波数ｆ２の電磁波とを同じ撮像素子７１の検出面上に、像８１を結像するように合波している。
【００７４】
撮像素子７１は、例えば、第３〜５実施の形態の各撮像素子３０，４０または５０を用いることができる。それぞれの周波数ｆ１およびｆ２の電磁波による像は、撮像素子７１で電気信号へ変換されて、画像処理系により画像情報が作成される。
【００７５】
本実施の形態によれば、互いに大きく異なる２つの周波数帯域ｆ１およびｆ２の電磁波を、それぞれ分離して異なる結像レンズ７６および７９を用いて撮像素子７１に結像させているので、大きく異なる２つの周波数帯の電磁波による像８１を、単一の撮像装置７０により撮像することができる。また、それぞれの結像レンズにより結像されるべき電磁波は単一の周波数に限られるので、その周波数に対して結像レンズの設計を最適化することができ、ｆ１およびｆ２のいずれの周波数に対しても良好な結像性能を容易に得ることができる。
【００７６】
(第８実施の形態）
図１０は、本発明の第８実施の形態に係る撮像装置の光学系を示す図である。本実施の形態に係る撮像装置９０は、３つの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波を用いて撮像を行う撮像装置である。
【００７７】
この撮像装置９０は、それぞれの周波数ｆ１、ｆ２、およびｆ３に対して個別に結像レンズ（系）を設け、３つの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３で動作するように構成している。図中の光線のうち一点鎖線は周波数ｆ１、実線は周波数ｆ２、破線は周波数ｆ３の電磁波に相当する。以下にこの撮像装置９０の光学系の構成を説明する。
【００７８】
撮像装置９０は、撮像素子９１と、第１のダイクロイックミラー９２、第２のダイクロイックミラー９３、第３のダイクロイックミラー９４、第４のダイクロイックミラー９５およびこれらの間に配置される光学素子を含む結像光学系とを備える。第１のダイクロイックミラー９２は、物体１０４から発した電磁波のうち周波数ｆ１の電磁波と周波数ｆ２および周波数ｆ３の電磁波とを分岐させる。第２のダイクロイックミラー９３は、周波数ｆ２の電磁波と周波数ｆ３の電磁波とを分岐させる。また、第３のダイクロイックミラー９４は、周波数ｆ１の電磁波と周波数ｆ２の電磁波とを合波する。さらに、第４のダイクロイックミラー９５は、周波数ｆ１およびｆ２の電磁波と周波数ｆ３の電磁波とを合波する。従って、第１のダイクロイックミラー９２と、第２のダイクロイックミラー９３とは分岐部に相当し、第３のダイクロイックミラー９４と、第４のダイクロイックミラー９５とは合波部に相当する。
【００７９】
また、第１のダイクロイックミラー９２と第３のダイクロイックミラー９４との間には、第１のフィルタ９６，第１のミラー９７および第１の結像レンズ９８が配置される。物体１０４から発して、第１のダイクロイックミラー９２を透過した電磁波は、周波数ｆ１以外の成分が第１のフィルタ９６によって除去され、第１のミラー９７で反射された後に第１の結像レンズ９８（結像素子）により撮像素子９１の検出面上に、像１０５を結像する。
【００８０】
また、第２のダイクロイックミラー９３と第３のダイクロイックミラー９４との間には、第２のフィルタ９９および第２の結像レンズ１００が配置される。物体１０４から発して、第２のダイクロイックミラー９３で反射された電磁波は、周波数ｆ２以外の成分が第２のフィルタ９９によって除去された後に第２の結像レンズ１００（結像素子）により撮像素子９１の検出面上に、像１０５を結像する。
【００８１】
さらに、第２のダイクロイックミラー９３と第４のダイクロイックミラー９５との間には、第３のフィルタ１０１、第３の結像レンズ１０２および第２のミラー１０３が配置される。物体１０４から発して、第３のダイクロイックミラー９３を透過した電磁波は、周波数ｆ３以外の成分が第３のフィルタ１０１によって除去され、第２のミラー１０３の前段に配置された第３の結像レンズ１０２（結像素子）により撮像素子９１の検出面上に、像１０５を結像する。
【００８２】
撮像素子９１は、例えば、本願の第１または第２実施の形態に係る撮像素子１０または２０を用いることができる。それぞれの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波による像は、撮像素子９１で電気信号へ変換されて、画像処理系により画像情報が作成される。
【００８３】
本実施の形態によれば、互いに大きく異なる３つの周波数帯域ｆ１、ｆ２およびｆ３の電磁波を、それぞれ分離して異なる結像レンズ９８、１００および１０２を用いて撮像素子９１に結像させているので、大きく異なる３つの周波数帯の電磁波による画像を、単一の撮像装置９０により撮像することができる。また、それぞれの結像レンズにより結像されるべき電磁波は単一の周波数に限られるので、その周波数に対して結像レンズの設計を最適化することができ、ｆ１、ｆ２およびｆ３のいずれの周波数に対しても良好な結像性能を容易に得ることができる。
【００８４】
本発明の撮像素子および撮像装置は、色収差の影響が非常に大きくなるような場合、例えば、周波数が１００倍以上異なる場合に、さらに有効である。
【００８５】
なお、第６〜８実施の形態では、２つの周波数ｆ１およびｆ２または３つの周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３を用いた撮像システムの例を示したが、利用できる周波数は厳密にこの２つまたは３つの周波数に限定されるわけではない。物体から発する電磁波に広帯域の周波数成分が含まれる場合、例えば周波数ｆ１を中心とするある程度の帯域の電磁波は、周波数ｆ１の電磁波と同様に良好な結像が可能である。周波数ｆ２およびｆ３電磁波についても同様である。良好な結像が得られる帯域は、主として結像レンズの色収差の度合いにより決まる。周波数ｆ１において結像レンズの色収差が小さいか、あるいはよく補正されている場合には、ｆ１を中心とするより広い帯域の電磁波を用いて良好な結像を得ることができる。撮像の目的や結像レンズの色収差を考慮して、結像に寄与する電磁波の帯域を調整したいときには、所望の周波数特性を有するダイクロイックミラーやフィルタを用いればよい。
【００８６】
また、第６実施の形態においては、第７および第８実施の形態のように、異なる周波数毎に光路を分岐する構成を含んでも良い。その場合、複合誘電体より成る結像レンズに入射する前の各周波数帯の光路長の差がほぼ０となるように調整することが好ましい。また、第６〜８実施の形態において、第３および第４実施の形態のように、第３および第４実施の形態で示したような、周波数ごとの検出面の光軸方向の位置が異る撮像素子を用い、且つ、その差異が無視できない場合は、その差異を考慮して光路差を設けることが好ましい。
【００８７】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、撮像素子の、複数種類の画素群は４種類以上の画素群であっても良い。また、全ての画素群の検出する周波数領域が、全て互いに大きく異なっている必要は無い。例えば、４種類の画素群を有し、そのうち３種類の画素は、Ｒ、Ｇ、Ｂの可視光に対応し、他の１種類の画素がミリ波やテラヘルツ波を検出するものであっても良い。
【００８８】
また、第７および第８実施の形態に係る撮像装置の結像光学系は、２つまたは３つの異なる周波数帯域に対応していたが、分岐部でより多くの周波数帯域に分岐させることにより、４つ以上の周波数帯に対応する結像光学系を構築することもできる。
【符号の説明】
【００８９】
１０，２０，３０，４０，５０ 撮像素子
１１，２１，３５，４３ 第１の画素
１２，２２，３６，４４ 第２の画素
１３，２３ 第３の画素
３１ 第１の基板
３２，４１ 第１面
３３ 第２の基板
３４，４２ 第２面
３５ 第１の基板
３６ 第２の基板
５１ 基板
５２ フォトダイオード
５３ マイクロレンズアレイ
５４ 埋め込みチャネル
５５ 転送電極
５６ 遮光膜
５７ グランド板
６０，７０ 撮像装置
６１，７１，９１ 撮像素子
６２ 結像レンズ
６３，８０，１０４ 物体
６４，８１，１０５ 像
６５ 複合誘電体
６６ 第１の誘電体
６７ 第２の誘電体
７２，９２ 第１のダイクロイックミラー
７３，９３ 第２のダイクロイックミラー
７４，９６ 第１のフィルタ
７５，９７ 第１のミラー
７６，９８ 第１の結像レンズ
７７，９９ 第２のフィルタ
７８，１０３ 第２のミラー
７９，１００ 第２の結像レンズ
９４ 第３のダイクロイックミラー
９５ 第４のダイクロイックミラー
１０１ 第３のフィルタ
１０２ 第３の結像レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の画素群を備える撮像素子であって、
前記複数種類の画素群は、それぞれ互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出し、且つ、互いに異なる画素配置パターンまたは画素密度を有することを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記互いに異なる周波数帯域の電磁波のうち少なくとも２つの電磁波の中心周波数は、５倍以上異なっていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記複数種類の画素群の各画素群は、前記検出する電磁波の前記周波数帯域が高いほど、該画素群を構成する画素密度が高いことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記複数種類の画素群の各画素群は、前記検出する電磁波の前記周波数帯域が低いほど、該画素群を構成する画素の検出面の面積が大きいことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記複数種類の画素群は、それぞれ互いに異なる３以上の周波数帯域の電磁波を検出する３種類以上の画素群であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記複数種類の画素群は、第１の画素群と第２の画素群とを含み、前記第１の画素群および前記第２の画素群は、互いに積層された第１の検出面および第２の検出面にそれぞれ配列されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記複数種類の画素群は、第１の画素群と第２の画素群とを含み、前記第１の画素群および前記第２の画素群は、同一の基板の表面と裏面とにそれぞれ形成された第１の検出面および第２の検出面にそれぞれ配列されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記第１の画素群は、第１の周波数帯域の電磁波を検出し、前記第２の画素群は、前記第１の周波数帯域よりも低い第２の周波数帯域の電磁波を検出し、前記第１の検出面から入射した前記第２の周波数帯域の電磁波は、前記第１の検出面を透過して前記第２の画素群により検出されることを特徴とする請求項６または７に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記複数種類の画素群は、フォトダイオードを有する第１の画素群と、パッチアンテナを有する第２の画素群とを備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項１０】
前記第１の画素群はＣＣＤとして構成され、前記パッチアンテナの少なくとも一部は、前記第１の画素群の遮光膜を兼ねることを特徴とする請求項９に記載の撮像素子。
【請求項１１】
複数種類の画素群を備える撮像素子であって、前記複数種類の画素群は、複数の互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出し、且つ、配置のパターンまたは密度において、互いに異なっていることを特徴とする撮像素子と、
前記互いに異なる周波数帯域の電磁波による被写体の像を、前記撮像素子の検出面に結像させる結像光学系と
を備える撮像装置。
【請求項１２】
前記結像光学系は、前記互いに異なる周波数帯域の電磁波を分岐する分岐部と、前記分岐部により分岐された前記互いに異なる周波数帯域の前記電磁波を合波する合波部と、前記分岐部と前記合波部との間に設けられ、前記互いに異なる周波数帯域の前記電磁波を、それぞれ前記合波部で合波した後前記検出面に結像させる結像素子とを有することを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記結像光学系は、第１の誘電体中に前記第１の誘電体とは誘電率の異なる第２の誘電体を分散させてなる複合誘電体で構成された電磁波素子であって、前記電磁波素子は、所定の第１の波長の電磁波および前記第１の波長よりも長い所定の第２の波長の電磁波に対して略等しい有効誘電率を有し、前記第２の誘電体の平均的な粒径および平均的な間隔は、前記第１の波長よりも小さい電磁波素子を備え、前記互いに異なる周波数帯域の前記電磁波は、２つの周波数帯域の電磁波であり、前記電磁波素子内をそれぞれ前記第１の波長および前記第２の波長で伝播することを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記第１の誘電体と前記第２の誘電体の少なくともいずれか一方は、前記第１の波長と前記第２の波長との間に、誘電率が大きく変化する共振波長を有することを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
【請求項１】
複数種類の画素群を備える撮像素子であって、
前記複数種類の画素群は、それぞれ互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出し、且つ、互いに異なる画素配置パターンまたは画素密度を有することを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記互いに異なる周波数帯域の電磁波のうち少なくとも２つの電磁波の中心周波数は、５倍以上異なっていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記複数種類の画素群の各画素群は、前記検出する電磁波の前記周波数帯域が高いほど、該画素群を構成する画素密度が高いことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記複数種類の画素群の各画素群は、前記検出する電磁波の前記周波数帯域が低いほど、該画素群を構成する画素の検出面の面積が大きいことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記複数種類の画素群は、それぞれ互いに異なる３以上の周波数帯域の電磁波を検出する３種類以上の画素群であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記複数種類の画素群は、第１の画素群と第２の画素群とを含み、前記第１の画素群および前記第２の画素群は、互いに積層された第１の検出面および第２の検出面にそれぞれ配列されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記複数種類の画素群は、第１の画素群と第２の画素群とを含み、前記第１の画素群および前記第２の画素群は、同一の基板の表面と裏面とにそれぞれ形成された第１の検出面および第２の検出面にそれぞれ配列されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記第１の画素群は、第１の周波数帯域の電磁波を検出し、前記第２の画素群は、前記第１の周波数帯域よりも低い第２の周波数帯域の電磁波を検出し、前記第１の検出面から入射した前記第２の周波数帯域の電磁波は、前記第１の検出面を透過して前記第２の画素群により検出されることを特徴とする請求項６または７に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記複数種類の画素群は、フォトダイオードを有する第１の画素群と、パッチアンテナを有する第２の画素群とを備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項１０】
前記第１の画素群はＣＣＤとして構成され、前記パッチアンテナの少なくとも一部は、前記第１の画素群の遮光膜を兼ねることを特徴とする請求項９に記載の撮像素子。
【請求項１１】
複数種類の画素群を備える撮像素子であって、前記複数種類の画素群は、複数の互いに異なる周波数帯域の電磁波を検出し、且つ、配置のパターンまたは密度において、互いに異なっていることを特徴とする撮像素子と、
前記互いに異なる周波数帯域の電磁波による被写体の像を、前記撮像素子の検出面に結像させる結像光学系と
を備える撮像装置。
【請求項１２】
前記結像光学系は、前記互いに異なる周波数帯域の電磁波を分岐する分岐部と、前記分岐部により分岐された前記互いに異なる周波数帯域の前記電磁波を合波する合波部と、前記分岐部と前記合波部との間に設けられ、前記互いに異なる周波数帯域の前記電磁波を、それぞれ前記合波部で合波した後前記検出面に結像させる結像素子とを有することを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記結像光学系は、第１の誘電体中に前記第１の誘電体とは誘電率の異なる第２の誘電体を分散させてなる複合誘電体で構成された電磁波素子であって、前記電磁波素子は、所定の第１の波長の電磁波および前記第１の波長よりも長い所定の第２の波長の電磁波に対して略等しい有効誘電率を有し、前記第２の誘電体の平均的な粒径および平均的な間隔は、前記第１の波長よりも小さい電磁波素子を備え、前記互いに異なる周波数帯域の前記電磁波は、２つの周波数帯域の電磁波であり、前記電磁波素子内をそれぞれ前記第１の波長および前記第２の波長で伝播することを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記第１の誘電体と前記第２の誘電体の少なくともいずれか一方は、前記第１の波長と前記第２の波長との間に、誘電率が大きく変化する共振波長を有することを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２１５６９（Ｐ２０１３−２１５６９Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５４２７０（Ｐ２０１１−１５４２７０）
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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