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JP5863094B2 - Image pickup device and image pickup apparatus using the same - Google Patents

Image pickup device and image pickup apparatus using the same Download PDF

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JP5863094B2
JP5863094B2 JP2011154270A JP2011154270A JP5863094B2 JP 5863094 B2 JP5863094 B2 JP 5863094B2 JP 2011154270 A JP2011154270 A JP 2011154270A JP 2011154270 A JP2011154270 A JP 2011154270A JP 5863094 B2 JP5863094 B2 JP 5863094B2
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Description

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。   The present invention relates to an imaging element that captures images of electromagnetic waves in a plurality of different frequency bands, and an imaging apparatus using the imaging element.

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。   Optical elements that can operate in a plurality of greatly different frequency bands are required in various areas. For example, by observing infrared light, the temperature of an object or a person can be detected, and by observing terahertz waves, natural radiation from the human body can be visualized to detect concealed objects, or a substance can be covered. It can be discriminated by contact. Therefore, if an imaging system that operates in the visible light and infrared light or visible light and terahertz wave regions is constructed, it can be used in fields such as security and chemical analysis. In addition, in-vehicle radar can detect a living thing and avoid a collision by combining millimeter waves of about 0.1 THz and thermography using infrared light.

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。   In general, in order to detect images of electromagnetic waves having greatly different frequency bands, such as visible light, infrared light, terahertz waves, and millimeter waves, imaging elements having different structures and sizes are required. For example, an antenna is used for microwaves and millimeter waves, a bolometer is used for terahertz waves, and a photodiode (PD) is used for light waves. Thus, such a wide-band imaging system corresponding to a plurality of greatly different frequency bands can be realized by using together an imaging system configured for each band. However, such a system requires a huge amount of processing for “association” between images (videos) detected in different bands in addition to a complicated and large configuration.

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。   For this reason, it is desirable that electromagnetic waves in a plurality of greatly different frequency bands can be imaged by one image sensor. In view of this, a technique has been proposed in which a visible light image and a far-infrared image are acquired almost simultaneously by a detector disposed on the same substrate (see, for example, Patent Document 1). In the imaging device described in Patent Document 1, a visible light detection unit and an infrared detection unit are alternately arranged two-dimensionally on a substrate, and the infrared detection unit detects visible light in order to increase a light receiving area. It is connected to an infrared absorption part that is transparent to visible light and is arranged so as to cover the upper part of the part. Thereby, the image of visible light and a far infrared ray can be imaged with one image sensor.

特開2008−204978号明細書Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2008-204978

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。   However, in the imaging device described in Cited Document 1, since the infrared absorption unit is disposed in front of the visible light detection unit, visible light from an observation target that requires a higher resolution than infrared light passes through the infrared absorption unit. In this case, there is a problem that the detection efficiency is lowered and the resolution is deteriorated due to absorption or scattering.

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。   Further, since the infrared detection unit and the visible light detection unit are arranged with the same density and the same pattern, in order to increase the detection efficiency of the infrared detection unit, the area of the infrared absorption unit connected to the infrared detection unit is increased. Must. For this reason, the density of the infrared detection unit cannot be increased, and as a result, the density of the visible light detection unit, that is, the resolution by visible light must be sacrificed.

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。   Accordingly, an object of the present invention, which has been made paying attention to these points, is to use an image pickup device that picks up images of electromagnetic waves in a plurality of frequency bands that are greatly different from each other without reducing detection efficiency and resolution. It is to provide an image pickup apparatus.

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し、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、
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ものである。
The invention of an image pickup device that achieves the above object is an image pickup device comprising a plurality of types of pixel groups, wherein the plurality of types of pixel groups detect electromagnetic waves in mutually different frequency bands and have different pixel arrangement patterns. or have a pixel density, the plurality of types of pixel groups comprises a first group of pixels having a photodiode, and a second pixel group having a patch antenna,
At least a part of the patch antenna also serves as a light-shielding film of the first pixel group .

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。   Preferably, the center frequency of at least two electromagnetic waves among the electromagnetic waves in different frequency bands is different by 5 times or more.

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。   In addition, it is preferable that each pixel group of the plurality of types of pixel groups has a higher density of pixels constituting the pixel group as the frequency band of the detected electromagnetic wave is higher. Alternatively, it is preferable that each pixel group of the plurality of types of pixel groups has a larger detection surface area of the pixels constituting the pixel group as the frequency band of the electromagnetic wave to be detected is lower.

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。   Furthermore, the plurality of types of pixel groups may be three or more types of pixel groups that detect electromagnetic waves in three or more frequency bands different from each other.

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。   The plurality of types of pixel groups include a first pixel group and a second pixel group, and the first pixel group and the second pixel group include a first detection surface and a first detection surface stacked on each other. Each may be arranged on the second detection surface. Alternatively, the plurality of types of pixel groups include a first pixel group and a second pixel group, and the first pixel group and the second pixel group are respectively provided on a front surface and a back surface of the same substrate. You may arrange in the formed 1st detection surface and 2nd detection surface, respectively.

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。   Here, preferably, the first pixel group detects an electromagnetic wave in a first frequency band, and the second pixel group detects an electromagnetic wave in a second frequency band lower than the first frequency band. The electromagnetic wave in the second frequency band incident from the first detection surface passes through the first detection surface and is detected by the second pixel group.

また、前記第1の画素群はCCDとして構成されても良い。 The first group of pixels may be configured as a CCD.

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、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ものである。 An invention of an imaging device that achieves the above object is an imaging device comprising a plurality of types of pixel groups, wherein the plurality of types of pixel groups detect a plurality of electromagnetic waves in different frequency bands and are arranged An image sensor that is different in pattern or density, and an imaging optical system that forms an image of a subject by electromagnetic waves in different frequency bands on a detection surface of the image sensor; The imaging optical system is an electromagnetic wave element configured by a composite dielectric material in which a second dielectric material having a dielectric constant different from that of the first dielectric material is dispersed in a first dielectric material, The element has an effective dielectric constant substantially equal to an electromagnetic wave having a predetermined first wavelength and an electromagnetic wave having a predetermined second wavelength longer than the first wavelength, and an average of the second dielectric The particle size and average spacing are An electromagnetic wave element having a wavelength smaller than the first wavelength is provided, and the electromagnetic waves in the different frequency bands are electromagnetic waves in two frequency bands, and the inside of the electromagnetic wave element is at the first wavelength and the second wavelength, respectively. It is characterized by propagation .

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。   Preferably, the imaging optical system includes a branching unit that branches the electromagnetic waves in different frequency bands, a multiplexing unit that combines the electromagnetic waves in different frequency bands branched by the branching unit, and the branching And an imaging element that is provided between the combining unit and that combines the electromagnetic waves having different frequency bands with each other at the combining unit and then forms an image on the detection surface.

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。   Further, preferably, at least one of the first dielectric and the second dielectric has a resonance wavelength at which a dielectric constant changes greatly between the first wavelength and the second wavelength. Have.

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。   According to the present invention, a plurality of types of pixel groups that detect electromagnetic waves in different frequency bands have different pixel arrangement patterns or pixel densities, so that the detection efficiency is not reduced and the resolution is not deteriorated. Images with electromagnetic waves in different frequency bands can be taken.

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。1 is a perspective view of an image sensor according to a first embodiment of the present invention. 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。It is a perspective view of the image sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the image pick-up element which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 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。It is a figure showing pixel arrangement of an image sensor concerning a 4th embodiment of the present invention. 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。It is sectional drawing which shows schematic structure of the image pick-up element which concerns on 5th Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the optical system of the imaging device which concerns on 6th Embodiment of this invention. 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。It is a schematic diagram which shows the structure of the composite dielectric material which comprises the imaging lens of FIG. 図6の結像レンズの有効誘電率を2πa/λの関数として表したグラフである。7 is a graph showing the effective dielectric constant of the imaging lens of FIG. 6 as a function of 2πa / λ 1 . 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。It is a figure which shows the optical system of the imaging device which concerns on 7th Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the optical system of the imaging device which concerns on 8th Embodiment of this invention.

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。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(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f、fおよびf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。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of an image sensor according to the first embodiment of the present invention. The imaging device 10 includes a plurality of first pixels 11, second pixels 12, and third pixels 13 that detect electromagnetic waves having three different frequencies f 1 , f 2, and f 3 , respectively. In the following, a pixel group composed of the plurality of first pixels 11, second pixels 12, and third pixels 13 will be referred to as a first pixel group, a second pixel group, and a third pixel, respectively. Call a group. The same applies to the following embodiments.

3つの異なる周波数f、fおよびf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。
>f>f (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。
The three different frequencies f 1 , f 2 and f 3 belong to frequency bands having greatly different wavelengths and satisfy the following relationship.
f 1 > f 2 > f 3 (1)
At least two of these frequency bands differ greatly in frequency. The large difference includes, for example, the case where the center frequencies are different from each other by 5 times or more, such as visible light, infrared light, and millimeter wave. If the frequency is different by 5 times, a large chromatic aberration is generated by a general optical element.

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f、fおよびfに対応して設けられた検出部を有する。例えば、fを可視光(約400THz〜750THz)、fをテラヘルツ波(約0.3〜3THz)、f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f、fおよびf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。 The first pixel 11, the second pixel 12 and the third pixel 13 each have a detection unit provided corresponding to the frequencies f 1 , f 2 and f 3 . For example, if f 1 belongs to a visible light (about 400 THz to 750 THz), f 2 belongs to a terahertz wave (about 0.3 to 3 THz), and f 3 belongs to a millimeter wave (about 30 GHz to 0.3 THz), the first The pixel 11 can be configured by disposing a wavelength filter in front of a photodiode (PD), the second pixel 12 using a bolometer, and the third pixel 13 using a patch antenna. of course. The combination of the frequencies f 1 , f 2, and f 3 is not limited to this, and can include frequency regions such as ultraviolet rays and infrared rays. In addition, as the detection units of the first pixel 11, the second pixel 12, and the third pixel 13 corresponding to this, various detection units such as a planar antenna, a semiconductor detector, and a temperature sensor can be used.

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。   The first pixel 11, the second pixel 12, and the third pixel 13 have substantially the same area, and the first pixel 11 is on the light receiving surface of the image sensor 10 in the vertical direction and the horizontal direction, respectively. They are regularly arranged so that one region of a checkered pattern is alternately formed with an interval of one pixel. On the other hand, for example, the third pixels 13 are arranged at the vertexes of the squares and the positions of the centers of gravity of the squares arranged with an interval of three pixels in the vertical and horizontal directions. The second pixel 12 is disposed at a position where the first pixel 11 and the third pixel 13 are not disposed. As described above, the pixel arrangement pattern is different for each pixel group formed by each pixel.

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。   In addition, each pixel group of the first pixel 11, the second pixel 12, and the third pixel 13 is arranged such that the higher the frequency of the electromagnetic wave to be detected, the higher the pixel density. Here, the pixel density represents the number of pixels per unit area. For example, in FIG. 1, out of a total of 100 pixels in the displayed area, the number of first pixels is 50, the number of second pixels is 38, and the number of third pixels is 12. That is, the pixel densities of the first pixel group, the second pixel group, and the third pixel group are different from each other.

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f、fおよびf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f、fおよびf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。 When the present image sensor 10 is applied to the image pickup apparatus with the above-described configuration, the frequency f 1 , the frequency f 1 , and the frequency of the first pixel group, the second pixel group, and the third pixel group are respectively determined by one image sensor 10. 2-dimensional data of an electromagnetic wave f 2 and f 3 can be obtained. That is, three images corresponding to the respective frequencies are obtained. In addition, since the first pixel 11, the second pixel 12, and the third pixel 13 are arranged on the same light receiving surface, the image data can be easily associated with each other. Accordingly, by performing image processing on the two-dimensional data of the electromagnetic waves having the frequencies f 1 , f 2, and f 3 output from the imaging device 10, for example, it is obtained by observing a terahertz wave on a visible light image. Images obtained by observing millimeter waves or the like can be displayed in a superimposed manner.

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。   As described above, according to the present embodiment, a plurality of types of pixel groups that detect electromagnetic waves in different frequency bands have different pixel arrangement patterns and pixel densities, thereby reducing detection efficiency and resolution. Thus, it is possible to capture an image of electromagnetic waves in a plurality of frequency bands that are greatly different from each other.

すなわち、本実施の形態では、波長の短い周波数f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fの電磁波が、他の周波数fやf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。 That is, in the present embodiment, a part of the detection unit of the second pixel 12 or the third pixel 13 having a longer wavelength covers the front surface of the first pixel 11 corresponding to the frequency f 1 having a shorter wavelength. Therefore, the electromagnetic wave having the frequency f 1 from the observation target for which high resolution is required is not absorbed or scattered when passing through the detection unit having the other frequencies f 2 and f 3. There is no reduction in resolution or resolution degradation.

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。   Further, since the first pixel 11, the second pixel 12, and the third pixel 13 are arranged so that the higher the frequency to be detected, the higher the pixel density, the spatially fine information is detected as the frequency increases. can do. As a result, it is possible to obtain a higher definition image with higher frequency electromagnetic waves corresponding to the resolution characteristics of each frequency band. In particular, the first pixel group can obtain a high-resolution image in the visible light region where high definition is required.

(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f、fおよびf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f、fおよびf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。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a perspective view of an image sensor according to the second embodiment of the present invention. The imaging device 20 includes a plurality of first pixels 21, second pixels 22, and third pixels 23 that detect electromagnetic waves of three different frequencies f 1 , f 2, and f 3 , respectively. The frequencies f 1 , f 2, and f 3 satisfy the relationship of the expression (1) as in the first embodiment.

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。   The pixel density of the first pixel 21, the second pixel 22, and the third pixel 23 is higher as the frequency of the electromagnetic wave to be detected is higher. Further, the first pixel 21, the second pixel 22, and the third pixel 23 are configured such that the area of the detection surface of the pixel is larger as the frequency band of the electromagnetic wave to be detected is lower. This is based on the fact that a detector smaller than the wavelength of the electromagnetic wave to be detected can detect the electromagnetic wave, but the detection efficiency at the time of detection decreases. In FIG. 2, the third pixels 23 are arranged so as to surround some of the first pixels 21.

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f、fおよびf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f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f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。 According to the present embodiment, since pixels corresponding to lower frequencies are configured to be larger, detection efficiency or signal intensity that is more uniform with respect to electromagnetic waves of different frequencies f 1 , f 2, and f 3. You can take an image. Further, by varying the pixel arrangement patterns and pixel density depending on the frequency, the first pixel 21 without mating overlap the second pixel 22, and the third pixel 23 from each other, the corresponding high frequency f 1 while ensuring the pixel density of the first pixel 21, thereby increasing the detection sensitivity of the third pixel 23 corresponding to the lower frequency f 3. As a result, similarly to the first embodiment, the detection efficiency does not decrease and the resolution does not deteriorate.

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f、fおよびf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。 In the first and second embodiments, the imaging element that detects three different frequencies f 1 , f 2, and f 3 has been illustrated, but the detected frequencies are not limited to three, but two or four. An image sensor corresponding to the above frequency band can be configured.

(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fおよびf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。
(Third embodiment)
3A and 3B are views showing an image pickup device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 3A is a perspective view of the image pickup device 30 and FIG. 3B shows only the laminated lower substrate 33. It is a perspective view shown. The image sensor 30 has two detection surfaces, a first detection surface 32 on the first substrate 31 and a second detection surface 34 on the second substrate 33. On the first detection surface 32 and the second detection surface 34, a plurality of first pixels 35 and a plurality of second pixels 36 that detect electromagnetic waves of two different frequencies f 1 and f 2 are arranged. .

ここで、周波数fおよびfは、次の関係を満たす。
>f (2)
周波数fの電磁波は、例えば、可視光であり、周波数f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fに対応する第2の画素36は、より高い周波数f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。
Here, the frequencies f 1 and f 2 satisfy the following relationship.
f 1 > f 2 (2)
The electromagnetic wave having the frequency f 1 is, for example, visible light, and the electromagnetic wave having the frequency f 2 is infrared light or an electromagnetic wave having a frequency lower than that. Second pixel 36 corresponding to a lower frequency f 2 is compared to the first pixel 35 corresponding to a higher frequency f 1, the area of the detection surface becomes larger.

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fとf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fの電磁波を検出し、第1の検出面32を透過した周波数fの第2の周波数f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。 The detection unit of the first pixel 35 is configured by a PD. In general, most of the semiconductor material constituting the PD is transparent to electromagnetic waves from the infrared to the low frequency side, and the first pixel 35 of the present embodiment also includes such a PD. Accordingly, when the first detection surface 32 is irradiated with electromagnetic waves having the frequencies f 1 and f 2 , the pixel group (first pixel group) by the first pixels 35 has the first frequency f 1 . detecting an electromagnetic wave, a second wave of frequency f 2 of the frequency f 2 that has passed through the first detection surface 32, the pixel group by the second pixel 36 (second pixel group) is detected.

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fおよびf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fの電磁波に対して透明であるため、周波数f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。 According to the present embodiment, the image sensor 30 is configured to be larger as the pixel corresponding to the lower frequency, so that the image pickup is performed with more uniform detection efficiency with respect to the electromagnetic waves having different frequencies f 1 and f 2. can do. In addition, the detection unit of the first pixel 35 has a frequency while overlapping the first substrate 31 and the second substrate 33 each having the pixel group of the first pixel 35 and the pixel group of the second pixel 36. Since it is transparent to the electromagnetic wave of f 2, the electromagnetic wave of frequency f 2 is not absorbed or scattered when passing through the detection unit of the first pixel 35, so that the detection efficiency is reduced and the resolution is reduced. No deterioration occurs.

なお、本実施の形態では、2種類の周波数fおよびf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。 In the present embodiment, the first pixel 35 and the second pixel 36 corresponding to the two types of frequencies f 1 and f 2 are provided. However, the image sensor detects only two frequency bands. Alternatively, electromagnetic waves having three or more frequencies may be detected. In that case, three or more substrates each having a pixel group corresponding to a different frequency are stacked. At this time, it is assumed that the electromagnetic wave corresponding to the pixel on the rear substrate stacked when viewed from the incident side of the electromagnetic wave passes through the detection unit of each pixel on the front substrate. Alternatively, the image sensor 10 or the image sensor 20 described in the first embodiment or the second embodiment may be used for the second substrate.

(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fおよびf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fと周波数f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f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fに対応する第2の画素44は、より高い周波数f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。
(Fourth embodiment)
4A and 4B are diagrams showing a pixel arrangement of an image sensor according to a fourth embodiment of the present invention, where FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a cross-sectional view. The imaging element 40 has a first detection surface 41 and a second detection surface 42 on the front and back surfaces of the same substrate, respectively. The first detection surface 41 and the second detection surface 42 are provided with a plurality of first pixels 43 and a plurality of second pixels 44 that detect electromagnetic waves having two different frequencies f 1 and f 2 , respectively. One pixel group and a second pixel group are formed. Similarly to the third embodiment, the frequency f 1 and the frequency f 2 satisfy the relationship of the expression (2), and the electromagnetic wave of the frequency f 1 is, for example, visible light. In this case, the detection unit of the first pixel 43 is configured by a PD, for example. Further, the second pixel 44 corresponding to a lower frequency f 2 is compared to the first pixel 43 corresponding to a higher frequency f 1, the area of the detection surface becomes larger.

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fとf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fの電磁波を検出し、第1の検出面43を透過した周波数fの第2の周波数帯域f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fおよびfに対応した2つの画像信号が得られる。 With the configuration as described above, when the imaging element 40 is applied to an imaging device, when electromagnetic waves having frequencies f 1 and f 2 are incident on the first detection surface 41, the first pixel 43 performs the first operation. The pixel group detects the electromagnetic wave in the first frequency band f 1 , and transmits the electromagnetic wave in the second frequency band f 2 having the frequency f 2 transmitted through the first detection surface 43 to the second pixel 44. A pixel group detects. Thereby, two image signals corresponding to the frequencies f 1 and f 2 are obtained.

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fおよびf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fの電磁波に対して透明であるため、周波数f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。 According to the present embodiment, as in the third embodiment, the image sensor 40 can capture images with more uniform detection efficiency or signal intensity with respect to electromagnetic waves having different frequencies f 1 and f 2 . Further, since the detection portion of the first pixel group is transparent to electromagnetic waves of a frequency f 2, or is absorbed when an electromagnetic wave of frequency f 2 is transmitted through the detection portion of the first pixel 43, or be scattered Therefore, the detection efficiency is not lowered and the resolution is not deteriorated.

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。   In the present embodiment, the image sensor has two pixel groups arranged on the two detection surfaces 41 and 42 formed on the front surface and the back surface. It is also possible to arrange two or more types of pixel groups. Alternatively, a substrate having a third detection surface for further detecting an electromagnetic wave transmitted through the second detection surface on the back surface may be disposed so as to be in contact with or close to the back surface. In this case, the third detection surface may be configured to have the pixel arrangement of the image sensor 10 or the image sensor 20 shown in the first embodiment or the second embodiment.

(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fおよびfの電磁波の検出機構を一体化して構成している。周波数fは可視光または赤外光の領域にあり、周波数fはfより低く、例えば、ミリ波帯に属する。
(Fifth embodiment)
It is sectional drawing which shows schematic structure of the image pick-up element which concerns on 5th Embodiment of this invention. The imaging device 50 is configured by integrating two electromagnetic wave detection mechanisms having different frequencies f 1 and f 2 . The frequency f 1 is in the visible light or infrared light region, and the frequency f 2 is lower than f 1 and belongs to, for example, the millimeter wave band.

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f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。 The imaging device 50 has a configuration based on a general CCD, and a plurality of photodiodes (PD) 52 are two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate 51. The image sensor 50 includes a microlens array 53, a buried channel 54, and a transfer electrode 55. Light of frequency f 1 (indicated by an arrow in FIG. 5) is converged by the microlens array 53, irradiated to the PD 52, and converted into signal charges. This electric charge is transferred to an output unit (not shown) by the buried channel 54 and the transfer electrode 55. Further, unnecessary noise is generated when the photoelectric effect is generated except for the PD 52, and thus a metal (aluminum) light shielding film 56 is formed on the transfer electrode 55.

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fの電磁波を検出する。 Furthermore, in addition to the general CCD configuration as described above, the imaging device 50 is configured to provide a metal ground plate 57 on the back surface of the substrate 51 to be grounded, and to connect a wiring (not shown) to the light shielding film 56. The ground plate 57 and the light shielding film 56 constitute a patch antenna array. This patch antenna, detecting the electromagnetic wave of the frequency f 2.

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。   The light-shielding film 56 is divided into a plurality of regions so as to cover other than the opening above the PD 52, whereby the shape and arrangement of the patch antenna can be appropriately set. When the imaging device 50 is viewed from the upper surface side, the positional relationship between the PD 52 and the patch antenna may be alternately arranged like a checkered pattern, and the first pixel 21 and the third pixel 23 in FIG. As described above, the patch antenna may be arranged so as to surround the photodiode.

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fとfの電磁波のうち、周波数fの電磁波は、PD52により検出される。一方、周波数f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。 With the configuration described above, the electromagnetic wave having the frequency f 1 is detected by the PD 52 among the electromagnetic waves having the frequencies f 1 and f 2 imaged on the image sensor 50. On the other hand, the electromagnetic wave having the frequency f 2 is detected by a patch antenna including the light shielding film 56 and the ground plate 57.

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fおよびf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fおよびf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。 Therefore, according to the present embodiment, a patch antenna function is added by adding a simple configuration such as a wiring and a ground plate while using a general CCD configuration as a base, and electromagnetic waves having different frequencies f 1 and f 2 . Can be detected. In addition, the density and arrangement of the patch antennas can be designed in various ways, so that the electromagnetic waves having the frequencies f 1 and f 2 can be detected well without causing a decrease in the detection light rate or deterioration in resolution. Can do.

なお、第1〜第5実施の形態の撮像素子は、それぞれ周波数f、fまたはf、fおよびfの電磁波を検出するものとしたが、これらの周波数f、fおよびf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f、fおよびf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。 The imaging device of the first to fifth embodiment, it is assumed that each detects an electromagnetic wave of frequency f 1, f 2, or f 1, f 2 and f 3, these frequencies f 1, f 2 and f 3 is not strictly limited to electromagnetic waves of these frequencies, but may be electromagnetic waves having a certain bandwidth with these frequencies f 1 , f 2 and f 3 as the center frequencies. The bandwidth can be various bandwidths depending on the detection unit of each pixel group of the image sensor.

(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fおよびf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fおよび周波数f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。
(Sixth embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing an optical system of an imaging apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. In the present application, the term “optical system” is used for a path for guiding an electromagnetic wave from an object to an image sensor even for an electromagnetic wave that is not generally classified into a light region. The imaging system 60 includes an imaging element 61 and an imaging lens 62 (electromagnetic wave element). The image sensor 61 is an image sensor that detects electromagnetic waves having two different frequencies f 1 and f 2. For example, the image sensors 30, 40 and 50 of the third to fifth embodiments can be used. The imaging lens 62 is an element having the same refractive index with respect to the electromagnetic waves having the frequency f 1 and the frequency f 2 , and forms an image 64 of the object 63 on the imaging element 61. The electromagnetic wave emitted from one point of the object is collected again at one point on the image sensor by the imaging lens to form an image.

本撮像システムは2つの周波数fおよびf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f、破線はf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fおよび周波数f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λは周波数fに対応し、波長λは周波数fに対応する。 This imaging system is configured to operate at two frequencies f 1 and f 2 , and among the light rays in the figure, the solid line corresponds to the electromagnetic wave of f 1 and the broken line corresponds to the electromagnetic wave of f 2 . Images 64 of electromagnetic waves having respective frequencies are converted into electrical signals by the image sensor 61, and image information is formed by an image processing system (not shown). Normally, when the frequencies are greatly different, chromatic aberration due to the difference in refractive index of the imaging system in each band occurs. According to the present embodiment, since the imaging lens 62 having the same refractive index is used for the electromagnetic waves having the frequency f 1 and the frequency f 2 , there is no influence of chromatic aberration. Such an imaging lens 62 can be configured by using a composite dielectric described below with reference to FIGS. In the following description, the wavelength of electromagnetic waves in vacuum will be described, but the wavelength λ 1 of the electromagnetic waves corresponds to the frequency f 1 and the wavelength λ 2 corresponds to the frequency f 2 .

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ε、第2の誘電体67の誘電率をε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。 FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration of a composite dielectric that constitutes the imaging lens of FIG. In the composite dielectric 65, a second dielectric 67 having a dielectric constant different from that of the first dielectric 66 is dispersed in the first dielectric 66. Here, the dielectric constant of the first dielectric 66 is ε 1 , and the dielectric constant of the second dielectric 67 is ε 2 . For simplicity, the second dielectrics 67 are all spheres having a radius a and are not shown in the figure, but are arranged three-dimensionally to form a square lattice with period p (> a). Assume that In this case, the volume occupation ratio of the second dielectric 67 occupying the whole is given by equation (3).

Figure 0005863094
Figure 0005863094

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λおよびλ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λ,λとの間には、(4)の関係が成立するものとする。 Hereinafter, this f is simply referred to as volume occupancy. Such a composite dielectric 65 is used for electromagnetic waves having two different wavelengths, and the wavelengths of the respective electromagnetic waves to be used in the vacuum are λ 1 and λ 2 . It is assumed that the relationship (4) holds between the period p of the grating on which the second dielectric 67 is arranged and the wavelengths λ 1 and λ 2 of the first and second electromagnetic waves.

Figure 0005863094
Figure 0005863094

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)。 In this case, an effective dielectric constant can be defined for the composite dielectric 65. This is called the effective dielectric constant and expressed by ε eff . The effective dielectric constant ε eff is known to be expressed by the equation (5) (see CL Holloway et al., IEEE Transactions on Antenna and Propagation, Vol. 51, p.2596-2603 (2003)).

Figure 0005863094
Figure 0005863094

ここで、F(θ)は(6)式で定義される。   Here, F (θ) is defined by equation (6).

Figure 0005863094
Figure 0005863094

図8は、第1の波長であるλを500nmとしたときの(5)式で表される有効誘電率を、2πa/λ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SiO(ε(λ)=2.14)を、第2の誘電体67としてZnS(ε(λ)=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ε(λ)およびε(λ)は、波長λ=500nmに対する値である。このグラフの左端(2πa/λ=0)での有効誘電率はε eff(λ)=2.84である。グラフの左端から2πa/λが増大するにつれて有効誘電率は増大し、2πa/λ=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ε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。 FIG. 8 is a graph showing the effective dielectric constant expressed by the equation (5) when λ 1 as the first wavelength is 500 nm, with 2πa / λ 1 as the horizontal axis. Here, SiO 211 ) = 2.14) is used as the first dielectric 66, and ZnS (ε 21 ) = 5.86) is used as the second dielectric 67, respectively. The volume occupation ratio was set to f = 0.268. The dielectric constants ε 11 ) and ε 21 ) of the first dielectric 66 and the second dielectric 67 are values for the wavelength λ 1 = 500 nm. The effective dielectric constant at the left end (2πa / λ 1 = 0) of this graph is ε 0 eff1 ) = 2.84. As 2πa / λ 1 increases from the left end of the graph, the effective dielectric constant increases and rapidly increases and diverges in the vicinity of 2πa / λ 1 = 1.39. This is because a dielectric sphere having a dielectric constant ε 2 constituted by the second dielectric 67 acts as a resonator. In this region, the structural period of the composite dielectric 65 is adjusted. Any effective dielectric constant greater than or equal to 2.84 can be realized.

一方、第2の波長λ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、ε(λ)=3.88、ε(λ)=9.36である。この場合も、第2の波長λに対する有効誘電率のグラフは図2と同様に、所定の2πa/λで発散する曲線となる。ここで、λはλの、約200倍であることを考慮すれば、第2の波長λ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aの値は、第1の波長λの電磁波に対して、有効誘電率が発散する半径aの値よりもかなり(2桁程度)大きくなる。したがって、0<2πa/λ<1.39を満たすaの範囲では、第2の波長λに対する発散は発生せず、有効誘電率は、εeff(λ)=4.97でほぼ一定値となる。 On the other hand, when the second wavelength λ 2 is 100 μm, the dielectric constants of the first dielectric 66 and the second dielectric 67 are ε 12 ) = 3.88 and ε 22 , respectively). ) = 9.36. Also in this case, the graph of the effective dielectric constant with respect to the second wavelength λ 2 is a curve that diverges at a predetermined 2πa / λ 2 as in FIG. Here, considering that λ 2 is approximately 200 times λ 1 , the value of the radius a 2 of the second dielectric 67 where the effective dielectric constant diverges with respect to the electromagnetic wave having the second wavelength λ 2. Is considerably larger (about two digits) than the value of the radius a 1 at which the effective permittivity diverges with respect to the electromagnetic wave having the first wavelength λ 1 . Therefore, in the range of a satisfying 0 <2πa / λ 1 <1.39, no divergence occurs with respect to the second wavelength λ 2 , and the effective dielectric constant is substantially constant at ε eff2 ) = 4.97. Value.

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λ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/λ=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λ=500nmに対しても、波長λ=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λおよびλのいずれに対してもほぼ同じ値の有効屈折率を示す。 Therefore, by setting the radius a to an appropriate value, it is possible to make the effective dielectric constant ε eff of the electromagnetic wave having the first wavelength λ 1 substantially coincide with the effective dielectric constant ε eff of the second electromagnetic wave. Specifically, in FIG. 2, when 2πa / λ 1 = 1.18, the effective dielectric constant for the first electromagnetic wave is ε eff = 4.98, so that the wavelength λ 1 is equal to 500 nm. Even for 2 = 100 μm, an effective dielectric constant having substantially the same value can be obtained. Since the dielectric does not exhibit a magnetic response, the effective refractive index (effective refractive index) of the composite dielectric is equal to the square root of the effective dielectric constant. Therefore, in the above example, the composite dielectric exhibits an effective refractive index having substantially the same value for both wavelengths λ 1 and λ 2 .

なお、上記の説明では、2πa/λ=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λの電磁波に対する有効誘電率εeffを、第2の波長λ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/λ=1.39の近傍で、第1の波長λ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。 In the above description, the radius a of the sphere constituting the second dielectric 67 is adjusted in the vicinity of 2πa / λ 1 = 1.39, and the effective dielectric constant ε eff for the electromagnetic wave having the first wavelength λ 1 is adjusted. Is set to the same value as the effective dielectric constant ε eff of the second wavelength λ 2 . On the other hand, the effective dielectric constant ε eff can also be changed by adjusting the first wavelength λ 1 in the vicinity of 2πa / λ 1 = 1.39.

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fおよびf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。 Therefore, by using the imaging lens 62 composed of the above-described composite dielectric 65, the same refractive index can be obtained for the two frequencies f 1 and f 2 electromagnetic waves with a simple configuration without considering correction of chromatic aberration. An optical system can be configured. In addition, although a simple optical system including one imaging lens 62 is illustrated in FIG. 6, the optical system may be configured using a plurality of elements including the composite dielectric 65.

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fおよびf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fおよびf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。 The imaging apparatus 60 according to the present embodiment is substantially the same as the imaging element 61 having two pixel groups that detect electromagnetic waves of two frequencies f 1 and f 2 that are greatly different from each other, and the electromagnetic waves of the frequencies f 1 and f 2. Since it is constituted by an imaging optical system having an imaging lens 62 (electromagnetic wave element) constituted by a composite dielectric having an equal refractive index, an image by electromagnetic waves in two greatly different frequency bands can be obtained as a single imaging device. 60 can be taken. In particular, by using the composite dielectric 65, the optical system can be simplified, and the apparatus can be made small and light. As a result, for example, an image based on a combination of visible light, infrared light, visible light, and millimeter wave can be simultaneously captured using the same imaging element 61, and the captured images can be easily associated with each other. is there.

(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fとf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fおよびf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f、破線はf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fおよびf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。
(Seventh embodiment)
FIG. 9 is a diagram showing an optical system of an imaging apparatus according to the seventh embodiment of the present invention. When the frequencies f 1 and f 2 are greatly different, chromatic aberration caused by the difference in refractive index of the imaging lens (system) in each band cannot be sufficiently corrected by a normal aberration correction (lens design) technique. In view of this, the imaging device 70 is configured such that an imaging lens (system) is individually provided for each frequency and is operated at two frequencies f 1 and f 2 , respectively. Of the light rays in the figure, the solid line corresponds to the electromagnetic wave f 1 and the broken line corresponds to the electromagnetic wave f 2 . The configuration of the optical system of the imaging device 70 will be described below. Note that only the electromagnetic waves having the frequencies f 1 and f 2 are to be imaged, but the electromagnetic waves emitted from the object may include other frequency components.

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。   The imaging device 70 includes an imaging element 71, a first dichroic mirror 72, a second dichroic mirror 73, a first filter 74, a first mirror 75, a first imaging lens 76, a second filter 77, An imaging optical system including a second mirror 78 and a second imaging lens 79.

第1のダイクロイックミラー72は、周波数fを含む電磁波と周波数f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fの電磁波が直進し、周波数f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。 The first dichroic mirror 72 is an element that branches an electromagnetic wave including the frequency f 1 and an electromagnetic wave including the frequency f 2 and constitutes a branching portion. One electromagnetic wave emitted from the object 80 travels straight, and the other electromagnetic wave is reflected and separated by the first dichroic mirror 72. FIG. 9 shows an example in which the electromagnetic wave having the frequency f 1 travels straight and the electromagnetic wave having the frequency f 2 is reflected, which will be described below.

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f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fの電磁波を撮像素子71の検出面に向けて反射させる。 The electromagnetic wave that has passed through the first dichroic mirror 72 has its components other than the frequency f 1 removed by the first filter 74 and reflected by the first mirror 75, and then the first imaging lens 76 (imaging element). As a result, an image is formed on the image sensor 71. Here, a second dichroic mirror 73 serving as a multiplexing unit is provided between the first imaging lens 76 and the image sensor 71, and an electromagnetic wave having a frequency f 1 is directed toward the detection surface of the image sensor 71. Reflect.

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f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fの電磁波を撮像素子71の検出面に向けて透過させる。 Further, the electromagnetic wave reflected by the first dichroic mirror 72 is subjected to removal of components other than the frequency f 2 by the second filter 77 and reflected by the second mirror 78, and then the second imaging lens 79 (concatenation). The image is formed on the image sensor 71 by the image element). The second dichroic mirror 73 described above is disposed between the second imaging lens 79 and the image sensor 71, and transmits the electromagnetic wave having the frequency f 2 toward the detection surface of the image sensor 71.

したがって、第2のダイクロイックミラー73は、周波数fの電磁波と周波数f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。 Therefore, the second dichroic mirror 73 combines the electromagnetic wave having the frequency f 1 and the electromagnetic wave having the frequency f 2 so as to form an image 81 on the detection surface of the same image sensor 71.

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fおよびf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。 As the imaging device 71, for example, each imaging device 30, 40 or 50 of the third to fifth embodiments can be used. Images by electromagnetic waves of the respective frequencies f 1 and f 2 are converted into electrical signals by the image sensor 71, and image information is created by an image processing system.

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fおよびf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、fおよびf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。 According to the present embodiment, electromagnetic waves in two frequency bands f 1 and f 2 that are significantly different from each other are separated and imaged on the image sensor 71 using different imaging lenses 76 and 79, respectively. An image 81 using electromagnetic waves in two different frequency bands can be picked up by a single image pickup device 70. Further, since the electromagnetic wave to be imaged by each imaging lens is limited to a single frequency, the design of the imaging lens can be optimized for that frequency, and any of f 1 and f 2 can be optimized. Good imaging performance can be easily obtained with respect to frequency.

(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f、fおよびfの電磁波を用いて撮像を行う撮像装置である。
(Eighth embodiment)
FIG. 10 is a diagram showing an optical system of an imaging apparatus according to the eighth embodiment of the present invention. The imaging device 90 according to the present embodiment is an imaging device that performs imaging using electromagnetic waves having three frequencies f 1 , f 2, and f 3 .

この撮像装置90は、それぞれの周波数f、f、およびfに対して個別に結像レンズ(系)を設け、3つの周波数f、fおよびf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f、実線は周波数f、破線は周波数f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。 The imaging device 90, each of the frequencies f 1, f 2, and individually provided an imaging lens (system) relative to f 3, and configured to operate in three frequencies f 1, f 2 and f 3 ing. Among the light rays in the figure, the alternate long and short dash line corresponds to the electromagnetic wave having the frequency f 1 , the solid line corresponds to the frequency f 2 and the broken line corresponds to the electromagnetic wave having the frequency f 3 . The configuration of the optical system of the imaging device 90 will be described below.

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fの電磁波と周波数fおよび周波数f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fの電磁波と周波数f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fの電磁波と周波数f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fおよびfの電磁波と周波数f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。 The imaging device 90 includes an imaging element 91, a first dichroic mirror 92, a second dichroic mirror 93, a third dichroic mirror 94, a fourth dichroic mirror 95, and an optical element disposed therebetween. And an image optical system. The first dichroic mirror 92 branches the electromagnetic wave having the frequency f 1 and the electromagnetic waves having the frequency f 2 and the frequency f 3 among the electromagnetic waves emitted from the object 104. The second dichroic mirror 93 diverts the electromagnetic wave of the electromagnetic wave and the frequency f 3 of the frequency f 2. The third dichroic mirror 94 combines the electromagnetic wave with the frequency f 1 and the electromagnetic wave with the frequency f 2 . Further, the fourth dichroic mirror 95 combines the electromagnetic waves having the frequencies f 1 and f 2 and the electromagnetic wave having the frequency f 3 . Therefore, the first dichroic mirror 92 and the second dichroic mirror 93 correspond to a branching portion, and the third dichroic mirror 94 and the fourth dichroic mirror 95 correspond to a multiplexing portion.

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f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。 In addition, a first filter 96, a first mirror 97, and a first imaging lens 98 are disposed between the first dichroic mirror 92 and the third dichroic mirror 94. The electromagnetic wave emitted from the object 104 and transmitted through the first dichroic mirror 92 is subjected to the first imaging lens after components other than the frequency f 1 are removed by the first filter 96 and reflected by the first mirror 97. An image 105 is formed on the detection surface of the image sensor 91 by 98 (imaging element).

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f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。 Further, a second filter 99 and a second imaging lens 100 are disposed between the second dichroic mirror 93 and the third dichroic mirror 94. The electromagnetic wave emitted from the object 104 and reflected by the second dichroic mirror 93 is imaged by the second imaging lens 100 (imaging element) after components other than the frequency f 2 are removed by the second filter 99. An image 105 is formed on the detection surface of the element 91.

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f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。 Further, a third filter 101, a third imaging lens 102, and a second mirror 103 are disposed between the second dichroic mirror 93 and the fourth dichroic mirror 95. The electromagnetic wave emitted from the object 104 and transmitted through the third dichroic mirror 93 has components other than the frequency f 3 removed by the third filter 101, and a third image formed in front of the second mirror 103. An image 105 is formed on the detection surface of the image sensor 91 by the lens 102 (imaging element).

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f、fおよびf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。 As the image sensor 91, for example, the image sensor 10 or 20 according to the first or second embodiment of the present application can be used. Images by electromagnetic waves of the respective frequencies f 1 , f 2, and f 3 are converted into electric signals by the image sensor 91, and image information is created by an image processing system.

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f、fおよびf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、f、fおよびf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。 According to the present embodiment, electromagnetic waves in three frequency bands f 1 , f 2 and f 3 which are greatly different from each other are separated and imaged on the image sensor 91 using different imaging lenses 98, 100 and 102. Therefore, an image using electromagnetic waves in three greatly different frequency bands can be captured by the single imaging device 90. Further, since the electromagnetic wave to be imaged by each imaging lens is limited to a single frequency, the design of the imaging lens can be optimized for that frequency, and f 1 , f 2 and f 3 can be optimized. Good imaging performance can be easily obtained for any of these frequencies.

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。   The image pickup device and the image pickup apparatus of the present invention are further effective when the influence of chromatic aberration becomes very large, for example, when the frequency differs by 100 times or more.

なお、第6〜8実施の形態では、2つの周波数fおよびfまたは3つの周波数f、fおよびf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fを中心とするある程度の帯域の電磁波は、周波数fの電磁波と同様に良好な結像が可能である。周波数fおよびf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f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、f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。 In the sixth to eighth embodiments, the example of the imaging system using the two frequencies f 1 and f 2 or the three frequencies f 1 , f 2, and f 3 has been described. It is not limited to two or three frequencies. If it contains a broadband frequency component in the electromagnetic waves emanating from the object, for example, an electromagnetic wave having a certain band around the frequency f 1 can be equally good imaging and an electromagnetic wave of frequency f 1 is. The same applies to the frequency f 2 and f 3 electromagnetic waves. The band in which good imaging can be obtained is mainly determined by the degree of chromatic aberration of the imaging lens. When the chromatic aberration of the imaging lens is small or well corrected at the frequency f 1 , a good imaging can be obtained using an electromagnetic wave in a wider band centered on f 1 . In order to adjust the band of the electromagnetic wave that contributes to imaging in consideration of the purpose of imaging and the chromatic aberration of the imaging lens, a dichroic mirror or filter having a desired frequency characteristic may be used.

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。   Further, the sixth embodiment may include a configuration in which the optical path is branched for each different frequency as in the seventh and eighth embodiments. In that case, it is preferable to adjust so that the difference between the optical path lengths of the respective frequency bands before entering the imaging lens made of the composite dielectric becomes substantially zero. Further, in the sixth to eighth embodiments, as in the third and fourth embodiments, the positions in the optical axis direction of the detection surface for each frequency as shown in the third and fourth embodiments are different. If the difference is not negligible, it is preferable to provide an optical path difference in consideration of the difference.

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。   In addition, this invention is not limited only to the said embodiment, Many deformation | transformation or a change is possible. For example, the plurality of types of pixel groups of the image sensor may be four or more types of pixel groups. Further, the frequency regions detected by all the pixel groups need not all be greatly different from each other. For example, there are four types of pixel groups, three of which correspond to R, G, and B visible light, and the other one type of pixel detects millimeter waves and terahertz waves. good.

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。   In addition, the imaging optical system of the imaging device according to the seventh and eighth embodiments corresponds to two or three different frequency bands, but by branching to more frequency bands at the branching unit, An imaging optical system corresponding to four or more frequency bands can also be constructed.

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
10, 20, 30, 40, 50 Image sensor 11, 21, 35, 43 First pixel 12, 22, 36, 44 Second pixel 13, 23 Third pixel 31 First substrate 32, 41 First Surface 33 second substrate 34, 42 second surface 35 first substrate 36 second substrate 51 substrate 52 photodiode 53 microlens array 54 buried channel 55 transfer electrode 56 light shielding film 57 ground plate 60, 70 imaging device 61, 71, 91 Image sensor 62 Imaging lens 63, 80, 104 Object 64, 81, 105 Image 65 Composite dielectric 66 First dielectric 67 Second dielectric 72, 92 First dichroic mirror 73, 93 Second Dichroic mirrors 74, 96 First filter 75, 97 First mirror 76, 98 First imaging lens 77, 99 Second fill 78, 103 Second mirror 79, 100 Second imaging lens 94 Third dichroic mirror 95 Fourth dichroic mirror 101 Third filter 102 Third imaging lens

Claims (12)

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し、
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、
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撮像素子。
An image sensor comprising a plurality of types of pixel groups,
The plurality of types of pixel groups, respectively detect the electromagnetic waves of different frequency bands from each other, and, have a different pixel arrangement pattern or pixel density to each other,
The plurality of types of pixel groups include a first pixel group having a photodiode and a second pixel group having a patch antenna,
At least a part of the patch antenna also serves as a light-shielding film of the first pixel group .
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。   The imaging device according to claim 1, wherein center frequencies of at least two electromagnetic waves among the electromagnetic waves in different frequency bands are different by 5 times or more. 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。   2. The image pickup device according to claim 1, wherein each pixel group of the plurality of types of pixel groups has a higher density of pixels constituting the pixel group as the frequency band of the electromagnetic wave to be detected is higher. 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。   2. The imaging according to claim 1, wherein each pixel group of the plurality of types of pixel groups has a larger area of a detection surface of a pixel constituting the pixel group as the frequency band of the electromagnetic wave to be detected is lower. element. 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。   The image pickup device according to claim 1, wherein the plurality of types of pixel groups are three or more types of pixel groups that detect electromagnetic waves in three or more frequency bands different from each other. 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。   The plurality of types of pixel groups include a first pixel group and a second pixel group, and the first pixel group and the second pixel group include a first detection surface and a second pixel layer stacked on each other. The image pickup device according to claim 1, wherein the image pickup device is arranged on each of the detection surfaces. 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。   The plurality of types of pixel groups include a first pixel group and a second pixel group, and the first pixel group and the second pixel group are respectively formed on a front surface and a back surface of the same substrate. The imaging device according to claim 1, wherein the imaging element is arranged on each of the first detection surface and the second detection surface. 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。   The first pixel group detects an electromagnetic wave in a first frequency band, the second pixel group detects an electromagnetic wave in a second frequency band lower than the first frequency band, and the first pixel group The imaging according to claim 6 or 7, wherein the electromagnetic wave in the second frequency band incident from the detection surface is transmitted through the first detection surface and detected by the second pixel group. element. 前記第1の画素群はCCDとして構成されることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。 The imaging device according to claim 1, wherein the first pixel group is configured as a CCD. 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
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撮像装置。
An image pickup device including a plurality of types of pixel groups, wherein the plurality of types of pixel groups detect a plurality of electromagnetic waves having different frequency bands, and are different from each other in an arrangement pattern or density. An image sensor
An imaging optical system that forms an image of a subject by electromagnetic waves in different frequency bands from each other on a detection surface of the imaging device ;
The imaging optical system is an electromagnetic wave element composed of a composite dielectric material in which a second dielectric material having a dielectric constant different from that of the first dielectric material is dispersed in a first dielectric material,
The electromagnetic wave element has an effective dielectric constant substantially equal to an electromagnetic wave having a predetermined first wavelength and an electromagnetic wave having a predetermined second wavelength longer than the first wavelength, and is an average of the second dielectric The average particle size and the average interval include an electromagnetic wave element smaller than the first wavelength,
2. The imaging apparatus according to claim 1, wherein the electromagnetic waves in different frequency bands are electromagnetic waves in two frequency bands, and propagate in the electromagnetic wave element at the first wavelength and the second wavelength, respectively.
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10に記載の撮像装置。 The imaging optical system includes a branching unit that branches the electromagnetic waves of different frequency bands, a multiplexing unit that combines the electromagnetic waves of different frequency bands branched by the branching unit, the branching unit, and the branching unit An imaging element that is provided between a multiplexing unit and forms the image on the detection surface after the electromagnetic waves in the different frequency bands are combined by the multiplexing unit, respectively. The imaging device according to 10 . 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10に記載の撮像装置。 At least one of the first dielectric and the second dielectric has a resonance wavelength in which a dielectric constant changes greatly between the first wavelength and the second wavelength. The imaging device according to claim 10 .
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