本发明涉及一种干涉滤光器、具备其的广角分光成像装置、以及具备其的深度成像装置。
背景技术：
1、[分光成像技术]
2、分光成像技术是指提供对应于光谱波段的二维影像信息的技术。分光成像技术使用于pcb检查、假钞检查、皮肤特性测量、食品检查等多种领域。
3、分光成像装置包括诸如光接收透镜或光投射透镜的光学系统、具备光接收传感器的光接收器(light receiver)、以及分光装置。
4、光接收器分为多个区域，并且接收来自被摄体的光，以生成电信号。
5、分光装置设置于光接收器的光接收传感器的前方。分光装置大致区分为单色器(monochromator)方式和光学可调滤光器(optical tunable filter)方式。光学可调滤光器大致可以分为固定型和可调型。光学可调滤光器起仅使特定波长区域的光通过的作用。固定型可调滤光器中，典型的是滤光轮(filter wheel)方式和法布里-珀罗(fabry-perot)干涉滤光器。
6、图1是用于说明作为光学可调滤光器的一例的法布里-珀罗干涉滤光器(fabry-perot interferometer，fpi)的图。如图1所示，法布里-珀罗干涉滤光器具备相互面对的一对反射面r1、r2。入射的光在反射面r1、r2之间反射由于反射面r1、r2的反射率不是100％，因此在透射波长的光在反射面r1、r2之间反复反射的过程中，规定比率的光lt透射干涉滤光器，而其余的再被反射。在这个过程中，特定波长(透射波长)的光引起相长干涉，而其余的光通过相消干涉消失。
7、在法布里-珀罗干涉滤光器中，由一对反射面r1、r之间的距离top和入射角θ决定透射波长。反射面可以实现为金属系的单层，或者配置为形成λ(透射波长)/4厚度的高折射率(high index)和低折射率(low index)的电介质层(dielectric layer)的结构。前者存在由于反射面中的吸收成分而降低透射率的缺点。相反，后者可以实现较高的反射率和较窄的半值宽度的滤光器的配置。
8、下面的数学式1是用于决定法布里-珀罗干涉滤光器的透射波长的公式。其中，n为填充在反射面之间的物质的折射率(refractive index)，top为反射面之间的距离，θ为入射角(angle of incidence)，m为整数，λ为透射波长。
9、[数式1]
10、
11、根据数学式1，法布里-珀罗干涉滤光器的透射波长根据入射角而变化。即，m为1，一对反射面之间的距离top为λ0/2(top＝λ0/2)，当反射面之间填充了空气时(n＝1)，垂直地入射法布里-珀罗干涉滤光器的光的透射波长为λ0。另外，当入射光的入射角变大时，cosθ值变小，因此透射波长变得比λ0短。例如，当入射角为30度时，透射波长变短为0.866λ0。即，对于垂直于法布里-珀罗干涉滤光器地入射的光，只有波长为λ0的成分透射法布里-珀罗干涉滤光器；对于30度入射的光，只有波长为0.866λ0的成分透射。
12、此外，如上文中参考数学式1所描述，由于入射光并不总是以理想的入射角，即垂直地入射至法布里-珀罗干涉滤光器，因此可能会出现对应于入射角的偏差。当入射光不垂直入射至法布里-珀罗干涉滤光器时，波长比目标中心波长短10～20nm左右的短波长的光会通过法布里-珀罗干涉滤光器，反而目标中心波长的光可能被法布里-珀罗干涉滤光器屏蔽。
13、对于干涉滤光器的每个位置，入射角可能不同。通常，由于入射到法布里-珀罗干涉滤光器的中心部的光的入射角接近于垂直，并且入射到法布里-珀罗干涉滤光器的外廓部的光倾斜地入射，对于外廓部，相较于中心部部短波长的光会通过。因此，在法布里-珀罗干涉滤光器的外廓部，目标中心波长的光可能反而被干涉滤光器屏蔽。
14、例如，使用了中心波长为940nm，半值全宽为30nm的法布里-珀罗干涉滤光器作为光学滤光器，当入射到法布里-珀罗干涉滤光器的外廓部的光的入射角变大，使得透射波长移动到短20nm的波长侧时，由于外廓部中的法布里-珀罗干涉滤光器的透射波长由925～955nm变为905～935nm，因此波长范围在935～955nm内的光的光脱离作为法布里-珀罗干涉滤光器的外廓部的透射波长范围的上限值的935nm，被法布里-珀罗干涉滤光器的外廓部屏蔽。因此，由分光成像装置获取的图像的外廓部可能会失真。
15、此外，还存在当入射光不垂直入射至法布里-珀罗干涉滤光器时，可能会出现串扰引起的雾度现象的问题。
16、图2是用于说明当入射角较大的入射光流入以往的法布里-珀罗干涉滤光器中时的反射面r1、r2之间的光的行进的图。
17、如图2所示，当入射角较大时，光在反射面r1、r2之间反复反射时，在与反射面r1、r2正交的方向上移动的距离增加(从区域1朝向区域3，距离增加)。反射面r1、r2的反射率越高，入射角越大，该距离越长。
18、更具体地，入射角为5度的入射光不会横向移动到由于反复的反射而导致强度变弱，但入射角为25度的光移动相当远的距离，不仅入射至对应于光接收器(lr)内的阵列传感器的被摄体分割区域的像素，还会入射至相邻的像素。
19、表1示出了对应于反射面的反射率和入射角的与反射面正交的方向上的移动距离。光接收器的阵列传感器通常具有几微米的像素尺寸。
20、[表1]
21、
22、参照表1，当入射角为0度(垂直入射)时，与反射率无关地，移动距离为0μm；当入射角为30度时，反射率0.9时约为9.3μm，反射率0.95时约为24.4μm。当反射率变大时，反射次数增加，因此移动距离增加。当入射角变大时，直到反射一次为止的移动距离增加。
23、因此，随着反射率和入射角增加，移动距离变长，从而对相邻的区域造成的影响较多，最终，可以看出降低分光成像装置的分辨率。图3是示出对应于雾度(haze)成分的相邻角度(像素)的漏光的曲线图。图3的横轴表示散射角(scattering angle)，纵轴表示输出(强度)。由图3可以看出，随着雾度(haze)成分的增加，相邻角度(像素)的漏光(angularcrosstalk)会增加。
24、归结而言，使用以往的法布里-珀罗干涉滤光器的以往的分光成像装置存在如下问题。
25、第一，由于入射至法布里-珀罗干涉滤光器的外廓部的光的入射角大，因此目标波段的光被法布里-珀罗干涉滤光器屏蔽，反而，波长比目标波段短的光可以通过法布里-珀罗干涉滤光器。
26、第二，当入射到法布里-珀罗干涉滤光器的入射光的入射角较大时，在一对反射面之间反复反射的过程中，反射光在与反射面正交的方向上移动的距离增加。因此，发生入射光不仅照射至与相应的阵列传感器的被摄体分割区域相对应的像素，还会照射至相邻的像素的串扰现象，从而朝向法布里-珀罗干涉滤光器的外廓部，雾度成分增加，并且分辨率下降。
27、[深度成像技术]
28、在可利用于面部识别、ar、vr技术等的深度成像技术中，采用使用结构光(sl，structured light)的摄像头和测量光的飞行时间的tof摄像头。
29、使用结构光的方式是将由数万个左右的点组成的红外线图案照射到被摄体后，通过被摄体读取红外线图案的失真的方式。该方式的缺点是，随着摄像头与被摄体的距离变远，识别率会大幅下降。
30、tof方式有以纳秒(ns)间距连续辐射红外光，并测量该光照到被摄体并到达红外传感器的时间以测量到被摄体的距离的直接(direct)方式、以及测量由被摄体反射的光的相位的变化的间接(in-direct)方式。
31、tof摄像头将被摄体分为多个区域，并测量到该每个区域的距离以获得三维图像。根据划分区域的方法，分为机械性地扫描的方式、利用mems镜等的固态(solid state)tof方式、统一照射被摄体的闪光(flash)tof方式。
32、tof方式的摄像头包括诸如光接收透镜或投射透镜的光学系统、具备光接收传感器的光接收器(light receiver)、具备光源和驱动装置的光发送器(light transmitter)以及光学滤光器(optical filter)。
33、光接收器分为多个区域，每个区域接收由光发送器朝向被摄体照射后反射的光、朝向光接收器的外部光或由被摄体反射的外部光，以生成电信号。外部光可以是太阳或人工照明等产生的光。
34、光发送器起朝向被摄体照射光的作用。光发送器例如可以以脉冲形式照射属于紫外线、可见光、红外线区域的带宽较窄的光。
35、光学滤光器设置于光接收器的光接收传感器的前方，以起阻挡除了由光发送器照射的光以外的外部光流入光接收器的作用。光学滤光器可以是干涉滤光器(interferencefilter)、吸收滤光器(absorptive filter)、二向色滤光器(dichroic filter)等。光学滤光器可以是仅允许通过特定波长区域的带通滤光器。
36、当使用干涉滤光器作为光学滤光器时，深度成像装置也存在与上述以往的分光成像装置相同的问题。
37、即，第一，由于入射至带通滤光器的外廓部的源光的入射角大，源光被带通滤光器屏蔽，反而波长比源光短的外部光可以通过带通滤光器。
38、第二，当入射到带通滤光器的入射光的入射角较大时，在一对反射面之间反复反射的过程中，反射光在与反射面正交的方向上移动的距离增加。因此，发生入射光不仅照射至与相应的阵列传感器的被摄体分割区域相对应的像素外，还会照射至相邻的像素的串扰现象，从而朝向深度成像装置的外廓部，雾度成分增加，并且分辨率下降。
39、作为解决这些问题中的第一个问题的方法，us2019/0162885a1美国公开专利中公开了一种装置，包括用于接收源光的光发送器、被配置为接收源光的反射光的光接收器、以使接收的源光在光检测器之前被带通滤光器接收的方式设置在光接收器的光检测器前的红外或近红外带通滤光器，其中，带通滤光器包括多个区域，所述多个区域包括能够在第一波长范围内传递光的第一区域、以及能够在第二波长范围内传递光的第二区域。
40、更具体地，在作为入射光主要近乎垂直地入射的中心部的第一区域，使用带宽(bandwidth)为5nm程度的滤光器，而在作为入射光倾斜地入射的情况相对多的外廓部的第二区域，使用带宽(bandwidth)为30nm程度的滤光器，从而至少在反射光近乎垂直地入射的中心部屏蔽外部光，以提高灵敏度。
41、然而，这种方法的问题在于，由于无法应对由光源本身的制造偏差、光源周边的温度、光源的输出等引起的偏差，因此甚至在中心部，也无法充分减小带通滤光器的带宽。
42、此外，存在无法改善外廓部中的信噪比的问题。
43、此外，还存在也无法改善串扰现象的问题。
44、现有技术文献
45、美国公开专利us2019/0162885a1
46、韩国公开专利kr10-2012-0089312a
47、日本公开专利jp2016-050803a
48、日本公开专利jp2016-011932a
技术实现思路
1、技术问题
2、本发明旨在改善上述问题，其目的在于，提供一种提高了外廓部中的灵敏度，且改善了串扰现象的广角分光成像装置、深度成像装置及用于其的干涉滤光器。
3、技术方案
4、为达上述目的，本发明提供一种干涉滤光器，包括：第一反射层，其具备光入射的第一表面、以及作为该第一表面的相反侧的第二表面；以及第二反射层，其具备与所述第二表面隔开距离面对的第三表面、以及作为该第三表面的相反侧并且光出射的第四表面，并且所述干涉滤光器被配置为，将所述第一反射层的第一表面与所述第二反射层的第四表面之间的平行于光轴的虚拟的路径上的所有媒质各自的在所述路径上的厚度和折射率相乘的值的和随着远离所述光轴而变大。
5、此外，在本发明提供的干涉滤光器中，以使所述干涉滤光器的所述第一反射层的所述第二表面与所述第二反射层的所述第三表面之间的间距随着远离所述光轴而变宽的方式，所述第一反射层和所述第二反射层中的至少一个是弯曲的。
6、此外，在本发明提供的干涉滤光器中，所述第一反射层和所述第二反射层中弯曲的反射层的曲率随着远离所述光轴而变小。
7、此外，在本发明提供的干涉滤光器中，所述干涉滤光器的所述第一反射层与所述第二反射层之间填充有厚度随着远离所述光轴而变厚，并且折射率大于所述第一反射层与所述第二反射层之间的其他媒质的光学物质。
8、此外，在本发明提供的干涉滤光器中，所述第一反射层和所述第二反射层中的至少一个包括多个电介质层，并且所述多个电介质层中的至少一个的厚度随着远离所述光轴而变厚。
9、此外，在本发明提供的干涉滤光器中，将所述第一反射层的第一表面与所述第二反射层的第四表面之间的平行于光轴的路径上的所有媒质各自的在路径上的厚度和折射率相乘的值的和基于下面的[数学式2]而随着远离所述光轴则与cosθ(x)值成反比例地变大：
10、[数学式2]
11、
12、其中，tk(x)和nk(x)表示平行于与光轴的距离为x的光轴的路径上的媒质中各自的在路径上的厚度(经过每个媒质的所述路径的长度)和折射率，θ(x)为对应于与光轴的距离(x)的入射角(angle of incidence)，m为整数，λ为干涉滤光器的透射波长。
13、此外，本发明提供一种所述广角分光成像装置，包括配置为接收来自被摄体的光的光接收器、以及配置为调节平行于所述第一反射层与所述第二反射层之间的光轴方向的光学距离的光学距离调节机构，并且包括设置于所述光接收器的前端的干涉滤光器，其中，所述干涉滤光器是上述干涉滤光器。
14、此外，在本发明提供的广角分光成像装置中，所述光学距离调节机构为填充在所述干涉滤光器的所述第一反射层与所述第二反射层之间，并且厚度或折射率随着外部刺激而变化的智能型光学物质。
15、此外，在本发明提供的广角分光成像装置中，所述光学距离调节机构是配置为使所述第一反射层相对于所述第二反射层沿光轴方向相对移动的间距调节机构。
16、此外，本发明提供一种深度成像装置，包括配置为传输源光的光发送器、配置为接收所述源光的反射光的光接收器、以及设置于所述光接收器的前端的干涉滤光器，其中，所述干涉滤光器是上述干涉滤光器。
17、此外，本发明提供的深度成像装置还包括：中心波长监测装置，其测量所述源光的中心波长的变化；光学距离调节机构，其配置为调节所述第一反射层与所述第二反射层之间的平行于光轴方向的光学距离；以及控制器，其与由所述中心波长监测装置测量的所述源光的中心波长的变化对应地控制所述光学距离调节机构。
18、此外，在本发明提供的深度成像装置中，所述光学距离调节机构为填充在所述干涉滤光器的所述第一反射层与所述第二反射层之间，并且厚度或折射率随着外部刺激而变化的智能型光学物质。
19、此外，在本发明提供的深度成像装置中，所述光学距离调节机构是配置为使所述第一反射层相对于所述第二反射层沿光轴方向相对移动的间距调节机构。
20、此外，在本发明提供的深度成像装置中，所述中心波长监测装置包括：第一光传感器，其被配置为灵敏度随着所述源光的波长增加而提升；以及第二光传感器，其被配置为灵敏度随着所述源光的波长增加而下降，并且基于所述第一光传感器和第二光传感器的灵敏度的差来测量源光的中心波长的变化。
21、发明的效果
22、根据本发明的干涉滤光器，除了中心部，即使在入射角较大的外廓部，也能够透射目标波段的光，并屏蔽其他波段的光。因此，根据使用本发明的干涉滤光器的深度成像装置和广角分光成像装置，提高外廓部中的灵敏度，并且图像不会失真。
23、此外，在本发明的一些实施例的干涉滤光器中，由于干涉滤光器的外廓部中的反射层之间的距离变远，因此可以减少入射角大的光引起的串扰现象。