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技術 電磁放射用のスペクトル変換素子

出願人 オネラ(オフィスナシオナルデチュドゥエドゥルシェルシュアエロスパシアル)
発明者 ブションパトリックハイダーリヤドマクシヤンマチルド
出願日 2018年6月5日 (2年6ヶ月経過) 出願番号 2018-107426
公開日 2019年1月10日 (1年11ヶ月経過) 公開番号 2019-002919
状態 特許登録済
技術分野 測光及び光パルスの特性測定
主要キーワード 電磁放射吸収 各熱抵抗 熱拡散経路 キルヒホフの法則 放射率値 スペクトル窓 平面状支持体 多スペクトル
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図面 (9)

課題

テラヘルツ波スペクトル範囲にある画像を、簡単で使いやすい撮像ステムを用いて提供する。

解決手段

電磁放射用のスペクトル変換素子(10)は、ピクセル領域(ZP)に配置されるテラヘルツアンテナ(2)および赤外線アンテナ(3)を含む。同じピクセル領域にある前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナは、熱的に結合され、異なるピクセル領域にある前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナは結合されていない。このような構成により、テラヘルツ波から生成した画像を、赤外線画像検出器(20)を用いて撮影することが可能になる。

概要

背景

赤外線から生成した画像(赤外線画像と称される)を検出することに基づいた赤外線撮像は、非常に多くの用途に使用されている。そのため、現在、低減したコストで、赤外線カメラ、特に、波長3μm〜5μm、または8μm〜12μmのスペクトル範囲で作動するカメラを利用することができる。

テラヘルツ波から生成した画像、言い換えれば、観察領域に存在するテラヘルツ波の放射源反射物または拡散物に対応する画像情報を有する画像を撮影できる撮像ステムに対して、さらに多くの用途が見出されてきた。しかしながら、テラヘルツ波に対する感度が高いイメージセンサの開発には高額な投資が必要である。そのため、今までのところ、このようなセンサは、想定された用途に見合った価格で入手することができない。

このような状況により、本発明の目的は、観察領域に存在するテラヘルツ波の放射源、反射物または拡散物を示す画像を、低コストで、言い換えれば、赤外線画像獲得システムのコストに近いコストまたはそれよりわずかに高いコストで、提供することである。

本発明のさらなる目的は、テラヘルツ波のスペクトル範囲にある画像を、簡単で使いやすい撮像システムを用いて提供することである。

本発明の別の目的は、テラヘルツ波のスペクトル範囲にある画像を、鮮明な空間解像度で提供することである。

本発明のさらに別の目的は、テラヘルツ波のスペクトル範囲にあるが、所定の変化し易いスペクトル窓内に限定される画像を提供することである。したがって、さらなる目的は、いくつかの構成要素がテラヘルツ波のスペクトル範囲にある多スペクトル画像を簡単に提供することである。

概要

テラヘルツ波のスペクトル範囲にある画像を、簡単で使いやすい撮像システムを用いて提供する。電磁放射用のスペクトル変換素子(10)は、ピクセル領域(ZP)に配置されるテラヘルツアンテナ(2)および赤外線アンテナ(3)を含む。同じピクセル領域にある前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナは、熱的に結合され、異なるピクセル領域にある前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナは結合されていない。このような構成により、テラヘルツ波から生成した画像を、赤外線画像検出器(20)を用いて撮影することが可能になる。

目的

本発明の目的は、観察領域に存在するテラヘルツ波の放射源、反射物または拡散物を示す画像を、低コストで、言い換えれば、赤外線画像獲得システムのコストに近いコストまたはそれよりわずかに高いコストで、提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

電磁放射用のスペクトル変換素子(10)であって、それぞれがピクセル専用である複数の領域(ZP)が並置された平面状支持体(1)と、1組の第1アンテナ(2)(テラヘルツアンテナと称される)であって、前記平面状支持体(1)により強固に支持され、電磁放射の波長が30μm〜3mm(テラヘルツの放射に対応する)の場合に前記放射の第1吸収ピーク(P1)を有するような大きさであり、前記テラヘルツアンテナの少なくとも1つが各ピクセル領域(ZP)の内部に位置する、1組の第1アンテナ(2)と、1組の第2アンテナ(3)(赤外線アンテナと称される)であって、同様に前記平面状支持体(1)により強固に支持されるが、前記放射の波長が1μm〜30μm(赤外線の放射に対応する)の場合に前記電磁放射の第2吸収ピーク(P2)を有するような大きさであり、前記赤外線アンテナの少なくとも1つが各ピクセル領域(ZP)の内部に位置する、1組の第2アンテナ(3)と、を含み、前記テラヘルツアンテナ(2)のうちの1つと、前記赤外線アンテナ(3)のうちの1つは、任意の同じピクセル領域(ZP)の中にともに位置し、互いに熱的に結合しており、前記テラヘルツアンテナ(2)のうちの当該1つと前記赤外線アンテナ(3)のうちの当該1つとの熱抵抗は、前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナが異なるピクセル領域のそれぞれに位置している場合に前記テラヘルツアンテナの任意の1つと前記赤外線アンテナの任意の1つとのあいだに存在する互いの熱抵抗よりも低い、スペクトル変換素子(10)。

請求項2

任意の同じピクセル領域(ZP)の中にともに位置する1つのテラヘルツアンテナ(2)と1つの赤外線アンテナ(3)との熱抵抗は、前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナが異なるピクセル領域のそれぞれに位置している場合に前記テラヘルツアンテナの任意の1つと前記赤外線アンテナの任意の1つとのあいだに存在する互いの熱抵抗の10分の1より低く、好ましくは100分の1より低い、請求項1に記載の変換素子(10)。

請求項3

テラヘルツアンテナ(2)または赤外線アンテナ(3)が、それぞれ金属/誘電体/金属型、あるいは、ヘルムホルツ共鳴器型、あるいは、赤外線またはテラヘルツ波を吸収する材料の一部により形成される、請求項1または2に記載の変換素子(10)。

請求項4

各ピクセル領域(ZP)は30μm〜5000μmの横方向の寸法を有し、各テラヘルツアンテナ(2)は1μm〜300μmの横方向の寸法を有し、また、各赤外線アンテナ(3)は0.1μm〜5μmの横方向の寸法を有し、前記横方向の寸法は前記平面状支持体(1)に平行に測られたものである、請求項1から3のいずれか1項に記載の変換素子(10)。

請求項5

前記平面状支持体(1)は、隣り合う任意の2つのピクセル領域(ZP)を連結する連結部(4)、および、各連結部を横方向に制限する凹部(5)を含み、それにより、すべての前記ピクセル領域は、前記平面状支持体中で連結されるとともに、隣り合う2つのピクセル領域間の熱拡散通路は、前記凹部のいくつかにより限定された区間を有する、請求項1から4のいずれか1項に記載の変換素子(10)。

請求項6

各テラヘルツアンテナ(2)は、いくつかの異なる形状から選ばれる形状を有し、前記複数のテラヘルツアンテナの形状は、最大効率で吸収される前記電磁放射の異なる偏光または異なる波長に対応しており、各ピクセル領域(ZP)は、前記複数のテラヘルツアンテナの形状(2)の少なくとも1つ、好ましくは単一のアンテナ形状を含み、前記複数のテラヘルツアンテナの形状は、異なるピクセル領域間で交替し、好ましくは、前記変換素子(10)全体では同一である交替パターンに従って、異なるピクセル領域間で交替する、請求項1から5のいずれか1項に記載の変換素子(10)。

請求項7

一方では前記テラヘルツアンテナ(2)、他方では前記赤外線アンテナ(3)が、前記平面状支持体(1)の2つの対向面により支持され、前記熱抵抗は、両方の対向面間の前記平面状支持体を通過する熱拡散経路に沿って生じる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の変換素子(10)。

請求項8

前記テラヘルツアンテナ(2)および前記赤外線アンテナ(3)は、前記平面状支持体(1)の同じ面によってともに支持される、たとえば、前記平面状支持体の面上の積層の順序において、前記テラヘルツアンテナは、前記平面状支持体の前記面に支持されている層状構造(ST)の第1の部分に配置され、前記赤外線アンテナは、前記層状構造の前記第1の部分の上方または下方に位置する前記層状構造の第2の部分に配置される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の変換素子(10)。

請求項9

テラヘルツ波(TH)を収集する方法であって、請求項1から8のいずれか1項に適合する変換素子(10)を、前記テラヘルツ波(TH)中に設けて、前記変換素子が、前記テラヘルツ波のエネルギーから赤外線(IR)を生成するようにする工程と、前記変換素子(10)により生成された前記赤外線(IR)の軌道上に赤外線センサ(20)を設ける工程と、を含む、方法。

請求項10

前記赤外線センサ(20)は、前記赤外線(IR)の少なくとも一部を効率的に吸収する、少なくとも1つの光電池、1つの光導電セル、または、1つのボロメータセルを含む、請求項9に記載の方法。

請求項11

前記赤外線センサ(20)は、前記赤外線(IR)に対する感度が高い、少なくとも1つの画像検出器を含み、前記方法は、前記変換素子(10)の上流の前記テラヘルツ波の軌道上に前記テラヘルツ波(TH)に有効なレンズ(30)を設ける工程と、前記変換素子(10)および前記画像検出器(20)間の前記赤外線(IR)の前記軌道上に前記赤外線に有効な撮像ステム(21)を設ける工程と、をさらに含み、前記レンズ(30)は、場面の画像を、当該場面から生じる前記テラヘルツ波(TH)を用いて、前記変換素子(10)上に生成し、前記撮像システム(21)は、前記変換素子(10)の画像を、前記変換素子により生成された前記赤外線(IR)を用いて、前記画像検出器(20)上に生成する、請求項9に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、電磁放射用のスペクトル変換素子、および、テラヘルツ波収集するための方法に関する。

0002

記述の範囲において、テラヘルツ波は、0.1THz(テラヘルツ)(100MHz(メガヘルツ))〜10THzの周波数に対応する、30μm(マイクロメートル)〜3mm(ミリメートル)の波長を有する電磁放射を意味する。

0003

赤外線は、10THz〜300THzの周波数に対応する、1μm〜30μmの波長を有する電磁放射を意味する。

背景技術

0004

赤外線から生成した画像(赤外線画像と称される)を検出することに基づいた赤外線撮像は、非常に多くの用途に使用されている。そのため、現在、低減したコストで、赤外線カメラ、特に、波長3μm〜5μm、または8μm〜12μmのスペクトル範囲で作動するカメラを利用することができる。

0005

テラヘルツ波から生成した画像、言い換えれば、観察領域に存在するテラヘルツ波の放射源反射物または拡散物に対応する画像情報を有する画像を撮影できる撮像ステムに対して、さらに多くの用途が見出されてきた。しかしながら、テラヘルツ波に対する感度が高いイメージセンサの開発には高額な投資が必要である。そのため、今までのところ、このようなセンサは、想定された用途に見合った価格で入手することができない。

0006

このような状況により、本発明の目的は、観察領域に存在するテラヘルツ波の放射源、反射物または拡散物を示す画像を、低コストで、言い換えれば、赤外線画像獲得システムのコストに近いコストまたはそれよりわずかに高いコストで、提供することである。

0007

本発明のさらなる目的は、テラヘルツ波のスペクトル範囲にある画像を、簡単で使いやすい撮像システムを用いて提供することである。

0008

本発明の別の目的は、テラヘルツ波のスペクトル範囲にある画像を、鮮明な空間解像度で提供することである。

0009

本発明のさらに別の目的は、テラヘルツ波のスペクトル範囲にあるが、所定の変化し易いスペクトル窓内に限定される画像を提供することである。したがって、さらなる目的は、いくつかの構成要素がテラヘルツ波のスペクトル範囲にある多スペクトル画像を簡単に提供することである。

0010

これらの目的または他の目的を実現するために、本発明の第1の態様は、
電磁放射用のスペクトル変換素子であって、
それぞれがピクセル専用である複数の領域が並置された平面状支持体と、
1組の第1アンテナ(テラヘルツアンテナと称される)であって、前記平面状支持体により強固に支持され、電磁放射の波長が30μm〜3mmの場合に放射を吸収する第1のピークを有するような大きさであり、前記テラヘルツアンテナの少なくとも1つが各ピクセル領域の内部に位置する、1組の第1アンテナと、
1組の第2アンテナ(赤外線アンテナと称される)であって、同様に前記平面状支持体により強固に支持されるが、前記放射の波長が1μm〜30μmの場合に電磁放射を吸収する第2のピークを有するような大きさであり、前記赤外線アンテナの少なくとも1つが各ピクセル領域の内部に位置する、1組の第2アンテナと、を含む、スペクトル変換素子を提案する。

0011

言い換えれば、各テラヘルツアンテナは、テラヘルツ波を、テラヘルツスペクトル範囲の限定された部分において、あるいは、この放射の偏光に対する選択性を有するように、吸収することができる。

0012

同時に、各赤外線アンテナは赤外線を吸収することができる。周知のキルヒホフの法則によれば、各赤外線アンテナは、第2電磁放射の吸収ピーク重畳するスペクトル窓において赤外線を効率的に放射する。

0013

本発明の1つの特徴によれば、前記変換素子は、前記テラヘルツアンテナのうちの1つと、前記赤外線アンテナのうちの1つが、任意の同じピクセル領域の中にともに位置し、互いに熱的に結合しており、前記テラヘルツアンテナのうちの当該1つと前記赤外線アンテナのうちの当該1つとの熱抵抗は、前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナが異なるピクセル領域のそれぞれに位置している場合に前記テラヘルツアンテナの任意の1つと前記赤外線アンテナの任意の1つとのあいだに存在する互いの熱抵抗よりも低いように構成されている。言い換えれば、各ピクセル領域がこの領域の前記テラヘルツアンテナおよび赤外線アンテナの間に熱結合を形成するが、異なるピクセル領域間の干渉(一般的に「クロストーク」と称される)が低減する。

0014

本発明の前記変換素子は、各ピクセル領域の内部で、このピクセル領域の各第1アンテナに入射する前記テラヘルツ波から、このピクセル領域の各第2アンテナにより放射される前記赤外線へ、エネルギー変換を生じさせる。さらに、前記第1アンテナは、入射するテラヘルツ波に対する前記変換素子の感度のスペクトル窓を定め、前記第2アンテナは、放射される前記赤外線のスペクトル窓を定める。したがって、前記第1アンテナの前記スペクトル窓におけるテラヘルツ波エネルギーは、前記第2アンテナの前記スペクトル窓における赤外線エネルギーに変換される。前記変換は、互いに連結されていない複数のピクセル領域の内部で行われ、前記テラヘルツ波が入射するまたは入射した空間領域の情報を保存できるマトリックスを構成する。

0015

赤外線画像を撮影する機器の対象面に本発明の前記変換素子が配置される場合、本発明の前記変換素子により、前記機器は、観察領域に存在するテラヘルツ波の放射源、反射物または拡散物を示す画像を撮影することができる。したがって、このようなテラヘルツ画像は、赤外線画像を撮影する前記機器と本発明で提案した前記変換素子との総コストと大体同様のコストで撮影することができる。さらに、本発明の前記変換素子は、現在の優れたエッチングおよび材料堆積技術によって製造することができるため、その値段が想定された用途に見合う。

0016

好ましくは、前記変換素子は、任意の同じピクセル領域の中にともに位置する1つのテラヘルツアンテナと1つの赤外線アンテナ間の各熱抵抗が、前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナが異なるピクセル領域のそれぞれに位置している場合に前記テラヘルツアンテナの任意の1つと前記赤外線アンテナの任意の1つとのあいだに存在する互いの熱抵抗の10分の1より低く、好ましくは100分の1より低いように、構成されてよい。したがって、前記変換素子の異なるピクセル領域間の干渉(または「クロストーク」)が十分に低減し、そのため、受信されたテラヘルツ波から赤外線へとピクセル毎にエネルギー変換が行われ、鮮明な赤外線画像が得られる。

0017

本発明の様々な実施形態では、各テラヘルツアンテナまたは赤外線アンテナは、それぞれ、金属/誘電体/金属型、またはヘルムホルツ共鳴器型、または、テラヘルツまたは赤外線を吸収する材料の一部により形成されてもよい。

0018

通常、本発明において、前記平面状支持体に平行に測られた横方向の寸法は、以下のようであることが好都合である。

0019

各ピクセル領域が30μm〜5000μm(または5mm)、
各テラヘルツアンテナが1μm〜300μm、および、
各赤外線アンテナが0.1μm〜5μm。

0020

隣り合う任意の2つのピクセル領域間をさらに効率的に分離させるために、前記平面状支持体は、隣り合う2つのピクセル領域を連結する連結部、および、各連結部を横方向に制限する凹部を含んでもよい。これにより、すべてのピクセル領域が前記平面状支持体内で連結されることができるが、一方、隣り合う2つのピクセル領域間の熱拡散通路は、前記凹部のいくつかにより限定された区間を有する。したがって、本発明の前記変換素子は、取り扱いやすく、撮像機器に組み込みやすい単一の部品を形成することができる。

0021

あるいは、各テラヘルツアンテナは、最大の効率で吸収される電磁放射の異なる偏光または異なる波長に対応する、いくつかの異なる形状から選ばれた形状を有する。このよう場合、各々のピクセル領域は、これらのテラヘルツアンテナ形状の少なくとも1つを含んでもよく、好ましくは、各ピクセル領域は単一のアンテナ形状を含む。前記テラヘルツアンテナ形状は、異なるピクセル領域間で交替し、好ましくは、変換素子全体では同一である交替パターンに従って、異なるピクセル領域間で交替する。したがって、前記変換素子は、多スペクトル画像、および/または、吸収された前記テラヘルツ波の異なる偏光に対応する画像を生成することができる。このように、観察領域に存在するテラヘルツ波の放射源、反射物および拡散物についてのより完全な情報を収集することができる。各ピクセル領域が単一のアンテナ形状のみを含む場合、各々の多スペクトル画像の異なるスペクトル成分の、または、各々の多偏光画像の異なる偏光成分の不協和音または「クロストーク」は、大幅に低減されるかゼロである。しかしながら、各ピクセル領域に異なる形状のアンテナが含まれる場合、前記多スペクトルまたは多偏光画像のために鮮明な解像度が得られる。

0022

本発明に適合する変換素子の可能な第1の構成(内伝送と称される)によれば、片側にある前記テラヘルツアンテナ、および反対側にある前記赤外線アンテナは、前記平面状支持体の2つの対向面により支持されてもよい。したがって、熱抵抗は、両方の対向面間の前記平面状支持体を通過する熱拡散経路に沿って生じる。

0023

本発明に適合する変換素子の可能な第2の構成(内反射と称される)によれば、前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナは、前記平面状支持体の同じ面によって同時に支持されてもよい。たとえば、前記平面状支持体の面上の積層の順序において、前記テラヘルツアンテナは、前記平面状支持体の前記面に支持されている層状構造の第1の部分に配置され、前記赤外線アンテナは、前記第1の部分の上方または下方に位置する、同じ層状構造の第2の部分に配置されてもよい。

0024

本発明の第2の態様は、テラヘルツ波を収集する方法であって、
本発明の第1の態様に適合する変換素子を、前記テラヘルツ波中に設けて、前記変換素子が、前記テラヘルツ波のエネルギーから赤外線を生成するようにする工程と、
前記変換素子により生成された前記赤外線の軌道上に赤外線センサを設ける工程と、を含む、方法を提案する。

0025

撮像の分野に属しない様々な用途のために、前記赤外線センサは、前記変換素子により生成された前記赤外線の少なくとも一部を効率的に吸収する、少なくとも1つの光電池、1つの光導電セル、または、1つのボロメータセルを含んでもよい。

0026

撮像の用途のために、前記赤外線センサは、赤外線に対する感度が高い、少なくとも1つの画像検出器を含んでもよい。前記方法は、前記変換素子の上流のこのテラヘルツ波の軌道上に前記テラヘルツ波に有効なレンズを設ける工程と、前記変換素子および前記検出器間の前記赤外線の軌道上に前記赤外線に有効な撮像システムを設ける工程と、をさらに含む。

0027

したがって、前記レンズは、場面の画像を、当該場面から生じる前記テラヘルツ波を用いて、前記変換素子上に生成し、前記撮像システムは、前記変換素子の画像を、前記変換素子により生成された前記赤外線を用いて、前記画像検出器上に生成する。

図面の簡単な説明

0028

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、実施形態の非限定的な例についての以下の記述により、明らかになるであろう。
本発明に適合する変換素子の断面図である。
上方または下方から見た、図1の変換素子を説明する。
本発明に適合する変換素子のアンテナに関する、電磁放射吸収のスペクトル図である。
本発明に適合する変換素子のアンテナの3つの可能な実施形態を示す。
図1に対応する、本発明に適合する変換素子の異なる構成である。

0029

わかりやすくするため、これらの図で示される各要素の寸法は実際の寸法に対応しておらず、実際の寸法に比例していない。また、異なる図で示される同じ参照記号は、同一の要素、または同一の機能を備える要素を表す。

実施例

0030

図1、2aおよび2bによれば、単層または多層フィルムの形であってもよい平面状支持体1は、2つの対向面(S1およびS2として示す)を有する。面S1はアンテナ2を支持し、面S2はアンテナ3を支持する。図3の図に示すように、アンテナ2および3は異なる電磁放射の吸収スペクトル間隔を有する。アンテナ2は、テラヘルツ波に対応する30μm〜3mmの範囲にある電磁放射の波長値を吸収し、アンテナ3は、赤外線に対応する1μm〜30μmの範囲にある電磁放射の波長値を吸収する。図3において、λは、前記電磁放射の前記波長をマイクロメートルで示し、A(λ)はこの放射のスペクトル吸収を示す。IRは赤外線のスペクトル範囲を示し、THは、テラヘルツ波のスペクトル範囲を示す。あるいは、テラヘルツアンテナと称される各アンテナ2は、前記テラヘルツ波の前記スペクトル間隔内で、低減または著しく低減した帯域に対応するピーク(P1として示す)内にて選択的に吸収してもよい。同様に、赤外線アンテナと称される各アンテナ3は、前記赤外線の前記スペクトル間隔内で、低減した帯域に対応するピーク(P2として示す)内にて選択的に吸収してもよい。

0031

通常、材料構造による電磁放射の吸収は、この構造の材料、あるいはさらに当該構造の幾何学的寸法に依存する。したがって、各テラヘルツアンテナ2は、テラヘルツ波のスペクトル範囲において大幅に吸収するために設計された構造を有する(図3の図のピークP1)。

0032

図4aに示す第1の可能な実施形態によれば、各アンテナ2は、電気絶縁材料である部分2iにより構成され、当該部分2iは、導電層の2つの部分の間に、好ましくは、金属層の2つの部分の間に挿入されてよい。これらの部分の1つは2mで示し、もう1つは、支持体1の面の一部であってよい。このようなアンテナ構造は、金属/絶縁体/金属の名で知られ、入手可能な文献に広く記載されている。当該アンテナ構造は、波長における吸収ピークP1の位置が、支持体1の面に平行に測られた部分2mの寸法に依存する、ファブリペロ共振器を形成する。たとえば、絶縁材料の部分2iが、ポリイミドポリメタクリル酸メチルPMMA)、ポリエチレン(PET)またはSU-8の頭字語で知られるエポキシネガ型感光性樹脂により作られる場合、支持体1に平行に測られた金属部分2mの長さ(キャビティ長と称される)は、このキャビティ長lの約4倍である最大吸収波長に対応する。たとえば、金属層2mの部分は、金、銅、またはアルミニウムであってもよい。

0033

隣り合うアンテナ2間の、支持体1に平行に存在する熱拡散長が、同じピクセル領域内で結合されたアンテナ2および3の間の、支持体1に垂直に存在する熱拡散長よりもずっと長い場合、絶縁材料2iは、隣り合うアンテナ2間において連続してよい。したがって、絶縁材料2iは、スペクトル変換素子の機械的な支持体として用いられる連続的な層を形成することができる。

0034

図4bに示す第2の可能な実施形態によれば、各アンテナ2は、電磁放射が30μm〜3mmの波長を有する場合に、当該電磁放射を大幅に吸収する材料である部分により構成されてもよい。たとえば、支持体1に垂直に測られた場合にe=約5μmの厚さを有し、この支持体1を構成する金属フィルム上に堆積された、ドーピングPMMAまたはドーピングPETのようなドーピングポリマーの層は、テラヘルツ波の全帯域においてほぼ均一に吸収するアンテナ2を構成することができる。上記のように、隣り合うアンテナ2間に存在する熱拡散長が、同じピクセル領域内で結合されたアンテナ2および3の間に存在する熱拡散長よりも長い場合、テラヘルツ波の吸収部分を構成する、ドーピングポリマーの層は、隣り合うアンテナ2間において連続することができる。したがって、ドーピングポリマーの層は、スペクトル変換素子の機械的な支持機能を実現することもできる。

0035

図4cに示す第3の可能な実施形態によれば、各アンテナ2はヘルムホルツ共鳴器により構成されてもよい。このような共鳴器は、金属壁を有するキャビティによって構成され、当該キャビティはネック部を介して外部に連結されている。この実施形態を限定するものではないが、好ましくは、支持体1は金属材料から成っていてもよく、キャビティおよびネック部は、面S1から支持体1内部に形成されている。キャビティおよびネック部は、図4cの平面に対して垂直に長く延びていてよい。この平面において、キャビティは断面Sを有し、ネック部は幅wおよび高さhを有する。たとえば、S=6μm2、w=0.2μmおよびh=1μmの各値は、波長値50μmのほぼ中央に位置する吸収ピークP1を作り出す。このようなヘルムホルツ共鳴器のトピックについても豊富な参考文献を入手することができる。

0036

これらの数値例では、支持体1に平行に測られたアンテナ2の別の寸法は、上述した第1の寸法よりもはるかに大きいものとされている。しかしながら、各アンテナをこのようなほぼ線状の形状にすることは、必須ではない。たとえば、図4aの第1の実施形態では、導電層の2つの部分の間に挿入される、電気絶縁材料である部分に基づき、図2aおよび2bに示すような平面の形状を用いてもよい。特に、各アンテナは、投射面内で、支持体1に平行な長方形の形状を有してもよい。

0037

図1、2aおよび2bに示すような変換素子では、各テラヘルツアンテナは支持体1に支持され、支持体1に熱的に結合され、このアンテナ2がテラヘルツ波を吸収することにより熱が発生し、それが支持体1に伝達される。たとえば、アンテナ2の第1の実施形態(図4a)では、支持体1は、導電層の2つの部分のうちの1つを直接に形成してもよい。第2の実施形態(図4b)では、テラヘルツ波を吸収する材料である部分は、支持体1上に直接形成されてもよい。最後に、第3の実施形態(図4c)では、支持体1は金属材料からできており、キャビティおよびネック部が支持体1の面S1から支持体1内部に形成されることができるのに充分な厚さを有する。

0038

3つの実施形態すべてにおいて、非限定的な例として、支持体1は、金(Au)、銅(Cu)またはアルミニウム(Al)フィルムであってもよい。

0039

各赤外線アンテナ3は、アンテナ2の1つがテラヘルツ波を吸収することにより発した熱を受け取ると、1μm〜30μmの波長のスペクトル帯域にある赤外線を放射する機能を有する。各アンテナ3は、適切な材料から成る少なくとも1つの他の部分から構成されており、当該少なくとも1つの他の部分は、この部分の温度に応じて赤外線を放射する。この温度が、テラヘルツアンテナ2の1つに由来する熱拡散により受け取った熱のために上昇すると、放射される赤外線の量も増加するが、このアンテナ3の材料の放射率値によって制限される。しかしながら、吸収ピークP2を有するアンテナ構造により、この放射率が有意であることが保証される。言い換えれば、電磁放射の吸収ピークを有するアンテナ構造は、加熱されると、この吸収ピークの波長において電磁波を効率的に放射する。

0040

上述したテラヘルツアンテナ2の3つの実施形態は、その原理において赤外線アンテナ3にも用いられることができるが、使用する材料および形状の寸法は、1μm〜30μmの波長間隔に位置する吸収ピークP2に適応させる。

0041

特に、金属/絶縁体/金属型の第1の実施形態では、絶縁材料部分(図4aに3iとして示す)は、硫化亜鉛(ZnS)であってもよいが、シリカ(SiO2)、炭化ケイ素(SiC)、シリコンまたはゲルマニウムであってもよい。一方、導電材料3mの部分は、支持体1の関連する部分と同じように、金、銅またはアルミニウムであってもよい。ファブリペロ共振器の数式は、アンテナ3のこの実施形態にも適用することができ、ピークP2に望まれる最大吸収波長の関数としてのキャビティ長lを決定することができる。たとえば、材料3iの部分が硫化亜鉛からできている場合、前記キャビティ長lが2μmの値ならば、吸収ピークP2の中央の波長は10μmの値となる。

0042

第2の実施形態(図4b)では、各赤外線アンテナ3に用いられる吸収材料はシリカ(SiO2)であってもよい。このシリカ層の厚さeが約0.7μmである場合、また、支持体1を構成する金属フィルムにこの層が再び堆積された場合、8μm〜12μmの波長間隔において、50%よりも大きい平均放射率が得られる。

0043

最後に、第3の実施形態では、ヘルムホルツ共鳴器における、キャビティの断面S0.65μm2、ネック部の幅w0.2μm、および、ネック部の高さh0.5μmの値は、吸収ピークP2の中央の波長10μmに対応する。

0044

支持体1、および、それに支持されるアンテナ2および3は、本発明に適合するスペクトル変換素子(総じて、参照番号10で示す)を形成する。この変換素子10の作動のために、各テラヘルツアンテナ2は、このテラヘルツアンテナに対して割り当てられた少なくとも1つの赤外線アンテナ3に、熱的かつ効果的に結合されなければならない。しかしながら、いくつかの赤外線アンテナ3を同じテラヘルツアンテナ2に割り当ててもよい。アンテナ2がアンテナ3に熱的かつ効果的に結合されているとは、これらの2つのアンテナ間の熱拡散の抵抗が、当該アンテナ2と当該アンテナ2に割り当てられていない1つのアンテナ3の間に存在する熱拡散の抵抗よりも少なくとも10倍または100倍低いことを意味する。このような選択的な熱結合は、アンテナ2および3を、平面状の支持体1に平行に適切に配置させることにより得られる。互いに結合されたアンテナ2および3は、支持体1の面S1に垂直な方向に沿って互いに一列に位置してもよいし、または、互いに結合されたアンテナ2および3は、面S1に平行に、互いに少し間隔を置いて位置し、一方、結合されていないアンテナ2および3は、面S1に平行に、互いにより離れて位置してもよい。

0045

変換素子10の実際のデザインによれば、ピクセル領域と称されるそれぞれの領域は、平面状支持体1上の、その面S1上に、たとえば、アレイ配置に従って、行およびそれに垂直な列を成して並ぶように、規定される。同じピクセル領域ZPに位置する2つのアンテナ2および3は、上記で定義した意味において、互いに熱的に結合される。一方、異なるピクセル領域ZPに位置するアンテナ2および3は、それらの間の熱結合がより弱い、言い換えれば、ピクセル間熱拡散抵抗が、ピクセル内熱拡散抵抗よりも少なくとも10倍、または少なくとも100倍大きい。

0046

ピクセル間熱拡散抵抗値とピクセル内熱拡散抵抗値の比をさらに高めるために、支持体1は、ピクセル領域ZP同士の間に切れ目を有することが可能である。このように、互いに近接するピクセル領域ZP同士の間の熱拡散区間を減少させることによって、ピクセル間熱拡散抵抗値を高める。図2aおよび2bでは、参照記号5は、隣り合うピクセル領域ZP同士の間に配置されたそのような切れ目または凹部を示す。参照記号4は、切れ目5同士の間の、支持体1の残りの連結部分を示し、当該連結部分により、変換素子10全体の機械的結合が確保される。

0047

図4cの実施形態では、アンテナ2および3の両方がヘルムホルツ共鳴器型であり、変換素子10は、共鳴器を形成するキャビティおよびネック部を有する、金属材料である支持体1のみで構成されてもよい。あるいは、支持体1の面S1およびS2を絶縁材料で覆って、キャビティを、特に金属材料の腐食から保護してもよい。このような実施形態では、支持体1が厚いことが必要である。そうした上で、ピクセル間熱結合を減少させるという上記と同じ目的から、凹部5が支持体1の隣接するピクセル領域同士の間で局所的に薄くなるよう設計してもよい。

0048

たとえば、ピクセル領域ZPは、変換素子10のアレイの行および列の方向に沿って、約1mmのピッチを有してもよい。各ピクセル領域ZPの内部では、各テラヘルツアンテナ2は、支持体1の面S1に平行な横方向の寸法が0.3mm未満でよく、各赤外線アンテナ2も、支持体1の面S1に平行な横方向の寸法が5μm未満でよい。上記したように、これらのアンテナの横方向の寸法は、吸収ピークP1およびP2に望まれる中央波長に依存する。これらの条件のもと、各ピクセル領域ZPは、単一のテラヘルツアンテナ2および多数の赤外線アンテナ3を有してよく、後者は、たとえば正方形格子に沿って、ピクセル領域ZP内部に配置されてよい。図1、2aおよび2bは、変換素子10のこのような構造を示す。

0049

ピクセル領域ZP、アンテナ2および3がこのような寸法である場合、各ピクセル領域ZP内部にいくつかのテラヘルツアンテナ2を有し、すべてのピクセル領域ZPが同一の構成を有することも可能である。したがって、各ピクセル領域ZP内部では、異なる形状を有するテラヘルツアンテナ2が、吸収ピークP1の波長における異なる位置に対応することができる。各ピクセル領域ZPに赤外線アンテナ3が配置されているので、テラヘルツアンテナのいずれの一つによるテラヘルツ波の吸収に応じても、赤外線を放射できる。このように、変換素子10は、テラヘルツアンテナに単一の形状を用いる場合に対して、感度が増したスペクトル間隔を有することができる。

0050

さらに、吸収ピークP1の異なるスペクトル位置を生み出す異なるテラヘルツアンテナ形状を、隣り合うピクセル領域ZPに割り当てる、特に、ピクセル領域ZP間のテラヘルツアンテナ形状の定まった交替パターン(例えば、ベイヤーフィルター)を用いて割り当てることもできる。したがって、以下に説明する撮像機能のために実装される場合、変換素子10は、多スペクトルテラヘルツ画像を伝えることができる。

0051

その代わりにまたはそれと組み合わせて、異なる形状を有するテラヘルツアンテナ2は、テラヘルツ波の別々の偏光に対する感度が高くてもよい。実際、既知の方法で、支持体1の面S1に平行な各アンテナ2の形状により、このアンテナがより高い効率または感度を有する放射の偏光が定まる。このように収集された画像データは偏光情報を有し、当該偏光情報は、一定の用途、特に、環境を監視する用途および進入した成分の識別のために使用可能である。

0052

本発明に適合する変換素子10は、内伝送構成、または、内反射構成を有してもよい。

0053

図1、2aおよび2bは、前記内伝送構成に対応する。この場合、図1に示すように、テラヘルツアンテナ2および赤外線アンテナ3は、支持体1の2つの対向面に位置する。アンテナ2は面S1上にあり、アンテナ3は、面S1の反対側の面S2上にある。したがって、アンテナ2および3間の熱結合は、面S1およびS2間で支持体1を横切る熱拡散経路により形成される。このような内伝送構成は、通常、変換素子10の実装をより簡単にする。

0054

図5は内反射構成を示す。この場合、すべてのアンテナ2および3は、支持体1の面S1に位置する。このような内反射構成の可能な実施形態によれば、アンテナ2および3は、支持体1の面S1上のみに形成された多層構造ST内に形成されてもよい。たとえば、アンテナ2は、構造STのうち、支持体1に近い下部内に形成され、アンテナ3は、構造STのうち、支持体1から遠い上部内に形成されてもよい。このような構成が推奨されるのは、構造ST内で下側にあるアンテナ2を対象としているテラヘルツ波に対して、赤外線アンテナ3が十分な透過性を有する場合である。このような内反射構成の利点は、結合されたアンテナ2と3との近さが増していることに由来しており、両者の間により高い熱結合を形成する。

0055

本発明に適合する変換素子10の第1の用途は、たとえば、熱源または太陽から発する、テラヘルツの範囲に属する放射エネルギーを収集することであってもよい。このため、支持体1のうちテラヘルツアンテナ2を支持する面は、テラヘルツ波に曝され、赤外線を効率的に吸収するセンサ、たとえば、光電池、光導電セルまたはボロメータセルが、支持体1のうち赤外線アンテナ3を支持する面に面するように配置される。図1および5では、参照記号THおよびIRは、そのエネルギーが収集されるテラヘルツ波、および、前記センサ(参照番号20で示す)に伝送される赤外線をそれぞれ示す。あるいは、TH波コンセントレータ(参照番号30で示す)を用いて、集められるTH波の量を増やしてもよい。コンセントレータ30は、特に、ミラー、たとえば、放物面ミラーであってもよい。また、赤外線コンセントレータ(参照番号21で示す)を、変換素子10および赤外線センサ20間で用いてもよい。

0056

本発明に適合する変換素子10の第2の用途は、テラヘルツ波から生成した画像を撮影することに関する。このため、テラヘルツ(TH)波に有効なレンズを、観察対象の場面と、支持体1のうちテラヘルツアンテナ2を支持する面との間に配置する。参照番号30は、ここでは、このような撮像用途のためのこのようなレンズを記号的に示す。このようなレンズは、ミラーを基にしてもよいし、あるいは、テラヘルツ波に有効な屈折部品を基にしてもよい。当該屈折部品は、たとえば、ポリテトラフルオロエチレンPTFE。テフロン商標)という商品名で知られる)から成るもの、または、ポリイミド、PMMA、PETなどから成るものがある。参照番号20は、今度は、赤外線(たとえば、変換素子10で生成された赤外線)に対する感度が高い赤外線画像検出器を示す。これは、たとえば、アレイ型検出器でよい。これらの条件下、参照番号21は、支持体1のうち赤外線アンテナ3を支持する面と、画像検出器20の感光面とを光学的に共役させる、赤外線に有効な撮像システムを示す。これにより得られる画像の解像度は、画像検出器20の解像度と、変換素子10のピクセル領域ZPとに主に依存する。さらに、変換素子10が、別々のピクセル領域ZPで異なるいくつかのテラヘルツアンテナ2を含む場合、また、これらのテラヘルツアンテナ2が、テラヘルツ範囲の異なる波長に対する感度が高い場合、変換素子10により、画像検出器20の取得周期毎に多スペクトル画像を撮影することが可能になる。

0057

上記に詳述した実施形態に関して、特定の二次的な態様を改変または変更することによって、本発明を再現できることが理解される。特に、隣接したピクセル領域間の平面状支持体の凹部を用いることは、好ましくはあるが必須ではない。

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