光学システム及び赤外線撮像システム
【課題】単純な構造からなる光学システム、及び、それを用いた赤外線撮像システムを提供することを目的とする。
【解決手段】微細な凹凸による周期構造によって前記周期構造に共鳴する特定波長領域の光を反射せしめる共振モード格子を有するフィルター素子と、被対象物から輻射される第一の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第一の光学系と、第二の波長領域の光を発する光源と、前記光源が発する前記第二の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第二の光学系と、光の強度を検出する受光素子と、前記光源が発する前記第二の波長領域の光のうち前記共振モード格子で反射した前記特定波長領域の光を前記受光素子へ導く第三の光学系と、を有する光学システムであることを特徴とする。
【解決手段】微細な凹凸による周期構造によって前記周期構造に共鳴する特定波長領域の光を反射せしめる共振モード格子を有するフィルター素子と、被対象物から輻射される第一の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第一の光学系と、第二の波長領域の光を発する光源と、前記光源が発する前記第二の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第二の光学系と、光の強度を検出する受光素子と、前記光源が発する前記第二の波長領域の光のうち前記共振モード格子で反射した前記特定波長領域の光を前記受光素子へ導く第三の光学系と、を有する光学システムであることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振モード格子を利用した光学システム、及び、それを用いた赤外線撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、防犯用の小型監視カメラや自動車に搭載される暗視カメラなど、暗闇においても生体や物体像を画像として認識することが可能な赤外線カメラの需要が高まっている。これに伴い、赤外線カメラの主要部である赤外線検出器又は赤外線撮像素子の開発が急速に進められている。特に７μｍ〜１５μｍの波長領域にある遠赤外線は大気をよく透過し、人間の体温や一般的な外気温を持つ物体からの黒体輻射に多く含まれる波長領域にあるため、この領域の光を撮像することが可能な赤外線撮像素子が重要となっている。
【０００３】
赤外線の検出方式は数多くあり、代表的なものに感熱抵抗体の抵抗値が温度に対応して変化する性質を利用したボロメータがある。これは、赤外線の受光による温度変化に応じて感熱抵抗体の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化量を測定することによって、赤外線の受光量を検出するものである。ボロメータを利用した赤外線撮像素子に関しては数多くの技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、ボロメータは非常に高価であるため、車載カメラや暗視カメラ等の一般的な用途へは、あまり普及していない。この問題を改善すべく、赤外線の受光による温度変化によって、特定波長領域の光透過率又は反射率が変化する熱光学機能を有する素子を用いる技術が提案されている。
【０００５】
この技術によれば、熱光学機能を有する素子に、検出したい赤外線とは異なる波長領域の光を照射し、その反射光又は透過光を安価なシリコン等の受光素子によって受光することで、赤外線の受光量を検出する。従って、従来のボロメータを用いた技術とは異なり受光素子としてシリコン受光素子を用いることが可能になるため、赤外線検出装置の低価格化を実現できる（例えば、特許文献２、３参照）。
【０００６】
より詳しく説明すると、特許文献２では、熱光学機能を有する素子として、誘電体状ブロック上に金属膜及び熱光学効果を有する薄膜を形成したものを用い、熱変化によってプラズモン共鳴波長領域がシフトすることを利用した放射温度測定装置が示されている。又、特許文献３では、熱光学機能を有する素子として、熱光学材料を含む光学多層膜フィルターを用い、熱変化によって多層膜フィルターの透過波長領域が変化することを利用した赤外線カメラが示されている。
【０００７】
特許文献３に示されている構成について、図２５及び図２６を参照しながら説明する。図２５は、従来の赤外線カメラの概略の構成の例を示す図である。図２５を参照するに、赤外線カメラ１０は、近赤外光源１１と、コリメータレンズ１２と、ダイクロイックミラー１３と、熱光学素子１４（Focal Plane Array、以降ＦＰＡ１４という）と、集光レンズ１５と、近赤外光検出器１６と、赤外レンズ１７とを有する。
【０００８】
ＦＰＡ１４は、赤外透過窓１４ａと、ピクセル素子アレイ１４ｂと、基板１４ｃと、参照フィルター１４ｄと、電子冷却素子１４ｅとを有する。赤外透過窓１４ａ、ピクセル素子アレイ１４ｂ、基板１４ｃ、参照フィルター１４ｄは、減圧パッケージングされ、電子冷却素子１４ｅによって温度調整されている。２０は近赤外光を、２１は像を、２２は赤外光を示している。
【０００９】
図２５に示す赤外線カメラ１０において、近赤外光源１１から出射された近赤外光２０は、コリメータレンズ１２により平行光とされ、近赤外光を反射し赤外光を透過する性質を有するダイクロイックミラー１３により反射され、熱光学機能を有する素子であるＦＰＡ１４に入射する。ＦＰＡ１４を通過した近赤外光２０は集光レンズ１５によって近赤外光検出器１６へ集光される。
【００１０】
一方、像２１から発せられる赤外光２２は赤外レンズ１７によって、ＦＰＡ１４上に集光される。ＦＰＡ１４を構成するピクセル素子アレイ１４ｂはそれぞれが多層膜構造を有しており、温度による屈折率変化によって透過波長領域がシフトする。ピクセル素子アレイ１４ｂに集光される赤外光２２は像２１からの強度分布に対応しており、入射した赤外光２２の強度に応じて温度変化が発生し、透過波長がシフトする。
【００１１】
図２６は、ピクセル素子アレイのフィルター特性の例を示す図である。図２６（ａ)は、温度Ｔ１においてピクセル素子アレイ１４ｂを透過する光のスペクトル分布を示している。図２６（ｂ）は、温度Ｔ２においてピクセル素子アレイ１４ｂを透過する光のスペクトル分布を示している。図２６（ａ)及び図２６（ｂ)において、横軸はピクセル素子アレイ１４ｂに入射する光の波長、縦軸はピクセル素子アレイ１４ｂを透過する光の強度である。
【００１２】
図２６（ａ)及び図２６（ｂ)に示すように、温度Ｔ１では波長λ２に透過光強度のピークがあり、温度Ｔ２では波長λ３に透過光強度のピークがある。よって、赤外光の強度に対応して温度がＴ１からＴ２に変化すると、図２６（ａ)から図２６（ｂ)のように透過スペクトルが変化する。例えば、近赤外光源１１として波長λ１の近赤外光を発振する狭帯域レーザを用いたとき、図２６（ａ)及び図２６（ｂ)中に示した斜線部が透過光強度となる。透過光強度の２次元像を近赤外検出器１６によって撮像することにより、赤外光２２を発する像２１をとらえることができる。
【特許文献１】特開２００２−２１４０３５号公報
【特許文献２】特開２００４−２４５６７４号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／００２３６６１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、例えば、特許文献２に示されている技術では、共鳴波長のピーク位置や波長領域を制御することが容易ではない。又、全反射光の減衰を利用しており、全反射を発生させるためには基板がプリズム状又は回折構造を有している必要があり、構造が複雑化するという問題があった。
【００１４】
又、例えば、特許文献３に示されている技術では、赤外線検出装置として２次元像を得る装置とする場合に、熱光学機能を有する素子（ＦＰＡ）が複数のマトリックス状の画素から形成されている必要がある。マトリックス状の画素を形成するには、複雑な構造の多層膜を多数の細かい画素に区切らなくてはならず、加工が困難であるという問題があった。
【００１５】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、単純な構造からなる光学システム、及び、それを用いた赤外線撮像システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、第１の発明は、微細な凹凸による周期構造によって前記周期構造に共鳴する特定波長領域の光を反射せしめる共振モード格子を有するフィルター素子と、被対象物から輻射される第一の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第一の光学系と、第二の波長領域の光を発する光源と、前記光源が発する前記第二の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第二の光学系と、光の強度を検出する受光素子と、前記光源が発する前記第二の波長領域の光のうち前記共振モード格子で反射した前記特定波長領域の光を前記受光素子へ導く第三の光学系と、を有する光学システムであることを特徴とする。
【００１７】
第２の発明は、微細な凹凸による周期構造によって前記周期構造に共鳴する特定波長領域の光を透過せしめる共振モード格子を有するフィルター素子と、被対象物から輻射される第一の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第一の光学系と、第二の波長領域の光を発する光源と、前記光源が発する前記第二の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第二の光学系と、光の強度を検出する受光素子と、前記光源が発する前記第二の波長領域の光のうち前記共振モード格子を透過した前記特定波長領域の光を前記受光素子へ導く第三の光学系と、を有する光学システムであることを特徴とする。
【００１８】
第３の発明は、請求項１乃至２０の何れか一項記載の光学システムと、前記光学システムを制御する制御部と、前記光学システムからの出力信号を処理する信号処理部と、外部と信号をやりとりする外部インターフェース部と、を有する赤外線撮像システムであって、
前記光学システムにおける前記第一の波長領域は、赤外線領域に含まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、単純な構造からなる光学システム、及び、それを用いた赤外線撮像システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００２１】
〈第１の実施の形態〉
図１を参照しながら、本発明の第１の実施の形態に係る光学システムについて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光学システムの概略の構成の例を示す図である。図１を参照するに、光学システム１００は、光源１１０と、第二の光学系１２０と、ハーフミラー１３０と、フィルター素子１４０と、第三の光学系１５０と、受光素子１６０と、第一の光学系１７０とを有する。２００は光源１１０から出射された第二の波長領域を有する光（以降、プローブ光２００とする）を、２１０は対象物体を、２２０は対象物体２１０からの輻射光を示している。
【００２２】
光源１１０は、所定の波長の光を出射する機能を有する。光源１１０としては、例えば、半導体レーザ等を用いることができる。第二の光学系１２０は、入射する光を平行光にする機能を有する。第二の光学系１２０としては、例えば、光学ガラスや光学プラスチック等で形成されたコリメートレンズ等を用いることができる。ハーフミラー１３０は、入射する光の一部を反射し、一部を透過する機能を有する。フィルター素子１４０は、熱光学効果を有する素子である。なお、熱光学効果とは、温度によって屈折率が変化する現象である。第一の光学系１７０は、入射する光を集光する機能を有する。第三の光学系１５０は、入射する光を集光する機能を有する。
【００２３】
光源１１０から出射されたプローブ光２００は、第二の光学系１２０によってコリメートされた後にハーフミラー１３０によって、熱光学効果を有するフィルター素子１４０へ導かれる。又、対象物体２１０からの輻射光２２０は、第一の光学系１７０によってフィルター素子１４０へ取り込まれる。フィルター素子１４０は取り込まれた輻射光２２０のうち第一の波長領域の光（以降、シグナル光２２０ａとする）を吸収して熱に変換する。変換される熱は、シグナル光２２０ａの強度と対応する。
【００２４】
フィルター素子１４０はプローブ光２００を反射する。フィルター素子１４０で反射したプローブ光２００は、第三の光学系１５０によって受光素子１６０へ導かれる。後述するように、フィルター素子１４０のプローブ光２００に対する反射率は、シグナル光２２０ａを吸収して生じる熱によって変化する。すなわち、受光素子１６０へ入射するプローブ光２００の強度によって、対象物体２１０からのシグナル光２２０ａの強度を知ることができる。
【００２５】
光学システム１００において、特に第一の波長領域が７μｍ〜１５μｍの波長領域にある遠赤外線に相当し、フィルター素子１４０がこの波長領域の光に対して吸収を持ち、遠赤外線に対して感度を持つことが好ましい。この波長領域の光は大気中をよく透過し、人間の体温や一般的な外気温を持つ物体からの黒体輻射に多く含まれるため、７μｍ〜１５μｍに感度を有することにより、光学システム１００は、暗闇中での暗視カメラとして用いることができる。
【００２６】
又、第一の波長領域は、例えば、テラヘルツ帯（波長およそ１００μｍ〜１０００μｍ）と呼ばれる波長領域としてもよい。テラヘルツ帯では、生体に対する透過性が高い、分子の振動準位が多数存在する等の理由から近年研究が進んでおり、テラヘルツ帯を受光するための撮像素子が望まれている。
【００２７】
特定の波長に対する感度を上げるために、フィルター素子１４０へ入射する光の波長のうち所望の第一の波長領域以外の光を減衰させる波長フィルターを備えていても良い。以降の説明においては、第一の波長領域を遠赤外領域として説明するが、これに限定されるものではない。
【００２８】
第二の波長領域としては、０．４μｍ〜１．１μｍの間の波長であることが好ましい。この波長範囲に含まれる波長領域を第二の波長領域としたときは、受光素子１６０としてシリコンを受光部に用いたＣＣＤやＣＭＯＳ等を用いることが可能である。このような素子は広く普及しており非常に低価格で入手可能なため、光学システム１００を安価に構成することができる。以降の説明では第二の波長領域を近赤外領域として説明するが、これに限定されるものではない。
【００２９】
ここで、フィルター素子１４０の具体的な構成について説明する。図２は、フィルター素子の概略の構成の例を示す図である。図２を参照するに、フィルター素子１４０は、窓１４１と、共振モード格子１４２と、基板１４３と、支柱１４４と、支持材１４５とを有する。
【００３０】
図２に示すフィルター素子１４０において、基板１４３上には複数の共振モード格子１４２が２次元アレイ状に形成されており、支柱１４４によって支えられている。共振モード格子１４２は第一の波長領域の光に対して吸収を有しており、シグナル光２２０ａを吸収して熱に変えることで、光源１１０からの光の反射率を変化せしめる。
【００３１】
図２（ａ）では、窓１４１側に第一の光学系１７０（図示せず）が配置され、窓１４１から共振モード格子１４２へシグナル光２２０ａが入射する構成となっており、その光路を模式的に図中点線で示した。シグナル光２２０ａは窓１４１を透過し共振モード格子１４２によって吸収される。又、共振モード格子１４２で吸収しきれなかったシグナル光２２０ａは、基板１４３へ入射する。
【００３２】
共振モード格子１４２に吸収されるシグナル光２２０ａを増やし感度を上げるためには、基板１４３がシグナル光２２０ａの波長領域に対して反射率が高くなっており、基板１４３に入射したシグナル光２２０ａが反射され、再び共振モード格子１４２へ入射するようになっていることがより好ましい。
【００３３】
又、図２（ａ）では、基板１４３側に第二の光学系１２０（図示せず）及び第三の光学系１５０（図示せず）が配置されており、基板１４３から共振モード格子１４２へプローブ光２００が入射する構成となっており、その光路を模式的に図中実践で示した。プローブ光２００は基板１４３を透過し共振モード格子１４２によって反射される。ここで、反射されなかったプローブ光２００は窓１４１に入射することになり、窓１４１によって反射されてしまうとノイズ光となり光学システム１００の感度低下につながるため、窓１４１はプローブ光２００に対して反射率が低くなっていることが好ましい。
【００３４】
フィルター素子１４０及び受光素子１６０は、画素構造を有さないものでも良いが、２次元アレイ状の画素構造を有することによって、物体の２次元的な像を得ることができる。特に、画素が支柱１４４と小さい面積で接しており各画素が熱的に孤立していることによって、シャープな２次元像を得ることが可能になる。
【００３５】
図３は、フィルター素子における２次元アレイ状の画素構造の概略の構成の例を示す図である。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３を参照するに、支柱１４４が基板１４３上に形成されており、メンブレン状の共振モード格子１４２が外側から支柱１４４によって固定されている。共振モード格子１４２がメンブレン状となっていることで、共振モード格子１４２の熱容量を小さくすることが可能となり、熱に対する反応速度を速くすることができる。
【００３６】
又、共振モード格子１４２をメンブレン状にすることによって、共振モード格子１４２は、フィルター素子１４０を構成する基板１４３から熱的に隔離されている。これによって、共振モード格子１４２は、基板１４３からの熱伝播の影響を避けることが可能となり、熱ノイズの少ない光学システムを実現することができる。メンブレンの厚さとしては、薄いほど熱容量を小さくすることができるため好ましい。しかし、薄すぎると加工が困難になり、又、機械的強度が弱くなる等の問題が発生するため、１μｍ〜１０μｍ程度が好ましい。
【００３７】
更に、対流などによる熱の影響を小さくするためには、マイクロ真空パッケージなどによって密閉された減圧雰囲気又は不活性ガス雰囲気中に共振モード格子１４２が封止されていることが好ましい。図２ではフィルター素子１４０は窓１４１、基板１４３、及び支持材１４５によって減圧パッケージングされている。共振モード格子１４２が減圧状態又は不活性ガスによって充填された状態でパッケージングされていることにより、対流などによる外部からの熱の影響が少なくなり、熱ノイズがより少ない光学システム１００を実現することができる。
【００３８】
以上より、窓１４１を構成する材料としては、シグナル光２２０ａに対して透過率が高くプローブ光２００に対して反射率が低いもの、又、基板１４３を構成する材料としては、シグナル光２２０ａに対して反射率が高くプローブ光２００に対しては透過率が高いものを用いることが好ましい。例えば、シグナル光２２０ａが遠赤外線、プローブ光２００が近赤外線のときは、窓１４１を構成する材料として、ＺｎＳやＺｎＳｅ等のように遠赤外線及び近赤外線の両方に対して透過率の高いもの、或いは、Ｇｅのように近赤外線に対して吸収の高いものを用いることができる。
【００３９】
プローブ光２００の反射率を更に低下させるために、窓１４１に反射防止膜或いは反射防止構造が施されていることがより好ましい。図４は、窓の反射防止構造の例を示す図である。窓１４１は、例えば、図４に示すように、反射防止構造としてプローブ光２００の波長よりも細かい三角形状１４１ａを有する構造とすることができる。又、基板１４３を構成する材料としては、ＳｉＯ２やＳｉなどを用いることができる。シグナル光２２０ａの反射率を更に上げるために、基板１４３上に反射膜が形成されていることがより好ましい。
【００４０】
このように、フィルター素子１４０の窓１４１を構成する材料として、シグナル光２２０ａに対して透過率が高くプローブ光２００に対して反射率が低い材料を用い、基板１４３を構成する材料として、シグナル光２２０ａに対して反射率が高くプローブ光２００に対して透過率が高い材料を用いることによって、シグナル光２２０ａはフィルター素子１４０によく吸収され、プローブ光は窓１４１を構成する材料からの反射によるノイズが少ない構成とすることができ、ノイズが少なく高感度な光学システム１００を実現できる。
【００４１】
なお、図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）とは逆に、基板１４３側からシグナル光２２０ａを入射し、窓１４１側からプローブ光２００を入射するようにしても良い。このとき、前述のように、シグナル光２２０ａをよりよく共振モード格子１４２に吸収させるために、窓１４１はシグナル光２２０ａに対して反射率が高くなっていることが好ましい。又、窓１４１はプローブ光２００に対して透過率が高いほうが良く、プローブ光２００のノイズを減らすために共振モード格子１４２を透過したプローブ光２００が基板１４３によって反射されないことが望ましい。
【００４２】
よって、窓１４１を構成する材料としては、シグナル光２２０ａに対して反射率が高くプローブ光２００に対して透過率が高いもの、基板１４３を構成する材料としては、シグナル光２２０ａに対して透過率が高くプローブ光２００に対して反射率が低いものを用いることが好ましい。材料や構造に関しては、前述と同様に反射防止膜や反射防止構造或いは反射膜を用いることも可能である。
【００４３】
このように、フィルター素子１４０の基板１４３を構成する材料として、シグナル光２２０ａに対して透過率が高くプローブ光２００に対して反射率が低い材料を用い、窓１４１を構成する材料として、シグナル光２２０ａに対して反射率が高くプローブ光２００に対して透過率が高い材料を用いることによって、シグナル光２２０ａはフィルター素子１４０によく吸収され、プローブ光２００は基板１４３を構成する材料からの反射によるノイズが少ない構成とすることができ、ノイズが少なく高感度な光学システム１００を実現できる。
【００４４】
ここで、共振モード格子に関して詳細に説明する。共振モード格子とは、回折格子におけるアノマリーの現象の一つであり、格子ピッチと入射光の波長とがある共振条件を満たすと共振現象が発生し、これによって非常に帯域の狭い反射型の波長フィルターを作製することができるものである。共振波長での反射率は理論的には１００％に達する。共振モード格子に関しては多くの研究が成されており、例えば、Optics Letters Vol.19 919-921(1994)、Applied Optics Vol.34 8106-81109 (1995)等に述べられている。
【００４５】
図５は、共振モード格子の概略の構成の例を示す図である。図５に示す共振モード格子３００は、屈折率の異なる２種類の材料から構成されており、より低い屈折率ｎＬを持つ低屈折率材料からなる基板層３０１上に、より高い屈折率ｎＨを持つ高屈折率材料からなる導波層３０２が厚さｈ１で形成され、低屈折率材料からなる格子層３０３が厚さｈ２で形成されている。ここで、屈折率ｎＨ＞屈折率ｎＬとなっており、以後２種類の材料を使用しているときは、屈折率のより高い材料を高屈折率材料、屈折率のより低い材料を低屈折率材料と呼ぶ。
【００４６】
共振モード格子３００では、入射した光のうち格子層３０３と共鳴する波長のみが、導波層３０２の導波モードとカップリングし共鳴反射することとなる。格子層３０３は凹凸構造が周期ｐで１方向に配列した周期構造を持っている。このような１方向の周期構造においては、偏光方向に対する依存性が発生するため、図５に示すように溝に平行な電場振動を有する成分をＴＥ偏光と、溝方向に垂直な電場振動を有する成分をＴＭ偏光と呼ぶことにする。
【００４７】
図５では、導波層３０２が熱光学材料によって形成されている。熱光学材料とは、熱変化に対して屈折率の変化量の大きい材料のことであり、明確な定義は無いが、本明細書では、室温下において特定の波長に対して屈折率の温度変化（以下、熱光学係数と呼ぶ）Δｎ／ΔＴが５×１０−５以上であることを満たす材料のことを呼ぶことにする。様々な材料に対する熱光学係数に関しては、例えば、Handbook of Thermo-Optic Coefficients of Optical Materials with Applications等に記載されている。
【００４８】
熱光学材料としては、熱光学係数が大きいほうが共振モード格子の熱変化に対する特性の変化が大きくなるため好ましく、屈折率の比較的高い材料としてはＳｉ、ＧａＰ、ＧａＮなどの半導体材料が、屈折率が比較的低い材料としてはＰＭＭＡなどのポリマー材料が好ましい。
【００４９】
熱光学効果の高い高屈折率材料である半導体材料を用いることによって、より高感度な光学システムを実現することができる。特に、半導体材料は熱膨張率が小さいため、熱による構造の変化が小さく、より適している。又、熱光学効果の高い低屈折率材料であるポリマー材料を用いることによって、より高感度な光学システムを実現することができる。
【００５０】
例えば、半導体材料であるＳｉ、ＧａＰ、ＧａＮのおよその熱光学係数（単位は全てＫ−１）は、それぞれ３×１０−４、２×１０−４、０．６×１０−４であり、ポリマー材料であるＰＭＭＡの熱光学係数はおよそ−１×１０−４である。これに対して、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＦ２等の一般的な光学材料の熱光学係数はおよそ−０．６×１０−５、１．２６×１０−５、−１．１８×１０−５程度であり、上述の熱光学材料に対して１桁以上小さい。
【００５１】
特に半導体材料は熱光学係数が大きいが、熱膨張率が小さいため熱による形状変化が小さくより適している。共振モード格子は、シグナル光に対して吸収を有している必要がある。よって、熱光学材料としては、第一の波長領域の光は吸収し、第二の波長領域の光に対しては透過する材料となっていることがより好ましい。
【００５２】
図５に示す共振モード格子３００において、一例として、導波層３０２に高屈折率で熱光学係数の大きい材料であるＧａＰを、基板層３０１及び格子層３０３に低屈折率で熱光学係数の小さい材料であるＳｉＯ２を用いた場合の反射特性を厳密結合波解析（RCWA）によって計算した。ここで、ＧａＰの屈折率ｎＨは２０℃で３．３１２２、熱光学係数は１．６×１０−４とし、ＳｉＯ２の屈折率ｎＬは１．４６、熱光学係数は無視できるほど小さいと考えゼロとした。又、導波層３０２の厚さｈ１を２４．５ｎｍ、格子層３０３の厚さｈ２を２００ｎｍ、格子層３０３の周期ｐを５００ｎｍとした。
【００５３】
図６〜図８は、共振モード格子３００における厳密結合波解析（RCWA）による反射特性の計算結果の例を示す図である。図６は、温度２０℃における、垂直入射したＴＥ偏光に対する反射分光特性を示している。図６において、横軸は共振モード格子３００に入射する光の波長、縦軸は共振モード格子３００で反射する光の反射光強度である。図６に示すように、波長０．８μｍ近辺をピークとした共鳴反射光が現れていることがわかる。
【００５４】
図７は、ＧａＰが温度によって屈折率変化したときの反射特性変化を示している。図７において、横軸は共振モード格子３００に入射する光の波長、縦軸は共振モード格子３００の反射率である。ｎは（ ）内の温度における屈折率の値である。熱光学係数は温度によって変化するため、ここで表示している温度における屈折率の値ｎは厳密には実際のものと異なるが、図７に示すように、共鳴反射光のピーク位置が温度によってシフトすることがわかる。
【００５５】
図８には波長０．８μｍにおける反射光強度の変化を、温度を変数としてプロットしている。図８において、横軸は共振モード格子３００の温度、縦軸は共振モード格子３００で反射する光の反射光強度である。図８に示すように、共振モード格子３００の温度変化によって反射光強度が変調されることがわかる。よって、例えば、図１に示す光学システム１００のような構成においては、共振モード格子３００がシグナル光２２０ａを吸収して温度変化するため、シグナル光２２０ａの強度変化に応じてプローブ光２００（ここでは波長０．８μｍの光）の反射率が変化することとなる。
【００５６】
このように、共振モード格子３００は、特許文献３（ＵＳＰ２００７−００２３６６１）に示されるような複雑な多層膜構造と異なり、図５に示すように、少ない膜数、シンプルな構成で必要な機能を得ることができる。従って、図３に示すようなアレイ構造を作製するときに、特許文献３（ＵＳＰ２００７−００２３６６１）に示されるような複雑な多層膜構造を加工するのに比べて、容易に加工することができる。
【００５７】
又、多層膜構造に対する異なるメリットとして、反射スペクトルの急峻さ（すなわち温度変化による反射光変化の急激さ）を容易に調整できることが挙げられる。これに関して、図９及び図１０を参照しながら説明する。図９は、共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その１）である。図９に示す共振モード格子３１０は、図５に示す共振モード格子３００とは異なる構造を有しており、導波層３１１及び格子層３１２が、それぞれ厚さｈ１及びｈ２で単一の熱光学材料によって形成されている。
【００５８】
図９に示す共振モード格子３１０において、一例として、導波層３１１及び格子層３１２を構成する熱光学材料にＰＭＭＡを用いた場合の反射特性を厳密結合波解析（RCWA）によって計算した。ここで、ＰＭＭＡの温度２０℃での屈折率ｎ＝１．４９、熱光学係数を−１．１×１０−４とした。又、導波層３１１の厚さｈ１を３１４ｎｍ、格子層３１２の厚さｈ２を３５ｎｍ〜１００ｎｍまで変化させ、格子層３１２の周期ｐを５００ｎｍとした。
【００５９】
図１０は、共振モード格子３１０の反射分光特性の例を示す図であり、温度２０℃での、垂直入射したＴＥ偏光に対する反射分光特性を示している。図１０において、横軸は共振モード格子３１０に入射する光の波長、縦軸は共振モード格子３１０で反射する光の反射光強度である。図１０に示すように、格子層３１２の厚さｈ２の変化によって、共鳴反射光のピーク波長が変化するほか、反射スペクトルの急峻さも変化している。このように、構造を変えただけで容易に反射スペクトル幅及び急峻さを変えることができるため、光学システムの仕様に合わせた光学特性の調整を容易に行うことができる。
【００６０】
共振モード格子は、図５や図９で示す構成の他にも様々な構成を取ることができる。図１１及び図１２を参照しながら、共振モード格子の構成の他の例について説明する。図１１は、共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その２）である。図１２は、共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その３）である。
【００６１】
図１１に示す共振モード格子３２０は、高屈折率材料からなる基板層３２１及びグレーティング層３２２の上にグレーティング層３２２を埋めるようにして低屈折率材料からなる低屈折率層３２３が形成された構成である。ここで、基板層３２１を構成する高屈折率材料が熱光学材料でも良いし、低屈折率材料３２３を構成する低屈折率材料が熱光学材料でも良いし、双方が熱光学材料となっていても良い。図１２に示す共振モード格子３３０は、低屈折率材料からなる基板層３３１及びグレーティング層３３２の上に高屈折率材料からなるグレーティング層３３３が成膜された構成である。
【００６２】
図９に示す共振モード格子３１０のように、共振モード格子が単一の材料から成るものでは、構成要素が少なく異なる材料を積層する必要が無いため、より少ない工程で光学システムを作製することができる。しかしながら、共振モード格子が単一の材料から形成されている場合には、共振モード格子を構成する材料として、熱光学材料でありかつ第一の波長領域に対して吸収を有する材料を用いなければならない。
【００６３】
これに対して、図１１に示す共振モード格子３２０では、２種類の材料を用いている。２種類以上の材料を用いるメリットとしては、熱光学材料がシグナル光に対して吸収が無くても、共振モード格子を構成する異なる材料がシグナル光を吸収して熱に変えることができればフィルター素子として機能すること、複数の材料の組み合わせによって反射スペクトルの形状を調整することができること等が挙げられる。
【００６４】
例えば、ＺｎＳは熱光学材料であるが遠赤外線に対して透過率が高いためシグナル光を吸収できないが、図１２に示す高屈折率材料としてＺｎＳを用い、低屈折率材料としてＳｉＯ２を用いる等、他材料と組み合わせることによって、ＳｉＯ２が遠赤外線を吸収し熱に変えることができるため、本発明に係る共振モード格子を形成する材料として用いることが可能になる。
【００６５】
このように、共振モード格子を複数の材料から構成することにより、熱光学材料が必ずしも第一の波長領域に対して吸収を有してなくても良く、別の異なる材料が第一の波長領域に対して吸収率が高ければ良い。これによって、本発明に係る光学システムを構成する材料の選択幅が広がり、より作製が容易になる。
【００６６】
図１３は、共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その４）である。図１３に示す共振モード格子３４０は、図５に示す共振モード格子３００と同様に低屈折率材料からなる基板層３４１上に、高屈折率材料からなる導波層３４２が厚さｈ１で、低屈折率材料からなる格子層３４３が厚さｈ２で形成されている。図１３に示すように、格子層３４３は、周期構造として２次元の周期となっていても良い。
【００６７】
格子層３４３は図１３に示すｘ方向及びｙ方向にそれぞれｐｘ及びｐｙの周期を持つ凹凸構造から成る２次元周期構造を持つ。ｐｘとｐｙとが等しい値のとき、ｘ偏光（ｘ方向に電場振動を持つ光）とｙ偏光（ｙ方向に電場振動を持つ光）の双方に対して反射分光特性は等しい偏光無依存の共振モード格子となり、プローブ光としてどのような偏光のものも使用できるメリットがある。
【００６８】
図１４は、共振モード格子３４０の波長と反射光強度との関係の例を示す図である。図１４において、横軸は共振モード格子３４０に入射する光の波長、縦軸は共振モード格子３４０で反射する光の反射光強度である。図１５は、共振モード格子３４０の温度と反射光強度との関係の例を示す図である。図１５において、横軸は共振モード格子３４０の温度、縦軸は共振モード格子３４０で反射する光の反射光強度である。
【００６９】
ｐｘとｐｙとの値が異なるとき、すなわち面内で異方性のある周期構造においては、図１４に示すように、波長と反射光強度との関係（反射分光特性）がｘ偏光とｙ偏光で異なり、ピーク位置がずれるようになる。このとき、波長λ１における温度変化に対する反射光強度は図１５に示すようになる。
【００７０】
プローブ光として、ｘ偏光とｙ偏光両方の成分を持つ光を用い、受光素子としてｘ方向とｙ方向両方の偏光成分の光強度を別に検出可能なものを用いることによって、より広い温度範囲を検出することが可能となる。これは例えば、偏光ビームスプリッタで偏光成分によって光路を分けた後に、２つの受光素子を備えることによって達成可能である。このようにして、ダイナミックレンジの広い光学システムを実現することができる。
【００７１】
光源としては、温度変化に対する反射光強度変化の感度を上げるために、狭波長帯域を有する光源を用いることが好ましい。プローブ光の波長を狭帯域に制御するためには、光源に狭帯域の波長フィルターを備えていることがより好ましい。光源に狭帯域の波長フィルターを備えることによって、より高感度な光学システムを実現することができる。又、光源に狭帯域の波長フィルターを備えることによって、光源の波長に多少のゆらぎがあっても影響が受けにくくなり、より安定な光学システムを実現することができる。
【００７２】
更に、フィルターの透過する波長領域が可変となっている可変フィルターを用いることによって、共振モード格子の温度や、シグナル光の強度にあわせて波長をコントロールすることが可能になる。よって、環境温度の変化による共振モード格子の温度変化や、受光素子の飽和などの問題に対応することができる。例えば、シグナル光となる遠赤外線の強度が強すぎるため、受光素子が飽和してしまっているときに、温調機構によって光源の波長をシフトさせ、受光素子が飽和しないようにプローブ光の反射光強度を制御すること等が考えられる。
【００７３】
図１６は、可変フィルターの概略の構造の例を示す図である。可変フィルターとしては、図１６に示す可変フィルター４００のように、透明電極基板４０１及び４０２に液晶材料４０３が挟み込まれたエタロンフィルターで、液晶に印加する電圧Ｖを制御することにより透過波長を変化させることのできる液晶型波長可変フィルターを用いることができる。
【００７４】
光源としては、狭波長帯域で安価である半導体レーザを用いることが特に好ましい。しかしながら、通常の半導体レーザはモードホップによる波長変動が存在する。共振モード格子は、図６に示すように温度変化だけではなく、波長変動によっても反射光強度が変化する。よって、光源にモードホップが存在すると、受光強度が変動する虞がある。
【００７５】
これに対して、半導体レーザの中でも波長変動が小さい分布帰還型レーザ（DFBレーザ）、分布ブラッグ反射型レーザ（DBRレーザ）、垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）を光源として用いることはより好ましい。これらのレーザでは半導体レーザの共振器に分布帰還型の構造もしくは、分布反射型構造が形成されているため共振する波長帯域を非常に狭く、非常に狭帯域の光を得ることができる。よって、本発明に係る光学システムの光源としてこれらのレーザを用いることによってより高感度で安定な光学システムとすることが可能となる。
【００７６】
更に、上述のような光源は温調機構を備えていることが好ましい。半導体レーザ光源は温度によって波長変動が存在し、温度を精密に制御することによって発振波長を制御することができる。特に、DFBレーザやVCSELでは発振波長を温度制御によって精密にコントロールすることができるのでより好ましい。温調機構としては、例えば、ペルチェ素子を用いて電気的にコントロールする機構等が考えられる。
【００７７】
又、可変フィルターの説明で述べたように、温調機構を備えていることにより、共振モード格子の温度や、シグナル光の強度にあわせて波長をコントロールすることが可能になる。よって、環境温度の変化による共振モード格子の温度変化や、受光素子の飽和などの問題に対応することができる。又、別の例として共振モード格子へ入射するプローブ光の入射角度を調整できるようになっていても良い。
【００７８】
これは、光源からの光をフィルター素子へ導く第二の光学系が入射角度調整機構を備えていることで達成できる。具体的には、例えば、図１に示す光学システム１００におけるハーフミラー１３０に角度調整機構がついていること、或いは、コリメートレンズ１０２に光軸と垂直な方向に可動できる駆動機構が備わっていることで実現できる。
【００７９】
図１７は、図９に示す共振モード格子３１０に入射角を変えて光を入射したときの反射分光特性を示す図である。図１７において、横軸は共振モード格子３１０に入射する光の波長、縦軸は共振モード格子３１０で反射する光の反射光強度である。導波層３１１の厚さｈ１を３１４ｎｍ、格子層３１２の厚さｈ２を１００ｎｍ、格子層３１２の周期ｐを５００ｎｍとしたとき、入射角度を０度〜３度まで変化させRCWAによる反射率の計算を行った。図１７から明らかなように、図９に示す共振モード格子３１０は、入射角によって反射波長領域が大きく変化する。
【００８０】
このように、プローブ光の入射角度調整機構を備えていることによって、前述した可変フィルターと同様に、共振モード格子の温度や、シグナル光の強度にあわせて、共振モード格子が反射するプローブ光の強度を調整することができる。よって、環境温度の変化による共振モード格子の温度変化や、受光素子の飽和などの問題に対応することができる。
【００８１】
本発明の第１の実施の形態に係る光学システムによれば、光学システムを構成する共振モード格子の形状を制御することによって、反射光強度もしくは透過光強度の温度依存性の強さを制御することが可能となるため、より高感度な光学システムを実現することができる。又、多層膜のような複雑な構成を用いないため、画素構造をより容易なものとすることが可能となり、単純な構成からなる光学システムを実現することができる。
【００８２】
〈第２の実施の形態〉
図１８を参照しながら、本発明の第２の実施の形態に係る光学システムについて説明する。図１８は、本発明の第２の実施の形態に係る光学システム５００の概略の構成の例を示す図である。図１８において、図１と同一構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する場合がある。
【００８３】
図１８を参照するに、光学システム５００は、光源１１０と、第二の光学系１２０と、第三の光学系１５０と、受光素子１６０と、フィルター素子５１０とを有する。フィルター素子５１０は、第一の光学系５２０と一体化されている。２００は光源１１０から出射された第二の波長領域を有する光（以降、プローブ光２００とする）を、２１０は対象物体、２２０は対象物体２１０からの輻射光を示している。
【００８４】
光源１１０から出射されたプローブ光２００は、第二の光学系１２０によってコリメートされた後に所定の入射角度にて、熱膨張率の異なる複数の材料から成る共振モード格子を有するフィルター素子５１０に入射する。このように、フィルター素子５１０へ入射する光は垂直入射では無く、所定の入射角度がついていても良く、これによって図１に示す光学システム１００で用いたハーフミラー１３０を省略することができる。
【００８５】
又、対象物体２１０からの輻射光２２０は、フィルター素子５１０と一体的に形成されているマイクロレンズアレイからなる第一の光学系５２０によってフィルター素子５１０へ取り込まれる。このように、第一の光学系５２０はフィルター素子５１０の窓を構成する材料と一体的に形成されたものであっても良い。
【００８６】
フィルター素子５１０は取り込まれた輻射光のうち第一の波長領域の光（以降、シグナル光２２０ａとする）を吸収して熱に変換する。フィルター素子５１０は後述するように、熱変化によって一部の形状が変化し、プローブ光２００に対する反射率が変化する。反射したプローブ光２００は第三の光学系１５０によって受光素子１６０へ導かれる。
【００８７】
フィルター素子５１０としては、図１に示す光学システム１００で用いた熱光学材料を含む共振モード格子から成るフィルター素子１４０を用いても良いが、ここでは別の例として異なる熱膨張率を持つ複数の材料によって形成されている共振モード格子を有するフィルター素子を用いた。これに関する詳細を、図１９を参照しながら説明する。
【００８８】
図１９は、フィルター素子の概略の構成の例を示す図である。図１９に示すフィルター素子５１０は基板５１１上に、２次元アレイ状の画素構造を持つ複数の共振モード格子５１２が形成されており、支柱５１３によって支えられている。共振モード格子５１２は第一の波長領域の光に対して吸収を有しており、シグナル光２２０ａを吸収して熱に変えることで形状が変化し、光源１１０からの光の反射率を変化せしめる。
【００８９】
図２０を参照しながら、共振モード格子５１２に関して詳細を述べる。図２０は、共振モード格子５１２の概略の構成の例を示す図である。図２０において、図１９と同一構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する場合がある。図２０（ａ）に示すように、共振モード格子５１２は、熱膨張率の低い低屈折率材料部５１２ａ上に、熱膨張率の高い高屈折率材料部５１２ｂが形成されており、高屈折率材料部５１２ｂの上面は周期的な凹凸構造を有する。
【００９０】
又、共振モード格子５１２は一方の側面のみが支柱５１３によって支えられている。低屈折率材料部５１２ａ又は高屈折率材料部５１２ｂ、又はその両方は、シグナル光を吸収し熱に変える。具体的な材料としては、例えば低屈折率材料としてＳｉＯ２、高屈折材料としてＴｉＯ２を用いることが考えられる。ＳｉＯ２及びＴｉＯ２の熱膨張率（線膨張率、単位は全てＫ−１）はそれぞれおよそ、０．５×１０−６、９×１０−６である。
【００９１】
共振モード格子５１２の温度が変化したとき、２種類の材料の熱膨張率の違いにより、図２０（ｂ）に示すように、支柱５１３部を基準に図中に示したようなたわみが生じることになる。これによって、プローブ光２００が共振モード格子５１２へ入射する入射角度が大きくなる。
【００９２】
図２１は、共振モード格子５１２のＴＥ偏光に関する反射分光特性の入射角度変化の例を示す図である。図２１において、横軸は共振モード格子５１２に入射する光の波長、縦軸は共振モード格子５１２で反射する光の反射光強度である。図２１に示す特性は、低屈折率材料部５１２ａとして厚さ１μｍのＳｉＯ２を、高屈折率材料部５１２ｂとして厚さ０．２５μｍ（凹凸構造部の厚さ０．１μｍ）のＴｉＯ２を用いたときのものである。図２１から明らかなように、微小な変形による入射角度変化によって反射特性が大きく変わることになる。
【００９３】
図２２は、共振モード格子５１２の入射角に対する反射光強度の変化の例を示す図である。図２２において、横軸は共振モード格子５１２に入射する光の入射角、縦軸は共振モード格子５１２で反射する光の反射光強度である。図２２に示す特性は、プローブ光の波長（第二の波長領域）が０．８μｍであるときのものである。図２２に示すように、プローブ光の波長（第二の波長領域）が０．８μｍであるとき、共振モード格子５１２のたわみによって入射角度が変化すると、反射光強度が大きく変化する。
【００９４】
図２１や図２２は入射角変化のみをシミュレーションしており、変形が直線的であると仮定しているが、実際には反りなどが発生する。しかしながら、このような状態であっても反射光強度に変化が生じるため、熱変形によって反りが発生する共振モード格子であっても、本発明に係るフィルター素子の構成として使用することが可能である。
【００９５】
このように、入射角度変化に対して反射特性は非常に敏感であるため、非常に高感度な光学システムを構成することが可能である。又、図５等で示した、熱光学材料を用いた共振モード格子に対して、熱光学係数の大きい特別な材料を用いなくとも、一般的な光学材料によって形成可能であるため、作製がより容易である。
【００９６】
又、図１９に示すように、フィルター素子５１０は熱拡散による影響を避けるために、基板５１１、支持材５１４、及び窓５１５によって減圧パッケージングされている。窓５１５はマイクロレンズアレイからなる第一の光学系５２０と一体的に形成されている。このため、前述のように第一の光学系５２０と窓５１５とを一体化することができ、部品点数の削減が可能である。マイクロレンズアレイからなる第一の光学系５２０は、複数の画素に対して1つが対応するようになっており、対象物の像を画素部に形成する複眼撮像システムとなっている。
【００９７】
本発明の第２の実施の形態に係る光学システムによれば、光学システムを構成する材料に熱光学材料を使用せずに、より一般的な光学材料によって構成することが可能であり、又、共振モード格子を構成するフィルターの反射又は透過光強度変化は角度変化に非常に敏感であるため、高感度な光学システムを実現することができる。又、多層膜のような複雑な構成を用いないため、画素構造をより容易なものとすることが可能となるため、単純な構成からなる光学システムを実現することができる。
【００９８】
〈第３の実施の形態〉
図２３を参照しながら、本発明の第３の実施の形態に係る光学システムについて説明する。図２３は、本発明の第３の実施の形態に係る光学システム６００の概略の構成の例を示す図である。図２３において、図１と同一構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する場合がある。
【００９９】
図２３を参照するに、光学システム６００は、ハーフミラー１３０の代わりにダイクロイックミラー６１０を用い、ダイクロイックミラー６１０をフィルター素子１４０と第一の光学系１７０との間に配置した点を除いて、図１に示す光学システム１００と同様に構成される。
【０１００】
光学システム６００において、プローブ光２００は、ダイクロイックミラー６１０によってフィルター素子１４０へ導かれ、フィルター素子１４０を透過した光の強度が受光素子１６０で検出される。又、シグナル光２２０は、ダイクロイックミラー６１０を透過してフィルター素子１４０へと導かれることになる。ここでは、ダイクロイックミラー６１０としてシグナル光２２０を透過し、プローブ光２００を反射するものを用いたが、逆にシグナル光２２０を反射し、プローブ光２００を透過するものを用いても構わない。
【０１０１】
図１及び図１８に示す光学システム１００及び５００においても、フィルター素子１４０又は５１０によって反射されるプローブ光２００の強度を検出する構成とせず、図２３で示す光学システム６００のように、フィルター素子１４０を透過するプローブ光２００の強度を検出する構成としても構わない。
【０１０２】
本発明の第３の実施の形態に係る光学システムによれば、本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様な効果を奏する。
【０１０３】
〈第４の実施の形態〉
図２４を参照しながら、本発明の第４の実施の形態に係る赤外線撮像システムについて説明する。図２４は、本発明の第４の実施の形態に係る赤外線撮像システム７００の概略の構成の例を示す図である。図２４を参照するに、赤外線撮像システム７００は、光学システム１００と、光学システム制御部７１０と、信号処理部７２０と、プロセッサ７３０と、外部インターフェース７４０とを有する。図２４に示す赤外線撮像システム７００は、図１に示す光学システム１００を用いた赤外線撮像システムである。
【０１０４】
赤外線撮像システム７００において、光学システム制御部７１０は、光学システム１００を制御する機能を有する。信号処理部７２０は、光学システム１００からの出力信号を処理する機能を有する。プロセッサ７３０は、光学システム制御部７１０及び信号処理部７２０を駆動する機能を有する。外部インターフェース７４０は、赤外線撮像システム７００の外部と信号をやりとりする機能を有する。
【０１０５】
赤外線撮像システム７００は、特に、遠赤外線波長を撮像する撮像システムとして用いることが好ましく、このような撮像システムは、暗闇の中でも人や動物の像を得ることができるため、監視カメラや、自動車等の移動体に搭載する車載カメラとして使用することもできる。なお、光学システム１００に代えて、光学システム５００、光学システム６００、又は、これらに種々の変形及び置換を加えた光学システムを用いることができることは言うまでもない。
【０１０６】
本発明の第４の実施の形態に係る赤外線撮像システムによれば、本発明に係る光学システムを用いて、単純な構成で高感度に撮像可能な赤外線撮像システムを実現することができる。
【０１０７】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学システムの概略の構成の例を示す図である。
【図２】フィルター素子の概略の構成の例を示す図である。
【図３】フィルター素子における２次元アレイ状の画素構造の概略の構成の例を示す図である。
【図４】窓の反射防止構造の例を示す図である。
【図５】共振モード格子の概略の構成の例を示す図である。
【図６】共振モード格子３００における厳密結合波解析（RCWA）による反射特性の計算結果の例を示す図（その１）である。
【図７】共振モード格子３００における厳密結合波解析（RCWA）による反射特性の計算結果の例を示す図（その２）である。
【図８】共振モード格子３００における厳密結合波解析（RCWA）による反射特性の計算結果の例を示す図（その３）である。
【図９】共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その１）である。
【図１０】共振モード格子３１０の反射分光特性の例を示す図である。
【図１１】共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その２）である。
【図１２】共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その３）である。
【図１３】共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その４）である。
【図１４】共振モード格子３４０の波長と反射光強度との関係の例を示す図である。
【図１５】共振モード格子３４０の温度と反射光強度との関係の例を示す図である。
【図１６】可変フィルターの概略の構造の例を示す図である。
【図１７】図９に示す共振モード格子３１０に入射角を変えて光を入射したときの反射分光特性を示す図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係る光学システム５００の概略の構成の例を示す図である。
【図１９】フィルター素子の概略の構成の例を示す図である。
【図２０】共振モード格子５１２の概略の構成の例を示す図である。
【図２１】共振モード格子５１２のＴＥ偏光に関する反射分光特性の入射角度変化の例を示す図である。
【図２２】共振モード格子５１２の入射角に対する反射光強度の変化の例を示す図である。
【図２３】本発明の第３の実施の形態に係る光学システム６００の概略の構成の例を示す図である。
【図２４】本発明の第４の実施の形態に係る赤外線撮像システム７００の概略の構成の例を示す図である。
【図２５】従来の赤外線カメラの概略の構成の例を示す図である。
【図２６】ピクセル素子アレイのフィルター特性の例を示す図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１００，５００，６００ 光学システム
１１０ 光源
１２０ 第二の光学系
１３０ ハーフミラー
１４０，５１０ フィルター素子
１４１，５１５ 窓
１４１ａ 三角形状
１４２，３００，３１０，３２０，３３０，３４０，５１２ 共振モード格子
１４３，５１１ 基板
１４４，５１３ 支柱
１４５，５１４ 支持材
１５０ 第三の光学系
１６０ 受光素子
１７０，５２０ 第一の光学系
２００ プローブ光
２１０ 対象物体
２２０ 輻射光
３０１，３２１，３３１，３４１ 基板層
３０２，３１１，３４２ 導波層
３０３，３１２，３４３ 格子層
３２２，３３２，３３３ グレーティング層
３２３ 低屈折率層
４００ 可変フィルター
４０１，４０２ 透明電極基板
５１２ａ 低屈折率材料部
５１２ｂ 高屈折率材料部
６１０ ダイクロイックミラー
７００ 赤外線撮像システム
７１０ 光学システム制御部
７２０ 信号処理部
７３０ プロセッサ
７４０ 外部インターフェース
ｈ１，ｈ２ 厚さ
ｐ ピッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振モード格子を利用した光学システム、及び、それを用いた赤外線撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、防犯用の小型監視カメラや自動車に搭載される暗視カメラなど、暗闇においても生体や物体像を画像として認識することが可能な赤外線カメラの需要が高まっている。これに伴い、赤外線カメラの主要部である赤外線検出器又は赤外線撮像素子の開発が急速に進められている。特に７μｍ〜１５μｍの波長領域にある遠赤外線は大気をよく透過し、人間の体温や一般的な外気温を持つ物体からの黒体輻射に多く含まれる波長領域にあるため、この領域の光を撮像することが可能な赤外線撮像素子が重要となっている。
【０００３】
赤外線の検出方式は数多くあり、代表的なものに感熱抵抗体の抵抗値が温度に対応して変化する性質を利用したボロメータがある。これは、赤外線の受光による温度変化に応じて感熱抵抗体の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化量を測定することによって、赤外線の受光量を検出するものである。ボロメータを利用した赤外線撮像素子に関しては数多くの技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、ボロメータは非常に高価であるため、車載カメラや暗視カメラ等の一般的な用途へは、あまり普及していない。この問題を改善すべく、赤外線の受光による温度変化によって、特定波長領域の光透過率又は反射率が変化する熱光学機能を有する素子を用いる技術が提案されている。
【０００５】
この技術によれば、熱光学機能を有する素子に、検出したい赤外線とは異なる波長領域の光を照射し、その反射光又は透過光を安価なシリコン等の受光素子によって受光することで、赤外線の受光量を検出する。従って、従来のボロメータを用いた技術とは異なり受光素子としてシリコン受光素子を用いることが可能になるため、赤外線検出装置の低価格化を実現できる（例えば、特許文献２、３参照）。
【０００６】
より詳しく説明すると、特許文献２では、熱光学機能を有する素子として、誘電体状ブロック上に金属膜及び熱光学効果を有する薄膜を形成したものを用い、熱変化によってプラズモン共鳴波長領域がシフトすることを利用した放射温度測定装置が示されている。又、特許文献３では、熱光学機能を有する素子として、熱光学材料を含む光学多層膜フィルターを用い、熱変化によって多層膜フィルターの透過波長領域が変化することを利用した赤外線カメラが示されている。
【０００７】
特許文献３に示されている構成について、図２５及び図２６を参照しながら説明する。図２５は、従来の赤外線カメラの概略の構成の例を示す図である。図２５を参照するに、赤外線カメラ１０は、近赤外光源１１と、コリメータレンズ１２と、ダイクロイックミラー１３と、熱光学素子１４（Focal Plane Array、以降ＦＰＡ１４という）と、集光レンズ１５と、近赤外光検出器１６と、赤外レンズ１７とを有する。
【０００８】
ＦＰＡ１４は、赤外透過窓１４ａと、ピクセル素子アレイ１４ｂと、基板１４ｃと、参照フィルター１４ｄと、電子冷却素子１４ｅとを有する。赤外透過窓１４ａ、ピクセル素子アレイ１４ｂ、基板１４ｃ、参照フィルター１４ｄは、減圧パッケージングされ、電子冷却素子１４ｅによって温度調整されている。２０は近赤外光を、２１は像を、２２は赤外光を示している。
【０００９】
図２５に示す赤外線カメラ１０において、近赤外光源１１から出射された近赤外光２０は、コリメータレンズ１２により平行光とされ、近赤外光を反射し赤外光を透過する性質を有するダイクロイックミラー１３により反射され、熱光学機能を有する素子であるＦＰＡ１４に入射する。ＦＰＡ１４を通過した近赤外光２０は集光レンズ１５によって近赤外光検出器１６へ集光される。
【００１０】
一方、像２１から発せられる赤外光２２は赤外レンズ１７によって、ＦＰＡ１４上に集光される。ＦＰＡ１４を構成するピクセル素子アレイ１４ｂはそれぞれが多層膜構造を有しており、温度による屈折率変化によって透過波長領域がシフトする。ピクセル素子アレイ１４ｂに集光される赤外光２２は像２１からの強度分布に対応しており、入射した赤外光２２の強度に応じて温度変化が発生し、透過波長がシフトする。
【００１１】
図２６は、ピクセル素子アレイのフィルター特性の例を示す図である。図２６（ａ)は、温度Ｔ１においてピクセル素子アレイ１４ｂを透過する光のスペクトル分布を示している。図２６（ｂ）は、温度Ｔ２においてピクセル素子アレイ１４ｂを透過する光のスペクトル分布を示している。図２６（ａ)及び図２６（ｂ)において、横軸はピクセル素子アレイ１４ｂに入射する光の波長、縦軸はピクセル素子アレイ１４ｂを透過する光の強度である。
【００１２】
図２６（ａ)及び図２６（ｂ)に示すように、温度Ｔ１では波長λ２に透過光強度のピークがあり、温度Ｔ２では波長λ３に透過光強度のピークがある。よって、赤外光の強度に対応して温度がＴ１からＴ２に変化すると、図２６（ａ)から図２６（ｂ)のように透過スペクトルが変化する。例えば、近赤外光源１１として波長λ１の近赤外光を発振する狭帯域レーザを用いたとき、図２６（ａ)及び図２６（ｂ)中に示した斜線部が透過光強度となる。透過光強度の２次元像を近赤外検出器１６によって撮像することにより、赤外光２２を発する像２１をとらえることができる。
【特許文献１】特開２００２−２１４０３５号公報
【特許文献２】特開２００４−２４５６７４号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／００２３６６１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、例えば、特許文献２に示されている技術では、共鳴波長のピーク位置や波長領域を制御することが容易ではない。又、全反射光の減衰を利用しており、全反射を発生させるためには基板がプリズム状又は回折構造を有している必要があり、構造が複雑化するという問題があった。
【００１４】
又、例えば、特許文献３に示されている技術では、赤外線検出装置として２次元像を得る装置とする場合に、熱光学機能を有する素子（ＦＰＡ）が複数のマトリックス状の画素から形成されている必要がある。マトリックス状の画素を形成するには、複雑な構造の多層膜を多数の細かい画素に区切らなくてはならず、加工が困難であるという問題があった。
【００１５】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、単純な構造からなる光学システム、及び、それを用いた赤外線撮像システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、第１の発明は、微細な凹凸による周期構造によって前記周期構造に共鳴する特定波長領域の光を反射せしめる共振モード格子を有するフィルター素子と、被対象物から輻射される第一の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第一の光学系と、第二の波長領域の光を発する光源と、前記光源が発する前記第二の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第二の光学系と、光の強度を検出する受光素子と、前記光源が発する前記第二の波長領域の光のうち前記共振モード格子で反射した前記特定波長領域の光を前記受光素子へ導く第三の光学系と、を有する光学システムであることを特徴とする。
【００１７】
第２の発明は、微細な凹凸による周期構造によって前記周期構造に共鳴する特定波長領域の光を透過せしめる共振モード格子を有するフィルター素子と、被対象物から輻射される第一の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第一の光学系と、第二の波長領域の光を発する光源と、前記光源が発する前記第二の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第二の光学系と、光の強度を検出する受光素子と、前記光源が発する前記第二の波長領域の光のうち前記共振モード格子を透過した前記特定波長領域の光を前記受光素子へ導く第三の光学系と、を有する光学システムであることを特徴とする。
【００１８】
第３の発明は、請求項１乃至２０の何れか一項記載の光学システムと、前記光学システムを制御する制御部と、前記光学システムからの出力信号を処理する信号処理部と、外部と信号をやりとりする外部インターフェース部と、を有する赤外線撮像システムであって、
前記光学システムにおける前記第一の波長領域は、赤外線領域に含まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、単純な構造からなる光学システム、及び、それを用いた赤外線撮像システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００２１】
〈第１の実施の形態〉
図１を参照しながら、本発明の第１の実施の形態に係る光学システムについて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光学システムの概略の構成の例を示す図である。図１を参照するに、光学システム１００は、光源１１０と、第二の光学系１２０と、ハーフミラー１３０と、フィルター素子１４０と、第三の光学系１５０と、受光素子１６０と、第一の光学系１７０とを有する。２００は光源１１０から出射された第二の波長領域を有する光（以降、プローブ光２００とする）を、２１０は対象物体を、２２０は対象物体２１０からの輻射光を示している。
【００２２】
光源１１０は、所定の波長の光を出射する機能を有する。光源１１０としては、例えば、半導体レーザ等を用いることができる。第二の光学系１２０は、入射する光を平行光にする機能を有する。第二の光学系１２０としては、例えば、光学ガラスや光学プラスチック等で形成されたコリメートレンズ等を用いることができる。ハーフミラー１３０は、入射する光の一部を反射し、一部を透過する機能を有する。フィルター素子１４０は、熱光学効果を有する素子である。なお、熱光学効果とは、温度によって屈折率が変化する現象である。第一の光学系１７０は、入射する光を集光する機能を有する。第三の光学系１５０は、入射する光を集光する機能を有する。
【００２３】
光源１１０から出射されたプローブ光２００は、第二の光学系１２０によってコリメートされた後にハーフミラー１３０によって、熱光学効果を有するフィルター素子１４０へ導かれる。又、対象物体２１０からの輻射光２２０は、第一の光学系１７０によってフィルター素子１４０へ取り込まれる。フィルター素子１４０は取り込まれた輻射光２２０のうち第一の波長領域の光（以降、シグナル光２２０ａとする）を吸収して熱に変換する。変換される熱は、シグナル光２２０ａの強度と対応する。
【００２４】
フィルター素子１４０はプローブ光２００を反射する。フィルター素子１４０で反射したプローブ光２００は、第三の光学系１５０によって受光素子１６０へ導かれる。後述するように、フィルター素子１４０のプローブ光２００に対する反射率は、シグナル光２２０ａを吸収して生じる熱によって変化する。すなわち、受光素子１６０へ入射するプローブ光２００の強度によって、対象物体２１０からのシグナル光２２０ａの強度を知ることができる。
【００２５】
光学システム１００において、特に第一の波長領域が７μｍ〜１５μｍの波長領域にある遠赤外線に相当し、フィルター素子１４０がこの波長領域の光に対して吸収を持ち、遠赤外線に対して感度を持つことが好ましい。この波長領域の光は大気中をよく透過し、人間の体温や一般的な外気温を持つ物体からの黒体輻射に多く含まれるため、７μｍ〜１５μｍに感度を有することにより、光学システム１００は、暗闇中での暗視カメラとして用いることができる。
【００２６】
又、第一の波長領域は、例えば、テラヘルツ帯（波長およそ１００μｍ〜１０００μｍ）と呼ばれる波長領域としてもよい。テラヘルツ帯では、生体に対する透過性が高い、分子の振動準位が多数存在する等の理由から近年研究が進んでおり、テラヘルツ帯を受光するための撮像素子が望まれている。
【００２７】
特定の波長に対する感度を上げるために、フィルター素子１４０へ入射する光の波長のうち所望の第一の波長領域以外の光を減衰させる波長フィルターを備えていても良い。以降の説明においては、第一の波長領域を遠赤外領域として説明するが、これに限定されるものではない。
【００２８】
第二の波長領域としては、０．４μｍ〜１．１μｍの間の波長であることが好ましい。この波長範囲に含まれる波長領域を第二の波長領域としたときは、受光素子１６０としてシリコンを受光部に用いたＣＣＤやＣＭＯＳ等を用いることが可能である。このような素子は広く普及しており非常に低価格で入手可能なため、光学システム１００を安価に構成することができる。以降の説明では第二の波長領域を近赤外領域として説明するが、これに限定されるものではない。
【００２９】
ここで、フィルター素子１４０の具体的な構成について説明する。図２は、フィルター素子の概略の構成の例を示す図である。図２を参照するに、フィルター素子１４０は、窓１４１と、共振モード格子１４２と、基板１４３と、支柱１４４と、支持材１４５とを有する。
【００３０】
図２に示すフィルター素子１４０において、基板１４３上には複数の共振モード格子１４２が２次元アレイ状に形成されており、支柱１４４によって支えられている。共振モード格子１４２は第一の波長領域の光に対して吸収を有しており、シグナル光２２０ａを吸収して熱に変えることで、光源１１０からの光の反射率を変化せしめる。
【００３１】
図２（ａ）では、窓１４１側に第一の光学系１７０（図示せず）が配置され、窓１４１から共振モード格子１４２へシグナル光２２０ａが入射する構成となっており、その光路を模式的に図中点線で示した。シグナル光２２０ａは窓１４１を透過し共振モード格子１４２によって吸収される。又、共振モード格子１４２で吸収しきれなかったシグナル光２２０ａは、基板１４３へ入射する。
【００３２】
共振モード格子１４２に吸収されるシグナル光２２０ａを増やし感度を上げるためには、基板１４３がシグナル光２２０ａの波長領域に対して反射率が高くなっており、基板１４３に入射したシグナル光２２０ａが反射され、再び共振モード格子１４２へ入射するようになっていることがより好ましい。
【００３３】
又、図２（ａ）では、基板１４３側に第二の光学系１２０（図示せず）及び第三の光学系１５０（図示せず）が配置されており、基板１４３から共振モード格子１４２へプローブ光２００が入射する構成となっており、その光路を模式的に図中実践で示した。プローブ光２００は基板１４３を透過し共振モード格子１４２によって反射される。ここで、反射されなかったプローブ光２００は窓１４１に入射することになり、窓１４１によって反射されてしまうとノイズ光となり光学システム１００の感度低下につながるため、窓１４１はプローブ光２００に対して反射率が低くなっていることが好ましい。
【００３４】
フィルター素子１４０及び受光素子１６０は、画素構造を有さないものでも良いが、２次元アレイ状の画素構造を有することによって、物体の２次元的な像を得ることができる。特に、画素が支柱１４４と小さい面積で接しており各画素が熱的に孤立していることによって、シャープな２次元像を得ることが可能になる。
【００３５】
図３は、フィルター素子における２次元アレイ状の画素構造の概略の構成の例を示す図である。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３を参照するに、支柱１４４が基板１４３上に形成されており、メンブレン状の共振モード格子１４２が外側から支柱１４４によって固定されている。共振モード格子１４２がメンブレン状となっていることで、共振モード格子１４２の熱容量を小さくすることが可能となり、熱に対する反応速度を速くすることができる。
【００３６】
又、共振モード格子１４２をメンブレン状にすることによって、共振モード格子１４２は、フィルター素子１４０を構成する基板１４３から熱的に隔離されている。これによって、共振モード格子１４２は、基板１４３からの熱伝播の影響を避けることが可能となり、熱ノイズの少ない光学システムを実現することができる。メンブレンの厚さとしては、薄いほど熱容量を小さくすることができるため好ましい。しかし、薄すぎると加工が困難になり、又、機械的強度が弱くなる等の問題が発生するため、１μｍ〜１０μｍ程度が好ましい。
【００３７】
更に、対流などによる熱の影響を小さくするためには、マイクロ真空パッケージなどによって密閉された減圧雰囲気又は不活性ガス雰囲気中に共振モード格子１４２が封止されていることが好ましい。図２ではフィルター素子１４０は窓１４１、基板１４３、及び支持材１４５によって減圧パッケージングされている。共振モード格子１４２が減圧状態又は不活性ガスによって充填された状態でパッケージングされていることにより、対流などによる外部からの熱の影響が少なくなり、熱ノイズがより少ない光学システム１００を実現することができる。
【００３８】
以上より、窓１４１を構成する材料としては、シグナル光２２０ａに対して透過率が高くプローブ光２００に対して反射率が低いもの、又、基板１４３を構成する材料としては、シグナル光２２０ａに対して反射率が高くプローブ光２００に対しては透過率が高いものを用いることが好ましい。例えば、シグナル光２２０ａが遠赤外線、プローブ光２００が近赤外線のときは、窓１４１を構成する材料として、ＺｎＳやＺｎＳｅ等のように遠赤外線及び近赤外線の両方に対して透過率の高いもの、或いは、Ｇｅのように近赤外線に対して吸収の高いものを用いることができる。
【００３９】
プローブ光２００の反射率を更に低下させるために、窓１４１に反射防止膜或いは反射防止構造が施されていることがより好ましい。図４は、窓の反射防止構造の例を示す図である。窓１４１は、例えば、図４に示すように、反射防止構造としてプローブ光２００の波長よりも細かい三角形状１４１ａを有する構造とすることができる。又、基板１４３を構成する材料としては、ＳｉＯ２やＳｉなどを用いることができる。シグナル光２２０ａの反射率を更に上げるために、基板１４３上に反射膜が形成されていることがより好ましい。
【００４０】
このように、フィルター素子１４０の窓１４１を構成する材料として、シグナル光２２０ａに対して透過率が高くプローブ光２００に対して反射率が低い材料を用い、基板１４３を構成する材料として、シグナル光２２０ａに対して反射率が高くプローブ光２００に対して透過率が高い材料を用いることによって、シグナル光２２０ａはフィルター素子１４０によく吸収され、プローブ光は窓１４１を構成する材料からの反射によるノイズが少ない構成とすることができ、ノイズが少なく高感度な光学システム１００を実現できる。
【００４１】
なお、図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）とは逆に、基板１４３側からシグナル光２２０ａを入射し、窓１４１側からプローブ光２００を入射するようにしても良い。このとき、前述のように、シグナル光２２０ａをよりよく共振モード格子１４２に吸収させるために、窓１４１はシグナル光２２０ａに対して反射率が高くなっていることが好ましい。又、窓１４１はプローブ光２００に対して透過率が高いほうが良く、プローブ光２００のノイズを減らすために共振モード格子１４２を透過したプローブ光２００が基板１４３によって反射されないことが望ましい。
【００４２】
よって、窓１４１を構成する材料としては、シグナル光２２０ａに対して反射率が高くプローブ光２００に対して透過率が高いもの、基板１４３を構成する材料としては、シグナル光２２０ａに対して透過率が高くプローブ光２００に対して反射率が低いものを用いることが好ましい。材料や構造に関しては、前述と同様に反射防止膜や反射防止構造或いは反射膜を用いることも可能である。
【００４３】
このように、フィルター素子１４０の基板１４３を構成する材料として、シグナル光２２０ａに対して透過率が高くプローブ光２００に対して反射率が低い材料を用い、窓１４１を構成する材料として、シグナル光２２０ａに対して反射率が高くプローブ光２００に対して透過率が高い材料を用いることによって、シグナル光２２０ａはフィルター素子１４０によく吸収され、プローブ光２００は基板１４３を構成する材料からの反射によるノイズが少ない構成とすることができ、ノイズが少なく高感度な光学システム１００を実現できる。
【００４４】
ここで、共振モード格子に関して詳細に説明する。共振モード格子とは、回折格子におけるアノマリーの現象の一つであり、格子ピッチと入射光の波長とがある共振条件を満たすと共振現象が発生し、これによって非常に帯域の狭い反射型の波長フィルターを作製することができるものである。共振波長での反射率は理論的には１００％に達する。共振モード格子に関しては多くの研究が成されており、例えば、Optics Letters Vol.19 919-921(1994)、Applied Optics Vol.34 8106-81109 (1995)等に述べられている。
【００４５】
図５は、共振モード格子の概略の構成の例を示す図である。図５に示す共振モード格子３００は、屈折率の異なる２種類の材料から構成されており、より低い屈折率ｎＬを持つ低屈折率材料からなる基板層３０１上に、より高い屈折率ｎＨを持つ高屈折率材料からなる導波層３０２が厚さｈ１で形成され、低屈折率材料からなる格子層３０３が厚さｈ２で形成されている。ここで、屈折率ｎＨ＞屈折率ｎＬとなっており、以後２種類の材料を使用しているときは、屈折率のより高い材料を高屈折率材料、屈折率のより低い材料を低屈折率材料と呼ぶ。
【００４６】
共振モード格子３００では、入射した光のうち格子層３０３と共鳴する波長のみが、導波層３０２の導波モードとカップリングし共鳴反射することとなる。格子層３０３は凹凸構造が周期ｐで１方向に配列した周期構造を持っている。このような１方向の周期構造においては、偏光方向に対する依存性が発生するため、図５に示すように溝に平行な電場振動を有する成分をＴＥ偏光と、溝方向に垂直な電場振動を有する成分をＴＭ偏光と呼ぶことにする。
【００４７】
図５では、導波層３０２が熱光学材料によって形成されている。熱光学材料とは、熱変化に対して屈折率の変化量の大きい材料のことであり、明確な定義は無いが、本明細書では、室温下において特定の波長に対して屈折率の温度変化（以下、熱光学係数と呼ぶ）Δｎ／ΔＴが５×１０−５以上であることを満たす材料のことを呼ぶことにする。様々な材料に対する熱光学係数に関しては、例えば、Handbook of Thermo-Optic Coefficients of Optical Materials with Applications等に記載されている。
【００４８】
熱光学材料としては、熱光学係数が大きいほうが共振モード格子の熱変化に対する特性の変化が大きくなるため好ましく、屈折率の比較的高い材料としてはＳｉ、ＧａＰ、ＧａＮなどの半導体材料が、屈折率が比較的低い材料としてはＰＭＭＡなどのポリマー材料が好ましい。
【００４９】
熱光学効果の高い高屈折率材料である半導体材料を用いることによって、より高感度な光学システムを実現することができる。特に、半導体材料は熱膨張率が小さいため、熱による構造の変化が小さく、より適している。又、熱光学効果の高い低屈折率材料であるポリマー材料を用いることによって、より高感度な光学システムを実現することができる。
【００５０】
例えば、半導体材料であるＳｉ、ＧａＰ、ＧａＮのおよその熱光学係数（単位は全てＫ−１）は、それぞれ３×１０−４、２×１０−４、０．６×１０−４であり、ポリマー材料であるＰＭＭＡの熱光学係数はおよそ−１×１０−４である。これに対して、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＦ２等の一般的な光学材料の熱光学係数はおよそ−０．６×１０−５、１．２６×１０−５、−１．１８×１０−５程度であり、上述の熱光学材料に対して１桁以上小さい。
【００５１】
特に半導体材料は熱光学係数が大きいが、熱膨張率が小さいため熱による形状変化が小さくより適している。共振モード格子は、シグナル光に対して吸収を有している必要がある。よって、熱光学材料としては、第一の波長領域の光は吸収し、第二の波長領域の光に対しては透過する材料となっていることがより好ましい。
【００５２】
図５に示す共振モード格子３００において、一例として、導波層３０２に高屈折率で熱光学係数の大きい材料であるＧａＰを、基板層３０１及び格子層３０３に低屈折率で熱光学係数の小さい材料であるＳｉＯ２を用いた場合の反射特性を厳密結合波解析（RCWA）によって計算した。ここで、ＧａＰの屈折率ｎＨは２０℃で３．３１２２、熱光学係数は１．６×１０−４とし、ＳｉＯ２の屈折率ｎＬは１．４６、熱光学係数は無視できるほど小さいと考えゼロとした。又、導波層３０２の厚さｈ１を２４．５ｎｍ、格子層３０３の厚さｈ２を２００ｎｍ、格子層３０３の周期ｐを５００ｎｍとした。
【００５３】
図６〜図８は、共振モード格子３００における厳密結合波解析（RCWA）による反射特性の計算結果の例を示す図である。図６は、温度２０℃における、垂直入射したＴＥ偏光に対する反射分光特性を示している。図６において、横軸は共振モード格子３００に入射する光の波長、縦軸は共振モード格子３００で反射する光の反射光強度である。図６に示すように、波長０．８μｍ近辺をピークとした共鳴反射光が現れていることがわかる。
【００５４】
図７は、ＧａＰが温度によって屈折率変化したときの反射特性変化を示している。図７において、横軸は共振モード格子３００に入射する光の波長、縦軸は共振モード格子３００の反射率である。ｎは（ ）内の温度における屈折率の値である。熱光学係数は温度によって変化するため、ここで表示している温度における屈折率の値ｎは厳密には実際のものと異なるが、図７に示すように、共鳴反射光のピーク位置が温度によってシフトすることがわかる。
【００５５】
図８には波長０．８μｍにおける反射光強度の変化を、温度を変数としてプロットしている。図８において、横軸は共振モード格子３００の温度、縦軸は共振モード格子３００で反射する光の反射光強度である。図８に示すように、共振モード格子３００の温度変化によって反射光強度が変調されることがわかる。よって、例えば、図１に示す光学システム１００のような構成においては、共振モード格子３００がシグナル光２２０ａを吸収して温度変化するため、シグナル光２２０ａの強度変化に応じてプローブ光２００（ここでは波長０．８μｍの光）の反射率が変化することとなる。
【００５６】
このように、共振モード格子３００は、特許文献３（ＵＳＰ２００７−００２３６６１）に示されるような複雑な多層膜構造と異なり、図５に示すように、少ない膜数、シンプルな構成で必要な機能を得ることができる。従って、図３に示すようなアレイ構造を作製するときに、特許文献３（ＵＳＰ２００７−００２３６６１）に示されるような複雑な多層膜構造を加工するのに比べて、容易に加工することができる。
【００５７】
又、多層膜構造に対する異なるメリットとして、反射スペクトルの急峻さ（すなわち温度変化による反射光変化の急激さ）を容易に調整できることが挙げられる。これに関して、図９及び図１０を参照しながら説明する。図９は、共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その１）である。図９に示す共振モード格子３１０は、図５に示す共振モード格子３００とは異なる構造を有しており、導波層３１１及び格子層３１２が、それぞれ厚さｈ１及びｈ２で単一の熱光学材料によって形成されている。
【００５８】
図９に示す共振モード格子３１０において、一例として、導波層３１１及び格子層３１２を構成する熱光学材料にＰＭＭＡを用いた場合の反射特性を厳密結合波解析（RCWA）によって計算した。ここで、ＰＭＭＡの温度２０℃での屈折率ｎ＝１．４９、熱光学係数を−１．１×１０−４とした。又、導波層３１１の厚さｈ１を３１４ｎｍ、格子層３１２の厚さｈ２を３５ｎｍ〜１００ｎｍまで変化させ、格子層３１２の周期ｐを５００ｎｍとした。
【００５９】
図１０は、共振モード格子３１０の反射分光特性の例を示す図であり、温度２０℃での、垂直入射したＴＥ偏光に対する反射分光特性を示している。図１０において、横軸は共振モード格子３１０に入射する光の波長、縦軸は共振モード格子３１０で反射する光の反射光強度である。図１０に示すように、格子層３１２の厚さｈ２の変化によって、共鳴反射光のピーク波長が変化するほか、反射スペクトルの急峻さも変化している。このように、構造を変えただけで容易に反射スペクトル幅及び急峻さを変えることができるため、光学システムの仕様に合わせた光学特性の調整を容易に行うことができる。
【００６０】
共振モード格子は、図５や図９で示す構成の他にも様々な構成を取ることができる。図１１及び図１２を参照しながら、共振モード格子の構成の他の例について説明する。図１１は、共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その２）である。図１２は、共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その３）である。
【００６１】
図１１に示す共振モード格子３２０は、高屈折率材料からなる基板層３２１及びグレーティング層３２２の上にグレーティング層３２２を埋めるようにして低屈折率材料からなる低屈折率層３２３が形成された構成である。ここで、基板層３２１を構成する高屈折率材料が熱光学材料でも良いし、低屈折率材料３２３を構成する低屈折率材料が熱光学材料でも良いし、双方が熱光学材料となっていても良い。図１２に示す共振モード格子３３０は、低屈折率材料からなる基板層３３１及びグレーティング層３３２の上に高屈折率材料からなるグレーティング層３３３が成膜された構成である。
【００６２】
図９に示す共振モード格子３１０のように、共振モード格子が単一の材料から成るものでは、構成要素が少なく異なる材料を積層する必要が無いため、より少ない工程で光学システムを作製することができる。しかしながら、共振モード格子が単一の材料から形成されている場合には、共振モード格子を構成する材料として、熱光学材料でありかつ第一の波長領域に対して吸収を有する材料を用いなければならない。
【００６３】
これに対して、図１１に示す共振モード格子３２０では、２種類の材料を用いている。２種類以上の材料を用いるメリットとしては、熱光学材料がシグナル光に対して吸収が無くても、共振モード格子を構成する異なる材料がシグナル光を吸収して熱に変えることができればフィルター素子として機能すること、複数の材料の組み合わせによって反射スペクトルの形状を調整することができること等が挙げられる。
【００６４】
例えば、ＺｎＳは熱光学材料であるが遠赤外線に対して透過率が高いためシグナル光を吸収できないが、図１２に示す高屈折率材料としてＺｎＳを用い、低屈折率材料としてＳｉＯ２を用いる等、他材料と組み合わせることによって、ＳｉＯ２が遠赤外線を吸収し熱に変えることができるため、本発明に係る共振モード格子を形成する材料として用いることが可能になる。
【００６５】
このように、共振モード格子を複数の材料から構成することにより、熱光学材料が必ずしも第一の波長領域に対して吸収を有してなくても良く、別の異なる材料が第一の波長領域に対して吸収率が高ければ良い。これによって、本発明に係る光学システムを構成する材料の選択幅が広がり、より作製が容易になる。
【００６６】
図１３は、共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その４）である。図１３に示す共振モード格子３４０は、図５に示す共振モード格子３００と同様に低屈折率材料からなる基板層３４１上に、高屈折率材料からなる導波層３４２が厚さｈ１で、低屈折率材料からなる格子層３４３が厚さｈ２で形成されている。図１３に示すように、格子層３４３は、周期構造として２次元の周期となっていても良い。
【００６７】
格子層３４３は図１３に示すｘ方向及びｙ方向にそれぞれｐｘ及びｐｙの周期を持つ凹凸構造から成る２次元周期構造を持つ。ｐｘとｐｙとが等しい値のとき、ｘ偏光（ｘ方向に電場振動を持つ光）とｙ偏光（ｙ方向に電場振動を持つ光）の双方に対して反射分光特性は等しい偏光無依存の共振モード格子となり、プローブ光としてどのような偏光のものも使用できるメリットがある。
【００６８】
図１４は、共振モード格子３４０の波長と反射光強度との関係の例を示す図である。図１４において、横軸は共振モード格子３４０に入射する光の波長、縦軸は共振モード格子３４０で反射する光の反射光強度である。図１５は、共振モード格子３４０の温度と反射光強度との関係の例を示す図である。図１５において、横軸は共振モード格子３４０の温度、縦軸は共振モード格子３４０で反射する光の反射光強度である。
【００６９】
ｐｘとｐｙとの値が異なるとき、すなわち面内で異方性のある周期構造においては、図１４に示すように、波長と反射光強度との関係（反射分光特性）がｘ偏光とｙ偏光で異なり、ピーク位置がずれるようになる。このとき、波長λ１における温度変化に対する反射光強度は図１５に示すようになる。
【００７０】
プローブ光として、ｘ偏光とｙ偏光両方の成分を持つ光を用い、受光素子としてｘ方向とｙ方向両方の偏光成分の光強度を別に検出可能なものを用いることによって、より広い温度範囲を検出することが可能となる。これは例えば、偏光ビームスプリッタで偏光成分によって光路を分けた後に、２つの受光素子を備えることによって達成可能である。このようにして、ダイナミックレンジの広い光学システムを実現することができる。
【００７１】
光源としては、温度変化に対する反射光強度変化の感度を上げるために、狭波長帯域を有する光源を用いることが好ましい。プローブ光の波長を狭帯域に制御するためには、光源に狭帯域の波長フィルターを備えていることがより好ましい。光源に狭帯域の波長フィルターを備えることによって、より高感度な光学システムを実現することができる。又、光源に狭帯域の波長フィルターを備えることによって、光源の波長に多少のゆらぎがあっても影響が受けにくくなり、より安定な光学システムを実現することができる。
【００７２】
更に、フィルターの透過する波長領域が可変となっている可変フィルターを用いることによって、共振モード格子の温度や、シグナル光の強度にあわせて波長をコントロールすることが可能になる。よって、環境温度の変化による共振モード格子の温度変化や、受光素子の飽和などの問題に対応することができる。例えば、シグナル光となる遠赤外線の強度が強すぎるため、受光素子が飽和してしまっているときに、温調機構によって光源の波長をシフトさせ、受光素子が飽和しないようにプローブ光の反射光強度を制御すること等が考えられる。
【００７３】
図１６は、可変フィルターの概略の構造の例を示す図である。可変フィルターとしては、図１６に示す可変フィルター４００のように、透明電極基板４０１及び４０２に液晶材料４０３が挟み込まれたエタロンフィルターで、液晶に印加する電圧Ｖを制御することにより透過波長を変化させることのできる液晶型波長可変フィルターを用いることができる。
【００７４】
光源としては、狭波長帯域で安価である半導体レーザを用いることが特に好ましい。しかしながら、通常の半導体レーザはモードホップによる波長変動が存在する。共振モード格子は、図６に示すように温度変化だけではなく、波長変動によっても反射光強度が変化する。よって、光源にモードホップが存在すると、受光強度が変動する虞がある。
【００７５】
これに対して、半導体レーザの中でも波長変動が小さい分布帰還型レーザ（DFBレーザ）、分布ブラッグ反射型レーザ（DBRレーザ）、垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）を光源として用いることはより好ましい。これらのレーザでは半導体レーザの共振器に分布帰還型の構造もしくは、分布反射型構造が形成されているため共振する波長帯域を非常に狭く、非常に狭帯域の光を得ることができる。よって、本発明に係る光学システムの光源としてこれらのレーザを用いることによってより高感度で安定な光学システムとすることが可能となる。
【００７６】
更に、上述のような光源は温調機構を備えていることが好ましい。半導体レーザ光源は温度によって波長変動が存在し、温度を精密に制御することによって発振波長を制御することができる。特に、DFBレーザやVCSELでは発振波長を温度制御によって精密にコントロールすることができるのでより好ましい。温調機構としては、例えば、ペルチェ素子を用いて電気的にコントロールする機構等が考えられる。
【００７７】
又、可変フィルターの説明で述べたように、温調機構を備えていることにより、共振モード格子の温度や、シグナル光の強度にあわせて波長をコントロールすることが可能になる。よって、環境温度の変化による共振モード格子の温度変化や、受光素子の飽和などの問題に対応することができる。又、別の例として共振モード格子へ入射するプローブ光の入射角度を調整できるようになっていても良い。
【００７８】
これは、光源からの光をフィルター素子へ導く第二の光学系が入射角度調整機構を備えていることで達成できる。具体的には、例えば、図１に示す光学システム１００におけるハーフミラー１３０に角度調整機構がついていること、或いは、コリメートレンズ１０２に光軸と垂直な方向に可動できる駆動機構が備わっていることで実現できる。
【００７９】
図１７は、図９に示す共振モード格子３１０に入射角を変えて光を入射したときの反射分光特性を示す図である。図１７において、横軸は共振モード格子３１０に入射する光の波長、縦軸は共振モード格子３１０で反射する光の反射光強度である。導波層３１１の厚さｈ１を３１４ｎｍ、格子層３１２の厚さｈ２を１００ｎｍ、格子層３１２の周期ｐを５００ｎｍとしたとき、入射角度を０度〜３度まで変化させRCWAによる反射率の計算を行った。図１７から明らかなように、図９に示す共振モード格子３１０は、入射角によって反射波長領域が大きく変化する。
【００８０】
このように、プローブ光の入射角度調整機構を備えていることによって、前述した可変フィルターと同様に、共振モード格子の温度や、シグナル光の強度にあわせて、共振モード格子が反射するプローブ光の強度を調整することができる。よって、環境温度の変化による共振モード格子の温度変化や、受光素子の飽和などの問題に対応することができる。
【００８１】
本発明の第１の実施の形態に係る光学システムによれば、光学システムを構成する共振モード格子の形状を制御することによって、反射光強度もしくは透過光強度の温度依存性の強さを制御することが可能となるため、より高感度な光学システムを実現することができる。又、多層膜のような複雑な構成を用いないため、画素構造をより容易なものとすることが可能となり、単純な構成からなる光学システムを実現することができる。
【００８２】
〈第２の実施の形態〉
図１８を参照しながら、本発明の第２の実施の形態に係る光学システムについて説明する。図１８は、本発明の第２の実施の形態に係る光学システム５００の概略の構成の例を示す図である。図１８において、図１と同一構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する場合がある。
【００８３】
図１８を参照するに、光学システム５００は、光源１１０と、第二の光学系１２０と、第三の光学系１５０と、受光素子１６０と、フィルター素子５１０とを有する。フィルター素子５１０は、第一の光学系５２０と一体化されている。２００は光源１１０から出射された第二の波長領域を有する光（以降、プローブ光２００とする）を、２１０は対象物体、２２０は対象物体２１０からの輻射光を示している。
【００８４】
光源１１０から出射されたプローブ光２００は、第二の光学系１２０によってコリメートされた後に所定の入射角度にて、熱膨張率の異なる複数の材料から成る共振モード格子を有するフィルター素子５１０に入射する。このように、フィルター素子５１０へ入射する光は垂直入射では無く、所定の入射角度がついていても良く、これによって図１に示す光学システム１００で用いたハーフミラー１３０を省略することができる。
【００８５】
又、対象物体２１０からの輻射光２２０は、フィルター素子５１０と一体的に形成されているマイクロレンズアレイからなる第一の光学系５２０によってフィルター素子５１０へ取り込まれる。このように、第一の光学系５２０はフィルター素子５１０の窓を構成する材料と一体的に形成されたものであっても良い。
【００８６】
フィルター素子５１０は取り込まれた輻射光のうち第一の波長領域の光（以降、シグナル光２２０ａとする）を吸収して熱に変換する。フィルター素子５１０は後述するように、熱変化によって一部の形状が変化し、プローブ光２００に対する反射率が変化する。反射したプローブ光２００は第三の光学系１５０によって受光素子１６０へ導かれる。
【００８７】
フィルター素子５１０としては、図１に示す光学システム１００で用いた熱光学材料を含む共振モード格子から成るフィルター素子１４０を用いても良いが、ここでは別の例として異なる熱膨張率を持つ複数の材料によって形成されている共振モード格子を有するフィルター素子を用いた。これに関する詳細を、図１９を参照しながら説明する。
【００８８】
図１９は、フィルター素子の概略の構成の例を示す図である。図１９に示すフィルター素子５１０は基板５１１上に、２次元アレイ状の画素構造を持つ複数の共振モード格子５１２が形成されており、支柱５１３によって支えられている。共振モード格子５１２は第一の波長領域の光に対して吸収を有しており、シグナル光２２０ａを吸収して熱に変えることで形状が変化し、光源１１０からの光の反射率を変化せしめる。
【００８９】
図２０を参照しながら、共振モード格子５１２に関して詳細を述べる。図２０は、共振モード格子５１２の概略の構成の例を示す図である。図２０において、図１９と同一構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する場合がある。図２０（ａ）に示すように、共振モード格子５１２は、熱膨張率の低い低屈折率材料部５１２ａ上に、熱膨張率の高い高屈折率材料部５１２ｂが形成されており、高屈折率材料部５１２ｂの上面は周期的な凹凸構造を有する。
【００９０】
又、共振モード格子５１２は一方の側面のみが支柱５１３によって支えられている。低屈折率材料部５１２ａ又は高屈折率材料部５１２ｂ、又はその両方は、シグナル光を吸収し熱に変える。具体的な材料としては、例えば低屈折率材料としてＳｉＯ２、高屈折材料としてＴｉＯ２を用いることが考えられる。ＳｉＯ２及びＴｉＯ２の熱膨張率（線膨張率、単位は全てＫ−１）はそれぞれおよそ、０．５×１０−６、９×１０−６である。
【００９１】
共振モード格子５１２の温度が変化したとき、２種類の材料の熱膨張率の違いにより、図２０（ｂ）に示すように、支柱５１３部を基準に図中に示したようなたわみが生じることになる。これによって、プローブ光２００が共振モード格子５１２へ入射する入射角度が大きくなる。
【００９２】
図２１は、共振モード格子５１２のＴＥ偏光に関する反射分光特性の入射角度変化の例を示す図である。図２１において、横軸は共振モード格子５１２に入射する光の波長、縦軸は共振モード格子５１２で反射する光の反射光強度である。図２１に示す特性は、低屈折率材料部５１２ａとして厚さ１μｍのＳｉＯ２を、高屈折率材料部５１２ｂとして厚さ０．２５μｍ（凹凸構造部の厚さ０．１μｍ）のＴｉＯ２を用いたときのものである。図２１から明らかなように、微小な変形による入射角度変化によって反射特性が大きく変わることになる。
【００９３】
図２２は、共振モード格子５１２の入射角に対する反射光強度の変化の例を示す図である。図２２において、横軸は共振モード格子５１２に入射する光の入射角、縦軸は共振モード格子５１２で反射する光の反射光強度である。図２２に示す特性は、プローブ光の波長（第二の波長領域）が０．８μｍであるときのものである。図２２に示すように、プローブ光の波長（第二の波長領域）が０．８μｍであるとき、共振モード格子５１２のたわみによって入射角度が変化すると、反射光強度が大きく変化する。
【００９４】
図２１や図２２は入射角変化のみをシミュレーションしており、変形が直線的であると仮定しているが、実際には反りなどが発生する。しかしながら、このような状態であっても反射光強度に変化が生じるため、熱変形によって反りが発生する共振モード格子であっても、本発明に係るフィルター素子の構成として使用することが可能である。
【００９５】
このように、入射角度変化に対して反射特性は非常に敏感であるため、非常に高感度な光学システムを構成することが可能である。又、図５等で示した、熱光学材料を用いた共振モード格子に対して、熱光学係数の大きい特別な材料を用いなくとも、一般的な光学材料によって形成可能であるため、作製がより容易である。
【００９６】
又、図１９に示すように、フィルター素子５１０は熱拡散による影響を避けるために、基板５１１、支持材５１４、及び窓５１５によって減圧パッケージングされている。窓５１５はマイクロレンズアレイからなる第一の光学系５２０と一体的に形成されている。このため、前述のように第一の光学系５２０と窓５１５とを一体化することができ、部品点数の削減が可能である。マイクロレンズアレイからなる第一の光学系５２０は、複数の画素に対して1つが対応するようになっており、対象物の像を画素部に形成する複眼撮像システムとなっている。
【００９７】
本発明の第２の実施の形態に係る光学システムによれば、光学システムを構成する材料に熱光学材料を使用せずに、より一般的な光学材料によって構成することが可能であり、又、共振モード格子を構成するフィルターの反射又は透過光強度変化は角度変化に非常に敏感であるため、高感度な光学システムを実現することができる。又、多層膜のような複雑な構成を用いないため、画素構造をより容易なものとすることが可能となるため、単純な構成からなる光学システムを実現することができる。
【００９８】
〈第３の実施の形態〉
図２３を参照しながら、本発明の第３の実施の形態に係る光学システムについて説明する。図２３は、本発明の第３の実施の形態に係る光学システム６００の概略の構成の例を示す図である。図２３において、図１と同一構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する場合がある。
【００９９】
図２３を参照するに、光学システム６００は、ハーフミラー１３０の代わりにダイクロイックミラー６１０を用い、ダイクロイックミラー６１０をフィルター素子１４０と第一の光学系１７０との間に配置した点を除いて、図１に示す光学システム１００と同様に構成される。
【０１００】
光学システム６００において、プローブ光２００は、ダイクロイックミラー６１０によってフィルター素子１４０へ導かれ、フィルター素子１４０を透過した光の強度が受光素子１６０で検出される。又、シグナル光２２０は、ダイクロイックミラー６１０を透過してフィルター素子１４０へと導かれることになる。ここでは、ダイクロイックミラー６１０としてシグナル光２２０を透過し、プローブ光２００を反射するものを用いたが、逆にシグナル光２２０を反射し、プローブ光２００を透過するものを用いても構わない。
【０１０１】
図１及び図１８に示す光学システム１００及び５００においても、フィルター素子１４０又は５１０によって反射されるプローブ光２００の強度を検出する構成とせず、図２３で示す光学システム６００のように、フィルター素子１４０を透過するプローブ光２００の強度を検出する構成としても構わない。
【０１０２】
本発明の第３の実施の形態に係る光学システムによれば、本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様な効果を奏する。
【０１０３】
〈第４の実施の形態〉
図２４を参照しながら、本発明の第４の実施の形態に係る赤外線撮像システムについて説明する。図２４は、本発明の第４の実施の形態に係る赤外線撮像システム７００の概略の構成の例を示す図である。図２４を参照するに、赤外線撮像システム７００は、光学システム１００と、光学システム制御部７１０と、信号処理部７２０と、プロセッサ７３０と、外部インターフェース７４０とを有する。図２４に示す赤外線撮像システム７００は、図１に示す光学システム１００を用いた赤外線撮像システムである。
【０１０４】
赤外線撮像システム７００において、光学システム制御部７１０は、光学システム１００を制御する機能を有する。信号処理部７２０は、光学システム１００からの出力信号を処理する機能を有する。プロセッサ７３０は、光学システム制御部７１０及び信号処理部７２０を駆動する機能を有する。外部インターフェース７４０は、赤外線撮像システム７００の外部と信号をやりとりする機能を有する。
【０１０５】
赤外線撮像システム７００は、特に、遠赤外線波長を撮像する撮像システムとして用いることが好ましく、このような撮像システムは、暗闇の中でも人や動物の像を得ることができるため、監視カメラや、自動車等の移動体に搭載する車載カメラとして使用することもできる。なお、光学システム１００に代えて、光学システム５００、光学システム６００、又は、これらに種々の変形及び置換を加えた光学システムを用いることができることは言うまでもない。
【０１０６】
本発明の第４の実施の形態に係る赤外線撮像システムによれば、本発明に係る光学システムを用いて、単純な構成で高感度に撮像可能な赤外線撮像システムを実現することができる。
【０１０７】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学システムの概略の構成の例を示す図である。
【図２】フィルター素子の概略の構成の例を示す図である。
【図３】フィルター素子における２次元アレイ状の画素構造の概略の構成の例を示す図である。
【図４】窓の反射防止構造の例を示す図である。
【図５】共振モード格子の概略の構成の例を示す図である。
【図６】共振モード格子３００における厳密結合波解析（RCWA）による反射特性の計算結果の例を示す図（その１）である。
【図７】共振モード格子３００における厳密結合波解析（RCWA）による反射特性の計算結果の例を示す図（その２）である。
【図８】共振モード格子３００における厳密結合波解析（RCWA）による反射特性の計算結果の例を示す図（その３）である。
【図９】共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その１）である。
【図１０】共振モード格子３１０の反射分光特性の例を示す図である。
【図１１】共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その２）である。
【図１２】共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その３）である。
【図１３】共振モード格子の概略の構成の他の例を示す図（その４）である。
【図１４】共振モード格子３４０の波長と反射光強度との関係の例を示す図である。
【図１５】共振モード格子３４０の温度と反射光強度との関係の例を示す図である。
【図１６】可変フィルターの概略の構造の例を示す図である。
【図１７】図９に示す共振モード格子３１０に入射角を変えて光を入射したときの反射分光特性を示す図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係る光学システム５００の概略の構成の例を示す図である。
【図１９】フィルター素子の概略の構成の例を示す図である。
【図２０】共振モード格子５１２の概略の構成の例を示す図である。
【図２１】共振モード格子５１２のＴＥ偏光に関する反射分光特性の入射角度変化の例を示す図である。
【図２２】共振モード格子５１２の入射角に対する反射光強度の変化の例を示す図である。
【図２３】本発明の第３の実施の形態に係る光学システム６００の概略の構成の例を示す図である。
【図２４】本発明の第４の実施の形態に係る赤外線撮像システム７００の概略の構成の例を示す図である。
【図２５】従来の赤外線カメラの概略の構成の例を示す図である。
【図２６】ピクセル素子アレイのフィルター特性の例を示す図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１００，５００，６００ 光学システム
１１０ 光源
１２０ 第二の光学系
１３０ ハーフミラー
１４０，５１０ フィルター素子
１４１，５１５ 窓
１４１ａ 三角形状
１４２，３００，３１０，３２０，３３０，３４０，５１２ 共振モード格子
１４３，５１１ 基板
１４４，５１３ 支柱
１４５，５１４ 支持材
１５０ 第三の光学系
１６０ 受光素子
１７０，５２０ 第一の光学系
２００ プローブ光
２１０ 対象物体
２２０ 輻射光
３０１，３２１，３３１，３４１ 基板層
３０２，３１１，３４２ 導波層
３０３，３１２，３４３ 格子層
３２２，３３２，３３３ グレーティング層
３２３ 低屈折率層
４００ 可変フィルター
４０１，４０２ 透明電極基板
５１２ａ 低屈折率材料部
５１２ｂ 高屈折率材料部
６１０ ダイクロイックミラー
７００ 赤外線撮像システム
７１０ 光学システム制御部
７２０ 信号処理部
７３０ プロセッサ
７４０ 外部インターフェース
ｈ１，ｈ２ 厚さ
ｐ ピッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細な凹凸による周期構造によって前記周期構造に共鳴する特定波長領域の光を反射せしめる共振モード格子を有するフィルター素子と、
被対象物から輻射される第一の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第一の光学系と、
第二の波長領域の光を発する光源と、
前記光源が発する前記第二の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第二の光学系と、
光の強度を検出する受光素子と、
前記光源が発する前記第二の波長領域の光のうち前記共振モード格子で反射した前記特定波長領域の光を前記受光素子へ導く第三の光学系と、を有する光学システム。
【請求項２】
微細な凹凸による周期構造によって前記周期構造に共鳴する特定波長領域の光を透過せしめる共振モード格子を有するフィルター素子と、
被対象物から輻射される第一の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第一の光学系と、
第二の波長領域の光を発する光源と、
前記光源が発する前記第二の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第二の光学系と、
光の強度を検出する受光素子と、
前記光源が発する前記第二の波長領域の光のうち前記共振モード格子を透過した前記特定波長領域の光を前記受光素子へ導く第三の光学系と、を有する光学システム。
【請求項３】
前記共振モード格子は、前記第一の波長領域の光を吸収すると共に、熱光学効果を有することを特徴とする請求項１又２記載の光学システム。
【請求項４】
前記共振モード格子は、熱膨張率の異なる複数の材料から構成されており、前記複数の材料は、前記第一の波長領域の光を吸収する材料を含むことを特徴とする請求項１又２記載の光学システム。
【請求項５】
前記共振モード格子は、単一の材料から構成されており、前記単一の材料は、前記第一の波長領域の光を吸収すると共に、熱光学効果を有する材料であることを特徴とする請求項３記載の光学システム。
【請求項６】
前記共振モード格子は、複数の材料から構成されており、前記複数の材料は、前記第一の波長領域の光を吸収する材料と、熱光学効果を有する材料とを含むことを特徴とする請求項３記載の光学システム。
【請求項７】
前記単一の材料又は前記複数の材料は、前記第二の波長領域の光に対して透明な材料であることを特徴とする請求項５又は６記載の光学システム。
【請求項８】
前記熱光学効果を有する材料は、半導体材料から構成されることを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項記載の光学システム。
【請求項９】
前記熱光学効果を有する材料は、ポリマー材料から構成されることを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１０】
前記フィルター素子は、複数の前記共振モード格子が２次元アレイ状に形成された画素構造を有しており、前記受光素子は２次元アレイ状の画素構造を有していることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１１】
前記共振モード格子は、メンブレン状であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１２】
前記共振モード格子は、前記周期構造が面内の直行する２方向に関して異方性を有していることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１３】
前記フィルター素子は空洞部を有し、前記共振モード格子は前記空洞部に封止され、前記空洞部は減圧状態又は不活性ガスが充填された状態にされていることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１４】
前記空洞部は、基板及び窓を含む部材によって形成されており、前記窓は、前記第一の波長領域の光に対して透過率が高く、前記第二の波長領域の光に対して反射率が低い材料から構成され、前記基板は、前記第一の波長領域の光に対して反射率が高く、前記第二の波長領域の光に対して透過率が高い材料から構成されることを特徴とする請求項１３記載の光学システム。
【請求項１５】
前記空洞部は、基板及び窓を含む部材によって形成されており、前記窓は、前記第一の波長領域の光に対して反射率が高く、前記第二の波長領域の光に対して透過率が高い材料から構成され、前記基板は、前記第一の波長領域の光に対して透過率が高く、前記第二の波長領域の光に対して反射率が低い材料から構成されることを特徴とする請求項１３記載の光学システム。
【請求項１６】
前記光源は、狭帯域の波長の光のみを透過する波長選択フィルターを備えていることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１７】
前記波長選択フィルターは、可変波長選択フィルターであり、透過する光の波長を外部信号によって変化させることが可能な構成とされていることを特徴とする請求項１６記載の光学システム。
【請求項１８】
前記光源は分布帰還型レーザ、分布ブラッグ反射型レーザ、又は、垂直共振器面発光レーザの何れかを用いることを特徴とする請求項１乃至１７の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１９】
前記光源が温調機構を備えていることを特徴とする請求項１８記載の光学システム。
【請求項２０】
前記第二の光学系は、前記フィルター素子へ入射する光の入射角度を調整する入射角調整機構を備えていることを特徴とする請求項１乃至１９の何れか一項記載の光学システム。
【請求項２１】
請求項１乃至２０の何れか一項記載の光学システムと、前記光学システムを制御する制御部と、前記光学システムからの出力信号を処理する信号処理部と、外部と信号をやりとりする外部インターフェース部と、を有する赤外線撮像システムであって、
前記光学システムにおける前記第一の波長領域は、赤外線領域に含まれていることを特徴とする赤外線撮像システム。
【請求項１】
微細な凹凸による周期構造によって前記周期構造に共鳴する特定波長領域の光を反射せしめる共振モード格子を有するフィルター素子と、
被対象物から輻射される第一の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第一の光学系と、
第二の波長領域の光を発する光源と、
前記光源が発する前記第二の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第二の光学系と、
光の強度を検出する受光素子と、
前記光源が発する前記第二の波長領域の光のうち前記共振モード格子で反射した前記特定波長領域の光を前記受光素子へ導く第三の光学系と、を有する光学システム。
【請求項２】
微細な凹凸による周期構造によって前記周期構造に共鳴する特定波長領域の光を透過せしめる共振モード格子を有するフィルター素子と、
被対象物から輻射される第一の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第一の光学系と、
第二の波長領域の光を発する光源と、
前記光源が発する前記第二の波長領域の光を前記共振モード格子へ導く第二の光学系と、
光の強度を検出する受光素子と、
前記光源が発する前記第二の波長領域の光のうち前記共振モード格子を透過した前記特定波長領域の光を前記受光素子へ導く第三の光学系と、を有する光学システム。
【請求項３】
前記共振モード格子は、前記第一の波長領域の光を吸収すると共に、熱光学効果を有することを特徴とする請求項１又２記載の光学システム。
【請求項４】
前記共振モード格子は、熱膨張率の異なる複数の材料から構成されており、前記複数の材料は、前記第一の波長領域の光を吸収する材料を含むことを特徴とする請求項１又２記載の光学システム。
【請求項５】
前記共振モード格子は、単一の材料から構成されており、前記単一の材料は、前記第一の波長領域の光を吸収すると共に、熱光学効果を有する材料であることを特徴とする請求項３記載の光学システム。
【請求項６】
前記共振モード格子は、複数の材料から構成されており、前記複数の材料は、前記第一の波長領域の光を吸収する材料と、熱光学効果を有する材料とを含むことを特徴とする請求項３記載の光学システム。
【請求項７】
前記単一の材料又は前記複数の材料は、前記第二の波長領域の光に対して透明な材料であることを特徴とする請求項５又は６記載の光学システム。
【請求項８】
前記熱光学効果を有する材料は、半導体材料から構成されることを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項記載の光学システム。
【請求項９】
前記熱光学効果を有する材料は、ポリマー材料から構成されることを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１０】
前記フィルター素子は、複数の前記共振モード格子が２次元アレイ状に形成された画素構造を有しており、前記受光素子は２次元アレイ状の画素構造を有していることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１１】
前記共振モード格子は、メンブレン状であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１２】
前記共振モード格子は、前記周期構造が面内の直行する２方向に関して異方性を有していることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１３】
前記フィルター素子は空洞部を有し、前記共振モード格子は前記空洞部に封止され、前記空洞部は減圧状態又は不活性ガスが充填された状態にされていることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１４】
前記空洞部は、基板及び窓を含む部材によって形成されており、前記窓は、前記第一の波長領域の光に対して透過率が高く、前記第二の波長領域の光に対して反射率が低い材料から構成され、前記基板は、前記第一の波長領域の光に対して反射率が高く、前記第二の波長領域の光に対して透過率が高い材料から構成されることを特徴とする請求項１３記載の光学システム。
【請求項１５】
前記空洞部は、基板及び窓を含む部材によって形成されており、前記窓は、前記第一の波長領域の光に対して反射率が高く、前記第二の波長領域の光に対して透過率が高い材料から構成され、前記基板は、前記第一の波長領域の光に対して透過率が高く、前記第二の波長領域の光に対して反射率が低い材料から構成されることを特徴とする請求項１３記載の光学システム。
【請求項１６】
前記光源は、狭帯域の波長の光のみを透過する波長選択フィルターを備えていることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１７】
前記波長選択フィルターは、可変波長選択フィルターであり、透過する光の波長を外部信号によって変化させることが可能な構成とされていることを特徴とする請求項１６記載の光学システム。
【請求項１８】
前記光源は分布帰還型レーザ、分布ブラッグ反射型レーザ、又は、垂直共振器面発光レーザの何れかを用いることを特徴とする請求項１乃至１７の何れか一項記載の光学システム。
【請求項１９】
前記光源が温調機構を備えていることを特徴とする請求項１８記載の光学システム。
【請求項２０】
前記第二の光学系は、前記フィルター素子へ入射する光の入射角度を調整する入射角調整機構を備えていることを特徴とする請求項１乃至１９の何れか一項記載の光学システム。
【請求項２１】
請求項１乃至２０の何れか一項記載の光学システムと、前記光学システムを制御する制御部と、前記光学システムからの出力信号を処理する信号処理部と、外部と信号をやりとりする外部インターフェース部と、を有する赤外線撮像システムであって、
前記光学システムにおける前記第一の波長領域は、赤外線領域に含まれていることを特徴とする赤外線撮像システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２００９−２６４８８８（Ｐ２００９−２６４８８８Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１３９７５（Ｐ２００８−１１３９７５）
【出願日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]