CN110275231A - 红外线转换装置、成像设备和成像方法 - Google Patents

红外线转换装置、成像设备和成像方法 Download PDF

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Abstract

一种红外线转换装置,包括:基板(122);以及金属微粒层(123),形成在该基板(122)上,其中该金属微粒层(123)包括金属微粒(124)和填充该金属微粒(124)之间的间隙且吸收入射的红外线的介电材料(125)形成。作为选择,通过将由于红外线吸收导致的光接收材料(125)的介电常数上的变化作为基于等离子体共振的散射光强度上的变化来检测,从而检测转换成可见光的红外线。

Description

红外线转换装置、成像设备和成像方法
本申请是申请日为2013年4月17日、申请号为201380023014.9、发明名称为“红外线转换装置、成像设备和成像方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及红外线转换装置、成像设备和成像方法。
背景技术
近年来,对红外照相机日益增长的需求,不仅是因为温度测量,也是因为安全目的。已知红外相机的示例包括量子型红外相机和辐射热型红外相机。量子型红外相机通常需要冷却来应付热噪声,并且因此红外相机变得尺寸上很大并且更昂贵。辐射热型红外相机检测由于热引起的电阻变化,实践上也需要由珀耳帖装置冷却,并且进一步要求大容量的存储器用于每个像素的周期性校准。而且,这样的辐射热型红外相机的问题是在校准时图像变得不连续。而且,辐射热型红外相机的问题是容易受到背景辐射的影响,消耗大量的能量、昂贵、尺寸大而且重。
为了解决这样的问题,例如,JP 2009-042164 A公开了一种红外相机,其利用表面等离子体共振现象。该红外相机采用棱镜检测由于热引起的介电膜的介电常数上的变化作为金属表面等离子体共振条件上的变化。而且,JP5-273503 A公开了一种空间光调节器,其利用表面等离子体共振且能进行高效率光调制,而不将光学信息转换成电信息,或者更具体而言,用光波耦合器形成的空间光调制器包括具有随着光辐射变化的折射系数的材料和金属的复合层。
引用列表
专利文件
专利文件1:JP 2009-042164 A
专利文件2:JP 5-273503 A
发明内容
本发明要解决的问题
那些特许公开专利出版物中公开的技术方案是基于表面等离子体共振的技术方案。表面等离子体在金属表面中传播,具有低空间分辨率,并且需要包括棱镜的大量和精确的光学机构。
考虑到上面的情况,本公开针对于提供具有高空间分辨率且具有简单构造和结构的红外线转换装置、合并这样红外线转换装置的成像设备以及成像方法。
解决问题的方案
为了实现上面的目的,根据本公开第一实施例的红外线转换装置包括基板和形成在基板上的金属微粒层,并且金属微粒层用金属微粒和填充金属微粒之间间隙且吸收入射的红外线的介电材料形成。
为了实现上面的目的,根据本公开第二实施例的红外线转换装置包括用金属微粒和填充金属微粒之间间隙且吸收入射的红外线的介电材料形成的金属微粒层。
为了实现上面的目的,根据本公开第三实施例的红外线转换装置包括:介电膜,用介电材料形成,并且吸收从其第一表面进入的红外线;以及金属微粒,设置在介电膜的第二表面上,该第二表面位于该第一表面的相反侧。
为了实现上面的目的,根据本公开第四实施例的红外线转换装置是这样的一种红外线转换装置:通过将由于红外线吸收在光接收材料的介电常数上引起的变化作为基于局部等离子体共振而引起的光强度上的变化来检测,从而检测转换成可见光的红外线。
为了实现上面的目的,根据本公开第一实施例的成像设备包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置包括基板和形成在该基板上的金属微粒层,该金属微粒层包括金属微粒和填充该金属微粒之间间隙且吸收入射的红外线的介电材料;
(B)光源,发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元的与该红外线入射侧相反的一侧。
为了实现上面的目的,根据本公开第二实施例的成像设备包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置包括金属微粒层,该金属微粒层包括金属微粒和填充该金属微粒之间间隙且吸收入射的红外线的介电材料;
(B)光源,发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元的与该红外线入射侧相反的一侧。
为了实现上面的目的,根据本公开第三实施例的成像设备包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置包括介电膜和金属微粒,该介电膜用介电材料形成且吸收从其第一表面入射的红外线,该金属微粒设置在该介电膜的第二表面上,该第二表面位于该第一表面的相反侧;
(B)光源,发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元的与该红外线入射侧相反的一侧。
为了实现上面的目的,根据本公开第四实施例的成像设备包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置通过检测由于红外线吸收而引起的光接收材料的介电常数的变化作为基于局部等离子体共振而引起的光强度的变化,来检测转换成可见光的红外线;
(B)光源,发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元的与该红外线入射侧相反的一侧。
为了实现上面的目的,根据本公开第一实施例的成像方法是利用上述根据本公开第一实施例的成像设备的成像方法。为了实现上面的目的,根据本公开第二实施例的成像方法是利用上述根据本公开第二实施例的成像设备的成像方法。为了实现上面的目的,根据本公开第三实施例的成像方法是利用上述根据本公开第三实施例的成像设备的成像方法,并且包括由该成像装置阵列单元检测:由于因红外线吸收导致该介电材料的介电常数的变化,通过用基准光辐射该金属微粒引起该金属微粒中形成的局部等离子体共振态的变化导致的散射光强度的降低。
为了实现上面的目的,根据本公开第四实施例的成像方法是利用上述根据本公开第四实施例的成像设备的成像方法,并且包括由该成像装置阵列单元检测:由于因红外线吸收导致该光接收材料的介电常数的变化,通过用基准光辐射该光接收材料引起该光接收材料中形成的局部等离子体共振态的变化导致的散射光强度的降低。
本发明的效果
根据本公开第一至第四实施例的红外线转换装置、成像设备和成像方法,不需要冷却红外线转换装置,并且可检测仅经过光学而没有经过电学空间光调制的红外线(热射线)。因此,除了简单的构造和结构外可提供具有高空间分辨率且可检测小温度差的红外线转换装置。还可提供其中并入具有上述红外线转转装置的小尺寸、轻重量、节能和便宜的成像设备以及利用该成像设备的成像方法。
附图说明
图1是示例1的成像设备的概念图。
图2是示例1的成像设备修改的概念图。
图3是示例1的成像设备另一个修改的概念图。
图4是示例1的成像设备再一个修改的概念图。
图5A和5B是示出执行模拟结果的图线,以检查用银(Ag)形成的金属微粒相对于基准光波长的散射效率Qsca和吸收效率Qabs
图6A和6B是示出执行模拟结果的图线,以检查用金(Au)形成的金属微粒相对于基准光波长的散射效率Qsca和吸收效率Qabs
图7A和7B是示出执行模拟结果的图线,以检查金属微粒的散射效率如何随着介电材料的折射系数的改变而变化。
图8是以重叠方式示意性地示出基于折射系数变化的散射效率变化的图线。
图9是示出一个球形金属微粒聚光能力检查的概念图。
图10是示例2的成像设备的概念图。
图11A和11B分别为示例3和示例4的成像设备的概念图。
图12A和12B是示例5的成像设备的概念图。
图13A和13B是示例5的成像设备修改的概念图。
图14A和14B是示例6的成像设备的概念图。
图15A和15B是示例6的成像设备修改的概念图。
图16是示例7的成像设备的概念图。
图17是示例8的成像设备的概念图。
图18A和18B是用于说明散射光的强度和输出信号的强度的示意图。
图19A和19B是用于说明散射光的强度和输出信号的强度的示意图。
图20A和20B是每一个都示出示例1的成像设备中红外线转换装置修改部分的概念图。
图21A和21B是示出示例1的成像设备中红外线转换装置的另一个修改部分的概念图。
具体实施方式
下面是本公开参考附图基于实施例的描述。然而,本公开不限于这些实施例,这些实施例中涉及的各种数值和材料仅为示例。说明以下面的顺序进行。
1.根据本公开第一至第四实施例的红外线转换装置、成像设备和成像方法的描述
2.示例1(根据本公开第一和第四实施例的红外线转换装置、成像设备和成像方法)
3.示例2(示例1的修改)
4.示例3(示例1和2的修改)
5.示例4(示例1至3的修改)
6.示例5(示例1至4的修改)
7.示例6(示例5的修改)
8.示例7(根据本公开第二和第四实施例的红外线转换装置、成像设备和成像方法)
9.示例8(根据本公开第三和第四实施例的红外线转换装置、成像设备和成像方法)
在根据本公开第一至第三实施例的红外线转换装置、成像设备和成像方法中,散射光可通过用基准光辐射金属微粒基于金属微粒中引起的局部等离子体共振(localplasmon resonance)产生。在此情况下,金属微粒中的局部等离子体共振态可由于红外线吸收引起介电材料的介电常数上的变化而变化,并且散射光的强度可由于局部等离子体共振态的变化而变低。
在包括上述优选实施例的根据本公开第一至第四实施例的红外线转换装置、成像设备和成像方法中,基准光是可见光,并且散射光的频率或角频率等于基准光的频率或角频率。在此情况下,基准光的波长是可变的,或者选择基准光波长的波长选择器可提供在光源和红外线转换装置阵列单元之间。关于该结构,局部等离子体共振条件可被容易校正。
在包括上述优选实施例和构造的根据本公开第一至第三实施例的红外线转换装置、成像设备和成像方法中,金属微粒可规则地排列。
在包括上述优选实施例和构造的根据本公开第一至第四实施例的成像设备和成像方法中,可提供用于校准散射光强度检测的遮光机构。在此情况下,遮光机构可用快门机构形成,快门机构控制入射在介电材料或光接收材料上的红外线。作为选择,红外线转换装置阵列单元可包括红外线检测区域和用于校正散射光强度检测的校正区域。在此情况下,防止红外线入射的遮光膜可形成在校正区域中,并且遮光构件可提供在红外线检测区域和校正区域之间的边界区域中。
此外,在包括上述优选实施例和构造的根据本公开第一至第四实施例的成像设备和成像方法中,朝着金属微粒层或光接收材料反射散射光的反射件可提供在每个红外线转换装置的红外线入射侧上。
此外,在包括上述优选实施例和构造的根据本公开第一至第四实施例的成像设备和成像方法中,微型透镜可提供在每个红外线转换装置的红外线入射侧上。
在下面的描述中,根据本公开第一实施例的红外线转换装置、形成根据本公开第一实施例的成像设备的红外线转换装置、以及根据本公开第一实施例的成像方法中的红外线转换装置也称为“根据本公开第一实施例的红外线转换装置等”。根据本公开第二实施例的红外线转换装置、形成根据本公开第二实施例的成像设备的红外线转换装置、以及根据本公开第二实施例的成像方法中的红外线转换装置也称为“根据本公开第二实施例的红外线转换装置等”。根据本公开第三实施例的红外线转换装置、形成根据本公开第三实施例的成像设备的红外线转换装置、以及根据本公开第三实施例的成像方法中的红外线转换装置也称为“根据本公开第三实施例的红外线转换装置等”。根据本公开第一至第四实施例的红外线转换装置、根据本公开第一至第四实施例的成像设备、以及根据本公开第一至第四实施例的成像方法也简称为“本公开”。
本公开中的局部等离子体共振(也称为局部表面等离子体共振)是这样的现象:电荷的偏置呈现在金属微粒的表面上,或者电偶极场在光进入金属微粒表面时产生,并且电偶极场通过与入射光共振或振荡吸收入射光。在此情况下,产生近场光(增强的电场)和散射光(辐射光)。这里,近场光(增强的电场)是振荡电场而不是电磁波。光吸收波长是围绕金属微粒的物质的介电常数或折射系数的函数。ω和k之间没有离散关系,并且该函数可看作是直线,其中ω为常数。
局部等离子体共振是与表面等离子体共振(也称为传播表面等离子体共振)不同的现象。在表面等离子体共振中,产生沿着界面传播的平面波。表面等离子体共振不能简单地由光辐射引起,并且必须采取适当的方法耦合入射光与表面等离子体(例如,通过在表面中形成微小的周期结构,准备诸如棱镜的高折射系数材料,或者通过全反射将入射光转换成容易消散的波)。并且,在表面等离子体共振中,角频率ω和波数k(界面-方向分量)之间的离散关系是非线性的,入射光和频率是不变的,并且存在波长上的减小或速度上的降低。
用于局部等离子体共振的条件可理想地表示为εm+2εd=0,其中εm表示金属微粒的介电常数,并且εd表示围绕金属微粒的物质的介电常数。在根据本公开第一实施例的红外线转换装置等或根据本公开第二实施例的红外线转换装置等中,围绕金属微粒的物质是填充金属微粒之间间隙的介电材料。在根据本公开第三实施例的红外线转换装置等中,围绕金属微粒的物质是空气或真空。如果满足局部等离子体共振条件,入射光被金属微粒有效吸收,并且转换成散射光。在此情形中,金属微粒中的热损可通过适当设计金属微粒而减小,从而每个金属微粒具有大的散射横截面,并且具有小的吸收横截面。在非共振的状态下,金属微粒仅吸收小比例的基准光,并且基准光的大部分通过金属微粒,或者由界面反射,导致消散。
在根据本公开第一实施例的红外线转换装置等中,基板、金属微粒层、入射红外线、光源和成像装置阵列单元之间的关系如下。
(情形1)红外线从基板的第一表面进入,金属微粒层形成在第二表面上,第二表面在基板的与第一表面相反的一侧,并且成像装置阵列单元和光源设置在基板的第二表面侧上。
(情形2)红外线从基板的第一表面进入,金属微粒层形成在第二表面上,第二表面在基板的与第一表面相反的一侧,成像装置阵列单元设置在基板的第二表面侧,并且光源设置在基板的第一表面侧。
(情形3)红外线从基板的第一表面进入,金属微粒层形成在基板的第一表面上,并且成像装置阵列单元和光源设置在基板的第二表面侧。
(情形4)红外线从基板的第一表面进入,金属微粒层形成在基板的第一表面上,成像装置阵列单元设置在基板的第二表面侧,并且光源设置在基板的第一表面侧。
在根据本公开第一实施例的红外线转换装置等的(情形1)中,基板对10μm波长附近的红外线是透明的,并且可以吸收基准光。可形成基板的材料示例包括对约10μm波长的红外线具有高射率的材料(例如锗(Ge)和ZnGe)、具有宽带隙的半导体材料、聚乙烯树脂、玻璃材料和陶瓷材料等。在基板由晶体材料制造的情况下,该晶体材料优选为单晶硅材料,并且优选尽可能薄同时保持足够的强度。在(情形2)中,基板对约10μm波长的红外线和约400至550nm波长的基准光是透明的,并且可形成基板的材料示例包括玻璃材料和陶瓷材料等。在基板由晶体材料制造的情况下,该晶体材料优选为单晶硅,并且优选尽可能薄同时保持足够的强度。在(情形3)和(情形4)中,基板对约400至550nm波长的基准光是透明的,并且可吸收入射射线。可形成基板的材料示例包括对约400至550nm波长的光具有高透射率的材料(例如,玻璃材料和石英)、具有宽带隙的半导体材料、绝缘材料和有机材料等。在基板由晶体材料制造的情况下,该晶体材料优选为单晶材料,并且优选尽可能薄同时保持足够的强度。在根据本公开第一至第三实施例的红外线转换装置等中形成介电材料的材料是介电常数(折射系数)随着红外线吸收变化很大的材料。这样材料的具体示例包括Polyamide 66(例如,Leona(注册商标名称))、诸如PMMA树脂的甲基丙烯酸树脂、氮化硅(SiNX)、氧化硅(SiOY)、氧氮化硅(SiON)、液晶分子、着色有机膜(颜料增益介质)、具有量子点诸如Si分散其中的薄膜材料、用在去除红外线滤波器中的材料(吸收红外线的材料)和光致变色材料等。取决于要吸收的红外线波长介电材料可具有单层结构或多层结构。在根据本公开第一实施例的红外线转换装置等中,形成基板的材料和形成介电材料的材料可为相同的或者可为不同的。基板的厚度可为例如1×10-7m至1×10-6m,并且介电材料的厚度可为例如1×10- 7m至1×10-6m。基板和介电材料的厚度可根据基板和介电材料的热容量和红外线吸收率适当调整和决定。介电材料具有随着红外线吸收变化的介电常数(折射系数),并且可用不必具有温度变化的材料(例如上述光致变色材料之一)形成。
此外,在根据本公开第一至第三实施例的红外线转换装置等中,可形成金属微粒的材料示例包括用在局部等离子体共振中的各种金属和合金,例如,银(Ag)、金(Au)、铝(Al)和钨(W)。为了获得规则排列的金属微粒,在基板、介电材料或介电膜上通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)形成薄金属膜,并且然后在薄金属膜上通过光刻技术或蚀刻技术执行蚀刻。然而,本公开不限于这样的方法。为了获得金属微粒层,金属微粒形成在介电材料上,并且金属微粒然后涂有介电材料。也就是说,金属微粒包封在介电材料中。金属微粒可具有柱形形状(圆柱形状或矩形棒的形状)、类似圆盘形状、球形形状或半球形形状等,并且可通过考虑共振的便利以及制造工艺的简化而适当设计。金属微粒的阵列图案例如可为规则的二维阵列图案。更具体的示例包括正方形、等边三角形和等边六边形等。关于金属微粒的二维周期结构,散射光的平面内分量可在二维阵列纳米结构中围成驻波形式,并且可防止散射光泄漏进附近的红外线转换装置中。同时,可增强平面内的共振。金属微粒的尺寸取决于形成金属微粒的金属材料、围绕金属离子的物质和基准光的波长等,并且约为几十至几百纳米的量级上。金属微粒之间的间隔(金属微粒二维周期阵列的尺寸)考虑基准光的波长、形成金属微粒的材料和围绕金属微粒的物质适当决定,从而获得与平面内金属微粒之间的散射光相互作用。金属微粒之间最近的中心到中心距离与基准光的波长约为相同的量级。
为了提高以热体现的空间辨析度,金属微粒层和吸收红外线的光接收材料优选物理地分成约像素大小的部分。在根据本公开第一实施例的红外线转换装置等中,金属微粒层可根据半导体装置制造领域中的光刻技术和蚀刻技术的结合或制造MEMS(微型机电系统)的技术物理地分开。在根据本公开第二实施例的红外线转换装置等和根据本公开第三实施例的红外线转换装置中,金属微粒层或介电膜可根据半导体装置制造领域中的光刻技术和蚀刻技术的结合或制造MEMS的技术物理地分开。红外线转换装置的尺寸(红外线转换装置阵列单元中一个像素的尺寸)优选例如几乎与要检测红外线的波长相同。关于该尺寸,可防止红外线转换装置之间的热传播,并且此外可提高热成像的空间辨析度。根据本公开的要检测红外线的波长约为1μm或更大,并且典型的检测波长约为称为热射线的红外线的10μm。使红外线转换装置太小是没有意义的,并且太大的红外线转换装置降低了空间分辨度。每个红外线转换装置的尺寸(红外线转换装置阵列单元中一个像素的尺寸)可与成像装置阵列单元中成像装置的尺寸(成像装置阵列单元中一个像素的尺寸)相同,或者后者可小于前者。
发光二极管(LED)或半导体激光装置可用作发射基准光的光源。红外线转换装置阵列单元可用基准光共同辐射(照射)。也就是说,红外线转换装置阵列单元的整个表面可连续地按照时间或用脉冲状基准光共同辐射(照射)。作为选择,红外线转换装置阵列单元可用基准光的光束扫描或辐射(照射)。这样,可顺序读取散射光强度。基准光的波长需要是这样的波长:介电材料或光接收材料的温度在基准光辐射时不升高,并且基准光的光源优选为单色光源或者从蓝色到绿色具有连续波长波谱的光源,而不包括比红光波长更长的波长。具体而言,基准光的波长例如可为400至550nm。关于这样波长的基准光的辐射,介电材料的温度几乎不升高。即使介电材料的温度升高,温度升高也作为背景辐射的部分被消除,并不影响信号检测,只要局部等离子体共振条件校正为考虑了这样温升的初始状态。为了改变从单色光源输出的基准光的波长,例如可采用能电连续改变波长的LED。例如,滤色器可用作波长选择器,以选择从具有连续波长波谱的光源发射的基准光的希望波长。滤色器例如可为回转盘状滤波器,并且可设计为根据来自光源的基准光碰撞且通过的位置选择通过基准光的希望波长。这样,可执行校正以根据基准光的波长调制获得要处于初始状态的局部等离子体共振(local plasmon resonance),并且也可执行校正以处理环境温度变化(背景辐射)。可为光源提供红外线去除滤波器,或者可为光源提供通过希望波长的某种带通滤波器。
基准光入射在红外线转换装置阵列单元上的角度对于金属微粒中的局部等离子体共振没有特别限制,并且在此情形中,在设计红外线转换装之中允许很高的自由度。另一方面,关于采用表面等离子体共振的红外线转换装置,入射角需要特别且精确决定。在本公开中,基准光的光源位置和入射角可通过考虑与成像装置阵列单元的位置关系而适当决定,从而红外线转换装置阵列单元用基准光尽可能均匀地辐射(照射)。关于用作基准光的倾斜光,可辐射很大的面积。由于局部等离子体共振的聚光效应,金属微粒可以以高效率吸收基准光,即使基准光倾斜进入。并且,即使基准光具有光强分布,也可确定地引起局部等离子体共振,因为光的频率是不变的。如果各像素的检测信号用动态范围归一化(normalized)以形成热图像,所获得的热图像也不取决于基准光的光强分布。
每个反射件例如可用基底和形成在基底上的反光涂层形成。微型透镜的构造和结构可为已知的构造和结构,并且可由已知的材料制造。
成像装置阵列单元可用CCD、CMOS图像传感器、CIS(接触图像传感器)或CMD(电荷调制装置)型的信号放大图像传感器形成,或者可用图像传感器之外的光传感器(例如影像管)形成。成像装置阵列单元可为前照式成像装置阵列单元,或者可为背照式成像装置阵列单元。关于成像装置阵列单元,热图像可捕获为黑白图像。也就是说,在局部等离子体共振态下,散射光的强度很高,并且因此,可获得明亮的图像。另一方面,在介电材料或光接收材料的温度变得较高的部分,与局部等离子体共振条件存在偏离。具体而言,εd改变并且不满足εm+2εd=0。结果,散射光的强度变低,并且图像变暗。这样,可获得低温位置为白色而高温位置为黑色的黑白图像。
关于本公开的成像设备,例如可形成数字静态相机、摄像机、可携式摄像机或所谓相机电话。成像设备可包括镜头系统。镜头系统可为单(定)焦镜头或者所谓的变焦镜头,并且镜头和镜头系统的构造和结构可根据镜头和透镜系统要求的规范决定。成像设备中的镜头系统可具有常规构造。红外线转换装置阵列单元可容纳在真空密封封装中,从而避免由于热引起的外部干扰。本公开的成像设备可用在夜视设备、监视相机、红外热摄像仪、车载夜视相机和医学近红外线传感器等中。
[示例1]
示例1涉及根据本公开第一和第四实施例的红外线转换装置、成像设备和成像方法。图1、2、3和4是示例1的成像设备的概念图。
在根据本公开第一实施例的红外线转换装置的描述的基础上,示例1的红外线转换装置121包括:(a)基板122;和形成在基板122上的(b)金属微粒层123,并且金属微粒层123用金属微粒124和填充在金属微粒124之间的间隙且吸收入射的红外线的介电材料125形成。
在根据本公开第四实施例的红外线转换装置的描述的基础上,示例1的红外线转换装置121是红外线转换装置,或者更具体而言,是空间光调制型红外线转换装置,通过将由于红外线吸收在光接收材料125的介电常数上引起的变化作为基于局部等离子体共振而引起的光强度上的变化来检测,从而检测转换成可见光的红外线。
在根据第一实施例或第四实施例的成像设备的描述的基础上,示例1的成像设备110包括:(A)红外线转换装置阵列单元120,通过以二维矩阵方式布置示例1的红外线转换装置121而形成;(B)光源30,发射基准光31到红外线转换装置阵列单元120;以及(C)成像装置阵列单元40,设置在红外线转换装置阵列单元120的与红外线入射侧相反的一侧,或者更具体而言,距红外线转换装置阵列单元120一定的距离设置。
图1所示的结构是(情形1):其中红外线从基板122的第一表面122A进入,金属微粒层123形成在第二表面122B上,第二表面122B位于基板122的与第一表面122A相反的一侧,并且成像装置阵列单元40和光源30设置在基板122的第二表面122B侧上。基准光31从红外线转换装置阵列单元120的与红外线入射侧相反的一侧辐射(照射)红外线转换装置阵列单元120。图2所示的结构是(情形2):其中红外线从基板122的第一表面122A进入,金属微粒层123形成在基板122的与第一表面122A相反侧的第二表面122B上,成像装置阵列单元40设置在基板122的第二表面122B侧,并且光源30设置在基板122的第一表面122A侧。基准光31从红外线转换装置阵列单元120的红外线入射侧辐射(照射)红外线转换装置阵列单元120。此外,图3所示的结构是(情形3):其中红外线从基板122的第一表面122A进入,金属微粒层123形成在基板122的第一表面122A上,并且成像装置阵列单元40和光源30设置在基板122的第二表面122B侧。基准光31从红外线转换装置阵列单元120的与红外线入射侧相反的一侧辐射(照射)红外线转换装置阵列单元120。图4所示的结构是(情形4):其中红外线从基板122的第一表面122A进入,金属微粒层123形成在基板122的第一表面122A上,成像装置阵列单元40设置在基板122的第二表面122B侧,并且光源30设置在基板122的第一表面122A侧。基准光31从红外线转换装置阵列单元120的红外线入射侧辐射(照射)红外线转换装置阵列单元120。
在这些情况的任何一种情况中,在成像装置阵列单元40获得相同的图像。然而,在图2和4所示的示例中,光源30、红外线转换装置阵列单元120和成像装置阵列单元40需要设置为使基准光31不进入成像装置阵列单元40。而且,用于在成像装置阵列单元40上由来自红外线转换装置阵列单元120的光形成图像的成像透镜(未示出)提供在红外线转换装置阵列单元120和成像装置阵列单元40之间。然而,来自金属微粒的散射光具有一定程度的方向性,并且因此在没有成像透镜的情况下可执行成像。
在示例1或稍后将描述的示例2至6的红外线转换装置121中,基板122用厚度为1μm的锗(Ge)形成。介电材料125用厚度为0.1μm的聚酰胺形成。
在示例1或稍后将描述的示例2至8的红外线转换装置121、221或321中,金属微粒124用银(Ag)形成,并且具有直径为100nm且厚度为50nm的类似圆盘形状。金属微粒124规则地布置。具体而言,金属微粒124基于诸如正方形的规则二维阵列图案布置。金属微粒之间最近的中心到中心距离(金属微粒的二维周期阵列尺寸)为0.3μm。这些数值根据所要用的基准光的波长和所要用的介电材料125决定。
具体而言,在示例1或稍后将描述的示例2至8中,光源30用发光二极管(LED)形成,例如其发射500nm的基准光31。关于用这样波长的基准光31辐射,介电材料125、225或325的温度几乎不升高。即使介电材料125、225或325的温度略微升高,温升也作为背景辐射的部分被消除了,而不影响信号检测,只要局部等离子体共振条件考虑了介电材料125、225或325的温度升高被校正为初始状态。例如,从光源30发射的基准光传播通过校正光学系统(未示出),然后辐射(照射)红外线转换装置阵列单元120。从上述光源30发射的基准光31的波长在±100nm的范围内是可变化的。为此,稍后在示例5和6中描述的局部等离子体共振条件可容易地被校正。作为原则,在成像设备的常规操作期间,基准光31不变地倾斜辐射红外线转换装置阵列单元120。成像装置阵列单元40通过以二维矩阵方式布置成像装置41而形成,并且用常规的CCD或CMOS图像传感器形成。每个红外线转换装置121、221或321的尺寸(红外线转换装置阵列单元120、220或320中一个像素的尺寸)为10μm。每个红外线转换装置121、221或321的尺寸(红外线转换装置阵列单元120、220或320中一个像素的尺寸)与成像装置阵列单元40中每个成像装置41的尺寸(成像装置阵列单元中一个像素的尺寸)相同,但是后者可以小于前者。附图标记126、226和326表示分隔区域,用于将红外线转换装置121、221或321互相分开以形成像素。
根据示例1或稍后将描述的示例2至8的成像方法,成像装置阵列单元40检测:当用基准光31辐射金属微粒124、224或324来改变金属微粒124、224或324的局部等离子体共振态时,散射光32强度的降低,因为介电材料125、225或325的介电常数εd由于红外线吸收而发生改变。作为选择,成像装置阵列单元40检测通过用基准光31辐射光接收材料125、225或325改变在光接收材料125、225或325中的局部等离子体共振态时所引起的散射光32强度的降低,因为光接收材料125、225或325的介电常数εd由于红外线吸收引起变化。也就是说,介电材料125、225或325的介电常数εd因红外线吸收而变化。金属微粒124、224或324中形成的局部等离子体共振态通过用基准光31辐射金属微粒124、224或324由于介电材料125、225或325的介电常数εd的变化而变化。局部等离子体共振态中此变化引起散射光32强度的降低。成像装置阵列单元40检测散射光32强度的降低。
更具体而言,在示例1或稍后将描述的示例2至8的红外线转换装置中,通过用基准光31辐射金属微粒124、224或324,在金属微粒中引起局部等离子体共振。散射光32然后基于局部等离子体共振产生。散射光32的频率或角频率与基准光31的频率或角频率相同。同样,介电材料(光接收材料)125、225或325的介电常数因红外线吸收而变化。在图1至4中,为了方便起见,入射到红外线转换装置阵列单元120上的红外线强度以箭头的长度表示。箭头越长,入射到红外线转换装置阵列单元120上的对应的红外线的强度越高。
金属微粒124、224或324中的局部等离子体共振态由于介电材料(光接收材料)125、225或325的介电常数上的变化而变化。具体而言,作为局部等离子体共振态上变化的结果(换言之,作为局部等离子体共振态结束的结果,或者作为εd变化的结果,不能满足εm+2εd=0),散射光32的强度变低。在图1至4中,为了方便起见,从红外线转换装置阵列单元120发射的散射光32的强度用箭头的长度表示。箭头越长,从红外线转换装置阵列单元120发射的对应的散射光32的强度越高。
在成像装置阵列单元40中,可捕获这样的图像为黑白图像的热图像。也就是说,在局部等离子体共振态下,散射光的强度很高,并且因此,获得明亮的图像。另一方面,在介电材料或光接收材料的温度变高的部分,与局部等离子体共振条件存在偏离。结果,散射光的强度变低,并且图像变暗。以此方式,可能获得低温部分为白色而高温部分为黑色的黑白图像。
例如,入射在红外线转换装置1211和1212上的红外线的强度低。同时,入射在红外线转换装置1213和1214上的红外线的强度高,并且入射在红外线转换装置1215上的红外线的强度为中等。结果,红外线转换装置1211和1212的介电材料(光接收材料)125的温度为T1,并且处于该温度的介电常数为εd1。同样,红外线转换装置1213和1214的介电材料(光接收材料)125的温度为T3,并且处于该温度的介电常数为εd3。红外线转换装置1215的介电材料(光接收材料)125的温度为T2(假设T1<T2<T3),并且该温度处的介电常数为εd2(假设εd1d2d3)。结果,在红外线转换装置1211和1212中,与局部等离子体共振条件几乎不存在偏离。在红外线转换装置1215中,与局部等离子体共振条件存在偏离。在红外线转换装置1213和1214中,与局部等离子体共振条件存在很大的偏离。因此,来自红外线转换装置1211和1212的散射光的强度高,来自红外线转换装置1215的散射光的强度中等,并且来自红外线转换装置1213和1214的散射光的强度低。
示例1的红外线转换装置121可以以下面的方式制造。首先,介电材料125的部分通过CVD、PVD和涂镀技术、包括喷墨印刷技术的印刷技术或旋涂技术等形成在基板122上。由银(Ag)制造的薄金属膜通过真空沉积技术等形成在介电材料125上,并且然后在薄金属膜上通过光刻技术和蚀刻技术执行蚀刻。以此方式,用银形成且根据诸如正方形的规则二维阵列图案布置的金属微粒124可形成在介电材料125上。之后,介电材料125的其余部分再一次通过CVD、PVD和涂镀技术、包括喷墨印刷技术的印刷技术或旋涂技术等形成。以此方式,可获得金属微粒层123,其具有用介电材料125涂镀的金属微粒124,或者具有由介电材料125围绕的金属微粒124。分隔区域126可通过在形成介电材料125和金属微粒124时通过图案化形成。在采用印刷技术的情况下,分隔区域126可通过印刷技术在形成介电材料125和金属微粒124的同时形成。
以这样的方式获得的红外线转换装置阵列单元120、光源30和成像装置阵列单元40容放在根据已知技术的适当封装体中,并且与镜头系统组装在一起。因此,可获得成像设备。
图5A、5B、6A和6B示出了执行模拟的结果,以检查金属微粒相对于基准光的波长λ的散射效率Qsca和吸收效率Qabs,假设一个球形的金属微粒放在空气中。在每个图线中,横坐标轴表示基准光的波长λ(单位:nm),并且纵坐标轴表示散射效率Qsca和吸收效率Qabs的值。图5A示出了这样情况的结果:其中金属微粒的直径为100nm且用银(Ag)形成,并且图5B示出了这样情况的结果:其中金属微粒的直径为20nm且用银(Ag)形成。图6A示出了这样情况的结果:其中金属微粒的直径为100nm且用金(Au)形成,并且图6B示出了这样情况的结果:其中金属微粒的直径为20nm且用金(Au)形成。这里,散射效率Qsca和吸收效率Qabs为通过散射截面和吸收截面分别除以金属微粒的截面获得的值。高吸收效率Qabs值意味着作为用基准光辐射的结果金属微粒产生大量的热。因此,散射效率Qsca的值优选高于吸收效率Qabs的值。在图5A、5B、6A和6B的每一个图中,曲线“A”表示散射效率Qsca,并且曲线“B”表示吸收效率Qabs。由图5A、5B、6A和6B所示的模拟结果可见,金属微粒的直径为100nm且用银(Ag)形成的情况是最优选的。如果获得吸收效率Qabs峰值的基准光的波长λabs与获得散射效率Qsca峰值的基准光的波长λsca不同,则可防止热损耗。
图7A(折射系数nd=2.0)和图7B(折射系数nd=2.1)示出了执行模拟的结果,以检查金属微粒相对于基准光的波长λ的散射效率Qsca,假设一个球形的金属微粒(其直径为100nm且用银形成)被放置在介电材料(其中折射系数nd=2.0和2.1)中。
如果折射系数nd为2.0,则获得散射效率Qsca峰值的基准光的波长λsca如下:
λsca=500nm
Qsca的峰值=7.2057
同样,如果折射系数nd为2.1,则获得散射效率Qsca峰值的基准光的波长λsca以及基准光的波长λ为500nm时的散射效率Qsca’如下:
λsca=508.9nm
Qsca’=6.04597
图8以重叠的方式示意性地示出了基于折射系数nd的变化的散射效率Qsca变化。在图8中,曲线A表示这样的情况:红外线转换装置中介电材料的温度为T1,折射系数为nd-1,并且局部等离子体共振态在基准光的波长为λ0时形成。另一方面,曲线B表示这样的情况:另一个红外线转换装置中介电材料的温度为T2(>T1),折射系数为nd-2(≠nd-1),并且在基准光的波长为λ0时不形成局部等离子体共振态。箭头的长度表示散射光强度的变化量。
由于局部等离子体共振的聚光效应,金属微粒可以以高效率吸收基准光,即使基准光倾斜进入。检测了一个球形金属微粒的聚光能力。这相当于计算淬火截面(Cext=Cabs+Csca)。具体而言,淬火截面计算为圆柱截面,其中扩展为类似于高斯分布的金属微粒吸光率分布(恰在金属微粒之上具有最大值)用高度为1.0(最高吸收率)的圆柱取代。图9示出了概念图。处于基准光波长的相对于用银形成的金属微粒的Cext通过考虑了米氏散射而被计算。其中假设金属微粒放置在真空中。转换成半径的Cext值如下,并且大于金属微粒半径的两倍。图9所示的曲线表示点向量(光的能量流动),并且包括入射光和散射光。
金属微粒的半径 Cext 转换的半径
10nm 0.015μm2 22nm
100nm 0.18μm2 240nm
与红外线转换装置一样,示例1或稍后将描述的示例2至8的成像设备和成像方法不需要冷却红外线转换装置,并且可检测简单光学地而没有电学地经历空间光调制的红外线(热射线)。因此,能提供具有高空间分辨率的红外线转换装置,并且除了其简单的构造和结构外可检测非常小的温度差(例如在红外线转换装置之间的约5×10-3°K的温度差)。应注意,较小尺寸的红外线转换装置可更精确地检测较小的温度差。并且,能提供包括上述红外线转换装置的成像设备,不受背景辐射的影响,具有高S/N比,不需要每个像素的校正和大容量的存储器,不形成断续的图像,尺寸小和重量轻,功耗小,并且不贵。还能提供利用成像设备的成像方法。此外,由于采用局部等离子体共振,没有等离子体的表面传播,并且可实现比采用表面等离子体共振的空间光调制更高的空间分辨率。而且,诸如棱镜的光学部件是不必要的,并且没有对基准光入射角的限制。因此,设计上允许较高的自由度。此外,可检测简单光学地而没有电学地经历空间光调制的红外线(热射线)。因此,通过互连的热扩散(消散)不容易发生,可检测较小的温度变化,并且获得快速共振。
[示例2]
示例2是示例1的修改。在示例1中,基准光的波长是可变的。另一方面,在示例2中,选择基准光31波长的波长选择器33提供在光源30和红外线转换装置阵列单元120之间。具体而言,如图10中的示例2的成像设备的概念图所示,波长选择器33用滤色器形成。滤色器是转盘状滤波器,并且用这样的滤波器材料形成:取决于来自光源的基准光碰撞和通过的位置,该滤波器材料可连续地改变通过的基准光的波长。为此,还可容易校正稍后示例5和6中描述的局部等离子体共振条件。
[示例3]
示例3是示例1和2的修改。如图11A中成像设备的概念图所示,在示例3中,微型透镜51提供在每个红外线转换装置的红外线入射侧。关于该结构,红外线可有效聚集在各红外线转换装置上。微型透镜51的构造和结构可为已知的构造和结构,并且可由已知的材料制造。
[示例4]
示例4是示例1至3的修改。如图11B中成像设备的概念图所示,在示例4中,朝着金属微粒层或光接收材料反射散射光的反射件52提供在每个红外线转换装置的红外线入射侧上。图11B所示的示例是示例3的成像设备的修改。每个反射件52用基底53和形成在基底53上的反光涂层54形成。例如,反射件52可采用已知的MEMS制造技术制造。
[示例5]
示例5是示例1至4的修改。在使用成像设备时,获得局部等离子体共振态的基准光的波长λ0因各种因素而变化或偏离。在此情况下,需要执行校正以获得局部等离子体共振。考虑到这一点,示例5的成像设备包括遮光机构,用于校正散射光强度的检测。例如,校正可在成像设备通电时执行。
具体而言,如图12A、12B、13A和13B中的成像设备的概念图所示,遮光机构用快门机构61形成,快门机构61控制入射在介电材料(光接收材料)125、225或325上的红外线。快门机构61可用已知的快门机构形成。如图13A中成像设备的概念图所示,第二快门机构62可进一步提供在红外线转换装置阵列单元120和成像装置阵列单元40之间,或者在光源30附近。快门机构61和62可机械地操作,或者可电操作。镜头盖可用作快门机构61的替代品。
图18A、18B、19A和19B是用于说明背景辐射等、散射光的强度和输出信号的强度之间关系的示意图。
如图12A所示,在暂停用基准光31辐射红外线转换装置阵列单元120时,关闭快门机构61,以防止红外线进入红外线转换装置阵列单元120。作为选择,如图13A所示,在继续用基准光31辐射时,快门机构61和62关闭,以防止红外线进入红外线转换装置阵列单元120以及基准光辐射(照射)红外线转换装置阵列单元120。在这样的情形中,由成像装置阵列单元40获得图像。这一点上获得的图像为了方便起见称为“光学黑色图像”。在此类情形中,成像装置阵列单元40中获得的光强度IB是基于诸如背景辐射和环境温度的外部环境的光强度(见图18A和19A)。
接下来,如图12B或13B所示,在关闭快门机构61且防止红外线进入红外线转换装置阵列单元120时,用基准光31辐射(照射)红外线转换装置阵列单元120。在此情形中,由成像装置阵列单元40获得图像。在这一点上获得的图像为了方便起见称为“光学白色图像”。成像装置阵列单元40在此情形中获得的光强度Iw是基于诸如背景辐射和环境温度的外部环境的光强度与从红外线转换装置阵列单元120发射的散射光32的强度之和(见图18B和19B)。因此,(IW-IB)的值是不受诸如背景辐射和环境温度的外部环境影响的值。应注意,(IW-IB)的值在各红外线转换装置121之间可能有变化(见图19A)。
(IW-IB)的值通过改变基准光的波长λ而计算。获得(IW-IB)的最大值的基准光的波长λmax是形成局部等离子体共振态的基准光的波长λ0。以此方式,可执行校正来获得局部等离子体共振。
在红外线转换装置中,处于形成局部等离子体共振态的基准光的波长λ0的Imax(=IW-IB)的值相当于红外线转换装置的动态范围。存在所有的红外线转换装置几乎具有相同动态范围的情况(见图18A),并且存在一个红外线转换装置与另一个红外线转换装置的动态范围不同的情况(见图19A)。Imax的值不仅根据各红外线转换装置制造上的变化而变化,而且根据各种其它因素(例如,年代变化、基准光的辐射状态和环境温度)的变化而变化。然而,如果Imax、IW和IB的值在每个红外线转换装置中确定了,可获得基于光强度I的信号强度S,光强度I在对应于每个红外线转换装置的每个成像装置中获得。这里,对应于Imax(=IW-IB)的信号强度由Smax表示。
S=(I/Imax)×Smax
如上所述,即使背景辐射等是不固定的,或者即使红外线转换装置阵列单元120中的基准光的辐射状态是不均匀的,与入射的红外线的强度对应的信号强度也可准确确定。也就是说,如果各像素的检测信号用形成热图像的动态范围规一化,则获得的热图像不取决于基准光等的光强度分布。因为IW的值取决于基准光的强度,所以动态范围可容易通过增强基准光的强度而加宽。在热图像的形成中,如图18B和19B中箭头A所表示的IW的差值可表示信号强度,或者如图18B和19B中箭头B所表示的IB的差值可表示信号强度。
[示例6]
示例6是示例5的修改,并且能任何时间获得光学黑色图像(光强度IB),甚至在用基准光31辐射期间。在示例6中,如图14A、14B、15A和15B所示,红外线转换装置阵列单元120包括红外线检测区域120A和用于校正散射光强度检测的校正区域120B。在校正区域中,形成用于防止红外线入射的遮光膜127A、127B、127C或127D。在红外线检测区域120A和校正区域120B之间的边界区域中,遮光构件128A、128B、128C或128D以适当的方式提供。例如,校正区域120B沿着红外线转换装置阵列单元120的外边缘形成,从而围绕红外线检测区域120A。
在图14A所示的示例中,校正区域120B用一个或多个红外线转换装置1216形成。防止红外线入射的遮光膜127A形成在基板122于红外线入射侧的一部分上,该部分对应于红外线转换装置1216。在红外线检测区域120A和校正区域120B之间的边界区域中,遮光构件128A以适当的方式提供,从而来自红外线检测区域120A中金属纳米粒子的散射光等不进入面对校正区域120B的成像装置。遮光构件128A不能防止基准光31辐射校正区域120B。在图14A所示的示例中,获得光学白色图像(光强度IW)。
在图14B所示的示例中,校正区域120B用一个或多个红外线转换装置1217形成。防止红外线入射的遮光膜127B形成在基板122于红外线入射侧的一部分上,该部分对应于红外线转换装置1217。在红外线检测区域120A和校正区域120B之间的边界区域中,遮光构件128B以适当的方式提供,从而基准光31不进入校正区域120B。基准光束的停止角和入射角设定为使基准光31在由遮光构件128B反射后不进入成像装置阵列单元40。在图14B所示的示例中,获得光学黑色图像(光强度IB)。
在图15A所示的示例中,校正区域120B用一个或多个红外线转换装置1218形成。防止红外线和基准光31入射的遮光膜127C形成在基板122于红外线入射侧的一部分上,该部分对应于红外线转换装置1218。在红外线检测区域120A和校正区域120B之间的边界区域中,遮光构件128C以适当的方式提供,从而来自红外线检测区域120A中金属纳米粒子的散射光等不进入面对校正区域120B的成像装置。在图15A所示的示例中,获得光学黑色图像(光强度IB)。
在图15B所示的示例中,校正区域120B用一个或多个红外线转换装置1219形成。防止红外线入射的遮光膜127D形成在基板122于红外线入射侧的一部分之上,该部分对应于红外线转换装置1219。遮光膜127D设置为距基板122适当的距离,从而基准光31进入校正区域120B。在红外线检测区域120A和校正区域120B之间的边界区域中,遮光构件128D以适当的方式提供,从而来自红外线检测区域120A中金属纳米粒子的散射光等不进入面对校正区域120B的成像装置。遮光构件128D具有适当的高度且允许透射的基准光31从其通过,从而已经通过红外线检测区域120A的基准光31在被遮光构件128D反射后不进入成像装置阵列单元40。在图15B所示的示例中,获得光学黑色图像(光强度IB)。
[示例7]
示例7涉及根据本公开第二和第四实施例的红外线转换装置、成像设备和成像方法。图16是示例7的成像设备的概念图。
在根据本公开第二实施例的红外线转换装置的描述的基础上,示例7的红外线转换装置221包括金属微粒层223,其用金属微粒224和介电材料225形成,介电材料225填充金属微粒224和224之间的间隙且吸收入射的红外线。
在根据本公开第四实施例的红外线转换装置的描述的基础上,示例7的红外线转换装置221是一种红外线转换装置,或者更具体而言,是空间光调制型的红外线转换装置,该红外线转换装置通过将由于红外线吸收而引起的光接收材料225的介电常数的变化作为基于局部等离子体共振引起的散射光强度的变化来检测,从而检测转换成可见光的红外线。
此外,在根据第二实施例或第四实施例的成像设备的描述的基础上,示例7的成像设备210包括:(A)红外线转换装置阵列单元220,通过以二维矩阵方式设置示例7的红外线转换装置221而形成;(B)光源30,发射基准光31到红外线转换装置阵列单元120;以及(C)成像装置阵列单元40,设置在红外线转换装置阵列单元220的与红外线入射侧相反的一侧,或者更具体而言,设置为距红外线转换装置阵列单元220一定的距离。
示例7的红外线转换装置221可与示例1至6的红外线转换装置121具有基本上相同的构造和结构,除了省略了基板122。示例7的成像设备还可与示例1至6的任何一个成像设备具有相同的构造和结构,除了红外线转换装置的构造和结构上的略有差别。因此,这里不重复它们的详细说明。即使没有基板122,示例7的红外线转换装置221也可通过由低导热系数的固态材料形成分隔区域226且集成分隔区域226与介电材料225而制造。
[示例8]
示例8涉及根据本公开第三和第四实施例的红外线转换装置、成像设备和成像方法。图17是示例8的成像设备的概念图。
在根据本公开第三实施例的红外线转换装置的描述的基础上,示例8的红外线转换装置321包括:介电膜325,用介电材料325形成且吸收从第一表面325A进入的红外线;以及金属微粒324,设置在介电膜325的与第一表面325A相反侧的第二表面325B上。金属微粒324可局部埋设在介电膜325的第二表面325B中。
在根据本公开第四实施例的红外线转换装置的描述的基础上,示例8的红外线转换装置321是一种红外线转换装置,或者更具体而言,是空间光调制型的红外线转换装置,该红外线转换装置通过将由于红外线吸收而引起的光接收材料325的介电常数的变化作为基于局部等离子体共振引起的散射光强度的变化来检测,从而检测转换成可见光的红外线。
此外,在根据第三实施例或第四实施例的成像设备的描述的基础上,示例8的成像设备310包括:(A)红外线转换装置阵列单元320,通过以二维矩阵方式设置示例8的红外线转换装置321而形成;(B)光源30,发射基准光31到红外线转换装置阵列单元120;以及(C)成像装置阵列单元40,设置在红外线转换装置阵列单元320的与红外线入射侧相反的一侧,或者更具体而言,设置在距红外线转换装置阵列单元320一定距离的位置。
示例8的红外线转换装置321可与示例1至6的红外线转换装置121具有基本上相同的构造和结构,除了省略了基板122以及金属微粒324形成在介电膜325的第二表面325B上外。示例8的成像设备也可与示例1至6的任何一个成像设备具有相同的构造和结构,除了红外线转换装置的构造和结构上的略有差别。因此,这里不重复它们的详细说明。红外线转换装置阵列单元320优选容放在真空密封封装中,以避免由于热引起的外部干扰。即使没有基板122,示例8的红外线转换装置321也可通过由低导热系数的固态材料形成分隔区域326并且将分隔区域326与介电膜325集成而制造。
尽管本公开至此已经基于优选示例进行了描述,但是本公开不限于这些示例。尽管在上面描述的示例中基准光连续地辐射(照射)整个红外线转换装置阵列单元,但是本公开不限于此。红外线转换装置阵列单元可用脉冲类的基准光辐射(照射)。并且,光源可用半导体激光装置形成,并且红外线转换装置阵列单元可用基准光束辐射(照射)。关于该结构,散射光强度可顺序读取。为了消除由于热引起的外部干扰,示例1至8的每一个的红外线转换装置阵列单元可容放在真空密封封装中,或者红外线转换装置阵列单元、成像装置和基准光光源可容放在真空密封封装体中。
当成像设备通电时,可执行校正,从而,作为用基准光辐射红外线转换装置阵列单元120、220或320的结果,光学白色图像可由成像装置阵列单元40获得。
而且,常规的红色成像装置、绿色成像装置和蓝色成像装置根据可见光捕获图像,并且红外线转换装置可设置成Bayer阵列,例如,从而捕获彩色图像和热图像。作为选择,某种薄化状态下的红外线转换装置可设置成常规的红色成像装置、绿色成像装置和蓝色成像装置的二维阵列以根据可见光捕获图像,从而捕获彩色图像和热成像。此外,红外线转换装置阵列单元可设置在常规成像设备的芯片上微型透镜之上。在此情况下,红外线转换装置阵列单元中的红外线转换装置可处于某种薄化状态,并且红外线转换装置阵列单元可用传统成像设备的10%像素形成,例如,其中基准光从上面发射,如
图2所示。而且,微型LED可用作光源,并且红外线转换装置可以以精准方式用基准光辐射。
如图20A和20B所示,是示例1的成像设备中红外线转换装置的修改部分的概念图,基板122可用丝网材料形成。如图21A所示,基板122也可用丝线材料形成。丝网材料或丝线材料由保持单元保持在一个区域(未示出)中。在此情况下,丝网材料或丝线材料的厚度和间距可根据每个红外线转换装置的尺寸和每个分隔区域的宽度适当设计。丝网材料或丝线材料与金属微粒层之间的接触面积优选尽可能小。只要保持足够的强度,丝网材料或丝线材料可由光学上的任何材料制造。然而,丝网材料或丝线材料的厚度优选尽可能小。尽管金属微粒层形成在基板上,但是金属微粒层可形成在基板之上,如图21B所示,这是示例1的成像设备中红外线转转装置的另一个修改部分的概念图。具体而言,金属微粒层由保持构件129保持在基板之上的位置。这样的结构可通过MEMS制造技术制造。
本公开还可以下面描述的结构实施。
[1](红外线转换装置:第一实施例)
一种红外线转换装置,包括:基板;以及形成在该基板上的金属微粒层,
其中该金属微粒层用金属微粒和填充该金属微粒之间间隙且吸收入射的红外线的介电材料形成。
[2](红外线转换装置:第二实施例)
一种红外线转换装置,包括:金属微粒层,用金属微粒和填充该金属微粒之间间隙且吸收入射的红外线的介电材料形成。
[3](红外线转换装置:第三实施例)
一种红外线转换装置,包括:
介电膜,用介电材料形成且吸收从其第一表面进入的红外线;以及
金属微粒,设置在该介电膜的第二表面上,该第二表面位于该第一表面的相反侧。
[4](红外线转换装置:第四实施例)
一种红外线转换装置,通过将由于红外线吸收而引起的光接收材料的介电常数的变化作为基于局部等离子体共振引起的散射光强度的变化来检测,从而检测转换成可见光的红外线。
[5]如[1]至[3]任何一项所述的红外线转换装置,其中散射光基于局部等离子体共振产生,该局部等离子体共振通过用基准光辐射该金属微粒在该金属微粒中引起。
[6]如[5]所述的红外线转换装置,其中该金属微粒中的该局部等离子体共振态由于该介电材料的介电常数的变化而变化,该介电材料的该介电常数的变化由红外线吸收引起。
[7]如[6]所述的红外线转换装置,其中该散射光的强度由于该局部等离子体共振态的变化而变低。
[8]如[5]至[7]任何一项所述的红外线转换装置,其中该基准光是可见光,并且该散射光的频率等于该基准光的频率。
[9]如[8]所述的红外线转换装置,其中该基准光的波长是可变的。
[10]如[1]至[9]任何一项所述的红外线转换装置,其中该金属微粒规则地排列。
[11](成像设备:第一实施例)
一种成像设备,包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过设置红外线转换装置成二维矩阵方式而形成,该红外线转换装置的每一个包括基板和形成在该基板上的金属微粒层,该金属微粒层包括金属微粒和填充该金属微粒之间间隙且吸收入射的红外线的介电材料;
(B)光源,发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与该红外线入射侧相反的一侧。
[12](成像设备:第二实施例)
一种成像设备,包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置包括金属微粒层,该金属微粒层包括金属微粒和填充该金属微粒之间间隙且吸收入射的红外线的介电材料;
(B)光源,发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与该红外线入射侧相反的一侧。
[13](成像设备:第三实施例)
一种成像设备,包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置包括介电膜和金属微粒,该介电膜用介电材料形成且吸收从其第一表面进入的红外线,该金属微粒设置在该介电膜的第二表面上,该第二表面位于该第一表面的相反侧;
(B)光源,发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与该红外线入射侧相反的一侧。
[14](成像设备:第四实施例)
一种成像设备,包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置通过将由于红外线吸收而引起的光接收材料的介电常数的变化作为基于局部等离子体共振引起的散射光强度的变化来检测,从而检测转换成可见光的红外线;
(B)光源,发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与该红外线入射侧相反的一侧。
[15]如[11]至[13]任何一项所述的成像设备,其中散射光基于局部等离子体共振产生,该局部等离子体共振通过用该基准光辐射该金属微粒在该金属微粒中引起。
[16]如[15]所述的成像设备,其中该金属微粒中的该局部等离子体共振态由于该介电材料的该介电常数上的变化而变化,该介电材料的该介电常数上的变化由红外线吸收引起。
[17]如[15]或[16]所述的成像设备,其中该散射光的强度由于该局部等离子体共振态的变化而降低。
[18]如[11]至[17]任何一项所述的成像设备,其中该基准光是可见光,并且该散射光的频率等于该基准光的频率。
[19]如[18]所述的成像设备,其中该基准光的波长是可变的。
[20]如[11]至[19]任何一项所述的成像设备,其中选择基准光波长的波长选择器提供在该光源和该金属微粒层之间。
[21]如[11]至[20]任何一项所述的成像设备,其中该金属微粒规则排列。
[22]如[11]至[21]任何一项所述的成像设备,还包括用于校正散射光强度检测的遮光机构。
[23]如[22]所述的成像设备,其中该遮光机构用快门机构形成以控制入射在介电材料上的红外线。
[24]如[11]至[23]任何一项所述的成像设备,其中该红外线转换装置阵列单元包括红外线检测区域和用于校正散射光强度检测的校正区域。
[25]如[24]所述的成像设备,其中用于防止红外线入射的遮光膜形成在该校正区域中,并且遮光构件设置在该红外线检测区域和该校正区域之间的边界区域中。
[26]如[11]至[25]任何一项所述的成像设备,其中朝着该金属微粒层反射散射光的反射件提供在每一个该红外线转换装置的红外线入射侧上。
[27]如[11]至[26]任何一项所述的成像设备,其中微型透镜提供在每一个该红外线转换装置的该红外线入射侧上。
[28](成像方法:第一实施例)
一种利用成像设备的成像方法,该成像设备包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置包括基板和形成在该基板上的金属微粒层,该金属微粒层包括金属微粒和填充该金属微粒之间间隙且吸收入射红外线的介电材料;
(B)光源,发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与该红外线入射侧相反的一侧,
该成像方法包括:由该成像装置阵列单元检测:由于因红外线吸收导致该介电材料的介电常数的变化,通过用基准光辐射该金属微粒引起该金属微粒中形成的局部等离子体共振态的变化导致的散射光强度的降低。
[29](成像方法:第二实施例)
一种利用成像设备的成像方法,该成像设备包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置用金属微粒层形成,该金属微粒层包括金属微粒和填充该金属微粒之间间隙且吸收入射的红外线的介电材料;
(B)光源,发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与该红外线入射侧相反的一侧,
该成像方法包括:由该成像装置阵列单元检测:由于因红外线吸收导致该介电材料的介电常数的变化,通过用基准光辐射该金属微粒引起该金属微粒中形成的局部等离子体共振态的变化导致的散射光强度的降低。
[30](成像方法:第三实施例)
一种利用成像设备的成像方法,该成像设备包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置包括介电膜和金属微粒,该介电膜用介电材料形成且吸收从其第一表面进入的红外线,该金属微粒设置在该介电膜的第二表面上,该第二表面位于该第一表面的相反侧;
(B)光源,发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与该红外线入射侧相反的一侧,
该成像方法包括:由该成像装置阵列单元检测:由于因红外线吸收导致该介电材料的介电常数的变化,通过用基准光辐射该金属微粒引起该金属微粒中形成的局部等离子体共振态的变化导致的散射光强度的降低。
[31](成像方法:第四实施例)
一种利用成像设备的成像方法,该成像设备包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置通过将由于红外线吸收而引起的光接收材料的介电常数的变化作为基于局部等离子体共振引起的散射光强度的变化来检测,从而检测转换成可见光的红外线;
(B)光源,发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与该红外线入射侧相反的一侧,
该成像方法包括:由该成像装置阵列单元检测:由于因红外线吸收导致该光接收材料的介电常数的变化,通过用基准光辐射该光接收材料引起该光接收材料中形成的局部等离子体共振态的变化导致的散射光强度的降低。
附图标记列表
110、210、310 成像设备
120、220、320 红外线转换装置阵列单元
120A 红外线检测区域
120B 校正区域
121、1211、1212、1213、1214、1215、1216、1217、1218
1219、221、321 红外线转换装置
122 基板
122A 基板的第一表面
122B 基板的第二表面
123 金属微粒层
124、224、324 金属微粒
125、225、325 介电材料(光接收材料)
325 介电膜
325A 介电膜的第一表面
325B 介电膜的第二表面
126、226、326 分隔区域
127A、127B、127C、127D 遮光膜
128A、128B、128C、128D 遮光构件
129 保持构件
30 光源
31 基准光
32 散射光
40 成像装置阵列单元
41 成像装置
51 微型透镜
52 反射件
53 基底
54 反光涂层
61 快门机构
62 第二快门机构

Claims (12)

1.一种红外线转换装置,包括:
基板;以及
形成在该基板上的金属微粒层,
其中该金属微粒层包括金属微粒和填充该金属微粒之间间隙且吸收入射的红外线的介电材料,以及
其中,所述金属微粒的介电常数εm和介电材料的介电常数εd满足以下条件:εm+2εd=0,使得当以基准光照射金属微粒层时,入射的基准光被金属微粒有效吸收,并且转换成散射光。
2.根据权利要求1所述的红外线转换装置,其中,介电材料的介电常数随着红外线吸收而变化。
3.根据权利要求2所述的红外线转换装置,其中,当介电材料的介电常数εd改变并且不满足εm+2εd=0时,散射光的强度变低。
4.根据权利要求1所述的红外线转换装置,其中该基准光是可见光,并且该散射光的频率等于该基准光的频率。
5.根据权利要求4所述的红外线转换装置,其中该基准光的波长是变化的。
6.根据权利要求1所述的红外线转换装置,其中该金属微粒规则地排列。
7.一种成像设备,包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,包括设置成二维矩阵方式的红外线转换装置,每一个该红外线转换装置包括基板和形成在该基板上的金属微粒层,该金属微粒层包括金属微粒和填充在该金属微粒之间的间隙且吸收入射的红外线的介电材料;
(B)光源,构造为发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与红外线入射侧相反的一侧,
其中,所述金属微粒的介电常数εm和介电材料的介电常数εd满足以下条件:εm+2εd=0,使得当以基准光照射金属微粒层时,入射的基准光被金属微粒有效吸收,并且转换成散射光。
8.根据权利要求7所述的成像设备,其中介电材料的介电常数的变化随着红外线吸收而变化。
9.一种采用成像设备的成像方法,该成像设备包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置包括基板和形成在该基板上的金属微粒层,该金属微粒层包括金属微粒和填充在该金属微粒之间的间隙且吸收入射红外线的介电材料;
(B)光源,构造为发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与红外线入射侧相反的一侧,
其中,所述金属微粒的介电常数εm和介电材料的介电常数εd满足以下条件:εm+2εd=0,使得当以基准光照射金属微粒层时,入射的基准光被金属微粒有效吸收,并且转换成散射光,
该成像方法包括:由该成像装置阵列单元检测:由于因红外线吸收导致该介电材料的介电常数的变化,当介电材料的介电常数εd改变并且不满足εm+2εd=0时,通过用基准光辐射该金属微粒导致的散射光强度的降低。
10.一种采用成像设备的成像方法,该成像设备包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置包括金属微粒层,该金属微粒层包括金属微粒和填充在该金属微粒之间间隙且吸收入射的红外线的介电材料;
(B)光源,构造为发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与红外线入射侧相反的一侧,
其中,所述金属微粒的介电常数εm和介电材料的介电常数εd满足以下条件:εm+2εd=0,使得当以基准光照射金属微粒层时,入射的基准光被金属微粒有效吸收,并且转换成散射光,
该成像方法包括:由该成像装置阵列单元检测:由于因红外线吸收导致该介电材料的介电常数的变化,当介电材料的介电常数εd改变并且不满足εm+2εd=0时,通过用基准光辐射该金属微粒导致的散射光强度的降低。
11.一种采用成像设备的成像方法,该成像设备包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置包括介电膜和多个金属微粒,该介电膜用介电材料形成且吸收从其第一表面进入的红外线,该金属微粒设置在该介电膜的第二表面上,该第二表面位于该第一表面的相反侧;
(B)光源,构造为发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与红外线入射侧相反的一侧,
其中,所述金属微粒的介电常数εm和介电材料的介电常数εd满足以下条件:εm+2εd=0,使得当以基准光照射金属微粒层时,入射的基准光被金属微粒有效吸收,并且转换成散射光,
该成像方法包括:由该成像装置阵列单元检测:由于因红外线吸收导致该介电材料的介电常数的变化,当介电材料的介电常数εd改变并且不满足εm+2εd=0时,通过用基准光辐射该金属微粒导致的散射光强度的降低。
12.一种采用成像设备的成像方法,该成像设备包括:
(A)红外线转换装置阵列单元,通过将红外线转换装置设置成二维矩阵方式而形成,每一个该红外线转换装置通过检测由于红外线吸收而引起的光接收材料的介电常数的变化导致的散射光强度的变化,来检测转换成可见光的红外线,所述红外线转换装置还包括:金属微粒层,包括金属微粒和填充该金属微粒之间间隙且吸收入射的红外线的介电材料;
(B)光源,构造为发射基准光到该红外线转换装置阵列单元;以及
(C)成像装置阵列单元,设置在该红外线转换装置阵列单元与红外线入射侧相反的一侧,
其中,所述金属微粒的介电常数εm和介电材料的介电常数εd满足以下条件:εm+2εd=0,使得当以基准光照射金属微粒层时,入射的基准光被金属微粒有效吸收,并且转换成散射光,
该成像方法包括:由该成像装置阵列单元检测:由于因红外线吸收导致该介电材料的介电常数的变化,当介电材料的介电常数εd改变并且不满足εm+2εd=0时,通过用基准光辐射该金属微粒导致的散射光强度的降低。
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