CN110914992A - 红外多光谱成像装置及方法 - Google Patents

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Abstract

根据一个方面，本发明涉及一种红外多光谱成像装置(20)，其适于检测至少一个第一和一个第二检测波长。其包括检测矩阵阵列(23)，包括形成给定尺寸图像场的一组预设尺寸基本检测器(23i)；和具有给定开口数量(N)和给定焦距(F)的成像光学器件(22)，该数量和焦距适于在图像场的每个点处形成覆盖一组至少并置的两个基本检测器的焦点。该装置还包括金属电介质导模共振基本滤光器矩阵阵列(24)，该矩阵阵列以小于光学器件(22)的焦深的距离设置在检测矩阵阵列(23)前方，基本滤光器尺寸选择为使得在图像场的每个点处形成的每个基本焦点覆盖至少两个基本滤光器；且基本滤光器针对以等于所述检测波长中的两个的两个不同中心波长为中心的光谱带中的带通透射优化。

Description

红外多光谱成像装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于红外多光谱成像的装置和方法。
背景技术
在可见光或近红外光中，已知借助CCD或CMOS类型的数字照相机形成彩色图像的不同装置。例如，可以使用光谱分离装置以在多个检测器上分别形成在不同光谱带中的图像。还已知，将滤光轮放置在照相机的前方并顺序地获取不同光谱带中的一系列图像。在这些情况中的每个下，彩色图像都是根据在不同光谱带中获取的不同图像重建的。然而，最常用的技术是焦平面结构以形成像素化滤光器镶嵌，例如以所谓的“拜耳结构”的结构形式(在美国专利号3971065中描述)的形式，为了尽可能接近地再现人眼的视觉效果，其允许使用单个检测器同时获取不同光谱带中的图像。为此，将红色、绿色和蓝色滤光器以4像素化滤光器(一个红色、两个绿色、一个蓝色)镶嵌的形式定位在相机的每个基本检测器(或“像素”)处，该图案被复制到检测器的整个面积上。然后，“逆镶嵌”算法允许重建彩色图像。像素化滤光器通常以形成干涉滤光器的多层结构的形式实施在近红外中(例如，参见M.Lequime等人的《2-Array-2 Pixelated Optical Interference Filter》，Proc.SPIE，第9627卷，96270V-1-96270V-7，2015年)，并且技术控制得很好。在可见光中，我们也可以使用着色剂。
在红外光中，也就是说，对于通常介于3μm和20μm之间的波长而言，还存在着多光谱成像的需求，但并不是重现与眼睛检测到的图像类似的图像，而是获取各种信息，例如借助其光谱标记识别化学种类或物体、发射体的温度分析，确定物体的发射光谱等。
已经描述了在3-5μm带中使用多层结构进行多光谱红外成像，但是其具有数个局限性(参见M.Oussalah等人的《Multispectral thin film coating on infrareddetector》，Proc.SPIE，第9627卷，96271W-96271W-10，(2015))特别地，由于它们涉及大量的层，因此，如果不十分小心地选择材料，则这些组分一旦受到温度变化，就会表现出脆性。此外，在红外光中，层的厚度较大(通常大于1μm)，并且从一个滤光器到另一个滤光器是可变的。这不仅会造成技术难题，还会由于尤其导致滤光器彼此的厚度差的衍射杂散效应(边缘效应)而导致光谱选择性方面的性能劣化。
已经开发了用于红外多光谱成像的其他技术，这些技术不再基于层的堆叠，而是基于金属层周期性亚波长结构，其尤其允许可以使用有限数量的层。
因此，Haidar等人在《Free-standing subwavelength metallic gratings forsnapshot multispectral imaging》(Appl.Phys.Lett.96，221104，(2010))中描述了一种基于使用悬浮亚波长金属光栅的多光谱红外照相机。这些结构在根据周期的波长下具有显着透射率。通过并置多个不同周期的滤光器，因此可以实施具有多个光学成像通道的照相机，其中每个通道还包括光谱滤光器，其允许在给定光谱带中针对每个通道在给定面积(通常为毫米尺寸面积)上形成图像。
图1因此示出了根据现有技术的多通道红外照相机10。照相机包括例如设置在室11中的一组透镜或微透镜。在图1中用12a，12b，12c，12d标示的这些透镜适于在由基本检测器(或“像素”)13i形成的检测矩阵阵列13上形成图像。滤光器矩阵阵列14处于透镜12i中的每个的上游，例如在室11的输入窗口处，该滤光器矩阵阵列14适于在以给定检测波长为中心的光谱带中进行透射滤波。通过针对图1中的标示为14a，14b，14c，14d的滤波片中的每个选择以不同检测波长为中心的透射光谱带，在基本检测器矩阵阵列13上在通常为毫米尺寸的检测面积上形成4个不同的“彩色”图像。读取电路15适于处理针对图像中的每个所检测到的信号并将该信号朝计算基本(未示出)发送。这因此称为“多通道”照相机。
在Sakat等人2011年发布的《Guided mode résonance in subwave lengthmetallodielectric free-standing grating for bandpass filtering》(Opt.Lett.36，3054(2011))和Sakat等人2013发布的《"Metal-dielectric bi-atomic structure forangular-tolerant spectral filtering》(Opt.Lett.38，425，(2013))中描述了金属电介质导模共振(或根据“导模共振”的缩写“GMR”))滤光器，这些滤光器基于薄电介质层中的导模共振，薄电介质层与自由空间的耦合由金属光栅确保，特别是对于在电介质中衍射的±1阶而言。与Haidar等人描述的结构相比，这些滤光器可以具有更好的角度公差(参见Sakat等人于2013发布的文献)，当其植入如图1所示的多通道照相机构造中时，其允许在保持滤光器的光谱性能的同时，以更大的场工作。
但是，在如上所述的基于周期性亚波长结构的滤光器中，如在图1中所示的多通道照相机中，可能根据平面波的入射角度而仅考虑了GMR滤光器针对该波的响应以用于大面积(典型地毫米尺寸面积)。
在本申请中首次证明了利用具有检测像素的尺寸的面积的金属电介质GMR滤光器的红外多光谱成像装置的可行性，从而为用于即时获取“彩色”红外图像的新型紧凑型成像仪铺平道路。
发明内容
根据第一方面，本描述涉及一种适于检测至少第一和第二检测波长的红外多光谱成像装置，包括：
-检测矩阵阵列，其包括形成具有给定尺寸的图像场的一组具有预定尺寸的基本检测器，
-成像光学器件，其具有给定开口数量以及给定焦距，所述给定开口数量以及给定焦距适合于在图像场的每个点处形成基本焦点，所述焦点覆盖一组至少两个并置的基本检测器；
-金属电介质导模共振基本滤光器矩阵阵列，所述矩阵阵列以小于成像光学器件的焦深的距离设置在检测矩阵阵列前方，基本滤光器的尺寸选择为使得在图像场的每个点处形成的每个基本焦点覆盖至少两个基本滤光器，所述基本滤光器针对在以两个不同的中心波长为中心的光谱带中的带通透射进行优化，该两个不同的中心波长等于所述检测波长中的两个。
在本说明书的上下文中，针对在以给定检测波长λd为中心的光谱带中的通带传输进行优化的基本金属电介质导模共振滤光器包括由电介质材料制成的层，该层形成在所述检测波长λd处仅能够支持单模的波导；以及至少一个金属衍射光栅，其以按低于所述检测波长的给定周期重复的给定图案构造。至少一个衍射光栅适合于将在所述检测波长λd处的入射波耦合到波导的模。
根据一个或多个实施示例，衍射光栅的结构图案包括具有预定尺寸的一个或多个开口，这些开口填充有电介质材料，该电介质材料可以是环境空气或另一种电介质材料，例如形成波导的电介质材料或形成衬底的电介质材料。开口可以呈具有给定宽度的一维狭缝的形状、沿两个垂直方向设置的具有给定宽度的狭缝(十字形)的形状或者可以是圆形开口等。根据开口的几何形状，基本滤光器可以具有或不具有极化选择性。
申请人已经证明了基本金属电介质导模共振滤光器是如此的滤光器使得，当以会聚光束照射基本滤光器的数个周期的尺寸的面积时，基本滤光器具有出乎意料的显着特性，从而使得实现“像素化”基本滤光器成为可能，也就是说，使得实现尺寸约为每个基本检测器或“像素”的尺寸的滤光器成为可能。
已知，焦点在场的给定点处的形状和尺寸以及场深度(或图像场深度)是取决于成像光学器件的光学几何特性和波长。为了估计焦点的尺寸和焦点深度，可以采用预定波长值，例如，对应于试图以红外多光谱成像装置进行检测的最小波长的波长λmin。
例如，对于轴对称的成像光学器件，可以将焦点的直径尺寸设定为在给定波长λ，例如最小检测波长处由衍射极限给出的直径Φ。
根据一个或多个实施示例，所述基本滤光器中的至少一个具有大于或等于预定值的角度接受度，其取决于装置的光几何参数，例如成像光学器件和/或检测矩阵阵列的光几何参数。
在本说明书中，通过以相对于法向于滤光器的方向测量的给定倾角入射到滤光器上的平面波的入射度来定义基本滤光器的角度接收度Δθ，并且最大透射率等于相同平面波以入射角为零(法向入射)地入射到滤光器上的最大透射率的一半。
根据一个或多个实施示例，所述预定值是装置的场边缘角度，其被定义为旨在到达所述基本检测器矩阵阵列的最大倾斜光线相对于法向于基本检测器矩阵阵列的方向的角度。该角度取决于基本检测器矩阵阵列的尺寸、开口数量以及成像光学器件的焦距。
根据一个或多个实施示例，基本滤光器矩阵阵列中的所述基本滤光器中的每个具有大于或等于装置的边缘角度的角度接受度。具体地，即使基本滤光器所需的角度接受度在图像场的中心处较低，也可以决定优化基本滤光器矩阵阵列中的所有基本滤光器以获得最大角度接受度，也就是说，定位于图像场边缘处的基本滤光器所需的角度接受度。
根据一个或多个实施示例，所述基本滤光器中的每个的尺寸基本等于基本检测器的尺寸。实际上，如上所述，基本金属电介质导模共振滤光器包括由电介质材料制成的波导以及以给定图案构造的至少一个金属光栅，该给定图案以给定周期重复。因此，基本滤光器的尺寸是图案的尺寸的倍数并且可以比基本检测器的尺寸稍大或稍小。因此，通过基本相同的尺寸，可以理解，基本滤光器的尺寸与基本检测器(“像素”)的尺寸之间的差值小于滤光器的透射光谱带的中心波长。然而，基本滤光器的尺寸可能等于像素的尺寸的数倍，例如在2到4倍之间。
根据一个或多个实施示例，基本滤光器矩阵阵列的基本滤光器以区域的形式设置，每个区域包括至少两个基本滤光器，该至少两个基本滤光器针对以两个不同中心波长为中心的光谱带中的带通透射进行优化，并且每个区域的尺寸都大于焦点的尺寸。根据一个或多个实施示例，基本滤光器在每个区域中的设置是相同的。
根据一个或多个实施示例，基本滤光器矩阵阵列包括至少一个DMG(英文“双金属光栅”的缩写)类型的导模共振基本滤光器，其针对以给定检测波长λd为中心的光谱带中的带通透射进行优化，包括由形成能够在所述检测波长λd处仅支持单模的波导的电介质材料制成层以及设置在由电介质材料制成的层的每一侧上的两个金属衍射光栅。每个金属光栅以按小于检测波长的给定周期重复的给定图案构造并且适于将处于所述检测波长λd处的入射波耦合至波导的模。有利地，两个光栅的周期是相同的。
根据一个或多个实施示例，DMG导模共振基本滤光器被悬置并且基本滤光器的两个金属光栅是相同的(相同的金属、相同的图案、相同的周期)。
根据一个或多个实施示例，DMG导模共振基本滤光器被沉积在由电介质材料制成的基底上并且基本滤光器的两个金属光栅的图案是不同的，以考虑波导的每一侧上的电介质材料(例如空气和基底)的折射率。有利地，两个光栅的周期保持相同。
根据一个或多个实施示例，基本滤光器矩阵阵列包括至少一个“双原子”型导模共振基本滤光器，其中，至少一个金属光栅具有包括至少两个开口的图案，该至少两个开口具有不同的尺寸，例如具有不同宽度的两个狭缝。
根据一个或多个实施示例，基本滤光器矩阵阵列包括的至少一个在前面上具有单个镀金属的导模共振基本滤光器，所述滤光器包括由电介质材料制成的波导，其中在该波导的一侧上具有基底并且在另一侧上具有双金属光栅，该光栅络具有不同的图案并且根据一个或多个实施示例具有相同的周期。
在上述每个示例中，基本滤光器矩阵阵列的所有金属电介质导模共振基本滤光器可以是相同的，或者相反，例如基本滤光器可以在场的边缘和中心之间进行变化。
根据一个或多个实施示例，基本滤光器矩阵阵列中的基本滤光器设置在同一基底上，这有利于其制造。这些基本滤光器也可以被悬置。
根据第二方面，本说明书涉及一种适于检测至少一个第一和第二波长的红外多光谱成像方法，包括：
-借助具有给定开口的成像光学器件形成场景的图像并通过包括一组具有形成给定尺寸的图像场的预定尺寸的基本检测器的检测矩阵阵列来获取所述图像，成像光学器件在图像场的每个点处形成覆盖至少并置的两个基本检测器的基本焦点；
-借助金属电介质导模共振基本滤光器矩阵阵列对由所述成像光学器件聚焦的光束进行滤波，所述矩阵阵列以小于成像光学器件的焦深的距离设置在检测矩阵阵列的前方，使得在图像场的每个点处形成的每个基本焦点覆盖至少两个基本滤光器，所述基本滤光器针对以两个不同的中心波长为中心的光谱带中的带通透射进行优化，这两个不同的中心波长等于所述检测波长中的两个。
附图说明
通过阅读参照以下附图进行的描述，将使本发明的其他优点和特征变得显而易见：
已经描述了的图1是根据现有技术的多通道红外照相机；
图2A示出了根据本说明书的一个示例的红外多光谱成像装置的示意图；图2B示出了基本滤光器矩阵阵列中的金属电介质导模共振基本滤光器元件的设置的示例，所述矩阵阵列适于根据本说明书的红外多光谱成像装置；
图3A示出了根据本说明书的适用于红外多光谱成像装置的悬置双原子DMG金属电介质GMR滤光器的实施例的示例；并且图3B和图3C示出了在双原子悬置DMG滤光器(图3A)的示例的情况下作为波长的函数和作为入射角的函数(以平面波)的两个透射模拟结果曲线；
图4A示出了适用于根据本说明书的红外多光谱成像装置的基底上双原子DMG金属电介质GMR滤光器的实施例的示例；并且图4B和图4C示出了在基底上双原子DMG滤光器(图4A)的示例的情况下作为波长的函数和作为入射角的函数(以平面波)的两个透射模拟结果曲线；
图5A是适用于根据本说明书的红外多光谱成像装置的在前面具有单个镀金属的基底上金属电介质GMR滤光器的实施示例；并且图5B和图5C出了在具有前面镀金属的基底上滤光器(图5A)的示例的情况下作为波长的函数和作为入射角的函数(以平面波)的两个透射模拟结果曲线；
图6A和图6B示出了根据本说明书的适用于红外多光谱成像装置的滤光器矩阵阵列的实施例的示例的示意，该滤光器矩阵阵列包括悬置双原子DMG金属电介质GMR滤光器；并且示出了当以会聚束光束照明时滤光器矩阵阵列中的场的限制的模拟结果。
具体实施方式
图2A示出了根据本说明书的红外多光谱成像装置的示例。所谓多光谱成像，是指以至少两个不同检测波长或更精确地在以两个不同检测波长为中心的至少两个检测光谱带中形成图像。在本说明书中，红外光谱带被定义为介于1μm至15μm之间的所有波长。
红外多光谱成像装置在图2A中用表示为20，其例如在室21(壳体)中包括包含具有预定尺寸的一组基本检测器23i或“像素”的检测矩阵阵列23、用于处理由基本检测器23i传送的信号的读取电路25、连接到读取电路25的处理基本26以及金属电介质导模共振基本滤光器24i的矩阵阵列24，其示例在图2B中示出。红外多光谱成像装置还包括成像光学器件22，该成像光学器件设置在室中或室的外部并适于形成红外图像。
适于红外光的检测矩阵阵列可以包括任何类型的已知矩阵阵列检测器(1D条带或2D检测器)，例如MCT(碲镉汞)、InAs(AlGAAs/As/GaAs)、QWIP或(InAs/GaSb)超光栅检测器，这些检测器在经冷却的室21中操作。也可以使用适合在非冷却环境中操作的其他类型的检测器，例如微测热辐射计。
通常，对于多光谱成像装置在1μm和15μm之间的操作而言，将可能使用尺寸介于15μm和30μm之间的基本检测器，所述基本检测器设置成检测条带(例如以288×4的像素格式)或二维矩阵阵列(例如以640×480的像素格式)。检测矩阵阵列的尺寸定义了成像装置的图像场的尺寸。
成像光学器件22的特征在于开口数N和焦距F，其中N＝D/F，其中D是成像光学器件的光瞳的直径。成像光学器件可以包括一个或多个透镜，这些透镜由在感兴趣的波长处透明的材料制成，例如锗。
成像光学器件22适于在检测矩阵阵列23上形成场景图像。实际上，与任何光学系统一样，可以针对成像光学器件在给定波长处定义处于在图像场中某点处的基本焦点以及焦深。
入所知的，场中给定点处的焦点的形状和尺寸以及焦深(或图像场深度)在给定波长处通过成像光学器件的光学几何特征进行定义。
例如，对于轴对称的成像光学元件，焦点的直径可以由衍射极限定义，即：
Figure BDA0002304012620000081
其中N是成像光学元件的开口数量(N＝D/F，其中D为成像光学元件的光瞳的直径且F为焦距)并且λ是波长。因此，例如，在具有开口数量N＝3并且对于波长λ＝4.1μm的光谱成像装置的情况下，焦点的直径约为30μm。
此外，焦深或图像场深度基本上取决于所用光学器件的开口数量并取决于波长。可以将其定义为在图像空间中测量的间隔，检测器矩阵阵列必须放置在该间隔中以获得清晰图像。
例如，焦深Pf的估算可以由下式给出：
Figure BDA0002304012620000082
因此，对于开口数量N＝3并且焦点
Figure BDA0002304012620000083
而言，获得焦深Pf＝180μm。
实际上，根据本说明书，当矩阵阵列23由一行基本检测器形成时，焦点将可能覆盖一组并列的至少两个基本检测器，而当矩阵阵列23由多行基本检测器形成时，焦点将可能覆盖一组至少四个并置的基本检测器。由于根据本说明书的成像装置旨在检测多个波长，因此将可能使用最小检测波长λmin来估算衍射点的直径
Figure BDA0002304012620000091
和焦深。
如图2B所示，金属电介质导模共振基本滤光器的矩阵阵列24以给定的距离d(例如小于焦深)设置在检测矩阵阵列23的前方，这使得可以避免光束在关于每个基本滤光器处的过度发散。
此外，基本滤光器的尺寸选择为使得在图像场的每个点处形成的每个基本焦点覆盖至少两个基本滤光器，这两个基本滤光器针对以等于两个检测波长的两个不同中心波长为中心的光谱带中的带通透射进行优化。因此，在每个基本焦点处，基本检测器接收处于以不同检测波长为中心的光谱带中的已被滤波的光通量。
例如，在图2B中示出了基本滤光器24i的二维矩阵阵列24的示意图。在该示例中，可以定义由4个基本滤光器形成的区域Zi，该4个基本滤光器各自针对以不同检测波长为中心的光谱带中的检测进行优化。实际上，成像光学器件的在滤光器矩阵阵列24上形成的并且例如使用最小检测波长计算出的焦点将可能覆盖内接于框架Zi中的圆形区域。
实际上，如图2B所示，基本滤光器的尺寸可以与基本检测器的尺寸基本相同。但是，基本滤光器也完全可能比基本检测器稍大或稍小。
例如，基本滤光器具有这样的尺寸应使得其覆盖一组两个基本检测器(1D检测条带的情况)或一组4个基本检测器(2D检测矩阵阵列的情况)，只要基本滤光器矩阵阵列处于成像光学器件的焦深中并且在基本焦点中，存在适于在以两个不同检测波长为中心的光谱带中透射的至少两个基本滤光器。
一般而言，可以定义由更多数量的基本滤光器形成的区域Zi，这些滤光器相同或不同，但是每个区域Zi包括针对以等于两个检测波长的两个不同中心波长为中心的光谱带中的带通透射进行优化的至少两个基本滤光器。可以以给定设置在每个区域Zi中设置基本滤光器。区域Zi可以全部相同，如图2B的示例。有利地，焦点足够小以容纳在一个区域Zi中，使得不存在从一个区域到另一区域的“溢出”。例如，焦点是圆形的并且内接于一个区域Zi中。
如前所述，金属电介质导模共振(GMR)基本滤光器包括由电介质材料制成的波导以及用于将入射波耦合到波导的导模的至少一个金属光栅，该金属光栅以按给定周期重复的给定图案构造。因此，即使当基本滤光器的尺寸基本上等于基本检测器的尺寸时，如图2B所示，由于基本滤光器的尺寸实际上是金属光栅的图案的尺寸的倍数，因此基本滤光器将可能比基本检测器略大或略小，其中，差异小于检测波长。
如图2A所示，基本滤光器24i接收会聚光束F0，F1，光束(光束F1)在场边缘处的会聚比光束(光束F0)在场中心处的会聚更大。特别地，可以定义场边缘角度α，其定义为旨在到达基本检测器矩阵阵列的最大倾斜光线相对于法向于所述基本检测器矩阵阵列的方向的角度。该角度取决于基本检测器矩阵阵列的尺寸、开口数量以及成像光学器件的焦距。更准确地，可以通过以下始自定义场边缘角度α：
Figure BDA0002304012620000101
其中npix是检测像素的最大数量(一维中)，并且tpix是像素的间距。
例如，对于一行中像素检测数量为npix＝640、像素间距tpix＝15μm、成像光学器件的直径D＝25mm以及焦距F＝50mm而言，得到场边缘角度α＝19°
因此，基本滤光器中的全部或一些，特别是定位于场边缘的基本滤光器将可能具有大于或等于装置的场边缘角度的角度接受度。
现有技术中已知的各种金属电介质导模共振(GMR)基本滤光器可用于实施根据本说明书的红外多光谱成像装置。
根据本说明书的多光谱成像装置中的红外光谱滤波的GMR滤光器的尺寸确定将可能包括以下步骤。
根据应用定义所考虑的检测波长处的检测光谱带的检测波长λdi和宽度Δλi。例如，对于特定化学物质的检测，可能有利的是寻找窄检测光谱带宽(窄于0.5μm)，而对于其他应用而言，例如对于评估对于本体的发射率，可能有利的是寻求更宽的检测光谱带宽(大于1μm)。
检测矩阵阵列的特性：检测条带或二维矩阵阵列、每个方向上的像素数量(npix)和一个像素的尺寸(tpix)，也根据应用而设定。
根据要观察的场景、检测器(空间分辨率)和装置所需的最大容量来选择装置的光学几何特性，尤其是成像光学器件的开口数量N以及焦距F。
下面定义如何根据所寻求的检测波长λdi、检测光谱带在所考虑的检测波长处的宽度Δλi和检测装置的光学几何参数来选择基本滤光器并确定基本滤光器的尺寸。特别地，可以在基本滤光器的给定矩阵阵列中确定一种或多种类型的滤光器(DMG，双原子等)，这将在后面描述。
对于每种类型的滤光器，寻求确定滤光器的几何参数，其允许实现滤光器所寻求的光学特性，即最大透射Tmax、共振波长λr、共振宽度Δλ以及和角度接受度Δθ。实际上，与透射Tmax为最大处的透射光谱带的中心波长相对应的寻求共振波长λr将等于检测波长λdi。对应于滤光器的透射中的光谱响应的一半最大值处的宽度的寻求共振宽度Δλ将等于检测光谱带的宽度Δλi；并且寻求角度接受度Δθ将可能根据装置的场边缘角度α进行定义(参见上面的等式(3))。
关于基本滤光器的角度接受度Δθ，可能有利的是将该角度接受度选择为大于用于矩阵阵列的所有滤光器或位于场边缘的至少一些滤光器的场边缘角度α。如果角度接收度Δθ小于场边缘角度α，则滤光器继续工作，但是其效率降低，这是由于在共振Tmax处的透射降低并且品质因数Qi＝λdi/Δλi可能劣化。
一旦选择了滤光器的类型，确定基本滤光器的参数将可以包括以下步骤：(1)选择第一参数，(2)通过数值模拟(模拟作为波长函数的透射以及模拟作为入射角的函数的透射)以及(3)根据模拟的结果修改参数。
对于通过数值模拟验证第一参数的步骤(2)，可以进行滤光器对于会聚光束的透射的模拟。其包括将入射会聚光束分解为具有不同入射角的平面波、模拟每个基本平面波的传播以及对传播之后基本平面波求和。然而，申请人已经证明，可以使用滤光器对于“平面波”的透射的模拟，这是由于以简化数字仿真获得的对于平面波的参数与通过关于会聚光束的透射的模拟所获得的参数基本相似，只要波的入射角保持在滤光器的角度公差范围中即可。
在任何情况下，都可以使用何种已知方法来模拟基本滤光器对入射电磁波的响应。例如，可以使用模态计算方法，例如严格耦合波分析(RCWA)，其例如在M.G.Moharam等人的JOSAA 12,1068(1995)中得以描述。还可以使用例如实施在COMSOL
Figure BDA0002304012620000121
软件包中的有限元方法(FEM)或实施在
Figure BDA0002304012620000122
软件包中的时域有限差分方法(FDTD)。本说明书其余部分中给出的曲线是使用模态计算方法计算的，更具体地，假定平面波和一维图案(狭缝)，使用用于
Figure BDA0002304012620000123
的Reticolo计算代码(P.Hugonin和P.Lalanne，《Reticolo software for grating analysis》，Institut d‘Optique，Orsay，France(2005))。
如前所述，在本说明书的上下文中，针对以给定共振波长λr为中心的光谱带中的带通透射进行优化的金属电介质导模共振基本滤光器包括由形成在所述波长处能够仅支持单模的波导的电介质材料制成的层(折射率为nd且厚度td)，以及至少一个金属衍射光栅(折射率为nm且厚度为tm)，其以按小于所述共振波长的给定周期(p)重复的给定图案构造。衍射光栅适于将共振波长处的入射波耦合到导模。该图案可以包括给定尺寸的一个或多个开口，这些开口可能是二维的(例如，交叉或圆形开口)或一维的(狭缝)。开口填充有电介质材料，该电介质材料可以是周围空气或另一种电介质材料，例如形成波导的电介质材料或形成基底的电介质材料，这取决于滤光器的不同类型。
下面给出用于实现根据本说明书的多光谱成像装置的金属电介质导模共振基本滤光器设计的三个示例。这些示例不是限制性的，其他几何形状可以用于实施导模共振基本滤光器。在每种情况下，都可以应用类似的方法来定义滤光器的参数。
参照图3A-3C描述了第一示例。
在图3A中，已经示出了尺寸为p的基本滤光器30的仅一个图案。实际上，基本滤光器包括如此所示的图案的重复，以形成具有周期p的衍射光栅。
图3A所示的基本滤光器30是悬置双金属光栅(“DMG”)型的。其包括由形成在谐振波长λr处仅支持单模的波导的电介质材料制成的层31，以及设置在由电介质材料制成的层的两侧上的两个金属衍射光栅32、33，DMG悬置在诸如空气的流体或真空中。每个金属光栅以按小于共振波长的给定周期p重复的给定图案来构造。更具体地，在图3A的示例中，第一金属光栅32包括具有相应宽度a1和a2的两个狭缝321，322的图案，并且第二金属光栅33包括具有与第一光栅的图案的狭缝的宽度相同相应宽度a1和a2的两个狭缝331，332的图案。
在图3A的示例中，金属光栅被称为“双原子”，这是因为其每个图案包括具有不同宽度的两个狭缝。这种类型的双原子DMG基本滤光器例如在E.Sakat等人于2013年发表的文献中描述。然而，请注意，尽管从角度接受度的角度来看这些滤光器很有利，但也可以设计采用“单原子”悬置DMG基本滤光器，也即，其中金属衍射光栅的图案仅包括一个狭缝的滤光器的多光谱成像装置，例如在C.Tardieu等人于Optics Letters 40，4(2015)中描述的。
在确定第一参数的步骤(1)中，首先选择波导的厚度和折射率tg和ng。tg和ng选择为足够小以使得波导在期望共振波长λr处能够仅支持单模。因此，其遵循以下条件：
Figure BDA0002304012620000131
然后调整周期p和电介质常数ng，使得在共振波长处法向入射的平面波在波导中仅衍射3阶而在自由空间(入射介质或透射介质)中仅衍射0阶。为此，应用透射光栅的已知定律。
然后，可以调整狭缝的宽度，考虑到，在这种情况下，寻求具有不同宽度的两个狭缝(a1≠a2)。宽狭缝允许在共振处获得高透射，但会降低品质因数。为了获得更窄的共振，需要更窄狭缝。
实际上，申请人已经表明，在感兴趣的检测波长处(例如介于3μm和5μm之间)，可以在以下值的范围中选择滤光器的参数：
由金(Au)、银(Ag)或铜(Cu)制成的金属光栅32,33；
tm介于λr/100与λr/10之间；
P<λr；
a1<λr/4、a2<λr/4，a1≠a2；
电介质材料，例如碳化硅(SiC)或氮化硅(SiN)
td介于λr/20与λr/2之间。
对于最高波长处的光谱范围，例如在8-12μm范围内，典型尺寸自然会更大。
在步骤(2)中，使用数值模拟来验证具有第一选择参数的每个滤光器的光学特性。
为此，计算该滤光器的透射光谱，以获得在模拟波长范围中的最大透射率及其波长位置(图3B)，其分别对应于透射率在滤光器的共振处的值Tmax以及共振波长λr。还获得了共振的一半最大值Δλ处的完整宽度。还计算出在确定波长λr处的透射率随平面波的入射角度的变化。从中推导了滤光器的角度公差Δθ，该角度公差对应于透射率下降到其法向入射值的一半处的角度。
图3A和图3B所示的曲线因此示出了针对诸如在图3A中所示的具有以下参数导模共振滤光器的作为波长的函数的透射率以及作为入射角度的函数的透射率：
周期p＝3μm，a1＝0.2μm，a2＝0.7μm，tm＝0.1μm并且td＝0.65μm，nd＝2.15(SiN x)且nm由金的Drude模型给出。
该滤光器的仿真给出：λr＝4.01μm，Tmax＝75％，Δθ＝17°并且Δλ＝120nm。
根据所寻求的特性，设计滤光器步骤(3)可能包括出于优化目的而修改参数。例如，可以通过减小周期p来获得更低共振波长。可以通过增加引导件的指数获得更大的角度公差。可以通过减小两个狭缝的宽度获得光谱上更窄的共振。然而，每次修改参数以更改光学特性中的一个的值时，都必须重新调整其他参数，否则存在劣化光学特性中的另一个的风险。也可以使用优化算法来寻找最佳参数，例如粒子群优化算法(Mehrdad Shokooh-Saremiand等，《Particle swarm optimization and its 5 application to the designof diffraction grating filters》，Opt.Lett.32，894-896(2007))。
参照图4A至图4C描述第二示例。
在图4A中，如图3A中一样，仅示出了尺寸为p的一个基本滤光器40的一个图案。实际上，基本滤光器包括如此示出的图案的重复，以形成具有周期p的衍射光栅。
图4A所示的基本滤光器40为具有基底的双原子双金属光栅(DMG)滤光器。其包括由形成能够在共振波长λr处仅支持单模的波导的电介质材料制成的层41(厚度为ta、折射率为nm)以及设置在电介质材料层的任一侧上的两个金属衍射光栅42、43(厚度为tm1、tm1，折射率为nm1、nm2)。其还包括折射率为nsub(nsub<nd)的基底44，在该示例中，该基底上沉积了由电介质材料制成的层41以及金属衍射光栅42。每个金属光栅均以给定图案构造，该图案对于每个光栅而言以小于共振波长的给定周期p重复。更具体地，在图4A的示例中，第一金属光栅32包括具有相应宽度为b1和b2的两个狭缝421、422的图案，并且第二金属光栅43包括具有相应宽度为a’1和a’2的两个狭缝431、432的图案。
实际上，着眼于获得寻求特性，为了获得对参数的第一估算，可以从图3A所示的悬置DMG滤光器开始。然后选择合适的基底，并且调整与基底接触的光栅的狭缝的宽度。寻求具有可能最低的折射率的衬底以及具有高折射率的波导以维持单模波导。选择周期p，使得如对于悬置波导一样，只有由光栅衍射的0阶的传播通过基底。在该示例中，与图3A的示例相反，光栅42的狭缝的宽度和/或厚度与光栅43的狭缝不同，以补偿基底的指数率变化。例如C.Tuambilangana等人于Optics Express 23，25(2015)中描述了这种滤光器。
如前所述，尽管在图4A的示例中示出了双原子金属光栅，但是也有可能针对基底上单原子DMG滤光器优化参数。
图4A至图4B(步骤2)所示的曲线为图1所示的曲线示出了针对如图4A所示的具有以下参数的导模共振滤光器的作为波长的函数的透射率以及作为入射角的函数的透射率：周期p＝2μm，a1＝0.12μm，a2＝0.62μm，b1＝0.15μm，b2＝0.65μm，tm1＝0.1μm，tm2＝0.05μm，td＝0.6μm，ng＝2.84(SiC)，并且nm由金的Drude模型给出。
该滤光器的模拟给出：λr＝3.98μm，Tmax＝92％，Δθ＝20°以及Δλ＝160nm。
如前所述，可以进行修改参数的步骤(3)以根据寻求特性来优化参数。
参照图5A至图5C描述第二示例。
如图5A所示，如图3A一样，仅示出了尺寸为p的一个基本滤光器50的一个图案。实际上，基本滤光器包括如此示出的图案的重复，以形成具有周期p的衍射光栅。
图5A所示的基本滤光器50为正面上具有单个镀金属且具有基底的类型的。其包括由形成能够在共振波长λr处形成仅支持单模的波导的电介质材料制成的层51(厚度td，折射率na)，以及此时设置在由电介质材料制成的层的同一侧的两个衍射金属光栅52、33(厚度tm1、tm2，折射率nm)。其还包括折射率为nsub(nsub＜ng)的基底54，在该基底54上沉积由电介质材料制成的层51(衬底位于与承载光栅的一侧相反的一侧上)。每个金属光栅以给定图案构造，该图案对于每个光栅以小于共振波长的给定周期p重复。更具体地，在图5A的示例中，第一金属光栅52包括具有相同宽度b’1的两个狭缝521的图案，并且第二金属光栅53包括具有宽度为a”1的单个狭缝531的图案。
实际上，着眼于获得寻求特性，为了获得对参数的第一估算，可以从图3A所示的悬置DMG滤光器(然而在单原子构造中)开始。然后选择合适的基底，并调整每个光栅的单个狭缝的宽度和厚度以改变质量因数和角度公差。
图5A和图5B(步骤2)所示的曲线示出了针对诸如图5A中所示的具有以下参数的导模共振滤光器的作为波长的函数的透射率以及作为入射角的函数的透射率：周期p＝1.5μm，a”1＝0.2μm，b’1＝0.1μm，tm1＝0.1μm，tm2＝0.13μm，td＝0.63μm，nd＝2.15(SiNx)，并且nm由金的Drude模型给出。
模拟对于该滤光器给出：λr＝3.89μm，Tmax＝70％，Δθ＝15°以及Δλ＝320nm。
如前所述，可以进行修改参数的步骤(3)以根据寻求特性来优化参数。
申请人已经证明，上述金属电介质GMR滤光器可以以会聚光束并且在检测像素的尺寸的面积上工作。
因此，图6A示出了导模共振基本滤光器的矩阵阵列24的截面图，在该示例中，其包括基本滤光器24A，24B，基本滤光器24A，24B各自适于在分别以波长λA,λB为中心的光谱带中进行共振透射。在该示例中，矩阵阵列24由一行基本滤光器形成并且适于在配备有基本检测器条带的红外多光谱成像装置中所需的滤波。然而，同样可以是适合于在配备有基本检测器2D矩阵阵列的红外多光谱成像装置中所需的滤波的基本滤光器2D矩阵阵列。每个滤光器包括由图案的数个周期形成的衍射光栅，使得滤光器的尺寸与像素的尺寸基本相同。
已经研究了滤光器在聚焦光束F0下的行为，光束F0包括整个波长范围，包括波长λA,λB。申请人已经表明，在共振时波导中的电场和磁场的扩散受到限制，电磁场位于滤光器24A中的波长λA处并且位于滤光器24B中的波长λB处。因此，作为滤光器矩阵阵列的输出，分别在中心波长λA和λB处获得光束Fa和Fb。
因此，图6B示出了计算基本滤光器内的磁场强度的数值模拟的结果，该模拟是利用如图6A所示的基本滤光器矩阵阵列来执行的。对于该模拟，每个滤光器24A，24B是分别针对λA＝4μm和λB＝4.7μm的共振波长进行优化的悬置双原子DMG滤光器(如图3A所示)。图6A中的插图框30详细示出了限于一个图案的滤光器24A。滤光器的特性如下。对于滤光器24A，周期pA＝3μm，周期数＝5，狭缝宽度a1A＝0.2μm，a2A＝0.5μm。对于滤光器24B，周期pA＝3.7μm，周期数＝4，狭缝宽度a1B＝0.1μm，a2B＝0.7μm。对于两个滤光器24A，24B，利用由SiN形成的电介质材料制成的层以及由Au制成的金属光栅来执行模拟。此外，tmA＝tmB＝0.1μm，且tdA＝tdB＝0.65μm。
为了进行模拟，用开口半角为9°且处于波长λB的聚焦光束F0照射滤光器。已经发现，尽管是导模共振滤光器，但是电磁场实际上位于滤光器B中并且仅其透射入射辐射。
可以根据例如在本说明书中引用的文章中描述的已知方法来制造适用于根据本说明书的多光谱成像装置的金属电介质导模共振基本滤光器矩阵阵列。矩阵阵列可以沉积在基底上或悬置。
然后可以以各种方式将基本滤光器矩阵阵列设置在基本检测器矩阵阵列附近。基本滤光器矩阵阵列可以例如设置为不与间隔件胶合粘附。其也可以通过在滤光波长范围内的透明的胶水而胶合粘附。为了防止在基底或胶水的界面处的反射，如有必要，可以添加抗反射层。胶合粘附可以通过多种方式完成。例如，翻转滤光器并将带有光栅的上部胶合粘附至检测器阵列。然而，根据另一示例，在典型厚度(大于300μm)通常大于焦深的基板上滤光器的情况下，可以通过机械抛光或化学蚀刻来使基底变薄并将基底胶合粘附至检测器矩阵阵列。
尽管通过多个详细的示例性实施例进行了描述，但是根据本说明书的红外多光谱成像装置和方法包括各种变型、修改和改进，这对于本领域技术人员而言将是显而易见的。在本领域中，应当理解，这些各种变型，、改和改进都在本发明的范围内，如所附权利要求书所定义。

Claims (10)

1.一种红外多光谱成像装置(20)，其适于检测至少一个第一检测波长和一个第二检测波长，包括：
-检测矩阵阵列(23)，其包括形成具有给定尺寸的图像场的一组具有预定尺寸的基本检测器(23i)；
-成像光学器件(22)，其具有给定开口数量(N)和给定焦距(F)，所述数量和焦距适于在所述图像场的每个点处形成基本焦点，所述焦点覆盖一组至少两个并置的基本检测器；
-金属电介质导模共振基本滤光器(24i)的矩阵阵列(24)，所述矩阵阵列以小于所述成像光学器件的焦深的距离设置在所述检测矩阵阵列(23)的前方，所述基本滤光器的尺寸选择为使得在所述图像场的每个点处形成的每个基本焦点覆盖至少两个基本滤光器，所述基本滤光器针对以等于所述检测波长中的两个的两个不同中心波长为中心的光谱带中的带通透射进行优化。
2.根据权利要求1所述的红外多光谱成像装置，其中，所述基本滤光器中的至少一个具有大于或等于所述装置的场边缘角度的在平面波中测量的角度接收度，其中所述场边缘角度定义为旨在到达基本检测器矩阵阵列的最大倾斜光线相对于法向于所述基本检测器矩阵阵列的方向的角度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的红外多光谱成像装置，其中，所述基本滤光器中的每个的尺寸基本等于一个基本检测器的尺寸。
4.根据前述权利要求中任一项所述的红外多光谱成像装置，其中，所述基本滤光器矩阵阵列(24)的所述基本滤光器(24i)以区域(Zi)的形式设置，每个区域包括针对以两个不同中心波长为中心的光谱带中的带通透射进行优化的至少两个基本滤光器并且尺寸大于所述焦点的尺寸。
5.根据前述权利要求中任一项所述的红外多光谱成像装置，其中，所述基本滤光器矩阵阵列(24)包括至少一个DMG导模共振基本滤光器，其包括由电介质材料制成的波导以及位于由电介质材料制成的所述波导的任一侧上的两个金属光栅。
6.根据权利要求5所述的红外多光谱成像装置，其中，所述DMG导模共振基本滤光器悬置并且所述两个金属光栅相同。
7.根据权利要求5所述的红外多光谱成像装置，其中，所述DMG导模共振基本滤光器沉积在由电介质材料制成的基底上并且所述基本滤光器的所述两个金属光栅不同。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的红外多光谱成像装置，其中，所述基本滤光器矩阵阵列包括至少一个在其前面上具有单个镀金属的导模共振基本滤光器，所述滤光器包括由沉积在基底上的电介质材料制成的波导，以及位于与所述基底相反的面上的双金属光栅。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的红外多光谱成像装置，其中，所述基本滤光器矩阵阵列(24)包括至少一个“双原子”型导模共振基本滤光器，其中，所述至少一个金属光栅呈具有尺寸不同的至少两个开口的图案。
10.一种红外多光谱成像方法，其适于检测至少一个第一检测波长以及一个第二检测波长，包括：
-借助具有给定开口(N)的成像光学器件形成场景的图像并借助检测矩阵阵列获取所述图像，所述检测矩阵阵列包括形成具有给定尺寸的图像场的一组具有预定尺寸的基本检测器，所述成像光学器件(22)在所述图像场的每个点处形成覆盖一组至少两个并置的基本检测器的基本焦点；
-借助金属电介质导模共振基本滤光器的矩阵阵列(24)对由所述成像光学器件聚焦的光束进行滤光，所述矩阵阵列以小于所述成像光学器件的焦深的距离设置在所述检测矩阵阵列(23)前方使得在所述图像场的每个点处形成的每个基本焦点覆盖至少两个基本滤光器，所述基本滤光器针对以等于所述检测波长中的两个的两个不同中心波长为中心的光谱带中的带通透射进行优化。
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