JP2018506705A - 電磁放射感知システム - Google Patents

Abstract

本発明は、電磁放射を収束するためのフレネルレンズシステムと前記フレネルレンズシステムにより収束された前記電磁放射を感知するための感知素子（６０４、６０５、６０６）とを備える電磁放射感知システムを提供する。前記フレネルレンズシステムは、同一の光路に位置する少なくとも２つの歯面（６０１、６０２、６０３）を含み、前記歯面のそれぞれは、少なくとも１つのフレネルユニットを含む。少なくとも１つの前記歯面は、複合フレネル屈折面若しくは充填式フレネル屈折面である、又は、２つの歯面は同一の物理的界面であり、これらが位置する素子は、反射式の背面を有する。前記電磁放射感知システムにより、フレネルレンズの薄型化というメリットが十分に発揮され、システムの厚さが僅かに増加するだけでより強い収束力が実現され、デバイスの寸法の縮小及びシステムの性能の向上に資する。

Description

本発明は、電磁放射エネルギーの吸収及び変換に係る技術分野に関し、特に電磁放射感知システムに関する。

本明細書で称される電磁放射は、広義の意味を有する。例えば、太陽放射、レーダ放射、ガンマ線、マイクロ波、赤外線放射、電波又はＸ線等、その波長範囲及び信号源によって分類されることができる。電磁放射のエネルギーに対する吸収及び変換の技術は、例えば、レーダ警告、天体観測、無線信号伝送、太陽光発電等、多くの分野で幅広く利用されている。これらの用途では、感知される信号のエネルギーを増強させること及び／又はエネルギー変換の効率を向上させることは、常に追求されるべき目標である。電磁放射は通常収束させる必要がある。これにより、信号が強化されるだけでなく、感知素子の寸法も減少する。

フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）レンズは、薄型のレンズである。通常のレンズの連続した曲面を複数のセグメントに分割し、各セグメントの厚さを減少させた後に、各セグメントの曲面を同一の平面又はほぼ平滑な曲面に設けることにより、フレネルレンズが形成される。フレネルレンズの屈折面は通常、不連続の段丘状又は歯状である。本明細書では、レンズの曲面（非平滑面）を屈折面という。

フレネルレンズの一般的な構成について、図１を参照されたい。図１において、破線は、曲面の中心を示している。通常のレンズ１００の原曲面１０１は、複数の同心のレンズリング２０１に分割できる。各レンズリングは、厚さが減少した後に同一の平面に設けられることによりフレネルレンズ２００が形成される。このような原曲面に加工された不連続の屈折面をフレネル屈折面と称してよい。光の屈折がレンズの曲面で発生し、それはレンズの厚さと関係ない。従って、フレネル屈折面は、対応する原曲面と比較すれば、理論上では同様な光学性能を有するにも関わらず、厚さが大幅に減少する。厚さの減少により、光エネルギーの吸収及び減衰が減少する。多くの用途ではこれがフレネルレンズの重要な利点である。

１つの原曲面から生成されたフレネル屈折面を１つのフレネルユニットと呼んでよい。１つのフレネルユニットは、中心位置、面積、焦点距離、屈折面形状、並びに分割リングの位置及び数量という５組の基本パラメータを用いて説明することができる。

説明を容易にするため、本明細書において、フレネル屈折面を有する面を「歯面」といい、比較的平滑且つ平坦な他面を「背面」といい、片面が歯面であり、他面が背面であるフレネルレンズを「単面フレネルレンズ」という。

フレネルレンズは、感知素子の検出を容易にするために、例えば、図２に示された受動赤外線検出器“ＰＩＲ”のように、赤外線等の光信号を収束させるために用いることができる。明らかに、フレネルレンズは、他の種類の電磁放射を収束させるために用いられてもよい。

単一のフレネルユニットの収束範囲は限られているので、信号の感知範囲を拡大するために、歯面に複数のフレネルユニットを集合させる場合もある。１つのフレネルユニットのみを有する歯面を「単純フレネル屈折面」といい、このような歯面を採用した単面フレネルレンズを「単面単純フレネルレンズ」といってよい。これに対応して、２つ以上のフレネルユニットを有する歯面を「複合フレネル屈折面」といい、このような歯面を採用した単面フレネルレンズを「単面複合フレネルレンズ」といってよい。

単面複合フレネルレンズの背面は通常、例えば平面、同軸面（球面、楕円面、円柱面、放物柱面、双曲柱面及び高次多項式曲面等のような回転曲面を含む）、複数の平面が接続されてなる多面型面及び台形台面等のような巨視的曲面である。図２は、複数種類の単面複合フレネルレンズの構成を示している。ここで、破線は、各フレネルユニットの中心を通過する光路を示す。図２（ａ）における歯面は、３つの水平配列されているフレネルユニットを有し、背面は平面（方形）である。図２（ｂ）における歯面は、５つのフレネルユニットを有し、１つが中央に位置し、他の４つが周囲に分布され、背面は平面（円形）である。図２（ｃ）における背面は、円柱面である。図２（ｄ）における背面は、球面である。図２（ｅ）における背面は、３つの平面が接続されてなる多面型面である。図２（ｆ）における背面は台形台面である。

フレネルレンズシステムを発展させ、且つこれを利用して電磁放射感知システムの性能を改良することは、価値ある研究の方向である。

本発明は、電磁放射を収束させるためのフレネルレンズシステムと前記フレネルレンズシステムにより収束された前記電磁放射を感知するための感知素子とを備えている電磁放射感知システムを提供する。前記フレネルレンズシステムは、同一の光路に位置する少なくとも２つの歯面を含み、前記歯面のそれぞれは、少なくとも１つのフレネルユニットを含み、各前記フレネルユニットは、１つの原曲面から生成されたフレネル屈折面である。少なくとも１つの前記歯面は、複合フレネル屈折面若しくは充填式フレネル屈折面であり、又は、２つの前記歯面が同一の物理的界面であり、これらが位置する素子が、反射式の背面を有する。

本発明に係るフレネルレンズシステムは、様々な優れた実現方式を有してよい。ここで、前記フレネルレンズシステムに含まれた２つの前記歯面は、分離した２つの素子に設けられてもよく、両面フレネルレンズの２つの面になるように背中合わせに結合されてもよい。また、好ましくは、対応する位置にある前記感知素子がスペクトルバンドに従って容易に感知するように、前記電磁放射は、スペクトルバンドに従って異なる焦点面に収束されてよい。

本発明に係る電磁放射感知システムとして、２つ以上の歯面を有するフレネルレンズシステムを使用することにより、フレネルレンズの薄型化というメリットが十分に発揮され、システムの厚さが僅かに増加するだけでより強い収束力が実現される。向上された収束力により、焦点距離及び感知素子の面積が減少し、デバイスの寸法の縮小及びシステムの性能の向上に資する。また、本発明に係る各種の好ましい解決手段により、従来の電磁放射感知システムの構成及び使用形態が大幅に充実且つ拡大される。

以下、図面と併せて、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。

従来のフレネルレンズの構成原理の概略図である。 従来の単面複合フレネルレンズのいくつかの構成概略図である。 フレネル屈折面を生成するための本発明に係る２つの同軸面の概略図である。 本発明に係る充填式フレネル屈折面の概略図である。 本発明に係るフレネルユニットが２つの歯面に同軸配置された概略図である。 本発明に係る２つの歯面におけるフレネルユニットが非同軸に配置された概略図である。 本発明に係る２つの歯面が背中合わせに結合された構成概略図である。 本発明に係る反射式フレネルレンズの構成概略図である。 実施形態１における電磁放射感知システムの構成概略図である。 実施形態２における電磁放射感知システムの構成概略図である。 本発明に係るスペクトルバンドの２つの分割方法の概略図である。 実施形態３における電磁放射感知システムの構成概略図である。 実施形態４における電磁放射感知システムの構成概略図である。

本発明に係る電磁放射感知システムは、電磁放射を収束させるためのフレネルレンズシステムとフレネルレンズシステムにより収束された電磁放射を感知するための感知素子とを備えている。感知素子は、電磁放射のエネルギーを吸収又は変換することができる機能ユニットを示す。感知素子は、用途に応じて、例えば感光チップ（例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ）、エネルギー検出器（例えば、受動赤外線検出器又はレーダ検出器）、光電変換ユニット（例えば、ソーラーパネル）又は無線受信ユニット等であってよい。

本発明に係るフレネルレンズシステムは、同一の光路に位置する少なくとも２つの歯面を含むため、「多面フレネルレンズシステム」と称されてよい。同一の光路に位置する歯面の数に基づいて、「両面フレネルレンズシステム」、「三面フレネルレンズシステム」等と具体的に命名してよい。本発明に係るレンズシステムにおいて、１つ又は複数の素子を有してよい。単一の素子に設けられた歯面の数に基づいて、同様に「単面フレネルレンズ」、「両面フレネルレンズ」等とそれぞれ称してよい。

「両面フレネルレンズシステム」と「両面フレネルレンズ」とは、相違があることについて留意すべきである。両面フレネルレンズとは、１つのレンズにおける２つの面がいずれも歯面であることを示す。１つの両面フレネルレンズシステムは、１つの両面フレネルレンズから構成されてもよく、２つの単面フレネルレンズシステムから構成されてもよい。

システム内の各歯面は、少なくとも１つのフレネルユニットを有し、各フレネルユニットは、１つの原曲面から生成されたフレネル屈折面である。フレネル屈折面を生成するための従来の原曲面は、例えば、球面、回転放物面等の回転曲面のような、一般的に光軸を中心とした対称曲面である。従来の原曲面の焦点は、１つの点に位置するため、「同点面（ｃｏ−ｐｏｉｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ）」と称されてよい。本発明において、原曲面は、任意の形式の同軸面であってよい。用途のニーズに応じて具体的に設定すればよい。ここでの同軸面とは、焦点が同一の直線上（必ずしも同一の点ではない）に位置する曲面であり、当該直線は、「同軸線（ｃｏａｘｉａｌ ｌｉｎｅ）」と称されてよい。従来の同点面は、同軸面の同軸線が１つの点に縮退したときの特例とみなされてよい。同軸であるが同点ではない原曲面を採用することにより、収束位置に配置された感知素子を比較的小さい面積（焦点に対応する）から長手形状（焦点から構成された同軸線に対応する）まで拡張させることができ、それにより、コストを著しく増加させない場合において、信号収集能力が向上し、局所的な過熱問題の解決に資する。典型的な同軸面は、回転曲面（２次又は高次回転曲面を含む）、柱面、錐面等を含む。ここで、柱面は、等断面同軸面とも呼ばれる。このような曲面を、同軸線に垂直な方向に沿った任意の点で切断して得られた横断面の形状及び大きさは同じである。円柱面は、柱面の１つの特例である。同軸線に沿った錐面の横断面は、同様な形状を有するが、大きさが異なる。円錐面は、錐面の１つの特例である。図３は、上記の２つの同軸線を示している。図３（ａ）は、等断面同軸面であり、図３（ｂ）は、テーパー状同軸面であり、その焦点Ｆは、それぞれの同軸線Ｌ上にそれぞれ位置している。

単一の歯面は、２つ以上のフレネルユニットを有する複合フレネル屈折面であってよい。一般的には、複合フレネル屈折面における各フレネルユニットの基本パラメータ（例えば、面積、焦点距離、対応する原曲面の形状、同心リングの数量等）のすべては、完全に同じ、部分的に同じ又は全く異なってもよく、柔軟に設定されてよい。１つの実施形態において、複合フレネル屈折面における各フレネルユニットは、それぞれの光学中心を有するが、焦点は、同一の点、同一の直線又は１つの限定されたエリア内に設けられている。これは、当該複合フレネル屈折面を構成する各フレネルユニットに対する空間的配置により実現されてよい。これらのフレネルユニットは、例えば平面、２次曲面（球面、楕円面、円柱面、放物柱面及び双曲柱面を含む）、高次多項式曲面（非球面の通常実現方式）、並びに、複数の平面が接続されてなる多面型面及び台形台面等のような巨視的曲面に配置されているとみなしてよい。

単一の歯面は、充填式フレネル屈折面であってもよい。ここでの充填式フレネル屈折面は、固定材料から形成されたフレネル屈折面（「母面」と称してよい）において透明材料を充填することにより形成されてよい。充填された透明材料により形成されたフレネル屈折面は、「子面」と称されてよい。その形状は、母面と完全に相補する。子面を形成する材料の屈折率は、母面を形成する材料と異なり、もちろん、周囲の環境（例えば、空気）の屈折率とも異なる。子面を形成する充填材料は、固体、液体及び気体から選択される。固体充填材料としては、例えばアクリル、プラスチック又は樹脂を選択してよい。液体充填材料としては、例えば水を選択してよい。気体充填材料としては、例えば不活性気体を選択してよい。

図４を参照されたい。材料３０１は、凸面３０２を有するフレネルユニットとして形成され、材料３０３は、凹面３０４を有するフレネルユニットとして形成されている。この２つのフレネルユニットの形状は完全に相補し、向かい合わせに堅固に接合されることにより１つの歯面が形成されている。材料３０１により形成されたフレネルレンズを「母レンズ」と称してよい。母レンズを、上部に空間を有し且つ透明な筐体内に密封させ、次に、筐体内に透明材料３０３を充填すれば、凹凸形状が母レンズと真逆なもう１つのフレネルレンズを得ることができ、それを「子レンズ」と称してよい。

充填式フレネル屈折面の構成により、歯面両側の材料の屈折率を調整することによって異なる収束能力を得ることができ、フレネルレンズシステムの光学設計において、より大きい柔軟性が提供され、コストが削減される。１つの実施形態において、材料３０１と材料３０３とは、異なる固体材料であり、それぞれフレネルユニットとして製作された後に堅固に接合される。説明すべきなのは、固体の充填式フレネルレンズは、向かい合わせに密接された２つの従来のフレネルレンズと構成上では同じであるが、その充填式の加工過程、加工難度並びに（母レンズ及び子レンズの）材料に対する要求が異なる。もう１つの好ましい実施形態において、材料３０１は固体であり、材料３０３は液体又は気体である。まず、固定材料３０１を用いてフレネルユニットとして製作し、次に、その歯面に液体又は気体材料３０３を充填且つパッケージすることにより、充填式フレネル屈折面が形成される。このような方法により、１つのフレネルユニットの加工を省くことができる。使用されている液体充填材料は、例えば水であってよく、気体は、例えば窒素ガスのような不活性気体であってよい。液体を利用して充填式フレネル屈折面を製作することは、多くのメリットがある。具体的には、液体を介してレンズを容易に加熱又は冷却することができる一方で、液体が固体材料により製作されたフレネルユニットとシームレスに結合されているため、フレネルレンズにグレアが生じやすいという欠点を容易に克服することができ、これにより、フレネルレンズシステムを、例えばデジタルカメラ及び携帯電話機のレンズのような高解像度のイメージングシステムに用いることができる。従来のフレネルレンズのグレアは通常、フレネルレンズの歯面の不連続性によって引き起こされたものである。このような不連続性は、相補の液体レンズ又は気体レンズによって補償されることができ、それにより、グレアが大幅に低減される。液体又は気体を充填することによって形成されたこのような充填式フレネルレンズが広角レンズの初段レンズに使用されることにより、レンズの寸法を大幅に縮小することができる。

２つの歯面におけるフレネルユニットの相対位置は、２つの好ましい配置方式で配置されてよい。１つの配置方式として、図５を参照されたい。２つの歯面におけるフレネルユニットは、互いに同数であり、且つ同軸配置されている。ここでの同軸配置とは、異なる歯面にある２つのフレネルユニットの光軸がそれぞれ一致することをいう。異なる歯面にある２つのフレネルユニットは、例えば、焦点距離、対応する原曲面の形状及び同心リングの数等のようなフレネルユニットの他の基本パラメータについては、同じであってもよく異なってもよく、光学設計のニーズに応じて設定すればよい。図５では、２つの光軸が破線で例示され、各光軸は、２つの歯面における各フレネルユニットに対応している。同軸配置方式の利点としては、フレネルユニットの中心付近の信号を増強することができることである。もう１つの配置方式として、図６を参照されたい。２つの歯面におけるフレネルユニットは、互いに数が異なり且つ非同軸に配置されている。非同軸配置として、同じ距離をずらす方式を採用することが好ましい。ここでの非同軸配置とは、異なる歯面にある２つのフレネルユニットの光軸が、それぞれ互いにずれていることをいう。ここでのずれる距離が同じとは、一方の歯面におけるいずれのフレネルユニットの光軸と、他方の歯面における当該光軸を中心に最も近いいくつかのフレネルユニットの光軸との間の距離が同じことを意味する。図６において、光軸は破線で示され、下方の歯面における１つのフレネルユニットの光軸が上方の歯面における４つのフレネルユニットの光軸の中心に位置する。非同軸且つ等距離の配置方式の利点として、信号を等化することができ、感知範囲内の死角及びブラインドゾーンが減少する。

一般的には、２つ以上の歯面は、自由に組み合わされて１つ又は複数の素子を形成することができる。例えば複合フレネル屈折面を単面素子として用いれば、単面複合フレネルレンズを形成することができる。複合フレネル屈折面としては、例えば、図２に示されたいくつかの種類がある。単面複合フレネルレンズは、２つ以上の単面単純フレネルレンズの背面を１つの巨視的曲面に設けることによって形成されたものであるとみなしてもよい。１つの実施形態において、２つの歯面は、それぞれ分離した２つの素子に位置し、２つの単面フレネルレンズから構成されたシステムを形成している。当該２つの素子同士の方位関係としては、歯面対歯面、歯面対背面、又は背面対背面であってよい。別の実施形態において、図７に示すように、２つの歯面が、同一の素子に背中合わせの方式で設けられている。２つの歯面が位置する部分には、同じ又は異なる材料を採用してよい。従って、図７における分割線は、破線で表示されている。背中合わせ式の２つのフレネルレンズが同じ材料から製作された場合、両面フレネルレンズが構成される。また、例えば、アクリル、樹脂又は他のプラスチック材料を用いたプレス金型の方式のような一体成形の方式により製作されてよい。２つの歯面の凹凸形状は、同じであってもよく異なっていてもよい。別の実施形態において、システムが３つの歯面を有していてよい。そのうち１つは、単面素子に用いられ、他の２つは、背中合わせ式の両面フレネルレンズとして形成される。他の実施形態では、ニーズに応じて、列挙された上記の構成形式を組み合わせることや拡張することができる。

システム内の２つの歯面は、反射面を設ける方式により同一の物理的界面で代替されてよい。図８に示すように、素子４００は、反射式の背面４０１（内表面は鏡面である）を有する。背面４０１は、例えば、単面フレネルレンズの平滑面に反射フィルムをメッキし、又は反射能力を有するパッチを貼り付ける等の方式で形成されてよい。反射のため、入射光路は、その物理的屈折界面４０２を２回通過する。従って、当該物理的界面は、２つの歯面と同等である。素子４００は、反射式の両面フレネルレンズと称されてもよく、当該２つの歯面の凹凸形状は一致している。反射式の背面を設ける方式により、光路内の歯面の数を容易に増加させることができ、製作及び取付のコストが削減され、フレネルレンズの使用形態を大幅に充実させることができる。

以下、具体的な実施形態を介して、本発明に係る電磁放射感知システムについて挙例しつつ説明する。

＜実施形態１＞
図９に示すように、１つの実施形態として、本発明に係る電磁放射感知システムは、感知素子５０３と２つのフレネルレンズから構成されたフレネルレンズシステムとを備えている。実施形態１におけるフレネルレンズシステムは、２つの歯面を有する。一方の歯面５０１は、複合フレネル屈折面であり、他方の歯面５０２は、１つのフレネルユニットのみを含む。図中の破線は、フレネルユニットの光軸を示す。当該２つの歯面は、それぞれ分離した２つの単面素子に設けられて、１つの単面複合フレネルレンズ及び１つの単面単純フレネルレンズを形成している。当該２つの単面レンズは、歯面対背面の方式で光路に順次配列され、共に信号を感知素子５０３に収束させるために用いられる。複合フレネルレンズは、当該収束システムの対物レンズとみなされてよく、次の単純フレネルレンズは、接眼レンズとみなされてよい。実施形態１におけるレンズシステムは、長距離信号を検出するために用いられてもよく、段階的集光を実現するために用いられてもよい。

好ましい実施形態として、当該２つのレンズの一方又は両方は、モータによって駆動されてよい。例えば、モータが接眼レンズとしてのレンズを駆動することでオートフォーカスを行い、又は、モータが対物レンズとしてのレンズをさらに駆動することでズームを行うことにより、当該電磁放射感知システムは自動ズームシステムとなる。

＜実施形態２＞
図１０に示すように、もう１つの実施形態として、本発明に係る電磁放射感知システムは、多焦点面感知システムであり、３つの感知素子及び１つの３歯面フレネルレンズシステムを備えている。ここで、１つ目の歯面６０１は、複合フレネル屈折面であり、１つの単面素子に設けられて、光信号を第１段階収束させるための単面複合フレネルレンズを形成している。２つ目の歯面及び３つ目の歯面は、複合フレネル屈折面であってもよく、１つのフレネルユニットのみを含んでもよい。例えば、２つ目の歯面及び３つ目の歯面は、図５又は図６に示された相対位置関係を有してよい。当該２つの歯面は、１つの素子に共に設けられてもよく、２つの単面素子にそれぞれ設けられてもよい。実施形態２において、２つ目の歯面６０２及び３つ目の歯面６０３は、背中合わせの方式で光信号を第２段階収束させるための両面フレネルレンズを形成している。

実施形態２において、上述した２つのレンズから構成された収束システムは、光波を異なるスペクトルバンドの中心波長に従って３つの異なる焦点面に収束させる。焦点面Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は、それぞれ３つのスペクトルバンドの中心波長λ１、λ２、λ３に対応している。各焦点面には、感知素子６０４、６０５、６０６がそれぞれ順次配置されている。複数の感知素子を重なり合うように容易に配置するために、隣接する焦点面の間の距離の差は、前の焦点面における感知素子の厚さ以上である。ここでの前の焦点面とは、焦点距離が比較的短い焦点面を示す。一般的には、レンズの焦点距離と波長とは、単調増加の関係である。即ち、光波の中心波長が長いほど、収束された焦点面が遠くなる。このような関係について、従来のレンズの設計では通常克服しなければならないが、実施形態２では、当該原理を適応させ且つ利用することにより、多焦点面システム及びマルチレンズ感知システムを実現することができる。当業者であれば、歯面に対する光学設計及び適切なフィルムコーティング等を行うことにより、異なる波長の光波を、異なる焦点距離を有する焦点面により良好に収束させることができる。即ち、スペクトルバンドが異なる収束位置を分離することができる。実際のニーズに応じて、焦点面の数量は１〜４であってよい。焦点面が１つである場合は、従来のレンズの設計と同様に、波長の焦点距離に対する影響をなるべく排除しなければならないことを意味する。複数の焦点面を採用する場合には、光学設計がより簡単になるだけでなく、異なるスペクトルバンドの光も異なる焦点面においてより良好に且つ特別に利用され、処理されることができる。

好ましい実施形態として、各感知素子の増感感知区間は、当該スペクトルバンドに属する波長に対する最適な応答を達成するために、その感知素子の位置する焦点面に対応するスペクトルバンドに適合していてよい。それにより、入射電磁放射のエネルギーを最大限に利用することで感知システムの信号対雑音比を効果的に改善することができる。複数の材料及びその構造設計に基づいて、感知素子は、例えば、より良好な感度又はより高い吸収／利用効率等を有するように、１つ又は複数の特定の波長範囲内の電磁放射に対して、他の範囲と比較してより良好な応答特性を有してよい。従って、これらの区間を感知素子の増感感知区間と呼んでもよく、最適感知区間と呼んでもよい。もう１つの好ましい実施形態として、各感知素子の寸法は、その感知素子が位置する焦点面でのフレネルレンズシステムの収束面積に適合していてよい。例えば、複数の焦点面を有する場合、重なり合うように配置された感知素子は、ピラミッドと同様の全体構成を有してよい。即ち、より長い焦点距離を有する焦点面に位置する感知素子は、より大きい面積を有する。上述した２つの好ましい方式の１つ又は両方同時に使用することができる。

実施形態２において、各焦点面における感知素子は、独立したデバイス（例えば、感光チップをそれぞれの焦点面に配置）によって実現されてもよく、多層デバイスの各層によって実現されてもよい。独立した複数のデバイスで複数のスペクトルバンドに従った感知を実現する際に、デバイス同士の間は、隙間であるか又は透明材料が挟層として充填されてよい。この場合、電磁波が後方寄りのデバイスをより通過しやすいように、光路の前方に位置するデバイスは、なるべく薄いものが好ましい。多層デバイスの各層が感知素子として用いられるとき、フレネルレンズシステムに対する光学設計を行うことにより、複数のスペクトルバンドに対応した複数の焦点面を、多層デバイスの複数の感知層上に位置させてよい。ここでの多層デバイスは、例えば、深度フィルタリング原理に基づいて製作された多層マルチスペクトル感知チップのように、異なる深度に複数の感知層を有するデバイスであってよい。多層デバイスについては、単面型（即ち、基層の１つの面において、２つ以上重なる感知層が形成されている。）を採用してもよく、両面型（即ち、基層の正反両面には、それぞれ１つ以上の感知層が形成されている。）を採用してもよい。

本発明に係る感知素子に用いられた感知方式は、単方向感知であってもよく、双方向感知であってもよく、具体的な用途に応じて選択且つ設計すればよい。ここでの単方向感知は、素子の一方向（正面又は背面）から入射電磁放射を感知することを示す。ここでの双方向感知は、素子の正面及び背面から入射電磁放射を同時に又は非同時的に感知することを示す。双方向感知の場合には、各方向に前述のような様々な多面フレネルレンズシステムを配置してよい。

実施形態２における３つの焦点面は、分割された３つのスペクトルバンドに対応する。他の実施形態では、対象とするスペクトル範囲を波長λに従って異なる区間に分割することができる。具体的な分割方法は、既存の汎用規則を参照してもよく、実際の用途に応じて調整してもよい。図１１は、通常の２つの分割方法を示している。そのうちの１つとして、スペクトルを可視スペクトルバンド７０１及び（近）赤外スペクトルバンド７０２の２つの区間に分割する。図１１（ａ）に示すように、当該２つの区間の中心波長の位置が破線で示されている。可視スペクトルバンドは、赤７０３、緑７０４及び青７０５の３つのスペクトルバンドを含む。もう１つとして、スペクトルを紫外線スペクトルバンド７０６、可視スペクトルバンド７０７及び赤外スペクトルバンド７０８という３つの区間に分割する。図１１（ｂ）に示すように、当該３つの区間の中心波長の位置が同様に破線で示されている。

本発明に係る電磁放射感知システムは電磁波のいずれのスペクトルバンドにも適用されるため、実施形態２の原理は、異なる周波数帯域の信号をアンテナにより同時に受信することができるように、現代の無線通信分野におけるアンテナを設計するためにも使用され得る。

＜実施形態３＞
図１２に示すように、もう１つの実施形態として、本発明に係る電磁放射感知システムは、複数のフレネルレンズシステムを備えている。図１２において、放射源８０１は、電磁放射を生成するために用いられる。感知素子８０２は、正逆両方向からの電磁放射を同時に感知することができる双方向感知素子である。フレネルレンズ８０３及び８０４は、２つの透過型のフレネルレンズである。例えば、感知範囲がより大きくなるように、フレネルレンズ８０３は、単面複合フレネルレンズであってよい。フレネルレンズ８０４は、より強い収束能力を有するように、２つの歯面が背中合わせの方式で構成された両面フレネルレンズであってよい。２つのフレネルレンズ８０５及び８０６は、それぞれ、１つの歯面及び１つの反射式の背面によって構成された反射式のフレネルレンズである。

実施形態３において、レンズ８０３と８０４との組合せを１つのフレネルレンズシステムとみなし、レンズ８０５と８０４との組合せを２つ目のフレネルレンズシステムとみなし、レンズ８０６を３つ目のフレネルレンズシステムとみなしてよい。これらは、自己の感知範囲内の電磁放射を異なる方向から双方向感知素子８０２にそれぞれ収束させる。反射式フレネルレンズの使用により、システムの感知範囲が大幅に拡大され、収束された電磁放射の強度が大幅に増加し得る。さらに、フレネルレンズが薄く、且つ、伝送過程における電磁放射のエネルギーの減衰が小さいことを考慮して、実施形態３におけるシステムは、特に太陽光発電、及び、レーダ信号又はスペース信号検出分野に適用される。例えば、太陽光発電の適用において、放射源８０１は太陽であってよい。双方向感知素子８０２は、ソーラーパネルであってよく、具体的には、単面ソーラーパネル又は両面ソーラーパネルであってよい。好ましい実施形態として、単面双方向感知素子の簡単な製造方法は、電磁放射（例えば、光）が２つの方向から素子内の感知エリアに到達できるように、感知素子を薄く製造することである。別の好ましい実施形態として、両面感知素子は、２つの単面感知素子を単に背中合わせに重ねることによって得られることができる。

また、１つの実施形態において、反射型両面フレネルレンズの歯面は、充填式フレネル屈折面であることがさらに好ましく、相補形状を有する２つの歯面が接合することにより形成されたものであってもよい。接合は、固体歯面と固体歯面との接合であってもよく、固体歯面と液体歯面との接合であってもよい。

＜実施形態４＞
図１３に示すように、もう１つの実施形態として、本発明に係る電磁放射感知システムは、感知素子９０１、２つのフレネルレンズ９０２及び９０３から構成されたフレネルレンズシステム、並びに熱交換システムを備えている。

レンズ９０２は、外部向きの歯面を有する単面フレネルレンズであってよい。レンズ９０３は、液体充填式フレネルレンズであってよい。具体的には、レンズ９０２の背面とレンズ９０３の歯面との間を密封空間として形成させ、内部に液体を充填してよい。

感知素子９０１は、放熱端として熱伝導性材料を介して熱交換システムの媒質と熱交換を行う。実施形態４において、感知素子は、冷却タンク９０４を介して媒質と熱交換を行う。他の実施形態では、感知素子は、直接に又は熱伝導性材料で被覆された後に熱交換システムの媒質内に浸漬されてもよい。

熱交換システムは、冷却タンク９０４、集熱媒体を貯蔵するための貯蔵ユニット９０５及び各エリアを連通させるための複数の管路９０８を含む。熱交換のための媒質は、複数の管路９０８を介して各エリアを通過する。実施形態４において、集熱媒体は、直接的に作用する熱交換の媒質として複数のエリア間を流れる。別の実施形態では、集熱媒体と媒質とは、互いに隔離されており、同じ又は異なる物質を採用して貯蔵ユニット内の熱交換構造を介して熱交換を行ってよい。

感知システムが作動しているとき、入射電磁放射（図の矢印で示すように）は、フレネルレンズシステムを介して感知素子に集束される。媒体は、流入口９０６を介して貯蔵ユニットに入る。液体の熱対流の原理（高温媒質が上方へ移動）に基づいて、連通した管路を介して感知素子の冷却タンクに流れ込み、感知素子との熱交換を行う。次に、連通した管路を介してレンズ９０２とレンズ９０３との間の密閉空間に入り、充填液体としてレンズとの熱交換を行う。さらに、連通した管路を介して貯蔵ユニットに戻り、最後に流出口９０７を介して流れ出る。熱交換の過程についての上記説明は、例示的なものに過ぎない。実際の用途に応じて媒体の流れるエリアを増加又は減少させることができる。例えば、充填式フレネルレンズの充填空間は完全に密封されてもよく、媒質は充填液体として用いられなくてもよい。実際の使用において、システムは、自動弁、圧力制御システム、温度制御システム等をさらに含んでもよい。

実施形態４における電磁放射感知システムは、家庭用太陽光発電システム及び給湯システムとして使用されてよい。ここで、感知素子はソーラーパネルであり、熱交換システムの媒質は水であり、貯蔵ユニットは給湯タンクであってよい。入射太陽光の一部は、ソーラーパネルによって電気エネルギーに変換され、他の部分は熱エネルギーに変換される。生成された熱エネルギーは、水を加熱するために、熱交換システムを介して吸収される。それにより、太陽エネルギーの利用率が向上し、これに応じて家庭用給湯に必要なエネルギーが減少する。この場合、流入口９０６から流入したものは、冷水であり、流出口９０７から流出したものは、家庭で利用可能な湯である。

実施形態４における電磁放射感知システムは、冷却システムを有する赤外線暗視システムとして使用されてもよい。ここで、感知素子は赤外線感光チップであり、貯蔵ユニットは冷却器であり、媒質は冷却剤としてレンズ空間及び感知素子が配置された冷却タンクを流れる際にそれらを冷却する。赤外線暗視システムの適用において、レンズを含む周囲物体の熱放射の感知素子に対する影響を低減するために、レンズ及び感知素子を観測対象よりも遥かに低い温度まで冷却することが一般的である。従来の赤外線暗視システムでは、従来のレンズが使用され、厚さが大きい。さらに、冷却は通常、外部で行われるため、冷却速度が遅く、システムを使用する前に長時間の予冷が必要である。実施形態４の構成を用いた赤外線暗視システムでは、レンズが薄く、しかも内部から直接に冷却を行うため、冷却速度が大幅に向上し、感知素子の信号対雑音比が効果的に改善される。さらに、採用された液体充填式フレネルレンズは、品質の高い結像を提供することもできる。また、一部の用途において、ニーズに応じて、逆に熱交換システムを介してレンズ及び感知素子を加熱することもできる。

以上、具体的な例を用いて本発明の原理及び実施形態について詳述したが、上記の実施形態は、本発明の理解を深めるためのものにすぎず、本発明を限定するものではない。当業者は、本発明の思想に基づいて、上記の具体的な実施形態を変更することができる。

Claims (15)

1. 電磁放射を収束させるためのフレネルレンズシステムと、前記フレネルレンズシステムにより収束された前記電磁放射を感知するための感知素子とを備え、
   前記フレネルレンズシステムは、同一の光路に位置する少なくとも２つの歯面を含み、各歯面は、少なくとも１つのフレネルユニットを含み、各フレネルユニットは、１つの原曲面から生成されたフレネル屈折面であり、
   少なくとも１つの前記歯面が、複合フレネル屈折面又は充填式フレネル屈折面である、及び、
   ２つの前記歯面が同一の物理的界面であり、２つの前記歯面が位置する素子が反射式の背面を有する、のいずれかであることを特徴とする感知システム。
2. 前記原曲面は、いずれの焦点も同一の直線上に位置する同軸面であり、前記同軸面は、回転２次曲面、回転高次多項式曲面、柱面及び円錐面を含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁放射感知システム。
3. 各歯面における複数のフレネルユニットは、巨視的曲面として形成された背面を共有していることを特徴とする請求項１に記載の電磁放射感知システム。
4. 前記巨視的曲面は、平面、同軸面、複数の平面が接続されてなる多面型面及び台形台面から選択されたものであることを特徴とする請求項３に記載の電磁放射感知システム。
5. 同一の歯面上にある複数のフレネルレンズユニットは、同じスペクトルバンドの光を同一の点、同一の直線又は１つの限定されたエリア内に収束させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁放射感知システム。
6. 前記フレネルレンズシステムは、互いに異なるスペクトルバンドの中心波長にそれぞれ対応する１〜４個の焦点面に電磁放射を収束させ、各焦点面には、複数の前記感知素子がそれぞれ配置され、隣接する前記焦点面の間の距離の差は、前方に位置する前記焦点面における前記感知素子の厚さ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁放射感知システム。
7. 前記焦点面の焦点距離が長いほど、対応する中心波長が長くなることを特徴とする請求項６に記載の電磁放射感知システム。
8. 各感知素子の増感感知区間は、当該感知素子の位置する焦点面に対応するスペクトルバンドに適合し、且つ／又は、各感知素子の寸法は、当該感知素子が位置する焦点面での前記フレネルレンズシステムの収束面積に適合していることを特徴とする請求項７に記載の電磁放射感知システム。
9. 各焦点面における前記感知素子のそれぞれは、独立したデバイスによって構成され、独立した前記デバイスの間が、隙間である若しくは透明材料が挟層として充填されている、及び、各焦点面における前記感知素子のそれぞれは、多層デバイスの各層によって構成されている、のいずれかであり、
   前記感知素子の感知方式は、単方向感知又は双方向感知であることを特徴とする請求項７又は８に記載の電磁放射感知システム。
10. ２つの前記歯面は、いずれも複合フレネル屈折面であり、２つの前記複合フレネル屈折面上の複数のフレネルユニットは、互いに同数であり且つ同軸配置されている、及び、２つの前記複合フレネル屈折面上の複数のフレネルユニットは、互いに数が異なり且つ非同軸配置され、前記非同軸配置として、好ましくは同じ距離をずらす方式を採用している、のいずれかであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電磁放射線感知システム。
11. 前記充填式フレネル屈折面の充填材料は、固体、液体及び気体から選択され、好ましくは、前記固体は、アクリル、プラスチック又は樹脂であり、前記液体は、水であり、前記気体は、不活性気体であることを特徴とする請求項１に記載の電磁放射感知システム。
12. 前記フレネルレンズシステムは、１つの両面フレネルレンズを含み、前記両面フレネルレンズは、１つの歯面及び１つの反射式の背面から構成されている、及び、
    背中合わせに結合された２つの歯面から構成されている、のいずれかであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電磁放射感知システム。
13. ２つの前記歯面は、分離した２つの素子に位置し、分離した２つの前記素子の一方は、モータにより駆動されてオートフォーカスを行い、且つ／又は、分離した２つの前記素子の他方は、モータにより駆動されてズームを行うことを特徴とする請求項１に記載の電磁放射感知システム。
14. 熱交換システムをさらに備え、前記感知素子は、放熱端として前記熱交換システムの媒質内に直接に浸漬されている、及び、熱伝導性材料を介して前記熱交換システムの媒質と熱交換を行う、のいずれかであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電磁放射線感知システム。
15. 前記感知素子は、太陽光ソーラーパネルであり、前記熱交換システムは、給湯システムとして用いられる、及び、前記感知素子は、赤外線感光チップであり、前記熱交換システムは、冷却システムとして用いられる、のいずれかであることを特徴とする請求項１４に記載の電磁放射線感知システム。

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