JP6551485B2 - 赤外線変換素子及び撮像装置 - Google Patents
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Description
本開示は、赤外線変換素子、撮像装置及び撮像方法に関する。
近年、温度測定用途だけでなく、セキュリティー用途等の赤外線カメラに対する需要が急増している。赤外線カメラとして量子型あるいはボロメータ型の赤外線カメラが周知である。量子型赤外線カメラは、通常、熱雑音に対処するために冷却が必要とされ、赤外線カメラ全体が、大型で高価なものとなってしまう。熱による抵抗変化を検出するボロメータ型赤外線カメラも、実際にはペルチェ素子による冷却が必要とされ、また、画素毎の定期的なキャリブレーションのために大容量のメモリが必要であり、しかも、キャリブレーション時には画像が途切れるといった問題を有する。また、背景輻射の影響を受け易いし、消費電力が大きく、高価、大型、重いといった問題を有する。
このような問題を解決するために、表面プラズモン共鳴現象を用いた赤外線カメラが、例えば、特開２００９−０４２１６４から周知である。この赤外線カメラは、熱による誘電体膜の誘電率変化を、プリズムを用いて、金属表面プラズモンの共鳴条件変化として検出する。また、光情報を電気情報に変換することなく、高効率で光変調し得る、表面プラズモン共鳴を用いた空間光変調器、具体的には、光照射により屈折率が変化する物質と金属との複合層を有する光波結合器から成る空間光変調器が、特開平５−２７３５０３から周知である。
ところで、これらの特許公開公報に開示された技術は、表面プラズモン共鳴に基づく技術である。そして、表面プラズモンは、金属表面での伝播があるが故に、空間分解能が低いし、プリズムを含む大掛かりで精密な光学機構が必要とされる。
従って、本開示の目的は、高い空間分解能を有し、しかも、簡素な構成、構造を有する赤外線変換素子、並びに、係る赤外線変換素子を組み込んだ撮像装置及び撮像方法を提供することにある。
上記の目的を達成するための本開示の第１の態様に係る赤外線変換素子は、基体、及び、基体上に形成された金属微粒子層から構成されており、
金属微粒子層は、金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る。
金属微粒子層は、金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る。
上記の目的を達成するための本開示の第２の態様に係る赤外線変換素子は、金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る金属微粒子層から構成されている。
上記の目的を達成するための本開示の第３の態様に係る赤外線変換素子は、
誘電体材料から成り、第１面から入射した赤外線を吸収する誘電体膜、並びに、
第１面と対向する誘電体膜の第２面に配された複数の金属微粒子、
から構成されている。
誘電体材料から成り、第１面から入射した赤外線を吸収する誘電体膜、並びに、
第１面と対向する誘電体膜の第２面に配された複数の金属微粒子、
から構成されている。
上記の目的を達成するための本開示の第４の態様に係る赤外線変換素子は、赤外線の吸収による受光材料の誘電率変化を、局所プラズモン共鳴に基づく散乱光強度変化として検出することで、赤外線を可視光に変換して検出する赤外線変換素子である。
上記の目的を達成するための本開示の第１の態様に係る撮像装置は、
（Ａ）基体、及び、基体上に形成された金属微粒子層から構成された赤外線変換素子であって、金属微粒子層は、金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えている。
（Ａ）基体、及び、基体上に形成された金属微粒子層から構成された赤外線変換素子であって、金属微粒子層は、金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えている。
上記の目的を達成するための本開示の第２の態様に係る撮像装置は、
（Ａ）金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る金属微粒子層から構成された赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えている。
（Ａ）金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る金属微粒子層から構成された赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えている。
上記の目的を達成するための本開示の第３の態様に係る撮像装置は、
（Ａ）誘電体材料から成り、第１面から入射した赤外線を吸収する誘電体膜、並びに、
第１面と対向する誘電体膜の第２面に配された複数の金属微粒子、
から構成された赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えている。
（Ａ）誘電体材料から成り、第１面から入射した赤外線を吸収する誘電体膜、並びに、
第１面と対向する誘電体膜の第２面に配された複数の金属微粒子、
から構成された赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えている。
上記の目的を達成するための本開示の第４の態様に係る撮像装置は、
（Ａ）赤外線の吸収による受光材料の誘電率変化を、局所プラズモン共鳴に基づく散乱光強度変化として検出することで、赤外線を可視光に変換して検出する赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えている。
（Ａ）赤外線の吸収による受光材料の誘電率変化を、局所プラズモン共鳴に基づく散乱光強度変化として検出することで、赤外線を可視光に変換して検出する赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えている。
上記の目的を達成するための本開示の第１の態様に係る撮像方法は、上記の本開示の第１の態様に係る撮像装置を用いた撮像方法であり、
上記の目的を達成するための本開示の第２の態様に係る撮像方法は、上記の本開示の第２の態様に係る撮像装置を用いた撮像方法であり、
上記の目的を達成するための本開示の第３の態様に係る撮像方法は、上記の本開示の第３の態様に係る撮像装置を用いた撮像方法であって、
赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部で検出する。
上記の目的を達成するための本開示の第２の態様に係る撮像方法は、上記の本開示の第２の態様に係る撮像装置を用いた撮像方法であり、
上記の目的を達成するための本開示の第３の態様に係る撮像方法は、上記の本開示の第３の態様に係る撮像装置を用いた撮像方法であって、
赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部で検出する。
上記の目的を達成するための本開示の第４の態様に係る撮像方法は、上記の本開示の第４の態様に係る撮像装置を用いた撮像方法であって、
赤外線の吸収により受光材料の誘電率が変化することに起因して、受光材料への参照光の照射によって生じた受光材料における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部で検出する。
赤外線の吸収により受光材料の誘電率が変化することに起因して、受光材料への参照光の照射によって生じた受光材料における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部で検出する。
本開示の第１の態様〜第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置、撮像方法にあっては、赤外線変換素子の冷却が不要であり、また、電気的ではなく、純粋に光学的に赤外線（熱線）を空間光変調することで検出することができるが故に、簡素な構成、構造であるにも拘わらず、高い空間分解能を有し、小さな温度差を検出可能な赤外線変換素子を提供することができるし、係る赤外線変換素子を組み込んだ小型、軽量、省電力、安価な撮像装置、及び、係る撮像装置を用いた撮像方法を提供することができる。
以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本開示の第１の態様〜第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置及び撮像方法、全般に関する説明
２．実施例１（本開示の第１の態様及び第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置及び撮像方法）
３．実施例２（実施例１の変形）
４．実施例３（実施例１〜実施例２の変形）
５．実施例４（実施例１〜実施例３の変形）
６．実施例５（実施例１〜実施例４の変形）
７．実施例６（実施例５の変形）
８．実施例７（本開示の第２の態様及び第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置及び撮像方法）
９．実施例８（本開示の第３の態様及び第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置及び撮像方法）、その他
１．本開示の第１の態様〜第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置及び撮像方法、全般に関する説明
２．実施例１（本開示の第１の態様及び第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置及び撮像方法）
３．実施例２（実施例１の変形）
４．実施例３（実施例１〜実施例２の変形）
５．実施例４（実施例１〜実施例３の変形）
６．実施例５（実施例１〜実施例４の変形）
７．実施例６（実施例５の変形）
８．実施例７（本開示の第２の態様及び第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置及び撮像方法）
９．実施例８（本開示の第３の態様及び第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置及び撮像方法）、その他
本開示の第１の態様〜第３の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置、撮像方法にあっては、金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴に基づき、散乱光が生じる形態とすることができる。そして、この場合、赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化する形態とすることができ、更には、局所プラズモン共鳴状態が変化することで、散乱光の光強度が低下する形態とすることができる。
また、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置、撮像方法において、参照光は可視光であり、散乱光の振動数あるいは角周波数は参照光の振動数あるいは角周波数と等しく、この場合、参照光の波長は可変である構成とすることができ、あるいは又、光源と赤外線変換素子アレイ部との間に参照光の波長を選択する波長選択手段が配されている構成とすることができる。そして、これによって、局所プラズモン共鳴条件のキャリブレーションを容易に行うことができる。
また、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様〜第３の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置、撮像方法において、金属微粒子は規則的に配列されている構成とすることができる。
また、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様〜第４の態様に係る撮像装置、撮像方法にあっては、散乱光の光強度検出校正のための遮光機構を備えている構成とすることができ、この場合、遮光機構は、誘電体材料あるいは受光材料への赤外線の入射を制御するシャッター機構から成る構成とすることができる。あるいは又、赤外線変換素子アレイ部は、赤外線検出領域、及び、散乱光の光強度検出校正のための校正領域を備えている構成とすることができ、この場合、校正領域には、赤外線の入射を妨げる遮光膜が形成されており、赤外線検出領域と校正領域の境界領域には、遮光部材が配置されている構成とすることができる。
更には、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様〜第４の態様に係る撮像装置、撮像方法において、各赤外線変換素子の赤外線入射側には、散乱光を金属微粒子層側あるいは受光材料側に反射させる反射部材が設けられている構成とすることができる。
更には、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様〜第４の態様に係る撮像装置、撮像方法において、各赤外線変換素子の赤外線入射側には、マイクロレンズが設けられている構成とすることができる。
以下、本開示の第１の態様に係る赤外線変換素子、本開示の第１の態様に係る撮像装置を構成する赤外線変換素子、本開示の第１の態様に係る撮像方法における赤外線変換素子を総称して、『本開示の第１の態様に係る赤外線変換素子等』と呼び、本開示の第２の態様に係る赤外線変換素子、本開示の第２の態様に係る撮像装置を構成する赤外線変換素子、本開示の第２の態様に係る撮像方法における赤外線変換素子を総称して、『本開示の第２の態様に係る赤外線変換素子等』と呼び、本開示の第３の態様に係る赤外線変換素子、本開示の第３の態様に係る撮像装置を構成する赤外線変換素子、本開示の第３の態様に係る撮像方法における赤外線変換素子を総称して、『本開示の第３の態様に係る赤外線変換素子等』と呼ぶ場合がある。また、本開示の第１の態様〜第４の態様に係る赤外線変換素子、本開示の第１の態様〜第４の態様に係る撮像装置、本開示の第１の態様〜第４の態様に係る撮像方法を総称して、単に、『本開示』と呼ぶ場合がある。
本開示における局所プラズモン共鳴（局所型表面プラズモン共鳴とも呼ばれる）とは、金属微粒子の表面に光が入射したとき、金属微粒子の表面において電荷の偏りが生じ、即ち、電気双極子場が発生し、これが入射光に共鳴して振動することで入射光を吸収する現象を指し、近接場光（増強電場）及び散乱光（放射光）が発生する。尚、近接場光（増強電場）は電界振動であり、電磁波ではない。また、光吸収波長は、金属微粒子の周囲に存在する物質の誘電率、即ち、屈折率の関数である。ω−ｋの分散関係は存在せず、ω一定の直線と見なせる。
局所プラズモン共鳴は、表面プラズモン共鳴（伝搬型表面プラズモン共鳴とも呼ばれる）とは異なる現象である。表面プラズモン共鳴にあっては、界面に沿って伝播する平面波が生じ、ただ光を当てても表面プラズモン共鳴は生ぜず、入射光と表面プラズモンを結合させる適切な手段（例えば、表面に微細な周期構造を形成したり、プリズム等の高屈折率材料を配置したり、全反射により入射光をエバネッセント波に変換する等）が必要とされる。また、表面プラズモン共鳴にあっては、角周波数ωと波数ｋ（界面方向成分）の分散関係は非線形であり、入射光と振動数は変わらず、波長の減少や速度の低下が生じる。
局所プラズモン共鳴の条件は、金属微粒子の誘電率をεm、金属微粒子の周囲に存在する物質の誘電率をεdとしたとき、理想的には、
εm＋２εd＝０
で表すことができる。本開示の第１の態様に係る赤外線変換素子等あるいは本開示の第２の態様に係る赤外線変換素子等にあっては、金属微粒子の周囲に存在する物質は、金属微粒子と金属微粒子との間を埋める誘電体材料であり、本開示の第３の態様に係る赤外線変換素子等にあっては、金属微粒子の周囲に存在する物質は空気であり、あるいは又、真空である。局所プラズモン共鳴条件において、入射光は、効率良く金属微粒子に吸収され、散乱光に変換される。この際、金属微粒子の散乱断面積が大きく、吸収断面積が小さくなるように、適宜、金属微粒子を設計することにより、金属微粒子による発熱ロスを抑制することができる。尚、非共鳴状態では、金属微粒子による参照光の吸収は少なく、参照光の多くは、透過、あるいは、何らかの界面において反射し、散逸する。
εm＋２εd＝０
で表すことができる。本開示の第１の態様に係る赤外線変換素子等あるいは本開示の第２の態様に係る赤外線変換素子等にあっては、金属微粒子の周囲に存在する物質は、金属微粒子と金属微粒子との間を埋める誘電体材料であり、本開示の第３の態様に係る赤外線変換素子等にあっては、金属微粒子の周囲に存在する物質は空気であり、あるいは又、真空である。局所プラズモン共鳴条件において、入射光は、効率良く金属微粒子に吸収され、散乱光に変換される。この際、金属微粒子の散乱断面積が大きく、吸収断面積が小さくなるように、適宜、金属微粒子を設計することにより、金属微粒子による発熱ロスを抑制することができる。尚、非共鳴状態では、金属微粒子による参照光の吸収は少なく、参照光の多くは、透過、あるいは、何らかの界面において反射し、散逸する。
本開示の第１の態様に係る赤外線変換素子等において、基体と金属微粒子層と入射赤外線と光源と撮像素子アレイ部との関係は、以下のとおりである。
（ケース１）基体の第１面から赤外線が入射され、金属微粒子層は、第１面と対向する基体の第２面上に形成されており、撮像素子アレイ部及び光源は基体の第２面側に配置されている。
（ケース２）基体の第１面から赤外線が入射され、金属微粒子層は、第１面と対向する基体の第２面上に形成されており、撮像素子アレイ部は基体の第２面側に配置されており、光源は基体の第１面側に配置されている。
（ケース３）基体の第１面から赤外線が入射され、金属微粒子層は基体の第１面上に形成されており、撮像素子アレイ部及び光源は基体の第２面側に配置されている。
（ケース４）基体の第１面から赤外線が入射され、金属微粒子層は基体の第１面上に形成されており、撮像素子アレイ部は基体の第２面側に配置されており、光源は基体の第１面側に配置されている。
（ケース１）基体の第１面から赤外線が入射され、金属微粒子層は、第１面と対向する基体の第２面上に形成されており、撮像素子アレイ部及び光源は基体の第２面側に配置されている。
（ケース２）基体の第１面から赤外線が入射され、金属微粒子層は、第１面と対向する基体の第２面上に形成されており、撮像素子アレイ部は基体の第２面側に配置されており、光源は基体の第１面側に配置されている。
（ケース３）基体の第１面から赤外線が入射され、金属微粒子層は基体の第１面上に形成されており、撮像素子アレイ部及び光源は基体の第２面側に配置されている。
（ケース４）基体の第１面から赤外線が入射され、金属微粒子層は基体の第１面上に形成されており、撮像素子アレイ部は基体の第２面側に配置されており、光源は基体の第１面側に配置されている。
本開示の第１の態様に係る赤外線変換素子等において、（ケース１）の場合、基体は、波長１０μｍ前後の赤外線に対して透明であればよく、参照光は吸収しても問題はなく、基体を構成する材料として、波長１０μｍ前後の赤外線の透過率が高い各種材料（例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）やＺｎＧｅ）、 バンドギャップの広い各種半導体材料、ポリエチレン系樹脂、各種ガラス材料、各種セラミック等を挙げることができ、結晶材料から構する場合、単結晶であることが望ましく、強度が保たれる範囲で、できるだけ薄いことが望ましい。また、（ケース２）の場合、基体は、波長１０μｍ前後の赤外線、及び、波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍ程度の参照光に対して透明であればよく、基体を構成する材料として、各種ガラス材料、各種セラミックを挙げることができ、結晶材料から構する場合、単結晶であることが望ましく、強度が保たれる範囲で、できるだけ薄いことが望ましい。更には、（ケース３）及び（ケース４）の場合、基体は、波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍ程度の参照光に対して透明であればよく、赤外線は吸収しても問題はなく、基体を構成する材料として、波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍ程度の光の透過率が高い各種材料（例えば、各種ガラス材料や石英）、バンドギャップの広い各種半導体材料、絶縁体材料、有機材料材料を挙げることができ、結晶材料から構する場合、単結晶であることが望ましく、強度が保たれる範囲で、できるだけ薄いことが望ましい。また、本開示の第１の態様〜第３の態様に係る赤外線変換素子等における誘電体材料の構成材料として、赤外線の吸収による誘電率（屈折率）の変化が大きい材料を選択すればよく、具体的には、例えば、ポリアミド６６［具体的には、例えば、レオナ樹脂（登録商標）］、ＰＭＭＡ樹脂等のメタクリル系樹脂、窒化ケイ素（ＳｉＮX）、酸化珪素（ＳｉＯY）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、液晶分子、色素有機膜（色素の利得媒質）、Ｓｉ等の量子ドットを分散させた薄膜材料、赤外線カットフィルターに用いられる材料（赤外線を吸収する材料）、フォトクロミック材料等を挙げることができ、吸収対象とする赤外線の波長に合わせて、適宜、単層構造あるいは複層構造とすればよい。本開示の第１の態様に係る赤外線変換素子等における基体の構成材料と誘電体材料の構成材料とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。基体の厚さとして、１×１０-7ｍ乃至〜１×１０-6ｍを例示することができるし、誘電体材料の厚さとして、１×１０-7ｍ〜１×１０-6ｍを例示することができ、基体や誘電体材料の厚さは、基体や誘電体材料の熱容量、赤外線吸収の度合い等により、適宜、調整、決定すればよい。尚、誘電体材料は、赤外線を吸収することで誘電率（屈折率）が変化すればよく、必ずしも温度変化を伴わない材料（例えば、上述したフォトクロミック材料）から構成することもできる。
更には、本開示の第１の態様〜第３の態様に係る赤外線変換素子等における金属微粒子の構成材料として、例えば、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）等といった、局所プラズモン共鳴で用いられる種々の金属や合金を挙げることができる。規則的に配列された金属微粒子を得るためには、例えば、基体上、誘電体材料上、あるいは、誘電体膜上に、金属薄膜を物理的気相成長法（ＰＶＤ法）や化学的気相成長法（ＣＶＤ法）に基づき成膜した後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術に基づき金属薄膜をエッチングすればよいが、このような方法に限定するものではない。金属微粒子層を得るためには、誘電体材料上に金属微粒子を形成した後、誘電体材料で金属微粒子を被覆すればよい。即ち、金属微粒子を誘電体材料で挟み込めばよい。金属微粒子の形状として、柱状（円柱状あるいは角柱状）、円盤状、球状、半球状等、共鳴のし易さや作製のし易さを考慮して、適宜、設計すればよい。金属微粒子の配列パターンとして、規則的な２次元配列パターンを挙げることができ、より具体的には、正方形、正三角形、正六角形等を例示することができる。金属微粒子の２次元周期構造により、散乱光面内成分を２次元配列ナノ構造内で定在波にして閉じ込めることができ、周辺の赤外線変換素子への散乱光の漏洩を抑止することができる一方、面内での共鳴増強を図ることができる。金属微粒子の大きさは、金属微粒子を構成する金属材料、金属微粒子の周囲に存在する物質、参照光の波長等に依存するが、おおよそ、数十ｎｍ乃至百数十ｎｍのオーダーである。金属微粒子の配置間隔（金属微粒子の２次元周期配列の寸法）は、面内で金属微粒子間の散乱光による相互作用が得られるように、参照光の波長や金属微粒子を構成する材料、金属微粒子の周囲に存在する物質を考慮して、適宜、決定すればよく、金属微粒子の最隣接中心間の距離は、おおよそ参照光の波長程度のオーダーである。
赤外線を吸収する金属微粒子層や受光材料は、熱的な空間分解能を上げるために、適切な画素サイズに物理的に分割されていることが望ましい。本開示の第１の態様に係る赤外線変換素子等にあっては、金属微粒子層を半導体デバイス製造におけるリソグラフィー技術及びエッチング技術の組合せやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の製造技術に基づき、物理的に分割することができる。また、本開示の第２の態様に係る赤外線変換素子等あるいは本開示の第３の態様に係る赤外線変換素子等にあっては、金属微粒子層あるいは誘電体膜を半導体デバイス製造におけるリソグラフィー技術及びエッチング技術の組合せやＭＥＭＳの製造技術に基づき、物理的に分割することができる。赤外線変換素子の大きさ（赤外線変換素子アレイ部における１画素のサイズ）は、例えば、検出する赤外線の波長程度の大きさであることが望ましく、これによって、赤外線変換素子間の熱伝播を防ぎ、しかも、熱画像の空間分解能を向上させることができる。本開示における検出対象赤外線の波長はおおよそ１μｍ以上であり、代表的な検出波長は、熱線と呼ばれる波長１０μｍ程度の赤外線である。赤外線変換素子の大きさが小さ過ぎることは余り意味がなく、一方、赤外線変換素子の大きさが大き過ぎては空間分解能が低下してしまう。赤外線変換素子の大きさ（赤外線変換素子アレイ部における１画素のサイズ）と、撮像素子アレイ部を構成する撮像素子の大きさ（撮像素子アレイ部における１画素のサイズ）とは、同じであってもよいし、後者が前者より小さくともよい。
参照光を出射する光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ素子を挙げることができる。参照光によって赤外線変換素子アレイ部を一括して照射（照明）してもよい。即ち、赤外線変換素子アレイ部の全面を一度に、時間的に連続して、あるいは、パルス状の参照光によって照射（照明）すればよい。あるいは又、ビーム状の参照光を走査することで赤外線変換素子アレイ部を照射（照明）してもよく、これによって、散乱光強度を順次、読み取ってもよい。参照光の波長は、参照光を照射することで誘電体材料や受光材料の温度が上昇しないような波長とする必要があり、単色の光源、あるいは、青色から緑色の領域まで連続した波長スペクトルを有し、赤色より長い領域の波長を含まない光源であることが望ましく、具体的には、例えば、参照光の波長として、４００ｎｍ乃至５５０ｎｍを例示することができる。このような波長の参照光の照射では、誘電体材料の温度は殆ど上昇しないし、また、多少、誘電体材料の温度が生じても、それを含めて初期状態として局所プラズモン共鳴条件をキャリブレーションすれば、背景輻射の一部として除去され、信号検出に影響は生じない。単色の光源から出射される参照光の波長を可変とするためには、例えば、波長を電気的に連続的に変えることができるＬＥＤを用いればよい。また、連続した波長スペクトルを有する光源から出射される参照光の所望の波長を選択する波長選択手段としてカラーフィルターを挙げることができる。カラーフィルターを、例えば、回動可能な円盤状のフィルターとし、光源からの参照光が衝突し、通過する位置に依存して、通過した参照光の所望の波長が選択できるような構成、構造とすればよい。このようにして、参照光の波長変調に基づき、初期状態となる局所プラズモン共鳴を得るためのキャリブレーションを行うことができるし、また、環境温度変化（背景輻射）に対するキャリブレーションを行うことができる。光源には、赤外線カットフィルターを配してもよいし、所望の波長を通過させる一種のバンドパスフィルターを配してもよい。
赤外線変換素子アレイ部への参照光の入射角は、金属微粒子の局所プラズモン共鳴に関しては任意であり、この点で赤外線変換素子の設計自由度が大きい。これに対して、表面プラズモン共鳴を利用した赤外線変換素子では、入射角を一意に正確に決めなければならない。本開示では、光源位置や参照光入射角は、赤外線変換素子アレイ部全体を出来るだけ均一に参照光が照射（照明）するように、撮像素子アレイ部との位置関係を考慮して、適宜、決定すればよい。参照光として斜め光を用いれば、広い面積を照射できる。尚、局所プラズモン共鳴における集光効果によって、斜め光でも金属微粒子は参照光を高効率に吸収することができる。また、参照光に光強度分布が存在しても、光の振動数は一定なので、局所プラズモン共鳴を確実に生じさせることができる。各画素の検出信号をダイナミックレンジで規格化して熱画像とすれば、得られる熱画像は、参照光の光強度分布に依存しない。
反射部材は、例えば、基材、及び、基材上に形成された光反射膜から構成することができる。マイクロレンズの構成、構造は、周知の構成、構造とすればよいし、周知の材料から作製すればよい。
撮像素子アレイ部は、例えば、ＣＣＤ素子、ＣＭＯＳイメージセンサー、ＣＩＳ（Contact Image Sensor）、ＣＭＤ（Charge Modulation Device）型の信号増幅型イメージセンサーから構成することができるし、イメージセンサー以外の受光センサー（撮像管等）から構成することもできる。撮像素子アレイ部は、表面照射型の撮像素子アレイ部から構成されていてもよいし、裏面照射型の撮像素子アレイ部から構成されていてもよい。撮像素子アレイ部によって、熱画像を白黒画像として捉えることができる。即ち、局所プラズモン共鳴状態では、散乱光強度が強いので明るい画像が得られる。一方、誘電体材料あるいは受光材料の温度が上昇した部分においては局所プラズモン共鳴条件からずれるため、即ち、具体的には、εdが変化することで、εm＋２εd＝０ を満足しなくなる結果、散乱光強度が低下し、暗くなる。こうして、温度の低い所が白く、温度の高い所が黒い白黒画像を得ることができる。
本開示の撮像装置から、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラ、カムコーダ、所謂カメラ付きの携帯電話を構成することができる。撮像装置にはレンズ系が備えられていてもよい。レンズ系は、単焦点レンズとしてもよいし、所謂ズームレンズとしてもよく、レンズやレンズ系の構成、構造は、レンズやレンズ系に要求される仕様に基づき決定すればよい。撮像装置におけるレンズ系は、従来の構成を使用することができる。また、赤外線変換素子アレイ部は、熱による外乱を排除するために真空封止パッケージされていてもよい。本開示の撮像装置は、例えば、ナイトビジョン、監視カメラ、サーモ・ビューワー、車載夜間用カメラ、医療用近赤外センサー等に適用することができる。
実施例１は、本開示の第１の態様及び第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置及び撮像方法に関する。実施例１の撮像装置の概念図を図１、図２、図３及び図４に示す。
実施例１の赤外線変換素子１２１は、本開示の第１の態様に係る赤外線変換素子に則って説明すると、
（ａ）基体１２２、及び、
（ｂ）基体１２２上に形成された金属微粒子層１２３、
から構成されており、金属微粒子層１２３は、
金属微粒子１２４、及び、
金属微粒子１２４と金属微粒子１２４との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料１２５から成る。
（ａ）基体１２２、及び、
（ｂ）基体１２２上に形成された金属微粒子層１２３、
から構成されており、金属微粒子層１２３は、
金属微粒子１２４、及び、
金属微粒子１２４と金属微粒子１２４との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料１２５から成る。
また、実施例１の赤外線変換素子１２１は、本開示の第４の態様に係る赤外線変換素子に則って説明すると、赤外線の吸収による受光材料１２５の誘電率変化を、局所プラズモン共鳴に基づく散乱光強度変化として検出することで、赤外線を可視光に変換して検出する赤外線変換素子、具体的には、空間光変調型の赤外線変換素子である。
実施例１の撮像装置１１０は、本開示の第１の態様あるいは第４の態様に係る撮像装置に則って説明すると、
（Ａ）上述した実施例１の赤外線変換素子１２１が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部１２０、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部１２０へ参照光３１を照射する光源３０、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部１２０の赤外線入射側とは反対側に配置された、具体的には、赤外線変換素子アレイ部１２０と離間して配置された撮像素子アレイ部４０、
を備えている。
（Ａ）上述した実施例１の赤外線変換素子１２１が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部１２０、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部１２０へ参照光３１を照射する光源３０、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部１２０の赤外線入射側とは反対側に配置された、具体的には、赤外線変換素子アレイ部１２０と離間して配置された撮像素子アレイ部４０、
を備えている。
尚、図１に示す構成は、（ケース１）であり、基体１２２の第１面１２２Ａから赤外線が入射され、金属微粒子層１２３は、第１面１２２Ａと対向する基体１２２の第２面１２２Ｂ上に形成されており、撮像素子アレイ部４０及び光源３０は基体１２２の第２面１２２Ｂ側に配置されている。そして、参照光３１は、赤外線変換素子アレイ部１２０の赤外線入射側とは反対側から赤外線変換素子アレイ部１２０を照射（照明）する。また、図２に示す構成は、（ケース２）であり、基体１２２の第１面１２２Ａから赤外線が入射され、金属微粒子層１２３は、第１面１２２Ａと対向する基体１２２の第２面１２２Ｂ上に形成されており、撮像素子アレイ部４０は基体１２２の第２面１２２Ｂ側に配置されており、光源３０は基体１２２の第１面１２２Ａ側に配置されている。そして、参照光３１は、赤外線変換素子アレイ部１２０の赤外線入射側から赤外線変換素子アレイ部１２０を照射（照明）する。更には、図３に示す構成は、（ケース３）であり、基体１２２の第１面１２２Ａから赤外線が入射され、金属微粒子層１２３は基体１２２の第１面１２２Ａ上に形成されており、撮像素子アレイ部４０及び光源３０は基体１２２の第２面１２２Ｂ側に配置されている。そして、参照光３１は、赤外線変換素子アレイ部１２０の赤外線入射側とは反対側から赤外線変換素子アレイ部１２０を照射（照明）する。また、図４に示す構成は、（ケース４）であり、基体１２２の第１面１２２Ａから赤外線が入射され、金属微粒子層１２３は基体１２２の第１面１２２Ａ上に形成されており、撮像素子アレイ部４０は基体１２２の第２面１２２Ｂ側に配置されており、光源３０は基体１２２の第１面１２２Ａ側に配置されている。そして、参照光３１は、赤外線変換素子アレイ部１２０の赤外線入射側から赤外線変換素子アレイ部１２０を照射（照明）する。
ここで、いずれの場合においても、撮像素子アレイ部４０において得られる画像は同じである。但し、図２、図４に示す例では、参照光３１が撮像素子アレイ部４０に入射しないように、光源３０、赤外線変換素子アレイ部１２０、撮像素子アレイ部４０を配置する必要がある。また、赤外線変換素子アレイ部１２０と撮像素子アレイ部４０との間には、赤外線変換素子アレイ部１２０からの光を撮像素子アレイ部４０に結像させるための結像レンズ（図示せず）が配されている。但し、金属微粒子からの散乱光は或る程度の指向性を有するので、結像レンズを配さずとも撮像は可能である。
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例６の赤外線変換素子１２１において、基体１２２は、厚さ１μｍのゲルマニウム（Ｇｅ）から成る。また、誘電体材料１２５は、厚さ０．１μｍのポリアミド樹脂から成る。
更には、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例８の赤外線変換素子１２１，２２１，３２１において、金属微粒子１２４は、銀（Ａｇ）から成り、直径１００ｎｍ、厚さ５０ｎｍの円盤状の形状を有する。そして、金属微粒子１２４は規則的に配列されている。具体的には、正方形といった規則的な２次元配列パターンに基づき金属微粒子１２４は配列されている。金属微粒子の最隣接中心間の距離（金属微粒子の２次元周期配列の寸法）を０．３μｍとした。尚、これらの数値は、使用する参照光の波長や誘電体材料１２５に基づき決定すればよい。
また、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例８において、光源３０は、具体的には、例えば、５００ｎｍの参照光３１を出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）から成る。このような波長の参照光３１の照射では、誘電体材料１２５，２２５，３２５の温度は殆ど上昇しないし、また、多少、誘電体材料１２５，２２５，３２５の温度が生じても、後述するように、誘電体材料１２５，２２５，３２５の温度上昇を含めて初期状態として局所プラズモン共鳴条件をキャリブレーションすれば、背景輻射の一部として除去され、信号検出に影響は生じない。光源３０から出射された参照光は、例えば、コリメート系（図示せず）を透過して、赤外線変換素子アレイ部１２０を照射（照明）する。尚、上述した光源３０から出射される参照光３１の波長は、±１００ｎｍの範囲で可変である。尚、これによって、後述する実施例５〜実施例６で説明する局所プラズモン共鳴条件のキャリブレーションを容易に行うことができる。参照光３１は、原則として、撮像装置の通常の動作中、常時、赤外線変換素子アレイ部１２０を斜めから照射している。また、撮像素子アレイ部４０は、撮像素子４１が２次元マトリクス状に配列されて成り、周知のＣＣＤ素子あるいはＣＭＯＳイメージセンサーから構成されている。赤外線変換素子１２１，２２１，３２１の大きさ（赤外線変換素子アレイ部１２０，２２０，３２０における１画素のサイズ）を１０μｍとした。赤外線変換素子１２１，２２１，３２１の大きさ（赤外線変換素子アレイ部１２０，２２０，３２０における１画素のサイズ）と、撮像素子アレイ部４０を構成する撮像素子４１の大きさ（撮像素子アレイ部における１画素のサイズ）を同じとしたが、後者を前者より小さくしてもよい。参照番号１２６，２２６，３２６は、赤外線変換素子１２１，２２１，３２１を相互に分割して画素とするための分離領域を指す。
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例８における撮像方法にあっては、赤外線の吸収により誘電体材料１２５，２２５，３２５の誘電率εdが変化することに起因して、金属微粒子１２４、２２４，３２４への参照光３１の照射によって生じた金属微粒子１２４、２２４，３２４における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光３２に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部４０で検出する。あるいは又、赤外線の吸収により受光材料１２５，２２５，３２５の誘電率εdが変化することに起因して、受光材料１２５，２２５，３２５への参照光３１の照射によって生じた受光材料１２５，２２５，３２５における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光３２に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部４０で検出する。即ち、赤外線を吸収することによって、誘電体材料１２５，２２５，３２５の誘電率εdが変化する。そして、金属微粒子１２４、２２４，３２４への参照光３１の照射によって生じた金属微粒子１２４、２２４，３２４における局所プラズモン共鳴状態が、誘電体材料１２５，２２５，３２５の誘電率εdの変化に起因して、変化する。この局所プラズモン共鳴状態の変化は、散乱光３２の光強度低下を生じさせる。そして、この散乱光３２における光強度低下を、撮像素子アレイ部４０で検出する。
より具体的には、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例８の赤外線変換素子にあっては、金属微粒子１２４、２２４，３２４への参照光３１の照射によって、金属微粒子において局所プラズモン共鳴が生じる。そして、この局所プラズモン共鳴に基づき、散乱光３２が生じる。ここで、散乱光３２の振動数あるいは角周波数、は参照光３１の振動数あるいは角周波数と等しい。一方、赤外線の吸収により誘電体材料（受光材料）１２５，２２５，３２５の誘電率が変化する。図１〜図４において、赤外線変換素子アレイ部１２０に入射する赤外線強度を、便宜上、矢印の長さで示した。即ち、矢印の長さが長いほど、赤外線変換素子アレイ部１２０に入射する赤外線強度は高い。
そして、誘電体材料（受光材料）１２５，２２５，３２５の誘電率の変化に起因して、金属微粒子１２４、２２４，３２４における局所プラズモン共鳴状態が変化する。具体的には、局所プラズモン共鳴状態が変化する結果（云い換えれば、局所プラズモン共鳴状態から外れる結果、即ち、εdが変化することで、εm＋２εd＝０ を満足しなくなる結果）、散乱光３２の光強度が低下する。図１〜図４において、赤外線変換素子アレイ部１２０から出射される散乱光３２の光強度を、便宜上、矢印の長さで示した。即ち、矢印の長さが長いほど、赤外線変換素子アレイ部１２０から出射される散乱光３２の光強度は高い。
撮像素子アレイ部４０においては、このような画像を白黒画像の熱画像として捉えることができる。即ち、局所プラズモン共鳴状態では、散乱光強度が強いので、明るい画像が得られる。一方、誘電体材料あるいは受光材料の温度が上昇した部分においては局所プラズモン共鳴条件からずれるため、散乱光強度が低下し、暗くなる。こうして、温度の低い所が白く、温度の高い所が黒い白黒画像を得ることができる。
例えば、赤外線変換素子１２１1，１２１2に入射する赤外線の強度は低い。一方、赤外線変換素子１２１3，１２１4に入射する赤外線の強度は高く、赤外線変換素子１２１5に入射する赤外線の強度は中程度である。その結果、赤外線変換素子１２１1，１２１2を構成する誘電体材料（受光材料）１２５の温度はＴ1であり、そのときの誘電率はεd1である。一方、赤外線変換素子１２１3，１２１4を構成する誘電体材料（受光材料）１２５の温度はＴ3であり、そのときの誘電率はεd3であり、赤外線変換素子１２１5を構成する誘電体材料（受光材料）１２５の温度はＴ2（但し、Ｔ1＜Ｔ2＜Ｔ3とする）であり、そのときの誘電率はεd2（但し、εd1＜εd2＜εd3とする）である。その結果、赤外線変換素子１２１1，１２１2においては、局所プラズモン共鳴条件からのずれは殆ど無く、赤外線変換素子１２１5においては、局所プラズモン共鳴条件からのずれが発生し、赤外線変換素子１２１3，１２１4においては、局所プラズモン共鳴条件からの大きなずれが発生する。それ故、赤外線変換素子１２１1，１２１2からの散乱光の光強度は高く、赤外線変換素子１２１5からの散乱光の光強度は中程度であり、赤外線変換素子１２１3，１２１4からの散乱光の光強度は低い。
実施例１の赤外線変換素子１２１は、以下の方法で作製することができる。即ち、先ず、基体１２２上に、例えば、ＣＶＤ法やＰＶＤ法、塗布法、インクジェット印刷法を含む印刷法、スピンコート法等に基づき、誘電体材料１２５の一部を形成する。次いで、この誘電体材料１２５の上に、銀（Ａｇ）から成る金属薄膜を真空蒸着法等に基づき成膜した後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術に基づき金属薄膜をエッチングする。こうして、誘電体材料１２５上に、正方形といった規則的な２次元配列パターンに基づき配列された、銀から成る金属微粒子１２４を得ることができる。その後、全面に、再び、ＣＶＤ法やＰＶＤ法、塗布法、インクジェット印刷法を含む印刷法、スピンコート法等に基づき、誘電体材料１２５の残部を形成する。こうして、誘電体材料１２５で金属微粒子１２４が被覆された、即ち、金属微粒子１２４が誘電体材料１２５で挟み込まれた金属微粒子層１２３を得ることができる。尚、分割領域１２６は、誘電体材料１２５や金属微粒子１２４の形成の際にパターンニングを行うことで形成することができるし、印刷法を採用する場合には、誘電体材料１２５や金属微粒子１２４の印刷法に基づく形成の際に同時に形成することができる。
そして、こうして得られた赤外線変換素子アレイ部１２０と、光源３０と、撮像素子アレイ部４０とを、周知の方法に基づき、適切なパッケージ内に格納し、レンズ系等と共に組み立てることで、撮像装置を得ることができる。
１つの球形の金属微粒子が空気中に置かれたと仮定したときの、参照光の波長λをパラメータとして、金属微粒子の散乱効率Ｑsca及び吸収効率Ｑabsをシミュレーションした結果を、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂに示す。尚、各図の横軸は参照光の波長λ（単位：ｎｍ）であり、縦軸は散乱効率Ｑsca及び吸収効率Ｑabsの値である。図５Ａは、金属微粒子が直径１００ｎｍの銀（Ａｇ）から成る場合の結果であり、図５Ｂは、金属微粒子が直径２０ｎｍの銀（Ａｇ）から成る場合の結果である。また、図６Ａは、金属微粒子が直径１００ｎｍの金（Ａｕ）から成る場合の結果であり、図６Ｂは、金属微粒子が直径２０ｎｍの金（Ａｕ）から成る場合の結果である。ここで、散乱効率Ｑsca及び吸収効率Ｑabsは、それぞれ、散乱断面積及び吸収断面積を金属微粒子の断面積で除した値である。吸収効率Ｑabsの値が高いことは、参照光の照射によって金属微粒子は多く発熱することを意味する。従って、吸収効率Ｑabsよりも散乱効率Ｑscaの方が高い値であることが好ましい。図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂにおける曲線「Ａ」は散乱効率Ｑscaを示し、曲線「Ｂ」は吸収効率Ｑabsを示す。図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂに示したシミュレーション結果からは、金属微粒子が直径１００ｎｍの銀（Ａｇ）から成る場合が最も好ましいことが判る。吸収効率Ｑabsのピーク値が得られる参照光の波長λabsと、散乱効率Ｑscaのピーク値が得られる参照光の波長λscaとが異なることで、熱損失の発生を防ぐことができる。
また、１つの球形の金属微粒子（直径１００ｎｍの銀から成る）が誘電体材料（屈折率ｎd＝２．０及び２．１）中に置かれたと仮定したときの、参照光の波長λをパラメータとした金属微粒子の散乱効率Ｑscaをシミュレーションした結果を、図７Ａ（屈折率ｎd＝２．０）、及び、図７Ｂ（屈折率ｎd＝２．１）に示す。
屈折率ｎd＝２．０にあっては、散乱効率Ｑscaのピーク値が得られる参照光の波長λscaは以下のとおりである。
λsca ＝５００ｎｍ
Ｑscaのピーク値＝７．２０５７
λsca ＝５００ｎｍ
Ｑscaのピーク値＝７．２０５７
一方、屈折率ｎd＝２．１にあっては、散乱効率Ｑscaのピーク値が得られる参照光の波長λscaは以下のとおりである。また、参照光の波長λ＝５００ｎｍにおける散乱効率Ｑsca’は以下のとおりである。
λsca ＝５０８．９ｎｍ
Ｑsca’＝６．０４５９７
λsca ＝５０８．９ｎｍ
Ｑsca’＝６．０４５９７
また、このような屈折率ｎdの変化に基づく散乱効率Ｑscaの変化を重ね合わせた模式的に図８に示す。図８において、曲線Ａは、或る赤外線変換素子における誘電体材料の温度がＴ1であり、屈折率はｎd-1であり、参照光の波長λ0において、局所プラズモン共鳴状態の場合を示している。一方、曲線Ｂは、別の赤外線変換素子における誘電体材料の温度がＴ2（＞Ｔ1）であり、屈折率はｎd-2（≠ｎd-1）であり、参照光の波長λ0において、局所プラズモン共鳴状態から外れた場合を示している。矢印の長さは散乱光の光強度の変化量を示す。
局所プラズモン共鳴における集光効果によって、斜め光でも金属微粒子は参照光を高効率に吸収することができる。１つの球形の金属微粒子が、どの程度の集光能力を有するかを調べた。これは、消光断面積（Ｃext＝Ｃabs＋Ｃsca）を求めることと等価であり、具体的には、ガウス分布状に広がる金属微粒子の吸光度分布（但し、金属微粒子の直上で最大値をとる）を、高さ（最大吸光度）１．０の円柱で置き換えた場合の円柱断面積として求めた。概念図を図９に示す。銀から成る金属微粒子に対して、参照光の波長におけるＣextをミー散乱を考慮して計算した。金属微粒子は真空に置かれているとしている。Ｃextを半径に換算すると以下のとおりであり、金属微粒子径の２倍強となる。尚、図９における曲線はポインティング・ベクトル（光のエネルギーの流れ）を示し、入射光及び散乱光が含まれる。
金属微粒子の半径 Ｃext 半径換算
１０ｎｍ ０．０１５μｍ2 ２２ｎｍ
１００ｎｍ ０．１８μｍ2 ２４０ｎｍ
１０ｎｍ ０．０１５μｍ2 ２２ｎｍ
１００ｎｍ ０．１８μｍ2 ２４０ｎｍ
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例８の赤外線変換素子、撮像装置、撮像方法にあっては、赤外線変換素子の冷却が不要であり、また、電気的ではなく、純粋に光学的に赤外線（熱線）を空間光変調することで検出することができるが故に、簡素な構成、構造であるにも拘わらず、高い空間分解能を有し、極めて小さな温度差（例えば、赤外線変換素子間で、５×１０-3°Ｋ程度の温度差）を検出可能な赤外線変換素子を提供することができる。尚、小さな温度差の検出は、赤外線変換素子のサイズを大きくすれば、より鋭敏に、より小さな温度差の検出が可能となる。また、係る赤外線変換素子を組み込んだ、背景輻射の影響を受けず、大きなＳ／Ｎ比を有し、画素毎のキャリブレーションが不要であり、大容量メモリが不要であり、しかも、画像の途切れがない、小型、軽量、省電力、安価な撮像装置、及び、係る撮像装置を用いた撮像方法を提供することができる。しかも、局所プラズモン共鳴を利用するので、プラズモンの表面伝搬がなく、表面プラズモン共鳴利用の空間光変調型よりも高い空間分解能を達成することができる。更には、プリズム等の光学部品が不要であるし、参照光の入射角に制限がなく、設計自由度が大きい。しかも、電気的ではなく、純粋に光学的に赤外線（熱線）を空間光変調することで検出することができるが故に、配線を通じての熱拡散（散逸）が生じ難く、より微小な温度変化を検出することができるし、応答が速い。
実施例２は、実施例１の変形である。実施例１にあっては、参照光の波長を可変とした。一方、実施例２にあっては、光源３０と赤外線変換素子アレイ部１２０との間に、参照光３１の波長を選択する波長選択手段３３が配されている。具体的には、図１０に実施例２の撮像装置の概念図を示すように、波長選択手段３３は、カラーフィルターから構成されている。カラーフィルターは、例えば、回動可能な円盤状のフィルターであり、光源からの参照光が衝突し、通過する位置に依存して、通過した参照光の波長を連続的に変えることのできるフィルター材料から成る。これによっても、後述する実施例５〜実施例６で説明する局所プラズモン共鳴条件のキャリブレーションを容易に行うことができる。
実施例３は、実施例１〜実施例２の変形である。実施例３にあっては、図１１Ａに撮像装置の概念図を示すように、各赤外線変換素子の赤外線入射側には、マイクロレンズ５１が設けられている。これによって、各赤外線変換素子へ赤外線を効果的に集光することができる。マイクロレンズ５１の構成、構造は、周知の構成、構造とすればよいし、周知の材料から作製すればよい。
実施例４は、実施例１〜実施例３の変形である。実施例４にあっては、図１１Ｂに撮像装置の概念図を示すように、各赤外線変換素子の赤外線入射側には、散乱光を金属微粒子層側あるいは受光材料側に反射させる反射部材５２が設けられている。尚、図１１Ｂに示す例は、実施例３の撮像装置の変形例である。反射部材５２は、基材５３、及び、基材５３上に形成された光反射膜５４から構成されている。このような反射部材５２は、例えば、周知のＭＥＭＳの製造技術を用いることで製造することができる。
実施例５は、実施例１〜実施例４の変形である。撮像装置を使用している間に、種々の要因により、局所プラズモン共鳴状態が得られる参照光の波長λ0が変化し、あるいは、ずれてくる場合がある。このような場合には、局所プラズモン共鳴を得るためのキャリブレーションを行う必要がある。それ故、実施例５の撮像装置は、散乱光の光強度検出校正のための遮光機構を備えている。キャリブレーションは、例えば、撮像装置の電源投入時に行えばよい。
具体的には、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ、図１３Ｂに撮像装置の概念図を示すように、遮光機構は、誘電体材料（受光材料）１２５，２２５，３２５への赤外線の入射を制御するシャッター機構６１から成る。シャッター機構６１は、周知のシャッター機構から構成すればよい。尚、図１３Ａに撮像装置の概念図を示すように、更に、第２シャッター機構６２を、赤外線変換素子アレイ部１２０と撮像素子アレイ部４０の間に配してもよいし、光源３０の近傍に配してもよい。シャッター機構６１，６２は、機械的に作動させられてもよいし、電気的に作動させられてもよい。また、シャッター機構６１をレンズキャップで代用することもできる。
背景輻射等と散乱光の光強度と出力信号の強度の関係を説明する図を、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１９Ａ及び図１９Ｂに示す。
図１２Ａに示すように、参照光３１の赤外線変換素子アレイ部１２０への照射を中断した状態とし、併せて、シャッター機構６１を閉じて、赤外線の赤外線変換素子アレイ部１２０への入射を妨げた状態とする。あるいは又、図１３Ａに示すように、参照光３１の照射を行いながら、シャッター機構６１，６２を閉じて、赤外線の赤外線変換素子アレイ部１２０への入射、参照光による赤外線変換素子アレイ部１２０の照射（照明）を妨げた状態とする。そして、これらの状態で、撮像素子アレイ部４０によって画像を得る。このとき得られる画像を、便宜上、『光学的黒画像』と呼ぶ。ここで、これらの状態で得られた撮像素子アレイ部４０における光強度ＩBは、背景輻射及び環境温度といった外部環境に基づく光強度である（図１８Ａ及び図１９Ａ参照）。
次に、図１２Ｂあるいは図１３Ｂに示すように、シャッター機構６１を閉じて、赤外線の赤外線変換素子アレイ部１２０への入射を妨げた状態で、参照光３１の赤外線変換素子アレイ部１２０への照射（照明）を行う。そして、この状態で、撮像素子アレイ部４０によって画像を得る。このとき得られる画像を、便宜上、『光学的白画像』と呼ぶ。ここで、この状態で得られた撮像素子アレイ部４０における光強度ＩWは、背景輻射及び環境温度といった外部環境に基づく光強度と、赤外線変換素子アレイ部１２０から出射される散乱光３２の光強度との合計である（図１８Ｂ及び図１９Ｂ参照）。従って、（ＩW−ＩB）の値は、背景輻射及び環境温度といった外部環境の影響を受けない値である。尚、赤外線変換素子１２１毎に（ＩW−ＩB）の値は異なる可能性がある（図１９Ａ参照）。
そして、参照光の波長λを変えて、（ＩW−ＩB）の値を求める。（ＩW−ＩB）の値が最大となるときの参照光の波長λmaxが、局所プラズモン共鳴状態が得られる参照光の波長λ0である。こうして、局所プラズモン共鳴を得るためのキャリブレーションを行うことができる。
また、或る赤外線変換素子において、局所プラズモン共鳴状態が得られる参照光の波長λ0におけるＩmax（＝ＩW−ＩB）の値が、その赤外線変換素子のダイナミックレンジに相当する。全ての赤外線変換素子においてダイナミックレンジがほぼ同じである場合もあるし（図１８Ａ参照）、各赤外線変換素子によってダイナミックレンジが異なっている場合もある（図１９Ａ参照）。Ｉmaxの値は、各赤外線変換素子の製造ばらつきだけでなく、経時変化によっても変わるし、参照光の照射状態、環境温度等、種々の要因によって変わる。しかしながら、各赤外線変換素子において、Ｉmax，ＩW，ＩBの値を求めておけば、各赤外線変換素子に対応する撮像素子において得られた光強度Ｉに基づく信号強度Ｓを得ることができる。尚、Ｉmax（＝ＩW−ＩB）に対応する信号強度をＳmaxとする。
Ｓ＝（Ｉ／Ｉmax）×Ｓmax
以上のとおり、背景輻射等が一定でなくとも、また、赤外線変換素子アレイ部１２０における参照光による照明状態が均一でなくとも、入射した赤外線の強度に対応した信号強度を正確に求めることができる。即ち、各画素の検出信号をダイナミックレンジで規格化して熱画像とすれば、得られる熱画像は参照光の光強度分布等に依存しない。また、ＩWの値は参照光の光強度に依存するので、参照光の光強度を高強度とすることで、ダイナミックレンジの拡大を容易に図ることができる。尚、熱画像の形成においては、図１８Ｂ、図１９Ｂに矢印Ａで示すＩWとの差を信号強度としてもよいし、図１８Ｂ、図１９Ｂに矢印Ｂで示すＩBとの差を信号強度としてもよい。
実施例６は、実施例５の変形であり、参照光３１の照射下でも随時、光学的黒画像（光強度ＩB）を得ることが可能である。実施例６にあっては、図１４Ａ、図１４Ｂ、図１５Ａ、図１５Ｂに示すように、赤外線変換素子アレイ部１２０は、赤外線検出領域１２０Ａ、及び、散乱光の光強度検出校正のための校正領域１２０Ｂを備えている。そして、校正領域には、赤外線の入射を妨げる遮光膜１２７Ａ，１２７Ｂ，１２７Ｃ，１２７Ｄが形成されており、赤外線検出領域１２０Ａと校正領域１２０Ｂの境界領域には、遮光部材１２８Ａ，１２８Ｂ，１２８Ｃ，１２８Ｄが、適切な方法に基づき、配置されている。例えば、校正領域１２０Ｂは、赤外線検出領域１２０Ａを取り囲むように、赤外線変換素子アレイ部１２０の外縁部に配されている。
図１４Ａに示す例において、校正領域１２０Ｂは、１又は複数の赤外線変換素子１２１6から構成されている。そして、赤外線変換素子１２１6に対応する赤外線入射側の基体１２２の部分には、赤外線の入射を遮る遮光膜１２７Ａが形成されている。また、赤外線検出領域１２０Ａと校正領域１２０Ｂの境界領域には、赤外線検出領域１２０Ａ中の金属ナノ粒子からの散乱光等が校正領域１２０Ｂに対向する撮像素子に入射しないように、適切な方法に基づき、遮光部材１２８Ａが配置されている。尚、遮光部材１２８Ａは、参照光３１が校正領域１２０Ｂを照射することを妨げない。図１４Ａに示す例においては、光学的白画像（光強度ＩW）が得られる。
図１４Ｂに示す例において、校正領域１２０Ｂは、１又は複数の赤外線変換素子１２１7から構成されている。そして、赤外線変換素子１２１7に対応する赤外線入射側の基体１２２の部分には、赤外線の入射を遮る遮光膜１２７Ｂが形成されている。また、赤外線検出領域１２０Ａと校正領域１２０Ｂの境界領域には、参照光３１が、校正領域１２０Ｂに入射しないように、適切な方法に基づき、遮光部材１２８Ｂが配置されている。尚、参照光３１が、遮光部材１２８Ｂで反射して撮像素子アレイ部４０に入射しないように、参照光束の絞りや入射角度が設定されている。図１４Ｂに示す例においては、光学的黒画像（光強度ＩB）が得られる。
図１５Ａに示す例において、校正領域１２０Ｂは、１又は複数の赤外線変換素子１２１8から構成されている。そして、赤外線変換素子１２１8に対応する赤外線入射側の基体１２２の部分には、赤外線及び参照光３１の入射を遮る遮光膜１２７Ｃが形成されている。また、赤外線検出領域１２０Ａと校正領域１２０Ｂの境界領域には、赤外線検出領域１２０Ａ中の金属ナノ粒子からの散乱光等が校正領域１２０Ｂに対向する撮像素子に入射しないように、適切な方法に基づき、遮光部材１２８Ｃが配置されている。図１５Ａに示す例においては、光学的黒画像（光強度ＩB）が得られる。
図１５Ｂに示す例において、校正領域１２０Ｂは、１又は複数の赤外線変換素子１２１9から構成されている。そして、赤外線変換素子１２１9に対応する赤外線入射側の基体１２２の部分の上方には、赤外線の入射を遮る遮光膜１２７Ｄが形成されている。参照光３１が校正領域１２０Ｂに入射するように、遮光膜１２７Ｄは、基体１２２に対して適当な距離を置いて配置されている。また、赤外線検出領域１２０Ａと校正領域１２０Ｂの境界領域には、赤外線検出領域１２０Ａ中の金属ナノ粒子からの散乱光等が校正領域１２０Ｂに対向する撮像素子に入射しないように、適切な方法に基づき、遮光部材１２８Ｄが配置されている。尚、遮光部材１２８Ｄは、赤外線検出領域１２０Ａを通過した参照光３１が遮光部材１２８Ｄで反射して撮像素子アレイ部４０に入射しないように、適当な高さとされており、透過した参照光３１を通過させている。図１５Ｂに示す例においては、光学的黒画像（光強度ＩB）が得られる。
実施例７は、本開示の第２の態様及び第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置及び撮像方法に関する。実施例７の撮像装置の概念図を図１６に示す。
実施例７の赤外線変換素子２２１は、本開示の第２の態様に係る赤外線変換素子に則って説明すると、金属微粒子２２４、及び、金属微粒子２２４と金属微粒子２２４との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料２２５から成る金属微粒子層２２３から構成されている。
また、実施例７の赤外線変換素子２２１は、本開示の第４の態様に係る赤外線変換素子に則って説明すると、赤外線の吸収による受光材料２２５の誘電率変化を、局所プラズモン共鳴に基づく散乱光強度変化として検出することで、赤外線を可視光に変換して検出する赤外線変換素子、具体的には、空間光変調型の赤外線変換素子である。
更には、実施例７の撮像装置２１０は、本開示の第２の態様あるいは第４の態様に係る撮像装置に則って説明すると、
（Ａ）上述した実施例７の赤外線変換素子２２１が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部２２０、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部１２０へ参照光３１を照射する光源３０、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部２２０の赤外線入射側とは反対側に配置された、具体的には、赤外線変換素子アレイ部２２０と離間して配置された撮像素子アレイ部４０、
を備えている。
（Ａ）上述した実施例７の赤外線変換素子２２１が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部２２０、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部１２０へ参照光３１を照射する光源３０、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部２２０の赤外線入射側とは反対側に配置された、具体的には、赤外線変換素子アレイ部２２０と離間して配置された撮像素子アレイ部４０、
を備えている。
実施例７の赤外線変換素子２２１は、基体１２２を省略した点を除き、実質的に、実施例１〜実施例６の赤外線変換素子１２１と同様の構成、構造とすることができるし、実施例７の撮像装置も、赤外線変換素子の構成、構造が若干異なる点を除き、実施例１〜実施例６の撮像装置と同様の構成、構造とすることができるので、詳細な説明は省略する。尚、基体１２２無しでも、分離領域２２６を熱伝導性が小さい固体材料から構成して誘電体材料２２５と一体化すれば、実施例７の赤外線変換素子２２１を製造することが可能である。
実施例８は、本開示の第３の態様及び第４の態様に係る赤外線変換素子、撮像装置及び撮像方法に関する。実施例８の撮像装置の概念図を図１７に示す。
実施例８の赤外線変換素子３２１は、本開示の第３の態様に係る赤外線変換素子に則って説明すると、
誘電体材料３２５から成り、第１面３２５Ａから入射した赤外線を吸収する誘電体膜３２５、並びに、
第１面３２５Ａと対向する誘電体膜３２５の第２面３２５Ｂに配された複数の金属微粒子３２４、
から構成されている。尚、複数の金属微粒子３２４は、誘電体膜３２５の第２面３２５Ｂに部分的に埋め込まれていてもよい。
誘電体材料３２５から成り、第１面３２５Ａから入射した赤外線を吸収する誘電体膜３２５、並びに、
第１面３２５Ａと対向する誘電体膜３２５の第２面３２５Ｂに配された複数の金属微粒子３２４、
から構成されている。尚、複数の金属微粒子３２４は、誘電体膜３２５の第２面３２５Ｂに部分的に埋め込まれていてもよい。
また、実施例８の赤外線変換素子３２１は、本開示の第４の態様に係る赤外線変換素子に則って説明すると、赤外線の吸収による受光材料３２５の誘電率変化を、局所プラズモン共鳴に基づく散乱光強度変化として検出することで、赤外線を可視光に変換して検出する赤外線変換素子、具体的には、空間光変調型の赤外線変換素子である。
更には、実施例８の撮像装置３１０は、本開示の第３の態様あるいは第４の態様に係る撮像装置に則って説明すると、
（Ａ）上述した実施例８の赤外線変換素子３２１が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部３２０、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部１２０へ参照光３１を照射する光源３０、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部３２０の赤外線入射側とは反対側に配置された、具体的には、赤外線変換素子アレイ部３２０と離間して配置された撮像素子アレイ部４０、
を備えている。
（Ａ）上述した実施例８の赤外線変換素子３２１が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部３２０、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部１２０へ参照光３１を照射する光源３０、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部３２０の赤外線入射側とは反対側に配置された、具体的には、赤外線変換素子アレイ部３２０と離間して配置された撮像素子アレイ部４０、
を備えている。
実施例８の赤外線変換素子３２１は、基体１２２を省略した点、及び、誘電体膜３２５の第２面３２５Ｂに複数の金属微粒子３２４を形成する点を除き、実質的に、実施例１〜実施例６の赤外線変換素子１２１と同様の構成、構造とすることができるし、実施例８の撮像装置も、赤外線変換素子の構成、構造が若干異なる点を除き、実施例１〜実施例６の撮像装置と同様の構成、構造とすることができるので、詳細な説明は省略する。尚、赤外線変換素子アレイ部３２０は、熱による外乱を排除するために真空封止パッケージ化されていることが好ましい。尚、基体１２２無しでも、分離領域３２６を熱伝導性が小さい固体材料から構成して誘電体膜３２５と一体化すれば、実施例８の赤外線変換素子３２１を製造することが可能である。
以上、本開示を好ましい実施例に基づき説明したが、本開示はこれらの実施例に限定するものではない。実施例において、参照光は、赤外線変換素子アレイ部を一括して、連続して照射（照明）しているとして説明を行ったが、これに限定するものではなく、パルス状の参照光によって赤外線変換素子アレイ部を照射（照明）してもよいし、あるいは又、光源を半導体レーザ素子から構成し、ビーム状の参照光を走査することで赤外線変換素子アレイ部を照射（照明）してもよく、これによって、散乱光強度を順次、読み取ってもよい。実施例１〜実施例８における赤外線変換素子アレイ部を、熱による外乱を排除するために、真空封止パッケージ化してもよいし、赤外線変換素子アレイ部、撮像素子、参照光源まで含めて、真空封止パッケージ化してもよい。
撮像装置の電源投入時、参照光を赤外線変換素子アレイ部１２０，２２０，３２０に照射すること得られた撮像素子アレイ部４０による画像が光学的白画像となるように、キャリブレーションを行ってもよい。
また、従来の可視光に基づき画像を撮像する赤色撮像素子、緑色撮像素子及び青色撮像素子と、赤外線変換素子とを、例えば、ベイヤ配置とすることで、カラー画像と熱画像とを撮像する構成とすることもできる。あるいは又、従来の可視光に基づき画像を撮像する赤色撮像素子、緑色撮像素子及び青色撮像素子の２次元配列中に、適宜、一種、間引き状態で、赤外線変換素子を配置とすることで、カラー画像と熱画像とを撮像する構成とすることもできる。あるいは又、通常の撮像装置のオンチップマイクロレンズの上方に、赤外線変換素子アレイ部を配置してもよく、この場合には、赤外線変換素子アレイ部における赤外線変換素子を、一種、間引き状態とし、通常の撮像装置の画素数の例えば１０％の画素数から赤外線変換素子アレイ部を構成すればよいし、参照光は、図２に示したように上方から照射すればよい。また、例えば、マイクロＬＥＤを光源として用いて、ピンポイントにて赤外線変換素子に参照光を照射してもよい。
実施例１の撮像装置における赤外線変換素子の変形例の部分的な概念図を図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、基体１２２をメッシュ材料から構成することもできるし、図２１Ａに示すように、基体１２２をワイヤ材料から構成することもできる。尚、メッシュ材料やワイヤ材料は、図示しない領域において、保持部に保持されている。これらの場合、メッシュ材料あるいはワイヤ材料の太さ及び間隔は、赤外線変換素子の大きさ及び分離領域の幅に合わせて、適宜、設計すればよい。メッシュ材料あるいはワイヤ材料と金属微粒子層の接触面積は、出来るだけ小さいことが望ましい。メッシュ材料あるいはワイヤ材料は、強度を保持できれば、光学的には如何なる材料を用いることもできるが、メッシュ材料あるいはワイヤ材料の厚さは出来る限り薄いことが望ましい。また、金属微粒子層は基体上に形成されているが、図２１Ｂに実施例１の撮像装置における赤外線変換素子の別の変形例の部分的な概念図を示すように、金属微粒子層が基体の上方に形成されている構成も包含される。具体的には、金属微粒子層は、保持部材１２９によって基体の上方に保持されている。このような構造は、ＭＥＭＳの製造技術に基づき製造することができる。
尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
［１］《赤外線変換素子：第１の態様》
基体、及び、基体上に形成された金属微粒子層から構成されており、
金属微粒子層は、金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る赤外線変換素子。
［２］《赤外線変換素子：第２の態様》
金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る金属微粒子層から構成された赤外線変換素子。
［３］《赤外線変換素子：第３の態様》
誘電体材料から成り、第１面から入射した赤外線を吸収する誘電体膜、並びに、
第１面と対向する誘電体膜の第２面に配された複数の金属微粒子、
から構成された赤外線変換素子。
［４］《赤外線変換素子：第４の態様》
赤外線の吸収による受光材料の誘電率変化を、局所プラズモン共鳴に基づく散乱光強度変化として検出することで、赤外線を可視光に変換して検出する赤外線変換素子。
［５］金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴に基づき、散乱光が生じる［１］乃至［３］のいずれか１項に記載の赤外線変換素子。
［６］赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化する［５］に記載の赤外線変換素子。
［７］局所プラズモン共鳴状態が変化することで、散乱光の光強度が低下する［６］に記載の赤外線変換素子。
［８］参照光は可視光であり、散乱光の振動数は参照光の振動数と等しい［５］乃至［７］のいずれか１項に記載の赤外線変換素子。
［９］参照光の波長は可変である［８］に記載の赤外線変換素子。
［１０］金属微粒子は規則的に配列されている［１］乃至［９］のいずれか１項に記載の赤外線変換素子。
［１１］《撮像装置：第１の態様》
（Ａ）基体、及び、基体上に形成された金属微粒子層から構成された赤外線変換素子であって、金属微粒子層は、金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置。
［１２］《撮像装置：第２の態様》
（Ａ）金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る金属微粒子層から構成された赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置。
［１３］《撮像装置：第３の態様》
（Ａ）誘電体材料から成り、第１面から入射した赤外線を吸収する誘電体膜、並びに、
第１面と対向する誘電体膜の第２面に配された複数の金属微粒子、
から構成された赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置。
［１４］《撮像装置：第４の態様》
（Ａ）赤外線の吸収による受光材料の誘電率変化を、局所プラズモン共鳴に基づく散乱光強度変化として検出することで、赤外線を可視光に変換して検出する赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置。
［１５］金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴に基づき散乱光が生じる［１１］乃至［１３］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［１６］赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化する［１５］に記載の撮像装置。
［１７］局所プラズモン共鳴状態が変化することで、散乱光の光強度が低下する［１５］又は［１６］に記載の撮像装置。
［１８］参照光は可視光であり、散乱光の振動数は参照光の振動数と等しい［１１］乃至［１７］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［１９］参照光の波長は可変である［１８］に記載の撮像装置。
［２０］光源と金属微粒子層との間に、参照光の波長を選択する波長選択手段が配されている［１１］乃至［１９］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［２１］金属微粒子は規則的に配列されている［１１］乃至［２０］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［２２］散乱光の光強度検出校正のための遮光機構を備えている［１１］乃至［２１］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［２３］遮光機構は、誘電体材料への赤外線の入射を制御するシャッター機構から成る［２２］に記載の撮像装置。
［２４］赤外線変換素子アレイ部は、赤外線検出領域、及び、散乱光の光強度検出校正のための校正領域を備えている［１１］乃至［２３］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［２５］校正領域には、赤外線の入射を妨げる遮光膜が形成されており、
赤外線検出領域と校正領域の境界領域には、遮光部材が配置されている［２４］に記載の撮像装置。
［２６］各赤外線変換素子の赤外線入射側には、散乱光を金属微粒子層側に反射する反射部材が設けられている［１１］乃至［２５］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［２７］各赤外線変換素子の赤外線入射側には、マイクロレンズが設けられている［１１］乃至［２６］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［２８］《撮像方法：第１の態様》
（Ａ）基体、及び、基体上に形成された金属微粒子層から構成された赤外線変換素子であって、金属微粒子層は、金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置を用いた撮像方法であって、
赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部で検出する撮像方法。
［２９］《撮像方法：第２の態様》
（Ａ）金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る金属微粒子層から構成された赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置を用いた撮像方法であって、
赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部で検出する撮像方法。
［３０］《撮像方法：第３の態様》
（Ａ）誘電体材料から成り、第１面から入射した赤外線を吸収する誘電体膜、並びに、
第１面と対向する誘電体膜の第２面に配された複数の金属微粒子、
から構成された赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置を用いた撮像方法であって、
赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部で検出する撮像方法。
［３１］《撮像方法：第４の態様》
（Ａ）赤外線の吸収による受光材料の誘電率変化を、局所プラズモン共鳴に基づく散乱光強度変化として検出することで、赤外線を可視光に変換して検出する赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置を用いた撮像方法であって、
赤外線の吸収により受光材料の誘電率が変化することに起因して、受光材料への参照光の照射によって生じた受光材料における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部で検出する撮像方法。
［１］《赤外線変換素子：第１の態様》
基体、及び、基体上に形成された金属微粒子層から構成されており、
金属微粒子層は、金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る赤外線変換素子。
［２］《赤外線変換素子：第２の態様》
金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る金属微粒子層から構成された赤外線変換素子。
［３］《赤外線変換素子：第３の態様》
誘電体材料から成り、第１面から入射した赤外線を吸収する誘電体膜、並びに、
第１面と対向する誘電体膜の第２面に配された複数の金属微粒子、
から構成された赤外線変換素子。
［４］《赤外線変換素子：第４の態様》
赤外線の吸収による受光材料の誘電率変化を、局所プラズモン共鳴に基づく散乱光強度変化として検出することで、赤外線を可視光に変換して検出する赤外線変換素子。
［５］金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴に基づき、散乱光が生じる［１］乃至［３］のいずれか１項に記載の赤外線変換素子。
［６］赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化する［５］に記載の赤外線変換素子。
［７］局所プラズモン共鳴状態が変化することで、散乱光の光強度が低下する［６］に記載の赤外線変換素子。
［８］参照光は可視光であり、散乱光の振動数は参照光の振動数と等しい［５］乃至［７］のいずれか１項に記載の赤外線変換素子。
［９］参照光の波長は可変である［８］に記載の赤外線変換素子。
［１０］金属微粒子は規則的に配列されている［１］乃至［９］のいずれか１項に記載の赤外線変換素子。
［１１］《撮像装置：第１の態様》
（Ａ）基体、及び、基体上に形成された金属微粒子層から構成された赤外線変換素子であって、金属微粒子層は、金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置。
［１２］《撮像装置：第２の態様》
（Ａ）金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る金属微粒子層から構成された赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置。
［１３］《撮像装置：第３の態様》
（Ａ）誘電体材料から成り、第１面から入射した赤外線を吸収する誘電体膜、並びに、
第１面と対向する誘電体膜の第２面に配された複数の金属微粒子、
から構成された赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置。
［１４］《撮像装置：第４の態様》
（Ａ）赤外線の吸収による受光材料の誘電率変化を、局所プラズモン共鳴に基づく散乱光強度変化として検出することで、赤外線を可視光に変換して検出する赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置。
［１５］金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴に基づき散乱光が生じる［１１］乃至［１３］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［１６］赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化する［１５］に記載の撮像装置。
［１７］局所プラズモン共鳴状態が変化することで、散乱光の光強度が低下する［１５］又は［１６］に記載の撮像装置。
［１８］参照光は可視光であり、散乱光の振動数は参照光の振動数と等しい［１１］乃至［１７］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［１９］参照光の波長は可変である［１８］に記載の撮像装置。
［２０］光源と金属微粒子層との間に、参照光の波長を選択する波長選択手段が配されている［１１］乃至［１９］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［２１］金属微粒子は規則的に配列されている［１１］乃至［２０］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［２２］散乱光の光強度検出校正のための遮光機構を備えている［１１］乃至［２１］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［２３］遮光機構は、誘電体材料への赤外線の入射を制御するシャッター機構から成る［２２］に記載の撮像装置。
［２４］赤外線変換素子アレイ部は、赤外線検出領域、及び、散乱光の光強度検出校正のための校正領域を備えている［１１］乃至［２３］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［２５］校正領域には、赤外線の入射を妨げる遮光膜が形成されており、
赤外線検出領域と校正領域の境界領域には、遮光部材が配置されている［２４］に記載の撮像装置。
［２６］各赤外線変換素子の赤外線入射側には、散乱光を金属微粒子層側に反射する反射部材が設けられている［１１］乃至［２５］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［２７］各赤外線変換素子の赤外線入射側には、マイクロレンズが設けられている［１１］乃至［２６］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［２８］《撮像方法：第１の態様》
（Ａ）基体、及び、基体上に形成された金属微粒子層から構成された赤外線変換素子であって、金属微粒子層は、金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置を用いた撮像方法であって、
赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部で検出する撮像方法。
［２９］《撮像方法：第２の態様》
（Ａ）金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る金属微粒子層から構成された赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置を用いた撮像方法であって、
赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部で検出する撮像方法。
［３０］《撮像方法：第３の態様》
（Ａ）誘電体材料から成り、第１面から入射した赤外線を吸収する誘電体膜、並びに、
第１面と対向する誘電体膜の第２面に配された複数の金属微粒子、
から構成された赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置を用いた撮像方法であって、
赤外線の吸収により誘電体材料の誘電率が変化することに起因して、金属微粒子への参照光の照射によって生じた金属微粒子における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部で検出する撮像方法。
［３１］《撮像方法：第４の態様》
（Ａ）赤外線の吸収による受光材料の誘電率変化を、局所プラズモン共鳴に基づく散乱光強度変化として検出することで、赤外線を可視光に変換して検出する赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置を用いた撮像方法であって、
赤外線の吸収により受光材料の誘電率が変化することに起因して、受光材料への参照光の照射によって生じた受光材料における局所プラズモン共鳴状態が変化することで散乱光に生じる光強度低下を撮像素子アレイ部で検出する撮像方法。
１１０，２１０，３１０・・・撮像装置、１２０，２２０，３２０・・・赤外線変換素子アレイ部、１２０Ａ・・・赤外線検出領域、１２０Ｂ・・・校正領域、１２１，１２１1，１２１2，１２１3，１２１4，１２１5，１２１6，１２１7，１２１8，１２１9，２２１，３２１・・・赤外線変換素子、１２２・・・基体、１２２Ａ・・・基体の第１面、１２２Ｂ・・・基体の第２面、１２３・・・金属微粒子層、１２４、２２４，３２４・・・金属微粒子、１２５，２２５，３２５・・・誘電体材料（受光材料）、３２５・・・誘電体膜、３２５Ａ・・・誘電体膜の第１面、３２５Ｂ・・・誘電体膜の第２面、１２６，２２６，３２６・・・分離領域、１２７Ａ，１２７Ｂ，１２７Ｃ，１２７Ｄ・・・遮光膜、１２８Ａ，１２８Ｂ，１２８Ｃ，１２８Ｄ・・・遮光部材、１２９・・・保持部材、３０・・・光源、３１・・・参照光、３２・・・散乱光、４０・・・撮像素子アレイ部、４１・・・撮像素子、５１・・・マイクロレンズ、５２・・・反射部材、５３・・・基材、５４・・・光反射膜、６１・・・シャッター機構、６２・・・第２シャッター機構
Claims (23)
- 基体、及び、基体上に形成された金属微粒子層から構成されており、
金属微粒子層は、金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成り、
金属微粒子の誘電率をεm、誘電体材料の誘電率をεdとしたとき、
金属微粒子への参照光の照射においては ε m ＋２ε d ＝０ を満足する状態となり、誘電体材料の赤外線の吸収によってε d が変化し、ε m ＋２ε d ＝０ を満足しなくなる状態となる赤外線変換素子。 - 金属微粒子、及び、金属微粒子と金属微粒子との間を埋め、入射した赤外線を吸収する誘電体材料から成る金属微粒子層から構成されており、
金属微粒子の誘電率をεm、誘電体材料の誘電率をεdとしたとき、
金属微粒子への参照光の照射においては ε m ＋２ε d ＝０ を満足する状態となり、誘電体材料の赤外線の吸収によってε d が変化し、ε m ＋２ε d ＝０ を満足しなくなる状態となる赤外線変換素子。 - 誘電体材料から成り、第１面から入射した赤外線を吸収する誘電体膜、並びに、
第１面と対向する誘電体膜の第２面に配された複数の金属微粒子、
から構成されており、
金属微粒子の誘電率をεm、誘電体材料の誘電率をεdとしたとき、
金属微粒子への参照光の照射においては ε m ＋２ε d ＝０ を満足する状態となり、誘電体材料の赤外線の吸収によってε d が変化し、ε m ＋２ε d ＝０ を満足しなくなる状態となる赤外線変換素子。 - 金属微粒子は、銀、金、アルミニウム及びタングステンから成る群から選択された少なくとも１種類の材料から成る請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の赤外線変換素子。
- 誘電体材料は、ポリアミド樹脂、メタクリル系樹脂、窒化ケイ素、酸化珪素、酸窒化ケイ素、液晶分子、色素有機膜、量子ドットを分散させた薄膜材料、赤外線を吸収する材料及びフォトクロミック材料から成る群から選択された１種類の材料から成る請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の赤外線変換素子。
- 基体は、赤外線に対して透明である請求項１、又は、請求項１を引用する請求項４若しくは請求項５に記載の赤外線変換素子。
- 基体は、ゲルマニウム、ＺｎＧｅ、バンドギャップの広い半導体材料、ポリエチレン系樹脂、ガラス材料及びセラミックから成る群から選択された１種類の材料から成る請求項６に記載の赤外線変換素子。
- 基体は、赤外線、及び、波長４００ｎｍ乃至５５０ｎｍの光に対して透明である請求項１、又は、請求項１を引用する請求項４若しくは請求項５に記載の赤外線変換素子。
- 基体は、ガラス材料及びセラミックから成る群から選択された１種類の材料から成る請求項８に記載の赤外線変換素子。
- 基体は、波長４００ｎｍ乃至５５０ｎｍの光に対して透明である請求項１、又は、請求項１を引用する請求項４若しくは請求項５に記載の赤外線変換素子。
- 基体は、ガラス材料、石英、バンドギャップの広い半導体材料、絶縁体材料及び有機材料から成る群から選択された１種類の材料から成る請求項１０に記載の赤外線変換素子。
- 基体の構成材料と誘電体材料の構成材料とは同じである請求項１、又は、請求項１を引用する請求項４若しくは請求項５に記載の赤外線変換素子。
- 基体の厚さは、１×１０-7ｍ乃至１×１０-6ｍである請求項１、又は、請求項１を引用する請求項４若しくは請求項５、又は、請求項６乃至請求項１２のいずれか１項に記載の赤外線変換素子。
- 金属微粒子に参照光を照射するための光源、及び、光源と金属微粒子層との間に配置され、参照光の波長を選択する波長選択手段を更に備えている請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の赤外線変換素子。
- 赤外線入射側にマイクロレンズが備えられている請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の赤外線変換素子。
- 赤外線入射側に遮光機構が備えられている請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載の赤外線変換素子。
- （Ａ）請求項１乃至請求項１６に記載の赤外線変換素子が、２次元マトリクス状に配列されて成る赤外線変換素子アレイ部、
（Ｂ）赤外線変換素子アレイ部へ参照光を照射する光源、並びに、
（Ｃ）赤外線変換素子アレイ部の赤外線入射側とは反対側に配置された撮像素子アレイ部、
を備えた撮像装置であって、
金属微粒子への参照光の照射においては εm＋２εd＝０ を満足する状態となり、誘電体材料の赤外線の吸収によってεdが変化し、εm＋２εd＝０ を満足しなくなる状態となる撮像装置。 - 赤外線変換素子アレイ部は、赤外線検出領域、及び、金属微粒子への参照光の照射によって生じる金属微粒子における局所プラズモン共鳴に基づき生じる散乱光の光強度検出校正のための校正領域を備えている請求項１７に記載の撮像装置。
- 可視光に基づき画像を撮像する撮像素子を更に備えている請求項１７又は請求項１８に記載の撮像装置。
- 赤色撮像素子、緑色撮像素子及び青色撮像素子と、赤外線変換素子とは、ベイヤ配置とされている請求項１９に記載の撮像装置。
- 赤色撮像素子、緑色撮像素子及び青色撮像素子の２次元配列中に、間引き状態で、赤外線変換素子が配置されている請求項１９に記載の撮像装置。
- 赤色撮像素子、緑色撮像素子及び青色撮像素子の上方に、赤外線変換素子アレイ部が配置されている請求項１９に記載の撮像装置。
- 赤外線変換素子アレイ部における赤外線変換素子は、間引き状態とされている請求項２２に記載の撮像装置。
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