用于角度過(guò)濾的具有受控的角度選擇性的角度光過(guò)濾單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于角度過(guò)濾的具有受控的角度選擇性的角度光過(guò)濾單元，W及 一種用于在若干入射角下進(jìn)行選擇性角度過(guò)濾的設(shè)備。本發(fā)明尤其適用于多方向光檢測(cè)， 更特別地適用于紅外多方向光檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)非常多變的場(chǎng)所諸如建筑物內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)，W便根據(jù)檢測(cè)到的人類存在、用于 監(jiān)測(cè)的通道路線、具有各種風(fēng)險(xiǎn)(例如有毒泄漏的檢測(cè)）的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或者大規(guī)模公眾游行的 地方來(lái)調(diào)整照明、供暖和/或空氣調(diào)節(jié)從而保障他們的安全，需要適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)。值 得注意的是，紅外光檢測(cè)允許檢測(cè)到人類存在，并且還允許檢測(cè)到在紅外下具有光譜特征 信號(hào)的氣體饋如例如甲燒、二氧化碳、氨氣、低氧化氮等）。目前，運(yùn)種類型的遠(yuǎn)程檢測(cè)通過(guò) 裝配有"廣角"物鏡的照相機(jī)，諸如例如Bert in技術(shù)公司銷售的用于氣體檢測(cè)的 SecondSight⑥照相機(jī)來(lái)完成。然而，運(yùn)些光學(xué)器件的高成本W(wǎng)及待處理圖像的復(fù)雜度 所產(chǎn)生的成本使得運(yùn)些照相機(jī)特別昂貴。近來(lái)的出版物已經(jīng)研究了使用針孔照相機(jī)和紅外 檢測(cè)器生產(chǎn)非常廣角紅外成像器的可能性，尤其用于監(jiān)測(cè)應(yīng)用（參見(jiàn)例如G.化uad等人的 ('Compact infrared pinhole fisheye for wide field applications，'，Appl .Opt. ,48 (6)1104-1113(2009))。與傳統(tǒng)的光學(xué)器件相比，運(yùn)些成像器使得節(jié)省了成本和空間。然而， 仍然需要用于檢測(cè)的適于波長(zhǎng)的光學(xué)透鏡，運(yùn)設(shè)及到系統(tǒng)的高成本。
[0003] 與用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)應(yīng)用的廣角紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展并行，若干年來(lái)已觀察到納米結(jié) 構(gòu)的(或者更精確地，子波長(zhǎng))光過(guò)濾器的持續(xù)發(fā)展，尤其是用于紅外多光譜成像應(yīng)用。運(yùn)些 帶通濾波器可W于透射、反射或者吸收模式下操作。已知有基于微電子技術(shù)的各種技術(shù)，并 且它們都允許大規(guī)模并行制造。
[0004] 在納米結(jié)構(gòu)光過(guò)濾器中，例如已知的有干擾過(guò)濾器（參見(jiàn)例如A.Piegari等人的 (Variable narrowband transmission filters with a wide rejection band for spectrometry，'，Appl .Opt .45.16,3768-3773頁(yè)（2006)) D干擾過(guò)濾器是由多層組件形成的， 納米結(jié)構(gòu)在垂直于所述層的表面的方向上實(shí)現(xiàn)。
[000引還已知有具有在元件平面中形成的納米結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)光過(guò)濾器。包括厚的獨(dú)立 金屬柵（即，其柵厚度與柵狹縫的寬度相比較大)的透射過(guò)濾器由此例如已知用于多光譜成 像應(yīng)用（參見(jiàn)例如R. Hai'daX等人的('Free-standing sub-wavelength metallic gratings for snapshot multi spectral imaging，，，Appl. Phys .Lett. ,96,221104( 2010))。在 P.Ghenuche等人的文章 （('Optical extinction in a single layer of nanorods，'， Phys.Rev丄ett.，109,143903(2012))中，描述了由介質(zhì)柵形成的反射過(guò)濾器。過(guò)濾器還已 知使用導(dǎo)模共振(或者GMR)。這些過(guò)濾器可W是使用反射或透射模式的全介質(zhì)的（參見(jiàn)例如 Y.Ding等人白勺"Doubly resonant single-layer band-pass optical filters". Opt丄ett. ,29,10(2004)?及A.-L.Fehrembach等人的"Experimental demonstration of a narrowband，angular tolerant，polarization independent，doubly periodic resonant grating filter",Opt.Lett. ,32,15(2007))或者可W是金屬-介質(zhì)的（參見(jiàn)例如 E . Sakat等人的"Metal-dielectric bi-atomic structure for angular-tolerant special filtering" ,Opt丄ett. ,38(4) ,425(2013))。最后，使用吸收的帶通過(guò)濾器已經(jīng) 被證明用于波長(zhǎng)選擇檢測(cè)應(yīng)用（參見(jiàn)例如P.Bouchon等人的"Wideband 0皿idirectional infrared absorber with a patchwork of plasmonic nano-antennas'' ,Opt.Lett. ,37 (6) ,1038(2012))。運(yùn)些吸收過(guò)濾器使用MIM(金屬-絕緣體-金屬的縮寫(xiě))類型的結(jié)構(gòu)。在運(yùn) 些出版物中，一個(gè)尋求的通用目標(biāo)是能夠根據(jù)給定規(guī)范定義帶通過(guò)濾器的光譜響應(yīng)，W及 能夠通過(guò)光刻技術(shù)在單個(gè)襯底上形成帶通過(guò)濾器的拼接布局W便形成緊湊的多光譜或?qū)?帶成像器。
[0006] 本發(fā)明提出使用納米結(jié)構(gòu)光過(guò)濾器的技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)一種具有受控的角度選擇性的 光過(guò)濾單元，其能夠在多方向檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，尤其用于低成本的紅外遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)第一方面，本發(fā)明設(shè)及一種光過(guò)濾單元，優(yōu)化用于在給定光譜帶內(nèi)關(guān)于給定 操作入射角的角度過(guò)濾，包括：
[0008] -第一納米結(jié)構(gòu)帶通光譜過(guò)濾器，包括在所述光譜帶內(nèi)的第一過(guò)濾中屯、波長(zhǎng)，所述 第一過(guò)濾中屯、波長(zhǎng)表現(xiàn)出第一角度分散曲線，所述角度分散曲線代表作為所述光過(guò)濾單元 上的入射角的函數(shù)確定的所述第一過(guò)濾中屯、波長(zhǎng)的變化；
[0009] -第二納米結(jié)構(gòu)帶通光譜過(guò)濾器，包括在所述光譜帶內(nèi)的第二過(guò)濾中屯、波長(zhǎng)，所述 第二過(guò)濾中屯、波長(zhǎng)表現(xiàn)出第二角度分散曲線，所述第二角度分散曲線代表作為所述光過(guò)濾 單元上的入射角的函數(shù)確定的所述第二過(guò)濾中屯、波長(zhǎng)的變化，所述第二角度分散曲線圍繞 所述操作入射角與所述第一角度分散曲線相割。
[0010] 第一和第二光譜過(guò)濾器中的每一個(gè)例如可W是于透射或者反射模式下操作的過(guò) 濾器。在某些特定情況下，光譜過(guò)濾器中的一個(gè)也可W是吸收模式過(guò)濾器。
[0011] 由此，至少第一光譜過(guò)濾器和第二光譜過(guò)濾器被設(shè)置在一起，它們具有相割(不重 合)的角度分散曲線，被稱為入口光譜過(guò)濾器的光譜過(guò)濾器被設(shè)計(jì)為接收入射在過(guò)濾單元 上的光通量，并且每個(gè)后繼的過(guò)濾器被設(shè)計(jì)為接收前一光譜過(guò)濾器所透射或反射的光。W 運(yùn)種方式，獲得角度光過(guò)濾單元，其通帶集中于分散曲線相交的角度上。角度過(guò)濾單元的操 作角因此可W通過(guò)選擇納米結(jié)構(gòu)光譜過(guò)濾器而控制。此外，通過(guò)控制分散曲線鄰近于操作 角的局部斜率，W及過(guò)濾器的光譜通帶，還控制了過(guò)濾單元的角度選擇性，由此使得光過(guò)濾 單元被生產(chǎn)為具有受控的操作入射角和角度選擇性。
[0012] 根據(jù)一個(gè)變型，第一和第二光譜過(guò)濾器被設(shè)置在平行平面中。作為替代，第二光譜 過(guò)濾器可W與第一光譜過(guò)濾器形成給定角度。
[0013] 根據(jù)一個(gè)變型，第一和第二納米結(jié)構(gòu)光譜過(guò)濾器中的至少一個(gè)是干擾過(guò)濾器、導(dǎo) 模共振過(guò)濾器、獨(dú)立金屬或介質(zhì)柵過(guò)濾器或者否則為包括MIM(金屬-絕緣體-金屬)類型的 共振的過(guò)濾器。
[0014] 根據(jù)第二方面，本發(fā)明設(shè)及一種在若干給定入射角下用于選擇性角度過(guò)濾的設(shè) 備，包括根據(jù)第一方面的光過(guò)濾單元的陣列，每個(gè)光過(guò)濾單元被優(yōu)化用于關(guān)于給定操作入 射角的角度過(guò)濾。
[0015] 通過(guò)過(guò)濾單元的運(yùn)種組合，有可能形成用于在各種入射角下過(guò)濾的過(guò)濾器的"拼 接"。此外，由于第一和第二過(guò)濾器是納米結(jié)構(gòu)光過(guò)濾器，來(lái)自微電子技術(shù)的大規(guī)模并行制 造技術(shù)將能夠?qū)崿F(xiàn)，W便一方面制造一個(gè)或者多個(gè)第一光過(guò)濾器矩陣，另一方面制造一個(gè) 或者多個(gè)第二過(guò)濾器矩陣，由此允許生產(chǎn)用于多方向角度過(guò)濾的低成本和限制尺寸的設(shè) 備。
[0016] 光譜過(guò)濾器矩陣可W是一維或二維矩陣，其中每個(gè)矩陣中的光譜過(guò)濾器的設(shè)置可 W是規(guī)律的或者其他方式的。
[0017] 根據(jù)第Ξ方面，本發(fā)明設(shè)及一種多方向光檢測(cè)系統(tǒng)，包括根據(jù)第二方面的用于選 擇性角度過(guò)濾的設(shè)備和光檢測(cè)單元的陣列，每個(gè)光檢測(cè)單元與光過(guò)濾單元相關(guān)聯(lián)，用于在 所述過(guò)濾單元的操作入射角下接收所述過(guò)濾單元透射的光通量。
[0018] 根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的第二方面的用于多方向角度過(guò)濾的設(shè)備有利地使得現(xiàn)有技術(shù)的 例如用于檢測(cè)存在的全向光"廣角"系統(tǒng)被取代。該目標(biāo)在成本上的減少伴有所生成信號(hào)的 簡(jiǎn)化，使得其使用得W普及。例如，當(dāng)在對(duì)應(yīng)于光過(guò)濾單元的光檢測(cè)單元中檢測(cè)到信號(hào)時(shí)在 空間的區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到存在(人類、氣體）。
[0019] 根據(jù)一個(gè)變型，光檢測(cè)單元或者"像素"的陣列與一個(gè)光過(guò)濾單元相關(guān)聯(lián)，用于在 過(guò)濾單元的操作入射角下接收光通量并且由此累積運(yùn)些檢測(cè)單元的陣列所接收到的信號(hào)。 替代地，可W僅是單個(gè)光檢測(cè)單元與一個(gè)光過(guò)濾單元相關(guān)聯(lián)。
[0020] 根據(jù)一個(gè)變型，光檢測(cè)單元根據(jù)包括平面載體的一維或者二維矩陣來(lái)設(shè)置。
[0021] 根據(jù)一個(gè)變型，光檢測(cè)單元具有使用吸收的帶通光譜過(guò)濾功能，并且形成多方向 檢測(cè)系統(tǒng)的角度過(guò)濾單元的第一或第二光譜過(guò)濾器中的一個(gè)。
[0022] 根據(jù)一個(gè)變型，多方向光檢測(cè)系統(tǒng)還包括外殼，用于選擇性角度過(guò)濾的設(shè)備W及 光檢測(cè)單元的陣列都設(shè)置于其中。
[0023] 根據(jù)第四方面，本發(fā)明設(shè)及一種用于制造根據(jù)第Ξ方面用于多方向光檢測(cè)系統(tǒng)的 方法，包括：
[0024] -在第一平面載體上制造第一光譜單元的第一矩陣；
[0025] -在第二平面載體上制造第二光譜單元的第二矩陣；
[0026] -在第Ξ平面載體上制造光檢測(cè)單元的第Ξ矩陣；
[0027] -將所述矩陣設(shè)置在外殼中。
[0028] 每個(gè)矩陣的制造可W通過(guò)已知的光刻技術(shù)例如納米印刷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，W便減少制 造成本。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 在閱讀由W下附圖例示的說(shuō)明書(shū)之后，本發(fā)明的其他有利之處和特點(diǎn)將變得明 顯。