JP6526876B2 - 電磁放射用のスペクトル変換素子 - Google Patents

Description

本発明は、電磁放射用のスペクトル変換素子、および、テラヘルツ波を収集するための方法に関する。

本記述の範囲において、テラヘルツ波は、０．１ＴＨｚ（テラヘルツ）（１００ＭＨｚ（メガヘルツ））〜１０ＴＨｚの周波数に対応する、３０μｍ（マイクロメートル）〜３ｍｍ（ミリメートル）の波長を有する電磁放射を意味する。

赤外線は、１０ＴＨｚ〜３００ＴＨｚの周波数に対応する、１μｍ〜３０μｍの波長を有する電磁放射を意味する。

赤外線から生成した画像（赤外線画像と称される）を検出することに基づいた赤外線撮像は、非常に多くの用途に使用されている。そのため、現在、低減したコストで、赤外線カメラ、特に、波長３μｍ〜５μｍ、または８μｍ〜１２μｍのスペクトル範囲で作動するカメラを利用することができる。

テラヘルツ波から生成した画像、言い換えれば、観察領域に存在するテラヘルツ波の放射源、反射物または拡散物に対応する画像情報を有する画像を撮影できる撮像システムに対して、さらに多くの用途が見出されてきた。しかしながら、テラヘルツ波に対する感度が高いイメージセンサの開発には高額な投資が必要である。そのため、今までのところ、このようなセンサは、想定された用途に見合った価格で入手することができない。

このような状況により、本発明の目的は、観察領域に存在するテラヘルツ波の放射源、反射物または拡散物を示す画像を、低コストで、言い換えれば、赤外線画像獲得システムのコストに近いコストまたはそれよりわずかに高いコストで、提供することである。

本発明のさらなる目的は、テラヘルツ波のスペクトル範囲にある画像を、簡単で使いやすい撮像システムを用いて提供することである。

本発明の別の目的は、テラヘルツ波のスペクトル範囲にある画像を、鮮明な空間解像度で提供することである。

本発明のさらに別の目的は、テラヘルツ波のスペクトル範囲にあるが、所定の変化し易いスペクトル窓内に限定される画像を提供することである。したがって、さらなる目的は、いくつかの構成要素がテラヘルツ波のスペクトル範囲にある多スペクトル画像を簡単に提供することである。

これらの目的または他の目的を実現するために、本発明の第１の態様は、
電磁放射用のスペクトル変換素子であって、
それぞれがピクセル専用である複数の領域が並置された平面状支持体と、
１組の第１アンテナ（テラヘルツアンテナと称される）であって、前記平面状支持体により強固に支持され、電磁放射の波長が３０μｍ〜３ｍｍの場合に放射を吸収する第１のピークを有するような大きさであり、前記テラヘルツアンテナの少なくとも１つが各ピクセル領域の内部に位置する、１組の第１アンテナと、
１組の第２アンテナ（赤外線アンテナと称される）であって、同様に前記平面状支持体により強固に支持されるが、前記放射の波長が１μｍ〜３０μｍの場合に電磁放射を吸収する第２のピークを有するような大きさであり、前記赤外線アンテナの少なくとも１つが各ピクセル領域の内部に位置する、１組の第２アンテナと、を含む、スペクトル変換素子を提案する。

言い換えれば、各テラヘルツアンテナは、テラヘルツ波を、テラヘルツスペクトル範囲の限定された部分において、あるいは、この放射の偏光に対する選択性を有するように、吸収することができる。

同時に、各赤外線アンテナは赤外線を吸収することができる。周知のキルヒホフの法則によれば、各赤外線アンテナは、第２電磁放射の吸収ピークに重畳するスペクトル窓において赤外線を効率的に放射する。

本発明の１つの特徴によれば、前記変換素子は、前記テラヘルツアンテナのうちの１つと、前記赤外線アンテナのうちの１つが、任意の同じピクセル領域の中にともに位置し、互いに熱的に結合しており、前記テラヘルツアンテナのうちの当該１つと前記赤外線アンテナのうちの当該１つとの熱抵抗は、前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナが異なるピクセル領域のそれぞれに位置している場合に前記テラヘルツアンテナの任意の１つと前記赤外線アンテナの任意の１つとのあいだに存在する互いの熱抵抗よりも低いように構成されている。言い換えれば、各ピクセル領域がこの領域の前記テラヘルツアンテナおよび赤外線アンテナの間に熱結合を形成するが、異なるピクセル領域間の干渉（一般的に「クロストーク」と称される）が低減する。

本発明の前記変換素子は、各ピクセル領域の内部で、このピクセル領域の各第１アンテナに入射する前記テラヘルツ波から、このピクセル領域の各第２アンテナにより放射される前記赤外線へ、エネルギー変換を生じさせる。さらに、前記第１アンテナは、入射するテラヘルツ波に対する前記変換素子の感度のスペクトル窓を定め、前記第２アンテナは、放射される前記赤外線のスペクトル窓を定める。したがって、前記第１アンテナの前記スペクトル窓におけるテラヘルツ波エネルギーは、前記第２アンテナの前記スペクトル窓における赤外線エネルギーに変換される。前記変換は、互いに連結されていない複数のピクセル領域の内部で行われ、前記テラヘルツ波が入射するまたは入射した空間領域の情報を保存できるマトリックスを構成する。

赤外線画像を撮影する機器の対象面に本発明の前記変換素子が配置される場合、本発明の前記変換素子により、前記機器は、観察領域に存在するテラヘルツ波の放射源、反射物または拡散物を示す画像を撮影することができる。したがって、このようなテラヘルツ画像は、赤外線画像を撮影する前記機器と本発明で提案した前記変換素子との総コストと大体同様のコストで撮影することができる。さらに、本発明の前記変換素子は、現在の優れたエッチングおよび材料堆積技術によって製造することができるため、その値段が想定された用途に見合う。

好ましくは、前記変換素子は、任意の同じピクセル領域の中にともに位置する１つのテラヘルツアンテナと１つの赤外線アンテナ間の各熱抵抗が、前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナが異なるピクセル領域のそれぞれに位置している場合に前記テラヘルツアンテナの任意の１つと前記赤外線アンテナの任意の１つとのあいだに存在する互いの熱抵抗の１０分の１より低く、好ましくは１００分の１より低いように、構成されてよい。したがって、前記変換素子の異なるピクセル領域間の干渉（または「クロストーク」）が十分に低減し、そのため、受信されたテラヘルツ波から赤外線へとピクセル毎にエネルギー変換が行われ、鮮明な赤外線画像が得られる。

本発明の様々な実施形態では、各テラヘルツアンテナまたは赤外線アンテナは、それぞれ、金属/誘電体/金属型、またはヘルムホルツ共鳴器型、または、テラヘルツまたは赤外線を吸収する材料の一部により形成されてもよい。

通常、本発明において、前記平面状支持体に平行に測られた横方向の寸法は、以下のようであることが好都合である。

各ピクセル領域が３０μｍ〜５０００μｍ（または５ｍｍ）、
各テラヘルツアンテナが１μｍ〜３００μｍ、および、
各赤外線アンテナが０.１μｍ〜５μｍ。

隣り合う任意の２つのピクセル領域間をさらに効率的に分離させるために、前記平面状支持体は、隣り合う２つのピクセル領域を連結する連結部、および、各連結部を横方向に制限する凹部を含んでもよい。これにより、すべてのピクセル領域が前記平面状支持体内で連結されることができるが、一方、隣り合う２つのピクセル領域間の熱拡散通路は、前記凹部のいくつかにより限定された区間を有する。したがって、本発明の前記変換素子は、取り扱いやすく、撮像機器に組み込みやすい単一の部品を形成することができる。

あるいは、各テラヘルツアンテナは、最大の効率で吸収される電磁放射の異なる偏光または異なる波長に対応する、いくつかの異なる形状から選ばれた形状を有する。このよう場合、各々のピクセル領域は、これらのテラヘルツアンテナ形状の少なくとも１つを含んでもよく、好ましくは、各ピクセル領域は単一のアンテナ形状を含む。前記テラヘルツアンテナ形状は、異なるピクセル領域間で交替し、好ましくは、変換素子全体では同一である交替パターンに従って、異なるピクセル領域間で交替する。したがって、前記変換素子は、多スペクトル画像、および／または、吸収された前記テラヘルツ波の異なる偏光に対応する画像を生成することができる。このように、観察領域に存在するテラヘルツ波の放射源、反射物および拡散物についてのより完全な情報を収集することができる。各ピクセル領域が単一のアンテナ形状のみを含む場合、各々の多スペクトル画像の異なるスペクトル成分の、または、各々の多偏光画像の異なる偏光成分の不協和音または「クロストーク」は、大幅に低減されるかゼロである。しかしながら、各ピクセル領域に異なる形状のアンテナが含まれる場合、前記多スペクトルまたは多偏光画像のために鮮明な解像度が得られる。

本発明に適合する変換素子の可能な第１の構成（内伝送と称される）によれば、片側にある前記テラヘルツアンテナ、および反対側にある前記赤外線アンテナは、前記平面状支持体の２つの対向面により支持されてもよい。したがって、熱抵抗は、両方の対向面間の前記平面状支持体を通過する熱拡散経路に沿って生じる。

本発明に適合する変換素子の可能な第２の構成（内反射と称される）によれば、前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナは、前記平面状支持体の同じ面によって同時に支持されてもよい。たとえば、前記平面状支持体の面上の積層の順序において、前記テラヘルツアンテナは、前記平面状支持体の前記面に支持されている層状構造の第１の部分に配置され、前記赤外線アンテナは、前記第１の部分の上方または下方に位置する、同じ層状構造の第２の部分に配置されてもよい。

本発明の第２の態様は、テラヘルツ波を収集する方法であって、
本発明の第１の態様に適合する変換素子を、前記テラヘルツ波中に設けて、前記変換素子が、前記テラヘルツ波のエネルギーから赤外線を生成するようにする工程と、
前記変換素子により生成された前記赤外線の軌道上に赤外線センサを設ける工程と、を含む、方法を提案する。

撮像の分野に属しない様々な用途のために、前記赤外線センサは、前記変換素子により生成された前記赤外線の少なくとも一部を効率的に吸収する、少なくとも１つの光電池、１つの光導電セル、または、１つのボロメータセルを含んでもよい。

撮像の用途のために、前記赤外線センサは、赤外線に対する感度が高い、少なくとも１つの画像検出器を含んでもよい。前記方法は、前記変換素子の上流のこのテラヘルツ波の軌道上に前記テラヘルツ波に有効なレンズを設ける工程と、前記変換素子および前記検出器間の前記赤外線の軌道上に前記赤外線に有効な撮像システムを設ける工程と、をさらに含む。

したがって、前記レンズは、場面の画像を、当該場面から生じる前記テラヘルツ波を用いて、前記変換素子上に生成し、前記撮像システムは、前記変換素子の画像を、前記変換素子により生成された前記赤外線を用いて、前記画像検出器上に生成する。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、実施形態の非限定的な例についての以下の記述により、明らかになるであろう。
本発明に適合する変換素子の断面図である。 上方または下方から見た、図１の変換素子を説明する。 本発明に適合する変換素子のアンテナに関する、電磁放射吸収のスペクトル図である。 本発明に適合する変換素子のアンテナの３つの可能な実施形態を示す。 図１に対応する、本発明に適合する変換素子の異なる構成である。

わかりやすくするため、これらの図で示される各要素の寸法は実際の寸法に対応しておらず、実際の寸法に比例していない。また、異なる図で示される同じ参照記号は、同一の要素、または同一の機能を備える要素を表す。

図１、２ａおよび２ｂによれば、単層または多層フィルムの形であってもよい平面状支持体１は、２つの対向面（Ｓ₁およびＳ₂として示す）を有する。面Ｓ₁はアンテナ２を支持し、面Ｓ₂はアンテナ３を支持する。図３の図に示すように、アンテナ２および３は異なる電磁放射の吸収スペクトル間隔を有する。アンテナ２は、テラヘルツ波に対応する３０μｍ〜３ｍｍの範囲にある電磁放射の波長値を吸収し、アンテナ３は、赤外線に対応する１μｍ〜３０μｍの範囲にある電磁放射の波長値を吸収する。図３において、λは、前記電磁放射の前記波長をマイクロメートルで示し、Ａ（λ）はこの放射のスペクトル吸収を示す。ＩＲは赤外線のスペクトル範囲を示し、ＴＨは、テラヘルツ波のスペクトル範囲を示す。あるいは、テラヘルツアンテナと称される各アンテナ２は、前記テラヘルツ波の前記スペクトル間隔内で、低減または著しく低減した帯域に対応するピーク（Ｐ₁として示す）内にて選択的に吸収してもよい。同様に、赤外線アンテナと称される各アンテナ３は、前記赤外線の前記スペクトル間隔内で、低減した帯域に対応するピーク（Ｐ₂として示す）内にて選択的に吸収してもよい。

通常、材料構造による電磁放射の吸収は、この構造の材料、あるいはさらに当該構造の幾何学的寸法に依存する。したがって、各テラヘルツアンテナ２は、テラヘルツ波のスペクトル範囲において大幅に吸収するために設計された構造を有する（図３の図のピークＰ₁）。

図４ａに示す第１の可能な実施形態によれば、各アンテナ２は、電気絶縁材料である部分２iにより構成され、当該部分２ｉは、導電層の２つの部分の間に、好ましくは、金属層の２つの部分の間に挿入されてよい。これらの部分の１つは２ｍで示し、もう１つは、支持体１の面の一部であってよい。このようなアンテナ構造は、金属/絶縁体/金属の名で知られ、入手可能な文献に広く記載されている。当該アンテナ構造は、波長における吸収ピークＰ₁の位置が、支持体１の面に平行に測られた部分２ｍの寸法に依存する、ファブリペロ共振器を形成する。たとえば、絶縁材料の部分２iが、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリエチレン（ＰＥＴ）またはＳＵ-８の頭字語で知られるエポキシ系ネガ型感光性樹脂により作られる場合、支持体１に平行に測られた金属部分２ｍの長さ（キャビティ長と称される）は、このキャビティ長ｌの約４倍である最大吸収波長に対応する。たとえば、金属層２ｍの部分は、金、銅、またはアルミニウムであってもよい。

隣り合うアンテナ２間の、支持体１に平行に存在する熱拡散長が、同じピクセル領域内で結合されたアンテナ２および３の間の、支持体１に垂直に存在する熱拡散長よりもずっと長い場合、絶縁材料２iは、隣り合うアンテナ２間において連続してよい。したがって、絶縁材料２iは、スペクトル変換素子の機械的な支持体として用いられる連続的な層を形成することができる。

図４ｂに示す第２の可能な実施形態によれば、各アンテナ２は、電磁放射が３０μｍ〜３ｍｍの波長を有する場合に、当該電磁放射を大幅に吸収する材料である部分により構成されてもよい。たとえば、支持体１に垂直に測られた場合にｅ＝約５μｍの厚さを有し、この支持体１を構成する金属フィルム上に堆積された、ドーピングＰＭＭＡまたはドーピングＰＥＴのようなドーピングポリマーの層は、テラヘルツ波の全帯域においてほぼ均一に吸収するアンテナ２を構成することができる。上記のように、隣り合うアンテナ２間に存在する熱拡散長が、同じピクセル領域内で結合されたアンテナ２および３の間に存在する熱拡散長よりも長い場合、テラヘルツ波の吸収部分を構成する、ドーピングポリマーの層は、隣り合うアンテナ２間において連続することができる。したがって、ドーピングポリマーの層は、スペクトル変換素子の機械的な支持機能を実現することもできる。

図４ｃに示す第３の可能な実施形態によれば、各アンテナ２はヘルムホルツ共鳴器により構成されてもよい。このような共鳴器は、金属壁を有するキャビティによって構成され、当該キャビティはネック部を介して外部に連結されている。この実施形態を限定するものではないが、好ましくは、支持体１は金属材料から成っていてもよく、キャビティおよびネック部は、面Ｓ₁から支持体１内部に形成されている。キャビティおよびネック部は、図４ｃの平面に対して垂直に長く延びていてよい。この平面において、キャビティは断面Ｓを有し、ネック部は幅ｗおよび高さｈを有する。たとえば、Ｓ＝６μｍ²、ｗ＝０.２μｍおよびｈ＝１μｍの各値は、波長値５０μｍのほぼ中央に位置する吸収ピークＰ₁を作り出す。このようなヘルムホルツ共鳴器のトピックについても豊富な参考文献を入手することができる。

これらの数値例では、支持体１に平行に測られたアンテナ２の別の寸法は、上述した第１の寸法よりもはるかに大きいものとされている。しかしながら、各アンテナをこのようなほぼ線状の形状にすることは、必須ではない。たとえば、図４ａの第１の実施形態では、導電層の２つの部分の間に挿入される、電気絶縁材料である部分に基づき、図２ａおよび２ｂに示すような平面の形状を用いてもよい。特に、各アンテナは、投射面内で、支持体１に平行な長方形の形状を有してもよい。

図１、２ａおよび２ｂに示すような変換素子では、各テラヘルツアンテナは支持体１に支持され、支持体１に熱的に結合され、このアンテナ２がテラヘルツ波を吸収することにより熱が発生し、それが支持体１に伝達される。たとえば、アンテナ２の第１の実施形態（図４ａ）では、支持体１は、導電層の２つの部分のうちの１つを直接に形成してもよい。第２の実施形態（図４ｂ）では、テラヘルツ波を吸収する材料である部分は、支持体１上に直接形成されてもよい。最後に、第３の実施形態（図４c）では、支持体１は金属材料からできており、キャビティおよびネック部が支持体１の面Ｓ₁から支持体１内部に形成されることができるのに充分な厚さを有する。

３つの実施形態すべてにおいて、非限定的な例として、支持体１は、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）フィルムであってもよい。

各赤外線アンテナ３は、アンテナ２の１つがテラヘルツ波を吸収することにより発した熱を受け取ると、１μｍ〜３０μｍの波長のスペクトル帯域にある赤外線を放射する機能を有する。各アンテナ３は、適切な材料から成る少なくとも１つの他の部分から構成されており、当該少なくとも１つの他の部分は、この部分の温度に応じて赤外線を放射する。この温度が、テラヘルツアンテナ２の１つに由来する熱拡散により受け取った熱のために上昇すると、放射される赤外線の量も増加するが、このアンテナ３の材料の放射率値によって制限される。しかしながら、吸収ピークＰ₂を有するアンテナ構造により、この放射率が有意であることが保証される。言い換えれば、電磁放射の吸収ピークを有するアンテナ構造は、加熱されると、この吸収ピークの波長において電磁波を効率的に放射する。

上述したテラヘルツアンテナ２の３つの実施形態は、その原理において赤外線アンテナ３にも用いられることができるが、使用する材料および形状の寸法は、１μｍ〜３０μｍの波長間隔に位置する吸収ピークＰ₂に適応させる。

特に、金属/絶縁体/金属型の第１の実施形態では、絶縁材料部分（図４ａに３ｉとして示す）は、硫化亜鉛（ＺｎＳ）であってもよいが、シリカ（ＳｉＯ₂）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコンまたはゲルマニウムであってもよい。一方、導電材料３ｍの部分は、支持体１の関連する部分と同じように、金、銅またはアルミニウムであってもよい。ファブリペロ共振器の数式は、アンテナ３のこの実施形態にも適用することができ、ピークＰ₂に望まれる最大吸収波長の関数としてのキャビティ長ｌを決定することができる。たとえば、材料３iの部分が硫化亜鉛からできている場合、前記キャビティ長ｌが２μｍの値ならば、吸収ピークＰ₂の中央の波長は１０μｍの値となる。

第２の実施形態（図４ｂ）では、各赤外線アンテナ３に用いられる吸収材料はシリカ（ＳｉＯ₂）であってもよい。このシリカ層の厚さｅが約０.７μｍである場合、また、支持体１を構成する金属フィルムにこの層が再び堆積された場合、８μｍ〜１２μｍの波長間隔において、５０％よりも大きい平均放射率が得られる。

最後に、第３の実施形態では、ヘルムホルツ共鳴器における、キャビティの断面Ｓ０.６５μｍ²、ネック部の幅ｗ０.２μｍ、および、ネック部の高さｈ０.５μｍの値は、吸収ピークＰ₂の中央の波長１０μｍに対応する。

支持体１、および、それに支持されるアンテナ２および３は、本発明に適合するスペクトル変換素子（総じて、参照番号１０で示す）を形成する。この変換素子１０の作動のために、各テラヘルツアンテナ２は、このテラヘルツアンテナに対して割り当てられた少なくとも１つの赤外線アンテナ３に、熱的かつ効果的に結合されなければならない。しかしながら、いくつかの赤外線アンテナ３を同じテラヘルツアンテナ２に割り当ててもよい。アンテナ２がアンテナ３に熱的かつ効果的に結合されているとは、これらの２つのアンテナ間の熱拡散の抵抗が、当該アンテナ２と当該アンテナ２に割り当てられていない１つのアンテナ３の間に存在する熱拡散の抵抗よりも少なくとも１０倍または１００倍低いことを意味する。このような選択的な熱結合は、アンテナ２および３を、平面状の支持体１に平行に適切に配置させることにより得られる。互いに結合されたアンテナ２および３は、支持体１の面Ｓ₁に垂直な方向に沿って互いに一列に位置してもよいし、または、互いに結合されたアンテナ２および３は、面Ｓ₁に平行に、互いに少し間隔を置いて位置し、一方、結合されていないアンテナ２および３は、面Ｓ₁に平行に、互いにより離れて位置してもよい。

変換素子１０の実際のデザインによれば、ピクセル領域と称されるそれぞれの領域は、平面状支持体１上の、その面Ｓ₁上に、たとえば、アレイ配置に従って、行およびそれに垂直な列を成して並ぶように、規定される。同じピクセル領域ＺＰに位置する２つのアンテナ２および３は、上記で定義した意味において、互いに熱的に結合される。一方、異なるピクセル領域ＺＰに位置するアンテナ２および３は、それらの間の熱結合がより弱い、言い換えれば、ピクセル間熱拡散抵抗が、ピクセル内熱拡散抵抗よりも少なくとも１０倍、または少なくとも１００倍大きい。

ピクセル間熱拡散抵抗値とピクセル内熱拡散抵抗値の比をさらに高めるために、支持体１は、ピクセル領域ＺＰ同士の間に切れ目を有することが可能である。このように、互いに近接するピクセル領域ＺＰ同士の間の熱拡散区間を減少させることによって、ピクセル間熱拡散抵抗値を高める。図２ａおよび２ｂでは、参照記号５は、隣り合うピクセル領域ＺＰ同士の間に配置されたそのような切れ目または凹部を示す。参照記号４は、切れ目５同士の間の、支持体１の残りの連結部分を示し、当該連結部分により、変換素子１０全体の機械的結合が確保される。

図４ｃの実施形態では、アンテナ２および３の両方がヘルムホルツ共鳴器型であり、変換素子１０は、共鳴器を形成するキャビティおよびネック部を有する、金属材料である支持体１のみで構成されてもよい。あるいは、支持体１の面Ｓ₁およびＳ₂を絶縁材料で覆って、キャビティを、特に金属材料の腐食から保護してもよい。このような実施形態では、支持体１が厚いことが必要である。そうした上で、ピクセル間熱結合を減少させるという上記と同じ目的から、凹部５が支持体１の隣接するピクセル領域同士の間で局所的に薄くなるよう設計してもよい。

たとえば、ピクセル領域ＺＰは、変換素子１０のアレイの行および列の方向に沿って、約１ｍｍのピッチを有してもよい。各ピクセル領域ＺＰの内部では、各テラヘルツアンテナ２は、支持体１の面Ｓ₁に平行な横方向の寸法が０.３ｍｍ未満でよく、各赤外線アンテナ２も、支持体１の面Ｓ₁に平行な横方向の寸法が５μｍ未満でよい。上記したように、これらのアンテナの横方向の寸法は、吸収ピークＰ₁およびＰ₂に望まれる中央波長に依存する。これらの条件のもと、各ピクセル領域ＺＰは、単一のテラヘルツアンテナ２および多数の赤外線アンテナ３を有してよく、後者は、たとえば正方形の格子に沿って、ピクセル領域ＺＰ内部に配置されてよい。図１、２ａおよび２ｂは、変換素子１０のこのような構造を示す。

ピクセル領域ＺＰ、アンテナ２および３がこのような寸法である場合、各ピクセル領域ＺＰ内部にいくつかのテラヘルツアンテナ２を有し、すべてのピクセル領域ＺＰが同一の構成を有することも可能である。したがって、各ピクセル領域ＺＰ内部では、異なる形状を有するテラヘルツアンテナ２が、吸収ピークＰ₁の波長における異なる位置に対応することができる。各ピクセル領域ＺＰに赤外線アンテナ３が配置されているので、テラヘルツアンテナのいずれの一つによるテラヘルツ波の吸収に応じても、赤外線を放射できる。このように、変換素子１０は、テラヘルツアンテナに単一の形状を用いる場合に対して、感度が増したスペクトル間隔を有することができる。

さらに、吸収ピークＰ₁の異なるスペクトル位置を生み出す異なるテラヘルツアンテナ形状を、隣り合うピクセル領域ＺＰに割り当てる、特に、ピクセル領域ＺＰ間のテラヘルツアンテナ形状の定まった交替パターン（例えば、ベイヤーフィルター）を用いて割り当てることもできる。したがって、以下に説明する撮像機能のために実装される場合、変換素子１０は、多スペクトルテラヘルツ画像を伝えることができる。

その代わりにまたはそれと組み合わせて、異なる形状を有するテラヘルツアンテナ２は、テラヘルツ波の別々の偏光に対する感度が高くてもよい。実際、既知の方法で、支持体１の面Ｓ₁に平行な各アンテナ２の形状により、このアンテナがより高い効率または感度を有する放射の偏光が定まる。このように収集された画像データは偏光情報を有し、当該偏光情報は、一定の用途、特に、環境を監視する用途および進入した成分の識別のために使用可能である。

本発明に適合する変換素子１０は、内伝送構成、または、内反射構成を有してもよい。

図１、２ａおよび２ｂは、前記内伝送構成に対応する。この場合、図１に示すように、テラヘルツアンテナ２および赤外線アンテナ３は、支持体１の２つの対向面に位置する。アンテナ２は面Ｓ₁上にあり、アンテナ３は、面Ｓ₁の反対側の面Ｓ₂上にある。したがって、アンテナ２および３間の熱結合は、面Ｓ₁およびＳ₂間で支持体１を横切る熱拡散経路により形成される。このような内伝送構成は、通常、変換素子１０の実装をより簡単にする。

図５は内反射構成を示す。この場合、すべてのアンテナ２および３は、支持体１の面Ｓ₁に位置する。このような内反射構成の可能な実施形態によれば、アンテナ２および３は、支持体１の面Ｓ₁上のみに形成された多層構造ＳＴ内に形成されてもよい。たとえば、アンテナ２は、構造ＳＴのうち、支持体１に近い下部内に形成され、アンテナ３は、構造ＳＴのうち、支持体１から遠い上部内に形成されてもよい。このような構成が推奨されるのは、構造ＳＴ内で下側にあるアンテナ２を対象としているテラヘルツ波に対して、赤外線アンテナ３が十分な透過性を有する場合である。このような内反射構成の利点は、結合されたアンテナ２と３との近さが増していることに由来しており、両者の間により高い熱結合を形成する。

本発明に適合する変換素子１０の第１の用途は、たとえば、熱源または太陽から発する、テラヘルツの範囲に属する放射エネルギーを収集することであってもよい。このため、支持体１のうちテラヘルツアンテナ２を支持する面は、テラヘルツ波に曝され、赤外線を効率的に吸収するセンサ、たとえば、光電池、光導電セルまたはボロメータセルが、支持体１のうち赤外線アンテナ３を支持する面に面するように配置される。図１および５では、参照記号ＴＨおよびＩＲは、そのエネルギーが収集されるテラヘルツ波、および、前記センサ（参照番号２０で示す）に伝送される赤外線をそれぞれ示す。あるいは、ＴＨ波コンセントレータ（参照番号３０で示す）を用いて、集められるＴＨ波の量を増やしてもよい。コンセントレータ３０は、特に、ミラー、たとえば、放物面ミラーであってもよい。また、赤外線コンセントレータ（参照番号２１で示す）を、変換素子１０および赤外線センサ２０間で用いてもよい。

本発明に適合する変換素子１０の第２の用途は、テラヘルツ波から生成した画像を撮影することに関する。このため、テラヘルツ（ＴＨ）波に有効なレンズを、観察対象の場面と、支持体１のうちテラヘルツアンテナ２を支持する面との間に配置する。参照番号３０は、ここでは、このような撮像用途のためのこのようなレンズを記号的に示す。このようなレンズは、ミラーを基にしてもよいし、あるいは、テラヘルツ波に有効な屈折部品を基にしてもよい。当該屈折部品は、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ。テフロン（商標）という商品名で知られる）から成るもの、または、ポリイミド、ＰＭＭＡ、ＰＥＴなどから成るものがある。参照番号２０は、今度は、赤外線（たとえば、変換素子１０で生成された赤外線）に対する感度が高い赤外線画像検出器を示す。これは、たとえば、アレイ型検出器でよい。これらの条件下、参照番号２１は、支持体１のうち赤外線アンテナ３を支持する面と、画像検出器２０の感光面とを光学的に共役させる、赤外線に有効な撮像システムを示す。これにより得られる画像の解像度は、画像検出器２０の解像度と、変換素子１０のピクセル領域ＺＰとに主に依存する。さらに、変換素子１０が、別々のピクセル領域ＺＰで異なるいくつかのテラヘルツアンテナ２を含む場合、また、これらのテラヘルツアンテナ２が、テラヘルツ範囲の異なる波長に対する感度が高い場合、変換素子１０により、画像検出器２０の取得周期毎に多スペクトル画像を撮影することが可能になる。

上記に詳述した実施形態に関して、特定の二次的な態様を改変または変更することによって、本発明を再現できることが理解される。特に、隣接したピクセル領域間の平面状支持体の凹部を用いることは、好ましくはあるが必須ではない。

Claims (11)

1. 電磁放射用のスペクトル変換素子（１０）であって、
   それぞれがピクセル専用である複数の領域（ＺＰ）が並置された平面状支持体（１）と、
   １組の第１アンテナ（２）（テラヘルツアンテナと称される）であって、前記平面状支持体（１）により強固に支持され、電磁放射の波長が３０μｍ〜３ｍｍ（テラヘルツの放射に対応する）の場合に前記放射の第１吸収ピーク（Ｐ₁）を有するような大きさであり、前記テラヘルツアンテナの少なくとも１つが各ピクセル領域（ＺＰ）の内部に位置する、１組の第１アンテナ（２）と、
   １組の第２アンテナ（３）（赤外線アンテナと称される）であって、同様に前記平面状支持体（１）により強固に支持されるが、前記放射の波長が１μｍ〜３０μｍ（赤外線の放射に対応する）の場合に前記電磁放射の第２吸収ピーク（Ｐ₂）を有するような大きさであり、前記赤外線アンテナの少なくとも１つが各ピクセル領域（ＺＰ）の内部に位置する、１組の第２アンテナ（３）と、を含み、
   前記テラヘルツアンテナ（２）のうちの１つと、前記赤外線アンテナ（３）のうちの１つは、任意の同じピクセル領域（ＺＰ）の中にともに位置し、互いに熱的に結合しており、前記テラヘルツアンテナ（２）のうちの当該１つと前記赤外線アンテナ（３）のうちの当該１つとの熱抵抗は、前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナが異なるピクセル領域のそれぞれに位置している場合に前記テラヘルツアンテナの任意の１つと前記赤外線アンテナの任意の１つとのあいだに存在する互いの熱抵抗よりも低い、スペクトル変換素子（１０）。
2. 任意の同じピクセル領域（ＺＰ）の中にともに位置する１つのテラヘルツアンテナ（２）と１つの赤外線アンテナ（３）との熱抵抗は、前記テラヘルツアンテナおよび前記赤外線アンテナが異なるピクセル領域のそれぞれに位置している場合に前記テラヘルツアンテナの任意の１つと前記赤外線アンテナの任意の１つとのあいだに存在する互いの熱抵抗の１０分の１より低く、好ましくは１００分の１より低い、請求項１に記載の変換素子（１０）。
3. テラヘルツアンテナ（２）または赤外線アンテナ（３）が、それぞれ金属/誘電体/金属型、あるいは、ヘルムホルツ共鳴器型、あるいは、赤外線またはテラヘルツ波を吸収する材料の一部により形成される、請求項１または２に記載の変換素子（１０）。
4. 各ピクセル領域（ＺＰ）は３０μｍ〜５０００μｍの横方向の寸法を有し、各テラヘルツアンテナ（２）は１μｍ〜３００μｍの横方向の寸法を有し、また、各赤外線アンテナ（３）は０.１μｍ〜５μｍの横方向の寸法を有し、前記横方向の寸法は前記平面状支持体（１）に平行に測られたものである、請求項１から３のいずれか１項に記載の変換素子（１０）。
5. 前記平面状支持体（１）は、隣り合う任意の２つのピクセル領域（ＺＰ）を連結する連結部（４）、および、各連結部を横方向に制限する凹部（５）を含み、それにより、すべての前記ピクセル領域は、前記平面状支持体中で連結されるとともに、隣り合う２つのピクセル領域間の熱拡散通路は、前記凹部のいくつかにより限定された区間を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の変換素子（１０）。
6. 各テラヘルツアンテナ（２）は、いくつかの異なる形状から選ばれる形状を有し、前記複数のテラヘルツアンテナの形状は、最大効率で吸収される前記電磁放射の異なる偏光または異なる波長に対応しており、
   各ピクセル領域（ＺＰ）は、前記複数のテラヘルツアンテナの形状（２）の少なくとも１つ、好ましくは単一のアンテナ形状を含み、前記複数のテラヘルツアンテナの形状は、異なるピクセル領域間で交替し、好ましくは、前記変換素子（１０）全体では同一である交替パターンに従って、異なるピクセル領域間で交替する、請求項１から５のいずれか１項に記載の変換素子（１０）。
7. 一方では前記テラヘルツアンテナ（２）、他方では前記赤外線アンテナ（３）が、前記平面状支持体（１）の２つの対向面により支持され、前記熱抵抗は、両方の対向面間の前記平面状支持体を通過する熱拡散経路に沿って生じる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の変換素子（１０）。
8. 前記テラヘルツアンテナ（２）および前記赤外線アンテナ（３）は、前記平面状支持体（１）の同じ面によってともに支持される、たとえば、前記平面状支持体の面上の積層の順序において、前記テラヘルツアンテナは、前記平面状支持体の前記面に支持されている層状構造（ＳＴ）の第１の部分に配置され、前記赤外線アンテナは、前記層状構造の前記第１の部分の上方または下方に位置する前記層状構造の第２の部分に配置される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の変換素子（１０）。
9. テラヘルツ波（ＴＨ）を収集する方法であって、
   請求項１から８のいずれか１項に適合する変換素子（１０）を、前記テラヘルツ波（ＴＨ）中に設けて、前記変換素子が、前記テラヘルツ波のエネルギーから赤外線（ＩＲ）を生成するようにする工程と、
   前記変換素子（１０）により生成された前記赤外線（ＩＲ）の軌道上に赤外線センサ（２０）を設ける工程と、を含む、方法。
10. 前記赤外線センサ（２０）は、前記赤外線（ＩＲ）の少なくとも一部を効率的に吸収する、少なくとも１つの光電池、１つの光導電セル、または、１つのボロメータセルを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記赤外線センサ（２０）は、前記赤外線（ＩＲ）に対する感度が高い、少なくとも１つの画像検出器を含み、
    前記方法は、前記変換素子（１０）の上流の前記テラヘルツ波の軌道上に前記テラヘルツ波（ＴＨ）に有効なレンズ（３０）を設ける工程と、前記変換素子（１０）および前記画像検出器（２０）間の前記赤外線（ＩＲ）の前記軌道上に前記赤外線に有効な撮像システム（２１）を設ける工程と、をさらに含み、
    前記レンズ（３０）は、場面の画像を、当該場面から生じる前記テラヘルツ波（ＴＨ）を用いて、前記変換素子（１０）上に生成し、
    前記撮像システム（２１）は、前記変換素子（１０）の画像を、前記変換素子により生成された前記赤外線（ＩＲ）を用いて、前記画像検出器（２０）上に生成する、請求項９に記載の方法。

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