用于角度过滤的具有受控的角度选择性的角度光过滤单元的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于角度过滤的具有受控的角度选择性的角度光过滤单元，W及 一种用于在若干入射角下进行选择性角度过滤的设备。本发明尤其适用于多方向光检测， 更特别地适用于红外多方向光检测。
【背景技术】
[0002] 对非常多变的场所诸如建筑物内部进行监测，W便根据检测到的人类存在、用于 监测的通道路线、具有各种风险(例如有毒泄漏的检测）的工业现场或者大规模公众游行的 地方来调整照明、供暖和/或空气调节从而保障他们的安全，需要适当的远程检测系统。值 得注意的是，红外光检测允许检测到人类存在，并且还允许检测到在红外下具有光谱特征 信号的气体馈如例如甲烧、二氧化碳、氨气、低氧化氮等）。目前，运种类型的远程检测通过 装配有"广角"物镜的照相机，诸如例如Bert in技术公司销售的用于气体检测的 SecondSight⑥照相机来完成。然而，运些光学器件的高成本W及待处理图像的复杂度 所产生的成本使得运些照相机特别昂贵。近来的出版物已经研究了使用针孔照相机和红外 检测器生产非常广角红外成像器的可能性，尤其用于监测应用（参见例如G.化uad等人的 ('Compact infrared pinhole fisheye for wide field applications，'，Appl .Opt. ,48 (6)1104-1113(2009))。与传统的光学器件相比，运些成像器使得节省了成本和空间。然而， 仍然需要用于检测的适于波长的光学透镜，运设及到系统的高成本。
[0003] 与用于远程监测应用的广角红外成像系统的发展并行，若干年来已观察到纳米结 构的(或者更精确地，子波长)光过滤器的持续发展，尤其是用于红外多光谱成像应用。运些 带通滤波器可W于透射、反射或者吸收模式下操作。已知有基于微电子技术的各种技术，并 且它们都允许大规模并行制造。
[0004] 在纳米结构光过滤器中，例如已知的有干扰过滤器（参见例如A.Piegari等人的 (Variable narrowband transmission filters with a wide rejection band for spectrometry，'，Appl .Opt .45.16,3768-3773页（2006)) D干扰过滤器是由多层组件形成的， 纳米结构在垂直于所述层的表面的方向上实现。
[000引还已知有具有在元件平面中形成的纳米结构的纳米结构光过滤器。包括厚的独立 金属栅（即，其栅厚度与栅狭缝的宽度相比较大)的透射过滤器由此例如已知用于多光谱成 像应用（参见例如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，描述了由介质栅形成的反射过滤器。过滤器还已 知使用导模共振(或者GMR)。这些过滤器可W是使用反射或透射模式的全介质的（参见例如 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是金属-介质的（参见例如 E . Sakat等人的"Metal-dielectric bi-atomic structure for angular-tolerant special filtering" ,Opt丄ett. ,38(4) ,425(2013))。最后，使用吸收的带通过滤器已经 被证明用于波长选择检测应用（参见例如P.Bouchon等人的"Wideband 0皿idirectional infrared absorber with a patchwork of plasmonic nano-antennas'' ,Opt.Lett. ,37 (6) ,1038(2012))。运些吸收过滤器使用MIM(金属-绝缘体-金属的缩写)类型的结构。在运 些出版物中，一个寻求的通用目标是能够根据给定规范定义带通过滤器的光谱响应，W及 能够通过光刻技术在单个衬底上形成带通过滤器的拼接布局W便形成紧凑的多光谱或宽 带成像器。
[0006] 本发明提出使用纳米结构光过滤器的技术来设计一种具有受控的角度选择性的 光过滤单元，其能够在多方向检测系统中实现，尤其用于低成本的红外远程监测应用。
【发明内容】
[0007] 根据第一方面，本发明设及一种光过滤单元，优化用于在给定光谱带内关于给定 操作入射角的角度过滤，包括：
[0008] -第一纳米结构带通光谱过滤器，包括在所述光谱带内的第一过滤中屯、波长，所述 第一过滤中屯、波长表现出第一角度分散曲线，所述角度分散曲线代表作为所述光过滤单元 上的入射角的函数确定的所述第一过滤中屯、波长的变化；
[0009] -第二纳米结构带通光谱过滤器，包括在所述光谱带内的第二过滤中屯、波长，所述 第二过滤中屯、波长表现出第二角度分散曲线，所述第二角度分散曲线代表作为所述光过滤 单元上的入射角的函数确定的所述第二过滤中屯、波长的变化，所述第二角度分散曲线围绕 所述操作入射角与所述第一角度分散曲线相割。
[0010] 第一和第二光谱过滤器中的每一个例如可W是于透射或者反射模式下操作的过 滤器。在某些特定情况下，光谱过滤器中的一个也可W是吸收模式过滤器。
[0011] 由此，至少第一光谱过滤器和第二光谱过滤器被设置在一起，它们具有相割(不重 合)的角度分散曲线，被称为入口光谱过滤器的光谱过滤器被设计为接收入射在过滤单元 上的光通量，并且每个后继的过滤器被设计为接收前一光谱过滤器所透射或反射的光。W 运种方式，获得角度光过滤单元，其通带集中于分散曲线相交的角度上。角度过滤单元的操 作角因此可W通过选择纳米结构光谱过滤器而控制。此外，通过控制分散曲线邻近于操作 角的局部斜率，W及过滤器的光谱通带，还控制了过滤单元的角度选择性，由此使得光过滤 单元被生产为具有受控的操作入射角和角度选择性。
[0012] 根据一个变型，第一和第二光谱过滤器被设置在平行平面中。作为替代，第二光谱 过滤器可W与第一光谱过滤器形成给定角度。
[0013] 根据一个变型，第一和第二纳米结构光谱过滤器中的至少一个是干扰过滤器、导 模共振过滤器、独立金属或介质栅过滤器或者否则为包括MIM(金属-绝缘体-金属)类型的 共振的过滤器。
[0014] 根据第二方面，本发明设及一种在若干给定入射角下用于选择性角度过滤的设 备，包括根据第一方面的光过滤单元的阵列，每个光过滤单元被优化用于关于给定操作入 射角的角度过滤。
[0015] 通过过滤单元的运种组合，有可能形成用于在各种入射角下过滤的过滤器的"拼 接"。此外，由于第一和第二过滤器是纳米结构光过滤器，来自微电子技术的大规模并行制 造技术将能够实现，W便一方面制造一个或者多个第一光过滤器矩阵，另一方面制造一个 或者多个第二过滤器矩阵，由此允许生产用于多方向角度过滤的低成本和限制尺寸的设 备。
[0016] 光谱过滤器矩阵可W是一维或二维矩阵，其中每个矩阵中的光谱过滤器的设置可 W是规律的或者其他方式的。
[0017] 根据第Ξ方面，本发明设及一种多方向光检测系统，包括根据第二方面的用于选 择性角度过滤的设备和光检测单元的阵列，每个光检测单元与光过滤单元相关联，用于在 所述过滤单元的操作入射角下接收所述过滤单元透射的光通量。
[0018] 根据本说明书的第二方面的用于多方向角度过滤的设备有利地使得现有技术的 例如用于检测存在的全向光"广角"系统被取代。该目标在成本上的减少伴有所生成信号的 简化，使得其使用得W普及。例如，当在对应于光过滤单元的光检测单元中检测到信号时在 空间的区域内检测到存在(人类、气体）。
[0019] 根据一个变型，光检测单元或者"像素"的阵列与一个光过滤单元相关联，用于在 过滤单元的操作入射角下接收光通量并且由此累积运些检测单元的阵列所接收到的信号。 替代地，可W仅是单个光检测单元与一个光过滤单元相关联。
[0020] 根据一个变型，光检测单元根据包括平面载体的一维或者二维矩阵来设置。
[0021] 根据一个变型，光检测单元具有使用吸收的带通光谱过滤功能，并且形成多方向 检测系统的角度过滤单元的第一或第二光谱过滤器中的一个。
[0022] 根据一个变型，多方向光检测系统还包括外壳，用于选择性角度过滤的设备W及 光检测单元的阵列都设置于其中。
[0023] 根据第四方面，本发明设及一种用于制造根据第Ξ方面用于多方向光检测系统的 方法，包括：
[0024] -在第一平面载体上制造第一光谱单元的第一矩阵；
[0025] -在第二平面载体上制造第二光谱单元的第二矩阵；
[0026] -在第Ξ平面载体上制造光检测单元的第Ξ矩阵；
[0027] -将所述矩阵设置在外壳中。
[0028] 每个矩阵的制造可W通过已知的光刻技术例如纳米印刷技术来实现，W便减少制 造成本。
【附图说明】
[0029] 在阅读由W下附图例示的说明书之后，本发明的其他有利之处和特点将变得明 显。