CN105452909B - 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 - Google Patents
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Abstract
根据一个方面，本发明涉及一种角度光过滤单元(Ei)，优化用于在给定光谱带中关于给定操作入射角(θi，i)的角度过滤。角度过滤单元(Ei)包括第一纳米结构带通光谱过滤器(11i，301)以及第二纳米结构带通光谱过滤器(12i，302)。第一和第二光谱过滤器的每一个分别在所述光谱带中包括第一和第二中心过滤波长，其分别具有基于在光过滤单元(Ei)上的入射角(θinc)而定义的第一和第二角度分散曲线，该角度分散曲线关于光过滤单元的操作入射角(θi，i)相割。本发明适用于生产选择性角度过滤设备以及多方向光检测系统。
Description
技术领域
本发明涉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，以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
对非常多变的场所诸如建筑物内部进行监测，以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(诸如例如甲烷、二氧化碳、氨气、低氧化氮等)。目前，这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Bertin技术公司销售的用于气体检测的照相机来完成。然而，这些光学器件的高成本以及待处理图像的复杂度所产生的成本使得这些照相机特别昂贵。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.Druart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，这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，这涉及到系统的高成本。
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。这些带通滤波器可以于透射、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。
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 forspectrometry”，Appl.Opt.45.16,3768-3773页(2006))。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。
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.等人的“Free-standing sub-wavelength metallic gratingsfor snapshot multispectral 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.Lett.,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)。这些过滤器可以是使用反射或透射模式的全介质的(参见例如Y.Ding等人的"Doubly resonant single-layer band-pass optical filters",Opt.Lett.,29,10(2004)以及A.-L.Fehrembach等人的"Experimental demonstration ofa narrowband,angular tolerant,polarization independent,doubly periodicresonant grating filter",Opt.Lett.,32,15(2007))或者可以是金属-介质的(参见例如E.Sakat等人的“Metal-dielectric bi-atomic structure for angular-tolerantspectral filtering”,Opt.Lett.,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 omnidirectionalinfrared absorber with a patchwork of plasmonic nano-antennas”,Opt.Lett.,37(6),1038(2012))。这些吸收过滤器使用MIM(金属-绝缘体-金属的缩写)类型的结构。在这些出版物中，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，以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以便形成紧凑的多光谱或宽带成像器。
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
根据第一方面，本发明涉及一种光过滤单元，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：
-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心波长，所述第一过滤中心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心波长的变化；
-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心波长，所述第二过滤中心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心波长的变化，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。
第一和第二光谱过滤器中的每一个例如可以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以是吸收模式过滤器。
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。以这种方式，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以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，以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。
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，第二光谱过滤器可以与第一光谱过滤器形成给定角度。
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。
根据第二方面，本发明涉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。
通过过滤单元的这种组合，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，以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。
光谱过滤器矩阵可以是一维或二维矩阵，其中每个矩阵中的光谱过滤器的设置可以是规律的或者其他方式的。
根据第三方面，本发明涉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。
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，使得其使用得以普及。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)。
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这些检测单元的阵列所接收到的信号。替代地，可以仅是单个光检测单元与一个光过滤单元相关联。
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。
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。
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以及光检测单元的阵列都设置于其中。
根据第四方面，本发明涉及一种用于制造根据第三方面用于多方向光检测系统的方法，包括：
-在第一平面载体上制造第一光谱单元的第一矩阵；
-在第二平面载体上制造第二光谱单元的第二矩阵；
-在第三平面载体上制造光检测单元的第三矩阵；
-将所述矩阵设置在外壳中。
每个矩阵的制造可以通过已知的光刻技术例如纳米印刷技术来实现，以便减少制造成本。
附图说明
在阅读由以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。
图1是根据本说明书的多方向光检测系统的一个例子的视图；
图2A和2B是根据本说明书的用于形成角度光过滤单元的第一光谱过滤器和第二光谱过滤器的交叉的角度分散曲线的两个例子；
图3是示出根据本说明书的多方向光检测系统的各种可能配置的表格；
图4是根据本说明书的用于形成角度光过滤单元的光谱过滤器的使用导模共振类型的光谱过滤器的一个例子；
图5A和图5B分别是根据本说明书的用于实现角度光过滤单元的第一光谱过滤器和第二光谱过滤器的例子；
图6A和图6B是示出了对于各种入射角的分别对于图5A和图5B中示出的第一和第二光谱过滤器的透射光谱的曲线；
图7是示出了通过关联图5A和图5B中所示第一和第二过滤器获得的角度光过滤单元的透射的曲线；
图8是示出了通过关联图5A和图5B中所示第一和第二光谱过滤器获得的角度光过滤单元的出口处的透射TM作为入射角和方位角的函数的视图；
图9A和9B是根据本说明书的多方向光检测系统的示例性实现；
图10是设计用于实现例如图9A中所示检测系统的用于在若干入射角下进行选择性过滤的设备的一个例子；
图11是根据本说明书的多方向光检测系统的另一个例子；
图12A-12I是根据本说明书的一个实施方式的制造光谱过滤器矩阵的步骤；
图13是根据本说明书的多方向光检测系统的一个示例性实施方式。
具体实施方式
在图中，出于例示的目的示出各元素并且不必依从其中的比例。此外，相同的元素用相同的附图标记来标识。
图1示例性示出了根据本说明书的多方向光检测系统10的一个例子。检测系统10设计为基于应用在给定光谱带内操作，例如在用于检测人类存在或检测气体的红外下操作。更精确地，检测系统可以设计为例如在大气透射带II(3-5μm)或III(8-12μm)内操作。
多方向检测系统10包括检测单元15j的阵列，设计用于在检测系统10的期望光谱带内进行检测，并且在本例中以二维矩阵15的形式组织。在红外下操作的情况下，检测单元例如是微型辐射热测量计，允许生产低成本的检测系统。作为替代，检测单元可以是实现使用诸如CdHgTe(碲化镉汞或CMT)的半导体的PN或PIN结、或者InAs/GaSb(砷化铟/锑化镓)的超晶格、或者在量子阱检测器或QWIP(量子阱红外光电检测器的缩写)或基于GaAs(砷化镓)和InP(磷化铟)的量子级联检测器(或QCD)中使用的那些类型的量子阱的冷却量子检测器，或者光-阻或光-容检测器，或者其他的如同将在下文中更详细描述的在吸收模式下包含带通光谱过滤功能的纳米结构检测单元。
多方向检测系统10还包括光过滤单元Ei的阵列，每个光过滤单元Ei被优化用于在期望光谱带内的关于给定操作入射角的角度过滤。在图1的例子中，每个角度过滤单元Ei在操作入射角下透射的光通量被若干检测单元接收，检测信号随后能够在每个角度过滤单元中被相加。作为替代，有可能每个角度过滤单元Ei只提供一个检测单元。
根据本说明书，每个角度过滤单元Ei包括至少第一纳米结构带通光谱过滤器11i，和第二纳米结构带通光谱过滤器12i。由此，在图1的例子中，角度过滤单元E1包括设计用于接收入射在角度过滤单元E1上的光的入口光谱过滤器111和设计用于接收由第一光谱过滤器111透射的光通量的出口光谱过滤器121。在本例中，第一和第二光谱过滤器于透射模式下操作。在图1的例子中，第一光谱过滤器11i以基本上平面的第一二维矩阵11的形式组织，并且第二光谱过滤器12i以基本上平面的且平行于第一矩阵的第二二维矩阵12的形式组织。在图1的例子中，组成矩形阵列的拼接布局仅是一个例子。光谱过滤器在此平面中的部署是任意类型的。
根据本说明书，构成角度过滤单元Ei的第一和第二光谱过滤器11i、12i中的每一个分别包括，在多方向检测系统的操作光谱带中的第一过滤中心波长和第二过滤中心波长，第一和第二过滤中心波长具有围绕用于角度过滤单元Ei的期望操作角的相割的角度分散曲线。
在本说明书中，“光谱过滤器11i、12i的角度分散曲线”指代表光谱过滤器的过滤中心波长(或者波数、波长的倒数)作为光谱过滤器所属的角度过滤单元上的入射角的函数变化的曲线。如图1的例子，在两个光谱过滤器11i、12i于透射模式下操作且设置为基本平行的情况下，将能够理解角度过滤单元上的入射角也是在每个光谱过滤器11i、12i上的入射角。在光谱过滤器于反射模式下操作且设置为非平行形式时，角度过滤单元上的入射角可能与第二光谱过滤器上的入射角不同，下文将对此进行详细解释。
一般而言，纳米结构带通光谱过滤器在给定方位角下表现出基于入射角θinc和波长λ两者的过滤函数(在透射、反射或者吸收模式下)Fi(λ,θinc)。由此，通过将具有不同角度分散的两个光谱过滤器相结合，等于两个过滤器的过滤函数的积(F＝F1xF2)的整个组件的过滤函数F将仅在一个圆锥体中是显著的，在该圆锥体中通过两个过滤器的过滤函数是显著的。该圆锥体的轴由两个光谱过滤器的分散曲线相交的角来给定，在本说明书中称为角度过滤单元的操作角。在该圆锥体的顶点的角以间隔[θi-Δθi,θi+Δθi]和为特征，定义了该圆锥体，在该圆锥体中过滤函数是显著的，换言之，高于过滤函数最大值Fmax的给定百分比。角度间隔[θi-Δθi,θi+Δθi]和分别被称为天顶角带宽(2Δθi)和方位角带宽例如，角度过滤单元的操作圆锥体可以由在其中过滤函数大于Fmax/5的圆锥体来定义。
图2A和2B示出了根据两个例子的两个光谱过滤器的分散曲线21、22。在此，分散曲线示出了对于给定的方位角每个带通光谱过滤器的波数σc即中心波长λc的倒数作为角度过滤单元上的入射角θinc的函数。这些图示出了两个角度分散曲线相交的入射角θi和角带宽2Δθi。从这些图中，能够观察到根据本说明书的角度过滤单元Ei的角度选择性依赖于构成它的第一和第二光谱过滤器的角度分散之间的差别，并且更精确地，依赖于在邻近于操作角处的斜率的差别。由此，为了获得低的角度选择性(Δθi大)，可以选择具有彼此接近的分散关系的过滤器(图2A)。相反，具有高选择性(Δθi小)的角度过滤器将可以通过组装具有明显对比的分散关系的光谱过滤器例如具有其斜率符号相反的大分散的两个过滤器来获得(图2B)。此外，可以观察到本发明的角度过滤单元Ei的角度选择性还依赖于构成它的第一和第二过滤器的光谱通带。实际上，两个过滤器的光谱通带越窄，角度选择性将越高(参见图2A和2B：带21和22越窄，Δθi越小)。实际上，两个光谱过滤器11i和12i的通带重叠的角度扇形具有在顶点的较小天顶角(2Δθi)。
目前纳米结构带通光谱过滤器的技术使得过滤器生产为具有受控的分散曲线，使得形成具有根据应用确定的操作入射角以及天顶角和方位角带宽的角度过滤单元。
为了这一目的，已知的解决方案是利用称为“遗传算法”的算法。遗传算法的名称源于利用物种内自然选择作的类比。其在于探索对象的种群随他们的属性的变化以及与目标属性的关系。为了这一目的，限定待优化的变量(例如，结构的维度)，具有目标值的属性(例如在给定角的透射)以及会聚标准(例如，与目标透射值的差别)。选择和交叉操作使得新生代对象被创建，其属性在迭代的过程中趋向于目标值。这种遗传算法例如在R.L.Haupt等人的("Practical genetic algorithms",Wiley-Interscience(2004))中有所描述。
通过对如图1中举例示出的这些过滤单元的集合进行分组，有可能生产在若干给定入射角下用于选择性角度过滤的设备。此外，通过以矩阵的形式设置第一和第二光谱过滤器，有可能使用已知的微电子技术进行大规模并行低成本生产。
在图1所示的例子中，第一和第二光谱过滤器11i、12i是于透射模式下操作的过滤器。然而，目前纳米结构过滤器的技术允许光谱过滤器被生产为在透射、反射和吸收模式下具有受控的分散曲线。
图3示出了示例性例示出用于根据本说明书的多方向光检测系统的各种可能配置(参考标号31-36)的表格。在每个配置中，接收入射光通量的光谱过滤器(“入口光谱过滤器”)标为301，接收入口光谱过滤器所透射或反射的光的光谱过滤器标为302(“出口光谱过滤器”)，以及检测单元标为303。在入口光谱过滤器上的入射角表示为θ1；这也是在第一和第二光谱过滤器所构成的角度过滤单元上的入射角θinc。在出口光谱过滤器上的入射角表示为θ2，其等于当入口和出口光谱过滤器在基本平行的平面中时在角度过滤单元上的入射角θinc。当入口和出口光谱过滤器不处于平行平面中时，出口光谱过滤器上的入射角θ2可以不同于过滤单元上的入射角θinc。
在实际中，确定由第一和第二光谱过滤器构成并且在给定光谱带内给出关于给定操作入射角的角度过滤函数的角度过滤单元将能够以如下方式获得。为了期望的操作角度，可以将出口光谱过滤器选择为具有已知角度分散曲线，其将根据过滤单元上的入射角θinc，仅通过简单改变变量给出出口光谱过滤器的过滤中心波长。入口光谱过滤器随后能够被选择为具有已知角度分散曲线，其将在入射角θinc下过滤这一相同的过滤中心波长。在表格的情况31中示出的配置由此示出了于透射模式下操作的两个光谱过滤器301和302，它们之间具有非零角α，使得θ2＝θ1-α。为了更容易地确定由这两个光谱过滤器形成的角度过滤单元的期望操作区域，可以使入口光谱过滤器301的角度分散曲线(λc1(θ1))，以及出口光谱过滤器302的角度分散曲线(λc2(θ2)＝λc2(θ1-α))符合这样的方式：这些分散曲线在寻求的操作区域中相交。为了确定适当的角度分散曲线，诸如前述的例如遗传算法将能够被实施。由此，例如可以参考S.Tibuleac等人以优化全介质GMR透射过滤器(参见S.Tibuleac等人的“Narrow-linewidth band-pass filters with diffractive thin-film layers”,Opt.Lett.26.9,p.584–586(2001)。
在表格第一列显示的配置中，入口光谱过滤器301于透射模式下操作。这例如可以是诸如前文中提及的R.Haidar等人的文章中描述的使用厚的独立金属栅(栅的厚度与狭缝(slope)的宽度相比较大)的光谱过滤器。这还可以是诸如本申请“现有技术”部分描述的导模共振过滤器，介质的或金属-介质的。在表格第二列显示的配置中，入口光谱过滤器301于反射模式下操作。这还可以是由介质栅形成的介质导模共振过滤器或者纳米结构光谱过滤器(例如参见前文提及的P.Ghenuche等人的文章。出口光谱过滤器302可以是透射过滤器(配置31和32)或者反射过滤器(配置33、34)。
表格情况35和36中所示的配置代表将出口光谱过滤器集成到检测单元303中的情况，检测单元303本身具有带通光谱过滤器的功能。在这种情况下，光谱过滤于吸收模式下操作(例如参见前文提及的P.Bouchon等人的文章)。
对于这些过滤器中的每一个，熟练使用仿真工具使得能够确定结构的物理特性，允许获得期望的角度分散曲线。
诸如表格的情况31和35中例子所示的透射模式下的配置的有利之处在于，它们使得系统的大小被最小化。光谱过滤器操作于反射模式下的配置比前述配置大，但是它们可以允许达到非常高的入射角(特别是在将反射过滤器和透射过滤器关联的情况下)，诸如下面将讨论的那样。
尽管图3中呈现的配置实施了每个都包括两个光谱过滤器的角度过滤单元，但是有可能生产具有三个或者更多光谱过滤器的角度过滤单元，以期例如进一步增加角度选择性。继而以后续光谱过滤器接收前一光谱过滤器所透射或反射的光的方式将光谱过滤器设置在一起。在这种情况下，作为其所属于的角度过滤单元上的入射角的函数确定的每个光谱过滤器的角度分散曲线将能够在邻近寻求用于角度过滤单元的入射角处相割(不重合)。
通过数值仿真和实验测试，申请人已经强调了根据本说明书的角度过滤单元的可行性。图7和8示出了利用诸如借助图4-图6描述的纳米结构带通光谱过滤器获得的仿真结果。
图4中所示的带通光谱过滤器40是已知为导模共振或GMR过滤器的过滤器。过滤器40包括由介质材料(介电常数εd)制成的波导401，在其每个面上包括一维金属栅(介电常数εm)。由此所示的结构在所讨论波长范围上是高反射性的，因为金属栅具有非常窄的狭缝。另一方面，在共振处，组件的透射变得显著。栅所衍射的阶±1与介质波导的本征模配对。在阶0中直接或者经由将阶±1与衍射栅配对，它们在波导中受限并在透射中逸出。对这些栅的详细研究例如在E.Sakat的文章(参见上文)中有所描述。为了本说明书所呈现的仿真，使用在例如P.Bouchon等人的文章(“Fast modal method for sub-wavelength gratingsbased on B-spline formulation”,J.Opt.Soc.Am.A,27696-702(2010))中描述的B-样条函数方法。
更精确地说，已经利用包括诸如图5A所描述的入口光谱过滤器51和诸如图5B所描述的出口光谱过滤器52的角度过滤单元实现了仿真。
入口光谱过滤器由介质波导401构成，介质波导401在其每个面上包括金制成的一维(1D)金属栅，整个组件被空气所围绕。栅402、403称为“双原子”栅。这是因为它们每周期d包括两个图案，宽为a的狭缝和宽为a+l的狭缝。这种类型的过滤器可以允许获得对于-25度和+25度之间的范围(在方位角的平面中)的入射角非常平坦的分散关系，和TM极化。
图6A由此示出了图5A所示的第一光谱过滤器的针对方位角为0针对0°与25°之间范围内的角计算的一系列透射光谱。为了这一仿真，将波导401选择为具有介电常数εd＝4的氮化硅(SiNx)，在其每个面上包括金制成的1D金属栅。栅的参数为d＝3μm,tm＝0.1μm,a＝0.2μm,l＝0.5μm,td＝0.7μm,n(SiNx)＝2。在这一角度范围，在共振下的最大TM透射接近80％。可以观察到，在θ1＝0°(正入射)和θ1＝25°之间，过滤中心波长(大约4μm)不会太大变化。
与第一光谱过滤器51一样，第二光谱过滤器52由介质波导401构成，其在每个面上包括金制成的一维(1D)金属栅。与前一情况相反，栅402、403每周期d只包括一个图案，宽为a的狭缝。这种类型的过滤器可以允许获得在0方位角的平面中的非常高的角度分散。
图6B由此示出了图5B所示的第二光谱过滤器的针对方位角为0针对0°与25°之间范围内的角计算的一系列透射光谱。为了这一仿真，将波导401选择为由介电常数εd＝4的氮化硅(SiNx)制成，在其每个面上包括金制成的1D金属栅。栅的参数为d＝2.5μm,tm＝0.1μm,a＝0.3μm,td＝0.8μm,n(SiNx)＝2。可以观察到在正入射的4.23μm到25°入射的3.7μm的最大透射偏移。最大TM透射(在共振下)也从78％变化至50％。
由此，利用前文所提及的参数，在零方位角的平面中以及TM偏置(磁场H平行于栅的狭缝)情况下计算的诸如图5A和图5B所示的第一和第二光谱过滤器的分散曲线是非常不同的。第一光谱过滤器表现出几乎为0的分散，而第二则示出了很强的正分散(当入射角增大时共振向更短波长偏移)。因此可以期望，通过将第一和第二光谱过滤器相结合以便形成角度过滤单元，可以得到高的光谱选择性。可以观察到两个过滤器的共振波长围绕接近13.5°的角一致(λc1＝λc2)。在λ＝4.005μm,θ＝13.5°处，过滤器的透射为T1＝70.73％和T2＝68.04％。因此，可期望角度过滤器具有对于λ＝4.005μm,θinc＝13.5°的总透射为T＝T1×T2＝48.1％的共振。
图7示出了利用由300μm的空气间隙分开的前述两个过滤器51和52计算的，对于入射角从0°到25°并且在方位角的平面中的透射曲线。根据前一观察，在λ＝4.005μm处透射共振、对λ＝4.005μm和θinc＝13.5°(T＝48.1％)最大透射、窄的尖峰光谱宽度(半高全宽FWIM为60nm，由共振波长与半高全宽的比定义的质量因子Q为67)，在间隔[3.8,4.3]μm之外没有透射；如图7所见，在此间隔之外透射小于0.5％。所获得角度选择性为Δθ≈±8°。
这些仿真示出了角度过滤器的透射由一个简单的定律：T(λ,θ)＝T1(λ,θ)*T2(λ,θ)正确地描述。由此有可能独立于彼此来设计光谱过滤器的参数，并且有可能预测通过它们的组合获得的角度过滤单元的性能特性。
上述仿真的结果是在方位角为零换言之(如图4所示)的空间平面内进行的。实际上，可以寻求以在轴和顶点角(2Δθi,)的圆锥体内的检测为目标。
图8示出了对于所有的空间平面、对于TM极化入射波(磁场H正交于入射平面，即情况平行于狭缝)和也根据TM偏置的检测利用诸如前面定义的角度过滤单元实现的仿真。更精确地说，图8示出了代表角度过滤单元随入射角θ(辐射轴)和方位角(极坐标图中的角)变化的行为的极坐标图。颜色刻度对应于角度过滤单元在波长范围[3.81-4.19]μm上的TM透射的间隔。此图演示了在对应于θi＝13.5±8°和的光的圆锥体内的最大透射。图8中可见的杂散光通路(接近90°的θ)可以用检测器的外壳或者用场限制器屏幕遮蔽。
利用TE入射偏置(电场E平行于栅的狭缝)进行的仿真显示了利用使用这种光谱过滤器的角度过滤单元，TM极化入射光沿着角度过滤的轴线以高透射系数透射。利用TM和TE入射偏置以及利用TE检测进行的仿真显示了非常少的光通过了过滤单元，无论入射角的天顶角θ和方位角如何。角度过滤单元因此是在光圆锥体内的选择性极化单元。
图9A和9B示出了根据本说明书的多方向光检测系统10在体积90例如寓所中的房间内的示例性实现。在图9A的例子中，检测系统10位于天花板上，而在图9B的例子中，检测系统位于房间的墙壁上。在此例子中，多方向检测系统包括由具有一维栅的光谱过滤器形成的角度过滤单元。线由此示例性示出了栅的狭缝。平面正交于狭缝的方向(在此平面中过滤器的角度选择是最有效的)。只透射TM极化光(磁场H平行于栅的狭缝)。角度过滤器允许在集中于方向和的两个圆锥体内的光通过。这两个圆锥体的轴用图9A和9B中的箭头来表示。
在图9A的例子中，当检测系统10位于房间的天花板上时，入射角θ(换言之，可以被调整的角)处于垂直平面中，狭缝本身在水平平面中。
图10示出了设计用于实现如图9A中所示检测系统的成莲座形状的用于在若干入射角下进行选择性过滤并且也允许空间在中被扫描的设备的一个例子。在此例中，用于选择性角度过滤的设备包括以一维矩阵(条状夹)形式设置的角度过滤单元Ei的阵列，其本身以莲座形状布局。每个角度过滤单元E1、E2和E3选择不同的圆锥体(θi,)。由此莲座的不同分支允许瞄准不同的方位角平面，并且因此瞄准不同的房间角落。在检测器的阵列上检测到的信号的重叠(例如，来自两个不同条状夹的信号在不充分分开)是有可能的，但是应尽可能进行限制以便有利于开发数据。
在图9B的例子中，当检测系统10位于墙壁上时，狭缝有利地垂直定位。在这种情况下，平面是水平的(平行于天花板)，并且可以利用不同的角θ扫描到房间的所有角落。因此在此情况中如图10所示的莲座的实现是不必要的。在这一配置中，构造直线过滤器(具有垂直狭缝)的拼接布局就足够了，其中每个过滤器选择不同的角θ，其相当于前面莲座的单个分支。实现更简单并且角度选择性不再限于而是通过Δθ(在沿θ选择的角度圆锥体的半高全宽)。由此在此情况下可以期待更高的角度选择性(回忆示例性例子中Δθ＝±8°而)。此外，如果过滤器的拼接布局位于房间的角落中，只需要选择在-45°和45°之间范围内的角θ以便扫描整个房间。类似地，位于墙壁与天花板所形成的角中的检测器允许对于在-60°和60°之间范围内的角θ检测整个房间。
图11示出了根据本说明书的多方向光检测系统110的另一个例子。
在此例中，多方向检测系统包括操作于透射模式下的第一入口光谱过滤器矩阵11，操作于反射模式下的第二入口光谱过滤器矩阵13，和操作于透射模式下的出口光谱过滤器矩阵12。每个出口光谱过滤器(例如12j或12k)与来自第一入口光谱过滤器矩阵(例如11k)或者来自第二入口光谱过滤器矩阵的一个入口光谱过滤器或者(例如13j)相关联，以便分别形成角度过滤单元Ej、Ek。在此例中，由透射带通过滤器形成的第一入口光谱过滤器矩阵11允许聚集约-40°与40°之间的入射角；由反射带通过滤器形成的第二入口光谱过滤器矩阵13允许聚集在小于-90°与-40°的值之间范围内的角。可以添加操作于反射模式下的第三入口光谱过滤器矩阵，关于第一入口透射光谱过滤器矩阵11与第二入口光谱过滤器矩阵13对称，用于聚集+40°与高于+90°的值之间范围内的角。由此有可能借助根据本说明书的多方向检测系统超出90°并瞄准检测器后面。此外还有可能在检测器矩阵15上区分不同的入射角θ1和θ2以及角θ1及其相反角-θ1。
有利地，将光检测单元矩阵15的平面与出口光谱过滤器矩阵12之间的高度h选择为充分大，以便避免检测单元的重叠。典型地，可以选择大于两个光谱过滤器矩阵之间距离6倍的高度h。每个检测单元或者检测单元阵列由此只接收入射在其操作角为θi的过滤单元上的光通量F(θi)。
基于所使用的光谱过滤器的性质，将能够根据已知技术来制造光谱过滤器的矩阵。
图12A-12I更特别地示出了用于制造图4、5A、5B中描述的包括导模共振结构的那些类型的光谱过滤器的矩阵的步骤。
根据一个例子，制造方法可以包括下述步骤：
–准备在寻求的光谱带中为透明的双侧抛光的衬底120，例如抛光蓝宝石衬底(图12A)，并形成用于矩阵的载体；
–在溅射工具中沉积碳化硅(SiC)层121(图12B)；
–实施允许定义抗蚀剂掩膜的第一电子光刻步骤，包括：沉积抗蚀剂层122、沉积金薄膜123(图12C)、电子光刻以便形成对应于用于矩阵的各种角度过滤单元的栅403(图4)的第一图案、移除金层和显影(图12D)；
–利用RIE(根据表达“反应离子蚀刻”的缩写)蚀刻碳化硅层(121)(图12E)；
–在由蚀刻SiC形成的槽中沉积金栅(124)(图12F)；
–移除抗蚀剂并沉积厚SiC层(125)(图12G)；
–第二光刻步骤，其中如果必要，使第一和第二图案对齐(图12H)；
–剥离金栅(图12I)。
一旦形成，就可以将光谱过滤器的矩阵设置在用于接收光检测单元矩阵的适当外壳中，如图13所示。
在此例中，外壳130设计为接收分别是入口和出口光谱过滤器的两个矩阵11、12，以及光检测单元的矩阵15。矩阵11和12例如由垫片131保持并且典型地分开几百微米。检测单元矩阵15位于距离光谱过滤器矩阵更远的典型为几毫米的位置。例如当光检测单元矩阵15需要操作于冷却或者冷的环境中时，该外壳可以是低温容器。例如当检测单元矩阵15由辐射热测量计组成时，其可以是真空室。对于本领域技术人员而言明显的是，该外壳将能够根据入口和出口光谱过滤器矩阵以及光检测单元矩阵的数量和形状进行调整。
尽管通过一定数目的详细的示例性实施方式进行了描述，但是根据本发明的角度光过滤单元的结构和制造方法包括很多变型、修改和改进，它们对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，应理解这些不同的变型、修改和改进形成如由所附权利要求所定义的本发明的范围的一部分。
Claims (16)
1.一种角度光过滤单元(Ei)，被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，所述角度光过滤单元(Ei)包括：
-第一纳米结构带通光谱过滤器(11i，301)，包括在所述光谱带内的第一过滤中心波长，所述第一过滤中心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(Ei)上的入射角的函数确定的所述第一过滤中心波长的变化；
-第二纳米结构带通光谱过滤器(12i，302)，包括在所述光谱带内的第二过滤中心波长，所述第二过滤中心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(Ei)上的入射角的函数确定的所述第二过滤中心波长的变化，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。
2.根据权利要求1所述的角度光过滤单元，其中所述第一纳米结构带通光谱过滤器和第二纳米结构带通光谱过滤器中的至少一个于透射模式下操作。
3.根据权利要求1所述的角度光过滤单元，其中所述第一纳米结构带通光谱过滤器和第二纳米结构带通光谱过滤器中的至少一个于反射模式下操作。
4.根据权利要求1所述的角度光过滤单元，其中所述第一纳米结构带通光谱过滤器和第二纳米结构带通光谱过滤器中的一个于吸收模式下操作。
5.根据前述权利要求中任一项所述的角度光过滤单元，其中所述第一纳米结构带通光谱过滤器和第二纳米结构带通光谱过滤器设置于非平行的平面中。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的角度光过滤单元，其中所述第一纳米结构带通光谱过滤器和第二纳米结构带通光谱过滤器中的至少一个是导模共振过滤器、具有独立金属或介质栅的过滤器或者包括MIM(金属-绝缘体-金属)类型共振的过滤器。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的角度光过滤单元，其中所述第一纳米结构带通光谱过滤器和第二纳米结构带通光谱过滤器中的至少一个是干扰过滤器。
8.一种用于在若干给定入射角下进行选择性角度过滤的设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的角度光过滤单元的阵列，每个所述角度光过滤单元被优化用于关于给定操作入射角的角度过滤。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述第一纳米结构带通光谱过滤器根据包括第一平面载体的至少第一一维或二维矩阵(11)设置，并且所述第二纳米结构带通光谱过滤器根据包括第二平面载体的至少第二一维或二维矩阵(12)设置。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一载体和第二载体被设置在非平行的平面中。
11.一种多方向光检测系统，包括根据权利要求8-10中任一项所述的用于在若干给定入射角下进行选择性角度过滤的设备，还包括光检测单元(15j)的阵列，每个光检测单元与角度光过滤单元相关联，用于在所述角度光过滤单元的操作入射角下接收所述角度光过滤单元透射的光通量。
12.根据权利要求11所述的多方向光检测系统，其中角度光过滤单元的所述第一纳米结构带通光谱过滤器或第二纳米结构带通光谱过滤器中的一个是由与所述角度光过滤单元相关联的光检测单元形成的吸收过滤器。
13.根据权利要求11所述的多方向光检测系统，其中所述光检测单元是辐射热测量计。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的多方向光检测系统，其中所述光检测单元根据包括平面载体的一维或二维矩阵(15)设置。
15.根据权利要求11-13中任一项所述的多方向光检测系统，还包括外壳(130)，所述用于在若干给定入射角下进行选择性角度过滤的设备以及所述光检测单元的阵列设置在所述外壳(130)中。
16.一种用于制造根据权利要求11-15中任一项所述的多方向光检测系统的方法，包括：
-在第一平面载体上制造第一光谱单元的第一矩阵；
-在第二平面载体上制造第二光谱单元的第二矩阵；
-在第三平面载体上制造光检测单元的第三矩阵；
-将所述矩阵设置在外壳中。
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