JP2010524012A - 電磁エネルギーを選別して集めるデバイス、及び、そのようなデバイスを少なくとも１つ備える装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、デバイスの表面に作用する電磁エネルギーを選別して集める上記デバイスであって、上記表面が、周期的又は準周期的な表面形状からなる少なくとも１つのプラズモニクスベースの表面構造体又は同様の構造体を備える、デバイスに関する。デバイスは、少なくとも部分的且つ空間的に重複された又は重畳された個々の集光構造体としての機能を果たすような少なくとも２つの表面構造体（２）が上記表面（Ｖ）に設けられている、ことを特徴としている。

Description

本発明は、電磁エネルギー、特に光エネルギー、より具体的には赤外波長及び可視波長を処理する分野に関し、異なる特性を有する放射の電磁エネルギーを選別して集めるデバイス、及び、そのようなデバイスを少なくとも１つ備える装置に関する。

本発明は、より具体的には可視光又は赤外線放射に関して記載されるものの、電磁放射のより幅広い範囲又は種類、より具体的には、およそマイクロ波から紫外線放射までの波長に及ぶ放射が、本発明によって影響を受ける可能性があることを理解すべきである。

特に、多種多様な光検出の用途において、入射（光）のスペクトル（すなわち、波長分布）を特徴付けることができるデバイスの必要がある。放射又は光の偏光状態の特性分析を必要とする用途もまたある。ほとんどと言っていいほど、これらの用途において、信号完全性を維持するとともに使用可能な光の効率的使用をなす必要がある。これは、通常、デバイスの大きさ及び／又はコストの制約と組み合わされる。

現在のイメージング技術は、例えばシリコンＣＣＤ又はＣＭＯＳ技術に基づくアレイ等、光センサのアレイに基づいている。光センサの二次元マトリクスアレイを使用した基本的なイメージングシステムにおいて、各センサ素子からの信号は、像の１ピクセルに対応している。

分光及び旋光（ｐｏｌａｒｏｍｅｔｒｉｃ）イメージングは、光センサアレイが一般に２次元に制限される一方で、像データが基本的に（第３の次元を構成する分光又は旋光情報を有する）３次元であるという点で、全般的で技術的な課題に直面している。

カラーイメージングに関しては、いわゆる「バイエルパターン」又は同様に配置された、それぞれが原色のうちの１つを通過する個々のカラーフィルタを備える光センサのマトリクスアレイを使用するのが一般的である。

この場合、各原色に対応する部分的な像は、空間的にレジストレーションされず、各画素について、対応する光センサ素子のスペクトルフィルタによって通過しない２つの原色における光量を推定するために、ある形式の補間が必要である。これは、結果として生じた像においてカラーアーチファクトをもたらす可能性がある。

また、各光センサ素子は、それ自体のスペクトル帯域内の光のみを集光し、これにより、その特定の素子に作用する他の光は失われる。

可視光及びより長い又はより短い波長を有する他の電磁放射の取り扱い、処理、及び／又は、利用と関連した用途について、ここまで明らかにされた制限を克服するという全面的な要求がある。

他方、近年では、プラズモニクスとして知られている分野(例えば、ＢａｒｎｅｓらによるＮａｔｕｒｅ ｖｏｌ．４２４，ｐ．８２４，２００３；Ｃ．Ｇｅｎｅｔ ａｎｄ Ｔ．Ｗ．Ｅｂｂｅｓｅｎ，Ｎａｔｕｒｅ ｖｏｌ．４４５ｐ．３９（２００７）を参照)において、金属表面上での光周波数における電荷振動現象の理解及び利用における著しい進歩があった。

実際に、表面プラズモン（ＳＰ）は、近年、多数の他の用途の間において、光学及び検出における可能性に起因して相当な関心を呼んでいる(例えば、Ｚａｙａｔｓ，Ａ．Ｖ．，Ｓｍｏｌｙａｎｉｎｏｖ，Ｉ．Ｉ＆Ｍａｒａｄｕｄｉｎ，Ａ．Ａ．「Ｎａｎｏ−ｏｐｔｉｃｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ．」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｐ．４０８，１３１−３１４（２００５）、Ｍｉｋｈａｉｌｏｖ，Ｖ．，Ｗｕｒｔｚ，Ｇ．，Ｅｌｌｉｏｔ，Ｊ．，Ｂａｙｖｅｌ，Ｐ．，Ｚａｙａｔｓ，Ａ．Ｖ．「Ｄｉｓｐｅｒｓｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ ｗｉｔｈ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｐｏｌａｒｉｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ．」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９９，０８３９０１（２００７）、Ｚｉａ，Ｒ．，Ｓｃｈｕｌｌｅｒ，Ｊ．Ａ．，Ｃｈａｎｄｒａｎ，Ａ．，Ｂｒｏｎｇｅｒｓｍａ，Ｍ．Ｌ．「Ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ：ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｃｈｉｐ−ｓｃａｌｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．」Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｏｄａｙ．９，２０−２７（２００６）を参照)。

表面プラズモンは、基本的に、金属における自由電子との相互作用によって金属表面において捕らえられた光波である。それらの特性は、金属表面をテクスチャリングすることによって制御されることができる。分光及び偏光イメージングに照らして、周期的な溝によって取り囲まれた単一開口は、特に関心が高い(例えば、Ｔｈｉｏ，Ｔ．，Ｐｅｌｌｅｒｉｎ，Ｋ．Ｍ．，Ｌｉｎｋｅ，Ｒ．Ａ．，Ｌｅｚｅｃ，Ｈ．Ｊ．＆Ｅｂｂｅｓｅｎ，Ｔ．Ｗ．「Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｌｉｇｈｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ａｐｅｒｔｕｒｅ．」Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２６，１９７２−１９７４（２００１）、Ｎａｈａｔａ，Ａ．，Ｌｉｎｋｅ，Ｒ．Ａ．，Ｉｓｈｉ，Ｔ．＆Ｏｈａｓｈｉ，Ｋ．「Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｒｏｍ ａ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｍｅｔａｌ ｆｉｌｍ．」Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２８，４２３−４２５（２００３）、Ｇａｒｃｉａ−Ｖｉｄａｌ，Ｆ．Ｊ．，Ｌｅｚｅｃ，Ｈ．Ｊ．，Ｅｂｂｅｓｅｎ，Ｔ．Ｗ．＆Ｍａｒｔｉｎ−Ｍｏｒｅｎｏ，Ｌ．「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｐａｔｈｓ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｌｉｔ．」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９０，２１３９０１（２００３）を参照)。

周期的な溝は、入射光を表面プラズモンに変換して開口を介した透過を高めることによって入射光についてのアンテナのような役割を果たす。

図１は、単一のサブ波長孔が同心溝によって取り囲まれているような１つの開口構造体の例を与えている。

「標的」構造体としても知られているそのような構造体は、例えば、（例えば銀又は金から形成された）金属フィルムの表面における集束イオンビーム（ＦＩＢ）リソグラフィによってミリング加工される。そのようなデバイスは、可視光用では、例えば以下の寸法を有する構造体を有するガラス基板上の３００ｎｍ厚の銀フィルムとすることができる。中心孔の直径：１７０ｎｍ、溝の幅：１５０ｎｍ、溝の深さ：１０ｎｍから１５０ｎｍ、空間的周期：６００ｎｍ。

矢印によって示されているように、入射光は、表面電荷振動を励起し、光エネルギーは、構造体の中心に集められ、フィルムにおける開口に入る。光は、背面の構造化に応じてフィルムの背面に現れ、示されているように外側に回折することがある。構造体は、主に環構造の周期によって決定される波長帯域内で光を優先的に集光する。底部におけるものは、金フィルムにおいて作られた実際の標的構造体の像である。

そのような構造体の透過ピーク波長λ_ＳＰＰは、通常の入射照明についての式（１）によって予測されるように、溝周期Ｐ（図１ｂ）を制御することによって調整されることができる。

ここで、ε_ｍ及びε_ｄは、金属及び金属表面と直接接触する誘電体の誘電率である。ピークは、通常、ファノタイプの相互作用に起因して式（１）の予測と比較して赤色にシフトされる。透過スペクトルはまた、先に引用した参考文献において述べられているように、溝の深さ、幅、開口の形状及び大きさ等の他の構造上のパラメータによって調整される。

そのような構造体は、その周期に適合する波長帯域内で光エネルギーを優先的に集める。

表面プラズモンは、中心孔において強い電磁界を引き起こす。開口を通る単位面積あたりの磁束は、入射光のものよりも大きく、溝がアンテナとしての機能を果たすのを裏付け、孔周囲の領域から横方向に光を集光することができる。この特別な透過現象は、開口がデバイスのほんの僅かな表面のみを表す場合であっても、有益な集光効率を可能とし、光エネルギーは、開口を通過した後に、開口の出射孔におけるフィルムの背後において抽出される。

知られている放射又は光を集める構造体の他の例は、図２において図示されているように、光学又は放射エネルギーが集められるスリット状の開口を取り囲む直線状の波形を有する金属フィルムから構成される。この構造体の集光効果は、波長のみならず入射光又は放射の偏光にも依存する。

ここで、本発明者は、プラズモニクスベースの表面集光構造体が、少なくともスペクトルで区別された又は偏光選択的な集光を、したがって、知られているバイエルマスク技術に関して上述した制限を特に克服するのを可能とするスペクトル特性の、電磁放射の、特に光の特性分析を実現するために適用されることができるということを予想外に見出した。

したがって、本発明によれば、デバイスの表面に作用する電磁エネルギーを選別して集める上記デバイスであって、上記表面が、１つ以上の固有の共鳴を有する少なくとも１つのプラズモニクスベースの表面構造体又は同様の表面構造体を備え、上記表面には、少なくとも部分的且つ空間的に重複された又は重畳された個々の集光構造体としての機能を果たすような少なくとも２つの表面構造体が設けられていることを特徴する、デバイスが提案される。

本発明の基本的概念は、互いに噛み合わせられた個々の表面構造体のそれぞれの設計及び配置に応じて、異なる固有の特性を有する放射成分を選別して集めるのを可能とし、重複された領域は、驚くべきことに、顕著な相互干渉なしで作用する。

本発明に係るデバイスの有利な実施形態又は追加の特徴は、請求項２から２２において明らかにされる。

そのようなデバイスは、特に、分光法又は偏光分析法を実行するために使用されることができる。

本発明はまた、少なくとも１つの薄板又はフィルム状基体の表面に作用する電磁放射を分離して特徴付ける装置であって、上記基体又は上記基体のそれぞれが、上述したようなデバイスから構成されており、集光構造体のうちの１つによって選別される各放射成分が、対応する開口の入射孔において集められ、センサ又はセンサの群が、１つ以上の開口の出射孔から放射している分離された放射成分の情報を収集するように、作用表面の反対側の基体の側面に配置されている、ことを特徴とする装置に関する。

そのような装置は、例えば、カラーイメージングとともに、スペクトル及び／又は偏光イメージングを実行するために使用されることができる。

その種の用途は、例えば、Ｅ．Ｌａｕｘらによる「Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ ｐｈｏｔｏｎ ｓｏｒｔｅｒｓ ｆｏｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ａｎｄ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ」，Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２，１６１−１６４（２００８）に記載されている。

本発明は、さらに、異なる特性を有し且つ異なる光源によって供給される電磁放射を単一の電磁放射に結合する装置であって、上述したような少なくとも１つのデバイスを備え、各光源によって放射される放射が、出射孔を通って上記基体の対応する開口に供給され、上記異なる放射が、集光構造体が設けられた表面から放射される単一の放射に構成成分として結合されることを特徴とする装置に関する。

そのような装置は、例えば像の表示又は投射を実行するために使用されることができる。

本発明の他の目的は、添付された特許請求の範囲において言及され、以下の添付図面とともに以下の記載に照らしてより容易に明らかとなる。

単一のサブ波長孔が同心溝によって取り囲まれているような１つの開口構造体の例を示している。 知られている放射又は光を集光する構造体の他の例を示している。 本発明の第１の実施形態に係るデバイスを組み込んだ、電磁放射、特に光を分離して特徴付ける装置の横断面斜視図である。このデバイスの実施形態は、入射光の異なるスペクトル成分を集める２つの重複標的集光構造体から構成される。２つの光センサ素子は、本発明に係る金属フィルムの下部に設置され、標的構造体のそれぞれによって集められた光エネルギーを受ける。そのようなアセンブリは、入射光のスペクトル分布についての情報を含む信号を収集するために使用されてもよい。 本発明に係る金フィルムの表面に形成された一対の重複標的構造体から形成された図３Ａと同様の実施形態の平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るデバイスの平面図である。この実施形態は、金フィルムの表面に形成された３つの部分重複標的集光構造体から構成される。各集光構造体は、異なる環の周期を有する。したがって、構造体は、優先的に入射光の３つの異なるスペクトル成分を集める。 図４Ａにおいて示されるようなデバイスを組み込んだ電磁放射（光）を分離して特徴付ける装置の概略的な斜視図である。 それぞれが２つの中心孔の異なる分離を有する、図３において示されるものと同様の３つの異なる二重集光構造体の測定された全体の透過スペクトルを示しているグラフである。構造体は、３００ｎｍ厚の銀フィルムに形成されている。各標的構造体は、約７マイクロメートルの半径を有する。図は、７、１１、及び、１５マイクロメートルの中心間距離についての測定結果を示している。主な透過ピークの位置が、基本的に、７マイクロメートルの間隔の場合に約３０％である２つの集光体の間における重複の程度によって影響を受けないままとされるということが明らかにわかる。 ５０％（ｄ７）の重複を有する場合と、重複がない（ｄ１５）ように間隔がより大きい場合とにおける、３００ｎｍ厚の銀フィルムにおいて形成された異なる周期性を有する３つの集光構造体の組み合わせについての各透過ピークの測定された強度を示しているグラフである。重複は、１つ以上の隣接した構造体によって重複している１つの標的の領域の割合として、ここで定義される。透過ピークの強度は、重複量よりもずっと少なく減少する。これは、重複領域における光入射を考慮に入れても、光エネルギーが波長に応じて異なる開口において優先的に集められていることを示している。 それぞれが異なる波長の３つの標的構造体を有する金フィルムにおいて形成された、部分的に重複した集光構造体の群からなるアレイを備える、本発明の他の実施形態に係るデバイスの斜視平面図である。このような重複集光体アレイは、スペクトル又は偏光イメージングを実行するために使用されてもよい。 偏光イメージングに適している本発明の他の実施形態に係るデバイスの部分斜視平面図である。スリットのアレイは、対応する波形を有する金属フィルムにおいて形成されている。スリットは、入射光の偏光に応じた強度を有する隣接した平行な波形の組から光エネルギーを受ける。スリットのそれぞれの下方に設置された個々の光センサ素子（図示せず）は、偏光像を構成するために使用されることがある信号を記録する。 図３において示されるが、その出射表面において集光構造体もまた設けられたものと同様である、本発明の他の実施形態に係るデバイスの概略的な横断面図である。

本発明の中核をなすものは、図１及び図２におけるもののような、別々の位置において異なる波長又は偏光を集光して集めるように、重複した又は重畳されたプラズモン集光構造体の使用である。

実際には、本発明の主要特性は、重複領域に作用する異なるスペクトル及び／又は偏光成分を含む電磁放射、例えば光が、異なる成分の特性にしたがって、本発明のデバイスによって横方向に分離されることができるということである。異なる成分におけるエネルギーは、異なる位置において優先的に集められる。そのような分解は、特に、分光及び偏光検出を可能とする基本構成要素である。

表面重複比は、数十パーセント（例えば３０％、５０％、７０％）から最大で１００％までとすることができる（図８を参照）。

これは、図３において示されるように、金フィルムにおいてミリング加工された異なる周期を有する一対の重複標的構造体によって裏付けられる。ここで、その構造体の周期に合った波長を有する構造体のうちの１つに作用する光が、その構造体の中心に優先的に集められる。これは、重複領域への入射光であることを考慮に入れた場合である。したがって、各構造体は、重複領域への入射光の異なるスペクトル成分を集める。本発明にしたがって形成された集光構造体の中心間距離及び配置に応じて、重複領域は、組み合わせられた構造体によって占有される領域のほとんど又は全てに延在してもよい。

本発明によれば、光センサは、図３Ａにおいて示されるように、組み合わせられた集光構造体への入射光のスペクトル成分についての情報を収集するように各開口の下方に設置されてもよい。たとえ光センサが横方向に分離された場合であっても、重複集光構造体は、双方の光センサが、組み合わせられた構造体によって占有される領域のほとんど又は全てから効率よく集光するのを可能とする。

本発明によれば、上述した基本的原理は、重複集光構造体の個数の増加により、より多くのスペクトル成分又は偏光成分に拡張されることができる。

これは、３重の集光デバイスに関して図４Ａにおいて示されている。ここで、３つの標的構造体は、入射光の３つの異なるスペクトル成分を集めるために異なる周期を有する。偏光を特徴付けるための類似した配置が以下に記載される。

図５において示される結果は、そのような重複構造体が、どの程度、重複領域への入射光の成分を分離することができ、且つ、各構造体の中心においてそれぞれの開口に光エネルギーをもたらすことができるかを明示している。図において、異なる周期を有する２つの標的構造体の開口による透過光が、それらが離れている場合と中心間距離が７μｍである場合とで比較されている。後者の場合は、約３０％の重複に相当する。集光構造体が離れている場合、それらは、主にそれらの周期によって画定される透過ピークを有する。重複構造体において、各開口は、分離した標的構造体のスペクトル特性によって左右される独特のスペクトルをさらに有する。

３つの周期によって画定される３つの優先的な波長における透過が３つの構造体間の重複に応じてプロットされる場合、図６において示されるように、重複が、分離した構造体と比較して非常に小さい損失を導入することがわかる。この結果は、さらに、波長にしたがって分離する場合において、重複領域に作用する光を横方向に分離するための重複集光体の能力を裏付ける。これは、本発明の概念の明らかな証明を提供する。

本発明に係る集光構造体及び光センサのアセンブリは、集光構造体によって画定される局所領域に作用する光のスペクトル及び／又は偏光特性を特徴付けるために使用されることができる。そのようなアセンブリは、それ自体、極めて小型の分光計等の重要な用途を有することができる。

局所領域に作用する光を分析して、上記アセンブリは、スペクトル及び／又は偏光像の１画素に対応する信号を収集するために必要とされる機能を実行する。したがって、以下では、そのようなアセンブリを「スーパーピクセル」と称する。

本発明によれば、例えば図７において示されるように集光構造体を配置することによって多数のスーパーピクセルユニットのアレイを形成することが可能である。

適切な結像光学系の焦点にそのようなスーパーピクセルのアレイを設置することにより、全てのスーパーピクセルにおける光センサの集められた出力は、スペクトル及び／又は偏光像を構成することになる。結果として生じるスペクトルイメージングシステムは、より良好な帯域間のスペクトルレジストレーションを呈し、バイエルマスクフィルター又は同様のものに基づくイメージングシステムと比較して、より効率的な光の使用をなす可能性を有する。

本発明の重要な態様は、たとえスーパーピクセルユニットの感光面積がかなり大きい場合であっても、光エネルギーが、光の自由空間波長よりも潜在的に小さい小領域に集められるということである。

これは、通常、半導体チップ状のモノリシックアレイとして形成された非常に小さい光センサ素子の使用を可能とする。

本発明に係る小さい光センサ素子の使用は、以下を含むいくつかの方法において有利である：
第１に、これは、「バイエルマスク」又は同様の技術と比較して、より密集した光センサ素子の使用を可能とし、光センサアレイのために必要とされる総面積を低減する可能性をもたらす、
第２に、光センサ素子の大きさは、それらの応答速度を決定する重要な因子である（例えば、Ｔ．ＩｓｈｉらによるＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．４４ｐ．Ｌ３６４（２００５）を参照）、
第３に、光センサ素子の大きさはまた、センサ技術に応じて、センサノイズへの大いなる寄与の強度を決定することがある、
第４の利点は、プラズモン集光体の使用は、「曲線因子」として知られている、総面積に対する感光面積の高い比を有する光センサアレイの必要性を回避するということである。曲線因子における必要性の低減は、光センサアレイを支持するチップの機能性を増加する機会をもたらすことがあり、又は、光センサアレイ製造におけるコスト削減になることがある。

以下、本発明がどのようにして偏光イメージングを含む光の偏光状態を特徴付けるために使用されることができるかについてより詳細に説明する。

偏光情報を得る１つの方法は、異なる方向に配向した図２において示されるタイプの重複構造体を使用することである。

例えば、図８において示される構造体は、三角格子において重複する異なる偏光依存性の集光構造体を組み合わせている。

この複雑な構造体において、所定の三角形の各端縁は、スリットに対して平行な隣接した波形の組から集光するスリット開口である。各スリットの下方に光検出器を設置することにより、入射光の偏光情報を記録し、適切な結像光学系とともに偏光像を形成することができる。

上述した開口によって透過された光は、通常、フィルムの反対側に現れるように回折する。開口の出口における回折は、上記開口の出力表面の周囲を構造化することによって制御されることができることが知られている（例えば、ＬｅｚｅｃらによるＳｃｉｅｎｃｅ ｖｏｌ２９７，ｐ．８２０，２００２，Ｍａｒｔｉｎ−ＭｏｒｅｎｏらによるＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．９０，１６７４０１，２００３、及び、米国特許第７，０５７，１５１号明細書を参照）。

構造化の適切な選択により、現れる光は、表面に対して垂直又は斜角を有して焦点が合わせられて発せられる。本発明によれば、出力側の構造化は、異なる方向における光の異なる成分を焦点に合わせる又は発するための組み合わされた構造体又は重複構造体から構成されてもよい。このように、例えば、異なる光センサ素子上に異なる偏光を導くことにより、出力側の光をさらに分離することが可能である。

本発明の重要な一般的態様は、異なる波長、偏光、入射角、又はその組み合わせ等の特性を有する光の成分の光エネルギーを別個に集めることができる空間的に重複又は重畳されたプラズモン構造体の使用である。本発明によれば、任意個数のプラズモン集光構造体が、このようにして組み合わされてもよく、重複が部分的又は完全であってもよい。重複は、性能要件及び製造能力に応じて多くの方法で実現されてもよい。

本発明によれば、上記重複集光構造体を使用するための１つの方法は、分離された光の成分の強度を測定するために重複集光構造体のそれぞれに光センサを接続することである。

本発明によれば、異なる光源からの光を、単一の光源から到来するようにみえるような特性を有する出力光と結合するために逆に重複集光構造体を使用することもまた可能である。したがって、本発明の他の態様は、光センサを光源に置換することによって像を発生させる又は表示するために重複プラズモン構造体を使用することが可能であるということである。これは、イメージプロジェクタ又はディスプレイにおける使用を見出すことができる。

本発明の多くの他の実施形態は、当業者にとって明らかである。例えば、周期構造体は、金属フィルム上における溝又は突起構造体から形成されることができる。周期構造体は、金属又は誘電体から形成されることができる。好ましい金属は、興味のある波長における金属の特性によって決まる。可視域において、銀は好ましい金属である一方で、赤外線においては金もまた非常に良好である。中心開口は、様々な形状を有してもよく、波長よりも小さい又は大きくてもよい。スーパーピクセル間の境界は、スーパーピクセルの感光領域を画定する様々な方法で描かれてもよい。これは、スーパーピクセル境界にわたる電荷振動の伝播を制御する手段とともに、スーパーピクセル間の境界線において先端が切り取られた個々の集光構造体を含んでもよい。

本発明の関連のある用途の重要な種類は、スペクトルイメージングである。（ここでは、用語「スペクトルイメージング」は、入射光を空間的にのみならずスペクトル的に分解するためのイメージング技術に言及するために使用される。これは、通常は２個から１０個の異なるスペクトルチャンネルを有するシステムに言及する「マルチスペクトルイメージング」も、通常は数十個又は数百個のスペクトルチャンネルを有するシステムに言及する「ハイパースペクトルイメージング」も含む）。通常のスペクトルイメージングシステムは、個々の画素から構成された像を形成し、各画素情報については入射光の波長分布について記録される。スペクトルイメージングの最も一般的な形式は、人間の目の原色に対応する３つのスペクトルチャンネルに分離された可視光を作像するカラーイメージングである。この色情報は、モノクロイメージング（スペクトル情報がない「黒白」）の場合と比較して、像の情報量が強く増大することは知られている。さらにまた、ハイパースペクトルイメージングにおけるように、より多くのスペクトルチャンネルの追加は、像の自動コンピュータ分析を非常に容易とするかなり余分な情報を加えるという事実がよく確立されている。

スペクトル分布に加えて、入射光の信号もまた、多くの場合有益な情報を有するその偏光状態によって特徴付けられる。スペクトルイメージングと同様に、偏光イメージングは、偏光状態に感受性がある方法で像を形成する技術に言及する。表面検査から軍事目標検出までに及ぶ用途が、例えば偏光イメージングを介して、偏光状態の測定から得られることあることが知られている。

添付された図面によって説明された上述した明細書において、本発明は、可視光に関する用途の観点で主に記載されている。

しかしながら、本発明によれば、偏光依存構造体を含む同じ性質及び特徴は、基本的に、構造体を拡大縮小して適切な光センサ（又は光源）を選択することにより、熱及びマイクロ波領域等の他の波長にまで拡張されることができる。考えられる１つの用途は、軍事用途において興味を持つことができる熱赤外波長におけるスペクトル又は偏光イメージングである。より長い波長において、製造は、集光構造体のより大きい寸法の点で容易とされる。一般に、多くの他の用途は、それぞれの用途分野における当業者にとって明らかである。例えば、上述したような単一の「スーパーピクセル」は、特に、光ファイバーへの接続又はマイクロシステムへの組み込みに適した非常に小型の分光計デバイスとして使用されてもよい。

以下の限定されない参照番号は、添付図面及び特許請求の範囲において現れる。

本発明の様々な実施形態が記載されて図示されている一方で、本明細書に添付される特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである本発明の精神及び広義の教示から逸脱することなく、変形例及び変更例が可能であることは当業者にとって明らかなはずである。

１ デバイス
１’ 作用表面
１’’ 出射表面
２ 個々の表面構造体、集光構造体
３ エネルギー集中の開口／局所領域
４ 板又はフィルム状基体
５ 重複表面構造体の群
６ 装置
７ センサ

Claims (30)

1. デバイスの表面に作用する電磁エネルギーを選別して集める前記デバイスであって、前記表面が、１つ以上の固有の共鳴を有する少なくとも１つのプラズモニクスベースの表面構造体又は同様の表面構造体を備え、前記表面（１’）には、少なくとも部分的且つ空間的に重複された又は重畳された個々の集光構造体としての機能を果たすような少なくとも２つの表面構造体（２）が設けられていることを特徴とする、デバイス。
2. 各表面構造体が、周期的又は準周期的な表面形状を形成していることを特徴する、請求項１に記載のデバイス。
3. 部分的に又は全体的に重複された前記少なくとも２つの異なる集光構造体（２）のうちのそれぞれが、対応する特定の特性、特に、特定の波長、入射角、及び／又は、偏光を有する電磁エネルギーを集めるように構成された特定の寸法上の及び／又は構造上の特徴を有することを特徴する、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 部分的に又は全体的に重複された前記少なくとも２つの集光構造体（２）が、それぞれ対応する異なる波長又は対応する異なる波長帯域内の波長と、それぞれ対応する異なる偏光方向及び／又はそれぞれ対応する異なる入射角とを有する電磁エネルギーを別個に選別して集光して集中させるように構成された異なる空間的周期、構造化、及び／又は、配置を有することを特徴する、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 部分的に又は全体的に重複された前記少なくとも２つの集光構造体（２）が、５００オングストロームから１ｍの間、好ましくは０．４μｍから１ｍｍの間の値の範囲内に含まれる波長を有する電磁エネルギーを別個に選別して集光して集めるように縮小拡大されることを特徴する、請求項４に記載のデバイス。
6. 各集光構造体（２）が、電磁エネルギー、好ましくは光エネルギーを集光及び／又は集中させるように配置されており、前記集光構造体（２）の範囲内又は外側に位置付けられた対応する特定の領域（３）においてエネルギーが作用する表面から選別し、これにより、異なる特性を有する放射成分の電磁エネルギーが、異なる局所領域において集められることを特徴する、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
7. エネルギー集中の各局所領域（３）が、関係している放射種類と相互作用しない材料から形成された支持基体に場合によっては取り付けられている薄板又はフィルム状基体（４）の表面に対応する作用表面（１’）における開口に対応していることを特徴する、請求項６に記載のデバイス。
8. エネルギー集中の各局所領域（３）が、作用表面における円形開口から構成されており、関連する集光構造体（２）が、前記開口周囲において同心円形パターンで配置されていることを特徴する、請求項６又は７に記載のデバイス。
9. 各局所領域（３）が、作用表面における細長いスロット状又はスリット状開口から構成されており、関連する集光構造体（２）が、好ましくは対称配置で、前記作用表面における前記開口の一方又は双方の側面において前記開口に対して平行な直線状パターンで配置されていることを特徴する、請求項６又は７に記載のデバイス。
10. 直線又は非直線形状の少なくとも２つのスロット又はスリット状開口（３）が、平行又は非平行配置で相互に配置されており、前記開口と関連する集光構造体（２）が、同一の空間的周期及び／又は形状を有する又は有さないことを特徴する、請求項９に記載のデバイス。
11. 前記薄板又はフィルム状基体（４）にはまた、作用表面（１’）の反対側の表面（１’’）において周期的又は準周期的な表面形状からなるプラズモニクスベースの集光構造体又は同様の構造体（２）が設けられており、前記構造体が、前記基体（４）の開口（３）の出射孔周囲にそれぞれ配置されていることを特徴する、請求項７から１０のいずれか一項に記載のデバイス。
12. 開口（３）の出射開口周囲の集光構造体（２）が、それぞれ対応する出現電磁放射成分を所定の方向に焦点を合わせる及び／又は導くように、寸法取りされて構造化されて配置されており、前記集光構造体（２）の出口がまた、場合によっては部分的に又は完全に重複されていることを特徴する、請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記作用表面及び／又は出射表面（１’、１’’）が、少なくとも部分的に前記表面を被覆する少なくとも２つの部分的に重複された集光構造体（２）からなるいくつかの群（５）を含むことを特徴する、請求項１から１２のいずれか一項に記載のデバイス。
14. 隣接した群（５）に属する集光構造体（２）が、それら自体と部分的に重複していることを特徴する、請求項１３に記載のデバイス。
15. 隣接した群に属する集光構造体が、前記板又はフィルム状基体内又は基体上に形成された間隙、突起又は同様の表面構造化特徴による輪郭を示されており、１つの群から他の群への電磁エネルギーの流れを制限することが可能であり、場合によっては群内における１つ以上の集光構造体の先端を切り取っていることを特徴する、請求項１３又は１４に記載のデバイス。
16. 作用表面には、異なる特性、特に異なる波長及び／又は偏光を有する光の光エネルギーを、関連する対応領域において選別して集光して集中させるように特徴付けられた３つの部分的に重複された集光構造体（２）からなる少なくとも１つの群（５）が設けられていることを特徴する、請求項１から１５のいずれか一項に記載のデバイス。
17. 作用表面には、３つの部分的に重複された集光構造体からなる隣接したいくつかの群が設けられており、円形状又はスロット状開口の局所エネルギー集中領域が、場合によっては表面の少なくとも一部にわたって均一パターンを形成する不連続な又は連続的な三角形パターンで相互に配置されていることを特徴する、請求項１６に記載のデバイス。
18. 対応する異なる開口（３）の入射孔において異なる特性を有する放射の電磁エネルギーを集める少なくとも２つの部分的に重複された集光構造体（２）がその作用面（１’）に設けられた薄板又はフィルム状基体（４）から構成されており、前記開口の出射孔を備える反対側の面（１’’）にはまた、前記孔を出ている放射を、焦点を合わせて導く前記出射孔周囲に配置された集光構造体（２）が設けられており、前記後者の集光構造体が場合によっては重複されている、請求項１から１７のいずれか一項に記載のデバイス。
19. 作用表面及び出射表面（１’、１’’）における集光構造体（３）が、少なくとも部分的に各表面を被覆する少なくとも２つの異なる集光構造体からなる群に配置されていることを特徴する、請求項１８に記載のデバイス。
20. フィルム状基体が、例えば金又は銀の金属から形成されており、集光構造体を形成する特徴が、前記基体に刻まれた若しくはミリング加工された溝、又は、対応する表面に形成され若しくは蒸着されて金属若しくは誘電体から形成された突起構造体から構成されていることを特徴する、請求項１８又は１９に記載のデバイス。
21. 作用表面（１’）が平面であることを特徴する、請求項１から２０のいずれか一項に記載のデバイス。
22. 作用表面（１’）が例えば球状又は放物形からなる曲面であることを特徴する、請求項１から２０のいずれか一項に記載のデバイス。
23. 少なくとも１つの薄板又はフィルム状基体の表面に作用する電磁放射を分離して特徴付ける装置であって、前記基体又は前記基体のそれぞれ（４）が、請求項１から２２のいずれか一項に記載のデバイス（１）から構成されており、集光構造体（２）のうちの１つによって選別される各放射成分が、対応する開口（３）の入射孔において集められ、センサ又はセンサの群（７）が、１つ以上の開口（３）の出射孔から放射している分離された放射成分の情報を収集するように、作用表面（１’）の反対側の基体の側面に配置されていることを特徴する、装置。
24. 異なる特性を有し且つ異なる光源によって供給される電磁放射を単一の電磁放射に結合する装置であって、請求項１から２２のいずれか一項に記載の少なくとも１つのデバイスを備え、各光源によって放射される放射が、出射孔を通って前記基体の対応する開口に供給され、前記異なる放射が、集光構造体が設けられた表面から放射される単一の放射に構成成分として結合されることを特徴する、装置。
25. 分光法を実行するための請求項１から２２のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
26. 偏光分析法を実行するための請求項１から２２のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
27. スペクトルイメージングを実行するための請求項２３に記載の装置の使用。
28. 偏光イメージングを実行するための請求項２３に記載の装置の使用。
29. カラーイメージングを実行するための請求項２３に記載の装置の使用。
30. 像の投射又は表示を実行するための請求項２４に記載の装置の使用。

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