(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像対象から入射する第１の波長の電磁波を、前記第１の波長と異なる第２の波長の電磁波に置換するスペクトル置換手段と、
前記第１の波長よりも前記第２の波長に対する感度が高く、前記スペクトル置換手段によって置換された前記第２の波長の電磁波を受光する撮像素子と、
を備え、
前記スペクトル置換手段は、発光素子と、温度の上昇により抵抗値が変化する抵抗素子と、前記抵抗値の変化により前記発光素子の発光輝度を制御する増幅器を備える
撮像デバイス。
【請求項２】
撮像対象から入射する第１の波長の電磁波を、前記第１の波長と異なる第２の波長の電磁波に置換するスペクトル置換手段と、
前記第１の波長よりも前記第２の波長に対する感度が高く、前記スペクトル置換手段によって置換された前記第２の波長の電磁波を受光する撮像素子と、
を備え、
前記スペクトル置換手段は、発光素子と、温度の上昇により電荷または電圧を生じる起電素子と、前記電荷または電圧の変化により前記発光素子の発光輝度を制御する増幅器を備える
撮像デバイス。
【請求項３】
撮像対象から入射する第１の波長の電磁波を、前記第１の波長と異なる第２の波長の電磁波に置換するスペクトル置換手段と、
前記第１の波長よりも前記第２の波長に対する感度が高く、前記スペクトル置換手段によって置換された前記第２の波長の電磁波を受光する撮像素子と、
を備え、
前記スペクトル置換手段は、入射した電磁波を受信する受信部と、前記受信部によって受信された電磁波を検出する検波部と、前記検波部によって検出した信号を増幅する増幅部と、前記増幅部により増幅された信号により、前記入射した電磁波とは異なる波長の電磁波を発する発光素子を備える
撮像デバイス。
【請求項４】
前記受信部は、アレイ状に配置されたアンテナによって構成される請求項３に記載の撮像デバイス。
【請求項５】
撮像対象からの前記第１の波長の電磁波を集光する集光部と、
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の撮像デバイスと、
前記撮像素子より出力された電荷を制御する制御部と、
前記撮像素子からの出力信号を処理する処理信号回路と、
を備えた
撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を受光して画像データを取得する撮像デバイス及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を受光して画像データを取得する撮像デバイスには、近年多様な形態のものが登場している。特に、受光する電磁波においては、可視光のみならず各種波長の電磁波を受光し、映像化やデータ化を行うことで、通常の視覚では捕らえられない様々な情報を取得する試みが行われてきた。
【０００３】
例えば、下記特許文献１では、医療現場において用いられるファイバースコープや電子スコープにおいて、テラヘルツ波を照明光に用いることが提案されている。ここでは、光源から出射された近赤外線をファイバに入射する。そして、ファイバの出射端に取り付けられた光伝導素子によって、近赤外線をテラヘルツ波に変換している。
このように、テラヘルツ波によって撮像を行うと、器官の内壁面のような可視光では確認できない部分の観察が可能であるとされている。
【０００４】
また、下記特許文献２では、レーザ光源から供給される光をテラヘルツ波へと変換する方法が開示されている。この方法では、フォトニック結晶等によってレーザ光源からの光のスペクトルを変形する。そして、このスペクトルの変形された光を励起光として非線形光学結晶に入力することで、テラヘルツ波を発生させている。
すなわち、励起光のスペクトルを変形することで、発生するテラヘルツ波の波長分布を制御しようとするものである。これにより、テラヘルツ波を発生させることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２６１８２６号公報
【特許文献２】特許第４１０２１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
可視光以外の電磁波により画像を取得するものとしては、他に例えば、サーモグラフィ等が従来より知られている。これは、赤外線を検出する画素によって構成される赤外線センサによって物体を撮像し、撮像対象の物体温度を測定するものである。
【０００７】
このような赤外線撮像装置においては、赤外線を検出するためだけの専用の撮像素子が開発、製造されている。このため、量産効果が低く、コストを抑えることが困難であった。
【０００８】
この撮像素子は、マイクロボロメータと呼ばれる、ＶＯｘ（酸化バナジウム）で作られた画素を一つ一つ空中で支持する中空構造となっている。
この中空構造が必要とされる理由は、熱型の赤外線センサであり、かつＶＯｘ素子の感度が低いので、回路系の自己発熱等によるノイズレベルとのＳ／Ｎが悪く、熱絶縁のために中空構造にせざるを得ないからである。
【０００９】
そのため、このマイクロボロメータは、生産性が非常に悪く、非常に高価なデバイスとなっていた。
ＶＯｘは、希少金属であり、さらに、中空構造を作るための製造工程数が多くなるために、製造コストがかさみ、マイクロボロメータが高価になる原因となっている。
【００１０】
このように、赤外線撮像素子のコストは非常に高いために値段も高く、使用用途は研究及び産業用に限られている。したがって、民生用への普及は依然として進んでいないのが現状である。
【００１１】
本発明は、上記課題を鑑みて行われたものである。すなわち、撮像対象とする電磁波の波長にかかわらず低コストでの製造が可能な撮像デバイス、及び撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
また、本発明による撮像デバイスは、撮像対象から入射する第１の波長の電磁波を、第１の波長と異なる第２の波長の電磁波に置換するスペクトル置換手段を備える。そしてさらに、第１の波長よりも第２の波長に対する感度が高く、スペクトル置換手段によって波長の置換された第２の波長の電磁波を受光する撮像素子を備える。
本発明による第１の撮像デバイスは、さらに、スペクトル置換手段が、発光素子と、温度の上昇により抵抗値が変化する抵抗素子と、抵抗値の変化により発光素子の発光輝度を制御する増幅器を備える。
本発明による第２の撮像デバイスは、さらに、スペクトル置換手段が、発光素子と、温度の上昇により電荷または電圧を生じる起電素子と、電荷または電圧の変化により発光素子の発光輝度を制御する増幅器を備える。
本発明による第３の撮像デバイスは、さらに、スペクトル置換手段が、入射した電磁波を受信する受信部と、受信部によって受信された電磁波を検出する検波部と、検波部によって検出した信号を増幅する増幅部と、増幅部により増幅された信号により、入射した電磁波とは異なる波長の電磁波を発する発光素子を備える。
【００１５】
本発明の撮像デバイスによれば、集光された撮像対象からの電磁波を、撮像素子がより高い感度を有する波長内の電磁波に置換する。このため、撮像対象からの電磁波が、撮像素子に対する感度が低い波長の電磁波であっても、撮像を行うことができる。
【００１８】
本発明による撮像装置は、撮像対象からの第１の波長の電磁波を集光する集光部を備える。また、上述した本発明による撮像デバイスを備える。
そしてさらに、この撮像デバイスの動作を制御する制御部と、撮像デバイスからの出力信号を処理する処理信号回路を備える。
【００１９】
本発明の撮像装置によれば、集光された撮像対象からの電磁波を、撮像素子がより高い感度を有する波長内の電磁波に置換する。このため、撮像対象からの電磁波が、撮像素子に対する感度が低い波長の電磁波であっても撮像し、画像データを取得することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、撮像対象とする電磁波の像を、異なる波長の電磁波による像に変換、または置換することができる。このため、撮像対象とする電磁波を受光するためだけの専用の撮像素子を製造する必要がない。
したがって、撮像対象とする電磁波にかかわらず、撮像素子の製造プロセスを統一することができ、量産効果を高めることができる。
【００２３】
また、受光するためには、従来複雑な構造を有する撮像素子を必要とする電磁波であっても、電磁波を異なる波長に変換、または置換することで、より簡易で安価な撮像素子による受光が可能となる。このため、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施の形態に係る撮像デバイスを示す概略構成図である。
【図２】Ａの電磁波からＢの電磁波へ、スペクトル変換部によって高調波変換される様子を示す説明図である。
【図３】第２の実施の形態に係る撮像デバイスを示す概略構成図である。
【図４】第１の変形例に係る撮像デバイスを示す概略構成図である。
【図５】第３の実施の形態に係る撮像デバイスを示す概略構成図である。
【図６】Ａは、スペクトル置換部の断面を示す拡大断面図である。Ｂは、温度がＡに示した箇所よりも高い箇所におけるスペクトル置換部の拡大断面図である。
【図７】第４の実施の形態に係る撮像デバイスを示す概略構成図である。
【図８】第２の変形例に係る撮像デバイスを示す概略構成図である。
【図９】第３の変形例に係る撮像デバイスを示す概略構成図である。
【図１０】図９のスペクトル置換部の概略構成図である。
【図１１】第４の変形例に係る撮像デバイスを示す概略構成図である。
【図１２】Ａは、図１１のスペクトル置換部の概略構成図である。Ｂは、スペクトル置換部の１画素分の発光モデルを示す模式図である。
【図１３】Ａは、図１１のスペクトル置換部の別の構成を示す概略構成図である。Ｂは、このスペクトル置換部の１画素分の発光モデルを示す模式図である。
【図１４】第５の変形例に係る撮像デバイスを示す概略構成図である。
【図１５】Ａ〜Ｃは、実施の形態及び変形例の発光原理を比較して示す図である。
【図１６】第５の実施の形態に係る撮像デバイスを示す概略構成図である。
【図１７】Ａは、スペクトル置換部の断面を示す拡大断面図である。Ｂは、温度がＡに示した箇所よりも高い箇所におけるスペクトル置換部の拡大断面図である。
【図１８】第６の実施の形態に係る撮像装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（入射した電磁波を異なる波長に変換する例）
２．第２の実施の形態（温度依存性透過膜を用いて電磁波を置換する例）
３．第１の変形例（温度依存性透過膜を用いて電磁波を置換する別の例）
４．第３の実施の形態（シャッター構造を用いて電磁波を置換する例）
５．第４の実施の形態（蛍光材料や燐光材料等の発光材料を用いて電磁波を置換する例）
６．第２の変形例（発光した光をレンズ等にて集光する例）
７．第３の変形例（発光材料に電圧を印加する例）
８．第４の変形例（抵抗値の変化により発光素子を発光させる例）
９．第５の変形例（アンテナによって電磁波を受信する例）
１０．第５の実施の形態（反射膜の変形により電磁波を置換する例）
１１．第６の実施の形態（撮像装置の例）
【００２６】
１．第１の実施の形態
図１は、第１の実施の形態による撮像デバイス１００を示す概略構成図である。
本実施の形態による撮像デバイス１００は、レンズを含んで構成され、撮像対象からの電磁波を集光し、結像させる集光部１を備える。
また、集光部１によって集光された電磁波の光路上に配置され、入射した電磁波の波長スペクトルを変換するスペクトル変換部２を備える。
またさらに、本実施の形態による撮像デバイス１００は、スペクトル変換部２によって波長スペクトルが変換された電磁波を受光する撮像素子３を備える。
【００２７】
図示しない撮像対象からの電磁波は、集光部１によって集光され、像を形成する。集光部１のレンズの構成や材料については特に限定するものではなく、撮像したい電磁波を結像させるものであればよい。ここでは、集光部１を２枚のレンズ群によって構成する例としてあるが、１枚レンズでもよく、３枚以上のレンズ群であってもよい。
【００２８】
そして、集光部１によって集光された電磁波は、スペクトル変換部２に入射し、ここでより短い波長を有する電磁波に変換される。
このスペクトル変換部２には、例えば非線形光学結晶を用いることができる。図２Ａに示すように、例えば赤外線は、非線形光学結晶によるスペクトル変換部２に入射することで、例えば高調波変換される。そして図２Ｂに示すように、より短波長の例えば可視光領域の電磁波となって出射される。
【００２９】
スペクトル変換部２によって可視光へと変換された電磁波は、撮像素子３上において結像し、受光される。本実施の形態においては、可視光領域の電磁波が結像する。このため、撮像素子３には、可視光用の一般的なＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の撮像素子を用いることができる。
なお、撮像素子３によって取得する画像の解像度を高めるために、スペクトル変換部２と撮像素子３の距離はなるべく小さくするのが好ましく、撮像素子３上にほぼ密接するようにスペクトル変換部２を配置してもよい。
【００３０】
このように、本実施の形態においては、入射する電磁波をスペクトル変換部２によって可視光領域の光に変換する。このため、入射する電磁波の波長にあわせて専用の撮像素子を用いる必要がなく、撮像素子３には一般的な可視光用のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の撮像素子を用いることができる。
これらの撮像素子では、一般的に波長が４００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長の電磁波に対して感度を有する。したがって、撮像デバイス１００に入射した電磁波が、スペクトル変換部２によって、この範囲内の光に変換されるのが好ましい。
【００３１】
例えば赤外線による撮像をするには、波長１．１μｍ〜３０μｍの電磁波を波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍ内の電磁波に変換させることで赤外線を撮像することができるようになる。
この場合には、例えば波長を１／８〜１／６４に高調波変換する非線形光学結晶等を用いることができる。こうした非線形光学結晶としては、例えばＫＴＰ、ＣＬＢＯ、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＤＡＳＴ、ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３、ＡｇＧａＳ２、ＬｉＴａＯ３等が挙げられる。
【００３２】
なお、ＤＡＳＴ結晶を用いる場合には、ＤＡＳＴ結晶の集光部１側の面と、撮像素子３側の面に電極を配置し、電圧を印加してもよい。このように、ＤＡＳＴ結晶に対して電圧を印加することで電界アシスト効果が得られ、入射した電磁波を異なる波長に変換する変換効率を向上させることができるので好ましい。
また、集光部１側に配置する電極としてはＣｒを用いることができ、撮像素子３側に配置する電極には、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波に対して透過性のあるＩＴＯを用いることができる。
【００３３】
このように本実施の形態によれば、スペクトル変換部２に入射した電磁波の波長を異なる波長の電磁波、例えば可視光領域の電磁波へと変換する。これにより、例えば赤外線であっても可視光用の一般的なＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の撮像素子によって撮像することが可能となる。
このため、マイクロボロメータの製造プロセスで行われていた、中空構造による画素を形成するための複雑なプロセスを必要とせず、従来のプロセスにより撮像素子を製造することが可能である。したがって大幅にコストダウンを図ることができる。
【００３４】
また、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型等の一般的な撮像素子を用いることにより、赤外線専用の撮像素子を個別に開発、製造する必要がない。このため、量産効果も格段に向上させることができる。
【００３５】
なお、通常のＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサにおいて配置されているカラーフィルタは、撮像する電磁波に合わせて変更する。例えば、赤外線の撮像を行う場合には、スペクトル変換部２によって変換された波長の光のみを透すフィルタを用いればよい。
【００３６】
２．第２の実施の形態
図３は、第２の実施の形態による撮像デバイス２００を示す概略構成図である。
本実施の形態による撮像デバイス２００は、レンズを含んで構成され、撮像対象からの電磁波を集光し、結像させる集光部１１を備える。
また、集光部１１を透過した電磁波の光路上に配置されるスペクトル置換部１２と、スペクトル置換部１２を透過した電磁波を受光する撮像素子１３を備える。
また、集光部１１とスペクトル置換部１２の間に配置され、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を反射する波長選択膜１４と、波長選択膜１４に波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を照射する光源１５を備える。
【００３７】
撮像対象から発せられた例えば波長１．１μｍ〜３０μｍの赤外線等の電磁波は、集光部１１によって集光される。また、波長選択膜１４は、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の電磁波を反射し、他の波長の電磁波、例えば赤外線を透過する材料を用いる。こうした材料としては、例えばＧｅ，Ｃｒ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳを用いることができる。このため、集光部１１によって集光された赤外線は、波長選択膜１４を透過する。
なお、図３においては、集光部１１の撮像素子１３側のレンズ面に波長選択膜１４を形成する例としているが、透明薄板の表面に波長選択膜１４を形成したフィルタ等を集光部１１とスペクトル置換部１２の間に配置してもよい。
【００３８】
また、光源１５は、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を、撮像素子１３側から波長選択膜１４に向かって照射する。この光源１５としては、例えばＬＥＤを用いると、コストも低いため好ましい。
そして、波長選択膜１４に照射された光源１５からの電磁波は反射され、スペクトル置換部１２に入射する。すなわち、スペクトル置換部１２には、集光部１１によって集光される例えば赤外線等の電磁波と、光源１５から発せられる波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波、例えば可視光が入射する。
【００３９】
スペクトル置換部１２には、温度の上昇によって特定の波長の電磁波の透過率が上昇する温度依存性透過膜が用いられる。
本実施の形態においては、集光部１１によって集光された例えば赤外線の強度に応じて、照射された箇所の温度が上昇し、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波の透過率が上昇する温度依存性透過膜を、スペクトル置換部１２に用いる。
【００４０】
このため、スペクトル置換部１２上において、集光部１１により赤外線が強く集光される位置では、波長選択膜１４によって反射された光源１５からの電磁波が多く透過することになる。そして、スペクトル置換部１２を透過した光源１５からの電磁波は、撮像素子１３によって受光される。
【００４１】
このように、本実施の形態においては、集光部１１によって集光される電磁波の像を熱エネルギの分布として捉え、この熱エネルギの分布を、スペクトル置換部１２において、特定の波長の電磁波に対する透過率分布に変換するものである。
このため、スペクトル置換部１２に対して、その特定の波長の電磁波を光源１５から照射することにより、その透過率分布に応じた輝度分布による像が形成されることになる。これにより、集光部１１に入射した電磁波によって形成される像を、光源１５からの電磁波によって置換することが可能となる。
【００４２】
特に、光源１５からの電磁波を波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍとすれば、スペクトル置換部１２の透過後に形成される像を、一般的なＣＭＯＳ型やＣＣＤ型の撮像素子によって受光することが可能になる。
したがって、例えば赤外線による像であっても、一般的な撮像素子によって撮像することが可能になり、従来のように中空構造の画素を有する特殊な撮像素子を必要としない。このため、より簡易なプロセスによる製造が可能になるとともに、量産効果を向上させることができるので、コストを大幅に低減することが可能となる。
【００４３】
スペクトル置換部１２を形成する温度依存性透過膜としては、例えば銀粒子薄膜や、二酸化バナジウム系サーモクロミック材料、酸化チタン系光触媒薄膜の多層構造による薄膜を用いることができる。
また、より鮮明な画像を得るには、画素サイズにもよるが、スペクトル置換部１２と撮像素子１３の距離が短い程好ましく、上述の薄膜を撮像素子１３表面に形成、または配置してあってもよい。
特にこの場合には、集光部１１による結像面を上述の薄膜と一致させると、薄膜上に結像された像を、撮像素子１３に解像度良く転写できる。
【００４４】
また、スペクトル置換部１２に照射される光源１５からの電磁波は、スペクトル置換部１２上において均一な強度分布となっていることが好ましく、例えば拡散板１６等によって光源１５からの電磁波を均一に拡散するようにしてもよい。
またさらには、ＩＲカットフィルタを配置して、光源１５の電磁波から赤外線を除いておくのも好ましい。
【００４５】
３．第１の変形例
図４は第１の変形例による撮像デバイス３００を示す概略構成図である。
本変形例による撮像デバイス３００は、レンズを含んで構成され、撮像対象からの電磁波を集光する集光部２１と、集光部２１によって集光された撮像対象からの電磁波を、波長の異なる電磁波に置換するスペクトル置換部２２を備える。
また、集光部２１によって集光される電磁波とは波長の異なる電磁波をスペクトル置換部２２に供給する光源２５と、スペクトル置換部２２によって置換された電磁波を受光する撮像素子２３を備える。
【００４６】
集光部２１は、撮像対象からの電磁波を集光し、像を形成するものであればよい。また、１枚レンズであってもよく、２枚以上の複数のレンズ群により構成しても構わない。
【００４７】
集光部２１によって集光された電磁波は、集光され、スペクトル置換部２２に入射する。このスペクトル置換部２２は、温度の上昇によって特定の波長の電磁波に対する透過率が上昇する温度依存性透過膜によって構成される。
【００４８】
したがって、例えば撮像対象からの例えば波長１．１μｍ〜３０μｍの赤外線が集光部２１によって集光され、スペクトル置換部２２に入射すると、入射した赤外線の強度に応じてスペクトル置換部２２の特定の波長に対する透過率が上昇する。
これにより、赤外線の強度分布が、スペクトル置換部２２において特定の波長の電磁波に対する透過率分布に変換される。
なお、ここでは、温度の上昇により、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波に対する透過率が上昇する温度依存性透過膜を用いるものとする。この温度依存性透過膜には、第２の実施の形態（図３）において示した薄膜を用いることができる。
【００４９】
また、本変形例においては、光源２５からの電磁波は、直接スペクトル置換部２２に照射される。光源２５には、例えば、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を発するＬＥＤ等を用いることができる。
照射された光源２５からの電磁波は、スペクトル置換部２２に形成された透過率分布に応じた光量が透過し、撮像素子２３によって受光される。
また、光源２５からの電磁波を均一に照射するために、拡散板２６を配置してもよい
またさらに、ＩＲカットフィルタを配置して、光源２５の電磁波から赤外線をカットするのが好ましい。
【００５０】
このように、本変形例においても、集光部２１によって集光される電磁波の強度分布をスペクトル置換部２２によって、特定の電磁波に対する透過率分布に変換する。
これにより、光源２５からその特定の波長を有する電磁波をスペクトル置換部２２に照射すると、透過率分布に応じた輝度分布が撮像素子２３上に形成される。そしてこの輝度分布を、集光部２１に入射した電磁波による像として取得することができる。
【００５１】
また、このスペクトル置換部２２によって、例えば集光部２１によって集光される赤外線を波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波に置換することができるので、一般的なＣＭＯＳ型やＣＣＤ型の撮像素子による受光が可能となる。
このため、従来の赤外線撮像素子のように複雑な製造プロセスを必要とせず、一般的なプロセスによって製造することができ、コストダウンを図ることができる。
【００５２】
なお、より鮮明な画像を得るには、画素サイズにもよるが、スペクトル置換部２２と撮像素子２３の距離が短い程好ましく、温度依存性透過膜を撮像素子２３表面に形成、または配置してもよい。
またこの場合には、集光部２１の結像面を上述の薄膜と一致させると、薄膜上に結像された像を、撮像素子１３に解像度良く転写できる。
【００５３】
４．第３の実施の形態
第２の実施の形態においては、温度によって電磁波の透過率が変化する温度依存性透過膜をスペクトル置換部として用いる例であった。
ここでは、温度によって電磁波の透過率を変化させる別の手段を用いる例について説明する。
【００５４】
図５は、第３の実施の形態による撮像デバイス４００を示す概略構成図である。
本実施の形態による撮像デバイス４００は、レンズを含んで構成され、撮像対象からの電磁波を集光し、結像させる集光部３１と、集光部３１によって集光された電磁波の光路上に配置されるスペクトル置換部３２を備える。
また、集光部３１とスペクトル置換部３２の間に配置される波長選択膜３４と、波長選択膜３４に電磁波を照射する光源３５を備える。
またさらに、スペクトル置換部３２を透過した電磁波を受光する撮像素子３３を備える。
【００５５】
集光部３１は、撮像対象からの例えば波長１．１μｍ〜３０μｍの赤外線等の電磁波を集光し、結像させる。集光部３１は、撮像する電磁波を集光し、結像させるものであれば特に限定はしない。例えば１枚レンズであってもよいし、２枚以上のレンズ群によって構成しても構わない。
【００５６】
波長選択膜３４は、ここでは例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の電磁波を反射し、他の波長の電磁波、例えば赤外線を透過する材料を用いる。
なお、図５においては、集光部３１の撮像素子３３側のレンズ面に波長選択膜３４を形成する例としているが、透明薄板の表面に波長選択膜３４を形成したフィルタ等を集光部３１とスペクトル置換部３２の間に配置してもよい。
【００５７】
したがって、集光部３１によって集光された赤外線は、波長選択膜３４を透過してスペクトル置換部３２に入射する。これにより、スペクトル置換部３２上の各位置では、受光した赤外線の強度に応じて温度が上昇し、温度分布が形成される。
【００５８】
本実施の形態において、スペクトル置換部３２は、温度依存性透過膜の疑似シャッター機構によって構成される。これは、例えば異なる熱膨張係数を有する２種類の材料による薄膜をアレイ状に配置することで構成できる。
図６Ａは、図５におけるスペクトル置換部３２の断面領域Ｔ１を拡大した拡大断面図である。図６Ａに示すように、本実施の形態でのスペクトル置換部３２は、所定の線膨張係数を有する薄膜３７と、薄膜３７上に形成され、薄膜３７よりも線膨張係数が小さい薄膜３８による多層膜によって構成される。
【００５９】
集光部３１によって集光された赤外線がスペクトル置換部３２に入射し、温度が上昇すると、薄膜３７と薄膜３８の線膨張係数の差によるバイメタル効果のために変形が生じる。この変形により、図６Ａに示すように、アレイ状に配置されて隣り合う個々の薄膜間に隙間が生じ、シャッターとして動作する。これにより、電磁波の一部がスペクトル置換部３２を透過するようになる。
【００６０】
また、スペクトル置換部３２上において、集光された赤外線の強度が大きく、温度上昇がより大きい箇所では、図６Ｂに示すようにより大きく変形が生じるので、電磁波の透過率も大きくなる。すなわち、スペクトル置換部３２上の温度分布が、電磁波の透過率分布に変換される。
【００６１】
この薄膜３７には、線膨張率の大きい材料としてＰＯＭやＡＢＳを用いることができる。また、薄膜３８には、線膨張率の小さい材料としてタングステンやモリブデン、シリコンを用いるのが好ましい。
【００６２】
なお、本実施の形態においては、これらの材料のみに限定するものではなく、薄膜３７と薄膜３８の間に線膨張係数の差を生じさせ、バイメタル効果による変形を生じるものであれば適宜その他の材料を用いてよい。
例えば、他にもアルミや鉄といった金属材料による薄膜と、ＰＣやＰＥＴ等の樹脂材料による薄膜との組み合わせであってもよい。
【００６３】
一方、光源３５には、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を発するＬＥＤ等を用いる。この光源３５から照射された電磁波は、波長選択膜３４によって反射され、スペクトル置換部３２に入射する。
また、波長選択膜３４を配置せずに、光源３５からの電磁波を直接スペクトル置換部３２に照射してもよい。
【００６４】
また、拡散板を配置し、光源３５からの電磁波が均一にスペクトル置換部３２に照射されるようにしてもよい。またさらに、ＩＲカットフィルタを配置して光源３５の電磁波から赤外線を除去し、スペクトル置換部３２上に形成されている温度分布になるべく影響を及ぼさないようにするのが好ましい。
【００６５】
スペクトル置換部３２に入射した光源３５からの電磁波は、スペクトル置換部３２を透過することで、スペクトル置換部３２上に形成された上述の透過率分布に応じた輝度分布を付される。
そして、撮像素子３３では、この電磁波を受光することで、輝度分布による画像を取得することができる。
なお、鮮明な画像を得るには、画素サイズにもよるが、スペクトル置換部３２と撮像素子３３の距離をできるだけ短くするのが好ましい。
【００６６】
このように、本実施の形態では、集光部３１によって集光される撮像対象からの電磁波を、スペクトル置換部３２上の温度分布に変換する。そしてスペクトル置換部３２のシャッター機構によって、この温度分布を電磁波に対する透過率分布に変換する。
このため、スペクトル置換部３２に光源３５からの電磁波を照射すると、透過率分布に応じた輝度分布が形成され、集光部３１によって集光された電磁波を光源３５からの電磁波によって置換することが可能となる。
【００６７】
特に本実施の形態においては、光源３５からの例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波に置換される。このため、一般的なＣＭＯＳ型やＣＣＤ型の撮像素子によって受光することが可能になる。
したがって、赤外線による撮像を行う場合であっても、従来のように複雑な構造を有する専用の撮像素子を製造する必要がなく、コストダウンを図ることができる。
【００６８】
５．第４の実施の形態
図７は、第４の実施の形態による撮像デバイス５００を示す概略構成図である。本実施の形態においては、スペクトル置換部に蛍光材料を用い、これを発光させることで、電磁波の置換を行う。
【００６９】
本実施の形態による撮像デバイス５００は、レンズを含んで構成され、撮像対象からの電磁波を集光し、結像させる集光部４１と、集光部４１によって集光された例えば赤外線等の電磁波を、異なる波長の電磁波に置換するスペクトル置換部４２を備える。
また、集光部４１とスペクトル置換部４２の間に配置され、例えば赤外線は透過し、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を反射する波長選択膜４４を備える。
またさらに、集光部４１が結像させる電磁波の波長とは異なる波長の電磁波をスペクトル置換部４２に照射する光源４５と、スペクトル置換部４２において発光した光を受光する撮像素子４３を備える。
【００７０】
集光部４１は、撮像対象からの例えば波長１．１μｍ〜３０μｍの赤外線等の電磁波を集光し、結像させるものであれば特に限定しない。一枚レンズであってもよく、また２枚以上の複数のレンズを含んで構成しても構わない。
【００７１】
集光部４１を透過した赤外線は、さらに波長選択膜４４を透過し、スペクトル置換部４２に入射する。本実施の形態において、波長選択膜４４は集光部４１の撮像素子４３側のレンズ面に形成してあるが、透明薄板上に形成し、集光部４１とスペクトル置換部４２の間に配置してもよい。
【００７２】
本実施の形態において、スペクトル置換部４２には、電磁波の照射によって励起されると、基底状態に戻る際に発光する蛍光材料や燐光材料を用いる。
すなわち、集光部４１によって集光された赤外線をスペクトル置換部４２に入射させることで、その赤外線の強度に応じた励起分布をスペクトル置換部４２上に形成するものである。
【００７３】
一方、光源４５は、集光部４１が結像させる電磁波の波長とは異なる波長の電磁波をスペクトル置換部４２に照射する。この光源４５には例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの可視光領域の電磁波を発する光源を用いることができる。これは、例えばＬＥＤであってもよい。
光源４５から発せられた可視光領域の電磁波は、波長選択膜４４によって反射され、スペクトル置換部４２に照射される。この可視光領域の電磁波によって、スペクトル置換部４２の蛍光材料や燐光材料は、励起直前のエネルギ状態にまで高められる。
なお、拡散板４６を透して光源４５からの電磁波を照射すると、スペクトル置換部４２に対して均一に電磁波が照射されるので好ましい。また、ＩＲカットフィルタ等を配置して、光源４５の電磁波から赤外線を除去するのも好ましい。
【００７４】
この励起直前のエネルギ状態とされた蛍光材料や燐光材料に、集光部４１によって集光された赤外線が入射すると、この赤外線のエネルギによって蛍光材料や燐光材料が励起される。すなわち、赤外線の強度分布に応じた励起分布が形成され、基底状態へと戻る際には、この励起分布に応じた発光が生じる。撮像素子４３は、この発光による輝度分布の変化を検出することで、画像を形成することができる。
【００７５】
発光材料としては、赤外線と可視光の照射によって、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域の蛍光や燐光等の発光を生じるものであればよい。こうした材料としては、例えばローダミン６Ｇを用いることができる。
【００７６】
また、スペクトル置換部４２は、こうした発光材料を溶媒に溶かし、ＳｉＯ２やＳｉ石英等によって形成された容器内に充填することで構成してもよい。また、この容器の集光部４１側をＳｉによって形成し、撮像素子４３側をＳｉＯ２によって形成してもよい。また、透明薄板上に塗布したり、撮像素子４３上に塗布することで、発光膜を形成してもよい。
なお、発光材料を溶かした溶液には、重クロロホルム等を配合、添加してあってもよい。
【００７７】
このように、本実施の形態においては、可視光領域の電磁波をスペクトル置換部４２に照射することで、発光材料を励起直前のエネルギ状態とする。そしてさらに集光部４１によって集光された撮像対象からの赤外線を照射することで、発光材料の励起分布に変換する。
これにより、励起分布に応じた輝度分布を有する蛍光や燐光等の発光が生じ、集光部４１によって集光される赤外線を可視光領域の光に置換することができる。
【００７８】
したがって、撮像素子４３においては、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域の電磁波が受光されるので、一般的なＣＣＤ型やＣＭＯＳ型等の撮像素子を用いることが可能となる。
このため、本実施の形態においても、従来のように複雑な中空構造を有する撮像素子を用いることなく、赤外線による撮像が可能となるので、製造コストを大幅に低減することができる。
【００７９】
６．第２の変形例
図８は、第２の変形例による撮像デバイス６００を示す概略構成図である。本変形例では、第４の実施の形態（図７）において発光材料により発せられた光を撮像素子上に集光させる。
【００８０】
本変形例による撮像デバイス６００は、レンズを含んで構成され、撮像対象からの電磁波を集光し、結像させる集光部５１と、集光部５１によって集光された例えば赤外線等の電磁波を、異なる波長の電磁波に置換するスペクトル置換部５２を備える。
また、集光部５１とスペクトル置換部５２の間に配置され、例えば赤外線は透過し、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を反射する波長選択膜５４を備える。
またさらに、集光部５１が結像させる電磁波の波長とは異なる波長の電磁波をスペクトル置換部５２に照射する光源５５と、スペクトル置換部５２において発光した光を受光する撮像素子５３を備える。
【００８１】
集光部５１は、撮像対象からの例えば波長１．１μｍ〜３０μｍの赤外線等の電磁波を集光し、結像させるものであれば特に限定しない。一枚レンズであってもよく、また２枚以上の複数のレンズを含んで構成しても構わない。
【００８２】
集光部５１を透過した赤外線は、さらに波長選択膜５４を透過し、スペクトル置換部５２に入射する。本変形例においても、波長選択膜５４は集光部５１の撮像素子５３側のレンズ面に形成してあるが、透明薄板上に形成し、集光部５１とスペクトル置換部５２の間に配置してもよい。
【００８３】
また本変形例においても同様に、スペクトル置換部５２には、電磁波の照射によって励起されると、基底状態に戻る際に発光する蛍光材料や燐光材料を用いる。
したがって、集光部５１によって集光された赤外線をスペクトル置換部５２に入射させることで、その赤外線の強度に応じた励起分布をスペクトル置換部５２上に形成する。
【００８４】
また、光源５５は、集光部５１が結像させる電磁波の波長とは異なる波長の電磁波をスペクトル置換部５２に照射する。この光源５５には、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの可視光領域の電磁波を発する光源を用いることができる。これは、例えばＬＥＤであってもよい。
光源５５から発せられた例えば可視光領域の電磁波は、波長選択膜５４によって反射され、スペクトル置換部５２に照射される。この電磁波によって、スペクトル置換部５２の蛍光材料や燐光材料は、励起直前のエネルギ状態にまで高められる。
なお、拡散板５６を透して光源５５からの電磁波を照射すると、スペクトル置換部５２に対して均一に電磁波が照射されるので好ましい。また、ＩＲカットフィルタ等を配置して、光源５５の電磁波から赤外線を除去するのも好ましい。
【００８５】
この励起直前のエネルギ状態とされた蛍光材料や燐光材料に、集光部５１によって集光された赤外線が入射すると、この赤外線のエネルギによって蛍光材料や燐光材料が励起される。これにより、赤外線の強度分布に応じた励起分布が形成され、基底状態へと戻る際には、この励起分布に応じた発光が生じる。撮像素子５３は、この発光による輝度分布の変化を検出することで、画像を形成することができる。
【００８６】
発光材料としては、赤外線と可視光の照射によって、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域の蛍光や燐光等の発光を生じるものであればよい。したがって、こうした材料としては、上述のローダミン６Ｇ等を用いてよい。
【００８７】
また、スペクトル置換部５２は、こうした発光材料を溶媒に溶かし、ＳｉＯ２やＳｉ石英等によって形成された容器内に充填することで構成してもよい。また、この容器の集光部５１側をＳｉによって形成し、撮像素子５３側をＳｉＯ２によって形成してもよい。また、透明薄板上に塗布したりすることで、発光膜を形成してもよい。
なお、発光材料を溶かした溶液には、重クロロホルム等を配合、添加してあってもよい。
【００８８】
また、本変形例においては、この発光材料により発光した可視光領域の光を撮像素子５３上に集光する例えばレンズ群等の第２の集光部５７を備える。この第２の集光部５７によりスペクトル変換部５２からの光を撮像素子５３上に結像させることで、より鮮明な画像データを取得することができるので好ましい。
【００８９】
このように、本変形例においても、可視光領域の電磁波をスペクトル置換部５２に照射することで、発光材料を励起直前のエネルギ状態とする。そしてさらに集光部５１によって集光された撮像対象からの赤外線を照射することで、発光材料の励起分布に変換する。
これにより、励起分布に応じた輝度分布を有する蛍光や燐光等の発光が生じ、集光部５１によって集光される赤外線を可視光領域の光に置換することができる。
【００９０】
したがって、撮像素子５３においては、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域の電磁波が受光されるので、一般的なＣＣＤ型やＣＭＯＳ型等の撮像素子を用いることが可能となる。
このため、本変形例においても、従来のように複雑な中空構造を有する撮像素子を用いることなく、赤外線による撮像が可能となるので、製造コストを大幅に低減することができる。
【００９１】
なお、本変形例では第２の集光部５７を配置するため、第４の実施の形態と比較して、スペクトル置換部５２と撮像素子との間に距離があり、分離される。このため、図８に示すように、集光部５１とスペクトル置換部５２と、波長選択膜５４と、光源５５とにより、ユニットとしてスペクトル置換デバイス６１０を構成してもよい。すなわち、赤外線等による像を波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波による像に置換するデバイスとして構成することができる。
この場合には、例えばスペクトル置換デバイス６１０を光軸方向に移動させる移動機構を設けることで、発光材料からの光に対するフォーカス調整等を容易に行うことができるので好ましい。
【００９２】
７．第３の変形例
第４の実施の形態や第２の変形例では、例えば可視光領域の電磁波を発光材料に照射することで、発光材料を励起直前のエネルギ状態とした。そして、この励起直前の発光材料に対して赤外線を集光することで、励起分布を形成し、発光させるものである。
発光材料に赤外線を集光する際において、発光材料は励起直前のエネルギ状態にさえなっていればよい。したがって、可視光領域の電磁波の照射以外の手段により、励起直前のエネルギ状態としてもよい。ここでは、電圧印加によって、発光材料を励起直前のエネルギ状態とする例について説明する。
【００９３】
図９は第３の変形例による撮像デバイス７００を示す概略構成図である。
本変形例による撮像デバイス７００は、レンズを含んで構成され、撮像対象からの電磁波を集光し、結像させる集光部６１と、集光部６１によって集光された例えば赤外線等の電磁波を、異なる波長の電磁波に置換するスペクトル置換部６２を備える。
また、集光部６１とスペクトル置換部６２の間に配置され、例えば赤外線は透過し、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を反射する波長選択膜６４を備える。
またさらに、スペクトル置換部６２において発光した光を受光する撮像素子６３を備える。
【００９４】
集光部６１は、撮像対象からの例えば波長１．１μｍ〜３０μｍの赤外線等の電磁波を集光し、結像させるものであれば特に限定しない。一枚レンズであってもよく、また２枚以上の複数のレンズを含んで構成しても構わない。
【００９５】
集光部６１を透過した赤外線は、波長選択膜６４を透過し、スペクトル置換部６２に入射する。本変形例において、波長選択膜６４は集光部６１の撮像素子６３側のレンズ面に形成してあるが、対物側に形成してもよいし、例えば透明薄板上に形成し、集光部６１とスペクトル置換部６２の間に配置してもよい。
【００９６】
また、スペクトル置換部６２には、電磁波の照射によって励起されると、基底状態に戻る際に波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を発光する蛍光材料や燐光材料を用いる。
したがって、集光部６１によって集光された赤外線をスペクトル置換部６２に入射させることで、その赤外線の強度に応じた励起分布をスペクトル置換部６２上に形成する。
そして、この励起によって発光された光を撮像素子６３が受光することで、画像データを取得する。
【００９７】
図１０に、本変形例におけるスペクトル置換部６２の概略構成図を示す。スペクトル置換部６２は、蛍光材料や燐光材料等によって構成される発光素子６２ａと、発光素子６２ａの上面及び下面に設けられる上部電極６２ｂ及び下部電極６２ｃと、この電極対６２ｂ，６２ｃを介して発光素子６２ａに電圧を印加する電圧源６２ｄを有する。
【００９８】
発光素子６２ａは、例えば発光材料を溶媒に溶かし、ＳｉＯ２やＳｉ石英等によって形成された容器内に充填することで構成してもよいし、薄膜状に形成していてもよい。
また、上部電極６２ｂには、赤外線を透過する導電性材料を用い、下部電極６２ｃには、可視光領域の電磁波を透過する導電性材料を用いるのが好ましい。
【００９９】
本変形例では、電圧源６２ｄにより発光素子６２ａに電圧を印加する。これにより、発光素子６２ａの発光材料を励起直前のエネルギ状態にまで上げる。
そしてこの時に、図９に示した集光部６１により集光された赤外線が矢印Ａ１の方向から発光素子６２ａに入射すると、赤外線エネルギによって発光素子６２ａの発光材料が励起される。したがって、赤外線の強度分布に応じた励起分布が形成され、この励起分布に応じた輝度分布の発光を撮像素子６２により受光する。
【０１００】
このように、本変形例では、発光材料を励起直前の状態にするためのエネルギを、電圧印加によって直接供給する。この場合には、例えば第４の実施の形態（図７）のようなＬＥＤ等の光源や、波長選択膜を必要としないため、コストを低減することができ、また小型化を図ることができる。
【０１０１】
また、本変形例においても、赤外線等の電磁波をスペクトル置換部６２によって可視光領域の電磁波に置換することができる。このため、撮像素子６３には一般的なＣＣＤ型やＣＭＯＳ型等の撮像素子を用いることが可能となる。
このため、従来のように複雑な中空構造を有する撮像素子を用いることなく、赤外線による撮像が可能となるので、製造コストを大幅に低減することができる。
【０１０２】
８．第４の変形例
第３の変形例では、赤外線エネルギを発光素子の発光エネルギとして直接利用している。しかし、赤外線エネルギを電圧エネルギへと変換・置換することができれば、発光素子をオン・オフする電気回路によってスペクトル置換部を構成することもできる。
ここでは、赤外線エネルギを電圧エネルギへと置換することで、赤外線を可視光領域の電磁波に置換する例を説明する。
【０１０３】
図１１は、第４の変形例による撮像デバイス８００を示す概略構成図である。
本変形例においても同様に、撮像デバイス８００は、赤外線等の電磁波を集光する集光部７１と、集光部７１によって集光された例えば赤外線等の電磁波を、異なる波長の電磁波に置換するスペクトル置換部７２を備える。
またさらに、本変形例による撮像デバイス８００は、例えば赤外線は透過し、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を反射する波長選択膜７４と、スペクトル置換部７２において発光した光を受光する撮像素子７３を備える。
【０１０４】
集光部７１は、撮像対象からの例えば波長１．１μｍ〜３０μｍの赤外線等の電磁波を集光し、結像させるものであれば特に限定しない。一枚レンズであってもよく、また２枚以上の複数のレンズを含んで構成しても構わない。
【０１０５】
集光部７１を透過した赤外線は、波長選択膜７４を透過し、スペクトル置換部７２に入射する。
波長選択膜７４の配置は特に限定するものではなく、集光部７１の対物側レンズ面に形成してもよいし、例えば透明薄板上に形成し、集光部７１とスペクトル置換部７２の間に配置してもよい。
【０１０６】
また、本変形例におけるスペクトル置換部７２は、赤外線等の電磁波が照射されると、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を発光する。
そして、この発光された光を撮像素子７３が受光することで、画像データを取得する。
【０１０７】
図１２Ａに本変形例のスペクトル置換部７２の概略構成を示す。
図１２Ａに示すように、スペクトル置換部７２は、赤外線等の電磁波を受光する受光抵抗層７２ｂと、受光抵抗層の下層に配置される電気配線層７２ａと、電気配線層７２ａの下層に配置される発光層７２ｃを備える。
【０１０８】
受光抵抗層７２ｂは、例えば赤外線を吸収して温度が上昇することにより、電気抵抗値が変化する材料から成る抵抗で構成されている。この受光抵抗層７２ｂは、アレイ状に配置され、それぞれが一画素分の赤外線を吸収する。この受光抵抗層７２ｂに用いる材料としては、例えばＶＯｘやアモルファスシリコン等を用いることができる。
【０１０９】
また、電気配線層７２ａには、例えば受光抵抗層７２ｂの抵抗の変化によって発光素子７３をオン・オフする回路構成が形成される。例えば、矢印Ａ２の赤外線の照射により、受光抵抗層７２ｂの抵抗値が低下すると、電気配線層７２ａは発光層７２ｃに電流を供給することで、発光層７２ｃを発光させる。そして、この発光した光を撮像素子７３が受光することにより、画像データを取得する。
この発光層７２ｃには、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を発光する有機ＥＬや、無機ＥＬ、ＬＥＤ等を配置して用いることができる。
【０１１０】
図１２Ｂは、本変形例におけるスペクトル置換部７２の１画素分の発光モデルを示す模式図である。この図１２Ｂにおいて、スペクトル置換部７２は、上述の受光抵抗層７２ｂに相当する抵抗素子７２ｄと、電気配線層７２ａに相当する抵抗７２ｅ、増幅器７２ｆ及び電源７２ｈを備える。またさらに、スペクトル置換部７２は発光素子７２ｇを備える。
【０１１１】
増幅器７２ｆには例えばトランジスタ等を用いることができ、例えばゲート電極は抵抗素子７２ｄを介して電圧源７２ｈに接続される。また、例えばソース・ドレイン電極の一方が電圧源７２ｈに接続され、もう一方は発光素子７２ｇに接続される。
なお、増幅器７２ｆのゲート電極にはサブスレッショルド電圧直前の電圧が電圧源７２ｈにより印加された状態とする。
【０１１２】
ここで、抵抗素子７２ｄに赤外線が入射すると温度上昇により抵抗値が変化し、抵抗素子７２ｄでの電圧低下の値が変化する。これにより増幅器７２ｆのゲート電圧がサブスレッショルド電圧を超えると、ソース・ドレイン間が導通して発光素子７２ｇに電流が流れる。これにより発光素子７２ｇを発光させることができ、入射した赤外線等の電磁波を例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波に置換することができる。
【０１１３】
また、入射する赤外線の強度に応じてゲート電圧が変化するので、発光素子７２ｇには、赤外線の強度に応じて変化する電流が流れ込む。これにより、入射する赤外線の強度に対応して発光素子７２ｇの発光輝度を制御することができる。
【０１１４】
なお、入射する赤外線の強度に応じて抵抗が変化する受光抵抗７２ｄの代わりに、赤外線の強度に応じて電荷や電圧を発生する起電素子によって構成してもよい。この場合には、図１３Ａに示すように、スペクトル置換部７５を、赤外線等の電磁波を受光する受光起電層７５ｂと、受光起電層７５ｂの下層に配置される電気配線層７５ａと、電気配線層７５ａの下層に配置される発光層７５ｃとによって構成する。
また、撮像素子７６は、発光層７５ｃによって発せられた光を受光する。
【０１１５】
受光起電層７５ｂは、矢印Ａ４に示す例えば赤外線を吸収して温度が上昇することにより、電荷や電圧を生じる材料によって構成されている。この受光起電層７５ｂもアレイ状に配置され、それぞれが一画素分の赤外線を吸収する。この受光起電層７５ｂに用いる材料としては、例えばＰＺＴ、ＴＧＳ、ＰＶＤＦ等の焦電材料を用いることができる。
【０１１６】
また、電気配線層７５ａには、受光起電層７５ｂに生じた電荷、電圧による信号を増幅し、発光素子７５ｃの発光輝度を制御する回路構成が形成される。この発光層７５ｃには、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を発光する有機ＥＬや、無機ＥＬ、ＬＥＤ等を配置して用いることができる。
【０１１７】
図１３Ｂは、このスペクトル置換部７５の一画素分の発光モデルを示す模式図である。ここでは、受光起電層に相当する起電素子７５ｄと、電気配線層７５ａに相当する抵抗７５ｅ、増幅器７５ｆ及び電圧源７５ｈと、発光層７５ｃに相当する発光素子７５ｇによって表記している。
起電素子７５ｄに赤外線等の電磁波Ａ５が入射し、温度が上昇すると、温度上昇に伴って例えば自発分極の値が変化し、表面電荷を生じる。この表面電荷によって生じる信号を増幅器７５ｆによって増幅し、この信号に応じた例えば電流を発光素子７５ｇに流すことで、発光素子７５ｇの発光輝度を制御することができる。
【０１１８】
９．第５の変形例
入射する電磁波エネルギを電圧エネルギに変換する方法としては、他にアンテナを用いることもできる。ここでは、アンテナにより電磁波を受信し、電圧エネルギへと変換することで撮像を行う方法について説明する。
【０１１９】
図１４は、第５の変形例に係る撮像デバイス９００を示す概略構成図である。
本変形例による撮像デバイス９００は、撮像対象からの電磁波を集光する集光部８１と、集光部８１によって集光された電磁波を異なる波長の電磁波に置換するスペクトル置換部８２を備える。またさらに、本変形例による撮像デバイス９００は、スペクトル置換部８２によって置換された電磁波を集光する第２の集光部８４と、第２の集光部８４によって集光された電磁波を受光する撮像素子８３を備える。
【０１２０】
集光部８１は、撮像対象からの例えばミリ波をスペクトル置換部８２上に集光する。ミリ波を集光する集光部８１としては、例えば誘電体レンズ等を用いることができる。
【０１２１】
スペクトル置換部８２は、集光部８１によって集光された電磁波を受信する受信部８２ａと、受信部８２によって受信された電磁波信号を検波する検波部８２ｂを備える。またさらに、スペクトル置換部８２は、検波部８２ｂによって検出された電磁波信号を増幅する増幅部８２ｃと、増幅された電波信号に応じて例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を発する発光層８２ｄを備える。
【０１２２】
受信部８２ａは、例えばミリ波を受信する広帯域アンテナがアレイ状に配列されることによって構成される。このアンテナとしては、例えば二次元アレイ状に配置する場合には、テーパードスロットアンテナ等を用いることができる。
【０１２３】
検波部８２ｂは、受信部８２ａのアンテナによってそれぞれ受信された例えばミリ波等の電磁波を検出する。この検波部８２ｂには、例えばショットキーダイオード等を用いることができ、ショットキーダイオードの整流作用により、入射したミリ波の強度に応じた電圧信号に変換することができる。
【０１２４】
また、増幅部８２ｃは、検波部８２ｂによって変換された電圧信号を増幅し、発光層８２ｄに電圧を印加または電流を注入する。発光層８２ｄは、例えば受信部８２ａのアンテナに対応してアレイ状に配置されるＬＥＤや蛍光材料、燐光材料等の発光素子を用いることができる。また、こうしたＬＥＤや蛍光材料、燐光材料には、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を発するものを用いる。
これにより、発光層８２ｄでは、増幅部８２ｃによって増幅された電圧信号の強度に応じた輝度の分布を有する発光が行われる。
【０１２５】
そして、発光層８２ｄから発せられた例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波は、第２の集光部８４によって集光され、撮像素子８３上に結像する。
【０１２６】
このように、本変形例では、例えばミリ波等の電磁波をアレイ状に並べたアンテナによって受信し、電圧等の電気信号へと変換する。そして、この電気信号によって例えばＬＥＤ等の発光層８２ｄを発光させることで、集光部８１に入射した電磁波を波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波に置換することができる。
このため、本変形例においても、撮像素子８３には、一般的なＣＣＤ型やＣＭＯＳ型等の撮像素子を用いることができる。したがって、ミリ波等の電磁波による撮像であっても、低コストに行うことができる。特に、ミリ波による撮像は、例えばコンクリート壁等の遮蔽物を透して内部を撮影することができるため、救助活動や非破壊検査等への応用が期待できる。
【０１２７】
以上のように、第４及び第５の変形例においては、受光抵抗が受光した赤外線エネルギを電圧エネルギに置換することで発光素子を発光させ、可視光領域の電磁波を得る。この発光原理を上述の第４の実施の形態や第２〜第３の変形例と対応させると、図１５のように図示できる。
図１５Ａは、第４の実施の形態において蛍光材料や燐光材料等の発光材料の発光に必要とするエネルギを表し、図１５Ｂは、第２の変形例及び第３の変形例において発光材料が発光に必要とするエネルギを表す。また、図１５Ｃは、本変形例において有機ＥＬ等の発光素子の発光に必要とするエネルギを表す。
また、線Ｌ１は、基底状態におけるエネルギ準位を示し、線Ｌ２は、励起直前のエネルギ準位を示す。また、線Ｌ３は、励起状態のエネルギ準位を示す。
【０１２８】
第４の実施の形態では、矢印Ａ４に示すように、ＬＥＤ等からの可視光エネルギによって発光材料を励起直前のエネルギ状態とした。そして、矢印Ａ５に示す撮像対象からの赤外線エネルギによって発光材料を励起させる。これにより、矢印Ａ１０に示す励起状態と基底状態の差分のエネルギが可視光エネルギとなり発光する。
【０１２９】
一方、図１５Ｂに示す第２の変形例及び第３の変形例においては、発光材料に電圧を印加することで、矢印Ａ６に示す電圧エネルギを与え、励起直前のエネルギ状態とした。なお、撮像対象からの赤外線エネルギによって最終的に発光材料を励起させ、発光させる点においては、第４の実施の形態と共通している。
【０１３０】
これに対して第４の変形例（図１３）では、まずトランジスタ等の増幅器がオンとなる直前の電圧を印加しておく。この電圧エネルギ状態は、図１５Ｃの矢印Ａ８に示すように、第４の実施の形態や第２及び第３の変形例における発光材料の励起直前のエネルギ状態に対応する。
そしてさらに第４の変形例では、撮像対象からの赤外線エネルギによって抵抗値を変化させることで、増幅器に印加される電圧を変化させる。これにより増幅器をオンとし、発光素子に電流を流すことで発光素子を発光させる。すなわち、撮像対象からの赤外線エネルギが置換されたこの電圧エネルギは、矢印Ａ９に示すように、第２〜第３の変形例において、励起直前の発光材料を励起させるエネルギに対応する。
【０１３１】
なお、第５の変形例（図１４）では、ミリ波等の電磁波を検波部８２ｂによって電圧信号等に変換して増幅し、発光層８２ｄを発光させる。発光層８２ｄにあらかじめバイアスを付加して励起直前状態のエネルギ状態としておき、検波部８２ｂによって変換された電圧エネルギによって発光させてもよい。また、十分な感度が得られる場合には、バイアスを付加せず、増幅部８２ｃでの増幅のみによって基底状態から励起状態までのエネルギを確保してもよい。
【０１３２】
１０．第５の実施の形態
図１６は、第５の実施の形態による撮像デバイス１０００を示す概略構成図である。
本実施の形態においては、スペクトル置換部によって、外部光源からの電磁波の光路を変更する例について以下に説明する。
【０１３３】
本実施の形態による撮像デバイス１０００は、レンズを含んで構成され、撮像対象からの電磁波を集光する集光部９１を備える。
また、集光部９１によって集光された電磁波の光路上に配置され、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を反射するスペクトル置換部９２を備える。
また、集光部９１とスペクトル置換部９２の間に配置され、例えば赤外線を透過し、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を反射する波長選択膜９４を備える。
また、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を、波長選択膜９４を介して、スペクトル置換部９２に照射する光源９５を備える。
そしてさらに、スペクトル置換部９２によって反射された、光源９５からの電磁波を受光する撮像素子９３を備える。
【０１３４】
集光部９１は、撮像対象からの例えば赤外線を集光し、結像させるものであれば特に限定しない。したがって、１枚レンズであってもよいし、２枚以上のレンズを含んで構成しても構わない。
【０１３５】
集光部９１を透過した例えば赤外線は、波長選択膜９４を透過してスペクトル置換部９２に入射する。
図１６においては、波長選択膜９４を集光部９１のスペクトル置換部９２側のレンズ面に形成する例としてあるが、透明薄板等に成膜し、集光部９１とスペクトル置換部９２の間に配置しても構わない。
【０１３６】
スペクトル置換部９２に入射した赤外線は、その強度に応じてスペクトル置換部９２の温度を上昇させる。これにより、スペクトル置換部９２には、入射する赤外線の強度分布に応じた温度分布が形成される。
なお、スペクトル置換部９２は、例えばその法線方向が、集光部９１の光軸方向と一致せず、例えば図１６に示すように少し傾いて配置される。
【０１３７】
一方、光源９５からは、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を波長選択膜９４に照射する。波長選択膜９４に照射された電磁波は、波長選択膜９４によって反射され、スペクトル置換部９２に入射する。
【０１３８】
光源９５には、例えばＬＥＤ等を用いてもよい。また、拡散板９６を配置することで、スペクトル置換部９２に対して均一に光源９５からの電磁波が照射されるようにしてもよい。
また、ＩＲカットフィルタ等を配置して、光源９５の電磁波から赤外線をカットするようにしてもよい。
【０１３９】
図１７Ａ、Ｂは、図１６におけるスペクトル置換部９２の領域Ｔ２における断面を拡大した拡大断面図である。
図１７Ａに示すように、本実施の形態においてスペクトル置換部９２は、例えば所定の線膨張係数を有する反射膜９７と、反射膜９７上に形成され、反射膜９７とは異なる線膨張係数を有する薄膜９８とによって構成される。
また、この反射膜９７と薄膜９８が重なった多層膜が、例えばアレイ状に配列された構成となっている。
【０１４０】
スペクトル置換部９２上において、赤外線の入射による温度の上昇が小さい箇所においては、反射膜９７と薄膜９８は変形しない。このとき、スペクトル置換部９２に入射した光源９５からの電磁波は、図１６、図１７Ａに示す例えば矢印Ａ１３の方向に反射され、撮像素子９３に受光されない。
【０１４１】
これに対して、赤外線の入射による温度の上昇が所定の値を超える箇所においては、反射膜９７と薄膜９８の線膨張係数の違いによってバイメタル効果が生じる。このため、反射膜９７と薄膜９８による多層膜は、図１７Ｂに示すように変形を生じる。この時、光源９５からの電磁波は、例えば図１６、図１７Ｂに示す矢印Ａ１４の方向に反射方向が変わり、撮像素子９３によって受光される。
【０１４２】
すなわち、本実施の形態においては、スペクトル置換部９２の温度変化によって、光源９５からの電磁波の光路を制御する。温度変化が小さい箇所では、反射された光が撮像素子に受光されず、所定の温度変化以上の箇所では、膜の変形により光路が変わり、撮像素子９３によって受光される。
したがって、撮像素子９３では、例えば光の受光があるかないかによって２階調の画像を取得することができる。
また、スペクトル置換部９２と撮像素子９３の間にレンズを配置し、撮像素子９３によって受光される電磁波を集光するようにしてもよい。
【０１４３】
反射膜９７としては、例えば反射率の高いＡｇやＡｌ、これらの合金等による薄膜を用いることができる。また、薄膜９８には、反射膜９７と線膨張係数が異なり、温度の上昇によって変形を生じさせるものであれば特に限定しない。したがって、金属材料でもよいし、ＰＣやＰＥＴといった樹脂材料でもよい。
【０１４４】
このように、本実施の形態においては、集光部９１によって集光された赤外線の強度分布を、スペクトル置換部９２上において温度分布へと変換する。
そしてさらに、所定の値以上の温度が上昇した箇所においては、バイメタル効果による薄膜の変形によって、光源９５からの電磁波を反射する方向が変化し、撮像素子９３上へ光源９５からの電磁波を導く。これにより、スペクトル置換部９２上における温度分布は、撮像素子９３上における輝度分布へと変換する。
【０１４５】
したがって、集光部９１によって集光された撮像対象からの赤外線は、光源９５からの電磁波によって置換される。このため、撮像素子９３では、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波を受光すればよいので、例えばＣＣＤ型撮像素子や、ＣＭＯＳ型撮像素子といった一般的な撮像素子を用いることが可能となる。
【０１４６】
このため、従来のように複雑な構造を有する赤外線専用の撮像素子を製造する必要がなくなり、コストを低減することができる。
【０１４７】
１１．第６の実施の形態
次に、これまでに説明した撮像デバイスを電子機器に適用する例について、図１８を用いて以下に示す。
図１８は、本実施の形態による撮像装置１１００の構成を示す概略構成図である。本実施の形態による撮像装置１１００は、撮像対象からの電磁波を集光する集光部１１０１と、集光部１１０１によって集光された電磁波を受光する撮像デバイス１１０２を備える。
また、撮像デバイス１１０２の動作を制御する制御部１１０３と、撮像デバイス１１０２からの出力信号を処理する信号処理回路１１０４を備える。
【０１４８】
集光部１１０１は、撮像対象からの電磁波、例えば赤外線等を集光し、結像させるものであれば、特に限定しない。１枚レンズであってよいし、２枚以上のレンズを含んで構成してもよい。
【０１４９】
集光部１１０１によって集光された赤外線は、撮像デバイス１１０２によって受光され、撮像対象の画像が取得される。この撮像デバイス１１０２には、第１〜第５の実施の形態及び第１〜第５の変形例（図１、３、４、５、７、８、９、１１、１４、１６）において示した撮像デバイス１００〜１０００を用いることができる。
【０１５０】
したがって、本実施の形態による撮像装置１１００では、集光部１１０１によって集光された赤外線は、撮像デバイス１１０２のスペクトル置換部によって、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波に変換、または置換される。
そして、この変換、または置換された電磁波は、例えばＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の撮像素子によって受光され、画像データを形成する。
【０１５１】
また、撮像デバイス１１０２が、例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波をスペクトル置換部に照射する光源を有している場合、制御部１１０３はこの光源の駆動も行うようにしてもよい。
【０１５２】
また、信号処理回路１１０４は、撮像デバイス１１０２の撮像素子からの出力信号に対して例えば相関二重サンプリング等の信号処理を行い、例えばメモリ等の記録媒体に記録したり、液晶ディスプレイ等のモニタへと出力する。
【０１５３】
このように、本実施の形態による撮像装置１１００では、撮像対象からの赤外線等の電磁波を例えば波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの電磁波に変換、又は置換する。このため、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のような一般的な撮像素子によって例えば赤外線画像を取得できる。
したがって、従来の赤外線撮像装置のように、赤外線専用の複雑な構成をした撮像素子を用いる必要がなく、製造コストを大幅に低減することが可能となる。
またこれにより、より安価な値段で赤外線撮像装置を提供できるので、民生用への普及を促進することができる。
【０１５４】
以上、本発明による撮像デバイス及び撮像装置の実施の形態について説明した。本発明は上記実施の形態にとらわれることなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、なお考えられる種々の形態を含むものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１５５】
１，１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１，１１０１・・・集光部、２・・・スペクトル変換部、３，１３，２３，３３，４３，５３，６３，７３，７６，８３，９３・・・撮像素子、１２，２２，３２，４２，５２，６２，７２，７５，９２・・・スペクトル置換部、１４，３４，４４，５４，６４，７４，９４・・・波長選択膜、１５，２５，３５，４５，５５，９５・・・光源、１６，２６，４６，５６，９６・・・拡散板、３７，３８，９７，９８・・・薄膜、５７，８４・・・第２の集光部、９２，１００，２００，３００，４００，５００，７００，８００，９００，１０００，１１０２・・・撮像デバイス、６２ａ・・・発光素子、６２ｂ，６２ｃ・・・電極、６２ｄ，７２ｈ，７５ｈ・・・電圧源、７２ａ，７５ａ・・・電気配線層、７２ｂ・・・受光抵抗層、７２ｃ，７５ｃ，８２ｄ・・・発光層、７２ｄ・・・抵抗素子、７２ｅ、７５ｅ・・・抵抗、７２ｆ，７５ｆ・・・増幅器、７２ｇ，７５ｇ・・・発光素子、７５ｂ・・・受光起電層、７５ｄ・・・起電素子、８２ａ・・・受信部、８２ｂ・・・検波部、８２ｃ・・・増幅部、６００・・・スペクトル置換デバイス、１１０３・・・制御部、１１０４・・・信号処理回路、１１００・・・撮像装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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