(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線波長を反射することが可能である複数の反射構造体（３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ）を収容する管状通路を備える部材（２２、２４、２６）を含み、前記構造体（３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ）が、平面であり、前記管状通路の前記軸に沿ってこの軸を中心として延びる、特に遠隔気体検出のための光フィルタリング装置（１０）であって、
前記反射構造体（３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ）が、前記赤外線スペクトル帯に位置する異なる波長の帯域の吸収によってフィルタリングする手段を含むことを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記反射構造体（３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ）のうち少なくとも１つが、表面プラズモン構造体によって形成された前記フィルタリング手段を担持する支持部（３８）を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記プラズモン構造体のうち少なくとも１つが、前記支持部（３８）と接触し、所与の波長の反射帯の吸収を可能にするような寸法にされ、かつ互いに対して隔てられた複数のパッドを担持する誘電材料の層（４２）によって覆われた金属層材料の層（４０）を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記パッド（４４）が、プラズモン構造体ごとに、前記パッド間の一定の間隔をもって、二次元のアレイにわたって分布される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記パッド（４４）が、前記金属層（４０）および誘電（４２）層に対して略直角である回転軸を備える円筒形状を有する、請求項３または４に記載の装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光フィルタリング装置（１０）と、検知要素（１８）のセットと、前記フィルタリング装置を通して観察される空間領域からの画像を、この検知要素（１８）のセット上に焦点合わせさせるための光学手段（１６）とを備える、遠隔光学式気体検出のための装置。
【請求項７】
前記装置の入口レンズ（１２）と、前記管状通路（２２）の前記入口との間に、または前記管状通路（２２）の前記出口と、前記検知要素（１８）の前記セットとの間に挿入されたダイヤフラムを含むことを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明は、光波長フィルタリングのための装置に加えて、前述の光フィルタリング装置を用いた遠隔光学式気体検出のための装置に関し、特に、たとえば化学プラント、製油所、気体貯蔵施設等の工業用地の監視に適用可能である。本発明は、明らかに上述の用途に限定されず、たとえば、有害ガスが用いられる恐れがある紛争地域における軍事活動で用いられてもよい。
【背景技術】
【０００２】
文献ＥＰ−Ａ−０５４４９６２およびＷＯ０３／０４４４９９は、撮像装置の光軸上に連続的に位置し、および所望の気体の吸収線（測定フィルタに対する）を包含する帯域幅を有するか、またはこの吸収線（参照フィルタに対する）に対して相補的である光学測定および参照フィルタに関連付けられた赤外線、撮像装置を開示している。観察領域の底は、赤外線源として用いられ、所望の気体の存在は、フィルタを通して取得された赤外線、画像に微分処理を施すことによって呈され、このため、当該処理によって、検出された気体の濃度を計算することが可能になる。
【０００３】
従来、測定および参照フィルタのセットは、フィルタを撮像装置の光軸上に連続して導くための電動式回転ディスクによって運ばれている。フィルタの帯域幅に対応するさまざまなスペクトル帯における観察領域の画像は、順次取得されて、フィルタ交換に対応する間隔で、互いから時間的に分離される。これらの間隔は、撮像装置全体の感度を低下させるが、これがフィルタ交換中の「ブラインド」である。また、観察領域の同じスペクトル帯における２つの連続した画像は、フィルタホイールが完全に１回転するためにかかる時間に対応する比較的長い時間間隔で分離され、これは、処理された画像の時間的コヒーレンスに影響し、観察領域において急速な移動が検出された場合に問題となる。
【０００４】
さらに、フィルタホイールを電動式にするための手段は、ノイズ源および振動源であり、撮像装置全体の信頼性を低下させる。加えて、可動部材、すなわちホイールの使用は、振動が回転部材の動作に影響することを防止するために、装置から伝達された振動のレベルを制御しなければならないことを含意する。
【０００５】
また、管ハウジングと、管の軸に沿って、この軸を中心として並んで配置された複数の細長いミラーとを備えるフィルタリング装置が既知である。観察空間領域から到達する光束は、管内で伝搬してミラー上で反射し、これは、その数および形状が、カレイドスコープの周知の動作原理に従ったミラーの数および配置の関数である、複数の副画像の形成につながる。光検出器のアレイは、さまざまな画像を収集するために、管の出口に配置される。それゆえに、異なる周波数帯域を各々吸収することが意図された複数の並列領域を備える平面フィルタを配置することが提案されている。
【０００６】
この構成は、時間フィルタリングが複数の異なる周波数帯域で行われることを可能にしているが、平面フィルタの使用は、フィルタリングされた光線の焦点を検出器のアレイに合わせるために、フィルタの下流に焦点合わせ手段を付加することが必要とされるため、困難であることがわかっている。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、特にこれらの不利点を、簡単で、効果的かつ経済的な方法で回避することを目的とする。
【０００８】
このような目的で、赤外線波長を反射することが可能である複数の反射構造体を収容する管状通路を備える部材を含み、構造体が、平面であり、管状通路の軸に沿ってこの軸を中心として延びる、特に遠隔気体検出のための光フィルタリング装置が提案され、反射構造体が、赤外線スペクトル帯に位置する異なる波長の帯域の吸収によってフィルタリングする手段を含むことを特徴とする。
【０００９】
このように、本発明は、フィルタリングが、反射構造体によって担持されたフィルタリング構造体によって行われ、それによって、複数のフィルタリング領域を備える平面フィルタの使用が必要ではなくなるようにされることが提案される。加えて、そのような構成は、フィルタリング手段が反射構造体に組み入れられるため、光フィルタリング装置によって必要とされる空間が、その光軸の方向に低減されることを可能にする。
【００１０】
可動式フィルタホイールを備える装置と比較して、装置の振動に加えて、振動に対するその感度もまた除去される。したがって、本発明によるフィルタリング装置は、可動部がないために、たとえばドローンまたはヘリコプター等の著しい振動に曝される環境で用いられることができる。
【００１１】
本発明によれば、反射構造体は、少なくとも赤外線の波長、すなわち０．７８μｍ〜５ｍｍの間の波長を反射することが可能である。実際に、光フィルタリング装置が気体検出装置で用いられる場合、検出される気体の存在を示す波長は、赤外線範囲内に位置する。より具体的には、吸収帯の波長は、中間赤外線範囲、すなわち３〜５０μｍの間に位置し、近赤外線範囲は、０．７８μｍ〜３μｍの間であり、遠赤外線範囲は、５０μｍ〜５ｍｍの間の波長に対応する。
【００１２】
本発明の別の特徴によれば、反射構造体のうち少なくとも１つは、フィルタリング手段を担持する支持部を備える。特定の実施形態では、フィルタリング手段は、表面プラズモン構造体によって形成される。
【００１３】
表面プラズモン構造体の使用は、送信時に動作させる帯域阻止型フィルタのケースにおいて周知であるが、このタイプのフィルタリング構造は、反射には用いられたことがなく、すれすれの入射角、すなわち約６０°〜８０°の間（法線に関連して測定される）での構成ではさらに少ない。また、プラズモン構造体をカレイドスコープ型光フィルタリング装置に組み入れることは、提案されたことがない。最後に、表面プラズモン構造体は、所与の周波数帯域の阻止／吸収という点で特に効果的である。
【００１４】
本発明の一実施形態では、プラズモン構造体のうち少なくとも１つが、支持部と接触し、所与の波長の反射帯の吸収を可能にするような寸法にされ、かつ互いに対して隔てられた複数のパッドを担持する誘電材料の層によって覆われた金属層材料の層を備える。
【００１５】
パッドは、プラズモン構造体ごとに、パッド間の一定の間隔をもって、二次元のアレイにわたって分布される。パッドは、金属層および誘電層に対して略直角である回転軸を備える円筒形状を有していてもよい。それゆえ、パッドは、ディスク形状の断面を有する。他の形状、たとえば矩形の断面を有するパッド等もまた可能である。
【００１６】
本発明の別の特徴によれば、本装置は、２つずつ異なる吸収帯を有する少なくとも、３つの反射構造体を備える。
【００１７】
本発明は、上述されたような光フィルタリング装置と、光検出器のセットと、フィルタリング装置を通して観察される空間領域からの画像の、この光検出器のセット上への光学的焦点合わせ手段とを備える、遠隔光学式気体検出のための装置にさらに関する。
【００１８】
好ましくは、本装置は、装置の入口レンズと、管状通路の入口との間に、または管状通路の出口と、検知要素のセットとの間に挿入されたダイヤフラムを含む。
【００１９】
ダイヤフラムの開口の直径に依存して、光検出器のアレイ上の画像間に、黒色の中間領域が形成され、これは、隣接する検知要素間のあらゆる結合を除去することによって、画像処理動作を促進する。
【００２０】
本発明の他の詳細、特性および利点は、添付の図面を参照しながら、非限定的な例によって提供された以下の説明を読むことで見えてくるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による光フィルタリング装置の概略的な図示である。
【図２】発明によるフィルタリング装置の第１の実施形態による、管状通路の概略斜視図である。
【図３】表面プラズモンフィルタリングのために用いられる二層材料によって担持されたパッドの概略斜視図である。
【図４】パッドの概略平面図である。
【図５】図２による管状通路を備える光検出器、アレイ上で得られた副画像の概略図である。
【図６】図３に類似した図であり、管状通路の入口にダイヤフラムが配置されている。
【図７】ミラーを収容する管状通路の他の可能な形状の図である。
【図８】ミラーを収容する管状通路の他の可能な形状の図である。
【図９】図９、所与の反射構造体に対する波長に応じた反射率の進化を各々表す４つの曲線を含むグラフを表す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
最初に図１を参照すると、本発明による遠隔光学式気体検出のための装置１０が概略的に表され、たとえば観察空間領域から到達する電磁束を受けて、それを本発明によるフィルタリング装置１４の入力に対して向けさせることが意図された１つまたは複数のレンズによって形成された対物レンズ等の第１の光入力手段１２と、計算処理手段２０に接続された光検出器等の検知要素１８のセット上に、フィルタリング装置によって出力された電磁束の焦点を合わせるための第２の光出力１６とを備える。
【００２３】
光フィルタリング装置１４は、図２に示されるように、管状通路を画定する角型断面であることができる管２２を備える。当然ながら、本発明は、本実施形態に限定されず、たとえば矩形、三角形２４（図６）または六角形の断面２６（図７）を有する管に関する。
【００２４】
本明細書において、用語「管」は、以下に説明されるような複数の反射構造体を収容することが可能である管状通路を備える任意の部分を意味するために用いられる。
【００２５】
このように、管２２は、気体検出装置の光軸３０と一致する軸２８に沿って延び、内部に複数の平面反射構造体３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄを備える。反射構造体は、光軸２８の方向に延長されている。管２２の各内面は、観察空間領域３６からの放射流速の入口を形成するための第１の端から、検知要素１８のアレイの方向への前記光束の出口を形成する第２の反対端まで延びる反射構造体３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄを有する。
【００２６】
本発明によれば、各反射構造体３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、機械的な支持部機能を提供することが意図された基板３８を備える。反射構造体３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、平面であり、入口１９と出口２１とを備える管状通路の軸１８に沿って延びる。各反射構造体３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、管状通路２２の内部に向かって向けられるように意図された面２３を備える。反射構造体３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、管状通路２２の軸１８の周囲に分散されて、周方向に、すなわち管状通路の軸１８の周囲に次々に配置される。このように、反射構造体は、反射構造体３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄの各面、２３における法線２５が、管状通路２２の軸１８に対して直角であるように向けられる。
【００２７】
各基板または支持部３８は、二層構造を担持し、第１の面を通して支持部３８と接触する金属材料４０の層と、金属材料層の第１の面の反対の第２の面が、金属層４０の第２の面の反対端で複数のパッド４４を支える誘電材料の層４２で被覆して構成される（図３および４）。このように、各反射構造体３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、金属層４０と、誘電材料の層４２と、パッドの配列とで構成される。
【００２８】
このように、本発明は、たとえば、その寸法および分布が、吸収される波長帯を決定するパッド４４をより組み入れているプラズモン構造体３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄを各々備える複数の反射構造体を用いる。具体的には、パッド４４は、誘電層４２の表面上に規則的に配置されている。このように、各反射構造体３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、光軸３０の方向に整列することができる数列４６のパッド４４を備える。
【００２９】
図３および４に示されるように、パッド４４は、金属層４０および誘電材料の層４２に対してほぼ直角な回転軸を有する円筒である。
【００３０】
各プラズモン構造体の吸収帯は、単に２つのパッド４４間の間隔ｄと、各パッド４４の直径Ｄ（図４）とを変動させることによって変動させることができる。
【００３１】
図５は、図２に示されるような角型断面管２２を通過した後に、検出器アレイ１８によって記録された、空間３６の領域の画像４８を示す。図６は、画像５０と、一連の同様の画像とをさらに示すが、しかしながら、これらは、第１の光学手段１２と管２２の入口との間にダイヤフラム（図示せず）を付加することによって得られる黒帯によって互いに隔てられる。
【００３２】
図５および６に見られるように、各画像は、９個の副画像Ａ１〜Ａ９を含み、それによって、中央画像Ａ１は、空間３６の領域の非フィルタリング画像に対応し、上側位置の副画像Ａ２は、観察領域３６の放射流速を下側プラズモンミラー３４ｃ上に反射させた後に得られ、下側位置の副画像Ａ３は、観察領域３６の放射流速を上側プラズモンミラー３４ａ上に反射させた後に得られ、左の副画像Ａ４は、観察領域３６の放射流速を、その入口から管２２を見たときに右のプラズモンミラー３４ｂ上に反射させた後に得られ、右の画像Ａ５は、観察領域３６の放射流速を、その入口から管２２を見たときに左のプラズモンミラー３４ｄ上に反射させた後に得られる。角部に位置する副画像Ａ６〜Ａ９は、２つの隣接するミラー上への放射流速の反射に、そして２つの異なる赤外線帯域幅における二度の吸収に対応する。
【００３３】
このように、本発明による気体検出装置は、赤外線波長を反射し、検出される気体の吸収線を含む赤外線波長の所与の帯域を吸収することが可能である複数の反射構造体３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄを備える。このように、本発明による装置を用いて、いくつものタイプの気体を同時に検出することができる。加えて、検出器アレイ上の中央副画像Ａ１に加えて、下側Ａ３、上側Ａ１、右Ａ５、および左Ａ４のフィルタリング副画像に対応する観察空間領域の非フィルタリング画像を同時に得ることによって、プラズモンミラーの吸収帯のうち１つに位置する赤外線吸収帯を有する、検出される気体の有無の減算によって推定することが可能になる。
【００３４】
図９は、横座標が、赤外線放射帯における波長をマイクロメートルで表し、縦座標が反射率を表す。各曲線４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄが、図２に示されたようなミラーのうち１つの反射率の変化を表すグラフを表す。
【００３５】
特定の実施形態では、支持部はシリコンで作られ、金属層はクロムで作られ、誘電層はシリコンで作られ、パッドはクロムで作られることができる。
【００３６】
本発明による装置は、リアルタイムの気体検出のための大きな開口角度を可能にする。検出される気体に加えてその濃度の分析を改善するために、本発明による装置１０は、小さな開口角度を有するが、化合物およびそれら各自の濃度が、分析された空間領域の所与の方向で正確に検出されることを可能にするフーリエ変換分光器と組み合わせられることができる。マイクロミラーのアレイをこの目的のために用いて、まず観察空間領域から生じた放射流速を、プラズモンフィルタ気体検出装置の方に向けさせて、気体が明確に検出された場合には、第２の位置のマイクロミラーのいくつかを、光束の一部がフーリエ変換分光器の方に向かうことを可能にするように向けさせることができる。
【００３７】
前述された管状通路の断面は、その全長にわたって一定であることに留意すべきである。しかしながら、下流に向かって、すなわち光が装置を通って伝搬される方向に、検知要素の方向にテーパ状の（または膨張している）断面を備える管を有することが考えられる。このようにして得られた効果は、図６の画像を参照して、ダイヤフラムが付加された場合に説明されたものと同様である。
【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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