(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の擬似位相整合和周波数発生光導波路の各一端と他端を２次元平面に整列させて光導波路アレイを形成し、
前記光導波路アレイの一方の平面を各導波路を要素とする入射面、他方の平面を前記入射面の導波路に対応する導波路を要素とする出射面とし、
前記入射面の任意の要素に入射した入射光（λ1 ）と励起光（λ2 ）から、下記の関係を有する出射光（λ3 ）を前記対応する導波路要素に発生するように構成した像波長変換装置。
記
（λ1 ）-1＋（λ2 ）-1＝（λ3 ）-1
ここにおいて、
λ1 ：入射光の波長
λ2 ：励起光の波長
λ3 ：出射光の波長
【請求項２】
請求項１記載の像波長変換装置において、
前記入射光は赤外線からｍｍ波に渡る不可視光であり、前記励起光は前記出射光を可視光とする波長を持つものが選ばれることを特徴とする像波長変換装置。
【請求項３】
請求項１記載の像波長変換装置において、
前記入射光に対応した一定の開口を有する前記光導波路アレイをｍ×ｎのマトリックス状に配列し各導波路ごとに和周波数発生用の混合を行なうものであり、前記入射光が３．５μｍの赤外線であるとき、前記励起光は０．８μｍとすると、前記出射光は０．６５μｍの可視光に変換されることを特徴とする像波長変換装置。
【請求項４】
像波長変換装置の製造方法であって、
非線形光学結晶ウエハを準備するステップと、
前記光学結晶ウエハに一定の方向に一定の周期で分極反転部分を形成するステップと、
前記非線形光学結晶ウエハを一定の方向に一定の長さを備える多数の光導波路に分離して光導波路要素を準備するステップと、
前記光導波路要素を光学的に分離された状態で接合するステップと、
前記各要素の一端面の集合面を入射面、他端面の集合面を出射面とするステップと、
からなる像波長変換装置の製造方法。
【請求項５】
多数の擬似位相整合和周波数発生光導波路の各一端と他端を２次元に整列されて形成された入射面と出射面を備える像波長変換装置と、
前記像波長変換装置の入射面に像（波長λ1 ）を形成する像形成光学系と、
前記像波長変換装置の入射面に励起光（波長λ2 ）を照射する励起光光学系と、
前記像波長変換装置の出射面に現れた第３の波長（波長λ3 ）の像を受像する受像手段と、から構成した像波長変換装置を用いた画像変換システムであって、
前記λ1 ，λ2 ，λ3 は下記の関係を有する像波長変換装置を用いた画像変換システム。
記
（λ1 ）-1＋（λ2 ）-1＝（λ3 ）-1
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、和周波光混合効果を利用して、一定の波長の電磁波により形成されている像を他の波長の電磁波により形成されている像に変換する画像を形成している光の波長を変換する像波長変換装置、前記装置の製造方法、および前記装置を用いた画像変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高能率ＳＨＧ装置を実現するためには基本波と第２高調波（以下、単にＳＨ波）との間で、位相整合を達成する必要があり、これに関連して種々の研究がなされている。そのうち、擬似位相整合（QUASI-PHASE-MATCHING：以下、単にＱＰＭ）を用いたＱＰＭ−ＳＨＧ装置が最も優れている。ＱＰＭは、位相調整を達成するために、基本波とＳＨ波の伝搬定数の差を周期分極反転により補償する方法である。
【０００３】
さらに、一般的に、非線形光学効果（和周波光混合効果）を呈する非線形光学結晶を利用し、第１の波長の光を第２の波長の励起光と混合励起し、第３の波長の光を得ることができ、それらの間に一定の関係が得られることが知られている。すなわち、非線形光学効果の和周波光混合（フォトンミキシング）では、第１の光（波長λ1 ）と第２の光（波長λ2 ）とを混合伝搬させると第３の光（波長λ3 ）が得られ、それらの間には１／λ1 ＋１／λ2 ＝１／λ3 の関係が成立する。
特許文献１，非特許文献１および非特許文献２に係わるものは、和周波光混合効果を呈する素子に関連するものである。
【０００４】
一定の波長の電磁波により形成されている像を他の波長の電磁波により形成されている像に変換する光学装置、特に前記第１の波長が赤外線である場合、つまり赤外線画像（イメージング）計測は、地球環境、宇宙環境リモートセンシング分野の『目』として極めて重要な技術であり、現在、パイロ素子アレイを用いた赤外線カメラなどが用いられている。これらの公知の赤外線カメラは、極めて高価であり、宇宙や防衛などの特殊産業以外に容易に利用することが困難であり、さらに、ナノ秒以下の高速応答が困難であった。
【特許文献１】特開２００２−３１８２７号公報
【非特許文献１】皆方誠，長能重博著，「固有モード制御高能率ＳＨＧ青色光源に関する研究」，静岡大学電子工学研究所，研究報告第３４巻（１９９９）
【非特許文献２】長能重博，皆方誠他著，「高能率ＳＨＧデバイス用微小分極反転法の研究」，静岡大学電子工学研究所，研究報告第３６巻（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
赤外線像を始めとする不可視像の可視化またはデータ化（リアルタイム処理）は前記分野のみならず他の分野でも強く要請されている。例えば、最近研究開発が急速に進展しつつあるミリ波、テラヘルツ波などの不可視電磁波画像を簡単に可視化する技術や装置の実現は遅れており、それらの実現が強く望まれている。
本発明の主たる目的は、和周波光混合効果を利用して、一定の波長の電磁波により形成されている像を他の波長の電磁波により形成されている像に変換する光学装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、前記装置の製造方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、前記装置を用いた画像変換システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の像波長変換装置は、
多数の擬似位相整合和周波数発生光導波路の各一端と他端を２次元平面に整列させて光導波路アレイを形成し、
前記光導波路アレイの一方の平面を各導波路を要素とする入射面、他方の平面を前記入射面の導波路に対応する導波路を要素とする出射面とし、
前記入射面の任意の要素に入射した入射光（λ1 ）と励起光（λ2 ）から、下記の関係を有する出射光（λ3 ）を前記対応する導波路要素に発生するように構成されている。
記
（λ1 ）-1＋（λ2 ）-1＝（λ3 ）-1
ここにおいて、
λ1 ：入射光の波長
λ2 ：励起光の波長
λ3 ：出射光の波長
本発明による請求項２記載の像波長変換装置は、請求項１記載の装置において、
前記入射光は赤外線からｍｍ波に渡る不可視光であり、前記励起光は前記出射光を可視光とする波長を持つものが選ばれることを特徴とするものである。
本発明による請求項３記載の像波長変換装置は、請求項１記載の装置において、
前記入射光に対応した一定の開口を有する前記光導波路アレイをｍ×ｎのマトリックス状に配列し各導波路ごとに和周波数発生用の混合を行なうものであり、前記入射光が３．５μｍの赤外線であるとき、前記励起光は０．８μｍとすると、前記出射光は０．６５μｍの可視光に変換されることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明による請求項４記載の方法は、像波長変換装置の製造方法であって、非線形光学結晶ウエハを準備するステップと、前記光学結晶ウエハに一定の方向に一定の周期で分極反転部分を形成するステップと、前記非線形光学結晶ウエハを一定の方向に一定の長さを備える多数の光導波路に分離して光導波路要素を準備するステップと、前記光導波路要素を光学的に分離された状態で接合するステップと、前記各要素の一端面の集合面を入射面、他端面の集合面を出射面とするステップと、から構成されている。
【０００８】
本発明による請求項５記載の像波長変換装置を用いた画像変換システムは、
多数の擬似位相整合和周波数発生光導波路の各一端と他端を２次元に整列されて形成された入射面と出射面を備える像波長変換装置と、
前記像波長変換装置の入射面に像（波長λ1 ）を形成する像形成光学系と、
前記像波長変換装置の入射面に励起光（波長λ2 ）を照射する励起光光学系と、
前記像波長変換装置の出射面に現れた第３の波長（波長λ3 ）の像を受像する受像手段と、から構成した画像変換システムであって、
前記λ1 ，λ2 ，λ3 は下記の関係を有するものである。
記
（λ1 ）-1＋（λ2 ）-1＝（λ3 ）-1
【発明の効果】
【０００９】
本発明のフォトンミキシング素子は、従来の装置より赤外線イメージデータを可視光イメージデータに高速で波長変換することが可能である。また、赤外線イメージの高分解能、高感度化を達成することができるので、低コストの実用的な赤外線カメラを形成することが可能である。また、本発明による前記赤外線カメラを用いた像波長変換装置システムによれば、従来の赤外線カメラに対して極めて小形な赤外線カメラを提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面等を参照して本発明による像波長変換装置の実施形態を説明する。図１は、本発明による像波長変換装置の概念を説明するための略図であり、図２は、前記像波長変換装置の動作を説明するための略図である。
本発明による像波長変換装置は、非線形光学効果の和周波光混合（フォトンミキシング）を示すことができるドメイン反転非線形光学結晶を、光導波路に用いるものである。図１に多数本（ｍ×ｎ）の光導波路よりなる像波長変換装置３を示している。図１に光導波路３ａを取り出して示してある。
【００１１】
図２に示すように、画像１の像（λ1 ＝３．５μｍ）がハーフミラーまたはフィルタ２を介して像波長変換装置３の入射面に形成される。なお、ハーフミラーまたはフィルタ２はλ1 の光を透過し、λ2 の光を反射する。一方、励起光（λ2 ＝０．８μｍ）が像波長変換装置３の入射面の全面に入射されたとする。画像１からの光と励起光が入射した光導波路の出射端からは、前述した和周波数にω3 （λ3 ＝０．６５μｍ）に相当する波長の光が現れる。
なお、ω3 ＝ω1 ＋ω2 は、（λ1 ）-1＋（λ2 ）-1＝（λ3 ）-1  と等価である。像波長変換装置３から出射した光のうち波長λ3 の光は、ハーフミラーまたはフィルタ４を透過してスクリーン５に投影される。波長λ3 の光は可視光であるから目視の観察も可能である。なお、簡単のために図２では投影手段を省略してある。和周波混合に寄与しなかった励起光は、必要により、ハーフミラーまたはフィルタ４により除去される。すなわち、前述の像波長変換装置によれば、３．５μｍの赤外イメージと０．８μｍの励起光のフォトンミキシングにより０．６５μｍの可視イメージ（画像) に変換することができる。
【００１２】
次に、図３を参照して、像波長変換装置の製造工程をＬｉＮｂＯ3 結晶（以下、ＬＮ結晶）を用いる例について説明する。
（ＬＮウエハの準備ステップ）
基板となるＬＮ結晶ウエハは、チョクラルスキ法（種結晶を用いた引き上げ法）により作製された直径４〜５インチ、長さ３０cm程度のインゴットからｚ軸（結晶引き上げ方向）と垂直な面と平行に切り出された（輪切にした）薄板である。前記薄板の両面は光学研磨がなされている。
【００１３】
（分極反転ステップ）
母材結晶のインゴットは引き上げ成長後、外部から電場を加えて単分域操作（分極方向Ｐｓを一方向に揃えるための操作）を行ったものであり、基板となるウエハの厚さは５００〜２００ミクロン程度である。前記光学結晶ウエハ上ほぼ全面に紫外線レーザ描画法により、数ミクロン幅のラインとスペース（周期１２ミクロン程度）のフォトレジストパターンを作製する。（高分子の膜のフォトレジストはレーザ光照射された部分のみが感光し、薬液を使って現像することにより消失する。）
周期レジストパターン描画後、金またはアルミ電極を全面に蒸着する。また、裏面にも電極を蒸着する。表裏の電極間に高い電圧パルス（２０ＫＶ／ｍｍ、２〜５ｍ秒）を印加して全面分極反転を行う。レジストのない結晶表面では高電圧が印加されて分極反転するが、レジスト上の電極部分では反転に必要な十分高い電圧が印加されないので分極反転が生じない。この図ではレジスト部分を省略した所謂リフトオフ法を示している。
レーザ光ビームに対して垂直な平面内ｘ、ｙ方向の併進移動をコンピュータで精密に制御したステージ上にレジストを塗布したウエハを乗せて置く。レーザ光を、レジストを塗布したウエハに真上から照射し、同時に所望の距離だけウエハを移動すると任意の寸法のパターンを描画することが出来る。本実験では波長４７３ｎｍ、１ｍＷ以下のレーザ光を、ウエハ上に塗布したポジ型フォトレジストに照射した。ビームをジグザグに走査することにより周期レジストパターンを作製することができる。
【００１４】
（光導波路形成ステップ）
周期分極反転と直交してフォトリソグラフィ法により太さ数ミクロン〜十数ミクロンの光導波路をウエハ全面に渡って作製する。作製は、まずレーザ露光法により光導波路以外の部分のレジストを照射・現像・除去してパターン化する。その後、タンタルを蒸着し、リフトオフ法により光導波路部分を露出する。このとき光導波路の数は１４００本程度である。次に、２４０度程度に温めた燐酸溶液に所望の時間（サイズにより異なるが２０分から１時間程度）浸漬する。その後、タンタルを除去してから、４００度で１時間程度熱処理をして光導波路を作製する。この操作により結晶中のＬｉと燐酸中のプロトンが交換され、屈折率の高い光導波路がＬＮウエハ中に容易に作製できる。
【００１５】
（背面研磨と切断）
その後、図右側の拡大断面図の研磨１の部分を研磨除去する。上側の基板と光導波路の上面は接着されており、不要部分は研磨終了後に除去される。３５ｍｍ×２０ｍｍ程度のシート状チップ多数個切断し、１次元アレイを作製する。最終的には、ＬＮウエハは３５ｍｍ×２０ｍｍ×５０μｍ（厚さ）程度の大きさのシート状チップに切断される。１枚のウエハから８枚程度のシート状チップが得られる。
（積層部形成）
デバイスは「薄片１次元アレイを積層して」作製する。１次元アレイの光導波路間隔は２０ミクロン程度であり、均一かつ均質である。光導波路間の干渉は無視できるものである。または撮像アレイの積層間隔は５０ミクロン程度であり、積層の際の材料として紫外線硬化樹脂を用いる。このチップが多数積層されて図２のＳＦＧデバイス３となる。なお、３５ｍｍ幅のチップの中には３０ミクロン幅の光導波路が２０ミクロンの間隔で６４０本並んでいる（５０μｍ×６４０＝３２ｍｍより３５ｍｍ幅を選択）。
【００１６】
次に、図４を参照して、前記像波長変換装置を用いた画像変換システムについて説明する。このシステムは、前述したような像波長変換装置を用いて赤外線撮像システムを構成したものである。像波長変換装置１２は、光導波路開口が３０μｍの光導波路６４０×４８０本を集積したものである。
【００１７】
図４は前記装置を用いた画像変換システムのブロック図である。赤外線（λ1 ＝３．５μｍ）を含む像は、対物レンズ１０、ビームスプリッタ１１を介して像波長変換装置１２の入射面に結像される。一方、励起光源であるレーザダイオード１６からの励起光（λ2 ＝０．８μｍ）はコリメータレンズ１７およびビームスプリッタ１１を介して像波長変換装置１２の入射面を照射する。その結果、像波長変換装置１２の出射面に現れた可視光（λ3 ＝０．６５μｍ）の像はレンズ１３およびビームスプリッタ１４を介して撮像素子であるシリコン製のＣＣＤ１５に結像させられる。和周波混合に寄与しなかった励起光（λ2 ＝０．８μｍ）はビームスプリッタ１４で反射され除去される。撮像素子であるシリコンＣＣＤ１５の出力はディスプレイ２０に表示される。
【００１８】
本システムの主要部分である像波長変換装置１２は極めて小さいので、例えば（３２ｍｍ×２５ｍｍ×２０ｍｍ）であるから、カメラ部分９は、現在市販されているディジタルビデオカメラと略同じかまたそれ以下の大きさにすることができる。
【００１９】
（変形例）
λ1 ＝３．５μｍの赤外線の可視化について、詳細な説明を行なったが、同様にして１〜５μｍの赤外イメージの可視化も可能であり、他の波長の変換にも広く応用ができる。また、ＬｉＮｂＯ3 結晶を用いる例を示したがＬｉＴａＯ3 結晶も同様に利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明のフォトンミキシング素子は、従来の装置より赤外線イメージデータを可視光イメージデータに高速で波長変換することが可能であるから、映像伝送の分野に広く利用可能である。また、赤外線イメージの高分解能、高感度化を達成することができるので、低コストの実用的な赤外線カメラを形成することが可能になり、暗視野の監視装置や悪環境下の現象の監視等の分野に広く利用できる。また、本発明による前記赤外線カメラを用いた像波長変換装置システムによれば、従来の赤外線カメラに対して極めて小形な赤外線カメラを提供することが可能であるから、多方向から複数のカメラによる監視が必要な分野に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による像波長変換装置の概念を説明するための略図である。
【図２】前記像波長変換装置の動作を説明するための略図である。
【図３】本発明による像波長変換装置の製造工程を説明するための説明図である。
【図４】前記装置を用いた画像変換システムのブロック図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  変換対象画像
２  ハーフミラーまたはフィルタ
３  像波長変換装置（光導波路アレイ）
４  ハーフミラーまたはフィルタ
５  スクリーン
６  励起光
７  排除される励起光
９  カメラ部分
１０  対物レンズ
１１  ビームスプリッタ
１２  像波長変換装置
１４  ビームスプリッタ
１５  ＣＣＤ
１６  励起光源（レーザダイオード）
１７  コリメータレンズ
２０  ディスプレイ装置
【図１】
0004576492.tif 000002
【図２】
0004576492.tif 000003
【図３】
0004576492.tif 000004
【図４】
0004576492.tif 000005