特許 7520927 光学装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-12

(45)【発行日】2024-07-23

(54)【発明の名称】光学装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20240716BHJP

【ＦＩ】

G01S7/481 A

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2022131744

(22)【出願日】2022-08-22

(65)【公開番号】P2023108584

(43)【公開日】2023-08-04

【審査請求日】2022-08-22

(31)【優先権主張番号】17/583,676

(32)【優先日】2022-01-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】507296388

【氏名又は名称】采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＶｉｓＥｒａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１２，Ｄｕｓｉｎｇ Ｒｄ．１， Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ，Ｈｓｉｎ－Ｃｈｕ Ｃｉｔｙ，Ｔａｉｗａｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100105946

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野 富彦

(72)【発明者】

【氏名】▲頼▼ 來宏

(72)【発明者】

【氏名】謝 錦全

(72)【発明者】

【氏名】余 建和

【審査官】佐藤 宙子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１８２１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－６６７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２３３５２１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】YAKUNIN,S. et al.，High-resolution remote thermography using luminescent low-dimensional tin-halide perovskites，arXiv:1905.08727[physics.app-ph]，2019年05月21日，pp.1-52，https://doi.org/10.48550/arXiv.1905.08727

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／００－ ３／３２

Ｇ０１Ｊ ５／００－ ５／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ、
前記飛行時間センサアレイの上方に配置され、短波長光子を吸収し、長波長光子を放出し、温度依存性のフォトルミネッセンス寿命を有する光子変換薄膜、
前記飛行時間センサアレイによって受光される第１の波長より長い第２の波長の光に変換される前記第１の波長の光を前記光子変換薄膜に向けて放出する光源、および
前記飛行時間センサアレイ上に配置された光学部品グループを統合して含み、
前記光学部品グループは、ピンホール型コリメータおよびフィルタを含み、前記フィルタは、ロングパス（ＬＰ）フィルタまたはナローバンドパス（ＮＢＰ）フィルタを含む光学装置。

【請求項2】

前記飛行時間センサアレイは、シリコン飛行時間センサ、ゲルマニウム（Ｇｅ）飛行時間センサ、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）飛行時間センサ、 有機フォトダイオード（ＯＰＤ）飛行時間センサ、またはペロブスカイト飛行時間センサを含む請求項１に記載の光学装置。

【請求項3】

複数のマイクロレンズおよび拡散板をさらに含み、前記マイクロレンズは前記光学部品グループ上に配置され、前記拡散板は前記光源上に配置され、前記光源は前記飛行時間センサアレイに配置される請求項１に記載の光学装置。

【請求項4】

前記光子変換薄膜は、ゼロ次元、１次元、２次元、またはバルク構造を形成する有機材料、無機材料、または有機無機ハイブリッド材料を含む請求項１に記載の光学装置。

【請求項5】

前記光子変換薄膜は、異なる色変換材料または同じ色変換材料で画素化され、前記光子変換薄膜が前記同じ色変換材料で画素化されたとき、隣接する前記画素化された光子変換薄膜の間にエアギャップがある請求項１に記載の光学装置。

【請求項6】

前記光源に接続された導波路、または
前記光源に接続された導光板（ＬＧＰ）をさらに含み、
前記光源は、前記飛行時間センサアレイと前記光子変換薄膜との間に配置され、前記光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードを含み、前記発光ダイオード（ＬＥＤ）および前記レーザーダイオードは、周期的なパルス光または変調された正弦波光を出射する請求項１に記載の光学装置。

【請求項7】

ロングパスフィルタとモジュールレンズをさらに含み、前記ロングパスフィルタは、前記光子変換薄膜上に配置され、前記モジュールレンズは前記光子変換薄膜の上方に配置され、前記ロングパスフィルタは、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、周囲光を遮光し、前記モジュールレンズは、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、前記光子変換薄膜に熱を集熱させる請求項１に記載の光学装置。

【請求項8】

前記光源と前記光子変換薄膜との間に配置された熱絶縁体をさらに含み、前記光源は、半透明有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、または半透明ペロフスカイト発光ダイオードを含む請求項１に記載の光学装置。

【請求項9】

前記光源と前記光子変換薄膜との間に配置される長波長赤外線（ＬＷＩＲ）反射ミラーと、前記長波長赤外線（ＬＷＩＲ）反射ミラーと前記光子変換薄膜の間に挿入され、ＩＲ光の光電界が前記光子変換薄膜上に位置するようにするλ／４ｎ±０．２μｍの光路を有する光学スペーサーとをさらに含み、ここでのλはＩＲ光の波長であり、ｎは光学スペーサーの屈折率であり、ＬＷＩＲ反射ミラーは、第１の誘電体層、金属層、および第２の誘電体層のスタックを含み、前記金属層は、前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層との間に挟まれ、前記第１の誘電体層および前記第２の誘電体層は、１．３より大きい屈折率および５ｎｍ～２００ｎｍの範囲の厚さを有し、前記金属層は、可視領域で１より小さいの屈折率および１ｎｍ～５０ｎｍの範囲の厚さを有する請求項１に記載の光学装置。

【請求項10】

前記光子変換薄膜上に配置され、ＩＲ吸収を向上させる５ｎｍ～５００ｎｍの範囲の厚さを有するＬＷＩＲ吸収層をさらに含み、前記ＬＷＩＲ吸収層は、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、またはＡｌ_２Ｏ_３を含む請求項１に記載の光学装置。

【請求項11】

前記周期的なパルス光の信号の放出は、読み出し回路の動作と同期され、前記周期的なパルス光の信号は前記読み出し回路によってさまざまな時間で読み出され、Ａ／Ｄコンバータを介してデジタル信号に変換され、前記光子変換薄膜のフォトルミネッセンス寿命は、式（Ｉ）を用いて計算され、温度マップに変換され、

【数1】

式（I）では、tは時間を表し、I（0）は初期信号強度を表し、I（t）は時間tでの信号強度を表し、τはフォトルミネッセンス寿命を表す請求項６に記載の光学装置。

【請求項12】

前記変調された正弦波光の信号の放出は、読み出し回路の動作と同期され、前記変調された正弦波光の信号は、前記読み出し回路によってさまざまな位相遅延で読み出され、Ａ／Ｄコンバータを介してデジタル信号に変換され、前記光子変換薄膜のフォトルミネッセンス寿命は、式（II）および（III）を用いて計算され、温度マップに変換され、

【数2】

式（II）では、I₀は０°の位相遅延での信号強度を表し、I₁は９０°の位相遅延での信号強度を表し、I₂は１８０°の位相遅延での信号強度を表し、I₃は２７０°の位相遅延での信号強度を表し、Δφは前記光源と前記光子変換薄膜から放出された光子との位相差を表し、且つ

【数3】

式（III）では、Δφは、前記光源と前記光子変換薄膜から放出された光子との位相差を表し、νは光源の変調周波数を表し、τはフォトルミネッセンス寿命を表す請求項６に記載の光学装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学装置に関するものであり、特に、少なくとも飛行時間（ｔｉｍｅ－ｏｆ－ｆｌｉｇｈｔ； ＴＯＦ）センサ、光子変換薄膜、および光源によって統合された光学装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

熱画像センサは、医療検出、人体温度検出、産業用非破壊検査、プロセス監視などに広く用いられている。熱画像センサは、７～１４μｍの範囲の長波長赤外線（ＬＷＩＲ）を検出する機能を備えている。

【0003】

現在、熱画像の市場には２つの主要な技術がある。１つ目は、マイクロボロメータの２Ｄアレイであり、ＩＲリフレクターの上方に約２μｍのエアギャップを有する２つの電極間にブリッジされたＶＯ_ＸまたはアモルファスＳｉ層からなる温感抵抗体に接続するＩＲ吸収層を用いている。このブリッジの構造は、マイクロボロメータを縮小させることを難しくし、画素サイズと解像度を制限する。一方では、マイクロボロメータは、精度が低い（±３℃）の問題もある。２つ目の技術は、ＣＭＯＳ読み出し回路アレイに接続するＨｇＣｄＴｅなどのＬＷＩＲ光電変換層を用いている。画像センサをより高い精度にさせるために、これらのＬＷＩＲ光電変換層は、熱雑音を低減するための冷却システムが常に必要である。さらに、ＨｇＣｄＴｅなどの電流検出材料は8インチおよび12インチのシリコン技術に統合されることができないため、大量生産が困難である。ＨｇＣｄＴｅイメージセンサはサイズが大きく、高コスト、高消費電力になるため、軍事用途にのみ用いられる。

【0004】

従って、超薄型、高解像度、高精度、および低コストのサーモグラフィ装置の開発が望まれている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

少なくとも飛行時間センサ、光子変換薄膜、および光源によって統合された光学装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一実施形態によれば、光学装置が提供される。光学装置は、飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ、光子変換薄膜、および光源を含む。光子変換薄膜は、飛行時間センサアレイの上方に配置される。光源は、飛行時間センサアレイによって受光される第２の波長の光に変換される第１の波長の光を光子変換薄膜に向けて放出する。第２の波長は第１の波長より長い。

【0007】

いくつかの実施形態では、飛行時間センサアレイは、シリコン飛行時間センサ、ゲルマニウム（Ｇｅ）飛行時間センサ、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）飛行時間センサ、 有機フォトダイオード（ＯＰＤ）飛行時間センサ、またはペロブスカイト飛行時間センサである。

【0008】

いくつかの実施形態では、光学装置は、飛行時間センサアレイ上に配置された光学部品グループをさらに含む。光学部品グループは、ピンホール型コリメータおよびピンホール型コリメータ上に配置されたフィルタを含む。いくつかの実施形態では、ピンホール型コリメータはフィルタ上に配置される。いくつかの実施形態では、フィルタは、ロングパス（ＬＰ）フィルタまたはナローバンドパス（ＮＢＰ）フィルタを含む。いくつかの実施形態では、光学装置は、光学部品グループ上に配置された複数のマイクロレンズをさらに含む。

【0009】

いくつかの実施形態では、光子変換薄膜は、ゼロ次元、１次元、２次元、またはバルク構造を形成する有機材料、無機材料、または有機無機ハイブリッド材料を含む。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜は、短波長光子を吸収し、長波長光子を放出する。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜は、温度依存性のフォトルミネッセンス寿命を有する。

【0010】

いくつかの実施形態では、光子変換薄膜は、異なる色変換材料または同じ色変換材料で画素化される。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜が同じ色変換材料で画素化されたとき、隣接する画素化された光子変換薄膜の間にエアギャップがある。

【0011】

いくつかの実施形態では、光源は、飛行時間センサアレイに隣接して配置される。

【0012】

いくつかの実施形態では、光源は、飛行時間センサアレイと光子変換薄膜との間に配置される。いくつかの実施形態では、光学装置は、光源に接続された導波路をさらに含む。いくつかの実施形態では、光学装置は、光源に接続された導光板（ＬＧＰ）をさらに含む。いくつかの実施形態では、光源は、半透明有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、または半透明ペロフスカイト発光ダイオードを含む。

【0013】

いくつかの実施形態では、光源は、飛行時間センサアレイに配置される。いくつかの実施形態では、光学装置は、光源上に配置された拡散板をさらに含む。

【0014】

いくつかの実施形態では、光学装置は、光子変換薄膜上に配置されたロングパスフィルタをさらに含む。いくつかの実施形態では、ロングパスフィルタは、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、周囲光を遮光する。

【0015】

いくつかの実施形態では、光学装置は、光子変換薄膜の上方に配置されたモジュールレンズをさらに含む。いくつかの実施形態では、モジュールレンズは、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、光子変換薄膜に熱を集熱させる。

【0016】

いくつかの実施形態では、光学装置は、光源と光子変換薄膜との間に配置された熱絶縁体をさらに含む。

【0017】

いくつかの実施形態では、光源は、導波路に接続された発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードを含む。いくつかの実施形態では、光源は、導光板に接続された発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードを含む。いくつかの実施形態では、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザーダイオードは、周期的なパルス光または変調された正弦波光を出射する。

【0018】

いくつかの実施形態では、周期的なパルス光の信号の放出は、読み出し回路の動作と同期され、信号は読み出し回路によってさまざまな時間で読み出され、Ａ／Ｄコンバータを介してデジタル信号に変換され、光子変換薄膜のフォトルミネッセンス寿命は、式（Ｉ）を用いて計算され、温度マップに変換される。

【0019】

【数1】

【0020】

式（I）では、tは時間を表し、I（0）は初期信号強度を表し、I（t）は時間tでの信号強度を表し、τはフォトルミネッセンス寿命を表している。

【0021】

いくつかの実施形態では、変調された正弦波光の信号の放出は、読み出し回路の動作と同期され、信号は、読み出し回路によってさまざまな位相遅延で読み出され、Ａ／Ｄコンバータを介してデジタル信号に変換され、光子変換薄膜のフォトルミネッセンス寿命は、式（II）および（III）を用いて計算され、温度マップに変換される。

【0022】

【数2】

【0023】

式（II）では、I₀は０°の位相遅延での信号強度を表し、I₁は９０°の位相遅延での信号強度を表し、I₂は１８０°の位相遅延での信号強度を表し、I₃は２７０°の位相遅延での信号強度を表し、Δφは光源と光子変換薄膜から放出された光子との位相差を表している。

【0024】

【数3】

【0025】

式（III）では、Δφは、光源と光子変換薄膜から放出された光子との位相差を表し、νは光源の変調周波数を表し、τはフォトルミネッセンス寿命を表している。

【0026】

本発明では、光学装置（即ち、熱画像センサ）は、少なくとも飛行時間型（ＴＯＦ）センサ、光子変換薄膜（特定の材料および組成を有する）、および光源によって統合される。光子変換薄膜は、物体の熱を吸収し、異なるヒートゾーン（ｈｅａｔ ｚｏｎｅ）の分布を形成する。光源は、短波長光（例えば、青色光）を放出して、飛行時間センサで受光される長波長光（例えば、赤色光）に変換される光子変換薄膜を励起する。光子変換薄膜では、より高い温度を有するゾーンは、より低い温度を有するゾーンより速い光を放出する。飛行時間センサは、光の到達時間を測定し、転送関係（ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒｅｌａｔｉｏｎ）に従ってヒートマップを計算する。現在の半導体技術の恩恵を受けて現在の光学設計は、装置のサイズを縮小し、温度分解能を向上させることができる。

【0027】

以下、添付の図面と併せて本開示の実施形態を詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0028】

本発明は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明から、より完全に理解することができる。

【図1】図１は、本発明の一実施形態による光学装置の概略図を示している。

【図2】図２は、本発明の一実施形態による光学装置の概略図を示している。

【図3】図３は、本発明の一実施形態による光学装置の断面図を示している。

【図4】図４は、本発明の一実施形態による光学装置の断面図を示している。

【図5】図５は、本発明の一実施形態による光学装置の断面図を示している。

【図6】図６は、本発明の一実施形態による光学装置の断面図を示している。

【図7】図７は、本発明の一実施形態による光学装置の断面図を示している。

【図8】図８は、本発明の一実施形態による光学装置の断面図を示している。

【図9】図９は、本発明の一実施形態による光学装置の断面図を示している。

【図10】図１０は、本発明の一実施形態による光学装置の断面図を示している。

【図11】図１１は、本発明の一実施形態による光学装置の断面図を示している。

【発明を実施するための形態】

【0029】

本発明の光学装置は、以下の説明で詳述される。以下の詳細な説明では、説明のために、多数の特定の詳細および実施形態が本開示の完全な理解を提供するために明記されている。以下の発明を実施するための形態で説明された特定の構成要素および構造は、本開示を明瞭に説明するために記述されている。しかしながら、本明細書で記述される例示的な実施形態は、単に説明のために用いられることは明らかであり、発明の概念は、これらの例示的な実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。また、異なる実施形態の図面では、本開示を明瞭に説明するために、類似の番号および／または対応の番号を用いて、類似の構成要素および／または対応の構成要素を示すことができる。しかしながら、異なる実施形態の図面では、類似の番号および／または対応の番号の使用は、異なる実施形態間の相関関係を示唆するものではない。また、この明細書では、例えば、「第２の材料層上／第２の材料層の上方に配置された第１の材料層」などの表現は、第１の材料層および第２の材料層の直接接触、または第１の材料層と第２の材料層との間に１つ以上の中間層がある非接触状態を指している。上述の状況では、第１の材料層は、第２の材料層に直接接触しなくてもよい。

【0030】

また、この明細書では、関連する表現が用いられる。例えば、「より低い」、「底部」、「より高い」、または「上部」は、もう１つに対する１つの構成要素の位置を説明するのに用いられる。仮に装置が上下反転された場合、「より低い」側の構成要素は、「より高い」側の構成要素となる、ということが了解されるべきである。

【0031】

特に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術的および科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。さらに、いずれの場合も、一般的に使用される辞書に定義されているような用語は、本開示の関連技術および本開示の背景または文脈における意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されていない限り、理想化された、または過度に形式的な意味で解釈されるべきではない。

【0032】

説明において、相対的な用語、例えば“下方”“上方”“水平”“垂直”“上の”“下の”“上”“下”“上部”“底部”などと、その派生語（例えば“水平に”“下方に”“上方に”など）は、記述されるように、または、議論において図面に示されるように、方向を示すものとして解釈されるべきである。これらの関連用語は、説明の便宜上のためのものであり、装置が特定の方向で構成される、または動作されることを必要とするものではない。「接合された」または「相互接続された」などの接合、結合などに関連する用語は、特に記述されない限り、構造が直接または間接的に中間構造によって、互いに固定または接合された関係を示し、２つの構造が可動、または強固に接合された関係を示してもよい。

【0033】

第１、第２、第３などの用語は、ここでは各種の素子、構成要素、領域、層、および／または部分を説明するのに用いられることができ、これらの素子、構成要素、領域、層、および／または部分は、これらの用語によって制限されてはならない。これらの用語は単に一素子、構成要素、領域、層、および／または部分を識別するのに用いられることは理解される。従って、第１の素子、構成要素、領域、層、および／または部分は、例示的な実施形態の技術から逸脱しない限りにおいては、第２の素子、構成要素、領域、層、および／または部分と呼ばれてもよい。

【0034】

ここでは、「約」、「およそ」、および「実質的に」という用語は、一般的に、記載されている値または範囲の＋／－２０％を意味し、一般的に、記載されている値または範囲の＋／－１０％を意味し、一般的に、記載されている値または範囲の＋／－５％を意味し、一般的に、記載されている値または範囲の＋／－３％を意味し、一般的に、記載されている値または範囲の＋／－２％を意味し、一般的に、記載されている値または範囲の＋／－１％を意味し、一般的に、記載されている値または範囲の＋／－０．５％を意味する。本開示に記載されている値は概算値である。即ち、「約」、「およそ」、「実質的に」の具体的な説明がない場合、「約」、「およそ」、「実質的に」の意味が暗示され得る。

【0035】

以下の説明では、本発明を実施するベストモードを開示している。この説明は、本発明の一般的な原理を例示する目的のものであり、本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、添付特許の請求の範囲を参考にして決定される。

【0036】

図１に示すように、本発明の一実施形態による光学装置１０が提供される。図１は、光学装置１０の概略図を示している。

【0037】

図１に示されるように、光学装置１０は、飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ１２、光源１４、光子変換薄膜１６、およびモジュールレンズ１８を含む。光源１４は、飛行時間センサレイ１２に隣接して配置される。例えば、飛行時間センサアレイ１２および光源１４は、同じ基板１５上に配置される。光子変換薄膜１６は、飛行時間センサアレイ１２および光源１４の上に配置される。モジュールレンズ１８は、光子変換薄膜１６の上に配置される。具体的には、光源１４は、第１の波長を有する第１の光１４ａ（例えば、青色光）を、飛行時間センサアレイ１２で受光される第２の波長を有する第２の光１４ｂ（例えば、長波長赤外線（ＬＷＩＲ））に変換される光子変換薄膜１６に向けて出射する。第２の波長は第１の波長より長い。

【0038】

いくつかの実施形態では、飛行時間センサアレイ１２は、シリコン飛行時間センサ、ゲルマニウム（Ｇｅ）飛行時間センサ、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）飛行時間センサ、 有機フォトダイオード（ＯＰＤ）飛行時間センサ、またはペロブスカイト飛行時間センサであるが、本発明はこれらに限定されない。

【0039】

いくつかの実施形態では、光源１４は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード、半透明有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、または半透明ペロフスカイト発光ダイオードを含むが、本発明は、これらに限定されない。

【0040】

いくつかの実施形態では、光子変換薄膜１６は、有機材料、無機材料、または有機無機ハイブリッド材料を含むが、本発明はそれに限定されない。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜１６の材料は、ゼロ次元、１次元、２次元、またはバルク構造として形成されるが、本発明はこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜１６は、ペロブスカイト、炭素量子ドット（ＱＤ）、ＣｄＴｅ ＱＤ、またはＭｎドープＺｎＳ ＱＤを含むが、本発明はこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜１６は、短波長光子（例えば、第１の光１４ａ）を吸収し、長波長光子（例えば、第２の光１４ｂ）を出射する。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜１６は、温度依存性のフォトルミネッセンス寿命を有する。

【0041】

いくつかの実施形態では、モジュールレンズ１８は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、光子変換薄膜１６に熱を集熱させる。

【0042】

図２に示すように、本発明の一実施形態による光学装置１０が提供される。図２は、光学装置１０の概略図を示している。

【0043】

図２に示されるように、光学装置１０は、飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ１２、光源１４、光子変換薄膜１６、およびモジュールレンズ１８を含む。光源１４は、飛行時間センサレイ１２と光子変換薄膜１６の間に配置される。例えば、飛行時間センサアレイ１２および光源１４は、異なる基板上に配置される。例えば、飛行時間センサアレイ１２は、基板１５上に配置され、光源１４は、もう１つの基板（図示せず）上に配置される。光子変換薄膜１６は、飛行時間センサアレイ１２および光源１４の上に配置される。モジュールレンズ１８は、光子変換薄膜１６の上に配置される。具体的には、光源１４は、第１の波長を有する第１の光１４ａ（例えば、青色光）を、飛行時間センサアレイ１２で受光される第２の波長を有する第２の光１４ｂ（例えば、長波長赤外線（ＬＷＩＲ））に変換される光子変換薄膜１６に向けて出射する。第２の波長は第１の波長より長い。

【0044】

いくつかの実施形態では、飛行時間センサアレイ１２は、シリコン飛行時間センサ、ゲルマニウム（Ｇｅ）飛行時間センサ、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）飛行時間センサ、 有機フォトダイオード（ＯＰＤ）飛行時間センサ、またはペロブスカイト飛行時間センサであるが、本発明はこれらに限定されない。

【0045】

いくつかの実施形態では、光源１４は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード、半透明有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、または半透明ペロフスカイト発光ダイオードを含むが、本発明は、これらに限定されない。

【0046】

いくつかの実施形態では、光子変換薄膜１６は、有機材料、無機材料、または有機無機ハイブリッド材料を含むが、本発明はそれに限定されない。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜１６の材料は、ゼロ次元、１次元、２次元、またはバルク構造として形成されるが、本発明はこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜１６は、ペロブスカイト、炭素量子ドット（ＱＤ）、ＣｄＴｅ ＱＤ、またはＭｎドープＺｎＳ ＱＤを含むが、本発明はこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜１６は、短波長光子（例えば、第１の光１４ａ）を吸収し、長波長光子（例えば、第２の光１４ｂ）を出射する。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜１６は、温度依存性のフォトルミネッセンス寿命を有する。

【0047】

いくつかの実施形態では、モジュールレンズ１８は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、光子変換薄膜１６に熱を集熱させる。

【0048】

図３に示すように、本発明の一実施形態による光学装置１０が提供される。図３は、光学装置１０の概略図を示している。

【0049】

図３に示されるように、光学装置１００は、第１の基板１２０、飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ１４０、光学部品グループ１７０、第２の基板１８０、回折格子カプラ２００、導波路２２０、光子変換薄膜２４０、およびロングパスフィルタ２６０を含む。飛行時間センサアレイ１４０は、第１の基板１２０上に配置される。光学部品グループ１７０は、飛行時間センサアレイ１４０上に配置される。第２の基板１８０は、光学部品グループ１７０上に配置される。回折格子カプラ２００および導波路２２０は、第２の基板１８０上に配置される。導波路２２０は、回折格子カプラ２００に接続される。光子変換薄膜２４０は、回折格子カプラ２００および導波路２２０の上方に配置される。ロングパスフィルタ２６０は、光子変換薄膜２４０上に配置される。具体的には、回折格子カプラ２００は、飛行時間センサレイ１４０と光子変換薄膜２４０との間に配置される（図２と同様）。回折格子カプラ２００は、飛行時間センサアレイ１４０で受光される第２の波長を有する第２の光２００ｂ（例えば、長波長赤外線（ＬＷＩＲ））に変換される第１の波長を有する第１の光２００ａ（例えば、青色光）を、導波路２２０を介して光子変換薄膜２４０に向けて出射する。第２の波長は第１の波長より長い。

【0050】

いくつかの実施形態では、第１の基板１２０はシリコン基板を含むが、本発明はこれに限定されない。第１の基板１２０は、読み出し回路１３０を含む。

【0051】

いくつかの実施形態では、飛行時間センサアレイ１４０は、シリコン飛行時間センサ、ゲルマニウム（Ｇｅ）飛行時間センサ、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）飛行時間センサ、 有機フォトダイオード（ＯＰＤ）飛行時間センサ、またはペロブスカイト飛行時間センサであるが、本発明はこれらに限定されない。

【0052】

図３では、光学部品グループ１７０は、ピンホール型コリメータ１７２およびフィルタ１６２を含む。フィルタ１６２は、ピンホール型コリメータ１７２上に配置される。いくつかの実施形態では、フィルタ１６２は、ロングパス（ＬＰ）フィルタまたはナローバンドパス（ＮＢＰ）フィルタを含む。ピンホール型コリメータ１７２は、入射円錐角θを制御し、局所場のイメージング（ｌｏｃａｌ ｆｉｅｌｄ ｉｍａｇｉｎｇ）を可能にする。円錐角θは０～５°の範囲である。局所場の寸法（ｌｏｃａｌ ｆｉｅｌｄ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）は２ｔ＊ｔａｎ（θ／２）である。光子変換薄膜２４０と飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ１４０間の距離（ｔ）は、１００から２０００μｍの間である。円錐角θ=１°の場合、局所場の寸法は２．７４～３４．９μｍの間であり、円錐角θ=５°の場合、局所場の寸法は８．７～１７４μｍの間であり、円錐角θ=０°の場合、局所場の寸法はピンホールのサイズと同じである。ピンホールのサイズは１～１００μｍの範囲である。

【0053】

いくつかの実施形態では、第２の基板１８０はガラス基板を含むが、本発明はこれに限定されない。

【0054】

いくつかの実施形態では、光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードを結合する回折格子カプラ２００によって導波路２２０に結合されるが、本発明はこれらに限定されない。

【0055】

いくつかの実施形態では、光子変換薄膜２４０は、有機材料、無機材料、または有機無機ハイブリッド材料を含むが、本発明はこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜２４０の材料は、ゼロ次元、一次元、二次元、またはバルク構造として形成されるが、本発明はこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜２４０は、ペロブスカイトを含むが、本発明はこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜２４０は、短波長光子（例えば、第１の光２００ａ）を吸収し、長波長光子（例えば、第２の光２００ｂ）を出射する。いくつかの実施形態では、光子変換薄膜２４０は、温度依存性のフォトルミネッセンス寿命を有する。

【0056】

いくつかの実施形態では、ロングパスフィルタ２６０は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、周囲光を遮光する。

【0057】

図３では、光学装置１００は、第１の熱絶縁体２８０および第２の熱絶縁体３００をさらに含む。第１の熱絶縁体２８０は、光学部品グループ１７０と第２の基板１８０の間に配置される。第２の熱絶縁体３００は、回折格子カプラ２００と光子変換薄膜２４０の間に配置される。いくつかの実施形態では、第１の熱絶縁体２８０および第２の熱絶縁体３００は、空気、真空、または任意の適切な熱絶縁材料を含む。

【0058】

図３では、光学装置１００は、ロングパスフィルタ２６０の上方に配置されたモジュールレンズ３４０をさらに含む。いくつかの実施形態では、モジュールレンズ３４０は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、光子変換薄膜２４０に熱を集熱させる。

【0059】

図４に示すように、本発明の一実施形態による光学装置１００が提供される。図４は、光学装置１００の概略図を示している。

【0060】

図４に示されるように、光学装置１００は、第１の基板１２０、飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ１４０、光学部品グループ１７０、第２の基板１８０、回折格子カプラ２００、導波路２２０、光子変換薄膜２４０、およびロングパスフィルタ２６０を含む。飛行時間センサアレイ１４０は、第１の基板１２０上に配置される。光学部品グループ１７０は、飛行時間センサアレイ１４０上に配置される。第２の基板１８０は、光学部品グループ１７０上に配置される。回折格子カプラ２００および導波路２２０は、第２の基板１８０上に配置される。導波路２２０は、回折格子カプラ２００に接続される。光子変換薄膜２４０は、回折格子カプラ２００および導波路２２０の上方に配置される。ロングパスフィルタ２６０は、光子変換薄膜２４０上に配置される。具体的には、回折格子カプラ２００は、飛行時間センサアレイ１４０と光子変換薄膜２４０との間に配置される（図２と同様）。回折格子カプラ２００は、飛行時間センサアレイ１４０で受光される第２の波長を有する第２の光２００ｂ（例えば、長波長赤外線（ＬＷＩＲ））に変換される第１の波長を有する第１の光２００ａ（例えば、青色光）を、導波路２２０を介して光子変換薄膜２４０に向けて出射する。第２の波長は第１の波長より長い。

【0061】

いくつかの実施形態では、第１の基板１２０はシリコン基板を含むが、本発明はこれに限定されない。第１の基板１２０は、読み出し回路１３０を含む。

【0062】

飛行時間センサアレイ１４０の組成は、図３に示された実施形態における飛行時間センサアレイ１４０の組成と同様であり、ここでは繰り返されない。

【0063】

図４では、光学部品グループ１７０は、フィルタ１６２およびピンホール型コリメータ１７２を含む。ピンホール型コリメータ１７２は、フィルタ１６２上に配置される。いくつかの実施形態では、フィルタ１６２は、ロングパス（ＬＰ）フィルタまたはナローバンドパス（ＮＢＰ）フィルタを含む。

【0064】

いくつかの実施形態では、第２の基板１８０はガラス基板を含むが、本発明はこれに限定されない。

【0065】

いくつかの実施形態では、光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードを結合する回折格子カプラ２００によって導波路２２０に結合されるが、本発明はこれらに限定されない。

【0066】

光子変換薄膜２４０の組成、構造、および特性は、図３に示された実施形態における光子変換薄膜２４０のものと同様であり、ここでは繰り返されない。

【0067】

いくつかの実施形態では、ロングパスフィルタ２６０は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、周囲光を遮光する。

【0068】

図４では、光学装置１００は、第１の熱絶縁体２８０および第２の熱絶縁体３００をさらに含む。第１の熱絶縁体２８０は、光学部品グループ１７０と第２の基板１８０の間に配置される。第２の熱絶縁体３００は、回折格子カプラ２００と光子変換薄膜２４０の間に配置される。いくつかの実施形態では、第１の熱絶縁体２８０および第２の熱絶縁体３００は、空気または任意の適切な絶縁材料を含む。

【0069】

図４では、光学装置１００は、ロングパスフィルタ２６０の上方に配置されたモジュールレンズ３４０をさらに含む。いくつかの実施形態では、モジュールレンズ３４０は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、光子変換薄膜２４０に熱を集熱させる。

【0070】

図５に示すように、本発明の一実施形態による光学装置１００が提供される。図５は、光学装置１００の概略図を示している。

【0071】

図５に示されるように、光学装置１００は、第１の基板１２０、飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ１４０、光学部品グループ１７０、第２の基板１８０、回折格子カプラ２００、導波路２２０、光子変換薄膜２４０、およびロングパスフィルタ２６０を含む。飛行時間センサアレイ１４０は、第１の基板１２０上に配置される。光学部品グループ１７０は、飛行時間センサアレイ１４０上に配置される。第２の基板１８０は、光学部品グループ１７０上に配置される。回折格子カプラ２００および導波路２２０は、第２の基板１８０上に配置される。導波路２２０は、回折格子カプラ２００に接続される。光子変換薄膜２４０は、回折格子カプラ２００および導波路２２０の上方に配置される。ロングパスフィルタ２６０は、光子変換薄膜２４０上に配置される。具体的には、回折格子カプラ２００は、飛行時間センサアレイ１４０と光子変換薄膜２４０との間に配置される（図２と同様）。回折格子カプラ２００は、飛行時間センサアレイ１４０で受光される第２の波長を有する第２の光２００ｂ（例えば、長波長赤外線（ＬＷＩＲ））に変換される第１の波長を有する第１の光２００ａ（例えば、青色光）を、導波路２２０を介して光子変換薄膜２４０に向けて出射する。第２の波長は第１の波長より長い。

【0072】

いくつかの実施形態では、第１の基板１２０はシリコン基板を含むが、本発明はこれに限定されない。第１の基板１２０は、読み出し回路１３０を含む。

【0073】

飛行時間センサアレイ１４０の組成は、図３に示された実施形態における飛行時間センサアレイ１４０の組成と同様であり、ここでは繰り返されない。

【0074】

図５では、光学部品グループ１７０は、ピンホール型コリメータ１７２およびフィルタ１６２を含む。フィルタ１６２はピンホール型コリメータ１７２上に配置される。いくつかの実施形態では、フィルタ１６２は、ロングパス（ＬＰ）フィルタまたはナローバンドパス（ＮＢＰ）フィルタを含む。図５では、光学装置１００は、光学部品グループ１７０上に配置された複数のマイクロレンズ３２０をさらに含む。

【0075】

いくつかの実施形態では、第２の基板１８０はガラス基板を含むが、本発明はこれに限定されない。

【0076】

いくつかの実施形態では、光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードを結合する回折格子カプラ２００によって導波路２２０に結合されるが、本発明はこれらに限定されない。

【0077】

光子変換薄膜２４０の組成、構造、および特性は、図３に示された実施形態における光子変換薄膜２４０のものと同様であり、ここでは繰り返されない。

【0078】

いくつかの実施形態では、ロングパスフィルタ２６０は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、周囲光を遮光する。

【0079】

図５では、光学装置１００は、第１の熱絶縁体２８０および第２の熱絶縁体３００をさらに含む。第１の熱絶縁体２８０は、光学部品グループ１７０と第２の基板１８０の間に配置される。第２の熱絶縁体３００は、回折格子カプラ２００と光子変換薄膜２４０の間に配置される。いくつかの実施形態では、第１の熱絶縁体２８０および第２の熱絶縁体３００は、空気または任意の適切な絶縁材料を含む。

【0080】

図５では、光学装置１００は、ロングパスフィルタ２６０の上方に配置されたモジュールレンズ３４０をさらに含む。いくつかの実施形態では、モジュールレンズ３４０は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、光子変換薄膜２４０に熱を集熱させる。

【0081】

図６に示すように、本発明の一実施形態による光学装置１００が提供される。図６は、光学装置１００の概略図を示している。

【0082】

図６に示されるように、光学装置１００は、基板１２０、飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ１４０、光学部品グループ１７０、光源２００、ＬＷＩＲ透明導光板（ＬＧＰ）２３０、光子変換薄膜２４０、およびロングパスフィルタ２６０を含む。飛行時間センサアレイ１４０は、基板１２０上に配置される。光学部品グループ１７０は、飛行時間センサアレイ１４０上に配置される。光源２００およびＬＷＩＲ透明導光板２３０は、光学部品グループ１７０の上方に配置される。ＬＷＩＲ透明導光板２３０は、光源２００に接続される。光子変換薄膜２４０は、光源２００およびＬＷＩＲ透明導光板２３０上に配置される。ロングパスフィルタ２６０は、光源２００および導光板２３０上に配置される。光源２００は、飛行時間センサアレイ１４０で受光される第２の波長を有する第２の光２００ｂ（例えば、長波長赤外線（ＬＷＩＲ））に変換される第１の波長を有する第１の光２００ａ（例えば、青色光）を、ＬＷＩＲ透明導光板２３０を介して光子変換薄膜２４０に向けて出射する。第２の波長は第１の波長より長い。

【0083】

いくつかの実施形態では、基板１２０はシリコン基板を含むが、本発明はこれに限定されない。基板１２０は、読み出し回路１３０を含む。

【0084】

飛行時間センサアレイ１４０の組成は、図３に示された実施形態における飛行時間センサアレイ１４０の組成と同様であり、ここでは繰り返されない。

【0085】

図６では、光学部品グループ１７０は、ピンホール型コリメータ１７２およびフィルタ１６２を含む。フィルタ１６２はピンホール型コリメータ１７２上に配置される。いくつかの実施形態では、フィルタ１６２は、ロングパス（ＬＰ）フィルタまたはナローバンドパス（ＮＢＰ）フィルタを含む。いくつかの実施形態では、光学部品グループ１７０において、フィルタ１６２とピンホール型コリメータ１７２の位置は交換可能である。例えば、ピンホール型コリメータ１７２は、フィルタ１６２上に配置される（図４と同様）。いくつかの実施形態では、光学装置１００は、光学部品グループ１７０上に配置された複数のマイクロレンズ３２０をさらに含むことができる（図５と同様）。

【0086】

いくつかの実施形態では、光源２００は、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードを含むが、本発明はこれらに限定されない。

【0087】

光子変換薄膜２４０の組成、構造、および特性は、図３に示された実施形態における光子変換薄膜２４０のものと同様であり、ここでは繰り返されない。

【0088】

いくつかの実施形態では、ロングパスフィルタ２６０は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、周囲光を遮光する。

【0089】

図６では、光学装置１００は、熱絶縁体２８０をさらに含む。熱絶縁体２８０は、光学部品グループ１７０と光源２００の間に配置される。いくつかの実施形態では、熱絶縁体２８０は、空気、真空、または任意の適切な絶縁材料を含む。

【0090】

図６では、光学装置１００は、ロングパスフィルタ２６０の上方に配置されたモジュールレンズ３４０をさらに含む。いくつかの実施形態では、モジュールレンズ３４０は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、光子変換薄膜２４０に熱を集熱させる。

【0091】

図７に示すように、本発明の一実施形態による光学装置１００が提供される。図７は、光学装置１００の概略図を示している。

【0092】

図７に示されるように、光学装置１００は、基板１２０、飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ１４０、光学部品グループ１７０、光源２００、光子変換薄膜２４０、ロングパスフィルタ２６０、および拡散板３６０を含む。飛行時間センサアレイ１４０は、基板１２０上に配置される。光学部品グループ１７０は、飛行時間センサアレイ１４０上に配置される。光源２００は、飛行時間センサアレイ１４０に配置される。光子変換薄膜２４０は、光学部品グループ１７０の上方に配置される。ロングパスフィルタ２６０は、光子変換薄膜２４０上に配置される。拡散板３６０は、光源２００の上方に配置され、光学部品グループ１７０に配置される。具体的には、光源２００は、拡散板３６０によって、第１の波長を有する第１の光２００ａ（例えば、青色光）を、飛行時間センサアレイ１４０で受光される第２の波長を有する第２の光２００ｂ（例えば、長波長赤外線（ＬＷＩＲ））に変換される光子変換薄膜２４０に向けて出射する。第２の波長は第１の波長より長い。

【0093】

いくつかの実施形態では、基板１２０はシリコン基板を含むが、本発明はこれに限定されない。基板１２０は、読み出し回路１３０を含む。

【0094】

飛行時間センサアレイ１４０の組成は、図３に示された実施形態における飛行時間センサアレイ１４０の組成と同様であり、ここでは繰り返されない。

【0095】

図７では、光学部品グループ１７０は、ピンホール型コリメータ１７２およびフィルタ１６２を含む。フィルタ１６２はピンホール型コリメータ１７２上に配置される。いくつかの実施形態では、フィルタ１６２は、ロングパス（ＬＰ）フィルタまたはナローバンドパス（ＮＢＰ）フィルタを含む。

【0096】

いくつかの実施形態では、光源２００は、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードを含むが、本発明はこれらに限定されない。

【0097】

図７では、拡散板３６０は、光源２００の上方に配置され、光学部品グループ１７０のフィルタ１６２に配置される。

【0098】

光子変換薄膜２４０の組成、構造、および特性は、図３に示された実施形態における光子変換薄膜２４０のものと同様であり、ここでは繰り返されない。

【0099】

いくつかの実施形態では、ロングパスフィルタ２６０は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、周囲光を遮光する。

【0100】

図７では、光学装置１００は、熱絶縁体２８０をさらに含む。熱絶縁体２８０は、光学部品グループ１７０と光子変換薄膜２４０の間に配置される。いくつかの実施形態では、熱絶縁体２８０は、空気または任意の適切な絶縁材料を含む。

【0101】

図７では、光学装置１００は、ロングパスフィルタ２６０の上方に配置されたモジュールレンズ３４０をさらに含む。いくつかの実施形態では、モジュールレンズ３４０は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、光子変換薄膜２４０に熱を集熱させる。

【0102】

図８に示すように、本発明の一実施形態による光学装置１００が提供される。図８は、光学装置１００の概略図を示している。

【0103】

図８に示されるように、光学装置１００は、基板１２０、飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ１４０、光学部品グループ１７０、光源２００、光子変換薄膜２４０、およびロングパスフィルタ２６０を含む。飛行時間センサアレイ１４０は、基板１２０上に配置される。光学部品グループ１７０は、飛行時間センサアレイ１４０上に配置される。光源２００は、光学部品グループ１７０上に配置される。光子変換薄膜２４０は、光源２００の上方に配置される。ロングパスフィルタ２６０は、光子変換薄膜２４０上に配置される。具体的には、光源２００は、飛行時間センサアレイ１４０と光子変換薄膜２４０との間に配置される（図２と同様）。光源２００は、第１の波長を有する第１の光２００ａ（例えば、青色光）を、飛行時間センサアレイ１２で受光される第２の波長を有する第２の光２００ｂ（例えば、長波長赤外線（ＬＷＩＲ））に変換される光子変換薄膜２４０に向けて出射する。第２の波長は第１の波長より長い。

【0104】

いくつかの実施形態では、基板１２０はシリコン基板を含むが、本発明はこれに限定されない。基板１２０は、読み出し回路１３０を含む。

【0105】

飛行時間センサアレイ１４０の組成は、図３に示された実施形態における飛行時間センサアレイ１４０の組成と同様であり、ここでは繰り返されない。

【0106】

図８では、光学部品グループ１７０は、ピンホール型コリメータ１７２およびフィルタ１６２を含む。フィルタ１６２はピンホール型コリメータ１７２上に配置される。いくつかの実施形態では、フィルタ１６２は、ロングパス（ＬＰ）フィルタまたはナローバンドパス（ＮＢＰ）フィルタを含む。いくつかの実施形態では、光学部品グループ１７０において、フィルタ１６２とピンホール型コリメータ１７２の位置は交換可能である。例えば、ピンホール型コリメータ１７２は、フィルタ１６２上に配置される（図４と同様）。

【0107】

いくつかの実施形態では、光源２００は、半透明有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）または半透明ペロフスカイト発光ダイオードを含むが、本発明は、これらに限定されない。

【0108】

光子変換薄膜２４０の組成、構造、および特性は、図３に示された実施形態における光子変換薄膜２４０のものと同様であり、ここでは繰り返されない。

【0109】

いくつかの実施形態では、ロングパスフィルタ２６０は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、周囲光を遮光する。

【0110】

図８では、光学装置１００は、熱絶縁体２８０をさらに含む。熱絶縁体２８０は、光源２００と光子変換薄膜２４０の間に配置される。いくつかの実施形態では、熱絶縁体２８０は、空気または任意の適切な絶縁材料を含む。

【0111】

図８では、光学装置１００は、ロングパスフィルタ２６０の上方に配置されたモジュールレンズ３４０をさらに含む。いくつかの実施形態では、モジュールレンズ３４０は、７，０００ｎｍより長い波長の光を通過させ、光子変換薄膜２４０に熱を集熱させる。

【0112】

図９に示すように、本発明の一実施形態による光学装置１００が提供される。図９は、光学装置１００の断面図を示している。

【0113】

図９に示された光学装置１００の実施形態は、図８に示された光学装置１００の実施形態と同様である。ここでの違いは、図９では、光子変換薄膜２４０が異なる色変換材料で画素化されていることである。例えば、光子変換薄膜２４０は、異なる色変換材料（２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ、２４０ｄ、２４０ｅ、および２４０ｆ）で画素化されている。各色変換材料は、異なる温度範囲で異なるフォトルミネッセンス感度を有するため、装置が広い温度検出範囲を有するようにする。

【0114】

図１０に示すように、本発明の一実施形態による光学装置１００が提供される。図１０は、光学装置１００の断面図を示している。

【0115】

図１０に示された光学装置１００の実施形態は、図８に示された光学装置１００の実施形態と同様である。ここでの違いは、図１０では、光子変換薄膜２４０が同じ色変換材料２４０ａで画素化されていることである。具体的には、隣接する画素化された光子変換薄膜の間にエアギャップ「Ｇ」があり、両者間の熱伝導を低減することにより、温度分解能を高める。

【0116】

図１１に示すように、本発明の一実施形態による光学装置１００が提供される。図１１は、光学装置１００の断面図を示している。

【0117】

図１１に示された光学装置１００の実施形態は、図８に示された光学装置１００の実施形態と同様である。ここでの違いは、図１１では、ＬＷＩＲ反射ミラー４００および光学スペーサー４２０は、光源２００と光子変換薄膜２４０との間に挿入されていることである。

【0118】

図１１に示すように、次の設計は、ＴｏＦ型サーモグラフィ（ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ）での光管理の方法に焦点を当てている。ガラス基板３８０上では、長波長赤外線（ＬＷＩＲ）反射ミラー４００が、光学装置１００（即ち、ＴＯＦ型サーモグラフィ）に組み込まれ、光子変換薄膜２４０の熱吸収効率を向上させるが、可視光を依然として通過させることができる。λ／４ｎの光路を有する光学スペーサー４２０が、ＬＷＩＲ反射ミラー４００と光子変換薄膜２４０の間に挿入され、大きな光電界が光子変換薄膜２４０上に位置するようにし、ここでのλはＬＷＩＲの波長（～１０μｍ）であり、ｎは光学スペーサーの屈折率である。光学スペーサー４２０は、可視領域およびＬＷＩＲ領域の両方でｌｏｗ－ｋ材料を必要とするため、ＰＥＩまたはＰＭＭＡなどのポリマー、およびＺｎＳなどのいくつかの無機材料が好ましい候補となる。光学スペーサー４２０の最適な厚さ「ｔ」は、材料の屈折率ｔ＝λ／４ｎ、によって決まり、ここでのλはＬＷＩＲの波長（～１０μｍ）であり、ｎは光学スペーサーの屈折率である。例えば、１０μｍの波長を有する光子では、１．６７μｍのＰＭＭＡスペーサーは、最も強いＬＷＩＲ電界を光子変換薄膜２４０に集中させることができる。

【0119】

ＬＷＩＲ反射ミラー４００では、可視光（４００～６００ｎｍ）を透過するがＬＷＩＲ（７μｍ～１４μｍ）を高反射する誘電体／金属／誘電体（ＤＭＤ）スタックが設計されている。ＬＷＩＲ反射ミラー４００は、第１の誘電体層４４０、金属層４６０、および第２の誘電体層４８０のスタックを含み、金属層４６０は、第１の誘電体層４４０と第２の誘電体層４８０との間に挟まれている。金属層に吸収される光子エネルギーはｎｋｄ／λに比例し、ここでのｎは屈折率、ｋは吸光係数、且つｄは金属層の厚さである。金属の屈折率ｎがゼロに近づくと、金属でも透明性が得られる。全ての金属の中で、Ａｇは可視範囲でゼロに最も近いｎ（ｎ～０、ｋ～３）を有するが、ＬＷＩＲではより大きいｎとｋ（ｎ＞７、ｋ＞４０）を有する。従って、可視光（４００～６００ｎｍ）には透過するがＬＷＩＲ（７μｍ～１４μｍ）には高反射する好ましい候補であるが、本発明は、Ａｇに限定されず、ＣｕおよびＡｕも透明層を設計することができる。可視範囲でのＡｇ薄膜の透過率をさらに向上させるために、高誘電率および高屈折率の金属酸化物（ＭＯ）薄膜（即ち、第1の誘電体層４４０と第2の誘電体層４８０）の間に挟まれる。高誘電率のＭＯ層は表面プラズモンを抑制し、増加された光透過率（＞７０％）を示すことができる。一方、数十ナノメートルの厚さの高屈折率のＭＯ層は、スタックのネットアドミタンス（ｎｅｔ ａｄｍｉｔｔａｎｃｅ）を入射光媒体のネットアドミタンスと厳密に一致させることにより、光学的透明性を向上させる。しかしながら、ＬＷＩＲ領域では、これがなくなり、ＬＷＩＲで高い反射特性を生じる。

【0120】

フレネルの式は、垂直入射光で

【0121】

【数4】

として簡略化されることができる。隣接する層間の屈折率の差が大きいほど、薄膜の反射率は高くなる。従って、可視領域で薄膜が透明でも、金属と隣接する層の屈折率の差が大きいため、ＬＷＩＲ領域では高い反射率となる。

【0122】

いくつかの実施形態では、ＴｉＯ_２層の間に挟まれた１５ｎｍのＡｇを有するＬＷＩＲ反射ミラー４００が設計される。上部のＴｉＯ_２層と下部のＴｉＯ_２層のさまざまな厚さでの、４００ｎｍ、５００ｎｍ、および６００ｎｍの波長で透過率が推定される。この推定は、３０ｎｍの上部のＴｉＯ_２層と２５ｎｍの下部のＴｉＯ_２層が最適解を得ることを示している。

【0123】

このスタックでは、可視光の透過率は９０％であるが、ＬＷＩＲの反射率はほぼ１００％であり、ＴＯＦ型のサーモグラフィに適している。

【0124】

図１１では、ＳｉＯ_２およびＴｉＯ_２などのＬＷＩＲ吸収層５００は、デュアル機能ＩＲ吸収体（ｄｕａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ＩＲ ａｂｓｏｒｂｅｒ）および保護層として、光子変換薄膜２４０の上方に挿入される。推定の結果は、λ／４ｎのキャビティと組み合わせた５０ｎｍのＳｉＯ_２キャッピング層が、光子の６０％が吸収されることができることを示している。

【0125】

以下は、アルゴリズムを用いて、光子変換薄膜のフォトルミネッセンス（ＰＬ）寿命を計算する。光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードを用いる。発光ダイオード（ＬＥＤ）とレーザーダイオードは、周期的なパルス光または変調された正弦波光を出射する。

【0126】

周期的に変調された正弦波光が出射されたとき、光源からの周期的な光の信号の放出は、読み出し回路の動作と同期される。アナログ信号は、読み出し回路によってさまざまな時間で読み出され、Ａ／Ｄコンバータを介してデジタル信号に変換される。次いで、光子変換薄膜のフォトルミネッセンス寿命は、式（Ｉ）を用いて計算され、温度マップに変換される。

【0127】

【数5】

【0128】

式（I）では、tは時間を表し、I（0）は初期信号強度を表し、I（t）は時間tでの信号強度を表し、τはフォトルミネッセンス寿命を表している。

【0129】

変調された正弦波光が放出されたとき、光源からの変調された正弦波光の信号の放出は、読み出し回路の動作と同期される。アナログ信号は、読み出し回路によってさまざまな位相遅延（０°、９０°、１８０°、２７０°）で読み出され、Ａ／Ｄコンバータを介してデジタル信号に変換される。次いで、光子変換薄膜のフォトルミネッセンス寿命は、式（II）および（III）を用いて計算され、温度マップに変換される。

【0130】

【0131】

式（II）では、I₀は０°の位相遅延での信号強度を表し、I₁は９０°の位相遅延での信号強度を表し、I₂は１８０°の位相遅延での信号強度を表し、I₃は２７０°の位相遅延での信号強度を表し、Δφは光源と光子変換薄膜から放出された光子との位相差を表している。

【0132】

【数7】

【0133】

式（III）では、νは光源の変調周波数を表し、τはフォトルミネッセンス寿命を表している。

【0134】

実施例１

【0135】

熱画像センサに適用された有機フォトダイオード（ＯＰＤ）飛行時間センサの検証

【0136】

アルゴリズムで使用される式は以下を含む。

【0137】

【数8】

【0138】

この式では、t_trは伝送時間を表し、RCはRC遅延を表し、f_-3dBは帯域幅を表している。

【0139】

【数9】

【0140】

式では、Lは層の厚さを表し、Vは印加電圧を表し、μはキャリア移動度を表し、t_trは伝送時間を表している。

【0141】

【数10】

【0142】

式では、Aはフォトダイオードの面積、ε₀は真空誘電率、ε_rは比誘電率、Lは層の厚さ、Cは静電容量を表している。

【0143】

（１）表１は、有機フォトダイオード層の厚さ（Ｌ）が１，０００ｎｍで、画素サイズが異なる条件における有機フォトダイオード（ＯＰＤ）飛行時間センサの温度分解能（℃）を示している。

【0144】

【表1】

【0145】

（２）表２は、有機フォトダイオード層の厚さ（Ｌ）が５００ｎｍで、画素サイズが異なる条件における有機フォトダイオード（ＯＰＤ）飛行時間センサの温度分解能（℃）を示している。

【0146】

【表2】

【0147】

（３）表３は、有機フォトダイオード層の厚さ（Ｌ）が２５０ｎｍで、画素サイズが異なる条件における有機フォトダイオード（ＯＰＤ）飛行時間センサの温度分解能（℃）を示している。

【0148】

【表3】

【0149】

結果は、画素サイズが小さく、ＯＰＤ層が薄いほど、得られる応答時間が速くなることを示している。例えば、有機フォトダイオード層の厚さ（Ｌ）が２５０ｎｍ、画素サイズが５μｍの条件における有機フォトダイオード（ＯＰＤ）飛行時間センサの温度分解能（℃）は０．１５５に達し、熱画像センサの要件を満たす。

【0150】

実施例２

【0151】

熱画像センサに適用されたペロブスカイト飛行時間センサの検証

【0152】

（１）表４は、ペロブスカイト層の厚さ（Ｌ）が１，０００ｎｍで、画素サイズが異なる条件におけるペロブスカイト飛行時間センサの温度分解能（℃）を示している。

【0153】

【表4】

【0154】

（２）表５は、ペロブスカイト層の厚さ（Ｌ）が５００ｎｍで、画素サイズが異なる条件におけるペロブスカイト飛行時間センサの温度分解能（℃）を示している。

【0155】

【表5】

【0156】

（３）表６は、ペロブスカイト層の厚さ（Ｌ）が２５０ｎｍで、画素サイズが異なる条件におけるペロブスカイト飛行時間センサの温度分解能（℃）を示している。

【0157】

【表6】

【0158】

結果は、画素サイズが小さく、ペロブスカイト層が薄いほど、得られる応答時間が速くなることを示している。例えば、ペロブスカイト層の厚さ（Ｌ）が２５０ｎｍ、画素サイズが５μｍの条件におけるペロブスカイト飛行時間センサの温度分解能（℃）は０．０４に達し、熱画像センサの要件を満たす。

【0159】

実施例３

【0160】

熱画像に適用されたＳｉ飛行時間センサの検証

【0161】

最新のＳｉ ＴｏＦセンサの分解能は約２０ｐｓで、０．００１℃の温度解像度に対応する。

【0162】

本発明では、光学装置（即ち、熱画像センサ）は、少なくとも飛行時間型（ＴＯＦ）センサ、光子変換薄膜（特定の材料および組成を有する）、および光源によって統合される。光子変換薄膜は、物体の熱を吸収し、異なるヒートゾーン（ｈｅａｔ ｚｏｎｅ）の分布を形成する。光源は、短波長光（例えば、青色光）を放出して、飛行時間センサで受光される長波長光（例えば、長波長赤外線（ＬＷＩＲ））に変換される光子変換薄膜を励起する。光子変換薄膜では、より高い温度を有するゾーンは、より低い温度を有するゾーンより速い光を放出する。飛行時間センサは、光の到達時間を測定し、ヒートマップを計算する。現在の光学設計は、装置のサイズを縮小し、温度分解能を向上させることができる。

【0163】

本発明のいくつかの実施形態およびそれらの利点が詳細に記載されているが、添付の請求の範囲によって定義されるように、本発明の精神および範囲を逸脱せずに、本明細書において種々の変更、置換、および代替をすることができることを理解すべきである。例えば、本明細書で述べられる特徴、機能、プロセス、および材料の多くが本開示の範囲を逸脱することなく変更できることが当業者にとっては容易に理解されるだろう。また、本出願の範囲は、本明細書中に述べられたプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、および動作の特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者が本開示の開示から容易に理解するように、本明細書で述べられた対応する実施形態と、実質的に同様の機能を実行するか、または実質的に同様の結果を達成する、現存の、または後に開発される、開示、プロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップが本開示に従って利用され得る。よって、添付の特許請求の範囲は、上述のプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、または動作を含むように意図される。

【符号の説明】

【0164】

１０、１００ 光学装置
１２、１４０ 飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ
１４、２００ 光源
１４ａ、２００ａ 第１の光
１４ｂ、２００ｂ 第２の光
１５、１２０ 基板
１６、２４０ 光子変換薄膜
１８、３４０ モジュールレンズ
１２０ 第１の基板
１３０ 読み出し回路
１６２ フィルタ
１７０ 光学部品グループ
１７２ ピンホール型コリメータ
１８０ 第２の基板
２００ 回折格子カプラ
２２０ 導波路
２３０ ＬＷＩＲ透明導光板
２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ、２４０ｄ、２４０ｅ、２４０ｆ 色変換材料
２６０ ロングパスフィルタ
２８０ 第１の熱絶縁体
３００ 第２の熱絶縁体
３２０ マイクロレンズ
３６０ 拡散板
３８０ ガラス基板
４００ 長波長赤外線（ＬＷＩＲ）反射ミラー
４２０ 光学スペーサー
４４０ 第１の誘電体層
４６０ 金属層
４８０ 第２の誘電体層
５００ ＬＷＩＲ吸収層
Ｇ エアギャップ
ｔ 光子変換薄膜と飛行時間（ＴＯＦ）センサアレイ間の距離
θ 円錐角
ｔ 光学スペーサーの最適な厚さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】