DE68926363T2

DE68926363T2 - Vorrichtung zur Aufnahme thermischer Bilder

Info

Publication number: DE68926363T2
Application number: DE68926363T
Authority: DE
Inventors: Roger Voles
Original assignee: Pilkington Thorn Optronics Ltd
Current assignee: Thales Optronics Ltd
Priority date: 1988-06-01
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2009-06-01
Also published as: EP0345049B1; GB8812957D0; ATE137610T1; JPH02236129A; EP0345049A3; JP2806972B2; CA1323903C; DE68926363D1; US4996428A; EP0345049A2

Description

Diese Erfindung betrifft eine thermische Abbildungsvorrichtung mit einer Anordnung pyroelektrischer Detektorelemente, die von Elektroden gebildet werden, welche auf den entgegengesetzten Hauptoberflächen einer dünnen Filmschicht aus pyroelektrischem Material getragen werden, wobei sich die pyroelektrische Schicht über einer Substratschicht erstreckt, welche eine Mehrzahl von elektrischen Signalverarbeitungsstromkreisen trägt, und von der Substratschicht mittels einer Mehrzahl von Säulen gestützt wird, welche zusätzlich für eine elektrische Verbindung zwischen den Detektorelementen und den Stromkreisen sorgen.
Bei einer bekannten derartigen Vorrichtung, welche in der EP- A-0173368 offenbart ist, wird jede Wärmedetektorelektrode unmittelbar von einer Leiterbahnen enthaltenden Säule getragen. Dies führt zu einer wärmeleitung, welche die Leistung beeinträchtigt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative thermische Abbildungsvorrichtung bereitzustellen, bei der die pyroelektrischen Detektorelemente von Säulen getragen werden, wobei jedoch die Wärmeleitung zwischen den Säulen und Detektorelementen kleiner ist.
Erfindungsgemäß ist eine thermische Abbildungsvorrichtung, wie im ersten Absatz oben definiert, gekennzeichnet durch die Kombination von:
a) beide Hauptoberflächen der pyroelektrischen Schicht tragen eine Mehrzahl einzelner Elektroden, welche zusammenwirken (kooperieren), um die Detektorelemente zu bilden, wobei die jeweiligen Elektroden auf jeder Oberfläche der pyroelektrischen Schicht im Abstand voneinander angeordnet sind, um elektrodenfreie Bereiche (Bereiche ohne Elektroden) der Oberflächen zu belassen;
b) die einzelnen Elektroden auf der von der Substratschicht entfernten Oberfläche der pyroelektrischen Schicht sind elektrisch miteinander verbunden;
c) die Hauptoberfläche der pyroelektrischen Schicht, die zu der Substratschicht benachbart ist, trägt zusätzlich eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Flecken (Elementen), welche in einem elektrodenfreien Bereich der pyroelektrischen Schicht ausgebildet und in seitlicher Richtung im Abstand von den Detektorelementen angeordnet sind, wobei jeder Fleck jeweils durch einen langgestreckten Streifen (Längsstreifen) aus elektrisch leitendem Material mit einer Elektrode auf derselben Hauptoberfläche verbunden ist;
d) jeder langgestreckte Streifen weist ein Verhältnis von Länge zu Breite von mindestens 5 auf; und
e) die Säulen erstrecken sich von den Flecken bis zur Substratschicht.
Das pyroelektrische Material kann Material umfassen, das inhärent pyroelektrisch ist, oder Material, dessen pyroelektrische Eigenschaften induziert sind (z.B. durch eine geeignete Polung von ferroelektrischem Material).
Die Schicht ist zweckmäßig ein dünner Film aus pyroelektrischem Material. Der langgestreckte Streifen weist zweckmäßig ein Verhältnis von Länge zu Breite von mindestens 5 auf.
Die Patent Abstracts von Japan, Bd. 10, Nr. 232, S. 486 offenbaren eine ebene selbsttragende Anordnung mit langgestreckten Streifen aus elektrisch leitendem Material, die sich aus den einzelnen Elektroden erstrecken, um nahe dem Rand der Vorrichtung elektrische Anschlüsse zu schaffen, und erreicht eine Wärmetrennung zwischen Elementen durch Bohren von Löchern in der pyroelektrischen Anordnung.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die einzelnen Elektroden in Reihen und Spalten angeordnet, und die besagten elektrisch leitenden Bereiche befinden sich in den Mitten von jeweiligen Rechtecken, welche von den Mitten von vier benachbarten einzelnen Elektroden gebildet werden. Bei einer anderen Ausführungsform sind die einzelnen Elektroden in miteinander verzahnten Reihen und miteinander verzahnten Spalten angeordnet, und die elektrisch leitenden Bereiche befinden sich in den Mitten von jeweiligen Dreiecken, die von den Mitten von drei benachbarten einzelnen Elektroden gebildet werden.
Bei einer anderen Ausführungsform sind entsprechende zusätzliche Elektroden in den elektrodenfreien Bereichen der anderen Hauptoberfläche zwischen jeder einzelnen Elektrode und den benachbarten Säulen vorgesehen, wobei jede zusätzliche Elektrode mit einer entsprechenden Säule verbunden ist, wobei die Säule zwei unabhängige elektrisch leitende Pfade zu den Signalverarbeitungseinrichtungen aufweist.
Durch Verarbeitung von Signalen, die von den zusätzlichen Elektroden stammen, kann ein verbesserter Rauschabstand erreicht werden.
Bei einer anderen Ausführungsform wird empfangene Infrarotstrahlung, die auf die elektrodenfreien Bereiche der Schicht einfällt, von einer optischen Anordnung in die mit Elektroden versehenen Bereiche abgelenkt.
Die Verwendung eines dünnen pyroelektrischen Films, mit Säulen, die von betreffenden einzelnen Elektroden entfernt sind, sowie langen schmalen Leitern zum Verbinden der einzelnen Elektroden mit den passenden Säulen über die Flecken stellt sicher, daß die Wärmeleitung von jedem Pixel zur betreffenden Tragsäule klein ist.
Sechs thermische Abbildungsvorrichtungen gemäß der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
Figur 1(a) eine schematische Schnittansicht eines Teils der ersten Vorrichtung ist, welche die Struktur der einzelnen Elektroden zeigt;
Figur 1(b) einen Schnitt bei AA in Figur 1(a) zeigt.
Figur 2 ist eine schematische Schnittansicht eines Teils der zweiten Vorrichtung, welche die Struktur der einzelnen Elektroden zeigt;
Figur 3 ist eine schematische Schnittansicht eines Teils der dritten Vorrichtung, welche die Struktur der einzelnen Elektroden zeigt;
Figur 4(a) ist eine schematische Schnittansicht eines Teils der vierten Vorrichtung, welche die Struktur der einzelnen Elektroden zeigt;
Figur 4(b) zeigt einen Schnitt entlang A-A in Figur 4(a);
Figur 4(c) zeigt eine Schnittansicht einer Abwandlung der in Figur 4(b) dargestellten Vorrichtung;
Figur 5 ist eine schematische Ansicht des Teils der sechsten Vorrichtung, wobei sie die Struktur der einzelnen Elektroden veranschaulicht.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform weist ein pyroelektrischer Film 21, zum Beispiel aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) ein auf einer Seite ausgebildetes Muster von miteinander verbundenen Elektroden 22 und ein auf der anderen Seite ausgebildetes Muster von einzelnen Elektroden 23 und elektrisch leitenden Flecken 24 auf. Die einzelnen Elektroden 23 sind durch schmale elektrisch leitende Streifen 25 mit jeweiligen Flecken 24 verbunden. Elektrisch leitende Säulen 26 sind an einem Ende mit jeweiligen Flecken 24 und am anderen Ende mit Eingangsanschlußf lecken 27 einer auf dem Substrat 29 ausgebildeten integrierten Schaltung 28 verbunden. Wie in Figur 1(a) dargestellt, sind die einzelnen Elektroden 23 in Reihen und Spalten angeordnet und die Flecken 24 sind in Reihen und Spalten angeordnet, welche mit denjenigen der einzelnen Elektroden 23 verzahnt sind. Bei dem Beispiel aus Figur 1 sind die Elektroden 22 und 23 jeweils von gleicher Größe, und die Flecken 24 und Säulen 26 sind ebenfalls von gleicher Größe, jedoch kleiner als die Elektroden. Auch sind bei diesem Beispiel die Elektroden, Flecken und Säulen sämtlich quadratisch und so angeordnet, daß die miteinander verbundenen Flecken und Elektroden jeweils eine Seite aufweisen, die zu dem das Element und die Elektrode verbindenden leitenden Streifen senkrecht ist. Die miteinander verbundenen Elektroden 22 sind mit einer Infrarot absorbierenden Schicht 30, zum Beispiel einer Schicht aus schwarzem Gold überzogen. Die gegenseitigen Verbindungen zwischen diesen Elektroden 22 sollten schmal, dünn und vorzugsweise mäanderförmig sein, um ihre Länge zu vergrößern. Die miteinander verbundenen Elektroden sind mit Erde verbunden.
Nunmehr Bezug nehmend auf Figur 2, in der wie in sämtlichen der Zeichnungen entsprechende Merkmale zu denjenigen, die in Figur 1 dargestellt sind, entsprechend bezeichnet sind, sind dort die einzelnen Elektroden 23 in miteinander verzahnten Reihen und Spalten angeordnet, und die Flecken 24 sind in den Mitten der Dreiecke angeordnet, welche von drei benachbarten Elektroden 23 gebildet werden, wobei jeder Fleck durch einen schmalen Leiter 25 mit einer jeweiligen Elektrode verbunden ist. Abgesehen von den veränderten Positionen der Elektroden, Flecken und Säulen, ist der Aufbau dieser Ausführungsform ähnlich derjenigen, die zuvor unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben worden ist.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen leiden unter dem Nachteil, daß jede einzelne Elektrode 23 um sich herum eine Fläche aufweist, in der die empfangene Strahlung ungenutzt bleibt. Dies wird bei der dritten Vorrichtung, die nun beschrieben wird, durch die Bereitstellung einer zusätzlichen Elektrode um die Elektrode 23 herum überwunden, wie bei 51 in Figur 3 dargestellt. In Figur 3 ist die Anordnung der Elektroden 23 dieselbe wie in Figur 1, jedoch sind die leitenden Flecken 24 jeweils in zwei Flecken 24a, 24b aufgeteilt. Jede Elektrode 23 ist durch den schmalen Leiter 25 mit einem entsprechenden Fleck 24a verbunden, und jede der zusätzlichen Elektroden 51 ist durch den schmalen Leiter 52 mit dem entsprechenden Fleck 24b verbunden. Die beiden Flecken 24a, 24b sind mit einer jeweiligen eines jeweiligen Paars von Eingangsanschlußf lecken einer integrierten Schaltung verbunden, entweder durch ein Paar elektrisch leitende Säulen (nicht dargestellt) oder durch eine isolierende Säule (ebenfalls nicht dargestellt), die zwei elektrisch leitende Bahnen trägt.
Beide Eingangsgrößen der Verarbeitungseinrichtung werden vorverstärkt, gewichtet und addiert. Die zusätzliche Elektrode weist höhere Wärmeverluste als die einzelne Elektrode auf, so daß der Ausgangsgröße der zusätzlichen Elektrode eine niedrigere Gewichtung als der Ausgangsgröße der einzelnen Elektrode gegeben wird; jedoch ist sie noch imstande, den Rauschabstand zu verbessern.
Die zu beschreibende vierte und fünfte Vorrichtung schließen beide optische Einrichtungen zur Nutzung eines Teils der ansonsten ungenutzten empfangenen Strahlung ein. Bezug nehmend auf die Figuren 4(a) und 4(b) überdeckt bei der vierten Vorrichtung eine für Infrarot durchlässige Platte 61 die Anordnung von miteinander verbundenen Elektroden 30 und weist ein solches Profil auf, daß sie über jeder Elektrodenfläche konvexe Oberflächen 62 bereitstellt, so daß empfangene Strahlung zur Elektrodenfläche hin konzentriert wird. Bei der fünften Vorrichtung, welche in Figur 4(c) dargestellt ist, ist die Platte 61 durch konkave Reflexionsoberflächen 63 ersetzt, die hinter jeder einzelnen Elektrode 23 angeordnet sind, wobei die Platte die um die Elektroden herum empfangene Energie in Richtung der Elektroden zurück reflektiert. Unter gewissen Umständen kann es vorteilhaft sein, die einzelnen Leiter 23 mit einer Infrarot absorbierenden Schicht, zum Beispiel einer Schicht aus schwarzem Gold zu überziehen, um die von der konkaven Oberfläche 63 zurück reflektierte Energie zu absorbieren. In der Draufsicht der Figur 4(a) sind die konvexen Oberflächen 62 und die konkaven Reflexionsoberflächen 63 schematisch als Kreise um die einzelnen Elektroden 23 herum dargestellt. Obgleich bei der vierten und fünften Vorrichtung die Elektrodenanordnung dieselbe ist, wie in Figur 4, ist ersichtlich,daß sie in gleicher Weise diejenige aus Figur2 gewesen sein könnte.
Nunmehr Bezug nehmend auf Figur 5, schließt die zu beschreibende sechste Vorrichtung zwei weitere Einrichtungen zur Verringerung der Wärmeverluste aus den pyroelektrischen Detektorelementen ein. Erstens wird die Wärmeleitung von den Elektroden 23 zum entsprechenden Fleck 24 und der entsprechenden Säule 26 verringert, indem man die geraden schmalen Leiter in den Anordnungen der Figuren 1 und 2 durch mäanderförmige Leiter 71 ersetzt. Zweitens wird die Wärmeleitung durch den pyroelektrischen Film 21 verringert, indem man Löcher 72 im pyroelektrischen Film ausbildet. Jede dieser beiden Anordnungen könnte auch zusammen mit den Elektrodenanordnungen aus Figur 2 verwendet werden. In Figur 5 sind die Elektroden 23 und Flecken 24 kleiner als in Figur 1, wodurch die Verwendung von schmalen Filmstreifen 73 zwischen den Paaren von benachbarten Löchern 72 erleichtert wird. Um die empfangene Energie auf die Elektroden 23 zu konzentrieren, kann eine für Infrarot durchlässige konvexe Linse 62 über jeder angeschlossenen Elektrode 22 angebracht sein, wie bei 62 in Figur 4(b), oder ein konkaver Spiegel 63 kann unter jeder einzelnen Elektrode 23 angebracht sein, wie bei 63 in Figur 4(c). Die Linsen 62 oder Spiegel 63 sind in Figur 5 schematisch als Kreise dargestellt.
Offensichtlich sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf die zuvor dargestellten und beschriebenen Elektrodenformen begrenzt. So können die Elektroden von einer komplexen Gestalt sein; bei einer vorteilhaften Form stimmt die Gestalt der Elektroden mit den Umrißlinien des isothermischen Widerstands der Vorrichtung überein, so daß die Elektroden in Bereichen angeordnet sind, in denen der Wärmewiderstand gegenüber Erde einen relativ hohen Wert aufweist (vorzugsweise auf seinem höchsten Wert liegt).
Bei Ausführungsformen, bei denen eine Elektrode eine andere Elektrode mindestens teilweise umschließt, weisen vorzugsweise die äußere Begrenzung der inneren Elektrode und die innere Begrenzung der äußeren Elektrode in Übereinstimmung mit den Umrißlinien des isothermischen Widerstands der Örtlichkeit eine ähnliche Form auf, und nicht notwendigerweise ähnlich der Form der äußeren Begrenzung der äußeren Elektrode, welche mit den Umrißlinien des isothermischen Widerstands der jeweiligen Örtlichkeit übereinstimmt.

Claims

1. Thermische Abbildungsvorrichtung mit einer Anordnung pyroelektrischer Detektorelemente, die durch Elektroden (22, 23) ausgebildet sind, welche auf den entgegengesetzten Hauptoberflächen einer dünnen Filmschicht (21) aus pyroelektrischem Material getragen sind, wobei sich die pyroelektrische Schicht (21) über einer Substratschicht (29) erstreckt, welche eine Mehrzahl von Signalverarbeitungsstromkreisen (28) trägt, und von der Substratschicht (29) durch eine Mehrzahl von Säulen (26) gestützt ist, welche zusätzlich eine elektrische Verbindung zwischen den Detektorelementen und den Stromkreisen (28) schaffen,

gekennzeichnet durch folgende Kombination:

a) beide Hauptoberflächen der pyroelektrischen Schicht (21) tragen eine Mehrzahl einzelner Elektroden (22, 23), welche kooperieren, um die Detektorelemente zu bilden, wobei die entsprechenden Elektroden auf jeder Oberfläche der pyroelektrischen Schicht voneinander beabstandet sind, um Bereiche ohne Elektroden der Oberflächen freizulassen;

b) die einzelnen Elektroden (22) auf der von der Substratschicht (29) entfernten Oberfläche der pyrcelektrischen Schicht sind elektrisch miteinander verbunden;

c) die Hauptoberfläche der pyroelektrischen Schicht (21), die zu der Substratschicht (29) benachbart ist, trägt zusätzlich eine Mehrzahl elektrisch leitender Elemente (24), welche in einem Bereich ohne Elektroden der pyroelektrischen Schicht (21) ausgebildet sind und seitlich von den Detektorelementen (21, 22, 23) beabstandet sind, wobei jedes Element (24) jeweils elektrisch mit einer Elektrode (23) auf derselben Hauptoberfläche durch einen Längsstreifen (25) aus elektrisch leitendem Material verbunden ist;

d) jeder Längsstreifen (25) weist ein Verhältnis Länge zu Breite von mindestens 5 auf; und

e) die Säulen (26) erstrecken sich von den Elementen (24) zu der Substratschicht (29).

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch entsprechende zusätzliche Elektroden (51), welche um jede Elektrode (23) auf der der Substratschicht (29) benachbarten Hauptoberfläche der pyroelektrischen Schicht (21) und in einem Oberflächenbereich ohne Elektroden zur Verfügung gestellt sind, wobei jede zusätzliche Elektrode (51) mit derselben Säule (26) verbunden ist, wie die Elektrode (23), um welche sie angeordnet ist, wobei jede Säule (26) zwei unabhängige elektrisch leitende Pfade zu dem betreffenden Signalverarbeitungsstromkreis (28) aufweist.

3. Vorrichtung aemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer optischen Anordnung (61, 63), welche zur Ablenkung von Infrarotstrahlung, welche auf die Bereiche ohne Elektroden der pyroelektrischen Schicht (21) auftrifft, in die Elektrodenbereiche wirksam ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der es sich bei der optischen Anordnung um eine Linsenanordnung (61, 62) zwischen der Strahlungsquelle und der pyroelektrischen Schicht (21) handelt.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der es sich bei der optischen Anordnung um eine Reflexionsanordnung (63) zwischen der pyroelektrischen Schicht (21) und den Signalverarbeitungsstromkreisen (28) handelt.