JP2007503622A - 赤外線カメラシステム - Google Patents
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Abstract
IRカメラシステムには、アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素と、NIR源と、NIR検出器アレイと、が含まれる。更に、IRカメラシステムには、画像化対象シーンからのIR放射線をアレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素に導くためのIR光学系と、NIR源からのNIR光をフィルタ画素及びNIR検出器アレイに導くためのNIR光学系と、が含まれる。NIR源は、NIR光をアレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素に導く。NIR検出器アレイは、アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素によって修正されたNIR光を受光し、また、NIR検出器アレイが受光するNIR光に対応する電気信号を生成する。
Description
本発明は、概して熱画像装置に関する。
赤外線カメラの市場は、規模が大きく、軍事、警備、医療、建設及び車両市場によって急速に進展している。特に関心が高いのは、大気の透過率が高く、日光の寄与が相対的に小さく、通常環境温度(室温又は体温)にある物体が放射する場所において、7〜15マイクロメータ間にある波長である。種々の画像システムが、可視光を超える波長を観察するために用いられる。これらは、通常、極低温冷却が必要な狭バンドギャップ半導体光検出器アレイから近年の無冷却マイクロボロメータアレイまでの範囲におよぶ。
しかしながら、これらの「焦点面」技術の全てが高価であり(例えば、最低価格のカメラが10,000米ドルの壁を破ったばかりであり)、商業及び消費者市場の大多数にとって熱撮像が手の届かないものになっている。更に、既存の製品の全てが本質的に低歩留の製造技術を用い、運用コストを押し上げており、また、最もコスト意識の低い用途以外の全ての用途に対して、実用的な解像度(即ち画素数)を制限している。
1つの側面において、あるシーンからの第1波長の光から画像を生成するためのカメラシステムには、アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素、光源、及び検出器アレイが含まれる。各画素要素は、画素要素の温度変化に伴う屈折率変化により波長がシフトする通過帯域を有する。光源は、アレイ状の熱チューナブル光学画素要素が、第2波長のフィルタ処理された光を生成するように、アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素に第2波長の光を供給する。光源には、LED又はレーザを含み得る。CCD又はCMOSカメラを含み得る検出器アレイは、アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素から第2波長のフィルタ処理された光を受け取り、シーンの画像に対応する電気信号を生成する。更に、カメラシステムには、シーンからの第1波長の光をアレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素に導くための光学系が含まれる。アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、第1波長の光の少なくとも一部を熱に変換し、その熱の少なくとも一部を吸収する。
第1波長の光は、例えば、IR光であってよく、第2波長の光は、例えば、NIR光であってよい。
アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、真空パッケージに封止され、真空パッケージには、放射線に対して透過な窓と、アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素を支持するための基板と、窓と基板とを互いに接合するための封止フレームと、が含まれる。本パッケージには、内部に配置され異質のガスを吸収するためのゲッタ材料を含み得る。画素要素には、第1波長の光を吸収し、フィルタへの熱を生成するための材料を含み得る。アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素の各画素要素は、画素要素を基板から熱絶縁する中空画素支柱によって、基板に取り付けられる。支柱は、中実であってもよい。
アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、真空パッケージに封止され、真空パッケージには、放射線に対して透過な窓と、アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素を支持するための基板と、窓と基板とを互いに接合するための封止フレームと、が含まれる。本パッケージには、内部に配置され異質のガスを吸収するためのゲッタ材料を含み得る。画素要素には、第1波長の光を吸収し、フィルタへの熱を生成するための材料を含み得る。アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素の各画素要素は、画素要素を基板から熱絶縁する中空画素支柱によって、基板に取り付けられる。支柱は、中実であってもよい。
アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素は、第1波長の光を吸収し、第1波長の光を熱に変換する。
アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素の画素要素には、単空胴又は多空胴ファブリ−ペロ構造を形成する屈折率チューナブル薄膜干渉被膜が含まれる。アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素には、画素要素間を通過する第2波長の光を緩和する反射層又は吸収層が含まれる。
アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素の画素要素には、単空胴又は多空胴ファブリ−ペロ構造を形成する屈折率チューナブル薄膜干渉被膜が含まれる。アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素には、画素要素間を通過する第2波長の光を緩和する反射層又は吸収層が含まれる。
カメラシステムには、光源からの第2波長の光の帯域幅を狭くする基準フィルタを含み得る。
カメラシステムは、第2波長の光が、アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素を通過して検出器アレイに伝わるように、透過モードで動作し得る。カメラシステムは、第2波長の光が、アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素から反射して検出器アレイに伝わるように、反射モードで動作し得る。
カメラシステムは、第2波長の光が、アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素を通過して検出器アレイに伝わるように、透過モードで動作し得る。カメラシステムは、第2波長の光が、アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素から反射して検出器アレイに伝わるように、反射モードで動作し得る。
他の側面において、シーンからの第1波長の光に基づき画像を生成する方法には、第2波長の光を生成すること、第1波長の光を熱に変換し、熱を熱チューナブル光学フィルタアレイに結合して熱チューナブル光学フィルタアレイの温度を変えること、が含まれる。熱チューナブル光学フィルタアレイの各要素は、熱チューナブル光学フィルタ要素の温度変化に伴う屈折率変化により波長がシフトする通過帯域を有する。更に、本方法には、熱チューナブル光学フィルタアレイが、第2波長のフィルタ処理された光を生成するように、熱チューナブル光学フィルタアレイで第2波長の光をフィルタ処理することが含まれる。また、本方法には、シーンの画像に対応する信号を生成するように、第2波長のフィルタ処理された光を検出器アレイで検出することが含まれる。
他の側面において、光学読み取り式温度センサには、熱チューナブル光学フィルタの温度変化に伴う屈折率変化により波長がシフトする通過帯域を有する熱チューナブル光学フィルタが含まれる。また、センサには、熱チューナブル光学フィルタが第2波長のフィルタ処理された光を生成するように、熱チューナブル光学フィルタに第1波長の光を供給するための光源が含まれる。更に、センサには、熱チューナブル光学フィルタから第2波長のフィルタ処理された光を受け取り、また、熱チューナブル光学フィルタの温度に対応する電気信号を生成するための検出器が含まれる。
他の側面において、温度又は温度プロファイルを検出する方法には、第1波長の光を生成すること、第1波長のフィルタ処理された光を生成するように、熱チューナブル光学フィルタの温度変化に伴う屈折率変化により波長がシフトする通過帯域を有する熱チューナブル光学フィルタで第1波長の光をフィルタ処理すること、が含まれる。更に、本方法は、第1波長のフィルタ処理された光を検出器で検出し、熱チューナブル光学フィルタの温度に対応する電気信号を生成することが含まれる。
他の側面において、基板上方の構成要素を支持するための支柱を製造する方法には、犠牲層を基板上に成膜すること、実質的に円柱状の穴を犠牲層に形成すること、共形的に保護層を犠牲層上に成膜すること、が含まれる。保護層は、犠牲層の表面、穴の底部、穴の壁部を被覆し、保護層は、穴の頂部においてピンチオフを形成する。更に、本方法には、構成要素を保護層上に製造すること、構成要素の周辺境界において、フィルタ及び保護層を鉛直方向にエッチングすること、穴の壁部を形成する保護層まで犠牲層を水平方向にエッチングすること、が含まれる。
他の側面において、波長変換装置には、熱チューナブル光学フィルタの温度変化に伴う屈折率変化により波長がシフトする通過帯域を有する熱チューナブル光学フィルタが含まれる。更に、本装置には、第1波長の放射を熱に変換し、熱を熱チューナブル光学フィルタに結合するための吸収体が含まれる。また、本装置には、熱チューナブル光学フィルタが、第2波長のフィルタ処理された光を生成するように、熱チューナブル光学フィルタに第2波長の光を供給するための光源が含まれる。更に、本装置には、熱チューナブル光学フィルタから第2波長の光を受光し、また、第2波長の光に対応する電気信号を生成するための検出器が含まれる。また、本装置には、第1波長の放射を熱チューナブル光学フィルタに導くための光学系が含まれる。熱チューナブル光学フィルタは、少なくとも一部の第1波長の光を熱に変換し、少なくとも一部の熱を吸収する。
他の側面において、温度を検出する方法は、第1波長の光を生成すること、第1波長のフィルタ処理された光を生成するように、熱チューナブル光学フィルタの温度変化に伴う屈折率変化により波長がシフトする通過帯域を有する熱チューナブル光学フィルタで第1波長の光をフィルタ処理すること、を備える。更に、本方法は、第1波長のフィルタ処理された光を検出器で検出し、熱チューナブル光学フィルタの温度に対応する電気信号を生成することを備える。
本明細書に示す図は、例示のみであり、縮尺通りに描かれていない。
例示の実施形態は、画像化対象シーンによって放射されるIRエネルギ(例えば、他の波長もIRと見なし得るが、通常、8〜15μmまでの範囲にある波長の光。本明細書においてIR光及びIR放射線とも称する)に反応する熱チューナブル光学フィルタ要素を用いる無冷却式赤外線(IR)カメラシステムである。フィルタ要素は、IRエネルギの変動の結果として、近IR(NIR)キャリア信号(例えば、約850nmの波長の光。NIR光信号、NIR光、プローブ、プローブ信号又はプローブ光とも称する)を変調する。カメラシステムは、変調されたキャリア信号をNIR検出器(例えば、CMOS又はCCDベースの撮像アレイ又はpinホトダイオードアレイ)で検出する。
例示の実施形態は、画像化対象シーンによって放射されるIRエネルギ(例えば、他の波長もIRと見なし得るが、通常、8〜15μmまでの範囲にある波長の光。本明細書においてIR光及びIR放射線とも称する)に反応する熱チューナブル光学フィルタ要素を用いる無冷却式赤外線(IR)カメラシステムである。フィルタ要素は、IRエネルギの変動の結果として、近IR(NIR)キャリア信号(例えば、約850nmの波長の光。NIR光信号、NIR光、プローブ、プローブ信号又はプローブ光とも称する)を変調する。カメラシステムは、変調されたキャリア信号をNIR検出器(例えば、CMOS又はCCDベースの撮像アレイ又はpinホトダイオードアレイ)で検出する。
IRカメラシステムは、光学読み取りを用いる熱センサに基づく。本明細書に述べるこの熱センサの基本原理は、単純である。狭帯域源は、特有の波長スペクトルの「光学キャリア信号」を生成する。熱チューナブル光学フィルタは、温度の局所的な変化によりフィルタがそのフィルタ処理スペクトルをシフトするセンサ位置において用いられる。温度の局所的な変化は、周囲環境温度、あるいは、外部源からの放射に起因し得る。熱チューナブル光学フィルタは、光学キャリアを処理して、その結果得られる光がキャリア信号とセンサフィルタとの積になるようにする。光学検出器が、その結果得られるこの光の総パワーを測定するが、この検出器は、総パワーの小さい変化を検出し測定するのに充分な程感度が高い。
この熱センサの重要な要素の1つは、温度に対して高度にチューナブルな多層光学干渉フィルタである。本フィルタは、温度に強く依存してソリッドステートのチューナブル薄膜光学フィルタを生成する屈折率の半導体材料を組み込む(例えば、2001年12月4日に出願した米国第10/005,174号、表題「チューナブル光学フィルタ」及び2002年6月17日に出願した米国第10/174,503号、表題「屈折率チューナブル薄膜干渉被膜」を参照。双方共、本明細書中にて引用・参照する)。ゲルマニウム(プローブ波長が長い場合)、多数のポリマ(例えば、ポリイミド)、Fe2O3、液晶等、多数の他の材料を、これら薄膜フィルタ構造に熱光学層として用い得る。これらの材料は、可能性として可視波長を含むプローブ信号波長に関して異なる動作範囲に対応する。
この多層温度チューナブル被膜は、用途に応じて、種々の基板に適用し得る。光学キャリア信号を用いる場合、その温度は、遠隔的に、正確に決定し得る。
以下に、IRカメラシステムの概要と、各カメラ構成要素の更に詳細な特徴を引き続き説明する。更に、本説明は、カメラ構成要素を製造するために用いられる種々の製造技術を提示し、最終的に、カメラシステムの基本概念の他の用途に関して述べる。
以下に、IRカメラシステムの概要と、各カメラ構成要素の更に詳細な特徴を引き続き説明する。更に、本説明は、カメラ構成要素を製造するために用いられる種々の製造技術を提示し、最終的に、カメラシステムの基本概念の他の用途に関して述べる。
図1は、NIR源102、コリメーティングレンズ104、反射板106(IR波長範囲において、透過性又はほぼ透過性)、焦点面アレイ(FPA)108、基準フィルタ110、集束レンズ112、及びNIR検出器アレイ114が含まれるIRカメラシステム100の例示の実施形態を示す。FPA108には、IR窓116、及び基板120上に搭載されたアレイ状の画素要素118が含まれる。IR窓116、画素要素118、基板120及び基準フィルタ110は、真空封止ユニットに全てパッケージ化され、その温度は、熱電冷却器(TEC)122によって維持し得る。本明細書で述べるように、FPA108及び基準フィルタ110のチューナビリティ係数が同じ又はほぼ同じである場合、TEC122は、省略し得る。
コリメーティングレンズ104は、NIR源102からの光を平行ビーム124に形成し、平行ビーム124は、反射板106から反射してFPA108のIR窓に入る。平行ビーム124は、FPA108及び集束レンズ112を通過する。集束レンズ112は、FPA108からのNIR光をNIR検出器アレイ114に集束する。画像化対象シーン128からのIR光126は、IRレンズ129で集束され、反射板106及びIR窓116を通過し、アレイ状の画素要素118に入る。FPA製造のプロセスはシリコン製造プロセスと互換性があることから、FPAは、CCD又はCMOSセンサ上に直接成膜され製造されて、最大集積化が得られる。そのようなアーキテクチャの場合、NIRレンズは省略し得る。
アレイ状の各画素要素118は、画素要素の温度の関数であるフィルタ特性で通過するNIR光を処理する熱チューナブル光学フィルタである。アレイ状の画素要素118上に投射されたIR光126は、各画素要素の表面上に成膜される(本明細書において述べる)IR吸収層を介して、熱エネルギに変換される。画素要素118は、追加の吸収材料が不要なように、入射放射を吸収する材料で構成し得る。その結果得られる熱エネルギは、アレイ状の画素要素118全体において局所的な温度変動を生成するため、各個々の画素は、画素を通過するNIR光を、その画素における局所的な温度に基づき、フィルタ処理する。アレイ状の画素要素118の2次元のフィルタ処理パターンは、従って、撮像されるシーン128から到着するIRエネルギに直接関係する。
図2a及び2bは、温度に対する個々の画素要素のフィルタ処理特性を示す(これらの図の他の側面に関しては、後述する)。図2aは、第1温度T1における画素要素の中心波長フィルタλ2の処理スペクトル136(1)を示す。図2bは、第2温度T2における同じ画素の中心波長フィルタλ3のフィルタ処理スペクトル136(2)を示す。図2aと2bとを比較すると、画素要素の温度が変化するにつれて、画素要素のフィルタ処理スペクトルは、波長だけがシフトし、形状又は振幅がほとんど又は全く変化しないことが分かる。
一般的に、NIR光124の帯域幅を狭くすると、フィルタスペクトル136(1)の波長シフトの検出解像度が上がる。しかしながら、フィルタスペクトルの勾配は、画素要素の応答性に直接関係し、従って、多空胴フィルタを有する画素要素を生成して、帯域幅を必ずしも狭くせずに、フィルタスペクトルに極めて急峻な勾配を提供し得る。アレイ状の画素要素118が、入射NIR光124をフィルタ処理した後、フィルタ処理されたNIR光130は、基準フィルタ110を通過するが、基準フィルタ110は、フィルタ処理されたNIR光130の狭い帯域幅だけを通過させる。図2aは、狭帯域のNIR光のフィルタ処理スペクトル134(即ち、基準フィルタのスペクトル)及びアレイ状の画素要素118の画素要素のうちの1つのフィルタ処理スペクトル136(1)を示す。陰影をつけた重なり合う領域は、NIR検出器114に到達するNIR光の波長スペクトルを表す。図2bは、入射IRエネルギの変化により画素のスペクトル136(2)が、λ2からλ3にシフトされた2つの同じスペクトルを示す。陰影をつけた重なり合う領域の変化量は、入射IRエネルギの変化量を示す。図3a及び3bは、IRエネルギの同じ変化を示すが、基準フィルタ110は、(レーザのそれに近づく)極端に急峻な勾配を有し、波長スペクトル134が狭くなる。図2a及び2bと図3a及び3bとを比較すると、IR光が急峻な勾配のスペクトルを有する場合、IRエネルギの同じ変化に対する重なり合いの差異の割合が大きいために、IRエネルギの所与の変化を検出するのは簡単であることが分かる。
基準フィルタ110は、中心波長が(例えば、)850nmで、固定帯域幅が(例えば、)0.5〜0.9nmの熱光学的チューナブル狭帯域フィルタである。基準フィルタ110は、基準フィルタ110及びアレイ状の画素要素118の温度が、互いに密接に追跡して、異なる周囲温度によるエラーを低減するように、アレイ状の画素要素118の至近距離にある。
基準フィルタ110に続き、フィルタ処理されたNIR光130は、集束レンズ112を通過し、集束レンズ112は、フィルタ処理されたNIR光130をNIR検出器114に集束する。NIR検出器114は、集束レンズ112によって投射されたNIR光の2次元の画像に対応する電気信号132を生成する。集束レンズ112は、場合によっては、例えば、FPA108が直接、NIR検出器114上に積み重ねられる場合は、省略することもできる。また、集束レンズ112は、規模の大きいNIRCCD又はCMOSアレイをNIR検出器114に用いて、投射された画像の信号対雑音比(SNR)を大きくできるように、FPA108の画像を「引き伸ばす」又は拡大するために用い得る。SNRは、多数のCCD又はCMOS画素要素を1つの「表示される」熱画素に対応させることによって、即ち、多数のCCD又はCMOS画素要素からの組み合わせ信号を用いて、フィルタ処理や平均化等、当分野で公知のデジタル画像処理手法により、固有のCCD又はCMOS雑音を低減することによって、大きくできる。
熱画像装置の総合的な性能は、以下のように、モデル化し得る。
シーン環境からのIR放射線パワー:
シーン環境からのIR放射線パワー:
IR吸収体によって吸収されるパワー:
IR照射しない場合の画素要素フィルタ温度:
IR吸収がある場合の画素要素フィルタ温度:
画素要素フィルタ温度変化:
IR照射しない場合の画素要素フィルタ波長:
IR照射がある場合の画素要素フィルタ波長:
基準波長での画素要素フィルタ透過:
変調された光信号パワー:
従って、シーン環境の温度が変化する場合、FPA後のNIR光信号は、変調され、従って、NIRは、その変化を検出し得る。
NIR信号の相対的変化は、以下の通りである。
総合的なIRカメラシステム100の感度は、NIR検出器アレイの感度に依存する。NIR検出器アレイの感度をη(例えば、10−3等)とすると、システムの雑音等価温度差異(NETD)は、以下の通りである。
上述の式から、フィルタ透過のより急峻な勾配、フィルタのより高い温度チューナビリティ、及び画素要素からのより少ない熱漏洩は、小さいNETDの決定要因となる重要な画素パラメータであることが、明らかである。NETDが小さいと、温度解像度が大きくなり、カメラシステム100の感度が良くなり、従って、熱画像の総合的な品質が良くなる。
FPAに用いられるチューナブルファブリ−ペロフィルタを示すが、これは、30dB/nmまでの透過勾配を呈する。安価な光学キャリア源が一般的に利用可能であり、また、安価なシリコンCMOS及びCCD画像装置が適用可能である850nmの中心波長において、これらのフィルタの波長チューナビリティを(温度に対して)示すが、これは、おおよそ0.06nm/℃である。
例えば、例示の実施形態において画素支柱に用いられるシリコン酸化物又は窒化シリコン材料(又は他の選択肢として、ポリマ材料)は、通常、0.1W/m・K熱伝導率を有する。例示の実施形態において、支柱は、直径が5ミクロン及び高さが10ミクロンであり、熱伝導率が、2×10−7W/Kとなる。例示の実施形態において、各画素は、625ミクロン2の表面積を有し、以下の雑音等価温度差となる。
画素吸収率が70%、CMOS又はCCD画像装置感度が1/2000、シーン背景温度が300Kとすると、その結果得られるNETDは、0.11Kである。NETDは、シーン背景温度が上昇するにつれて、飛躍的に改善される。Teが700Kである場合、NETDは、9mKである。このことは、カメラが、冷たい物体より熱い物体の更に細かいデテールを検出し得ることを意味する。更に、画素サイズが増大すると、画像装置感度又は画素絶縁は、全て、熱画像装置の温度解像度を更に大きくするために用い得る。
最終的に、熱光学的チューナブル狭帯域フィルタの到達可能な応答性は、100%/K程度であることから、この光学フィルタシステムを用いて構築された画像システムは、無冷却式ボロメータアレイ画像装置において代表的な2.5%/Kと比較して、大幅に大きい温度解像度を有するように構成し得る。他の選択肢として、この利点は、プロセス歩留を最大にし、また、製品コストを低減するために、設計及び製造プロセスを更に簡略化するために用い得る。
IRカメラが基づく熱センサの相対的に高い温度解像度は、他の用途にも用い得るが、これについては、以下に詳述する。
[NIR源]
例示のIRカメラシステム100は、狭帯域のNIR光に依拠し、画像化対象シーン128からのIR光126のエネルギの変化を検出する。例示の実施形態において、NIR源102は、中心が約850nmの適度に広帯域のNIR光を生成する発光ダイオード(LED)である。FPA108に続く基準フィルタ110が接続されたLEDは、検出器アレイ114において狭帯域のNIR光を生成する。
[NIR源]
例示のIRカメラシステム100は、狭帯域のNIR光に依拠し、画像化対象シーン128からのIR光126のエネルギの変化を検出する。例示の実施形態において、NIR源102は、中心が約850nmの適度に広帯域のNIR光を生成する発光ダイオード(LED)である。FPA108に続く基準フィルタ110が接続されたLEDは、検出器アレイ114において狭帯域のNIR光を生成する。
基準フィルタ110は、FPA108の後ろに配置されるが、基準フィルタ110は、LEDとNIR検出器アレイ114との間のNIR光学経路のどこにでも配置し得る。FPA108に対して基準フィルタ110を熱的に近接して配置することの利点は、その温度が、FPA108の温度を密接に追跡するということである。FPA及び基準フィルタのチューナビリティ係数が同じ又はほぼ同じである場合、TEC又は他の同様な装置でそれらの温度を制御する必要がない。基準フィルタ110とFPA108との間の温度追跡は、フィルタ110又はFPA108のいずれかの温度変化が(他方の対応する温度変化なしで)、図2a及び2bに示す重なり合う領域の変化を生成することから、重要である。カメラシステム100は、重なり合う領域のこの変化を入射IR放射線の変化と取り違える。従って、基準フィルタ110をどこか別の箇所、例えば、LED102の直後に配置すると、2つの構成要素の温度が互いに密接に追跡するように、基準フィルタ110用の熱電冷却器が、FPA108と基準フィルタ110との間のフィードバック回路と共に必要なことがある。
基準フィルタを有する広帯域源を用いる代わりに、約850nmの光を送出するレーザを用い得る。レーザは、極めて急峻な勾配で充分に狭帯域のスペクトルを生成することから、基準フィルタは、NIRスペクトルを更に狭くするために必要ではない。この極端に狭いスペクトルによって、(上述したように)IR変動に対する感度は高くなるが、レーザからの光の中心波長がFPAフィルタの通過帯域を追跡するように、ある種類のレーザとFPAとの間のフィードバック回路は、レーザ及びFPAの温度が、確実に互いに追跡するために必要である。ほとんどの半導体レーザの波長は、温度と同調する。いずれかの縦型空胴面発光レーザ(VCSEL)等の一部のレーザは、FPAフィルタのチューナビリティに極めて近いチューナビリティ(温度に対する波長の変化、即ち、nm/K)を示すため、周囲温度変化の悪影響を回避するための較正プロセスでそのようなフィードバック回路の必要性を無くすことができる。
[焦点面アレイ(FPA)]
真空パッケージ化されるFPAパッケージ108の断面を図4aに示す。FPA108には、シーン128からのIR光及びNIR源102からのNIR光124が、FPA108の下にある構成要素に妨げられずに又はほぼ妨げられずに通過できるように、IR及びNIR放射線に対して透過性であるIR窓116が含まれる。また、IR窓116は、FPA108パッケージの頂部表面に気密境界を提供する。例示の実施形態は、IR光の反射率を低減するために両側に被覆されたZnSe窓を用いる。被膜は、IR及びNIR光の双方に対して透過性又はほぼ透過性である。
真空パッケージ化されるFPAパッケージ108の断面を図4aに示す。FPA108には、シーン128からのIR光及びNIR源102からのNIR光124が、FPA108の下にある構成要素に妨げられずに又はほぼ妨げられずに通過できるように、IR及びNIR放射線に対して透過性であるIR窓116が含まれる。また、IR窓116は、FPA108パッケージの頂部表面に気密境界を提供する。例示の実施形態は、IR光の反射率を低減するために両側に被覆されたZnSe窓を用いる。被膜は、IR及びNIR光の双方に対して透過性又はほぼ透過性である。
FPA108の基本構成要素には、全画素の支持基部としての基板、検出要素としての熱チューナブル光学フィルタ、基板への小さい熱伝導経路、及びIR光を吸収してフィルタへの熱を生成する材料(この材料は、フィルタそれ自体であってよい)、が含まれる。FPAの1つの構造を図4aに示す。
FPA108には、アレイ状の画素要素118が含まれ、その各々が、画素を支持基板120から熱絶縁する低熱伝導率を有する支柱146によって支持される。図5は、アレイ状画素要素118の一部の平面図を示す。各個々の画素148は、形状が六角形であり、単一の支持支柱146を破線円として示す。例示の実施形態において、画素の幅150は、約50μmであり、支柱の直径は、約5μmである。画素148間の溝152は、画素148を互いに熱絶縁して、熱クロストークを防止する。この構造によって提供される熱絶縁によって、入射IR放射線に対する画素要素118の感度が強化される。
画素要素間の溝152を通過するNIR光は、画素要素の熱チューナブル光学フィルタ処理によって変調されず、従って、NIR検出アレイ116によって検出された変調信号を弱めたり、それと干渉したりする可能性がある。反射層200は、図4bに示すように、個々の画素148間の溝152の直下にある基板120上の領域だけに成膜される。反射層は、画素を通過する変調された光と干渉することなく、この無変調のNIR光が基板を通過するのを防止する。反射層200は、FPAが透過モードで用いられる場合、即ち、NIR光がFPAを通過する場合、用いられる。吸収層又は反射防止被膜層は、FPAが反射モードで用いられる場合、この反射層の代わりに用い得る。そのような反射、吸収、又は反射防止被膜層は、金属、酸化金属、又は誘電体多層被膜であってよく、また、通路が極めて狭い(その結果充填率が高い)場合、この層は、必要ではない。この層を用いて、例えば、この反射層を1つの鏡として、画素要素の空隙及び底部層を空胴として、また、画素要素内又はそれ上に他の鏡用いて、フィルタの応答性を強化することも可能である。また、空隙及び画素フィルタを用いて、多空胴フィルタを形成し得る。
アレイ状の画素要素118を支持する基板120は、画素によって変調されたNIRビームがFPA108を通過し得るように、NIR光に対して透過である。また、基板120は、高い熱伝導率を有し、良好な熱下グランド面を画素148に提供する。従って、基板120は、特定の画素又は一群の画素からの熱を分散し、隣接した画素の熱バイアスを防止する。例示の実施形態において、基板120は、光学級のサファイアで構成される。基板120には、非FPA側(即ち、画素アレイを支持しない基板の面)に反射防止被膜が含まれる。この被膜は、NIR検出器アレイ114に達するNIR光の量を増大させ、また、反射によって生じるFPAフィルタスペクトルの干渉縞を減少させる。また、基板のFPA側には、反射防止被膜を含み得る。この被膜は、NIR波長範囲において反射防止が可能なように、IR範囲において高度に反射が可能なように選択され、IR光に「二重通過」を提供して、吸収を大きくする。基板は、サファイアに限定されない。透過モードでは、熱伝導性で、NIRに対して透過性の基板は、どのようなものでも用いることができ、また、(本明細書において述べたように)CMOS又はCCD検出器を基板として用い得る。反射モードにおいて、基板は、NIRに対して透過性である必要はないため、例えば、シリコンウェーハを用い得る。
IR窓116は、アレイ状の画素要素118の外周部周辺に配置された金属フレーム140で画素アレイ基板120に接合される。金属フレーム140は、製造時、適切な温度及び圧力条件下におかれた場合、IR窓116及び基板120に接合するインジウム(又は他の半田付け材料)で構成される。この接合プロセス及び他のFPA製造ステップの詳細については、以下のFPA真空パッケージングについて記載する節に示す。
基準フィルタ110は、基準フィルタ基板142上に成膜され、また、図4aに示すように、画素アレイ基板の背面に対向して配置される。FPA108(即ち、画素アレイ基板120に接合されたIR窓116)及び基準フィルタ基板142上の基準フィルタ110は、TEC122内にパッケージ化される。このTEC122は、FPA108及び基準フィルタ110の温度を一定又はほぼ一定温度に維持する。特定の温度が、選択され、基準フィルタ110とFPA108との間の温度差異を低減又は無くし、あるいは、基準フィルタが固定フィルタである(即ち、温度により変化しない)場合、システムの動的範囲を大きくする。FPA108及び基準フィルタ110のチューナビリティ係数が、同じ又はほぼ同じ場合、TEC122は必要ではない。
NIR検出器アレイ114は、フィルタ処理されたNIRビーム130を受光し、また、FPA108からNIRビーム130を介してアレイ114上に投射された二次元像を表す電気信号を生成する市販のCCD又はCMOSカメラである。NIR検出器アレイ114は、極めて単純で高歩留の製造プロセスによって生成し得る画素構造を有する。更に、そのような検出器アレイは、商品化という視点から見て、開発が進んでおり、急速に進化改善が進んでおり、一般的に、日用品と見なされる。結果的に、NIR検出器アレイ114は、市販されているIR画像システムの検出器アレイと比較して、高価ではなく、また、製造が容易である。
[画素支柱]
画素要素から基板への熱伝導の小さい経路は、種々の設計及び材料で完成し得る。例示の実施形態において、画素支柱146は、中空である。画素148の熱絶縁を増大すると、入射IR放射線に対する画素148の感度が増大する。中空支柱146は、画素146の熱絶縁に大きく寄与する。
画素要素から基板への熱伝導の小さい経路は、種々の設計及び材料で完成し得る。例示の実施形態において、画素支柱146は、中空である。画素148の熱絶縁を増大すると、入射IR放射線に対する画素148の感度が増大する。中空支柱146は、画素146の熱絶縁に大きく寄与する。
図6a乃至6hは、上述した画素支柱146を製造するためのプロセスを示す。
最初に、成膜処理時受ける熱サイクルを介して、引き続き成膜される材料の接着を促進する基板120のFPA側(即ち、画素アレイ118を支持する側)に一層のTiを形成する。そして、犠牲層160が、図6aに示すように、基板120上に成膜される。例示の実施形態において、基板120は、サファイアで構成され、犠牲層160は、サファイアよりエッチング速度が大きい材料(例えば、窒化シリコン(SiNx)、ポリイミド等)で構成される。
最初に、成膜処理時受ける熱サイクルを介して、引き続き成膜される材料の接着を促進する基板120のFPA側(即ち、画素アレイ118を支持する側)に一層のTiを形成する。そして、犠牲層160が、図6aに示すように、基板120上に成膜される。例示の実施形態において、基板120は、サファイアで構成され、犠牲層160は、サファイアよりエッチング速度が大きい材料(例えば、窒化シリコン(SiNx)、ポリイミド等)で構成される。
犠牲層が成膜された後、支柱穴162が、図6bに示すように、例えば、「ボッシュ(Bosch )」プロセス等の深いリアクティブイオンエッチング(DRIE)プロセスを用いて、縦に犠牲層にエッチングされる。このプロセスは、支柱穴162の側壁が、ポリマ層によって更なる水平方向のエッチングから保護されるように、交互の一連の縦方向エッチング及びパッシベーションステップを用いる。犠牲材料は、ポリマ材であってよい。ポリマが感光性である場合、支柱穴162は、穴が、当分野で公知のフォトリソグラフィ手法を用いて画成された後、化学エッチングプロセスでエッチングし得る。
そして、二酸化シリコン(SiOx)の保護層164が、図6cに示すように、犠牲層及び支柱穴162上に共形的に成膜される。他の選択肢として、保護層164は、熱伝導率が小さい他の材料で構成し得る(例えば、アモルファスSi、窒化シリコン、又は種々の他の材料も好適である)。保護層は、NIR光の1/4波長の偶数(通常、2又は4)の光学厚さを有する。成膜プロセスのパラメータ(例えば、温度、圧力、流量等)を制御して、支柱穴162の頂部付近で保護層164に「ピンチオフ」165させて、支柱穴162内に空孔を残し得る。ピンチオフは、支柱穴162を閉じる又はほぼ閉じるように、支柱穴162の頂部において保護層164を厚くすることによって生成される。ピンチオフは、関連する成膜プロセスを適応させることによって円柱状の穴内で発生させ得るが、このピンチオフ効果は、支柱穴162の側壁を成形する(例えば、穴が深くなるにつれて、穴の直径が大きくなるように下側をくりぬく)ことによって、促進し得る。
この共形成膜を終了した後、フィルタ166が、図6dに示すように、保護層164上に製造される。本実施形態において、フィルタは、本明細書中にて引用・参照する米国特許出願第10/666,974号、表題「屈折率チューナブル薄膜干渉被膜」に記載されるような多層構造である。FPAにおいて種々の応答度及び時定数を達成するのに非常に多くのバリエーションが可能である。例示の実施形態は、アモルファスシリコン(a-Si)及びアモルファス窒化シリコン(a-SiNx)から成膜される単純な単空胴ファブリ−ペロ構造を用いる。4対の鏡が、許容可能な挿入損失の狭フィルタ機能、即ち、4対の1/4波(NIR)a-Si+a-SiNx、そして、a-Siの4つの1/4波の空洞(又は「欠陥」)、そして、4対の1/4波a-SiNx+a-Siを提供するに充分である。これらの層は、良質なa-Si半導体材料(NIR範囲において低光学損失に対応する)を提供するPECVDプロセスを用いて、また、犠牲a-SiNx層と比較した場合、RIEに対する耐性を促進する成長条件下で、成長される。
フィルタ166を基板120上に成膜した後、次に、マスク層168(例えば、アルミニウム)が成膜される。支柱穴162の頂部におけるピンチオフ165は、支柱穴162の頂部においてフィルタ層166を平面に維持し、フィルタ層が支柱内に入り込んで延在するのを防止する。このことは、重要であるが、この理由は、フィルタ層166が支柱内に入り込んで延在すると、マスク層がフィルタの表面上で連続ではなくなる可能性があるため、即ち、マスク層168における切れ目が、支柱穴において形成され、後続の処理ステップのエッチング液が支柱の直ぐ周辺の領域にあるフィルタ材料を腐食し得るためである。上述したように、支柱穴162の頂部におけるピンチオフは、ピンチオフ領域が、フィルタ166が支柱穴162内に大幅に延在するのを防止するのに充分なほど狭い限り、完全である必要はない。
そして、マスク層168は、図6eに示すように、パターン化され個々の画素を絶縁する網の目のような狭い溝152を画成する。フィルタ166及び保護層164は、図6fに示すように、ドライエッチングプロセスを用いることによって、縦にエッチングされる。更に、具体的には、エッチングガスが、例えば、CHF3とO2との組合せであるリアクティブイオンエッチングが用いられる。これらのガス、プロセスに用いられるプラズマ、及び除去されつつあるフィルタ材料間の反応によって、光学フィルタ166の残留アイランドの側壁上に防護層(例えば、ポリマ172)が当然形成される。ポリマ材料172は、エッチングが縦に継続する際、水平方向エッチングから光学フィルタを保護する。
次に、エッチング条件が変更され、図6gに示すように、犠牲層160が水平方向にエッチング除去される。更に、具体的には、光学フィルタ166がエッチングされた後、エッチングガスが、CF4及びO2に切り替えられ、これによって、犠牲SiNx層において、等方性のエッチングが行われる。他の犠牲材料には、例えば、ポリマ又はポリイミドをエッチングする酸素プラズマを用いて、又は金属、ポリマ、SiNx等用のウェットエッチングプロセスを用いて、他のエッチング製法を用い得る。
エッチングは、保護層64において停止する。このプロセスによって、中空支柱174が形成される。マスク層168は、図6hに示すように、適切なエッチングプロセスで除去され、IR吸収層176は、画素148の表面に成膜し得る。場合によっては、フィルタ材料それ自体が、IRを吸収する(又は対象の波長範囲において吸収する)ように選択されてもよく、この場合は、吸収層176は必要ではない。例示の実施形態において、吸収層は、窒化シリコンの厚い層であるが、透過性の伝導性酸化物又は当分野で公知の他のIR吸収材料を吸収層176に用い得る。
中空支柱構造の主な利点は、極めて小さい熱漏洩及び機械的な堅牢性である。支柱174は中空であり、また、熱が、薄い円柱状の外殻に沿ってのみ伝導することから、画素148から基板120への熱漏洩は、極めて低い。
画素支柱174の熱伝導率を減少させるために、保護層164の組成を変更して、その多孔性を増大し得る。例えば、シリコン酸素カーバイド材料を用い得る。他の選択肢として、保護層164は、当分野で公知の種々のドーパントのうちのいずれか1つを添加して、その熱伝導率を減少し得る。あるいは、支柱壁は、刻み目を入れたり、もしくは、織ったように作って、それらの熱伝導率を低減し得る。
犠牲層160の厚さ(及び結果的に、フィルタ層166と基板との間のその結果得られるスペースの高さ)は、FPAの性能に影響を及ぼす。このことは、基板120が、完全に透過性でなく、従って、フィルタ層166を基板120側に通過するNIR光の一部が、フィルタ166に反射して戻るという理由による。従って、犠牲層の厚さは、(NIR光の波長範囲に基づき)フィルタ層166と基板120との間のスペースを、NIR波長での共振をサポートしない「不在層」(例えば、NIR光の偶数の1/4波長)にするように選択される。フィルタ層166と基板120との間のスペースは、また、多空胴フィルタアーキテクチャのフィルタ積層における層の1つとして設計して、フィルタの応答性を更に改善し得る。
画素要素及び支柱構造を製造するために、他の手法を用い得る。例えば、図7a乃至7fは、中実支柱を有する画素を製造するためのプロセスを示す。図7aにおいて、吸収体171及びフィルタ173は、酸化シリコンウェーハ167即ち処理ウェーハの酸化物層169上に成長され、そして、穴175が各画素要素の中心にエッチングされるように、フィルタ173及び吸収体171が、パターン化されエッチングされる。酸化物層169は、フィルタ173及び吸収体171のエッチングを良好に制御し得るように、エッチングストップとして機能する。図7bにおいて、熱絶縁及びUV感光性材料177(例えば、SU8フォトレジスト)が、ウェーハ167上に成膜される。図7cにおいて、他のウェーハ179が、熱絶縁及びUV感光性材料177に接合され、従って、吸収体171、フィルタ173、熱絶縁体177は、2つのウェーハ(167及び179)間に挟まれ、サンプル全体がひっくり返されて更に処理される。図7dにおいて、処理ウェーハ167のシリコンが、研磨及び化学又はドライエッチングの組合せによって除去されている。再度、酸化物層169は、エッチングストップとして機能する。図7eにおいて、サンプルは、SU8フォトレジストが、露光と非露光部との間でエッチング選択可能になるように、UV露光される。フィルタ173は、フィルタ材料(アモルファスシリコン)がUVに対して透過性でないことから、フォトマスクとして用いられる。SU8は、陰画性材料であるため、UV露光後、元の開口穴175及びその直下のSU8は、UVに露光されていない領域より硬くなる。そして、酸化物層169、フィルタ173、及び吸収体171は、パターン化されエッチングされて、各画素要素の周辺に溝181がある個々の画素になる。図7fにおいて、非露光SU8領域は、除去され、支柱183によって基板に接続されたフローティング状態の画素が残る。
製造手法の他の例を図7g乃至7iに示す。図7gにおいて、厚膜窒化シリコン層187又は他の材料が、基板185上に成長され、そして、フィルタ189及び吸収体191が、その後、成長される。図7hにおいて、各画素が溝193によって取り囲まれるように、吸収体191及びフィルタ189が、パターン化されエッチングされる。窒化シリコン層187は、この段階において、縦にもエッチングし得るが、フィルタの裏面は、エッチングされない。図7iにおいて、窒化シリコン層187は、中央の支柱195だけがフィルタ189の直下残されるように、等方的にエッチングされる。
更に他の製造手法を図7j乃至7rに示す。図7jにおいて、吸収体203、フィルタ201及び犠牲層199は、基板197上に成膜される。図7kにおいて、吸収体203、フィルタ201、及び犠牲層199が、パターン化されエッチングされて、アレイ上の穴になる。図7lにおいて、二酸化シリコン等の一層の熱絶縁材料205が、ウェーハ全体に共形的に成膜される。図7mにおいて、絶縁材料205が、空気栓207を有するSiO2支柱が残るように、パターン化されエッチングされる。図7nにおいて、吸収体203及びフィルタ201が、パターン化されエッチングされて、個々の画素要素になり、画素要素間に溝209が生成される。図7oにおいて、犠牲材料が除去され、支柱211上に立つ画素要素が残る。
このプロセスは、種々に変更し得る。種々のそのような変更の結果を図7p、7q及び7rに示す。図7pにおいて、吸収体は、SiO2層がエッチングされた後、成膜される。この手法によって、堅牢性が増し、また、充填率が良くなる。図7qにおいて、フィルタ及び吸収体の双方が、犠牲層上に成膜される。図7rにおいて、フィルタそれ自体が支柱として用いられる。
[FPAの真空パッケージング]
一旦、アレイ状の画素要素118が基板120上に製造されると、アレイ状の画素要素118、基板120及びIR窓116は、単一のユニットとして真空パッケージ化され、FPA108を形成する。
一旦、アレイ状の画素要素118が基板120上に製造されると、アレイ状の画素要素118、基板120及びIR窓116は、単一のユニットとして真空パッケージ化され、FPA108を形成する。
図8aは、予め製造されたウェーハ180を示すが、ウェーハ180上には、多数の画素アレイ118が、成膜され製造されている。個々のアレイ118は、画素、支柱又は他の構造がない単に広い帯状のむき出しの基板120である「空の通路」182によって分離される。
図8bに示す真空パッケージングのために用いられる構成要素には、予め製造されたウェーハ180、封止フレーム184、及びIR窓ディスク186が含まれる。封止フレーム184は、フレーム184の縦横の部材がウェーハ180上の通路182に対応するように、モールド成形又は当分野で公知の他の手法(例えば、薄膜成膜)によって形成される。
封止フレーム184(他の半田材料も用い得るが、ここではインジウム製)及びウェーハ180は、封止フレーム184が、ウェーハ180上の画素アレイ118間の通路182に適合するように位置合わせされ、IR窓ディスク186は、図8cに示すように、封止フレーム184の頂部上に配置される。この「サンドイッチ」構造は、大気圧より大幅に低い圧力に排気される真空炉に配置され、そして、インジウムフレームが軟化して、ウェーハ180及びIR窓ディスク186に結合し始める温度に加熱される。IR窓ディスク186の頂部上に配置された重り188は、軟化したインジウムフレームの分散量を制御する。これらの条件下において、封止フレーム184は、粘着性を帯びて、ウェーハ180及びIR窓ディスク186の表面に粘着する。そして、炉の温度は、封止フレーム184が硬化するように、下げられる。従って、ウェーハ180、封止フレーム184及びIR窓186は、FPAの真空封止アレイを形成し、そして、これは、個々のFPAユニットに分割されるが、そのうちの1つを図4に示す。
パッケージにおけるわずかな漏洩及び成膜層の脱ガスが、FPA108内の真空を劣化し得る。真空が劣化すると、画素要素から離れた所での熱伝導が大きくなり、それらの感度が小さくなる。わずかな漏洩及び脱ガスを緩和するために、ゲッタ材料が、真空封止に先立ち、FPAパッケージ内の選択された表面上に成膜される。ゲッタ材料は、異質のガスを捕獲して、ガスを固体に変換することによって、FPAパッケージ内の圧力(及び結果的に、熱絶縁)を低く維持するように機能する。適切なゲッタ材料が、当分野で公知である。
FPAを製造及びパッケージングするための1つの手順の概要が、[付録A]に含まれる。この手順は、中実の画素支柱を生成し、エッチングプロセスで画素支柱を画成する前にウェーハのダイシングを行う。更に、この手順は、ウェーハレベルではなく、むしろFPAユニットを個々にパッケージ化する。
FPAを製造するための他の手順の概要が、[付録B]に含まれる。この手順は、中空の画素支柱を生成する。
[他の実施形態]
図9は、図1に示すシステムに用いられる透過モードと比較して、FPAが反射モードで動作するカメラシステムを示す。反射モードでは、LED102及びコリメーティングレンズ104は、平行NIR光124をスプリッタ106aに向け、スプリッタ106aは、NIR光の方向をFPA108に変える。NIR光124は、基準フィルタ110を通過し、アレイ状の画素要素118上に入射する。アレイ状の画素要素118を透過しないNIR光は、反射して、基準フィルタ110を通り、スプリッタ106aを通り、集束レンズ112を通って、NIR検出器アレイ114上に結像する。IRレンズ129は、画像化対象シーン128からのIRエネルギを基板120を介してアレイ状の画素要素118上に集束する。反射モードでは、NIR光124は、FPAを通過する必要がないため、基板は、NIR波長範囲において透過性である必要はない。従って、基板は、NIR光に対して不透明であるがサファイアより安価なシリコン等の材料で構成し得る。
[他の実施形態]
図9は、図1に示すシステムに用いられる透過モードと比較して、FPAが反射モードで動作するカメラシステムを示す。反射モードでは、LED102及びコリメーティングレンズ104は、平行NIR光124をスプリッタ106aに向け、スプリッタ106aは、NIR光の方向をFPA108に変える。NIR光124は、基準フィルタ110を通過し、アレイ状の画素要素118上に入射する。アレイ状の画素要素118を透過しないNIR光は、反射して、基準フィルタ110を通り、スプリッタ106aを通り、集束レンズ112を通って、NIR検出器アレイ114上に結像する。IRレンズ129は、画像化対象シーン128からのIRエネルギを基板120を介してアレイ状の画素要素118上に集束する。反射モードでは、NIR光124は、FPAを通過する必要がないため、基板は、NIR波長範囲において透過性である必要はない。従って、基板は、NIR光に対して不透明であるがサファイアより安価なシリコン等の材料で構成し得る。
例示の実施形態におけるコリメーティングレンズ104は、不均一の透過パターンを生成するNIR源(LED)から均一の照射をFPAに提供する。他の選択肢として、LEDは、拡散レンズを用いて、これらの透過不均一性を平滑化し得る。
光路の反射板106の必要性を無くするために、NIR光を生成するためのLEDを、図10に示すように、IRレンズに組み込み得る。LED210は、IRレンズ212の中心に組み込まれ、適切な光学技術を介して、LED210の近傍にIRレンズ212が形成され、均一のNIR光を生成して、FPAを照射する。
同様に、LED214は、図11に示すように、反射モードで動作するIRカメラシステム用の集束レンズ216に組み込み得る。
反射板を用いる代わりに、FPA108上のIR窓の外表面に塗布される格子層220を用いて、図12に示すように、ある角度で射出されたLEDからのNIR光の方向を変え得る。1つのそのような格子が、体積相ホログラフィー格子である。ホログラフィー格子の線間隔は、NIR光124の(FPAの表面に対する)特定の角度に対して選択され、また、より長波長のIR光126にはほとんど影響がない。他の選択肢として、フレネルレンズ(fresnel lens)を格子層220として用い、NIR光124の方向を変え、これによって、反射板106を無くし得る。
反射板を用いる代わりに、FPA108上のIR窓の外表面に塗布される格子層220を用いて、図12に示すように、ある角度で射出されたLEDからのNIR光の方向を変え得る。1つのそのような格子が、体積相ホログラフィー格子である。ホログラフィー格子の線間隔は、NIR光124の(FPAの表面に対する)特定の角度に対して選択され、また、より長波長のIR光126にはほとんど影響がない。他の選択肢として、フレネルレンズ(fresnel lens)を格子層220として用い、NIR光124の方向を変え、これによって、反射板106を無くし得る。
より集積度の高いIRカメラシステムを作製するために、FPAをNIR検出器アレイに密接に関連付け得る。この関連付けは、少なくとも2つの異なる方法で実現し得る。アレイ状の画素要素118を、直接、NIR検出器アレイ114上に製造し、単一の一体化装置にし得る。他の選択肢として、NIR検出器アレイから分離してFPAを製造し、2つの構成要素を組み合せて、単一の真空封止パッケージにし得るが、これは、2つの構成要素のために選択された製造技術が互換性がない場合、必要になる。
[基本原理の他の用途]
本明細書において述べたIRカメラシステムの土台である熱センサは、高い応答性を呈し、また、適切に特徴付けられた材料及びプロセスを用いて、高い歩留で製造可能である。一般的に、プローブ信号の波長は特定の範囲に限定されず、また、熱チューナブル光学フィルタにおいて熱変化を発生させる信号の波長(もしあれば)は特定の範囲に限定されない。(本明細書において述べたIRカメラシステムの他に)このフィルタベースの熱検出システムの用途には以下が含まれるが、これに限定されない。
本明細書において述べたIRカメラシステムの土台である熱センサは、高い応答性を呈し、また、適切に特徴付けられた材料及びプロセスを用いて、高い歩留で製造可能である。一般的に、プローブ信号の波長は特定の範囲に限定されず、また、熱チューナブル光学フィルタにおいて熱変化を発生させる信号の波長(もしあれば)は特定の範囲に限定されない。(本明細書において述べたIRカメラシステムの他に)このフィルタベースの熱検出システムの用途には以下が含まれるが、これに限定されない。
<高感度遠隔読み出し温度計>
チューナブル光学フィルタに基づく熱センサは、極めて高精度の温度計を構築するために用い得るが、その例を図13に示す。この温度計は、自由空間において又は光ファイバを介したいずれかにおいて、光学的に応答させ得る。光ファイバ構成では、多数のセンサが、単一の「バス型」又は「スター型」構成上に一続きになって、構造体又は油田/ガス田において分散温度検出を行い得る。
チューナブル光学フィルタに基づく熱センサは、極めて高精度の温度計を構築するために用い得るが、その例を図13に示す。この温度計は、自由空間において又は光ファイバを介したいずれかにおいて、光学的に応答させ得る。光ファイバ構成では、多数のセンサが、単一の「バス型」又は「スター型」構成上に一続きになって、構造体又は油田/ガス田において分散温度検出を行い得る。
図13は、遠隔読み出し温度計の一般的なアーキテクチャを示す。狭帯域NIR源230は、熱チューナブル光学フィルタ234を介してNIRキャリア信号232を導く。チューナブル光学フィルタ234は、本明細書において述べたように、フィルタ234の温度に基づき、キャリア信号232を「変調」(即ち、フィルタ処理)する。局所的な環境から直に又は他の源からのいずれかに関わらず、IR放射線240は、フィルタ234を加熱する。他の選択肢として、フィルタは、IR放射線以外のメカニズム(例えば、伝導、対流等)によって加熱し得る。NIR検出器238は、変調されたキャリア236を受光し、これから、フィルタ234の温度に対応する変調キャリア236の強度を測定する。NIR検出器は、電気信号を生成し、その(例えば、電圧、電流、周波数等の)パラメータは、フィルタ234の温度に対応する。
温度センサのための以下に述べる全ての用途が、図13に述べたものと本質的に同じアーキテクチャ及び機能を用いる。
<流量検出及び画像化>
1つ又は複数の光学熱センサを用いて、流量又は流れパターンを検出し得る。流量を測定するための1つの手法は、加熱要素を用いて、流れの特定の点を加熱し、流れの上流点及び下流点であって、加熱要素から等距離にある双方の点での温度を測定することである。材料が流れない場合、上流点及び下流点における温度は、等しい。流量が増大すると、流れ材料は、上流点から下流点側に熱を運び去り、こうして、下流点は、上流点より温度が高くなる。流量は、2点間の温度差に比例する。
<流量検出及び画像化>
1つ又は複数の光学熱センサを用いて、流量又は流れパターンを検出し得る。流量を測定するための1つの手法は、加熱要素を用いて、流れの特定の点を加熱し、流れの上流点及び下流点であって、加熱要素から等距離にある双方の点での温度を測定することである。材料が流れない場合、上流点及び下流点における温度は、等しい。流量が増大すると、流れ材料は、上流点から下流点側に熱を運び去り、こうして、下流点は、上流点より温度が高くなる。流量は、2点間の温度差に比例する。
光学熱センサは、上述した2つの点における温度を遠隔的に、また、正確に測定するために用い得る。熱センサの温度を、電気的接続に依拠するのではなくむしろ光学的に読み取る能力は、遠くに位置する流れを測定するための、又は、腐食性の、もしくは危険な材料を測定するための貴重な特徴である。熱センサは、離散的な点や完全な薄板の形態、又は特定の用途に必要な他のいずれかの形状を取り得る。他の選択肢として、熱センサは、摩擦加熱、ガス加圧、又はガス減圧に起因する局所的な加熱又は冷却を検出するために用い得る。マイクロスケールの環境の場合、この熱検出手法は、極めて高い空間的及び熱解像度で温度を測定し、化学及び生物学的検出及び発見に用いられるマイクロ流体システムを明らかにする際、極めて有用である。熱センサは、複雑なパターニングステップなしで、マイクロスケールで流れ表面に直接適用し得る。そして、温度読み取りは、遠隔的に及び非侵襲的に行い得る。
<加速度計>
光学読み取り式熱センサは、熱加速度計に用い得るが、熱加速度計は、例えば、加熱空気の気密封止気泡周辺の温度変動を監視するによって、加速度を測定する。気泡の加速度又は傾動は、刺激の方向に依存して、気泡周辺の異なる方向の加熱空気の流れ(及び従って、温度勾配)を生成する。温度センサは、流れによる温度変動を測定する。図13に述べたアーキテクチャ及び原理を用いる光学センサに基づくシステムは、加速度又は傾動に対する何倍も大きい感度を提供し得る。更に、熱センサは、温度読み取りが遠隔的に及び非侵襲的に行い得るように、複雑なパターニングステップなしで、流れに関連する表面にマイクロスケールで直接適用し得る。
光学読み取り式熱センサは、熱加速度計に用い得るが、熱加速度計は、例えば、加熱空気の気密封止気泡周辺の温度変動を監視するによって、加速度を測定する。気泡の加速度又は傾動は、刺激の方向に依存して、気泡周辺の異なる方向の加熱空気の流れ(及び従って、温度勾配)を生成する。温度センサは、流れによる温度変動を測定する。図13に述べたアーキテクチャ及び原理を用いる光学センサに基づくシステムは、加速度又は傾動に対する何倍も大きい感度を提供し得る。更に、熱センサは、温度読み取りが遠隔的に及び非侵襲的に行い得るように、複雑なパターニングステップなしで、流れに関連する表面にマイクロスケールで直接適用し得る。
<一般的放射センサ>
特定の材料が、電磁放射の種々の波長を吸収し、その放射を熱エネルギに変換することが知られている。これらの材料は、上述した光学読み取り式熱センサと結合して、図13に述べたアーキテクチャ及び原理を用いる超高感度の電磁気検出器を提供し得る。例えば、X線検出及び分析が、高感度のマイクロ熱量計を用いて、実証されている。この光学的読み取り温度センサを用いて、そのような熱量計は、更に、熱絶縁でき(即ち、電気的接続がないため)、チューナブル膜は、極めて高い応答性を提供する。このように、上述した光学読み取り式熱センサは、超高感度の放射検出器を構成するのに用い得る。
特定の材料が、電磁放射の種々の波長を吸収し、その放射を熱エネルギに変換することが知られている。これらの材料は、上述した光学読み取り式熱センサと結合して、図13に述べたアーキテクチャ及び原理を用いる超高感度の電磁気検出器を提供し得る。例えば、X線検出及び分析が、高感度のマイクロ熱量計を用いて、実証されている。この光学的読み取り温度センサを用いて、そのような熱量計は、更に、熱絶縁でき(即ち、電気的接続がないため)、チューナブル膜は、極めて高い応答性を提供する。このように、上述した光学読み取り式熱センサは、超高感度の放射検出器を構成するのに用い得る。
また、ミリ波(例えば、THz)及びマイクロ波放射もこの手法で検出し得る。一部の波長には、入射放射を熱に変換するために、各個々のセンサ要素上に結合アンテナが必要である(即ち、例示の実施形態のIR吸収材料と類似している)。プローブビームの妨害を回避するために、アンテナは、プローブビームに対して透過な伝導性の酸化物で構成し得る。又は、アンテナは、当分野で公知のマイクロストリップ(micro-strip )、パッチ又は他の低プロファイル設計を用い得る。
<化学又は生物学的活動センサ>
図13に述べたアーキテクチャ及び原理を用いる1つ又は複数の光学読み取り式熱センサは、熱を生成又は消費する化学又は生物学的活動を検出するために用い得る。ここに述べた光学センサは、本出願に対して2つの大きな利点を有する。第1には、光学センサは、光学キャリア信号を用いて、遠隔的に応答させ得るが、化学又は生物学的システムに対して単純な設計が可能であり、また、これらのシステムに用いられるマイクロ熱量計に対して非常に高いレベルの熱絶縁が可能である。これらマイクロ熱量計のうちの1つにおける反応による温度上昇は、基板への伝導経路に反比例するため、金属電気的接点を無くすと、温度変化に対する感度が大幅に強化される。更に、遠隔応答操作によって、センサは、完全に絶縁され、測定対象の化学又は生物学的活動を汚染する可能性が低減される。第2に、光学センサは、温度変化に対して極めて高感度であり、こうして、センサは、極めて小さい温度変動を測定し得る。また、これらの利点は、電子的方法より何倍も高感度であるだけでなく、また更により単純な設計を、特に、大規模なスクリーニングに用いられるアレイ構造に提供する熱化学及び生物学的反応検出を提供する。
図13に述べたアーキテクチャ及び原理を用いる1つ又は複数の光学読み取り式熱センサは、熱を生成又は消費する化学又は生物学的活動を検出するために用い得る。ここに述べた光学センサは、本出願に対して2つの大きな利点を有する。第1には、光学センサは、光学キャリア信号を用いて、遠隔的に応答させ得るが、化学又は生物学的システムに対して単純な設計が可能であり、また、これらのシステムに用いられるマイクロ熱量計に対して非常に高いレベルの熱絶縁が可能である。これらマイクロ熱量計のうちの1つにおける反応による温度上昇は、基板への伝導経路に反比例するため、金属電気的接点を無くすと、温度変化に対する感度が大幅に強化される。更に、遠隔応答操作によって、センサは、完全に絶縁され、測定対象の化学又は生物学的活動を汚染する可能性が低減される。第2に、光学センサは、温度変化に対して極めて高感度であり、こうして、センサは、極めて小さい温度変動を測定し得る。また、これらの利点は、電子的方法より何倍も高感度であるだけでなく、また更により単純な設計を、特に、大規模なスクリーニングに用いられるアレイ構造に提供する熱化学及び生物学的反応検出を提供する。
この概念は、また、例えば、指紋によって作られた表面温度プロファイルを解析するための接点センサとして用い得る。FPA上で熱吸収体表面に接触する指は、吸収体上で指紋稜線パターンに対応する熱パターンを生成する。そして、プローブビームは、FPAの背面から反射して、プローブ検出器によって検出され、こうして、プローブ検出器からの画像が、指紋稜線パターンに対応する。集積回路の表面プロファイルは、故障条件を示す高温箇所や高い活動領域を検出するために、同様に解析し得る。
他の側面、変形例、及び実施形態は、請求項の範囲内にある。
[付録A]
<熱画像装置:FPA製造プロセス及び真空パッケージングプロセスの詳細説明>
I.FPA製造
1.基板準備
a.まず初めに、NIR波長範囲における透過性と、焦点面アレイ(FPA)用の均一の「熱下グランド面(thermal ground plane)」に対する高い熱伝導率と、を提供する光学級の両面研磨サファイア基板を準備する。
[付録A]
<熱画像装置:FPA製造プロセス及び真空パッケージングプロセスの詳細説明>
I.FPA製造
1.基板準備
a.まず初めに、NIR波長範囲における透過性と、焦点面アレイ(FPA)用の均一の「熱下グランド面(thermal ground plane)」に対する高い熱伝導率と、を提供する光学級の両面研磨サファイア基板を準備する。
b.硫酸及び過酸化水素の50/50溶液中でサファイア基板を洗浄する。
c.反射防止(AR)被膜をサファイア基板の非FPA側に塗布する。この被膜は、CMOS又はCCD読み取りシステムに達するNIR光の量を最大にし、基板から生じるあらゆる干渉の影響を除去する。
c.反射防止(AR)被膜をサファイア基板の非FPA側に塗布する。この被膜は、CMOS又はCCD読み取りシステムに達するNIR光の量を最大にし、基板から生じるあらゆる干渉の影響を除去する。
d.基板のFPA側に50オングストローム層のTiを成膜する。この極めて薄い金属層は、処理中に受ける熱サイクルを介して引き続き成膜される材料の接着を促進する。
2.犠牲層成膜
a.5〜7ミクロンのアモルファス窒化シリコン層をTi接着層上に成膜する。この層(「犠牲層」又は「支柱層」)は、高いリアクティブイオンエッチング(RIE)速度で相対的に多孔質の材料を生成するために、低温及び低Si含有量で、プラズマ励起化学気相堆積法(PECVD)を用いて、成膜される。
a.5〜7ミクロンのアモルファス窒化シリコン層をTi接着層上に成膜する。この層(「犠牲層」又は「支柱層」)は、高いリアクティブイオンエッチング(RIE)速度で相対的に多孔質の材料を生成するために、低温及び低Si含有量で、プラズマ励起化学気相堆積法(PECVD)を用いて、成膜される。
3.フィルタ積層成膜
a.保護層:NIRプローブ波長の偶数(通常、2又は4)の1/4波の光学厚さを有する一層のアモルファスシリコン酸化物を成膜する。この層は、RIEプロセスに対する堅固な障壁を提供するために、高密度で成膜すべきである。この層は、多数の方法で成膜し得る。例えば、PECVDは、相対的に低い温度において強い被膜を提供する。
a.保護層:NIRプローブ波長の偶数(通常、2又は4)の1/4波の光学厚さを有する一層のアモルファスシリコン酸化物を成膜する。この層は、RIEプロセスに対する堅固な障壁を提供するために、高密度で成膜すべきである。この層は、多数の方法で成膜し得る。例えば、PECVDは、相対的に低い温度において強い被膜を提供する。
b.熱チューナブルNIRフィルタ構造を酸化物層上に成膜する。FPAにおいて種々の応答度及び時定数を達成するのに非常に多くのバリエーションが可能である。1つの例は、アモルファスシリコン(a-Si)及びアモルファス窒化シリコン(a-SiNx)から成膜される単純な単空胴ファブリ−ペロ構造である。4対の鏡が、許容可能な挿入損失の狭フィルタ機能、即ち、4対の1/4波(NIR)a-Si+a-SiNx、そして、a-Siの4つの1/4波の空洞(又は「欠陥」)、そして、4対の1/4波a-SiNx+a-Siを提供するに充分である。これらの層は、良質なa-Si半導体材料(NIR範囲において低光学損失に対応する)を提供するPECVDプロセスを用いて、また、犠牲a-SiNx層と比較した場合、RIEに対する耐性を促進する成長条件下で、成長される。
4.真空金属封止リング
a.チタン/プラチナ層の積層を、フィルタ積層上に成膜しパターン化して、真空封止リングを形成する。積層は、電子ビーム蒸発器で成膜され、通常用いられる「リフトオフ(lift-off)」法によってパターン化される。
a.チタン/プラチナ層の積層を、フィルタ積層上に成膜しパターン化して、真空封止リングを形成する。積層は、電子ビーム蒸発器で成膜され、通常用いられる「リフトオフ(lift-off)」法によってパターン化される。
5.画素要素パターニング
a.Alエッチングマスク:アルミニウムエッチングマスクが、フィルタ層上に塗布されパターン化されることにより、個々の画素要素が、それらを分離する「溝」を露光することで画成される。このAlマスクは、通常、「リフトオフ」法で塗布される。
a.Alエッチングマスク:アルミニウムエッチングマスクが、フィルタ層上に塗布されパターン化されることにより、個々の画素要素が、それらを分離する「溝」を露光することで画成される。このAlマスクは、通常、「リフトオフ」法で塗布される。
b.画素要素エッチング:リアクティブイオンエッチング(RIE)ステップを適用することで、画素要素間の溝領域におけるフィルタ積層を通してエッチングする。具体的には、ポリマで被覆された縦方向側壁を生成したエッチング製法が用いられる。このことは、「ボッシュプロセス(Bosch process )」を含む方法の中でもとりわけ、CHF3+O2+Arエッチング手法を用いて達成し得る。このエッチングは、フィルタ積層下に成膜されたa-SiOx防護層に到達するのに充分な程長く続く。
6.ダイシング
a.ウェーハは、フォトレジストで被覆され、そして、個々のFPAチップにダイシングされる。ダイシング後、フォトレジストは、溶剤によって洗浄除去される。
a.ウェーハは、フォトレジストで被覆され、そして、個々のFPAチップにダイシングされる。ダイシング後、フォトレジストは、溶剤によって洗浄除去される。
7.支柱画成
a.FPAチップは、RIEによって再度エッチングされる。まず、CHF3+O2+Arエッチングを用いて、溝内のあらゆる残留SiOx保護層をエッチング除去し、そして、CF4+O2エッチングを用いて、フィルタメンブレン直下を等方エッチングする。SiOx保護層のために、フィルタ底部層は、このプロセスではエッチングされない。また、エッチングは、残留犠牲層材料が支柱を形成してフィルタメンブレンを支持するように時間計測される。このCF4+O2エッチング手法において、最後のエッチング(CHF3+O2+Ar)によって形成されたポリマは腐食されるため、エッチングを制御して、溝の広がりを最小限に維持することは重要である。
a.FPAチップは、RIEによって再度エッチングされる。まず、CHF3+O2+Arエッチングを用いて、溝内のあらゆる残留SiOx保護層をエッチング除去し、そして、CF4+O2エッチングを用いて、フィルタメンブレン直下を等方エッチングする。SiOx保護層のために、フィルタ底部層は、このプロセスではエッチングされない。また、エッチングは、残留犠牲層材料が支柱を形成してフィルタメンブレンを支持するように時間計測される。このCF4+O2エッチング手法において、最後のエッチング(CHF3+O2+Ar)によって形成されたポリマは腐食されるため、エッチングを制御して、溝の広がりを最小限に維持することは重要である。
8.Alエッチング
a.チップを標準のAlエッチング液に浸漬してAlエッチングマスクを除去する。
a.チップを標準のAlエッチング液に浸漬してAlエッチングマスクを除去する。
II.FPAパッケージング
1.窓準備
a.ZnSe窓を両側被覆して、8〜15μm波長における反射率を低減する。また、被膜は、LEDが動作するNIR波長において透過である。
1.窓準備
a.ZnSe窓を両側被覆して、8〜15μm波長における反射率を低減する。また、被膜は、LEDが動作するNIR波長において透過である。
b.次に、Ti/Pt積層をZnSe窓上に成膜し、リフトオフ法によってパターン化して、真空パッケージ用の金属フレームを形成する。
2.FPAチップ準備
a.FPAチップ上の金属封止リング表面を希釈HF酸又は希釈HCl酸で処理して、残留汚染物を除去する。
2.FPAチップ準備
a.FPAチップ上の金属封止リング表面を希釈HF酸又は希釈HCl酸で処理して、残留汚染物を除去する。
3.封止
a.プロセスは、真空チャンバにおいて行われる。インジウムフレームは、インジウム線又は他の所定の方法によって形成され、FPAチップ上に配置され、そして、金属封止リングに位置決めされる。
a.プロセスは、真空チャンバにおいて行われる。インジウムフレームは、インジウム線又は他の所定の方法によって形成され、FPAチップ上に配置され、そして、金属封止リングに位置決めされる。
b.窓をフレーム及びFPA上に落とす。また、1つの重りを窓上に配置する。チャンバを真空に減圧し、加熱してインジウムフレームを溶融する。
c.ヒータを切る。インジウムが再度固化し、封止が完了する。
c.ヒータを切る。インジウムが再度固化し、封止が完了する。
[付録B]
III.FPA製造の他の方法
1.基板準備
a.まず初めに、NIR波長範囲における透過性と、焦点面アレイ(FPA)用の均一の「熱下グランド面」に対する高い熱伝導率と、を提供する光学級の両面研磨サファイア基板を準備する。
III.FPA製造の他の方法
1.基板準備
a.まず初めに、NIR波長範囲における透過性と、焦点面アレイ(FPA)用の均一の「熱下グランド面」に対する高い熱伝導率と、を提供する光学級の両面研磨サファイア基板を準備する。
b.硫酸及び過酸化水素の50/50溶液中でサファイア基板を洗浄する。
c.反射防止(AR)被膜をサファイア基板の非FPA側に塗布する。この被膜は、CMOS又はCCD読み取りシステムに達するNIR光の量を最大にし、基板から生じるあらゆる干渉の影響を除去する。
c.反射防止(AR)被膜をサファイア基板の非FPA側に塗布する。この被膜は、CMOS又はCCD読み取りシステムに達するNIR光の量を最大にし、基板から生じるあらゆる干渉の影響を除去する。
d.基板のFPA側に50オングストローム層のTiを成膜する。この極めて薄い金属層は、処理中に受ける熱サイクルを介して引き続き成膜される材料の接着を促進する。
2.犠牲層成膜
a.5〜7ミクロンのアモルファス窒化シリコン層をTi接着層上に成膜する。この層(「犠牲層」又は「支柱層」)は、高いリアクティブイオンエッチング(RIE)速度で相対的に多孔質の材料を生成するために、低温及び低Si含有量で、プラズマ励起化学気相堆積法(PECVD)を用いて、成膜される。
a.5〜7ミクロンのアモルファス窒化シリコン層をTi接着層上に成膜する。この層(「犠牲層」又は「支柱層」)は、高いリアクティブイオンエッチング(RIE)速度で相対的に多孔質の材料を生成するために、低温及び低Si含有量で、プラズマ励起化学気相堆積法(PECVD)を用いて、成膜される。
3.支柱用穴の画成
a.フォトレジストエッチングマスク:犠牲層上にフォトレジストエッチングマスクを塗布し、パターン化して穴を画成する。その後、穴内にSiOxを成膜して、所定の支柱を形成する。フォトレジストを通常の画像反転法で処理して、側壁のアンダーカットプロファイルを形成する。また、このプロファイルは、後のSiOx共形成膜を、頂部で閉じ得ることから、好ましい。
a.フォトレジストエッチングマスク:犠牲層上にフォトレジストエッチングマスクを塗布し、パターン化して穴を画成する。その後、穴内にSiOxを成膜して、所定の支柱を形成する。フォトレジストを通常の画像反転法で処理して、側壁のアンダーカットプロファイルを形成する。また、このプロファイルは、後のSiOx共形成膜を、頂部で閉じ得ることから、好ましい。
b.エッチング:CHF3+O2+Arエッチング手法を用いて、犠牲層をエッチングする。穴が形成される。穴側壁のプロファイルは、フォトレジストプロファイルによって制御される。
c.エッチング後、チップを洗浄する。エッチングによって形成されたポリマもフォトレジストストリッパによって除去される。
4.フィルタ積層成膜
a.保護層及び支柱層:NIRプローブ波長の偶数(通常、2又は4)の1/4波の光学厚さを有する一層のアモルファスシリコン酸化物を成膜する。この成膜は、SiOxを犠牲層中の穴に成膜し得るように、共形でなければならない。このプロセスにおいて、この層は、フィルタ保護層及び支柱材料の双方として機能する。また、この層の成膜は、頂部において「ピンチオフ」するか閉じるべきであり、従って、空洞が穴に形成される。このように、中空支柱を作製し得る。
4.フィルタ積層成膜
a.保護層及び支柱層:NIRプローブ波長の偶数(通常、2又は4)の1/4波の光学厚さを有する一層のアモルファスシリコン酸化物を成膜する。この成膜は、SiOxを犠牲層中の穴に成膜し得るように、共形でなければならない。このプロセスにおいて、この層は、フィルタ保護層及び支柱材料の双方として機能する。また、この層の成膜は、頂部において「ピンチオフ」するか閉じるべきであり、従って、空洞が穴に形成される。このように、中空支柱を作製し得る。
b.熱チューナブルNIRフィルタ構造を酸化物層上に成膜する。FPAにおいて種々の応答度及び時定数を達成するのに非常に多くのバリエーションが可能である。ここでは、アモルファスシリコン(a-Si)及びアモルファス窒化シリコン(a-SiNx)から成膜される単純な単空胴ファブリ−ペロ構造を用いる。4対の鏡が、許容可能な挿入損失の狭フィルタ機能、即ち、4対の1/4波(NIR)a-Si+a-SiNx、a-Siの4つの1/4波の空洞(又は「欠陥」)、そして、4対の1/4波a-SiNx+a-Siを提供するのに充分である。これらの層は、良質なa-Si半導体材料(NIR範囲において低光学損失に対応する)を提供するPECVDプロセスを用いて、また、犠牲a-SiNx層と比較した場合、RIEに対する耐性を促進する成長条件下で、成長される。
5.真空金属封止リング
a.チタン/プラチナ層の積層を、フィルタ積層上に成膜しパターン化して、真空封止リングを形成する。これは、電子ビーム蒸発器で成膜され、「リフトオフ」法によってパターン化される。
a.チタン/プラチナ層の積層を、フィルタ積層上に成膜しパターン化して、真空封止リングを形成する。これは、電子ビーム蒸発器で成膜され、「リフトオフ」法によってパターン化される。
6.画素パターニング
a.Alエッチングマスク:アルミニウムエッチングマスクが、フィルタ層上に塗布されパターン化されることにより、個々の画素が、それらを分離する「溝」を露光することで画成される。このAlマスクは、通常、普通用いられる「リフトオフ」法で塗布される。
a.Alエッチングマスク:アルミニウムエッチングマスクが、フィルタ層上に塗布されパターン化されることにより、個々の画素が、それらを分離する「溝」を露光することで画成される。このAlマスクは、通常、普通用いられる「リフトオフ」法で塗布される。
b.画素エッチング:リアクティブイオンエッチング(RIE)ステップを適用することで、溝領域におけるフィルタ積層を通してエッチングする。具体的には、ポリマで被覆された縦方向側壁を生成したエッチング製法が用いられる。このことは、公知の「ボッシュプロセス」を含む方法の中でもとりわけ、CHF3+O2+Arエッチング手法を用いて達成し得る。このエッチングは、フィルタ積層下に成膜されたa-SiOx防護層に到達するのに充分な程長く続く。
7.ダイシング
a.ウェーハは、フォトレジストで被覆され、そして、個々のFPAチップにダイシングされる。ダイシング後、フォトレジストは、溶剤によって洗浄除去される。
a.ウェーハは、フォトレジストで被覆され、そして、個々のFPAチップにダイシングされる。ダイシング後、フォトレジストは、溶剤によって洗浄除去される。
8.支柱画成
a.FPAチップは、RIEによって再度エッチングされる。まず、CHF3+O2+Arエッチングを用いて、溝内のあらゆる残留SiOx保護層をエッチング除去し、そして、CF4+O2エッチングを用いて、フィルタメンブレン直下を等方エッチングする。SiOx保護層のために、フィルタ底部層は、このプロセスではエッチングされない。このプロセスにおいて、支柱はSiOxで構成されるが、これは、犠牲層のエッチングと比較して、極めて小さいエッチング速度を有するため、エッチングは、支柱において停止し、最終的に、SiOxだけが支柱として機能する。
a.FPAチップは、RIEによって再度エッチングされる。まず、CHF3+O2+Arエッチングを用いて、溝内のあらゆる残留SiOx保護層をエッチング除去し、そして、CF4+O2エッチングを用いて、フィルタメンブレン直下を等方エッチングする。SiOx保護層のために、フィルタ底部層は、このプロセスではエッチングされない。このプロセスにおいて、支柱はSiOxで構成されるが、これは、犠牲層のエッチングと比較して、極めて小さいエッチング速度を有するため、エッチングは、支柱において停止し、最終的に、SiOxだけが支柱として機能する。
9.Alエッチング
a.チップを標準のAlエッチング液に浸漬してAlエッチングマスクを除去する。
a.チップを標準のAlエッチング液に浸漬してAlエッチングマスクを除去する。
Claims (60)
- あるシーンからの第1波長の光から画像を生成するカメラシステムであって、
アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素であって、各画素要素が前記画素要素の温度変化に伴う屈折率変化により波長がシフトする通過帯域を有する、前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素と、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素が、第2波長のフィルタ処理された光を生成するように、前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素に前記第2波長の光を供給する光源と、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素から前記第2波長のフィルタ処理された光を受け取り、前記シーンの画像に対応する電気信号を生成する検出器アレイと、
前記シーンからの前記第1波長の光を前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素に導く光学系と、
を備え、前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素が前記第1波長の光の少なくとも一部を熱に変換し、前記熱の少なくとも一部を吸収する、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記第1波長の光はIR光であり、前記第2波長の光はNIR光である、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は真空パッケージに封止される、カメラシステム。 - 請求項3に記載のカメラシステムにおいて、
前記真空パッケージは、
放射線に対して透過な窓と、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素を支持する基板と、
前記窓と前記基板とを互いに接合するためのインジウムフレームと、
を含む、カメラシステム。 - 請求項3に記載のカメラシステムにおいて、
前記アレイは、
基板と、
各々熱チューナブル光学フィルタを有するマトリックス状の画素要素と、
画素から前記基板への熱経路と、
第1波長の光を吸収し、フィルタへの熱を生成するための材料と、
を含む、カメラシステム。 - 請求項5に記載のカメラシステムにおいて、
前記画素から前記基板への前記熱経路には、前記画素要素を基板に接続する支柱が含まれる、カメラシステム。 - 請求項5に記載のカメラシステムにおいて、
画素要素から基板への前記熱経路には、前記画素要素を基板に接続する1つ又は複数のアームが含まれる、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムは更に、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素の各画素要素が画素支柱によって取り付けられる基板を備える、カメラシステム。 - 請求項8に記載のカメラシステムにおいて、
各画素支柱は中空である、カメラシステム。 - 請求項8に記載のカメラシステムにおいて、
各支柱は中実である、カメラシステム。 - 請求項8に記載のカメラシステムにおいて、
各画素支柱は前記画素要素を前記基板から熱絶縁する、カメラシステム。 - 請求項8に記載のカメラシステムにおいて、
各画素支柱は、第1端部が前記基板に取り付けられ、第2端部が前記画素要素に取り付けられた実質的に円柱状の構造体を含み、前記第2端部がピンチオフ状態である、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
各前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素は、前記第1波長の光を吸収し、前記第1波長の光を熱に変換するカメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
各前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、前記第1波長の光を吸収し、前記第1波長の光を熱に変換するための吸収材料の層を含む、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
各前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、屈折率チューナブル薄膜干渉被膜を含む、カメラシステム。 - 請求項15に記載のカメラシステムにおいて、
前記屈折率チューナブル薄膜干渉被膜は、単空胴ファブリ−ペロ構造を含む、カメラシステム。 - 請求項15に記載のカメラシステムにおいて、
前記屈折率チューナブル薄膜干渉被膜は、多空胴ファブリ−ペロ構造を含む、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、前記画素要素間を通過する前記第2波長の光を反射する反射層を含む、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、前記画素要素間を通過する前記第2波長の光を吸収する吸収層を含む、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムは更に、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素を収容するための温度制御式パッケージを含む、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記第2波長は、前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素の前記通過帯域の波長を追跡するカメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記光源はLEDを含む、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記光源はレーザを含む、カメラシステム。 - 請求項23に記載のカメラシステムにおいて、
前記レーザからの光の中心波長は、前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素の前記通過帯域の波長を追跡する、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムは更に、
前記光源からの前記第2波長の光の帯域幅を狭くするための基準フィルタを備える、カメラシステム。 - 請求項25に記載のカメラシステムにおいて、
前記基準フィルタの温度は、前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素の温度を追跡する、カメラシステム。 - 請求項25に記載のカメラシステムにおいて、
前記基準フィルタ及び前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、それらの間の温度差が殆ど又は全くないように配置される、カメラシステム。 - 請求項27に記載のカメラシステムにおいて、
前記基準フィルタ及び前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、単一の温度制御式パッケージ内に収容される、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、サファイア基板に取り付けられる、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、シリコン基板に取り付けられる、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、CCD画像装置の基板に取り付けられる、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素は、CMOS画像装置の基板に取り付けられる、カメラシステム。 - 請求項3に記載のカメラシステムは更に、
前記真空パッケージ内の選択された表面上に成膜されるゲッタ材料を備える、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記カメラシステムは、前記第2波長の光が前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素を通過して前記検出器アレイに伝わる透過モードで動作する、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記カメラシステムは、前記第2波長の光が前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素に反射して前記検出器アレイに伝わる反射モードで動作する、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記検出器アレイは、CCD又はCMOSカメラを含む、カメラシステム。 - 請求項1に記載のカメラシステムにおいて、
前記検出器アレイは、pinフォトダイオードアレイを含む、カメラシステム。 - シーンからの第1波長の光に基づき画像を生成する方法であって、
第2波長の光を生成すること、
前記第1波長の光を熱に変換し、前記熱を熱チューナブル光学フィルタアレイに結合して熱チューナブル光学フィルタアレイの温度を変えることであって、前記熱チューナブル光学フィルタアレイの各要素が、前記熱チューナブル光学フィルタ要素の温度変化に伴う屈折率変化により波長がシフトする通過帯域を有する、前記熱チューナブル光学フィルタアレイの温度を変えること、
前記熱チューナブル光学フィルタアレイが前記第2波長のフィルタ処理された光を生成するように、前記熱チューナブル光学フィルタアレイで前記第2波長の光をフィルタ処理すること、
前記シーンの画像に対応する信号を生成するように、前記第2波長のフィルタ処理された光を検出器アレイで検出すること、
を備える、方法。 - 請求項38に記載の方法は更に、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素を透過モードで動作させることを備え、前記第2波長の光が前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素を通過して前記検出器に伝わる、方法。 - 請求項38に記載の方法は更に、
前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素を反射モードで動作させることを備え、前記第2波長の光が前記アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素に反射して前記検出器に伝わる、方法。 - 請求項38に記載の方法は更に、
CCD又はCMOSカメラで前記第2波長の光を検出することを備える、方法。 - 請求項38に記載の方法は更に、
基準フィルタで前記第2波長の光の帯域幅を狭くすることを備える、方法。 - アレイ状の熱チューナブル光学フィルタ画素要素を製造する方法であって、
犠牲層を基板上に成膜すること、
前記アレイの各画素要素に対して、
(i)実質的に円柱状の穴を前記犠牲層に形成すること、
(ii)共形的に保護層を前記犠牲層上に成膜することであって、前記保護層は、前記犠牲層の表面、前記穴の底部、前記穴の壁部を被覆し、前記穴の頂部においてピンチオフを形成する、前記共形的に保護層を前記犠牲層上に成膜すること、
(iii)熱チューナブル光学フィルタを前記保護層上に製造すること、
(iV)前記画素要素の境界において前記フィルタ及び前記保護層を鉛直方向にエッチングし、前記フィルタの側壁に防護層を形成すること、
(V)前記穴の前記壁部を形成する前記保護層まで前記犠牲層を水平方向にエッチングすること、
を備える、方法。 - 請求項43に記載の方法は更に、
前記フィルタを鉛直方向にエッチングしつつ、前記フィルタの側壁に防護層を形成することを備える、方法。 - 請求項43に記載の方法は更に、
前記フィルタの頂部表面上にIR吸収層を成膜することを備える、方法。 - 光学読み取り式温度センサにおいて、
熱チューナブル光学フィルタであって、該熱チューナブル光学フィルタの温度変化に伴う屈折率変化により波長がシフトする通過帯域を有する、前記熱チューナブル光学フィルタと、
前記熱チューナブル光学フィルタが第2波長のフィルタ処理された光を生成するように、前記熱チューナブル光学フィルタに第1波長の光を供給する光源と、
前記熱チューナブル光学フィルタから前記第2波長のフィルタ処理された光を受け取り、前記熱チューナブル光学フィルタの温度に対応する電気信号を生成する検出器と、
を備える、光学読み取り式温度センサ。 - 請求項46に記載の光学読み取り式センサにおいて、
前記熱チューナブル光学フィルタは、前記熱チューナブル光学フィルタの温度に従って、前記第2波長の光に影響を及ぼす屈折率を変化させる、光学読み取り式センサ。 - 請求項46に記載の光学読み取り式センサは更に、
前記光源からの前記第2波長の光の帯域幅を狭くするための基準フィルタを備える、光学読み取り式センサ。 - 請求項48に記載の光学読み取り式センサにおいて、
前記基準フィルタの温度は、前記熱チューナブル光学フィルタの温度を追跡する、光学読み取り式センサ。 - 請求項48に記載の光学読み取り式センサにおいて、
前記基準フィルタ及び前記熱チューナブル光学フィルタは、それらの間の温度差が殆ど又は全くないように配置される、光学読み取り式センサ。 - 請求項50に記載の光学読み取り式センサにおいて、
前記基準フィルタ及び前記熱チューナブル光学フィルタは、単一の温度制御式パッケージに収容される、光学読み取り式センサ。 - 請求項46に記載の光学読み取り式センサにおいて、
前記光源はLEDを含む、光学読み取り式センサ。 - 請求項46に記載の光学読み取り式センサにおいて、
前記光源はレーザを含む、光学読み取り式センサ。 - 温度又は温度プロファイルを検出する方法であって、
第1波長の光を生成すること、
熱チューナブル光学フィルタで前記第1波長の光をフィルタ処理して、該第1波長のフィルタ処理された光を生成することであって、前記熱チューナブル光学フィルタは、該熱チューナブル光学フィルタの温度変化に伴う屈折率変化により波長がシフトする通過帯域を有する、前記熱チューナブル光学フィルタで前記第1波長の光をフィルタ処理すること、
前記第1波長のフィルタ処理された光を検出器で検出し、前記熱チューナブル光学フィルタの温度に対応する電気信号を生成すること、
を備える、方法。 - 請求項54に記載の方法は更に、
ある環境からの直接的な熱伝達によって、前記熱チューナブル光学フィルタの温度を変更することを備える、方法。 - 請求項54に記載の方法は更に、
電磁放射を吸収し、前記電磁放射を熱に変換することによって、前記熱チューナブル光学フィルタの温度を変更することを備える、方法。 - 請求項54に記載の方法は更に、
光の振幅が温度と共に変化するように、前記第1波長の光をフィルタ処理することを備える、方法。 - 基板上方の構成要素を支持するための支柱を製造する方法であって、
犠牲層を前記基板上に成膜すること、
実質的に円柱状の穴を前記犠牲層に形成すること、
共形的に保護層を前記犠牲層上に成膜することであって、前記保護層は、前記犠牲層の表面、前記穴の底部、前記穴の壁部を被覆し、前記穴の頂部においてピンチオフを形成する、前記共形的に保護層を前記犠牲層上に成膜すること、
前記構成要素を前記保護層上に製造すること、
前記構成要素の周辺境界において前記フィルタ及び前記保護層を鉛直方向にエッチングすること、
前記穴の壁部を形成する前記保護層まで前記犠牲層を水平方向にエッチングすること、
を備える、方法。 - 波長変換装置において、
熱チューナブル光学フィルタであって、該熱チューナブル光学フィルタの温度変化に伴う屈折率変化により波長がシフトする通過帯域を有する、前記熱チューナブル光学フィルタと、
前記第1波長の放射を熱に変換し、前記熱を前記熱チューナブル光学フィルタに結合する吸収体と、
前記熱チューナブル光学フィルタが第2波長のフィルタ処理された光を生成するように、前記熱チューナブル光学フィルタに前記第2波長の光を供給する光源と、
前記熱チューナブル光学フィルタから前記第2波長の光を受け取り、前記第2波長の光に対応する電気信号を生成する検出器と、
前記第1波長の放射を前記熱チューナブル光学フィルタに導く光学系であって、前記熱チューナブル光学フィルタが前記第1波長の光の少なくとも一部を熱に変換し、前記熱の少なくとも一部を吸収する前記光学系と、
を備える、波長変換装置。 - 温度を検出する方法であって、
第1波長の光を生成すること、
前記第1波長のフィルタ処理された光を生成するように、熱チューナブル光学フィルタの温度変化に伴う屈折率変化により波長がシフトする通過帯域を持つ前記熱チューナブル光学フィルタで前記第1波長の光をフィルタ処理すること、
前記第1波長のフィルタ処理された光を検出器で検出し、前記熱チューナブル光学フィルタの温度に対応する電気信号を生成すること、
を備える、方法。
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