專利名稱：無源紅外成像器件的制作方法
無源紅外成像器件相關(guān)申請本申請要求申請?zhí)枮?1/334，490 (發(fā)明名稱為無源紅外成像器件，申請日為2010 年05月13日)的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，在此將其作為參考引入。
背景技術(shù)：
目前的紅外相機非常貴。低成本的相機將會開拓新的市場并提供增長的銷量。目前的非致冷測輻射熱計相機的設(shè)計非常復(fù)雜，雖然達(dá)到了很高的性能，但是成本非常高。大部分的成本是陣列的成本，讀取電子器件的成本，陣列中尋址CMOS的成本，顯示電子器件的成本以及其他各種例如非均勻化校正電子系統(tǒng)的成本。包括了這些特征從而得到高性能圖像，不過就是成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
紅外相機包括接收來自被觀察圖像的紅外輻射的透鏡。設(shè)置熱探測器用于接收來自透鏡的紅外輻射并響應(yīng)紅外輻射改變透射通過熱探測器的光量。


圖1是根據(jù)示例實施例的紅外探測器系統(tǒng)的框圖。圖2是根據(jù)示例實施例的紅外探測器系統(tǒng)的分解框圖表示。圖3是根據(jù)示例實施例的由網(wǎng)狀物(mesh)支撐的紅外探測器系統(tǒng)像素的頂視圖。圖4A是根據(jù)示例實施例的不僅僅包括網(wǎng)狀物的圖3中的像素的透視圖。圖4B是根據(jù)示例實施例的包括網(wǎng)狀物的更多細(xì)節(jié)的圖3中的像素的分解透視圖。圖4C是示例像素說明表格。圖5是根據(jù)示例實施例的由網(wǎng)狀物支撐的紅外探測器系統(tǒng)像素陣列的透視圖。圖6是根據(jù)示例實施例的無源紅外探測系統(tǒng)600的截面圖。
具體實施例方式在下面的描述中，參考了作為本發(fā)明的一部分的附圖，給出這些附圖以對可以實施的具體實施例進行說明。這些實施例是以足夠詳細(xì)形式進行描述的以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)這些實施例，但是，可以理解到，在結(jié)構(gòu)、邏輯以及電方面具有改變的其他實施例也可采用。因此，下面所描述的示例實施例并不具有限制含義，保護范圍是由附加的權(quán)利要求所限定的。在一個實施例中，此處所描述的功能或算法可由軟件或軟件與人執(zhí)行的程序的組合來實現(xiàn)。軟件可包括存儲在計算機可讀介質(zhì)上的計算機可執(zhí)行指令，所述計算機可讀介質(zhì)例如是存儲器或其他類型存儲設(shè)備。并且，這些功能對應(yīng)于模塊，所述模塊是軟件、硬件、 固件或它們的任意組合。如果期望，多個功能可在一個或多個模塊中實現(xiàn)，所描述的實施例僅僅是例子。軟件可在數(shù)字信號處理器、專用集成電路(ASIC)、微處理器或運行于計算機系統(tǒng)(例如個人計算機，服務(wù)器或其他計算機系統(tǒng))上的其他類型的處理器上執(zhí)行。在各種實施例中，本發(fā)明使用了換能器，其具有熱光效應(yīng)，熱光效應(yīng)響應(yīng)溫度的變化，對于光的選定頻率產(chǎn)生從透明向不透明的轉(zhuǎn)變。通過將例如長波長紅外光(LWIR)的紅外光聚焦在換能器上，轉(zhuǎn)變可以表示產(chǎn)生紅外光的圖像。換能器可由使用者直接觀察，其中轉(zhuǎn)變是在可見光范圍內(nèi)，不需要借助大量現(xiàn)有紅外相機的昂貴特征。在另外一個實施例中， 轉(zhuǎn)變可以是非直接可見的波長，而是可被例如CMOS CCD(電荷耦合器件)探測器的傳感器所探測并轉(zhuǎn)換為可用于驅(qū)動使用者可觀看的顯示器的信號。在一個實施例中，紅外光入射到具有吸收膜(Si3N4)和VO2基光學(xué)換能器的像素陣列的陣列上。吸收膜是熱光響應(yīng)膜，其對于選定的光范圍的透射率會響應(yīng)紅外輻射而改變。 晶體的VO2在671時會發(fā)生半導(dǎo)體金屬轉(zhuǎn)變(其將材料從透明轉(zhuǎn)換為反射和不透明)。通過在VO2中添加其他金屬，轉(zhuǎn)變溫度可降低到20°C，從而降低了反射-透明轉(zhuǎn)變的溫度?？筛淖冝D(zhuǎn)變斜率以提供換能器中的代表更寬或更窄的溫度范圍的可視變化。入射到這個轉(zhuǎn)變區(qū)域的陣列上的紅外光會單獨根據(jù)來自觀察目標(biāo)的光強度加熱像素。響應(yīng)所接收到的紅外功率水平，從紅外光吸收的熱使得每個像素的反射和透射在期望的光波長范圍內(nèi)改變。這種改變可由使用者直接觀察或借助于圖像傳感器觀察，并且可以通過使用與用于LCD顯示器的那些相似的、投射到屏幕或目鏡上的背光系統(tǒng)而得到增強。這樣的背光應(yīng)當(dāng)發(fā)射期望的波長范圍的列表。陣列在一個實施例中可以完全是無源的 (passive) 0圖1是無源紅外探測器100的框圖。紅外光通過透鏡110被接收并被聚焦到熱探測器陣列120上。熱探測器120是像素陣列，其具有吸收膜和光學(xué)換能器，光學(xué)換能器響應(yīng)溫度變化對可見光從透明轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌该?。在一些實施例中，換能器對期望的光波長范圍 (例如可見光)并不在完全透明或不透明之間轉(zhuǎn)變，而是僅僅改變透射通過它的光量。通過透鏡110將紅外光(例如長波長紅外光(LWIR))聚焦在陣列120上，轉(zhuǎn)變可以表示產(chǎn)生紅外光的圖像。在可見光范圍內(nèi)變化的情況下，換能器可由使用者直接觀察。在一個實施例中，提供顯示器130用于增強陣列上的圖像。顯示器130可包括傳感光的傳感器，所述的光在可見范圍內(nèi)或在對于使用者不可見的另一范圍(例如具有大約1. 1 μ m到1. 5 μ m波長的光)，或者是其他范圍。圖示的功率塊140被耦合到顯示器130。在一個實施例中，可選的顯示器130是唯一需要功率的元件。系統(tǒng)100的其他元件均是無源的，不需要外部功率來工作。圖2是說明根據(jù)一個實施例的并有無源紅外成像系統(tǒng)的系統(tǒng)200的其他元件的框圖。對象210示出為紅外輻射215的發(fā)生器。在一個實施例中，紅外輻射是長波長的紅外輻射，其由紅外透鏡220朝工作于期望光范圍(例如從可見到紅外)的二向色分束器225聚焦。分束器225將紅外光折射到熱探測器陣列230上。熱探測器陣列230是具有吸收膜和光學(xué)換能器的像素陣列，光學(xué)換能器響應(yīng)溫度變化對期望光范圍從透明轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌该?。這樣，紅外光照射到陣列230上，產(chǎn)生了顯現(xiàn)為期望光譜(例如可見光譜)中透射改變的熱光效應(yīng)。通過透鏡220和分束器225將紅外光(例如將長波長紅外光(LWIR) 21 聚焦到陣列230上，所述轉(zhuǎn)變可以表示產(chǎn)生紅外光的對象210的圖像233。當(dāng)透射改變是在可見光譜內(nèi)時，陣列230可通過目鏡或觀察屏由使用者直接觀察。在一個實施例中，目鏡235相對于陣列230來說設(shè)置在分束器225的相對側(cè)，這樣，來自陣列230的可見光可穿過分束器225到達(dá)目鏡235。在另外一個實施例中，背光240可設(shè)置在陣列230的下面并發(fā)射光對3，光M3由冷透鏡245準(zhǔn)直以照明陣列230。準(zhǔn)直光穿過陣列230以增強透射通過分束器225到達(dá)目鏡235的光。背光240可以是DLP類型的背光并且是可選的。如果使用了背光M0，雖然它是一個有源元件，但是可以使用非常小的功率。紅外探測系統(tǒng)200的其他元件在各種實施例中都還是無源的。在一個實施例中，目鏡235可包括CMOS CXD陣列，以將光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娸敵?，該電輸出可被傳送至顯示器件，也由塊235表示。CMOS C⑶陣列可工作于光的可見范圍，或者被優(yōu)化以工作在對應(yīng)于探測器陣列230的透射變化主要發(fā)生的光譜的范圍，例如約1. Iyn!到 1. 5 μ m，或者其他波長范圍。在這些波長的一個示例陣列包括壓(push)到1. 2 μ m的鍺CMOS 陣列，或者通過將激光束入射到陣列上以增強期望波長的量子效率而制造的推式(pushed) CMOS CCD。圖3是根據(jù)示例實施例的由網(wǎng)狀物320支撐的紅外探測器系統(tǒng)像素310的頂視圖。在一個實施例中，像素310包括全覆蓋WxVyO2膜和UWR吸收器。由熱隔離腿330相對網(wǎng)狀物320支撐的膜吸收UWR輻射以加熱像素，并且具有非UWR透射。在一個實施例中， 像素膜310—部分的電阻響應(yīng)期望的輻射波長被調(diào)諧來吸收UWR輻射以最優(yōu)加熱像素。像素的其他部分具有這樣的區(qū)域，該區(qū)域中非UWR輻射的透射改變是通過WV02膜中的熱改變而發(fā)生的。由于“莫特(Mott) ”半導(dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)變，非UWR透射改變響應(yīng)紅外光而發(fā)生。作為選擇，像素的UWR區(qū)域可以是例如金黑(gold black)的UWR吸收器。在一個實施例中，網(wǎng)狀物320可以是懸在Si刻蝕坑之上的金屬網(wǎng)狀物以提供熱通道并支撐像素。 熱隔離腿330可繞像素310的外緣形成以提供與其他相鄰像素的熱隔離。在各個實施例中還可使用支架柱；340。在一個實施例中，腿330由例如SW2或Si3N4的電介質(zhì)形成，在一些實施例中，腿330不含金屬導(dǎo)體而達(dá)到10_8數(shù)量級的低熱導(dǎo)，并具有高的熱隔離和溫度敏感性(在一個實施例中對IK目標(biāo)是dt pix-29mK)。在一個實施例中，VO2膜可被摻雜以根據(jù)由紅外產(chǎn)生的Si3N4溫度變化在室溫(RT) 下改變透射。室溫操作和轉(zhuǎn)變的陡度依賴于在中摻雜例如W，Re及Mo的金屬。在大約67°C具有莫特半導(dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)變。摻雜金屬可將邊緣降低至室溫(RT)(四3° K)。其他的摻雜劑也可影響到這種轉(zhuǎn)變特性。在一個實施例中，可通過使用整體真空封裝來優(yōu)化熱特性。圖4A是根據(jù)示例實施例的不僅僅包括像素的圖3中像素的透視圖。圖4B是根據(jù)示例實施例的包括像素更多細(xì)節(jié)的圖3中像素的分解透視圖。圖4A和圖4B中的附圖標(biāo)記與圖3是一致的。從圖4A和4B中可以看到金屬網(wǎng)狀物320附加的結(jié)構(gòu)。金屬網(wǎng)狀物形成像素陣列的支撐結(jié)構(gòu)，包括用于支撐薄金屬像素體415 (在一個實施例中大約是5. OX 10_7cm) 的金屬網(wǎng)格410，所述薄金屬像素體415具有對應(yīng)于匹配的熱光換能器元件425的開口 420。使用紅外吸收器層430將換能器元件425夾在層430和金屬像素體415之間以使得換能器元件425與開口 420對準(zhǔn)，以允許由換能器元件響應(yīng)由紅外輻射導(dǎo)致的溫度變化而改變的光透射通過開口。在一個實施例中，紅外吸收器層430具有90% _95 %的填充因子以有效的吸收 LWR輻射并相應(yīng)的改變溫度。金屬像素體415非常薄以為換能器元件425(其在一個實施例中可由VOx形成)提供小質(zhì)量和高熱導(dǎo)。金屬像素體415可具有反射作用，以防止像素受到背光加熱的不利影響。柱340，也稱為過孔(vias)，可由低導(dǎo)的Si3N4形成，腿也如此， 以為像素提供熱隔離。圖4C是實例像素說明的表格。在各種不同的實施例中，可改變實例說明中的參數(shù)。圖5是根據(jù)示例實施例的由網(wǎng)狀物支撐的紅外探測器系統(tǒng)像素陣列500的透視圖。由網(wǎng)狀物支撐的像素陣列形成在Si襯底510的頂部，依賴于網(wǎng)狀物所需的結(jié)構(gòu)支撐 Si襯底510包括每個像素或者像素組的刻蝕坑。在一個實施例中，像素由肌2基的紅外換能器形成以提供直接紅外換能。在另外一個實施例中，可使用雙壓電晶片懸臂(bimorph cantilevers)或者高利探測器的隧道尖端(Golay cell tunneling tips)來提供直接的紅外換能。圖6是根據(jù)示例實施例的無源紅外探測系統(tǒng)600的透視框圖。例如人610的對象發(fā)射紅外輻射615，該輻射由系統(tǒng)600在第一端620接收。透鏡625設(shè)置在第一端620或其附近，用于將紅外輻射聚焦到響應(yīng)紅外輻射而改變光透射率的無源換能器630。與第一端 620相對的觀察端635可包括光學(xué)透鏡640以在可見光透射率改變的情況下幫助通過觀察端635看向換能器630的使用者聚焦在換能器630上。在一個實施例中，紅外探測系統(tǒng)600 全部是無源的，不需要外部功率源。在一個實施例中，紅外輻射有效的為換能器供電，來自于環(huán)境的無源光可用于協(xié)助觀察換能器630，在換能器630上，對象的圖像以灰階形式顯示出來。在另外一個實施例中，例如在沒有外部可見光源的空間或夜間，可包括可選的光源。 在另外一個實施例中，觀察端635包括適于對于至少部分處于可見范圍外的光范圍敏感的傳感器，并且還可包括用于向使用者顯示被感測的光的顯示器件?？傊?，紅外探測器是基于像素化熱結(jié)構(gòu)的UWR輻射吸收。透鏡將從場景發(fā)出的 LWR輻射投射到像素化陣列上。每個像素由吸收的紅外輻射加熱到與聚焦的UWR強度成比例的程度。形成陣列的高效熱隔離像素被設(shè)計為有效地將吸收器UWR功率轉(zhuǎn)換為熱并以與正常視頻幀率一致的速率升高像素的溫度。像素的溫度導(dǎo)致位于像素上的熱光材料的光學(xué)透射或反射發(fā)生改變。透射的變化與陣列中每個像素所吸收的紅外輻射量成比例。當(dāng)使用可見光背照明像素時，透射變化可通過肉眼直接觀察變化而感測到。當(dāng)像素化陣列被最大熱光效應(yīng)并且CMOS探測器陣列具有足夠靈敏度的波長背照時，它也可以由CMOS陣列感測到。在后一種情況中，CMOS陣列提供了非均勻校正能力并提供了轉(zhuǎn)換的L^WR圖像的電子讀取。一種期望的熱光材料是VO2, 它在輕微升高的溫度下顯示了大的透射變化，或者是摻雜一系列摻雜劑(W，Ti，Re)的多種 VO2膜，其可用于降低轉(zhuǎn)變溫度。
權(quán)利要求
1.一種紅外探測器(100)，包括用于接收來自被觀察圖像O10)的紅外輻射的透鏡(110，220)；以及熱探測器(120，230)，被設(shè)置為接收來自透鏡的紅外輻射并響應(yīng)紅外輻射改變透射通過熱探測器的光量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的紅外探測器(100)，其中透射的可見光量被改變以使得熱探測器能夠(120,230)由使用者觀察。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的紅外探測器(100)，還包括為熱探測器(120，230)提供光以增強熱探測器對使用者的可見度的背光040)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的紅外探測器(100)，還包括用于準(zhǔn)直從背光到探測器(100)的光的準(zhǔn)直冷透鏡(M5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的紅外探測器(100)，其中熱探測器(120，230)包括具有像素(310) 陣列的網(wǎng)狀物(320)，每個像素包括用于吸收UWR輻射的膜(420)和熱光響應(yīng)膜025)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的紅外探測器(100)，其中熱光響應(yīng)膜(42 是摻雜有W，Re和Mo 中至少之一的VO2。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的紅外探測器(100)，其中熱光響應(yīng)膜包括WxVyO2膜。
8.一種紅外探測器(100)，包括用于接收來自被觀察圖像的紅外輻射的透鏡；以及熱探測器(120，230)，被設(shè)置為接收來自透鏡的紅外輻射并響應(yīng)紅外輻射改變透射通過熱探測器(120，230)的光量，其中熱探測器(120，230)具有網(wǎng)狀物，該網(wǎng)狀物具有像素陣列，每個像素包括形成在金屬網(wǎng)狀物開口內(nèi)并與網(wǎng)狀物熱隔離的熱光響應(yīng)膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的紅外探測器(100)，其中網(wǎng)狀物包括金屬網(wǎng)狀物，該金屬網(wǎng)狀物具有的電阻使得金屬網(wǎng)狀物吸收L^WR輻射。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的紅外探測器(100)，其中熱光響應(yīng)膜包括摻雜有W，Re和Mo中至少之一的VO2膜。
11.一種方法，包括將紅外輻射聚焦到像素(310)陣列上；響應(yīng)紅外輻射加熱像素(310)；以及由于加熱產(chǎn)生像素陣列的轉(zhuǎn)變。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中像素陣列的轉(zhuǎn)變改變透射通過像素(310)陣列的光量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中像素(310)陣列響應(yīng)紅外輻射對可見光在不透明和透明之間改變。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括提供背光(MO)來照明像素(310)陣列以增強使用者的觀察；以及準(zhǔn)直背光所提供的光。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中將紅外輻射聚焦到像素陣列上包括使用紅外透鏡和可見-紅外二向色分束器(225)。
全文摘要
無源紅外成像器件。紅外相機(100，200)包括用于接收來自于被觀察圖像(210)的紅外輻射的透鏡(110，220)。熱探測器(120，230)被設(shè)置為接收來自透鏡(110，220)的紅外輻射并響應(yīng)紅外輻射改變透射通過熱探測器(120，230)的光量。
文檔編號G01J5/10GK102261957SQ20111016497
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者B.E.科爾, R.E.希加施 申請人:霍尼韋爾國際公司