(57)【要約】  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。
2007503622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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２】
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３】
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４】
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５】
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６】
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７】
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８】
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９】
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１０】
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１１】
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１２】
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１３】
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１４】
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１５】
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１６】
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１７】
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１８】
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１９】
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２０】
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２１】
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２２】
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２３】
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２４】
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２５】
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２６】
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２７】
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２８】
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２９】
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３０】
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３１】
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３２】
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３３】
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３４】
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３５】
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３６】
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３７】
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。
【請求項３８】
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３９】
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４０】
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４１】
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４２】
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。
【請求項４３】
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４４】
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４５】
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。
【請求項４６】
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４７】
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４８】
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４９】
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５０】
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５１】
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５２】
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５３】
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。
【請求項５４】
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５５】
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５６】
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５７】
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。
【請求項５８】
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。
【請求項５９】
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。
【請求項６０】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して熱画像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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：
【００２６】
【数１】
2007503622.tif 000003
【００２７】
ＩＲ吸収体によって吸収されるパワー：
【００２８】
【数２】
2007503622.tif 000004
【００２９】
ＩＲ照射しない場合の画素要素フィルタ温度：
【００３０】
【数３】
2007503622.tif 000005
【００３１】
ＩＲ吸収がある場合の画素要素フィルタ温度：
【００３２】
【数４】
2007503622.tif 000006
【００３３】
画素要素フィルタ温度変化：
【００３４】
【数５】
2007503622.tif 000007
【００３５】
ＩＲ照射しない場合の画素要素フィルタ波長：
【００３６】
【数６】
2007503622.tif 000008
【００３７】
ＩＲ照射がある場合の画素要素フィルタ波長：
【００３８】
【数７】
2007503622.tif 000009
【００３９】
基準波長での画素要素フィルタ透過：
【００４０】
【数８】
2007503622.tif 000010
【００４１】
変調された光信号パワー：
【００４２】
【数９】
2007503622.tif 000011
【００４３】
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。
【００４４】
【数１０】
2007503622.tif 000012
【００４５】
ＮＩＲ信号の相対的変化は、以下の通りである。
【００４６】
【数１１】
2007503622.tif 000013
【００４７】
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。
【００４８】
【数１２】
2007503622.tif 000014
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
【数１３】
2007503622.tif 000015
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
［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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
［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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
［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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
［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。
【００９４】
＜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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
＜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。
【００９９】
＜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。
【０１００】
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。
【０１０１】
＜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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
［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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１３３】
【図１】ＩＲカメラシステムの例示の実施形態を示す。
【図２ａ】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。
【図２ｂ】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。
【図３ａ】狭帯域源による図２ａ及び２ｂのフィルタ処理特性を示す。
【図３ｂ】狭帯域源による図２ａ及び２ｂのフィルタ処理特性を示す。
【図４ａ】ＦＰＡの断面を示す。
【図４ｂ】画素要素間の溝下の反射層を示す。
【図５】アレイ状画素要素の一部の平面図を示す。
【図６ａ】画素支柱を製造するためのプロセスを示す。
【図６ｂ】画素支柱を製造するためのプロセスを示す。
【図６ｃ】画素支柱を製造するためのプロセスを示す。
【図６ｄ】画素支柱を製造するためのプロセスを示す。
【図６ｅ】画素支柱を製造するためのプロセスを示す。
【図６ｆ】画素支柱を製造するためのプロセスを示す。
【図６ｇ】画素支柱を製造するためのプロセスを示す。
【図６ｈ】画素支柱を製造するためのプロセスを示す。
【図７ａ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｂ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｃ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｄ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｅ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｆ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｇ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｈ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｉ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｊ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｋ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｌ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｍ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｎ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｏ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｐ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｑ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図７ｒ】画素支柱のための他の製造手法を示す。
【図８ａ】予め製造された画素アレイを有するウェーハを示す。
【図８ｂ】ＦＰＡの真空パッケージングのために用いられる構成要素を示す。
【図８ｃ】製造中の図８ｂの構成要素を示す。
【図９】反射モードで用いられるＩＲカメラシステムを示す。
【図１０】ＮＩＲ源がＩＲレンズに組み込まれたＩＲカメラシステムを示す。
【図１１】ＮＩＲ源がＮＩＲレンズに組み込まれたＩＲカメラシステムを示す。
【図１２】ＦＰＡ上の格子層がオフセットＬＥＤからのＮＩＲ光の方向を変える様子を示す。
【図１３】遠隔読み取り温度計を示す。
【図１】
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【図２ａ】
2007503622.tif 000017
【図２ｂ】
2007503622.tif 000018
【図３ａ】
2007503622.tif 000019
【図３ｂ】
2007503622.tif 000020
【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
2007503622.tif 000023
【図６ａ】
2007503622.tif 000024
【図６ｂ】
2007503622.tif 000025
【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
2007503622.tif 000028
【図６ｆ】
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【図６ｇ】
2007503622.tif 000030
【図６ｈ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
2007503622.tif 000033
【図７ｃ】
2007503622.tif 000034
【図７ｄ】
2007503622.tif 000035
【図７ｅ】
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【図７ｆ】
2007503622.tif 000037
【図７ｇ】
2007503622.tif 000038
【図７ｈ】
2007503622.tif 000039
【図７ｉ】
2007503622.tif 000040
【図７ｊ】
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【図７ｋ】
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【図７ｌ】
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【図７ｍ】
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【図７ｎ】
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【図７ｏ】
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【図７ｐ】
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【図７ｑ】
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【図７ｒ】
2007503622.tif 000049
【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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2007503622.tif 000059
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