(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信した赤外放射を電気信号に変換するように構成されたＩｎＧａＡｓ光検出器と、
少なくとも１つの所定の帯域の範囲内の波長の検出を阻止するために、前記ＩｎＧａＡｓ光検出器に作動可能に接続されるノッチフィルタと、
を備え、
前記ノッチフィルタが、８５０ｎｍを含む帯域、１０６０ｎｍを含む帯域および１５５０ｎｍを含む帯域の３つのそれぞれ重ならない帯域の各々の範囲内の波長の検出を阻止するように構成される、センサ。
【請求項２】
前記ＩｎＧａＡｓ光検出器が、前記少なくとも１つの所定の帯域の範囲外の短波長赤外線または近赤外線に対して高感度である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記ＩｎＧａＡｓ光検出器からの電気信号を調整するために、前記ＩｎＧａＡｓ光検出器に作動可能に接続される読み出し集積回路をさらに備える、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記ＩｎＧａＡｓ光検出器が、略１７００ｎｍまでの波長を受信するように構成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記ＩｎＧａＡｓ光検出器に作動可能に結合されることで信号対雑音比を改善するフィルタ組立体をさらに備える、請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記ノッチフィルタが、前記ＩｎＧａＡｓ光検出器の表面に直にオプティカルコーティングを含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記オプティカルコーティングが、前記ＩｎＧａＡｓ光検出器と一体である、請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記ノッチフィルタが、前記ＩｎＧａＡｓ光検出器の光路内に強固に埋め込まれている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
前記ＩｎＧａＡｓ光検出器が、各々が撮像のために赤外放射を電気信号に変換するように構成された光検出器のピクセルの二次元アレイを含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記二次元アレイからの電気信号を撮像用に調整するために、前記光検出器のピクセルの二次元アレイに作動可能に接続された読み出し集積回路をさらに備える、請求項９に記載のセンサ。
【請求項１１】
受信した赤外放射を電気信号に変換するように構成され、各々が撮像のために赤外放射を電気信号に変換するように構成された光検出器のピクセルのアレイを含むＩｎＧａＡｓ光検出器と、
前記アレイ上に像を結ぶために、前記ＩｎＧａＡｓ光検出器に光学式に結合された少なくとも１つの光学素子と、
少なくとも１つの所定の帯域の範囲内の波長の検出を阻止するために、前記ＩｎＧａＡｓ光検出器に作動可能に接続されたノッチフィルタと、
前記アレイからの電気信号を撮像用に調整するために前記アレイに作動可能に接続された読み出し集積回路と、
を備え、
前記ノッチフィルタが、８５０ｎｍを含む帯域、１０６０ｎｍを含む帯域および１５５０ｎｍを含む帯域の３つのそれぞれ重ならない帯域の各々の範囲内の波長の検出を阻止するように構成される、撮像カメラシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、センサに関し、より詳細には赤外線撮像システムなどで使用されるような赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＧａＡｓ、すなわちインジウムガリウムヒ素は、ガリウムヒ素とインジウムヒ素の合金である。より一般的な意味において、それはインジウムヒ素（ＩｎＡｓ)、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ)、インジウムリン（ＩｎＰ）及びガリウムリン（ＧａＰ)の合金から成るＩｎＧａＡｓＰ四元系に属している。
【０００３】
大体において、半導体の電気及び光学特性は、そのエネルギーバンドギャップ及びそのバンドギャップが「直接遷移」であるか「間接遷移」であるかに依存している。ＩｎＧａＡｓＰ四元系の４つの二元要素のエネルギーバンドギャップは、０．３３ｅＶ(ＩｎＡｓ)から２．２５ｅＶ（ＧａＰ)の範囲であり、その間にＩｎＰ（１．２９ｅＶ)とＧａＡｓ（１．４３ｅＶ)がある。
【０００４】
半導体は、そのバンドギャップより大きなフォトンエネルギーを有する光、あるいは言い換えればバンドギャップに対応付けられたカットオフ波長より短い波長を有する光のみを検出する。この「長波カットオフ」は、ＩｎＡｓに関して３．７５μｍまでであり、ＧａＰに関して０．５５μｍであり、ＩｎＰは０．９６μｍ及びＧａＡｓは０．８７μｍの時点で成立する。
【０００５】
２つ以上の二元化合物を混合することによって、結果として生じる三元及び四元半導体の特性を中間値に調整することができる。問題となるのは、エネルギーバンドギャップが合金の組成のみに依存するのではなく、それが結果として生じる格定数にも依存する点である。ＩｎＧａＡｓＰ四元系の４つの二元要素に関して、格子定数は、５．４５０５Å（ＧａＰ)から６．０５８５Å（ＩｎＡｓ)の範囲であり、５．６５３４ÅのＧａＡｓ及び５．８６８８ÅのＩｎＰを有する。
【０００６】
ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ合金はＩｎｘＧａｌ−ｘＡｓと呼ばれ、この場合ｘはＩｎＡｓの割合であり、１−ｘはＧａＡｓの割合である。１つの難題は、いくつかの技術によってＩｎｘＧａｌ−ｘＡｓの薄膜を作成することが可能であるが、この薄膜を支えるのに基板が必要であることである。薄膜と基板が同一の格子定数を持たない場合、このとき薄膜の特性は激しく低下する恐れがある。
【０００７】
従来よりＩｎｘＧａｌ−ｘＡｓに関して最も適切な基板はＩｎＰである。高品質のＩｎＰ基板は従来より１００ｍｍ程の大きさの直径を有して利用される。５３％のＩｎＡｓを含むＩｎｘＧａｌ−ｘＡｓが、「ｘ」または「１−ｘ」の値に注意する煩わしさがなく「標準的なＩｎＧａＡｓ」と呼ばれる場合が多く、その理由は、それがＩｎＰと同一の格子定数を有し、そのためこの組み合わせが極めて高い品質の薄膜につながるためである。
【０００８】
標準的なＩｎＧａＡｓは、１．６８μｍの長波カットオフを有する。それは、最小の信号分散を受けガラスファイバを最も遠くまで伝播する光の波長（１．３μｍ及び１．５５μｍ）に対して高感度であり、かつ「アイ−セーフ」レーザ（例えば１．４μｍより長い波長）を検出することができる。それはまた、夜光の自然な明るさを検出するために最適な波長帯域とみなされる。
【０００９】
標準的なＩｎＧａＡｓは、１．６８μｍの長波カットオフを有するが、多くの用途は、より長い波長を有する光の検出を必要とする。１つの重要な例は、１．９μｍにおいて吸水率を測定することによって農産物における水分含有量を測定する能力である。別の例は、例えば晴天乱気流を検出するために、航空機で使用される「ＬＩＤＡＲ」（光検出と測距）である。ＬＩＤＡＲシステムは、２．０５μｍの波長で光を放出するレーザを使用することが多い。より長いカットオフを有するＩｎｘＧａｌ−ｘＡｓは「拡大波長ＩｎＧａＡｓ」と呼ばれる。
【００１０】
残念なことには、より長いカットオフを実現することは、合金により多くのＩｎＡｓを加えることほど簡単ではない。そうすることで薄膜の格子定数を増大させることになり、これにより基板との不整合が生じ、これは薄膜の品質を落とすことになる。高品質の拡大波長のＩｎＧａＡｓを成長を習得するのに少なからぬ労力が注がれてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このような方法及びシステムは概ねその意図される目的に関して十分であるとみなされてきた。しかしながら依然として当分野においてセンサの改善に関する要望がある。本開示は、この要望に対する解決策を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
センサは、受信した赤外放射を電気信号に変換するように構成されたＩｎＧａＡｓ光検出器を含む。少なくとも１つの所定の帯域の範囲内の波長の検出を阻止するために、ノッチフィルタがＩｎＧａＡｓ光検出器に作動可能に接続される。
【００１３】
ＩｎＧａＡｓ光検出器は、少なくとも１つの所定の帯域の範囲外のＳＷＩＲ（短波長赤外線）またはＮＩＲ（近赤外線）放射の少なくとも一方に対して高感度であり得る。８５０ｎｍ、１０６０ｎｍ及び／または１５５０ｎｍを含めた所定の帯域の範囲内の波長の検出を阻止するようにノッチフィルタを構成することができる。例えばノッチフィルタは、３つのそれぞれの重ならない帯域、すなわち８５０ｎｍを含む帯域、１０６０ｎｍを含む帯域及び１５５０ｎｍを含む帯域の各々の範囲内の波長の検出を阻止するように構成することができる。
【００１４】
ＩｎＧａＡｓ光検出器は、略１７００ｎｍまで、及びこれを含めた波長を受信するように構成することができる。ＩｎＧａＡｓ光検出器からの電気信号を調整するためにＲＯＩＣをＩｎＧａＡｓ光検出器に作動可能に接続することができる。ＩｎＧａＡｓ光検出器は、各々が撮像のために赤外放射を電気信号に変換するように構成された光検出器のピクセルの二次元アレイを含むことができる。二次元アレイからの電気信号を撮像用に調整するために、ＲＯＩＣを光検出器のピクセルの二次元アレイに作動可能に接続することができる。
【００１５】
ノッチフィルタは、ＩｎＧａＡｓ光検出器の表面上に直にオプティカルコーティングを含むことができる。オプティカルコーティングは、ＩｎＧａＡｓ光検出器と一体にすることもできる。それはまた、ノッチフィルタを、例えばＩｎＧａＡｓ光検出器から離してＩｎＧａＡｓ光検出器の光路に強固に埋め込むことができるようにも企図されている。例えばノッチフィルタ内に含まれる、またはそれとは別個のフィルタ組立体をＩｎＧａＡｓ光検出器に作動可能に結合することで信号対雑音比を改善することができる。
【００１６】
撮像カメラシステムは、受信した赤外放射を電気信号に変換するように構成されたＩｎＧａＡｓ光検出器を含んでいる。ＩｎＧａＡｓ光検出器は、各々が撮像するために赤外放射を電気信号に変換するように構成された光検出器のピクセルの特定のアレイ、例えば一次元または二次元アレイを含んでいる。アレイ上に像を結ぶために、少なくとも１つの光学素子がＩｎＧａＡｓ光検出器に作動可能に結合される。少なくとも１つの所定の帯域の範囲内の波長の検出を阻止するために、ノッチフィルタがＩｎＧａＡｓ光検出器に作動可能に接続される。アレイからの電気信号を撮像用に調整するためにＲＯＩＣがアレイに作動可能に接続される。
【００１７】
主題となる開示のシステム及び方法のこれらの及びその他の特徴は、図面と併せた、好ましい実施形態の以下の詳細な記載から当業者により容易に明らかになるであろう。
【００１８】
主題となる開示が属する当業者が、実験なしに主題となる開示の装置及び方法をどのように作成し、どのように利用するかを容易に理解するために、特定の図面を参照してその好ましい実施形態を本明細書に詳細に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】撮像するためにセンサ上に像を結ぶための光学素子を示す、本開示によって構築された撮像カメラシステムの一例の実施形態の概略斜視図である。
【図２】撮像センサ、光学素子及びフィルタを示す、図１のシステムの一部の分解組立された概略斜視図である。
【図３】本開示によるセンサの２つの例示の実施形態に関する波長に応じた量子効率を示すグラフであり、センサによる波長の検出を阻止する一例の所定の帯域を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に図面を参照すると、そこでは同様の参照番号は、主題となる開示の同様の構造上の特徴または態様を特定している。説明及び例示の目的であり、限定する目的ではなく、本開示による撮像カメラシステムの一例の実施形態の部分的な図が、図１に示されており、参照符号１００によって全体が示されている。本開示によるセンサの他の実施形態またはその態様は、記載されるように図２から図３に提供されている。本明細書に記載されるシステム及び方法は、所定の波長を除外する赤外線検出及び撮像に関して使用することができる。
【００２１】
撮像カメラシステム１００は、図１〜図２において３本の矢印によって示される受信した赤外放射を電気信号に変換するように構成されたＩｎＧａＡｓ光検出器を含むセンサ１０２を含んでいる。ＩｎＧａＡｓ光検出器は、図２においてセンサ１０２上のグリッド構造によって示される光検出器のピクセルの二次元アレイを含む。各々のピクセルは、撮像のために赤外放射を電気信号に変換するように構成されている。アレイ上に像を結ぶために、少なくとも１つの光学レンズ素子１０６がＩｎＧａＡｓ光検出器に光学式に結合され、それ故センサ１０２は焦点面アレイ（ＦＰＡ，ｆｏｃａｌ  ｐｌａｎｅ  ａｒｒａｙ）として機能するが、単独の光検出器のみを含む実施形態、光検出器のピクセルの一次元アレイを含む実施形態、あるいは任意の他の好適な構成も、本開示の範囲内に全て企図されている。少なくとも１つの所定の帯域の範囲内の波長の検出を阻止するために、ノッチフィルタ１０８がセンサ１０２のＩｎＧａＡｓ光検出器に作動可能に接続される。アレイからの電気信号を撮像用に調整するために、読み出し集積回路（ＲＯＩＣ，ｒｅａｄ‐ｏｕｔ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）１０４がセンサ１０２のアレイに作動可能に接続される。
【００２２】
ノッチフィルタ１０８は、参照符号１０８に対応付けて図２において点線によって示されるようにセンサ１０２のＩｎＧａＡｓ光検出器の表面上に直にオプティカルコーティングを含む。オプティカルコーティングはＩｎＧａＡｓ光検出器と一体にすることができ、任意の好適な膜蒸着技法、例えば大量の商業的半導体処理によってＩｎＧａＡｓ光検出器に塗布することができる。またノッチフィルタ１０８に加えてまたはその代わりに、ノッチフィルタを、参照符号１１０に対応付けて点線によって図２において示されるように、例えばＩｎＧａＡｓ光検出器から離れてＩｎＧａＡｓ光検出器の光路内に強固に埋め込むことができることも企図されている。単一のノッチフィルタを使用することができる、あるいは各々がそれぞれの帯域幅または複数の帯域幅を阻止する目的の複数のノッチフィルタをセンサ１０２へとつながるシステム１００の光路内の任意の好適な位置において使用することもできる。例えばノッチフィルタ１０８／１１０内に含まれるまたはそれとは別個のフィルタ組立体をＩｎＧａＡｓ光検出器に光学式に結合することで信号対雑音比を改善することができる。
【００２３】
図３を参照すると、センサ１０２のＩｎＧａＡｓ光検出器は、１７００ｎｍまで、及びこれを含めた波長を受信するように構成することができる。図３において、各々が１７００ｎｍまたはその前後のカットオフを有する２つの例示のＩｎＧａＡｓ光検出器に関して量子効率の曲線が示されている。例１に関するセンサ１０２は、例２に関するセンサ１０２より可視光に関して高い量子効果を有するが、双方の例において、ＩｎＧａＡｓ光検出器は、ノッチフィルタ１０８／１１０の少なくとも１つの所定の帯域の範囲外のＳＷＩＲ（例えば１．４〜３．０μｍからの波長）またはＮＩＲ（例えば０．７５〜１．４μｍからの波長）放射の少なくとも一方に対して高感度である。ノッチフィルタ１０８／１１０は、８５０ｎｍ、１０６０ｎｍ及び／または１５５０ｎｍを含めた所定の帯域の範囲内の波長の検出を阻止するように構成することができる。これら２つの例の各々に関するノッチフィルタ１０８／１１０は、図３において矩形によって示されるように３つのそれぞれの重ならない帯域、すなわち８５０ｎｍ±２０ｎｍを含む帯域、１０６０ｎｍ±２０ｎｍを含む帯域及び１５５０ｎｍ±２０ｎｍを含む帯域の範囲内の波長を反射するまたはその波長の検出を阻止するように構成される。これらの例における４０ｎｍのノッチ幅は、本開示の範囲から逸脱することなく変更することができ、用途の基準によって特定の用途について必要に応じて、ノッチ帯域幅の中心も変えることができ、ノッチの数も変更することができる。ノッチフィルタ１０８／１１０のノッチにおける放射の検出をなくすことによって、ＩｎＧａＡｓ光検出器にとって高感度なスペクトルの多様な部分にわたって放射を検出することが望まれる用途においても使用することが可能になり、この場合、８６０、１０６０及び１５５０ｎｍ前後の波長を中心とした特有のレーザ源からの放射などノッチフィルタ１０８／１１０のノッチ帯域にある放射の検出を阻止することもまた望ましい。例えばこのようなレーザ源が、赤外線センサから取得した二次元の画像を妨害しないことを保証することから利益を得ることができる用途が存在する。
【００２４】
上記に記載され図面において示される本開示の方法及びシステムは、撮像する能力を組み込む一方で、特定の所定の波長を除外する優れた特性をセンサに与える。主題となる開示の装置及び方法を、好ましい実施形態を参照して示し記載してきたが、当業者は、主題となる開示の範囲から逸脱することなく、それに対して変更及び／または修正を行うことができることを容易に理解するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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