(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線検出装置を試験するために動的赤外場面投影器として用いられる装置であって、
順方向バイアスの印加された状態で赤外線（１４）を放出し、逆バイアスの印加された状態で赤外線（１４）を吸収できる赤外発光ダイオード（５）のアレイ（３）と、
各赤外発光ダイオード（５）によって赤外線（１４）が放出され、吸収されるように正極電流及び負極電流の両方を別々に各赤外発光ダイオードに供給するための駆動回路（Ｃ）と、
を有することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記赤外発光ダイオード（５）は、波長域が３〜５μｍの放出線を放出したり吸収することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記赤外発光ダイオード（５）は、波長域が８〜１３μｍの放出線を放出したり吸収することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記赤外発光ダイオード（５）は、バンドギャップの狭い半導体材料で作られていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一つに記載の装置。
【請求項５】
前記赤外発光ダイオード（５）は、水銀カドミウムテルル（Ｈｇ1-XＣｄXＴｅ）材料系を基材としていることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記赤外発光ダイオード（５）は、インジウムアルミニウムアンチモン（Ｉｎ1-XＡｌXＳｂ）材料系を基材としていることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項７】
前記赤外発光ダイオード（５）は、水銀亜鉛テルル（Ｈｇ1-XＺｎXＴｅ）材料系を基材としていることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項８】
前記赤外発光ダイオード（５）は、インジウムタリウムアンチモン（Ｉｎ1-XＴｌXＳｂ）材料系を基材としていることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項９】
前記赤外発光ダイオード（５）の表面上に光コンセントレータのアレイを有することを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか一つに記載の装置。
【請求項１０】
前記光コンセントレータは、ウインストン錐体（３２）であることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記光コンセントレータは、レンズアレイ（３０）であることを特徴とする請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、赤外線検出装置の試験に用いられる動的赤外場面投影器（ＤＩＲＳＰ）に関する。
赤外線検出装置は一般に、赤外場面（infrared scene）が観察者に与えられる熱結像装置か、コンピュータにより焦点面からの情報に直接影響が及ぼされる目標検知追尾装置かのいずれかの範疇に属する。動的赤外線場面投影器（ＤＩＲＳＰ）は、サーマルピクチャーシンセサイザーとも呼ばれ、現在では、これら赤外焦点面検出器アレイ装置の動的試験に用いられている。
赤外線検出装置はどれも、静的試験を受けて種々の性能、例えば最小分解温度差（ＭＲＴＤ）、雑音等価温度差（ＮＥＴＤ）及び空間解像力（ＭＴＦ）を求めると共に赤外装置の性能劣化を適時モニターすることが必要不可欠である。かかる試験では、様々な温度差及び空間周波数で一又は二以上の熱的場面をシミュレートすることが必要である。この試験を実行する既存の一手段は、電気的に加熱された異なる温度の領域又はバーを含む疑似黒体源を利用している。バー相互間の温度差を変化させればＭＲＴＤ又はＮＥＴＤを定めることができ、これに対してＭＴＦは、当該構造の見かけの大きさから定まる。代表的には、黒体源は大きさが数センチメートルの加熱バーから成るが、かかる加熱バーの周波数応答は低いのでこれを赤外線検出装置の動的試験に用いることはできない。
動的試験は、赤外線検出器、光学系、信号処理、ジンバル及び追従アルゴリズムを含むシステム全体の機能を試験する目的上、あらゆる赤外線検出装置に有用であるが、ミサイル検知追尾装置には特に役立つ。要件は、最高１ｋHzのフレームレートで変化させることができる二次元赤外場面をシミュレートし、これを投影することである。一般的には、３５０℃までの温度範囲が必要である。
かかる要件を満足するようなＤＩＲＳＰシステムは現存しない。開発途上にある従来型ＤＩＲＳＰシステムの一形式は、シリコン集積回路素子で駆動される抵抗加熱形ピクセル又は画素から成る二次元アレイを利用している。しかしながら、かかるシステムは、不都合なほどの相当な量の熱を放散するので、達成可能な最大フレームレートは約１００Hzである。さらに、実の熱的場面は、「コールドスカイ（cold sky）」が検出器により直接に且つ場面内の金属物体からの反射として見えることに起因して周囲温度と比較して非常に低温の物体を含む場合が多い。抵抗器から成る投影器アレイは、高価で大規模の極低温設備を用いなければかかる低温をシミュレートすることができない。
本発明は、赤外線検出装置の試験のための動的赤外線場面投影器としてアレイ状に配置された赤外発光ダイオードを用いることを提案する。本発明の装置は特に、熱結像装置又は目標検知追尾装置の試験に用いられる。駆動回路により、ダイオードに順方向バイアスと逆バイアスの両方を印加して正のルミネッセンスと負のルミネッセンスの両方の放出が可能となる。発光ダイオードは、ヘテロ構造の装置（例えば米国特許第５，０１６，０７３号を参照のこと）であって、負のルミネッセンスを放出できる。本発明は、抵抗加熱方式の従来型システムに係る問題のうち幾つかを解決する。たとえばパワー消失度は低く、従って過度の冷却操作の必要度が小さく、しかも、エレクトロルミネッセンスの基本スイッチング速度は、非常に迅速なフレームレートが可能であるようなものである。さらに、周囲温度よりもかなり低い低場面温度を負のルミネッセンスの使用によりシミュレートできる。
本発明によれば、赤外線検出装置を試験するために動的赤外場面投影器として用いられる装置であって、正のルミネッセンスと負のルミネッセンスの両方を放出できるアレイ状に配置された赤外発光ダイオードと、正極電流及び負極電流をそれぞれ別々に各赤外発光ダイオードに供給して正及び負のルミネッセンスが各ダイオード構造から放出されるようにする手段とを有することを特徴とする。
好ましい実施形態では、ダイオード構造は、波長域が３〜５μｍ又は８〜１３μｍの放出線を放出したり吸収する。
別の好ましい実施形態では、ダイオード構造は、バンドギャップの狭い半導体材料で作られている。
ダイオード構造は、水銀カドミウムテルル（Ｈｇ1-x Ｃｄx Ｔｅ）材料系、インジウムアルミニウムアンチモン（Ｉｎ1-x Ａｌx Ｓｂ）材料系、水銀亜鉛テルル（Ｈｇ1-x Ｚｎx Ｔｅ）材料系、インジウムタリウムアンチモン（Ｉｎ1-xＴｌx Ｓｂ）材料系を基材とするのがよい。なお、上記においてｘは、組成である。
本発明の装置は、ダイオード構造の表面上に設けられたアレイ状に配置された光コンセントレータを有するのがよい。
本発明の装置は、ダイオード構造の表面上に設けられたアレイ状のウインストン錐体であるのがよい。
本発明の装置は、ダイオード構造の表面上に設けられたアレイ状のレンズであるのがよい。
今、本発明を次に説明する図面を参照して例示的に説明する。
図１は、設計上、従来公知の基本形熱結像装置を試験するシステムの略図である。
図２は、本発明で用いられるようなアレイ状に配置されたエレクトロルミネッセンスダイオードの略図である。
図３は、本発明において使用できる多層ダイオード構造の略図である。
図４は、本発明において使用できる多層ダイオード構造の略図である。
図５は、順方向バイアス及び逆バイアスを受けた状態でＩｎＳｂ装置から放出された放射線のスペクトルを示すグラフ図である。
図６は、逆バイアスを受けたＨｇ1-x Ｃｄx Ｔｅ装置に関する負のルミネッセンススペクトル及びスペクトル応答を示すグラフ図である。
図７は、本発明の装置で使用できる代表的な浸漬光学系の略図である。
図８は、本発明の装置中に光コンセントレータとして使用できるウインストン錐体の代表的な配置例を示す略図である。
図９は、正負両極性の電流をダイオードアレイに供給するのに使用できる電子回路の線図である。
図１０は、ダイオードアレイの行−列アドレス指定回路のブロック図である。
図１を参照すると、代表的な熱結像装置が、アレイ状に配置された赤外線検出器１及び関連のレンズ又はレンズ系２を有している。動的赤外場面投影器は、投影器アレイ３及び関連のレンズ又はレンズ系４を有している。投影器アレイ及び検出器アレイのための制御エレクトロニクスも示されている。赤外線検出器アレイ１は、例えば抵抗形放射エネルギ検出器又は光起電力検出器から成るアレイである。既存のシステムでは、投影器アレイ３は、シリコン集積回路素子によって駆動される二次元の抵抗器アレイである。しかしながら、かかるシステムに関連して幾つかの問題がある。例えば、これらシステムは、低いフレームレート（〜１００Ｈｚ）で動作できるにすぎず、また大がかりな極低温冷却操作を用いて低温シミュレーションを達成できるにすぎない。これらはまた、不都合なほどの相当な量の熱を放散する。
本発明では、投影器アレイ３は、正のルミネッセンスと負のルミネッセンスの両方を放出できるアレイ状の赤外発光ダイオード構造である。アレイ状の発光ダイオード（エレクトロルミネッセンスダイオードとも呼ばれる）の単純略図が図２に概略的に記載されている。発光ダイオードアレイは、任意の数のダイオード素子（又はピクセル）５を有するのがよく、最適個数は、試験中の赤外線検出器アレイ中の素子の数で決まる。分かりやすくするため、５行（６）×５列（７）のアレイが示されているが、実際には、アレイはこれよりも多い。一般に、投影器アレイ中のピクセルの数は、試験中の検出器アレイ中のピクセルの数に最低限等しくあるべきであり、理想的には、エイリアシングを回避するために検出器アレイ中のピクセル数の４倍である（即ち、行−列の各方向において、それぞれ２倍）。例えば、もし赤外線検出装置が２５６×２５６アレイのＩｎＳｂ検出器を備えていれば、これは好ましくは５１２×５１２の投影器アレイで動作されることになる。
エレクトロルミネッセンスダイオード構造を用いる動的赤外場面投影器は、二次元抵抗器アレイを用いる既存のシステムに比べて幾つかの利点を有している。例えば、本発明の装置からの負のルミネッセンスを用いることにより、既存のシステムで必要な過度の冷却操作を行なわずに低温をシミュレートすることができる。また、かかるルミネッセンスアレイの採用により、既存のシステムで達成できる画像フレームレートよりも迅速な画像フレームレートを用いることができる。
図３及び図４は、それぞれＩｎ1-x Ａｌx Ｓｂ及びＨｇ1-x Ｃｄx Ｔｅから成るダイオード構造の略図を示している。なお、上記においてｘは組成である。当初、ダイオード構造を適当な基板上にエピタキシャル成長させる。アレイは、標準的な技術、例えばメサエッチング又はイオンビーム加工を用いて基板上に形成される。これらの方法は、当業者にとっては従来技術である。
図３を参照すると、図示の装置は、ＩｎＳｂ／Ｉｎ1-x Ａｌx Ｓｂ系を用いており、Ｐ+−Ｐ+−π−ｎの４層構造を有しており、この構造中、Ｐ+層８は、Ｉｎ0.85Ａｌ0.15Ｓｂ形態のものである。これは、例示に過ぎず、実際には多数の組成及びドーピングレベルの組合せのうちの一つを有する。この構造は、ＩｎＳｂ基板９上に分子線エピタキシーによって成長させたものであるのがよく、この手法は、当業者にとっては周知技術である（ティー・アシュレイ氏等のSemicond.Sci.Tech.8 S386（1993）参照）。
Ｐ+層１０の目的は、Ｉｎ0.85Ａｌ0.15Ｓｂ領域８に対する低抵抗低注入接点を提供することにある。ｎ+領域１１の厚さは１μｍであり、この領域には、シリコン（Ｓｉ）が２×１０18cm-3の電気レベルまでドープされている。Ｐ+（10）領域及びＰ+（８）領域には、ベリリウム（Ｂｅ）が２×１０18cm-3のレベルまでドープされ、これら領域の厚さはそれぞれ、１μｍ及び２００Åである。Ｉｎ1-x Ａｌx Ｓｂキャリヤ８の組成Ｘは０．１５である。中央のπ領域１２の厚さは１．３μｍであり、これには故意にドープを行っていない。直径が３００μｍの円形ダイオードが、メサエッチングによってＰ+領域１０に形成されている。スパッタされたクロム／金接点１３が、各メサ構造の頂部及びＰ+領域１０に被着されている。また、メサ構造から放出された赤外線１４が示されている。この構造の表面を例えば0.７μｍの酸化錫の反射防止膜（図示せず）で被覆するのがよい。
図４を参照すると、本装置は、Ｈｇ1-x Ｃｄx Ｔｅ系を利用しており、Ｐ+−Ｐ−ｎ+の３層構造を有している。この構造は、ＧａＡｓ基板上に相互拡散多層膜法を用いて金属有機気相エピタキシーによって成長させたものであるのがよい（エス・ジェイ・シー・アーヴィン氏等のMaterials Letters ２，305（1984）参照）。この方法は、当業者にとっては従来技術である。この例では、Ｈｇ1-x Ｃｄx Ｔｅ装置は、活性π領域１５中ではｘ＝０．１８４の組成、Ｐ+領域１６中ではｘ＝０．３５の組成、ｎ+領域１７中ではｘ＝０．２３の組成になっている。π層及びＰ+層には、砒素がそれぞれ７×１０15cm-3及び１×１０17cm-3のレベルまでドープされ、ｎ+領域にはヨウ素が３×１０17cm-3のレベルまでドープされている。ダイオード構造は、円形溝をエッチングすることによって材料のモノリス内に構成されていて、それによりＰ+領域への共通接点１８を備えた所要数の素子の直線状アレイを形成する。次に、厚さが約0.３μｍの硫化亜鉛（図示せず）で完全なメサ素子のパッシベーションを行ない、これをクロム／金で金属化する。代表的なメサ直径は４５μｍであろう。アレイをサファイア支持体２１上の金リードアウトパターン２０上へ接合するインジウムバンプによってメサへの電気接点１９を達成するのがよい。この方法は、当業者にとっては従来技術である。
熱結像カメラの動作波長範囲は、ルミネッセンスダイオードアレイで使用される適当な材料構造を決定する。Ｈｇ1-x Ｃｄx Ｔｅ又はＩｎ1-x Ａｌx Ｓｂ材料を利用するダイオード構造は、波長域が３〜５μｍの赤外線を放出する。また、Ｈｇ1-x Ｃｄx Ｔｅ材料を利用する装置は、波長域が８〜１３μｍの赤外線を放出する。変形例として、ダイオード構造を、他のバンドギャップの狭い半導体、例えばＨｇ1-x Ｚｎx Ｔｅ又はＩｎ1-x Ｔｌx Ｓｂで作ってもよい。
負のルミネッセンスの現象を説明するため、順方向バイアス２２及び逆バイアス２３の両方が印加された状態のＩｎＳｂ装置からの放出放射線のスペクトルが図５に示されている。ルミネッセンススペクトル２４中の最小値は、6.０μｍのところで生じ、正のルミネッセンススペクトル２５中のピークは、5.８μｍのところに生じている。破線２６は、正味の帯間放射再結合のための理論的計算結果を示している。
図６は、逆バイアスが印加された状態のＨｇ1-x Ｃｄx Ｔｅ装置の負のルミネッセンス放出スペクトル２７を示している。単一のピーク２８が、約8.５μｍの波長のところに見られ、長い波長テールが１０μｍを越えるところまで延びている。図６は又、検出器（逆モードで動作する）として用いられる場合の装置２９のスペクトル応答を示している。
赤外線検出装置で必要な場合が多い比較的大きなアレイは、比較的高い電流を有している。例えば、効率的な負のルミネッセンスのための適当なπ層厚さを備えたＩｎＳｂ装置は、１５〜２０Ａcm-2の逆飽和電流密度を有している。この数値を最小限に抑えると共に高いルミネッセンス出力を維持することが望ましい。これはコンセントレータの使用によって達成できる。
例えば、図７を参照すると、曲率半径が１２０μｍのレンズ３０が、イオンビーム加工によって縮退的にドープしたＩｎＳｂの状態で形成されている。この目的のためのイオンビーム加工法は、当業者にとっては従来技術である。レンズを多数の材料から形成するのがよい。例えば、Ｉｎ1-x Ａｌx Ｓｂ構造を利用する装置については、レンズは好ましくはＩｎＳｂから作られ、Ｈｇ1-x Ｃｄx Ｔｅ構造を利用する装置については、レンズは好ましくはＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅから形成される。
この例では、ダイオードアレイ素子５（発光領域）の直径は２０μｍである。出力放射線１４はレンズ３０によって集束されてｆ／２錐体（ここでｆはＦナンバーである）の状態になる。各レンズの曲率半径は、各ダイオード素子５から放出された放射線がダイオードへ反射して戻らず、試験中の検出器アレイに順方向に伝達されるようなものである。放射線放出の源となる領域を小さく維持することによって、ダイオード構造中の電流は減少し、これに対し、レンズ系は、負のルミネッセンス効率が高くなるようにする（負のルミネッセンス効率は、ダイオード５によって吸収される装置の前面に当たる赤外放射線の比率である）。ダイオードアレイはシリコン多重化回路３１によって駆動され、かかるシリコン多重化回路の一例を以下に説明する。
図８を参照すると、望ましい効率及び電流密度も又、ウィンストン錐体３２を用いることによって達成できる。この例では、直径が２０μｍのダイオード５から放出された放射線１４は、錐体３３の壁のところで全反射し、その後、最終的には装置の表面３４ａに到達する。この表面３４ａは、錐体のアレイに被着された反射防止膜３４の表面であるのがよい。錐体の形状は、この表面３４ａに入射する放出放射線１４が、反射しないで透過するような角度をなすように設計されている。この構成を用いると、放出領域の表面積は小さく維持され、したがって小電流が流れるようになり、高い負のルミネッセンス効率が達成される。約２Ａcm-2の平均電流密度に等価な電流をこの構成によって達成できる。
ＩｎＳｂ装置については、錐体はＩｎＳｂ基板中に形成され、その錐体の形成はイオンビーム加工によって行なわれる。変形例として、化学エッチングを用いても、表面をこのように製造することができ、この方法は、当業者にとっては従来技術である。
電流を赤外発光ダイオードアレイに供給するのに使用可能な電子回路の一例が、図９に示されている。正のルミネッセンスと負のルミネッセンスの両方を利用するためには、両極性の電流を各ダイオード素子又はピクセル５に供給するための手段を設けることが必要不可欠である。特定のピクセル内において正のルミネッセンスの放出が必要であるか、或いは負のルミネッセンスの放出が必要であるかに応じて、正の電流又は負の電流のいずれかをいつでも各ダイオード５に供給する。これは、この回路又はダイオードアレイを駆動するのに用いられる他の任意の回路の必須の特徴である。
回路“Ｃ”は、シリコンアドレス指定回路の各ピクセルのところに構成されている。この回路は、ディジタル行アドレス選択ライン４０及びディジタル列アドレス選択ライン４１を有し、したがって各ピクセルが個々にアドレス指定されるようになる。２つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４２ａ，４２ｂが各ピクセル５と連携していて、一方は行の選択に、他方は列の選択に用いられる。外部アナログ電圧が別の入力ライン４３を通って供給され、これには、２レベル金属相互接続が必要になるであろう。アナログラインは電圧を一度に、完全な列の一つに供給する。
この回路はまた、Ｎチャネルエンハンスメント形ＦＥＴ４４、Ｐチャネルエンハンスメント形ＦＥＴ４５、キャパシタ４６、限流目的のための抵抗素子４７を有している。実際には、このキャパシタは、ＦＥＴ４４，４５のゲートキャパシタンスであるのがよい。赤外発光ダイオード５も又、アドレス指定回路に関連して示されている。２つのＦＥＴの特性は、当業者には周知であり、またセ（Sze）氏による「半導体デバイスの物理学（Physics of Semiconductors Device）」（第２版（ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社，１９８１））の記載から明らかである。
簡単な５×５アレイ（図２参照）についての行−列アドレス指定回路のブロック図が図１０に記載されている。回路“Ｃ”（図９参照）は、アレイの各ピクセル５のところに構成されており、行アドレスライン、列アドレスラインはそれぞれ符号４７，４８で示されている。各フレームサイクルごとに、行−列アドレス指定手順は、最初のＦＥＴスイッチを選択し、そして電荷がキャパシタ４６上に存在することができるようこれを閉じる。キャパシタ上の電荷は、次のリセットが開始されるまでダイオード５を通る電流を制御する。閾値よりも高い電圧がキャパシタ４６に印加されると、Ｎチャネルエンハンスメント形ＦＥＴ４４はオン状態となり、そして負のルミネッセンスを生じさせる極性で電流をダイオード５中へ流す。閾値よりも低い電圧がキャパシタ４６に印加されると、Ｎチャネルエンハンスメントモードがオフになると共にＰチャネルエンハンスメント型ＦＥＴ４５がオンになり、正のルミネッセンスを生じさせる極性で電流をダイオード５中へ流すことになる。ダイオード上の電荷の中間レベルにより、中間レベルのルミネッセンス又は「グレースケール」を用いることができる。
事実、エレクトロルミネッセンスダイオードの基本スイッチング速度は、１ＭHzを超える。したがって、かかるシステムで達成できるフレームレートは、各ピクセルの熱時定数によってではなく、マルチプレクサ駆動回路の周波数によって決定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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