专利名称：无源红外成像器件的制作方法
无源红外成像器件相关申请本申请要求申请号为61/334，490 (发明名称为无源红外成像器件，申请日为2010 年05月13日)的美国临时申请的优先权，在此将其作为参考引入。
背景技术：
目前的红外相机非常贵。低成本的相机将会开拓新的市场并提供增长的销量。目前的非致冷测辐射热计相机的设计非常复杂，虽然达到了很高的性能，但是成本非常高。大部分的成本是阵列的成本，读取电子器件的成本，阵列中寻址CMOS的成本，显示电子器件的成本以及其他各种例如非均勻化校正电子系统的成本。包括了这些特征从而得到高性能图像，不过就是成本很高。
发明内容
红外相机包括接收来自被观察图像的红外辐射的透镜。设置热探测器用于接收来自透镜的红外辐射并响应红外辐射改变透射通过热探测器的光量。
图1是根据示例实施例的红外探测器系统的框图。图2是根据示例实施例的红外探测器系统的分解框图表示。图3是根据示例实施例的由网状物(mesh)支撑的红外探测器系统像素的顶视图。图4A是根据示例实施例的不仅仅包括网状物的图3中的像素的透视图。图4B是根据示例实施例的包括网状物的更多细节的图3中的像素的分解透视图。图4C是示例像素说明表格。图5是根据示例实施例的由网状物支撑的红外探测器系统像素阵列的透视图。图6是根据示例实施例的无源红外探测系统600的截面图。
具体实施例方式在下面的描述中，参考了作为本发明的一部分的附图，给出这些附图以对可以实施的具体实施例进行说明。这些实施例是以足够详细形式进行描述的以使得本领域技术人员能够实现这些实施例，但是，可以理解到，在结构、逻辑以及电方面具有改变的其他实施例也可采用。因此，下面所描述的示例实施例并不具有限制含义，保护范围是由附加的权利要求所限定的。在一个实施例中，此处所描述的功能或算法可由软件或软件与人执行的程序的组合来实现。软件可包括存储在计算机可读介质上的计算机可执行指令，所述计算机可读介质例如是存储器或其他类型存储设备。并且，这些功能对应于模块，所述模块是软件、硬件、 固件或它们的任意组合。如果期望，多个功能可在一个或多个模块中实现，所描述的实施例仅仅是例子。软件可在数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)、微处理器或运行于计算机系统(例如个人计算机，服务器或其他计算机系统)上的其他类型的处理器上执行。在各种实施例中，本发明使用了换能器，其具有热光效应，热光效应响应温度的变化，对于光的选定频率产生从透明向不透明的转变。通过将例如长波长红外光(LWIR)的红外光聚焦在换能器上，转变可以表示产生红外光的图像。换能器可由使用者直接观察，其中转变是在可见光范围内，不需要借助大量现有红外相机的昂贵特征。在另外一个实施例中， 转变可以是非直接可见的波长，而是可被例如CMOS CCD(电荷耦合器件)探测器的传感器所探测并转换为可用于驱动使用者可观看的显示器的信号。在一个实施例中，红外光入射到具有吸收膜(Si3N4)和VO2基光学换能器的像素阵列的阵列上。吸收膜是热光响应膜，其对于选定的光范围的透射率会响应红外辐射而改变。 晶体的VO2在671时会发生半导体金属转变(其将材料从透明转换为反射和不透明)。通过在VO2中添加其他金属，转变温度可降低到20°C，从而降低了反射-透明转变的温度。可改变转变斜率以提供换能器中的代表更宽或更窄的温度范围的可视变化。入射到这个转变区域的阵列上的红外光会单独根据来自观察目标的光强度加热像素。响应所接收到的红外功率水平，从红外光吸收的热使得每个像素的反射和透射在期望的光波长范围内改变。这种改变可由使用者直接观察或借助于图像传感器观察，并且可以通过使用与用于LCD显示器的那些相似的、投射到屏幕或目镜上的背光系统而得到增强。这样的背光应当发射期望的波长范围的列表。阵列在一个实施例中可以完全是无源的 (passive) 0图1是无源红外探测器100的框图。红外光通过透镜110被接收并被聚焦到热探测器阵列120上。热探测器120是像素阵列，其具有吸收膜和光学换能器，光学换能器响应温度变化对可见光从透明转变为不透明。在一些实施例中，换能器对期望的光波长范围 (例如可见光)并不在完全透明或不透明之间转变，而是仅仅改变透射通过它的光量。通过透镜110将红外光(例如长波长红外光(LWIR))聚焦在阵列120上，转变可以表示产生红外光的图像。在可见光范围内变化的情况下，换能器可由使用者直接观察。在一个实施例中，提供显示器130用于增强阵列上的图像。显示器130可包括传感光的传感器，所述的光在可见范围内或在对于使用者不可见的另一范围(例如具有大约1. 1 μ m到1. 5 μ m波长的光)，或者是其他范围。图示的功率块140被耦合到显示器130。在一个实施例中，可选的显示器130是唯一需要功率的元件。系统100的其他元件均是无源的，不需要外部功率来工作。图2是说明根据一个实施例的并有无源红外成像系统的系统200的其他元件的框图。对象210示出为红外辐射215的发生器。在一个实施例中，红外辐射是长波长的红外辐射，其由红外透镜220朝工作于期望光范围(例如从可见到红外)的二向色分束器225聚焦。分束器225将红外光折射到热探测器阵列230上。热探测器阵列230是具有吸收膜和光学换能器的像素阵列，光学换能器响应温度变化对期望光范围从透明转变为不透明。这样，红外光照射到阵列230上，产生了显现为期望光谱(例如可见光谱)中透射改变的热光效应。通过透镜220和分束器225将红外光(例如将长波长红外光(LWIR) 21 聚焦到阵列230上，所述转变可以表示产生红外光的对象210的图像233。当透射改变是在可见光谱内时，阵列230可通过目镜或观察屏由使用者直接观察。在一个实施例中，目镜235相对于阵列230来说设置在分束器225的相对侧，这样，来自阵列230的可见光可穿过分束器225到达目镜235。在另外一个实施例中，背光240可设置在阵列230的下面并发射光对3，光M3由冷透镜245准直以照明阵列230。准直光穿过阵列230以增强透射通过分束器225到达目镜235的光。背光240可以是DLP类型的背光并且是可选的。如果使用了背光M0，虽然它是一个有源元件，但是可以使用非常小的功率。红外探测系统200的其他元件在各种实施例中都还是无源的。在一个实施例中，目镜235可包括CMOS CXD阵列，以将光转变为电输出，该电输出可被传送至显示器件，也由块235表示。CMOS C⑶阵列可工作于光的可见范围，或者被优化以工作在对应于探测器阵列230的透射变化主要发生的光谱的范围，例如约1. Iyn!到 1. 5 μ m，或者其他波长范围。在这些波长的一个示例阵列包括压(push)到1. 2 μ m的锗CMOS 阵列，或者通过将激光束入射到阵列上以增强期望波长的量子效率而制造的推式(pushed) CMOS CCD。图3是根据示例实施例的由网状物320支撑的红外探测器系统像素310的顶视图。在一个实施例中，像素310包括全覆盖WxVyO2膜和UWR吸收器。由热隔离腿330相对网状物320支撑的膜吸收UWR辐射以加热像素，并且具有非UWR透射。在一个实施例中， 像素膜310—部分的电阻响应期望的辐射波长被调谐来吸收UWR辐射以最优加热像素。像素的其他部分具有这样的区域，该区域中非UWR辐射的透射改变是通过WV02膜中的热改变而发生的。由于“莫特(Mott) ”半导体-金属转变，非UWR透射改变响应红外光而发生。作为选择，像素的UWR区域可以是例如金黑(gold black)的UWR吸收器。在一个实施例中，网状物320可以是悬在Si刻蚀坑之上的金属网状物以提供热通道并支撑像素。 热隔离腿330可绕像素310的外缘形成以提供与其他相邻像素的热隔离。在各个实施例中还可使用支架柱；340。在一个实施例中，腿330由例如SW2或Si3N4的电介质形成，在一些实施例中，腿330不含金属导体而达到10_8数量级的低热导，并具有高的热隔离和温度敏感性(在一个实施例中对IK目标是dt pix-29mK)。在一个实施例中，VO2膜可被掺杂以根据由红外产生的Si3N4温度变化在室温(RT) 下改变透射。室温操作和转变的陡度依赖于在中掺杂例如W，Re及Mo的金属。在大约67°C具有莫特半导体-金属转变。掺杂金属可将边缘降低至室温(RT)(四3° K)。其他的掺杂剂也可影响到这种转变特性。在一个实施例中，可通过使用整体真空封装来优化热特性。图4A是根据示例实施例的不仅仅包括像素的图3中像素的透视图。图4B是根据示例实施例的包括像素更多细节的图3中像素的分解透视图。图4A和图4B中的附图标记与图3是一致的。从图4A和4B中可以看到金属网状物320附加的结构。金属网状物形成像素阵列的支撑结构，包括用于支撑薄金属像素体415 (在一个实施例中大约是5. OX 10_7cm) 的金属网格410，所述薄金属像素体415具有对应于匹配的热光换能器元件425的开口 420。使用红外吸收器层430将换能器元件425夹在层430和金属像素体415之间以使得换能器元件425与开口 420对准，以允许由换能器元件响应由红外辐射导致的温度变化而改变的光透射通过开口。在一个实施例中，红外吸收器层430具有90% _95 %的填充因子以有效的吸收 LWR辐射并相应的改变温度。金属像素体415非常薄以为换能器元件425(其在一个实施例中可由VOx形成)提供小质量和高热导。金属像素体415可具有反射作用，以防止像素受到背光加热的不利影响。柱340，也称为过孔(vias)，可由低导的Si3N4形成，腿也如此， 以为像素提供热隔离。图4C是实例像素说明的表格。在各种不同的实施例中，可改变实例说明中的参数。图5是根据示例实施例的由网状物支撑的红外探测器系统像素阵列500的透视图。由网状物支撑的像素阵列形成在Si衬底510的顶部，依赖于网状物所需的结构支撑 Si衬底510包括每个像素或者像素组的刻蚀坑。在一个实施例中，像素由肌2基的红外换能器形成以提供直接红外换能。在另外一个实施例中，可使用双压电晶片悬臂(bimorph cantilevers)或者高利探测器的隧道尖端(Golay cell tunneling tips)来提供直接的红外换能。图6是根据示例实施例的无源红外探测系统600的透视框图。例如人610的对象发射红外辐射615，该辐射由系统600在第一端620接收。透镜625设置在第一端620或其附近，用于将红外辐射聚焦到响应红外辐射而改变光透射率的无源换能器630。与第一端 620相对的观察端635可包括光学透镜640以在可见光透射率改变的情况下帮助通过观察端635看向换能器630的使用者聚焦在换能器630上。在一个实施例中，红外探测系统600 全部是无源的，不需要外部功率源。在一个实施例中，红外辐射有效的为换能器供电，来自于环境的无源光可用于协助观察换能器630，在换能器630上，对象的图像以灰阶形式显示出来。在另外一个实施例中，例如在没有外部可见光源的空间或夜间，可包括可选的光源。 在另外一个实施例中，观察端635包括适于对于至少部分处于可见范围外的光范围敏感的传感器，并且还可包括用于向使用者显示被感测的光的显示器件。总之，红外探测器是基于像素化热结构的UWR辐射吸收。透镜将从场景发出的 LWR辐射投射到像素化阵列上。每个像素由吸收的红外辐射加热到与聚焦的UWR强度成比例的程度。形成阵列的高效热隔离像素被设计为有效地将吸收器UWR功率转换为热并以与正常视频帧率一致的速率升高像素的温度。像素的温度导致位于像素上的热光材料的光学透射或反射发生改变。透射的变化与阵列中每个像素所吸收的红外辐射量成比例。当使用可见光背照明像素时，透射变化可通过肉眼直接观察变化而感测到。当像素化阵列被最大热光效应并且CMOS探测器阵列具有足够灵敏度的波长背照时，它也可以由CMOS阵列感测到。在后一种情况中，CMOS阵列提供了非均勻校正能力并提供了转换的L^WR图像的电子读取。一种期望的热光材料是VO2, 它在轻微升高的温度下显示了大的透射变化，或者是掺杂一系列掺杂剂(W，Ti，Re)的多种 VO2膜，其可用于降低转变温度。
权利要求
1.一种红外探测器(100)，包括用于接收来自被观察图像O10)的红外辐射的透镜(110，220)；以及热探测器(120，230)，被设置为接收来自透镜的红外辐射并响应红外辐射改变透射通过热探测器的光量。
2.根据权利要求1的红外探测器(100)，其中透射的可见光量被改变以使得热探测器能够(120,230)由使用者观察。
3.根据权利要求1的红外探测器(100)，还包括为热探测器(120，230)提供光以增强热探测器对使用者的可见度的背光040)。
4.根据权利要求3的红外探测器(100)，还包括用于准直从背光到探测器(100)的光的准直冷透镜(M5)。
5.根据权利要求1的红外探测器(100)，其中热探测器(120，230)包括具有像素(310) 阵列的网状物(320)，每个像素包括用于吸收UWR辐射的膜(420)和热光响应膜025)。
6.根据权利要求5的红外探测器(100)，其中热光响应膜(42 是掺杂有W，Re和Mo 中至少之一的VO2。
7.根据权利要求5的红外探测器(100)，其中热光响应膜包括WxVyO2膜。
8.一种红外探测器(100)，包括用于接收来自被观察图像的红外辐射的透镜；以及热探测器(120，230)，被设置为接收来自透镜的红外辐射并响应红外辐射改变透射通过热探测器(120，230)的光量，其中热探测器(120，230)具有网状物，该网状物具有像素阵列，每个像素包括形成在金属网状物开口内并与网状物热隔离的热光响应膜。
9.根据权利要求8的红外探测器(100)，其中网状物包括金属网状物，该金属网状物具有的电阻使得金属网状物吸收L^WR辐射。
10.根据权利要求8的红外探测器(100)，其中热光响应膜包括掺杂有W，Re和Mo中至少之一的VO2膜。
11.一种方法，包括将红外辐射聚焦到像素(310)阵列上；响应红外辐射加热像素(310)；以及由于加热产生像素阵列的转变。
12.根据权利要求11的方法，其中像素阵列的转变改变透射通过像素(310)阵列的光量。
13.根据权利要求12的方法，其中像素(310)阵列响应红外辐射对可见光在不透明和透明之间改变。
14.根据权利要求11的方法，还包括提供背光(MO)来照明像素(310)阵列以增强使用者的观察；以及准直背光所提供的光。
15.根据权利要求14的方法，其中将红外辐射聚焦到像素阵列上包括使用红外透镜和可见-红外二向色分束器(225)。
全文摘要
无源红外成像器件。红外相机(100，200)包括用于接收来自于被观察图像(210)的红外辐射的透镜(110，220)。热探测器(120，230)被设置为接收来自透镜(110，220)的红外辐射并响应红外辐射改变透射通过热探测器(120，230)的光量。
文档编号G01J5/10GK102261957SQ20111016497
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者B.E.科尔, R.E.希加施 申请人:霍尼韦尔国际公司