CN103196562A - 包括集成至少一个衍射光栅的封装的红外检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外检测器。根据本发明的红外检测器包括：敏感网膜，能够检测8和14微米之间的波长范围中的辐射；以及封装，包含敏感网膜并且包括与网膜相对的窗口，所述窗口包括在2和14微米之间的波长范围中至少部分透明的基板；以及光学滤波器集合，在窗口上形成以衰减在2和8微米之间的波长范围中的网膜上的入射辐射，并且由如下部件形成：光学滤波器，在窗口的第一表面上形成并且衰减在2和8微米之间的波长范围的第一区间中的入射辐射，以及周期衍射光栅，在窗口的第二表面上形成并且衰减在2和8微米之间的波长范围的与第一区间不同的第二区间中的入射辐射。

Description

包括集成至少一个衍射光栅的封装的红外检测器

技术领域

本公开涉及红外检测或成像，尤其涉及微测辐射热检测。更具体地，本发明涉及能够调整包含敏感检测元件的封装的频谱特性的技术。

背景技术

本领域中公知的旨在用于红外成像或热成像的检测器包括敏感网膜，该敏感网膜设置在光学装置的焦平面中并且集成在通常紧密的封装中，该封装保护网膜，并且将其维持在其适当操作通常所需的压力极低的环境中。网膜由在称为“读取电路”（ROIC）的电子芯片的表面处形成的敏感单元元件或“像素”的二维组件形成，该电子芯片包括用于寻址并且形成每个像素的信号的电路。因此这些信号一起形成与热场景相关的电图像，借助于将热图像聚焦到敏感网膜上的适合的光学系统观察该电图像。

通常称为“窗口”的设置在光学装置和网膜之间的光学路径上的封装壁由对于所关注的辐射基本上透明的平面基板形成，所关注的辐射即用于红外检测的8μm和14μm之间的辐射，其适于300K附近的场景的当前大部分的观测情况。

在一个方面，为了优化该频带中的透射，并且另一方面为了限制该频带之外的透射，并且更具体地限制短于8μm的波长，通常将光学滤波器应用于窗口的两个表面。

实际上期望2μm和8μm之间的尽可能低的透射，以避免检测器在灵敏度取决于发射物体和焦平面之间的观测距离的频谱中响应，并且因此避免检测到的红外强度依赖于频谱的该部分上的有限的大气透明度。此外，限制2μm和8μm之间的透射能够使网膜的敏感元件不会暴露于来自观测场中可能出现的极热源的高能辐射，并且引起对敏感元件的暂时的甚或永久的损坏。

通常，并且实际上，在窗口表面上形成的光纤由包括许多预定厚度的薄层的干涉叠层形成，每个薄层在2和20μm之间是基本上透明的，具有通常由硫化锌制成的低折射率的层和通常由锗制成的高折射率的层的交替。因此可以并且已知在某种程度上控制并优化第一表面上的窗口的空气基板界面的透射频谱，并且优化相对表面上的基板-空气（或真空）透射。

滤波器的质量进一步由缺陷的特性确定，特别是所述滤波器包含的碎片、刮痕、异物和其他结构缺陷。实际上，这些缺陷和瑕疵能够干扰由检测器形成的图像，并且随着滤波器接近焦平面，并且因此接近敏感检测元件，这变得更加严重。应注意，同样地，在距焦平面最近的窗口表面上形成的滤波器的缺陷较之在另一窗口表面上形成的滤波器的缺陷，更强地干扰由检测器形成的图像。

现今，现代检测器正趋向于具有越来越小的尺寸，特别是在厚度方面，即沿光轴的尺寸，特别用于充分利用具有极短焦距的光学系统。随着检测器的微型化，因此应提供具有越来越小的尺寸的缺陷并且具有也越来越小的缺陷表面密度的滤波器。

然而，由于这些光学滤波器的成本由于所采取的特定方法预防措施和/或相关联的效率损失而迅速增加，因此这些日益苛刻的规格变为经济问题。由该方法导致的所获得的性能或成本仍不适于与当前红外检测部件的领域相关的需要。

降低光学滤波器的厚度是当前利用的用于提高它们的质量的方法。实际上，结构缺陷的数目和尺寸连同滤波器厚度一起增加。因此，它们的厚度的减少导致了缺陷的尺寸和数目以及多层光学加工的成本的显著减少。然而，总厚度的减少典型地伴随所使用的层数目的减少，这必然导致光谱透射规格的放松。该方法因此导致了接受滤波器性能方面的劣化以及检测器对极热源的易感性，作为较低成本以及尺寸和数目减少的缺陷（即较好的缺陷率）代价。

用于改进缺陷率的现有技术的另一方法包括通过窗口的直接刻蚀实现微结构的二维网络。该技术例如在文献WO02/054499和US2009/080075中描述。然而该技术极少被实现，特别是因为相关联的必要技术和仪器的成本。此外，该结构的简单性使得不能限定诸如红外测辐射热检测所期望的透射光谱。实际上，以该方式获得一个或者最好两个干涉层的等同物，并且因此仅获得抗反射功能，这极大地限制了所获得的滤波器的总体优化潜力。

因此对于前面提及的缺点，需要通过在窗口的其他表面上的多层加工来形成通常的结构以获得2和8μm之间的低透射。

发明内容

本发明致力于通过提供一种红外测辐射热检测器来解决以上讨论的问题，该红外测辐射热检测器具有提供适于红外测辐射热检测的滤光频谱的窗口，该红外测辐射热检测器具有极低的缺陷率并且可以借助于通常的大规模共同制造技术以低成本形成。

出于该目的，本发明涉及一种红外检测器，其包括：

●敏感网膜，能够检测8和14微米之间的波长范围中的辐射；以及

●封装，包含敏感网膜并且包括与网膜相对的窗口，该窗口包括在2和14微米之间的波长范围中至少部分透明的基板；

●光学滤波器集合，在窗口上形成以衰减在2和8微米之间的波长范围中的网膜上的入射辐射。

根据本发明，光学滤波器集合由如下部件形成：

●光学滤波器，在窗口的第一表面上形成并且衰减在2和8微米之间的波长范围的第一区间中的入射辐射；以及

●周期衍射光栅，在窗口的第二表面上形成并且衰减在2和8微米之间的波长范围的与第一区间不同的第二区间中的入射辐射。

换言之，本发明包括组合第一滤波器，特别是在窗口的一个表面（被称为第一表面）上形成的多层干涉滤波器，以及使用光栅的衍射性质的滤波器，这种衍射性质是例如通过所述窗口的另一表面（被称为第二表面）上的表面纹理而获得的。

根据该组合，第一滤波器衰减第一波长范围，例如2和5μm之间的范围上的窗口透射，并且网络纹理衰减第二波长范围，例如5和8μm之间的范围上的窗口透射。这些特定功能是与8和14μm之间的所关注的波长中的通过两个窗口表面的辐射的高透射的获得同时被获得的。

将多层干涉滤波器替换为根据本发明的衍射滤波器，在红外检测器的窗口的至少一个表面上，使得能够极为显著地改进组件质量的工业控制，即干扰承载有用信息的入射波阵面的传播的结构缺陷的密度和尺寸。这导致了制造尺寸减小的部件的极大便利，尽管关于窗口质量的规格极为苛刻。

实际上，衍射滤波器可以借助于通常的制造技术形成，在这里以可再现的和准确的方式形成。特别地，诸如硅或锗的对红外辐射透明的矿物基板的使用使得能够使用基于微电子的技术，更具体地包括形成通过光刻限定的光栅的掩模，以及通过清洁环境中的干法刻蚀的方法形成光栅的隆起的或凹陷的图案。这些技术在缺陷方面提供了比通过根据现有技术的多层干涉滤波器的淀积（通常通过蒸发）典型实现的可重复性和质量高得多的可重复性和质量。

此外，典型使用的制造方法的可重复性使得能够实现比根据多层干涉滤波器的淀积的传统技术获得的制造效率高的制造效率。

此外，难于甚或不可能用于多层干涉滤波器的快速的、广泛共同的和自动的制造技术的使用导致了符合成本控制需要的制造成本。

在例如标准硅基板上利用红外用多层加工的光学窗口的共同制造通常伴随特定的可变性，其可能引起这些加工的滤光特性的频谱漂移。实际上，在同一基板的外围和中心之间，或者在若干基板之间，根据用于制造多层滤波器的通常方法淀积的厚度可能显著变化。因此，特别地由每个干涉层的厚度控制的光学加工的频谱滤光限制可以根据基板上的窗口的位置，和/或根据所考虑的基板而漂移。

根据本发明共同制造的窗口将优选地具有由衍射滤波器控制的高通频谱转变或“导通（cut-on）”。特别地，衍射滤波器的频谱滤光限制主要受光栅的间距（或周期）的控制。现今，微电子光刻类型的典型地用于制造光栅的技术使得能够相对于实际间距（典型地从1至5μm）极为准确地控制该间距。因此根据本发明的窗口的构造提供了比根据通常的多层干涉滤波器技术高得多的控制度和透射阈值控制。

由于使用衍射滤波器导致的频谱带宽的下限的较好控制使得能够考虑允许关于厚度的精度以及关于淀积层的数目的较大的自由度的多层干涉滤波器的架构（第一实施例的情况）。实际上，窗口的频谱带的限制由衍射滤波器设定，不再由干涉滤波器设定。由此，单个多层干涉滤波器的规格相对于传统的双滤波器构造所需的规格放松，这导致了复杂度的潜在增加，就是说，导致了制造成本、所关注的频谱中的频谱透射控制、以及结构缺陷密度的潜在增加。这通常导致显著的节约。

根据一个实施例，在窗口的最接近网膜的表面上，或者在内表面上形成周期光栅。

根据本发明的一个实施例，光栅周期范围在第二区间的上限除以形成窗口基板的材料的光学折射率的1.1和1.4倍之间，并且优选地大致等于所述限制的1.25倍。

根据本发明的一个实施例，光栅跨越窗口的厚度形成并且具有厚度范围在1微米和2微米之间的图案。

根据本发明的一个实施例，光栅具有范围在40%和55%之间的填充因子。填充因子是每单位面积的光栅的隆起部分的面积。

根据本发明的一个实施例，在窗口的第一表面上形成的滤波器是多层干涉滤波器。

作为一种变化，在窗口的第一表面上形成的滤波器是衍射光栅。

根据本发明的一个实施例，第二区间的上限大于或等于第一区间的上限。更具体地：

●在窗口的第一表面上形成的滤波器能够衰减至少在2和5微米之间的波长范围中的入射辐射；以及

●周期光栅能够衰减至少在5和8微米之间的波长范围中的入射辐射。

有利地，在窗口的第一表面上形成的滤波器的行为基本上如同2和14微米之间的波长范围上的高通滤波器。更具体地，高通滤波器的导通波长与形成窗口的基板的光学折射率的比在周期图案光栅的间距的1和1.5倍之间，或者甚至基本上等于所述光栅的间距。

根据本发明的一个实施例，周期光栅包括根据阿基米德或彭罗斯拼砌（tiling）布置的图案。

根据本发明的一个实施例，窗口由矿物基板，特别是硅或锗制成。

通过下文结合附图的非限制性描述，将更好地理解本发明。

附图说明

图1是根据本发明的红外检测器的简化横截面透视图；

图2是图1的检测器中包括的根据本发明的窗口的更详细的简化横截面视图；

图3是在根据本发明的检测器的窗口的外表面上形成的多层干涉滤波器的透射频谱；

图4是在根据本发明的检测器的窗口的内表面上形成的衍射光栅的透射频谱；

图5是组合图3和4中分别所示的滤波器和光栅的检测器窗口的透射频谱；

图6是用于定义阿基米德拼砌的六边形拼砌；

图7是图示基于图6的拼砌的阿基米德拼砌的网格的三个点的视图；以及

图8是包括根据阿基米德拼砌布置的圆形平台的衍射光栅的俯视图。

具体实施方式

在图1中，红外测辐射热检测器10包括基部12，基部12在其上表面处包括读取电路、敏感网膜14和热绝缘臂，敏感网膜14由借助于机械支撑部悬在读取电路上方的多个测辐射热膜16形成。膜16均形成对红外辐射，特别是波长范围在8μm和14μm之间的红外辐射敏感的检测器点。网膜14设置在光学系统（未示出）的焦平面18中。在图1中未相对基部12区分读取电路，在该情况下读取电路形成该基部本身，但是读取电路也可以设置成在传统封装的底部的内表面上组装的电子芯片的形式，该组件形成根据本发明的基部12。读取电路进一步包括借助于膜16形成有用信号所必需的寻址和偏置电路（也未示出）。

检测器10进一步包括位于网膜14前面并且设置在所述网膜和光学系统24之间的光学路径上的第一壁22，以及设置有网膜14的基部12。由元件12、22、24形成的组件形成网膜14的机械保护封装，并且限定通常紧密的空间26，其中典型地存在减少的气压。

与网膜14相对的壁22包括平面基板28，其在8和14μm之间至少部分地透明。壁或窗口22通常一件式形成并且由诸如硅或锗的单个矿物材料形成，典型地，该单个矿物材料提供良好的机械固持和令人满意的与壁24紧密集成的能力，同时使得能够借助于光刻和刻蚀技术使其表面纹理化。

这些材料在8和14μm之间天然地基本上透明，但是从2μm起并且至少直至20μm也是基本上透明的，使得借助于基板28的特定吸收将其排除以获得期望的8μm以下的滤波。

所提供的描述特别地，但是非排他地，适用于测辐射热检测器，本发明还适用于在所考虑的波长范围中操作的任何类型的检测器。相似地，限定本发明的具体的几何和物理关系可以适用于与红外频谱不同的区域，只要至少其原理保持有用地可适用。

基板28的最远离网膜14的外表面30设置有多层干涉滤波器32，其被设计为衰减2μm和8μm之间的第一波长范围上的，有利地2和5μm之间的波长范围上的窗口22的总体光学透射。该范围的有限带宽特别地使得能够提供具有有限数目的层的干涉滤波器，并且结果，较之被设计用于衰减从2μm到8μm的整个区间上的窗口透射的干涉滤波器，能够提供有限的缺陷数目和缺陷尺寸。

有利地，还考虑窗口22的基板28的光学特性以设计滤波器32。实际上，通过选择例如由锗或硅制成的矿物基板28，对于锗，窗口22对于小于2μm（真空中）的本征不透明性极限的任何波长是不透明的，并且对于硅，窗口22对于小于1.2μm的本征不透明性极限的任何波长是不透明的。再者，具有关于大于不透明性极限的波长的高通类型的光学透射的滤波器32使得能够获得期望的滤波，即使该滤波器的透射对小于不透明性极限的波长将是高的。

与这种检测器一起使用的光学系统的透镜通常由锗制成，从而没有2μm以下的场景发射的辐射到达检测器窗口。因此通常不需要借助于窗口对1.2和2μm之间的辐射进行滤波。出于该原因，在这里的讨论中仅考虑大于2μm的波长。

例如在图3中示出了由滤波器32透射的辐射和入射在所述滤波器上的辐射之间的光学透射函数的示例。

窗口22的内表面34，即最接近网膜14的表面被纹理化以具有形成衍射光栅的图案28的周期光栅36，例如隆起的平台的光栅。

衍射光栅36被设计用于衰减2μm和8μm之间的第二波长范围上的，有利地5至8μm的波长范围上的窗口22的总体光学透射。更具体地，如图2的详细视图中所示，选择光栅36的性质，即特别是其图案的几何特征、主要是它们的填充率以及光栅的间距p，使得第二范围中包括的波长偏离衍射角θ_diff，使得这些波长不会入射在网膜14上。因此衍射的能量不再沿光轴传送，而是根据入射半空间中的高角度而偏离所述光轴，使得在这些波长的辐射不会到达焦平面。在焦平面上形成的图像方面，结果等同于该波长范围的严重透射衰减。

如前文所述，衍射光栅有利地借助于通常的现有技术的光刻或刻蚀技术形成，这些技术允许大规模生产和高可再现性，使得衍射光栅的缺陷的尺寸和密度是极为有限的。

例如在图4中示出了由衍射光栅36透射的辐射和入射在所述光栅上的辐射之间的光学透射函数的示例。

在图5中示出了图3中所示的频谱和图4中所示的频谱的组合，即窗口22透射的辐射和入射在窗口22上的辐射之间的窗口22的总体光学透射。

有利地，衍射光栅36的光学性质是各向同性的，以避免对辐射的特定偏振的选择性。实际上，在大部分红外成像类型的应用中收集的辐射没有特定的偏振特征。为此目的，光栅36具有高对称性，特别是4或6阶次的对称性，即正方形或六边形，或者更高阶次的对称性。当然，如果相反地，例如期望透射/衍射偏振的各向异性，则其他布局也是可能的。

光栅的旋转对称性阶次在某种程度上使得能够设定8μm下的衰减范围和超过8μm的透射范围之间的转变的陡度。在图5中通过8μm周围的透射频谱的斜率示出了该陡度。实际上，每个衍射阶次的强度取决于光栅36的对称性的阶次。因此，六边形光栅（具有6阶次的对称性）将具有与具有4阶次的对称性的光栅不同的斜率。通常可以观察到，较高阶次的对称性导致衍射光栅36的导通水平处的更陡峭的转变。

如本发明人所观察到的，高对称性的本发明的背景下的优点还源自如下事实，与光栅的衍射对应的透射辐射的强度的衰减，即滤波频谱的第二部分中的衰减随着光栅的对称性阶次极为显著地增加。因此，例如，六边形光栅导致5-8μm范围上的80%的平均衰减，而具有阿基米德拼砌的光栅允许该同一范围上的大于90%，甚或95%的平均衰减。

如果光栅36包括“准晶体”类型的网格，则可以获得有利的高阶次的对称性。例如，光栅36是从彭罗斯拼砌得到的图案的二维光栅，这种拼砌具有周期性重复的图案，其具有5或10阶次的对称性。这种光栅可以例如根据“Construction de pavages du plan par la méthode desmulti-grilles”,Denis Gratias,LEM-CNRS/ONERA,2002描述的方法构造。

作为一种变化，光栅36是所谓的阿基米德图案的光栅，其周期性地重复以形成具有12阶次的对称性的较大的图案。

特别地，通过阿基米德拼砌得到的图案的光栅提供了衰减范围和透射范围之间的小宽度的转变，即对于8μm周围的导通具有约2μm的宽度。相反地，具有正方形网格的光栅的导通将在较大的频谱带上延伸，对于8μm周围的导通典型地具有约2.5μm的宽度。

适于本发明的基于阿基米德拼砌的光栅可以如下构造。

首先，形成被布置成形成六边形52（元素阿基米德图案）的等边三角形50a-50f的集合。随后，该元素图案周期性地重复以形成诸如图6中所示的第一连续拼砌。

随后在每个六边形52的等边三角形50a-50f中的一个上定义三个点并且在每个六边形的每个三角形上，通过围绕与六边形的中心对应的旋转中心的旋转来重复这三个点。通过构造，所获得的点图案具有至少6阶次的对称性。为了同时获得4阶次的对称性，具体地将三个前述点设置在等边三角形上。第一点54a设置在元素图案的中心，并且另外两个点54b和54c分别与中心54a等距地设置在具有作为顶点的点54a的三角形的边上，并且与相邻的元素图案的相应的点56b和56c形成正方形图案（4阶次的对称性）。因此点54b和54c距点54a的距离p等于点54b和56b之间的距离以及点54c和56c之间的距离。

如前所述通过构造并且通过重复将这三个点安置在每个三角形上，并且随后通过利用这样获得的六边形拼砌平面，点形成了具有1、2、3、4、6和12阶次的对称性的、周期性重复的各种图案的光栅。因此，衍射阶次的数目高于基于正方形或六边形网格的、例如具有限于4或6阶次的对称性的传统网格的阶次。

在图8中图示了在窗口22的基板28的表面34处纹理化并且根据上述构造安置在每个点处的例如圆形的平台（pad），其中具体化了各种对称性的图案。

在下文中基于阿基米德拼砌的光栅的周期应被理解为图7的参数p，其对应于构造的两个点之间的距离，即两个相邻平台的中心之间的距离。

彭罗斯拼砌使得能够形成通常维持5或10阶次的对称性的二维光栅。

基于彭罗斯拼砌的光栅可以根据已知的多重栅格方法构造。多重栅格方法提供了具有N阶次（对于彭罗斯拼砌，N=5）的对称性的二维栅格：

●构造平行的规则隔开的直线的集合；

●旋转中心设定在一条线上；

●通过根据下一角度的围绕对称中心的旋转来重复线网络，该旋转提供阶次N=5:360°/5=72°的对称性。

●随后通过根据同一旋转中心的角度等于(360°/5)×2=144°的第二旋转来复制第一线网络。

●随后针对如下角度根据同一原理来复制第一线网络：(360°/5)×3和(360°/5)×4。

●通过构造，直线的交叉点于是对应于具有5阶次的对称性的光栅的节点。

●随后将用于本发明的光栅的平台设置在每个节点上以获得具有5阶次的对称性的平台光栅。

用于构造光栅的平行线之间的最短距离（沿与平行线垂直的方向）可以被视为基于彭罗斯拼砌的该光栅的周期。

现将更详细地描述使得能够设定衰减范围的衍射光栅36的特征。

在通过基板28的纹理化获得的光栅36的情况下，对于如下波长，第一衍射阶次在通常的入射下出现：

λ＝p·(n_s+n_a)      （1）

其中：

●λ是真空中的波长；

●p是光栅36的周期；

●n_s是基板28的折射率；以及

●n_a是空间26，例如空气或真空的折射率。在下文中，n_a=1。

为了在本发明的背景下获得有利的衍射滤波，应选择对于光栅是充分高的、足以高效地在待衰减的频谱带（即5μm和8μm之间的波长范围）中衍射的周期。然而，光栅周期必须不能过高，以限制透射将被最优化的频谱带（即8μm和14μm之间的波长范围）中的衍射。

在实践中，当光栅的周期p使第一衍射阶次出现在范围在光栅所期望的基板28中的导通波长的1.1和1.4倍之间，并且典型地大致等于1.25倍的基板28中的波长时，在不会显著影响较高波长的透射的情况下，通过光栅36获得了高效的衍射滤波。

为了最佳地衰减小于8μm的波长的辐射，例如，选择光栅36的周期p，使得在真空中第一衍射阶次大致出现在10.5μm周围。因此，5和8μm之间的波长范围的频谱带上的衍射衰减变得显著，并且对8和10μm之间的波长范围的频谱带的透射的影响小，因为衍射强度在该频谱带上保持是有限的。

在本发明的优选实施例中，其中光栅36在窗口22的内表面上形成，当辐射到达光栅36时辐射从基板28传播到空间26，即空气或真空。对于大于光栅36的周期p的真空空间中的波长，不同的衍射阶次于是不会干扰在网膜16上形成的图像，这是因为这些衍射模式通过反射传播并且因此回到窗口22的基板28中。

实际上，关于对称二维光栅的衍射阶次的衍射角度符合如下规则：

n_s·sin(θs_i，j)＝(i+j)·λ_s/p        （2）

其中

●λ_s是基板28中的波长，即λ_s=λ/n_s；

●θs是在基板中所考虑的阶次的衍射角度；以及

●i和j对应于所考虑的阶次的折射率。

被称为“01”或“10”的在基板中衍射的第一阶次根据如下角度出现：

θs＝arcsin(λ_s/p)          （3）

第一衍射阶次（“01”或“10”）在半空间26中出现的相关联的角度由斯涅耳-笛卡尔定律提供，并且等于

θv＝arcsin(λ/p)         （4）

关系（4）指示当真空中的波长小于光栅周期时，第一透射衍射阶次出现。对于大于光栅周期的真空中的波长，衍射阶次于是仅在反射模式中出现。

在本发明的背景下，期望不干扰由入射波阵面承载的图像，该图像具有由包括光栅36的窗口22的表面透射的阶次所固有的衍射晕。小于光栅36的周期p的、形成窗口的基板中的波长将以根据它们的波长可变的偏离被透射，并且因此能够直接到达焦平面或者在经过包含所述焦平面的封装内部的各种反射之后到达焦平面，因此有利地被布置在窗口22的外表面上的高通干涉滤波器32显著衰减。形成窗口的基板中的滤波器32的导通波长被选择为等于或略大于光栅36的周期p，特别是光栅36的周期p的1和1.5倍之间的导通波长范围。在这些条件下，小于导通波长的波长不会到达光栅，这是因为它们在空气/基板界面28上被反射。

图3中图示了使用的干涉滤波器32的透射频谱。

更具体地，由于如下频谱范围中的反射衍射机制，根据本发明的窗口使得能够执行高效滤波：

$p\≤\mathrm{\λ}\≤\frac{1}{1.25}\×n_s\×p,$ 即

p≤λ≤0.8×n_s×p          （6）

因此光栅36的周期p和基板28的折射率n_s的选择确定了布置在窗口32的内表面上的衍射滤波器的光谱性质，特别是在衰减频谱带的限制和宽度方面。

例如，对于折射率n_s=3.4的硅制成的基板28，将周期p选择为基本上等于

通过选择等于8μm的真空中的波长λ，于是得到p=2.9μm。

通常，根据透射和滤波之间的折衷，特别是对于硅基板28，在2μm和4μm之间选择光栅36的周期p。在实践中，通过2.6和3.3μm之间的光栅周期p，即通过应用范围在1.1和1.4之间的比

获得了该情况下的高度可接受的结果。

与用于红外成像的光栅的使用有关的现有技术（诸如例如文献WO02/054499中描述的技术）相反，在8和14μm之间的所关注的真空波长范围中，所使用的周期不比形成窗口的基板中的所有波长短。

光栅36的其他几何参数，特别是隆起的图案的厚度e及其填充因子（即每单位表面积的隆起部分的面积），根据已知的技术，例如由所谓的“有效介质理论”的定律以及矩阵光学的定律确定，以优化所关注的频谱带中的透射。为了优化长红外范围8-14μm上的透射，特别有利的是将36定为10-μm四分之一波片的尺寸。

为此目的，光栅36的图案的厚度e满足如下关系：

$e=\frac{{\mathrm{\λ}}_M}{4\×n_{\mathrm{eff}}}---\left(7\right)$

其中：

●n_eff是优选地等于或接近的有效折射率

以及

●λ_M是关于最大透射率的真空中的波长，就是说，对于设定为10μm的四分之一波片，λ_M=10μm。

对于硅基板28，在8μm和14μm之间ns=3.4，并且通过设定n_a=1，光栅36的图案的厚度e于是优选地等于1.35μm。

根据有效介质理论的光栅36的有效折射率n_eff由光栅填充因子确定。可以通过本领域已知的公式估计获得所期望的有效折射率所需的填充因子。例如参照文献“Antireflection surfaces in Silicon using Binary opticstechnology”,APPLIED OPTICS,Vol31,No2,1st August,Motarnedi etAl。然而经验方法也可以获得相关的估值。

最后，跨越特别是由硅制成的基板28的厚度形成的光栅36有利地具有如下几何特征：

●图案厚度，即在基板中执行的纹理化的深度的范围在1和2μm之间；

●填充因子的范围在40%和55%之间。

当然，在不偏离本发明的框架的情况下，优化所关注的范围上的透射的其他几何特征也是可能的。例如，为了执行折射率频谱，可以使用具有非竖直壁的平台或者若干层级的平台，而非立刻使用根据简单的竖直轮廓的简单纹理化的四分之一波片。

已结合衍射光栅36描述了多层干涉滤波器32。

作为一种变化，高通多层干涉滤波器32被替换为具有比衍射光栅36小的周期的衍射光栅。这样该构造使得能够完全消除当前用于制造红外范围中的滤波器的干涉滤波器32的淀积台阶。在该情况下仅使用微电子制造技术，特别是用于制造窗口22的光刻和/或刻蚀。

因此第一衍射光栅36由具有其特征，特别是其周期的第二衍射光栅完成，这些特征被选择为形成第一衍射阶次，如果未被用于该衍射布置，对于将由第一光栅36透射的波长，其进行反射。因此避免了因透射衍射模式的透射而改变在焦平面上形成的图像。

例如，对于预期仅在8和14μm之间的波长范围上透射的、由硅基板28形成的窗口22，根据第一实施例中描述的参数设计在滤波器22的内表面上形成的第一衍射滤波器36以高效地阻挡在3μm和8μm之间的真空波长范围中的辐射。在窗口22的外表面上形成的第二衍射滤波器典型地具有与后者相似的结构，特别是在光栅周期性和重复图案方面。然而，其重复周期以及因此的其相对于第一光栅的比例因子比第一光栅的周期短，例如比其短约1μm。

因此，对于硅基板28，给定基板28的折射率，透射通过窗口的第一表面（上表面，即空气-基板界面28）的衍射阶次呈现小于3.4μm的波长（在真空中）。然而，具有3.4μm以下的波长（在真空中）的透射衍射光线在基板28的下表面上的入射角度大于布鲁斯特全反射角并且因此在下表面（窗口的第二表面）上被全反射并且不会到达焦平面。此外，硅基板28自身通过1.2μm（在真空中）以下的本征吸收阻挡辐射，使得该辐射也不会被透射。

在锗基板28的情况下，本征吸收阈值向后平移2μm，使得所形成的具有约2μm的周期的第二光栅针对高达8μm的波长（在真空中）在第二表面上引起等同的全反射效果。因此在待衰减的频谱的上部获得了与第一光栅的衰减互补的衰减。

因此获得了使得能够显著过滤所有在8μm以下的辐射并且优化大于8μm的波长的透射的窗口。

在干涉滤波器通常阻挡的整个频谱带上，相对于包括两个多层滤波器的窗口，滤波略微放松。然而，由于这些窗口的所有制造步骤可以通过微电子技术实现，因此可以使它们在具有极低缺陷率的大基板28上的共同生产工艺完全自动化。在光栅的制造之后典型地通过机械锯切将基板分离成各个窗口22。

在特别热的场景元素出现在光学系统的敏感场中的情况下，本发明的实现方案具有相对于传统的光谱滤波布局的特定的优点。例如，在高的光孔径和/或大气亮度的条件下无意地观察太阳可能引起图像质量的持久偏移，甚或布置在焦平面中的敏感元件的毁坏。

实际上，这种热源耗散的能量的大部分分布在短波长，特别是8μm以下。对于接近阈值和阈值以下的波长，即在它们的高能成分中，本发明的背景下使用的衍射导致在所关注的频谱中所述源在焦平面上的图像延伸越过所形成的图像的标定表面。这导致了晕的形成，其可被解释为图像分辨率的损失，其实际上对用户有极小的损害，这是因为由于所关注的敏感元件生成了饱和信号，因此这些场景元素已不可能使用并且在红外观测中不会被关注。

然而，在这种高对比度场景的特定情况下形成衍射晕的过多的局部能量的角度散布由于波长是短的（高能的）而更加扩展，并且因此伴随相关的敏感元件接收到的能量（形成热源图像的焦平面的面积）的成比例下降，这是因为入射能量分布在大量的敏感点（像素）上。结果，由过强的照明引起对检测器的损坏的风险显著降低，甚或被抑制。

因此，较之基于具有较好的滤波性能但是制造起来更加昂贵的精密的高通滤波器的通常的现有技术，根据本发明形成的检测器的弱点典型地不大，并且甚至更好。

Claims (15)

1.一种红外检测器，包括：

●敏感网膜，能够检测8和14微米之间的波长范围中的辐射；以及

●封装，包含所述敏感网膜并且包括与所述网膜相对的窗口，所述窗口包括在2和14微米之间的波长范围中至少部分透明的基板；

●光学滤波器集合，在所述窗口上形成以衰减在2和8微米之间的波长范围中的、所述网膜上的入射辐射。

其特征在于所述光学滤波器集合由如下部件形成：

●光学滤波器，在所述窗口的第一表面上形成并且衰减在2和8微米之间的波长范围的第一区间中的入射辐射；以及

●周期衍射光栅，在所述窗口的第二表面上形成并且衰减在2和8微米之间的波长范围的与所述第一区间不同的第二区间中的入射辐射。

2.根据权利要求1所述的红外检测器，其特征在于，所述周期光栅在所述窗口的最接近所述网膜的表面上形成。

3.根据权利要求1所述的红外检测器，其特征在于，所述光栅的周期的范围在所述第二区间的上限除以所述窗口基板的光学折射率的1.1和1.4倍之间，并且优选地大致等于所述限制的1.25倍。

4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的红外检测器，其特征在于，所述光栅跨越所述窗口的厚度形成并且具有厚度范围在1微米和2微米之间的图案。

5.根据前述权利要求中任一项所述的红外检测器，其特征在于，所述光栅具有范围在40%和55%之间的填充因子。

6.根据前述权利要求中任一项所述的红外检测器，其特征在于，在所述窗口的第一表面上形成的滤波器是多层干涉滤波器。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的红外检测器，其特征在于，在所述窗口的第一表面上形成的滤波器是衍射光栅。

8.根据前述权利要求中任一项所述的红外检测器，其特征在于，所述第二区间的上限大于或等于所述第一区间的上限。

9.根据权利要求8所述的红外检测器，其特征在于，

●在所述窗口的第一表面上形成的滤波器能够衰减至少在2和5微米之间的波长范围中的入射辐射；以及

●所述周期光栅能够衰减至少在5和8微米之间的波长范围中的入射辐射。

10.根据权利要求8或9所述的红外检测器，其特征在于，在所述窗口的第一表面上形成的滤波器的行为基本上如同2和14微米之间的波长范围上的高通滤波器。

11.根据权利要求10所述的红外检测器，其特征在于，所述高通滤波器的导通波长与所述窗口基板的光学折射率的比的范围在所述周期图案光栅的间距值的1和1.5倍之间，并且优选地基本上等于所述的光栅的间距。

12.根据前述权利要求中任一项所述的红外检测器，其特征在于，所述周期光栅包括根据阿基米德拼砌或彭罗斯拼砌布置的图案。

13.根据前述权利要求中任一项所述的红外检测器，其特征在于，所述窗口由矿物基板，特别是硅或锗制成。

14.根据前述权利要求中任一项所述的红外检测器，其特征在于，所述窗口是通过如下基板的锯切形成：在所述基板的至少一个表面上共同形成多个光栅。

15.根据前述权利要求中任一项所述的红外检测器，其特征在于，所述网膜是测辐射热膜的二维组件。

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