CN1939050A - 红外摄像机系统 - Google Patents

Abstract

一种红外摄像机系统，包括热可调谐滤光器像素的阵列、近红外源和近红外检测器阵列。所述红外摄像机系统还包括用于将来自待成像的景物的红外辐射引导到热可调谐滤光器像素阵列的红外光学系统，以及用于将来自近红外源的近红外光引导到滤光器像素和到近红外检测器阵列的近红外光学系统。近红外源将近红外光引导到热可调谐滤光器像素阵列。近红外检测器阵列接收由热可调谐滤光器像素阵列修改过的近红外光，并且用于产生对应于近红外检测器阵列所接收的近红外光的电信号。所述热可调谐滤光器像素包括热可调谐薄膜干涉涂层。

Description

红外摄像机系统

技术领域

本发明一般地涉及热成像仪。

背景技术

由于军事、安全、医疗、建筑和汽车市场的驱动，使得红外摄像机系统的市场变为巨大的和快速增长的。特别感兴趣的是介于7和15微米之间的波长，这段波长在大气中的透过率较高，同时受太阳光的影响较小，并且处于正常环境(室温或体温)下的物体辐射这段波长。几种类型的成像系统被用来观察可见光之外的波长。这些成像系统包括从典型地需要低温冷却的窄带间隙半导体光检测器阵列到更新式的无冷却微辐射热测量计阵列。然而，所有这些“焦平面”技术都是昂贵的(例如，最低价的摄像机刚刚打破10,000美元壁垒)，使得热成像技术在商业和消费者市场上尚未获得主体地位。而且，所有现有产品都使用固有地低产量的制造技术，促使成本上升，也限制了分辨率(即像素数)，这对于所有的使用来说都是实际的问题，除了对成本不敏感的使用以外。

发明内容

在一个方面，用于从来自景物的第一波长的光产生图像的摄像机系统包括热可调谐滤光器像素元件阵列、光源和检测器阵列。每一个像素元件都具有一个通带，由于随着像素元件的温度改变而引起折射率改变，上述通带在波长上移动。所述光源向热可调谐滤光器像素元件阵列提供第二波长的光，使得热可调谐滤光器像素元件阵列产生已滤波的第二波长的光。光源可以包括LED或激光器。包括CCD或CMOS摄像机的检测器阵列从热可调谐滤光器像素元件阵列接收已滤波的第二波长的光，并且用于产生对应于所述景物的图像的电信号。所述摄像机系统还包括用于将来自所述景物的第一波长的光引导到热可调谐滤光器像素元件阵列的光学系统。所述热可调谐滤光器像素元件阵列将第一波长的光的至少一些转换为热，并且吸收至少一些热。

所述第一波长的光是，例如，红外光，并且所述第二波长的光是，例如，近红外光。

所述热可调谐滤光器像素元件阵列被密封在真空封装中。所述真空封装包括对辐射透明的窗口、用于支撑热可调谐滤光器像素元件阵列的衬底、以及用于把所述窗口和所述衬底接合在一起的密封框。所述封装可以包括设置在其内的吸气材料，用于吸收额外的气体。所述像素元件可以包括一种用于吸收第一波长的光的材料并产生送往滤光器的热。热可调谐滤光器像素元件阵列的每一个像素元件通过中空的像素柱附着到衬底，所述像素柱将像素元件与衬底热隔离。所述像素柱也可以是实芯的。

所述热可调谐滤光器像素阵列吸收第一波长的光，并且将第一波长的光转换为热。

热可调谐滤光器像素元件阵列中的每一个像素元件包括指数可调谐薄膜干涉涂层，它形成单腔或多腔Fabry-Perot结构。热可调谐滤光器像素元件阵列包括反射层或吸收层，以减轻在各像素元件之间通过的第二波长的光。

所述摄像机系统可包括参考滤光器，用于使来自光源的第二波长的光的带宽变窄。

所述摄像机系统可以运行于透射方式，使得第二波长的光穿过所述热可调谐滤光器像素元件阵列，并且随后传播到检测器阵列。所述摄像机系统可以运行于反射方式，使得第二波长的光从所述热可调谐滤光器像素元件阵列向外反射，并且随后传播到检测器阵列。

在另一方面，一种基于来自景物的第一波长的光而产生图像的方法包括：产生第二波长的光，将第一波长的光转换为热，以及将所述热耦合到热可调谐滤光器像素元件阵列以改变热可调谐滤光器像素元件阵列的温度。热可调谐滤光器像素元件阵列的每一个元件都具有一个通带，由于随着热可调谐滤光器元件的温度改变而引起折射率改变，上述通带在波长上移动。本方法还包括用热可调谐滤光器像素元件阵列对第二波长的光进行滤波，使得热可调谐滤光器阵列产生已滤波的第二波长的光。本方法还包括用检测器阵列来检测已滤波的第二波长的光，以便产生对应于所述景物的图像的信号。

在又一方面，一种光学读取温度传感器包括具有一个通带的热可调谐滤光器，由于随着热可调谐滤光器的温度改变而引起折射率改变，上述通带在波长上移动。所述传感器还包括用于向热可调谐滤光器提供第一波长的光的光源，使得热可调谐滤光器产生已滤波的第二波长的光。所述传感器还包括用于从热可调谐滤光器接收已滤波的第二波长的光、并且用于产生对应于所述热可调谐滤光器的温度的电信号的检测器。

在再一个方面，一种用于检测温度或温度分布的方法包括：产生第一波长的光，用具有一个通带的热可调谐滤光器对所述第一波长的光进行滤波，由于随着热可调谐滤光器的温度改变而引起折射率改变，上述通带在波长上移动，以便产生已滤波的第一波长的光。本方法还包括用检测器来检测已滤波的第一波长的光，以及产生对应于所述热可调谐滤光器的温度的电信号。

在还一个方面，一种制造用于将部件支撑在衬底上的柱的方法包括：在衬底上淀积牺牲层，在牺牲层中形成基本上圆柱形的孔，以及在牺牲层上共形淀积保护层，所述保护层覆盖所述牺牲层的表面、孔的底部和孔壁，并且所述保护层在所述孔的顶部形成夹紧(pinch-off)。本方法还包括在所述保护层上制造所述部件，在所述部件外围边界处垂直地蚀刻滤光器和保护层，并且水平地蚀刻所述牺牲层到形成孔壁的所述保护层。

在另一个方面，一种波长转换装置包括具有一个通带的热可调谐滤光器，由于随着热可调谐滤光器的温度改变而引起折射率改变，上述通带在波长上移动。本装置还包括用于把第一波长的辐射转换为热、并且用于将所述热耦合到热可调谐滤光器的吸收器。本装置还包括用于向热可调谐滤光器提供第二波长的光的光源，使得热可调谐滤光器产生已滤波的第二波长的光。本装置还包括用于从热可调谐滤光器接收已滤波的第二波长的光、并且用于产生对应于所述第二波长的光的电信号的检测器。本装置还包括用于将第一波长的辐射引导到热可调谐滤光器的光学系统。所述热可调谐滤光器将第一波长的光的至少一些转换为热，并且吸收至少一些热。

在又一个方面，一种用于检测温度的方法包括：产生第一波长的光，用具有一个通带的热可调谐滤光器对所述第一波长的光进行滤波，由于随着所述热可调谐滤光器的温度改变而引起折射率改变，上述通带在波长上移动，以便产生已滤波的第一波长的光。本方法还包括用检测器来检测已滤波的第一波长的光，以及产生对应于所述热可调谐滤光器的温度的电信号。

附图说明

图1表示红外摄像机系统的所描述的实施例。

图2a和2b表示个别的像素元件相对于温度的滤光特性。

图3a和3b表示具有窄带源的图2a和2b的滤光特性。

图4a表示FPA的截面。

图4b表示在像素元件之间的沟槽下面的反射层。

图5表示像素元件阵列的一部分的顶视图。

图6a至6h表示像素柱的制造工艺。

图7a至7r表示用于像素柱的其它制造技术。

图8a表示具有预制的像素阵列的晶片。

图8b表示用于FPA的真空封装的部件。

图8c表示正在被装配的图8b的部件。

图9表示运用于反射方式的红外摄像机系统。

图10表示具有被嵌入到红外透镜中的近红外源的红外摄像机系统。

图11表示具有被嵌入到近红外透镜中的近红外源的红外摄像机系统。

图12表示在对来自偏置LED的近红外光进行重新引导的FPA上的光栅层。

图13表示远程读出温度计。

这里所示的附图仅仅是说明性的，并且不按照比例尺来绘制。

具体实施方式

所描述的实施例是不冷却的红外(IR，infrared)摄像机系统，它使用响应于由待成像的景物所辐射的红外能量(虽然也可以考虑其它波长，但是典型地具有例如8至15微米(μm)的波长—这里，红外也被称为红外光或红外辐射)的热可调谐滤光器。滤光器元件调制近红外(NIR)载波信号(例如，具有大约850纳米(nm)波长的光—也被称为近红外光学信号、近红外光、探测、探测信号或探测光)作为红外能量的变化结果。所述摄像机系统用近红外检测器(例如，基于CMOS或CCD的成像阵列，或p-i-n光电二极管阵列)来检测已调制的载波信号。

红外摄像机系统基于使用光学读出的热传感器。这里描述的热传感器所依据的原理是简单的。窄带源产生具有特定波长谱的″光学载波信号″。在传感器位置上使用热可调谐滤光器，在这里，温度的局部变化将使滤光器的滤光谱移动。温度的局部变化可以归因于周围环境温度，或者可以归因于来自外部源的辐射。所述热可调谐滤光器处理光学载波，使得所得到的光是载波信号和传感器滤光器的″乘积″。光学检测器测量所得到的光的总功率，并且所述检测器灵敏到足以检测和测量总功率中的细小变化。

这种热传感器的关键元件之一是多层光学干涉滤光器，它相对于温度来说是高度可调谐的。所述滤光器纳入了具有强烈地依赖于温度的折射率的半导体材料，以生成固态的、可调谐的薄膜滤光器(参见，例如，2001年12月4日提交的题为″TUNABLE OPTICALFILTER″的专利申请U.S.S.N.10/005,174；以及2002年6月17日提交的题为″INDEX TUNABLE THIN FILM INTERFERENCECOATINGS″的专利申请U.S.S.N.10/174,503，上述专利申请在此通过参考而并入)。多种其它材料，包括锗(如果探测波长较长)、多种聚合物(例如，聚酰亚胺)、Fe₂O₃、液晶等，都可以用作这些薄膜滤光器结构中的热-光学层。这些材料与探测信号波长的不同工作范围(可能包括可见光波长)有关。

根据应用，可以将这种多层的温度可调谐涂层涂覆到多种衬底。采用光学栽波信号，能远程地和精确地测定其温度。

以下的说明提供红外摄像机系统的纵览，跟随其后的是每一种摄像机部件的更详细的表征。以下的说明还提供用于制造这些摄像机部件的各种生产技术，并且最后说明摄像机系统所依据的概念的其它用途。

图1表示红外摄像机系统100的所描述的实施例，包括近红外源102、准直透镜104、反射镜106(在红外波长范围内为透明或接近透明)、焦平面阵列(FPA，focal plane array)108、参考滤光器110、聚焦透镜112和近红外检测器阵列114。FPA 108包括红外窗口116、安装在衬底120上的像素元件阵列118。IR窗口116、像素元件118、衬底120和参考滤光器110全都被封装在真空密封单元中，后者的温度由热-电冷却器(TEC，thermo-electric cooler)122保持。如同这里所描述的那样，如果FPA 108和参考滤光器110的可调谐性系数相同或接近相同，则可以省略TEC 122。

准直透镜104把来自近红外源102的光形成为准直光束124，后者从反射镜106反射到FPA 108的红外窗口。准直光束124通过FPA108并且通过聚焦透镜112。聚焦透镜112把来自FPA 108的近红外光聚焦到近红外检测器阵列114。来自待成像的景物128的红外光126通过红外透镜129聚焦，通过反射镜106，通过红外窗口116到达像素元件阵列118。由于FPA的制作工艺兼容于硅制造工艺，所以FPA可以直接地在CCD或CMOS传感器上淀积和制造以便获得最大的集成度。采用这样的体系结构，可以省略近红外透镜。

像素元件阵列118中的每一个都是热可调谐滤光器，它利用为像素元件的温度的函数的滤光器特性来处理近红外光。投射到像素元件阵列118上的红外光126经由淀积在每一个像素元件表面上的(在这里描述的)红外吸收层被转换为热能。像素元件118可以由吸收入射辐射的材料制成，所以不需要附加的吸收材料。所得到的热能在像素元件阵列118上产生局部温度变化，使得每个个别的像素根据该像素处的局部温度对通过所述像素的近红外光进行滤波。因此，像素元件阵列118的2维滤光图案直接与从待成像的景物128到达的红外能量有关。

图2a和2b表示个别的像素元件相对于温度的滤光特性(这些图的其它方面将在下面说明)。图2a表示像素元件在第一温度T₁下、以λ₂为中心的滤光谱136(1)。图2b表示同一像素在第二温度T₂下、以λ₃为中心的滤光谱136(2)。比较图2a和2b表明，随着像素元件温度的改变，像素元件的滤光谱仅仅在波长上移动，而在形状或幅度上改变很小或没有改变。

一般来说，使近红外光124的带宽变窄将提高滤光谱136(1)的波长移动的检测分辨率。然而，滤光谱的斜率将直接相关于像素元件的响应度，因此，人们可以用多腔滤光器来制造像素元件，它能提供具有十分陡的斜率的滤光谱，同时不一定要使带宽变窄。在像素元件阵列118对到来的近红外光124进行滤波之后，已滤波的近红外光130通过参考滤光器110，后者仅通过已滤波的近红外光130的窄带宽。图2a表示窄带近红外光(即，参考滤光器的光谱)的滤光谱134，以及在像素元件阵列118中的一个像素元件的滤光谱136(1)。阴影重叠区表示到达近红外检测器114的近红外光的波长谱。图2b表示相同的两个谱，其中，由于入射红外能量的改变，使像素的光谱136(2)从λ₂移动到λ₃。在阴影重叠区中的变化量表示入射红外能量的变化量。图3a和3b表示红外能量的变化相同，但是参考滤光器110具有极陡的斜率(接近激光器的斜率)，波长谱134更窄。将图2a和2b跟图3a和3b比较表明，由于对于相同的红外能量变化的更大重叠百分比差值，通过具有陡斜率光谱的红外光更容易检测红外能量的给定变化。

参考滤光器110是具有(例如)850纳米(nm)的中心波长和(例如)0.5至0.9纳米的固定带宽的热-电可调谐窄带滤光器。参考滤光器110靠近像素元件阵列118，使得参考滤光器110和像素元件阵列118的温度将紧密地互相跟踪，以减小因不同环境温度而产生的误差。

跟随在参考滤光器110之后，已滤波的近红外光130通过聚焦透镜112，后者将已滤波的近红外光130聚焦到近红外检测器114上。近红外检测器114产生与聚焦透镜112所投射的近红外光的2维图像相对应的电信号132。在某些情况下，例如，当FPA 108被直接地堆叠在近红外检测器114上时，可以取消聚焦透镜112。聚焦透镜112还可以被用来“扩大”或放大FPA 108的图像，使得可以把大的近红外CCD或CMOS阵列用作近红外检测器114，以便提高投射的图像中的信噪比(SNR，signal-to-noise ratio)。通过把多个CCD或CMOS像素元件对应于一个“被显示的”热像素，即，通过使用来自多个CCD或CMOS像素元件的组合信号，经由诸如滤波、平均等在业界中熟知的数字图像处理技术，来降低CCD或CMOS的固有噪声，就能提高信噪比。

热成像仪的整体性能可以用下列公式来建模：

来自景物环境的红外辐射功率：P_IR＝σT_e ⁴

红外吸收器吸收的功率P_a＝P_IR·α_IR·A

没有红外照射时的像素元件滤光器温度：T_f0

有红外吸收时的像素元件滤光器温度： $T_f=\frac{P_a}{K}+T_{f0}$

像素元件滤光器温度的变化量ΔT_f＝P_a/K

没有红外照射时的像素元件滤光器波长：λ_f(T_f0)

有红外照射时的像素元件滤光器波长： ${\mathrm{\λ}}_f\left(T_f\right)={\mathrm{\λ}}_{f0}+\frac{{\mathrm{d\λ}}_f}{T_f}\·{\mathrm{\ΔT}}_f$

参考波长处的像素元件滤光器透射I_f＝I_f(λ_f)

已调制的光学信号功率P_m＝P_r·I_r·I_f

因此，如果景物环境的温度变化，则在FPA后面的近红外光学信号将被调制，因此NIR可以检测到变化：

${\mathrm{\ΔP}}_m=P_r\·I_r\·\frac{{\mathrm{dI}}_f}{{\mathrm{d\λ}}_f}\·\frac{{\mathrm{d\λ}}_f}{{\mathrm{dT}}_f}\·\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{IR}}\·{T_e}^3\·A}{K}\·\mathrm{\Δ}{T}_e$

近红外信号的相对变化为

$\frac{{\mathrm{\ΔP}}_m}{P_m}=\frac{P_r\·I_r\frac{{\mathrm{dI}}_F}{{\mathrm{d\λ}}_f}\·\frac{{\mathrm{d\λ}}_f}{{\mathrm{dT}}_f}\·\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{IR}}\·{T_e}^3\·A}{K}\·\mathrm{\ΔT}}{P_r\·I_r\·I_f\left({\mathrm{\λ}}_{f0}\right)}=\frac{\frac{{\mathrm{dI}}_f}{{\mathrm{d\λ}}_f}\·\frac{d{\mathrm{\λ}}_f}{d{T}_f}\·\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{IR}}\·{T_e}^3\·A}{k}}{I_f\left({\mathrm{\λ}}_{f0}\right)}\·\mathrm{\ΔT}$

整个红外摄像机系统100的灵敏度取决于近红外检测器阵列的灵敏度。假定近红外检测器阵列的灵敏度为η(例如，10^-3等)，则系统的噪声等效温度差(NETD，noise equivalent temperaturedifference)为

$\mathrm{NETD}=\frac{I_f\left({\mathrm{\λ}}_{f0}\right)}{\frac{{\mathrm{dI}}_f}{{\mathrm{d\λ}}_f}\·\frac{{\mathrm{d\λ}}_f}{{\mathrm{dT}}_f}\·\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{IR}}\·{{T_e}^3}^{}\·A}{K}}\·\mathrm{\η}=\frac{1}{\{\frac{\ln \left(10\right)}{10}\·\frac{d[10\·\log \left(I_f\right)]}{{\mathrm{d\λ}}_f}{|}_{{\mathrm{\λ}}_{f0}}\}\·\frac{{\mathrm{d\λ}}_f}{{\mathrm{dT}}_f}\·\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{IR}}\·{{T_e}^3}^{}\·A}{K}}\·\mathrm{\η}$

从以上方程式可以明显地看出，在滤光器透射的斜率越陡，滤光器的温度可调谐性越高，以及来自像素元件的更小热泄漏是导致小的NETD的重要像素参数。小的NETD为摄像机系统100带来更大的温度分辨率和更好的灵敏度，由此带来较好的热成像整体品质。

在FPA中使用的可调谐Fabry-Perot滤光器已经呈现出高达30dB/nm的透射斜率。在850纳米(nm)的中心波长处，通常可以得到低成本的光学载波源，同时可以应用廉价的CMOS和CCD成像仪，这些滤光器(相对于温度)的波长可调谐性已经被示出为大约每度0.06纳米(nm)。

例如，假定用于所述实施例的像素柱的氧化硅或氮化硅材料(或者可替代的聚合物材料)典型地具有0.1W/m·K的热传导率。在所述实施例中，所述柱的直径为5微米(μm)，高为10微米，由此得到热传导率为2×10^-7W/K。在所述实施例中，每一个像素具有625平方微米(μm²)的表面积，由此得到噪声等效温度差为：

$\mathrm{NETD}=\frac{4.3e9\·\mathrm{\η}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{IR}}\·{T_e}^3}$

假定像素吸收率为70％，CMOS或CCD成像仪的灵敏度为1/2000，景物背景温度为300K，则结果NETD为0.11K。随着景物背景温度的增加，NETD将急剧地提高。当T_e为700K时，NETD为9mK。这意味着所述摄像机可以在热物体上检测到比冷物体更精细的细节。而且，增加像素尺寸、成像仪灵敏度或像素绝缘，都可以被用来进一步地提高热成像仪的温度分辨率。

最后，由于热-光可调谐窄带滤光器的可实现的响应度处于100％/K的数量级，所以使用这种滤光器系统建立的成像系统可以被构成为具有显著地高于典型的无冷却测辐射热阵列成像仪的2.5％/K的温度分辨率。可替代地，这个优点可以被用来进一步地简化设计和制造工艺，以便使生产过程产量最大化，同时降低生产成本。

红外摄像机所依据的热传感器的相对高温度分辨率还可以用于其它应用，下面将对此进行更详细的说明。

近红外源

所述的红外摄像机系统100依靠窄带近红外光以检测来自待成像景物128的红外光126的能量变化。在所述实施例中，近红外源102是发光二极管(LED，light emitting diode)，其产生中心约为850纳米(nm)的中等带宽近红外光。与跟随在FPA 108之后的参考滤光器110耦合的LED在检测器阵列114处产生窄带近红外光。

虽然参考滤光器110被放置在FPA 108的后面，但是参考滤光器110可以位于LED和近红外检测器阵列114之间的近红外光路上的任何位置。把参考滤光器110放在热学上紧靠FPA 108的位置上的优点在于，它的温度将紧密地跟踪FPA 108的温度。如果FPA和参考滤光器的可调谐性系数相同或接近相同，就不需要用TEC或其它类似的装置来控制它们的温度。由于滤光器110或FPA 108的温度变化(另一部件没有相应的温度变化)都会产生图2a和2b所示的重叠区域的变化，参考滤光器110和FPA 108之间的温度跟踪是重要的。摄像机系统100将把重叠区域的这种变化误认为是入射红外辐射的变化。因此，如果把参考滤光器110放在其它位置上，例如紧跟在LED102的后面，可能需要沿FPA 108和参考滤光器110之间的反馈电路来为参考滤光器110设置热-电冷却器，以便使这两个部件的温度紧密地互相跟踪。

人们可以使用发出大约850纳米(nm)的光的激光器来代替使用具有参考滤光器的宽带源。由于激光器产生具有十分陡的斜率的足够窄光谱，所以不需要用参考滤光器来使近红外光谱进一步地变窄。(如上所述，)虽然这种极端窄的光谱导致对红外变化的高灵敏度，但是仍然需要某些类型的激光器和FPA之间的反馈电路，以保证激光器和FPA的温度互相跟踪，使得来自激光器的光的中心波长跟踪FPA滤光器的通带。大多数半导体激光器的波长都随温度而变化。某些激光器，诸如某些垂直腔表面发射激光器(VCSEL，vertical cavitysurface emitting laser)表现出与FPA滤光器的可调谐性非常接近的可调谐性(波长相对于温度的变化，即，nm/K)，由此，人们可以用一种校准过程来消除对这样的反馈电路的需求，以避免环境温度变化的负面效果。

焦平面阵列(FPA)

图4a表示在真空中封装的焦平面阵列(FPA)封装108的截面。FPA 108包括对红外和近红外辐射透明的红外窗口116，以便允许来自景物128的红外光以及来自近红外源102的近红外光124无阻碍地或接近无阻碍地通往FPA 108的下层部件。红外窗口116还在FPA封装108的顶部表面提供密封边界。所述实施例使用在两面涂覆的ZnSe窗口来降低红外光的反射率。所述涂层对红外和近红外光二者都是透明的或接近透明的。

FPA 108的基本部件包括用作所有像素的支撑底座的衬底、用作检测元件的可热调谐滤光器、至衬底的小的热传导路径以及用于吸收红外光以便在滤光器中产生热的材料(这种材料可以是滤光器本身)。FPA的一种结构示于图4a。

FPA 108包括像素元件阵列118，它们中的每一个都被具有低的热传导率的柱146支撑，该柱在像素与支撑衬底120之间提供热隔离。图5表示像素元件阵列118的一部分的顶视图。每一个个别的像素148在形状上都是六边形的，单个支撑柱146被示出为一个折线圆。在所述实施例中，像素150的宽度约为50微米(μm)，并且所述柱的直径为5微米。各像素148之间的沟槽152对各像素148进行互相之间的热隔离，以避免热串扰。由这种结构提供的热隔离导致像素元件118对入射红外辐射的灵敏度的提高。

穿过各像素元件之间的沟槽152的近红外光不受到各像素元件的热可调谐的滤光器的调制，因此可以冲淡或干扰由近红外检测阵列116检测到的已调制信号。如图4b所示，反射层200仅被淀积在衬底120上直接位于各像素148之间的沟槽152下面的区域中。所述反射层防止未经调制的近红外光穿过衬底，而不干扰通过各像素的已调光。当准备将FPA用于透射方式时，即，当近红外光穿过FPA时，才使用反射层200。当FPA用于反射方式时，可以使用吸收层或抗反射涂层来取代反射层。这样一种反射、吸收或抗反射涂层可以是金属、氧化金属或电介质多层涂层，并且当通路十分窄(导致高的填充因子)时，就不需要这一层。人们还可以利用这一层来提高滤光器的响应性，例如，使用反射层作为一面镜子，像素元件的气隙和底层作为腔体，以及在像素元件中或其上的另一面镜子。人们还可以利用气隙和像素滤光器来形成多腔滤光器。

支撑像素元件阵列118的衬底120对近红外光来说是透明的，因此，被像素调制的近红外光束可以通过FPA 108。衬底120还具有高的热传导率，以便为各像素148提供良好的热地平面。衬底120因此分配来自特定像素或像素组的热，以避免相邻像素的热偏置。在所述实施例中，衬底120由光学级蓝宝石制成。衬底120包括涂覆在无FPA的一面(即，衬底上不支撑像素阵列的一面)上的抗反射涂层。这个涂层增加了到达近红外检测器阵列114的近红外光的量，并且减小了FPA滤光器频谱中由反射引起的条纹。衬底的有FPA的一面还可以包括抗反射涂层。所述涂层被选择为在近红外波长范围内为抗反射的，并且在红外范围内为高度反射性的，为红外光提供“双重通过”，以便得到较高的吸收率。所述衬底不限于蓝宝石。在透射方式下，可以使用导热的和对近红外光透明的任何衬底，并且，(如同这里所描述的那样)，CMOS或CCD检测器可以被用作衬底。在反射方式下，不要求衬底对近红外光透明，因此，例如，可以使用硅晶片。

红外窗口116通过置于像素元件阵列118外周的金属框140接合到像素阵列衬底120。金属框140由铟(或其它焊接材料)制成，在制造过程中，当经受适当的温度和压力条件时，金属框140被接合到红外窗口116和衬底120。在下面描述FPA真空封装的一节中，将提供这种接合工艺和其它FPA制造步骤的细节。

如图4a所示，参考滤光器110被淀积在参考滤光器衬底142上，并且位于紧靠像素阵列衬底的背面。参考滤光器衬底142上的FPA108(即，被接合到像素阵列衬底120的红外窗口116)和参考滤光器110被封装在TEC 122内。这个TEC 122将FPA 108和参考滤光器110的温度保持在恒定或接近恒定的温度。选择特定的温度，以便降低或消除参考滤光器110和FPA 108之间的温度差，或者，如果参考滤光器是一个固定的滤光器(即，不随温度而改变)，则增加所述系统的动态范围。如果FPA 108和参考滤光器110的可调谐性系数相同或接近相同，则不需要TEC 122。

近红外检测器阵列114是市售的CCD或CMOS摄像机，它接收已滤波的近红外光束130并且产生电信号，后者表示经由来自FPA108的近红外光束130投射到阵列114上的2维图像。近红外检测器阵列114具有可以用十分简单和高产量的制造工艺来生产的像素结构。还有，这样的检测器阵列是商业上开发成熟的、快速地演进和改进的、并且通常被认为是商品项目。因而，跟市售的红外成像系统相比，近红外检测器阵列114是廉价的和易于制造的。

像素柱

可以用多种设计和材料来实现从像素元件到衬底的小的热传导路径。在所述实施例中，像素柱146是中空的。增加像素148的热隔离提高了像素148对入射红外辐射的灵敏度。中空的柱146对像素146的热隔离来说是主要的贡献者。

图6a至6h表示上述像素柱146的制造工艺。

开始，衬底120的有FPA的一面(即，将支撑像素阵列118的一面)上的钛(Ti)层用于促进淀积工艺中通过经受热循环而后续淀积的材料的粘着。然后，如图6a所示，在衬底120上淀积牺牲层160。在所述实施例中，衬底120由蓝宝石制成，并且牺牲层160由具有比蓝宝石更高的蚀刻速率的材料(例如，氮化硅(SiNx)、聚酰亚胺等)制成。

如图6b所示，在已经淀积牺牲层之后，使用例如“Bosch”工艺的深度反应离子蚀刻(DRIE，deep reactive ion etch)工艺，在牺牲层上垂直向下蚀刻柱孔162。这个工艺使用一种垂直蚀刻和钝化步骤的交替序列，使得柱孔162的侧壁由聚合物层保护而免受进一步的水平蚀刻。牺牲层可以是聚合物材料。如果所述聚合物是光敏性的，则在已经使用业界所熟知的照相平板印刷术而确定各孔之后，可以用化学蚀刻工艺来蚀刻柱孔162。

然后，如图6c所示，在牺牲层和柱孔162上共形地淀积氧化硅(SiOx)保护层164。可替代地，保护层164由其它具有低热传导率的材料(例如，非晶硅、氮化硅、或多种其它材料都适用)制成。所述保护层具有近红外光的四分之一波长的偶数倍(典型地为2或4倍)的光学厚度。可以控制淀积工艺的参数(例如，温度、压力、流量等)，使得保护层164在靠近柱孔162顶部的位置上被“夹紧”165，由此，在柱孔162内留下空隙。通过在柱孔162的顶部使保护层164变厚来实现夹紧，以便使柱孔162闭合或接近闭合。虽然通过调整相关的淀积工艺，可以在圆柱形孔中出现夹紧，但是可通过改变柱孔162的侧壁的形状(例如，底切而使得随着孔的深度增加，孔的直径变大)来增强夹紧的效果。

在完成该共形淀积之后，如图6d所示，在保护层164上制造滤光器166。在这个实施例中，滤光器为多层结构，诸如在题为“IndexTunable Thin Film Interference Coating”的美国专利申请号第10/666,974号中所描述的那样，上述专利申请在此通过参考而并入。为了在FPA中获得多种响应和时间常数，大量的改动都是可能的。所描述的实施例使用一种由非晶硅(a-Si)和非晶氮化硅(a-SiNx)淀积的简单单腔Fabry-Perot结构。4对镜足以提供具有可接受的插入损耗的窄带滤光器功能：4对四分之一波长(近红外)a-Si+a-SiNx，然后是4个四分之一波长的a-Si的腔(或“缺陷”)，然后是4对四分之一波长的a-SiNx+a-Si。使用能提供高级a-Si半导体材料(对应于在近红外范围内的低光学损耗)的PECVD工艺，并且，在与牺牲a-SiNx层相比更能促进对RIE的耐受力的生长条件下，来生长这些层。

在把滤光器166淀积到衬底120上之后，淀积掩膜层168(例如，铝)。柱孔162顶部的夹紧165使滤光器层166在柱孔162顶部保持平面，并且避免滤光器层向下延伸到柱内。这是重要的，因为如果滤光器层166向下延伸到柱内，则掩膜层在滤光器的表面上就不能保持连续，即，在柱孔处将形成掩膜层168中的孔，允许后继的工艺步骤中的蚀刻剂腐蚀环绕所述柱的紧邻区域中的滤光器材料。如上所述，只要夹紧区窄到足以防止滤光器166显著地延伸到柱孔162内，就不需要完全夹紧柱孔162的顶部。

然后，如图6e所示，在掩膜层168上构图，以定义用于隔离个别的像素的窄沟槽152的网络。如图6f所示，通过使用干蚀刻工艺，对滤光器166和保护层164进行垂直蚀刻。更具体地说，使用一种反应离子蚀刻，其中，蚀刻气体是，例如，CHF₃和O₂的组合物。这些气体之间的反应，在所述工艺中使用的等离子体，以及被去除的滤光器材料自然地在滤光器166的剩余岛的侧壁上形成保护层(例如，聚合物172)。随着蚀刻垂直地继续进行，所述聚合物材料172保护滤光器免受水平蚀刻。

其次，如图6g所示，蚀刻条件发生改变，并且牺牲层160被水平蚀刻掉。更具体地说，在滤光器166被蚀刻之后，蚀刻气体被切换到CF₄和O₂，这两种气体在SiNx牺牲层中产生各向同性蚀刻。其它蚀刻配方可以用于其它牺牲材料，例如，使用氧等离子体来蚀刻聚合物或聚酰亚胺，或者使用湿法蚀刻工艺来蚀刻金属、聚合物、SiNx等。

蚀刻停止于保护层164。这种工艺导致形成中空柱174。如图6h所示，用适当的蚀刻工艺来去除掩膜层168，并且可以在像素148的表面上淀积红外吸收层176。在某些情况下，滤光器材料本身被选择为红外吸收的(或者在感兴趣的波长范围内为吸收性的)，在这种情况下，就不需要吸收层176。在所述实施例中，虽然可以使用业界所熟知的透明导电氧化物或其它红外吸收材料作为吸收层176，吸收层是厚的氮化硅层。

中空柱结构的主要优点是非常低的热泄漏和机械牢固性。由于柱是中空的并且热仅沿着薄的圆柱形外壳传导，所以从像素148到衬底120的热泄漏是非常低的。

为了降低像素柱174的热传导率，可以改变保护层164的组成以增加其多孔性。例如，可以使用一种硅氧碳化物材料。可替代地，可以用业界所熟知的多种掺杂物中的任何一种来掺杂保护层164，以便降低它的热传导率，或者柱壁可以被划线或被加上纹理，以便降低它们的热传导率。

牺牲层160的厚度(因而是滤光器层166和衬底之间所形成的空间的高度)影响FPA的性能。这是因为衬底120不是完全透明的，穿滤波光器层166前往衬底120的近红外光的某些部分反射回滤光器166。因此，(根据近红外光的波长范围)来选择牺牲层的厚度，使得滤光器层166和衬底120之间所形成的空间成为一个“缺席者层”(例如，近红外光的四分之一波长的偶数倍)，上述“缺席者层”将不支持在近红外波长处的谐振。滤光器层166和衬底120之间的空间还可以被设计成为具有多腔滤光器体系结构的滤光器堆叠中的一层，以便进一步地提高所述滤光器的响应性。

可以使用其它技术来制造像素元件和柱结构。例如，图7a至7f表示具有实芯柱的像素的制造工艺。在图7a中，在氧化硅晶片167或操作晶片的氧化层169上生长吸收器171和滤光器173，并且随后滤光器173和吸收器171被构图和蚀刻，使得孔175被蚀刻到每一个像素元件的中心。氧化层169起到停止蚀刻的作用，使得滤光器173和吸收器171的蚀刻受到良好的控制。在图7b中，在晶片167上淀积隔热和紫外线敏感材料177(例如，SU8光致抗蚀剂)。在图7c中，另一晶片179被粘合到所述隔热和紫外线敏感材料177，并且因此，吸收器171、滤光器173和隔热材料177被层叠在两个晶片(167和179)之间，整个样品被反装，以便进行进一步的加工。在图7d中，通过抛光和化学或干法蚀刻的组合，操作晶片167的硅已经被去除。氧化层169再次起到停止蚀刻的作用。在图7e中，样品曝露于紫外线，使得SU8光致抗蚀剂在已曝光和未曝光部分之间具有蚀刻选择性。由于滤光器材料(非晶硅)对紫外线不透明，所以滤光器173被用作光掩膜。SU8是一种负性材料，因此，在曝光于紫外线之后，在原来的开孔175中和下面的SU8将变得比未曝光于紫外线的区域更硬一些。随后，氧化层169、滤光器173和吸收器171被构图和被蚀刻为个别的像素，每一个像素元件都被沟槽181所环绕。在图7f中，未曝光的SU8区域被去除，留下通过柱体183连接到衬底的浮动像素。

制造技术的另一个实例示于图7g至图7i。在图7g中，在衬底185上生长厚的氮化硅层187或其它材料，并且其后生长滤光器189和吸收器191。在图7h中，吸收器191和滤光器189被构图和蚀刻，使得每一个像素都被沟槽193所环绕。在这个阶段，还可以对氮化硅层187进行垂直蚀刻，但是滤光器的背面不被蚀刻。在图7i中，氮化硅层187被各向同性地蚀刻，使得只有中心柱195被保留在滤光器189的下面。

又一种制造技术示于图7j至图7r。在图7j中，在衬底197上淀积吸收器203、滤光器201和牺牲层199。在图7k中，吸收器203、滤光器201和牺牲层199被构图和蚀刻为孔阵列。在图7l中，诸如二氧化硅的隔热材料层205被共形地淀积在晶片之上。在图7m中，所述隔热材料被构图和蚀刻，使得具有气塞207的SiO₂柱被保留。在图7n中，吸收器203和滤光器201被构图和蚀刻为各像素元件，在各像素元件之间生成沟槽209。在图7o中，牺牲层材料被去除，留下挺立在柱211上的像素元件。

可以通过多种方法来改变这种工艺。几种这样的改变的结果示于图7p，7q和7r。在图7p中，在蚀刻SiO₂层之后，淀积吸收器。这种方案导致更高的牢固性和更好的填充因子。在图7q中，滤光器和吸收器二者都被淀积在牺牲层上。在图7r中，滤光器本身被用作柱。

FPA的真空封装

一旦在衬底120上已经制成了像素元件阵列118，所述像素元件阵列118、衬底120和红外窗口116就作为单个单元进行真空封装以形成FPA 108。

图8a表示预制的晶片180，在其上已经淀积和制造了多个像素阵列118。各阵列118被“空街”182所分隔，空街简单地是没有像素、柱和其它结构的裸衬底120的宽条。

图8b所示的用于真空封装的部件包括预制的晶片180、密封框184和红外窗口圆盘186。通过业界所熟知的模铸或其它技术(例如，薄膜淀积)来形成密封框184，使得框184的水平和垂直部件对应于晶片180上的街182。

如图8c所示，密封框184(由铟制成，也可以使用可替代的焊接材料)和晶片180被对准，使得密封框184被置入晶片180上的像素阵列118之间的街182内，并且红外窗口圆盘186被放置在密封框184的顶上。这种“层状”结构被置入真空炉中，通过抽气使炉内的气压显著地低于大气压力，然后加热到铟框软化并且开始粘合到晶片180和红外窗口圆盘186的温度。放置在红外窗口圆盘186顶部的重物188控制已软化的铟框的展延量。在这些条件下，密封框184变为发粘的，并且将粘贴到晶片180和红外窗口圆盘186的表面上。然后降低炉温使密封框184硬化。晶片180、密封框184和红外窗口186由此形成真空密封的FPA阵列，随后，上述FPA阵列被分为各FPA单元，其中之一示于图4。

封装中的小的泄漏和淀积层的气体排出可能使FPA 108内的真空度降低。随着真空度降低，从像素元件向外的热传导提高以及降低它们的灵敏度。为了减轻小的泄漏和气体排出，在进行真空密封之前，将一种吸气材料淀积到FPA封装内的选定表面上。吸气材料进行动作，以俘获额外的气体，并将所述气体转换为固体，由此使FPA封装内的压力(以及随后是热隔离)保持低。适当的吸气材料在业界中是众所周知的。

制造和封装FPA的一种工序的梗概被包括在附录A中。这个工序产生实芯像素柱，并且在用蚀刻工艺来规定各像素柱之前对晶片进行切割。还有，这种工序个别地(而不是在晶片水平上)封装各FPA单元。

制造FPA的另一种工序的梗概被包括在附录B中。这个工序产生中空像素柱。

可替代的实施例

图9表示一种摄像机系统，其中，FPA运行于不同于图1所示系统所使用的透射方式的反射方式。在反射方式下，LED 102和准直透镜104引导准直的近红外光124到达分光器106a，分光器106a再引导近红外光到达FPA 108。近红外光124通过参考滤光器110到达像素元件阵列118。不透过像素元件阵列118的近红外光通过参考滤光器110、通过分光器106a、通过聚焦透镜112反射回来，并且被聚焦到近红外检测器阵列114上。红外透镜129把来自待成像的景物128的红外能量通过衬底120聚焦到像素元件阵列118上。在反射方式下，近红外光124不需要通过FPA，所以不要求所述衬底在近红外波长范围内为透明。因此，衬底可以由诸如硅的材料制成，硅对近红外光是不透明的，但是比蓝宝石便宜。

在所述实施例中，准直透镜104由产生非均匀透射图案的近红外源(LED)向FPA提供均匀照明。可替代地，所述LED可以使用扩散透镜来平滑透过率的不均匀性。

为了消除在光路中需要反射镜106，用于产生近红外光的LED可以被纳入到红外透镜内，如图10所示。LED 210被嵌入到红外透镜212的中心，并且通过适当的光学工程，红外透镜212被形成在LED 210的附近，以产生均匀的近红外光以照明FPA。

类似地，如图11所示，LED 214可以被嵌入到运行于反射方式的红外摄像机系统的聚焦透镜216中。

取代使用反射镜，人们可以使用应用于FPA 108上的红外窗口的外表面的光栅层220来重新引导来自偏离一个角度的LED的近红外光，如图12所示。这种光栅中的一种就是体积相位全息光栅。对于近红外光124(相对于FPA的表面)的特定角度来选择全息光栅的线间隔，并且对波长较长的红外光126的影响很小。可替代地，可以使用菲涅耳(Fresnel)透镜作为光栅层220，用于重新引导近红外光124，并由此取消了反射镜106。

为了生成集成度更高的红外摄像机系统，人们可以将FPA与近红外检测器阵列更紧密地联结在一起。可以通过至少两种方法来完成这种联结。一种方法是直接在近红外检测器阵列114上制造像素元件阵列118，由此得到单个集成器件。可替代地，FPA可以与近红外检测器阵列114分开来制造，并且把这两个部件组合到单个真空密封封装内，如果为这两个部件选择的制造技术不兼容，则这种方法是必需的。

所依据的原理的其它应用

作为这里所描述的红外摄像机系统的基础的热传感器表现出高度的响应性，并且是可以使用具有良好特性的材料和工艺来进行高产量的制造的。一般来说，探测信号的波长不限于特定范围，并且在热可调谐滤光器处产生热变化(如果有的话)的信号的波长也不限于特定范围。这种基于滤光器的热传感系统(除了这里所描述的红外摄像机系统以外)包括但不限于：

高灵敏度的远程读出温度计。基于可调谐滤光器的热传感器可以被用来建立十分精确的温度计，它的一个实例示于图13。可以在自由空间或通过光纤以光学方法来查询这个温度计。在一种光纤的配置中，可以把多个传感器串成单个“总线”或“星形”配置、用于结构或油/气井中的分布式温度传感。

图13表示远程读出温度计的一般体系结构。窄带近红外源230引导近红外载波信号232通过热可调谐滤光器234。如这里所描述那样，所述可调谐滤光器234根据滤光器的温度对载波信号232进行“调制”(即，滤光)。来自紧邻的局部环境或者来自某些其它源的红外辐射240加热滤光器234。可替代地，可以通过红外辐射以外的其它机制(例如，传导、对流等)来加热滤光器。近红外检测器238接收已调制的载波236，从中测量对应于滤光器234的温度的已调制载波236的强度。近红外检测器产生电信号，其中的一个参数(诸如电压、电流、频率等)对应于滤光器234的温度。

下面所描述的温度传感器的所有应用都使用基本上相同于图13所描述的体系结构和功能。

流量传感和成像。一种或多种光学热传感器可以被用来检测流量或流量图形。一种用于测量流量的技术是使用加热元件来加热流动物体的特定点，并且测量所述流动物体的上游点和下游点的温度，这两点相对于加热元件来说是等距离的。如果没有物体流动，则在上游点和下游点的温度是相等的。随着流量的增加，流动材料把热量从上游点传送到下游点，使得下游点的温度高于上游点。所述流量与这两点之间的温度差成正比。

光学热传感器可以被用来远程地和精确地测量上述两点的温度。用光学方法而不是依赖于电气连接来读取热传感器的温度的能力，是用于测量位于远方的流量、或者用于测量腐蚀性或危险性物品的一种有价值的特征。热传感器可以采取离散点、完整片的形式，或者采取为特定的应用所需的任何其它形状。可替代地，热传感器可以被用来检测由于摩擦生热、气体压缩或气体减压所导致的局部产热或冷却。对于微尺度环境来说，这种以非常高的空间和热分辨率来测量温度的热传感技术在形成用于化学和生物学传感和发现的微流体系统方面是十分有用的。热传感器可以直接地以微尺度的形式施加于流体的表面，而不需要复杂的构图步骤。随后，可以远程地和无损伤地进行温度读出。

加速度计。光学读取热传感器可以用于热加速度计，后者通过例如监测被加热空气的密封气泡周围的温度变化来测量加速度。加速度或者气泡的倾斜根据刺激的方向，在气泡周围的不同方向上产生被加热空气的流动(并且因此产生温度梯度)。温度传感器测量由于流动而产生的温度变化。基于使用图13所示的体系结构和原理的光学传感器的系统在对加速度或倾斜进行测量时可以提供高数倍的灵敏度。还有，热传感器可以直接地以微尺度施加于与流体有关的表面上，而不需要复杂的构图步骤，因此，可以远程地和无损伤地进行温度读出。

通用辐射传感器。已知特定材料可以吸收各种波长的电磁辐射，并且把所述辐射转换为热能。这些材料可以被连接到上述的光学读取热传感器，以便提供使用图13中所描述的体系结构和原理的十分灵敏的电磁检测器。例如，已经证明，可以使用灵敏的微热量计来进行X射线检测和分析。使用这种光学读取温度传感器(即，因为没有电连接)，这样一种热量计可以进一步地被隔热，并且所述可调谐的膜提供非常高的响应性。这样一来，上述光学读取温度传感器可以被用来构建高度灵敏的辐射检测器。

还可以采用这种技术来检测毫米波(例如，THz)和微波辐射。某些波长需要每一个个别的传感器上的耦合天线(即，类似于在所述实施例中的红外吸收材料)以便把入射辐射转换为热。为了避免妨碍探测光束，所述天线可以由对探测光束透明的导电氧化物制成，或者所述天线可以使用业界所熟知的微带、金属补片或其它低外形设计。

化学或生物活性传感器。一种或多种使用图13所描述的体系结构和原理的光学读取热传感器可以被用来检测产生或消耗热量的化学或生物活性。这里所描述的光学传感器对这种应用来说具有两大优点。首先，光学传感器可以使用光学载波信号远程查询，允许化学或生物系统的简单设计，并且允许对用于这些系统的微热量计的更高水平的隔热。由于这些微热量计其中之一中的反应而产生的升温与通往衬底的导电路径成反比，因此，金属电触点的消除显著地提高了对温度变化的灵敏度。再有，远程查询允许传感器被完全地隔离，减小了污染被测量的化学或生物活性的可能性。其次，所述光学传感器对温度变化是极端敏感的，因此，所述传感器能够测量非常小的温度变化。总之，这些优点使热化学和生物反应传感不仅比电子学方法灵敏许多倍，而且提供一种简单得多的设计，特别是针对用于大规模普查的阵列结构。

这种概念还可以被用来作为接触传感器来分析表面温度特征，例如，由指纹产生的那些特征。与FPA上的热吸收器表面接触的手指在吸收器上产生对应于吸收器上的指纹脊图案的热图案。然后，探测光束从FPA的背面被反射并且被探头检测器所检测，因此，来自探头检测器的图像对应于指纹脊图案。类似地可以分析集成电路的表面特征，以便检测表明故障状态或高活动性区域的热点。

其它方面、修改和实施例都处于权利要求书的范围内。

附录A

热成像仪—FPA制造工艺和真空封装工艺的详细说明

I.FPA制造

1.衬底制备

a.开始于光学级双面抛光的蓝宝石衬底，以便为焦平面阵列(FPA)的均匀“热地平面”提供近红外波长范围内的透明度和高的热传导率。

b.在50/50的硫酸和过氧化物溶液中清洗蓝宝石衬底。

c.向蓝宝石衬底的无FPA面涂覆抗反射(AR，anti-reflective)涂层。这个涂层将使到达CMOS或CCD读出系统的近红外光量最大化，并去除源自衬底的任何干涉效应。

d.在衬底的FPA面淀积50埃(angstrom)的钛(Ti)层。这个非常薄的金属层促进其后通过加工过程中所经受的热循环而淀积的材料的粘合。

2.牺牲层淀积

a.在钛粘合层上淀积5-7微米(μm)的非晶氮化硅层。使用在低温和低硅含量条件下的等离子体增强化学气相淀积法(PECVD)来淀积这一层(“牺牲层”或“柱层”)，以便生成具有高的反应离子蚀刻(RIE，reactive ion etch)速率的相对多孔材料。

3.滤光器堆叠淀积

a.保护层：淀积一层非晶氧化硅，其光学厚度是近红外探测波长的四分之一波长的偶数倍(典型地为2或4倍)。这一层应当以高密度来淀积，以便提供对抗RIE工艺的固态壁垒。可以通过多种方法来淀积这一层；例如，PECVD在相对低的温度下提供强的涂层。

b.在氧化层的顶部淀积热可调谐近红外滤光器结构。为了在FPA中实现各种响应和时间常数，可能有大量的变动。一个实例就是从非晶硅(a-Si)和非晶氮化硅(a-SiNx)淀积的简单单腔Fabry-Perot结构。4对镜足以提供具有可接受插入损耗的窄滤光器功能：4对四分之一波长(近红外)的a-Si+a-SiNx，然后是4个四分之一波长的a-Si的腔(或“缺陷”)，然后是4对四分之一波长的a-SiNx+a-Si。使用提供高级a-Si半导体材料(对应于在近红外范围内的低光学损耗)的PECVD工艺，并且，在与a-SiNx牺牲层相比更能促进对反应离子蚀刻的耐受力的生长条件下，来生长这些层。

4.真空金属密封圈

a.在滤光器堆叠上淀积钛/铂层的堆叠并进行构图以形成真空密封圈。采用电子束蒸发器来淀积所述堆叠，并且通过常用的“提升(lift-off)”方法来构图。

5.像素元件的构图

a.铝蚀刻掩膜：应用铝蚀刻掩膜并在滤光器层的顶部进行构图，以便通过暴露“沟槽”使它们分离来定义个别的像素元件。典型地用“提升”方法来施加这种铝掩膜。

b.像素元件蚀刻：采用反应离子蚀刻(RIE)步骤，蚀刻通过各像素元件之间的沟槽区域中的滤光器堆叠。特别是，采用产生涂覆有聚合物的垂直侧壁的蚀刻配方。在包括众所周知的“Bosch工艺”在内的其它方法中，可以选用CHF₃+O₂+Ar的蚀刻配方来实现这一点。蚀刻进行足够长，以便达到淀积在滤光器堆叠下面的a-SiOx保护层。

6.切割

a.用光致抗蚀剂来涂覆所述晶片，然后切割为个别的FPA芯片。在切割之后，用溶剂来清除光致抗蚀剂。

7.柱定义

a.再次用RIE来蚀刻FPA芯片。首先，使用CHF₃+O₂+Ar蚀刻，来蚀刻掉沟槽中的任何残留的SiOx保护层，然后，使用CF₄+O₂蚀刻，在滤光器薄膜下面进行各向同性蚀刻。由于SiOx保护层，在该工艺中不蚀刻滤光器底层。并且对蚀刻进行定时，使得残留的牺牲层材料形成所述柱，以支持滤光器薄膜。在这种CF₄+O₂蚀刻配方中，由最后的蚀刻(CHF₃+O₂+Ar)形成的聚合物将被腐蚀，因此，重要的是对蚀刻进行控制，以保持沟槽的最小宽度。

8.铝蚀刻

a.芯片被浸入标准的铝蚀刻剂中，以去除铝蚀刻掩膜。

II.FPA封装

1.窗口制备

a.在两面上涂覆ZnSe窗口，以减小在8-15微米(μm)波长处的反射率，并且所述涂层在LED工作的近红外波长上也是透明的。

b.然后在ZnSe窗口上淀积Ti/Pt堆叠，并且用提升法进行构图，以形成用于真空封装的金属框。

2.FPA芯片制备

a.用稀氢氟酸(HF acid)或稀盐酸(HCl)来处理FPA芯片上的金属密封圈的表面，以去除残留的污染物。

3.密封

a.此项工艺在真空室内完成。用铟线或其它预制方法来形成铟框，并放置在FPA芯片上，且与密封圈对准。

b.所述窗口落在所述框和FPA上。并且一个重物被放置在窗口上。所述室被抽成真空，并且通过加热使铟框熔化。

c.关掉加热器。铟再次凝固，同时密封完成。

附录B

I.FPA制造的替代方法

1.衬底制备

a.开始于光学级双面抛光的蓝宝石衬底，以便为焦平面阵列(FPA)的均匀“热地平面”提供近红外波长范围内的透明度和高的热传导率。

b.在50/50的硫酸和过氧化物溶液中清洗蓝宝石衬底。

c.向蓝宝石衬底的无FPA面涂覆抗反射(AR，anti-reflective)涂层。这个涂层将使到达CMOS或CCD读出系统的近红外光量最大化，同时去除源自衬底的任何干涉效应。

d.在衬底的FPA面淀积50埃的钛(Ti)层。这个非常薄的金属层促进通过在加工过程中经受的热循环后续淀积的材料的粘合。

2.牺牲层淀积

a.在钛粘合层上淀积5-7微米(μm)的非晶氮化硅层。使用在低温和低硅含量条件下的等离子体增强化学气相淀积法(PECVD)来淀积这一层(“牺牲层”或“柱层”)，以便生成具有高的反应离子蚀刻速率(RIE，reactive ion etch rate)的相对多孔的材料。

3.定义用于柱的孔

a.光致抗蚀剂蚀刻掩膜：把光致抗蚀剂蚀刻掩膜应用于牺牲层的顶部并且构图，以定义各孔。稍后，SiOx将被淀积到孔中以形成预定的柱。用普通的图像反转方法来处理光致抗蚀剂，以形成侧壁的底切剖面。由于SiOx的共形淀积稍后可在顶部闭合，这种剖面是有利的。

b.蚀刻：使用CHF₃+O₂+Ar的蚀刻配方来蚀刻牺牲层。将形成孔。由光致抗蚀剂剖面来控制孔侧壁的剖面。

c.在蚀刻之后，清洗芯片。还用光致抗蚀剂剥离器来去除因蚀刻而形成的聚合物。

4.滤光器堆叠淀积

a.保护层和柱层：淀积一层非晶氧化硅，其光学厚度是近红外探测波长的四分之一波长的偶数倍(典型地为2或4倍)。该淀积必须是共形的，使得SiOx可以被淀积在牺牲层的孔中。在此项工艺中，这一层用作滤光器保护层和柱材料二者。这一层的淀积应当在顶部“夹紧”或闭合，因此将在孔中形成一个腔。这样一来，就能制成中空的柱。

b.在氧化层的顶部淀积热可调谐近红外滤光器结构。为了在FPA中获得各种响应和时间常数，可能有大量的变动。我们当前使用从非晶硅(a-Si)和非晶氮化硅(a-SiNx)淀积的简单单腔Fabry-Perot结构。4对镜足以提供具有可接受插入损耗的窄滤光器功能：4对四分之一波长(近红外)a-Si+a-SiNx，然后是4个四分之一波长的a-Si的腔(或“缺陷”)，然后是4对四分之一波长的a-SiNx+a-Si。使用提供高级a-Si半导体材料(对应于在近红外范围内的低光学损耗)的PECVD工艺，并且，在与a-SiNx牺牲层相比更能促进对反应离子蚀刻的耐受力的生长条件下，来生长这些层。

5.真空金属密封圈

a.在滤光器堆叠上淀积钛/铂层的堆叠并进行构图，以形成真空密封圈。采用电子束蒸发器来淀积所述堆叠，并且通过“提升”法来构图。

6.像素构图

a.铝蚀刻掩膜：铝蚀刻掩膜被应用于滤光器层的顶部并进行构图，以便通过暴露“沟槽”使它们分离来定义各像素。典型地采用常用的“提升”法来应用这种铝掩膜。

b.像素的蚀刻：采用反应离子蚀刻(RIE)步骤，蚀刻通过沟槽区域中的滤光器堆叠。特别是，使用产生涂覆有聚合物的垂直侧壁的蚀刻配方。在包括众所周知的“Bosch工艺”在内的其它方法中，可以选用CHF₃+O₂+Ar的蚀刻配方来实现这一点。蚀刻进行足够长，以便达到淀积在滤光器堆叠下面的a-SiOx保护层。

7.切割

a.用光致抗蚀剂来涂覆所述晶片，然后切割为各FPA芯片。在切割之后，用溶剂来清除光致抗蚀剂。

8.柱定义

a.再次用RIE来蚀刻FPA芯片。首先，使用CHF₃+O₂+Ar蚀刻来蚀刻掉沟槽中的任何残留SiOx保护层，然后，使用CF₄+O₂蚀刻在滤光器薄膜下面进行各向同性的蚀刻。由于SiOx保护层，在该工艺中不蚀刻滤光器底层。在这种工艺中，柱由SiOx制成，与牺牲层的蚀刻相比，前者具有低得多的蚀刻速率，最后，蚀刻将在所述柱停止，并且只有SiOx用作所述柱。

9.铝蚀刻

a.芯片被浸入标准的铝蚀刻剂中以去除铝蚀刻掩膜。

Claims (60)

1.一种用于从来自景物的第一波长的光产生图像的摄像机系统，包括：

热可调谐滤光器像素元件阵列，其中，每一个像素元件都具有一个通带，由于随着像素元件的温度改变而引起折射率改变，上述通带在波长上移动；

光源，用于向热可调谐滤光器像素元件阵列提供第二波长的光，使得热可调谐滤光器像素元件阵列产生已滤波的第二波长的光；

检测器阵列，用于从热可调谐滤光器像素元件阵列接收已滤波的第二波长的光，并且用于产生对应于所述景物的图像的电信号；以及

光学系统，用于将来自所述景物的第一波长的光引导到所述热可调谐滤光器像素元件阵列上，其中，热可调谐滤光器像素元件阵列将第一波长的光的至少一些转换为热，并且吸收至少一些热。

2.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，所述第一波长的光是红外光，并且所述第二波长的光是近红外光。

3.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，所述热可调谐滤光器像素元件阵列被密封在真空封装内。

4.根据权利要求3所述的摄像机系统，其中，所述真空封装包括对辐射透明的窗口、用于支撑热可调谐滤光器像素元件阵列的衬底、和用于把所述窗口和衬底接合在一起的铟框。

5.根据权利要求3所述的摄像机系统，其中，所述阵列包括衬底、每个具有热可调谐滤光器的像素元件的矩阵、从像素到衬底的热路径、和用于吸收第一波长的光并且在滤光器中产热的材料。

6.根据权利要求5所述的摄像机系统，其中，从像素到衬底的热路径包括将像素元件连接到衬底的柱。

7.根据权利要求5所述的摄像机系统，其中，从像素到衬底的热路径包括将像素元件连接到衬底的一个或多个臂。

8.根据权利要求1所述的摄像机系统，还包括衬底，其中，热可调谐滤光器像素元件阵列的每一个像素元件通过一个像素柱附着到所述衬底。

9.根据权利要求8所述的摄像机系统，其中，每个像素柱都是中空的。

10.根据权利要求8所述的摄像机系统，其中，每个像素柱都是实芯的。

11.根据权利要求8所述的摄像机系统，其中，每个像素柱都将像素元件与衬底热隔离。

12.根据权利要求8所述的摄像机系统，其中，每个像素柱都包括基本上圆柱形的结构，其第一端附着到衬底，并且第二端附着到像素元件，其中，第二端被夹紧。

13.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，每一个热可调谐滤光器像素元件阵列都吸收第一波长的光，并且将第一波长的光转换为热。

14.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，每一个热可调谐滤光器像素元件阵列都包括吸收材料层，用于吸收第一波长的光，并且将第一波长的光转换为热。

15.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，每一个热可调谐滤光器像素元件阵列都包括指数可调谐薄膜干涉涂层。

16.根据权利要求15所述的摄像机系统，其中，所述指数可调谐薄膜干涉涂层包括单腔Fabry-Perot结构。

17.根据权利要求15所述的摄像机系统，其中，所述指数可调谐薄膜干涉涂层包括多腔Fabry-Perot结构。

18.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，热可调谐滤光器像素元件阵列包括反射层，用于反射在各像素元件之间通过的第二波长的光。

19.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，热可调谐滤光器像素元件阵列包括吸收层，用于吸收在各像素元件之间通过的第二波长的光。

20.根据权利要求1所述的摄像机系统，还包括温度控制的封装，用于容纳所述热可调谐滤光器像素元件阵列。

21.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，所述第二波长跟踪热可调谐滤光器像素元件阵列的通带波长。

22.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，所述光源包括发光二极管。

23.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，所述光源包括激光器。

24.根据权利要求23所述的摄像机系统，其中，来自激光器的光的中心波长跟踪热可调谐滤光器像素元件阵列的通带波长。

25.根据权利要求1所述的摄像机系统，还包括参考滤光器，用于使来自光源的第二波长的光的带宽变窄。

26.根据权利要求25所述的摄像机系统，其中，所述参考滤光器的温度跟踪热可调谐滤光器像素元件阵列的温度。

27.根据权利要求25所述的摄像机系统，其中，安排所述参考滤光器和热可调谐滤光器像素元件阵列，使得它们之间的温差很小或者没有温差。

28.根据权利要求27所述的摄像机系统，其中，参考滤光器和热可调谐滤光器像素元件阵列被容纳在单个温度控制的封装内。

29.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，热可调谐滤光器像素元件阵列被附着到蓝宝石衬底。

30.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，热可调谐滤光器像素元件阵列被附着到硅衬底。

31.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，热可调谐滤光器像素元件阵列被附着到衬底，其中，所述衬底是CCD成像器。

32.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，热可调谐滤光器像素元件阵列被附着到衬底，其中，所述衬底是CMOS成像器。

33.根据权利要求3所述的摄像机系统，还包括淀积在真空封装内的选定表面上的吸气材料。

34.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，所述摄像机系统运行于透射方式，使得第二波长的光穿过所述热可调谐滤光器像素元件阵列，并且随后传播到检测器阵列。

35.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，所述摄像机系统运行于反射方式，使得第二波长的光从所述热可调谐滤光器像素元件阵列向外反射，并且随后传播到检测器阵列。

36.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，所述检测器阵列包括CCD或CMOS摄像机。

37.根据权利要求1所述的摄像机系统，其中，所述检测器阵列包括p-i-n光电二极管阵列。

38.一种用于基于来自景物的第一波长的光而产生图像的方法，包括：

产生第二波长的光；

将第一波长的光转换为热，并且将所述热耦合到热可调谐滤光器阵列，以改变热可调谐滤光器阵列的温度，其中，热可调谐滤光器阵列的每一个元件都具有一个通带，由于随着热可调谐滤光器元件的温度改变而引起折射率改变，上述通带在波长上移动；

用热可调谐滤光器阵列对第二波长的光进行滤波，使得热可调谐滤光器阵列产生已滤波的第二波长的光；以及

用检测器阵列来检测已滤波的第二波长的光，以便产生对应于所述景物的图像的信号。

39.根据权利要求38所述的方法，还包括在透射方式下运行热可调谐滤光器像素元件阵列，其中，第二波长的光穿过所述热可调谐滤光器像素元件阵列，并且传播到所述检测器。

40.根据权利要求38所述的方法，还包括在反射方式下运行热可调谐滤光器像素元件阵列，其中，第二波长的光从所述热可调谐滤光器像素元件阵列向外反射，并且传播到所述检测器。

41.根据权利要求38所述的方法，还包括用CCD或CMOS摄像机来检测所述第二波长的光。

42.根据权利要求38所述的方法，还包括用参考滤光器来使第二波长的光的带宽变窄。

43.一种用于制造热可调谐滤光器像素元件阵列的方法，包括：

在衬底上淀积牺牲层；

为所述阵列的每一个像素元件，

(i)在牺牲层中形成基本上圆柱形的孔；

(ii)在牺牲层上共形淀积保护层，其中，所述保护层覆盖所述牺牲层的表面、孔的底部和孔壁，并且其中，所述保护层在所述孔的顶部形成夹紧；

(iii)在所述保护层上制造热可调谐滤光器；

(iv)在所述像素元件边界处垂直地蚀刻滤光器和保护层，并且在滤光器的侧壁形成保护层；以及

(v)水平蚀刻所述牺牲层到形成孔壁的所述保护层。

44.根据权利要求43所述的方法，还包括在垂直地蚀刻所述滤光器的同时，在滤光器的侧壁处形成保护层。

45.根据权利要求43所述的方法，还包括在所述滤光器的顶部表面上淀积红外吸收层。

46.一种光学读取温度传感器，包括：

具有一个通带的热可调谐滤光器，由于随着热可调谐滤光器的温度改变而引起折射率改变，上述通带在波长上移动；

光源，用于向热可调谐滤光器提供第一波长的光，使得热可调谐滤光器产生已滤波的第二波长的光；

检测器，用于从热可调谐滤光器接收已滤波的第二波长的光，并且用于产生对应于所述热可调谐滤光器的温度的电信号。

47.根据权利要求46所述的光学读取传感器，其中，热可调谐滤光器根据热可调谐滤光器的温度而改变折射率，后者影响第二波长的光。

48.根据权利要求46所述的光学读取传感器，还包括参考滤光器，用于使来自光源的第二波长的光的带宽变窄。

49.根据权利要求48所述的光学读取传感器，其中，参考滤光器的温度跟踪热可调谐滤光器的温度。

50.根据权利要求48所述的光学读取传感器，其中，安排所述参考滤光器和所述热可调谐滤光器，使得它们之间的温差很小或者没有温差。

51.根据权利要求50所述的光学读取传感器，其中，参考滤光器和热可调谐滤光器被容纳在单个温度控制的封装内。

52.根据权利要求46所述的光学读取传感器，其中，所述光源包括发光二极管。

53.根据权利要求46所述的光学读取传感器，其中，所述光源包括激光器。

54.一种用于检测温度和温度分布的方法，包括：

产生第一波长的光；

用具有一个通带的热可调谐滤光器对所述第一波长的光进行滤波，以便产生已滤波的第一波长的光，由于随着热可调谐滤光器的温度改变而引起折射率改变，上述通带在波长上移动；以及

用检测器来检测已滤波的第一波长的光，并产生对应于所述热可调谐滤光器的温度的电信号。

55.根据权利要求54所述方法，还包括通过来自环境的直接热传导来改变热可调谐滤光器的温度。

56.根据权利要求54所述方法，还包括通过吸收电磁辐射并将所述电磁辐射转换为热，来改变热可调谐滤光器的温度。

57.根据权利要求54所述方法，还包括对所述第一波长的光进行滤波，使得光的幅度随着温度而改变。

58.一种制造用于在衬底上支撑部件的柱的方法，包括：

在衬底上淀积牺牲层；

在牺牲层中形成基本上圆柱形的孔；

在牺牲层上共形淀积保护层，其中，所述保护层覆盖所述牺牲层的表面、孔的底部和孔壁，并且其中，所述保护层在所述孔的顶部形成夹紧；

在所述保护层上制造所述部件；

在所述部件的外周边界处垂直地蚀刻滤光器和保护层；以及

水平蚀刻所述牺牲层到形成孔壁的所述保护层。

59.一种波长转换装置，包括：

具有一个通带的热可调谐滤光器，由于随着热可调谐滤光器的温度改变而引起折射率改变，上述通带在波长上移动；

吸收器，用于把第一波长的辐射转换为热，并且用于将所述热耦合到热可调谐滤光器；

光源，用于向热可调谐滤光器提供第二波长的光，使得热可调谐滤光器产生已滤波的第二波长的光；

检测器，用于从热可调谐滤光器接收已滤波的第二波长的光，并且用于产生对应于所述第二波长的光的电信号；以及

光学系统，用于将第一波长的辐射引导到热可调谐滤光器上，其中，热可调谐滤光器将第一波长的光的至少一些转换为热，并且吸收至少一些热。

60.一种用于检测温度的方法，包括：

产生第一波长的光；

用具有一个通带的热可调谐滤光器对所述第一波长的光进行滤波，以便产生已滤波的第一波长的光，由于随着所述热可调谐滤光器的温度改变而引起折射率改变，上述通带在波长上移动；以及

用检测器来检测已滤波的第一波长的光，以便产生对应于所述热可调谐滤光器的温度的电信号。

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