DE60003885T2

DE60003885T2 - Thermischer detektor mit begrenztem sichtwinkel

Info

Publication number: DE60003885T2
Application number: DE60003885T
Authority: DE
Inventors: François Micheron; E. Marie-Benoite JOLLIOT; Gerard Berginc
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2020-05-20
Also published as: WO2000075615A2; DE60003885D1; EP1144966A3; WO2000075615A3; FR2794527A1; US6531699B1; EP1144966B1; EP1144966A2; FR2794527B1

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Wärmedetektoren, insbesondere so genannte BLIP-Wärmedetektoren (background limited performances (engl.)) für hohe Leistungen. Diese Wärmedetektoren weisen eine Empfindlichkeit auf, die theoretisch durch das Wärmeleitungsrauschen zwischen dem Detektor und der äußeren Umgebung begrenzt ist. Dieses Rauschen entsteht durch die Fluktuation einer Menge von Photonen, die aus der äußeren Umgebung kommen und auf die Oberfläche des Wärmedetektors auftreffen.
Wärmedetektoren sind Strahlungsempfänger, die direkt oder indirekt die Wärme messen, die von der zu erfassenden einfallenden Strahlung erzeugt wird, wenn diese auf der Oberfläche des Detektors auftrifft, wobei sich die Wärme in einem Temperaturanstieg in Höhe der Oberfläche des Detektors auswirkt. Vorzugsweise liegt der spektrale Empfindlichkeitsbereich der Wärmedetektoren im Infrarot.
Im Allgemeinen wird die Szene, die von einem Wärmedetektor beobachtet wird, von diesem unter einem bestimmten Sichtwinkel "gesehen" der als Szenenbeobachtungswinkel bezeichnet wird. Wenn der Wärmedetektor Bestandteil einer optischen Architektur ist, dann ist der Szenenbeobachtungswinkel durch die Öffnung der Eingangsoptik der optischen Architektur bestimmt. Es ist von Interesse, den Sichtwinkel des Wärmedetektors auf einen bestimmten Winkel zu begrenzen, der vorzugsweise gleich dem Szenenbeobachtungswinkel ist, um das von dem Wärmedetektor empfangene Rauschen einzuschränken. Auf diese Weise wird das von dem Wärmedetektor empfangene Rauschen ohne Signalverlust verringert.
Die Wärmedetektoren werden in zwei Familien unterteilt: die gekühlten Wärmedetektoren und die nicht gekühlten Wärmedetektoren. Ein gekühlter Wärmedetektor umfasst im Allgemeinen einen kalten Schirm. Dieser kalte Schirm wird von einer Öffnung durchquert, die den Sichtwinkel des Detektors auf den Szenenbeobachtungswinkel begrenzt. Der kalte Schirm ist nämlich auf einer tiefen Tem peratur, typisch in der Größenordnung von 77 Grad Kelvin. Folglich ist die thermische Emission des kalten Schirms gegenüber der thermischen Emission der beobachteten Szene vernachlässigbar, denn diese ist viel wärmer, typisch etwa 300 Grad Kelvin. Der kalte Schirm ermöglicht, die Leistungsfähigkeit eines Wärmedetektors offensichtlich dadurch zu verbessern, dass er seinen Sichtwinkel einschränkt. Außerdem kann die Öffnung des kalten Schirms ein Spektralfilter enthalten, das wie der Schirm gekühlt ist. Auf diese Weise kann der spektrale Empfindlichkeitsbereich des Wärmedetektors auf bestimmte Fenster reduziert werden, die vorteilhaft Fenstern atmosphärischer Transparenz entsprechen.
Da nicht gekühlte Wärmedetektoren keinen kalten Schirm besitzen, ist diese Lösung schwer anwendbar, ohne die Detektoren ebenfalls zu kühlen, wodurch sich der Vorteil, den sie bieten, verringern würde. Folglich findet die Erfindung vor allem auf nicht gekühlte Detektoren Anwendung.
Gemäß dem Stand der Technik sind etliche Typen von nicht gekühlten Wärmedetektoren vorgeschlagen worden. Die meisten davon sind Detektoren mit Mikro-Bolometern, d. h. matrixförmige Detektoren, deren Bildelemente aus einem Werkstoff gebildet sind, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändert. Die Bildelemente umfassen je nach Typ des Wärmedetektors eine oder mehrere Schichten. Jedoch ist ein diesen verschiedenen Bildelementtypen gemeinsames Merkmal, dass sie eine absorbierende Schicht umfassen, die den größten Teil der einfallenden Strahlung selbst dann absorbiert, wenn diese streifend ist, d. h. einen großen Winkel zur Normalen auf die Oberfläche des Detektors aufweist.
In dem Dokument US 4 431 918 wird vorgeschlagen, zwischen dem System der Eingangsoptik und dem Detektorgitter eine Platte vorzusehen, die mit Öffnungen versehen ist (1 und 7), wovon jede einem Detektor entspricht. Dieses Gitter lasst nur die Strahlen hindurch, deren Einfallswinkel kleiner als ein Grenzwert ist, wobei dieser direkt von der Dickenabmessung des Gitters abhängt.
Die Erfindung ermöglicht, wie im Fall der gekühlten Wärmedetektoren, den Sichtwinkel des Detektors einzuschränken und vorzugsweise auf den Szenenbeobachtungswinkel zu begrenzen. Deshalb ist jedes einzelne Bildelement mit einer biperiodischen Struktur versehen, deren Schrittweite kleiner als die mittlere Wellenlänge des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektors ist, wodurch eine Begrenzung des Sichtwinkels des Wärmedetektors bewirkt wird. Diese Begrenzung wird durch den Übergang des Bildelements aus einem eher absorbierenden Zustand in einen eher reflektierenden Zustand in Abhängigkeit von dem Winkel, den die einfallende Strahlung bei ihrem Auftreffen auf der Oberfläche des Wärmedetektors mit der Normalen auf die Oberfläche des Detektors bildet, erzielt. Die Wahl der Parameter dieser biperiodischen Struktur ermöglicht, den Sichtwinkel des Detektors auf den Wert zu begrenzen, der für die vorgesehene besondere Anwendung erforderlich ist. Diese biperiodische Struktur ist ein biperiodisches Gitter aus elementaren Blöckchen, dessen Winkelselektivität groß genug ist, um den üblichen Bedingungen der vorgesehenen Anwendungen zu genügen.
Gemäß der Erfindung ist ein ungekühlter matrixförmiger Wärmedetektor vorgesehen, der einen bestimmten spektralen Empfindlichkeitsbereich besitzt und aus thermisch voneinander isolierten Bildelementen gebildet ist, wovon jedes ein in dem spektralen Empfindlichkeitsbereich wärmeempfindliches absorbierendes Element aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zu der erfassenden auftreffenden Strahlung gerichteten Fläche jedes wärmeempfindlichen absorbierenden Elements ein biperiodisches Gitter aus elementaren Blöckchen, die den Sichtwinkel des Detektors begrenzen, angeordnet ist und dass die Schrittweite des Gitters kleiner als die mittlere Wellenlänge des spektralen Empfindlichkeitsbereichs ist.
Die Erfindung wird besser verstanden und weitere Merkmale und Vorteile werden deutlich anhand der nachstehenden Beschreibung sowie der beispielhaft gegebenen beigefügten Zeichnung, worin
1 eine schematische Darstellung der Struktur eines besonderen Bildelementtyps ist, aus dem der Wärmedetektor gemäß der Erfindung aufgebaut ist;
2 eine schematische Darstellung einer optischen Architektur ist, die einen Wärmedetektor gemäß der Erfindung enthält;
3 eine schematische Darstellung eines Beispiels ist, das den Einfluss der Schrittweite des Gitters auf die Winkelselektivität des Gitters in einem Wärmedetektor gemäß der Erfindung zeigt;
4 eine schematische Darstellung eines Beispiels ist, das die spektrale Empfindlichkeit eines Wärmedetektors gemäß der Erfindung zeigt.
1 ist eine schematische Darstellung der Struktur eines besonderen Bildelementtyps, aus dem der Wärmedetektor gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Der Wärmedetektor gemäß der Erfindung ist ein matrixförmiger Detektor, d. h. dass er die Form einer zweidimensionalen Anordnung einzelner Bildelemente hat. In 1 ist eines dieser Bildelemente perspektivisch dargestellt. Das Bildelement wird von einer einfallenden Strahlung, die aus der äußeren Umgebung und insbesondere aus der zu beobachtenden Szene stammt, angestrahlt. Diese Strahlung lässt sich einerseits in die zu erfassende auftreffende Strahlung, die das Nutzsignal bildet, das durch Pfeile in Volllinien dargestellt ist, und andererseits in eine unerwünschte Strahlung, das Rauschen, zerlegen. Das Bildelement umfasst ein über dem spektralen Empfindlichkeitsbereich des Wärmedetektors wärmeempfindliches absorbierendes Element, d. h. ein Element, das wenigstens eine messbare Eigenschaft aufweist, die sich in Abhängigkeit von seiner Temperatur verändert. Das wärmeempfindliche absorbierende Element 2 ist vorzugsweise eben. Es ist beispielsweise quadratisch mit der Seitenlänge p. Das wärmeempfindliche absorbierende Element 2 kann je nach den verwendeten Technologien eine oder mehrere Materialschichten aufweisen, wovon dann einige absorbierend, andere wärmeempfindlich und weitere isolierend sein können und schließlich manche mehrere dieser Eigenschaften gleichzeitig aufweisen können. Vorzugsweise umfasst dieses wärmeempfindliche absorbierende Element 2 ein Mikro-Bolometer, das mit einer zusätzlichen absorbierenden Schicht belegt ist oder nicht, wobei dann der Widerstand des Elements 2 von seiner Temperatur abhängig ist.
Außerdem umfasst das Bildelement elementare Blöckchen 30. Die elementaren Blöckchen 30 sind auf einer Fläche 20 des wärmeempfindlichen absorbierenden Elements 2 angeordnet. Die die elementaren Blöckchen 30 tragende Fläche 20 des Elements 2 ist die Fläche 20, die der zu erfassenden einfallenden Strahlung, die durch die Pfeile in Volllinien dargestellt ist, zugewandt ist. Die Hauptrichtung der zu erfassenden einfallenden Strahlung entspricht im Wesentlichen der Normalen auf die Oberfläche des wärmeempfindlichen absorbierenden Elements 2. Wenn die mittlere Ausbreitungsrichtung der zu erfassenden einfallenden Strahlung in der Richtung gewählt wird, die von oben nach unten verläuft, befinden sich die elementaren Blöckchen 30 über dem wärmeempfindlichen absorbierenden Element 2. Die Gesamtheit dieser elementaren Blöckchen 30 bildet ein Gitter 3, dessen Motiv die elementaren Blöckchen 30 sind. Das Gitter 3 kann beispielsweise auf das wärmeempfindliche absorbierende Element 2 abgelagert oder auch geritzt werden. Das Gitter 3 ist biperiodisch, d. h. in zwei Richtungen parallel zur Oberfläche des wärmeempfindlichen absorbierenden Elements 2 periodisch. Vorteilhaft sind die Periodizitäten gemäß den zwei Achsen X und Y gleich. Diese beiden Richtungen sind vorzugsweise senkrecht zueinander; sie werden durch die Achsen X und Y repräsentiert. Die mittlere Richtung der zu erfassenden einfallenden Strahlung ist im Allgemeinen senkrecht zu der Ebene, die von den Achsen X und Y aufgespannt wird.
Vorzugsweise umfasst das Bildelement unter dem wärmeempfindlichen absorbierenden Element 2 mit der Dicke e₂ ein Substrat 1, das im spektralen Empfindlichkeitsbereich des Wärmedetektors reflektierend ist. Das Bildelement umfasst dann eine elektrisch und thermisch isolierende Schicht 4, die vorteilhaft aus einem Vakuum oder auch aus Luft besteht. Das Substrat 1 ist vorzugsweise allen Bildelementen gemeinsam, wobei jedoch die Bildelemente durch das Vorhandensein der elektrisch und thermisch isolierenden Schicht 4 trotzdem thermisch von einander isoliert bleiben. Das Bildelement umfasst vorzugsweise elektrische Verbindungsansätze 5, im Allgemeinen zwei oder auch vier wie in 1, die das direkte oder indirekte Erfassen der temperaturabhängig veränderlichen Eigenschaft des wärmeempfindlichen absorbierenden Elements 2 ermöglichen. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit dieser Verbindungsansätze 5 sollte so niedrig wie möglich, zumindest jedoch niedriger als eine bestimmte Schwelle sein, die von der vorgesehenen Anwendung abhängig ist. In dem im Folgenden dargestellten, bevorzugt vorgesehenen Fall, bei dem Vakuum die Schicht 4 bildet, tritt das wärmeempfindliche absorbierende Element 2 in Form einer Mikrobrücke aus einer oder mehreren Schichten auf, die mit Hilfe mehrerer elektrischer Verbindungsansätze 5 über dem reflektierenden Substrat 1 aufgehängt ist.
Um die Absorption zu erleichtern, die am wärmeempfindlichen absorbierenden Element 2 erfolgt, ist die Dicke e₁ der Vakuum-Schicht 4 vorzugsweise so gewählt, dass sich einerseits auf Höhe des reflektierenden Substrats 1 ein Knoten des elektrischen Feldes befindet und dass sich andererseits in der Dicke e₂ des wärmeempfindlichen absorbierenden Elements ein Bauch des elektrischen Feldes befindet. Die Summe aus der Dicke e₁ der elektrisch und thermisch isolierenden Schicht 4, die hier Vakuum ist, und der halben Dicke e₂/2 des wärmeempfindlichen absorbierenden Elements 2 beträgt im Wesentlichen ein Viertel der mittleren Wellenlänge λ₀ des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Wärmedetektors. Auf diese Weise ist die Absorptionswirkung des wärmeempfindlichen absorbierenden Elements 2 maximal.
Das biperiodische Gitter 3 aus elementaren Blöckchen 30 hat eine Schrittweite a sowie eine Länge d des elementaren Blöckchens. Das Gitter 3 aus elementaren Blöckchen 30 spielt die Rolle eines räumlichen Resonanzelements, das den Sichtwinkel des Detektors auf einen Wert begrenzt, der vorteilhaft gleich dem Szenenbeobachtungswinkel ist. Die Schrittweite a des Gitters spielt eine wichtige Rolle für diese Eigenschaft: Sie muss kleiner als die mittlere Wellenlänge λ₀ des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektors sein. In 3 sind Beispiele für Werte des Schritts angegeben. Es wird festgestellt, dass je kleiner das Verhältnis a/λ₀ ist, desto kleiner ist der Sichtwinkel des Detektors.
Das Gitter 3 hat eine Dicke e₃. Dieser Wert sollte hinreichend groß sein, damit das Gitter 3 diese winkelselektive Wirkung zeigt. Vorzugsweise ist das Gitter 3 dick, d. h. dass das Gitter 3 eine Dicke e₃ hat, die größer als ein Zehntel der mittleren Wellenlänge λ₀ des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektors ist. Diese recht große Dicke e₃ ermöglicht, mittels des Gitters 3 die Mehrfachreflexionen der einfallenden Strahlung, die in Höhe der elementaren Blöckchen 30 des Gitters 3 stattfinden und zum Gesamtreflexionskoeffizienten des Detektors beitragen, besser zu steuern.
Die elementaren Blöckchen 30 haben beispielsweise eine Parallelepiped-Form wie in 1, die den Vorteil der Einfachheit hat. Die elementaren Blöckchen 30 sind vorzugsweise pyramidenförmig, wodurch die Absorption durch Mehrfachreflexionen auf den elementaren Blöckchen 30 des Gitters 3 noch begünstigt wird. Die Spitze der Pyramidenform ist nach oben gerichtet, d. h. sie zeigt in Richtung der zu erfassenden einfallenden Strahlung. Außerdem ermöglicht die Pyramidenform eine bessere Impedanzanpassung zwischen der äußeren Umgebung, im Allgemeinen Vakuum oder Luft, und dem Werkstoff, aus dem das wärmeempfindliche absorbierende Element 2 gebildet ist. Aus Gründen der Symmetrie der Polarisation haben die elementaren Blöckchen 30 längs der Achsen X und Y gleiche Abmessungen, sie erscheinen dann von oben betrachtet als Quadrate.
Die elementaren Blöckchen 30 des Gitters 3 sind aus einem Werkstoff, der vorzugsweise elektrisch leitend ist. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit der elementaren Blöckchen 30 liegt zwischen jener der Dielektrika und jener der idealen Leiter. Die vorgesehene Anwendung wird erlauben, die optimale spezifische elektrische Leitfähigkeit des die elementaren Blöckchen 30 bildenden Werkstoffs zu bestimmen. Das Verhältnis ε''/ε' zwischen dem Imaginärteil und dem Realteil der relativen Dielektrizitätskonstante des Werkstoffs ist typisch größer als Eins. Der Werkstoff ist beispielsweise vom Typ des dotierten amorphen Siliciums oder aber vom Typ Vanadium(II)-oxid. Es können aber auch andere Werkstoffe, die als wärmeempfindliche Absorptionsmittel in nicht gekühlten Wärmedetektoren verwendet werden, geeignet sein.
2 zeigt auf schematische Weise einen Typ einer optischen Architektur, die einen Wärmedetektor 6 gemäß der Erfindung enthält. Die Oberfläche 60 ist die empfindliche Oberfläche des Detektors 6, auf welcher die vorher beschriebenen Bildelemente angeordnet sind. Die optische Architektur umfasst außerdem eine Eingangsoptik 7, die die von einer zu beobachtenden Szene 8 zu erfassende einfallende Strahlung sammelt. Die Hauptrichtung der zu erfassenden einfallenden Strahlung ist durch einen punktierten Pfeil angegeben. Die Eingangsoptik 7 hat eine Öffnung, die durch ihren Durchmesser Φ und durch ihre Brennweite f bestimmt ist. Der Szenenbeobachtungswinkel beträgt 2arctan(Φ/2f), was im Fall von verhältnismäßig kleinen Winkeln Φ/f ergibt. Folglich wird der Sichtwinkel des Detektors vorteilhaft auf einen Wert θ begrenzt, der im Wesentlichen gleich 2arctan(Φ/2f) ist.
Die Abmessungen jedes Bildelements sind in der Größenordnung eines Vielfachen der maximalen Wellenlänge λ_m des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektors. Folglich wird in der Mehrzahl der üblichen Fälle jedes Bildelement eine Oberfläche haben, die wenigstens das Airy-Scheibchen für die maximale Wellenlänge λ_m des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektors überdeckt, was folglich zu einem guten Signal-Rausch-Verhältnis des betrachteten Wärmedetektors führt, da das Airy-Scheibchen den wesentlichen Teil der Energie der einem Punkt der Szene entsprechenden einfallenden Strahlung enthält. Der Durchmesser dieses Airy-Scheibchens entspricht dem Produkt aus der Öffnung der Eingangsoptik 7 und der maximalen Wellenlänge λ_m, das folglich 2λ_marctan(Φ/2f) ist.
3 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels, das den Einfluss der Schrittweite des Gitters 3 auf die Winkelselektivität des Gitters 3 in einem Wärmedetektor gemäß der Erfindung zeigt. Das Beispiel entspricht einem matrixför migen Wärmedetektor, dessen Bildelemente mit jenen, die in 1 gezeigt sind, übereinstimmen. Der spektrale Empfindlichkeitsbereich ist das Band III im Infrarot, wobei die betrachtete mittlere Wellenlänge λ₀ = 10,6 μm ist. Die Dicke der Vakuumschicht 4 beträgt e₁ = 1,45 μm und die Dicke des wärmeempfindlichen absorbierenden Elements 2 beträgt e₂ = 2,3 μm. Der Werkstoff des Elements 2 ist hier dotiertes amorphes Silicium, dessen reale und imaginäre Dielektrizitätskonstante 1 bzw. 1,68 betragen. Die Dicke des Gitters 3 aus dem gleichen Werkstoff wie das wärmeempfindliche absorbierende Element 2 beträgt e₃ = 2 μm. Das Verhältnis d/a der elementaren Blöckchen wird auf einem Wert von 0,9 festgehalten, um die Wirkung verschiedener Schrittweiten a des Gitters 3 zu untersuchen. Die Größe jedes Bildelements, d. h. die Seitenlänge des Quadrats, das von dem Bildelement geformt wird, beträgt ungefähr p = 50 μm. Es gibt folglich ungefähr hundert Blöckchen 30 in einem Gitter 3. Die folgenden Werte entsprechen dem Idealfall, der die Endlichkeit des Gitters 3 unberücksichtigt lässt.
3 zeigt die Veränderung des Gesamtreflexionskoeffizienten R des eine große Anzahl von Bildelementen umfassenden Wärmedetektors, ausgedrückt in Prozent (%), in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α der einfallenden Strahlung in Bezug auf die Normale auf die Oberfläche des Detektors, ausgedrückt in Grad (°). Die Kurven A, B und C zeigen diese Veränderung für Werte der Schrittweite a des Gitters 3 von 4,85 μm, 5 μm bzw. 5,2 μm. Die Schwellenwerte für die Winkelbegrenzung, die sehr abrupt sind, betragen 1,5 Grad, 8,5 Grad bzw. 18 Grad. Der Schwellenwert für die Winkelbegrenzung erscheint sehr ausgeprägt, er entspricht einem Übergang des Detektors aus einem eher absorbierenden Zustand in einen eher reflektierenden Zustand. Für wenig verschiedene Schrittweiten a des Gitters 3 tritt folglich die Wirkung der Winkelbegrenzung für Werte auf, die deutlich verschieden sind; die Winkelselektivität reagiert folglich sehr empfindlich auf die Schrittweite a des Gitters. Folglich ermöglicht die Wahl einer Schrittweite a des Gitters 3, die an die vorgesehene Anwendung angepasst ist, die angestrebte Begrenzung des Sichtwinkels des Detektors zu erzielen, die vorteilhaft dem Szenenbeobachtungswinkel entspricht. Die Kurve D zeigt die Veränderung des Gesamtreflexionskoeffizienten des Detektors im Fall des Fehlens des Gitters 3. Es ist offensichtlich, dass der Detektor dann unabhängig vom Einfallswinkel der einfallenden Strahlung in einem absorbierenden Zustand ist und die Wirkung der Sichtwinkelbegrenzung des Detektors gewissermaßen fehlt. Das Gitter 3 aus Blöckchen 30 mit einer Schrittweite a, die kleiner als die mittlere Wellenlänge λ₀ des spektralen Empfindlichkeitsbereichs ist, ist die Ursache für diese Wirkung der Sichtwinkelbegrenzung des Detektors, die sehr stark ausgeprägt ist.
4 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels, das die spektrale Empfindlichkeit eines Wärmedetektors gemäß der Erfindung zeigt, sie betrifft das gleiche Detektorbeispiel wie in 3. 4 zeigt die Veränderung des Gesamtreflexionskoeffizienten R in Prozent (%) in Abhängigkeit von der einfallenden Wellenlänge λ, in μm ausgedrückt, wobei jede Kurve einer anderen Schrittweite a des Gitters 3 entspricht. Von den beiden gezeigten Kurven entspricht die Kurve mit den Quadraten einer Schrittweite a von 5 μm und die Kurve mit den Kreisen entspricht einer Schrittweite a von 5,2 μm. Der Einfallswinkel der einfallenden Strahlung ist für diese zwei Kurven mit 5 bzw. 15 Grad sehr nahe an der Detektorsichtwinkelgrenze festgelegt worden. Die Kurven weisen ein recht flaches Minimum in der Umgebung einer Wellenlänge λ von 11 μm auf, wobei jedoch die selektive Wirkung im Bereich kürzerer Wellenlängen λ, beispielsweise bei ungefähr 8 μm, stärker ausgeprägt ist. Ein Wärmedetektor gemäß der Erfindung weist folglich eine gewisse spektrale Selektivität auf. Bei bestimmten Anwendungen kann diese benutzt werden, um die Absorption des Wärmedetektors hinsichtlich bestimmter diskreter Laserwellenlängen, die Laserlinien eines Angreifers entsprechen, noch zu erhöhen. Der Schutz des Wärmedetektors gegenüber Laserangriffen ist folglich verbessert.

Claims

Ungekühlter matrixförmiger Wärmedetektor, der einen gegebenen spektralen Empfindlichkeitsbereich besitzt und aus thermisch voneinander isolierten Bildelementen gebildet ist, wovon jedes ein in dem spektralen Empfindlichkeitsbereich wärmeempfindliches absorbierendes Element (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zu der erfassenden auftreffenden Strahlung gerichteten Fläche (20) jedes wärmeempfindlichen absorbierenden Elements (2) ein biperiodisches Gitter (3) aus elementaren Blöckchen (30), die den Blickwinkel des Detektors begrenzen, angeordnet ist und daß die Schrittweite (a) des Gitters kleiner als die mittlere Wellenlänge (λ₀) des spektralen Empfindlichkeitsbereichs ist.
Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe jedes Bildelements in der Größenordnung der mehrfachen maximalen Wellenlänge (λ_m) des spektralen Empfindlichkeitsbereichs liegt.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (3) eine Dicke (e₃) hat, die größer als ein Zehntel der mittleren Wellenlänge (λ₀) des spektralen Empfindlichkeitsbereichs ist.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elementaren Blöckchen (30) des Gitters (3) pyramidenförmig sind.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elementaren Blöckchen (30) des Gitters (3) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff mit einer mittleren spezifischen Leitfähigkeit zwischen den Dielektrika und den vollkommenen Leitern sind.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche absorbierende Element (2) eine Schicht aus einem bolometrischen Werkstoff aufweist.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Bildelement nacheinander in Ausbreitungsrichtung der zu erfassenden auftreffenden Strahlung das Gitter (3), das wärmeempfindliche absorbierende Element (2), eine elektrisch und thermisch isolierende Schicht (4) und ein im spektralen Empfindlichkeitsbereich reflektierendes Substrat (1) umfaßt und daß die elektrisch und thermisch isolierende Schicht (4) eine Dicke (e₁) hat, derart, daß sich einerseits auf Höhe des reflektierenden Substrats (1) ein Knoten des elektrischen Feldes befindet und daß sich sich andererseits auf Höhe des wärmeempfindlichen absorbierenden Elements (2) ein Bauch des elektrischen Feldes befindet.
Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch und thermisch isolierende Schicht (4) Vakuum ist und daß das wärmeempfindliche absorbierende Element (2) die Form einer Mikrobrücke hat, die mit dem reflektierenden Substrat (1) durch elektrische Verbindungsansätze (5) verbunden ist, deren Wärmeleitfähigkeit kleiner als ein gegebener Schwellenwert ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe aus der Dicke (e₁) der elektrisch und thermisch isolierenden Schicht (4) und der Hälfte der Dicke (e₂) des wärmeempfindlichen absorbierenden Elements (2) im wesentlichen ein Viertel der mittleren Wellenlänge (λ₀) des spektralen Empfindlichkeitsbereichs ist.
Optische Architektur, die einen Detektor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Architektur außerdem eine Eingangsoptik (7) aufweist, die die zu erfassende auftreffende Strahlung sammelt und einen Durchmesser Φ sowie eine Brennweite f besitzt, wobei der Blickwinkel des Detektors auf einen Wert θ begrenzt ist, der im wesentlichen 2arctan(Φ/2f) beträgt.