JP2010507806A - 非冷却ｌｗｉｒ検出器に組み合わされた可視すなわちｓｗｉｒ検出器を有するデュアル・バンド撮像装置 - Google Patents

Abstract

デュアル・バンド撮像装置は、読取り回路（ＲＯＩＣ）へ結合された第１波長の光を吸収する放射吸収層を含み、また放射吸収層を通じて延伸する対応の開口を介してＲＯＩＣへ結合された第２波長の光を検出する少なくとも１つの放射検出器を含む。

Description

本発明の例示的で非限定的な諸実施例は、一般に熱エネルギーの検出器に関し、特に、赤外線放射（ＩＲ）に応答する組合せデュアル・バンド撮像装置（ｉｍａｇｅｒ）に関する。

暗視撮像装置は、高解像度画像を反射した可視すなわち短波赤外（ＳＷＩＲ）光線、または熱画像の長波赤外線（ＬＷＩＲ）を検出するように動作する。米国陸軍の強化暗視ゴーグル（ＥＮＶＧ）および多重適合夜間戦術画像システム（ＭＡＮＴＩＳ）などのいくつかの暗視撮像装置は、長波と短波の両方の放射を同時に検出するが、それは、両方の波長が別々の画像情報を供給するからである。

これら既存のシステムは、ＳＷＩＲ放射とＬＷＩＲ放射の両方を検出するのに別々のセンサを必要とする。２つのセンサを使用する結果として、これらのシステムのサイズと重量がほぼ２倍になる。ヘルメット装着または手持ちの暗視システムに採用する場合、この追加的なサイズと重量は、ユーザのために、かなり厳しい短所になりえる。更に、サイズ、重量、およびセンサの電力を削減するために、暗視センサは周囲温度またはそれに近い温度で動作させることが、典型的な必要条件である。

従って、可視すなわちＳＷＩＲ放射センシングとＬＷＩＲ放射センシングを組み合わせるシステムは、周囲温度またはそれに近い温度で動作させ得るときに、ポータブルな暗視検出器として、最も有用なものである。

これらの教示の例示的な実施例により、前記および他の諸問題が克服され、また他の利点が実現される。

本発明の１つの例示的な実施例によれば、デュアル・バンド撮像装置は、読取り回路（ＲＯＩＣ）に結合された第１波長の光を吸収する放射吸収層、および放射吸収層を通じて延伸する対応の開口を介して、ＲＯＴＣへ結合された第２波長の光を検出する少なくとも１つの放射検出器を含む。

本発明の他の例示的な実施例によれば、１つの装置は画像情報を出力するデュアル・バンド撮像装置を含み、読取り回路（ＲＯＩＣ）へ結合された第１波長の光を吸収する放射吸収層、および放射吸収層を通じて延伸する対応の開口を介して、ＲＯＩＣへ結合された第２波長の光を検出する少なくとも１つの放射検出器、画像情報を処理するためにデュアル・バンド撮像装置へ結合されたプロセッサ、および処理された画像情報を表示するためにプロセッサに結合されたディスプレイを含む。

本発明の他の実施例によれば、１つの方法は読取り回路（ＲＯＩＣ）へ結合された放射吸収層を含むＬＷＩＲ検出器を供給すること、および放射吸収層を通じて延伸する対応の開口を介して、ＲＯＩＣへ結合された少なくとも１つのＳＷＩＲ検出器を製作することとを含む。

本発明の他の例示的な実施例によれば、１つの装置は画像情報を出力するデュアル・バンド撮像装置を含み、読取り回路（ＲＯＩＣ）へ結合された第１波長の光を吸収する放射吸収層、および放射吸収層を通じて延伸する対応の開口を介してＲＯＩＣへ結合された第２波長の光を検出する少なくとも１つの放射検出器、画像情報を処理するためにデュアル・バンド撮像装置に結合された処理要素、処理された画像情報を表示するために処理要素へ結合された表示要素を含む。

本発明の他の例示的な実施例によれば、１つの方法は、第１波長の光に対応する第１画像情報、および第２波長の光に対応しまた第１画像情報とコレジスタされる第２画像情報を受信することと、画像情報を処理して出力画像を生成することとを含む。

本発明の他の実施例によれば、ディジタル処理装置により実行できる機械読取り可能な命令のプログラムを具体的に実施する信号保持媒体は、第１波長の光に対応する第１画像情報と、第２波長の光に対応し第１画像情報とコレジスタされる第２画像情報を含む入力画像情報とを受信し、また画像情報を処理して出力画像を生成することを含む動作を遂行する。

本発明の例示的な実施例の前記および他の面は、下記の詳細な説明を添付図面と共に読むことにより、一層明らかになる。
本発明の例示的な実施例によるデュアル・バンド検出器の断面図である。 本発明の例示的な実施例によるデュアル・バンド検出器の図である。 本発明の例示的な実施例によるデュアル・バンド検出器のアレイの図である。 本発明の例示的な実施例によるデュアル・バンド撮像装置を組み込んだ暗視撮像装置の図である。 本発明の例示的な実施例による方法のフローチャートである。 本発明の例示的な実施例による方法のフローチャートである。

本発明の例示的で非限定的な実施例は、単一の焦点面上に可視すなわちＳＷＩＲ放射検出器とＬＷＩＲ放射線吸収／検出器の両方を組み合わせるデュアル・バンド撮像装置を開示する。１つの例示的な実施例において、読取り集積回路（ＲＯＩＣ）に結合された非冷却のＬＷＩＲ検出器は、インジウムの隆起など相互接続のための空間を供給する開口を組み込むように修正される。このインジウムの隆起は、同一ＲＯＩＣの上にＬＷＩＲ検出器３とＳＷＩＲ光起電（ＰＶ）検出器５のアレイを組み合わせることを可能にする。結果として、検出器の２つの別個のタイプの検出器を単一のＲＯＩＣの上に組み合わせることができる。

図１を参照すると、本発明の例示的な実施例によるデュアル・バンド検出器１０の断面図が示されている。詳細は後述するが、デュアル・バンド検出器１０は、同一のＲＯＩＣ１２の上に、非冷却ＬＷＩＲ検出器アレイと可視すなわちＳＷＩＲ ＰＶ検出器アレイを組み合わせることから形成される。図示の例示的な実施例において、非冷却ＬＷＩＲ検出器２４は、酸化バナジウム（ＶＯｘ）マイクロボロメータである。ＳＷＩＲ ＰＶ検出器５のアレイの例は、ＳｉＰＩＮ（シリコン ｐ−ｉ−ｎ接合）、ＩｎＧａＡｓおよびＨｇＣｄＴｅフォトダイオードを含むが、これらに限定されない。これらのＰＶ検出器５のアレイは周囲温度またはそれに近い温度（２４０から３２０°Ｋの間の温度）で動作でき、またＬＷＩＲ放射へそれらを実質的にトランスペアレントにする方法で製作することができる。

上記のように、デュアル・バンド検出器１０の図示された実施例は、非冷却ＬＷＩＲ検出器アレイ３（たとえばＶＯｘマイクロボロメータ）およびＳＷＩＲ ＰＶ検出器５アレイにより形成されたハイブリッドである。従って図１を参照して、ＶＯｘマイクロボロメータを形成する構成を説明し、それに続いて本発明の例示的な実施例により、ＳＷＩＲ ＰＶ検出器５との組み合わせから起るＶＯｘマイクロボロメータに対する修正を説明する。

ボロメータ、特にマイクロボロメータは、サーマル（ＩＲ）検出器の二次元アレイに検出器ピクセル素子として採用される。マイクロボロメータの二次元アレイは、問題のシーンから到着するＩＲ、特にＬＷＩＲを、読取り集積回路（ＲＯＩＣ）１２へ加えられる電気信号へ変換する。希望する信号形成と処理を加えた後に、結果の信号は希望によりさらに処理されて、問題のシーンの画像を供給する。

マイクロボロメータは、典型的に酸化バナジウム（ＶＯ_Ｘ）または酸化チタニウムなどの多結晶半導体物質を含み、温度の関数として変化する電気抵抗を有する。ＳｉＮなどのＩＲ吸収器が多結晶半導体物質と密着して供給され、それによりそれらの温度がシーンの変化から来るＩＲの量により変動できるようにされている。多結晶半導体／吸収器の構造は、典型的に下にあるＲＯＩＣ１２から熱的に絶縁されている。

図示の例示的な実施例において、デュアル・バンド検出器１０はＲＯＩＣ１２の上に製作され、ＲＯＩＣ１２はシリコンであり、その最上面に配置された平坦化した酸化物（ＳｉＯ_２）層１４を有する。ユニット・セルの金属接点１６がＬＷＩＲ検出器アレイ３（マイクロボロメータ）をＲＯＩＣ電子機器（図示なし）へ電気的に接続するようになっている。第１の垂直脚１８が実質的に平坦な低レベル熱絶縁脚構造２０をユニット・セル金属接点１６へ接続する。脚１８は低レベル熱絶縁脚構造２０の「熱的に沈められた（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｓｕｎｋ）端部を定義すると考えることができる。本発明の例示的で非限定的な実施例において、熱絶縁脚構造２０はＳｉＮ／ＮｉＣｒ／ＳｉＮ複合体であり、ここでＮｉＣｒ層１９は上下の窒化シリコン（ＳｉＮ）層２１Ａおよび２１Ｂそれぞれの間に挟まれている。

ＬＷＩＲ検出器２４などの放射吸収層がＶＯ_ｘ（または同等の熱抵抗性物質）層２８により構築され、これは能動抵抗またはサーミスタとして機能する。ＶＯ_ｘサーミスタ層２８は、上下のＩＲ吸収窒化シリコン（ＳｉＮ）層３０Ａおよび３０Ｂそれぞれの間に挟まれている。ＬＷＩＲ検出器２４の輪郭の決定は、ＳｉＮ層３０Ａおよび３０Ｂの反応性イオン・エッチ（ＲＩＥ）の使用により達成できる。

メタライゼーション４０によりＶＯ_ｘ層２８へ電極３８が形成され、メタライゼーション４０はまた低レベル熱絶縁脚構造２０のＮｉＣｒ層１９により接点４２を形成する。メタライゼーション４０は、第２の直立脚構造４４を通じて遂行され、また窒化シリコン・スリーブ４６により包囲されている。

ＬＷＩＲ検出器アレイ３の典型的な構成と反対に、デュアル・バンド検出器１０は、ＳＷＩＲ検出器５を組み込むために、少なくともＬＷＴＲ検出器２４を通じて製作される複数のアパーチャ７を含む。本発明の例示的な実施例によれば、アパーチャ７はＬＷＩＲ検出器２４の層の間を通じて腐食されるが、ＲＩＥ、イオン・ミル（ｉｏｎ ｍｉｌｌ）およびＲＩＥを使用して、別々の層を腐食し、またはＲＩＥの化学的性質を変更して（ＣＦ４対ＣＨＦ３）、これら層の間を通じてほぼ同時に腐食することができる。各アパーチャ７はＳＷＩＲ検出器５からＲＯＩＣ１２への電気信号のための管路（ｃｏｎｄｕｉｔ）を形成する。１つの層にＩＲに敏感な検出物質があり、ＲＯＩＣ１２のように他の層に信号伝送処理回路があるハイブリッド・アレイにおいて、典型的にインジウム隆起（ｉｎｄｉｕｍ ｂｕｍｐ）が使用される。図示の実施例において、インジウム隆起９はアパーチャ７を通じて広がり、それにより各ＳＷＩＲ検出器５とＲＯＩＣ１２の電気的結合と物理的結合の両方を供給する。詳しくは、インジウム隆起９が１つのＳＷＩＲ ＲＯＩＣ接点１１に対する各ＳＷＩＲ検出器５の結合を供給する。

図示においては、各ＳＷＩＲ検出器５の上にインジウム隆起９が示され、ＳＷＩＲ ＲＯＩＣ接点１１を介してＲＯＩＣ１２に対してハイブリッド化（ｈｙｂｒｉｄｉｚｅ）されているが、インジウム隆起９はＲＯＩＣ１２、ＳＷＩＲ検出器５の上または両方にあっても良い。前記のように基板とコーティング物質を含む各ＳＷＩＲ検出器５はＬＷＩＲ放射に対して充分に透過的（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）であり、それによりＬＷＩＲ放射がＳＷＩＲ検出器５を貫通してＬＷＩＲ検出器２４により吸収できるようになっている。そうした透過性（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）は可視およびＳＷＩＲ検出器５の物質に典型的に固有なものであるが、デュアル・バンド検出器１０はＬＷＩＲを吸収または反射するように機能することが可能な金属または他の構造により、ＬＷＩＲ検出器２４を実質的にブロックしないように製作される。本発明の例示的な実施例において、インジウム隆起９が一端において５μｍにほぼ等しい断面を有する。

デュアル・バンド検出器１０の構成要素の寸法は変化し得るが、本発明の例示的な実施例において、ＲＯＩＣ１２とＳＷＩＲ検出器５の間の分離、またはハイブリッド化ギャップはほぼ６μｍと１２μｍの間であり、またＲＯＩＣ１２と熱絶縁脚構造２０の間の分離は、ほぼ１μｍである。

図２を参照すると、本発明の例示的な実施例によるデュアル・バンド検出器１０の上面図が示されている。図示のように、２本の足５０があって、低レベル熱絶縁脚構造２０の部分から部分的に形成され、ＲＯＩＣ１２の上にＶＯｘ検出器４３（図示なし）を懸垂し、熱的に絶縁する。図示のように、４つのアパーチャ７ないし７’’’がＬＷＩＲ検出器２４を通じて延伸し、これらを通じてインジウム隆起９（図示なし）が延伸している。上記のように、インジウム隆起９は、ＳＷＩＲ検出器５とＳＷＩＲ ＲＯＩＣ接点１１の間に、少なくとも１つの電気的結合を供給する。図示のように、ＬＷＩＲ検出器２４に結合されたユニット金属接点１６はピッチを有し、中心から中心まで測定してＳＷＩＲ検出器５のピッチの約２倍であり、それは水平的および垂直的に隣接するＳＷＩＲ ＲＯＩＣ接点１１の中心から中心までの間隔により明らかである。図示の実施例において、アパーチャ７の間の距離は約１０マイクロメートルほどに小さい。図示の実施例はデュアル・バンド検出器１０上に４つのＳＷＩＲ検出器Ｓを示すが、１つのデュアル・バンド検出器１０に対するＳＷＩＲ５の比率は、ＳＷＩＲ検出器５のピクセルのサイズにより変化し得る。

デュアル・バンド検出器１０の構成要素の寸法は変化し得るが、本発明の例示的な実施例において、各ＳＷＩＲ検出器５の設置面積は各側面においてほぼ１５μｍから２５μｍの間にあり、典型的に一側面が２０μｍである。ＬＷＩＲ検出器２４の典型的な寸法はＳＷＩＲ検出器５のほぼ２倍であり、すなわち一側面がほぼ３０μｍと５０μｍの間にあり、通常は一側面がほぼ４０μｍである。

図３を参照すると、本発明の実施例によるデュアル・バンド検出器のアレイ６１が図示されている。図示のように、３Ｘ３アレイ６１がアパーチャ７および対応するインジウム隆起９の６Ｘ６アレイのアパーチャを組み込んでいる。

図５を参照すると、本発明の例示的で非限定的な実施例による方法のフローチャートが示されている。ステップ５Ａにおいて、ＬＷＩＲ検出器が提供される。ステップ５Ｂにおいて、上述の実施例により複数のＳＷＩＲ検出器５が製作されて、部分的にＬＷＩＲ放射吸収層から形成されるＬＷＩＲ検出器２４を通じて延伸している。上に議論したように、ＳＷＩＲ検出器５とＬＷＩＲ検出器２４の両方は１つのＲＯＩＣ１２へ結合されている。

図４を参照すると、本発明の例示的な実施例による暗視撮像装置４０１が図示されている。本発明の例示的な実施例によるデュアル・バンド撮像装置１０を含むように適合され得る暗視撮像装置４０１の例は、米国陸軍の強化暗視ゴーグル（ＥＮＶＧ）および多重結合夜間戦術画像システム（ＭＡＮＴＩＳ）を含むが、これに限定されない。図示のように、暗視撮像装置４０１はデュアル・バンド画像情報を捕捉するためにデュアル・バンド検出器１０のアレイ６１を含む。アレイ６１はプロセッサ６３に結合されたディスプレイ６Ｓに表示するために、画像情報を強化または処理するプロセッサ６３へ結合されている。

本発明の例示的で非限定的な実施例は、ＳＷＩＲすなわち可視検出器５とＬＷＩＲ検出器２４の間のほぼ完全な光学的アラインメントを結果としてもたらす。アラインメントの正確さはＳＷＩＲ検出器５とＬＷＩＲ検出器２４のハイブリッド化の正確さのみによって異なるが、典型的には垂直アラインメントから２μｍを越える逸脱はない。結果として、ＳＷＩＲ検出器５とＬＷＩＲ検出器２４の両方によってカバーされた領域は通常、同一領域上に重ね合わさるため、捕捉されたＳＷＩＲ画像情報およびＬＷＩＲ画像情報が実質的にコレジスタ（ｃｏ−ｒｅｇｉｓｔｅｒ）される。「コレジスタされる」とは、第１画像内のピクセルのＸ−Ｙ座標が、互いの画像を拡大縮小、回転、または移動する必要なしに、第２画像内のピクセルのＸ−Ｙ位置へマップできることを意味する。

ディスプレイ６５上に単一の画像を生成するために、ＳＷＩＲ画像情報とＬＷＩＲ画像情報を組み合わせるのが望ましい場合がしばしばある。そうした画像情報は典型的に、光の１つの波長を捕捉するためにのみそれぞれ向けられた一つを越える検出器を使用して捕捉されるので、コレジスタされていない画像情報の１つを超えるソースの組合せが必要になる。結果として、ＳＷＩＲまたはＬＷＩＲの１つのバンドから他のバンドの画像にアラインメントまたは見当が合うまで、画像を移動し、拡大縮小し、回転させるための集中的な信号処理計算を、典型的に採用しなければならない。本発明の例示的な実施例によるデュアル・バンド検出器１０は、単一アレイを形成するＳＷＩＲ検出器５とＬＷＩＲ検出器２４の両方を含むので、デュアル・バンド検出器１０から供給される結果の画像情報は、各波長について追加の画像移動をしてバンドを見当合わせする必要のないコレジスタされた画像情報から形成される。

図６を参照すると、本発明の例示的な実施例による方法のフローチャートが示されている。図６Ａにおいて、たとえばプロセッサ６３により、少なくとも２つの別々の波長の光に対応するコレジスタされた画像を含む単一の入力画像情報が受信される。ステップ６Ｂで、プロセッサ６３は入力画像情報に演算を遂行する。この画像情報は、プロセッサ６３に結合された信号保持媒体すなわちメモリ６７に具体化されたソフトウェアの実行を介して実施される。代わりに画像処理は、そうした処理を遂行するように製作された集積回路などのハードウェアを通じて実施することができる。画像処理の結果は、入力画像情報に含まれるデュアル・バンド画像情報の何らかの組合せから形成される出力情報である。

デュアル・バンド検出器１０の構築は、通常の集積回路製作技法により達成され、また本発明と共同に譲渡された米国特許第６，１４４，０３０号に記述された手順に一般的に従うが、上記の本発明の例示的で非限定的な実施例のいくつかの面を適用するために、その修正を行うことができる。

種々の寸法、材料のタイプ、波長などの文脈において上記の教示を説明してきたが、これらは本発明の例示的で非限定的な実施例であることが理解できるし、またこれらの教示について限定的な事柄に読取られることを意図していない。たとえば、シリコン窒化物以外の他のタイプのＩＲ吸収物質を使用できるし、ＮｉＣｒ以外の他のタイプの金属システムを使用できるし、またＶＯ_ｘ以外の他のタイプの熱抵抗を使用することができる。

こうして、本発明の例示的な実施例に関してこれらの教示を詳細に示し説明してきたが、当業者が理解すべきは、これらの教示の範囲と精神から離れることなしに、そこに形式と細部の変更をなし得ることである。

Claims (10)

1. 読取り回路（ＲＯＩＣ）（１２）へ結合された放射吸収層（２４）であって、前記放射吸収層（２４）が第１波長の光を吸収するように構成されたものと、
   前記放射吸収層（２４）を通じて延伸する対応の開口（７）を介して前記ＲＯＩＣ（１２）に結合された少なくとも１つの放射検出器（５）であって、前記少なくとも１つの放射検出器（５）が第２波長の光を検出するように構成されたものとを含むデュアル・バンド撮像装置（１０）。
2. 前記放射吸収層（２４）が酸化バナジウム（ＶＯｘ）および酸化チタニウムのうちの少なくとも１つを含む請求項１記載のデュアル・バンド撮像装置（１０）。
3. 前記少なくとも１つの放射検出器（５）がＳｉＰＩＮフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、およびＨｇＣｄＴｅフォトダイオードのうちの少なくとも１つを含む請求項１記載のデュアル・バンド撮像装置（１０）。
4. 前記第１波長の前記光が長波赤外線（ＬＷＩＲ）放射を含み、また前記第２波長の前記光が短波赤外線（ＳＷＩＲ）放射を含む請求項１記載のデュアル・バンド撮像装置（１０）。
5. 前記少なくとも１つの放射検出器（５）がＬＷＩＲ放射に対して実質的にトランスペアレントである請求項４記載のデュアル・バンド撮像装置（１０）。
6. 読取り回路（ＲＯＩＣ）（１２）へ結合されるように構成された長波赤外線（ＬＷＩＲ）放射検出器（３）であって、前記ＬＷＩＲ検出器（３）が放射吸収層（２４）を含むものを供給することと、
   前記放射吸収層（２４）を通じて延伸する対応の開口（７）を介して前記ＲＯＩＣ（１２）へ結合するように構成された少なくとも１つの短波赤外線（ＳＷＩＲ）放射検出器（５）を製作することを含む方法。
7. 前記ＬＷＩＲ検出器（３）がマイクロボロメータを含む請求項６記載の方法。
8. 前記ＬＷＩＲ検出器（３）がバナジウム酸化物（ＶＯｘ）およびチタニウム酸化物のうちの少なくとも１つを含む請求項６記載の方法。
9. 前記少なくとも１つのＳＷＩＲ検出器（５）がＳｉＰＩＮフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、およびＨｇＣｄＴｅフォトダイオードのうちの少なくとも１つを含む請求項６記載の方法。
10. 前記少なくとも１つのＳＷＩＲ検出器（５）がＬＷＩＲ放射に対して実質的に透過的である請求項６記載の方法。

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