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

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 Download PDF

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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)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)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(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。
JP2009534620A 2006-10-24 2007-10-23 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 Active JP4677044B2 (ja)

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