JP2013145233A

JP2013145233A - 高解像度サーモグラフィー

Info

Publication number: JP2013145233A
Application number: JP2013002271A
Authority: JP
Inventors: V Berte Marc; ヴィー．ベーテマーク
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-07-25
Also published as: EP2615437A3; EP2615437A2; US8912493B2; IL224116A; US20130181129A1

Abstract

【課題】小さい物体に対して高解像度で温度を検出するのに最適なサーモグラフィー撮像装置及びサーモグラフィー画像システムを提供する。
【解決手段】平面状に配置された複数の感光性装置２０４を含む焦点アレイ部１０４と、対向平面表面２０１、反対側の平面表面２０３、及び複数の開口２０６の配列を含む開口部と、を備える。前記複数の開口は、前記対向平面表面と前記反対側の平面表面とを連通している。そして、複数の赤外線の各赤外線感応装置は、前記複数の開口のうちの対応する開口と一直線となるように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度センシングに関し、より特定的には、高画像度サーモグラフィーにおけるセンシングに関する。

サーモグラフィーにおいては、多くの場合、物体の表面温度を感知するために赤外線検出器が用いられる。当該赤外線検出器は、表面から放出された赤外光子の量を検出し、処理を通じて、表面の対応温度が決定される。結果として得られる温度データは、温度データ値として、あるいは、画像上において異なる温度を異なる色で表した熱画像として、ユーザーに対して出力される。

小さい物体に対して高解像度で温度を検出するのに最適なサーモグラフィー撮像装置及びサーモグラフィー画像システムを提供することを課題とする。

本発明の一つの実施形態においては、サーモグラフィー撮像装置は、平面状に配置された複数の感光性装置を含む焦点アレイ部と、対向平面表面、反対側の平面表面、及び複数の開口の配列を含む開口部と、を備える。前記複数の開口は、前記対向平面表面と前記反対側の平面表面とを連通している。そして、複数の赤外線の各赤外線感応装置は、前記複数の開口のうちの対応する開口と一直線となるように配置されている。

本発明の他の一つの実施形態においては、サーモグラフィー撮像システムは、サーモグラフィー撮像装置を備え、当該サーモグラフィー画像装置は、平面状に配置された複数の感光性装置を含む焦点アレイ部と、対向平面表面、反対側の平面表面、及び複数の開口の配列を含む開口部と、前記焦点アレイ部に通信的に接続される制御装置と、を備える。前記複数の開口は、前記対向平面表面と前記反対側の平面表面とを連通している。そして、複数の赤外線の各赤外線感応装置は、前記複数の開口のうちの対応する開口と一直線となるように配置されている。そして、前記制御装置は、前記複数の感光性装置からのシグナルを受信するように作用する。

本発明の技術を通じて、付加的な特徴及び利点が実現される。他の実施形態及び本発明の態様はここに詳細に説明され、特許を請求する発明の一部として考えられる。本発明の利点及び特徴についてよりよく理解するために、明細書及び図面を参照していただきたい。

明細書の結びに、本発明とみなされる対象が具体的に挙げられ、特許請求の範囲においてはっきりと請求されている。本発明の上述の及び他の特徴並びに利点は、以降の詳細な説明に添付図面を併用することにより、明らかにされる。

図１は、サーモグラフィーシステムの典型的な実施形態のブロック図を示している。図２は、サーモグラフィーシステムの一部の斜視図を示している。図３は、図２の線３に沿った側面断面図を示している。

求められる解像度が物体の表面から放出される赤外（ＩＲ）光の波長よりも小さい場合、小さい物体に対して高解像度で温度を検出するのにサーモグラフィーを使用することは困難である。例えば、半導体素子は、トランジスタ、コンデンサ、レジスタ、及び誘導子等のような部材を含む。これらの部材は、当該これらの部材から放出されるＩＲよりも小さいサイズに設定される。システムの解像度は大概一般的に表面から放出されるＩＲ波長に制限されるため、伝統的な熱画像システムを使用しても典型的にはこのような小さな部材の個々の温度を測定することはできない。

図１は、サーモグラフィーシステム１００の典型的な実施形態のブロック図を示している。サーモグラフィーシステム１００には撮像装置１０１が含まれる。撮像装置１０１には、近接場開口アレイ（ＮＦＡＡ）部１０２と、焦点面検出アレイ１０４と、が含まれる（それぞれについて、以降に詳細に説明している）。焦点面検出アレイ１０４は、例えば、ＩＲ光子を電子に変換する作用をするＩＲ感応ピクセルのような、複数の電磁感応装置を配列した平面アレイを含む。ＮＦＡＡ部１０２は、各ＩＲ感応装置に対応する複数の開口を含む。焦点面検出アレイ１０４は、焦点アレイ制御装置部１０６に通信的に接続されている。焦点アレイ制御部１０６は、焦点面検出アレイ１０４から出力される電子を受け取ることが出来るように作用している。焦点アレイ制御装置部１０６は処理装置及び／又は表示装置１０８に通信的に接続してもよい。処理装置及び／又は表示装置１０８は、焦点面検出アレイ１０４制御装置からデータを受け取り、表示装置１０８にデータを出力する。焦点面検出アレイ１０４は、当該焦点面検出アレイ１０４を冷却するように作用する焦点アレイ冷却器部１１０に接続してあってもよい。

図解した実施形態においては、サーモグラフィーシステム１００にはテストソケット１１２が含まれる。テストソケット１１２は、例えば、半導体チップのピンを導電接点で嵌め込むことにより、半導体素子又はチップ１１４を所望の位置に固定できるように、作用している。チップテストソケット（ソケット）１１２の導電接点は、チップテスト制御部１１６に通信的に接続されている。チップテスト制御部１１６は、チップ１１４に電力を供給し、そしてテストシグナルをチップ１１４のピンに送信し、あるいはチップ１１４のピンから受信することができるように、作用している。ソケット冷却部１１８がソケット１１２に接続されて、ソケット冷却部１１８は、チップ１１４の後面を所定の一定温度となるように冷却するように作用する。チップテストソケット１１２は位置決め装置１２０の上に配置される。位置決め装置１２０は、例えば、位置制御装置１２２によって制御される六脚位置決めシステムを含んでいてもよい。

チップテストソケット１１２は、単にチップ１１４のテストを可能とするために設けられているに過ぎない。例えば、チップ１１４の主要部材の温度はチップテスト制御部１１８がチップ１１４にシグナルを送ることによりチップ１１４が動作している間に決定され、結果としてチップの主要部材の温度が増加又は減少する。主要部材の感知された温度は、熱画像として、又は、表示装置１０８に表示されるデータセットとして、ユーザーに示される。図解した実施形態においては、システム１００にはチップテストソケット１１２が含まれているが、別実施形態においてはチップテストソケット１１２を備えないものとしてもよい。そして、チップテストソケット１１２は、ＮＦＡＡ部１０２と隣接するように配置されたあらゆるタイプの平面上の表面の温度を測定するのに用いられてもよい。

図２は、テスト表面２０２（すなわち、チップ上のテストが実行される表面）と隣接するように配置されたＮＦＡＡ部１０２と、焦点面検出アレイ１０４と、を示す斜視図である。焦点面検出アレイ１０４は複数のＩＲ感応装置（ピクセル）２０４を含み、当該ＩＲ感応装置（ピクセル）２０４は衝突光子を電子に変換し、当該電子を出力する。図解された実施形態は、単一バンドのＩＲ感応装置２０４を含んでいてもよく、あるいは多重バンドのＩＲ感応装置２０４を含んでいてもよい。多重バンドのＩＲ感応装置２０４を用いた場合、温度決定が改善される。各ＩＲ感応装置２０４から出力される電子の量は、各ＩＲ感応装置２０４に衝突するＩＲ光子の量を示す。各ＩＲ感応装置２０４に衝突するＩＲ光子の量は、テスト表面の放射率と、各ＩＲ感応装置２０４により感知された温度と、を示す。ＮＦＡＡ部１０２は開口２０６の配列を含む。各開口２０６は、焦点面検出アレイ１０４のＩＲ感応装置２０４に対応している。開口２０６は、略円錐台状の形状をしており、対向平面表面２０１と、反対側の平面表面２０３と、を連通している。図解された実施形態の開口２０６は、略円錐台状の形状であるものとしたが、当該開口２０６の形状はこのような形状に限定されるものではなく、例えばこれに代えて、略矩形、楕円形、又は他のあらゆる幾何学的形状としてもよい。本実施形態においては、開口２０６の側面は傾斜しているが、別実施形態においては側面を平行に配置してもよい（すなわち、図に示すように対向平面表面２０１に対して斜角となるように配置された母線とは対照的に、対向平面表面２０１に対して略垂直な母線を有する）。また、側面を、放射線状の、曲線状の、又は傾斜状の母線により定義される側面としてもよい。対向平面表面２０１は、反対側の平面表面２０３に対して略平行である。対向平面表面２０１はテスト表面２０２に隣接するように配置される一方、反対側の平面表面２０３は焦点面検出アレイ１０４に隣接するように配置される。対向平面表面２０１は、第一の直径（ｄ）で定義付けられる略円形状の外形を有する開口２０６の一部が設けられることで特徴付けられる。一方、反対側の平面表面は、第二の直径（ｄ´）で定義付けられる略円形状の外形を有する開口の一部が設けられることで特徴付けられる。ここで、ｄ´＞ｄである。図解された実施形態においては、各ＩＲ感応装置２０４は対応する開口２０６と共に配置され、第一の直径と第二の直径の中心点で実質的に定義される点で定義される開口２０６の中心軸又は縦軸２０５は、ＩＲ感応装置２０４の一部と一直線となっており、ＩＲ感応装置２０４に対して垂直である。ＮＦＡＡ部１０２の反対側の平面表面２０３は、焦点面検出アレイ１０４から距離（ａ）を置いて配置され、焦点面検出アレイ１０４に対して略平行である。一方、対向平面表面２０１はテスト表面２０２から距離ｂを置いて配置され、テスト表面２０２に対して略平行である。

図３は、（図２の）線３に沿った側面断面図を示している。ＮＦＡＡ部１０２は、例えば金のような反射性材料３０２によりコーティングされている。反射性材料は、テスト表面２０２の上に配置された主要部材３０３から放出され、対向平面表面２０１の大きさｄの開口（２０６）の隙間を通って近接場光学現象により送信されるＩＲ光子３０１を反射するように作用する。また、反射性材料は、ＩＲ光子がＮＡＦＦを成す材料を媒介として送信されるのを防ぐ。ＮＡＦＦ部１０２は、例えばシリコン材料又はゲルマニウム材料を含むウエハー基板材料３０４から作られたものとすることができる。開口２０６は、例えば、リソグラフパターニング及びエッチング過程を用いて、作ることができる。エッチング過程に続いて、例えば、化学及び／又は蒸着過程を用いて、材料３０４の露出面に反射性材料３０２を載せることとしてもよい。

上述したように、非常に小さい部材においては、ＩＲ波の波長は大きすぎて、とりわけ非常に小さな部材から放出されるＩＲ光子３０１を十分な解像度で検出することはできないのである。サーモグラフィーシステム１００の解像度を上げるために、開口２０６の寸法ｄが選択される。この点について、図解された典型的な実施形態においては、テスト表面２０２の主要部材から放出されるＩＲ光子３０１の波長（λ）がおよそ４μｍであるところ、ｄはおよそ０．２μｍ〜０．５μｍである。ＩＲ感応装置２０４の寸法（ｃ）がおよそ１０μｍ〜２０μｍであるところ、寸法ａ及びｂはおよそ１μｍである。このように、寸法ｄ及びｂは、テスト表面２０２上の部材から放出されるＩＲ光子３０１の波長λよりも小さいのである。実施中、主要な部材３０３はＩＲ光子３０１を放出する。その光子のうちのいくつかは対向平面表面２０１により反射されるが、他のいくつかの光子は開口２０６の中を通り抜ける。開口２０６を通り抜けた光子３０３はＩＲ感応装置２０４に衝突し、当該ＩＲ感応装置２０４は、衝突したＩＲ光子３０１に対応して電子を出力する。ＩＲ感応装置２０４からの出力は、（図１の）焦点アレイ制御装置部１０６により受信される。焦点アレイ制御装置部１０６は、焦点面検出アレイ１０４の中の各ＩＲ感応装置２０４からシグナルを受信し、処理装置及び表示装置１０８においてシグナルを処理し、あるいはシグナルを出力することができる。処理装置及び表示装置１０８は、測定されたＩＲ光子３０１に対応する検知温度を示す熱画像又はデータセットを生成することができる。

焦点面検出アレイ１０４及びＦＮＡ部１０２のテスト表面２０２に対する相対位置は、位置決め装置１２０によって調整することができる。一旦距離ｂが実質上決定されたら、テスト表面２０２が矢印３０７に示すように対向平面表面２０１に平行な方向に動かされる。この点において、焦点面検出アレイ１０４及びＦＮＡ部１０２はＩＲ光子３０１を受け取ることにより表面２０１を検査することができる。一方、この時、焦点面検出アレイ１０４及びＦＮＡ部１０２に対するテスト表面２０２の上に配置された主要部材３０３の相対位置が調整される。処理装置１０８は、テスト表面２０２の動きを制御し、検査中に感知したＩＲ光子３０１に対応する熱画像を生成することができる。このような処理により、複数の検査した位置がそれぞれにテスト表面２０２の領域に対応するようにすることができる。このように、テスト表面２０２の所望の領域又は部分を検査するために、検査時に各検査位置において距離ｄを増加的に変化させることができる。検査位置を多数箇所にして、各検査の相対位置を距離がｄ以下となるようにすることにより、結果データ又は画像の解像度が向上する。このように、各検査位置の間の増加距離をより小さくすることにより、結果として、結果データ又は画像の全体的な解像度が向上する。

ここで使用されている専門用語は、特定の実施形態を表現することを目的として用いたものであり、本発明を制限することを意図したものではない。ここで使用されているように、「ひとつの」、「当該」、及び「前記」等の単数形はまた、複数形をも含むことを意図したものである。ただし、文脈上明らかに別のことを意味している場合は、この限りでない。さらに、「含む」及び／又は「備える」という用語をこの明細書において使用した場合、所定の特徴、整数、過程、操作、要素、及び／又は構成要素が存在することを明確に述べたこととなるが、他の一つの特徴、整数、過程、操作、構成要素、及び／又はこれらのグループの存在又は付加を除外することとは解されない。

下記の請求項の対応する構造、材料、行為、及び全ての手段又は過程に機能を足した要素の均等物は、他のあらゆる構造、材料、又は行為を含み、はっきりと特許請求の範囲に記載されているように、これらが他の請求項に記載の要素と組み合わさって機能を果たすことを意図している。本発明の説明は、図示し詳述するために示されるが、開示された形の発明に包括され又は制限されることを意図していない。本発明の領域及び精神から逸脱しない範囲で、当業者によって、多くの修正及び変化が明らかにされるであろう。本発明の原理及び実際の適用を最もよく説明し、当業者が本発明をあらゆる実施形態として理解し、とりわけ予定されている使用に適合するようにあらゆる修正を加えることが可能なように、実施形態が選択され、説明された。

ここで描かれている図表は単に例示に過ぎない。本発明の精神を逸脱しない範囲で、ここで描かれた図表又は過程（又は操作）にあらゆる変更を加えることが可能である。例えば、過程は異なる順序で行われてもよいし、過程が追加、削除、又は修正されてもよい。これらの全てのバリエーションは、特許請求の範囲に記載された発明の一部と考えられる。

本発明の好適な実施形態が説明されたが、当業者は、現在あるいは将来において、以降に続く特許請求の範囲内で、様々な改良及び強化を行うことが可能である。これらの特許請求の範囲は、最初に記載された発明の適切な保護を維持するように構成されていなければならない。

図３は、（図２の）線３に沿った側面断面図を示している。ＮＦＡＡ部１０２は、例えば金のような反射性材料３０２によりコーティングされている。反射性材料は、テスト表面２０２の上に配置された主要部材３０３から放出され、対向平面表面２０１の大きさｄの開口（２０６）の隙間を通って近接場光学現象により送信されるＩＲ光子３０１を反射するように作用する。また、反射性材料は、ＩＲ光子がＮＦＡＡを成す材料を媒介として送信されるのを防ぐ。ＮＦＡＡ部１０２は、例えばシリコン材料又はゲルマニウム材料を含むウエハー基板材料３０４から作られたものとすることができる。開口２０６は、例えば、リソグラフパターニング及びエッチング過程を用いて、作ることができる。エッチング過程に続いて、例えば、化学及び／又は蒸着過程を用いて、材料３０４の露出面に反射性材料３０２を載せることとしてもよい。

焦点面検出アレイ１０４及びＮＦＡＡ部１０２のテスト表面２０２に対する相対位置は、位置決め装置１２０によって調整することができる。一旦距離ｂが実質上決定されたら、テスト表面２０２が矢印３０７に示すように対向平面表面２０１に平行な方向に動かされる。この点において、焦点面検出アレイ１０４及びＮＦＡＡ部１０２はＩＲ光子３０１を受け取ることにより表面２０１を検査することができる。一方、この時、焦点面検出アレイ１０４及びＮＦＡＡ部１０２に対するテスト表面２０２の上に配置された主要部材３０３の相対位置が調整される。処理装置１０８は、テスト表面２０２の動きを制御し、検査中に感知したＩＲ光子３０１に対応する熱画像を生成することができる。このような処理により、複数の検査した位置がそれぞれにテスト表面２０２の領域に対応するようにすることができる。このように、テスト表面２０２の所望の領域又は部分を検査するために、検査時に各検査位置において距離ｄを増加的に変化させることができる。検査位置を多数箇所にして、各検査の相対位置を距離がｄ以下となるようにすることにより、結果データ又は画像の解像度が向上する。このように、各検査位置の間の増加距離をより小さくすることにより、結果として、結果データ又は画像の全体的な解像度が向上する。

Claims

平面状に配置された複数の感光性装置を含む焦点アレイ部と、
対向平面表面、反対側の平面表面、及び複数の開口の配列を含む開口部と、を備えるサーモグラフィー撮像装置であって、
前記複数の開口は、前記対向平面表面と前記反対側の平面表面とを連通し、
複数の赤外線の各赤外線感応装置は、前記複数の開口のうちの対応する開口と一直線となるように配置されている、サーモグラフィー撮像装置。
請求項１に記載の装置であって、
前記対向平面表面は、前記複数の開口のうちの各開口の第一の寸法を定義し、
前記反対側の平面表面は、前記複数の開口のうちの各開口の第二の寸法を定義する、装置。
請求項２に記載の装置であって、
前記第一の寸法は、略円形状の外形の直径である、装置。
請求項２に記載の装置であって、
前記第二の寸法は、略楕円形状の外形の直径である、装置。
請求項２に記載の装置であって、
前記第一の寸法は、前記第二の寸法よりも小さい、装置。
請求項１に記載の装置であって、前記反対側の平面表面は、前記焦点アレイ部に隣接して配置される、装置。
請求項１に記載の装置であって、前記複数の感光性装置には、赤外線感応装置が含まれる、装置。
請求項１に記載の装置であって、前記開口は略円錐台形状の輪郭を示す、装置。
請求項１に記載の装置であって、前記複数の開口のうちの各開口に反射性材料の層が載せられる、装置。
請求項１に記載の装置であって、前記反対側の平面表面は、前記焦点アレイ部の平面表面と略平行に配置される、装置。
平面状に配置された複数の感光性装置を含む焦点アレイ部と、
対向平面表面、反対側の平面表面、及び、複数の開口の配列を含み、当該複数の開口は、前記対向平面表面と前記反対側の平面表面とを連通し、複数の赤外線の各赤外線感応装置は、前記複数の開口のうちの対応する開口と一直線となるように配置されている、開口部と、
前記焦点アレイ部に通信的に接続され、前記複数の感光性装置からのシグナルを受信するように作用する制御装置と、を備えるサーモグラフィー撮像装置を備える、
サーモグラフィー撮像システム。
請求項１１に記載のシステムであって、
チップの導電性ピンを係合し、前記チップをテストソケットに固定するように作用するソケット部を有する前記テストソケットと、
前記チップの前記導電性ピンに通信的に接続されるチップテスト制御装置と、をさらに備える、システム。
請求項１２に記載のシステムであって、
前記テストソケットの一部の温度を制御するように作用するソケット冷却部をさらに備える、システム。
請求項１１に記載のシステムであって、
前記制御装置に通信的に接続される処理装置をさらに備え、
当該処理装置は、前記複数の感光性装置からのシグナルを受信し、当該シグナルを処理することにより、前記複数の感光性装置から受信された前記シグナルに対応する温度データを出力するように作用する、システム。
請求項１１に記載のシステムであって、
前記制御装置に通信的に接続される処理装置をさらに備え、
当該処理装置は、前記複数の感光性装置からのシグナルを受信し、当該シグナルを処理することにより、前記複数の感光性装置から受信された前記シグナルに対応するサーモグラフィーを出力するように作用する、システム。
請求項１１に記載のシステムであって、
位置決め装置をさらに備え、
当該位置決め装置は、テスト表面を前記開口部に相対する位置に配置するように作用する、システム。
請求項１１に記載のシステムであって、前記感光性装置は赤外線感応装置である、システム。
請求項１１に記載のシステムであって、前記開口部はテスト表面から距離（ｂ）の地点に配置され、
当該テスト表面からは、ｂよりも大きい波長を有する光子が放出される、システム。
請求項１１に記載のシステムであって、前記開口部はテスト表面に隣接して配置され、
当該テスト表面からは、前記複数の開口の各開口により定義される寸法よりも大きい波長を有する光子が放出される、システム。
請求項１１に記載のシステムであって、
前記複数の開口の各開口に、反射性材料の層が載せられる、システム。