JP2014524579A - 撮像システム用受動型検出装置 - Google Patents

Abstract

撮像システムのための受動型検出構造が提供され、電磁スペクトルの様々な部分（熱ＩＲ、近ＩＲ、ＵＶおよび可視光など）における入射フォトン放射を検出するためのダイレクトデジタル測定データ出力を有する、動力を使用しない、受動型フロントエンド検出構造を実施する。

Description

本発明は、概して撮像システムに用いる検出機構に関し、特に、電磁スペクトルの様々な部分（熱赤外、近赤外、ＵＶ、可視光など）における入射フォトン放射を検出するための、ダイレクトデジタル（direct-to-digital）測定データ出力を備えた受動型フロントエンド検出機構に関する。

ＭＥＭＳテクノロジーは概して赤外光検出器を構成するために用いられてきた。そのような光（ＩＲフォトニック）検出器は、コンデンサーとキャンチレバーアームとを備えたＭＥＭＳ機構を有する。コンデンサーは固定プレートと可動プレートを有する。キャンチレバーアームは基板に固定される第一端と、可動プレートに固定される第二端とを有する。キャンチレバーアームはさらに、赤外光の吸収による加熱に応答して屈曲するバイモルフ部を有する。バイモルフ部の屈曲により可動プレートが動いて、可動プレートと固定プレートとの間の間隔を変化させる。かくして、赤外光によるＭＥＭＳ機構のイルミネーションが該機構の電気特性、すなわちコンデンサーの静電容量において測定可能な変化を生じさせる。この静電容量変化を測定することにより、光検出器は各ＭＥＭＳ機構すなわち検出器の各画素を照明させる赤外光強度を決定することができる。

熱放射検出器のもう一つの典型は非冷却型マイクロボロメーターである。概して言えば、マイクロボロメーターは薄膜吸収検出器と熱絶縁構造とを有する。この検出器により吸収される入射放射は温度上昇を誘発し、薄膜検出器の導電性を変化させる。この導電性を入射放射の強度を決定するために用いる。

キャンチレバーアームとマイクロボロメーターを有するタイプの検出器における主要な限界は、入射放射によって誘発される電気特性（抵抗、静電容量など）における温度変動ないし変化を読み取るために必要とされる電気配線から生ずる。さらに、画素同士の相互接続およびリードアウト回路の製造上の複雑さに伴う検出機構の製造コストが、多くの用途への適用を妨げている。また、これらの電気接続によってピクセルとリードアウト回路との間の熱絶縁を損ない、検出器の熱応答性を制限する結果となっている。半導体および量子的電子検出器の方法論は自己発生的および外的ノイズ源を非常に生じさせやすく、システム応答性を低下させると共に、これらの問題を軽減させるために複雑で高価な方法を必要とする。

本発明の例証的実施形態は撮像システム用の受動的検出機構を含み、特に、電磁スペクトルの様々な部分（熱赤外、近赤外、ＵＶ、可視光など）における入射フォトン放射を検出するためのダイレクトデジタル測定データ出力を備える非動力の受動型フロントエンド検出機構に関する。

たとえば、本発明の一つの例証的実施形態によるフォトン検出装置は、基板と、共振部材と、受動型検出構造と、デジタル回路とを有する。共振部材は基板上に配置され、ある振動周波数の信号を出力する。受動型検出構造は基板上に配置され、共振部材に機械的に連結される。受動型検出構造は、フォトン露光に応答して機械的に歪みを生じて共振部材に機械力を与えると共に、この機械力に応じて共振部材の振動周波数を変化させる検出部材を有する。幾つかの実施形態において、検出部材は、熱膨張収縮を受けて機械的に歪みを生じさせるような熱膨張係数を有する一または複数の材料で形成される。デジタル回路は共振部材に接続される。デジタル回路は、たとえば、受動型検出機構が共振部材に与える機械力によって変化するところの共振部材の振動周波数を決定し、このようにして決定された共振部材の振動周波数に基いて検出部材により吸収される入射フォトンエネルギー量を検出するように動作する。

別の例証的実施形態において、フォトンエネルギーを決定する方法は、受動型検出部材を入射フォトンエネルギーに露光させて該検出部材にフォトン露光に応じた機械的歪みを生じさせ、受動型検出部材の機械的歪みに応じて共振部材に機械力を与え、受動型検出機構が共振部材に与える機械力によって変化する共振部材の振動周波数を決定し、このようにして決定された共振部材の振動周波数に基いて検出部材により吸収される入射フォトンエネルギー量を検出する各ステップを含む。別の実施形態において、この方法はさらに、前記決定された振動周波数を用いて画像データを生成する。前記検出部材により吸収される入射フォトンエネルギー量の決定は、所定カウント時間内において共振部材の出力信号に含まれるデジタルパルス数をカウントすることによってカウントデータを生成し、このカウントデータに基いて検出部材のフォトン露光レベルを決定することによって行うことができる。

本発明の既述した、およびその他の例証的実施形態は、後述する実施形態についての詳細な説明を添付図面を参照しつつ読み取ることによって明らかになるであろう。

熱膨張係数（ＣＴＥ）の構想に基く本発明の一実施形態によるフォトン検出器を示す斜視図である。 ＣＴＥフレームワークに基く本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す上面図である。 ＣＴＥフレームワークに基く本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す上面図である。 ＣＴＥフレームワークに基く本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す上面図である。 ＣＴＥフレームワークに基く本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す斜視図である。 ＣＴＥフレームワークに基く本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す上斜視図である。 図６Ａ中６Ｂ−６Ｂ線によるフォトン検出器の側面図である。 フォトン誘発膨張係数（ＰＩＣＥ＝photon-induced coefficient of expansion）コンセプトに基く本発明の一実施形態による可視光検出器を示す斜視図である。 電圧誘発歪み（ＶＩＤ＝voltage-induced distortion）構想に基く本発明の一実施形態による検出器を示す斜視図である。 ＶＩＤフレームワークに基く本発明の他実施形態による検出器を示す側面図である。 ＶＩＤフレームワークに基く本発明の他実施形態による検出器を示す側面図である。 ＶＩＤフレームワークに基く本発明の他実施形態による検出器を示す側面図である。 ＶＩＤフレームワークに基く本発明の他実施形態による検出器を示す側面図である。 本発明の一実施形態によるベロー形状の検出部材を示す上面図および側面図である。 他の代替的材料により形成されたベロー形状の検出部材の実施形態を示す上面図および側面図である。 ＣＴＥフレームワークに基く本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す図であり、図１５Ａは該フォトン検出器の上面図、図１５Ｂは図１５Ａ中１５Ｂ−１５Ｂ線による断面図である。 ＣＴＥフレームワークに基く本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す図であり、図１６Ａは図１６Ｂ中１６Ａ−１６Ａ線による断面図、図１６Ｂは該フォトン検出器の上面図である。 ＣＴＥフレームワークに基く本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す図であり、図１７Ａは図１７Ｂ中１７Ａ−１７Ａ線による断面図、図１７Ｂは図１７Ａ中１７Ｂ−１７Ｂ線による該フォトン検出器の上面図である。 本発明の一実施形態に基いて、従来のアナログ信号検出器ないし量子的電子設計に比べてダイレクトデジタル受動型検出構想を用いることによる利点を説明する図である。 本発明の一実施形態による受動型検出器に基くイメージャシステムのブロック図である。 図１９のイメージャシステムにおいて実施し得る、ピクセルユニットとピクセル回路を有する他実施形態を示すブロック図である。

撮像システム用受動型検出機構、特に、電磁スペクトルの様々な部分（熱赤外、近赤外、ＵＶ、可視光など）における入射フォトン放射を検出するための、ダイレクトデジタル測定データ出力を備える非動力の受動型フロントエンド検出機構について、本発明の例証的実施形態を下記に詳述する。ここに記述する例示的な受動型検出フレームワークは、電磁スペクトルのマイクロ波、テラヘルツおよびＸ線の部分における電磁放射だけでなく、電磁スペクトル（赤外スペクトル、可視スペクトル、紫外スペクトルなど）における入射フォトンエネルギーを検出するための新しいパラダイムを与える。受動型検出フレームワークは、アナログフロントエンドないし量子的半導体を要しないダイレクトデジタル測定を実行するので、従来のＣＭＯＳやＣＣＤ検出装置と比較すると低ノイズ、低電力、低コストであり、検出器設計の製造も容易である。ここに記述するダイレクトデジタル測定データ出力を備える受動型検出フレームワークの実施形態は量子フォトニックないし電子変換技術を何ら用いることがなく、上述したような従来のイメージャー技術に関連する技術的、製造上またはノイズ上の問題を何ら有しない。

下記に詳述するように、本発明の実施形態は紫外、可視、近赤外、中間赤外、遠赤外およびテラヘルツ放射の様々な波長を検出する様々な受動型検出メソドロジーに基く。ここに記述される受動型検出器パラダイムの実施形態は、ＣＴＥ（熱膨張係数）、ＰＩＣＥ（フォトン誘導膨張係数）およびＶＩＤ（電圧誘導歪み）の検出器フレームワークを含む。一般に、これらの検出器フレームワークは、フォトンないし電磁放射に応答して機械的に歪みを生じる受動型検出機構を与え、これにより共振部材に機械力を与え、該機械力に応じて共振部材の振動周波数を変化させる。デジタル回路が共振部材に接続され、受動型検出機構が共振部材に与える機械力によって変化するところの共振部材の振動周波数を決定し、このようにして決定された共振部材の振動周波数に基いて検出部材の入射フォトンエネルギーないし電磁放射エクスポージャーの量を検出するように動作する。

ＣＴＥフレームワークの場合、受動型検出部材（リボン、プレートなど）は、入射フォトンエネルギーに応答して該検出部材が膨張収縮することにより共振部材に機械力を与え、該共振部材の振動周波数を変化させるような熱膨張係数を有する一または複数の材料で形成される。

ＰＩＣＥフレームワークの場合、受動型検出部材は、電磁放射の特定の波長に晒されたときにその形状および寸法が変化するような一または複数の材料で形成される。この検出部材は、入射電磁放射を受けたときに機械的に変形（膨張収縮など）して共振部材に機械力を与え、該共振部材の振動周波数を変化させる

ＶＩＤフレームワークの場合、Ｘ線（１ｎｍ）から近赤外線（３μｍ）のような波長に対して、入射放射に応答して電圧を発生する一または複数の材料で検出部材を形成することができる。発生した電圧は共振部材（圧電材料層など）に印加され、該共振部材に機械的歪みを生じさせてその振動周波数を変化させる。たとえば、光電池（ＰＶ）材料で形成された検出部材のフォトンエクスポージャーから電圧が発生する。また、熱赤外線波長（３〜１４μｍ）については、焦電性材料で形成された検出部材を用いて電圧を発生させ、これを圧電共振部材に印加して該共振部材を変形させてその振動周波数を変化させる構成を採用することができる。

図１ないし図６は、ＣＴＥフレームワークに基く様々な本発明実施例の受動型検出器フレームワークの概略図である。たとえば、図１は、本発明の一実施形態によるフォトン検出器の斜視図である。このフォトン検出器１００は、概して、基板１０２と、デジタル論理回路１０４と、パラボリックミラー１０６と、基板１０２上に形成される橋梁構造体とを有する。橋梁構造体は、第一支持部材１１０と、第二支持部材１２０と、基板１０２上においてこれら支持部材１１０，１２０間に架設される検出部材１３０とを有する。支持部材１２０はある共振周波数で動作する共振部材であり、支持部材１１０は固定された絶縁支持構造体である。検出部材１３０（すなわちリボン）は、入射赤外エネルギーの吸収によって膨張収縮して共振部材１２０に力を作用させるような熱膨張係数を有するバイメタルリボン１３２と、フォトンエネルギー吸収層１３４とからなる。絶縁材料層１２２がリボン１３０の一端と共振部材１２０との間に配置されて、リボン１３０と共振支持構造体１２０とを熱絶縁している。デジタル論理回路１０４は、リボン構造体１３０の熱膨張収縮によって共振部材１２０に作用する力に起因する共振器１２０の振動周波数変化を決定するために共振部材１２０に接続されている。この周波数変化はリボン構造体１３０によって吸収される入射赤外エネルギー量に相関する。

より詳細に説明すれば、リボン１３０は、リボン１３０に衝突する入射赤外フォトンの絶対量に基づいてリボン１３０を膨張収縮させるような熱ＩＲ応答性材料で形成される。バイメタルリボン層１３２を形成する金属材料は、正および／または負の熱膨張係数を有する任意の適当な材料で形成することができる。フォトンエネルギー吸収層１３４は、１〜３０μｍにおける特定のＩＲスペクトル波長で感度ピークを有する任意の適当な材料（カーボン、ＳｉＣなど）で形成することができる。他の例示的実施形態において、フォトンエネルギー吸収層１３４上にろ過材料を形成してより狭い応答性を与えるようにしても良い。狭いレスポンスは、ＩＲスペクトルの不所望部分のレスポンスを反射または打ち消すスペクトル材料をフォトンエネルギー吸収材料層１３４にドーピングすることによって実現することができる。

図１に示されるように、リボン１３０は支持部材１１０と１２０の間に橋梁のように架設され、リボン１３０の裏面領域は支持されずに開放され、ピクセル構造体のいかなる残部とも非接触に保持される。リボン１３０の両端部のみがピクセル構造体１００の部分に取り付けられている。このような設計により、リボン１３０は、低質量でより短時間の入射ＩＲフォトンへの露光からヒートソークできるように最小限の質量を有するものとすることができる。これはセンサーを可能な限り速く反応させることに役立つ。反応時間が速ければ画像処理も速くすることができる。パラボリックリフレクター１０６は基板１０２上においてリボン１３０の下方に配置することができ、ピクセルフィルファクターを増大させて、より多くのＩＲフォトンをリボンの表裏から衝突させ作用させることを可能にする。フィルファクターは、入力される入射フォトンを収集する能力を持つ画素の全表面積量である。画素は制限された寸法と制限された面積を有する。フィルファクターの割合が大きければ大きいほどより多くの画素領域をフォトン収集に用いることができる。フィルファクターの割合が大きくなれば画素の感度および性能も向上する。ミラー１０６はパラボリック、フラットまたはＶ字形であって良く、あるいは全く使用しなくても良い。

図２は本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す概略図である。概して言えば、図２には、基板１０２と、デジタル論理回路１０４と、パラボリックミラー１０６と、基板１０２上に形成される橋梁構造体とを有するフォトン検出器２００が示されている。橋梁構造体は、第一支持部材２１０と、第二支持部材２２０と、基板１０２上においてこれら支持部材２１０，２２０間に架設される２つのリボン部材２３０，２４０とを有する。第一のリボン２３０はバイメタル層２３２とフォトンエネルギー吸収層２３４を有し、第二のリボン２４０はバイメタル層２４２とフォトンエネルギー吸収層２４４を有する。支持部材２２０はある共振周波数で作動する共振部材であり、第二の支持部材２１０は固定された絶縁支持構造体である。絶縁層２２２がリボン構造体２３０，２４０と共振支持構造体２２０の間に配置されて熱絶縁を与える。

熱検出器２００は、追加的機能を与えるために２つのリボン部材２３０，２４０を有することの他は、図１の検出器１００に近似している。特に、一実施形態において、各リボン２３０，２４０を異なる材料で設計することによりＩＲスペクトルの２つの異なる部分（たとえば１０μｍと４μｍ）で応答してＩＲ放射を検出するように設計し、これにより検出器２００が複数の波長で拡張された応答性を発揮するものとすることができる。他の実施形態では、各リボン２３０，２４０がＩＲスペクトルの一つの部分で、しかしながらより広い帯域幅に感度を持ってＩＲ放射を検出するように設計することにより、画素設計の仕様およびパラメーターの所定の熱領域に亘って検出器レスポンスの直線性を制御ないし設定するようにしても良い。

図３は本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す上面図である。概して言えば、図３には、基板１０２と、デジタル論理回路１０４と、パラボリックミラー１０６と、基板１０２上に形成される橋梁構造体とを有するフォトン検出器３００が示されている。橋梁構造体は、第一支持部材３１０と、第二支持部材３２０と、複数のリボン部材３３０とを有し、各リボン部材３３０はバイメタル層３３２とフォトンエネルギー吸収層３３４を有する。支持部材３２０はある共振周波数で作動する共振部材であり、第二支持部材３１０は固定された絶縁支持構造体である。絶縁層３２２がリボン構造体３３０と共振支持構造体３２０の間に配置されて熱絶縁を与える。

熱検出器３００は、各々がＩＲスペクトルの所定の部分で同様に動作するように設計された複数のより小さなリボン部材３３０を有することの他は、図１を参照して記述した検出器１００に動作的に近似している。しかしながら、複数のリボン３３０を用いることにより、図１の単一リボン構造に比べて、各リボンがより小さい質量を有することを可能にする。各リボン３３０ごとの質量が小さくなることにより、各リボン３３０が熱エネルギー（膨張および収縮）に対してより迅速に反応するので、画素のレスポンタイムを低減させることができる。

図４は本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す概略図である。概して言えば、図４には、基板１０２と、デジタル論理回路１０４と、パラボリックミラー１０６と、基板１０２上に形成される二重橋梁構造体とを有するフォトン検出器４００が示されている。二重橋梁構造体は、第一支持部材４１０と、第一共振支持部材４２０と、第二共振支持部材４２４と、第一支持部材４１０と第一共振支持部材４２０の間に連結される第一リボン部材４３０と、第一支持部材４１０と第二共振支持部材４２４の間に連結される第二リボン部材４４０とを有する。各リボン部材４３０，４４０は個別のバイメタル層４３２，４４２と個別のフォトンエネルギー吸収層４３４，４４４を有する。第二支持部材３２０と、複数のリボン部材３３０とを有し、各リボン４３０，４４０は個別のバイメタル層４３２，４４２と個別のフォトンエネルギー吸収層４３４，４４４を有する。絶縁層４２２，４２６がリボン構造体４３０，４４０の各端部と個別の共振支持部材４２０，４２４の間に配置されている。

熱検出器４００は、検出器が別個独立に２つの異なるスペクトルで動作可能である点を除いて、既述した検出器１００，２００と動作的および設計的に近似している。これは、別々のリボン構造体４３０，４４０および独立した共振器支持部材４２０，４２４を用いることにより可能である。特に、各リボン４３０，４４０を異なる材料で設計することによりＩＲスペクトルの２つの異なる部分（たとえば１０μｍと４μｍ）で感度を持ってＩＲ放射を検出するように設計して、制御論理回路１０４が所定の時間において支持されるスペクトルの一方または両方のＩＲエネルギーを検出するように動作させることが可能になる。

図５は本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す斜視図である。概して言えば、図５には、基板１０２と、デジタル論理回路１０４と、第一および第二のパラボリックミラー１０６，１０８と、基板１０２上に形成される橋梁構造体とを有するフォトン検出器５００が示されている。橋梁構造体は、第一支持部材５１０と、第一共振支持部材４２０と、第二共振支持部材４２４と、第一支持部材５１０と第一共振支持部材５２０の間に連結される第一リボン部材５３０と、第一支持部材５１０と第二共振支持部材４２４の間に連結される第二リボン部材５４０とを有する。各リボン５３０，５４０は個別のバイメタル層５３２，５４２と個別のフォトンエネルギー吸収層５３４，５４４を有する。絶縁層５２２，５２６がリボン構造体５３０，５４０の各端部と個別の共振支持部材５２０，５２４の間に配置されている。

熱検出器５００は、各画素が個別の絶縁支持部材を有する図１に比べて、図５のフレームワークにおいては一対の隣接する画素が単一の絶縁支持部材５１０を共有するように設計されている点を除いて、既述した検出器１００と動作的および設計的に近似している。図５のフレームワークによればよりコンパクトな設計が可能になり、このような設計を図２〜図４に記載される検出フレームワークについて実施することも可能である。

図６Ａおよび図６Ａは本発明の他実施形態によるフォトン検出器を示す。概して言えば、図６Ａはフォトン検出器６００の概略上面斜視図であり、図６Ｂはこのフォトン検出器６００を図６Ａ中の６Ｂ−６Ｂ線に沿って観察した概略側面図である。図６Ａおよび図６Ｂを参照して、フォトン検出器６００は、基板１０２と、デジタル論理回路１０４と、パラボリックミラー１０６と、基板１０２上に形成される橋梁構造体とを有する。橋梁構造体は、第一支持部材６１０と、第二支持部材６１２と、第三支持部材６１４と、共振部材６２０と、絶縁層６２２と、リボン部材６３０とを有する。共振部材６２０は第二および第三支持部材６１２，６１４間に連結される。共振部材６２０は基板１０２上に架設されている（共振部材が基板に固定される支持部材として働く既述実施形態とは異なる）。

リボン構造体６３０はバイメタル層６３２とフォトンエネルギー吸収層６３４（カーボン、カーボンナノチューブ、ＣｉＳなど）を有する。リボン構造体６３０は第一支持部材６１０と共振部材６２０の間に連結される。特に、リボン構造体６３０は、バイメタル層６３２の一部として一体的に形成される複数のタブ６３２Ａ，６３２Ｂ，６３２Ｃ，６３２Ｄを有し、これらのタブ６３２Ａ，６３２Ｂ，６３２Ｃ，６３２Ｄを介してリボン構造体６３０が共振部材６２０に接続される。タブ６３２Ａ，６３２Ｂ，６３２Ｃ，６３２Ｄおよび絶縁層６２２を用いることにより、共振部材６２０をバイメタル層６３２から熱絶縁することができる。図６Ａおよび図６Ｂの実施形態において、第二支持部材６１２は共振部材６２０に供給電圧Ｖ＋を与え、第三支持部材６１４は共振部材６２０に対するアース接続を与える。

ＰＩＣＥに基づく画素フレームワークの場合、Ｘ線（１ｎｍ）から赤外線（３μｍ）の間の特定の波長に露光したときに形状変化をもたらす材料が用いられる。たとえば、ＣｄＳ構造は可視光に晒されたときに形状が変化する。図７は、ＰＩＣＥコンセプトに基づく本発明の例示的実施形態による可視光検出器７００のフレームワークの斜視図である。概して言えば、この検出器７００は、基板１０２と、デジタル論理回路１０４と、基板１０２上に形成される橋梁構造体とを有する。橋梁構造体は、第一支持部材７１０と、第二支持部材７２０と、基板１０２上において支持部材７１０，７２０間に架設されるリボン部材７３０とを有する。

支持部材７２０はある共振周波数で作動する共振部材であり、第二支持部材７１０は固定された絶縁支持構造体である。リボン構造体７３０は、フォトン露光により直接的にリボン構造体１３０を機械的に変形させるようなフォトン誘導膨張係数を有する感光性材料（ＣｄＳ，ＺｎＯなど）から形成される。絶縁層７２２がリボン７３０の端部と共振部材７２０の間に配置されて、リボン７３０と共振支持構造体７２０とを熱的および電気的に絶縁する。

リボン構造体７３０は、入射フォトンを受光したときにリボン７３０に応力を与えてその長さを変化させる材料（ＣｄＳなど）の層を有する。この応力は共振器７２０に伝達され、入射フォトン露光量に比例してその共振周波数を変化させる。リボン構造体７３０の機械的膨張収縮によって共振部材７２０に作用する力に起因する共振部材７２０の振動周波数変化を決定するために、デジタル論理回路１０４が共振部材７２０に接続される。この周波数変化はリボン構造体７３０が受光する入射フォトンエネルギー量に相関する。

図８〜図１４はＶＩＤコンセプトに基づく本発明の例示的実施形態による様々な検出器フレームワークを示す概略図である。これらのフレームワークは、Ｘ線（１ｎｍ）から近赤外（３μｍ）の波長に対する受動的検出器アーキテクチャを提供し、フォトン露光によりリボン材料から発生される電圧を圧電材料層に印加して該材料に歪みを生じさせ、この応力で共振周波数を変化させる。他の実施形態においては、熱ＩＲ波長に対して、焦電性材料を用いて電圧を発生させ、この電圧が圧電材料層に印加されたときに該材料に歪みを生じさせ、この応力で共振周波数を変化させることができる。

図８はＶＩＤコンセプトに基づく本発明の例示的実施形態による可視光／ＵＶ光検出器８００のフレームワークを示す斜視図である。概して言えば、この検出器８００は、基板と、デジタル論理回路（図示されないが既述のすべての実施形態と同様のもの）と、基板１０２上に形成される橋梁構造体とを有する。橋梁構造体は、第一支持部材８１０と、第二支持部材８２０と、基板上において支持部材８１０，８２０間に架設されるリボン構造体８３０とを有する。

支持部材８２０はある共振周波数で作動する共振器であり、支持部材８１０は固定された絶縁支持構造体である。リボン構造体８３０は、フォトン感応層８３２と、絶縁層８３４と、圧電層８３６と、層８３２，８３６間を電気的に接続するコネクター８３８とを有する。フォトン感応層８３２は、入射フォトン（可視光またはＵＶ放射）に晒されたときに電圧を発生させる感光性材料から形成される。層８３２により発生された電圧はコネクター８３８を介して圧電層８３６に送られ、圧電層８３６はこの電圧に応答して応力を生成し、その長さを変えようとする。この応力が共振器８２０に伝達され、入射フォトン露光量に比例してその共振周波数を変化させる。共振部材８２０に接続されたデジタル論理回路１０４は、圧電層８３６の機械的膨張収縮によって共振部材８２０に作用する力に起因する共振部材８２０の共振周波数変化を決定する。この周波数変化はリボン構造体８３０が受ける入射フォトンエネルギー量に相関する。このフレームワークは光起電効果で動作するものである。

図９はＶＩＤコンセプトに基づく本発明の他の例示的実施形態による検出器９００のフレームワークを示す概略図である。概して言えば、この検出器９００は、基板と、デジタル論理回路（図示されないが既述のすべての実施形態と同様のもの）と、基板上に形成される橋梁構造体とを有する。橋梁構造体は、第一支持部材９１０と、第二支持部材９２０と、基板上において支持部材９１０，９２０間に架設されるリボン構造体９３０とを有する。

支持部材９２０はある共振周波数で作動する共振部材であり、支持部材９１０は固定された絶縁支持構造体である。リボン構造体９３０は、ＩＲ感応層９３２と、絶縁層９３４と、圧電層９３６と、層９３２，９３６間を電気的に接続するコネクター９３８とを有する。ＩＲ感応層９３２は、入射ＩＲ放射光に晒されたときに電圧を発生させる焦電性材料から形成される。層９３２により発生された電圧はコネクター９３８を介して圧電層９３６に送られ、圧電層９３６はこの電圧に応答して応力を生成し、その長さを変えようとする。この応力が共振器９２０に伝達され、入射ＩＲ露光量に比例してその共振周波数を変化させる。共振部材９２０に接続されたデジタル論理回路は、圧電層９３６の機械的膨張収縮によって共振部材９２０に作用する力に起因する共振部材９２０の共振周波数変化を決定する。この周波数変化はリボン構造体９３０が受光する入射フォトンエネルギー量に相関する。このフレームワークは光起電効果で動作することによりＩＲ放射に対する検出構造を与えるものである。

図１０はＶＩＤコンセプトに基づく本発明の他の例示的実施形態による検出器１０００のフレームワークを示す概略図である。概して言えば、この検出器１０００は、基板と、デジタル論理回路（図示されないが既述のすべての実施形態と同様のもの）と、基板上に形成される橋梁構造体とを有する。橋梁構造体は、第一支持部材１０１０と、第二支持部材１０１２と、基板上において支持部材１０１０，１０１２間に架設されるリボン構造体１０３０とを有する。支持部材１０１０，１０１２はいずれも絶縁部材である。

図１０の実施形態において、リボン構造体１０３０は、ＩＲ感応層（焦電層）１０３２と、絶縁層１０３４と、圧電層１０３６と、層１０３２，１０３６間を電気的に接続するコネクター１０３８と、第二絶縁層１０３７と、共振器１０３９とを有する。ＩＲ感応層１０３２は、入射ＩＲ放射光に晒されたときに電圧を発生させる焦電性材料から形成される。層１０３２により発生された電圧はコネクター１０３８を介して圧電層１０３６に送られ、圧電層１０３６はこの電圧に応答して応力を生成し、その長さを変えようとする。この応力は、第二絶縁層１０３７を介して圧電層１０３６と機械的に連結されている共振器１０３９に伝達される。圧電層１０３６によって共振部材１０３９に与えられた応力は、共振器１０３９の共振周波数を入射ＩＲ露光量に比例して変化させる。（支持部材１０１０，１０１２を介して）共振部材１０３９に接続されるデジタル論理回路は、圧電層１０３６の機械的膨張収縮によって共振部材１０３９に作用する力に起因する共振部材１０３９の振動周波数変化を決定する。この周波数変化はリボン構造体９３０が受光する入射フォトンエネルギー量に相関する。このフレームワークは光起電効果で動作することによりＩＲ放射に対する検出構造を与えるものである。

図１１はＶＩＤコンセプトに基づく本発明の他の例示的実施形態による検出器１１００のフレームワークを示す概略図である。概して言えば、この検出器１１００は、基板と、デジタル論理回路（図示されないが既述のすべての実施形態と同様のもの）と、基板上に形成される橋梁構造体とを有する。橋梁構造体は、第一支持部材１１１０と、第二支持部材１１２０と、基板上において支持部材１１１０，１１２０間に架設されるリボン構造体１１３０とを有する。リボン構造体１１３０と支持部材１１２０の間に絶縁層１１２２が設けられる。

支持部材１１２０はある共振周波数で作動する共振部材であり、支持部材１１１０は固定された絶縁支持構造体である。リボン構造体１１３０は、ＩＲ感応層１１３２と、絶縁層１１３４と、圧電層１１３６と、層１１３２，１１３６間を電気的に接続するコネクター１１３８とを有する。ＩＲ感応層１１３２は、入射ＩＲ放射光に晒されたときに電圧を発生させる焦電性材料から形成される。層１１３２により発生された電圧はコネクター１１３８を介して圧電層１１３６に送られ、圧電層１１３６はこの電圧に応答して応力を生成し、その長さを変えようとする。この応力が共振器１１２０に伝達され、入射ＩＲ露光量に比例してその共振周波数を変化させる。

図１１の検出器のフレームワークおよび動作は図９のものに近似しているが、図１１のリボン構造体１１３０はアコーディオンないし蛇腹状に形成されている。この形状は、入射フォトンに晒される表面積を増大させる。増大された面積は熱ＩＲモードにおいては加熱を促進させ、光電モードにおいてはより大きな電圧を発生させるので、膨張特性を向上させることができる。

図１２はＶＩＤコンセプトに基づく本発明の他の例示的実施形態による検出器１２００のフレームワークを示す概略図である。概して言えば、この検出器１２００は、基板と、デジタル論理回路（図示されないが既述のすべての実施形態と同様のもの）と、基板上に形成される橋梁構造体とを有する。橋梁構造体は、第一支持部材１２１０と、第二支持部材１２１２と、基板上において支持部材１２１０，１２１２間に架設されるリボン構造体１２３０とを有する。支持部材１２１０，１２１２はいずれも絶縁部材である。

図１２の実施形態において、図１０の実施形態と同様に、リボン構造体１２３０は、ＩＲ感応層（焦電層）１２３２と、絶縁層１２３４と、圧電層１２３６と、層１２３２，１２３６間を電気的に接続するコネクター１２３８と、第二絶縁層１２３７と、共振部材１２３９とを有する。ＩＲ感応層１２３２は、入射ＩＲ放射光に晒されたときに電圧を発生させる焦電性材料から形成される。層１２３２により発生された電圧はコネクター１２３８を介して圧電層１２３６に送られ、圧電層１２３６はこの電圧に応答して応力を生成し、その長さを変えようとする。この応力は、第二絶縁層１２３７を介して圧電層１２３６と機械的に連結されている共振器１２３９に伝達される。圧電層１２３６によって共振層１２３９に与えられた応力は、共振部材１２３９の共振周波数を入射ＩＲ露光量に比例して変化させる。

図１２の検出器のフレームワークおよび動作は図１０のものに近似しているが、図１２のリボン構造体１２３０はアコーディオンないし蛇腹状に形成されている。この形状は、入射フォトンに露光される表面積を増大させる。増大された面積は熱ＩＲモードにおいては加熱を促進させ、光電モードにおいてはより大きな電圧を発生させるので、膨張特性を向上させることができる。

図１３はアコーディオンないし蛇腹状に形成されたリボン構造体を概略的に示す上面図１０および側面図１２であり、リボンが単一の材料で形成されている。図１４はアコーディオンないし蛇腹状に形成されたリボン構造体を概略的に示す上面図１４および側面図１６であり、リボンが一つおきに異なる材料ＡおよびＢで形成されている。感光性／ＩＲ感応性のリボン層（たとえば層１１３２，１２３２）上に交互に材料を用いることにより、よりリニアな感度を与え、あるいはより幅広または異なるスペクトル波長の感度を与えることができる。さらに、共振器または圧電リボン層（たとえば層１１３６，１２３６，１２３９）上に交互に材料を用いることにより、これらの材料に異なる膨張係数特性を与えて、検出器の応答性を制御し、応力の直線性や共振器の直線性を向上させ、あるいは応答特性の自由設計を許容する。

図１５Ａおよび図１５ＢはＣＴＥフレームワークに基づく本発明の他の例示的実施形態によるフォトン検出器１５００を示す図である。図１５Ａはフォトン検出器１５００の上面図であり、図１５Ｂは図１５Ａ中の１５Ｂ−１５Ｂ線に沿って切断したフォトン検出器１５００の断面図である。概して言えば、図１５Ａおよび図１５Ｂに示されるように、このフォトン検出器１５００は、基板１５０２と、第一支持部材１５１０と、基板１５０２上に固定・連結された第二支持部材１５２０と、第一および第二支持部材１５１０，１５２０間に配置されたプレート部材１５３０とを有する。図１５の例示的実施形態において、第一支持部材１５１０は固定された絶縁支持構造体であり、第二支持部材１５２０はある共振周波数で作動する固定共振部材である。プレート部材１５３０はＩＲエネルギーに対して感応性を有する一または複数の材料で形成され、入射赤外エネルギーの吸収によってプレート部材１５３０を膨張収縮させて共振支持部材１５２０に力を作用させるような熱膨張係数を有する。

さらに図１５Ａおよび図１５Ｂに示されるように、第一および第二支持部材１５１０，１５２０は、プレート部材１５３０の両端を挿入可能に収容する溝を有する。プレート部材１５３０の端部は、プレート部材１５３０のＩＲ吸収部を基板１５０２表面から幾らかオフセットされた高さに維持するように働く支持脚エレメント１５３２を有する。これによりプレート部材１５３０が基板１５０２から実質的に熱絶縁される。

一実施形態において、プレート部材１５３０は第一および第二支持部材１５１０，１５２０間にあらかじめストレスを与えられた状態で配置される。とりわけ、このプレストレス状態において、ＩＲエクスポージャーが存在しないときには、第一および第二部材１５１０，１５２０の溝内のプレート部材１５３０端部が第一および第二部材１５１０，１５２０の内面に対して幾ばくかの最小限の力を与える。実際、第一および第二部材１５１０，１５２０間でプレストレスされたプレート部材１５３０は多くの機能を発揮する。たとえば、溝の内側および上側の壁面に対してプレート部材１５３０の端部をプレストレスすることは、プレート部材１５３０が振動やカメラ移動によって所定位置から移動することを防止する。さらに、プレート部材１５３０をプレストレスすることは機械的および振動によるノイズを軽減ないし除去する。さらにまた、共振部材１５２０に対してプレート部材１５３０をプレストレスすることは、不均一な応力分布によってデータ測定が変動することを排除する。プレート部材１５３０をプレストレスすることにより、プレート部材１５３０上への入射ＩＲエクスポージャーの増大によってプレート部材１５３０が膨張したときに生ずる共振部材１５２０の△ｆｏ（振動周波数変化）を即時に読み取ることが可能となる。

幾つかの実施形態において、プレート部材１５３０を第一および第二支持部材１５１０，１５２０間にプレストレス状態で配置することは、支持部材およびプレート部材に関連する様々な要素を、プレート部材１５３０の両端部が支持部材１５１０，１５２０の溝内にしっかり嵌合（係止）されるように寸法設定することによって実現可能である。他の実施形態においては、プレート部材１５３０の両端部と第一および第二支持部材１５１０，１５２０の溝内面および上面との間に存在し得る小さな隙間ないし空間に充填材料を充填して用いても良い。充填材料は、プレート部材１５３０の両端部を基板１５０２または第一および第二支持部材１５１０，１５２０に対して固着させることがなく、且つ、検出器１５００の繰り返しの使用および作動による熱的および機械的な使用条件によっても変質しないような適切な任意材料であって良い。たとえばテフロン（登録商標）はこの目的に使用され得る一つの好適な材料である。

他の実施形態と同様に、プレート部材１５３０の熱膨張収縮によって共振部材１５２０に作用する力に起因する共振部材１５２０の振動周波数変化を決定するために、共振部材１５２０にデジタル論理回路（図示せず）が接続される。この周波数変化はプレート部材１５３０によって吸収される入射赤外エネルギー量に相関する。

図１５Ａ／図１５Ｂに示されるような検出器（ピクセル）を構成するために用いられる仕様や材料が用途に応じて変更され得るものであることを理解すべきである。たとえば、基板１５０２はシリコン、ガラス、セラミックスなどの材料で形成することができる。各検出器（ピクセル）は約５０μｍの画素ピッチを有する約４０μｍ×４５μｍとすることができる。プレート部材１５３０は、Ｚｎ，Ａｕ，ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＺｎＳ（セレン化亜鉛）、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）などの、熱膨張性および熱伝導性に優れた材料または異種材料層で形成することができる。熱伝導性のプレート材料は当該設計に有利な方向により大きな熱伝導方向性を発揮するように作製することができ、当該作製によって生成されるグレーン（grain）の方向と平行な方向により大きな熱伝導方向性を有するものとすることができる。すなわち、図１５Ａおよび図１５Ｂの実施形態において、プレート部材１５３０の応力方向を、作製中に生成されるプレート部材１５３０のグレーン構造によって決定される、第一および第二支持部材１５１０，１５２０間において基板に沿った方向とすることができる。

他の実施形態において、プレート部材１５３０をＤＬＣ，ＳｉＣ，ＣａＦ_２などの好適な任意材料で被覆して、たとえば４μｍおよび１０μｍスペクトルにおける熱ＩＲ吸収を向上させることができる。これらの被覆材料は、経時による層間剥離を防止するに十分な膨張特性および接着性を有するものでなければならない。共振部材１５２０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛スカンジウム、チタン酸バリウムストロンチウム、チタン酸ビスマスナトリウム（ＢＮＴ）、チタン酸バリウムなどの材料で形成することができる（ＭＨｚレンジ）。プレート部材１５３０の熱および応力の反応時間定数は、標準的および高速のビデオフレーム速度に対して十分に速いものとする必要がある。たとえば、毎秒３０フレームのビデオフレーム速度に対しては２ｍｓ超のライズ／フォールサイクルタイムとすることで十分であると考えられる。

図１６Ａおよび図１６ＢはＣＴＥフレームワークに基づく本発明の他の例示的実施形態によるフォトン検出器を示す。図１６Ａは図１６Ｂ中の１６Ａ−１６Ａ線に沿って切断したフォトン検出器１６００の断面図であり、図１６Ｂはこのフォトン検出器１６００の上面図である。概して言えば、図１６Ａおよび図１６Ｂに示されるように、このフォトン検出器１６００は、基板１６０２と、第一支持部材１６１０と、第二支持部材１６２０と、プレート部材１６３０と、共振部材１６４０とを有する。プレート部材１６３０は第一支持部材１６１０と共振部材１６４０の間に配置されている。第一および第二支持部材１６１０，１６２０は固定絶縁支持構造体である。共振部材１６４０はある共振周波数で作動する。プレート部材１６３０はＩＲエネルギーに対して感応性を有する一または複数の材料で形成され、入力赤外エネルギーの吸収によってプレート部材１６３０を膨張収縮させて共振部材１６４０に力を作用させるような熱膨張係数を有する。

図１６Ａおよび図１６Ｂにさらに示されるように、第一支持部材１６１０はその側壁に形成されたスロット１６１２を有する。第二支持部材１６２０は第一の下方支持エレメント１６２２と第二の上方支持エレメント１６２４を含む２つの別個の支持エレメントで形成され、これらは共振部材１６４０の側壁に接して隣接するように固着されている。これらの下方および上方支持エレメント１６２２，１６２４は間隔をおいて配置され、それらの間にスロット領域１６２６を形成している。プレート部材１６３０は、その一端が第一支持部材１６１０のスロット１６１２に挿入され、他端が下方および上方支持エレメント１６２２，１６２４により形成されたスロット１６２６に挿入される。第一および第二支持部材１６１０，１６２０は、プレート部材１５３０を基板１６０２から完全に熱絶縁させるように、プレート部材１５３０を基板１６０２の表面から幾らかオフセットされた高さに維持する。

ここに記述される他の実施形態と同様に、プレート部材１６３０の熱膨張収縮によって共振部材１６４０に作用する力に起因する共振部材１６４０の振動周波数変化を決定するために、共振部材１６４０にデジタル論理回路（図示せず）が接続される。この周波数変化はプレート部材１６３０によって吸収される入射赤外エネルギー量に相関する。

さらに、図１６Ａ／図１６Ｂに示されるような検出器（ピクセル）を構成するために用いられる仕様や材料は図１５Ａ／図１５Ｂに関して既述したものであって良いことを理解すべきである。また、幾つかの実施形態においては、既述した理由により、プレート部材１６３０をプレストレス状態で第一支持部材１６１０と共振部材１６４０の間に配置しても良い。プレート部材１６３０の両端部がスロット１６１２，１６２６内にしっかり嵌合（係止）されるように様々な構造体の寸法を決定することができる。他の実施形態においては、プレート部材１６３０の両端部とスロット１６１２，１６２６の内面および共振部材１６４０の側壁との間に形成され得る小さな隙間ないし空間を充填する充填部材を用いることができる。

図１７Ａおよび図１７ＢはＣＴＥフレームワークに基づく本発明の他の例示的実施形態によるフォトン検出器１７００を示す。図１７Ａは図１７Ｂ中の１７Ａ−１７Ａ線に沿って切断したフォトン検出器１７００の断面図であり、図１７Ｂは図１７Ａ中の１７Ｂ−１７Ｂ線に沿って見たときのフォトン検出器１７００の上面図である。概して言えば、図１７Ａおよび図１７Ｂに示されるように、このフォトン検出器１７００は、基板１７０２と、第一支持部材１７１０と、基板１７０２上に配置される第二支持部材１７２０と、プレート部材１７３０とを有する。この実施例では、第二支持部材１７２０はその一面に凹部１７２２が形成された矩形状の共振部材である。共振部材１７２０の底面と基板１７０２の表面の間に任意に薄い熱絶縁層（図示せず）を配置しても良い。

プレート部材１７３０は共振部材１７２０の凹部１７２２内に配置される。プレート部材１７３０は第一支持部材１７１０によって凹部１７２２内の所定位置に固定される。第一支持部材１７１０は共振部材１７２０の上面に固定した一つの連続的な長方形の枠体とすることができ、第一支持部材１７１０の一部が凹部１７２２の内壁をオーバーラップしてプレート部材１７３０の表面四周端を覆うリップ部を与えると共に、プレート部材１７３０の大半の表面領域を入射ＩＲエネルギー吸収に用いることを可能にしている。他の実施形態においては、凹部１７２２内にプレート部材１７３０を保持するために十分な凹部１７２２の周囲を取り巻く領域（たとえば各側壁コーナー部や各側壁に沿った中間地点）に配置される複数の別個独立の要素からなるものとして第一支持部材１７１０を形成しても良い。

幾つかの実施形態においては、既述した理由により、プレート部材１７３０をプレストレス状態で共振部材１７２０の凹部１７２２内に配置しても良い。共振部材１７２０はある共振周波数で作動する。プレート部材１７３０はＩＲエネルギーに対して感応性を有する一または複数の材料で形成され、入力赤外エネルギーの吸収によってプレート部材１７３０を膨張収縮させて共振部材１７２０に力を作用させるような熱膨張係数を有する。図１７Ａ／図１７Ｂの実施形態では、入射赤外エネルギーの吸収によって生ずる熱に応答してプレート部材１７３０が膨張すると、プレート部材１７３０は共振部材１７２０に対して三次元的に力を与える。図１７Ｂに特に示されるように、プレート部材１７３０は、共振部材１７２０の凹部１７２２の第一対の対向内壁に対してｘ方向に第一の水平方向の力（Ｆｘ）を与え、共振部材１７２０の第二対の対向内壁に対してｙ方向に第二の水平方向の力（Ｆｙ）を与える。

さらに、図１７Ａに示されるように、プレート部材１７３０が第一支持部材１７１０のオーバーラップ状リップ部分と凹部１７２２の底面との間でｚ方向に膨張すると、プレート部材１７３０は共振部材１７２０の凹部１７２２の底面に対して垂直方向の力（Ｆｚ）を与える。さらに、第一支持部材１７１０の底面に対して作用するこの垂直方向の力（Ｆｚ）は内壁面（凹部１７２２を規定する内壁面）を伝って共振部材１７２０の上面に作用する垂直方向の力に転換される。

ここに記述される他の実施形態と同様に、プレート部材１７３０の熱膨張収縮によって共振部材１７２０に作用する力に起因する共振部材１７２０の周波数変化を決定するために、共振部材１７２０にデジタル論理回路（図示せず）が接続される。この周波数変化はプレート部材１７３０によって吸収される入射赤外エネルギー量に相関する。図１７Ａ／図１７Ｂの実施例の場合、共振部材１７２０の共振周波数が共振部材１７２０に対して三次元に作用する応力によって変化するので、検出器の応答性が増大する。

既述したすべての実施例において、検出器フレームワークは受動型であり、すなわち、検出エレメント（ＣＴＥリボン、ＣＴＥプレートなど）は能動型電気回路を構成するパーツではない。検出器が能動的に駆動される回路を用いる場合、電気ノイズに影響されやすくなる。この概念について図１８を参照して説明する。図１８は、本発明の実施形態にしたがってダイレクトデジタル受動型検出器のフレームワークを用いた場合を従来のアナログ信号検出器または量子的電子設計と比較してその優位性を示すグラフ図である。図１８は所望のセンサーデータを含むアナログ信号２２をマスクないし干渉する可能性のある電気ノイズ２６を示す。このアナログ信号２２はノイズ２４に消されてしまう。信号データを検出するためには、それはノイズレベル（ないし「ノイズフロア」）２６より大きくなければならない。ノイズフロア２６以下のアナログ信号部分２４は失われた情報である。ノイズはセンサーシステムの応答性をノイズフロアのレベルに制限する。幾つかのシステムはノイズレベルを低減させることにより良好な応答性を得ている。一例が低温冷却である。これは良好な応答性を実現するが、複雑・高価で扱いにくく、危険でもある。

デジタルエレクトロニクスの一つの有利性は、最大限の耐雑音障害性でデータ送信可能なことである。信号データ中の小さな変化はシステムノイズレベルないしノイズフロアより振幅が小さいことから、アナログ信号の当該部分をマスクして（したがって消失させて）しまうため、図１８に示されるアナログ信号２２はノイズの影響を受けやすい。これがすべての全体的な応答性および性能に対する主要な制限因子である。図１８においてアナログ信号２２を二進数列（理論値１および理論値０）に変換することができる。これらの二進数はシステム電圧の下限値と上限値の間で変調する矩形波２３によって表わされる。検出されるために必要なことは、この矩形波がシステム遷移レベル２１の上方または下方で切り替わって明確なデータを与えるだけで良い。デジタル設計は、矩形波信号の立ち上がりと立ち下りのエッジを用いることによって明確なデータ取得を可能にする。このトリガーポイントは高ノイズ環境にあっても識別可能である。したがって、データ生成の可能な限り早期の時点でシステムデータをデジタル化することには明白な利点がある。ここに記述される検出器の設計では、能動型回路に比べてより強い耐雑音障害性を発揮することから受動型検出部材が用いられる。

図１９は、本発明の実施形態による受動型検出器使用のイメージャシステムを示すブロック図である。概して言えば、図１９は、ピクセル構造５０と、ピクセル回路６０と、リードアウト集成回路（ＲＯＩＣ）７０と、コントローラー８０と、イメージレンダリングシステム９０とを有する。ピクセル５０は受動型フロントエンド検出構造５２と共振構造５４を有する。ピクセル回路６０はデジタルカウンター６２とトライステートレジスター６４を有する。コントローラー８０はカウンターイネーブル／ホールド制御ブロック８１と、レジスターリセットブロック８２と、ＲＯＩＣ制御ブロック８３と、データ入力制御ブロック８４と、ビデオ出力制御ブロック８５を有する。

図１９のピクセル構造５０において、受動型のフロントエンド検出構造５２は、たとえばフォトンエクスポージャーに応答して機械的な歪みを生じ、共振構造５４に機械的応力（力）を与えるように設計された支持構造および検出エレメント（ＣＴＥリボン、プレート構造体など）を含む、既述した受動型ピクセル検出構造のうちいずれかを任意概括的に示すものである。フロントエンド検出構造５２は電気的に受動であり、ノイズを発生させるエレクトロニクスを有しない。

共振構造５４は共振周波数Ｆ_０で発振して矩形波信号を出力する。共振構造５４は、プレストレス量以外には、フォトンエクスポージャーにより検出フロントエンド５２から共振部材５４に対して何も追加的な応力が作用していない状態において（非フォトンエクスポージャー時の）基準（ないしベース）共振周波数を有する。フォトンエクスポージャーにより検出フロントエンド５２から共振部材５４に対して機械的ストレスが作用するので、共振部材５４の振動周波数が基準（ベース）周波数から増大する。一実施形態において、デジタル回路６０，７０，８０は、検出フロントエンド構造５２の受動型検出エレメント（リボン、プレートなど）の膨張収縮により共振部材５４に作用する力によって共振部材５４の出力周波数Ｆ_０を集合的に決定し、定められた時刻における共振部材５４の該決定された共振周波数Ｆ_０に基づいて受動型検出エレメントにより吸収される入射フォトンエネルギー量を決定し、該時刻における該決定された入射フォトンエネルギー量に基づいて画像データを生成し、これがイメージングシステム９０によって表現される。

特に、共振部材５４により生成される出力信号は、受動型検出フロントエンド構造５２により共振部材５４に与えられる応力に依存して変化する周波数Ｆ_０を有するデジタル矩形波信号である。共振部材５４により生成される出力信号はデジタルカウンター６２のクロック入力ポートに入力される。イメージャーの各リードサイクル（ないしフレーム）に対して、デジタルカウンター６２は、該リードサイクルの所定カウント時間（ないし基準時間）の間共振部材５４からの出力信号パルスをカウントする。デジタルカウンター６２のカウント動作は、コントローラー８０のカウンター制御ブロック８１が生成するＣＬＫイネーブル信号によって制御される。各リードサイクルに対して、カウンター６２が生成するカウント情報はｎビットのカウント値としてトライステートレジスター６４に出力される。

ＲＯＩＣ７０は各リードサイクルについて所定ピクセル５０のピクセル回路６０からカウント値（ピクセルデータ）を読み出す。図示の簡略化のため、図１９には単一のピクセルユニット５０とこれに対応する単一のピクセル回路６０が示されているが、イメージャーは複数のピクセルユニット５０とそれらに対応するピクセル回路６０を有するものとしてたとえばリニア画素配列または２Ｄ焦面画素配列を形成するものとしても良いことを理解すべきである。この点に関し、各ピクセルカウント回路６０（好ましくは各対応するピクセル構造５０の下方で能動型シリコン基板面に形成される）から個々のピクセルデータをコントローラー８０に制御可能に転送するために、ＲＯＩＣ７０はｎビットデータバス６６を介して各ピクセル回路６０に接続される。

特に、コントローラー８０のＲＯＩＣ制御ブロック８３から受信した制御信号に応答して、ＲＯＩＣ７０は所定ピクセル５０のピクセル回路６０にトライステート制御信号を出力して、シフトレジスター６４に格納されたカウントデータを共有データバス６６に読み出す。各ピクセル回路６０のシフトレジスター６４は個々にＲＯＩＣ７０に制御されて、データバス６６を介して所定時刻における各ピクセルのカウントデータを取得する。カウントデータは、コントローラー８０のｎビット入力制御ブロック８４に接続された専用データバス７２を介してＲＯＩＣ７０からコントローラー８０に転送される。各リードサイクル後、各ピクセルのトライステートレジスター６４は、コントローラー８０のレジスターリセット制御ブロック８２から出力される制御信号によってリセットされる。

コントローラー８０は、各リードサイクル（ないしビデオフレーム）において各ピクセルから取得したカウントデータを演算処理して、各ピクセルについて入射フォトンエクスポージャー量を決定し、この決定した露光データを用いてビデオイメージを生成する。ビデオデータはビデオ出力ブロック８５を介してイメージレンダリングシステム９０に出力されてイメージを表示させる。共振部材５４が生成した出力周波数を直接的にカウントすることにより所定ピクセル５０用のカウンター６２が所定ピクセル５０用のカウントデータを取得するように構成した本発明の実施形態において、コントローラー８０はカウントデータを用いて、ピクセルの入射フォトンエクスポージャー量に対応するところの該ピクセルのグレースケールレベルを決定する。たとえば、ある実施形態において、（黒から白までの領域で）異なるグレースケール値が、グレースケールアルゴリズムを用いて、あるいは、共振部材の振動周波数がベース基準周波数から最大振動周波数において演繹的に定められた増大ごとに増大するようにカウント値領域に関連付けて作成されたルックアップテーブルを用いることによって、グレースケールを決定することができる。最大振動周波数は、与えられた受動型検出フロントエンド構造が生成し得る最大応力量に応答して共振部材から出力され得る最大の周波数である。

本発明の他の実施形態において、図１９のピクセル構造およびピクセル回路は、共振部材５４のベース共振周波数と、受動型検出フロントエンド５２により与えられる応力に応答してある定められた時刻に共振部材５４から実際に出力される周波数との差を示す信号の周波数をカウンターがカウントするように変更することができる。たとえば、図２０は、図１９のイメージャーシステムにおいて実行し得るピクセルユニットおよびピクセル回路の他の実施形態を示す。図２０において、（図１９の）ピクセル５０は基準共振周波数Ｆ_refを出力する基準共振器５６を有するように変更されている。（図１９の）ピクセル回路６０は（可変周波数Ｆ_０を有する）共振部材５４の入力・出力信号および基準共振器５６からの固定信号を受信する専用ＯＲゲート６６を有するように変更されている。Ｘ−ＯＲゲート６６は、基準共振器５６の基準周波数に基づいて共振部材５４から出力される信号Ｆ_０のベース周波数コンポーネントを除去し、共振部材５４の周波数変化△Ｆ_０に匹敵する周波数を有する矩形波信号を出力する。共振部材５４の振動周波数Ｆ_０より大幅に低い周波数である△Ｆ_０周波数信号は、この△Ｆ_０をカウントするカウンター６２のビット数がより少数で足りることを意味し、したがって実施構成をより単純化することができる。図１９の実施形態の場合と同様に、△Ｆ_０信号は基準時間の間カウントされ、既述したようにこのカウント値を用いてピクセルの入射フォトンエクスポージャーを決定する。

例示目的の添付図を参照して例示的実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されることなく、本発明の範囲から逸脱しない限りにおいて様々な他の変更や変形が当業者によって実施可能であることを理解すべきである。

Claims (18)

1. 基板と、基板上に配置された共振部材と、基板上に配置され且つ共振部材に機械的に連結され、フォトン露光に応答して機械的な歪みを生ずることにより共振部材に機械力を与えると共に該機械力に応答して共振部材の周波数を変化させる検出部材を有する受動型検出構造と、受動型検出構造が共振部材に与える機械力によって変化する共振部材の周波数を決定すると共に該決定された周波数に基づいて検出部材により吸収される入射フォトンエネルギー量を決定するために共振部材に接続されたデジタル回路と、を有することを特徴とするフォトン検出装置。
2. 赤外エネルギーを検出するように設計された、請求項１のフォトン検出装置。
3. 受動型検出構造がさらに第一支持部材を有し、検出部材がリボン部材を有し、受動型検出構造と共振部材とが橋梁構造体を形成し、該橋梁構造体が基板上において第一支持部材と共振部材との間に架設されたリボン部材を有し、リボン部材はフォトンエネルギー吸収による膨張収縮で共振部材に機械力を与えるような熱膨張係数を有する材料からなる、請求項１のフォトン検出装置。
4. 第一支持部材が固定絶縁支持部材である、請求項３のフォトン検出装置。
5. リボン部材の下方において基板上に配置されたリフレクターをさらに有する、請求項３のフォトン検出装置。
6. 共振部材が圧電発振器である、請求項１のフォトン検出装置。
7. 受動型検出構造がさらに第一支持部材を有し、検出部材が第一支持部材と共振部材との間に配置されたプレート部材を有し、プレート部材はフォトンエネルギー吸収による膨張収縮で共振部材に機械力を与えるような熱膨張係数を有する材料からなる、請求項１のフォトン検出装置。
8. 第一支持部材が第一の溝を有し、共振部材が第二の溝を有し、これら第一および第二の溝にプレート部材の両端部が配置される、請求項７のフォトン検出装置。
9. 受動型検出構造がさらに共振部材に近接して配置された第二支持部材を有し、第一部材が第一の溝を有し、第二支持部材が第二の溝を有し、これら第一および第二の溝にプレート部材の両端部が配置され、第二の溝はプレート部材がフォトン露光に応答して膨張したときにプレート部材が共振部材と接触して共振部材に機械力を与えることを可能にする、請求項７のフォトン検出装置。
10. プレート部材が第一支持部材と共振部材との間にプレストレス状態で配置される、請求項７のフォトン検出装置。
11. 共振部材がその表面に形成された凹部領域を有し、検出部材が共振部材の凹部領域内に配置されたプレート部材を有し、受動型検出構造が共振部材の表面上に配置され且つ凹部領域の少なくとも一部からオーバーラップしてプレート部材を凹部領域内に保持する第一支持部材を有し、プレート部材はフォトンエネルギー吸収による膨張収縮で共振部材に機械力を与えるような熱膨張係数を有する材料からなる、請求項１のフォトン検出装置。
12. 第一支持部材が共振部材の表面に固着された連続フレーム構造であり、第一支持部材の一部が凹部領域の内壁面からオーバーラップしてプレート部材の表面周端部を被覆するリップ部を形成しながら、プレート部材の開口された表面領域でフォトンエネルギーを吸収するように形成された、請求項１１のフォトン検出装置。
13. プレート部材の膨張により共振部材に三方向から機械力を与える、請求項１１のフォトン検出装置。
14. プレート部材が共振部材の凹部領域内にプレストレス状態で配置される、請求項７のフォトン検出装置。
15. 受動型検出部材を入射フォトンエネルギーに露光して該検出部材にフォトン露光に応じた機械的歪みを生じさせ、該受動型検出部材の機械的歪みに応じて共振部材に機械力を与え、該受動型検出部材が共振部材に与えた機械力によって変化する共振部材の周波数を決定し、この決定された周波数に基づいて検出部材により吸収された入射フォトンエネルギー量を決定する、五トンエネルギー決定方法。
16. 熱膨張収縮により機械的歪みを生ずるような熱膨張係数を有する材料で検出部材が形成される、請求項１５の方法。
17. 前記決定された周波数を用いて画像データを生成する、請求項１５の方法。
18. 前記された周波数に基づいて検出部材により吸収された入射フォトンエネルギー量を決定するステップが、所定カウント時間の間に共振部材の出力信号に含まれるデジタルパルス数をカウントすることによりカウントデータを生成し、このカウントデータに基づいて検出部材のフォトン露光レベルを決定することによって行われる、請求項１５の方法。