JP2020501149A - 赤外線画像センサ - Google Patents

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Abstract

【解決手段】本発明は、場の要素によって放射される赤外線を検出すべく構成された複数の第１の画素(32)及び複数の第２の画素(34)を支持体(10)上に備えた赤外線画像センサに関する。第１の画素及び第２の画素は、支持体を覆う反射体(12)の上側で懸架されたボロメータ膜(14)を夫々有しており、第１の画素の各々の反射体は第１の誘電体層(40)で覆われており、第２の画素の各々の反射体は、第１の誘電体層の光学特性とは異なる光学特性の第２の誘電体層(42)で覆われている。

Description

本開示は、赤外線撮像、より具体的には赤外線画像センサの分野に関する。
一般的場合での赤外線カメラのような赤外線撮像デバイスは、観察された場から生じる赤外フラックス、つまり場の要素の温度に関連して画像を形成すべく使用される。サーモグラフィ用途では、このような温度の推定値が与えられる。赤外線カメラは、焦点を合わせる適合された光学系と、光学系の焦点に置かれる赤外線画像センサとを特に備えている。
図1Aは、このような赤外線画像センサ1 を示す。赤外線画像センサ1 は、アレイ状に配置されて室温で動作可能な画素3 の集合体を備えている。画素3 のアレイは、各画素に達する放射フラックスに関連して電子信号S を生成するために設けられた読み出し集積回路5 (ROIC)に接続されている。デバイスは、電子信号S を処理して場の要素の温度T の推定値を、処理した電子信号から推定することができる処理ユニット7 (P) を備えている。処理ユニット7 は計算手段及びメモリを有しており、好ましくは赤外線画像センサ1 のすぐ近くに配置されている。この処理ユニット7 は遠隔コンピュータであってもよい。
図1Bは、図1Aに示されている面B-B に沿った赤外線画像センサ1 の画素3 の例を示す断面図である。赤外線画像センサ1 は、室温で動作可能なボロメータ型である。画素3 は、金属反射体12で覆われた基板10の上側に、アーム16によって懸架された平坦なボロメータ膜14を有している。アーム16は、ボロメータ膜14と基板10との間に赤外線画像センサの全ての画素に亘って均一な高い耐熱性を有している。ボロメータ膜14は、本例では吸収金属層20及び測定層22を有している。吸収金属層20及び測定層22の各々は、支持して分離する誘電体層23間に配置されている。測定層22は、電気抵抗が温度に応じて変わる材料から形成され、接点C1及び接点C2を端部に有している。ボロメータ膜14を形成する層の積層体の厚さは、典型的には100 nm程度であるか、又はより大きくてもよく、例えば最大１μｍ程度であってもよい。
場の各要素は、対象とする要素の放射率により重みが加えられる黒体の赤外線のプランクの法則に対応する発光スペクトルに応じて赤外線を放射する。焦点面のレベルで受ける赤外線の波長は、基本的に７〜14μｍの範囲内である。一般的場合、温度観測システムは実際、７〜14μｍの間に最大感度を有し、室温での黒体の最大放射範囲に相当するこの範囲外ではごく僅かな感度しか有さないように構成されている。このような放射線は、場の要素に対向する画素のボロメータ膜によって吸収される。このために、各画素3 でボロメータ膜と反射体との間の距離D は実質的に2.5 μｍであり、つまり、該当する波長領域の中心波長の約４分の１である。アーム16の耐熱性のため、吸収された放射線は、受けた放射線の強度に比例したボロメータ膜の加熱を引き起こす。従って、ボロメータ膜の温度は場の要素の温度の関数である。ボロメータ膜の温度を決定するための信号S は、接点C1と接点C2との間の測定層22の電気抵抗の測定結果に基づき、読み出し集積回路5 によって生成される。
ボロメータ膜の温度は、場の要素の温度及びこの要素の放射率の両方によって決まる。場の要素の温度T を決定するために、処理ユニット7 は、この要素の放射率E を考慮に入れるべきである。言い換えれば、放射面の材料又はテクスチャに応じて、例えば場の要素毎に著しく異なる場合がある放射率の値の不正確さは、決定される温度の値に影響を及ぼす。このため、このように決定される温度の精度が低下する。更に、場の要素の放射率を処理ユニット7 に与えることにより、様々な実用性及び実施に関する問題が生じる。
実施形態は、上述した不利点の全て又は一部を克服する赤外線画像センサを提供する。
従って、実施形態は、場の要素によって放射される赤外線を検出すべく構成された複数の第１の画素及び複数の第２の画素を支持体上に備えており、前記第１の画素及び前記第２の画素は、前記支持体を覆う反射体の上側で懸架されたボロメータ膜を夫々有しており、前記第１の画素の各々の反射体は第１の誘電体層で覆われており、前記第２の画素の各々の反射体は、前記第１の誘電体層の光学特性とは異なる光学特性の第２の誘電体層で覆われていることを特徴とする赤外線画像センサを提供する。
実施形態によれば、前記光学特性の差は、前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層は異なる厚さを有する；前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層は、屈折率が異なる材料で形成されている；前記第１の誘電体層(40)は連続しており、前記第２の誘電体層(42)は規則的なパターンを有している；及び前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層は、前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層内に異なる規則的なパターンを有しているという特性からの少なくとも１つの特性に起因する。
実施形態によれば、前記赤外線画像センサは、前記第１の画素の内の１つ及び前記第２の画素の内の１つの複数対の画素のアレイを更に備えている。
実施形態によれば、前記第１の画素及び前記第２の画素の全ての前記ボロメータ膜は構造的に同一であり、前記第１の画素及び前記第２の画素の全ての前記反射体は構造的に同一である。
実施形態によれば、前記第１の画素及び前記第２の画素は格子状に配置されている。
実施形態によれば、前記赤外線画像センサは、波長領域内にある波長を有する放射線を検出すべく構成されており、前記ボロメータ膜と前記誘電体層との間の各画素の距離は、前記波長領域の中央部分にある波長の４分の１に等しい。
実施形態によれば、前記波長領域は７〜14μｍの範囲内であり、前記距離は２〜３μｍの範囲内である。
実施形態によれば、前記第１の誘電体層では、厚さと屈折率との積は第１の波長の４分の１に等しく、前記第２の誘電体層では、厚さと屈折率との積は第２の波長の４分の１に等しく、前記第１の波長及び前記第２の波長は前記波長領域内にあり、互いに異なる。
実施形態によれば、前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層は同一の材料で形成され、同一の厚さを有しており、前記ボロメータ膜と前記誘電体層との間の距離は前記第１の画素及び前記第２の画素で同一であり、前記第２の誘電体層は、前記第２の誘電体層の面に平行な方向に前記波長領域の最小波長の３分の１より小さい大きさを有する要素から形成された規則的なパターンを夫々有している。
実施形態によれば、前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層はアモルファスシリコンで形成されている。
実施形態によれば、前記赤外線画像センサは、第１及び第２の近傍画素のボロメータ膜の温度を表す第１の値を読み出すための回路を備えている。
実施形態によれば、前記赤外線画像センサは、前記第１の値に基づき前記場の要素の温度又は放射率を決定することができる処理ユニットを備えている。
実施形態によれば、前記処理ユニットは、温度の推定値及び放射率の推定値を生成すべく構成されており、前記推定値は、一方では前記第１の値と、他方では前記場の要素の温度及び放射率が推定値を有する場合に理論モデルに従って前記第１及び第２の近傍画素のボロメータ膜が有する温度を表す第２の値との差を表す誤差値の最小値に相当する。
実施形態によれば、前記処理ユニットは、a) 最初の対の温度の推定値及び放射率の推定値を定めるステップ、b) 前記場の要素の温度及び放射率が温度及び放射率の推定値である場合に理論モデルに従って前記第１及び第２の近傍画素のボロメータ膜が有する温度を表す第２の値を計算するステップ、c) 前記第１の値と対応する前記第２の値との差を計算するステップ、d) 前記差に基づき温度の新たな推定値及び放射率の新たな推定値を生成するステップ、及びe) 前記新たな推定値に基づき、ステップb)、ステップc)及びステップd)を繰り返し、前記差を減少させるステップを実行することができる。
実施形態によれば、前記赤外線画像センサは、外部の場によって放射される赤外線を検出すべく構成されている複数の第３の画素を更に備えており、前記第３の画素は、前記支持体を覆って誘電体層で覆われていない反射体の上側で懸架されたボロメータ膜を夫々有している。
別の実施形態は、支持体を覆う反射体の上側で懸架されたボロメータ膜を有する画素であって、前記反射体は規則的なパターンを有する誘電体層で覆われている前記画素を提供する。
別の実施形態は、前記規則的なパターンが同一である上述したような画素アレイを提供する。
前述及び他の特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない特定の実施形態について以下に詳細に説明する。
赤外線画像センサを概略的に示す図である。 図1Aの赤外線画像センサの画素を示す断面略図である。 赤外線画像センサの実施形態を概略的に示す図である。 図2Aの２つの画素を示す断面略図である。 赤外線の波長に応じた様々なタイプの画素の赤外線吸収率の曲線を示す図である。 温度値を得る方法を示す図である。 赤外線画像センサの実施形態の２つの画素を示す断面略図である。 図5Aの画素を示す断面平面略図である。
同一の要素は様々な図面において同一の参照番号で示されており、更に様々な図面は正しい縮尺で示されていない。明瞭化のために、記載された実施形態の理解に有用な工程及び要素のみが示され詳述されている。特に、膜を支持するアームは詳細に示されていない。
以下の記載では、「最上部」、「上側」、「下側」などの相対位置を表す文言、又は「横方向」などの向きを表す文言を参照するとき、該当する図面における該当する要素の向きを参照する。「実質的に」という文言は、該当する値のプラスマイナス10％、好ましくはプラスマイナス５％の許容値を示すために本明細書に使用されている。
以下の記載では、「屈折率」という文言は、ごく僅かな虚部しか有さない屈折率の実部を示す。
図2Aは、赤外線画像センサ30の実施形態を示す。赤外線画像センサ30は、複数対の第１のタイプの画素32及び第２のタイプの画素34のアレイを備えている。１対の画素32及び画素34は並置されており、アレイの画素32及び画素34は、例えば格子状に配置されている。赤外線画像センサ30は、画素32及び画素34に接続された読み出し回路36(ROIC)を備えている。読み出し回路36は、ボロメータ膜の温度を表して処理ユニット38 (P)によって処理される信号S を生成するために設けられている。処理ユニット38は、一例が図４に関連して以下に記載される方法を実行することにより、場の要素の温度T を決定するために設けられている。更に、処理ユニット38は場の要素の放射率E を決定するために設けられてもよい。
図2Bは、図2Aの面B-B に沿った近傍画素32, 34を示す断面図である。
画素32及び画素34の各々は、図1Bの画素3 の要素を有している。例として、これらの要素は、２つの画素タイプで構造的に同一であり、すなわち、これらの材料は、大きさが実質的に同一である同一の構成に応じて配置された同一の材料で形成されている。従って、画素32及び画素34の各々は、例えば窒化チタンで形成された吸収層20、及び例えばアモルファスシリコンで形成された測定層22を含むボロメータ膜14を有しており、吸収層20及び測定層22の各々は、例えば窒化シリコン又は酸窒化物で形成された誘電体層23間に配置されている。各画素32の測定層22は接点C11 及び接点C12 を有しており、各画素34の測定層22は接点C21 及び接点C22 を有している。各画素のボロメータ膜14は、支持体10、例えば半導体基板を覆う金属反射体12の上側でアーム16によって懸架されている。
例として、読み出し回路36は基板10の内部及び基板10の最上部に形成されており、各画素は、アーム16に配置された電気接続部によって読み出し回路36に接続されている。例として、画素は10〜40μｍの範囲内のピッチで横方向に繰り返されており、このピッチは、実質的に画素の横寸法に相当する。
図1A及び図1Bの画素3 とは異なり、画素32及び画素34は、反射体12上に配置された誘電体層40及び誘電体層42を夫々有している。画素32の誘電体層40の光学特性は画素34の誘電体層42の光学特性とは異なる。図示された例では、誘電体層40, 42は同一の厚さを有するが、屈折率が異なる材料で形成されている。これらの誘電体層は、同一の材料で形成されて異なる厚さを有してもよい。例として、誘電体層40, 42の材料は、シリコン、例えばアモルファスシリコン、若しくはゲルマニウムであってもよく、又はシリコン及びゲルマニウムの両方を含んでもよい。
赤外線画像センサ30は、例えば、波長が25μｍ、例えば20μｍより小さく、周波数が12 THz、例えば15 THzより大きい赤外線を検出すべく構成されている。
例として、赤外線画像センサ30は、７〜14μｍの範囲内の赤外線を検出すべく構成されている。画素32及び画素34の各々では、誘電体層の上面とボロメータ膜14の下面との間の距離D1, D2は、この範囲の中央部分にある波長の４分の１に等しく、７〜14μｍの範囲では、例えば２〜３μｍの範囲内の距離D1, D2に相当する。従って、距離D1, D2は異なり、夫々２〜３μｍの間であってもよい。例として、距離D1, D2は実質的に等しく、例えば2.5 μｍであり、すなわち、図1Bの画素3 でボロメータ膜と反射体との間の距離D と同一である。
異なる誘電体層40, 42が画素32, 34に設けられているため、異なる吸収特性が画素に与えられる。
図３は、赤外線の波長λに応じた、図1Bの画素3 のボロメータ膜14及び図2Bの画素32, 34のボロメータ膜14による赤外線吸収スペクトルの例を示す。曲線50、曲線52及び曲線54は夫々、画素3 、画素32及び画素34に相当し、デジタルシミュレーションによって得られた。
図３の例では、誘電体層40及び誘電体層42の厚さ及び屈折率は、相殺的干渉がボロメータ膜14のレベルで12.5μｍ（曲線52）及び8.5 μｍ（曲線54）に夫々近い波長で生じるように選択されている。このような特定の干渉条件は、このような波長ではボロメータ膜による吸収を強度に減少させ、示された例では吸収率はゼロに近い。この例では、一方では画素32の誘電体層40は、１μｍの厚さ及びアモルファスシリコンの屈折率に近い3.5 の屈折率を有しており、他方では画素34の誘電体層42は、１μｍの厚さ及び2.15の屈折率を有している。各画素32, 34では、誘電体層40, 42の屈折率とこの誘電体層の厚さとの積の４倍の値に近い波長を有する放射線の吸収率が減少する。この値は画素32, 34によって異なり、７〜14μｍの範囲内である。このため、画素32, 34の吸収特性はこの範囲内で異なる。従って、誘電体層40, 42は、0.5 〜３μｍの範囲内の厚さ及び1.5 〜４の範囲内の屈折率を有してもよい。
図1Bの画素3 が場の要素から７〜14μｍの範囲内の波長を有する放射線を受けるとき、画素3 のボロメータ膜14の温度は、放射線が該当する波長全てに関して50％より多く吸収されるため、一般的な放射線によって決まる。逆に、画素32, 34によって放射線を受けるとき、画素32のボロメータ膜14の温度は、主に波長が約11μｍより小さい放射線の一部によって決まり、画素34のボロメータ膜14の温度は、主に波長が約11μｍより大きい放射線の一部によって決まる。
赤外線を受ける２つの近傍画素32, 34では、読み出し回路36は、接点C11 及び接点C12 間の測定層22の抵抗並びに接点C21 及び接点C22 間の測定層22の抵抗を測定することにより、２つの画素のボロメータ膜の夫々の温度を表す信号の２つの値V1, V2を決定する。受ける放射線が、場の同一の要素、又は識別できない放射率及び温度を有する場の要素から生じる場合、例との関連で以下で分かるように、画素32及び画素34の吸収特性が異なるため、２つの値V1, V2によって、処理ユニット38は場の要素の温度及び放射率を同時的に決定することができる。
従って、一般に実際問題として、場の要素の放射率の値が正確には分かっていない場合、図1Bの画素3 を使用するより、画素32及び画素34を使用する方が、場の要素の温度をより正確に決定することが可能である。
更に、赤外線画像センサ30のタイプのセンサは、場の要素の放射率を予め知らずに、場の要素の温度を決定することができ、これは、図１の赤外線画像センサ1 のタイプのセンサでは不可能である。
更にユーザは、場の要素の温度を決定するために放射率の値を手動で与える必要がない。従って、温度測定は特に便利である。
更に、放射率が異なる要素を有する場では、図1A及び図1Bのタイプのセンサのユーザは、実際問題として場の各要素の放射率を与えることができない。そのため、ユーザは、場の各要素に適合されていない一般的な放射率の値を与えることになり、決定される温度が不正確になる。逆に、赤外線画像センサ30のタイプのセンサでは、ユーザが手動で介在することなく、場の要素毎に異なる放射率の値が得られるため、決定される温度は特に正確である。
図４は、近傍画素32, 34のボロメータ膜の温度値を表す２つの測定値V1, V2から場の要素の温度TMを得るために処理ユニット38によって実行される方法の例を示す。
本方法では、例として反復を繰り返す。各反復は、開始点として１対の放射率の推定値EE及び温度の推定値TEをとり、次の反復に開始点として使用される新たな１対の推定値を決定する。最初の反復では、推定値EE, TEは、例えば予め夫々選択される初期値Ei, Tiであり、放射率の初期値Eiは０と１との間のあらゆる放射率を有し、温度の初期値Tiは室温に近い温度を有する。
各反復は、理論値V1TH, V2THを決定するモデリングステップ62 (COMPUTE)を有する。理論値V1THは、放射率の推定値EEによって重みが加えられるプランクの法則に従って、（図３の曲線52によって示されている）画素32の吸収特性を考慮し、場の要素が温度の推定値TEである場合に得られるボロメータ膜の温度値に相当する。ここで、放射率の推定値EEは波長とは無関係であるとみなされる。理論値V2THを、（図３の曲線54によって示されている）画素34の吸収特性を考慮して同様に決定する。理論値V1TH, V2THを決定するために、場の要素と画素との間にある要素、例えば大気による吸収を更に考慮してもよく、又は透過窓を考慮してもよい。このような透過窓は現在、画素アレイ又はレティーナ（retina）を大気から分離するために画素アレイ又はレティーナの上側に配置されている。このような透過窓の透過スペクトルは既知であり、従って理論値を決定するために容易に考慮することができる。
ステップ64-1及びステップ64-2で、測定値V1, V2を理論値V1TH, V2THと比較して、差分値V1-V1TH, V2-V2TH を与える。差分値をステップ66 (ERR)で使用し、誤差値Ｘ2 を決定する。例として、誤差値Ｘ2 は、差分値の二乗の合計、例えば以下の形式の重みが加えられた合計である。
Ｘ2 ＝(1/σ12)×(V1-V1TH)2＋(1/σ22)×(V2-V2TH)2
σ1 及びσ2 は、ボロメータ膜の温度を表す値V1, V2の不確かさを夫々表す。その後、各反復は、反復毎に誤差値Ｘ2 を減少させるために新たな推定値EE, TEを与えるステップ68 (MIN)を有する。例として、ステップ68は、勾配法、共役勾配法、シンプレックス法のような変数の連続的な推定に基づき値を連続的に推定することによって、２つの変数に応じてこの値を最小化するアルゴリズムのステップである。この方法は、Ｘ2 の値が最小値であるときに終了する。従って、場の要素の温度の測定値TMは、最後の反復で推定される推定値TEである。更に、最後の反復の放射率の推定値EEは、場の要素の放射率の測定値EMに相当する。
図5Aは、２つの近傍画素32, 34の代替的な実施形態を示す断面図であり、画素32の誘電体層40及び画素34の誘電体層42は同一の材料で形成されて、同一の厚さを有している。図5Bは、図5Aの面B-B に沿った誘電体層42を示す断面平面図である。
誘電体層42は、規則的に分散した開口部70によって厚さ全体に亘って遮断されている。開口部70の横寸法は、受ける赤外線の波長より小さくてもよく、例えば受ける赤外線の波長領域の最小波長の３分の１より小さくてもよい。例として、開口部によって設けられる規則的なアレイのピッチは１〜３μｍ程度である。図示された開口部の形状は円形であるが、あらゆる他の適合された形状を使用してもよい。変形例として、隣り合う開口部を接合してもよく、誘電体層42が、規則的に配置された別個のパッドの集合体から形成される。従って、誘電体層42は、誘電体層の面と平行な方向に繰り返される開口部又はパッドのような、誘電体層42の材料の有無によって画定される要素の規則的なパターンを有している。誘電体層42の屈折率neffを、誘電体層42の材料の屈折率nsと誘電体層42の充填率ｆとの積によって概算で推定してもよい。誘電体層42の屈折率のより正確な推定値を、例えば、Applied Optics, 31(22)に1992年に発表されたM. E. Motamedi等著の論文"Antireflection surfaces in silicon using binary optics technology"に記載されている以下の式に従って計算してもよい。
Figure 2020501149
このように、誘電体層42の屈折率は誘電体層40の屈折率より小さい。更に、図5Aに示されている例では、誘電体層42の開口部によって形成されたパターンから開始して、パターンが一回転の４分の１回転する場合、最初のパターンが得られる、言い換えれば、パターンは４回回転対称である。そのため、誘電体層42の屈折率は赤外線の分極に依存しない。変形例として、開口部又はパッドによって設けられる規則的なパターンは、より高い回転対称、例えば正六角形の６回回転対称を有してもよい。
特定の実施形態が述べられている。様々な変更及び調整が当業者に想起される。特に、特定の方法が誤差値Ｘ2 を最小化するために記載されているが、この誤差値を最小化することができるあらゆる他の方法を使用してもよい。例として、ボロメータ膜の温度値を表す値V1, V2を測定した後、場の要素の一組の予め定められた複数対の温度の推定値TE及び放射率の推定値EEに関して誤差値Ｘ2 を計算してもよい。決定された温度及び放射率の値は、誤差値Ｘ2 が最小値である予め定められた対の値に相当する。別の例として、この誤差値の最小値に対応する場の要素の温度が、ボロメータ膜の一組の温度値V1, V2に応じて予め決定された一組の温度値の中から選択されてもよい。その後、予め決定された値を処理ユニット38に記憶する。
更に、上述した方法では特定の誤差値Ｘ2 を最小化して温度値TMを得たが、一方では２つの近傍画素の膜温度の測定値と、他方ではモデリングによって得られた対応する理論値との差を表すあらゆる誤差値を最小化することができる。
更に、上述した方法では温度値を特定の方法で決定するが、場の要素に対向する異なるタイプの２つの画素の２つのボロメータ膜の温度値に基づき場の要素の温度を決定することが可能なあらゆる他の方法を使用してもよい。画素の吸収特性を、ボロメータ膜の温度に応じて場の要素の温度を明確に表現することが可能な数式によってモデル化してもよい。
更に、放射率が波長に依存しないという前提で、場の要素の温度の値及び放射率の値を得ることが可能な方法の例が上述されている。変形例として、場の要素の既知の温度値に基づき、画素32, 34のタイプの内の一方の画素に吸収される波長領域に夫々対応する２つの放射率の値を決定してもよい。このために、例えば上述した方法を実行してもよく、理論値V1THは、画素32の波長領域の第１の放射率の推定値によって重みが加えられるプランクの法則に従って、画素32の吸収特性を考慮し、場の要素が既知の温度である場合に得られるボロメータ膜の温度値に相当し、理論値V2THは、第２の放射率の推定値に関して同様に決定される。
上述した方法の例では、たった２つの近傍画素のボロメータ膜の温度を表す値V1, V2を使用して場の要素の温度を決定するが、値V1, V2の各々は、場の同一の要素に対向する同一のタイプの２以上の画素のボロメータ膜の温度を表す値の組み合わせと取り替えられてもよい。
上述した実施形態では、読み出し回路がボロメータ膜の温度を測定するために設けられているが、読み出し回路は、ボロメータ膜の温度を表すあらゆる値、例えば抵抗値を測定するために設けられてもよい。
ここに記載されている実施形態では、２つの異なるタイプの画素が格子状に配置されているが、画素は、一タイプの各画素を別のタイプの画素に近づけることが可能なあらゆる他の方法で配置されてもよい。例えば、各タイプの画素の互い違いの行又は列の配置は同一の利点をもたらす。別の特定の実施形態によれば、あるタイプの画素は、別のタイプの画素より多数であり、つまり、より密に配置されており、画素の割合は、例えば夫々75％及び25％である。記載された実施形態では特定のボロメータ膜が設けられているが、あらゆる他の適合されたボロメータ膜を使用してもよく、例えば、異なる数の誘電体層を有するボロメータ膜、又は測定層が温度測定、例えば熱膨張による変形及び／若しくは応力の測定のための他の構造と取り替えられた膜を使用してもよい。
更に、記載された実施形態では特定のタイプの反射体が設けられているが、ボロメータ膜が場の要素によって放射される放射線を、ほとんどの該当する波長に関して50％より多く吸収することを可能にするあらゆる他の反射体を使用してもよい。
記載された特定の実施形態では、規則的なパターンを有する誘電体層42及び連続的な誘電体層40が設けられており、つまり、誘電体層40及び誘電体層42の各々で誘電体層の材料がボロメータ膜全体の下側に存在する。様々な変更が可能である。誘電体層40毎及び誘電体層42毎に、要素、例えば開口部又はパッドが横方向に繰り返されて、受ける放射線の波長より小さい、例えば該当する放射範囲の最小波長の３分の１より小さい横寸法を有する規則的なアレイを有してもよい。同一の材料で形成されて同一の厚さを有する誘電体層40, 42の例では、誘電体層40, 42のパターンが異なっていることが重要なポイントである。
記載された実施形態では、７〜14μｍの範囲内の波長領域のみが検討されているが、例えば別の波長領域で、典型的には特定の対象となる用途に応じて観察される場の平均温度で黒体の放射法則に従う放射最大値の近くにこの波長領域、つまりフィルタリング窓の透過スペクトルを置くことにより、動作することが好ましい場合もある。このように選択された前記透過スペクトルに含まれる異なる波長の選択的な干渉を発生させるために、特にボロメータ膜と反射体との間の空間内の記載された関係（距離D 、誘電体層の厚さ及び／又は屈折率）に従って、各窓の透過スペクトルを適合させて記載された画素を大きさの点で適合させることは、当業者の技能の範囲内である。
更に、記載された赤外線画像センサの実施形態では実際、７〜14μｍの範囲内の赤外線を検出すべく構成されているが、他の実施形態では、８〜12.5μｍの範囲内の赤外線を検出すべく構成されてもよい。このため、赤外線画像センサは、赤外線画像センサによって受ける赤外線を８〜12.5μｍの範囲内に制限すべく構成された透過窓の下側に配置されてもよい。そのため、誘電体層40及び誘電体層42の厚さ及び屈折率は、相殺的干渉がボロメータ膜14のレベルで8.5 μｍ及び12μｍに夫々近い波長で生じるように選択される。例として、誘電体層40は、実質的に0.9 μｍの厚さ及び実質的に3.5 の屈折率を有する。例として、誘電体層42は、実質的に0.9 μｍの厚さ及び実質的に２の屈折率を有する。デバイスの他の大きさは、例えば図2A及び図2Bのデバイスの相当する大きさと同一である。得られたセンサは、大気に吸収される12.5μｍより大きい波長を有する放射線を除外するという利点を有し、そのため、センサによる温度測定又は放射率測定は、大気の特性、並びにセンサ及び場の要素間の距離とは無関係である。そのため、このようなセンサの温度測定及び放射率測定は特に正確である。
記載された実施形態では、２つの異なる範囲内にある放射線を50％より多く吸収するたった２つの異なるタイプの画素が設けられており、２つの範囲は、記載された例では３μｍを超える幅に及ぶ。他の異なる実施形態では、３以上の画素タイプが可能である。例として、各タイプの画素は、他の画素タイプの波長領域とは異なる波長領域の放射線を50％より多く吸収するように設けられている。異なるタイプの画素の波長領域の範囲は実質的に同一であってもよい。このような波長領域は、対象とする放射線の波長領域の範囲を包含してもよい。そのため、場の要素の温度は、異なるタイプの画素のボロメータ膜の３以上の温度値から決定される。このため、場の要素の温度及び放射率をより正確に決定し、波長に応じて変わる放射率を有する場の要素の温度をより正確に決定することが可能である。
例として、図2Bのタイプの複数対の画素32, 34は、図1Bのタイプの画素3 を有する画素の集合体、又はレティーナに規則的に分散している。処理ユニット38は、画素3 から第１の熱画像を生成する。処理ユニット38は、複数対の画素から決定された温度及び放射率の情報を含む第２の画像を第１の画像に重ね合わせる。各画素3 の横寸法が１対の画素の横寸法より小さいため、第１の画像は高解像度を有し得る。得られた画像は、特に正確な温度情報を含んでおり、高解像度を有する。
本特許出願は、参照によって本明細書に組み込まれる仏国特許出願第16／62079 号明細書の優先権を主張している。

Claims (14)

  1. 赤外線画像センサであって、
    − 場の要素によって放射される赤外線を検出すべく構成された複数の第１の画素(32)及び複数の第２の画素(34)を支持体(10)上に備えており、
    前記第１の画素及び前記第２の画素は、前記支持体を覆う反射体(12)の上側で懸架されたボロメータ膜(14)を夫々有しており、前記第１の画素の各々の反射体は第１の誘電体層(40)で覆われており、前記第２の画素の各々の反射体は、前記第１の誘電体層の光学特性とは異なる光学特性の第２の誘電体層(42)で覆われており、
    前記赤外線画像センサは、
    − 第１及び第２の近傍画素のボロメータ膜(14)の温度を表す第１の値(V1, V2)を読み出すための回路(36)と、
    − 前記第１の値(V1, V2)に基づき前記場の要素の放射率を決定することができる処理ユニット(38)と
    を更に備えており、
    前記処理ユニットは、温度の推定値(Ti, TE)及び放射率の推定値(Ei, EE)を生成すべく構成されており、前記推定値は、一方では前記第１の値と、他方では前記場の要素の温度及び放射率が推定値を有する場合に理論モデルに従って前記第１及び第２の近傍画素のボロメータ膜が有する温度を表す第２の値(V1TH, V2TH)との差を表す誤差値の最小値に相当することを特徴とする赤外線画像センサ。
  2. 前記誤差値は、前記第１の値の不確かさによって重みが加えられる合計であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線画像センサ。
  3. 前記誤差値は、
    Ｘ2 ＝(1/σ12)×(V1-V1TH)2＋(1/σ22)×(V2-V2TH)2
    の形式で表現され、Ｘ2 は誤差値であり、V1及びV2は第１の値であり、V1TH及びV2THは第２の値であり、σ1 及びσ2 は不確かさであることを特徴とする請求項２に記載の赤外線画像センサ。
  4. 前記処理ユニット(38)は、
    a) 最初の対の温度の推定値(Ti)及び放射率の推定値(Ei)を定めて、
    b) 前記推定値に基づき前記第２の値(V1TH, V2TH)を計算し、
    c) 前記第１の値(V1, V2)と対応する前記第２の値との差を計算し、
    d) 前記差に基づき温度の新たな推定値(TE)及び放射率の新たな推定値(EE)を生成し、
    e) 前記新たな推定値に基づき、ステップb)、ステップc)及びステップd)を繰り返し、前記差を減少させる
    ように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の赤外線画像センサ。
  5. 前記光学特性の差は、
    前記第１の誘電体層(40)及び前記第２の誘電体層(42)は異なる厚さを有する；
    前記第１の誘電体層(40)及び前記第２の誘電体層(42)は、屈折率が異なる材料で形成されている；
    前記第１の誘電体層(40)は連続しており、前記第２の誘電体層(42)は規則的なパターンを有している；及び
    前記第１の誘電体層(40)及び前記第２の誘電体層(42)は、前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層内に異なる規則的なパターンを有している
    という特性からの少なくとも１つの特性に起因することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の赤外線画像センサ。
  6. 前記第１の画素(32)の内の１つ及び前記第２の画素(34)の内の１つの複数対の画素のアレイを更に備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の赤外線画像センサ。
  7. 前記第１の画素及び前記第２の画素の全ての前記ボロメータ膜(14)は構造的に同一であり、
    前記第１の画素及び前記第２の画素の全ての前記反射体(12)は構造的に同一であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに赤外線画像センサ。
  8. 前記第１の画素(32)及び前記第２の画素(34)は格子状に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の赤外線画像センサ。
  9. 波長領域内にある波長を有する放射線を検出すべく構成されており、
    前記ボロメータ膜と前記誘電体層との間の各画素の距離は、前記波長領域の中央部分にある波長の４分の１に等しいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の赤外線画像センサ。
  10. 前記波長領域は７〜14μｍの範囲内であり、前記距離は２〜３μｍの範囲内であることを特徴とする請求項９に記載の赤外線画像センサ。
  11. 前記第１の誘電体層では、厚さと屈折率との積は第１の波長の４分の１に等しく、前記第２の誘電体層では、厚さと屈折率との積は第２の波長の４分の１に等しく、前記第１の波長及び前記第２の波長は前記波長領域内にあり、互いに異なることを特徴とする請求項９又は１０に記載の赤外線画像センサ。
  12. 前記第１の誘電体層(40)及び前記第２の誘電体層(42)は同一の材料で形成され、同一の厚さを有しており、
    前記ボロメータ膜(14)と前記誘電体層(40, 42)との間の距離は前記第１の画素及び前記第２の画素で同一であり、
    前記第２の誘電体層は、前記第２の誘電体層の面に平行な方向に前記波長領域の最小波長の３分の１より小さい大きさを有する要素から形成された規則的なパターンを夫々有していることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１つに記載の赤外線画像センサ。
  13. 前記第１の誘電体層(40)及び前記第２の誘電体層(42)はアモルファスシリコンで形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の赤外線画像センサ。
  14. 外部の場によって放射される赤外線を検出すべく構成されている複数の第３の画素(3) を更に備えており、
    前記第３の画素は、前記支持体を覆って誘電体層で覆われていない反射体の上側で懸架されたボロメータ膜を夫々有していることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の赤外線画像センサ。
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