JPH07311353A - 2値回析光学素子を使用した赤外線チョッパ - Google Patents

2値回析光学素子を使用した赤外線チョッパ

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JPH07311353A
JPH07311353A JP6297366A JP29736694A JPH07311353A JP H07311353 A JPH07311353 A JP H07311353A JP 6297366 A JP6297366 A JP 6297366A JP 29736694 A JP29736694 A JP 29736694A JP H07311353 A JPH07311353 A JP H07311353A
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chopper
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lens
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lenses
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シー.ギボンズ ロバート
R Mckenie Samuel
アール.マッケニー サミュエル
Barber Charles
バーバー チャールズ
R Chang Richard
アール.チャング リチャード
C Bell Michael
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    • G02B26/02Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
    • G02B26/04Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light by periodically varying the intensity of light, e.g. using choppers

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  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非冷却型赤外線検出器システムに使える小型
グラウンドレンズを用いる型のチョッパで、コストを大
幅に低減したチョッパとその製造方法を提供する。 【構成】 好適ソフトウエアによりチョッパ素子の(複
数の個々の小型レンズ3、伸開線のパターン5を使って
作成される)パターンを設計し、最終的にフォトマスク
を設計する。このフォトマスクを使用しシリコンウェハ
ーをエッチングしてチョッパパターンのマスタシリコン
ウェハーをつくる。このマスタシリコンウェハーを使用
しパターンを固い材料に複製して型を作成する。この型
を使用して、赤外線透過性可撓性フィルムに上記パター
ンを刻印してチョッパ素子を作成する。個々の小型レン
ズはフレネルレンズであり、ソフトウエアにより個別に
設計される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、前方を見るための赤外
線システム(FLIR:Foward Looking Infrared Syste
m )に関するが、かかるシステムに限定されず、主とし
て非冷却型強誘電性赤外線パイロ電気検出器(uncooled
ferroelectric infrared pyroelectric detectors)に
関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】一般
に前視型赤外線(FLIR)システムは検出器と、検出
器の校正用検出器を備えたチョッパシステムを利用して
いる。この校正は一般にオンラインで検出器の走査動作
中に行われる。一般に先行技術による赤外線検出器は冷
却型であり、絶対温度約77度の液体窒素の近辺の温度
で動作する。最近になると、非冷却型のFLIRシステ
ムが開発されるようになったが、十分な感度が得られる
場合には、かかるシステムが選択される。強誘電性検出
器を使用する非冷却型検出器システムは本質的に差動検
出器であり、差動検出器の信号は見えた情景の信号(vi
ewed scene signal )と基準光源の信号との間の差であ
る。検出器のダイナミックレンジの問題を最小にするた
めには、基準光束(flux)が平均情景光束に出来る限り
整合することが望ましい。このことは、検出器が情景を
見て、次に平均情景光束を表す基準光源を見る事を交互
に出来るようにするチョッパによって達成するのが普通
である。
【0003】情景光束/基準光束の差を最小にする目的
に対して、いくつかのFLIRシステムは、システムの
射出瞳(exit pupil)からの像あるいはシステムの射出
瞳の近似値を基準光源として使用した。射出瞳を近似す
る最も単純な手法は光学系の焦点をぼかすことである。
現在のシステムでは、以下に述べる2つの方法の1つに
より達成されている。すなわち、(1)情景放射光(sc
ene radiation )を通すため、適切な部分で切断された
厚い平板により、固定部分に光学系の焦点のぼけが生
じ、瞳の近似値となる、(2)スキャナの固定部分に整
合したパターンで小さなグラウンドレンズ(ground len
slet)により覆われた固い平板を使用し、これらの小型
レンズにより焦点をぼかすという方法のいずれかであ
る。
【0004】上述した先行技術によるチョッパの第2の
型の問題点はコストが高いことであった。上述の第2の
型の複数の小型レンズを備えたチョッパを提供するため
には、所定のパターンにするため、一般にゲルマニュウ
ムのレンズを個別に磨くことが必要であった。また、か
かる先行技術によるチョッパは、高精度のレーザライタ
と共に2値回析光学パターンで発生させ、その後でゲル
マニュウムウエハーに希望するレンズパターンをエッチ
ングすることにより発生させたフォトマスクを使用して
製造されていた。かかるプロセスは多大な費用を要する
ため、望ましくは現在のコストの僅かな部分となるよ
う、コストを大幅に低減したチョッパを提供することが
望まれている。
【0005】本発明によれば、上述の経済性の目標を満
足するチョッパとその製造方法が提供されている。本チ
ョッパはその中心軸の廻りを回転するように設計されて
いる。
【0006】
【課題を解決するための手段】簡単に云うと、本発明に
よるチョッパは、始めにフォトマスクを発生させること
により製造される。フォトマスクはソフトウエアと協同
して発生するが、これに使用する好適ソフトウエアは付
録の中に述べられている。AUTOCADによる言語A
utoLISPを使用するソフトウエアは、4つのマク
ロルーチンから構成されており、これらのマクロルーチ
ンは、レンズアレーの正確なスケールの図形パターンを
発生させる。レンズ設計とチョッパシステムのいくつか
の変数を入力すると、ソフトウエアは図形パターンの2
レベルのデータファイルを発生させる。
【0007】第1のマクロが始動すると、オペレータは
設計変数の順番を待ち合わせ、つぎにらせん状の境界を
発生させる計算を実行し、この境界の中のスペースをフ
レネル位相板レンズ構造体(Fresnel phase plate lens
structure)で埋める。ファイルを構築する間、オペレ
ータによる設計値の入力が何回か要求される。第1のマ
クロがロードされると、残りの全てのマクロはセルフロ
ードし、計算した値を次のマクロに渡す。
【0008】各マクロルーチンは要約すると以下の通り
である。
【0009】SPIRAL.LSPはらせん状の境界を
発生させるが、この境界のサイズは、特定のサンプリン
グ時間中、検出器を変調するように決められる。ユーザ
は、検出器およびチョッパホイールアセンブリのいくつ
かの形状パラメータを入力する。らせんはアルキメデス
のらせんの数学関数を使用して発生する。
【0010】BDO.LSPは、全レンズ構造体を含む
1つの単位セルレンズ(unit celllens)を発生させ
る。ユーザは、基板の屈折率、レンズ直径、球面の半径
および波長の設計値を入力する。単位セルレンズ構造体
は、等位相面回析理論(wave front diffraction theor
y )を模型とした方程式を使用して発生する。
【0011】PGON.LSPは、オーバーラップやギ
ャップが生じないで完全に全レンズを入れるため、1つ
の円形レンズを取り出しそれを削り取って六角形のパタ
ーンにする。オペレータは、レンズのどの部分を削るか
を決めるためにいくつかのステップを踏まなければなら
ない。
【0012】BDOMATRIX.LSPは、六角形の
蜂の巣型アレーを発生させ、このアレーの各六角形に六
角形の単位セルを詰める。
【0013】このようにしてソフトウエアはマスクを発
生させるが、以下に説明するように、このマスクは、最
終的にチョッパ素子に刻印するレンズのデザインを備え
ている。
【0014】つぎにシリコンウェハーは、パターンにな
るマスクを使用して、反応性イオンエッチングによりエ
ッチングされ、希望寸法に成形された小型レンズの形を
した領域を備えたチョッパパターンのマスタシリコンウ
ェハー(silicon wafer master)になる。つぎにシリコ
ンウェハー上のチョッパパターンは固い材料に複写され
るが、この固い材料は、ウェハーも固い材料も損傷する
ことなくシリコンウェハーから容易に剥すことができる
材料であり、望ましくは2.54ミリメートル(0.1
0インチ)以上のニッケルの厚い層をつくるため、上に
ニッケルを電気鍍金した約500オングストロームの銀
の薄い層であることが望ましい。つぎに鍍金されたアセ
ンブリは、アセンブリが分離してニッケルからシリコン
が離れるまで、ニッケルに対して選択的に銀を破壊する
標準的エッチング用腐食液、たとえば10パーセントの
フツ化水素酸の消イオン水(deionized water )溶液の
中に漬けられる。分離したニッケルの複製は高圧プレス
を使用して、赤外線透過性で変形し易い材料のシートに
刻印するために使用される。この材料は、望ましくはプ
ラスチックフィルムたとえばポリエチレンのフィルムで
あって、複製のレンズパターンを使用してフィルム上に
パターンが刻印される。スタンプ上のパターンがより容
易にフィルムに刻印されるように、赤外線透過性材料は
刻印する前に加熱されていることが望ましい。上にレン
ズパターンがあるフィルムがチョッパ素子である。かか
るチョッパ素子を、鋳型(mold)あるいは打ち抜き型
(die )としての役目をするシリコンウェハーおよびシ
リコンウェハーをフィルムに打ち込む(drive )高圧プ
レスと協同して、フィルム上に連続して刻印することが
できる。フィルム上のレンズ構造体の深さは、動作用波
長と基板の屈折率とによって決まる。遠赤外線波長で透
過性を最適にするためには、基板フィルムはできるだけ
薄くなければならない。基板の厚さが、25.4マイク
ロメートル(0.001インチ)増加する毎に、透過性
は5パーセント以上減少する。(屈折率=1.52の)
ポリエチレンフィルムと10マイクロメートルの波長に
対して、レンズ構造体の深さは約9マイクロメートル
(0.00035インチ)である。小型レンズ構造体の
形状に歪のないセンサの周囲温度の全スペクトルにわた
ってフィルムの厚さを約76マイクロメートル(0.0
03インチ)にしたときに成功した。
【0015】本システムは、8〜13.5ミクロンの範
囲で動作するように設計されており、付録もこの範囲で
動作するように設計されている。したがって、個々のレ
ンズはソフトウエアによって、この範囲で動作するよう
に製造されている。ソフトウエアは個々のレンズ用に設
計されているが、各レンズは六角形の周辺を備えている
ことが望ましい。このように等しい大きさの複数の六角
形が、回転角に比例して大きくなる半径のらせん形の包
絡線(envelope)の中に配置されている。伸開線(invo
lute)らせんとアルキメデスのらせんが包絡線の形とし
て望ましい。六角形の形状が望まれるのは次の理由によ
る。即ち、複数の六角形は互いに密着することができ
て、レンズ間の空隙を伴わずに伸開線あるいはらせん内
の面積の全部分を埋めることができるからである。
【0016】ソフトウエアによって2つのファイル層が
発生する。第1のファイル層はらせんの形をしたパター
ンであり、第2の層は六角形のアレーである。六角形の
ファイル層には、ファイルを管理可能なサイズに圧縮す
る隠れ層が含まれている。これら2つのファイルは、デ
ータベースパターンコンパイラにダウンロードされ、コ
ンパイラでレーザパターン作成システムによる読み取り
可能なフォーマットに翻訳される。つぎにレーザパター
ン作成システムは感光乳剤が塗布されたガラススライド
の表面にパターンを書込むことによりフォトマスクを作
成するが、感光乳剤には、たとえば、アグファ・フォト
マスク板、パーツNo.PF−HDであることが望まし
い。使用できる感光乳剤には多数の異なる種類がある
が、これらは当業者には明瞭なことである。
【0017】六角形アレーのファイル層は、ソフトウエ
アによって、らせんファイル層をオーバーレイする四角
形の窓形のパターンの形で発生する。ファイルサイズを
縮小するため、らせんの境界の外側に完全に出ている六
角形はオペレータによってファイルから除かれる。らせ
んの境界を互い違いに配列されるこれらのレンズセル構
造体および境界内の全レンズセルはフォトマスク書込み
装置によって印刷される。レンズ構造体のらせんの外部
に落ちる部分は、フォトマスクが作成されるときにらせ
んファイルの境界によって隠されるので、このレンズ構
造体を削り取って形を整える必要はない。
【0018】各個別のレンズは入射エネルギを所定の量
だけ焦点をぼかすように設計された回析構造体である。
この目的は、像の差分をとる基準光源として使用するた
め焦点をぼかした外部情景の像を得ることである。
【0019】各レンズの正確な形状は希望する波面変形
のモジュロπ挙動(modulo π behavior )によって決
定される。第3図はこのモジュロπ挙動を示している
が、得られた各レンズの形状は次式から決定される回析
格子深度(grating depth )を備えた同心型回析格子で
ある。
【数1】 ここにTOPT は2π位相シフトに対する最適厚さであ
り、TOPT =λ/△nによって与えられ、ψF (r)は
希望する半径の位相シフト関数である。通常、△nはゾ
ーン材料の屈折率の周囲媒体(空気)の屈折率からの偏
差であり、λは波長の設計値である。
【0020】
【実施例】本発明は、上に考察した第2の手法と同様で
あるが、伸開線の形をしたゲルマニュウム上のグラウン
ドレンズは、フィルム上の2値回析素子から形成された
小型レンズのアレーにより置き換えられている。この小
型レンズアレーはグラウンドレンズと同じ働きをする
が、極めて容易かつ経済的に製造できるのである。チョ
ッパは、校正に要求される焦点のぼけを均一にする2値
回析素子から校正される小型レンズアレーを使用してい
る。小型レンズの目的は、映像システムの走査の不動作
時間中に検出器に落ちる光線の焦点をぼかすことであ
る。焦点がぼかされたこの光線は、瞳の発光の近似(ap
proximation of pupil irradiance )となり、差分をつ
くることに使用される。
【0021】チョッパはフォートマスクを発生させる事
により製造される。フォートマスクは、付録に述べたソ
フトウエアと共に発生する。ソフトウエアは、プログラ
ムされたパターンを標準マスク材料、望ましくはアグフ
ァ・フォトマスク板、パーツNo.PF−HD、にエッ
チングするレーザを制御する。マスクにはマスクパター
ンが含まれているから、したがって、レンズのデザイン
はチョッパ素子に最終的に刻印される。つぎにシリコン
ウェハーがマスクを介してエッチングされ、反応性イオ
ンエッチングにより標準的方法でエッチングされ、シリ
コンウェハー上のチョッパレンズパターンのマスタとな
る。つぎにシリコンウェハー上のチョッパパターンは固
い材料に複写されるが、この固い材料は、ウェハーも固
い材料も損傷することなくシリコンウェハーから容易に
剥すことができる材料であり、この材料は、上に、最低
2.54ミリメートル(0.10インチ)の厚さのニッ
ケルを電気鍍金した約500オングストロームの銀の薄
い層であることが望ましい。つぎに、シリコンウェハー
上のパターンの複製のニッケルは、銀とニッケルの層が
上にあるシリコンパターンを、ニッケルに対して銀を選
択的に除去するバスの中に入れることによりシリコンウ
ェハーから分離される。望ましくはフォトレジストであ
り、さらに費用をかけて金のフィルムを使えば最も良い
マスクになるのであるが、分離された複製は高圧プレス
を使用して、スタンプとしてレンズパターンを赤外線透
過性で変形し易い材料、望ましくは可撓性フィルムたと
えばポリエチレンのフィルム、の個々のシートに刻印す
るために使用される。スタンプ上のパターンがより容易
にフィルムに刻印されるように、赤外線透過性材料は刻
印する前に加熱されていることが望ましい。上にレンズ
パターンがあるフィルムがチョッパ素子である。上に説
明したように、かかるチョッパ素子を、鋳型あるいは打
ち抜き型としての役目をするシリコンウェハーおよびシ
リコンウェハーをフィルムに打ち込む高圧プレスが協同
して、フィルム上に連続して刻印することができる。
【0022】本システムは、8〜13.5ミクロンの範
囲で動作するように設計されており、付録もこの範囲で
動作するように設計されている。したがって、個々のレ
ンズはソフトウエアによって、この範囲で動作するよう
に製造されている。ソフトウエアは個々のレンズ用に設
計されているので、複数のかかるレンズはフィルム上に
所定のパターンで、望ましくは伸開線あるいはらせんの
中に、配置される。
【0023】図1は本発明によるチョッパを示している
が、本チョッパは本発明により作成されたものである。
各小型レンズが六角形をしており、対向する辺の間が約
5ミリメートル(約0.2インチ)の、複数の小型レン
ズ3を備えたチョッパ1が示されている。小型レンズ3
は同一寸法でありかつ相互の間に空隙がないようにぴっ
たりと配置されている。小型レンズ3は伸開線5の内部
に配列されている。小型レンズ3は、伸開線5を囲む最
低2.54ミリメートル(0.1インチ)の厚さを備え
たポリエチレンフィルム(参照番号なし)に刻印されて
いる。開口部7は、チョッパを標準的方法で回転させる
装置にチョッパが確実に取り付けられているように、チ
ョッパ1の中心に配列されている。
【0024】つぎに図2を参照すると、図1の小型レン
ズ3の1つを拡大した図が示されている。図3は、小型
レンズの断面がどのように見えるかを示している。小型
レンズは本質的には、情景光束の焦点をむすぶ(この場
合は焦点をぼかす)ために要求される位相情報を符号化
した2値フレネルゾーン板である。
【0025】本発明の特定の好適実施例について本発明
を説明したが、多数の変形や修正は当業者には直ちに想
定できるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、
先行技術から見てかかる改造や修正の全てが包含される
ように、可能な限り広く解釈されるように意図してい
る。
【0026】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 1.チョッパを製造する方法であって、(a)エッチン
グ可能なベース要素を用意するステップと、(b)前記
ベース要素に所定のデザインを与えるため、前記ベース
要素にマスクを形成するステップと、(c)前記ベース
要素にレンズパターンを形成するため、前記マスクを介
して前記ベース要素をエッチングするステップと、
(d)前記ベース要素に堆積可能でかつ固い材料に複製
された前記パターンあるいは前記ベース要素に実質的に
損傷を与えずに、前記ベース要素から除去可能な前記固
い材料に、前記レンズパターンを複製するステップと、
(e)前記固い材料に複製されたパターンを、刻印され
たパターンを維持することが可能な赤外線透過性可変形
性シートに印刷するステップと、を含むことを特徴とす
る方法。
【0027】2.第1項記載の方法であって、前記赤外
線透過性シートはポリエチレンであることを特徴とする
方法。
【0028】3.第1項記載の方法であって、前記ベー
ス要素はシリコンであることを特徴とする方法。
【0029】4.第2項記載の方法であって、前記ベー
ス要素はシリコンであることを特徴とする方法。
【0030】5.第1項記載の方法であって、前記固い
材料はニッケルであることを特徴とする方法。
【0031】6.第2項記載の方法であって、前記固い
材料はニッケルであることを特徴とする方法。
【0032】7.第3項記載の方法であって、前記固い
材料はニッケルであることを特徴とする方法。
【0033】8.第4項記載の方法であって、前記固い
材料はニッケルであることを特徴とする方法。
【0034】9.(a)印刷されたパターンを維持する
ことが可能な赤外線透過性可変形性シートと、(b)前
記フィルムに所定のパターンで配列された複数のレンズ
であって、前記レンズは全て所定の幾何学的形状の中に
配置されている複数のレンズと、を含むことを特徴とす
るチョッパ。
【0035】10.第9項記載のチョッパであって、前
記フィルムは重合体の材料であることを特徴とするチョ
ッパ。
【0036】11.第9項記載のチョッパであって、前
記フィルムはポリエチレンであることを特徴とするチョ
ッパ。
【0037】12.第9項記載のチョッパであって、前
記レンズは多角形であることを特徴とするチョッパ。
【0038】13.第10項記載のチョッパであって、
前記レンズは多角形であることを特徴とするチョッパ。
【0039】14.第11項記載のチョッパであって、
前記レンズは多角形であることを特徴とするチョッパ。
【0040】15.第9項記載のチョッパであって、前
記幾何学的形状は伸開線であることを特徴とするチョッ
パ。
【0041】16.第10項記載のチョッパであって、
前記幾何学的形状は伸開線であることを特徴とするチョ
ッパ。
【0042】17.第11項記載のチョッパであって、
前記幾何学的形状は伸開線であることを特徴とするチョ
ッパ。
【0043】18.第12項記載のチョッパであって、
前記幾何学的形状は伸開線であることを特徴とするチョ
ッパ。
【0044】19.第13項記載のチョッパであって、
前記幾何学的形状は伸開線であることを特徴とするチョ
ッパ。
【0045】20.第14項記載のチョッパであって、
前記幾何学的形状は伸開線であることを特徴とするチョ
ッパ。
【0046】21.チョッパとチョッパを製造する方法
であって、チョッパは最初にソフトウエアと共にフォト
マスクを発生させることにより作成される。ソフトウエ
アは、最終的にチョッパ素子に刻印されるレンズ設計を
行う。シリコンウェハーは、パターンを与えるフォトマ
スクを使用して反応性イオンエッチングによりエッチン
グされ、希望する寸法に形成される小型レンズの形の範
囲のチョッパパターンのマスタシリコンウェハーにな
る。シリコンウェハー上のチョッパパターンは固い材料
に複製されるが、この材料は、ウェハーあるいは固い材
料、望ましくはニッケル被覆物、のいずれをも損傷せず
に、シリコンウェハーから容易に剥すことができる。分
離されたニッケルの複製は高圧プレスと共に、複製のレ
ンズパターンを使って赤外線透過性可撓性フィルム、望
ましくはポリエチレンのシートに刻印するために使用さ
れる。上にレンズパターンのあるフィルムはチョッパ素
子である。本システムは、8〜13.5ミクロンの範囲
で動作するように設計されている。ソフトウエアは個々
のレンズ用に設計されているので、複数のかかるレンズ
はフィルム上に所定のパターン、望ましくは伸開線ある
いはらせんのパターンで配置されている。チョッパはそ
の中心軸の廻りを回転するように設計されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるチョッパを示す図。
【図2】図1の六角形をした小型レンズの1つを拡大し
た図。
【図3】フレネル位相板の位相シフト関数のグラフを示
す図。
【符号の説明】 1 チョッパ 3 小型レンズ 5 伸開線 7 開口部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャールズ バーバー アメリカ合衆国テキサス州リチャードソ ン,アンナポリス ドライブ 1211 (72)発明者 リチャード アール.チャング アメリカ合衆国テキサス州ダラス,ノース セントラル エクスプレスウエイ 13500 テキサス インスツルメンツ イ ンコーポレイテツド気付 (72)発明者 マイクル シー.ベル アメリカ合衆国テキサス州ダラス,ノース セントラル エクスプレスウエイ 13500 テキサス インスツルメンツ イ ンコーポレイテツド気付

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チョッパを製造する方法であって、 (a)エッチング可能なベース要素を用意するステップ
    と、 (b)前記ベース要素に所定のデザインを与えるため、
    前記ベース要素にマスクを形成するステップと、 (c)前記ベース要素にレンズパターンを形成するた
    め、前記マスクを介して前記ベース要素をエッチングす
    るステップと、 (d)前記ベース要素に堆積可能でかつ固い材料に複製
    された前記パターンあるいは前記ベース要素に実質的に
    損傷を与えずに、前記ベース要素から除去可能な前記固
    い材料に、前記レンズパターンを複製するステップと、 (e)前記固い材料に複製されたパターンを、刻印され
    たパターンを維持することが可能な赤外線透過性可変形
    性シートに印刷するステップと、を含むことを特徴とす
    る方法。
  2. 【請求項2】(a)印刷されたパターンを維持すること
    が可能な赤外線透過性可変形性シートと、 (b)フィルムに所定のパターンで配列された複数のレ
    ンズであって、前記レンズは全て所定の幾何学的形状の
    中に配置されている複数のレンズと、を含むことを特徴
    とするチョッパ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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