專利名稱：紅外攝像機系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及熱成像儀。
背景技術(shù)：
由于軍事、安全、醫(yī)療、建筑和汽車市場的驅(qū)動，使得紅外攝像機系統(tǒng)的市場變?yōu)榫薮蟮暮涂焖僭鲩L的。特別感興趣的是介于7和15微米之間的波長，這段波長在大氣中的透過率較高，同時受太陽光的影響較小，并且處于正常環(huán)境(室溫或體溫)下的物體輻射這段波長。幾種類型的成像系統(tǒng)被用來觀察可見光之外的波長。這些成像系統(tǒng)包括從典型地需要低溫冷卻的窄帶間隙半導(dǎo)體光檢測器陣列到更新式的無冷卻微輻射熱測量計陣列。然而，所有這些“焦平面”技術(shù)都是昂貴的(例如，最低價的攝像機剛剛打破10,000美元壁壘)，使得熱成像技術(shù)在商業(yè)和消費者市場上尚未獲得主體地位。而且，所有現(xiàn)有產(chǎn)品都使用固有地低產(chǎn)量的制造技術(shù)，促使成本上升，也限制了分辨率(即像素數(shù))，這對于所有的使用來說都是實際的問題，除了對成本不敏感的使用以外。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，用于從來自景物的第一波長的光產(chǎn)生圖像的攝像機系統(tǒng)包括熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列、光源和檢測器陣列。每一個像素元件都具有一個通帶，由于隨著像素元件的溫度改變而引起折射率改變，上述通帶在波長上移動。所述光源向熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列提供第二波長的光，使得熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列產(chǎn)生已濾波的第二波長的光。光源可以包括LED或激光器。包括CCD或CMOS攝像機的檢測器陣列從熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列接收已濾波的第二波長的光，并且用于產(chǎn)生對應(yīng)于所述景物的圖像的電信號。所述攝像機系統(tǒng)還包括用于將來自所述景物的第一波長的光引導(dǎo)到熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列的光學(xué)系統(tǒng)。所述熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列將第一波長的光的至少一些轉(zhuǎn)換為熱，并且吸收至少一些熱。
所述第一波長的光是，例如，紅外光，并且所述第二波長的光是，例如，近紅外光。
所述熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列被密封在真空封裝中。所述真空封裝包括對輻射透明的窗口、用于支撐熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列的襯底、以及用于把所述窗口和所述襯底接合在一起的密封框。所述封裝可以包括設(shè)置在其內(nèi)的吸氣材料，用于吸收額外的氣體。所述像素元件可以包括一種用于吸收第一波長的光的材料并產(chǎn)生送往濾光器的熱。熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列的每一個像素元件通過中空的像素柱附著到襯底，所述像素柱將像素元件與襯底熱隔離。所述像素柱也可以是實芯的。
所述熱可調(diào)諧濾光器像素陣列吸收第一波長的光，并且將第一波長的光轉(zhuǎn)換為熱。
熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列中的每一個像素元件包括指數(shù)可調(diào)諧薄膜干涉涂層，它形成單腔或多腔Fabry-Perot結(jié)構(gòu)。熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列包括反射層或吸收層，以減輕在各像素元件之間通過的第二波長的光。
所述攝像機系統(tǒng)可包括參考濾光器，用于使來自光源的第二波長的光的帶寬變窄。
所述攝像機系統(tǒng)可以運行于透射方式，使得第二波長的光穿過所述熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列，并且隨后傳播到檢測器陣列。所述攝像機系統(tǒng)可以運行于反射方式，使得第二波長的光從所述熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列向外反射，并且隨后傳播到檢測器陣列。
在另一方面，一種基于來自景物的第一波長的光而產(chǎn)生圖像的方法包括產(chǎn)生第二波長的光，將第一波長的光轉(zhuǎn)換為熱，以及將所述熱耦合到熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列以改變熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列的溫度。熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列的每一個元件都具有一個通帶，由于隨著熱可調(diào)諧濾光器元件的溫度改變而引起折射率改變，上述通帶在波長上移動。本方法還包括用熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列對第二波長的光進行濾波，使得熱可調(diào)諧濾光器陣列產(chǎn)生已濾波的第二波長的光。本方法還包括用檢測器陣列來檢測已濾波的第二波長的光，以便產(chǎn)生對應(yīng)于所述景物的圖像的信號。
在又一方面，一種光學(xué)讀取溫度傳感器包括具有一個通帶的熱可調(diào)諧濾光器，由于隨著熱可調(diào)諧濾光器的溫度改變而引起折射率改變，上述通帶在波長上移動。所述傳感器還包括用于向熱可調(diào)諧濾光器提供第一波長的光的光源，使得熱可調(diào)諧濾光器產(chǎn)生已濾波的第二波長的光。所述傳感器還包括用于從熱可調(diào)諧濾光器接收已濾波的第二波長的光、并且用于產(chǎn)生對應(yīng)于所述熱可調(diào)諧濾光器的溫度的電信號的檢測器。
在再一個方面，一種用于檢測溫度或溫度分布的方法包括產(chǎn)生第一波長的光，用具有一個通帶的熱可調(diào)諧濾光器對所述第一波長的光進行濾波，由于隨著熱可調(diào)諧濾光器的溫度改變而引起折射率改變，上述通帶在波長上移動，以便產(chǎn)生已濾波的第一波長的光。本方法還包括用檢測器來檢測已濾波的第一波長的光，以及產(chǎn)生對應(yīng)于所述熱可調(diào)諧濾光器的溫度的電信號。
在還一個方面，一種制造用于將部件支撐在襯底上的柱的方法包括在襯底上淀積犧牲層，在犧牲層中形成基本上圓柱形的孔，以及在犧牲層上共形淀積保護層，所述保護層覆蓋所述犧牲層的表面、孔的底部和孔壁，并且所述保護層在所述孔的頂部形成夾緊(pinch-off)。本方法還包括在所述保護層上制造所述部件，在所述部件外圍邊界處垂直地蝕刻濾光器和保護層，并且水平地蝕刻所述犧牲層到形成孔壁的所述保護層。
在另一個方面，一種波長轉(zhuǎn)換裝置包括具有一個通帶的熱可調(diào)諧濾光器，由于隨著熱可調(diào)諧濾光器的溫度改變而引起折射率改變，上述通帶在波長上移動。本裝置還包括用于把第一波長的輻射轉(zhuǎn)換為熱、并且用于將所述熱耦合到熱可調(diào)諧濾光器的吸收器。本裝置還包括用于向熱可調(diào)諧濾光器提供第二波長的光的光源，使得熱可調(diào)諧濾光器產(chǎn)生已濾波的第二波長的光。本裝置還包括用于從熱可調(diào)諧濾光器接收已濾波的第二波長的光、并且用于產(chǎn)生對應(yīng)于所述第二波長的光的電信號的檢測器。本裝置還包括用于將第一波長的輻射引導(dǎo)到熱可調(diào)諧濾光器的光學(xué)系統(tǒng)。所述熱可調(diào)諧濾光器將第一波長的光的至少一些轉(zhuǎn)換為熱，并且吸收至少一些熱。
在又一個方面，一種用于檢測溫度的方法包括產(chǎn)生第一波長的光，用具有一個通帶的熱可調(diào)諧濾光器對所述第一波長的光進行濾波，由于隨著所述熱可調(diào)諧濾光器的溫度改變而引起折射率改變，上述通帶在波長上移動，以便產(chǎn)生已濾波的第一波長的光。本方法還包括用檢測器來檢測已濾波的第一波長的光，以及產(chǎn)生對應(yīng)于所述熱可調(diào)諧濾光器的溫度的電信號。


圖1表示紅外攝像機系統(tǒng)的所描述的實施例。
圖2a和2b表示個別的像素元件相對于溫度的濾光特性。
圖3a和3b表示具有窄帶源的圖2a和2b的濾光特性。
圖4a表示FPA的截面。
圖4b表示在像素元件之間的溝槽下面的反射層。
圖5表示像素元件陣列的一部分的頂視圖。
圖6a至6h表示像素柱的制造工藝。
圖7a至7r表示用于像素柱的其它制造技術(shù)。
圖8a表示具有預(yù)制的像素陣列的晶片。
圖8b表示用于FPA的真空封裝的部件。
圖8c表示正在被裝配的圖8b的部件。
圖9表示運用于反射方式的紅外攝像機系統(tǒng)。
圖10表示具有被嵌入到紅外透鏡中的近紅外源的紅外攝像機系統(tǒng)。
圖11表示具有被嵌入到近紅外透鏡中的近紅外源的紅外攝像機系統(tǒng)。
圖12表示在對來自偏置LED的近紅外光進行重新引導(dǎo)的FPA上的光柵層。
圖13表示遠程讀出溫度計。
這里所示的附圖僅僅是說明性的，并且不按照比例尺來繪制。
具體實施例方式
所描述的實施例是不冷卻的紅外(IR，infrared)攝像機系統(tǒng)，它使用響應(yīng)于由待成像的景物所輻射的紅外能量(雖然也可以考慮其它波長，但是典型地具有例如8至15微米(μm)的波長—這里，紅外也被稱為紅外光或紅外輻射)的熱可調(diào)諧濾光器。濾光器元件調(diào)制近紅外(NIR)載波信號(例如，具有大約850納米(nm)波長的光—也被稱為近紅外光學(xué)信號、近紅外光、探測、探測信號或探測光)作為紅外能量的變化結(jié)果。所述攝像機系統(tǒng)用近紅外檢測器(例如，基于CMOS或CCD的成像陣列，或p-i-n光電二極管陣列)來檢測已調(diào)制的載波信號。
紅外攝像機系統(tǒng)基于使用光學(xué)讀出的熱傳感器。這里描述的熱傳感器所依據(jù)的原理是簡單的。窄帶源產(chǎn)生具有特定波長譜的″光學(xué)載波信號″。在傳感器位置上使用熱可調(diào)諧濾光器，在這里，溫度的局部變化將使濾光器的濾光譜移動。溫度的局部變化可以歸因于周圍環(huán)境溫度，或者可以歸因于來自外部源的輻射。所述熱可調(diào)諧濾光器處理光學(xué)載波，使得所得到的光是載波信號和傳感器濾光器的″乘積″。光學(xué)檢測器測量所得到的光的總功率，并且所述檢測器靈敏到足以檢測和測量總功率中的細小變化。
這種熱傳感器的關(guān)鍵元件之一是多層光學(xué)干涉濾光器，它相對于溫度來說是高度可調(diào)諧的。所述濾光器納入了具有強烈地依賴于溫度的折射率的半導(dǎo)體材料，以生成固態(tài)的、可調(diào)諧的薄膜濾光器(參見，例如，2001年12月4日提交的題為″TUNABLE OPTICALFILTER″的專利申請U.S.S.N.10/005,174；以及2002年6月17日提交的題為″INDEX TUNABLE THIN FILM INTERFERENCECOATINGS″的專利申請U.S.S.N.10/174,503，上述專利申請在此通過參考而并入)。多種其它材料，包括鍺(如果探測波長較長)、多種聚合物(例如，聚酰亞胺)、Fe2O3、液晶等，都可以用作這些薄膜濾光器結(jié)構(gòu)中的熱-光學(xué)層。這些材料與探測信號波長的不同工作范圍(可能包括可見光波長)有關(guān)。
根據(jù)應(yīng)用，可以將這種多層的溫度可調(diào)諧涂層涂覆到多種襯底。采用光學(xué)栽波信號，能遠程地和精確地測定其溫度。
以下的說明提供紅外攝像機系統(tǒng)的縱覽，跟隨其后的是每一種攝像機部件的更詳細的表征。以下的說明還提供用于制造這些攝像機部件的各種生產(chǎn)技術(shù)，并且最后說明攝像機系統(tǒng)所依據(jù)的概念的其它用途。
圖1表示紅外攝像機系統(tǒng)100的所描述的實施例，包括近紅外源102、準直透鏡104、反射鏡106(在紅外波長范圍內(nèi)為透明或接近透明)、焦平面陣列(FPA，focal plane array)108、參考濾光器110、聚焦透鏡112和近紅外檢測器陣列114。FPA 108包括紅外窗口116、安裝在襯底120上的像素元件陣列118。IR窗口116、像素元件118、襯底120和參考濾光器110全都被封裝在真空密封單元中，后者的溫度由熱-電冷卻器(TEC，thermo-electric cooler)122保持。如同這里所描述的那樣，如果FPA 108和參考濾光器110的可調(diào)諧性系數(shù)相同或接近相同，則可以省略TEC 122。
準直透鏡104把來自近紅外源102的光形成為準直光束124，后者從反射鏡106反射到FPA 108的紅外窗口。準直光束124通過FPA108并且通過聚焦透鏡112。聚焦透鏡112把來自FPA 108的近紅外光聚焦到近紅外檢測器陣列114。來自待成像的景物128的紅外光126通過紅外透鏡129聚焦，通過反射鏡106，通過紅外窗口116到達像素元件陣列118。由于FPA的制作工藝兼容于硅制造工藝，所以FPA可以直接地在CCD或CMOS傳感器上淀積和制造以便獲得最大的集成度。采用這樣的體系結(jié)構(gòu)，可以省略近紅外透鏡。
像素元件陣列118中的每一個都是熱可調(diào)諧濾光器，它利用為像素元件的溫度的函數(shù)的濾光器特性來處理近紅外光。投射到像素元件陣列118上的紅外光126經(jīng)由淀積在每一個像素元件表面上的(在這里描述的)紅外吸收層被轉(zhuǎn)換為熱能。像素元件118可以由吸收入射輻射的材料制成，所以不需要附加的吸收材料。所得到的熱能在像素元件陣列118上產(chǎn)生局部溫度變化，使得每個個別的像素根據(jù)該像素處的局部溫度對通過所述像素的近紅外光進行濾波。因此，像素元件陣列118的2維濾光圖案直接與從待成像的景物128到達的紅外能量有關(guān)。
圖2a和2b表示個別的像素元件相對于溫度的濾光特性(這些圖的其它方面將在下面說明)。圖2a表示像素元件在第一溫度T1下、以λ2為中心的濾光譜136(1)。圖2b表示同一像素在第二溫度T2下、以λ3為中心的濾光譜136(2)。比較圖2a和2b表明，隨著像素元件溫度的改變，像素元件的濾光譜僅僅在波長上移動，而在形狀或幅度上改變很小或沒有改變。
一般來說，使近紅外光124的帶寬變窄將提高濾光譜136(1)的波長移動的檢測分辨率。然而，濾光譜的斜率將直接相關(guān)于像素元件的響應(yīng)度，因此，人們可以用多腔濾光器來制造像素元件，它能提供具有十分陡的斜率的濾光譜，同時不一定要使帶寬變窄。在像素元件陣列118對到來的近紅外光124進行濾波之后，已濾波的近紅外光130通過參考濾光器110，后者僅通過已濾波的近紅外光130的窄帶寬。圖2a表示窄帶近紅外光(即，參考濾光器的光譜)的濾光譜134，以及在像素元件陣列118中的一個像素元件的濾光譜136(1)。陰影重疊區(qū)表示到達近紅外檢測器114的近紅外光的波長譜。圖2b表示相同的兩個譜，其中，由于入射紅外能量的改變，使像素的光譜136(2)從λ2移動到λ3。在陰影重疊區(qū)中的變化量表示入射紅外能量的變化量。圖3a和3b表示紅外能量的變化相同，但是參考濾光器110具有極陡的斜率(接近激光器的斜率)，波長譜134更窄。將圖2a和2b跟圖3a和3b比較表明，由于對于相同的紅外能量變化的更大重疊百分比差值，通過具有陡斜率光譜的紅外光更容易檢測紅外能量的給定變化。
參考濾光器110是具有(例如)850納米(nm)的中心波長和(例如)0.5至0.9納米的固定帶寬的熱-電可調(diào)諧窄帶濾光器。參考濾光器110靠近像素元件陣列118，使得參考濾光器110和像素元件陣列118的溫度將緊密地互相跟蹤，以減小因不同環(huán)境溫度而產(chǎn)生的誤差。
跟隨在參考濾光器110之后，已濾波的近紅外光130通過聚焦透鏡112，后者將已濾波的近紅外光130聚焦到近紅外檢測器114上。近紅外檢測器114產(chǎn)生與聚焦透鏡112所投射的近紅外光的2維圖像相對應(yīng)的電信號132。在某些情況下，例如，當(dāng)FPA 108被直接地堆疊在近紅外檢測器114上時，可以取消聚焦透鏡112。聚焦透鏡112還可以被用來“擴大”或放大FPA 108的圖像，使得可以把大的近紅外CCD或CMOS陣列用作近紅外檢測器114，以便提高投射的圖像中的信噪比(SNR，signal-to-noise ratio)。通過把多個CCD或CMOS像素元件對應(yīng)于一個“被顯示的”熱像素，即，通過使用來自多個CCD或CMOS像素元件的組合信號，經(jīng)由諸如濾波、平均等在業(yè)界中熟知的數(shù)字圖像處理技術(shù)，來降低CCD或CMOS的固有噪聲，就能提高信噪比。
熱成像儀的整體性能可以用下列公式來建模來自景物環(huán)境的紅外輻射功率PIR＝σTe4紅外吸收器吸收的功率Pa＝PIR·αIR·A沒有紅外照射時的像素元件濾光器溫度Tf0有紅外吸收時的像素元件濾光器溫度Tf=PaK+Tf0]]>像素元件濾光器溫度的變化量ΔTf＝Pa/K沒有紅外照射時的像素元件濾光器波長λf(Tf0)
有紅外照射時的像素元件濾光器波長λf(Tf)=λf0+dλfTf·ΔTf]]>參考波長處的像素元件濾光器透射If＝If(λf)已調(diào)制的光學(xué)信號功率Pm＝Pr·Ir·If因此，如果景物環(huán)境的溫度變化，則在FPA后面的近紅外光學(xué)信號將被調(diào)制，因此NIR可以檢測到變化ΔPm=Pr·Ir·dIfdλf·dλfdTf·αIR·Te3·AK·ΔTe]]>近紅外信號的相對變化為ΔPmPm=Pr·IrdIFdλf·dλfdTf·αIR·Te3·AK·ΔTPr·Ir·If(λf0)=dIfdλf·dλfdTf·αIR·Te3·AkIf(λf0)·ΔT]]>整個紅外攝像機系統(tǒng)100的靈敏度取決于近紅外檢測器陣列的靈敏度。假定近紅外檢測器陣列的靈敏度為η(例如，10-3等)，則系統(tǒng)的噪聲等效溫度差(NETD，noise equivalent temperaturedifference)為NETD=If(λf0)dIfdλf·dλfdTf·αIR·Te3·AK·η=1{ln(10)10·d[10·log(If)]dλf|λf0}·dλfdTf·αIR·Te3·AK·η]]>從以上方程式可以明顯地看出，在濾光器透射的斜率越陡，濾光器的溫度可調(diào)諧性越高，以及來自像素元件的更小熱泄漏是導(dǎo)致小的NETD的重要像素參數(shù)。小的NETD為攝像機系統(tǒng)100帶來更大的溫度分辨率和更好的靈敏度，由此帶來較好的熱成像整體品質(zhì)。
在FPA中使用的可調(diào)諧Fabry-Perot濾光器已經(jīng)呈現(xiàn)出高達30dB/nm的透射斜率。在850納米(nm)的中心波長處，通?？梢缘玫降统杀镜墓鈱W(xué)載波源，同時可以應(yīng)用廉價的CMOS和CCD成像儀，這些濾光器(相對于溫度)的波長可調(diào)諧性已經(jīng)被示出為大約每度0.06納米(nm)。
例如，假定用于所述實施例的像素柱的氧化硅或氮化硅材料(或者可替代的聚合物材料)典型地具有0.1W/m·K的熱傳導(dǎo)率。在所述實施例中，所述柱的直徑為5微米(μm)，高為10微米，由此得到熱傳導(dǎo)率為2×10-7W/K。在所述實施例中，每一個像素具有625平方微米(μm2)的表面積，由此得到噪聲等效溫度差為NETD=4.3e9·ηαIR·Te3]]>假定像素吸收率為70％，CMOS或CCD成像儀的靈敏度為1/2000，景物背景溫度為300K，則結(jié)果NETD為0.11K。隨著景物背景溫度的增加，NETD將急劇地提高。當(dāng)Te為700K時，NETD為9mK。這意味著所述攝像機可以在熱物體上檢測到比冷物體更精細的細節(jié)。而且，增加像素尺寸、成像儀靈敏度或像素絕緣，都可以被用來進一步地提高熱成像儀的溫度分辨率。
最后，由于熱-光可調(diào)諧窄帶濾光器的可實現(xiàn)的響應(yīng)度處于100％/K的數(shù)量級，所以使用這種濾光器系統(tǒng)建立的成像系統(tǒng)可以被構(gòu)成為具有顯著地高于典型的無冷卻測輻射熱陣列成像儀的2.5％/K的溫度分辨率。可替代地，這個優(yōu)點可以被用來進一步地簡化設(shè)計和制造工藝，以便使生產(chǎn)過程產(chǎn)量最大化，同時降低生產(chǎn)成本。
紅外攝像機所依據(jù)的熱傳感器的相對高溫度分辨率還可以用于其它應(yīng)用，下面將對此進行更詳細的說明。
近紅外源所述的紅外攝像機系統(tǒng)100依靠窄帶近紅外光以檢測來自待成像景物128的紅外光126的能量變化。在所述實施例中，近紅外源102是發(fā)光二極管(LED，light emitting diode)，其產(chǎn)生中心約為850納米(nm)的中等帶寬近紅外光。與跟隨在FPA 108之后的參考濾光器110耦合的LED在檢測器陣列114處產(chǎn)生窄帶近紅外光。
雖然參考濾光器110被放置在FPA 108的后面，但是參考濾光器110可以位于LED和近紅外檢測器陣列114之間的近紅外光路上的任何位置。把參考濾光器110放在熱學(xué)上緊靠FPA 108的位置上的優(yōu)點在于，它的溫度將緊密地跟蹤FPA 108的溫度。如果FPA和參考濾光器的可調(diào)諧性系數(shù)相同或接近相同，就不需要用TEC或其它類似的裝置來控制它們的溫度。由于濾光器110或FPA 108的溫度變化(另一部件沒有相應(yīng)的溫度變化)都會產(chǎn)生圖2a和2b所示的重疊區(qū)域的變化，參考濾光器110和FPA 108之間的溫度跟蹤是重要的。攝像機系統(tǒng)100將把重疊區(qū)域的這種變化誤認為是入射紅外輻射的變化。因此，如果把參考濾光器110放在其它位置上，例如緊跟在LED102的后面，可能需要沿FPA 108和參考濾光器110之間的反饋電路來為參考濾光器110設(shè)置熱-電冷卻器，以便使這兩個部件的溫度緊密地互相跟蹤。
人們可以使用發(fā)出大約850納米(nm)的光的激光器來代替使用具有參考濾光器的寬帶源。由于激光器產(chǎn)生具有十分陡的斜率的足夠窄光譜，所以不需要用參考濾光器來使近紅外光譜進一步地變窄。(如上所述，)雖然這種極端窄的光譜導(dǎo)致對紅外變化的高靈敏度，但是仍然需要某些類型的激光器和FPA之間的反饋電路，以保證激光器和FPA的溫度互相跟蹤，使得來自激光器的光的中心波長跟蹤FPA濾光器的通帶。大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的波長都隨溫度而變化。某些激光器，諸如某些垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL，vertical cavitysurface emitting laser)表現(xiàn)出與FPA濾光器的可調(diào)諧性非常接近的可調(diào)諧性(波長相對于溫度的變化，即，nm/K)，由此，人們可以用一種校準過程來消除對這樣的反饋電路的需求，以避免環(huán)境溫度變化的負面效果。
焦平面陣列(FPA)圖4a表示在真空中封裝的焦平面陣列(FPA)封裝108的截面。FPA 108包括對紅外和近紅外輻射透明的紅外窗口116，以便允許來自景物128的紅外光以及來自近紅外源102的近紅外光124無阻礙地或接近無阻礙地通往FPA 108的下層部件。紅外窗口116還在FPA封裝108的頂部表面提供密封邊界。所述實施例使用在兩面涂覆的ZnSe窗口來降低紅外光的反射率。所述涂層對紅外和近紅外光二者都是透明的或接近透明的。
FPA 108的基本部件包括用作所有像素的支撐底座的襯底、用作檢測元件的可熱調(diào)諧濾光器、至襯底的小的熱傳導(dǎo)路徑以及用于吸收紅外光以便在濾光器中產(chǎn)生熱的材料(這種材料可以是濾光器本身)。FPA的一種結(jié)構(gòu)示于圖4a。
FPA 108包括像素元件陣列118，它們中的每一個都被具有低的熱傳導(dǎo)率的柱146支撐，該柱在像素與支撐襯底120之間提供熱隔離。圖5表示像素元件陣列118的一部分的頂視圖。每一個個別的像素148在形狀上都是六邊形的，單個支撐柱146被示出為一個折線圓。在所述實施例中，像素150的寬度約為50微米(μm)，并且所述柱的直徑為5微米。各像素148之間的溝槽152對各像素148進行互相之間的熱隔離，以避免熱串?dāng)_。由這種結(jié)構(gòu)提供的熱隔離導(dǎo)致像素元件118對入射紅外輻射的靈敏度的提高。
穿過各像素元件之間的溝槽152的近紅外光不受到各像素元件的熱可調(diào)諧的濾光器的調(diào)制，因此可以沖淡或干擾由近紅外檢測陣列116檢測到的已調(diào)制信號。如圖4b所示，反射層200僅被淀積在襯底120上直接位于各像素148之間的溝槽152下面的區(qū)域中。所述反射層防止未經(jīng)調(diào)制的近紅外光穿過襯底，而不干擾通過各像素的已調(diào)光。當(dāng)準備將FPA用于透射方式時，即，當(dāng)近紅外光穿過FPA時，才使用反射層200。當(dāng)FPA用于反射方式時，可以使用吸收層或抗反射涂層來取代反射層。這樣一種反射、吸收或抗反射涂層可以是金屬、氧化金屬或電介質(zhì)多層涂層，并且當(dāng)通路十分窄(導(dǎo)致高的填充因子)時，就不需要這一層。人們還可以利用這一層來提高濾光器的響應(yīng)性，例如，使用反射層作為一面鏡子，像素元件的氣隙和底層作為腔體，以及在像素元件中或其上的另一面鏡子。人們還可以利用氣隙和像素濾光器來形成多腔濾光器。
支撐像素元件陣列118的襯底120對近紅外光來說是透明的，因此，被像素調(diào)制的近紅外光束可以通過FPA 108。襯底120還具有高的熱傳導(dǎo)率，以便為各像素148提供良好的熱地平面。襯底120因此分配來自特定像素或像素組的熱，以避免相鄰像素的熱偏置。在所述實施例中，襯底120由光學(xué)級藍寶石制成。襯底120包括涂覆在無FPA的一面(即，襯底上不支撐像素陣列的一面)上的抗反射涂層。這個涂層增加了到達近紅外檢測器陣列114的近紅外光的量，并且減小了FPA濾光器頻譜中由反射引起的條紋。襯底的有FPA的一面還可以包括抗反射涂層。所述涂層被選擇為在近紅外波長范圍內(nèi)為抗反射的，并且在紅外范圍內(nèi)為高度反射性的，為紅外光提供“雙重通過”，以便得到較高的吸收率。所述襯底不限于藍寶石。在透射方式下，可以使用導(dǎo)熱的和對近紅外光透明的任何襯底，并且，(如同這里所描述的那樣)，CMOS或CCD檢測器可以被用作襯底。在反射方式下，不要求襯底對近紅外光透明，因此，例如，可以使用硅晶片。
紅外窗口116通過置于像素元件陣列118外周的金屬框140接合到像素陣列襯底120。金屬框140由銦(或其它焊接材料)制成，在制造過程中，當(dāng)經(jīng)受適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫l件時，金屬框140被接合到紅外窗口116和襯底120。在下面描述FPA真空封裝的一節(jié)中，將提供這種接合工藝和其它FPA制造步驟的細節(jié)。
如圖4a所示，參考濾光器110被淀積在參考濾光器襯底142上，并且位于緊靠像素陣列襯底的背面。參考濾光器襯底142上的FPA108(即，被接合到像素陣列襯底120的紅外窗口116)和參考濾光器110被封裝在TEC 122內(nèi)。這個TEC 122將FPA 108和參考濾光器110的溫度保持在恒定或接近恒定的溫度。選擇特定的溫度，以便降低或消除參考濾光器110和FPA 108之間的溫度差，或者，如果參考濾光器是一個固定的濾光器(即，不隨溫度而改變)，則增加所述系統(tǒng)的動態(tài)范圍。如果FPA 108和參考濾光器110的可調(diào)諧性系數(shù)相同或接近相同，則不需要TEC 122。
近紅外檢測器陣列114是市售的CCD或CMOS攝像機，它接收已濾波的近紅外光束130并且產(chǎn)生電信號，后者表示經(jīng)由來自FPA108的近紅外光束130投射到陣列114上的2維圖像。近紅外檢測器陣列114具有可以用十分簡單和高產(chǎn)量的制造工藝來生產(chǎn)的像素結(jié)構(gòu)。還有，這樣的檢測器陣列是商業(yè)上開發(fā)成熟的、快速地演進和改進的、并且通常被認為是商品項目。因而，跟市售的紅外成像系統(tǒng)相比，近紅外檢測器陣列114是廉價的和易于制造的。
像素柱可以用多種設(shè)計和材料來實現(xiàn)從像素元件到襯底的小的熱傳導(dǎo)路徑。在所述實施例中，像素柱146是中空的。增加像素148的熱隔離提高了像素148對入射紅外輻射的靈敏度。中空的柱146對像素146的熱隔離來說是主要的貢獻者。
圖6a至6h表示上述像素柱146的制造工藝。
開始，襯底120的有FPA的一面(即，將支撐像素陣列118的一面)上的鈦(Ti)層用于促進淀積工藝中通過經(jīng)受熱循環(huán)而后續(xù)淀積的材料的粘著。然后，如圖6a所示，在襯底120上淀積犧牲層160。在所述實施例中，襯底120由藍寶石制成，并且犧牲層160由具有比藍寶石更高的蝕刻速率的材料(例如，氮化硅(SiNx)、聚酰亞胺等)制成。
如圖6b所示，在已經(jīng)淀積犧牲層之后，使用例如“Bosch”工藝的深度反應(yīng)離子蝕刻(DRIE，deep reactive ion etch)工藝，在犧牲層上垂直向下蝕刻柱孔162。這個工藝使用一種垂直蝕刻和鈍化步驟的交替序列，使得柱孔162的側(cè)壁由聚合物層保護而免受進一步的水平蝕刻。犧牲層可以是聚合物材料。如果所述聚合物是光敏性的，則在已經(jīng)使用業(yè)界所熟知的照相平板印刷術(shù)而確定各孔之后，可以用化學(xué)蝕刻工藝來蝕刻柱孔162。
然后，如圖6c所示，在犧牲層和柱孔162上共形地淀積氧化硅(SiOx)保護層164。可替代地，保護層164由其它具有低熱傳導(dǎo)率的材料(例如，非晶硅、氮化硅、或多種其它材料都適用)制成。所述保護層具有近紅外光的四分之一波長的偶數(shù)倍(典型地為2或4倍)的光學(xué)厚度。可以控制淀積工藝的參數(shù)(例如，溫度、壓力、流量等)，使得保護層164在靠近柱孔162頂部的位置上被“夾緊”165，由此，在柱孔162內(nèi)留下空隙。通過在柱孔162的頂部使保護層164變厚來實現(xiàn)夾緊，以便使柱孔162閉合或接近閉合。雖然通過調(diào)整相關(guān)的淀積工藝，可以在圓柱形孔中出現(xiàn)夾緊，但是可通過改變柱孔162的側(cè)壁的形狀(例如，底切而使得隨著孔的深度增加，孔的直徑變大)來增強夾緊的效果。
在完成該共形淀積之后，如圖6d所示，在保護層164上制造濾光器166。在這個實施例中，濾光器為多層結(jié)構(gòu)，諸如在題為“IndexTunable Thin Film Interference Coating”的美國專利申請?zhí)柕?0/666,974號中所描述的那樣，上述專利申請在此通過參考而并入。為了在FPA中獲得多種響應(yīng)和時間常數(shù)，大量的改動都是可能的。所描述的實施例使用一種由非晶硅(a-Si)和非晶氮化硅(a-SiNx)淀積的簡單單腔Fabry-Perot結(jié)構(gòu)。4對鏡足以提供具有可接受的插入損耗的窄帶濾光器功能4對四分之一波長(近紅外)a-Si+a-SiNx，然后是4個四分之一波長的a-Si的腔(或“缺陷”)，然后是4對四分之一波長的a-SiNx+a-Si。使用能提供高級a-Si半導(dǎo)體材料(對應(yīng)于在近紅外范圍內(nèi)的低光學(xué)損耗)的PECVD工藝，并且，在與犧牲a-SiNx層相比更能促進對RIE的耐受力的生長條件下，來生長這些層。
在把濾光器166淀積到襯底120上之后，淀積掩膜層168(例如，鋁)。柱孔162頂部的夾緊165使濾光器層166在柱孔162頂部保持平面，并且避免濾光器層向下延伸到柱內(nèi)。這是重要的，因為如果濾光器層166向下延伸到柱內(nèi)，則掩膜層在濾光器的表面上就不能保持連續(xù)，即，在柱孔處將形成掩膜層168中的孔，允許后繼的工藝步驟中的蝕刻劑腐蝕環(huán)繞所述柱的緊鄰區(qū)域中的濾光器材料。如上所述，只要夾緊區(qū)窄到足以防止濾光器166顯著地延伸到柱孔162內(nèi)，就不需要完全夾緊柱孔162的頂部。
然后，如圖6e所示，在掩膜層168上構(gòu)圖，以定義用于隔離個別的像素的窄溝槽152的網(wǎng)絡(luò)。如圖6f所示，通過使用干蝕刻工藝，對濾光器166和保護層164進行垂直蝕刻。更具體地說，使用一種反應(yīng)離子蝕刻，其中，蝕刻氣體是，例如，CHF3和O2的組合物。這些氣體之間的反應(yīng)，在所述工藝中使用的等離子體，以及被去除的濾光器材料自然地在濾光器166的剩余島的側(cè)壁上形成保護層(例如，聚合物172)。隨著蝕刻垂直地繼續(xù)進行，所述聚合物材料172保護濾光器免受水平蝕刻。
其次，如圖6g所示，蝕刻條件發(fā)生改變，并且犧牲層160被水平蝕刻掉。更具體地說，在濾光器166被蝕刻之后，蝕刻氣體被切換到CF4和O2，這兩種氣體在SiNx犧牲層中產(chǎn)生各向同性蝕刻。其它蝕刻配方可以用于其它犧牲材料，例如，使用氧等離子體來蝕刻聚合物或聚酰亞胺，或者使用濕法蝕刻工藝來蝕刻金屬、聚合物、SiNx等。
蝕刻停止于保護層164。這種工藝導(dǎo)致形成中空柱174。如圖6h所示，用適當(dāng)?shù)奈g刻工藝來去除掩膜層168，并且可以在像素148的表面上淀積紅外吸收層176。在某些情況下，濾光器材料本身被選擇為紅外吸收的(或者在感興趣的波長范圍內(nèi)為吸收性的)，在這種情況下，就不需要吸收層176。在所述實施例中，雖然可以使用業(yè)界所熟知的透明導(dǎo)電氧化物或其它紅外吸收材料作為吸收層176，吸收層是厚的氮化硅層。
中空柱結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是非常低的熱泄漏和機械牢固性。由于柱是中空的并且熱僅沿著薄的圓柱形外殼傳導(dǎo)，所以從像素148到襯底120的熱泄漏是非常低的。
為了降低像素柱174的熱傳導(dǎo)率，可以改變保護層164的組成以增加其多孔性。例如，可以使用一種硅氧碳化物材料。可替代地，可以用業(yè)界所熟知的多種摻雜物中的任何一種來摻雜保護層164，以便降低它的熱傳導(dǎo)率，或者柱壁可以被劃線或被加上紋理，以便降低它們的熱傳導(dǎo)率。
犧牲層160的厚度(因而是濾光器層166和襯底之間所形成的空間的高度)影響FPA的性能。這是因為襯底120不是完全透明的，穿濾波光器層166前往襯底120的近紅外光的某些部分反射回濾光器166。因此，(根據(jù)近紅外光的波長范圍)來選擇犧牲層的厚度，使得濾光器層166和襯底120之間所形成的空間成為一個“缺席者層”(例如，近紅外光的四分之一波長的偶數(shù)倍)，上述“缺席者層”將不支持在近紅外波長處的諧振。濾光器層166和襯底120之間的空間還可以被設(shè)計成為具有多腔濾光器體系結(jié)構(gòu)的濾光器堆疊中的一層，以便進一步地提高所述濾光器的響應(yīng)性。
可以使用其它技術(shù)來制造像素元件和柱結(jié)構(gòu)。例如，圖7a至7f表示具有實芯柱的像素的制造工藝。在圖7a中，在氧化硅晶片167或操作晶片的氧化層169上生長吸收器171和濾光器173，并且隨后濾光器173和吸收器171被構(gòu)圖和蝕刻，使得孔175被蝕刻到每一個像素元件的中心。氧化層169起到停止蝕刻的作用，使得濾光器173和吸收器171的蝕刻受到良好的控制。在圖7b中，在晶片167上淀積隔熱和紫外線敏感材料177(例如，SU8光致抗蝕劑)。在圖7c中，另一晶片179被粘合到所述隔熱和紫外線敏感材料177，并且因此，吸收器171、濾光器173和隔熱材料177被層疊在兩個晶片(167和179)之間，整個樣品被反裝，以便進行進一步的加工。在圖7d中，通過拋光和化學(xué)或干法蝕刻的組合，操作晶片167的硅已經(jīng)被去除。氧化層169再次起到停止蝕刻的作用。在圖7e中，樣品曝露于紫外線，使得SU8光致抗蝕劑在已曝光和未曝光部分之間具有蝕刻選擇性。由于濾光器材料(非晶硅)對紫外線不透明，所以濾光器173被用作光掩膜。SU8是一種負性材料，因此，在曝光于紫外線之后，在原來的開孔175中和下面的SU8將變得比未曝光于紫外線的區(qū)域更硬一些。隨后，氧化層169、濾光器173和吸收器171被構(gòu)圖和被蝕刻為個別的像素，每一個像素元件都被溝槽181所環(huán)繞。在圖7f中，未曝光的SU8區(qū)域被去除，留下通過柱體183連接到襯底的浮動像素。
制造技術(shù)的另一個實例示于圖7g至圖7i。在圖7g中，在襯底185上生長厚的氮化硅層187或其它材料，并且其后生長濾光器189和吸收器191。在圖7h中，吸收器191和濾光器189被構(gòu)圖和蝕刻，使得每一個像素都被溝槽193所環(huán)繞。在這個階段，還可以對氮化硅層187進行垂直蝕刻，但是濾光器的背面不被蝕刻。在圖7i中，氮化硅層187被各向同性地蝕刻，使得只有中心柱195被保留在濾光器189的下面。
又一種制造技術(shù)示于圖7j至圖7r。在圖7j中，在襯底197上淀積吸收器203、濾光器201和犧牲層199。在圖7k中，吸收器203、濾光器201和犧牲層199被構(gòu)圖和蝕刻為孔陣列。在圖7l中，諸如二氧化硅的隔熱材料層205被共形地淀積在晶片之上。在圖7m中，所述隔熱材料被構(gòu)圖和蝕刻，使得具有氣塞207的SiO2柱被保留。在圖7n中，吸收器203和濾光器201被構(gòu)圖和蝕刻為各像素元件，在各像素元件之間生成溝槽209。在圖7o中，犧牲層材料被去除，留下挺立在柱211上的像素元件。
可以通過多種方法來改變這種工藝。幾種這樣的改變的結(jié)果示于圖7p，7q和7r。在圖7p中，在蝕刻SiO2層之后，淀積吸收器。這種方案導(dǎo)致更高的牢固性和更好的填充因子。在圖7q中，濾光器和吸收器二者都被淀積在犧牲層上。在圖7r中，濾光器本身被用作柱。
FPA的真空封裝一旦在襯底120上已經(jīng)制成了像素元件陣列118，所述像素元件陣列118、襯底120和紅外窗口116就作為單個單元進行真空封裝以形成FPA 108。
圖8a表示預(yù)制的晶片180，在其上已經(jīng)淀積和制造了多個像素陣列118。各陣列118被“空街”182所分隔，空街簡單地是沒有像素、柱和其它結(jié)構(gòu)的裸襯底120的寬條。
圖8b所示的用于真空封裝的部件包括預(yù)制的晶片180、密封框184和紅外窗口圓盤186。通過業(yè)界所熟知的模鑄或其它技術(shù)(例如，薄膜淀積)來形成密封框184，使得框184的水平和垂直部件對應(yīng)于晶片180上的街182。
如圖8c所示，密封框184(由銦制成，也可以使用可替代的焊接材料)和晶片180被對準，使得密封框184被置入晶片180上的像素陣列118之間的街182內(nèi)，并且紅外窗口圓盤186被放置在密封框184的頂上。這種“層狀”結(jié)構(gòu)被置入真空爐中，通過抽氣使爐內(nèi)的氣壓顯著地低于大氣壓力，然后加熱到銦框軟化并且開始粘合到晶片180和紅外窗口圓盤186的溫度。放置在紅外窗口圓盤186頂部的重物188控制已軟化的銦框的展延量。在這些條件下，密封框184變?yōu)榘l(fā)粘的，并且將粘貼到晶片180和紅外窗口圓盤186的表面上。然后降低爐溫使密封框184硬化。晶片180、密封框184和紅外窗口186由此形成真空密封的FPA陣列，隨后，上述FPA陣列被分為各FPA單元，其中之一示于圖4。
封裝中的小的泄漏和淀積層的氣體排出可能使FPA 108內(nèi)的真空度降低。隨著真空度降低，從像素元件向外的熱傳導(dǎo)提高以及降低它們的靈敏度。為了減輕小的泄漏和氣體排出，在進行真空密封之前，將一種吸氣材料淀積到FPA封裝內(nèi)的選定表面上。吸氣材料進行動作，以俘獲額外的氣體，并將所述氣體轉(zhuǎn)換為固體，由此使FPA封裝內(nèi)的壓力(以及隨后是熱隔離)保持低。適當(dāng)?shù)奈鼩獠牧显跇I(yè)界中是眾所周知的。
制造和封裝FPA的一種工序的梗概被包括在附錄A中。這個工序產(chǎn)生實芯像素柱，并且在用蝕刻工藝來規(guī)定各像素柱之前對晶片進行切割。還有，這種工序個別地(而不是在晶片水平上)封裝各FPA單元。
制造FPA的另一種工序的梗概被包括在附錄B中。這個工序產(chǎn)生中空像素柱。
可替代的實施例圖9表示一種攝像機系統(tǒng)，其中，F(xiàn)PA運行于不同于圖1所示系統(tǒng)所使用的透射方式的反射方式。在反射方式下，LED 102和準直透鏡104引導(dǎo)準直的近紅外光124到達分光器106a，分光器106a再引導(dǎo)近紅外光到達FPA 108。近紅外光124通過參考濾光器110到達像素元件陣列118。不透過像素元件陣列118的近紅外光通過參考濾光器110、通過分光器106a、通過聚焦透鏡112反射回來，并且被聚焦到近紅外檢測器陣列114上。紅外透鏡129把來自待成像的景物128的紅外能量通過襯底120聚焦到像素元件陣列118上。在反射方式下，近紅外光124不需要通過FPA，所以不要求所述襯底在近紅外波長范圍內(nèi)為透明。因此，襯底可以由諸如硅的材料制成，硅對近紅外光是不透明的，但是比藍寶石便宜。
在所述實施例中，準直透鏡104由產(chǎn)生非均勻透射圖案的近紅外源(LED)向FPA提供均勻照明。可替代地，所述LED可以使用擴散透鏡來平滑透過率的不均勻性。
為了消除在光路中需要反射鏡106，用于產(chǎn)生近紅外光的LED可以被納入到紅外透鏡內(nèi)，如圖10所示。LED 210被嵌入到紅外透鏡212的中心，并且通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)工程，紅外透鏡212被形成在LED 210的附近，以產(chǎn)生均勻的近紅外光以照明FPA。
類似地，如圖11所示，LED 214可以被嵌入到運行于反射方式的紅外攝像機系統(tǒng)的聚焦透鏡216中。
取代使用反射鏡，人們可以使用應(yīng)用于FPA 108上的紅外窗口的外表面的光柵層220來重新引導(dǎo)來自偏離一個角度的LED的近紅外光，如圖12所示。這種光柵中的一種就是體積相位全息光柵。對于近紅外光124(相對于FPA的表面)的特定角度來選擇全息光柵的線間隔，并且對波長較長的紅外光126的影響很小。可替代地，可以使用菲涅耳(Fresnel)透鏡作為光柵層220，用于重新引導(dǎo)近紅外光124，并由此取消了反射鏡106。
為了生成集成度更高的紅外攝像機系統(tǒng)，人們可以將FPA與近紅外檢測器陣列更緊密地聯(lián)結(jié)在一起?？梢酝ㄟ^至少兩種方法來完成這種聯(lián)結(jié)。一種方法是直接在近紅外檢測器陣列114上制造像素元件陣列118，由此得到單個集成器件?？商娲?，F(xiàn)PA可以與近紅外檢測器陣列114分開來制造，并且把這兩個部件組合到單個真空密封封裝內(nèi)，如果為這兩個部件選擇的制造技術(shù)不兼容，則這種方法是必需的。
所依據(jù)的原理的其它應(yīng)用作為這里所描述的紅外攝像機系統(tǒng)的基礎(chǔ)的熱傳感器表現(xiàn)出高度的響應(yīng)性，并且是可以使用具有良好特性的材料和工藝來進行高產(chǎn)量的制造的。一般來說，探測信號的波長不限于特定范圍，并且在熱可調(diào)諧濾光器處產(chǎn)生熱變化(如果有的話)的信號的波長也不限于特定范圍。這種基于濾光器的熱傳感系統(tǒng)(除了這里所描述的紅外攝像機系統(tǒng)以外)包括但不限于高靈敏度的遠程讀出溫度計?；诳烧{(diào)諧濾光器的熱傳感器可以被用來建立十分精確的溫度計，它的一個實例示于圖13?？梢栽谧杂煽臻g或通過光纖以光學(xué)方法來查詢這個溫度計。在一種光纖的配置中，可以把多個傳感器串成單個“總線”或“星形”配置、用于結(jié)構(gòu)或油/氣井中的分布式溫度傳感。
圖13表示遠程讀出溫度計的一般體系結(jié)構(gòu)。窄帶近紅外源230引導(dǎo)近紅外載波信號232通過熱可調(diào)諧濾光器234。如這里所描述那樣，所述可調(diào)諧濾光器234根據(jù)濾光器的溫度對載波信號232進行“調(diào)制”(即，濾光)。來自緊鄰的局部環(huán)境或者來自某些其它源的紅外輻射240加熱濾光器234?？商娲?，可以通過紅外輻射以外的其它機制(例如，傳導(dǎo)、對流等)來加熱濾光器。近紅外檢測器238接收已調(diào)制的載波236，從中測量對應(yīng)于濾光器234的溫度的已調(diào)制載波236的強度。近紅外檢測器產(chǎn)生電信號，其中的一個參數(shù)(諸如電壓、電流、頻率等)對應(yīng)于濾光器234的溫度。
下面所描述的溫度傳感器的所有應(yīng)用都使用基本上相同于圖13所描述的體系結(jié)構(gòu)和功能。
流量傳感和成像。一種或多種光學(xué)熱傳感器可以被用來檢測流量或流量圖形。一種用于測量流量的技術(shù)是使用加熱元件來加熱流動物體的特定點，并且測量所述流動物體的上游點和下游點的溫度，這兩點相對于加熱元件來說是等距離的。如果沒有物體流動，則在上游點和下游點的溫度是相等的。隨著流量的增加，流動材料把熱量從上游點傳送到下游點，使得下游點的溫度高于上游點。所述流量與這兩點之間的溫度差成正比。
光學(xué)熱傳感器可以被用來遠程地和精確地測量上述兩點的溫度。用光學(xué)方法而不是依賴于電氣連接來讀取熱傳感器的溫度的能力，是用于測量位于遠方的流量、或者用于測量腐蝕性或危險性物品的一種有價值的特征。熱傳感器可以采取離散點、完整片的形式，或者采取為特定的應(yīng)用所需的任何其它形狀?？商娲?，熱傳感器可以被用來檢測由于摩擦生熱、氣體壓縮或氣體減壓所導(dǎo)致的局部產(chǎn)熱或冷卻。對于微尺度環(huán)境來說，這種以非常高的空間和熱分辨率來測量溫度的熱傳感技術(shù)在形成用于化學(xué)和生物學(xué)傳感和發(fā)現(xiàn)的微流體系統(tǒng)方面是十分有用的。熱傳感器可以直接地以微尺度的形式施加于流體的表面，而不需要復(fù)雜的構(gòu)圖步驟。隨后，可以遠程地和無損傷地進行溫度讀出。
加速度計。光學(xué)讀取熱傳感器可以用于熱加速度計，后者通過例如監(jiān)測被加熱空氣的密封氣泡周圍的溫度變化來測量加速度。加速度或者氣泡的傾斜根據(jù)刺激的方向，在氣泡周圍的不同方向上產(chǎn)生被加熱空氣的流動(并且因此產(chǎn)生溫度梯度)。溫度傳感器測量由于流動而產(chǎn)生的溫度變化?；谑褂脠D13所示的體系結(jié)構(gòu)和原理的光學(xué)傳感器的系統(tǒng)在對加速度或傾斜進行測量時可以提供高數(shù)倍的靈敏度。還有，熱傳感器可以直接地以微尺度施加于與流體有關(guān)的表面上，而不需要復(fù)雜的構(gòu)圖步驟，因此，可以遠程地和無損傷地進行溫度讀出。
通用輻射傳感器。已知特定材料可以吸收各種波長的電磁輻射，并且把所述輻射轉(zhuǎn)換為熱能。這些材料可以被連接到上述的光學(xué)讀取熱傳感器，以便提供使用圖13中所描述的體系結(jié)構(gòu)和原理的十分靈敏的電磁檢測器。例如，已經(jīng)證明，可以使用靈敏的微熱量計來進行X射線檢測和分析。使用這種光學(xué)讀取溫度傳感器(即，因為沒有電連接)，這樣一種熱量計可以進一步地被隔熱，并且所述可調(diào)諧的膜提供非常高的響應(yīng)性。這樣一來，上述光學(xué)讀取溫度傳感器可以被用來構(gòu)建高度靈敏的輻射檢測器。
還可以采用這種技術(shù)來檢測毫米波(例如，THz)和微波輻射。某些波長需要每一個個別的傳感器上的耦合天線(即，類似于在所述實施例中的紅外吸收材料)以便把入射輻射轉(zhuǎn)換為熱。為了避免妨礙探測光束，所述天線可以由對探測光束透明的導(dǎo)電氧化物制成，或者所述天線可以使用業(yè)界所熟知的微帶、金屬補片或其它低外形設(shè)計。
化學(xué)或生物活性傳感器。一種或多種使用圖13所描述的體系結(jié)構(gòu)和原理的光學(xué)讀取熱傳感器可以被用來檢測產(chǎn)生或消耗熱量的化學(xué)或生物活性。這里所描述的光學(xué)傳感器對這種應(yīng)用來說具有兩大優(yōu)點。首先，光學(xué)傳感器可以使用光學(xué)載波信號遠程查詢，允許化學(xué)或生物系統(tǒng)的簡單設(shè)計，并且允許對用于這些系統(tǒng)的微熱量計的更高水平的隔熱。由于這些微熱量計其中之一中的反應(yīng)而產(chǎn)生的升溫與通往襯底的導(dǎo)電路徑成反比，因此，金屬電觸點的消除顯著地提高了對溫度變化的靈敏度。再有，遠程查詢允許傳感器被完全地隔離，減小了污染被測量的化學(xué)或生物活性的可能性。其次，所述光學(xué)傳感器對溫度變化是極端敏感的，因此，所述傳感器能夠測量非常小的溫度變化?？傊?，這些優(yōu)點使熱化學(xué)和生物反應(yīng)傳感不僅比電子學(xué)方法靈敏許多倍，而且提供一種簡單得多的設(shè)計，特別是針對用于大規(guī)模普查的陣列結(jié)構(gòu)。
這種概念還可以被用來作為接觸傳感器來分析表面溫度特征，例如，由指紋產(chǎn)生的那些特征。與FPA上的熱吸收器表面接觸的手指在吸收器上產(chǎn)生對應(yīng)于吸收器上的指紋脊圖案的熱圖案。然后，探測光束從FPA的背面被反射并且被探頭檢測器所檢測，因此，來自探頭檢測器的圖像對應(yīng)于指紋脊圖案。類似地可以分析集成電路的表面特征，以便檢測表明故障狀態(tài)或高活動性區(qū)域的熱點。
其它方面、修改和實施例都處于權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
附錄A熱成像儀—FPA制造工藝和真空封裝工藝的詳細說明I.FPA制造1.襯底制備a.開始于光學(xué)級雙面拋光的藍寶石襯底，以便為焦平面陣列(FPA)的均勻“熱地平面”提供近紅外波長范圍內(nèi)的透明度和高的熱傳導(dǎo)率。
b.在50/50的硫酸和過氧化物溶液中清洗藍寶石襯底。
c.向藍寶石襯底的無FPA面涂覆抗反射(AR，anti-reflective)涂層。這個涂層將使到達CMOS或CCD讀出系統(tǒng)的近紅外光量最大化，并去除源自襯底的任何干涉效應(yīng)。
d.在襯底的FPA面淀積50埃(angstrom)的鈦(Ti)層。這個非常薄的金屬層促進其后通過加工過程中所經(jīng)受的熱循環(huán)而淀積的材料的粘合。
2.犧牲層淀積a.在鈦粘合層上淀積5-7微米(μm)的非晶氮化硅層。使用在低溫和低硅含量條件下的等離子體增強化學(xué)氣相淀積法(PECVD)來淀積這一層(“犧牲層”或“柱層”)，以便生成具有高的反應(yīng)離子蝕刻(RIE，reactive ion etch)速率的相對多孔材料。
3.濾光器堆疊淀積a.保護層淀積一層非晶氧化硅，其光學(xué)厚度是近紅外探測波長的四分之一波長的偶數(shù)倍(典型地為2或4倍)。這一層應(yīng)當(dāng)以高密度來淀積，以便提供對抗RIE工藝的固態(tài)壁壘?？梢酝ㄟ^多種方法來淀積這一層；例如，PECVD在相對低的溫度下提供強的涂層。
b.在氧化層的頂部淀積熱可調(diào)諧近紅外濾光器結(jié)構(gòu)。為了在FPA中實現(xiàn)各種響應(yīng)和時間常數(shù)，可能有大量的變動。一個實例就是從非晶硅(a-Si)和非晶氮化硅(a-SiNx)淀積的簡單單腔Fabry-Perot結(jié)構(gòu)。4對鏡足以提供具有可接受插入損耗的窄濾光器功能4對四分之一波長(近紅外)的a-Si+a-SiNx，然后是4個四分之一波長的a-Si的腔(或“缺陷”)，然后是4對四分之一波長的a-SiNx+a-Si。使用提供高級a-Si半導(dǎo)體材料(對應(yīng)于在近紅外范圍內(nèi)的低光學(xué)損耗)的PECVD工藝，并且，在與a-SiNx犧牲層相比更能促進對反應(yīng)離子蝕刻的耐受力的生長條件下，來生長這些層。
4.真空金屬密封圈a.在濾光器堆疊上淀積鈦/鉑層的堆疊并進行構(gòu)圖以形成真空密封圈。采用電子束蒸發(fā)器來淀積所述堆疊，并且通過常用的“提升(lift-off)”方法來構(gòu)圖。
5.像素元件的構(gòu)圖a.鋁蝕刻掩膜應(yīng)用鋁蝕刻掩膜并在濾光器層的頂部進行構(gòu)圖，以便通過暴露“溝槽”使它們分離來定義個別的像素元件。典型地用“提升”方法來施加這種鋁掩膜。
b.像素元件蝕刻采用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)步驟，蝕刻通過各像素元件之間的溝槽區(qū)域中的濾光器堆疊。特別是，采用產(chǎn)生涂覆有聚合物的垂直側(cè)壁的蝕刻配方。在包括眾所周知的“Bosch工藝”在內(nèi)的其它方法中，可以選用CHF3+O2+Ar的蝕刻配方來實現(xiàn)這一點。蝕刻進行足夠長，以便達到淀積在濾光器堆疊下面的a-SiOx保護層。
6.切割a.用光致抗蝕劑來涂覆所述晶片，然后切割為個別的FPA芯片。在切割之后，用溶劑來清除光致抗蝕劑。
7.柱定義a.再次用RIE來蝕刻FPA芯片。首先，使用CHF3+O2+Ar蝕刻，來蝕刻掉溝槽中的任何殘留的SiOx保護層，然后，使用CF4+O2蝕刻，在濾光器薄膜下面進行各向同性蝕刻。由于SiOx保護層，在該工藝中不蝕刻濾光器底層。并且對蝕刻進行定時，使得殘留的犧牲層材料形成所述柱，以支持濾光器薄膜。在這種CF4+O2蝕刻配方中，由最后的蝕刻(CHF3+O2+Ar)形成的聚合物將被腐蝕，因此，重要的是對蝕刻進行控制，以保持溝槽的最小寬度。
8.鋁蝕刻a.芯片被浸入標準的鋁蝕刻劑中，以去除鋁蝕刻掩膜。
II.FPA封裝1.窗口制備a.在兩面上涂覆ZnSe窗口，以減小在8-15微米(μm)波長處的反射率，并且所述涂層在LED工作的近紅外波長上也是透明的。
b.然后在ZnSe窗口上淀積Ti/Pt堆疊，并且用提升法進行構(gòu)圖，以形成用于真空封裝的金屬框。
2.FPA芯片制備a.用稀氫氟酸(HF acid)或稀鹽酸(HCl)來處理FPA芯片上的金屬密封圈的表面，以去除殘留的污染物。
3.密封a.此項工藝在真空室內(nèi)完成。用銦線或其它預(yù)制方法來形成銦框，并放置在FPA芯片上，且與密封圈對準。
b.所述窗口落在所述框和FPA上。并且一個重物被放置在窗口上。所述室被抽成真空，并且通過加熱使銦框熔化。
c.關(guān)掉加熱器。銦再次凝固，同時密封完成。
附錄BI.FPA制造的替代方法1.襯底制備a.開始于光學(xué)級雙面拋光的藍寶石襯底，以便為焦平面陣列(FPA)的均勻“熱地平面”提供近紅外波長范圍內(nèi)的透明度和高的熱傳導(dǎo)率。
b.在50/50的硫酸和過氧化物溶液中清洗藍寶石襯底。
c.向藍寶石襯底的無FPA面涂覆抗反射(AR，anti-reflective)涂層。這個涂層將使到達CMOS或CCD讀出系統(tǒng)的近紅外光量最大化，同時去除源自襯底的任何干涉效應(yīng)。
d.在襯底的FPA面淀積50埃的鈦(Ti)層。這個非常薄的金屬層促進通過在加工過程中經(jīng)受的熱循環(huán)后續(xù)淀積的材料的粘合。
2.犧牲層淀積a.在鈦粘合層上淀積5-7微米(μm)的非晶氮化硅層。使用在低溫和低硅含量條件下的等離子體增強化學(xué)氣相淀積法(PECVD)來淀積這一層(“犧牲層”或“柱層”)，以便生成具有高的反應(yīng)離子蝕刻速率(RIE，reactive ion etch rate)的相對多孔的材料。
3.定義用于柱的孔
a.光致抗蝕劑蝕刻掩膜把光致抗蝕劑蝕刻掩膜應(yīng)用于犧牲層的頂部并且構(gòu)圖，以定義各孔。稍后，SiOx將被淀積到孔中以形成預(yù)定的柱。用普通的圖像反轉(zhuǎn)方法來處理光致抗蝕劑，以形成側(cè)壁的底切剖面。由于SiOx的共形淀積稍后可在頂部閉合，這種剖面是有利的。
b.蝕刻使用CHF3+O2+Ar的蝕刻配方來蝕刻犧牲層。將形成孔。由光致抗蝕劑剖面來控制孔側(cè)壁的剖面。
c.在蝕刻之后，清洗芯片。還用光致抗蝕劑剝離器來去除因蝕刻而形成的聚合物。
4.濾光器堆疊淀積a.保護層和柱層淀積一層非晶氧化硅，其光學(xué)厚度是近紅外探測波長的四分之一波長的偶數(shù)倍(典型地為2或4倍)。該淀積必須是共形的，使得SiOx可以被淀積在犧牲層的孔中。在此項工藝中，這一層用作濾光器保護層和柱材料二者。這一層的淀積應(yīng)當(dāng)在頂部“夾緊”或閉合，因此將在孔中形成一個腔。這樣一來，就能制成中空的柱。
b.在氧化層的頂部淀積熱可調(diào)諧近紅外濾光器結(jié)構(gòu)。為了在FPA中獲得各種響應(yīng)和時間常數(shù)，可能有大量的變動。我們當(dāng)前使用從非晶硅(a-Si)和非晶氮化硅(a-SiNx)淀積的簡單單腔Fabry-Perot結(jié)構(gòu)。4對鏡足以提供具有可接受插入損耗的窄濾光器功能4對四分之一波長(近紅外)a-Si+a-SiNx，然后是4個四分之一波長的a-Si的腔(或“缺陷”)，然后是4對四分之一波長的a-SiNx+a-Si。使用提供高級a-Si半導(dǎo)體材料(對應(yīng)于在近紅外范圍內(nèi)的低光學(xué)損耗)的PECVD工藝，并且，在與a-SiNx犧牲層相比更能促進對反應(yīng)離子蝕刻的耐受力的生長條件下，來生長這些層。
5.真空金屬密封圈a.在濾光器堆疊上淀積鈦/鉑層的堆疊并進行構(gòu)圖，以形成真空密封圈。采用電子束蒸發(fā)器來淀積所述堆疊，并且通過“提升”法來構(gòu)圖。
6.像素構(gòu)圖a.鋁蝕刻掩膜鋁蝕刻掩膜被應(yīng)用于濾光器層的頂部并進行構(gòu)圖，以便通過暴露“溝槽”使它們分離來定義各像素。典型地采用常用的“提升”法來應(yīng)用這種鋁掩膜。
b.像素的蝕刻采用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)步驟，蝕刻通過溝槽區(qū)域中的濾光器堆疊。特別是，使用產(chǎn)生涂覆有聚合物的垂直側(cè)壁的蝕刻配方。在包括眾所周知的“Bosch工藝”在內(nèi)的其它方法中，可以選用CHF3+O2+Ar的蝕刻配方來實現(xiàn)這一點。蝕刻進行足夠長，以便達到淀積在濾光器堆疊下面的a-SiOx保護層。
7.切割a.用光致抗蝕劑來涂覆所述晶片，然后切割為各FPA芯片。在切割之后，用溶劑來清除光致抗蝕劑。
8.柱定義a.再次用RIE來蝕刻FPA芯片。首先，使用CHF3+O2+Ar蝕刻來蝕刻掉溝槽中的任何殘留SiOx保護層，然后，使用CF4+O2蝕刻在濾光器薄膜下面進行各向同性的蝕刻。由于SiOx保護層，在該工藝中不蝕刻濾光器底層。在這種工藝中，柱由SiOx制成，與犧牲層的蝕刻相比，前者具有低得多的蝕刻速率，最后，蝕刻將在所述柱停止，并且只有SiOx用作所述柱。
9.鋁蝕刻a.芯片被浸入標準的鋁蝕刻劑中以去除鋁蝕刻掩膜。
權(quán)利要求
1.一種用于從來自景物的第一波長的光產(chǎn)生圖像的攝像機系統(tǒng)，包括熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列，其中，每一個像素元件都具有一個通帶，由于隨著像素元件的溫度改變而引起折射率改變，上述通帶在波長上移動；光源，用于向熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列提供第二波長的光，使得熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列產(chǎn)生已濾波的第二波長的光；檢測器陣列，用于從熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列接收已濾波的第二波長的光，并且用于產(chǎn)生對應(yīng)于所述景物的圖像的電信號；以及光學(xué)系統(tǒng)，用于將來自所述景物的第一波長的光引導(dǎo)到所述熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列上，其中，熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列將第一波長的光的至少一些轉(zhuǎn)換為熱，并且吸收至少一些熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述第一波長的光是紅外光，并且所述第二波長的光是近紅外光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列被密封在真空封裝內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述真空封裝包括對輻射透明的窗口、用于支撐熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列的襯底、和用于把所述窗口和襯底接合在一起的銦框。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述陣列包括襯底、每個具有熱可調(diào)諧濾光器的像素元件的矩陣、從像素到襯底的熱路徑、和用于吸收第一波長的光并且在濾光器中產(chǎn)熱的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的攝像機系統(tǒng)，其中，從像素到襯底的熱路徑包括將像素元件連接到襯底的柱。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的攝像機系統(tǒng)，其中，從像素到襯底的熱路徑包括將像素元件連接到襯底的一個或多個臂。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，還包括襯底，其中，熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列的每一個像素元件通過一個像素柱附著到所述襯底。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的攝像機系統(tǒng)，其中，每個像素柱都是中空的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的攝像機系統(tǒng)，其中，每個像素柱都是實芯的。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的攝像機系統(tǒng)，其中，每個像素柱都將像素元件與襯底熱隔離。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的攝像機系統(tǒng)，其中，每個像素柱都包括基本上圓柱形的結(jié)構(gòu)，其第一端附著到襯底，并且第二端附著到像素元件，其中，第二端被夾緊。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，每一個熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列都吸收第一波長的光，并且將第一波長的光轉(zhuǎn)換為熱。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，每一個熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列都包括吸收材料層，用于吸收第一波長的光，并且將第一波長的光轉(zhuǎn)換為熱。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，每一個熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列都包括指數(shù)可調(diào)諧薄膜干涉涂層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述指數(shù)可調(diào)諧薄膜干涉涂層包括單腔Fabry-Perot結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述指數(shù)可調(diào)諧薄膜干涉涂層包括多腔Fabry-Perot結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列包括反射層，用于反射在各像素元件之間通過的第二波長的光。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列包括吸收層，用于吸收在各像素元件之間通過的第二波長的光。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，還包括溫度控制的封裝，用于容納所述熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述第二波長跟蹤熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列的通帶波長。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述光源包括發(fā)光二極管。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述光源包括激光器。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的攝像機系統(tǒng)，其中，來自激光器的光的中心波長跟蹤熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列的通帶波長。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，還包括參考濾光器，用于使來自光源的第二波長的光的帶寬變窄。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述參考濾光器的溫度跟蹤熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列的溫度。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的攝像機系統(tǒng)，其中，安排所述參考濾光器和熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列，使得它們之間的溫差很小或者沒有溫差。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的攝像機系統(tǒng)，其中，參考濾光器和熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列被容納在單個溫度控制的封裝內(nèi)。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列被附著到藍寶石襯底。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列被附著到硅襯底。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列被附著到襯底，其中，所述襯底是CCD成像器。
32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列被附著到襯底，其中，所述襯底是CMOS成像器。
33.根據(jù)權(quán)利要求3所述的攝像機系統(tǒng)，還包括淀積在真空封裝內(nèi)的選定表面上的吸氣材料。
34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述攝像機系統(tǒng)運行于透射方式，使得第二波長的光穿過所述熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列，并且隨后傳播到檢測器陣列。
35.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述攝像機系統(tǒng)運行于反射方式，使得第二波長的光從所述熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列向外反射，并且隨后傳播到檢測器陣列。
36.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述檢測器陣列包括CCD或CMOS攝像機。
37.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像機系統(tǒng)，其中，所述檢測器陣列包括p-i-n光電二極管陣列。
38.一種用于基于來自景物的第一波長的光而產(chǎn)生圖像的方法，包括產(chǎn)生第二波長的光；將第一波長的光轉(zhuǎn)換為熱，并且將所述熱耦合到熱可調(diào)諧濾光器陣列，以改變熱可調(diào)諧濾光器陣列的溫度，其中，熱可調(diào)諧濾光器陣列的每一個元件都具有一個通帶，由于隨著熱可調(diào)諧濾光器元件的溫度改變而引起折射率改變，上述通帶在波長上移動；用熱可調(diào)諧濾光器陣列對第二波長的光進行濾波，使得熱可調(diào)諧濾光器陣列產(chǎn)生已濾波的第二波長的光；以及用檢測器陣列來檢測已濾波的第二波長的光，以便產(chǎn)生對應(yīng)于所述景物的圖像的信號。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，還包括在透射方式下運行熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列，其中，第二波長的光穿過所述熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列，并且傳播到所述檢測器。
40.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，還包括在反射方式下運行熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列，其中，第二波長的光從所述熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列向外反射，并且傳播到所述檢測器。
41.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，還包括用CCD或CMOS攝像機來檢測所述第二波長的光。
42.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，還包括用參考濾光器來使第二波長的光的帶寬變窄。
43.一種用于制造熱可調(diào)諧濾光器像素元件陣列的方法，包括在襯底上淀積犧牲層；為所述陣列的每一個像素元件，(i)在犧牲層中形成基本上圓柱形的孔；(ii)在犧牲層上共形淀積保護層，其中，所述保護層覆蓋所述犧牲層的表面、孔的底部和孔壁，并且其中，所述保護層在所述孔的頂部形成夾緊；(iii)在所述保護層上制造熱可調(diào)諧濾光器；(iv)在所述像素元件邊界處垂直地蝕刻濾光器和保護層，并且在濾光器的側(cè)壁形成保護層；以及(v)水平蝕刻所述犧牲層到形成孔壁的所述保護層。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，還包括在垂直地蝕刻所述濾光器的同時，在濾光器的側(cè)壁處形成保護層。
45.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，還包括在所述濾光器的頂部表面上淀積紅外吸收層。
46.一種光學(xué)讀取溫度傳感器，包括具有一個通帶的熱可調(diào)諧濾光器，由于隨著熱可調(diào)諧濾光器的溫度改變而引起折射率改變，上述通帶在波長上移動；光源，用于向熱可調(diào)諧濾光器提供第一波長的光，使得熱可調(diào)諧濾光器產(chǎn)生已濾波的第二波長的光；檢測器，用于從熱可調(diào)諧濾光器接收已濾波的第二波長的光，并且用于產(chǎn)生對應(yīng)于所述熱可調(diào)諧濾光器的溫度的電信號。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的光學(xué)讀取傳感器，其中，熱可調(diào)諧濾光器根據(jù)熱可調(diào)諧濾光器的溫度而改變折射率，后者影響第二波長的光。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的光學(xué)讀取傳感器，還包括參考濾光器，用于使來自光源的第二波長的光的帶寬變窄。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的光學(xué)讀取傳感器，其中，參考濾光器的溫度跟蹤熱可調(diào)諧濾光器的溫度。
50.根據(jù)權(quán)利要求48所述的光學(xué)讀取傳感器，其中，安排所述參考濾光器和所述熱可調(diào)諧濾光器，使得它們之間的溫差很小或者沒有溫差。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的光學(xué)讀取傳感器，其中，參考濾光器和熱可調(diào)諧濾光器被容納在單個溫度控制的封裝內(nèi)。
52.根據(jù)權(quán)利要求46所述的光學(xué)讀取傳感器，其中，所述光源包括發(fā)光二極管。
53.根據(jù)權(quán)利要求46所述的光學(xué)讀取傳感器，其中，所述光源包括激光器。
54.一種用于檢測溫度和溫度分布的方法，包括產(chǎn)生第一波長的光；用具有一個通帶的熱可調(diào)諧濾光器對所述第一波長的光進行濾波，以便產(chǎn)生已濾波的第一波長的光，由于隨著熱可調(diào)諧濾光器的溫度改變而引起折射率改變，上述通帶在波長上移動；以及用檢測器來檢測已濾波的第一波長的光，并產(chǎn)生對應(yīng)于所述熱可調(diào)諧濾光器的溫度的電信號。
55.根據(jù)權(quán)利要求54所述方法，還包括通過來自環(huán)境的直接熱傳導(dǎo)來改變熱可調(diào)諧濾光器的溫度。
56.根據(jù)權(quán)利要求54所述方法，還包括通過吸收電磁輻射并將所述電磁輻射轉(zhuǎn)換為熱，來改變熱可調(diào)諧濾光器的溫度。
57.根據(jù)權(quán)利要求54所述方法，還包括對所述第一波長的光進行濾波，使得光的幅度隨著溫度而改變。
58.一種制造用于在襯底上支撐部件的柱的方法，包括在襯底上淀積犧牲層；在犧牲層中形成基本上圓柱形的孔；在犧牲層上共形淀積保護層，其中，所述保護層覆蓋所述犧牲層的表面、孔的底部和孔壁，并且其中，所述保護層在所述孔的頂部形成夾緊；在所述保護層上制造所述部件；在所述部件的外周邊界處垂直地蝕刻濾光器和保護層；以及水平蝕刻所述犧牲層到形成孔壁的所述保護層。
59.一種波長轉(zhuǎn)換裝置，包括具有一個通帶的熱可調(diào)諧濾光器，由于隨著熱可調(diào)諧濾光器的溫度改變而引起折射率改變，上述通帶在波長上移動；吸收器，用于把第一波長的輻射轉(zhuǎn)換為熱，并且用于將所述熱耦合到熱可調(diào)諧濾光器；光源，用于向熱可調(diào)諧濾光器提供第二波長的光，使得熱可調(diào)諧濾光器產(chǎn)生已濾波的第二波長的光；檢測器，用于從熱可調(diào)諧濾光器接收已濾波的第二波長的光，并且用于產(chǎn)生對應(yīng)于所述第二波長的光的電信號；以及光學(xué)系統(tǒng)，用于將第一波長的輻射引導(dǎo)到熱可調(diào)諧濾光器上，其中，熱可調(diào)諧濾光器將第一波長的光的至少一些轉(zhuǎn)換為熱，并且吸收至少一些熱。
60.一種用于檢測溫度的方法，包括產(chǎn)生第一波長的光；用具有一個通帶的熱可調(diào)諧濾光器對所述第一波長的光進行濾波，以便產(chǎn)生已濾波的第一波長的光，由于隨著所述熱可調(diào)諧濾光器的溫度改變而引起折射率改變，上述通帶在波長上移動；以及用檢測器來檢測已濾波的第一波長的光，以便產(chǎn)生對應(yīng)于所述熱可調(diào)諧濾光器的溫度的電信號。
全文摘要
一種紅外攝像機系統(tǒng)，包括熱可調(diào)諧濾光器像素的陣列、近紅外源和近紅外檢測器陣列。所述紅外攝像機系統(tǒng)還包括用于將來自待成像的景物的紅外輻射引導(dǎo)到熱可調(diào)諧濾光器像素陣列的紅外光學(xué)系統(tǒng)，以及用于將來自近紅外源的近紅外光引導(dǎo)到濾光器像素和到近紅外檢測器陣列的近紅外光學(xué)系統(tǒng)。近紅外源將近紅外光引導(dǎo)到熱可調(diào)諧濾光器像素陣列。近紅外檢測器陣列接收由熱可調(diào)諧濾光器像素陣列修改過的近紅外光，并且用于產(chǎn)生對應(yīng)于近紅外檢測器陣列所接收的近紅外光的電信號。所述熱可調(diào)諧濾光器像素包括熱可調(diào)諧薄膜干涉涂層。
文檔編號H04N5/33GK1939050SQ200480027494
公開日2007年3月28日 申請日期2004年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月26日
發(fā)明者馬蒂亞斯·瓦格納, 吳明(音譯), 尼古拉·涅姆欽科, 朱莉·庫克, 理查德·戴維托, 羅伯特·姆拉諾, 勞倫斯·多瑪什 申請人:紅移系統(tǒng)公司