红外成像装置的制作方法

专利名称：红外成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及红外辐射的探测器和红外成像系统。
背景技术：
红外(IR)探测器被分为两类光子红外探测器和热红外探测器。。在光子IR探 测器中，吸收红外光子以激发电子跃迁和/或在IR吸收器内产生光电流，该IR吸收器通常 是具有适当带隙的半导体材料。该激发改变了 IR吸收器的材料属性，如电导率。对这种改 变进行测量以量化所吸收的IR辐射的量。光子IR探测器通常在非常低的温度(例如大约 78K)下进行操作，以抑制以热方式引发的电子跃迁和/或IR吸收器中的热“暗”电流。同 样，光子IR探测器利用低温恒温器和/或复杂的制冷系统，这些系统使这些探测器变得重、 体积大且相对昂贵。在热IR探测器中，所吸收的红外光子的能量被转换成热，这导致了探测器内的温 度升高。将这种温度升高转换成机械或电响应，其中，对该机械或电响应进行测量以量化所 吸收的IR辐射的量。在热IR探测器中采用的传感器典型地具有(i)阻式热辐射计，其电 阻随温度而改变；(ii)热电材料，随温度而呈现自发电极化改变；(iii)热电偶，其电压依 赖于热电偶的温度差；和/或(iv)双材料(bi-material)(也被称作双压电晶片)悬臂，其 形状对温度改变敏感。与光子IR探测器不同，热IR探测器典型地(i)不使用制冷以及(ii)可以在环境 中的正常温度(例如大约300K)下进行操作。因此，热IR探测器可以较轻、紧致且相对便 宜。相应地，正在积极开发采用这些探测器的热IR探测器和红外成像系统。

发明内容
本发明的典型实施例提供了一种红外(IR)成像系统，适于(i)将对象的IR像转 换成多个可移动板的机械位移；(ii)使用所述机械位移来将相应的空间相位调制图案施 加到可见光的光束上；以及(iii)应用空间滤波，以将所述空间相位调制图案转换成对象 的可见像。根据一个实施例，本发明的装置具有辐射吸收区域的阵列，所述阵列是通过基片支撑的并具有第一和第二多个辐射吸收区域。对于第一多个辐射吸收区域中的每一个，区 域相对于基片的位置响应于在该区域上入射的辐射的量。该装置还包括反射区域的阵列， 其中，每个反射区域与辐射吸收区域之一相对应，并适于对光的询问光束的相应部分进行 反射以形成反射光束的相应部分。反射区域的阵列适于将空间相位调制图案施加到反射光 束上，所述空间相位调制图案与在辐射吸收区域的阵列上入射的辐射的空间强度图案相对 应。根据另一实施例，用于探测辐射的本发明方法包括使用辐射吸收区域的阵列来接 收辐射的步骤。辐射吸收区域的阵列是通过基片支撑的并包括第一和第二多个辐射吸收区 域。对于第一多个辐射吸收区域中的每一个，区域相对于基片的位置响应于在该区域上入 射的辐射的量。该方法还包括以下步骤使用反射区域的阵列来对光的询问光束进行反射， 以形成具有空间相位调制图案的反射光束，所述空间相位调制图案与在辐射吸收区域的阵 列上入射的辐射的空间强度图案相对应。每个反射区域与辐射吸收区域相对应，并适于对 询问光束的相应部分进行反射以形成反射光束的相应部分。


通过以下详细描述、所附权利要求和附图，本发明的其他方面、特征和优点将变得 更显而易见，在附图中图1示出了根据本发明一个实施例的对IR探测器进行光询问的方法；图2示出了根据本发明另一实施例的对IR探测器进行光询问的方法；图3A-B分别示出了根据本发明一个实施例的IR探测器阵列的顶视图和侧视图；图4示出了用于将相位调制图案转换成可视可见像的典型光学布置；图5A-B示出了在图4的光学布置中的透镜的焦平面处形成的两个典型强度图 案；图6示出了根据本发明一个实施例的IR成像系统；图7示出了根据本发明一个实施例的可在图6所示的系统的IR探测器阵列中使 用的像元的三维透视图；图8示出了根据本发明另一实施例的可在图6所示的系统的IR探测器阵列中使 用的像元的三维透视图；图9示出了根据本发明一个实施例的具有多个图8所示的像元的阵列的三维透视 图；图10示出了根据本发明又一实施例的可在图6所示系统的IR探测器阵列中使用 的像元的三维透视图；图11示出了根据本发明又一实施例的可在图6所示的系统的IR探测器阵列中使 用的像元的三维透视图；图12示出了根据本发明又一实施例的可在图6所示的系统的IR探测器阵列中使 用的像元的三维透视图；图13示出了根据本发明又一实施例的可在图6所示的系统的IR探测器阵列中使 用的像元的三维透视图；图14示出了根据本发明又一实施例的可在图6所示的系统的IR探测器阵列中使用的像元的顶视图；图15示出了根据本发明一个实施例的具有多个图14所示的像元的阵列的顶视 图；图16示出了根据本发明又一实施例的可在图6所示的系统的IR探测器阵列中使用的像元的三维透视图；图17A-B示出了根据本发明另外实施例的可在图6所示的系统的IR探测器阵列 中使用的板的横截面图；图18A-B示出了根据本发明另一实施例的可在图16所示的像元中使用的两个相 应探测器的三维透视图；以及图19示出了根据本发明另一实施例的IR探测器的侧视横截面图。
具体实施例方式在例如 Proceedings of SPIE，2003，ν· 5074，pp. 469-480 中公开的 S. R. Hunter, R. A. Amantea, L. A. Goodman, et al.的标题为"High SensitivityUncooled Microcantilever Infrared Imaging Arrays，，的文章中描述了具有双材料悬臂的红夕卜 (IR)探测器的操作原理，其教导通过引用合并于此。简要地说，该探测器典型地具有(I)IR 辐射吸收区、(2)双材料元件以及(3)热隔离器。IR辐射吸收区将撞击IR辐射转换成热， 同时，热隔离器防止热分流至基片。将形成双材料元件的两种材料选择为热膨胀系数之差 较大。在双材料元件的温度因IR加热而升高时，具有较大热膨胀系数的材料尝试比具有较 小热膨胀系数的相邻材料膨胀更大量。由于两种材料被形成为使得它们在双材料元件中彼 此附着，因此这两种材料被迫膨胀相等的量，以使得在一种材料中构建张应力并在另一种 材料中构建压应力。在双材料元件上产生的应力梯度使该双材料元件弯曲，从而使该双材 料元件相对于基片移动。可以对双材料元件的所选部分的所产生的机械位移或附着于上材 料元件的结构的所产生的机械位移进行测量，并使用该机械位移来量化所吸收的IR辐射 的量。可用于形成双材料元件的典型材料对包括但不限于低热膨胀材料，如成分可被 表示为SiOx (具有大约0. 5ppm/K热膨胀系数“tec”)的氧化硅、成分可被表示为SiNx (tec lppm/K)的氮化硅、以及成分可被表示为SiCx (tec 4ppm/K)的碳化硅、硅(tec 2. 5ppm/ K)；以及高热膨胀材料，如金(tec 14. 2ppm/K)、镍(tec 13. 4ppm/K)、银(tec 18. 9ppm/K)、铝(tec 23ppm/K)。为了最大化机械位移，优选地，使两种材料之间具有相对 较大的热膨胀系数差。本领域技术人员将认识到，材料的杨氏模量也影响位移的量。图1示出了根据本发明一个实施例的对IR探测器100进行光询问的方法。更具 体地，图1示出了探测器100的横截面侧视图，还一起示出了以下两个光束IR光束120，其 强度被探测；以及询问(例如，可见的)光束130。在典型实现方式中，探测器100是MEMS 器件。探测器100具有实质上对询问光束130透明的基片102。使用锚(支撑柱)104、 热隔离器106和双材料换能器108将板110可移动地安装在基片102上。板110具有对询 问光束130进行反射的反射层以及对IR光束120进行吸收并将该其能量转换成热的IR吸 收层。这两个层可以彼此分离或不同，或者，板结构中的单个层可以执行这两个层的功能，利用机械层或不利用机械层均可以执行这些功能。所吸收的IR能量提高了板的温度，并且 由于板与双材料换能器108之间的良好热接触，使得双材料换能器的温度也升高。隔离器 106具有相对较低的热传导率，由此防止了热通过锚104渗入基片102中。板110和双材 料换能器108中IR引发的温度升高使应力梯度构建于双材料换能器上，该应力梯度使双材 料换能器弯曲并相对于基片102移动板。运动方向依赖于换能器108中的双材料层布置， 并可以是向着基片102的或远离基片的。板110的运动和/或位移将相移施加到反射光束 130’上，其中，对该相移进行探测并使用该相移来量化IR光束120的强度。图2示出了根据本发明另一实施例的对IR探测器200进行光询问的方法。探测 器200大体类似于探测器100 (图1)，并且使用具有相同的最后两个数字位的标签来指定两 个探测器的相似元件。探测器100和200之间的一个区别在于，在探测器200中，通过实质 上对IR光透明的(例如，硅)基片202将其强度被探测的IR光束220定向至板210的下 面。通过吸收光束220而引起的温度升高使双材料换能器208弯曲并相对于基片202移动 板210。板210的运动和/或位移将相移施加到反射光束230’上，其中，对该相移进行探测 并使用该相移来量化IR光束220的强度。图3A-B分别示出了根据本发明一个实施例的IR探测器阵列300的顶视图和侧视 图。阵列300是具有多个像元310的MEMS器件，每个像元具有两个IR探测器探测器304 和探测器306。本领域技术人员将认识到，图3所示的像元布置是示例性的，并且在不脱离 本发明原理的前提下也可以使用其他像元布置和像元/探测器形状。在一个实施例中，每 一个探测器306是大体类似于图1的探测器100的IR探测器，并且每个探测器304具有不 相对于基片302移动的固定板。在另一实施例中，探测器304和306中的每一个类似于探 测器100，其中，探测器304和306之间的一个区别在于，响应于IR引发的热，它们的板沿着 相反方向移动。例如，探测器304中的板适于远离基片302移动，而探测器306中的板适于 向着基片移动。如果将IR像投影到阵列300上，则将像内的强度分布转换成相对于它们各自参考 位置的板位移。一般而言，由探测器接收到的IR强度越大，该探测器中的板位移越大。图 3B示出了阵列300对被投影到阵列上的示例IR像的响应，其中IR像具有单个亮点。因此， 仅一个探测器(即，接收到亮点的探测器306’)的板相对于参考面水平而形成位移，而所有 其他探测器的板实质上保持不受干扰。如果平面波可见光束300询问具有图3B所示的板 位移图案的阵列300，则反射光束300’将不再是平面波，而是将具有由探测器306’中的板 位移引入的相前失真。一般而言，被投影到阵列300上的任意IR像将使阵列充当空间相位 调制器，该调制器将与IR像相对应的空间相位调制图案压印到询问可见光束330上。在例如上述美国专利申请No. 11/713, 207中描述了用于将空间相位调制图案转 换成可视可见像的方法和系统。因此，读者参照对该方法/系统进行详细描述的‘207申 请。为了方便起见，以下给出了可用于实现‘207申请中公开的转换方法的实施例的典型光 学布置的简要描述。图4示出了用于将空间相位调整图案转换成可视可见像的光学布置400。布置400 具有将空间相位调制图案压印到平面波光束422上的空间相位调制器430，该平面波光束 422是使用激光器410和准直透镜420产生的。所产生的空间相位调制光束432经过在其 焦平面处形成强度图案的透镜440，其中，通过空间傅立叶变换使光束432的空间相位调制
7图案和所形成的强度图案相关。图5A-B示出了在透镜440的焦平面处形成的两个典型强度图案。更具体地，在图 5A-B中的每一个中，轴x和y代表透镜440的焦平面内的坐标，并且与xy平面正交的轴代 表光强。图5A示出了当光束432是平面波时产生的强度图案510，从而与当所有板都平行 于基片并位于相同偏移距离处时的情况相对应。图案510具有单个峰，通常被称为零阶峰。 图5B示出了当光束432具有在空间相位调制器430由统一 IR光束照射时产生的周期性相 位调制图案时而产生的强度图案520。如图5B显而易见，图案520除了具有零阶峰以外还 具有多个峰。这些附加峰通常被称为边峰。再次参照图4，在透镜440的焦平面处放置的空间滤波器450具有一个或多个开 口，该一个或多个开口被配置为透射与一个或多个所选边峰周围的相应区域相对应的光。 同时，空间滤波器450拒绝(阻挡)与零阶峰和其余边峰相对应的光。透镜460对所产生 的空间滤波后的光束进行准直，以产生准直光束462。如果空间相位调制器430不是由IR 光统一照射的，则效果是将边峰展宽。如‘207申请中更详细解释，光束462是具有与光束 432的相位调制图案相关的空间强度分布的强度调制光束。在像平面470处，该空间强度分 布创建了可被视为本领域公知的可见像(例如使用目镜480)。图6示出了根据本发明一个实施例的IR成像系统600。系统600具有类似于图3 的IR探测器阵列300的IR探测器阵列630。在一个实施例中，阵列630具有1024 X 1024 个像元，每个像元类似于阵列300的像元310 (图3)。阵列630将系统600划分成两个光学部分IR部分602和可见部分604。部分602 具有IR透镜组件608，该IR透镜组件608从对象(图6未示出)接收IR光束606并将对 象的相应像投影到阵列630上。阵列630的像元将接收到的IR辐射变换成如上所述的板 位移。部分604被设计为对阵列630进行光询问，从而以与图4的光学布置400的方式 大体类似的方式将板位移变换成相应的可见像。然而，光学布置400与系统400的部分604 的不同之处在于，部分604利用所谓的折叠光学配置，在该折叠光学配置中，光多次横穿一 些光学元件。因此，部分604通常可以比光学布置400具有更少的光学元件，并可以比光学 布置400更紧致。部分604具有激光器610，该激光器610产生适当偏振的可见光束612并经由光束 重定向器614将该光束定向至阵列630。在一个实施例中，光束重定向器614是相对于光束 612的偏振而定向的偏振光束分离器，以实质上将该光束的所有光重定向至阵列630。在该 实施例中，部分604还具有四分之一波片(在图6中未明确示出)。四分之一波片是位于偏 振光束分离器614与阵列630之间的双折射片。该双折射片产生其中正常透射的光束的两 个正交线偏振分量之间的大约四分之一波长的延迟。通过两次横穿该双折射片，定向至阵 列630且从阵列630反射的光获取使偏振光束分离器614透射(而不重定向)反射光的偏 振，而不是将反射光重定向回到激光器610。光两次横穿位于分离器614与阵列630之间的透镜620，由此，透镜620执行至少 两个功能。对于向着阵列630传播的光，透镜620充当类似于透镜420(见图4)的准直透 镜。对于阵列630反射的光，透镜620充当类似于透镜440 (见图4)的聚焦透镜。阵列630中由接收到的IR像引发的板位移将相应的空间相位调制图案压印到反
8射的可见光束(同样见图3)上。透镜620以与布置400的透镜400的方式(见图4和5A-B) 类似的方式在其焦平面处形成与反射的可见光束的空间相位调制图案相对应的强度图案。 大体类似于空间滤波器450 (图4)的空间滤波器650透射与一个或多个所选边峰相对应的 光，同时拒绝与零阶峰和其余边峰相对应的光。透镜660接收所产生的空间滤波后的光束， 并在光学屏幕670上形成可见像，该像是可以例如通过目镜680观看到的。本领域技术人 员将认识到，在屏幕670上形成的可见像是由部分602的光学组件投影到阵列630上的IR 像在可见光中的表示。因此，系统600有利地将裸眼不能观察到的IR像转换成容易观察到 的相应可见光像。图7示出了根据本发明一个实施例的可在阵列630中使用的像元700的三维透视 图。像元700具有安装在基片702上的两个双材料板710a-b。每个板710具有至少两层 具有相对较大热膨胀系数的顶(例如，金)层714和具有相对较小热膨胀系数的底(例如， 氢化SiC)层712。每个板710还可以具有附加层(未明确示出)，例如IR吸收层和用于反 射询问可见光的反射层。使用具有较大热传导率(其是通过合适的几何结构或材料选择或者这二者而获 得的)的支撑柱720a将板710a安装在基片702上。由此，板710a实质上与基片702处于 热平衡(具有相同的温度)。相反，使用被制成具有低热传导率(类似地，其是通过合适的 几何结构或材料选择或者这二者而获得的)且由此充当热隔离器的支撑柱720b将板710b 安装在基片702上。因此，由板710b吸收的任何IR辐射使得该板中的温度相对于板710a 和基片702升高。如图7所示，这种温度升高通常将使板710b向着基片702卷曲和偏转其 未附着的边缘。板710a-b相对于彼此的差异位移可以用于将空间相位调制图案压印到询 问可见光束上，然后在例如系统600中可以使用压印后的询问可见光束，来对被投影到具 有像元700的IR探测器阵列上的相应IR像进行可视化。图8示出了根据本发明另一实施例的可在阵列630中使用的像元800的三维透视 图。像元800具有大体类似于探测器100 (图1)或200 (图2)的IR探测器820b。更具体 地，探测器820b具有板810b，该板810b是使用锚804b、热隔离器806和双材料换能器808b 可移动地安装在基片802上的。锚804b附着于基片802。双材料换能器808b具有大体平 行于基片802而定向的扁平杆或板条的形状。位于锚804b与双材料换能器808b之间的隔 离器806具有相对较低的热传导率，并由此防止了由板810b中的IR吸收产生的热通过双 材料换能器渗入锚和基片802中。板810b和双材料换能器808b中IR引发的温度升高使 换能器变形并相对于基片802移动板。像元800还具有大体类似于探测器820b的IR探测器820a，并且两个探测器的相 似元件具有最后两个数字位相同的标签。然而，探测器820b和820a之间的一个区别在于， 探测器820a具有热熔断体(thermallink)812而不是热隔离器806。熔断体812具有相对 较大的热传导率，并保持板810a和双材料换能器808a实质上与锚804a和基片802处于热 平衡。类似于像元700中板710a-b的差异位移，像元800中板810a_b的差异位移可以用 于将相位调制图案压印到询问可见光束上。图9示出了根据本发明一个实施例的具有多个像元800的阵列900的三维透视 图。在阵列900中，针对板810的每个支撑结构具有相应的锚840、热隔离器806或热熔断 体812和双材料换能器808。将每个这样的支撑结构适配于由两个其他板810之间的相应
9间隙以及第三板810中的切断部所创建的空间中。因此，不同的像元800可以啮合在一起， 以创建类似于图3的像元310的像元的二维阵列。图10示出了根据本发明又一实施例的可在阵列630中使用的像元100的三维透 视图。像元1000具有两个IR吸收板固定板1010a和可移动板1010b。固定板1010a通 过附着于锚1004a和1004b来固定地悬挂在基片1002上。使用针对可移动板1010b形成 两个悬臂1022a-b的锚1004b-c、4个双材料换能器1008a-d和2个热隔离器1006a_b，将可 移动板1010b可移动地悬挂在基片1002上。双材料换能器1008a-d中的每一个是实质上平行于基片1002而定向的杆。属于 相同悬臂1022的两个双材料换能器1008也实质上彼此平行。由该换能器布置所产生的悬 臂1022的一个有利特征在于，这些臂可以补偿周围环境的温度变化。更具体地，如果对于 整个像元1000存在周围环境温度变化(即，温度保持统一)，则可移动板1010b不会相对 于基片1002移动。然而，如果在板1010b与基片1002之间存在温度差，则臂1022a-b将板 1010b从与统一温度相对应的其参考位置进行移动。首先，假设像元1000处于热平衡。那么，4个双材料换能器1008a-d具有相同的 温度，从而实质上具有与该温度相对应的相同形状。假设该温度使得换能器1008a被卷起， 即，换能器1008a中附着于热隔离器1006a的末端比附着于锚1004b的末端距基片1002更 大偏移。那么，换能器1008b由于与换能器1008a具有相同形状，因而将补偿换能器1008a 的弯曲，并使其附着于板1010b的末端位于与换能器1008a中附着于锚1004b的的末端距 基片1002相同偏移处。类似地，换能器1008c将补偿换能器1008d的弯曲，并使其附着于 板1010b的末端位于与换能器1008d中附着于锚1004c的末端距基片1002相同偏移处。由 于该补偿，使得不管周围环境温度变化如何，板1010b都将保持在相同(参考)位置。更确 切地说，周围环境温度变化的效果将是隔离器1006a-b相对于基片1002向上和向下运动而 板1010b保持实质上静止。接下来，假设板1010b的温度比板1010a的温度高。该温度差可以例如由IR吸收 以及隔离器1006阻止热从板1010b耗散到基片中的事实所产生。在这种情况下，双材料换 能器1008a-b将具有不同的形状。更具体地，换能器1008b将具有与板1010b的温度相对 应的形状，而换能器1008a将具有与基片1002和板1010a的温度相对应的(不同)形状。 由于相同原因，双材料换能器1008c-d也将具有不同的形状。由于这些形状差异，使得板 1010b将变为相对于与像元1000的热平衡状态相对应的其参考位置而形成位移。类似于像 元800中板810a-b的差异位移，像元1000中板1010a_b的差异位移可以用于将空间相位 调制图案压印到询问可见光束上。图11示出了根据本发明又一实施例的可在阵列630中使用的像元1100的三维透 视图。像元1100具有两个IR吸收板lllOa-b。使用一起针对板1110a形成两个悬臂1122 的锚1104a_b、4个双材料换能器1108d_g和2个热熔断体1112a_b，将板1110a悬挂在基 片1102上。类似地，使用形成两个悬臂1124的锚1104b-c、4个双材料换能器1108a-d和 2个热隔离器1106a-b，将板1110b悬挂在基片1102上。注意，臂1122a和1124a共享锚 1104b和换能器1108d，这有利地节省了表面积并增大了填充系数。类似于像元1000的悬 臂1022 (图10)，像元1100的悬臂1122和1124可以补偿周围环境的温度变化。此外，悬臂 1122和1124的实质上相同的机械结构使板lllOa-b在由制造公差引起的剩余倾斜方面能
10够非常好地彼此匹配。由于在换能器1108d-e之间和在换能器1108f-g之间分别存在相应的热熔断体 1112a-b,使得板1110a实质上与基片1102处于热平衡，并且在这一点上，板1110a类似于 像元1000的固定板1010a(见图10)。相反，由于在换能器1108c-d之间和在换能器1108a-b 之间分别存在相应的热隔离器1106a-b，使得板1110b与基片1102热隔离，并且类似于板 1010b (图10)，板1110b易于受到IR引发的相对于基片的温度升高的影响。这种温度升高 将导致板1110b相对于其参考位置形成位移。类似于像元1000中板lOlOa-b的差异位移， 像元1100中板lllOa-b的差异位移可以用于将相位调制图案压印到询问可见光束上。图12示出了根据本发明又一实施例的可在阵列630中使用的像元1200的三维 透视图。像元1200具有两个IR吸收板1210a-b。使用针对板1210a形成悬臂1224的锚 1204a、3个双材料换能器1208a-c和热熔断体1212，将板1210a悬挂在基片1202上。换能 器1208a-c在未变形时位于平行于基片1202的平面内。换能器1208a-c彼此平行，其中，附 着于锚1204a的换能器(即，换能器1208b)位于直接附着于板1210a的两个换能器(即， 换能器1208a、c)之间。这种换能器布置有利地针对板1210a创建了与仅有的一个悬臂的 良好平衡(在侧向倾斜方面)。类似地，使用形成悬臂1222的锚1204b、3个双材料换能器1208d_f和热隔离器 1206，将板1210b悬挂在基片1202上。类似于像元1100的悬臂1122和1124(图11)，像元 1200的悬臂1222和1224补偿周围环境的温度变化。此外，单个悬臂用于每个板1210a_b 的事实能够有利地用于在具有多个像元1200的阵列中实现相对较高的IR填充因数，这是 由于每板具有单个悬臂节省了阵列的表面积，并使得能够相应地增大IR吸收板可占用的 表面积。图13示出了根据本发明又一实施例的可在阵列630中使用的像元1300的三维透 视图。像元1300与像元1000 (图10)的相似之处在于，像元1300具有固定的IR吸收板 1310a和可移动的IR吸收板1310b。然而，与像元1000的具有大致相等面积的板1010a_b 不同，像元1300的板1310a-b具有相差相对较大倍数的面积。例如，在像元1300的各个实 施例中，板1310b的面积可以是板1310b的面积的大约2倍、大约10倍或大约50倍。该面 积差异的一个原因在于，尽管固定板1310a吸收IR辐射，但其不会将所吸收的辐射转换成 机械位移。相反，可移动板1310b不会将所吸收的IR辐射转换成机械位移。为了提高像元 1300对IR辐射的灵敏度，因此，有利地，获得撞击到具有可移动板1310b的像元上的大多数 IR辐射。固定板1310a通过附着于锚1304a (部分地被图13的视图所覆盖)，刚性地悬挂在 基片1302上。使用针对可移动板1310b形成两个悬臂1322的锚1304a_b、4个双材料换能 器1308和2个热隔离器1306，将可移动板1310b可移动地悬挂在基片1302上。类似于像 元1000的悬臂1022 (图10)，像元1300的悬臂1322补偿周围环境的温度变化。尽管板1310a_b具有大小不同的IR吸收区，但是这些板具有实质上大小相同的可 见光反射区。该特征是通过将适于反射询问光的相应反射器1316(为了清楚起见，在图13 中以半透明示出)安装在每个板1310a-b上来实现的。更具体地，使用附着于固定板的支 撑柱1314a，将反射器1316a安装在固定板1310a上。注意，反射器1316a的面积大于固定 板1310a的面积，并且反射器1316a悬于可移动板1310b的一部分上。类似地，使用附着于可移动板的支撑柱1314b，将反射器1316b安装在可移动板1310b上。反射器1316b的面积 小于可移动板1310b的面积。在一个实施例中，反射器1316a-b中的一个或两个可以悬于 悬臂1322中的至少一个的至少一部分上，以增大反射器的相对填充因数。图14示出了根据本发明又一实施例的可在阵列630中使用的像元1400的顶视 图。像元1400具有形状类似于双叶片皮筏桨的可移动板1410。更具体地，板1410包括通 过轴1420而连接的两个叶片(板)1418a-b。使用由锚1404、3个双材料换能器1408a-c 和热隔离器1406形成的悬臂1422，将板1410悬挂在基片上。双材料换能器1408a的一个 末端附着于锚1404，而该双材料换能器的另一末端附着于隔离器1406。每个双材料换能器 1408b-c附着于板1418a与隔离器1406之间。由于存在隔离器1406，使得板1410所吸收的IR辐射导致板和换能器1408b_c中 的温度相对于基片升高。如果具有较大热膨胀系数的材料在物理上处于具有较小热膨胀系 数的材料之上，则温度的升高使换能器1408b-c向下卷并使板1418a向着基片偏转。除了偏 转以外，由于换能器1408b-c的卷曲形状(在“热”状态下)，板1418a还变得相对于基片倾 斜。这种倾斜使得板1418a的边缘1428比该板的对面边缘1430更靠近基片。板1418a的 倾斜沿轴1420进行枢轴转动，轴1420倾斜并使板1418b远离基片移动。因此，由于IR引发 的热，使得板1418a-b沿相反方向移动，其中一个向着基片移动，另一个远离基片移动。例 如与板1218a-b (图12)的差异位移的幅度相比，板1410的这种响应增大了每单位IR能量 上板1418a-b的差异位移的幅度。这种增强的差异位移可以有利地用于针对像元1400实 现对IR辐射的相对较高灵敏度。图15示出了根据本发明一个实施例的具有多个像元1400的阵列1500的顶视图。 具体地，图15示出了一种将像元1400布置为连续填充平面的典型方式。本领域技术人员 将认识到，像元1400的其他布置也可以用于连续填充平面。图16示出了根据本发明又一实施例的可在阵列630中使用的像元1600的顶视 图。像元1600具有两个IR吸收板1610a-b。使用针对板1610a形成两个悬臂的2个锚 1640a-b、4个双材料换能器1608a-d和2个热隔离器1606a_b，将板1610a悬挂在基片1602 上。类似地，使用同样形成两个悬臂的2个锚1604c-d、4个双材料换能器1608e-h和2个 热隔离器1606c-d，将板1610b悬挂在基片1602上。然而，板1610a_b之间的一个区别在 于，板1610b经由两个相应的轴1620a-b附着于其悬臂。类似于像元1400中的轴1420，像 元1600中的轴1620使板1610b沿着与板1610a的方向相反的方向移动。更具体地，如果 双材料换能器1608的层结构使得在加热时板1610a向着基片1602移动，则在类似的加热 时，板1610b远离基片移动。板1610a-b的这种响应使每单位IR能量上该板的差异位移的 幅度相对较高，这有利地转换成针对像元1600的对IR辐射的相对较高灵敏度。图17A-B示出了根据本发明另外实施例的可用作板1610的板1710的截面图。板 1710具有基层1702，该基层1702本身可以包含若干子层。基层1702的一个功能是针对相 对较薄的金属层1704提供机械支撑，该金属层1704的外侧可以用作针对询问光的反射区 域(例如见图2)。基层1702的另一功能是充当板1710的IR吸收区域。在图17A所示的一个实施例中，对基层1702的厚度进行选择，以创建IR辐射的谐 振器。更具体地，撞击到空气/电介质界面1706上的IR光束1720 (为了示意的目的，示为 以与板1710的法线成一定角度进行传播)部分地从该界面反射作为光束1722，并部分地透射作为光束1724。光束1724然后部分地从金属/电介质界面1708反射作为光束1726。 光束1726然后部分地从界面1706反射作为光束1728，并部分地透射作为光束1730。如果 选择基层1702的厚度以使得光束1722和1730相消干涉，则IR光束变为实质上陷于界面 1706和1708之间，而通过基层进行多次往返。由于基层1702在每次传递期间吸收了一小 部分IR辐射，因此基层中的累积IR吸收可以变得相对较大(例如大约60% )，这有利地提 高了相应IR探测器的灵敏度。在图17B所示的另一实施例中，选择基层1702的厚度以及基层于基片1712之间 的空气间隙G的厚度，以创建IR辐射的谐振器。更具体地，撞击到基片/空气界面1756上 的IR光束1740 (为了示意的目的，示为与板1710的法线成一定角度进行传播)部分地从 该界面反射作为光束1742，并部分地透射作为光束1744。光束1744然后从界面1708反射 作为1746。如果选择基层1702的累积厚度以及空气间隙以使得光束1742和1746相消干 涉，则IR光束变为实质上陷于界面1708和1756之间，而通过基层进行多次往返，这增大了 所吸收的IR辐射的量。图18A-B示出了根据本发明另一实施例的可在像元1600中使用的两个相应探测 器1800a-b的三维透视图。更具体地，可以使用探测器1800a以代替具有板1610a的探 测器，并且可以使用探测器1800b以代替具有板1610b的探测器。为了形成像元，探测器 1800a-b可以被定位为使得类似于像元1600中的板1610a-b，相对于彼此定向这些探测器 的板 1810a-b。每个板1810具有通过类似于网状的结构1816而分离的两个相应层1812和1814。 板1810中的额外层(即，层1814)可以用于改进IR吸收如下。如本领域公知，可以选择层 1812的材料以及层1812与基片1802之间的分离，以创建针对IR光的谐振器。更具体地， 可以将类似于层1704(见图17A-B)的金属层沉积在层1812上，并且可以选择层1812与基 片1802之间的距离，使得IR光束变为实质上陷于它们之间，例如，如图17B所示。被陷的 IR光的强度分布不是均勻的，而是具有类似于驻波的波峰和波谷。如果结构1816的高度 使得层1814位于强度分布的波峰处，则层1814可以非常高效地吸收IR辐射，从而增加板 1810中的总体IR吸收。结构1816被设计为使得除了将层1814置于指定位置处以外，还在层1812和1814 之间提供良好热接触。类似地，与轴1620a-b(图16)类似的轴1820a-b具有双层结构，以 在板1810b与相应悬臂的双材料换能器之间提供良好的热接触。轴1820a-b的备选设计包 括与图18所示的那些轴相比增加轴的宽度；和/或使用具有相对较高热传导率的材料来 向换能器提供良好热流。图19示出了根据本发明另一实施例的探测器1900的侧视横截面图。探测器1900 大体类似于例如探测器1800，只是探测器1900被设计为电读出。更具体地，(1)由悬臂 1922在基片1902上支撑的可移动板1910以及(2)沉积在基片上的电极1926形成了如本 领域公知可用于实现对板的位置的电感测的电容器。在例如S. R. Hunter, R. A. Amantea, L. A. Goodman, et al.的上述文章中可以找到这种电感测的典型描述。尽管参照板位移的光感测描述了本发明的许多探测器、像元和阵列，但在特定实 施例中，这些探测器、像元和阵列可以适于电读出。例如，像元800、1000、1100、1200、1400 和1600可以包括相应板之下的基片上沉积的电极，以形成与由板1910和电极1926形成的
13电容器类似的电容器。例如，如在使用分层晶片的公有的美国专利Nos. 6，850，354和6，924，581中描述， 可以制造本发明的探测器、像元、阵列和MEMS器件，其专利教导通过引用合并于此。使用 例如化学气相沉积，可以将材料的附加层沉积到晶片上。可以使用平版印刷术来将器件的 各个部分绘制到相应的层上。在例如美国专利Nos. 6，201，631,5, 629，790和5，501，893 中可以找到各种制造步骤的附加描述，其全部教导通过引用合并于此。可以在例如美国 专利 Nos. 6，667，823,6, 876，484,6, 980，339,6, 995，895 和 7，099，063 以及美国专利申请 No. 11/095，071 (2005年3月31日提交)中找到典型的制造工艺流程，其全部教导通过引用 合并于此。如本说明书中所使用，术语红外辐射覆盖以下所有谱带(1)可见至近IR，波长从 大约400nm至大约1 y m ； (2)短波IR，波长从大约1 y m至大约3 y m ； (3)中波IR，波长从大 约3 ii m至大约7 ii m ；以及(4)长波IR，波长从大约7 y m至大约14 u m。尽管参照示意性实施例描述了本发明，但该描述并不意在限制。例如，可以通过针 对增强型反射率、IR吸收和/电导率的金属沉积，或通过针对增强型机械强度的离子注入， 来修改各个表面。在不脱离本发明的范围和原理的前提下，可以实现不同形状的桨、臂、锚、 板、轴、柱、束和/或电极。本发明的探测器可以以不同方式被布置为形成线性或二维阵列。 本发明的器件和系统可以被配置为利用CW或脉冲光来进行操作。询问光可以具有任何适 合的波长(例如来自近红外区域)，而不必限于可见光谱。可以使用一个、两个或更多个紧 固在一起的晶片来形成本发明的器件。尽管参照IR辐射描述了本发明的探测器，但这些探 测器可以类似地被配置为探测其他辐射类型，例如，可见光、太赫辐射或微粒辐射。对于本 发明所属领域的技术人员而言显而易见的对本发明所描述的实施例以及其他实施例的各 种修改被视为落在权利要求中表述的本发明原理和范围之内。应当理解的是，这里阐述的示例方法的步骤不需要按照所描述的顺序来执行，并 且这些方法的步骤的顺序应当理解为仅是示例性的。同样，可以将附加步骤包括在这些方 法中，并且在符合本发明各个实施例的方法中可以省略或组合特定步骤。这里对“一个实施例”或“一实施例”的引用表示可以在至少一个实施例中包括结 合实施例描述的具体特征、结构或特性。在说明书中各个位置出现的短语“在一个实施例 中”既不必全部指代相同的实施例，也不是必须互相排除其他实施例的分离或备选的实施 例。这些同样适用于术语“实现方式”。贯穿详细描述，不会按比例绘制的附图仅是示意性的并用以解释而非限制本发 明。对诸如高度、长度、宽度、顶部、底部等术语的使用是严格要便于描述本发明，并不意在 将本发明限制于特定定向。类似地，尽管许多图将不同结构层示为水平层，但这样的定向仅 出于描述目的，而不应被视为限制性的。
权利要求
一种装置，包括辐射吸收区域的阵列，该阵列是在基片上支撑的并具有第一和第二多个辐射吸收区域，其中，对于第一多个辐射吸收区域中的每一个，区域相对于基片的位置响应于在该区域上入射的辐射的量；以及反射区域的阵列，每个反射区域刚性固定至辐射吸收区域之一，并适于对光的询问光束的相应部分进行反射以形成反射光束的相应部分，反射区域的阵列适于将空间相位调制图案施加到反射光束上，所述空间相位调制图案与在辐射吸收区域的阵列上入射的辐射的空间强度图案相对应。
2.根据权利要求1所述的装置，其中 入射辐射是红外辐射；以及询问光束包括可见光。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括透镜，适于接收反射光束，并在透镜的大约焦平面处形成与所述反射光束相对应的强 度图案；以及空间滤波器，适于对所形成的强度图案进行空间滤波，以将所述反射光束的空间相位 调制图案转换成空间滤波后的光束的空间强度分布。
4.根据权利要求3所述的装置，还包括透镜组件，适于对目标的像进行投影，以在辐射吸收区域的阵列上形成入射辐射强度 图案，其中，空间滤波后的光束的空间强度分布创建所述像的询问光表示。
5.根据权利要求3所述的装置，其中 所形成的强度图案包括多个峰；以及所述空间滤波器适于透射与至少一个峰相对应的光，并阻挡与至少一个其他峰相对应 的光。
6.根据权利要求1所述的装置，其中第二多个辐射吸收区域中的每一个具有与入射辐射的量无关的、相对于基片的固定位置。
7.根据权利要求1所述的装置，其中对于第二多个辐射吸收区域中的每一个，区域相对于基片的位置响应于在该区域上入 射的辐射的量；以及 响应于入射辐射，第一多个辐射吸收区域中的每一个适于向着基片移动；以及 第二多个辐射吸收区域中的每一个适于远离基片移动。
8.根据权利要求1所述的装置，其中 每个辐射吸收区域是板的表面部分；所述板被布置为形成多个像元，每个像元具有与第一多个辐射吸收区域相对应的第一 板和与第二多个辐射吸收区域相对应的第二板；以及对于每个像元，第一板的辐射吸收区域的表面积是第二板的辐射吸收区域的表面积的 至少两倍。
9.根据权利要求8所述的装置，其中每个反射区域包括安装在相应板上的反射器；以及 在至少一个像元中，安装在第二板上的反射器悬于第一板之上。 10. 一种探测辐射的方法，包括 使用辐射吸收区域的阵列来接收辐射，其中辐射吸收区域的阵列是在基片上支撑的并包括第一和第二多个辐射吸收区域；以及 对于第一多个辐射吸收区域中的每一个，区域相对于基片的位置响应于在该区域上入 射的辐射的量；以及使用反射区域的阵列来对光的询问光束进行反射，以形成具有空间相位调制图案的反 射光束，所述空间相位调制图案与在辐射吸收区域的阵列上入射的辐射的空间强度图案相 对应，其中，每个反射区域刚性固定至辐射吸收区域之一，并适于对询问光束的相应部分进 行反射以形成反射光束的相应部分。
全文摘要
本发明的典型实施例提供了一种红外(IR)成像系统(300)，适于(i)将对象的IR像转换成多个可移动板(304、306)的机械位移；(ii)使用该机械位移来将相应的空间相位调制图案施加到可见光的光束上；以及(iii)应用空间滤波以将空间相位调制图案转换成对象的可见像。
文档编号G01J5/40GK101861512SQ200880021218
公开日2010年10月13日 申请日期2008年6月16日 优先权日2007年6月21日
发明者克里斯托弗·D·W·琼斯, 克里斯蒂安·A·博列, 弗拉基米尔·阿纳托利耶维奇·阿克休克, 弗拉维奥·帕尔多, 玛丽亚·埃利娜·西蒙, 罗兰·里夫 申请人:朗讯科技公司