JP2000509834A - 各チャネルのための集光器を有するマルチチャネル赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、赤外線放射の多重波長バンドの検出用のシステムと方法を含む。本発明は、検出要素（１０２）と漏斗中に搭載された別々のフィルター（２０４）上のエネルギー密度を増加させるための集光器又は“光学的漏斗”（１０４）、及び個々の検出器要素用の搭載構造を備える。本発明の装置は、搭載検出器、集光器、及び赤外線フィルターのための統一手段を提供する。それはまた、検出器要素への電気的連結のための効率的手段を提供する。本発明は、検出器を直接光学的漏斗に連結させ、検出器要素の背面から検出器要素に光を通過させる検出器用の搭載構造を提供する。本発明は、個々の集光器の焦点末端に検出器要素を搭載することによってクロストークを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】 各チャネルのための集光器を有するマルチチャネル赤外線検出器発明の分野 本発明は一般的に赤外線検出システム、より詳細には、シグナルとノイズの比 を改良するために集光を用いる赤外線検出器システムに関する。発明の背景 光学検出器は物体から出る赤外線エネルギーを検出するために用いられる。典 型的にはこれらの光学検出器の１次元又は２次元平面配列が、このエネルギーを 検出するために用いられる。典型的にはシグナルを受け取る区画は増加又は最大 化され、配列が十分量のシグナルを受け取ることを確かにしなければならない。 図１は、４個の検出器１２を有する通常の検出器配列１０の例を示す。この型 の検出器配列１０において、検出器１２は最大サイズであり、検出器間の間隙１ ４は最小化される。通常技術はまた、電気的絶縁、相互連結、等温基盤及び正面 の明瞭な光学的孔の必要性の故に、検出器のための分離した搭載構造を開示する 。 典型的な従来技術は、集光手段を有しないマルチチャネル検出器配列と、集光 手段を有する単一チャネル検出器を含む。集光器手段の配列と検出器要素の配列 の組合せは従来技術で典型的ではない。 また、個々のフィルター要素を有するマルチチャネル検出器配列は典型的には 、フィルター配列と検出器配列の間の共通の空間内の散光により、光学的クロス トークを受けてきた。 それ故、必要なことは、通常の検出器と関連したクロストーク問題を克服し、 同時に赤外線エネルギーの最大検出を可能とする方法とシステムである。その方 法とシステムは、現存の製造技術を用いて容易に実施されるべきである。更に、 それはコスト的に有効で、現存のデバイスと容易に適合できるべきである。発明の概要 本発明の目的は単一体の多重赤外線検出器チャネルを提供することである。検 出器面積を減らして検出器ノイズを減少させることも更なる目的である。各検出 器要素によって吸収されるエネルギーと発生するシグナルを最大化することも別 の目的である。検出器要素間の光学的クロストークを最小化するか、又は取り除 くことも別の目的である。最後に、検出器要素間の温度差異を最小化し、クール ・ダウン又は温度安定化時間を最小化することも一つの目的である。 本発明は、赤外線放射の多重波長バンドの検出システムと検出方法である。本 発明は、集光器又は“光学的漏斗”を組み込み、検出器要素、漏斗に搭載された 別々のフィルター、及び個々の検出器要素のための搭載構造上のエネルギー密度 を増加させる。 本発明の装置は、幾つかの区画における従来の赤外線検出器組み立て物におけ る進歩である。本発明の装置は、搭載検出器、集光器及び赤外線フィルターのた めの統一手段を提供する。それはまた、検出器要素への電気的連結のための効率 的手段も提供する。 本発明は、光学的漏斗へ検出器を直接連結し、検出器要素の背面から検出器の 中へ光を通過させる検出器の搭載構造を提供する。本発明は、個々の集光器の焦 点末端に検出器要素を搭載することにより、クロストークを防止する。図面の簡単な説明 図１は、４個の検出器を有する通常の焦点配列の例を示す。 図２は、本発明のマルチチャネル焦点配列の斜視図である。 図３は、本発明の集光器組み立て物の断面図である。 図４ａと４ｂは、本発明の光学的検出器組み立て物の上面分解組み立て図と下 面分解組み立て図である。発明の説明 本発明は赤外線検出器システムの改良に関する。以下の説明は当業者が本発明 を製造し使用できるように行い、特許出願及びその請求の範囲という形で行う。 好適実施形態の種々の改変は当業者に自明であり、全般的な原理は他の実施形態 に適用できる。即ち、本発明は示した実施形態に限定されるものではなく、本明 細書記載の原理と特徴に一致する最大の範囲が与えられるべきである。 図２は本発明のマルチチャネル焦点配列１００の斜視図である。焦点配列１０ ０は複数の検出器１０２を備え、検出器の各々は集光器組み立て物１０４と連結 する。集光器１０４の各々は漏斗のような形であり、一端（上部）は最大直径で あり、他端（下部）は最小直径である。それ故、本発明の焦点配列は、最小化サ イズの検出器１０２と検出器間の最大サイズの間隙１０８を備える。この影響は 、検出器サイズが最大化され、間隙が最小化される図１の通常の焦点配列とは対 照的である。それ故、本発明の光学的焦点配列によって、チャネル間の光学的ク ロストークはかなり減少する。 検出器ノイズは検出器面積の平方根に比例し、検出器シグナルは検出器によっ て吸収されるエネルギーに比例する。フィルタリング、イメージング及び分散的 光学システムは、限定的数開口数又は光学的軸に対する角度を通し光学エネルギ ーを伝達する。それ故、示した先細光パイプ又は漏斗のような集光器の使用は、 単位面積当たりのエネルギーを増加できる。本発明により、集光器を用い、検出 器の外形サイズは、ノイズを増加すること無く大きくできる。本出願で使用でき る典型的型の検出器とそれらと連関する特徴は下に記す。 図３は、本発明の集光器組み立て物１０４の断面図である。漏斗型器２０２の 大きい方の末端２０３での開口部２０１で、集光器組み立て物に入ることが可能 な赤外線エネルギーの波長を選別する帯域通過フィルター２０４を搭載する。漏 斗の小さい方の末端２０３で、検出器１０２を搭載する。漏斗２０２は、大きい 方の開口部２０３（例えば、直径０．０８２”）に入り小さい方の開口部２０５ （例えば、直径０．０４０”）に達するエネルギーを集中し、次いでエネルギー は検出器１０２に落ちる。 図４ａと４ｂは、本発明の光学的検出器組み立て物３００の上部分解組み立て 図と下部分解組み立て図を示す。検出器３０４は、集光器３１０を備える検出器 搭載プレート３０８の１面に搭載される。複数のフィルター３１２は集光器配列 ３１０に対し位置し、フィルター搭載プレート３２０内に搭載される。その組み 立て物はネジ３２２によりカバープレート３２１によって固定される。リードフ レーム組み立て物３１４は検出器３０４の上に載り、通常の結合ワイヤ３１６は 各検出器３０４をリードフレーム中の伝導体に連結させる。 １好適実施形態では、各チャネルはそれ自信のフィルター３１２を備える。集 光器は検出器搭載プレート３０８中の単一郊品である集光器配列３１０に組み込 まれ、それはまた検出器搭載手段を提供する。この型の検出器配列は、濾光でき る、又は分散的でありうるマルチチャネル分光学などの種々の適用のために、又 は例えばイメージングのために使用される焦点平面配列で使用できる。 本発明の光学的検出器組み立て物３００の種々の部分は以下に詳細に説明する 。検出器３０４ Ａ．低温検出器 １好適実施形態では、光子エネルギーはシグナルの電気的測定のために電荷担 体を解放する。検出器は、光が基盤側から入る“フリップチップ”として搭載で きる。１例では、Ａ／Ｒ被覆を施用し、表面反射損失を最小化できる。球形光学 的表面は“光学的浸漬”を与え、検出器ノイズ面積を増加させること無くして有 効な集光面積を増加させることができる。更に、背面を金属で覆い、不所望の光 通路を遮断できる。 Ｂ．ボロメーターなどの温度検出器 この実施形態では、黒のエネルギー吸収区画は光子エネルギーを熱に転換する 。それ故、温度変化又は温度負荷を用い、シグナルを発生させる。検出器搭載プレート３０８ 集光器配列３１０ １好適実施形態では、配列３１０は搭載プレート３０８に組み込まれ、kovar のような単一固体片の低膨張合金を備える。各チャネルは検出器要素を搭載する ためのポケットを備える。ポケットの肩は光学的クロストークを遮断する。接着 剤のためのコーナーレリーフとインジウムボールのための凹部が存在する。フィ ルター方向に大きな末端と検出器方向に小さな末端を有する集光器は、研削され た金プレートの表面を有することによって高反射性を有し、長方形断面を有しう る。集光器は複雑な曲線断面を有しうる。フィルター配列組み立て物 フィルター配列３１２はフィルター搭載プレート３２０と連結している。フィ ルター搭載プレート３２０は各フィルターのための個々のポケットを備える。１ 好適実施形態で、ポケットのコーナーは接着剤をつけるために際立つ。更に、組 み立て物は、異なるフィルターセットのために交換可能なように製造できる。最 後に、フィルター搭載プレート３２０はkovarのような低膨張合金から製造すべ きあり、電気鋳造によって製造できる。 １好適実施形態で、集光器の大きな末端上のフィルター配列では、光がより平 行である（小さな末端に対し）光通路の位置にフィルターは置かれる。より狭い 帯域を有し、フィルターに入射する一層平行な光線を受け、より正確な中央波長 をもつ赤外線妨害フィルターが機能することは公知である。集光器の使用により 、非常に少ない軸線が存在する大きな開口部にフィルターを置くことが可能とな り、多くの広角線が存在する集光器の小さい開口部に向かいあって検出器を置く ことによって検出器の視野全体を用いる。リードフレームパッケージ３１４ リードフレームパッケージのサンドイッチ材料は、berylliaのような種々の材 料でありうる。材料は高温伝導性と電気絶縁性を有すべきである。１好適実施形 態のリードフレームパッケージは金めっき銅、真鍮をかぶせた、ないし、かたど られたberyllia基盤である。１好適実施形態では、berylliaスペーサーと温度セ ンサーはかたどられた基盤に接着剤で固定することができる。 １好適実施形態では、上記したように検出器３０４は集光器配列３１０中のポ ケット３１８中に搭載される。検出器パッドからberyllla基盤上のパターンへワ イヤ結合することによって、電気連結が作製される。リードフレームパッケージ ３１４は、集光器配列３０９とカバープレート３２１の間で組み立てられる。 カバープレート３２１はネジ３２２によって固定される。 リードフレームの伝導体の製造における銅の使用は、不所望の熱電対と熱電気 ...フィールド（ＥＭＦ）の除去に重要である。典型的には、検出器３０４は、 検出器組み立て物を低温“コールド・フィンガー”に物理的に搭載することによ って低温に維持される。小さな結合ワイヤは、検出器３０４をリードフレームに 電気的に連結する。検出器３０４と近いために、結合ワイヤとリードフレームパ ッケージ３１４の部品はまた低温である。リードフレームパッケージ３１４の末 梢端は、シグナルをプリアンプ（図示せず）へシグナルを伝達するより大きなワ イヤと連結される。典型的にはプリアンプは通常の室温であり、低温環境の外に 置かれる。比較的大きなサイズ（２８ＡＷＧ）のため、プリアンプとリードフレ ームパッケージ３１４の間のワイヤはかなりの熱をリードフレームに伝導し、室 温から低温までそれを横切る温度勾配を産生する。リードフレームパッケージ３ １４と相互連結ワイヤのために銅を使用する場合、熱電対又は熱ＥＭＦ（温度差 異のある異なる金属の接触）の産生は避けられる。銅がリードフレームで使用さ れない場合（ＫＯＶＡＲは標準的実務の材料である）、熱ＥＭＦは産生する（銅 ワイヤがリードフレーム材料に結合する）。関与する比較的高い温度差異のため に（低温から室温まで）、マイクロボルト１００ｓ中の顕著なＥＭＦは、検出器 からの典型的光電気シグナルを圧倒しながら産生しうる。 本発明のシステムと方法によって、２つの所望の設計目標が達成される。 １． ＩＲフィルターを通る比較的数少ない広角線を提供し、フィルター性能を 最適化すること。 ２． 検出器に入射する多くの広角線の広視野を提供し、検出器によって集めら れるエネルギー量を最適化すること。 記載した実施形態に基づき本発明を記載したが、これらの実施形態への改変が ありえ、それらの改変は本発明の思想と範囲内であることを当業者は容易に理解 しよう。それ故、多くの改変が当業者によってなされうるが、請求の範囲の思想 と範囲を逸脱することはない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 複数の多重検出器；及び 最低１個の集光器のポケットに位置する検出器の１個と連結する最低１個の集光 器； を備える光学的検出器配列組み立て物。 ２． 最低１個の集光器は、 検出器を保持するポケットを備える保持手段；及び 保持手段と連結する集光器； を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の組み立て物。 ３． 最低１個の集光器は漏斗様形を有し、漏斗様形は一端で小さな開口部と反 対側端で大きな開口部を有し、検出器は小さな開口部内に位置することを特徴と する請求項２に記載の組み立て物。 ４． 集光器はフィルターを備えることを特徴とする請求項２に記載の組み立て 物。 ５． フィルターは取り外し可能であることを特徴とする請求項３に記載の組み 立て物。 ６． 複数の検出器の各々と連結した１個の集光器を備えることを特徴とする請 求項１に記載の組み立て物。 ７． 複数の検出器；及び 複数の検出器と連結した複数の集光器； を備え、複数の集光器によって、複数の検出器のサイズは最小化され、検出器間 の間隙は最大化されていることを特徴とする光学的検出器配列組み立て物。 ８． 最低１個の集光器は、 検出器を保持するポケットを備える保持手段；及び 保持手段に連結する集光器； を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の組み立て物。 ９． 最低１個の集光器は漏斗様形を有し、漏斗様形は一端で小さな開口部と反 対側端で大きな開口部を有し、検出器は小さな開口部内に位置することを特徴と する請求項８に記載の組み立て物。 １０． 集光器はフィルターを備えることを特徴とする請求項９に記載の組み立 て物。 １１． フィルターは取り外し可能であることを特徴とする請求項９に記載の組 み立て物。 １２． 複数の検出器の各々と連結した１個の集光器を備えることを特徴とする 請求項７に記載の組み立て物。 １３． 検出器搭載プレート； 検出器搭載プレートの一面と連結した複数の検出器；及び 検出器搭載プレートの反対面と連結した集光器配列； を備え、 集光器配列は複数の漏斗形部品を備え、複数の漏斗形部品の各々は一端に小さな 開口部と反対端に大きな開口部を有し、複数の検出器が複数の漏斗形部品の小さ な開口部に位置することを特徴とする光学的検出器配列組み立て物。 １４． 漏斗形部品の大きな開口部に位置する複数のフィルターと、複数のフィ ルターを保持するためのフィルター搭載プレートを備えることを特徴とする請求 項１３に記載の光学的配列組み立て物。 １５． 複数の検出器と連結したリードフレーム部品を備え、リードフレーム組 み立て物の伝導体は実質的に銅からなることを特徴とする請求項１３に記載の光 学的配列組み立て物。