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図面 (3)

課題

ほとんどの大気条件を通じて像を形成できそして高い信号対雑音比検出器を備えた像形成装置を提供する。

解決手段

集積回路として構成された受動的ミリメータ像形成システムが提供される。この像形成システムはレンズ18を備え、レンズは、シーンからの放射16をレンズの焦点面にある検出器22に収束する。この検出器は、強誘電素子34の外部アレー32を備え、各素子は、頂部メタルフィルムと、強誘電層とを含んでいる。ビームからのミリメータ波放射は、強誘電層に電荷蓄積する。この蓄積電荷読み出し電子装置に関連した適当な増幅及び信号処理回路によって感知されて、シーンにおける障害物を表す信号をビデオシステムに供給する。又、強誘電層は各ピクセル素子アンテナとしても使用できる。

概要

背景

営業用個人専用及び用のものを含む航空機に関連して使用されてシーンの詳細な像を形成する形式の今日の像形成システムが良く知られている。これらの像形成システムは、航空機の操縦者が夜間や荒天候のような視界の悪い状態において衝突を回避しそして滑走路を検出できるようにする機構を提供する。このような像形成システムは、航空機の環境に限定されるものではなく、測量システムや、地図作成システムのような像形成を必要とする他のシステムにも適用することができる。

この形式の当初の像形成システムは、当業者に良く知られたフライングスポットスキャナによる可視光線の検出を使用するものである。しかしながら、可視光線の像形成は、低い光線状態及び悪い天候状態においては明らかに制約がある。というのは、霧、もや、雨、埃、煙等のある大気状態を通して伝達される光線量が少なくそして可視光線が限定されるからである。

レーダ像形成は、視界が悪く且つ悪天候の状態においてシーンを像形成するのに非常に有効な次世代の検出である。レーダ像形成は、送信器を使用して信号を放射し、これがシーン内物体から反射され、そしてレーダ像形成システムに関連した受信器により検出されるという点で能動的な像形成システムである。しかしながら、レーダ像形成は、多くの状態に必要な解像度レベルを与えるものではなく、従って、多くの状態において多くの物体を検出することが制限される。レーダ像形成の別の欠点は、送信器を必要とするために秘密状態が検知される機会が増すことである。

最近の像形成システムは、物体を検出する機構として赤外線放射を使用する。赤外線は、霧、、もや、等の大気状態を貫通することができるので、物体を検出するのに有効である。レーダ像形成とは異なり、赤外線像形成は、赤外線像形成システムに関連したセンサがシーン内の物体から放射される赤外放射線に依存するという点で受動的な像形成システムである。強誘電フィルムパイロ電気効果を用いたセンサを組み込んだ赤外線像形成システムが知られている。例えば、E.H.パトレイ著の「光学及び赤外線検出器における熱検出器(Thermal Detectors in Optical and Infrared Detectors) 」、第2版、トピックスインアプライド・フィジックス、第19巻、スプリンガー・バーラスニューヨークを参照されたい。パイロ電気効果は、放射エネルギー強誘電物質の温度を上昇させ、これが次いでその物質中に検出し得る電荷蓄積を生じさせることによって生じる。この形式の赤外線像形成システムは、赤外放射線を検出するように適当な基板上に一連強誘電素子が配置された像形成アレーを組み込んでいる。この放射線により生じる強誘電素子の温度変化により誘起される電荷は、適当な信号処理回路によって感知されて、出力信号が発生され、これがビデオシステムによって表示される。

受動的なミリメータ波像形成は、上記の大気状態を貫通して航空機の着陸助成及び計測機能を果たすのに有効な機構であることが実証されている。多くの場合に、ミリメータ放射波は、これらの大気状態を赤外放射線よりも良好に貫通し得る。1つの公知の受動的なミリメータ波像形成装置が、1992年7月のIEEマイクロウェーブアンドガイデッドウェーブレターズ、第2巻、第7号の第276−277ページ掲載されたラムウェイン氏等の「前置増幅ダイオード検出器を用いたミリメータ波像形成(Millimeter-Wave Imaging Using Preamplified Diode Detector) 」に開示されている。公知の受動的ミリメータ波像形成システムは、1つ又は若干のミリメータ波受信器と共に視界をカバーするペンシルビームアンテナ機械的な走査に依存している。これら形式のアンテナは、可視光線像形成に使用されたフライングスポットスキャナに類似している。しかしながら、これらの機械的走査アンテナは、実現できる最良信号対雑音比及び像更新を与えるものではない。更に、公知のミリメータ波像形成システムにおける焦点面アレー画素ピクセル)は、各ピクセルに対しビバルディ(Vivaldi)アンテナのようなアンテナを組み込んでいる。このようなアンテナは、像形成システムのコスト及び複雑さを増大する。

概要

ほとんどの大気条件を通じて像を形成できそして高い信号対雑音比の検出器を備えた像形成装置を提供する。

集積回路として構成された受動的なミリメータ波像形成システムが提供される。この像形成システムはレンズ18を備え、レンズは、シーンからの放射16をレンズの焦点面にある検出器22に収束する。この検出器は、強誘電素子34の外部アレー32を備え、各素子は、頂部メタルフィルムと、強誘電層とを含んでいる。ビームからのミリメータ波放射は、強誘電層に電荷を蓄積する。この蓄積電荷読み出し電子装置に関連した適当な増幅及び信号処理回路によって感知されて、シーンにおける障害物を表す信号をビデオシステムに供給する。又、強誘電層は各ピクセル素子のアンテナとしても使用できる。

目的

ほとんどの大気条件を通じて像を形成することができ且つ高い信号対雑音比を発揮し得る検出器を備えた像形成システムが要望される。それ故、本発明の目的は、このような像形成システムを提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

シーン像形成するための受動的ミリメータ像形成システムにおいて、基板と、上記基板上に配置された半導体デバイス層と、上記半導体デバイス層上に配置された強誘電素子アレーとを備え、これらの強誘電素子は、上記シーンからミリメータ波放射受け取りそして該放射におけるミリメータ波エネルギーを表す静電荷を発生し、上記の半導体層は、該電荷感知して上記シーンの像を表す信号を発生する読み出し電子装置を備えたことを特徴とする像形成システム。

請求項2

各強誘電素子は、強誘電層と、該強誘電層に接触する頂部のメタル層とを含む請求項1に記載の像形成装置

請求項3

レンズを更に備え、該レンズは、上記強誘電素子のアレーに上記放射を収束し、上記強誘電素子のアレーは、実質的に上記レンズの焦点面にある請求項1に記載の像形成装置。

請求項4

上記基板は、砒化ガリウムである請求項1に記載の像形成装置。

請求項5

上記基板はシリコンである請求項1に記載の像形成装置。

請求項6

各強誘電層は厚みが約2ミクロンであり、そして各頂部メタル層は厚みが約100ないし300Åである請求項2に記載の像形成装置。

請求項7

上記の頂部メタル層は、広帯域吸収性の半透明フィルムである請求項2に記載の像形成システム。

請求項8

上記の頂部メタル層は酸化クロムである請求項2に記載の像形成システム。

請求項9

基板と、該基板に支持された強誘電素子のアレーとを備え、上記強誘電素子は、シーンからの放射を受け取り、そして該放射におけるミリメータ波エネルギーの結果としての強誘電素子の温度上昇を表す静電荷を発生することを特徴とする受動的なミリメータ波像形成システム。

請求項10

読み出し電子装置を更に備え、該読み出し電子装置は電荷を感知すると共に、ミリメータ波エネルギーが発生されたシーンの像を表す信号を発生する請求項9に記載の像形成システム。

請求項11

上記基板は半導体基板であり、上記読み出し電子装置は、該基板上に配置された半導体デバイス層の一部分であり、上記強誘電素子はこの半導体層上に配置される請求項9に記載の像形成システム。

請求項12

各強誘電素子は、強誘電層と、頂部のメタル層とを含む請求項9に記載の像形成システム。

請求項13

上記の頂部メタル層は、広帯域吸収性の半透明フィルムである請求項12に記載の像形成システム。

請求項14

上記の頂部メタル層は酸化クロムである請求項12に記載の像形成システム。

請求項15

レンズを更に備え、該レンズは、上記強誘電素子のアレーに上記放射を収束する請求項9に記載の像形成装置。

請求項16

上記像形成装置は、集積回路の一部分である請求項9に記載の像形成装置。

請求項17

基板上に支持された強誘電素子のアレーを用意し、そしてシーンからの放射を上記強誘電素子に収束して、該放射におけるミリメータ波エネルギーが強誘電素子を加熱しそして静電荷を蓄積するようにし、これを測定するようにしたことを特徴とするシーンを像形成する方法。

請求項18

強誘電素子のアレーを用意する上記段階は、半導体デバイス層の上に強誘電素子のアレーを設けることを含み、この半導体デバイス層は、上記電荷を測定する読み出し電子装置を含む請求項17に記載の方法。

請求項19

放射を収束する上記段階は、放射を強誘電素子に収束するレンズを用意することを含む請求項17に記載の方法。

請求項20

強誘電素子のアレーを用意する上記段階は、各強誘電素子が強誘電層及び頂部メタル層を含むような強誘電素子のアレーを用意することを含み、上記頂部メタル層は広帯域吸収体である請求項17に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、一般に、ミリメータ像形成システム係り、より詳細には、パイロ電気効果の結果として放射線感知する強誘電素子アレーを含むミリメータ波像形成システムに係る。

背景技術

0002

営業用個人専用及び用のものを含む航空機に関連して使用されてシーンの詳細な像を形成する形式の今日の像形成システムが良く知られている。これらの像形成システムは、航空機の操縦者が夜間や荒天候のような視界の悪い状態において衝突を回避しそして滑走路を検出できるようにする機構を提供する。このような像形成システムは、航空機の環境に限定されるものではなく、測量システムや、地図作成システムのような像形成を必要とする他のシステムにも適用することができる。

0003

この形式の当初の像形成システムは、当業者に良く知られたフライングスポットスキャナによる可視光線の検出を使用するものである。しかしながら、可視光線の像形成は、低い光線状態及び悪い天候状態においては明らかに制約がある。というのは、霧、もや、雨、埃、煙等のある大気状態を通して伝達される光線量が少なくそして可視光線が限定されるからである。

0004

レーダ像形成は、視界が悪く且つ悪天候の状態においてシーンを像形成するのに非常に有効な次世代の検出である。レーダ像形成は、送信器を使用して信号を放射し、これがシーン内物体から反射され、そしてレーダ像形成システムに関連した受信器により検出されるという点で能動的な像形成システムである。しかしながら、レーダ像形成は、多くの状態に必要な解像度レベルを与えるものではなく、従って、多くの状態において多くの物体を検出することが制限される。レーダ像形成の別の欠点は、送信器を必要とするために秘密状態が検知される機会が増すことである。

0005

最近の像形成システムは、物体を検出する機構として赤外線放射を使用する。赤外線は、霧、、もや、等の大気状態を貫通することができるので、物体を検出するのに有効である。レーダ像形成とは異なり、赤外線像形成は、赤外線像形成システムに関連したセンサがシーン内の物体から放射される赤外放射線に依存するという点で受動的な像形成システムである。強誘電フィルムのパイロ電気効果を用いたセンサを組み込んだ赤外線像形成システムが知られている。例えば、E.H.パトレイ著の「光学及び赤外線検出器における熱検出器(Thermal Detectors in Optical and Infrared Detectors) 」、第2版、トピックスインアプライド・フィジックス、第19巻、スプリンガー・バーラスニューヨークを参照されたい。パイロ電気効果は、放射エネルギー強誘電物質の温度を上昇させ、これが次いでその物質中に検出し得る電荷蓄積を生じさせることによって生じる。この形式の赤外線像形成システムは、赤外放射線を検出するように適当な基板上に一連の強誘電素子が配置された像形成アレーを組み込んでいる。この放射線により生じる強誘電素子の温度変化により誘起される電荷は、適当な信号処理回路によって感知されて、出力信号が発生され、これがビデオシステムによって表示される。

0006

受動的なミリメータ波像形成は、上記の大気状態を貫通して航空機の着陸助成及び計測機能を果たすのに有効な機構であることが実証されている。多くの場合に、ミリメータ放射波は、これらの大気状態を赤外放射線よりも良好に貫通し得る。1つの公知の受動的なミリメータ波像形成装置が、1992年7月のIEEマイクロウェーブアンドガイデッドウェーブレターズ、第2巻、第7号の第276−277ページ掲載されたラムウェイン氏等の「前置増幅ダイオード検出器を用いたミリメータ波像形成(Millimeter-Wave Imaging Using Preamplified Diode Detector) 」に開示されている。公知の受動的ミリメータ波像形成システムは、1つ又は若干のミリメータ波受信器と共に視界をカバーするペンシルビームアンテナ機械的な走査に依存している。これら形式のアンテナは、可視光線像形成に使用されたフライングスポットスキャナに類似している。しかしながら、これらの機械的走査アンテナは、実現できる最良信号対雑音比及び像更新を与えるものではない。更に、公知のミリメータ波像形成システムにおける焦点面アレー画素ピクセル)は、各ピクセルに対しビバルディ(Vivaldi)アンテナのようなアンテナを組み込んでいる。このようなアンテナは、像形成システムのコスト及び複雑さを増大する。

発明が解決しようとする課題

0007

ほとんどの大気条件を通じて像を形成することができ且つ高い信号対雑音比を発揮し得る検出器を備えた像形成システムが要望される。それ故、本発明の目的は、このような像形成システムを提供することである。

課題を解決するための手段

0008

本発明の技術によれば、パイロ電気効果を用いてミリメータ波レンジの放射線を検出するための強誘電素子のアレーを組み込んだ受動的なミリメータ波像形成システムが開示される。1つの好ましい実施の形態において、半導体基板が用意される。この基板には、読み出し電子回路を含む半導体デバイスの層が集積形態で形成される。これら半導体デバイスの層の頂部には強誘電素子のアレーが付着される。各強誘電素子はピクセルであり、各ピクセルは強誘電層及び頂部メタルフィルムを組み込んでいる。光学システムは、シーンからの放射線を強誘電アレーに収束する。この光学システムは、通常は、回折制限される光学系の分解能を小さな検出素子一貫させるために誘電率の高い媒体を組み込む。回折制限は、放射線の1/4波長にほぼ等しく、従って、光学系と強誘電検出器アレーとの間の最良の性能一致を得るためには、媒体の誘電率がほぼ3000程度でなければならない。ビームのミリメータ波放射からの熱は、強誘電素子に電荷の蓄積を生じさせ、これは、読み出し電子装置増幅器及び信号処理回路によって読み取られて、読み取り可能な像に変換され、ビデオスクリーンに表示される。

0009

本発明の付加的な目的、効果及び特徴は、添付図面を参照した以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から明らかとなろう。強誘電素子のアレーを用いた受動的なミリメータ波像形成システムに関する好ましい実施の形態についての以下の説明は、単なる例示であって、本発明又はその用途もしくはその使い方を何ら限定するものではない。

発明を実施するための最良の形態

0010

図1は、本発明の好ましい実施の形態による受動的なミリメータ波像形成システム10の概略図である。このシステム10は、営業用定期旅客機又は他の形式の航空機の衝突回避システムの一部分として組み込むことのできる形式のものであり、特に、荒天候条件における像形成システムとして適用できる。しかしながら、システム10は、航空機の運行に関連のない物体を検出するための他の像形成システムの一部分としても適用できる。

0011

システム10は、特定のシーン12内の障害物地形及び着陸場所を検出するように動作できる。シーン12は、システム10の視野であり、この技術で良く知られたように、システム10に関連したスキャナ(図示せず)及びアパーチャ(図示せず)のような方向性機構によって決定される。シーン12は、雨や霧やもやのような(これらに限定されるものではない)多くの大気条件14によって妨害されることがある。約1GHzないし約100GHzの周波数レンジ内のミリメータ波長の放射線16は、大気条件14を実質的に何の妨げもなく効果的に貫通し通過する。システム10によって受け取られるミリメータ波放射線16はレンズ18のような光学系に当たる。レンズ18は、レンズ18の焦点面に配置された検出器22の前面に放射線20の収束ビームが当たるように放射線16を像形成する。検出器22は、放射線20の収束ビームを受け取るその前面に強誘電フィルム24を含んでいる。良く知られた適当な読み出し電子装置26は、フィルム24の後方に配置されて、ビーム20の強度を測定し、そしてこの強度を表す出力信号を発生する。強誘電フィルム24の前面の一部分の拡大図が、強誘電素子のアレー32として示されている。このアレー32は、多数の個別の個々の強誘電素子34を備え、各強誘電素子34は、検出器22のピクセルを表している。

0012

強誘電物質内のパイロ電気効果の動作は良く知られている。ビーム20からの熱はフィルム24に静電荷を発生する。これらの電荷は、当業者に良く知られたように、読み出し電子装置26内の適当な増幅器(図示せず)及び低周波信号処理、調整及びマルチプレクス回路(図示せず)によって感知される。放射線ビーム20からの測定電荷の増加により発生される信号は、航空機に関連した操縦者が読み取れるようにシーン12を表示するビデオ回路(図示せず)へ送られる。システム10においては、この技術で良く知られたように、フィルム24と相互作用する放射線がないときにゼロ基準を与えるように、レンズ18に放射線16を間欠的に付与するチョッパ(図示せず)が組み込まれる。

0013

図2は、本発明の好ましい実施の形態による像形成部品を組み込んだアレー32の拡大部分の集積回路36を示すプロファイル図である。集積回路36は基板38を備え、その上に半導体デバイス層40が形成される。このデバイス層40の上にアレー32が形成される。2つ以上の半導体デバイス層40が含まれてもよい。各強誘電素子34は、強誘電層42と、頂部のメタルフィルム層44とを含む。頂部メタル層44は、広帯域吸収性の半透明フィルムであり、熱伝導に対して良好な表面接触を与える。1つの実施形態において、層44は、酸化クロムのフィルムである。集積回路形態において、読み出し電子装置26は、デバイス層40の一部分であるか、又は個別のデバイス層(図示せず)である。強誘電ピクセル34に蓄積された電荷の信号を処理するための種々の回路構成を本発明の精神から逸脱せずに使用できることが当業者に明らかであろう。

0014

システム10の1つの所望の特性は、強誘電フィルム24、読み出し電子装置26及び半導体デバイス層40の全てを基板38上の集積回路の部分として構成できることである。それ故、回路36は、コスト効率のよい仕方で製造することができ、且つ最小のスペースしか占有しない。1つの実施の形態において、基板38は、厚みが約20ミル砒化ガリウムGaAs)である。基板38はシリコンであってもよい。各強誘電素子34は、面寸法が、例えば、約25ミクロンx25ミクロンである。各強誘電層42は、厚みが約2ミクロンであり、それに対応するメタル層44の厚みは、約100ないし300Åの範囲である。更に、約1/2cmx1/2cmのチップ上に約200の垂直素子34と200の水平素子34がある。

発明の効果

0015

上記のように、公知のミリメータ波像形成システムは、放射線を受け取るために各ピクセルに関連したアンテナを組み込んでいる。強誘電物質は、誘電率が非常に高いので、強誘電フィルム24をアンテナ及び検出素子として使用することができる。それ故、公知のミリメータ波像形成システムは、強誘電物質のアレーの検出素子を組み込んで、信号対雑音比を増加すると共に、システムのサイズを減少することによりグレードアップできることが明らかであろう。

0016

本発明の実施の形態を以上に説明したが、当業者であれば、上記説明、添付図面及び特許請求の範囲から、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに種々の変更や修正がなされ得ることが明らかであろう。

図面の簡単な説明

0017

図1本発明の好ましい実施の形態による受動的なミリメータ波像形成システムの概略図である。
図2本発明の好ましい実施の形態による受動的なミリメータ波像形成システムのプロファイル図である。

--

0018

10受動的なミリメータ波像形成システム
12 特定のシーン
14大気条件
16、20放射線
18レンズ
22検出器
24強誘電フィルム
26読み出し電子装置
32強誘電素子のアレー
34 個々の強誘電素子
36集積回路
38基板
40半導体デバイス層
42強誘電層
44 頂部メタルフィルム層

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