光学传感器元件、热图像传感器和检测热辐射的方法与流程

本公开涉及用于检测热辐射的光学传感器元件、包括多个这样的光学传感器元件的热图像传感器、以及检测热辐射的方法。

背景技术：

1、热成像(通常也称为红外热图)是一种用于基于长波长红外(lwir)区域(通常在9μm和14μm之间)中的光子生成光学图像的技术。这是由于黑体辐射定律，根据黑体辐射定律，温度高于绝对零度的所有对象都发射红外辐射，其中由对象发射的辐射量随温度增加。因此，热成像使得能够在具有或不具有可见照明的情况下可视化环境。例如，热成像的应用包括热测绘、医学成像、建筑物诊断和夜视。其中，热成像相机将红外波长的能量转换成可见光显示。

2、传统的热成像相机体积大且昂贵。为了也对便携式电子设备(例如智能电话、可穿戴设备和膝上型计算机)实现热成像技术方案，集成技术方案是必要的，因为除了价格之外，空间限制通常也构成这些设备中的最大挑战。移动设备中经常采用的普遍存在的硅基cmos图像传感器(cis)只能在可见光(400-700nm)和部分近红外(700-1000nm)光谱范围内成像。因此，硅不能用作热或lwir光谱范围内的吸收材料。因此，用于这些应用的热相机的常规方法，例如微测辐射热计阵列，使用高灵敏度的微光学机械mom换能器，例如双金属悬臂，以便检测热辐射。这些悬臂的偏转通常以压电、电阻或电容方式读出。然而，这些读出方案经历诸如缺乏热隔离和约翰逊噪声的问题。

3、现有技术的光学技术能够检测双金属悬臂的热膨胀，其分辨率达到亚埃级别，仅受限于热振动噪声。然而，现有的光学读出方法利用使用来自具有衍射光学元件的led或来自激光器的光的偏转测量，该技术也从原子力显微镜已知，其中光从悬臂反射并被导向cis。然后通过使用多通道光电检测器随着温度变化测量光斑的偏转来计算热图像。然而，这种间接测量可能导致准确性问题，并增加跟踪和计算光斑位置的软件负担。此外，这样的相机系统不紧凑并且对外部机械振动和对准问题敏感。

4、因此，要实现的目的是提供一种具有高灵敏度和紧凑结构的用于检测热辐射的光学传感器元件。另一个目的是提供一种包括多个这样的光学传感器元件的热图像传感器，以及一种检测热辐射的方法。

5、这些目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中描述了进一步的改进和实施例。

技术实现思路

1、本公开通过提供基于光学干涉测量的用于热成像的简单、紧凑的光学传感器元件来克服上述技术限制，其中热辐射被转换成借助于检测单元直接读出的光学干涉测量信号。其中，根据改进构思的光学传感器元件利用高灵敏度微光学机械换能器以便检测热辐射。由于吸收的热辐射引起的换能器的偏转使用干涉测量检测来光学地检测，该干涉测量检测基于读出光发射器的腔中的自混合干涉测量smi。其中，smi信号的程度与入射在mom换能器上并由mom换能器吸收的热能成比例，导致与现有技术方案相比显著增强的测量精度。此外，由于机械元件的减少，系统对振动和对准的敏感度低得多。具体地，本公开利用光发射器进行发射和检测两者。因此，本公开将众所周知的使用双金属悬臂作为换能器进行温度检测的构思与例如来自换能器的光学偏转相结合，使得可以使用商用光发射器直接读出热图像，用于光学干涉测量自混合的光学读出。

2、在实施例中，用于感测热辐射的光学传感器元件包括具有腔的光发射器，其中光发射器被配置为通过发射表面发射相干电磁辐射。光发射器还被配置为经历自混合干涉smi，其由重新注入到腔中的反射的电磁辐射引起。光学传感器元件还包括远离发射表面布置的微光学机械换能器，其中换能器被配置为根据入射在换能器上并由换能器吸收的热辐射而经历机械偏转。换能器还被配置为将由光源发射的电磁辐射朝向光发射器的发射表面反射回去，使得其重新进入腔以产生smi。换句话说，所反射的电磁辐射被重新注入腔中。此外，光学传感器元件的检测单元被配置为检测所生成的smi的程度，根据检测到的程度确定换能器的偏转，并且生成指示所确定的偏转的输出信号。

3、光发射器(例如，诸如垂直腔表面发射激光器vcsel的激光器)具有激光腔并且通过布置在激光腔的顶侧上的部分透射端镜(例如，布拉格镜)发射电磁辐射。其中，术语“顶侧”是指激光器的背离光发射器布置在其上的基板主体的一侧。具体地，光发射器可以布置在基板(例如cmos硅晶粒(die))上，使得光发射器的底侧平行于基板并面向基板。基板可以包括用于将激光器电连接到激光器驱动器的激光器触点。基板可以进一步包括用于控制光发射器的发射的集成电路和用于读出smi信号的电路。例如，这种集成电路包括用于确定smi的程度的无源和有源电路，例如包括跨阻抗放大器。

4、换能器被布置在光发射器的与基板相对的一侧上，即，换能器被布置成远离光发射器的发射表面，使得由于热辐射的吸收引起的换能器的偏转改变光发射器和换能器之间的间隙。换句话说，换能器的偏转改变光学模式的光学路径长度，其中路径长度由腔和间隙形成。例如，换能器是mems晶粒的一部分，mems晶粒例如经由间隔件接合到基板。换能器被配置为在吸收热光子(即lwir范围内的光子)时经历偏转。这可以借助于换能器来实现，该换能器以使得其具有不同热膨胀系数的区域的方式形成。因此，对于任何给定的能量吸收，这些不同的区域经历不同的膨胀，在换能器内产生应力或应变，使得换能器显示出偏转，例如由于变形、位移或弯曲。

5、换能器具有反射表面，例如换能器的底表面，其面向发射表面，并且因此可以接收由光发射器通过发射表面发射的电磁辐射。其中，从光发射器接收的电磁辐射的至少一部分被反射离开反射表面并被引导回到发射表面。该反射的电磁辐射的至少一部分经由发射表面耦合回到腔中，从而引起自混合干涉。自混合干涉进而引起腔中的光功率的改变(例如，调制)，并且因此引起光发射器通过发射表面的输出功率的改变(例如，调制)。换句话说，换能器将热能转换成机械偏转。此外，自混合干涉的发生将机械偏转转换为光学干涉信号。

6、例如，借助于集成电路实现的检测单元借助于监测光发射器的电特性或通过监测光发射器的光学输出功率来检测干涉测量信号。干涉测量信号携带关于自混合干涉的程度的信息，其进而携带关于换能器在光发射器的发射方向上(即，沿着光路)的精确偏转的信息。因此，检测单元可以生成指示换能器在其偏转方面的瞬时位置的输出信号，其进而指示由换能器吸收的热辐射的量。因此，检测单元将光干涉信号转换成携带关于干涉的程度的信息的电输出信号。

7、在实施例中，微光学机械换能器包括由具有不同热膨胀系数的第一材料和第二材料形成的双压电晶片或双金属型层结构。例如，换能器是双压电晶片或双金属条，其包括随着温度变化以不同速率膨胀的不同材料的两个条带。由于热光子的吸收导致换能器的加热，因此如果在第一方向上加热，则不同的膨胀迫使原本固有平坦的条带弯曲远离其静止位置，并且如果冷却到其初始温度以下，则弯曲到与第一方向相反的第二方向。具体地，具有各自较高的热膨胀系数的材料在条带被加热时位于弯曲曲率的外侧，并且在冷却时位于内侧。应注意，在本文中，术语“双压电晶片”和“双金属型”用于强调使用由具有不同热膨胀特性(behavior)的两种不同材料形成的换能器将热辐射转换成机械变形。具体地，术语双金属型不一定要求第一材料和第二材料都是金属。

8、在实施例中，第一材料包括硅，并且第二材料是金属。例如，第一材料是本征硅或氮化硅，第二材料是诸如金的金属。硅的特点在于在20℃时的线性系数为2.56*10-6k-1，而金的线性系数在相同温度下为14*10-6k-1，因此大约大6倍。对于体积系数，观察到两种材料之间的类似显著差异，硅的体积系数为9*10-6k-1，金的体积系数为42*10-6k-1。具有与硅显著不同的热膨胀系数的替代金属包括银、铜、铝和黄铜。因此，换能器可以由作为第一材料的硅和作为第二材料的金属形成，使得在两种材料内吸收热光子时实现换能器的显著偏转。

9、在实施例中，第一材料形成条带，并且第二材料布置在条带的顶侧和底侧上。为了实现沿着光路的偏转，换能器可以由涂覆有第二材料(例如金)的第一硅层形成，其中第一层平行于发射表面并面向发射表面，而第二层背离发射表面。例如，换能器的面向光发射器的一侧由硅或氮化硅形成，而背离光发射器的一侧由金属形成，反之亦然。用于形成换能器的双金属型分层也被称为换能器是双金属双压电晶片结构。

10、在实施例中，微光学机械换能器是悬臂。例如，换能器是水平延伸的刚性结构元件，即平行于发射表面并垂直于由来自光发射器的电磁辐射的发射方向限定的光路，并且仅在一端处被支撑。例如，换能器是mems结构。悬臂的偏转导致悬臂朝向或远离发射表面弯曲，这取决于悬臂是被加热还是被冷却，以及面向发射表面的一侧是由具有相应的高膨胀系数还是低热膨胀系数的材料形成。

11、在实施例中，微光学机械换能器是双夹持梁。作为换能器是如上所述的单侧夹持悬臂的替代方案，换能器可以是两端被夹持到支撑结构的mems梁。梁的偏转导致梁的质心朝向或远离发射表面弯曲，这取决于悬臂是被加热还是被冷却，以及面向发射表面的一侧是否由具有相应的高热膨胀系数还是低热膨胀系数的材料形成。

12、在实施例中，光发射器是垂直腔表面发射激光器vcsel。vcsel二极管的特征在于垂直于vcsel的顶表面的主延伸平面的光束发射。vcsel二极管可以由基板上的半导体层形成，其中半导体层包括两个分布式布拉格反射器(dbr)，其包围其间的有源区层并因此形成腔。vcsel及其操作原理是众所周知的概念，并且在整个本公开中不再进一步详述。例如，vcsel二极管被配置为具有940nm、850nm或另一自然波长的发射波长。例如，vcsel二极管可以被配置为在正向偏置时发射相干激光。合适的替代光发射器包括半导体激光器，诸如边缘发射器、量子级联和量子点激光器，其具有合适的光学元件，诸如透镜、光栅耦合器等，用于将光耦合进出这种激光器设备。

13、在实施例中，用于检测所生成的smi的程度的检测单元被配置为测量光发射器的电特性，尤其是结电压或偏置电流。受自混合干涉影响的除了波长(以及光功率，因为其与发射频率有关)之外的量通常是激光器结电压。其中，应注意，输出频率和结电压两者因此示出与换能器的偏转的相关性。因此，结电压(例如vcsel的结电压)的测量提供了确定换能器的偏转的方便方式，因为其特征是直接地并且基本上没有延迟地经由smi传递到光发射器(例如vcsel二极管)的结电压。可替代地，例如，偏置电流的调制可以被检测为光发射器的改变的电特性。

14、在实施例中，光学传感器元件还包括光电检测器。其中，光发射器还被配置为通过除发射表面之外的另外的发射表面发射相干电磁辐射，光电检测器被配置为检测通过另外的发射表面发射的电磁辐射，并且用于检测所生成的smi的程度的检测单元被配置为测量由光电检测器检测到的电磁辐射的量。光电检测器可以被设计成使得其在由光发射器发射的相干电磁辐射的波长处是敏感的，例如具有其峰值灵敏度。

15、作为电特性的读出的替代或补充，光学传感器元件可以包括用于检测光发射器的光学输出功率的光电检测器。例如，光发射器是vcsel，其具有通过第一发射表面和与第一发射表面相对的第二发射表面的双侧发射。换能器被布置成与激光器的第一发射表面(例如面向换能器的顶部发射表面)间隔开，并且光敏元件被布置在激光器的第二发射表面(例如面向基板的腔的底侧)处或与激光器的第二发射表面间隔开。因此，光电检测器可以检测由于通过第二发射表面的输出光功率的调制而引起的自混合干涉的特征。换句话说，光电检测器布置在腔的监测输出上。

16、在实施例中，光学传感器元件还包括透镜元件，该透镜元件被布置为远离换能器并与光发射器相对，并且被配置为将热辐射引导到换能器的表面上。为了将热辐射引导到换能器使得实现最佳吸收，透镜元件可以以与例如光学透镜将可见光引导到图像传感器上或图像传感器的像素上类似的方式将热辐射聚焦到换能器上。透镜元件可以由例如锗(ge)、溴化钾(kbr)、硒化锌(znse)或氯化钠(nacl)形成。透镜元件布置在热辐射源和换能器的背离光发射器的顶表面之间。

17、在实施例中，透镜元件是超透镜。超透镜可以由具有布置在至少一侧上的纳米结构的透明材料形成，该纳米结构被配置为以与常规透镜相比类似的方式聚焦光。与常规透镜相比，超透镜体积较小，因为它们不需要例如弯曲表面。与传统的lwir透镜一样，可以使用相同的材料选择来实现超透镜作为透镜元件。超透镜可以包括电介质材料或半导体材料，诸如非晶硅、锗或金属。超透镜可以包括像柱、槽或孔的结构，或者h、u、v、+(加号)或十字形结构。

18、在实施例中，光学传感器元件还包括过滤器元件，该过滤器元件被布置成远离与光发射器相对的换能器，并且其特征在于通带包括电磁波谱的长波长红外(lwir)部分。为了限制不需要的辐射到达换能器(在那里它可能同样被吸收)，光学传感器元件还可以包括布置在热辐射入射到其上的换能器的一侧处的过滤器元件，以便阻挡(例如，拒绝或吸收)任何不需要的光。过滤器元件可以是定向过滤器元件，其也阻挡以大于最大接收角的入射角照射(impinge)在过滤器元件上的lwir波长的光。

19、在实施例中，光学传感器元件还包括另一透镜元件，该另一透镜元件布置在换能器和发射表面之间，并且被配置为将来自光发射器的电磁辐射引导到换能器的表面上，并且将反射的电磁辐射重新注入到光发射器的腔中。类似于将热辐射引导到换能器上，光学传感器元件同样可以包括用于将来自光发射器的光聚焦到换能器上的透镜元件，使得可以最佳地检测其偏转。

20、上述目的通过一种热图像传感器进一步解决，该热图像传感器包括多个像素和处理单元，该处理单元被配置为从每个像素的输出信号生成热图像信号。其中，每个像素包括根据前述实施例之一的光学传感器元件。

21、包括多个光学传感器元件的热图像传感器允许热成像，即，允许测量感测表面上的热辐射并从各个光学传感器元件的输出重建图像。具体地，处理单元被配置为从各个像素接收输出信号，并且以与传统图像的重建相比类似的方式从输出信号生成图像信号。由于光学传感器元件充当热辐射和干涉信号之间的转换器，因此所生成的图像信号可以被称为热图像，其类似于借助于常规热相机系统生成的那些，然而，使用更加紧凑和可集成的图像传感器。

22、在实施例中，处理单元(102)还被配置为将多个像素(101)划分为像素子组，在图像传感器的空闲阶段期间，启用至少一个像素子组的监测像素的传感器操作，同时禁用其余像素，并且在借助于监测像素检测到高于阈值的信号时，启用图像传感器的活动阶段，其中启用每个像素子组的所有像素的传感器操作。

23、例如，热图像传感器的视场可以被划分成多个区域并且被映射到传感器上。换句话说，二维传感器阵列[m×n]可以被划分为[m，n]个区域。在这些区域的每一个中，除了一个或两个所谓的监测像素之外，所有像素都被禁用。这样，除了映射到视场中的关键区域的几个监测像素之外，大部分像素被禁用。当区域内的任何或所有监测像素检测到某个信号时，可以启用所述区域中的所有像素或整个像素阵列的操作。

24、因此，可以通过打开或关闭形成图像传感器的阵列中的某些光学传感器元件来动态地调整热图像传感器的分辨率。当光发射器不发射光时，不存在自混合信号。这允许在检测到运动时激活相机设备的情况下使用图像传感器，以便节省功率。这可以允许特定应用，诸如具有低功率的占用监测。例如，在占用监测和计数中，可能会出现这样的情况：只有当检测到被监测的房间内存在人时，才需要打开成像相机。在仅使用图像传感器的几个像素检测到这种存在时，相机分辨率可以增加到满容量，即所有像素都被启用，以便启用计数过程。因此，该特征实现了低功率操作，这对于iot和移动应用是有益的。另一个应用可以用于静态对比流操作的热成像，以在操作时节省带宽和功率。

25、替代地或附加地，热图像传感器可以具有低功率或空闲模式，在该模式下，在热图像传感器的操作期间，仅少量随机选择的像素、像素组或感兴趣区域中的像素组被开启或处于活动状态，而其余像素被关闭或处于非活动状态。例如，在低功率或空闲模式下，活动像素的数量至多是像素总数的十分之一或百分之一。具体地，如果对应像素的光发射器发射电磁辐射，则像素是处于活动状态的或开启的。

26、此外，热图像传感器可以具有成像模式，其中所有像素或大多数像素是活动的。例如，如果在低功率或空闲模式下的操作期间检测到一个或多个活动像素的输出信号的事件或变化，则热图像传感器被唤醒并在成像模式下操作。

27、在实施例中，多个像素形成一维阵列。例如，热图像传感器可以是1d线扫描器，其被配置为沿一个维度捕获热信号。可替代地，多个像素形成二维阵列，用于实现与现代图像捕获设备中采用的常规图像传感器的二维成像类似的二维成像。

28、在实施例中，热图像传感器还包括透镜装置，该透镜装置被布置成远离与光发射器相对的像素的换能器，并且被配置为将热辐射引导到换能器的表面上。

29、在实施例中，透镜装置是微透镜阵列。在微透镜阵列中，每个像素可以具有如上所述的其自己的透镜元件，因此有效地形成微透镜阵列，因为像素通常以数十或数百平方微米量级的覆盖区为特征。微透镜阵列可以实现为超透镜阵列。

30、在实施例中，透镜装置包括超透镜。如上所述，与传统透镜相比，借助于超透镜可以实现更小的传感器高度。其中，热图像传感器可以包括覆盖图像传感器的像素的单个超透镜，或者每个像素包括如上所述的专用超透镜元件。

31、此外，提供了一种电子设备，该电子设备包括根据上述实施例之一的光学传感器元件或热图像传感器。电子设备可以是移动或便携式设备，包括智能电话、平板计算机、膝上型计算机或可穿戴配件，诸如智能腕带、智能手表或耳机设备。

32、此外，提供了一种检测热辐射的方法。该方法包括借助于光发射器通过光发射器的发射表面朝向远离发射表面布置的微光学机械换能器发射相干电磁辐射。该方法还包括借助于从换能器的反射将电磁辐射重新注入到光发射器的腔中，并且在腔内引起由重新注入的电磁辐射导致的自混合干涉smi。该方法还包括检测smi的程度，以及根据检测到的程度确定换能器的机械偏转。其中，换能器被配置为根据由换能器吸收的热辐射经历机械偏转。

33、根据光学传感器元件、热图像传感器和电子设备的前述实施例，该方法的其他实施例对于本领域技术人员而言变得显而易见，反之亦然。