(57)【要約】【課題】反射光にｓ偏光およびｐ偏光の両方が含まれる場合でも反射光の影響を抑制して赤外線を検出可能な赤外線検出システムを提供する。【解決手段】赤外線検出システム１０は、偏光板１と、検出部３と、処理部４とを備える。偏光板１は、対象物２０と検出部３との間に配置され、対象物２０からの反射光に含まれる第１および第２の偏光成分のうちの強度の大きい偏光成分を除去する。検出部３は、印加される電圧によって感度ピーク波長が異なり、かつ、放射率が１よりも小さい対象物２０からの放射赤外線を光電変換する。処理部４は、検出部３の感度ピーク波長を、第１および第２の偏光成分のうちの強度の小さい偏光成分を最小化する波長へシフトさせる印加電圧を印加した状態で検出された放射強度に基づくデータを生成する。そして、処理部４は、生成したデータに基づいて対象物の放射赤外線の強度分布を出力する。【選択図】図１
2020012758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される電圧によって感度ピーク波長が異なり、かつ、放射率が１よりも小さい対象物からの放射赤外線を光電変換する光電変換素子と、
前記対象物と前記光電変換素子との間に配置され、前記対象物からの反射光に含まれるｐ偏光成分を除去する偏光板と、
前記光電変換素子の感度ピーク波長を、前記ｐ偏光成分を印加電圧掃引範囲内において最小化する波長へシフトさせる印加電圧を印加した状態で検出された放射強度に基づくデータを出力するデータ出力手段とを備える赤外線検出システム。
【請求項２】
前記データ出力手段が出力したデータに基づいて前記対象物の放射赤外線の強度分布を出力する強度分布出力手段を更に備える、請求項１に記載の赤外線検出システム。
【請求項３】
前記強度分布出力手段から出力された強度分布を温度分布に変換する変換部を更に備え、
前記変換部は、前記光電変換素子の印加電圧における感度スペクトルを所定の関数で近似したときの前記所定の関数の係数を保持する、請求項２に記載の赤外線検出システム。
【請求項４】
前記対象物の材料物性を予め保持し、その保持した材料物性に基づいて前記対象物からの反射率を推定する推定部を更に備える、請求項２または請求項３に記載の赤外線検出システム。
【請求項５】
前記強度分布出力手段は、前記対象物と前記光電変換素子との成す角度を用いて前記対象物の放射赤外線の強度分布を算出する、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の赤外線検出システム。
【請求項６】
前記光電変換素子と前記対象物との成す角度を変更する角度変更機構を更に備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の赤外線検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、赤外線検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、反射光に影響されないで物体の発する赤外線に応じた赤外線画像を得る赤外線撮像装置が知られている（特許文献１）。
【０００３】
この赤外線撮像装置は、偏光フィルタと、回転機構と、２次元赤外線検出器と、Ａ／Ｄコンバータと、Ｄ／Ａコンバータと、ノッチフィルタとを備える。偏光フィルタは、光赤外線光学系の光路中に配置される。そして、偏光フィルタは、回転機構によって一定回転され、偏光している赤外線の振幅を変調する。
【０００４】
回転機構は、偏光フィルタを一定回転する。２次元赤外線検出器は、偏光フィルタを介して赤外線を吸収し、その吸収した赤外線を光電変換する。Ａ／Ｄコンバータは、２次元赤外線検出器からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。
【０００５】
Ｄ／Ａコンバータは、感度補正されたデジタル信号をアナログ信号に変換する。ノッチフィルタは、偏光フィルタの回転周波数に合致するように設計された中心周波数を有する。そして、ノッチフィルタは、偏光フィルタによって振幅変調を受けた周波数成分のみを除去する。
【０００６】
このように、特許文献１は、偏光フィルタを回転機構によって回転させて反射光に影響されないで物体の発する赤外線を検出することを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０２−０８６２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１においては、偏光フィルタの回転機構が必要であり、対象物と赤外線検出器との設置角度により、対象物からの反射光にｓ偏光およびｐ偏光の両方が含まれる条件が存在するため、反射光に影響されないで物体の発する赤外線を検出できない場合がある。
【０００９】
そこで、この発明の実施の形態によれば、反射光にｓ偏光およびｐ偏光の両方が含まれる場合でも反射光の影響を抑制して赤外線を検出可能な赤外線検出システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（構成１）
この発明の実施の形態によれば、赤外線検出システムは、光電変換素子と、偏光板と、データ出力手段とを備える。光電変換素子は、印加される電圧によって感度ピーク波長が異なり、かつ、放射率が１よりも小さい対象物からの放射赤外線を光電変換する。偏光板は、対象物と光電変換素子との間に配置され、対象物からの反射光に含まれるｐ偏光成分を除去する。データ出力手段は、光電変換素子の感度ピーク波長を、ｐ偏光成分を印加電圧掃引範囲内において最小化する波長へシフトさせる印加電圧を印加した状態で検出された放射強度に基づくデータを出力する。
【００１１】
（構成２）
構成１において、赤外線検出システムは、強度分布出力手段を更に備える。強度分布出力手段は、データ出力手段が出力したデータに基づいて対象物の放射赤外線の強度分布を出力する。
【００１２】
（構成３）
構成２において、赤外線検出システムは、変換部を更に備える。変換部は、強度分布出力手段から出力された強度分布を温度分布に変換する。そして、変換部は、光電変換素子の印加電圧における感度スペクトルを所定の関数で近似したときの所定の関数の係数を保持する。
【００１３】
（構成４）
構成２または構成３において、赤外線検出システムは、推定部を更に備える。推定部は、対象物の材料物性を予め保持し、その保持した材料物性に基づいて対象物からの反射率を推定する。
【００１４】
（構成５）
構成２から構成４のいずれかにおいて、強度分布出力手段は、対象物と光電変換素子との成す角度を用いて対象物の放射赤外線の強度分布を算出する。
【００１５】
（構成６）
構成１から構成５のいずれかにおいて、赤外線検出システムは、角度変更機構を更に備える。角度変更機構は、光電変換素子と対象物との成す角度を変更する。
【発明の効果】
【００１６】
反射光にｓ偏光およびｐ偏光の両方が含まれる場合でも反射光の影響を抑制して赤外線を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態１による赤外線検出システムの概略図である。
【図２】図１に示す検出部を構成する量子ドット型赤外線センサの断面図である。
【図３】図２に示す量子ドット層の別の構成を示す断面図である。
【図４】図１に示す検出部を構成する量子井戸型赤外線センサの断面図である。
【図５】図２に示す量子ドット型赤外線センサの製造方法を示す第１の工程図である。
【図６】図２に示す量子ドット型赤外線センサの製造方法を示す第２の工程図である。
【図７】外乱による影響を除去する方法を説明するための図である。
【図８】反射率と波長との関係を示す図である。
【図９】図１に示す赤外線検出システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図１０】実施の形態２による赤外線検出システムの概略図である。
【図１１】反射光の低減率と設置角との関係を示す図である。
【図１２】図１０に示す赤外線検出システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１９】
この明細書において用いられる語句について説明する。
【００２０】
「量子ドット層」とは、量子ドット、濡れ層、中間層、量子ドットの下地層、量子ドットの部分キャップ層、および挿入層などを含む層である。
【００２１】
「量子ドット」とは、１００ｎｍ以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料で囲まれた微粒子である。Ｓｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）成長の場合、濡れ層を形成し、量子ドットの成長に移行する。
【００２２】
「量子ドットの下地層」とは、量子ドットおよび濡れ層を成長する下地となる層であり、バンドギャップが量子ドットを構成する半導体材料よりも大きい半導体材料からなる。
【００２３】
「量子ドットの部分キャップ層」とは、量子ドット上に成長する層であり、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料からなり、量子ドットの一部を少なくとも覆う層である。以下に示す図２では、部分キャップ層が平坦であるが、量子ドット形状に沿った形状となっていても良い。また、図２では、部分キャップ層の厚みが量子ドットの高さ以上の厚みとなっているが、厚みは、量子ドットの高さ以下であっても良い。
【００２４】
「中間層」とは、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料からなる層であり、量子ドット層の母体となる層である。また、量子ドットの下地層、量子ドットの部分キャップ層と同じ半導体材料であっても良い。
【００２５】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による赤外線検出システムの概略図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１による赤外線検出システム１０は、偏光板１と、光学系２と、検出部３と、処理部４と、制御部５と、表示部６とを備える。
【００２６】
対象物２０は、放射率が１よりも小さい物体からなる。放射率が１よりも小さい物体は、必ず、赤外線を反射する。従って、対象物２０は、太陽光および付近の高温物体等からの赤外線を反射する。
【００２７】
偏光板１は、対象物２０と光学系２との間に配置される。偏光板１は、対象物２０からの反射光に含まれるｓ偏光成分およびｐ偏光成分のうち、強度が大きいｓ偏光成分を除去し、ｓ偏光成分を除去した赤外線（反射赤外線を含む）を光学系２へ導く。
【００２８】
光学系２は、対象物２０と検出部３との距離、およびそれぞれの大きさに応じた適切なレンズと、絞り（スリット）と、特定の波長範囲のみを透過することのできるバンドパスフィルタとによって構成される。そして、光学系２は、偏光板１から受けた赤外線を集光して検出部３に導く。
【００２９】
検出部３は、量子ドット型赤外線センサ（ＱＤＩＰ：Quantum Dots Infrared Photodetctors）または量子井戸型赤外線センサ（ＱＷＩＰ：Quantum Well Infrared Photodetctors）によって構成される。そして、検出部３は、制御部５からの印加電圧が印加された状態で対象物２０からの赤外線を検出し、その検出した赤外線の放射強度に応じた電圧または電流からなるアナログ信号を出力データとして処理部４へ出力する。
【００３０】
処理部４は、出力データを検出部３から受け、その受けた出力データを適切な倍率によって増幅した後、Ａ／Ｄ変換器によりデジタルデータに変換する。そして、処理部４は、デジタルデータに基づいて対象物２０の強度を演算する。その後、処理部４は、その演算した強度を対象物２０の強度として表示部６へ出力する。
【００３１】
また、処理部４は、プランクの法則に基づき、対象物２０からの放射率を任意に仮定することで、温度を算出する１色法、または放射照度の変化率を算出することによって温度を算出する２色法を用いて強度分布を温度分布に変換することも可能である。
【００３２】
更に、処理部４は、固定された露光時間を保持する。そして、処理部４は、後述する方法によって、印加電圧を決定し、その決定した印加電圧と露光時間とを含む制御信号を制御部５へ出力する。
【００３３】
制御部５は、制御信号を処理部４から受け、その受けた制御信号の印加電圧を検出部３に印加する。
【００３４】
表示部６は、温度分布を処理部４から受け、その受けた温度分布を温度スケールと共に表示する。
【００３５】
図２は、図１に示す検出部３を構成する量子ドット型赤外線センサの断面図である。図２を参照して、量子ドット型赤外線センサ３０は、半導体基板３１と、バッファ層３２と、ｎ型半導体層３３，３５と、光電変換層３４と、電極３６，３７とを備える。
【００３６】
バッファ層３２は、半導体基板３１の一方の面に接して半導体基板３１上に配置される。ｎ型半導体層３３は、バッファ層３２に接してバッファ層３２上に配置される。
【００３７】
光電変換層３４は、ｎ型半導体層３３に接してｎ型半導体層３３上に配置される。ｎ型半導体層３５は、光電変換層３４に接して光電変換層３４上に配置される。
【００３８】
電極３６は、リング状の平面形状を有し、ｎ型半導体層３５に接してｎ型半導体層３５上に配置される。電極３７は、ｎ型半導体層３３に接してｎ型半導体層３３上に配置される。
【００３９】
半導体基板３１は、例えば、半絶縁性のＧａＡｓからなる。バッファ層３２は、例えば、ＧａＡｓからなる。そして、バッファ層３２は、例えば、１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。
【００４０】
ｎ型半導体層３３，３５の各々は、例えば、ｎ−ＧａＡｓからなる。そして、ｎ型半導体層３３，３５の各々は、例えば、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有する。
【００４１】
電極３６，３７の各々は、ｎ型電極であり、例えば、Ａｕ／ＡｕＧｅＮｉ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｕ／Ｇｅ、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕのいずれかからなる。そして、電極３６，３７の各々は、例えば、１０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。
【００４２】
光電変換層３４は、複数の量子ドット層３４１を積層した積層構造からなる。なお、図２においては、３層の量子ドット層３４１を積層した場合を示しているが、量子ドット型赤外線センサ３０においては、２層以上の量子ドット層３４１が積層されていればよい。
【００４３】
複数の量子ドット層３４１の各々は、量子ドット４１１と、量子ドット４１１の下地層４１２と、量子ドット４１１の濡れ層４１３と、量子ドット４１１の部分キャップ層４１４と、中間層４１５とを含む。
【００４４】
下地層４１２は、量子ドット４１１の下側に配置される。濡れ層４１３は、下地層４１２に接して下地層４１２上に配置される。中間層４１５は、量子ドット層３４１の積層方向において、量子ドット４１１、下地層４１２および濡れ層４１３の両側に配置される。
【００４５】
なお、量子ドット層３４１は、量子ドット４１１、量子ドットの下地層４１２、濡れ層４１３、量子ドット４１１の部分キャップ層４１４および中間層４１５に加えて挿入層等を含んでいても良い。
【００４６】
一般的には、量子ドット層３４１は、量子ドット４１１、量子ドット４１１の下地層４１２、量子ドット４１１の部分キャップ層４１４および中間層４１５を少なくとも含んでいればよい。
【００４７】
量子ドット層３４１を構成する各材料は、特に限定されないが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることが好ましい。
【００４８】
量子ドット４１１は、バンドギャップエネルギーが中間層４１５よりも小さい半導体材料からなることが好ましい。
【００４９】
量子ドット層３４１を構成する各材料は、例えば、ＧａＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＧａｘＩｎ１−ｘＳｂ、ＡｌＳｂｘＡｓ１−ｘ、ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ、（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｚＩｎ１−ｚＰ、ＧａＡｓｘＰ１−ｘ、ＧａｙＩｎ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ、およびＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ（これらの材料において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１である。以下、同じ。）のいずれかであることが好ましく、これらの混晶材料であっても良い。
【００５０】
なお、量子ドット層３４１を構成する各材料は、周期律表の第ＩＶ族半導体または第ＩＩＩ族半導体材料と第Ｖ族半導体材料とからなる化合物半導体、または、第ＩＩ族半導体材料と第ＶＩ族半導体材料とからなる化合物半導体であっても良く、これらの混晶材料であっても良い。
【００５１】
光電変換層３４は、ｉ型半導体層であってもよいし、ｐ型不純物またはｎ型不純物を含む半導体層であってもよい。
【００５２】
この発明の実施の形態においては、光電変換層３４は、量子ドット積層構造を有し、量子ドット積層構造は、量子ドット４１１、量子ドット４１１の下地層４１２、量子ドット４１１の部分キャップ層４１４および中間層４１５を少なくとも含み、量子ドット４１１、下地層４１２、部分キャップ層４１４および中間層４１５は、例えば、次の材料からなる。
【００５３】
量子ドット４１１は、ＩｎＡｓからなり、下地層４１２（「障壁層」とも言う。以下、同じ。）は、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなり、部分キャップ層４１４（「障壁層」とも言う。以下、同じ。）は、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなり、中間層４１５は、ＧａＡｓからなる。
【００５４】
下地層４１２および部分キャップ層４１４は、電子がトンネル可能な厚みを有する。中間層４１５は、後述するように、伝導帯下端が量子ドット４１１部分に形成される伝導帯第一励起準位および伝導帯第二励起準位付近に位置する材料からなる。
【００５５】
なお、部分キャップ層４１４は、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓに限らず、一般的には、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）からなっていればよい。部分キャップ層４１４（障壁層）がＡｌＧａＡｓからなると、ＧａＡｓよりもバンドギャップが大きい部分キャップ層４１４（障壁層）をＧａＡｓ基板上に作成し易くなる。
【００５６】
また、部分キャップ層４１４（障壁層）は、ＩｎＧａＰまたはＧａＡｓＰからなっていてもよい。
【００５７】
中間層４１５は、厚みのある層となるため結晶品質が重要である。ＡｌＧａＡｓ層の場合、Ａｌ組成が低いほど結晶品質が良くなるので、中間層４１５の材料をＧａＡｓにすることによって、中間層４１５の結晶品質を向上できる。
【００５８】
図３は、図２に示す量子ドット層３４１の別の構成を示す断面図である。この発明の実施の形態における量子ドット層３４１は、図３の（ａ）に示す量子ドット層３４１Ａからなっていてもよく、図３の（ｂ）に示す量子ドット層３４１Ｂからなっていてもよい。
【００５９】
図３の（ａ）を参照して、量子ドット３４１Ａは、図２に示す量子ドット層３４１の部分キャップ層４１４を部分キャップ層４１４Ａに変えたものであり、その他は、量子ドット層３４１と同じである。
【００６０】
部分キャップ層４１４Ａは、量子ドット４１１の形状に沿って量子ドット４１１および濡れ層４１３上に配置される。
【００６１】
図３の（ｂ）を参照して、量子ドット３４１Ｂは、図２に示す量子ドット層３４１の部分キャップ層４１４を部分キャップ層４１４Ｂに変えたものであり、その他は、量子ドット層３４１と同じである。
【００６２】
部分キャップ層４１４Ｂは、量子ドット４１１と同じ厚さを有し、量子ドット４１１および濡れ層４１３上に配置される。
【００６３】
この発明の実施の形態においては、部分キャップ層は、図２に示す部分キャップ層４１４および図３に示す部分キャップ層４１４Ａ，４１４Ｂのいずれの構成からなっていてもよい。
【００６４】
図４は、図１に示す検出部３を構成する量子井戸型赤外線センサの断面図である。図４を参照して、量子井戸型赤外線センサ３０Ａは、図２に示す量子ドット型赤外線センサ３０の光電変換層３４を光電変換層４４に変えたものであり、その他は、量子ドット型赤外線センサ３０と同じである。
【００６５】
光電変換層４４は、ｎ型半導体層３３とｎ型半導体層３５との間にｎ型半導体層３３およびｎ型半導体層３５に接して配置される。光電変換層４４は、複数の量子井戸層４４１を積層した積層構造からなる。なお、図４においては、３層の量子井戸層４４１を積層した場合を示しているが、量子井戸型赤外線センサ３０Ａにおいては、２層以上の量子井戸層４４１が積層されていればよい。
【００６６】
量子井戸層４４１は、井戸層４４１１と、２つの障壁層４４１２とを含む。井戸層４４１１は、２つの障壁層４４１２の間に２つの障壁層４４１２に接して配置される。井戸層４４１１は、障壁層４４１２のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する。量子井戸層４４１は、上述した量子ドット層３４１を構成する材料と同じ材料によって構成される。従って、井戸層４４１１および障壁層４４１２は、上述したＧａＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＡｌＳｂおよびＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ等の中から、井戸層４４１１のバンドギャップが障壁層４４１２のバンドギャップよりも小さくなるように選択された材料によって構成される。
【００６７】
量子井戸層４４１を構成する各材料は、特に限定されないが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることが好ましい。
【００６８】
井戸層４４１１および障壁層４４１２の膜厚は、井戸層４４１１におけるキャリア（電子および正孔）の量子閉じ込め効果が生じる膜厚であれば、特に限定されない。
【００６９】
上記のような構造にすることで、印加電圧が変化すると感度スペクトルがシフトする素子構造とすることができる。
【００７０】
図５および図６は、それぞれ、図２に示す量子ドット型赤外線センサ３０の製造方法を示す第１および第２の工程図である。なお、図５および図６に示す工程（ａ）〜工程（ｇ）は、１つの工程図を構成する。
【００７１】
図５を参照して、量子ドット型赤外線センサ３０の製造が開始されると、半絶縁性のＧａＡｓからなる半導体基板３１を分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）装置内に支持する（図５の工程（ａ））。
【００７２】
そして、ＭＢＥ法によってバッファ層３２を半導体基板３１上に形成する（図５の工程（ｂ））。この場合、例えば、バッファ層３２として２００ｎｍの厚さのＧａＡｓ層を形成する。バッファ層３２の形成によって、バッファ層３２上に形成される光電変換層３４の結晶性を向上させることができる。その結果、光電変換層３４での受光効率が確保された赤外線検出器を提供することができる。
【００７３】
工程（ｂ）の後、ＭＢＥ法によってバッファ層３２上にｎ型半導体層３３を形成する（図５の工程（ｃ））。この場合、例えば、ｎ型半導体層３３として５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層を形成する。
【００７４】
引き続いて、ＭＢＥ法によって、量子ドット４１１と中間層４１５とを含む量子ドット層３４１をｎ型半導体層３３上に形成する（図５の工程（ｄ））。
【００７５】
この場合、量子ドット４１１は、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）成長と呼ばれる方法によって形成される。
【００７６】
より具体的には、中間層４１５としてＧａＡｓ層を結晶成長させ、その後、量子ドット４１１の下地層４１２（障壁層）としてＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層を結晶成長させ、自己組織化機構によって、ＩｎＡｓからなる量子ドット４１１を形成する。その後、部分キャップ層４１４としてＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層を結晶成長させることによって量子ドット４１１を埋め込む。更に、その後、中間層としてＧａＡｓ層を結晶成長させることにより量子ドット層３４１を形成する。
【００７７】
そして、工程（ｄ）を、例えば、１０回繰り返すことによって、量子ドット層３４１を積層した構造を有する光電変換層３４をｎ型半導体層３３上に形成する（図５の工程（ｅ））。
【００７８】
なお、中間層４１５の厚みは、障壁層（下地層４１２および部分キャップ層４１４）に比べて十分厚く、例えば、４０ｎｍの厚みである。また、障壁層（下地層４１２および部分キャップ層４１４）は、励起されたキャリアがトンネルにより中間層４１５に取り出すために薄くする必要があり、例えば、１ｎｍの厚みである。
【００７９】
図５の工程（ｅ）の後、ＭＢＥ法によって、ｎ型半導体層３５を光電変換層３４上に形成する（図６の工程（ｆ））。この場合、例えば、ｎ型半導体層３５として２００ｎｍの厚さを有するｎ−ＧａＡｓ層を結晶成長させる。これにより、ｎｉｎ構造が形成される。
【００８０】
引き続いて、積層体をＭＢＥ装置から取り出し、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングを用いて、光電変換層３４およびｎ型半導体層３５の一部を除去し、ｎ型半導体層３５上にリング形状の電極３６を形成し、ｎ型半導体層３３上に電極３７を形成する。これによって、量子ドット型赤外線センサ３０が完成する（図６の工程（ｇ））。
【００８１】
上記の製造工程においては、ｎ型ドーパントとして、例えば、Ｓｉを用いることができる。また、電極３６，３７の各々としてＡｕを用いることが好ましく、電極３６，３７の各々は、抵抗加熱の蒸着法による真空蒸着によって形成されることが好ましい。
【００８２】
量子ドット型赤外線センサ３０に赤外線が入射されると、光電変換層３４における光吸収によって電子が励起され、励起された電子は、電界によって移動し、光電流として電極３６，３７によって取り出される。
【００８３】
図４に示す量子井戸型赤外線センサ３０Ａは、図５および図６に示す工程図の工程（ｄ），（ｅ）を工程（ｄ’），（ｅ’）に変えた工程図に従って製造される。工程（ｄ’）は、ＭＢＥ法によって、障壁層４４１２を形成するとともに障壁層４４１２上に井戸層４４１１を形成する工程であり、工程（ｅ’）は、工程（ｄ’）を量子井戸層４４１の積層数分だけ繰り返す工程である。なお、最後の井戸層４４１１を形成した後、その形成した井戸層４４１１上に障壁層４４１２を形成する。この場合、工程（ａ）〜（ｃ），（ｄ’），（ｅ’），（ｆ），（ｇ）は、１つの工程図を構成する。
【００８４】
量子井戸型赤外線センサ３０Ａに赤外線が入射されると、光電変換層４４における光吸収によって電子が励起され、励起された電子は、電界によって移動し、光電流として電極３６，３７によって取り出される。
【００８５】
検出部３は、図２に示す量子ドット型赤外線センサ３０または図４に示す量子井戸型赤外線センサ３０Ａを含む。
【００８６】
また、処理部４および制御部５を集積化した回路として検出部３と貼り合わせなどにより接続され、一体化した構造をとることもできる。
【００８７】
図７は、外乱による影響を除去する方法を説明するための図である。図７を参照して、太陽光および付近の高温物体等による外乱からの赤外線は、対象物２０の表面によって反射されるので、赤外線検出器は、対象物２０からの放射赤外線に加え、対象物２０の表面によって反射された反射赤外線も検出する。そして、対象物２０の放射率が低放射率である場合、対象物２０の表面の反射率が高くなる。この場合、設置角θｉｎは、外乱からの赤外線の入射角であり、対象物２０の表面の法線と、外乱（光源）の入射光の進行方向との成す角である。対象物２０の表面で反射された反射赤外線は、ｓ偏光成分とｐ偏光成分とを含む。
【００８８】
設置角θｉｎがブリュースター角θＢに等しい場合、反射光が入射面に垂直な電場ベクトルを持つｓ偏光成分だけになる。電場ベクトルの振動方向が入射面に平行な成分は、完全に透過し、反射光と屈折光のなす角は、直角になる。
【００８９】
つまり、外乱からの赤外線がブルースター角θＢで入射した場合、赤外線中の電場ベクトルの振動方向が入射面に平行な偏光成分は、全て、対象物２０に透過して反射光は存在しない。一方、振動方向が入射面に垂直な偏光成分は、一部が、空気中へ反射し、一部が、対象物２０へ透過して、反射光と屈折光の両方が生じる。
【００９０】
従って、外乱からの赤外線がブルースター角θＢで入射した場合、対象物２０で反射された反射赤外線は、ｓ偏光成分のみであり、入射面に平行な偏光方向を有する偏光板１によってｓ偏光成分を除去することによって、反射赤外線を１００％除去できる。よって、外乱からの赤外線がブルースター角θＢで入射した場合、偏光板１を用いることによって反射赤外線を１００％除去して対象物２０からの放射赤外線のみを赤外線検出器（検出部３）で検出することができる。
【００９１】
なお、空気の屈折率をｎＡ（＝１）とし、対象物２０の屈折率をｎＢとした場合、ブルースター角θＢは、ｔａｎθＢ＝ｎＢ／ｎＡによって求めることができる。
【００９２】
図８は、反射率と波長との関係を示す図である。なお、図８は、対象物がソーダライムガラスである場合の反射率と波長との関係を示す。図８において、縦軸は、設置角θｉｎが６０°である場合の反射率を表し、横軸は、波長を表す。
【００９３】
図８を参照して、ｐ偏光成分は、８μｍ〜２０μｍの波長帯において、ｓ偏光成分よりも低い反射率を有する。
【００９４】
遠赤外（Long Wave Infrared: LWIR）の検出器として主に用いられる焦電センサおよびサーモパイル等の熱型センサは、８μｍ以上の広い波長において、一様な赤外線吸収を示す黒体を赤外線吸収体として用いているため、ｐ偏光成分の反射率が高くなる波長域を含んでいる。その結果、一部の波長についてのみ反射率を低減できるのみである。また、ＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）等の量子型検出器においても、感度に波長依存性があるが、広い波長帯において吸収を示す。
【００９５】
一方、ＱＤＩＰおよびＱＷＩＰは、量子閉じ込め効果によるサブバンド間吸収のために、検出感度を有する波長帯域幅が熱型センサよりも狭い。そして、ＱＤＩＰおよびＱＷＩＰにおいては、検出感度を有する波長帯域幅をＱＤＩＰおよびＱＷＩＰに印加する印加電圧によってシフトさせることができる。
【００９６】
赤外線検出器による放射赤外光の光強度の測定において、対象物からの放射赤外線の他に、太陽光および付近の高温物体等による外乱からの赤外線が対象物の表面において反射し、その反射した赤外線も同時に検出される。従って、対象物からの放射赤外線の強度を正しく検出することが困難な場合がある。
【００９７】
一般に、反射赤外線は、ｐ偏光の反射率がｓ偏光の反射率よりも低いという特徴を有する（図８参照）ので、この特徴を生かして、反射率が高いｓ偏光成分を偏光板１によって除去することによって、反射赤外線の影響を最小限にできる。これは、可視光では、偏光グラスとして水面および雪面用のレンズとして活用されている。
【００９８】
そこで、この発明の実施の形態においては、反射率が高いｓ偏光成分を偏光板１によって除去するとともに（図７参照）、赤外線検出器（ＱＤＩＰ，ＱＷＩＰ）の感度ピークをｐ偏光成分が最小値になる波長帯へシフトさせ（図８参照）、対象物２０からの赤外線を検出する。この場合、赤外線検出器（ＱＤＩＰ，ＱＷＩＰ）に印加する印加電圧を制御することによって、赤外線検出器（ＱＤＩＰ，ＱＷＩＰ）の感度ピークをｐ偏光成分が装置の印加電圧掃引範囲内において最小値になる波長帯へシフトさせる。これによって、対象物２０からの反射赤外線を抑制して赤外線を検出できる。
【００９９】
表１は、熱型センサおよびＱＤＩＰ，ＱＷＩＰについて外乱に起因する反射光の低減率を示す。
【０１００】
【表１】
2020012758.tif 000003
【０１０１】
表１において、ＱＤＩＰ，ＱＷＩＰのピーク波長は、半値幅が１μｍの方形（即ち、ピーク波長±０．５μｍ）と仮定したときの波長である。また、表１において、Ｒｐは、ｐ偏光の反射率であり、Ｒｓは、ｓ偏光の反射率である。
【０１０２】
熱型センサにおいては、設置角θｉｎが２０°である場合、反射率の低減率が５７％と最も低く、設置角θｉｎが６０°である場合、反射率の低減率が８２％と最も高い。
【０１０３】
一方、ＱＤＩＰ，ＱＷＩＰにおいては、設置角θｉｎが２０°である場合、９μｍのピーク波長において、５８％の反射率の低減率が得られ、設置角θｉｎが６０°である場合、１２μｍ、１３μｍおよび１４μｍのピーク波長において、９９％以上の反射率の低減率が得られる。
【０１０４】
従って、ピーク波長が１２μｍ、１３μｍおよび１４μｍのいずれかになるように、ＱＤＩＰ，ＱＷＩＰに印加電圧を印加することによって、反射赤外線を９９％以上低減させることができる。
【０１０５】
なお、この発明の実施の形態においては、ＱＤＩＰ，ＱＷＩＰへの各印加電圧における感度スペクトルをガウス関数等の関数によって近似し、その近似した関数の係数を保持するようにする。これによって、キャリブレーションのデータ量を削減できる。
【０１０６】
上述したように、設置角θｉｎを固定した場合、ＱＤＩＰ，ＱＷＩＰのピーク波長を掃引することによって、反射赤外線を最も低減できる感度帯域へシフトさせ、反射赤外線による赤外線検出および温度算出への影響を最小限にすることができる。
【０１０７】
表１に示すように、ＱＤＩＰ，ＱＷＩＰの設置角θｉｎによって、反射赤外線の低減率が最大となるピーク波長が異なる。これは、対象物２０の表面からの反射光を最低値とすることのできる角度（ブリュースター角、屈折率ｎおよび消衰係数ｋにより算出される）が波長によって異なることを意味する。つまり、設置角θｉｎがブリュースター角θＢとなる波長が、ピーク波長掃引範囲内に入るときに反射光を低減できる効果が最大になる。
【０１０８】
反射光の低減率の最大値は、消衰係数ｋと関連しており、消衰係数ｋの低い（光の吸収が少ない）対象物の表面からの反射光においては、検出波長範囲を狭くし（ブリュースター角の変化を抑制し）、ブリュースター角θＢとなる設置角θｉｎにおいて、ほぼ完全に（９９％）反射光の検出を抑制することができる。
【０１０９】
また、屈折率ｎおよび消衰係数ｋによっては、いずれの設置角θｉｎにおいても、反射光の低減率が１００％にならない場合がある。
【０１１０】
このような場合、各波長における屈折率ｎおよび消衰係数ｋが既知であれば、ＱＤＩＰのバイアスシフトにより各波長帯域での検出結果内に含まれる反射光成分を、検出結果の変化率により推定することによって検出強度および算出温度の誤差を低減することができる。この場合、処理部４は、屈折率ｎおよび消衰係数ｋを含む材料物性を予め保持し、その保持した材料物性に基づいて対象物２０からの反射率を推定する。
【０１１１】
更に、未知の屈折率ｎおよび消衰係数ｋの材料からの反射である場合、バイアスシフトにより所定の掃引波長内において赤外線強度を検出し、そこから算出される対象物の本来の放射強度および温度が装置の印加電圧掃引範囲内において最小となる値を適用することにより、対象物表面からの反射の影響を最小限にとどめることができる。
【０１１２】
検出部３は、上述した方法によって対象物２０からの放射赤外線を検出する。この場合、所定のバンドパスフィルタを透過した赤外光を検出部３（量子ドット型赤外線センサ３０）によって検出したときの出力信号Ｓは、式（１）によって表される。
【０１１３】
【数１】
2020012758.tif 000004
【０１１４】
式（１）において、ｈは、プランク定数であり、ｋは、ボルツマン定数であり、ｃは、光速であり、εは、対象物２０の放射率であり、Ｔは、対象物２０の温度であり、ｄは、対象物２０の直径であり、Ｌは、対象物２０と検出部３との距離であり、τは、バンドパスフィルタの透過率であり、ΔＬは、感度スペクトルの測定波長間隔であり、Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ、感度スペクトルをガウス分布と仮定（近似）した場合における感度ピーク強度、波長および標準偏差である。
【０１１５】
また、式（１）の右辺のシグマは、バンドパスフィルタの帯域幅を示し、かっこ（［］）内の第１項は、感度スペクトルを示し、第２項は、放射照度（プランクの式）を示し、第３項は、計測条件を示す。
【０１１６】
処理部４は、式（１）によって表される出力信号Ｓを検出部３から受け、その受けた出力信号Ｓに基づいて対象物２０の温度Ｔを算出する。
【０１１７】
検出部３は、対象物２０で反射された反射赤外線が装置の印加電圧掃引範囲内において最小になる条件で出力信号Ｓを検出するので、反射赤外線の影響を抑制して出力信号Ｓ（赤外線の強度）または対象物２０の温度を検出できる。
【０１１８】
図９は、図１に示す赤外線検出システム１０の動作を説明するためのフローチャートである。なお、図９においては、反射赤外線の反射率の低減率が最大となる設置角θｉｎに設定されていることを前提として赤外線検出システム１０の動作を説明する。
【０１１９】
図９を参照して、赤外線検出システム１０の動作が開始されると、制御部５は、反射赤外線のｓ偏光成分およびｐ偏光成分のうち、ｐ偏光成分が装置の印加電圧掃引範囲内において最小となる波長範囲にピーク波長が入る印加電圧を検出部３（量子ドット型赤外線センサ３０）に印加する（ステップＳ１）。
【０１２０】
検出部３（量子ドット型赤外線センサ３０）は、印加電圧が印加されると、ピーク波長をｐ偏光成分が装置の印加電圧掃引範囲内において最小となる波長範囲へシフトし、感度波長帯において対象物２０からの赤外線（＝ｓ偏光成分が除去された赤外線）の強度を検出し（ステップＳ２）、その検出した赤外線の強度を出力信号Ｓとして処理部４へ出力する。
【０１２１】
処理部４は、出力信号Ｓを検出部３から受け、その受けた出力信号Ｓに基づいて、上述した方法によって赤外線の強度を温度Ｔに変換する（ステップＳ３）。これによって、赤外線検出システム１０の動作が終了する。
【０１２２】
赤外線検出システム１０は、図９に示すフローチャートに従って赤外線を検出することによって、対象物２０で反射された反射赤外線のｓ偏光成分を除去し、かつ、ｐ偏光成分が最小になった状態で赤外線を検出するので、反射赤外線の影響を抑制して赤外線を検出できる。
【０１２３】
［実施の形態２］
図１０は、実施の形態２による赤外線検出システムの概略図である。図１０を参照して、実施の形態２による赤外線検出システム１０Ａは、図１に示す赤外線検出システム１０に変更機構７を追加したものであり、その他は、赤外線検出システム１０と同じである。
【０１２４】
赤外線検出システム１０Ａにおいては、偏光板１、光学系２および検出部３は、一体化されており、検出ユニットＤＥＵを構成する。
【０１２５】
変更機構７は、例えば、ゴニオメータからなる。そして、変更機構７は、制御部５からの制御に従って、対象物２０の表面からの反射赤外線の強度が最低値になる角度（ブリュースター角）に設置角θｉｎを設定するように検出ユニットＤＥＵまたは対象物２０を回転させる。
【０１２６】
図１１は、反射光の低減率と設置角との関係を示す図である。図１１において、縦軸は、反射光の低減率を表し、横軸は、設置角を表す。なお、感度スペクトルは、ピーク波長±０．５μｍの方形スペクトルとした。
【０１２７】
図１１を参照して、許容される反射光の低減率を９５％以上と規定した場合、ピーク波長が１１〜１４μｍであるとき、設置角は、５２°〜７０°の範囲になる。
【０１２８】
従って、ピーク波長が１１〜１４μｍの範囲内になるように検出部３（量子ドット型赤外線センサ３０）に印加電圧を印加することによって、広い範囲の設置角において反射光の影響を低減させることができる。
【０１２９】
また、屈折率ｎおよび消衰係数ｋが不明である対象物２０においても、検出波長および設置角を変化させ、変化範囲内における検出強度よりプランクの式（式（１））を用いて算出される温度の最低値を対象物２０の温度とすることにより、反射赤外線の影響を更に低減して赤外線を検出できる。
【０１３０】
なお、ソーダライムガラスのブリュースター角の最低値は、波長８．２μｍにおいて３０°（反射光の低減率：８６％）である。一般的な固体材料の場合、ブリュースター角は、３０°以上となることが多いため、設置角の範囲も、３０°〜９０°の範囲で掃引可能であればよい。
【０１３１】
また、許容される反射率の低減率については、対象物から放射される赤外線の誤差範囲の許容値に依存するため、対象物と反射赤外線の輝度（温度および放射率によって決定される）の差によっても変化する。
【０１３２】
図１２は、図１０に示す赤外線検出システム１０Ａの動作を説明するためのフローチャートである。
【０１３３】
図１２に示すフローチャートは、図９に示すフローチャートにステップＳ０を追加したものであり、その他は、図９に示すフローチャートと同じである。
【０１３４】
図１２を参照して、赤外線検出システム１０Ａの動作が開始されると、制御部５は、反射赤外線の反射率の低減率が規定値以上になる角度に設置角θｉｎを設定するように変更機構７を制御し、変更機構７は、制御部５からの制御に従って、反射赤外線の反射率の低減率が規定値以上になる角度に設置角θｉｎを設定する（ステップＳ０）。
【０１３５】
その後、上述したステップＳ１〜ステップＳ３が順次実行され、赤外線検出システム１０Ａの動作が終了する。
【０１３６】
赤外線検出システム１０Ａは、図１２に示すフローチャートに従って赤外線を検出することによって、対象物２０における赤外線の反射率の低減率を規定値以上に設定するとともに、反射赤外線のｓ偏光成分を除去し、かつ、ｐ偏光成分が最小になった状態で赤外線を検出するので、実施の形態１における場合よりも反射赤外線の影響を更に抑制して赤外線を検出できる。
【０１３７】
上述した実施の形態１，２によれば、この発明の実施の形態による赤外線検出システムは、印加される電圧によって感度ピーク波長が異なり、かつ、放射率が１よりも小さい対象物からの放射赤外線を光電変換する光電変換素子と、
対象物と光電変換素子との間に配置され、対象物からの反射光に含まれるｐ偏光成分を除去する偏光板と、
光電変換素子の感度ピーク波長を、ｐ偏光成分を装置の印加電圧掃引範囲内において最小化する波長へシフトさせる印加電圧を印加した状態で検出された放射強度に基づくデータを出力するデータ出力手段とを備えていればよい。
【０１３８】
赤外線検出システムが、このような構成を備えていれば、対象物で反射された反射赤外線に含まれるｐ偏光成分を除去し、かつ、ｐ偏光成分が最小化した状態で赤外線を検出できるので、反射赤外線の影響を抑制して赤外線を検出できるからである。
【０１３９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
この発明は、赤外線検出システムに適用される。
【符号の説明】
【０１４１】
１  偏光板、２  光学系、３  検出部、４  処理部、５  制御部、６  表示部、７  変更機構、１０，１０Ａ  赤外線検出システム、２０  対象物、３１  半導体基板、３２  バッファ層、３３，３５  ｎ型半導体層、３４，４４  光電変換層、３６，３７  電極、３０  量子ドット型赤外線センサ、３０Ａ  量子井戸型赤外線センサ、３４１，３４１Ａ，３４１Ｂ  量子ドット層、４４１  量子井戸層、４１１  量子ドット、４１２  下地層、４１３  濡れ層、４１４  部分キャップ層、４１５  中間層、４４１１  井戸層、４４１２  障壁層。
【図１】
2020012758.tif 000005
【図２】
2020012758.tif 000006
【図３】
2020012758.tif 000007
【図４】
2020012758.tif 000008
【図５】
2020012758.tif 000009
【図６】
2020012758.tif 000010
【図７】
2020012758.tif 000011
【図８】
2020012758.tif 000012
【図９】
2020012758.tif 000013
【図１０】
2020012758.tif 000014
【図１１】
2020012758.tif 000015
【図１２】
2020012758.tif 000016