(57)【要約】【課題】  小型、低消費電力で光学系の絞りの自由度が大きい熱型赤外線検知器を提供する。【解決手段】  熱型赤外線検知器は、赤外線を電気信号に変換する画素がマトリクス状に配列された赤外線検知ユニットを備える。赤外線検知ユニットは筐体に収納される。筐体は、その筐体と一体に成形され、画素の一部である参照画素に被写体からの赤外線が入射しないように赤外線を妨げる遮光板を備える。参照画素には遮光板から放射される赤外線だけが入射する。この赤外線量は筐体の内壁から放射される赤外線と同じである。参照画素以外の画素には、被写体から放射される赤外線と、筐体の内部から放射される赤外線とが入射する。画素が発生する電気信号を読み出す回路は、参照画素を基準にして他の画素からの電気信号を読み出すことによって、筐体から放射される赤外線の変動をキャンセルし、被写体から入射する赤外線を検出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する赤外線を電気信号に変換する複数の赤外線検出素子と、
前記複数の赤外線検出素子の一部である参照素子に被写体からの赤外線が入射するのを妨げる遮蔽部材
とを具備する
赤外線検知器。
【請求項２】
請求項１に記載された赤外線検知器であって、
更に、前記複数の赤外線検出素子と前記遮蔽部材とを収納し、前記遮蔽部材に接続され、前記遮蔽部材と同一の材料により形成された筐体
を具備する
赤外線検知器。
【請求項３】
請求項１または２に記載された赤外線検知器であって、
前記参照素子が生成する電気信号を基準として前記複数の赤外線検出素子の他の一部が生成する電気信号を読み取る回路
を具備する
赤外線検知器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載された赤外線検知器であって、
更に、前記複数の赤外線検出素子に結像する光学系の絞りを変える絞り機構
を具備する
赤外線検知器。
【請求項５】
入射する赤外線を電気信号に変換する赤外線検出素子と、
入射する赤外線を電気信号に変換する参照素子と、
前記参照素子が生成する電気信号を基準として前記赤外線検出素子が生成する電気信号を読み取る回路
とを具備する
赤外線検知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検知器及びその読み出し回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボロメータを用いた熱型赤外線検知器が知られている。この検知器は、被写体の温度分布を画像化するものである。ボロメータは、赤外線の入射により抵抗体の抵抗が変化する現象を利用して赤外線を検出する素子である。熱型赤外線検知器は、マトリックス状に配列された多数のボロメータを備えている。これらのボロメータの各々の抵抗変化を電気的に読み取ることにより、赤外線による被写体の二次元画像が撮影される。
【０００３】
被写体から発せられた赤外線は、検知器面に結像し画像化される。しかし、検知器周囲の温度が変化すると、周囲から検知器に入射する輻射熱が変化する。この輻射熱による赤外線と被写体からの赤外線は区別できない。そのため被写体の赤外線画像が乱される。
【０００４】
特許文献１には、検知器の周囲から入射する輻射熱の変化を低減する熱型赤外線検知器が開示されている。図１にその概念図を示す。熱型赤外線検知器１０１は真空容器１０３を備えている。真空容器１０３は、目標１３０からの赤外線が入射する窓１０６を備えている。真空容器１０３の窓１０６に面する方向の外側には、光学系１３２が設置されている。
【０００５】
真空容器１０３の内部には、窓１０６と反対側の側面に、冷却機構１０７が設置されている。冷却機構１０７の窓１０６に向いた側の面には、窓１０６から入射する赤外線を検出する赤外線検出素子を備えた赤外線検出ユニット１０２が設置されている。赤外線検出ユニット１０２は、金属部品である輻射シールド１１２により囲まれている。輻射シールド１１２は冷却機構１０７に接している。輻射シールド１１２は赤外線を透過する開口を有する。輻射シールド１１２は、窓１０６以外の方向から赤外線検出ユニット１０２に赤外線が入射するのを妨げる。
【０００６】
真空容器１０３は真空引き機構に接続された排気管１０８を備えている。真空容器１０３は更に、赤外線検出ユニット１０２と真空容器１０３の外部とを電気的に接続する外部接続端子１１３を備えている。
【０００７】
こうした熱型赤外線検知器が使用されるとき、真空容器１０３の内部は排気管１０８から排気された後に圧切りされることにより真空にされる。冷却機構１０７が駆動される。赤外線検出ユニット１０２と輻射シールド１１２が冷却機構１０７により冷却される。
【０００８】
赤外線検出ユニット１０２が駆動される。赤外線検出ユニット１０２は、目標１３０が発し光学系１３２を介して入射する赤外線を検出し、電気信号に変換する。その電気信号は外部接続端子１１３を介して真空容器１０３の外部に送信される。
【０００９】
赤外線検出ユニット１０２には、目標１３０からの赤外線Ｐ１と輻射シールド１１２からの赤外線Ｐ２とが入射する。真空容器１０３からの赤外線Ｐ３は、輻射シールド１１２により妨げられて赤外線検出ユニット１０２に入射しない。輻射シールド１１２が冷却機構１０７によって冷却されていることにより、輻射シールドからの赤外線Ｐ２の変化は抑制される。
【特許文献１】特開２０００−２９２２５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
輻射シールドを備えた熱型赤外線検知器は、赤外線検出素子に加えて輻射シールドも一定温度に保つために消費電力が増大する。更に、輻射シールドを設けることにより真空容器のサイズが大きくなる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１２】
本発明による赤外線検知器（５）は、入射する赤外線（Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４）を電気信号に変換する複数の赤外線検出素子（１９、２０、２１）と、複数の赤外線検出素子（１９、２０、２１）の一部である参照素子（１９）に被写体からの赤外線（Ｐ１）が入射するのを妨げる遮蔽部材（１４）とを備える。
【００１３】
本発明による赤外線検知器（５）は、複数の赤外線検出素子（１９、２０、２１）と遮蔽部材（１４）とを収納し、遮蔽部材（１４）に接続され、遮蔽部材（１４）と同一の材料により形成された筐体（３）とを備える。
【００１４】
本発明による赤外線検知器（５）は、参照素子（１９）が生成する電気信号を基準として複数の赤外線検出素子の他の一部（２１）が生成する電気信号を読み取る回路（３４）を備える。
【００１５】
本発明による赤外線検知器（５）は、複数の赤外線検出素子（２１）に結像する光学系（３２）の絞りを変える絞り機構（３３）を備える。
【００１６】
本発明による赤外線検知器（５）は、入射する赤外線（Ｐ１、Ｐ３）を電気信号に変換する赤外線検出素子（２１）と、入射する赤外線（Ｐ４）を電気信号に変換する参照素子（１９）と、参照素子（１９）が生成する電気信号を基準として赤外線検出素子（２１）が生成する電気信号を読み取る回路（３４）とを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、外界の温度変化に対してロバストな熱型赤外線検知器が提供される。
更に本発明によれば、小型で軽量な熱型赤外線検知器が提供される。
更に本発明によれば、消費電力が少ない熱型赤外線検知器が提供される。
更に本発明によれば、光学系の絞りの自由度が大きい熱型赤外線検知器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明における熱型赤外線検知器について詳細に説明する。
【００１９】
図２は、熱型赤外線検知器５の概念図である。熱型赤外線検知器５は真空容器３を備えている。真空容器３の一側面には、目標３０からの赤外線が入射する窓６が溶接されている。真空容器３の窓６に面する方向の外側には、光学系３２が設置されている。光学系３２には、光学系３２の絞りを変えるための絞り機構３３が取り付けられている。
【００２０】
真空容器３の内部には、ペルチェ効果を利用した電子冷却素子を備えた冷却機構７が設置されている。冷却機構７の最上部（窓６に向いた側の面）には、窓６から入射する赤外線を検出する赤外線検出素子がマトリックス状に配列された赤外線検出ユニット２が設置されている。冷却機構７の最下部は真空容器３の一側面に接着されている。
【００２１】
真空容器３は真空引き機構に接続された金属製の排気管８に接続されている。真空容器３の下部には、真空容器３の内部と外部とを電気的に接続するための外部接続端子１３を備えている。外部接続端子１３の真空容器３の内部の端子と赤外線検出ユニット２とは配線により電気的に接続されている。この配線により、赤外線検出ユニット２を駆動させる信号が真空容器３の外部から赤外線検出ユニット２に伝達される。更にこの配線により、赤外線検出ユニット２からの出力信号が真空容器３の外部に伝達される。
【００２２】
真空容器３の内部には、目標３０からの赤外線を遮る遮光板１４が真空容器３の内壁に接して設置されている。遮光板１４は真空容器３と同一の材料で形成されていることが好ましい。遮光板１４は真空容器３と一体的に形成されていることが更に好ましい。
【００２３】
図３は、赤外線検出ユニット２の赤外線検出素子が設けられている表面の法線方向から見たときの、赤外線検出ユニット２、窓６及び遮光板１４の位置関係を示している。遮光板１４が設けられていることにより、赤外線検出ユニット２が備える画素の一部には窓６から入射した赤外線が当たらない。
【００２４】
本実施の形態における熱型赤外線検知器５は、図１に示された背景技術における熱型赤外線検知器１０１が備える輻射シールド１１２を有しない。赤外線検出ユニット２と赤外線検出ユニット１０２との大きさが同じとき、遮光板１４は輻射シールド１１２よりも小さくすることができ、遮光板１４の設置に必要とされるスペースは輻射シールド１１２の設置に必要とされるスペースよりも小さい。そのため、熱型赤外線検知器５は熱型赤外線検知器１０１よりもより小型、軽量にすることができる。
【００２５】
本実施の形態における熱型赤外線検知器５は輻射シールド１１２が必要ないため、電子冷却機構１０７が輻射シールド１１２を冷却するために消費していた電力が節約される。
【００２６】
図４は、赤外線検出ユニット２が備える複数の画素（すなわち赤外線検出素子）のうちの１画素の構成を側面から見た概念図である。赤外線検出ユニット２はシリコンウェハ１７を備えている。シリコンウェハ１７には画素を選択するための例えばＭＯＳ型の回路３４が形成されている。シリコンウェハ１７の上（窓６に面した側）には、梁１８によって支持されたダイヤフラム１が形成される。ダイヤフラム１とシリコンウェハ１７の表面との間には空洞３６がある。ダイヤフラム１とシリコンウェハ１７とは細い梁１８によって結合されており、熱的に分離されている。ダイヤフラム１には、ボロメータ１５が取り付けられている。
【００２７】
図５は、赤外線検出ユニット２の表面（すなわち窓６に面した側）の法線方向から見たときの赤外線検出ユニット２と遮光板１４との位置関係を示している。赤外線検出ユニット２が備える画素の一部は目標３０からの赤外線が遮光板１４に完全に遮られて入射しない参照画素１９である。画素の他の一部は目標３０からの赤外線が部分的に遮光板１４に遮られる境界画素２０である。画素の他の部分は目標３０からの赤外線が遮光板１４により遮られることなく入射する測定用画素２１である。
【００２８】
こうした熱型赤外線検知器５が使用されるとき、真空容器３の内部は排気管８から排気された後に圧切りされることにより真空にされる。真空容器３が真空にされることにより、ダイヤフラム１とシリコンウェハ１７との熱的な分離が向上する。冷却機構７が駆動される。赤外線検出ユニット２が冷却機構７により冷却される。
【００２９】
絞り機構３３により光学系３２の絞りが調節される。本実施の形態における熱型赤外線検知器５は、図１に示された背景技術における熱型赤外線検知器１０１が備える輻射シールド１１２を有しない。そのため、輻射シールド１１２の開口部によって光学系の絞りが制限されることがなく、より自由度が高い絞り調節を行うことが可能である。
【００３０】
赤外線検出ユニット２が駆動される。赤外線の入射に起因するダイヤフラム１の温度上昇により、各々のボロメータ１５の抵抗値が個別に変化する。ボロメータ１５の抵抗値の変化は、バイアス電流を印加することにより読み出される。このバイアス電流によりジュール加熱が引き起こされる。このジュール加熱によりボロメータ１５自身の温度が上昇する。この温度上昇は、対策を講じなければ、ダイヤフラム１の温度上昇をはるかに上回る。冷却機構７が赤外線検出ユニット２を冷却して真空容器３に放熱することにより、ジュール熱に起因する温度変化は抑制される。
【００３１】
赤外線検出ユニット２は赤外線を検出し、電気信号に変換する。その電気信号は外部接続端子１３を介して真空容器３の外部に送信される。
【００３２】
赤外線検出ユニット２が備える測定用画素２１には、目標からの赤外線Ｐ１と真空容器からの赤外線Ｐ３とが入射する。参照画素１９には、遮光板からの赤外線Ｐ４が入射する。遮光板１４は真空容器３と一体となっているため、真空容器からの赤外線Ｐ３と遮光板からの赤外線Ｐ４とは等しいと考えられる。よって、測定用画素２１に入射する赤外線Ｐ１＋Ｐ３から参照画素１９に入射する遮光板からの赤外線Ｐ４を引き算することにより、本来画像化したい目標からの赤外線Ｐ１だけを抽出することが可能である。
【００３３】
図６は、目標からの赤外線Ｐ１の変化による入射赤外線量の変化を抽出して読み出すための回路の例を示している。回路３４は、二次元のマトリックス状に配列された画素を備えている。各々の画素は、ボロメータ１５と画素トランジスタ２４とを備える。本実施例で使用されるトランジスタはＮチャネルである。それらの画素のうちの所定の列は参照画素１９である。図６では最も左側に描かれている一列の画素が参照画素１９である。参照画素１９は二列以上あってもよい。参照画素１９は、後述する走査回路に近い端部の１以上の画素の列であってもよい。その他の画素は測定用画素２１である。境界画素２０から出力される電気信号は、測定に用いられないため、図６には描かれていない。
【００３４】
参照画素１９のゲートと測定用画素２１のゲートとは各行ごとに共通の水平信号線２６に接続され、走査回路２５により制御される。参照画素１９のソースと測定用画素２１のソースとは接地される。参照画素１９のドレインは各々、参照用ボロメータ１５ａの一端に接続される。各々の参照用ボロメータ１５ａの他端は、共通の垂直信号線２７ａに接続される。垂直信号線２７ａは、スイッチ２９ａを介して参照電圧生成回路２８に接続される。
【００３５】
測定用画素２１のドレインは各々、ボロメータ１５の一端に接続される。各々のボロメータ１５の他端は、列ごとに共通の垂直信号線２７に接続される。各々の垂直信号線２７は、スイッチ２９を介して読み出し回路９に接続される。各々のスイッチ２９、２９ａは独立に制御される。複数の読み出し回路９は、共通の読み出し信号線４６に接続される。
【００３６】
図７は、読み出し回路９の付近のより詳細な図である。複数の読み出し回路９の各々は、ＭＯＳトランジスタ４０と抵抗４２と電源ＶＤＤとを備えている。ＭＯＳトランジスタ４０のソースはスイッチ２９を介して垂直信号線２７に接続される。各々のＭＯＳトランジスタ４０のゲートは共通の水平信号線４８に接続される。各々のＭＯＳトランジスタ４０のドレインは抵抗４２を介して電源ＶＤＤに接続される。各々のドレインと抵抗４２とを結ぶ信号線からは信号線が分岐して共通の読み出し信号線４６に接続される。
【００３７】
参照電圧生成回路２８はＭＯＳトランジスタ４０ａを備えている。ＭＯＳトランジスタ４０ａのソースはスイッチ２９ａを介して垂直信号線２７ａに接続される。ドレインは定電流源２３に接続される。ゲートはドレイン及び水平信号線４８に接続される。
【００３８】
こうした回路３４によって画素から電気信号が読み出されるとき、スイッチ２９ａがオンの状態に制御される。マトリックス状に配列された測定用画素２１が次のようにして順次、指定される。まず、複数のスイッチ２９が１つずつ順次にオンにされる。オンにされた１つ以外のスイッチ２９はオフにされる。これにより、複数の垂直信号線２７のうちのいずれか一つが選択される。選択された垂直信号線２７に接続された測定用画素２１のうち、画素トランジスタ２４を制御する走査回路２５によって順次に選択された画素について、ボロメータ１５の抵抗値が順次電気信号に変換され、読み出し回路９により読み出される。ボロメータ１５は入射する赤外線によるダイヤフラム１の温度変化により抵抗値が変化する。そのため、各々の画素毎に、入射した赤外線量に応じて、読み出し回路９により読み出される電流が決まる。読み出された電流から、目標３０が放射している赤外線の二次元画像が生成される。
【００３９】
定電流源２３により、参照画素１９が接続されている垂直信号線２７ａに電流Ｉ１が流される。参照用ボロメータ１５ａは抵抗値Ｒの抵抗体であり、オームの法則によりＶ１＝ＲＩ１の電圧を発生する。発生した電圧Ｖ１は、ＭＯＳ等のカレントミラー回路、又はブリッジ回路を用いて、測定用画素２１に印加される。これにより、参照画素１９の電圧を基準（すなわち参照電圧）とした測定用画素２１の電圧が読み出し回路９によって読み出される。
【００４０】
ここで、外界の環境温度が変化した場合について考える。参照画素１９に入射する遮光板１４からの赤外線と、測定用画素２１に入射する真空容器３の内壁からの赤外線は同じ量である。そのため、参照画素１９と測定用画素２１とは同じだけ抵抗値が変化する。その結果、読み出し回路９は、外界の温度変動に影響されずに、目標３０から入射した赤外線に応じた電気信号を読み出し信号線４６に出力する。ここに挙げられた回路は一例に過ぎず、参照画素１９を基準にして測定用画素２１からの電気信号を読み出す回路ならば他の構成の回路が適用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、背景技術における熱型赤外線検知器の構成を示す概念図である。
【図２】図２は、実施の形態における熱型赤外線検知器の構成を示す概念図である。
【図３】図３は、赤外線検出素子と遮光板との位置関係を示す。
【図４】図４は、画素の断面図を示す。
【図５】図５は、遮光板と画素との位置関係を示す。
【図６】図６は、画素から電気信号を読み出す回路を示す。
【図７】図７は、画素から電気信号を読み出す回路を示す。
【符号の説明】
【００４２】
１…ダイヤフラム
２…赤外線検出ユニット
３…真空容器
５…熱型赤外線検知器
６…窓
７…電子冷却機構
８…排気管
９…読み出し回路
１３…外部接続端子
１４…遮光板
１５…ボロメータ
１５ａ…参照用ボロメータ
１７…シリコンウェハ
１８…梁
１９…参照画素
２０…境界画素
２１…測定用画素
２３…定電流源
２４…画素トランジスタ
２５…走査回路
２６…水平信号線
２７、２７ａ…垂直信号線
２８…参照電圧生成回路
２９…スイッチ
２９ａ…スイッチ
３０…目標
３２…光学系
３３…絞り機構
３４…回路
３６…空洞
４０、４０ａ…ＭＯＳトランジスタ
４２…抵抗
４６…読み出し信号線
４８…水平信号線
１０２…赤外線検出ユニット
１０３…真空容器
１０６…窓
１０７…電子冷却機構
１０８…排気管
１１２…輻射シールド
１１３…外部接続端子
１３０…目標
１３２…光学系
Ｐ１…目標からの赤外線
Ｐ２…輻射シールドからの赤外線
Ｐ３…真空容器からの赤外線
Ｐ４…遮光板からの赤外線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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