(57)【要約】【課題】測定対象物から放射される赤外線のスペクトルを精度良く検出する。【解決手段】一実施形態の赤外線検出システム１００，１０１，１０３は、赤外線検出器１１０と、記憶部１４０と、補正演算部１３１とを備える。赤外線検出器１１０は、特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する。赤外線検出器１１０は、赤外線の吸収スペクトルの吸収ピーク波長を掃引することが可能である。記憶部１４０は、大気の窓の波長範囲に対する吸収ピーク波長の位置に応じて赤外線検出器１１０の検出値を補正するための複数の補正係数を格納する。補正演算部１３１は、記憶部１４０に格納された対応する補正係数によって吸収ピーク波長ごとの赤外線検出器１１０の検出値を補正する。【選択図】図１
2018179808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線検出システムであって、
特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する赤外線検出器を備え、前記赤外線検出器は、赤外線の吸収スペクトルの吸収ピーク波長を掃引することが可能であり、
前記赤外線検出システムは、さらに、
大気の窓の波長範囲に対する前記吸収ピーク波長の位置に応じて前記赤外線検出器の検出値を補正するための複数の補正係数を格納する記憶部と、
前記記憶部に格納された対応する補正係数によって前記吸収ピーク波長ごとの前記赤外線検出器の検出値を補正する補正演算部とを備える、赤外線検出システム。
【請求項２】
赤外線検出システムであって、
特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する赤外線検出器を備え、前記赤外線検出器は、活性層に量子井戸または量子ドットを含む赤外線検出器であり、
前記赤外線検出システムは、さらに、
大気の窓の波長範囲に対する前記赤外線検出器の吸収ピーク波長の位置に応じて前記赤外線検出器の検出値を補正するための複数の補正係数を格納する記憶部と、
前記記憶部に格納された対応する補正係数によって前記吸収ピーク波長に応じた前記赤外線検出器の検出値を補正する補正演算部とを備える、赤外線検出システム。
【請求項３】
補正スペクトルデータに基づいて測定対象物の温度を判定する温度判定部をさらに備え、
前記補正スペクトルデータは、前記吸収ピーク波長を掃引しながら前記赤外線検出器で検出されたスペクトルデータを前記複数の補正係数で補正することによって得られる、請求項１または２に記載の赤外線検出システム。
【請求項４】
前記温度判定部は、前記補正スペクトルデータのピーク波長から、ウィーンの変位則に従って前記測定対象物の温度を判定する、請求項３に記載の赤外線検出システム。
【請求項５】
前記赤外線検出器の前記吸収ピーク波長の掃引を制御する測定制御部をさらに備え、
前記測定制御部は、前記補正スペクトルデータがピークを有することが判明した時点で、前記赤外線検出器の前記吸収ピーク波長の掃引を停止する、請求項４に記載の赤外線検出システム。
【請求項６】
前記温度判定部は、前記補正スペクトルデータの複数の波長における強度比と、前記複数の波長と同一の波長におけるプランクの放射公式によるスペクトル強度の比とを比較することによって、前記測定対象物の温度を判定する、請求項３に記載の赤外線検出システム。
【請求項７】
赤外線検出システムであって、
特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する赤外線検出器を備え、前記赤外線検出器は、赤外線の吸収スペクトルの吸収ピーク波長を掃引することが可能であり、
前記赤外線検出システムは、さらに、
複数の既知温度をそれぞれ有する複数のリファレンスサンプルに対して前記赤外線検出器の前記吸収ピーク波長を掃引しながら得られた複数のリファレンスデータを格納する記憶部と、
測定対象物に対して前記赤外線検出器の前記吸収ピーク波長を掃引しながら得られた検出データと、前記既知温度ごとの前記リファレンスデータとを比較することによって前記測定対象物の温度を判定する温度判定部とを備える、赤外線検出システム。
【請求項８】
赤外線検出システムであって、
特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する赤外線検出器を備え、前記赤外線検出器は、活性層に量子井戸または量子ドットを含む赤外線検出器であり、
前記赤外線検出システムは、さらに、
複数の既知温度をそれぞれ有する複数のリファレンスサンプルに対して前記赤外線検出器の吸収ピーク波長を掃引しながら得られた複数のリファレンスデータを格納する記憶部と、
測定対象物に対して前記赤外線検出器の前記吸収ピーク波長を掃引しながら得られた検出データと、前記既知温度ごとの前記リファレンスデータとを比較することによって前記測定対象物の温度を判定する温度判定部とを備える、赤外線検出システム。
【請求項９】
前記温度判定部は、各前記既知温度に対応する前記リファレンスデータと前記検出データとの比を波長ごとに算出し、算出した比の波長依存性が最も小さい場合の前記既知温度に基づいて前記測定対象物の温度を判定する、請求項７または８に記載の赤外線検出システム。
【請求項１０】
前記温度判定部は、前記検出データのピーク波長と前記既知温度ごとの前記リファレンスデータのピーク波長とを比較することによって、前記測定対象物の温度を判定する、請求項７または８に記載の赤外線検出システム。
【請求項１１】
補正スペクトルデータに含まれる固有の吸収波長に基づいて大気に含まれるガスの種類を判定するガス種判定部をさらに備え、
前記補正スペクトルデータは、前記吸収ピーク波長を掃引しながら前記赤外線検出器で検出されたスペクトルデータを前記複数の補正係数で補正することによって得られる、請求項１または２に記載の赤外線検出システム。
【請求項１２】
各前記補正係数は、前記吸収ピーク波長ごとに想定される前記赤外線検出器の吸収スペクトルを全波長範囲で積分した値と大気の窓の波長範囲で積分した値との比によって得られる、請求項１〜６および１１のいずれか１項に記載の赤外線検出システム。
【請求項１３】
前記赤外線検出器の受光面を覆う光学フィルタをさらに備え、
前記光学フィルタは、８μｍ〜１４μｍの長波長の赤外線領域を測定する場合は、３．４μｍ〜５．５μｍの中波長の赤外線領域を遮断する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の赤外線検出システム。
【請求項１４】
前記赤外線検出器の受光面を覆う光学フィルタをさらに備え、
前記光学フィルタは、３．４μｍ〜５．５μｍの中波長の赤外線領域を測定する場合は、８μｍ〜１４μｍの長波長の赤外線領域を遮断する、請求項１〜１２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】
本開示は、赤外線検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線検出器としてボロメータなど熱型のものが現在広く用いられている。熱型の赤外線検出器は、赤外線を吸収したときの温度変化を測定するものであるので、高速応答できず、測定する波長を選択することができない。
【０００３】
これに対して、入射したフォトンによるキャリア生成を利用する光学型の赤外線検出器が知られている。たとえば、水銀、カドミウム、テルルを利用した赤外線検出器は、成分比を変えて最高感度を持つ波長を選択することによって、中波長の赤外線領域（ＭＷＩＲ：Mid-Wavelength Infrared Range）と長波長の赤外線領域（ＬＷＩＲ：Long-Wavelength Infrared Range）の両方に対応することができる。
【０００４】
新しい方式として、量子井戸型赤外線検出器（ＱＷＩＰ：Quantum Well Infrared Photodetector）および量子ドット型赤外線検出器（ＱＤＩＰ：Quantum Dot Infrared Photodetector）が知られている（たとえば、非特許文献１および非特許文献２を参照）。これらの赤外線検出器は、光吸収層として量子井戸層または量子ドット層が積層された構造を有し、光吸収層に印加するバイアス電圧を変化させることによって最高感度を有する波長をシフトできるという特徴を有している。
【０００５】
本開示に関係する特許文献として、特開平１０−０９６６６７号公報（特許文献１）がある。この文献は、赤外線検出器において、使用するレンズ、窓材、フィルタの光学系の構成毎に実測することなく、温度変換テーブルを作成することができる温度変換テーブルの自動作成方法を提供するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−０９６６６７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Shih-Yen Lin et al., "Voltage-tunable two-color quantum-dot infrared photodetectors", Appl. Phys. Lett., Vol. 95(12), 123504-123504-3, 2009.
【非特許文献２】Joe C. Campbell et al., "Quantum-Dot Infrared Photodetectors By optimizing dot growth processes, materials have been produced that demonstrate potential, with further development, for high-performance infrared sensing", Proceedings of IEEE, Vol. 95(9), 2007, pp. 1815-1827.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本願の発明者らは、量子井戸型または量子ドット型の赤外線検出器において、バイアス電圧を掃引することによって測定対象物の放射スペクトルを検出し、検出した放射スペクトルに基づいて測定対象物の温度を推定するシステムについて検討している。本願の発明者らは、この検討過程において以下の問題点があることを見出した。
【０００９】
量子ドットの吸収エネルギーの幅および量子ドットのサイズのバラツキなどのために、あるバイアス電圧に対する吸収エネルギーの半値全幅は、２〜３μｍになり得る。量子井戸型の場合にも同程度の半値全幅を有する場合がある。一方で、遠赤外線はほとんどの波長領域で大気中のガスおよび水蒸気によって吸収されてしまうために、大気の窓と呼ばれる中波長の赤外線領域（３．４μｍ〜５．５μｍ）および長波長の赤外線領域（８μｍ〜１４μｍ）でのみ、遠方で放射された電磁波を検出することができる。なお、中波長の赤外線領域の大気の窓（３．４μｍ〜５．５μｍ）は、３．４μｍ〜４．２μｍと４．４μｍ〜５．５μｍに分かれているが、本明細書では３．４μｍ〜５．５μｍと記載する。４．２μｍ〜４．４μｍの赤外線が遠方まで透過しない点については、５．５μｍ〜８μｍと同様の扱いをすればよい。
【００１０】
上記のように、量子井戸型または量子ドット型の赤外線検出器による電磁波の吸収エネルギーの半値全幅に対して、大気の窓の幅は２〜３倍程度である。このため、上記の赤外線検出器のバイアス電圧を掃引することによって放射スペクトルを検出した場合には、大気の窓の境界付近と中央付近とで見かけ上、赤外線検出器のエネルギー吸収の割合が異なってしまう。この結果、ピーク位置が異なるなど、検出したスペクトル形状は本来のものと異なることになる。
【００１１】
本開示は、上記の問題点を考慮したものであり、その目的の１つは、量子井戸型または量子ドット型など、赤外線の検出スペクトルにおける吸収ピーク波長を掃引しながら赤外線を検出することが可能な赤外線検出器を利用した赤外線検出システムにおいて、測定対象物から放射される赤外線のスペクトルを精度良く検出することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一実施形態の赤外線検出システムは、赤外線検出器と、記憶部と、補正演算部とを備える。赤外線検出器は、特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する。赤外線検出器は、赤外線の吸収スペクトルの吸収ピーク波長を掃引することが可能である。記憶部は、大気の窓の波長範囲に対する吸収ピーク波長の位置に応じて赤外線検出器の検出値を補正するための複数の補正係数を格納する。補正演算部は、記憶部に格納された対応する補正係数によって吸収ピーク波長ごとの赤外線検出器の検出値を補正する。
【発明の効果】
【００１３】
上記の実施形態によれば、測定対象物から放射される赤外線のスペクトルを精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１による赤外線検出システムの概略的な構成を示すブロック図である。
【図２】図１の赤外線検出器の構成の一例を模式的に示すブロック図である。
【図３】赤外線検出器の吸収スペクトルの強度分布と大気の窓との関係を示す図である。
【図４】３６℃における黒体放射スペクトルと赤外線検出器による検出スペクトルとの関係を示す図である。
【図５】補正テーブルの一例を示す図である。
【図６】３６℃における黒体放射スペクトルと補正後の検出スペクトルとの関係を示す図である。
【図７】実施の形態１の赤外線検出システムにおける温度判定手順を示すフローチャートである。
【図８】実施の形態２の赤外線検出システムにおける温度検出手順を示すフローチャートである。
【図９】実施の形態３による赤外線検出システムの概略的な構成を示すブロック図である。
【図１０】実施の形態４の赤外線検出システムにおける温度判定手順を示すフローチャートである。
【図１１】実施の形態５の赤外線検出システムにおける温度検出手順を示すフローチャートである。
【図１２】実施の形態６による赤外線検出システムの概略的な構成を示すブロック図である。
【図１３】実施の形態６の赤外線検出システムにおけるリファレンスデータテーブルの一例を示す図である。
【図１４】放射率０．９５で３６℃を有する測定対象物の検出データと、図１３に示すリファレンスデータとを示す図である。
【図１５】各波長ごとの図１４の検出データとリファレンスデータとの比を示す図である。
【図１６】実施の形態６の赤外線検出システムにおける温度判定手順を示すフローチャートである。
【図１７】実施の形態７の赤外線検出システムにおける温度判定手順を示すフローチャートである。
【図１８】実施の形態８による赤外線検出システムの概略的な構成を示すブロック図である。
【図１９】実施の形態８の赤外線検出システムにおけるガス種判定手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
【００１６】
＜実施の形態１＞
［赤外線検出システムの構成］
図１は、実施の形態１による赤外線検出システムの概略的な構成を示すブロック図である。図１を参照して、赤外線検出システム１００は、赤外線検出器１１０と、記憶部１４０と、処理回路１３０とを備える。
【００１７】
赤外線検出器１１０は、測定対象物２００から受光面１１１に照射された赤外線２１０を吸収し、吸収したフォトンを電荷に変換する光電変換素子である。赤外線検出器１１０は、吸収スペクトルの吸収ピーク波長（すなわち、吸収スペクトルがピーク値となる波長）を掃引しながら赤外線を検出することが可能である。以下の説明では、吸収ピーク波長を掃引しながら赤外線検出器によって検出されたスペクトルを検出スペクトルと称する。
【００１８】
赤外線検出器１１０によって検出可能な波長領域は、中波長の赤外線領域（ＭＷＩＲ）、すなわち、３．４μｍ〜５．５μｍの波長領域赤外線と、長波長の赤外線領域（ＬＷＩＲ）、すなわち、８μｍ〜１４μｍの波長領域の赤外線とを含む。これらの波長領域は大気の窓と呼ばれる。
【００１９】
具体的な赤外線検出器１１０の構成例については、図２を参照して後述する。なお、図１では、単一の赤外線検出器１１０を示しているが、単一素子に限らず複数の素子から構成されたイメージャも本実施の形態の赤外線検出システム１００において用いることができる。
【００２０】
記憶部１４０は、大気の窓の波長範囲に対する赤外線検出器１１０の吸収ピーク波長の設定位置に応じて赤外線検出器１１０の検出値を補正するための複数の補正係数を、補正テーブル１４１として格納する。補正テーブル１４１の具体例については、図３および図４を参照して後述する。
【００２１】
処理回路１３０は、プロセッサおよびメモリを備えたマイクロコンピュータとして構成してもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）として構成してもよい。あるいは、処理回路１３０を専用の集積回路として構成してもよい。処理回路１３０は、機能的に見ると、補正演算部１３１と、温度判定部１３２と、測定制御部１３３とを含む。
【００２２】
補正演算部１３１は、補正テーブル１４１に基づいて赤外線検出器１１０の検出値を補正する。より具体的には、補正演算部１３１は、赤外線検出器１１０の吸収ピーク波長ごとに、記憶部１４０に格納された対応する補正係数によって赤外線検出器１１０の検出値を補正する。
【００２３】
以下の説明では、吸収ピーク波長を掃引しながら赤外線検出器１１０によって検出された検出スペクトルデータを複数の補正係数によって補正した後のデータを、補正スペクトルデータと称する。温度判定部１３２は、この補正スペクトルの形状、たとえば、ピーク波長に基づいて測定対象物２００の温度を判定する。
【００２４】
測定制御部１３３は、赤外線検出器１１０の動作を制御する。たとえば、測定制御部１３３は、赤外線検出素子１２０に印加されるバイアス電圧を掃引することによって、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルの吸収ピーク波長を掃引する。
【００２５】
［赤外線検出器の構成例］
図２は、図１の赤外線検出器の構成の一例を模式的に示すブロック図である。図２に示す赤外線検出器１１０の構成は一例であって、本実施の形態の赤外線検出システム１００に適用可能な赤外線検出器１１０の構成は図２の構成に限定されるものではない。
【００２６】
図２を参照して、赤外線検出器１１０は、赤外線検出素子１２０と、バイアス電圧源１２５と、電流検出部１２４とを含む。バイアス電圧源１２５と電流検出部１２４とは、１つの回路にまとまっていてもよい。
【００２７】
赤外線検出素子１２０は、光吸収層１２２と、その両側に配置されたコンタクト層１２１，１２３とを備える。コンタクト層１２１，１２３に接触した電極層があってもよく、この場合、電極層を介してバイアス電圧源１２５および電流検出部１２４がコンタクト層１２１，１２３に接続される。光吸収層１２２は、量子井戸層と障壁層とが繰り返し積層された構造（積層量子井戸層）または量子ドット層と障壁層とが繰り返し積層された構造（積層量子ドット層）を有する。
【００２８】
コンタクト層１２１，１２３を介してバイアス電圧源１２５からバイアス電圧が印加される。積層量子井戸層および積層量子ドット層は、量子閉じ込めシュタルク効果によってバイアス電圧に応じて赤外線の吸収ピーク波長が変化する。したがって、測定制御部１３３は、バイアス電圧源１２５によってバイアス電圧を変化させることによって、吸収スペクトルのピーク波長を掃引することができる。なお、バイアス電圧の値と吸収ピーク波長との関係は、実験またはシミュレーションなどによって予め取得しておく。赤外線検出素子１２０は、バイアス電圧を変化させることで吸収ピークが変化すれば、どのような構成でもよいが、量子井戸または量子ドットを用いると、材料および／または形状によりバイアス電圧値に対する吸収波長シフト量が設計しやすい。
【００２９】
電流検出部１２４は、赤外線検出素子１２０を流れる電流を検出する。赤外線２１０が照射されているときの電流と赤外線２１０が照射されていないときの暗電流と差が、赤外線２１０の強度に比例した光電流に相当する。したがって、光電流の大きさに基づいて、測定対象物２００から照射される赤外線２１０の強度を算出することができる。
【００３０】
［赤外線検出器による検出値の補正方法］
図３は、赤外線検出器の吸収スペクトルの強度分布と大気の窓との関係を示す図である。
【００３１】
図３を参照して、遠赤外線はほとんどの波長領域で大気中のガスおよび水蒸気によって吸収されてしまうために、大気の窓（図３の大気の窓Ａ、大気の窓Ｂ）と呼ばれる中波長の赤外線領域（３．４μｍ〜５．５μｍ）および長波長の赤外線領域（８μｍ〜１４μｍ）でのみ、遠方で放射された電磁波を検出することができる。
【００３２】
一方で、図２で説明した量子ドット型の赤外線検出器の場合には、量子ドットの吸収エネルギーの幅および量子ドットのサイズのバラツキなどのために、あるバイアス電圧に対する吸収スペクトルの半値全幅は、２〜３μｍ以上になり得る。量子井戸型赤外線検出器の場合にも同程度の半値全幅を有する場合がある。
【００３３】
図３では、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルをピーク波長８μｍ、１０μｍ、１４μｍの各場合において図示している。ただし、各吸収スペクトルの形状をガウス分布とし、各吸収スペクトルの半値全幅 (ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）を３μｍとしている。なお、図３では、簡単のために各吸収スペクトルのピーク値は同一としているが、吸収スペクトルのピーク値は吸収ピーク波長に応じて異なっていていもよい。
【００３４】
図３に示すように、赤外線検出器による電磁波の吸収エネルギーの半値全幅に対して、大気の窓の幅は２〜３倍程度である。このため、吸収ピークが８μｍおよび１４μｍの場合では吸収スペクトルの半分程度が大気の窓以外となってしまう。その間の吸収ピーク波長の場合でも吸収スペクトルには大気の窓以外の範囲となる部分がある。この結果、大気の窓の境界近傍に吸収ピーク波長がある場合には、大気の窓の中間付近に吸収ピーク波長がある場合に比べて、測定対象物から放射される電磁波のエネルギーが同じであっても、赤外線検出器１１０による検出値が小さい値となってしまう。この傾向は、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルの半値全幅が広いほど顕著になる。
【００３５】
図４は、３６℃における黒体放射スペクトルと赤外線検出器による検出スペクトルとの関係を示す図である。図４において、実線のグラフは、３６℃における黒体放射スペクトルを示す。破線のグラフは、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルの半値全幅を２μｍとしたときの検出スペクトルである。一点鎖線のグラフは、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルの半値全幅を３μｍとしたときの検出スペクトルである。
【００３６】
図３で説明した大気の窓の影響によって、３６℃における黒体放射スペクトルに比べて赤外線検出器１１０による検出スペクトルの形状（たとえば、ピーク波長および曲率など）が異なることがわかる。具体的に、３６℃の黒体放射スペクトルは９．４μｍ程度にピークを持つが、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルの半値全幅が２μｍの場合には１０μｍ近辺に検出スペクトルのピークが現れる。また、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルの半値全幅が３μｍの場合には１１μｍ近辺に検出スペクトルのピークが現れる。なお、測定対象が完全な黒体でないこと及び表面状態などによっても放射率は下がるが、検出スペクトルの形状は変化しない。
【００３７】
このような測定誤差をなくすべく、吸収ピーク波長ごとに定められた補正係数が補正テーブル１４１として記憶部１４０に格納される。補正係数は、大気の窓の波長範囲に対する吸収ピーク波長の位置に応じて変化する。より具体的に、補正係数は、赤外線検出器１１０の吸収ピーク波長ごとに、８〜１４μｍの長波長域の大気の窓で吸収できる割合（すなわち、各吸収ピーク波長ごとの有効吸収率）の逆数とすることができる。図１の補正演算部１３１は、補正テーブル１４１に格納された対応する補正係数を乗算することによって、赤外線検出器１１０の検出値を補正する。
【００３８】
図５は、補正テーブルの一例を示す図である。図５では、各吸収スペクトルごとに全波長範囲での吸収スペクトルの積分値と、８〜１４μｍの波長範囲での吸収スペクトルの積分値で規格化した値を補正係数としている。各吸収スペクトルの形状として、図３に示すようにガウス分布で近似した値を用いていもよいし、実際の測定値またはシミュレーション値を用いてもよい。実際の吸収スペクトルの形状は、左右対称でない場合があるし、ピーク波長に応じてピーク値が異なる場合もある（算出された補正係数にはこれらの影響も含まれる）。また、図５では、吸収ピーク波長を１μｍごとに示しているが、実際にはより細かい波長刻み幅ごとに補正係数が計算される。
【００３９】
なお、図５では、補正テーブルが各吸収スペクトルのピーク波長ごとの補正係数としているが、バイアス電圧ごとの補正係数としてもよい。この場合、バイアス電圧を吸収スペクトルのピーク波長に換算するための換算テーブルは、記憶部１４０が別途保持し、補正演算部１３１が換算してもよい。もしくは、補正テーブルが各吸収スペクトルのピーク波長、対応するバイアス電圧、これらごとの補正係数からなっていてもよい。
【００４０】
図６は、３６℃における黒体放射スペクトルと補正後の検出スペクトルとの関係を示す図である。図６において、実線のグラフは、３６℃における黒体放射スペクトルを示す。破線のグラフは、図４において破線で示す半値全幅２μｍの場合の赤外線検出器１１０による検出スペクトルに、図５の半値全幅２μｍの場合の補正係数を乗算することによって得られた補正スペクトルを示す。一点鎖線のグラフは、図４において一点鎖線で示す半値全幅３μｍの場合の赤外線検出器１１０による検出スペクトルに、図５の半値全幅３μｍの場合の補正係数を乗算することによって得られた補正スペクトルを示す。
【００４１】
図４の検出スペクトルと図６の補正スペクトルとを比較すると、図６の補正スペクトルの形状のほうが、元の３６℃の黒体放射のスペクトルの形状に近くなっていることがわかる。たとえば、３６℃の黒体放射スペクトルは９．４μｍ程度にピークを持つのに対して、吸収スペクトルの半値全幅が２μｍの場合には９．４μｍ近辺に補正スペクトルのピークが現れる。また、吸収スペクトルの半値全幅が３μｍの場合には１０μｍ近辺に補正スペクトルのピークが現れる。いずれも、図４の検出スペクトルの場合に比べて元の３６℃の黒体放射のスペクトルのピーク波長に近い値となっている。ただし、大気の窓の両端（すなわち、８μｍおよび１４μｍ）に近付くにつれて、元の３６℃の黒体放射のスペクトルと補正スペクトルとの誤差は大きくなる。
【００４２】
［測定対象の温度の判定］
測定対象の温度を判定するために、図１の温度判定部１３２は、まず、補正スペクトルのピーク波長を求める。次に、温度判定部１３２は、黒体放射のピーク波長と温度との関係を示すウィーンの変位則（ウィーンの公式）を用いて温度を計算する。ウィーンの変位則によれば、ピーク波長λmax［μｍ］は、温度Ｔ［Ｋ］を用いて、
λmax＝２．８９８×１０3／Ｔ    …(1)
で表される。したがって、温度判定部１３２は、上式（１）を変形した
Ｔ＝２．８９８×１０3／λmax    …(2)
に従って温度Ｔを計算してもよいし、上式（２）に基づいて温度Ｔとピーク波長λmax［μｍ］との関係をデータベース化したテーブルに基づいて温度Ｔを決定してもよい。
【００４３】
たとえば、図６に示す半値全幅２μｍの補正スペクトルデータを用いると、ピーク波長λmax＝９．４μｍより、温度Ｔは３６℃となり、ほぼ正確に計算される。一方、半値全幅３μｍの場合には、ピーク波長λmaxが異なるため、正確な温度が検出できない。したがって、本実施の形態の赤外線検出システム１００では、半値全幅が比較的狭いか、測定対象の温度がある程度低いために放射ピーク波長が大気の窓の両端である８μｍおよび１４μｍから離れている場合により正確に測定対象物の温度を検出することができる。
【００４４】
［温度判定手順］
図７は、実施の形態１の赤外線検出システムにおける温度判定手順を示すフローチャートである。以下、図１、図２および図７を参照して、これまでの説明を総括しながら、赤外線検出システムにおける温度判定手順について説明する。
【００４５】
まず、ステップＳ１００において、測定制御部１３３は、赤外線検出器１１０の赤外線検出素子１２０に印加するバイアス電圧を初期値に設定する。バイアス電圧の値は、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルのピーク波長に対応している。
【００４６】
次のステップＳ１１０において、赤外線検出器１１０は、設定されたバイアス電圧において測定対象物２００から入射した赤外線２１０が光電変換されることによって生成された光電流を検出する。バイアス電圧は、測定制御部１３３が各吸収スペクトルのピーク波長に対応するよう設定する。
【００４７】
次のステップＳ１２０において、補正演算部１３１は、バイアス電圧を吸収ピーク波長に換算し、記憶部１４０に格納された補正テーブル１４１のうちで換算した吸収ピーク波長に対応する補正係数を読み出す。そして、補正演算部１３１は、読み出した補正係数を乗算することによって、ステップＳ１２０で検出した値を補正する。
【００４８】
次のステップＳ１４０において、測定制御部１３３は、赤外線検出器１１０の赤外線検出素子１２０に印加するバイアス電圧を変更する。これによって、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルのピーク波長が変更される。この後、上記のステップＳ１１０およびステップＳ１２０が繰り返される。
【００４９】
掃引すべき吸収ピーク波長の範囲での赤外線の検出が完了したら、測定制御部１３３は測定を終了する（ステップＳ１３０でＹＥＳ）。
【００５０】
以上により、赤外線検出器１１０による検出スペクトルデータが補正テーブル１４１に従って補正されたデータである、補正スペクトルデータが生成される。この後、ステップＳ１５０において、温度判定部１３２は、補正スペクトルのピーク波長から、ウィーンの変位則に従って温度を算出する。以上によって温度判定手順が終了する。
【００５１】
［効果］
以上のとおり、本実施の形態の赤外線検出システム１００によれば、赤外線検出器１１０の検出値は、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルの吸収ピーク波長に応じた補正係数によって補正される。これによって、大気の窓の境界付近の波長領域で赤外線検出器１１０の吸収スペクトルの形状が見かけ上変化したとしても、測定対象物の放射スペクトルおよびその温度を正確に検出することができる。
【００５２】
また、上記の補正係数は、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルがわかれば算出できるものである。したがって、本実施の形態の赤外線検出システム１００によれば、既知温度のリファレンスサンプルを多数準備する手法に比べて、簡便に測定対象物の温度を検出することができる。
【００５３】
＜実施の形態２＞
実施の形態２では、測定制御部１３３がバイアス電圧の掃引を終了するタイミングが実施の形態１の場合と異なる。具体的には、補正スペクトルのピーク波長が判明した時点でバイアス電圧の掃引を停止する。これによって、測定対象物の温度測定時間を短縮することができ、さらに赤外線検出システム１００の消費電力を抑制することができる。以下、図面を参照して説明する。
【００５４】
図８は、実施の形態２の赤外線検出システムにおける温度検出手順を示すフローチャートである。図８のフローチャートは、図７のフローチャートに対応するものであり、ステップＳ１３０に代えてステップＳ１３５が実行される点で図７のフローチャートと異なる。
【００５５】
具体的に、ステップＳ１３５において、測定制御部１３３は、これまで掃引したバイアス電圧範囲において、補正テーブル１４１によって補正された赤外線検出器１１０の検出値がピーク値（極大値）を示したか否か、すなわち、補正スペクトルにピーク値が含まれているか否かを判定する。補正スペクトルのピークを検出した場合には（ステップＳ１３５でＹＥＳ）、その時点でバイアス電圧の掃引を終了し、次のステップＳ１５０において温度判定部１３２は、測定対象物２００の温度を判定する。
【００５６】
一方、補正スペクトルのピーク値を検出していない場合には（ステップＳ１３５でＮＯ），次にステップＳ１４０において測定制御部１３３は、赤外線検出器１１０の赤外線検出素子１２０に印加するバイアス電圧を変更する。これによって、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルのピーク波長が変更される。この後、上記のステップＳ１１０およびステップＳ１２０が繰り返される。
【００５７】
図８のその他の点は図７のフローチャートと同じであるので、対応するステップには同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。また、実施の形態２の赤外線検出システムの構成は、実施の形態１の図１で説明したものと同じであるので、説明を繰り返さない。
【００５８】
＜実施の形態３＞
図９は、実施の形態３による赤外線検出システムの概略的な構成を示すブロック図である。図９の赤外線検出システム１０１は、赤外線検出システム１００の受光面１１１を覆う光学フィルタ１５０をさらに備える点で図１の赤外線検出システム１００と異なる。光学フィルタ１５０は、８μｍ〜１４μｍの長波長の赤外線領域を測定する場合は、３．４μｍ〜５．５μｍの中波長の赤外線領域を遮断するように構成される。
【００５９】
図３において破線で示すピーク波長が８μｍの場合の吸収スペクトルの一部は、３．４μｍ〜５．５μｍの大気の窓Ａの領域にまで及んでいる。このため、８〜１４μｍの波長範囲で吸収スペクトルを積分することによって補正係数を計算した場合には誤差が生じることになる。そこで、ほとんど影響を及ぼさない波長領域を光学フィルタで遮断することによって誤差を低減することができる。
【００６０】
なお、光学フィルタ１５０は、３．４μｍ〜５．５μｍの中波長の赤外線領域のみを測定し、８μｍ〜１４μｍの長波長の赤外線領域を遮断するフィルタを備えていてもよい。もしくは、３．４μｍ〜５．５μｍの中波長の赤外線領域を遮断するフィルタと、８μｍ〜１４μｍの長波長の赤外線領域を遮断するフィルタとを少なくとも含む複数の遮断波長域のフィルタが組み合わされることによって構成されていてもよい。
【００６１】
＜実施の形態４＞
実施の形態４の赤外線検出システムは、温度判定部１３２における温度の算出方法が実施の形態１の赤外線検出システムの場合と異なる。赤外線検出システム１００のその他の構成は実施の形態１の図１の場合と同じであるので詳しい説明を繰り返さない。
【００６２】
図１０は、実施の形態４の赤外線検出システムにおける温度判定手順を示すフローチャートである。図１０のステップＳ１００〜Ｓ１４０は実施の形態１の図７と同じであるので、説明を繰り返さない。これらの各ステップが実行されることによって、赤外線検出器１１０は検出スペクトルを生成し、補正演算部１３１は、検出スペクトルを補正テーブル１４１に従って補正することによって補正スペクトルを生成する。
【００６３】
次のステップＳ１５０において、温度判定部１３２は、以下の式（３）に示すプランクの黒体放射の公式に基づいて測定対象物２００の温度を算出する。下式（３）において波長λにおける放射強度をＢ（λ）とし、プランク定数をｈとし、光速をｃとし、ボルツマン定数をｋBとし、温度をＴ［Ｋ］とする。
【００６４】
【数１】
2018179808.tif 000003
【００６５】
具体的に、温度判定部１３２は、波長λ1，λ2での補正スペクトルの強度比を算出し、同じ波長λ1，λ2でのプランクの黒体放射の公式でのスペクトル強度比と比較することによって、両者の比が一致するように温度Ｔを決定する。温度判定部１３２は、異なる波長での補正スペクトルの強度比を複数算出し、対応する波長でのプランクの黒体放射の公式でのスペクトル強度比と比較することによって、例えば最小二乗法によって温度Ｔを決定するようにしてもよい。これによって、２個の波長の比のみを用いる場合よりも温度Ｔの推定精度を向上させることができる。
【００６６】
以上のとおり、実施の形態４の赤外線検出システムによれば、補正スペクトルにピーク値が存在しない場合であっても測定対象物２００の温度を算出することができる。また、実施の形態４の赤外線検出システムは、実施の形態２，３の赤外線検出システムと組み合わせることができる。
【００６７】
＜実施の形態５＞
実施の形態５の赤外線検出システムは、実施の形態１の赤外線検出システムと実施の形態４の赤外線検出システムとを組み合わせたものであり、温度判定部１３２における温度の算出方法に特徴がある。図１の赤外線検出システム１００におけるその他の構成は、実施の形態１および実施の形態４の場合と同じであるので説明を繰り返さない。
【００６８】
図１１は、実施の形態５の赤外線検出システムにおける温度検出手順を示すフローチャートである。図１０のステップＳ１００〜Ｓ１４０は、実施の形態１の図７および実施の形態５の図１０の場合と同じであるので、説明を繰り返さない。これらの各ステップが実行されることによって、赤外線検出器１１０は検出スペクトルを生成し、補正演算部１３１は、検出スペクトルを補正テーブル１４１に従って補正することによって補正スペクトルを生成する。
【００６９】
次のステップＳ１４５において、温度判定部１３２は、補正スペクトルにピーク値が存在するか否かを判定する。補正スペクトルにピーク値が存在する場合には（ステップＳ１４５でＹＥＳ）、ステップＳ１５０において温度判定部１３２は、補正スペクトルのピーク波長から、ウィーンの変位則に従って温度を算出する。一方、補正スペクトルにピーク値が存在しない場合には（ステップＳ１４５でＮＯ）、ステップＳ１６０において温度判定部１３２は、波長λ1，λ2での補正スペクトルの強度比を算出し、同じ波長λ1，λ2でのプランクの黒体放射の公式でのスペクトル強度比と比較することによって、両者の比が一致するように温度Ｔを決定する。温度判定部１３２は、異なる波長での補正スペクトルの強度比を複数算出し、対応する波長でのプランクの黒体放射の公式でのスペクトル強度比と比較することによって、例えば最小二乗法によって温度Ｔを決定するようにしてもよい。
【００７０】
以上のとおり、実施の形態５の赤外線検出システムによれば、補正スペクトルにピーク値が存在するか否かにかかわらず測定対象物２００の温度を算出することができる。また、実施の形態５の赤外線検出システムは、実施の形態２，３の赤外線検出システムと組み合わせることができる。
【００７１】
＜実施の形態６＞
実施の形態６では、複数の既知温度をそれぞれ有する複数のリファンレンスサンプルに対して、バイアス電圧を掃引しながら赤外線検出器１１０によって検出された複数のリファレンスデータ１４２に基づいて測定対象物２００の温度を検出する赤外線検出システムについて説明する。
【００７２】
［赤外線検出システムの構成］
図１２は、実施の形態６による赤外線検出システムの概略的な構成を示すブロック図である。図１２の赤外線検出システム１０２は、図１の赤外線検出システム１００を変形したものである。
【００７３】
具体的に、赤外線検出システム１０２は、赤外線検出器１１０と、記憶部１４０と、処理回路１３０Ａとを備える。赤外線検出器１１０の機能および具体的構成例は実施の形態１の図１および図２で説明したとおりであるので、説明を繰り返さない。
【００７４】
記憶部１４０は、リファレンスデータテーブル１４２を格納する。リファレンスデータテーブル１４２は、複数の既知温度をそれぞれ有する複数のリファレンスサンプルに対して、バイアス電圧を掃引しながら赤外線検出器１１０によって検出された複数のリファレンスデータ（参照データとも称する）を含む。リファレンスデータは、複数の既知温度ごとに予め得られた検出スペクトルデータである。
【００７５】
リファレンスサンプルは、理想的な黒体であってもよいし、放射率がわかっている灰体であってもよい。もしくは、放射率の波長依存性がなければ、放射率が未知の灰体であってもよい。
【００７６】
処理回路１３０Ａは、プロセッサおよびメモリを備えたマイクロコンピュータとして構成してもよいし、ＦＰＧＡとして構成してもよい。もしくは、処理回路１３０Ａは、専用の集積回路として構成してもよい。処理回路１３０Ａは、機能的に見ると、温度判定部１３２と、測定制御部１３３とを含む。
【００７７】
温度判定部１３２は、測定対象物２００に対して赤外線検出器１１０のバイアス電圧を掃引しながら得られた検出データ（検出スペクトルに相当する）と、既知温度ごとのリファレンスデータとを比較することによって、測定対象物２００の温度を判定する。具体的に、温度判定部１３２は、検出データと各既知温度に対応するリファレンスデータとの比を波長ごとに算出し、算出した比の波長依存性が最も小さい場合の既知温度に基づいて測定対象物２００の温度を判定する。以下、温度判定部１３２による測定対象物の温度の判定方法について具体的に説明する。
【００７８】
［測定対象物の温度の判定方法］
図１３は、実施の形態６の赤外線検出システムにおけるリファレンスデータテーブルの一例を示す図である。図１３では、リファンレンスサンプルの温度が３０℃、３５℃、４０℃でのリファレンスデータが波長に対応付けて示されている。リファレンスデータの各値は、検出された光電流をスペクトル強度に換算したものである。
【００７９】
図１３では、リファレンスサンプルの温度が５℃刻みで設定されているが、リファレンスサンプルの温度をより細かい刻み幅で設定するほど、測定対象物２００の温度を精度良く算出できる。
【００８０】
また、図１３では、波長の刻み幅が１μｍに設定されているが、波長の刻み幅をより細かく設定することによって、誤差の影響を受け難くすることができ、結果として温度の検出精度を向上させることができる。一方、波長の個数を数点のみに限定すれば、赤外線検出器１１０による検出時間および温度の算出時間を短縮することができる。
【００８１】
図１４は、放射率０．９５で３６℃を有する測定対象物の検出データと、図１３に示すリファレンスデータとを示す図である。図１４の実線のグラフは測定対象物の検出データを示す。３０℃のリファレンスサンプルについて得られたリファレンスデータをひし形のプロットで示し、３５℃のリファレンスサンプルについて得られたリファレンスデータを正方形のプロットで示し、４０℃のリファレンスサンプルについて得られたリファレンスデータを三角形のプロットで示す。
【００８２】
図１４では、検出データは３０℃のリファンレンスデータと３５℃のリファレンスデータとの間に位置しているため、一見すると測定対象物のは３０℃と３５℃の間にあるように判断されるかもしれない。しかしながら、上記の結果は、測定対象物の放射率が１でないために生じたものであり、正しくは以下のように判断すべきである。
【００８３】
図１５は、各波長ごとの図１４の検出データとリファレンスデータとの比を示す図である。図１５において、検出データと３０℃のリファレンスデータとの比をひし形のプロットで示し、検出データと３５℃のリファレンスデータとの比を正方形のプロットで示し、検出データと４０℃のリファレンスデータとの比を三角形のプロットで示す。
【００８４】
図１５から、検出データと３５℃のリファレンスデータとの比が、最も波長依存性がないとがわかる。このことは、検出データが表すスペクトル曲線の曲率が３５℃のリファレンスデータが表すスペクトル曲線の曲率に最も近いことを意味している。したがって、測定対象物の温度は３５℃付近であると結論付けられる。
【００８５】
［温度判定手順］
図１６は、実施の形態６の赤外線検出システムにおける温度判定手順を示すフローチャートである。以下、図１、図１２および図１６を参照して、これまでの説明を総括しながら、赤外線検出システムにおける温度判定手順について説明する。
【００８６】
まず、ステップＳ１０において、赤外線検出システム１０２は、複数の互いに異なる既知温度をそれぞれ有する複数のリファレンスサンプルの各々に対して、バイアス電圧を掃引しながら放射強度を検出することによって各リファレンスサンプルの放射スペクトルをリファレンスデータとして検出する。
【００８７】
次に、赤外線検出システム１０２は、測定対象物に対して、バイアス電圧を掃引しながら放射強度を検出することによって測定対象物の放射スペクトルを検出データとして検出する。より詳細には、以下の手順による。
【００８８】
まず、ステップＳ１００において、測定制御部１３３は、赤外線検出器１１０の赤外線検出素子１２０に印加するバイアス電圧を初期値に設定する。バイアス電圧の値は、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルのピーク波長に対応している。
【００８９】
次のステップＳ１１０において、赤外線検出器１１０は、設定されたバイアス電圧において測定対象物２００から入射した赤外線２１０が光電変換されることによって生成された光電流を検出する。
【００９０】
次のステップＳ１４０において、測定制御部１３３は、赤外線検出器１１０の赤外線検出素子１２０に印加するバイアス電圧を変更する。これによって、赤外線検出器１１０の吸収スペクトルのピーク波長が変更される。この後、上記のステップＳ１１０が繰り返される。
【００９１】
掃引すべき吸収ピーク波長の範囲での赤外線の検出が完了したら、測定制御部１３３は測定を終了する（ステップＳ１３０でＹＥＳ）。以上により、測定対象物の検出データの取得が完了する。
【００９２】
この後、ステップＳ１５０において、温度判定部１３２は、各既知温度に対応するリファレンスデータで検出データを除算することによって、波長ごとに両者の比を算出する。次のステップＳ１８０において、温度判定部１３２は、算出した比の値の波長依存性が最も小さい場合のリファレンスデータに対応する温度を、測定対象物の温度に決定する。具体的には、最大波長における検出データとリファレンスデータの比と、最小波長の比の差が最も小さいものを、波長依存性が最も小さいとしてもよい。
【００９３】
［効果］
以上のとおり、本実施の形態の赤外線検出システム１０２によれば、予め取得した複数の既知温度をそれぞれ有する複数のリファレンスデータのスペクトルと、測定対象物のスペクトルとを比較することによって測定対象物の温度が判定される。これによって、大気の窓の境界付近の波長領域で赤外線検出器１１０の吸収スペクトルの形状が見かけ上変化したとしても、測定対象物の温度を正確に決定することができる。
【００９４】
＜実施の形態７＞
実施の形態７の赤外線検出システムは、温度判定部１３２における温度の算出方法が実施の形態６の赤外線検出システムの場合と異なる。赤外線検出システムのその他の構成は実施の形態６の図１２の場合と同じであるので詳しい説明を繰り返さない。
【００９５】
図１７は、実施の形態７の赤外線検出システムにおける温度判定手順を示すフローチャートである。
【００９６】
図１２および図１７を参照して、まず、ステップＳ１０において、赤外線検出システム１０２は、複数の互いに異なる既知温度をそれぞれ有する複数のリファレンスサンプルの各々に対して、バイアス電圧を掃引しながら放射強度を検出することによって各リファレンスサンプルの放射スペクトルをリファレンスデータとして検出する。
【００９７】
次のステップＳ２０において、温度判定部１３２は、各リファレンスデータのピーク波長を求める。求めたピーク波長は、リファレンスデータテーブル１４２に格納される。
【００９８】
次のステップＳ１００〜Ｓ１４０において、赤外線検出システム１０２は、測定対象物に対して、バイアス電圧を掃引しながら放射強度を検出することによって測定対象物の放射スペクトルを検出データとして検出する。詳細な手順は図１２の場合と同じであるので説明を繰り返さない。
【００９９】
次のステップＳ１９０において、温度判定部１３２は、測定対象物２００の放射スペクトルの検出データのピーク波長を求める。次のステップＳ２００において、温度判定部１３２は、検出データのピーク波長と各リファンレンスデータのピーク波長とを比較することによって、ピーク波長が一致するリファンレンスデータに対応する温度を測定対象物の温度に決定する。
【０１００】
実施の形態７は、実施の形態６と組み合わせることができる。すなわち、温度判定部１３２は、検出データにピーク値が存在する場合には、検出データのピーク波長と各リファレンスデータのピーク波長とを比較することによって測定対象物の温度を判定する。一方、温度判定部１３２は、検出データにピーク値が存在しない場合には、波長ごとに検出データと各リファレンスデータとの比を算出し、算出した比の温度依存性が最も小さい場合の既知温度に基づいて測定対象物の温度を判定する。これにより、検出データにピーク値が存在するか存在しないかにかかわらず、測定対象物２００の温度を算出することができる。
【０１０１】
＜実施の形態８＞
実施の形態８の赤外線検出システムは、測定対象物の放射スペクトルから温度を算出するのに代えて、大気中のガスに固有の吸収波長からガスの種類および濃度を検出する。したがって、測定対象は大気中のガスである。赤外線を放射する特定の光源を備えず、周囲の熱放射を光源とする。以下、図面を参照して具体的に説明する。
【０１０２】
［赤外線検出システムの構成］
図１８は、実施の形態８による赤外線検出システムの概略的な構成を示すブロック図である。図１８の赤外線検出システム１０３の処理回路１３０Ｂは、温度判定部１３２に代えてガス種判定部１３４を備える点で、図１の処理回路１３０と異なる。図１８の赤外線検出システム１０３のその他の構成は図１の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない場合がある。なお、実施の形態８の赤外線検出システム１０３には、実施の形態３の光学フィルタ１５０を組み込むことができる。
【０１０３】
図１８を参照して、赤外線検出器１１０の受光面１１１には、周囲の熱源からの熱放射２１１が測定対象のガス２０１を含む大気を通して到達する。赤外線検出器１１０は、吸収ピーク波長を掃引しながら熱放射を検出することによってスペクトルデータを生成する。補正演算部１３１は、検出されたスペクトルデータを、補正テーブル１４１として記憶部１４０に格納された複数の補正係数によって補正することによって補正スペクトルデータを生成する。
【０１０４】
ガス種判定部１３４は、補正スペクトルデータに含まれる固有の吸収波長に基づいて大気に含まれるガスの種類を判定する。たとえば、一酸化炭素は４．５μｍ近辺、一酸化窒素は５．２μｍ近辺、オゾンは９．５μｍ近辺に吸収線を持つ。これらは、大気の窓の波長範囲内であるので検出可能である。
【０１０５】
ガス種判定部１３４は、さらに、判別したガスの濃度を求めることができる。具体的にガス濃度は、ガス発生後のスペクトル強度をガス発生前のスペクトル強度で除算した吸収率と、単位距離当たりの吸光度と、ガス中での赤外線の通過距離とに基づいて計算できる。
【０１０６】
［ガス種判定手順］
図１９は、実施の形態８の赤外線検出システムにおけるガス種判定手順を示すフローチャートである。
【０１０７】
ステップＳ１００〜Ｓ１４０において、赤外線検出器１１０は吸収スペクトル波長を掃引しながら熱放射を検出し、補正演算部１３１は、赤外線検出器１１０によって検出されたスペクトルデータを補正テーブル１４１に従って補正することによって補正スペクトルデータを生成する。ステップＳ１００〜Ｓ１４０は、図７で説明したとおりであるので詳しい説明を繰り返さない。
【０１０８】
次のステップＳ１５０において、ガス種判定部１３４は、補正スペクトルデータに含まれる固有の吸収線に基づいて大気中に含まれるガスの種類を判定する。
【０１０９】
［効果］
仮に、赤外線検出器１１０によって検出されたスペクトルデータを図１８の補正テーブル１４１に従って補正しなければ、実施の形態１で説明したようにスペクトルデータのピーク位置にずれが生じる。この結果、大気中に発生したガスの種類を誤って判断することになる。
【０１１０】
本実施の形態の赤外線検出システム１０３では、赤外線検出器１１０によって検出されたスペクトルデータを図１８の補正テーブル１４１に従って補正することによって補正スペクトルデータを生成し、この補正スペクトルデータに基づいて大気中に含まれるガスの種類が判定される。したがって、大気中のガス種を正確に判断することができる。なお、本実施形態では、赤外線を放射する特定の光源を備えず、周囲の熱放射を光源としたが、光源を備えてもよい。また、光源を備えない場合、環境温度の変化がガス検出結果に影響を与える。この影響を小さくするために、温度計を設置してもよい。
【０１１１】
＜付記＞
上記の実施の形態１〜実施の形態８の特徴の一部を要約すると以下のとおりである。
【０１１２】
［１］  一実施形態の赤外線検出システム１００，１０１，１０３は、赤外線検出器１１０と、記憶部１４０と、補正演算部１３１とを備える。赤外線検出器１１０は、特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する。赤外線検出器１１０は、赤外線の吸収スペクトルの吸収ピーク波長を掃引することが可能である。記憶部１４０は、大気の窓の波長範囲に対する吸収ピーク波長の値に応じて赤外線検出器１１０の検出値を補正するための複数の補正係数を格納する。補正演算部１３１は、記憶部１４０に格納された対応する補正係数によって吸収ピーク波長ごとの赤外線検出器１１０の検出値を補正する。
【０１１３】
上記の構成によれば、吸収スペクトルの波長幅が広く、大気の窓の境界付近の波長領域で赤外線検出器１１０の吸収スペクトルの形状が見かけ上変化したとしても、その影響を打ち消すように赤外線検出器１１０の検出値を補正することができる。これによって、測定対象物から放射される赤外線のスペクトルを精度良く検出することができる。
【０１１４】
［２］  他の実施形態の赤外線検出システム１００，１０１，１０３は、赤外線検出器１１０と、記憶部１４０と、補正演算部１３１とを備える。赤外線検出器１１０は、特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する。赤外線検出器１１０は、活性層に量子井戸または量子ドットを含む赤外線検出器である。記憶部１４０は、大気の窓の波長範囲に対する赤外線検出器の吸収ピーク波長の値に応じて赤外線検出器１１０の検出値を補正するための複数の補正係数を格納する。補正演算部１３１は、記憶部１４０に格納された対応する補正係数によって吸収ピーク波長に応じた赤外線検出器１１０の検出値を補正する。
【０１１５】
［３］  上記［１］または［２］において、赤外線検出システム１００，１０１は、補正スペクトルデータに基づいて測定対象物２００の温度を判定する温度判定部１３２をさらに備える。補正スペクトルデータは、吸収ピーク波長を掃引しながら赤外線検出器１１０で検出されたスペクトルデータを複数の補正係数で補正することによって得られる。このように、補正スペクトルデータを用いることによって、測定対象物２００の温度をより正確に判定することができる。
【０１１６】
［４］  上記［３］において、温度判定部１３２は、補正スペクトルデータのピーク波長から、ウィーンの変位則に従って測定対象物２００の温度を判定する。この構成によれば、ピーク波長のみから、温度を精度よく判定することができる。
【０１１７】
［５］  上記［４］において、赤外線検出システム１００，１０１は、赤外線検出器１１０の吸収ピーク波長の掃引を制御する測定制御部１３３をさらに備える。測定制御部１３３は、補正スペクトルデータがピークを有することが判明した時点で、赤外線検出器１１０の吸収ピーク波長の掃引を停止する。これによって、測定対象物の温度測定時間を短縮することができ、さらに赤外線検出システム１００の消費電力を抑制することができる。
【０１１８】
［６］  上記［３］において、温度判定部１３２は、補正スペクトルデータの複数の波長における強度比と、複数の波長と同一の波長におけるプランクの放射公式によるスペクトル強度の比とを比較することによって、測定対象物２００の温度を判定する。この構成によれば、補正スペクトルデータがピーク値を有さない場合でも測定対象物２００の温度を判定することができる。
【０１１９】
［７］  上記［３］において、温度判定部１３２は、補正スペクトルデータがピーク値を有する場合には、補正スペクトルデータのピーク波長からウィーンの変位則に従って測定対象物２００の温度を判定する。温度判定部１３２は、補正スペクトルデータがピーク値を有しない場合には、補正スペクトルデータの複数の波長における強度比と、複数の波長と同一の波長におけるプランクの放射公式によるスペクトル強度の比とを比較することによって、測定対象物２００の温度を判定する。この構成によれば、補正スペクトルデータがピーク値を有しているか否かにかかわらず測定対象物２００の温度を判定することができる。
【０１２０】
［８］  さらに他の実施形態の赤外線検出システム１０２は、赤外線検出器１１０と、記憶部１４０と、温度判定部１３２とを備える。赤外線検出器１１０は、特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する。赤外線検出器１１０は、赤外線の吸収スペクトルの吸収ピーク波長を掃引することが可能である。記憶部１４０は、複数の既知温度をそれぞれ有する複数のリファレンスサンプルに対して赤外線検出器１１０の吸収ピーク波長を掃引しながら得られた複数のリファレンスデータを格納する。温度判定部１３２は、測定対象物２００に対して赤外線検出器１１０の吸収ピーク波長を掃引しながら得られた検出データと、既知温度ごとのリファレンスデータとを比較することによって測定対象物２００の温度を判定する。
【０１２１】
上記の構成によれば、予め取得した既知温度ごとのリファレンスデータとの比較に基づいて温度の判定が行われるので、吸収スペクトルの波長幅が広く、大気の窓の境界付近の波長領域で赤外線検出器１１０の吸収スペクトルの形状が見かけ上変化したとしても、測定対象物の温度を正確に決定することができる。
【０１２２】
［９］  さらに他の実施形態の赤外線検出システム１０２は、赤外線検出器１１０と、記憶部１４０と、温度判定部１３２とを備える。赤外線検出器１１０は、特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する。赤外線検出器１１０は、活性層に量子井戸または量子ドットを含む赤外線検出器である。記憶部１４０は、複数の既知温度をそれぞれ有する複数のリファレンスサンプルに対して赤外線検出器１１０の吸収ピーク波長を掃引しながら得られた複数のリファレンスデータを格納する。温度判定部１３２は、測定対象物２００に対して赤外線検出器１１０の吸収ピーク波長を掃引しながら得られた検出データと、既知温度ごとのリファレンスデータとを比較することによって測定対象物２００の温度を判定する。
【０１２３】
［１０］  上記［８］または［９］において、温度判定部１３２は、各既知温度に対応するリファレンスデータと検出データとの比を波長ごとに算出し、算出した比の波長依存性が最も小さい場合の既知温度に基づいて測定対象物２００の温度を判定する。上記の構成によれば、測定対象物が完全な黒体でない場合であっても、正確に温度を判定することができる。
【０１２４】
［１１］  上記［８］または［９］において、温度判定部１３２は、検出データのピーク波長と既知温度ごとのリファレンスデータのピーク波長とを比較することによって、測定対象物２００の温度を判定する。この構成によれば、ピーク波長のみから、温度を精度よく判定することができる。
【０１２５】
［１２］  上記［１］または［２］において、赤外線検出システム１０３は、補正スペクトルデータに含まれる固有の吸収波長に基づいて大気に含まれるガスの種類を判定するガス種判定部１３４をさらに備える。補正スペクトルデータは、吸収ピーク波長を掃引しながら赤外線検出器１１０で検出されたスペクトルデータを複数の補正係数で補正することによって得られる。このように補正スペクトルデータを用いることによってガス種類を正確に判定することができる。
【０１２６】
［１３］  上記［１］〜［７］および［１２］において、各補正係数は、吸収ピーク波長ごとに想定される赤外線検出器１１０の吸収スペクトルを全波長範囲で積分した値と大気の窓の波長範囲で積分した値との比によって得られる。このように、容易に各吸収ピーク波長ごとの有効吸収率に基づいて補正係数を決定することができ、かつ赤外線スペクトルを精度よく検出することができる。
【０１２７】
［１４］  上記［１３］において、想定される赤外線検出器１１０の吸収スペクトルのピーク強度は、吸収ピーク波長に応じて異なる。このような吸収ピーク波長の変化も補正係数に取り込むことができる。このような場合でも、上記［１３］により、赤外線スペクトルを精度よく検出することができる。
【０１２８】
［１５］  上記［１］〜［１４］において、赤外線検出システム１０１は、赤外線検出器１１０の受光面を覆う光学フィルタ１５０をさらに備える。光学フィルタ１５０は、８μｍ〜１４μｍの長波長の赤外線領域を測定する場合は、３．４μｍ〜５．５μｍの中波長の赤外線領域を遮断する。このように、ほとんど影響を及ぼさない波長領域を光学フィルタで遮断することによって誤差を低減することができる。
【０１２９】
［１６］  上記［１］〜［１４］において、赤外線検出システム１０１は、赤外線検出器１１０の受光面を覆う光学フィルタ１５０をさらに備える。光学フィルタ１５０は、３．４μｍ〜５．５μｍの中波長の赤外線領域を測定する場合は、８μｍ〜１４μｍの長波長の赤外線領域を遮断する。このように、ほとんど影響を及ぼさない波長領域を光学フィルタで遮断することによって誤差を低減することができる。
【０１３０】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、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。
【符号の説明】
【０１３１】
１００，１０１，１０２，１０３  赤外線検出システム、１１０  赤外線検出器、１２０  赤外線検出素子、１２５  バイアス電圧源、１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ  処理回路、１３１  補正演算部、１３２  温度判定部、１３３  測定制御部、１３４  ガス種判定部、１４０  記憶部、１４１  補正テーブル、１４２  リファレンスデータテーブル、１５０  光学フィルタ、２００  測定対象物、２０１  ガス、２１０  赤外線。
【図１】
2018179808.tif 000004
【図２】
2018179808.tif 000005
【図３】
2018179808.tif 000006
【図４】
2018179808.tif 000007
【図５】
2018179808.tif 000008
【図６】
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【図７】
2018179808.tif 000010
【図８】
2018179808.tif 000011
【図９】
2018179808.tif 000012
【図１０】
2018179808.tif 000013
【図１１】
2018179808.tif 000014
【図１２】
2018179808.tif 000015
【図１３】
2018179808.tif 000016
【図１４】
2018179808.tif 000017
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2018179808.tif 000020
【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年5月23日(2018.5.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線検出システムであって、
特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する赤外線検出器を備え、前記赤外線検出器は、赤外線の吸収スペクトルの吸収ピーク波長を掃引することが可能であり、
前記赤外線検出システムは、さらに、
大気の窓の波長範囲に対する前記吸収ピーク波長の位置に応じて前記赤外線検出器の検出値を補正するための複数の補正係数を格納する記憶部と、
前記記憶部に格納された対応する補正係数によって前記吸収ピーク波長ごとの前記赤外線検出器の検出値を補正する補正演算部とを備える、赤外線検出システム。
【請求項２】
赤外線検出システムであって、
特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する赤外線検出器を備え、前記赤外線検出器は、活性層に量子井戸または量子ドットを含む赤外線検出器であり、
前記赤外線検出システムは、さらに、
大気の窓の波長範囲に対する前記赤外線検出器の吸収ピーク波長の位置に応じて前記赤外線検出器の検出値を補正するための複数の補正係数を格納する記憶部と、
前記記憶部に格納された対応する補正係数によって前記吸収ピーク波長に応じた前記赤外線検出器の検出値を補正する補正演算部とを備える、赤外線検出システム。
【請求項３】
補正スペクトルデータに基づいて測定対象物の温度を判定する温度判定部をさらに備え、
前記補正スペクトルデータは、前記吸収ピーク波長を掃引しながら前記赤外線検出器で検出されたスペクトルデータを前記複数の補正係数で補正することによって得られる、請求項１または２に記載の赤外線検出システム。
【請求項４】
前記温度判定部は、前記補正スペクトルデータのピーク波長から、ウィーンの変位則に従って前記測定対象物の温度を判定する、請求項３に記載の赤外線検出システム。
【請求項５】
前記赤外線検出器の前記吸収ピーク波長の掃引を制御する測定制御部をさらに備え、
前記測定制御部は、前記補正スペクトルデータがピークを有することが判明した時点で、前記赤外線検出器の前記吸収ピーク波長の掃引を停止する、請求項４に記載の赤外線検出システム。
【請求項６】
前記温度判定部は、前記補正スペクトルデータの複数の波長における強度比と、前記複数の波長と同一の波長におけるプランクの放射公式によるスペクトル強度の比とを比較することによって、前記測定対象物の温度を判定する、請求項３に記載の赤外線検出システム。
【請求項７】
赤外線検出システムであって、
特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する赤外線検出器を備え、前記赤外線検出器は、赤外線の吸収スペクトルの吸収ピーク波長を掃引することが可能であり、
前記赤外線検出システムは、さらに、
複数の既知温度をそれぞれ有する複数のリファレンスサンプルに対して前記赤外線検出器の前記吸収ピーク波長を掃引しながら得られた複数のリファレンスデータを格納する記憶部と、
測定対象物に対して前記赤外線検出器の前記吸収ピーク波長を掃引しながら得られた検出データと、前記既知温度ごとの前記リファレンスデータとを比較することによって前記測定対象物の温度を判定する温度判定部とを備える、赤外線検出システム。
【請求項８】
赤外線検出システムであって、
特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換することによって赤外線を検出する赤外線検出器を備え、前記赤外線検出器は、活性層に量子井戸または量子ドットを含む赤外線検出器であり、
前記赤外線検出システムは、さらに、
複数の既知温度をそれぞれ有する複数のリファレンスサンプルに対して前記赤外線検出器の吸収ピーク波長を掃引しながら得られた複数のリファレンスデータを格納する記憶部と、
測定対象物に対して前記赤外線検出器の前記吸収ピーク波長を掃引しながら得られた検出データと、前記既知温度ごとの前記リファレンスデータとを比較することによって前記測定対象物の温度を判定する温度判定部とを備える、赤外線検出システム。
【請求項９】
前記温度判定部は、各前記既知温度に対応する前記リファレンスデータと前記検出データとの比を波長ごとに算出し、算出した比の波長依存性が最も小さい場合の前記既知温度に基づいて前記測定対象物の温度を判定する、請求項７または８に記載の赤外線検出システム。
【請求項１０】
前記温度判定部は、前記検出データのピーク波長と前記既知温度ごとの前記リファレンスデータのピーク波長とを比較することによって、前記測定対象物の温度を判定する、請求項７または８に記載の赤外線検出システム。
【請求項１１】
補正スペクトルデータに含まれる固有の吸収波長に基づいて大気に含まれるガスの種類を判定するガス種判定部をさらに備え、
前記補正スペクトルデータは、前記吸収ピーク波長を掃引しながら前記赤外線検出器で検出されたスペクトルデータを前記複数の補正係数で補正することによって得られる、請求項１または２に記載の赤外線検出システム。
【請求項１２】
各前記補正係数は、前記吸収ピーク波長ごとに想定される前記赤外線検出器の吸収スペクトルを全波長範囲で積分した値と大気の窓の波長範囲で積分した値との比によって得られる、請求項１〜６および１１のいずれか１項に記載の赤外線検出システム。
【請求項１３】
前記赤外線検出器の受光面を覆う光学フィルタをさらに備え、
前記光学フィルタは、８μｍ〜１４μｍの長波長の赤外線領域を測定する場合は、３．４μｍ〜５．５μｍの中波長の赤外線領域を遮断する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の赤外線検出システム。
【請求項１４】
前記赤外線検出器の受光面を覆う光学フィルタをさらに備え、
前記光学フィルタは、３．４μｍ〜５．５μｍの中波長の赤外線領域を測定する場合は、８μｍ〜１４μｍの長波長の赤外線領域を遮断する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の赤外線検出システム。
【請求項１５】
プロセッサによって実行されたときに、以下の方法を前記プロセッサに実行させる命令を備えるコンピュータプログラムであって、
前記方法は、
特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換するように構成され且つ前記赤外線の吸収スペクトルの吸収ピーク波長を掃引可能な赤外線検出器を用いて、前記吸収ピーク波長を掃引しながら検出された赤外線の検出値を前記赤外線検出器から受信することと、
前記吸収ピーク波長ごとに対応する補正係数によって前記赤外線検出器の検出値を補正することとを含み、
前記補正係数は、大気の窓の波長範囲に対する前記吸収ピーク波長の位置に応じて異なる、プログラム。
【請求項１６】
特定の波長範囲の赤外線を吸収して光電変換するように構成され且つ前記赤外線の吸収スペクトルの吸収ピーク波長を掃引可能な赤外線検出器が、前記吸収ピーク波長を掃引しながら赤外線を検出することと、
処理回路が、前記吸収ピーク波長ごとに対応する補正係数によって前記赤外線検出器の検出値を補正することとを含み、
前記補正係数は、大気の窓の波長範囲に対する前記吸収ピーク波長の位置に応じて異なる、方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
図１１は、実施の形態５の赤外線検出システムにおける温度検出手順を示すフローチャートである。図１１のステップＳ１００〜Ｓ１４０は、実施の形態１の図７および実施の形態４の図１０の場合と同じであるので、説明を繰り返さない。これらの各ステップが実行されることによって、赤外線検出器１１０は検出スペクトルを生成し、補正演算部１３１は、検出スペクトルを補正テーブル１４１に従って補正することによって補正スペクトルを生成する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７１】
＜実施の形態６＞
実施の形態６では、複数の既知温度をそれぞれ有する複数のリファレンスサンプルに対して、バイアス電圧を掃引しながら赤外線検出器１１０によって検出された複数のリファレンスデータ１４２に基づいて測定対象物２００の温度を検出する赤外線検出システムについて説明する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】
［測定対象物の温度の判定方法］
図１３は、実施の形態６の赤外線検出システムにおけるリファレンスデータテーブルの一例を示す図である。図１３では、リファレンスサンプルの温度が３０℃、３５℃、４０℃でのリファレンスデータが波長に対応付けて示されている。リファレンスデータの各値は、検出された光電流をスペクトル強度に換算したものである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８２】
図１４では、検出データは３０℃のリファレンスデータと３５℃のリファレンスデータとの間に位置しているため、一見すると測定対象物のは３０℃と３５℃の間にあるように判断されるかもしれない。しかしながら、上記の結果は、測定対象物の放射率が１でないために生じたものであり、正しくは以下のように判断すべきである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９９】
次のステップＳ１９０において、温度判定部１３２は、測定対象物２００の放射スペクトルの検出データのピーク波長を求める。次のステップＳ２００において、温度判定部１３２は、検出データのピーク波長と各リファレンスデータのピーク波長とを比較することによって、ピーク波長が一致するリファレンスデータに対応する温度を測定対象物の温度に決定する。