(57)【要約】【課題】画像処理手段を併設することなく異なる性質の対象物の位置、大きさ、個数を検出することのできる小型の赤外線アレイセンサを低コストで提供する。【解決手段】各々赤外線受光部４及び第１、第２の温度検知部５Ａ、５Ｂを有する複数のセンサ画素２を二次元に配列した赤外線アレイセンサ１において、隣り合うセンサ画素２を熱的及び電気的に分離するとともに吸収波長帯を互いに異ならせ、同一の吸収波長帯の光を吸収するセンサ画素２の第１の温度検知部５Ａ同士が行毎に直列に接続され、第２の温度検知部５Ｂ同士が列ごとに直列に接続されていることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々赤外線受光部及び第１、第２の温度検知部を有する複数のセンサ画素を二次元に配列した赤外線アレイセンサにおいて、
隣り合うセンサ画素を熱的及び電気的に分離するとともに吸収波長帯を互いに異ならせ、同一の吸収波長帯の光を吸収するセンサ画素の第１の温度検知部同士が行毎に直列に接続され、第２の温度検知部同士が列ごとに直列に接続されていることを特徴とする赤外線アレイセンサ。
【請求項２】
前記センサ画素がフィルタを備え、このフィルタによって吸収する波長帯がセンサ画素間で異ならせられている請求項１に記載の赤外線アレイセンサ。
【請求項３】
前記赤外線受光部がそれ自体特定範囲の波長帯の赤外線を吸収する吸収膜を有し、この吸収膜の相違によって吸収する波長帯がセンサ画素間で異ならせられている請求項１に記載の赤外線アレイセンサ。
【請求項４】
前記赤外線受光部が吸収膜及び反射膜を有し、入射光と反射光との干渉光を吸収膜が吸収するとともに、この吸収膜と反射膜との光学距離の相違によって吸収する波長帯がセンサ画素間で異ならせられている請求項１に記載の赤外線アレイセンサ。
【請求項５】
前記直列に接続された第１、第２の温度検知部の群の一方の端部が共通のグランド端子に接続されているとともに、他方の端部が波長帯毎に個別の出力端子に接続されている請求項１〜４のいずれかに記載の赤外線アレイセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、配列した複数のセンサ画素が関連付けられて用いられる赤外線アレイセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
１つのセンシング装置が複数の波長帯の光に感応すれば、異なる性質の対象物を検出することができ、便利である。例えば一般に大気の窓と呼ばれる４．４〜５．５μｍの波長帯の赤外線と８〜１４μｍの波長帯の赤外線の両方に感応するセンサであれば、火炎及び人体の両方を検出することができる。
【０００３】
そこで、イメージセンサの分野において、配列の行ごと又は列ごとに、検出する赤外波長帯の異なるセンサが配置されている熱型赤外アレイセンサが提案されている（特許文献１）。この赤外アレイセンサでは、いずれのセンサ画素も反射膜とダイヤフラムとが空洞を介して対向しており、ダイヤフラムがボロメータ材料薄膜とそれを挟むように形成された上下の保護膜とからなっている。但し、一のセンサ画素Ａの保護膜は窒化ケイ素からなり、その隣の行（又は列）のセンサ画素Ｂの保護膜は赤外線に対して透明な酸化ケイ素からなり、反射膜と対向する面の反対側の保護膜上に吸収膜が設けられている。そして、センサ画素Ａは保護膜自体が波長１０μｍの赤外線を吸収し、センサ画素Ｂは入射光と反射光との干渉に基づき波長４μｍの赤外線を吸収膜が吸収する。
【０００４】
吸収された赤外線は熱となってダイアフラムの温度を変化させ、それに伴ってボロメータの抵抗が変わり、電気信号に変換され、その信号がデジタル画像処理で、画像化される（特許文献１、段落００２２）。
【０００５】
一方、画像処理を行うことなく検出対象物の位置を特定できるアレイセンサとして、１画素内に第１、第２の２つの温度センサを設け、行ごとに第１の温度センサを直列に接続し、列ごとに第２の温度センサを直列に接続したものが提案されている（特許文献２）。このアレイセンサにおいては、行端及び列端から取り出される出力の変化をもって対象物を検出した画素の位置が特定され、それに基づいて対象物の位置が特定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２０５９４４
【特許文献２】ＷＯ２００７／１３５８５０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のように画像処理手段を設けたりすることは結局装置全体の占有面積を増し、コストも増す。
それ故、この発明の課題は、特許文献２のアレイセンサを更に改良し、画像処理手段を併設することなく異なる性質の対象物の位置、大きさ、個数を検出することのできる小型の赤外線アレイセンサを低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
その課題を解決するために、この発明の赤外線アレイセンサは、
各々赤外線受光部及び第１、第２の温度検知部を有する複数のセンサ画素を二次元に配列した赤外線アレイセンサにおいて、
隣り合うセンサ画素を熱的及び電気的に分離するとともに吸収波長帯を互いに異ならせ、同一の吸収波長帯の光を吸収するセンサ画素の第１の温度検知部同士が行毎に直列に接続され、第２の温度検知部同士が列ごとに直列に接続されていることを特徴とする。
【０００９】
この発明の赤外線アレイセンサによれば、ある画素の受光部が対象物より当該画素の吸収波長帯の赤外線を受光すると、受光部が発熱し、その温度上昇を当該画素の第１、第２の温度検知部が読み取ってともに検出信号を出力する。温度検知部としては、サーモパイル、ボロメーター、ダイオードなどを用いることができる。そして、同一の吸収波長帯の光を吸収するセンサ画素の第１、第２の温度検知部同士をそれぞれ行毎、列毎に直列に接続しているので、前記の出力に伴って前記画素の属する行及び列の出力が変化し、対象物を検出した画素の位置が特定される。各画素の位置は、図１に示すようにセンサの視野内における各位置とレンズ等の対応付け手段によって対応付けられており、検出した画素の位置をもって対象物の位置情報が得られる。同時に、その画素の吸収波長帯に基づいて対象物の性質を判別するための情報が得られる。
【００１０】
前記センサ画素はフィルタを備え、フィルタの通過帯域の相違によって、吸収する波長帯がセンサ画素間で異ならせられているものであってよい。この場合、全てのセンサ画素に同じ赤外線受光部を適用できる。
【００１１】
また、前記赤外線受光部がそれ自体特定範囲の波長帯の赤外線を吸収する吸収膜を有し、この吸収膜の相違によってセンサ画素間で異なる波長帯の赤外線を吸収するものであってもよい。更にまた、吸収膜を反射膜と組み合わせて吸収膜に入射光と反射光との干渉光を吸収させるようにし、この吸収膜と反射膜との光学距離の相違によって吸収する波長帯をセンサ画素間で異ならせても良い。この場合、フィルタなどの追加部材を要しない。
【発明の効果】
【００１２】
対象物の位置を検出するために画像処理手段を併設する必要がない上、複数の波長を検出するために単一のセンサで足りるので、小型化及び低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】センサ画素の位置と対象物の位置とを対応付ける方法を説明する図である。
【図２】実施形態１に係る赤外線アレイセンサを模式的に示す平面視ブロック図である。
【図３】図２におけるＡ部平面図である。
【図４】図３におけるＢＢ断面図である。
【図５】同赤外線アレイセンサにおいて対象物を検出した状態を模式的に示す平面視ブロック図である。
【図６】同センサが対象とする物体の赤外線放射量と波長との関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は実施形態２に係る赤外線アレイセンサの要部を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大図である。
【図８】実施形態３に係る赤外線アレイセンサの要部を示す断面図である。
【図９】同センサに適用されるフィルタの透過領域を説明する図である。
【図１０】実施形態４に係る赤外線アレイセンサを模式的に示す平面視ブロック図である。
【図１１】同赤外線アレイセンサの動作を示す図である。
【図１２】同赤外線アレイセンサの別の動作を示す図である。
【図１３】同赤外線アレイセンサの使用状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
−実施形態１−
図２は第一の実施形態に係る赤外線アレイセンサを模式的に示す平面視ブロック図、図３は図２におけるＡ部平面図、図４は図３におけるＢＢ断面図である。
赤外線アレイセンサ１は、図２に示すように４行４列の格子状に配列し、波長帯λ１及びλ２のいずれかに対応する１６個のセンサ画素２及び図略のレンズを備える。ここではλ１＝４．４〜５．５μｍ、λ２＝８〜１４μｍとする。そして、波長帯λ１に対応する画素２の行方向及び列方向の隣には波長帯λ２に対応する画素２が配置されることにより、各波長帯に対応するセンサ画素２が均等に並べられている。対象物からの光が図略のレンズで絞られて集光する際、センサの視野内における対象物の各位置がいずれかの画素２に対応して入射するように調整されている。
【００１５】
赤外線アレイセンサ１は、図３及び図４に示すように、１枚の単結晶シリコン基板３の主面にフォトリソ技術にて１６組の赤外線受光部４、第１の温度検知部５Ａ、第２の温度検知部５Ｂ及び梁６を形成するとともにこれらを図略のエッチング保護マスクで覆った状態でエッチングすることにより、製造される。各組の赤外線受光部４、温度検知部５Ａ、５Ｂ及び梁６とその周囲の基板３部分が一つのセンサ画素２を構成する。
【００１６】
各センサ画素２においては、異方性ウェットエッチングによって形成された逆四角錐台のキャビティ７内に赤外線受光部４が梁６を介して基板３に支持されている。赤外線受光部４は、それ自体が特定範囲の波長帯の赤外線を吸収する薄膜材料からなる。例えば酸化ケイ素膜は波長１０μｍ前後をピークとする波長帯、窒化ケイ素膜は波長１３μｍ前後をピークとする波長帯をそれぞれ吸収する。そして、前記の通り行方向及び列方向に隣り合う画素２間で吸収波長帯が異なるように薄膜材料が画素２ごとに選択されている。その他の構成は画素２間で異なるところは無い。
【００１７】
温度検知部５Ａ、５Ｂは、サーモパイル型の温度センサであって、いずれも温接点が赤外線受光部４内に、冷接点が赤外線受光部４の周囲の基板３内にそれぞれ形成されて、受光部４が受光した赤外線のエネルギーに対応した電圧値を示す。温接点と冷接点とは梁６内を通って結線されている。各温度検知部５Ａの冷接点は、基板３内に形成されたアルミニウム配線を介して一つおいて行方向に隣の画素２の温度検知部５Ａの冷接点と直列に接続されている。また、温度検知部５Ｂも同様に一つおいて列方向に隣の画素２の温度検知部５Ｂと接続されている。そして、それらの直列回路の一方の端部が共通のグランド端子に接続され、他方の端部がその行又は列のための個別の出力端子に接続されている。
【００１８】
従って、梁６は赤外線受光部４及び温度検知部５Ａ、５Ｂの両方を支持する機能を有する。また、各赤外線受光部４及び各温度検知部５Ａ、５Ｂは隣の赤外線受光部４及び温度検知部５Ａ、５Ｂとキャビティ７により熱的にも電気的にも分離されており、ある波長帯に対応する画素２の光吸収に伴う出力変化が別の波長帯に対応する画素２の変化に影響しない。
【００１９】
この赤外線アレイセンサ１によれば、検出対象物がその波長に対応するいずれかの画素２の視野内に入ったとき、赤外線受光部４が対象物から発せられる赤外線を吸収して発熱する。それに伴って温度検知部５Ａ、５Ｂの出力電圧が変わり、対象物の検出を示す電圧信号が得られる。図５に示すように、例えば第２行第１列の位置にある画素２が対象物Ｗを検出すれば、第２行の直列回路の出力端子及び第１列の直列回路の出力端子からそれぞれ所定の電圧信号が得られる。こうして対象物Ｗを検出した画素２の位置が第２行第１列であると特定され、同時に当該画素２の吸収波長帯λ２に基づいて対象物Ｗの性質を判別するための情報、即ち対象物Ｗが人体であることを示唆する情報が得られる。
【００２０】
尚、ある波長帯に対応するセンサ画素の吸収帯域と、別の波長帯に対応するセンサ画素の吸収帯域とは重なる部分があってもよい。例えば、波長４．４μｍにＣＯ２の共鳴放射による特異的な強い放射が観測される炎（図６（ａ））と、放射量がプランクの放射則に基づいて波長に対してブロードな曲線を示す高温物体（図６（ｂ））との２つが検出対象であるとする。すると、一般的には、図６において、波長帯ｐ１に対応するセンサ画素Ｐと、波長帯ｑに対応するセンサ画素Ｑとが組み合わされて、画素Ｐが大きく出力し、画素Ｑが小さく出力することにより炎を検出し、画素Ｐ及びＱ両方の大きな出力により高温物体を検出するが、画素Ｐが波長帯ｐ２に対応するものであっても、画素Ｐのみが大きく出力する場合に炎であることを検知することができるからである。
【００２１】
−実施形態２−
図７（ａ）は第二の実施形態に係る赤外線アレイセンサの要部を示す断面図、図７（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大図である。
赤外線アレイセンサ１０は、実施形態１と同様に４行４列の格子状に規則性をもって配列し、波長帯λ１及びλ２のいずれかに対応する１６個のセンサ画素１２及び図略のレンズを備える。
【００２２】
但し、実施形態１と異なり、赤外線受光部１４は、受光面側（即ち図面の上側）よりシート抵抗３７７Ωの窒化チタン薄膜からなる吸収膜１４ａ、厚さｄの酸化ケイ素薄膜からなる透過膜１４ｂ及びアルミニウムからなる反射膜１４ｃの積層体である。厚さｄは、ｎを酸化ケイ素の屈折率、λを吸収すべき波長、ｍを整数とするとき、ｎ・ｄ＝（２ｍ＋１）λ／４を充足するように画素１２毎に定められている。
【００２３】
そして、吸収膜１４ａ及び透過膜１４ｂを透過した赤外線が反射膜１４ｃで反射されて入射光と反射光とが干渉し、共振波長が吸収膜１４ａにて吸収されることにより、吸収膜１４ａが発熱する。それに伴って温度検知部５Ａ、５Ｂからの出力電圧が変化する。こうして実施形態１におけると同様に対象物を検出した画素１２の位置が特定され、同時に対象物の性質を判別するための情報が得られる。
【００２４】
−実施形態３−
図８は第三の実施形態に係る赤外線アレイセンサの要部を示す断面図である。
赤外線アレイセンサ２０は、実施形態１と同様に４行４列の格子状に規則性をもって配列し、波長帯λ１及びλ２のいずれかに対応する１６個のセンサ画素２２及び図略のレンズを備える。
【００２５】
各センサ画素２２は、実施形態１と同様に赤外線受光部４、温度検知部５Ａ、５Ｂ及び梁６を有し、それらに加えて赤外線受光部４の上方に設置されたフィルタ８を有する。赤外線受光部４は、実施形態１と同様にそれ自体が特定範囲の波長帯の赤外線を吸収する薄膜材料からなるが、実施形態２のように積層体からなっていてもよい。また、赤外線受光部４は隣り合う画素２２間で吸収波長帯が異なるように構成されていても良いし、全て同一のものであってもよい。
【００２６】
例えば、赤外線受光部４が全て同一であって且つ広範囲の波長帯域で一様に吸収するものであっても、一つのフィルタ８（フィルタ８Ａとする）とその隣の画素のフィルタ８（フィルタ８Ｂとする）とで透過領域を異ならせることにより（図９（ａ））、隣り合う画素２２間で吸収波長帯を異ならせることができる（図９（ｂ））。尚、実施形態１で説明したように、ある波長帯に対応するセンサ画素の吸収帯域と、別の波長帯に対応するセンサ画素の吸収帯域とは重なる部分があってもよいことから、赤外線アレイセンサ２０は、フィルタを設けたセンサ画素と設けないセンサ画素とを組み合わせた構成であってもよい。
【００２７】
−実施形態４−
図１０は第四の実施形態に係る赤外線アレイセンサを模式的に示す平面視ブロック図である。この実施形態の赤外線アレイセンサ３０は、対象物の位置だけでなく面積あるいは個数をも計測可能なもので、そのために実施形態１の赤外線アレイセンサ１の構成に加えて行加算回路３１、３２及び列加算回路３３、３４を備える。一つの対象物が同一波長帯に対応する複数の画素２の視野内に入ったときはそれらの出力電圧値が合算される。
【００２８】
そして、行加算回路３１は、対象物を検知していない場合に各行の波長λ１に対応する直列回路の出力端子から取り出される出力と、対象物を検知した場合に各行の波長λ１に対応する直列回路の出力端子から取り出される出力との差を全ての行について加算する。同様にして行加算回路３２は、波長λ２に対応する演算を行う。列加算回路３３、３４は、全ての列についてそれぞれ波長λ１、λ２に対応する演算を同様に行う。
【００２９】
赤外線アレイセンサ３０の作用を図１１及び図１２とともに説明する。図１１は面積を計測する場合の赤外線アレイセンサ３０の作用を示す平面図で、図示の便宜上、全ての画素２がλ１、λ２という複数波長のいずれかの波長ではなく同じ波長の対象物に感応するものとする。図中、各行の右端及び各列の下端にある矢印の先に記された「０」、「１」及び「２」の数字は取り出される出力のレベルを概念的に表したものであり、「０」は当該行又は列のどの画素２の検知範囲にも対象物が無い場合を示し、「１」又は「２」はそれぞれ一つ又は二つの画素２の検知範囲に対象物が有る場合を示す。
【００３０】
図示のように、対象物Ｗが第２行第３列の画素２と第２行第４列の画素２とに跨って検知されれば、第２行の出力端子から取り出される出力レベルが「２」、第３列及び第４列の出力端子から取り出される出力レベルがそれぞれ「１」となる。赤外線アレイセンサ３０の視野内に対象物が一つであることが予めわかっていれば、対象物Ｗの面積が前記隣り合う二つの画素２の検知範囲に相当する大きさであると特定できる。
【００３１】
図１２は個数を計測する場合の赤外線アレイセンサ３０の作用を示す平面図で、図１１と同じく全ての画素２が同じ波長の対象物に感応するものとする。図中、１６個の画素２のうち塗りつぶされたものは対象物からの光が照射されていることを示す。対象物は人などのようにその温度がある程度一定のものとする。そして、１人がセンサ３０の視野内に入ったときの出力変化量「１」を予め把握しておけば、図１３のように４人が視野内に入った場合、全行分の出力の加算値「４」、及び全列分の出力の加算値「４」を１人分の出力変化量「１」で割ることにより、視野内に入った人数が４であると計測される。
【符号の説明】
【００３２】
１、１０、２０、３０  赤外線アレイセンサ
２、１２、２２  センサ画素
３  基板
４、１４  赤外線受光部
５Ａ、５Ｂ  温度検知部
６  梁
７  キャビティ
８  フィルタ
３１、３２、３３、３４
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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