(57)【要約】【課題】測定対象物の温度を算出する際の誤差を低減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、検出器１と、操作部２と、算出部３とを備える。検出器１は、量子井戸または量子ドットを含む。検出器１は、検出ピーク波長を周期的に掃引しながら測定対象物３０から放射される赤外線を検出し、その検出した検出スペクトルを操作部２へ出力する。操作部２は、検出ピーク波長を周期的に掃引するための電圧を検出器１に印加する。また、操作部２は、検出器１から検出スペクトルを受け、その受けた検出スペクトルを算出部３へ出力する。算出部３は、検出器１における検出ピーク波長を周期的に掃引しながら検出器１によって検出された赤外線の検出スペクトルに基づいて測定対象物の温度を算出する。【選択図】図１
2019184516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子井戸または量子ドットを含む検出器と、
前記検出器における検出ピーク波長を周期的に掃引しながら前記検出器によって検出された赤外線の検出スペクトルに基づいて測定対象物の温度を算出する算出部とを備える赤外線検出システム。
【請求項２】
前記算出部は、前記検出ピーク波長を掃引する周期よりも長い時間において前記検出スペクトルの検出強度を積算した積算検出強度に基づいて前記測定対象物の温度を算出する、請求項１に記載の赤外線検出システム。
【請求項３】
前記算出部は、検出波長範囲における検出強度の最大値を取得して前記測定対象物の温度を算出する、請求項１に記載の赤外線検出システム。
【請求項４】
前記算出部は、検出波長範囲における両端の検出波長における検出強度の平均値を演算して前記測定対象物の温度を算出する、請求項１に記載の赤外線検出システム。
【請求項５】
前記算出部は、波長フィルタまたは大気の窓の立上がりエッジまたは立下りエッジに検出波長範囲が存在するように前記検出ピーク波長を掃引して検出された前記検出スペクトルに基づいて前記測定対象物の温度を算出する、請求項１に記載の赤外線検出システム。
【請求項６】
検出ピーク波長を掃引可能な検出器に対して、検出ピーク波長を周期的に掃引しながら前記検出器によって検出された赤外線の検出スペクトルに基づいて測定対象物の温度を算出する赤外線検出方法。
【請求項７】
検出ピーク波長を掃引可能な検出器に対して、検出ピーク波長を周期的に掃引しながら前記検出器によって検出された赤外線の検出スペクトルに基づいて測定対象物の温度の算出をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項８】
請求項７に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【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、赤外線検出方法、プログラムおよびそのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に記載の温度検出装置が知られている。特許文献１に記載の温度検出装置は、温度センサにより温度を検出する温度検出装置であって、周期信号発生部と、電流源と、検出部と、サンプリング部とを備える。
【０００３】
周期信号発生部は、予め定められた周波数の周期信号を発生する。電流源は、周期信号の値に応じた電流を温度センサに供給する。検出部は、温度センサに生じる電圧に基づいて、温度を検出する。サンプリング部は、温度センサに生じる電圧をサンプリングする。そして、検出部は、サンプリング部がサンプリングした電圧に基づいて、温度を検出する。
【０００４】
また、特許文献２に記載の光検出装置が知られている。この光検出装置は、光チョッパなどを備える光遮断制御部で、光電変換素子への測定対象光の入射／非入射状態を周期的に発生させる。そして、暗電流除去回路によって非入射状態での光電変換素子が発生する暗電流の平均値を除去して暗電流成分と信号電流成分との割合を改善した後に、差分演算回路によって、残った暗電流成分を更に時間的に近接した時点で求めた推定残留暗電流成分を差し引くことにより、信号成分を抽出する。これによって、良好なＳ／Ｎ比を確保して信号成分を抽出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−０３８８０２号公報
【特許文献２】特開平１０−１１５５５０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】J. Szafraniec, S. Tsao, W. Zhang, H. Lim, M. Taguchi, A. A. Quivy, B. Movaghar, and M. Razeghi, “High-detectivity quantum-dot infrared photodetectors grown by metalorganic chemicalvapor deposition”, Applied Physics Letters 88, 121102(2006).
【非特許文献２】Eui-Tae Kim, Anupam Madhukar, Zhengmao Ye, and Joe C. Campbell, “High detectivity InAs quantum dot infrared photodetectors”, Applied Physics Letters 84, 3277(2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１，２においては、赤外線の放射率の波長依存性または大気の透過率について考慮されていないため、測定対象物の温度を算出する際の誤差を低減することが困難である。
【０００８】
そこで、この発明の実施の形態によれば、測定対象物の温度を算出する際の誤差を低減可能な赤外線検出システムを提供する。
【０００９】
また、この発明の実施の形態によれば、測定対象物の温度を算出する際の誤差を低減可能な赤外線検出方法を提供する。
【００１０】
更に、この発明の実施の形態によれば、測定対象物の温度を算出する際の誤差を低減可能な赤外線の検出をコンピュータに実行させるためのプログラムを提供する。
【００１１】
更に、この発明の実施の形態によれば、測定対象物の温度を算出する際の誤差を低減可能な赤外線の検出をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（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、検出器と、算出部とを備える。検出器は、量子井戸または量子ドットを含む。算出部は、検出器における検出ピーク波長を周期的に掃引しながら検出器によって検出された赤外線の検出スペクトルに基づいて測定対象物の温度を算出する。
【００１３】
上記構成によれば、検出ピーク波長を周期的に掃引することにより、測定対象物の放射照度を該波長範囲で平均化して測定できるため、放射照度スペクトルのガタツキの影響を小さくして検出スペクトルを計測できる。また、該波長範囲に特異点があるかどうかを確認した上で最適な検出強度を得ることができる。あるいは、特異点の有無を判断しなくても、特異点の影響を除去または低減した検出強度または検出スペクトルを得ることができる。
【００１４】
（構成２）
構成１において、算出部は、検出ピーク波長を掃引する周期よりも長い時間において検出スペクトルの検出強度を積算した積算検出強度に基づいて測定対象物の温度を算出する。
【００１５】
上記構成によれば、掃引する波長範囲の測定対象物の放射照度を積算という簡易な方法で平均化することができる。
【００１６】
（構成３）
構成１において、算出部は、検出波長範囲における検出強度の最大値を取得して測定対象物の温度を算出する。
【００１７】
上記構成によれば、該波長範囲の特異点の影響を除去した検出強度を得ることができる。
【００１８】
（構成４）
構成１において、算出部は、検出波長範囲における両端の検出波長における検出強度の平均値を演算して測定対象物の温度を算出する。
【００１９】
上記構成によれば、掃引する波長範囲の測定対象物の放射照度を２点の平均値という簡易な方法で平均化することができ、該波長範囲の特異点の影響を低減することができる。
【００２０】
（構成５）
構成１において、算出部は、波長フィルタまたは大気の窓の立上がりエッジまたは立下りエッジに検出波長範囲が存在するように検出ピーク波長を掃引して検出された検出スペクトルに基づいて測定対象物の温度を算出する。
【００２１】
上記構成によれば、バックグラウンドの影響を除去した検出強度を得ることができる。
【００２２】
（構成６）
また、この発明の実施の形態によれば、赤外線検出方法は、検出ピーク波長を掃引可能な検出器に対して、検出ピーク波長を周期的に掃引しながら検出器によって検出された赤外線の検出スペクトルに基づいて測定対象物の温度を算出する赤外線検出方法である。
【００２３】
上記構成によれば、検出ピーク波長を周期的に掃引することにより、測定対象物の放射照度を該波長範囲で平均化して測定できるため、放射照度スペクトルのガタツキの影響を小さくして検出スペクトルを計測できる。また、該波長範囲に特異点があるかどうかを確認した上で最適な検出強度を得ることができる。あるいは、特異点の有無を判断しなくても、特異点の影響を除去または低減した検出強度または検出スペクトルを得ることができる。
【００２４】
（構成７）
更に、この発明の実施の形態によれば、プログラムは、検出ピーク波長を掃引可能な検出器に対して、検出ピーク波長を周期的に掃引しながら検出器によって検出された赤外線の検出スペクトルに基づいて測定対象物の温度の算出をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【００２５】
上記構成によれば、検出ピーク波長を周期的に掃引することにより、測定対象物の放射照度を該波長範囲で平均化して測定できるため、放射照度スペクトルのガタツキの影響を小さくして検出スペクトルを計測できる。また、該波長範囲に特異点があるかどうかを確認した上で最適な検出強度を得ることができる。あるいは、特異点の有無を判断しなくても、特異点の影響を除去または低減した検出強度または検出スペクトルを得ることができる。
【００２６】
（構成８）
更に、この発明の実施の形態によれば、記録媒体は、構成７に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
【発明の効果】
【００２７】
測定対象物の温度を算出する際の誤差を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【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に示す検出器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４】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５】放射照度と波長との関係を示す図である。
【図６】放射照度と波長との関係を示す図である。
【図７】検出感度の波長依存性（検出感度スペクトル）を示す図である。
【図８】印加電圧Ｖの時間依存性を示す図である。
【図９】検出誤差および検出誤差の波長平均の検出波長依存性を示す図である。
【図１０】温度誤差と検出上限波長との関係を示す図である。
【図１１】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１２】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１３】検出スペクトルの例を示す図である。
【図１４】検出信号の時間依存性を示す図である。
【図１５】特異点の影響を除去する方法を説明するための図である。
【図１６】特異点の影響を低減する方法を説明するための図である。
【図１７】図１２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１８】実施の形態３による赤外線検出システムの概略図である。
【図１９】放射照度と波長との関係を示す図である。
【図２０】検出強度と時間との関係を示す図である。
【図２１】図１８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】
【００２９】
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。
【００３０】
［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、検出器１と、操作部２と、算出部３とを備える。
【００３１】
検出器１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。量子ドット型赤外線センサまたは量子井戸型赤外線センサは、単素子であってもよく、イメージャーであってもよい。具体的には、非特許文献１，２に記載された赤外線検出器の構成が好適な例として挙げられる。そして、検出器１は、操作部２からの印加電圧が印加された状態で測定対象物３０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検出強度として操作部２へ出力する。量子ドット型赤外線センサまたは量子井戸型赤外線センサは、印加電圧を変化させることで検出波長を変えることができるため、この波長範囲の放射照度スペクトルを検出することもできる。以下、印加電圧を変化させて検出波長を変化させながら検出した一連の結果を検出スペクトル、ある波長での検出結果またはある波長範囲での検出結果の積算値を積算検出強度と呼ぶ。
【００３２】
操作部２は、周期的に変化する印加電圧Ｖを検出器１に印加する。印加電圧Ｖは、例えば、Ｖ＝Ｖ０＋ΔＶｓｉｎ（２πｔ／ＴＳ）からなる。Ｖ０およびΔＶは、検出したい波長範囲に応じて設定される。ＴＳは、印加電圧Ｖを変調させるときの時間周期である。
【００３３】
操作部２は、印加電圧Ｖが印加された状態で検出器１によって検出された検出スペクトルまたは検出強度を検出器１から受け、その受けた検出スペクトルまたは検出強度を算出部３へ出力する。
【００３４】
算出部３は、検出スペクトルまたは検出強度を操作部２から受け、その受けた検出スペクトルまたは検出強度に基づいて、後述する方法によって、測定対象物３０の温度を算出する。
【００３５】
図２は、図１に示す検出器１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２０は、半導体基板２１と、バッファ層２２と、ｎ型半導体層２３，２５と、光電変換層２４と、電極２６〜２８とを備える。
【００３６】
バッファ層２２は、半導体基板２１の一方の面に接して半導体基板２１上に配置される。ｎ型半導体層２３は、バッファ層２２に接してバッファ層２２上に配置される。
【００３７】
光電変換層２４は、ｎ型半導体層２３に接してｎ型半導体層２３上に配置される。ｎ型半導体層２５は、光電変換層２４に接して光電変換層２４上に配置される。
【００３８】
電極２６，２７は、ｎ型半導体層２５に接してｎ型半導体層２５上に相互に離間して配置される。電極２８は、ｎ型半導体層２３に接してｎ型半導体層２３上に配置される。
【００３９】
半導体基板２１は、例えば、半絶縁性のＧａＡｓからなる。バッファ層２３は、例えば、ＧａＡｓからなる。そして、バッファ層２３は、例えば、１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。
【００４０】
ｎ型半導体層２３，２５の各々は、例えば、ｎ−ＧａＡｓからなる。そして、ｎ型半導体層２３，２５の各々は、例えば、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有する。
【００４１】
電極２６〜２８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２６〜２８の各々は、例えば、１０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。
【００４２】
光電変換層２４は、複数の量子ドット層２４１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２４１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２０においては、２層以上の量子ドット層２４１が積層されていればよい。複数の量子ドット層２４１の各々は、量子ドット４１１を含む。
【００４３】
量子ドット層２４１は、量子ドット４１１に加え、濡れ層、障壁層４１５、量子ドットの下地層、量子ドットの部分キャップ層、および挿入層などが含まれていてもよい。図２では、簡単のため量子ドット層２４１に量子ドット４１１と障壁層４１５のみ含む構成を示している。
【００４４】
量子ドット４１１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。
【００４５】
障壁層４１５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る。障壁層４１５で量子ドット４１１を囲むことで、量子ドット４１１部で閉じ込め効果が生じる。
【００４６】
下地層は、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。障壁層４１５の一部としてもよい。
【００４７】
部分キャップ層は、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。障壁層４１５の一部としてもよい。
【００４８】
挿入層は、エネルギー準位の調整や、表面平坦性を確保するなど製造上の調整のため、適宜、挿入する層を総称している。
【００４９】
量子ドット層２４１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。
【００５０】
量子ドット４１１は、バンドギャップエネルギーが障壁層４１５よりも小さい半導体材料からなることが好ましい。
【００５１】
量子ドット層２４１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。
【００５２】
なお、量子ドット層２４１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。また、量子ドット層２４１を構成する各材料は、カルコパイライト系材料であっても良いし、カルコパイライト系材料以外の半導体であっても良い。
【００５３】
光電変換層２４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。
【００５４】
図３および図４は、それぞれ、図２に示す量子ドット型赤外線センサ２０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３および図４に示す工程（ａ）〜工程（ｇ）は、第１と第２の工程図を含む１つの工程図を構成する。
【００５５】
図３を参照して、量子ドット型赤外線センサ２０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１を分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）装置内に支持する（図３の工程（ａ））。
【００５６】
そして、ＭＢＥ法によってバッファ層２２を半導体基板２１上に形成する（図３の工程（ｂ））。この場合、例えば、バッファ層２２として２００ｎｍの厚さのＧａＡｓ層を形成する。バッファ層２２の形成によって、バッファ層２２上に形成される光電変換層２４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２４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。
【００５７】
工程（ｂ）の後、ＭＢＥ法によってバッファ層２２上にｎ型半導体層２３を形成する（図３の工程（ｃ））。この場合、例えば、ｎ型半導体層２３として５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層を形成する。
【００５８】
引き続いて、ＭＢＥ法によって、量子ドット４１１と障壁層４１５とを含む量子ドット層２４１をｎ型半導体層２３上に形成する（図３の工程（ｄ））。
【００５９】
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。
【００６０】
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２４１を積層した構造を有する光電変換層２４をｎ型半導体層２３上に形成する（図３の工程（ｅ））。
【００６１】
なお、障壁層４１５の厚みは、例えば、４０ｎｍの厚みである。
【００６２】
図３の工程（ｅ）の後、ＭＢＥ法によって、ｎ型半導体層２５を光電変換層２４上に形成する（図４の工程（ｆ））。この場合、例えば、ｎ型半導体層２５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。
【００６３】
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２４およびｎ型半導体層２５の一部を除去し、ｎ型半導体層２５上に電極２６，２７を形成し、ｎ型半導体層２３上に電極２８を形成する。これによって、量子ドット型赤外線センサ２０が完成する（図４の工程（ｇ））。
【００６４】
なお、量子井戸型赤外線センサが用いられる場合、量子井戸型赤外線センサは、図２に示す複数の量子ドット層２４１に代えて複数の量子井戸層を備える。複数の量子井戸層の各々は、井戸層と、井戸層の厚み方向の両側に配置された障壁層とを含む。そして、量子井戸型赤外線センサは、図３および図４に示す工程図に従って製造される。この場合、図３の工程（ｄ），（ｅ）において、複数の量子井戸層が積層される。
【００６５】
まず、測定対象物３０の温度を算出する方法について説明する。図５は、放射照度と波長との関係を示す図である。図５において、縦軸は、測定対象物３０からの赤外線の放射照度を表し、横軸は、波長を表す。また、点線は、放射照度の理論値を示し、実線は、誤差を含んだ放射照度を示す。
【００６６】
測定対象物３０からの赤外線の放射照度（スペクトル）の理論値は、熱放射を検出できる立体角（放射強度のうち検出できる割合）、大気の透過率および測定対象物３０の放射率の積である係数Ａを式（１）のプランクの式に乗算した式（２）によって表される。
【００６７】
【数１】
2019184516.tif 000003
【００６８】
【数２】
2019184516.tif 000004
【００６９】
式（１）において、λは、波長であり、ｈは、プランク定数であり、ｋＢは、ボルツマン定数であり、ｃは、光速であり、Ｔは、絶対温度である。
【００７０】
検出器１による検出強度は、測定対象物３０からの赤外線の放射照度（スペクトル）である式（２）に検出感度Ｃ(λ)、検出面積Ｋを乗算し、検出可能な波長範囲で積分した積分値であり、次式によって表される。
【００７１】
【数３】
2019184516.tif 000005
【００７２】
狭い波長範囲でしか検出感度が無ければ、検出波長範囲（λ１〜λ２）をスキャンすることで、検出スペクトルが得られる。
【００７３】
式（３）の左辺に検出強度の実測値を入れ、温度以外のパラメータを代入して測定対象物３０の温度を算出する。検出強度が図５の実線のように誤差を含んでいると、算出した温度も誤差を含んでしまう。
【００７４】
次に、本願の方法により検出誤差を低減する効果について説明する。
【００７５】
放射照度の誤差として、理論値の係数Ａが波長依存性を持つＢ（λ）となっているとすると、実際の放射照度は、次式によって表される。
【００７６】
【数４】
2019184516.tif 000006
【００７７】
検出強度の実測値を求めるに際し、簡単のため、式（４）のＢ（λ）は、次式によって表されるとする。
【００７８】
【数５】
2019184516.tif 000007
【００７９】
式（５）において、放射照度の誤差は、三角関数であるとしており、Ｌは、放射率および／または大気の透過率の波長依存性の変動周期である。
【００８０】
実施の形態１においては、係数ＡがＡ０を中心として誤差がある場合を想定する。また、理論値では、係数ＡがＡ０に設定されているとする。Ａ０は、例えば、放射率および透過率を０．９とし、放射強度のうち検出する割合を０．１とすると、０．０８１となる。Ｂ０は、誤差が大気の透過率による場合、当該波長の電磁波を吸収するガスの濃度および測定対象物３０から検出器１までの距離に依存するが、例えば、Ａ０の数パーセントである。
【００８１】
図６は、放射照度と波長との関係を示す図である。図６において、縦軸は、放射照度を表し、横軸は、波長を表す。また、太線は、３６℃における放射照度の理論値を示し、細線は、誤差が発生した場合の放射照度（実際の放射照度）を示す。
【００８２】
図７は、検出感度の波長依存性（検出感度スペクトル）を示す図である。図８は、印加電圧Ｖの時間依存性を示す図である。図７において、縦軸は、検出感度を表し、横軸は、波長を表す。図７を参照して、量子ドット型赤外線センサまたは量子井戸型赤外線センサにおいては、シュタルク効果によって、印加電圧Ｖを±ΔＶだけ変化させると、検出強度のピーク波長が実線から点線のように変化する。
【００８３】
例えば、図８に示すように、印加電圧ＶをＶ＝Ｖ０＋ΔＶｓｉｎ（２πｔ／ＴＳ）のように変化させる。
【００８４】
そして、実施の形態１においては、印加電圧Ｖ＝Ｖ０＋ΔＶｓｉｎ（２πｔ／ＴＳ）を検出器１に印加しながら検出強度を検出し、その検出した検出強度を周期ＴＳよりも十分長い時間ＴＭで積算した積算検出強度を求める。この場合、積算検出感度は、Ｖ０−ΔＶからＶ０＋ΔＶの幅を有する。なお、周期ＴＳよりも十分長い時間ＴＭは、例えば、ＴＳの１０倍以上が好ましい。
【００８５】
その結果、検出強度の実測値ＤＢ（λ１，λ２）は、次式のようになる。
【００８６】
【数６】
2019184516.tif 000008
【００８７】
式（６）の右辺において、第１項が検出強度の理論値（式（３））であり、第２項が検出誤差である。
【００８８】
図９は、検出誤差および検出誤差の波長平均の検出波長依存性を示す図である。図９において、細線は、検出誤差を示し、太線は、検出誤差の波長平均を示す。
【００８９】
図９を参照して、検出波長範囲として、λ１を１０μｍとし、λ２を１１μｍ〜１４μｍの範囲としたときの検出誤差（式（５）の右辺第２項）、および検出誤差の波長平均は、それぞれ、細線および太線のようになる。
【００９０】
なお、検出誤差の波長平均は、次式によって表される。
【００９１】
【数７】
2019184516.tif 000009
【００９２】
また、図９において、λ２を１１μｍ以上としているのは、図７に示すピーク幅を１μｍと想定しているためである。
【００９３】
図９から明らかなように、検出誤差の波長平均は、検出波長範囲（＝λ２−λ１）が広くなるに従って小さくなる。これは、検出波長範囲における検出強度の積分値が大きくなると、検出誤差が相対的に小さく評価されるからである。
【００９４】
測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊの算出は、上述の通り行われる。即ち、式（６）で求めた検出強度を式（３）の左辺に入れ、温度以外のパラメータを代入することにより求めた。このように求めた温度の実測値と、設定した測定対象物３０の温度３６℃との差を温度誤差とした。
【００９５】
図１０は、温度誤差と検出上限波長との関係を示す図である。図１０において、縦軸は、温度誤差を表し、横軸は、検出上限波長を表す。
【００９６】
図１０から明らかなように、温度誤差は、検出上限波長が長くなるに従って小さくなる。これは、図１０に示したように、検出誤差の波長平均（太線）が、検出波長範囲が広くなるに従って小さくなるからである。
【００９７】
このように、実施の形態１においては、ΔＶを適切な値に設定し、印加電圧Ｖを変調させることによって、放射照度スペクトルのガタツキの影響を小さくして検出スペクトルを計測できる。
【００９８】
なお、実際には、放射照度の誤差は、上記のように三角関数ではないが、ΔＶの設定は、誤差の周期よりも大きければよい。例えば、測定環境で最も誤差が発生するのが大気の吸収透過率であれば、０．０５μｍの波長に対応する電圧値とすればよい。また、ΔＶを増やしながら温度を算出すると、図１０に従った波形が現れるので、振幅が一定以上小さくなるまでΔＶを増やしてもよい。
【００９９】
実施の形態１では、主に周期的な誤差の影響を小さくするのに有効である。従って、検出器１の内部で発生するノイズを除去することもできる。
【０１００】
図１１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。
【０１０１】
図１１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、操作部２は、印加電圧Ｖ＝Ｖ０＋ΔＶｓｉｎ（２πｔ／ＴＳ）を検出器１に印加する（ステップＳ１）。そして、検出器１は、印加電圧Ｖ＝Ｖ０＋ΔＶｓｉｎ（２πｔ／ＴＳ）が印加された状態で検出スペクトルを検出し（ステップＳ２）、その検出した検出スペクトルを操作部２へ出力する。
【０１０２】
操作部２は、検出器１から検出スペクトルを受け、その受けた検出スペクトルを算出部３へ出力する。算出部３は、操作部２から受けた検出スペクトルの検出強度を時間ＴＭで積算し、その積算した積算検出強度を求める（ステップＳ３）。
【０１０３】
そして、ステップＳ３の後、算出部３は、式（３）から測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊを算出する（ステップＳ４）。具体的には、積算検出強度を式（３）の左辺に代入し、式（６）の右辺に温度以外のパラメータを代入する。ここで、波長は、検出波長範囲（＝λ１〜λ２）の中心波長を用いてもよいし、測定者が設定してもよいし、波長範囲（λ１〜λ２）に応じて算出部４が判断してもよい。温度の算出は、式（３）を解く方法であれば、式（３）から逆算して数値計算で求めてもよい。これによって、赤外線検出システム１０の動作が終了する。
【０１０４】
上記フローチャートに例示される操作部２の操作方法および算出部３の算出方法は、検出器１に付随するマイコンや集積回路、コンピューターが行えばよい。また、これらの操作方法および算出方法を、記録した媒体やインターネット上のサイトからダウンロードする形でユーザーに付与し、ユーザーがコンピューターにインストールして使用してもよい。
【０１０５】
このように、検出スペクトルの検出強度を時間ＴＭで積算した積算検出強度を用いて測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊを算出するので、図１０に示すように、算出した測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊの誤差を低減できる。この場合、検出波長範囲（＝λ１〜λ２）を広くする程、算出した測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊの誤差をより低減できる。
【０１０６】
［実施の形態２］
図１２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１２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の算出部３を算出部３Ａに代えたものであり、その他は、赤外線検出システム１０と同じである。
【０１０７】
算出部３Ａは、検出スペクトルに特異点が存在するか否かを判定することができる。更に、検出波長帯において、Ｖ０−ΔＶの電圧が印加されたときの検出波長における検出強度と、Ｖ０＋ΔＶの電圧が印加されたときの検出波長における検出強度との平均値を算出し、当該検出波長帯の検出強度として用いる。あるいは、算出部３Ａは、各検出波長帯における最大値を算出し、当該検出波長帯の検出強度として用いてもよい。
【０１０８】
赤外域の放射照度は、大気中のガスや光路中の物質による吸収などにより、検出スペクトルにディップ（局所的な強度の減少）が現れることが多い。また、放射率の特異点もディップ（局所的な強度の減少）として現れることが多い。よって、検出スペクトルの特異点の影響を除去するのに最大値をとるのが好ましい。
【０１０９】
このように、算出部３Ａは、特異点の影響が除去されたまたは小さくされた上記平均値または最大値を式（３）のＤＡ（λ）に代入して測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊを算出する。
【０１１０】
図１３は、検出スペクトルの例を示す図である。図１４は、検出信号の時間依存性を示す図である。
【０１１１】
図１３を参照して、検出波長帯ＷＢ１においては、印加電圧Ｖが中央値Ｖ０であるとき、検出波長が波長λａであり、印加電圧ＶがＶ０＋ΔＶであるとき、検出波長が検出波長帯ＷＢ１の右端の波長であり、印加電圧ＶがＶ０−ΔＶであるとき、検出波長が検出波長帯ＷＢ１の左端の波長である。検出波長帯ＷＢ２，ＷＢ３についても同様である。
【０１１２】
図１４を参照して、検出スペクトルは、検出波長帯ＷＢ２において大きく低下しており、特異点が存在する。一方、検出スペクトルは、検出波長帯ＷＢ１，ＷＢ３においては特異点が存在しない。
【０１１３】
そして、印加電圧Ｖ＝Ｖ０＋ΔＶｓｉｎ（２πｔ／ＴＳ）を検出器１に印加した場合に、印加電圧Ｖの中央値Ｖ０に対応する検出波長がλａ，λｂ，λｃである場合の検出信号を図１５の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。つまり、図１５の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ、図１４の検出波長帯ＷＢ１，ＷＢ２，ＷＢ３において検出された検出信号の時間依存性を示す。
【０１１４】
検出波長帯ＷＢ１，ＷＢ３においては、特異点が存在しないため、検出信号は、時間方向に周期的に変化する（図１５の（ａ），（ｃ）参照）。即ち、検出波長帯ＷＢ１，ＷＢ３においては、検出信号は、印加される電圧の周期と同じ周期で変化している。
【０１１５】
一方、検出波長帯ＷＢ２においては、特異点が存在するため、検出信号は、Ｖ０の電圧が印加されたときに極小値となり、印加される電圧の周期と異なる周期で変化している（図１４の（ｂ）参照）。
【０１１６】
従って、算出部３Ａは、各検出波長帯ＷＢ１，ＷＢ２，ＷＢ３において、検出信号が、印加される電圧の周期と同じ周期で変化している場合、特異点が存在しないと判定し、検出信号が、印加される電圧の周期と異なる周期で変化している場合、特異点が存在すると判定する。
【０１１７】
図１５は、特異点の影響を除去する方法を説明するための図である。また、図１６は、特異点の影響を低減する方法を説明するための図である。
【０１１８】
図１５を参照して、図１４の（ｂ）に示すように、検出波長帯ＷＢ２に示すように特異点が存在する場合、電圧Ｖ０−ΔＶ，Ｖ０＋ΔＶが印加されたときの値のみを信用し（即ち、検出波長帯ＷＢ２の両端における検出強度のみを信用し）、電圧Ｖ０−ΔＶ，Ｖ０＋ΔＶが印加されたときの値の平均値を用いる。これにより、検出波長帯ＷＢ２に示すように特異点が存在する場合でも、特異点の影響を除去することができる。また、検出波長帯ＷＢ１，ＷＢ３に示すように特異点が存在しない場合でも、各検出波長帯の平均値に近い値を得ることができるため、特異点の有無を判断せず、すべて平均値を用いるようにしてもよい。
【０１１９】
図１６を参照して、図１４の（ｂ）に示すように、検出波長帯ＷＢ２に示すように特異点が存在する場合、最大値を用いる。これによって、放射照度の曲率が小さいところでは、ほとんど影響がなく、特異点の影響を小さくできる。また、検出波長帯ＷＢ１，ＷＢ３に示すように特異点が存在しない場合に各検出波長帯の最大値を用いても、各検出波長帯の平均値に対して大きな誤差にはならないため、特異点の有無を判断せず、すべて最大値を用いるようにしてもよい。
【０１２０】
そして、算出部３Ａは、各検出波長帯ＷＢ１，ＷＢ２，ＷＢ３において検出した検出強度ＩＡａｃｔｕａｌ２を式（２）のＩＡ（λ）に代入して測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊを算出する。
【０１２１】
図１７は、図１２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。図１７に示すフローチャートは、図１１に示すフローチャートのステップＳ３，Ｓ４をステップＳ１１〜ステップＳ１４に代えたものであり、その他は、図１１に示すフローチャートと同じである。
【０１２２】
図１７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、上述したステップＳ１，Ｓ２が順次実行される。
【０１２３】
そして、ステップＳ２の後、算出部３Ａは、上述した方法によって、検出スペクトルに特異点が存在するか否かを判定する（ステップＳ１１）。
【０１２４】
ステップＳ１１において、特異点が存在すると判定されたとき、算出部３Ａは、各検出波長帯における両端の検出強度の平均値、または各検出波長帯における最大値を検出する（ステップＳ１２）。
【０１２５】
一方、ステップＳ１１において、特異点が存在しないと判定されたとき、算出部３Ａは、各検出波長帯において検出ピーク波長（電圧Ｖ０が印加されたときの検出波長）における検出強度を検出する（ステップＳ１３）。
【０１２６】
そして、ステップＳ１２またはステップＳ１３の後、算出部３Ａは、検出した検出強度ＩＡａｃｔｕａｌ２を式（２）のＩＡ（λ）に代入して測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊを算出する（ステップＳ１４）。なお、ステップＳ１２からステップＳ１４へ移行した場合、算出部３Ａは、平均値または最大値を検出強度として用いて測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊを算出する。これによって、赤外線検出システム１０Ａの動作が終了する。
【０１２７】
このように、赤外線検出システム１０Ａは、特異点の影響を除去または小さくして測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊを算出するので、算出した温度Ｔｏｂｊの誤差を低減できる。
【０１２８】
なお、赤外線検出システム１０Ａの動作を示すフローチャートは、図１７に示すステップＳ１１〜Ｓ１３を、全て平均値を取るステップまたは全て最大値を取るステップに変えたフローチャートであってもよい。
【０１２９】
［実施の形態３］
図１８は、実施の形態３による赤外線検出システムの概略図である。図１８を参照して、実施の形態３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に波長フィルタ４０を追加し、赤外線検出システム１０の操作部２を操作部２Ａに代え、算出部３を算出部３Ｂに代えたものであり、その他は、赤外線検出システム１０と同じである。
【０１３０】
波長フィルタ４０は、測定対象物３０から放射された赤外線のうち、所定の波長域の赤外線のみを検出器１へ透過させる。
【０１３１】
操作部２Ａは、検出波長範囲が波長フィルタ４０の立上りエッジまたは立下りエッジに合致するように印加電圧Ｖを検出器１に印加する。この場合、電圧Ｖ０を調整することによって、検出波長範囲を波長フィルタ４０の立上りエッジまたは立下りエッジに合致させる。また、ΔＶは、検出波長範囲が波長フィルタ４０の立上りエッジまたは立下りエッジの波長範囲よりも広くなるように調整される。
【０１３２】
算出部３Ｂは、検出スペクトルにおいて、電圧Ｖ０＋ΔＶが印加されたときの検出強度と、電圧Ｖ０−ΔＶが印加されたときの検出強度との差を演算し、その演算した差を検出強度ＩＡａｃｔｕａｌ３とする。そして、算出部３Ｂは、検出強度ＩＡａｃｔｕａｌ３を式（２）のＩＡ（λ）に代入して測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊを算出する。
【０１３３】
図１９は、放射照度と波長との関係を示す図である。また、図２０は、検出強度と時間との関係を示す図である。
【０１３４】
図１９を参照して、検出器１が波長フィルタ４０を介して赤外線を検出したとき、曲線ｋ１によって示される放射照度の検出強度が得られる。操作部２Ａは、検出波長範囲が波長フィルタ４０の立上りエッジに合致する印加電圧Ｖを検出器１に印加する。その結果、図２１に示す検出強度が得られる。
【０１３５】
図２０を参照して、図１９の検出波長範囲の左端においては放射照度が“ゼロ”であるので、電圧Ｖ０−ΔＶが印加されたとき、放射照度を検出できない。従って、検出強度は、バックグラウンドまたは検出器１のノイズである。
【０１３６】
よって、算出部３Ｂは、電圧Ｖ０＋ΔＶが印加されたときの検出強度と、電圧Ｖ０−ΔＶが印加されたときの検出強度との差を演算する。これによって、Ｓ／Ｎの良い検出が可能となり、測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊの算出誤差を低減できる。
【０１３７】
なお、実施の形態３においては、赤外線検出システム１０Ｂは、波長フィルタ４０を備えていなくてもよく、大気の窓を波長フィルタとして用いてもよい。この場合、操作部２Ａは、検出波長範囲が大気の窓の立上りエッジまたは立下りエッジに合致するように検出器１に印加電圧Ｖを印加する。
【０１３８】
図２１は、図１８に示す赤外線検出システム１０Ｂの動作を説明するためのフローチャートである。
【０１３９】
図２１を参照して、赤外線検出システム１０Ｂの動作が開始されると、操作部２Ａは、検出波長範囲が波長フィルタ４０または大気の窓の立上りエッジまたは立下りエッジに合致するように印加電圧Ｖ＝Ｖ０＋ΔＶｓｉｎ（２πｔ／ＴＳ）を検出器１に印加する（ステップＳ２１）。
【０１４０】
そして、検出器１は、印加電圧Ｖ＝Ｖ０＋ΔＶｓｉｎ（２πｔ／ＴＳ）が印加された状態で検出スペクトルを検出し（ステップＳ２２）、その検出した検出スペクトルを操作部２Ａへ出力する。操作部２Ａは、検出器１から受けた検出スペクトルを算出部３Ｂへ出力する。
【０１４１】
算出部３Ｂは、操作部２Ａから受けた検出スペクトルに基づいて、電圧Ｖ０＋ΔＶが印加されたときの検出強度と、電圧Ｖ０−ΔＶが印加されたときの検出強度との差を演算する（ステップＳ２３）。その後、算出部３Ｂは、その演算した差を検出強度ＩＡａｃｔｕａｌ３とし、検出強度ＩＡａｃｔｕａｌ３を式（２）のＩＡ（λ）に代入して測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊを算出する（ステップＳ２４）。これによって、赤外線検出システム１０Ｂの動作が終了する。
【０１４２】
このように、電圧Ｖ０＋ΔＶが印加されたときの検出強度と、電圧Ｖ０−ΔＶが印加されたときの検出強度との差を演算して測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊを算出するので、Ｓ／Ｎの良い検出が可能となり、測定対象物３０の温度Ｔｏｂｊを算出するときの温度誤差を低減できる。
【０１４３】
上述した実施の形態１〜３においては、時間方向に周期的に変動する印加電圧Ｖを検出器１に印加して測定対象物３０から放射される赤外線を検出することを特徴とする。そして、時間方向に周期的に変動する印加電圧Ｖを検出器１に印加することは、検出器１における検出ピーク波長（電圧Ｖ０が印加されたときの検出波長）を周期的に掃引することに相当する。
【０１４４】
従って、この発明の実施の形態による赤外線検出システムは、量子井戸または量子ドットを含む検出器と、検出器における検出ピーク波長を周期的に掃引しながら検出器によって検出された赤外線の検出スペクトルに基づいて測定対象物の温度を算出する算出部とを備えていればよい。
【０１４５】
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】
【０１４６】
この発明は、赤外線検出システム、赤外線検出方法、プログラムおよびそのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に適用される。
【符号の説明】
【０１４７】
１  検出器、２，２Ａ  操作部、３，３Ａ，３Ｂ  算出部、１０，１０Ａ，１０Ｂ  赤外線検出システム、２１  半導体基板、２２  バッファ層、２３，２５  ｎ型半導体層、２４  光電変換層、２６〜２８  電極、２０  量子ドット型赤外線センサ、３０  測定対象物、４０  波長フィルタ、２４１  量子ドット層、４１１  量子ドット、４１５  障壁層。
【図１】
2019184516.tif 000010
【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】
2019184516.tif 000016
【図８】
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【図９】
2019184516.tif 000018
【図１０】
2019184516.tif 000019
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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