(57)【要約】      （修正有）【課題】測定温度帯が変化しても画像取得に必要な時間を同一にして、低温領域の温度分解能を向上させ、高温領域まで赤外線を測定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は、量子ドット型赤外線センサに印加電圧を印加してバンドパスフィルタの帯域幅内で感度スペクトルを高感度（低温用）の感度スペクトルＳＳＰ１と低感度（高温用）の感度スペクトルＳＳＰ２とに設定する。そして、赤外線検出システムは、感度スペクトルＳＳＰ１で検出された赤外線の温度データと感度スペクトルＳＳＰ２で検出された赤外線の温度データと統合して被測定領域の温度分布を出力する。【選択図】図７
2019184280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される電圧に応じて異なる検出感度で対象物からの放射赤外線を光電変換する光電変換素子を複数有する赤外線検出器アレイと、
前記光電変換素子に異な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、
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とを備え、
前記光電変換素子は、印加される電圧によって決定される赤外線の吸収スペクトルが異なる第１の状態と第２の状態との少なくとも２つの状態を有し、
前記強度分布出力手段は、前記光電変換素子の前記第１の状態および前記第２の状態のそれぞれにおいて検出されたデータに基づいて前記強度分布を出力する、赤外線検出システム。
【請求項２】
前記強度分布出力手段は、前記第１の状態における検出感度と前記第２の状態における検出感度との間の検出感度を有する第３の状態で検出されたデータを更に用いて前記強度分布を出力する、請求項１に記載の赤外線検出システム。
【請求項３】
前記光電変換素子は、単一素子ごとの印加電圧の調整によって、赤外線の吸収スペクトルの感度、中心波長および半値幅を調整可能である、請求項１または請求項２に記載の赤外線検出システム。
【請求項４】
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る、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の赤外線検出システム。
【請求項５】
前記変換部は、各光電変換素子ごとの印加電圧における感度状態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４に記載の赤外線検出システム。
【請求項６】
前記強度分布出力手段によって出力された強度分布を表示する表示部を更に備える、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。
【請求項７】
前記光電変換素子に入射する入射赤外線の波長範囲を限定する限定手段を更に備え、
前記限定手段は、印加電圧の制御によって、前記光電変換素子が感度を有する上限波長および下限波長の少なくとも１つを制御する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の赤外線検出システム。
【請求項８】
前記限定手段は、バンドパスフィルタ、ロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ、分光器または大気の窓である、請求項７に記載の赤外線検出システム。
【請求項９】
前記変換部は、放射照度データを一定の分割数にて変換して、前記強度分布を所定の温度分解能を有する温度分布に変換する、請求項４または請求項５に記載の赤外線検出システム。
【請求項１０】
前記変換部は、対象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色法を用いて前記強度分布を温度分布に変換する、請求項４または請求項５に記載の赤外線検出システム。
【請求項１１】
前記変換部は、異なる印加電圧が前記光電変換素子に印加されたときの出力信号に基づいて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色法を用いて前記強度分布を温度分布に変換する、請求項４または請求項５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、複数の波長の光の検知が可能な光検知器が知られている（特許文献１）。この光検出器は、波長λ１の電磁波（光）を検知する２つのλ１検知部と、波長λ２の電磁波（光）を検知する２つのλ２検知部とを備える。λ１検知部及びλ２検知部は、市松模様状に配置されており、個別に画素を構成している。
【０００３】
λ１検知部及びλ２検知部の各々は、回折格子と、楕円形の量子ドットを含む楕円ＱＤＩＰとを含む。そして、λ１検知部の回折格子の格子溝の方向は、λ２検知部の回折格子の格子溝の方向と直交している。
【０００４】
波長λ１の赤外線の回折光の電界は、量子ドットの長軸に平行な成分が存在する一方で、短軸に平行な成分がほとんど含まれないものとなる。一方、波長λ２の赤外線の回折光の電界は、量子ドットの短軸に平行な成分が存在する一方で、長軸に平行な成分がほとんど含まれないものとなる。
【０００５】
λ１検知部に関しては、量子ドットの長軸の長さが、それに平行な電界成分を持つ赤外線が入射した場合に波長λ１の近傍に感度のピークが現れるように設定され、回折格子の溝の周期が波長λ１の赤外線が入射した場合の回折角が９０度程度となるように設定されている。このため、λ１検知部では、波長λ１近傍の赤外線が入射すると、大きな電気信号（赤外線光電流又は光起電力）が発生し、それ以外の赤外線が入射しても、電気信号はほとんど発生しない。
【０００６】
一方、λ２検知部に関しては、量子ドットの短軸の長さが、それに平行な電界成分を持つ赤外線が入射した場合に波長λ２の近傍に感度のピークが現れるように設定され、回折格子の溝の周期が波長λ２の赤外線が入射した場合の回折角が９０度程度となるように設定されている。このため、λ２検知部では、波長λ２近傍の赤外線が入射すると、大きな電気信号（赤外線光電流又は光起電力）が発生し、それ以外の赤外線が入射しても、電気信号はほとんど発生しない。
【０００７】
従って、特許文献１に記載の光検出器は、λ１検知部およびλ２検知部によって２つの波長λ１，λ２の光を別々に検出可能である。
【０００８】
また、特許文献２に記載の温度測定装置が知られている。この温度測定装置は、鋳片から放射される光線の強度若しくはエネルギーを検出する光電変換素子をアレイ配列してなる撮像手段と、撮像手段の露光時間を切換えて複数の異なる露光時間による撮像データを取得するデータ取得手段と、データ取得手段が取得した複数の異なる露光時間による撮像データのアレイ配列に対応する画素を、各露光時間毎に決められた変換範囲に区分けするデータ分割手段と、データ分割手段により分割された撮像データの輝度を露光時間に応じて変換して温度分布を取得する温度変換手段と、温度変換手段により取得された温度分布を統合して、高温体の表面温度分布を得る温度分布統合手段とを備える。
【０００９】
このように、特許文献２に記載の温度測定装置は、露光時間を変化させた複数枚の画像を取得することにより、高温域の測定と低温における温度分解能を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−１１４３８１号公報
【特許文献２】特開２０１４−２０２５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１は、検出波長を変化させるため、楕円量子ドットの設計および複数の画素が必要になる。また、特許文献２は、露光時間を変化させているため、測定温度帯によって画像取得に必要な時間が増加する。
【００１２】
そこで、この発明の実施の形態によれば、測定温度帯が変化しても画像取得に必要な時間を同一にして、低温領域の温度分解能を向上させ、高温領域まで赤外線を測定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】
【００１３】
（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、赤外線検出器アレイと、データ出力手段と、強度分布出力手段とを備える。赤外線検出器アレイは、印加される電圧に応じて異なる検出感度で対象物からの放射赤外線を光電変換する光電変換素子を複数有する。データ出力手段は、光電変換素子に異な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。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。そして、光電変換素子は、印加される電圧によって決定される赤外線の吸収スペクトルが異なる第１の状態と第２の状態との少なくとも２つの状態を有し、強度分布出力手段は、光電変換素子の第１の状態および第２の状態のそれぞれにおいて検出されたデータに基づいて強度分布を出力する。
【００１４】
（構成２）
構成１において、強度分布出力手段は、第１の状態における検出感度と第２の状態における検出感度との間の検出感度を有する第３の状態で検出されたデータを更に用いて強度分布を出力する。
【００１５】
（構成３）
構成１または構成２において、光電変換素子は、単一素子ごとの印加電圧の調整によって、赤外線の吸収スペクトルの感度、中心波長および半値幅を調整可能である。
【００１６】
（構成４）
構成１から構成３のいずれかにおいて、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。
【００１７】
（構成５）
構成４において、変換部は、各光電変換素子ごとの印加電圧における感度状態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。
【００１８】
（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、表示部を更に備える。表示部は、強度分布出力手段によって出力された強度分布を表示する。
【００１９】
（構成７）
構成１から構成６のいずれかにおいて、赤外線検出システムは、限定手段を更に備える。限定手段は、光電変換素子に入射する入射赤外線の波長範囲を限定する。そして、限定手段は、印加電圧の制御によって、光電変換素子が感度を有する上限波長および下限波長の少なくとも１つを制御する。
【００２０】
（構成８）
構成７において、限定手段は、バンドパスフィルタ、ロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ、分光器または大気の窓である。
【００２１】
（構成９）
構成４または構成５において、変換部は、放射照度データを一定の分割数にて変換して、前記強度分布を所定の温度分解能を有する温度分布に変換する。
【００２２】
（構成１０）
構成４または構成５において、変換部は、対象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色法を用いて強度分布を温度分布に変換する。
【００２３】
（構成１１）
構成４または構成５において、変換部は、異なる印加電圧が光電変換素子に印加されたときの出力信号に基づいて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。
【発明の効果】
【００２４】
測定温度帯が変化しても画像取得に必要な時間を同一にして、低温領域の温度分解能を向上させ、高温領域まで赤外線を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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】分光照度と波長との関係を示す図である。
【図８】図１に示す検出部の出力信号と被測定物の温度との関係を示す図である。
【図９】高感度の印加電圧条件と低感度の印加電圧条件とにおいて温度分解能が向上する範囲を説明するための図である。
【図１０】量子ドット型赤外線センサへの印加電圧の変化によって感度が低下した場合における対処法を説明するための図である。
【図１１】バンドパスフィルタの帯域幅を狭くすることが困難な場合の対処法を説明するための図である。
【図１２】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１３】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１４】実施の形態２における赤外線の測定方法を説明するための図である。
【図１５】実施の形態３における感度条件の概念図である。
【図１６】実施の形態３における下限温度が変化した場合における感度条件の概念図である。
【図１７】実施の形態３における赤外線の測定方法を説明するための図である。
【図１８】実施の形態３における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】
【００２６】
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。
【００２７】
この明細書において用いられる語句について説明する。
【００２８】
「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。
【００２９】
「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。
【００３０】
「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。
【００３１】
「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。
【００３２】
「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。
【００３３】
［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、光学系１と、検出部２と、処理部３と、制御部４と、表示部５とを備える。
【００３４】
被測定領域３０は、大きな温度差がある領域であり、例えば、室温程度の物体と、１００℃以上の物体が被測定領域３０内に混在する領域である。
【００３５】
光学系１は、被測定領域３０と検出部２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。
【００３６】
検出部２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、複数の単素子が１次元に配列されたリニアアレイ、または２次元に配列された２次元アレイによって構成される。そして、検出部２は、制御部４からの印加電圧が印加された状態で被測定領域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出力データとして処理部３へ出力する。
【００３７】
処理部３は、出力データを検出部２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３は、デジタルデータに基づいて被測定領域３０の強度分布を演算する。この場合、処理部３は、異なる複数の印加電圧が検出部２に印加された状態で検出された複数の出力データに基づいて複数の強度分布を演算する。その後、処理部３は、後述する方法によって複数の強度分布を合成し、その合成した強度分布を被測定領域３０の強度分布として表示部５へ出力する。
【００３８】
また、処理部３は、プランクの法則に基づき、対象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。
【００３９】
なお、処理部３は、検出部２が１次元アレイによって構成される場合、１次元の温度分布の他に、温度分布の時間変化を２次元的に出力することが可能である。また、処理部３は、検出部２が次元アレイによって構成される場合、２次元の温度分布の他に、時間変化を動画として出力することも可能である。
【００４０】
更に、処理部３は、固定された露光時間を保持する。そして、処理部３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４へ出力する。
【００４１】
制御部４は、制御信号を処理部３から受け、その受けた制御信号の印加電圧を検出部２に印加する。
【００４２】
表示部５は、温度分布を処理部３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。
【００４３】
図２は、図１に示す検出部２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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
電極２６は、リング状の平面形状を有し、ｎ型半導体層２５に接してｎ型半導体層２５上に配置される。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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
複数の量子ドット層２４１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。
【００５２】
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４１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。
【００５３】
なお、量子ドット層２４１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。
【００５４】
一般的には、量子ドット層２４１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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
この発明の実施の形態においては、光電変換層２４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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
図３は、図２に示す量子ドット層２４１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２４１は、図３の（ａ）に示す量子ドット層２４１Ａからなっていてもよく、図３の（ｂ）に示す量子ドット層２４１Ｂからなっていてもよい。
【００６８】
図３の（ａ）を参照して、量子ドット２４１Ａは、図２に示す量子ドット層２４１の部分キャップ層４１４を部分キャップ層４１４Ａに代えたものであり、その他は、量子ドット層２４１と同じである。
【００６９】
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。
【００７０】
図３の（ｂ）を参照して、量子ドット２４１Ｂは、図２に示す量子ドット層２４１の部分キャップ層４１４を部分キャップ層４１４Ｂに代えたものであり、その他は、量子ドット層２４１と同じである。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
図４は、図１に示す検出部２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２０Ａは、図２に示す量子ドット型赤外線センサ２０の光電変換層２４を光電変換層３４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２０と同じである。
【００７４】
光電変換層３４は、ｎ型半導体層２３とｎ型半導体層２５との間にｎ型半導体層２３およびｎ型半導体層２５に接して配置される。光電変換層３４は、複数の量子井戸層３４１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３４１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２０Ａにおいては、２層以上の量子井戸層３４１が積層されていればよい。
【００７５】
量子井戸層３４１は、井戸層３４１１と、２つの障壁層３４１２とを含む。井戸層３４１１は、２つの障壁層３４１２の間に２つの障壁層３４１２に接して配置される。井戸層３４１１は、障壁層３４１２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３４１は、上述した量子ドット層２４１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３４１１および障壁層３４１２は、上述したＧａＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＡｌＳｂおよびＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ等の中から、井戸層３４１１のバンドギャップが障壁層３４１２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。
【００７６】
量子井戸層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。
【００７７】
井戸層３４１１および障壁層３４１２の膜厚は、井戸層３４１１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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
図５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５の工程（ａ））。
【００８１】
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５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。
【００８２】
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５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。
【００８３】
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２４１をｎ型半導体層２３上に形成する（図５の工程（ｄ））。
【００８４】
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。
【００８５】
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２４１を形成する。
【００８６】
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５の工程（ｅ））。
【００８７】
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。
【００８８】
図５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６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。
【００８９】
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上にリング形状の電極２６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６の工程（ｇ））。
【００９０】
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２６，２８の各々としてＡｕを用いることが好ましく、電極２６，２８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。
【００９１】
量子ドット型赤外線センサ２０に赤外線が入射されると、光電変換層２４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２６，２８によって取り出される。
【００９２】
図４に示す量子井戸型赤外線センサ２０Ａ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３４１２を形成するとともに障壁層３４１２上に井戸層３４１１を形成する工程であり、工程（ｅ’）は、工程（ｄ’）を量子井戸層３４１の積層数分だけ繰り返す工程である。なお、最後の井戸層３４１１を形成した後、その形成した井戸層３４１１上に障壁層３４１２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。
【００９３】
量子井戸型赤外線センサ２０Ａ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２６，２８によって取り出される。
【００９４】
検出部２は、図２に示す量子ドット型赤外線センサ２０または図４に示す量子井戸型赤外線センサ２０Ａが１次元または２次元に配列された構成からなる。
【００９５】
また、処理部３および制御部４を集積化した回路として検出部２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。
【００９６】
この発明の実施の形態における被測定領域３０の温度分布を測定する方法について説明する。なお、以下においては、量子ドット型赤外線センサ２０を例にして被測定領域３０の温度分布を測定する方法を説明するが、以下の説明は、量子井戸型赤外線センサ２０Ａを用いたときの被測定領域３０の温度分布を測定する方法にも適用される。
【００９７】
図７は、分光照度と波長との関係を示す図である。また、図８は、図１に示す検出部２の出力信号と被測定物の温度との関係を示す図である。図７において、縦軸は、分光照度を表し、横軸は、波長を表す。また、曲線ｋ１〜ｋ４は、それぞれ、被対象物の温度が１００℃、５０℃、３６℃および２０℃であるときの温度の放射スペクトルを示し、ＳＳＰ１は、量子ドット型赤外線センサ２０への印加電圧が０．１Ｖであるときの感度スペクトルを示し、ＳＳＰ２は、量子ドット型赤外線センサ２０への印加電圧が１．０Ｖであるときの感度スペクトルを示す。
【００９８】
図８において、縦軸は、出力信号を表し、横軸は、被測定物の温度を表す。また、曲線ｋ５は、量子ドット型赤外線センサ２０への印加電圧が１．０Ｖであるときの出力信号と被測定物の温度との関係を示し、曲線ｋ６は、量子ドット型赤外線センサ２０への印加電圧が０．１Ｖであるときの出力信号と被測定物の温度との関係を示す。直線ＳＬは、Ａ／Ｄ変換器のレンジの上限を示す。
【００９９】
放射温度計は、被測定対象より放射される赤外線を検出し、所定の帯域幅（バンドパス）における放射照度をプランクの式と比較することによって対象物の温度を算出する。
【０１００】
ＱＤＩＰおよびＱＷＩＰは、印加される印加電圧が変化すると、感度スペクトルがシフトする（Ｓｔａｒｋシフト）。この現象を用いて、対象物の放射照度を異なる感度で測定することによって、温度と出力値との関係が異なる複数の結果が得られる。
【０１０１】
図７を参照して、量子ドット型赤外線センサ２０へ印加される印加電圧が０．１Ｖから１．０Ｖへ変化すると、検出感度のスペクトル（ＳＳＰ１，ＳＳＰ２）がガウス分布であり、半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width Half Maximum）を０．４μｍとした場合、ピーク波長が７．８μｍ（感度スペクトルＳＳＰ１参照）から９．０μｍ（感度スペクトルＳＳＰ２参照）へシフトする。
【０１０２】
ここで、各温度の放射スペクトル（曲線ｋ１〜ｋ４）に対して８．０μｍ〜１０．０μｍの帯域幅の波長のみを透過するバンドパスフィルタを設置した場合、０．１Ｖの印加電圧における感度スペクトルＳＳＰ１ではバンドパスフィルタを透過する放射照度が少ないため、低感度となり、出力信号が減少する。一方、１．０Ｖの印加電圧では、感度スペクトルＳＳＰ２がバンドパスフィルタの帯域幅に含まれるため、高感度となり、出力信号が増加する。
【０１０３】
出力信号は、処理部３において、Ａ／Ｄ変換器の電圧レンジに合致する適切な倍率によって増幅され、温度へ変換されて温度のデジタルデータとなる。そのため、温度分解能は、増幅倍率とＡ／Ｄ変換器の階調数（ダイナミックレンジ）に依存する。
【０１０４】
図８は、図７に示す２つの感度において各温度を測定した場合の出力信号を示している。例えば、Ａ／Ｄ変換器のレンジの上限が２×１０−１１となるように増幅率を設定した場合、印加電圧が１．０Ｖである場合、約３５℃以上の出力信号は飽和するが、３５℃以下の温度域は、高分解能で温度算出が可能となる（曲線５参照）。
【０１０５】
一方、印加電圧が０．１Ｖである場合、約１３５℃まで測定可能であるが、温度分解能は低下する。
【０１０６】
この上限温度と温度分解能が異なる複数のデジタルデータを比較し、合成することによって、低温領域の温度分解能が良く、高温領域まで測定可能な放射温度計を構成できる。
【０１０７】
図９は、高感度の印加電圧条件と低感度の印加電圧条件とにおいて温度分解能が向上する範囲を説明するための図である。なお、図９は、図７と実質的に同じであるが、バンドパスフィルタの帯域をＬ１−ΔＬ／２〜Ｌｎ−ΔＬ／２（ｎは、正の整数）としている。
【０１０８】
ここでＬ１，Ｌｎは、それぞれ、バンドパスフィルタの短波長側および長波長側において透過率が半分となる波長であり、ΔＬは、分光照度を算出する際の単位波長幅である。
【０１０９】
所定のバンドパスフィルタを透過した赤外光を量子ドット型赤外線センサ２０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。
【０１１０】
【数１】
2019184280.tif 000003
【０１１１】
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、被測定物の放射率であり、Ｔは、被測定物の温度であり、ｄは、被測定物の直径であり、Ｌは、被測定物と検出部２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ＳＳＰ１，ＳＳＰ２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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
処理部３は、式（１）によって表される出力信号Ｓに基づいて温度Ｔを算出する。また、２つの感度スペクトルＳＳＰ１，ＳＳＰ２によって得られた２つの出力信号Ｓを演算および合成することによって低温における温度分解能が向上する条件として、式（２）に示す条件が得られる。
【０１１４】
【数２】
2019184280.tif 000004
【０１１５】
即ち、高感度条件（低温用）における低温領域の温度ＴＤ１，Ｌｏｗと高温領域の温度ＴＤ１，Ｈｉｇｈとの差ＴＤ１，Ｈｉｇｈ−ＴＤ１，ＬｏｗをＡ／Ｄ変換器の階調数Ｍで除算した除算結果が、低感度条件（高温用）における低温領域の温度ＴＤ２，Ｌｏｗと高温領域の温度ＴＤ２，Ｈｉｇｈとの差ＴＤ２，Ｈｉｇｈ−ＴＤ２，ＬｏｗをＡ／Ｄ変換器の階調数Ｍで除算した除算結果よりも小さくなればよい。
【０１１６】
従って、式（２）を満たすように印加電圧およびバンドパスフィルタの帯域幅を設定することによって、高温領域の測定を可能にしつつ、低温領域における温度分解能を向上させることができる。
【０１１７】
式（２）における低感度（高温用）の印加電圧の最適値は、温度分解能が最も良く、温度表示が飽和しない条件となるため、画像内における最高温度領域を測定できる時である。一方、高感度（低温用）の印加電圧の最適値は、低温領域において高い温度分解能を必要とする所望の温度帯によって異なる。
【０１１８】
処理部３は、式（２）を満たすように低感度条件（高温用）における印加電圧と高感度条件（低温用）における印加電圧とを決定する。
【０１１９】
なお、感度スペクトルＳＳＰ１，ＳＳＰ２は、事前に校正用の黒体放射光源と分光器を用いて測定し、処理部３に記憶する必要がある。しかし、各印加電圧における感度スペクトルの全てを記録すると、膨大なデータ量となるため、感度スペクトルＳＳＰ１，ＳＳＰ２をガウス関数およびローレンツ関数等の適切な関数によって近似し、その近似した関数の係数を処理部３に記録することで処理部３の容量負荷を軽減できる。
【０１２０】
従って、処理部３は、感度スペクトルＳＳＰ１，ＳＳＰ２を近似した関数の係数を保持し、その保持した係数を用いて感度スペクトルＳＳＰ１，ＳＳＰ２を近似する関数を取得し、その取得した関数を用いて式（２）を満たすように低感度条件（高温用）における印加電圧と高感度条件（低温用）における印加電圧とを決定する。
【０１２１】
また、「高温域」および「低温域」の温度範囲は、撮像領域内の最高出力値と最低出力値とにより決定される。出力値（ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）と同様に積算用キャパシタの容量により決定される電圧信号）は、入射光量×露光時間によって決定される。入射光量は、装置の設計事項になり、フィルタおよび視野角によって増減する。従って、入射光量および露光時間によって決定される最高出力値と最低出力値との差によって「高温域」および「低温域」の温度範囲を決定する。
【０１２２】
更に、「高感度」および「低感度」は、式（１）に示す感度スペクトルとバンドパスフィルタの透過波長帯との乗算を積算した値の大小を比較して決定される。
【０１２３】
図１０は、量子ドット型赤外線センサ２０への印加電圧の変化によって感度が低下した場合における対処法を説明するための図である。なお、図１０の（ａ）は、図７と同じであり、図１０の（ｂ）は、図７のバンドパスフィルタの帯域を狭くしたものに相当する。
【０１２４】
ＱＤＩＰおよびＱＷＩＰにおいては、印加電圧の変化により、吸収係数が減少し、バイアスシフトと共に感度が低下する場合がある。この場合、バンドパスフィルタの帯域幅を狭くし、低感度条件において、赤外線に応答する波長域を制御することによって（図１０の（ｂ）参照）、式（２）の条件を満たすことができる。
【０１２５】
図１０の（ｂ）に示す低感度（高温用）の感度スペクトルＳＳＰ１では、バンドパスフィルタの帯域幅が図１０の（ａ）に示す場合よりも狭いので、バンドパスフィルタの帯域幅を透過する放射照度が少なくなり、低感度となり、出力信号が減少する。このように、バイアスシフトと共に感度が低下する場合、バンドパスフィルタの帯域幅を制御することによって、式（２）の条件を満たすようにする。
【０１２６】
図１１は、バンドパスフィルタの帯域幅を狭くすることが困難な場合の対処法を説明するための図である。なお、図１１の（ａ）は、図７と同じであり、図１１の（ｂ）は、図７の感度スペクトルＳＳＰ１を感度スペクトルＳＳＰ１’に変えたものに相当する。
【０１２７】
バンドパスフィルタは、種類、材質および中心波長によっては、帯域幅を狭くすることが困難な場合がある。その場合、ＱＤＩＰおよびＱＷＩＰへの印加電圧を調整し、低感度条件における感度を更に低下させつつ（図１１の（ｂ）参照）、高感度条件における感度を保持・上昇させることによって、式（２）の条件を満たすことができる。
【０１２８】
図１１の（ｂ）に示すように、図１１の（ａ）に示す低感度（高温用）の感度スペクトルＳＳＰ１を更に短波長側にシフトさせた低感度（高温用）の感度スペクトルＳＳＰ１’が得られるように、低感度条件における印加電圧を調整することによって、低感度条件における感度を更に低下させつつ、高感度条件における感度を保持・上昇させることによって、式（２）の条件を満たすようにする。
【０１２９】
図１２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。図１２においては、所定の帯域幅を有するバンドパスフィルタが光学系１に設定されていることを前提に赤外線検出システム１０の動作を説明する。
【０１３０】
図１２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、処理部３は、初期設定の上限温度を読み込む（ステップＳ１）。そして、処理部３は、露光時間を読み込む（ステップＳ２）。
【０１３１】
その後、処理部３は、予め保持している感度スペクトル関数の係数を用いて印加電圧を算出する（ステップＳ３）。そうすると、処理部３は、露光時間と印加電圧とを含む制御信号を制御部４へ出力する。
【０１３２】
制御部４は、制御信号を処理部３から受け、その受けた制御信号に含まれる印加電圧を検出部２の量子ドット型赤外線センサ２０に設定し（ステップＳ４）、制御信号に含まれる露光時間で赤外線を検出するように検出部２の量子ドット型赤外線センサ２０を制御する。
【０１３３】
検出部２の量子ドット型赤外線センサ２０は、制御部４から設定された印加電圧によって感度スペクトルをシフトさせ、そのシフトさせた感度スペクトルにおいて、露光時間の間、電流を検出し（ステップＳ５）、その検出した光電流を処理部３へ出力する。
【０１３４】
処理部３は、検出部２から光電流を受け、仮定した放射率に基づいてプランクの法則によって光電流から温度を算出する（ステップＳ６）。この場合、処理部３は、異なる印加電圧が量子ドット型赤外線センサ２０（「光電変換素子」とも言う。）に印加されたときの出力信号からプランクの法則に基づいた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色法を用いて光電流（強度分布）を温度分布に変換する。また、処理部３は、対象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色法を用いて光電流（強度分布）を温度分布に変換する。
【０１３５】
その後、処理部３は、全ての感度条件における測定が終了したか否かを判定することによって測定が終了したか否かを判定する（ステップＳ７）。この場合、処理部３は、全ての感度条件における測定が終了したと判定したとき、測定を終了すると判定し、全ての感度条件における測定が終了していないと判定したとき、測定を終了しないと判定する。
【０１３６】
ステップＳ７において、測定を終了していないと判定されたとき、処理部３は、異なる感度条件における初期設定の上限温度を読み込む（ステップＳ８）。その後、一連の動作は、ステップＳ２へ移行し、ステップＳ７において測定が終了したと判定されるまでステップＳ２〜ステップＳ８が繰り返し実行される。
【０１３７】
そして、ステップＳ７において、測定を終了したと判定されると、処理部３は、複数の設定の上限温度のうち、最も高い上限温度のデータを読み込み、保持する（ステップＳ９）。そして、処理部３は、次点の上限温度のデータを読み込み、保持する（ステップＳ１０）。
【０１３８】
その後、処理部３は、各画素の温度が次点の上限温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。
【０１３９】
ステップＳ１１において、各画素の温度が次点の上限温度以上でないと判定されたとき、次点の上限温度のデータを最も高い上限温度のデータに上書きする（ステップＳ１２）。
【０１４０】
一方、ステップＳ１１において、各画素の温度が次点の上限温度以上であると判定されたとき、処理部３は、最も高い上限温度のデータを使用する（ステップＳ１３）。そして、ステップＳ１２またはステップＳ１３の後、赤外線検出システム１０の動作が終了する。
【０１４１】
図１２に示すフローチャートのステップＳ３において、処理部３は、感度スペクトル関数の係数を用いて、低感度条件（高温用）および高感度条件（低温用）のいずれか一方の条件（例えば、低感度条件（高温用））における印加電圧を算出する。また、処理部３は、赤外線検出システム１０の動作がステップＳ８からステップＳ２を経由してステップＳ３に移行した場合、感度スペクトル関数の係数を用いて、低感度条件（高温用）および高感度条件（低温用）のいずれか他方の条件（例えば、高感度条件（低温用））における印加電圧を算出する。
【０１４２】
そして、ステップＳ７において、測定を終了すると判定された時点で、処理部３は、低感度条件（高温用）において測定された温度のデジタルデータと、高感度条件（低温用）において測定された温度のデジタルデータとを保持している（ステップＳ９参照）。
【０１４３】
低感度条件（高温用）において測定された温度のデジタルデータの上限温度は、高感度条件（低温用）において測定された温度のデジタルデータの上限温度よりも高いので、低感度条件（高温用）において測定された温度のデジタルデータが最も高い上限温度のデータであり、高感度条件（低温用）において測定された温度のデジタルデータが次点の上限温度のデータである。
【０１４４】
ステップＳ１１においては、低感度条件（高温用）において測定された温度のデジタルデータに基づく各画素の温度が次点の上限温度以上であるか否かが判定される。そして、各画素の温度が次点の上限温度以上でないと判定されたとき、次点の上限温度のデータ（高感度条件（低温用）において測定された温度のデジタルデータ）が最も高い上限温度のデータ（低感度条件（高温用）において測定された温度のデジタルデータ）に上書きされる（ステップＳ１２参照）。例えば、最も高い上限温度が１０００℃であり、次点の上限温度が５００℃である場合、５００℃と表示される画素の表示温度には、５００℃以上の温度域も含んでいるので、最も高い上限温度が１０００℃であるデータを使用し、５００℃未満の温度を示す画素のデータ（次点の上限温度のデータ）を最も高い上限温度が１０００℃であるデータ（最も高い上限温度のデータ）に上書きする。そして、上書き後のデータにおいては、５００℃以上１０００℃未満の画素の表示温度は、低感度条件（高温用）において測定された温度になり、５００℃未満の画素の表示温度は、高感度条件（低温用）において測定された温度になる。
【０１４５】
従って、ステップＳ１２において、次点の上限温度のデータを最も高い上限温度のデータに上書きすることは、最も高い上限温度のデータと次点の上限温度のデータとを統合することに相当する。
【０１４６】
そして、最も高い上限温度が１０００℃であるデータは、例えば、１００℃刻みであり、次点の上限温度が５００℃であるデータは、例えば、１００℃刻みよりも小さい刻みである５０℃刻みである。従って、統合されたデータにおいては、低温領域の温度分解能が高温領域の温度分解能よりも良好であるので、赤外線検出システム１０を用いて被測定領域３０から赤外線を検出することによって、低温領域の温度分解能が良く、高温領域まで測定できる。
【０１４７】
上述したように、処理部３は、放射照度データを一定の分割数（１００℃刻みおよび５０℃刻み等）にて変換して、強度分布を所定の温度分解能を有する温度分布に変換する。
【０１４８】
［実施の形態２］
図１３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１３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の光学系１を光学系１Ａ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。
【０１４９】
光学系１Ａは、バンドパスフィルタを含まずに、レンズを含む。赤外線検出システム１０Ａの検出部２は、大気の窓をバンドパスフィルタとして用いて被測定領域３０からの赤外線を検出する。
【０１５０】
空気中の水蒸気および二酸化炭素によって赤外線が吸収され、透過できない波長帯域が存在し、それ以外の領域は、「大気の窓」と呼ばれる。この「大気の窓」は、帯域固定のバンドパスフィルタと捉えることができる。
【０１５１】
大気の窓は、１．６〜１．８μｍ、２〜２．５μｍ、３．４〜４．２μｍ、４．４〜５．５μｍおよび８〜１４μｍにおいて、高い透過率を示すため、大気の窓に合わせて印加電圧を選択した場合、バンドパスフィルタは、不要となる。その結果、システムの簡略化および低コスト化が可能となる。
【０１５２】
図１４は、実施の形態２における赤外線の測定方法を説明するための図である。図１４を参照して、大気の窓（帯域幅：８〜１４μｍ）をバンドパスフィルタとして用い、低感度（高温用）における中心波長が大気による吸収帯の５．５〜８μｍの間に入るように印加電圧を調整する。その結果、低感度（高温用）の感度スペクトルＳＳＰ１では大気の窓を透過する放射照度が少ないため、低感度となり、出力信号が減少する。一方、高感度（低温用）の感度スペクトルＳＳＰ２では、大気の窓を透過する放射照度が多いため、高感度となり、出力信号が増加する。従って、実施の形態１と同様にして、式（２）を満たすことができる。
【０１５３】
赤外線検出システム１０Ａの動作は、図１２に示すフローチャートに従って実行される。この場合、最初に実行されるステップＳ３において、処理部３は、感度スペクトル関数の係数を用いて、低感度条件（高温用）および高感度条件（低温用）のいずれか一方の条件（例えば、低感度条件（高温用））における印加電圧（中心波長が大気による吸収帯の５．５〜８μｍの間に入る印加電圧）を算出する。また、処理部３は、赤外線検出システム１０Ａの動作がステップＳ８からステップＳ２を経由してステップＳ３に移行した場合、感度スペクトル関数の係数を用いて、低感度条件（高温用）および高感度条件（低温用）のいずれか他方の条件（例えば、高感度条件（低温用））における印加電圧を算出する。
【０１５４】
実施の形態２におけるその他の説明は、実施の形態１における説明と同じである。
【０１５５】
［実施の形態３］
図１５は、実施の形態３における感度条件の概念図である。図１５の（ａ）を参照して、実施の形態１，２においては、高感度条件と低感度条件とを設定して式（２）を満たすように高感度条件における印加電圧と低感度条件における印加電圧とを決定することによって、異なる分解能を有する強度分布または温度分布を得ることを示した。
【０１５６】
図１５の（ｂ）を参照して、実施の形態３においては、高感度条件、中感度条件および低感度条件を設定し、式（３）を満たすように高感度条件における印加電圧、中感度条件における印加電圧、および低感度条件における印加電圧を決定することによって、所望の強度または温度領域において分解能を向上させることが可能となる。
【０１５７】
【数３】
2019184280.tif 000005
【０１５８】
式（３）において、ＴＤ３，Ｈｉｇｈ−ＴＤ３，Ｌｏｗは、低感度条件（高温用）における低温領域の温度ＴＤ３，Ｌｏｗと高温領域の温度ＴＤ３，Ｈｉｇｈとの差であり、ＴＤ２，Ｈｉｇｈ−ＴＤ２，Ｌｏｗは、中感度条件（中温用）における低温領域の温度ＴＤ２，Ｌｏｗと高温領域の温度ＴＤ２，Ｈｉｇｈとの差である。なお、ＴＤ１，Ｈｉｇｈ−ＴＤ１，Ｌｏｗは、実施の形態１において説明したとおりである。
【０１５９】
なお、「中温」の温度範囲は、上述したように入射光量および露光時間によって決定される最高出力値と最低出力値との差によって決定される。また、「高感度」、「中感度」および「低感度」は、式（１）に示す感度スペクトルとバンドパスフィルタの透過波長帯との乗算を積算した値の大小を比較して決定される。
【０１６０】
図１６は、実施の形態３における下限温度が変化した場合における感度条件の概念図である。低温領域の測定限界となる下限温度は、それぞれの感度条件におけるノイズの大小に依存するため、ＴＤ１，Ｌｏｗ、ＴＤ２，Ｌｏｗ、ＴＤ３，Ｌｏｗも変化する。その場合においても、式（３）を満たすよう印加電圧を決定することにより分解能を向上させることもできる。
【０１６１】
図１７は、実施の形態３における赤外線の測定方法を説明するための図である。図１７は、図７に示す分光照度と波長との関係に中感度（中温用）における感度スペクトルＳＳＰ３を追加したものである。
【０１６２】
感度スペクトルＳＳＰ３は、感度スペクトルＳＳＰ１と感度スペクトルＳＳＰ２との間に設定される。従って、感度スペクトルＳＳＰ３が感度スペクトルＳＳＰ１と感度スペクトルＳＳＰ２との間に設定されるように、高感度条件における印加電圧、中感度条件における印加電圧、および低感度条件における印加電圧が決定される。これによって、各温度における温度分解能を向上させることができる。
【０１６３】
実施の形態３における赤外線検出システムは、図１に示す赤外線検出システム１０からなる。
【０１６４】
図１８は、実施の形態３における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。
【０１６５】
図１８に示すフローチャートは、図１２に示すフローチャートにステップＳ１４〜ステップＳ１９を追加したものであり、その他は、図１２に示すフローチャートと同じである。
【０１６６】
赤外線検出システム１０の動作が開示されると、上述したステップＳ１〜ステップＳ１３が順次実行される。
【０１６７】
そして、ステップＳ１２またはステップＳ１３の後、赤外線検出システム１０の処理部３は、次々点の上限温度のデータを読み込み、保持する（ステップＳ１４）。その後、処理部３は、各画素の温度が次々点の上限温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。
【０１６８】
ステップＳ１５において、各画素の温度が次々点の上限温度以上でないと判定されたとき、処理部３は、次々点の上限温度のデータを最も高い上限温度のデータに上書きする（ステップＳ１６）。
【０１６９】
一方、ステップＳ１５において、各画素の温度が次々点の上限温度以上であると判定されたとき、処理部３は、各画素の温度が次点の上限温度以上であるか否かを更に判定する（ステップＳ１７）。
【０１７０】
ステップＳ１７において、各画素の温度が次点の上限温度以上でないと判定されたとき、次点の上限温度のデータを使用する（ステップＳ１８）。
【０１７１】
一方、ステップＳ１７において、各画素の温度が次点の上限温度以上であると判定されたとき、最も高い上限温度のデータを使用する（ステップＳ１９）。
【０１７２】
そして、ステップＳ１６、ステップＳ１８およびステップＳ１９のいずれかの後、赤外線検出システム１０の動作が終了する。
【０１７３】
図１８に示すフローチャートのステップＳ３において、処理部３は、感度スペクトル関数の係数を用いて、低感度条件（高温用）、中感度条件（中温用）および高感度条件（低温用）のいずれか１つの条件（例えば、低感度条件（高温用））における印加電圧を算出する。また、処理部３は、赤外線検出システム１０の動作がステップＳ８からステップＳ２を経由して２回目のステップＳ３に移行した場合、感度スペクトル関数の係数を用いて、低感度条件（高温用）、中感度条件（中温用）および高感度条件（低温用）のうち、残りの２つの条件（中感度条件（中温用）および高感度条件（低温用））のいずれか一方の条件（例えば、中感度条件（中温用））における印加電圧を算出する。更に、処理部３は、赤外線検出システム１０の動作がステップＳ８からステップＳ２を経由して３回目のステップＳ３に移行した場合、感度スペクトル関数の係数を用いて、低感度条件（高温用）、中感度条件（中温用）および高感度条件（低温用）のうち、残りの２つの条件（中感度条件（中温用）および高感度条件（低温用））のいずれか他方の条件（例えば、高感度条件（低温用））における印加電圧を算出する。
【０１７４】
そして、ステップＳ７において、測定を終了すると判定された時点で、処理部３は、低感度条件（高温用）において測定された温度のデジタルデータと、中感度条件（中温用）において測定された温度のデジタルデータと、高感度条件（低温用）において測定された温度のデジタルデータとを保持している（ステップＳ９参照）。
【０１７５】
低感度条件（高温用）において測定された温度のデジタルデータの上限温度は、中感度条件（中温用）において測定された温度のデジタルデータの上限温度よりも高く、中感度条件（中温用）において測定された温度のデジタルデータの上限温度は、高感度条件（低温用）において測定された温度のデジタルデータの上限温度よりも高いので、低感度条件（高温用）において測定された温度のデジタルデータが最も高い上限温度のデータであり、中感度条件（中温用）において測定された温度のデジタルデータが次点の上限温度のデータであり、高感度条件（低温用）において測定された温度のデジタルデータは、次々点の上限温度のデータである。
【０１７６】
ステップＳ１１においては、低感度条件（高温用）において測定された温度のデジタルデータに基づく各画素の温度が次点の上限温度以上であるか否かが判定される。そして、各画素の温度が次点の上限温度以上でないと判定されたとき、次点の上限温度のデータ（中感度条件（中温用）において測定された温度のデジタルデータ）が最も高い上限温度のデータ（低感度条件（高温用）において測定された温度のデジタルデータ）に上書きされる（ステップＳ１２参照）。
【０１７７】
そして、ステップＳ１２、ステップＳ１４およびステップＳ１５の“ＮＯ”からステップＳ１６へ移行した場合、次点の上限温度のデータ（中感度条件（中温用）において測定された温度のデジタルデータ）が上書きされた最も高い上限温度のデジタルデータに次々点の上限温度のデータが更に上書きされる。
【０１７８】
従って、この場合、次点の上限温度のデータ（中感度条件（中温用）において測定された温度のデジタルデータ）および次々点の上限温度のデータ（高感度条件（低温用）において測定された温度のデジタルデータ）が最も高い上限温度のデータ（低感度条件（高温用）において測定された温度のデジタルデータ）に上書きされる。
【０１７９】
例えば、最も高い上限温度が１０００℃であり、次点の上限温度が５００℃であり、次々点の上限温度が１００℃である場合、５００℃と表示される画素の表示温度には、５００℃以上の温度域も含んでいるので、最も高い上限温度が１０００℃であるデータを使用し、５００℃未満の温度を示す画素のデータ（次点の上限温度のデータ）を最も高い上限温度が１０００℃であるデータ（最も高い上限温度のデータ）に上書きする。また、１００℃と表示される画素の表示温度は、１００℃以上の温度域を含んでいるので、１００℃未満の温度を示す画素のデータ（次々点の上限温度のデータ）を、５００℃未満の温度を示す画素のデータ（次点の上限温度のデータ）が上書きされた最も高い上限温度が１０００℃であるデータ（最も高い上限温度のデータ）に上書きする。そして、最終的にステップＳ１６における上書き後のデータにおいては、５００℃以上１０００℃未満の画素の表示温度は、低感度条件（高温用）において測定された温度になり、１００℃以上５００℃未満の画素の表示温度は、中感度条件（中温用）において測定された温度になり、１００℃未満の画素の表示温度は、高感度条件（低温用）において測定された温度になる。
【０１８０】
従って、ステップＳ１２，Ｓ１６において、次点の上限温度のデータおよび次々点の上限温度のデータを最も高い上限温度のデータに上書きすることは、最も高い上限温度のデータと次点の上限温度のデータと次々点の上限温度のデータとを統合することに相当する。
【０１８１】
そして、最も高い上限温度が１０００℃であるデータは、例えば、１００℃刻みであり、次点の上限温度が５００℃であるデータは、例えば、１００℃刻みよりも小さい刻みである５０℃刻みであり、次々点の上限温度のデータは、例えば、５０℃刻みよりも小さい刻みである１０℃刻みである。従って、統合されたデータにおいては、低温領域の温度分解能が中温領域の温度分解能よりも良好であり、中温領域の温度分解能が高温領域の温度分解能よりも良好であるので、赤外線検出システム１０を用いて被測定領域３０から赤外線を検出することによって、実施の形態１，２よりも低温領域の温度分解能が更に向上させ、高温領域まで測定できる。
【０１８２】
また、図１８に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１２、ステップＳ１４、ステップＳ１５の“ＹＥＳ”およびステップＳ１７の”ＮＯ“からステップＳ１８へ移行した場合、次点の上限温度のデータが使用される。
【０１８３】
更に、図１８に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１２、ステップＳ１４、ステップＳ１５の“ＹＥＳおよびステップＳ１７の”ＹＥＳ“からステップＳ１９へ移行した場合、最も高い上限温度のデータが使用される。
【０１８４】
更に、図１８に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１３、ステップＳ１４、およびステップＳ１５の“ＮＯからステップＳ１６へ移行した場合、次々点の上限温度のデータが上書きされた最も高い上限温度のデータが使用される。
【０１８５】
更に、図１８に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ１５の“ＹＥＳおよびステップＳ１７の”ＮＯ“からステップＳ１８へ移行した場合、次点の上限温度のデータが使用される。
【０１８６】
更に、図１８に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ１５の“ＹＥＳおよびステップＳ１７の”ＹＥＳ“からステップＳ１９へ移行した場合、最も高い上限温度のデータが使用される。
【０１８７】
このように、低感度条件（高温用）、中感度条件（中温用）および高感度条件（低温用）を用いて被測定領域３０からの赤外線を検出することによって、低温領域における温度分解能を実施の形態１，２よりも更に向上させて高温領域まで温度を測定できる。
【０１８８】
なお、実施の形態３においては、図１３に示す赤外線検出システム１０Ａを用いて、低感度条件（高温用）、中感度条件（中温用）および高感度条件（低温用）において赤外線を検出してもよい。この場合、感度スペクトルＳＳＰ１，ＳＳＰ２，ＳＳＰ３は、図１７に示す態様と同じ態様で大気の窓の帯域内に設定される。そして、実施の形態３における赤外線検出システム１０Ａの動作は、上述した図１８に示すフローチャートに従って実行される。
【０１８９】
上記においては、式（２）によって高感度条件（低温用）および低感度条件（高温用）における印加電圧を決定し、式（３）によって高感度条件（低温用）、中感度条件（中温用）および低感度条件（高温用）における印加電圧を決定すると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、式（４）を用いて、高感度条件（低温用）および低感度条件（高温用）における印加電圧を決定し、式（５）を用いて、高感度条件（低温用）、中感度条件（中温用）および低感度条件（高温用）における印加電圧を決定してもよい。
【０１９０】
【数４】
2019184280.tif 000006
【０１９１】
【数５】
2019184280.tif 000007
【０１９２】
式（４）において、ＳＤ１，Ｈｉｇｈ−ＳＤ１，Ｌｏｗは、高感度条件（低温用）における低温領域の出力信号ＳＤ１，Ｌｏｗと高温領域の出力信号ＳＤ１，Ｈｉｇｈとの差であり、ＳＤ２，Ｈｉｇｈ−ＳＤ２，Ｌｏｗは、低感度条件（高温用）における低温領域の出力信号ＳＤ２，Ｌｏｗと高温領域の出力信号ＳＤ２，Ｌｏｗとの差である。
【０１９３】
また、式（５）において、ＳＤ３，Ｈｉｇｈ−ＳＤ３，Ｌｏｗは、低感度条件（高温用）における低温領域の出力信号ＳＤ３，Ｌｏｗと高温領域の出力信号ＳＤ３，Ｈｉｇｈとの差であり、ＳＤ２，Ｈｉｇｈ−ＳＤ２，Ｌｏｗは、中感度条件（中温用）における低温領域の出力信号ＳＤ２，Ｌｏｗと高温領域の出力信号ＳＤ２，Ｈｉｇｈとの差である。なお、ＳＤ１，Ｈｉｇｈ−ＳＤ１，Ｌｏｗは、式（４）において説明したとおりである。
【０１９４】
そして、式（４）および式（５）においては、赤外線センサの一般的な性能指数であるＤ＊（ディスター）を用いて、センサ感度だけでなく、センサ面積およびノイズ特性も含めた分解能を定義し、電圧信号Ｓを用いて印加電圧を設定するようにした。
【０１９５】
なお、Ｄ＊は、Ｓ／Ｎ＝１となる入射強度Ｐ（検出限界となる入射強度）を算出する性能指数であり、Ｄ＊＝（Ｓ／Ｎ）＊Δｆ＾（１／２）／（Ｐ・Ｓａ＾（１／２））と表され、電圧信号／ノイズ電圧比Ｓ／Ｎ、センサ面積Ｓａおよびノイズの測定バンド幅Δｆによって規格化されている。よって、電圧信号Ｓは、Ｓ＝Ｄ＊×Ｐ×Ｓａ＾（１／２）×Ｎ／Δｆ＾（１／２）として表される。
【０１９６】
また、上記においては、赤外線検出システム１０，１０Ａは、高感度条件（低温用）および低感度条件（高温用）を用いて赤外線を検出し、または高感度条件（低温用）、中感度条件（中温用）および低感度条件（高温用）を用いて赤外線を検出すると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、赤外線検出システム１０，１０Ａは、４個以上の感度条件を用いて赤外線を検出してもよく、一般的には、複数の感度条件を用いて赤外線を検出してもよい。
【０１９７】
上述した実施の形態１〜実施の形態３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、印加される電圧に応じて異なる検出感度で対象物からの放射赤外線を光電変換する光電変換素子を複数有する赤外線検出器アレイと、光電変換素子に異な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、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強度分布出力手段とを備え、光電変換素子は、印加される電圧によって決定される第１の状態と第２の状態との少なくとも２つの状態を有し、強度分布出力手段は、光電変換素子の第１の状態および第２の状態のそれぞれにおいて検出されたデータに基づいて強度分布を出力するものであればよい。
【０１９８】
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】
【０１９９】
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】
【０２００】
１，１Ａ  光学系、２  検出部、３  処理部、４  制御部、５  表示部、１０，１０Ａ  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、２４，３４  光電変換層、２６，２８  電極、２０  量子ドット型赤外線センサ、２０Ａ  量子井戸型赤外線センサ、３０  被測定領域、２４１，２４１Ａ，２４１Ｂ  量子ドット層、３４１  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、３４１１  井戸層、３４１２  障壁層。
【図１】
2019184280.tif 000008
【図２】
2019184280.tif 000009
【図３】
2019184280.tif 000010
【図４】
2019184280.tif 000011
【図５】
2019184280.tif 000012
【図６】
2019184280.tif 000013
【図７】
2019184280.tif 000014
【図８】
2019184280.tif 000015
【図９】
2019184280.tif 000016
【図１０】
2019184280.tif 000017
【図１１】
2019184280.tif 000018
【図１２】
2019184280.tif 000019
【図１３】
2019184280.tif 000020
【図１４】
2019184280.tif 000021
【図１５】
2019184280.tif 000022
【図１６】
2019184280.tif 000023
【図１７】
2019184280.tif 000024
【図１８】
2019184280.tif 000025