(57)【要約】【課題】視野角と、検出領域の数およびサイズを変えることなく感度を向上させることが可能な赤外線センサを提供する。【解決手段】赤外線センサは、複数のレンズ１０が一曲面上で組み合わされ各レンズ１０の焦点位置が同じである多分割レンズ１と、上記焦点位置よりも多分割レンズ１に近い位置に配置された赤外線検出素子２とを備えている。さらに、赤外線センサは、多分割レンズ１と赤外線検出素子２との間に配置された光学素子３を備えている。光学素子３は、各レンズ１０の各々から入射する赤外線のうち、赤外線検出素子２における多分割レンズ１側の面の中心の法線に対して傾いている赤外線を、上記法線とのなす角度を小さくするように屈折させて赤外線検出素子２へ入射させる機能を有するように設計してある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレンズが一曲面上で組み合わされ前記各レンズの焦点位置が同じである多分割レンズと、前記焦点位置よりも前記多分割レンズに近い位置に配置された赤外線検出素子と、前記多分割レンズと前記赤外線検出素子との間に配置された光学素子とを備え、前記光学素子は、前記各レンズの各々から入射する赤外線のうち、前記赤外線検出素子における前記多分割レンズ側の面の中心の法線に対して傾いている赤外線を、前記法線とのなす角度を小さくするように屈折させて前記赤外線検出素子へ入射させる機能を有することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
前記光学素子は、前記多分割レンズ側に前記各レンズの光軸にそれぞれ交差する複数の入射面を有するプリズムであることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
【請求項３】
前記光学素子は、前記多分割レンズ側の第一面が平面、前記赤外線検出素子側の第二面が凸曲面の平凸レンズであることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
【請求項４】
前記光学素子は、前記多分割レンズ側に前記各レンズの光軸にそれぞれ交差する複数の入射面を有するドーム構造体であることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、焦電素子などからなる赤外線検出素子と、この赤外線検出素子に集光を行う複数のレンズを半球状のドームに配置したマルチレンズとを備えた赤外線センサが知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３００６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この種の赤外線センサでは、赤外線の集光効率を向上させて感度を向上させるために、各レンズのレンズ口径を大きくすることが考えられるが、各レンズのレンズ口径を大きくすると、レンズの数が減少し、検出領域の数が減少してしまう。また、この種の赤外線センサでは、マルチレンズを相似形で大きくすると、マルチレンズと赤外線検出素子との距離が長くなるので、検出領域のサイズが縮小してしまう。
【０００５】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、視野角と、検出領域の数およびサイズを変えることなく感度を向上させることが可能な赤外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の赤外線センサは、複数のレンズが一曲面上で組み合わされ前記各レンズの焦点位置が同じである多分割レンズと、前記焦点位置よりも前記多分割レンズに近い位置に配置された赤外線検出素子と、前記多分割レンズと前記赤外線検出素子との間に配置された光学素子とを備え、前記光学素子は、前記各レンズの各々から入射する赤外線のうち、前記赤外線検出素子における前記多分割レンズ側の面の中心の法線に対して傾いている赤外線を、前記法線とのなす角度を小さくするように屈折させて前記赤外線検出素子へ入射させる機能を有することを特徴とする。
【０００７】
この赤外線センサにおいて、前記光学素子は、前記多分割レンズ側に前記各レンズの光軸にそれぞれ交差する複数の入射面を有するプリズムであることが好ましい。
【０００８】
この赤外線センサにおいて、前記光学素子は、前記多分割レンズ側の第一面が平面、前記赤外線検出素子側の第二面が凸曲面の平凸レンズであることが好ましい。
【０００９】
この赤外線センサにおいて、前記光学素子は、前記多分割レンズ側に前記各レンズの光軸にそれぞれ交差する複数の入射面を有するドーム構造体であるが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の赤外線センサにおいては、視野角と、検出領域の数およびサイズを変えることなく感度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１の赤外線センサの概略断面図である。
【図２】実施形態２の赤外線センサの概略断面図である。
【図３】実施形態３の赤外線センサの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施形態１）
以下では、本実施形態の赤外線センサについて、図１に基づいて説明する。
【００１３】
赤外線センサは、複数のレンズ１０が一曲面上で組み合わされ各レンズ１０の焦点位置が同じである多分割レンズ（マルチレンズ）１と、上記焦点位置よりも多分割レンズ１に近い位置に配置された赤外線検出素子２とを備えている。さらに、赤外線センサは、多分割レンズ１と赤外線検出素子２との間に配置された光学素子３を備えている。光学素子３は、各レンズ１０の各々から入射する赤外線のうち、赤外線検出素子２における多分割レンズ１側の面の中心の法線に対して傾いている赤外線を、上記法線とのなす角度を小さくするように屈折させて赤外線検出素子２へ入射させる機能を有するように設計してある。ここにおいて、多分割レンズ１は、ドーム状に形成されている。赤外線センサは、多分割レンズ１と光学素子３とで、赤外線を集光する集光光学系を構成している。
【００１４】
この赤外線センサは、赤外線を放射する物体（例えば、人など）の動きを検知して検知信号を出力するものである。
【００１５】
赤外線検出素子２としては、例えば、１枚の焦電体基板に４個の素子エレメント（受光部）が形成されたクワッドタイプの焦電素子や、１枚の焦電体基板に２個の素子エレメントが形成されたデュアルタイプの焦電素子や、１枚の焦電体基板に１個の素子エレメントが形成されたシングルタイプの焦電素子などを用いることができる。なお、焦電体基板の材料としては、例えば、ＰｂＴｉＯ3、ＰＺＴ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ＰＺＴ−ＰＭＮ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3−Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）などのセラミック材料、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3などの単結晶材料や、ＰＶＦ2などの高分子材料、などの焦電材料を採用することができる。なお、素子エレメントは、焦電体基板の厚み方向の両面に形成され互いに対向する２つ１組の電極と焦電体基板において２つ１組の電極に挟まれた部分とで構成されるものである。各電極の材料としては、例えば、ＮｉＣｒ、Ｎｉ、金黒などの導電性を有する赤外線吸収材料を採用することができる。
【００１６】
また、赤外線検出素子２としては、ＭＥＭＳ（micro electromechanical systems）製造技術を利用して製造されたＭＥＭＳ赤外線検出素子を用いることが好ましい。ＭＥＭＳ製造技術としては、バルクマイクロマシニング技術、表面マイクロマシニング技術などがある。要するに、ＭＥＭＳ赤外線検出素子は、上述の焦電素子のようなバルク型の赤外線検出素子ではなく、薄膜型の赤外線検出素子である。ＭＥＭＳ赤外線検出素子は、焦電型、サーモパイル型、抵抗ボロメータ型のいずれでもよいが、焦電型であることが好ましい。
【００１７】
赤外線センサは、赤外線検出素子２の他に、赤外線検出素子２の出力信号を信号処理する信号処理部（図示せず）が設けられた基板４を備えている。信号処理部は、例えば、焦電素子よりなる赤外線検出素子２の出力信号を増幅する増幅部と、この増幅部で増幅された電圧信号と閾値とを比較し電圧信号が閾値を超えたか否かを判断する判断部と、この判断部において電圧信号が閾値を超えたと判断されたときに出力を出す出力部とを備えている。なお、赤外線センサの検知対象の物体が人である場合、増幅部としては、例えば、人の動きに近い周波数成分（１Ｈｚを中心とする成分）の電圧信号を増幅するように構成することが好ましい。また、増幅部は、例えば、焦電素子よりなる赤外線検出素子２から出力される出力信号である焦電電流を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、この電流電圧変換回路により変換された電圧信号のうち所定の周波数帯域の電圧信号を増幅する電圧増幅回路とで構成することができる。また、判断部は、コンパレータなどを用いた比較回路で構成することができる。また、出力部は、例えば、判断部において電圧信号が閾値を超えたと判断されたときに検知信号を出力として出す出力回路により構成することができる。
【００１８】
また、赤外線センサは、赤外線検出素子２および信号処理部が設けられた基板４を収納したパッケージ５を備えている。なお、信号処理部は、例えば、増幅部と判断部と出力部とを１チップ化したＩＣ素子により構成することができる。
【００１９】
パッケージ５は、円盤状のステム５１と、このステム５１に接合される有底円筒状のキャップ５２とを備えている。そして、上述の光学素子３が、キャップ５２の底部に形成された開口部５２ａを閉塞するように配置されている。
【００２０】
光学素子３の材料としては、ポリエチレンを採用することもできるが、光学素子３での赤外線の減衰を抑制する観点から、シリコン、ゲルマニウム、カルコゲナイトガラスなどを採用するのが好ましい。光学素子３の材料としてシリコンやゲルマニウムを採用する場合は、シリコン基板やゲルマニウム基板を、例えば、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して加工することで形成することができる。また、光学素子３の材料としてカルコゲナイトガラスを採用する場合は、例えば、プレス加工により形成することができる。なお、パッケージ５は、ステム５１とキャップ５２とが両方とも金属材料により形成されており、光学素子３とキャップ５２とを導電性材料からなる接合部（図示せず）を介して接合してある。これにより、赤外線センサは、光学素子３とキャップ５２とステム５１とを略同電位とすることが可能となり、外来の電磁ノイズの影響を受けにくくなる。
【００２１】
赤外線センサの検知エリアは、赤外線検出素子２と多分割レンズ１とで決まる。ここで、赤外線検出素子２が焦電素子である場合、赤外線センサの検知エリアには、各レンズ１０ごとに、素子エレメントの数の検知ビームが設定される。したがって、検知ビームの数は、〔レンズ１０の数〕×〔素子エレメントの数〕となる。検知ビームは、赤外線検出素子２への赤外線の入射量がピーク範囲になる小範囲であって、検知対象の物体からの赤外線を検出する有効領域であり、検出ゾーンや検出領域とも呼ばれる。なお、多分割レンズ１におけるレンズ１０の数は特に限定するものではない。また、検知ビームには、素子エレメントに１対１で対応した極性がある。
【００２２】
例えば床面などの検知面における検知ビームの形状は、その検知ビームに対応する素子エレメントと相似形である。なお、赤外線センサは、隣り合う検知ビーム間の間隔が小さいほど、赤外線を放射する物体の、より小さな動きを検知することが可能となる。
【００２３】
多分割レンズ１の材料としては、ポリエチレンを採用している。したがって、多分割レンズは、例えば、射出成形により形成することができる。多分割レンズ１の各レンズ１０は、両凸レンズとなっており、赤外線が入射する第一面１０ａの曲率よりも赤外線が出射する第二面１０ｂの曲率を大きく設定してある。また、多分割レンズ１は、上記一曲面を球面の一部としてあるので、各レンズ１０の第一面１０ａの曲率は同じ値となる。
【００２４】
ところで、本実施形態における光学素子３は、多分割レンズ１側に各レンズ１０の光軸にそれぞれ交差する複数の入射面３１ａを有するプリズム３１により構成してある。ここで、プリズム３１の複数の入射面３１ａについては、中央の入射面３１ａと対応するレンズ１０の光軸とのなす角度を略９０°とし、中央の入射面３１ａから離れた入射面３１ａほど、対応するレンズ１０の光軸とのなす角度が大きくなるように設計すればよい。なお、プリズム３１の出射面３１ｂは、１つの平面により構成されている。
【００２５】
図１中の一点鎖線は、各レンズ１０それぞれの光軸に沿って各レンズ１０に入射する赤外線の進行経路を模式的に示したものである。
【００２６】
以上説明した本実施形態の赤外線センサは、複数のレンズ１０が上記一曲面上で組み合わされ各レンズ１０の焦点位置が同じである多分割レンズ１と、上記焦点位置よりも多分割レンズ１に近い位置に配置された赤外線検出素子２と、多分割レンズ１と赤外線検出素子２との間に配置された光学素子３とを備えている。ここにおいて、赤外線センサは、光学素子３が、各レンズ１０の各々から入射する赤外線のうち、赤外線検出素子２における多分割レンズ１側の面の中心の法線に対して傾いている赤外線を、上記法線とのなす角度を小さくするように屈折させて赤外線検出素子２へ入射させる機能を有している。これにより、本実施形態の赤外線センサは、赤外線検出素子２が多分割レンズ１の上記焦点位置に配置されて光学素子３を備えていない場合に比べて、各レンズ１０のレンズ口径と、視野角と、検出領域の数およびサイズを変えることなく感度を向上させることが可能となる。
【００２７】
また、本実施形態の赤外線センサでは、光学素子３が、多分割レンズ１側に各レンズ１０の光軸にそれぞれ交差する複数の入射面３１ａを有するプリズム３１により構成してあるので、光学素子３の薄型化を図ることが可能になり、また、光学素子３の光学設計が容易になる。なお、光学素子３には、不要な赤外線をカットする光学フィルタを適宜設けてもよい。光学フィルタは、例えば、光学多層膜により構成することができる。
【００２８】
（実施形態２）
以下では、本実施形態の赤外線センサについて、図２に基づいて説明する。
【００２９】
本実施形態の赤外線センサは、実施形態１と基本構成が同じであり、光学素子３の形状が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。また、図２中の一点鎖線は、各レンズ１０それぞれの光軸に沿って各レンズ１０に入射する赤外線の進行経路を模式的に示したものである。
【００３０】
本実施形態における光学素子３は、多分割レンズ１側の第一面３２ａが平面、赤外線検出素子２側の第二面３２ｂが凸曲面の平凸レンズである。この平凸レンズは、非球面レンズである。
【００３１】
光学素子３は、例えば、半導体基板を用いて形成されている。更に説明すれば、光学素子３は、所望のレンズ形状に応じて半導体基板（ここでは、シリコン基板）との接触パターンを設計した陽極を半導体基板の一表面側に半導体基板との接触がオーミック接触となるように形成した後に半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液からなる電解液中で半導体基板の他表面側を陽極酸化することで除去部位となる多孔質部を形成してから当該多孔質部を除去することにより形成された半導体レンズ（ここでは、シリコンレンズ）により構成されている。
【００３２】
本実施形態の赤外線センサは、光学素子３が、実施形態１と同様、各レンズ１０の各々から入射する赤外線のうち、赤外線検出素子２における多分割レンズ１側の面の中心の法線に対して傾いている赤外線を、上記法線とのなす角度を小さくするように屈折させて赤外線検出素子２へ入射させる機能を有している。これにより、本実施形態の赤外線センサは、赤外線検出素子２が多分割レンズ１の上記焦点位置に配置されて光学素子３を備えていない場合に比べて、各レンズ１０のレンズ口径と、視野角と、検出領域の数およびサイズを変えることなく感度を向上させることが可能となる。
【００３３】
また、本実施形態の赤外線センサでは、光学素子３を、多分割レンズ１側の第一面３２ａが平面、赤外線検出素子２側の第二面３２ｂが凸曲面の平凸レンズにより構成してあるので、実施形態１に比べて、光学素子３の形成が容易になる。なお、光学素子３には、不要な赤外線をカットする光学フィルタを適宜設けてもよい。光学フィルタは、例えば、光学多層膜により構成することができる。
【００３４】
（実施形態３）
以下では、本実施形態の赤外線センサについて、図３に基づいて説明する。
【００３５】
本実施形態の赤外線センサは、実施形態１と基本構成が同じであり、光学素子３の形状が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。また、図３中の一点鎖線は、各レンズ１０それぞれの光軸に沿って各レンズ１０に入射する赤外線の進行経路を模式的に示したものである。
【００３６】
本実施形態における光学素子３は、多分割レンズ１側に各レンズ１０の光軸にそれぞれ交差する複数の入射面３３ａを有するドーム構造体３３である。ここで、各入射面３３ａは、平面状に形成してあり、中央の入射面３３ａと対応するレンズ１０の光軸とのなす角度を略９０°とし、中央の入射面３３ａから離れた入射面３３ａほど、対応するレンズ１０の光軸と入射面３３ａの法線とのなす角度が大きくなるように設計してある。また、ドーム構造体３３は、各入射面３３ａそれぞれに平行な複数の出射面３３ｂを有している。すなわち、各出射面３３ｂは、ドーム構造体３３の厚み方向において対応する入射面３３ａと平行な平面状に形成してある。光学素子３の材料としては、カルコゲナイトガラスを採用することが好ましい。これにより、光学素子３は、ポリエチレンにより形成されたものに比べて、赤外線の透過率が向上し、赤外線の減衰を抑制することが可能となる。また、光学素子３は、プレス加工により形成することができる。
【００３７】
本実施形態の赤外線センサは、光学素子３が、実施形態１と同様、各レンズ１０の各々から入射する赤外線のうち、赤外線検出素子２における多分割レンズ１側の面の中心の法線に対して傾いている赤外線を、上記法線とのなす角度を小さくするように屈折させて赤外線検出素子２へ入射させる機能を有している。これにより、本実施形態の赤外線センサは、赤外線検出素子２が多分割レンズ１の上記焦点位置に配置されて光学素子３を備えていない場合に比べて、各レンズ１０のレンズ口径と、視野角と、検出領域の数およびサイズを変えることなく感度を向上させることが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態の赤外線センサでは、光学素子３が、多分割レンズ１側に各レンズ１０の光軸にそれぞれ交差する複数の入射面３３ａを有するドーム構造体３３により構成してあるので、光学素子３の光学設計が容易になる。なお、光学素子３には、不要な赤外線をカットする光学フィルタを適宜設けてもよい。光学フィルタは、例えば、光学多層膜により構成することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  多分割レンズ
２  赤外線検出素子
３  光学素子
１０  レンズ
３１  プリズム
３１ａ  入射面
３２  平凸レンズ
３２ａ  第一面
３２ｂ  第二面
３３  ドーム構造体
３３ａ  入射面
【図１】
2013044595.tif 000003
【図２】
2013044595.tif 000004
【図３】
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