(57)【要約】【課題】レンズから被写体までの距離が適切でない場合であっても鮮明な画像を取得することができる赤外線撮像素子及び赤外線撮像装置を提供する。【解決手段】赤外線撮像素子１００には、複数の赤外線センサ１２１を含むセンサアレイ１２０と、複数の赤外線センサ１２１の入射側に設けられた複数の赤外線ガイド素子１３１を含むガイド素子アレイ１３０と、が含まれる。赤外線ガイド素子１３１は、当該赤外線ガイド素子１３１に入射してくる赤外線をその入射角に応じた方向に向けて出射する。【選択図】図１
2017163403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の赤外線センサを含むセンサアレイと、
前記複数の赤外線センサの入射側に設けられた複数の赤外線ガイド素子を含むガイド素子アレイと、
を有し、
前記赤外線ガイド素子は、当該赤外線ガイド素子に入射してくる赤外線をその入射角に応じた方向に向けて出射することを特徴とする赤外線撮像素子。
【請求項２】
前記ガイド素子アレイは複数のピンホールを含むピンホールアレイであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項３】
前記ガイド素子アレイは複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項４】
前記センサアレイが赤外線透過基板の一方の面に設けられ、
前記ガイド素子アレイが前記赤外線透過基板の他方の面に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線撮像素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子を冷却する冷却手段と、
を有することを特徴とする赤外線撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線撮像素子及び赤外線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線撮像素子によれば、可視光の撮像素子とは異なる条件下で撮像を行うことができる。しかしながら、従来の赤外線撮像素子は、レンズから被写体までの距離が適切である場合に鮮明な画像を取得できるものの、そうでない場合は鮮明な画像を取得することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３３１４３５号公報
【特許文献２】特開昭５９−１０８４７９号公報
【特許文献３】特開２０１２−６５２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、レンズから被写体までの距離が適切でない場合であっても鮮明な画像を取得することができる赤外線撮像素子及び赤外線撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
赤外線撮像素子の一態様には、複数の赤外線センサを含むセンサアレイと、前記複数の赤外線センサの入射側に設けられた複数の赤外線ガイド素子を含むガイド素子アレイと、が含まれる。前記赤外線ガイド素子は、当該赤外線ガイド素子に入射してくる赤外線をその入射角に応じた方向に向けて出射する。
【０００６】
赤外線撮像装置の一態様には、上記の赤外線撮像素子と、前記赤外線撮像素子を冷却する冷却手段と、が含まれる。
【発明の効果】
【０００７】
上記の赤外線撮像素子等によれば、適切な赤外線ガイド素子が含まれるため、レンズから被写体までの距離が適切でない場合であっても鮮明な画像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の作用を示す図である。
【図３】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す断面図である。
【図４】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の作用を示す図である。
【図５】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す断面図である。
【図６】第４の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す断面図である。
【図７】第５の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す断面図である。
【図８】第６の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す断面図である。
【図９】第７の実施形態に係る赤外線撮像装置を示す図である。
【図１０】第８の実施形態に係る赤外線撮像システムの構成を示すブロック図である。
【図１１】赤外線撮像装置内の回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す断面図である。
【００１１】
図１に示すように、第１の実施形態に係る赤外線撮像素子１００には、複数の赤外線センサ１２１を含むセンサアレイ１２０、並びに複数の赤外線センサ１２１の入射側に設けられた複数の赤外線ガイド素子１３１を含むガイド素子アレイ１３０が含まれる。赤外線ガイド素子１３１は、当該赤外線ガイド素子１３１に入射してくる赤外線をその入射角に応じた方向に向けて出射する。
【００１２】
図２（ａ）に示すように、赤外線撮像素子１００に入射してくる像が赤外線ガイド素子１３１ａにて結像する場合、赤外線センサ１２１ａ、１２１ｂ及び１２１ｃの出力の和により、焦点の合った像を得ることができる。また、図２（ｂ）に示すように、赤外線撮像素子１００に入射してくる像がセンサアレイ１２０より後方のある一点にて結像する場合、赤外線センサ１２１ｃ、１２１ｅ及び１２１ｇの出力の和により、焦点の合った像を得ることができる。従って、センサアレイ１２０にて赤外線が検出された後であっても、計算の対象とする赤外線センサの組み合わせに応じて、種々の位置に焦点を合わせることができる。つまり、可視光線を用いたライトフィールドカメラのように、撮像後であってもライトフィールド情報を用いて焦点の調整を行うことができる。このため、撮像時にレンズから被写体までの距離が適切でない場合であっても鮮明な画像を取得することができる。
【００１３】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す断面図である。
【００１４】
図３に示すように、第２の実施形態に係る赤外線撮像素子１０１には、赤外線が透過可能な基板１１０、基板１１０の一方の面に設けられたセンサアレイ１２０、及び基板１１０の他方の面に設けられたガイド素子アレイ１３０が含まれる。センサアレイ１２０に複数の赤外線センサ１２１が含まれ、ガイド素子アレイ１３０に複数の赤外線ガイド素子１３１が含まれる。赤外線ガイド素子１３１は、当該赤外線ガイド素子１３１に入射してくる赤外線をその入射角に応じた方向に向けて出射する。
【００１５】
図４（ａ）に示すように、赤外線撮像素子１０１に入射してくる像が赤外線ガイド素子１３１ａにて結像する場合、赤外線センサ１２１ａ、１２１ｂ及び１２１ｃの出力の和により、焦点の合った像を得ることができる。また、図４（ｂ）に示すように、赤外線撮像素子１０１に入射してくる像がセンサアレイ１２０より後方のある一点にて結像する場合、赤外線センサ１２１ｃ、１２１ｅ及び１２１ｇの出力の和により、焦点の合った像を得ることができる。従って、第１の実施形態と同様に、撮像時にレンズから被写体までの距離が適切でない場合であっても鮮明な画像を取得することができる。
【００１６】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図５は、第３の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す断面図である。
【００１７】
図５に示すように、第３の実施形態に係る赤外線撮像素子２００には、基板２１１上の複数の赤外線センサ２２１を含むセンサアレイ２２０、並びに複数の赤外線センサ２２１の入射側に設けられた複数のマイクロレンズ２３１を含むマイクロレンズアレイ２３０が含まれる。マイクロレンズ２３１は、当該マイクロレンズ２３１に入射してくる赤外線をその入射角に応じた方向に向けて出射する。
【００１８】
赤外線センサ２２１は、例えば量子ドット型赤外線検知素子（Quantum Dot Infrared Photodetector：ＱＤＩＰ）である。マイクロレンズ２３１には、例えばＳｉ、Ｇｅ等の赤外線透過材料が用いられている。マイクロレンズアレイ２３０はガイド素子アレイの一例である。
【００１９】
赤外線撮像素子２００でも、第１の実施形態と同様に、センサアレイ２２０にて赤外線が検出された後であっても、計算の対象とする赤外線センサの組み合わせに応じて、種々の位置に焦点を合わせることができる。つまり、撮像後であってもライトフィールド情報を用いて焦点の調整を行うことができる。このため、撮像時にレンズから被写体までの距離が適切でない場合であっても鮮明な画像を取得することができる。
【００２０】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図６は、第４の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す断面図である。
【００２１】
図６に示すように、第４の実施形態に係る赤外線撮像素子３００には、基板３１１上の複数の赤外線センサ３２１を含むセンサアレイ３２０、並びに複数の赤外線センサ３２１の入射側に設けられた複数のピンホール３３１を含むピンホールアレイ３３０が含まれる。ピンホール３３１は、当該ピンホール３３１に入射してくる赤外線をその入射角に応じた方向に向けて出射する。
【００２２】
赤外線センサ３２１は、例えばＱＤＩＰである。ピンホールアレイ３３０では、遮蔽膜３３２にピンホール３３１が形成されている。遮蔽膜３３２は、例えば金属膜である。ピンホールアレイ３３０はガイド素子アレイの一例である。
【００２３】
赤外線撮像素子３００でも、第１の実施形態と同様に、センサアレイ３２０にて赤外線が検出された後であっても、計算の対象とする赤外線センサの組み合わせに応じて、種々の位置に焦点を合わせることができる。つまり、撮像後であってもライトフィールド情報を用いて焦点の調整を行うことができる。このため、撮像時にレンズから被写体までの距離が適切でない場合であっても鮮明な画像を取得することができる。
【００２４】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。図７は、第５の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す断面図である。
【００２５】
図７に示すように、第５の実施形態に係る赤外線撮像素子５００には、赤外線が透過可能な基板５１０、基板５１０の一方の面に形成されたセンサアレイ５２０、及び基板５１０の他方の面に形成されたマイクロレンズアレイ５３０が含まれる。センサアレイ５２０に複数の赤外線センサ５２１が含まれ、マイクロレンズアレイ５３０に複数のマイクロレンズ５３１が含まれる。マイクロレンズ５３１は、当該マイクロレンズ５３１に入射してくる赤外線をその入射角に応じた方向に向けて出射する。
【００２６】
基板５１０は、例えばＧａＡｓ基板であり、この裏面（上記他方の面）がマイクロレンズ５３１の形状に加工されている。マイクロレンズアレイ５３０はガイド素子アレイの一例である。赤外線センサ５２１は、例えばＱＤＩＰである。
【００２７】
赤外線撮像素子５００でも、第２の実施形態と同様に、センサアレイ５２０にて赤外線が検出された後であっても、計算の対象とする赤外線センサの組み合わせに応じて、種々の位置に焦点を合わせることができる。つまり、撮像後であってもライトフィールド情報を用いて焦点の調整を行うことができる。このため、撮像時にレンズから被写体までの距離が適切でない場合であっても鮮明な画像を取得することができる。
【００２８】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。図８は、第６の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す断面図である。
【００２９】
図８に示すように、第６の実施形態に係る赤外線撮像素子６００には、赤外線が透過可能な基板６１０、基板６１０の一方の面に形成されたセンサアレイ６２０、及び基板６１０の他方の面に形成されたピンホールアレイ６３０が含まれる。センサアレイ６２０に複数の赤外線センサ６２１が含まれ、ピンホールアレイ６３０に複数のピンホール６３１が含まれる。ピンホール６３１は、当該ピンホール６３１に入射してくる赤外線をその入射角に応じた方向に向けて出射する。
【００３０】
基板６１０は、例えばＧａＡｓ基板であり、この裏面（上記他方の面）上に赤外線に対する遮蔽膜６３２が形成され、遮蔽膜６３２にピンホール６３１が形成されている。遮蔽膜６３２は、例えば金属膜である。ピンホールアレイ６３０はガイド素子アレイの一例である。赤外線センサ６２１は、例えばＱＤＩＰである。
【００３１】
赤外線撮像素子６００でも、第２の実施形態と同様に、センサアレイ６２０にて赤外線が検出された後であっても、計算の対象とする赤外線センサの組み合わせに応じて、種々の位置に焦点を合わせることができる。つまり、撮像後であってもライトフィールド情報を用いて焦点の調整を行うことができる。このため、撮像時にレンズから被写体までの距離が適切でない場合であっても鮮明な画像を取得することができる。
【００３２】
（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態について説明する。第７の実施形態は赤外線撮像素子を含む赤外線撮像装置の一例に関する。図９は、第７の実施形態に係る赤外線撮像装置を示す図である。
【００３３】
第７の実施形態に係る赤外線撮像装置４００には、図９に示すように、略円筒状の容器４１３が含まれ、容器４１３内に冷却ヘッド４１１が配置されている。冷却ヘッド４１１には、赤外線撮像素子４０１及び読出回路４０２が搭載されている。冷却ヘッド４１１は、例えば冷凍機又はペルチェ素子等の冷却装置（図示せず）にコールドフィンガ４１２を介して熱的に接続されており、冷却装置により冷却される。容器４１３の端部に赤外線透過窓４１４が設けられており、赤外線透過窓４１４を介して容器４１３内に赤外線が入射し、赤外線撮像素子４０１に受光される。冷却ヘッド４１１の赤外線撮像素子４０１等が搭載された面は、コールドシールド４１５により覆われている。赤外線撮像装置４００は、レンズ４２１の後方に配置して使用される。赤外線撮像素子４０１に、赤外線撮像素子１００、１０１、２００、３００、５００又は６００が用いられる。
【００３４】
このような冷却型の赤外線撮像装置４００では、撮像の度に、室温と８０Ｋ〜１５０Ｋ程度の低温との間で降温と昇温とが繰り返される。冷却ヘッド４１１が金属製の場合に、マイクロレンズアレイ２３０がＧａＡｓ等の半導体製であると、これらの間の線熱膨張係数の差が大きく、大きな熱応力が繰り返し印加されることになる。一方、ピンホールアレイ３３０の遮蔽膜３３２が金属製であると、冷却ヘッド４１１との間の線熱膨張係数の差が小さく、大きな熱応力は印加されにくい。従って、信頼性の観点から、ピンホールアレイ３３０は冷却型の赤外線撮像装置４００に好適である。
【００３５】
（第８の実施形態）
次に、第８の実施形態について説明する。第８の実施形態は赤外線撮像装置を含む赤外線撮像システムの一例に関する。図１０は、第８の実施形態に係る赤外線撮像システムの構成を示すブロック図であり、図１１は、赤外線撮像装置内の回路構成を示す図である。
【００３６】
赤外線撮像素子４０１には、複数の画素２１ａが垂直方向及び水平方向に配列した画素エリア２１、垂直シフトレジスタ２２並びに水平シフトレジスタ２３が含まれている。垂直シフトレジスタ２２及び水平シフトレジスタ２３には、信号処理装置３０から駆動信号線を介してパルス信号が供給される。垂直シフトレジスタ２２及び水平シフトレジスタ２３は、それらのパルス信号により決定されるタイミングで、画素エリア２１の各画素２１ａから映像信号を読み出す。垂直シフトレジスタ２２及び水平シフトレジスタ２３により読み出された映像信号は、アンプ２９により増幅された後、映像信号線４１を介して信号処理装置３０に伝達される。
【００３７】
信号処理装置３０には、Ａ／Ｄ変換器３１及び映像信号処理回路３２が含まれている。Ａ／Ｄ変換器３１は、映像信号線４１を介して入力されたアナログの映像信号をデジタルの映像信号に変換する。映像信号処理回路３２は、Ａ／Ｄ変換器３１から伝達された映像信号に対し種々の処理を施して表示装置４０に出力する。
【００３８】
各画素２１ａに、図１１に示すように、トランジスタＴ1及びトランジスタＴ2が含まれている。トランジスタＴ1はソースホロアアンプとして機能し、トランジスタＴ2はスイッチング素子として機能する。トランジスタＴ1のソースに電源から配線２７を介して電圧Ｖ1が供給される。トランジスタＴ1のドレインと垂直データバス２８との間にトランジスタＴ2が接続されている。トランジスタＴ2のゲートは、水平方向（行方向）に並んだ画素２１ａを共通に接続する垂直選択線２６を介して、垂直シフトレジスタ２２に接続されている。トランジスタＴ2のソースは、垂直方向（列方向）に並んだ画素２１ａを共通に接続する垂直データバス２８に接続されている。各画素２１ａに、赤外線センサを含み、当該赤外線センサが受光した赤外線の量に応じた電圧を出力する赤外線検出部２１ｂが含まれる。赤外線センサに、赤外線センサ１２１、２２１又は３２１が用いられる。
【００３９】
垂直シフトレジスタ２２は、例えば数１００個又はそれ以上の出力端子を有し、これら出力端子はそれぞれ垂直選択線２６に接続されている。垂直シフトレジスタ２２に所定のタイミングで“Ｈ”レベルと“Ｌ”レベルとに変化するパルス信号Φ1及びΦ2が供給される。そして、垂直シフトレジスタ２２は、パルス信号Φ1及びΦ2で決まるタイミングで複数の端子に順番に行選択信号を出力する。
【００４０】
水平シフトレジスタ２３は、例えば数１００個又はそれ以上の出力端子を有し、これら出力端子はそれぞれトランジスタＴ3のゲートに接続されている。トランジスタＴ3のドレインはそれぞれ対応する垂直データバス２８に接続され、ドレインは映像信号線４１に接続されている。水平シフトレジスタ２３に所定のタイミングで“Ｈ”レベルと“Ｌ”レベルとに変化するパルス信号Φ3及びΦ4が供給される。そして、水平シフトレジスタ２３は、パルス信号Φ3及びΦ4により決まるタイミングで、複数の端子に順番に列選択信号を出力する。
【００４１】
映像信号線４１と接地との間にトランジスタＴ4が接続されている。トランジスタＴ4のゲートに電源から電圧Ｖ2が供給される。トランジスタＴ4は、トランジスタＴ1、Ｔ2及びＴ3にバイアス電流を流すための定電流回路として用いられる。
【００４２】
垂直シフトレジスタ２２は、パルス信号Φ1及びΦ2で決まる１フレーム期間（例えば１／６０秒又は１／３０秒）に、出力端子に順番に行選択信号を出力する。トランジスタＴ2は、そのゲートに垂直選択線２６を介して行選択信号が入力される間だけオンになる。水平シフトレジスタ２３は、パルス信号Φ3及びΦ4で決まる１行分の読み出し時間内に、出力端子に順番に列選択信号を出力する。この結果、トランジスタＴ3が順番にオンになって、行選択信号により選択された１行分の画素２１ａから順次映像信号が読み出され、それらの映像信号が映像信号線４１を介して信号処理装置３０に送られる。
【００４３】
このようにして画素エリア２１に含まれる各画素２１ａからの映像信号の読み出しが行われる。トランジスタＴ1〜Ｔ4、垂直シフトレジスタ２２、水平シフトレジスタ２３、垂直選択線２６、配線２７、垂直データバス２８及びアンプ２９が読出回路４０２に含まれる。
【００４４】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００４５】
（付記１）
複数の赤外線センサを含むセンサアレイと、
前記複数の赤外線センサの入射側に設けられた複数の赤外線ガイド素子を含むガイド素子アレイと、
を有し、
前記赤外線ガイド素子は、当該赤外線ガイド素子に入射してくる赤外線をその入射角に応じた方向に向けて出射することを特徴とする赤外線撮像素子。
【００４６】
（付記２）
前記ガイド素子アレイは複数のピンホールを含むピンホールアレイであることを特徴とする付記１に記載の赤外線撮像素子。
【００４７】
（付記３）
前記複数のピンホールは金属膜に形成されていることを特徴とする付記２に記載の赤外線撮像素子。
【００４８】
（付記４）
前記ガイド素子アレイは複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイであることを特徴とする付記１に記載の赤外線撮像素子。
【００４９】
（付記５）
前記マイクロレンズにＳｉ又はＧｅが用いられていることを特徴とする付記４に記載の赤外線撮像素子。
【００５０】
（付記６）
前記センサアレイが赤外線透過基板の一方の面に設けられ、
前記ガイド素子アレイが前記赤外線透過基板の他方の面に設けられていることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線撮像素子。
【００５１】
（付記７）
付記１乃至６のいずれか１項に記載の赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子を冷却する冷却手段と、
を有することを特徴とする赤外線撮像装置。
【符号の説明】
【００５２】
１００、１０１、２００、３００、４０１、５００、６００：赤外線撮像素子
１１０：基板
１２０、２２０、３２０、５２０、６２０：センサアレイ
１２１、２２１、３２１、５２１、６２１：赤外線センサ
１３０：ガイド素子アレイ
１３１：赤外線ガイド素子
２３０、５３０：マイクロレンズアレイ
２３１、５３１：マイクロレンズ
３３０、６３０：ピンホールアレイ
３３１、６３１：ピンホール
４００：赤外線撮像装置
【図１】
2017163403.tif 000003
【図２】
2017163403.tif 000004
【図３】
2017163403.tif 000005
【図４】
2017163403.tif 000006
【図５】
2017163403.tif 000007
【図６】
2017163403.tif 000008
【図７】
2017163403.tif 000009
【図８】
2017163403.tif 000010
【図９】
2017163403.tif 000011
【図１０】
2017163403.tif 000012
【図１１】
2017163403.tif 000013