JP2011133422A - Thermopile type infrared detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学系として、金属缶内部に高密度ポリエチレンからなる凸形状、及び、フレネル形状体の集光レンズを用いたサーモパイル型赤外線検出装置に関する。 The present invention relates to a thermopile type infrared detection apparatus using a convex lens made of high-density polyethylene in a metal can as an optical system and a Fresnel-shaped condenser lens.
従来用いられている一般的なサーモパイル型赤外線検出装置は、サーモパイル型赤外線検出器内部に配置された赤外線受光素子へ検出対象領域内からの放射赤外線を集光させる光学レンズを、サーモパイル型赤外線検出器内部に配置された赤外線受光素子サイズ及び検出対象領域からなる焦点距離を考慮した光学設計の位置に配置され使用されている。
サーモパイル型赤外線検出器内部に配置された赤外線受光素子へ検出対象領域内からの放射赤外線を集光させる光学レンズは一般にシリコン等の赤外線透過材を用いた、例えば、平凸レンズ等のものが多く使用されており、赤外線を透過させる透過窓を有した金属缶ケースへ接着固定し、サーモパイルチップを電気的接続したリード端子を備えたヘッダーへ抵抗溶接される事で、サーモパイル型赤外線検出器を構成している。
A conventional thermopile type infrared detector used in the past is a thermopile type infrared detector including an optical lens for condensing radiant infrared rays from within a detection target area to an infrared light receiving element disposed inside the thermopile type infrared detector. It is arranged and used at the position of the optical design in consideration of the focal length composed of the size of the infrared light receiving element arranged inside and the detection target region.
An optical lens that condenses the infrared radiation from the detection target area to the infrared light receiving element placed inside the thermopile infrared detector generally uses an infrared transmitting material such as silicon, for example, a plano-convex lens is often used. The thermopile type infrared detector is constructed by bonding and fixing to a metal can case with a transmission window that transmits infrared rays, and resistance welding to a header with lead terminals electrically connected to the thermopile chip. ing.
従来の手法ではサーモパイル型赤外線検出器内部に配置された赤外線受光素子へ検出対象領域内からの放射赤外線を、サーモパイル型赤外線検出器内部に配置された赤外線受光素子サイズ及び検出対象領域からなる焦点距離を考慮した光学設計の位置に集光させるシリコン材等からなる光学レンズを配置する必要があり、シリコン材等からなる光学レンズを使用する事でコストアップの要因となっている。
また、シリコン材等からなる光学レンズは焦点距離の変更により金属缶の高さを変更する必要がある為、光学レンズの焦点距離に応じた新規の金属缶に対してのイニシャルコストによりコストアップの要因となっている。
図3に従来のシリコン材等からなる光学レンズを使用したサーモパイル型赤外線検出装置を示す。
In the conventional method, the infrared radiation from the detection target area is sent to the infrared light receiving element arranged inside the thermopile infrared detector, and the focal length consisting of the size and the detection area of the infrared light receiving element arranged inside the thermopile infrared detector. Therefore, it is necessary to dispose an optical lens made of a silicon material or the like at a position of an optical design in consideration of the above, and using an optical lens made of a silicon material or the like causes a cost increase.
In addition, since the optical lens made of silicon or the like needs to change the height of the metal can by changing the focal length, the initial cost for a new metal can corresponding to the focal length of the optical lens increases the cost. It is a factor.
FIG. 3 shows a thermopile type infrared detecting device using a conventional optical lens made of a silicon material or the like.
また、シリコン材等からなる光学レンズを使用せず、シリコン材等からなる平面フィルターを使用し、光学設計により開口部サイズを絞る事で光学レンズと同等の検出対象領域とする手法に於いては、開口部サイズを絞る事で感度低下の要因となり、ゲイン増幅率の増加、つまりはノイズ大となっている。
図4に従来のシリコン材等からなる平面フィルターを使用し、光学設計により開口部サイズを絞る手法を用いたサーモパイル型赤外線検出装置を示す。
In addition, in the method of using a plane filter made of silicon material, etc., without using an optical lens made of silicon material, etc., and narrowing the aperture size by optical design, it makes the detection target area equivalent to the optical lens. If the aperture size is reduced, the sensitivity is reduced, and the gain amplification factor is increased, that is, the noise is increased.
FIG. 4 shows a thermopile type infrared detecting device using a conventional planar filter made of a silicon material or the like and using a technique of reducing the opening size by optical design.
本発明は、シリコン材等からなる光学レンズの代わりに、平面フィルターを具備し、且つ、高密度ポリエチレンからなる凸形状、及び、フレネル形状体の集光レンズを、TO−5パッケージ内に格納した事を特徴としている。 In the present invention, instead of an optical lens made of a silicon material or the like, a convex filter made of high-density polyethylene and a condensing lens of a Fresnel-shaped body, each having a flat filter, are stored in a TO-5 package. It is characterized by things.
本発明は、シリコン材等からなる光学レンズの代わりに、平面フィルターを具備し、且つ、高密度ポリエチレンからなる凸形状、及び、フレネル形状体の集光レンズとする事で、コストダウンが可能となる。
また、シリコン材等からなる光学レンズは焦点距離の変更により金属缶の高さを変更する必要があるが、フレネル形状体の集光レンズ一体型金属缶内部反射防止筒として格納する事で、焦点距離を金属缶内部での変更となる為、金属缶の高さ変更の必要がなく、つまりは新規金属缶へのイニシャルコストが不要となる。
また、シリコン材等からなる平面フィルターのみを使用し、同等の検出対象領域を得る手法と比較し、光学設計により開口部サイズを絞る必要が無い事で感度を得る事が可能となり、ゲイン増幅率の抑制と、ノイズ小が可能となる。
また、金属缶内部の反射防止筒の代わりに、部品単価もほぼ同等のフレネル形状体の集光レンズ一体型金属缶内部反射防止筒とする事で、部品点数も同一で、作業工数も同一となる為、ほぼ同一のコストにて対応可能となる。
According to the present invention, instead of an optical lens made of a silicon material or the like, a flat filter is provided, and a convex lens made of high-density polyethylene and a condensing lens made of a Fresnel-shaped body enable cost reduction. Become.
In addition, the optical lens made of silicon or the like needs to change the height of the metal can by changing the focal length. Since the distance is changed inside the metal can, there is no need to change the height of the metal can, that is, the initial cost for the new metal can is unnecessary.
In addition, it is possible to obtain sensitivity by eliminating the need to reduce the aperture size by optical design, compared to a method that uses only a plane filter made of silicon material, etc., and obtains an equivalent detection target area, and gain amplification factor Can be suppressed and noise can be reduced.
In addition, instead of the anti-reflection cylinder inside the metal can, a Fresnel-shaped condensing lens-integrated metal can internal anti-reflection cylinder with almost the same unit price is used. Therefore, it becomes possible to cope with almost the same cost.
以下実施例により本発明を詳細に説明する。図1は、本発明のもっとも基本的な実施例であり、高密度ポリエチレンからなる凸形状、及び、フレネル形状体の集光レンズ一体型金属缶内部反射防止筒を金属缶内部に具備したサーモパイル型赤外線検出装置を示すものである。
図1に側面概要構成図を示す。
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. FIG. 1 is the most basic embodiment of the present invention, and is a thermopile type having a convex shape made of high-density polyethylene, and a Fresnel-shaped body-collecting lens integrated anti-reflection tube inside a metal can. An infrared detector is shown.
FIG. 1 shows a schematic side view of the configuration.
本実施例では、赤外線を受光することにより対象物の放射赤外線量を測定し対象物の温度を検出する事を可能にするサーモパイルチップへの赤外線入射量を対象物投影エリアより規定した赤外線検出領域を光学設計により導く高密度ポリエチレンからなる凸形状、及び、フレネル形状体の集光レンズを使用し、赤外線透過窓を有する金属製缶ケース、サーモパイルチップを電気的接続したリード端子を備えたヘッダーと共に外来からの環境的変化や電磁障害を防止するためにハーメチックシールとした一般的な構造であるサーモパイルセンサの赤外線透過窓部へ赤外線透過領域の選択性を有した蒸着コーティング平面フィルターを液状接着剤により金属製缶ケースへ接着固定した構造となっている。
又、本実施例では赤外線透過領域の選択性を有する5μmカットオン蒸着コーティング平面フィルターとして赤外線透過領域を選択させているが、例えば、アンコーティング平面フィルター、5.5μmカットオン蒸着コーティング平面フィルター、6.5μmカットオン蒸着コーティング平面フィルター、8〜14μmバンドパス蒸着コーティング平面フィルター、AR蒸着コーティング平面フィルターでもかまわない。
又、本実施例に於いては、赤外線透過領域の選択性を有する5μmカットオン蒸着コーティング平面フィルターの形状は正方形となっているが、これは、対象物投影エリアより規定した赤外線検出領域を光学設計により導く高密度ポリエチレンからなる凸形状、及び、フレネル形状体の集光レンズの光学設計を妨げない平面フィルターであれば、円形、長方形、六角形でもかまわない。
In this embodiment, an infrared detection region in which the amount of infrared incident on the thermopile chip is determined from the object projection area, which can detect the temperature of the object by measuring the amount of infrared radiation emitted from the object by receiving infrared rays. With a convex can made of high-density polyethylene that guides the optical design and a condenser lens with a Fresnel-shaped body, a metal can case with an infrared transmission window, and a header with lead terminals electrically connected to a thermopile chip A vapor-deposited flat filter with selectivity in the infrared transmission region is applied to the infrared transmission window portion of the thermopile sensor, which is a general structure with a hermetic seal to prevent environmental changes and electromagnetic interference from outside. It is structured to be bonded and fixed to a metal can case.
In this embodiment, the infrared transmission region is selected as a 5 μm cut-on deposition coating flat filter having selectivity of the infrared transmission region. For example, an uncoated planar filter, a 5.5 μm cut-on deposition coating flat filter, 6 .5 μm cut-on vapor deposition coating flat filter, 8-14 μm band pass vapor deposition coating flat filter, AR vapor deposition coating flat filter may be used.
Further, in this embodiment, the shape of the 5 μm cut-on vapor deposition coating flat filter having selectivity of the infrared transmission region is a square shape. This is because the infrared detection region defined by the object projection area is optically defined. As long as it is a flat filter that does not hinder the optical design of the convex lens made of high-density polyethylene guided by design and the condenser lens of the Fresnel shape body, it may be circular, rectangular, or hexagonal.
図2に対象物投影エリア形状概略図を示す。
これにより、本発明による高密度ポリエチレンからなる凸形状、及び、フレネル形状体の集光レンズを具備したサーモパイル型赤外線検出装置は、従来のシリコン等の赤外線透過材を使用した光学レンズを用いたサーモパイル型検出装置の対象物投影エリア、及び平面フィルターを使用し、光学設計により開口部サイズを絞る手法を用いたサーモパイル型赤外線検出装置の対象物投影エリアと同様である事を確認した。
FIG. 2 shows a schematic diagram of an object projection area shape.
As a result, the thermopile type infrared detecting device having a convex lens made of high-density polyethylene according to the present invention and a condensing lens of a Fresnel-shaped body is a thermopile using an optical lens using a conventional infrared transmitting material such as silicon. It was confirmed that the object projection area of the mold detection apparatus and the object projection area of the thermopile infrared detection apparatus using a method of reducing the aperture size by optical design using a planar filter were confirmed.
図5にゲイン増幅率とノイズ出力のグラフ図を示す。
これにより、従来の平面フィルターを使用し、光学設計により開口部サイズを絞る手法を用いたサーモパイル型赤外線検出装置と比較し、ゲイン増幅率の抑制とノイズ小となる事を確認した。
FIG. 5 shows a graph of gain amplification factor and noise output.
As a result, it was confirmed that the gain amplification factor was suppressed and the noise was reduced as compared with a thermopile infrared detector using a conventional flat filter and a method of reducing the aperture size by optical design.
図6に従来のシリコン等の赤外線透過材を使用した光学レンズを用いたサーモパイル型赤外線検出装置の金属缶内部の反射防止筒を無しとした側面概要構成図を示す。
図7に投影される対象物投影エリア図を示す。
従来の図2に示す投影される対象物投影エリア図と比較し、図7に示す投影される対象物投影エリア図に於いて、拡がったエリアを検出している事を確認した。
これは、金属缶内部の反射防止筒を無しとした事で、サーモパイルチップへの赤外線光路に於いて、広範囲の対象物からの赤外線を反射率が高い金属缶内部の赤外線反射により受光する構造となる事を確認し、金属缶内部に於ける反射防止筒の反射防止の効果を確認した。
FIG. 6 shows a schematic side view of a conventional thermopile type infrared detector using an optical lens using an infrared transmitting material such as silicon without an antireflection cylinder inside a metal can.
FIG. 7 shows an object projection area diagram to be projected.
Compared with the projected object projection area diagram shown in FIG. 2 in the prior art, it was confirmed that an expanded area was detected in the projected object projection area diagram shown in FIG.
This is because there is no anti-reflection cylinder inside the metal can, and in the infrared optical path to the thermopile chip, infrared rays from a wide range of objects are received by infrared reflection inside the metal can with high reflectivity. It was confirmed that the anti-reflection effect of the anti-reflection cylinder inside the metal can was confirmed.
図8に、本発明による高密度ポリエチレンからなる凸形状、及び、フレネル形状体の集光レンズを具備したサーモパイル型赤外線検出装置に於いてフレネル形状体の集光レンズ一体型金属缶内部反射防止筒の筒部分を削除した側面概要構成図を示す。
投影される対象物投影エリア図は図7と同様の為、割愛した。
こちらも同様に、金属缶内部におけるフレネル形状体の集光レンズ一体型金属缶内部反射防止筒の筒部分を無しとした事で、サーモパイルチップへの赤外線光路に於いて、広範囲の対象物からの赤外線を反射率が高い金属缶内部の赤外線反射により受光する構造となる事を確認し、金属缶内部に於けるフレネル形状体の集光レンズ一体型金属缶内部反射防止筒の筒部分による反射防止の効果を確認した。
これにより、本発明による高密度ポリエチレンからなる凸形状、及び、フレネル形状体の集光レンズを具備したサーモパイル型赤外線検出装置に於けるフレネル形状体の集光レンズ一体型金属缶内部反射防止筒に於いて、従来のシリコン等の赤外線透過材を使用した光学レンズを用いたサーモパイル型赤外線検出装置の金属缶内部の反射防止筒と同等の効果を得られる事を確認した。
FIG. 8 shows a thermopile type infrared detector having a convex lens made of high-density polyethylene according to the present invention and a condenser lens having a Fresnel-shaped body. The side surface schematic block diagram which deleted the cylinder part of is shown.
Since the projected object projection area diagram is the same as FIG. 7, it is omitted.
Similarly, by eliminating the tube part of the anti-reflection cylinder inside the metal can with a condenser lens integrated into the Fresnel-shaped body inside the metal can, the infrared light path to the thermopile tip can be used from a wide range of objects. Anti-reflection by the cylindrical part of the anti-reflective cylinder with the built-in condenser lens of the Fresnel-shaped body inside the metal can confirmed that the infrared light is received by the infrared reflection inside the metal can with high reflectivity The effect of was confirmed.
As a result, the condensing lens-integrated metal can internal antireflection cylinder of the Fresnel-shaped body in the thermopile-type infrared detecting device provided with the convex lens made of high-density polyethylene according to the present invention and the condensing lens of the Fresnel-shaped body. Thus, it was confirmed that the same effect as the antireflection tube inside the metal can of the thermopile type infrared detecting device using the optical lens using the infrared transmitting material such as silicon can be obtained.
1 金属缶ケース
2 ヘッダー
3 サーモパイルチップ
4 5μmカットオン蒸着コーティング平面フィルター
5 リード
6 液状接着剤
7 高密度ポリエチレン製フレネル形状体の集光レンズ一体型缶内部反射防止筒
8 実施例1のサーモパイル型赤外線検出装置
9 実施例1により投影される検出領域
10 反射防止筒
11 アンコーティングシリコン平凸レンズ
12 実施例1のノイズ出力値
13 従来のシリコンレンズTypeのノイズ出力値
14 従来の平面フィルターTypeのノイズ出力値
15 図6のサーモパイル型赤外線検出装置
16 図6により投影される検出領域
17 高密度ポリエチレン製フレネル形状体の集光レンズ
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