JP2011179828A - Multi-wavelength infrared array sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、配列した複数のセンサ画素が関連付けられて用いられる赤外線アレイセンサに関する。 The present invention relates to an infrared array sensor in which a plurality of arrayed sensor pixels are used in association with each other.
1つのセンシング装置が複数の波長帯の光に感応すれば、異なる性質の対象物を検出することができ、便利である。例えば一般に大気の窓と呼ばれる4.4〜5.5μmの波長帯の赤外線と8〜14μmの波長帯の赤外線の両方に感応するセンサであれば、火炎及び人体の両方を検出することができる。 If one sensing device is sensitive to light in a plurality of wavelength bands, it is convenient to detect objects having different properties. For example, a sensor that is sensitive to both infrared rays in the wavelength band of 4.4 to 5.5 μm and infrared rays in the wavelength band of 8 to 14 μm, which are generally called atmospheric windows, can detect both flames and human bodies.
そこで、イメージセンサの分野において、配列の行ごと又は列ごとに、検出する赤外波長帯の異なるセンサが配置されている熱型赤外アレイセンサが提案されている(特許文献1)。この赤外アレイセンサでは、いずれのセンサ画素も反射膜とダイヤフラムとが空洞を介して対向しており、ダイヤフラムがボロメータ材料薄膜とそれを挟むように形成された上下の保護膜とからなっている。但し、一のセンサ画素Aの保護膜は窒化ケイ素からなり、その隣の行(又は列)のセンサ画素Bの保護膜は赤外線に対して透明な酸化ケイ素からなり、反射膜と対向する面の反対側の保護膜上に吸収膜が設けられている。そして、センサ画素Aは保護膜自体が波長10μmの赤外線を吸収し、センサ画素Bは入射光と反射光との干渉に基づき波長4μmの赤外線を吸収膜が吸収する。 Thus, in the field of image sensors, a thermal infrared array sensor has been proposed in which sensors with different infrared wavelength bands to be detected are arranged for each row or column of an array (Patent Document 1). In this infrared array sensor, each sensor pixel has a reflective film and a diaphragm facing each other through a cavity, and the diaphragm is composed of a bolometer material thin film and upper and lower protective films formed so as to sandwich the thin film. . However, the protective film of one sensor pixel A is made of silicon nitride, and the protective film of the sensor pixel B in the adjacent row (or column) is made of silicon oxide that is transparent to infrared rays. An absorption film is provided on the protective film on the opposite side. In the sensor pixel A, the protective film itself absorbs infrared light having a wavelength of 10 μm, and in the sensor pixel B, the absorption film absorbs infrared light having a wavelength of 4 μm based on interference between incident light and reflected light.
吸収された赤外線は熱となってダイアフラムの温度を変化させ、それに伴ってボロメータの抵抗が変わり、電気信号に変換され、その信号がデジタル画像処理で、画像化される(特許文献1、段落0022)。
The absorbed infrared rays become heat to change the temperature of the diaphragm, and accordingly, the resistance of the bolometer is changed and converted into an electric signal, and the signal is imaged by digital image processing (
一方、画像処理を行うことなく検出対象物の位置を特定できるアレイセンサとして、1画素内に第1、第2の2つの温度センサを設け、行ごとに第1の温度センサを直列に接続し、列ごとに第2の温度センサを直列に接続したものが提案されている(特許文献2)。このアレイセンサにおいては、行端及び列端から取り出される出力の変化をもって対象物を検出した画素の位置が特定され、それに基づいて対象物の位置が特定される。 On the other hand, as an array sensor that can specify the position of a detection target without performing image processing, first and second temperature sensors are provided in one pixel, and the first temperature sensors are connected in series for each row. One in which a second temperature sensor is connected in series for each column has been proposed (Patent Document 2). In this array sensor, the position of the pixel that detected the object is specified by the change in the output extracted from the row end and the column end, and the position of the object is specified based on the position.
特許文献1のように画像処理手段を設けたりすることは結局装置全体の占有面積を増し、コストも増す。
それ故、この発明の課題は、特許文献2のアレイセンサを更に改良し、画像処理手段を併設することなく異なる性質の対象物の位置、大きさ、個数を検出することのできる小型の赤外線アレイセンサを低コストで提供することにある。
Providing image processing means as in
Therefore, an object of the present invention is to further improve the array sensor of
その課題を解決するために、この発明の赤外線アレイセンサは、
各々赤外線受光部及び第1、第2の温度検知部を有する複数のセンサ画素を二次元に配列した赤外線アレイセンサにおいて、
隣り合うセンサ画素を熱的及び電気的に分離するとともに吸収波長帯を互いに異ならせ、同一の吸収波長帯の光を吸収するセンサ画素の第1の温度検知部同士が行毎に直列に接続され、第2の温度検知部同士が列ごとに直列に接続されていることを特徴とする。
In order to solve the problem, the infrared array sensor of the present invention is
In an infrared array sensor in which a plurality of sensor pixels each having an infrared light receiving part and first and second temperature detection parts are two-dimensionally arranged,
The first temperature detection units of the sensor pixels that separate adjacent sensor pixels thermally and electrically and have different absorption wavelength bands to absorb light in the same absorption wavelength band are connected in series for each row. The second temperature detectors are connected in series for each column.
この発明の赤外線アレイセンサによれば、ある画素の受光部が対象物より当該画素の吸収波長帯の赤外線を受光すると、受光部が発熱し、その温度上昇を当該画素の第1、第2の温度検知部が読み取ってともに検出信号を出力する。温度検知部としては、サーモパイル、ボロメーター、ダイオードなどを用いることができる。そして、同一の吸収波長帯の光を吸収するセンサ画素の第1、第2の温度検知部同士をそれぞれ行毎、列毎に直列に接続しているので、前記の出力に伴って前記画素の属する行及び列の出力が変化し、対象物を検出した画素の位置が特定される。各画素の位置は、図1に示すようにセンサの視野内における各位置とレンズ等の対応付け手段によって対応付けられており、検出した画素の位置をもって対象物の位置情報が得られる。同時に、その画素の吸収波長帯に基づいて対象物の性質を判別するための情報が得られる。 According to the infrared array sensor of the present invention, when the light receiving unit of a certain pixel receives infrared light in the absorption wavelength band of the pixel from the object, the light receiving unit generates heat, and the temperature rise of the first and second of the pixel is detected. The temperature detector reads and outputs a detection signal. As the temperature detection unit, a thermopile, a bolometer, a diode, or the like can be used. And since the 1st, 2nd temperature detection part of the sensor pixel which absorbs the light of the same absorption wavelength band is connected in series for every row and every column, according to the above-mentioned output, The output of the row and column to which it belongs changes, and the position of the pixel that detected the object is specified. As shown in FIG. 1, the position of each pixel is associated with each position in the field of view of the sensor by association means such as a lens, and the position information of the object is obtained from the detected pixel position. At the same time, information for determining the property of the object based on the absorption wavelength band of the pixel is obtained.
前記センサ画素はフィルタを備え、フィルタの通過帯域の相違によって、吸収する波長帯がセンサ画素間で異ならせられているものであってよい。この場合、全てのセンサ画素に同じ赤外線受光部を適用できる。 The sensor pixel may include a filter, and the wavelength band to be absorbed may be different among the sensor pixels depending on the difference in the pass band of the filter. In this case, the same infrared light receiving unit can be applied to all sensor pixels.
また、前記赤外線受光部がそれ自体特定範囲の波長帯の赤外線を吸収する吸収膜を有し、この吸収膜の相違によってセンサ画素間で異なる波長帯の赤外線を吸収するものであってもよい。更にまた、吸収膜を反射膜と組み合わせて吸収膜に入射光と反射光との干渉光を吸収させるようにし、この吸収膜と反射膜との光学距離の相違によって吸収する波長帯をセンサ画素間で異ならせても良い。この場合、フィルタなどの追加部材を要しない。 In addition, the infrared light receiving unit may include an absorption film that absorbs infrared light in a specific range of wavelength bands, and may absorb infrared light in different wavelength bands between sensor pixels due to the difference in the absorption film. Furthermore, the absorbing film is combined with the reflecting film so that the absorbing film absorbs the interference light between the incident light and the reflected light, and the wavelength band absorbed by the difference in optical distance between the absorbing film and the reflecting film is changed between the sensor pixels. It may be different. In this case, an additional member such as a filter is not required.
対象物の位置を検出するために画像処理手段を併設する必要がない上、複数の波長を検出するために単一のセンサで足りるので、小型化及び低コスト化を実現することができる。 In order to detect the position of the object, it is not necessary to provide an image processing means, and a single sensor is sufficient to detect a plurality of wavelengths. Therefore, downsizing and cost reduction can be realized.
−実施形態1−
図2は第一の実施形態に係る赤外線アレイセンサを模式的に示す平面視ブロック図、図3は図2におけるA部平面図、図4は図3におけるBB断面図である。
赤外線アレイセンサ1は、図2に示すように4行4列の格子状に配列し、波長帯λ1及びλ2のいずれかに対応する16個のセンサ画素2及び図略のレンズを備える。ここではλ1=4.4〜5.5μm、λ2=8〜14μmとする。そして、波長帯λ1に対応する画素2の行方向及び列方向の隣には波長帯λ2に対応する画素2が配置されることにより、各波長帯に対応するセンサ画素2が均等に並べられている。対象物からの光が図略のレンズで絞られて集光する際、センサの視野内における対象物の各位置がいずれかの画素2に対応して入射するように調整されている。
2 is a plan view block diagram schematically showing the infrared array sensor according to the first embodiment, FIG. 3 is a plan view of a portion A in FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view along BB in FIG.
As shown in FIG. 2, the
赤外線アレイセンサ1は、図3及び図4に示すように、1枚の単結晶シリコン基板3の主面にフォトリソ技術にて16組の赤外線受光部4、第1の温度検知部5A、第2の温度検知部5B及び梁6を形成するとともにこれらを図略のエッチング保護マスクで覆った状態でエッチングすることにより、製造される。各組の赤外線受光部4、温度検知部5A、5B及び梁6とその周囲の基板3部分が一つのセンサ画素2を構成する。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
各センサ画素2においては、異方性ウェットエッチングによって形成された逆四角錐台のキャビティ7内に赤外線受光部4が梁6を介して基板3に支持されている。赤外線受光部4は、それ自体が特定範囲の波長帯の赤外線を吸収する薄膜材料からなる。例えば酸化ケイ素膜は波長10μm前後をピークとする波長帯、窒化ケイ素膜は波長13μm前後をピークとする波長帯をそれぞれ吸収する。そして、前記の通り行方向及び列方向に隣り合う画素2間で吸収波長帯が異なるように薄膜材料が画素2ごとに選択されている。その他の構成は画素2間で異なるところは無い。
In each
温度検知部5A、5Bは、サーモパイル型の温度センサであって、いずれも温接点が赤外線受光部4内に、冷接点が赤外線受光部4の周囲の基板3内にそれぞれ形成されて、受光部4が受光した赤外線のエネルギーに対応した電圧値を示す。温接点と冷接点とは梁6内を通って結線されている。各温度検知部5Aの冷接点は、基板3内に形成されたアルミニウム配線を介して一つおいて行方向に隣の画素2の温度検知部5Aの冷接点と直列に接続されている。また、温度検知部5Bも同様に一つおいて列方向に隣の画素2の温度検知部5Bと接続されている。そして、それらの直列回路の一方の端部が共通のグランド端子に接続され、他方の端部がその行又は列のための個別の出力端子に接続されている。
The
従って、梁6は赤外線受光部4及び温度検知部5A、5Bの両方を支持する機能を有する。また、各赤外線受光部4及び各温度検知部5A、5Bは隣の赤外線受光部4及び温度検知部5A、5Bとキャビティ7により熱的にも電気的にも分離されており、ある波長帯に対応する画素2の光吸収に伴う出力変化が別の波長帯に対応する画素2の変化に影響しない。
Therefore, the
この赤外線アレイセンサ1によれば、検出対象物がその波長に対応するいずれかの画素2の視野内に入ったとき、赤外線受光部4が対象物から発せられる赤外線を吸収して発熱する。それに伴って温度検知部5A、5Bの出力電圧が変わり、対象物の検出を示す電圧信号が得られる。図5に示すように、例えば第2行第1列の位置にある画素2が対象物Wを検出すれば、第2行の直列回路の出力端子及び第1列の直列回路の出力端子からそれぞれ所定の電圧信号が得られる。こうして対象物Wを検出した画素2の位置が第2行第1列であると特定され、同時に当該画素2の吸収波長帯λ2に基づいて対象物Wの性質を判別するための情報、即ち対象物Wが人体であることを示唆する情報が得られる。
According to the
尚、ある波長帯に対応するセンサ画素の吸収帯域と、別の波長帯に対応するセンサ画素の吸収帯域とは重なる部分があってもよい。例えば、波長4.4μmにCO2の共鳴放射による特異的な強い放射が観測される炎(図6(a))と、放射量がプランクの放射則に基づいて波長に対してブロードな曲線を示す高温物体(図6(b))との2つが検出対象であるとする。すると、一般的には、図6において、波長帯p1に対応するセンサ画素Pと、波長帯qに対応するセンサ画素Qとが組み合わされて、画素Pが大きく出力し、画素Qが小さく出力することにより炎を検出し、画素P及びQ両方の大きな出力により高温物体を検出するが、画素Pが波長帯p2に対応するものであっても、画素Pのみが大きく出力する場合に炎であることを検知することができるからである。 There may be a portion where the absorption band of a sensor pixel corresponding to a certain wavelength band overlaps with the absorption band of a sensor pixel corresponding to another wavelength band. For example, a flame (FIG. 6 (a)) in which specific strong radiation due to CO2 resonance radiation is observed at a wavelength of 4.4 μm and a curve in which the radiation amount is broad with respect to the wavelength based on Planck's radiation law. Assume that two objects, a high-temperature object (FIG. 6B), are detection targets. Then, in general, in FIG. 6, the sensor pixel P corresponding to the wavelength band p1 and the sensor pixel Q corresponding to the wavelength band q are combined, and the pixel P is output large and the pixel Q is output small. A high temperature object is detected by a large output from both of the pixels P and Q. However, even if the pixel P corresponds to the wavelength band p2, only the pixel P outputs a large flame. This is because it can be detected.
−実施形態2−
図7(a)は第二の実施形態に係る赤外線アレイセンサの要部を示す断面図、図7(b)は(a)のB部拡大図である。
赤外線アレイセンサ10は、実施形態1と同様に4行4列の格子状に規則性をもって配列し、波長帯λ1及びλ2のいずれかに対応する16個のセンサ画素12及び図略のレンズを備える。
Fig.7 (a) is sectional drawing which shows the principal part of the infrared array sensor which concerns on 2nd embodiment, FIG.7 (b) is the B section enlarged view of (a).
As in the first embodiment, the
但し、実施形態1と異なり、赤外線受光部14は、受光面側(即ち図面の上側)よりシート抵抗377Ωの窒化チタン薄膜からなる吸収膜14a、厚さdの酸化ケイ素薄膜からなる透過膜14b及びアルミニウムからなる反射膜14cの積層体である。厚さdは、nを酸化ケイ素の屈折率、λを吸収すべき波長、mを整数とするとき、n・d=(2m+1)λ/4を充足するように画素12毎に定められている。
However, unlike the first embodiment, the
そして、吸収膜14a及び透過膜14bを透過した赤外線が反射膜14cで反射されて入射光と反射光とが干渉し、共振波長が吸収膜14aにて吸収されることにより、吸収膜14aが発熱する。それに伴って温度検知部5A、5Bからの出力電圧が変化する。こうして実施形態1におけると同様に対象物を検出した画素12の位置が特定され、同時に対象物の性質を判別するための情報が得られる。
The infrared light transmitted through the
−実施形態3−
図8は第三の実施形態に係る赤外線アレイセンサの要部を示す断面図である。
赤外線アレイセンサ20は、実施形態1と同様に4行4列の格子状に規則性をもって配列し、波長帯λ1及びλ2のいずれかに対応する16個のセンサ画素22及び図略のレンズを備える。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a main part of an infrared array sensor according to the third embodiment.
As in the first embodiment, the
各センサ画素22は、実施形態1と同様に赤外線受光部4、温度検知部5A、5B及び梁6を有し、それらに加えて赤外線受光部4の上方に設置されたフィルタ8を有する。赤外線受光部4は、実施形態1と同様にそれ自体が特定範囲の波長帯の赤外線を吸収する薄膜材料からなるが、実施形態2のように積層体からなっていてもよい。また、赤外線受光部4は隣り合う画素22間で吸収波長帯が異なるように構成されていても良いし、全て同一のものであってもよい。
Each
例えば、赤外線受光部4が全て同一であって且つ広範囲の波長帯域で一様に吸収するものであっても、一つのフィルタ8(フィルタ8Aとする)とその隣の画素のフィルタ8(フィルタ8Bとする)とで透過領域を異ならせることにより(図9(a))、隣り合う画素22間で吸収波長帯を異ならせることができる(図9(b))。尚、実施形態1で説明したように、ある波長帯に対応するセンサ画素の吸収帯域と、別の波長帯に対応するセンサ画素の吸収帯域とは重なる部分があってもよいことから、赤外線アレイセンサ20は、フィルタを設けたセンサ画素と設けないセンサ画素とを組み合わせた構成であってもよい。
For example, even if the infrared
−実施形態4−
図10は第四の実施形態に係る赤外線アレイセンサを模式的に示す平面視ブロック図である。この実施形態の赤外線アレイセンサ30は、対象物の位置だけでなく面積あるいは個数をも計測可能なもので、そのために実施形態1の赤外線アレイセンサ1の構成に加えて行加算回路31、32及び列加算回路33、34を備える。一つの対象物が同一波長帯に対応する複数の画素2の視野内に入ったときはそれらの出力電圧値が合算される。
FIG. 10 is a plan view block diagram schematically showing an infrared array sensor according to the fourth embodiment. The
そして、行加算回路31は、対象物を検知していない場合に各行の波長λ1に対応する直列回路の出力端子から取り出される出力と、対象物を検知した場合に各行の波長λ1に対応する直列回路の出力端子から取り出される出力との差を全ての行について加算する。同様にして行加算回路32は、波長λ2に対応する演算を行う。列加算回路33、34は、全ての列についてそれぞれ波長λ1、λ2に対応する演算を同様に行う。
The
赤外線アレイセンサ30の作用を図11及び図12とともに説明する。図11は面積を計測する場合の赤外線アレイセンサ30の作用を示す平面図で、図示の便宜上、全ての画素2がλ1、λ2という複数波長のいずれかの波長ではなく同じ波長の対象物に感応するものとする。図中、各行の右端及び各列の下端にある矢印の先に記された「0」、「1」及び「2」の数字は取り出される出力のレベルを概念的に表したものであり、「0」は当該行又は列のどの画素2の検知範囲にも対象物が無い場合を示し、「1」又は「2」はそれぞれ一つ又は二つの画素2の検知範囲に対象物が有る場合を示す。
The operation of the
図示のように、対象物Wが第2行第3列の画素2と第2行第4列の画素2とに跨って検知されれば、第2行の出力端子から取り出される出力レベルが「2」、第3列及び第4列の出力端子から取り出される出力レベルがそれぞれ「1」となる。赤外線アレイセンサ30の視野内に対象物が一つであることが予めわかっていれば、対象物Wの面積が前記隣り合う二つの画素2の検知範囲に相当する大きさであると特定できる。
As shown in the figure, when the object W is detected across the
図12は個数を計測する場合の赤外線アレイセンサ30の作用を示す平面図で、図11と同じく全ての画素2が同じ波長の対象物に感応するものとする。図中、16個の画素2のうち塗りつぶされたものは対象物からの光が照射されていることを示す。対象物は人などのようにその温度がある程度一定のものとする。そして、1人がセンサ30の視野内に入ったときの出力変化量「1」を予め把握しておけば、図13のように4人が視野内に入った場合、全行分の出力の加算値「4」、及び全列分の出力の加算値「4」を1人分の出力変化量「1」で割ることにより、視野内に入った人数が4であると計測される。
FIG. 12 is a plan view showing the operation of the
1、10、20、30 赤外線アレイセンサ
2、12、22 センサ画素
3 基板
4、14 赤外線受光部
5A、5B 温度検知部
6 梁
7 キャビティ
8 フィルタ
31、32、33、34
1, 10, 20, 30
Claims (5)
隣り合うセンサ画素を熱的及び電気的に分離するとともに吸収波長帯を互いに異ならせ、同一の吸収波長帯の光を吸収するセンサ画素の第1の温度検知部同士が行毎に直列に接続され、第2の温度検知部同士が列ごとに直列に接続されていることを特徴とする赤外線アレイセンサ。 In an infrared array sensor in which a plurality of sensor pixels each having an infrared light receiving part and first and second temperature detection parts are two-dimensionally arranged,
The first temperature detection units of the sensor pixels that separate adjacent sensor pixels thermally and electrically and have different absorption wavelength bands to absorb light in the same absorption wavelength band are connected in series for each row. An infrared array sensor, wherein the second temperature detectors are connected in series for each column.
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