JP2014134402A - 赤外線センサ及び温度補償方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 赤外線センサ及び温度補償方法に関し、光学系内部の温度分布が変化した場合でも、温度板を見ずに補償量の決定を可能にする。
【解決手段】 検出対象波長の第１の赤外線と、それとは波長の異なる第２の赤外線のそれぞれに対する検出出力を出力する赤外線検出素子と、検出対象波長の第１の赤外線を選択的に透過するフィルタと、光学系とを備えた赤外線センサに第２の赤外線の検出出力に応じて第１の赤外線の検出出力を補正する補正手段を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は赤外線センサ及び温度補償方法に関するものであり、例えば、光学系に温度分布が生じるような場合における温度補償機能を有する赤外線センサ及び温度補償方法に関する。

赤外線イメージセンサ、特に、室温付近の放射を感知する用途のセンサの場合、イメージセンサの光学系内部からもその温度に応じた赤外線が放射されているため撮像する画像に影響を与えるのでこれを補償する必要がある。

一般には、一定の温度板をセンサに見せることでその応答からこの補償を行うことが知られている（例えば、特許文献１或いは特許文献２参照）。この補償方式では温度板を見せている時間は観察対象を撮像できないという問題が有る。

これに代わる方法としては、光学系内の温度を温度センサなどで別途測定し、予め温度板を用いて測定した補償係数を光学系内の温度に応じて変化させる方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。この場合は、撮像中に温度板を見せる必要がないので常に観察対象を撮像することができる。

特開平０３−１７９９７７号公報 特開２００４−２４１８１８号公報 特開平１０−１９７３４３号公報

Ｐｒｏｃ.ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．６９４０，６９４００Ｕ，（２００８）

ところで、近年の赤外線イメージセンサの応用分野の拡大に伴って、大規模な光学系を採用したり或いは環境温度が頻繁に大きく変化するような場合がある。その際には、光学系内部の温度が均一ではなくなる場合が多く、光学系内に設置した温度センサの表示だけでは正確な補償が難しくなっている。

したがって、赤外線センサ及び温度補償方法において、光学系内部の温度分布が変化した場合でも、温度板を見ずに補償量を決定できる仕組みを提供することを目的とする。

開示する一観点からは、検出対象波長の第１の波長の赤外線と、前記第１の波長と異なった第２の波長の赤外線の少なくとも２つの波長の赤外線のそれぞれに対する検出出力を出力する赤外線検出素子と、前記第１の波長の赤外線を透過し且つ前記第２の波長の赤外線を遮断するフィルタと、前記第１の波長の赤外線を前記赤外線検出素子上に投影する光学系と、前記第２の波長の赤外線の検出出力に応じて前記第１の波長の赤外線の検出出力を補正する補正手段とを有することを特徴とする赤外線センサが提供される。

開示する別の観点からは、検出対象波長の第１の波長の赤外線を前記第１の波長の赤外線を透過し且つ前記第１の波長と異なった第２の波長の赤外線を遮断するフィルタと、非冷却状態の光学系とを介して所定温度に冷却した赤外線検出素子で前記第１の波長の赤外線及び前記第２の波長の赤外線を検出する工程と、冷却した低温温度板を前記光学系を介して撮影して前記第１の波長の赤外線と前記第２の波長の赤外線の検出出力の相関関係のデータを事前に取得する工程と、前記取得した相関関係のデータに基づいて、前記第２の波長の赤外線の検出出力に応じて前記第１の波長の赤外線の検出出力を補正する工程とを有することを特徴とする温度補償方法が提供される。

開示の赤外線センサ及び温度補償方法によれば、光学系内部の温度分布が変化した場合でも、温度板を見ずに補償量を決定できる仕組みを提供することが可能になる。

本発明の実施の形態の赤外線センサの説明図である。 本発明の実施の形態の光学系に利用可能なレンズ材料の説明図である。 本発明の実施例１の赤外線イメージセンサの概念的構成図である。 ２波長多重量子井戸赤外線検出器の概略的断面図である。 投影レンズ系の一例を示す構成説明図である。 補正情報データベースの取得方法の説明図である。 補正方法の説明図である。 本発明の実施例２の赤外線イメージセンサの概念的構成図である。 ３波長多重量子井戸赤外線検出器の概略的断面図である。 投影レンズ系の一例を示す構成説明図である。

ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の赤外線センサを説明する。図１は本発明の実施の形態の赤外線センサの説明図であり、図１（ａ）は、本発明の赤外線センサの概念的構成図であり、図１（ｂ）は、温度補償方法の説明図である。ここでは、赤外線センサを複数の赤外線検出素子を１次元マトリクス状或いは２次元マトリクス状に配置した赤外線センサアレイとして説明するが、一個の赤外線検出素子でも良いし、少数個の赤外線検出素子でも良い。

図１（ａ）に示すように、本発明の実施の形態の赤外線センサは、波長選択フィルタ１と、光学系２と、赤外線検出素子３とを備えており、赤外線検出素子３は真空容器４の内部に収容されて、冷却手段５により所定の温度、典型的には液体窒素温度に冷却される。

波長選択フィルタ１は測定対象となる第１の波長の赤外線６のみを透過するバンドパスフィルタか、或いは、第１の波長の赤外線６は透過するが、第１の波長の赤外線６とは異なる第２の波長の赤外線７を遮断するローパスフィルタ或いはハイパスフィルタを用いる。なお、光学系２の内部で発生する第２の波長の赤外線７は通常は第１の波長の赤外線６より短波長であるので、通常はローパスフィルタを用いる。

光学系２は、波長選択フィルタ１を透過した第１の波長の赤外線６を赤外線検出素子３に結像するためのものであり、広角投影レンズ系（ＷＦＯＶ）を用いても良いし、狭視野角投影レンズ系（ＸＦＯＶ）を用いても良い。但し、光学系２の特定の位置で熱的に発生した第１の波長の赤外線６と第２の波長の赤外線７が同じ画素に入射するように、第１の波長の赤外線６と第２の波長の赤外線７とに対してほぼ同じ屈折率を持つようにする。

図２は、光学系２に利用可能なレンズ材料の説明図（非特許文献１参照）であり、検出対象となる赤外線の波長に応じてレンズ材料を選択すれば良い。なお、図における、ＡＭＴＩＲはアモルファス赤外線透過ガラスを表し、ＧＡＳＩＲはカルコゲナイドガラスを表す。

赤外線検出素子３は、少なくとも検出対象となる第１の波長の赤外線６とそれとは波長の異なる第２の波長の赤外線７をそれぞれ別個に検出する機能を有しており、典型的には、互いに異なった組成の多層量子井戸構造の光吸収層を用いて形成する。なお、３つの互いに組成の異なった多重量子井戸構造を積層して３波長赤外線検出素子としても良い。或いは、量子ドットを光吸収層とする量子ドット赤外線検出素子を用いても良いし、さらには、ＨｇＣｄＴｅ系のバルク型赤外線検出素子を用いても良い。

被写体から来た第１の波長の赤外線６は、波長選択フィルタ１及び光学系２を順次通過して、各画素が第１の波長の赤外線６と第２の波長の赤外線７にそれぞれ感度を持つ赤外線検出素子３上に結像する。この時、光学系３もそれ自身の温度に相当する赤外線を発するので、赤外線検出素子３に到達する第１の波長の赤外線６には被写体からの赤外線の他に光学系２の内で発生する赤外線の成分が含まれる。光学系３の内に温度分布などが有る場合、その温度分布に相当した強度分布を有する赤外線が赤外線検出素子３上に投影されるので、これが固定パターンノイズの原因となる。

ここで、第２の波長の赤外線７に注目すると、第２の波長の赤外線７は波長選択フィルタ１により外界からの入射が遮断されているので、赤外線検出素子３上に到達する第２の波長の赤外線７は赤外線センサ内の温度により発生した赤外線のみとなる。第１の波長の赤外線６と第２の波長の赤外線７の波長が比較的近い場合、同一の場所から発生した両者の赤外線は赤外線検出素子３上のほぼ同じ位置の画素に結像すると予想され、またその強度は一定の比例関係にあると仮定できる。したがって、各画素で検出した第２の波長の赤外線７の強度から第１の波長の赤外線６の強度の内の赤外線イメージセンサ内で発生した成分を見積もることが可能になる。

即ち、第２の波長の赤外線７から得られた２次元イメージと第１の波長の赤外線６から得られた２次元イメージとの演算処理により、被写体からの第１の波長の赤外線６だけの情報を取り出すことができる。これにより光学系内部の温度分布が変化した場合でも、温度板を見ずに常時補償を行うことが可能になる。

そのためには、赤外線センサに温度補償を行うための補正手段８を設けることが望ましく、この補正手段８には、光学系３の内部で発生した第１の波長の赤外線６と第２の波長の赤外線７の検出出力の相関関係のデータを格納させれば良い。

このような、相関関係のデータを取得するためには、事前に所定の温度に冷却した低温温度板を光学系２を介して撮影して第１の波長の赤外線６と第２の波長の赤外線７の検出出力の相関関係を求めれば良い。

図１（ｂ）は、補正方法の概念的説明図であり、光学系２の内部で発生した第１の波長の赤外線６の光強度分布Ｂ、即ち、固定ノイズパターンを相関関係のデータに基づいて取得する。そして、被写体を撮像した第１の波長の赤外線６の光強度分布Ａからこの光強度分布Ｂを引くと被写体からのみの第１の波長の赤外線６の光強度分布Ｃが得られることになる。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば光学系内部などでそれ自身の温度による輻射が発生し、撮像画像に影響を与える様な条件下においても、撮像を中断することなく固定パターンノイズを除去した赤外線像を得ることが可能になる。また、光学系などを均一な温度に保持する必要がなくなるので、システム全体の小型化や低価格化を実現することが可能になる。

次に、図３乃至図７を参照して、本発明の実施例１の赤外線イメージセンサを説明する。図３は、本発明の実施例１の赤外線イメージセンサの概念的構成図であり、光学系部２０と赤外線検出素子部３０を備えるとともに、演算回路５１及び補正情報データベース５２を備えている。

光学系部２０は、筐体２１の入射部に７μｍの赤外線を透過せず、９μｍの赤外線を透過するローパスフィルタ２２を設け、その内部に投影レンズ系２３を収容している。ローパスフィルタ２２としては、ＬＰ-８０４５（株式会社スペクトラ・コープ製商品型番）を用いる。

一方、赤外線検出素子部３０は、窓３２を備えた真空容器３１に２波長多重量子井戸赤外線検出器４０が収容され、この２波長多重量子井戸赤外線検出器４０は冷凍機３３により液体窒素温度に冷却される。また、２波長多重量子井戸赤外線検出器４０は、迷光を遮断するコールドシールド３４で囲われている。

図４は、２波長多重量子井戸赤外線検出器の概略的断面図である。ｉ型ＧａＡｓベース層４１上にｎ型ＧａＡｓコンタクト層４２、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層４３、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４４、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４５及びｎ型ＧａＡｓコンタクト層４６を順次積層した構造とし、表面に回折格子４７を形成する。また、画素ピッチは３０μｍで有効画素面積は２８μｍ×２８μｍとする。

ここでは、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層４３は、ピーク感度が９μｍになるように、５０ｎｍのアンドープＡｌ_０.２６Ｇａ_０.７４Ａｓ障壁層と５ｎｍで４×１０^１７ｃｍ^-３のｎ型ＧａＡｓ井戸層を交互に積層し、６２層の井戸層と６３層の障壁層で構成する。一方、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４５は、ピーク感度が７μｍになるように、５０ｎｍのアンドープＡｌ_０.３４Ｇａ_０.６６Ａｓ障壁層と５ｎｍで４×１０^１７ｃｍ^-３のｎ型ＧａＡｓ井戸層を交互に積層し、６２層の井戸層と６３層の障壁層で構成する。

ｉ型ＧａＡｓベース層４１側から入射した赤外線は、回折格子４７で回折されて多重量子井戸構造に対して傾斜して入射することで、７μｍの赤外線はｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４５で吸収され、９μｍの赤外線はｎ型ＭＱＷ第１光吸収層４３で吸収される。

図５は、投影レンズ系の一例を示す構成説明図であり、ここでは、広角投影レンズ系（ＷＦＯＶ）を用いる。

図６は、補正情報データベース取得方法の説明図であり、図６（ａ）は測定系の説明図であり、図６（ｂ）は測定結果の説明図である。図３に示した赤外線イメージセンサ全体を窓６１を備えた恒温容器６０内に収容し、真空装置６２内に収容した液体窒素温度に冷却した低温温度板６３を２波長多重量子井戸赤外線検出器４０で撮影する。この時、低温温度板６３は液体窒素温度になっているので赤外線の輻射はなく、したがって、２波長多重量子井戸赤外線検出器４０で検出された赤外線は光学系由来の赤外線となる。

このような測定を、実際の測定環境における環境温度近傍の温度範囲において、温度をずらしながら一定にした状態で繰り返して測定を行い、９μｍの赤外線の強度と７μｍの赤外線の強度の相関関係を取得する。図６（ｂ）は測定結果を概念的に示した図であり、各測定点は異なった温度における測定結果をしている。

図７は、補正方法の説明図であり、実際の測定においては、９μｍの測定画像と７μｍの測定画像を演算回路５１へ入力するとともに、補正情報データベースも入力する。図７（ｂ）に示すように、７μｍの測定画像の画素毎の光強度Ｌ_７μｍを図６（ｂ）に示した補正情報データベースと対比して当該強度に対応する９μｍの赤外線の光強度Ｌ_９μｍを求める。この求めた画素毎に求めた光強度Ｌ_９μｍを、９μｍの測定画像の画素毎に減算することによって、被写体由来の画像が得られる。

このように、本発明の実施例１においては、特定の波長の赤外線で被写体を撮像する際に、２波長多重量子井戸赤外線検知器を用いて光学系で発生する赤外線による固定パターンノイズを除去しているので、小型の装置構成で連続撮像が可能なる。

次に、図８乃至図１０を参照して、本発明の実施例２の赤外線イメージセンサを説明する。図８は、本発明の実施例２の赤外線イメージセンサの概念的構成図であり、光学系部２０と赤外線検出素子部３０を備えるとともに、演算回路５１及び補正情報データベース５２を備えている。

光学系部２０は、筐体２１の入射部に６μｍの赤外線を透過せず、５μｍの赤外線と９μｍの赤外線を透過するバンドパスフィルタ２４を設け、その内部に投影レンズ系２５を収容している。

一方、赤外線検出素子部３０は、窓３２を備えた真空容器３１に３波長多重量子井戸赤外線検出器７０が収容され、この３波長多重量子井戸赤外線検出器７０は冷凍機３３により液体窒素温度に冷却される。また、３波長多重量子井戸赤外線検出器７０は、迷光を遮断するコールドシールド３４で囲われている。

図９は、３波長多重量子井戸赤外線検出器の概略的断面図である。ｉ型ＧａＡｓベース層７１上にｎ型ＧａＡｓコンタクト層７２、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７４、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６、ｎ型ＭＱＷ第３光吸収層７７及びｎ型ＧａＡｓコンタクト層７８を順次積層した構造とする。 また、表面に回折格子７９を形成するとともに、画素ピッチは３０μｍで有効画素面積は２８μｍ×２８μｍとする。

ここでは、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５及びｎ型ＭＱＷ第３光吸収層７７は、ピーク波長がそれぞれ９μｍ、６μｍ及び５μｍになるように、障壁層と井戸層の厚さ及び組成を調整する。

ｉ型ＧａＡｓベース層７１側から入射した赤外線は、回折格子７９で回折されて多重量子井戸構造に対して傾斜して入射する。その結果、５μｍの赤外線はｎ型ＭＱＷ第３光吸収層７７で吸収され、６μｍの赤外線はｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５で吸収され、９μｍの赤外線はｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３で吸収される。

図１０は、投影レンズ系の一例を示す構成説明図であり、ここでは、狭視野角投影レンズ系（ＸＦＯＶ）を用いる。

本発明の実施例２においては、６μｍの赤外線の信号はバンドパスフィルタ２４により遮断されているので、３波長多重量子井戸赤外線検出器７０で検出された６μｍの赤外線は、主に光学系から発生した赤外線に相当する。この６μｍの赤外線の情報を基に５μｍの赤外線と９μｍの赤外線について、光学系内で発生した赤外線成分の補正を行うことで、２波長を測定対象とする赤外線イメージセンサにおいても、固定パターンノイズの低減が可能になる。

ここで、実施例１及び実施例２を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）検出対象波長の第１の波長の赤外線と、前記第１の波長と異なった第２の波長の赤外線の少なくとも２つの波長の赤外線のそれぞれに対する検出出力を出力する赤外線検出素子と、前記第１の波長の赤外線を透過し且つ前記第２の波長の赤外線を遮断するフィルタと、前記第１の波長の赤外線を前記赤外線検出素子上に投影する光学系と、前記第２の波長の赤外線の検出出力に応じて前記第１の波長の赤外線の検出出力を補正する補正手段とを有することを特徴とする赤外線センサ。
（付記２）前記赤外線検出素子が、前記第１の波長の赤外線に対して前記第２の波長の赤外線と反対側の波長変動側の第３の波長の赤外線に対する検出出力を検出する機能を有し、
前記補正手段は、前記第３の波長の赤外線の出力に応じて前記第１の波長の赤外線の出力をさらに補正する機能を有することを特徴とする付記１に記載の赤外線センサ。
（付記３）前記赤外線検出素子が、１次元状或いは２次元状にモノリシックに多数個配置されていることを特徴とする付記１または付記２に記載の赤外線センサ。
（付記４）前記赤外線検出素子が真空容器内に配置されて冷却手段により所定の温度に冷却されるとともに、前記フィルタが前記フィルタと前記赤外線検出素子との間に配置された前記光学系とともに非冷却状態で配置されていることを特徴とする付記３に記載の赤外線センサ。
（付記５）前記光学系が複数のレンズを有し、前記複数のレンズの前記第１の波長の赤外線及び前記第２の波長の赤外線に対する各屈折率が、前記光学系の特定の位置において発生した前記第１の波長の赤外線と前記第２の波長の赤外線が、前記複数の赤外線検出素子の内の同一の赤外線検出素子に入射する程度にほぼ同一の屈折率を有することを特徴とする付記４に記載の赤外線センサ。
（付記６）前記補正手段が、冷却した低温温度板を前記光学系を介して撮影して事前に取得した前記第１の波長の赤外線と前記第２の波長の赤外線の検出出力の相関関係のデータを格納していることを特徴とする付記５に記載の赤外線センサ。
（付記７）検出対象波長の第１の波長の赤外線を前記第１の波長の赤外線を透過し且つ前記第１の波長と異なった第２の波長の赤外線を遮断するフィルタと、非冷却状態の光学系とを介して所定温度に冷却した赤外線検出素子で前記第１の波長の赤外線と前記第２の波長の赤外線を検出する工程と、冷却した低温温度板を前記光学系を介して撮影して前記第１の波長の赤外線と前記第２の波長の赤外線の検出出力の相関関係のデータを事前に取得する工程と、前記取得した相関関係のデータに基づいて、前記第２の波長の赤外線の検出出力に応じて前記第１の波長の赤外線の検出出力を補正する工程とを有することを特徴とする温度補償方法。

１ 波長選択フィルタ
２ 光学系
３ 赤外線検出素子
４ 真空容器
５ 冷却手段
６ 第１の波長の赤外線
７ 第２の波長の赤外線
８ 補正手段
２０ 光学系部
２１ 筐体
２２ ローパスフィルタ
２３，２５ 投影レンズ系
２４ バンドパスフィルタ
３０ 赤外線検出素子部
３１ 真空容器
３２ 窓
３３ 冷凍機
３４ コールドシールド
４０ ２波長多重量子井戸赤外線検出器
４１，７１ ｉ型ＧａＡｓベース層
４２，７２ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
４３，７３ ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層
４４，７４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
４５，７５ ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層
４６，７６ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
４７，７９ 回折格子
５１ 演算回路
５２ 補正情報データベース
６０ 恒温容器
６１ 窓
６２ 真空装置
６３ 低温温度板
７０ ３波長多重量子井戸赤外線検出器
７７ ｎ型ＭＱＷ第３光吸収層
７８ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層

Claims (5)

1. 検出対象波長の第１の波長の赤外線と、前記第１の波長と異なった第２の波長の赤外線の少なくとも２つの波長の赤外線のそれぞれに対する検出出力を出力する赤外線検出素子と、
   前記第１の波長の赤外線を透過し且つ前記第２の波長の赤外線を遮断するフィルタと
   前記第１の波長の赤外線を前記赤外線検出素子上に投影する光学系と、
   前記第２の波長の赤外線の検出出力に応じて前記第１の波長の赤外線の検出出力を補正する補正手段と
   を有することを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記赤外線検出素子が、１次元状或いは２次元状にモノリシックに多数個配置されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記赤外線検出素子が真空容器内に配置されて冷却手段により所定の温度に冷却されるとともに、
   前記フィルタが前記フィルタと前記赤外線検出素子との間に配置された前記光学系とともに非冷却状態で配置されていることを特徴とする請求項２に記載の赤外線センサ。
4. 前記光学系が複数のレンズを有し、前記複数のレンズの前記第１の波長の赤外線及び前記第２の波長の赤外線に対する各屈折率が、前記光学系の特定の位置において発生した前記第１の波長の赤外線と前記第２の波長の赤外線が、前記複数の赤外線検出素子の内の同一の赤外線検出素子に入射する程度にほぼ同一の屈折率を有することを特徴とする請求項３に記載の赤外線センサ。
5. 検出対象波長の第１の波長の赤外線を前記第１の波長の赤外線を透過し且つ前記第１の波長と異なった第２の波長の赤外線を遮断するフィルタと、非冷却状態の光学系とを介して所定温度に冷却した赤外線検出素子で前記第１の波長の赤外線と前記第２の波長の赤外線を検出する工程と、
   冷却した低温温度板を前記光学系を介して撮影して前記第１の波長の赤外線と前記第２の波長の赤外線の検出出力の相関関係のデータを事前に取得する工程と、
   前記取得した相関関係のデータに基づいて、前記第２の波長の赤外線の検出出力に応じて前記第１の波長の赤外線の検出出力を補正する工程と
   を有することを特徴とする温度補償方法。

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