JP2014142319A - 赤外線応用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期安定性を向上させることが可能な赤外線応用装置を提供する。
【解決手段】赤外線応用装置１００は、光源１と、第１受光素子２ａと、第２受光素子２ｂと、第１光学系３ａと、第２光学系３ｂと、信号処理部４とを備える。第１光学系３ａは、光源１と第１受光素子２ａとの間に配置される。第２光学系３ｂは、光源１と第２受光素子２ｂとの間に配置される。第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂは、赤外線を受光して光電変換した出力信号を発生する。信号処理部４は、第１受光素子２ａの出力信号と第２受光素子２ｂの出力信号との差分もしくは比に基づく出力を発生する。光源１は、熱放射により赤外線を放射する赤外光源である。第１光学系３ａと第２光学系３ｂとは、互いに透過波長域が異なり、且つ、各透過波長域の両方よりも長波長側の所定波長域の平均透過率が等しい。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線応用装置に関するものである。

赤外線応用装置としては、例えば、光源と、２つ受光素子と、前記光源と各前記受光素子との間に配置された２つの光学系と、２つの前記受光素子の出力信号の差分もしくは比に基づく出力を発生する信号処理部とを備えたものがある。この種の赤外線応用装置としては、例えば、赤外線式ガスセンサ等が知られている。赤外線式ガスセンサとしては、例えば、図１５に示す構成を備えたＣＯセンサ１２１が知られている（特許文献１）。

ＣＯセンサ１２１は、赤外線（「赤外光」ともいう。）を発生する光源１０５と、光源１０５からの赤外線を検出する２つの検出器１０６ａ、１０６ｂと、２つのフィルタ１０７ａ、１０７ｂとを備えている。また、ＣＯセンサ１２１は、２つの検出器１０６ａ、１０６ｂの差動出力からＣＯの濃度に関係する出力を発生する検出値処理手段を備えている。

ＣＯセンサ１２１は、光源１０５としてタングステンランプが用いられている。また、ＣＯセンサ１２１は、検出器１０６ａ、１０６ｂの各々が、例えば、サーモパイル、ボロメータ、焦電素子等の受光素子により構成されている。フィルタ１０７ａの透過の窓は、ＣＯの吸収波長帯域である４．６μｍ波長帯域に設定されている。フィルタ１０７ｂの透過の窓は、ＣＯの吸収波長帯域及び対象環境に含まれる赤外吸収波長帯域以外である４．０μｍ波長帯域に設定されている。

特開２００４−２３９６１１号公報

ＣＯセンサ１２１では、光源１０５の経時的な特性変化に起因して感度が低下してしまう懸念がある。赤外線応用装置は、ＣＯセンサ１２１に限らず、光源の経時的な特性変化が長期安定性に影響を与えることが考えられる。

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、長期安定性を向上させることが可能な赤外線応用装置を提供することにある。

本発明の赤外線応用装置は、光源と、第１受光素子と、第２受光素子と、前記光源と前記第１受光素子との間に配置される第１光学系と、前記光源と前記第２受光素子との間に配置される第２光学系と、前記第１受光素子の出力信号と前記第２受光素子の出力信号との差分もしくは比に基づく出力を発生する信号処理部とを備え、前記光源は、熱放射により赤外線を放射する赤外光源であり、前記第１光学系と前記第２光学系とは、互いに透過波長域が異なり、且つ、前記各透過波長域の両方よりも長波長側の所定波長域の平均透過率が等しいことを特徴とする。「平均透過率が等しい」とは、厳密に同一でなくてもよく、略同一であればよいという意味であり、例えば、｜〔前記第１光学系の前記平均透過率と前記第２光学系の前記平均透過率との差〕／〔前記第１光学系の前記平均透過率又は前記第２光学系の前記平均透過率〕｜×１００（％）が５％以下であるのが好ましく、３％以下であるのがより好ましい。

この赤外線応用装置において、前記第１光学系は、前記第１光学系の前記透過波長域を規定する第１フィルタ部と、前記所定波長域の赤外線の透過率を低くする第２フィルタ部とを備え、前記第２光学系は、前記第２光学系の前記透過波長域を規定する第３フィルタ部と、前記所定波長域の赤外線の透過率を低くする第４フィルタ部とを備えることが好ましい。

この赤外線応用装置において、前記第２フィルタ部及び前記第４フィルタ部は、前記所定波長域の赤外線を吸収することで透過率を低くするフィルタであることが好ましい。

この赤外線応用装置において、前記第２フィルタ部と前記第４フィルタ部とは、１枚の基板に形成されてなることが好ましい。

この赤外線応用装置において、前記第１光学系は、前記所定波長域の赤外線を反射することで透過率を低くする第５フィルタ部を備え、前記第２光学系は、前記所定波長域の赤外線を反射することで透過率を低くする第６フィルタ部を備えることが好ましい。

この赤外線応用装置において、前記第５フィルタ部と前記第６フィルタ部とは、１枚の基板に形成されてなることが好ましい。

本発明の赤外線応用装置は、長期安定性を向上させることが可能となる。

実施形態１の赤外線応用装置の概略構成図である。 （ａ）は実施形態１の赤外線応用装置における第１光学系の模式説明図、（ｂ）は実施形態１の赤外線応用装置における第２光学系の模式説明図である。 実施形態１の赤外線応用装置における第１光学系及び第２光学系それぞれの透過スペクトルの模式的な説明図である。 実施形態１の赤外線応用装置の特性の模式的な説明図である。 （ａ）は実施形態１の赤外線応用装置における赤外線放射素子の概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’概略断面図である。 （ａ）は実施形態１の赤外線応用装置における要部の概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’概略断面図、（ｃ）は実施形態１の赤外線応用装置における要部の概略下面図である。 実施形態１の赤外線応用装置における第１光学系及び第２光学系の他の構成例を示す模式説明図である。 実施形態１の赤外線式ガスセンサの要部の概略分解斜視図である。 （ａ）は実施形態１の赤外線式ガスセンサの要部の概略斜視図、（ｂ）は実施形態１の赤外線式ガスセンサの要部の破断斜視図である。 実施形態１の赤外線式ガスセンサの模式説明図である。 実施形態２の赤外線応用装置の概略構成図である。 実施形態２の赤外線応用装置における要部の光学特性図である。 実施形態２の赤外線応用装置における第１光学系の透過スペクトルの説明図である。 実施形態３の赤外線応用装置の概略構成図である。 従来例を示すＣＯセンサの構成を模式的に説明する図である。

（実施形態１）
以下では、赤外線応用装置１００について図１に基づいて説明する。

赤外線応用装置１００は、光源１と、第１受光素子２ａと、第２受光素子２ｂと、第１光学系３ａと、第２光学系３ｂと、信号処理部４とを備える。第１光学系３ａは、光源１と第１受光素子２ａとの間に配置される。第２光学系３ｂは、光源１と第２受光素子２ｂとの間に配置される。第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂは、赤外線を受光して光電変換した出力信号を発生する。信号処理部４は、第１受光素子２ａの出力信号と第２受光素子２ｂの出力信号との比に基づく出力を発生する。信号処理部４は、第１受光素子２ａの出力信号と第２受光素子２ｂの出力信号との比ではなく、第１受光素子２ａの出力信号と第２受光素子２ｂの出力信号との差分に基づく出力を発生するようにしてもよい。

光源１は、熱放射により赤外線を放射する赤外光源である。第１光学系３ａと第２光学系３ｂとは、互いに透過波長域（透過帯域）が異なる。第１光学系３ａとしては、例えば、図２（ａ）に示すような第１光学フィルタ３１を用いることができる。また、第２光学系３ｂとしては、例えば、図２（ｂ）に示すような第２光学フィルタ３２を用いることができる。図２（ａ）の第１光学フィルタ３１は、基板３１ｓと、第１光学系３ａの透過波長域を規定する第１フィルタ部３１ａと、第１フィルタ部３１ａの透過波長域よりも長波長側の所定波長域の赤外線の透過率を低くする第２フィルタ部３１ｂとを備えている。また、図２（ｂ）の第２光学フィルタ３２は、基板３２ｓと、第２光学系３ｂの透過波長域を規定する第３フィルタ部３２ａと、第３フィルタ部３２ａの透過波長域よりも長波長側の所定波長域の赤外線の透過率を低くする第４フィルタ部３２ｂとを備えている。図２（ａ）における第２フィルタ部３１ｂは、所定波長域の赤外線を吸収することで遮断するフィルタである。図２（ｂ）における第４フィルタ部３２ｂは、所定波長域の赤外線を吸収することで遮断するフィルタである。

図３は、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂの透過スペクトルの模式的な説明図である。ここで、図３（ｃ）は、図３（ａ）の透過スペクトルを有する第１フィルタ部３１ａと、図３（ｂ）の透過スペクトルを有する第２フィルタ部３１ｂとで構成される第１光学系３ａの透過スペクトルを示している。また、図３（ｆ）は、図３（ｄ）の透過スペクトルを有する第３フィルタ部３２ａと、図３（ｅ）の透過スペクトルを有する第４フィルタ部３２ｂとで構成される第２光学系３ｂの透過スペクトルを示している。図３（ａ）〜（ｆ）のλ_１は、第１フィルタ部３１ａの透過波長域の中心波長を示している。また、図３（ａ）〜（ｆ）のλ_２は、第３フィルタ部３２ａの透過波長域の中心波長を示している。

図３からも分かるように、赤外線応用装置１００は、第１光学系３ａが、第１フィルタ部３１ａ及び第３フィルタ部３１ｂを備え、第２光学系３ｂが、第２フィルタ部３２ａ及び第４フィルタ部３２ｂを備えていることにより、所定波長域の赤外線の透過率を低減することが可能となり、各受光素子２ａ，２ｂそれぞれの出力信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。また、赤外線応用装置１００は、第２フィルタ部３１ｂ及び第４フィルタ部３２ｂが、所定波長域の赤外線を吸収することで透過率を低くするフィルタであるので、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂそれぞれでの赤外線の反射を抑制することが可能となる。

ところで、本願発明者らは、鋭意研究の結果、第１光学系３ａと第２光学系３ｂとで、第１光学系３ａの透過波長域と第２光学系３ｂの透過波長域との両方よりも長波長側の透過率が異なりやすいという実験結果を得た。図４には、第１光学系３ａの透過スペクトル（透過率の波長依存性）を模式的に説明するために実線で示し、第２光学系３ｂの透過スペクトルを模式的に説明するために一点鎖線で示してある。

一方、熱放射により赤外線を放射する光源１では、例えば、この光源１の経時的な特性変化に起因して、同じ入力電力での光源１の到達温度が低下した場合、放射スペクトル（放射エネルギの波長依存性）が変化する。図４には、温度Ｔ１（例えば、８００℃）での光源１の放射スペクトルを模式的に説明するために二点鎖線で示し、温度Ｔ２（＜Ｔ１）での光源１の放射スペクトルを模式的に説明するために破線で示してある。

そして、本願発明者らは、光源１への同じ入力電力での光源１の到達温度が低下した場合、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂそれぞれのＳ／Ｎ比が変化し、第１受光素子２ａのＳ／Ｎ比と第２受光素子２ｂのＳ／Ｎ比との相対比が変化するため、感度が変化してしまうと考えた。

一方、本願発明者らは、鋭意研究の結果、第１光学系３ａ同士でも製造ばらつき等によって、透過波長域よりも長波長側の透過率にばらつきが生じるという実験結果を得た。そこで、本願発明者らは、赤外線応用装置１００の第１光学系３ａと第２光学系３ｂとで、第１光学系３ａの透過波長域と第２光学系３ｂの透過波長域との両方よりも長波長側の所定波長域の平均透過率が等しい第１光学系３ａと第２光学系３ｂとの組み合わせを用いることを考えた。このような組み合わせを用いるには、例えば、予め、多数の第１光学系３ａの所定波長域の平均透過率のデータを１対１で記録しておくとともに、多数の第２光学系３ｂの所定波長域の平均透過率のデータを１対１で記録しておき、所定波長域の平均透過率が等しい第１光学系３ａと第２光学系３ｂとの組み合わせを適宜選択することが考えられる。これにより、赤外線応用装置１００は、第１光学系３ａと第２光学系３ｂとで、第１光学系３ａの透過波長域と第２光学系３ｂの透過波長域との両方よりも長波長側の所定波長域の平均透過率を等しくすることが可能となる。また、赤外線応用装置１００の製造方法で考えた場合には、多数の第１光学系３ａ及び多数の第２光学系３ｂから第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂを、より無駄なく利用することが可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。

そして、本実施形態の赤外線応用装置１００は、第１光学系３ａと第２光学系３ｂとで、第１光学系３ａの透過波長域と第２光学系３ｂの透過波長域との両方よりも長波長側の所定波長域の平均透過率が等しいことを特徴とする。これにより、赤外線応用装置１００は、光源１の経時的な特性劣化が長期安定性に与える影響を低減することが可能となる。よって、赤外線応用装置１００は、長期安定性の優れたものとすることが可能となる。「平均透過率」とは、所定波長域における透過率の平均値である。この「平均透過率」の算出方法については、例えば、赤外線波長域のうち所定波長域の最短波長から最長波長の間における、透過率が１００％となる仮想透過スペクトルを積分した面積（Ｓ１）に対する、分光器等により実測した透過スペクトルを積分した面積（Ｓ２）の割合（Ｓ２／Ｓ１）を平均透過率と定義することができる。面積Ｓ１は、仮想スペクトルと当該仮想スペクトルの横軸（波長軸）とで囲まれた領域の面積である。例えば、最短波長を１０μｍ、最長波長を２５μｍとした場合には、Ｓ１＝１００×（２５−１０）となる。面積Ｓ２は、実測したスペクトルと当該スペクトルの横軸（波長軸）とで囲まれた領域の面積である。「平均透過率が等しい」とは、厳密に同一でなくてもよく、略同一であればよいという意味であり、例えば、｜〔第１光学系３ａの平均透過率と第２光学系３ｂの平均透過率との差〕／〔第１光学系３ａの平均透過率又は第２光学系３ｂの平均透過率〕｜×１００（％）が５％以下であるのが好ましく、３％以下であるのがより好ましい。「光源１の経時的な特性劣化が長期安定性に与える影響を低減する」とは、光源１への同じ入力電力での光源１の到達温度が低下した場合、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂそれぞれのＳ／Ｎ比が変化しても、第１受光素子２ａのＳ／Ｎ比と第２受光素子２ｂのＳ／Ｎ比との相対比の変化を抑制することができ、感度の変化を抑制できることを意味する。

図１に示した構成の赤外線応用装置１００は、赤外線式ガスセンサである。なお、図１中の矢印付きの線は、光源１から放射された赤外線の進行経路を模式的に示したものである。

赤外線式ガスセンサは、光源１と各受光素子２ａ、２ｂとの間に配置された試料セル６を備えている。試料セル６は、検知対象のガスを含む気体もしくは検知対象のガスが導入されるセルである。赤外線式ガスセンサでは、検知対象のガスの種類によって赤外線の吸収波長が異なるので、ガスの識別性を高めることが可能となる。吸収波長は、例えば、ＣＨ_４（メタン）が３．３μｍ、ＣＯ_２（二酸化炭素）が４．３μｍ、ＣＯ（一酸化炭素）が４．７μｍ、ＮＯ（一酸化窒素）が５．３μｍである。このため、赤外線応用装置１００は、赤外線式ガスセンサの場合、例えば、第１フィルタ部３１ａの中心波長λ_１を検知対象のガスの吸収波長に設定し、第３フィルタ部３２ａの中心波長λ_２を検知対象のガス及び他のガス（Ｈ_２Ｏ、ＣＨ_４、ＣＯ、ＮＯ等）での吸収のない波長に設定すればよい。赤外線応用装置１００は、第１フィルタ部３１ａ及び第３フィルタ部３２ａとして、透過スペクトルの半値全幅が狭いバンドパスフィルタが好ましい。また、赤外線応用装置１００は、第１フィルタ部３１ａの中心波長λ_１と第２フィルタ部３２ａの中心波長λ_２との差が小さい方が好ましい。これにより、赤外線応用装置１００は、検知対象のガスが存在しないときの第１フィルタ部３１ａを透過する赤外線の光量と第３フィルタ部３２ａを透過する赤外線の光量との差を少なくすることが可能となる。赤外線応用装置１００は、検知対象のガスが例えば二酸化炭素の場合、第１フィルタ部３１ａの中心波長λ_１を４．３μｍに設定し、第３フィルタ部３２ａの中心波長λ_２を例えば３．９μｍに設定することができる。所定波長域は、光源１の放射スペクトルと、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂのフィルタとしての性能等に起因して赤外線の漏れが生じる波長領域とに基づいて適宜設定するのが好ましい。赤外線応用装置１００が赤外線式ガスセンサの場合、所定波長域は、例えば、５μｍ〜３０μｍの範囲とすることができるが、特に限定するものではなく、例えば、１０μｍ〜２５μｍの範囲としてもよい。

赤外線式ガスセンサは、光源１を駆動する駆動回路５を備えている。赤外線式ガスセンサは、駆動回路５によって、光源１から放射される赤外線の強度を変調させる。駆動回路５は、光源１から放射される光の強度が一定周期で周期的に変化するように光源１を駆動するが、光の強度が連続的に変化するように駆動してもよいし光の強度が間欠的に変化するように駆動するようにしてもよい。

光源１は、熱放射により赤外線を放射するものであるから、赤外発光ダイオードに比べて広い波長域の赤外線を放射することができる。そして、光源１は、上述の第１フィルタ部３１ａの中心波長λ_１及び第３フィルタ部３２ａの中心波長λ_２を含む広帯域の赤外線を放射することができる。要するに、光源１は、第１光学フィルタ３１の透過波長域と第２光学フィルタ３２の透過波長域とを包含する波長域の赤外線を放射することができる。

光源１としては、例えば、赤外線を放射する赤外線放射素子１０と、この赤外線放射素子１０を収納したパッケージ１９とを備えたものを用いることができる。パッケージ１９としては、例えば、赤外線検出素子１０の前方に窓孔１９ｒを有し、窓材１９ｗにより窓孔１９ｒが塞がれている構成のものを用いることができる。赤外線放射素子１０としては、例えば、図５に示す構成のものを用いることができる。図５に示した構成の赤外線放射素子１０は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）の製造技術等を利用して製造することができる。この赤外線放射素子１０は、基板１１と、基板１１の一表面側に設けられた薄膜部１２と、基板１１の厚み方向に貫通した孔１１ａと、薄膜部１２における基板１１側とは反対側に設けられた赤外線放射層１３とを備えている。また、赤外線放射素子１０は、薄膜部１２における基板１１側とは反対側で赤外線放射層１３を覆う保護層１４と、赤外線放射層１３に電気的に接続された複数のパッド１６とを備えている。保護層１４は、赤外線放射層１３から放射される赤外線を透過可能な材料により形成されている。赤外線放射層１３と各パッド１６とは、配線１５を介して電気的に接続されている。

この赤外線放射素子１０は、赤外線放射層１３への通電により赤外線放射層１３が発熱し、赤外線放射層１３から熱放射により赤外線が放射される。

基板１１は、例えば、単結晶のシリコン基板、多結晶のシリコン基板等を採用することができる。

薄膜部１２は、例えば、基板１１側のシリコン酸化膜１２ａと、シリコン酸化膜１２ａにおける基板１１側とは反対側に積層されたシリコン窒化膜１２ｂとの積層膜により構成することができる。薄膜部１２は、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜の単層構造でもよい。

赤外線放射層１３の材料は、例えば、窒化タンタル、窒化チタン、ニッケルクロム、タングステン、チタン、トリウム、白金、ジルコニウム、クロム、バナジウム、ロジウム、ハフニウム、ルテニウム、ボロン、イリジウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、オスミウム、レニウム、ニッケル、ホルミウム、コバルト、エルビウム、イットリウム、鉄、スカンジウム、ツリウム、パラジウム、ルテチウム、導電性ポリシリコン等を採用してもよい。

赤外線放射素子１０は、例えば、駆動回路５から一対のパッド１６間に与える入力電力を調整することにより、赤外線放射層１３に発生するジュール熱を変化させることができ、赤外線放射層１３の温度を変化させることができる。よって、赤外線放射素子１０は、赤外線放射層１３の温度を変化させることで赤外線放射層１３から放射される赤外線のピーク波長を変化させることができる。

パッケージ１９としては、例えば、キャンパッケージを採用することができる。キャンパッケージは、赤外線放射素子１０が実装される台座１９ａと、赤外線放射素子１０を覆うように台座１９ａに固着されるキャップ１９ｂとを備え、キャップ１９ｂにおける赤外線放射素子１０の前方に窓孔１９ｒが形成された構成とすることができる。なお、台座１９ａには、赤外線放射素子１０への給電用の複数本のピン１９ｄが厚み方向に貫通して設けられている。パッケージ１９としては、キャンパッケージに限らず、例えば、セラミックパッケージ等を採用してもよい。

窓材１９ｗは、赤外線を透過する機能を有する。窓材１９ｗは、平板状のシリコン基板により構成してある。窓材１９ｗは、シリコン基板に限らず、例えば、ゲルマニウム基板や硫化亜鉛基板などでもよいが、シリコン基板を用いたほうが低コスト化の点で有利である。また、窓材１９ｗとしては、レンズを採用することもできる。レンズは、半導体レンズ（例えば、シリコンレンズなど）により構成することができる。

半導体レンズの製造にあたっては、例えば、半導体基板（例えば、シリコン基板など）を準備する。その後には、所望のレンズ形状に応じて半導体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する。その後には、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する。その後には、当該多孔質部を除去することにより半導体レンズを形成する。この種の陽極酸化技術を応用した半導体レンズの製造方法については、例えば、特許第３８９７０５５号公報、特許第３８９７０５６号公報などに開示されている半導体レンズの製造方法などを適用できる。なお、上述の半導体レンズからなるレンズは、例えば、半導体基板として半導体ウェハ（例えば、シリコンウェハ）を用い、多数のレンズを形成した後に、ダイシングなどによって個々のレンズに分離すればよい。

レンズは、レンズ部と当該レンズ部を全周に亘って囲むフランジ部とが連続一体に形成されている半導体レンズが好ましい。これにより、光源１は、厚みが略一定で厚み方向の両面の各々が平面状であるフランジ部を備えることにより、レンズの光軸方向におけるレンズと赤外線放射素子１０との距離の精度を高めることが可能となる。

光源１は、赤外線放射素子１０とパッケージ１９とを備えた構成に限らず、例えば、ハロゲンランプ等を採用することもできる。

第１光学フィルタ３１は、第１フィルタ部３１ａの中心波長λ_１を検知対象のガスの吸収波長に設定してあるのが好ましい。これにより、第１光学フィルタ３１は、検知対象のガスの吸収波長の赤外線をより高い透過率で透過することが可能となる。第１フィルタ部３１ａは、中心波長λ_１の赤外線に対する透過率が５０％以上であるのが、好ましく、７０％以上であるのがより好ましく、９０％以上であるのが更に好ましい。第２光学フィルタ３２は、第３フィルタ部３２ａの中心波長λ_２を検知対象のガス及び他のガスに吸収されない波長（以下、「参照波長」ともいう。）に設定してあるのが好ましい。第３フィルタ部３２ａの透過波長域は、第１フィルタ部３１ａの透過波長域とは重複しないのが好ましい。第３フィルタ部３２ａは、中心波長λ_２の赤外線に対する透過率が５０％以上であるのが、好ましく、７０％以上であるのがより好ましく、９０％以上であるのが更に好ましい。第３フィルタ部３２ａの中心波長λ_２の赤外線に対する透過率は、第１フィルタ部３１ａの中心波長λ_１の赤外線に対する透過率との差が小さいほうが好ましい。

赤外線式ガスセンサは、第１受光素子２ａの出力信号と第２受光素子２ｂの出力信号との差分や比が検知対象のガス（例えば、二酸化炭素）の濃度に応じた値となるから、信号処理部４において検知対象のガスの濃度を精度良く求めることが可能となる。赤外線式ガスセンサは、ダイナミックレンジを広くする観点から、第１受光素子２ａの出力信号と第２受光素子２ｂの出力信号との差分に基づいてガスの濃度を求めるのが好ましく、一方、経時変動を抑制する観点から、第１受光素子２ａの出力信号と第２受光素子２ｂの出力信号との比に基づいてガスの濃度を求めるのが好ましい。

ところで、第１受光素子２ａの出力信号は、信号成分とノイズ成分とを含んでいる。ここで、第１受光素子２ａの出力信号は、第１受光素子２ａへの赤外線の入射光量によって決まる。ここで、単位時間当りの第１受光素子２ａへの赤外線の入射光量は、光源１の放射エネルギと第１光学系３ａの透過スペクトルとで決まる。ここで、第１受光素子２ａの出力電圧は、赤外線の波長をλ、光源１からの赤外線の放射エネルギをＰ（λ）、透過スペクトルをＴａ（λ）とし、第１光学系３ａの透過波長域をλ_１−Δλ_１〜λ_１＋Δλ_１、所定波長域をλｃ〜λｄ、第１受光素子２ａの出力電圧をＤａとすると、下記の（１）式の関係が成り立つ。ただし、（１）式では、光源１からの赤外線の放射エネルギの伝搬損失を無視している。

また、単位時間当りの第２受光素子２ｂへの赤外線の入射光量は、光源１の放射エネルギと第２光学系３ｂの透過スペクトルとで決まる。ここで、第２受光素子２ｂの出力電圧は、赤外線の波長をλ、光源１からの赤外線の放射エネルギをＰ（λ）、透過スペクトルをＴｂ（λ）、第２光学系３ｂの透過波長域をλ_２−Δλ_２〜λ_２＋Δλ_２、所定波長域をλｃ〜λｄ、この第２受光素子２ｂの出力電圧をＤｂとすると、下記の（２）式の関係が成り立つ。ただし、（２）式では、光源１からの赤外線の放射エネルギの伝搬損失を無視している。

また、第１受光素子２ａの出力信号と第２受光素子２ｂの出力信号との比をκとすると、κは、下記の（３）式で表わされる。

また、第１受光素子２ａの出力信号のＳ／Ｎ比は、下記の（４）式で表される。

また、第２受光素子２ｂの出力信号のＳ／Ｎ比は、下記の（５）式で表される。

よって、本願発明者らは、光源１から放射される赤外線の放射スペクトルが変化した場合の感度の変動を抑制する観点から、Ｔａ（λ）とＴｂ（λ）との比が１に近いのが好ましいという結論に至った。そこで、本実施形態の赤外線応用装置１００では、上述のように、第１光学系３ａと第２光学系３ｂとで、第１光学系３ａの透過波長域と第２光学系３ｂの透過波長域との両方よりも長波長側の所定波長域の平均透過率が等しいことを特徴としてある。

第１受光素子２ａは、第１光学フィルタ３１における光源１側とは反対側に配置されている。第２受光素子２ｂは、第２光学フィルタ３２における光源１側とは反対側に配置されている。第１受光素子２ａと第２受光素子２ｂとは、同じ構成であるのが好ましい。これにより、赤外線応用装置１００は、第１受光素子２ａと第２受光素子２ｂとの特性を略同じとすることが可能となる。

第１受光素子２ａと第２受光素子２ｂとは、並んで配置されているのが好ましい。

第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂの各々は、例えば、図６に示すように、１つの受光部２ｒと、受光部２ｒに電気的に接続された２つの出力端子２ｊ、２ｋとを備えた焦電素子を用いることができる。受光部２ｒは、焦電体基板２ｇの表側、裏側それぞれに形成され互いに対向する第１電極２ｈ、第２電極２ｉと、この焦電体基板２ｇにおいて第１電極２ｈと第２電極２ｉとに挟まれた部分とで構成される。また、２つの出力端子２ｊ、２ｋの一方の出力端子２ｊは、焦電体基板２ｇの表側に形成されて第１電極２ｈと電気的に接続され、他方の出力端子２ｋは、焦電体基板２ｇの裏側に形成されて第２電極２ｉと電気的に接続されている。

焦電体基板２ｇは、例えば、単結晶のＬｉＴａＯ_３基板を採用することができる。焦電体基板２ｇの材料としては、ＬｉＴａＯ_３を採用しているが、これに限らず、例えば、ＬｉＮｂＯ₃、ＰｂＴｉＯ_３、ＰＺＴ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、ＰＺＴ−ＰＭＮ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃−Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ₃）等を採用してもよい。第１電極２ｈ及び第２電極２ｉは、導電性を有し且つ検知対象の赤外線を吸収可能な導電膜により構成されている。この導電膜は、ＮｉＣｒ膜からなる。導電膜は、ＮｉＣｒ膜に限らず、例えば、Ｎｉ膜や金黒膜等でもよい。また、出力端子２ｊは、第１電極２ｈの導電膜と同じ材料及び膜厚の導電膜により構成することができる。また、出力端子２ｋは、第２電極２ｉの導電膜と同じ材料及び膜厚の導電膜により構成することができる。

赤外線応用装置１００は、第１受光素子２ａと第２受光素子２ｂとが、１枚の焦電体基板２ｇに形成されたものとすることができる。これにより、赤外線応用装置１００は、容易に、第１受光素子２ａの特性と第２受光素子２ｂの特性とを略同じとすることが可能となる。ここで、赤外線応用装置１００は、平面視において受光部２ｒを取り囲み厚み方向に貫通する孔２ｓが形成されているのが好ましい。これにより、赤外線応用装置１００は、受光部２ｒ同士を熱絶縁することが可能となり、また、突発的なノイズであるポップコーンノイズを低減することが可能となる。赤外線応用装置１００は、第１受光素子２ａと第２受光素子２ｂとが、別々の焦電体基板２ｇに形成されたものでもよい。この場合、第１受光素子２ａと第２受光素子２ｂとは、製造時に同じ焦電体ウェハに形成され、この焦電体ウェハから切り出されたもの同士を用いるのが好ましい。

第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂは、焦電素子に限らず、他の熱型の赤外線検出素子（例えば、サーモパイル、抵抗ボロメータ等）でもよい。第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂは、量子型の赤外線検出素子でもよい。要するに、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂは、熱型の赤外線検出素子、量子型の赤外線検出素子等の光電変換素子であればよい。

赤外線応用装置１００は、第１受光素子２ａと第２受光素子２ｂとを備えた赤外線受光ユニット２を備えている。赤外線受光ユニット２は、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂが収納されたパッケージ２９を備えている。赤外線受光ユニット２は、例えば、パッケージ２９における第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂそれぞれの前方に窓孔２９ｃ、２９ｃを有し、各窓孔２９ｃ、２９ｃそれぞれを塞ぐように第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２を配置することができる。

第１受光素子２ａと第２受光素子２ｂとは、光源１の光軸に直交する一平面上において、この光軸と当該一平面との交点を中心として点対称となるように配置されているのが好ましい。

第１光学フィルタ３１は、上述のように、基板３１ｓと、第１フィルタ部３１ａと、第２フィルタ部３１ｂとを備えている。また、第２光学フィルタ３２は、基板３２ｓと、第３フィルタ部３２ａと、第４フィルタ部３２ｂとを備えている。基板３１ｓ、３２ｓは、光源１から放射される赤外線を透過可能なものである。基板３１ｓ、３２ｓとしては、例えば、シリコン基板、ゲルマニウム基板、サファイア基板、酸化マグネシウム基板等を採用することができる。なお、赤外線受光ユニット２は、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２それぞれが別々の基板３１ｓ、３２ｓを備えているが、例えば、図７に示すように、基板３１ｓと基板３２ｓとが連続した１枚の基板でもよい。図７では、第２フィルタ部３１ｂと第４フィルタ部３２ｂとを同じ構成としてある。これにより、赤外線応用装置１００は、第２フィルタ部３１ｂの分光特性と第４フィルタ部３２ｂの分光特性とを略同じとすることが可能となり、また、第１光学フィルタ３１と第２光学フィルタ３２とを併せた光学要素の小型化を図ることが可能となる。

第１フィルタ部３１ａは、例えば、λ／４多層膜３４と、波長選択層３５と、λ／４多層膜３６とで構成されるバンドパスフィルタとすることができる。λ／４多層膜３４は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜（図示例では、２種類の薄膜３１ａａ、３１ａｂ）が積層された多層膜である。λ／４多層膜３６は、複数種類の薄膜（図示例では、２種類の薄膜３１ａａ、３１ａｂ）が積層された多層膜である。波長選択層３５は、λ／４多層膜３４とλ／４多層膜３６との間に介在する。波長選択層３５は、選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜３１ａａ、３１ａｂの光学膜厚とは異ならせてある。λ／４多層膜３４及びλ／４多層膜３６は、屈折率周期構造を有していればよく、３種類以上の薄膜を積層したものでもよい。薄膜の材料としては、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ_ｘ等を採用することができる。

第３フィルタ部３２ａは、例えば、λ／４多層膜３７と、波長選択層３８と、λ／４多層膜３９とで構成されるバンドパスフィルタとすることができる。λ／４多層膜３７は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜（図示例では、２種類の薄膜３２ａａ、３２ａｂ）が積層された多層膜である。λ／４多層膜３９は、複数種類の薄膜（図示例では、２種類の薄膜３２ａａ、３２ａｂ）が積層された多層膜である。波長選択層３８は、λ／４多層膜３７とλ／４多層膜３９との間に介在する。波長選択層３８は、選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜３２ａａ、３２ａｂの光学膜厚とは異ならせてある。λ／４多層膜３７及びλ／４多層膜３９は、屈折率周期構造を有していればよく、３種類以上の薄膜を積層したものでもよい。薄膜の材料としては、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ_ｘ等を採用することができる。

第１フィルタ部３１ａの薄膜３１ａａ、３１ａｂと第３フィルタ部３２ａの薄膜３２ａａ、３２ａｂとはそれぞれ同じ材料を採用することができる。

第１フィルタ部３１ａ、第３フィルタ部３２ａは、屈折率周期構造の中に光学膜厚の異なる波長選択層３５、３８を設けて屈折率周期構造に局所的な乱れを導入することにより、反射帯域の中に反射帯域幅に比べてスペクトル幅の狭い透過帯域を局在させることができる。第１フィルタ部３１ａ、第３フィルタ部３２ａは、波長選択層３５、３８の光学膜厚を適宜変化させることによって、透過波長域の透過ピーク波長を変化させることができる。

第１フィルタ部３１ａの選択波長は、第１フィルタ部３１ａの透過波長域の中心波長λ_１である。また、第３フィルタ部３２ａの選択波長は、第３フィルタ部３２ａの透過波長域の中心波長λ_２である。

第２フィルタ部３１ｂは、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜（図示例では、２種類の薄膜３１ｂａ、３１ｂｂ）が積層された多層膜である。第２フィルタ部３１ｂは、相対的に屈折率の高い薄膜の材料として、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ等を採用することができ、相対的に屈折率の低い薄膜の材料として、例えば、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ_ｘ等を採用することができる。ＳｉＯ_ｘは、ＳｉＯやＳｉＯ_２である。ＳｉＮ_ｘ等は、ＳｉＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等である。

第４フィルタ部３２ｂは、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜（図示例では、２種類の薄膜３２ｂａ、３２ｂｂ）が積層された多層膜である。第４フィルタ部３２ｂは、相対的に屈折率の高い薄膜の材料として、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ等を採用することができ、相対的に屈折率の低い薄膜の材料として、例えば、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ_ｘ等を採用することができる。

赤外線受光ユニット２のパッケージ２９としては、例えば、キャンパッケージを採用することができる。キャンパッケージは、台座２９ａと、台座２９ａに固着されるキャップ２９ｂとを備え、キャップ２９ｂにおける第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂそれぞれの前方に窓孔２９ｃ、２９ｃが形成された構成とすることができる。

信号処理部４は、第１受光素子２ａの出力信号を増幅する第１増幅回路を有する第１のＩＣ素子４１と、第２受光素子２ｂの出力信号を増幅する第２増幅回路を有する第２のＩＣ素子４２とを備えている。また、信号処理部４は、第１増幅回路にて増幅された出力信号と第２増幅回路にて増幅された出力信号との差分や比に基づく出力を発生する信号処理回路４５とを備えている。赤外線応用装置１００が赤外線式ガスセンサの場合、信号処理回路４５は、第１増幅回路にて増幅された出力信号と第２増幅回路にて増幅された出力信号との差分や比に基づいて、検知対象のガスの濃度を求め、この濃度に相当する出力を発生する。

赤外線受光ユニット２は、第１のＩＣ素子４１及び第２のＩＣ素子４２もパッケージ２９内に収納されているのが好ましい。この場合、赤外線受光ユニット２は、例えば、第１のＩＣ素子４１及び第２のＩＣ素子４２と、第１のＩＣ素子４１及び第２のＩＣ素子４２が実装された基板４３とで構成される回路ブロック４４が、パッケージ２９内に収納されているのが好ましい。この場合、台座２９ａには、例えば、４本のリードピン２９ｄが厚み方向に貫通して設けられる。４本のリードピン２９ｄは、２本のリードピン２９ｄが、ＩＣ素子４１の出力信号を取り出すために利用され、他の２本のリードピン２９ｄが、ＩＣ素子４２の出力信号を取り出すために利用される。

基板４３は、例えば、ＭＩＤ基板、部品内蔵基板、セラミック基板、プリント基板等により構成することができる。また、赤外線受光ユニット２は、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂが、回路ブロック４４の基板４３に実装された構成とすることができる。

なお、信号処理部４は、この信号処理部４の全部を赤外線受光ユニット２のパッケージ２９内に設けてもよい。また、信号処理部４は、第１増幅回路と第２増幅回路と信号処理回路４５とを集積化して１チップのＩＣ素子とし、パッケージ２９内に設けてもよい。また、信号処理部４は、複数のディスクリート部品を適宜接続して構成してもよい。また、信号処理部４は、この信号処理部４の全部を赤外線受光ユニット２とは別に設けてもよい。

次に、赤外線式ガスセンサの試料セル６について図８〜図１０に基づいて説明する。

試料セル６は、筒状に形成されている。試料セル６は、その内部空間と外部とを連通させる複数の通気孔６９が、試料セル６の軸方向に直交する方向に貫通して形成されているのが好ましい。試料セル６が、円筒状に形成されている場合、通気孔６９は、試料セル６の径方向に貫通して形成されているのが好ましい。試料セル６は、通気孔６９を通して外部からの気体が導入されたり、内部空間の空気が導出されたりする。

赤外線式ガスセンサは、試料セル６の軸方向の一端部側に光源１が配置され、試料セル６の軸方向の他端部側に赤外線受光ユニット２が配置されている。赤外線式ガスセンサは、通気孔６９を通って試料セル６の内部空間に、例えば、外部からの検知対象のガス、あるいは検知対象のガスを含む気体が導入される。このため、赤外線式ガスセンサでは、試料セル６の内部空間にある検知対象のガスの濃度が増加すると、赤外線受光ユニット２へ入射する赤外線の光量が低下し、試料セル６の内部空間にある検知対象のガスの濃度が低下すると、赤外線受光ユニット２へ入射する赤外線の光量が増加する。

試料セル６は、この試料セル６の中心軸ＯＸ（図１０参照）を含む平面で分割された対になる半割体６４、６５（図８参照）を結合することにより形成されている。半割体６４と半割体６５とは、例えば、嵌め合い、超音波溶着、接着等から選択される技術により結合することができる。

試料セル６は、光源１から放射された赤外線を赤外線受光ユニット２側へ反射する光学要素を兼ねているのが好ましい。ここで、試料セル６は、例えば、合成樹脂により形成されている場合、内側に、赤外線を反射する反射層を備えた構成とするのが好ましい。

試料セル６の材料は、合成樹脂に限らず、例えば、金属を採用してもよい。試料セル６は、特定波長の赤外線に対する反射率が比較的高い金属により形成されている場合、反射層を別途に備えていてもよいし、備えていなくてもよい。

要するに、試料セル６は、筒状であり、その内面が光源１から放射された赤外線を反射する反射面６６であるのが好ましい。上述の反射層を備えている場合には、この反射層の表面が反射面６６を構成することができる。なお、図１０中の矢印付きの線は、光源１から放射された赤外線の進行経路を模式的に示したものである。

赤外線式ガスセンサは、光源１を保持する保持部材７０を備え、この保持部材７０が試料セル６に取り付けられている。また、赤外線式ガスセンサは、赤外線受光ユニット２を保持する保持部材８０を備え、この保持部材８０が試料セル６に取り付けられている。

保持部材７０は、キャップ部７１と、押さえ板７２とからなる。キャップ部７１は、円盤状であって、試料セル６側の端面に、試料セル６の一端部が挿入される凹部７１ａが設けられ、凹部７１ａの底部の中央に、光源１が挿入される貫通孔７１ｂが設けられている。押さえ板７２は、キャップ部７１に対して光源１を押さえるためのものである。

保持部材７０は、押さえ板７２及びキャップ部７１の孔７２ｂ，７１ｄに通された取付ねじ（図示せず）が試料セル６の一端部のねじ部６４ｄ，６５ｄにねじ込まれることによって、試料セル６に取り付けられている。

保持部材８０は、キャップ部８１と、押さえ板８２とからなる。キャップ部８１は、円盤状であって、試料セル６側の端面に、試料セル６の他端部が挿入される凹部８１ａが設けられ、凹部８１ａの底部の中央に、赤外線受光ユニット２が挿入される貫通孔８１ｂが設けられている。押さえ板８２は、キャップ部８１に対して赤外線受光ユニット２を押さえるためのものである。

保持部材８０は、押さえ板８２及びキャップ部８１の孔８２ｂ，８１ｃに通された取付ねじ（図示せず）が試料セル６の他端部のねじ部にねじ込まれることによって、試料セル６に取り付けられている。

なお、保持部材７０，８０それぞれの構造は、特に限定するものではない。また、試料セル６への保持部材７０，８０それぞれの取付構造も特に限定するものではない。

ところで、試料セル６の反射面６６は、試料セル６の中心軸ＯＸ上に規定した長軸を回転軸とする回転楕円体の長軸方向の両端部それぞれを長軸に直交する２つの平面ＶＰ１、ＶＰ２（図１０参照）によりカットした形状としてある。よって、試料セル６は、回転楕円体（長楕円体）の一部に対応する内部空間が形成されている。

赤外線式ガスセンサは、光源１を、試料セル６の中心軸ＯＸ上において、上記回転楕円体の一方の焦点Ｐ１に配置し、赤外線受光ユニット２を、試料セル６の中心軸ＯＸ上において、上記回転楕円体の他方の焦点Ｐ２よりも光源１に近い側に配置するのが好ましい。

赤外線式ガスセンサは、光源１が、上記回転楕円体の一方の焦点Ｐ１近傍に配置されている。近傍とは、焦点Ｐ１と光源１との距離が所定値より小さい全ての点からなる部分集合であり、焦点Ｐ１の点も含む。上記所定値は、上記回転楕円体の焦点Ｐ１と焦点Ｐ２との距離によって変わる。要するに、光源１は、厳密な意味で焦点Ｐ１に配置されている必要はなく、実質的に焦点Ｐ１に配置されているとみなせれる位置にあればよい。光源１から斜め方向に放射された赤外線は、反射面６６によって反射されて、他方の焦点Ｐ２に集光されるように導光される。しかしながら、他方の焦点Ｐ２に赤外線受光ユニット２を配置した比較例の赤外線式ガスセンサでは、試料セル６の他端部において反射面６６で反射されて第１光学フィルタ３１や第２光学フィルタ３２に入射する赤外線の入射角が大きくなりやすい。そして、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２は、入射角が大きくなるほど、透過スペクトル（透過率−波長特性）が短波長側へのずれが大きくなり、選択波長を含む特定波長域の赤外線の透過率が低下してしまう。よって、比較例の赤外線式ガスセンサでは、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう懸念がある。一方、比較例の赤外線式ガスセンサでは、試料セル６の中心軸ＯＸに沿った方向における試料セル６と赤外線受光ユニット２との距離が長くなるほど、赤外線のロスが多くなってしまう。

これに対して、本実施形態の赤外線式ガスセンサは、赤外線受光ユニット２を、試料セル６の中心軸ＯＸ上において、反射面の他方の焦点Ｐ２よりも光源１に近い側に配置してある。つまり、赤外線受光ユニット２は、各光学フィルタ３１，３２及び各受光素子２ａ，２ｂが、試料セル６の中心軸ＯＸに沿った方向において、他方の焦点Ｐ２とよりも光源１に近い側であって、試料セル６と他方の焦点Ｐ２との間に配置されている。これにより、本実施形態の赤外線式ガスセンサは、試料セル６の中心軸ＯＸに沿った方向における試料セル６と赤外線受光ユニット２との距離を比較例と同じとした場合、比較例に比べて、試料セル６の他端部において反射面６６で反射されて各光学フィルタ３１，３２に入射する赤外線の入射角を小さくすることが可能となる。よって、本実施形態の赤外線式ガスセンサは、比較例の赤外線式ガスセンサに比べて、特定波長域（各光学フィルタ３１，３２の設計上の透過波長域）の赤外線の透過率が低下するのを抑制することが可能となり、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能となる。また、各光学フィルタ３１、３２を透過した赤外線が、各光学フィルタ３１，３２に対向している各受光素子２ａ，２ｂ以外の各受光素子２ｂ，２ａに入射するクロストークの発生を抑制することが可能となり、測定精度の向上を図ることが可能となる。試料セル６の中心軸ＯＸに沿った方向における試料セル６と赤外線受光ユニット２との距離は、短い方が好ましく、零がより好ましい。

なお、赤外線式ガスセンサは、光源１と赤外線受光ユニット２との間に配置される部材（試料セル６等）の形状や数、配置等を特に限定するものではない。

以上説明した本実施形態の赤外線式ガスセンサでは、第１光学系３ａと第２光学系３ｂとで、第１光学系３ａの透過波長域と第２光学系３ｂの透過波長域との両方よりも長波長側の所定波長域の平均透過率が等しい。よって、赤外線式ガスセンサは、光源１への同じ入力電力での光源１の到達温度が低下した場合、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂそれぞれのＳ／Ｎ比が変化しても、第１受光素子２ａのＳ／Ｎ比と第２受光素子２ｂのＳ／Ｎ比との相対比の変化を抑制することができ、感度の変化を抑制できる。

（実施形態２）
以下では、本実施形態の赤外線応用装置１００について、図１１に基づいて説明する。なお、本実施形態の赤外線応用装置１００は、実施形態１の赤外線応用装置１００と略同じなので、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。

本実施形態の赤外線応用装置１００では、実施形態１で説明した光源１の窓材１９ｗ（図１参照）の代わりに、所定波長域の赤外線を反射する光学フィルタ１９ｆを配置している点が相違する。光学フィルタ１９ｆは、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２それぞれの透過波長域の赤外線の反射率を低減する反射防止膜を基板にコーティングした無反射コートフィルタであり、所定波長域の赤外線を反射するように光学設計されている。図１２は、光学フィルタ１９ｆの光学特性の一例を示す。図１２に示す光学特性では、赤外線応用装置１００が実施形態１と同様の赤外線式ガスセンサの場合、検知対象のガスの吸収波長及び参照波長の赤外線の反射率を略０％にすることが可能となり、所定波長域の赤外線の反射率を７０〜８０％とすることが可能となる。図１３は、第１光学系３ａの透過スペクトルの説明図であり、光学フィルタ１９ｆを備えたことにより、透過波長域よりも長波長側での赤外線の透過率に関して、実線で示す透過率から一点鎖線で示す透過率へ低減することが可能となる。なお、透過波長域の透過率については、光学フィルタ１９ｆの有無による差異は殆どない。また、第２光学系３ｂの透過スペクトルは、図示していないが、第１光学系３ａの透過スペクトルと同様、透過波長域よりも長波長側での赤外線の透過率を低減することが可能となる。基板としては、例えば、シリコン基板、ゲルマニウム基板、サファイア基板などを採用することができる。

本実施形態の赤外線応用装置１００では、光学フィルタ１９ｆが、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂそれぞれの一部を構成している。よって、第１光学系３ａは、所定波長域の赤外線を反射することで透過率を低くする第５フィルタ部として光学フィルタ１９ｆを備えている。また、第２光学系３ｂは、所定波長域の赤外線を反射することで透過率を低くする第６フィルタ部として光学フィルタ１９ｆを備えている。よって、本実施形態の赤外線応用装置１００では、実施形態１の赤外線応用装置１００に比べて、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂの各々について、所定波長域の赤外線の透過率をより低減することが可能となる。

また、本実施形態の赤外線応用装置１００では、第５フィルタ部と第６フィルタ部とが、１枚の基板に形成されているので、第５フィルタ部と第６フィルタ部とを併せた光学要素の小型化を図ることが可能となる。

（実施形態３）
以下では、本実施形態の赤外線応用装置１００について、図１４に基づいて説明する。なお、本実施形態の赤外線応用装置１００は、実施形態２の赤外線応用装置１００と略同じなので、実施形態２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。

本実施形態の赤外線応用装置１００は、赤外線受光ユニット２の構成が実施形態１，２とは相違する。本実施形態の赤外線応用装置１００における赤外線受光ユニット２は、パッケージ３２の窓孔２９ｃが１つであり、この窓孔２９ｃを塞ぐように１つの光学フィルタ２９ｗが配置されている。また、赤外線受光ユニット２は、光学フィルタ２９ｗと第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂとの間に、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２が配置されている。光学フィルタ２９ｗとしては、実施形態２で説明した光学フィルタ１９ｆと同様の光学特性のものを用いることができる。要するに、光学フィルタ２９ｗは、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２それぞれの透過波長域の赤外線の反射率を低減する反射防止膜を基板にコーティングした無反射コートフィルタであり、所定波長域の赤外線を反射するように光学設計されている。よって、本実施形態の赤外線応用装置１００では、実施形態２の赤外線応用装置１００に比べて、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂの各々について、所定波長域の赤外線の透過率をより低減することが可能となる。

本実施形態の赤外線応用装置１００では、光学フィルタ２９ｗが、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂそれぞれの一部を構成している。よって、第１光学系３ａは、所定波長域の赤外線を反射することで透過率を低くする第５フィルタ部として光学フィルタ１９ｆ及び光学フィルタ２９ｗを備えている。また、第２光学系３ｂは、所定波長域の赤外線を反射することで透過率を低くする第６フィルタ部として光学フィルタ１９ｆ及び光学フィルタ２９ｗを備えている。

上述の各実施形態１〜３では赤外線応用装置１００として赤外線式ガスセンサを例示したが赤外線応用装置１００は、赤外線式ガスセンサに限らない。赤外線応用装置は、赤外線を利用する装置であればよく、例えば、非分散型ガス分析計、火災時に炎の中の炭酸ガス（ＣＯ_２ガス）の共鳴放射（「ＣＯ_２共鳴放射」とも呼ばれている。）により発生する特定波長（４．３μｍ乃至４．４μｍ）の赤外線を検出して炎検知を行う赤外線式炎検知器等でもよい。

１ 光源
２ 赤外線受光ユニット
２ａ 第１受光素子
２ｂ 第２受光素子
３ａ 第１光学系
３ｂ 第２光学系
４ 信号処理部
１９ 光学フィルタ（第５フィルタ部、第６フィルタ部）
２９Ｗ 光学フィルタ（第５フィルタ部、第６フィルタ部）
３１ 第１光学フィルタ
３１ａ 第１フィルタ部
３１ｂ 第２フィルタ部
３１ｓ 基板
３２ 第２光学フィルタ
３２ａ 第３フィルタ部
３２ｂ 第４フィルタ部
３２ｓ 基板
１００ 赤外線応用装置

Claims (6)

1. 光源と、第１受光素子と、第２受光素子と、前記光源と前記第１受光素子との間に配置される第１光学系と、前記光源と前記第２受光素子との間に配置される第２光学系と、前記第１受光素子の出力信号と前記第２受光素子の出力信号との差分もしくは比に基づく出力を発生する信号処理部とを備え、前記光源は、熱放射により赤外線を放射する赤外光源であり、前記第１光学系と前記第２光学系とは、互いに透過波長域が異なり、且つ、前記各透過波長域の両方よりも長波長側の所定波長域の平均透過率が等しいことを特徴とする赤外線応用装置。
2. 前記第１光学系は、前記第１光学系の前記透過波長域を規定する第１フィルタ部と、前記所定波長域の赤外線の透過率を低くする第２フィルタ部とを備え、前記第２光学系は、前記第２光学系の前記透過波長域を規定する第３フィルタ部と、前記所定波長域の赤外線の透過率を低くする第４フィルタ部とを備えることを特徴とする請求項１記載の赤外線応用装置。
3. 前記第２フィルタ部及び前記第４フィルタ部は、前記所定波長域の赤外線を吸収することで透過率を低くするフィルタであることを特徴とする請求項２記載の赤外線応用装置。
4. 前記第２フィルタ部と前記第４フィルタ部とは、１枚の基板に形成されてなることを特徴とする請求項２又は３記載の赤外線応用装置。
5. 前記第１光学系は、前記所定波長域の赤外線を反射することで透過率を低くする第５フィルタ部を備え、前記第２光学系は、前記所定波長域の赤外線を反射することで透過率を低くする第６フィルタ部を備えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の赤外線応用装置。
6. 前記第５フィルタ部と前記第６フィルタ部とは、１枚の基板に形成されてなることを特徴とする請求項５記載の赤外線応用装置。

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