JP3465121B2 - 赤外線検知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】波長１０μｍ前後の赤外線エネル
ギ−の変動量を検出し、移動する人間や物体を検知する
赤外線検知装置に関するものであり、特に近赤外線を含
む外来光の影響を低下させ、装置のＳ／Ｎ比を向上させ
る技術に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、この種の赤外線検知装置において
は、赤外線エネルギ−を集光する凹面鏡等の光学手段
と、その焦点位置に配置した焦電型赤外線検出素子等の
赤外線検出素子とで検知エリアを形成し、その検知エリ
アを横切る人間、あるいは、移動物体を高感度に検知す
る構成となっている。光学手段、赤外線検出素子、赤外
線検出素子が出力する信号を処理する電気回路等の装置
の主要部は、検出しようとする赤外線をよく透過させ、
所定の強度を備えた部材（例えばポリエチレン樹脂）で
できたカバーでおおわれている。焦電型赤外線検出素子
は円筒形の金属ケース上面に赤外線入射用として開口部
を設け、ここに４〜７μｍより短い波長の光の透過率を
０．１％以下におさえたフィルター特性を備えたシリコ
ン（Ｓｉ）等の板材を接着し、窓材としてのフィルター
特性により不要な光の入射を防いでいる。円筒型金属ケ
ースの中の受光エレメントは、互いに逆極性を示す受光
エレメントを２つ並べた、いわゆる差動型の構成をして
おり、これら２つの受光エレメントに同時にエネルギ−
の入射があった時には、検出素子出力は相殺されるよう
な構成となっている。この受光エレメント自体は、紫外
線から遠赤外線まで広い波長領域のエネルギ−入射に対
して感度を有しており、焦電型赤外線検出素子としての
受光感度特性はその素子の窓材として使用されるフィル
ター材の特性によって決定されている。装置のカバーと
して用いられているポリエチレン（高密度ポリエチレン
が多用されている）は、本来１０μｍ付近の赤外線をよ
く透過させ、可視光はあまり透過させないという性質を
備えているものであるが、成形したカバーの厚みによっ
ては可視光を透過させ、内部の機構がカバー外部より透
き通って見えてしまったり、可視光がこのカバーを通過
して焦電型赤外線検出素子のフィルター表面に達し、そ
のフィルター面から２次輻射エネルギ−が焦電型赤外線
検出素子の内の受光エレメントに達し、移動物体を検知
した時と同じ信号を出力してしまったりすることがあっ
た。このような不都合を解消するために、酸化チタン等
の粒子をポリエチレン製のカバーに混ぜることがあっ
た。このほか、可視光の入射に対して焦電型赤外線検出
素子が反応しにくくするためにＳｉフィルターを焦電型
赤外線検出素子の視野角内にもう一枚配置し、二重のフ
ィルターを形成させるといったことも実施されていた。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の赤外
線検知装置よりも、近赤外線を含む外来光による誤動作
を少なくし、検知しようとする１０μｍ付近の赤外線エ
ネルギ−を効率よく受光することのできるものを実現し
ようとするものである。従来の技術として説明したよう
に装置全体を囲むカバーとして、可視光の透過を制御す
る目的で酸化チタン等の粒子を混入した高密度ポリエチ
レン樹脂を使用する場合は、可視光の透過を抑えると同
時に検知しようとする波長１０μｍ付近の赤外線も同じ
ように減衰させてしまうことになり、結果として外来光
に対するＳ／Ｎ比はあまり改善されないという問題があ
った。焦電型赤外線検出素子に備えられている赤外フィ
ルターの他にもう一枚のフィルターを用いる方法では、
追加するフィルター分だけ、コストと、組立てに要する
手間が増加するという問題があった。また、この方法で
は、カバー自体が透き通って見えることによる問題点は
解消されなかった。装置全体をおおうカバー自体にフィ
ルター特性を持った膜を形成することも考えられるが、
ポリエチレンにコストをかけずにフィルター膜を形成す
る技術が確立されていない点と、仮に、製造技術上の問
題点が解決されたとしても、形成されたフィルター膜の
弾性が、ベースとなるポリエチレンの弾性とは必ずしも
同一とははならないため、外力が加えられた時に膜にひ
び割れが生じたりするという問題は残ることになる。カ
バー自体の材料としてポリエチレン以外のＳｉ等のフィ
ルター材を用いることも可能であるが、強度、材料コス
トの点で実用化は困難であった。 【０００４】 【課題を解決するための手段】これらの問題点を解決す
るために、従来より用いられていたポリエチレン樹脂の
中に、波長１０μｍ付近の屈折率がポリエチレンと同等
かそれよりも大きく、波長が１０μｍよりも短くなるに
従い屈折率がポリエチレンよりもより大きく変化し、波
長１μｍ以下の領域における屈折率がポリエチレンの屈
折率よりも十分大きくなる傾向を示す材料を粒子状にし
た添加物を混合させ、フィルター効果を持たせたもので
ある。このような特性を示す添加物として、本発明では
セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を用いた。 【０００５】 【作用】このような添加物を混入したポリエチレン樹脂
を、赤外線検知装置のカバーやレンズの材料として用い
ることにより、フィルター効果が増す。赤外線検知装置
が検出しようとする波長１０μｍ付近の赤外線エネルギ
−は、ストレートにカバーやレンズを通り過ぎ、波長１
μｍ以下の短い波長の光はポリエチレン樹脂内に混入し
た添加物粒子を透過するときに散乱し、カバーやレンズ
をそのまま通り過ぎることができなくなる。このため、
赤外線検出装置にとって不要な近赤外線を含む外来光が
排除され、赤外線検知装置全体のＳ／Ｎ比が向上する。 【０００６】 【実施例】本発明は、検出対象とする赤外線エネルギ−
が波長１０μｍ付近を中心とする帯域（７〜１５μｍ程
度）である赤外線検知装置の窓材やフレネルレンズの改
良であり、目的とすることは可視光や赤外線の外来光の
透過を抑えることである。ここで言う外来光としては、
波長７μｍ以下の赤外線（近赤外線）、可視光、紫外線
を含むものであるが、代表的な波長として１μｍ前後の
近赤外線エネルギ−の透過性、非透過性を中心に説明を
加えることにする。この波長域は照明用として多用され
ているハロゲン電球の発するエネルギ−の中心波長に近
く、赤外線検知装置に対し外来光として最も強力で入射
する可能性の高いエネルギ−の波長域である。 【０００７】本発明は、外来光の影響を低減させるため
に、従来から用いているポリエチレン樹脂の中にポリエ
チレンとは異なる屈折率、特にここでは異なる屈折率の
波長依存性を持つ材料の粒子を混入させるものである。
光（紫外線から可視光、近赤外線、遠赤外線までを含
む）が透過する材料において、その屈折率は、波長に依
存する特性を備えていることが知られており、屈折率の
値そのものは、その時測定に用いた光の波長によって規
定されている。遠赤外線（ここでは、波長１０μｍ付近
の赤外線を含む）の波長領域においても、それらを透過
させうる材料の屈折率は、可視光やそれに近い波長領域
における場合と同じ傾向を示し、一般的に、透過する光
の波長が短くなる程、屈折率は高くなる傾向を示してい
る。但し、材料（物質）によって、その波長が短くなる
に従い屈折率が高くなる度合は異なったものとなってい
る。従って、２つの屈折率の高低傾向の異なった材料を
選定、混合することにより、本発明の目的である１０μ
ｍ、１μｍの赤外線に対するそれぞれ異なった透過特性
を持つ材料の製造が可能となる。 【０００８】本発明の実施例としては、特に高い屈折率
を持つ材質において、高い波長依存性を持つ材料を選定
する。低屈折率の材料をポリエチレンとして、高屈折率
の材料をセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）とする。このよう
に、ポリエチレンの中にＺｎＳｅの粒子を混入させた材
料においては、波長１μｍの赤外線でも、波長１０μｍ
の赤外線でも入射する際は、低屈折率材料であるポリエ
チレンの面から入射することになる。入射した赤外線
は、この材料中を通過する過程でＺｎＳｅの粒子を透過
する時に、波長により異なった状態を示す。１０μｍの
赤外線は、ポリエチレン面から入射しＺｎＳｅ粒子に到
達した時、ポリエチレンとＺｎＳｅとの屈折率の差が小
さいため、ＺｎＳｅからポリエチレン側へ透過する時の
全反射の度合は最小となる。これに対し、波長１μｍの
赤外線がポリエチレンの中へ入射し、ＺｎＳｅ粒子に到
達した時は、ポリエチレンとＺｎＳｅとの間の、波長１
μｍにおける屈折率の差が波長１０μｍにおける屈折率
の差より大きいため、ＺｎＳｅ粒子からポリエチレンへ
の界面における全反射の度合は最大となる。このため、
１０μｍの赤外線はＺｎＳｅの粒子からポリエチレンへ
そのまま透過するのに対し、１μｍの赤外線は全反射の
度合が大きい分だけＺｎＳｅ粒子内で散乱を起す。その
結果、このＺｎＳｅ粒子を混入したことにより１０μｍ
の波長の赤外線は透過させ、波長１μｍの赤外線は透過
しにくいという特性が得られることになる。波長１０μ
ｍにおける透過はＺｎＳｅ粒子混入の有無にかかわらず
影響を受けないので、赤外線検知装置等のように波長１
０μｍ付近の赤外線を検知対象とする機器の窓材等に用
いることによりＳ／Ｎ比の向上が期待できる。 【０００９】以上の内容を図面化したのが図１である。
この図に示したのは、高密度ポリエチレン２を基本部材
とし、その中に前述の屈折率波長依存特性を備えたセレ
ン化亜鉛（ＺｎＳｅ）３を粒子状に加工し、混合拡散さ
せて赤外線透過部材１を形成したものである。図１は、
適当な厚さに成形された赤外線検知装置のカバーの一部
分の断面を示したものである。波長１０μｍの赤外線Ａ
は、空気と高密度ポリエチレン２との境界面１１、高密
度ポリエチレン２とのセレン化亜鉛３との境界面１２、
境界面１３、高密度ポリエチレン２と空気との境界面１
４を通り、赤外線透過部材１でできたカバーを透過して
いる。また、波長１μｍの赤外線ａも同様に境界面１１
〜境界面１４を通り赤外線透過部材１（カバー）を透過
している。図中の２個のセレン化亜鉛粒子は同じ形状で
同じ大きさであり、高密度ポリエチレン中の混入位置も
同じである。赤外線Ａ、赤外線ａはともに境界面１１に
対し垂直な方向から入射した状態を示している。屈折率
は、空気＜高密度ポリエチレン≦ＺｎＳｅであり、Ｚｎ
Ｓｅの屈折率は波長１０μｍの光が透過する時と比較し
て、波長１μｍの光が透過する時には大きくなるため、
境界面１３における屈折（全反射の度合）が赤外線Ａと
赤外線ａとで大きく異なることになる。つまり、ＺｎＳ
ｅから高密度ポリエチレンへ光が透過する時に、波長１
μｍの光の方が波長１０μｍの光よりも全反射を起こす
率が高くなり、（図中のＢ＜ｂ）、最終的に赤外線透過
部材１から外へ出る光としては波長１０μｍの光の方が
多くなる（図中Ｃ＞ｃ）。 ＺｎＳｅの粒子は高密度ポ
リエチレン内に多数混合拡散されているため、図１で示
した現象が繰り返される。このため、波長１μｍ以下の
光はこの赤外線透過部材の中で散乱し、透過しにくくな
る。これに対し、波長１０μｍの光は散乱の度合は小さ
く、比較的透過することになり、ＺｎＳｅ混入によるこ
の波長領域での減衰は最小にすることができる。 【００１０】 【発明の効果】本発明によれば、従来から使用されてい
たポリエチレン樹脂の中に、ポリエチレンとは屈折率の
波長依存特性の異なった材料を用いて作られた粒子状の
添加物を加えるだけで、赤外線領域の透過特性をコント
ロールすることが可能となり、フィルター特性を備えた
ポリエチレン赤外線透過部材が実現された。この赤外線
透過部材を赤外線検知装置のカバーや、フレネルレンズ
等の赤外線透過性を必要とする光学部材として使用する
ことにより、従来の課題を解決することができた。特に
赤外線検知装置において問題とされていた近赤外線を含
む可視光領域の外来光を飛躍的に減衰させることが可能
となり、従来の顔料（酸化チタン等）との比較におい
て、外来光に関するＳ／Ｎ比（波長１０μｍ付近の赤外
線の透過量による信号出力に対する外来光の透過による
ノイズ成分の比率）が１０倍以上改善された。しかもこ
の効果は、フィルター材としての光学部品の追加や、カ
バー材の表面への干渉膜フィルター等の形成といった特
別な材料コストや加工コストを要することなく、従来の
顔料を加える場合と同じ方法でコスト上昇をともなうこ
となく実現されたものである。また、ＺｎＳｅに限らず
この考えに基づき、混合部材（屈折率の波長依存性の異
なる材料）を適宜選択することにより、カバーやフレネ
ルレンズの外観色も自由にコントロールでき、必要とさ
れる赤外線透過部材がこれまでよりも数多く実現可能と
なり、選択枝が大幅に拡大した。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の赤外線透過部材を波長の異なる赤外
線が通過する様子を示した図である。 【符号の説明】 １．赤外線透過部材 ２．高密度ポリエチレン ３．セレン化亜鉛 Ａ．波長１０μｍの赤外線 ｂ．波長１μｍの赤外線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−39001（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−19302（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01V 8/14 G01J 1/02 G01J 5/08 G01V 8/10

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】波長１０μｍ付近の赤外線エネルギ−の変
   動量を検出し、移動物体を検知する装置において、１０
   μｍ前後の波長領域における透過率が高く、屈折率が小
   さいという特性を備えた基本部材である高密度ポリエチ
   レンの中に、１０μｍ前後の波長領域における屈折率が
   基本部材の屈折率と同等かそれよりも大きく、１０μｍ
   よりも短い波長領域における屈折率が基本部材の屈折率
   よりも十分大きいという特性を備えたセレン化亜鉛（Ｚ
   ｎＳｅ）の粒子状の添加物を混合拡散させてなる赤外線
   透過部材を、カバーもしくは、レンズを形成する材料と
   して用いたことを特徴とする赤外線検知装置。