JP5234462B2

JP5234462B2 - 光学素子、及び赤外線センサ

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Publication number: JP5234462B2
Application number: JP2009010882A
Authority: JP
Inventors: 下山　　勲; 松本　　潔; 智之 ▲高▼畑
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: JP2010169807A

Description

本発明は、光学素子、及び赤外線センサに関するものである。

従来、光学素子としては、ガラスやプラスチックにより形成した可視光の集光レンズが知られている。ところが、ガラスやプラスチックは、赤外線を吸収してしまう。そのため、ガラスやプラスチックで形成された光学素子は、赤外領域では用いることができない。これに対し、赤外領域で用いることができる光学素子の材料として、ゲルマニウムやセレン化亜鉛が用いられてきた（例えば、特許文献１）。

このような赤外領域で用いることができる光学素子は、赤外線センサに適用されている。この赤外線センサとしては、焦電素子と、赤外線検出部と、光学素子としてのレンズ部を有するキャップレンズとを有し、レンズ部によって集光された赤外線を焦電素子に入射させることによって、対象物の存在を検知する赤外線センサが開示されている（例えば、特許文献２）。

特開２００４−３６１８６２号公報特開２００８−２６８１２８号公報

しかしながら、上記光学素子では、図18に示すように、光学素子の中心軸ｙに対し平行に入射する光（図中Ａ，Ｄ）を集光させることはできるものの、光学素子の中心軸ｙに対し傾いて入射する光（図中Ｂ，Ｃ）を集光させることができない。そうすると、このような光学素子を用いた赤外線センサでは、光学素子の中心軸ｙに対し傾いて入射する光を高感度で検出することが困難であるという問題があった。

そこで、本発明は上記した問題点に鑑み、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光を集光させることができる光学素子、及び、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光をより確実に検知できる赤外線センサを提供することを目的とする。

本発明に係る光学素子は、入射した光を反射して集光する放物面を備える光学素子において、前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されていることを特徴とする。

本発明に係る光学素子は、前記放物面の周囲には、前記光学素子の中心軸に概略平行な壁面が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る赤外線センサは、入射した光を反射して集光する放物面を備える光学素子と、前記光学素子によって集光された光の焦点に配置された感熱素子とを備え、前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されていることを特徴とする。

本発明に係る赤外線センサは、前記光学素子と、前記光学素子に対応して設けられた前記感熱素子とからなるセンサ部が、複数配列されてなることを特徴とする。

本発明に係る赤外線センサは、前記放物面の周囲には、前記光学素子の中心軸に概略平行な壁面が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る光学素子によれば、放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されているので、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光をより確実に集光させることができる。

本発明に係る光学素子によれば、隣の光学素子からの迷光を防ぎ、隣り合う光学素子との間隔を狭くすることができるので、全体として小型化を実現することができる。

本発明に係る赤外線センサによれば、前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されているので、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光をより確実に検知することができる。

本発明に係る赤外線センサによれば、光学素子と、前記光学素子に対応して設けられた前記感熱素子とからなるセンサ部を複数配列することにより、視野角を拡大することができる。

本発明に係る赤外線センサによれば、隣の光学素子からの迷光を防ぎ、隣り合う光学素子との間隔を狭くすることができるので、全体として小型化を実現することができる。

本発明に係る赤外線センサの全体構成を示す縦断面図（１）である。本発明に係る赤外線センサの全体構成を示す縦断面図（２）である。本発明に係るレンズアレイの製造方法を段階的に示す縦断面図（１）である。本発明に係るレンズアレイの製造方法を段階的に示す平面図である。本発明に係るレンズアレイの製造方法を段階的に示す縦断面図（２）である。本発明に係るレンズアレイの製造方法を段階的に示す縦断面図（３）である。本発明に係るレンズアレイの実施例（１）を示す図であり、試料のパターンを示す平面図である。本発明に係るレンズアレイの実施例（１）を示す図であり、開口の面積と、エッチングにより形成した溝の深さとの関係を示すグラフである。本発明に係るレンズアレイの実施例（２）を示す図であり、試料のパターンを示す平面図である。本発明に係るレンズアレイの実施例（２）を示す図であり、開口のアスペクト比と溝の深さとの関係を示すグラフである。本発明に係るレンズアレイの光学素子の高さを測定した計測値を示す平面図である。本発明に係る光学素子の設計形状と、形成された光学素子の実測形状とを対比する図であり、（A）図１１におけるａ−ａ断面、（B）図１１におけるｂ−ｂ断面である。本発明に係る傾き角度０度の光学素子の製造方法の実施形態を示す図であり、（A）パターンの平面図、（B）放物面を示す図である。本発明に係る傾き角度３０度の光学素子の製造方法の実施形態を示す図であり、（A）パターンの平面図、（B）放物面を示す図である。本発明に係る光学素子の評価を行った実験装置を示す斜視図である。本発明に係る光学素子において、放物面に入射した光と、放物面によって反射され集光された光を模式的に示す図である。本発明に係る光学素子において、放物面によって反射され集光された光を撮影した写真であり、図１６における各位置にピントを合わせた写真である。従来例を示す模式図であり、光学素子に入射した光と、光学素子によって反射された光とを示し、（A）入射光と放物面の光軸とが平行である場合、（B）放物面の光軸に対し入射光が３０度の角度から入射した場合、（C）放物面の光軸が入射光に対し角度３０度傾いている状態、（D）放物面の光軸が３０度傾いており入射光が同様に３０度の角度から入射した場合を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（１）全体構成
図1に示す赤外線センサ１は、レンズアレイ２とセンサアレイ３とを有し、センサ部４が複数、本図では７個形成されている。

レンズアレイ２は、レンズ本体５と、当該レンズ本体５に形成された光学素子群６とを有する。レンズ本体５は、任意の材料を用いることができるが、例えば、シリコンを用いることができる。

光学素子群６は、光学素子７が縦横に所定の間隔をあけてレンズ本体５の一面5aに配列されている。本図においては、光学素子７のうち、第１の光学素子7a、第２の光学素子7b、第３の光学素子7c及び第４の光学素子7dを示す。尚、以下の説明において、光学素子７の中心軸は、本図中の方向ｙと平行であるとし、中心軸ｙとして説明する。

光学素子７は、放物面８と、当該放物面８の周囲に前記放物面８よりも前記光学素子７の中心軸ｙに近い角度の壁面９とを有し、図示しない反射膜が表面に形成されており、凹面ミラーとして構成されている。本実施形態では、当該壁面９は、中心軸ｙに概略平行に形成されている。反射膜は、例えばアルミニウムや金で形成したものを適用することができる。放物面８は、光軸ａを中心として形成されたすり鉢状の凹側の表面の一部で構成される。尚、放物面８の光軸ａとは、放物面８を形成するすり鉢形状の中心を通り、当該光軸ａと平行な角度から入射した光を焦点に集光させる方向の軸をいう。

各光学素子７は、放物面８の光軸a1,a2,a3,a4の傾きがそれぞれ異なっており、光学素子群６全体として、レンズ本体５の一面5a側から入射する光であって種々の角度から入射する光をそれぞれの焦点に集光し得るように構成されている。このため、光学素子７は、当該光学素子７の中心軸ｙに対し、放物面８の光軸a1,a2,a3,a4の角度が、各光学素子７毎に異なる。

本実施形態において、光学素子群６の中心に配置された第１の光学素子7aは、放物面８の光軸a1が中心軸ｙと平行となるように形成されている。当該第１の光学素子7aの両隣に間隔をあけて配置された第２の光学素子7bは、放物面８の光軸a2が中心軸ｙに対し１５度傾いて形成されている。また、第２の光学素子7bの隣に間隔をあけて形成された第３の光学素子7cは、放物面８の光軸a3が中心軸ｙに対し３０度傾いて形成されている。さらに、第３の光学素子7cの隣に間隔をあけて形成された第４の光学素子7dは、放物面８の光軸a4が中心軸ｙに対し４５度傾いて形成されている。

光学素子７における集光した光の焦点は、中心軸ｙに対し直交する方向の位置が、それぞれの光学素子７に対応した位置となるように形成されている。一方、光学素子７における集光した光の焦点は、中心軸ｙ方向の位置が、全ての光学素子７で同一となるように形成されている。本実施形態では、光学素子７は、中心軸ｙに対する放物面８の傾きに応じて、放物面８の深さを種々変えることにより、全ての光学素子７の焦点の中心軸ｙの位置が、レンズ本体５の一面5aと略面一となるように形成されている。

このように構成された複数の光学素子７からなる光学素子群６を備えたレンズアレイ２には、レンズ本体５の一面5aにセンサアレイ３が重ねて設けられている。センサアレイ３は、センサ本体12と、当該センサ本体12に固定された感熱素子13とを有する。

センサ本体12は、赤外線を透過する材料で構成され、中心軸ｙに開口した凹部14が一側表面に形成されており、他側表面は平坦となっている。感熱素子13は、前記光学素子７に対応して設けられている。本実施形態では、感熱素子13は、光学素子７に対応して、第１の感熱部13a、第２の感熱部13b、第３の感熱部13c、及び第４の感熱部13dからなる。

当該感熱素子13は特に限定されるものではなく、例えば、熱電対やサーミスタを用いることができる。感熱素子13としてサーミスタを用いた場合、図示しない計測器のアナログチャンネルのプラス端子及びマイナス端子にそれぞれサーミスタの端を電気的に接続する。

各感熱素子13は、センサ本体12の他側表面の所定の位置に固定されている。ここで、所定位置とは、各光学素子７で集光した光の焦点とちょうど同じ位置をいう。

赤外線センサ１は、上記のように構成されたレンズ本体５の一面5aにセンサアレイ３の他側表面を当接させ、レンズアレイ２上にセンサアレイ３を重ねて一体化してなる。このようにレンズアレイ２とセンサアレイ３とを一体化して、各光学素子７と、当該光学素子７に対応して設けられた感熱素子13とを組み合わせることにより、センサ部４が形成される。すなわち、センサ部４は、第１の光学素子7aと第１の感熱部13aとにより第１のセンサ部4aと、第２の光学素子7bと第２の感熱部13bとにより第２のセンサ部4bと、第３の光学素子7cと第３の感熱部13cとにより第３のセンサ部4cと、及び、第４の光学素子7dと第４の感熱部13dとにより第４のセンサ部4dとを有する。

ここで、各光学素子７の焦点の中心軸ｙの位置が、レンズ本体５の一面5aと略面一となるように形成されているので、センサアレイ３の他側表面をレンズ本体５の一面5aに当接させセンサアレイ３をレンズアレイ２に重ねるだけで、センサアレイ３の他側表面に設けられた感熱素子13を前記焦点の位置に配置することができる。

図2に示すように、上記のように赤外線センサ１は、入射した光をレンズアレイ２の各光学素子７で反射して焦点に集光させ、前記光学素子７に対応してセンサアレイ３に設けられた感熱素子13で当該集光した光を検知し得るように構成されている。赤外線センサ１は、放物面８の光軸ａの角度が中心軸ｙに対し種々異なることにより、入射角の種々異なる光を検知し得るように構成されている。

すなわち、第１のセンサ部4aでは、第１の光学素子7aが中心軸ｙに対し平行に入射した光を焦点に集光させ、第１の感熱部13aで当該光を検知する。一方、第２のセンサ部4bでは、第２の光学素子7bが中心軸ｙに対し１５度傾いた方向から入射した光を焦点に集光させ、第２の感熱部13bで当該光を検知する。同様に、第３のセンサ部4cでは、第３の光学素子7cが中心軸ｙに対し３０度傾いた方向から入射した光を焦点に集光させ、第３の感熱部13cで当該光を検知する。また、第４のセンサ部4dでは、第４の光学素子7dが中心軸ｙに対し４５度傾いた方向から入射した光を焦点に集光させ、第４の感熱部13dで当該光を検知する。

図2では、第１のセンサ部4aを中心として、両側に第２のセンサ部4b、第３のセンサ部4c、及び第４のセンサ部4dがそれぞれ設けられていることにより、中心軸ｙに対し、０度から４５度まで１５度間隔で入射角の異なる光を検出することができる。また、図示しないが、赤外線センサ１は、センサ部を平面視で縦横に配列することにより、入射角の異なる種々の光をより確実に検知することができる。

（２）製造方法
次に、本発明に係るレンズアレイ２の製造方法について説明する。本実施形態では、被エッチングパターンの粗密によりエッチング速度が異なる現象である、マイクロローディング効果を用いる。尚、以下の説明では、１個の光学素子７を形成する場合について、説明する。

まず、図3に示すように、フォトレジスト21を塗布したシリコン基板20上に、電子ビーム（Electron Beam）を用いてパターン22を形成する。パターン22は、フォトレジスト21を矩形状に除去した複数の開口23からなる。各開口23は、所定間隔で配列されている（図4）。また、パターン22の中心付近の開口23aは、パターン22の外縁の開口23bに比べ、表面積が大きくなるように形成されている。

次いで、このようにパターン22が形成されたシリコン基板20に対しエッチングを行う。この場合のエッチングは異方性エッチングが好ましく、例えば、誘導結合型反応性イオンエッチング(ICP-RIE :Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching)により行うことができる。

そうすると、図5に示すように、フォトレジスト21が除去された各開口23のシリコン基板20の表面が深さ方向にエッチングされ、溝25が形成される。同時に、溝25と溝25との間には、柱24が形成される。このとき、溝25は、各開口23の面積に応じて、深さが異なる。すなわち、面積が大きい開口23aの溝25aは、面積が小さい開口23bの溝25bに比べ、深く形成される。

ここで、開口23の面積と、エッチングにより形成した溝25の深さとの関係について説明する。図7に示すように、一辺の長さをａとする正方形の開口23からなるパターン22が形成されたシリコン基板20に対し、異方性エッチングを行った。当該開口23は、隣り合う開口23と間隔ｗ（200nm）をあけて縦横に配列さている。各開口23の面積と、溝25の深さとの関係を示す図8から明らかなように、開口23の面積が大きくなれば、エッチングにより形成される溝25も深くなることが確認できた。

また、開口23のアスペクト比と溝25の深さとの関係について説明する。図9に示すように、各辺の長さをａ，ｂとする矩形の開口23からなるパターン22が形成されたシリコン基板20を用意した。当該開口23は、隣り合う開口23とｗ（200nm）の間隔をあけて縦横に配列さている。アスペクト比（ａ／ｂ）毎に面積の異なる6種類（0.16μm², 0.36μm²,
0.64μm², 1.0μm², 4.0μm², 9.0μm²）の開口23を形成し、エッチングを行った。図10は、横軸にアスペクト比、縦軸にアスペクト比を１とした場合の溝25の深さに対する比を示す。本図から明らかなように、アスペクト比が0.2以下の矩形状の開口23では、面積が大きくても、アスペクト比１すなわち正方形の開口23に比べ、エッチングにより形成される溝25の深さが浅くなることが確認できた。

上記したように、開口23は、面積及びアスペクト比を種々選択することにより、エッチング深さの異なる溝25を選択的に形成できることが確認された。例えば、開口23のアスペクト比が小さくなる場合には、当該開口23を二つに分割した方が望ましい。

次いで、エッチングにより、表面を滑らかにして光学素子７を形成する（図6）。この場合のエッチングは、等方性エッチングが好ましく、例えば、SF₆（六フッ化硫黄）を用いたエッチングにより行うことができる。これにより、溝25と溝25との間に形成された柱24は除去され、全体として滑らかな放物面８が形成される。

図11に、このように形成された光学素子７の平面写真を示す。本図から、得られた光学素子７は、中心に向かって徐々に深さが深くなっていることが分かる。また、図11におけるａ−ａ断面及びｂ−ｂ断面において、光学素子７の設計形状と、形成された光学素子７の実測形状とを対比すると（図12）、設計形状を示す線（図中、Design）と実測形状を示す線（図中、Measurement）とが重なっているので、ほぼ、設計どおりに所望の放物面８が得られたことが確認できた。

また、面積及びアスペクト比を種々選択した開口23を組み合わせてパターン22を形成することにより、中心軸ｙに対し、傾いた放物面８を有する光学素子７を形成することができる。例えば、光学素子７の中心軸ｙに対し光軸ａが平行な放物面８を有する光学素子７を形成する場合のパターン22（図13(a)）に対し、中心軸ｙに対し光軸ａが３０度傾いた放物面８を有する光学素子７を形成する場合（図14）には、ａ−ａ方向にはほとんど変化はないが、各開口23がｂ−ｂ方向に圧縮されたように配置される。

このように、放物面８の光軸ａの角度が中心軸ｙに対し種々異なる光学素子７を上記方法により形成し、当該光学素子７を複数、例えば縦横に配列して形成することにより、光学素子群６をレンズ本体５の一面5aに形成することができる。

（３）作用及び効果
上記したように構成された赤外線センサ１は、レンズ本体５の一面5a側から光が入射すると、当該入射した光はセンサアレイ３を透過してレンズ本体５の一面5aに形成された光学素子群６へ到達する。光学素子群６へ到達した光は各光学素子７で反射される。

ここで、入射した光の入射角と放物面８の光軸ａとが平行ではない光学素子７では、当該光を焦点に集光させることはない。一方、入射した光の入射角と放物面８の光軸ａとが平行である光学素子７では、当該光を焦点に集光させることができる。そうすると、当該焦点に配置された感熱素子13が、当該光を検知して図示しない計測器へ出力する。このように、光学素子７は、放物面８の光軸ａを光学素子７の中心軸ｙに対し傾けて形成したことにより、指向性を有する。従って、各光学素子７が指向性を有することにより、所望の入射角を有する光に対応することができる。

また、本実施形態では、光学素子７と感熱素子13とからなるセンサ部４を平面視で縦横に配列することにより、入射角の異なる種々の光に対し感度を向上することができる。従って、本発明に係る赤外線センサ１は、入射角が異なる光を光学素子７で集光し、当該光学素子７に対応した感熱素子13で検知することにより、視野角を拡大させることができる。

ここで、上記のように製造された光学素子７の性能について以下のように確認した。光学素子７は、中心軸ｙに対し放物面８の光軸ａが３０度傾いて形成されたものを使用した。この光学素子７の放物面８には、厚さ50nmのアルミニウム薄膜が形成されている。この光学素子７を図15に示す実験装置30において評価した。実験装置30は、赤外線を出射する光源31と、レンズ33を備えた赤外線カメラ32と、レンズ用基台34とを備える。光源31と赤外線カメラ32とは、光軸ａの傾きと同様に、レンズ用基台34を中心として角度３０度の位置に配置されている。また、光源31の大きさは10mm、光源31と光学素子７との距離は100mmである。このようにして実験装置30は、レンズ用基台34に設置された光学素子７が光源31から出射された赤外線を反射して集光した光を、赤外線カメラ32で撮影し得るように構成されている。

この実験装置30によって撮影した画像を図17に示す。図17におけるａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，及びｆは、図16における赤外線カメラ32の焦点面からの各距離における撮影画像である。ａでは、光学素子７が確認でき、ｄにおいて焦点が確認された。焦点の大きさは0.16mm、光学素子７と焦点との距離は、1.2mmであった。尚、レンズの公式から算出した焦点の大きさは0.12mm、焦点距離は1.2mmである。また、焦点の中心の光の強度は、周辺における光の強度に比べ約８倍であった。これらの結果から、本発明によれば、所望の赤外線を集光させ得る光学素子７を形成できることが確認できた。

また、光学素子７は、放物面８と、前記放物面８の周囲に形成された中心軸ｙに平行な壁面９とを有する構成としたことにより、隣の光学素子７からの迷光を防ぎ、隣り合う他の光学素子７との間隔を狭くすることができるので、光学素子７を密に形成することができる。従って、この光学素子７を用いた赤外線センサ１は、小型化を実現するとともに、放物面８の光軸ａの傾きが種々異なる光学素子７を密に形成することによって、視野角を拡大させることができる。尚、迷光とは、予期しない方向から来た光で、例えば、隣の光学素子７で反射した光をいう。

１赤外線センサ
２レンズアレイ
４センサ部
５レンズ本体
5a 一面
７光学素子
８放物面
９壁面
13 感熱素子
ａ放物面の光軸
ｙ光学素子の中心軸

Claims

入射した光を反射して集光する放物面を備える光学素子において、
前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されており、
前記放物面の周囲には、前記光学素子の中心軸に概略平行な壁面が形成されていることを特徴とする光学素子。
入射した光を反射して集光する放物面を備える光学素子と、
前記光学素子によって集光された光の焦点に配置された感熱素子と
を備え、
前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されており、
前記放物面の周囲には、前記光学素子の中心軸に概略平行な壁面が形成されている
ことを特徴とする赤外線センサ。
前記光学素子と、前記光学素子に対応して設けられた前記感熱素子とからなるセンサ部が、複数配列されてなることを特徴とする請求項２記載の赤外線センサ。