JP7129654B2 - 赤外線検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に赤外線検出装置に関し、より詳細には、レンズアレイと赤外線検出素子とを備える赤外線検出装置に関する。

従来、赤外線検知素子（赤外線検出素子）と、レンズアレイと、光学部材と、を備える赤外線センサ（赤外線検出装置）が知られている（特許文献１）。

光学部材は、一対のミラー面を有する反射片と、反射片を支持する支持部と、を備える。

特開２０１５－１９４４００号公報

特許文献１に記載された赤外線センサでは、レンズアレイを通過して赤外線検出素子へ直接向かう赤外線の一部が反射片により遮られてしまい、感度が低下してしまう。

本発明の目的は、検知エリアの広角化を図りつつ感度の低下を抑制することが可能な赤外線検出装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る赤外線検出装置は、赤外線検出素子と、レンズアレイと、メニスカスレンズと、を備える。前記レンズアレイは、複数のレンズを含む。前記レンズアレイは、前記赤外線検出素子の光軸に交差するように配置されている。前記レンズアレイは、前記赤外線検出素子側に焦点を有する。前記メニスカスレンズは、ドーム状であり、前記レンズアレイと前記赤外線検出素子との間に配置されている。前記メニスカスレンズは、前記レンズアレイ側の第１面と、前記赤外線検出素子側の第２面と、を有する。前記メニスカスレンズは、中央部と、周部と、を有する。前記中央部は、前記メニスカスレンズの光軸と前記第１面の交点である頂点及び前記メニスカスレンズの前記光軸と前記第２面の交点を含む。前記周部は、前記メニスカスレンズの前記第１面の端及び前記第２面の端を含む。前記メニスカスレンズの前記中央部については、前記第１面の不遊点が前記レンズアレイの前記焦点に位置しており、かつ、前記頂点と前記メニスカスレンズの前記中央部における前記第１面の浮遊点との距離が、前記頂点と前記メニスカスレンズの前記中央部における前記第２面の浮遊点との距離よりも長く。前記メニスカスレンズの前記周部については、前記第２面の不遊点が前記レンズアレイの前記焦点に位置しており、かつ、前記頂点と前記メニスカスレンズの前記周部における前記第１面の浮遊点との距離が、前記頂点と前記メニスカスレンズの前記周部における前記第２面の浮遊点との距離よりも長い。

本発明の赤外線検出装置は、検知エリアの広角化を図りつつ感度の低下を抑制することができる。

図１は、本発明の実施形態１に係る赤外線検出装置の縦断面図である。 図２は、同上の赤外線検出装置の斜視図である。 図３は、同上の赤外線検出装置の下面図である。 図４は、同上の赤外線検出装置の分解斜視図である。 図５Ａは、同上の赤外線検出装置に関し、メニスカスレンズを含む第２部材の下面図である。図５Ｂは、同上の赤外線検出装置の横断面図である。 図６Ａは、同上の赤外線検出装置における赤外線検出素子の平面図である。図６Ｂは、同上の赤外線検出装置における赤外線検出素子に関し、図６ＡのＧ－Ｇ線断面図である。 図７は、同上の赤外線検出装置における外部からの赤外線の進行経路の説明図である。 図８は、同上の赤外線検出装置の回路ブロック図である。 図９は、同上の赤外線検出装置の使用例の一例を示す斜視図である。 図１０Ａは、同上の赤外線検出装置におけるメニスカスレンズの中央部の説明図である。図１０Ｂは、同上の赤外線検出装置におけるメニスカスレンズの周部の説明図である。 図１１Ａは、原理１のメニスカスレンズの集光点の説明図である。図１１Ｂは、原理２のメニスカスレンズの集光点の説明図である。図１１Ｃは、原理３のメニスカスレンズの集光点の説明図である。図１１Ｄは、原理４のメニスカスレンズの集光点の説明図である。図１１Ｅは、原理５のメニスカスレンズの集光点の説明図である。 図１２Ａは、原理３のメニスカスレンズの集光点の説明図である。図１２Ｂは、図１２Ａのメニスカスレンズをフレネル化したメニスカスレンズの集光点の説明図である。 図１３は、原理４のメニスカスレンズをフレネル化したメニスカスレンズの集光点の説明図である。 図１４Ａは、本発明の実施形態２に係る赤外線検出装置におけるメニスカスレンズの中央部の説明図である。図１４Ｂは、同上の赤外線検出装置におけるメニスカスレンズの周部の説明図である。

（実施形態１）
（１）赤外線検出装置の全体構成
以下、実施形態１に係る赤外線検出装置１について、図面を参照して説明する。

赤外線検出装置１は、図１～７に示すように、赤外線検出素子２と、レンズアレイ３と、メニスカスレンズ４と、を備える。レンズアレイ３は、複数（例えば、５３個）のレンズ３０を有する。レンズアレイ３とメニスカスレンズ４とを含む光学系は、赤外線検出素子２に赤外線を集光する。なお、図７では、赤外線の進行経路のシミュレーション結果を細線で示してある。

また、赤外線検出装置１は、信号処理部７（図８参照）を更に備える。信号処理部７は、赤外線検出素子２の出力信号に基づいて人体検出信号を外部装置（外部回路）へ出力するように構成されている。「人体検知信号」は、一例として一定時間だけハイレベルとなるパルス信号としてある。

また、赤外線検出装置１は、赤外線検出素子２と信号処理部７とが実装されている実装基板８を更に備える。実装基板８は、例えば、成形基板である。また、赤外線検出装置１は、赤外線検出素子２が収納されたパッケージ９を更に備える。パッケージ９は、赤外線を透過する窓材９３を含む。パッケージ９には、信号処理部７及び実装基板８も収納されている。

また、赤外線検出装置１は、レンズアレイ３を含む第１部材１１と、メニスカスレンズ４を含む第２部材１２と、を備え、第１部材１１と第２部材１２とが一体化されている。

（２）赤外線検出装置の各構成要素
次に、赤外線検出装置１の各構成要素について、図面を参照して説明する。

（２．１）赤外線検出素子
赤外線検出素子２は、焦電素子である。より詳細には、赤外線検出素子２は、例えば、図６Ａ及び６Ｂに示すように、１枚の焦電体基板２３に４個の検出部２４が形成されたクワッドタイプの焦電素子である。

赤外線検出素子２は、１枚の焦電体基板２３に、４個の検出部２４が２×２のマトリクス状（アレイ状）に配列されている。

焦電体基板２３の平面視形状は、正方形状である。焦電体基板２３は、焦電性を有する基板である。焦電体基板２３は、例えば単結晶のＬｉＴａＯ_３基板により構成されている。

複数の検出部２４それぞれの平面視形状は、正方形状である。赤外線検出素子２は、焦電体基板２３の中央部において焦電体基板２３の外周線２３０よりも内側の仮想正方形の４つの角それぞれに検出部２４の中心が位置するように配置されている。

複数の検出部２４それぞれの平面視形状は、正方形状である。複数の検出部２４の各々は、焦電体基板２３の表面２３１に形成された表面電極２５と、焦電体基板２３の裏面２３２に形成された裏面電極２６と、焦電体基板２３において表面電極２５と裏面電極２６とで挟まれた部分２３３と、を含むコンデンサである。表面電極２５は、赤外線を吸収する導電膜（例えば、ＮｉＣｒ膜）により構成されている。図６Ａでは、複数の検出部２４それぞれにおいてレンズアレイ３側に位置する表面電極２５の極性を、“＋”、“－”の符号で示してある。複数の検出部２４それぞれの受光面２４ａは、表面電極２５の表面である。

上述のように、赤外線検出素子２は、複数の検出部２４として２×２のマトリクス状に配列された４個の検出部２４を備えたクワッドタイプの焦電素子である。ここで、赤外線検出素子２は、２つの対角線方向の各々において並んでいる２個の検出部２４同士が並列接続され、行方向（図６Ａの左右方向）に並んでいる２個の検出部２４同士が逆並列に接続され、列方向（図６Ａの上下方向）に並んでいる２個の検出部２４同士が逆並列に接続されている。したがって、赤外線検出素子２は、２つの対角線方向の各々において並んでいる２個の検出部２４それぞれの表面電極２５の極性が同じである。また、赤外線検出素子２は、行方向に並んでいる２個の検出部２４それぞれの表面電極２５の極性が互いに異なる。また、赤外線検出素子２は、列方向に並んでいる２個の検出部２４それぞれの表面電極２５の極性が互いに異なる。

赤外線検出素子２の光軸Ａ２は、複数の検出部２４それぞれの受光面２４ａを包含する正方形の中心に立てた法線である。

（２．２）パッケージ
パッケージ９は、パッケージ本体９０と、窓材９３と、を含む。パッケージ９は、所謂キャンパッケージ（Can Package）であり、複数（３つ）のリード端子９５を含む。パッケージ本体９０は、赤外線検出素子２を収納し窓材９３を保持している。パッケージ本体９０は、台座９１と、キャップ９２と、を含む。

台座９１は、導電性を有する。ここにおいて、台座９１は、金属製である。台座９１は、円盤状であり、厚さ方向の一面側において実装基板８を支持している。

キャップ９２は、導電性を有する。ここにおいて、キャップ９２は、金属製である。キャップ９２は、有底円筒状であり、実装基板８と信号処理部７と赤外線検出素子２とを覆うように台座９１に固着されている。

窓材９３は、赤外線を透過する赤外線透過部材である。窓材９３は、導電性を有する。ここにおいて、窓材９３は、例えば、シリコン基板を含む。窓材９３は、シリコン基板に加えて、このシリコン基板に積層された赤外線光学フィルタを含んでいる。赤外線光学フィルタは、赤外線検出装置１の検出対象の波長領域の赤外線を透過させる光学多層膜である。

窓材９３は、キャップ９２の前壁に形成された窓孔９２１を塞ぐように配置される。窓材９３は、キャップ９２に対して導電性材料により接合されており、キャップ９２と電気的に接続されている。窓材９３は、赤外線検出素子２の受光面の前方に配置されている。赤外線検出装置１では、赤外線検出素子２は、その光軸Ａ２が窓材９３の中心を通るように配置されている。したがって、窓材９３は、赤外線検出素子２の光軸Ａ２に交差（ここでは、直交）している。赤外線検出素子２の光軸Ａ２に沿った方向から見て、窓材９３は、赤外線検出素子２よりも大きい。

また、パッケージ９は、突部９０３を含んでいる。突部９０３は、パッケージ本体９０における窓材９３側とは反対側の端部から赤外線検出素子２の光軸Ａ２に交差する方向に突出している。

３つのリード端子９５は、台座９１に保持されている。３つのリード端子９５の各々は、ピン状である。３つのリード端子９５の各々は、台座９１の厚さ方向において台座９１を貫通している。３つのリード端子９５は、給電用リード端子、信号出力用リード端子及びグラウンド用リード端子である。

（２．３）信号処理部
信号処理部７（図８参照）は、例えば、１チップのＩＣ素子（ＩＣ：Integrated Circuit）により構成されている。

信号処理部７は、例えば、図８に示すように、電流電圧変換回路７１と、電圧増幅回路７２と、判定回路７３と、出力回路７４と、を含んでいる。

電流電圧変換回路７１は、赤外線検出素子２から出力される出力信号である電流信号を電圧信号に変換して出力する回路である。電流電圧変換回路７１は、例えば、演算増幅器及びコンデンサ等を用いて構成することができる。

電圧増幅回路７２は、電流電圧変換回路７１から出力された電圧信号のうち所定の周波数帯域（例えば、０．１Ｈｚ～１０Ｈｚ）の電圧信号を増幅して出力する回路である。電圧増幅回路７２は、バンドパスフィルタとしての機能を有する。バンドパスフィルタとしての機能は、電流電圧変換回路７１から出力された電圧信号のうち上記所定の周波数帯域の成分を通過させ、かつ雑音となる不要な周波数成分を除去する機能である。

判定回路７３は、電圧増幅回路７２から出力される電圧信号と予め設定された閾値とを比較し電圧信号が閾値を超えたか否かを判定する回路である。判定回路７３は、例えば、コンパレータ等を用いて構成することができる。より詳細には、判定回路７３は、例えば、電圧信号のレベルが第１閾値を超えたとき（上回ったとき）又は第１閾値よりも小さな第２閾値を超えたとき（下回ったとき）に出力信号がＬレベルとなり、第１閾値及び第２閾値のいずれも超えていないときに出力信号がＨレベルとなるように構成されたウィンドコンパレータである。

出力回路７４は、判定回路７３において電圧信号が閾値を超えたと判定されたときに人体検知信号を出力信号として出す回路である。出力回路は、例えば、電界効果トランジスタ及び２つの抵抗等を用いて構成することができる。電界効果トランジスタは、例えば、ｐチャネルのエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴである。

（２．４）レンズアレイ
レンズアレイ３は、複数（例えば、５３個）のレンズ３０を含むマルチレンズである。

レンズアレイ３において外部からの赤外線が入射する第１面３１は、複数のレンズ３０それぞれの入射面の一群により構成されている。レンズアレイ３において赤外線が出射する第２面３２は、複数のレンズ３０それぞれの出射面の一群により構成されている。

レンズアレイ３は、赤外線検出素子２の前方に配置されている。「赤外線検出素子２の前方」とは、赤外線検出素子２の光軸Ａ２に沿った方向における赤外線検出素子２の受光面側を意味する。レンズアレイ３は、赤外線検出素子２の光軸Ａ２に交差するように配置されている。レンズアレイ３は、赤外線検出素子２側に焦点Ｆ３を有する。

複数のレンズ３０の各々は、赤外線検出素子２に赤外線を集光するための集光レンズであり、凸レンズにより構成されている。複数のレンズ３０の各々を構成する凸レンズは、非球面レンズであるが、これに限らず、例えば、球面レンズであってもよい。

レンズアレイ３は、複数のレンズ３０それぞれの赤外線検出素子２側での焦点が同じ位置となるように設計されている。したがって、レンズアレイ３の焦点Ｆ３は、複数のレンズ３０それぞれの赤外線検出素子２側での焦点に一致する。複数のレンズ３０の各々で制御する制御対象の赤外線は、例えば、５μｍ～２５μｍの波長域の赤外線である。

レンズアレイ３の材料は、例えば、ポリエチレンを含む。より詳細には、レンズアレイ３の材料は、白色顔料又は黒色顔料が添加されたポリエチレンである。白色顔料としては、例えば、酸化チタン等の無機顔料を採用するのが好ましい。黒色顔料としては、例えば、カーボンブラック等の微粒子を採用するのが好ましい。レンズアレイ３は、例えば、成形法により形成することができる。成形法としては、例えば、射出成形法、圧縮成形法等を採用することができる。

（２．５）メニスカスレンズ
メニスカスレンズ４は、ドーム状であり、レンズアレイ３と赤外線検出素子２との間に配置されている。メニスカスレンズ４は、レンズアレイ３側の第１面４１と、赤外線検出素子２側の第２面４２と、を有する。メニスカスレンズ４は、中央部５と、周部６と、を有する。中央部５は、メニスカスレンズ４の光軸Ａ４と第１面４１の交点である頂点Ｃ４を含む。周部６は、メニスカスレンズ４の第１面４１の端Ｅ４を含む。

メニスカスレンズ４は、不遊メニスカスレンズ（aplanatic meniscus lens）である。不遊メニスカスレンズは、メニスカスレンズの一種である。「不遊メニスカスレンズ」とは、互いに共役な一組の不遊点（aplanatic point）を有するメニスカスレンズを意味する。「不遊点」とは、回転対称な光学結像系において、理論的に光軸上の物点が収差のない像をつくるときの共役点を意味する。

ここで、実施形態１に係る赤外線検出装置１におけるメニスカスレンズ４の詳細について説明する前に、メニスカスレンズの原理について、図１１Ａ～１１Ｅを参照して説明する。なお、図１１Ａ～１１Ｅでは、赤外線の進行経路のシミュレーション結果を細線で示してある。

図１１Ａに示した第１例に係るメニスカスレンズ４ｒは、第１面４１及び第２面４２の各々が球面の一部により構成されている。第１例に係るメニスカスレンズ４ｒでは、第１面４１に対応する球面の中心（不遊点４１０）と第２面４２に対応する球面の中心（不遊点４２０）とが同じである。第１例に係るメニスカスレンズ４ｒでは、第１面４１に垂直に入射する赤外線は、第１面４１及び第２面４２のいずれにおいても屈折しないで集光位置Ｐ２に集光される。集光位置Ｐ２は、不遊点４１０及び不遊点４２０と同じ位置である。

図１１Ｂに示した第２例に係るメニスカスレンズ４ｓは、第１面４１及び第２面４２の各々が球面の一部により構成されている。第２例に係るメニスカスレンズ４ｓでは、第１面４１に対応する球面の中心（不遊点４１０）と第２面４２に対応する球面の中心（不遊点４２０）とが異なり、メニスカスレンズ４ｓの光軸に沿った方向（図１１Ｂの上下方向）において、不遊点４２０が不遊点４１０よりも第２面４２から離れている。第２例に係るメニスカスレンズ４ｓでは、第１面４１に垂直に入射する赤外線は、第１面４１では屈折されずに第２面４２で屈折され、集光位置Ｐ２に集光される。集光位置Ｐ２は、メニスカスレンズ４ｓの光軸に沿った方向において不遊点４１０から第２面４２側にずれた位置である。

図１１Ｃに示した第３例に係るメニスカスレンズ４ｔは、第１面４１及び第２面４２の各々が球面の一部により構成されている。第３例に係るメニスカスレンズ４ｔでは、第１面４１に対応する球面の中心（不遊点４１０）と第２面４２に対応する球面の中心（不遊点４２０）とが異なり、メニスカスレンズ４ｔの光軸に沿った方向（図１１Ｃの上下方向）において、不遊点４２０が不遊点４１０よりも第２面４２に近い。第３例に係るメニスカスレンズ４ｔでは、第１面４１に垂直に入射する赤外線は、第１面４１では屈折されずに第２面４２で屈折され、集光位置Ｐ２に集光される。集光位置Ｐ２は、メニスカスレンズ４ｔの光軸に沿った方向において不遊点４１０から第２面４２側とは反対側にずれた位置である。

図１１Ｄに示した第４例に係るメニスカスレンズ４ｕは、第１面４１及び第２面４２の各々が球面の一部により構成されている。第４例に係るメニスカスレンズ４ｕでは、第１面４１に対応する球面の中心（不遊点４１０）と第２面４２に対応する球面の中心（不遊点４２０）とが異なり、メニスカスレンズ４ｕの光軸に沿った方向（図１１Ｄの上下方向）において、不遊点４１０が不遊点４２０よりも第２面４２から遠い。第４例に係るメニスカスレンズ４ｕでは、第１面４１に垂直に入射する赤外線は、第１面４１では屈折されずに第２面４２で屈折され、集光位置Ｐ２に集光される。集光位置Ｐ２は、メニスカスレンズ４ｕの光軸に沿った方向において不遊点４２０から第２面４２側とは反対側にずれた位置である。

図１１Ｅに示した第５例に係るメニスカスレンズ４ｖは、第１面４１及び第２面４２の各々が球面の一部により構成されている。第５例に係るメニスカスレンズ４ｖでは、第１面４１に対応する球面の中心（不遊点４１０）と第２面４２に対応する球面の中心（不遊点４２０）とが異なり、メニスカスレンズ４ｖの光軸に沿った方向（図１１Ｅの上下方向）において、不遊点４１０が不遊点４２０よりも第２面４２側に位置している。第５例に係るメニスカスレンズ４ｖでは、第１面４１に垂直に入射する赤外線は、第１面４１では屈折されずに第２面４２で屈折され、集光位置Ｐ２に集光される。集光位置Ｐ２は、メニスカスレンズ４ｖの光軸に沿った方向において不遊点４１０から第２面４２側とは反対側にずれた位置であり、不遊点４１０と不遊点４２０との中間の位置である。

第１例～第５例から、図１のようにメニスカスレンズ４におけるレンズアレイ３側とは反対側（図１の下側）に配置される赤外線検出素子２を備えた赤外線検出装置１の検知エリアの広角化を図るには、第３例及び第４例のように、第１面４１の中心（不遊点４１０）が第２面４２の中心（不遊点４２０）よりも下側に位置する必要がある。

しかしながら、第３例のメニスカスレンズ４ｔ（図１１Ｃ及び１２Ａ）では、第２面４２が半球面よりも大きいので、フレネル化した場合、薄肉化はできても図１２Ｂに示すような形状のメニスカスレンズ４ｗとなってしまい、射出成形では離型ができない形状となってしまう。なお、図１２Ａ及び１２Ｂでは、赤外線の進行経路のシミュレーション結果を細線で示してある。

また、第４例のメニスカスレンズ４ｕ（図１１Ｄ）をフレネル化した場合、図１３に示す形状のメニスカスレンズ４ｘとなり、射出成形で離型できる形状となるが、第１面４１と第２面４２との両方で屈折が生じるので、収差が生じてしまう。なお、図１３では、赤外線の進行経路のシミュレーション結果を細線で示してある。

これらに対して、実施形態１に係る赤外線検出装置１におけるメニスカスレンズ４の中央部５については、図１０Ａに示すように第１面４１の不遊点４１０がレンズアレイ３の焦点Ｆ３に位置している。また、メニスカスレンズ４の周部６については、図１０Ｂに示すように第２面４２の不遊点４２０がレンズアレイ３の焦点Ｆ３に位置している。第１面４１の不遊点４１０及び第２面４２の不遊点４２０は、メニスカスレンズ４の光軸Ａ４上にある。つまり、メニスカスレンズ４の中央部５では、第３例の原理（原理３）を利用しており、メニスカスレンズ４の周部では第４例の原理（原理４）を利用している。よって、実施形態１に係る赤外線検出装置１では、射出成形での離型が可能な形状であり、かつ収差の発生を抑制することが可能となる。なお、図１０Ａ及び１０Ｂでは、赤外線の進行経路のシミュレーション結果を細線で示してある。

メニスカスレンズ４の材料は、例えば、ポリエチレンを含む。より詳細には、メニスカスレンズ４の材料は、白色顔料又は黒色顔料が添加されたポリエチレンである。白色顔料としては、例えば、酸化チタン等の無機顔料を採用するのが好ましい。黒色顔料としては、例えば、カーボンブラック等の微粒子を採用するのが好ましい。メニスカスレンズ４は、例えば、成形法により形成することができる。成形法としては、例えば、射出成形法、圧縮成形法等を採用することができる。

メニスカスレンズ４で制御する制御対象の赤外線は、例えば、５μｍ～２５μｍの波長域の赤外線が挙げられる。メニスカスレンズ４は、肉厚が厚いほど制御対象の赤外線の透過率が低下する。メニスカスレンズ４は、肉厚が０．１ｍｍ大きくなると、垂直入射する制御対象の赤外線の透過率が概ね１０％程度、低下する。垂直入射するとは、メニスカスレンズ４の第１面４１の任意の点に、この任意の点の法線に沿って入射することを意味する。

実施形態１に係る赤外線検出装置１では、メニスカスレンズ４は、フレネルレンズである。これにより、実施形態１に係る赤外線検出装置１は、メニスカスレンズ４の肉厚を薄くすることが可能となり、高感度化を図ることが可能となる。なお、実施形態１に係る赤外線検出装置１では、メニスカスレンズ４が、図５Ａ及び７に示すように、１個の中心レンズ４３と、複数（１１個）の帯状レンズ４４と、を有している。

（２．６）第１部材及び第２部材
赤外線検出装置１では、上述のように、レンズアレイ３を含む第１部材１１と、メニスカスレンズ４を含む第２部材１２と、が一体化されている。第１部材１１は、レンズアレイ３を含む樹脂成形体である。第２部材１２は、メニスカスレンズ４を含む樹脂成形体である。

赤外線検出装置１では、第１部材１１と第２部材１２との一方（ここでは、第１部材１１）が複数（２つ）のフック１３を有するとともに、他方（ここでは、第２部材１２）が複数（２つ）のフック１３に一対一に対応する複数（２つ）の孔１４を有する。赤外線検出装置１では、複数のフック１３が複数の孔１４のうち対応する孔１４を通っており対応する孔１４の周辺（ここでは、第２部材１２における孔１４の周辺）に引っ掛かかっていることで第１部材１１と第２部材１２とが一体化されている。つまり、赤外線検出装置１では、互いに異なる部材である第１部材１１と第２部材１２とが結合されることで一体化されている。

第２部材１２は、筒部１２０と、複数のリブ１２０１と、を含む。筒部１２０は、パッケージ９を囲む。複数のリブ１２０１は、筒部１２０の周方向において互いに離隔しており、筒部１２０の内周面１２００から突出している。赤外線検出装置１では、複数のリブ１２０１とパッケージ９の側面とが接触している。筒部１２０は、円筒状である。第２部材１２では、筒部１２０の肉厚が、メニスカスレンズ４の肉厚よりも厚い。これにより、赤外線検出装置１では、外部からの赤外線が筒部１２０を透過してパッケージ９の側面に到達することが抑制することができる。

第２部材１２は、位置決め突起１２０４（図３及び５Ａ参照）を有する。位置決め突起１２０４は、筒部１２０の内周面１２００から突出している。位置決め突起１２０４は、パッケージ９にメニスカスレンズ４側とは反対側から当たっている。より詳細には、第２部材１２の位置決め突起１２０４は、パッケージ本体９０の台座９１の裏面に当たっている。第２部材１２は、位置決め突起１２０４を複数（２つ）備えている。複数の位置決め突起１２０４は、筒部１２０の周方向において離間して配置されている。

また、第２部材１２の筒部１２０は、メニスカスレンズ４側とは反対側の端面１２０２に、突部９０３が嵌っている溝１２０３を有する。

（２．７）赤外線検出装置の検知エリア
実施形態１に係る赤外線検出装置１は、例えば、検知エリア内の熱源の検知に用いられる。熱源は、例えば、人である。検知エリアは、実際には見えない。実施形態１に係る赤外線検出装置１では、検知エリアは、半球状である。赤外線検出装置１は、一例として、図９に示すように、オフィス等の会議室２０１のテーブル２０２上に配置する負荷制御機器２００に搭載される。この場合、赤外線検出装置１は、赤外線検出素子２の受光面が鉛直上方に向くように配置されて使用される。負荷制御機器２００は、例えば、会議室内の複数の椅子２０３に座っている人の検知結果に基づいて、会議室内の負荷（例えば、照明負荷、エアコンディショナ、撮像装置等）を制御する機器である。ここにおいて、負荷制御機器２００は、赤外線検出装置１からの人体検知信号に基づいて負荷を制御する制御部を備えている。制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリを含むコンピュータにて構成されている。

赤外線検出装置１では、検知エリアは、赤外線検出素子２とレンズアレイ３とメニスカスレンズ４とを含む受光ユニットにより決まる。受光ユニットは、窓材９３も含んでいる。
検知エリアは、パッケージ９（図１及び４参照）の窓材９３の大きさ及び形状、キャップ９２の窓孔９２１の開口形状等にも依存することがある。

（３）効果
実施形態１に係る赤外線検出装置１は、赤外線検出素子２と、レンズアレイ３と、メニスカスレンズ４と、を備える。レンズアレイ３は、複数のレンズ３０を含む。レンズアレイ３は、赤外線検出素子２の光軸Ａ２に交差するように配置されている。レンズアレイ３は、赤外線検出素子２側に焦点Ｆ３を有する。メニスカスレンズ４は、ドーム状であり、レンズアレイ３と赤外線検出素子２との間に配置されている。メニスカスレンズ４は、レンズアレイ３側の第１面４１と、赤外線検出素子２側の第２面４２と、を有する。メニスカスレンズ４は、中央部５と、周部６と、を有する。中央部５は、メニスカスレンズ４の光軸Ａ４と第１面４１の交点である頂点Ｃ４を含む。周部６は、メニスカスレンズ４の第１面４１の端Ｅ４を含む。メニスカスレンズ４の中央部５については、第１面４１の不遊点４１０がレンズアレイ３の焦点Ｆ３に位置している。メニスカスレンズ４の周部６については、第２面４２の不遊点４２０がレンズアレイ３の焦点Ｆ３に位置している。

これにより、実施形態１に係る赤外線検出装置１では、検知エリアの広角化（例えば、１５０度以上の検知角の実現）を図りつつ感度の低下を抑制することが可能となる。また、実施形態１に係る赤外線検出装置１では、レンズアレイ３と窓材９３との間に反射片を備える光学部材が配置されていないので、赤外線が反射片により遮られるというような問題は発生しない。

また、実施形態１に係る赤外線検出装置１では、メニスカスレンズ４は、第２面４２においてメニスカスレンズ４の光軸Ａ４を中心として同心的な複数のレンズ面４２１を有するフレネルレンズである。第１面４１は、周部６における曲率半径が、中央部５における曲率半径よりも大きい。複数のレンズ面４２１の各々は、メニスカスレンズ４の光軸Ａ４に平行な方向において頂点Ｃ４から離れるにつれて光軸Ａ４との距離が長くなるように傾いている、又はメニスカスレンズ４の光軸Ａ４に平行である。

これにより、実施形態１に係る赤外線検出装置１では、メニスカスレンズ４を成形により形成することができるとともに、収差の発生を抑制できる。

（実施形態２）
実施形態２に係る赤外線検出装置１ａは、図１４Ａ及び１４Ｂに示すように、メニスカスレンズ４ａの形状が、実施形態１に係る赤外線検出装置１におけるメニスカスレンズ４の形状とは相違する。実施形態２に係る赤外線検出装置に関し、他の構成は実施形態１に係る赤外線検出装置１と同じなので、図示及び説明を省略する。

実施形態２に係る赤外線検出装置１ａにおけるメニスカスレンズ４ａは、図１４Ａに示すように中央部５では第２面４２に、メニスカスレンズ４ａの光軸Ａ４を中心として同心的な複数のレンズ面４２１を有し、図１４Ｂに示すように周部６では第１面４１に、メニスカスレンズ４ａの光軸Ａ４を中心として同心的な複数のレンズ面４１１を有する。第２面４２における複数のレンズ面４２１は、メニスカスレンズ４ａの光軸Ａ４に平行な方向において頂点Ｃ４から離れるにつれて光軸Ａ４との距離が長くなるように傾いている、又はメニスカスレンズ４ａの光軸Ａ４に平行である。第１面４１における複数のレンズ面４１１は、メニスカスレンズ４ａの光軸Ａ４に平行な方向において頂点Ｃ４から離れるにつれて光軸Ａ４との距離が長くなるように傾いている。

実施形態２に係る赤外線検出装置１ａでは、メニスカスレンズ４ａを成形により形成することができるとともに、収差の発生を抑制できる。なお、図１４Ａ及び１４Ｂでは、赤外線の進行経路のシミュレーション結果を細線で示してある。

（変形例）
上記の実施形態１、２は、本発明の様々な実施形態の一つに過ぎない。上記の実施形態１、２は、本発明の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

例えば、赤外線検出素子２は、クワッドタイプの焦電素子に限らず、デュアルタイプの焦電素子、シングルタイプの焦電素子等でもよい。また、赤外線検出素子２における検出部２４の形状、配列等も特に限定されない。

また、赤外線検出素子２は、電流検出モードで使用され出力信号として電流信号を出力する焦電素子であるが、これに限らない。例えば、赤外線検出素子２は、電圧検出モードで使用され出力信号として電圧信号を出力する焦電素子でもよい。この場合、上述の信号処理部７における電流電圧変換回路７１は、不要である。

また、赤外線検出素子２は、焦電体基板２３を備えた構成に限らず、例えば、シリコン基板の表面上の電気絶縁膜上に、裏面電極、焦電体薄膜及び表面電極がこの順に並んで構成される検出部が形成されたチップでもよい。

また、赤外線検出装置１、１ａは、赤外線検出素子として焦電素子を用いる代わりに、サーモパイル、抵抗ボロメータ等を採用してもよい。

また、レンズアレイ３では、複数のレンズ３０の各々がフレネルレンズであってもよい。

また、パッケージ９における窓材９３は、シリコンレンズ等の半導体レンズであってもよい。また、メニスカスレンズ４、４ａを設ける代わりに、シリコンを材料とする窓材９３が、メニスカスレンズを構成してもよい。この場合、シリコンはポリエチレンと比べて赤外線の透過率が高いので、メニスカスレンズをフレネル化しなくても感度の低下を抑制することができる。メニスカスレンズを構成する窓材９３は、例えば、陽極酸化技術を利用して形成することができる。

また、赤外線検出装置１、１ａでは、第１部材１１が複数のフック１３を有し第２部材１２が複数の孔１４を有しているが、これに限らず、例えば、第２部材１２が複数のフック１３を有し第１部材１１が複数の孔１４を有し、第１部材１１と第２部材１２とが一体化されていてもよい。

また、赤外線検出装置１、１ａは、信号処理部７の構成部品がパッケージ９内に収納された例に限らず、信号処理部７の構成部品の一部もしくは全部がパッケージ９の外部（例えば、プリント基板等）に実装されている構成であってもよい。また、信号処理部７は、赤外線検出装置１、１ａに必須の構成要素ではない。

赤外線検出装置１、１ａでは、レンズアレイ３の形状が変わっても収差の発生を抑制しつつ赤外線を集光することができる。したがって、検知エリアの変更に際しては、メニスカスレンズ４、４ａの設計を変更せずに、レンズアレイ３の形状のみの設計変更で対応することが可能となる。これにより、赤外線検出装置１、１ａは、室内の壁、室内の天井、廊下の天井等、様々は場所に設置する用途ごとにメニスカスレンズ４、４ａの設計を変える必要がないので、低コスト化を図ることが可能となる。

（まとめ）
以上説明した実施形態等から以下の態様が開示されている。

第１の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）は、赤外線検出素子（２）と、レンズアレイ（３）と、メニスカスレンズ（４；４ａ）と、を備える。レンズアレイ（３）は、複数のレンズ（３０）を含む。レンズアレイ（３）は、赤外線検出素子（２）の光軸（Ａ２）に交差するように配置されている。レンズアレイ（３）は、赤外線検出素子（２）側に焦点（Ｆ３）を有する。メニスカスレンズ（４；４ａ）は、ドーム状であり、レンズアレイ（３）と赤外線検出素子（２）との間に配置されている。メニスカスレンズ（４）は、レンズアレイ（３）側の第１面（４１）と、赤外線検出素子（２）側の第２面（４２）と、を有する。メニスカスレンズ（４；４ａ）は、中央部（５）と、周部（６）と、を有する。中央部（５）は、メニスカスレンズ（４；４ａ）の光軸（Ａ４）と第１面（４１）の交点である頂点（Ｃ４）を含む。周部（６）は、メニスカスレンズ（４；４ａ）の第１面（４１）の端（Ｅ４）を含む。メニスカスレンズ（４；４ａ）の中央部（５）については、第１面（４１）の不遊点（４１０）がレンズアレイ（３）の焦点（Ｆ３）に位置している。メニスカスレンズ（４）の周部（６）については、第２面（４２）の不遊点（４２０）がレンズアレイ（３）の焦点（Ｆ３）に位置している。

第１の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）は、検知エリアの広角化を図りつつ感度の低下を抑制することが可能となる。

第２の態様に係る赤外線検出装置（１）では、第１の態様において、メニスカスレンズ（４）は、第２面（４２）においてメニスカスレンズ（４）の光軸（Ａ４）を中心として同心的な複数のレンズ面（４２１）を有するフレネルレンズである。第１面（４１）は、周部（６）における曲率半径が、中央部（５）における曲率半径よりも大きい。複数のレンズ面（４２１）の各々は、メニスカスレンズ（４）の光軸（Ａ４）に平行な方向において頂点（Ｃ４）から離れるにつれて光軸（Ａ４）との距離が長くなるように傾いている、又はメニスカスレンズ（４）の光軸（Ａ４）に平行である。

第２の態様に係る赤外線検出装置（１）では、メニスカスレンズ（４）を成形により形成することができるとともに、収差の発生を抑制できる。

第３の態様に係る赤外線検出装置（１ａ）では、第１の態様において、メニスカスレンズ（４ａ）は、中央部（５）では第２面（４２）に、メニスカスレンズ（４ａ）の光軸（Ａ４）を中心として同心的な複数のレンズ面（４２１）を有し、周部（６）では第１面（４１）に、メニスカスレンズ（４ａ）の光軸（Ａ４）を中心として同心的な複数のレンズ面（４１１）を有する。第２面（４２）における複数のレンズ面（４２１）は、メニスカスレンズ（４ａ）の光軸（Ａ４）に平行な方向において頂点（Ｃ４）から離れるにつれて光軸（Ａ４）との距離が長くなるように傾いている、又はメニスカスレンズ（４ａ）の光軸（Ａ４）に平行である。第１面（４１）における複数のレンズ面（４１１）は、メニスカスレンズ（４ａ）の光軸（Ａ４）に平行な方向において頂点（Ｃ４）から離れるにつれて光軸（Ａ４）との距離が長くなるように傾いている。

第３の態様に係る赤外線検出装置（１ａ）では、メニスカスレンズ（４ａ）を成形により形成することができるとともに、収差の発生を抑制できる。

第４の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）では、第１～３の態様のいずれか一つにおいて、レンズアレイ（３）の材料は、ポリエチレンを含む。メニスカスレンズ（４）の材料は、ポリエチレンを含む。

第４の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）では、低コスト化を図ることが可能となる。

第５の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）は、第１～４の態様のいずれか一つにおいて、レンズアレイ（３）を含む第１部材（１１）と、メニスカスレンズ（４）を含む第２部材（１２）と、を備える。第１部材（１１）と第２部材（１２）とが一体化されている。

第５の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）では、レンズアレイ（３）とメニスカスレンズ（４）との相対的な位置精度を高めることが可能となる。

第６の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）では、第５の態様において、第１部材（１１）と第２部材（１２）との一方が複数のフック（１３）を有するとともに、他方が複数のフック（１３）に一対一に対応する複数の孔（１４）を有する。複数のフック（１３）が複数の孔（１４）のうち対応する孔（１４）を通っており対応する孔（１４）の周辺に引っ掛かかっていることで第１部材（１１）と第２部材（１２）とが一体化されている。

第６の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）では、第１部材（１１）と第２部材（１２）とを容易に一体化することが可能となる。

第７の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）は、第６の態様において、赤外線検出素子（２）が収納されたパッケージ（９）を更に備える。パッケージ（９）は、窓材（９３）を含む。窓材（９３）は、赤外線検出素子（２）の光軸（Ａ２）に交差している。窓材（９３）は、赤外線を透過する。第２部材（１２）は、パッケージ（９）を囲む筒部（１２０）と、筒部（１２０）の周方向において互いに離隔しており筒部（１２０）の内周面（１２００）から突出している複数のリブ（１２０１）と、を含む。複数のリブ（１２０１）とパッケージ（９）の側面とが接触している。

第７の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）では、赤外線検出素子（２）と窓材（９３）とメニスカスレンズ（４）との相対的な位置精度を高めることが可能となる。

第８の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）では、第７の態様において、第２部材（１２）は、位置決め突起（１２０４）を有する。位置決め突起（１２０４）は、筒部（１２０）の内周面（１２００）から突出している。位置決め突起（１２０４）は、パッケージ（９）にメニスカスレンズ（４）側とは反対側から当たっている。

第８の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）では、赤外線検出素子（２）と窓材（９３）とメニスカスレンズ（４）との相対的な位置精度を高めることが可能となる。

第９の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）では、第７又は８の態様において、パッケージ（９）は、パッケージ本体（９０）と、突部（９０３）と、を含む。パッケージ本体（９０）は、赤外線検出素子（２）を収納し窓材（９３）を保持している。突部（９０３）は、パッケージ本体（９０）における窓材（９３）側とは反対側の端部から赤外線検出素子（２）の光軸（Ａ２）に交差する方向に突出している。第２部材（１２）の筒部（１２０）は、メニスカスレンズ（４）側とは反対側の端面（１２０２）に突部（９０３）が嵌っている溝（１２０３）を有する。

第９の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）では、赤外線検出素子（２）と窓材（９３）とメニスカスレンズ（４）との相対的な位置精度を高めることが可能となる。

第１０の態様に係る赤外線検出装置（１；１ａ）は、第１～９の態様のいずれか一つにおいて、赤外線検出素子（２）は、焦電素子である。

１、１ａ 赤外線検出装置
２ 赤外線検出素子
３ レンズアレイ
３０ レンズ
３１ 第１面
３２ 第２面
４、４ａ メニスカスレンズ
４１ 第１面
４１０ 不遊点
４１１ レンズ面
４２ 第２面
４２０ 不遊点
４２１ レンズ面
５ 中央部
６ 周部
９ パッケージ
９０ パッケージ本体
９０３ 突部
９３ 窓材
１１ 第１部材
１２ 第２部材
１２０ 筒部
１２００ 内周面
１２０１ リブ
１２０２ 端面
１２０３ 溝
１３ フック
１４ 孔
Ａ２ 光軸
Ａ４ 光軸
Ｃ４ 頂点
Ｅ４ 端

Claims (10)

1. 赤外線検出素子と、
   複数のレンズを含み、前記赤外線検出素子の光軸に交差するように配置されており、前記赤外線検出素子側に焦点を有するレンズアレイと、
   前記レンズアレイと前記赤外線検出素子との間に配置されており、前記レンズアレイ側の第１面と前記赤外線検出素子側の第２面とを有するドーム状のメニスカスレンズと、を備え、
   前記メニスカスレンズは、
   前記メニスカスレンズの光軸と前記第１面の交点である頂点及び前記メニスカスレンズの前記光軸と前記第２面の交点を含む中央部と、
   前記メニスカスレンズの前記第１面の端及び前記第２面の端を含む周部と、を有し、
   前記メニスカスレンズの前記中央部については、前記第１面の不遊点が前記レンズアレイの前記焦点に位置しており、かつ、前記頂点と前記メニスカスレンズの前記中央部における前記第１面の浮遊点との距離が、前記頂点と前記メニスカスレンズの前記中央部における前記第２面の浮遊点との距離よりも長く、
   前記メニスカスレンズの前記周部については、前記第２面の不遊点が前記レンズアレイの前記焦点に位置しており、かつ、前記頂点と前記メニスカスレンズの前記周部における前記第１面の浮遊点との距離が、前記頂点と前記メニスカスレンズの前記周部における前記第２面の浮遊点との距離よりも長い、
   赤外線検出装置。
2. 前記メニスカスレンズは、前記第２面において前記メニスカスレンズの前記光軸を中心として同心的な複数のレンズ面を有するフレネルレンズであり、
   前記第１面は、前記周部における曲率半径が、前記中央部における曲率半径よりも大きく、
   前記複数のレンズ面の各々は、前記メニスカスレンズの前記光軸に平行な方向において前記頂点から離れるにつれて前記光軸との距離が長くなるように傾いている、又は前記メニスカスレンズの前記光軸に平行である、
   請求項１記載の赤外線検出装置。
3. 前記メニスカスレンズは、前記中央部では前記第２面に、前記メニスカスレンズの前記光軸を中心として同心的な複数のレンズ面を有し、前記周部では前記第１面に、前記メニスカスレンズの前記光軸を中心として同心的な複数のレンズ面を有し、
   前記第２面における前記複数のレンズ面は、前記メニスカスレンズの前記光軸に平行な方向において前記頂点から離れるにつれて前記光軸との距離が長くなるように傾いている、又は前記メニスカスレンズの前記光軸に平行であり、
   前記第１面における前記複数のレンズ面は、前記メニスカスレンズの前記光軸に平行な方向において前記頂点から離れるにつれて前記光軸との距離が長くなるように傾いている、
   請求項１に記載の赤外線検出装置。
4. 前記レンズアレイの材料は、ポリエチレンを含み、
   前記メニスカスレンズの材料は、ポリエチレンを含む、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の赤外線検出装置。
5. 前記レンズアレイを含む第１部材と、
   前記メニスカスレンズを含む第２部材と、を備え、
   前記第１部材と前記第２部材とが一体化されている、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の赤外線検出装置。
6. 前記第１部材と前記第２部材との一方が複数のフックを有するとともに、他方が前記複数のフックに一対一に対応する複数の孔を有し、
   前記複数のフックが前記複数の孔のうち対応する孔を通っており前記対応する孔の周辺に引っ掛かかっていることで前記第１部材と前記第２部材とが一体化されている、
   請求項５に記載の赤外線検出装置。
7. 前記赤外線検出素子が収納されたパッケージを更に備え、
   前記パッケージは、前記赤外線検出素子の光軸に交差しており、赤外線を透過する窓材を含み、
   前記第２部材は、
   前記パッケージを囲む筒部と、前記筒部の周方向において互いに離隔しており前記筒部の内周面から突出している複数のリブと、を含み、
   前記複数のリブと前記パッケージの側面とが接触している、
   請求項６に記載の赤外線検出装置。
8. 前記第２部材は、前記筒部の内周面から突出しており、前記パッケージに前記メニスカスレンズ側とは反対側から当たっている位置決め突起を有する、
   請求項７に記載の赤外線検出装置。
9. 前記パッケージは、
   前記赤外線検出素子を収納し前記窓材を保持しているパッケージ本体と、
   前記パッケージ本体における前記窓材側とは反対側の端部から前記赤外線検出素子の前記光軸に交差する方向に突出している突部と、を含み、
   前記第２部材の前記筒部は、前記メニスカスレンズ側とは反対側の端面に前記突部が嵌っている溝を有する、
   請求項７又は８に記載の赤外線検出装置。
10. 前記赤外線検出素子は、焦電素子である、
    請求項１～９のいずれか一項に記載の赤外線検出装置。

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