JPH10104085A

JPH10104085A - 焦電型赤外線検出器

Info

Publication number: JPH10104085A
Application number: JP8261977A
Authority: JP
Inventors: Junya Kobayashi; 潤也小林; Tetsushi Kitamura; 哲史北村; Junichi Kita; 純一喜多
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 1998-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】焦電センサに液晶チョッパを組み合わせた構
造で、視野内の物体からの赤外線の輻射量を正確に検出
することのできる高感度の焦電型赤外線検出器を提供す
る。【解決手段】焦電センサ２と液晶チョッパ３を組み合
わせて検出器１を構成するにあたり、それら焦電センサ
２と液晶チョッパ３を、視野の大きさに合わせたサイズ
のアパーチャ４ａをもつ遮光カバー４で覆って、視野外
からの赤外線の侵入を抑える。また焦電センサ２と液晶
チョッパ３との間の距離を適当に設定して、液晶チョッ
パの散乱効果が充分に得られるようにする。また、液晶
チョッパのチョッピング周波数を２０Hz以上として高速
応答の焦電型赤外線検出器を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非接触温度計測、
非接触赤外線輻射モニタあるいは防犯用人体検知等の各
種分野で使用される焦電型赤外線検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】非接触温度計測あるいは人体検知におい
て一般に用いられる赤外線センサは、高感度特性・高速
応答の点から焦電センサがほとんどである。しかし焦電
センサは微分検出型のセンサであることから、センサ単
体では静止物体を検知できず、赤外線源を確実に追従す
ることができない。

【０００３】焦電センサで静止物体を検知しようとする
場合、センサの前方に光チョッパを設け、センサへの入
射赤外線を所定の周波数で変調して光を連続的にモニタ
するといった手段が一般に採られている。また、その光
チョッパとしては、従来、振動または回転ブレードによ
る機械式のものが使用されているが、このような機械式
チョッパによると、振動によるノイズの発生、検出器の
大型化ならびに高消費電力等の種々の問題がある。

【０００４】一方、移動物体や回転体の温度モニタ等に
は、高速応答温度計測が可能なＳｉ、Ｇｅ等の半導体検
出器（量子型）が用いられることもあるが、半導体検出
器では測定対象温度が１００〜２００℃以上の用途に限
られることから、低温度（−３０℃）から高温度（１０
００℃）までをモニタする場合、広い有感赤外線波長帯
（４〜１２μｍ）を持つ焦電センサあるいはサーモパイ
ルやボロメータ等の熱型検出器が使用されている。

【０００５】しかし、サーモパイルやボロメータといっ
たセンサは、周波数対ＳＮ比の特性が悪く５０msec程度
の応答速度（計測時間）を得ようとすると温度分解能が
非常に悪くなるため応答速度は通常０．５秒以上に設定
する必要があり、高速移動物体・高速回転体等の追従も
しくは温度計測には適さない。これに対し焦電センサは
ＳＮ比対周波数特性が良く、２０〜２００Hzでの周波数
応答時に実用的な温度分解能を得ることができるので５
０msec以下の応答速度を有する放射温度計が可能とな
る。ただし、焦電センサを放射温度計として用いる場
合、上記したように周波数に応じた光変調信号を得るた
めのチョッパを用いる必要があり、機械式チョッパで２
０Hz以上（特に１００Hz以上）のチョッピング周波数を
得ようとするとモータ回転数をあげてブレードの枚数を
多くしなければならずチョッパの大型化や消費電力等の
問題が更に顕著となる。

【０００６】そこで、本出願人はそのような問題点を解
消するため、可動部がなく省電力型の液晶厚膜型光変調
器を既に提案している（特開平８−１１４８２１号）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した特
徴をもつ液晶厚膜型光変調器（以下液晶チョッパと称す
る）と焦電センサを組み合わせて、人体検知ならびに非
接触温度計測用の検出器を構成した場合、次のような問
題が起こる。

【０００８】まず、液晶チョッパは、強誘電性液晶の電
気光学効果を利用して可視光と赤外線の変調を行うタイ
プの変調素子で、その強誘電性液晶に矩形波状の電界を
かけることにより駆動され、そのときの液晶の過渡現象
として起こる可視光・赤外線の透過と散乱を利用したチ
ョッパであるが、その散乱現象のために、図１に示すよ
うに、本来は焦電センサＳに入らないはずの正視野外か
らの光が、チョッパ暗時（散乱状態時）に入ってくる
と、その侵入光が液晶チョッパにより散乱されて焦電セ
ンサＳに入射することがある。このように正視野外から
の光（赤外線）が焦電センサＳに入射すると、本信号
（チョッパ明時の信号）に対して逆位相の信号が発生
し、この逆位相信号が本信号に重畳する結果、正確な信
号出力が得られなくなる。

【０００９】また、液晶チョッパは、焦電センサに近づ
けすぎると、散乱効果が減少して感度が悪くなるという
特性があるため、目的とする感度を得るにはセンサとチ
ョッパ間の距離の最適化が必要となる。なお、焦電セン
サに液晶チョッパを近づけて配置した場合、チョッパ駆
動時の電界等の影響により大きなノイズが発生するとい
った問題も起こる。

【００１０】本発明はそのような実情に鑑みてなされた
もので、焦電センサに液晶チョッパを組み合わせた構造
で、正視野外からの光による影響が少なく、しかも赤外
線を高感度で検出することのできる焦電型赤外線検出器
の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】まず、本発明の焦電型赤
外線検出器は、図３に例示するように、焦電センサ２
と、このセンサへの入射光を所定の周波数で変調する液
晶チョッパ３を、前面にアパーチャ４ａを設けた遮光カ
バー４で覆って、液晶チョッパ３の受光面側に遮光壁を
設けることで、正視野外からの光の侵入を防止している
点に特徴がある。

【００１２】ここで、本発明の焦電型赤外線検出器にお
いて、アパーチャ４ａの開口径を視野に合わせているの
は、アパーチャ径が視野に対して大きいと、当然ながら
視野外からの光がチョッパ有効部分に入射する可能性が
あり、一方、アパーチャ径が視野に対して小さいと、視
野内からの光の一部が遮られる点に加え、アパーチャ周
縁部分が視野内に入り、その部分からの輻射熱が焦電セ
ンサに入るので遮光カバーの温度つまり周囲温度の影響
を受けてしまう、といった点を解消するためである。

【００１３】また、本発明の焦電型赤外線検出器は、液
晶チョッパの散乱効果が充分に得られるようにするた
め、センサ受光面積が０．８ｍｍ角〜１ｍｍ角の範囲の
ときは焦電センサと液晶チョッパとの間の距離を７ｍｍ
〜９ｍｍとし、センサ受光面積が０．８ｍｍ角以下のと
きには焦電センサと液晶チョッパとの間の距離を７ｍｍ
以下に設定している。

【００１４】その根拠を以下に述べる。図２はセンサと
チョッパの距離と感度の関係を示した図である。この図
において感度は平面黒体炉の表面温度に対する信号出力
の変化から求めたものである。なお、焦電センサは受光
面積０．８ｍｍ角を使用し、チョッピング周波数は２５
Hzで、ＦＶＯ（視野角;Field of View）は５０°とし
た。

【００１５】図２からわかるように、センサ−チョッパ
間の距離が７ｍｍ未満では感度が低下している。これは
散乱効果の減少が原因だと考えられる。一方、センサ−
チョッパ間の距離が９ｍｍを超えると感度が若干低下し
ている。これは視野外からの入射光がチョッパ暗時に侵
入した結果、その逆位相信号が本信号に重畳し光信号が
小さくなったものと考えられる。

【００１６】以上の点を考慮して、本発明では、受光面
積が最大で１ｍｍ角の焦電センサを対象とし、そのセン
サ受光面積が０．８ｍｍ角〜１ｍｍ角であるとき、セン
サ−チョッパ間距離の最適値を７ｍｍ〜９ｍｍとしてい
る。また、センサ受光面積とセンサ−チョッパ間距離と
の間には、ある程度の範囲においてほぼ直線的な関係が
あることから、センサ受光面積が０．８ｍｍ角以下のと
きには、センサ−チョッパ間距離を７ｍｍ以下でセンサ
受光面積の大きさに応じた値とする。

【００１７】ここで、本発明の焦電型赤外線検出器を、
例えば家電製品の検査や電子部品の発熱チェック、各種
材料の乾燥工程の検査あるいは高速移動物体・高速回転
体の温度モニタ等に用いる場合、焦電センサの高速応答
性を引き出すため、液晶チョッパのチョッピング周波数
を２０Hz以上、特に１００Hz以上に設定することが好ま
しい。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、以下、図
面に基づいて説明する。図３は本発明の焦電型赤外線検
出器の一例を示す図である。

【００１９】この図３に示す焦電型赤外線検出器１は、
焦電センサ２と、このセンサの前面側に配置される液晶
チョッパ３と、これら焦電センサ２及び液晶チョッパ３
の全体を覆う遮光カバー４を備えている。

【００２０】液晶チョッパ３は、先に述べた特開平８−
１１４８２１号公報に記載の液晶厚膜セル型光変調器と
同じタイプのものを使用しており、この例では２５Hzの
チョッピング周波数で駆動される。また液晶チョッパ３
は、厚膜セルを構成する一対の対向電極のうち、焦電セ
ンサ２に近い側の電極がグランドとなるように配置され
ている。これは、液晶チョッパ３の駆動により発生する
ノイズを防止するためである。

【００２１】遮光カバー４は、正視野外からの光の焦電
センサ２への侵入防止と液晶チョッパ３の保護を目的と
して設けられるもので、液晶チョッパ３の受光面に対向
する位置にアパーチャ４ａが開口されている。

【００２２】そして、この例においては、焦電センサ２
の受光面積を０．８ｍｍとし、焦電センサ２と液晶チョ
ッパ３との間の距離を７ｍｍとしている。また遮光カバ
ー４のアパーチャ４ａの径を、センサ−チョッパ間距離
と液晶チョッパ３の有効径によって決まる視野に合わせ
た寸法としている。

【００２３】なお、アパーチャ径については、視野が液
晶チョッパ３の有効径によって自由に調節できる点、及
びアパーチャ４ａと液晶チョッパ３との間の距離に応じ
てアパーチャ径を変える必要があることから、ここでは
具体的な数値は挙げない。

【００２４】また、液晶チョッパ３の有効径の大きさは
特に限定されないが、チョッパ有効部分を小さくすれば
するほど視野外からの光の影響を受け難くなり、また検
出器の小型化・低コスト化も可能になることを考慮する
と、直径１０ｍｍ以下が適当で、より好ましくは直径８
ｍｍ以下とした方が良い。

【００２５】図４に前記構造の赤外線検出器１の視野と
感度の関係を示す。図４はセンサ−チョッパ間距離を７
ｍｍに固定し、液晶チョッパ３のチョッピング周波数を
２５Hzとしてチョッパの有効径によって視野角を変化さ
せ、それに対する信号出力の変化をプロットしたグラフ
である。

【００２６】図４から明らかなように、視野角が大きく
なるしたがって感度が高くなることがわかり、このこと
から明るい光学系の設計によりＳＮ比の向上が可能にな
ることが判明した。

【００２７】図５は上記した構造の焦電型赤外線検出器
１を組み込んだ回路構成の一例を示すブロック図であ
る。この図５に示す回路は、液晶チョッパ３をチョッピ
ング周波数２５Hzで駆動するチョッパ駆動部１０と、焦
電センサ２の出力側に接続されるハイパスフィルタ（Ｈ
ＰＦ）１１、前置増幅器１２、ローパスフィルタ（ＬＰ
Ｆ）１３、増幅器１４、両波整流回路１５ならびに平滑
回路１６によって構成されている。

【００２８】図５の回路において、ＨＰＦ１１とＬＰＦ
１３は、焦電センサ２の出力のうちチョッピング周波数
２５Hz付近の周波数帯域の以外の信号を除去するもの
で、これらのフィルタを通過した信号は増幅器１４によ
って増幅された後、両波整流回路１５に入力され、ここ
でチョッピング周波数２５Hzで同期整流された後、平滑
回路１６を経て出力される（ＤＣ出力）。

【００２９】ここで、図５に示した回路を使用し、平面
黒体炉の表面温度に対するＤＣ出力変化を測定した。そ
の結果を図６及び図７に示す。これら図６及び図７の結
果から、チョッピング周波数２５HzでＦＶＯ４６°にお
けるＮＥＴＤ (雑音透過温度差；Noise Equivalent Tem
perature Difference)を求めたところ、ＮＥＴＤ＝０．
２℃という結果が得られた。

【００３０】ただし、ＮＥＴＤ＝ノイズ／傾き；ノイズ
＝１ｍＶ（図７より）、傾き＝４．６ｍＶ／℃（図６よ
り）。図８(A) 〜(C) は本発明の他の実施の形態の構成
を示す図で、(A),(B) はそれぞれ液晶チョッパ１０３ま
たは１１３の前方に凸レンズ１０５または放物面鏡１１
５を配置して視野をコリメートする場合の例を示してい
る。また図８(C) は、液晶チョッパ１２３の前方に楕円
鏡１２５を配置し、視野を絞ってピンポイントの検出を
行う場合の例を示している。

【００３１】なお、これら図８(A) 〜(c) に示す例にお
いても、焦電センサと液晶チョッパとの距離は、センサ
受光面積が０．８ｍｍ角〜１ｍｍ角のときに７ｍｍ〜９
ｍｍとし、センサ受光面積が０．８ｍｍ角以下のときに
は７ｍｍ以下に設定する。また、各遮光カバーのアパー
チャ１０４ａ，１１４ａ，１２４ａは、レンズまたは反
射鏡により形成される視野に合わせた大きさとする。

【００３２】ここで、本発明の焦電型赤外線検出器で
は、チョッパとして有効径が大きな液晶チョッパを用い
ているので検出器の小型化をはかることができる。しか
も液晶チョッパは可動部分がなく長期的なダストの堆積
等がないので、信頼性が高く長寿命の検出器を構築でき
る。

【００３３】また、液晶チョッパは高い応答速度（１０
０Hz以上）で光を変調することができるといった特徴が
あり（特開平８−１１４８２１号参照）、このような特
徴をもつ液晶チョッパを、高感度特性・高速応答の焦電
センサに組み合わせているので、サーモパイル等の他の
赤外線検出器に比べて高速応答が可能になる。

【００３４】その具体的な数値例を図９に示す。図９
は、図８(A) に示した構造（液晶チョッパの前面にレン
ズを配置した構造）の赤外線検出器において、焦電セン
サの受光面積を０．８ｍｍ角、センサ−チョッパ間距離
を７ｍｍ、液晶チョッパの有効径＝φ８ｍｍ、ＦＶＯ＝
６０°、液晶チョッパのチョッピング周波数を２００Hz
に設定して、対象物体（高温物体）の光放射量を測定し
たときの出力の変化を示すオシログラムである。図９の
オシログラムが示すように、高温の物体を検知した後、
瞬時（８msec）に元の状態に復帰していることから、上
記設定により１０msec程度の高い応答速度が得られるこ
とがわかる。

【００３５】なお、本発明の焦電型赤外線検出器による
と、チョッパを含めて可動部分がないので、音が全くせ
ず検出器の存在を感じさせないといった利点があること
から、本発明の赤外線検出器を、比較的静かな場所の温
度測定に用いた場合、検出器の存在が気にならず不快感
を与えずに済むというような効果がある。さらにそのよ
うな利点は、検出器の存在を人に知らせたくないような
場合、例えば防犯用の場合には、特に有効な効果とな
る。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
焦電センサと液晶チョッパを組み合わせて検出器を構成
するにあたり、それら焦電センサと液晶チョッパを、視
野の大きさに合わせたサイズのアパーチャをもつ遮光カ
バーで覆っているので、視野外からの光の侵入を抑える
ことができ、これにより視野内の物体からの赤外線の輻
射量を正確に検出することができる。しかも焦電センサ
と液晶チョッパとの間の距離を最適化して、液晶チョッ
パの散乱効果が充分に得られるようにしたから、高感度
の赤外線検出器を実現できる。

【００３７】また、液晶チョッパを用いることで１００
Hz以上のチョッピング周波数を容易に得ることができる
ので、高速移動物体・高速回転体の追跡もくしは温度計
測が可能で、しかも低温物体から高温物体までの広範囲
のものを測定できる低消費電力・小型軽量の赤外線検出
器の実現が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】焦電センサに液晶チョッパを組み込んだ場合の
問題点の説明図

【図２】センサ−チョッパ間距離と感度の関係を示すグ
ラフ

【図３】本発明の実施の形態の構成図

【図４】その実施の形態の視野と感度の関係を示すグラ
フ

【図５】本発明の実施の形態の回路構成の一例を示すブ
ロック図

【図６】図５の回路を使用し、平面黒体炉の表面温度に
対するＤＣ出力変化を測定した結果を示すグラフ

【図７】同じくＤＣ出力変化を測定した結果を示すグラ
フ

【図８】本発明の他の実施の形態の構成図

【図９】図８(A) に示す赤外線検出器（チョッピング周
波数２００Hz）を用いて対象物体の光放射量を測定した
ときの出力変化を示すオシログラム

【符号の説明】

１焦電型赤外線検出器２焦電センサ３液晶チョッパ４遮光カバー４ａアパーチャ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体からの赤外線の輻射量を検出するの
に用いられる検出器であって、焦電センサと、このセン
サへの入射光を所定の周波数で変調する液晶チョッパ
と、これら焦電センサ及び液晶チョッパを覆う構造でチ
ョッパ前方にアパーチャが設けられた遮光カバーを備
え、そのアパーチャ径を当該検出器の視野に合わせた大
きさとするとともに、焦電センサの受光面積とセンサ−
チョッパ間の距離に関し、センサ受光面積が０．８ｍｍ
角〜１ｍｍ角の範囲のときに焦電センサと液晶チョッパ
との間の距離を７ｍｍ〜９ｍｍとし、センサ受光面積が
０．８ｍｍ角以下のときには焦電センサと液晶チョッパ
との間の距離を７ｍｍ以下に設定することを特徴とする
焦電型赤外線検出器。