JPH102792A - 焦電型赤外線センサ - Google Patents

焦電型赤外線センサ

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JPH102792A
JPH102792A JP8155138A JP15513896A JPH102792A JP H102792 A JPH102792 A JP H102792A JP 8155138 A JP8155138 A JP 8155138A JP 15513896 A JP15513896 A JP 15513896A JP H102792 A JPH102792 A JP H102792A
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JP
Japan
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diffractive optical
pyroelectric
optical element
light
infrared sensor
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Pending
Application number
JP8155138A
Other languages
English (en)
Inventor
Koichi Hirakawa
剛一 平川
Kazuhiko Fujikawa
和彦 藤川
Koji Nomura
幸治 野村
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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  • Radiation Pyrometers (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は焦電体により赤外線を検出する焦電
型赤外線センサに関するものであり、色収差が少なく、
良好な視野特性を示す焦電型赤外線センサを提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】 赤外線6を検知する焦電体よりなる受光
部1と、前記受光部1を内蔵した開口部3を有する封止
缶2と、この封止缶2の開口部3を覆うように例えば外
側に取り付けられた赤外線透過窓4と、同心円状に少な
くとも2個以上に分割され、その設計波長がその中心か
ら外側にいくにしたがって大きくなる領域を有した回折
光学素子5とを備えた構成とし、色収差が少なく、良好
な視野特性を示す焦電型赤外線センサを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は焦電体により赤外線
を検出する焦電型赤外線センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、焦電型赤外線センサは非接触で物
体の検知や温度検出ができる点を生かして、電子レンジ
の調理物の温度測定、エアコンの室内温度制御あるいは
自動ドア、警報装置での人体検知等に利用されており、
今後その利用範囲は拡大していくと思われる。
【0003】焦電型赤外線センサは、LiTaO3 単結
晶などの焦電効果を利用したものである。焦電体は自発
分極を有しており常に表面電荷が発生するが、大気中に
おける定常状態では大気中の電荷と結び付いて電気的に
中性を保っている。これに赤外線が入射すると焦電体の
温度が変化し、これに伴い表面の電荷状態も中性状態が
壊れて変化する。このときに表面で発生する電荷を検出
し、赤外線入射量を測定するのが焦電型赤外線センサで
ある。一般に物体はその温度に応じた赤外線を放出して
おり、この焦電型赤外線センサを用いることにより物体
の存在や温度を検知できる。
【0004】以下に従来の焦電型赤外線センサについて
説明する。図6は従来の焦電型赤外線センサの概略を示
すものである。赤外線26を検知する例えばセラミック
を材料とする焦電体よりなる受光部21と、受光部21
を外乱光及び電磁ノイズから保護する封止缶22と、こ
の封止缶22の開口部23に取り付けられた赤外線透過
窓24と、封止缶22の外側に位置し、物体により放射
された赤外線26を受光部21上の焦電体に集光させる
波長λ(例えば10μm)で設計した回折光学素子25
より構成されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前記構成では、回折光
学素子25により設計波長の光は受光部21に集光され
るが、回折光学素子25は光の回折現象を利用している
ため、設計波長以外の波長の光に対しては色収差が生
じ、光軸上で焦点位置がずれる。特に作製する回折光学
素子25の半径が大きくなるとフリンジの周期が小さく
なるため、色収差による光軸上の焦点位置のズレ幅が大
きくなり、結果として視野角の増大、センサ出力の低下
といった問題を引き起こす。
【0006】本発明は前記従来の問題点を解決するもの
で、色収差の少ない回折光学素子を有し、良好な視野特
性を示し、かつ高出力が得られる焦電型赤外線センサを
提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、赤外線を検知する焦電体よりなる受光部
と、この受光部を内蔵し開口部に赤外線透過窓を有する
封止缶と、同心円状に少なくとも2個以上に分割され、
その設計波長が素子中心から外側にいくにしたがって大
きくなる領域を有する回折光学素子とで構成したもので
あり、回折光学素子の半径が大きな領域でフリンジの周
期が大きくなるため、色収差による光軸上の焦点位置の
ズレ幅が小さくなり、結果として良好な視野特性を示
し、かつ高出力が得られる焦電型赤外線センサを実現す
ることが可能となる。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の請求項1に記載の発明
は、赤外線を検知する焦電体よりなる受光部と、この受
光部を内蔵し開口部に赤外線透過窓を有する封止缶と、
同心円状に少なくとも2個以上に分割され、その設計波
長が素子中心から外側にいくにしたがって大きくなる領
域を有する回折光学素子とで構成したものであり、色収
差の小さい光学系となり、良好な視野特性を示し、かつ
高出力が得られる焦電型赤外線センサを実現できるもの
である。
【0009】請求項2に記載の発明は、赤外線を検知す
る焦電体よりなる受光部と、この受光部を内蔵し開口部
に赤外線透過窓を有する封止缶と、同心円状に少なくと
も2個以上に分割され、その設計焦点距離が素子中心か
ら外側にいくにしたがって大きくなる領域を有する回折
光学素子とで構成したものであり、色収差の小さい光学
系となり、良好な視野特性を示し、かつ高出力が得られ
る焦電型赤外線センサを実現できるものである。
【0010】請求項3に記載の発明は、前記請求項1,
2に記載の構成において赤外線透過窓に回折光学素子を
直接設けたもので、超小型、低コストかつ高出力が得ら
れる焦電型赤外線センサを実現できるものである。
【0011】請求項4は前記請求項1,2及び3に記載
の構成において回折光学素子として、その位相変調量に
応じた凹凸を有する回折光学レンズを用いたもので、回
折効率の高い光学系となり、高出力な焦電型赤外線セン
サを実現できるものである。
【0012】請求項5は前記請求項4に記載の構成にお
いて回折光学レンズの凹凸の形状を階段状としたもの
で、回折効率をほとんど低下させることなく、例えばエ
ッチングにより高精度で非常に容易に作製でき、かつ低
コスト化できるものである。
【0013】(実施の形態1)以下本発明の第1の実施
の形態について図面を参照しながら説明する。図1
(a)は本発明の第1の実施の形態における焦電型赤外
線センサの概略断面図、図1(b)は回折光学素子の上
面図を示すものである。赤外線6を検知する例えば大き
さ240×240μmの焦電体よりなる受光部1と、受
光部1を外乱光及び電磁ノイズから保護する例えば直径
2.5mmの開口部3を有する外径5mmの封止缶2と、こ
の封止缶2の開口部3を覆うように例えば外側に取り付
けられた例えば厚み0.4mm、大きさ3×3mm角のSi
基板よりなる赤外線透過窓4と、同心円状に少なくとも
2個以上(例えば2個)に分割され、その設計波長がそ
の中心から外側にいくにしたがって大きくなる領域を有
した回折光学素子5(例えば中心部の設計波長が10μ
m、外側12μm)より構成されている。
【0014】以上のように構成された焦電型赤外線セン
サについて、その動作を説明する。検知対象物より放射
された赤外線6は回折光学素子5に到達する。この赤外
線6は受光部1に集光されるように赤外線透過窓4を通
過し受光部1に到達する。この結果、受光部1を構成す
る焦電体の温度が変化し、これに伴い表面の電荷状態も
中性状態が壊れて変化する。このときに表面に発生する
電荷を検出し、赤外線入射量を測定する。
【0015】一般に回折光学素子5は光の回折現象を利
用しているため、設計波長以外の波長の光に対しては色
収差が生じる。入射赤外線の波長変化による回折角のズ
レをΔθ、入射赤外線の波長変化量をΔλin、回折光学
素子のフリンジの周期をΛとおくと、次の近似式が成立
する。
【0016】
【数1】
【0017】また、回折光学素子の開口数をNA,半径
をr,設計波長をλd、設計焦点距離をfdとすると、次
式が成立する。
【0018】
【数2】
【0019】一般に焦電型赤外線センサを人体検知の用
途で用いる場合、対象となる入射赤外線の波長λinは約
7〜14μmとなるため、回折光学素子5の開口数が小
さいものでも若干の色収差が発生することになるが、開
口数が大きくなるとフリンジの周期が更に小さくなるた
め、色収差による光軸上の焦点位置のズレ幅が大きく焦
電体上ではこの色収差のため像にボケが生じ、結果とし
て視野角の増大、センサ出力の低下といった問題を引き
起こす。
【0020】本実施の形態においては、回折光学素子5
のフリンジの周期Λが小さくなる領域において設計波長
λdを大きくし、フリンジの周期Λを大きくしており
(前記(2)式参照)、結果として焦電体上において色
収差によるボケが小さくなり、良好な視野特性を示し、
かつ高出力が得られる焦電型赤外線センサを実現してい
る。
【0021】(実施の形態2)以下本発明の第2の実施
の形態について図面を参照しながら説明する。図2
(a)は本発明の第2の実施の形態における焦電型赤外
線センサの概略断面図、図2(b)は同回折光学素子の
上面図を示すものである。第1の実施の形態と異なるの
は、回折光学素子7が同心円状に少なくとも2個以上
(例えば2個)に分割され、その設計焦点距離が素子中
心から外側にいくにしたがって大きくなる領域を有して
いる点である(例えば中心部の設計焦点距離が6mm、外
側が8mm)。
【0022】以上のように構成された焦電型赤外線セン
サについてその動作を説明する。検知対象物より放射さ
れた赤外線6は回折光学素子7に到達する。この赤外線
6は受光部1に集光されるように赤外線透過窓4を通過
し受光部1に到達する。この結果、受光部1を構成する
焦電体の温度が変化し、これに伴い表面の電荷状態も中
性状態が壊れて変化する。このとき表面に発生する電荷
を検出し、赤外線入射量を測定する。
【0023】一般に焦電型赤外線センサを人体検知の用
途で用いる場合、対象となる入射赤外線6の波長λin
約7〜14μmとなるため、回折光学素子7の開口数が
小さいものでも若干の色収差が発生することになるが、
開口数が大きくなるとフリンジの周期が更に小さくなる
ため、色収差による光軸上の焦点位置のズレ幅が大きく
焦電体上ではこの色収差のため像にボケが生じ、結果と
して視野角の増大、センサ出力の低下といった問題を引
き起こす。
【0024】本実施の形態においては、回折光学素子7
のフリンジの周期Λが小さくなる領域において設計焦点
距離fdを大きくし、フリンジの周期Λを大きくしてお
り(前記(2)式参照)、結果として焦電体上において
色収差によるボケが小さくなり、良好な視野特性を示
し、かつ高出力が得られる焦電型赤外線センサを実現し
ている。
【0025】(実施の形態3)以下本発明の第3の実施
の形態について図面を参照しながら説明する。図3は本
発明の第3の実施の形態における焦電型赤外線センサの
概略断面図を示すものである。その構成について前記実
施の形態1,2と異なるのは、赤外線透過窓上に回折光
学素子8を直接設けたという点である。このような構成
にすることにより外部回折光学素子が不要となるため、
超小型、低コストで良好な視野特性を示し、かつ従来赤
外線は回折光学素子と赤外線透過窓を通過していたが、
一体化することでトータルの透過率が向上し、高出力が
得られる焦電型赤外線センサを実現できる。
【0026】(実施の形態4)以下本発明の第4の実施
の形態について図面を参照しながら説明する。図4は本
発明の第4の実施の形態における焦電型赤外線センサの
概略断面図を示すものである。その構成について前記実
施の形態1,2及び3と異なるのは、回折光学素子に回
折光学レンズ9を用いたという点である。
【0027】この回折光学レンズ9の断面はのこぎり歯
形状であり、この形状は設計波長に対しレンズの位相変
調量に応じた凹凸であり、回折現象によりこの回折光学
レンズ9を通過した赤外線6は受光部1に集光するよう
になっている。
【0028】本実施の形態では回折光学素子に回折効率
が理論的に100%である高効率な回折光学レンズ9を
用いることにより、集光する赤外線6の光量が増加し、
焦電型赤外線センサの感度を向上させることが可能とな
る。
【0029】(実施の形態5)以下本発明の第5の実施
の形態について図面を参照しながら説明する。図5は本
発明の第5の実施の形態における回折光学レンズの拡大
説明図を示すものである。その構成について前記実施の
形態4と異なるのは回折光学レンズの断面形状をレンズ
の位相変調量に応じた凹凸10に内接するように例えば
その段数を8とした階段形状11に近似した点である。
【0030】このような形状の回折光学レンズでは回折
効率をほとんど低下させることなく(段数が8の場合の
回折効率は約95%)、例えばエッチングにより高精度
で非常に容易に作製することが可能となる。また、エッ
チングにより1度に大量生産生産することが可能とな
り、さらなる低コスト化が可能となる。
【0031】
【発明の効果】以上のように本発明は、回折光学素子を
同心円状に少なくとも2個以上に分割し、その設計波
長、又は設計焦点距離を素子中心から外側にいくにした
がって大きくさせることにより、色収差が小さく、良好
な視野特性を示し、かつ高出力が得られる焦電型赤外線
センサを構成することが可能である。また、回折光学素
子として回折光学レンズを用いることにより、より高出
力の焦電型赤外線センサを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明の第1の実施の形態における焦電
型赤外線センサの概略断面図 (b)同回折光学素子の上面図
【図2】(a)本発明の第2の実施の形態における焦電
型赤外線センサの概略断面図 (b)同回折光学素子の上面図
【図3】本発明の第3の実施の形態における焦電型赤外
線センサの概略断面図
【図4】本発明の第4の実施の形態における焦電型赤外
線センサの概略断面図
【図5】本発明の第5の実施の形態における回折光学レ
ンズの概略説明図
【図6】従来の焦電型赤外線センサの概略断面図
【符号の説明】
1 受光部 2 封止缶 3 開口部 4 赤外線透過窓 5 回折光学素子 6 赤外線 7 回折光学素子 8 回折光学素子 9 回折光学レンズ 10 位相変調量に応じた凹凸 11 階段形状

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 赤外線を検知する焦電体よりなる受光部
    と、この受光部を内蔵し開口部に赤外線透過窓を有する
    封止缶と、前記封止缶の上部に設けた回折光学素子とを
    備え、前記回折光学素子は同心円状に少なくとも2個以
    上に分割され、その設計波長が素子中心から外側にいく
    にしたがって大きくなる領域を有し、それに入射する赤
    外線を前記受光部に集光させることを特徴とする焦電型
    赤外線センサ。
  2. 【請求項2】 赤外線を検知する焦電体よりなる受光部
    と、この受光部を内蔵し開口部に赤外線透過窓を有する
    封止缶と、前記封止缶の上部に設けた回折光学素子とを
    備え、前記回折光学素子は同心円状に少なくとも2個以
    上に分割され、その設計焦点距離が素子中心から外側に
    いくにしたがって大きくなる領域を有し、それに入射す
    る赤外線を前記受光部に集光させることを特徴とする焦
    電型赤外線センサ。
  3. 【請求項3】 回折光学素子を焦電型赤外線センサの赤
    外線透過窓に直接設けた請求項1または2に記載の焦電
    型赤外線センサ。
  4. 【請求項4】 回折光学素子として回折光学レンズを用
    い、前記回折光学レンズはその位相変調量に応じた凹凸
    を有することを特徴とする請求項1,2または3に記載
    の焦電型赤外線センサ。
  5. 【請求項5】 凹凸の形状が階段状であることを特徴と
    する請求項4記載の焦電型赤外線センサ。
JP8155138A 1996-06-17 1996-06-17 焦電型赤外線センサ Pending JPH102792A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000062267A1 (en) * 1999-04-09 2000-10-19 Texecom Limited Diffractive focusing lens for infrared detector
US20180348021A1 (en) * 2015-11-25 2018-12-06 Minimax Gmbh & Co. Kg Explosion-protected housing for means for transmitting and receiving electromagnetic radiation

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