JPS63134921A - 赤外線検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、対向側に電極が設けられた焦電特性を有する
ポリマー材料の可撓性フィルムを有する種類の所定波長
範囲の放射線を検出する赤外線検出装置に関するもので
ある。

焦電赤外線検出装置は種々の用途に用いらている。この
装置の特性は、特に遠隔スイッチングシステム、侵入者
検出システムおよび全般的に移動検出の用途に適してい
る。このような用途では、検出装置は、該装置の視野の
通過時に生じる光束の変化を検出することによって移動
物体に応答する。物体が人間である場合には、動いてい
る大または身体部分より放出された赤外線が検出装置に
よって電気信号に変換され、この信号を例えば警報器を
作動し或いは光をスイッチオンおよびオフするのに用い
ることができる。

侵入者検出の目的に適した検出装置の公知の形では、焦
電性ポリマー誘電性フィルムが一対の電極の間に挟まれ
、これ等の電極が、入射赤外線に基づくフィルムの温度
変化に応答してポリマーフィルムの表面に発生した電荷
を集める。この装置は、インピーダンス整合の目的のた
めの電界効果トランジスタ（以下ＦＥＴという）を含み
、このトランジスタのゲートは一方の電極と結合され、
そのソースから検出装置出力信号が得られる。ポリマー
フィルムは、熱容量を小さくしまた応答を速くするため
にその典型的な厚さは１２−２０μｍである。

侵入者検出システムに用いるには、検出装置は略々５−
１５μｍの波長範囲を有することが望ましい。

赤外線検出装置に関連した一つの問題は、前記の波長の
入射放射線の十分な吸収を保証することである。検出装
置に適した焦電材料は、装置を作動するように意図され
た波長範囲の少なくとも一部にわたって吸収が低いこと
が屡々ある。更にまた、焦電材料が薄ければ薄いほどそ
れだけこの材料による放射線の全吸収が低くなる。した
がって、実質上波長の応答とは無関係な黒い吸収体被覆
を設けるような方法によって検出装置の吸収特性を改良
するのが普通であった。このような黒化は、装置の電極
の一つの黒化の形をとることができる。

特定の放射線波長範囲に対する検出装置の感度を高める
ために、必要な濾波特性を与える選択された放射線吸収
材料の被覆を設けてもよい。この場合、関係ある波長範
囲の放射線はこの被覆に吸収され、発生された熱は焦電
材料に導かれる。これ等の特別に選択された吸収性被覆
は、検出装置の電極の一方の外面に施される。

このような吸収性被覆は装置の製造を複雑にし、特に選
択的な吸収材料によって製造コストが比較的高くなる。

本発明の目的は、選択的な波長応答特性を有し、製造が
簡単でコストの安い赤外線検出装置を得ることにある。

本発明は、冒頭に記載した種類の赤外線検出装置におい
て次のようにしたことを特徴とするものである、すなわ
ち、入来放射線に対面する電極（フロント電極）は、動
作時、前記の波長範囲内の入射放射線の殆どの部分を吸
収するようなスケヤ当りの抵抗を有する抵抗層より成り
、ポリマーフィルムは、前記の波長範囲内の、入来放射
線と対面する電極による入射放射線の吸収が最大である
ことが望まれる選択された波長の実質的に１／４である
光学厚さを有する。

ポリマーフィルムの反対側の電極（バック電極）は非常
に低いスケヤ当り抵抗値を有し、前記の波長範囲内の放
射線に対して事実上反射性で、ポリマーフィルムを通過
するこの範囲のすべての放射線がポリマーフィルムおよ
び対面側電極すなわちフロント電極に向けて反射される
のが好ましい。

けれども、代わりに、ポリマーフィルムを通過する放射
線を吸収するために、より大きなスケヤ当り抵抗値とよ
り小さな反射率を有する抵抗層であってもよい。バック
電極のこの増加されたスケヤ当りの抵抗は、放射線の吸
収を実質的に最適にするために、ポリマーフィルムの屈
折率に応じて適合される。このような代わりの例では、
フロントおよびバック電極は共に約２５０オームのスケ
ヤ当り抵抗値を有することができるが、その抵抗値が互
いに相違することもできる。

本発明は、次のような認識を有するものである、すなわ
ち、動作時に低い熱容量を有効に示す検出装置の焦電素
子を構成する薄いポリマー誘電性フィルムを、入射放射
線の吸収を改良するために、焦電素子と関連した電気抵
抗層と組合せて１７４波長光学厚層として著しく有利に
用いることかもできる。

前記の選択された波長は、前記の波長範囲にわたる装置
による入射放射線の吸収が実質上最大となる波長とする
ことができる。

ポリマーフィルムが比較的薄いことにより装置は高いキ
ャパシタンスを示すが、このことは、典型的に装置と共
に用いられるＦＥＴに更に良い整合を与えるので特に有
利である。

本発明は、装置が例えば侵入者検出の目的または室温に
近い人体その他の物体に関連した特有の赤外線の検出を
含むその他の用途に用いられる場合のような、５−１５
μｍの波長範囲の赤外線波長に応答する検出装置に特に
適している。したがって、このような環境における選択
される波長は約８μｍでよく、このためポリマーフィル
ムは略々２μｍの光学厚さくその物理的厚さと屈折率の
積）を有する。

若し、検出すべき赤外線の入射方向に対して、フロント
電極の抵抗層の直ぐ前に自由空間があり、またバック電
極が事実上反射性で、抵抗性フロント電極が自由空間の
特性インピーダンスと実質的に等しいスケヤ当りのイン
ピーダンスすなわら略々３７７オーム毎スケヤの抵抗を
有すると、このスケヤ当りの抵抗値は、所望の動作波長
範囲内の波長を実質上吸収するのに有利である。

英国特許明細書筒２１７３０３３Ａには、対向側に電極
が配設されたランタン添加鉛チタンジルコン（Ｌａｎｔ
ｈａｎｕｍ　ｄｏｐｅｄ　１ｅａｄ　ｔｉｔａｎａｔｅ
　ｚｉｒｃｏｎａｔｅ：ＰＬＺＴ）の焦電セラミック素
子と入射放射線吸収構造体とを有し、この構造体は、抵
抗層と、光学厚さが、装置を作動すべく意図された波長
範囲内の選ばれた波長の略々１／４に選ばれたフィルム
とより成る赤外線検出装置が開示されていることは注目
に値すると言える。この装置は、関係の電極を有する焦
電素子上に設けねばならない吸収構造を一緒に構成する
多数の付加層を設けねばならないので、構造が複雑でこ
のため装置が面倒でかつ製造コストが高くなる。これに
加え、放射の吸収を改良するために用いられる手段が装
置の熱容量を増し、これは望ましいことではない。これ
に反し、焦電性ポリマーフィルムを有し、このフィルム
自体が１７４波長素子として用いられるようにした本発
明の装置は、著しく少ない層を用いる極めて簡単な構造
を存し、このため製造が容易になり製造コストを低減す
ることができる。その上、吸収構造を構成する付加層が
避けられるので、これ等の付加層に対してあらかじめ用
いられる材料の熱容量に関する複雑さや装置の性能に及
ぼす影響も避けられる。

多くの種々の焦電性ポリマー材料を薄いポリマーフィル
ムに用いることができるが、本発明の好ましい実施態様
では、焦電性ポリマーフィルムは弗化ビニリデンモ′ノ
ボリマーより成る。これは、弗化ビニリデンホモポリマ
ー、コポリマーまたはターポリマー或いはこのようなポ
リマーの混合物または配合物でよい。弗化ビニリデンホ
モポリマー、例えはトリフルオロエチレン、テトラフル
オロエチレンまたは弗化ビニールのような少な（とも１
つの他の共重合性ハロゲン化モノマーを含む弗化ビニリ
デンコポリマーを用いることが特に好ましいことがわか
った、というのはこれ等の材料は良好な焦電特性を有し
、その実行能力に関する限りより良好であると考えられ
るからである。

前記の材料の例は、５ｏｌｖａｙ、　ｒ’ｅｎｗａｌｔ
　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ。

Ｒａｙｃｈｅｍ　ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎおよびＫｕｒ
ａを含む種々のメーカより広く入手することができる。

このような適当な焦電性ポリマーの詳細は、例えば欧州
特許明細書節００５０３３２Ａ、　０１３１２３１八、
　０１Ｂ１５３８Ａおよび０１７４８３８Ａを含む多数
の最近の特許明細書に見出され、これ等の説明はこの点
で参考になる。

特に良好な結果は、弗化ビニリデントリフルオロエチレ
ンコポリマーを使用して得られた。この材料は、本発明
に関する限りでは、例えばポリ弗化ビニリデン（ＰＶＤ
Ｅ）材料のような古いタイプの焦電性ポリマーに対して
重要な利点を有する。赤外線検出装置の分野において用
途が限られたてきたこの後者の材料は、焦電素子として
十分に機能するためには、伸張されそして分極（Ｐｏｌ
ｅ、時としてｐｏｌａｒｉｚｉｎｇという）される必要
がある。この材料の機械的特性は、例えば１．５−５μ
ｍのオーダのような極めて薄いフィルム厚を形成するに
は余り適さず、不可能ではないがこの材料からこのよう
な薄いフィルムをつくるのは困難であろう。従来この材
料は、伸張後に１０μｍよりも大きな典型的な厚さを有
するフィルムの形で検出装置に用いられてきた。

けれども、コポリマー弗化ビニリデンフルオロエチレン
は分極だけで伸長を必要とせず、１．５μｍのような薄
い厚さのフィルムに容易に形成することができる。

使用に成功しかつ極めて良好な結果を与えることがわか
ったこの材料の特定の例は、ＶＦ２／ＴｒＥＥの商品記
号でベルギー国の５ｏｖａｙ　ｅｔ　Ｃｉｅより得られ
る２１モル％のトリフルオロエチレンを含有する弗化ヒ
ニリデントリフルオロエチレンコボリマーである。

以下に本発明を添付の図面を参照して実施例で説明する
。

第１図において、赤外線検出装置は、検出すべき赤外線
が通過する昼色光フィルタより成る窓１２例えばゲルマ
ニウム窓を有する通常のＴＯ−５容器内に取付けられた
焦電特性を有する誘電性ポリマー材料の可撓性の薄いフ
ィルム１０を有する。この焦電素子１０は円形で、この
素子の周縁がエポキシ接着剤によって接着された対応し
た寸法の絶縁環１５によって張られているが引延ばされ
てはいない。

この絶縁環１５は容器のヘッダ１６上に取付けられ、こ
のため該絶縁環の周縁の内側の面はヘッダより離れて支
持されている。前記の絶縁環１５は、フィルム１０に近
い熱膨張係数を有する材料でつくられるのが好ましく、
例えばポリ弗化ビニリデンでよい。焦電性の薄いフィル
ム１０は、ＶＦ２／ＴｒＰＥという記号でＳｏｌνａｙ
から入手できる弗化ビニリデントリフルオロエチレンコ
ポリマー材料より成り、この材料は、焦電特性を示すよ
うに通常の方法で略々その双極子に配向するように分極
されたものである。

この装置は、矢印Ａの方向に入射される被検出赤外線に
適合されたもので、窓１２は、装置に意図された動作波
長範囲のづべての入射放射線を通過させる。入射放射線
よりの熱エネルギーの吸収によって焦電性フィルム１０
の温度が局部的に変化すると、フィルム１０の影響を受
けた領域の対向する面すなわち図に示した上面と下面に
夫々電荷が発生される。これ等の面には互いに略々同じ
大きさで横たわる夫々の電極２０と２１が設けられ、こ
れ等の電極は、事実上の検出器素子を形成する役をする
。前記の電極２０と２１はフィルムｌＯだけで支持され
、このフィルムの周縁より離れて位置する。焦電フィル
ム１０内の電荷の発生は該フィルムの温度変化に依存す
るので、入射放射線は、該放射線が検出されるためには
時間と共に変化せねばならない。これは、本来的には、
例えば侵入を検出する目的のために普段は殆ど変化しな
い環境における変化に応答すべき場合であろう。代わり
に、装置を観測場面を横ぎって走査するかまたは入射放
射線を切ることによっても達成することができる。

焦電性フィルムＩＯが全体にわたり完全に分極されても
よく、或いはまた代わりに、この実施例の場合がそうで
あるように、電極２０と２１の間にあるフィルム部分だ
けで分極され、電極は公知のようにこのための分極目的
に用いられてもよい。

薄い焦電性フィルム１０は一般に少なくとも動作範囲の
一部にわたって比較的値かな入射放射線しか吸収しない
ので、装置の感度を良くするためには放射線の吸収を増
すことが望ましい。これは、放射線を十分に吸収するた
めに電極２０にスケヤ当り適当な抵抗を与えまた入射放
射線の反射を減少するようにフィルム１０の厚さを選ぶ
ことによって達成される。反射は、フィルムの光学厚さ
すなわちその物理的な厚さとその屈折率との積が４分の
奇数波長において最小で、光学厚さが４分の偶数波長で
最大である。反射が減少される最も大きな帯域は、光学
厚さを、選ばれた波長の略々１／４とすることによって
得られる。この波長は、反射は入射放射線の波長が選択
値からこの選択値の半分に減少するとかなり急速に最大
比増加するが波長が選択値より増加すると遥かに緩りと
増加するということを心に留めそしてまたフィルム１０
および成る程度は窓１２の材料の吸収特性を考慮に入れ
て適当に選択される。選択波長は、関係のある波長範囲
にわたって装置による入射放射線の吸収が実質的に最大
とされるように選ばれる。

この検出装置は人体の赤外線特性の検出例えば侵入者検
出システムに用いるように意図されたもので、したがっ
て関係する波長範囲は略々５−１５μｍである。８μｍ
の波長において抵抗層２０により吸収を最大にし、フィ
ルム１０の少なくとも電極２０と２１間の光学厚さをこ
の波長の１／４すなわち略々２μｍに選ぶことが望まし
い。薄いフィルム１０は、公知のように注型技法（ｃａ
ｓｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）によってこの光学厚
さに必要な物理的な厚さに形成することができる。

電極２０はニッケル／クローム合金より成り、フィルム
１０の面上にスパックリングまたは蒸着によって０．１
　μｍ以下の厚さに直接デポジットされる。

この電極２０は、該電極が関係の波長範囲の入射放射線
あ殆どの部分を確実に吸収するようにスケヤ当り十分に
有効な抵抗を有する。直接自由空間につながりかつ窓２
０に対面する電極２０は、放射線の吸収を最大にするた
めに、自由空間のインピーダンス特性である略々３７７
オーム毎スケヤの抵抗を有する。ヘッダ１６に対面する
電極２１は、フィルムを通過する関係の波長範囲内の略
々すべでの放射線を電極２０に反射するように反射性に
される。この電極２１はフィルム１０上に直接デポジッ
トされ、金の層で被覆されたニッケル／クローム“種（
ｓｅｅｄ）”膚より成り、これ等両層は真空デポジショ
ンによって形成される。反射性の電極２１に対しては、
５オームまたはそれ以下であるべきオーダのフィルムに
隣接するスケヤ当りの抵抗が適当な低さと考えられる。

３つの層構造２０．　ｔｏ、　２１による入射赤外線の
吸収は、中でもフィルム１０の光学厚さと電極２０およ
び２１の抵抗に依存することは数学的に立証されること
ができ、関係ある波長範囲にわたるこの構造による吸収
は、フィルム１０の光学厚さを特定の波長の１７４に等
しくし、電極の抵抗を略々３７７オーム毎スケヤとし、
電極２１の抵抗を非常に低（して反射性とすることによ
って達成することを示す。

範囲内の各波長に対する吸収は僅かに変るが、波長範囲
全体として考えて最適の吸収が得られる。

比較的良好な吸収特性は、より抵抗性のパック電極２１
と、異なるスケヤ当りの抵抗値を有するフロント電極と
でも得られる。例えば、若しフロントおよびバック電極
が約２５０オームのスケヤ当り抵抗値を有しても、有効
な吸収特性を得ることができる。

電極層２０と２１の電気接続は、フィルム１０の各面上
に比較的狭い導電トラック２３と２４を形成することに
よってつくられ、これ等の導電トラックは電極とそれ等
の一方の端で接触し、他方の端は、図示したようにヘッ
ド１６および容器１１内に公知のように位置するＦＥＴ
と接続された端子に導かれる。

このＦＥＴは、電極２０と２１およびその間にあるフィ
ルム１０の部分で構成される検出素子を有する回路間に
接続され、この回路は、インピーダンス整合回路の部分
を形成するＦ［！Ｔのゲートを過剰電圧より保護する非
線形回路網りを含む。このタイプの回路の完全な説明は
、英国特許明細書第１５８０４０３号に見出される。電
極２０と２１は、正方形状の焦電検出素子を形成する例
えば−辺０．５　ｔｔｒｍの正方形でもよく、或いはま
た代わりに同寸法の円形でもよい。

使用時、前述の検出装置は、関係する波長範囲内の選択
された波長に対し略々１００％の極めて高い吸収を有し
、装置をこの範囲の放射線に極めて敏感にするとこが見
出された。

第２図は本発明の別の実施例を示す。この実施例は所謂
°“デュアル（ｄｕａｌ）”検出装置の形をとっている
。第１図の実施例に対応した構成部分には同じ符号を付
しである。

この検出装置は、何れも第１図の実施例の電極２０と同
様な物理的に隔てられた夫々の電極３０．３２、焦電性
ポリマーの薄いフィルム１０の夫々の部分、および第１
図の実施例の電極２１と同様な１つの共通な電極３１の
夫々の部分より構成された２つの別個に働く検出素子よ
り成る。したがって電極３０は、その直ぐ下にある焦電
性フィルムｌＯの部分と、電極３１と共に一つの検出素
子を構成し、電ＶｉＡ３２は、その直ぐ下にある焦電性
フィルム１０の部分と電極３１と共に他方の検出素子を
構成する。これ故、２つの検出素子が事実上２つの電極
３０と３２によって夫々形成されることがわかる。電極
３０と３２の下にあるフィルム１０の部分は同じ方向に
分極される。

フィルムは全体にわたって完全に分極されても或いはそ
れ等の部分だけにおいて分極されてもよい。

これ等の検出装置の構成要素の材料と厚さは、第１図の
実施例の対応部分に関して前に説明したように、電極３
０と３２は略々３７７オーム毎スケヤの抵抗を有し、電
極３１は反射性で、フィルム１０は、少なくとも電極３
０と３２の下にある領域で、関係ある波長範囲内の選択
された波長の１／４に等しい光学厚さを有する。

若し所要ならば、本発明の原理を拡張し、素子をすべて
夫々の電極と一つの共通の焦電性フィルムＩＯの部分で
形成して、検出器素子の線形および２次元アレーを有す
る検出装置をつくることができる。

第２図の特定の実施例では、２つの検出器素子は、一つ
の共通な電極３１で互いに連結されて、２つの検出器素
子が直列に結合されている。同じ方向に分極された焦電
性フィルム１０の部分によって、直列に接続された２つ
の検出素層素子の極性は逆である。電極３０と３゛２は
、前述のようにしてＦＥＴと非線形回路網を含む回路内
で、フィルムｌＯ上に支持されかつ電極３０および３２
と接触する導電トラ・ンク２３と２４を経て接続され、
導電トラック２４はこの場合導電トラック２３と同様に
フィルムの上面にある。２つの検出器素子は作動的に連
結され、唯一つのＦＥＴに接続されているため、画素子
が同じに応答し、あらゆる出力信号を生じないように消
去する同じ大きさで反対方向の信号を発生するので、周
囲の温度変化、背景の放射線および雑音により発生され
るような共通モード信号の影響から免れる。けれども、
動く赤外線源は、該赤外線源が例えば、焦点合わせされ
た光学システムの使用によって放射線を同じに受けるよ
うに配設されると、出力信号を発生する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の検出装置の一実施例の略断面図、 第２図は本発明の検出装置の別の実施例の略断面図であ
る。 １０・・・フィルム　　　　　　１１・・・容器１２・
・・窓　　　　　　　　１５・・・絶縁環１６・・・ヘ
ッダ ２０、２１．３０．３１．３２・・・電極２３、２４・
・・導電トラック　Ｄ・・・非線形回路網Ｔ・・・ＦＥ
Ｔ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対向側に電極が設けられた焦電特性を有するポリマ
   ー材料の可撓性フィルムを有する、所定波長範囲の放射
   線を検出する赤外線検出装置において、入来放射線に対
   面する電極は、動作時、前記の波長範囲内の入射放射線
   の殆どの部分を吸収するようなスケヤ当りの抵抗を有す
   る抵抗層より成り、ポリマーフィルムは、前記の波長範
   囲内の、入来放射線と対面する電極による入射放射線の
   吸収が最大であることが望まれる選択された波長の実質
   的に１／４である光学厚さを有することを特徴とする赤
   外線検出装置。 ２、フィルムの反対側の電極は、前記の波長範囲内の放
   射線に対して実質的に反射性である特許請求の範囲第１
   項記載の赤外線検出装置。 ３、抵抗性電極は、入来放射線の方向に、直接に自由空
   間に続き、この自由空間の特性インピーダンスに実質的
   に等しいスケヤ当りの抵抗を有する特許請求の範囲第１
   項または第２項記載の赤外線検出装置。 ４、焦電性フィルムは弗化ビニリデンポリマーより成る
   特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れか１項記載の赤
   外線検出装置。 ５、焦電性フィルムは弗化ビニリデンコポリマーより成
   る特許請求の範囲第４項記載の赤外線検出装置。 ６、コポリマーは弗化ビニリデントリフルオロエチレン
   コポリマーより成る特許請求の範囲第５項記載の赤外線
   検出装置。 ７、選択された波長は、装置による前記の波長範囲にわ
   たる入射放射線の吸収が最大となるような波長である特
   許請求の範囲第１項乃至第６項の何れか１項記載の赤外
   線検出装置。 ８、前記の波長範囲は略々５−１５μｍである特許請求
   の範囲第１項乃至第７項の何れか１項記載の赤外線検出
   装置。 ９、電極はポリマーフィルムだけで支持され、このポリ
   マーフィルムは、電極と離れて位置された手段によって
   支持された特許請求の範囲第１項乃至第８項の何れか１
   項記載の赤外線検出装置。