焦電型赤外線検出素子、焦電型赤外線撮像素子および焦電型赤外線撮像装置
【課題】本発明は、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に焦電部分を加熱することができる焦電型赤外線検出素子、焦電型赤外線撮像素子および焦電型赤外線撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明の焦電型赤外線撮像素子１Ａは、強誘電体材料を備え、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する複数の焦電部１１と、複数の焦電部１１のそれぞれに熱を与えるためのヒータ部１２と、ヒータ部１２を複数の焦電部１１の受光側に配置するように、ヒータ部１２を支持する担持部１３とを備え、ヒータ部１２は、複数の焦電部１１における各受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、ヒータ部１２と担持部１３は、前記赤外線を透過する材料で形成される。
【解決手段】本発明の焦電型赤外線撮像素子１Ａは、強誘電体材料を備え、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する複数の焦電部１１と、複数の焦電部１１のそれぞれに熱を与えるためのヒータ部１２と、ヒータ部１２を複数の焦電部１１の受光側に配置するように、ヒータ部１２を支持する担持部１３とを備え、ヒータ部１２は、複数の焦電部１１における各受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、ヒータ部１２と担持部１３は、前記赤外線を透過する材料で形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦電効果によって赤外線を検出する焦電型赤外線検出素子に関する。そして、本発明は、赤外線で被写体を撮像する焦電型赤外線撮像素子およびこの焦電型赤外線撮像素子を備える焦電型赤外線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線検出素子（赤外線センサ）は、赤外線を受光し、この受光した赤外線に基づいて電気信号を出力する素子である。この赤外線検出素子は、人間では直接感知することができない赤外線領域の光を検出することができ、このため、暗闇でも対象物を非接触で検出することができ、また、対象物の温度を測定することができる。このような赤外線検出素子は、例えば人感センサ等の熱放射物体の検知センサ、物体の熱分布を画像として出力するサーモグラフィー、いわゆるナイトビジョン（暗視装置）等の様々な製品に応用されている。特に、車両に搭載されるナイトビジョンは、例えばライトによる可視光視界に加えて夜間の視界を拡大することによって安全走行に寄与することができる。
【０００３】
このような赤外線検出素子は、その動作原理によって、量子型と熱型との２種類に大別される。この量子型赤外線検出素子は、例えば半導体のＰＮ接合で生じる、光エネルギーを電気エネルギーへ直接的に変換する光起電力効果を利用することによって、赤外線を検出する素子である。熱型赤外線検出素子は、赤外線を受光することによって生じる熱で該素子が温められ、該素子温度の変化によって変化する電気的な性質を検知することによって、赤外線を検出する素子である。この熱型赤外線検出素子は、異なる物体に温度差を与えることによって起電力を生じる現象である熱起電力効果を利用したサーモパイル、温度変化により生じる電気抵抗変化を利用したサーミスターやボロメータ、温度変化によって誘電体の分極が変化する現象である焦電効果を利用した焦電型赤外線検出素子が知られている。
【０００４】
図５は、特許文献１に開示されている焦電型赤外線センサの構成を示す図である。図６は、特許文献２に開示されている焦電型赤外線センサの構成を示す図である。
【０００５】
この焦電型赤外線検出素子は、焦電効果の原理から、該素子温度が変化する場合に、その出力が得られるものである。このため、従来では、焦電型赤外線検出素子に入射される赤外線を入り切りする光チョッパが焦電型赤外線検出素子に用いられている。すなわち、例えば、特許文献１に開示されているように、図５において、強誘電体膜１００２の両面に電極１００３、１００４を形成した構造の焦電センサ１００１における受光側に、光チョッパ１００６が配置される。そして、電極１００３は、抵抗Ｒ０を介して電極１００４に接続され、この抵抗Ｒ０の両端には、この両端の電位を測定するための演算増幅器１００５が設けられる。このような構成の赤外線検出装置１０００では、対象物から放射された赤外線であって焦電センサ１００１に入射される赤外線は、光チョッパ１００６によってオン／オフ（透過／遮断、入り切り）され、この赤外線が入射された場合における強誘電体膜１００２の温度変化を、抵抗Ｒ０の両端の電位の変化として検出することによって、対象物から放射された赤外線の強度が検出される。
【０００６】
このような構成の焦電型赤外線検出素子では、光チョッパを必要とするため、その駆動機構も必要となり、素子の大型化や消費電力の増大を招いてしまう。そこで、光チョッパを用いることなく、赤外線を検出する焦電型赤外線検出素子が、例えば、特許文献２に開示されている。
【０００７】
この特許文献２に開示の焦電型赤外線センサ２０００は、図６に示すように、基板２００２上に第１絶縁膜２００３を介して、第１焦電素子用電極２００４、焦電素子２００５および第２焦電素子用電極２００６がこの順に積層して形成される。基板２００２には、積層された第１焦電素子用電極２００４、焦電素子２００５および第２焦電素子用電極２００６の積層領域直下の領域に、第１絶縁膜２００３が露出する孔２００２ａが形成されている。そして、焦電素子２００５の加熱のための発熱体である焦電素子加熱用抵抗２００８、レーザダイオード２００８ａまたは発光ダイオード２００８ｂが、焦電素子２００５近傍で基板２００２に支持脚２０３１で連結して固定された第２の基板２０３２上に、孔２００２ａに対向して配置されている。前記焦電素子加熱用抵抗２００８には、タングステン（Ｗ）等の金属が用いられる。このような構成の焦電型赤外線センサ２０００は、特許文献２によれば、焦電素子加熱用抵抗２００８等にパルス電流を通電することによって、焦電素子２００５を間欠的に加熱することができ、この結果、従来のようなチョッピングを行うことなく、焦電素子２００５を一定温度に間欠的に変化されることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−０１９０１３号公報
【特許文献２】特開２００４−２７９１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、前記特許文献２に開示の焦電型赤外線センサ２０００では、焦電素子２００５を間欠的に加熱するために、タングステン等の焦電素子加熱用抵抗２００８や、レーザダイオード２００８ａや、発光ダイオード２００８ｂが焦電素子２００５の受光側に用いられているが、これらは、赤外線が透過し難く、焦電素子２００５における赤外線の受光を阻害している。より具体的には、焦電素子加熱用抵抗２００８では、タングステン自体によって赤外線が吸収もしくは反射されてしまう。また、レーザダイオード２００８ａおよび発光ダイオード２００８ｂでは、素子に配設される電極等によって赤外線が吸収もしくは反射されてしまう。
【００１０】
そこで、前記特許文献２に開示の焦電型赤外線センサ２０００において、焦電素子２００５の受光面全面を焦電素子加熱用抵抗２００８、レーザダイオード２００８ａまたは発光ダイオード２００８ｂによって覆わないように、焦電素子加熱用抵抗２００８、レーザダイオード２００８ａまたは発光ダイオード２００８ｂを、リング形状としたり、焦電素子２００５の受光面における中央領域の一部分を覆う形状としたりすることが考えられる。しかしながら、このような形状では、焦電素子２００５の開口率が低下してしまう。また、このような形状では、焦電素子加熱用抵抗２００８、レーザダイオード２００８ａまたは発光ダイオード２００８ｂによる加熱によって、焦電素子２００５に温度分布が生じてしまい、従来の光チョッパを用いた構成のように、焦電素子２００５の温度分布を均一にすることが難しい。
【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に焦電部分を加熱することができる焦電型赤外線検出素子を提供することである。そして、本発明の目的は、このような焦電型赤外線撮像素子およびこの焦電型赤外線撮像素子を用いた焦電型赤外線撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる焦電型赤外線検出素子は、強誘電体材料を備え、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する焦電部と、前記焦電部に熱を与えるためのヒータ部と、前記ヒータ部を前記焦電部の受光側に配置するように、前記ヒータ部を支持する担持部とを備え、前記ヒータ部は、前記焦電部の受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、前記ヒータ部と前記担持部とは、前記赤外線を透過する材料で形成されることを特徴とする。
【００１３】
このような構成の焦電型赤外線検出素子では、ヒータ部が焦電部の受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、ヒータ部と担持部とが赤外線を透過する材料で形成される。このため、このような構成の焦電型赤外線検出素子は、前記ヒータ部によって焦電部の受光面全体を均一に加熱することができるとともに、対象物から放射される赤外線を前記ヒータ部および前記担持部を介して焦電部の受光面全体で受光することができる。したがって、このような構成の焦電型赤外線検出素子は、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に焦電部を加熱することができる。
【００１４】
また、他の一態様では、上述の焦電型赤外線検出素子において、前記ヒータ部は、前記担持部を形成する材料の組成を変更することによって形成されることを特徴とする。
【００１５】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、ヒータ部が担持部を形成する材料の組成を変更することによって形成されるので、より薄く構成することができ、また、部品点数を低減することができる。
【００１６】
また、他の一態様では、これら上述の焦電型赤外線検出素子において、前記担持部と協同して前記ヒータ部および前記焦電部を封止する封止部材をさらに備えることを特徴とする。
【００１７】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、ヒータ部および焦電部が封止部材によって封止されるので、これらヒータ部および焦電部の汚損を防止することができ、また、ヒータ部を焦電部により近接させて配置することができる。
【００１８】
また、他の一態様では、これら上述の焦電型赤外線検出素子において、前記担持部における前記ヒータ部を支持する部分を除く部分に、封止された空間における真空度を維持するために気体状の粒子を捉えるゲッターをさらに備えることを特徴とする。
【００１９】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、ゲッター（Getter）をさらに備えるので、封止された空間を所定の真空度の真空とした場合に、前記所定の真空度を維持することが可能となる。
【００２０】
また、本発明の他の一態様にかかる焦電型赤外線撮像素子は、これら上述のいずれかの焦電型赤外線検出素子を複数備える。
【００２１】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子では、ヒータ部が焦電部の受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、ヒータ部と担持部とが赤外線を透過する材料で形成される。このため、このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、前記ヒータ部によって焦電部の受光面全体を均一に加熱することができるとともに、対象物から放射される赤外線を前記ヒータ部および前記担持部を介して焦電部の受光面全体で受光することができる。したがって、このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に焦電部を加熱することができる。
【００２２】
また、本発明の他の一態様にかかる焦電型赤外線撮像素子は、強誘電体材料を備え、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する複数の焦電部と、前記複数の焦電部のそれぞれに熱を与えるためのヒータ部と、前記ヒータ部を前記複数の焦電部の受光側に配置するように、前記ヒータ部を支持する担持部とを備え、前記ヒータ部は、前記複数の焦電部における各受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、前記ヒータ部と前記担持部は、前記赤外線を透過する材料で形成されることを特徴とする。
【００２３】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子では、ヒータ部が複数の焦電部における各受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、ヒータ部と担持部とが赤外線を透過する材料で形成される。このため、このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、前記ヒータ部によって複数の焦電部における各受光面全体を均一に加熱することができるとともに、対象物から放射される赤外線を前記ヒータ部および前記担持部を介して複数の焦電部における各受光面全体で受光することができる。したがって、このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に各焦電部をそれぞれ加熱することができる。
【００２４】
また、他の一態様では、上述の焦電型赤外線撮像素子において、前記ヒータ部は、前記担持部を形成する材料の組成を変更することによって形成されることを特徴とする。
【００２５】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、ヒータ部が担持部を形成する材料の組成を変更することによって形成されるので、より薄く構成することができ、また、部品点数を低減することができる。
【００２６】
また、他の一態様では、これら上述の焦電型赤外線撮像素子において、前記担持部と協同して前記ヒータ部および前記複数の焦電部を封止する封止部材をさらに備えることを特徴とする。
【００２７】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、ヒータ部および複数の焦電部が封止部材によって封止されるので、これらヒータ部および各焦電部の汚損を防止することができ、また、ヒータ部を焦電部により近接させて配置することができる。
【００２８】
また、他の一態様では、これら上述の焦電型赤外線撮像素子において、前記担持部における前記ヒータ部を支持する部分を除く部分に、封止された空間における真空度を維持するために気体状の粒子を捉えるゲッターをさらに備えることを特徴とする。
【００２９】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、ゲッター（Getter）をさらに備えるので、封止された空間を所定の真空度の真空とした場合に、前記所定の真空度を維持することが可能となる。
【００３０】
また、本発明の他の一態様にかかる焦電型赤外線撮像装置は、これら上述のいずれかの焦電型赤外線撮像素子と、前記焦電型赤外線撮像素子の出力に基づいて画像形成を行う画像形成部とを備えることを特徴とする。
【００３１】
このような構成の焦電型赤外線撮像装置は、これら上述のいずれかの焦電型赤外線撮像素子を用いるので、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に各焦電部をそれぞれ加熱することができる。
【００３２】
また、他の一態様では、上述の焦電型赤外線撮像装置において、前記焦電型赤外線撮像素子の受光面上に物体の赤外線の光学像を形成する撮像光学系をさらに備えることを特徴とする。
【００３３】
このような構成の焦電型赤外線撮像装置は、撮像光学系をさらに備えるので、対象物体から放射される赤外線をより確実に焦電型赤外線撮像素子へ導光することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明にかかる焦電型赤外線検出素子、焦電型赤外線撮像素子および焦電型赤外線撮像装置は、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に焦電部を加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施形態における焦電型赤外線撮像素子の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の焦電型赤外線撮像素子における焦電部の構成を示す図である。
【図３】第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子の構成を示す図である。
【図４】第３実施形態における焦電型赤外線撮像装置の構成を示す図である。
【図５】特許文献１に開示されている焦電型赤外線センサの構成を示す図である。
【図６】特許文献２に開示されている焦電型赤外線センサの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００３７】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における焦電型赤外線撮像素子の構成を示す図である。図１（Ａ）は、ヒータ部１３へ電力を供給していない場合を示し、図１（Ｂ）は、ヒータ部１３へ電力を供給している場合を示す。図２は、第１実施形態の焦電型赤外線撮像素子における焦電部の構成を示す図である。
【００３８】
図１において、第１実施形態における焦電型赤外線撮像素子１Ａは、複数の焦電部１１（１１−１、１１−２、１１−３、・・・）と、ヒータ部１２と、担持部１３とを備えている。そして、図１に示す例では、焦電型赤外線撮像素子１Ａは、図略の電源装置からヒータ部１２へ電力を供給するための一対の電極１５−１、１５−２および複数の焦電部１１が２次元アレイ状に配設されこれら複数の焦電部１１を支持する基板１４をさらに備えている。
【００３９】
焦電部１１は、強誘電体材料を備え、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する素子である。焦電部１１の詳細は、後述する。
【００４０】
ヒータ部１２は、これら複数の焦電部１１のそれぞれに熱を与えるための素子である。このため、ヒータ部１２は、これら複数の焦電部１１における各受光面全面を少なくとも覆う大きさ（面積）を有している。ヒータ部１２は、本実施形態では、通電することによってジュール熱を発生する電気的な抵抗体である。
【００４１】
担持部１３は、ヒータ部１２を複数の焦電部１１の受光側に所定の距離だけ離間して配置するように、ヒータ部１２を支持する部材である。本実施形態では、例えば、複数の焦電部１１を支持する前記基板１４およびヒータ部１２を支持する該担持部１３が焦電型赤外線撮像素子１Ａの図略の筐体（ハウジング）に取り付けられて固定されることによって、ヒータ部１２と複数の焦電部１１の受光面とは、所定の距離だけ離間して配置される。
【００４２】
そして、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａでは、これらヒータ部１２と担持部１３は、赤外線を透過する材料で形成される。ここで、透過とは、５０％より多くの光が該材料を透過することをいうが、もちろん、焦電型赤外線撮像素子１Ａの受光感度を向上するために、透過率が高いほどより好ましい。
【００４３】
これらヒータ部１２および担持部１３を形成する材料は、例えば、赤外線を透過する半導体材料、より具体的には、比較的高い透過率を赤外線の波長領域に持つシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）である。特にゲルマニウムは、赤外線に対しほぼ透明である。そして、ヒータ部１２は、担持部１３の一方主面に例えば燐（Ｐ；ｎ型ドーパントの一例）やホウ素（Ｂ；ｐ型ドーパントの一例）等の不純物を所定の濃度でドープすることによって形成される。このようなヒータ部１２の抵抗率は、周知の通り、不純物の濃度に応じて決まる。このように本実施形態では、ヒータ部１２は、担持部１３を形成する材料の組成を変更することによって形成される。また、このよう構成のヒータ部１２に対し、一対の電極１５−１、１５−２は、不純物をドープした不純物添加領域（ヒータ部１２）の両端上に例えば蒸着等によって例えばアルミニウムや金等の導体金属で薄膜状に形成される。なお、ヒータ部１２は、担持部１３とは別体の抵抗体であってこの抵抗体を担持部１３の一方主面に取り付けることで構成され、また、一対の電極１５−１、１５−２は、例えばワイヤーボンディング等によって該抵抗体に接続された導体線であってもよい。
【００４４】
そして、ヒータ部１２が形成された担持部１３は、ヒータ部１２が焦電部１１により近接するように、このヒータ部１２が形成された一方主面を複数の焦電部１１の各受光面側に向けて（このヒータ部１２が形成された一方主面と複数の焦電部１１の各受光面とを互いに対向させて）配置される。
【００４５】
次に、焦電部１１について説明する。焦電部１１は、例えば、図２に示すように、基板１１１と、基板１１１上に積層形成された第１絶縁層１１２と、第１絶縁層１１２上に積層形成された下部電極層１１３と、下部電極層１１３上に積層形成された強誘電体層１１４と、強誘電体層１１４上に積層形成された上部電極１１５とを備える。
【００４６】
基板１１１は、加工性や熱伝導性の観点から、例えばシリコンで形成される。第１絶縁層１１２は、本実施形態では、基板１１１をシリコンで形成していることから、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２、二酸化シリコン）、より具体的にはシリコン熱酸化膜で形成される。下部電極層１１３は、上部電極層１１５と対となって強誘電体層１１４で生じる電位を取り出すための電極であり、強誘電体層１１４を支持するとともに強誘電体層１１４の熱をバランスよく断熱および放熱するように機能し、例えば、白金で形成される。強誘電体層１１４は、後述するように、対象物からの熱と対象物およびヒータ部１２からの熱とを切り換えて受光するため、対象物からの熱を受光している期間あるいは対象物およびヒータ部１２からの熱を受光している期間（受光期間）では断熱されていることが好ましく、対象物からの熱の受光から対象物およびヒータ部１２からの熱の受光へ切り換える期間（切換期間）、あるいは、対象物およびヒータ部１２からの熱の受光から対象物からの熱の受光へ切り換える期間（切換期間）では速やかに放熱されることが好ましい。特に放熱性よりも断熱性が重視され、断熱性と放熱性とのバランスが適宜に設計される。下部電極層１１３は、電気伝導性がよいだけでなく、このような相反する特性を比較的バランスよく実現する必要があり、このような観点から、下部電極層１１３の材料は、上記の通り白金が好ましい。強誘電体層１１４は、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する部材であり、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３；ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）やＰＬＴ（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３）等である。ＰＺＴの場合では、下部電極層１１３との界面での結晶面が（１００）の菱面体晶となるように、強誘電体層１１４は、下部電極層１１３上に形成される。上部電極層１１５は、下部電極層１１３と対となって強誘電体層１１４で生じる電位を取り出すための電極であり、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕやＴｉ／Ａｕで形成される。
【００４７】
これら第１絶縁層１１２、下部電極層１１３、強誘電体層１１４および上部電極層１１５は、例えば、平面視にて矩形形状である。そして、下部電極層１１３は、他の配線と電気的に接続するために、一方端で外方に延びる下部電極端子部１１３ａを有しており、また、上部電極層１１５は、他の配線と電気的に接続するために、前記一方端と対向する他方端で第１絶縁層１１２に達するまで外方に延びる上部電極端子部１１５ａを有している。そして、この上部電極端子部１１５ａ下には、下部電極層１１３と絶縁するために、第２絶縁層１１６が形成されている。すなわち、第２絶縁層１１６は、強誘電体層１１４の一方端部外縁であって下部電極層１１３上に積層形成されている。第２絶縁層１１６は、例えばＣＶＤ法によって形成されたパリレン絶縁膜等である。なお、上部電極層１１５上には、例えば金ブラックなどの赤外線吸収に優れた、赤外線吸収層がさらに設けられてもよい。
【００４８】
そして、上部電極層１１６および下部電極層１１３を外部の配線に電気的に接続して強誘電体層１１４で生じる電位を外部に取り出すために、前記上部電極層１１６の上部電極端子部１１６ａと電気的に接続される貫通電極１１７−１が基板１１１および第１絶縁層１１２を貫通して形成され、この下部電極層１１３の下部電極端子部１１３ａと電気的に接続される貫通電極１１７−２が基板１１１および第１絶縁層１１２を貫通して形成されている。
【００４９】
また、基板１１１には、積層された下部電極層１１３、強誘電体層１１４および上部電極層１１５における積層領域直下の領域に、下部電極層１１３が露出する開口（下部電極層１１３が外部に臨む開口）である開口部ＡＰが形成されている。
【００５０】
このような構造の焦電部１１は、赤外線の波長を勘案して、例えば、平面視にて、一辺が十数μｍ〜数十μｍの矩形である。なお、基板１１１、第１絶縁層１１２、下部電極層１１３、強誘電体層１１４、上部電極層１１５および第２絶縁層１１６は、上述の材料に限定されるものではなく、適宜な他の材料であってもよい。
【００５１】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子１Ａは、ヒータ部１２に通電しない環境温度状態と、ヒータ部１２に通電する加熱状態とを切り換えることによって対象物から放射される赤外線を個々の焦電部１１で検出し、各焦電部１１の出力に基づいて対象物を撮像する。
【００５２】
より具体的には、ヒータ部１２に通電しない環境温度状態では、ヒータ部１２は、電気エネルギーが供給されていないため、ジュール熱を発生しない。そして、担持部１３およびヒータ部１２は、赤外線を透過する材料によって形成され、さらに、ヒータ部１２は、複数の焦電部１１（１１−１、１１−２、１１−３、・・・）における各受光面全面を少なくとも覆う大きさである。このため、図１（Ａ）に示すように、対象物から放射された赤外線（対象物放射赤外線）は、担持部１３およびヒータ部１２を透過し、複数の焦電部１１の各受光面に達し、複数の焦電部１１は、それぞれ、この対象物放射赤外線を担持部１３およびヒータ部１２を介して受光する。この結果、複数の焦電部１１は、それぞれ、この対象物放射赤外線に応じた温度（対象物起因温度）となって、この温度に応じた分極状態となる。ここで、仮に、対象物放射赤外線が例えば減衰等の影響をヒータ部１２によって受ける場合でも、上述のように、ヒータ部１２は、複数の焦電部１１における各受光面全面を少なくとも覆う大きさであるので、複数の焦電部１１は、それぞれ、同様に影響を受けた対象物放射赤外線を受光することができる。なお、この環境温度状態は、従来の光チョッパでオン／オフ（透過／遮断）する場合におけるオン（透過）状態に相当する。
【００５３】
一方、ヒータ部１２に通電する加熱状態では、ヒータ部１２は、電気エネルギーが供給されるため、ジュール熱を発生し、赤外線（ヒータ部放射赤外線）を放射する。そして、ヒータ部１２は、複数の焦電部１１（１１−１、１１−２、１１−３、・・・）における各受光面全面を少なくとも覆う大きさである。このため、図１（Ｂ）に示すように、ヒータ部放射赤外線に、担持部１３およびヒータ部１２を介した対象物放射赤外線を加えた放射線（対象物放射赤外線＋ヒータ部放射赤外線）が、一様に、複数の焦電部１１における各受光面にそれぞれ到達し、複数の焦電部１１は、それぞれ、この赤外線（対象物放射赤外線＋ヒータ部放射赤外線）を受光する。この結果、焦電部１１は、これら対象物放射赤外線およびヒータ部放射赤外線の和の赤外線に応じた温度（ヒータ部付加温度）となって、この温度に応じた分極状態となる。なお、この加熱状態は、従来の光チョッパでオン／オフ（透過／遮断）する場合におけるオフ（遮断）状態に相当する。
【００５４】
したがって、このような構成の焦電型赤外線撮像素子１Ａでは、環境温度状態から過熱状態へ、あるいは、過熱状態から環境温度状態へ切り換えることによって、対象物起因温度とヒータ部付加温度との差に応じた電気信号が焦電部１１より出力される。このため、ヒータ部１２に供給される電気エネルギーを所定の一定値に設定することによって、ヒータ部１２のヒータ部放射赤外線が一定となり、このような構成の焦電型赤外線撮像素子１Ａは、ヒータ部１２のヒータ部放射赤外線を基準として対象物の温度を検出することができる。
【００５５】
このように本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａでは、ヒータ部１２が複数の焦電部１１における各受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、ヒータ部１２と担持部１３とが赤外線を透過する材料で形成されるので、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａは、ヒータ部１２によって複数の焦電部１１における各受光面全体を均一に加熱することができるとともに、対象物から放射される赤外線をヒータ部１２および担持部１３を介して複数の焦電部１１における各受光面全体で受光することができる。したがって、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａは、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に各焦電部１１をそれぞれ加熱することができる。
【００５６】
また、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａでは、ヒータ部１２は、担持部１３を形成する材料の組成を変更することによって形成されている。このため、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａは、ヒータ部１２が担持部１３を形成する材料の組成を変更することによって形成されるので、より薄く構成することができ、また、部品点数を低減することができる。
【００５７】
なお、上述では、対象物を撮像するべく、基板１４に２次元アレイ状に配設された複数の焦電部１１を備えた焦電型赤外線撮像素子１Ａであったが、対象物の赤外線を検出だけであれば、１個の焦電部１１を備えた焦電型赤外線検出素子であってもよい。もちろん、この焦電型赤外線検出素子は、１個の焦電部１１の他に、上述の焦電型赤外線撮像素子１Ａと同様のヒータ部１２、担持部１３、基板１４および一対の電極１５−１、１５−２を備え、焦電部１１が１個である点を除き、上述の焦電型赤外線撮像素子１Ａと同様に構成される。そして、このような１個の焦電部１１を備えた焦電型赤外線検出素子を２次元アレイ状に複数備えることによって、対象物を赤外線で撮像する焦電型赤外線撮像素子が構成されてもよい。
【００５８】
次に、別の実施形態について説明する。
【００５９】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子の構成を示す図である。第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子１Ｂは、第１実施形態の焦電型赤外線撮像素子に１Ａに対し、パッケージ化したものである。
【００６０】
この第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子１Ｂは、例えば、図３に示すように、複数の焦電部１１（１１−１、１１−２、１１−３、・・・）と、ヒータ部１２と、担持部１３と、担持部１３と協同してヒータ部１２および焦電部１１を封止する封止部材１６とを備えている。そして、図３に示す例では、焦電型赤外線撮像素子１Ｂは、図略の電源装置からヒータ部１２へ電力を供給するための一対の電極１５−１、１５−２および複数の焦電部１１が２次元アレイ状に配設されこれら複数の焦電部１１を支持する基板１４をさらに備えている。これら第２実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ｂにおける複数の焦電部１１、ヒータ部１２、担持部１３、基板１４および電極１５は、第１実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａにおける複数の焦電部１１、ヒータ部１２、担持部１３、基板１４および電極１５とそれぞれ同様であるので、その説明を省略する。
【００６１】
封止部材１６は、複数の焦電部１１およびこれら複数の焦電部１１を配設した基板１４を収容するための収容凹部ＣＰを形成した部材である。収容凹部ＣＰの周壁における解放端部の端面に、ヒータ部１２を形成した前記一方主面を収容凹部ＣＰ側に向けて担持部１３が接着固定される。これによって封止部材１６は、担持部１３と協同してヒータ部１２および焦電部１１を封止する。
【００６２】
より具体的には、封止部材１６は、有底短高であって断面矩形形状の筒状部材であり、例えばセラミック等によって形成される。この封支部材１６の内底面には、複数の焦電部１１を配設した基板１４が固定される。この封止部材１６の外周は、担持部１３の外周と略同じ大きさであり、この筒状の封止部材１６における解放端側（天井端側）には、前記解放端を閉塞するように、その周面の解放端側の端面に、例えば半田等によってヒータ部１２を形成した前記一方主面を底側に向けて担持部１３が接着固定される。これによって封止部材１６は、担持部１３と協同してヒータ部１２および焦電部１１を封止する。そして、封止部材１６には、ヒータ部１２上に形成された前記一対の電極１５−１、１５−２のそれぞれに電気的に接続された一対のヒータ部用配線１６１−１、１６１−２が封止部材１６の底部を貫通するように形成されている。また、封止部材１６には、その底部を貫通するように複数の信号用配線１６３（１６３−１、１６３−２、・・・）が形成されており、これら複数の信号用配線１６３のそれぞれに接続された複数の電極パッド１６２（１６２−１、１６２−２、・・・）が封止部材１６の内底面に形成されている。そして、複数の焦電部１１における各信号出力線が複数の電極パッド１６２に例えばワイヤーボンディング等によってそれぞれ接続されている。
【００６３】
そして、本実施形態では、封止部材１６は、担持部１３と協同してヒータ部１２および焦電部１１を所定の真空度で封止しており、前記所定の真空度を維持するべく、担持部１３における、ヒータ部１２を形成した前記一方主面上には、担持部１３におけるヒータ部１２を支持する部分を除く部分に、本実施形態では、ヒータ部１２を形成した領域を除く領域に、その封止された内側空間における真空度を維持するための、気体状の粒子を捉えるゲッター１７が配設されている。より具体的には、矩形形状のヒータ部１２における、前記一対の電極１５−１、１５−２が形成された両端を除く両側端に、側端から所定の距離だけ離隔して側端に沿うように、一対のゲッター１７−１、１７−２が担持部１３の前記一方主面上に帯状に形成されている。ゲッター１７は、例えばチタン（Ｔｉ）等の金属膜であり、原子や分子、あるいはそれらのイオンの気体状の粒子を吸着することによって捉え、前記所定の真空度を維持するように機能する。
【００６４】
このような構成の第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子１Ｂは、第１実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ｂにおける作用効果に加え、ヒータ部１２および複数の焦電部１１が封止部材１６によって封止されるので、これらヒータ部１２および各焦電部１１の汚損を防止することができ、また、ヒータ部を焦電部により近接させて配置することができる。
【００６５】
さらに、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ｂは、ゲッター１７をさらに備えるので、封止された空間を所定の真空度の真空とした場合に、前記所定の真空度を維持することが可能となる。
【００６６】
そして、この第２実施形態の場合も第１実施形態の場合と同様に、対象物の赤外線を検出だけであれば、１個の焦電部１１を備えた焦電型赤外線検出素子であってもよい。もちろん、この焦電型赤外線検出素子は、１個の焦電部１１の他に、上述の焦電型赤外線撮像素子１Ｂと同様のヒータ部１２、担持部１３、基板１４、一対の電極１５−１、１５−２および封止部材１６を備え、焦電部１１が１個である点を除き、上述の焦電型赤外線撮像素子１Ｂと同様に構成される。そして、このような１個の焦電部１１を備えた焦電型赤外線検出素子を２次元アレイ状に複数備えることによって、対象物を赤外線で撮像する焦電型赤外線撮像素子が構成されてもよい。
【００６７】
次に、別の実施形態について説明する。
【００６８】
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態における焦電型赤外線撮像装置の構成を示す図である。この第３実施形態における焦電型赤外線撮像装置３０は、これら上述の第１または第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子１Ａ、１Ｂを備える撮像装置であり、本実施形態では、焦電型赤外線撮像素子１（１Ａ、１Ｂ）の受光面上に物体の赤外線の光学像を形成する撮像光学系と、焦電型赤外線撮像素子１の出力に基づいて画像形成を行う画像形成部とをさらに備えている。
【００６９】
より具体的には、例えば、図４に示すように、第３実施形態における焦電型赤外線撮像装置３０は、結像のために、撮像光学系２１および駆動部３４と、撮像機能のために、焦電型赤外線撮像素子１（１Ａ、１Ｂ）、画像生成部３１、画像データバッファ３２および画像形成部３３と、全体制御のために、制御部３５および記憶部３６と、外部との入出力のために、Ｉ／Ｆ部３７とを備えている。
【００７０】
撮像光学系２１は、焦電型赤外線撮像素子１の受光面上に赤外線による物体（被写体）の光学像を形成する光学素子である。撮像光学系２１は、例えば、光学絞り、赤外線に対しレンズ作用（屈折力＝１／焦点距離）を持つ１または複数のレンズ、光軸方向にフォーカスのためのレンズを駆動してフォーカシングを行うためのレンズ駆動装置等を備えている。被写体からの赤外線は、撮像光学系２１によって焦電型赤外線撮像素子１の受光面上に結像され、赤外線による被写体の光学像となる。
【００７１】
焦電型赤外線撮像素子１は、上述した第１および第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子１Ａ、１Ｂのいずれかの素子である。焦電型赤外線撮像素子１は、電気信号を画像信号として画像生成部３１に出力する。焦電型赤外線撮像素子１は、制御部３５の制御に従って静止画あるいは動画のいずれか一方の撮像、または、焦電型赤外線撮像素子１における各画素の出力信号の読出し（水平同期、垂直同期、転送）などの撮像動作が制御される。
【００７２】
画像生成部３１は、焦電型赤外線撮像素子１からのアナログ出力信号に対し、増幅処理、デジタル変換処理等を行うと共に、画像全体に対して適正な黒レベルの決定や各種の補正処理等の周知の画像処理を行って、画像信号から画像データを生成する。画像生成部３１で生成された画像データは、画像データバッファ３２に出力される。
【００７３】
画像データバッファ３２は、画像データを一時的に記憶するとともに、この画像データに対し画像形成部３３によって後述の処理を行うための作業領域として用いられるメモリであり、例えば、揮発性の記憶素子であるＲＡＭ（Random Access Memory）などで構成される。
【００７４】
画像形成部３３は、画像データバッファ３２の画像データに基づいて画像形成を行う回路である。画像形成部３３は、例えば、画像データバッファ３２の画像データに対し、解像度変換や、信号レベルに対し輝度レベルの割り当てあるいは色の割り当て等の所定の画像処理を行う。
【００７５】
駆動部３４は、制御部３５から出力される制御信号に基づいて図略の前記レンズ駆動装置を動作させることによって、所望のフォーカシングを行わせるように撮像光学系２１におけるフォーカスのためのレンズを駆動する。
【００７６】
制御部３５は、例えばマイクロプロセッサおよびその周辺回路などを備えて構成され、焦電型赤外線撮像素子１、画像生成部３１、画像データバッファ３２、画像形成部３３、駆動部３４、記憶部３６およびＩ／Ｆ部３７の各部の動作をその機能に従って制御する。すなわち、この制御部３５によって、焦電型赤外線撮像装置１は、被写体の静止画撮影および動画撮影の少なくとも一方の撮影を実行するよう制御される。
【００７７】
記憶部３６は、制御プログラムや被写体の静止画撮影または動画撮影によって生成された画像データを記憶する記憶回路であり、例えば、不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Read Only Memory）や、書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）や、ＲＡＭなどを備えて構成される。記憶部３６は、静止画用および動画用のメモリとしての機能を有する。
【００７８】
Ｉ／Ｆ部３７は、外部機器と画像データを送受信するインタフェースであり、例えば、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４などの規格に準拠したインタフェースである。
【００７９】
このような構成の焦電型赤外線撮像装置３０の撮像動作に次について説明する。
【００８０】
静止画を撮影する場合は、制御部３５は、焦電型赤外線撮像素子１に静止画の撮影を行わせるように制御すると共に、駆動部３４を介して撮像光学系２１における前記レンズ駆動装置を動作させることによってフォーカシングを行う。これにより、ピントの合った赤外線による光学像が焦電型赤外線撮像素子１の受光面に周期的に繰り返し結像され、画像信号が焦電型赤外線撮像素子１から画像生成部３１へ出力される。その画像信号は、画像データバッファ３２に一時的に記憶され、画像形成部３３により画像形成処理が行われた後、その画像信号に基づく画像がディスプレイ（不図示）に表示される。そして、撮影者は、前記ディスプレイを参照することで、主被写体をその画面中の所望の位置に収まるように調整することが可能となる。この状態でいわゆるシャッターボタン（不図示）が押されることによって、静止画用のメモリとしての記憶部３６に画像データが格納され、静止画像が得られる。
【００８１】
また、動画撮影を行う場合は、制御部３５は、焦電型赤外線撮像素子１に動画の撮影を行わせるように制御する。後は、静止画撮影の場合と同様にして、撮影者は、前記ディスプレイ（不図示）を参照することで、撮像装置２１を通して得た被写体の像が、その画面中の所望の位置に収まるように調整することができる。前記シャッターボタン（不図示）が押されることによって、動画撮影が開始される。そして、動画撮影時、制御部３５は、焦電型赤外線撮像素子１に動画の撮影を行わせるように制御すると共に、駆動部３４を介して撮像光学系２１における前記レンズ駆動装置を動作させ、フォーカシングを行う。これによって、ピントの合った赤外線による光学像が焦電型赤外線撮像素子１の受光面に周期的に繰り返し結像され、画像信号が焦電型赤外線撮像素子１から画像生成部３１へ出力される。その画像信号は、画像データバッファ３２に一時的に記憶され、画像形成部３３により画像形成処理が行われた後、その画像信号に基づく画像がディスプレイ（不図示）に表示される。そして、もう一度前記シャッターボタン（不図示）を押すことで、動画撮影が終了する。撮影された動画像は、動画用のメモリとしての記憶部３６に導かれて格納される。
【００８２】
上述では、一般的な光学カメラのようにシャッターボタンの操作によって静止画撮影や動画撮影が行われる態様について説明したが、監視カメラやナイトビジョンのように焦電型赤外線撮像装置３０が起動されると、動作中は常時、動画撮影が行われ、この撮影した動画がディスプレイに表示される態様であってもよい。
【００８３】
このような構成の焦電型赤外線撮像装置３０は、これら上述のいずれかの焦電型赤外線撮像素子１Ａ、１Ｂを用いるので、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に各焦電部をそれぞれ加熱することができる。
【００８４】
また、このような構成の焦電型赤外線撮像装置３０は、撮像光学系１１をさらに備えるので、被写体の対象物から放射される赤外線をより確実に焦電型赤外線撮像素子１へ導光することができる。
【００８５】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００８６】
１Ａ、１Ｂ 焦電型赤外線撮像素子
１１ 焦電部
１２ ヒータ部
１３ 担持部
１６ 封止部材
１７ ゲッター
１１４ 強誘電体層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦電効果によって赤外線を検出する焦電型赤外線検出素子に関する。そして、本発明は、赤外線で被写体を撮像する焦電型赤外線撮像素子およびこの焦電型赤外線撮像素子を備える焦電型赤外線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線検出素子（赤外線センサ）は、赤外線を受光し、この受光した赤外線に基づいて電気信号を出力する素子である。この赤外線検出素子は、人間では直接感知することができない赤外線領域の光を検出することができ、このため、暗闇でも対象物を非接触で検出することができ、また、対象物の温度を測定することができる。このような赤外線検出素子は、例えば人感センサ等の熱放射物体の検知センサ、物体の熱分布を画像として出力するサーモグラフィー、いわゆるナイトビジョン（暗視装置）等の様々な製品に応用されている。特に、車両に搭載されるナイトビジョンは、例えばライトによる可視光視界に加えて夜間の視界を拡大することによって安全走行に寄与することができる。
【０００３】
このような赤外線検出素子は、その動作原理によって、量子型と熱型との２種類に大別される。この量子型赤外線検出素子は、例えば半導体のＰＮ接合で生じる、光エネルギーを電気エネルギーへ直接的に変換する光起電力効果を利用することによって、赤外線を検出する素子である。熱型赤外線検出素子は、赤外線を受光することによって生じる熱で該素子が温められ、該素子温度の変化によって変化する電気的な性質を検知することによって、赤外線を検出する素子である。この熱型赤外線検出素子は、異なる物体に温度差を与えることによって起電力を生じる現象である熱起電力効果を利用したサーモパイル、温度変化により生じる電気抵抗変化を利用したサーミスターやボロメータ、温度変化によって誘電体の分極が変化する現象である焦電効果を利用した焦電型赤外線検出素子が知られている。
【０００４】
図５は、特許文献１に開示されている焦電型赤外線センサの構成を示す図である。図６は、特許文献２に開示されている焦電型赤外線センサの構成を示す図である。
【０００５】
この焦電型赤外線検出素子は、焦電効果の原理から、該素子温度が変化する場合に、その出力が得られるものである。このため、従来では、焦電型赤外線検出素子に入射される赤外線を入り切りする光チョッパが焦電型赤外線検出素子に用いられている。すなわち、例えば、特許文献１に開示されているように、図５において、強誘電体膜１００２の両面に電極１００３、１００４を形成した構造の焦電センサ１００１における受光側に、光チョッパ１００６が配置される。そして、電極１００３は、抵抗Ｒ０を介して電極１００４に接続され、この抵抗Ｒ０の両端には、この両端の電位を測定するための演算増幅器１００５が設けられる。このような構成の赤外線検出装置１０００では、対象物から放射された赤外線であって焦電センサ１００１に入射される赤外線は、光チョッパ１００６によってオン／オフ（透過／遮断、入り切り）され、この赤外線が入射された場合における強誘電体膜１００２の温度変化を、抵抗Ｒ０の両端の電位の変化として検出することによって、対象物から放射された赤外線の強度が検出される。
【０００６】
このような構成の焦電型赤外線検出素子では、光チョッパを必要とするため、その駆動機構も必要となり、素子の大型化や消費電力の増大を招いてしまう。そこで、光チョッパを用いることなく、赤外線を検出する焦電型赤外線検出素子が、例えば、特許文献２に開示されている。
【０００７】
この特許文献２に開示の焦電型赤外線センサ２０００は、図６に示すように、基板２００２上に第１絶縁膜２００３を介して、第１焦電素子用電極２００４、焦電素子２００５および第２焦電素子用電極２００６がこの順に積層して形成される。基板２００２には、積層された第１焦電素子用電極２００４、焦電素子２００５および第２焦電素子用電極２００６の積層領域直下の領域に、第１絶縁膜２００３が露出する孔２００２ａが形成されている。そして、焦電素子２００５の加熱のための発熱体である焦電素子加熱用抵抗２００８、レーザダイオード２００８ａまたは発光ダイオード２００８ｂが、焦電素子２００５近傍で基板２００２に支持脚２０３１で連結して固定された第２の基板２０３２上に、孔２００２ａに対向して配置されている。前記焦電素子加熱用抵抗２００８には、タングステン（Ｗ）等の金属が用いられる。このような構成の焦電型赤外線センサ２０００は、特許文献２によれば、焦電素子加熱用抵抗２００８等にパルス電流を通電することによって、焦電素子２００５を間欠的に加熱することができ、この結果、従来のようなチョッピングを行うことなく、焦電素子２００５を一定温度に間欠的に変化されることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−０１９０１３号公報
【特許文献２】特開２００４−２７９１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、前記特許文献２に開示の焦電型赤外線センサ２０００では、焦電素子２００５を間欠的に加熱するために、タングステン等の焦電素子加熱用抵抗２００８や、レーザダイオード２００８ａや、発光ダイオード２００８ｂが焦電素子２００５の受光側に用いられているが、これらは、赤外線が透過し難く、焦電素子２００５における赤外線の受光を阻害している。より具体的には、焦電素子加熱用抵抗２００８では、タングステン自体によって赤外線が吸収もしくは反射されてしまう。また、レーザダイオード２００８ａおよび発光ダイオード２００８ｂでは、素子に配設される電極等によって赤外線が吸収もしくは反射されてしまう。
【００１０】
そこで、前記特許文献２に開示の焦電型赤外線センサ２０００において、焦電素子２００５の受光面全面を焦電素子加熱用抵抗２００８、レーザダイオード２００８ａまたは発光ダイオード２００８ｂによって覆わないように、焦電素子加熱用抵抗２００８、レーザダイオード２００８ａまたは発光ダイオード２００８ｂを、リング形状としたり、焦電素子２００５の受光面における中央領域の一部分を覆う形状としたりすることが考えられる。しかしながら、このような形状では、焦電素子２００５の開口率が低下してしまう。また、このような形状では、焦電素子加熱用抵抗２００８、レーザダイオード２００８ａまたは発光ダイオード２００８ｂによる加熱によって、焦電素子２００５に温度分布が生じてしまい、従来の光チョッパを用いた構成のように、焦電素子２００５の温度分布を均一にすることが難しい。
【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に焦電部分を加熱することができる焦電型赤外線検出素子を提供することである。そして、本発明の目的は、このような焦電型赤外線撮像素子およびこの焦電型赤外線撮像素子を用いた焦電型赤外線撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる焦電型赤外線検出素子は、強誘電体材料を備え、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する焦電部と、前記焦電部に熱を与えるためのヒータ部と、前記ヒータ部を前記焦電部の受光側に配置するように、前記ヒータ部を支持する担持部とを備え、前記ヒータ部は、前記焦電部の受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、前記ヒータ部と前記担持部とは、前記赤外線を透過する材料で形成されることを特徴とする。
【００１３】
このような構成の焦電型赤外線検出素子では、ヒータ部が焦電部の受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、ヒータ部と担持部とが赤外線を透過する材料で形成される。このため、このような構成の焦電型赤外線検出素子は、前記ヒータ部によって焦電部の受光面全体を均一に加熱することができるとともに、対象物から放射される赤外線を前記ヒータ部および前記担持部を介して焦電部の受光面全体で受光することができる。したがって、このような構成の焦電型赤外線検出素子は、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に焦電部を加熱することができる。
【００１４】
また、他の一態様では、上述の焦電型赤外線検出素子において、前記ヒータ部は、前記担持部を形成する材料の組成を変更することによって形成されることを特徴とする。
【００１５】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、ヒータ部が担持部を形成する材料の組成を変更することによって形成されるので、より薄く構成することができ、また、部品点数を低減することができる。
【００１６】
また、他の一態様では、これら上述の焦電型赤外線検出素子において、前記担持部と協同して前記ヒータ部および前記焦電部を封止する封止部材をさらに備えることを特徴とする。
【００１７】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、ヒータ部および焦電部が封止部材によって封止されるので、これらヒータ部および焦電部の汚損を防止することができ、また、ヒータ部を焦電部により近接させて配置することができる。
【００１８】
また、他の一態様では、これら上述の焦電型赤外線検出素子において、前記担持部における前記ヒータ部を支持する部分を除く部分に、封止された空間における真空度を維持するために気体状の粒子を捉えるゲッターをさらに備えることを特徴とする。
【００１９】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、ゲッター（Getter）をさらに備えるので、封止された空間を所定の真空度の真空とした場合に、前記所定の真空度を維持することが可能となる。
【００２０】
また、本発明の他の一態様にかかる焦電型赤外線撮像素子は、これら上述のいずれかの焦電型赤外線検出素子を複数備える。
【００２１】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子では、ヒータ部が焦電部の受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、ヒータ部と担持部とが赤外線を透過する材料で形成される。このため、このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、前記ヒータ部によって焦電部の受光面全体を均一に加熱することができるとともに、対象物から放射される赤外線を前記ヒータ部および前記担持部を介して焦電部の受光面全体で受光することができる。したがって、このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に焦電部を加熱することができる。
【００２２】
また、本発明の他の一態様にかかる焦電型赤外線撮像素子は、強誘電体材料を備え、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する複数の焦電部と、前記複数の焦電部のそれぞれに熱を与えるためのヒータ部と、前記ヒータ部を前記複数の焦電部の受光側に配置するように、前記ヒータ部を支持する担持部とを備え、前記ヒータ部は、前記複数の焦電部における各受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、前記ヒータ部と前記担持部は、前記赤外線を透過する材料で形成されることを特徴とする。
【００２３】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子では、ヒータ部が複数の焦電部における各受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、ヒータ部と担持部とが赤外線を透過する材料で形成される。このため、このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、前記ヒータ部によって複数の焦電部における各受光面全体を均一に加熱することができるとともに、対象物から放射される赤外線を前記ヒータ部および前記担持部を介して複数の焦電部における各受光面全体で受光することができる。したがって、このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に各焦電部をそれぞれ加熱することができる。
【００２４】
また、他の一態様では、上述の焦電型赤外線撮像素子において、前記ヒータ部は、前記担持部を形成する材料の組成を変更することによって形成されることを特徴とする。
【００２５】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、ヒータ部が担持部を形成する材料の組成を変更することによって形成されるので、より薄く構成することができ、また、部品点数を低減することができる。
【００２６】
また、他の一態様では、これら上述の焦電型赤外線撮像素子において、前記担持部と協同して前記ヒータ部および前記複数の焦電部を封止する封止部材をさらに備えることを特徴とする。
【００２７】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、ヒータ部および複数の焦電部が封止部材によって封止されるので、これらヒータ部および各焦電部の汚損を防止することができ、また、ヒータ部を焦電部により近接させて配置することができる。
【００２８】
また、他の一態様では、これら上述の焦電型赤外線撮像素子において、前記担持部における前記ヒータ部を支持する部分を除く部分に、封止された空間における真空度を維持するために気体状の粒子を捉えるゲッターをさらに備えることを特徴とする。
【００２９】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、ゲッター（Getter）をさらに備えるので、封止された空間を所定の真空度の真空とした場合に、前記所定の真空度を維持することが可能となる。
【００３０】
また、本発明の他の一態様にかかる焦電型赤外線撮像装置は、これら上述のいずれかの焦電型赤外線撮像素子と、前記焦電型赤外線撮像素子の出力に基づいて画像形成を行う画像形成部とを備えることを特徴とする。
【００３１】
このような構成の焦電型赤外線撮像装置は、これら上述のいずれかの焦電型赤外線撮像素子を用いるので、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に各焦電部をそれぞれ加熱することができる。
【００３２】
また、他の一態様では、上述の焦電型赤外線撮像装置において、前記焦電型赤外線撮像素子の受光面上に物体の赤外線の光学像を形成する撮像光学系をさらに備えることを特徴とする。
【００３３】
このような構成の焦電型赤外線撮像装置は、撮像光学系をさらに備えるので、対象物体から放射される赤外線をより確実に焦電型赤外線撮像素子へ導光することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明にかかる焦電型赤外線検出素子、焦電型赤外線撮像素子および焦電型赤外線撮像装置は、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に焦電部を加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施形態における焦電型赤外線撮像素子の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の焦電型赤外線撮像素子における焦電部の構成を示す図である。
【図３】第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子の構成を示す図である。
【図４】第３実施形態における焦電型赤外線撮像装置の構成を示す図である。
【図５】特許文献１に開示されている焦電型赤外線センサの構成を示す図である。
【図６】特許文献２に開示されている焦電型赤外線センサの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００３７】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における焦電型赤外線撮像素子の構成を示す図である。図１（Ａ）は、ヒータ部１３へ電力を供給していない場合を示し、図１（Ｂ）は、ヒータ部１３へ電力を供給している場合を示す。図２は、第１実施形態の焦電型赤外線撮像素子における焦電部の構成を示す図である。
【００３８】
図１において、第１実施形態における焦電型赤外線撮像素子１Ａは、複数の焦電部１１（１１−１、１１−２、１１−３、・・・）と、ヒータ部１２と、担持部１３とを備えている。そして、図１に示す例では、焦電型赤外線撮像素子１Ａは、図略の電源装置からヒータ部１２へ電力を供給するための一対の電極１５−１、１５−２および複数の焦電部１１が２次元アレイ状に配設されこれら複数の焦電部１１を支持する基板１４をさらに備えている。
【００３９】
焦電部１１は、強誘電体材料を備え、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する素子である。焦電部１１の詳細は、後述する。
【００４０】
ヒータ部１２は、これら複数の焦電部１１のそれぞれに熱を与えるための素子である。このため、ヒータ部１２は、これら複数の焦電部１１における各受光面全面を少なくとも覆う大きさ（面積）を有している。ヒータ部１２は、本実施形態では、通電することによってジュール熱を発生する電気的な抵抗体である。
【００４１】
担持部１３は、ヒータ部１２を複数の焦電部１１の受光側に所定の距離だけ離間して配置するように、ヒータ部１２を支持する部材である。本実施形態では、例えば、複数の焦電部１１を支持する前記基板１４およびヒータ部１２を支持する該担持部１３が焦電型赤外線撮像素子１Ａの図略の筐体（ハウジング）に取り付けられて固定されることによって、ヒータ部１２と複数の焦電部１１の受光面とは、所定の距離だけ離間して配置される。
【００４２】
そして、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａでは、これらヒータ部１２と担持部１３は、赤外線を透過する材料で形成される。ここで、透過とは、５０％より多くの光が該材料を透過することをいうが、もちろん、焦電型赤外線撮像素子１Ａの受光感度を向上するために、透過率が高いほどより好ましい。
【００４３】
これらヒータ部１２および担持部１３を形成する材料は、例えば、赤外線を透過する半導体材料、より具体的には、比較的高い透過率を赤外線の波長領域に持つシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）である。特にゲルマニウムは、赤外線に対しほぼ透明である。そして、ヒータ部１２は、担持部１３の一方主面に例えば燐（Ｐ；ｎ型ドーパントの一例）やホウ素（Ｂ；ｐ型ドーパントの一例）等の不純物を所定の濃度でドープすることによって形成される。このようなヒータ部１２の抵抗率は、周知の通り、不純物の濃度に応じて決まる。このように本実施形態では、ヒータ部１２は、担持部１３を形成する材料の組成を変更することによって形成される。また、このよう構成のヒータ部１２に対し、一対の電極１５−１、１５−２は、不純物をドープした不純物添加領域（ヒータ部１２）の両端上に例えば蒸着等によって例えばアルミニウムや金等の導体金属で薄膜状に形成される。なお、ヒータ部１２は、担持部１３とは別体の抵抗体であってこの抵抗体を担持部１３の一方主面に取り付けることで構成され、また、一対の電極１５−１、１５−２は、例えばワイヤーボンディング等によって該抵抗体に接続された導体線であってもよい。
【００４４】
そして、ヒータ部１２が形成された担持部１３は、ヒータ部１２が焦電部１１により近接するように、このヒータ部１２が形成された一方主面を複数の焦電部１１の各受光面側に向けて（このヒータ部１２が形成された一方主面と複数の焦電部１１の各受光面とを互いに対向させて）配置される。
【００４５】
次に、焦電部１１について説明する。焦電部１１は、例えば、図２に示すように、基板１１１と、基板１１１上に積層形成された第１絶縁層１１２と、第１絶縁層１１２上に積層形成された下部電極層１１３と、下部電極層１１３上に積層形成された強誘電体層１１４と、強誘電体層１１４上に積層形成された上部電極１１５とを備える。
【００４６】
基板１１１は、加工性や熱伝導性の観点から、例えばシリコンで形成される。第１絶縁層１１２は、本実施形態では、基板１１１をシリコンで形成していることから、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２、二酸化シリコン）、より具体的にはシリコン熱酸化膜で形成される。下部電極層１１３は、上部電極層１１５と対となって強誘電体層１１４で生じる電位を取り出すための電極であり、強誘電体層１１４を支持するとともに強誘電体層１１４の熱をバランスよく断熱および放熱するように機能し、例えば、白金で形成される。強誘電体層１１４は、後述するように、対象物からの熱と対象物およびヒータ部１２からの熱とを切り換えて受光するため、対象物からの熱を受光している期間あるいは対象物およびヒータ部１２からの熱を受光している期間（受光期間）では断熱されていることが好ましく、対象物からの熱の受光から対象物およびヒータ部１２からの熱の受光へ切り換える期間（切換期間）、あるいは、対象物およびヒータ部１２からの熱の受光から対象物からの熱の受光へ切り換える期間（切換期間）では速やかに放熱されることが好ましい。特に放熱性よりも断熱性が重視され、断熱性と放熱性とのバランスが適宜に設計される。下部電極層１１３は、電気伝導性がよいだけでなく、このような相反する特性を比較的バランスよく実現する必要があり、このような観点から、下部電極層１１３の材料は、上記の通り白金が好ましい。強誘電体層１１４は、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する部材であり、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３；ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）やＰＬＴ（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３）等である。ＰＺＴの場合では、下部電極層１１３との界面での結晶面が（１００）の菱面体晶となるように、強誘電体層１１４は、下部電極層１１３上に形成される。上部電極層１１５は、下部電極層１１３と対となって強誘電体層１１４で生じる電位を取り出すための電極であり、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕやＴｉ／Ａｕで形成される。
【００４７】
これら第１絶縁層１１２、下部電極層１１３、強誘電体層１１４および上部電極層１１５は、例えば、平面視にて矩形形状である。そして、下部電極層１１３は、他の配線と電気的に接続するために、一方端で外方に延びる下部電極端子部１１３ａを有しており、また、上部電極層１１５は、他の配線と電気的に接続するために、前記一方端と対向する他方端で第１絶縁層１１２に達するまで外方に延びる上部電極端子部１１５ａを有している。そして、この上部電極端子部１１５ａ下には、下部電極層１１３と絶縁するために、第２絶縁層１１６が形成されている。すなわち、第２絶縁層１１６は、強誘電体層１１４の一方端部外縁であって下部電極層１１３上に積層形成されている。第２絶縁層１１６は、例えばＣＶＤ法によって形成されたパリレン絶縁膜等である。なお、上部電極層１１５上には、例えば金ブラックなどの赤外線吸収に優れた、赤外線吸収層がさらに設けられてもよい。
【００４８】
そして、上部電極層１１６および下部電極層１１３を外部の配線に電気的に接続して強誘電体層１１４で生じる電位を外部に取り出すために、前記上部電極層１１６の上部電極端子部１１６ａと電気的に接続される貫通電極１１７−１が基板１１１および第１絶縁層１１２を貫通して形成され、この下部電極層１１３の下部電極端子部１１３ａと電気的に接続される貫通電極１１７−２が基板１１１および第１絶縁層１１２を貫通して形成されている。
【００４９】
また、基板１１１には、積層された下部電極層１１３、強誘電体層１１４および上部電極層１１５における積層領域直下の領域に、下部電極層１１３が露出する開口（下部電極層１１３が外部に臨む開口）である開口部ＡＰが形成されている。
【００５０】
このような構造の焦電部１１は、赤外線の波長を勘案して、例えば、平面視にて、一辺が十数μｍ〜数十μｍの矩形である。なお、基板１１１、第１絶縁層１１２、下部電極層１１３、強誘電体層１１４、上部電極層１１５および第２絶縁層１１６は、上述の材料に限定されるものではなく、適宜な他の材料であってもよい。
【００５１】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子１Ａは、ヒータ部１２に通電しない環境温度状態と、ヒータ部１２に通電する加熱状態とを切り換えることによって対象物から放射される赤外線を個々の焦電部１１で検出し、各焦電部１１の出力に基づいて対象物を撮像する。
【００５２】
より具体的には、ヒータ部１２に通電しない環境温度状態では、ヒータ部１２は、電気エネルギーが供給されていないため、ジュール熱を発生しない。そして、担持部１３およびヒータ部１２は、赤外線を透過する材料によって形成され、さらに、ヒータ部１２は、複数の焦電部１１（１１−１、１１−２、１１−３、・・・）における各受光面全面を少なくとも覆う大きさである。このため、図１（Ａ）に示すように、対象物から放射された赤外線（対象物放射赤外線）は、担持部１３およびヒータ部１２を透過し、複数の焦電部１１の各受光面に達し、複数の焦電部１１は、それぞれ、この対象物放射赤外線を担持部１３およびヒータ部１２を介して受光する。この結果、複数の焦電部１１は、それぞれ、この対象物放射赤外線に応じた温度（対象物起因温度）となって、この温度に応じた分極状態となる。ここで、仮に、対象物放射赤外線が例えば減衰等の影響をヒータ部１２によって受ける場合でも、上述のように、ヒータ部１２は、複数の焦電部１１における各受光面全面を少なくとも覆う大きさであるので、複数の焦電部１１は、それぞれ、同様に影響を受けた対象物放射赤外線を受光することができる。なお、この環境温度状態は、従来の光チョッパでオン／オフ（透過／遮断）する場合におけるオン（透過）状態に相当する。
【００５３】
一方、ヒータ部１２に通電する加熱状態では、ヒータ部１２は、電気エネルギーが供給されるため、ジュール熱を発生し、赤外線（ヒータ部放射赤外線）を放射する。そして、ヒータ部１２は、複数の焦電部１１（１１−１、１１−２、１１−３、・・・）における各受光面全面を少なくとも覆う大きさである。このため、図１（Ｂ）に示すように、ヒータ部放射赤外線に、担持部１３およびヒータ部１２を介した対象物放射赤外線を加えた放射線（対象物放射赤外線＋ヒータ部放射赤外線）が、一様に、複数の焦電部１１における各受光面にそれぞれ到達し、複数の焦電部１１は、それぞれ、この赤外線（対象物放射赤外線＋ヒータ部放射赤外線）を受光する。この結果、焦電部１１は、これら対象物放射赤外線およびヒータ部放射赤外線の和の赤外線に応じた温度（ヒータ部付加温度）となって、この温度に応じた分極状態となる。なお、この加熱状態は、従来の光チョッパでオン／オフ（透過／遮断）する場合におけるオフ（遮断）状態に相当する。
【００５４】
したがって、このような構成の焦電型赤外線撮像素子１Ａでは、環境温度状態から過熱状態へ、あるいは、過熱状態から環境温度状態へ切り換えることによって、対象物起因温度とヒータ部付加温度との差に応じた電気信号が焦電部１１より出力される。このため、ヒータ部１２に供給される電気エネルギーを所定の一定値に設定することによって、ヒータ部１２のヒータ部放射赤外線が一定となり、このような構成の焦電型赤外線撮像素子１Ａは、ヒータ部１２のヒータ部放射赤外線を基準として対象物の温度を検出することができる。
【００５５】
このように本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａでは、ヒータ部１２が複数の焦電部１１における各受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、ヒータ部１２と担持部１３とが赤外線を透過する材料で形成されるので、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａは、ヒータ部１２によって複数の焦電部１１における各受光面全体を均一に加熱することができるとともに、対象物から放射される赤外線をヒータ部１２および担持部１３を介して複数の焦電部１１における各受光面全体で受光することができる。したがって、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａは、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に各焦電部１１をそれぞれ加熱することができる。
【００５６】
また、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａでは、ヒータ部１２は、担持部１３を形成する材料の組成を変更することによって形成されている。このため、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａは、ヒータ部１２が担持部１３を形成する材料の組成を変更することによって形成されるので、より薄く構成することができ、また、部品点数を低減することができる。
【００５７】
なお、上述では、対象物を撮像するべく、基板１４に２次元アレイ状に配設された複数の焦電部１１を備えた焦電型赤外線撮像素子１Ａであったが、対象物の赤外線を検出だけであれば、１個の焦電部１１を備えた焦電型赤外線検出素子であってもよい。もちろん、この焦電型赤外線検出素子は、１個の焦電部１１の他に、上述の焦電型赤外線撮像素子１Ａと同様のヒータ部１２、担持部１３、基板１４および一対の電極１５−１、１５−２を備え、焦電部１１が１個である点を除き、上述の焦電型赤外線撮像素子１Ａと同様に構成される。そして、このような１個の焦電部１１を備えた焦電型赤外線検出素子を２次元アレイ状に複数備えることによって、対象物を赤外線で撮像する焦電型赤外線撮像素子が構成されてもよい。
【００５８】
次に、別の実施形態について説明する。
【００５９】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子の構成を示す図である。第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子１Ｂは、第１実施形態の焦電型赤外線撮像素子に１Ａに対し、パッケージ化したものである。
【００６０】
この第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子１Ｂは、例えば、図３に示すように、複数の焦電部１１（１１−１、１１−２、１１−３、・・・）と、ヒータ部１２と、担持部１３と、担持部１３と協同してヒータ部１２および焦電部１１を封止する封止部材１６とを備えている。そして、図３に示す例では、焦電型赤外線撮像素子１Ｂは、図略の電源装置からヒータ部１２へ電力を供給するための一対の電極１５−１、１５−２および複数の焦電部１１が２次元アレイ状に配設されこれら複数の焦電部１１を支持する基板１４をさらに備えている。これら第２実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ｂにおける複数の焦電部１１、ヒータ部１２、担持部１３、基板１４および電極１５は、第１実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ａにおける複数の焦電部１１、ヒータ部１２、担持部１３、基板１４および電極１５とそれぞれ同様であるので、その説明を省略する。
【００６１】
封止部材１６は、複数の焦電部１１およびこれら複数の焦電部１１を配設した基板１４を収容するための収容凹部ＣＰを形成した部材である。収容凹部ＣＰの周壁における解放端部の端面に、ヒータ部１２を形成した前記一方主面を収容凹部ＣＰ側に向けて担持部１３が接着固定される。これによって封止部材１６は、担持部１３と協同してヒータ部１２および焦電部１１を封止する。
【００６２】
より具体的には、封止部材１６は、有底短高であって断面矩形形状の筒状部材であり、例えばセラミック等によって形成される。この封支部材１６の内底面には、複数の焦電部１１を配設した基板１４が固定される。この封止部材１６の外周は、担持部１３の外周と略同じ大きさであり、この筒状の封止部材１６における解放端側（天井端側）には、前記解放端を閉塞するように、その周面の解放端側の端面に、例えば半田等によってヒータ部１２を形成した前記一方主面を底側に向けて担持部１３が接着固定される。これによって封止部材１６は、担持部１３と協同してヒータ部１２および焦電部１１を封止する。そして、封止部材１６には、ヒータ部１２上に形成された前記一対の電極１５−１、１５−２のそれぞれに電気的に接続された一対のヒータ部用配線１６１−１、１６１−２が封止部材１６の底部を貫通するように形成されている。また、封止部材１６には、その底部を貫通するように複数の信号用配線１６３（１６３−１、１６３−２、・・・）が形成されており、これら複数の信号用配線１６３のそれぞれに接続された複数の電極パッド１６２（１６２−１、１６２−２、・・・）が封止部材１６の内底面に形成されている。そして、複数の焦電部１１における各信号出力線が複数の電極パッド１６２に例えばワイヤーボンディング等によってそれぞれ接続されている。
【００６３】
そして、本実施形態では、封止部材１６は、担持部１３と協同してヒータ部１２および焦電部１１を所定の真空度で封止しており、前記所定の真空度を維持するべく、担持部１３における、ヒータ部１２を形成した前記一方主面上には、担持部１３におけるヒータ部１２を支持する部分を除く部分に、本実施形態では、ヒータ部１２を形成した領域を除く領域に、その封止された内側空間における真空度を維持するための、気体状の粒子を捉えるゲッター１７が配設されている。より具体的には、矩形形状のヒータ部１２における、前記一対の電極１５−１、１５−２が形成された両端を除く両側端に、側端から所定の距離だけ離隔して側端に沿うように、一対のゲッター１７−１、１７−２が担持部１３の前記一方主面上に帯状に形成されている。ゲッター１７は、例えばチタン（Ｔｉ）等の金属膜であり、原子や分子、あるいはそれらのイオンの気体状の粒子を吸着することによって捉え、前記所定の真空度を維持するように機能する。
【００６４】
このような構成の第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子１Ｂは、第１実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ｂにおける作用効果に加え、ヒータ部１２および複数の焦電部１１が封止部材１６によって封止されるので、これらヒータ部１２および各焦電部１１の汚損を防止することができ、また、ヒータ部を焦電部により近接させて配置することができる。
【００６５】
さらに、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１Ｂは、ゲッター１７をさらに備えるので、封止された空間を所定の真空度の真空とした場合に、前記所定の真空度を維持することが可能となる。
【００６６】
そして、この第２実施形態の場合も第１実施形態の場合と同様に、対象物の赤外線を検出だけであれば、１個の焦電部１１を備えた焦電型赤外線検出素子であってもよい。もちろん、この焦電型赤外線検出素子は、１個の焦電部１１の他に、上述の焦電型赤外線撮像素子１Ｂと同様のヒータ部１２、担持部１３、基板１４、一対の電極１５−１、１５−２および封止部材１６を備え、焦電部１１が１個である点を除き、上述の焦電型赤外線撮像素子１Ｂと同様に構成される。そして、このような１個の焦電部１１を備えた焦電型赤外線検出素子を２次元アレイ状に複数備えることによって、対象物を赤外線で撮像する焦電型赤外線撮像素子が構成されてもよい。
【００６７】
次に、別の実施形態について説明する。
【００６８】
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態における焦電型赤外線撮像装置の構成を示す図である。この第３実施形態における焦電型赤外線撮像装置３０は、これら上述の第１または第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子１Ａ、１Ｂを備える撮像装置であり、本実施形態では、焦電型赤外線撮像素子１（１Ａ、１Ｂ）の受光面上に物体の赤外線の光学像を形成する撮像光学系と、焦電型赤外線撮像素子１の出力に基づいて画像形成を行う画像形成部とをさらに備えている。
【００６９】
より具体的には、例えば、図４に示すように、第３実施形態における焦電型赤外線撮像装置３０は、結像のために、撮像光学系２１および駆動部３４と、撮像機能のために、焦電型赤外線撮像素子１（１Ａ、１Ｂ）、画像生成部３１、画像データバッファ３２および画像形成部３３と、全体制御のために、制御部３５および記憶部３６と、外部との入出力のために、Ｉ／Ｆ部３７とを備えている。
【００７０】
撮像光学系２１は、焦電型赤外線撮像素子１の受光面上に赤外線による物体（被写体）の光学像を形成する光学素子である。撮像光学系２１は、例えば、光学絞り、赤外線に対しレンズ作用（屈折力＝１／焦点距離）を持つ１または複数のレンズ、光軸方向にフォーカスのためのレンズを駆動してフォーカシングを行うためのレンズ駆動装置等を備えている。被写体からの赤外線は、撮像光学系２１によって焦電型赤外線撮像素子１の受光面上に結像され、赤外線による被写体の光学像となる。
【００７１】
焦電型赤外線撮像素子１は、上述した第１および第２実施形態における焦電型赤外線撮像素子１Ａ、１Ｂのいずれかの素子である。焦電型赤外線撮像素子１は、電気信号を画像信号として画像生成部３１に出力する。焦電型赤外線撮像素子１は、制御部３５の制御に従って静止画あるいは動画のいずれか一方の撮像、または、焦電型赤外線撮像素子１における各画素の出力信号の読出し（水平同期、垂直同期、転送）などの撮像動作が制御される。
【００７２】
画像生成部３１は、焦電型赤外線撮像素子１からのアナログ出力信号に対し、増幅処理、デジタル変換処理等を行うと共に、画像全体に対して適正な黒レベルの決定や各種の補正処理等の周知の画像処理を行って、画像信号から画像データを生成する。画像生成部３１で生成された画像データは、画像データバッファ３２に出力される。
【００７３】
画像データバッファ３２は、画像データを一時的に記憶するとともに、この画像データに対し画像形成部３３によって後述の処理を行うための作業領域として用いられるメモリであり、例えば、揮発性の記憶素子であるＲＡＭ（Random Access Memory）などで構成される。
【００７４】
画像形成部３３は、画像データバッファ３２の画像データに基づいて画像形成を行う回路である。画像形成部３３は、例えば、画像データバッファ３２の画像データに対し、解像度変換や、信号レベルに対し輝度レベルの割り当てあるいは色の割り当て等の所定の画像処理を行う。
【００７５】
駆動部３４は、制御部３５から出力される制御信号に基づいて図略の前記レンズ駆動装置を動作させることによって、所望のフォーカシングを行わせるように撮像光学系２１におけるフォーカスのためのレンズを駆動する。
【００７６】
制御部３５は、例えばマイクロプロセッサおよびその周辺回路などを備えて構成され、焦電型赤外線撮像素子１、画像生成部３１、画像データバッファ３２、画像形成部３３、駆動部３４、記憶部３６およびＩ／Ｆ部３７の各部の動作をその機能に従って制御する。すなわち、この制御部３５によって、焦電型赤外線撮像装置１は、被写体の静止画撮影および動画撮影の少なくとも一方の撮影を実行するよう制御される。
【００７７】
記憶部３６は、制御プログラムや被写体の静止画撮影または動画撮影によって生成された画像データを記憶する記憶回路であり、例えば、不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Read Only Memory）や、書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）や、ＲＡＭなどを備えて構成される。記憶部３６は、静止画用および動画用のメモリとしての機能を有する。
【００７８】
Ｉ／Ｆ部３７は、外部機器と画像データを送受信するインタフェースであり、例えば、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４などの規格に準拠したインタフェースである。
【００７９】
このような構成の焦電型赤外線撮像装置３０の撮像動作に次について説明する。
【００８０】
静止画を撮影する場合は、制御部３５は、焦電型赤外線撮像素子１に静止画の撮影を行わせるように制御すると共に、駆動部３４を介して撮像光学系２１における前記レンズ駆動装置を動作させることによってフォーカシングを行う。これにより、ピントの合った赤外線による光学像が焦電型赤外線撮像素子１の受光面に周期的に繰り返し結像され、画像信号が焦電型赤外線撮像素子１から画像生成部３１へ出力される。その画像信号は、画像データバッファ３２に一時的に記憶され、画像形成部３３により画像形成処理が行われた後、その画像信号に基づく画像がディスプレイ（不図示）に表示される。そして、撮影者は、前記ディスプレイを参照することで、主被写体をその画面中の所望の位置に収まるように調整することが可能となる。この状態でいわゆるシャッターボタン（不図示）が押されることによって、静止画用のメモリとしての記憶部３６に画像データが格納され、静止画像が得られる。
【００８１】
また、動画撮影を行う場合は、制御部３５は、焦電型赤外線撮像素子１に動画の撮影を行わせるように制御する。後は、静止画撮影の場合と同様にして、撮影者は、前記ディスプレイ（不図示）を参照することで、撮像装置２１を通して得た被写体の像が、その画面中の所望の位置に収まるように調整することができる。前記シャッターボタン（不図示）が押されることによって、動画撮影が開始される。そして、動画撮影時、制御部３５は、焦電型赤外線撮像素子１に動画の撮影を行わせるように制御すると共に、駆動部３４を介して撮像光学系２１における前記レンズ駆動装置を動作させ、フォーカシングを行う。これによって、ピントの合った赤外線による光学像が焦電型赤外線撮像素子１の受光面に周期的に繰り返し結像され、画像信号が焦電型赤外線撮像素子１から画像生成部３１へ出力される。その画像信号は、画像データバッファ３２に一時的に記憶され、画像形成部３３により画像形成処理が行われた後、その画像信号に基づく画像がディスプレイ（不図示）に表示される。そして、もう一度前記シャッターボタン（不図示）を押すことで、動画撮影が終了する。撮影された動画像は、動画用のメモリとしての記憶部３６に導かれて格納される。
【００８２】
上述では、一般的な光学カメラのようにシャッターボタンの操作によって静止画撮影や動画撮影が行われる態様について説明したが、監視カメラやナイトビジョンのように焦電型赤外線撮像装置３０が起動されると、動作中は常時、動画撮影が行われ、この撮影した動画がディスプレイに表示される態様であってもよい。
【００８３】
このような構成の焦電型赤外線撮像装置３０は、これら上述のいずれかの焦電型赤外線撮像素子１Ａ、１Ｂを用いるので、従来の光チョッパを用いない一方で、従来の光チョッパを用いた構成のように、より均一な温度分布で間欠的に各焦電部をそれぞれ加熱することができる。
【００８４】
また、このような構成の焦電型赤外線撮像装置３０は、撮像光学系１１をさらに備えるので、被写体の対象物から放射される赤外線をより確実に焦電型赤外線撮像素子１へ導光することができる。
【００８５】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００８６】
１Ａ、１Ｂ 焦電型赤外線撮像素子
１１ 焦電部
１２ ヒータ部
１３ 担持部
１６ 封止部材
１７ ゲッター
１１４ 強誘電体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体材料を備え、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する焦電部と、
前記焦電部に熱を与えるためのヒータ部と、
前記ヒータ部を前記焦電部の受光側に配置するように、前記ヒータ部を支持する担持部とを備え、
前記ヒータ部は、前記焦電部の受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、
前記ヒータ部と前記担持部とは、前記赤外線を透過する材料で形成されること
を特徴とする焦電型赤外線検出素子。
【請求項２】
前記ヒータ部は、前記担持部を形成する材料の組成を変更することによって形成されること
を特徴とする請求項１に記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項３】
前記担持部と協同して前記ヒータ部および前記焦電部を封止する封止部材をさらに備えること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項４】
前記担持部における前記ヒータ部を支持する部分を除く部分に、封止された空間における真空度を維持するために気体状の粒子を捉えるゲッターをさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の焦電型赤外線検出素子を複数備える焦電型赤外線撮像素子。
【請求項６】
強誘電体材料を備え、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する複数の焦電部と、
前記複数の焦電部のそれぞれに熱を与えるためのヒータ部と、
前記ヒータ部を前記複数の焦電部の受光側に配置するように、前記ヒータ部を支持する担持部とを備え、
前記ヒータ部は、前記複数の焦電部における各受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、
前記ヒータ部と前記担持部は、前記赤外線を透過する材料で形成されること
を特徴とする焦電型赤外線撮像素子。
【請求項７】
前記ヒータ部は、前記担持部を形成する材料の組成を変更することによって形成されること
を特徴とする請求項６に記載の焦電型赤外線撮像素子。
【請求項８】
前記担持部と協同して前記ヒータ部および前記複数の焦電部を封止する封止部材をさらに備えること
を特徴とする請求項６または請求項７に記載の焦電型赤外線撮像素子。
【請求項９】
前記担持部における前記ヒータ部を支持する部分を除く部分に、封止された空間における真空度を維持するために気体状の粒子を捉えるゲッターをさらに備えること
を特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の焦電型赤外線撮像素子。
【請求項１０】
請求項５ないし請求項９のいずれか１項に記載の焦電型赤外線撮像素子と、
前記焦電型赤外線撮像素子の出力に基づいて画像形成を行う画像形成部とを備えること
を特徴とする焦電型赤外線撮像装置。
【請求項１１】
前記焦電型赤外線撮像素子の受光面上に物体の赤外線の光学像を形成する撮像光学系をさらに備えること
を特徴とする請求項１０に記載の焦電型赤外線撮像装置。
【請求項１】
強誘電体材料を備え、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する焦電部と、
前記焦電部に熱を与えるためのヒータ部と、
前記ヒータ部を前記焦電部の受光側に配置するように、前記ヒータ部を支持する担持部とを備え、
前記ヒータ部は、前記焦電部の受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、
前記ヒータ部と前記担持部とは、前記赤外線を透過する材料で形成されること
を特徴とする焦電型赤外線検出素子。
【請求項２】
前記ヒータ部は、前記担持部を形成する材料の組成を変更することによって形成されること
を特徴とする請求項１に記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項３】
前記担持部と協同して前記ヒータ部および前記焦電部を封止する封止部材をさらに備えること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項４】
前記担持部における前記ヒータ部を支持する部分を除く部分に、封止された空間における真空度を維持するために気体状の粒子を捉えるゲッターをさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の焦電型赤外線検出素子を複数備える焦電型赤外線撮像素子。
【請求項６】
強誘電体材料を備え、焦電効果を利用することによって、受光した赤外線に基づく電気信号を出力する複数の焦電部と、
前記複数の焦電部のそれぞれに熱を与えるためのヒータ部と、
前記ヒータ部を前記複数の焦電部の受光側に配置するように、前記ヒータ部を支持する担持部とを備え、
前記ヒータ部は、前記複数の焦電部における各受光面全面を少なくとも覆う大きさであり、
前記ヒータ部と前記担持部は、前記赤外線を透過する材料で形成されること
を特徴とする焦電型赤外線撮像素子。
【請求項７】
前記ヒータ部は、前記担持部を形成する材料の組成を変更することによって形成されること
を特徴とする請求項６に記載の焦電型赤外線撮像素子。
【請求項８】
前記担持部と協同して前記ヒータ部および前記複数の焦電部を封止する封止部材をさらに備えること
を特徴とする請求項６または請求項７に記載の焦電型赤外線撮像素子。
【請求項９】
前記担持部における前記ヒータ部を支持する部分を除く部分に、封止された空間における真空度を維持するために気体状の粒子を捉えるゲッターをさらに備えること
を特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の焦電型赤外線撮像素子。
【請求項１０】
請求項５ないし請求項９のいずれか１項に記載の焦電型赤外線撮像素子と、
前記焦電型赤外線撮像素子の出力に基づいて画像形成を行う画像形成部とを備えること
を特徴とする焦電型赤外線撮像装置。
【請求項１１】
前記焦電型赤外線撮像素子の受光面上に物体の赤外線の光学像を形成する撮像光学系をさらに備えること
を特徴とする請求項１０に記載の焦電型赤外線撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−８３５２１（Ｐ２０１３−８３５２１Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２３００３（Ｐ２０１１−２２３００３）
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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