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、再分極を行うことなく、赤外線を検出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検出素子Ｄは、一対の下部電極層および上部電極層と前記一対の下部電極層および上部電極層間に配置される強誘電体材料とを備える焦電部１１と、前記一対の下部電極層および上部電極層間に所定の電圧値Ｖｉの電圧を印加するための電圧印加部１２と、電圧印加部１２によって前記一対の下部電極層および上部電極層間に前記所定の電圧値Ｖｉの電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する測定部１３とを備える。
【解決手段】本発明の焦電型赤外線検出素子Ｄは、一対の下部電極層および上部電極層と前記一対の下部電極層および上部電極層間に配置される強誘電体材料とを備える焦電部１１と、前記一対の下部電極層および上部電極層間に所定の電圧値Ｖｉの電圧を印加するための電圧印加部１２と、電圧印加部１２によって前記一対の下部電極層および上部電極層間に前記所定の電圧値Ｖｉの電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する測定部１３とを備える。
【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７は、特許文献１に開示されている焦電型赤外線センサの第１の構成を示す図である。図８は、特許文献１に開示されている焦電型赤外線センサの第２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、言い換えれば、前記赤外線の通過と遮断とを繰り返して前記赤外線を断続的に入射させ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７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（通過／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。また、焦電型赤外線検出素子の動作速度がチョッピング速度によって制限され、その信頼性も光チョッパによって制限されてしまう。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も前記特許文献１に開示されている。
【０００７】
この赤外線検出装置２０００は、図８に示すように、２枚の電極２００８、２００９の間に強誘電体２００７が挾まれている強誘電体コンデンサ２０１０と、強誘電体コンデンサ２０１０を熱的に支持体の基板２０１１から分離する熱分離領域２０１２と、赤外線を吸収し、かつ強誘電体コンデンサ２０１０とは熱的に接している赤外線吸収膜２０１３と、を有する赤外線検出装置２０００であって、強誘電体コンデンサ２０１０の２枚の電極２００８、２００９間に所定方向で抗電界以上の電界を印加し、続いて前記所定方向の逆方向で抗電界以上の電界を印加する印加電圧発生手段２０１７と、前記電界を印加した際の分極の反転に伴う電荷の変化に相当する電流を測定する電流測定手段２０１４とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−０１９０１３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、印加電圧発生手段２０１７で、強誘電体コンデンサ２０１０の２枚の電極２００８、２００９間に所定方向で抗電界以上の電界を印加し、続いて前記所定方向の逆方向で抗電界以上の電界を印加することによって、分極の反転（再分極）が行われる。このため、この焦電型赤外線センサ２０００では、その素子自体の温度（素子温度）が上昇してしまい、測定対象物体の温度を正確に検出することが難しい。
【００１０】
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、再分極を行うことなく、赤外線を検出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】
【００１１】
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、一対の第１および第２電極部と前記一対の第１および第２電極部間に配置される強誘電体材料とを備える焦電部と、前記一対の第１および第２電極部間に所定の電圧値の電圧を印加するための電圧印加部と、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する測定部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
このような構成の焦電型赤外線検出素子では、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量が測定され、赤外線が検出される。したがって、再分極は、行われない。素子の温度によって自然分極状態が異なるため、このように、このような構成の焦電型赤外線検出素子は、再分極を行うことなく、赤外線を検出することができる。
【００１３】
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、前記測定部は、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記焦電部から出力された電流を積分する積分部であることを特徴とする。
【００１４】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、前記所定の物理量が前記電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量とされ、この電荷量を積分部で前記焦電部から出力された電流を積分することによって直接的に測定することができる。
【００１５】
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、前記測定部は、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記焦電部から出力された電流における単位時間当たりの変化率を測定する電流変化率測定部であることを特徴とする。
【００１６】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、前記所定の物理量が前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記焦電部から出力された電流における単位時間当たりの変化率とされ、この変化率を電流変化率測定部で測定することができる。
【００１７】
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、前記測定部の出力に基づいて温度を求める温度演算部をさらに備えることを特徴とする。
【００１８】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、さらに温度演算部を備えるので、検出した赤外線に基づいて温度を求めることができる。
【００１９】
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、前記温度演算部は、前記測定部の出力と温度との対応関係を備え、前記対応関係を用いることによって前記測定部の出力から温度を求めることを特徴とする。
【００２０】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、予め作成され、予め備えられた前記対応関係を用いるので、簡易、迅速に前記測定部の出力から温度を求めることができる。
【００２１】
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、環境温度を測定する環境温度測定部をさらに備え、前記温度演算部は、前記測定部の出力と温度との対応関係を複数の環境温度に対応して複数備え、前記環境温度測定部で測定された環境温度に応じた対応関係を用いることによって前記測定部の出力から温度を求めることを特徴とする。
【００２２】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、予め作成され、予め備えられた前記環境温度に応じた前記対応関係を用いるので、簡易、迅速に、そして、より正確に前記測定部の出力から温度を求めることができる。
【００２３】
また、他の一態様にかかる焦電型赤外線撮像素子は、一対の第１および第２電極部と前記一対の第１および第２電極部間に配置される強誘電体材料とを備える複数の焦電部と、前記複数の焦電部のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に所定の電圧値の電圧を印加するための電圧印加部と、前記複数の焦電部のそれぞれについて、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する測定部とを備えることを特徴とする。
【００２４】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子では、前記複数の焦電部のそれぞれについて、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量が測定され、赤外線が検出される。したがって、再分極は、行われない。素子の温度によって自然分極状態が異なるため、このように、このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、再分極を行うことなく、赤外線で被写体を撮像することができる。
【００２５】
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、前記電圧印加部によって前記複数の焦電部のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加し始める開始時点から、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記複数の焦電部のそれぞれで生じた電荷量に関係する所定の物理量の測定が終了する終了時点までの期間は、撮像画像のフレームレート以下であることを特徴とする。
【００２６】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、前記開始時点から前記終了時点までの期間が前記フレームレート以下であるので、動画像を生成することが可能となる。
【００２７】
また、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。
【００２８】
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、再分極を行うことなく、赤外線で被写体を撮像し、被写体の画像を形成することができる。
【００２９】
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。
【００３０】
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】
【００３１】
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、分極の反転を行うことなく、赤外線を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態における焦電型赤外線検出素子の構成を示す図（その１）である。
【図２】第１実施形態における焦電型赤外線検出素子の構成を示す図（その２）である。
【図３】第１実施形態の焦電型赤外線検出素子における焦電部の構成を示す図である。
【図４】第１実施形態の焦電型赤外線検出素子における焦電部の電界に対する分極の特性を示す図である。
【図５】第２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６】第２実施形態の焦電型赤外線撮像装置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７】特許文献１に開示されている焦電型赤外線センサの第１の構成を示す図である。
【図８】特許文献１に開示されている焦電型赤外線センサの第２の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
（第１実施形態）
図１および図２は、第１実施形態における焦電型赤外線検出素子の構成を示す図である。図１は、焦電部に所定の電圧値の電圧を印加している第１状態を示し、図２は、焦電部に所定の電圧値の電圧を印加していない第２状態を示す。図３は、第１実施形態の焦電型赤外線検出素子における焦電部の構成を示す図である。図３（Ａ）は、上面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すＩＩ線での縦断面図である。
【００３５】
図１および図２において、第１実施形態における焦電型赤外線検出素子Ｄは、焦電部１１と、電圧印加部１２と、測定部１３とを備えている。
【００３６】
焦電部１１は、一対の第１および第２電極部と前記一対の第１および第２電極部間に配置される強誘電体材料とを備える素子であり、赤外線を受光すると、素子の温度が上昇し、焦電効果によって、この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。
【００３７】
電圧印加部１２は、予め設定された所定の電圧値の電圧を焦電部１１における前記一対の第１および第２電極部間に印加するための回路である。電圧印加部１２は、例えば、パルスで電圧を生成するパルス電圧生成部１２１と、パルス電圧生成部１２１で生成されたパルス電圧の出力先を切り換える第１切換スイッチＳＷ１とを備えている。パルス電圧生成部１２１は、予め設定された所定の時間のパルス幅および前記所定の電圧値のパルス高（レベル）を持つ矩形パルスを生成する回路である。第１切換スイッチＳＷ１は、３個の第１ないし第３端子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３を持つスイッチ素子である。第１切換スイッチＳＷ１の第１端子Ｔ１１は、パルス電圧生成部１２１の出力端子と接続され、第１切換スイッチＳＷ１の第２端子Ｔ１２は、焦電部１１と接続され、そして、第１切換スイッチＳＷ１の第３端子Ｔ１３は、無接続とされる。そして、第１切換スイッチＳＷ１は、その第１端子Ｔ１１と第２端子Ｔ１２とを接続する第１１接続状態およびその第１端子Ｔ１１と第３端子Ｔ１３とを接続する第１２接続状態との間でこれら第１ないし第３端子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３間の接続状態を切り換える。この第１１接続状態では、パルス電圧生成部１２１で生成されたパルス電圧は、第１端子Ｔ１１を介して第２端子Ｔ１２へ出力され、この第１２接続状態では、パルス電圧生成部１２１で生成されたパルス電圧は、第１端子Ｔ１１を介して第３端子Ｔ１３へ出力される。
【００３８】
測定部１３は、電圧印加部１２によって焦電部１１における前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までにこの焦電部１１で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する回路である。本実施形態では、測定部１３は、例えば、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに焦電部１１から出力された電流を積分する積分部を備えるものである。より具体的には、測定部１３は、例えば、入力先を切り換える第２切換スイッチＳＷ２と、第１抵抗素子Ｒと、積分回路１３１とを備えている。
【００３９】
第２切換スイッチＳＷ２は、３個の第１ないし第３端子Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３を持つスイッチ素子である。第２切換スイッチＳＷ２の第１端子Ｔ２１は、第１抵抗素子の一方端子と接続され、第２切換スイッチＳＷ２の第２端子Ｔ２２は、第１切換スイッチＳＷ１の第２端子Ｔ１２と接続され、そして、第２切換スイッチＳＷ２の第３端子Ｔ２３は、無接続とされる。言い換えれば、第２切換スイッチＳＷ２の第２端子Ｔ２２は、第１切換スイッチＳＷ１の第２端子Ｔ１２と焦電部１１との接続点に接続される。そして、第２切換スイッチＳＷ２は、その第１端子Ｔ２１と第２端子Ｔ２２とを接続する第２１接続状態およびその第１端子Ｔ２１と第３端子Ｔ２３とを接続する第２２接続状態との間でこれら第１ないし第３端子Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３間の接続状態を切り換える。この第２１接続状態では、入力先は、第２端子Ｔ２２を介して焦電部１１とされ、この第１２接続状態では、入力先は、第３端子Ｔ２３とされ、入力が無い状態とされる。
【００４０】
第１切換スイッチＳＷ１と第２切換スイッチＳＷ２とは、互いに連動しており、第１切換スイッチＳＷ１がその第１端子Ｔ１１と第２端子Ｔ１２とを接続する第１１接続状態である場合に、第２切換スイッチＳＷ２は、その第１端子Ｔ２１と第３端子Ｔ２３とを接続する第２２接続状態となり、一方、第１切換スイッチＳＷ１がその第１端子Ｔ１１と第３端子Ｔ１３とを接続する第１２接続状態である場合に、第２切換スイッチＳＷ２は、その第１端子Ｔ２１と第２端子Ｔ２２とを接続する第２１接続状態となる（第２切換スイッチＳＷ２がその第１端子Ｔ２１と第３端子Ｔ２３とを接続する第２２接続状態である場合に、第１切換スイッチＳＷ１は、その第１端子Ｔ１１と第２端子Ｔ１２とを接続する第１１接続状態となり、一方、第２切換スイッチＳＷ２がその第１端子Ｔ２１と第２端子Ｔ２２とを接続する第２１接続状態である場合に、第１切換スイッチＳＷ１は、その第１端子Ｔ１１と第３端子Ｔ１３とを接続する第１２接続状態となる）。すなわち、電圧印加部１２と焦電部１１とが接続されると、測定部１３は、焦電部１１と非接続とされ、電圧印加部１２と焦電部１１とが非接続にされると、測定部１３は、焦電部１１と接続される。
【００４１】
第１抵抗素子Ｒの他方端子は、接地される。すなわち、第２切換スイッチＳＷ２の第１端子Ｔ２１は、第１抵抗素子Ｒを介して接地される。第１抵抗素子Ｒは、短絡防止用である。
【００４２】
積分回路１３は、焦電部１１における分極状態の変化に起因して焦電部１１から流れる電流（単位時間当たりに流れる電荷量）を積分する回路である。積分回路１３は、例えば、第２抵抗素子Ｒｓと、オペアンプＯＰと、コンデンサＣｆとを備える。第２抵抗素子Ｒｓの一方端子は、第２切換スイッチＳＷ２の第１端子Ｔ２１に接続される。言い換えれば、第２抵抗素子Ｒｓの一方端子は、第２切換スイッチＳＷ２の第１端子Ｔ２１と第１抵抗素子Ｒの一方端子との接続点に接続される。第２抵抗素子Ｒｓの他方端子は、積分回路１３の入力端子に接続される。より具体的には、第２抵抗素子Ｒｓの他方端子は、積分回路１３におけるオペアンプＯＰの非反転入力端子（−）に接続される。オペアンプＯＰの反転入力端子（＋）は、接地され、コンデンサＣｆは、オペアンプＯＰの非反転入力端子（−）と出力端子との間に接続される。このような構成の積分回路１３１は、第２抵抗素子Ｒｓに流れる電流Ｉｓが主にコンデンサＣｆに流れ、初期状態（赤外線の検出を開始する時）でコンデンサＣｆの電荷が図略のリセットスイッチによって放電（リセット）されているとすると、その出力は、第２抵抗素子Ｒｓに流れる電流（入力信号）Ｉｓの積分値となる。
【００４３】
次に、焦電部１１について説明する。焦電部１１は、例えば、図３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層１１５と、上部電極層１１５上に積層形成された赤外線吸収層１１８とを備える。
【００４４】
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と対となってこれら電極層１１３、１１５間に所定の電圧値の電圧を印加する一方、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る。そして、この下部電極層１１３は、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する部材である。下部電極層１１３は、電気伝導性がよいだけでなく、下部電極層１１３上に積層される強誘電体層１１４が赤外線を受光するため、この下部電極層１１３は、相反する断熱性と放熱性と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、白金で形成されることが好ましい。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）の両面対称となるように、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と対となってこれら電極層１１３、１１５間に前記所定の電圧値の電圧を印加する一方、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。これら下部電極層１１３および上部電極層１１５は、上述の一対の第１および第２電極部の一例に対応する。赤外線吸収層１１８は、赤外線をより効果的に吸収するための部材であり、例えば、黒金膜や黒色ペイント膜等である。図３に示す例では、赤外線吸収層１１８は、上部電極層１１５と略同じ大きさで形成されている。
【００４５】
これら第１絶縁層１１２、下部電極層１１３、強誘電体層１１４、上部電極層１１５および赤外線吸収層１１８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。
【００４６】
そして、上部電極層１１５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１１５の上部電極端子部１１５ａ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。
【００４７】
これら貫通電極１１７−１および貫通電極１１７−２のうちの一方が、例えば、貫通電極１１７−１が第１切換スイッチＳＷ１の第２端子１２および第２切換スイッチＳＷ２の第２端子Ｔ２２と接続され、これらのうちの他方が、例えばこの例では貫通電極１１７−２が接地される。
【００４８】
また、基板１１１には、積層された下部電極層１１３、強誘電体層１１４、上部電極層１１５および赤外線吸収層１１８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。
【００４９】
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、第２絶縁層１１６および赤外線吸収層１１８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。
【００５０】
次に、本実施形態の焦電型赤外線検出素子の動作について説明する。図４は、第１実施形態の焦電型赤外線検出素子における焦電部の電界に対する分極の特性を示す図である。図４の横軸は、Ｖ／ｍ単位で表す電界であり、その縦軸は、Ｃ／ｍ２単位で表す分極（分極モーメント）である。
【００５１】
焦電型赤外線検出素子Ｄにおける焦電部１１の電界に対する分極の特性（電界−分極特性）は、図４に示すように、周知のヒステリシスループのプロファイルである。
【００５２】
焦電部１１が赤外線を受光していない状態（赤外線を受けない状態）では、焦電部１１は、略環境温度（略周囲温度）Ｔ１となり、その電界−分極特性Ｐ（Ｅ）は、図４に実線で示すプロファイルとなる。この状態において、焦電部１１における下部電極層１１３および上部電極層１１５間に電圧Ｖが印加されず（Ｖ＝０）、強誘電体層１１４にかかる外部電界の強度Ｅが０である場合（Ｅ＝０）では、分極は、前記環境温度Ｔ１での自然分極（残留分極）Ｐ１１（Ｐ（０）＝Ｐ１１）となり、強誘電体層１１４は、自然分極状態（残留分極状態）となる。一方、焦電部１１における下部電極層１１３および上部電極層１１５間に所定の電圧値Ｖｉの電圧Ｖが印加され（Ｖ＝Ｖｉ）、強誘電体層１１４にかかる外部電界の強度Ｅが印加電圧の前記所定の電圧値Ｖｉに対応した所定値Ｅｉである場合（Ｅ＝Ｅｉ）では、分極は、前記環境温度Ｔ１での電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）となり、強誘電体層１１４は、電圧印加分極状態となる。そして、印加電圧の電圧値Ｖｉを増大して外部電界の強度Ｅｉが増大して行くと、印加電圧の電圧値Ｖｉ（外部電界の強度Ｅｉ）を増大しても分極値Ｐ（Ｅｉ）が変化しない状態となり、分極は、飽和する。図４では、この分極が飽和している場合の分極値Ｐ（Ｅｉ）は、前記環境温度Ｔ１において、Ｐ１２（Ｐ（Ｅ１）＝Ｐ１２）であり、この場合の外部電界の強度Ｅは、Ｅ１である。
【００５３】
一方、焦電部１１が赤外線を受光している状態（赤外線を受けた状態）では、焦電部１１は、この受光した赤外線の強度に応じた温度Ｔ２となり、その電界−分極特性Ｐ（Ｅ）は、図４に破線で示すプロファイルとなる。この状態において、焦電部１１における下部電極層１１３および上部電極層１１５間に電圧Ｖが印加されず（Ｖ＝０）、強誘電体層１１４にかかる外部電界の強度Ｅが０である場合（Ｅ＝０）では、上述と同様に、分極は、前記受光した赤外線の強度に応じた前記温度Ｔ２での自然分極（残留分極）Ｐ２１（Ｐ（０）＝Ｐ２１）となり、強誘電体層１１４は、自然分極状態（残留分極状態）となる。ここで、赤外線を受光すると、強誘電体層１１４の温度Ｔ２は、通常、焦電部１１が赤外線を受光していない状態での前記環境温度Ｔ１よりも高温となり（Ｔ２＞Ｔ１）、この場合の自然分極Ｐ２１は、上述の場合の自然分極Ｐ１１より小さい値となる（Ｐ２１＜Ｐ１１）。一方、焦電部１１における下部電極層１１３および上部電極層１１５間に所定の電圧値Ｖｉの電圧Ｖが印加され（Ｖ＝Ｖｉ）、強誘電体層１１４にかかる外部電界の強度Ｅが印加電圧の前記所定の電圧値Ｖｉに対応した所定値Ｅｉである場合（Ｅ＝Ｅｉ）では、上述と同様に、分極は、前記受光した赤外線の強度に応じた前記温度Ｔ２での電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）となり、強誘電体層１１４は、電圧印加分極状態となる。そして、印加電圧の電圧値Ｖｉを増大して外部電界の強度Ｅｉが増大して行くと、印加電圧の電圧値Ｖｉ（外部電界の強度Ｅｉ）を増大しても分極値Ｐ（Ｅｉ）が変化しない状態となり、分極は、飽和する。図４では、この分極が飽和している場合の分極値Ｐ（Ｅｉ）は、前記受光した赤外線の強度に応じた前記温度Ｔ２において、Ｐ２２（Ｐ（Ｅ１）＝Ｐ２２）であり、この場合の外部電界の強度Ｅは、Ｅ１である。ここで、この場合の飽和分極Ｐ２２は、上述の場合の飽和分極Ｐ１２より小さい値となる（Ｐ２２＜Ｐ１２）。一方、分極飽和状態となる外部電界の強度Ｅは、いずれの場合においてもＥ１である。
【００５４】
焦電型赤外線検出素子Ｄにおける焦電部１１は、電圧Ｖの無印加（Ｖ＝０）および印加（Ｖ＝Ｖｉ（Ｖｉ≠０））により、このように動作する。
【００５５】
そして、電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）における横軸と平行な直線（Ｐ（Ｅ）＝Ｐ（Ｅｉ））と、縦軸（Ｅ＝０）と、電界−分極特性の曲線Ｐ（Ｅ）（０≦Ｅ≦Ｅｉ）とによって囲まれた面積Ｑｉは、前記受光した赤外線の強度に応じて電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）が変化することによって変化する。より具体的には、強誘電体層１１４における電界−分極特性Ｐ（Ｅ）は、前記受光した赤外線の強度が増大するほど、電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）は、小さくなり、図４に示すヒステリシスループは、縦軸方向に沿った横軸に向かう方向に圧縮され、この結果、前記面積Ｑｉは、小さくなる。したがって、この面積Ｑｉを求めることによって前記受光した赤外線の強度が求められる。一方、この面積Ｑｉは、電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１で生じた電荷量Ｑｉであり、この電荷量Ｑｉを直接的にまたは間接的に測定することによって前記受光した赤外線の強度が求められる。また、この面積Ｑｉは、分極が飽和する場合に最大（Ｑｉ＝Ｑ）となることから、前記受光した赤外線の強度をより高精度に求める観点から、電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）は、飽和分極Ｐ１２（＝Ｐ（Ｅ１））であることが好ましく、前記所定の電圧値Ｖｉは、分極が飽和する電界Ｅ１に対応する電圧値Ｖ１以上であることが好ましい。
【００５６】
このため、上述の構成の焦電型赤外線検出素子Ｄでは、焦電部が赤外線を受光している場合において、検出（測定）開始までの自然分極状態から電圧印加部１２によってパルス的に電圧が印加されると、強誘電体層１１４に前記パルス電圧のパルス高Ｖｉに対応した電界Ｅｉがかかり、分極は、前記受光した赤外線の強度に応じた前記温度Ｔ２での電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）となる。そして、パルスの終了により、分極は、前記受光した赤外線の強度に応じた前記温度Ｔ２での電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）から、前記温度Ｔ２での自然分極Ｐ２１（Ｐ（０）＝Ｐ２１）となり、焦電部１１から前記面積Ｑｉの電荷量Ｑｉが流れる。この前記面積Ｑｉの電荷量Ｑｉは、焦電部１１から流れる電流を積分する積分回路１３１を備える測定部１３によって、積分値として直接的に求められる。
【００５７】
より具体的に説明すると、まず、図略のリセットスイッチ等が操作されることによって、積分回路１３１のコンデンサＣｆに蓄積されていた電荷が放電され、コンデンサＣｆがリセットされる（コンデンサＣｆの蓄積電荷＝０）。なお、このコンデンサＣｆのリセット動作は、後述の焦電部１１にパルス電圧を印加する時間内に行われてもよい。続いて、第１および第２切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２が操作され、図１に示すように、第１切換スイッチＳＷ１は、第１１接続状態とされ、その第１端子Ｔ１１と第２端子Ｔ１２とが接続されるとともに、第２切換スイッチＳＷ２は、第２２接続状態とされ、その第１端子Ｔ２１と第３端子Ｔ２３とが接続される。
【００５８】
続いて、電圧印加部１２のパルス電圧生成部１２１は、所定のパルス電圧を生成し、この生成したパルス電圧を第１切換スイッチＳＷ１の第１端子Ｔ１１へ出力する。このパルス電圧のパルス高（レベル）Ｖｉは、例えば、上述したように、前記受光した赤外線の強度をより高精度に求める観点から、焦電部１１における強誘電体層１１４の分極を飽和させる電界Ｅ１に対応する電圧値Ｖ１以上、例えば電圧値Ｖ１である。そして、このパルス電圧のパルス幅は、強誘電体層１１４の分極がパルス高Ｖｉに対応した分極状態となって平衡となる時間（分極の過渡応答が終了して定常状態となる時間）以上、この例ではパルス高ＶｉがＶ１であるから、強誘電体層１１４の分極の飽和が完了する時間以上である。
【００５９】
電圧印加部１２のパルス電圧生成部１２１で生成されたこのパルス電圧は、第１切換スイッチＳＷ１を介して焦電部１１の例えば上部電極層１１５に印加され、この上部電極層１１５と、接地される下部電極層１１３とによって強誘電体層１１４に前記パルス電圧のパルス高Ｖｉ（この例ではＶ１）に対応した電界強度Ｅｉ（この例ではＥ１）の電界を生じさせる。この電界によって強誘電体層１１４の分極は、前記受光した赤外線の強度に応じた前記温度Ｔ２での電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）（この例ではＰ（Ｅ１）＝Ｐ２２）となる。
【００６０】
続いて、パルス電圧のパルス幅の時間が経過すると、第１および第２切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２が操作され、図２に示すように、第１切換スイッチＳＷ１は、第１２接続状態とされ、その第１端子Ｔ１１と第３端子Ｔ１２とが接続されるとともに、第２切換スイッチＳＷ２は、第２１接続状態とされ、その第１端子Ｔ２１と第２端子Ｔ２２とが接続される。
【００６１】
このように第１および第２切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２が操作されると、焦電部１１で生じた電荷に起因する電流が電圧印加分極状態から自然分極状態まで焦電部１１から出力され、この焦電部１１から出力された電流は、第２切換スイッチＳＷ２を介して第１および第２抵抗素子Ｒ、Ｒｓの各抵抗値に応じた電流値で積分回路１３１へ流れ、積分される。そして、積分回路１３１は、この積分した結果の出力信号を、電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１で生じた電荷量Ｑｉに対応する結果として出力する。ここで、強誘電体層１１４が自然分極状態になったか否かの判定（積分時間の終了の判定）は、例えば、焦電部１１から出力される電流が測定されることによって行われ、この焦電部１１から出力された電流の電流値が０となった場合に、強誘電体層１１４が自然分極状態になったと判定される。また例えば、前記判定は、第１および第２切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２が操作された後の経過時間が計時されることによって行われ、強誘電体層１１４が電圧印加分極状態から自然分極状態に達すると一般的に想定される、予め決められた時間が経過した場合に、強誘電体層１１４が自然分極状態になったと判定される。
【００６２】
このように動作することによって焦電型赤外線検出素子Ｄは、１回の赤外線の検出動作を終了する。ここで、赤外線の検出動作は、１回であってもよいが、ＳＮ比を向上させてより高精度に赤外線を検出する観点から、赤外線の検出動作は、複数回であることが好ましく、上述の動作が複数回繰り返される。
【００６３】
このように上述の構成の焦電型赤外線検出素子Ｄは、焦電部１１で受光される赤外線を検出することができ、その赤外線の強度に応じた出力信号を得ることができる。ここで、強誘電体層１１４の分極は、自然分極Ｐ２１から電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）（この例ではＰ（Ｅ１）＝Ｐ２２）への変化および前記電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）から自然分極Ｐ２１への変化であるので、分極の反転（再分極）は、行われない。したがって、本実施形態の焦電型赤外線検出素子Ｄは、再分極を行うことなく、素子の温度によって自然分極状態が異なるため、赤外線を検出することができ、その赤外線の強度に応じた出力信号を得ることができる。
【００６４】
また、赤外線は、上述したように電圧Ｖの無印加（Ｖ＝０）および印加（Ｖ＝Ｖｉ（Ｖｉ≠０））によって検出するので、本実施形態の焦電型赤外線検出素子Ｄは、従来のような光チョッパを必要としない。また、測定部１３の積分回路１３１は、赤外線の検出ごとにリセットされ、随時、その温度Ｔ２での焦電部１１の分極状態を測定するため、ノイズ等の誤差分が積算されることがなく、このため、本実施形態の焦電型赤外線検出素子Ｄは、より高精度に赤外線を検出することができる。
【００６５】
そして、上述の実施形態では、焦電型赤外線検出素子Ｄは、測定部１３に積分回路１３１を備えるので、電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１で生じた電荷量Ｑに関係する所定の物理量は、前記電荷量Ｑ自体とされ、焦電型赤外線検出素子Ｄは、この電荷量Ｑを積分回路１３１で焦電部１１から出力された電流を積分することによって直接的に測定することができる。
【００６６】
なお、上述の実施形態において、測定部１３は、電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１から出力された電流における単位時間当たりの変化率を測定する電流変化率測定部であってもよい。上述したように、強誘電体層１１４における電界−分極特性Ｐ（Ｅ）は、焦電部１１で受光される赤外線の強度が増大するほど、電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）は、小さくなり、図４に示すヒステリシスループは、縦軸方向に沿った横軸に向かう方向に圧縮される。この結果、前記面積Ｑｉは、小さくなるとともに、電界−分極特性の曲線Ｐ（Ｅ）における接線の傾きは、小さくなる。このため、焦電部１１で受光される赤外線の強度が増大するほど、電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１から出力された電流における単位時間当たりの変化率は、小さくなる。このように電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１で生じた電荷量Ｑｉが前記電流変化率として間接的に測定可能である。したがって、電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１から出力された電流における単位時間当たりの変化率を求めることって赤外線を検出することが可能であり、赤外線の強度を求めることが可能である。よって、このような構成の焦電型赤外線検出素子Ｄは、前記所定の物理量が電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１から出力された電流における単位時間当たりの変化率とされ、この変化率を電流変化率測定部で測定することができ、このため、赤外線を検出し、赤外線の強度を求めることができる。
【００６７】
また、上述の実施形態において、焦電型赤外線検出素子Ｄは、図１および図２に破線で示すように、測定部１３の出力に基づいて温度を求める温度演算部１８をさらに備えてもよく、そして、温度演算部１８で求めた温度を外部に出力する出力部１９をさらに備えてもよい。出力部１９は、例えば、数値を表示可能な液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等である。また例えば、出力部１９は、発光数によって温度を段階的に表示する複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えるインジケータであってもよい。このような構成の焦電型赤外線検出素子Ｄは、さらに温度演算部１８を備えるので、検出した赤外線に基づいて温度を求めることができる。
【００６８】
ここで、この温度演算部１８は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路を備えるマイクロコンピュータによって構成され、予め求められた測定部１３の出力と温度との対応関係を予め前記記憶素子に記憶することで前記対応関係を備え、前記対応関係を用いることによって前記マイクロプロセッサで前記測定部の出力から温度を求めてもよい。前記対応関係は、例えば、予め求められた測定部１３の出力と温度との対応関係を表す関数式であってもよく、また例えば、予め求められた測定部１３の出力と温度との対応関係を表す換算テーブルであってもよい。このような構成の焦電型赤外線検出素子Ｄは、予め作成され、予め備えられた前記対応関係を用いるので、簡易、迅速に測定部１３の出力から温度を求めることができる。
【００６９】
また例えば、焦電型赤外線検出素子Ｄは、図１および図２に破線で示すように、環境温度を測定する例えばサーミスタ等の環境温度測定部２０をさらに備え、温度演算部１８は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路を備えるマイクロコンピュータによって構成され、予め求められた測定部１３の出力と温度との対応関係を複数の環境温度に対応して複数予め前記記憶素子に記憶することで前記複数の環境温度ごとに前記複数の対応関係を備え、備え、環境温度測定部２０で測定された環境温度に応じた対応関係を用いることによって前記マイクロプロセッサで測定部１３の出力から温度を求めてもよい。このような構成の焦電型赤外線検出素子Ｄは、予め作成され、予め備えられた前記環境温度に応じた前記対応関係を用いるので、簡易、迅速に、そして、より正確に測定部１３の出力から温度を求めることができる。
【００７０】
次に、別の実施形態について説明する。
【００７１】
（第２実施形態）
第２実施形態は、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れを用いた焦電型赤外線撮像装置の実施形態である。このような焦電型赤外線撮像素子は、複数の焦電部と、前記複数の焦電部のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に所定の電圧値の電圧を印加するための電圧印加部と、前記複数の焦電部のそれぞれについて、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する測定部とを備えることによって構成され、そして、焦電型赤外線撮像装置は、これに、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を備えることで、さらには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備えることで構成される。以下、より具体的に説明する。
【００７２】
図５は、第２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６は、第２実施形態の焦電型赤外線撮像装置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６（Ａ）は、第１封止部材の内面側正面図であり、図６（Ｂ）は、焦電型赤外線撮像素子の縦断面図である。
【００７３】
図５において、第２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、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。
【００７４】
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。
【００７５】
焦電型赤外線撮像素子１は、赤外線で被写体を撮像する素子である。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。焦電型赤外線撮像素子１の詳細は、後述する。
【００７６】
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。
【００７７】
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）等で構成される。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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に制御される。
【００８１】
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等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等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。
【００８２】
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等の規格に準拠したインタフェースである。
【００８３】
次に、焦電型赤外線撮像素子１について説明する。図６において、この第２実施形態の焦電型赤外線撮像装置３０における焦電型赤外線撮像素子１は、例えば、複数の焦電部１１（１１−１、１１−２、１１−３、・・・）と、これら複数の焦電部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と、これら複数の焦電部１１のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に所定の電圧値の電圧を印加するための図略の電圧印加部と、これら複数の焦電部１１のそれぞれについて、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１で生じた電荷量Ｑに関係する所定の物理量を測定する図略の測定部とを備え、さらに、本実施形態では、これら複数の焦電部１１を封止する第１および第２封止部材１５、１６を備えている。
【００８４】
これら複数の焦電部１１のそれぞれ、図略の前記電圧印加部および前記測定部は、第１実施形態の焦電型赤外線検出素子Ｄにおける焦電部１１、電圧印加部１２および測定部１３とそれぞれ同様であるので、その説明を省略する。なお、電圧印加部１２は、複数の焦電部１１ごとに１個設けられてもよく（１対１対応で）、また数個の焦電部ごとに１個設けられてもよい（ｎ対１対応で、ｎ；２以上の整数）。また、好ましくは、電圧印加部１２によって複数の焦電部１１のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加し始める開始時点から、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに複数の焦電部１１のそれぞれで生じた電荷量に関係する所定の物理量の測定が終了する終了時点までの期間は、適切に動画を生成するべく、撮像画像のフレームレート以下である。
【００８５】
第１および第２封止部材１５、１６は、互いに協同して基板１４上に配設された複数の焦電部１１を封止する部材である。本実施形態では、例えば、第２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り、第１封止部材１５は、赤外線を透過可能な材料から形成された板状の部材である。第２封止部材１６における、収容凹部ＣＰの周壁における解放端部の端面に、一方主面を収容凹部ＣＰ側に向けて第１封止部材１５が接着固定される。これによって第１および第２封止部材１５、１６は、互いに協同して複数の焦電部１１を封止する。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１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。
【００８６】
より具体的には、第１封止部材１５は、板状の部材であり、例えばシリコン（Ｓｉ）等によって形成される。第２封止部材１６は、有底短高であって断面矩形形状であり、例えばセラミック等によって形成される。この第２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。この第２封止部材１６の外周は、第１封止部材１５の外周と略同じ大きさであり、この筒状の第２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前記一方主面を底側に向けて第１封止部材１５が接着固定される。これによって第１および第２封止部材１５、１６は、互いに協同して複数の焦電部１１を封止する。そして、第２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。
【００８７】
また、本実施形態では、第１および第２封止部材１５、１６は、互いに協同して複数の焦電部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、第１封止部材１５における、前記一方主面上には、複数の焦電部１１が配設された領域に対向する赤外線の透過領域ＲＡを除く部分に、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、矩形形状の透過領域ＲＡにおける両側端に、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が第１封止部材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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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１および焦電型赤外線撮像装置３０は、第１実施形態の焦電型赤外線検出素子Ｄのように、分極の反転（再分極）を行うことなく、赤外線を検出することができ、赤外線で被写体を撮像することができる。
【００９３】
また、従来のようにチョッパを用いることがないので、小型に構成可能で信頼性も向上する。
【００９４】
また、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１および焦電型赤外線撮像装置３０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。
【００９５】
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。
【００９６】
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】
【００９７】
Ｄ 焦電型赤外線検出素子
１ 焦電型赤外線撮像素子
１１ 焦電部
１２ 電圧印加部
１３ 測定部
１５、１６ 封止部材
１８ 温度換算部
１９ 出力部
２０ 環境温度測定部
２１ 撮像光学系
３０ 焦電型赤外線撮像装置
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７は、特許文献１に開示されている焦電型赤外線センサの第１の構成を示す図である。図８は、特許文献１に開示されている焦電型赤外線センサの第２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、言い換えれば、前記赤外線の通過と遮断とを繰り返して前記赤外線を断続的に入射させ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７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（通過／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。また、焦電型赤外線検出素子の動作速度がチョッピング速度によって制限され、その信頼性も光チョッパによって制限されてしまう。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も前記特許文献１に開示されている。
【０００７】
この赤外線検出装置２０００は、図８に示すように、２枚の電極２００８、２００９の間に強誘電体２００７が挾まれている強誘電体コンデンサ２０１０と、強誘電体コンデンサ２０１０を熱的に支持体の基板２０１１から分離する熱分離領域２０１２と、赤外線を吸収し、かつ強誘電体コンデンサ２０１０とは熱的に接している赤外線吸収膜２０１３と、を有する赤外線検出装置２０００であって、強誘電体コンデンサ２０１０の２枚の電極２００８、２００９間に所定方向で抗電界以上の電界を印加し、続いて前記所定方向の逆方向で抗電界以上の電界を印加する印加電圧発生手段２０１７と、前記電界を印加した際の分極の反転に伴う電荷の変化に相当する電流を測定する電流測定手段２０１４とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−０１９０１３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、印加電圧発生手段２０１７で、強誘電体コンデンサ２０１０の２枚の電極２００８、２００９間に所定方向で抗電界以上の電界を印加し、続いて前記所定方向の逆方向で抗電界以上の電界を印加することによって、分極の反転（再分極）が行われる。このため、この焦電型赤外線センサ２０００では、その素子自体の温度（素子温度）が上昇してしまい、測定対象物体の温度を正確に検出することが難しい。
【００１０】
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、再分極を行うことなく、赤外線を検出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】
【００１１】
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、一対の第１および第２電極部と前記一対の第１および第２電極部間に配置される強誘電体材料とを備える焦電部と、前記一対の第１および第２電極部間に所定の電圧値の電圧を印加するための電圧印加部と、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する測定部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
このような構成の焦電型赤外線検出素子では、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量が測定され、赤外線が検出される。したがって、再分極は、行われない。素子の温度によって自然分極状態が異なるため、このように、このような構成の焦電型赤外線検出素子は、再分極を行うことなく、赤外線を検出することができる。
【００１３】
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、前記測定部は、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記焦電部から出力された電流を積分する積分部であることを特徴とする。
【００１４】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、前記所定の物理量が前記電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量とされ、この電荷量を積分部で前記焦電部から出力された電流を積分することによって直接的に測定することができる。
【００１５】
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、前記測定部は、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記焦電部から出力された電流における単位時間当たりの変化率を測定する電流変化率測定部であることを特徴とする。
【００１６】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、前記所定の物理量が前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記焦電部から出力された電流における単位時間当たりの変化率とされ、この変化率を電流変化率測定部で測定することができる。
【００１７】
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、前記測定部の出力に基づいて温度を求める温度演算部をさらに備えることを特徴とする。
【００１８】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、さらに温度演算部を備えるので、検出した赤外線に基づいて温度を求めることができる。
【００１９】
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、前記温度演算部は、前記測定部の出力と温度との対応関係を備え、前記対応関係を用いることによって前記測定部の出力から温度を求めることを特徴とする。
【００２０】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、予め作成され、予め備えられた前記対応関係を用いるので、簡易、迅速に前記測定部の出力から温度を求めることができる。
【００２１】
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、環境温度を測定する環境温度測定部をさらに備え、前記温度演算部は、前記測定部の出力と温度との対応関係を複数の環境温度に対応して複数備え、前記環境温度測定部で測定された環境温度に応じた対応関係を用いることによって前記測定部の出力から温度を求めることを特徴とする。
【００２２】
このような構成の焦電型赤外線検出素子は、予め作成され、予め備えられた前記環境温度に応じた前記対応関係を用いるので、簡易、迅速に、そして、より正確に前記測定部の出力から温度を求めることができる。
【００２３】
また、他の一態様にかかる焦電型赤外線撮像素子は、一対の第１および第２電極部と前記一対の第１および第２電極部間に配置される強誘電体材料とを備える複数の焦電部と、前記複数の焦電部のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に所定の電圧値の電圧を印加するための電圧印加部と、前記複数の焦電部のそれぞれについて、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する測定部とを備えることを特徴とする。
【００２４】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子では、前記複数の焦電部のそれぞれについて、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量が測定され、赤外線が検出される。したがって、再分極は、行われない。素子の温度によって自然分極状態が異なるため、このように、このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、再分極を行うことなく、赤外線で被写体を撮像することができる。
【００２５】
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、前記電圧印加部によって前記複数の焦電部のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加し始める開始時点から、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記複数の焦電部のそれぞれで生じた電荷量に関係する所定の物理量の測定が終了する終了時点までの期間は、撮像画像のフレームレート以下であることを特徴とする。
【００２６】
このような構成の焦電型赤外線撮像素子は、前記開始時点から前記終了時点までの期間が前記フレームレート以下であるので、動画像を生成することが可能となる。
【００２７】
また、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。
【００２８】
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、再分極を行うことなく、赤外線で被写体を撮像し、被写体の画像を形成することができる。
【００２９】
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。
【００３０】
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】
【００３１】
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、分極の反転を行うことなく、赤外線を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態における焦電型赤外線検出素子の構成を示す図（その１）である。
【図２】第１実施形態における焦電型赤外線検出素子の構成を示す図（その２）である。
【図３】第１実施形態の焦電型赤外線検出素子における焦電部の構成を示す図である。
【図４】第１実施形態の焦電型赤外線検出素子における焦電部の電界に対する分極の特性を示す図である。
【図５】第２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６】第２実施形態の焦電型赤外線撮像装置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７】特許文献１に開示されている焦電型赤外線センサの第１の構成を示す図である。
【図８】特許文献１に開示されている焦電型赤外線センサの第２の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
（第１実施形態）
図１および図２は、第１実施形態における焦電型赤外線検出素子の構成を示す図である。図１は、焦電部に所定の電圧値の電圧を印加している第１状態を示し、図２は、焦電部に所定の電圧値の電圧を印加していない第２状態を示す。図３は、第１実施形態の焦電型赤外線検出素子における焦電部の構成を示す図である。図３（Ａ）は、上面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すＩＩ線での縦断面図である。
【００３５】
図１および図２において、第１実施形態における焦電型赤外線検出素子Ｄは、焦電部１１と、電圧印加部１２と、測定部１３とを備えている。
【００３６】
焦電部１１は、一対の第１および第２電極部と前記一対の第１および第２電極部間に配置される強誘電体材料とを備える素子であり、赤外線を受光すると、素子の温度が上昇し、焦電効果によって、この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。
【００３７】
電圧印加部１２は、予め設定された所定の電圧値の電圧を焦電部１１における前記一対の第１および第２電極部間に印加するための回路である。電圧印加部１２は、例えば、パルスで電圧を生成するパルス電圧生成部１２１と、パルス電圧生成部１２１で生成されたパルス電圧の出力先を切り換える第１切換スイッチＳＷ１とを備えている。パルス電圧生成部１２１は、予め設定された所定の時間のパルス幅および前記所定の電圧値のパルス高（レベル）を持つ矩形パルスを生成する回路である。第１切換スイッチＳＷ１は、３個の第１ないし第３端子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３を持つスイッチ素子である。第１切換スイッチＳＷ１の第１端子Ｔ１１は、パルス電圧生成部１２１の出力端子と接続され、第１切換スイッチＳＷ１の第２端子Ｔ１２は、焦電部１１と接続され、そして、第１切換スイッチＳＷ１の第３端子Ｔ１３は、無接続とされる。そして、第１切換スイッチＳＷ１は、その第１端子Ｔ１１と第２端子Ｔ１２とを接続する第１１接続状態およびその第１端子Ｔ１１と第３端子Ｔ１３とを接続する第１２接続状態との間でこれら第１ないし第３端子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３間の接続状態を切り換える。この第１１接続状態では、パルス電圧生成部１２１で生成されたパルス電圧は、第１端子Ｔ１１を介して第２端子Ｔ１２へ出力され、この第１２接続状態では、パルス電圧生成部１２１で生成されたパルス電圧は、第１端子Ｔ１１を介して第３端子Ｔ１３へ出力される。
【００３８】
測定部１３は、電圧印加部１２によって焦電部１１における前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までにこの焦電部１１で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する回路である。本実施形態では、測定部１３は、例えば、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに焦電部１１から出力された電流を積分する積分部を備えるものである。より具体的には、測定部１３は、例えば、入力先を切り換える第２切換スイッチＳＷ２と、第１抵抗素子Ｒと、積分回路１３１とを備えている。
【００３９】
第２切換スイッチＳＷ２は、３個の第１ないし第３端子Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３を持つスイッチ素子である。第２切換スイッチＳＷ２の第１端子Ｔ２１は、第１抵抗素子の一方端子と接続され、第２切換スイッチＳＷ２の第２端子Ｔ２２は、第１切換スイッチＳＷ１の第２端子Ｔ１２と接続され、そして、第２切換スイッチＳＷ２の第３端子Ｔ２３は、無接続とされる。言い換えれば、第２切換スイッチＳＷ２の第２端子Ｔ２２は、第１切換スイッチＳＷ１の第２端子Ｔ１２と焦電部１１との接続点に接続される。そして、第２切換スイッチＳＷ２は、その第１端子Ｔ２１と第２端子Ｔ２２とを接続する第２１接続状態およびその第１端子Ｔ２１と第３端子Ｔ２３とを接続する第２２接続状態との間でこれら第１ないし第３端子Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３間の接続状態を切り換える。この第２１接続状態では、入力先は、第２端子Ｔ２２を介して焦電部１１とされ、この第１２接続状態では、入力先は、第３端子Ｔ２３とされ、入力が無い状態とされる。
【００４０】
第１切換スイッチＳＷ１と第２切換スイッチＳＷ２とは、互いに連動しており、第１切換スイッチＳＷ１がその第１端子Ｔ１１と第２端子Ｔ１２とを接続する第１１接続状態である場合に、第２切換スイッチＳＷ２は、その第１端子Ｔ２１と第３端子Ｔ２３とを接続する第２２接続状態となり、一方、第１切換スイッチＳＷ１がその第１端子Ｔ１１と第３端子Ｔ１３とを接続する第１２接続状態である場合に、第２切換スイッチＳＷ２は、その第１端子Ｔ２１と第２端子Ｔ２２とを接続する第２１接続状態となる（第２切換スイッチＳＷ２がその第１端子Ｔ２１と第３端子Ｔ２３とを接続する第２２接続状態である場合に、第１切換スイッチＳＷ１は、その第１端子Ｔ１１と第２端子Ｔ１２とを接続する第１１接続状態となり、一方、第２切換スイッチＳＷ２がその第１端子Ｔ２１と第２端子Ｔ２２とを接続する第２１接続状態である場合に、第１切換スイッチＳＷ１は、その第１端子Ｔ１１と第３端子Ｔ１３とを接続する第１２接続状態となる）。すなわち、電圧印加部１２と焦電部１１とが接続されると、測定部１３は、焦電部１１と非接続とされ、電圧印加部１２と焦電部１１とが非接続にされると、測定部１３は、焦電部１１と接続される。
【００４１】
第１抵抗素子Ｒの他方端子は、接地される。すなわち、第２切換スイッチＳＷ２の第１端子Ｔ２１は、第１抵抗素子Ｒを介して接地される。第１抵抗素子Ｒは、短絡防止用である。
【００４２】
積分回路１３は、焦電部１１における分極状態の変化に起因して焦電部１１から流れる電流（単位時間当たりに流れる電荷量）を積分する回路である。積分回路１３は、例えば、第２抵抗素子Ｒｓと、オペアンプＯＰと、コンデンサＣｆとを備える。第２抵抗素子Ｒｓの一方端子は、第２切換スイッチＳＷ２の第１端子Ｔ２１に接続される。言い換えれば、第２抵抗素子Ｒｓの一方端子は、第２切換スイッチＳＷ２の第１端子Ｔ２１と第１抵抗素子Ｒの一方端子との接続点に接続される。第２抵抗素子Ｒｓの他方端子は、積分回路１３の入力端子に接続される。より具体的には、第２抵抗素子Ｒｓの他方端子は、積分回路１３におけるオペアンプＯＰの非反転入力端子（−）に接続される。オペアンプＯＰの反転入力端子（＋）は、接地され、コンデンサＣｆは、オペアンプＯＰの非反転入力端子（−）と出力端子との間に接続される。このような構成の積分回路１３１は、第２抵抗素子Ｒｓに流れる電流Ｉｓが主にコンデンサＣｆに流れ、初期状態（赤外線の検出を開始する時）でコンデンサＣｆの電荷が図略のリセットスイッチによって放電（リセット）されているとすると、その出力は、第２抵抗素子Ｒｓに流れる電流（入力信号）Ｉｓの積分値となる。
【００４３】
次に、焦電部１１について説明する。焦電部１１は、例えば、図３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層１１５と、上部電極層１１５上に積層形成された赤外線吸収層１１８とを備える。
【００４４】
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と対となってこれら電極層１１３、１１５間に所定の電圧値の電圧を印加する一方、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る。そして、この下部電極層１１３は、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する部材である。下部電極層１１３は、電気伝導性がよいだけでなく、下部電極層１１３上に積層される強誘電体層１１４が赤外線を受光するため、この下部電極層１１３は、相反する断熱性と放熱性と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、白金で形成されることが好ましい。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）の両面対称となるように、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と対となってこれら電極層１１３、１１５間に前記所定の電圧値の電圧を印加する一方、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。これら下部電極層１１３および上部電極層１１５は、上述の一対の第１および第２電極部の一例に対応する。赤外線吸収層１１８は、赤外線をより効果的に吸収するための部材であり、例えば、黒金膜や黒色ペイント膜等である。図３に示す例では、赤外線吸収層１１８は、上部電極層１１５と略同じ大きさで形成されている。
【００４５】
これら第１絶縁層１１２、下部電極層１１３、強誘電体層１１４、上部電極層１１５および赤外線吸収層１１８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。
【００４６】
そして、上部電極層１１５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１１５の上部電極端子部１１５ａ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。
【００４７】
これら貫通電極１１７−１および貫通電極１１７−２のうちの一方が、例えば、貫通電極１１７−１が第１切換スイッチＳＷ１の第２端子１２および第２切換スイッチＳＷ２の第２端子Ｔ２２と接続され、これらのうちの他方が、例えばこの例では貫通電極１１７−２が接地される。
【００４８】
また、基板１１１には、積層された下部電極層１１３、強誘電体層１１４、上部電極層１１５および赤外線吸収層１１８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。
【００４９】
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、第２絶縁層１１６および赤外線吸収層１１８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。
【００５０】
次に、本実施形態の焦電型赤外線検出素子の動作について説明する。図４は、第１実施形態の焦電型赤外線検出素子における焦電部の電界に対する分極の特性を示す図である。図４の横軸は、Ｖ／ｍ単位で表す電界であり、その縦軸は、Ｃ／ｍ２単位で表す分極（分極モーメント）である。
【００５１】
焦電型赤外線検出素子Ｄにおける焦電部１１の電界に対する分極の特性（電界−分極特性）は、図４に示すように、周知のヒステリシスループのプロファイルである。
【００５２】
焦電部１１が赤外線を受光していない状態（赤外線を受けない状態）では、焦電部１１は、略環境温度（略周囲温度）Ｔ１となり、その電界−分極特性Ｐ（Ｅ）は、図４に実線で示すプロファイルとなる。この状態において、焦電部１１における下部電極層１１３および上部電極層１１５間に電圧Ｖが印加されず（Ｖ＝０）、強誘電体層１１４にかかる外部電界の強度Ｅが０である場合（Ｅ＝０）では、分極は、前記環境温度Ｔ１での自然分極（残留分極）Ｐ１１（Ｐ（０）＝Ｐ１１）となり、強誘電体層１１４は、自然分極状態（残留分極状態）となる。一方、焦電部１１における下部電極層１１３および上部電極層１１５間に所定の電圧値Ｖｉの電圧Ｖが印加され（Ｖ＝Ｖｉ）、強誘電体層１１４にかかる外部電界の強度Ｅが印加電圧の前記所定の電圧値Ｖｉに対応した所定値Ｅｉである場合（Ｅ＝Ｅｉ）では、分極は、前記環境温度Ｔ１での電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）となり、強誘電体層１１４は、電圧印加分極状態となる。そして、印加電圧の電圧値Ｖｉを増大して外部電界の強度Ｅｉが増大して行くと、印加電圧の電圧値Ｖｉ（外部電界の強度Ｅｉ）を増大しても分極値Ｐ（Ｅｉ）が変化しない状態となり、分極は、飽和する。図４では、この分極が飽和している場合の分極値Ｐ（Ｅｉ）は、前記環境温度Ｔ１において、Ｐ１２（Ｐ（Ｅ１）＝Ｐ１２）であり、この場合の外部電界の強度Ｅは、Ｅ１である。
【００５３】
一方、焦電部１１が赤外線を受光している状態（赤外線を受けた状態）では、焦電部１１は、この受光した赤外線の強度に応じた温度Ｔ２となり、その電界−分極特性Ｐ（Ｅ）は、図４に破線で示すプロファイルとなる。この状態において、焦電部１１における下部電極層１１３および上部電極層１１５間に電圧Ｖが印加されず（Ｖ＝０）、強誘電体層１１４にかかる外部電界の強度Ｅが０である場合（Ｅ＝０）では、上述と同様に、分極は、前記受光した赤外線の強度に応じた前記温度Ｔ２での自然分極（残留分極）Ｐ２１（Ｐ（０）＝Ｐ２１）となり、強誘電体層１１４は、自然分極状態（残留分極状態）となる。ここで、赤外線を受光すると、強誘電体層１１４の温度Ｔ２は、通常、焦電部１１が赤外線を受光していない状態での前記環境温度Ｔ１よりも高温となり（Ｔ２＞Ｔ１）、この場合の自然分極Ｐ２１は、上述の場合の自然分極Ｐ１１より小さい値となる（Ｐ２１＜Ｐ１１）。一方、焦電部１１における下部電極層１１３および上部電極層１１５間に所定の電圧値Ｖｉの電圧Ｖが印加され（Ｖ＝Ｖｉ）、強誘電体層１１４にかかる外部電界の強度Ｅが印加電圧の前記所定の電圧値Ｖｉに対応した所定値Ｅｉである場合（Ｅ＝Ｅｉ）では、上述と同様に、分極は、前記受光した赤外線の強度に応じた前記温度Ｔ２での電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）となり、強誘電体層１１４は、電圧印加分極状態となる。そして、印加電圧の電圧値Ｖｉを増大して外部電界の強度Ｅｉが増大して行くと、印加電圧の電圧値Ｖｉ（外部電界の強度Ｅｉ）を増大しても分極値Ｐ（Ｅｉ）が変化しない状態となり、分極は、飽和する。図４では、この分極が飽和している場合の分極値Ｐ（Ｅｉ）は、前記受光した赤外線の強度に応じた前記温度Ｔ２において、Ｐ２２（Ｐ（Ｅ１）＝Ｐ２２）であり、この場合の外部電界の強度Ｅは、Ｅ１である。ここで、この場合の飽和分極Ｐ２２は、上述の場合の飽和分極Ｐ１２より小さい値となる（Ｐ２２＜Ｐ１２）。一方、分極飽和状態となる外部電界の強度Ｅは、いずれの場合においてもＥ１である。
【００５４】
焦電型赤外線検出素子Ｄにおける焦電部１１は、電圧Ｖの無印加（Ｖ＝０）および印加（Ｖ＝Ｖｉ（Ｖｉ≠０））により、このように動作する。
【００５５】
そして、電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）における横軸と平行な直線（Ｐ（Ｅ）＝Ｐ（Ｅｉ））と、縦軸（Ｅ＝０）と、電界−分極特性の曲線Ｐ（Ｅ）（０≦Ｅ≦Ｅｉ）とによって囲まれた面積Ｑｉは、前記受光した赤外線の強度に応じて電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）が変化することによって変化する。より具体的には、強誘電体層１１４における電界−分極特性Ｐ（Ｅ）は、前記受光した赤外線の強度が増大するほど、電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）は、小さくなり、図４に示すヒステリシスループは、縦軸方向に沿った横軸に向かう方向に圧縮され、この結果、前記面積Ｑｉは、小さくなる。したがって、この面積Ｑｉを求めることによって前記受光した赤外線の強度が求められる。一方、この面積Ｑｉは、電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１で生じた電荷量Ｑｉであり、この電荷量Ｑｉを直接的にまたは間接的に測定することによって前記受光した赤外線の強度が求められる。また、この面積Ｑｉは、分極が飽和する場合に最大（Ｑｉ＝Ｑ）となることから、前記受光した赤外線の強度をより高精度に求める観点から、電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）は、飽和分極Ｐ１２（＝Ｐ（Ｅ１））であることが好ましく、前記所定の電圧値Ｖｉは、分極が飽和する電界Ｅ１に対応する電圧値Ｖ１以上であることが好ましい。
【００５６】
このため、上述の構成の焦電型赤外線検出素子Ｄでは、焦電部が赤外線を受光している場合において、検出（測定）開始までの自然分極状態から電圧印加部１２によってパルス的に電圧が印加されると、強誘電体層１１４に前記パルス電圧のパルス高Ｖｉに対応した電界Ｅｉがかかり、分極は、前記受光した赤外線の強度に応じた前記温度Ｔ２での電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）となる。そして、パルスの終了により、分極は、前記受光した赤外線の強度に応じた前記温度Ｔ２での電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）から、前記温度Ｔ２での自然分極Ｐ２１（Ｐ（０）＝Ｐ２１）となり、焦電部１１から前記面積Ｑｉの電荷量Ｑｉが流れる。この前記面積Ｑｉの電荷量Ｑｉは、焦電部１１から流れる電流を積分する積分回路１３１を備える測定部１３によって、積分値として直接的に求められる。
【００５７】
より具体的に説明すると、まず、図略のリセットスイッチ等が操作されることによって、積分回路１３１のコンデンサＣｆに蓄積されていた電荷が放電され、コンデンサＣｆがリセットされる（コンデンサＣｆの蓄積電荷＝０）。なお、このコンデンサＣｆのリセット動作は、後述の焦電部１１にパルス電圧を印加する時間内に行われてもよい。続いて、第１および第２切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２が操作され、図１に示すように、第１切換スイッチＳＷ１は、第１１接続状態とされ、その第１端子Ｔ１１と第２端子Ｔ１２とが接続されるとともに、第２切換スイッチＳＷ２は、第２２接続状態とされ、その第１端子Ｔ２１と第３端子Ｔ２３とが接続される。
【００５８】
続いて、電圧印加部１２のパルス電圧生成部１２１は、所定のパルス電圧を生成し、この生成したパルス電圧を第１切換スイッチＳＷ１の第１端子Ｔ１１へ出力する。このパルス電圧のパルス高（レベル）Ｖｉは、例えば、上述したように、前記受光した赤外線の強度をより高精度に求める観点から、焦電部１１における強誘電体層１１４の分極を飽和させる電界Ｅ１に対応する電圧値Ｖ１以上、例えば電圧値Ｖ１である。そして、このパルス電圧のパルス幅は、強誘電体層１１４の分極がパルス高Ｖｉに対応した分極状態となって平衡となる時間（分極の過渡応答が終了して定常状態となる時間）以上、この例ではパルス高ＶｉがＶ１であるから、強誘電体層１１４の分極の飽和が完了する時間以上である。
【００５９】
電圧印加部１２のパルス電圧生成部１２１で生成されたこのパルス電圧は、第１切換スイッチＳＷ１を介して焦電部１１の例えば上部電極層１１５に印加され、この上部電極層１１５と、接地される下部電極層１１３とによって強誘電体層１１４に前記パルス電圧のパルス高Ｖｉ（この例ではＶ１）に対応した電界強度Ｅｉ（この例ではＥ１）の電界を生じさせる。この電界によって強誘電体層１１４の分極は、前記受光した赤外線の強度に応じた前記温度Ｔ２での電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）（この例ではＰ（Ｅ１）＝Ｐ２２）となる。
【００６０】
続いて、パルス電圧のパルス幅の時間が経過すると、第１および第２切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２が操作され、図２に示すように、第１切換スイッチＳＷ１は、第１２接続状態とされ、その第１端子Ｔ１１と第３端子Ｔ１２とが接続されるとともに、第２切換スイッチＳＷ２は、第２１接続状態とされ、その第１端子Ｔ２１と第２端子Ｔ２２とが接続される。
【００６１】
このように第１および第２切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２が操作されると、焦電部１１で生じた電荷に起因する電流が電圧印加分極状態から自然分極状態まで焦電部１１から出力され、この焦電部１１から出力された電流は、第２切換スイッチＳＷ２を介して第１および第２抵抗素子Ｒ、Ｒｓの各抵抗値に応じた電流値で積分回路１３１へ流れ、積分される。そして、積分回路１３１は、この積分した結果の出力信号を、電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１で生じた電荷量Ｑｉに対応する結果として出力する。ここで、強誘電体層１１４が自然分極状態になったか否かの判定（積分時間の終了の判定）は、例えば、焦電部１１から出力される電流が測定されることによって行われ、この焦電部１１から出力された電流の電流値が０となった場合に、強誘電体層１１４が自然分極状態になったと判定される。また例えば、前記判定は、第１および第２切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２が操作された後の経過時間が計時されることによって行われ、強誘電体層１１４が電圧印加分極状態から自然分極状態に達すると一般的に想定される、予め決められた時間が経過した場合に、強誘電体層１１４が自然分極状態になったと判定される。
【００６２】
このように動作することによって焦電型赤外線検出素子Ｄは、１回の赤外線の検出動作を終了する。ここで、赤外線の検出動作は、１回であってもよいが、ＳＮ比を向上させてより高精度に赤外線を検出する観点から、赤外線の検出動作は、複数回であることが好ましく、上述の動作が複数回繰り返される。
【００６３】
このように上述の構成の焦電型赤外線検出素子Ｄは、焦電部１１で受光される赤外線を検出することができ、その赤外線の強度に応じた出力信号を得ることができる。ここで、強誘電体層１１４の分極は、自然分極Ｐ２１から電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）（この例ではＰ（Ｅ１）＝Ｐ２２）への変化および前記電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）から自然分極Ｐ２１への変化であるので、分極の反転（再分極）は、行われない。したがって、本実施形態の焦電型赤外線検出素子Ｄは、再分極を行うことなく、素子の温度によって自然分極状態が異なるため、赤外線を検出することができ、その赤外線の強度に応じた出力信号を得ることができる。
【００６４】
また、赤外線は、上述したように電圧Ｖの無印加（Ｖ＝０）および印加（Ｖ＝Ｖｉ（Ｖｉ≠０））によって検出するので、本実施形態の焦電型赤外線検出素子Ｄは、従来のような光チョッパを必要としない。また、測定部１３の積分回路１３１は、赤外線の検出ごとにリセットされ、随時、その温度Ｔ２での焦電部１１の分極状態を測定するため、ノイズ等の誤差分が積算されることがなく、このため、本実施形態の焦電型赤外線検出素子Ｄは、より高精度に赤外線を検出することができる。
【００６５】
そして、上述の実施形態では、焦電型赤外線検出素子Ｄは、測定部１３に積分回路１３１を備えるので、電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１で生じた電荷量Ｑに関係する所定の物理量は、前記電荷量Ｑ自体とされ、焦電型赤外線検出素子Ｄは、この電荷量Ｑを積分回路１３１で焦電部１１から出力された電流を積分することによって直接的に測定することができる。
【００６６】
なお、上述の実施形態において、測定部１３は、電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１から出力された電流における単位時間当たりの変化率を測定する電流変化率測定部であってもよい。上述したように、強誘電体層１１４における電界−分極特性Ｐ（Ｅ）は、焦電部１１で受光される赤外線の強度が増大するほど、電圧印加分極Ｐ（Ｅｉ）は、小さくなり、図４に示すヒステリシスループは、縦軸方向に沿った横軸に向かう方向に圧縮される。この結果、前記面積Ｑｉは、小さくなるとともに、電界−分極特性の曲線Ｐ（Ｅ）における接線の傾きは、小さくなる。このため、焦電部１１で受光される赤外線の強度が増大するほど、電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１から出力された電流における単位時間当たりの変化率は、小さくなる。このように電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１で生じた電荷量Ｑｉが前記電流変化率として間接的に測定可能である。したがって、電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１から出力された電流における単位時間当たりの変化率を求めることって赤外線を検出することが可能であり、赤外線の強度を求めることが可能である。よって、このような構成の焦電型赤外線検出素子Ｄは、前記所定の物理量が電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１から出力された電流における単位時間当たりの変化率とされ、この変化率を電流変化率測定部で測定することができ、このため、赤外線を検出し、赤外線の強度を求めることができる。
【００６７】
また、上述の実施形態において、焦電型赤外線検出素子Ｄは、図１および図２に破線で示すように、測定部１３の出力に基づいて温度を求める温度演算部１８をさらに備えてもよく、そして、温度演算部１８で求めた温度を外部に出力する出力部１９をさらに備えてもよい。出力部１９は、例えば、数値を表示可能な液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等である。また例えば、出力部１９は、発光数によって温度を段階的に表示する複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えるインジケータであってもよい。このような構成の焦電型赤外線検出素子Ｄは、さらに温度演算部１８を備えるので、検出した赤外線に基づいて温度を求めることができる。
【００６８】
ここで、この温度演算部１８は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路を備えるマイクロコンピュータによって構成され、予め求められた測定部１３の出力と温度との対応関係を予め前記記憶素子に記憶することで前記対応関係を備え、前記対応関係を用いることによって前記マイクロプロセッサで前記測定部の出力から温度を求めてもよい。前記対応関係は、例えば、予め求められた測定部１３の出力と温度との対応関係を表す関数式であってもよく、また例えば、予め求められた測定部１３の出力と温度との対応関係を表す換算テーブルであってもよい。このような構成の焦電型赤外線検出素子Ｄは、予め作成され、予め備えられた前記対応関係を用いるので、簡易、迅速に測定部１３の出力から温度を求めることができる。
【００６９】
また例えば、焦電型赤外線検出素子Ｄは、図１および図２に破線で示すように、環境温度を測定する例えばサーミスタ等の環境温度測定部２０をさらに備え、温度演算部１８は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路を備えるマイクロコンピュータによって構成され、予め求められた測定部１３の出力と温度との対応関係を複数の環境温度に対応して複数予め前記記憶素子に記憶することで前記複数の環境温度ごとに前記複数の対応関係を備え、備え、環境温度測定部２０で測定された環境温度に応じた対応関係を用いることによって前記マイクロプロセッサで測定部１３の出力から温度を求めてもよい。このような構成の焦電型赤外線検出素子Ｄは、予め作成され、予め備えられた前記環境温度に応じた前記対応関係を用いるので、簡易、迅速に、そして、より正確に測定部１３の出力から温度を求めることができる。
【００７０】
次に、別の実施形態について説明する。
【００７１】
（第２実施形態）
第２実施形態は、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れを用いた焦電型赤外線撮像装置の実施形態である。このような焦電型赤外線撮像素子は、複数の焦電部と、前記複数の焦電部のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に所定の電圧値の電圧を印加するための電圧印加部と、前記複数の焦電部のそれぞれについて、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する測定部とを備えることによって構成され、そして、焦電型赤外線撮像装置は、これに、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を備えることで、さらには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備えることで構成される。以下、より具体的に説明する。
【００７２】
図５は、第２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６は、第２実施形態の焦電型赤外線撮像装置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６（Ａ）は、第１封止部材の内面側正面図であり、図６（Ｂ）は、焦電型赤外線撮像素子の縦断面図である。
【００７３】
図５において、第２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、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。
【００７４】
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。
【００７５】
焦電型赤外線撮像素子１は、赤外線で被写体を撮像する素子である。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。焦電型赤外線撮像素子１の詳細は、後述する。
【００７６】
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。
【００７７】
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）等で構成される。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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に制御される。
【００８１】
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等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等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。
【００８２】
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等の規格に準拠したインタフェースである。
【００８３】
次に、焦電型赤外線撮像素子１について説明する。図６において、この第２実施形態の焦電型赤外線撮像装置３０における焦電型赤外線撮像素子１は、例えば、複数の焦電部１１（１１−１、１１−２、１１−３、・・・）と、これら複数の焦電部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と、これら複数の焦電部１１のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に所定の電圧値の電圧を印加するための図略の電圧印加部と、これら複数の焦電部１１のそれぞれについて、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに焦電部１１で生じた電荷量Ｑに関係する所定の物理量を測定する図略の測定部とを備え、さらに、本実施形態では、これら複数の焦電部１１を封止する第１および第２封止部材１５、１６を備えている。
【００８４】
これら複数の焦電部１１のそれぞれ、図略の前記電圧印加部および前記測定部は、第１実施形態の焦電型赤外線検出素子Ｄにおける焦電部１１、電圧印加部１２および測定部１３とそれぞれ同様であるので、その説明を省略する。なお、電圧印加部１２は、複数の焦電部１１ごとに１個設けられてもよく（１対１対応で）、また数個の焦電部ごとに１個設けられてもよい（ｎ対１対応で、ｎ；２以上の整数）。また、好ましくは、電圧印加部１２によって複数の焦電部１１のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加し始める開始時点から、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに複数の焦電部１１のそれぞれで生じた電荷量に関係する所定の物理量の測定が終了する終了時点までの期間は、適切に動画を生成するべく、撮像画像のフレームレート以下である。
【００８５】
第１および第２封止部材１５、１６は、互いに協同して基板１４上に配設された複数の焦電部１１を封止する部材である。本実施形態では、例えば、第２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り、第１封止部材１５は、赤外線を透過可能な材料から形成された板状の部材である。第２封止部材１６における、収容凹部ＣＰの周壁における解放端部の端面に、一方主面を収容凹部ＣＰ側に向けて第１封止部材１５が接着固定される。これによって第１および第２封止部材１５、１６は、互いに協同して複数の焦電部１１を封止する。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１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。
【００８６】
より具体的には、第１封止部材１５は、板状の部材であり、例えばシリコン（Ｓｉ）等によって形成される。第２封止部材１６は、有底短高であって断面矩形形状であり、例えばセラミック等によって形成される。この第２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。この第２封止部材１６の外周は、第１封止部材１５の外周と略同じ大きさであり、この筒状の第２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前記一方主面を底側に向けて第１封止部材１５が接着固定される。これによって第１および第２封止部材１５、１６は、互いに協同して複数の焦電部１１を封止する。そして、第２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。
【００８７】
また、本実施形態では、第１および第２封止部材１５、１６は、互いに協同して複数の焦電部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、第１封止部材１５における、前記一方主面上には、複数の焦電部１１が配設された領域に対向する赤外線の透過領域ＲＡを除く部分に、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、矩形形状の透過領域ＲＡにおける両側端に、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が第１封止部材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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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１および焦電型赤外線撮像装置３０は、第１実施形態の焦電型赤外線検出素子Ｄのように、分極の反転（再分極）を行うことなく、赤外線を検出することができ、赤外線で被写体を撮像することができる。
【００９３】
また、従来のようにチョッパを用いることがないので、小型に構成可能で信頼性も向上する。
【００９４】
また、本実施形態の焦電型赤外線撮像素子１および焦電型赤外線撮像装置３０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。
【００９５】
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。
【００９６】
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】
【００９７】
Ｄ 焦電型赤外線検出素子
１ 焦電型赤外線撮像素子
１１ 焦電部
１２ 電圧印加部
１３ 測定部
１５、１６ 封止部材
１８ 温度換算部
１９ 出力部
２０ 環境温度測定部
２１ 撮像光学系
３０ 焦電型赤外線撮像装置
１１４ 強誘電体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の第１および第２電極部と前記一対の第１および第２電極部間に配置される強誘電体材料とを備える焦電部と、
前記一対の第１および第２電極部間に所定の電圧値の電圧を印加するための電圧印加部と、
前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する測定部とを備えること
を特徴とする焦電型赤外線検出素子。
【請求項２】
前記測定部は、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記焦電部から出力された電流を積分する積分部であること
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】
前記測定部は、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記焦電部から出力された電流における単位時間当たりの変化率を測定する電流変化率測定部であること
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】
前記測定部の出力に基づいて温度を求める温度演算部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】
前記温度演算部は、前記測定部の出力と温度との対応関係を備え、前記対応関係を用いることによって前記測定部の出力から温度を求めること
を特徴とする請求項４に記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項６】
環境温度を測定する環境温度測定部をさらに備え、
前記温度演算部は、前記測定部の出力と温度との対応関係を複数の環境温度に対応して複数備え、前記環境温度測定部で測定された環境温度に応じた対応関係を用いることによって前記測定部の出力から温度を求めること
を特徴とする請求項４に記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項７】
一対の第１および第２電極部と前記一対の第１および第２電極部間に配置される強誘電体材料とを備える複数の焦電部と、
前記複数の焦電部のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に所定の電圧値の電圧を印加するための電圧印加部と、
前記複数の焦電部のそれぞれについて、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する測定部とを備えること
を特徴とする焦電型赤外線撮像素子。
【請求項８】
前記電圧印加部によって前記複数の焦電部のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加し始める開始時点から、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記複数の焦電部のそれぞれで生じた電荷量に関係する所定の物理量の測定が終了する終了時点までの期間は、撮像画像のフレームレート以下であること
を特徴とする請求項７に記載の焦電型赤外線撮像素子。
【請求項９】
請求項７または請求項８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１０】
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９に記載の焦電型赤外線撮像装置。
【請求項１】
一対の第１および第２電極部と前記一対の第１および第２電極部間に配置される強誘電体材料とを備える焦電部と、
前記一対の第１および第２電極部間に所定の電圧値の電圧を印加するための電圧印加部と、
前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する測定部とを備えること
を特徴とする焦電型赤外線検出素子。
【請求項２】
前記測定部は、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記焦電部から出力された電流を積分する積分部であること
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】
前記測定部は、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記焦電部から出力された電流における単位時間当たりの変化率を測定する電流変化率測定部であること
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】
前記測定部の出力に基づいて温度を求める温度演算部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】
前記温度演算部は、前記測定部の出力と温度との対応関係を備え、前記対応関係を用いることによって前記測定部の出力から温度を求めること
を特徴とする請求項４に記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項６】
環境温度を測定する環境温度測定部をさらに備え、
前記温度演算部は、前記測定部の出力と温度との対応関係を複数の環境温度に対応して複数備え、前記環境温度測定部で測定された環境温度に応じた対応関係を用いることによって前記測定部の出力から温度を求めること
を特徴とする請求項４に記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項７】
一対の第１および第２電極部と前記一対の第１および第２電極部間に配置される強誘電体材料とを備える複数の焦電部と、
前記複数の焦電部のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に所定の電圧値の電圧を印加するための電圧印加部と、
前記複数の焦電部のそれぞれについて、前記電圧印加部によって前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加した電圧印加分極状態から自然分極状態までに前記焦電部で生じた電荷量に関係する所定の物理量を測定する測定部とを備えること
を特徴とする焦電型赤外線撮像素子。
【請求項８】
前記電圧印加部によって前記複数の焦電部のそれぞれにおける前記一対の第１および第２電極部間に前記所定の電圧値の電圧を印加し始める開始時点から、前記電圧印加分極状態から前記自然分極状態までに前記複数の焦電部のそれぞれで生じた電荷量に関係する所定の物理量の測定が終了する終了時点までの期間は、撮像画像のフレームレート以下であること
を特徴とする請求項７に記載の焦電型赤外線撮像素子。
【請求項９】
請求項７または請求項８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１０】
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９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７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−９２３８９（Ｐ２０１３−９２３８９Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３２８６５（Ｐ２０１１−２３２８６５）
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【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１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【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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