JPH0695048B2 - 赤外検出器 - Google Patents
赤外検出器Info
- Publication number
- JPH0695048B2 JPH0695048B2 JP62049324A JP4932487A JPH0695048B2 JP H0695048 B2 JPH0695048 B2 JP H0695048B2 JP 62049324 A JP62049324 A JP 62049324A JP 4932487 A JP4932487 A JP 4932487A JP H0695048 B2 JPH0695048 B2 JP H0695048B2
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- JP
- Japan
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- infrared
- lens
- condenser lens
- pyroelectric
- infrared detector
- Prior art date
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/34—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using capacitors, e.g. pyroelectric capacitors
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は宇宙産業における人工衛星の姿勢制御用に使用
される地球センサ用の赤外検出器に関するものである。
される地球センサ用の赤外検出器に関するものである。
従来の技術 地球センサ用赤外検出器としては、サーミスタ、サーモ
パイルあるいは焦電素子を用いたものが知られている。
これらのうちサーミスタを利用したものについては電子
技術総合研究所調査報告第177号第65〜66頁に示されて
いるように赤外検出感度向上のために、赤外集光レンズ
を赤外検出素子と一体化したものが実用化されている。
パイルあるいは焦電素子を用いたものが知られている。
これらのうちサーミスタを利用したものについては電子
技術総合研究所調査報告第177号第65〜66頁に示されて
いるように赤外検出感度向上のために、赤外集光レンズ
を赤外検出素子と一体化したものが実用化されている。
第３図（ａ）（ｂ）は焦電素子をレンズに一体化した例
である。図において、11は焦電素子を利用した赤外検出
素子、12は赤外線を透過させるGeなどで形成された集光
レンズ、13は焦電素子11の裏面に形成された信号取出し
電極としての裏面電極、16は赤外受光電極でアース電極
として使用される。14、15は各々信号取出しリード、ア
ースリードである。
である。図において、11は焦電素子を利用した赤外検出
素子、12は赤外線を透過させるGeなどで形成された集光
レンズ、13は焦電素子11の裏面に形成された信号取出し
電極としての裏面電極、16は赤外受光電極でアース電極
として使用される。14、15は各々信号取出しリード、ア
ースリードである。
このような構成において、集光レンズ12に入射した赤外
線は、集光レンズにて集光されて赤外検出素子12に入射
し、焦電効果によって信号取出し電極13より信号が取り
出される。
線は、集光レンズにて集光されて赤外検出素子12に入射
し、焦電効果によって信号取出し電極13より信号が取り
出される。
赤外検出素子11と集光レンズ12を一体化した効能は次の
通りである。すなわち第３図に示すように赤外検出素子
11を集光レンズ12に密着させることにより光学収差によ
る性能劣化を無視し得る程度に抑えた状態で光学系を明
るくすることができる。従って、赤外線の集光効率が向
上し、赤外検出感度の向上が可能になる。
通りである。すなわち第３図に示すように赤外検出素子
11を集光レンズ12に密着させることにより光学収差によ
る性能劣化を無視し得る程度に抑えた状態で光学系を明
るくすることができる。従って、赤外線の集光効率が向
上し、赤外検出感度の向上が可能になる。
発明が解決しようとする問題点 しかし、赤外検出素子11は集光レンズ12に密着している
ので、赤外検出器の重要な特性項目のひとつである熱時
定数が短かくなる。焦電素子の場合、集光レンズ一体形
でない場合熱時定数は数10mSであるが、一体形でレンズ
に密着させた場合0.1mSのオーダーになる。
ので、赤外検出器の重要な特性項目のひとつである熱時
定数が短かくなる。焦電素子の場合、集光レンズ一体形
でない場合熱時定数は数10mSであるが、一体形でレンズ
に密着させた場合0.1mSのオーダーになる。
一方、地球センサ設計の立場からは、地球端検出時の赤
外入力信号を効率よく検出するため、入力信号の主要周
波数帯60〜300Hzに対応した周波数特性が要求される。
焦電素子においては、熱時定数を短かくすれば、それに
比例して感度が低下するので、（１）式で与えられる12
0Hz相当の熱時定数以上に設定することが必要である。
外入力信号を効率よく検出するため、入力信号の主要周
波数帯60〜300Hzに対応した周波数特性が要求される。
焦電素子においては、熱時定数を短かくすれば、それに
比例して感度が低下するので、（１）式で与えられる12
0Hz相当の熱時定数以上に設定することが必要である。
設計の余裕も考慮するとGT2mSが地球センサ側の要求
条件になる。
条件になる。
以上のように集光効率を上げるために、レンズと一体化
した赤外検出器においては熱時定数が地球センサ設計で
要求する値より短かくなる。そして、感度が低下し、し
かも集光効率向上によって得られた入力信号の増大分よ
りもこの低減率の方がはるかに大きな影響を与え、総合
的には感度向上どころか低下してしまうという問題があ
る。
した赤外検出器においては熱時定数が地球センサ設計で
要求する値より短かくなる。そして、感度が低下し、し
かも集光効率向上によって得られた入力信号の増大分よ
りもこの低減率の方がはるかに大きな影響を与え、総合
的には感度向上どころか低下してしまうという問題があ
る。
本発明はこのような問題点を解決するもので、赤外検出
素子と集光レンズとを一体化し、かつ熱時定数の大きい
赤外検出器を得ることを目的とするものである。
素子と集光レンズとを一体化し、かつ熱時定数の大きい
赤外検出器を得ることを目的とするものである。
問題点を解決するための手段 上記問題を解決するために、本発明は集光レンズと赤外
検出素子間をその有効受光面において、検出すべき赤外
線の波長の1/4以下の間隔をあけ、熱時定数が地球セン
サ設計要求条件を満すようにしようとするものである。
検出素子間をその有効受光面において、検出すべき赤外
線の波長の1/4以下の間隔をあけ、熱時定数が地球セン
サ設計要求条件を満すようにしようとするものである。
作用 上記構成において、赤外検出素子と集光レンズ間に間隔
があるので、赤外検出素子から集光レンズへの熱拡散が
小さくなるので熱時定数は大きくなる。また、この間隔
がλ/4以下であるため光学収差はほとんど無視すること
ができる。
があるので、赤外検出素子から集光レンズへの熱拡散が
小さくなるので熱時定数は大きくなる。また、この間隔
がλ/4以下であるため光学収差はほとんど無視すること
ができる。
実施例 地球センサにおいては、炭酸ガスの放射帯である14〜16
μｍ帯あるいは水蒸気の放射帯である17〜35μｍ帯の赤
外線が観測の対象になる。このような長波長の赤外線を
検出する場合、光学収差が地球センサの性能に悪影響を
与えない条件を保ちながら集光レンズと赤外検出素子間
に間隔を設けて、熱時定数を地球センサの設計要求値ま
で長くすることが可能である。光学設計によるとその間
隔はλ/4以下であればよい。ここで、λは検出すべき赤
外線の最短波長である。従って、λ＝14μｍであれば、
集光レンズと赤外検出素子との間隔は3.5μｍまで広げ
られる。
μｍ帯あるいは水蒸気の放射帯である17〜35μｍ帯の赤
外線が観測の対象になる。このような長波長の赤外線を
検出する場合、光学収差が地球センサの性能に悪影響を
与えない条件を保ちながら集光レンズと赤外検出素子間
に間隔を設けて、熱時定数を地球センサの設計要求値ま
で長くすることが可能である。光学設計によるとその間
隔はλ/4以下であればよい。ここで、λは検出すべき赤
外線の最短波長である。従って、λ＝14μｍであれば、
集光レンズと赤外検出素子との間隔は3.5μｍまで広げ
られる。
熱時定数τＴは次式で与えられる。
ここで、Ｈは赤外検出素子有効感熱部の熱容量（J/
℃）,Gは赤外検出素子有効感熱部からヒートシンク部
（集光レンズはヒートシンクとして作用する。）までの
熱放散能（J/℃・Ｓ）である。
℃）,Gは赤外検出素子有効感熱部からヒートシンク部
（集光レンズはヒートシンクとして作用する。）までの
熱放散能（J/℃・Ｓ）である。
熱放散能Ｇは、熱輻射、対流、熱伝導の３種類の要因を
含むが熱伝導が主要因なので、これを抑えればＧが小さ
くなり、熱時定数τＴが長くなる。
含むが熱伝導が主要因なので、これを抑えればＧが小さ
くなり、熱時定数τＴが長くなる。
集光レンズと赤外検出素子間に数μｍの間隔があれば、
その間の熱放散は気体による対流と熱輻射によるものと
なり大巾に低減する。また、この間隔における気圧が減
圧されれば、対流も減少する。残る要因は、赤外検出素
子周辺から支持台を経由してヒートシンク体であるレン
ズに伝導で逃げる熱である。これは、赤外検出素子の構
造、レンズへの固定法に左右されるが、設計で制御し得
る要因であり、赤外検出器の設計に積極的に利用でき
る。
その間の熱放散は気体による対流と熱輻射によるものと
なり大巾に低減する。また、この間隔における気圧が減
圧されれば、対流も減少する。残る要因は、赤外検出素
子周辺から支持台を経由してヒートシンク体であるレン
ズに伝導で逃げる熱である。これは、赤外検出素子の構
造、レンズへの固定法に左右されるが、設計で制御し得
る要因であり、赤外検出器の設計に積極的に利用でき
る。
以下、本発明の実施例について図面とともに説明する。
第１図は本発明の一実施例におけるレンズ一体形焦電赤
外検出素子22の構造を示す図である。
外検出素子22の構造を示す図である。
赤外集光レンズ12はゲルマニウム製で、直径3mmφの片
凸レンズで、凸面の曲率半径2.5mm、厚さ2mmであり、両
面に波長14μｍの赤外光の1/4波長の光学的厚さの硫化
亜鉛膜が蒸着され、これが14〜16μｍ帯の赤外線に対し
て反射防止膜となっている。
凸レンズで、凸面の曲率半径2.5mm、厚さ2mmであり、両
面に波長14μｍの赤外光の1/4波長の光学的厚さの硫化
亜鉛膜が蒸着され、これが14〜16μｍ帯の赤外線に対し
て反射防止膜となっている。
上記の赤外集光レンズの光学設計条件は、これと組合せ
る主レンズ（対物レンズ）との組合せにおいて決定され
たもので本発明の本質に関係するものではない。
る主レンズ（対物レンズ）との組合せにおいて決定され
たもので本発明の本質に関係するものではない。
焦電素子11は、寸法1mm×1mm×10μｍ厚のチタン酸鉛セ
ラミックで、有効受光面すなわち有感部は、1mm×1mmの
中央部0.3mmφとする。この部分に赤外入射面すなわち
集光レンズ12に向う面にアース電極16としてニクロム電
極をシート抵抗が1cm巾、1cm間隔で300〜400Ωになるよ
うに蒸着する。このニクロム電極膜16は、0.2mm巾で一
方向にリード取り出しのため1mm×1mmの焦電素子の縁部
まで延ばして蒸着しておく。裏面も同様に信号取出し電
極13としてアルミ蒸着膜を１〜２μｍの厚さで蒸着す
る。
ラミックで、有効受光面すなわち有感部は、1mm×1mmの
中央部0.3mmφとする。この部分に赤外入射面すなわち
集光レンズ12に向う面にアース電極16としてニクロム電
極をシート抵抗が1cm巾、1cm間隔で300〜400Ωになるよ
うに蒸着する。このニクロム電極膜16は、0.2mm巾で一
方向にリード取り出しのため1mm×1mmの焦電素子の縁部
まで延ばして蒸着しておく。裏面も同様に信号取出し電
極13としてアルミ蒸着膜を１〜２μｍの厚さで蒸着す
る。
一方集光レンズ12の平面部に素子支持枠17として厚さ２
μｍのアルミ膜を蒸着しておく。蒸着部分は、集光レン
ズ中央0.6mm□を除いて、約1mm×1mmとし、更に赤外受
光面電極16を引き出すために第１図（ｂ）に示すように
0.3mmだけリード取付部を追加しておく。尚、集光レン
ズ12と焦電素子11間の空間が密閉状態にならないよう、
少くとも２ケ所以上アルミ蒸着素子支持枠17に蒸着なし
の部分を設けておく。
μｍのアルミ膜を蒸着しておく。蒸着部分は、集光レン
ズ中央0.6mm□を除いて、約1mm×1mmとし、更に赤外受
光面電極16を引き出すために第１図（ｂ）に示すように
0.3mmだけリード取付部を追加しておく。尚、集光レン
ズ12と焦電素子11間の空間が密閉状態にならないよう、
少くとも２ケ所以上アルミ蒸着素子支持枠17に蒸着なし
の部分を設けておく。
この素子支持枠17上に前記焦電素子11を接着剤にて接着
する。赤外入射面電極引出し側（第１図の焦電素子11の
左側）は導電性接着剤で接着し電気的導通をとりアース
電極とした。一方第１図の焦電素子11の右側は、絶縁性
接着剤で接着する。しかる後、微細金線（30μ中）を各
々のリード取付部に超音波ボンダーにて接続し、信号取
出リード14、アースリード16を取り付ける。
する。赤外入射面電極引出し側（第１図の焦電素子11の
左側）は導電性接着剤で接着し電気的導通をとりアース
電極とした。一方第１図の焦電素子11の右側は、絶縁性
接着剤で接着する。しかる後、微細金線（30μ中）を各
々のリード取付部に超音波ボンダーにて接続し、信号取
出リード14、アースリード16を取り付ける。
以上で、集光レンズ付焦電赤外検出素子が作成できた。
これを用いて第２図に示すような構造の地球センサ用赤
外検出器を作製した。第２図は、２素子形赤外検出器の
一例を示すもので、14〜16μｍ又は17〜35μｍの赤外線
のみを透過する赤外干渉フィルタを窓板18に用いてい
る。マウントベース20に集光レンズ付の赤外検出素子22
が組入まれ、キャップ19にて真空封止されている。信号
及び電源については、ピン端子21を用いて、信号が取出
されあるいは電源が印加される。ピン端子21はアースピ
ン、ケースピンを含め４ピンとした。
これを用いて第２図に示すような構造の地球センサ用赤
外検出器を作製した。第２図は、２素子形赤外検出器の
一例を示すもので、14〜16μｍ又は17〜35μｍの赤外線
のみを透過する赤外干渉フィルタを窓板18に用いてい
る。マウントベース20に集光レンズ付の赤外検出素子22
が組入まれ、キャップ19にて真空封止されている。信号
及び電源については、ピン端子21を用いて、信号が取出
されあるいは電源が印加される。ピン端子21はアースピ
ン、ケースピンを含め４ピンとした。
この赤外検出器の熱時定数は3mSであり、十分地球セン
サの設計要求条件を満している。
サの設計要求条件を満している。
第２の実施例として、素子支持枠17をアルミ蒸着膜のか
わりにレンズの反射防止膜材料である硫化亜鉛とした。
厚さは２μｍで、寸法は同じであるが、赤外入射面電極
取出し側に0.2mm巾のアルミ蒸着膜を硫化亜鉛枠上に蒸
着し、そこからアースリードをとった。この実施例で
は、真空封止せず、乾燥窒素ガス封止とした。
わりにレンズの反射防止膜材料である硫化亜鉛とした。
厚さは２μｍで、寸法は同じであるが、赤外入射面電極
取出し側に0.2mm巾のアルミ蒸着膜を硫化亜鉛枠上に蒸
着し、そこからアースリードをとった。この実施例で
は、真空封止せず、乾燥窒素ガス封止とした。
熱時定数は2mSで地球センサの要求値を満たした。
発明の効果 以上のように、本発明は焦電形赤外検出素子を赤外集光
レンズに対して検出される赤外線の波長の1/4以下の間
隔をもたせて固定し、これを赤外透過窓を有する容器内
に収納した地球センサ用の赤外検出器で、熱時定数2mS
以上にし、集光効率向上による感度改善を維持し、集光
レンズと一体化しない素子に比較して、約2.5倍の電圧
感度向上を達成することができた。なお、本実施例にお
いては、雑音が1.6倍強増大したが、感度向上がそれを
上まわりS/Nは1.5倍改善される。また素子厚を薄くすれ
ば雑音は低減され、例えば素子の厚さを1/3にすること
で、雑音は に低減できるのでS/Nとして2.5倍の改善が達成できる。
レンズに対して検出される赤外線の波長の1/4以下の間
隔をもたせて固定し、これを赤外透過窓を有する容器内
に収納した地球センサ用の赤外検出器で、熱時定数2mS
以上にし、集光効率向上による感度改善を維持し、集光
レンズと一体化しない素子に比較して、約2.5倍の電圧
感度向上を達成することができた。なお、本実施例にお
いては、雑音が1.6倍強増大したが、感度向上がそれを
上まわりS/Nは1.5倍改善される。また素子厚を薄くすれ
ば雑音は低減され、例えば素子の厚さを1/3にすること
で、雑音は に低減できるのでS/Nとして2.5倍の改善が達成できる。
第１図（ａ）、（ｂ）は各々本発明による赤外検出器の
要部であるレンズ一体形焦電赤外検出素子の実施例にお
ける側面図および平面図、第２図は本発明による地球セ
ンサ用赤外検出器の実施例における構成を示す断面側面
図、第３図（ａ）、（ｂ）は各々従来のレンズ一体形焦
電赤外検出素子の側面図および平面図である。 11……焦電素子、12……集光レンズ、13……信号取出し
電極、14……信号取出しリード、15……アースリード、
16……アース電極、17……素子支持枠、18……窓板、19
……キャップ、20……マウントベース
要部であるレンズ一体形焦電赤外検出素子の実施例にお
ける側面図および平面図、第２図は本発明による地球セ
ンサ用赤外検出器の実施例における構成を示す断面側面
図、第３図（ａ）、（ｂ）は各々従来のレンズ一体形焦
電赤外検出素子の側面図および平面図である。 11……焦電素子、12……集光レンズ、13……信号取出し
電極、14……信号取出しリード、15……アースリード、
16……アース電極、17……素子支持枠、18……窓板、19
……キャップ、20……マウントベース
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 邦雄 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１ 号 松下技研株式会社内 (72)発明者 山香 英三 神奈川県横浜市緑区藤が丘２丁目28番地２
Claims (3)
- 【請求項１】焦電形赤外検出素子が赤外集光レンズに対
して検出される赤外線の最短波長の1/4以下の間隔で固
定され赤外フィルタ窓を具備した容器に収納されたこと
を特徴とする赤外検出器。 - 【請求項２】容器内部を減圧封止した特許請求の範囲第
１項記載の赤外検出器。 - 【請求項３】赤外フィルタ窓が14〜16μｍ帯又は17〜35
μｍ帯の赤外光を選択的に透過する赤外干渉フィルタで
構成された特許請求の範囲第１項記載の赤外検出器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62049324A JPH0695048B2 (ja) | 1987-03-04 | 1987-03-04 | 赤外検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62049324A JPH0695048B2 (ja) | 1987-03-04 | 1987-03-04 | 赤外検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63215922A JPS63215922A (ja) | 1988-09-08 |
| JPH0695048B2 true JPH0695048B2 (ja) | 1994-11-24 |
Family
ID=12827799
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62049324A Expired - Lifetime JPH0695048B2 (ja) | 1987-03-04 | 1987-03-04 | 赤外検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0695048B2 (ja) |
-
1987
- 1987-03-04 JP JP62049324A patent/JPH0695048B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63215922A (ja) | 1988-09-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
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| R250 | Receipt of annual fees |
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