JPH11166859A

JPH11166859A - 光読み出し型放射−変位変換装置及びこれを用いた映像化装置

Info

Publication number: JPH11166859A
Application number: JP9352389A
Authority: JP
Inventors: Katsushi Nakano; 勝志中野; Toru Ishizuya; 徹石津谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 1999-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】冷却器を用いることなく、放射の検出精度及
び感度の向上を図る。【解決手段】被支持部３は、脚部２を介して基体１に
支持される。基体１は、薄膜部材４と、これを補強する
補強部材６とからなる。被支持部３は、バイモルフを構
成する膜８，９からなる。膜８，９は、赤外線ｉを受け
て熱に変換し、この熱に応じて変位する。読み出し光反
射部として機能する膜９の先端側領域とこれに対向する
ハーフミラー部１１は、窓５を介して読み出し光ｊを受
光して、膜８，９の変位に応じた干渉強度を有する干渉
光に変えて入射時の反対方向に出射させる。補強部材６
には、不要な読み出し光ｊを偏向して反射させる傾斜し
た反射面６ａが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線、Ｘ線、紫
外線などの不可視光を含む種々の放射を検出等する技術
に関するものであり、特に、放射を光読み出し可能な変
位に変換する光読み出し型放射−変位変換装置及びこれ
を用いた映像化装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、赤外線、Ｘ線、紫外線などの不可
視光を検出することにより、可視光領域だけから得られ
る情報以外の物理情報を利用する研究が盛んに行われ、
様々な産業分野への応用展開が期待されている。その一
例として、赤外線の利用について述べる。

【０００３】赤外線は、地球上に存在する温度を持つ全
ての物体から放射されるエネルギーであり、例えば３０
０Ｋ付近の物体からは８〜１２μｍをピークとする赤外
線が放射される。この赤外線を利用すれば、真っ暗闇で
も物体の存在、形状さらには物体の持つ温度も検出する
ことができる。ゆえに、この赤外線を利用すれば、例え
ば照明のほとんどない夜間でも、あたかも昼間の景色を
見るように車を走行させることが可能となり、また、照
明なしに夜間の建造物への不法侵入者などを容易に発見
できるわけである。

【０００４】このようなメリットがあるため、不可視光
である赤外線の検出に関しては、１８００年頃にハーシ
ェルが赤外線を発見して以来、様々なアプローチがなさ
れてきた。そして、今日では、赤外線検出器として、大
きく分けて量子型赤外線検出器及び熱型赤外線検出器の
２種類の検出器が利用されるに至っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、今日のオプ
トメカトロニクス技術の進歩をもってしても、赤外線検
出は技術的に容易でない面があるために、一般社会に広
く利用されるまでには至っていない。その理由を量子型
赤外線検出器と熱型赤外線検出器とに分けて以下説明す
る。

【０００６】量子型赤外線検出器は、赤外線の持つフォ
トンエネルギー（Ｅ：ｈν）を電子エネルギーに変換し
て検出する検出器である。一般社会で最も利用価値の高
い赤外線の波長は、３〜１２μｍであり、この赤外線の
フォトンエネルギーは０．１〜０．４ｅＶ程度である
が、この値は常温物体における電子の持つ熱エネルギー
に概ね等しいのである。よって、入射赤外線のフォント
エネルギーのみを電子エネルギーに変換するためには、
電子の持つ熱エネルギーによる影響を取り除かなければ
ならない。すなわち、量子型赤外線検出器では、当該検
出器を冷却し、熱エネルギーを除去することが不可欠な
のである。

【０００７】通常、この熱エネルギーを低レベルに抑え
るためには検出器を−２００゜Ｃ（７７Ｋ）程度に冷却
する必要があるが、このための冷却器は、体積が大き
く、機械振動を発生し寿命も短く、高価なものとなり、
したがって、量子型赤外線検出器を用いた赤外線カメラ
は小型化、低価格化することができず、一般社会で広く
利用されないのである。

【０００８】それに対し、従来の熱型赤外線検出器は、
入射赤外線の持つエネルギーを熱エネルギーに変換し、
検出器の温度に変化を生じさせ、それによる検出器の物
性値の変化を電気的に読み出すものである。例えば、抵
抗性ボロメーターでは温度が変わると抵抗値が変化す
る。

【０００９】この従来の熱型赤外線検出器は、量子型赤
外線検出器のような大がかりな冷却器は必要ないが、検
出原理そのものに課題を持っている。それは、従来の熱
型赤外線検出器では、入射赤外線のみによる検出器の温
度変化を検出しなければならないにもかかわらず、温度
変化を検出するために検出器に電流を流さねばならない
点である。

【００１０】すなわち、温度変化検出のための電流によ
り検出器が発熱（通常、自己発熱と呼ぶ。）してしまう
ので、入射赤外線のみによる温度変化を検出することが
困難であり、検出精度が低下していた。

【００１１】また、入射赤外線を熱エネルギーに変換す
る変換部分は、できるだけ入射赤外線により発生した熱
エネルギーのみに依存する温度変化を検出するように、
基板から浮いた状態に支持されているが、この基板から
浮いた変換部分に抵抗ボロメーター等を作り込まなけれ
ばならないため、前記変換部分と基板とは導電材料にて
電気的に接続する必要がある。しかし、導電材料は熱伝
導率が極めて高いことから、従来の熱型赤外線検出器で
は、前記変換部分の基板に対する熱的な絶縁の程度を高
めることができず、この点からも検出精度が低下すると
ともに感度も低下していた。

【００１２】さらに、前記従来の熱型赤外線検出器で
は、感度が低い欠点があった。従来の熱型赤外線検出器
では、例えば、抵抗の温度が１゜Ｃ変化したときの抵抗
の変化率が２％程度の物が使われているが、観測物体の
温度によって放射される赤外線を受光して温度に変換す
る変換率はせいぜい１％程度である。よって、観測物体
の温度が１゜Ｃ変化しても抵抗は０．０２％しか変化し
ない。

【００１３】さらにまた、従来の熱型赤外線検出器で
は、得られる電気信号が極めて微弱であるため、電気信
号読み出し回路は極めて高レベルのローノイズ化が要求
され、回路規模が大がかりなものとなっていた。

【００１４】なお、以上述べたような事情は赤外線のみ
ならず、他の放射についても同様である。

【００１５】本発明は、前述したような事情に鑑みてな
されたもので、冷却器を必要とせずに検出精度及び感度
の高い放射検出装置として用いることができる光読み出
し型放射−変位変換装置、及びこれを用いた映像化装置
を提供することを目的とするものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様による光読み出し型放射−変位
変換装置は、基体と、前記基体に支持された被支持部で
あって、放射を受けて熱に変換する放射吸収部と、該放
射吸収部にて発生した熱に応じて前記基体に対して変位
する変位部と、を有する被支持部と、読み出し光を受光
し、受光した読み出し光を前記変位部の変位に応じた干
渉状態を有する干渉光に変えて前記読み出し光の入射方
向と反対方向に出射させる干渉手段と、照射される読み
出し光のうちの前記干渉手段に受光されて前記干渉光に
変換される読み出し光以外の光の大部分を、前記干渉光
が前記干渉手段から出射される方向に対して傾いた方向
に偏向させて反射させる偏向反射手段と、を備えたもの
である。

【００１７】この第１の態様によれば、赤外線、Ｘ線、
紫外線等の放射が被支持部の放射吸収部に照射され、当
該放射が放射吸収部により吸収されて熱に変換される。
放射吸収部にて発生した熱に応じて被支持部の変位部が
基体に対して変位する。すなわち、入射した放射が、そ
の量に応じた変位部の変位に変換される。一方、可視光
やその他の光による読み出し光が干渉手段に照射され
る。干渉手段は、受光した読み出し光を前記変位部の変
位に応じた干渉状態を有する干渉光に変えて読み出し光
の入射方向と反対方向に出射させるので、結局、放射吸
収部に照射された放射が、干渉光の強度変化に変換され
ることになる。したがって、干渉手段から出射された干
渉光に基づいて放射を検出することができる。このと
き、干渉光による変位検出は高感度で行うことができる
ことから、前記第１の態様によれば、放射を高感度で検
出することが可能となる。また、前記第１の態様では、
前述した従来の熱型赤外線検出器と異なり、放射を熱を
経て抵抗値（電気信号）に変換するのではなく、放射を
熱及び変位を経て読み出し光による干渉光の強度変化に
変換するので、基体により支持された被支持部には電流
を流す必要がなく、被支持部には自己発熱が生じない。
したがって、前記第１の態様によれば、入射した放射の
みによる熱を検出することになるので、検出精度が向上
する。勿論、前記第１の態様では、前述した従来の熱型
赤外線検出器と同様に、量子型赤外線検出器において必
要であった冷却器は不要である。また、前記第１の態様
では、放射を電気信号として読み出すものではないの
で、前述した従来の熱型赤外線検出器において必要であ
った微弱電気信号用の読み出し回路が不要となる。

【００１８】ところで、照射される読み出し光のうちの
前記干渉手段により読み出し光の入射方向と反対方向に
出射される干渉光が信号光であるが、読み出し光のうち
の当該信号光以外の光（すなわち、ノイズ光）が当該信
号光と同一方向に反射して当該信号光に混じると、いわ
ゆるＳ／Ｎが低下してしまう。この点、前記第１の態様
によれば、照射される読み出し光のうちの干渉手段に受
光されて前記干渉光に変換される読み出し光以外の光の
大部分は、偏向反射手段によって、前記干渉光が前記干
渉手段から出射される方向に対して傾いた方向に偏向さ
れて反射されるので、信号光にノイズ光が混じらず、Ｓ
／Ｎが向上する。他の方法としては、照射される読み出
し光のうちの干渉手段により読み出し光の入射方向と反
対方向に出射される干渉光以外の光の反射を防止する反
射防止膜を設けることが考えられ、この場合であって
も、信号光にノイズ光が混じらずにＳ／Ｎは向上する。
しかし、この場合には、当該ノイズ光が反射防止膜に吸
収されて熱が発生し、この熱が変位部に伝達されてしま
うことから、この熱によって変位部が変位してしまう。
したがって、この場合には、読み出し光のうちのノイズ
光が反射防止膜に吸収され変位部に伝達された熱によっ
ても変位部が変位してしまい、放射の検出精度が低下し
てしまう。この点、前記第１の態様によれば、読み出し
光のうちのノイズ光は偏向反射手段により反射されるの
で、当該ノイズ光が吸収されて熱を発生するようなこと
がない。このため、前記第１の態様によれば、入射した
放射のみによる熱を検出することになるので、検出精度
が向上する。このように、前記第１の態様によれば、Ｓ
／Ｎの向上と検出精度の向上とを同時に達成することが
できる。

【００１９】なお、前記干渉手段は、前記被支持部の一
部をなすとともに前記変位部の変位に従って変位する反
射部と、該反射部と対向するように前記基体に対して固
定されたハーフミラー部であって、受光した読み出し光
の一部のみを反射するハーフミラー部と、を有していて
もよい。この場合、前記反射部が前記変位部の一部をな
すように構成しておいてもよく、その場合には、反射部
と変位部とが独立している場合に比べて、構造が簡単で
製造工程が少なくなり、安価になる。

【００２０】本発明の第２の態様による光読み出し型放
射−変位変換装置は、前記第１の態様による光読み出し
型放射−変位変換装置において、前記基体は、前記干渉
手段が前記読み出し光を受光し前記干渉光を出射させる
窓を有し、前記偏向反射手段は、前記基体において前記
窓を除く所定領域において形成され前記読み出し光の入
射方向に対して傾斜した反射面を有するものである。

【００２１】この第２の態様は、偏向反射手段の具体例
として、傾斜した反射面を採用した例である。

【００２２】本発明の第３の態様による光読み出し型放
射−変位変換装置は、前記第２の態様による光読み出し
型放射−変位変換装置において、前記反射面は、前記窓
を底として前記読み出し光の入射側に拡がる断面台形状
の空間を形成するように、前記窓の周囲又は両側の領域
に形成されたものである。

【００２３】この第３の態様は、前記第２の態様におけ
る反射面の具体的な構造例である。

【００２４】本発明の第４の態様による光読み出し型放
射−変位変換装置は、前記第２又は第３の態様による光
読み出し型放射−変位変換装置において、前記基体は、
前記読み出し光に対して透光性を有する薄膜部材と、該
薄膜部材における前記窓に対応する領域以外の所定領域
を裏打ちする補強部材とを有し、前記反射面は、前記補
強部材に形成されたものである。

【００２５】この第４の態様は、前記第３の態様におけ
る反射面の更に具体的な構造例であるが、薄膜部材を裏
打ちして補強する補強部材に当該反射面が形成されてい
るので、当該補強部材は、単なる補強のための部材とし
て機能するのみならず反射面を形成するための部材とし
て機能することとなり、いわば複合的な機能を果たすよ
うになり、構造が簡単になる。

【００２６】本発明の第５の態様による光読み出し型放
射−変位変換装置は、前記第１の態様による光読み出し
型放射−変位変換装置において、前記偏向反射手段は、
前記基体に形成され又は前記基体に設けられた反射型回
折格子を有するものである。

【００２７】本発明の第６の態様による光読み出し型放
射−変位変換装置は、前記第１の態様による光読み出し
型放射−変位変換装置において、前記偏向反射手段は、
前記基体に形成され又は前記基体に設けられたマイクロ
プリズムアレイを有するものである。

【００２８】前記第５及び第６の態様は、偏向反射手段
の反射面以外の例として反射型回折格子及びマイクロプ
リズムアレイをそれぞれ挙げたものであるが、前記第１
の態様では、偏向反射手段はこれらの例に限定されるも
のではない。

【００２９】本発明の第７の態様による光読み出し型放
射−変位変換装置は、基体と、前記基体に支持された被
支持部であって、放射を受けて熱に変換する放射吸収部
と、該放射吸収部にて発生した熱に応じて前記基体に対
して変位する変位部と、を有する被支持部と、読み出し
光を受光し、受光した読み出し光を前記変位部の変位に
応じた干渉状態を有する干渉光に変えて出射させる干渉
手段と、を備え、前記干渉手段は、前記被支持部の一部
をなすとともに前記変位部の変位に従って変位する反射
部と、該反射部と対向するように前記基体に対して固定
されたハーフミラー部であって、受光した読み出し光の
一部のみを反射するハーフミラー部と、を有し、前記放
射吸収部の発生する熱が増すに従って、前記干渉光の強
度が低下するように、前記反射部と前記ハーフミラー部
との間の距離を設定したものである。

【００３０】この第７の態様によれば、赤外線、Ｘ線、
紫外線等の放射が被支持部の放射吸収部に照射され、当
該放射が放射吸収部により吸収されて熱に変換される。
そして、放射吸収部にて発生した熱に応じて被支持部の
変位部が基体に対して変位する。すなわち、入射した放
射が、その量に応じた変位部の変位に変換される。一
方、可視光やその他の光による読み出し光が干渉手段に
照射される。干渉手段は、受光した読み出し光を前記変
位部の変位に応じた干渉状態を有する干渉光に変えて出
射させるので、結局、放射吸収部に照射された放射が、
干渉光の強度変化に変換されることになる。したがっ
て、干渉手段から出射された干渉光に基づいて放射を検
出することができる。この時、干渉光による変位検出は
高感度で行うことができることから、前記第７の態様に
よれば、放射を高感度で検出することが可能となる。ま
た、前記第７の態様では、前述した従来の熱型赤外線検
出器と異なり、放射を熱を経て抵抗値（電気信号）に変
換するのではなく、放射を熱及び変位を経て干渉光の強
度変化に変換するので、基体により支持された被支持部
には電流を流す必要がなく、被支持部には自己発熱が生
じない。したがって、前記第７の態様によれば、入射し
た放射のみによる熱を検出することになるので、検出精
度が向上する。勿論、前記第７の態様では、前述した従
来の熱型赤外線検出器と同様に、量子型赤外線検出器に
おいて必要であった冷却器は不要である。また、前記第
７の態様では、放射を電気信号として読み出すものでは
ないので、前述した従来の熱型赤外線検出器において必
要であった微弱電気信号用の読み出し回路が不要とな
る。

【００３１】以上のように、前記第７の態様によって
も、基本的には前記第１の態様と同様の利点が得られ
る。

【００３２】そして、前記第７の態様では、前記干渉手
段は、前記被支持部の一部をなすとともに前記変位部の
変位に従って変位する反射部と、該反射部と対向するよ
うに前記基体に対して固定されたハーフミラー部であっ
て、受光した読み出し光の一部のみを反射するハーフミ
ラー部と、を有し、前記放射吸収部の発生する熱が増す
に従って、前記干渉光の強度が低下するように、前記反
射部と前記ハーフミラー部との間の距離が設定されてい
る。前記第７の態様では、反射部とハーフミラー部との
間の距離がこのように設定されているので、放射の入射
量が同一であっても変位部の変位量が大きくなり、放射
の検出感度が一層向上する。すなわち、干渉光の強度が
低下すると、その低下分だけ干渉手段に入射した読み出
し光が当該干渉手段（ハーフミラー部より反射部の方が
吸収量すなわち発熱量が大きい）により吸収されて熱に
変換されることとなる。したがって、前記第７の態様で
は、干渉手段を構成する反射部とハーフミラー部との間
の距離が前述したように設定されているので、放射吸収
部が受ける放射の量が増大してこれにより放射吸収部が
発生する熱が増大し、変位部に伝達される熱が増大する
と、それに応じて、変位部が変位することにより干渉光
の強度が低下し、読み出し光が反射部で吸収される量が
増え、反射部で発生する熱が増大し、変位部に伝達され
る熱が一段と増大し、変位部が更に変位することとな
る。このように、前記第７の態様では、読み出し光の干
渉手段（特に反射部）での吸収による発熱が巧みに利用
されて、変位部の変位量が増大されることとなり、その
結果、放射の検出感度が一層向上する。

【００３３】なお、前記第７の態様においては、前記干
渉手段は、受光した読み出し光を前記変位部の変位に応
じた干渉状態を有する干渉光に変えて前記読み出し光の
入射方向と反対方向に出射させてもよいし、受光した読
み出し光を前記変位部の変位に応じた干渉状態を有する
干渉光に変えて前記読み出し光の入射方向と同方向に出
射させてもよい。

【００３４】また、前記第７の態様において、前記反射
部が前記変位部の一部をなすように構成しておいてもよ
く、その場合には、反射部と変位部とが独立している場
合に比べて、構造が簡単で製造工程が少なくなり、安価
になる。

【００３５】本発明の第８の態様による光読み出し型放
射−変位変換装置は、前記第７の態様による光読み出し
型放射−変位変換装置において、前記ハーフミラー部の
反射率は略１／３であるものである。

【００３６】この第８の態様のように、ハーフミラー部
の反射率を略１／３とすると、いわゆるオプティカルキ
ャビティの原理に従い、読み出し光の干渉手段での吸収
量が大きくなる。このため、放射の検出感度を向上させ
る上で、一層好ましい。

【００３７】本発明の第９の態様による光読み出し型放
射−変位変換装置は、前記第１乃至第８のいずれかの態
様による光読み出し型放射−変位変換装置において、前
記変位部が、異なる膨張係数を有する異なる物質の互い
に重なった少なくとも２つの層を有するものである。こ
の第９の態様は、変位部の例示であり、いわゆる熱バイ
モルフ構造を採用したものである。

【００３８】前記２つの層は、異なる膨張係数を有する
異なる物質で構成すればよいが、例えば、金属膜と他の
金属膜との組み合わせでもよいし、金属膜（Ｚｎ，Ｃ
ｄ，Ｐｂ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｗ，Ｐｔなど）と絶縁膜
（ＳｉＯ₂，ＳｉＮ，ポリイミドなど）との組み合わせ
でもよいし、絶縁膜と他の絶縁膜との組み合わせでもよ
いし、前記金属膜の代わりに半導体膜（ポリシリコン、
ａ−Ｓｉ，ＩｎＳｂ，ＨｇＣｄＴｅなど）を用いてもよ
い。

【００３９】なお、前記第１乃至第９の態様による光読
み出し型放射−変位変換装置は、放射を読み出し光を用
いて干渉光の変化に変換するものであり、その用途は、
必ずしも入射する放射を検出する用途に限定されるもの
ではない。前記第１乃至第９の態様では、用途に応じ
て、入射する放射の種類や読み出し光の種類等は適宜選
択することができる。

【００４０】また、前記第１乃至第９の態様において、
前記被支持部を前記基体に対して電気的に絶縁しておく
ことが好ましい。前記第１乃至第９の態様では、前述し
た原理によるので、前述した従来の熱型赤外線検出器と
異なり、被支持部と基体との間を導電材料で電気的に接
続する必要はない。そこで、そのような電気的な接続を
行うことなく被支持部を基体に対して電気的に絶縁して
おけば、被支持部の基体に対する熱的な絶縁の程度を高
めることができ、これにより、放射の変換の精度や効率
を向上させることができ、放射の検出精度や検出感度を
向上させることができるので、好ましい。もっとも、前
記第１乃至第９の態様では、必要に応じて被支持部と基
体とを電気的に接続しておいてもよい。

【００４１】さらに、前記第１乃至第９の態様におい
て、前記変位部は、例えば、カンチレバーを構成しても
よいし、ダイヤフラムを構成してもよい。このようなカ
ンチレバーやダイヤフラムの構造を採用すると、熱を効
率良く変位に変換することができ、好ましい。

【００４２】さらにまた、前記第１乃至第９の態様にお
いて、前記放射吸収部が前記変位部の少なくとも一部を
なしてもよい。このように、放射吸収部が前記変位部の
少なくとも一部をなす場合には、放射吸収部と変位部と
が独立している場合に比べて、構造が簡単で製造工程が
少なくなり、安価になる。

【００４３】また、前記第１乃至第９の態様において、
ｎを奇数、前記放射の中心波長をλ₀として、前記放射
吸収部から実質的にｎλ₀／４の間隔をあけて配置され
た前記放射を反射する放射反射部を備えていてもよい。
この場合、いわゆるオプチカルキャビティの原理によ
り、放射吸収部の放射吸収率が高まり、放射から熱への
変換効率を高めることができ、ひいては、放射の読み出
し光の変化への変換効率を高めることができ、感度が更
に高まる。

【００４４】本発明の第１０の態様による光読み出し型
放射−変位変換装置は、前記第１乃至第９のいずれかの
態様による光読み出し型放射−変位変換装置において、
前記被支持部及び前記干渉手段を１個の素子として当該
素子を複数個有し、当該素子が１次元状又は２次元状に
配列されたものである。

【００４５】前記第１乃至第９の態様では、単に放射を
検出する場合には１個の素子（画素に相当）のみを有し
ていればよい。しかし、前記第１０の態様のように、１
次元状又は２次元状に配列された複数の素子を有してい
れば、放射による１次元又は２次元の光学像を形成した
り、放射による１次元又は２次元の像を撮像したりする
ことができる。

【００４６】本発明の第１１の態様による映像化装置
は、前記第１０の態様による光読み出し型放射−変位変
換装置と、前記各素子の前記干渉手段にそれぞれ前記読
み出し光を照射し、前記各素子の前記干渉手段から出射
された前記干渉光に基づいて前記各素子の前記変位部の
変位に応じた光学像を形成する読み出し光学系と、を備
えたものである。

【００４７】この第１１の態様によれば、前記第１０の
態様による光読み出し型放射−変位変換装置を用いて、
読み出し光学系により各素子の変位部の変位に応じた光
学像を形成している。したがって、放射の像を精度良く
当該光学像として形成することができるとともに、感度
が高まる。のみならず、前記第１１の態様によれば、読
み出し光に基づいて各素子の変位部の変位に応じた光学
像を形成しているので、読み出し光として可視光を用い
れば、放射の像に相当する当該光学像を肉眼により観察
することができる。従来の赤外線撮像装置を用いた場合
には、電気信号あるいは画像データに変換した後にそれ
に基づいて表示装置に像を表示しなければ赤外線の像を
観察することが不可能であったのに対し、前記第１１の
態様では、読み出し光として可視光を用いれば、電気信
号あるいは画像データを介在させることなく、肉眼で放
射の像を観察することができるのである。

【００４８】本発明の第１２の態様による映像化装置
は、前記第１１の態様による映像化装置において、前記
光学像を撮像する撮像手段を備えたものである。このよ
うに、読み出し光学系により形成された光学像を撮像す
る撮像手段を備えていると、従来の赤外線撮像装置と同
様に、放射による像を撮像することができる。

【００４９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による光読み出し型
放射−変位変換装置及びこれを用いた映像化装置につい
て、図面を参照して説明する。以下の説明では、放射を
赤外線とし読み出し光を可視光（単色光でも複数種類の
単色の混合光でも白色光でもよい）とした例について説
明するが、本発明では、放射を赤外線以外のＸ線や紫外
線やその他の種々の放射としてもよいし、また、読み出
し光を可視光以外の他の光としてもよい。

【００５０】（第１の実施の形態）まず、本発明の第１
の実施の形態による光読み出し型放射−変位変換装置に
ついて、図１及び図２を参照して説明する。

【００５１】図１は本発明の第１の実施の形態による光
読み出し型放射−変位変換装置を示す図であり、図１
（ａ）はその装置全体の断面を模式的に示す拡大図、図
１（ｂ）はその単位画素（単位素子）の断面を模式的に
示す図である。図２は、図１に示す光読み出し型放射−
変位変換装置を、容器２０を取り除いて読み出し光ｊ入
射側（図中の下側）から見た概略斜視図である。

【００５２】本実施の形態による放射−変位変換装置
は、基体１と、脚部２を介して基体１上に浮いた状態に
支持された被支持部３とを備えている。なお、本実施の
形態では、図１中の上側から検出すべき放射としての赤
外線ｉが入射され、図１中の下側から読み出し光ｊが入
射されるように構成されている。

【００５３】本実施の形態では、基体１は、読み出し光
ｊに対して透光性を有する薄膜部材４と、該薄膜部材４
における後述する窓５に対応する領域以外の所定領域を
裏打ちする補強部材６とから構成されている。例えば、
薄膜部材４の材料としては窒化シリコンを用いることが
でき、補強部材５の材料としてはシリコン単結晶を用い
ることができる。補強部材６の下端部分には、補強部材
６形成の際に用いられた窒化シリコン膜７が形成されて
いる。この窒化シリコン膜７は、除去してもよいことは
勿論である。

【００５４】前記被支持部３は、互いに重なった２つの
膜８，９から構成されている。これらの膜８，９は、赤
外線ｉを受けて熱に変換する赤外線吸収部となってい
る。膜８及び膜９は、互いに異なる膨張係数を有する異
なる物質で構成されており、いわゆる熱バイモルフ構造
を構成している。したがって、本実施の形態では、膜
８，９は、赤外線吸収部としての当該膜８，９にて発生
した熱に応じて基体１に対して変位する変位部を構成し
ている。後述するように膜８，９がカンチレバーを構成
しているので、下側の膜９の膨張係数が上側の膜８の膨
張係数より大きい場合には、前記熱により図１（ｂ）に
示すように上方に湾曲して傾斜する。逆に、下側の膜９
の膨張係数が上側の膜８の膨張係数より小さくてもよ
く、この場合には、前記熱により下方に湾曲して傾斜す
ることになる。また、本実施の形態では、下側の膜９、
特にその先端側領域は、読み出し光ｊを反射する反射部
としての全反射ミラーを構成している。なお、例えば、
膜８の材料として窒化シリコン等を用いることができ、
膜９の材料としてアルミニウム等を用いることができ
る。

【００５５】前記支持脚２は、前記膜８，９が被支持部
３の部分からそのまま折れ曲がったように延在した部分
から構成され、薄膜部材４に固定されている。これによ
り、前記被支持部３の部分の膜８，９はカンチレバーを
構成している。もっとも、例えば、ダイヤフラムを構成
するようにしてもよい。

【００５６】また、本実施の形態では、膜８，９の被支
持部３を構成する部分の略中央領域と対向する前記薄膜
部材４の上面に、アルミニウム等からなる赤外線反射膜
１０が形成されている。この赤外線反射膜１０と膜８，
９との間隔は、ｎを奇数、入射赤外線ｉの中心波長をλ
₀として、実質的にｎλ₀／４となるように設定されてい
る。すなわち、赤外線反射膜１０と膜８，９との間で入
射赤外線ｉと反射赤外線との間で干渉を起こすいわゆる
オプチカルキャビティ構造となっている。入射赤外線ｉ
は膜８，９に一部吸収され、残りは膜８，９を透過し反
射膜１０の上面で反射し再度膜８，９に入射する。この
ため、膜８，９と反射膜１０との間で干渉現象が起こ
り、両者の間隔が略々入射赤外線の中心波長の１／４の
奇数倍とされているので、膜８，９での赤外線吸収が最
大となり、膜８，９における赤外線の吸収率が更に高ま
る。

【００５７】さらに、本実施の形態では、膜９の先端側
領域と対向する前記薄膜部材４の上面に、受光した読み
出し光ｊの一部のみを透過させる金属薄膜等からなるハ
ーフミラー部１１が形成されている。この膜９の先端側
領域（反射部）とハーフミラー部１１とが、読み出し光
ｊを受光し、受光した読み出し光ｊを前記変位部の変位
に応じた干渉状態を有する干渉光に変えて読み出し光ｊ
の入射方向と反対方向に出射させる干渉手段を構成して
いる。本実施の形態では、前記透光性を有する薄膜部材
４における領域であって、膜９の先端側領域（反射部）
とハーフミラー部１１とが対向している領域に相当する
領域が、前記干渉手段が読み出し光ｊを受光し干渉光を
出射する窓５となっている。前述したように、この窓５
には、補強部材６は設けられていない。

【００５８】図１（ｂ）に示すように、読み出し光ｊが
ハーフミラー部１１に入射すると、当該読み出し光ｊの
一部がハーフミラー部１１で反射されて反射光ｊ₁とな
り、ハーフミラー部１１に入射した読み出し光ｊの残り
はハーフミラー部１１を透過して全反射ミラーとしての
膜９で反射されて再度ハーフミラー部１１に上面から入
射する。上面からハーフミラー部１１に再度入射した読
み出し光のうちの一部がハーフミラー部１１を透過し透
過光ｊ₂となる。この透過光ｊ₂と前記反射光ｊ₁との間
には、ハーフミラー部１１と膜９との間の距離ｄの２倍
に対応する光路長差がある。よって、反射光ｊ₁と透過
光ｊ₂との間でこの光路長差に応じた干渉が起こり、反
射光ｊ₁及び透過光ｊ₂がこの光路長差に応じた（したが
って、膜８，９の変位に応じた）干渉強度を有する干渉
光となってハーフミラー部１１から出射されることにな
る。なお、この干渉光の干渉強度は反射光ｊ₁の強度と
透過光ｊ₂の強度とが等しいときに最も強くなるので、
ハーフミラー部１１の反射率を略１／３、例えば、約３
３％にすることが望ましい。

【００５９】そして、本実施の形態では、反射部として
の膜９の先端側領域とハーフミラー部１１との間の距離
（ギャップ）ｄは、放射吸収部としての膜８，９の発生
する熱が増すに従って、前記干渉光の強度が低下するよ
うに、設定されている。具体的には、この距離ｄの初期
設定距離は、例えば、図４又は図５に示すように設定す
ればよい。すなわち、下側の膜９の膨張係数が上側の膜
８の膨張係数より大きくて膜８，９が熱により上方に湾
曲する（距離ｄが大きくなる）場合には、例えば、前記
距離ｄの初期設定値（検出しようとしている入射赤外線
ｉが入射していないときの距離）を図４に示すような距
離ｄ１のいずれかに設定すればよい。逆に、下側の膜９
の膨張係数が上側の膜８の膨張係数より小さくて膜８，
９が熱により下方に湾曲する（距離ｄが小さくなる）場
合には、例えば、前記距離ｄの初期設定値を図５に示す
ような距離ｄ２のいずれかに設定すればよい。なお、図
４及び図５はそれぞれ前記距離ｄと干渉光の強度との関
係及び初期設定距離ｄ１，ｄ２を示す図である。

【００６０】このように前記距離ｄを設定すれば、赤外
線ｉの入射量が同一であっても、膜８，９の変位が大き
くなり、赤外線ｉの検出感度が一層向上する。すなわ
ち、干渉光の強度が低下すると、その低下分だけ干渉手
段としての膜９の先端側領域及びハーフミラー部１１に
入射した読み出し光ｊが当該干渉手段（ハーフミラー部
１１より反射部としての膜９の方が吸収量すなわち発熱
量が大きい）により吸収されて熱に変換されることとな
る。したがって、本実施の形態では、前記距離ｄが前述
したように設定されているので、膜８，９が受ける放射
の量が増大してこれにより膜８，９が発生する熱が増大
すると、それに応じて、膜８，９が変位することにより
干渉光の強度が低下し、読み出し光ｊが膜９で吸収され
る量が増え、膜９で発生する熱が増大し、膜８，９の熱
が一段と増大し、膜８，９が更に変位することとなる。
このように、読み出し光の干渉手段（特に膜９の先端側
領域）での吸収による発熱が巧みに利用されて、膜８，
９の変位量が増大されることとなり、その結果、赤外線
ｉの検出感度が一層向上する。

【００６１】以上の説明からわかるように、本実施の形
態では、膜８が変位部の一部及び赤外線吸収部の一部を
兼用し、膜９が変位部の他の一部及び干渉手段の読み出
し光反射部を兼用している。このため、構造が簡単で安
価となる。もっとも、変位部、赤外線吸収部、読み出し
光反射部は、互いに独立した材料で構成してもよいこと
は言うまでもない。

【００６２】また、本実施の形態では、膜８，９、赤外
線反射膜１０及びハーフミラー部１１を単位画素（単位
素子）として、当該画素が基体１上に２次元状に配置さ
れている。もっとも、必要に応じて当該画素は基体１上
に１次元状に配置してもよいし、単に放射の強度のみを
検出するような場合には、単一の画素のみを基体１上に
配置してもよい。

【００６３】そして、本実施の形態では、図１及び図２
に示すように、基体１における前記窓５を除く所定領域
において、読み出し光ｊの入射方向に対して傾斜した反
射面６ａが形成されている。本実施の形態では、この反
射面６ａは、前記窓５を底として読み出し光ｊの入射側
に拡がる断面台形状の空間（すり鉢状の空間）を形成す
るように、前記窓５の周囲に形成された前記補強部材６
の表面に形成されている。本実施の形態では、この反射
面６ａが、照射される読み出し光ｊのうちの前記干渉手
段に受光されて前記干渉光に変換される読み出し光以外
の光の大部分を、前記干渉光が前記干渉手段から出射さ
れる方向に対して傾いた方向に偏向させて反射させる偏
向反射手段を構成している。

【００６４】なお、本実施の形態では、反射面６ａが前
述したように構成されているので、単位素子毎に独立し
た１個の窓５が形成されていることになる。もっとも、
例えば、図３に示すように、反射面６ａを、前記窓５を
底として読み出し光ｊの入射側に拡がる断面台形状の空
間（ストライプ状の空間）を形成するように、前記窓５
の両側において前記補強部材６に形成してもよい。この
例では、図３に示すように、各列の単位画素の窓５が一
列に連なるようになっている。

【００６５】ところで、照射される読み出し光ｊのうち
の前記干渉手段により読み出し光の入射方向と反対方向
に出射される干渉光が信号光であるが、読み出し光ｊの
うちの当該信号光以外の光（すなわち、ノイズ光）が当
該信号光と同一方向に反射して当該信号光に混じると、
いわゆるＳ／Ｎが低下してしまう。この点、本実施の形
態によれば、照射される読み出し光ｊのうちの干渉手段
に受光されて前記干渉光に変換される読み出し光以外の
光の大部分は、図１（ｂ）に示すように、反射面６ａに
よって、前記干渉光が前記干渉手段から出射される方向
（図１中の下方向）に対して傾いた方向に偏向されて反
射されるので、信号光にノイズ光が混じらず、Ｓ／Ｎが
向上する。他の方法としては、照射される読み出し光ｊ
のうちの干渉手段により読み出し光ｊの入射方向と反対
方向に出射される干渉光以外の光の反射を防止する反射
防止膜を設けることが考えられ、この場合であっても、
信号光にノイズ光が混じらずにＳ／Ｎは向上する。しか
し、この場合には、当該ノイズ光が反射防止膜に吸収さ
れて熱が発生し、この熱が膜８，９に伝達されてしまう
ことから、この熱によって膜８，９が変位してしまう。
したがって、この場合には、読み出し光ｊのうちのノイ
ズ光が反射防止膜に吸収され膜８，９に伝達された熱に
よっても膜８，９が変位してしまい、赤外線ｉの検出精
度が低下してしまう。この点、本実施の形態によれば、
読み出し光ｊのうちのノイズ光は反射面６ａにより反射
されるので、当該ノイズ光が吸収されて熱を発生するよ
うなことがない。このため、本実施の形態によれば、入
射した放射のみによる熱を検出することになるので、検
出精度が向上する。このように、本実施の形態によれ
ば、Ｓ／Ｎの向上と検出精度の向上とを同時に達成する
ことができる。

【００６６】そして、本実施の形態では、前述した各要
素１〜１１からなる構造体は、容器２０内に収容され、
当該容器２０の内部が真空状態とされている。これは、
当該構造体を熱的に外部と隔離するためと、膜８，９が
赤外線ｉを吸収した後にすぐに熱を失ってしまわないよ
うにするためである。なお、容器２０の上側部分は、赤
外線ｉを透過するように構成されており、容器２０の下
側部分は、読み出し光ｊを透過するように構成されてい
る。

【００６７】次に、図１及び図２に示す光読み出し型放
射−変位変換装置は例えば半導体製造工程を利用して製
造することができるが、その製造方法の一例について、
図６及び図７を参照して説明する。図６及び図７は、こ
の製造方法の各工程を示す概略断面図であり、図１に対
応する断面を示している。なお、図６（ｂ）〜図７
（ｄ）は、図６（ａ）中のＡ部を拡大したものに相当し
ている。

【００６８】まず、半導体基板として、厚さ２５０μ
ｍ、（１００）面方位のシリコン単結晶基板３０の各チ
ップの形成領域における画素列の形成領域（１チップ
（１つの光読み出し型放射−変位変換装置）分の画素列
の形成領域を２０μｍ程度の厚さとなるように薄くする
（図６（ａ））。すなわち、図面には示していないが、
基板３０を熱酸化して当該基板３０の両面を熱酸化膜に
よりそれぞれ保護し、基板３０の裏面の熱酸化膜をフォ
トエッチして画素列の形成領域（イメージエリア）のシ
リコンの面を露出させ、当該基板３０をウエットエッチ
ング又はドライエッチングすることにより、画素列の形
成領域の基板３０を２０μｍ程度の厚さにし、基板３０
両面の残った熱酸化膜を除去する（図６（ａ））。な
お、この基板３０の画素列の形成領域を薄くする工程
は、後述する図７（ａ）に示す工程との関係で、画素の
ピッチを例えば２０μｍ〜５０μｍ程度に狭めるために
行うものであり、画素のピッチを比較的大きくする場合
には、不要である。

【００６９】次に、図６（ａ）に示す状態の基板３０を
再び熱酸化し、基板３０の両面を熱酸化膜３１，３２に
よりそれぞれ保護する（図６（ｂ））。

【００７０】次に、上面の熱酸化膜３１をフォトエッチ
し、幅１０μｍのストライプ状にパターニングする。そ
の後、この基板を水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液又は
テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡ
Ｈ）水溶液などのシリコン用のエッチング液に浸漬し、
前記ストライプ状の熱酸化膜パターン３１を保護膜とし
て、露出した基板３０の部分を台形状に異方性エッチン
グして、深さ約２．５μｍの溝３３を形成する（図６
（ｃ））。

【００７１】ここで、このような溝３３を形成すること
により、後述する窒化シリコン膜３４（図１中の薄膜部
材４に相当）に、後述する金属膜３６（図１中の赤外線
反射膜１０に相当）を形成する箇所と後述する金属薄膜
３７（図１中のハーフミラー部１１に相当）を形成する
箇所とで、段差を形成する理由について、簡単に説明す
る。前述したように、入射赤外線ｉの赤外線反射膜１０
により反射される成分と入射赤外線ｉの膜８，９により
反射される成分との間で干渉を起こすいわゆるオプチカ
ルキャビティ構造を採用しているので、赤外線反射膜１
０と膜８，９との間の間隔は、検出すべき赤外線ｉの波
長を８〜１２μｍとすると、例えば、その約１／４の２
〜３μｍに設定することが好ましい。一方、前述したよ
うに、反射部としての膜９の先端側領域とハーフミラー
部１１との間の距離（ギャップ）ｄは図４及び図５に示
すように設定される。本実施の形態では、膜８，９の温
度が上昇するとギャップ間隔ｄが広がるため、図４に示
すようなギャップ間隔にすればよい。例えば、読み出し
光ｊの波長を約５０００オングストロームとすると、距
離ｄは、約１０００オングストローム（すなわち、約
０．１μｍ）に設定することが好ましい。ただし、この
ギャップ間隔に読み出し光の波長の半分の整数倍を加え
たギャップ間隔にしてもよい。このように、赤外線ｉを
受光する領域と読み出し光ｊを出射する領域とでは、膜
８，９と赤外線反射膜１０との間隔と、膜８，９とハー
フミラー部１１との間隔とは、異なることとなる。この
ような状況を実現するには、膜８，９に段差を形成して
もよいが、その場合に比べて、薄膜部材４（すなわち、
窒化シリコン膜３４）に段差を形成した方が製造が容易
になる。そこで、本例では、前述した溝３３を形成して
いるのである。

【００７２】次いで、基板３０の両面の熱酸化膜３１，
３２を除去した後、ＬＰ−ＣＶＤ法等により基板３０の
両面に厚さ５μｍの窒化シリコン膜３４，３５を形成す
る（図６（ｄ））。窒化シリコン膜３４は前記薄膜部材
４に相当し、窒化シリコン膜３５は前記窒化シリコン膜
７に相当する。

【００７３】その後、図６（ｄ）に示す状態の基板の裏
面の窒化シリコン膜３５を、フォトエッチにより前記窒
化シリコン膜７の形状に合わせて格子状に（図３のよう
な構造を得る場合には、ストライプ状に）パターニング
する（図６（ｅ））。

【００７４】次いで、図６（ｅ）に示す状態の基板を水
酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液又はテトラメチルアンモ
ニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）水溶液などのシ
リコン用のエッチング液に浸漬し、前記格子状にパター
ニングされた窒化シリコン膜３５を保護膜として、露出
した基板３０の部分を四角錐台状に異方性エッチングし
て、深さ約２０μｍのトレンチ４１を形成する（図７
（ａ））。これにより基板３０の残った部分が前記補強
部材６に相当している。なお、基板３０として（１０
０）面方位のものが用いられているので、周知のように
四角錘台状のトレンチ４１の傾斜面３０ａ（前記反射面
６ａに相当）が基板表面に対してなす角度は５４．７４
°となる。

【００７５】その後、リフトオフ法を用いて、溝３３
（図６（ｃ）参照）の部分に形成された窒化シリコン膜
３４上に前記赤外線反射膜１０に相当する金属膜（例え
ば、厚さ５０００オングストロームのＡｌ）３６を形成
するとともに、同じくリフトオフ法を用いて、溝３３以
外の部分に形成された窒化シリコン膜３４上に前記ハー
フミラー部１１に相当する金属薄膜（例えば、厚さ５０
オングストロームのＡｌ）３７を形成する（図７
（ｂ））。

【００７６】次に、図７（ｂ）に示す状態の基板の上面
に犠牲層としてのレジスト膜３８を塗布し、リソグラフ
ィにより、当該レジスト膜３８をストライプ状にパター
ニングする（図７（ｃ））。

【００７７】次に、図７（ｃ）に示す状態の基板の上面
の所定箇所に、リフトオフ法により、厚さ０．１μｍの
アルミ薄膜３９（前記膜９に相当）と、厚さ０．１μｍ
の窒化シリコン薄膜４０（前記膜８に相当）とを、順次
形成する。さらに、図示はしないがダイシングを行い各
チップに分割し、最後に、犠牲層としてのレジスト膜３
８アッシング法によりを除去する（図７（ｄ））。

【００７８】最後に、図７（ｄ）に示す状態の構造体を
前記容器２０内に収容してその内部を真空に密封する。
これにより、図１及び図２に示す光読み出し型放射−変
位変換装置が完成する。

【００７９】以上説明した図１及び図２に示す第１の実
施の形態による光読み出し型放射−変位変換装置によれ
ば、赤外線ｉが図１中の上方から入射される。この赤外
線ｉは、赤外線吸収部を兼ねる膜８，９により吸収され
て熱に変換される。この際、前述したように、膜８，９
及び赤外線反射膜１０からなるオプティカルキャビティ
構造によって赤外線の吸収率が高められる。図１（ｂ）
に示すように、膜８，９にて発生した熱に応じて変位部
を兼ねる膜８，９が上方に湾曲して傾斜する。すなわ
ち、入射した赤外線ｉが、その量に応じた膜８，９の変
位に変換される。一方、後述する読み出し光学系によ
り、可視光の読み出し光ｊが、図１中の下方から入射さ
れて窓５を介して反射部を兼ねる膜９に照射される。干
渉手段としてのハーフミラー部１１及び膜９の先端側領
域は、受光した読み出し光を膜８，９の変位に応じた干
渉状態を有する干渉光に変えて読み出し光ｊの入射方向
と反対方向に出射させるので、結局、膜８，９に照射さ
れた赤外線ｉが、干渉光の干渉状態の変化に変換される
ことになる。したがって、後述するように、出射された
干渉光に基づいて赤外線ｉを検出することができる。こ
のとき、干渉光による変位検出は高感度で行うことがで
きることから、本実施の形態によれば、赤外線を高感度
で検出することが可能となる。また、本実施の形態で
は、赤外線を熱を経て抵抗値（電気信号）に変換するの
ではなく、赤外線を熱及び変位を経て読み出し光による
干渉光の変化に変換するので、基体１により支持された
被支持部３には電流を流す必要がなく、被支持部３には
自己発熱が生じない。したがって、本実施の形態によれ
ば、入射した赤外線のみによる熱を検出することになる
ので、Ｓ／Ｎが向上し、検出精度が向上する。勿論、本
実施の形態では、量子型赤外線検出器において必要であ
った冷却器は不要である。また、本実施の形態では、赤
外線を電気信号として読み出すものではないので、従来
の熱型赤外線検出器において必要であった微弱電気信号
用の読み出し回路が不要となる。

【００８０】また、本実施の形態によれば、前述したよ
うに、反射部としての膜９の先端側領域とハーフミラー
部１１との間の距離（ギャップ）ｄが前述した所定の距
離に設定されているので、読み出し光の干渉手段（特に
膜９の先端側領域）での吸収による発熱が巧みに利用さ
れて、膜８，９の変位量が増大されることとなり、その
結果、赤外線ｉの検出感度が一層向上する。

【００８１】さらに、本実施の形態によれば、前述した
ように、照射される読み出し光ｊのうちの干渉手段に受
光されて前記干渉光に変換される読み出し光以外の光
（ノイズ光）の大部分が、偏向反射手段としての反射面
６ａによって、干渉光が出射される方向に対して傾いた
方向に偏向されて出射されるので、Ｓ／Ｎの向上と検出
精度の向上とを同時に達成することができる。

【００８２】ここで、本実施の形態において、どの程度
の出力が得られるかについての数値例について説明す
る。

【００８３】入射した赤外線ｉは、前述したように、膜
８，９により吸収されて熱に変換される。そして、この
際、前述したように、赤外線反射膜１０によって、オプ
ティカルキャビティの原理により、赤外線の吸収率が高
められる。

【００８４】ここで、ηを膜８，９（以下、「バイモル
フ」という）全体の赤外線吸収係数、ｔを赤外線のレン
ズ（後述する図８中のレンズ５０）及び容器２０の上側
部分の窓の透過係数、Ａｄを赤外線を受光するバイモル
フの有効面積、Ｌをバイモルフの熱源からの距離、Ａｓ
を熱源の面積、εを熱源の放射係数、σをステファンボ
ルツマン定数（５．６７×１０^-12Ｗ・ｃｍ^-2・
Ｋ^-4）、Ｔｓを熱源の温度、Ｔｒをバイモルフ自身の温
度としたとき、１素子（画素）のバイモルフに単位時間
に吸収される熱源からの赤外線量Ｐは以下の数１で表さ
れる。

【００８５】

【数１】

【００８６】ここで、ｔ＝０．７、Ａｄ＝６．２×１０
^-4ｃｍ²、η＝０．９、Ｌ＝１５ｃｍ、Ａｓ＝９０ｃ
ｍ、Ｔｒ＝３００Ｋ、ε＝０．４３のとき、温度Ｔｓ＝
４００Ｋの熱源からの赤外線が、１素子のバイモルフに
単位時間に吸収される赤外線量Ｐは０．１ｍＷとなる。

【００８７】また、被測定物（熱源）の温度が４００Ｋ
から４０１Ｋに変化したとき、１素子のバイモルフに吸
収される赤外線のエネルギーの変化は、同様の計算によ
り約１．４μＷである。

【００８８】そのバイモルフにより吸収された赤外線の
エネルギーが、当該バイモルフの温度を上昇させる。こ
れにより、バイモルフ（膜８，９）とバイモルフの支持
する薄膜部材４との間に、温度勾配が生じる。

【００８９】ここで、バイモルフの支持点（膜８，９が
薄膜部材４に固定されている箇所）からの温度変化ΔＴ
は、バイモルフの自由端からの距離ｘの関数として、以
下の数２で表される。

【００９０】

【数２】

【００９１】ここで、ｌはバイモルフの長さ（支持部２
の部分の長さも含む）、Ｐは単位時間あたりバイモルフ
に吸収される熱量、ｗはバイモルフの幅、λ１，λ２は
バイモルフを構成する膜９，８の材料のそれぞれの熱伝
導率、ｔ１，ｔ２はバイモルフを構成する膜９，８のそ
れぞれの厚みである。ここで、バイモルフを構成する膜
９の材料をアルミニウムとし、膜８の材料を窒化シリコ
ンとし、ｌ＝ｗ＝３０μｍ、Ｐ＝１μＷ、λ１＝２３７
Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1、λ２＝３２Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1、ｔ１＝ｔ
２＝０．１μｍとすると、バイモルフ先端部の温度変化
は１．６４Ｋとなる。また、被測定物の温度が４００Ｋ
から４０１Ｋに変化したとき、バイモルフ先端部の温度
変化は０．０２２３Ｋとなる。

【００９２】バイモルフは熱膨張係数の異なる２種類の
物質からできているため、バイモルフの温度が上昇する
と、バイモフルが上または下向きに変形する。その変位
量を見積もるため、まずその時のバイモルフの曲率半径
ｒを求める。バイモルフがある温度Ｔ上昇した時のバイ
モルフの曲率半径は以下の数３で与えられる。

【００９３】

【数３】

【００９４】ここで、Ｅ１，Ｅ２はアルミニウムと窒化
シリコンのヤング率，γ１，γ２はアルミニウムと窒化
シリコンの熱膨張係数である。ここで、Ｅ１＝０．８×
１０¹¹Ｎｍ^-2、Ｅ２＝１．８×１０¹¹Ｎｍ^-2、γ１＝２
３．９×１０^-6Ｋ^-1、γ２＝３×１０^-6Ｋ^-1、ｔ１＝ｔ
２＝０．１μｍ、とすると、被測定物の温度が４００Ｋ
の時のバイモルフの撓みの曲率半径は７．４６ｎｍとな
り、被測定物が４００Ｋから４０１Ｋに変化したときの
バイモルフの撓みの曲率半径の変化は５５０ｎｍとな
る。ある曲率ｒを持つ構造体の固定端を基準とした時
の、自由端の撓みの大きさは、ｒが構造体の長さＬより
十分大きいとき以下の式で表される。

【００９５】

【数４】

【００９６】ここで、Ｌ＝３０μｍとすると、被測定物
の温度が４００Ｋのときのバイモルフの撓みは６０．２
ｎｍとなり、被測定物の温度が４００Ｋから４０１Ｋに
上昇したときのバイモルフの撓みの変化は０．８２ｎｍ
となる。

【００９７】次に、前記バイモルフの撓みを光干渉法に
より読み出す場合を考察してみる。読み出し光として、
波長６８０ｎｍ、出力３０ｍＷの半導体レーザー１本を
用いものとする。光読み出し型放射−変位変換装置の全
体（ただし、容器２０を除く）のサイズを１辺が２０ｍ
ｍの正方形とし、読み出し光が入射する前記窓５の大き
さを１辺が１０μｍの正方形とすると、１画素のハーフ
ミラー部１１及び膜９の先端側領域で形成されるキャビ
ティに入射する半導体レーザーのパワーは、約１２０ｎ
Ｗとなる。ここで、当該キャビティにより干渉し、当該
キャビティの外に反射される出力（干渉光の出力）は、
以下の数５により与えられる。

【００９８】

【数５】

【００９９】ここで、Ｉ₀は当該キャビティへの入射光
量、ｄは当該キャビティの間隔（ハーフミラー部１１と
膜９との間の距離）、λは読み出し光の波長である。こ
こで、Ｉ₀＝１２０ｎＷ、λ＝６８０ｎｍ、とし、被測
定物が４００Ｋのときのキャビティ間隔ｄが２５５ｎｍ
である場合、キャビティから反射される光の強度は入射
光の半分となり、６０ｎＷとなる。次に、被測定物が４
０１Ｋに温度上昇したとき、バイモルフの撓みが０．８
２ｎｍ増加したときのキャビティからの反射光の強度は
約１ｎＷ減少する。この１ｎＷのキャビティからの反射
光の強度の減少は、ＣＣＤ等の可視光イメージングセン
サにより検出される。なお、キャビティからの反射光の
強度の減少分は、キャビティ内の多重反射を繰り返しな
がら、大部分バイモルフ下面のアルミ薄膜９により熱と
して吸収され、バイモルフを更に変形させる。つまり、
被測定からの温度が上昇すると、キャビティ内に閉じ込
められる光が熱となりさらにバイモルフの温度を上昇さ
せる。既に説明したように、このことにより検出感度が
高まるのである。

【０１００】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態による映像化装置について、図８を参照し
て説明する。図８は、本実施の形態による映像化装置を
示す概略構成図である。

【０１０１】本実施の形態による映像化装置は、前記第
１の実施の形態による図１に示す光読み出し型放射−変
位変換装置（図８においては符号１００で示しており、
図１中の上下左右方向と図８中の上下左右方向とはそれ
ぞれ一致している。）と、赤外線ｉを集光して変換装置
１００の膜８，９が分布している面上に赤外線画像を結
像させる赤外線用の結像レンズ５０と、変換装置１００
の前記各素子（画素）のハーフミラー部１１に窓５を介
してそれぞれ前記読み出し光を照射し、前記各素子のハ
ーフミラー部１１から窓５を介して前記読み出し光の入
射方向と反対方向に出射された干渉光に基づいて、前記
各素子の変位部としての膜８，９の変位に応じた光学像
を形成する読み出し光学系と、前記光学像を撮像する撮
像手段としての２次元ＣＣＤ６０と、を備えている。

【０１０２】具体的には、本実施の形態による映像化装
置は、波長６８０ｎｍで出力３０ｍＷの半導体レーザ光
源７１、コリメートレンズ７２、アナモリフィック・プ
リズム７３、偏光ビームスプリッタ７４、１／４波長板
７５、レンズ７６を備えており、これらが前記読み出し
光学系を構成している。

【０１０３】本実施の形態では、結像レンズ５０によ
り、赤外線ｉが集光されて変換装置１００の膜８，９が
分布している面上に赤外線画像が結像される。その結
果、変換装置１００の各画素の膜８，９に対する入射赤
外線の量に応じて、各画素の膜８，９が変位する。

【０１０４】一方、レーザ光源７１から発したレーザ光
は、楕円状の強度分布を持つため、コリメートレンズ７
２により平行光とされた後に、アナモリフィック・プリ
ズム７３により円状の強度分布に修正される。この強度
分布が修正されたレーザ光は、直線偏光光であるため、
偏光ビームスプリッタ７４により反射され、その後１／
４波長板７５を透過することにより円偏光光となり、こ
の円偏光光が読み出し光として変換装置１００に裏面か
ら入射される。この円偏光光は、変換装置１００の裏面
を均一に照明する。

【０１０５】前記円偏光光の読み出し光のうち各画素の
前記窓５から各画素のハーフミラー部１１に入射した光
によって、前記第１の実施の形態に関して説明したよう
に、各画素の膜８，９の変位に応じた干渉強度を有する
干渉光がハーフミラー部１１から窓５を介して前記読み
出し光の入射方向と反対方向（すなわち、図８中の下方
向）へ出射される。この干渉光は、再び１／４波長板７
５を透過することにより、円偏光から直線偏光となる。
この時の偏光方向は入射時の偏光方向に対して９０°回
転しているため、偏光ビームスプリッタ７４を透過す
る。その後、偏光ビームスプリッタ７４を透過したこの
干渉光は、変換装置１００の１画素からの光がＣＣＤ６
０の１画素に入射するように、レンズ７６によって大き
さが調整された後、ＣＣＤ６０に入射される。すなわ
ち、ＣＣＤ６０上に前記干渉光による光学像が形成さ
れ、当該光学像がＣＣＤ６０により撮像される。このよ
うにして、入射赤外線画像が可視画像に変換され、当該
可視画像が撮像されることになる。

【０１０６】ここで、前記円偏光光の読み出し光のうち
の各画素の前記窓５以外の箇所に入射した光について、
説明する。このような光のうちのある代表的な光線を、
図８中に点線で示している。この点線で示されるような
光線は、変換装置１００の裏面に形成された前述した反
射面６ａ（図７中の前述した四角錘状のトレンチ４１の
傾斜面３０ａに相当）に入射する。前述したように、こ
の反射面６ａが基板表面に対してなす角度は５４．７４
゜であり、基板表面の法線が前記円偏光光の読み出し光
の入射方向あるため、前記点線で示されるような光線
は、最初に入射した反射面６ａと対向する反射面６ａに
再び入射して反射されることになる。この反射光が基板
表面に対してなす角度は、１０９．４８°となる）。こ
の反射光は前記干渉光のバックグランドとなるため、Ｃ
ＣＤ６０に入射しないことが望ましい。そのため、変換
装置１００が１辺２０ｍｍの正方形の場合、変換装置１
００と読み出し光学系とを約５７ｍｍ以上離すことによ
り、前記反射光は読み出し光学系に入射することがな
い。

【０１０７】なお、本実施の形態では、前記光学像をＣ
ＣＤ６０で撮像しているが、当該光学像を肉眼で観察す
るようにしてもよい。

【０１０８】また、本実施の形態では、光源７１として
単色光源が用いられているが、白色光源や波長の異なる
２種類の単色光を発する光源を用いてもよい。

【０１０９】なお、読み出し光学系の構成は、前述した
構成に限定されるものではない。

【０１１０】（第３の実施の形態）次に、本発明の第３
の実施の形態による光読み出し型放射−変位変換装置に
ついて、図９を参照して説明する。

【０１１１】図９は本発明の第３の実施の形態による光
読み出し型放射−変位変換装置を示す図であり、図９
（ａ）はその装置全体の断面を模式的に示す図、図９
（ｂ）はその単位画素（単位素子）の断面を模式的に示
す拡大図である。図９において、図１中の要素と同一又
は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明
は省略する。

【０１１２】本実施の形態による変換装置が前記図１に
示す第１の実施の形態による変換装置と異なる所は、図
１に示す変換装置では、補強部材６に傾斜した反射面６
ａ及び窒化シリコン膜７が形成されていたのに対し、本
実施の形態では、補強部材６には傾斜した反射面６ａ及
び窒化シリコン膜７は形成されておらず、補強部材６の
読み出し光入射側の面（図９中の下面）に、反射型回折
格子８０が形成されている点のみである。

【０１１３】本実施の形態では、この反射型回折格子８
０は、所定の格子パターンに応じて補強部材６の下面に
形成された窒化シリコン膜８１と、補強部材６の下面に
おける窒化シリコン膜８１が形成されていない部分の上
及び窒化シリコン膜８１上に形成された反射膜としての
金等の金属膜８２と、から構成されている。

【０１１４】補強部材６上の金属膜８２と窒化シリコン
膜８１上の金属膜８２との段差は、例えば、読み出し光
の波長λの１／４となっている。また、格子間隔、すな
わち、窒化シリコン膜８１間の間隔は読み出し光の波長
λの２倍（例えば、約１μｍ）とされている。

【０１１５】前記段差がλ／４であるので、格子の面と
垂直な方向（すなわち、図９中の下方向）に反射される
読み出し光について考えると、補強部材６上の金属膜８
２で反射した光と窒化シリコン膜８１上の金属膜８２で
反射した光との間の光路長差は、λ／２となり、位相条
件が合わない。そのため、図９（ｂ）に示すように、読
み出し光ｊは、光路長差がλとなる１次の回折の方向に
回折される。このとき、格子間隔が２λであるので、１
次回折光の回折角θは３０゜となる。

【０１１６】この読み出し光の回折光は、信号光である
前記干渉光のバックグラウンドとなるため、本実施の形
態による変換装置が１辺２０ｍｍの正方形の場合、当該
変換装置と読み出し光学系とを約３５ｍｍ以上離すこと
により、前記回折光は読み出し光学系に入射することが
ない。

【０１１７】このように、本実施の形態では、照射され
る読み出し光のうちの干渉手段（ハーフミラー部１１及
び膜９の先端側領域）に受光されて干渉光に変換される
読み出し光以外の光の大部分を、前記干渉光が前記干渉
手段から出射される方向（図９中の下方向）に対して傾
いた方向に偏向させて反射させる偏向反射手段として、
反射型回折格子８０が採用されている。

【０１１８】本実施の形態によっても、前述した図１に
示す第１の実施の形態と同一の利点が得られる。

【０１１９】なお、前述した図８に示す映像化装置にお
いて、光読み出し型放射−変位変換装置１００として、
本実施の形態による変換装置を用いることができること
は、言うまでもない。

【０１２０】ここで、本実施の形態による変換装置の製
造方法の一例について、図１０を参照して説明する。図
１０は、この製造方法の各工程を示す概略断面図であ
り、図９に対応する断面を示している。図１０におい
て、前述した図６及び図７中の各要素と同一又は対応す
る要素には同一符号を付し、その説明は省略する。

【０１２１】まず、図１０には示していないが、図１に
示す変換装置の製造方法に関して前述した図６（ａ）〜
図６（ｄ）に示す工程と同一の工程を経る。

【０１２２】次に、図６（ｄ）に示す状態の基板の裏面
の窒化シリコン膜３５を、フォトエッチにより前記窒化
シリコン膜８１の形状に合わせてパターニングする（図
１０（ａ））。本例では、窒化シリコン膜３５が前記窒
化シリコン膜８１に相当することとなる。

【０１２３】その後、図１０（ａ）に示す状態の基板の
下面に、前記金属膜８２に相当する金の膜９０を厚さ５
０ｎｍで形成し、当該膜９０の一部及び基板３０の一部
をドライエッチングにより除去する（図１０（ｂ））。

【０１２４】次に、前述した図７（ｂ）〜図７（ｄ）を
参照して説明した工程と同じく、金属膜３６及び金属薄
膜３７の形成工程、犠牲層としてのレジスト膜３８の形
成工程、アルミ薄膜３９及び窒化シリコン薄膜４０の形
成工程、ダイシング工程、並びに、レジスト膜３８の除
去工程を順次経る（図１０（ｃ））。

【０１２５】最後に、図１０（ｃ）に示す状態の構造体
を前記容器２０内に収容してその内部を真空に密封す
る。これにより、図９に示す光読み出し型放射−変位変
換装置が完成する。

【０１２６】（第４の実施の形態）次に、本発明の第４
の実施の形態による光読み出し型放射−変位変換装置に
ついて、図１１を参照して説明する。

【０１２７】図１１は本発明の第４の実施の形態による
光読み出し型放射−変位変換装置の単位画素（単位素
子）の断面を模式的に示す図である。図１１において、
図１中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付
し、その重複する説明は省略する。

【０１２８】本実施の形態による変換装置が前記図１に
示す第１の実施の形態による変換装置と異なる所は、図
１に示す変換装置では、補強部材６に傾斜した反射面６
ａ及び窒化シリコン膜７が形成されていたのに対し、本
実施の形態では、補強部材６には傾斜した反射面６ａ及
び窒化シリコン膜７は形成されておらず、補強部材６の
読み出し光入射側の面（図９中の下面）に、マイクロプ
リズムアレイ８５が設けられ又は形成されている点のみ
である。なお、マイクロプリズムアレイ８５は、周知の
方法で補強部材６の下面に形成してもよいし、予め別に
用意したものを補強部材６の下面に接合により設けても
よい。

【０１２９】このように、本実施の形態では、照射され
る読み出し光のうちの干渉手段（ハーフミラー部１１及
び膜９の先端側領域）に受光されて干渉光に変換される
読み出し光以外の光の大部分を、前記干渉光が前記干渉
手段から出射される方向（図１１中の下方向）に対して
傾いた方向に偏向させて反射させる偏向反射手段とし
て、マイクロプリズムアレイ８５が採用されているが、
本実施の形態によっても、前述した図１に示す第１の実
施の形態と同一の利点が得られる。

【０１３０】なお、前述した図８に示す映像化装置にお
いて、光読み出し型放射−変位変換装置１００として、
本実施の形態による変換装置を用いることができること
は、言うまでもない。

【０１３１】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるもの
ではない。

【０１３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
冷却器を用いることなく、放射の検出精度及び感度の向
上を図ることができる。

【０１３３】また、本発明によれば、偏向反射手段を採
用した場合には、Ｓ／Ｎの更なる向上と検出精度の更な
る向上とを同時に達成することができる。

【０１３４】さらに、本発明によれば、反射部とハーフ
ミラー部との間の距離を特別に設定した場合には、放射
の検出感度の更なる向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による光読み出し型
放射−変位変換装置を示す図であり、図１（ａ）はその
装置全体の断面を模式的に示す図、図１（ｂ）はその単
位画素の断面を模式的に示す拡大図である。

【図２】図１に示す光読み出し型放射−変位変換装置
を、容器を取り除いて読み出し光入射側から見た概略斜
視図である。

【図３】図１に示す光読み出し型放射−変位変換装置の
変形例を示す図であり、図２に対応する概略斜視図であ
る。

【図４】反射部とハーフミラー部との間の距離と干渉光
の強度との関係及び当該距離の初期設定値の一例を示す
図である。

【図５】反射部とハーフミラー部との間の距離と干渉光
の強度との関係及び当該距離の初期設定値の他の例を示
す図である。

【図６】図１に示す光読み出し型放射−変位変換装置の
製造工程の一例を示す図である。

【図７】図１に示す光読み出し型放射−変位変換装置の
製造工程であって、図６に引き続く製造工程を示す図で
ある。

【図８】本発明の第２の実施の形態による映像化装置を
示す概略構成図である。

【図９】本発明の第３の実施の形態による光読み出し型
放射−変位変換装置を示す図であり、図９（ａ）はその
装置全体の断面を模式的に示す図、図９（ｂ）はその単
位画素の断面を模式的に示す拡大図である。

【図１０】図９に示す光読み出し型放射−変位変換装置
の製造工程の一例を示す図である。

【図１１】本発明の第４の実施の形態による光読み出し
型放射−変位変換装置の単位画素の断面を模式的に示す
図である。

【符号の説明】

１基体２支持脚３被支持部４薄膜部材５窓６補強部材６ａ反射面８，９膜１０赤外線反射膜１１ハーフミラー部２０容器５０赤外線用結像レンズ６０ＣＣＤ７１半導体レーザ光源７２コリメートレンズ７３アナモリフィック・プリズム７４偏光ビームスプリッタ７５１／４波長板７６レンズ８０反射型回折格子８１窒化シリコン膜８２反射膜８５マイクロプリズムアレイ１００光読み出し型放射−変位変換装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体と、前記基体に支持された被支持部であって、放射を受けて
熱に変換する放射吸収部と、該放射吸収部にて発生した
熱に応じて前記基体に対して変位する変位部と、を有す
る被支持部と、読み出し光を受光し、受光した読み出し光を前記変位部
の変位に応じた干渉状態を有する干渉光に変えて前記読
み出し光の入射方向と反対方向に出射させる干渉手段
と、照射される読み出し光のうちの前記干渉手段に受光され
て前記干渉光に変換される読み出し光以外の光の大部分
を、前記干渉光が前記干渉手段から出射される方向に対
して傾いた方向に偏向させて反射させる偏向反射手段
と、を備えたことを特徴とする光読み出し型放射−変位変換
装置。
【請求項２】前記基体は、前記干渉手段が前記読み出
し光を受光し前記干渉光を出射させる窓を有し、前記偏向反射手段は、前記基体において前記窓を除く所
定領域において形成され前記読み出し光の入射方向に対
して傾斜した反射面を有することを特徴とする請求項１
記載の光読み出し型放射−変位変換装置。
【請求項３】前記反射面は、前記窓を底として前記読
み出し光の入射側に拡がる断面台形状の空間を形成する
ように、前記窓の周囲又は両側の領域に形成されたこと
を特徴とする請求項２記載の光読み出し型放射−変位変
換装置。
【請求項４】前記基体は、前記読み出し光に対して透
光性を有する薄膜部材と、該薄膜部材における前記窓に
対応する領域以外の所定領域を裏打ちする補強部材とを
有し、前記反射面は、前記補強部材に形成されたことを特徴と
する請求項２又は３記載の光読み出し型放射−変位変換
装置。
【請求項５】前記偏向反射手段は、前記基体に形成さ
れ又は前記基体に設けられた反射型回折格子を有するこ
とを特徴とする請求項１記載の光読み出し型放射−変位
変換装置。
【請求項６】前記偏向反射手段は、前記基体に形成さ
れ又は前記基体に設けられたマイクロプリズムアレイを
有することを特徴とする請求項１記載の光読み出し型放
射−変位変換装置。
【請求項７】基体と、前記基体に支持された被支持部であって、放射を受けて
熱に変換する放射吸収部と、該放射吸収部にて発生した
熱に応じて前記基体に対して変位する変位部と、を有す
る被支持部と、読み出し光を受光し、受光した読み出し光を前記変位部
の変位に応じた干渉状態を有する干渉光に変えて出射さ
せる干渉手段と、を備え、前記干渉手段は、前記被支持部の一部をなすとともに前
記変位部の変位に従って変位する反射部と、該反射部と
対向するように前記基体に対して固定されたハーフミラ
ー部であって、受光した読み出し光の一部のみを反射す
るハーフミラー部と、を有し、前記放射吸収部の発生する熱が増すに従って、前記干渉
光の強度が低下するように、前記反射部と前記ハーフミ
ラー部との間の距離を設定したことを特徴とする光読み
出し型放射−変位変換装置。
【請求項８】前記ハーフミラー部の反射率は略１／３
であることを特徴とする請求項７記載の光読み出し型放
射−変位変換装置。
【請求項９】前記変位部が、異なる膨張係数を有する
異なる物質の互いに重なった少なくとも２つの層を有す
ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の
光読み出し型放射−変位変換装置。
【請求項１０】前記被支持部及び前記干渉手段を１個
の素子として当該素子を複数個有し、当該素子が１次元
状又は２次元状に配列されたことを特徴とする請求項１
乃至９のいずれかに記載の光読み出し型放射−変位変換
装置。
【請求項１１】請求項１０記載の光読み出し型放射−
変位変換装置と、前記各素子の前記干渉手段にそれぞれ前記読み出し光を
照射し、前記各素子の前記干渉手段から出射された前記
干渉光に基づいて前記各素子の前記変位部の変位に応じ
た光学像を形成する読み出し光学系と、を備えたことを特徴とする映像化装置。
【請求項１２】前記光学像を撮像する撮像手段を備え
たことを特徴とする請求項１１記載の映像化装置。