技術資料 赤外線検出素子の 特性と使い方 1001 赤外線は、可視光とマイクロ波の間の0.75 µm∼1000 µmの電磁波です。この広い領域をカバーするため多くの赤外線検出素 子が開発されています。この小冊子では、浜松ホトニクスが製造販売している赤外線検出素子の特性と使い方について説明 します。なお特注品にも対応いたしますので、お気軽にご用命ください。 2 1. 赤外線 .............................................................................................................................................. 7 2. 赤外線検出素子の種類 .................................................................................................................. 9 3. 赤外線検出素子の選択 .................................................................................................................. 10 4. InGaAs/GaAs PINフォトダイオード ................................................................................................. 17 5. InGaAsリニアイメージセンサ .......................................................................................................... 18 6. PbS/PbSe光導電素子 .................................................................................................................. 7. InSb光導電素子 ...........................................................................................................................22 23 8. InAs/InSb光起電力素子 ............................................................................................................... 9. MCT (HgCdTe)赤外線検出素子 ...............................................................................................25 28 10. 複合素子 ...................................................................................................................................... 29 11. フォトンドラッグ検出素子 .............................................................................................................. 30 12. サーモパイル (Si熱型検出素子) ................................................................................................. 13. 赤外線検出素子の使い方 ........................................................................................................33 14. 応用例 ........................................................................................................................................37 1 赤外線検出素子 M' = εM .......... (1-4) 1. 赤外線 ε: 放射率 赤外線は可視光より長い波長 0.75 µm (1.65 eV)から1000 µm (1.2 meV)までの電磁波をいいます。0.75 µm∼3 µmの波 長を近赤外、3 µm∼6 µmの波長を中間赤外、6 µm∼15 µmの 波長を遠赤外といい、それ以上を超遠赤外と呼ぶ場合もあ りますが、まだ定説とはなっていません。 赤外線は次のような特色を持った電磁波といえます。 放射率 εは物体の表面状態によって異なります。また通常、 波長や温度によっても異なります。放射率 εは吸収率に等 しいため、反射率の大きい物質や透過率の大きな物質では 放射率 εは小さくなります。詳しくは12-3の放射温度計の項 を参照してください。 ［図1-1］黒体の分光放射輝度 ――――――――――――― (1) 人間の目に見えない。 104 103 光学系の設定には不便なことです。 102 (2) エネルギーが小さい。 赤外線のエネルギーはちょうど分子の振動、回転エネ ルギーに相等します。この現象を利用して分子の検出 同定が可能になります。 (3) 波長が長い。 分光放射輝度 lx (W cm-2 sr-1 m-1) この点はセキュリティの用途では有効ですが、測定や T(K)=6000 5000 4000 101 100 10-1 3000 2000 1500 1000 800 10-2 10 600 -3 400 10-4 273 10-5 200 10-6 -7 10 赤外線は散乱しにくく、優れた透過率をもっています。 10-8 0.1 (4) すべての物質から放射されている。 1 10 100 波 長 ( m) KIRDB0014JB 1-1 赤外線の放射 絶対温度が0 K以上のすべての物体は、赤外線を放射して います。赤外線の放射量は物体の温度と表面状態によって 決まります。 1-2 赤外線の検出 赤外線を利用する分野は広く、新しい用途が次々に開拓 されています。赤外線の検出系は、一般には下図のような ここで、すべての波長の放射を吸収するような物体があ 構成になります。 ると仮定します。このような物体を黒体 (black body)といい ます。黒体については次のような法則が成り立ちます。 放射源 伝達系 光学系 検出素子 信号処理 (1) 黒体の分光放射発散度 (プランクの放射則) Mλ = C1λ-5 [exp (C2/λT) -1]-1 [W/cm2 m] .......... (1-1) ■ 放射源 前に述べたように、絶対温度0 K以上の物体はすべて赤外 T : C1: C2: λ : 絶対温度 第1放射定数 = 3.74 × 104 第2放射定数 = 1.44 × 104 波長 [K] [W m4/cm2] [ mK] [ m] 線を放射しています。たとえば、310 K (37 ˚C)の人体は10 µm付近にピーク波長をもつ赤外線を放射しています。放射 源としては、黒体炉、タングステンランプ、シリコニット などの発熱体が用いられます (表1-1)。また、特定波長の赤 (2) ステファン・ボルツマンの法則 外線だけを放出する赤外線レーザもあります (図1-2)。 M = σT4 [W/cm2] .......... (1-2) s : ステファン・ボルツマン定数 = 5.67 × 放射源について注意しなければならないのは、放射源以 10-12 [W/cm2K4] 外に地上では300 Kの背景放射があることです。3 µm以上の 測定系では、この背景放射のゆらぎによる雑音が無視でき (3) ウィーンの変位則 なくなります。この種の雑音を小さくするためには、コー ルドシールドやコールドフィルタを使用します。 λmaxT = 2897.8 [ mK] .......... (1-3) λmax: 最大放射波長 [ m] 図1-1に黒体の分光放射輝度を示します。黒体でない物体に ついては以下の関係が成り立ちます。 2 赤外線検出素子 ［表1-1］赤外線放射源の種類 分類 1) ―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― 方式 放射物質 誘導放出 外管バルブ (ガラス)で 長波長側が遮断される。 外管バルブからの2次 放射あり。 1 ∼ 2.5 ニクロム カンタル 電熱器 ヒータ 2∼ 5 炭化けい素 (シリコニット) グローバ 1 ∼ 50 一定電圧、大電流 セラミック ネルンストグロア 1 ∼ 50 通電初期予熱が必要 金属 (ステンレスなど) シーズヒータ 4 ∼ 10 IRS形ランプ 4 ∼ 25 ラジアントバーナ 1 ∼ 20 ガス燃焼による加熱 2 ∼ 25 すす発生などの環境問 題あり 外管バルブで長波長側 が遮断される。外管バ ルブからの2次放射あ り。 セラミック 放電による加熱 利用 カーボン カーボンアーク灯 気体放電利用 水銀 セシウム キセノン 水銀ランプ キセノンランプ 0.8 ∼ 2.5 二酸化炭素 ガリウム砒素化合物 鉛化合物 CO 2レーザ InGaAsPレーザ PbSnTeレーザ 9 ∼ 11 1.1 ∼ 1.5 6 ∼ 17 レーザ作用 ［図1-2］主な赤外線レーザの発振波長域 ―――――――― 波長 ( m) 備 考 赤外線電球 他の電源による 2次加熱利用 冷放射 放射波長域 ( m) タングステン 通電による抵抗 発熱利用 温度放射 放射源例 0.5 1 2 5 10 20 50 He-Neレーザ 100 ［図1-4］高い点での大気の吸収 気体レーザ 固体レーザ シアンレーザ YAGレーザ InGaAsP 半導体レーザ 吸収 PbSnTe PbSnSe KIRDB0123JA ■ 伝達系 伝達系としては真空、大気、光ファイバが考えられます。 大気では、H2O、CO2などによって特定波長に吸収がありま す (図1-3)。吸収の少ない3∼5 µm帯、8∼12 µm帯は大気の 窓と呼ばれリモートセンシングに使われています。また、 ――――――――――― 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 500 1000 水蒸気レーザ CO2レーザ 3) 高度 41 km 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 高度 28 km 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 高度 14 km 高度 4 km 1 10 100 1000 光ファイバのうち石英系の光ファイバは減衰率がほぼ理論 値まで達していますが (図1-5)、その他の赤外線ファイバは 現在も改良が進められています。 ［図1-3］海面上での大気の吸収 2) KIRDB0125JA ――――――――――― 0 吸収 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 波 長 ( m) O2 H2O H2O CO2 CO2 O3 H2O 波 長 ( m) CO2 O3 H2O CO2 CO2 吸収分子 3 KIRDB0124JA 1. 赤外線 ［図1-5］光ファイバの理論伝送損失 4) ――――――――― ■ 光学系 赤外線の集光用としては、波長によって石英、CaF2、Ge、 106 105 伝送損失 (dB/km) 104 A: SiO2 B: GdF3-BaF2-ZrF4 C: Ge-S D: Tl (Br, l) ZnSeあるいはポリエチレンのフレネルなどのレンズ、さら にAl、Auなどのミラーが使われます。図1-6は、主な赤外線 用光学系の透過率を示したものです。また、特定波長だけ A 103 B を利用するためのバンドパスフィルタや赤外線をON-OFFす C D 102 るためのチョッパなどが必要な場合もあります。 バンドパスフィルタを設計するときには、中心波長、半 101 値幅 (FWHM)、5 %透過率幅のほか、サイドバンド、すなわ 100 ち使用する波長以外での2次的透過波長、および通常ブロッ 10-1 キングといわれる使用波長以外での透過率も考慮する必要 10-2 10-3 0.2 0.3 があります (図1-7参照)。これらの特性は、使用する温度や 0.5 1 2 3 5 10 入射する光の角度によって変化します。 20 波 長 ( m) KIRDB0126JA ［図1-6］各種光学系の透過率 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― 1.0 0.9 NaCI (2 mm) CaF2 (1 mm) KBr (4 mm) 0.8 As2S3 (5 mm) AgCI (1 mm) 0.7 透過率 0.6 ZnSe (3 mm) 0.5 Si 0.4 0.3 赤外用石英 (5 mm) 0.2 0.1 0 0.1 ダイヤモンド (1 mm) 0.2 KRS-5 0.3 0.5 サファイア (1 mm) Ge (1 mm) 0.7 1 2 3 5 7 9 10 20 30 40 波 長 ( m) KIRDB0127JB ［図1-7］バンドパスフィルタの透過特性例 ――――――― 検出素子には波長依存性のない熱型と波長依存性のある 100 量子型があります。赤外線のもつエネルギーは次式で表さ 90 れます。 80 中心波長 透過率 (%) 70 60 E= ピーク透過率 30 hc 1.24 = λ λ [eV] .......... (1-5) h: プランク定数 = 6.626 × 10-34 [J · s] = 4.14 × 10-15 [eV · s] c: 光速 = 3 × 1010 [cm/s] λ: 波長 [ m] 50 40 ■ 検出素子 半値幅 ピーク (FWHM) 透過率 の50 % 20 サイドバンド 5 %透過率 10 サイドバンド 赤外線は、1 µmで1.24 eV、10 µmで0.12 eVと紫外線や可 視光に比べエネルギーが小さいので、検出効率を上げるた 0 めには検出素子を冷却する必要があります。検出素子の性 能を示すものに受光感度、NEP、D*があります。 波長 KIRDB0128JB 4 赤外線検出素子 そのため、受光感度は以下の式で表されます。 (1) 受光感度 受光感度は雑音を考慮しないときの1 W当たりの出力電 圧 (または出力電流)です。 R= S PA [V/W] Rλ = .......... (1-6) - RLRdVB .......... (1-13) (Rd + RL)2 数のため、この式を用いて量子効率を求めるケースはほと んどありません。 光起電力素子の場合、一般的に信号は光電流として取り 出すため、受光感度の単位はA/Wです。ある特定の波長の 光が入射した場合、光電流 Iscは次式のように表されます。 PA ηqPAλ = c hc h λ h) ただし、Rd、µe、µh、τ、σ はそれぞれが関連づけられた変 S: 信号出力 [V] P: 入射エネルギー [W/cm2] A: 検出素子の受光面積 [cm2] Isc = ηq ∆Vo qητλ ( e + = PA σlwdhc (2) 雑音等価電力 (NEP: Noise Equivalent Power) 雑音量に等しい入射光量、つまり信号対雑音 (S/N)が1と なるときの入射光量で示します。 NEP = .......... (1-7) PA [W/Hz1/2] .......... (1-14) S/N・ ∆f N : ノイズ出力 [V] ∆f: 雑音帯域幅 [Hz] q: 電子の電荷 η: 量子効率 (3) 比検出能力 D* (ディ・スター) したがって受光感度 Rλは、以下の式で表されます。 Rλ = D*は1 Wの光入力があったときの、検出素子の交流的な S/Nがどれだけあるかを示します。検出素子の面積によらず Isc ηqλ ηλ .......... (1-8) = = PA hc 1.24 に材料の特性そのものを比べられるように検出素子面積1 cm2、雑音帯域 1 Hzで規格化されています。D*の表示は一 量子効率 ηとRλは次のような関係になります。 般にD* (A, B, C)のように表し、Aは光源の温度 [K]または波 長 [µm]、Bはチョッピング周波数 [Hz]、Cは雑音帯域幅 Rλ .......... η = 1.24 (1-9) λ [Hz] を意味します。単位はcm・Hz1/2/Wで、D*が高いほど、 よい検出素子といえます。 なおD*は以下の式から求められます。 一方、光導電素子の場合、図1-8のような回路で電圧とし て信号を取り出すため受光感度の単位はV/Wです。 1 D* = S/N・∆f 2 .......... (1-15) 1 P・A 2 ［図1-8］光導電素子の出力信号測定回路 ―――――――――――― Sは信号、Nは雑音、Pは入射エネルギー [W/cm2]、Aは受 P 光面積 [cm2]、Δfは雑音帯域幅 [Hz]を表します。また、D* w とNEPの間には以下の関係が成り立ちます。 l 負荷抵抗 RL d 暗抵抗 Rd 出力信号 VO 1 D* = バイアス電圧 VB A2 ............... (1-16) NEP KIRDC0028JA 検出素子の選択に際しては、検出感度のほか、使用波長、 出力電圧 Voは以下の式で表されます。 応答特性、冷却方法、素子面積、形状、素子数 (単素子、ま たは1次元、2次元アレイなど)を考慮する必要があります。 Vo = RL - VB ................................. (1-10) Rd + RL 検出素子のD*と最大感度波長との関係 赤外線検出素子の特性を測定する場合、放射源として500 光が入射したときRdの変化 ∆RdによるVoの変化は K黒体がよく用いられます。この500 K黒体を放射源とした D* (500, f, 1)と検出素子の最大感度波長におけるD* (λp, f, 1) ∆Vo = - RL VB - ∆Rd ..................... (1-11) (Rd + RL)2 となります。また∆Rdは以下の式で表されます。 ∆Rd = - Rd q( + σ e τ : キャリアの寿命 e: 電子の移動度 h: 正孔の移動度 σ : 電気伝導度 5 h) - ητλPA .......... (1-12) lwdhc との間には図1-9に示すような関係がほぼ成り立ちます。 1. 赤外線 ［図1-9］D*−最大感度波長 ―――――――――――――― ■ 信号処理 通常は検出素子からの信号出力は極めて小さいため、増 100 幅する必要があります。前置増幅器の設計にあたっては検 出器とのインピーダンス整合、低雑音、帯域に留意する必 D* (λp, f, 1) D* (500, f, 1) 要があります。入射光がチョッパなどによって変調されて いる場合には、同調増幅器を使用することが有効です。ま た検出素子が冷却されている場合には、増幅器の冷却も有 10 効です。図1-10はInSb光起電力素子を使った微弱光測定用 回路の例です。 ［図1-10］信号処理回路例 ―――――――――――――― 1 2 4 6 8 10 Rf∼100 Ω 0.1 pF D 133 kΩ 15 F 0.01 F 最大感度波長 ( m) 3 MΩ G KIRDB0129JA 検出素子 G S S J230 806 kΩ +11 V LM + 108 A TIA 806 kΩ OUTPUT -12 V バイアス電源 77 K 300 K KIRDC0029JA 6 赤外線検出素子 1-3 赤外線の応用 赤外線は工業、農業、医学、理化学、天文学、通信、宇宙からのリモートセンシングなどに広く利用されています。浜松ホトニク スの赤外線検出素子は表1-2のような分野で使用されています。なお、応用例については、 「14. 応用例」でも紹介しています。 ［表1-2］浜松ホトニクスの赤外線検出素子の主な用途 ―――――――――――――――――――――――――――――――――― 検出素子 用途 放射温度計 HMD (ホットメタルディテクタ) InGaAs PbS G8376-03 P9217シリーズ G8376-03 P9217シリーズ PbSe InAs InSb P7163 P6606シリーズ P10090シリーズ MCT P3981 P9217シリーズ フレームモニタ 複合素子 K1713 シリーズ K1713-01 K1713-02 炎検出器 水分計 G8372-01 G8373-01 ガス分析計 G8371-01 G8372-01 G8373-01 分光光度計 G8373-01 G9211-256S G9212-512S G9213-256S G9214-512S G9208-256W P9696シリーズ P10090 シリーズ P2038-03 P2680-03 P5968シリーズ P6606シリーズ P2750 P3981 P7163 P10090 シリーズ P4247-16 P5968シリーズ P3257シリーズ P4249-08 P5274 P5274-01 P2532-01 P2682-01 P9696シリーズ P2038-03 膜厚計 レーザモニタ G8376シリーズ G8941シリーズ 光パワーメータ G8370-02 G8370-03 G8370-05 レーザダイオード 寿命試験器 P2532-01 P2682-01 P9217シリーズ P3257シリーズ P3981 P10090 シリーズ P3257-30 P3257-31 G8370-01 G8736-03 G6854-01 O/E変換器 FTIR 赤外線映像装置 (サーマルイメージング) リモートセンシング 人体検知 7 K1713-05 K1713-09 P10090 シリーズ P5968 シリーズ P3257シリーズ P2748-40 P2748-41 P2748-42 P5274 P5274-01 P4247-44 P5968シリーズ P2750 P3257シリーズ P4249-08 P5968 シリーズ P3257シリーズ K1713-05 K3413-05 1. 赤外線／2. 赤外線検出素子の種類 2. 赤外線検出素子の種類 赤外線検出素子を大きく分けると、熱型と量子型に分類できます。熱型検出素子は、赤外線のエネルギーを熱として利用する検出 素子です。熱型検出素子は感度に波長依存性がなく、冷却を必要としません。しかし、応答速度が遅く、検出能力はあまり良くあ りません。また量子型検出素子は、検出能力が高く応答速度が速い反面、感度に波長依存性があり、近赤外域の検出素子を除いて 一般に冷却して使用しなければなりません。 ［表2-1］赤外線検出素子の分類と特性 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― 波長範囲 ( m) 動作温度 (K) 窓材による 300 300 300 300 D* (λ, 10, 1) = 6 × 108 D* (λ, 10, 1) = 1 × 108 D* (λ, 10, 1) = 1 × 109 D* (λ, 10, 1) = 2 × 108 光導電型 PbS PbSe InSb HgCdTe 1∼3.6 1.5∼5.8 2∼6 2∼16 300 300 213 77 D* (500, 600, 1) = 1 × 109 D* (500, 600, 1) = 1 × 108 D* (500, 1200, 1) = 2 × 109 D* (500, 1000, 1) = 2 × 1010 光起電力型 Ge InGaAs Ex. InGaAs InAs InSb HgCdTe 0.8∼1.8 0.7∼1.7 1.2∼2.55 1∼3.1 1∼5.5 2∼16 300 300 253 77 77 77 D* (λp) = 1 × 1011 D* (λp) = 5 × 1012 D* (λp) = 2 × 1011 D* (500, 1200, 1) = 1 × 1010 D* (500, 1200, 1) = 2 × 1010 D* (500, 1000, 1) = 1 × 1010 1∼10 2∼14 2∼30 2∼40 1∼17 1∼23 77 4.2 4.2 4.2 4.2 4.2 D* (500, 900, 1) = 1 × 1011 D* (500, 900, 1) = 8 × 109 D* (500, 900, 1) = 5 × 109 D* (500, 900, 1) = 5 × 109 D* (500, 900, 1) = 5 × 109 D* (500, 900, 1) = 5 × 109 分 類 検出器 サーモカップル・サーモパイル ボロメータ ニューマチックセル 焦電素子 熱型検出素子 ゴーレイセル、コンデンサマイクロホン PZT, TGS, LiTaO 3 真性型検出素子 量子型検出素子 Ge: Au Ge: Hg Ge: Cu Ge: Zn Si: Ga Si: As 不純物型検出素子 D* (cm · Hz1/2/W) ［図2-1］赤外線検出素子の分光感度特性 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― 1014 Ge (77 K) Ge (196 K) InGaAs (300 K) 1013 PbS (196 K) Ex. InGaAs (223 K) Ex. InGaAs (253 K) 1/2 D*(cm・Hz /W) λ 1012 Ex. InGaAs (300 K) Ge (300 K) 10 InAs (77 K) 光起電力検出器の理論的限界 300 K (半空間) InAs (196 K) 光導電力検出器の理論的限界 300 K (半空間) 11 InSb (77 K) HgCdTe (77 K) 1010 PbS (300 K) HgCdTe (77 K) GeAu (77 K) 109 Si:Ga (4.2 K) HgCdTe (77 K) PbS (77 K) ゴーレイセル (77 K) PbSe (196 K) 焦電検出器 (300 K) PbSe (77 K) PbSe (300 K) 熱電対、サーモパイル (300 K) サーミスタ・ポロメータ (300 K) 108 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 波 長 (µm) KIRDB0079JB 8 赤外線検出素子 ■ D*の理論的限界 赤外線を検出するときのノイズには赤外線検出素子自体 3. 赤外線検出素子の選択 からのノイズ、回路からのノイズのほか、背景光のゆらぎ 浜松ホトニクスは、約100種類の赤外線検出素子を製造・ によるノイズがあります。赤外線検出素子および回路から 販売しております。これらの赤外線検出素子の中から、目 発生するノイズが背景光のゆらぎによるノイズに比べて無 的に合った品種を選ぶために、以下の項目について考慮し 視できると仮定した場合には、検出限界は背景光のゆらぎ てください。 によるノイズのみによって決まります。これをBackground Limited Infrared Photodetection (BLIP)と称します。BLIPにお ける光起電力素子または光導電素子のD*は、それぞれ次式 で表されます。 図2-1の分光感度特性や表3-1の測温限界の表から用途に適 した赤外線検出素子が選べます。 光起電力素子の D*λ = 光導電素子の D*λ = ■ 使用する波長範囲または被測定物温度 λ hc λ 2hc η [cm · Hz1/2/W] .......... (2-1) 2Q η 2Q [cm · Hz1/2/W] .......... (2-2) ［表3-1］測温限界 (目安)と検出素子 ―――――――――― 測温限界 検出素子 600 ˚C Si 200 ˚C InGaAs λ : 波長 η : 量子効率 h : プランク定数 c : 光速度 Q: 背景放射光量子束 図2-1の点線は、FOV=180˚、300 K背景における検出器の理 論的限界 (BLIP)の値を示します。 100 ˚C PbS 50 ˚C PbSe 0 ˚C InSb -50 ˚C MCT ■ 感度、S/N 光信号の強さや必要とする情報の種類によって、赤外線 検出素子に要求される感度とS/Nが異なります。赤外線検出 素子の選択にはNEPとD*の値が目安になります。また、S/N を良くするためには検出素子を冷却する必要も出てきます が、冷却する方法としては電子冷却素子による方法とドラ イアイスや液体窒素などの寒剤を使う方法、スターリング 冷却などの機械式冷却機を使う方法があります。冷却する 方法については29ページを参照してください。図2-1でわか るように、冷却することによって分光感度特性が変化しま す。PbS、PbSe、MCT光導電素子では長波長側に、InGaAs PINフォトダイオード、InAs、InSb光起電力素子では短波長 側に分光感度がシフトします。また、PbS、PbSe光導電素子 では冷却することによって応答速度が遅くなりますので注 意が必要です。 先にも述べましたが、感度は主に次の3つ の特性で評価できます。 (1) 受光感度 入射光量 1 W時の光電変換 (電圧または電流)の大きさを 示すもので、光導電素子の場合の単位はV/Wで、光起電力 素子はA/Wです。 (2) NEP (Noise Equivalent Power) 雑音量に等しい入射光量、つまり信号対雑音比 S/Nが1と なる入射光量のことです。 (3) D* (ディ・スター: 比検出能力) D*は1 Wの光入力があったときに、検出素子の交流的な S/Nがどれだけあるかを示します。単位はcm・Hz 1/2/Wで、 D*が高いほど、よい検出素子といえます。 9 2. 赤外線検出素子の種類／3. 赤外線検出素子の選択／4. InGaAs/GaAs PINフォトダイオード ■ 応答速度、チョッピング周波数 使用目的により要求される応答速度は異なります。たと えば光通信では1 GHzが、また侵入警報機では0.1 Hzの応答 速度が求められています。目的にあった応答速度をもつ赤 4. InGaAs/GaAs PINフォトダイオード InGaAs/GaAs PINフォトダイオードは、 Siフォトダイオー ドと同じくPN 接合をもった光起電力素子です。 外線検出素子を選ぶ必要があります。 ［図4-1］分光感度特性 (InGaAs/GaAs PINフォトダイオード) ― ■ 受光面サイズ、素子数 (Typ. Ta=25 ˚C) 1.4 光学系や使い方によって受光面のサイズや形状、単素子 または1次元・2次元アレイといった要求が出てきます。 長波長タイプ InGaAs (∼2.6 m) 長波長タイプ InGaAs (∼2.1 m) 1.2 InGaAs PINフォトダイオード、PbS、PbSe光導電素子、 素子数を比較的自由に変えることができます。 ■ 外囲器 (パッケージ) 外囲器として、メタルパッケージ、セラミックパッケー 受光感度 (A/W) InSb光起電力素子、MCT光導電素子は素子の形状、サイズ、 1.0 長波長タイプ InGaAs 0.8 (∼1.9 m) 0.6 GaAs 0.4 ジ、DIP型、デュワ型 (ガラス、メタル) を用意しています。 0.2 また用途によっては直線性、安定性、温度特性、価格など 標準タイプ InGaAs も選択のための重要な要素になります。 0 0.5 1.0 1.5 ［図3-1］外囲器 ――――――――――――――――――― 2.0 2.5 3.0 波 長 ( m) KIRDB0332JB 赤外線 素子 素子 赤外線 サーミスタ ドライアイスや冷却機など InGaAsは、Siに比べてバンドギャップエネルギーが小さ 電子冷却器 素子 いため、Siより長い波長に対して感度をもっています。 InGaAsは、 InとGaの組成比によって図4-2のようにバンド 赤外線 メタルパッケージ (電子冷却型) ギャップエネルギーの値が変わります。組成比を変えるこ とによって、さまざまな感度波長範囲の赤外線検出素子を デュワ型 作ることができます。当社は、カットオフ波長が1.7 µmの KIRDC0009JA 標準タイプのほかに、1.9 µm、2.1 µm、2.6 µmなどの長波長 タイプを用意しています。 ［図4-2］In1-XGaXAsの格子定数ーバンドギャップエネルギー 6.1 InAs 6.0 In0.8Ga0.2As 5.9 格子定数 (Å) メタル パッケージ In0.53Ga0.47As InP 5.8 5.7 GaAs 5.6 5.5 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 バンドギャップエネルギー (eV) KIRDB0130JA 10 赤外線検出素子 (c) 電流−電圧特性と負荷直線 電流 4-1 特性 ■ 電流−電圧特性 逆電圧印加時の 負荷直線 InGaAs/GaAs PINフォトダイオードに暗中で電圧を印加す ると、図4-3 (a)のような電流−電圧特性が得られます。次 電圧 VR にフォトダイオードへ光を入射すると、この曲線は図4-3 高負荷直線 (b)の②のようになります。さらに光を強くすると、③のよ うになります。ここでフォトダイオードの両端を開放して おくと順方向にVocの電圧が現れ、両端を短絡しておくと逆 方向に短絡電流 Iscが流れます。 低負荷直線 光電流によって光量を測定する方法について図4-4 (a) (b) で示します。(a)は、負荷抵抗を接続し Io × RLの電圧をゲイ ン Gの増幅器で電圧増幅する方法です。(a)の回路では、直 KPDB0003JA 線性の範囲は限定されます [この様子を図4-3 (c)に示しま す]。 ［図4-4］接続例 ―――――――――――――――――――― 図4-4 (b)は、オペアンプを使用した回路です。オペアン (a) 負荷抵抗を接続した場合 プのオープンループゲインをAとすると、負帰還回路の特 徴により等価入力抵抗は ×G Rf となり(a)の回路よりも数けた小 A さくなるため、理想的な短絡電流の測定が可能になります。 G × Io × RL 光 広範囲の短絡電流を測定する場合は、Rfを必要に応じて切 Io RL り替えます。 ［図4-3］電流−電圧特性 ―――――――――――――――― (b) オペアンプを接続した場合 (a) 暗中 Rf 順電流 Isc 光 + - (Isc × Rf) KPDC0006JB 逆電圧 順電圧 ■ 等価回路 飽和電流 InGaAs/GaAs PINフォトダイオードの等価回路を図4-5に 逆電流 示します。短絡電流 Iscは、以下の式で表されます。短絡電 流の直線性の限界は、この式の第2項、第3項によって決定 KIRDC0030JA されます。 (b) 光照射時 電流 Isc = I L - Is exp 光 Isc 光 + 飽和電流 0 電圧 Voc Isc Isc' Voc' Voc 照度大 KPDC0005JA 11 q(Isc × Rs) Isc × Rs ........ (4-1) - 1 kT Rsh IL : 入射光による発生電流 (光量に比例) Is : フォトダイオードの逆方向飽和電流 q : 電子の電荷 Rs : 直列抵抗 k : ボルツマン定数 T : 素子の絶対温度 Rsh: 並列抵抗 4. InGaAs/GaAs PINフォトダイオード ［図4-5］等価回路 (InGaAs/GaAs PINフォトダイオード) (Typ. Ta=25 ˚C, λ=830 nm, RL=2 Ω, VR=0 V, スポット光サイズ 0.1 mm) 102 IO Rs I' Ct 100 負 RL 荷 相対感度 (%) Rsh VD ID VO IL (b) GaAs PINフォトダイオード KPDC0004JA VD : ダイオード両端の電圧 ID : ダイオード電流 Ct : 端子間容量 I' : 並列抵抗電流 Vo: 出力電圧 Io : 出力電流 98 96 94 92 90 0 2 4 ■ 直線性 6 8 10 12 14 16 入射光量 (mW) InGaAs/GaAs PINフォトダイオードの直線性は、下限は雑 KIRDB0060JA 音で決まり上限は受光部の面積や電極構造で決まります。 上限を伸ばすために逆電圧を印加することもありますが、 直線性だけを考えれば1 Vも印加すれば十分です。図4-7は ［図4-7］接続例 ―――――――――――――――――――― (a) 負荷抵抗を接続した場合 逆電圧を印加する接続例です。逆電圧を印加することは、 R 直線性あるいは応答特性の改善に役立ちますが、一方で暗 電流を増大させ雑音レベルを引き上げることになります。 また、過大な逆電圧はフォトダイオードの破損または劣化 逆電圧 の原因になるため、絶対最大定格内で使用し、必ずカソー VR C 負荷抵抗 RL ドがアノードに対して正電位になるように極性を設定して ください。 ［図4-6］直線性 ―――――――――――――――――――― (b) オペアンプを接続した場合 (a) InGaAs PINフォトダイオード R Rf (Typ. Ta=25 ˚C, λ=1.3 m, RL=2 Ω, VR=0 V, スポット光サイズ 0.3 mm) 102 逆電圧 100 VR C 1 mm + 相対感度 (%) 98 KPDC0008JB 2 mm 96 ■ 雑音特性 3 mm 94 InGaAs/GaAs PINフォトダイオードの微弱光に対する検出 5 mm 限界は、一般の受光素子と同様にその雑音特性で決まりま 92 す。フォトダイオードの雑音電流 inは、並列抵抗 Rshで近 似できる抵抗体の熱雑音電流 (またはジョンソン雑音電流) 90 0 2 4 6 8 10 12 14 16 ij、暗電流に起因するショット雑音電流 isD、光電流に起因 するショット雑音電流 isLの和で表せます。 入射光量 (mW) KIRDB0333JA in = ij 2 + isD2 + isL2 [A] ........ (4-2) 図4-4のように逆電圧を印加しない場合、ijは次のように なります。 ij = 4kTB [A] ........ (4-3) Rsh k : ボルツマン定数 T: 素子の絶対温度 B: 雑音帯域幅 12 赤外線検出素子 図4-7のように逆電圧を印加する場合は、必ず暗電流が存 在し、isDは次のようになります。 フォトダイオードのカットオフ波長 (λc)は、そのバンド ギャップエネルギー (Eg)により次式で表されます。 λc = 1.24 [ m] ........ (4-7) Eg isD = 2qIDB [A] ........ (4-4) q : 電子の電荷 ID : 暗電流 B : 雑音帯域幅 標準タイプの InGaAs光吸収層のバンドギャップエネルギ ーは0.73 eVです。長波長タイプは、InGaAs光吸収層の組成 入射光のため光電流 (IL)が存在し、IL >> 0.026/Rshまたは IL >> IDの場合、雑音電流は光電流に起因するショット雑音 比を変えることによってバンドギャップエネルギーを小さ くしカットオフ波長を長波長側へ延ばしています。 InGaAs PINフォトダイオードの感度波長範囲は素子の温 電流が支配的となり、以下の式で表されます。 度を下げることにより短波長側にシフトしますが、雑音量 in isL = 2qILB [A] ........ (4-5) が減少するためD*は図4-10のように大きくなります。 これらの雑音の大きさは、測定帯域帯 (B)の平方根に比例 するため、単位は Bで正規化した A/Hz1/2で示します。 ［図4-9］分光感度特性 ――――――――――――――――― (a) InGaAs PINフォトダイオード (標準タイプ) 一般にフォトダイオードの最小光検出限界は、(3)式また (Typ.) は (4)式の雑音電流と等しい電流を発生させる入射光量、す 25 ˚C 100 なわち雑音等価電力 (NEP)で表します。 in S 80 [W/Hz1/2 ] ........ (4-6) 相対感度 (%) NEP = -20 ˚C in: 雑音電流 S : 受光感度 -77 ˚C 60 -196 ˚C 40 図4-7 (b)の回路構成の場合、前述したフォトダイオード 20 の雑音に加え、オペアンプおよび Rfの雑音などを考慮する 必要があります。さらに高周波数領域では、フォトダイオ 0 0.8 ード容量 (Ct)、フィードバック容量 (Cf)などの容量成分を 1.0 含めた伝達関数を考慮する必要もあります。光検出限界は、 1.2 1.4 1.6 1.8 波 長 ( m) 増幅器の温度ドリフトや低周波数領域のフリッカ雑音、後 KIRDB0132JA 述するゲインピーキングなどの影響も含め、(6)式の NEPよ り大きくなります。 (b) InGaAs PINフォトダイオード [長波長タイプ (∼2.6 µm)] InGaAs PINフォトダイオードの場合、光検出限界を改善 (Typ.) するためには冷却型を使用する方法があります。また入射 100 光を何らかの方法で周期的にオン・オフし、その周波数の 25 ˚C 信号だけを同期検出すれば、不要な帯域の雑音を除去でき (図4-8)。 ［図4-8］同期測定法 ―――――――――――――――――― チョッパ 被測定光 測光用 フォトダイオード 相対感度 (%) るため、検出限界をさらに NEPへ近づけることができます 80 -30 ˚C 60 -40 ˚C -50 ˚C 40 20 出力 ロックイン アンプ 0 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 波 長 ( m) LED KIRDB0133JA 参照用フォトダイオード KPDC0004JA ■ 分光感度特性 InGaAs PINフォトダイオードは、感度波長範囲によりカ ットオフ波長が1.7 µmの標準タイプと長波長タイプの2種類 に大別されます。 13 4. InGaAs/GaAs PINフォトダイオード (c) GaAs PINフォトダイオード ■ 応答特性 応答特性とは、生成したキャリアをどれだけ早く外部回 (Typ. Ta=25 ˚C) 0.6 路へ電流として取り出せるかを示す値で、通常、上昇時間 (tr)または遮断周波数 (fc)で表します。 0.5 受光感度 (A/W) 上昇時間は、出力信号がピーク値の10 %から90 %に立ち 上がる時間で、以下の式で表されます。 0.4 tr = 2.2Ct (RL + Rs) ........ (4-8) 0.3 通常 RL>>Rsとなるため、Rsは無視して差し支えありませ 0.2 ん。上昇時間を小さくするためにはCtとRLを小さくする必 0.1 要がありますが、RLは外的要因で決められ自由に動かすこ とができません。Ctは、受光面積 (A)に比例し逆電圧 (VR) 0 400 600 1000 800 の平方根に反比例します。 波 長 (nm) KGPDB0044JA A Ct ∝ ........ (4-9) VR ［図4-10］D*−波長 (InGaAs PINフォトダイオード) ―― (a) 標準タイプ したがって、受光面積が小さい素子に逆電圧を印加する (Typ.) 14 10 -20 ˚C ことによって、速い応答速度が得られることになります。 また、PN接合部以外に吸収された光によって生成した電 -10 ˚C D* (cm · Hz1/2/W) 荷が拡散によって電極に達するまで、数µs以上かかる場合 があります。Ct × RL時定数が小さい場合は、この拡散時間 1013 によって応答速度が決定されます。高速応答を必要とする 場合には、受光部以外に光を照射しないように注意してく 25 ˚C ださい。 上昇時間 tr [s]と遮断周波数 fc [Hz]との間には、以下の関 1012 係があります。 tr = 1011 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0.35 ........ (4-10) fc 2.0 波 長 ( m) KIRDB0134JA ［図4-11］端子間容量−逆電圧 ―――――――――――――― (a) InGaAs PINフォトダイオード (標準タイプ) (b) 長波長タイプ (Typ. Ta=25 ˚C, f=1 MHz) 104 (Typ.) 12 10 5 mm -50 ˚C 3 10 2 mm 端子間容量 (pF) D* (cm · Hz1/2/W) -40 ˚C -30 ˚C 1011 3 mm 25 ˚C 2 10 101 1 mm 0.5 mm 0.3 mm 1010 100 0.07 mm -1 10 109 1.0 1.5 2.0 2.5 0.01 0.1 1 10 100 3.0 逆電圧 (V) KIRDB0331JB 波 長 ( m) KIRDB0135JA 14 赤外線検出素子 (b) GaAs PINフォトダイオード ［図4-13］並列抵抗−素子温度 ――――――――――――― [InGaAs PINフォトダイオード (標準タイプ)] (Typ. Ta=25 ˚C, f=1 MHz) 101 (Typ. VR=10 mV) 1012 1011 0.3 mm 端子間容量 (pF) 1010 並列抵抗 (Ω) 0.12 mm 100 0.08 mm 0.04 mm 0.5 mm 1 mm 9 10 108 107 2 mm 3 mm 106 5 mm 10 105 -1 0.01 0.1 1 10 100 104 -60 逆電圧 (V) -40 -20 0 KGPDB0059JA 20 40 60 80 100 素子温度 (˚C) KIRDB0330JA 図4-12に InGaAs PINフォトダイオードを用いた高速光検 出回路を示します。これは図4-7 (a)の具体的な接続例で、 4-2 使い方 負荷抵抗は50 Ωになっています。セラミックコンデンサ C は、逆電圧電源の内部抵抗を小さくするためのものです。 抵抗 Rはフォトダイオードの保護用で、最大光電流による ■ オペアンプとの接続 図4-14に基本接続図を示します。図4-14のオペアンプ回路 電圧降下は逆電圧より十分小さい範囲で選定します。なお、 の入力インピーダンスは、帰還抵抗 Rfをオープンゲインで フォトダイオードとコンデンサのリード線、同軸ケーブル 割った値であるため非常に小さくなり、短絡電流 Iscの値に の芯線など高速パルスが通る経路は、極力短く配線する必 近くなります。そのため優れた直線性が得られます。 要があります。 ［図4-14］基本接続図 ――――――――――――――――― ［図4-12］高速光検出回路 (InGaAs PINフォトダイオード) Rf 光 測定機 R 逆電圧 K A 50 Ω同軸ケーブル C Isc 測定機入力 インピーダンス (50 Ω系で結線する) Cf - EO = - (Isc × Rf) + V オフセット調整用 VR KPDC0009JA KIRDC0040JB ■ 温度特性 「■ 分光感度特性」で述べたように、検出素子の温度が 以下にオペアンプを使用する場合の注意事項を述べます。 変わることによって分光感度特性も変化します。InGaAs PINフォトダイオードの並列抵抗の温度特性を図4-13に示し ます。素子温度を下げることによって並列抵抗 (Rsh)は大き (1) 帰還抵抗 図4-14では、短絡電流 Iscは Isc × Rfの電圧に変換されます。 くなるため、S/Nはよくなります。当社は、動作温度を一定 帰還抵抗 Rfは、Iscと必要な出力電圧 Voとで決まります。 に (ま た は 冷 却 )し て 使 用 で き る 、 1段 ／ 2段 電 子 冷 却 型 Rfがフォトダイオードの並列抵抗 Rshより大きくなると、 InGaAs PINフォトダイオードを用意しています。使用方法 オペアンプの入力雑音電圧と入力オフセット電圧が (1 + は、「13-1 冷却方法」を参照してください。 Rf/Rsh)倍されて出力電圧に重畳してきます。またオペアン プのバイアス電流誤差も大きくなるため、Rfを無制限に大 きくすることはできません。 帰還容量 Cfはダンピング容量とも呼ばれ、主に発振防止 用で、数pFあれば十分です。 この帰還回路は、Cf × Rfの時定数をもちノイズフィルタ の働きをしますが、同時に応答速度を制限するため用途に 合わせて値を選ぶ必要があります。またオフセット電圧に よる誤差は、オペアンプのオフセット調整端子に可変抵抗 15 4. InGaAs/GaAs PINフォトダイオード を接続することにより通常1 mV以下にすることができま す。 (2) バーストモード対応 近年 FTTH (Fiber To The Home)の普及が進んでいます。 FTTHでは、PON (Passive Optical Network)方式が採用される (2) オペアンプの選択 場合が多くなっています。この方式のメリットとしては、1 実際のオペアンプの入力抵抗は無限大ではなく、入力端 本のファイバを共有する経済性があげられます。中継局か 子にはいくらかのバイアス電流が流入または流出します。 ら家庭に配信される (下り)波長は1.48∼1.56 µmが使用され これにより、検出電流の大きさによっては誤差が生じます。 る場合が多く、家庭から中継局へ (上り)は1.3 µmが使用さ バイアス電流は、FET入力型オペアンプでは0.1 pA以下の れ る 場 合 が 多 く な っ て い ま す 。 中 継 局 (上 り )の 受 け 側 ものもありますが、バイポーラ型は数百pA∼数百nA程度で (OLT: Optical Line Termination)では、強度の異なる複数の信 す。 号の流入を正確に受信できるフォトダイオードが求められ FET型オペアンプのバイアス電流は、一般に10 ˚Cの温度 ます。これを可能にするため、バーストモード対応のすそ 上昇で2倍になりますが、バイポーラ型オペアンプでは逆に 引きが小さいフォトダイオードが必要となります。図4-16 減少します。このため高温仕様の回路を設計する場合、バ では、遮断周波数 7 GHz (VR=2 V)でバーストモード対応の イポーラ型オペアンプの使用も考慮する必要があります。 InGaAs PINフォトダイオード (φ0.07 mm)の出力波形を示し なおバイアス電流による誤差電圧は、オフセット電圧と同 ます。 様にオペアンプのオフセット調整端子に可変抵抗器を接続 して微調整することができます。 (3) C/Lバンド対応 DWDMが普及し、より多くの情報量を要求されればC/L 4-3 開発動向 バンドが積極的に利用されてきます。光通信の受光用・監 視用として使用されるフォトダイオードは、C/Lバンドに対 InGaAs/GaAs PINフォトダイオードには、今後さまざまな 分野に合わせてカスタマイズされた要求が出てくることが 応する必要があります。図4-17にC/Lバンド対応InGaAs PIN フォトダイオードの分光感度特性を示します。 予想されます。特に光通信は、今後も最も大きな市場とし て注目されます。どの分野においても、高速化・集積化・ 多機能化・低価格化は共通のキーワードになります。 (1) 高速化 高速応答の受光素子として、低価格の10 Gbpsおよび40 Gbpsのフォトダイオードの商品化が求められています。こ の場合、システム自体が高価になったのでは意味がなく、 低消費電力化やアッセンブリの簡易化も同時に要求されま す。そのため、フォトダイオードは低逆電圧下での高速動 作とMEMSとの融合が必要となります。現在、低逆電圧駆 動10 Gbps用 InGaAs PINフォトダイオードが商品化され、 VR=2 Vで10 Gbpsが実現しています。 ［図4-15］周波数特性 (10 Gbps InGaAs PINフォトダイオード) (Typ. Ta=25 ˚C, VR=2 V) 3 0 相対感度 (dB) -3 -6 -9 -12 -15 -18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 周波数 (GHz) KIRDB0329JA 16 赤外線検出素子 ［図4-16］出力波形の立ち下がり ──────────────────────────────────────────── フォトダイオード 出力波形の模式図 1st パケット: -5 dBm バーストモード波形 * 2nd パケット: -33 dBm パケット間隔: 50 ns 従来の InGaAs PIN フォトダイオード 信号が分離できて いない すそ引き大 1st パケット: -5 dBm 2nd パケット: -33 dBm パケット間隔: 50 ns バーストモード対応 InGaAs PIN フォトダイオード すそ引き小 KIRDC0068JA * 当社評価回路を使用 (プリアンプ後、信号をデジタル処理) VR=1.5 V、結合効率70 %の状態にて測定 ［図4-17］分光感度特性 ―――――――――――――――― ［図4-18］PDL分布例 (InGaAs PINフォトダイオード) (C/Lバンド対応InGaAs PINフォトダイオード) 16 14 0.4 25 ˚C 0 ˚C -20 ˚C 頻 度 (pcs) 85 ˚C 0.3 0.2 相対感度 (dB) (Ta=25 ˚C, λ=1.55 m, ランダムサンプリング) 18 (ランダムサンプリング) 0.5 0.1 12 改良品 10 従来品 8 6 4 0 2 -0.1 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 -0.2 Cバンド Lバンド PDL (mdB) -0.3 KIRDB0325JA -0.4 -0.5 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.58 1.59 1.60 1.61 1.62 1.63 1.64 (5) 2次元センサ フォトダイオードの特性の改善は、光通信の発展により 波 長 ( m) KIRDB0328JA 牽引されてきました。また、地球観測や宇宙観測への応用 による技術向上も大きく貢献してきました。人工衛星や探 (4) 低偏波依存性 17 査機では2次元画像処理を行うことが多く、2次元センサが 光学素子の偏波依存性の改善が進み、より高精度な光通 要求されます。現在、2次元フォトダイオードアレイと 信用測定器が必要とされています。フォトダイオードにも ASICをバンプによる結合でハイブリッド化した異種接合2 偏波依存性に対して改善が要求されています。図4-18に偏 次元センサの開発が進められています。この2次元センサの 波依存性を改良したInGaAs PINフォトダイオードのPDL 開発において、高速化・集積化・多機能化など多くの分野 (Polarization Dependence Loss)のバラツキを示します。 で応用できる技術が開発されるものと思われます。 4. InGaAs/GaAs PINフォトダイオード／5. inGaAsリニアイメージセンサ ［図5-1］InGaAsリニアイメージセンサ受光部／断面図 ――― 5. InGaAsリニアイメージセンサ InGaAsリニアイメージセンサは、主にマルチチャンネル 近赤外分光光度計用検知器として設計された自己走査型フ 250 m または 500 m ォトダイオードアレイです。広い受光面積、高い量子効率、 低暗電流と電荷蓄積時間の自由度から得られる広いダイナ ミックレンジ、優れた出力直線性とユニフォミティ、低消 50 mまたは25 m 費電力などマルチチャンネル分光光度計に要求される数々 の特長を備えています。受光窓はサファイア窓を使用して パッシベーション皮膜 システム全般に使用することができます。 300 m います。なお分光光度計のみならずイメージリードアウト P InGaAsリニアイメージセンサの特長 N型InGaAs · InGaAsからなる受光部が単なる電流源としてのみ扱われ KIRDC0032JA る電荷積分方式を採用しています。これにより、受光部 ［図5-2］分光感度特性 ――――――――――――――――― のInGaAsフォトダイオードは低バイアス駆動が可能と なり、イメージセンサとして非常に優れた特性を実現し ます。 (Typ.) 1.5 T=25 ˚C T= -10 ˚C T= -20 ˚C · 感度波長範囲0.9∼1.67 µm、0.9∼2.55 µmのタイプを用意 しています。 受光感度 (A/W) が可能となり、微弱な光まで検出できます。 · 電子冷却素子を内蔵しており、素子温度の制御および冷 却が簡単に行えます。 G9208-256W G9201∼ G9206-256W G9204シリーズ G9211∼ 1.0 G9214シリーズ G9414シリーズ · 安定した製造プロセスで InGaAs受光部が製作されてい るため、非常に小さな暗電流値が実現され、長時間露光 G9207-256W G9205-256W 0.5 0 0.5 1.0 2.5 2.0 1.5 3.0 波 長 ( m) KMIRB0033JC ［表5-1］InGaAsリニアイメージセンサの主なラインアップ ――――――――――――――――――――――――――――――― 項目 G9211-256S G9212-512S 感度波長範囲 冷却 G9213-256S G9214-512S G9208-256W 単位 0.9 ∼ 1.67 0.9 ∼ 2.55 m 1段電子冷却 2段電子冷却 - 画素数 256 512 256 512 256 - 画素ピッチ 50 25 50 25 50 m 画素高さ パッケージ パッケージ長 窓材 250 500 250 m 28ピンDIP - 63.5 mm サファイア - 18 赤外線検出素子 6. PbS/PbSe光導電素子 ■ 応答特性 PbS/PbSe光導電素子は、赤外線が入射すると抵抗が減少 ら求められます。 PbS/PbSe光導電素子の感度の周波数特性は、以下の式か する光導電効果を利用した赤外線検出素子です。同じ波長 領域のほかの検出素子と比較して、検出能力が高い、室温 動作が可能といった優れた面があります。しかし、周囲温 度によっては暗抵抗・感度・応答速度が変化するため、使 用上注意する必要があります。 R (f ) = R (o) 2 2 2 1 + 4π f τ R (f) : 周波数応答 R (o): 零周波数における応答 f : チョッピング周波数 τ : 時定数 PbS/PbSe光導電素子の雑音は、典型的な1/f雑音スペクト 6-1 特性 ルをもつため、D*は以下の式で表されます。 ■ 分光感度特性 D* (f ) = PbS、PbSeのバンドギャップエネルギーの温度特性は、負 k f 2 2 2 1 + 4π f τ の係数をもっているため、素子を冷却することによって分 1 2 pt D* (f)は、f = 光感度特性は長波長側にシフトします。 ［図6-1］分光感度特性 ――――――――――――――――― [V] ........ (6-2) のときに最も大きくなります。 PbS/PbSe光導電素子のS/Nの周波数特性は、図6-2のよう になります。 (a) PbS光導電素子 また PbS光導電素子の室温 (+25 ˚C)、電子冷却温度 (-20 (Typ.) 100 ˚C)での感度の周波数特性は、図6-3のようになります。 80 ［図6-2］S/N−チョッピング周波数 ――――――――――― T= -20 ˚C 相対感度 (%) ........ (6-1) (a) PbS光導電素子 60 (Typ. Ta=25 ˚C) 10 光源 黒体炉 500 K 入射エネルギー 4.8 W/cm2 印加電圧 15 V tr=200 µs T= -10 ˚C 40 S/N (相対値) 20 T=25 ˚C 0 1 3 2 4 5 S/N S 1 波 長 ( m) N KIRDB0265JB (b) PbSe光導電素子 0.1 101 (Typ.) 100 102 103 チョッピング周波数 (Hz) 80 KIRDB0047JB 相対感度 (%) (b) PbSe光導電素子 60 T= -20 ˚C (Typ. Ta=25 ˚C) 10 40 光源 黒体炉 500 K 入射エネルギー 16.7 W/cm2 印加電圧 15 V S/N T= -10 ˚C T=25 ˚C 0 1 2 3 4 5 6 7 波 長 ( m) S/N (相対値) 20 S 1 KIRDB0051JC N 0.1 102 103 104 チョッピング周波数 (Hz) 19 KIRDB0053JC 6. PbS/PbSe光導電素子 ［図6-3］感度ーチョッピング周波数 (PbS光導電素子) ――― PbS/PbSe光導電素子は、素子温度の変化により、感度・ (Typ.) 1000 ■ 温度特性 暗抵抗・上昇時間が変化します (図6-5、図6-6参照)。 ［図6-5］感度−素子温度 ―――――――――――――――― +25 ˚C (a) PbS光導電素子 相対感度 100 (Typ.) 10 光源 黒体炉 500 K 入射エネルギー 4.8 W/cm2 チョッピング周波数 600 Hz 印加電圧 15 V -20 ˚C 1 10 100 1000 相対感度 10 P9217 シリーズ を除く 1 チョッピング周波数 (Hz) KIRDB0083JC P9217シリーズ ■ 直線性 0.1 -20 -10 入射エネルギーと出力の関係を図6-4に示します。下限は 0 10 PbS/PbSe光導電素子の NEPによって決まります。 20 30 40 50 60 70 素子温度 (˚C) KIRDB0048JC ［図6-4］直線性 ―――――――――――――――――――― (b) PbSe光導電素子 (a) PbS光導電素子 (Typ. Ta=25 ˚C, 全面照射) 102 (Typ.) 10 光源 黒体炉 500 K 入射エネルギー 16.7 W/cm2 チョッピング周波数 600 Hz 印加電圧 15 V 相対感度 相対感度 101 100 1 10-1 10-2 NEP値による 10-3 -9 10 10-8 10-7 10-6 10-5 0.1 -20 10-4 -10 0 10 20 30 40 50 60 素子温度 (˚C) 入射光量 (W/cm2) KIRDB0054JB KIRDB0050JA ［図6-6］暗抵抗、上昇時間−素子温度 ―――――――――― (b) PbSe光導電素子 (a) PbS光導電素子 (P9217シリーズ) (Typ. Ta=25 ˚C, 全面照射) 102 (Typ.) 10 100 相対値 相対感度 101 10-1 暗抵抗 1 上昇時間 10-2 NEP値による 10-3 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 入射光量 (W/cm2) KIRDB0056JA 0.1 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 素子温度 (˚C) KIRDB0303JA 20 赤外線検出素子 (b) PbSe光導電素子 ■ 負荷抵抗 負荷抵抗 (RL)が暗抵抗 (Rd)と同じとき、信号は最も大き (Typ.) 10 く取れます。信号量とRL/Rdの関係を図6-8に示します。 暗抵抗 ［図6-8］出力信号量−RL/Rd ――――――――――――― (Typ.) 1 上昇時間 80 0.1 -20 -10 0 10 20 30 40 50 出力信号量 (%) 相対値 100 60 素子温度 (˚C) 60 40 20 KIRDB0055JB 0.1 1 6-2 使い方 10 20 RL/Rd KIRDB0137JA 図6-7の回路のように PbS/PbSe光導電素子は、通常チョッ パを使い交流で信号を取得します。 ■ チョッピング周波数 ［図6-7］動作回路例 ―――――――――――――――――― +30 V しS/Nがよくなります。特に微弱光測光では、チョッピング周 10 p 波数と帯域幅に配慮する必要があります。 Rf RL 300 k 100 k Ri ■ 電圧依存性 チョッパ + 0.01 PbS PbSe 1 で 2 pt 最大になります。またアンプの帯域を狭くすると、雑音が減少 「6-1 特性／■ 応答特性」で述べたように、D*は f = PbS/PbSe光導電素子の雑音は、素子にかかる電圧が一定 TLO71 の値を超えると急激に大きくなります。信号は電圧に比例 Rd して増加しますが、カタログに記載されている最大印加電 1M 圧以内のできるだけ低い電圧で使用してください。 KIRDC0012JA ■ 受光面サイズ 大面積の PbS/PbSe光導電素子を使用するよりも、小面積 信号電圧は以下の式で表されます。 Vo = - is × Rd (1+ Rf ........ ) (6-3) Ri is: 信号電流 ■ 温度補正 PbS/PbSe光導電素子は、感度、暗抵抗が素子温度によっ てドリフトするため、その対策が必要です。 電子冷却型のPbS光導電素子 (P2532-01, P2682-01)、PbSe 光導電素子 (P2038-03, P2680-03)は、サーミスタを内蔵して おり素子温度を一定にすることによってドリフトを抑える ことができます。電子冷却型検出素子の使い方は「13-1 冷 却方法」を参照してください。ヒータなどで素子を温め、 温度を一定にして使う場合もありますが、感度の低下をも たらすだけでなく、素子の劣化を早める原因にもなります ので注意が必要です。 21 の素子を用いて光学的に光を絞ることによって単位面積当 たりの光量が大きい光を入射させる方が、S/Nの点から有利 です。また、入射光が受光面からずれていたり、信号以外 の光が入射することによって、S/Nが低下する場合があるた め十分注意してください。 6. PbS/PbSe光導電素子／7. InSb光導電素子／8. InAs/InSb光起電力素子 7. InSb光導電素子 8. InAs/InSb光起電力素子 当社のInSb光導電素子は、電子冷却型の赤外線検出素子 で、6.5 µm付近までの検出が可能です。 InAs/InSb光起電力素子は、InGaAs PINフォトダイオード と同じくPN接合をもった光起電力素子です。感度波長範囲 は、それぞれ PbS/PbSe光導電素子に相当しますが、応答速 ［図7-1］分光感度特性 (P6606-310) ――――――――― 8-1 特性 1 D* (λ, 1200, 1) (cm · Hz 2 /W) る用途に使われます。 (Typ. T= -60 ˚C) 1011 度が速くS/Nがよいことから PbS/PbSe光導電素子とは異な 10 10 ■ 分光感度特性 InAs光起電力素子には、非冷却／電子冷却／液体窒素冷 却タイプがあり、用途・目的に応じて使用されます。また 109 InSb光起電力素子は、液体窒素冷却で使用されます。図8-1 に InAs/InSb光起電力素子の分光感度特性を示します。 10 ［図8-1］分光感度特性 ――――――――――――――――― 8 2 4 3 5 6 7 (a) InAs光起電力素子 波 長 ( m) (Typ.) 1012 KIRDB0166JB め、冷却するとカットオフ波長は短波長側にシフトします。 これは、InSb光起電力素子においても同様です。 ［図7-2］D*−素子温度 (P6606-310) ――――――――― (Typ.) 1011 P10090-21 (T= -30 ˚C) 1010 109 P10090-11 (T= -10 ˚C) 108 P10090-01 (T=25 ˚C) 107 1 2 3 4 5 6 1010 波 長 ( m) KIRDB0165JB (b) InSb光起電力素子 109 (Typ. T= -196 ˚C) 1012 8 10 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 素子温度 (˚C) KIRDB0142JB D* (λ,1200,1) (cm · Hz1/2/W) D*λ (λ, 1200, 1) (cm · Hz1/2/W) 1011 D* (λ, 1200, 1) (cm · Hz1/2/W) InSbは、バンドギャップエネルギーの温度係数が正のた P7163 (T= -196 ˚C) 1011 10 10 1 2 3 4 5 6 波 長 ( m) KIRDB0063JC 22 赤外線検出素子 ■ 雑音特性 InAs/InSb光起電力素子の雑音 (i)は、ジョンソン雑音 (ij) と暗電流 (背景光による光電流も含む)によるショット雑音 (iSD)に起因し、それぞれは以下の式で表されます。 InAs/InSb光起電力素子の使用上の注意については、以下 に加えて、「13-1 冷却方法／■ デュワ型」「13-2 取り扱い上 ij2 + iSD2 ................ (8-1) i= 8-2 使用上の注意 の注意／■ 静電気対策」も参照してください。 i j = 4kTB / Rsh ........... (8-2) iSD = ■ 可視光などの入射 2qIBB ................. (8-3) InSb光起電力素子は、赤外線以外の可視光や紫外線が入 InSb光起電力素子の感度波長範囲において、300 K背景光 のゆらぎが雑音として無視できません。雑音源が背景放射 雑音だけと考えた場合、InSb光起電力素子の D*は以下の式 で表されます。 D* = hc 2Q 入らないように入射窓にふた (黒テープを2重に貼るなど)を 合には、液体窒素を抜いて素子の温度を室温まで戻してく ださい。その後、上記の操作を行えば、暗電流は元の値に 戻ります。 背景放射雑音を減少させるためには、視野角 (FOV: Field Of View)を制限するコールドシールドや不必要な波長をカ ットするバンドパスフィルタを冷却して使用する必要があ ります。視野角とD*の関係を図8-3に示します。 ［図8-2］視野角 (FOV) ――――――――――――――――― 受光窓 FOV 受光素子 KIRDC0033JA ［図8-3］視野角とD*の関係 ――――――――――――――― f/number 5 5 × 1010 4 3 2 1 0.5 FOV D* (500 K) (cm · Hz1/2/W) 招きます。使用時は、まず可視光 (室内光)や紫外線などが してから可視光などにさらしてしまい暗電流が増加した場 [cm . Hz1/2/W] ........ (8-4) λ : 波長 η : 量子効率 h : プランク定数 c : 光速 Q: 背景放射光量子束 [フォトン数/cm2・s] 2 × 1010 1 × 1010 5 × 109 2 × 109 10 20 40 100 180 FOV (度) 23 生じます。暗電流が増加すると、雑音が増加しS/Nの低下を してから、液体窒素を注入してください。液体窒素を注入 λ η 1 × 109 射すると、表面に電荷が蓄積して暗電流が増加する現象が KIRDB0138JA 8. InAs/InSb光起電力素子／9. MCT (HgCdTe)赤外線検出素子 ［図9-2］分光感度特性 (MCT光導電素子) ―――――――― 9. MCT (HgCdTe)赤外線検出素子 (Typ. T= -196 ˚C) 1011 P2748-40 MCT (HgCdTe)赤外線検出素子には、PbS/PbSe光導電素子 と同様に赤外線が入射すると抵抗値が減少する光導電素子 と、InGaAsと同様にPN接合をもった光起電力素子がありま D* (cm · Hz 2 /W) P5274 1 す。 10 10 9-1 特性 109 P5274-01 ■ 分光感度特性 HgCdTeの結晶は、HgTeとCdTeの組成比によってバンド 108 ギャップエネルギーの値が変わります。組成比を変えるこ 0 5 10 とによって、いろいろな波長に最大感度波長をもった赤外 15 20 25 波 長 ( m) 線検出素子を作ることができます。バンドギャップエネル KIRDB0072JC ギー (Eg)とカットオフ波長 (λc)の間には以下の関係があり ます。 ■ 雑音特性 1.24 Eg λc = [ m] ........ (9-1) MCT光導電素子の雑音成分には、1/f雑音、電子−正孔の再 結合による g-r雑音、ジョンソン雑音があります。数百Hz以 バンドギャップエネルギーは組成比のほか、素子温度に よっても変わります。 下の周波数では1/f雑音が、それ以上では g-r雑音が支配的に なります。MCT光導電素子の雑音量と周波数の関係を図9-3 に示します。3 µm以上に感度をもつMCT光導電素子では、 Eg = 1.59X - 0.25 + 5.23 × 10-4 T (1 - 2.08X) + 0.327X3 [eV] ........ (9-2) 300 K背景光のゆらぎが雑音として無視できなくなります。 この種の雑音は、視野角を小さくすれば減らすことができま X: Hg1-x Cdx Teの組成比を表す T: 絶対温度 す。光起電力素子の雑音特性については「8. InAs/InSb光起電 素子温度が高くなるとバンドギャップエネルギーは大き くなり、最大感度波長は短波長側にシフトします。 電力素子は、光導電素子に比べ l/f雑音が小さく、低い周波数 で測定するのに有利です。 図9-2に MCT光導電素子の分光感度特性を示します。 ［図9-1］バンドギャップエネルギーとMCT結晶の組成比の関係 力素子／8-1 特性／■ 雑音特性」を参照してください。光起 1) ［図9-3］雑音量−周波数 (MCT光導電素子) ――――――― (Typ.) 100 1.8 1.4 1.2 雑音量 (nV/Hz1/2) バンドギャップエネルギー (eV) 1.6 1.0 0.8 0.6 300 K 0.4 10 0.2 ∼0 K 0 -0.2 1 -0.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10 100 1000 10000 1.0 周波数 (Hz) 組成比 X (Hg1-x CdxTe) KIRDB0074JC KIRDB0087JA ■ 温度特性 MCT赤外線検出素子のD*と分光感度特性は、素子温度に よって変化します。温度が上がるにつれて、D*は減少し分 光感度特性は短波長側にシフトします。その例として3∼5 µm帯用MCT光導電素子 P2750のD*およびカットオフ波長の 温度特性を図9-4、図9-5で示します。 24 赤外線検出素子 ［図9-4］D*−素子温度 (P2750) ［図9-6］動作回路例 (MCT光導電素子) ――――――――― (Typ.) 1011 +VB Cf Ri Rf RL - D* (cm · Hz1/2/W) λp Vo + 1010 MCT 109 iS Rf Ri Vo＝-is × Rd × 1 + 500 K is: 信号電流 Rd: 素子の抵抗値 KIRDC0021JA 8 10 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 ［図9-7］S/N−バイアス電流 (P3257-10) ――――――― 素子温度 (˚C) KIRDB0140JC ［図9-5］カットオフ波長−素子温度 (P2750) ―――――― D* (Typ.) 任意値 5.8 5.7 信号 カットオフ波長 ( m) 5.6 5.5 雑音 5.4 5.3 10 15 20 25 30 35 5.2 バイアス電流 (mA) 5.1 KIRDB0091JB 5.0 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 MCT光起電力素子の動作回路例を図9-8に示します。抵抗 素子温度 (˚C) やオペアンプを用い、光電流を電圧として取り出します。 KIRDB0141JB ［図9-8］動作回路例 (MCT光起電力素子) ―――――――― ■ 直線性 (a) 負荷抵抗を接続した場合 MCT光起電力素子の直線の上限は、MCT光導電素子の数 ×G mW/cm2に比べると1けた以上よい特性を示します。 G × Io × RL 光 Io 9-2 使い方 RL ■ 動作回路 MCT光導電素子の基本動作回路例を図9-6に示します。電 (b) オペアンプを接続した場合 源は雑音・リップルの少ないものを使用してください。RL には数kΩの抵抗を使用して定電流源とする場合が一般的で す。バイアス電流を増やすと信号・雑音ともに増加します が (図9-7)、一定の値以上で雑音が急激に増え始めるため、 Rf Isc 光 + - (Isc × Rf) S/Nが一定になる範囲で使用してください。必要以上にバイ アス電流を大きくすると、ジュール熱により素子温度が上 がりD*を悪くし、さらには素子を破壊する恐れがあります ので避けてください。 25 KPDC0006JB 9. MCT (HgCdTe)赤外線検出素子／10. 複合素子 ■ 周囲温度 10. 複合素子 MCT光導電素子は、使用する周囲温度の変化によって感 度が変わることがあります。周囲温度が上昇すると、背景 感度波長範囲を広げるために、2種類以上の赤外線検出素 放射フォトンが増加し、素子内のキャリア数が増加します。 子をサンドイッチ構造あるいは平面上に並べることがあり そのため、信号光によって励起されたキャリアの平均寿命 ます。その例を図10-1に示します。検出素子の組み合わせ が短くなり感度が小さくなります。 には、Si-PbS、Si-PbSe、Si-InGaAs、InAs-InSb、InSb- MCT光起電力素子においても、環境温度による背景放射 HgCdTeなどがあります。 の変化は暗電流の変化に反映されます。このような現象を サンドイッチ構造の上の方にある検出素子は、赤外線検 防ぐためには、余分な背景光を拾わないようにコールドシ 出を行うほかに、下の検出素子の短波長カットフィルタの ールドの形状を工夫するなど、光学系の設計に注意する必 役目を果たします。なお、同一の平面上に並べる方法では、 要があります。 さらに自由に素子を組み合わせることができます。 ［図10-1］複合素子の例 (単位: mm) ―――――――――― 9.2 ± 0.3 8.1 ± 0.2 入射窓 5.5 ± 0.2 0.4 リード線 4.3 ± 0.2 3.3 ± 0.2 PbS PbSe 30 MIN. 6.1 ± 0.2 Si 5.1 ± 0.2 Si (N) Si (P) PbS, PbSe PbS, PbSe KIRDA0041JE 26 赤外線検出素子 11. フォトンドラッグ検出素子 フォトンドラッグ検出素子は、フォトンドラッグ効果を 利用した赤外線検出素子で、主にCO2レーザ (10.6 µm)の検 出に使用されています。 12. サーモパイル (Si熱型検出素子) サーモパイルは、熱型赤外線検出素子の1つで、以下の特 長をもっています。 ・常温で動作する ・波長に依存しない分光感度特性 ■ 動作原理 ・光学的なチョッピングの必要がなく、入射エネルギー量 ［図11-1］フォトンドラッグ検出素子の構造 ――――――― に応じた電圧出力が得られる ・低価格 電極 電極 ・長寿命 サーモパイルは、ゼーベック効果を利用し赤外線の入射 P型Ge エネルギー量に比例した熱起電力が得られます。 CO2レーザ光 サーモパイルそのものには波長依存性がありません。さ 起電力 KIRDC0024JA まざまな窓材を付けることによって、温度計測・人体検 知・ガス分析などの用途に使われます。 端面を光学研磨したP型GeにCO2レーザ光を照射すると、 当社製サーモパイルは、大きな出力電圧を得るために Si 起電力が発生します。この現象は、フォトン (Photon: 光子) 基板上に多数の熱電対を直列接続し、温冷接点間の温度差 の進行方向に正孔が引きずられていくことからフォトンド を大きくしています。また、温接点側を熱分離構造にし、 ラッグ (Photon Drag)効果と呼ばれています。 その上に赤外吸収膜を付けています。熱分離構造は、 半導体内で光が吸収されると、フォトンのエネルギーと MEMS技術を用い、メンブレン (薄膜)が中空に浮いている 運動量が電子あるいは正孔に与えられます。この光吸収に ように加工します (図12-2)。なおサーモパイルには、ゼー 伴う運動量の授受は、可視域から赤外域ではフォトンの運 ベック係数 (熱起電力量)が大きく、半導体プロセスで形成 動量が小さいため通常は無視できます。入射フォトン数が 可能な材料を使用しています。 非常に多くなると、個々のキャリアがフォトンから受け取 この構造により、赤外線が入射するとメンブレン上の受 る運動量は小さくても、全体では電流あるいは電圧として 光部 (温接点)が温まり、冷接点との間に温度差 (∆T)が生じ、 検知できるレベルになります。 それに伴う熱起電力 (∆V)が得られます。 フォトンドラッグ検出素子のP型Geの価電子帯は、2つの バンド [Vh (Heavy mass band)とVl (Light mass band)]に分かれ ［図12-1］熱分離構造 (サーモパイル) ―――――――――― ています。この様子を図11-2に示します。 フォトンが入射すると正孔は、そのエネルギーを吸収し 熱電対 てVhからVlへ遷移します。この遷移によってVh・Vl両バン 温接点 の非平衡状態を緩和する方向に正孔の移動が生じます。こ 金属A 金属B れをフォトンドラッグ電流と呼んでいます。 ［図11-2］Geの価電子帯構造 ――――――――――――― ∆V -K1h 0 ∆T ド中の正孔の分布は、K空間で非平衡状態になります。こ 冷接点 K K2h 温接点 K2l ∆T hw hw Vh -K1l Vl n∆V KIRDC0025JA ■ 直線性 入射レーザ光強度が10 mW/cm2程度になると、フォトンドラ ッグ電圧が入射強度に比例しなくなる非線形特性が生じます。 これは光の吸収の飽和が起こるためです。なお、10 mW/cm2以 上ではコーティング膜に損傷が起こるため注意してください。 27 冷接点 KIRDC0046JA 11. フォトンドラッグ検出素子／12. サーモパイル (Si熱型検出素子) ［図12-2］表面マイクロマシン加工によるメンブレン構造 ― 温度も周囲温度の影響を受けるため、出力信号がドリフト し正確な検出ができません。このような場合は、サーミス エッチングホール タを内蔵した素子を使用するか、外付けのサーミスタを素 子に近接し、常時素子温度をモニタして感度補正をする必 要があります。 絶縁薄膜 メンブレン 感度補正については、「12-2 使い方／■ サーミスタ付回 路」を参照してください。 ［図12-4］感度−素子温度 (測定例) ――――――――――― Si 空洞 受光部 49 熱電対 48 ［図12-3］裏面エッチングによるメンブレン構造 ――――― 感 度 (V/W) KIRDC0048JA 47 冷接点 温接点 46 45 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 素子温度 (˚C) Si KIRDB0311JA 受光部 熱電対 ［図12-5］素子抵抗−素子温度 (測定例) ――――――――― KIRDC0047JA 20 12-1 特性 サーモパイルの感度 (Rv)は、以下の式に示すように熱電 対数により決まります。 素子抵抗 (kΩ) ■ 感度 19 18 17 Rv = η × n × α/G (1 + ω 2 τ 2 )1/2 [V/W] ........ (12-1) 16 η : 放射率 n : サーモパイルの熱電対数 α : ゼーベック係数 G: 熱伝導率 ω : 角周波数 τ : 熱時定数 15 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 素子温度 (˚C) KIRDB0312JA ■ 雑音特性 サーモパイルの雑音は、素子抵抗のジョンソン雑音が支 配的です。雑音 (Vn)は、以下の式で表されます。 ■ 直線性 入射エネルギーと出力電圧の関係を図12-6に示します。 Vn = (4k × T × Rd × ∆f)1/2 [V/Hz1/2] ........ (12-2) k : ボルツマン定数 T : 絶対温度 Rd: 素子抵抗 ∆ f : 帯域幅 ■ 温度特性 温度の変化により、素子の感度および抵抗は、図12-4、 図12-5に示すように変化します。 周囲温度が大きく変化する場所で使用する際は、冷接点 28 赤外線検出素子 ［図12-6］出力電圧−入射エネルギー ―――――――――― 10 -2 (Typ. Ta=25 ˚C, アパーチャ ［図12-8］分光感度特性 ―――――――――――――――― 109 22 mm, 距離 5 cm) 8∼14 m バンドパスフィルタ 7 m ロングパスフィルタ D*λ (λ, 10, 1) (cm · Hz1/2/W) 出力電圧 (V) 10-3 10-4 10-5 10-6 Si 108 4.3 m バンドパス フィルタ 107 10-7 -7 10 10-6 10-5 10-4 10-3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 10-2 波 長 ( m) 入射エネルギー (W) KIRDB0095JA KIRDB0313JA 12-2 使い方 ■ 周波数特性 受光面サイズの異なるサーモパイルの感度と周波数の関 ■ 動作回路 係を図12-7に示します。 受光面サイズが小さいほど、応答性がよくなります。 サーモパイルの出力信号は非常に小さいため、一般に直 流信号増幅回路を通して信号処理をします。 ［図12-7］周波数特性 ――――――――――――――――― ■ サーミスタを使わない回路 (Typ. Ta=25 ˚C) 120 周囲温度が一定の場合や測定精度を必要としない場合は、 以下に示すような増幅回路を使用します。 100 (1) 両電源タイプ 相対感度 (%) 80 0.5 mm 60 ［図12-9］増幅回路 (両電源タイプ) ――――――――――― 40 C1 1.0 mm 20 0 0.1 R2 1 10 -V 100 R1 周波数 (Hz) 4 2 - 6 Vout 3 + KIRDB0314JA 7 ■ 分光感度特性 サーモパイルは波長依存性がないため、使う窓材によっ +V サーモパイル て感度波長範囲が決定されます。図12-8に代表的な分光感 度特性を示します。 ゲイン = 1 + R2/R1 fhigh = 1 / (2πC1R2) KIRDC0049JA (2) 単電源タイプ 単電源タイプのオペアンプは、グランド付近での動作を 避けるために、サーモパイルの片側をバイアスして動作さ せます。図12-10の例では、オペアンプの電源電圧をR3・R4 の抵抗分割でバイアスしています。 29 12. サーモパイル (Si熱型検出素子)／13. 赤外線検出素子の使い方 ［図12-10］増幅回路 (単電源タイプ) ―――――――――― 13. 赤外線検出素子の使い方 C1 R2 13-1 冷却方法 GND 赤外線検出素子のS/Nを向上させたり、素子温度を一定に 4 R1 2 3 + +V 6 Vout 保つためには、一般的に素子を冷却します。冷却方法には、 デュワ (真空容器)に寒剤を入れて冷却する方法、電子冷却、 7 ジュールトムソン冷却、機械式冷却があります。 +V サーモパイル R3 ■ デュワ型 金属のデュワ内に検出素子を固定したメタルデュワ型検 出素子の寒剤としては、液体窒素 (-196 ˚C)やドライアイス ゲイン = 1 + R2/R1 fhigh = 1 / (2πC1R2) (-77 ˚C)が多く用いられます。通常、1回の寒剤注入によっ R4 て約8時間使用できます。なお容器内の寒剤を減圧すること によって、さらに低温にすることもできます。 KIRDC0050JA ［図13-1］メタルデュワの外形寸法図 (単位: mm) ―――― ■ サーミスタ付回路 窒素注入口 12.5 号を一定にするための補正が必要になります。 代表的な補正方法には、サーモパイルとサーミスタの信 43 ± 1 46 ± 1 号のそれぞれを直接マイコンに入力して補正する方法と、 32 ± 1 素子温度が大きく変化する場所で使用する場合は、出力信 51 ± 1 サーモパイルの出力信号は温度依存性をもっているため、 63.5 ± 1 28.5 サーミスタの出力信号をアンプ回路内に組み入れる方法の2 172 ± 2 95 ± 1 6.5 受光面 出力ピン 102 ± 1 ンを使用する方法が一般的です。 72 ± 1 排気口 9.5 つがあります。高精度を必要とする場合は、前者のマイコ 場合に使われます。 8.5 ± 0.5 66.8 ± 1 10 ± 1 路内へ組み入れたもので、測定精度をあまり必要としない 37 ± 1 以下に示す回路例は、サーミスタの出力信号をアンプ回 ［図12-11］サーミスタ付回路 ――――――――――――― 検出素子 NC 検出素子 +V +V Ra KIRDA0131JC サーモパイル 3 7 + 6 2- R1 Rb Vout 4 サーミスタ Rth ［図13-2］寒剤の温度−飽和蒸気圧 1) ―――――――――― -V R2 106 C1 Rd He ゲイン = 1 + R2/R1 fhigh = 1 / (2πR2C1) Rc 102 KIRDC0051JA 温度変化に対するサーモパイルの出力電圧の変動分がVth の変動分で相殺できるように、Ra・Rb・Rc・Rdの定数を決 飽和蒸気圧 (Torr) Vth H2 N2 10-2 Ne 10-6 O2 定します。 Ar 10-10 1 10 100 絶対温度 (K) KIRDB0143JA 30 赤外線検出素子 ［図13-4］ブロック図 (電子冷却素子) ―――――――――― デュワ型検出素子の使用上の注意 ①デュワは真空容器のため、強い力を加えないでください。 ②デュワ内の水分を十分取り除いた後、液体窒素を注入し 電子冷却型 検出素子 サーミスタ てください。水分が中に残っていると、デュワが破損す 比較回路 増幅回路 電流回路 電子冷却素子 る恐れがあります。 電流 ③ドライアイスは、砕いて砂状にした後、ビーカーに入れ てください。その中にアルコールをゆっくり入れて、シ AC入力 ャーベット状になり沸騰しなくなったら、スプーンでデ KIRDC0008JA ュワへゆっくり入れてください。 ④液体窒素は、初めは50 ccをゆっくり注入して白煙 (液体 電子冷却型検出素子には、1段／2段／3段電子冷却型があ 窒素の沸騰による)がなくなるまでしばらく待ちます。そ ります。素子とベース間の温度差 ∆Tpは、それぞれ50 ˚C／ の後また50 cc入れ、同様に待ち、その後必要量を注入し 70 ˚C／100 ˚Cです。 てください。初めから急速に注入すると噴射する恐れが 放熱を十分行ったとしても、ベースと放熱器間の熱抵抗 あります。また注入の際、デュワの外側に液がかかると のため、ベース温度は室温より約15 ˚C上昇します。そのた 受光窓が曇ることがあるため、オーバーフローには注意 め室温 (25 ˚C)で得られる素子の最低温度は、1段電子冷却型 で -10 ˚C、2段電子冷却型で -30 ˚C、3段電子冷却型で -60 ˚C してください。 ⑤保存時は、できるだけ低温に保ってください。高温にす になります。つまり、周囲温度に対するおおよその冷却温 ると、デュワ内部の放出ガスによる真空度の低下により 度 (∆T)は、1段電子冷却型で約35 ˚C、2段電子冷却型で約55 寒剤の保持時間が短くなる恐れがあります。メタルデュ ˚C、3段電子冷却型で約85 ˚Cとなります。 ワの真空寿命は約2∼3年です。なおメタルデュワは、再 電子冷却型検出素子の使用上の注意 排気で保持時間を回復することが可能です。 電子冷却素子への供給電流は、検出素子やサーミスタの ■ 電子冷却型 許容電流値よりも大きい電流のため、検出素子やサーミス ある種の半導体に電気を流すと、その半導体の1端は冷却 され、もう1つの端は熱せられます (ペルチェ効果)。この効 果を利用して素子を冷却することができます。 タに瞬間的にでも印加すると破損します。誤配線のないよ うに注意してください。 ①1段／2段電子冷却型素子用には3 ˚C/W以下、3段電子冷却 ［図13-3］ペルチェ効果の模式図 ―――――――――――― 型素子用には2 ˚C/W以下の放熱器を必ず使用してくださ い。そして、ベース部分が放熱されるように放熱器を密 着して取り付けてください。放熱器の容量による冷却能 Qc 力の違いの1例を図13-5に示します。 冷却 P ②+と-を間違えないように十分注意してください。逆につ Tc ないで急激に温度を上げると、検出素子が破損する恐れ N P 発熱 N ∆T があります。 ③電源はリップルの少ないものを使用してください。 Th ④電流を規定値 (1段電子冷却型: 1.5 A、2段／3段電子冷却 型: 1.0 A)以上流すと、ジュール熱により加熱します。長 Qh - 時間安定して使用するためには、規定値の70 %以下で使 用してください。 + ⑤測温用サーミスタは、消費電力が定格を超えないように V 使用してください。 KIRDC0034JA ⑥温度コントローラを使用する場合、電子冷却素子の冷却 能力を十分に考慮した上、周囲温度条件に合った冷却温 電子冷却型検出素子にはサーミスタが内蔵され、サーミ 度に設定してください。電子冷却素子の冷却能力を超え スタによって素子温度を電圧として検出します。素子温度 た設定にすると、安定した温度制御ができなくなります。 を一定に保つために、基準電圧 (設定された温度の電圧)と なお当社は、温度コントローラ C1103シリーズや放熱器 比較し、その差分を補正する電流を電子冷却素子に流しま A3179シリーズを用意しています。 す。 ⑦メタルパッケージと放熱器との間の熱抵抗は、できるだ け小さくしてください。また熱結合の向上のため、シリ コングリスなどを使用してください。熱抵抗が大きいと、 放熱が不十分となり、素子が破損することがあります。 ⑧電子冷却素子は、落下などの衝撃によって破損すること があるため、取り扱いには十分注意してください。 31 13. 赤外線検出素子の使い方 ⑨放熱板への取り付け時は、パッケージの変形を防ぐため ［図13-7］ジュールトムソン冷却型 に必要以上の力がかからないように十分注意してくださ 赤外透過窓 い。パッケージの気密が損なわれると、冷却性能や検出 検出素子 素子の特性が劣化します。 絞り弁 ⑩リード線 (特にリード根元)には加工時・使用時とも必要 以上の力を加えないでください。リード線固定用のガラ 真空 スがクラックすると、パッケージの気密が損なわれ冷却 ナイロンリボン 性能や検出素子の特性が劣化します。 心軸 ［図13-5］放熱器の容量による冷却能力の違い ―――――― 熱交換部 (Ta=25 ˚C) 25 20 15 放熱器 (容量小) 素子温度 (˚C) 10 フィン付管 5 高圧ガス入口 0 放熱器 (容量大) -5 KIRDC0035JA -10 ■ 機械式冷却型 -15 機械式冷却型は、クローズサイクルでヘリウムなど冷媒 -20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 ガスの圧縮・膨張を繰り返して冷却を行うため、長時間の 1.6 運転が可能です。機械式冷却機は、3つの要素 (膨張機、圧 電子冷却素子電流 (A) KIRDB0144JA 縮機、熱交換機)から成り立っています。膨張機・圧縮機に は、回転式 (タービンなど)と往復動式 (ピストンなど)があ ［図13-6］電源のリップルと冷却能力 ―――――――――― り、熱交換機には高／低圧ガスが別経路を流れる換熱式と 同じ経路を交互に周期的に流れる蓄熱式があります。これ 100 ら の 組 み 合 わ せ に よ っ て ス タ ー リ ン グ ・ GM (GiffordMcMahon)・ソルベイ・ヴィルマイヤなどの冷却機がありま 冷却温度差 ∆T (%) 電子冷却素子電流 0.7 A す。これらの中で赤外線検出素子の冷却には、構造が単純 で小型／軽量化が容易なスターリング冷却機が適しており、 電子冷却素子電流 1.0 A 幅広く利用されています。 50 リップル率 = Iac (交流成分の実効値) Idc (直流の平均値) 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 リップル率 KIRDB0145JA ■ ジュールトムソン冷却型 高圧ガス (150 kg/cm2のアルゴンガスや窒素ガスなど)を急 激に膨張させると、温度低下が生じます。このジュールト ムソン効果を利用して、素子を高圧ガスの沸点と同程度の 温度まで冷却することができます。 ジュールトムソン冷却は、冷却温度の安定性がよく、起 動時間が短く、電力が不要です。しかし高圧ボンベが必要 で、冷却用ガスは使い捨てのため長時間の冷却には難があ ります。 32 赤外線検出素子 ［図13-8］スターリング冷却型検出素子 (P3257-50)の外形寸法図 (単位: mm) ―――――――――――――――――――――― 28.3 MAX. 23.8 10.6 MAX. 38.9 MAX. 12.8 排気バルブ 10 MAX. (2 ×) 56UNC-2B 深さ: 5.5 4PL マウント用穴 12.7 29.0 MAX. +0 26.7 -0.01 受光面 50.8 ± 0.1 26.8 出力ピン マウント面 43 58 36.4 (4 ×) 2.5 27.4 MAX. 50.1 MAX. 14.5 MAX. 76.5 70.0 20.1 MAX. 25.9 34.8 MAX. 39.4 FOV 56.0 ± 0.3 22 50.3 MAX. 81.1 MAX. 実装部の厚み: 20 MAX. KIRDA0130JA KIRDA0130JA 13-2 取り扱い上の注意 ■ 保存 赤外線検出素子は常温・常湿・暗所で保存してください。 熱効果を上げる工夫をしてください (図13-9)。メタルパッ ケージの場合、はんだ温度260 ˚C以下、10秒以内で行って ください。 ［図13-9］ピンセットを用いたはんだ付け ―――――――― また、太陽光や強い紫外線、可視光下で放置すると、特性 劣化の原因となることがあるため避けてください。 ■ ハンドリング 検出器を直接手で触らないでください。ゴム製指サック やテフロン製手袋を使用することを推奨します。受光窓に は ZnSなどの柔らかい素材を使用しています。ピンセット などを使用する場合、受光窓に鋭利な先端が当たり傷が付 くと測定に支障をきたすことがあるため注意が必要です。 また検出素子を固定する場合、キャップに力を加えたり偏 KIRDC0026JA 心した状態で機械的に固定すると、パッケージの気密性を 損なったりキャップの損傷を招く恐れがありますので、注 意してください。 ■ 検出素子の洗浄 塩素系の蒸気洗浄やアルコール系の浸漬洗浄を行うとマ ーキングが消えることがあるため、これらの洗浄は行わな ■ リード線の加工 いでください。 メタルパッケージのリード線を加工する場合、引っ張り は0.5 kg以下で5秒以内、曲げは90˚で2回以内、ねじれは本 体から6 mm以上離れた所を3回以内にしてください。 ■ 受光窓の洗浄 受光窓は、できるだけ汚れないように注意してください。 もし汚れた場合は、汚れをエチルアルコールで軽く拭き取 ■ はんだ付け はんだ付けに際しては、高温による検出器の損傷を防ぐ ため、特に注意が必要です。ピンセットなどを用いて、放 33 ってください。エチルアルコール以外の有機溶剤の使用は、 できるだけ避けてください。なおサーモパイルの受光窓の 洗浄にはエチルアルコールを使用しないでください。 13. 赤外線検出素子の使い方／14. 応用例 ［図13-10］受光窓の洗浄 ――――――――――――――― 綿棒など 14. 応用例 14-1 光パワーメータ 光パワーメータは、光の強さを測定するもので、光ファ イバ通信・レーザ光検出など幅広い用途があります。光フ ァイバ通信は近／中距離用と長距離用に分類されますが、 汚れはエチルアルコールを用い、軽く拭き取る KIRDC0027JB 長距離用には、光ファイバの伝送損失が小さくなる1.3 µm および1.5 µmの波長域の赤外線が使われています。この波 ■ 静電気対策 長域の検出には InGaAs PINフォトダイオードなどが使わ InGaAs PINフォトダイオード・InAs/InSb光起電力素子は、 れ、光ファイバの伝送損失、中継のよしあし、レーザパワ 人体・梱包材に帯電する静電気、測定装置からのサージ電圧、 ーの測定などを行います。光パワーメータに要求される特 はんだごての漏洩電圧などにより破壊または劣化を起こす危 性は、直線性とユニフォミティです。低いパワーの光も低 険性があります。そのため静電気対策として、素子・作業 雑音で検出できるように、冷却型の検出素子を使用する場 者・作業場所・冶具などをすべて同電位にする必要がありま 合もあります。 す。使用に際して次の事項に注意してください。 ①作業者および衣服に帯電した静電気による破壊を防止する 14-2 LDモニタ ため、リストトラップなどで人体を高抵抗 (1 MΩ)を介し てアースしてください。衣類は帯電防止用のものが望まし LD (レーザダイオード)の出力レベルと発光波長は、LD素 く、帯電防止用以外のものでは羊毛・化学繊維を避け木綿 子の温度によって変化します。LDを安定させるために、 のものを着用してください。 APC (Auto Power Control)を行います。APCには、LDからの ②作業台と床に半導電性シート (1 MΩ∼100 MΩ)を敷いてア 光パルスの積分量をモニタする方法と、光パルスのピーク ースしてください。はんだごては、絶縁抵抗が10 MΩ以上 値をモニタする方法があります。LDの高出力化に伴い、モ のものを使用してください。 ニタ用の検出器では、入射光量の多い領域での直線性が重 ③運搬・梱包用の容器としては、導電性材料やアルミ箔など が有効です。帯電防止材料では、0.1 ものを使用してください。 MΩ/cm2∼1 GΩ/cm2の 要になってきました。また、光パルスのピーク値をモニタ するために、高速応答も要求されます。 LDモニタに用いられるInGaAs PINフォトダイオードは、 LDと同じパッケージ内にマウントする場合と外部に取り付 ける場合があります。さらに長い波長のレーザには、 InAs/InSb光起電力素子も利用されます。 14-3 放射温度計 物質は、絶対零度以上であれば物質自体の温度に応じて 赤外線を放出しています。実際には物質から放射される赤 外線の量は、温度によって一義的に決まるわけではなく、 放射率 (e)を補正しなければなりません。 図14-1は黒体からの放射エネルギーを示しています。黒 体の場合は e=1です。図14-2にさまざまな物体の放射率を示 します。放射率は、温度・波長によって異なります。 温度分解能を表す指標として、雑音等価温度差 (NE∆T)があ ります。NE∆Tは以下のように定義されます。 NE∆T = dL dT LN ........ (14-1) T=T1 LN: 雑音等価輝度 T1 : 物体の温度 L : 物体の放射輝度 LNは、検出器のNEPと次の関係があります。 34 赤外線検出素子 ［図14-2］各種物体の放射率 NEP=ToLNΩAo/γ ........ (14-2) 1.0 To: 光学系の損失 Ω : 光学系から被測定エリアを見込む立体角 Ao: 光学系の開口面積 γ : 回路系の損失 0.9 2) ――――――――――――― 黒体 0.99 人体の皮膚 0.98 木、水、氷、霜、葉 0.95 ゴム、繊維 0.94 ガラス、コンクリート 0.92 石、紙、磁石、石こう、石綿 0.90 プラスチック、ホーロー抵抗 0.85 カーボン抵抗、ニッケル (酸化) dL (14-1)式の dT T=T1 0.8 は、温度 T1における物体の放射輝度 0.75 (L)の温度係数を表しています。放射輝度は、観測波長域 0.7 (λ1∼λ2)にわたって分光放射発散度を積分して得られます。 L= λ1 鉄 (酸化)、鋳鉄 (酸化) 0.64 1 ........ (14-3) π Mλdλ 0.6 0.57 酸化銅 放射率 e λ2 0.80 ペイント Mλ: 分光放射発散度 0.5 0.45 他の温度測定法と比べると、放射温度計には以下の特長 があります。 0.4 ・被測定物に直接接触しないで測定が可能 0.3 鋳鉄溶湯 0.35 0.31 鉄 (光沢)、鋳鉄 (光沢) ・高速応答 0.2 ・パターン計測が容易にできる 0.21 0.10 放射温度計に使用する赤外線検出素子は、対象物の温度 0.1 光沢金属 (アルミ、白金、銀、スチールなど) や材質に合わせて選ぶ必要があります。たとえばガラス類 では5 µm付近、プラスチックフィルムでは3.4 µmや8 µm付 0 KIRDC0036JA 近に放射率のピーク波長があります。この波長域に合わせ て検出素子を選ぶ必要があります。 また、赤外ファイバと検出器を組み合わせることで、ホ ［図14-3］ガラスの分光透過率／反射率 ――――――――― ットメタルディテクタ (HMD)、回転体、内部の複雑な構造 100 物、真空中・高圧ガス中などの危険な場所にある物体の温 度測定が可能になりました。 ガラスの透過率 80 104 分光放射輝度 lx (W cm-2 sr-1 m-1) 10 3 102 T(K)=6000 5000 4000 101 100 10 -1 3000 2000 10 10 -4 ガラスの反射率 40 20 1000 800 0 600 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 400 波 長 ( m) 273 10-5 KIRDB0146JA 200 10-6 10 60 1500 10-2 -3 透過率、反射率 (%) ガラスフィルタの透過率 ［図14-1］黒体放射 ―――――――――――――――――― -7 10-8 0.1 1 10 100 14-4 フレームアイ (炎検出) 波 長 ( m) フレームアイは、炎から放射される光を検出し、燃焼状 KIRDB0014JB 態を観察するものです。炎からの放射波長は、図14-4のよ うに紫外域から赤外域にわたって広く分布しています。検 出方法には、PbS光導電素子を使って赤外線を検出する方法、 複合素子 (K1713-01)を使って紫外域から赤外域まで幅広い 波長域を検出する方法、PbSe光導電素子を使って4.3 µmの 波長を検出する方法などがあります。 35 14. 応用例 ［図14-4］炎からの放射波長 ―――――――――――――― ［図14-5］ガス吸収スペクトル ――――――――――――― 100 1010 80 NO (5.3) 吸 収 (任意値) 相対強度 (%) 太陽光 60 炎 40 109 H2O (1.4) HC (3.4) SO2 (4) CO (4.7) 20 H2O (1.9) 0 1 2 3 4 CO2 (4.3) 108 5 1 波 長 ( m) 2 3 4 5 6 波 長 ( m) KIRDB0147JA KIRDB0148JA 14-5 水分計 14-7 赤外線撮像装置 近赤外域にある水分の吸収波長 (1.1 µm, 1.4 µm, 1.9 µm, 2.7 赤外線撮像方式の原理は、3つの世代に分けられます (図 µm)の光とリファレンス光を植物や石炭などの被測定物に投 14-6)。第1世代では、単素子を用いているため、対象物を映 光し、被測定物からのそれぞれの反射光あるいは透過光の 像化するためには光学系をX軸とZ軸を中心に走査 (回転)さ 比率を演算することにより水分量を測定します。受光素子 せる必要があります。第2世代では、1次元アレイを用いて としては、InGaAs PINフォトダイオードや PbS光導電素子 いるために、光学系はZ軸中心に走査させるだけで済みます。 が適しています。 第3世代では、2次元アレイを用いているために光学系で走 査する必要がありません。赤外線撮像装置の応用分野は、 産業から医学、学術分野まで多方面に及んでいます (表1)。 14-6 ガス分析計 なお、InSb・MCT・QWIPなどの量子型検出素子、微細加 工技術を利用した熱型素子、CMOS回路との異種接合によ ガス分析計は、測定ガスの赤外域における光の吸収を利 る2次元アレイが開発され、さらに高品質の画像が得られる 用して、ガス濃度を測定します。ガス分析計には、光源か ようになりました。 らの赤外線を分光して波長ごとの吸収特性を測定して試料 の成分とその量を測る分散方式と、特定波長の吸収特性だ けに限る非分散方式とがあります。現在は非分散方式が主 流です。非分散方式のガス分析計は、自動車の排気ガス測 定 (CO, CH, CO2)、呼気の成分測定 (CO2)、燃料排気ガスの 管理 (COx, SOx, NOx)、燃料漏洩検知 (CH4, C2H6)などに用 いられます。また、炭酸飲料 (ソフトドリンク・ビールな ど)のCO2 (4.3 µm)、糖分 (3.9 µm)の成分測定にも用いられま す。図14-5にさまざまなガスの吸収スペクトルを示します。 当社では、InGaAs・InAs・InSb・PbS・PbSe・MCTなど、 さまざまな波長に合わせたセンサを用意しています。 [表1] 赤外線撮像装置の応用分野 ───────────────────────────────────────────── 応用分野 応 用 例 産業 鉄鋼・紙などの加工工程の管理、溶接・はんだ加工部の非破壊検査、建造物・構造物の非破壊検査、 集積基板・ICチップの評価試験、送電線・発電機などの保守点検、車軸・圧延ロールなどの発熱の監視、 海洋資源の探査、森林分布の監視など 公害監視 海水・温排水の汚染監視など 学術調査 地質探査、水資源探査、海流調査、火山調査、気象探査、宇宙・天文探査など 医学 赤外線画像診断 (乳がんの検診など) 保安 ボイラなどの温度監視、火災探知など 自動車・航空機 視界補助用暗視装置、エンジン評価試験など 36 赤外線検出素子 ［図14-6］赤外線撮像装置の原理図 ――――――――――― (a) 第1世代 (単素子による走査) ( ) 単素子による走査 14-9 選別機器 有機物特有の吸収波長域を利用して、有機物か非有機物 Z 集光系 かの判別をすることができます。米・ジャガイモ・トマ 対象物体 ト・タマネギ・ニンニクなどの農作物と土塊・小石との区 検出素子 別を行うために、 InGaAs PINフォトダイオードや PbS光導 X 電素子が使われています。また、ベルトコンベアで移動す る製品の温度・放射率・透過率の違いを検出することによ って、製品の糖度などの選別を行う場合もあります。 (b) 第2世代 (1次元アレイによる走査) (b) 1次元多素子による走査 14-10 FT-IR (フーリエ変換赤外分光法) FT-IRは、2光束干渉計で得た干渉信号をフーリエ変換し てスペクトルを得る方法で、以下の特長をもっています。 ・非分散方式 (同時に多くのスペクトルエレメントを測定す (c) 第3世代 (2次元アレイによる電子走査) るため高S/Nを実現)のため光量が多い ( ) ・レーザ光によって波長を決めるために波長精度が高い FT-IRの心臓部である赤外線検出素子には、以下の特長が 必要とされます。 KIRDC0037JA ・広い感度波長範囲 ・高感度 ・光学系に合った受光面サイズ 14-8 リモートセンシング ・広い周波数帯域 ・入射光強度に対して優れた直線性 物体から放射または反射される光には、図14-7のように 波長によって異なった情報を含んでいます。それを波長別 2.5 µmから25 µmの広範囲の領域では、通常、熱型検出素 に計測することによって、物体についてのさまざまな情報 子が使われています。また高感度／高速測定用としては を得ることができます。その中で赤外線を用いたリモート MCTや InSbの量子型検出素子が使われています。 センシングでは、固体・液体の表面温度や気体の種別・温 また、InGaAs PINフォトダイオードの利用によって、近 度などの情報を得ることができます。特に最近では人工衛 赤外域への波長範囲が拡大しました。さらにMCTやInSbな 星や航空機によるリモートセンシングが行われ、地上や海 どの1次元／2次元アレイによるマッピングや赤外イメージ 面の温度、大気中のガス濃度など、地球規模の巨視的情報 分光への応用が期待されます。 が得られるようになりました。これらの情報は、環境測 定・気象観測・資源探査などに利用されています。 ［図14-7］資源探査用光学システム 3) ―――――――――― 参考文献 1) 大槻、赤外線技術、8 (1983)、P73 2) 宮内、センサ技術、15 (1985)10月号、P48 3) 工藤、奈倉、赤外線技術、11 (1986)、P73 0.45∼ 0.8 m 豊プランクトン 領域 0.8∼1 m m m 10 2∼3 雲情報 気象情報 農業 地形 鉱物資源 (温度情報) 水資源 森林資源 ー 画 土地利用 像 デ タ 撮像） （後方 立体視 撮像 トラム スペク マルチ 立体 視（前 像） 方撮 地上局 衛星進行方向 37 KIRDC0039JB 必ずお読みください。 ● 本資料の製品のご使用に際しては、最大定格や注意事項等の遵守をお願い致します。弊社は品質・信頼 性の向上に努めておりますが、本製品の完全性を保証するものではありません。特に人の生命、身体ま たは財産を侵害する恐れのある機器へご使用される場合には、通常発生し得る不具合を十分に考慮した 適切な安全設計等の対策を施さなければ危険です。このようなご使用については、事前に仕様書等の書 面による弊社の同意を得ていない場合は、弊社はその責を負いかねますのでご了承願います。 ● 最終需要者における稼働の指導にあたっては、本資料の製品およびこれを使用した機器等の機能・性能 や取扱いの説明、ならびに適切な警告・表示等を十分に行うようご配慮いただきたくお願い致します。 ● 本資料の製品の保証は、納入後1年以内に瑕疵が発見され、かつ弊社に通知された場合、本製品の修理 または代品の納入を限度と致します。ただし保証期間内であっても、天災および不適切な使用（改造、 ならびに本資料に記載の環境・適用分野・使用方法・保管・廃棄等に関する諸条件に反したこと等）に 起因する損害等については、弊社はその責を負いかねますのでご了承願います。 ● 本資料の応用例は、本資料の製品の代表的な使用例を説明するためのものであり、特定の使用目的への 適合性や商業的利用の成否をも含め、何らの保証をするものではありません。また知的財産権の実施に 対する保証または許諾を行うものでもありません。本製品の使用により、第三者と知的財産権に係る問 題が発生した場合、弊社はその責を負いかねますのでご了承願います。 ● 本資料の製品のうち、外国為替および外国貿易管理法に基づく戦略物資等に該当するものを輸出する場 合には、同法に基づく日本国政府の輸出許可が必要になりますので、申請手続きをお願い致します。 ● 本資料に記載してある内容を、弊社の許諾なしに転載または複製をしないようお願い致します。 本資料の記載内容は、平成19年9 月現在のものです。製品の仕様は、改良のため予告なく変更する ことがあります。ご使用の際には、仕様書をご用命の上、最新の内容をご確認ください。 固体営業部 〒435-8558 東京支店 〒105-0001 大阪営業所 〒541-0052 仙台営業所 〒980-0011 静岡県浜松市東区市野町1126-1 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No. KIRD9001J04 Sept. 2007 38