特開 2024-111767 光学部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024111767

(43)【公開日】2024-08-19

(54)【発明の名称】光学部材

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20240809BHJP

   G01J 1/06 20060101ALI20240809BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 C

G01J1/06 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023016471

(22)【出願日】2023-02-06

(71)【出願人】

【識別番号】303046277

【氏名又は名称】旭化成エレクトロニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100165951

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 憲悟

(74)【代理人】

【識別番号】100180655

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 俊樹

(72)【発明者】

【氏名】井上 大志

(72)【発明者】

【氏名】稲葉 美来

【テーマコード（参考）】

2G065

【Ｆターム（参考）】

2G065AA04

2G065AB02

2G065BA02

2G065BA09

2G065BA11

2G065BB46

(57)【要約】

【課題】赤外線を反射するコーティングを施さなくても視野制限が可能な光学部材が提供される。
【解決手段】光学部材（３１）は、赤外線センサ（１１）の光路上に設けられる光学部材であって、視野制限構造（２１）と、第１の入光面（３１ａ）と、第１の入光面に垂直な第２の入光面（３１ｂ）と、を有し、視野制限構造は、赤外線センサの受光面に受光させる光を通す開口部と、開口部に接続し、開口部の周囲に設けられる視野制限部と、を備え、断面視で、開口部が受光面から離れる方向に突出し、視野制限部が開口部に対して傾斜した凸形状であって、断面視で、視野制限部が、第１の入光面に対して光学部材の屈折率に基づいて定められる所定値以上の角度を有し、第２の入光面に対しても所定値以上の角度を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

赤外線センサの光路上に設けられる光学部材であって、
視野制限構造と、
第１の入光面と、
前記第１の入光面に垂直な第２の入光面と、を有し、
前記視野制限構造は、
前記赤外線センサの受光面に受光させる光を通す開口部と、
前記開口部に接続し、前記開口部の周囲に設けられる視野制限部と、を備え、
断面視で、前記開口部が前記受光面から離れる方向に突出し、前記視野制限部が前記開口部に対して傾斜した凸形状であって、
断面視で、前記視野制限部が、前記第１の入光面に対して前記光学部材の屈折率に基づいて定められる所定値以上の角度を有し、前記第２の入光面に対しても前記所定値以上の角度を有する、光学部材。

【請求項2】

前記赤外線センサと同じ温度を有する吸収体に接して用いられる、請求項１に記載の光学部材。

【請求項3】

前記開口部は平面視で多角形である、請求項１又は２に記載の光学部材。

【請求項4】

前記開口部は平面視で円形である、請求項１又は２に記載の光学部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は光学部材に関する。本開示は特に赤外線センサとともに用いられる光学部材に関する。

【背景技術】

【0002】

波長が２μｍ以上の赤外線は、その熱的効果及びガスによる赤外線吸収の効果から、人を検知する人感センサ、非接触温度測定装置及びガスセンサ等に使用されている。例えば赤外線センサを用いる非接触温度測定装置は、測定対象から入射する赤外線のエネルギー量に基づいて温度を検出する。

【0003】

ここで、赤外線センサを例えば非接触温度測定装置で使用する場合に、測定対象以外の物体からの光（赤外線）を受光しないように視野制限が必要になることが多い。例えば特許文献１は、赤外線センサの上に赤外線を反射するコーティングをした空洞壁を設ける視野制限構造を開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】欧州特許第２９１６１１８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、特許文献１の手法では、視野制限構造自体に金属などによるコーティングを施す必要がある。そのため、視野制限構造の製造において金属メッキなどの処理が必要になり、製造工数が増加する。また、視野制限構造のコーティングに不備があると、測定対象以外の物体からの光に影響されて、赤外線センサの検出精度が低下することにつながる。

【0006】

かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、赤外線を反射するコーティングを施さなくても視野制限が可能な光学部材を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）本開示の一実施形態に係る光学部材は、
赤外線センサの光路上に設けられる光学部材であって、
視野制限構造と、
第１の入光面と、
前記第１の入光面に垂直な第２の入光面と、を有し、
前記視野制限構造は、
前記赤外線センサの受光面に受光させる光を通す開口部と、
前記開口部に接続し、前記開口部の周囲に設けられる視野制限部と、を備え、
断面視で、前記開口部が前記受光面から離れる方向に突出し、前記視野制限部が前記開口部に対して傾斜した凸形状であって、
断面視で、前記視野制限部が、前記第１の入光面に対して前記光学部材の屈折率に基づいて定められる所定値以上の角度を有し、前記第２の入光面に対しても前記所定値以上の角度を有する。

【0008】

（２）本開示の一実施形態として、（１）において、
前記赤外線センサと同じ温度を有する吸収体に接して用いられる。

【0009】

（３）本開示の一実施形態として、（１）又は（２）において、
前記開口部は平面視で多角形である。

【0010】

（４）本開示の一実施形態として、（１）又は（２）において、
前記開口部は平面視で円形である。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、赤外線を反射するコーティングを施さなくても視野制限が可能な光学部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本開示の一実施形態に係る光学部材の構成を示す断面図である。

【図2】図２は、図１の光学部材の部分拡大図である。

【図3】図３は、開口部の形状の一例を示す平面図である。

【図4】図４は、開口部の形状の別の例を示す平面図である。

【図5】図５は、赤外線センサの構成を示す断面図である。

【図6】図６は、光学部材の別の構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して本開示の一実施形態に係る光学部材が説明される。各図中、同一又は相当する部分には、同一符号が付されている。本実施形態の説明において、同一又は相当する部分については、説明を適宜省略又は簡略化する。

【0014】

図１は、本実施形態に係る光学部材３１の構成を示す断面図である。光学部材３１は、測定対象から放射される赤外線を検出する赤外線センサ１１用の部材である。光学部材３１は、赤外線センサ１１の光路上に設けられて使用される。光学部材３１は、本実施形態において赤外線センサ１１を汚れなどから保護しつつ、測定対象からの赤外線を透過させる窓材であるが、これに限定されない。光学部材３１は、例えばシリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ガラス、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの材料で構成されていてよい。窓材である場合に、光学部材３１は、中赤外線領域で輻射が少なく、屈折率が１．５より大きい材料で構成されることが好ましい。ここで、光学部材３１は、赤外線センサ１１に対して適切な位置で固定されるように、例えば樹脂などで形成される支持部３２によって支持される構成も可能である（図６参照）。この場合に、光学部材３１は、支持部３２によって部分的に覆われる構成であってよい。

【0015】

本実施形態に係る光学部材３１は、視野制限構造２１と、第１の入光面３１ａと、第１の入光面３１ａに垂直な第２の入光面３１ｂと、を有する。赤外線センサ１１は、基板１２と、受光面１３と、を備える。受光面１３は、測定対象から放射されて基板１２を通った光を受光する。また、赤外線センサ１１は基板１２及び受光面１３を封止する封止部１４を備えてよい。赤外線センサ１１は、半導体に赤外線が照射されるとその光量子によって発生する電子又は正孔を利用して、赤外線を検出する量子型のセンサであってよい。量子型のセンサは、熱型赤外線センサに比べて、高感度で応答速度が速い。視野制限構造２１及び赤外線センサ１１の構成要素の詳細については後述する。また、以下において、赤外線を単に光と称することがある。

【0016】

赤外線センサ１１は、例えば人を検知する人感検出装置、非接触で温度を測定する非接触温度測定装置又は対象ガスの濃度を検出するガス検出装置の部品となり得る。本実施形態において、赤外線センサ１１は測定対象の温度を測定する非接触温度測定装置に内蔵されるとして説明する。非接触温度測定装置は様々な電子機器に組み込まれて使用されるが、一例としてイヤホンに組み込まれる。非接触温度測定装置がイヤホンの使用者の温度（体温）を測定し、測定された温度に基づいてイヤホンが装着状態であるかを判定可能にする。さらに、装着状態であるか否かによって、イヤホンの電源がオン又はオフに制御されてよい。

【0017】

ここで、図５は赤外線センサ１１の構成を示す断面図である。基板１２が例えばＧａＡｓ基板であるとすると、屈折率は約３．２８である。図５の破線で示すように、屈折率が１である空気中を通った光はＧａＡｓ基板で伝搬方向が大きく変わって受光面１３まで届く。つまり、視野制限をしない赤外線センサ１１の視野角は、ほぼ１８０°である。小型の装置（特に非接触温度測定装置）に内蔵される場合に、測定対象以外の物体（一例として筐体）が視野に入らないように設計することは困難である。そのため、光路上に視野制限構造２１が設けられて、赤外線センサ１１で受光される光が測定対象からのものであるように制限することによって、高精度な測定が可能になる。

【0018】

以下、赤外線センサ１１の構成要素及び視野制限構造２１の詳細が説明される。ここで、図１には、光学部材３１の向きに対応する直交座標が示されている。この直交座標は図２～図６でも用いられる。この直交座標のｘｙ平面は、光学部材３１の第１の入光面３１ａ及び後述する開口部２２と平行である。したがって、ｚ軸方向は、第１の入光面３１ａ及び開口部２２に垂直な方向である。ｚ軸方向は、赤外線センサ１１の受光面１３に対向するように（覆うように）、視野制限構造２１を配置する方向でもある。以下において、ｚ軸方向は上下方向と表現されることがある。光学部材３１は、視野制限構造２１の部分を除いて、全体として直方体形状である。以下において、ｘ軸方向は、光学部材３１の幅方向と表現されることがある。また、ｙ軸方向は、光学部材３１の奥行き方向と表現されることがある。また、ｚ軸方向に沿った視線で、ｘｙ平面に平行な面を正面から見る見方を、以下において平面視と称することがある。例えば後述する図３及び図４では、平面視で視野制限構造２１を見ている。また、光学部材３１のｘｙ平面に垂直な断面を正面から見る見方を、以下において断面視と称することがある。本実施形態において、図１、図２、図５及び図６において、断面視の例としてｚｘ平面で赤外線センサ１１を切った断面を例示しているが、断面視はこれに限定されず、別の例としてｙｚ平面で赤外線センサ１１を切った場合も断面視である。

【0019】

まず、赤外線センサ１１の構成要素については以下の通りである。基板１２は、半導体を含む材料を含んでよいし、絶縁性であってよい。基板１２は一例として、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、サファイヤ、リン化インジウム（ＩｎＰ）等で形成される。基板１２がＩｎ、Ｓｂ、Ａｓ、Ａｌ等を含むナローギャップ半導体材料を含む材料で形成される場合、格子欠陥の少ない半導体層が形成される。本実施形態において、基板１２はＧａＡｓ基板である。

【0020】

受光面１３は、受光素子の受光部分であって、複数の受光素子で形成される場合に受光部分の集合であり得る。受光素子としては、例えばフォトダイオード、フォトコンダクタ、サーモパイル、焦電センサなどを用いることができる。複数の受光素子は、同一の基板１２上に形成され得る。本実施形態において、受光素子はフォトダイオードである。

【0021】

封止部１４は、樹脂材料で構成されており、上記のように基板１２及び受光面１３を封止する。封止部１４は、例えばエポキシ樹脂等の樹脂材料で形成されてよい。封止部１４を構成する材料は、エポキシ樹脂等の樹脂材料の他にフィラー、不可避的に混在する不純物などを含んでいてよい。フィラーとしては、例えばシリカ、アルミナ等が好適に用いられる。

【0022】

視野制限構造２１は、開口部２２と、視野制限部２３と、を備える（図２参照）。開口部２２は、受光面１３に受光させる光を通す部分である。また、視野制限部２３は、開口部２２に接続し、開口部２２の周囲に設けられる。視野制限構造２１は、断面視で、開口部２２が受光面１３から離れる方向（ｚ軸正方向）に突出し、視野制限部２３が開口部２２に対して傾斜している凸形状である。ここで、光学部材３１の全体として見ると、凸形状である視野制限構造２１が突出する部分をｚ軸正方向に向けるように形成されているため、光学部材３１は断面視で一部がｚ軸正方向に窪んだ凹形状になっている。

【0023】

図２は、図１の光学部材の部分拡大図である。図２に示すように、光学部材３１の第１の入光面３１ａに入射した光は、スネルの法則（ｎ_１×ｓｉｎθ_１＝ｎ_２×ｓｉｎθ_２）に従って屈折して光学部材３１を進む。ここで、θ_１及びθ_２はそれぞれ図１に示される入射角及び出射角である。また、ｎ_１は光学部材３１の外部における屈性率であって、本実施形態において１（空気の屈折率）である。ｎ_２は光学部材３１の屈性率であって、本実施形態のように光学部材３１の材料がＳｉであれば３．４２である。本実施形態において、上面（第１の入光面３１ａ）から入った光の角度であるθ_２は最大で１７°である。光学部材３１において、開口部２２は第１の入光面３１ａと平行である。光学部材３１を進んで開口部２２に達した光は、スネルの法則に従って屈折して、空気中を赤外線センサ１１に向かって進む。

【0024】

図２に示すように、断面視で、視野制限部２３は、第１の入光面３１ａに対してある角度（図２のα）を有する。ここで、視野制限部２３に対して光の入射角がθ_３であるとする。θ_３が臨界角以上であれば、光は全反射となって視野制限部２３を透過できない。本実施形態において、θ_３が１７°以上であれば、光が全反射する。したがって、視野制限部２３が第１の入光面３１ａに対して、光学部材３１の屈折率に基づいて定められる所定値以上の角度を有するように構成することで、第１の入光面３１ａから入る光が視野制限部２３を透過できないようにできる。所定値は、臨界角の２倍であって、本実施形態において３４°である。したがって、第１の入光面３１ａに対する視野制限部２３の角度（図２のα）は３４°以上であればよい。このとき、視野制限部２３は、第１の入光面３１ａから入射した光を透過させない。

【0025】

同様に、視野制限部２３が側面（第２の入光面３１ｂ）に対しても所定値以上の角度を有するように構成することで、第２の入光面３１ｂから入る光が視野制限部２３を透過できないようにできる。図２を再び参照すると、断面視で、視野制限部２３は、第２の入光面３１ｂに対してある角度（９０°－α）を有する。本実施形態において、第２の入光面３１ｂに対する視野制限部２３の角度（９０°－α）が３４°以上であるように設定されればよい。よって、光学部材３１の材料がＳｉである場合に、３４°≦α≦５６°であるように構成されれば、視野制限部２３は第１の入光面３１ａから入射した光も、第２の入光面３１ｂから入射した光も透過させない。

【0026】

このように、視野制限部２３は、第１の入光面３１ａに対する傾斜角を適切な範囲に設定し、視野制限構造２１と赤外線センサ１１との距離を調整することによって、受光面１３における視野が開口部２２の範囲であるように視野角を制限することができる。そして、制限された視野角内に測定対象からの光が入射されるようにし、測定対象以外の物体を視野角外に配置することで、高精度な測定が可能になる。本実施形態に係る赤外線センサ１１において、視野制限構造２１は全反射を利用して光の透過を制限しているため、光を反射するコーティングを必要としない。

【0027】

ここで、光学部材３１が樹脂などで形成される支持部３２によって支持される場合に（図６参照）、光学部材３１と支持部３２との接触面で輻射が生じることがある。例えば図２でＬ１と示される輻射による赤外線は、θ_４が臨界角以上となるように、光学部材３１の幅を広げて、光学部材３１と支持部３２との接触面を視野制限部２３から十分に離すことで透過させないようにできる。このとき、光学部材３１の奥行きについても同じことが行われる。

【0028】

ただし、例えば図２でＬ２と示される輻射による赤外線のように、光学部材３１の内部を反射して視野制限部２３に達することがあり得る。光学部材３１は赤外線センサ１１と同じ温度を有する吸収体３３に接して用いられることによって、輻射による赤外線を吸収体３３に吸収させることができる。吸収体３３の材料は例えば熱伝導性に優れる樹脂などであってよい。また、吸収体３３は赤外線センサ１１と同じ温度を有している。そのため、吸収体３３と光学部材３１との接触面で生じる輻射による赤外線は、視野制限部２３を透過して受光面１３まで届いても、赤外線センサ１１の検出に影響しない。吸収体３３は、光学部材３１との接触面と異なる部分で、赤外線センサ１１と接するように構成されてよい。ここで、光学部材３１と吸収体３３とが「接する」とは直接的な接触だけでなく、温度の伝達に大きく影響しない限り、間接的な接触も含む。例えば、熱伝導のよい金属などの膜が光学部材３１と吸収体３３との間に存在する場合も、光学部材３１が吸収体３３に接して配置されることに含まれる。光学部材３１と赤外線センサ１１とが「接する」ことも同様である。

【0029】

また、例えば吸収体３３を使用しないような場合に、光学部材３１と支持部３２との接触面で輻射が生じにくいように、接触面に金属メッキなどを施して熱伝導を高めてよい。また、光学部材３１と支持部３２との接触面の数ができるだけ少なくなるように、支持部３２の形状が決定されてよい。

【0030】

ここで、図３に示すように、視野制限構造２１の開口部２２は、平面視で円形であるように構成できる。また、視野制限構造２１の開口部２２は、平面視で多角形であるように構成できる。図４に示すように、平面視で、開口部２２を光学部材３１の形状に合わせて長方形とし、各辺から視野制限部２３が外側に延びていてよい。

【0031】

以上のように、本実施形態に係る光学部材３１は、上記の構成によって、赤外線を反射するコーティングを施さなくても視野制限が可能である。

【0032】

本開示の実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。

【符号の説明】

【0033】

１１ 赤外線センサ
１２ 基板
１３ 受光面
１４ 封止部
２１ 視野制限構造
２２ 開口部
２３ 視野制限部
３１ 光学部材
３１ａ 第１の入光面
３１ｂ 第２の入光面
３２ 支持部
３３ 吸収体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】