專利名稱：熱電型紅外線傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用熱電體廣范圍檢測紅外線的熱電型紅外線傳感器。
近年來，發(fā)揮熱電型紅外線傳感器能以非接觸方式探測物體、檢測溫度的長處，已將其用于測定微波爐的烹飪物溫度、空調(diào)器的室內(nèi)溫度控制、或者自動門、報警裝置中的人體探測，可以預(yù)見今后其應(yīng)用范圍還將擴(kuò)大。
熱電型紅外線傳感器是利用鉭酸鋰(LiTaO3)單晶等熱電效應(yīng)的傳感器。熱電體具有自然極化，常產(chǎn)生表面電荷，在大氣中穩(wěn)定狀態(tài)下與大氣中的電荷結(jié)合，保持電氣中性。一旦向其照射紅外線，則熱電體溫度變化，隨之表面電荷狀態(tài)也因中性狀態(tài)被破壞而變化。熱電型紅外線傳感器就是檢測此時表面發(fā)生的電荷，測定紅外線入射量的。一般，物體輻射與其溫度對應(yīng)的紅外線，利用這種熱電型紅外線傳感器，能檢知物體的存在與溫度。
以往，這種熱電型紅外線傳感器的結(jié)構(gòu)如圖20所示，下面說明其結(jié)構(gòu)。
圖20是表示以往熱電型紅外線傳感器結(jié)構(gòu)的剖面圖。用陶瓷制成熱電體21，檢知紅外線。密封罩22覆罩熱電體21，以抵御干擾光及電磁噪聲，并在該密封罩22的開口部23處安裝紅外線入射濾光片24。外部透鏡25位于密封罩22的外側(cè)，讓物體輻射的紅外線26聚光或成像于熱電體21。用聚乙烯樹脂制成外部透鏡25，該外部透鏡采用光折射作用原理的折射型菲涅爾透鏡。這種菲涅爾透鏡做成越靠外圓周溝的深度T越深，以此增大溝的傾斜角，用該溝的斜面折射光線而聚光。溝的間隔恒定，其溝的間隔及溝的深度T為波長的幾百倍至幾千倍，形狀也較大。
這種以往的熱電型紅外線傳感器，因外部透鏡25為折射型透鏡，在位于密封罩22的外側(cè)的狀態(tài)下，使物體輻射的紅外線26聚光或成像于熱電體21，因此這種結(jié)構(gòu)會使外部透鏡25尺寸變大。又因為外部透鏡25與密封罩22的位置關(guān)系，存在熱電型紅外線傳感器的尺寸變大、不能做成小型的問題。
還由于聚光或成像于熱電體21的紅外線26，必須透過外部透鏡25，因外部透鏡25中紅外線26透射時，受外部透鏡25引起的紅外線26的反射、吸收之影響，入射至熱電體21的光量變得很小，存在降低紅外線探測靈敏度的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種省去外部透鏡、做成小型并提高紅外線檢知靈敏度的熱電型紅外線傳感器。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在具有開口部的密封罩(密封體)內(nèi)部設(shè)置探測紅外線的熱電體，于上述密封罩開口部設(shè)置紅外線入射濾波器。在上述紅外線入射濾光器的表面或背面設(shè)置使紅外線聚光或成像于上述熱電體的衍射光學(xué)透鏡(衍射光學(xué)元件)。
再在紅外線入射濾光器的表面或背面設(shè)置衍射光學(xué)元件陣列，上述衍射光學(xué)元件陣列具有至少2個以上的衍射光學(xué)元件，這些衍射光學(xué)元件做成使入射紅外線分別聚光或成像于熱電體上。
由于此結(jié)構(gòu)在紅外線入射濾光片的表面或背面使衍射光學(xué)元件形成一體，因使紅外線衍射，讓紅外線聚光或成像于熱電體，因此，使外部透鏡工作的衍射光學(xué)元件尺寸就不會比紅外線入射濾光片更大，不必在密封罩的外側(cè)設(shè)置外部透鏡，從而能做成小型傳感器。
又因為不設(shè)置外部透鏡，外部透鏡引起的反射、吸收的影響就不存在，因此有足夠的紅外線入射熱電體，能提高紅外線的探測靈敏度。
預(yù)先進(jìn)行光學(xué)調(diào)整，使通過存在于紅外線入射濾光片的衍射光學(xué)元件陣列的紅外線，聚光或成像于熱電體時，在將紅外線入射濾光片裝于密封體過程中，因讓衍射光學(xué)元件相對光軸方向及與垂直于光軸的平面上的兩軸(X、Y軸)的旋轉(zhuǎn)方向固定，因此，光學(xué)調(diào)整只要進(jìn)行X、Y及光軸的旋轉(zhuǎn)方向的位置對準(zhǔn)即可，能容易進(jìn)行衍射光學(xué)元件的光學(xué)調(diào)整。
還由于設(shè)置衍射光學(xué)元件陣列，因而能將檢知區(qū)域設(shè)定得比1個衍射光學(xué)元件廣得多。
圖1是本發(fā)明第1實施例熱電型紅外線傳感器的剖面圖;
圖2是第1實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件的放大剖面圖;
圖3是說明第1實施例熱電型紅外線傳感器光學(xué)調(diào)整時工作的斜視圖;
圖4是本發(fā)明第2實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件的俯視圖;
圖5是第2實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件的放大剖面圖;
圖6是本發(fā)明第3實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件的放大剖面圖;
圖7是第3實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件的形成工序圖;
圖8是本發(fā)明第5實施例熱電型紅外線傳感器的剖面圖;
圖9是第5實施例熱電型紅外線傳感器的熱電體的放大剖面圖;
圖10是本發(fā)明第6實施例熱電型紅外線傳感器傳感器的斜視圖;
圖11是第6實施例熱電型紅外線傳感器的剖面圖;
圖12是第6實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件的放大剖面圖;
圖13是第6實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件陣列的俯視圖;
圖14是第6實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件陣列的剖面圖;
圖15是表示第6實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件陣列的檢知區(qū)域的示意圖;
圖16是表示第6實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件陣列的紅外線入射的正視圖;
圖17是第6實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件的形成工序圖;
圖18是本發(fā)明第8實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件的放大剖面圖;
圖19是本發(fā)明第9實施例熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件的放大剖面圖;
圖20是以往熱電型紅外線傳感器的剖面圖。
以下，參見圖1-圖3說明本發(fā)明第1實施例。
圖1是本發(fā)明第1實施例熱電型紅外線傳感器的剖面圖，圖2是熱電型紅外線傳感器的衍射光學(xué)元件的放大剖面圖，圖3是衍射光學(xué)元件的光學(xué)調(diào)整時的說明圖。
如圖1所示，熱電體，由鉭酸鋰(LiTaO3)構(gòu)成，檢知紅外線6的部分設(shè)于密封罩(密封體)2的內(nèi)部。密封罩2抵御干擾光及電磁噪聲以保護(hù)熱電體1，外形尺寸為5mm，且上部設(shè)有直徑為2.5mm的開口部5。紅外線入射濾光片3，其厚度為0.4mm，由縱橫3mm見方的硅底板構(gòu)成，設(shè)置在開口部5的外側(cè)，用以覆罩密封罩2的開口部5。衍射光學(xué)透鏡(衍射光學(xué)元件)4，形成在紅外線入射濾光片3的與熱電體1對置的面即背面，通過使紅外線衍射，讓紅外線聚光或成像。衍射光學(xué)透鏡4為超薄型透鏡，如圖2所示，其表面做成矩形狀的凹凸，且凹凸溝槽深度在衍射光學(xué)透鏡的整個面上做成一樣。
現(xiàn)對上述結(jié)構(gòu)說明其動作，由檢測對象輻射的紅外線6，不受反射、吸收之影響，保持紅外線6本身光量不變下到達(dá)紅外線入射濾光片3，通過形成在紅外線入射濾光片3背面的衍射光學(xué)透鏡4后，聚光或成像于設(shè)在密封罩2內(nèi)部的熱電體1上。結(jié)果，熱電體1溫度變化，隨之表面電荷狀態(tài)也被破壞中性狀態(tài)發(fā)生變化。檢測此時表面上發(fā)生的電荷，測定紅外線入射量。在此，因衍射光學(xué)透鏡4一體形成在紅外線入射濾光片3上，故衍射光學(xué)透鏡4的尺寸不會比紅外線入射濾光片3大，而且能夠不必讓使紅外線6聚光或成像于熱電體1的透鏡設(shè)在密封罩2的外側(cè)，而且，還不會受紅外線6的反射、吸收之影響，因此，能使紅外線6完全聚光或成像于熱電體1上。
這樣，若利用本實施例，則由于在紅外線入射濾光片3的背面一體形成使紅外線聚光或成像的衍射光學(xué)透鏡4，因此，起外部透鏡作用的衍射透鏡4的尺寸不會比紅外線入射濾光片3更大。而且，由于不必在密封罩2的外側(cè)設(shè)置外部透鏡，能將熱電型紅外線傳感器做成小型。
再由于不設(shè)外部透鏡，紅外線6不會受反射、吸收之影響而使入射熱電體1的光量變得很小，從而紅外線6完全入射熱電體1，能提高熱電型紅外線傳感器的靈敏度。
還有，本實施例中是將衍射光學(xué)透鏡4設(shè)于紅外線入射濾光片3的背面，但即使設(shè)在紅外線入射濾光片3的表面也能獲得同樣的效果。
如圖3所示，在對衍射光學(xué)透鏡4進(jìn)行光學(xué)調(diào)整時，將紅外線入射濾光片3裝于密封罩2的過程中，使衍射光學(xué)透鏡4相對于光軸方向及與光軸垂直的平面上的兩軸(X、Y軸)的旋轉(zhuǎn)方向而固定，因此，光學(xué)調(diào)整變得容易，僅僅是X、Y軸與光軸的旋轉(zhuǎn)方向的位置對準(zhǔn)而已。
下面，參見圖4及圖5說明本發(fā)明的第2實施例。本實施例熱電型紅外線傳感器是對第1實施例的衍射光學(xué)透鏡4作了改進(jìn)的傳感器。圖4是對第1實施例所用衍射光學(xué)透鏡進(jìn)行改進(jìn)后的衍射光學(xué)透鏡的俯視圖，圖5是衍射光學(xué)透鏡的放大剖面圖。
如圖4及圖5所示，形成于紅外線入射濾光片7背面的衍射光學(xué)透鏡8，具有與相位調(diào)制量對應(yīng)的凹凸，凹凸的溝槽深度在衍射光學(xué)透鏡8的整個區(qū)域中均一，凹凸的形狀為同心圓，做成周期依存于入射紅外線的波長，并隨向外周推進(jìn)周期縮短，利用衍射現(xiàn)象的紅外線的聚光效率大為提高。其它結(jié)構(gòu)與上述第1實施例相同。
現(xiàn)對上述結(jié)構(gòu)說明其動作，衍射光學(xué)透鏡8具有與相應(yīng)調(diào)制量對應(yīng)的凹凸，而且凹凸的間距及溝槽深度與入射紅外線6的波長有依存關(guān)系，使凹凸的端部同對應(yīng)于相位調(diào)制量的凹凸形狀A(yù)的側(cè)邊一致。設(shè)此時紅外線6的波長為λ、衍射光學(xué)透鏡8的折射率為n，則凹凸的溝槽深度t＝λ/2(n-1)，此時，折射光學(xué)透鏡8中的紅外線6的折射率為最大。從而，提高了入射至紅外線衍射光學(xué)透鏡8的紅外線6的衍射效率。其結(jié)果是能增加聚光或成像于熱電體1的紅外線6的光量。
若利用本實施例，則在第1實施例效果的基礎(chǔ)上，因衍射光學(xué)透鏡8具有與相位調(diào)制量對應(yīng)的凹凸，凹凸的間距及溝槽深度與入射紅外線6的波長有依存關(guān)系，同心圓狀的凹凸圖案隨著向外周推進(jìn)而周期縮短，并使凹凸的端部與對應(yīng)于相位調(diào)制量的凹凸形狀A(yù)的側(cè)邊一致。結(jié)果能提高衍射現(xiàn)象引起的紅外線6的聚光效率，提高衍射光學(xué)透鏡8的衍射效率，使聚光或成像于熱電體1的外線6的光量增加，并能提高靈敏度。
接著，參見圖6說明本發(fā)明第3實施例。本實施例熱電型紅外線傳感器是將第2實施例的衍射光學(xué)透鏡進(jìn)行改進(jìn)的傳感器。圖6是對第2實施例所用的衍射光學(xué)透鏡經(jīng)過改進(jìn)的衍射光學(xué)透鏡的放大剖面圖。
如圖6所示，衍射光學(xué)透鏡9，形成于紅外線入射濾光片10上，具有與相位調(diào)制量對應(yīng)的凹凸，并使凹凸形狀為階梯狀，其級數(shù)為4。其它結(jié)構(gòu)與上述第1實施例相同。
現(xiàn)對上述結(jié)構(gòu)說明其作用。衍射光學(xué)透鏡9讓對應(yīng)于相位調(diào)制量的凹凸的形狀A(yù)做成階梯狀，使凹凸的4個端部與其側(cè)邊成一致，凹凸的間距及溝槽的深度與入射的紅外線6的波長有依存關(guān)系。此時，若設(shè)紅外線的波長為λ，衍射光學(xué)透鏡4的折射率為n，則凹凸的溝槽深度t＝3λ/4(n-1)，衍射光學(xué)透鏡9中的紅外線6的衍射效率，在忽視反射的影響時，大約為81%，提高了入射紅外線射入衍射光學(xué)透鏡9的紅外線6的衍射效率。從而，能使聚光或成像于熱電體1上的紅外線6的光量進(jìn)一步增加。
還有，為了使階梯狀的凹凸的端部與對應(yīng)于相位調(diào)制量的凹凸形狀A(yù)的側(cè)邊成一致，做成具有m個級數(shù)(這里，設(shè)n為大于1的正整數(shù)時，m＝2n)，在凹凸的間距及溝槽深度與入射的紅外線6的波長有依存關(guān)系時，設(shè)紅外線的波長為λ、衍射光學(xué)透鏡9的折射率為n，則凹凸的溝槽深度t＝(m-1)/m×λ/(n-1)，增大m，則入射至紅外線衍射光學(xué)透鏡9的紅外線6的衍射效率就提高。也就是說，衍射光學(xué)透鏡9中的紅外線6的衍射效率，在忽視反射的影響情況下，凹凸的級數(shù)m＝2時，約為41%、m＝4時約為81%、m＝8時約為95%、m＝16時約為99%。
若利用本實施例，則在第2實施例的效果的基礎(chǔ)上，因衍射光學(xué)透鏡9讓對應(yīng)于相位調(diào)制量的凹凸形狀A(yù)做成階梯狀，使凹凸的端部與其側(cè)邊成一致，凹凸的間距及溝槽的深度與入射的紅外線6的波長有依存關(guān)系。因此，提高了衍射光學(xué)透鏡9的衍射效率，使聚光或成像于熱電體1的紅外線6的光量增加，能進(jìn)一步提高熱電型紅外線傳感器的靈敏度。特別是凹凸的級數(shù)為16時，忽視反射之影響情況下，衍射效率約為99%。
下面，說明本發(fā)明第4實施例。
讓構(gòu)成圖1中紅外線入射濾光片3和衍射光學(xué)透鏡(衍射光學(xué)元件)4的物質(zhì)為同一物質(zhì)，該物質(zhì)至少包括硅或鍺中一種，或者至少包括鎵或銦中一種和至少包括砷或磷中一種。
現(xiàn)對上述結(jié)構(gòu)說明其作用。由于構(gòu)成紅外線入射濾波器3和衍射光學(xué)透鏡4的物質(zhì)為相同物質(zhì)，且該物質(zhì)至少包括硅或鍺中一種，或者至少包括鎵或銦中一種和至少包括砷或磷中一種，因此，能使衍射光學(xué)透鏡4形成于紅外線入射濾光片3的內(nèi)部，從而能謀求熱電型紅外線傳感器的進(jìn)一步小型化。再由于能增大衍射光學(xué)透鏡4的折射率，因此使用具有凹凸的衍射光學(xué)透鏡4時，能使凹凸的溝槽深度變淺，能縮短制造衍射光學(xué)透鏡4的制造時間。
作為構(gòu)成紅外線入射濾光片3與衍射光學(xué)透鏡4的物質(zhì)，用硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵中任一種時，其效果更好。
另外，上述各實施例的衍射光學(xué)透鏡4、8或9，通過在其表面或背面形成無反射干涉膜，使衍射光學(xué)透鏡4、8或9中的反射幾乎不存在，能使熱電型紅外線傳感器的靈敏度進(jìn)一步提高。
還有，紅外線濾光片3、7或10，因在形成衍射光學(xué)透鏡4、8或9的面與背對面上，形成只讓特定波長區(qū)域透過的干涉膜濾光器，從而能遮斷太陽光、白熾燈等的干擾光，使熱電型紅外線傳感器的靈敏度進(jìn)一步提高。
再有，作為衍射光學(xué)元件，是采用衍射光學(xué)透鏡4、8或9，但即使用折射率調(diào)制型的衍射光學(xué)透鏡，也能獲得同樣的效果。
下面，說明形成第3實施例中衍射光學(xué)透鏡9的階梯狀凹凸形狀時的工序。
如圖7所示，以蝕刻方式形成衍射光學(xué)透鏡9的階梯狀凹凸形狀，在級數(shù)為4時，具有如圖7(a)所示，以光刻法形成光刻膠圖案的第1工序;如圖7(b)所示，設(shè)衍射光學(xué)透鏡9的折射率為n、紅外線6的入射光波長為λ時，以干腐蝕方式雕刻1/2×λ/(n-1)深度的第2工序;如圖7(c)所示，以光刻法形成光刻膠圖案的第3工序;如圖7(d)所示，以干腐蝕方式雕刻1/4×λ/(n-1)的第4工序。
于是，通過以蝕刻方式形成衍射光學(xué)透鏡9的階梯狀凹凸形狀，能使凹凸的棱角部尖銳地形成正確的矩形形狀的凹凸，從而能容易地進(jìn)行衍射光學(xué)透鏡9的制造。這樣，由于以蝕刻方式形成對應(yīng)于相位調(diào)制量的階梯狀凹凸形狀，能容易制造衍射光學(xué)透鏡9。
上述對凹凸級數(shù)為4的情況作了說明，但根據(jù)圖7(d)狀態(tài)，能以干腐蝕方式形成8個以上的凹凸級數(shù)。另外，上述說明是對第3實施例的衍射光學(xué)透鏡9進(jìn)行了說明，但對于第1或第2實施例的衍射光學(xué)透鏡4或8，也能同樣地形成。
接著，參見圖8及圖9說明本發(fā)明的第5實施例。另外，與上述第1實施例為相同結(jié)構(gòu)的部分加注同一標(biāo)號，省去其說明。
圖8是本發(fā)明第5實施例的熱電型紅外線傳感器的剖面圖，圖9是熱電體的正視圖。
如圖所示，熱電體11在氧化錳襯底12上設(shè)置含有鑭的鈦酸鉛(以下稱PLT)薄膜13。薄膜13的尺寸，例如為300×300μm見方。PLT薄膜13與陶瓷型比較，即使面積比為1/10，也能獲得同等的靈敏度，又因為具有10倍的響應(yīng)速度，因此能縮小將熱電體11設(shè)于內(nèi)部的密封罩的尺寸。
這樣，若利用本實施例，則由于用PLT薄膜13作熱電體11，能使熱電型紅外線傳感器進(jìn)一步小型化。
下面，參見


本發(fā)明第6實施例。另外，與上述第1實施例為相同結(jié)構(gòu)部分加注同一符號，省去其說明。
圖10及圖11分別為本發(fā)明第6實施例的熱電型紅外線傳感器的斜視圖及剖面圖。
如圖所示，衍射光學(xué)元件陣列14，使紅外線6聚光或成像于熱電體1上，并一體化設(shè)置于紅外線入射濾光片15的內(nèi)面。如圖12至圖14所示，多個衍射光學(xué)透鏡(衍射光學(xué)元件)16呈輻射狀。這些衍射光學(xué)透鏡16如圖15所示，其視場16a以一定間隔排列，遍布于檢知區(qū)域內(nèi)。而且，各衍射光學(xué)透鏡16與圖15所示視場相對應(yīng)，使具有與視場對應(yīng)的入射角的入射紅外線分別如圖14及圖16所示，聚光或成像于熱電體1上。例如，相對形成于紅外線入射濾光片15上的衍射光學(xué)元件陣列14面的垂直線，圖13及圖14中位置A的衍射光學(xué)透鏡16的入射角為0°，位置B的衍射光學(xué)透鏡16的入射角為19.9°，位置C的衍射光學(xué)透鏡16的入射角為32.3°，位置D的衍射光學(xué)透鏡16的入射角為35.9°。
現(xiàn)對上述結(jié)構(gòu)說明動作。首先，由某方向檢測對象物輻射的紅外線6到達(dá)紅外線入射濾光片15。該到達(dá)的紅外線6，通過形成于紅外線入射濾光片15背面的衍射光學(xué)元件陣列14與其對應(yīng)的衍射光學(xué)透鏡16、聚光或成像于熱電體1上。結(jié)果，熱電體1溫度變化，隨之表面電荷狀態(tài)也破壞中性狀態(tài)而變化，檢測此時表面上產(chǎn)生的電荷，測定紅外線入射量。
本實施例通過將分別具有不同入射角的多個衍射光學(xué)透鏡16作為衍射光學(xué)元件陣列14一體形成于紅外線入射濾光片15，能廣范圍檢測紅外線。即，利用此結(jié)構(gòu)，不必將外部透鏡設(shè)置在密封罩2的外側(cè)，大幅度實現(xiàn)了小型化。又因能省去外部透鏡，能大幅度提高透射率。例如，設(shè)外部透鏡材料為聚乙烯，則想要探測人時，人體輻射的紅外線波長λ約為10μm，此時的透射率約為50%，因此較之具有外部透鏡的情況，透射率提高1倍。而且，省去外部透鏡，能大幅度降低成本。
還有，預(yù)先進(jìn)行光學(xué)調(diào)整，使透過形成于紅外線入射濾光片15的多個衍射光學(xué)透鏡16的紅外線聚光或成像于熱電體1時，如圖10所示，將紅外線入射濾光片15裝于密封罩2的過程中，光軸方向及與光軸成垂直的平面上兩軸(X、Y軸)的旋轉(zhuǎn)方向被固定，因此光學(xué)調(diào)整能容易進(jìn)行，只需X、Y與光軸的旋轉(zhuǎn)方向?qū)?zhǔn)位置即可。
形成衍射光學(xué)元件陣列14的多個衍射光學(xué)透鏡16，具有分別與透鏡的相位調(diào)制量對應(yīng)的凹凸，如圖12、圖13所示，凹凸的圖案做成，隨著向外周推進(jìn)，周期縮短，利用衍射現(xiàn)象而聚光于1點。該凹凸的溝槽深度在衍射光學(xué)透鏡16的整個區(qū)域為均一，該凹凸的溝槽深度與表面形狀做成與入射紅外線的波長有依存關(guān)系，利用光的衍射現(xiàn)象達(dá)到聚光。
用此結(jié)構(gòu)，凹凸的溝槽深度在衍射光學(xué)透鏡16的整個區(qū)域為均一，因此，其優(yōu)點例如能非常容易地以蝕刻形成凹凸。
如圖12所示，本實施例中，凹凸的截面形狀為4級階梯狀，此時，若設(shè)折射率為n、λ射光的波長為λ，則使衍射光學(xué)透鏡16的1次衍射效率為最大的凹凸的溝槽的最大深度t可以下式表示。
t＝3/4×λ/(n-1)此時，若忽略表面的反射，則1次衍射效率約為81%。
還有，如圖13所示，形成衍射光學(xué)元件陣列14的多個衍射光學(xué)透鏡16在入射角不為0°的位置B、C及D的衍射光學(xué)透鏡16的凹凸圖案形狀做成橢圓形，隨著橢圓形的中心位置向外部推進(jìn)，漸漸向橢圓形一長軸方向偏移。
利用此結(jié)構(gòu)，能校正光學(xué)像差，從而就不必將衍射光學(xué)透鏡做成立體形狀以避免產(chǎn)生光學(xué)像差。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)凹凸的截面形狀為4級階梯狀時，設(shè)θ為斜向入射角、λ為紅外線的波長、f為像方焦點距離、n為通過媒體的折射率(本實施例中通過媒體為空氣)，通過讓第m個橢圓形狀的。
長軸dL＝2/cosθ×〔(Mλ/4n cosθ)2+Mλf/2〕0.5短軸ds＝dL×cosθ離心間隔(第M個橢圓的中心位置與第M+1個橢圓的中心位置之間的間隔)e＝Mλtanθ/4n cosθ能校正光學(xué)象差，結(jié)果是能獲得對斜向入射光也能很好聚光的衍射光學(xué)透鏡。
還有，衍射光學(xué)透鏡16，一般隨入射角增加，衍射效率會降低，但通過將形成衍射光學(xué)元件陣列14的多個衍射光學(xué)透鏡16的面積，隨著向外周部推進(jìn)而增大，則能補(bǔ)償相對入射角增大而衍射效率的降低，并能補(bǔ)償相對檢測距離拉長而入射光量的減少，從而，即使紅外線的入射角與檢測距離不同，也能獲得大致均一的靈敏度。
還有，通過無間隙地配置多個衍射光學(xué)透鏡16，能有效利用光接收面積，使衍射光學(xué)元件陣列14小型化。
還由于衍射光學(xué)元件陣列14的中央部的衍射光學(xué)透鏡16的入射角為0°，隨著變?yōu)橥庵艿难苌涔鈱W(xué)元件16，入射角漸漸變大，因此相對各個衍射光學(xué)透鏡16能獲得衍射光學(xué)透鏡16的數(shù)值孔徑小的即衍射效率高的區(qū)域，從而，能獲得聚光效力很高的衍射光學(xué)透鏡16。
下面，說明本發(fā)明的第7實施例。
構(gòu)成圖11或圖13中紅外線入射濾光片15及衍射光學(xué)透鏡16的物質(zhì)為同一物質(zhì)，此物質(zhì)至少包括硅或鍺中的一種，或者至少包括鎵或銦中一種及至少包括砷或磷中一種。
現(xiàn)對上述結(jié)構(gòu)說明其作用。當(dāng)用硅作紅外線入射濾光片15時，折射率n約為3.5。想要探測人的情況下，人體輻射的紅外線的波長λ約為10μm，因此凹凸的溝槽深度t，在截面形態(tài)為4級的階梯狀時，為3μm。這與以聚乙烯(折射率n約為1.5)等塑料形成的衍射光學(xué)透鏡16的情況相比深度約為1/5，能使凹凸的溝槽深度變淺，并能以蝕刻、堆積等平面法在短時間內(nèi)容易地實現(xiàn)正確的透鏡形狀，又因能使凹凸的溝槽深度變淺，即使在周期短的外周部衍射效率也好。而且，能獲得即使向入射時衍射效率降低也小的這樣非常良好光學(xué)特性的衍射光學(xué)透鏡。
還有，在鍺、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵中任一種情況下，與硅的情況相同折射率n為3以上，凹凸的溝槽深度能變淺，能實現(xiàn)正確的透鏡形狀，能獲得聚光特性非常好的衍射光學(xué)透鏡16。
以下說明形成第6實施例中衍射光學(xué)透鏡16的階梯狀凹凸形狀時的工序。
如圖17所示，以蝕刻形成衍射光學(xué)透鏡16的階梯狀凹凸形狀，凹凸的截面形狀為4級階梯狀情況下，通過第1處理，以光蝕刻方式形成圖17(a)所示的光刻膠圖案A。接著，如圖17(b)所示，以干蝕方式雕刻約1/2×λ/(n-1)深(其中n為折射率、λ為入射光的波長)。接著，通過第2處理，以光蝕刻方式形成圖17(c)所示的光刻膠圖案B。再如圖17(d)所示，以干蝕方式雕刻約1/4×λ/(n-1)，形成衍射光學(xué)透鏡16。尤其是利用干蝕法能獲得矩形的棱角部尖銳的精確矩形形狀，能獲得衍射效率高的衍射光學(xué)透鏡16。
下面，參見圖18說明本發(fā)明的第8實施例。
圖18是本發(fā)明第8實施例的衍射光學(xué)透鏡17的截面形狀的概況圖。
如圖所示，衍射光學(xué)透鏡17形成于紅外線入射濾光片18上，第6實施例中，凹凸的1個間隔通過2次處理形成為4級階梯狀，而本實施例中，凹凸的1個間隔形成很多級數(shù)(m級)，例如為m＝8的階梯狀。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)設(shè)折射率為n、入射光的波長為λ，則此時的凹凸的溝槽的最佳最大深度t＝(m-1)/m×λ/(n-1)。而且，隨級數(shù)m增大聚光效率提高，當(dāng)級數(shù)m為16時，在忽略反射下聚光效率提高至最大約99%。此時，凹凸的溝槽最佳最大深度t大致為λ/(n-1)。
對于使光軸自熱電體1平面的垂直線方向起以某角度發(fā)散的衍射光學(xué)透鏡17，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)若設(shè)θ為斜向入射角、λ為紅外線的波長、f為像方焦點距離、n為通過媒體的折射率(本發(fā)明情況下，通過媒體為空氣)通過將第M個橢圓形狀做成。
長軸dL＝2/cosθ×〔(Mλ/mn cosθ)2+2Mλf/m〕0.5短軸ds＝dL×cosθ離心間隔e＝Mλtanθ/mn cosθ就能校正光學(xué)像差。
接著，參見圖19說明本發(fā)明的第9實施例。
圖19是本發(fā)明第9實施例的衍射光學(xué)透鏡19的截面形狀的概要圖。
如圖所示，衍射光學(xué)透鏡19形成于紅外線入射濾光片20上，衍射光學(xué)透鏡19的凹凸的形狀做成矩形狀的凹凸，而且，隨著向外周推進(jìn)，凹凸的間距縮小。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)若設(shè)折射率為n、入射光波長為λ，則使衍射光學(xué)透鏡19的1次衍射效率為最大的凹凸的溝槽的最大深度t＝1/2×λ/(n-1)。利用這種結(jié)構(gòu)，與第6實施例的衍射光學(xué)透鏡16的情況相比，衍射效率在忽略反射情況下，降低不到一半(41%)，從而能用一次蝕刻工序形成衍射光學(xué)透鏡19，批量生產(chǎn)能力提高顯著。
還有，對于使光軸自熱電體1平面的垂直線方向起以某角度發(fā)散的衍射光學(xué)透鏡19，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)若設(shè)θ為斜向入射角、λ為紅外線的波長、f為像方焦點距離、n為通過媒體的折射率(本發(fā)明的情況下，通過媒體為空氣)，通過使第M個橢圓形狀做成長軸。
dL＝2/cosθ×〔(Mλ/4n cosθ)2+2Mλf/m〕0.5短軸ds＝dL×cosθ離心間隔e＝Mλtanθ/2n cosθ就能校正光學(xué)象差。特別是由于采用干蝕方式，較之濕蝕方式矩形的棱角部尖銳，能實現(xiàn)正確的矩形形狀，能形成衍射效率非常好的衍射光學(xué)透鏡。
再有，上述第6、第8或者第9實施例的衍射光學(xué)透鏡16、17或19，通過在其表面或背面形成無反射干涉膜，使衍射光學(xué)透鏡16、17或19中的反射幾乎沒有，能進(jìn)一步提高熱電型紅外線傳感器的靈敏度。
紅外線濾光片15、18或20，是通過在形成衍射光學(xué)透鏡16、17或19的面的反對面上，以例如蒸鍍法形成只讓特定波長區(qū)域透過的干涉膜濾光片，能遮斷太陽光、白熾燈等外部干涉光，能進(jìn)一步提高熱電型紅外線傳感器的靈敏度。
還有，通過將衍射光學(xué)透鏡16、17或19形成在與熱電體1的相對面，即形成在密封罩2的內(nèi)側(cè)，保護(hù)凹凸部，以免受傷、沾塵污等，能永久性地維持其功能。
通過用含有鑭的鈦酸鉛薄膜形成熱電體1，能使熱電型紅外線傳感器進(jìn)一步小型化。
另外，上述說明是用衍射光學(xué)透鏡16、17或19作衍射光學(xué)元件，但即使用折射率調(diào)制型的衍射光學(xué)透鏡，也能獲得同樣的效果。
權(quán)利要求
1.一種熱電型紅外線傳感器，其特征是包括具有開口部的密封體、設(shè)于上述密封體內(nèi)部并探測紅外線的熱電體、設(shè)于上述密封體開口部的紅外線入射濾光片以及使上述紅外線聚光或成像于設(shè)于上述紅外線入射濾光片的表面或背面的上述熱電體的衍射光學(xué)元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件具有對應(yīng)于透鏡相位調(diào)制量的凹凸，上述凹凸的溝槽深度在上述衍射光學(xué)元件的整個區(qū)域為均一，上述凹凸的形狀與入射紅外線的波長有依存關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件具有對應(yīng)于透鏡相位調(diào)制量的凹凸，上述凹凸的形狀為階梯狀，而且設(shè)階段的級數(shù)為m、主入射紅外線的波長為λ、紅外線入射濾光片的折射率為n時，上述凹凸的溝槽深度為(m-1)/m×λ/(n-1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件具有對應(yīng)于透鏡的相位調(diào)制量的凹凸，上述凹凸以蝕刻方式形成矩形形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件的表面或背面上具有無反射干涉膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是紅外線入射濾光片在形成衍射光學(xué)元件的面及背面上具有使特定波長區(qū)域透過的干涉膜濾光片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是以相同物質(zhì)構(gòu)成紅外線入射濾光片和衍射光學(xué)元件，上述物質(zhì)，折射率為3以上，至少包括硅或者鍺，或者至少包括鎵或銦中的一種以及至少包括砷或磷中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是構(gòu)成紅外線入射濾光片和衍射光學(xué)元件的物質(zhì)是硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵中的任一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是用含有鑭的鈦酸鉛薄膜形成熱電體。
10.一種熱電型紅外線傳感器，其特征是包括探測紅外線的熱電體，內(nèi)裝上述熱電體并具有開口部的密封體、裝于上述密封體開口部的紅外線入射濾光片、設(shè)于上述紅外線入射濾光片的表面或者背面的衍射光學(xué)元件陣列;上述衍射光學(xué)元件陣列至少具有2個以上的衍射光學(xué)元件，這些衍射光學(xué)元件做成使入射的紅外線分別聚光或成像于上述熱電體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件具有對應(yīng)于透鏡的相位調(diào)制量的凹凸，上述凹凸的溝槽深度于上述衍射光學(xué)元件整個區(qū)域為均一，上述凹凸的形狀與入射紅外線的波長有依存關(guān)系。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件具有對應(yīng)于透鏡相位調(diào)制量的凹凸，上述凹凸的圖案形狀為橢圓形，上述橢圓形的中心位置隨著向外部推進(jìn)漸漸向橢圓形一長軸方向偏移。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件具有對應(yīng)于透鏡相位調(diào)制量的凹凸，用干蝕方式形成上述凹凸。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件具有對應(yīng)于透鏡相位調(diào)制量的凹凸，上述凹凸的形狀做成截面為m級的階梯狀，當(dāng)設(shè)主入射紅外線波長為λ、紅外線入射濾光片的折射率為n時，上述凹凸的溝槽的最大深度為(m-1)/m×λ/(n-1)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件具有對應(yīng)于透鏡相位調(diào)制量的凹凸，上述凹凸的形狀為矩形。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件隨著向衍射光學(xué)陣列的外周推進(jìn)而面積增大。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件陣列通過無間隙地配置多個衍射光學(xué)元件而構(gòu)成。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是在多個衍射光學(xué)元件中，讓中央部衍射光學(xué)元件的入射角為0°，隨著變成外周的衍射光學(xué)元件，入射角漸漸增大。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是用相同物質(zhì)構(gòu)成紅外線入射濾光片和衍射光學(xué)元件，上述物質(zhì)，折射率為3以上，至少包括硅或鍺，或者至少包括鎵或銦中的一種以及至少包括砷或磷中的一種。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是構(gòu)成紅外線入射濾光片和衍射光學(xué)元件的物質(zhì)為硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵中的任一種。
21.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件的表面及背面上具有無反射干涉膜。
22.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是紅外線入射濾光片在形成衍射光學(xué)元件的面及背面上，具有只讓特定波長區(qū)域透過的干涉膜濾光片。
23.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是衍射光學(xué)元件形成在與熱電體相對的紅外線入射濾光片的面上。
24.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱電型紅外線傳感器，其特征是由含有鑭的鈦酸鉛薄膜形成熱電體。
全文摘要
一種用熱電體檢測紅外線的熱電型紅外線傳感器，它在省去外部透鏡，實現(xiàn)小型化的同時，提高了紅外線的探測靈敏度，結(jié)構(gòu)特征是在具有開口部的密封罩(密封體)內(nèi)部設(shè)置探測紅外線的熱電體，于上述密封罩的開口部設(shè)置紅外線入射濾光片，將使紅外線聚光或成像于上述熱電體的衍射光學(xué)透鏡(衍射光學(xué)元件)設(shè)置于上述紅外線入射濾光片的表面或背面。
文檔編號G01J1/04GK1106557SQ94116279
公開日1995年8月9日 申請日期1994年9月22日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月22日
發(fā)明者藤川和彥, 野村幸治, 塩野照弘, 小川久仁 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社