JP3674012B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、赤外線画像と可視光線画像の両方を同時に得ることができるようにした固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像装置の一種に、赤外線を検出する赤外線イメージセンサを用いた固体撮像装置(赤外線撮像装置)がある。また、赤外線イメージセンサの一種として、光起電力効果または光導電効果を利用する量子型の赤外線イメージセンサがある。
【0003】
量子型の赤外線イメージセンサは、感度が良好で、かつ反応速度が速い(応答特性の良好な)センサであるが、検出感度に波長依存性があり、長波長の赤外線を検出するためには、受光部を冷却する必要がある。
【0004】
従来、波長が約3μm乃至約5μmの赤外線(中赤外線)の検出を目的として、77Kに冷却したPtSiショットキーバリアダイオードを受光部(センサ部)とする赤外線イメージセンサが開発されている。
【0005】
図6は、従来の、赤外線イメージセンサを用いた固体撮像装置の一構成例を示す断面図である。この固体撮像装置は、図中左側から入射する光線12のうち赤外線を主に透過して所定の角度φA に集光する、シリコンまたはゲルマニウム等からなる赤外線レンズ20と、赤外線レンズ20によって集光された赤外線を受光する受光装置7と、受光装置7の内部に設けられているイメージセンサ8を冷却するスターリングクーラー10からなる。
【0006】
受光装置7の周囲はデュワ5によって囲まれている。デュワ5の、図中、左側(赤外線レンズ20の配置されている側)には、赤外線レンズ20を透過した赤外線を受光装置7の内部に取り込むための開口部5Aが設けられており、少なくとも赤外線を透過する部材(例えば、ZnS )からなる窓3が、開口部5Aの全面を覆うように、デュワ5に密着して取り付けられている。また、デュワ5の開口部5Aに対向する側(図中、右側)には、開口部5Bが設けられており、熱伝導性の良好な部材からなるコールドステージ9が、開口部5Bの全面を覆うように、デュワ5に密着して取り付けられている。すなわち、受光装置7は、デュワ5、窓3及びコールドステージ9によって密閉されている。
【0007】
デュワ5の内部のコールドステージ9上には、受光部がPtSiショットキーバリアダイオードからなるイメージセンサ8が取り付けられており、赤外線レンズ20によって集光された赤外線(赤外線画像)がイメージセンサ8上に結像するようになされている。また、赤外線及び可視光線を遮光する部材(例えば、アルミニウム)からなり、所定の大きさの開口部4Aを赤外線光路上に有するコールドシールド4がコールドステージ9上に取り付けられており、イメージセンサ8の周囲を囲んでいる。上記開口部4Aの大きさは、赤外線レンズ20によって角度φA に集光され、受光装置7の内部に入射した赤外線以外の赤外線の、コールドシールド4の内部への入射(イメージセンサ8への入射)を制限する大きさとされている(すなわち、コールドシールド4は、絞りの役割を果たしている)。
【0008】
また、上述したスターリングクーラ10は、デュワ5の開口部5Bの全面に取り付けられているコールドステージ9と接続されている。従って、コールドステージ9に取り付けられているイメージセンサ8及びコールドシールド4は、スターリングクーラ10によって所定の温度(約77K)に冷却される。
【0009】
なお、イメージセンサ8の結露を抑制するために、デュワ5、窓3及びコールドステージ9で囲まれた空間11は、排気処理によって真空状態とされている。
【0010】
次に、図6に示す固体撮像装置の動作について説明する。赤外線レンズ20は、図中、左側から入射された光線12のうち、主に赤外線Xを透過して角度φA に集光する。赤外線レンズ20によって集光された赤外線Xは、窓3を透過して受光装置7の内部に入射し、さらに、コールドシールド4の開口部4Aを通過してイメージセンサ8で結像する。
【0011】
ところで、コールドシールド4は、赤外線レンズ20によって角度φA に集光された赤外線X以外の赤外線の、イメージセンサ8への入射を制限している。すなわち、物質は、その物質の温度に対応して赤外線を放射する(温度が高いほど多量の赤外線を放射する)ので、例えば、デュワ5等も赤外線を放射している。この不所望な赤外線が、イメージセンサ8に入射してしまうと、所望の赤外線画像を得ることができなくなってしまう。そこで、この固体撮像装置においては、コールドシールド4がイメージセンサ8の周囲を囲むように設けられており、また、開口部4Aの大きさが、赤外線レンズ20によって集光された赤外線X以外の赤外線(デュワ5等から放射される不所望な赤外線)のコールドシールド4の内部への入射を制限する大きさとされている。
【0012】
なお、コールドシールド4は、コールドステージ9に直接取り付けられているので、スターリングクーラ10によって冷却されており、赤外線をほとんど放射していない。
【0013】
イメージセンサ8は、スターリングクーラ10によって、77Kに冷却されているので、結像した赤外線画像を良好に検出して光電変換し、図示せぬ出力端子から、電気信号として出力する。
【0014】
ところで、上述したように、図6に示す固体撮像装置のイメージセンサ8は、PtSiショットキーバリアダイオードからなる受光部を有している。このPtSiショットキーバリアダイオードは、波長が約3μm乃至約5μmの赤外線の他に、波長が約0.2μm乃至約0.4μmの紫外線、波長が約0.4μm乃至約0.7μmの可視光線、波長が約0.7μm乃至約3μmの近赤外線のそれぞれにも、それぞれ分光感度特性を有していることが、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES. VOL.38.NO.5.MAY 1991 "Ultraviolet,Visible,and Infared Response of PtSi Schottky-Barrier Detectors Operated in the Front-Illuminated Mode;Chenson K. Chen, Bettina Nechay, and Bor-Yeu Tsaurに開示されている。
【0015】
また、United States Patent[19] Patent Number:5,122,669においても、PtSiショットキーバリアダイオードを用いたワイドバンド(波長帯域の広いバンド)の赤外線イメージセンサの例が開示されている。
【0016】
以上に示す、PtSiショットキーバリアダイオードの特性を利用して、図6に示す固体撮像装置を用いて可視光線画像を撮像することも可能である。
【0017】
例えば、図6の赤外線レンズ20の代わりに、可視光線を透過する部材からなる光学系(集光レンズ)を配置する。このようにすることによって、可視光線をイメージセンサ8に結像させることができ、可視光線に対して検出感度を有しているイメージセンサ8は、結像した可視光線を電気信号に光電変換して、外部に出力する。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図6に示す、従来の固体撮像装置を用いて、赤外線画像及び可視光線画像の両者を得る場合、以下に示す課題が生じる。
【0021】
可視光線画像を検出する場合に用いられる光学系(集光レンズ)には、通常、周囲の状況(例えば、日中の屋外と室内)に対応して変化する可視光線の明るさを調節するため(可視光線成分によるイメージセンサ8の飽和を抑制するため)(すなわち、適正露光で撮像を行うため)の絞りが取り付けられている。この絞りは、通常、アルミニウム等の金属を黒く塗装したもの(可視光線を遮光する部材)からなる。従って、この絞りは、周囲から熱エネルギを吸収し易く、その温度が上昇しやすい。また、この絞りには、冷却処理(例えば、図6に示すスターリングクーラー10による冷却処理)が施されていない。従って、この絞り自身が比較的多量の赤外線を放射してしまい、可視光線画像を、正確に得ることが困難になってしまうという課題もある。
【0022】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、赤外線画像と可視光線画像の両者を、同時かつ正確に得ることを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサと、イメージセンサの前段に配置され、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線のイメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞りと、可視光線用の絞りとイメージセンサの間に開口部を有し、開口部以外の赤外線を遮光して赤外線のイメージセンサへの入射を制限する赤外線用の絞りとを備えることを特徴とする。
【0024】
本発明の固体撮像装置においては、赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサの前段に、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線のイメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞りが配置される。また、可視光線用の絞りとイメージセンサの間に開口部を有する赤外線用の絞りが、開口部以外の赤外線を遮光して赤外線のイメージセンサへの入射を制限する。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する(なお、従来の場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、適宜説明を省略する)が、その前に、特許請求の範囲に記載の発明の各手段と以下の実施例との対応関係を明らかにするために、各手段の後の括弧内に対応する実施例(但し、一例)を付加して、本発明の特徴を記述すると、次のようになる。
【0026】
請求項1に記載の固体撮像装置は、赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサ(例えば、図1のイメージセンサ8)と、イメージセンサの前段に配置され、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線のイメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞り(例えば、図1の絞り2)と、可視光線用の絞りとイメージセンサの間に開口部を有し、開口部以外の赤外線を遮光して赤外線のイメージセンサへの入射を制限する赤外線用の絞り(例えば、図1のコールドシールド4)とを備えることを特徴とする。
【0027】
請求項4に記載の固体撮像装置は、可視光線用の絞りの前段に配置され、赤外線及び可視光線を透過し集光する部材からなり、赤外線及び可視光線をイメージセンサに集光するレンズ(例えば、図1のレンズ1)をさらに備えることを特徴とする。
【0029】
請求項5に記載の固体撮像装置は、可視光線用の絞りと赤外線用の絞りの間に配置され、赤外線及び可視光線を反射する凹型ミラーと、凹型ミラーからの光をイメージセンサに反射する凸型ミラーとを有する集光手段(例えば、図4のミラー13,14)をさらに備えることを特徴とする。
【0030】
請求項6に記載の固体撮像装置は、赤外線用の絞りの前段に配置され、可視光線を透過し、赤外線の一部の波長領域を透過するバンドパスフィルタ(例えば、図5のバンドパスフィルタ15)をさらに備えることを特徴とする。
【0031】
なお、勿論この記載は、各手段を上記したものに限定することを意味するものではない。
【0032】
図1は、本発明を適用した固体撮像装置の一実施例の構成を示す側断面図である。本実施例の固体撮像装置の構成は、図6に示す従来の固体撮像装置の構成と基本的に同様であり、受光装置7の前段に配置されるレンズ1及び絞り2の構成が異なっている。
【0033】
すなわち、本実施例の固体撮像装置においては、赤外線(第1の波長領域の光)及び可視光線(第2の波長領域の光)の両者を透過するZnS 等の部材からなるレンズ1が、図6に示す赤外線レンズ20の配置位置に配置されている。また、レンズ1と、受光装置7の窓3(赤外線及び可視光線の両方を透過するZnS 等の部材からなる)との間には、赤外線を透過し、可視光線を遮光するSi等の部材からなる絞り2が配置されている。この絞り2の中央部には、その大きさが調節可能とされている開口部2Aが設けられており、レンズ1を透過した可視光線のイメージセンサ8への入射強度を調節するようになされている。その他の構成は、図6に示す従来の固体撮像装置の構成と同様である。
【0034】
図2及び図3は、光学材料の透明領域を説明する表(赤外線光学(赤外線技術研究会編;オーム社)より抜粋)である。本実施例においては、レンズ1及び窓3の部材として、波長が約3μm乃至5μmの赤外線、及び波長が約0.4μm乃至0.7μmの可視光線を透過するZnS (図3(a))を用いるようにしているが、その他に、図2(a)に示すアルカリハライド系の各光学材料、図2(b)に示すアルカリ土類フロライドの各光学材料、図3(a)に示すダイヤモンド及びZnSe(いずれの部材も、赤外線及び可視光線を透過する)を用いるようにしてもよい。
【0035】
さらに、本実施例においては、絞り2の部材として、波長が約3μm乃至5μmの赤外線を透過し、波長が約0.4μm乃至0.7μmの可視光線を遮光するSi(図3(a))を用いているが、その他に、図3(a)に示すGe,GaAs,CdTe及び図3(b)に示すカルコゲナイドガラスの各光学材料(いずれの部材も、赤外線を透過し、可視光線を遮光する)を用いるようにしてもよい。
【0036】
次に、本実施例の固体撮像装置の動作について説明する。
【0037】
レンズ1は、図中、左側から入射した光線12に含まれる赤外線及び可視光線を透過して集光する。レンズ1によって角度φA に集光された赤外線Xは、絞り2を透過する。また、可視光線は絞り2の開口部2Aを通過するが、開口部2A以外の位置では遮光される。すなわち、可視光線は、レンズ1及び絞り2によって角度φB に集光される(角度φB に集光された可視光線を可視光線Yとする)(角度φA>角度φB)。なお、この開口部2Aの大きさは、周囲の明るさ(イメージセンサ8に入射する可視光線の強度)に対応して、イメージセンサ8の受光部が可視光線成分によって飽和しないように(適正露光の画像を得ることができるように)調節される。
【0038】
レンズ1及び絞り2によって、それぞれ、角度φA及び角度φBに集光された赤外線X及び可視光線Yは、赤外線及び可視光線を透過する部材からなる窓3を透過して、受光装置7の内部に入射する。また、Si等からなる絞り2は、それ自体が赤外線を放射することがないので、不所望な赤外線の受光装置7の内部への入射はない。コールドシールド4は、レンズ1によって角度φA に集光された赤外線X以外の赤外線(例えば、デュワ5から放射された赤外線)の、イメージセンサ8への入射を制限する開口部4Aを有しており、受光装置7の内部に入射した赤外線X及び可視光線Yは、この開口部4Aを通過してイメージセンサ8で結像する。
【0039】
イメージセンサ8は、結像した赤外線Xの画像及び可視光線Yの画像を光電変換し、赤外線画像と可視光線画像を合成した電気信号を、図示せぬ出力端子から外部に出力する。
【0040】
本実施例においては、赤外線及び可視光線を透過する部材によってレンズ1を形成し、さらに、赤外線を透過し、可視光線を遮光する部材(例えば、Si)からなる、可視光線の強度を調節する絞り2を設けるようにしたので、赤外線画像及び可視光線画像の両方を、同時かつ正確に得ることができる。
【0041】
図4は、本発明を適用した固体撮像装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。本実施例の固体撮像装置の構成は、図1に示す固体撮像装置の構成と基本的に同様であり、受光装置7の前段に配置されるミラー13,14の構成が異なっている。
【0042】
すなわち、本実施例の固体撮像装置においては、赤外線を透過し、可視光線を遮光する部材(例えば、図3(a)に示すSi)からなる絞り2と受光装置7の間に、赤外線及び可視光線を反射するミラー13及び14が配置されている。凹型のミラー13は、絞り2を通過した赤外線及び可視光線の光路上に配置されており(像の欠落を防ぐため)、上記赤外線及び可視光線を凸型のミラー14に集光して反射するようになされている。なお、凹型のミラー13は、その中央部に開口部13Aを備えている。凸型のミラー14は、ミラー13で反射、集光された光(赤外線及び可視光線)を、ミラー13の中央部に形成されている開口部13Aを介して、受光装置7の内部に入射するように反射する。
【0043】
なお、受光装置7の内部の構成は、図1に示す実施例の場合と同様であり、コールドシールド4に設けられている開口部4Aは、ミラー13で集光された赤外線以外の赤外線(例えば、デュワ5が放射する赤外線)のイメージセンサ8への入射を制限している。
【0044】
次に、本実施例の固体撮像装置の動作について説明する。
【0045】
光線12に含まれている赤外線Xは、絞り2を透過し(開口部2Aの部分においては通過し)、可視光線は、絞り2の中央部に形成されている開口部2Aを通過する(開口部2A以外の部分では遮光される)(開口部2Aを通過した可視光線を可視光線Yとする)。
【0046】
上述したように絞り2を透過または通過した赤外線Xと可視光線Yは、凹型のミラー13で反射して、ミラー14に進む(すなわち、凹型のミラー13は、赤外線及び可視光線をミラー14に集光する)。凸型のミラー14は、ミラー13で反射されて集光された赤外線X及び可視光線Yを、ミラー13の中央部に形成されている開口部13Aを通過するように反射する。
【0047】
上述したように、ミラー13の開口部13Aは、絞り2を通過してミラー13で反射した赤外線Xのすべてを通過させるような大きさとされているので、ミラー14で反射した赤外線Xはもとより、絞り2によって入射範囲が絞られている可視光線Yも、この開口部13Aを通過する。
【0048】
ミラー13の開口部13Aを通過した赤外線X及び可視光線Yは、窓3(赤外線及び可視光線を透過する部材からなる)を透過して、受光装置7の内部に入射し、コールドシールド4の開口部4Aをさらに通過して、イメージセンサ8で結像する。
【0049】
イメージセンサ8は、結像した赤外線Xの画像及び可視光線Yの画像を光電変換して、赤外線画像と可視光線画像の合成画像の電気信号を外部に出力する。
【0050】
本実施例においては、上述した絞り2が赤外線を透過し、可視光線を遮光する部材を用いて構成されているので、絞り2の中央部に形成されている開口部2Aの大きさを調節することによって、赤外線の光量に影響を与えずに、可視光線の光量を調節することができ、赤外線画像と可視光線画像を、同時かつ正確に得ることができる。
【0051】
図5は、本発明を適用した固体撮像装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。本実施例の固体撮像装置の構成は、図1に示す固体撮像装置の構成と基本的に同様であり、受光装置7の内部の構成が異なっている。
【0052】
すなわち、本実施例の固体撮像装置においては、所望の波長領域の赤外線と、少なくとも一部の波長領域の可視光線を透過するバンドパスフィルタ15が、コールドシールド4の開口部4Aの全面に形成されている。その他の構成は、図1に示す固体撮像装置の構成と同様である。
【0053】
以下、可視光線を透過し、主に2μm付近の赤外線と可視光線の少なくとも一部を透過するような分光特性を有するバンドパスフィルタ15を用いた場合の動作を説明する。
【0054】
例えば、十分な量の水が入っている水槽をレンズ1の左側(すなわち、光線12の入射側)に配置した場合(図示せず)、水は、2μm付近の波長の光(赤外線)を吸収するので、水槽の前段に配置される光源(図示せず)から照射され、水槽を介してレンズ1に到達する光線12は、2μm付近の波長を含まないものとなる。従って、レンズ1によって角度φA に集光され、絞り2及び窓3を透過して、受光装置7の内部に入射する赤外線は、2μm付近の波長領域の欠如したものとになる。
【0055】
また、本実施例においては、少なくとも一部の可視光線及び2μm付近の波長の赤外線を透過するバンドパスフィルタ15が、コールドシールド4の開口部4Aの全面に形成されている。従って、受光装置7の内部に入射した可視光線は、バンドパスフィルタ15を透過して、イメージセンサ8で結像するが、受光装置7の内部に入射した赤外線は、2μm付近の波長領域以外の波長領域からなるので、バンドパスフィルタ15を透過することができない。従って、イメージセンサ8は、結像した可視光線の画像を光電変換して、可視光線画像に対応する電気信号を外部に出力する。
【0056】
本実施例の固体撮像装置を用いることによって、例えば、地上から雲の厚さ及び雲の形状を同時に検出することができる。
【0057】
すなわち、上述した図示せぬ光源を太陽として、水の入った水槽を雲とする。太陽(光源)から照射された光が雲(水)に入射すると、雲の厚さ(水の量)に対応した量の、2μm付近の波長の赤外線が吸収される。また、可視光線は雲によって遮光される。従って、雲以外の位置を通って受光装置7の内部に入射した可視光線と、雲によって吸収されなかった2μm付近の波長領域の赤外線がバンドパスフィルタ15を透過して、イメージセンサ8で結像する(2μm付近以外の赤外線は、雲に吸収されないが、バンドパスフィルタ15に吸収される)。
【0058】
イメージセンサ8は、この可視光線画像及び赤外線画像を合成した電気信号を出力する。すなわち、この可視光線画像から雲の形状を検出することができ、さらに赤外線画像から雲の厚さを検出することができる。
【0059】
【発明の効果】
以上のように、本発明の固体撮像装置によれば、赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサの前段に、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線のイメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞りを配置し、また、可視光線用の絞りとイメージセンサの間に開口部を有する赤外線用の絞りで、開口部以外の赤外線を遮光して赤外線のイメージセンサへの入射を制限するようにしたので、赤外線及び可視光線を、同時かつ正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した固体撮像装置の一実施例の構成を示す側断面図である。
【図2】光学材料の透明領域を説明する表である。
【図3】光学材料の透明領域を説明する表である。
【図4】本発明を適用した固体撮像装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。
【図5】本発明を適用した固体撮像装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。
【図6】従来の固体撮像装置の一構成例を示す側断面図である。
【符号の説明】
1 レンズ
2 絞り
2A 開口部
3 窓
4 コールドシールド
4A 開口部
5 デュワ
5A 開口部
7 受光装置
8 イメージセンサ
9 コールドステージ
10 スターリングクーラ
11 空間
12 光線
13,14 ミラー
15 バンドパスフィルタ
20 赤外線レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、赤外線画像と可視光線画像の両方を同時に得ることができるようにした固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像装置の一種に、赤外線を検出する赤外線イメージセンサを用いた固体撮像装置(赤外線撮像装置)がある。また、赤外線イメージセンサの一種として、光起電力効果または光導電効果を利用する量子型の赤外線イメージセンサがある。
【0003】
量子型の赤外線イメージセンサは、感度が良好で、かつ反応速度が速い(応答特性の良好な)センサであるが、検出感度に波長依存性があり、長波長の赤外線を検出するためには、受光部を冷却する必要がある。
【0004】
従来、波長が約3μm乃至約5μmの赤外線(中赤外線)の検出を目的として、77Kに冷却したPtSiショットキーバリアダイオードを受光部(センサ部)とする赤外線イメージセンサが開発されている。
【0005】
図6は、従来の、赤外線イメージセンサを用いた固体撮像装置の一構成例を示す断面図である。この固体撮像装置は、図中左側から入射する光線12のうち赤外線を主に透過して所定の角度φA に集光する、シリコンまたはゲルマニウム等からなる赤外線レンズ20と、赤外線レンズ20によって集光された赤外線を受光する受光装置7と、受光装置7の内部に設けられているイメージセンサ8を冷却するスターリングクーラー10からなる。
【0006】
受光装置7の周囲はデュワ5によって囲まれている。デュワ5の、図中、左側(赤外線レンズ20の配置されている側)には、赤外線レンズ20を透過した赤外線を受光装置7の内部に取り込むための開口部5Aが設けられており、少なくとも赤外線を透過する部材(例えば、ZnS )からなる窓3が、開口部5Aの全面を覆うように、デュワ5に密着して取り付けられている。また、デュワ5の開口部5Aに対向する側(図中、右側)には、開口部5Bが設けられており、熱伝導性の良好な部材からなるコールドステージ9が、開口部5Bの全面を覆うように、デュワ5に密着して取り付けられている。すなわち、受光装置7は、デュワ5、窓3及びコールドステージ9によって密閉されている。
【0007】
デュワ5の内部のコールドステージ9上には、受光部がPtSiショットキーバリアダイオードからなるイメージセンサ8が取り付けられており、赤外線レンズ20によって集光された赤外線(赤外線画像)がイメージセンサ8上に結像するようになされている。また、赤外線及び可視光線を遮光する部材(例えば、アルミニウム)からなり、所定の大きさの開口部4Aを赤外線光路上に有するコールドシールド4がコールドステージ9上に取り付けられており、イメージセンサ8の周囲を囲んでいる。上記開口部4Aの大きさは、赤外線レンズ20によって角度φA に集光され、受光装置7の内部に入射した赤外線以外の赤外線の、コールドシールド4の内部への入射(イメージセンサ8への入射)を制限する大きさとされている(すなわち、コールドシールド4は、絞りの役割を果たしている)。
【0008】
また、上述したスターリングクーラ10は、デュワ5の開口部5Bの全面に取り付けられているコールドステージ9と接続されている。従って、コールドステージ9に取り付けられているイメージセンサ8及びコールドシールド4は、スターリングクーラ10によって所定の温度(約77K)に冷却される。
【0009】
なお、イメージセンサ8の結露を抑制するために、デュワ5、窓3及びコールドステージ9で囲まれた空間11は、排気処理によって真空状態とされている。
【0010】
次に、図6に示す固体撮像装置の動作について説明する。赤外線レンズ20は、図中、左側から入射された光線12のうち、主に赤外線Xを透過して角度φA に集光する。赤外線レンズ20によって集光された赤外線Xは、窓3を透過して受光装置7の内部に入射し、さらに、コールドシールド4の開口部4Aを通過してイメージセンサ8で結像する。
【0011】
ところで、コールドシールド4は、赤外線レンズ20によって角度φA に集光された赤外線X以外の赤外線の、イメージセンサ8への入射を制限している。すなわち、物質は、その物質の温度に対応して赤外線を放射する(温度が高いほど多量の赤外線を放射する)ので、例えば、デュワ5等も赤外線を放射している。この不所望な赤外線が、イメージセンサ8に入射してしまうと、所望の赤外線画像を得ることができなくなってしまう。そこで、この固体撮像装置においては、コールドシールド4がイメージセンサ8の周囲を囲むように設けられており、また、開口部4Aの大きさが、赤外線レンズ20によって集光された赤外線X以外の赤外線(デュワ5等から放射される不所望な赤外線)のコールドシールド4の内部への入射を制限する大きさとされている。
【0012】
なお、コールドシールド4は、コールドステージ9に直接取り付けられているので、スターリングクーラ10によって冷却されており、赤外線をほとんど放射していない。
【0013】
イメージセンサ8は、スターリングクーラ10によって、77Kに冷却されているので、結像した赤外線画像を良好に検出して光電変換し、図示せぬ出力端子から、電気信号として出力する。
【0014】
ところで、上述したように、図6に示す固体撮像装置のイメージセンサ8は、PtSiショットキーバリアダイオードからなる受光部を有している。このPtSiショットキーバリアダイオードは、波長が約3μm乃至約5μmの赤外線の他に、波長が約0.2μm乃至約0.4μmの紫外線、波長が約0.4μm乃至約0.7μmの可視光線、波長が約0.7μm乃至約3μmの近赤外線のそれぞれにも、それぞれ分光感度特性を有していることが、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES. VOL.38.NO.5.MAY 1991 "Ultraviolet,Visible,and Infared Response of PtSi Schottky-Barrier Detectors Operated in the Front-Illuminated Mode;Chenson K. Chen, Bettina Nechay, and Bor-Yeu Tsaurに開示されている。
【0015】
また、United States Patent[19] Patent Number:5,122,669においても、PtSiショットキーバリアダイオードを用いたワイドバンド(波長帯域の広いバンド)の赤外線イメージセンサの例が開示されている。
【0016】
以上に示す、PtSiショットキーバリアダイオードの特性を利用して、図6に示す固体撮像装置を用いて可視光線画像を撮像することも可能である。
【0017】
例えば、図6の赤外線レンズ20の代わりに、可視光線を透過する部材からなる光学系(集光レンズ)を配置する。このようにすることによって、可視光線をイメージセンサ8に結像させることができ、可視光線に対して検出感度を有しているイメージセンサ8は、結像した可視光線を電気信号に光電変換して、外部に出力する。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図6に示す、従来の固体撮像装置を用いて、赤外線画像及び可視光線画像の両者を得る場合、以下に示す課題が生じる。
【0021】
可視光線画像を検出する場合に用いられる光学系(集光レンズ)には、通常、周囲の状況(例えば、日中の屋外と室内)に対応して変化する可視光線の明るさを調節するため(可視光線成分によるイメージセンサ8の飽和を抑制するため)(すなわち、適正露光で撮像を行うため)の絞りが取り付けられている。この絞りは、通常、アルミニウム等の金属を黒く塗装したもの(可視光線を遮光する部材)からなる。従って、この絞りは、周囲から熱エネルギを吸収し易く、その温度が上昇しやすい。また、この絞りには、冷却処理(例えば、図6に示すスターリングクーラー10による冷却処理)が施されていない。従って、この絞り自身が比較的多量の赤外線を放射してしまい、可視光線画像を、正確に得ることが困難になってしまうという課題もある。
【0022】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、赤外線画像と可視光線画像の両者を、同時かつ正確に得ることを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサと、イメージセンサの前段に配置され、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線のイメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞りと、可視光線用の絞りとイメージセンサの間に開口部を有し、開口部以外の赤外線を遮光して赤外線のイメージセンサへの入射を制限する赤外線用の絞りとを備えることを特徴とする。
【0024】
本発明の固体撮像装置においては、赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサの前段に、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線のイメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞りが配置される。また、可視光線用の絞りとイメージセンサの間に開口部を有する赤外線用の絞りが、開口部以外の赤外線を遮光して赤外線のイメージセンサへの入射を制限する。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する(なお、従来の場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、適宜説明を省略する)が、その前に、特許請求の範囲に記載の発明の各手段と以下の実施例との対応関係を明らかにするために、各手段の後の括弧内に対応する実施例(但し、一例)を付加して、本発明の特徴を記述すると、次のようになる。
【0026】
請求項1に記載の固体撮像装置は、赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサ(例えば、図1のイメージセンサ8)と、イメージセンサの前段に配置され、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線のイメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞り(例えば、図1の絞り2)と、可視光線用の絞りとイメージセンサの間に開口部を有し、開口部以外の赤外線を遮光して赤外線のイメージセンサへの入射を制限する赤外線用の絞り(例えば、図1のコールドシールド4)とを備えることを特徴とする。
【0027】
請求項4に記載の固体撮像装置は、可視光線用の絞りの前段に配置され、赤外線及び可視光線を透過し集光する部材からなり、赤外線及び可視光線をイメージセンサに集光するレンズ(例えば、図1のレンズ1)をさらに備えることを特徴とする。
【0029】
請求項5に記載の固体撮像装置は、可視光線用の絞りと赤外線用の絞りの間に配置され、赤外線及び可視光線を反射する凹型ミラーと、凹型ミラーからの光をイメージセンサに反射する凸型ミラーとを有する集光手段(例えば、図4のミラー13,14)をさらに備えることを特徴とする。
【0030】
請求項6に記載の固体撮像装置は、赤外線用の絞りの前段に配置され、可視光線を透過し、赤外線の一部の波長領域を透過するバンドパスフィルタ(例えば、図5のバンドパスフィルタ15)をさらに備えることを特徴とする。
【0031】
なお、勿論この記載は、各手段を上記したものに限定することを意味するものではない。
【0032】
図1は、本発明を適用した固体撮像装置の一実施例の構成を示す側断面図である。本実施例の固体撮像装置の構成は、図6に示す従来の固体撮像装置の構成と基本的に同様であり、受光装置7の前段に配置されるレンズ1及び絞り2の構成が異なっている。
【0033】
すなわち、本実施例の固体撮像装置においては、赤外線(第1の波長領域の光)及び可視光線(第2の波長領域の光)の両者を透過するZnS 等の部材からなるレンズ1が、図6に示す赤外線レンズ20の配置位置に配置されている。また、レンズ1と、受光装置7の窓3(赤外線及び可視光線の両方を透過するZnS 等の部材からなる)との間には、赤外線を透過し、可視光線を遮光するSi等の部材からなる絞り2が配置されている。この絞り2の中央部には、その大きさが調節可能とされている開口部2Aが設けられており、レンズ1を透過した可視光線のイメージセンサ8への入射強度を調節するようになされている。その他の構成は、図6に示す従来の固体撮像装置の構成と同様である。
【0034】
図2及び図3は、光学材料の透明領域を説明する表(赤外線光学(赤外線技術研究会編;オーム社)より抜粋)である。本実施例においては、レンズ1及び窓3の部材として、波長が約3μm乃至5μmの赤外線、及び波長が約0.4μm乃至0.7μmの可視光線を透過するZnS (図3(a))を用いるようにしているが、その他に、図2(a)に示すアルカリハライド系の各光学材料、図2(b)に示すアルカリ土類フロライドの各光学材料、図3(a)に示すダイヤモンド及びZnSe(いずれの部材も、赤外線及び可視光線を透過する)を用いるようにしてもよい。
【0035】
さらに、本実施例においては、絞り2の部材として、波長が約3μm乃至5μmの赤外線を透過し、波長が約0.4μm乃至0.7μmの可視光線を遮光するSi(図3(a))を用いているが、その他に、図3(a)に示すGe,GaAs,CdTe及び図3(b)に示すカルコゲナイドガラスの各光学材料(いずれの部材も、赤外線を透過し、可視光線を遮光する)を用いるようにしてもよい。
【0036】
次に、本実施例の固体撮像装置の動作について説明する。
【0037】
レンズ1は、図中、左側から入射した光線12に含まれる赤外線及び可視光線を透過して集光する。レンズ1によって角度φA に集光された赤外線Xは、絞り2を透過する。また、可視光線は絞り2の開口部2Aを通過するが、開口部2A以外の位置では遮光される。すなわち、可視光線は、レンズ1及び絞り2によって角度φB に集光される(角度φB に集光された可視光線を可視光線Yとする)(角度φA>角度φB)。なお、この開口部2Aの大きさは、周囲の明るさ(イメージセンサ8に入射する可視光線の強度)に対応して、イメージセンサ8の受光部が可視光線成分によって飽和しないように(適正露光の画像を得ることができるように)調節される。
【0038】
レンズ1及び絞り2によって、それぞれ、角度φA及び角度φBに集光された赤外線X及び可視光線Yは、赤外線及び可視光線を透過する部材からなる窓3を透過して、受光装置7の内部に入射する。また、Si等からなる絞り2は、それ自体が赤外線を放射することがないので、不所望な赤外線の受光装置7の内部への入射はない。コールドシールド4は、レンズ1によって角度φA に集光された赤外線X以外の赤外線(例えば、デュワ5から放射された赤外線)の、イメージセンサ8への入射を制限する開口部4Aを有しており、受光装置7の内部に入射した赤外線X及び可視光線Yは、この開口部4Aを通過してイメージセンサ8で結像する。
【0039】
イメージセンサ8は、結像した赤外線Xの画像及び可視光線Yの画像を光電変換し、赤外線画像と可視光線画像を合成した電気信号を、図示せぬ出力端子から外部に出力する。
【0040】
本実施例においては、赤外線及び可視光線を透過する部材によってレンズ1を形成し、さらに、赤外線を透過し、可視光線を遮光する部材(例えば、Si)からなる、可視光線の強度を調節する絞り2を設けるようにしたので、赤外線画像及び可視光線画像の両方を、同時かつ正確に得ることができる。
【0041】
図4は、本発明を適用した固体撮像装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。本実施例の固体撮像装置の構成は、図1に示す固体撮像装置の構成と基本的に同様であり、受光装置7の前段に配置されるミラー13,14の構成が異なっている。
【0042】
すなわち、本実施例の固体撮像装置においては、赤外線を透過し、可視光線を遮光する部材(例えば、図3(a)に示すSi)からなる絞り2と受光装置7の間に、赤外線及び可視光線を反射するミラー13及び14が配置されている。凹型のミラー13は、絞り2を通過した赤外線及び可視光線の光路上に配置されており(像の欠落を防ぐため)、上記赤外線及び可視光線を凸型のミラー14に集光して反射するようになされている。なお、凹型のミラー13は、その中央部に開口部13Aを備えている。凸型のミラー14は、ミラー13で反射、集光された光(赤外線及び可視光線)を、ミラー13の中央部に形成されている開口部13Aを介して、受光装置7の内部に入射するように反射する。
【0043】
なお、受光装置7の内部の構成は、図1に示す実施例の場合と同様であり、コールドシールド4に設けられている開口部4Aは、ミラー13で集光された赤外線以外の赤外線(例えば、デュワ5が放射する赤外線)のイメージセンサ8への入射を制限している。
【0044】
次に、本実施例の固体撮像装置の動作について説明する。
【0045】
光線12に含まれている赤外線Xは、絞り2を透過し(開口部2Aの部分においては通過し)、可視光線は、絞り2の中央部に形成されている開口部2Aを通過する(開口部2A以外の部分では遮光される)(開口部2Aを通過した可視光線を可視光線Yとする)。
【0046】
上述したように絞り2を透過または通過した赤外線Xと可視光線Yは、凹型のミラー13で反射して、ミラー14に進む(すなわち、凹型のミラー13は、赤外線及び可視光線をミラー14に集光する)。凸型のミラー14は、ミラー13で反射されて集光された赤外線X及び可視光線Yを、ミラー13の中央部に形成されている開口部13Aを通過するように反射する。
【0047】
上述したように、ミラー13の開口部13Aは、絞り2を通過してミラー13で反射した赤外線Xのすべてを通過させるような大きさとされているので、ミラー14で反射した赤外線Xはもとより、絞り2によって入射範囲が絞られている可視光線Yも、この開口部13Aを通過する。
【0048】
ミラー13の開口部13Aを通過した赤外線X及び可視光線Yは、窓3(赤外線及び可視光線を透過する部材からなる)を透過して、受光装置7の内部に入射し、コールドシールド4の開口部4Aをさらに通過して、イメージセンサ8で結像する。
【0049】
イメージセンサ8は、結像した赤外線Xの画像及び可視光線Yの画像を光電変換して、赤外線画像と可視光線画像の合成画像の電気信号を外部に出力する。
【0050】
本実施例においては、上述した絞り2が赤外線を透過し、可視光線を遮光する部材を用いて構成されているので、絞り2の中央部に形成されている開口部2Aの大きさを調節することによって、赤外線の光量に影響を与えずに、可視光線の光量を調節することができ、赤外線画像と可視光線画像を、同時かつ正確に得ることができる。
【0051】
図5は、本発明を適用した固体撮像装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。本実施例の固体撮像装置の構成は、図1に示す固体撮像装置の構成と基本的に同様であり、受光装置7の内部の構成が異なっている。
【0052】
すなわち、本実施例の固体撮像装置においては、所望の波長領域の赤外線と、少なくとも一部の波長領域の可視光線を透過するバンドパスフィルタ15が、コールドシールド4の開口部4Aの全面に形成されている。その他の構成は、図1に示す固体撮像装置の構成と同様である。
【0053】
以下、可視光線を透過し、主に2μm付近の赤外線と可視光線の少なくとも一部を透過するような分光特性を有するバンドパスフィルタ15を用いた場合の動作を説明する。
【0054】
例えば、十分な量の水が入っている水槽をレンズ1の左側(すなわち、光線12の入射側)に配置した場合(図示せず)、水は、2μm付近の波長の光(赤外線)を吸収するので、水槽の前段に配置される光源(図示せず)から照射され、水槽を介してレンズ1に到達する光線12は、2μm付近の波長を含まないものとなる。従って、レンズ1によって角度φA に集光され、絞り2及び窓3を透過して、受光装置7の内部に入射する赤外線は、2μm付近の波長領域の欠如したものとになる。
【0055】
また、本実施例においては、少なくとも一部の可視光線及び2μm付近の波長の赤外線を透過するバンドパスフィルタ15が、コールドシールド4の開口部4Aの全面に形成されている。従って、受光装置7の内部に入射した可視光線は、バンドパスフィルタ15を透過して、イメージセンサ8で結像するが、受光装置7の内部に入射した赤外線は、2μm付近の波長領域以外の波長領域からなるので、バンドパスフィルタ15を透過することができない。従って、イメージセンサ8は、結像した可視光線の画像を光電変換して、可視光線画像に対応する電気信号を外部に出力する。
【0056】
本実施例の固体撮像装置を用いることによって、例えば、地上から雲の厚さ及び雲の形状を同時に検出することができる。
【0057】
すなわち、上述した図示せぬ光源を太陽として、水の入った水槽を雲とする。太陽(光源)から照射された光が雲(水)に入射すると、雲の厚さ(水の量)に対応した量の、2μm付近の波長の赤外線が吸収される。また、可視光線は雲によって遮光される。従って、雲以外の位置を通って受光装置7の内部に入射した可視光線と、雲によって吸収されなかった2μm付近の波長領域の赤外線がバンドパスフィルタ15を透過して、イメージセンサ8で結像する(2μm付近以外の赤外線は、雲に吸収されないが、バンドパスフィルタ15に吸収される)。
【0058】
イメージセンサ8は、この可視光線画像及び赤外線画像を合成した電気信号を出力する。すなわち、この可視光線画像から雲の形状を検出することができ、さらに赤外線画像から雲の厚さを検出することができる。
【0059】
【発明の効果】
以上のように、本発明の固体撮像装置によれば、赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサの前段に、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線のイメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞りを配置し、また、可視光線用の絞りとイメージセンサの間に開口部を有する赤外線用の絞りで、開口部以外の赤外線を遮光して赤外線のイメージセンサへの入射を制限するようにしたので、赤外線及び可視光線を、同時かつ正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した固体撮像装置の一実施例の構成を示す側断面図である。
【図2】光学材料の透明領域を説明する表である。
【図3】光学材料の透明領域を説明する表である。
【図4】本発明を適用した固体撮像装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。
【図5】本発明を適用した固体撮像装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。
【図6】従来の固体撮像装置の一構成例を示す側断面図である。
【符号の説明】
1 レンズ
2 絞り
2A 開口部
3 窓
4 コールドシールド
4A 開口部
5 デュワ
5A 開口部
7 受光装置
8 イメージセンサ
9 コールドステージ
10 スターリングクーラ
11 空間
12 光線
13,14 ミラー
15 バンドパスフィルタ
20 赤外線レンズ
Claims (6)
- 赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサと、
前記イメージセンサの前段に配置され、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線の前記イメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞りと、
前記可視光線用の絞りと前記イメージセンサの間に開口部を有し、前記開口部以外の赤外線を遮光して赤外線の前記イメージセンサへの入射を制限する赤外線用の絞りと
を備えることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記可視光線用の絞りは、シリコンからなる
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記赤外線用の絞りは、前記イメージセンサの周囲を囲い、かつ、冷却されるコールドシールドからなる
ことを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像装置。 - 前記可視光線用の絞りの前段に配置され、赤外線及び可視光線を透過し集光する部材からなり、赤外線及び可視光線を前記イメージセンサに集光するレンズを
さらに備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記可視光線用の絞りと前記赤外線用の絞りの間に配置され、赤外線及び可視光線を反射する凹型ミラーと、前記凹型ミラーからの光を前記イメージセンサに反射する凸型ミラーとを有する集光手段を
さらに備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記赤外線用の絞りの前段に配置され、可視光線を透過し、赤外線の一部の波長領域を透過するバンドパスフィルタ
をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の固体撮像装置。
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