50nm台の波長分解能を持つ分光型赤外線センサーを開発――熱ふく射の波長分布が未知の物体でも、非接触で真温度計測可能に NIMS

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今回製作した4波長赤外線センサー

物質・材料研究機構(NIMS)は2019年8月26日、物質の熱ふく射を波長分解するとともに、飛来する方向を絞って検出できる多波長型 (分光型) の赤外線センサーを開発したと発表した。同センサーは50nmの波長分解能と±1°の指向性を有し、熱ふく射の波長分布やその温度変化が未知の物体に対しても、非接触で真温度を計測し、その物体の状態を判別できるという。

地上の全ての物体は熱ふく射として電磁波を放出している。その波長分布は、物体を構成する材料の種類や状態に応じて異なる。しかし、既存のサーモグラフィーや赤外線カメラには、電磁波を波長分別する能力がなく、広い波長範囲の総和としてしか計測されない。このため、あらかじめ波長分布が分かっている人体などは、比較的正確に温度が求められる。一方、熱ふく射の波長分布が分からないコーティング材料や、分布が温度と共に変化するような半導体材料などでは、温度計測の際に大きな誤差が生じる問題があった。

そこで研究グループは、それぞれ異なる波長に応答する4つの赤外線素子を1×1cmのシリコンチップ上に搭載した分光型赤外線センサーを開発した。1つ1つの素子は、特定の波長の電磁波だけを熱に変える表面構造を備え、発生した熱を焦電体で電気信号に変換する。具体的には、周期的に配置された極微小な隆起構造の周期の調節により、吸収する波長を調整でき、しかも垂直に入射した波長のみを吸収する。さらに、隆起構造のサイズと高さを精密に調整することで、高い感度と指向性、波長分解能を実現した。今回開発したセンサーでは、中赤外帯域(3.5〜3.9µm)の4つの波長に対して50nm台の波長分解能で応答し、指向性も±1°となるように、4つの素子を並べている。

今回の成果を応用することで、温度などの状態や物体の材質に関する情報を非接触で「見る」ことができ、真温度計測、工場ラインの品質状態管理、住宅やオフィスのひと見守りセンサー、車載環境センサーなど、高度な認知能力を持つセンサーシステムの開発につながることが期待されるという。

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