2014年05月28日08:56
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旨在實現高性能、低價格夜視儀的基礎技術革新在進行之中。硫屬化合物和ZnS成了取代鍺的低價位透鏡的候選材料。紅外圖像傳感器芯片的小型、低成本真空封裝技術也已亮相。
車載用途的熱成像攝像頭（夜視儀）目前的價格在25萬日元左右，但要想廣泛普及，必須降到10萬日元以下”（日本Techno Systems Research研究員高澤裡美）注1）。
注1）從其他的汽車安全系統來看，在日本，富士重工等以不到10萬日元的價格推出了針對前方車輛的碰撞輕減制動系統，使消費者對這類系統的認知度大幅提高。例如，富士重工的“EyeSight”在該公司主力車型“翼豹”上的配備比率達到5成以上，在“力獅”上達到8成以上。
為降低車載等用途的紅外攝像頭及傳感器系統的成本，透鏡和紅外圖像傳感器的封裝等的技術革新正在快速推進（表1）注2）。降低夜視儀成本的關鍵技術有三項，分別是（1）光學透鏡、（2）紅外圖像傳感器芯片的真空封裝以及（3）紅外圖像傳感器芯片的微細化技術，不過，芯片微細化已經接近遠紅外線的衍射極限，因此研發的中心是前兩項技術。
注2）面向航空航天領域和軍事用途的高端產品對成本的要求相對較低。另外，自動門的開關和照明器具的自動開關等使用的低端產品的價格本來就比較低，低成本化的空間不大。
取代鍺的透鏡材料
透鏡材料方面，作為取代高成本的鍺（Ge）的材料，廉價的“硫屬化合物”和硫化鋅（ZnS）是有力候補（圖1）。另外，將來還考慮使用單晶硅（Si）。
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圖1：替代材料增加，按用途區別使用 採用不同材料的透鏡的特性。軍事、航空航天、研究開發等使用的高端紅外攝像頭為少量多品種生產，因此今后也會使用鍺，而車載等需要大量生產的領域估計會越來越多地使用硫屬化合物和硫化鋅。 |
熱成像儀和熱成像攝像頭等高靈敏度遠紅外攝像頭不能使用可見光攝像頭使用的石英玻璃。因為遠紅外線無法穿透石英玻璃。由於可見光會降低靈敏度，因此要使用不透過可見光而隻透過紅外線的透鏡。
所以，對遠紅外線有高折射率和透射率的鍺透鏡得到了大量採用。但鍺是稀有金屬，資源有限，而且要實施磨削、研磨加工和超精密切削加工等才能制成透鏡形狀。因此價格非常高，也推高了紅外攝像頭的成本注3）。所以必須找到能取代鍺的新材料。
注3）在鍺的全球產量中，中國佔近7成。供給量會隨著中國政府的方針大幅變動，因此價格極不穩定。
作為鍺的替代材料，最先得到採用的是硫屬化合物（圖2），即砷（As）、硒（Se）和硫（S）等的化合物。這些化合物的原材料費比鍺低，雖然對遠紅外線的透射率和折射率稍遜色於鍺，但作為遠紅外攝像頭的透鏡使用時，能實現與鍺差不多的性能。
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圖2：可通過模壓成型法大量生產 Umicore（優美科）公司的硫屬化合物（照片左）和使用由這種材料制成的非球面單透鏡型遠紅外線透鏡模塊（右）。硫屬化合物是含鍺、砷和硒等的化合物，原材料比鍺便宜，可通過模壓成型法大量生產，已開始作為鍺的替代材料使用。（攝影：Umicore Japan公司） |
利用模壓成型法大量生產
硫屬化合物的特點是可降低大量生產時的成本。可在非結晶狀態下，利用模壓成型法制造透鏡。也就是說，隻要有模具就能大量生產。不過，如果材料構成成分等不均衡，透鏡性能會降低。因此，比利時的Umicore（優美科）公司自出開發出了確保透鏡性能均一的成型方法。
硫屬化合物相對於鍺也有優勢。鍺的折射率會隨著周圍溫度的上升而降低，而硫屬化合物的折射率則比較穩定。已經有部分車載夜視儀看中這一特性，開始使用硫屬化合物透鏡。瑞典奧托立夫公司就既有採用兩個鍺透鏡的產品，也有鍺透鏡和硫屬化合物透鏡各使用一個的產品。
不過，由於硫屬化合物中含有毒元素砷和硒，因此在日本，硫屬化合物產品基本都是《毒物及劇毒物取締法》的限制對象。針對這一點，優美科確立了即使產品破損也不會有砷和硒溶出的制造方法，所以該公司的產品不屬於限制對象。
單晶硅也能沖壓成型？
原材料價格比硫屬化合物更便宜的是硫化鋅。與硫屬化合物一樣，也可以利用模壓成型法制造透鏡，而且耐溫度變化。住友電氣工業就在從事從硫化鋅的生產到透鏡成型、透鏡模塊制造的一整套業務。為了減少模塊中透鏡的數量，還開發出了在透鏡單面設置衍射光柵的技術等（圖3）。
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圖3：第三類紅外透鏡 住友電氣工業的採用兩塊硫化鋅透鏡的遠紅外攝像頭用透鏡模塊（a）。通過在其中一塊透鏡上設置衍射光柵來調整焦距，用兩塊透鏡抑制了像差（b）。（攝影：住友電氣工業） |
住友電氣工業目前正在銷售焦距等各異的4種標准透鏡模塊，還為客戶定制透鏡。該公司綜合產品事業部、技術部 部長中山茂介紹說，“目前主要是監控攝像頭用途，不過，正在面向車載夜視儀用途開拓客戶”。
被用於太陽能電池和半導體材料的單晶硅也被視為很有希望的Ge替代材料。硅對紅外線的吸收在波長約9μm時達到峰值，不過，在其他波段也具備優異的透射率注4）。而且，原材料費比硫化鋅還要便宜。因此，針對無需9μm前后紅外線檢測的傳感器系統，可利用單晶硅制造出非常便宜的透鏡。
注4）把硅用作紅外線透射材料時，為防止透射的紅外線在晶粒邊界散射，一般採用單晶硅。
不過，由於硅與鍺一樣都是脆性材料，制造透鏡是都要經過切削、磨削、研磨等加工。為此，村田制作所正在利用等離子陶瓷燒結等技術，推進用沖壓成型法制作單晶硅透鏡的研究注5），具體方法是把硅加熱到熔點（1412℃）然后加壓。不過，這項研究尚處於基礎階段，要想確立透鏡的量產技術，需要先探明加壓時硅的變形機制等。（作者：中島募，日經技術在線！供稿）
注5）該公司同時還在推進鍺透鏡的沖壓成型相關研究。
