2014年05月28日08:56
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旨在实现高性能、低价格夜视仪的基础技术革新在进行之中。硫属化合物和ZnS成了取代锗的低价位透镜的候选材料。红外图像传感器芯片的小型、低成本真空封装技术也已亮相。
车载用途的热成像摄像头（夜视仪）目前的价格在25万日元左右，但要想广泛普及，必须降到10万日元以下”（日本Techno Systems Research研究员高泽里美）注1）。
注1）从其他的汽车安全系统来看，在日本，富士重工等以不到10万日元的价格推出了针对前方车辆的碰撞轻减制动系统，使消费者对这类系统的认知度大幅提高。例如，富士重工的“EyeSight”在该公司主力车型“翼豹”上的配备比率达到5成以上，在“力狮”上达到8成以上。
为降低车载等用途的红外摄像头及传感器系统的成本，透镜和红外图像传感器的封装等的技术革新正在快速推进（表1）注2）。降低夜视仪成本的关键技术有三项，分别是（1）光学透镜、（2）红外图像传感器芯片的真空封装以及（3）红外图像传感器芯片的微细化技术，不过，芯片微细化已经接近远红外线的衍射极限，因此研发的中心是前两项技术。
注2）面向航空航天领域和军事用途的高端产品对成本的要求相对较低。另外，自动门的开关和照明器具的自动开关等使用的低端产品的价格本来就比较低，低成本化的空间不大。
取代锗的透镜材料
透镜材料方面，作为取代高成本的锗（Ge）的材料，廉价的“硫属化合物”和硫化锌（ZnS）是有力候补（图1）。另外，将来还考虑使用单晶硅（Si）。
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图1：替代材料增加，按用途区别使用 采用不同材料的透镜的特性。军事、航空航天、研究开发等使用的高端红外摄像头为少量多品种生产，因此今后也会使用锗，而车载等需要大量生产的领域估计会越来越多地使用硫属化合物和硫化锌。 |
热成像仪和热成像摄像头等高灵敏度远红外摄像头不能使用可见光摄像头使用的石英玻璃。因为远红外线无法穿透石英玻璃。由于可见光会降低灵敏度，因此要使用不透过可见光而只透过红外线的透镜。
所以，对远红外线有高折射率和透射率的锗透镜得到了大量采用。但锗是稀有金属，资源有限，而且要实施磨削、研磨加工和超精密切削加工等才能制成透镜形状。因此价格非常高，也推高了红外摄像头的成本注3）。所以必须找到能取代锗的新材料。
注3）在锗的全球产量中，中国占近7成。供给量会随着中国政府的方针大幅变动，因此价格极不稳定。
作为锗的替代材料，最先得到采用的是硫属化合物（图2），即砷（As）、硒（Se）和硫（S）等的化合物。这些化合物的原材料费比锗低，虽然对远红外线的透射率和折射率稍逊色于锗，但作为远红外摄像头的透镜使用时，能实现与锗差不多的性能。
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图2：可通过模压成型法大量生产 Umicore（优美科）公司的硫属化合物（照片左）和使用由这种材料制成的非球面单透镜型远红外线透镜模块（右）。硫属化合物是含锗、砷和硒等的化合物，原材料比锗便宜，可通过模压成型法大量生产，已开始作为锗的替代材料使用。（摄影：Umicore Japan公司） |
利用模压成型法大量生产
硫属化合物的特点是可降低大量生产时的成本。可在非结晶状态下，利用模压成型法制造透镜。也就是说，只要有模具就能大量生产。不过，如果材料构成成分等不均衡，透镜性能会降低。因此，比利时的Umicore（优美科）公司自出开发出了确保透镜性能均一的成型方法。
硫属化合物相对于锗也有优势。锗的折射率会随着周围温度的上升而降低，而硫属化合物的折射率则比较稳定。已经有部分车载夜视仪看中这一特性，开始使用硫属化合物透镜。瑞典奥托立夫公司就既有采用两个锗透镜的产品，也有锗透镜和硫属化合物透镜各使用一个的产品。
不过，由于硫属化合物中含有毒元素砷和硒，因此在日本，硫属化合物产品基本都是《毒物及剧毒物取缔法》的限制对象。针对这一点，优美科确立了即使产品破损也不会有砷和硒溶出的制造方法，所以该公司的产品不属于限制对象。
单晶硅也能冲压成型？
原材料价格比硫属化合物更便宜的是硫化锌。与硫属化合物一样，也可以利用模压成型法制造透镜，而且耐温度变化。住友电气工业就在从事从硫化锌的生产到透镜成型、透镜模块制造的一整套业务。为了减少模块中透镜的数量，还开发出了在透镜单面设置衍射光栅的技术等（图3）。
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图3：第三类红外透镜 住友电气工业的采用两块硫化锌透镜的远红外摄像头用透镜模块（a）。通过在其中一块透镜上设置衍射光栅来调整焦距，用两块透镜抑制了像差（b）。（摄影：住友电气工业） |
住友电气工业目前正在销售焦距等各异的4种标准透镜模块，还为客户定制透镜。该公司综合产品事业部、技术部 部长中山茂介绍说，“目前主要是监控摄像头用途，不过，正在面向车载夜视仪用途开拓客户”。
被用于太阳能电池和半导体材料的单晶硅也被视为很有希望的Ge替代材料。硅对红外线的吸收在波长约9μm时达到峰值，不过，在其他波段也具备优异的透射率注4）。而且，原材料费比硫化锌还要便宜。因此，针对无需9μm前后红外线检测的传感器系统，可利用单晶硅制造出非常便宜的透镜。
注4）把硅用作红外线透射材料时，为防止透射的红外线在晶粒边界散射，一般采用单晶硅。
不过，由于硅与锗一样都是脆性材料，制造透镜是都要经过切削、磨削、研磨等加工。为此，村田制作所正在利用等离子陶瓷烧结等技术，推进用冲压成型法制作单晶硅透镜的研究注5），具体方法是把硅加热到熔点（1412℃）然后加压。不过，这项研究尚处于基础阶段，要想确立透镜的量产技术，需要先探明加压时硅的变形机制等。（作者：中岛募，日经技术在线！供稿）
注5）该公司同时还在推进锗透镜的冲压成型相关研究。
