JP2010252268A - 赤外線撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風の流路を設け、空気および熱を対流させ循環させる構造とし、赤外線撮像装置の筺体内部、特には赤外線検出素子の温度を一定に保つことで、キャリブレーション動作やシェーディング現象の発生を抑え、安定した赤外線画像を得ることが可能な赤外線撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】赤外線の熱による温度変化を電気信号に変換する赤外線検出素子と、後方に設置され、内部の空気を取り込んで該空気の吸熱または加熱を行う熱交換部と、該熱交換部で吸熱または加熱された空気を前方に向けて排出するファンと、を有する赤外線撮像装置において、筺体内部に、ファンから排出された空気の流れを１方向に限定するためのダクト部と熱交換部に流入し排出する空気の流れを１方向に限定するための塞ぎ板を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファンにより送風することで赤外線撮像装置の筺体内部で熱を対流させ、内部温度を一定に保つ構造に関するものである。

以下に、従来の赤外線撮像装置の構造について、図２を用いて説明する。
図２において、１は赤外線撮像装置の筺体、１１は図示しない被写体を含む視野範囲内の外来光を赤外線撮像装置内部に導入するレンズ部、１２は外来光より被写体の放射する赤外線を検出し映像信号として出力する赤外線検出部、１３は基板部１４を支持するためのアダプタ部、１４は撮像装置各部の制御や取得した画像信号の画像処理等を行う回路が実装された基板部、１５は熱交換部１６にて吸熱または加熱された空気を撮像装置の前方に向けて排出するファン、１６は上下方向から流入した筺体１内部の空気の吸熱または加熱を行う熱交換部である。ここで、レンズは、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等といった材料が用いられる。破線で示す矢印は、空気の流れの進行方向を示す。

レンズ部１１は、図示しない被写体を含む視野範囲内の外来光を取り込み赤外線検出部１２に照射する。赤外線検出部１２は、外来光より被写体の放射する赤外線を検出し、その入射量（赤外線エネルギー）に応じて、構成されたそれぞれの画素の温度が変化し、そのそれぞれの画素の温度を抵抗変化として検出し、映像信号として基板部１４に出力する。基板部１４は、入力された映像信号に種々の処理を施して、外部に出力する。

次に、赤外線撮像装置の筺体１内部の空気の流れについて説明する。以下の説明においては、「右」，「左」はそれぞれ撮像方向に向かって右，左を指すものとする。
空気がファン１５の回転に伴う排気となって赤外線撮像装置の筺体１の前方に向けて送られる。ファン１５より送られた空気は基板部１４に当たり、上下左右方向に分散される。図１においては、空気が左右方向に分散された様子を示したが、同様に上下にも分散される。分散された空気の内、一部は基板部１４にはね返る等して後方に送られ、筺体１の後部面に当たり筺体の後部面に沿って左右方向より熱交換部１６に流入する。熱交換部１６では、各部の熱により温まった空気の吸熱をし、または、冷えた空気を加熱し、吸熱または加熱された空気はファン１５の回転に伴う排気となって前方に送られる。一方、他の分散された風は、アダプタ部１３を通過し、筺体１の前面に当たり筺体の前面に沿って、さらに前方の赤外線検出部１２、レンズ部１１に送られる。各部を空気が通過する際には、熱交換部で吸熱された空気は各部の熱を吸収し、熱交換部で加熱された空気は各部に熱を放出しながら筺体１内部の温度を一定に保つように作用する。しかし、上下左右方向からの流入してきた風は、互いに打ち消し合う様に作用してしまい、赤外線撮像装置の筺体１内部では、空気が対流・循環せず、場所による温度の偏りが顕著であった。

次に、図４を用いて、熱交換部１６による熱交換の様子について説明する。
図４は、熱交換部を拡大した図である。熱交換部１６は、内部の空気の吸熱または加熱を行うフィン１６−１と、フィン１６−１を冷却または加熱するペルチェ素子１６−２、ペルチェ素子１６−３の放熱または加熱を行うフィン１６−３、フィン１６−１により空気の吸熱または加熱を行う熱交換ＢＯＸ１６−４（破線部）からなり、さらにフィン１６−１側にファン１５−１が設けられ、フィン１６−３側にファン１５−２が設けられる。

ここで、ペルチェ素子とは、２種類の異なる金属を接合した板状の半導体素子で、その接合部に電流を流すと、一方の金属からもう一方の金属へと熱が移動するというペルチェ効果を利用したものであり、直流電流を流すと、一方の面が吸熱し、反対面が発熱し、電流の極性を逆転させると、その関係が反転するという性質を持つ。この性質を利用して、筺体１内部が高温の場合、ペルチェ素子１６−３の内側の面は低温となりフィン１６−１が冷却され、熱交換ＢＯＸ１６−４内に上下方向から流入してきた空気を吸熱し、冷えた空気をファン１５−１より排出する。ペルチェ素子１６−２のフィン１６−３側の面は高温となりフィン１６−３は加熱され、フィン１６−３の放熱により温まった空気はファン１５−２より筺体１外部に排出される。一方、筺体１内部が低温の場合、ペルチェ素子１６−３の内側の面は高温となりフィン１６−１が加熱され、熱交換ＢＯＸ１６−４内に上下方向から流入してきた空気を加熱し、温まった空気をファン１５−１より排出する。ペルチェ素子１６−２のフィン１６−３側の面は低温となりフィン１６−３は冷却され、フィン１６−３の冷却により冷えた空気はファン１５−２より筺体１外部に排出される。なお、ペルチェ素子１６−２に流す電流は、図示しないが赤外線撮像装置内部または外部の制御部から制御される。

赤外線を検出する素子の１つとして、赤外線ボロメータ素子がある。赤外線ボロメータ素子は、半導体素子では検出困難な遠赤外線領域の光を検出することができるため、特に、室温で動作する遠赤外撮像素子として利用される。

赤外線ボロメータ素子は、例えば、２次元配列された画素で構成される。赤外線ボロメータ素子を用いた赤外線撮像装置は、被写体から放射される赤外線の入射量（赤外線エネルギー）に応じて、構成されたそれぞれの画素の温度が変化する。この赤外線撮像装置は、それぞれの画素の温度を抵抗変化として検出して、被写体像の映像信号として出力するものである。

なお、赤外線撮像装置の公知文献として、赤外線カメラの外部からの温度変化の影響を低減するために、赤外線カメラを覆う様にカメラケースを設け、カメラケースの窓ガラスの内側にファンで送風し、外側はワイパーで拭き取ることで結露を防止し、安定した赤外線画像を得ることができる技術が、特許文献１に開示されている。

特開号公報特開２００３−１９８８９９号公報

しかし、上述した赤外線ボロメータ素子を使った撮像装置のように、入射した赤外線の光量に応じて変化する抵抗値を検出して映像信号とする方式の赤外線撮像装置では、設置場所の環境の温度変化や赤外線撮像装置自体の温度変化に影響を受け、装置筐体などからの熱輻射量が一定量以上変化すると、映像信号のオフセットが変化し、映像信号のダイナミックレンジの上限や下限でクリップされるため、画像が正しく表示されなくなる。このような現象を回避するためには、定期的若しくは必要に応じて可動シャッタ等で撮像素子への赤外線の入射を止めてオフセットを補正する必要がある。

そして、キャリブレーション中には、赤外線撮像装置は撮像することができず、画像が途切れてしまう。そのため、上記赤外線撮像装置を用いた監視システムにおいては、キャリブレーション動作が起きると、侵入者の検知時であっても撮像が停止し、侵入者の監視画像が途切れ重要な安全監視情報が欠落するという問題があった。

また、温度変化によって赤外線検出素子の温度にムラが生じ、赤外線検出素子のオフセットが不均一になることによって、対象画像の本来の輝度と映像信号との間の変換特性の不整合が生じ、画像の周辺部が中心部に比べて暗いというような輝度ムラとなって現れるシェーディングが発生する。このような現象を回避するためには、画像全体が平均的に一様な明るさとなるように、全体が一様な輝度分布を特つ画像に対する画像処理系への入力デー夕を用いて、全画素に対する変換特性を事前に求めておき、この変換特性に基づいて輝度を補正する必要がある。

本発明は、上記のような問題に鑑み、風の流路を設け、空気と共に熱を対流させ循環させる構造とし、赤外線撮像装置の筺体内部、特には赤外線検出素子の温度を一定に保つことで、キャリブレーション動作やシェーディング現象の発生を抑え、安定した赤外線画像を得ることが可能な赤外線撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の赤外線撮像装置は、赤外線の熱による温度変化を電気信号に変換する赤外線検出素子と、後方に設置され、内部の空気を取り込んで該空気の吸熱または加熱を行う熱交換部と、該熱交換部で吸熱または冷却された空気を前方に向けて排出するファンと、を有することを特徴とする。

また、本発明の赤外線撮像装置は、上記の赤外線撮像装置において、熱交換部は、ペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の内側の金属面によって冷却または加熱されるフィンと、上記ペルチェ素子の外側の金属面によって加熱または冷却されるフィンとからなり、上記ペルチェ素子は赤外線撮像装置内部の温度によって制御されることを特徴とする。

また、本発明の赤外線撮像装置は、上記の赤外線撮像装置において、上記熱交換部の空気流入口のひとつ（片側）を塞ぐ塞ぎ板を有することを特徴とする。

本発明によると、赤外線撮像装置の筺体内部に、ファンから排出された空気の流れを１方向に限定するためのダクト部と熱交換部に流入し排出する空気の流れを１方向に限定するための塞ぎ板を設けたことで、赤外線撮像装置の筺体内部での空気の流れが１方向となり空気と共に熱が対流し循環する様になり、赤外線撮像装置の筺体内部の温度を一定に保つここができ、赤外線検出素子の温度変化を低減することができる。それによって、キャリブレーション動作やシェーディング現象の発生が抑えられ、設置場所の環境の温度変化等に影響を受けることなく安定した赤外線画像を得ることができる。また、各部品の過熱やキャリブレーション動作等を抑えることで、赤外線撮像装置を長寿命化することができる。

本発明の赤外線撮像装置の一実施例の上から見た構造を示す断面図である。 従来の赤外線撮像装置の上から見た構造をを示す断面図である。 本発明の外線撮像装置の一実施例である熱交換部の詳細を示すブロック図である。 従来の外線撮像装置の熱交換部の詳細を示すブロック図である。

以下に、本発明の一実施例の赤外線撮像装置の構造について、図１を用いて説明する。なお、図２において説明したものについては省略する。

図１において、１７はダクト部、１８は熱交換部１６の右面を塞ぐように取り付けられた塞ぎ板、である。ここで、ダクト部１７は、本実施例では右方に空気を送る様に設けられているが、左方や上方、下方に空気を送る様に取り付けられても良い。また、左上方向や右下方向等という様に斜め方向に空気を送る様に設けても良い。また、塞ぎ板１８は、本実施例では右面に取り付けられているが、左面に取り付けられても良く、熱交換部１６が空気流入口が上下方向に向くように取り付けられた場合は、上面または下面の片方に取り付けられても良い。なお、レンズ部１１、赤外線検出部１２、アダプタ部１３および基板部１４の動作・役割は上記で述べた通りである。

次に、赤外線撮像装置の筺体１内部の空気の流れについて説明する。
空気がファン１５の回転に伴う排気となって赤外線撮像装置の筺体１の前方に向けてダクト部１７の内部に送られる。ファン１５より送られた風は基盤部１４を通過し、右方向に送られる。右方向に送られた風は、ダクト部１７の内右面に当たって内右面に沿って前方に送られ、アダプタ部１３を通過し、筺体１の前面に当たり筺体の前面に沿って、さらに前方の赤外線検出部１２、レンズ部１１に送られる。右方から流入してきた風は、レンズ部１１および赤外線検出部１２を通過し、左方向に送られる。左方向に送られた風は、筺体１の左面に当たり筺体１の左面に沿って後方に送られる。後方に送られた風は、筺体１の後部面に当たり筺体１の後部面に沿って左方向より熱交換部１６に流入する。熱交換部１６では、各部の熱によって温まった空気の吸熱をし、または、冷えた空気を加熱し、吸熱または加熱された空気はファン１５の回転に伴う排気となって前方に送られ、再び循環する。ここで、熱交換部１６の右面に塞ぎ板１８が取り付けられたことによって、吸熱または加熱された空気が右方に抜けることを防ぎ、また、右方から空気が熱交換部１６に流入することを防ぐことができ、空気の流れを１方向に限定することができる。

次に、図３を用いて、熱交換部１６による熱交換の様子について説明する。
図３は、本発明の一実施例である熱交換部を拡大した図である。熱交換部１６は、内部の空気の吸熱または加熱を行うフィン１６−１と、フィン１６−１を冷却または加熱するペルチェ素子１６−２、ペルチェ素子１６−３の加熱または吸熱を行うフィン１６−３、フィン１６−１による放熱または加熱を行う上面に塞ぎ板１８が設けられた熱交換ＢＯＸ１６−４（破線部）からなり、さらにフィン１６−１側にファン１５−１が設けられ、フィン１６−３側にファン１５−２が設けられる。

筺体１内部が高温の場合、ペルチェ素子１６−３の内側の面は低温となりフィン１６−１が冷却され、熱交換ＢＯＸ１６−４内に左方向から流入してきた空気を冷却し、冷えた空気をファン１５−１より排出する。ペルチェ素子１６−２のフィン１６−３側の面は高温となりフィン１６−３は加熱され、フィン１６−３の放熱により温まった空気はファン１５−２より筺体１外部に排出される。一方、筺体１内部が低温の場合、ペルチェ素子１６−３の内側の面は高温となりフィン１６−１が加熱され、熱交換ＢＯＸ１６−４内に下方向から流入してきた空気を加熱し、温まった空気をファン１５−１より排出する。ペルチェ素子１６−２のフィン１６−３側の面は低温となりフィン１６−３は冷却され、フィン１６−３の冷却により冷えた空気はファン１５−２より筺体１外部に排出される。なお、ペルチェ素子１６−２に流す電流は、筺体１内部の温度に応じて、図示しないが赤外線撮像装置内部または外部から制御される。また、筺体１内部の温度は、図示しないが筺体内部に温度センサ等を設けることで検出可能である。

本発明では、ダクト部１７および塞ぎ板１８があることによって、筺体１内部に流路ができ空気が風となって対流し循環し、筺体１内部、特に赤外線検出素子の温度を一定に保つことができる。これにより、キャリブレーション動作やシェーディング現象の発生を抑え、安定した赤外線画像を得ることが可能となる。

以上に本発明の一実施例である赤外線撮像装置の吸熱・加熱構造について説明したが、本発明は上記の様な構成に限られることはなく、種々の構造が用いられても良いことは言うまでもない。例えば熱交換部は、水や気化ガス等の冷媒を循環させる管を螺旋状等に設置しても良く、設置箇所の周囲にある発熱体等の熱を利用しても良い。

１：赤外線撮像装置の筺体、１１：レンズ部、１２：赤外線検出部、１３：アダプタ部、１４：基板部、１５，１５−１，１５−２：ファン、１６：熱交換器部、１６−１，１６−３：フィン、１６−２：ペルチェ素子、１６−４：熱交換ＢＯＸ、１７：ダクト部、１８：塞ぎ板

Claims (1)

1. 赤外線の熱による温度変化を電気信号に変換する赤外線検出素子と、
   後方に設置され、内部の空気を取り込んで該空気の吸熱または加熱を行う熱交換部と、
   該熱交換部で吸熱または加熱された空気を前方に向けて排出するファンと、
   を有することを特徴とする赤外線撮像装置。