JP2012173167A - 赤外線カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】カメラ側の放熱によるレンズユニットへの影響を抑えられる赤外線カメラを提供することを目的とする。
【解決手段】上記課題を解決するため、枠体にレンズが支持されたレンズユニットと、レンズを透過した赤外線を熱で検知して画像信号に変換する赤外センサをハウジング内に封入した赤外センサモジュールと、当該レンズユニットと赤外センサモジュールとの間に配置されるシャッタユニットとを備え、当該赤外センサモジュールのハウジングとシャッタユニットとの間に遮熱空間を設けたことを特徴とする赤外線カメラを採用した。
【選択図】図１

Description

本件発明は、赤外線の入射量を熱的に検知して、画像信号に変換処理する赤外線カメラに関する。

遠赤外、中赤外あるいは近赤外線等の放射エネルギーを検出して映像に変換する赤外線カメラは、例えば、製品の品質検査、警備上の監視、自動車走行時や災害時における暗所での人や動物の感知等に用いられる。赤外線カメラの撮像方法として、例えば、特許文献１に開示されているように、赤外線を熱的に検知する熱型赤外線撮像素子が受光部として用いられる。特許文献１に開示の熱型赤外線カメラは、温度に応じて物理的特性が変化する温度検知部と入射した赤外線量に応じて発熱する赤外線吸収層とが熱的に結合して構成された受光部を備える。そして、赤外線の入射により赤外線吸収層が発熱し、この熱が温度検知部に温度変化を生じさせると、温度検知部の物理的特性に生じる変化を電流又は電圧の変化として読み出すことで赤外線を電気信号として出力する。

このように赤外線量を温度で検知する熱型赤外線カメラは、撮像素子の温度管理が重要となる。特許文献１には、熱型赤外線撮像素子に電子冷却素子を貼り付け、温度センサーで素子温度を測定し、フィードバック制御をかけて、熱型赤外線撮像素子を所望の温度に制御することが開示されている。また、特許文献２には、カメラ装置の内部を一定温度に保つべく、カメラハウジングの外気温度に応じて外部放熱フィン又は内部放熱フィンの温度を制御することが開示されている。

さらに、従来、赤外線カメラは、防犯カメラ等の定点観察用途、自動車のナイトビジョン等の用途において、人や動物の有無が判別可能である程度であり、広角撮像は可能であるが、解像度が不十分であった。しかし、近年、赤外線カメラ用のレンズにおいても、高い解像度のものが求められ、且つ、広角、高倍率といった目的に応じて、可視光カメラのように、望遠や広角等、用途に応じて用いられる交換レンズへの期待が高まっている。

例えば、特許文献３には、広角にすべく設計された複数のレンズからなる遠赤外線カメラ用レンズを用いたレンズユニットと、赤外センサとを備えた撮像装置が開示されている。この赤外線カメラ用のレンズは、赤外光を透過させることが可能なゲルマニウムからなるものが用いられている。これらの赤外線カメラ用のレンズは、温度とレンズの屈折率との相関が高く、僅かな温度変化でもレンズの屈折率が変化し焦点がずれてしまう。特に、特許文献３に開示の撮像装置のように、複数のレンズを用いる場合、合焦精度を高く維持するためには、各レンズの温度を一定に保つ必要がある。そこで、特許文献４には、ゲルマニウムレンズ近傍の温度を検出する温度センサを設置し、温度センサの検出した温度に応じて、フォーカス駆動部を駆動して焦点距離を補正するカメラ装置が開示されている。

特開平１０−２８１８６４号公報 特開２０１０−１７５８３５号公報 特開２００９−６３９４２号公報 特開２００３−１３１１０６号公報

上述の通り、赤外線量を熱で検知する赤外線カメラの場合、カメラ及びレンズユニットのそれぞれにおいて、温度管理が重要であるが、カメラ側とレンズユニット側とでは、温度管理条件が異なる。例えば、特許文献１，２に開示の技術では、撮像素子側の温度管理のために、撮像素子を収容する筺体外部に放熱させるが、冷却素子としてペルチェ素子を用いており、ペルチェ素子による外部への放熱量が高くなる。このカメラ側の放熱がレンズユニット側の温度に影響を与え、その結果、温度制御手段の稼働率が高くなり消費電力が多いという課題があった。

そこで、本件発明は、カメラ側の放熱によるレンズユニットへの影響を抑えられる赤外線カメラを提供することを目的とする。

本発明者等は、鋭意研究を行った結果、以下の赤外線カメラを採用することで上記目的を達成するに到った。

本件発明に係る赤外線カメラは、枠体にレンズが支持されたレンズユニットと、レンズを透過した赤外線を熱で検知して画像信号に変換する赤外センサをハウジング内に封入した赤外センサモジュールと、当該レンズユニットと赤外センサモジュールとの間に配置されるシャッタユニットとを備え、当該赤外センサモジュールのハウジングとシャッタユニットとの間に遮熱空間を設けたことを特徴とする。

本件発明に係る赤外線カメラは、前記赤外センサモジュールのハウジングとシャッタユニットとを離間配置した状態で固定させる固定部材により前記遮熱空間を形成したものがより好ましい。

本件発明に係る赤外線カメラでは、より好ましくは、前記固定部材は、表面が断熱材で覆われたものである。

本件発明に係る赤外線カメラでは、前記赤外センサモジュールは、前記赤外センサを第１ハウジング内に封入し、当該第１ハウジング内の熱を第１ハウジング外に放出する放熱部を有し、第１ハウジング内を所定の温度に保つ調熱手段を備え、少なくとも当該放熱部を含む第１ハウジングの外周部が第２ハウジングで囲まれたものであり、当該第２ハウジングと前記シャッタユニットとの間を前記固定部材で固定して遮熱空間を形成するものがより好ましい。

本件発明に係る赤外線カメラでは、前記調熱手段は、ペルチェ素子を用いて赤外センサの熱を吸熱し、第２ハウジングにて放熱するものがより好ましい。

本件発明に係る赤外線カメラは、枠体にレンズが支持され、レンズマウントをカメラ本体に備えるカメラマウントと係合させてカメラ本体に取り付けられるレンズユニットと、カメラ本体に設けられ、レンズを透過した赤外線を熱で検知して画像信号に変換する赤外センサをハウジング内に封入した赤外センサモジュールと、レンズユニットと赤外センサとの間に配置されるシャッタを保持し、当該カメラマウントと隣接配置されるシャッタユニットとを備え、レンズマウントとカメラマウントとの温度差が５度以内であり、カメラマウントとシャッタユニットとの温度差が５度以内であることを特徴とする。

本件発明に係る赤外線カメラは、より好ましくは、前記レンズユニットは、レンズマウントをカメラ本体に備えるカメラマウントと係合させる交換レンズユニットであり、レンズマウントとカメラマウントとの温度差が５度以内であり、カメラマウントとシャッタユニットとの温度差が５度以内であり、当該シャッタユニットと前記赤外線モジュールのハウジングとの温度差が１０度以上である。

本件発明に係る赤外線カメラは、赤外センサモジュールとシャッタユニットとの間に遮熱空間を設けることにより、構造的にカメラモジュール側で発生する熱がレンズユニット側に伝わり難くすることができる。また、本件発明に係る赤外線カメラは、レンズマウント、カメラマウント、シャッタユニット間の温度差が小さいので、シャッタの温度がレンズの温度を近似させることができ、シャッタによる赤外センサの温度補正機能を効果的に発揮させることができる。

本件発明に係る赤外線カメラの一例を示す断面図である。 本件発明に係る赤外線カメラの固定部材に断熱材を設けた例を示す断面図である。 本件発明に係る赤外線カメラの第２の実施の形態を示す断面図である。

以下、本件発明に係る赤外線カメラの好ましい実施の形態を説明する。図１は、本件発明に係る赤外線カメラ１の第１の実施の形態を示す断面図である。本件発明に係る赤外線カメラ１は、レンズユニット２と、赤外センサモジュール３と、シャッタユニット５とを備える。そして、赤外センサモジュール３とシャッタユニット５との間に遮熱空間４を有することを特徴とする。なお、本件発明に係る赤外線カメラ１は、中赤外、遠赤外領域の赤外線を撮像対象とする場合に特に好適に用いられる。

レンズユニット２は、枠体２１に複数のレンズ１４が光軸Ｌに沿って支持され、そのレンズ１４のうち、ズームレンズ、フォーカスレンズ等が光軸方向に移動可能に設けられる。また、レンズユニット２の像面側の端部にはレンズマウント２２を備え、カメラ本体１０に備えるカメラマウント１６と係合してカメラ本体１０に取り付けられる。本実施の形態では、レンズユニット２は、赤外センサモジュール３を備えるカメラ本体１０に着脱可能な交換レンズとしたが、本件発明は、レンズユニットをカメラ本体に固定する赤外線カメラにおいても効果を奏する。

赤外センサモジュール３は、カメラ本体１０に設けられ、レンズ１４を透過した赤外線を熱で検知して画像信号に変換する赤外センサ３１を有する。赤外センサモジュール３は、赤外センサ３１と、この赤外センサ３１を収容するハウジング３２とを備える。

赤外センサ３１は、撮像性能、設置環境の観点から、ボロメータ、サーモパイル、サーミスタ等を用いることが好ましい。この赤外センサ３１は、ハウジング３２（第１ハウジング３２１）内に配置され、中赤外、遠赤外領域の赤外光を検知する検知面３１ａを有する。具体的には、ハウジング３２（第１ハウジング３２１）の開口３２ａに面した位置に検知面３１ａを配置し、この開口３２ａにゲルマニウム製の窓３２ｂを嵌合して接着し、減圧処理することにより、ハウジング３２（第１ハウジング３２１）内に赤外センサ３１を真空密封する。ボロメータ（赤外センサ３１）の検知面３１ａは、シリコン、ゲルマニウム、・・・等の半導体、白金、ニッケル等の金属、ニオブ、錫などの超伝導体、カルコゲナイドガラスなどの誘電体からなる薄膜を用いることができる。

この赤外センサ３１は、赤外線量を熱により検知するものであり、感度、信号雑音比を大きくするために、所望の温度に保持することが好ましい。そのため、赤外センサモジュール３には、調温手段３３を有する。調温手段３３は、赤外センサ３１の検知面３１ａにおいて、熱検知により生じた熱を所定温度に調整する調温素子３３ａと、調温素子３３ａで吸収した熱をハウジング３２外に放熱する放熱部３３ｂとを備える。本実施の形態では、調温素子３３ａは、ペルチェ素子を用いた。放熱部３３ｂは、調温素子３３ａに接続された熱伝導部材であり、調温素子３３ａが赤外センサ３１の検知面３１ａを調熱することにより生じた熱を第１ハウジング３２１の外部に放熱する。本実施の形態では、第１ハウジング３２１のうち、窓部３２ａを有する面（シャッタ５１と対向する面）を除く面をアルミニウム製とし、第１ハウジング３２１のアルミニウム製の部分を放熱部３３ｂとした。

ここで、赤外センサモジュール３のハウジング３２は、赤外センサ３を密封する第１ハウジング３２１と、少なくとも放熱部３３ｂを含む第１ハウジング３２１の外周部を囲む第２ハウジング３２２とからなる。第２ハウジング３２２は、放熱部３３ｂからの熱がカメラ本体１０の外部に伝わらないように設けられる。なお、本実施の形態では、第１ハウジング３２１は、側面及び像面側は断熱性を考慮してセラミック製とし、レンズユニット２側の開口３２ａを有する面は金属製とした。また、第２ハウジング３２２は、アルミニウム製とすることにより、外部に放熱しやすい構成とした。

シャッタユニット５は、シャッタ５１が開閉可能な状態で枠体５２に取り付けられたユニットである。レンズユニット２と赤外センサモジュール３との間に配置され、所定の間隔でシャッタ５１が開閉する。赤外線量を熱で検知する赤外線カメラでは、被写体側の温度変化量を赤外センサ３１で検知するため、撮像性能を高めるためには、赤外センサ３１を基準温度に保つ必要がある。そこで、基準温度に設定されたシャッタ５１をレンズ１４と赤外センサ３１との間に設け、シャッタ５１を逐次閉じて、赤外センサ３１の検知温度を基準温度に補正する。

ここで、シャッタ５１とレンズ１４との間に温度差があると、シャッタ５１が開いて赤外センサ３１とレンズ１４と対向させた場合に、赤外センサ３１がシャッタ５１とレンズ１４との温度変化量を検知してしまい、レンズ１４自体の温度を要因とする撮像誤差が生じてしまう。そのため、レンズ１４とシャッタ５１とは、温度差が生じないようにコントロールする必要があり、レンズ１４及びシャッタ５１周辺の温度の影響を極力排除したい。しかし、赤外センサモジュール３の第２ハウジング３２２には、赤外センサ３１の調温手段により、第１ハウジング３２１外に放出された熱がある程度滞留するため、赤外センサモジュール３側からの熱の影響を受けやすい。そこで、本件発明に係る赤外線カメラ１では、レンズユニット、シャッタユニット、赤外センサモジュールを、熱伝導性を考慮した配置で構成することで、熱の影響を抑制することにした。

つまり、本件発明に係る赤外線カメラ１では、レンズ１４及びシャッタ５１に対し、赤外センサモジュール３の温度管理により発生する熱の影響を防ぐべく、赤外センサモジュール３のハウジング３２とシャッタユニット５との間に遮熱空間４を設けた。本件発明で設ける遮熱空間４は、ハウジング３２とシャッタユニット５との間に空隙を設けるという構造的な手段により、赤外センサモジュール３とレンズユニット２並びにシャッタユニット５との間の相互の熱の影響を防ぐこととした。なお、赤外センサモジュール３には、ハウジング３２内の熱を検知しながら電気的に制御する手段を設けることがあるが、これらの制御手段と併用すれば、より効果的に、断熱性を高めることができる。

この遮熱空間４を形成するために、固定部材６を用いる。固定部材６は、遮熱空間４を形成し、且つ、シャッタユニット５と赤外センサモジュール３と光軸方向における離間距離が所定の長さとなる位置で固定するために用いる。固定部材６は、シャッタユニット５及び赤外センサモジュール３に接する部材であるので、接地面積を極力抑えて、熱伝導性を低く抑えることが好ましい。固定部材６の形状は、例えば、複数のビス等のような柱状部材、薄板の筒状部材等が考えられる。固定部材６を円柱状の筒体にすれば、遮熱空間４の空気の対流を防ぐことができる。また、固定部材は、断熱性、蓄熱性、強度等のバランスを考慮して、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＢＳ、ステンレス（ＳＵＳ３０４）、チタン等からなるものが好ましい。

また、図２に示すように、固定部材６の周囲を断熱材６１で覆うことにより、固定部材６に伝わった熱が遮熱空間４への伝導することを防いで、レンズユニット２と第２ハウジング３２２との間の断熱性を高めることができるので好ましい。固定部材６の周囲を覆う断熱材としては、石綿、グラスウール、陶器、ガラス、紙等からなるものが考えられる。また、図２に示すように、固定部材６を取り付けた後に、固定部材６の露出部分を断熱材で被覆する構成の他、表面に予め断熱処理が行われた固定部材を用いても良い。

遮熱空間４は、赤外センサモジュール３とシャッタユニット５との間に熱が伝わり難く、且つ、当該遮熱空間４の空気が流動しない程度の隙間とすることが好ましい。本実施の形態では、赤外センサモジュール３の第２ハウジング３２２のレンズ１４側の面３２２ａと、シャッタユニット５の枠体５２との離間距離を２ｍｍとした。

本件発明に係る赤外線カメラ１では、赤外センサモジュール３側と、レンズユニット２側とをそれぞれ温度管理するために、両者の断熱性を高めるべく遮熱空間４を形成した。この他に、図３に示す第２の実施の形態のように、本件発明に係る赤外線カメラ１では、レンズ１４とシャッタ５１との間の温度を近似させるために、カメラマウント１６、レンズマウント２２及びシャッタユニット５の枠体５２との密着性を高める構成とした。

本件発明に係る赤外線カメラ１は、レンズマウント２２とカメラマウント１６との温度差が５度以内であり、カメラマウントとシャッタユニットとの温度差が５度以内であることが好ましい。レンズ１４とシャッタ５１との温度を近似させるために、カメラマウント１６、レンズマウント２２及びシャッタユニット５の枠体５２は、熱伝導率が高く、且つ同等の熱伝導率の材料で形成することが好ましい。本実施の形態では、カメラマウント１６、レンズマウント２２及びシャッタユニット５の枠体５２は全てアルミニウム製とした。その結果、カメラマウント１６とレンズマウント２２との温度差は０℃〜２℃、カメラマウント１６とシャッタユニット５の枠体５２との温度差は０℃〜２℃と、それぞれの温度差が極めて小さい値とすることができた。

さらに、シャッタユニット５と赤外線モジュール３のハウジング３２との温度差は１０度以上とすると、レンズユニット２及びシャッタユニット５と、赤外センサ３１との間の断熱性を高めることができて好ましい。上述の遮熱空間４を形成すると、レンズユニット２及びシャッタユニット５と、赤外センサ３１との間の温度差を１０℃以上とすることができる。また、遮熱空間４の他に、冷却装置等を併用すると、装置重量や消費電力量は増加するが、温度差を容易に保つことができる。

本件発明に係る赤外線カメラは、レンズユニットと赤外センサモジュールとを構造的に断熱させる構成であるので、放熱や蓄熱等、所望の温度管理を行う装置と組み合わせて用いると、温度管理の効率を高め、省電力化に貢献できる。また、交換レンズを用いる赤外線カメラにおいても、汎用的に利用可能である。また、本件発明に係る赤外線カメラは、レンズユニット及びシャッタユニットの温度差を極めて低く抑えられ、撮像性能を向上させられるので、細部の品質検査等に用いる赤外線カメラに利用可能である。

１・・・赤外線カメラ
２・・・レンズユニット
３・・・赤外センサモジュール
４・・・遮熱空間
５・・・シャッタユニット
６・・・固定部材
１０・・・カメラ本体
１６・・・カメラマウント
２２・・・レンズマウント
３３・・・調熱手段
６１・・・断熱材
３２１・・・第１ハウジング
３２２・・・第２ハウジング

Claims (7)

1. 枠体にレンズが支持されたレンズユニットと、
   レンズを透過した赤外線を熱で検知して画像信号に変換する赤外センサをハウジング内に封入した赤外センサモジュールと、
   当該レンズユニットと赤外センサモジュールとの間に配置されるシャッタユニットとを備え、
   当該赤外センサモジュールのハウジングとシャッタユニットとの間に遮熱空間を設けたことを特徴とする赤外線カメラ。
2. 前記赤外センサモジュールのハウジングとシャッタユニットとを離間配置した状態で固定させる固定部材により前記遮熱空間を形成した請求項１に記載の赤外線カメラ。
3. 前記固定部材は、表面が断熱材で覆われたものである請求項１又は請求項２に記載の赤外線カメラ。
4. 前記赤外センサモジュールは、前記赤外センサを第１ハウジング内に封入し、当該第１ハウジング内の熱を第１ハウジング外に放出する放熱部を有し、第１ハウジング内を所定の温度に保つ調熱手段を備え、少なくとも当該放熱部を含む第１ハウジングの外周部が第２ハウジングで囲まれたものであり、
   当該第２ハウジングと前記シャッタユニットとの間を前記固定部材で固定して遮熱空間を形成する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の赤外線カメラ。
5. 前記調熱手段は、ペルチェ素子を用いて赤外センサの熱を吸熱し、第２ハウジングにて放熱する請求項４に記載の赤外線カメラ。
6. 枠体にレンズが支持され、レンズマウントをカメラ本体に備えるカメラマウントと係合させてカメラ本体に取り付けられるレンズユニットと、
   カメラ本体に設けられ、レンズを透過した赤外線を熱で検知して画像信号に変換する赤外センサをハウジング内に封入した赤外センサモジュールと、
   レンズユニットと赤外センサとの間に配置されるシャッタを保持し、当該カメラマウントと隣接配置されるシャッタユニットとを備え、
   レンズマウントとカメラマウントとの温度差が５度以内であり、カメラマウントとシャッタユニットとの温度差が５度以内であることを特徴とする赤外線カメラ。
7. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の赤外線カメラにおいて、
   前記レンズユニットは、レンズマウントをカメラ本体に備えるカメラマウントと係合させる交換レンズユニットであり、
   レンズマウントとカメラマウントとの温度差が５度以内であり、カメラマウントとシャッタユニットとの温度差が５度以内であり、
   当該シャッタユニットと前記赤外線モジュールのハウジングとの温度差が１０度以上である赤外線カメラ。

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