JP2018036227A - ガスセンサユニットおよびガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像対象の様子とともに、撮像対象における特定のガスの有無の検出に用いる新規なガスセンサユニットを実現する。【解決手段】ガスセンサユニットは、撮像対象の赤外光画像の撮像と、撮像対象における特定のＮ（≧１）種のガスの有無の検出に用いるガスセンサユニットであって、中赤外光および遠赤外光に対して正レンズ機能を持つ赤外光レンズＬＩと、該赤外光レンズによる結像光束を、複数の光束に分離する光束分離手段ＳＰと、該光束分離手段により分離された一部の結像光束による赤外光画像を撮像する赤外光撮像素子１０Ａと、前記Ｎ種のガスによる吸収波長：λｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の赤外光に対する受光感度を有する受光手段１０Ｂと、前記光束分離手段により分離された他の結像光束を前記受光手段に向けて導光する導光手段２０と、該導光手段により導光される光束から、前記吸収波長：λｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の赤外光を分離する波長分離手段Ｆ１と、を有する。【選択図】図１

Description

この発明はガスセンサユニットおよびガス検出装置に関する。

周知の如く、赤外光領域には、ＣＯやＣＯ_２、Ｈ_２Ｓや水蒸気、エチルアルコールガス等の種々のガスの吸収波長があり、この吸収波長を検知することにより、各種ガスの有無の検出、あるいは測定を行うことが知られている（特許文献１〜３等）。
撮像対象の赤外光画像を撮像し、撮像対象における特定のＮ（≧１）種のガスの分布状態を可視画像として表示することも可能であり、例えば、火山から噴出されている噴煙中に含まれるガス種とその分布状態を可視画像化することも可能である。
ガスの検出は、このような場合のみならず種々の場合に有用である。例えば、マンホールや密閉された地下空間には、ＣＯ_２ガスが高濃度で存在している場合があり、このような空間にＣＯ_２ガスの存在を知らずに入るとＣＯ_２ガス中毒を起こす恐れがある。このような場合に、上記空間内の状態と「ＣＯ_２ガスの有無」を検出することが望まれる。

この発明は、撮像対象の様子とともに、撮像対象における特定のガスの有無の検出に用いる新規なガスセンサユニットの実現を課題とする。

この発明のガスセンサユニットは、撮像対象の赤外光画像の撮像と、前記撮像対象における特定のＮ（≧１）種のガスの有無の検出に用いるガスセンサユニットであって、中赤外光および遠赤外光に対して正レンズ機能を持つ赤外光レンズと、該赤外光レンズによる結像光束を複数の光束に分離する光束分離手段と、該光束分離手段により分離された一部の結像光束による赤外光画像を撮像する赤外光撮像素子と、前記Ｎ種のガスによる吸収波長：λｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の赤外光に対する受光感度を有する受光手段と、前記光束分離手段により分離された他の結像光束を前記受光手段に向けて導光する導光手段と、該導光手段により導光される光束から、前記吸収波長：λｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の赤外光を分離する波長分離手段と、を有する。

この発明によれば、撮像対象の様子と、撮像対象における特定のガスの有無の検出に用いる新規なガスセンサユニットを実現できる。

ガス検出装置の実施の１形態を説明するための図である。 導光体と波長分離手段と受光手段の組み合わせの例を２例示す図である。 導光体と波長分離手段と受光手段の組み合わせの例を３例示す図である。 ガス検出装置の実施の別形態を説明するための図である。 ディスプレイ手段に表示された画像の１例を示す図である。

以下、実施の形態を説明する。
具体的な実施の形態を説明するのに先立って、用語等を簡単に説明する。
この明細書において「赤外光」は、赤外光領域の電磁波である。赤外光領域は「可視光の波長領域の上限よりも長波長側の波長領域」で、一般に、近赤外光、中赤外光、遠赤外光に分類される。近赤外光の波長域は「０．７〜２．５μｍ」、中赤外光の波長領域はその上限が必ずしも一義的には特定されていないが「２．５〜４．６μｍ程度」であり、これより長波長の領域の赤外光が遠赤外光であるとされる。
赤外光は一般に「赤外線」とも称されるが、この明細書では「赤外光」と称する。
この発明において用いられる「赤外光レンズ」は「中赤外光と遠赤外光に対して正レンズ機能を持つレンズ」である。

この発明のガスセンサユニットは、撮像対象の赤外光画像の撮像と、前記撮像対象における特定のＮ（≧１）種のガスの有無の検出に用いられる。
撮像対象からの赤外光は「中赤外光成分と遠赤外光成分と」を含み得る。撮像対象からの赤外光は「赤外光レンズ」によるレンズ作用を受けて赤外光結像光束となる。
即ち、撮像対象が放射する赤外光は「赤外光レンズ」により「赤外光画像を結像する結像光束」となる。「赤外光画像」は、赤外光レンズにより結像される画像であり、中赤外光成分（中赤外光の波長領域に含まれる赤外光）の画像と遠赤外光成分（遠赤外光の波長領域に含まれる赤外光）の画像とを含む。
これらのうちで、遠赤外光成分が結像する赤外光画像を「遠赤外光画像」とも言う。

遠赤外光および中赤外光に対して正レンズ機能を有する赤外光レンズとしては、従来から、Ｇｅ（ゲルマニウム）やＺｎＳｅ（セルシウム化亜鉛）、ＭｇＦ_２（２フッ化マグネシウム）を材料とするレンズが知られている。
なお、可視光領域から遠赤外光領域までの波長領域の電磁波に対してレンズ作用を持つレンズも知られており（例えば、特許文献１記載の「赤外線および可視光線の何れをも透過させるレンズ」）、このようなレンズも赤外光レンズとして用い得る。
赤外光は「肉眼では不可視」であるから、赤外光画像自体は目視できない。
赤外光画像は、赤外光画像を撮像する赤外光撮像素子の出力に画像処理を施すことにより、各種のディスプレイ手段（印刷用紙、液晶等の各種の表示パネル等）に目視可能な画像として表示可能である。

図１は、ガス検出装置の実施の１形態を説明するための図である。
図１に実施の形態を示すガス検出装置は、特定の１種類（Ｎ＝１）のガスの有無を検出するものである。説明の具体性のため、以下、図１の実施の形態のガス検出装置は、検出対象とするガスを「ＣＯ_２ガス」とし、前述のマンホール等の地下空間の画像と、該空間内におけるＣＯ_２ガスの有無を検出するものであるとする。
図１において、符号ＬＩは「赤外光レンズ」を示し、符号ＯＬＩは「撮像対象（マンホールや地下空間）」からの赤外光成分を示す。
赤外光レンズＬＩは、赤外光成分ＯＬＩに含まれる中赤外光成分と遠赤外光成分に対して正レンズ作用を有する。即ち、赤外光成分ＯＬＩは赤外光レンズＬＩに入射すると、その正レンズ作用により「結像光束」となり、「光束分離手段」であるダイクロイックフィルタＳＰに入射する。
ダイクロイックフィルタＳＰは、入射してくる結像光束中の遠赤外光成分（波長：５μｍ以上）は透過させ、中赤外光成分（波長：２．５〜５μｍ）は反射する。

ダイクロイックフィルタＳＰを透過した遠赤外光成分は、赤外光撮像素子１０Ａの受光面上に「遠赤外光画像」として結像し、赤外光撮像素子１０Ａにより撮像される。赤外光撮像素子１０Ａは「遠赤外光の波長領域に感度を有する受光素子」を２次元にアレイ配列した撮像素子であり、市販のものを適宜用いることができる。
従って、赤外光撮像素子１０Ａにより「赤外光画像」として遠赤外光画像が撮像される。

一方、ダイクロイックフィルタＳＰにより反射された中赤外光成分は、導光手段２０に入射し、導光手段２０により受光手段１０Ｂに向けて導光され、結像することなく波長分離手段Ｆ１を介して受光手段１０Ｂに入射する。
導光手段２０は「截頭円錐状の導光体」であり、大きい開口部をダイクロイックフィルタＳＰの側に向け、小径の開口部を波長分離手段Ｆ１に近接もしくは接触させており、ダイクロイックフィルタＳＰ側から入射する「中赤外光成分の結像光束」を、円錐面をなす周面部で反射させつつ波長分離手段Ｆ１側へ導光する。導光の途上で、中赤外光成分は反射を繰り返すことにより強度を均一化される。
以下、導光手段２０を導光体２０と呼ぶ。図１に示す実施の形態では、１個の導光体２０により「導光手段」が構成されている。
波長分離手段Ｆ１は、この実施の形態において「バンドパスフィルタ」である。説明中の実施の形態において、唯一種の検出対象であるガスは「ＣＯ_２ガス」である。ＣＯ_２ガスは、中赤外光の波長領域に吸収波長：４．２６μｍを有する。
即ち、撮像対象が放射する赤外光は、撮像対象がＣＯ_２ガスを含むときは「赤外光中の波長：４．２６μｍの中赤外光」がＣＯ_２ガスに吸収される。
波長分離手段Ｆ１であるバンドパスフィルタは、上記吸収波長：４．２６μｍと、その近傍の波長領域（波長バンド：例えば、４．００μｍ〜４．５０μｍ）の中赤外光を選択的に透過させ、他の波長の中赤外光は透過させない。
以下、波長分離手段Ｆ１を「バンドパスフィルタＦ１」と呼ぶ。図１に示す実施の形態では、１個のバンドパスフィルタＦ１により「波長分離手段」が構成されている。

受光手段１０Ｂは、吸収波長：４．２６μｍの中赤外光に対して受光感度を有する。
受光手段１０Ｂとしては、波長：４．２６μｍの中赤外光に対して受光感度を有する適宜の受光素子、例えば、フォトダイオードやＣＭＳセンサ、焦電センサ等を用いることができる。
以下、受光手段１０Ｂを「受光素子１０Ｂ」と呼ぶ。図１に示す実施の形態では、１個の受光素子１０Ｂが「受光手段」を構成している。
撮像対象に検出対象であるＣＯ_２ガスが含まれていると、撮像対象から放射されて赤外光レンズＬＩに入射する赤外光成分ＯＬＩにおける「波長：４．２６μｍ」の中赤外光の光強度は、ＣＯ_２ガスにより吸収されるから「ＣＯ_２ガスが含まれない場合に比して減少」している。即ち、撮像対象のＣＯ_２ガス含有量（濃度）が大きいほど、受光素子１０Ｂの受光出力は減少する。
そこで、予め「ＣＯ_２ガスがない場合における受光素子１０Ｂの出力の値」を基準値：０として校正（キャリブレーション）しておけば、受光素子１０Ｂの出力と基準値：０との差により、撮像対象に「どれほどのＣＯ_２ガスが含まれているか」を検出できる。
図１において、赤外光レンズＬＩ、ダイクロイックフィルタＳＰ、赤外光撮像素子１０Ａ、導光体２０、バンドパスフィルタＦ１、受光素子１０Ｂは「ガスセンサユニットの要部」を構成する。

図１に実施の形態を示す「ガス検出装置」は、撮像対象におけるＣＯ_２ガスの有無の検出と、撮像対象の赤外光画像の撮像とを行う装置である。
ガス検出装置は、上に説明したガスセンサユニットに加えて、制御部１００とディスプレイ手段としてのディスプレイ１１０を有する。
制御部１００は、判定手段と、画像処理手段と、制御手段とを含んでいる。
「判定手段」は、ガスセンサユニットの受光素子１０Ｂの出力に基づき、特定のガスであるＣＯ_２ガスの有無を判定して出力する。判定手段は、ＣＯ_２ガスが「有」と判定するときは、ＣＯ_２ガスの濃度も出力する。

ディスプレイ１１０は、ガスセンサユニットの赤外光撮像素子１０Ａの出力と、判定手段の出力に基づき、撮像対象のイメージ情報と、特定のガス（ＣＯ_２ガス）の有無に関する情報とを画像として画像表示する。
「画像処理手段」は、ディスプレイ１１０に画像表示する画像を生成する。

「制御手段」は、上述のガスセンサユニットと、判定手段とディスプレイ１１０と画像処理手段を制御する。
制御部１００に含まれる「判定手段」、「画像処理手段」、「制御手段」は、例えば、ＣＰＵ等として構成できる。例えば、判定手段と画像処理手段を、独立したＣＰＵで構成し、これらのＣＰＵを、制御手段として別個に構成されたＣＰＵにより制御して、各手段の機能を実行させるようにすることができる。
あるいはまた、制御部１００を「マイクロコンピュータ」として構成し、このマイクロコンピュータに機能領域として、判定手段、画像処理手段、制御手段を設定し、制御手段により機能手段や画像処理手段の制御を行うようにすることもできる。

図１に示されたように、赤外光撮像素子１０Ａの出力、受光素子１０Ｂの出力は、制御部１００に入力する。制御部１００の制御手段は、赤外光撮像素子１０Ａの出力により赤外光画像を構成する。説明中の例では、マンホール等の地下空間が撮像対象であるので、上記の如く構成される赤外光画像は「地下空間の画像」である。
制御部１００に含まれる判定手段は、制御部１００に入力する受光手段１０Ｂの出力に基づき、前記地下空間におけるＣＯ_２ガスの有無を判定する。
この判定は、１例として以下のように行われる。即ち、前述の如く、受光素子１０Ｂの出力が「ＣＯ_２ガスがない場合における値を基準値：０として校正」されているものとすると、受光素子１０Ｂの出力（≦０）の絶対値をＳＢとすれば、該絶対値：ＳＢの大きさにより、ＣＯ_２ガスの濃度（％）がわかる。
空気中に自然に存在するＣＯ_２ガスの濃度は０．０３８％程度であることが知られており、前述した「ＣＯ_２ガス中毒」を引き起こす濃度は３％〜５％以上とされている。

そこで、例えば、予め、ＣＯ_２濃度のレベル：ＬＶ１、ＬＶ２、ＬＶ３を、
ＬＶ１ １％未満 安全
ＬＶ２ １％以上２％未満 注意
ＬＶ３ ３％以上 危険
の如く定め、レベル：ＬＶ１に対して緑色、レベル：ＬＶ２に対してオレンジ色、レベル：ＬＶ３に対して赤色を用意する。
そして、判定手段は「濃度レベルＬＶ１ １％未満 安全」、「濃度レベルＬＶ２ １％以上２％未満 注意」、「濃度レベルＬＶ３ ３％以上 危険」の３種のメッセージを用意し、これらのメッセージの何れかと各レベルに対応する色を判定結果に応じて出力する。

制御部１００の制御手段は、画像処理手段を制御して、ディスプレイ１１０に画像表示する画像を生成する。
画像処理手段では、赤外光撮像素子１０Ａの出力に応じて得られる赤外光画像（マンホール等の地下空間の状態）と、判定手段の出力とに基づき「撮像対象のイメージ情報と、特定のガス（ＣＯ_２ガス）の有無に関する情報」とを画像として生成する。

１例を挙げれば、判定手段の出力が「濃度レベルＬＶ１ １％未満 安全」である場合には、前記赤外光画像を「緑色画像」として表示し、この緑色画像に重ね合わせて「濃度レベルＬＶ１ １％未満 安全」の文字によるメッセージを表示する。
同様に、判定手段の出力が「濃度レベルＬＶ２ １％以上２％未満 注意」である場合には、前記赤外光画像を「オレンジ色画像」として表示し、このオレンジ色画像に重ね合わせて「濃度レベルＬＶ２ １％以上２％未満 注意」の文字によるメッセージを表示する。また、判定手段の出力が「濃度レベルＬＶ３ ３％以上 危険」である場合には、前記赤外光画像を「赤色画像」として表示し、この赤色画像に重ね合わせて「濃度レベルＬＶ３ ３％以上 危険」の文字によるメッセージを表示する。
ディスプレイ１１０に表示される上記の画像のうち、緑色、オレンジ色、赤色の各色画像は「撮像対象のイメージ情報」であり、これらの画像に重畳される各メッセージは「ＣＯ_２ガスの有無に関する情報」である。
なお、ディスプレイ１１０に表示される画像の「コントラストや輝度、生成された画像の表示形態」は、図示を省略された操作パネルの操作により制御手段を介して画像処理手段を制御することにより、適宜に調整できる。
また、図１に示すガス検出装置に「送信手段」を組み込み、画像処理手段により生成される画像を、外部装置に送信して外部装置のディスプレイに表示するように構成することもできる。

上に説明した実施の形態において、導光手段として「截頭円錐状の導光体２０」を例示したが、導光手段は、これに限らず、図２、図３に例示するような種々のものが使用可能である。
なお、繁雑を避けるため、図２以下の図においても、混同の恐れがないと思われるものについては図１におけると同じ符号を用いる。
例えば、図２（ａ）に示す導光手段は「反射面をなす部分が回転放物面をなす導光体２０ａ」であり、大口径の側から入射する光束ＬＦＸ（光束分離手段により分離された中赤外光の結像光束）を、周面部で反射させつつ波長分離手段Ｆ１側へ導光する。
また、図２（ｂ）に示す導光手段は所謂「導光ロッド２０ｂ」であり、側面から入射する光束ＬＦＸを「斜面部２０ｂ１」で、ロッドの長手方向へ反射し、反射された光束を、ロッドの長手方向をなす側面で反射させつつ、バンドパスフィルタＦ１の側へ導光し、波長分離手段Ｆ１により波長分離された赤外光を受光素子１０Ｂで受光する。

図１に即して実施の形態を説明したガス検出装置は、検出すべきガスが「ＣＯ_２ガス」唯一種であるが、この発明のガスセンサユニット、ガス検出装置は、検出対象としてのガスが２種あるいは３種類以上であっても実施可能であることは言うまでもない。

一般に、検出すべきガスの種類をＮ（≧２）とし、その吸収波長をλｉ（ｉ＝１〜Ｎ）とする。
このような場合、例えば、図１や図２に示した「導光体とバンドパスフィルタと受光素子の組み合わせ」をＮ組用意する。そして、各組に用いられるバンドパスフィルタは「組ごとに異なる吸収波長：λｉの赤外光を波長分離」するものとし、このバンドパスフィルタと組み合わせられる受光素子は波長：λｉに受光感度を有するものを用いる。
図３（ａ）に示す例では、「図１に示した導光体とバンドパスフィルタと受光素子の組み合わせ」と同様のものが３種類組み合わせられている。
導光体２０１に組み合わせられたバンドパスフィルタＦ１１は、吸収波長：λ１の赤外光を波長分離し、受光素子１０Ｂ１は波長：λ１の赤外光に受光感度を有する。
導光体２０２に組み合わせられたバンドパスフィルタＦ１２は、吸収波長：λ２の赤外光を波長分離し、受光素子１０Ｂ２は波長：λ２の赤外光に受光感度を有する。
導光体２０３に組み合わせられたバンドパスフィルタＦ１３は、吸収波長：λ３の赤外光を波長分離し、受光素子１０Ｂ３は波長：λ３の赤外光に受光感度を有する。
各吸収波長：λ１、λ２、λ３の赤外光の強度を検出することにより、これらの吸収波長を有する３種類のガスが撮像対象に含まれるか否かを、図１に即して説明した実施の形態と同様にして検出できる。

図３（ａ）に示す例では、導光体２０１、２０２、２０３が「導光手段」を構成し、バンドパスフィルタＦ１１、Ｆ１２、Ｆ１３が「波長分離手段」を構成し、受光素子１０Ｂ１、１０Ｂ２、１０Ｂ３が「受光手段」を構成する。

図３（ｂ）に示す例では、吸収波長：λ１、λ２の波長分離を行う「波長分離手段」がバンドパスフィルタＦ１４、Ｆ１５により構成され、これらの波長：λ１、λ２に受光感度を有する受光素子１０Ｂ４、１０Ｂ５により「受光手段」が構成されている。
単一の導光体２０４は、これら波長分離手段、受光手段に光束ＬＦＸを導光する「導光手段」を構成する。
逆に、図３（ｃ）に示す例では、１つの吸収波長の波長分離を行うバンドパスフィルタＦ１６と、この波長の赤外光に対して受光感度を有する受光素子１０Ｂ６の組み合わせに対して、２つの導光体２０５、２０６を組み合わせて光束ＬＦＸの導光を行うようにしている。即ち、この場合、導光体２０５、２０６が「導光手段」を構成し、バンドパスフィルタＦ１６は単独で「波長分離手段」を構成し、受光素子１０Ｂ６は単独で「受光手段」を構成する。

導光手段としては、上に例示したもののほか、従来から知られた各種の導光手段、例えば、コーンレンズやロッドレンズ、光ファイバ、集光ミラー等およびこれらの組み合わせを適宜に用いることができる。
「導光手段と波長分離手段、受光手段の組み合わせ」として、図２（ａ）、（ｂ）に示すものや、図３（ａ）〜（ｃ）に示すものを、図１に示す「導光手段２０、波長分離手段Ｆ１、受光手段１０Ｂ」の組み合わせに代えて、適宜用いることができることは言うまでもない。

上には波長分離手段として「バンドパスフィルタ」を用いる例を示したが、これに限らず「回折を利用する波長分離手段」を用いてもよい。
図１に即して説明した実施の形態では、光束分離手段Ｆ１として「ダイクロイックフィルタ」を用い、赤外光レンズＬＩによる結像赤外光を遠赤外光成分と中赤外光成分とに分け、中赤外光成分を導光手段２０により受光手段１０Ｂに導光した。このように構成した理由は、有無を検出すべきガスがＣＯ_２ガスであり、その吸収波長：４．２６μｍが中赤外光の波長領域に含まれるからである。

例えば、２．５μｍ〜７μｍ程度（中赤外光と遠赤外光の波長領域を含む。）の波長領域において、上記ＣＯ_２ガス以外に、遠赤外光の波長領域に吸収波長：λＡを持つガス（仮にＡガスと称する。）をも「有無の検出対象」とする場合も考えられる。
この場合には、光束分離手段として「通常の半透鏡」を用い、中赤外光成分と遠赤外光成分を含む赤外光全体を、反射と透過により光束分離し、光束分離された赤外光光束を、例えば、図３（ｂ）に示す如き導光手段２０４により導光する。
「波長分離手段」を構成するバンドパスフィルタＦ１４、Ｆ１５のうち、バンドパスフィルタＦ１４には「４．２６μｍとその近傍の波長の赤外光（中赤外光）を選択的に透過させるバンドパスフィルタ」を用い、バンドパスフィルタＦ１５には「Ａガスの吸収波長：λＡμｍとその近傍の波長の赤外光（遠赤外光）を選択的に透過させるバンドパスフィルタ」を用いる。

また「受光手段」を構成する受光素子１０Ｂ４、１０Ｂ５のうち、受光素子１０Ｂ４としては波長：４．２６μｍの中赤外光に受光感度を有するものを用い、受光素子１０Ｂ５としては波長：λＡμｍの遠赤外光に受光感度を有するものを用いる。

この場合、「赤外光撮像素子」は、遠赤外光のみに感度を有するものを用いてもよいし、遠赤外光と中赤外光とに感度を有するものを用いてもよい。

上には、図１を参照して、マンホール等の地下空間の状態を撮像対象とし、地下空間にＣＯ_２ガスがどの程度存在するかを検出する場合を説明した。
この発明のガス検出装置は、このような場合に限定されるものでないことは勿論であり、種々の用途に使用できる。
例えば「火山から噴出される噴煙中に含まれるガスの種類や濃度を検出」する用途を持ったガス検出装置も実施可能である。
図４に、このような場合のガス検出装置の実施の１形態を示す。
繁雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては、図４においても図１〜図３におけると同一の符号を用いている。
火山から噴出する噴煙に含まれているガスは種々のものがあるが、水蒸気、Ｈ_２Ｓ（硫化水素）ガス、ＣＯ_２ガスが代表的である。図４に実施の形態を示すガス検出装置は、噴煙中の水蒸気、Ｈ_２Ｓガス、ＣＯ_２ガスの有無、濃度を検出するものである。
水蒸気の吸収波長は２．６６μｍ、ＣＯ_２ガスの吸収波長は４．２６μｍ、Ｈ_２Ｓガスの吸収波長は３．８１μｍであり、これらのガスは何れも「中赤外光の波長領域」に吸収波長を有している。

そこで、図４の実施の形態において、光束分離手段ＳＰとしては「遠赤外光成分を透過させ、中赤外光成分を反射するダイクロイックミラー」を用いる。また、赤外光撮像素子１０Ａとしては、遠赤外光に対して受光感度を有するものを用いる。

図４において、符号２００で示すのは「導光手段と波長分離手段と受光手段」の部分であり、便宜上、以下において検出部２００と称する。
検出部２００は、図３（ａ）に示すタイプのものである。以下、図３（ａ）を参照して検出部２００の説明を行う。
図３（ａ）において導光体２０１に組み合わせられたバンドパスフィルタＦ１１は、吸収波長：２．６６μｍ（λ１とする。）の赤外光を波長分離し、受光素子１０Ｂ１は波長：２．６６μｍの赤外光に受光感度を有する。導光体２０２に組み合わせられたバンドパスフィルタＦ１２は、吸収波長：３.８１μｍ（λ２とする。）の赤外光を波長分離し、受光素子１０Ｂ２は波長：３．８１μｍの赤外光に受光感度を有する。
導光体２０３に組み合わせられたバンドパスフィルタＦ１３は、吸収波長：４．３６μｍ（λ３とする。）の赤外光を波長分離し、受光素子１０Ｂ３は波長：４．３６μｍの赤外光に受光感度を有する。
吸収波長：λ１（＝２．６６μｍ）、λ２（＝３．８１μｍ）、λ３（＝４．３６μｍ）の赤外光の強度を検出することにより、これらの吸収波長を有する３種類のガス（水蒸気、Ｈ_２Ｓガス、ＣＯ_２ガス）が撮像対象に含まれるか否かを、図１に即して説明した実施の形態と同様にして検出できる。
即ち、図４に示すように、検出部２００の受光手段（受光素子１０Ｂ１、１０Ｂ２、１０Ｂ３）からの出力を、制御部１００に取り込み、受光手段の各受光素子の出力に対して設定された基準値：０に対する相対的な差により、各ガスの有無、濃度を検出できる。
そして、このように検出された各ガスの濃度値と、赤外光撮像素子１０Ａにより撮像された遠赤外光画像に対し、検出された各ガスの濃度を重畳させてディスプレイ１１０に画像表示させる。

図５は、ディスプレイの表示部１１０Ａに表示された画像の１例である。火山ＶＯＬから噴出された噴煙ＧＳが含む、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、炭酸ガス（ＣＯ_２）、硫化水素ガス（Ｈ_２Ｓ）の濃度が％単位で表示されている。

判定は、例えば、上述した例の場合と同様に行うことができる。即ち、受光素子１０Ｂ１、１０Ｂ２、１０Ｂ３の各出力に対し、それぞれ、水蒸気、Ｈ_２Ｓガス、ＣＯ_２ガスがない場合における値を基準値：０として、それぞれ校正しておけば、受光素子１０Ｂ１、１０Ｂ２、１０Ｂ３の出力（≦０）の絶対値：ＳＢ１、ＳＢ２、ＳＢ３の大きさにより、水蒸気、Ｈ_２Ｓガス、ＣＯ_２ガスの濃度（％）がわかる。
ところで、撮像対象が放射する輻射の強度は、撮像対象の温度：Ｔの４乗に比例して変化する。上に説明した地下空間の場合、大深度と呼ばれる程の深さになると、空間内の温度は四季を通じて略一定しており、撮像対象の温度は一定と考えられ、このような場合には上記「基準値：０」は、定数として扱うことができる。

地下空間の場合でも、マンホールのように比較的浅い場合には、その温度は四季を通じて変化する。上に説明した火山ガスが撮像対象であるような場合には、撮像対象の温度は数百度ないしそれ以上の温度範囲で変化する。

このように、撮像対象の温度が「撮像状況により変化する」場合には、上記基準値：０は「撮像対象の温度：Ｔ」の関数として扱う必要がある。

例として、噴煙中の水蒸気の場合を説明すると、噴煙温度：Ｔの水蒸気から放射される赤外光の「吸収波長における強度」を予め実測値として測定し、基準値：０（Ｔ）として「温度：Ｔの関数式もしくはテーブル」として、制御手段のメモリに記憶させておく。

そして、噴煙中の水蒸気の温度：Ｔを測定して、測定された温度：Ｔに応じた基準値：０（Ｔ）を用いて、噴煙中の水蒸気の濃度を測定することができる。
撮像対象の温度の測定には、公知の適宜の温度測定手段を用いて行うことができるが、赤外光撮像素子１０Ａ等を「遠赤外光に受光感度を有するサーモパイルの素子を２次元的に配置したもの」で構成すれば赤外光撮像素子の出力から「撮像対象の温度：Ｔ（必要に応じて、平均演算により平均温度として求める。）」を特定することができ、この温度：Ｔにより基準値：０（Ｔ）を特定して、撮像対象における各種ガスの有無・濃度を測定することができる。

以上の如く、この発明によれば以下の如きガスセンサユニット、ガス検出装置を実現できる。

［１］
撮像対象の赤外光画像の撮像と、前記撮像対象における特定のＮ（≧１）種のガスの有無の検出に用いるガスセンサユニットであって、中赤外光および遠赤外光に対して正レンズ機能を持つ赤外光レンズ（ＬＩ）と、該赤外光レンズによる結像光束を、複数の光束に分離する光束分離手段（ＳＰ）と、該光束分離手段により分離された一部の結像光束による赤外光画像を撮像する赤外光撮像素子（１０Ａ）と、前記Ｎ種のガスによる吸収波長：λｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の赤外光に対する受光感度を有する受光手段（１０Ｂ、１０Ｂ１、１０Ｂ２、１０Ｂ３）と、前記光束分離手段により分離された他の結像光束を前記受光手段に向けて導光する導光手段（２０、２０１、２０２、２０３）と、該導光手段により導光される光束から、前記吸収波長：λｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の赤外光を分離する波長分離手段（Ｆ１、Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ１３）と、を有するガスセンサユニット（図１、図４）。

［２］
［１］記載のガスセンサユニットであって、前記Ｎ（≧１）種のガスは、中赤外光の波長領域に吸収波長：λｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を有するガスセンサユニット（図１、図４）。

［３］
［２］記載のガスセンサユニットであって、前記光束分離手段（ＳＰ）は、前記赤外光レンズ（ＬＩ）による結像光束を、遠赤外光成分と中赤外光成分に分離するフィルタであるガスセンサユニット（図１、図４）。

［４］
［１］〜［３］の何れか１に記載のガスセンサユニットであって、前記受光手段（１０Ｂ、１０Ｂ１、１０Ｂ２、１０Ｂ３）は、受光素子Ｐｄｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を有し、受光素子Ｐｄｉは前記吸収波長：λｉに受光感度を有するガスセンサユニット（図１、図４）。

［５］
［１］〜［４］の何れか１に記載のガスセンサユニットであって、導光手段は、Ｍ（１≦Ｍ）個の導光体（２０、２０ａ、２０ｂ、２０１０，２０２，２０３）であるガスセンサユニット（図２、図３）。

［６］
［５］記載のガスセンサユニットであって、受光手段が２以上の受光素子（１０Ｂ４、１０Ｂ５）を有し、導光手段（２０４）が、複数の受光素子に共通化されているガスセンサユニット（図３（ｂ））。

［７］
［５］記載のガスセンサユニットであって、導光手段をなす複数の導光体（２０５、２０６）により導光される受光素子（１０Ｂ６）を１以上有するガスセンサユニット（図３（ｃ））。

［８］
撮像対象の赤外光像の撮像と、前記撮像対象における特定のＮ（≧１）種のガスの有無を検出するガス検出装置であって、請求項１ないし７の何れか１項に記載のガスセンサユニットと、前記ガスセンサユニットの前記受光手段の出力に基づき前記特定のＮ種のガスの有無を判定して出力する判定手段と、該ガスセンサユニットの前記赤外光撮像素子の出力と、前記判定手段の出力に基づき、前記撮像対象のイメージ情報と、前記特定のＮ（≧１）種のガスの有無に関する情報とを画像表示するディスプレイ手段（１１０）と、該ディスプレイ手段に画像表示する画像を生成する画像処理手段と、前記ガスセンサユニットと前記判定手段と前記ディスプレイ手段と前記画像処理手段を制御する制御手段と、を有するガス検出装置（図１、図４）。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、図１に示す実施の形態において、光束分離手段ＳＰとして、中赤外光成分を反射し、遠赤外光成分を透過させるダイクロイックフィルタを用いたが、これに限らず、例えば半透鏡のように、結像光束を単純に透過と反射とにより分離せてもよい。この場合には、赤外光撮像素子１０Ａに結像する赤外光は、遠赤外光成分も中赤外光成分も含むことになるし、導光手段に入射する光束も遠赤外光成分と中赤外光成分を含む。

あるいはまた、鏡面内に「赤外光透過部やスリット等の開口部」を有する「孔あきミラー」等を光束分離手段として用いてもよい。

この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

ＬＩ 赤外光レンズ
ＳＰ 光束分離手段
１０Ａ 赤外光撮像素子
１０Ｂ 受光手段（受光素子）
Ｆ１ 波長分離手段
２０、２０ａ、２０ｂ 導光手段（導光体）
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６ 導光体

特開２００２−２２６５２号公報 特許第５５７３３４０号公報 特許第５０９６１２６号公報

Claims (8)

1. 撮像対象の赤外光画像の撮像と、前記撮像対象における特定のＮ（≧１）種のガスの有無の検出に用いるガスセンサユニットであって、
   中赤外光および遠赤外光に対して正レンズ機能を持つ赤外光レンズと、
   該赤外光レンズによる結像光束を複数の光束に分離する光束分離手段と、
   該光束分離手段により分離された一部の結像光束による赤外光画像を撮像する赤外光撮像素子と、
   前記Ｎ種のガスによる吸収波長：λｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の赤外光に対する受光感度を有する受光手段と、
   前記光束分離手段により分離された他の結像光束を前記受光手段に向けて導光する導光手段と、
   該導光手段により導光される光束から、前記吸収波長：λｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の赤外光を分離する波長分離手段と、
   を有するガスセンサユニット。
2. 請求項１記載のガスセンサユニットであって、
   前記Ｎ（≧１）種のガスは、中赤外光の波長領域に吸収波長：λｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を有するガスセンサユニット。
3. 請求項２記載のガスセンサユニットであって、
   前記光束分離手段は、前記赤外光レンズによる結像光束を、遠赤外光成分と中赤外光成分に分離するフィルタであるガスセンサユニット。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のガスセンサユニットであって、
   前記受光手段は、受光素子Ｐｄｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を有し、受光素子Ｐｄｉは前記吸収波長：λｉに受光感度を有するガスセンサユニット。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のガスセンサユニットであって、
   導光手段は、Ｍ（１≦Ｍ）個の導光体であるガスセンサユニット。
6. 請求項５記載のガスセンサユニットであって、
   受光手段が２以上の受光素子を有し、
   導光手段が、複数の受光素子に共通化されているガスセンサユニット。
7. 請求項５記載のガスセンサユニットであって、
   複数の導光体により導光される受光素子を１以上有するガスセンサユニット。
8. 撮像対象の赤外光像の撮像と、前記撮像対象における特定のＮ（≧１）種のガスの有無を検出するガス検出装置であって、
   請求項１ないし７の何れか１項に記載のガスセンサユニットと、
   前記ガスセンサユニットの前記受光手段の出力に基づき前記特定のＮ種のガスの有無を判定して出力する判定手段と、
   該ガスセンサユニットの前記赤外光撮像素子の出力と、前記判定手段の出力に基づき、前記撮像対象のイメージ情報と、前記特定のＮ（≧１）種のガスの有無に関する情報とを画像表示するディスプレイ手段と、
   該ディスプレイ手段に画像表示する画像を生成する画像処理手段と、
   前記ガスセンサユニットと前記判定手段と前記ディスプレイ手段と前記画像処理手段を制御する制御手段と、を有するガス検出装置。

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