JP3776681B2

JP3776681B2 - ガス監視装置

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Publication number: JP3776681B2
Application number: JP2000169023A
Authority: JP
Inventors: 哲也長島; 雅則奥山
Original assignee: Hochiki Corp
Current assignee: Hochiki Corp
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2020-06-06
Also published as: JP2001349829A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配管等から漏洩したプロパンやブタン等の可燃性ガスを監視カメラで撮像し、ガスの存在を示すガスイメージをリアルタイムで表示するガス監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガス検知器では、一つの検知器が監視できる領域が狭く、ガスがその検知器に到達しない限りは検知は不可能という欠点のため、風向きや設置位置によってはガス漏れの際の失報に繋がる危険性があった。また例えばガス精製所等においては非常に多数のガス検知器の設置が必要となり、費用的な問題も大きかった。
【０００３】
このような問題点を解決するため、遠隔よりガス漏れの存在を監視するガス可視化装置が提案されている（特開平６−２８８８５８号公報）。このガス可視化装置では、測定対象ガスの吸収波長をもつ赤外線レーザを照射するレーザ光源を用いて、背景から反射される赤外線のガス漏洩による吸収をイメージセンサで撮像し、２次元可視画像化して表示するものである。また背景の放射赤外線を利用してガスの検出を行う方法についても言及している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のガス可視化装置では、非常に大型で強力なレーザ光源が必要であり、価格的な問題が大きい。また、天候状態や温度により得られる２次元画像が大きく影響され、ガス漏れの発生と太陽の射し込みの区別が付きにくいという問題もあり、実際のガス監視には適していない。
【０００５】
また太陽光の射し込みと的確に区別するためには、太陽光のエネルギーを超える強いレーザ光線が必要となり、レーザから人の目や皮膚の障害を防ぐために定められている安全規格を考慮した場合、無人化された限られた場所でしか使用できないという不具合があった。
【０００６】
本発明は、大型で高価なレーザ高原を必要とせず、天候等にも影響されずに簡単且つ安全にフィールドにおけるガス漏洩を２次元的にリアルタイムで監視するガス監視装置を提供することを目的とする。
【０００７】
また本発明は、画像として検知したガスの種類を簡単に特定可能とするガス可視化装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため本発明は次のように構成する。本発明のガス監視装置は、監視領域の輻射赤外線または反射赤外線による画像を撮像する赤外線撮像装置と、透過スペクトルを可変できる波長可変フィルタと、波長可変フィルタを介して赤外線撮像装置が撮像した画像を処理することで監視領域に漏洩した測定対象ガスの存在を示すガスイメージの画像を生成する画像処理部とを備える。
【０００９】
この画像処理部は、特定の測定対象ガスにおける第１の吸収帯域に透過ピーク持つように波長可変フィルタを調整して撮像した画像と、第１の吸収帯域の近傍に透過ピークを持つよう波長可変フィルタを調整して撮像した画像との差分を演算し、監視領域の背景からの輻射赤外線または反射赤外線が測定対象ガスにより吸光された画素領域をガスイメージとする第１差分画像を生成し、さらに、測定対象ガスの吸収帯域の他の１つである第２の吸収帯域に透過ピークを持つように波長可変フィルタを調整して撮像した画像と、第２の吸収帯域の近傍に透過ピークを持つよう波長可変フィルタを調整して撮像した画像との画像間の差分を演算し、監視領域の背景からの輻射赤外線または反射赤外線が測定対象ガスにより吸光された第２差分画像を生成して、第１差分画像に第２差分画像を加算することによりガスイメージを強調する。
【００１０】
このため、例えば波長可変フィルタを備えた赤外線監視カメラと画像処理部を備えたパソコンやノートパソコンといった簡単な構成で漏洩ガスをガスイメージとしてリアルタイムに表示でき、従来の大型で大出力のレーザ光源を必要とした装置に比べ大幅な低価格化とガス漏洩現場に持ち運びできる軽量小型化を達成する。
【００１１】
また近接した２つの波長間の差分画像をとることにより、太陽の射し込みが変化したり、背景物体の温度が変わった際にも安定してガスのイメージを取得することができる。
【００１２】
勿論、従来装置のようにレーザ光線を使用しないため、人体に対するレーザ光線による安全上の問題も考慮する必要がなく、非常に扱い易い装置となる。
【００１４】
また画像処理部は、第１差分画像、および第２差分画像の中のガスの存在が検知された画素領域の明度を取り出してスペクトラム吸収特性として記憶し、予め求めている測定対象ガスの第１，２の吸収帯域におけるスペクトラム吸収特性と比較して、測定対象ガスのガス存在の確度（確からしさ）を求める。これによってガスイメージとして検知している漏洩ガスが、監視対象としている特定の測定対象ガスか否かを確度の値によって判断できる。
【００１８】
本発明のガス監視装置で使用する波長可変フィルタとしては、圧電素子等のアクチュエータの駆動により基板間隔を可変としたファブリペロー型干渉フィルタが望ましく、これ以外に回折格子または複数の狭帯域フィルタを切り替えることのできるフィルタ群を用いることができる。
【００１９】
また夜間等のように監視領域の輻射赤外線または反射赤外線が不足する場合を考慮し、監視領域に赤外線を照射する赤外線照明装置を設ける。この赤外線照明装置は、赤外線ランプで十分であり、従来の大型で大出力のレーザ光源に比べると、価格は問題にならないほど低く、また人に障害を与える恐れもなく、人通りのある場所でも、安全に使用できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のガス監視装置の設置状態の説明図である。図１において、本発明のガス監視装置は、赤外線撮像装置として機能する赤外線監視カメラ１、画像処理部を構成するパーソナルコンピュータなどを用いた画像処理装置３、ガスイメージを含む監視画像を表示するモニタ４及び赤外線照明装置５で構成される。
【００２１】
赤外線監視カメラ１のレンズユニット２内には透過スペクトルを可変することのできる波長可変フィルタが内蔵されており、この実施形態にあっては、後の説明で明らかにする基板間隔を駆動電圧の切替えで可変として透過スペクトルを変えることのできるファブリペロー型干渉フィルタを使用している。
【００２２】
もちろん波長可変フィルタとしてはファブリペロー型干渉フィルタ以外に、回折格子や複数の狭帯域フィルタを切り替えることのできるフィルタ群を使用することもできる。
【００２３】
赤外線監視カメラ１は、監視領域６として例えばガス貯蔵設備の配管などによるガス漏洩を監視している。赤外線照明装置５は、市販の赤外線ランプ等を使用しており、日中の赤外線が十分に得られている場合は必要ないが、夜間や雨天などの赤外線が少ない環境では赤外線照明装置５を点灯し、監視領域６に赤外線を照射する。この赤外線照明装置５は赤外線監視カメラ１側に設ける必要はなく、監視区域の配管などの監視場所を照明するように設置してもよい。
【００２４】
図２は本発明のガス監視装置の機能構成のブロック図である。図２において、赤外線監視カメラ１には、光学系７、波長可変フィルタ８及びＣＣＤなどの撮像素子９が設けられる。波長可変フィルタ８としてファブリペロー型干渉フィルタを使用した場合、駆動電圧源１０からの駆動電圧によって透過スペクトルのピーク波長を可変することができる。
【００２５】
画像処理装置３にはＭＰＵ１１、ＡＤ変換器１２、出力ＩＦ１３，１４、画像メモリ１５及び表示出力ＩＦ１６が設けられる。信号処理装置３のＭＰＵ１１は、プログラム制御による機能としてガスイメージ処理部２４、ガスイメージ強調部２５、測定ガス確度処理部２６及びガス種特定処理部２７を備えている。
【００２６】
ガスイメージ処理部２４は、特定の測定対象ガス、例えばプロパンを測定対象ガスとし、その吸収帯域の１つに透過ピークを持つように波長可変フィルタ８を調整して撮影した画像Ａと、この吸収帯域の近傍に透過ピークを持つように波長可変フィルタ８を調整して撮像した画像Ｂとの差分を演算し、監視領域の背景から輻射赤外線または反射赤外線が、測定対象ガスにより吸収されたガス領域をガスイメージとする差分画像ＤＦ１を生成する。
【００２７】
またガスイメージ強調部２５は、ガスイメージ処理部２４で処理対象とした測定対象ガスの吸収帯域の他の１つに透過ピークを持つように波長可変フィルタ８を調整して撮像した画像Ｃと、その吸収帯域の近傍に透過ピークを持つように波長可変フィルタ８を調整して撮像した画像Ｄとの画像間の差分を演算し、同様に監視領域の背景から輻射赤外線または反射赤外線が、測定対象ガスにより吸収された差分画像ＤＦ２を生成し、この生成した差分画像ＤＦ２をガスイメージ処理部２４で生成している差分画像ＤＦ１に加算し、ガスイメージを強調する。
【００２８】
測定ガス確度処理部２６は、ガスイメージ処理部２４及びガスイメージ強調部２５によりガスイメージの差分画像が生成された後、波長可変フィルタ８の透過ピークの調整で撮像された複数の画像、例えば画像Ａ，Ｂ，Ｃのガスの存在が検知されたガス領域の画素について、画素の明度データの総和を求めるなどして明度を取り出し、この明度を各波長ごとのスペクトル吸収特性として画像メモリ１５に記憶し、画像メモリ１５に予め記憶している測定対象ガスのスペクトル吸収特性と比較し、ガス存在の確かさを示す確度を求めてモニタ上に表示させる。
【００２９】
更にガス種特定処理部２７は、ガスイメージ処理部２４、更にガスイメージ強調部２５により検知されたガスの種類を特定する処理を行う。即ちガス種特定処理部２７は、波長可変フィルタ８の透過ピークを赤外領域の波長範囲で微小間隔をおいて複数設定することにより複数の画像を撮像し、撮像した複数の画像の中のガスの存在が検知されたガス領域について、各ガスの明度の総和を求めるなどして明度を取り出し、これをスペクトル吸収特性として記憶し、予め求めている複数種類のガスのスペクトル吸収特性と比較してガス種を特定する。
【００３０】
このガス種の特定については、波長可変フィルタ８の透過ピークを赤外波長域で微小波長間隔をおいて複数設定することにより複数の画像を撮像する際に、比較的短い波長間隔を持った２つの波長で得られた差分画像から明度を取り出して各波長スペクトル吸収特性として記憶し、予め求めている複数種類のガスのスペクトル吸収特性と比較してガス種を特定するようにしてもよい。
【００３１】
図３は図２の赤外線監視カメラ１の内部構造を透視状態で表わしている。赤外線監視カメラ１は、レンズユニット２に、対物レンズ７ａ、波長可変フィルタ８及び結像レンズ７を設けており、本体側に撮像素子９として例えばＣＣＤを備えている。
【００３２】
図４は図３の波長可変フィルタ８を取り出したもので、ファブリペロー型干渉フィルタを使用している。この波長可変フィルタ８はレンズ枠の中に所定の基板間隔を隔てて２枚のガラス基板１７，１９を配置しており、ガラス基板１７，１９の内面には反射層を形成する金属膜が蒸着されている。
【００３３】
ガラス基板１７，１９の基板間隔は圧電素子２１を用いたアクチュエータによりミクロンオーダの範囲で可変することができる。圧電素子２１を用いたアクチュエータはレンズ枠の３箇所に均等に配置されており、ガラス基板１７，１９を平行間隔を保ったまま基板距離を可変することができる。
【００３４】
図５は図４の波長可変フィルタ８を構成するファブリペロー型干渉フィルタの原理構造である。図５において、ファブリペロー型干渉フィルタを構成する波長可変フィルタ８は、Ａｕなどの金属膜１８，２０を蒸着した一対のガラス基板１７，１９を周囲に配置したアクチュエータとしての圧電素子２１を介して対向配置し、その間にｄ１の空隙を形成している。圧電素子２１は外部の駆動電圧源１０による直流電圧の印加を受けて間隙ｄ１を変化させることができる。
【００３５】
この波長可変フィルタ８は、ガラス基板１７側からの入射光に対し、金属膜１８，２０を光が透過することによって生ずる多重干渉に起因して、複数種類のスペクトルを有する光が間隔ｄ１に対応して選択的に透過されるようになる。
【００３６】
図６は図５の波長可変フィルタ８のスペクトル特性であり、駆動電圧源１０から圧電素子２１に加わる駆動電圧を２段階に切り替えることで間隔ｄ１を変えて、実線のスペクトル特性と破線のスペクトル特性を得ることができる。
【００３７】
本発明のガス監視装置にあっては、プロパンやブタンなどの測定対象ガスが、その分子構造の特徴を表わす吸収スペクトルを赤外線域に持つ点に着眼し、この赤外線光分光を利用して漏洩ガスのガスイメージを生成する。
【００３８】
図７は本発明の測定対象ガスとしてプロパンを例にとって、その赤外線域での吸収スペクトルを表わしている。
【００３９】
図７の吸収スペクトルを持つプロパンにつき本発明の波長可変フィルタ８は、まずプロパンの特徴吸収スペクトル帯域であるλ１＝３．４μｍに透過ピークを持つように調整する。ここで図７の吸収スペクトルは、横軸に波数「ｃｍ−１」と、その逆数となる波長λ［μｍ］をプロットしている。
【００４０】
このように波長可変フィルタ８をλ１＝３．４μｍに透過ピークを持つように調整した状態で、波長可変フィルタ８を介して監視領域の画像Ａを撮像し、画像メモリ１５に記憶する。この画像Ａは、監視領域の背景からの輻射赤外線または反射赤外線の画像であり、測定対象ガスが存在する領域では輻射赤外線または反射赤外線の吸光された背景がガスイメージとして撮像される。
【００４１】
次に波長可変フィルタ８をプロパンの吸収スペクトル以外の波長、例えば図７のλ２＝４．０μｍとなるように透過ピークを調整し、この状態で波長可変フィルタ８を介して監視領域の画像を画像Ｂとして撮像して画像メモリ１５に記憶する。この画像Ｂは、監視領域の背景からの輻射赤外線または反射赤外線の画像であり、測定対象ガスが存在しても、輻射赤外線または反射赤外線は吸光されず、背景のみが撮像される。
【００４２】
図８（Ａ）（Ｂ）は、駆動電圧を切替えて波長可変フィルタ８の透過ピークをλ１＝３．４μｍとλ２＝４．０μｍに可変し、画像Ａ，Ｂを撮像する場合のガス吸収スペクトルとの対応関係を表わしている。
【００４３】
図９は図２のＭＰＵ１１に設けたガスイメージ処理部２４の機能を表わしている。画像メモリ１５には図８（Ａ）（Ｂ）のように、プロパンに吸収スペクトル帯域であるλ１＝３．４μｍに透過ピークを持つように調整された波長可変フィルタ８を介して撮像された画像データＡと、吸収スペクトル以外の波長例えばλ２＝４．０μｍに透過ピークを持つように調整された波長可変フィルタ８を介して撮像された画像データＢが格納されている。
【００４４】
この画像データＡ，Ｂにつき、差分画像生成部２２が２つの画像データＡ，Ｂの各画素間の差分を演算し、差分画像データＤＦ１を画像メモリ１５に記憶する。この差分画像データＤＦ１は表示処理部２３により読み出され、モニタ４に表示される。
【００４５】
図１０は、図９のガスイメージ処理部２４の処理機能によって生成される処理画像の説明図である。図１０（Ａ）が波長帯域を制限しない通常の可視画像であり、ガス配管２８とその背景３０を表わし、背景３０は説明を簡単にするため斜線で表わしている。
【００４６】
図１０（Ｂ）は、図８の（Ａ）（Ｂ）のように、プロパンの特徴吸収スペクトル帯域であるλ１＝３．４μｍに波長可変フィルタ８の透過ピークを調整して撮像した画像Ａであり、配管２８ａから漏洩したプロパンガスによって背景３０ａからの輻射赤外線または反射赤外線が吸収され、プロパンの存在する領域だけが明度の落ちたガスイメージ３２ａとして背景３０ａ上に表れるため、ガスイメージ３２ａを含む背景３０ａと背景２８ａが画像Ａとして記憶される。
【００４７】
図１０（Ｃ）は、図８でプロパンの吸収スペクトル以外の波長として例えばλ２＝４．０μｍに透過ピークを持つように波長可変フィルタ８を調整して撮像した画像Ｂであり、この画像には漏洩ガスによる背景からの輻射赤外線及び反射赤外線の吸収はないことから、透過ピークの帯域を通った明度の背景３０ｂが配管２８ｂと共に得られる。
【００４８】
そして本発明のガスイメージ処理にあっては、例えば図１０（Ｃ）の画像Ｂから図１０（Ｂ）の画像Ａを差し引く差分処理、即ち各画素毎の差分をとることで差分画像ＤＦ１を生成して記憶する。この差分画像ＤＦ１は、図１０（Ｄ）のように、画像Ｂの背景３０ｂの部分を画像Ａのガスイメージ３２ａの領域でほぼ切り出したことに相当するガスイメージ３２が残った画像として得られる。尚、実際は、背景の輻射赤外線または反射赤外線もごくわずかにλ１とλ２におけるエネルギー量が異なることから、ガスイメージ３２以外に配管や背景が、ごく僅かであるが画像として得られる。
【００４９】
このように本発明のガスイメージ処理によれば、生成された差分画像の中に配管から漏洩しているプロパンガスの存在がガスイメージ３２として見ることができる。
【００５０】
ここで画像Ａと画像Ｂは非常に短い間隔をおいて撮像されるため、昼間にあっても光源となる太陽光の揺らぎなどに影響されることなく、ガスの存在箇所を示すガスイメージ３２のみを表示することができる。
【００５１】
また本発明により得られる画像はガスが存在する場合にだけガスイメージ３２の信号成分が表れることから、従来行っているガスのない場合の画像と比較して変化があったら警報を出すというような自動警報に必要な背景処理を別途必要とすることがなく、画像によるガス監視の処理を簡単且つ容易に実現することができる。
【００５２】
また太陽光が十分に得られない夜間や曇りもしくは雨などの場合には、赤外線照明装置５を点灯して監視領域に赤外線照明を加えるが、赤外線照明装置５の光源としては安価な赤外線ランプで十分であり、従来の大型で非常に高価なレーザ光源を使用した装置に比べ、赤外線照明装置のコストは極めて僅かであり、またレーザ光源で問題となっていた安全上の問題も一切生じない。
【００５３】
もちろん本発明のガス監視装置は、フィールドにおけるガス漏れ監視のみならず、クリーンルームなどの室内監視にも適用でき、この場合には赤外線照明装置を常時点灯することにより、十分な反射赤外線及び輻射赤外線が撮像できる環境を作り出せばよい。
【００５４】
更に、図１０（Ｄ）のガスイメージ３２については、所定のカラーで着色する画像処理を施すことによりカラーガスイメージとして表示し、明瞭にガスイメージが認識できるようにしてもよい。
【００５５】
ところで本発明のガス監視装置によれば、ガスの二次元的な監視表示が実現できるが、１つの吸収スペクトルの波長を中心とした測定ではガスの種類をただ１つに特定することができない。例えば図７に示したように、プロパンはλ１＝３．４μｍに吸収スペクトルを持つことは分かっているが、この帯域に吸収スペクトルを持つガスはプロパンだけではなく、例えば図１１に示すブタンでもλ１＝３．４μｍに吸収スペクトルを持っている。しかしながら両者を比較してみると、５〜１１μｍの波長帯域でのスペクトルに違いが見られる。
【００５６】
そこで図２に示したＭＰＵ１１にあっては、ガスイメージ処理部２４の処理が終了した後、必要であればガスイメージ強調部２５により図７のプロパンの第２の吸収スペクトルであるλ３＝６．８μｍを中心にガスイメージを求める。即ち、ガスイメージ処理部２４によりλ１＝３．４μｍとλ２＝４．０μｍの差分画像ＤＦ１を記憶した後、波長可変フィルタ８を図８（Ｃ）のようにλ３＝６．８μｍ及びλ４＝７．５μｍに透過ピークを持つよう調整して、それぞれ同じ領域の画像Ｃ，Ｄを撮像し、その差分画像ＤＦ２を求める。
【００５７】
このようにして求めた第２の差分画像ＤＦ２を、既に求めている第１の差分画像ＤＦ１に加算して、新たなガスイメージを求める。このような２つの差分画像の加算により求めたガスイメージは、プロパンとしての確率に応じた明度を持って表示される。
【００５８】
即ち測定対象ガスがプロパンであった場合には、２つの差分画像のガスイメージの明度が加算されることで、１つの差分画像の場合に比べ、より明るいガスイメージを得ることができる。
【００５９】
これに対し測定対象ガスが図１１のブタンであった場合には、最初の波長λ１＝３．４μｍとλ２＝４．０μｍの差分画像については、ある明度を持ったガスイメージが得られるが、次のλ３＝６．８μｍとλ４＝７．５μｍからの差分画像については吸収スペクトルでないことから差分によるガスイメージが得られず、これを最初の差分画像ＤＦ１に加えてもガスイメージの明度は変わらない。
【００６０】
このため、ガスイメージ強調処理を行ってガスイメージの明度が増加したらプロパンガスであることが特定でき、これに対しガスイメージの強調処理を行ってもガスイメージの明度が変化せずに暗い場合にはプロパンガスではなく、それ以外のガスであることが分かる。
【００６１】
この場合、プロパンガス以外のガスであった場合には、例えば図１１のブタンにおける特有の吸収波長と、その近傍に透過ピークを調整して差分画像を得ることで、最初の差分画像に加えることでガスイメージの明度が明るくなり、これによってブタンであることも特定できる。
【００６２】
図１２は、図１１の吸収スペクトルを持つブタンガスについて、波長λ１＝３．４μｍとλ２＝４．０μｍに波長可変フィルタ８を調整して得られた画像の差分画像の実際の表示写真であり、噴出したブタンガスがリアルタイムでモニタ上に表示されている。
【００６３】
このように、従来、大出力で高価なレーザ光源を必要としたガスイメージの表示が、本発明にあっては非常に簡単で且つ小型の装置によって手軽にガスイメージとしてリアルタイムで表示することができ、ガス漏れの監視を極めて容易で且つ適切なものにすることができる。
【００６４】
図１３は、図２のＭＰＵ１１に設けている測定ガス確度処理部２６の処理機能を説明したものである。測定ガス確度処理部２６は、ガスイメージ処理部２４及びガスイメージ強調部２５によるガスイメージの生成処理が終了した段階で、オペレータがガス確度の処理要求を行った際に、波長ごとの吸収スペクトルを詳細に測定することによりガスの存在する確かさである確度を求める。
【００６５】
即ちガスイメージング処理により、例えば図１０（Ｄ）の差分画像のようにガスイメージ３２が表示されたガスの存在が確認できた領域に着目し、測定対象としているガスの複数の波長における吸収度を測定し、この測定結果を予めリファレンスとして記憶してある測定対象ガスの吸収度と比較することにより、特定の測定対象ガスであることの確度を求める。
【００６６】
例えば測定対象ガスとして図７に示したスペクトル特性のプロパンを測定対象ガスとした場合、プロパンの特徴を表す波長としてλ１＝３．４μｍ、λ２＝４．０μｍ、及びλ３＝６．８μｍの３つの波長を設定し、各波長における透過量（パーセンテージ）をＬｘ，Ｌｙ，Ｌｚとした場合、図１３の各波長の吸収度を座標軸とする三次元空間のリファレンスガス座標Ｐ（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）として記憶しておく。
【００６７】
この状態でガスイメージ処理によって図１０（Ａ）の差分画像に表示されたガスイメージ３２からプロパンガスの存在を確認できた領域のガスについて、波長可変フィルタの透過ピークをλ１＝３．４μｍに調整した際の画像Ａ、λ２＝４．０μｍに調整した際の画像Ｂ及びλ３＝６．８μｍに調整した際の画像Ｃのそれぞれについて、明度（Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ）を測定する。
【００６８】
このような画像Ａ，Ｂ，Ｃについての明度の測定結果が、例えばＬａ＝７０％、Ｌｂ＝２％、Ｌｃ＝１０％となったとすると、この３つの明度を三次元座標値（Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ）＝（７０％，２％，１０％）とするＱ点を図１３の三次元座標に設定する。
【００６９】
そして測定ガス座標Ｑとリファレンスガス座標Ｐとの三次元空間上の距離Ｒを算出し、この距離Ｒが測定されたガスがプロパンであることの確度を表す値とする。このようにして算出された確度Ｒは、測定ガス座標Ｑがリファレンスガス座標Ｐに近いほどプロパンである可能性が高いことが示される。
【００７０】
この実施例では測定する波長として３つの波長を例にとっているが、ガスの存在する確度を求めるために測定する波長は幾つでもよく、測定する波長数に対応したｎ次元空間での測定点と予め求めたリファレンスデータとしての基準点との間の距離として確度を求めて判定する。
【００７１】
また図１３のように、波長数で決まる座標空間でのリファレンスデータと測定データとの間の距離を確度として算出する方法以外にも、例えば測定波長ごとの吸収度とガスの存在確度との関係を多項式として表すことも可能である。
【００７２】
このようにしてガスの確度を求めて測定対象ガスの存在を確認した後は、オペレータの指示要求に基づき、ガスイメージとして検知されたガスの種類の特定を行う処理に進む。
【００７３】
このガスの種類の特定を行う処理は、図２のＭＰＵ１１に設けたガス種特定処理部２７により行われる。ガス種特定処理部２７は、ガスイメージ処理によって図１０（Ｄ）の差分画像ＤＦ１のようにガスイメージ３２が表示されてガスの存在が確認された領域に着目し、このガスの存在が確認された領域のスペクトル特性を詳細に測定することによりガスの種類の特定を行う。
【００７４】
具体的には、波長可変フィルタ８の透過ピークを微小間隔Δλを置いて変化させ、その都度、波長可変フィルタ８を介して監視対象の画像を撮像し、撮像した画像の中のガスの存在領域を明度を求めて波長可変フィルタ８の透過ピーク波長と関連付けて、これをフィールドのスペクトル吸収特性として記憶する。
【００７５】
一方、波長可変フィルタ８の透過ピークを微小間隔Δλを置いて変化させるときの各波長の特性を複数種類のガスについて予め求め、これをリファレンスデータとして記憶しておく。そしてフィールドのスペクトル吸収特性として記憶された測定結果とリファレンスデータとして予め記憶された複数のガスのスペクトル吸収特性とを比較し、フィールドで測定されたガスがどのようなガス種であるかを特定する。
【００７６】
ここでフィールドのスペクトル吸収特性は、波長可変フィルタ８を介して撮像された画像の明度をそのまま用いてもよいし、微小間隔Δλを置いて波長可変フィルタ８の透過ピークを変化させた際の差分画像の明度を用いてもよい。各波長の画像の明度を用いた場合には、後処理を必要としないことから迅速な測定ができる。また差分画像の明度を使用した場合には光源の揺らぎなどの影響を受けることなく正確にガスの種類を特定することができる。
【００７７】
図１４は、図２に示した画像処理装置３のＭＰＵ１１による本発明のガス監視処理のフローチャートである。まずステップＳ１で監視領域について赤外線照明が必要か否かチェックする。昼間の太陽光が十分に得られている監視状態にあっては、太陽光による輻射赤外線が十分に得られることから赤外線照明は必要なく、この場合にはステップＳ３に進み、赤外線照明中でなければ、ステップＳ４をスキップしてＳ５のガス監視イメージ処理に進む。もし赤外線照明装置による照明中であれば、ステップＳ４で赤外線照明を消灯する。
【００７８】
一方、夜間や雨天のように監視領域から輻射赤外線が弱まっている場合には、ステップＳ２に進み、赤外線照明装置５を点灯し、監視領域から反射赤外線が十分に得られるようにする。
【００７９】
続いてステップ５のガスイメージ処理を行う。このガスイメージ処理はガスイメージ処理部２４による処理であり、例えば図１０（Ｂ）〜（Ｄ）のように、測定対象ガスの吸収波長λ１とその近傍の波長λ２に波長可変フィルタ８の透過ピークを調整して撮像した画像Ａ，Ｂから差分画像ＤＦ１を求めて、ガスイメージを持った画像をモニタ４に表示する。
【００８０】
続いてステップＳ６でイメージ強調要求の有無をチェックし、オペレータがイメージ強調要求を行えば、ステップＳ７に進み、ガスイメージ強調処理を行う。このガスイメージ強調処理は、ＭＰＵ１１に設けているガスイメージ強調部２５による処理であり、図７のプロパンガスについて、更に、吸収波長λ３とその近傍λ４に波長可変フィルタ８の透過ピークを調整して画像を撮像して差分画像を求め、差分画像を最初に得られた差分画像に加算することでガスイメージの明度を高くする強調処理を行う。
【００８１】
次にステップＳ８で測定ガスの確度要求の有無をチェックし、オペレータが測定ガスの確度要求を行っていれば、ステップＳ９で測定ガスの確度処理を行う。この測定ガスの確度処理はＭＰＵ１１に設けている測定ガス確度処理部２６による処理となり、例えば測定対象ガスが図７のプロパンの場合には、ステップＳ５のガスイメージ処理、及びステップＳ７のガスイメージ強調処理で得られている波長λ１、λ２及びλ３の３波長の画像Ａ，Ｂ，Ｃについて、ガスの存在する領域について明度を求め、これを図１３に示した三次元空間の測定ガス座標Ｑとして設定し、リファレンスデータガス座標Ｐとの距離Ｒをガスの確度として算出して表示する。
【００８２】
更にステップＳ１０でオペレータによるガス種の特定要求の有無をチェックし、ガス種の特定要求があればステップＳ１１に進み、ガスの種類の特定処理を行う。このガス種特定処理は、ＭＰＵ１１のガス種特定処理部２７による処理となる。このようなステップＳ１〜Ｓ１１の処理は、ステップＳ１２でガス監視の停止要求があるまで繰り返される。
【００８３】
図１５は、図１４のステップＳ５のガスイメージ処理のフローチャートであり、図２のＭＰＵ１１に設けたガスイメージ処理部２４による処置となる。このガスイメージ処理は図７のスペクトル特性を持つプロパンを例にとっており、まずステップＳ１でＭＰＵ１１は出力ＩＦ１３介して駆動電圧源１０を作動し、赤外線監視カメラ１の波長可変フィルタ８に駆動電圧Ｖ１を印加し、フィルタ透過ピークを波長λ１＝３．４μｍに調整する。
【００８４】
この状態でステップＳ２で監視対象を撮像して画像Ａを画像メモリ１５に記憶する。次に駆動電圧源１０を切り替えて、波長可変フィルタ８に駆動電圧Ｖ２を印加してフィルタ透過ピークλ２＝４．０μｍに調整し、この状態ではステップＳ４で監視対象を撮像して画像Ｂを画像メモリ１５に記憶する。
【００８５】
続いてステップＳ５で画像メモリに記憶している画像Ａと画像Ｂの差分画像ＤＦ１を演算し、具体的には画像Ａと画像Ｂの各画素毎との差分を演算して差分画像ＤＦ１を求めてモニタ４に表示することで、例えば図１０（Ｄ）のようなガスイメージ３２が表示された監視画像を得ることができる。
【００８６】
図１６は、図１４のステップＳ７におけるガスイメージ強調処理のフローチャートである。このガスイメージ強調処理は、ステップＳ１で駆動電圧源１０による波長可変フィルタ８の駆動電圧Ｖ３に切り替え、フィルタ透過ピークを波長λ３＝６．８μｍに調整し、ステップＳ３で監視対象を撮像して画像Ｃを画像メモリ１５に記憶する。
【００８７】
続いてステップＳ３で波長可変フィルタ８の駆動電圧をＶ４に切り替えてフィルタ透過ピークをλ４＝７．５μｍに調整し、ステップＳ４で監視対象を撮像して画像Ｄを画像メモリ１５に記憶する。最終的にステップＳ５で画像Ｃと画像Ｄの差分画像を第２差分画像ＤＦ２として演算し、図１５のガスイメージ処理で得られている第１差分画像ＤＦ１に加算してモニタ４に表示する。
【００８８】
これによってモニタ上の表示画像のガスイメージは、λ１＝３．４μｍの吸収特性とλ３＝６．８μｍの吸収特性で切り出された背景の明度を加算した明るい画像になり、モニタ画像中のガスイメージを明瞭に表示することができる。
【００８９】
もちろん、測定対象ガスがプロパンでなく図１１に示したブタンであった場合には、λ３＝６．８μｍ及びλ４＝７．５μｍのいずれも吸収帯域ではないことから、第２差分画像ＤＦ２にはガスイメージが表れていない。このため。第２差分画像ＤＦ２を第１差分画像ＤＦ１に加算してもモニタ画面上のガスイメージは明るくならず、この場合には測定対象ガスがプロパン以外のガスであることを判断できる。
【００９０】
図１７は、図１４のステップＳ９における測定ガスの確度処理のフローチャートである。この測定ガスの確度処理にあっては、ステップＳ１で、既にガスイメージ処理及びガスイメージ強調処理によって得られている波長可変フィルタ８の透過ピーク波長λ１＝３．４μｍ、λ２＝４．０μｍ、及びλ３＝６．８μｍの画像Ａ，Ｂ，Ｃのガスの存在する領域の明度Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを各ガスの総和として演算する。
【００９１】
続いてステップＳ２で検知ガスの空間座標Ｑ（Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ）と、予め求めている測定対象ガスであるプロパンのリファレンスガスとしての空間座標Ｐ（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）との距離Ｒを算出する。そしてステップＳ３で、算出した距離Ｒを測定ガスが測定対象ガスであるプロパンであることの確かさを示す確度として表示する。
【００９２】
図１８は図１４のステップＳ１１のガス種特定処理のフローチャートである。このガス種特定処理にあっては、まずステップＳ１で波長可変フィルタ８の透過ピークの設定波長λｉの初期化を行う。即ちガス種特定処理の透過ピークの開始波長を設定する。
【００９３】
続いてステップＳ２で、波長可変フィルタの透過ピークを設定波長λｉに調整する駆動電圧を印加する。続いてステップＳ３で、波長λｉに調整した波長可変フィルタを介して得られた画像Ｇｉを撮像して画像メモリ１５に記憶する。次にステップＳ４で画像Ｇｉのガスの存在が認識された領域について明度Ｌｉを算出して、そのときの透過ピークの波長に関連付けてメモリに記憶する。
【００９４】
ステップＳ５で、予め定めた最終波長に達したか否かチェックし、達していない場合にはステップＳ６で現在の設定波長λｉに微小間隔Δλを加算して設定波長を更新し、再びステップＳ２に戻り、更新した設定波長に波長可変フィルタの透過ピークを調整して、監視領域の画像の撮像による明度の算出を繰り返す。
【００９５】
ステップＳ５で、予め定めた最終波長に達したら、ステップＳ７で、予め求めている複数種類のリファレンスガスのスペクトル吸収特性と、ステップＳ２〜Ｓ６の処理で測定したフィールドガスのスペクトル吸収特性を比較し、この比較結果から、ステップＳ８で測定ガスの種類を特定して表示する。
【００９６】
また、上記の実施形態においては、波長可変フィルタとして可変型のファブリペロー型干渉フィルタを用いたが、これを回析格子型の分光器におきかえてもよい。
【００９７】
また複数の狭帯域フィルタを切り替えることのできるフィルタ群を用いることでも実現できる。この場合には、例えば図１５に示したガス監視イメージ処理を行おうとすれば、λ１＝３．４μｍとλ２＝４．０μｍの２種類の狭帯域フィルタを順次切り替えるようにすればよい。
【００９８】
また図１８で示したガス種特定処理を行おうとすれば、Δλに相当する波長間隔をもつ複数の狭帯域フィルタを用意すればよい。
【００９９】
尚、上記の実勢形態は測定対象ガスとしてプロパン、ブタンを例にとるものであったが、これ以外に赤外線域に吸収スペクトルを持つガスであれば、任意のガスについて本発明によるガス監視がそのまま適用できる。例えば、半導体製造工程でクリーンルーム内等で使用されるシラン（ＳｉＨ₄）、ホスティン（ＰＨ₃）等の有毒ガスの監視にも適用できる。また本発明は、その目的と利点を損なわない適宜の変形を含む。更に本発明は上記の実施形態に示した数値による限定を受けない。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、透過スペクトルを可変できる波長可変フィルタを備えた赤外線監視カメラにより測定対象ガスの吸収帯域の１つとその近傍に透過ピークを持つように波長可変フィルタを調整して撮像した２つの画像の差分画像により、監視領域の背景からの輻射赤外線または反射赤外線が測定対象ガスにより吸収されたガス領域をガスイメージとして表示することができ、簡単な装置で確実にフィールド系におけるガス漏洩を二次元的にリアルタイムで監視することができる。
【０１０１】
また監視領域からの輻射赤外線もしくは反射赤外線が不足する夜間や室内での監視にあっては、簡単な赤外線照明装置を使用することで監視に十分な反射赤外線が背景から得られ、従来装置で大型で大出力のレーザ光源を必要とした場合に比べ、本発明のガス監視装置は大幅な低価格化と装置の小型化が達成でき、従来装置が固定設置以外考えられなかったものが、本発明にあっては画像処理装置をノートパソコンなどの携帯型とすることで、ガス漏れ事故などの際に現場にそのまま持ち込んでガス漏れをガスイメージで発見できる携帯装置としての適用も簡単にできる。
【０１０２】
また、従来装置にあっては強力なレーザ光線の照射を必要としたため、強力なレーザ光の人間の目や皮膚に対する障害を防ぐため完全に無人化されたような特殊な場所でしか使用できないような問題を、本発明のガス監視装置は完全に克服し、人通りのある地下街や道路などのガス漏れ事故の際にも、レーザ光線を使用する場合のような安全上の問題を考慮することなく、迅速且つ的確にガスの漏洩状況を監視画面の画像から発見、確認することができる。
【０１０３】
更に本発明にあっては、測定対象ガスの複数帯域について波長可変フィルタの透過ピークを調整して、その近傍の波長とのそれぞれの差分画像を求めて加算することで、測定対象ガスの持つ複数の吸収特性を加え合わせた明度を持つ明瞭なガスイメージを表示することができ、これによって表示画像のＳＮ比を大幅に向上することが期待できる。
【０１０４】
またガスイメージの強調処理を行った場合、ガスイメージの明度が変化しないような場合には測定対象としているガスが予定した特定ガスとは別のガスであることも分かる。
【０１０５】
更に、波長可変フィルタの透過ピークの波長を微小間隔で変化させて撮像した画像の明度を求め、これをフィールドのスペクトル吸収特性とし、予め記憶している複数種類のガスのスペクトル吸収特性と比較することで、現在測定されているガスがどんなガス種であるかを適切に特定することができ、漏洩ガスの種類が分からないような場合にも本発明のガス監視装置により迅速且つ確実にガス種を特定することができ、適切なガス漏洩に対応する対応措置を取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガス監視装置の説明図
【図２】本発明による装置構成のブロック図
【図３】本発明で使用する監視カメラの説明図
【図４】図３の波長可変フィルタの説明図
【図５】図４の波長可変フィルタの原理構造の説明図
【図６】図４の波長可変フィルタの駆動電圧を切替えた場合のスペクトル透過特性の説明図
【図７】プロパンのスペクトル吸収特性の説明図
【図８】プロパンのスペクトル吸収特性に対する波長可変フィルタの透過ピークの調整を示す説明図
【図９】図２のＭＰＵに設けたガスイメージ処理部の機能ブロック図
【図１０】図９で処理する画像の説明図
【図１１】ブタンのスペクトル吸収特性の説明図
【図１２】ブタンのガスイメージ処理で実際に表示された表示画面の説明図
【図１３】三次元空間を利用した測定ガス確度処理の説明図
【図１４】本発明によるガス監視処理のフローチャート
【図１５】図１４のガスイメージ処理のフローチャート
【図１６】図１４のガスイメージ強調処理のフローチャート
【図１７】図１４の測定ガス確度処理のフローチャート
【図１８】図１４のガス種特定処理のフローチャート
【符号の説明】
１：赤外線監視カメラ（赤外線撮像装置）
２：レンズユニット
３：画像処理装置（画像処理部）
４：モニタ
５：赤外線照明装置
６：監視領域
７：光学系
７ａ：対物レンズ
７ｂ：結像レンズ
８：波長可変フィルタ
９：撮像素子（ＣＣＤ）
１０：駆動電圧源
１１：ＭＰＵ
１２：ＡＤ変換器
１３，１４：出力ＩＦ
１５：画像メモリ
１６：表示出力ＩＦ
１７，１９：ガラス基板
１８，２０：金属膜
２１：圧電素子（アクチュエータ）
２２：差分画像生成部
２３：表示処理部
２４：ガスイメージ処理部
２５：ガスイメージ強調部
２６：測定確度処理部
２７：ガス種特定処理部
２８，２８ａ，２８ｂ：配管
３０，３０ａ，３０ｂ：背景
３２：ガスイメージ

Claims

監視領域の輻射赤外線または反射赤外線による画像を撮像する赤外線撮像装置と、
透過スペクトルを可変できる波長可変フィルタと、
前記波長可変フィルタを介して前記赤外線撮像装置が撮像した画像を処理することで、監視領域に漏洩した測定対象ガスの存在を示すイメージの画像を生成する画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、特定の測定対象ガスにおける第１の吸収帯域に透過ピーク持つように前記波長可変フィルタを調整して撮像した画像と、前記第１の吸収帯域の近傍に透過ピークを持つよう前記波長可変フィルタを調整して撮像した画像との差分を演算し、監視領域の背景からの輻射赤外線または反射赤外線が測定対象ガスにより吸光された画素領域をガスイメージとする第１差分画像を生成し、さらに、前記測定対象ガスの吸収帯域の他の１つである第２の吸収帯域に透過ピークを持つように前記波長可変フィルタを調整して撮像した画像と、前記第２の吸収帯域の近傍に透過ピークを持つよう前記波長可変フィルタを調整して撮像した画像との画像間の差分を演算し、監視領域の背景からの輻射赤外線または反射赤外線が測定対象ガスにより吸光された第２差分画像を生成して、前記第１差分画像に前記第２差分画像を加算することにより前記ガスイメージを強調することを特徴とするガス監視装置。
請求項１記載のガス監視装置に於いて、前記画像処理部は、前記第１差分画像、および該第２差分画像の中のガスの存在が検知された画素領域の明度を取り出してスペクトラム吸収特性として記憶し、予め求めている前記測定対象ガスの前記第１，２の吸収帯域におけるスペクトラム吸収特性と比較して、前記測定対象ガスのガス存在の確度を求めることを特徴とするガス監視装置。
請求項１記載のガス監視装置に於いて、前記波長可変フィルタとして、基板間隔を可変としたファブリペロー型干渉フィルタ、回折格子、または複数の狭帯域フィルタを切り替えることのできるフィルタ群を備えたことを特徴とするガス監視装置。
請求項１記載のガス監視装置に於いて、前記監視領域に赤外線を照射する赤外線照明装置を設けたことを特徴とするガス監視装置。