JP5900085B2

JP5900085B2 - 赤外線検出装置

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Publication number: JP5900085B2
Application number: JP2012069870A
Authority: JP
Inventors: 大介井上; 安藤　道則; 道則安藤; 千恵豊田; 各務　学; 学各務
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: JP2013200267A

Description

本発明は、物体から放射される赤外線を受光して熱画像を生成する赤外線検出装置に関する。

物体から放射される赤外線を受光して熱画像を生成する従来のサーモグラフィ装置の赤外線検出方式として量子型および熱型が知られている。量子型では入射赤外線の吸収による電子的な遷移を利用し、これに伴う電子のエネルギー状態の変化を何らかの形で電気信号として取り出すことによって赤外線検出を行う。量子型のサーモグラフィ装置は、検出能力が高く応答速度が速い反面、感度に波長依存性があり、一般に冷却して使用する必要がある。

一方、熱型では、入射赤外線による検出器自身の温度変化を利用して赤外線検出を行う。熱型のサーモグラフィ装置は、感度に波長依存性がなく、冷却を必要としないが、応答速度が遅く、検出能力は量子型よりも劣る。熱型のサーモグラフィ装置として例えば、測定対象物から放射された赤外線をレンズで結像させ、マイクロボロメータと呼ばれる非冷却型の赤外線検出素子で赤外線を検出するものが知られている。マイクロボロメータは、例えば酸化バナジウム等の感熱素子を中空の２階建て構造としてシリコン基板上に二次元配置するとにより形成され、上層部分が赤外線吸収層となっている。赤外線吸収層に赤外線が入射すると、温度変化によって赤外線吸収層の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を、赤外線吸収層を支持する２箇所の電極からバイアス電圧を印加して電流の変化として取り出すことにより赤外線の放射強度を電気信号として検出する。取り出された電気信号はアンプを通り、アナログデータからデジタルデータに変換され、ＣＰＵで演算・補正されて熱画像が生成される。

特開２０１１−２３７２５６号公報

上記したような従来のサーモグラフィ装置は、量子型においては、液体窒素などを利用した冷却装置が必要となるため、コストが高い。また、熱型においては、冷却装置は必要とされないもののマイクロボロメータを中空構造とするために高度な半導体プロセス技術とマイクロマシン技術が必要とされ生産性が低いため、安価に製造することは困難である。

このように、従来のサーモグラフィ装置は、赤外線を検出する感熱素子や冷却装置のコストが高いことに起因して非常に高価である。すなわち、従来のサーモグラフィ装置は、安価なものでも数十万円であり、一般家庭で手軽に購入できるものとはなっていなかった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも製造コストを削減することができる赤外線検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る赤外線検出装置は、受熱面において赤外線を受光して温度変化を生じると共に温度変化に応じた屈折率変化を生じ且つ特定波長域の光を透過可能な受熱部と、外部から照射される赤外線を前記受熱面に集光する集光部と、前記受熱部を透過する波長域のプローブ光を前記受熱部の前記受熱面とは反対側の受光面に照射する光源と、前記プローブ光の、前記受光面で反射された反射光と、前記受熱部を透過して前記受熱面で反射された反射光との干渉によって生じる明暗パターンを撮像して画像データを生成する撮像部と、前記受熱面上の所定の基準点の温度を検出して測温信号を生成する温度センサと、前記撮像部において生成される前記明暗パターンの画像データと前記測温度信号とに基づいて熱源の温度を推定する温度推定部と、を含んで構成される。

本発明に係る赤外線検出装置によれば、簡便な構成で熱画像を生成することができるので、従来のサーモグラフィ装置と比較して製造コストを大幅に低減させることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出装置の構成を示す図である。図２は、本発明の実施形態に係る受熱部の受熱面に形成される温度分布を示す図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る受熱部に照射されたプローブ光の干渉の様子を示す図である。図４は、受熱部の屈折率とプローブ光の反射光の強度との関係を示す図である。図５は、変形例に係る赤外線検出装置の構成を示す図である。図６は、本発明の実施形態に係る受熱部に形成される干渉縞を示す図である。図７は、変形例に係る赤外線検出装置の構成を示す図である。図８は、変形例に係る赤外線検出装置による距離測定の原理を示す図である。図９（ａ）および図９（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る受熱部の構成を示す断面図である。図１０は、本発明の第２の実施形態に係る受熱部に照射されたプローブ光の干渉の様子を示す図である。図１１は、基板上面から反射面までの距離と、プローブ光の反射光の強度との関係を示す図である。図１２は、変形例に係る受熱部の構成を示す断面図である。図１３は、本発明の第３の実施形態に係る受熱部の構成を示す断面図である。図１４は、回折格子の光学的周期と回折光の強度との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において、実質的に同一又は等価な構成要素又は部分には同一の参照符号を付している。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出装置１の構成を示す図である。レンズ１１は、観測対象となる物体から放射された赤外線を受熱部１２の受熱面Ｓ_１に集光するためのレンズである。レンズ１１の材料としては、赤外線に対する透過率が比較的高い例えばポリエチレンなどの樹脂材料により構成することができる。またレンズ１１は、赤外線を透過させ、赤外線よりも波長の短い可視光を透過させないゲルマニウムレンズであってもよい。

受熱部１２は、受熱面Ｓ_１において赤外線を受光し、赤外線を吸収することによって温度変化を生じさせ且つその温度変化に応じて屈折率変化を生じさせる材料により構成される板状部材である。受熱部１２は、その温度変化に対する屈折率変化の割合が比較的大きく且つ熱伝導率が比較的低い材料によって構成されることが好ましい。受熱部１２の好適な材料として、例えばタンタル酸ニオブ酸カリウム結晶（ＫＴＮ結晶）が挙げられる。ＫＴＮ結晶は、４７℃近傍で相転移を起こし、相転移に伴って極めて大きな屈折率変化をもたらす。また、受熱部１２の他の例としては、ガラス等の透明な封止部材の中に液晶を封入したものが挙げられる。液晶は、常温付近に相転移温度を有しており、この相転移に伴って比較的大きな屈折率変化を生じる。

観測用光源１３は、受熱部１２の受熱面Ｓ_１とは反対側の観測面（受光面）Ｓ_２に向けてプローブ光Ｌ_ｐを照射する光源である。観測用光源１３から出射されるプローブ光Ｌ_ｐによって受熱部１２が発熱しないように、プローブ光Ｌ_ｐは、受熱部１２に対して透過性を有する波長帯であることが好ましい。また、プローブ光Ｌ_ｐは、受熱部１２の観測面Ｓ_２に生じる明部と暗部とを含む明暗パターン（干渉縞）が明確に現れるように波長域が比較的狭い可視光であることが好ましく、単色光がより好ましい。観測用光源１３は、例えば発光ダイオードまたは半導体レーザで構成することができる。図１に示すように、観測用光源１３は、プローブ光Ｌ_ｐが受熱部１２の観測面Ｓ_２に対して斜め方向から入射するように配置されていてもよい。また、観測用光源１３としてレーザ光源を用いる場合には、プローブ光Ｌ_ｐの径を拡大して受熱部１２の観測面Ｓ_２全体にプローブ光Ｌ_ｐを照射するためにビームエキスパンダが、観測用光源１３の前方に設けられていてもよい。

レンズ１４は、受熱部１２で反射されたプローブ光Ｌ_ｐをイメージセンサ１５の受光面に結像するためのレンズである。

イメージセンサ１５は、例えば、公知のＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子であり、受熱部１２で反射されたプローブ光Ｌ_ｐの反射光による像を撮像して画像データを生成する。イメージセンサ１５は、例えば、シリコン基板上に形成された多数の受光素子（例えばフォトダイオード）を有し、この受光素子の並びで光電変換を行って熱画像の画像データを生成する。

次に、本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出装置１による赤外線検出の原理について説明する。

観測対象物から発せられる赤外線は、レンズ１１によって受熱部１２の受熱面Ｓ_１上に結像される。受熱部１２は、赤外線を吸収することにより内部温度が上昇する。受熱部１２の温度変化量ΔＴは、照射された赤外線のエネルギー量をＱ、受熱部１２の熱容量をＣ_Ｔとすると、
ΔＴ＝Ｑ／Ｃ_Ｔ・・・（１）
と表すことができる。

図２は、赤外線が照射された受熱部１２に生じる温度分布の一例を示す図であり、受熱部１２に生じる温度分布を受熱面Ｓ_１側から眺めた平面図である。図２には、受熱部１２の受熱面Ｓ_１において、照射された赤外線の強度分布に対応した同心円状の温度分布が形成された場合が例示されている。ここで、ｔ_１〜ｔ_５は、受熱部１２の温度であり、ｔ_１＞ｔ_２＞ｔ_３＞ｔ_４＞ｔ_５であるものとする。受熱部１２は、温度変化に応じた屈折率変化を生じさせる。受熱部１２の温度変化量ΔＴに伴う屈折率変化量Δｎは、受熱部１２の屈折率の温度係数をδｎ／δＴとすると、
Δｎ＝（δｎ／δＴ）×ΔＴ・・・（２）
と表わすことができる。すなわち、受熱面Ｓ_１に形成された温度分布に対応した同心円状の屈折率分布が形成される。ここで、受熱部１２の温度ｔ_１〜ｔ_５に対応する屈折率をｎ_１〜ｎ_５とする。

観測用光源１３は、このような屈折率分布が形成された受熱部１２の観測面Ｓ_２に向けてプローブ光Ｌ_ｐを照射する。図３は、プローブ光Ｌ_ｐが照射された受熱部１２の断面図である。プローブ光Ｌ_ｐの一部は、受熱部１２の観測面Ｓ_２で反射されてその進路を折り返す。観測面Ｓ_２での反射は、いわゆる固定端反射であり、反射光Ｌ_ｐ１は、反射面である観測面Ｓ_２において入射光に対して位相がπずれる。観測面Ｓ_２で反射されなかったプローブ光Ｌ_ｐの一部は、受熱部１２の内部を透過し、受熱面Ｓ_１で反射されてその進路を折り返す。かかる反射は、いわゆる自由端反射であり、反射光Ｌ_ｐ２は、反射面である受熱面Ｓ_１において入射光に対する位相差を生じない。受熱部１２のある点における反射光Ｌ_ｐ１およびＬ_ｐ２の光学的な経路長の差、すなわち光路長差Δｌは、受熱部１２の厚さをｄ、受熱部１２の当該部分における屈折率をｎ_ｘとすると、
Δｌ＝２ｎ_ｘｄ・・・（３）
と表すことができる。

反射光Ｌ_ｐ１およびＬ_ｐ２の光路長差Δｌが下記の式（４）を満たすとき、反射光Ｌ_ｐ１とＬ_ｐ２の位相が一致するため、これら２つの反射光は干渉によって強め合い、観測面Ｓ_２において明部が現れる。一方、反射光Ｌ_ｐ１およびＬ_ｐ２の光路長差Δｌが下記の式（５）を満たすとき、反射光Ｌ_ｐ１とＬ_ｐ２の位相差がπとなるため、これら２つの反射光は干渉によって弱め合い、観測面Ｓ_２において暗部が現れる。ここで、式（４）および式（５）において、ｍは整数、λはプローブ光Ｌ_ｐの波長である。

Δｌ＝２ｎ_ｘｄ＝（ｍ＋１／２）λ ・・・（４）
Δｌ＝２ｎ_ｘｄ＝ｍλ ・・・（５）

すなわち、プローブ光Ｌ_ｐの反射光は、受熱部１２の屈折率が式（４）を満たす部分において最も明るくなり、屈折率が式（５）を満たす部分において最も暗くなる。

図４は、受熱部１２の屈折率ｎと観測面Ｓ_２において観測されるプローブ光Ｌ_ｐの反射光の強度Ｉ_ｒとの関係を示す図である。図４に示すように、反射光の強度Ｉ_ｒは、受熱部１２の屈折率ｎの変化に応じて明部に対応する極大値と暗部に対応する極小値が交互に現れる。

従って、受熱部１２に、例えば、図２に示すような同心円状の温度分布および屈折率分布が形成されている場合、受熱部１２の観測面Ｓ_２には、かかる温度分布に対応して明部と暗部が交互に出現する同心円状の明暗パターン（干渉縞）が現れる。例えば、温度ｔ_１、ｔ_３、ｔ_５にそれぞれ対応する屈折率ｎ_１、ｎ_３、ｎ_５が式（４）で示される明条件を満たし、温度ｔ_２、ｔ_４にそれぞれ対応する屈折率ｎ_２、ｎ_４が式（５）で示される暗条件を満たすとき、受熱部１２の温度ｔ_１、ｔ_３、ｔ_５の部分が明るくなり、受熱部１２の温度ｔ_２、ｔ_４の部分が暗くなる。

このように、観測対象物から放射される赤外線が受熱部１２に照射されることにより、受熱部１２内には赤外線の強度分布に対応した屈折率分布が生じ、屈折率分布が生じた受熱部１２にプローブ光Ｌ_ｐを照射することにより、屈折率分布が明暗パターン（干渉縞）となって現れて可視化される。換言すれば、受熱部１２は、受熱面Ｓ_１における温度分布に対応するように受熱部１２を透過するプローブ光Ｌ_ｐの光路長を変化させ、これによって明暗パターン（干渉縞）を生じさせる。

受熱部１２の観測面Ｓ_２に現れる明暗パターン（干渉縞）は、レンズ１４を介してイメージセンサ１５の受光面に結像される。イメージセンサ１５は、画素を構成する複数の受光素子の各々によって受熱部１２の観測面Ｓ_２に生じている明暗パターンを撮像して明暗パターンの画像データを生成する。この画像データを図示しない表示装置を用いて再生することにより、観測対象物の熱画像を観測することが可能となる。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出装置によれば、受熱部１２に赤外線の強度分布に対応した屈折率分布が形成される。受熱部１２にプローブ光Ｌ_ｐを照射することにより受熱部１２内部の屈折率差に伴う光路長差に起因して明暗パターン（干渉縞）が現れる。このように受熱部１２に照射される赤外線が明暗パターン（干渉縞）として可視化されるので、熱源および熱源の温度分布を検出することが可能となる。本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出装置によれば、従来のサーモグラフィ装置に用いられている高価なマイクロボロメータや冷却装置等を用いることなく熱画像を形成することが可能となる。すなわち、比較的簡便な構成で赤外線を検出して熱画像を形成することができるので、従来のサーモグラフィ装置に対して大幅なコストダウンを実現することが可能となる。

（変形例１）
図５は、上記した本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出装置１の第１の変形例に係る赤外線検出装置１ａの構成を示す図である。赤外線検出装置１ａは、受熱部１２の端部近傍に設けられた温度センサ１６と、温度センサ１６から出力される測温信号およびイメージセンサ１５から出力される明暗パターン（干渉縞）の画像データに基づいて測定対象物の温度を推定する温度推定部１７と、を更に有している。

温度センサ１６は、受熱部１２の受熱面Ｓ_１の端部近傍の基準点Ｐの温度を検出し、検出した基準点Ｐの温度を示す測温信号を温度推定部１７に供給する。

温度推定部１７は、受熱部１２の観測面Ｓ_２に現れる明暗パターン（干渉縞）の互いに隣接する明線間または暗線間の温度差を記憶したメモリ（図示せず）を有している。なお、明暗パターン（干渉縞）の互いに隣接する明線間または暗線間の温度差Δｔは、受熱部１２を構成する材料の屈折率の温度係数δｎ／δＴが既知であるならば式（４）および（５）から求めることが可能である。温度推定部１７は、イメージセンサ１５から供給される明暗パターン（干渉縞）の画像データを解析して基準点Ｐから受熱部１２の所定の点（例えば干渉縞の中心点）Ａまでの明線または暗線の数を数えることにより、点Ａと基準点Ｐとの温度差を推定する。温度推定部１７は、推定された点Ａと点Ｐとの温度差と、温度センサ１２から通知される基準点Ｐの温度とに基づいて点Ａの温度を推定する。例えば、図６に示すような明暗パターン（干渉縞）が受熱部１２に現れており、明線間または暗線間の温度差Δｔが例えば２℃であり、温度センサ１６によって検出された基準点Ｐの温度が例えば３４℃である場合には、温度推定部１７は、受熱部１２の点Ａの温度が４０℃であると推定する。温度推定部１７は、実測等に基づいて求められた受熱部１２の表面温度と、観測対象物の実際の温度との対応関係を記憶したメモリ（図示せず）を有しており、推定された受熱部１２上の点Ａの温度から観測対象物の温度を推定し、その結果を出力する。温度推定部１７は、一点のみならず受熱部１２の複数の点について、上記の要領で温度を推定してもよい。温度推定部１７によって推定された観測対象物の温度は、例えば明暗パターン（干渉縞）の画像とともに表示することとしてもよい。

このように、第１の変形例に係る赤外線検出装置１ａによれば、明暗パターン（干渉縞）による赤外線の可視化のみならず、熱源の温度を推定することも可能となる。

（変形例２）
図７は、上記した本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出装置１の第２の変形例に係る赤外線検出装置１ｂの構成を示す図である。赤外線検出装置１ｂは、観測対象物を２つの異なる方向から同時に観測することにより、観測対象物である熱源までの距離を測定する。すなわち、赤外線検出装置１ｂは、熱源を検出するとともに、所謂ステレオカメラの原理に基づいて熱源までの距離を測定する機能を備えている。以下、赤外線検出装置１ｂが上記した赤外線検出装置１と異なる部分について説明する。

レンズ板１１Ａは、単一の基板上に２つのレンズ部１１ａおよび１１ｂが離間して設けられて構成されている。

受熱部１２ａは、受熱面Ｓ_１が、レンズ板１１Ａと平行となるように配置された単一の板状部材によって構成され、観測対象物から放射される赤外線を２つレンズ部１１ａおよび１１ｂの双方を介して受光する。すなわち、観測対象物から放射された赤外線は受熱面Ｓ_１上の互いに離間した２箇所に照射される。

観測用光源１３は、受熱部１２ａの観測面Ｓ_２に向けてプローブ光Ｌ_ｐを照射する。これにより上述の赤外線検出装置１の場合と同様、受熱部１２ａに生じた屈折率差に対応した光路長差に起因して観測面Ｓ_２の２箇所に明暗パターン（干渉縞）が現れる。

受熱部１２ａの観測面Ｓ_２に現れる２つの明暗パターン（干渉縞）は、レンズ１４を介してイメージセンサ１５の受光面に結像される。

距離測定部１８は、イメージセンサ１５から供給される２つの明暗パターン（干渉縞）の画像データに基づいて、観測対象物である熱源までの距離を算出する。図８は、赤外線検出装置１ｂによる熱源までの距離の算出方法を示す図である。

距離測定部１８は、イメージセンサ１５から供給される画像データから、２つの明暗パターン（干渉縞）の中心点ｃ_１およびｃ_２の位置を特定する。次に、距離測定部１８は、レンズ１１ａの中心から受熱部１２ａの受熱面Ｓ_１に下ろした垂線と受熱面Ｓ_１とが交わる点ｑ_１と、明暗パターン（干渉縞）の中心点ｃ_１と、の距離ｚ_１を算出する。同様に、距離測定部１８は、レンズ１１ｂの中心から受熱部１２ａの受熱面Ｓ_１に下ろした垂線と受熱面Ｓ_１とが交わる点ｑ_２と、明暗パターン（干渉縞）の中心点ｃ_２と、の距離ｚ_２を算出する。なお、点ｑ_１およびｑ_２は予め特定されている点である。次に、距離測定部１８は、距離ｚ_１と距離ｚ_２とを加算した値Ｚ（＝ｚ_１＋ｚ_２）を得る。次に、距離測定部１８は、既知の値であるレンズ１１ａとレンズ１１ｂとの距離Ｂと、レンズ１１ａおよび１１ｂと受熱面Ｓ_１との距離Ｆと、先に求めた値Ｚを用いて、下記の式（６）を計算することにより、熱源Ｈまでの距離Ｄを算出する。

Ｄ＝Ｂ×Ｆ／Ｚ・・・（６）

なお、算出された熱源Ｈまでの距離Ｄは、明暗パターン（干渉縞）の画像とともに表示画面上に表示することとしてもよい。

このように、本変形例に係る赤外線検出装置１ｂによれば、赤外線検出のみならず熱源までの距離を測定することも可能である。また、本変形例に係る赤外線検出装置１ｂによれば、２つのレンズ１１ａおよび１１ｂは単一の基板上に設けられるため、レンズ１１ａおよび１１ｂ間の位置合わせ（アライメント）が不要となる。更に、単一の受熱部１２ａを用いて２つの熱画像を形成するので、２つの熱画像の位置あわせも不要となる。すなわち、赤外線検出装置１ｂによれば、レンズ板１１Ａと受熱部１２ａとの位置合わせを行うのみで高精度な距離測定が可能である。従って、高精度なアライメントが必要とされる従来のステレオカメラと比較して容易且つ高精度な距離測定を実現することが可能となる。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係る赤外線検出装置について説明する、本発明の第２の実施形態に係る赤外線検出装置は、受熱部の構成が、上記した本発明の第１の実施形態に係る受熱部１２と異なる。以下において、本発明の第２の実施形態に係る受熱部の構成について詳述する。

図９（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る受熱部１２ｂの構成を示す断面図である。受熱部１２ｂは、基板２１と、基板２１上に設けられた複数の支持体２２と、支持体２２によって支持された反射膜２３と、を含んで構成されている。

基板２１は、観測用光源１３から出射されるプローブ光Ｌ_ｐに対して透過性を有するガラスや樹脂などにより構成される。基板２１の裏面は、イメージセンサ１５によって撮像される観測面Ｓ_２とされる。

複数の支持体２２は、例えば円柱または角柱状の構造物であり基板２１上にグリッド状に配列されている。複数の支持体２２の各々は、反射膜２３に接続されて基板２１上において反射膜２３を支持する。支持体２２の材料として、線膨張係数の比較的高い材料、例えば銅や亜鉛などの金属またはエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの樹脂材料が好適である。なお、支持体２２の形状および配列などは適宜変更することが可能である。

反射膜２３は、受熱面Ｓ_１において観測対象物から放射される赤外線を受光し、赤外線を吸収して温度変化を生じさせ且つ受熱面Ｓ_１と反対側に基板２１を透過したプローブ光Ｌ_ｐを反射させる反射面Ｓ_２を有する膜状の部材である。反射膜２３は、例えば基材となる樹脂材料に高反射材をコーティングして反射面Ｓ_３を形成することにより得ることができる。反射膜２３と基板２１との間には空隙部２４が形成されている。

受熱部１２ｂ以外の他の構成部分は、上記した第１の実施形態に係る赤外線検出装置１と同様であるので、それらの説明は省略する。

次に、上記した構成を有する受熱部１２ｂを備えた本発明の第２の実施形態に係る赤外線検出装置による赤外線検出の原理について説明する。観測対象物から発せられる赤外線は、レンズ１１によって受熱部１２ｂを構成する反射膜２３の受熱面Ｓ_１上に結像される。反射膜２３は、赤外線を吸収することにより温度が上昇する。反射膜２３には、例えば、図２に示すような、照射された赤外線の強度分布に対応した同心円状の温度分布（ｔ_１＞ｔ_２＞ｔ_３＞ｔ_４＞ｔ_５）が形成される。

赤外線照射によって反射膜２３において発生した熱は、熱伝導によって支持体２２に伝わる。支持体２２の各々は、反射膜２３の局所的な温度で加熱される。すなわち、支持体２２の各々は、反射膜２３の温度分布に応じて互いに異なる温度で加熱される。支持体２２は、線膨張係数の比較的高い材料で構成されており、温度上昇に伴って高さ方向に膨張する。支持体２２の各々は、加熱量応じた膨張量で膨張する。例えば、反射膜２３に図２に示すような同心円状の温度分布が形成されている場合（ｔ_１＞ｔ_２＞ｔ_３＞ｔ_４＞ｔ_５）、反射膜２３の中心部の直下に配置された支持体２２の長さが最も長くなり、反射膜２３の中心から遠ざかるにつれて長さが短くなる。熱膨張した支持体２２は、反射膜２３の反射面Ｓ_３を押し上げるので、反射膜２３は、図９（ｂ）に示すように、中心部において上方に向けて屈曲するように変形する。すなわち、反射膜２３は、基板２１の上面から反射面Ｓ_３までの距離ｄ_ｘが反射膜２３の温度分布に対応するように変形する。

観測用光源１３は、このように変形した反射膜２３に向けてプローブ光Ｌ_ｐを照射する。図１０は、反射膜２３において変形が生じた受熱部１２ｂにプローブ光Ｌ_ｐを照射したときの受熱部１２ｂの断面図である。なお、図１０において支持体２２は図示されていない。

観測用光源１３から出射されたプローブ光Ｌ_ｐの一部は、基板２１の上面で反射されてその進路を折り返す。基板２１の上面での反射は、いわゆる自由端反射であり、反射光Ｌ_ｐ１は、反射面となる基板２１の上面において入射光に対する位相差を生じない。基板２１の上面で反射されなかったプローブ光Ｌ_ｐの一部は、反射膜２３の反射面Ｓ_３で反射されてその進路を折り返す。かかる反射は、いわゆる固定端反射であり、反射光Ｌ_ｐ２は、反射面Ｓ_３において入射光に対して位相差がπずれる。反射光Ｌ_ｐ１およびＬ_ｐ２の光路長差Δｌは、任意の点における基板２１上面と反射面Ｓ_３との距離をｄ_ｘとすると、
Δｌ＝２ｄ_ｘ・・・（７）
と表すことができる。

反射光Ｌ_ｐ１およびＬ_ｐ２の光路長差Δｌが下記の式（８）を満たすとき、反射光Ｌ_ｐ１とＬ_ｐ２の位相が一致するため、これら２つの反射光は干渉によって強め合い、観察面Ｓ_２において明部が現れる。一方、反射光Ｌ_ｐ１およびＬ_ｐ２の光路長差Δｌが下記の式（９）を満たすとき、反射光Ｌ_ｐ１とＬ_ｐ２の位相差がπとなるため、これら２つの反射光は干渉によって弱め合い、観測面Ｓ_２において暗部が現れる。ここで、式（８）および式（９）において、ｍは整数、λはプローブ光Ｌ_ｐの波長である。

Δｌ＝２ｄ_ｘ＝（ｍ＋１／２）λ ・・・（８）
Δｌ＝２ｄ_ｘ＝ｍλ ・・・（９）

すなわち、プローブ光Ｌ_ｐの反射光は、基板２１の上面から反射面Ｓ_３までの距離ｄ_ｘが式（８）を満たす部分において最も明るくなり、距離ｄ_ｘが式（９）を満たす部分において最も暗くなる。

図１１は、基板２１の上面から反射膜２３の反射面Ｓ_３までの距離ｄ_ｘとプローブ光Ｌ_ｐの反射光の強度Ｉ_ｒとの関係を示す図である。図１１に示すように、基板２１の上面から反射膜２３の反射面Ｓ_３までの距離ｄ_ｘの変化に応じて明部に対応する極大値と暗部に対応する極小値が交互に現れる。

従って、受熱部１２ｂに、例えば、図２に示すような同心円状の温度分布が形成されている場合、観測面Ｓ_２にはかかる温度分布に対応して明部と暗部が交互に出現する同心円状の明暗パターン（干渉縞）が現れる。

受熱部１２ｂの観測面Ｓ_２に現れる明暗パターン（干渉縞）は、レンズ１４によってイメージセンサ１５の受光面に結像される。イメージセンサ１５は、画素を構成する複数の受光素子の各々によって受熱部１２ｂに生じている明暗パターン（干渉縞）を撮像して観測対象物の熱画像を構築して熱画像の画像データを生成する。この画像データを図示しない表示装置を用いて再生することにより、観測対象物の熱画像を観測することが可能となる。

図１２は、上記した受熱部の構成を改変した変形例に係る受熱部１２ｃの構成を示す断面図である。受熱板１２ｃは、バイメタル構造の反射膜２３ｃを有する点が上述の受熱板１２ｂと異なる。すなわち、反射膜２３ｃは、比較的線膨張係数の高い金属（例えば亜鉛など）からなる第１の金属膜２５と比較的線膨張係数の低い金属（例えばインバーなど）からなる第２の金属膜２６とを積層して構成されている。このように反射膜２３ｂをバイメタル構造とすることにより反射膜２３ｃ自体が温度変化に応じて変形するので、反射膜２３ｃの温度変化に伴う変形量（すなわち反射面Ｓ_３の高さ方向の変位量）をより大きくすることができる。従って、受熱部１２ｃ内を透過するプローブ光Ｌ_ｐの光路長差を大きくすることができるので、赤外線の検出感度を高めることが可能となる。

以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態に係る赤外線検出装置によれば、受熱部１２ｂ（１２ｃ）に赤外線を照射して温度変化を生じさせることにより反射膜２３に受熱面Ｓ_１の温度分布に対応した変形が生じる。この状態で受熱部１２ｂ（１２ｃ）にプローブ光Ｌ_ｐを照射することにより反射膜２３（２３ｃ）の変形に伴う光路長差に起因して明暗パターン（干渉縞）が現れる。すなわち、受熱部１２ｂ（１２ｃ）は、受熱面Ｓ_１における温度分布に対応するように受熱部１２ｂ（１２ｃ）を透過するプローブ光Ｌ_ｐの光路長を変化させ、これによって明暗パターン（干渉縞）を生じさせる。このように、受熱部１２ｂ（１２ｃ）に照射される赤外線が明暗パターン（干渉縞）として可視化されるので、熱源および熱源の温度分布を検出することが可能となる。本発明の第２の実施形態に係る赤外線検出装置によれば、従来のサーモグラフィ装置に用いられている高価なマイクロボロメータや冷却装置等を用いることなく熱画像を形成することが可能となる。すなわち、比較的簡便な構成で赤外線を検出して熱画像を形成することができるので、従来のサーモグラフィ装置に対して大幅なコストダウンを実現することが可能となる。

なお、図５に示される赤外線検出装置１ａの温度センサ１６および温度推定部１７を第２の実施形態に係る赤外線検出装置と組み合わせて熱源の温度を推定することも可能である。また、図７に示される赤外線検出装置１ｂの構成を第２の実施形態に係る赤外線検出装置に適用して熱源までの距離を測定することも可能である。

（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態に係る赤外線検出装置について説明する、本発明の第３の実施形態に係る赤外線検出装置は、受熱部の構成が、上記した本発明の第１の実施形態に係る受熱部１２と異なる。以下において、本発明の第３の実施形態に係る受熱部の構成について詳述する。図１３は、本発明の第３の実施形態に係る受熱部１２ｄの構成を示す断面図である。

基板層３１は、観測用光源１３から出射されるプローブ光Ｌ_ｐに対して透過性を有するガラスや樹脂などにより構成される。基板層３１の上面には、プローブ光Ｌ_ｐの波長よりも短い周期で形成された凹凸構造からなる回折格子が形成されている。回折格子は、例えば、公知のフォトリソグラフィ技術、電子線リソグラフィ技術、ナノインプリント技術などの微細加工技術を用いて基板層３１表面に数百ｎｍ周期で突起や穴などの構造物を形成することにより作製することができる。基板層３１の下面は、イメージセンサ１５によって撮像される観測面Ｓ_２とされる。

中間層３２は、基板層３１の屈折率とは異なる材料によって構成される。中間層３２の材料としては温度変化に対する屈折率変化の割合が比較的大きい液晶が好適である。中間層３２は、基板層３１の表面に形成された凹凸構造と密着するように基板層３１上に積層される。これにより、中間層３２と基板層３１との界面において屈折率が互いに異なる材料がプローブ光Ｌ_ｐの波長よりも短い周期で並んだフォトニック結晶が構成される。なお、中間層３２は、基板層３１の屈折率と異なるガラスや樹脂などの固体材料により構成されていてもよい。

吸熱板３３は、中間層３２上に設けられたガラスまたは樹脂などからなる板状部材である。吸熱板３３の上面は、赤外線を吸収して温度上昇を生じさせる受熱面Ｓ_１となっている。なお、赤外線の吸収効率を高めるために、受熱面Ｓ_１に黒体スプレーなど用いて着色を施すこととしてもよい。また、吸収熱板３３は、カーボンまたはカーボンブラックなどを用いて構成することとしてもよい。中間層３２が液晶で構成される場合、吸熱板３３は、液晶を封止する封止部材としても機能する。一方、中間層３２が固体材料からなる場合、中間層３２の表面を受熱面Ｓ_１とすることができ、この場合、吸熱板３３を省略することができる。

受熱部１２ｄ以外の他の構成部分は、上記した本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出装置１と同様であるので、それらの説明は省略する。

次に、上記した構成を有する受熱部１２ｄを備えた本発明の第３の実施形態に係る赤外線検出装置による赤外線検出の原理について説明する。

観測用光源１３は、受熱部１２ｄの観測面Ｓ_２に向けてプローブ光Ｌ_ｐを照射する。本実施形態に係る赤外線検出装置の各パラメータがブラッグの法則に基づく下記の式（１０）を満たすとき、プローブ光Ｌ_ｐは、基板層３１と中間層３２との界面に形成された回折格子において回折され、観測面Ｓ_２において回折光を観測することができる。一方、式（１０）の条件が満たされない場合には、回折格子において回折が生じないので、観測面Ｓ_２において回折光を観測することはできない。

ｎλ＝２ｃｓｉｎθ ・・・（１０）

式（１０）において、ｎは正の整数、λはプローブ光Ｌ_ｐの波長、ｃは回折格子の光学的な周期、θはプローブ光Ｌ_ｐの光線と回折格子形成面とのなす角である。なお、観測用光源１３と受熱部１２ｄとの距離を十分確保することによりプローブ光Ｌ_ｐは実質的に平行光とみなすことができる。θを厳密に一定に揃えるために、観測用光源１３の前方にコリメータレンズを設けることとしてもよい。

プローブ光Ｌ_ｐの照射角度（すなわちθ）は、例えば、常温下における回折格子の光学的周期ｃにおいて式（１０）を満たすように設定される。すなわち、常温下において受熱部１２ｄに赤外線が照射されない場合には、回折格子の全面において回折が起こり、プローブ光Ｌ_ｐの回折光が受熱部１２ｄの観測面Ｓ_２の全面において観測される。

レンズ１１を介して受熱部１２ｄの受熱面Ｓ_１に赤外線が照射されると吸熱板３３は、赤外線を吸収することにより局所的に温度が上昇する。中間層３２は、吸熱板３３の局所的な温度で加熱される。中間層３２は、加熱された部分において屈折率が局所的に変化する。屈折率が変化した部分においては、回折格子の光学的な周期ｃが変動することとなるので、当該部分においては式（１０）を満たさなくなり、プローブ光Ｌ_ｐの回折は生じない。すなわち、受熱部１２ｄの温度分布に対応したダークスポットが観測面Ｓ_２に現れる。

図１４は、θとλが一定である場合における回折格子の光学的周期ｃと回折光の強度Ｉ_ｄとの関係を示す図である。図１４に示すように、回折格子の光学的周期ｃがある一定の値をとる場合にのみ、高い強度の回折光が得られることが理解できる。すなわち、赤外線の照射によって中間層３２の屈折率に局所的な変動が生じた場合には、当該部分において回折格子の光学的周期が変動して回折の条件を満たさなくなるので、赤外線が照射された部分をダークスポットとして検出することが可能となる。

受熱部１２ｄの観測面Ｓ_２に現れるダークスポット（明暗パターン）は、レンズ１４を介してイメージセンサ１５の受光面に結像される。イメージセンサ１５は、画素を構成する複数の受光素子の各々によって受熱部１２ｄの観測面Ｓ_２に現れるダークスポット（明暗パターン）を撮像して画像データを生成する。この画像データを図示しない表示装置を用いて再生することにより、観測対象物の熱画像を観測することが可能となる。

以上の説明から明らかなように、本発明の第３の実施形態に係る赤外線検出装置によれば、赤外線の照射部において回折格子の光学的な周期に変動が生じて、赤外線の照射部がダークスポットとして現れるので、赤外線が可視化されて熱源および熱源の温度分布を検出することが可能となる。本発明の第３の実施形態に係る赤外線検出装置によれば、従来のサーモグラフィ装置に用いられている高価なマイクロボロメータや冷却装置等を用いることなく熱画像を形成することが可能となる。すなわち、比較的簡便な構成で赤外線を検出して熱画像を形成することができるので、従来のサーモグラフィ装置に対して大幅なコストダウンを実現することが可能となる。また、本発明の第３の実施形態に係る赤外線検出装置によれば、上記した第１および第２の実施形態に係る赤外線検出装置よりも高感度で赤外線を検出することが可能となる。また、液晶を用いて回折格子を形成することにより、わずかな温度変動でも回折格子の光学的周期を大きく変動させることができるので、赤外線の検出感度をより高めることができる。

１、１ａ、１ｂ赤外線検出装置
１１レンズ
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ受熱部
１３観測用光源
１４レンズ
１５イメージセンサ
１６温度センサ
１７温度推定部
１８距離測定部
２１基板
２２支持体
２３、２３ｃ反射膜
３１基板層
３２中間層
Ｓ_１受熱面
Ｓ_２観測面
Ｓ_３反射面

Claims

受熱面において赤外線を受光して温度変化を生じると共に温度変化に応じた屈折率変化を生じ且つ特定波長域の光を透過可能な受熱部と、
外部から照射される赤外線を前記受熱面に集光する集光部と、
前記受熱部を透過する波長域のプローブ光を前記受熱部の前記受熱面とは反対側の受光面に照射する光源と、
前記プローブ光の、前記受光面で反射された反射光と、前記受熱部を透過して前記受熱面で反射された反射光との干渉によって生じる明暗パターンを撮像して画像データを生成する撮像部と、
前記受熱面上の所定の基準点の温度を検出して測温信号を生成する温度センサと、
前記撮像部において生成される前記明暗パターンの画像データと前記測温信号とに基づいて熱源の温度を推定する温度推定部と、
を含む赤外線検出装置。
前記受熱部は、液晶層を含む請求項１に記載の赤外線検出装置。
前記受熱部は、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶を含む請求項１に記載の赤外線検出装置。
前記集光部は、単一の基板上に互いに離間して設けられた２つのレンズを含み、
前記受熱部は、前記２つのレンズの各々によって集光された赤外線が互いに異なる位置に照射される単一の受熱面を有し、
前記撮像部は、前記プローブ光の反射光の干渉によって生じる２つの明暗パターンを撮像する
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の赤外線検出装置。
前記撮像部から供給される前記２つの明暗パターンの画像データに基づいて熱源までの距離を測定する距離測定部を更に含む
請求項４に記載の赤外線検出装置。