JP6338144B2 - 赤外線撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、赤外線撮像装置に関し、特に、撮像結果の温度分布を表すサーモグラフを表示するサーモグラフィを行う赤外線撮像装置に関する。
この種の赤外線撮像装置は、複数の撮像画素が二次元状に配列されてなる赤外線撮像素子を有し、この赤外線撮像素子によって被写体を撮像する際に、各画素毎に低温側および高温側の基準温度で規定された検出温度範囲で温度検出を行う。
この基準温度は、一般に、製品出荷前、即ち、赤外線撮像装置の製造段階にて、所定の温度に設定可能な黒体光源を用い、低温側、高温側に温度設定された黒体光源を赤外線撮像素子によって撮像することによって黒体光源の温度を検出し、検出した温度を低温側、高温側それぞれの基準温度として装置に具備させたメモリに記憶される。同工程において、全体に亘り均一な温度に設定される黒体光源を使うため、赤外線撮像素子の感度の不均一補正も行われる。
製品出荷前にはまた、黒体光源を用い、赤外線撮像素子における欠陥画素を判定し、欠陥画素に隣接する正常な画素によって温度検出を代替させるべく、欠陥画素補正がなされた上で製品出荷される。
この種の赤外線撮像装置として、非特許文献1、非特許文献2に開示されたものがある。非特許文献1、非特許文献2に開示された赤外線撮像装置が計測する温度範囲を調べると、−40℃から500℃程度が最も多く、温度範囲の広いもので−40℃から2000℃、温度範囲が狭いもので−20℃から100℃である。また、温度範囲を−20℃から150℃または100℃から650℃を選ぶことができるカメラもある。
また、赤外線やテラヘルツ波での画像を取得する際、黒体光源を備え、光チョッパのON/OFFに同期させて画像を取得する同期整流イメージング技術が開発されている。同期整流イメージング技術は、例えば、非特許文献3に開示されている。
非特許文献3に開示された撮像装置は、主鏡と副鏡から成る望遠鏡、光チョッパ、黒体光源、350GHz検出用の単素子ヘテロダインレシーバーを有し、被写体からの350GHz輻射と参照光源からの350GHzの輻射を光チョッパによって切り替え、ロックイン増幅器で同期整流することにより、被写体と参照光源の差画像を取得する撮像装置に関する。
図7を参照して、本発明の関連技術として、非特許文献3に記載されたパッシブ撮像装置の技術について説明する。主鏡600と副鏡601から成る望遠鏡から約5m離れた被写体(図7には、示されていない)からの電磁波は、同主鏡と同副鏡により集められ、光チョッパ602に入射する。光チョッパは、光チョッパ制御器603により周期的に回転しており、光チョッパ602の鏡面部が集光部に来た時、被写体からの電磁波はレンズ605に入射し、単素子ヘテロダインレシーバー606上に集光される。光チョッパ602の透過部が集光部に来た時は、温度可変の黒体光源604からの電磁波がレンズ605に入射し、単素子ヘテロダインレシーバー606上に集光される。同レシーバーの信号は中間周波数増幅器607を通って、光チョッパ制御器603の出力と共にロックイン増幅器608に入力される。同増幅器の信号は、画像表示装置609に表示される。使用しているレシーバーが単素子であるため、二次元画像を得るために副鏡601を10°傾けて毎分2000回回転させて、副鏡601から約5mの距離で直径約1mの領域を画像化している。
特開平9−163228号公報
FLIR社の製品カタログ(http://www.flir.com/JP/) 日本アビオニクス社の製品カタログ(http://www.avio.co.jp/products/infrared/index.html) S. Augustin等、The 38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Extended abstract, WE9-3, (2013).
ところで、例えば生体が電磁波等の外部から受けるエネルギーの影響を調べる上で、その影響が、生体組織が加熱されることに因るものか、あるいは、生体組織が原子・分子レベルで変質することに因るものかを検証する技術が本発明者等によって提案されている。その加熱起因の影響を検証する際には、例えば、生体組織を被写体として、この生体組織に局所的にレーザ光を照射して加熱しつつ赤外線撮像装置によって撮像し、詳細な温度分布を検出する必要がある。
他方、赤外線撮像装置において、低温側基準温度および高温側基準温度によって規定される検出温度範囲は、被写体がとり得る温度範囲に近い方が、より正確かつ詳細な温度分布を検出できる。
上記のような用途に赤外線撮像装置を供する場合、生体組織の温度範囲は通常、約36℃から約42℃であるため、上記非特許文献1、2に開示された赤外線撮像装置は、検出温度範囲が不必要に大きく、細かい温度分布を捉えることが困難である。また、非特許文献1、2に開示された赤外線撮像装置は、製品出荷前に予め基準温度が設定されているため、ユーザが比較的狭い範囲で詳細な温度に基準温度を設定することはできない。
一方、非特許文献3に開示されたもののように、温度可変の黒体光源を備えた撮像装置では、ユーザサイドにて、黒体光源の温度を調整可能ではあるが、黒体光源の温度調整手段は、通常、ヒータやペルチェ素子等によって構成されているため、単一の黒体光源を短時間に低温側、高温側の基準温度に変化させて低温側、高温側の両基準温度を得ることは困難である。
それ故、本発明の目的は、ユーザが被写体の詳細な温度分布を検出するのに適した検出温度範囲に容易かつ迅速に設定できる赤外線撮像装置を提供することである。
本発明によれば、光学系を介して被写体を撮像する際に低温側および高温側の基準温度で規定された検出温度範囲で温度検出を行う赤外線カメラを有する赤外線撮像装置であって、前記光学系と前記赤外線カメラとの間に配置され、前記低温側および前記高温側の基準温度の一方に設定され、光チョッパを介して被写体と交互に前記赤外線カメラによって撮像される第1の黒体光源と、前記光学系の外部に配置され、前記低温側および前記高温側の基準温度の他方に設定され、被写体と代替に前記赤外線カメラによって撮像される第2の黒体光源と、被写体と前記第2の黒体光源とを位置的または光学経路的に入れ替える黒体光源挿入手段とを有することを特徴とする赤外線撮像装置が得られる。
本発明による赤外線撮像装置は、ユーザが被写体の詳細な温度分布を検出するのに適した検出温度範囲に容易かつ迅速に設定できる。
本発明の実施形態1に係る赤外線撮像装置の構成を示す図である。 図1に示された赤外線撮像装置における赤外線カメラの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る赤外線撮像装置に具備可能な、感度不均一補正回路の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態2に係る赤外線撮像装置の構成を示す図である。 本発明の実施例(検出温度範囲を34℃〜64℃に設定)を説明するための図であり、(a)は赤外線画像を示す図であり、(b)は本赤外線画像に対応した温度分布図である。 本発明の実施例(検出温度範囲を34℃〜44℃に設定)を説明するための図であり、(a)は赤外線画像を示す図であり、(b)は本赤外線画像に対応した温度分布図である。 関連技術による撮像装置の構成を示すブロック図である。
本発明による赤外線撮像装置は、光学系を介して被写体を撮像する際に低温側および高温側の基準温度で規定された検出温度範囲で温度検出を行う赤外線カメラを有している。
特に、本赤外線撮像装置は、第1の黒体光源と、第2の黒体光源と、黒体光源挿入手段とを有している。
第1の黒体光源は、光学系と赤外線カメラとの間に配置され、低温側および高温側の基準温度の一方に設定され、光チョッパを介して被写体と交互に赤外線カメラによって撮像される。
第2の黒体光源は、光学系の外部に配置され、低温側および高温側の基準温度の他方に設定され、被写体と代替に赤外線カメラによって撮像される。
黒体光源挿入手段は、被写体と第2の黒体光源とを位置的または光学経路的に入れ替える。
本発明による赤外線撮像装置は、上記構成により、ユーザが任意の基準温度に設定できると共に、低温側および高温側の基準温度それぞれ専用に黒体光源を備えているため、黒体光源の温度調整に長時間を要することなく短時間に温度分布を検出できる。さらに、第2の黒体光源が、光学系外の被写体と同じ位置にあるか、あるいは、光学系外の被写体と同じ光学経路を通って撮像されるため、基準温度に対する被写体の温度を正確かつ精密に測定することができる。
以下、図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
[実施形態1]
図1および図2を参照すると、本発明の実施形態1による赤外線撮像装置は、被写体支持部41に支持された生体組織である被写体Sにレーザ光を照射しながら、主鏡21および副鏡22を含む光学系を介して、被写体Sを撮像する際に低温側および高温側の基準温度で規定された検出温度範囲で温度検出を行う赤外線カメラ10を有している。図1中、符号14は、ゲルマニウム結晶から成る赤外線レンズである。
赤外線カメラ10は、図2に示されるように、赤外線撮像素子13と、後述する第1の黒体光源31と、第2の黒体光源32とによる低温側および高温側の温度基準とに基づいて、被写体Sの温度分布を検出すると共に、赤外線カメラ10の動作全般を司る制御・信号処理部11と、必要に応じて、低温側および高温側の基準温度を記憶するメモリ12とを備えている。図中、符号15は、液晶ディスプレイ等の表示部を示し、表示部15は、赤外線カメラ10による撮像結果をサーモグラフとして表示する。
また、制御・信号処理部11は、図2に示されるように、チョッパ16を駆動するモータ17に対して同期信号を送出すると共に、後述する可動ステージ42に対する制御信号を送出する。さらに、制御・信号処理部11は、図3に示された後述する感度不均一補正回路50からの補正信号を取得するものであってもよい。
特に、本赤外線撮像装置は、第1の黒体光源31と、第2の黒体光源32と、黒体光源挿入手段としての可動ステージ42とを有している。
第1の黒体光源31は、主鏡21および副鏡22を含む光学系と赤外線カメラ10との間に配置され、第1の黒体光源31に取り付けられた図示しないペルチェ素子等により、低温側および高温側の基準温度の一方(本例では、低温側の基準温度)に設定され、光チョッパ16を介して被写体Sと交互に赤外線カメラ10によって撮像される。
一方、第2の黒体光源32は、主鏡21および副鏡22を含む光学系の外部に配置され、第2の黒体光源32に取り付けられた図示しないペルチェ素子等により、低温側および高温側の基準温度の他方(本例では、高温側の基準温度)に設定され、被写体Sと代替に赤外線カメラ10によって撮像される。
また、黒体光源挿入手段は、被写体Sと第2の黒体光源32とを位置的または光学経路的に入れ替えるものであり、本実施形態においては、赤外線カメラ10の制御・信号処理部11からの制御信号に基づいて被写体支持部41に支持された被写体Sと第2の黒体光源32との位置を入れ替える可動ステージ42である。尚、本発明においては、被写体Sと第2の黒体光源32を移動させる可動ステージではなく、被写体Sと第2の黒体光源32は移動させない一方、赤外線カメラ10の制御・信号処理部11からの制御信号に基づいて赤外線カメラ10自体と光学系側を移動させる構成としてもよい。
さらに、本赤外線撮像装置は、被写体Sと、第2の黒体光源32とを収容し、被写体Sと第2の黒体光源32とを同じ雰囲気下(本例では、所定湿度に保たれた水蒸気雰囲気)に曝すチャンバCをさらに有している。尚、図示はしないが、チャンバCのうち光学経路を横切る部分には窓が備えられており、この窓は、赤外線を透過するゲルマニウム結晶から成っている。
第1の黒体光源31および第2の黒体光源32の低温側および高温側の基準温度で規定される検出温度範囲は、被写体がとり得る温度範囲よりも僅かに広い程度に設定されることが好ましい。
本発明においては、赤外線撮像素子が本例の赤外線撮像素子13のごとく、複数の撮像画素が二次元状に配列されて成っている場合、本赤外線撮像装置は、図3に示された感度不均一補正回路50を有していてもよい。
感度不均一補正回路は、赤外線撮像素子13における各画素の感度不均一性を検出および補正する回路である。本赤外線装置に感度不均一補正回路50を具備させることにより、製造者だけではなく、ユーザが感度不均一補正を実施することが可能である。
図3を参照すると、感度不均一補正回路50は、赤外線カメラ10の制御・信号処理部11からの信号を切り替える信号切替器51と、演算前メモリ52U、52Lと、演算部53と、演算後メモリ54U、54Lとを備えている。
感度不均一補正回路50は、低温側の基準温度および高温側の基準温度に基づいて二次元アレイ状の赤外線撮像素子13によって温度検出を行うことにより、各撮像画素の正常/欠陥を判定し、欠陥画素に隣接する正常画素によって温度検出を代替させるような補正をなす回路である。
一般に、感度不均一補正回路に相当する装置は赤外線撮像装置の製造者側に用意され、製造者側にて感度不均一補正が実施された後に製品出荷されるが、本発明においては、赤外線撮像装置が感度不均一補正回路を備えることにより、ユーザサイドにて感度不均一補正を実施できる。
以下、被写体Sに適した検出温度範囲をユーザが設定し、赤外線撮像素子13における各画素の感度不均一補正を行うことによって、より精密な温度計測を行うことができる手順を説明する。
(1)まず、温度可変の黒体光源32の温度を被写体(生体組織サンプル)Sよりも高い温度Tに設定する一方、黒体光源31の温度を被写体Sよりも低い温度Tに設定する。
(2)黒体光源32(温度T)を見せ、アレイ状の赤外線撮像素子13の各画素の出力信号O(i,j)を演算前メモリ52Uに格納する。赤外線撮像素子13が320×240画素の二次元アレイである場合、i=1,2,・・・,320、j=1,2,・・・,240である。
(3)黒体光源31(温度T)を赤外線撮像素子13に見せ、赤外線撮像素子13の各画素の出力信号O(i,j)を演算前メモリ52Lに格納する。出力信号O、出力信号Oは、以下の数式1、2のとおりである。
(4)演算部53によって、以下の数式3、4の演算を行う。両式より、不均一補正テーブルの比例係数a(i,j)、切片b(i,j)が得られる。
比例係数a(i,j)と切片b(i,j)を、演算後メモリ54Uと、演算後メモリ54Lに格納する。a(i,j)とb(i,j)の表を赤外線カメラ10の制御・信号処理部11内のメモリ12に格納して、画像処理時間を短縮することもできる。
カメラの信号に関する固定された分解能(例えば、14ビット)でデータ取得を行う場合、ダイナミックレンジを温度Tと温度Tのうち(T>Tとする)、Tを被写体Sが取り得る温度よりも少し高め、Tを被写体Sが取り得る温度よりも少し低めに設定することにより、所望の温度範囲に対して細かく温度計測を行うことができる。
尚、制御・信号処理部11や感度不均一補正回路50は、その一部または全部をパーソナルコンピュータを用いて構成してもよい。また、表示部15が、赤外線カメラ10の筐体に搭載されるように構成してもよい。
[実施形態2]
本発明の実施形態2に係る赤外線撮像装置は、黒体光源挿入手段として、光学系と被写体との間の本来の光学経路中に介在して、光学系と第2の黒体光源との間に代替の光学経路を形成するミラー等の光学素子と、本来の光学経路と代替の光学経路とを切り替えるべくミラー等の光学素子を移動する機構とによって構成されている点が、実施形態1と異なる。このため、実施形態1と同一または同様の部分については、実施形態1における説明および図面を援用することとし、詳細な説明は省略する。
図4を参照すると、本発明の実施形態2に係る赤外線撮像装置は、実施形態1と同様に、被写体支持部41に支持された生体組織である被写体Sにレーザ光を照射しながら、主鏡21および副鏡22を含む光学系を介して、被写体Sを撮像する際に低温側および高温側の基準温度で規定された検出温度範囲で温度検出を行う赤外線カメラ10を有している。図4中、符号14は、ゲルマニウム結晶から成る赤外線レンズである。
赤外線カメラ10は、実施形態1の図2を援用参照すると、赤外線撮像素子13と、第1の黒体光源31と第2の黒体光源32とによる低温側および高温側の温度基準とに基づいて、被写体Sの温度分布を検出すると共に、赤外線カメラ10の動作全般を司る制御・信号処理部11と、必要に応じて、低温側および高温側の基準温度を記憶するメモリ12とを備えている。図中、符号15は、液晶ディスプレイ等の表示部を示し、表示部15は、赤外線カメラ10による撮像結果をサーモグラフとして表示する。
また、制御・信号処理部11は、チョッパ16を駆動するモータ17に対して同期信号を送出すると共に、後述するミラー移動機構48に対する制御信号を送出する。さらに、制御・信号処理部11は、実施形態1の図3に示された感度不均一補正回路50からの補正信号を取得するものであってもよい。
特に、本赤外線撮像装置は、第1の黒体光源31と、第2の黒体光源32と、黒体光源挿入手段としてのミラー移動機構48とを有している。
第1の黒体光源31は、主鏡21および副鏡22を含む光学系と赤外線カメラ10との間に配置され、第1の黒体光源31に取り付けられた図示しないペルチェ素子等により、低温側および高温側の基準温度の一方(本例では、低温側の基準温度)に設定され、光チョッパ16を介して被写体Sと交互に赤外線カメラ10によって撮像される。
一方、第2の黒体光源32は、主鏡21および副鏡22を含む光学系の外部に配置され、第2の黒体光源32に取り付けられた図示しないペルチェ素子等により、低温側および高温側の基準温度の他方(本例では、高温側の基準温度)に設定され、被写体Sと代替に赤外線カメラ10によって撮像される。
また、黒体光源挿入手段は、被写体Sと第2の黒体光源32とを位置的または光学経路的に入れ替えるものであり、本実施形態においては、主鏡21および副鏡22を含む光学系と被写体Sとの間の本来の光学経路中に介在して、光学系と第2の黒体光源32との間に代替の光学経路を形成する光学素子としての第1ミラー46、第2ミラー47と、赤外線カメラ10の制御・信号処理部11からの制御信号に基づいて本来の光学経路と代替の光学経路とを切り替えるべく第1ミラー46、第2ミラー47を移動するミラー移動機構48とによって構成されている。
尚、本発明においては、ミラー移動機構48が第1ミラー46、第2ミラー47と共にさらに第2の黒体光源32をも一緒に移動するようにしてもよい。本発明においてはまた、ミラー移動機構に代えて、赤外線カメラの制御・信号処理部からの制御信号に基づいて被写体と第2の黒体光源とを光学経路的に入れ替える第2の光チョッパを黒体光源挿入手段として備えていてもよい。
さらに、本赤外線撮像装置は、被写体Sと、第2の黒体光源32とを収容し、被写体Sと第2の黒体光源32とを同じ雰囲気下(本例では、所定湿度に保たれた水蒸気雰囲気)に曝すチャンバCをさらに有している。尚、図示はしないが、チャンバCには窓が備えられており、この窓は赤外線を透過するゲルマニウム結晶から成っている。
第1の黒体光源31および第2の黒体光源32の低温側および高温側の基準温度で規定される検出温度範囲は、被写体がとり得る温度範囲よりも僅かに広い程度に設定されることが好ましい。
さらにまた、本発明においては、赤外線撮像素子が本例の赤外線撮像素子13のごとく、複数の撮像画素が二次元状に配列されて成っている場合、本赤外線撮像装置は、図3に示された感度不均一補正回路50を有していてもよい。
以下、本発明の実施形態による赤外線撮像装置の具体的な実施例を説明する。
[第1の検出温度範囲]
まず、比較的広範囲である第1の検出温度範囲に設定した例を説明する。
実施形態1または2の構成において、黒体光源32の温度Tを、生体組織サンプルである被写体Sが取り得る上限よりかなり高めの64℃に設定し、黒体光源31の温度Tを被写体Sが取り得る下限よりも少し低めの34℃に設定した。つまり、検出温度範囲をかなり広範囲に設定した。
その時に得られた被写体Sと黒体光源31の差画像を図5に示す。同図を見れば分るように、画像は背景となる低温度領域と高温度領域の2種類から成り、非常に単純な分布を示している。
[第2の検出温度範囲]
次に、比較的狭範囲である第2の検出温度範囲に設定した例を説明する。
本発明の実施例は、黒体光源32の温度Tを、生体組織サンプルである被写体Sが取り得る上限よりも少し高めの温度に設定した点が、比較例と異なる。
実施形態1または2の構成において、黒体光源32の温度Tを被写体Sが取り得る上限よりも少し高めの44℃に設定し、黒体光源31の温度Tを被写体Sが取り得る下限よりも少し低めの34℃に設定した。つまり、検出温度範囲を被写体Sが取り得る温度範囲程度の狭範囲に設定した。
その時に得られた被写体Sと黒体光源31の差画像を図6に示す。同図を見れば分るように、画像は背景となる低温度領域と高温度領域以外に中間温度領域から成っている。このように、ダイナミックレンジを被写体Sが取り得る温度範囲付近に設定することにより、より細かい温度分布を見出すことが可能となる。
以上説明した実施例に限定されることなく、本発明は、特許請求の範囲に記載された技術範囲内であれば、種々の変形が可能であることは云うまでもない。
10 赤外線カメラ
11 制御・信号処理部
12 メモリ
13 赤外線撮像素子
14 赤外線レンズ
15 表示部
16 光チョッパ
17 モータ
21 主鏡
22 副鏡
31 第1の黒体光源
32 第2の黒体光源
41 被写体支持部
42 可動ステージ
46 第1ミラー
47 第2ミラー
48 ミラー移動機構
50 感度不均一補正回路
52U、52L 演算前メモリ
53 演算部
54U、54L 演算後メモリ
C チャンバ
S 被写体(生体組織サンプル)

Claims (4)

  1. 光学系を介して被写体を撮像する際に低温側および高温側の基準温度で規定された検出温度範囲で温度検出を行う赤外線カメラを有する赤外線撮像装置であって、
    前記光学系と前記赤外線カメラとの間に配置され、前記低温側および前記高温側の基準温度の一方に設定され、光チョッパを介して被写体と交互に前記赤外線カメラによって撮像される第1の黒体光源と、
    前記光学系の外部に配置され、前記低温側および前記高温側の基準温度の他方に設定され、被写体と代替に前記赤外線カメラによって撮像される第2の黒体光源と、
    被写体と前記第2の黒体光源とを位置的に入れ替える黒体光源挿入手段とを有し、
    前記黒体光源挿入手段は、被写体と前記第2の黒体光源との位置を入れ替える可動ステージであることを特徴とする赤外線撮像装置。
  2. 被写体と、前記第2の黒体光源とを収容し、被写体と該第2の黒体光源とを同じ雰囲気下に曝すチャンバをさらに有し、
    前記チャンバは、前記光学系と被写体との間に形成される光学経路を横切る部分にゲルマニウム結晶から成る窓を備えている請求項1に記載の赤外線撮像装置。
  3. 前記赤外線カメラは、複数の撮像画素が二次元状に配列されてなる赤外線撮像素子を備え、
    前記低温側および前記高温側の基準温度に基づいて前記赤外線撮像素子によって温度検出を行うことによって各撮像画素の正常/欠陥を判定し、欠陥画素に隣接する正常画素によって温度検出を代替させて補正をなす感度不均一補正回路をさらに有する請求項1または2に記載の赤外線撮像装置。
  4. 前記第1の黒体光源および前記第2の黒体光源の前記低温側および前記高温側の基準温度で規定される検出温度範囲は、被写体がとり得る温度範囲よりも僅かに広く設定される請求項1乃至のいずれか一項に記載の赤外線撮像装置。
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