JP6682380B2 - ガス画像センサ装置およびガス画像撮像測定装置およびガス画像撮像測定システム - Google Patents

Description

この発明は、ガス画像センサ装置およびガス画像撮像測定装置およびガス画像撮像測定システムに関する。

赤外光領域の電磁波（以下「赤外光」と言う。）を利用した各種のセンサ装置や測定装置が広く実用化されている。例えば、対象物が放射する赤外光を、赤外光用のレンズにより２次元の受光域を有するサーモパイルセンサの受光域に結像させ、対象物における温度分布を検出するサーモグラフィは広く一般に知られている。
赤外光領域にはまた、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）。

例えば、特許文献１には、ＣＯ_２ガスや水分の測定に関する記載があり、特許文献２には、エチレンガスの検出に関する例が記載され、特許文献３には、エチルアルコールの検出により酒気帯び運転の検知に関する記載がある。

この発明は、赤外光を利用した新規なガス画像センサ装置の実現を課題とする。

この発明のガス画像センサ装置は、撮像対象となる１種以上のガスの赤外光画像を結像する赤外光結像光学系と、該赤外光結像光学系による赤外光画像を結像され、前記赤外光画像を撮像する赤外光撮像素子と、前記赤外光結像光学系と前記赤外光撮像素子との間に配置され、前記赤外光結像光学系による結像光束を赤外光画像用光束と分光画像用光束とに分離する分離手段と、該分離手段により分離された分光画像用光束の結像面に配置された２次元のシャッタアレイと、該シャッタアレイの各シャッタを通過する赤外光を前記シャッタごとに分光する赤外光分光手段と、を有し、前記赤外光分光手段は、前記撮像対象となる１種以上のガスによる赤外光吸収波長を分光波長領域に含む。

この発明によれば、赤外光を利用した新規なガス画像センサ装置を実現できる。

ガス画像撮像測定システムを説明するための図である。 ガス画像撮像測定システムの実施の１形態の概念図である。 ガス画像撮像測定システムの要部の１例を説明するための図である。 ガス画像撮像測定システムの要部の別例を説明するための図である。

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。
前述の如く、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」であり、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、赤外線の光学的側面を問題とすることに鑑み「赤外光」と称する。
ガス画像センサ装置では、１種以上のガスを「撮像対象」とする。この撮像対象であるガスは「赤外光結像光学系」により「赤外光画像」として結像される。赤外光結像光学系は、赤外光に対して結像機能を有する光学系であり、結像素子としてレンズ系を含む。このレンズ系としては、例えば、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を含むものとして構成できる。
これらの材料により形成されるレンズは、上述の中赤外光および遠赤外光の波長領域の赤外光に対してレンズ作用を有するので、以下の説明において「２波長帯透過レンズ」とも呼ぶ。

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結像光学系に用い得る。

赤外光は目視では不可視であるから、赤外光結像光学系により結像される赤外光画像は目視されない。赤外光画像は、赤外光撮像素子により撮像した出力に画像処理を施して、ディスプレイ上に目視可能な像として表示可能である。
「赤外光撮像素子」としては、周知の「サーモパイル」や「ボロメータ」の素子を２次元的に排列したもの（これらはすでに市販されている。）を用いることができ、サーモパイル等を用いる赤外光撮像素子を用いると、赤外光画像を「温度分布画像」に変換できる。

また、赤外光の持つ連続スペクトルの強度は「黒体輻射に関するヴィーンの法則」に從って温度と共に変化するので、赤外光強度の波長依存性から赤外光の温度を特定でき、所謂「赤外光センサ」を用いて、赤外光画像の温度分布を生成することが従来から知られている。

この発明のガス画像センサ装置では、赤外光結像光学系と赤外光撮像素子との間に「分離手段」が配置され、赤外光結像光学系により結像される結像光束を「赤外光画像用光束」と「分光画像用光束」との２部分に分離する。
分離手段は、赤外光結像光学系により結像される結像光束を「赤外光画像用光束と分光画像用光束」の２部分に分離できるものであれば適宜のものを用いることができる。
例えば「半透鏡」のように、前記結像光束を「所望の強度配分で互いに分離する」ものを用いることもできる。
分離手段は、例えば「分光透過膜を形成したダイクロイックフィルタ」のように、結像光束を、例えば、遠赤外領域と中赤外領域のように「波長領域の異なる赤外光成分」に分離するものを用いるのが好ましい。

分離手段により分離された一方の光束である「赤外光画像用光束」は、赤外光撮像素子上に結像して赤外光画像を形成する。
分離された他方の光束である「分光画像用光束」は、その結像面に合致して配置されたシャッタアレイ上に結像する。
「シャッタアレイ」は、微小なシャッタを２次元的に配列してなり、個々のシャッタを選択的に開閉可能である。分光画像用光束は、シャッタアレイの個々のシャッタを通過すると、赤外光分光手段により分光される。
「赤外光分光手段」は、その分光波長領域に「撮像対象となる１種以上のガスによる赤外光吸収波長」を含む。
「赤外光分光手段」は後述の実施の形態のように、赤外光領域に感度を有する赤外光受光素子アレイと、シャッタアレイの個々を通過した光束を、赤外光受光素子アレイの受光領域に照射するリレー光学系と、赤外光受光素子アレイの受光領域に密接もしくは近接して配置され、該受光領域に入射する赤外光を分光する分光フィルタを有する構成とすることができる。

「赤外光分光手段」はまた、シャッタアレイの各シャッタを通過した赤外光を平行光束化するマイクロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイの個々のマイクロレンズにより平行光束化された赤外光を集光させる集光レンズと、該集光レンズにより集光される赤外光の「集光位置」を通過する赤外光の赤外光成分を分光して受光する分光器と、を有する構成とすることもできる。
「赤外光成分の分光」は、例えば、回折格子を用いて「回折により分光」させることもできるし、プリズム等による分散により分光させることもできる。

付言すると、この発明のガス画像センサ装置では「１種以上のガス」を撮像対象とするのであるから、撮像対象となるガスは「１種類」である場合も含まれる。特定の１種類のガスを撮像対象とするのであれば、その吸収波長は撮像対象である「特定のガスに固有」である。従って、この場合、上記赤外光成分を分光して受光する分光器が有するべき「分光機能」は、この場合「特定の吸収波長とその近傍の波長領域」のみを他の波長の赤外光成分から分離できればよい。
この発明においては、このような「特定の吸収波長とその近傍の波長領域のみを他の波長の赤外光成分から分離する」ことも「分光」の概念に含める。
「特定の吸収波長とその近傍の波長領域のみを他の波長の赤外光成分から分離」するには、例えば、バンドパスフィルタを用いて上記「特定の吸収波長とその近傍の波長領域の赤外光成分のみ」を透過させ、他の波長領域の赤外光成分を反射させることにより実行することができる。

以下、ガス画像センサ装置を用いる「ガス画像撮像測定システム」の実施の１形態を説明する。
以下に説明するガス画像撮像測定システムは「火山ガス監視システム」を想定したものである。
説明図として例示する図１において、（ａ）は「火山ガスを噴出中の火山」の状況を示す可視画像である。火山の火口から「白煙状の火山ガス」が噴出している。
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す噴出中の火山ガスの「温度分布画像」を可視画像に重畳した画像である。図１（ｃ）は、噴出中の火山ガスに含まれる「水蒸気」、「ＣＯ_２（２酸化炭素ガス）」、「Ｈ_２Ｓ（硫化水素ガス）」の分布を可視画像に重畳して表示した画像である。

図１（ｂ）において、Ａは２０００℃、Ｂは１０００℃、Ｃは８００℃、Ｄは５００℃、Ｅは３００℃の領域を、それぞれ示している。また、図１（ｃ）において、Ｆは水蒸気、ＧはＨ_２Ｓ、ＨがＣＯ_２の空間分布状態を示している。

図１（ｂ）に示す如き「温度分布画像」は、分離手段により分離された赤外光画像用光束が赤外光撮像素子の２次元の撮像領域に結像する赤外光画像の強度分布を、画像処理により温度分布に変換することにより得られる。
図１（ｂ）に示すのは、温度分布画像を、複数の温度領域に分けて「温度の段階的な変化」を示すように、温度分布画像を画像処理したものである。

図１（ｃ）に示す如き「ガス種の分布」の画像は、分離手段により分離された分光画像用光束を用いて得られる。
即ち、分光画像用光束を２次元のシャッタアレイ上に結像させ、シャッタアレイの個々のシャッタを画素とし、各画素を通った光束を赤外光分光手段により分光する。
そして、撮像されている火山ガスにおける「撮像対象」であるガス（説明中の例で、水蒸気と、Ｈ_２Ｓガス、ＣＯ_２ガス）の吸収波長が含まれている画像（吸収波長の赤外光が吸収されているので、暗い画像となる。）を吸収波長ごとに２次元画像化する。この処理も画像処理として行うことができる。

説明中の例において、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である。
從って、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。
上に概略を説明した「火山ガス監視システムを想定したガス画像撮像測定システム」の実施の形態例を以下に説明する。

図２は、ガス画像撮像測定システムの実施の１形態の概念図である。
符号１００で示す部分は「ガス画像撮像測定装置」の部分を示す。
ガス画像撮像測定装置１００は、ガス画像センサ装置１０１、画像処理手段１０３、ディスプレイ手段１０５および制御手段１１０を有する。
図中の符号２０１は「可視画像撮像手段」、符号２０３は「可視画像用画像処理手段」を、それぞれ示す。
画像処理手段１０３は、ガス画像センサ装置１０１の出力に対する画像処理を行う。
可視画像撮像手段２０１は、ガス画像撮像測定装置１００の撮像領域（ガス画像センサ装置１０１の撮像領域）の可視画像を撮像し、その撮像出力を可視画像用画像処理手段２０３に入力させる。
可視画像用画像処理手段２０３は、可視画像撮像手段２０１の撮像出力に対する画像処理を行う。
ディスプレイ手段１０５は、画像処理手段１０３の出力や、可視画像用画像処理手段２０３の出力を画像として表示する。即ち、ディスプレイ手段１０５は、画像処理手段１０３と、可視画像用画像処理手段２０３に共用されており、可視画像用画像処理手段２０３との関連で「可視画像用ディスプレイ手段１０５」と言う場合もある。

上記ガス画像センサ装置１０１、画像処理手段１０３、可視画像用画像処理手段２０３およびディスプレイ手段１０５は、制御手段１１０の制御を受ける。制御手段１１０は、コンピュータやＣＰＵ等として構成され、種々の制御内容が記憶されており、各種インタフェイス手段により所望の制御内容を外部から指定することもできる。
即ち、図２に示すガス画像撮像測定システムは、ガス画像撮像測定装置１００と、可視画像撮像装置と、を有し、可視画像撮像装置は、可視画像撮像手段２０１と、可視画像用画像処理手段２０３と、可視画像用ディスプレイ手段１０５と、を有する。
可視画像用ディスプレイ手段１０５は、ガス画像撮像測定装置のディスプレイ手段１０５を兼ねている。後述のように、ディスプレイ手段１０５には、ガス画像撮像測定装置１００による「１種以上のガス画像および赤外光画像および表示用可視画像の１以上」が、選択的に、もしくは合成画像として表示される。
なお、図２に示す、画像処理手段１０３と可視画像用画像処理手段２０３とは、図示の如くに別体として構成できることは勿論であるが、これらを「１つの手段として共通化」することもできる。このように共通化した場合を破線で示し、符号１０３０を付する。このように共通化した部分を、以下において「画像処理手段１０３０」と呼ぶ。

図３を参照する。
図３は、図２に示したガス画像撮像測定システムのうち、ディスプレイ手段１０５と制御手段１１０の部分を除いた部分の具体的な構成の２例を示している。
図３（ａ）を参照すると、この図において、符号ＯＬは「撮像対象からの可視光成分」を示し、符号ＯＬＩは「撮像対象からの赤外光成分」を示す。
赤外光成分ＯＬＩは、中赤外光成分と遠赤外光成分を含んでいる。
図３（ａ）において符号Ｌ０は「レンズ」を示し、符号１０Ａは「可視画像撮像素子」を示す。レンズＬ０は「可視画像結像光学系」であって、撮像対象（説明中の例では「火山の火口部」）からの可視光成分ＯＬの入射を受けて、可視画像撮像素子１０Ａの受光面上に「撮像対象の可視画像」として結像させる。
可視画像撮像素子１０Ａとしては、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等「可視光の波長領域に感度を有する受光素子」を２次元に配列して「エリアセンサ」としたものを用いることができる。勿論、可視画像撮像素子１０Ａは、モノクローム画像対応のものもカラー画像対応のものも用いることができる。

図２に示した可視画像撮像手段２０１は、図３に示す例では、レンズＬ０と可視画像撮像素子１０Ａとを含む。
図３（ａ）において、符号ＬＩは「赤外光結像光学系」である２波長帯透過レンズを示す。２波長帯透過レンズ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レンズ作用を有する。赤外光成分ＯＬＩは、２波長帯透過レンズＬＩに入射すると、２波長帯透過レンズＬＩの光学作用を受けて「結像光束」となり、「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は、入射してくる結像光束を、波長領域の異なる２光束に分離する。即ち、赤外光成分ＯＬＩ中の遠赤外成分（波長：５μｍ以上）は透過させて「赤外光画像用光束」とし、中赤外成分（波長：２μｍ〜５μｍ）は反射させて「分光画像用光束」とする。

ダイクロイックフィルタＳＰを透過した赤外光画像用光束は、赤外光撮像素子１０Ｂの受光面上に遠赤外成分による「赤外光画像」として結像し、赤外光撮像素子１０Ｂにより撮像される。赤外光撮像素子１０Ｂ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、市販されているものを用いることができる。
從って、赤外光撮像素子１０Ｂにより遠赤外光による「赤外光画像」が撮像される。

ダイクロイックフィルタＳＰに反射された「分光画像用光束」も、２波長帯透過レンズＬＩのレンズ作用により中赤外光画像として結像するが、その結像面に合致させてシャッタアレイＳＡが配置されている。シャッタアレイＳＡは、２枚のリレーレンズＲＬ１、ＲＬ２により挟まれ、中赤外光画像を結像する光束光線は、リレーレンズＲＬ１によりシャッタアレイＳＡに直交する方向に向かわされ、シャッタアレイＳＡに直交するように入射する。２枚のリレーレンズＲＬ１、ＲＬ２はリレー光学系ＲＬを構成する。
シャッタアレイＳＡは「独立して開閉できる微小なシャッタ」を２次元的に配列してなり、中赤外光画像がシャッタアレイ上に結像している状態で、任意の１つのシャッタを開くと、このシャッタを「画素」とする中赤外光が、シャッタアレイＳＡを通過する。
シャッタアレイＳＡの任意のシャッタを通過した中赤外光は、リレーレンズＲＬ２を透過し、発散しつつ赤外光受光素子アレイ１０ＣＡに投射される。
説明中の例では、ダイクロイックフィルタＳＰにより反射された分光画像用光束は中赤外光であるので、赤外光受光素子アレイ１０ＣＡとしては、中赤外光の波長領域を含む波長：２〜５μｍ程度の赤外光に対して感度を持つ受光素子のアレイが用いられる。このような赤外光受光素子アレイ１０ＣＡとしても市販の「中赤外光用の受光素子アレイ」を用いることができる。

なお、図３（ａ）に示す例においては、赤外光受光素子アレイ１０ＣＡは「エリアセンサ」であり、受光領域は２次元である。
シャッタアレイＳＡの任意のシャッタを通過した光束は発散光束である。リレーレンズＲＬ２は、任意のシャッタを通過した発散光束の「光束中心光線」を、赤外光受光素子アレイ１０ＣＡの中心部に向かわせる機能を有する。また、赤外光受光素子アレイ１０ＣＡは、シャッタアレイＳＡの任意のシャッタを通過した光束が、全て受光エリアに入射するように、シャッタアレイＳＡに対する位置関係を設定されている。
図３（ａ）に符号ＳＰＦで示す「分光フィルタ」は、赤外光受光素子アレイ１０ＣＡの受光面に密接もしくは近接して配置され、上記受光面に入射する赤外光（中赤外光）を分光する。即ち、分光フィルタＳＰＦは「透過波長が図の上下方向に変化するフィルタ」であり、図の上端側での透過波長が２μｍ、下端での透過波長が５μｍとなるように設定されている。
このような分光フィルタとしては、例えば、「VOLTEX OPTICAL COATING Ltd.製の赤外線リニア可変フィルタ」を好適に用いることができる。

このような分光フィルタＳＰＦを用いると、赤外光受光素子アレイ１０ＣＡにおける図の上側の受光素子には「波長：２μｍの中赤外光」が入射し、図の下側の受光素子には「波長：５μｍの中赤外光」が入射することになる。
シャッタアレイＳＡにおけるシャッタの個々をパラメータ：ｉ，ｊを用いて「ＳＴｉｊ」のように表すことにする。
パラメータ：ｉは、図の上下方向の位置に対応するパラメータ、パラメータ：ｊは、図面に直交する方向の位置に対応するパラメータである。
そこで、１個のシャッタＳＴｉｊが開いている状態において、赤外光受光素子アレイ１０ＣＡの受光素子のうち「水蒸気の吸収波長：２．６６μｍ相当の中赤外光を受光する受光素子群（便宜的に「水蒸気検出用受光素子群」と呼ぶ。）」の出力に着目する。
この「水蒸気検出用受光素子群」の出力の高底は「シャッタＳＴｉｊの位置に結像している中赤外光画像」における水蒸気成分の大小に対応する。即ち、水蒸気成分が大きいほど、波長：２．６６μｍ相当の中赤外光は強く吸収されるので上記出力は小さくなり、水蒸気成分が小さいほど上記出力は大きくなる。

從って、シャッタアレイＳＡを構成する全てのシャッタについて、水蒸気検出用受光素子群の出力（水蒸気検出用受光素子群を構成する全ての受光素子の出力）を求め、シャッタアレイに対応する「２次元の出力分布」を求めると、この２次元の出力分布は、シャッタアレイＳＡに結像している中赤外光画像における「水蒸気の濃度分布」に対応する。

この水蒸気の濃度分布に対応するシャッタアレイＳＡにおける「２次元の出力分布」を、以下、便宜的に「水蒸気出力分布」と呼ぶ。

同様に、赤外光受光素子アレイ１０ＣＡの受光素子のうち「ＣＯ_２ガスの吸収波長：４．２６μｍ相当の中赤外光を受光する受光素子群の出力」のシャッタアレイに対応する「２次元の出力分布」を求めると、この２次元の出力分布はシャッタアレイＳＡに結像している中赤外光画像における「ＣＯ_２ガスの濃度分布」に対応する。
このＣＯ_２ガスの濃度分布に対応するシャッタアレイＳＡにおける「２次元の出力分布」を、以下、便宜的に「ＣＯ_２ガス出力分布」と呼ぶ。
赤外光受光素子アレイ１０ＣＡの受光素子のうち「Ｈ_２Ｓガスの吸収波長：３．８１μｍ相当の中赤外光を受光する受光素子群の出力」のシャッタアレイに対応する「２次元の出力分布」を求めると、この２次元の出力分布はシャッタアレイＳＡに結像している中赤外光画像における「Ｈ_２Ｓガスの濃度分布」に対応する。
このＨ_２Ｓガスの濃度分布に対応するシャッタアレイＳＡにおける「２次元の出力分布」を、以下、便宜的に「Ｈ_２Ｓガス出力分布」と呼ぶ。
図３（ａ）において、可視画像撮像素子１０Ａからの出力（便宜上「可視画像データ」と称する。）は、画像処理手段１０３０に入力する。同様に、赤外光撮像素子１０Ｂからの出力（便宜上「赤外光画像データ」と称する。」）、赤外光受光素子アレイ１０ＣＡの出力（便宜上「中赤外光画像データ」と称する。）も、画像処理手段１０３０に入力する。

画像処理手段１０３０は、これらの入力データに対し画像処理を行う。
前述の如く、画像処理手段１０３０は、図２に示す画像処理手段１０３と可視画像用画像処理手段２０３とを共通化したものであり、可視画像データに対する画像処理と、赤外光画像データに対する画像処理と、中赤外光画像データに対する画像処理を行うことができる。
「画像処理」は、ノイズの除去や、画像輝度の調整、コントラストの強調、複数画像の重畳、色付け等、公知の種々の処理が可能である。

画像処理手段１０３０における画像処理は、上記可視画像データ、赤外光画像データ、中赤外光画像データに対する処理を、同時並列的に行うことも「データごとに別箇」に行うことも可能である。これらの処理の選択や切り替えは、制御手段１１０に予め設定してある設定内容に從って行うことも、また外部入力により行うこともできる。
画像処理手段１０３０は、画像処理を施されて表示可能となったデータをディスプレイ手段１０５（図２参照）に送って画像として表示させる。
画像処理手段１０３０により画像処理された「可視画像データ」を、ディスプレイ手段１０５に表示すれば、可視画像撮像素子１０Ａにより撮像され、画像処理された可視画像が表示される。このようにして、例えば、図１（ａ）に示したような「火山ガスを噴出中の火山」の状況を示す可視画像が表示される。

また、赤外光撮像素子１０Ｂでは、遠赤外による「赤外光画像」が撮像されるので、赤外光撮像素子１０Ｂからの赤外光画像データに「ノイズ除去や輝度調整等の画像処理」を施して画像処理手段１０３０から出力させれば、ディスプレイ手段１０５に通常の「赤外線写真」に相当する画像を表示できる。
画像処理として、前述した「温度分布画像に変換する処理」を行い、さらに、温度分布画像を複数の温度領域に分けて「温度の段階的な変化」を示すように画像処理し、その結果を、上述の「可視画像」に重畳させてディスプレイ手段１０５に表示すれば、例えば図１（ｂ）に示す如き画像が得られる。
赤外光受光素子アレイ１０ＣＡからは「中赤外光画像データ」として「水蒸気出力分布」と「ＣＯ_２ガス出力分布」と「Ｈ_２Ｓガス出力分布」とが得られる。
これらの分布は、シャッタアレイＳＡに結像している中赤外光画像における「これらのガスの濃度分布」に対応するので、これら３種類の出力分布に対して画像処理手段１０３０により画像処理を行う。
画像処理として、例えば、各ガスの出力分布を「色分け」したり、画像濃度を相互に異ならせたりする処理を行い、その結果を上述の「可視画像」に重畳させてディスプレイ手段１０５に表示すれば、例えば図１（ｃ）に示す如き画像が得られる。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す実施の形態の変形例である。
図３（ａ）に示す例では、赤外光受光素子アレイ１０ＣＡは「２次元の受光領域を持つエリアセンサ」である。一方、分光フィルタＳＰＦは、図の上下方向にのみ分光機能をもち、図面に直交する方向には分光機能を持たない。この点を鑑みると、分光フィルタＳＰＦにより分光された中赤外光を受光する赤外光受光素子アレイは、必ずしもエリアセンサである必要はない。
図３（ｂ）に示す例は、かかる観点に基づくもので、赤外光受光素子アレイとして「赤外光受光素子のライン状のアレイ配列」を有するものを用いている。即ち、この例において赤外光受光素子アレイ１０ＣＬは「赤外光受光素子を図の上下方向にライン状に配列したラインセンサ」である。この場合、分光フィルタＳＰＦも、図面に直交する方向における幅は、赤外光受光素子アレイ１０ＣＬの受光面幅をカバーできる大きさがあればよい。

図３（ｂ）において、符号ＣＹＬはシリンダレンズ等のシリンダ光学系である。シリンダ光学系ＣＹＬは、長手方向に直交する方向にのみ集光機能を有し、長手方向を図の如く上下方向に平行にして、分光フィルタＳＰＦとリレーレンズＲＬ２との間に配備され、リレー光学系側からの光束を赤外光受光素子アレイ１０ＣＬの受光領域に集光させる。
図３（ｂ）には図示を省略されているが、可視画像撮像素子１０Ａからの出力、赤外光撮像素子１０Ｂからの出力、赤外光受光素子アレイ１０ＣＬの出力は、図３（ａ）に示すのと同様に、画像処理手段１０３０に入力して画像処理される。
この例のようにしても、図３（ａ）の例と同様に、可視画像、赤外光画像、中赤外光画像を適宜に画像処理した画像をディスプレイ手段に表示することができる。

図４は、図２に示したガス画像撮像測定システムのうち、ディスプレイ手段１０５と制御手段１１０の部分を除いた部分の具体的な構成の他の２例を示している。
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３におけると同一の符号を付した。
図４に示す２例は、図において「シャッタアレイＳＡよりも右側の部分」が、図３に示した例と異なっている。
図４（ａ）に示す例において、ダイクロイックフィルタＳＰに反射された「分光画像用光束」は２波長帯透過レンズＬＩのレンズ作用により、シャッタアレイＳＡ上に中赤外光画像として結像する。この結像光束の光線は、リレーレンズＲＬ１によりシャッタアレイＳＡに直交する方向に向かわされ、シャッタアレイＳＡに直交するように入射する。

シャッタアレイＳＡの射出側には、マイクロレンズアレイＭＬＡが配置されている。
マイクロレンズアレイＭＬＡは、凸レンズであるマイクロレンズを２次元的に配列した構成であるが、個々のマイクロレンズは、シャッタアレイＳＡにおける個々のシャッタと１：１に対応している。そして、任意のシャッタを通過した中赤外光は、このシャッタに対応するマイクロレンズにより平行光束化される。
任意のシャッタを透過し、このシャッタに対応するマイクロレンズにより平行光束化された中赤外光は集光レンズＬＦに入射し、この集光レンズＬＦの焦点位置に向かって集光される。

図４において符号ＳＦは「分光器」を示している。分光器ＳＦは、入射口を上記焦点位置に合致させて配置され、入射光位置に集光して入射する赤外光を「分光して受光する機能」を有している。
説明中の例においては、分光器ＳＦには、中赤外光が入射するので、分光器ＳＦの分光波長領域は、例えば２μｍ〜５μｍ程度である。
このような分光器ＳＦとしては、例えば、浜松ホトニクス社製の「マイクロ分光器（分光は回折により行われる）」を好適に用いることができる。

分光器ＳＦは「中赤外光の分光波長に応じた光強度」を出力する。これらの出力のうちから、水蒸気の吸収波長：２．６６μｍ相当の中赤外光に対応する出力を選択し、この出力をシャッタアレイＳＡの全てのシャッタについて求めれば、前述の「水蒸気出力分布」が得られる。
また、分光器ＳＦの出力のうち、ＣＯ_２ガスの吸収波長：４．２６μｍ相当の中赤外光に対応する出力を選択し、この出力をシャッタアレイＳＡの全てのシャッタについて求めれば、前述の「ＣＯ_２ガス出力分布」が得られる。
同様に、分光器ＳＦの出力のうち、Ｈ_２Ｓガスの吸収波長：３．８１μｍ相当の中赤外光に対応する出力を選択し、この出力をシャッタアレイＳＡの全てのシャッタについて求めれば、前述の「Ｈ_２Ｓガス出力分布」が得られる。
可視画像撮像素子１０Ａや赤外光撮像素子１０Ｂの出力に対する画像処理手段１０３０による画像処理は、図３の例と同様である。
從って、分光器ＳＦから得られる各出力分布に対して、図３の場合と同様の画像処理を画像処理手段１０３０で行い、可視画像撮像素子１０Ａの出力に基づいて得られる可視画像に重畳させて、図２に示すディスプレイ手段１０５に表示すれば、図１（ｃ）の如き画像を得ることができる。
また、可視画像撮像素子１０Ａの出力と、赤外光撮像素子１０Ｂの出力とに基づいて、図１（ｂ）の如き画像を表示できることは、図３の実施形態と同様である。

分光器ＳＦにおける分光を「回折により行う」場合、分光を行う回折格子は１次元的であるのが簡便でよい。上に例示した「浜松ホトニクス社製のマイクロ分光器」でも、回折格子は１次元的である。このような場合、入射口は、分光方向に直交するスリット状であることが好ましく、スリット幅も狭いことが好ましい。
図４（ｂ）は、このような観点を鑑みたものであって、分光器ＳＦの入射口が、図面の上下方向に長いスリット状である場合に、集光レンズＬＦにより集光される赤外光を、前記入射口のスリットの幅方向（図面に直交する方向）にさらに集光させるシリンダ光学系ＣＹＬ（具体的にはシリンドリカルレンズである。混同の恐れは無いと思われるので、図３におけると同一の符号を付した。）が設けられている。
このようにすると、入射口のスリット幅を狭くしつつ、分光される光量を十分に確保できる。

前述の如く、この発明のガス画像センサ装置では「特定の１種のガス（例えばＣＯ_２ガス）のみ」を撮像対象とする場合もある。この場合には、赤外光成分を分光して受光する分光器ＳＦとしては、ＣＯ_２ガスの吸収波長：４．２６μｍとその近傍の波長領域のみを透過させるバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタを透過した赤外光成分を受光する「焦電素子」とを含んで構成でき、焦電素子の出力により「ＣＯ_２ガス出力分布」を構成できる。このようにして、簡便なＣＯ２ガス用のガス画像センサ装置を実現できる。

以上のように、この発明によれば、以下の如き、ガス画像センサ装置およびガス画像撮像測定装置およびガス画像撮像測定システムを実現できる。

［１］
撮像対象となる１種以上のガスの赤外光画像を結像する赤外光結像光学系（ＬＩ）と、該赤外光結像光学系による赤外光画像を結像され、前記赤外光画像を撮像する赤外光撮像素子（１０Ｂ）と、前記赤外光結像光学系と前記赤外光撮像素子との間に配置され、前記赤外光結像光学系による結像光束を赤外光画像用光束と分光画像用光束とに分離する分離手段（ＳＰ）と、該分離手段により分離された分光画像用光束の結像面に配置された２次元のシャッタアレイ（ＳＡ）と、該シャッタアレイの各シャッタを通過する赤外光を前記シャッタごとに分光する赤外光分光手段と、を有し、前記赤外光分光手段は、前記撮像対象となる１種以上のガスによる赤外光吸収波長を分光波長領域に含むガス画像センサ装置（図３）。

［２］
［１］記載のガス画像センサ装置であって、前記赤外光分光手段は、赤外光領域に感度を有する赤外光受光素子アレイ（１０ＣＡ、１０ＣＬ）と、前記シャッタアレイ（ＳＡ）の個々を通過した光束を、前記赤外光受光素子アレイの受光領域に照射するリレー光学系（ＲＬ）と、前記赤外光受光素子アレイ（１０ＣＡ、１０ＣＬ）の前記受光領域に密接もしくは近接して配置され、前記受光領域に入射する赤外光を分光する分光フィルタ（ＳＰＦ）と、を有するガス画像センサ装置（図３）。

［３］
［２］記載のガス画像センサ装置であって、前記赤外光受光素子アレイ（１０ＣＬ）が、赤外光受光素子のライン状のアレイ配列であり、前記分光手段が、前記リレー光学系（ＲＬ）と、前記分光フィルタ（ＳＰＦ）との間に、前記ライン状のアレイ配列の方向に直交する方向にのみ集光機能を持ち、前記リレー光学系側からの光束を前記赤外光受光素子アレイ（１０ＣＬ）の受光領域に集光させるシリンダ光学系（ＣＹＬ）を有するガス画像センサ装置（図３（ｂ））。

［４］
［１］記載のガス画像センサ装置であって、前記赤外光分光手段は、前記シャッタアレイ（ＳＡ）に結像する赤外光を前記シャッタアレイ（ＳＡ）に直交させるリレーレンズ（ＲＬ１）と、前記シャッタアレイの各シャッタを通過した赤外光を平行光束化するマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）と、該マイクロレンズアレイの個々のマイクロレンズにより平行光束化された赤外光を集光させる集光レンズ（ＬＦ）と、該集光レンズにより集光される赤外光の集光位置を通過する赤外光の赤外光成分を分光して受光する分光器（ＳＦ）と、を有するガス画像センサ装置（図４）。

［５］
［４］記載のガス画像センサ装置であって、前記分光器（ＳＦ）は、スリット状の入射口を有し、前記集光レンズ（ＬＦ）により集光される赤外光を前記入射口のスリットの幅方向にさらに集光させるシリンダ光学系（ＣＹＬ）を有するガス画像センサ装置（図４（ｂ））。

［６］
［１］ないし［５］の何れか１に記載のガス画像センサ装置であって、前記赤外光撮像素子（１０Ｂ）は、遠赤外光に対する受光機能を有し、前記赤外光分光手段は、中赤外光領域の赤外光に対する分光機能を有するガス画像センサ装置（図３、図４）。

［７］
ガス画像センサ装置（１０１）と、前記赤外光撮像素子の出力により、前記赤外光画像を生成し、前記赤外光分光手段の出力により、前記撮像対象となる１種以上のガスの画像を生成する画像処理手段（１０３）と、前記ガス画像センサ装置（１０１）および前記画像処理手段（１０３）を制御する制御手段（１１０）と、を有し、前記ガス画像センサ装置が、［１］ないし［６］の何れか１に記載のものであるガス画像撮像測定装置（１００、図２、図３、図４）。

［８］
［７］記載のガス画像撮像測定装置であって、前記画像処理手段（１０３）が、赤外光の画像として温度分布画像を形成する機能を有するガス画像撮像測定装置（図２、図３、図４）。

［９］
［７］または［８］記載のガス画像撮像測定装置であって、前記制御手段（１１０）による制御を受けて、前記画像処理手段（１０３）による前記赤外光画像と前記１種以上のガスの画像とを、選択的に、もしくは合成画像として表示するディスプレイ手段（１０５）を有するガス画像撮像測定装置（図２、図３、図４）。

［１０］
［９］記載のガス画像撮像測定装置（１００）と、可視画像撮像装置と、を有し、前記可視画像撮像装置は、前記ガス画像撮像測定装置の撮像領域の可視画像を結像する可視画像結像光学系（Ｌ０）と、該可視画像結像光学系による可視画像を撮像する可視画像撮像素子（１０Ａ）と、を有する可視画像撮像手段（２０１）と、前記可視画像撮像素子の出力により、表示用可視画像を生成する可視画像用画像処理手段（２０３、１０３０）と、該可視画像用画像処理手段により生成された表示用可視画像を表示する可視画像用ディスプレイ手段（１０５）と、を有し、前記可視画像用ディスプレイ手段は、前記ディスプレイ手段を兼ね、前記ガス画像撮像測定装置による前記１種以上のガス画像および前記赤外光画像および前記表示用可視画像の１以上を、選択的に、もしくは合成画像として表示するものであるガス画像撮像測定システム（図２、図３、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。
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。

１０１ ガス画像センサ装置
１０３ 画像処理手段
２０１ 可視画像撮像手段
２０３ 可視画像用画像処理手段
１０３０ 画像処理手段
１０５ ディスプレイ手段
ＯＬ 可視光成分
ＯＬＩ 赤外光成分
Ｌ０ 可視画像結像光学系
１０Ａ 可視画像撮像素子
ＬＩ 赤外光結像光学系
１０Ｂ 赤外光撮像素子
ＳＰ 分離手段
ＳＡ シャッタアレイ
ＲＬ リレー光学系
ＳＰＦ 分光フィルタ
１０ＣＡ 赤外光受光素子アレイ
ＭＬＡ マイクロレンズアレイ
ＬＦ 集光レンズ
ＳＦ 分光器
ＣＹＬ シリンダ光学系

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

Claims (10)

1. 撮像対象となる１種以上のガスの赤外光画像を結像する赤外光結像光学系と、該赤外光結像光学系による赤外光画像を結像され、前記赤外光画像を撮像する赤外光撮像素子と、
   前記赤外光結像光学系と前記赤外光撮像素子との間に配置され、前記赤外光結像光学系による結像光束を赤外光画像用光束と分光画像用光束とに分離する分離手段と、
   該分離手段により分離された分光画像用光束の結像面に配置された２次元のシャッタアレイと、
   該シャッタアレイの各シャッタを通過する赤外光を前記シャッタごとに分光する赤外光分光手段と、を有し、
   前記赤外光分光手段は、前記撮像対象となる１種以上のガスによる赤外光吸収波長を分光波長領域に含むガス画像センサ装置。
2. 請求項１記載のガス画像センサ装置であって、
   前記赤外光分光手段は、赤外光領域に感度を有する赤外光受光素子アレイと、前記シャッタアレイの個々を通過した光束を、前記赤外光受光素子アレイの受光領域に照射するリレー光学系と、前記赤外光受光素子アレイの前記受光領域に密接もしくは近接して配置され、前記受光領域に入射する赤外光を分光する分光フィルタと、を有するガス画像センサ装置。
3. 請求項２記載のガス画像センサ装置であって、
   前記赤外光受光素子アレイが、赤外光受光素子のライン状のアレイ配列であり、
   前記赤外光分光手段が、前記リレー光学系と、前記分光フィルタとの間に、前記ライン状のアレイ配列の方向に直交する方向にのみ集光機能を持ち、前記リレー光学系側からの光束を前記赤外光受光素子アレイの受光領域に集光させるシリンダ光学系を有するガス画像センサ装置。
4. 請求項１記載のガス画像センサ装置であって、
   前記赤外光分光手段は、前記シャッタアレイに結像する赤外光を前記シャッタアレイに直交させるリレーレンズと、前記シャッタアレイの各シャッタを通過した赤外光を平行光束化するマイクロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイの個々のマイクロレンズにより平行光束化された赤外光を集光させる集光レンズと、該集光レンズにより集光される赤外光の集光位置を通過する赤外光の赤外光成分を分光して受光する分光器と、を有するガス画像センサ装置。
5. 請求項４記載のガス画像センサ装置であって、
   前記分光器は、スリット状の入射口を有し、
   前記集光レンズにより集光される赤外光を前記入射口のスリットの幅方向にさらに集光させるシリンダ光学系を有するガス画像センサ装置。
6. 請求項１ないし５の何れか１項に記載のガス画像センサ装置であって、
   前記赤外光撮像素子は、遠赤外光に対する受光機能を有し、前記赤外光分光手段は、中赤外光領域の赤外光に対する分光機能を有するガス画像センサ装置。
7. ガス画像センサ装置と、
   前記赤外光撮像素子の出力により、前記赤外光画像を生成し、前記赤外光分光手段の出力により、前記撮像対象となる１種以上のガスの画像を生成する画像処理手段と、
   前記ガス画像センサ装置、前記画像処理手段を制御する制御手段と、を有し、
   前記ガス画像センサ装置が、請求項１ないし６の何れか１項に記載のものであるガス画像撮像測定装置。
8. 請求項７記載のガス画像撮像測定装置であって、
   前記画像処理手段が、赤外光の画像として温度分布画像を形成する機能を有するガス画像撮像測定装置。
9. 請求項７または８記載のガス画像撮像測定装置であって、
   前記制御手段による制御を受けて、前記画像処理手段による前記赤外光画像と前記１種以上のガスの画像とを、選択的に、もしくは合成画像として表示するディスプレイ手段を有するガス画像撮像測定装置。
10. 請求項９記載のガス画像撮像測定装置と、
    可視画像撮像装置と、を有し、
    前記可視画像撮像装置は、前記ガス画像撮像測定装置の撮像領域の可視画像を結像する可視画像結像光学系と、該可視画像結像光学系による可視画像を撮像する可視画像撮像素子と、を有する可視画像撮像手段と、
    前記可視画像撮像素子の出力により、表示用可視画像を生成する可視画像用画像処理手段と、
    該可視画像用画像処理手段により生成された表示用可視画像を表示する可視画像用ディスプレイ手段と、を有し、
    前記可視画像用ディスプレイ手段は、前記ディスプレイ手段を兼ね、前記ガス画像撮像測定装置による前記１種以上のガス画像および前記赤外光画像および前記表示用可視画像の１以上を、選択的に、もしくは合成画像として表示するものであるガス画像撮像測定システム。

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