JPH0433391B2 - - Google Patents

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JPH0433391B2
JPH0433391B2 JP61044105A JP4410586A JPH0433391B2 JP H0433391 B2 JPH0433391 B2 JP H0433391B2 JP 61044105 A JP61044105 A JP 61044105A JP 4410586 A JP4410586 A JP 4410586A JP H0433391 B2 JPH0433391 B2 JP H0433391B2
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JP
Japan
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infrared
light
heat
insulating wall
sensor device
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Hiroyuki Naito
Minoru Kimura
Hidemi Takahashi
Reiji Sano
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/06Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/60Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature
    • G01J5/602Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature using selective, monochromatic or bandpass filtering
    • G01J2005/604Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature using selective, monochromatic or bandpass filtering bandpass filtered

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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
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  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、高温な環境にあつて焔や煙を通して
物体を認識する赤外センサ装置に関するものであ
る。
従来の技術 人間の眼に感じる光は、紫色から赤色の可視光
と称せられる領域であり、波長で表わすと個人差
はあるが、およそ350〜700nmの範囲である。
波長350nm以下は紫外線領域であり、また波長
700nm以上は赤外線と分類されいずれも人間の眼
には感じない領域である。赤外線も更に長波長領
域では熱線として放射される。赤外線は波長が長
くなれば透過性がよくなり例えば、霧や煙の雰囲
気中でも比較的減衰されずに遠距離まで到達する
ことが知られている。
この赤外線の特性を利用して暗視下や霧等の環
境下の像を可視化できる撮像方式がいくつか提案
され、一部実用化されている。赤外線の検出器と
しては、受光する赤外線がもつ熱エネルギによつ
て生じる検出器の温度変化を、抵抗変化あるいは
電荷量変化などの物理量として検知する「熱型検
出器」と、赤外光を光量子として検知する「量子
型検出器」がある。熱型検出器には、素子の冷却
不要な焦電型検出器があり、代表的なものには、
弗化ビニリデン(PVF2)フイルム、硫酸グリシ
ン(TGS)単結晶薄板、弗化ベリリウム酸グリ
シン(TGFB)、重水素硫酸グリシン(DTGS)、
重水素弗化ベリリウム酸グリシン(DTGFB)、
チタン酸鉛(PbTiO3)焼結体などがある。量子
型検出器には、Si、InSb、HgCdTeなどの半導
体素子がある。
これらの赤外線検出を用いて像センサ装置とし
て応用する場合走査方式によつて、機械走査型、
固体走査型、電子ビーム走査型の3種に分類で
き、それぞれサーモグラフイ、赤外検出器を
CCDにオンチツプしたモノリシツク型、焦電型
撮像管等が代表的なものである。いずれのセンサ
装置も対象とする被写体からの赤外像を検出器の
上に結像して電気信号に変換するパツシブ型(受
動型)である。パツシブ型の場合、被写体からの
赤外線の放射がなければ像として検出できない欠
点がある。一方、被写体に積極的に赤外線を照射
し、その反射光を検出する方式のアクテイブ型
(能動型)のセンサ装置もある。
第3図は、アクテイブ型赤外センサ装置の一例
であり、赤外レーザ光を走査しながら被写体に照
射し、被写体からの反射光を赤外線検出器で受け
て電気信号に変換して像として可視化するもので
ある。赤外線放射素子1からの赤外線を偏向器1
2で二次元に偏向し、対象物4に照射する。対象
物4からの反射光は、レンズ等の集光器16で集
光され、赤外線検出器2に導かれ、電気信号に変
換後、信号処理装置18で信号処理されTVモニ
タ19で映像化される。
最近、暗視下の物体の可視像化や各種災害下で
の情況把握の必要性が高まつて来ている。特に火
災現場における火点の検知、焔で覆われた中の物
体や設備の破損情況、人命救助のための周辺情況
把握などに赤外センサ装置の活用が検討されてい
る。しかしながら、千数百度の焔に近づけても適
確に動作する赤外センサ装置は、まだ存在しな
い。
一般に黒体の表面から放射されるエネルギの波
長分布、最大放射量の波長、全放射エネルギ量
は、黒体の温度で決まり、それぞれプランクの法
則、ウイーンの変位則、ステフアン・ボルツマン
の法則で示される。
(1) プランクの法則(放射エネルギの波長分布) Wλ=2πhc2/λ5・1/ehc/kT-1 (1) Wλ:単位面積、単位波長当り放射されるエネ
ルギ(W/cm2・μm) λ:波長、 T:絶対温度 h:プランクの定数、 c:光速 k:ボルツマンの定数 (2) ウイーン変位則(最大放射量) λmT=2897.8μm・K (2) λm:ある温度の黒体の放射する最大の波長 (3) ステフアン・ボルツマンの法則 W=σ・T4 (3) W:黒体の単位表面積から放射されるエネルギ
(W/cm2) σ:ステフアン・ボルツマン定数 (5.67×10-12W/cm2・K4) これらの関係をまとめたものが第4図で示され
る黒体放射エネルギーの波長分布図である。この
図から例えば火災現場等を想定すると相当幅広い
波長分布の赤外光が放射されており、しかもその
周辺においても輻射熱により非常に高温な環境と
なつていることが推定される。ところが前記のパ
ツシブ型およびアクテイブ型の赤外センサ装置
は、安定に動作する通常の温度上限は70℃程度で
あるのでそのままでは熱のため破損してしまうこ
とが容易に理解される。
そこで、赤外センサ装置を常温に近い温度環境
に保持しながら、火焔等の環境で使用するには、
装置全体を耐熱構造の容器に収納して外部環境か
らしや断すると共に、赤外センサ装置の放射口お
よび受光口を赤外線のみが透過できる例えばGe、
Si、GaAs NaCl、Kcl、ZnSe等の単結晶による
固体の窓材でシールすることが考えられる。
発明が解決しようとする問題点 しかし、以上のような固体の窓材を使用した赤
外センサ装置においては、窓材の材料が高価であ
り、また単結晶であるため大口径化が困難であ
り、しかも温度変化に対する機械的強度が弱い等
多くの問題点があつた。本発明は、従来技術の以
上のような問題点を解決するもので、低価格で大
口径化が可能であり、かつ温度変化に対する機械
的強度にすぐれた窓材を耐熱装置に使用したのと
同等の効果を得られる赤外センサ装置を提供する
ことを目的とするものである。
問題点を解決するための手段 上記目的を達成するために、本発明は赤外セン
サ装置を構成する赤外線放射素子とと赤外線検出
素子と断熱壁で囲み、この断熱壁に赤外線放射の
ための第1の貫通穴および赤外線受光のための第
2の貫通穴を設け、この第1、第2の貫通穴を耐
熱性ガスで覆うようにしたものである。
作 用 上記の構成において、赤外線放射素子および受
光素子は断熱壁で囲まれ、それに形成された赤外
線放射口および受光口は耐熱性ガスにより覆われ
ており、この耐熱性ガスは特定の波長の赤外線の
みを透過させ、熱線を含むその他の波長の赤外線
をしや断するので、赤外線放射素子および赤外線
受光素子は高温外気から熱的にしやへいされ赤外
センサ装置が高温環境から保護される。
実施例 以下、図面を参照しながら本発明の実施例につ
いて説明する。
第1図は、本発明の実施例による赤外線センサ
装置の原理構成図である。赤外線放射素子1から
放射された赤外線は、放射口3から対象物4に照
射され、その反射光が受光口6から赤外線検出素
子2に導入され電気信号に変換される。赤外線放
射素子1および赤外線検出素子2は、高温環境5
から保護するため、放射口3および受光口6を耐
熱ガス7で覆うように構成される。耐熱ガス7と
しては炭酸ガスもしくは水蒸気、またはこれらの
混合ガスが用いられる。8は、耐熱ガス発生装置
である。9は放射口3および受口光6を除いて赤
外線放射素子1および赤外線検出素子2を囲み熱
的にしやへいするための断熱壁である。
赤外線検出素子2の出力は信号処理装置18に
接続され、TVモニタ19に供給される。
つぎに上記構成の動作を説明する。
地球の大気は、窒素ガス、酸素ガス、炭酸ガ
ス、水蒸気をはじめ種々のガスから構成されてお
り、その構成比もほぼ一定であることは知られて
いる。第2図は、大気の光の波長に対する透過率
について、波長1μmから14μmまでの特性を示し
たものである。この図より、大気の窓と称される
波長領域がいくつかあることがわかる。その代表
的なものは、波長3.5〜4.2μm、8.3〜13.3μmの領
域である。これとは逆に、光が大気に吸収され
て、ほとんど透過しない領域もあり、例えば波長
2.5〜3.2μm 5.2〜7.6μmの赤外光は、大気中の水
(水蒸気)により吸収され、また波長4.2〜4.5μm
13.5〜14.0μmの赤外光は大気中の炭酸ガスにより
吸収される。
本発明は、これらのガスの赤外に対する吸収特
性を利用して、特定の波長の赤外光を透過し、そ
の他の波長の赤外光をガスに吸収させることによ
り、赤外光の透過率を構成し、赤外線センサ装置
を外部環境の熱から保護するものである。
すなわち、第1図に示すように、波長10.6μm
のCO2レーザを赤外線放射素子1とし、HgCdTe
化合物半導体による赤外線検出器を赤外線検出素
子2として、これらを断熱壁9で囲み、断熱壁9
の一部に形成された放射口3より赤外線放射素子
1からの赤外光を対象物4に照射し、対象物4か
ら反射光を断熱壁9の一部に形成された受光口6
より受光して赤外線検出素子2で検出する。この
とき、放射口および受光口6には耐熱ガス発生装
置8からの耐熱ガスが導入され、高温環境5から
受けた熱エネルギーを吸収後、赤外センサ装置へ
放出される。一方対象物4へ照射され、受光され
る赤外光は波長が10.6μmであるから耐熱ガス7
でさえぎられることはない。
赤外線検出素子2で検出された赤外光は、対象
物までの距離や形状など予め定められた対象物認
識のための所定の信号処理を信号処理装置18で
行ない、モニタテレビ19にその信号処理結果を
映像や文字などにより表示する。
放射口3および受光口6には常に新しい冷却さ
れた耐熱ガスが補給されて耐熱ガスで覆われてい
るので、高温環境5から断熱壁9内に輻射熱が侵
入することなく、赤外線放射素子1および赤外線
検出素子2は高温環境5から完全に熱的に保護さ
れている。
以上のように本実施例によれば特定のガスが特
定の波長のみを透過し、その他の波長の光を吸収
する特性を用いて、ガスにより光の透過率を構成
することにより、高温の環境から装置を保護する
ことができる。
なお、上記実施例では、赤外線放射素子1と赤
外線検出素子2のみを断熱壁9で覆つた構成につ
いて述べたが、信号処理装置18や耐熱ガス発生
装置8なども断熱壁9内に入れて熱的にしやへい
してもよい。また、第1図では赤外光も照射ある
いは走査するための光学系を省略しているが、こ
れらは必要に応じて第3図の場合と同様に、偏向
器や集光器などを挿入できることはもちろんであ
る。
発明の効果 以上のように、本発明は赤外線放射素子と赤外
線検出素子とを断熱壁で囲み、この断熱壁に赤外
線放射のための第1の貫通穴および赤外線受光の
ための第2の貫通穴を設け、この第1、第2の貫
通穴を耐熱性ガスで覆うことにより、従来の単結
晶による構成よりも赤外線の放射口および受光口
を大口径にすることが可能(単純な貫通穴である
ため)になり、また高温環境と各赤外光素子を分
離するための窓材が実質的に耐熱性ガスで実現さ
れることにより安価(当該耐熱性ガスはCO2ガス
と水蒸気の混合ガス等の安価なガスで実現できる
ため)であり、かつ温度変化に対する機械的強度
にもすぐれている。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による赤外線検出装置の全体構
成を示すブロツク図、第2図は本発明の動作を説
明するための大気の光透過特性図、第3図は従来
の赤外線検出装置の構成の一例を示すブロツク
図、第4図は黒体放射エネルギの波長分布特性図
である。 1……赤外線放射素子、2……赤外線検出素
子、3……放射口、6……受光口、7……耐熱ガ
ス、8……耐熱ガス発生装置、9……断熱壁。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 高温環境空間を介して、被測定物体に赤外光
    を放射する赤外線放射素子と、 前記高温環境空間を介して、前記赤外線放射素
    子から放射された赤外光が当該被測定物体に照射
    され、その被測定物体からの反射光を、再度、前
    記高温環境空間を介して受光する赤外線検出素子
    と、 前記高温環境空間に耐え得る材料により、前記
    赤外線放射素子と前記赤外線検出素子とを覆うこ
    とにより、当該赤外線放射素子と赤外線検出素子
    とを内部に密閉する断熱壁と、 前記高温環境空間に対向する前記断熱壁の前面
    に、前記赤外線放射素子から被測定物体に放射す
    る赤外光を通過させる第1の貫通穴と、 前記高温環境空間に対向する前記断熱壁の前面
    に、前記被測定物体から反射してくる反射光を通
    過させ、前記赤外線検出素子に受光させる第2の
    貫通穴とが設けられた赤外センサ装置において、 前記高温環境空間の高温が、密閉された当該断
    熱壁の内部に流入することを阻止する如く、前記
    赤外線放射素子と前記第1の貫通穴とで形成され
    る第1の断熱壁内部空間、及び前記赤外線検出素
    子と前記第2の貫通穴とで形成される第2の断熱
    壁内部空間の双方に、当該赤外光を通過させる特
    性の耐熱ガスを、当該断熱壁に沿つて継続して送
    出する断熱ガス発生手段を設けたことを特徴とす
    る赤外センサ装置。 2 赤外線放射素子より放射される赤外線の波長
    が8μmから14μmの間であつて、赤外線検出素子
    が8μmから14μmの間の波長の赤外線にのみ感度
    を有し、耐熱ガスがCO2ガスであることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の赤外センサ装
    置。 3 赤外線放射素子より放射される赤外線の波長
    が8μmから14μmの間であつて、赤外線検出素子
    が8μmから14μmの間の波長の赤外線にのみ感度
    を有し、耐熱ガスがCO2ガスと水蒸気の混合ガス
    であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載の赤外センサ装置。
JP61044105A 1986-03-03 1986-03-03 赤外センサ装置 Granted JPS62203071A (ja)

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US07/020,732 US4791299A (en) 1986-03-03 1987-03-02 Infrared ray sensing device
EP87301856A EP0236128B1 (en) 1986-03-03 1987-03-03 Infrared ray sensing device

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JPH0433391B2 true JPH0433391B2 (ja) 1992-06-02

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