JPH09264793A - 赤外線カメラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広範な領域を瞬時に観測する。 【解決手段】 ８つの反射面を備えた回転ミラー４の回
転により水平走査が行われる。瞬時視野角ＩＦＯＶに対
し、１水平走査ごとにｎ×ＩＦＯＶだけ傾きを変える揺
動ミラー３によって垂直走査が行われる。この水平、垂
直走査により熱画像の１フレームが得られる。１〜ｎ番
目の各フレームにおいて、水平走査線は直前のフレーム
に対してＩＦＯＶだけずれる。１番目のフレームで観測
視野内を間隔ｎ×ＩＦＯＶの走査線で走査し、この走査
線の隙間を埋めるように、２〜ｎ番目のフレームで同様
の走査が行われる。これにより、フレーム周波数を落と
すことなくｎ倍の垂直視野角が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の赤外線像を
光学的に走査して熱画像を得る赤外線カメラに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、物体から放射された赤外線を検出
して熱画像を得る赤外線カメラが各種熱解析に利用され
ている。図１は本発明の第１の実施の形態を示す赤外線
カメラのブロック図であるが、従来においてもその構成
はほぼ同様なので、図１を用いて従来の赤外線カメラを
説明する。また、図４は従来の赤外線カメラによって観
測視野を走査する様子を示す図である。

【０００３】図１において、１は可視光を遮断して赤外
線だけを透過させるシリコンウィンドウ、２はウィンド
ウ１を透過した赤外線を反射する反射ミラー、３は水平
方向の軸１３を中心として揺動し、反射ミラー２からの
赤外線を反射する揺動ミラー、４は垂直方向の回転軸１
４を中心として回転し、揺動ミラー３からの赤外線を反
射する回転軸１４に平行な複数の反射面を備えた回転ミ
ラー、５は回転ミラー４からの赤外線を反射する反射ミ
ラー、６は反射ミラー５からの赤外線を集光する集光レ
ンズ、７は集光レンズ６の集光点に配置された赤外線検
出器、８は赤外線検出器７の出力信号をＡ／Ｄ変換する
Ａ／Ｄ変換器、９はＡ／Ｄ変換器８から出力されたデー
タを記憶するフレームメモリ、１０はフレームメモリ９
から読み出したデータを画像信号に変換する画像処理
部、１１は熱画像を表示するための表示部である。

【０００４】図示しない物体からの赤外線は集光レンズ
６により、赤外線検出器７に集光される。このとき、ウ
ィンドウ１、反射ミラー２、揺動ミラー３、回転ミラー
４、反射ミラー５及び集光レンズ６からなる走査光学系
の焦点距離ｆと、赤外線検出器７の面積Ｓで決定される
物体のある小さな面積（瞬時視野という）からの放射を
集光していることになる。そして、１つの反射面による
赤外線反射が１水平走査となる回転ミラー４により水平
走査が行われ、１水平走査ごとに傾きを変える揺動ミラ
ー３により垂直走査が行われる。

【０００５】ここで、走査光学系の焦点距離ｆ、赤外線
検出器７の大きさＳによりＳ／ｆで表される瞬時視野角
ＩＦＯＶに対し、揺動ミラー３は、１水平走査ごとに瞬
時視野角ＩＦＯＶ分だけ順次傾きを変えていく。つま
り、図４に示す水平走査線Ｈの間隔はＩＦＯＶである。
こうして、図４のように瞬時視野ＦＶを水平方向及び垂
直方向に走査することにより、熱画像の１フレームが構
成される。

【０００６】ところで、近年、赤外線カメラの非接触で
瞬時に温度分布が測定できる有効性が認識されるように
なり、応用範囲が広がってきている。都市生活の廃棄物
であるごみは、ごみ処理場の集積ピットと呼ばれるコン
クリートプールに集中的に集められ、焼却処分される。
このピットには様々なごみが大量に集められるため、ご
みが何らかの要因で発熱したり、発火したりすると、ピ
ット内で火災が発生する。そこで、このような不可抗力
の火災を検出するために、赤外線カメラでごみ集積ピッ
トの火災を監視する火災監視システムが提案されてい
る。このような監視システムにおいて、通常、赤外線カ
メラは電動雲台の上に搭載されている。そして、この雲
台によってカメラを回転させることにより、水平方向の
広い領域を観測することができる。

【０００７】これに対し、垂直方向の広い領域を観測す
るためには、垂直方向の視野角を決める揺動ミラー３の
移動角度を大きくする必要がある。ところが、１フレー
ム当たりの揺動ミラー３の移動角度を大きくして、それ
に伴い水平走査線Ｈの数も増やすと、フレーム周期が大
きくなる。つまり、赤外線カメラのフレーム周期は、回
転ミラー４の回転数によって決まる１水平周期×水平走
査線Ｈの数（実際には揺動ミラー３が初期位置に復帰す
るための期間を含む）となるからである。したがって、
フレーム周波数が小さくなるので、１秒間に得られる熱
画像が少なくなってしまう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の赤
外線カメラでは、垂直方向の広い領域を観測しようとす
ると、熱画像のフレーム周波数が小さくなり、温度分布
がリアルタイムに測定できるという赤外線カメラの特徴
が失われるため、広い領域をすばやく観測することがで
きないという問題点があった。本発明は、上記課題を解
決するためになされたもので、広範な領域を瞬時に観測
することができる赤外線カメラを提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、水平方向の軸
を中心として揺動し、物体から放射された赤外線を反射
する揺動ミラーと、垂直方向の回転軸を中心として回転
し、揺動ミラーからの赤外線を反射する回転軸に平行な
複数の反射面を備えた回転ミラーと、この回転ミラーか
らの反射赤外線を集光する集光レンズと、この集光レン
ズの集光点に配置された赤外線検出器とを有し、所定数
ｎ、瞬時視野角ＩＦＯＶに対し、１番目のフレームから
ｎ番目のフレームまでの１組において、揺動ミラーは、
各フレームにおける初期位置を光学角度でＩＦＯＶだけ
順次変えながら、１水平走査ごとに光学角度でｎ×ＩＦ
ＯＶだけ順次移動するものであって、この１組のフレー
ムを繰り返すものである。

【００１０】このような構成により、回転ミラーによっ
て水平走査が行われ、１水平走査ごとにｎ×ＩＦＯＶだ
け傾きを変える揺動ミラーによって垂直走査が行われ、
これら水平、垂直走査により熱画像の１フレームが得ら
れる。このとき、１〜ｎ番目の各フレームにおいて、水
平走査線は直前のフレームに対してＩＦＯＶだけずれ
る。よって、１番目のフレームで、観測視野内を間隔ｎ
×ＩＦＯＶの走査線で走査し、この走査線の隙間を埋め
るように、２〜ｎ番目のフレームで同様の走査が行われ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、本発明について図１を参照
して説明する。図示しない物体から放射された赤外線
は、シリコンウィンドウ１を透過して反射ミラー２によ
って反射されて揺動ミラー３に入射する。この揺動ミラ
ー３によって反射された赤外線は、回転ミラー４によっ
て反射されて、続いて反射ミラー５によって反射され、
最後に集光レンズ６を通って赤外線検出器７に入射す
る。

【００１２】Ａ／Ｄ変換器８は、赤外線検出器７の出力
信号をディジタルデータに変換し、フレームメモリ９
は、Ａ／Ｄ変換器８からのディジタルデータを記憶す
る。そして、画像処理部１０は、フレームメモリ９から
読み出した熱画像データを温度レベルが色で表現される
画像信号に変換して、表示部１１へ出力する。こうし
て、物体の温度分布を示す熱画像が表示部１１に表示さ
れる。

【００１３】このような赤外線カメラにおいて、揺動ミ
ラー３は、従来と同様に軸１３を中心として揺動する
が、本実施の形態におけるミラー３の１フレーム当たり
の移動角度は、１フレーム当たりの水平走査線数が従来
と同じとすれば、従来のｎ倍となっている。この場合、
１水平走査ごとの移動角度も従来のｎ倍である。図２は
揺動ミラー３を駆動するステップモータ等の図示しない
駆動部に与えられる垂直走査信号を示すタイミングチャ
ート図である。なお、本実施の形態では、上述した所定
数ｎを４、フレーム周波数を１５Ｈｚ、回転ミラー４の
反射面を８面、瞬時視野角ＩＦＯＶを２．２ｍｒａｄ＝
０．１２５°としている。

【００１４】図２（ｂ）に示す垂直走査信号は、回転ミ
ラー４の１面の走査につき１周期を繰り返す図示しない
水平同期信号（１９２０Ｈｚ）と、図２（ａ）のように
熱画像１フレームにつき１パルスが生成される垂直同期
信号（１５Ｈｚ）に同期し、その振幅θが揺動ミラー３
の移動角度に対応している。

【００１５】この振幅θの時間当たりの変化の割合は、
揺動ミラー３の位置が１水平走査ごとに光学角度でｎ×
ＩＦＯＶだけステップ変化するように設定されている。
なお、図２（ｂ）及び後述する図２（ｃ）では、振幅θ
の変化を直線的に描いているが、実際の揺動ミラー３
は、帰線期間（ある水平走査が終了してから次の水平走
査が始まるまでの期間）中に移動する。つまり、揺動ミ
ラー３の位置は、水平走査の最中には変化しない。

【００１６】また、１回の垂直走査の終了後に揺動ミラ
ー３を初期位置に戻すための揺動ミラー復帰期間ＴＢが
フレーム周期Ｔの中に設けられている。よって、この復
帰期間ＴＢを除くフレーム周期Ｔ中の時間が有効垂直走
査期間である。さらに、この垂直走査信号は、振幅変化
の割合が同一（上述した設定量）で、フレーム周期Ｔ中
の同一タイミングにおける振幅値が互いに異なるｎ＝４
種類の信号から構成されている。図２（ｃ）は、図２
（ｂ）の垂直走査信号の振幅方向を拡大したものであ
る。

【００１７】時刻ｔ１から始まる１番目のフレーム（垂
直走査信号Ｖ１）において、時刻ｔ２から始まる復帰期
間の振幅には、時刻ｔ１の振幅（つまり、このフレーム
における揺動ミラー３の初期位置を指示する振幅）に対
して、光学角度でＩＦＯＶ分だけずれるようにオフセッ
ト値Ａが与えられている。この復帰期間の値は揺動ミラ
ー３の初期位置を指示するものなので、時刻ｔ３から始
まる２番目のフレーム（信号Ｖ２）において、揺動ミラ
ー３の初期位置は１番目のフレームに対してＩＦＯＶ分
だけずれる。

【００１８】また、図２（ｃ）に示すように、この２番
目のフレームでは、垂直走査信号の振幅が１番目のフレ
ームに対してＩＦＯＶ分だけ全体的にずれるようにオフ
セット値Ａが与えられている。これにより、２番目のフ
レーム中の任意のタイミングにおいて、揺動ミラー３の
位置は１番目のフレーム中の同一タイミングと比べてＩ
ＦＯＶ分だけずれる。そして、時刻ｔ４から始まる復帰
期間の振幅には、時刻ｔ３の振幅に対して光学角度でＩ
ＦＯＶ分だけずれるようにオフセット値Ａが与えられて
いる。

【００１９】よって、時刻ｔ５から始まる３番目のフレ
ーム（信号Ｖ３）において、揺動ミラー３の初期位置は
２番目のフレームに対してＩＦＯＶ分だけずれる。この
３番目のフレームでは、垂直走査信号の振幅が２番目の
フレームに対してＩＦＯＶ分だけ全体的にずれるように
オフセット値Ａが与えられ、時刻ｔ６から始まる復帰期
間の振幅には、時刻ｔ５の振幅に対してＩＦＯＶ分だけ
ずれるようにオフセット値Ａが与えられている。これに
より、時刻ｔ７から始まる４番目のフレーム（信号Ｖ
４）において、揺動ミラー３の初期位置は３番目のフレ
ームに対してＩＦＯＶ分だけずれる。

【００２０】そして、この４番目のフレームでは、垂直
走査信号の振幅が３番目のフレームに対してＩＦＯＶ分
だけ全体的にずれるようにオフセット値Ａが与えられ
る。最後に、時刻ｔ８から始まる復帰期間の振幅は、時
刻ｔ１の値と等しくなる（すなわち、揺動ミラー３の初
期位置を１番目のフレームのときの位置に戻す）。こう
して、１番目のフレームからｎ＝４番目のフレームまで
の１組（垂直走査信号Ｖ１〜Ｖ４）が以下同様に繰り返
される。

【００２１】次に、このような垂直走査信号を揺動ミラ
ー３の駆動部に与えることによる垂直走査の様子を説明
する。図３は本実施の形態の赤外線カメラによって観測
視野を走査する様子を示す図である。１番目のフレーム
では、水平走査線Ｈ１（実線）のように回転ミラー４の
回転による水平走査が行われる。このとき、水平走査線
Ｈ１の間隔は揺動ミラー３の１水平走査ごとの移動角度
によりｎ×ＩＦＯＶとなる。

【００２２】すなわち、揺動ミラー３が最初の水平走査
が終了した後の帰線期間でｎ×ＩＦＯＶ分だけステップ
移動することにより、２番目の水平走査線Ｈ１は、図３
に示すように最初の走査線Ｈ１からｎ×ＩＦＯＶだけ離
れたところにできる。続いて、揺動ミラー３が２番目の
水平走査が終了した後の帰線期間でｎ×ＩＦＯＶ分だけ
ステップ移動することにより、３番目の水平走査線Ｈ１
は、２番目の走査線Ｈ１からｎ×ＩＦＯＶだけ離れたと
ころにできる。このような走査を１２０回行って１番目
のフレームが終了する。

【００２３】次の２番目のフレームでは、上述のように
揺動ミラー３の初期位置が１番目のフレームに対してＩ
ＦＯＶだけずれるので、水平走査線Ｈ１に対してＩＦＯ
Ｖずれた位置から水平走査線Ｈ２（一点鎖線）で示す走
査が開始される。この走査線Ｈ２の間隔は同様にｎ×Ｉ
ＦＯＶである。

【００２４】この走査を１２０回行って２番目のフレー
ムが終了した後、３番目のフレームでは、揺動ミラー３
の初期位置が２番目のフレームに対してＩＦＯＶだけず
れるので、水平走査線Ｈ２に対してＩＦＯＶずれた位置
から水平走査線Ｈ３（破線）で示す走査が開始される。
同様に３番目のフレームが終了した後、最後の４番目の
フレームでは、水平走査線Ｈ３に対してＩＦＯＶずれた
位置から水平走査線Ｈ４（二点鎖線）で示す走査が開始
される。

【００２５】以上のように、１番目のフレームで、観測
視野内を１２０本の走査線Ｈ１で大まかに走査し、２番
目のフレームで、走査線Ｈ１の隙間を埋めるように１２
０本の走査線Ｈ２で走査し、以下同様に３番目、４番目
のフレームで順次隙間を埋めるように走査を行うことに
より、４８０本の走査線で観測視野内を精査することが
できる。

【００２６】本実施の形態の赤外線カメラの垂直視野角
は、ｎ×ＩＦＯＶ×水平走査線の数＝４×０．１２５°
×１２０＝６０°である。一方、従来の赤外線カメラの
垂直視野角は、水平走査線の数が等しいとすると、ＩＦ
ＯＶ×水平走査線の数＝１５°である。よって、本実施
の形態によれば、従来と比べて同一のフレーム周波数の
ままｎ倍の垂直視野角が得られる。

【００２７】なお、垂直方向の視野に隙間ができないよ
うに水平走査線の間隔をＩＦＯＶとしていた従来に対
し、本実施の形態では走査線間に隙間ができるため、１
フレーム当たりの視野分解能は落ちるが、広範な領域を
素早く観測できることから、ごみ集積ピットの火災等を
瞬時に検出することができる。

【００２８】また、従来の走査線間隔のまま垂直視野角
をｎ倍にしようとすると、１フレーム当たりのデータの
量もｎ倍になるため、フレームメモリ９の容量もｎ倍に
しなければならないが、本実施の形態ではデータ量は従
来と変わらないため、フレームメモリ９の容量を増やす
必要がない。また、例えば画像処理部１０によって１番
目のフレームから４番目のフレームを合成すれば、従来
と同様の視野分解能で広範な領域を精査できることは言
うまでもない。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、揺動ミラーが、１〜ｎ
番目の各フレームにおける初期位置をＩＦＯＶだけ順次
変えながら、１水平走査ごとにｎ×ＩＦＯＶだけ順次移
動することにより、フレーム周波数を落とすことなく、
従来のｎ倍の垂直視野角が得られるので、広範な領域を
瞬時に観測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態を示す赤外線カメ
ラのブロック図である。

【図２】 揺動ミラーの駆動部に与えられる垂直走査信
号を示すタイミングチャート図である。

【図３】 本実施の形態の赤外線カメラによって観測視
野を走査する様子を示す図である。

【図４】 従来の赤外線カメラによって観測視野を走査
する様子を示す図である。

【符号の説明】

１…シリコンウィンドウ、２、５…反射ミラー、３…揺
動ミラー、４…回転ミラー、６…集光レンズ、７…赤外
線検出器、８…Ａ／Ｄ変換器、９…フレームメモリ、１
０…画像処理部、１１…表示部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体の赤外線像を光学的に走査して熱画
   像を得る赤外線カメラにおいて、 水平方向の軸を中心として揺動し、物体から放射された
   赤外線を反射する垂直走査のための揺動ミラーと、 垂直方向の回転軸を中心として回転し、揺動ミラーから
   の赤外線を反射する回転軸に平行な複数の反射面を備え
   た水平走査のための回転ミラーと、 この回転ミラーからの反射赤外線を集光する集光レンズ
   と、 この集光レンズの集光点に配置された赤外線検出器とを
   有し、 所定数ｎ、瞬時視野角ＩＦＯＶに対し、１番目のフレー
   ムからｎ番目のフレームまでの１組において、前記揺動
   ミラーは、各フレームにおける初期位置を光学角度でＩ
   ＦＯＶだけ順次変えながら、１水平走査ごとに光学角度
   でｎ×ＩＦＯＶだけ順次移動するものであって、この１
   組のフレームを繰り返すものであることを特徴とする赤
   外線カメラ。