JPS62203072A - 赤外センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、高温な演壇にあっ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 人間の眼に感じる元は、紫色から加色の可視光と称せら
れる領域であシ、波長で表わすと個人差はあるが、およ
そ３５０〜７００　ｎｍの範囲である。

波長３５０ｎｍ以下は紫外線領域でろシ、また波長７０
０ｎｍ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っ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
シ、代表的なものには、弗化ビニリデン（ＰＶＦ２）フ
ィルム、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（Ｉ
７Ｉ’ＧＦＢ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉ０ａ）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器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って、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
ラフィ、赤外検出器をＣＣＤにオンチップしたモノリシ
ック型、焦電型撮像管等が代表的なものである。いずれ
のセンナ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ッシブ型（受動型
）である。パッシブ型の場合、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
る方式のアクティブ型（能動型）のセンナ装置もある。

１　第３図は、アクティブ型赤外センサ装置の一例であ
シ、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１２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
握の必要性が高まって来ている。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、十数百度の焔に
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
決まシ、それぞれブランクの法則、ウィーンの変位側、
ステファン、ボルツマンの法則で示される。

（１）　　ブランクの法則（放射エネルギの波長分布）
Ｗλ：　単位面積、単位波長当り放射されるエネルギ（
Ｗ／　ｃｍ２・μｍ） 、波長　、　　Ｔ：　絶対温度 ｈ　：　ブランクの定数、　　Ｃ：　光速ｋ　：　ボル
ツマンの定数 （２）　　ウィーンの変位側（最大放射量）λｍＴ＝　
２８９７．８μｍ＊Ｋ　　　　　　　　　（２）２ｍ　
：　ある温度の黒体の放射する 最大の波長 （３）　　ステファン拳ポルツマンの法則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　：　ステファン・ボルツマン定数 （５，６７Ｘ　１０−’　２Ｗ／（４ｍ２”　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紹射熱にょシ非
常に高温な環境となっていることが推定される。ところ
が前記のパッシブ型およびアクティ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４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ゃ断すると共に、
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００％　Ｓ　ｉ−、ＧａＡｓＮａＣ１、
ＫＣｌ、　Ｚｎ５ｅ等の単結晶による固体の窓材でシー
曹−− −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、まだ単結晶
であるため大口径化が困難であシ、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った。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。

問題点を解決するだめの手段 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口および赤外線受光口を
設け、この赤外線放射口および受光口を耐熱性ガスを循
環させて流す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数、−二 、′射口および受光口は耐熱性ガスが流されており、こ
７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ゃ断するので、
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
的にじゃへいされ赤外センサ装置が高温環境から保護さ
れる。耐熱性ガスは循環させ冷却後放射口および受光口
に流されるので常に冷却された新鮮な耐熱性ガスにより
熱じゃへい窓を形成することができる。

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から保護するだめ、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４検出素子２を囲み熱的にじゃへい
するための断熱壁Ｐ・・） である。

へ送られ、循環路２０を循環させ再び耐熱ガス発生装置
１１へもどす。１８は赤外線検出素子２からの出力を信
号処理する信号処理回路、１９はＴＶモニタである赤外
線検出素子２の出力は信号処理装置１８に接続され、Ｔ
Ｖ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１４
μｍ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、はとんど透過しない領域もあシ、例え
ば波長２．５〜３．２μｍ５，２〜７．６μｍの性を利
用して、特定の波長の赤外光を透過し、その！パ； ・他の波長の赤外光をガスに吸収させることにより、赤
外光の透過窓を構成し、赤外線センサ装置を外部ｉ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Ｃ
Ｏ２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からの反射光を断熱壁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、耐熱ガス発生装置１１からの耐熱ガス
が冷却装置１ｏで冷却されファン８により受光口６およ
び放射口３に導入され、高温環境５から受けた熱エネル
ギーを吸収後、循環路２０を通って耐熱ガス発生装置１
１に回収され再利用される。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、対象物ゝ放射
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窓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で覆っ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
内に入れて熱的にじゃへいしてもよい。

また、第１図では赤外光を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。

を尖を循環させるようにした赤外センサ装置で、放射°
口および受光口を大口径にすることが可能であり、また
これを覆う窓材も耐熱性ガスのため安価であり、−循環
させるのでランニングコストも安く、かつ温度変化に対
する機械的強度にもすぐれている。

１ｒ　　第１図は本発明による赤外線検出装置の全体構
成を示すブロック図、第２図は本発明の詳細な説明する
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ック図、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
検出器、３・・・・・・放射口、６・・・・・・受光口
、７・・・・・・耐熱ガス、８・・・・・・ファン、９
・・・・・・耐熱壁、１ｏ・・団・冷却装置、１１・・
・・・・耐熱ガス発生装置。

特許出願人　工業技術院長　等々力　　　達−透過牽　
　〔％〕

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）赤外光を放射する赤外線放射素子と赤外線を受光
   し電気信号に変換する赤外線検出素子と、前記赤外線放
   射素子および赤外線検出素子とを囲む断熱壁とを備え、
   前記断熱壁に設けられた赤外線放射口および赤外線受光
   口を横切って耐熱性ガスを循環させることを特徴とする
   赤外センサ装置。
2. （２）耐熱性ガスを冷却後循環させる特許請求の範囲第
   １項記載の赤外センサ装置。
3. （３）赤外線放射素子より放射される赤外線の波長が８
   μｍから１４μｍの間にある特許請求の範囲第１項記載
   の赤外センサ装置。
4. （４）赤外線受光素子の受光波長が８μｍから１４μｍ
   の間にある特許請求の範囲第１項記載の赤外センサ装置
   。
5. （５）赤外線放射素子がＣＯ＿２レーザである特許請求
   の範囲第１項記載の赤外センサ装置。
6. （６）赤外線受光素子がＨｇＣｄＴｅ化合物半導体より
   成る赤外検出器である特許請求の範囲第１項記載の赤外
   センサ装置。
7. （７）耐熱ガスがＣＯ＿２ガスである特許請求の範囲第
   １項記載の赤外センサ装置。
8. （８）耐熱ガスがＣＯ＿２ガスと水蒸気との混合ガスで
   ある特許請求の範囲第１項記載の赤外センサ装置。
9. （９）耐熱ガスが水蒸気である特許請求の範囲第１項記
   載の赤外センサ装置。