Electromagnetic spectrum showing infrared bands. Units in μm
イントロダクション
0 K以上の絶対温度を持つ全ての物は赤外線放射(IR)をします。赤外線放射のエネルギーは対象物の温度と放射率で定義され、0.76(可視範囲の赤い縁)から1000(マイクロ波領域の始まり)μmの波長に特徴付けられます。対象物の温度が高いほど、全ての波長においてスペクトル放射エネルギー、あるいは放射力は高くなり、発散のピーク波長は短くなります。センサー範囲の限界のため、様々なセンサーの反応に基づき赤外線放射はよく三つの小さな領域に分けられます。
SWIR: 0.9-1.7 μm
SWIRは光源から来る放射が可視範囲と同じように対象物に反射されるため、またの名を「反射赤外線」領域と言います。SWIRのイメージングは画像化するために何らかのライトを必要とし、自然の月や星の明かりなどのライトがあるときにのみ実行できます。実際SWIR領域はアウトドア、夜間イメージングに適しています。
SWIRイメージングレンズはSWIR波長のために特別に設計、最適化、アンチ反射コーティングがされています。インジウムガリウムヒ化物(InGaAs)センサーはSWIRに使われる主センサーで、一般的なSIWR帯をカバーしますが、最低0.550μmから最高2.5μmまで拡張することができます。
可視ライトで困難、または実効不可能な多くの作業はSIWR InGaAsベースのカメラにおいては可能です。素材のの非破壊識別、その組成、コーティングや他の特徴、電子ボード検査、太陽電池検査、識別と仕分け、監視カメラ、反偽造、プロセス品質管理等々。SWIRで画像化する際、水蒸気、霧、シリコンなどの特定の素材は透明です。加えて、可視状態とほぼ同等に見える色はSWIRを使って差異化することができます。
MWIR:3-5μm/LWIR8-14μm
MWIRとLWIR領域は、対象物自体から放射エネルギーが発され、そして対象物の画像化に外部光源を必要としないため、またの名を「サーマル(熱)赤外線」と言います。二つの主要な要素がサーマルイメージャーに対象物がどれだけ明るく写るかを決定します。その二つとは対象物の温度とその放射率(どれだけ効率的に放射するかを表す素材の物質的特性)です。対象物が熱くなるにつれて、よりエネルギーを放射し、サーマル画像化システムにおいてより明るく見えます。大気中の妨げはSWIR帯でよりMWIRとLWIR帯おいての方が分散がはるかに少なく、そのためこれらの長波長に感度の高いカメラは煙、粉塵、霧に高い許容性を持っています。
- MWIRは3μmから5μmのスペクトル帯の光を集めます。主な目的が温度検査や可動性ではなく、高品質の画像の取得である場合MWIRカメラが用いられます。スペクトルのMWIR帯は黒体のためサーマルコントラストがより高い領域です。LWIR帯はMWIR帯に比べて地物の放射線の放射が多く、温度での放射線の量の変動は少ないです(プランクの曲線参照)。これが一般的にMWIRの画像がLWIRよりコントラストが良い理由です。例えば、熱いエンジンと排ガスの放射のピークはMWIR帯で起きるため、これらのカメラは特に車両や航空機に敏感です。MWIRのセンサーのメインセンサーの素材はInSb(アンチモン化インジウム)、HgCdTe(水銀カドミウムテルル、別名MCT)、そして部分的にセレン化鉛(PbSe)です。
- LWIRは8μmから14μmのスペクトル帯の光を集め、これはサーマルイメージングカメラに最も利用される波長帯です。実際、プランクの法則によると地物のターゲットは主にLWIRで放射します。LWIRシステムのアプリケーションはサーモグラフィー/温度コントロール、予知保全、ガス漏れ検出、非常に広い範囲の温度差(そして広いダイナミックレンジを必要とする)のあるシーンの画像化、濃い煙を通しての画像化、等々です。LWIRの非冷却センサーに最も使用される素材はアモルファスシリコン(a-Si)、酸化バナジウム(VOx)で、この領域での冷却センサーはHgCdTeです。
熱放射原理
物体は入射放射線を吸収、反発、透過することによって周囲から入射放射線に反応します。したがって：
α + ρ + τ = 1
α = 吸収係数 0 < α < 1
ρ = 反発係数0 < ρ < 1
τ = 透過係数 0 < τ < 1
キルヒホッフの法則
熱平衡においては、対象から放射されたエネルギーは吸収されたエネルギーと同じでなければなりません。
黒体
黒体はすべてのそれに対する入射放射線を吸収し再放射する完璧な放射帯として定義されます。黒体は α=1, ρ=0, τ=0
黒体分光放射発散度
物体の温度が高いほど、分光放射発散度は高く(全ての波長帯で)、そして放射の波長帯のピークは短くなります。
Wλ = C1 λ5 [ e c2 / λT - 1 ]
Wλ=分光放射発散度[W cm-2 μm-1]
λ = 波長 [μm]
T = 黒体温度 [K]
C1 = 37418 [W μm4 cm-2]
C2 = 14388 [μm K]
e = 2,718…
シュテファンボルツマンの法則
W = 放射発散度[W cm-2]
T = 黒体温度 [K]
σ = シュテファンボルツマン定数 5,67 x 10-12 [W cm2 K4]
ウィーンの変位則
λmaxT = 2897,8
λmax = 最大放射波長帯[μm K]
T = 黒体温度[K]
Blackbody
A blackbody is defined as a perfect radiator which absorbs and re-radiates (as stated by Kirchoff’s law) all radiation incident upon it. For a Blackbody α=1, ρ=0, τ=0
Blackbody spectral radiant emittance (Planck's Law)
The higher the temperature of an object, the higher the spectral radiant emittance (at all wavelengths) and the shorter the peak wavelength of the emissions.
Wλ=Spectral radiant Emittance [W cm-2 μm-1]
λ = Wavelength [μm]
T = Blackbody temperature [K]
C1 = 37418 [W μm4 cm-2]
C2 = 14388 [μm K]
e = 2,718…
Stefan-Boltzmann Law
W = T4σ
W = Radiant Emittance [W cm-2]
T = Blackbody temperature [K]
σ = Stefan Boltzmann constant 5,67 x 10-12 [W cm2 K4]
Wien displacement Law
λmaxT = 2897,8
λmax = Maximum radiant wavelength [μm K]
T = Blackbody temperature [K]
Planck’s Law
放射源の種類と放射率
実際の放射源は黒体ではなく、すなわちいくつかの入射エネルギーは反発、または透過する可能性があります。実際の放射源の動きは黒点に対して定義されます。それぞれの実際の放射源は放射率と呼ばれるパラメーターで特徴付けられ、同じ温度Wで放射発散度W’と黒体のそれの比率で定義されます：
ε = W1 W
したがって次のように放射源を分類することができます：
1.黒体: ε = 1
2.灰色体: ε = 定数< 1 (ε 波長に依存しない)
3.選択放射体: ε = f (λ,T)
放射率は、黒体に比べて素材が赤外線エネルギーを放射する効率性を表します。実世界の物体は0から1.00の放射値を持ち、それらは選択放射体で、すなわちそれらの放射率は波長と温度双方によって変動します。
さらに放射率は放射角度、表面処理、素材の熱さに依存します。
一般的に、より光沢がなくより黒い素材は放射率が高いです。一方、より反射性の高い素材の放射率は低くなります。そのため表面処理により同じ素材は著しく異なった値を見せます。例えばとても反射性の高い研磨されたアルミニウムは、陽極酸化アルミニウムよりはるかに低い放射率です(表1参照)。
サーマルイメージングカメラは対象物の温度を、センサーの作動波長範囲で、放射されたエネルギーを検出、定量化することによって算出します。そしてプランクの黒体の法則にしたがい、計測されたエネルギーと、同じエネルギー量で放射する黒体の温度を関連づけることで温度が算出されます。物体の放射率は物体がどれだけ放射するかに影響を与えるため、放射率はまたサーマルイメージャーの温度の算出に影響を与えます。
| 素材 |
放射率 |
| 人間の皮膚 |
0,98 |
| 水 |
0,95 |
| アルミニウム (研磨された) |
0,10 |
| アルミニウム (研磨された) |
0,65 |
| プラスチック |
0,93 |
| セラミック |
0,94 |
| ガラス |
0,87 |
| ゴム |
0,90 |
| 布 |
0,95 |
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表1: 一般的な素材の放射率値
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大気の窓
地球の大気を作り上げる水蒸気とガスは、対象物からの赤外線の放射を吸収する傾向があり、そのため対象物から離れて放射エネルギーを検出しなければならばい場合赤外線は著しく減衰します。
したがって、赤外線信号を検出するため、いわゆる大気の窓を使わなければなりません(図3)。原則的に二つの大気の窓(帯)があります。2から5.6μmの短/中波と、およそ7.5から14μmの長波の窓です。センサーの素材の構成は一つの帯への感度で選ばれます。
Infrared windows. IR radiation is transimitted inside the blue areas
赤外線センサーの種類
赤外線センサーはシンプルに放射エネルギーのトランスデューサーで、赤外線帯の放射エネルギーを測定可能な形に変換します。上記の赤外線の窓にフィットする、レスポンス曲線を持った多くのセンサー用素材があります。赤外線センサーは波長依存がない、または波長に依存する量子タイプのサーマルタイプに分類されます。
サーマル/非量子タイプ
サーマル赤外線センサーには、サーモカップル、熱電対列、ボロメータ、そして焦電気センサーが含まれます。名前が示唆するようにサーマルセンサーは放射の衝撃によってその温度を変化させます。温度の変化は熱電対列の電圧、ボロメータの抵抗を変化させ、そこから測定が可能となり入射放射線に関連させることができます。サーマルセンサーは自己発熱が必要なため、量子センサーと比べて反応がはるかに遅い(ms単位の反応時間)です。サーマルセンサーの最も魅力的な特徴の一つは全ての波長に対する同一の反応です。これは広い温度差のある環境で作業を行う場合にシステムの安定性を確保することに貢献します。他の重要な要素はサーマルセンサーは冷却が必要ないということです。
マイクロボロメータはボロメータの特殊な種類で、すなわちそれは素材の電磁放射線入射のパワーを測定するセンサーで、熱すると電気抵抗を変化させる特徴を持っています。基本的に、放射エネルギーがセンサー素材に接触し、熱せられ、したがって電気抵抗が変化しそして測定が行われます。マイクロボロメータは、LWIR(7.5 – 14μm)範囲で作動するサーマルカメラに使用され、冷却を必要としません。二つの最も利用される素材はアモルファスシリコン(a-Si)と酸化バナジウム(VOx)です。
メリットにはこれらが含まれます：広く、平坦なレスポンス曲線(波長非依存)、冷却がいらない、小さく軽い、コンパクトなカメラの設計が可能、より安価、冷却サーマルイメージャーと比べて低エネルギー消費、非常に長いMTBF(Mean Time Between Failures – 平均無故障時間)、一方デメリットは、比較的鈍い感受性(検出能)、反応時間の遅さ(時定数12 ms)
量子タイプ
量子センサーは内在性の光電効果に基づいて作動し、光子の衝撃と直接インタラクトします。これらの素材は、電子を高エネルギー状態に高める光子を吸収し、伝導性、電圧、電流の変化をもたらします。
量子センサーに使われる素材では、電子は自由に動くことのできる伝導帯にあるか(そのため電流を導く)、自由に動くことのできない価電子帯にあります。素材が一定の温度より低く冷却されたなら、伝導帯には電子は見つからず、電流も伝わりません。このような状況で、入射光子が物質に当たるとき、電子を伝導バンドに上がるよう刺激し、そのようにして電子が入射放射の強度に比例した電流を運びます。赤外線放射は可視、またはUV光線と比べるとエネルギーが小さいため(エネルギーは波長と反比例)、これらのセンサーは赤外線の検出力の効率性と感受性を高めるため極低温度に冷却されます。冷却方法にはスターリングサイクルエンジン、液体窒素、熱電冷却が含まれます。冷却されたサーマルイメージングカメラは現場の温度の小さな違いにも最も敏感なカメラの種類です。
量子センサーは赤外線レベルの変化に非常に速く反応しますが(μs単位の反応時間)、検出能力のレスポンス曲線は波長により大きく変動します。
冷却量子センサーの素材にはInSb, - InGaAs, - PbS, - PbSe, - HgCdTe (MCT)が含まれます。
- 短波赤外線(0.9から1.7μm):主にInGaAsセンサーがこの領域をカバーします。
- 中波赤外線(3から5μm)：アンチモン化インジウム(InSb)、HgCdTeと部分的にセレン化鉛(PbSe)にカバーされています。
- 長波赤外線(8から14μm):この領域はHgCdTeとマイクロボロメータにカバーされています。
赤外線性能のパラメーター
信号対ノイズ比 Signal-to-noise ratio (S/N)
信号電力とノイズ電力の間の比率として定義されます。
P = センサーに受信される入射放射電力 [W]
NEP = ノイズ等価電力(Noise Equivalent Power)。一対一のヘルツ出力帯域幅 (W)と信号対ノイズ比を与える信号電力として定義されます。
この比率が高いほど良い信号を得ることができます。S/Nを向上させるため、赤外線センサーは冷却しなければなりません。熱電冷却、極低温冷却(例えば液体窒素を使って)、スターリング冷却器のような機械的冷却などいくつかの冷却方法があります。
応答度 R
応答度は入ってくる放射線を電気信号に変換するセンサーの能力です。応答度はセンサーシステムの入出力利得を測定します。光センサーの様な特殊なケースでは、応答度は光学インプット一つあたりの電気出力を測定します。
S = 信号出力 [V]
P = センサーに受信された入射放射電力 [W/cm2]
A = センサー有効範囲 [cm2
ノイズ等価電力 (NEP)
光センサーは、インプット放射がなくても特定の平均電力でいくらかのノイズアウトプットを生みます。このノイズアウトプットはr.m.s.voltage または電流振幅の二乗と比例します。センサーのノイズ等価電力(NEP)は光学インプット力 (P)で、所定の帯域幅のためのノイズ電力と同質の付加的アウトプット電力を生みます(△f)。 言い換えると、NEPは信号対ノイズ比1を取得するために必要な光力で、それはノイズ電流と同等の信号電流を生むために不可欠な光のレベルです。NEPの単位はワットあたり二乗根ヘルツです。NEPは光検出の下限を示します。NEPの合致が小さいほどセンサーの感度が高まります。
P = センサーに受信された入射放射電力 [W/cm2]
A = センサー有効範囲 [cm2]
Δf = ノイズ帯域幅[Hz]
S/N = 信号対ノイズ比
比検出能力 D* (D-star)
D*はユニット一つあたりのセンサーの有効範囲の光感度です。D*はエリアに依存しないので、様々なタイプのセンサーの性能を比較するのによく使われます。D*は特定の電気周波数で、1Hzの帯域幅において有効センサー範囲1 cm²に1ワットの放射エネルギーが入射する場合の信号対ノイズ比です。言い換えるとそれは信号対ノイズ比(NEP)の相互関係と同一で、ユニットエリアごとに正規化されます。
P = センサーに受信された入射放射電力 [W/cm2]
A = センサー有効範囲 [cm2]
Δf = ノイズ帯域幅[Hz]
S/N = 信号対ノイズ比
一般的にD*の測定環境ではD*(X,Y,Z)のフォーマットで表され、Xが温度[K]または放射源の波長[μm]、Yがチョッピング周波数[Hz]、そしてZがノイズ帯域幅[Hz]です。D*の単位は一ワットあたりセンチメートル二乗根で、「ジョーンズ」単位としてたびたび言及されます。D*が高いほど検出能力が高まります。D*値はとても高いです。
ノイズ等価温度差異 NETD (Noise equivalent temperature difference)
NETDはサーマルイメージングセンサーの感度を特徴付ける、広く使われている性能のパラメーターです。NETDは、センサーの内部ノイズ(１と同等の信号対ノイズ比)と一致しなければならない入射信号温度の量です。本質的に、NETDは検出可能な最小の温度差を規定します。多くの場合NETDはケルビン(K)のユニットで表されます。冷却された赤外線カメラシステムは多くの場合10-30mKの低いレベルのノイズがあります。非冷却カメラシステムは多くの場合よりノイズが多く、それは30-120mKの範囲です。
考慮しなければならない一つの重要なパラメーターは、サーマルイメージングカメラのNETDの値を特定するのはレンズ口径(あるいはFナンバー)だということです。実際のところ、レンズのFナンバーはカメラの感度に直接影響を与えます。異なるセンサーのNETD値は同じFナンバーのレンズを使用してのみ比較可能です。
一般的な赤外線(IR)素材
セレン化亜鉛(ZnSe)
硫化亜鉛(ZnS)
多スペクトル硫化亜鉛(ZnS MS)
ゲルマニウム(Ge)
ガリウムヒ素(GaAs)
シリコン(Si)
光学コーティング
反射防止ARコーティング
反射防止(AR)コーティングは光学的干渉を通して、反射性を低減させるために表面にほどこされる薄いフィルムです。一般的にARは屈折率の異なる薄いレイヤーの重なりから成っています。これらのレイヤーの内部的反射がお互い干渉し合うので、波のピークと波の谷が一緒となり消滅が起き、生の基板表面より全体的な反射率が低くなります。反射防止コーティングは最も屈折性の高い光学機器に含まれ、処理能力を最大化し、ゴースト発生を低減するために使用されます。おそらく最もシンプルで最も一般的な反射防止コーティングは非常に屈折率の低い(550nmにいておよそ1.38)フッ化マグネシウム(MgF2)の一つのレイヤーから成っています。
硬質炭素反射防止HCARコーティング
HCARは軍用車両やアウトドアサーマルカメラなどの、光学機器を苛酷な環境にさらす用途のための、一般的にシリコンとゲルマニウムに適用される光学コーティングです。このコーティングは保護性が高い特性を持っており、さらに良好な反射防止性能、光学機器の外部表面を高速度の空中の粉塵、海水、機関燃料、オイル、高湿度、不適切な扱いなどから守ります。摩擦、塩、酸、アルカリ、オイルにも強い抵抗力があります。
断熱化
どんな素材も特定の膨張率を持っており、温度の変動による物質的な体積の増加または縮小を見せます。したがって光学要素の熱膨張は、温度の変化によりシステムの光学性能を変化させ、焦点ぼけを引き起こすおそれがあります。目につくほど光学システムの重要な性能のパラメーター(MTF、背面焦点距離、有効焦点距離…)が作動温度範囲において変化しない場合、光学システムに断熱化が施されます。
断熱化技術は、能動的または受動的でありえます。能動的断熱化にはレンズ要素を機械的に調節するモーターや他のアクティブなシステムがあり、一方受動的断熱化には適したレンズの選択と光学力(光学的補償)を組み合わせて熱焦点ぼけの埋め合わせを目的とした設計技術と、あるいはシステムのフォーカスを維持できるよう機械的にレンズ要素をずらす(機械的補償)、非常に異なる熱膨張係数の伸縮ロッドの使用があります。
基本的な光学機器の定義
焦点距離
レンズは通常その焦点距離で識別されます。焦点距離と視野(FOV)は次の公式によって関連づけられます：
d =焦点面アレイ対角線(mm)
f =焦点距離(mm)
FOV = 視野(度)。FOVは全ての入ってくる放射エネルギーを光学システムがまとめる視角(長方形の場合、側面ごとの角度またはラジアン、円形の場合角度とラジアンで表されます)です。上記の公式に従うと、焦点距離が増加するにつれ、レンズの視野は狭くなりその逆もまたしかりです。例えば、長距離サーマル赤外線監視には長い焦点距離のレンズが必要です。
Fナンバー
f/ナンバーはレンズの光の収集力を定め、そのため光学カメラシステムの感度に影響を与えます。光学システムのf/ナンバーはレンズの焦点距離とレンズの正面要素の直径との比率です。
f = 焦点距離
A = 正面レンズ要素の直径
レンズの焦点距離が増加するにしたがい、f/ナンバーのシステムを一定に保つため正面レンズ要素の直径を増加させなければなりません。適切なレンズを選ぶことによって赤外線レンズの感度を上げることができます。マイクロボロメータセンサーを備えた非冷却カメラは多くの場合、量子センサーを備えた冷却カメラより感度が低いです。そのため感度の低いセンサーを備えたカメラは低いf/ナンバー(すなわち広い絞り値)を持ったレンズで作動させなければなりません。しかしながら、そのような広い口径のレンズを使うと画像化システムで取得できる被写界深度に制限を与えてしまいます。対照的に、冷却カメラシステムはシステムの感度を著しく妥協することなく高いf/ナンバーで作動させることができます。
長距離サーマル赤外線監視は長い焦点距離のレンズを必要とし、焦点距離により非冷却カメラシステムのレンズのコストは急激に上がりますが、冷却システムのでのコストの増加は比較的なだらかです。
空間分解能
回折は対物レンズで可能な解像度に制限を与えます。対称の観察される•はエアリー円盤と呼ばれるスポットパターンで画像化されます。その直径は次の公式によって算出されます
dairy = 2.44λF / N
λ = 放射の波長
F/N = Fナンバー
隣接した二つのポイントは、最初のポイントのエアリー円盤の中心は二つ目のエアリー円盤の最初の最小で起きるとき区別することができます。これはレーリー解像限界として知られています：
明らかに、FN/波長が増加するにつれ解像限界も比例して増加します。したがって、同等の解像限界を獲得するため、λ = 10 μmで作動するLWIRのレンズはλ = 4 μmで作動するMWIRレンズよりはるかに低いFN(より大きな絞り値)が必要です。
