(57)【要約】【課題】１つの単画素の焦電素子を用いて、焦電素子の視野角を広く確保することができる熱画像生成装置を提供する。【解決手段】１つの単画素の焦電素子１と、第１の開口部３ａを有する第１の遮蔽部材３と、第２の開口部４１ａ、・・・、４６ｄを有する第２の遮蔽部材４と、第１の遮蔽部材及び／又は第２の遮蔽部材を移動させる駆動機構５、６と、駆動機構の制御手段１０とを備え、焦電素子の検知範囲内において第１の遮蔽部材に対して第２の遮蔽部材を相対的に移動させることにより第１の開口部と第２の開口部の重ね合わせにより形成される集光レンズと、焦電素子への赤外線の入射又は遮蔽を時分割的に実施するチョッパーとを備える。【選択図】図１
2014196932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単画素の焦電素子と、
第１の開口部を有する第１の遮蔽部材と、
第２の開口部を有する第２の遮蔽部材と、
前記第１の遮蔽部材及び／又は前記第２の遮蔽部材を移動させる駆動機構と、
前記駆動機構の制御手段とを備えた熱画像生成装置であって、
前記焦電素子の検知範囲内において前記第１の遮蔽部材に対して前記第２の遮蔽部材を相対的に移動させることにより前記第１の開口部と前記第２の開口部の重ね合わせにより形成される集光レンズと、
前記焦電素子への赤外線の入射又は遮蔽を時分割的に実施するチョッパーとを備える
ことを特徴とする熱画像生成装置。
【請求項２】
前記第１の遮蔽部材は、側面に第１の開口部を有する内筒であり、
前記第２の遮蔽部材は、側面に複数の第２の開口部が斜め方向に複数配置された開口部群を有する外筒であり、
前記焦電素子は、前記第１の遮蔽部材の内側の中心軸上に配置され、
前記第２の遮蔽部材は、前記第１の遮蔽部材の外側に同軸に配置され、
前記第１の遮蔽部材及び前記第２の遮蔽部材は、いずれも前記焦電素子を中心にそれぞれ回転する
ことを特徴とする請求項１記載の熱画像生成装置。
【請求項３】
前記第１の遮蔽部材及び前記第２の遮蔽部材の縦方向の断面の形状が、いずれも前記焦電素子を中心とする円弧形状である
ことを特徴とする請求項２記載の熱画像生成装置。
【請求項４】
前記第１の開口部は縦方向に長いスリット形状であり、
前記第２の開口部は正方形状又は円形状である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の熱画像生成装置。
【請求項５】
前記第２の開口部に光学レンズがそれぞれ取り付けられている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の熱画像生成装置。
【請求項６】
前記光学レンズの口径は、前記焦電素子の視野の中央付近よりも端の方を大きくする
ことを特徴とする請求項５記載の熱画像生成装置。
【請求項７】
前記第１の遮蔽部材は内筒と中間筒とからなり、
前記内筒及び中間筒は、いずれも側面に縦方向に長いスリット形状の開口部を有し、
前記第２の遮蔽部材は、側面に複数の第２の開口部が斜め方向に複数配置された開口部群を有する外筒であり、
前記焦電素子は、前記内筒の内側の中心軸上に配置され、
前記中間筒は、前記内筒の外側に同軸に配置され、
前記第２の遮蔽部材は、前記中間筒の外側に同軸に配置され、
前記内筒、前記中間筒及び前記外筒は、いずれも前記焦電素子を中心にそれぞれ回転するとともに、
前記内筒の開口部と前記中間筒の開口部を重ねて形成されるスリット幅は、前記焦電素子の視野の中央付近よりも端の方を大きくするように設定されている
ことを特徴とする請求項１記載の熱画像生成装置。
【請求項８】
前記第１の遮蔽部材は、第１の開口部を有する平板であり、
前記第２の遮蔽部材は、複数の第２の開口部が斜め方向に複数配置された開口部群を有する平板であり、
前記第１の遮蔽部材は、前記焦電素子から見て手前側に配置され、
前記第２の遮蔽部材は、前記焦電素子から見て奥側に配置され、
前記第１の遮蔽部材及び前記第２の遮蔽部材は、いずれもそれぞれ左右方向に移動する
ことを特徴とする請求項１記載の熱画像生成装置。
【請求項９】
前記第２の遮蔽部材は、前記第１の遮蔽部材よりも速く移動する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の熱画像生成装置。
【請求項１０】
前記第１の遮蔽部材は、前記第２の遮蔽部材に対して間欠動作する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の熱画像生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの焦電素子を用いて被写体が発する赤外線を検知して二次元の熱画像を生成する熱画像生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被写体の温度分布を測定し、その温度分布の画像を生成する熱画像生成装置に焦電素子を用いる技術が知られている。
【０００３】
例えば、焦電素子に入射する赤外線を断続的にチョッピング（遮断）する光チョッパーを設けると共に、赤外線を集光するために焦電素子と光チョッパーの間に設けられた赤外線レンズを備え、さらに赤外線検出部を二次元平面を移動するように構成した赤外線二次元分布計測装置が知られている（特許文献１）。さらに、測定対象物からの赤外線を検知する単素子型焦電素子からなる赤外線センサーと、この赤外線センサーを中心とし、側面にスリットを有する回転する内筒と、内筒と赤外線センサーの間に配置された集光レンズと、内筒の外側に同軸に配置され，側面に複数のスリットからなるスリットブロックを有する回転する外筒とを備え、内筒と外筒によりチョッピングされた赤外線を集光レンズにより赤外線センサーに集光させた温度分布の測定装置などが知られている（特許文献２）。
【０００４】
これらの計測装置は、いずれも安価な焦電素子を用いることにより低コストな熱画像生成装置を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−５４７６４号公報
【特許文献２】特開平１０−２３２１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記焦電素子を用いた熱画像生成装置は、いずれも焦電素子とチョッパーの間に配置された光学レンズにより赤外線を焦電素子に集光するものであり、焦電素子の一般的な視野角（約９０度）を狭めている。そのため、装置自体の上下、左右方向の走査範囲は、高価な光学レンズに大きく影響され、その光学レンズによっては非常に狭い範囲に制限されてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、１つの単画素の焦電素子を用いて、焦電素子の視野角を広く確保することができる熱画像生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る熱画像生成装置は、１つの単画素の焦電素子と、第１の開口部を有する第１の遮蔽部材と、第２の開口部を有する第２の遮蔽部材と、前記第１の遮蔽部材及び／又は前記第２の遮蔽部材を移動させる駆動機構と、前記駆動機構の制御手段とを備えた熱画像生成装置であって、前記焦電素子の検知範囲内において前記第１の遮蔽部材に対して前記第２の遮蔽部材を相対的に移動させることにより前記第１の開口部と前記第２の開口部の重ね合わせにより形成される集光レンズと、前記焦電素子への赤外線の入射又は遮蔽を時分割的に実施するチョッパーとを備えたことを特徴とする。
【０００９】
このような構成によると、第１の開口部と第２の開口部を重ね合わせで形成される集光レンズと焦電素子への赤外線の入射又は遮蔽を時分割的に実施するチョッパーにより、被写体が発する赤外線を焦電素子に結像し、その赤外線を焦電素子により検知することができる。そして、検知された赤外線の信号を基に二次元の熱画像を生成することができる。この集光レンズはピンホールカメラと同様の原理の機能を有する小さい穴であってもよい。また、この集光レンズは焦電素子の視野角を決定する検知範囲内の複数の位置に順次形成することができるため、焦電素子の走査範囲は制限されず、焦電素子の視野角を広く確保することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る熱画像生成装置は、第１の開口部と第２の開口部を重ね合わせで形成される集光レンズと焦電素子への赤外線の入射又は遮蔽を時分割的に実施するチョッパーにより、被写体が発する赤外線を単画素の焦電素子に結像し、その赤外線を焦電素子により検知することができ、検知された赤外線の信号を基に二次元の熱画像を生成することができる。また、この集光レンズは焦電素子の視野角を決定する検知範囲内の複数の位置に順次形成することができるため、焦電素子の走査範囲は制限されず、焦電素子の視野角を広く確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態の熱画像生成装置の構成を概略的に示す図
【図２】内側に配置された遮蔽筒を示す図であり、（ａ）は遮蔽筒の正面図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線の断面図
【図３】外側に配置された遮蔽筒を示す図であり、（ａ）は遮蔽筒の正面図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図
【図４】１つの焦電素子と２つの遮蔽筒を上方から見た断面図
【図５】１つの焦電素子と２つの遮蔽筒を側方から見た断面図
【図６】第１の実施形態の二次元の熱画像の一例を示す図
【図７】被写体、焦電素子及び遮蔽筒の位置関係を示す図
【図８】第２の実施形態の熱画像生成装置の構成を概略的に示す図
【図９】第２の実施形態の熱画像生成装置における焦電素子の縦方向の視野範囲と焦点距離の関係を示す図
【図１０】円筒状の遮蔽筒を用いた場合の焦電素子の縦方向の視野範囲と焦点距離の関係を示す図
【図１１】焦電素子の信号波形を示す図
【図１２】第３の実施形態の熱画像生成装置における２つの遮蔽筒の間欠動作を示す図
【図１３】第３の実施形態の二次元の熱画像の一例を示す図
【図１４】第４の実施形態の熱画像生成装置における１つの焦電素子と２つの遮蔽筒を側方から見た断面図
【図１５】第５の実施形態の熱画像生成装置における１つの焦電素子と３つの遮蔽筒を上方から見た断面図
【図１６】第６の実施形態の熱画像生成装置における２つの遮蔽板を焦電素子側から見た図
【図１７】第６の実施形態の熱画像生成装置における２つの遮蔽板を上方から見た図
【図１８】左方向に移動させた２つの遮蔽板を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の熱画像生成装置の構成を概略的に示す図である。なお、図１は、一部を断面で表示して内部の構成をわかりやすくしている。また、各部を繋げる線は信号や電気を送受信する配線を示し、一部省略している。
【００１３】
熱画像生成装置２０は、１つの単画素型の焦電素子１を有する赤外線センサー２と、円筒状の遮蔽筒３及び４と、駆動モーター５と、速度調整機構６と、位置検出センサー７及び８と、焦電素子１の信号を増幅させる増幅回路９と、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等を含む制御回路１０と、図示しないアナログ−デジタル変換回路やＡＧＣ（Automatic Gain Control）回路等を有する。遮蔽筒３は、開口部３ａと図示しない複数の開口部（３ｂ、３ｃ、３ｄ）を有する。遮蔽筒４は、開口部４１ａと図示しない複数の開口部（４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４２ａ、・・・、４６ｄ）を有する。なお、遮蔽筒３、４はいずれも内部が暗室となっており、外部からの赤外線は各開口部を介してのみ内部に入射されるようになっている。位置検出センサー７は遮蔽筒３の位置を、位置検出センサー８は遮蔽筒４の位置をそれぞれ検出する。
【００１４】
焦電素子１は、遮蔽筒３の内側の中心軸上に配置される。遮蔽筒４は、遮蔽筒３の外側に同軸に配置される。速度調整機構６は、遮蔽筒４に対して遮蔽筒３を所定の速度で回転させるような構成であればよく、遮蔽筒４の回転速度に対して遮蔽筒３の回転速度を一定に減速させるような構成であってもよい。
【００１５】
遮蔽筒３及び４は、駆動モーター５により遮蔽筒３及び４の中心軸の周りにそれぞれ回転する。この際、遮蔽筒３の回転速度は、速度調整機構６により遮蔽筒４の回転速度に対して相対的に調整される。このような各遮蔽筒３、４の回転により、遮蔽筒３の各開口部と遮蔽筒４の各開口部を重ね合わせて集光レンズを、具体的には、小さい穴を一時的に形成する。この小さい穴を通過した赤外線は、ピンホールカメラと同様の原理により焦電素子１へ集光させる機能を有する。以下、各実施形態では、この小さい穴をピンホールレンズといい、レンズ自体が樹脂やガラス等の材料からなる光学レンズと区別する。遮蔽筒３、４の各開口部は各遮蔽筒３、４の回転によりピンホールレンズを形成できる形状であればよく、具体的には、遮蔽筒３の各開口部は正方形状や円形状であってもよく、遮蔽筒４の各開口部は縦方向に長いスリット状であってもよい。例えば、焦電素子１の単画素の面が円形である場合、それに合わせて遮蔽筒３の各開口部を円形状にしてもよい。また、各遮蔽筒３、４の回転により、時分割的に焦電素子１への赤外線の入射、遮蔽を繰り返すチョッパー機能が実現される。
【００１６】
本実施形態のピンホールレンズは、光学レンズを用いないでピンホール（小さい穴）を用いてピンホールカメラと同様の原理により、ピンホールを通過させた赤外線を所定の位置（焦電素子１）に集光させる機能を有するものである。
【００１７】
熱画像生成装置２０は、高額な光学レンズを用いずにピンホールレンズを形成することで焦電素子１へ赤外線を集光することができる。また、ピンホールレンズは簡単に焦電素子１の検知範囲で遮蔽筒３、４の各開口部をそれぞれ移動させて形成することができるため、焦電素子１の視野角を広く利用することができる。
【００１８】
図１に示すように、熱画像生成装置２０は、赤外線１１ａが開口部３ａ及び開口部４１ａを介して焦電素子１に入射した際、その信号を増幅させた撮像信号と位置検出センサー７及び８の信号とを制御回路１０にそれぞれ送信し、遮蔽筒３、４のそれぞれの位置関係と撮像信号の同期を取りながらそれらの信号を処理して単画素のデータを生成し、そのデータを二次元的に配列して熱画像を構成する。
【００１９】
図２は、内側に配置された遮蔽筒３を示す図である。図２（ａ）は遮蔽筒３の正面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。遮蔽筒３は、側面に開口部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが設けられている。開口部３ａ〜３ｄは、中心軸の周りに９０度の等間隔で設けられ、いずれも上下の縦方向に長い（縦方向の幅がＨ１である）スリットである。
【００２０】
図３は、外側に配置された遮蔽筒４を示す図であり、図３（ａ）は遮蔽筒の正面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。遮蔽筒４は、側面に開口部４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、・・・、４６ｄが設けられている。開口部４１ａ〜４６ｄは、中心軸の周りに１５度の等間隔で設けられている。また、各開口部４１ａ〜４１ｄ、４２ａ〜４２ｄ、・・・、４６ａ〜４６ｄは、いずれも縦方向の中心軸に対して右上から左下への斜め方向に配置され、開口部群４１、４２、・・・、４６をそれぞれ形成する。開口部４１ａ〜４６ｄの縦方向及び横方向の幅は全て同じ大きさであり、開口部４１ａ〜４１ｄの縦方向の幅Ｈ２は、開口部３ａ〜３ｄの縦方向の幅Ｈ１よりもそれぞれ小さい。開口部４１ａ〜４６ｄは、遮蔽筒４が中心軸の周りに回転した際に、いずれも焦電素子１の検知エリア内において焦電素子１から見て時分割的に開口部３ａ〜３ｄと重なるようになっている。
【００２１】
図４は、１つの焦電素子１と２つの遮蔽筒３、４を上方から見た断面図である。図中の矢印は回転方向をそれぞれ示す。なお、図４は、遮蔽筒４の各開口部の位置を概略的に図示してわかりやすくしている。遮蔽筒３、４はいずれも中心軸（焦電素子１）の周りに回転させ、遮蔽筒４の回転速度は遮蔽筒３の回転速度よりも速くする。具体的には、遮蔽筒４を一定速度で角度Ｒ１だけ回転させる間に、遮蔽筒３を一定速度で角度Ｒ２（＜Ｒ１）だけ回転させる。このとき、焦電素子１の視野の範囲（検知範囲）ＶＬ内の赤外線１１を入射する遮蔽筒４の開口部が４１ａから４１ｄまで移動する間に、遮蔽筒３の開口部３ａを所定位置まで移動する。この遮蔽筒３、４は、駆動モーター５及び速度調整機構６により継続的に回転する。
【００２２】
図５は、１つの焦電素子１と２つの遮蔽筒３、４を側方から見た断面図である。図５（ａ）は、赤外線１１ａが焦電素子１へ入射した際の遮蔽筒４の最上段の開口部４１ａと遮蔽筒３の開口部３ａの位置関係を側方から見た断面図である。図５（ｂ）は、赤外線１１ｂが焦電素子１へ入射した際の遮蔽筒４の中段上の開口部４１ｂと遮蔽筒３の開口部３ａの位置関係を側方から見た断面図である。図５（ｃ）は、赤外線１１ｃが焦電素子１へ入射した際の遮蔽筒４の中段下の開口部４１ｃと遮蔽筒３の開口部３ａの位置関係を側方から見た断面図である。図５（ｄ）は、赤外線１１ｄが焦電素子１へ入射した際の遮蔽筒４の最下段の開口部４１ｄと遮蔽筒３の開口部３ａの位置関係を側方から見た断面図である。
【００２３】
図４に示すように遮蔽筒３及び４を回転させると、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示すように、焦電素子１は、図示しない被写体を上から下の縦方向に走査して被写体が発する赤外線１１を検知することができる。具体的には、焦電素子１は、赤外線１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの順に検知することができる。このとき、被写体を走査する位置は、遮蔽筒４が遮蔽筒３よりも速く回転するに連れて上から下の縦方向に移動する。そのため、焦電素子１は、縦方向から多少斜めに傾いた方向に移動しながら被写体が発する赤外線を検知することになる。そして、熱画像生成装置２０は、それらの検知された信号から熱画像のデータをそれぞれ生成し、それらのデータを二次元的に配列することで熱画像を生成することができる。
【００２４】
図６は、第１の実施形態の二次元の熱画像を示す図である。図４に示すように遮蔽筒３及び４を回転させると、図６に示すように、単画素のデータ、具体的には、被写体を走査した位置に対応する熱画像のデータ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１２ａ、・・・をそれぞれ配列した熱画像２１が得られる。縦（Ｙ）方向のデータ列は、主に遮蔽筒３の開口部３ａと遮蔽筒４の１つの開口部群で被写体を走査することで生成されたデータ列である。また、横（Ｘ）方向のデータ列は、主に遮蔽筒３の開口部３ａと遮蔽筒４の開口部群を次の開口部群に切り替えて被写体を走査することで生成されたデータ列である。
【００２５】
具体的には、熱画像のデータ１１ａは、焦電素子１が赤外線１１ａを遮蔽筒３の開口部３ａと遮蔽筒４の開口部４１ａを介して検知し、その検知された信号から生成されたデータである。同様に、データ１１ｂは開口部３ａと開口部４１ｂを、データ１１ｃは開口部３ａと開口部４１ｃを、データ１１ｃは開口部３ａと開口部４１ｃを、データ１１ｄは開口部３ａと開口部４１ｄを、データ１２ａは開口部３ａと開口部４２ａをそれぞれ介して検知し、生成されたデータであり、以降データ１２ｂ、１２ｃ、・・・も同様にして生成されたデータである。
【００２６】
図４に示すように遮蔽筒３及び４を回転させると、図６に示すように、熱画像データ２１は、両端付近に被写体を走査していない領域（死角領域）２１ａ、２１ｂを有することになる。しかしながら、熱画像データ２１の画素（熱画像のデータ）数を増やして密度を高めると、その死角領域２１ａ、２１ｂは全体に比べて小さくなるため大きな弊害とはならない。
【００２７】
図７は、被写体２２、焦電素子１及び遮蔽筒３、４の位置関係を示す図であり、ピンホールレンズを説明する図である。熱画像生成装置２０は、遮蔽筒３、４の各開口部を重ね合わせて共通の開口部分である小さい穴（ピンホールレンズ）を形成し、ピンホールカメラと同様の原理によりその小さい穴を通過した被写体２２が発する赤外線１１を焦電素子１に結像させる。遮蔽筒３、４の各開口部は、焦電素子１に結像する小さい穴を形成でき、かつ、チョッパー機能を実現できるような大きさや形状であればよい。遮蔽筒３、４の各開口部の形状は、
熱画像生成装置２０において、被写体２２が発する赤外線１１を計測可能な能力は、焦電素子１の特性、焦電素子１の信号を増幅する増幅回路９の特性と、焦電素子１とチョッパー機能の役割を果たす遮蔽筒３、４（遮蔽筒４の開口部４１ａ）の距離ｆなどによる。
【００２８】
一般に、ピンホールの径が小さくなれば集光された像の解像度は高くなるが、ピンホールを通過する光量が少なくなる。
【００２９】
熱画像生成装置２０に汎用の焦電素子を用いて上述のピンホールレンズで集光した場合、被写体２２と熱画像生成装置２０（遮蔽筒４の開口部４１ａ）の距離Ｌが例えば２〜３［ｍ］程度あれば、光学レンズを用いなくとも遮蔽筒３、４の各開口部の重ね合わせによりピンホールレンズを形成することで被写体２２が発する赤外線１１を十分に焦電素子１へ結像させることができる。
【００３０】
例えば、焦電素子の四角形状の画素面の大きさが縦２［ｍｍ］×横２［ｍｍ］であり、内側の遮蔽筒の各開口部が横幅２［ｍｍ］で縦方向に長いスリットであり、外側の遮蔽筒の各開口部が縦２［ｍｍ］×横２［ｍｍ］の四角形状であり、焦電素子とチョッパー機能を果たす遮蔽筒の距離ｆが２０［ｍｍ］であり、被写体とチョッパー機能を果たす遮蔽筒の距離Ｌが２［ｍ］である場合、内側の遮蔽筒の各開口部と外側の遮蔽筒の各開口部の重ね合わせによりピンホールレンズとして小さい穴を形成することができる。このとき、焦電素子の検知エリア（縦４［ｍ］×横４［ｍ］）内の被写体が発する赤外線を、その小さい穴を通過させて焦電素子に集光させて検知することで縦２０［ｃｍ］×横２０［ｃｍ］の四角形を１画素として縦（Ｙ）方向に２０画素、横（Ｘ）方向に２０画素をそれぞれ配列するような熱画像を形成することができる。このような熱画像を熱画像生成装置２０で形成する場合、主に遮蔽筒４の側面に縦２［ｍｍ］×横２［ｍｍ］の四角形状の開口部を斜め方向に２０個設けた開口部群を形成すればよい。
【００３１】
第１の実施形態の熱画像生成装置２０は、遮蔽筒３の各開口部と遮蔽筒４の各開口部の重ね合わせにより形成された小さい穴（ピンホールレンズ）と焦電素子１への赤外線の入射又は遮蔽を時分割的に実施するチョッパー機能により、被写体が発する赤外線を単画素の焦電素子１に結像し、その赤外線を焦電素子１により検知することができ、検知された赤外線の信号を基に二次元の熱画像を生成することができる。また、熱画像生成装置２０は、高額な光学レンズを用いないため、コストを抑えることができる。また、ピンホールレンズである小さい穴は簡単に焦電素子１の検知範囲で遮蔽筒３、４の各開口部をそれぞれ回転移動させて形成することができるため、焦電素子１の視野角を広く利用することができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態の熱画像生成装置の構成を概略的に示す図である。なお、図８は、一部を断面で表示して内部の構成をわかりやすくしている。また、各部を繋げる線は信号や電気を送受信する配線を示し、一部省略している。熱画像生成装置６０と第１の実施形態の熱画像生成装置２０とは、２つの遮蔽筒の形状が相違しているだけであり、その他の構成は同一のものである。
【００３３】
熱画像生成装置６０は、１つの単画素型の焦電素子１を有する赤外線センサー２と、遮蔽筒５３と、遮蔽筒５４と、駆動モーター５と、速度調整機構６と、位置検出センサー７、８と、増幅回路９と、制御回路１０と、図示しないアナログ−デジタル変換回路やＡＧＣ（Automatic Gain Control）回路等を有する。
【００３４】
遮蔽筒５３及び５４は、いずれも側面の断面の形状が焦電素子１を中心とする円弧形状となっている。また、遮蔽筒５３は、開口部３３ａと図示しない複数の開口部（５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ）を有する。遮蔽筒５４は、開口部５４１ａと図示しない複数の開口部（５４１ｂ、５４１ｃ、５４１ｄ、４２ａ、・・・、５４６ｄ）を有する。そして、遮蔽筒５４は、遮蔽筒５３の外径よりも内径を若干大きくし、遮蔽筒５３の内側の中心軸Ｃ上に配置された焦電素子１を中心として、遮蔽筒５３を内側に収めるように同軸に配置する。このとき、遮蔽筒５４が中心軸Ｃの周りに回転すると、開口部５４１ａ〜５４６ｄがいずれも焦電素子１の視野の範囲内において焦電素子１側から見て時分割的に開口部５３ａ〜５３ｄと重なり合うようになっている。
【００３５】
図１０は、円筒状の遮蔽筒を用いた場合の焦電素子の縦方向の視野の範囲と焦点距離の関係を示す図である。焦電素子１の縦方向の視野範囲ＶＳにおいて遮蔽筒３、４の側面が焦電素子１の画素面に対してフラットな場合、焦電素子１の視野角が増すに連れて開口部４ａと焦電素子１との距離ｆａが、焦電素子１の正面からの距離ｆ１に比較して長くなる。そのため、遮蔽筒３、４の各開口部により形成した小さい穴（ピンホールレンズ）により焦電素子１に結像させる像の大きさや赤外線の入射、遮蔽を繰り返すチョッピングの周波数は、被写体を走査する位置の上下縦方向の移動に伴って変化することとなり、熱画像のデータに影響を及ぼす。
【００３６】
図９は、第２の実施形態の熱画像生成装置６０における焦電素子１の縦方向の視野の範囲と焦点距離の関係を示す図であり、焦電素子１と遮蔽筒５３、５４を側方から見た断面図である。図９（ａ）は、赤外線１１ａが焦電素子１へ入射した際の遮蔽筒５４の最上段の開口部５４１ａと遮蔽筒３の開口部５３ａの位置関係を側方から見た断面図である。図９（ｂ）は、赤外線１１ｂが焦電素子１へ入射した際の遮蔽筒５４の中段上の開口部５４１ｂと遮蔽筒３の開口部５３ａの位置関係を側方から見た断面図である。図９（ｃ）は、赤外線１１ｃが焦電素子１へ入射した際の遮蔽筒５４の中段下の開口部５４１ｃと遮蔽筒３の開口部５３ａの位置関係を側方から見た断面図である。図９（ｄ）は、赤外線１１ｄが焦電素子１へ入射した際の遮蔽筒５４の最下段の開口部５４１ｄと遮蔽筒３の開口部５３ａの位置関係を側方から見た断面図である。
【００３７】
遮蔽筒５３及び５４を上記遮蔽筒３及び４と同様にして回転させると、図９（ａ）〜図９（ｄ）に示すように、焦電素子１とチョッパー、具体的には、遮蔽筒５４の開口部５４１ａ、５４１ｂ、５４１ｃ、５４１ｄとの距離ｆ１をほぼ一定にすることができる。そのため、熱画像生成装置６０は、図示しない被写体を走査する位置が上下縦方向に移動した際の影響を抑えて、焦電素子１が被写体が発する赤外線１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを検知し、それらの信号から熱画像のデータを生成することができる。
【００３８】
（実施例）
図１１は、焦電素子１の信号波形Ｓを示す図である。図中の縦軸は電圧［ｍＶ］を、横軸は時間［ｓ］をそれぞれ表す。実際に熱画像生成装置６０を用いて温度分布の異なる被写体を、遮蔽筒５３、５４を回転させて焦電素子１により走査すると、図１１に示すような焦電素子１の信号波形Ｓが得られた。この波形Ｓ上の点ａ、ｂ、・・・、ｊは、被写体が発する赤外線がピンホールレンズ（遮蔽筒５３の各開口部と遮蔽筒５４の各開口部）から入射した際の信号である。この波形Ｓの中では、点ｄ、ｅ、ｆは比較的信号値が高く、被写体を走査した他の位置よりも高温であることがわかる。この波形Ｓの各信号値と遮蔽筒５３、５４の表面温度を制御回路１０により換算することで被写体の絶対温度も計測することができる。
【００３９】
第２の実施形態の熱画像生成装置６０は、遮蔽筒５３の各開口部と遮蔽筒５４の各開口部の重ね合わせにより形成された小さい穴（ピンホールレンズ）と焦電素子への赤外線の入射又は遮蔽を時分割的に実施するチョッパー機能により、被写体が発する赤外線を単画素の焦電素子１に結像し、その赤外線を焦電素子１により検知することができ、検知された赤外線の信号を基に二次元の熱画像を生成することができる。さらに、焦電素子１と遮蔽筒５４の開口部５４１ａ、５４１ｂ、５４１ｃ、５４１ｄとの距離ｆ１がほぼ一定であるため、焦電素子１の被写体を走査する位置が上下縦方向の移動に伴った際の影響を抑えることができる。
【００４０】
（第３の実施形態）
図１２は、第３の実施形態の熱画像生成装置における遮蔽筒３、４の間欠動作を示す図である。なお、図１２は、遮蔽筒４の各開口部の位置を概略的に図示してわかりやすくしている。第１の実施形態の熱画像生成装置２０及び第２の実施形態の熱画像生成装置６０は、いずれも遮蔽筒４（５４）に対して遮蔽筒３（５３）を間欠動作するようにしてもよい。
【００４１】
具体的には、遮蔽筒４を角度Ｒ３だけ回転させて開口部が４１ａから４１ｄと上下縦方向の移動を一巡したタイミングで、遮蔽筒３を角度Ｒ４（＜Ｒ３）だけ回転させて赤外線１１を入射させる開口部３ａを所定位置まで回転させた後、遮蔽筒３を停止させる。この遮蔽筒３、４は、駆動モーター５及び速度調整機構６により継続的に回転する。
【００４２】
図１３は、第３の実施形態の二次元の熱画像を示す図である。図１２に示すように遮蔽筒３及び４を回転させると、図１３に示すように、被写体を走査した位置に対応する熱画像のデータ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１２ａ、・・・をそれぞれ配列した熱画像２２が得られる。各熱画像のデータは、図６と同様に、遮蔽筒３の開口部３ａと遮蔽筒４の各開口部４１ａ、・・・を重ね合わせて形成された小さい穴（ピンホールレンズ）を介して焦電素子１により検知された信号から生成されたデータである。遮蔽筒４に対して遮蔽筒３の回転を間欠動作させると、図１３に示すように、図６の熱画像２１のような死角領域２１ａ、２１ｂが無い、各画素が縦（Ｙ）方向及び横（Ｘ）方向に整列した二次元の熱画像データを得ることができる。
【００４３】
第３の実施形態の熱画像生成装置は、遮蔽筒３（５３）の各開口部と遮蔽筒４（５４）の各開口部の重ね合わせにより形成された小さい穴（ピンホールレンズ）と焦電素子への赤外線の入射又は遮蔽を時分割的に実施するチョッパー機能により、被写体が発する赤外線を単画素の焦電素子１に結像し、その赤外線を焦電素子１により検知することができ、検知された赤外線の信号を基に各画素が縦（Ｙ）方向及び横（Ｘ）方向に整列した二次元の熱画像を生成することができる。
【００４４】
（第４の実施形態）
図１４は、第４の実施形態の熱画像生成装置における１つの焦電素子１と２つの遮蔽筒５３、５４を側方から見た断面図である。上記実施形態の熱画像生成装置は、ピンホールレンズだけでなく、外側の遮蔽筒の各開口部に光学レンズ５５（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、・・・）を取り付けて集光特性を向上させるようにしてもよい。光学レンズを取り付ける場合、内側や外側の遮蔽筒の各開口部をそれぞれ広くしてもよい。
【００４５】
このように、光学レンズ５５を用いると、熱画像生成装置と被写体の距離がより遠くなっても、焦電素子１に被写体が発する赤外線を結像することができ、かつ、遮蔽筒５４と一体となった光学レンズ５５により、焦電素子１の視野の範囲の赤外線を導きながら、遮蔽筒５３にある開口部５３ａによってチョッパー機能も維持することができる。
【００４６】
また、例えば、遮蔽筒５３及び５４をいずれも中心軸（焦電素子１）の周りに回転させ、遮蔽筒５４の回転速度を遮蔽筒５３の回転速度よりも速くすると、図１４（ａ）〜図１４（ｄ）に示すように、焦電素子１の視野の範囲ＶＳ内を光学レンズ５５が移動するため、焦電素子１が視野の端で被写体が発する赤外線１１ａ、１１ｄを捉える場合と、焦電素子１が正面の中央付近で赤外線１１ｂ、１１ｃを捉える場合では、光の余弦法則に従ってエネルギー量が変化してしまう。そのため、遮蔽筒５４に取り付けた光学レンズ５５は、焦電素子１の視野の端に位置する光学レンズ５５ａ及び５ｄの口径Ｄ１を、焦電素子１の中央付近に位置する光学レンズ５５ｂ及び５５ｃの口径Ｄ２より大きくする。これにより、熱画像生成装置は、光の余弦法則による感度低下を補うことができ、感度を一定に保つことができる。
【００４７】
光学レンズ５５に用いられる材料は、赤外線の透過特性のよい、ゲルマニウム、シリコン、硫化亜鉛などが考えられるが、性能を犠牲にしても価格を抑えるのであれば、高密度ポリエチレンを材料としたフレネルレンズなどを用いることも考えられる。光学レンズの形状、大きさ、焦点距離などは、使用する焦電素子１の特性と被写体までの距離などによって選択する。
【００４８】
第４の実施形態の熱画像生成装置は、遮蔽筒５４の各開口部に光学レンズ５５（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、・・・）を取り付けることにより、装置と被写体の距離がより遠くなっても、被写体が発する赤外線を焦電素子１に結像して二次元の熱画像を生成することができる。また、焦電素子１の視野の端に位置する光学レンズ５５ａ及び５ｄの口径Ｄ１を、焦電素子１の中央付近に位置する光学レンズ５５ｂ及び５５ｃの口径Ｄ２より大きくすると、焦電素子１の赤外線に対する感度を一定に保つことができる。これより、より安定して熱画像を得ることができる。
【００４９】
（第５の実施形態）
図１５は、第５の実施形態の熱画像生成装置における１つの焦電素子１と３つの遮蔽筒５４、５６、５７を上方から見た断面図である。図１５（ａ）は、赤外線１１が焦電素子１へ入射した際の遮蔽筒５４の光学レンズ５５ａと遮蔽筒５６の開口部５６ａと遮蔽筒５７の開口部５７ａとの位置関係を示す断面図である。図１５（ｂ）は、赤外線１２が焦電素子１へ入射した際の遮蔽筒５４の光学レンズ５５ａと遮蔽筒５６の開口部５６ａと遮蔽筒５７の開口部５７ａとの位置関係を示す断面図である。図１５（ｃ）は、赤外線１３が焦電素子１へ入射した際の遮蔽筒５４の光学レンズ５５ａと遮蔽筒５６の開口部５６ａと遮蔽筒５７の開口部５７ａとの位置関係を示す断面図である。なお、図１５では、遮蔽筒５４の各光学レンズ５５の位置がわかりやすいように概略的に図示している。
【００５０】
上記実施形態の熱画像生成装置は、内側の縦方向に長い開口部を有する遮蔽筒３（５３）を、さらに、２つの遮蔽筒５６（内筒）、５７（中間筒）に分けて同軸に配置している。遮蔽筒５６、５７は縦方向に長い開口部５６ａ、５７ａをそれぞれ有し、外側の遮蔽筒５４の各開口部に光学レンズ５５（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、・・・）を取り付けている。このように集光特性を向上させるようにしてもよい。
【００５１】
焦電素子１の水平方向の視野角による感度の変動は、各赤外線１１、１２、１３に対して遮蔽筒５６の開口部５６ａと遮蔽筒５７の開口部５７ａを重ねて形成するスリットの横方向の幅で調整する。
【００５２】
焦電素子１に対し、各遮蔽筒５４、５６、５７の回転の位置に同期させ、図１５（ａ）〜図１５（ｃ）に示すように、焦電素子１の視野角の端で開口部５６ａと開口部５７ａを重ね合わせてスリットの幅Ｗ１を形成し、焦電素子１の正面の中央付近で最初のスリットの幅Ｗ２を形成するように遮蔽筒５６及び５７の回転を制御する。このように制御することにより、被写体が発する赤外線１１、１２、１３に対して遮蔽筒５４、５６、５７の各開口部で集光レンズを形成するとともに、チョッパー機能と絞り機能も併せ持つようにすることができ、焦電素子１の水平方向の走査においても感度を一定に保つことができる。
【００５３】
第５の実施形態の熱画像生成装置は、遮蔽筒５４、５６、５７の各開口部の重ね合わせにより集光レンズを形成するとともに、焦電素子１への赤外線の入射又は遮蔽を時分割的に実施し、さらに、開口部５６ａと開口部５７ａを重ね合わせて形成するスリットの横方向の幅を調整することにより、被写体が発する赤外線１１、１２、１３に対する絞り機能を実施することができる。これにより、焦電素子１の水平方向の走査においても感度を一定に保つことができ、熱画像生成装置はより安定して熱画像を得ることができる。
【００５４】
（第６の実施形態）
上記実施形態の熱画像生成装置において、各遮蔽筒の代わりに開口部を有する遮蔽板をそれぞれ用いてそれらの各開口部を重ね合わせることにより集光レンズを形成するとともに、焦電素子への赤外線の入射又は遮蔽を時分割的に実施するチョッパー機能を実施するようにしてもよい。この場合、各遮蔽板は、焦電素子の視野の範囲（検知範囲）内を駆動モーター及び速度調整機構により左右方向に移動させる。
【００５５】
図１６は、第６の実施形態の熱画像生成装置における２つの遮蔽板を焦電素子側から見た図である。図１６（ａ）は遮蔽板７３を示す図であり、図１６（ｂ）は遮蔽板７４を示す図である。遮蔽板７３は、右端付近に縦に長い開口部７３ａを有する。遮蔽板７４は、開口部７４１ａ〜７４２ｄを有し、縦方向に対して斜めの方向（左上から右下へ）順に開口部７４１ａ〜７４１ｄ、７４２ａ〜７４２ｄを配置した開口部群を形成している。
【００５６】
図１７は、第６の実施形態の熱画像生成装置における２つの遮蔽板を上方から見た図である。焦電素子１の視野の範囲内に焦電素子１から見て手前側に遮蔽板７４を、その奥側に遮蔽板７３をそれぞれ配置した図である。
【００５７】
図１８は、左方向に移動させた２つの遮蔽板７３、７４を示す図である。図１８（ａ）〜図１８（ｄ）は、いずれも焦電素子側から見た図である。図１８（ａ）は、焦電素子側から見て遮蔽板７３の開口部７３ａと遮蔽板７４の開口部７４１ａを重ね合わせた状態を示す図である。図１８（ｂ）は、焦電素子側から見て遮蔽板７３の開口部７３ａと遮蔽板７４の開口部７４１ｄを重ね合わせた状態を示す図である。図１８（ｃ）は、焦電素子側から見て遮蔽板７３の開口部７３ａと遮蔽板７４の開口部７４２ａを重ね合わせた状態を示す図である。図１８（ｄ）は、焦電素子側から見て遮蔽板７３の開口部７３ａと遮蔽板７４の開口部７４２ｄを重ね合わせた状態を示す図である。
【００５８】
図１８（ａ）に示すように、まず、焦電素子側から見て遮蔽板７３の開口部７３ａと遮蔽板７４の開口部７４１ａを重ね合わせた状態にする。その後、遮蔽板７４だけを矢印の方向に移動させると、遮蔽板７３の開口部７３ａと重なる遮蔽板７４の開口部は、７４１ｂ、７４１ｃと順次上から下へと縦方向へ移動し、図１８（ｂ）に示すように、開口部７３ａは開口部７４１ｄと重ね合わせた状態になる。さらに、遮蔽板７４だけを矢印の方向に移動させて開口部７４１ｄが開口部７３ａと重ならないようにする。次に、図１８（ｃ）に示すように、遮蔽板７３及び遮蔽板７４を矢印の方向に一定量移動させて、遮蔽板７３の開口部７３ａと遮蔽板７４の開口部７４２ａを重ね合わせた状態にする。その後、遮蔽板７４だけを矢印の方向に移動させると、焦電素子側から見て遮蔽板７３の開口部７３ａと重なる遮蔽板７４の開口部は、７４２ｂ、７４２ｃと順次上から下へと縦方向へ移動し、図１８（ｄ）に示すように、開口部７３ａは開口部７４２ｄと重ね合わせた状態になる。このようにして、２つの遮蔽板７３、７４の移動を繰り返すことにより、遮蔽板７３、７４の各開口部の重ね合わせにより集光レンズを形成するとともにチョッパー機能を実施することができる。上記実施形態の各遮蔽筒の代わりにこのような２つの遮蔽板を用いても被写体が発する赤外線を１つの焦電素子に結像して二次元の熱画像を生成することができる。
【００５９】
遮蔽板７３の移動は間欠動作でなくとも、遮蔽板７４の移動に同期させながら連続的に移動させてもよい。ただし、その場合は、第１の実施形態と同様に縦方向の熱画像のデータが若干斜めとなり、両端に死角領域が形成される。
【００６０】
第６の実施形態の熱画像生成装置は、遮蔽板７３の各開口部と遮蔽板７４の各開口部の重ね合わせにより形成された集光レンズと焦電素子への赤外線の入射又は遮蔽を時分割的に実施するチョッパー機能により、被写体が発する赤外線を単画素の焦電素子に結像し、その赤外線を焦電素子により検知することができ、検知された赤外線の信号を基に二次元の熱画像を生成することができる。
【００６１】
なお、上述したように光の余弦法則に従って、焦電素子に対する赤外線の入射角の変化に伴ってエネルギー量は変化するため、焦電素子の感度は低下する。そのため、赤外線の検知性能を向上させる方法として、上記実施形態の熱画像生成装置において、制御回路２０によって各遮蔽筒の回転角や各遮蔽板の位置を把握し、焦電素子の感度低下をソフトウェアによって補正するようにしてもよい。また、熱画像のデータをより安定して得るために、制御回路２０から増幅回路９に対してＡＧＣ回路により増幅率をフィードバックするように焦電素子１からの信号を補正してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係る熱画像生成装置は、安価で汎用性の高い単画素の焦電素子などを用いて構成できるため価格が抑えられる。さらに、近距離の被写体が発する赤外線を焦電素子の視野の範囲を広くして比較的感度よく捉えて熱画像を生成することができる。この熱画像生成装置を用いることにより、高画素の撮像映像によるプライバシーを侵すこと無く、居住空間やオフィス空間などの温度環境の計測や、人の存在状況などを把握することが可能となり、照明や空調設備の制御など熱画像をとらえた上で制御することが可能となる。そのため、このような技術分野において産業上の利用の可能性がきわめて大きい。
【符号の説明】
【００６３】
１  焦電素子
２  赤外センサー
３  遮蔽筒
４  遮蔽筒
５  駆動モーター
６  速度調整機構
７  位置検出センサー
８  位置検出センサー
９  増幅回路
１０  制御回路
２０  熱画像生成装置
【図１】
2014196932.tif 000003
【図２】
2014196932.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014196932.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014196932.tif 000009
【図８】
2014196932.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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