(57)【要約】【課題】赤外光を利用した新規なガス画像センサ装置を実現する。【解決手段】ガス画像センサ装置は、１種以上のガスを含む撮像対象の赤外光画像を結像する赤外光結像光学系（ＬＩ）と、該赤外光結像光学系による赤外光結像光束を遠赤外光成分と中赤外光成分に分離する分離手段（ＳＰ）と、前記遠赤外光成分により結像される遠赤外光画像を撮像する遠赤外光撮像素子（１０Ｂ）と、前記中赤外光成分により結像される中赤外光画像を撮像する中赤外光撮像素子（１０Ｃ）と、該中赤外光撮像素子に入射する中赤外光画像を分光する中赤外光分光フィルタ（ＳＰＦ）と、前記中赤外光画像と前記中赤外光分光フィルタとを、該中赤外光分光フィルタの分光波長領域方向において相対的に変位させる変位手段（２０）と、を有し、前記中赤外光分光フィルタ（ＳＰＦ）は、前記１種以上のガスによる赤外光吸収波長を分光波長領域に含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１種以上のガスを含む撮像対象の赤外光画像を結像する赤外光結像光学系と、該赤外光結像光学系による赤外光結像光束を遠赤外光成分と中赤外光成分に分離する分離手段と、
前記遠赤外光成分により結像される遠赤外光画像を撮像する遠赤外光撮像素子と、
前記中赤外光成分により結像される中赤外光画像を撮像する中赤外光撮像素子と、
該中赤外光撮像素子に入射する中赤外光画像を分光する中赤外光分光フィルタと、
前記中赤外光画像と前記中赤外光分光フィルタとを、前記中赤外光撮像素子の受光面に平行な方向において相対的に変位させる変位手段と、を有し、
前記中赤外光分光フィルタは、前記１種以上のガスによる赤外光吸収波長を分光波長領域に含むガス画像センサ装置。
【請求項２】
請求項１記載のガス画像センサ装置であって、  
前記中赤外光分光フィルタは、中赤外光の分光波長が１方向に変化する分光波長領域を有し、
前記変位手段が、前記分光波長が１方向に変化する分光波長領域方向において、前記中赤外光画像と前記中赤外光分光フィルタとを相対的に変位させるガス画像センサ装置。
【請求項３】
請求項２記載のガス画像センサ装置であって、  
前記中赤外光分光フィルタが、分光波長領域を２領域分有し、  
前記変位手段は、前記中赤外光分光フィルタを、中赤外光撮像素子の受光面に密接もしくは近接させた状態で、前記分光波長領域方向に前記２領域分、往復動させて変位させる往復動機構であるガス画像センサ装置。
【請求項４】
請求項２記載のガス画像センサ装置であって、  
前記中赤外光分光フィルタが、中赤外光撮像素子の受光面に密接もしくは近接して配置され、
前記変位手段は、前記中赤外光画像を前記中赤外光分光フィルタに対して相対的に変位させる機構であるガス画像センサ装置。
【請求項５】
請求項１記載のガス画像センサ装置であって、  
中赤外光分光フィルタが、前記撮像対象に含まれる１種以上のガスのうちの特定のガスによる赤外光吸収波長のみを含む波長帯域の中赤外光を透過させるバンドパスフィルタであるガス画像センサ装置。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか１項に記載のガス画像センサ装置であって、  
前記分離手段が、赤外光結像光束を、透過と反射とにより、遠赤外光成分と中赤外光成分に分離するダイクロイックフィルタであるガス画像センサ装置。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れか１項に記載のガス画像センサ装置と、  
前記遠赤外光撮像素子の出力により前記遠赤外光画像を生成し、前記中赤外光撮像素子の出力により、前記撮像対象となる１種以上のガスの画像を生成する画像処理手段と、  
前記ガス画像センサ装置と前記画像処理手段とを制御する制御手段を有するガス画像撮像測定装置。
【請求項８】
請求項７記載のガス画像撮像測定装置であって、
前記画像処理手段が、遠赤外光画像として温度分布画像を形成する機能を有するガス画像撮像測定装置。
【請求項９】
請求項７または８記載のガス画像撮像測定装置であって、
前記制御手段による制御を受けて、前記画像処理手段による前記遠赤外光画像と前記１種以上のガスの画像とを、選択的に、もしくは合成画像として表示するディスプレイ手段を有するガス画像撮像測定装置。
【請求項１０】
請求項９記載のガス画像撮像測定装置と、
可視画像撮像装置と、を有し、
前記可視画像撮像装置は、前記ガス画像撮像測定装置の撮像領域の可視画像を結像する可視画像結像光学系と、該可視画像結像光学系による可視画像を撮像する可視画像撮像素子と、を有する可視画像撮像手段と、
前記可視画像撮像素子の出力により、表示用可視画像を生成する可視画像用画像処理手段と、
該可視画像用画像処理手段により生成された表示用可視画像を表示する可視画像用ディスプレイ手段と、を有し、
前記可視画像用ディスプレイ手段は、前記ディスプレイ手段を兼ね、前記ガス画像撮像測定装置による前記１種以上のガス画像および前記遠赤外光画像および前記表示用可視画像の１以上を、選択的に、もしくは合成画像として表示するものであるガス画像撮像測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガス画像センサ装置およびガス画像撮像測定装置およびガス画像撮像測定システムに関する。  
【背景技術】
【０００２】
赤外光領域の電磁波（以下「赤外光」と言う。）を利用した各種のセンサ装置や測定装置が広く実用化されている。例えば、対象物が放射する赤外光を、赤外光用のレンズにより２次元の受光域を有するサーモパイルセンサの受光域に結像させ、対象物における温度分布を検出するサーモグラフィは広く一般に知られている。  
赤外光領域にはまた、ＣＯやＣＯ２、Ｈ２Ｓや水蒸気、エチルアルコールガス等の種々のガスの吸収波長があり、この吸収波長を検知することにより、各種ガスの有無の検出、あるいは測定を行うことが知られている（特許文献１〜３等）。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ＣＯ２ガスや水分の測定に関する記載があり、特許文献２には、エチレンガスの検出に関する例が記載され、特許文献３には、エチルアルコールの検出により酒気帯び運転の検知に関する記載がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明は、赤外光を利用した新規なガス画像センサ装置の実現を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明のガス画像センサ装置は、１種以上のガスを含む撮像対象の赤外光画像を結像する赤外光結像光学系と、該赤外光結像光学系による赤外光結像光束を遠赤外光成分と中赤外光成分に分離する分離手段と、前記遠赤外光成分により結像される遠赤外光画像を撮像する遠赤外光撮像素子と、前記中赤外光成分により結像される中赤外光画像を撮像する中赤外光撮像素子と、該中赤外光撮像素子に入射する中赤外光画像を分光する中赤外光分光フィルタと、前記中赤外光画像と前記中赤外光分光フィルタとを、前記中赤外光撮像素子の受光面に平行な方向において相対的に変位させる変位手段と、を有し、前記中赤外光分光フィルタは、前記１種以上のガスによる赤外光吸収波長を分光波長領域に含むガス画像センサ装置。
【発明の効果】
【０００６】
この発明によれば、赤外光を利用した新規なガス画像センサ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ガス画像撮像測定システムを説明するための図である。
【図２】ガス画像撮像測定システムの実施の１形態の概念図である。
【図３】ガス画像撮像測定システムの要部の１例を説明するための図である。
【図４】ガス画像撮像測定システムの要部の別例を説明するための図である。
【図５】ガス画像撮像測定システムの要部の他の例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
具体的な実施の形態を説明するのに先立って、用語等を簡単に説明する。  
前述の如く、この明細書において「赤外光」は、赤外光領域の電磁波である。赤外光領域は「可視光の波長領域の上限よりも長波長側の波長領域」で、一般に、近赤外光、中赤外光、遠赤外光に分類される。近赤外光の波長域は「０．７〜２．５μｍ」、中赤外光の波長領域はその上限が必ずしも一義的には特定されていないが「２．５〜４．６μｍ程度」であり、これより長波長の領域の赤外光が遠赤外光であるとされる。  
赤外光は一般に「赤外線」とも称されるが、この明細書では、赤外線の光学的側面を問題とすることに鑑み「赤外光」と称する。  
ガス画像センサ装置は、撮像対象が１種以上のガスを含む。撮像対象が放射する赤外光は「赤外光結像光学系」により「赤外光画像を結像する赤外光結像光束」となる。  
赤外光結像光学系は「赤外光に対して結像機能を有する光学系」であり、結像素子としてレンズ系を含む。このレンズ系としては、例えば、Ｇｅ（ゲルマニウム）やＺｎＳｅ（セルシウム化亜鉛）、ＭｇＦ２（２フッ化マグネシウム）を材料とするレンズを含むものとして構成できる。  
これらの材料により形成されるレンズは、上述の「中赤外光の波長領域」および「遠赤外光の波長領域」の２つの波長領域の赤外光に対してレンズ作用を有するので、以下の説明において「２波長帯透過レンズ」とも呼ぶ。  
なお、可視光領域から遠赤外光領域までの波長領域の電磁波に対してレンズ作用を持つレンズも知られており（例えば、特許文献１記載の「赤外線および可視光線の何れをも透過させるレンズ」）、このようなレンズも赤外光結像光学系として用い得る。
【０００９】
赤外光結像光束は、分離手段により「遠赤外光成分」と「中赤外光成分」に分離され、遠赤外光成分は「遠赤外光画像」として結像し、中赤外光成分は「中赤外光画像」として結像する。  
赤外光は目視では不可視であるから、遠赤外光画像も中赤外光画像も目視できない。  
遠赤外光画像は遠赤外光撮像素子により、中赤外光画像は中赤外光撮像素子により撮像される。遠赤外光画像、中赤外光画像は上記の各撮像素子による撮像出力に画像処理を施すことにより、目視可能な像として各種のディスプレイ（印刷用紙、液晶等の各種の表示パネル等）に表示可能である。  
「遠赤外光撮像素子」としては、周知の「サーモパイル」や「ボロメータ」の素子を２次元的に配列したもの（これらはすでに市販されている。）を用いることができ、サーモパイル等を用いる赤外光撮像素子を用いると、遠赤外光画像を「温度分布画像」にも変換できる。
【００１０】
また、赤外光の持つ連続スペクトルの強度は「黒体輻射に関するヴィーンの法則」に従って温度と共に変化するので、赤外光強度の波長依存性から赤外光の温度を特定でき、所謂「赤外光センサ」を用いて、赤外光画像の温度分布を生成することも従来から知られている。  
遠赤外光画像を撮像する遠赤外光撮像素子は、遠赤外領域に感度を有する公知の適宜の撮像素子を用いることができる。  
中赤外光画像を撮像する中赤外光撮像素子は、中赤外領域に感度を有する公知の適宜の撮像素子を用いることができる。  
これら遠赤外光撮像素子、中赤外光撮像素子は何れも「２次元の受光面」を有する。
【００１１】
「分離手段」としては、例えば「分光透過膜を形成したダイクロイックフィルタ」の如く、赤外光結像光束に含まれる遠赤外光成分と中赤外光成分のうちの一方を透過させ、他方を反射して、これらの成分を分離するものを好適に用いることができる。  
中赤外光撮像素子により撮像される中赤外光画像は、中赤外光分光フィルタにより分光される。  
「中赤外光分光フィルタ」は、分離手段により赤外光結像光束から分離された中赤外光成分を分光する。  
「分光」は、一般に、電磁波の強度をその波長を変数として表すことを意味するが、この発明において用いられる中赤外光分光フィルタは「中赤外光成分に含まれる特定の波長とその近傍の波長領域を抽出的に分離させる機能を持つもの」であることもできる。  
このように中赤外光分光フィルタにより分光される波長領域（上記「抽出的に分離される特定の波長とその近傍の波長領域」も含む。）を「分光波長領域」と呼ぶ。  
この分光波長領域は、前記１種以上のガスによる赤外光吸収波長を含む。
【００１２】
限定するものではないが、中赤外光分光フィルタとして「中赤外光の分光波長が１方向に変化する分光波長領域を有するもの」や「撮像対象に含まれる１種以上のガスのうちの特定のガスによる赤外光吸収波長のみを含む波長帯域の中赤外光を透過させるバンドパスフィルタ」を例示することができる。  
これらのうちの前者としては、後述する実施の形態において用いられる「透過光の波長がフィルタの１方向に連続的に変化するフィルタで、透過光の波長の変化領域が中赤外光の波長領域を含み、例えば、２μｍないし５μｍの範囲であるもの」を挙げることができる。このような中赤外光分光フィルタにおける「透過光の波長が連続的に変化する方向」を「分光波長領域方向」と称する。  
この発明のガス画像センサ装置では「中赤外光画像と中赤外光分光フィルタとを、中赤外光撮像素子の受光面に平行な方向において相対的に変位」させる。  
この相対的な変位は「変位手段」によって実行される。
【００１３】
以下、ガス画像センサ装置を用いる「ガス画像撮像測定システム」の実施の１形態を説明する。  
以下に説明するガス画像撮像測定システムは「火山ガス監視システム」を想定したものである。  
説明図として例示する図１において、（ａ）は「火山ガスを噴出中の火山」の状況を示す可視画像である。火山の火口から「白煙状の火山ガス」が噴出している。  
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す噴出中の火山ガスの「温度分布画像」を可視画像に重畳した画像である。図１（ｃ）は、噴出中の火山ガスに含まれる「水蒸気」、「ＣＯ２（２酸化炭素ガス）」、「Ｈ２Ｓ（硫化水素ガス）」の各分布を可視画像に重畳して表示した画像である。
【００１４】
図１（ｂ）において、Ａは２０００℃、Ｂは１０００℃、Ｃは８００℃、Ｄは５００℃、Ｅは３００℃の領域を、それぞれ示している。また、図１（ｃ）の、Ｆは「水蒸気」、Ｇは「Ｈ２Ｓガス」、Ｈは「ＣＯ２ガス」の空間分布状態を示している。
【００１５】
図１（ｂ）に示す如き「温度分布画像」は、分離手段により分離された遠赤外光成分が「遠赤外光撮像素子の２次元の撮像領域」に結像する遠赤外光画像の強度分布を、画像処理により温度分布に変換することにより得られる。  
図１（ｂ）に示すのは、温度分布画像を、複数の温度領域に分けて「温度の段階的な変化」を示すように、温度分布画像を画像処理したものである。  
図１（ｃ）に示す如き「ガス種の分布」の画像は、分離手段により分離された中赤外光成分を用いて得られる。  
即ち、中赤外光画像と中赤外光分光フィルタとを、分光波長領域方向において相対的に変位させて中赤外光撮像素子による撮像を行ない、中赤外光画像の分光を行う。  
中赤外光撮像素子の受光面に２次元にアレイ配列された「受光素子」の個々が撮像する領域を「中赤外光画像の画素」と呼ぶ。「中赤外光画像と中赤外光分光フィルタとを、分光波長領域方向において相対的に変位」させて撮像を行なうことにより、原理的には中赤外光画像の各画素の「分光情報」を得ることができる。  
各画素の分光情報の内で、撮像されている火山ガスにおける「撮像対象に含まれるガス（説明中の例で、水蒸気、Ｈ２Ｓガス、ＣＯ２ガス）の吸収波長」が含まれている画像（吸収波長の赤外光が吸収されているので「暗い画像」となる。）を吸収波長ごとに２次元画像化する。この処理も画像処理として行うことができる。  
説明中の例において、水蒸気の吸収波長は２．６６μｍ、ＣＯ２ガスの吸収波長は４．２６μｍ、Ｈ２Ｓガスの吸収波長は３．８１μｍであり、従って、これらのガスは何れも「中赤外光の波長領域」に吸収波長を有している。
【００１６】
上に概略を説明した「火山ガス監視システムを想定したガス画像撮像測定システム」の実施の形態例を以下に説明する。  
図２は、ガス画像撮像測定システムの実施の１形態の概念図である。  
符号１００で示す部分は「ガス画像撮像測定装置」の部分を示す。  
ガス画像撮像測定装置１００は、ガス画像センサ装置１０１、画像処理手段１０３、ディスプレイ手段１０５および制御手段１１０を有する。  
図中の符号２０１は「可視画像撮像手段」、符号２０３は「可視画像用画像処理手段」を、それぞれ示す。  
画像処理手段１０３は、ガス画像センサ装置１０１の出力に対する画像処理を行う。  
可視画像撮像手段２０１は、ガス画像撮像測定装置１００の撮像領域（ガス画像センサ装置１０１の撮像領域）の可視画像を撮像し、その撮像出力を可視画像用画像処理手段２０３に入力させる。  
可視画像用画像処理手段２０３は、可視画像撮像手段２０１の撮像出力に対する画像処理を行う。  
ディスプレイ手段１０５は、画像処理手段１０３の出力や、可視画像用画像処理手段２０３の出力を画像として表示する。即ち、ディスプレイ手段１０５は、画像処理手段１０３と、可視画像用画像処理手段２０３に共用されており、可視画像用画像処理手段２０３との関連で「可視画像用ディスプレイ手段１０５」と言う場合もある。
【００１７】
上記ガス画像センサ装置１０１、画像処理手段１０３、可視画像用画像処理手段２０３およびディスプレイ手段１０５は、制御手段１１０の制御を受ける。制御手段１１０は、コンピュータやＣＰＵ等として構成され、制御内容は、基本的な制御内容がデフォルトとして予め記憶されているほか、各種インタフェイス手段により外部から指定できる。  
即ち、図２に示すガス画像撮像測定システムは、ガス画像撮像測定装置１００と、可視画像撮像装置と、を有し、可視画像撮像装置は、可視画像撮像手段２０１と、可視画像用画像処理手段２０３と、可視画像用ディスプレイ手段１０５と、を有する。  
可視画像用ディスプレイ手段１０５は、ガス画像撮像測定装置のディスプレイ手段１０５を兼ねている。後述のように、ディスプレイ手段１０５には、ガス画像撮像測定装置１００による「１種以上のガス画像および遠赤外光画像および表示用可視画像の１以上」が、選択的に、もしくは合成画像として表示される。  
なお、図２に示す、画像処理手段１０３と可視画像用画像処理手段２０３とは、図示の如くに別体として構成できることは勿論であるが、これらを「１つの手段として共通化」することもできる。このように共通化した場合を破線で示し、符号１０３０を付する。このように共通化した部分を、以下において「画像処理手段１０３０」と呼ぶ。
【００１８】
図３を参照する。  
図３は、図２に示したガス画像撮像測定システムのうち、ディスプレイ手段１０５を除いた部分の具体的な構成の例を示している。  
図３において、符号ＯＬは「撮像対象からの可視光成分」を示し、符号ＯＬＩは「撮像対象からの赤外光成分」を示す。  
赤外光成分ＯＬＩは、中赤外光成分と遠赤外光成分を含んでいる。  
図３において符号Ｌ０は「レンズ」を示し、符号１０Ａは「可視画像撮像素子」を示す。レンズＬ０は「可視画像結像光学系」であって、撮像対象（説明中の例では「火山の火口部」）からの可視光成分ＯＬの入射を受けて、可視画像撮像素子１０Ａの受光面上に「撮像対象の可視画像」として結像させる。  
可視画像撮像素子１０Ａとしては、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等「可視光の波長領域に感度を有する受光素子」を２次元に配列して「エリアセンサ」としたものを用いることができる。勿論、可視画像撮像素子１０Ａは、モノクローム画像対応のものもカラー画像対応のものも用いることができる。
【００１９】
図２に示した可視画像撮像手段２０１は、図３に示す例では、レンズＬ０と可視画像撮像素子１０Ａとを含む。  
図３において、符号ＬＩは「赤外光結像光学系」である２波長帯透過レンズを示す。２波長帯透過レンズＬＩは、赤外光成分ＯＬＩに含まれる中赤外光成分と遠赤外光成分に対してレンズ作用を有する。即ち、赤外光成分ＯＬＩは２波長帯透過レンズＬＩに入射すると、２波長帯透過レンズＬＩの光学作用により「赤外光結像光束」となり、「分離手段」であるダイクロイックフィルタＳＰに入射する。  
ダイクロイックフィルタＳＰは、入射してくる赤外光成分ＯＬＩ中の遠赤外光成分（波長：５μｍ以上）は透過させ、中赤外光成分（波長：２．５〜５μｍ）は反射する。
【００２０】
ダイクロイックフィルタＳＰを透過した遠赤外光成分は、遠赤外光撮像素子１０Ｂの受光面上に「遠赤外光画像」として結像し、遠赤外光撮像素子１０Ｂにより撮像される。遠赤外光撮像素子１０Ｂは「遠赤外光の波長領域に感度を有する受光素子」を２次元にアレイ配列した撮像素子であり、市販のものを用いることができる。  
従って、遠赤外光撮像素子１０Ｂにより「遠赤外光画像」が撮像される。
【００２１】
ダイクロイックフィルタＳＰに反射された「中赤外光成分」は、２波長帯透過レンズＬＩのレンズ作用により中赤外光撮像素子１０Ｃの２次元の受光面に「中赤外光画像」として結像する。中赤外光撮像素子１０Ｃは「中赤外光の波長領域に感度を有する受光素子」を２次元にアレイ配列した撮像素子で、市販のものを用いることができる。  
中赤外光撮像素子１０Ｃの受光面に近接して、中赤外光分光フィルタＳＰＦが配置されている。中赤外光分光フィルタＳＰＦは、図の上下方向を「分光波長領域方向」とし、この方向に「分光波長領域を２領域分」有する。即ち、中赤外光分光フィルタＳＰＦは「２ないし５μｍの分光領域」を図の上下方向に「２領域分」有している。  
中赤外光分光フィルタＳＰＦは、制御手段１１０の制御を受ける往復動機構２０により図の上下方向に「分光波長領域の１領域分」往復動させられる。往復動機構２０は「変位手段」の１例であり、公知の適宜の直線往復動機構を用いることができる。  
図３の状態では、中赤外光分光フィルタＳＰＦの「下半分の分光領域が中赤外光撮像素子１０Ｃの受光面に対向」しているが、この状態で分光領域の上側の分光波長が２μｍ、下側の分光波長が５μｍであるとする。  
このような中赤外光分光フィルタＳＰＦとしては、例えば「VOLTEX  OPTICAL  COATING  Ltd.製の赤外線リニア可変フィルタ」を分光波長領域方向へ２領域分配列して一体化したものを好適に用いることができる。
【００２２】
中赤外光撮像素子１０Ｃの受光領域における受光素子の配列において、図面に直交する方向の１列の配列を「受光素子列」とよび、受光素子列の１列には「ｍ個の受光素子」が配列しているものとする。受光領域にはｎ列（図の上側から下側へ向かって、第１列〜第ｎ列とする。）の受光素子列が含まれるものとする。従って、中赤外光撮像素子１０Ｃの受光領域には「ｍ×ｎ個の受光素子」がアレイ配列している。  
図３の状態では、受光領域における「第１列の受光素子列」に結像している中赤外光画像は、中赤外光分光フィルタＳＰＦに分光されて「２μｍ近傍の波長を持つ中赤外光」による像として結像している。  
また「第ｎ列の受光素子列」には、５μｍ近傍の波長を持つ中赤外光による像として結像している。そして、第２列ないし第ｎ−１列の受光素子列には、それぞれ分光波長領域の波長（２〜５μｍ）に応じた波長の中赤外光による画像が結像している。  
この状態から、中赤外光分光フィルタＳＰＦを図の下方へ「１分光領域分」だけ変位させると、第１列から第ｎ列の各受光素子列に結像している中赤外光画像の波長が２μｍから５μｍまで順次切り替わる。
【００２３】
そこで、各受光素子列における中赤外光画像の波長が切り替わるタイミングで、中赤外光撮像素子１０Ｃを駆動して、画像を取り込めば「ｍ×ｎ個の受光素子の個々に結像している中赤外光画像の画素ごとの分光情報」が得られる。  
即ち、ｉ(１〜ｍ)、ｊ(１〜ｎ)をパラメータとして、中赤外光撮像素子１０Ｃにおける受光素子の２次元配列における（ｉ行，ｊ列）に対応する画素をＩＥ(ｉ，ｊ)とすれば、各画素ＩＥ(ｉ，ｊ)について「分光波長の切り替え数分の情報」が得られることになる。これらの情報は、画像処理手段１０３０に入力される。
【００２４】
中赤外光撮像素子１０Ｃからの出力を便宜上「中赤外光画像データ」と称する。  
このような情報のうちで、例えば「水蒸気の吸収波長：２．６６μｍ相当の中赤外光」についての画素ＩＥ(ｉ，ｊ)（ｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎ）の出力、即ち、ｍ×ｎ個の受光素子が受光した波長：２．６６μｍの「画素ごとの出力の集合」に着目する。これらの出力のうち出力の小さい、即ち「暗い画素」の集合は、中赤外光画像のうちで「水蒸気の分布」に対応し、水蒸気の濃度が高い画像が結像している画素部分ほど出力は小さい。
【００２５】
そこで「水蒸気の吸収波長：２．６６μｍ相当の中赤外光」についての画素ＩＥ(ｉ，ｊ)（ｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎ）の出力に適当な閾値を設けて「出力の低い画素の集合」を選択し、選択された画素の分布を便宜的に「水蒸気出力分布」と呼ぶ。このような水蒸気出力分布を抽出することも、画像処理手段１０３０における画像処理として行われる。
【００２６】
同様に、中赤外光撮像素子１０Ｃの全受光素子の出力のうち「ＣＯ２ガスの吸収波長：４．２６μｍ相当の中赤外光についての出力の集合」から、便宜的に「ＣＯ２ガス出力分布」と呼ぶものを抽出でき、「Ｈ２Ｓガスの吸収波長：３．８１μｍ相当の中赤外光についての出力の集合」から、便宜的に「Ｈ２Ｓガス出力分布」と呼ぶものを抽出できる。  
図３において、可視画像撮像素子１０Ａからの出力（便宜上「可視画像データ」と称する。）、遠赤外光撮像素子１０Ｂからの出力（便宜上「遠赤外光画像データ」と称する。」）は共に画像処理手段１０３０に入力する。
【００２７】
画像処理手段１０３０は、入力されるこれらのデータに対し画像処理を行う。  
前述の如く、画像処理手段１０３０は、図２に示す画像処理手段１０３と可視画像用画像処理手段２０３とを共通化したもので、「可視画像データに対する画像処理」と、「遠赤外光画像データに対する画像処理」および「中赤外光画像データに対する画像処理」を行うことができる。  
「画像処理」は、ノイズの除去や、画像輝度の調整、コントラストの強調、ネガ・ポジの反転や、複数画像の重畳、色付け等、公知の種々の処理が可能である。
【００２８】
画像処理手段１０３０における画像処理は、上述の可視画像データ、遠赤外光画像データ、中赤外光画像データに対する処理を、同時並列的に行うことも「データごとに別箇」に行うことも可能である。これらの処理の選択や切り替えは、制御手段１１０に予めデフォルトとして設定してある設定内容に従って行うことも、また外部入力により行うこともできる。  
画像処理手段１０３０は、画像処理を施されて表示可能となったデータをディスプレイ手段１０５（図２参照）に送って「目視可能な可視画像」として表示させる。  
画像処理手段１０３０により画像処理された「可視画像データ」を、ディスプレイ手段１０５に表示すれば、可視画像撮像素子１０Ａにより撮像され、画像処理された可視画像が表示される。このようにして、例えば、図１（ａ）に示したような「火山ガスを噴出中の火山」の状況を示す可視画像が表示される。
【００２９】
また、遠赤外光撮像素子１０Ｂでは、遠赤外光による「遠赤外光画像」が撮像されるので、遠赤外光撮像素子１０Ｂからの遠赤外光画像データに「ノイズ除去や輝度調整等の画像処理」を施して画像処理手段１０３０から出力させれば、ディスプレイ手段１０５に通常の「遠赤外線写真」に相当する画像を表示できる。  
遠赤外光画像データに対する画像処理として、前述の「温度分布画像に変換する処理」を行い、さらに、温度分布画像を複数の温度領域に分けて「温度の段階的な変化」を示すように画像処理し、その結果を、上述の「可視画像」に重畳させてディスプレイ手段１０５に表示すれば、例えば図１（ｂ）に示す如き画像が得られる。  
中赤外光撮像素子１０Ｃからは上述の如く、「中赤外光画像データ」として「水蒸気出力分布と、ＣＯ２ガス出力分布と、Ｈ２Ｓガス出力分布と」が得られる。  
これらの出力分布は、中赤外光撮像素子１０Ｃに結像している中赤外光画像における上記各ガスの「空間中の濃度分布」に対応するので、これら３種類の出力分布に対して画像処理手段１０３０により画像処理を行う。  
画像処理として、例えば、各ガスの出力分布を「色分け」したり、画像濃度を相互に異ならせたりする処理を行い、その結果を上述の「可視画像」に重畳させてディスプレイ手段１０５に表示すれば、例えば、図１（ｃ）に示す如き画像が得られる。
【００３０】
図４は「赤外光に対する処理を行う部分の構成」の他の例を特徴部分のみ示している。繁雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては、図３におけると同一の符号を付した。  
中赤外光撮像素子１０Ｃは定位置に配置され、その受光面に近接して中赤外光分光フィルタＳＰＦ１が固定的に配置されている。  
中赤外光分光フィルタＳＰＦ１は、図３に示した中赤外光分光フィルタＳＰＦの中赤外光分光フィルタＳＰＦの半分、即ち、分光波長領域方向に１領域分有するものであり、図の上下方向を「分光波長領域方向」とし、この方向に「２〜５μｍの分光波長領域（１領域分）」を有する。  
図４に示す例では、ダイクロイックフィルタＳＰは、制御手段１１０の制御を受ける搖動機構２１により、搖動軸ＲＡの回りに搖動する。このため、ダイクロイックフィルタＳＰにより反射された中赤外光成分の方向も搖動し、中赤外光成分が結像する中赤外光画像の結像位置が搖動的に変動する。  
図４に符号ＩＭ１で示すのは、ダイクロイックフィルタＳＰにより「最も上側に反射された中赤外光成分」が結像する中赤外光画像であり、符号ＩＭ２は、ダイクロイックフィルタＳＰにより「最も下側に反射された中赤外光成分」が結像する中赤外光画像である。
【００３１】
中赤外光画像ＩＭ１が結像している状態から、ダイクロイックフィルタＳＰが時計回りに回転すると、中赤外光画像は時計回りに中赤外光画像ＩＭ２の結像位置まで変位する。中赤外光画像がこのように変位するとき、中赤外光画像は、中赤外光撮像素子１０Ｃの受光面に対して変位するが、その際、中赤外光分光フィルタＳＰＦ１に対する中赤外光画像の相対的な変位に従って、中赤外光画像の分光波長が順次変化する。  
従って、中赤外光画像が、図４における中赤外光画像ＩＭ１から、中赤外光画像ＩＭ２へと変位する際に、適当なタイミングで、中赤外光撮像素子１０Ｃを駆動すれば、図３の例の場合と同様に、中赤外光撮像素子１０Ｃが撮像する各画素について「分光波長の切り替え数分の情報」が「中赤外光画像データ」として得られる。
【００３２】
この中赤外光画像データに対して、図３の例の場合と同様の画像処理を施すことにより
「中赤外光画像データ」として、「水蒸気出力分布、ＣＯ２ガス出力分布およびＨ２Ｓガス出力分布」が得られる。これらの出力分布により図３の例の場合と同様、図１（ｃ）に示す如き画像を得ることができる。
【００３３】
上に説明した実施の形態においては、図１（ａ）の如き撮像対象に含まれている、水蒸気、ＣＯ２ガス、Ｈ２Ｓガスの３種類のガスの空間分布が求められた。  
ガス画像センサ装置、ガス画像撮像測定装置およびガス画像撮像測定システムは、上記３種類のガスに限らず、４種類以上のガスを撮像・測定の対象とすることもできる。撮像対象に４種以上のガスが含まれている場合でも、これらのガスによる赤外光吸収波長が中赤外光の波長領域に含まれ、かつ相互に異なっていれば、これらのガスを個別に撮像・測定できる。  
勿論、２種類のガスを対象とする撮像・測定もできるし、１種類のガスを対象とする撮像・測定もできることは言うまでもない。
【００３４】
また上には、中赤外光分光フィルタＳＰＦ、ＳＰＦ１として「中赤外光の分光波長が１方向に変化する分光波長領域を有するもの」を用いる場合を説明した。  
以下には、中赤外光分光フィルタとして「撮像対象に含まれる１種以上のガスのうちの特定のガスによる赤外光吸収波長のみを含む波長帯域の中赤外光を透過させるバンドパスフィルタ」を用いる例を挙げる。  
図５は、このような場合の実施の１形態を示す図である。  
繁雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては、図３におけると同一の符号を付した。  
図５の実施の形態が図２に実施の形態と異なる部分は、中赤外光分光フィルタＢＰＦが「撮像対象に含まれる１種以上のガスのうちの特定のガスによる赤外光吸収波長のみを含む波長帯域の中赤外光を透過させるバンドパスフィルタ」である点である。以下において中赤外光分光フィルタＢＰＦをバンドパスフィルタＢＰＦとも言う。
【００３５】
上に説明した例では、水蒸気、ＣＯ２ガス、Ｈ２Ｓガスの３種のガスを撮像・測定の対象とした。図５に示す例では、これらの３種のガスのうち、例えば、Ｈ２Ｓガスを撮像・測定の対象とする。
【００３６】
上記３種のガスのうち、水蒸気の赤外光吸収波長は２．６６μｍ、ＣＯ２ガスの赤外光吸収波長は４．２６μｍ、Ｈ２Ｓガスの赤外光吸収波長は３．８１μｍである。従って、バンドパスフィルタＢＰＦとして「透過波長帯域が、例えば、３．０μｍないし４．０μｍであるもの」を用いれば、バンドパスフィルタＢＰＦは、上記３種のガスのうちＨ２Ｓガスによる赤外光吸収波長：３．８１μｍのみを含む波長帯域（３．０μｍ〜４．０μｍ）の中赤外光を透過させる。
【００３７】
撮像・測定に当たっては、まず、バンドパスフィルタＢＰＦを、図５において「破線で示す位置」に位置させる。この状態は、バンドパスフィルタＢＰＦが中赤外光撮像素子１０Ｃの受光面から退避した状態である。  
この状態で、中赤外光撮像素子１０Ｃにより中赤外光画像を撮像する。このように撮像された中赤外光画像を「基準中赤外光画像」とする。  
次いで、制御手段１１０により往復動機構２０を動作させて、バンドパスフィルタＢＰＦを実線の位置まで変位させ、中赤外光撮像素子１０Ｃの受光面に近接対向させ、中赤外光撮像素子１０Ｃによる撮像を行う。
【００３８】
この撮像により、中赤外光成分による中赤外光画像のうち波長：３．００μｍ〜４．００μｍの波長帯域の画像が撮像されるが、撮像された画像を構成する画素のうち「Ｈ２Ｓガスの中赤外光画像を構成する画素」は赤外光吸収により「暗い画素」となっている。
【００３９】
従って、この暗い画素の出力の集合を選択して「Ｈ２Ｓガス出力分布」とすることができ、この「Ｈ２Ｓガス出力分布」における前記基準中赤外光画像の出力との差を画素ごとにとれば、Ｈ２Ｓガスの濃度分布を「中赤外光画像データ」として得ることができ、この中赤外光画像データに対して、図３の例の場合と同様の画像処理を施すことにより、Ｈ２Ｓガスの「目視可能な画像」を得ることができる。
【００４０】
バンドパスフィルタＢＰＦのほかに、２．００μｍ〜３．００μｍの波長帯域をもつバンドパスフィルタ「ＢＰＦＨ」、４．００μｍ〜５．００μｍの波長帯域を持つバンドパスフィルタ「ＢＰＦＣ」を用意すると、ＢＰＦＨは水蒸気による赤外光吸収波長：２．６６μｍのみを含み、ＢＰＦＣはＣＯ２ガスによる赤外光吸収波長のみを含む。  
従って、これら３種のバンドパスフィルタＢＰＦ、ＢＰＦＨ、ＢＰＦＣを、例えば、ターレット式に組み合わせて「中赤外光分光フィルタ」として用いれば、水蒸気・ＣＯ２ガス・Ｈ２Ｆガスの３種類のガスを対象として撮像・測定を実行できる。
【００４１】
なお、図５に示した実施の形態において、撮像対象における「Ｈ２Ｆガスの有無」のみを検出するような場合であれば、「基準中赤外光画像」を撮像せずに、バンドパスフィルタＢＰＦを介して中赤外光画像を撮像するのみでも「Ｈ２Ｆガスの有無」は検出できる。このような場合であれば、バンドパスフィルタＢＰＦを常時、図５の実線の位置に配置しておくことができ、往復動機構２０は省略することができる。
【００４２】
また、上に説明した例では、基準中赤外光画像を撮像したのち、バンドパスフィルタＢＰＦを中赤外光撮像素子１０Ｃの受光面に対向させた状態で撮像を行ったが、中赤外光成分を中赤外光撮像素子１０Ｃの受光面に結像させた状態で、バンドパスフィルタＢＰＦを破線の状態から実線の状態へ変位させつつ、適当なタイミングで、中赤外光撮像素子１０Ｃを駆動して、画像を取り込めば「ｍ×ｎ個の受光素子の個々に結像している中赤外光画像の画素ごとに、波長：３．００μｍ〜４．００μｍの分光情報」が得られる。  
図４に示す実施の形態のように、中赤外光画像ＩＭを中赤外光撮像素子１０に対して揺動させる場合にも、同様にして「波長：３．００μｍ〜４．００μｍの分光情報」を得ることができる。
【００４３】
以上のように、この発明によれば、以下の如き、ガス画像センサ装置およびガス画像撮像測定装置およびガス画像撮像測定システムを実現できる。
【００４４】
［１］
１種以上のガスを含む撮像対象の赤外光画像を結像する赤外光結像光学系（ＯＬＩ）と、該赤外光結像光学系による赤外光結像光束を遠赤外光成分と中赤外光成分に分離する分離手段（ＳＰ）と、前記遠赤外光成分により結像される遠赤外光画像を撮像する遠赤外光撮像素子（１０Ｂ）と、前記中赤外光成分により結像される中赤外光画像を撮像する中赤外光撮像素子（１０Ｃ）と、該中赤外光撮像素子に入射する中赤外光画像を分光する中赤外光分光フィルタ（ＳＰＦ、ＳＰＦ１、ＢＰＦ）と、前記中赤外光画像と前記中赤外光分光フィルタとを、前記中赤外光撮像素子の受光面に平行な方向において相対的に変位させる変位手段（２０、２１）と、を有し、前記中赤外光分光フィルタは、前記１種以上のガスによる赤外光吸収波長を分光波長領域に含むガス画像センサ装置（図３、図４、図５）。
【００４５】
［２］  
［１］記載のガス画像センサ装置であって、前記中赤外光分光フィルタ（ＳＰＦ、ＳＰＦ１）は、中赤外光の分光波長が１方向に変化する分光波長領域を有し、前記変位手段（２０、２１）が、前記分光波長が１方向に変化する分光波長領域方向において、前記中赤外光画像と前記中赤外光分光フィルタ（ＳＰＦ、ＳＰＦ１）とを相対的に変位させるガス画像センサ装置（図３、図４）。
【００４６】
［３］  
［２］記載のガス画像センサ装置であって、前記中赤外光分光フィルタ（ＳＰＦ）が、分光波長領域を２領域分有し、前記変位手段は、前記中赤外光分光フィルタ（ＳＰＦ）を、中赤外光撮像素子（１０Ｃ）の受光面に密接もしくは近接させた状態で、前記分光波長領域方向に前記１領域分、往復動させて変位させる往復動機構（２０）であるガス画像センサ装置（図３）。
【００４７】
［４］  
［２］記載のガス画像センサ装置であって、前記中赤外光分光フィルタ（ＳＰＦ１）が、中赤外光撮像素子（１０Ｃ）の受光面に密接もしくは近接して配置され、前記変位手段（２１）は、前記中赤外光画像を前記中赤外光分光フィルタに対して相対的に変位させる機構であるガス画像センサ装置（図４）。
【００４８】
［５］  
［２］記載のガス画像センサ装置であって、中赤外光分光フィルタが、前記撮像対象に含まれる１種以上のガスのうちの特定のガスによる赤外光吸収波長のみを含む波長帯域の中赤外光を透過させるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）であるガス画像センサ装置（図５）。
【００４９】
［６］  
［１］ないし［５］の何れか１に記載のガス画像センサ装置であって、前記分離手段が、赤外光結像光束を、透過と反射とにより、遠赤外光成分と中赤外光成分に分離するダイクロイックフィルタ（ＳＰ）であるガス画像センサ装置（図３、図４、図５）。
【００５０】
［７］  
［１］ないし［６］の何れか１に記載のガス画像センサ装置（１０１）と、前記遠赤外光撮像素子（１０Ｂ）の出力により前記遠赤外光画像を生成し、前記中赤外光撮像素子（１０Ｃ）の出力により、前記撮像対象となる１種以上のガスの画像を生成する画像処理手段（１０３）と、前記ガス画像センサ装置（１０１）と前記画像処理手段（１０３）とを制御する制御手段（１１０）を有するガス画像撮像測定装置（図２、図３、図４、図５）。
【００５１】
［８］  
［７］記載のガス画像撮像測定装置であって、前記画像処理手段（１０３）が、遠赤外光画像として温度分布画像を形成する機能を有するガス画像撮像測定装置（図２、図３、図４、図５）。
【００５２】
［９］  
［７］または［８］記載のガス画像撮像測定装置であって、前記制御手段（１１０）による制御を受けて、前記画像処理手段による前記遠赤外光画像と前記１種以上のガスの画像とを、選択的に、もしくは合成画像として表示するディスプレイ手段（１０５）を有するガス画像撮像測定装置（図２）。
【００５３】
［１０］  
［９］記載のガス画像撮像測定装置と、可視画像撮像装置（２０１）と、を有し、前記可視画像撮像装置は、前記ガス画像撮像測定装置の撮像領域の可視画像を結像する可視画像結像光学系（ＬＯ）と、該可視画像結像光学系による可視画像を撮像する可視画像撮像素子（１０Ａ）と、を有する可視画像撮像手段と、前記可視画像撮像素子（１０Ａ）の出力により、表示用可視画像を生成する可視画像用画像処理手段（２０３）と、該可視画像用画像処理手段により生成された表示用可視画像を表示する可視画像用ディスプレイ手段と、を有し、前記可視画像用ディスプレイ手段は、前記ディスプレイ手段（１０５）を兼ね、前記ガス画像撮像測定装置による前記１種以上のガス画像および前記遠赤外光画像および前記表示用可視画像の１以上を、選択的に、もしくは合成画像として表示するものであるガス画像撮像測定システム（図２）。
【００５４】
以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施の形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。  
上には、撮像対象となるガスとして、中赤外光の波長領域に吸収波長を持つ「水蒸気、ＣＯ２ガス、Ｈ２Ｓガス」の３種類を例示したが、撮像対象となるガスで中赤外光の波長領域に吸収波長を有するものは、これらに限らないことは言うまでもない。例えば、ＣＯガスの吸収波長は４．６μｍ、ＮＨ３ガスの吸収波長は２．９μｍ、ＣＨ４ガスの吸収波長は３．３μｍであり、これらのガスを撮像対象と出来ることは勿論、他にも種々のガスを撮像対象とすることができる。
【００５５】
この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５６】
１００      ガス画像撮像測定装置  
１０１      ガス画像センサ装置  
１０３      画像処理手段  
２０１      可視画像撮像手段  
２０３      可視画像用画像処理手段  
１０３０    画像処理手段  
１０５      ディスプレイ手段  
ＯＬ        可視光成分  
ＯＬＩ      赤外光成分  
Ｌ０        可視画像結像光学系（レンズ）  
１０Ａ      可視画像撮像素子  
ＬＩ        遠赤外光結像光学系（２波長帯透過レンズ）  
１０Ｂ      遠赤外光撮像素子  
ＳＰ        分離手段（ダイクロイックフィルタ）  
１０Ｃ      中赤外光撮像素子  
ＳＰＦ、ＳＰＦ１、ＢＰＦ      中赤外光分光フィルタ  
２０        往復動機構  
２１        搖動機構  
１１０      制御手段  
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５７】
【特許文献１】特開２００２−２２６５２号公報
【特許文献２】特許第５５７３３４０号公報
【特許文献３】特許第５０９６１２６号公報
【図１】
2018036228.tif 000003
【図２】
2018036228.tif 000004
【図３】
2018036228.tif 000005
【図４】
2018036228.tif 000006
【図５】
2018036228.tif 000007