(57)【要約】【課題】冷却式赤外カメラの大型化を回避しつつ窓の汚れの分布を計測できる冷却式赤外カメラを提供すること。【解決手段】冷却式赤外カメラ１００は、透過窓２７ａを有する筐体２７と、筐体２７の内部に冷却された状態で収納され、透過窓２７ａから入射した赤外の測定光又は外光Ｌ０を検出する受光素子２１ｆと、筐体２７の内部に配置され、赤外光Ｌ１を透過窓２７ａに照射する赤外光源としてのヒーター２３とを備え、ヒーター２３によって透過窓２７ａに対して赤外光Ｌ１を照射した場合の受光素子２１ｆからの出力分布を所定の参照パターンと比較することによって汚れの分布を得る監視部としての演算処理部８２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過窓を有する筐体と、
前記筐体の内部に冷却された状態で収納され、前記透過窓から入射した赤外の測定光を検出する受光素子と、
前記筐体の内部に配置され、赤外光を前記透過窓に照射する赤外光源とを備え、
前記赤外光源によって前記透過窓に対して赤外光を照射した場合の前記受光素子からの出力分布を所定の参照パターンと比較することによって汚れの分布を得る監視部とを備える冷却式赤外カメラ。
【請求項２】
前記監視部によって得た前記汚れの分布に基づいて外光観察時の前記受光素子からの出力分布を補正する補正部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却式赤外カメラ。
【請求項３】
前記所定の参照パターンは、前記赤外光源によって汚れていない状態の前記透過窓に対して赤外光を照射した場合の前記受光素子からの出力分布であることを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載の冷却式赤外カメラ。
【請求項４】
前記監視部によって得た前記汚れの分布が所定の基準を超えた場合に警告信号を出力する警報部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却式赤外カメラ。
【請求項５】
前記監視部は、前記透過窓に付着した汚れを前記受光素子の画素単位で検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却式赤外カメラ。
【請求項６】
前記赤外光源は、前記筐体の内部の温度を調節するためのヒーターであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷却式赤外カメラ。
【請求項７】
前記赤外光源は、前記受光素子の光路に対して前記透過窓を介して正反射方向に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷却式赤外カメラ。
【請求項８】
外光観察時の前記受光素子からの出力分布に基づいてガス検知を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷却式赤外カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却した受光素子を利用して赤外光を撮影する冷却式赤外カメラに関し、特に汚れが付着しやすい環境で使用される冷却式赤外カメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却式赤外カメラは、高精度で赤外光の分布を計測でき、ガス検知等に利用することができる。冷却式赤外カメラに組み込まれるセンサーは、受光素子を−２００℃程度に冷却するため、受光素子とスターリングクーラー等とが一体的に構成されたセンサーユニットになっている。冷却式赤外カメラでは、受光素子に結像するように赤外レンズを配置し、通常の可視光カメラと同様に非正規光の入射を防ぐため赤外レンズ及びセンサーユニットを遮蔽部材で覆っている。赤外レンズ及びセンサーユニットを収納した遮蔽部材は、電気回路ユニットとともに外装筐体の中に配置されている。
【０００３】
冷却式赤外カメラは、屋外で使用されると外装筐体の窓の汚れが撮影結果に影響するので、例えば窓の汚れを検出する赤外センサー及び赤外光源を付加し、汚れ量に応じて装置の制御に補正をかけることが行われている（特許文献１、２）。また、カメラの画像センサーを用いてセンサー窓についた汚れ分布を検出し、実使用時のセンサー光量分布に対して上記汚れ分布を除算することで出力均一性を確保する補正をかけることも行われている（特許文献３）。
【０００４】
赤外センサー等を付加する前者の方法の場合、窓の汚れの量は検知してもその分布までは検出できない。また、カメラの画像センサーを用いる後者の方法の場合、センサー窓に対して画像センサーと反対側に光源を配置しているので、センサー窓を備える筐体の外側に光源を配置しなければならず、製品サイズが大型化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２４８０８０号公報
【特許文献２】特開２００８−２９８６２７号公報
【特許文献３】特開２００６−１９１２０６号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、冷却式赤外カメラの大型化を回避しつつ窓の汚れの分布を計測できる冷却式赤外カメラを提供することを目的とする。
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る冷却式赤外カメラは、透過窓を有する筐体と、筐体の内部に冷却された状態で収納され、透過窓から入射した赤外の測定光を検出する受光素子と、筐体の内部に配置され、赤外光を透過窓に照射する赤外光源とを備え、赤外光源によって透過窓に対して赤外光を照射した場合の受光素子からの出力分布を所定の参照パターンと比較することによって汚れの分布を得る監視部とを備える。
【０００８】
上記冷却式赤外カメラによれば、監視部が赤外光源によって透過窓に対して赤外光を照射した場合の受光素子からの出力分布を利用して汚れの分布を得るので、透過窓の汚れを２次元的な分布として監視することができる。この際、透過窓を照明する赤外光源が筐体の内部に配置されるので、冷却式赤外カメラを小型に維持することが容易になる。
【０００９】
本発明の具体的な側面では、上記冷却式赤外カメラにおいて、監視部によって得た汚れの分布に基づいて外光観察時の受光素子からの出力分布を補正する補正部をさらに備える。この場合、透過窓が汚れても、比較的正確な外光観察が可能になる。
【００１０】
本発明の別の側面では、所定の参照パターンは、赤外光源によって汚れていない状態の透過窓に対して赤外光を照射した場合の受光素子からの出力分布である。この場合、透過窓の汚れのみを抽出する監視が容易になる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、監視部によって得た汚れの分布が所定の基準を超えた場合に警告信号を出力する警報部をさらに備える。この場合、透過窓の汚れが過度となって外光観察の信頼性が低下する兆候を報知することができる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、監視部は、透過窓に付着した汚れを受光素子の画素単位で検出する。この場合、透過窓に付着した汚れを外光観察と同じ分解能で観察することができ、透過窓の汚れを正確に監視することができる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、赤外光源は、筐体の内部の温度を調節するためのヒーターである。この場合、赤外光源を特別に設ける必要がなく、筐体、延いては冷却式赤外カメラの小型化に寄与する。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、赤外光源は、受光素子に向けての外光の光路に対して透過窓を介して正反射方向に配置されている。この場合、赤外光源によって透過窓を効率よく照明でき、透過窓の汚れで反射された赤外光を効率よく受光素子に取り込むことができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、外光観察時の受光素子からの出力分布に基づいてガス検知を行う。ガス検知には、微弱な赤外線の検出が必要になり、汚れの監視によってガス検知の精度や信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】冷却式赤外カメラの一実施形態の構造を説明する概念的な断面図である。
【図２】図１の冷却式赤外カメラの回路構造を説明するブロック図である。
【図３】図１の冷却式赤外カメラの動作を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態であるガス検知用の冷却式赤外カメラについて説明する。
【００１８】
図１に示すように、冷却式赤外カメラ１００は、赤外カメラユニット２１と、ヒーター２３，２４と、駆動回路部２６と、筐体２７と、架台部２８とを備える。冷却式赤外カメラ１００は、例えば屋外に設置され風雨にさらされた状態で使用される。
【００１９】
赤外カメラユニット２１は、赤外線用の結像系である赤外レンズ２１ａと、赤外レンズ２１ａによる赤外像を検出する赤外センサーユニット２１ｂと、赤外センサーユニット２１ｂを冷却する冷却装置２１ｃと、赤外レンズ２１ａ及び赤外センサーユニット２１ｂを収納する遮蔽容器２１ｄとを備える。
【００２０】
赤外カメラユニット２１において、赤外レンズ２１ａは、対象とする波長域において赤外カメラユニット２１の前方にある対象の赤外像を赤外センサーユニット２１ｂの検出面上に投影する。赤外センサーユニット２１ｂは、例えばフォトダイオードである受光素子２１ｆからなり、赤外レンズ２１ａによって形成された赤外像を検出する。赤外レンズ２１ａと受光素子２１ｆとは光軸ＡＸに沿って配置されている。赤外センサーユニット２１ｂは、受光素子２１ｆのほかに、絞り２１ｇ、冷却部２１ｈ等を備え、受光素子２１ｆ、絞り２１ｇ、及び冷却部２１ｈは、遮熱容器２１ｉ内に収納されている。冷却装置２１ｃは、冷却部２１ｈのほかに、冷却部２１ｈの温度の監視を可能にする温度センサー（不図示）、冷却部２１ｈを駆動する機械機構（不図示）等を含み、冷却に伴って発生する熱を筐体２７外に排出する。冷却装置２１ｃは、例えばスターリングクーラーであり、受光素子２１ｆを例えば−２００℃程度に冷却する。遮蔽容器２１ｄは、赤外センサーユニット２１ｂ内の温度が外部から流入する熱によって変動することを抑制する。また、遮蔽容器２１ｄは、非正規光が赤外レンズ２１ａ等に入射することを防止する。
【００２１】
ヒーター２３，２４は、筐体２７の内側に固定され、筐体２７の内部の温度を調節する。つまり、ヒーター２３，２４は、赤外カメラユニット２１の冷却に伴って駆動回路部２６等が過度に冷却されることを防止する。ヒーター２３，２４は、面状又はシート状のヒーターであり、例えば抵抗発熱体を内蔵したラバーヒーターが使用される。冷却式赤外カメラ１００では、外部からの赤外線に加えて赤外レンズ２１ａやレンズ枠その他のメカ部品が赤外光源となって、その光がセンサー又は受光素子２１ｆに達し評価すべき被写体からの光線に対してノイズとなる。この種のノイズを固定成分としてあらかじめ測定しておけば、実際の撮影時にその成分を補正して使用することができる（後述するオフセット補正）。しかしながら、この固定成分ノイズの測定時の温度と外光観察時の温度とが異なる場合、その補正精度が悪くなり、特に低温時の影響が大きいため、本実施形態では、筐体２７内の温度が低温になり過ぎないよう、ヒーター２３，２４を設けている。つまり、寒冷時は、制御部８０の管理下で動作する不図示のサーモスタットによってヒーターをオン及びオフし、駆動回路部２６等の温度を初期の測定時の温度に略保つ。
【００２２】
特に、前者のヒーター２３については、筐体２７内の上部であって、透過窓２７ａに対向してその斜め上方向に配置されている。ヒーター２３は、赤外光を透過窓２７ａに照射する赤外光源であり、透過窓２７ａに対して赤外光Ｌ１を所望のタイミングで均一に照射する役割を有している。なお、ヒーター２３を動作させる場合、他方のヒーター２４の動作を弱めるといった加熱動作の調和を図ることが望ましい。
【００２３】
ヒーター（赤外光源）２３は、受光素子に向けての外光Ｌ０の光路Ｐ１に対して透過窓２７ａを介して正反射方向に配置されている。つまり、透過窓２７ａへのヒーター２３からの赤外光Ｌ１の入射角は、透過窓２７ａからの外光Ｌ０の射出角に近いものとなっている。この場合、ヒーター（赤外光源）２３によって透過窓２７ａを効率よく照明でき、透過窓２７ａの汚れ９１によって生じた赤外光である反射光Ｌ２を効率よく受光素子２１ｆに取り込むことができる。
【００２４】
駆動回路部２６は、遮蔽容器２１ｄ外であって筐体２７内に収納される電気回路ユニットであり、赤外センサーユニット２１ｂ内の受光素子２１ｆに画像検出動作を行わせるとともに、冷却装置２１ｃを動作させて受光素子２１ｆを所期の温度まで冷却する。また、駆動回路部２６は、ヒーター２３，２４を適宜動作させることで、遮蔽容器２１内の温度を所期の範囲に保持する。特に、前者のヒーター（赤外光源）２３については、冷却式赤外カメラ１００の起動時、定期的なチェックタイミングにおいて通電が行われ、筐体２７の透過窓２７ａを赤外光で照明する。
【００２５】
筐体２７は、赤外カメラユニット２１と、駆動回路部２２と、ヒーター２３，２４とを収納する容器であり、外光Ｌ０である赤外の測定光を取り込むための透過窓２７ａを有する。透過窓２７ａは、筐体２７内部にほこりや水滴が侵入することを防ぐ。結果として、透過窓２７ａには、経年的な蓄積としての雨やほこりにより汚れ９１が付着し透過光量が減少するが、このような透過光量の減少を補償するような信号処理又は画像処理によって外光観察の信頼度を維持することができる。透過窓２７ａは、一側面においてナルシサス対策の側面から光軸ＡＸに対して所定以上の傾斜状態で配置されている。透過窓２７ａは、検出対象である有機ガス、蒸気等ガスの種類に応じた透過特性を有し、所望の波長域に亘る赤外の外光Ｌ０又は測定光を筐体２７内に取り込む。筐体２７内は、ヒーター２３，２４によって例えば２０℃に保たれる。なお、透過窓２７ａの前には、開閉可能にシャッター３１を配置することができる。
【００２６】
架台部２８は、筐体２７を支持して筐体２７の姿勢を調節可能にする。架台部２８は、パン・チルト機構を有し、遮蔽容器２１ｄの姿勢を変化させることによって、冷却式赤外カメラ１００による観察対象を変化させることができる。架台部２８は、例えば駆動回路部２６の制御下で動作し、画面内における観察対象の位置又は観察ポイントを変化させることができる。これにより、筐体２７の透過窓２７ａの局所的な位置に汚れ９１が付着している場合、この局所的な汚れ９１を避けるように画面枠内に観察対象を配置するような動作が可能になる。
【００２７】
図２に示すように、駆動回路部２６は、冷却式赤外カメラ１００の動作を統括的に制御する制御部８０と、赤外カメラユニット２１に撮影動作を行わせるとともに得られた画像データに対して画像処理を行う撮像回路２１ｓとを含む。制御部８０は、オペレーターとのインターフェースである入出力部８１と、プログラムに基づいてデータ等に対する演算処理、外部装置の制御等を行う演算処理部８２と、外部からのデータ、演算処理結果等を保管する記憶部８３とを備える。
【００２８】
入出力部８１は、オペレーターが赤外カメラユニット２１の動作状態を設定するための部分であり、赤外カメラユニット２１の動作状態をオペレーターに対して視覚的に報知する。
【００２９】
演算処理部８２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算部、インターフェース回路等の付属回路を有しており、撮像プログラムを実行する。すなわち、演算処理部８２は、冷却装置２１ｃを動作させて受光素子２１ｆを所期の温度まで冷却する。また、演算処理部８２は、外光観察時に赤外センサーユニット２１ｂ内の受光素子２１ｆに画像検出動作を行わせることによって赤外画像データを得る。この赤外画像データに対しては、赤外カメラユニット２１の構造を反映した初期条件に関するオフセット補正が行われるとともに、筐体２７の透過窓２７ａの汚れ９１の影響を相殺するような汚れ補正が行われる。後者の汚れ補正に際して、演算処理部８２は、後述する監視部として得た透過窓２７ａの汚れの分布に基づいて外光観察時の受光素子２１ｆからの出力分布を補正する補正部として機能する。また、演算処理部８２は、ヒーター２３，２４を動作させることで駆動回路部２６の温度を所定範囲に保持する。
【００３０】
演算処理部８２は、透過窓２７ａの汚れ監視動作を行う。すなわち、演算処理部８２は、赤外光源としてのヒーター２３によって透過窓２７ａに対して赤外光を照射した場合の受光素子２１ｆからの出力分布を所定の参照パターンと比較することによって汚れの分布を得る監視部として機能する。より具体的には、演算処理部８２は、冷却式赤外カメラ１００の起動時、定期的なチェックタイミング等であって、通常撮影時以外において、ヒーター（赤外光源）２３をオンにしてヒーター２３からの赤外光で筐体２７の透過窓２７ａを照明し、受光素子２１ｆからの出力分布を所定の参照パターンと比較することによって汚れの分布を得る。この際、演算処理部８２は、透過窓２７ａに付着した汚れ９１を受光素子２１ｆの画素単位で検出する。また、所定の参照パターンは、予め取得したものであり、赤外光源としてのヒーター２３によって汚れていない状態の透過窓２７ａに対して赤外光を照射した場合の受光素子２１ｆからの出力分布又は初期値を意味する。このようにして得た汚れの分布は、上記汚れ補正の処理に利用される。汚れの分布が所定の基準を超えた場合、演算処理部８２は、入出力部８１に警告信号を出力させる。この場合、演算処理部８２は、入出力部８１と協働して警報部として機能する。これにより、透過窓２７ａの汚れ９１が過度となって外光観察の信頼性が低下する兆候を報知することができる。警告信号は、ディスプレイに特定領域で許容値を超えたことをマークや言語によって表示するものに限らず、ランプの点滅のようなものとすることができる。
【００３１】
記憶部８３は、制御部８０延いては冷却式赤外カメラ１００に所期の動作を行わせるためのプログラムやデータを保持しており、例えばオフセット補正や汚れ補正を行うためのデータを保持している。
【００３２】
以下、図３を参照して、図１に示す冷却式赤外カメラ１００の動作について説明する。まず、制御部８０の演算処理部８２は、透過窓２７ａの汚れ９１を検出するタイミングか否かを判断する（ステップＳ１１）。汚れを検出するタイミングは、冷却式赤外カメラ１００の起動時、及び定期的なチェックタイミングである。定期的なチェックタイミングは、冷却式赤外カメラ１００の起動時からの動作時間に基づいて設定することができるが、冷却式赤外カメラ１００の起動に関わりなく設定することもできる。演算処理部８２は、汚れを検出するタイミングである場合（ステップＳ１１でＹ）、つまり補正モード又はチェックモードである場合、ヒーター２３を動作させ透過窓２７ａに対して所定強度の赤外光Ｌ１を照射させることで透過窓２７ａの照明を行う（ステップＳ１２）。次に、演算処理部８２は、撮像回路２１ｓを介して赤外カメラユニット２１の受光素子２１ｆから出力分布を取り込む（ステップＳ１３）。この際、シャッター３１を閉じて外光Ｌ０が赤外カメラユニット２１に入射することを防止することができる。次に、演算処理部８２は、ステップＳ１３で得た受光素子２１ｆの出力分布を透過窓２７ａに付着した汚れの分布に換算する（ステップＳ１４）。この際、演算処理部８２は、ヒーター２３によって汚れていない状態の透過窓２７ａに対して赤外光Ｌ１を照射した場合の受光素子２１ｆからの出力分布である所定の参照パターンを記憶部８３から読み出してステップＳ１３で得た受光素子２１ｆの出力分布と比較する。これにより、透過窓２７ａに付着した汚れ９１の分布を反映した輝度分布の情報を得ることができる。具体的には、ヒーター２３によって照明された透過窓２７ａからの反射光Ｌ２を受光素子２１ｆにて検知し、これを例えば設置初期に同じく測定した初期値と比較し、現在の分布情報から初期の分布情報を減算する。演算処理部８２は、上記のようにして得た汚れ９１の分布を入出力部８１にモニター表示する。これにより、段階的な汚れ状況の表示が可能になる。次に、演算処理部８２は、ステップＳ１４で得た汚れの分布から汚れ補正値の分布を算出する（ステップＳ１５）。すなわち、透過窓２７ａの表面に汚れが付着している場合は、受光素子２１ｆに到達する光量分布が初期値から変化するので、その光量減少量に基づき、被写体からの光の減衰量と、窓汚れによって発生する放射光の増加量を推定し、その値を記憶部８３に補正量として記憶する。汚れ補正値は、例えば外光観察時に検出される画像の輝度分布に対して画素ごとの輝度低下率の係数分布として与えることができ、或は外光観察時に検出される画像の輝度分布に対して画素ごとの輝度増加度として与えることができる。
【００３３】
演算処理部８２は、汚れを検出するタイミングでない場合（ステップＳ１１でＮ）、つまり通常撮影時である場合、汚れ９１の検出処理後一定期間が経過したこと、つまりヒーター２３の動作停止から一定時間が経過したことを確認して、受光素子２１ｆの出力分布を取り込む（ステップＳ２１）。ヒーター２３の動作停止から一定時間が経過することを確認するのは、ヒーター２３の温度が周囲と同等になって撮影に影響しなくなるようにしたものである。この場合、通常撮影が一時的に中断されることになる。その後、演算処理部８２は、通常の動作として、オフセット補正を行うとともに（ステップＳ２２）、汚れ補正を行う（ステップＳ２３）。前者のオフセット補正では、赤外カメラユニット２１の構造物からの放射熱に起因するノイズ像が除去され、後者の汚れ補正では、ステップＳ１５で得た汚れ補正値を利用して透過窓２７ａに付着した汚れ９１の影響が除去される。
【００３４】
図３に示す撮影動作は、定期的に行われ、監視対象の初期状態と比較され、比較結果が遠隔の監視センターに送信される。これにより、冷却式赤外カメラ１００をガス貯蔵タンク等を備えるプラントその他の施設に設置した場合、かかる施設で発生したガス漏洩等を遠隔的に常時チェックすることができる。この際、冷却式赤外カメラ１００は、ガス漏洩をガス量や広がりとして検出することができる。
【００３５】
以上で説明した実施形態の冷却式赤外カメラ１００によれば、シャッター３１を省略し、或いはシャッター３１に代えてワイパーを用いることができる。さらに、ワイパーを用いる場合、ウォシャー液を透過窓２７ａの表面に吹き付けることもできる。
【００３６】
本発明は、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。冷却式赤外カメラ１００は、ガス検知に限らず他の物体検知に利用することができる。
【００３７】
また、ヒーター２３は、筐体２７の内部の温度を調節するために用いず、透過窓２７ａを照明するためにのみ用いることもできる。
【００３８】
ヒーター２３の発熱分布は、均一なものに限らず、勾配やパターンを持たせることができる。
【符号の説明】
【００３９】
２１…赤外カメラユニット、  ２１ａ…赤外レンズ、  ２１ｂ…赤外センサーユニット、  ２１ｃ…冷却装置、  ２１ｄ…遮蔽容器、  ２１ｆ…受光素子、  ２１ｈ…冷却部、  ２１ｉ…遮熱容器、  ２１ｓ…撮像回路、  ２２…駆動回路部、  ２３…赤外光源としてのヒーター、  ２３，２４…ヒーター、  ２６…駆動回路部、  ２７…筐体、  ２７ａ…透過窓、  ２８…架台部、  ３１…シャッター、  ８０…制御部、  ８１…入出力部、  ８２…演算処理部、  ８３…記憶部、  １００…冷却式赤外カメラ、  ＡＸ…光軸、  Ｌ０…外光、  Ｌ１…赤外光、  Ｌ２…反射光、  Ｐ１…光路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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