(57)【要約】【課題】被写体の物質の材質やその物質の状態を判別可能な赤外線撮像装置を得る。【解決手段】被写体１からの赤外線放射エネルギーＥλを複数の波長帯域範囲の光学フィルタ４を介して多色赤外線撮像装置６のセンサ５に入射させ、予め記憶手段１３に格納させた複数の物質の放射率値を基に演算手段１４で被写体１の真温度Ｔ０　及び背景温度Ｔａを求めて、複数物質の材質或はその状態を演算手段を介して判別する。【選択図】　　　　図２
2004117309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体の放射エネルギーを測定して、該被写体の撮像を行なう多色赤外線撮像装置に於いて、
上記被写体と上記赤外線撮像装置の検出器間に上記被写体からの複数の赤外線波長範囲を切換え該検出器に入射させる光学帯域通過濾波手段と、
上記赤外線の複数波長範囲内で上記被写体の複数物質或はその状態の放射率値を格納した記憶手段と、
上記複数の赤外線波長範囲内の上記被写体の赤外線量を測定し、上記記憶手段に格納した上記複数物質或は状態の放射率値を基に該被写体温度及び背景の温度を演算する演算手段とを有し、
上記演算手段で求めた上記被写体温度から上記被写体の物質或はその状態を判別する様に成したことを特徴とする多色赤外線撮像装置。
【請求項２】
前記複数の赤外線波長範囲が第１乃至第３の赤外線波長範囲であることを特徴とする請求項１記載の多色赤外線撮像装置。
【請求項３】
前記被写体の複数の物質或はその状態はコンクリート、ガラス等の異なる物質或は、水、氷の如き物体の変化状態を示すものであることを特徴とする請求項１記載の多色赤外線撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多色温度計を用いて被写体の真温度の計測が可能な多色赤外線撮像装置に係わり、特に被写体物質の材質やその状態を判別可能な多色赤外線撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から使用されている、赤外線撮像装置（サーモグラフィ装置）２１の基本的構成は放射温度計に走査機能を付加したもので、一般的には図４に示す如く被写体１を光学系２５を介して所定の視野２２内で撮像すると共に１次或は２次元のセンサ（ＨｇｃｄＴｅ，ＰｔＳｉ，ＩｎＳｂ等）５に供給し、被写体１からの放射エネルギーを検出して信号増幅器１１等で増幅する検出部１９と制御部を構成するＣＰＵ（マイクロコンピュータ）等の演算手段１４並びに被写体１の温度状態を色表示する為のディスプレイ１６等で構成されている。
【０００３】
また、従来から被写体１で計測した放射エネルギーを２波長の光学通過濾波器（ＢＰＦ）を介してセンサ５に取り込み、数１に示す様に指数ｎを近似的に設定し、この式から背景放射率の影響を除去して被写体１の真温度Ｔ０　の関数Ｆ（Ｔ０　）を導き出す方法が使用されている。
【０００４】
【数１】
2004117309.tif 000003
ここで
Ｔ０　：被写体温度
Ｔａ：背景温度
ε０　：放射率
ｎ：１次近似した指数定数
である。
【０００５】
上式の演算は近似による温度値の合せ込みのため広い範囲の温度を測定する場合、精度を要求する場合は問題が残る。
【０００６】
更に、近赤外線の３波長で同視野を同時に観測できる広視野用のサーベイ観測用多色同時赤外線カメラ「ＳＩＲＩＵＳ」（Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ−ｃｏｌｏｒ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｉｍａｇｅｒｆｏｒ　Ｕｎｂｉａｓｅｄ　Ｓｕｒｖｅｙ）として検出器に１０２４×１０２４素子のＨｇｃｄＴｅ赤外アレイを３個装備させ、波長１．２５μｍ、１．６５μｍ、２．１μｍで視野同時撮像する赤外線カメラ（非特許文献１参照）が開示されている。
【０００７】
【非特許文献１】
長嶋千恵　外１５名　サーベイ　観測用多色同時赤外線カメラＳＩＲＩＵＳ
平成１４年９月２６日　インターネット＜ｈｔｔｐ／／ｏｐｔｉｋ２．ｍｔｋ．ｎａｏ．ａｃ．ｊｐ／｀ｈｉｄｅ／ｓ−ｐｏｓｔｅｒ９８０２４．ｐｄｆ＞
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の赤外線撮像装置では検出部１９の光学系２５に被写体１から入射した赤外線量の大小を単純に温度値に変換しているので被写体１の放射率が異なると、真温度が検出されない課題を有していた。
また、被写体１の放射率が解っていたとしても、天空等から放射された赤外光が被写体表面で反射した外乱要因を含む赤外線が赤外線撮像装置内に入射するため、これら外乱要因を含んだ赤外線量での演算処理によって間違った温度値を検出してしまう課題を有していた。
【０００９】
更に、非特許文献１に開示された多色用同時赤外線カメラでは光学系にビームスプリッタを用いて３個のセンサに同視野を同時に入射させる様にしているため装置が大型化し、センサ数も多くなって汎用の赤外線撮像装置には向かない課題を有している。
【００１０】
本発明は叙上の課題を解消するために成されたもので、本発明が解決しようとする課題は放射率の異なる被写体の放射率及び真温度を測定し、被写体物質の材質やその状態が検出可能な赤外線撮像装置を得る様に成したものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は被写体１の放射エネルギーを測定して、被写体１の温度計測を行なう多色赤外線撮像装置６に於いて、被写体１と赤外線撮像装置６の検出器５間に被写体１からの複数の赤外線波長範囲を切換え検出器１に入射させる光学帯域通過濾波手段４と、赤外線の複数波長範囲内で被写体１の複数物質或はその状態の放射率値を格納した記憶手段１５と、複数の赤外線波長範囲内の被写体１の赤外線量を測定し、記憶手段１５に格納した複数物質或は状態の放射率値を基に被写体１の温度及び背景２の温度を演算する演算手段１４とを有し、この演算手段１４で求めた被写体１の温度から被写体１の物質或はその状態を判別する様に成したことを特徴とする多色赤外線撮像装置としたものである。
【００１２】
第２の本発明は複数の赤外線波長範囲が第１乃至第３の赤外線波長範囲である様に成したものである。
第３の本発明は被写体の複数の物質或はその状態はコンクリート、ガラス等の異なる物質或は、水、氷の如き物体の変化状態を示す様に成したものである。
【００１３】
斯かる、本発明の多色赤外線撮像装置に依れば複数の物質の材質やその変化状態を判別可能なものが得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の多色赤外線撮像装置の１形態例を図１乃至図３を用いて説明する。尚、図４との対応部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００１５】
図１は本発明の撮像装置に入射するエネルギーを説明するための説明図、図２は本発明の多色赤外線撮像装置の１形態例を示すブロック図、図３は本発明の多色赤外線撮像装置のフローチャートである。
【００１６】
図１は一般的な測定環境における赤外線放射状態を示すもので被写体１の表面温度をＴ０　、被写体１の波長領域λでの放射率をε、大気等の反射による放射源２の背景温度をＴａ、ｆを波長領域λの黒体に対する黒体放射エネルギーとする。ここで物体の温度と赤外線放射の関係は一般にプランク（Ｐｌａｎｃｋ）　の法則で数２で与えられる。
【数２】
Ｍλ＝Ｃ１　／λ５　〔ｅｘｐ（Ｃ２　／λＴ　）−１〕−１・・・（４）
ここで
Ｍλ：分光放射発散度（ｗ，ｃｍ−２　　μｍ−１）
λ：波長（μｍ）
Ｔ：絶対温度（Ｋ）
Ｃ１　Ｃ２　：定数
である。
【００１７】
この（４）式は放射率が１の黒体に対して成り立ち、黒体から放射される全放射エネルギーＭは数３のステファン−ボルツマン（Ｓｔｅｆａｎ−Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）法則である絶対温度Ｔの４乗に比例する。
【００１８】
【数３】
Ｍ＝σＴ４　〔ｗ，ｃｍ−２〕・・・（５）
σ：Ｓｔｅｆａｎ−Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数
この法則から被写体１から放射される放射エネルギーの強度即ち、赤外線量を測定することで被写体の温度を検出することになる。
【００１９】
図１に示す本発明の多色赤外線撮像装置６は被写体１からの出射エネルギーελ・ｆ（Ｔ０　・λ）と、放射源の大気２等の外乱要因で生ずる被写体１から生ずる放射エネルギー（１−ελ）・ｆ（Ｔａ）の和、即ち数４の赤外線量が入射エネルギーをＥλとして光学通過濾波手段（ＢＰＦ）４を介して赤外撮像装置６のセンサ５に入射される様に成されている。
【００２０】
【数４】
2004117309.tif 000004
【００２１】
本発明に用いる光学的ＢＰＦ４は少なくとも第１乃至第３の波長範囲λ１　，λ２　，λ３　の帯域のみを通過可能に選択し、これら第１〜第３の波長範囲λ１　〜λ３　を択一的に選択可能と成されている。
【００２２】
以下、図２を用いて本発明の多色赤外線撮像装置の構成を３波長の３色温度計を用いた構成として説明する。
【００２３】
図２に於いて、被写体１からの入射エネルギーＥλは窓材１８から入射した赤外光を垂直駆動ミラー８及び水平駆動ミラー９で被写体１の像を水平及び垂直走査し、対物レンズ１０で集光した光軸上に光学通過濾波手段（ＢＰＦ）４を配設する。
【００２４】
この光学的ＢＰＦ４に用いる波長帯域は被写体１の種類に応じて選択される。例えば、建物のガラスの様な物質をセンサとしてＩｎＳｂ等を用いて検出する場合は４．８〜５．２μｍのＢＰＦが用いられ、被写体がタイル、コンクリート等の反射率の低い、且つ放射率の高い温度測定時等では５〜８μｍの波長範囲等が選択される。
【００２５】
また、本例では光学的ＢＰＦ４として２枚のフィルター１及びフィルター２を切換えることが出来る構成とし、フィルターなしと２種類のフィルター１及びフィルター２とで合計３通りの赤外線波長範囲λ１　，λ２　，λ３　を切換えることが出来る様に構成している。これにより１台で３波長の計測が可能であり、センサ５の個体差を除くことが出来る。
【００２６】
光学的ＢＰＦ４を通過した赤外線エネルギーＥλは１つのＨｇｃｄＴｅ等のセンサ５に入射された後に信号増幅器１１で増幅後にアナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）１２でデジタルデータに変換された後に、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）等の演算手段１４に供給されて記憶手段（メモリ）１３に格納した物質毎の放射率を基に所定の後述する演算を行なって、真温度の演算が行なわれ、ディスプレイ１６やレコーダ１７に温度データが出力されて、表示や印刷が行なわれる。尚、１５はＰＣＵ１４を介してメモリ１３に放射率値等を入力するための操作部である。
【００２７】
上述の多色赤外線撮像装置６では記憶手段１３内に入力手段１５を介して予め３種類の所定波長範囲での対象物質及びその状態の放射率ελを記憶させておき、演算手段を利用して真温度の演算が行なわれる。以下、本発明の動作を図３を用いて説明する。
【００２８】
図３は演算手段１４で真温度演算を行なって被写体１の物質の材質やその状態を正確に判定して、把握を行なうためのフローチャートを示すものである。
【００２９】
図３に於いて、第１ステップＳ１　では第１波長範囲（λ１　）の第１物質（Ａ）或はその状態の放射率値ε１　λを測定（又はサーチ）して入力手段１５とＣＰＵ１４を介してメモリ１３に書き込む。
【００３０】
第２ステップＳ２　では第１の波長範囲（λ１　）の第２の物質（Ｂ）或はその状態の放射率値ε２　λを測定（又はサーチ）して入力手段１５とＣＰＵ１４を介してメモリ１３に書き込む。
【００３１】
第３ステップＳ３　では第１の波長範囲（λ１　）の第３の物質（Ｃ）或はその状態の放射率値ε３　λを測定（又はサーチ）して入力手段１５とＣＰＵ１４を介してメモリ１３に書き込む。
【００３２】
第４ステップＳ４　乃至第６ステップＳ６　では第２波長範囲の第１物質乃至第３物質（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）或はその状態の放射率値ε１　，ε２　，ε３　を測定（又はサーチ）して入力手段１５とＣＰＵ１４を介してメモリ１３に書き込む。
【００３３】
同様に第７ステップＳ７　乃至第９ステップＳ９　では第３波長範囲の第１物質乃至第３物質（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）或はその状態の放射率値ε１　，ε２　，ε３　を測定（又はサーチ）して入力手段１５とＣＰＵ１４を介してメモリ１３に書き込む。
【００３４】
上記第１ステップＳ１　乃至第９ステップＳ９　によってメモリ１３内には第１乃至第３の波長範囲λ１　〜λ３　の範囲内に第１物質Ａ、第２物質Ｂ、第３物質Ｃ或はこれらの変化状態をを表す、例えば水、氷等の状態での放射率ε１　，ε２　，ε３　が下記の様に格納される。
【００３５】
ε１　（λ１　），ε１　（λ２　），ε１　（λ３　）‥‥（Ａ）第１物質
ε２　（λ１　），ε２　（λ２　），ε２　（λ３　）‥‥（Ｂ）第２物質
ε３　（λ１　），ε３　（λ２　），ε３　（λ３　）‥‥（Ｃ）第３物質
【００３６】
次に第１０ステップＳ１０に示す様に第１乃至第３の波長範囲の第１乃至第３物質Ａ，Ｂ，Ｃより成る被測定体１の赤外線量Ｅλｎ＝Ｅλ１　，Ｅλ２　，Ｅλ３　を光学ＢＰＦ４を順次切換えて測定する。
【００３７】
この測定により式（１）より数５式を得る。
【００３８】
【数５】
Ｅλ１　＝ελ１　・ｆ（Ｔ０　・λ１　）＋（１−ελ１　）ｆ（Ｔａ）‥‥（７）
Ｅλ２　＝ελ２　・ｆ（Ｔ０　・λ２　）＋（１−ελ２　）ｆ（Ｔａ）‥‥（８）
Ｅλ３　＝ελ３　・ｆ（Ｔ０　・λ３　）＋（１−ελ３　）ｆ（Ｔａ）‥‥（９）
ここで予めメモリ１３に記憶させた第１物質Ａ或はその状態での放射率値εｎ＝ε１　，ε２　，ε３　‥‥をＣＰＵ１４は第１１ステップＳ１１の様に（７）〜（９）式に代入演算することで被写体温度Ｔ０　と背景温度Ｔａが未値数値となる。
【００３９】
第１２ステップＳ１２では第１物質Ａ或はその状態を代入した時の被写体温度Ｔ０　及び背景温度Ｔａは上式（７），（８）の減算から（１０）式を得る。
【００４０】
同様に第１物質Ａ或はその状態を代入した時の被写体温度Ｔ０　及び背景温度Ｔａは上式（７），（９）の減算から（１１）式を得る。
【００４１】
次の第１２ステップＳ１２では第１１ステップＳ１１で求めた（１０）及び（１１）式から夫々の被写体温度Ｔ０　の差を求めてΔＴ０　（Ａ）を求める。
【００４２】
上述の第１１ステップＳ１１及び第１２ステップＳ１２に於いて第１物質Ａと同様で第２物質Ｂ及び第３物質Ｃ或はその状態についての放射率（Ｂ）のΔＴ０　（Ｂ）及びΔＴ０　（Ｃ）について演算することで第１乃至第３物質Ａ乃至ＣのΔＴ０　（Ａ），ΔＴ０　（Ｂ），ΔＴ０　（Ｃ）を求める。
【００４３】
第１３ステップＳ１３ではΔＴ０　（Ａ），ΔＴ０　（Ｂ），ΔＴ０　（Ｃ）の値（誤差）が最も小さなものに相当する放射率Ａ，Ｂ，Ｃかを判断し、これらΔＴ０　（Ａ），ΔＴ０　（Ｂ），ΔＴ０　（Ｃ）が最小の値のものが第１４ステップＳ１４に示す様に所定の被写体１の所定の物質Ａ，Ｂ，Ｃ或はその状態であると判別を行なってエンドに至る。
【００４４】
上述の様に被写体１の材質やその状態を定める場合、被写体１内の放射率が似通っている場合は放射率の違いで判別することが困難となる。然し、温度が全く異なる被写体であれば、被写体の物質或は状態を特定、判別することが可能となる。
【００４５】
例えば上述のΔＴ０　（Ａ），ΔＴ０　（Ｃ）の値が略同じである場合、式７から被写体温度Ｔ０　が求まるから被写体１の状態温度の閾値を超えるか超えないかによって、物質の状態を判別すればよく、例えばこの閾値は物質の液相と固相の凝固点に設定すればよい。
【００４６】
具体的な例を上げれば道路の路面の状態を被写体１とすると、道路の濡れ状態（この場合、水滴があり水と同等）、凍結した状態（氷）を閾値を０℃に選択することで道路の水滴状態或は凍結状態での判別が可能となる。勿論この場合も上述の構成と同様に道路の乾燥、水滴、凍結状態の放射率を測定し、記憶手段に格納して置いてＣＰＵを介して演算すればよいことは明白である。
【００４７】
即ち、乾燥状態と水又は氷の両者の違いは放射率の違いから判別し、水と氷の違いは温度（Ｔ０　）の違いから、凝固点が０℃以下であれば凍結（氷）０℃以上であれば濡れ状態（水）と判別できる。この様に物質の材質の差だけでなく道路の路面の状態の判別等にも本発明では効果を有する。
【００４８】
上述の各形態例では２つの波長での計測で被写体の物質の材質或はその状態を判別しただ３波長以上の複数の波長であっても同様に判別可能である。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の多色赤外線撮像装置に依れば外乱の影響の少ない放射率が１でない物質の材質やその状態の判別が可能であり放射率の異なる被写体に於いても真温度や状態温度の閾値を基に物質やその状態を正確に選択可能なものが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の入射エネルギー取得方法を説明するための概念図である。
【図２】本発明の多色赤外線撮像装置の１形態例を示すブロック図である。
【図３】本発明の多色赤外線撮像装置の演算手段の演算方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】従来の赤外線撮像装置のブロック図である。
【符号の説明】
１‥‥被写体、４‥‥光学通過濾波手段、５‥‥センサ、１３‥‥記憶手段（メモリ）１４‥‥演算手段（ＣＰＵ）、１５‥‥入力手段
【図１】
2004117309.tif 000005
【図２】
2004117309.tif 000006
【図３】
2004117309.tif 000007
【図４】
2004117309.tif 000008