赤外線熱画像ナレッジコレクション

赤外線の原理

1. 赤外線の定義

自然界では、絶対零度 (-273℃) を超える温度の物体はすべて電磁波を放出することができます。 赤外線は、自然界で最も広く普及している電磁波の一種であり、エネルギーの一種であり、このエネルギーは肉眼では見えません。 従来の環境にある物体は、それ自身の分子と原子の不規則な動きを生み出し、常に熱赤外線エネルギーを放射します。

2. 赤外線帯域範囲

太陽から放射される光波は、電磁波とも呼ばれます。 可視光は、人間の目で感じることができる電磁波です。 プリズムで屈折すると、赤、橙、黄、緑、シアン、青、紫の7色が見えます。

赤外線はこれらの電磁波の一部であり、可視光、紫外線、X 線、ガンマ線、および電波とともに、電磁スペクトルの完全な連続体を構成します。

上記のように、波長が0.76μmから1000μmまでの電磁波を赤外線と呼びます。

3. 赤外線「大気窓」

赤外線放射電磁波は空気中を伝搬し、大気に吸収されて放射エネルギーが減衰します。 吸収されたエネルギーが大きすぎると、熱探知カメラで観察できなくなります。

大気や煙雲による赤外線の吸収は、赤外線の波長にも関係しており、赤外線は 3~5 ミクロンと 8~14 ミクロンを透過します。 したがって、この 2 つの波長は赤外線の「大気の窓」と呼ばれます。 この 2 つのウィンドウを使用することで、赤外線サーマル イメージャーは赤外線の減衰状況を変えることなく、通常の環境で観察することができます。

図に示すように:

車は煙の中ではっきりと見ることはできませんが、赤外線サーマル イメージャーではっきりと見ることができます。

赤外線サーマルイメージングの原理

1. 赤外線画像の原理

通称、赤外線サーモグラフィとは、目に見えない赤外線放射を可視熱画像に変換することです。

異なる物体、または同じ物体の異なる部分でさえ、異なる放射能力と赤外線の反射強度を持っています。 物体と背景環境の放射差、およびシーンの各部分の放射差を使用することにより、熱画像はシーンの各部分の放射変動を示し、シーンの特性を示すことができます。

熱画像は、実際にはターゲット表面の温度分布の画像です。

熱画像は、物体の表面の熱放射の違いを区別できます。

2. 赤外線熱画像システム

赤外線画像システムは、一連の光学部品と光電処理技術を介して赤外線熱放射を受け取り、人間の目で見ることができる熱画像を変換して画面に表示するシステム全体です。

3. 赤外線サーモグラフィの構成

赤外線サーモグラフィの基本的な動作原理は次のとおりです。赤外線は特殊な光学レンズを通過し、赤外線検出器によって吸収されます。 目で見た熱画像が画面に表示されます。 ブロック図は次のとおりです。

用語集

赤外線サーマルイメージャーは、使用温度によって冷蔵と非冷蔵に分けられます。

冷蔵サーマルイメージャー:

検出器は極低温冷却器と統合されており、検出器の温度を下げることができるため、熱ノイズ信号がイメージング信号よりも低くなり、イメージング品質が向上します。

非冷却熱探知カメラ:

検出器は極低温冷凍を必要とせず、使用される検出器は通常マイクロボロメーターに基づいており、主にポリシリコンおよび酸化バナジウム検出器です。

赤外線サーモグラフィは、その機能によって温度計測タイプと非温度計測タイプに分けられます。

温度測定赤外線サーマルイメージャー:

温度測定赤外線サーマルイメージャーは、熱画像から対象物の表面の任意の点の温度値を直接読み取ることができます。 このシステムは非破壊検査装置として使用できますが、有効距離は比較的短いです。

温度を測定しない赤外線サーマルイメージャーは、物体の表面の熱放射の違いしか観察できません。 この種のシステムは観測ツールとして使用でき、有効距離は比較的長いです。

赤外線検出器:

赤外線検出器は、目に見えない赤外線放射を測定可能な信号に変換するデバイスであり、赤外線システム全体のコアであり重要なコンポーネントです。

検出器サイズ:

検出器のサイズとは、検出器上の単一の検出要素のサイズを指し、一般的な仕様は 25 μm、35 μm などです。検出要素が小さいほど、画像品質は向上します。

赤外線検出器の解像度:

解像度は、熱画像検出器の品質を測定するための重要なパラメータです。 検出器の焦点面にある検出器のユニット数を示します。 現在、市場で主流の解像度は 160 × 120、384 × 288 などです。さらに、320 × 240、640 × 480 などがあります。 解像度が高いほど、イメージング効果はより鮮明になります。

赤外線光学レンズ:

赤外線光学レンズは、通常、赤外線検出器、光電変換処理へのさまざまな赤外線最終焦点距離を受け取ることができるレンズのグループで構成されています。

屈折率4のゲルマニウム結晶は、2～25μm帯に適した赤外用光学レンズに最も多く使用されています。 1～6μm帯では屈折率3のSiが一般的です。 ミサイルフェアリングの耐熱衝撃は、ホットプレスされたMgF2とZnSを使用するために最適化されています。

視野 (FOV):

視野角度は、レンズ システムの主平面と光軸の交点で、シーンまたは画像平面の線の長さによって引き伸ばされる角度です。 一般的に言えば、レンズには明確な視野があり、この視野の高さと幅に対するレンズの角度を視野角と呼びます。

温度測定精度:

温度測定精度とは、赤外線サーモグラフィで温度測定を行ったときの、読み取った温度データと実際の温度との差を指します。 値が小さいほど、サーマル イメージャーのパフォーマンスが向上します。

温度測定範囲:

温度測定範囲とは、赤外線サーモグラフィで測定できる最高温度と最低温度の範囲を指します。

焦点距離：

レンズの中心から焦点までの距離で、通常は f で表されます。 焦点距離の単位は通常mm（ミリメートル）で表されます。 レンズの焦点距離は、通常、f=50mm (これは通常「標準レンズ」と呼ばれるものです)、28-70mm (最も一般的に使用されるレンズ)、70-210mm (望遠レンズ) など、レンズの前にマークされています。 ) など 焦点距離が長いほど、より遠くまで鮮明に撮影できます。

空間解像度:

空間解像度とは、画像内で識別可能な重要なオブジェクトの空間幾何学的長さの最小限界、つまり微細構造の解像度を指します。 値が小さいほど解像度が高くなります。

最小分解可能温度差 ( MRTD ):

赤外線画像では、MRTD は温度分解能と空間分解能を総合的に評価するための重要なパラメータです。 特定の空間周波数で、観測者が 4 つのバンドを (50% の確率で) 区別できる場合、ターゲットと背景の間の温度差は、空間周波数の最小識別可能温度差と呼ばれます。 MRTD 値が小さいほど、赤外線サーマル イメージャーのパフォーマンスが向上します。

ノイズ等価温度差 ( NETD ):

サーマルイメージャーは測定パターンを観察します。 システムの基準電子フィルタが出力する信号電圧のピーク出力とノイズ電圧の RMS 比が 1 のとき、黒体ターゲットと黒体背景の間の温度差はノイズ等価温度差と呼ばれます。 NETD が小さいほど、画質が向上します。

幽霊：

これは、ターゲットによって変化しない赤外線画像の明るい線または暗い線を指します。 これは、赤外線検出器の検出素子の赤外線放射に対する応答速度が不均一であることが原因です。

悪い点:

デッド ピクセルとは、赤外線画像内のターゲットと座標が変わらない明るいスポットと暗いスポットを指します。これは、無効ピクセルとも呼ばれる、検出器の 1 つの検出素子の赤外線放射に対する応答率が高いまたは低いことが原因です。

不均一補正：

赤外線検出器の製造プロセスの制限により、赤外線検出器の各検出素子の赤外線放射に対する応答速度が異なり、上記のゴースト画像とデッドピクセルが撮像面に現れ、撮像に影響を与えます サーマルイメージャーの品質。

不均一性補正とは、検出器の応答性の不均一性を効果的に低減し、赤外線カメラの画像品質を向上させる技術的方法を指します。 不均一性補正後、サーマルイメージャーのイメージング画像は均一になり、ゴーストとデッドピクセルが消え、イメージング効果が大幅に向上し、サーマルイメージャーの観察能力が大幅に向上します。

補償：

補償は補正とも呼ばれ、理想的な赤外線画像を得るために、不均一性補正に必要な元のデータを取得するためのものです。 画像が不鮮明な場合は、サーマル イメージャーを補正できます。 補正ターゲットは、シーン環境とターゲットの特性に応じて、温度が均一なさまざまなオブジェクトを選択できます。 この対象物は、雲ひとつない澄んだ空、サーマル イメージャーの内蔵シャッター、閉じたレンズ キャップなどです。