JPH042930A - サーモグラフィ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、物体からの赤外線放射強度分布を検出するこ
とによりその温度分布を測定するサーモグラフィ装置の
改良に係り、特に、サーモグラフィ装置自身から放射さ
れる赤外線が物体表面で反射されて、その反射光によっ
て物体の温度分布が誤って検出される現象であるナルシ
サスを除去するようにしたサーモグラフィ装置に関する
。

〔従来の技術〕

物体の放射率が１の場合は黒体に相当して反射率がゼロ
であるが、一般の物体では放射率がセロに近くて反射率
の大きいものも存在する。放射率が小さく反射率の大き
い物体の温度分布をサーモグラフィ装置により測定する
場合、周囲の物体の温度分布がその物体により反射され
、あたかもその物体から放射されたかのように検出され
て、温度分布が正確に検出できないので、通常は第６図
に示すように、ダンボール紙等の表面に黒体塗料を塗っ
た均一な温度分布の反射源物体を用意し、この反射源物
体からの像が測定物体の表面で反射されてサーモグラフ
ィ装置に入射するようにし、周囲の不均一な温度分布の
物体からの反射光は入射しないようにして、環境の温度
分布の不均一性の影響を取り除いている。なお、放射率
が１より小さいεの物体の温度分布を測定する場合、第
７図に示すように、物体から放射された赤外線と環境か
ら放射されて物体で反射された赤外線が加算されてサー
モグラフィ装置に入射するた約、放射率補正をしない場
合、見かけの温度は次のように測定される。

Ｒ（Ｔ’）−Ｅ　Ｒ（Ｔ）＋（１−Ｅ　）Ｒ（Ｔａ）た
だし、Ｔは測定物体の温度、Ｔａは環境反射源の温度、
Ｔｏは測定される見かけの温度、Ｒ（Ｔ）は温度Ｔの黒
体から放射される赤外線放射光量のうちサーモグラフィ
装置に検出される波長域の赤外線有効放射光量である。

ところが、サーモグラフィ装置の対物レンズとして近接
拡大レンズを取り付けて、対物レンズの直ぐ前に配置し
た微小物体の温度分布を測定する場合、第６図のような
手法が採用できず、サーモグラフィ装置自身、特にその
低温に冷却されているＨｇＣｄＴｅ、、１ｎｓｂ等の赤
外線検出素子（感度を良くするために、通常液体窒素に
よって冷却されている。）からの放射が物体表面に当た
り、それがあたかも物体からの放射のように再び赤外線
検出器により検出されることにより、通常視野の中央に
温度の低い領域が現れる現象であるナルシサスが現れて
しまう。特に、微小物体としてＩＣ表面の温度分布を測
定する場合、ＩＣ表面にはアルミニウム等の金属蒸着配
線パターンがあり、これは放射率が小さく反射率が大き
いので、ＩＣ表面の熱画像にナルシサスが現れ、画面の
中央の温度指示Ｔ゛が低くなってしまい、極めて不都合
である。

従来は、特に近接拡大して温度分布を測定する場合、上
記のようなナルシサスが現れるのは避けられないものと
考えられていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、
特に、上記のようなナルシサスが現れるのを低減したサ
ーモグラフィ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〕

上記目的を達成するための本発明のサーモグラフィ装置
は、測定物体面を光学的に走査する走査装置、走査され
物体面を赤外線検出素子上に結像する結像光学系、及び
、走査装置から赤外線検出素子に到る光路中に配置され
赤外線検出素子に入射する光束の開き角を一定に制限す
る光束絞りを有するサーモグラフィ装置において、前記
光束絞りの開口を光軸に対して一方の側にのみ配置した
ことを特徴とするものである。

その際、測定温度レンジの変更のための光量調節を光路
中に挿入された減光フィルターにより行うようにすると
、特に、高温の微小物体を拡大して測定する場合、光量
調節によって拡大光学系の解像力を落とさないで測定で
きる。

また、別の本発明のサーモグラフィ装置は、測定物体面
の像を光学的に結像する結像光学系、結像光学系の結像
面に配置された赤外線１次元又は２次元検出素子、及び
、測定物体から赤外線検出素子に到る光路中に配置され
赤外線検出素子に入射する光束の開き角を一定に制限す
る光束絞りを有するサーモグラフィ装置において、前記
光束絞りの開口を光軸に対して一方の側にのみ配置した
ことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明においては、光束絞りの開口を光軸に対して一方
の側にのみ配置することにより、低温に冷却された赤外
線検出素子からの光が測定物体で反射して赤外線検出素
子自身に戻り、あたかも赤外線検出素子の温度が物体の
温度のごとく測定されるナルシサスを引き起こす光を特
に視野範囲の画像の中心部から片側においてブロックす
ることができるので、画面全体を見るとナルシサスが現
れる領域を中心部から周辺へ追いやることができ、ナル
シサスのない有効画面を増やすことができる。

〔実施例〕

第１図にサーモグラフィ装置のカメラ部１の光路間を示
す。カメラ部１は、測定物体の物体面２からの赤外線の
入射方向に順に配置された、走査ミラー３、集光レンズ
４、減光フィルター５、波長限定用フィルター６、光束
絞り７、リレーレンズ（結像レンズ）８、赤外線検出素
子９からなり、赤外線検出素子９の像は、光線を逆にた
どると、リレーレンズ３で一端結像された後、集光レン
ズ４により再度結像され、物体２上にピントが合わせら
れるようになっている。物体２に対するピント合わせは
、集光レンズ４を前後に調整することにより行われる。

赤外線検出素子９は、上記したように感度を良くするた
めに液体窒素（７７゜Ｋ）又は電子冷却器（−７０°Ｃ
）によって冷却されているｔｌｇｃｄＴｅ、　ＩｎＳｂ
等からなるもので、ＨｇＣｄＴｅ（７７°Ｋ）は波長感
度が８〜１３μｍ帯で、ＩｎＳｂ　（７７°Ｋ）とｆｌ
ｇｃｄＴｅ　（−７０°Ｃ）は３〜５μｍ帯の大気の窓
の波長域で用いられる。光束絞り７は、光束の開き角（
明るさ）を制限する絞りで、これの存在によって光学系
の明るさが一定に保たれるので、ピント合わせのための
集光レンズ４の移動、又は、走査ミラー３による偏向（
画面走査）によっても、温度が一定の物体２に対して一
定の大きさの検出器出力が得られるものである。従来は
、図の右に示したように、光軸を中心とする円形開口の
光束絞り７を用いている。なお、減光フィルター５、波
長限定用フィルター６は、温度計測器の信頼性を増すた
めに不可欠なもので、減光フィルター５は高温物体を計
測する時に挿入されるものである（本発明の場合。従来
のものには設けられていない。）。このような、カメラ
部１を用いて、測定物体２に対して集光レンズ４を前後
に焦点調節してピントを合わせ、走査ミラ３により測定
物体２表面を走査してそれからの赤外線放射像を取り込
み、赤外線検出素子９により光電変換し、その強度分布
より温度分布を測定する。

ところで、第２図に示すように、走査ミラー３の前方に
近接拡大レンズ１０を取り付け、集光レンズ４を無限遠
にピントを合わせると、赤外線検出素子９から出て集光
レンズ４により平行光束に変換された光は、近接拡大レ
ンズ１０で物体面２に集光される。したがって、物体面
２にある微小物体の温度分布を拡大して観察できること
になる。

なお、図中、Ｈ，Ｈ’は近接拡大レンズ１０の主面を表
しており、「入射瞳」は走査ミラー３　（射出瞳）の近
接拡大レンズ１０による像で、走査ミラー３を出た光は
この「入射瞳」の中を通過する関係にある。

さて、第３図を参照にして、近接拡大レンズ１０を走査
ミラー３の前方に取り付けたときの、赤外線検出素子９
から出て集光レンズ４により平行光束に変換された光の
物体面２による反射光の進行方向を検討する。走査ミラ
ー３が視野の中心を見ているときの光路を示したのが図
の（ａ）であり、物体面２に入射する光は何れも低温の
赤外線検出素子９から出た光であり、図の記号に従うと
入射光１１は反射されて反射光１２となり、入射光２１
は反射光２２となり、入射光３１は反射光３１として反
射され、逆に入射光１２は反射されて反射光１１となり
、入射光２２は反射光２１となり、第１図に示したよう
な光軸を中心とする円形の光束絞りを用いると、低温の
赤外線検出素子９から出た光は全て赤外線検出素子９へ
戻るため、画面中央部においては、温度指示値はナルシ
サスのために一番低温を示すことになる。そこで、本発
明においては、第２図の右及び第３図の右に示したよう
に、光軸を中心とする円形の光束絞りの何れか半分（第
３図では下側半分）を遮光するものとする。こうすると
、第３図（ａ）においては、入射光１１が反射された反
射光１２は光束絞り７の下側でブロックされ、また、入
射光２１が反射された反射光２２も同様にブロックされ
、低温の赤外線検出素子９自身からの光は検出されない
。逆に、入射光１２、入射光２２はブロックされないで
赤外線検出素子９に達するが、その反射源は光束絞り７
であり、その温度はカメラ部１内部の温度（常温）であ
るので、ナルシサスは視野中央部には現れない。次に、
第３図（ｂ）の状態は、走査ミラー３が視野の上端を見
ているときの光路を六したものであり、入射光４〕）は
反射光４２となって常温領域へ達し、入射光５１は反射
光５２となり、光束絞り７が円形開口の場合、赤外線検
出素子９自身に達する。また、光軸より下側を通って入
射して来る光６１は反射光６２となって赤外線検出素子
９自身に達する。したがって、光束絞り７が円形開口の
場合には、光束の略半分（光線５１〜５２の開き内の光
線）は赤外線検出素子９へ戻るので、ナルシサスの程度
は、視野中央に比べて半分程度になる。これに対して、
図のように光束絞り７を下側半分を遮光性のものにする
と、入射光４１、入射光５１は常温領域に達するか又は
光束絞り７でブロックされるので、赤外線検出素子９か
らの光が自身へ戻ることはない。したがって、視野の上
側ではナルシサスは発生しない。次に、第３図（Ｃ）の
状態は、走査ミラー３が視野の下端を見ているときの光
路を示したものであり、入射光７１は反射光７２となり
赤外線検出素子９へ達し、入射光８１は反射光８２とな
り、同様に赤外線検出素子９へ達し、光軸より下側を通
って入射して来る光９１は反射光９２となって常温領域
へ達す冊 る。したがって、光束絞り７が円形開口の場合には、光
束の略半分（光線８１〜８２の開き内の光線）は赤外線
検出素子９へ戻るので、ナルシサスの程度は、視野中央
に比べて半分程度になる。これに対して、図のように光
束絞り７を下側半分を分速光性のものにすると、入射光
７１から反射光７２になった光は光束絞り７でブロック
されるが、赤外線検出素子９から来た入射光８１は反射
光８２となって自身へ戻るので、光線８１〜８２の間の
什較的広い光束がナルシサスを発生させる。

以上の説明では、光束を第３図の紙面の平面内（上下方
向反射）に限って説明したが、紙面に垂直な左右方向の
反射も考慮しなければならない。

これを考慮した場合、視野中でのナルシサスの形状は第
４図に示したようになる。すなわち、第４図（ａ）は、
円形絞り７を用いる従来の例であり、ナルシサスは画面
の中央から周辺へ徐々に弱まる円形形状のものとして存
在するが、円形開口の下側を覆った半円形絞り７を用い
ると、図の（ｂ）のように視野の下側に、図のような形
状のナルシサスが生じる。なお、図中には画面中心線上
の垂直断面及び水平断面内の温度分布を略図的に示して
あり、ナルシサスの強さの分布を表している。第４図の
（ａ）と（ｂ）を比較すると、（ｂ）の場合は、画面の
上半分でナルシサスが全くないことが分かる。この点が
本発明において最も重要なことである。第４図（ｂ）の
ナルシサスの面積をさらに小さくし、画面の中央部から
周辺へ追いやるためには次の手法がある。

まず、■第５図（ａ）に示すように、光束絞り７の遮光
範囲を円形開口の半分より増やすことである。

このようにすると、図の（ｂ）に示すように、ナルシサ
スの位置は画面のより下側に追いやられ、有効画面が増
える。また、■第２図の近接拡大レンズ１０を光軸に対
して偏心させて取り付け、ナルシサスを画面中央から遠
ざけることもできる。さらに、■第５図（ｂ）に黒い枠
で囲ったように、走査範囲をナルシサスが現れない領域
に限定することも１つの方法である。以上の■から■を
単独又は複数組み合わせて用いることにより、ナルシサ
スのない熱画像を得ることができる。

ところで、高温物体を測定するとき、物体から放射され
る赤外線光量が多いので、減光する必要がある。第２図
の構成では、光束が明るいほど、すなわち光学系の開口
数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が大きい
ほど波動光学的に達成可能な理論的解像力が向上するの
で、光束を小さくすることは解像力の悪化につながる。

したがって、ナルシサスを取り除く目的で、光束絞り７
の半分を遮光性にするのは止むを得ないが、上記のよう
な高温レンジで温度を測定する場合、上記の減光の目的
で光束絞り７をさらに絞り込むのは得策ではない。従来
は、減光フィルター５が高価なので、光束絞り７を絞り
込むことによって高温レンジに対応していたが、上記の
ような理由から、本発明においては、入射光束の減光は
減光フィルター５によって行う（第２図）。

なお、本発明は、第１図に示したようなサーモグラフィ
装置に近接拡大レンズ１０を取り付けたときに、円形の
光束絞り７の半分以上を遮光性のものにするものとして
説明してきたが、近接拡大レンズ１０を取り伺けたとき
だけでなく第１図の状態（通常距離以上の物体の測定）
の場合でも、ナルシサスを取り除くのに有効であること
は明らかであろう。

以上の説明で、カメラ部の光学走査は、検出素子の結像
光学系による像スポットが物体面上を走査する物界走査
について説明したが、測定物体の物体面が結像光学系に
よって一旦結像され、この結像された２次元画像の上を
上記像スポットを走査させる、いわゆる像界走査の光学
走査についても本発明は適用できる。また、赤夕１線検
出素子９として単素子のみでなく、例えば１次元方向に
複数の素子を配置した多素子を用いてもよいことは言う
までもない。

さらに、第８図に他の実施例を示す。この実施例では、
測定物体２が結像光学系１１で結像され、この結像面の
位置：こ赤外線多素子検出素子１２が配置されている。

赤外線多素子検出素子１２は、例えば第９図に示したよ
うな２次元に配置された赤外線ＣＣＤ検出素子（ＣＣＤ
　＝Ｃｈａｒｇｅ　（：ｏｕｐｌｅｄ［］ｅｖｉｃｅ　
：電荷転送素子）で、各素子から信号を順次取り出して
熱画像を作成することができるものである。最近では、
５１２Ｘ５１２素子のものが発表されている。Ｈ，Ｈ”
　は結像光学系１１の主面で、光束絞り７は説明を簡単
にするために射出側主平面Ｈ°の位置に置かれている。

光束絞り７を第８図の右側に書いたように半円形にする
と、第３図で説明したのと同じ理由で、ナルシサスを画
面の半分でブロックすることができる。また、前記■か
ら■を単独又は複数組み合わせてナルシサスの面積を小
さくして画面の中央部から周辺へ追いやることができる
。ただし、この実施例で■の走査範囲とは、赤外線多素
子検出素子１２での出力信号取り出しの電気的走査範囲
のことである。

赤外線多素子検出素子１２を光軸に対して偏心した位置
に配置することでも、ナルシサスを画面の中央部から周
辺へ追いやることができる。なお、赤外線多素子検出素
子１２は、必ずしも２次元配置のものに限られず、簡単
に１次元方向の熱分布を測定する場合は、１次元配置の
例えばラインセンサーを用いてもよい。

〔発明の効果〕

本発明によるサーモグラフィ装置においては、光束絞り
の開口を光軸に対して一方の側にのみ配置することによ
り、低温に冷却された赤外線検出素子からの光が測定物
体で反射して赤外線検出素子自身に戻り、あたかも赤外
線検出素子の温度が物体の温度のごとく測定されるナル
シサスを引き起こす光を特に画像の中心部から片側にお
いてブロックすることができるので、画面全体を見ると
ナルシ勺スが現れる領域を中心部がら周辺へ追いやるこ
とができ、有効画面を増やすことができる。

そして、前記した■から■を単独又は複数組み合わせて
用いることにより、ナルシサスのない熱画像を得ること
ができる。

また、温度測定レンジの変更のための光量調節を光路中
に挿入された減光フィルターにより行うようにすると、
特に、高温の微小物体を拡大して測定する場合、光量調
節によって拡大光学系の解像力を落とさないで測定でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はサーモグラフィ装置のカメラ部の光路図、第２
図は第１図のカメラ部に近接拡大レンズを取り付けた場
合の光路図、第３図は本発明に基づいてナルシサス発生
の有無を説明するための図、第４図は視野中でのナルシ
サスの形状を示す図、第５図は変形例の光束絞りの形状
とその場合のナルシサスの形状と位置を示す図、第６図
は従来の環境の温度分布の不均一性の影響を取り除く手
法を説明するだめの図、第７図はサーモグラフィ装置に
入射する赤外線が物体から放射された赤外線と物体で反
射された赤外線の和であることを説明するための図、第
８図は本発明の別の実施例のサーモグラフィ装置のカメ
ラ部の光路図、第９図は赤外線１次元又は２次元検出素
子の１例としての赤外線ＣＣＤの平面図である。 トザーモグラフィ装置のカメラ部、２・測定物体の物体
面、３・・・走査ミラー、４・・・集光レンズ、５・・
減光フィルター、６・・・波長限定用フィルタ７・光束
絞り、８・・・リレーレンズ、９・赤外線検検索子、 ０・・・近接拡大レンズ、 １・・・結像光学 系、 １２・・・赤外線多素子検出素子 出 願 人 日本電子株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定物体面を光学的に走査する走査装置、走査さ
   れ物体面を単数ないし１次元又は２次元配置の多数の素
   子からなる赤外線検出素子上に結像する結像光学系、及
   び、走査装置から赤外線検出素子に到る光路中に配置さ
   れ赤外線検出素子に入射する光束の開き角を一定に制限
   する光束絞りを有するサーモグラフィ装置において、前
   記光束絞りの開口を光軸に対して一方の側にのみ配置し
   たことを特徴とするサーモグラフィ装置。
2. （２）測定物体面の像を光学的に結像する結像光学系、
   結像光学系の結像面に配置された赤外線１次元又は２次
   元検出素子、及び、測定物体から赤外線検出素子に到る
   光路中に配置され赤外線検出素子に入射する光束の開き
   角を一定に制限する光束絞りを有するサーモグラフィ装
   置において、前記光束絞りの開口を光軸に対して一方の
   側にのみ配置したことを特徴とするサーモグラフィ装置
   。