サーモグラフィ：隠れた詳細を可視化し精密分析を実現

私たちは夏の陽射しの暖かさ、冷たい飲み物やプールでの涼しさ、他人の温かい触れ合い、冬の熱いお茶や暖炉を楽しみます。温度を感じられますが、目で「見る」ことはできません。

サーモグラフィカメラは、我々の目から隠された電磁スペクトルのこの部分を可視化します。事実上、環境内のあらゆる物体が熱放射を放出するため、サーモグラフィカメラは完全な暗闇でも周囲の画像を生成できます。セキュリティ&監視用途では、サーモグラフィカメラからほとんど何も隠れられません。

完全放射較正により、これらのカメラは温度差を可視化するだけでなく、絶対温度測定を提供。VGAセンサーと60Hzフレームレートのサーモグラフィカメラなら、毎秒1,840万回以上の個別温度測定が可能です。

小型化と性能最適化

熱を可視化する単純なサーモグラフィカメラ（対象シーンの相対熱分布を検出し表示画像に変換）の製造はもはや最先端ではありません。iPhone用サーモグラフィアドオンが200ドル未満で入手可能。真の技術的挑戦は、感度と測定精度への要求増大――最小温度差の表示や可能な限り精密な温度測定――を、サーモグラフィカメラの小型化と同時に、より広範な市場の性能ニーズを満たしながら達成することにあります。

今日の主要サーモグラフィカメラメーカーは、最低NETD（雑音等価温度差）と最高温度測定精度を単一デバイスで両立。歴史的にこれらの高性能カメラは高感度・高精度でしたが、大型・重量でした。ここで小型化とシステム統合のトレンドが、サーモグラフィカメラの新たな応用を開いています。

ますます多くのアプリケーションがサーモグラフィカメラを使用し、カラービデオカメラやLiDARセンサーなど他センサーと連携。用途は多岐にわたり、公共・民間セキュリティ向けインテリジェント監視カメラ、ビルオートメーション、製造プロセス制御、消防・救助支援、自律走行車向けナイトビジョン、予知保全などに及びます。

主要性能パラメータ

これらの応用が多様であるように、サーモグラフィカメラ技術の小型化とシステム統合要件も多様。測定特性、検出器、光学系、データインターフェース、ハウジング、その他設計・製造パラメータは特定用途に最適化される必要があります。しかし、アプリケーション固有システムソリューションへの容易な統合は、多くのOEMとシステムインテグレーターにとって特定の課題です。強力なサーモグラフィカメラは往々にして限られた設定オプションしかない標準製品としてのみ提供されるためです。

最も効果的なサーモグラフィカメラは、これらの課題を克服し、まさにこの市場のギャップを埋めるように調整されています。サーモグラフィカメラの性能と統合容易性に影響する3領域は、検出器、カメラ放射特性、提供される光学・電気機能です。

先進検出器技術は画素ピッチを継続的に縮小。この傾向は携帯電話業界が主導し、可視カメラで最も顕著ですが、サーモグラフィカメラ改善にも寄与。検出器画素ピッチが小さいほど（感度（NETD）とノイズ性能を維持・向上しながら）、サーモグラフィカメラはより効果的。小さいピッチは一般的に低消費電力、小型機械設計制約、より遅いF値光学系対応（さらなるシステム小型化・軽量化）をサポート。また、小ピッチFPAはサイズ・重量・電力への大きなペナルティなしに高解像度サーモグラフィカメラを可能にします。

放射性能特性には、ROI（注目領域）のみ測定からFPA全画素での完全放射測定への拡張、温度測定精度向上、対象温度範囲拡大が含まれます。

ゲーム、VR/AR、スマートフォン、通信、自律走行車業界での極めて激しい市場競争により、電子処理能力が劇的に向上し、コンポーネントフットプリントと消費電力が低下。結果として、サーモグラフィカメラ設計者は数年前には存在しなかったより幅広い電子部品オプションから選択可能。コンポーネント選択肢の拡大は、よりコンパクト・効率的・高性能システムの設計と統合を促進。同時に光学・光学機械製造技術も進歩し、従来光学を非伝統的光学で置き換え、光学サブアセンブリの更なる小型化・軽量化を実現。これら広範な業界トレンドと、サーモグラフィ分野内での継続的検出器・放射性能進歩が組み合わさり、適切なサーモグラフィカメラがこれらオプションをサポートすれば、OEMとシステムインテグレーターに幅広い柔軟性を提供できます。

放射サーモグラフィカメラ市場サンプル

表1は、QVGA画素フォーマットの現在の放射サーモグラフィカメラ5機種の主要性能パラメータを要約。

前節で特定された主要性能パラメータのいくつかを説明するため、表の最初のエントリであるJENOPTIK EVIDIRに焦点を当てます。EVIDIR alphaは、ビデオフォーマット（VGAまたはQVGA）、フレームレート、メカニカルシャッターまたは長期安定シャッターレス動作、複数の標準通信インターフェース（USB、GigE、CMOS）、5°〜60°の視野を許容するレンズオプションなど、多様な標準設定オプションを提供するコンパクトな「プラグアンドプレイ」赤外線カメラファミリーです。

これらのカメラはスタンドアロンデバイスとして完全に機能しますが、OEM（相手先ブランド製造）アプリケーションへの統合を容易にするよう設計されています。EVIDIRの利用可能な設定オプションの「ツールボックス」アプローチは、容易なカスタマイズに採用。レンズ、シャッター、ビデオフォーマット、通信インターフェースなどのオプションはモジュール化されており、顧客が用途に最適な組み合わせを選択可能。

QVGAとVGA版のカメラと放射カメラは、共通の機械・光学・電気・コマンドインターフェースを共有し、容易なアップグレードとOEM開発時間最小化を実現。カメラは最先端の12μm画素非冷却マイクロボロメータ焦点面アレイを中心に構築され、30mK未満の標準NETDで安定・均一な熱画像を提供。カメラコアは、焦点面アレイ（プリント基板アセンブリに統合）とプロセッサーボードで構成される2基板スタック。

カメラのネイティブ出力フォーマットはCMOSで、OEMインテグレーターはこのフォーマットを利用してサイズと電力を最小化、またはインターフェースボードを選択して所望の標準画像フォーマット（USBやGigEなど）に変換可能。CMOS版カメラは、60Hz駆動のQVGAカメラで<950mW消費。カメラアルミハウジングアセンブリは20mm×30mm×30mm、レンズなしで27g。多様なオフザシェルフレンズを利用可能にする様々なレンズアダプターを用意。放射カメラは較正強化済みですが、それ以外はカメラ版と同一。

まとめ

今日の最先端サーモグラフィカメラは、OEMに対し、市場に出回る従来のQVGA・VGAサーモグラフィ・放射カメラより高性能・低コストな代替案を提供。適切に設計されれば、サーモグラフィカメラのカスタマイズによりOEMはカメラを用途に最適化し、コストを最小化できます。

継続的な業界向上により、12μmピッチSXGA（1280×1024）センサー、拡張XGA（1024×768）センサーとVGA（640×480）技術、解像度向上、サブフレーム、デジタル電子ズーム（e-zoom）と電子手ブレ補正、シャッター/シャッターレス動作、追加選択可能フレームレート、CameraLinkなどのオプション電気インターフェースなど、顧客ニーズにまさに適した製品が提供されるでしょう。

この記事は、JENOPTIK Optical Systems GmbH（イエナ、ドイツ）光学部門のダニエル・ブレナー博士（MBA）によって執筆されました。詳細情報はこちらをご覧ください。