低コスト自作サーモグラフィカメラ：DIYガイド

冬場に熱シグネチャを撮影したいけど、市販のサーモグラフィカメラは高くて手が出ない？それなら、DIYサーモグラフィカメラが必要です。

サーモグラフィカメラの自作は見たほど難しくありません。実際、プロセスはカメラセンサーの赤外線検出能力を活性化することです。

DIYサーモグラフィカメラは、最安のSeek Thermalカメラ（約200ドル）よりもはるかに安価です。

本記事では、スムーズな動作で簡単なDIYサーモグラフィカメラの作り方と、これらの専門カメラの仕組みを紹介します。

サーモグラフィカメラ回路についても学びたい方にも最適です。

DIYサーモグラフィカメラ

一般的なサーモグラフィカメラは高価なデバイス。レンタルでも1日50ドルかかります。しかし、より安価なサーモグラフィカメラを自作可能です。

要するに、あらゆるデジタルカメラをサーモグラフィカメラに変換できます。なぜなら、これらのカメラには赤外線スペクトルの光を捉える内蔵CCDセンサーがあるからです。

サーモグラフィ搭載スマホカメラ

しかし、赤外線への長時間露出がセンサーを損傷する恐れがあるため、ほとんどのメーカーは赤外線遮断フィルターを使用してこの機能を無効化しています。それでも、カメラレンズから赤外線フィルターを取り外せば、赤外線の美しさを眺められます。

本記事では、24×32解像度（768ピクセル）のMLX90640サーモグラフィカメラをDIYサーモグラフィカメラに使用。また、MLX90640とRaspberry Pi SBCを組み合わせ、ある程度高解像度で温度マップを記録可能にします。

Pythonを使ってRPIに特定の制限を生成させ、MLX90640を適切に配置して320×240解像度で動作するサーモグラフィカメラを実現します。

移動しながらDIYサーモカメラを機能させたい場合、カメラからのライブ出力を表示する方法と、動作を維持するバッテリーが必要。最高なのは、このDIYサーモカメラをセキュリティカメラとしても使用可能な点。解像度が十分高く、高品質画像を撮影できます。

動作原理

サーモグラフィカメラは、人間の目に見えない物体の赤外線領域のみを撮影可能。興味深いことに、ほとんどの物体は赤外線エネルギーを生成可能で、これをヒートシグネチャとも呼びます。したがって、サーモグラフィカメラは物体の赤外線エネルギーを検出・測定します。

また、カメラは検出・測定した赤外線データを電子画像に変換。電子画像は測定対象の表面温度を表示。サーモグラフィカメラには、赤外線エネルギーを特別な検出チップまたはセンサーアレイに集光する光学系も搭載。

サーモグラフィ画像

さらに、センサーアレイにはグリッド状に数千の検出ピクセルが収容。ここが最高の部分。センサーアレイの各ピクセルは焦点を当てられた赤外線エネルギーを検出し、対応する電子信号を生成。

カメラプロセッサーが各ピクセルの信号を計算し、温度を示すカラーマップを作成。また、各温度値に異なる色が割り当てられる。最終的に生成されたカラーマトリックスがカメラメモリに移動し、測定対象のサーモグラフィ画像として表示されます。

ほとんどのサーモグラフィカメラには標準カメラが付属し、自動的に可視光を撮影して標準デジタル画像を作成。これらの画像をブレンドすると、サーモグラフィ画像の問題領域を実際のエリアと検査対象機器と簡単に照合可能。

必要なコンポーネント

DIYサーモカメラ構築に必要な2つのコンポーネント：

• Raspberry Pi 4コンピューター
• MLX90640サーモグラフィカメラ

購入場所により価格は変動しますが、プロジェクト費用は150ドル（約2万円）を超えません。

手順

このプロジェクト構築に必要な手順：

ステップ1：配線

まず、MLX90640をRaspberry Piに接続。下記画像で配線方法を確認。

また、Raspberry PiとMLX90640はI2Cプロトコルで通信。このI2CプロトコルにはPiのハードウェアピン5または3（SDAまたはSCL）が必要。

配線図

ステップ2：MLX90640を使用したRaspberry Piの設定

MLX90640のブレークアウトボードをプログラミングするにはAdafruitライブラリが必要。Raspberry Piターミナルで以下のコマンドを入力し、PythonでMLX90640のセンサーを可視化できるか確認：

以下のコマンドも実行：

I2Cが有効か確認するコマンドも実行：

コマンドでRPiのブートファイルが開始。開いたら「dtparam=i2c_arm=on」に移動し、uncommentが無効でないことを確認。I2C有効化後、以下のコマンドでRPiを再起動：

全配線が正しければ、再起動後にI2Cポートを確認してRPIがMLX90640を登録しているかチェック。

ターミナルで以下の結果が得られるはず：

コマンド結果

ターミナルで「33」が表示されればOK。MLX90640のI2Cアドレスが0x33だからです。ただし、データシートで確認してください。

これでRaspberry PiがMLX90640のブレークアウトボードを読み取れるはず。ただし、Adafruitライブラリで作業するため、他のライブラリもインストール必要。以下のコマンドで対応：

次にPython IDLE（統合開発学習環境）をインストール可能だが、必須ステップではない。IDLEインストール用コード：

最後にIDLEを開き、以下のテストコードでAdafruitからMLX90640ライブラリをインポート試行：

テストコード

上記コード結果はMLX90640が読み取る平均温度のプリントになるはず。MLX90640読み取り中にリフレッシュレートエラーが発生しても慌てないでください。

RPiのI2Cデバイスレートを上げることで解決可能。したがって、「config.txt」ファイルに以下のコマンドで調整必要：

'dtparam=i2c_arm=on'のコメントアウトされていないセクションに移動し、I2C速度を1Mbit/sに上げる以下の行を追加：「i2c_arm_baudrate=1000000」。

ステップ3：MLX90640リアルタイムサーモグラフィカメラの可視化

PythonでMLX90640の出力を可視化する方法はいくつかあります。その1つが「imshow」で、任意の画像を表示可能。

Pythonでimshowを使用したMLX90640可視化のシンプルな実装：

可視化コード

ステップ4：MLX90640の補間

上記可視化コードは、MLX90640サーモアレイからディスプレイを取得する高速かつシンプルな方法に過ぎません。最後のステップで、サーモカメラの解像度と通常プロッティング速度を改善する必要があります。

まず、Pythonライブラリの「ndimage」ツールボックスでズーム機能を活性化。このコマンドでカメラの24×32出力を240×320に補間。上記可視化コードにコマンド追加：

次に、matplotlibの「blitting」メソッドを有効化して補間画像のフレームレート更新を取得。必要なコード：

Blittingコード

まとめ

安価なDIYサーモグラフィカメラは、ポケットを空にせず赤外線画像を撮影する優れた方法。作成後、サーモグラフィで任意の温度差を素早く調査可能。

高解像度画像で温度を表示するサーモセンサーも構築可能。DIYサーモカメラの解像度は市販品には及ばないが、エリアや物体の熱漏れや温度変化検出には十分すぎる性能です。

ご質問がありましたら、お気軽にお問い合わせください。喜んで対応・サポートいたします。