JP2766708B2 - サーモグラフィ装置 - Google Patents

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ゼロに近くて反射
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め、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′）＝εＲ（Ｔ）＋（１−ε）Ｒ（Ta） ただし、Ｔは測定物体の温度、Taは環境反射源の温
度、Ｔ′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、InSb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
の熱画像にナルシナスが現れ、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
れた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の光路図を
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８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℃）
によって冷却されているHgCdTe、InSb等からなるもの
で、HgCdTe（77゜K）は波長感度が８〜13μｍ帯で、InS
b（77゜K）とHgCdTe（−70℃）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、走査ミラー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
は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
円形の光速絞りの何れか半分（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示したものであ
り、入射光41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を下側半分に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
半分を分遮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の間の比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として説明
してきたが、近接拡大レンズ10を取り付けたときだけで
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、赤外線検
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
の位置に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 C
oupled Device: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、512×512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
からを単独又は複雑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、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
法を説明するための図、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とで
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。 １……サ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ー、７…
…光束絞り、８……リレーレンズ、９……赤外線検出素
子、10……近接拡大レンズ、11……結像光学系、12……
赤外線多素子検出素子

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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。