熱画像のしくみ

2013-05-21
絆創膏を貼った手の熱画像。

ボストンマラソン爆破事件の余波で、すべてのマンハントを終わらせるためのマンハントが進行中でした。問題は1つだけでした。人的資源と火力の面で大きな優位性があるにもかかわらず、当局は加害者を見つけることができなかったようです。

不審な住宅所有者にひっくり返され、彼らはついに私道に座っている大きな屋根付きのボートに検索を絞り込みました。容疑者は視界から隠されていたため、ボート内での正確な位置を視覚的に確認することも、武装しているかどうかを確認することもできませんでした。役員は暗闇の中で働いていて、危険を知らされていませんでした。その時、サーモグラフィーカメラがその日を救うのに役立ちました。

そのカメラは、頭上を旋回するヘリコプターに取り付けられており、ボートの床にうつ伏せになっている男性をはっきりと示していました。また、その人が生きていて動いていることも明らかになりました。ヘリコプターからの視覚情報に助けられて、SWATチームはついにボートに近づき、容疑者を捕らえることができました。

サーモグラフィックカメラ(または赤外線カメラ)は、人間の目には見えない赤外線(または熱)を検出します。その特性により、これらのカメラは、セキュリティ、監視、軍事用途など、あらゆる種類のアプリケーションに非常に役立ちます。悪者は、暗い、煙のような、霧のかかった、またはほこりっぽい環境で追跡されます...またはボートカバーの後ろに隠れている場合でも。

考古学者は発掘現場に赤外線カメラを配備します。エンジニアはそれらを使用して構造上の欠陥を見つけます。医師や医療技術者は、人体の問題を特定して診断することができます。消防士は火の中心をのぞき込みます。ユーティリティワーカーは、電力網の潜在的な問題を検出するか、水またはガスラインの漏れを見つけます。天文学者は、赤外線技術を使用して宇宙の深さを探索します。科学者はそれらを幅広い実験目的に使用します。

これらすべてのタスクにはさまざまなタイプの熱画像装置がありますが、各カメラは機能するために同じ一連の原理に依存しています。次のページでは、熱画像がどのように機能するかについて、目隠しをします。

コンテンツ
  1. 光の悟り
  2. 熱画像が熱くなる
  3. 熱画像の複雑さ
  4. ナイトビジョン...いいえ
  5. スーパーホットテック

光の悟り

電磁スペクトルの赤外線部分の図。

人間の目は素晴らしく複雑で複雑な器官です。それらは可視光を見るために作られています。この光は物体に反射し、私たちに見えるようにします。

放射線の一種である光は、目に見える種類よりも多くの味があります。光の範囲は、可視光と不可視光、およびX線、ガンマ線、電波、マイクロ波、紫外線で構成される電磁スペクトル全体に及びます。

波長(周波数とも呼ばれます)は、これらのタイプの光のそれぞれを互いに異なるものにします。たとえば、スペクトルの一端には、非常に短い波長のガンマ線があります。スペクトルの裏側には、はるかに長い波長の電波があります。これらの2つの極値の間には、可視光の狭帯域があり、その帯域の近くには、430 THz(テラヘルツ)から300 GHz(ギガヘルツ)の周波数の赤外線波長が存在します。

赤外線を理解することにより、熱画像装置を使用して、ほぼすべての物体の熱特性を検出できます。氷のような非常に冷たい物体でさえ、ほとんどすべての物質が少なくとも少しの熱を放出します。これは、そのオブジェクトが絶対零度(華氏マイナス459.67度または摂氏マイナス273.15度)でない限り、その原子はまだ揺れ動き、ぶつかり、熱を発生しているためです。

時々、物体は非常に熱く、可視光を発しません。電気ストーブの赤い燃えるような熱いコイルやキャンプファイヤーの石炭について考えてみてください。低温ではこれらの物体は赤く光りませんが、確実に手を近づけることができれば、皮膚に向かって外側に流れる熱や赤外線を感じることができます。

しかし、私たちの皮膚は赤外線の検出にはあまり役立たないことがよくあります。1つのカップに温水を入れ、もう1つのカップに冷たい水を入れて、部屋の向こう側のテーブルに置いた場合、どちらがどちらであるかわかりません。ただし、赤外線カメラは即座に認識します。

このような状況では、人間は支援のために電子ツールに依存しています。本質的に、熱画像装置は私たちの視力の相棒のようなものであり、可視光に加えて赤外線も見ることができるように視覚範囲を拡大します。この拡張された視覚情報を利用して、私たちは電磁スペクトルのスーパーヒーローになります。

しかし、デジタルデバイスが目に見えない熱信号をどのように拾い上げて、私たちの目に意味のある画像を作成することができるでしょうか?次のページでは、デジタル処理の進歩がどのようにそれを可能にするかを見るでしょう。

熱画像が熱くなる

赤外線波長を発見した天文学者、ウィリアム・ハーシェル卿。彼はまた、天王星を発見したことでも知られています。

サーモグラフィーカメラは、ハイテクで現代的なデバイスです。しかし、赤外線の発見はずっと昔に起こりました。

1800年、ウィリアム・ハーシェル卿というイギリスの天文学者が赤外線を発見しました。彼は、プリズムを使用して太陽光線をさまざまな波長に分割し、次に各色の光の近くに温度計を保持することによってこれを行いました。彼は、温度計が可視光がない場所、つまり赤外線が存在する波長でも熱を検出することに気づきました。

1800年代を通じて、一連の勇敢な思想家は、熱にさらされると導電率が変化する材料を実験しました。これにより、ボロメータと呼ばれる非常に感度の高い温度計が開発されました。この温度計は、離れた場所からの熱のわずかな違いを検出できます。

しかし、第二次世界大戦後、赤外線研究が実際に熱くなり始めたのは初めてのことでした。トランジスタの発見のおかげで、急速な進歩が起こりました。トランジスタは、さまざまな方法で電子機器の構造を改善しました。

最近、赤外線カメラの進化は、直接検出熱検出と呼ばれる2つのカテゴリに分かれています。

直接検出イメージャは、光伝導性または光起電性のいずれかです。光伝導カメラは、特定の波長の光子が当たると電気抵抗が変化するコンポーネントを採用しています。一方、光起電材料も光子に敏感ですが、抵抗を変える代わりに、電圧を変えます。光伝導カメラと光起電カメラはどちらも、光子検出に役立つようにするために強力な冷却システムを必要とします。

イメージャのケースを密閉し、その電子機器を極低温で冷却することにより、エンジニアは干渉の可能性を減らし、検出器の感度と全体的な範囲を大幅に拡大します。これらの種類のカメラは高価で、故障しやすく、修理に費用がかかります。ほとんどのイメージャには、統合された冷却システムがありません。そのため、冷却された対応物よりも精度がいくらか低くなりますが、コストもはるかに低くなります。

ただし、熱検出技術は、マイクロボロメータと呼ばれるツールに統合されることがよくあります。それらは光子を検出しません。代わりに、彼らは遠くの物体からの熱放射を感知することによって温度差を拾います。

マイクロボロメータが熱エネルギーを吸収すると、検出器センサーの温度が上昇し、センサー材料の電気抵抗が変化します。プロセッサは、これらの抵抗の変化を解釈し、データポイントを使用してディスプレイに画像を生成できます。これらのアレイには、クレイジーな冷却システムは必要ありません。つまり、暗視ゴーグル、武器サイト、ハンドヘルド赤外線カメラなどの小型デバイスに統合できるということです。

熱画像の複雑さ

熱画像は人間の目のように機能します。熱画像装置は、可視の反射光を拾う代わりに、物体から放出される熱を検出します。

すでにご存知のように、高温と低温の両方の物体が熱を放出します。その熱が物体から外側に移動すると、熱画像装置がそれを見ることができます。カメラのように、これらのデバイスには、エネルギーを赤外線検出器に集中させる光学レンズがあります。この検出器には数千のデータポイントがあるため、華氏マイナス4度(摂氏マイナス20度)から華氏3,600度(摂氏2,000度)までの微妙な温度変化を検出できます。

次に、検出器は基本的に温度パターンであるサーモグラムを作成します。サーモグラムからのデータは電気信号に変換され、カメラの処理チップに圧縮されます。そのチップは、サーモグラムの生データをディスプレイ画面に表示される視覚信号に変換します。プロセス全体は非常に迅速に機能し、1秒間に約30回更新されます。

多くのイメージャはオブジェクトをモノクロ画像として表示し、高温の領域は黒で表示され、低温の領域は灰色または白で表示されます。カラーイメージャでは、ホットなオブジェクトは白、黄色、赤、オレンジで画面から飛び出し、クールな領域は青または紫になります。これらは偽色画像と呼ばれます。これは、デバイスが画像の各領域に人為的に色を割り当てるためです。通常のカメラとは異なり、実際の画像のようにオブジェクトを表示するトゥルーカラー画像を作成します。

表示されている各オブジェクトの相対的な暖かさに応じて、結果の画像は、銃を持っている男性の全体像など、印象的な視覚的詳細を提供する場合があります。温度のグラデーションがあまりはっきりしない場合、画像はぼやけて鮮明ではなくなる可能性があります。

画質は、イメージャがアクティブパッシブかによって異なります。アクティブなシステムは、レーザーまたは他のエネルギー源を使用してターゲットオブジェクトの表面を実際に暖め、検出器(およびターゲット領域の近くに立っている人)からより見やすくします。たとえば、一部の自動車メーカーは、工場を通過するときに車両部品を温め、構造上の欠陥をサーマルカメラで見やすくします。パッシブシステムは、オブジェクトが自然に放出する熱を検出するだけです。どちらのシステムにも長所と短所がありますが、パッシブシステムの単純さにより、はるかに一般的になっています。

ナイトビジョン...いいえ

混乱しないでください。暗視イメージング(ここに描かれている)は、熱イメージングと同じではありません。

赤外線検出器の初期のバージョンは大きく、扱いにくく、騒々しかった。現代の冷却システムは大幅に改善されていますが、今でも重く、かさばり、高価であり、ある場所に移動して使用できるように、大型の車両や飛行機に取り付けられることがよくあります。

たとえば、人気のある冷却システムの1つは、ボストン爆撃容疑者の検索を絞り込むために使用されたFLIR SAFIRE IIIです[出典:Peluso ]。このユニットは、軍用に十分な強度があり、搭載されたジャイロスコープで安定しており、陸上車両または航空機で動作します。また、重量は100ポンドで、2013年の時点で約50万ドルの費用がかかります。「安価な」検出ユニットは、多くの場合、数万ドルに達し、一般の人々には高すぎるものになります。

非冷却製品ははるかに安価であり、それらもはるかに小さいです。Extech i5を例にとってみましょう。価格は約1,600ドルで、重さはソーダの缶と同じです。充電式リチウムイオン電池、2.8インチ(7.1センチ)のカラーLCDスクリーンを備えており、一般的なデジタルカメラと同様に、写真を取り外し可能なフラッシュカードに保存します。

または、FLIRScoutPS24単眼鏡を検討してください。これは約2,000ドルで販売されています。長さはわずか6.7インチ(17センチ)なので、ハイカー、ハンター、セキュリティの専門家は、どこを歩き回ってもそれを利用できます。サイズは小さいですが、カラーディスプレイで防水性もあります。

これらのイメージャの一部は、ピクチャーインピクチャーディスプレイ、交換レンズ、レーザーポインター(カメラを向けている場所を正確に確認できる)、統合GPS、WiFi接続、さらにはマイクを備えているため、音声を追加できます。各画像へのコメント。

ExtechおよびFLIR製品は、どちらもマイクロボロメーター技術に基づいています。それらは、消費者レベルで一般的なほとんどの暗視カメラや赤外線カメラとは大きく異なります。あなたはこれらのガジェットを知っています-それらは映画やテレビ番組でその病弱な緑色の輝きを生み出します。

そのような暗視は熱を検出しません。代わりに、これらの製品は、暗闇の中でオブジェクトを明らかにするために、周囲光のウィスプを大幅に増幅します。言い換えれば、それらはまだそれらのオブジェクトで反射される可視光を必要とします、さもなければそれらはあまりうまく機能しません。

同じことが赤外線カメラにも当てはまります。これらのカメラは赤外線ビーム(テレビのリモコンを考えてみてください)を投射します。赤外線ビームはターゲットオブジェクトに当たって跳ね返り、カメラセンサーに向かって光を反射します。

スーパーホットテック

2009年5月、ブダペスト空港はセキュリティゲートでサーモグラフィカメラを使用して乗客の体温を監視し、インフルエンザA(H1N1)の感染者の可能性をスクリーニングしました。

サーマルイメージャーは、感度と機能が継続的に向上しています。しかし、それらは完璧なテクノロジーではありません。

確かに、これらのカメラは、車両、家、その他の高密度の物質内の熱の兆候を見ることができます。ただし、熱を遮断する物理的な材料(ガラス窓など)は、デバイスの有効性を低下させます。熱を求めるセンサーに対抗する衣類を購入することもできます[出典:Maly ]。

カメラのディスプレイに表示される画像を解釈するという問題もあります。多くの場合、あいまいで変化しやすい画像は、実際の画像ではなく、単に温度を表したものであるため、それらを理解するかどうかは、ユーザーの専門知識に依存します。経験の浅い人々は、特に悪天候や干渉などの酌量すべき状況のシナリオでは、これらの画像を誤解する可能性があります。

費用は、深いポケットのない人にとっては引き続き問題になります。最も手頃なイメージャーでさえ数百ドルの費用がかかり、政府や軍の機関によって展開されたもののほんの一部の機能しか持っていません。

生地を持っている人は、しかし、いくつかの驚くべき偉業を実行することができます。セキュリティと監視の側面はほぼ当然のことです。都市部、国境、建物の内部など、視線がなくても警官や兵士が容疑者を追跡できる場合、悪者は隠れる場所がはるかに少なくなります。

消防士は、赤外線カメラを使用して、構造物の中に閉じ込められている人を見つけ、ホットスポットに家に帰り、誰かが怪我をする前に構造物の問題を特定できます。科学者は、雪の土手の奥深くに北極のホッキョクグマの巣を見つけることができます。古代遺跡は、周囲の土壌や岩石とは異なる熱特性を示すことがよくあります。つまり、考古学者はイメージャを使用して次の発掘現場を見つけることができます。

建物の検査官は、屋根や断熱材の漏れや欠陥を見つけるために赤外線カメラを携帯しています。同様に、修復作業員は、不動産所有者が問題があることを知らなかった場合でも、壁の後ろに水とその後のカビの成長を見つけることができます。

Power grid components that are overheating may lead to failure and then blackouts . To ward off outages, workers leverage imagers to spot deteriorating areas in a grid. Gas leaks are another major challenge for utilities, and thermal cameras can see leaks before they become bigger issues.

Worried about an epidemic? Install thermal cameras at high-traffic public areas like rail stations and airports and you can spot feverish folks in a crowd.

The list of uses goes on and on. And as companies invest more in research and development, thermal cameras will only get better and cheaper, and thus find a place in many more situations, from recreation to research. What's now a hot technology is only getting hotter, and we humans are seeing our world in a whole new way.

Lots More Information

Author's Note: How Thermal Imaging Works

We call them thermal cameras, but they aren't really cameras. Instead, thermal imagers are sensors. And for the moment, they are really, really pricey. I was fortunate enough to play with a handheld imager a few years ago when we were searching for the source of a mysterious water intrusion in a suburban home. Camera in hand, we found that one corner of the house was much cooler than other walls. We removed the drywall and found a hole just big enough to create a water problem during heavy downpours. We may have used the device for only a couple of hours, but it definitely proved its worth.

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Sources

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