サーマルイメージングの８つのポイント

8つのポイント サーマルイメージングについてエンジニアが知っておくべきこと プロジェクトにおけるサーマルセンサーテクノロジーの活用ガイド

目次 ページ はじめに 1. 今日のサーマルテクノロジーと新時代の活用方法 4 2. サーマルイメージングとは 5 3. サーマルカメラの仕組み 6 4. 統合する製品に最適なサーマルイメージャーを選択する方法 7 5. 放射測定機能とイメージング機能 8 6. IRサプライヤーに求めるもの 9 7. 総所有コスト 10 8. サーマルカメラの輸出に必要な許可 11 2

はじめに 今後のプロジェクトにサーマルイメージングセンサーを追加すれば、あなたがこれまでに経 験したことがないような画像を見ることができ、未知の領域を切り開くことができるようにな ります。サーマルセンサーを設計に組み込むことを検討しているのであれば、必要な機能を 確実に利用するために考慮すべきポイントがいくつかあります。 サーマルイメージャー は、熱エネルギーの差 異から画像を作成す るため、熱を生み出す ものであればその熱 を利用してすべて可視 化できます。 可視光カメラによって撮影した回路基板 サーマルカメラによって撮影した回路基板 www.flir.com 3

11 今日のサーマルテクノロジーと新時代の活用方法 次の製品設計にサーマルイメージングの活用を検討しているのであれば、まずは、サーマル テクノロジーで実際にできることを理解する必要があります。幽霊や雪男探しなどといった話 はここでは置いておきます。 サーマルイメージャーは、物体から放射される赤外線エネルギーや反射される赤外線エネルギーの相対強度の差 異を検出して映像化します。放出された赤外線エネルギーは私たちの周りに常に存在しており、知覚できる可視光 の量に影響を与えることはありません。これは非常に重要なポイントです。なぜなら、サーマルイメージングは単な るナイトビジョンの一種ではなく、光の代わりに熱を検出するため、24時間の撮影が可能になるからです。 さらに、サーマルイメージャーは、熱エネルギーの差異から画像を作成するため、熱を生み出すものであればその 熱を利用してすべて可視化できます。人、動物、電気機械システム、工業プロセスはすべて個別の熱的特性を持つた め、サーマルカメラを使って検知できます。 軍や法執行機関が赤外線イメージングを利用していることは、すでに数十年もの間知られており、実績を挙げてい ます。しかし、近年のテクノロジーの進歩により小型化、軽量化、低価格化が進んだことで、商用や個人での利用も可 能になりました。そのため、サーマルイメージングがもたらすさまざまな可能性を把握しておくと役に立つでしょう。 サーマルイメージ サーマルカメラは煙の向こう側も視認できるため、消火、捜索、救助活動のためのツールとしてもその効果が認め ングは単なるナイト られています。サーマルイメージャーは、人や動物がいることで発せられる熱の差異の検出、煙、ほこり、完全な暗闇 ビジョンの 一 種で の中での確認、摩耗した故障点に近づいている電気機械部品の検出に最適であることから、まったく新しい領域へ はなく、光の代わり の応用も可能になりました。 に熱を検出するた 住宅用ビデオセキュリティなどプライバシーが重要視される場面であれば、顔の特徴が分かるような画像を作成し め、24時間の撮影 ないことや、窓の外を撮影しないといった、サーマルカメラの便利な機能を利用できます。 が可能です。 しかし、サーマルテクノロジーは単なるカメラとしてではなく、センサーとしても利用できます。これは、可視光イメ ージャーを補完する直交テクノロジーです。セキュリティ領域での誤認警報を軽減するだけでなく、ADAS（先進運転 支援システム）や自動運転自動車といった新しくエキサイティングな分野でのLIDAR、レーダー、可視光カメラでの 誤認警報の軽減にも利用できる可能性を持っています。 サーマルイメージャーやサーマルセンサーでは、画像を作成したり、人や動物の存在を検出したりするのに光をま ったく必要としないことから、自宅用のセキュリティカメラやホームオートメーション用の人感センサーから、ゲーム コンソールでのジェスチャー認識や自動車運転者の視界補助にまで使用できます。 サーマルセンサーの メリット 暗闇でも完全な撮影 障害物の透視 気温の測定 強化版ロングレンジイメージング 人や動物を正確に検出 4 スマートフォン ホームオートメーション プロフェッショナルセキュリティ ファーストレスポンダー 工業用感知機能 屋外でのレクリエーション 高度道路交通システム 自動車診断

2 サーマルイメージングとは サーマルイメージャーは、赤外線エネルギーの差異を検出し、それを使用してグレースケ ールやカラー画像を作成します。 赤外線エネルギーは、電磁スペクトルの一部ですが、波長が長いために人の目で見ることはできません。 そのため、サーマルイメージャーは可視光を使用せずに画像を作成でき、完全な暗闇だけでなく、煙やほこ り、薄い霧の中でもごく小さな温度差を検出できます。 地球上に存在するものは、たとえ氷であっても赤外線エネルギーを放出します。論理上、絶対零度（分子の活 動が停止する温度）より上の温度であれば、あらゆる物質は一定レベルの赤外線を放出するため、条件を適 切に設定すれば、サーマルカメラによる検出が可能です。物体の温度が上がるほど、放出される熱エネルギ ーの量が増えます。 誰にでもなじみのある電磁エネルギーといえば可視光です。可視光の波長帯は実際には非常に狭く、その 範囲は0.39～0.75マイクロメートル（μm）です。それに比べると、赤外線は波長帯より大きく、1.0 μm付近 ～1,000 μmです。 サーマルイメージャ 遠赤外線エネルギーを使用したイメージングの説明に関連して、次のようにエネルギーをさらに細かく分類 ーは可視光を使用せ して説明していきます。 ずに画像を作成でき、 • 短波赤外線（SWIR）。約0.9～1.7 µmの波長帯 完全な暗闇だけでな • 中波赤外線（MWIR）。3～5 µmの波長帯 く、煙 や ほこり、薄 い • 長波赤外線（LWIR）。8～14 µmの波長帯 霧の中でもごく小さ な温度差を検出でき ます。 電磁スペクトル 可視スペクトル 周波数が増加 紫 ガンマ線 X線 外 赤外線 マイクロ波 FM AM 長波 線 （IR） ラジオ電波 近赤外線赤 短波 中波 長波赤外線 （NIR） （SWIR） （MWIR） （LWIR） 波長が長い www.flir.com 5

3 サーマルカメラの仕組み サーマルカメラは、私たちの周囲にある赤外線エネルギーを検知し、そのエネルギーを使用 して画像やデータポイントを作成し、デジタルやアナログビデオ形式で出力します。通常、サ ーマルカメラは上述のいずれかの波長帯（8～14 μmのMWIRまたは3～5 μmのLWIR）の いずれかのみに対応します。 例外はありますが、ほとんどの場合、MWIRカメラで画像を作成するには、内蔵の極低温冷却器を使っておよそ77 ケルビンに冷却した赤外線検出器が必要です。このような冷却器を使用すると、サイズ、重量、複雑さ、コストが増 し、定期的なメンテナンスが必要になります。LeptonやBosonのような非冷却式のLWIRイメージャーでは常温で 画像を作成できるため、冷却式に比べ小型で軽量となり、複雑さやコストも軽減されます。 カメラ自体はレンズ、サーマルセンサー、処理電子機器、メカニカルな筐体で構成されます。レンズは、センサー （検出器）上に赤外線エネルギーの焦点を合わせます。 FLIRのLWIR検出器には酸化バナジウム（VOx）が採用されています。これは、長波放射線を検出するための最も感 度の高い素材であり、通常アモルファスシリコンなどの検出器用素材で見られる画像アーチファクトが生成され 熱検出器は可視光に比 ません。これらの検出器には検出器素子が配列されており、ピクセル構成はさまざまですが、320x256と640x512 が最もよく使用されます。これが検出器の解像度になります。 べてより幅広い波長の エネルギーを感知しな これらの解像度は可視光イメージャーと比較するとかなり低いように思えますが、それには理由があります。サー マルカメラの検出器の個々の素子自体は可視光カメラの素子よりもかなり大きく、可視光カメラのピクセルはわ ければならず、そのため ずか1～2 μm程度ですが、サーマルカメラ検出器の素子はそれぞれが12～17 μmです。これは、熱検出器は可 にそれぞれのセンサー 視光に比べてより幅広い波長のエネルギーを感知しなければならないからであり、そのためにそれぞれのセン 素子のサイズが大きく サー素子のサイズが大きくなってしまいます。その結果、通常サーマルカメラは、同サイズのメカニカルを持つ可 なってしまいます。 視光センサーよりも、解像度がはるかに低く（ピクセル数が少なく）なります。 熱エネルギーが検出器に当たると、読み出し用の電子回路がそのエネルギーを信号に変換します。この信号は、 カメラから外部機器に渡すことも、FLIR Bosonなどの最新のカメラであれば、システムオンチップ（SoC）回路で直 接処理することもできます。このようなSoCでは、インテグレーターによって開発されたバックエンド電子機器を 必要とする画像処理、分析などの高度な機能をカメラに内蔵できます。 FLIRのサーマルカメラで使用されるレンズには、長波放射の透過性が高い素材であるゲルマニウムやカルコゲ ナイドが使用されています。可視光カメラと同じ素材をサーマルカメラに使用することはできません。可視光カメ ラの素材では検出器に届くまでにすべての赤外線エネルギーがブロックされてしまうためです。サーマルカメラ が窓の外を撮影できないのも同じ理由です。 サーマルセンサーの基本パーツ 検出器 レンズ システムオンチップ （SoC） 6 レンズフランジ

4 統合する製品に最適なサーマルイメージャ ーを選択する方法 最適なサーマルカメラは、カメラの使用目的と、いくつかの要件によって異なります。 必要な解像度とレンズ 必要な解像度とレンズは、画像化する対象、対象までの距離、画像に求める詳細レベルによって決まります。 スマートフォン用の低価格なイメージャーから、重要度の高い、命にかかわるような業務に使用する高性能の カメラまで、サーマルカメラには幅広い種類があります。BosonのようなFLIR製のカメラでは、qVGA（320x256） やVGA（640x512）といった解像度を利用でき、水平視野角（FOV）は4°から92°です。Leptonのような低価格のソ リューションでは、80×60や160×120のように解像度が低くなります。 カメラの解像度は画像のディテールに直接影響し、検出範囲に影響を及ぼす場合もあります。検出する対象が 1つだけの場合は、1つのピクセルで対応できる場合があります。人、動物、車両といった対象の認識が必要な場 合は、より多くのピクセルが必要になります。武装した人物であるかどうか、鹿ではなく犬であるかどうか、自動 スマートフォン用の低 車ではなくトラックであるかどうかなど、対象の特性を識別する必要があれば、さらに多くのピクセルが必要に 価格なイメージャーか なる場合もあります。 ら、重要度の高い、命 使用するFOVのシーンの幅を水平ピクセル数で割ると、その距離で検出可能な最少のフィーチャを知ることが にかかわるような業務 できます。また、瞬間視野（IFOV）と呼ばれる仕様を使用すると、1つのピクセルの角度サイズを取得でき、任意 に使用する高性能のカ の範囲のサイズを計算できます。 メラまで、サーマルカ 必要な感度 メラには幅広い種類が カメラの感度は雑音等価温度差（NEDT）で指定されます。これは、カメラの時間領域雑音に等しい信号を生成 あります。 するのに必要な温度差を知るための、信号対ノイズ比の指標であり、それを拡張することによって、カメラが解 決できる最少温度差を生成できます。通常、NEDTはミリケルビン（MK）で表され、数値が少ないほど高性能で あることを示します。FLIR Bosonには、50 mK未満という業界最高クラスの感度が備わっています。 以上の項目の検討が終わったら、FLIRのアプリケーションエンジニアリングチームにお問い合わせください。適 切なソリューションをご案内し、必要なソリューションを見つけるお手伝いをします。SBA-Cores@flir.com 解像度の比較 10 X 10 25 X 25 50 X 50 100 X 100 200 X 200 ピクセル ピクセル ピクセル ピクセル ピクセル 160x120 640x512 www.flir.com 7

5 放射測定機能とイメージング機能 すべてのサーマルカメラは、視野角内の熱エネルギーの相対強度を画像にしますが、一部 のカメラは追加の処理を行って、キャリブレート済みの非接触温度測定値を提供します。こ れは、放射測定と呼ばれるプロセスです。 カメラでこの処理を行うには、放射の他のソース（反射、レンズの素材）、大気の影響（湿度、気象条件、対象までの 距離）、被写体の素材の特性（特に放射率）を補正する必要があります。こういった要素を特定できると、カメラが 受け取る放射量を、約+/- 2℃の精度の温度値に変換できます。 FLIRカメラには、イメージングのみのカメラから、シンプルな中心点での測定機能や高度な放射分析やより高い 精度の値を求める機能を持つカメラまで、さまざまのタイプが用意されています。多くのFLIRカメラは、イメージ ングまたは放射測定用のいずれかとして注文できます。 一部のサーマルカメラで はイメージングをさらに 処理し、キャリブレーショ ン済みの非接触温度測 放射分析画像では、画像内のそれ 定値を提供します。 ぞれのピクセルの非接触温度測定 値を取得できます。 FLIRツールソフトウェアを使用す ると、放射分析画像のメリットを 十分に活用できます。 温度の変化に応じてカラーパ 放射分析画像の熱温度の調 レットを変更すると、視認性を 整も可能 高めることができる 8

6 IRサプライヤーに求めるもの サーマルイメージングを設計する際には、テクノロジーの利用が欠かせません。つまり、テク ノロジーと真摯に向き合っている企業を見つける必要があります。赤外線機器サプライヤ ーが次のような項目を重要視していることを確認する必要があります。 • お顧客の製品に設計されたライフサイクルを通じて、カメラが「最適に機能」するための品質と 信頼性 • OEMパートナーを成功に導いた実績 • ユーザーの質問に対応する専任の製品技術サポートスタッフ • 地域ごとのアフターサービス • 企業のウェブサイトやメールから、製品仕様、図面、インタフェース文書を簡単に入手できること FLIRは包括的な赤外線機 • ユーザーとの距離が近く、長期間にわたって安定している企業 器サプライヤーとして、赤 外線テクノロジーをリー • テクノロジーの変化の最前線に居続けるために、継続的な製品開発と改良のための努力をおし ドする企業であり続ける まない企業 ことを目指しています。 • セキュリティ、IoT、独自のインタフェースを使った自動化といった、開発速度の速い領域におけ る業界固有の専門知識、規制、制御 レンズ レンズ www.flir.com 9

7 総所有コストとは OEMサーマルカメラが有益であるかどうかを判断するためには、取得原価以外にもいくつか の重要な項目を検討する必要があります。確かに単価も重要ですが、システムの構築にかか る合計コストによっては、市場における競争力が低下しかねません。 新製品を市場に導入するための最善の計画であっても、難易度の高い統合、追加のエンジニアリング開発時間、 市場投入の遅れなどの隠れたコストによって台無しになってしまうことも考えられます。次のようなサプライヤー を選択することをお勧めします。 • 競争力のある価格を設定している • 専門の技術サポートで統合をサポートする • マニュアル、SDK、ソリューションアクセラレーターを入手しやすく、アプリケーションエンジニアに も問い合わせしやすい 長波から中波、短波のIR • 製品に業界最高クラスの保証が付いている まで、FLIRのサーマルカ • 商品化に適切な価格帯の製品を提供している メラのコアは、より高い レベルの部品やプラット フォームに簡単かつ効 率的に統合できます。 Intelligent devices for sensor networks Software Developers Kit (SDK) Easy discovery, monitoring and command & control of FLIR Systems thermal imaging cameras in new or existing networks. The Software Developers Kit (SDK) is a tool that helps systems integrators to deploy Network administration FLIR Systems thermal imaging cameras in large, existing or new, security networks. The SDK toolkit allows multiple users to monitor The SDK will accelerate any application programming with FLIR Systems thermal and adjust multiple sensors throughout the security network. Users can remotely position sensors on an imaging cameras. If you are a systems integrator that wants to build its own system IP network and, in real-time, monitor camera video utilizing thermal imaging cameras for a security application, then the SDK together and configure camera field of view, camera tilt angle, with FLIR Systems’ thermal imaging cameras will give you a jump start in your task. The focus, sensitivity and contrast. Rules, with variable SDK will allow you to fully exploit the possibilities that FLIR’s unique infrared camera authority, can be set up to define which user has connectivity technology offers and combine camera functionality with other sensors access to configure or control certain sensors. and detection devices. Thanks to the SDK toolkit the user can mix and match More and more, TCP/IP networks are being used as a base to build security & sensors and controllers to the particular application surveillance command and control applications. Developed by system integrators, without spending undue effort designing for different scenarios. It also helps with obsolescence the SDK toolkit allows for “plug & play” installation of FLIR Systems thermal imaging management. The SDK is part of a Development cameras into today’s TCP/IP infrastructures. Platform that is continuously being updated. Drivers for FLIR Systems thermal imaging Connectivity to other sensors Customizable User Interfaces cameras A security network consists of various types of By using the SDK toolkit you can focus on the design Thanks to their embedded connectivity technology sensors that need to work together in order to offer of your own user interface to control multiple and the SDK toolkit, FLIR Systems thermal imaging maximum coverage. Radar, perimeter and ground security sensors or integrate FLIR Systems thermal cameras become manageable network nodes for sensors, CCTV cameras, thermal imaging cameras imaging cameras into existing command and your application. and other sensors need to be connected in “slew control applications. A sample console is available to cue” configurations. The SDK allows integrators to demonstrate the SDK capabilities, and use it as Most of FLIR Systems’ thermal imaging cameras to easily command FLIR thermal imaging cameras reference or test point for your own development. offer Ethernet based plug & play connectivity. to be a slave to other sensors like radars and fences. The SDK toolkit allows integrators to discover The SDK toolkit allows for easy integration of all Image post-processing options and control multiple cameras and use them from these systems into turnkey applications. New An optional Windows DirectShow Based Video multiple operator workstations on a Commercial Drivers can be easily built by FLIR Systems to Player ActiveX grants integrators access to embed of the Shelf (COTS) network. Optional Developer support new customer furnished devices, making advanced image post-processing functions like Tools allow integration of active map displays, them new plug & play elements in their sensor electronic stabilization. Long range cameras for video monitoring, and VMD or target detection networks. border protection are often installed on a mast with intelligent video alarms. or tower which is susceptible to extreme climatic The SDK toolkit allows you to discover and control conditions. Using the electronic stabilization option, The SDK libraries are offered for Windows Visual FLIR Systems thermal imaging cameras, but also the thermal image on your monitor will be stable Studio (C, VC++ or VB) and .NET development many other legacy devices into this network. These even when the tower or mast is slightly moving. platforms as well as for different Linux/Unix devices are controlled by sensor server nodes using Other filters, like histogram or look-up tables, can environments. serial ports, analog video, TASS or Pelco-D. also be inserted to enhance or tune the image on each operator workstation. www.flir.com 10

8 サーマルカメラの輸出に必要な許可 一部のカメラには輸出許可が必要です。FLIRは、輸出規則や規制に精通している貿易にか かわるコンプライアンスの専門家チームを設け、お客様から寄せられる輸出に関する質問や 問題に対応しています。 FLIRが米国在住のお客様にカメラを提供し、そのお客様がカメラを米国外に輸出または再輸出しようとする場 合、カメラを別の製品に統合するかどうかにかかわらず、お客様の責任で米国政府の担当部署に輸出許可を申請 する必要があります。 サーマルカメラにかかわる輸出規制の詳細については、www.flir.com/exportをご覧ください。 FLIRは、輸出にかかわ るすべての規制を遵守 するとともに、お客様が そのような規制を遵守 できるようにサポート を行っていきます。 www.flir.com 11

本社 FLIR Systems, Inc. 27700 SW Parkway Ave Wilsonville, OR 97070 SANTA BARBARA FLIR Systems, Inc. 6769 Hollister Ave. Goleta, CA 93117 電話：1 805.964.9797 ヨーロッパ FLIR Systems, Inc. Luxemburgstraat 2 2321 Meer Belgium 電話：+32 (0) 3665 5100 中国、北京 FLIR Systems, Co., Ltd. Room 502, West Wing, Hanwei Building No. 7 Guanghua Ave Chaoyang District, Beijing 100004, China 電話：+86 10-59797755 www.flir.com/oem NASDAQ：FLIR 本明細書に記載の機器は、米国の輸出規制の対象であり、輸出に許可が必要な 場合があります。米国の法令に違反する転用は禁止されています。画像は参考例 です。仕様は予告なく変更される場合があります。©2017 FLIR Systems, Inc. All rights reserved.2016年9月26日 16-0392-OEM-COR