サーモグラフィー
背景の伝統的な建物と前景の「パッシブハウス」のサーモグラム

赤外線サーモグラフィー（IRT）は、サーマルイメージングとも呼ばれ、サーマルカメラが物体の表面から発せられる赤外線を検出する測定および画像化技術です。この放射には、物体の表面からの熱放射（物体の温度と放射率に依存する）と周囲の放射源からの反射放射という2つの主な要素があります。物体が（完全に）不透明でない場合、つまりカメラの動作波長で透過率がゼロでない場合は、透過した放射も観測信号に寄与します。その結果、サーモグラムと呼ばれる可視画像が得られます。サーマルカメラは、長波赤外線（LWIR）範囲（7～14 μm）で最も一般的に使用されますが、中波赤外線（MWIR）範囲（3～5 μm）用に設計されたシステムが使用されることはほとんどありません。

黒体輻射の法則によれば、絶対零度以上の温度にあるすべての物体は赤外線を放射するため、サーモグラフィは可視光の有無にかかわらず周囲の環境を観察することを可能にします。物体から放射される放射線の量は温度とともに増加し、サーモグラフィは温度変化を観察することを可能にします。熱画像カメラを通して見ると、温かい物体は冷たい背景に対してはっきりと浮かび上がります。例えば、人間やその他の温血動物は、昼夜を問わず周囲の環境に対して容易に視認できます。そのため、サーモグラフィは軍隊などの監視カメラのユーザーにとって特に有用です。

猫のサーモグラム

ヒトやその他の温血動物における一部の生理学的変化も、臨床診断において熱画像診断によってモニタリングすることができます。サーモグラフィーはアレルギー検査や獣医学に用いられています。FDA（米国食品医薬品局）は「マンモグラフィーの代わりにこの方法を選択すると、がんを早期発見する機会を逃す可能性がある」と警告していますが、一部の代替医療従事者は乳がん検診へのサーモグラフィーの使用を推奨しています。[ 1 ]注目すべきことに、2009年のパンデミックでは、政府職員や空港職員が豚インフルエンザの疑いのある症例を検出するためにサーモグラフィーを使用しました。[ 2 ]

サーモグラフィには長い歴史がありますが、過去50年間の商業・産業用途でその利用は飛躍的に増加しています。消防士は煙を透視し、人を見つけ、火元を特定するためにサーモグラフィを使用します。保守技術者は、故障の兆候である過熱した接合部や電力線の一部を特定するためにサーモグラフィを使用します。建築技術者は、欠陥のある断熱材からの熱漏れを示す熱シグネチャを観察することで、暖房・空調設備の効率向上に貢献しています。

現代のサーモグラフィカメラの外観と操作性は、多くの場合、カムコーダに似ています。ライブサーモグラムでは温度変化が非常に鮮明に記録されるため、分析に写真は必要ありません。そのため、録画モジュールが内蔵されているとは限りません。

特殊な熱画像カメラでは、より長い波長（中波長および長波長赤外線）に反応する焦点面アレイ（FPA）が使用されています。最も一般的なタイプは、 InSb、InGaAs、HgCdTe、QWIP FPAです。最新の技術では、低コストの非冷却マイクロボロメータをFPAセンサーとして使用しています。これらの解像度は光学カメラよりもかなり低く、ほとんどが160×120または320×240ピクセルで、最も高価なモデルでは最大1280×1024 [ 3 ]です。熱画像カメラは可視スペクトルのカメラよりもはるかに高価であり、ハイエンドモデルは軍事利用の可能性があるため輸出が制限されていることがよくあります。古いボロメータやInSbなどのより高感度のモデルでは、通常、小型スターリングサイクル冷凍機または液体窒素による極低温冷却が必要です。

熱エネルギー

熱画像（上）と通常の写真（下）の比較。ビニール袋は長波長赤外線に対してほぼ透明ですが、男性の眼鏡は不透明です。
このサーモグラムは、産業用電気ヒューズ ブロックの端子の過熱を示しています。
熱気球内の温度変化を示す熱画像

熱画像（サーモグラム）は、物体から放射、透過、反射された赤外線エネルギーの総量を視覚的に表したものです。赤外線エネルギーの発生源が複数あるため、この方法では物体の正確な温度を取得することが困難な場合があります。熱画像カメラは、処理アルゴリズムを用いて温度画像を再構成します。カメラは物体の周囲にある複数のデータ源から得たデータを統合して温度を推定するため、画像は物体の温度の概算値を示すことに注意してください。[ 4 ]

この現象は、次の式を考慮するとより明確になるかもしれません。

入射放射パワー = 放射放射パワー + 透過放射パワー + 反射放射パワー;

ここで、入射放射電力は、熱画像カメラを通して見たときの放射電力プロファイルです。一般的に測定対象となるのは放射放射電力です。透過放射電力は、遠隔の熱源から対象物を通過する放射電力です。反射放射電力は、遠隔の熱源から対象物の表面で反射される放射電力の量です。

この現象は、いつでもどこでも発生します。放射パワー × 時間は放射エネルギーに等しいため、これは放射熱交換と呼ばれるプロセスです。しかし、赤外線サーモグラフィの場合、上記の式は、使用中の熱画像カメラのスペクトル波長帯域内の放射パワーを表すために使用されます。この式で説明されている放射熱交換の要件は、電磁スペクトルのあらゆる波長に等しく適用されます。

物体が周囲よりも高い温度で放射している場合、熱力学第二法則に示された原理に従い、温かい方から冷たい方へと放射エネルギーが伝達されます。したがって、サーモグラムに冷たい領域がある場合、その物体は周囲の温かい物体から放射される放射を吸収していることになります。

物体が放射する能力は放射率、放射を吸収する能力は吸収率と呼ばれます。屋外環境では、正確な温度測定を行うために、風による対流冷却も考慮する必要があるかもしれません。

放射率

放射率（または放射率係数）は、物質の光学特性である熱放射の放射能力を表します。物質の放射率は、理論的には0（全く放射しない）から1（完全に放射する）の範囲になります。放射率の低い物質の例としては、放射率係数が0.02の銀が挙げられます。放射率の高い物質の例としては、放射率係数が0.98のアスファルトが挙げられます。

黒体とは、放射率が1で、接触温度に応じた熱放射特性を持つ理論上の物体です。つまり、熱的に均一な黒体放射体の接触温度が50℃（122℉）であれば、 50℃（122℉）の黒体放射特性を持つことになります。通常の物体は、理論上の黒体よりも赤外線放射量が少なくなります。言い換えれば、実際の放射量と理論上の最大放射量の比が物体の放射率です。

それぞれの物質は異なる放射率を持ち、温度や赤外線の波長によって変化します。[ 5 ]例えば、きれいな金属表面の放射率は長波長側で減少します。石英（SiO2）、サファイア（Al2O3）、フッ化カルシウム（CaF2）などの多くの誘電体材料は、長波長側で放射率が増加します。酸化鉄（ Fe2O3 ）などの単純な酸化物は、赤外線スペクトルにおいて比較的平坦な放射率を示します。

測定

人間に抱かれたヘビのサーモグラム

熱画像カメラは、検出された赤外線放射を物体の表面温度の推定値に変換する放射測定処理を行います。これは、放射の放射成分と反射成分、そして大気の影響（大気自身も放射を放出し、測定対象面からの放射を減衰させる）を考慮したサーモグラフィー方程式を適用することで実現されます。放射測定サーモグラフィーカメラ（現在の標準）の場合、出力画像には視覚情報だけでなく、検出された放射を表す放射測定データも含まれており、サーモグラフィー方程式によって提供される計算モデルに基づいて正確な温度評価が可能になります。

熱放射のスペクトルと量は、物体の表面温度に大きく依存します。これにより、物体の温度を熱画像化することが可能になります。しかし、物体の放射率など、他の要因も受信放射に影響を与えるため、この技術の精度は制限されます。

非接触型温度測定では、放射率を適切に設定する必要があります。放射率の低い物体は、検出器が放射された赤外線のみを検出するため、温度が過小評価される可能性があります。迅速な推定のために、サーモグラファーは特定の物体の放射率表を参照し、その値をイメージャーに入力します。入力された放射率とイメージャーが検出した赤外線に基づいて、物体の接触温度が計算されます。

より正確な測定を行うために、サーモグラファーは、既知の高放射率の標準物質を物体の表面に塗布することがあります。標準物質としては、この目的のために特別に製造された工業用放射率スプレーを使用することも、放射率が約0.97の標準的な黒色絶縁テープのようにシンプルなものもあります。その後、この標準放射率を用いて物体の既知の温度を測定することができます。必要に応じて、イメージャーの設定を既知の温度に調整することで、物体の実際の放射率（標準物質で覆われていない物体の部分）を測定できます。ただし、危険な状況やアクセスできない状況のためにこのような放射率テストが不可能な場合があり、サーモグラファーは表に頼らざるを得ません。

測定には、透過媒体（通常は空気）の吸収や周囲温度など、他の変数も影響を与える可能性があります。また、周囲の赤外線が物体に反射されることもあります。これらの設定はすべて、観測対象物体の計算温度に影響を与えます。

カラースケール

赤外線カメラで撮影された画像は、一般的に赤外線の波長を識別できないイメージセンサーを使用しているため、モノクロになる傾向があります。カラーイメージセンサーは波長を区別するために複雑な構造を必要とし、通常の可視スペクトル以外では、異なる波長が人間の色覚システムに均一にマッピングされないため、色はあまり意味を持ちません。

これらの単色画像は、信号の変化を強度の変化ではなく色の変化で表示する擬似カラーで表示されることがあります。この手法は密度スライスと呼ばれ、人間は色全体よりも強度の検出においてはるかに広いダイナミックレンジを持っていますが、明るい領域における微細な強度差を見分ける能力はかなり限られているため、この手法は有用です。

温度測定では、画像の中で最も明るい（最も暖かい）部分を白、中間温度の部分を赤と黄色、最も暗い（最も冷たい）部分を黒で表示するのが一般的です。擬似カラー画像では、色と温度を関連付けるためにスケールを表示する必要があります。

カメラ

中赤外線（「熱」）光で撮影されたポメラニアンの画像（擬似カラー）

サーモグラフィカメラ（赤外線カメラ、サーマルイメージングカメラ、サーマルカメラ、サーマルイメージャーとも呼ばれる）は、赤外線（IR）放射を用いて画像を作成する装置であり、可視光を用いて画像を形成する通常のカメラに似ています。可視光カメラの400～700ナノメートル（nm）の範囲とは異なり、赤外線カメラは約1,000 nm（1 マイクロメートルまたはμm​​）から約14,000 nm（14μm）までの波長に感度があります。赤外線カメラによって得られるデータの取得と分析は、サーモグラフィと呼ばれます。

サーマルカメラは、遠赤外線の波長のエネルギーを可視光に変換します。絶対零度以上の物体はすべて熱赤外線エネルギーを放出するため、サーマルカメラは周囲の光に関わらず、あらゆる物体を受動的に捉えることができます。ただし、ほとんどのサーマルカメラは-50℃（-58℉）を超える物体にしか感度がありません。

赤外線カメラ システムの仕様パラメータには、ピクセル数、フレーム レート、応答性、ノイズ等価電力、ノイズ等価温度差 (NETD)、スペクトル バンド、距離スポット比 (D:S)、最小焦点距離、センサー寿命、最小分解温度差(MRTD)、視野、ダイナミック レンジ、入力電力、質量および体積などがあります。

解像度は光学カメラに比べてかなり低く、160×120ピクセルまたは320×240ピクセル程度ですが、高価な製品では1280×1024ピクセルの解像度を実現できます。サーモグラフィカメラは可視スペクトルカメラよりもはるかに高価ですが、 2014年にはスマートフォン用の低性能なアドオン型サーモグラフィカメラが数百ドルで販売されるようになりました。[ 6 ]

種類

サーモグラフィーカメラは、冷却型赤外線画像検出器を備えたものと非冷却型検出器を備えたものの 2 種類に大別できます。

冷却型赤外線検出器

数匹のトカゲのサーモグラフィー画像
ギリシャの空港ターミナルに設置されたサーモグラフィーカメラとスクリーン。サーモグラフィーは、感染の兆候の一つである発熱を検出できます。

冷却型検出器は通常、真空密閉ケースまたはデュワー瓶に収納され、極低温で冷却されます。使用される半導体材料の動作には冷却が不可欠です。典型的な動作温度は、検出器の技術によって異なりますが、4 K（-269 °C）から室温直下までの範囲です。最新の冷却型検出器のほとんどは、種類と性能レベルに応じて、60 K（ケルビン）から100 K（-213 °Cから-173 °C）の範囲で動作します。[ 7 ]

冷却がなければ、これらのセンサー（一般的なデジタルカメラとほぼ同じ方法で光を検知・変換しますが、異なる素材で作られています）は、自らの放射線によって「盲目」になったり、光があふれたりするでしょう。冷却型赤外線カメラの欠点は、製造コストと運用コストの両方が高いことです。冷却には多くのエネルギーと時間がかかります。

カメラが動作を開始する前に、数分間冷却する必要がある場合があります。最も一般的に使用される冷却システムはペルチェ冷却器です。これは効率が低く冷却能力にも限界がありますが、比較的シンプルでコンパクトです。より高画質の画像を得る場合や低温の物体を撮影する場合は、スターリング冷凍機が必要です。冷却装置は比較的大型で高価ですが、冷却型赤外線カメラは、特に室温付近または室温以下の物体において、非冷却型カメラに比べてはるかに優れた画質を提供します。さらに、冷却型カメラは感度が高いため、 F値の高いレンズを使用でき、冷却型検出器用の高性能な長焦点レンズを小型かつ安価に製造できます。

スターリング冷凍機の代替として、高圧ガス（窒素ガスが一般的）を使用する方法があります。加圧されたガスは微小なオリフィスを通して膨張し、小型熱交換器を通過することでジュール・トムソン効果による再生冷却が実現します。このようなシステムでは、現場での使用において加圧ガスの供給が物流上の懸念事項となります。

冷却型赤外線検出に使用される材料には、インジウムアンチモン（3 ～ 5μm）、インジウムヒ素、水銀カドミウムテルル化物（MCT）（1～2μm、3～5μm、8～12μm）、硫化鉛、セレン化鉛など、幅広いナローギャップ半導体をベースにした光検出器があります。また、量子井戸型赤外線検出器のように、高バンドギャップ半導体構造を用いて赤外線光検出器を構成することもできます。

冷却ボロメータ技術には、超伝導型と非超伝導型のものがあります。超伝導検出器は極めて高い感度を有し、中には個々の光子を検知できるものもあります。例えば、ESAの超伝導カメラ（SCAM）が挙げられます。しかし、科学研究以外では日常的に使用されていません。超伝導トンネル接合デバイスは、その非常に狭いギャップのため、原理的には赤外線センサーとして使用できます。小型アレイの実証は行われていますが、高感度であるため背景放射線からの慎重な遮蔽が必要となるため、広く普及していません。

非冷却型赤外線検出器

非冷却型サーマルカメラは、周囲温度で動作するセンサー、または小型の温度制御素子を用いて周囲温度に近い温度に安定化されたセンサーを使用します。現代の非冷却型検出器はすべて、赤外線による加熱時に抵抗、電圧、または電流が変化することで動作するセンサーを使用しています。これらの変化を測定し、センサーの動作温度における値と比較します。

非冷却型検出器では、センサーピクセルにおける温度差はごくわずかです。撮影シーンで1℃の差が生じても、センサーではわずか0.03℃の差しか生じません。また、ピクセルの応答時間も数十ミリ秒程度とかなり遅いです。

非冷却型赤外線センサーは、画像ノイズを低減するために動作温度まで安定化させることができますが、低温まで冷却する必要がなく、大型で高価、かつエネルギーを消費する極低温冷却器を必要としません。そのため、赤外線カメラは小型化と低コスト化を実現できます。ただし、解像度と画質は冷却型検出器よりも低くなる傾向があります。これは、製造プロセスの違いによるもので、現在利用可能な技術によって制限されています。また、非冷却型サーマルカメラは、自身の熱特性にも対処する必要があります。

非冷却型検出器は、主に焦電体や強誘電体材料、あるいはマイクロボロメータ技術をベースにしています。 [ 8 ]これらの材料は、温度依存性の高い特性を持つピクセルを形成するために使用され、環境から熱的に絶縁され、電子的に読み取られます。

蒸気機関車の熱画像

強誘電体検出器は、センサ材料の相転移温度付近で動作します。ピクセル温度は、温度依存性の強い分極電荷として読み取られます。f /1光学系と320×240センサを備えた強誘電体検出器のNETDは70～80 mKです。センサアセンブリとしては、ポリイミドによる断熱接合でバンプ接合されたチタン酸バリウムストロンチウムが考えられます。

シリコンマイクロボロメータは、20 mKまでNETD（非晶質シリコン）を測定できます。シリコンベースの走査電子回路の上部に位置するシリコン窒化物ブリッジ上に、アモルファスシリコン層、または薄膜のバナジウム(V)酸化物検知素子が吊り下げられています。検知素子の電気抵抗は、フレームごとに1回測定されます。

非冷却焦点面アレイ（UFPA）の現在の改良は、主に感度とピクセル密度の向上に重点が置かれています。2013年、DARPAは1280×720焦点面アレイ（FPA）を搭載した5ミクロンのLWIRカメラを発表しました。[ 9 ]センサーアレイ に使用される材料には、アモルファスシリコン（a-Si）、酸化バナジウム（V）（VOx）、[ 10 ]ランタンバリウムマンガナイト（LBMO）、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）、ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛（PLZT）、タンタル酸スカンジウム鉛（PST）、チタン酸ランタン鉛（PLT）、チタン酸鉛（PT）、ニオブ酸亜鉛鉛（PZN）、チタン酸ストロンチウム鉛（PSrT）、チタン酸バリウムストロンチウム（BST）、チタン酸バリウム（BT）、ヨウ化アンチモン（SbSI）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）などがあります。

CCDおよびCMOSサーモグラフィー

CMOS カメラで測定したくすぶっている残り火の温度の色の等高線。

汎用的な電荷結合素子（CCD）およびCMOSセンサーは、その分光感度の大部分を可視光波長域で有しています。しかし、分光感度の「後端」領域、すなわち近赤外線（NIR）と呼ばれる赤外線スペクトル領域を利用し、市販のCCTVカメラを使用することで、特定の状況下において、約280℃（536°F）以上の物体の真の熱画像を取得することが可能です。[ 11 ]

600℃以上の温度では、CCDやCMOSセンサーを搭載した安価なカメラが可視スペクトルにおける高温測定にも使用されています。これらのカメラは、炎中の煤、燃焼する石炭粒子、加熱された物質、SiCフィラメント、くすぶる残り火などの測定に使用されています。[ 12 ]この高温測定は、外部フィルター、またはセンサーのベイヤーフィルターのみを用いて行われています。また、カラー比、グレースケール、あるいはその両方の組み合わせを用いて行われています。

赤外線フィルム

赤外線（IR）フィルムは250～500℃（482～932℉）の範囲の黒体放射に感度を持ちますが、サーモグラフィーの温度範囲は約-50～2,000℃（-58～3,632℉）です。したがって、IRフィルムをサーモグラフィーとして機能させるには、測定対象物の温度が250℃（482℉）を超えているか、少なくともその温度以上の物体からの赤外線を反射している必要があります。

暗視装置との比較

スターライトタイプの暗視装置は、通常、周囲の光を拡大するだけで、熱画像装置ではありません。

暗視カメラとして販売されている赤外線カメラの中には、可視光線のすぐ外側の近赤外線に感度を持つものがあり、完全な暗闇の中でも放射または反射された近赤外線を捉えることができます。しかし、高い等価黒体温度が必要となるため、サーモグラフィには通常使用されず、代わりにアクティブ近赤外線照明光源と組み合わせて使用​​されます。

パッシブサーモグラフィーとアクティブサーモグラフィー

絶対零度（0  K）を超えるすべての物体は赤外線を放射します。したがって、温度変化を測定する優れた方法は、赤外線検知装置を使用することです。通常は焦点面アレイ（FPA）赤外線カメラが用いられ、中波長（3～5 μm）と長波長（7～14 μm）の赤外線帯域（MWIRとLWIR）の放射を検出できます。これらは、透過率の高い赤外線窓の2つに相当します。物体表面における異常な温度プロファイルは、潜在的な問題の兆候です。[ 13 ]

パッシブサーモグラフィでは、対象物の温度は背景よりも自然に高かったり低かったりします。パッシブサーモグラフィは、現場の人物監視や医療診断（特に熱学）など、多くの用途があります。

アクティブサーモグラフィーでは、対象物と背景の間に熱コントラストを生み出すためのエネルギー源が必要となる。[ 14 ]検査対象物は通常、周囲環境と平衡状態にあるため、多くの場合、アクティブアプローチが必要となる。黒体放射の超直線性を考慮すると、アクティブサーモグラフィーは、画像システムの解像度を回折限界を超えて向上させたり、超解像顕微鏡を実現したりするためにも使用できる。[ 15 ]

利点

サーモグラフィーは画像を表示するため、広い範囲の温度を比較することができます。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]移動しているターゲットをリアルタイムで捉えることができます。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]故障する前に、劣化、つまり高温になっている部品を見つけることができます。他の方法ではアクセスできない場所や危険な場所での測定や観察に使用できます。非破壊検査方法です。シャフト、パイプ、その他の金属またはプラスチック部品の欠陥を見つけるのに使用できます。[ 19 ]暗い場所にある物体を検出するのに使用できます。医療用途もあり、主に理学療法に使用されています。

制限と欠点

高品質のサーモグラフィーカメラは、より大きなピクセルアレイ（最先端の2560×2048 [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]）を必要とするため、高価（多くの場合3,000ドル以上）になることが多いですが、より安価なモデル（40×40ピクセルから最大160×120ピクセルのピクセルアレイ）も提供されています。従来のカメラに比べてピクセル数が少ないため、画質が低下し、同一視野内の近接した対象物の識別が困難になります。

リフレッシュレートにも違いがあります。カメラによっては5～15Hzのリフレッシュレートしかないものもありますが、FLIR X8500sc [ 3 ]のようにフルウィンドウモードではない機種では180Hz以上のリフレッシュレートを実現しているものもあります。

レンズには、固定焦点、マニュアルフォーカス、オートフォーカスなど、様々な種類があります。ほとんどのサーマルカメラはデジタルズームのみに対応しており、真の光学ズーム機能はありません。ただし、FOTRIC P7MiXなど、一部のモデルでは、異なる視野角（例：25°と12°、または25°と7°）のレンズを組み合わせたデュアルビュー光学ズーム機能を備えています。

多くのモデルは出力画像を構築するために使用される放射照度測定値を提供しません。放射率、距離、周囲温度、相対湿度の正しい較正なしにこの情報が失われると、結果として得られる画像は本質的に温度の測定値が不正確になります。[ 23 ]

特定の物体、特に温度が不安定な物体を画像に映し出すと、画像を正確に解釈することが困難になることがあるが、この問題はアクティブサーマルイメージングでは軽減される。[ 24 ]

サーモグラフィーカメラは、受ける放射熱エネルギーに基づいて熱画像を作成します。[ 25 ] 放射レベルは、測定対象の表面からの太陽光などの放射率と反射によって影響を受けるため、測定に誤差が生じます。[ 26 ]

  • ほとんどのカメラの温度測定精度は±2%以下であり、接触式ほど正確ではありません。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
  • 方法と機器は表面温度を直接検出することに限られます。

アプリケーション

芝生の競技場の上または下の特徴を明らかにする凧による航空サーモグラム。
スイスの太陽光パネルアレイのUAS熱画像
ワオキツネザルのサーモグラフィー画像

サーモグラフィは様々な用途があり、特に熱画像カメラは産業や商業における電気・機械システムの保守に優れたツールです。例えば、消防士は煙を透視し、人を発見し、火災現場の位置を特定するためにサーモグラフィを使用します。電力線の保守技術者は、過熱した接合部や部品（故障の兆候）を特定し、潜在的な危険を排除します。断熱材に不具合が生じた場合、建築技術者は熱漏れを発見し、冷暖房の効率を向上させることができます。

適切なカメラ設定を使用することで、電気系統をスキャンし、問題を発見することができます。蒸気暖房システムのスチームトラップの故障も簡単に発見できます。

エネルギー節約の分野では、熱画像カメラは物体の有効放射温度と、その物体が放射する方向を確認することができ、熱漏れや過熱領域の発生源を特定するのに役立ちます。

WISEの熱画像カメラを用いて宇宙から観測された小惑星2010 AB78は、その光の大部分を長波長の赤外線で放射するため、背景の星々よりも赤く見えます。可視光と近赤外線では非常に暗く、観測が困難です。

冷却型赤外線カメラは、赤外線望遠鏡ではない主要な天文学研究用望遠鏡にも搭載されています。例としては、 UKIRT、スピッツァー宇宙望遠鏡、WISE、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などがあります[ 27 ]。

自動車の夜間視界用として、一部の高級車には運転手の補助として熱画像カメラも搭載されており、最初のものは 2000 年のキャデラック デビルです。

スマートフォンでは、サーマルカメラは2016年にCat S60に初めて搭載されました。

業界

製造、エンジニアリング、研究において、サーモグラフィーは次のような用途に使用できます。

建物検査では、サーモグラフィーは次のような用途に使用できます。[ 29 ]

健康

ヒトやその他の温血動物における一部の生理活動、特に発熱などの反応は、非接触型サーモグラフィーでモニタリングすることも可能です。これは、従来の体温計を用いた 接触型サーモグラフィーと比較することができます。

ヘルスケア関連の用途には以下が含まれます。

安全保障と防衛

ドイツ連邦警察のユーロコプターEC135ヘリコプターに搭載されたサーモグラフィーカメラ
AR-15ライフルに取り付けられたAN/PAS-13サーマルライフルスコープ

サーモグラフィーは監視、セキュリティ、消防、法執行、テロ対策などでよく使用されています。[ 38 ]

兵器システムでは、サーモグラフィーは軍隊や警察の標的検出と捕捉に使用できます。

コンピュータハッキングにおいて、サーマル攻撃とは、タッチスクリーンやキーボードなどのインターフェースを操作した後に残る熱の痕跡を利用して、ユーザーの入力内容を明らかにする手法である。[ 40 ]

その他のアプリケーション

蹄が熱いのは牛が病気であることを示します。

これらの技術が使用される他の分野:

標準

ASTMインターナショナル（ASTM）
  • ASTM C1060、 フレーム建物の外皮空洞における断熱材のサーモグラフィー検査の標準実施方法
  • ASTM C1153、 赤外線画像を用いた屋根システムの湿潤断熱材の位置特定に関する標準規格
  • ATSM D4788、 赤外線サーモグラフィーを用いた橋梁床版の剥離検出のための標準試験方法
  • ASTM E1186、 建物外壁およびエアバリアシステムにおける空気漏れ箇所検出の標準規格
  • ASTM E1934、 赤外線サーモグラフィーによる電気・機械機器の検査に関する標準ガイド
国際標準化機構（ISO）
  • ISO 6781、断熱材 - 建物外皮における熱的不規則性の定性的検出 - 赤外線法
  • ISO 18434-1、機械の状態監視および診断 – サーモグラフィー – パート1：一般手順
  • ISO 18436-7、機械の状態監視および診断 - 要員の資格および評価に関する要求事項 - パート7：サーモグラフィー

規制

高級サーモグラフィカメラは、軍用・軍需品グレードの機器とみなされることが多く、特に解像度が640×480以上の場合、リフレッシュレートが9Hz以下の場合を除き、輸出が制限されています。米国からの特定のサーモグラフィカメラの輸出は、国際武器取引規則（ITAR）によって規制されています。

生物学では

サーモグラフィーは厳密には機器を用いた測定ですが、一部の生物はボロメータに相当する器官を備えており、いわば大まかな熱画像化能力を持っています。これは熱受容と呼ばれています。最もよく知られている例の一つは、ヘビの赤外線感知です。

歴史

赤外線の発見と研究

赤外線は、1800年にウィリアム・ハーシェル卿によって赤色光を超える放射線として発見されました。[ 46 ]これらの「赤外線」（infraはラテン語の接頭辞で「下」を意味します）は、主に熱測定に使用されました。[ 47 ]赤外線には、キルヒホッフの熱放射の法則、シュテファン・ボルツマンの法則、プランクの法則、ウィーンの変位法則という4つの基本法則があります。検出器の開発は、第一次世界大戦まで主に温度計とボロメータの使用に集中していました。検出器の開発における重要な一歩は、1829年にレオポルド・ノビリがゼーベック効果を利用して、最初の熱電対を作成し、改良された温度計である原始的なサーモパイルを製作したときに起こりました。彼はこの機器についてマケドニオ・メローニに説明しました。当初、彼らは共同で大幅に改良された機器を開発しました。その後、メローニは単独で研究を進め、1833年に10メートル離れた人物を検知できる機器（多素子サーモパイル）を開発した。 [ 48 ]検出器改良における次の重要なステップは、1880年にサミュエル・ピアポント・ラングレーが発明したボロメータであった。[ 49 ]ラングレーと助手のチャールズ・グリーリー・アボットはこの機器の改良を続けた。1901年までに、この機器は400メートル離れた牛からの放射線を検知できるようになり、摂氏10万分の1（0.00001℃）の温度差を検知できるようになった。[ 50 ] [ 51 ]最初の商用サーモグラフィーカメラは1965年に高圧送電線の検査用に販売された。

IR技術が民間に初めて応用されたのは、鏡とサーモパイルを使って氷山や蒸気船の存在を検知する装置で、1913年に特許を取得しました。[ 52 ]この技術はすぐに、サーモパイルを使わない、1914年にRDパーカーが特許を取得した、最初の高精度IR氷山検知装置に追い抜かれました。[ 53 ]その後、1934年にGAバーカーがIRシステムを使って森林火災を検知する提案をしました。[ 54 ]この技術が本格的に産業化されたのは、1935年に高温の鋼板の加熱均一性を分析するために使用されるまででした。[ 55 ]

最初のサーモグラフィーカメラ

1929年、ハンガリーの物理学者カルマン・ティハニは、イギリスの対空防衛用に赤外線感度（暗視）電子テレビカメラを発明しました[ 56 ] 。アメリカで最初に開発されたサーモグラフィーカメラは、赤外線ラインスキャナでした。これは1947年に米軍とテキサス・インスツルメンツ社によって開発され[ 57 ]、1枚の画像を生成するのに1時間かかりました。この技術の速度と精度を向上させるために様々なアプローチが検討されましたが、最も重要な要素の一つは画像のスキャンであり、AGA社は冷却光伝導体を用いてこれを商品化しました[ 58 ] 。

英国初の赤外線ラインスキャンシステムは、1950年代半ばのイエロー・ダックリングでした[ 59 ] 。これは連続回転する鏡と検出器を使用し、母艦機の動きをY軸スキャンで捉えるものでした。航跡探知による潜水艦追跡という当初の目的は達成されませんでしたが、陸上監視に応用され、軍用赤外線ラインスキャンの基礎となりました。

この研究は、英国の王立信号レーダー研究所で、水銀カドミウムテルル化物が冷却の必要性がはるかに少ない光伝導体であることを発見したことで、さらに発展しました。米国のハネウェル社も、より低温で冷却可能な検出器アレイを開発しましたが、走査は機械的でした。この方法にはいくつかの欠点がありましたが、電子走査システムを使用することで克服できました。1969年、英国のイングリッシュ・エレクトリック・バルブ社のマイケル・フランシス・トンプセットは、焦電走査方式のカメラの特許を取得し、1970年代にはいくつかのブレークスルーを経て、高い性能を達成しました。[ 60 ]トンプセットはまた、固体熱画像アレイのアイデアも提案し、これは最終的に現代のハイブリッド型単結晶スライス画像装置につながりました。[ 58 ]

ビジコンなどのビデオカメラ管に、トリグリシン硫酸塩（TGS）などの焦電材料をターゲットとして用いることで、赤外線スペクトルの広い範囲に感度を持つビジコンを実現できる[ 61 ]。この技術は現代のマイクロボロメータ技術の先駆けであり、主に消防用サーマルカメラに用いられた[ 62 ] 。

スマートセンサー

セキュリティシステム開発の重要な分野の一つは、信号をインテリジェントに評価し、脅威の存在を警告する能力でした。米国戦略防衛構想（SDI）の推進の下、「スマートセンサー」が登場し始めました。これらは、センシング、信号抽出、処理、そして理解を統合できるセンサーです。[ 63 ]スマートセンサーには主に2つのタイプがあります。1つは、可視光域で使用される「ビジョンチップ」に似たもので、集積マイクロ回路の発達により、スマートセンシング技術を用いた前処理を可能にします。[ 64 ]もう1つの技術は、より特定の用途に特化しており、設計と構造によって前処理の目的を達成します。[ 65 ]

1990年代末にかけて、赤外線の利用は民生用途へと移行していった。非冷却アレイのコストは劇的に低下し、開発の大幅な増加と相まって、民生と軍事の両方の用途を網羅するデュアルユース市場が形成された。 [ 66 ]これらの用途には、環境制御、建築物／芸術品の分析、機能的医療診断、車両誘導および衝突回避システムなどが含まれる。[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]

参照

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