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ロックイン・サーモグラフィによる測定事例

ロックイン・サーモグラフィによる測定事例


軍事技術をベースに開発が進む赤外線カメラは、高解像度化、高速化、短い時間での画像の取り込みが進み、破断試験やクラッシュ試験で破壊の起点となる瞬時の小さな温度変化の撮影が可能となってきている。ここでは最新の赤外線カメラの紹介と、高速撮影の測定事例、繰り返し掛かる微小な温度変動を測定できるロックイン・サーモグラフィによる測定事例を紹介する。


1 赤外線カメラ

可視光で見える映像とは異なり、赤外線は被測定物自体が発する赤外線を赤外線検知素子で受け、電気信号に変換されたものが画像化される。代表的に使用されている赤外線検知素子としては、短い波長からInGaAs、HgCdTe(MCT)、InSb、PtSi、QWIP、マイクロボロメータがある。単素子の第一次世代から、ラインセンサの第二次世代、現在の主流は2次元のフォーカル・プレーンアレイとなっている。

赤外線検知素子は冷却を必要としない非冷却型(InGaAs、マイクロボロメータ)と、素子の熱雑音を低減させる冷却型があり、冷却型は液化窒素やアルゴンガスによる冷却から、ステアリングクーラー電子冷却器に移行が進んでいる。非冷却型の温度分解能(NETD)は0.05℃程度、冷却型では0.02℃程度となっている。

赤外線カメラ (図1) からの画像出力を高速で処理できるようになり、非冷却型で60Hz程度、冷却型では320×256画素の大きさで、300〜400Hz、8×64画素では20,000Hz程度の高速撮影が可能となっている。
320×256画素に対して640×512画素の解像度の高いカメラが市販されており、次世代モデルとして1,280×1,024画素の赤外線カメラや赤外線検知素子が製作されている。高解像度は、望遠レンズを使用して遠方の物体の認識性の向上や、マクロレンズを使用して微細組織の観察に有効である。

赤外線カメラと併せて、ロックイン方式 (図2) とよばれる任意に設定した一定間隔のフレームレートに基づいて赤外線画像の取り込みと演算を連続的に実施し、刻々と変化する温度変化量から平均化した画像を作成することが可能である。2,000枚の画像を20秒で積算すると、温度分解能は0.001℃以上となる。ここではこれらの赤外線カメラを使用した、最新の測定事例について述べる。


図1 赤外線カメラ
図1 赤外線カメラ
  
図2 ロックイン方式の概要
図2 ロックイン方式の概要



2 高速撮影

図3にエアバッグの展開時の赤外線画像を示す。通常は高速のCCDカメラによって展開時の挙動の評価が行われるが、赤外線カメラを使用することで、温度分布やガスの流れを可視化することができる。

図3 エアバックの展開
図3 エアバックの展開

この画像では160×120画素で900Hzのフレームレートで撮影を行った。
高速化の上限としては、カメラの取り込み時間の制約がある。どんなにPCや通信技術の向上により画像転送速度が速くなっても、カメラの取り込み時間以上の高速撮影はできないからである。従来のITRモード(Integration and Readout、画像を取り込んだ後にデータを出力)に対して、IWRモード(Integration while Readout、画像の取り込み中に前の画像のデータ出力)が使用できることで、高速撮影が可能となった。

中波長赤外線(観測波長域3〜5μm)では常温での撮影の場合、数msの取り込み時間を要するので、取り込み時間が長いため高速で移動する被測定物の撮影には向かない。長波長赤外線(観測波長域7〜12μm)では数十〜百μsの取り込み時間で済むため、高速移動する被測定物の撮影に有効である。長波長赤外線カメラの測定事例として、高速で回転するタイヤの表面温度測定 (図4) と、プラズマ溶射のノズルの測定事例 (図5) を示す。

図4 高速で回転するタイヤの赤外線画像 図5 プラズマ溶射のノズル画像
図4 高速で回転するタイヤの赤外線画像図5 プラズマ溶射のノズル画像


3 高解像度赤外線カメラ

赤外線カメラの画素数は64×64、128×128、160×120画素(マイクロボロメータ)、320×240画素(マイクロボロメータ、InSb、MCT、QWIP)、640×480画素(マイクロボロメータ、InSb、QWIP)、801×512画素(PtSi)が主流となっている。すでに軍事用では2k×2kの画素数以上のカメラもあるが、次世代モデルとして1,240×1,024画素の赤外線カメラや赤外線検知素子が紹介されている。画素の高密度化と併せて、1画素あたりの素子の大きさが小さくなってきており、小さな画素で十分な赤外線エネルギーを確保するためには、長い取り込み時間が必要となる。このため、高解像度と高速化は相反するファクタとなっている。

640×512画素のカメラを使用して、図6に望遠レンズを装着した屋外撮影画像と、図7にマクロレンズを使用した半導体の測定画像を示す。640×512画素のカメラで3倍のマクロレンズを使用すると、1画素あたり5×5μmの解像度となる。
図6 望遠レンズを使用した640×512画像の画像 図7 マクロレンズを使用した640×512画素の画像
図6 望遠レンズを使用した640×512画像の画像図7 マクロレンズを使用した640×512画素の画像



4 ロックイン方式を使用した測定

赤外線カメラの温度分解能を向上させるためにロックイン方式により、繰り返し掛かる微細な温度変動量を測定する手法がある。代表的なものとしては、疲労耐久試験における応力測定があり図8に自動車ハブ、図9に自動車足回り部品の赤外線応力測定画像を示す。図10に複合材に繰り返し掛かる温度変動分の画像を示す。

ロックイン方式による非破壊検査の測定事例として、図11にソーラパネルの赤外線温度画像を、図12にソーラパネルに一定間隔で電圧を掛けた際に、ソーラパネル内のクラックによって発生する温度変化の画像を示す。

図8 自動車ハブの赤外線応力測定画像
図8 自動車ハブの赤外線応力測定画像

図9 自動車部品の赤外線応力測定画像図10 複合材の赤外線応力測定画像
図9 自動車部品の赤外線応力測定画像図10 複合材の赤外線応力測定画像

図11 ソーラパネルの赤外線温度画像図12 ソーラパネルのロックインによる温度差画像
図11 ソーラパネルの赤外線温度画像図12 ソーラパネルのロックインによる温度差画像

図13 人体表面の赤外線温度画像図14 ロックイン方式による人体表面の赤外線温度差
図13 人体表面の赤外線温度画像図14 ロックイン方式による人体表面の赤外線温度差



5 さいごに

最新の赤外線カメラは、赤外線検知素子の感度向上とノイズの低減化技術により短時間に多くの画像が演算処理され、高速撮影が可能になっている。このカメラを使用することで、赤外線カメラで難しいと思われていた、破壊や瞬間的な温度変化の撮影が可能となり、分解能の高いカメラが多くのアプリケーションに適応することを意味する。


参考文献

1)Pierre Bremond and Pierre Potet, Cedip Infrared Systems-France:“Lock-In Thermography:A tool to analyze and locate thermo-mechanical mechanisms in materials and structure.”, Thermosense XXIII(April 2001)
2)矢尾板 達也:“新しい疲労限界箇所の特定方法”, 日本機械学会関西支部第249回講習会(2001.7.11)
3)矢尾板 達也:“赤外線カメラによる応力画像評価および散逸エネルギー画像による疲労限界点予測”, 第33回応力・ひずみ測定強度シンポジウム(2002.1.26)
4)矢尾板 達也:“赤外線応力測定の最新動向”, 日本非破壊検査協会, 赤外線サーモグラフィによる非破壊評価特別委員会(2003.6.27)
5)矢尾板 達也:“赤外線カメラによる応力測定と疲労限界点の予測測定”, 自動車技術会, 2003年秋季大会(2003.9.19)
6)矢尾板 達也, 矢ケ崎文男:“赤外線応力測定におけるランダム位置補正ソフトの開発”, 日本非破壊検査協会, 2007年秋季大会(2007.10.25)
7)矢尾板 達也, 矢ケ崎 文男, Pierre Bremond:“赤外線カメラと赤外線応力測定の事例”, Car Testing 2008(2008.3.11)生体観測の事例として、心臓の鼓動に応じた体表面の温度変化画像を測定することが可能となる。ここでは、心拍数72回(1.2Hz)として、ロックイン方式で心拍数に見合った赤外線温度差の画像を撮影した。すなわち心臓の鼓動により供給される血液による温度上昇と、温度低下の温度差を画像化している。図13に人体表面の赤外線温度画像、図 14にロックイン方式による赤外線温度差画像を示す。



☆株式会社ケン・オートメーション
TEL.045-290-0432 FAX.045-321-6590
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出典:映像情報インダストリアル2008年9月号
特集:サーモカメラで温度測定では、赤外線カメラをラインナップ。非接触で温度計測できるだけではなく、熱の分布や移動を画像で視覚的に見ることができるサーモグラフィの最新技術を紹介します。取材:LUT(ルックアップテーブル)について考えるは、Mavicでの検索用語で圧倒的に多い“LUT”について専門家に解説をお願いしました。企業impressionは、明暗差の極端なものでも最適なコントラストで画像を取得するワイドダイナミックレンジカメラをラインナップ。