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赤外線光学とは？赤外線光学入門

著者：Yana Abiso ? 製品エンジニア
編集者：Bryan Ng ? マーケティング マネージャー
編集者：Preethi ? テクニカル サポート エンジニア
編集者：Ng Ci Xuan ? R&D インターン
公開日：2020 年 6 月 22 日
最終更新日：2024 年 6 月 21 日



1. 赤外線光学とは？

　　　　図 1: 赤外線光学の波長スペクトル


赤外は、近赤外線 (NIR)、短波赤外線 (SWIR)、中波赤外線 (MWIR)、または長波赤外線 (LWIR) スペクトルの光を収集、集光、またはコリメートするために使用されます。赤外線スペクトルは 700 〜 16000nm の波長に該当し、それぞれのスペクトルの範囲は次のとおりです:
　? NIR 700 〜 900nm
　? SWIR 900 〜 2300nm
　? MWIR 3000 〜 5000nm
　? LWIR 8000 〜 14000nm

2. 短波赤外線 (SWIR)

　　　　　　　SWIR レンズ

SWIR システムは、0.9μm 〜 3μm のスペクトル範囲をカバーします。光学材料は可視光と赤外線を透過する必要があり、太陽、月、星などの光源を必要としません。
選別のための分光法、水分検出、熱画像 (ガラスやプラスチックの物体に使用)、画像化 (暗視や画像化レーザー) など、さまざまな用途で利用されています。


3. 中波長赤外線 (MWIR)

　　　　　　　MWIR レンズ

MWIR システムは 3 〜 5μm のスペクトル範囲をカバーし、通常は冷却システムです。そのため、ほとんどのターゲット範囲で LWIR システムに比べて湿度の影響を受けにくく、沿岸監視、船舶交通監視、港湾保護などの用途に適しています。
主な目的は、温度測定や移動性に重点を置くのではなく、高品質の画像を取得することです。
以下の画像を見ると、MWIR 画像の方が LWIR 画像よりも鮮明で、熱コントラストが高いことがわかります。

　 　

　　　　　　　　　図 2: MWIR 画像　　　　　　　　　　　　　　　　図 3: LWIR 画像


4. 長波赤外線 (LWIR)

　　　　　　　LWIR レンズ

図 4: 大量温度スクリーニング

LWIR システムは 7 〜 14μm のスペクトル範囲で動作します。ただし、ほとんどの LWIR カメラは 8 〜 12μm を効果的にカバーします。
LWIR システムは、物体から放出される熱シグネチャを検出し、画像を形成するために照明を必要としないため、一般に「サーマル イメージング」と呼ばれています。
そうです、当社の LWIR レンズ製品群は、COVID-19 パンデミックの際にも重要な役割を果たします。
LWIR システムのサーマル イメージング機能により、セキュリティ、監視、科学、産業のアプリケーションの増加に伴い、魅力的な主要コンポーネントとなっています。

　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　図5: 熱画像モニタリング


　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　図6: 熱画像モニタリング


　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　図7: 熱画像モニタリング


5. 機能の分類

　　Wavelength Opto-Electronic 赤外線レンズ


一般的に、赤外線光学系は波長スペクトルの観点から SWIR、MWIR、LWIR に分類されます。ただし、機能に応じて設計されている方法によってサブカテゴリに分類されることもあります。たとえば、次のようになります。


6. 赤外線光学系の仕様

型名 波長
（um)		 焦点距離
（mm）		 フォーカス
タイプ		 F＃ BWD
（mm）		 マウント ディテクター
Infra-SW2003.0-21 0.9 ? 1.7 200 マニュアル 3.0 12.5 C-マウント 1280 x 1024, 10μm
Infra-SW122.5-15 1.5 ? 5.0 12 マニュアル 2.5 33.1 バイヨネット 640 x 512, 15μm
Infra-SW252.5-15 1.5 ? 5.0 25 マニュアル 2.5 33.1 バイヨネット 640 x 512, 15μm
Infra-SW253.0-17 1.5 ? 5.0 25 マニュアル 3.0 33.1 バイヨネット 1024 x 768, 17μm
Infra-SW502.5-15 1.5 ? 5.0 50 マニュアル 2.5 33.1 バイヨネット 640 x 512, 15μm
Infra-SW502.3-17 1.5 ? 5.0 50 マニュアル 2.3 39.4 バイヨネット 1024 x 768, 17μm
Infra-SW1002.3-17 1.5 ? 5.0 100 マニュアル 2.3 33.1 バイヨネット 1024 x 768, 17μm
Infra-SW1002.5-15 1.5 ? 5.0 100 マニュアル 2.5 33.1 バイヨネット 640 x 512, 15μm
Infra-SW2002.5-15 1.5 ? 5.0 200 マニュアル 2.5 33.1 バイヨネット 640 x 512, 15μm
Infra-SW252.5-30 0.9 ? 2.5 25 マニュアル 2.5 13.5 C-マウント 320 x 256, 30μm

よりわかりやすくするために、上記の SWIR レンズ表とその仕様を掲載しました。業界で一般的に使用されている赤外線光学仕様は次のとおりです

どのレンズを組み合わせるかを決める前に、赤外線検出器またはセンサーの仕様を理解する必要があることに注意してください。


7. 赤外線検出器またはセンサーとは何ですか?

赤外線検出器/センサーは、放射エネルギーの変換器であり、赤外線帯域の放射エネルギーを測定可能な形式に変換します。
前述の赤外線スペクトルに適合する応答曲線を持つ検出器材料は多数あります。
皆さんもよくご存知の解像度とピクセル サイズを見てみましょう:

赤外線検出器は、波長に依存しない熱型と、波長に依存する量子型に分類されます。


7.1 熱/非量子型

熱/非量子型は、入射する放射線に応じて温度が変化する検出器/センサーです。
温度変化により、サーモパイルの電圧変化とボロメータの抵抗変化が生じ、これを測定して入射放射線の量と関連付けることができます。
これには、熱電対、サーモパイル、ボロメータ、焦電検出器が含まれます。熱検出器の最も魅力的な特性の 1 つは、すべての波長に対して同等の応答を示すことです。
これは、広い温度範囲で動作する必要があるシステムの安定性に貢献します。もう 1 つの重要な要素は、熱検出器は冷却を必要としないことです。
最も一般的な熱/非量子型検出器は、VOX マイクロボロメータです。


7.2 量子型

量子型は、固有の光電効果に基づいて動作し、衝突する光子と直接相互作用する検出器/センサーです。
これらの材料は、材料の電子をより高いエネルギー状態に上げる光子を吸収することで赤外線に反応し、伝導率、電圧、または電流の変化を引き起こします。
赤外線検出の効率/感度を高めるには、極低温まで冷却する必要があります。冷却方法には、スターリングサイクルエンジン、液体窒素、熱電冷却などがあります。
冷却された熱画像カメラは、シーンの温度の小さな違いに最も敏感です。
量子検出器の材料には、InSb、InGaAs、PbS、PbSe、HgCdTe (MCT) などがあります。


8. 結論

要約すると、赤外線光学アプリケーションは、700〜16000nm の波長の NIR から LWIR スペクトルで使用されます。
また、アサーマル レンズ、ズーム レンズ、デュアル FOV レンズ、デュアル バンド レンズなどの機能によっても分類されます。赤外線光学とその検出器の種類の基礎がわかったところで、当社の赤外線レンズの全製品ラインナップをチェックしてみませんか?