環境リスクや安全上の危険をもたらす可能性のある、無色無臭のガス漏れを「見る」ことができると想像してみてください。光学ガスイメージング（OGI）技術は、目に見えないガスの排出を可視化することで、これを可能にします。これは、科学的原理に基づいた高度なエンジニアリングソリューションであり、産業安全と環境保護に不可欠なツールとなりつつあります。
OGIカメラは、本質的に、赤外線または熱画像カメラの高度に特殊化されたバージョンです。その基本コンポーネントには、レンズ、検出器、信号処理電子機器、および画像表示用のビューファインダーまたはスクリーンが含まれます。従来の赤外線カメラとの違いは、特定のガス吸収波長に感度を持つ量子検出器を使用し、ガス漏れを「捕捉」できる独自の光学フィルタリング技術と組み合わせていることです。
OGIカメラは、通常70ケルビン（-203℃）程度の極低温で動作する必要がある量子検出器を採用しています。この要件は、基本的な物理学に由来します。室温では、検出器材料中の電子は伝導帯にジャンプするのに十分なエネルギーを持っているため、材料は導電性になります。極低温に冷却すると、電子はこの移動性を失い、材料は非導電性になります。この状態で、特定のエネルギーの光子が検出器に当たると、価電子帯から伝導帯に電子が励起され、入射放射強度に比例した光電流が生成されます。
ターゲットガスに応じて、OGIカメラは通常、次の2種類の量子検出器を使用します。
光子エネルギーは、電子遷移をトリガーするために、検出器材料のバンドギャップエネルギー（ΔE）を超える必要があります。光子エネルギーは波長と反比例するため、短波/中間波赤外線検出器は長波検出器よりも高いエネルギーを必要とします。これは、後者がより低い動作温度を必要とする理由を説明しています。
必要な極低温環境を維持するために、ほとんどのOGIカメラはスターリングクーラーを利用しています。これらのデバイスは、スターリングサイクルを使用して、冷端（検出器）から熱端に熱を移動させて放散します。効率はそれほど高くありませんが、スターリングクーラーは赤外線カメラ検出器の冷却要件を適切に満たしています。
焦点面アレイ（FPA）の各検出器は、ゲインとオフセットにわずかなばらつきがあるため、画像には校正と均一性補正が必要です。このマルチステップ校正プロセスは、カメラソフトウェアによって自動的に実行され、高品質の熱画像出力を保証します。
OGIカメラのガス特異的検出の鍵は、そのスペクトルフィルタリングアプローチにあります。検出器の前面（および放射交換を防ぐために一緒に冷却）に設置された狭帯域フィルタは、特定の波長の放射線のみを通過させ、非常に狭い透過帯域を作成します。これはスペクトル適応と呼ばれる技術です。
ほとんどのガス状化合物は、波長依存の赤外線吸収を示します。たとえば、プロパンとメタンは、特定の波長で明確な吸収ピークを示します。OGIカメラのフィルタは、ターゲットガスによって吸収される赤外線エネルギーの検出を最大化するために、これらの吸収ピークに合わせられます。
たとえば、ほとんどの炭化水素は3.3マイクロメートル付近でエネルギーを吸収するため、この波長を中心とするフィルタは複数のガスを検出できます。エチレンなどの一部の化合物は複数の強い吸収帯を特徴とし、長波センサーは検出において中間波の代替品よりも感度が高いことがよくあります。
ターゲットガスが強い吸収ピーク（または透過谷）を示す波長内でのみカメラの動作を許可するフィルタを選択することにより、この技術はガスの可視性を高めます。ガスは、これらのスペクトル領域でより多くのバックグラウンド放射線を効果的に「ブロック」します。
機械的な観点から見ると、ガス分子はバネで接続された球に似ています。原子数、サイズ、質量、および「バネ」の弾性に基づいて、分子は特定の方向に並進、軸に沿って振動、回転、ねじれ、伸縮、またはぐらつくことができます。
ヘリウムのような単純な単原子分子は、並進運動のみを示します。ホモ核二原子分子（例：水素、窒素）は回転運動を追加します。複雑な多原子分子（例：二酸化炭素、メタン）は、より大きな機械的自由度を持ち、熱を効率的に吸収および放出する複数の回転および振動遷移を可能にします。これらの遷移の一部は、OGIカメラで検出可能な赤外線スペクトル内にあります。
| 遷移タイプ | 周波数 | スペクトル範囲 |
|---|---|---|
| 重い分子の回転 | 109 から 1011 Hz | マイクロ波（>3mm） |
| 軽い分子の回転/重い分子の振動 | 1011 から 1013 Hz | 遠赤外線（30μm〜3mm） |
| 軽い分子の振動 | 1013 から 1014 Hz | 赤外線（3μm〜30μm） |
| 電子遷移 | 1014 から 1016 Hz | 紫外線-可視光線 |
分子光子吸収が発生するには、分子が、入射光子の周波数で短時間振動できる双極子モーメントを持っている必要があります。この量子力学的相互作用により、光子の電磁エネルギーを分子に転送できます。
OGIカメラは、特定の分子の赤外線吸収特性を利用して、自然環境でそれらを可視化します。カメラのFPAと光学系は、非常に狭いスペクトル帯域（数百ナノメートル）内で動作するように特別に調整されており、優れた選択性を提供します。フィルタで定義された赤外線領域内で吸収するガスのみが検出可能になります。
漏れのないシーンをイメージングする場合、背景オブジェクトはカメラのレンズとフィルタを通して赤外線放射線を放射および反射します。フィルタは特定の波長のみを検出器に透過させ、補償されていない放射強度画像を作成します。カメラと背景の間にガス雲が存在し、フィルタのパスバンド内で放射線を吸収する場合、雲を通過する放射線は検出器に到達する量が少なくなります。
雲の可視性には、雲と背景の間に十分な放射コントラストが存在する必要があります。本質的に、雲から出射する放射線は、雲に入射する放射線とは異なる必要があります。雲からの分子放射線の反射は無視できるため、重要な要素は、雲と背景の間の見かけの温度差になります。
光学ガスイメージング技術は、目に見えないガス漏れを可視化することにより、産業安全と環境保護に大きく貢献し、事故の防止、排出量の削減、よりクリーンで安全な環境の創出に役立ちます。
環境リスクや安全上の危険をもたらす可能性のある、無色無臭のガス漏れを「見る」ことができると想像してみてください。光学ガスイメージング（OGI）技術は、目に見えないガスの排出を可視化することで、これを可能にします。これは、科学的原理に基づいた高度なエンジニアリングソリューションであり、産業安全と環境保護に不可欠なツールとなりつつあります。
OGIカメラは、本質的に、赤外線または熱画像カメラの高度に特殊化されたバージョンです。その基本コンポーネントには、レンズ、検出器、信号処理電子機器、および画像表示用のビューファインダーまたはスクリーンが含まれます。従来の赤外線カメラとの違いは、特定のガス吸収波長に感度を持つ量子検出器を使用し、ガス漏れを「捕捉」できる独自の光学フィルタリング技術と組み合わせていることです。
OGIカメラは、通常70ケルビン（-203℃）程度の極低温で動作する必要がある量子検出器を採用しています。この要件は、基本的な物理学に由来します。室温では、検出器材料中の電子は伝導帯にジャンプするのに十分なエネルギーを持っているため、材料は導電性になります。極低温に冷却すると、電子はこの移動性を失い、材料は非導電性になります。この状態で、特定のエネルギーの光子が検出器に当たると、価電子帯から伝導帯に電子が励起され、入射放射強度に比例した光電流が生成されます。
ターゲットガスに応じて、OGIカメラは通常、次の2種類の量子検出器を使用します。
光子エネルギーは、電子遷移をトリガーするために、検出器材料のバンドギャップエネルギー（ΔE）を超える必要があります。光子エネルギーは波長と反比例するため、短波/中間波赤外線検出器は長波検出器よりも高いエネルギーを必要とします。これは、後者がより低い動作温度を必要とする理由を説明しています。
必要な極低温環境を維持するために、ほとんどのOGIカメラはスターリングクーラーを利用しています。これらのデバイスは、スターリングサイクルを使用して、冷端（検出器）から熱端に熱を移動させて放散します。効率はそれほど高くありませんが、スターリングクーラーは赤外線カメラ検出器の冷却要件を適切に満たしています。
焦点面アレイ（FPA）の各検出器は、ゲインとオフセットにわずかなばらつきがあるため、画像には校正と均一性補正が必要です。このマルチステップ校正プロセスは、カメラソフトウェアによって自動的に実行され、高品質の熱画像出力を保証します。
OGIカメラのガス特異的検出の鍵は、そのスペクトルフィルタリングアプローチにあります。検出器の前面（および放射交換を防ぐために一緒に冷却）に設置された狭帯域フィルタは、特定の波長の放射線のみを通過させ、非常に狭い透過帯域を作成します。これはスペクトル適応と呼ばれる技術です。
ほとんどのガス状化合物は、波長依存の赤外線吸収を示します。たとえば、プロパンとメタンは、特定の波長で明確な吸収ピークを示します。OGIカメラのフィルタは、ターゲットガスによって吸収される赤外線エネルギーの検出を最大化するために、これらの吸収ピークに合わせられます。
たとえば、ほとんどの炭化水素は3.3マイクロメートル付近でエネルギーを吸収するため、この波長を中心とするフィルタは複数のガスを検出できます。エチレンなどの一部の化合物は複数の強い吸収帯を特徴とし、長波センサーは検出において中間波の代替品よりも感度が高いことがよくあります。
ターゲットガスが強い吸収ピーク（または透過谷）を示す波長内でのみカメラの動作を許可するフィルタを選択することにより、この技術はガスの可視性を高めます。ガスは、これらのスペクトル領域でより多くのバックグラウンド放射線を効果的に「ブロック」します。
機械的な観点から見ると、ガス分子はバネで接続された球に似ています。原子数、サイズ、質量、および「バネ」の弾性に基づいて、分子は特定の方向に並進、軸に沿って振動、回転、ねじれ、伸縮、またはぐらつくことができます。
ヘリウムのような単純な単原子分子は、並進運動のみを示します。ホモ核二原子分子（例：水素、窒素）は回転運動を追加します。複雑な多原子分子（例：二酸化炭素、メタン）は、より大きな機械的自由度を持ち、熱を効率的に吸収および放出する複数の回転および振動遷移を可能にします。これらの遷移の一部は、OGIカメラで検出可能な赤外線スペクトル内にあります。
| 遷移タイプ | 周波数 | スペクトル範囲 |
|---|---|---|
| 重い分子の回転 | 109 から 1011 Hz | マイクロ波（>3mm） |
| 軽い分子の回転/重い分子の振動 | 1011 から 1013 Hz | 遠赤外線（30μm〜3mm） |
| 軽い分子の振動 | 1013 から 1014 Hz | 赤外線（3μm〜30μm） |
| 電子遷移 | 1014 から 1016 Hz | 紫外線-可視光線 |
分子光子吸収が発生するには、分子が、入射光子の周波数で短時間振動できる双極子モーメントを持っている必要があります。この量子力学的相互作用により、光子の電磁エネルギーを分子に転送できます。
OGIカメラは、特定の分子の赤外線吸収特性を利用して、自然環境でそれらを可視化します。カメラのFPAと光学系は、非常に狭いスペクトル帯域（数百ナノメートル）内で動作するように特別に調整されており、優れた選択性を提供します。フィルタで定義された赤外線領域内で吸収するガスのみが検出可能になります。
漏れのないシーンをイメージングする場合、背景オブジェクトはカメラのレンズとフィルタを通して赤外線放射線を放射および反射します。フィルタは特定の波長のみを検出器に透過させ、補償されていない放射強度画像を作成します。カメラと背景の間にガス雲が存在し、フィルタのパスバンド内で放射線を吸収する場合、雲を通過する放射線は検出器に到達する量が少なくなります。
雲の可視性には、雲と背景の間に十分な放射コントラストが存在する必要があります。本質的に、雲から出射する放射線は、雲に入射する放射線とは異なる必要があります。雲からの分子放射線の反射は無視できるため、重要な要素は、雲と背景の間の見かけの温度差になります。
光学ガスイメージング技術は、目に見えないガス漏れを可視化することにより、産業安全と環境保護に大きく貢献し、事故の防止、排出量の削減、よりクリーンで安全な環境の創出に役立ちます。
