サーマルコアの前に窓を置く：ガラスが使えない理由、ゲルマニウムに必要なこと、窓による読み値の変化

ガラスや多くのプラスチックが使えない理由

非冷却コアは長波赤外線の帯域、8〜14 μm を捉えます。通常のガラス、ポリカーボネート、アクリルはこの帯域で強く吸収するため、ガラス窓越しではコアに見えるのはシーンではなくガラスです。窓は赤外線材料でなければなりません。この帯域で最も一般的なのはゲルマニウムで、セレン化亜鉛やカルコゲナイドガラスも使われます。

コーティングは材料と同じくらい重要

ゲルマニウムの屈折率は約 4 なので、コーティングのない面ではそれぞれ約 36% が反射し、コーティングなしの板の透過率は 50% 未満です（計算値）。長波帯域用の反射防止（AR）コーティングでこれを解消できます。ある光学部品カタログでは、AR コート付きゲルマニウム窓の透過率を 8〜11.5 μm で 90% 以上としています（公表値）。外側に露出する面では、硬いダイヤモンドライクカーボン（DLC）コーティングが摩耗や清掃から守ります。ピーク値ひとつではなく、8〜14 μm 全体の透過率曲線を求めてください。11.5 または 12 μm までしか規定されていないコーティングもあります。

窓は読み値をどう変えるか

窓越しのコアには、三つのものが同時に見えています。窓の透過率で減衰した対象、窓自身の温度による窓の放射、そして筐体の内側など窓の後ろにあるものの反射です。補正しなければ、読み値は窓と筐体の温度の方へ引っ張られます。

簡単な例を示します。黒体の対象、8〜14 μm の帯域、透過率 90% で残りをすべて吸収する窓として計算した値です：

• 窓が 25°C のとき：60°C の対象は約 57°C、100°C は約 94°C、150°C は約 141°C と読めます
• 日射で窓が 45°C まで温まったとき：25°C の対象は約 27°C と読めます

誤差は対象と窓の温度差が大きいほど大きくなり、窓の温度が変わるたびに変わります。

補正するか、窓越しに校正するか

有効な方法は二つあります：

• 測定系の中で窓を補正します。使う帯域での窓の透過率と反射率、そして窓の温度が必要です。日射やヒーターで窓の温度が変わるなら、仮定せずに測ってください。
• 窓を付けた完成品を基準と照合します。黒体があれば黒体を、なければつや消しの黒い面を信頼できる接触式プローブで測ったものを使い、製品が測る温度で確認してください。

絶対値を信頼する前に、どちらかを行ってください。この例のコアの精度 ±2°C または ±2%（代表値、実験室条件）はコア単体の値で、窓の後ろに置いたコアの値ではありません。

大きさと位置

窓が視野を遮ってはいけません。有効径は、レンズ前面に 2 × 間隔 × tan(対角画角の半分) を加えた大きさが必要です。レンズと窓の間隔が一ミリ広がるごとに、有効径は 640 × 512 コアに 9.1 mm レンズ（48.7° × 38.6°）の場合で約 1.15 mm、384 × 288 コアに 4 mm レンズ（64.1° × 48.8°）の場合で約 1.6 mm 大きくなります（計算値）。そのため広角レンズでは窓をごく近くに置く必要があります。窓を数度傾けると、レンズや筐体内部の反射が画像に入らなくなります。そのぶん必要になる有効径も見込んでください。

屋外での使用

• コア単体には防塵防水等級がなく、等級は筐体と窓のシールで確保します。市販の固定設置型屋外サーマルカメラは一般に IP66 です（公表値）。
• 窓に付いた水、氷、汚れは長波赤外線を吸収します。濡れた窓では読み値が正しくなりません。
• 温度測定の周囲温度範囲は撮像より狭く、このコアでは撮像の −40°C〜+80°C に対し、測定は −10°C〜+70°C です。寒冷地ではヒーターを計画し、それが窓の温度も変えることを忘れないでください。
• このコアの資料には、太陽に向けないよう記載されています。太陽が視野に入らないようにカメラを取り付けてください。

窓を発注する前に

1. 材料と、8〜14 μm をカバーする AR コーティングの帯域
2. 実際の入射角での透過率・反射率曲線
3. 実際のレンズ・窓間隔での有効径
4. 使用環境と清掃方法に合った外面コーティング
5. 窓をどう補正するか、または窓越しにどう校正するか。窓の温度をどう把握するか

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