必見！赤外線のことがよく分かる3つの事例！

 皆さんこんにちは。世界一黒い塗料「真・黒色無双」や、世界一黒い布「特級暗黒布　太黒門」でおなじみ、世界一のブラック企業こと光陽オリエントジャパン、プロダクト事業部の鉄平と申します。

 弊社の光学機器の内部反射防止に開発された製品「ファインシャット」は、近赤外の反射防止用途での引き合いがすっごく多いんです。今までの用途は一眼レフカメラの素材がメインの用途でしたので、私も最初は「赤外とはなんぞや？」という感じでした。あわてて勉強を始めたクチでございます。

 各地のセミナーに出席したり、お客様などに教えて頂いたりしておりますが、知れば知るほど面白いんです、赤外の世界。さっそく皆様にシェアしたいと思います。

突然ですが「赤外線」とは何かご存知の方、手を上げてみて下さい。

・・・たくさんいらっしゃいますね。手を下ろして下さい。

 では赤外線は私達の身の回りでどのように使われているか、ご存知の方はいらっしゃいますか？モニターに向かって喋ってみて下さい。

あなたの声が聞こえました。「テレビのリモコン」、「ヒーター」、「暗視カメラ」。ええ、そのとおりですね。

 これらの用途例を見ても、なんだかてんでバラバラというか、幅広いというか。かえって赤外線の正体が分からなくなったような気がしませんか？

 そこで本ブログでは、身近なようでよく分からない、赤外線の用途と仕組みを広く浅く説明させて頂きます！！

 そもそも赤外線とは？というところですが、人間は波長域380~750nmの範囲の電磁波を視覚で捉えることができます。短波長380nm側を紫、長波長750nm側を赤色として認識するのですが、赤色750nmを超える波長域は目に見えません。これを赤外線と呼んでいます。赤く見える範囲を外れてるから赤外線（IR = Infrared）。逆に紫より短波長で見えない範囲を紫外線（UV = Ultraviolet）と名付けております。

 "画像はWikipedia「 可視光線」より"

 赤外線も可視光域に近い方から、近赤外（750~2500nm）、中赤外（2500~4000nm）、遠赤外（4000nm~）と名付けられております。でもこのあと説明いたしますが、「近赤外」と「遠赤外」って性質も用途も全く異なるんです。これを「赤外線」という一言でくくられてしまっているのが、赤外線への理解をあやふやにしている要因だと思っております。

 それでは、これらを活用した赤外線の用途を、身近な事例を例にとって紹介し、赤外への理解を深めていきましょう。

 まずは可視光に近い近赤外の用途例から解説です。近赤外域の特徴は、なんと言っても「可視光に近い性質をもっていること」と、「人間の目に見えないこと」と言えるでしょう。可視光に近い波長であるため、生産量が多く価格もこなれた可視光用の機器がそのまま転用でき、安価に製造できます。

 また、目に見えない光なので邪魔になりません。

 そんな近赤外デバイスが、いかに身近にあって、有用なものなのか知って頂くため、今回用意したものはこちら。iPhone XRと近赤外カメラです。

 近赤外カメラとはいっても、こちらは市販のデジタルカメラを改造したものです。デジタルカメラに使用されているシリコンセンサーは、人間の目が感じられる波長限界(～750nm)よりも長い、1000nm程度までの近赤外域まで感度を持っています。そのため通常は、750nm前後より長い波長を通さないフィルターを入れて、人間の目の見え方に合わせています。このフィルターはIRカットフィルターと言います。このIRカットフィルターを外してしまうと、目に見えない近赤外光に赤担当の感光素子が反応してしまうため、出てくる画像が赤っぽ～くなってしまいます。

 今回用意した近赤外カメラはこのIRカットフィルターを外し、逆に760nmより短い可視光をカットするフィルター（IR透過フィルターと呼ばれます）をつけております。これにより、可視光は見えなくて、近赤外光だけ見えるカメラのできあがり。

 フィルターを付け替えただけで可視光用のカメラが近赤外カメラになってしまいました。可視光用の光学機器が簡単に流用できる。これぞ750~1000nm範囲の近赤外の特徴ですね！

 さて今回の本題に戻ります。このiPhoneを早速Face IDでロック解除しましょう。電源を入れたと思ったらあっという間にロック解除。いつの間に顔を認証したのでしょうか？とてもスムーズです。

さて、このときのiPhoneの様子を近赤外カメラで見てみると・・・。

フラッシュ　バチバチバチ～～！！

 画面オンと同時に、iPhone画面上部のベゼルから発射されている、怒涛のフラッシュが発射されています！

目で見てもなんにもiPhoneにはなんの変化もありませんが、近赤外カメラを通してみると怒涛のフラッシュ！

な、なんじゃこりゃぁぁぁぁっ！！

iPhoneは何らかの理由で、起動とともに近赤外光のフラッシュを発光させているのですね。

そしてこのフラッシュを壁に投影して観察すると、ランダムに配置されているように見える、無数のドットパターンが描かれておりました！

顔認証やミー文字作成中の様子は、顔にドットパターンが照射されて、こんな感じになっているんです。驚きました？

これはiPhoneXから搭載されている「True Depth」というユニットによるものでした。カメラから被写体の正確な距離、つまり被写体の立体形状を把握するための機能になります。

 ドットプロジェクターから投光される3万以上の赤外光ドットを赤外カメラでモニタリング。赤外カメラとドットプロジェクターは離れて配置されておりますので、カメラに対しわずかに横にずれてドットが投光されることになります。これにより、被写体との距離に応じて赤外カメラが撮影するドットの一つ一つに左右方向のずれが生じます。このずれの度合いを計算することでそれぞれのドットとの距離が求められるのです。アクティブステレオ方式などと呼ばれる3D計測法です。

 この仕組みが、被写体の顔の立体形状を把握し、顔認証の精度を向上させるために使われています。たとえサングラスをかけていても、それが赤外線をある程度透過する物であれば認証はパスできます。またミー文字って使ったことありますか？カメラの前にいる人の表情筋まで読み取るこの機能も、このTrue Depthユニットの為せる技です。

 赤外カメラで見たiPhone、動画でも載せておきますね。

ドットパターン投影による距離（立体形状）の認識技術は、それ自体は一般的な技術で可視光でも全く同様のことができます（こんなに小さいスマホに搭載したのはすごい事ですが）。しかし、顔認証のたびに強烈なフラッシュを直視するのはどうでしょう？激しいフラッシュに顔を向け続けるのは不快ですし、周囲にも迷惑がかかりますので不可能です。 だから近赤外光を使っているのです！

最先端の光センシングを、だれにも気づかれないよう実施できる。

そう、近赤外ならね。

 Appleの技術への挑戦に敬意を表しつつ、次の事例にいきましょう。

 近年の車産業は大きな変化点を迎えております。EV化？それもありますが、センシング技術の発達により、夢の自動運転への道が見えてきました。

 その鍵を握るキーデバイスの一つが、「LiDAR」と呼ばれるものです。聞いたことがありますか？

 LiDARは「Light Imaging Detection and Ranging」の略。Lightの部分をLaserとする場合もあります。日本語直訳で「光による検出と測距」。「測距センサー」と言う訳語が提唱されたこともあります。

 レーザーを活用した一般的な距離計測の仕組みとして、レーザー光を瞬間的に照射し、対象物に当たって戻ってきた光を受信。この間の僅かな時間を計測することで、対象物との距離が分かるというものがあります。ゴルフのレーザー距離計の仕組みもこれと同じです。

 LiDARはこれを応用し、2次元、もしくは3次元上に短時間に多数の観測を繰り返すことで、点群データを作成するデバイスです。これにより空間形状や対象物の存在が把握できます。自動運転に非常に有用なデバイスであることがわかっていただけるはずです。

さて、LiDARの仕組みを分かって頂いた上で、自動運転に活用するためにはどのような性能が重要となるでしょうか。例えば観測点同士の間隔、広すぎると細い障害物がレーザーの間をすり抜けて、認識できないかもしれません。間隔を狭くしたいなら、時間あたりの測定回数も重要です。

しかし、今回のテーマは赤外光。これに関連する重要なLiDARの性能は何かというと、観測距離と精度になります。

　観測距離は重要な性能です。車の制動距離を考えると、最低限100メートル程度は正確な測定が必要になります。

 しかし距離が遠くなればなるほど、反射する光も少なくなり検出は難しくなります。微細な反射光を外来光ノイズに溢れた環境で識別するのは困難です。

 そこで、対策としてレーザーの出力を上げることで反射光を増やし、検出をしやすくするという手法が考えられます。

 ここで問題となることがあります。それは人間の目への影響です。

 レーザーポインターを使用した悪質ないたずら、聞いたことがあると思います。可視光域のレーザー光源は網膜で焦点を結び、集光されるので、目に大きなダメージを与えます。

現在主流となっているLiDARは、主にコストの面から900nmの近赤外波長を使用しています。しかしこの波長は可視光に近いため、見えないにも関わらず可視光同程度の目の危険性（パルス発光の場合）があると言われており、十分に出力を上げることは出来ません。前のiPhoneのトピックで申し上げたこと、「750~1000nmの近赤外域のメリットは可視光と流用できる。」それがデメリットになってしまうわけです。要は900nmの近赤外が可視光に近いため、可視光用に進化した人間の水晶体レンズ、網膜でもしっかり焦点を結び、網膜を焼いてしまうということです。

そこで近年はもっと長波長の1500nm帯の近赤外波長を使用したLiDARの開発が広がっております。

 メリットは目への影響が少ない事。1500nmの赤外光は水分で吸収されるという特徴があります。つまり網膜で焦点を結ぶ前に目の水分で吸収されるのです。その結果可視光と比べて、目への許容パワーがなんと100万倍も大きいのです（パルス発光条件）。この理由により1500nmの赤外光であれば、目に影響がなくかつ十分に出力の高いレーザーを使用することが出来ます。

 対して1500nmを使用するデメリットは価格です。市場が大きく安価なシリコン素材の光検出器も1500nm域の感度を持っていませんので、InGaAs素材の光検出器など特別なものを用意する必要があります。このユニットだけでも、シリコンと比べて数倍の価格差があるとのこと。もともとLiDAR自体、1台数十万円～とも言われ一般消費者の車に搭載するには高額な装置のようです。その上精度の高い1500nm域LiDARとなるといくらになってしまうのでしょうか。

 このLiDARのコスト面と性能改善が今後の自動運転の鍵となりそうです。各国の名だたる大企業やベンチャー企業が活発に研究している分野なので、今後の大いに進歩していくでしょう。

 以上、自動運転という現代の産業の重要なキーワードにおける近赤外光の用途。そして同じ近赤外の中でも、波長の違いによって目への影響やコストが大きく異なるという事例でした。

2020/3/23 追記

 本ブログで自動運転用途でのLiDARをご紹介いたしましたが、なんと3月18日に発表されたiPad ProにもLiDARが搭載されることが分かりました！

 ほとんどの方にとって初めて手にする、ARアプリケーションに最適な最適化されたLiDARデバイス。今後の爆発的なLiDARアプリケーションの開発が見込まれます。すごいっす。

 なんでiPhone事例で紹介したドットパターン投光（アクティブステレオ法）じゃなくてLiDARなの？という疑問。アクティブステレオ法はカメラと投光器が十分離れていない場合、遠距離の計測精度が悪くなります。30~50cmレンジの顔認識用途には最適でも、今回のiPad Proの計測範囲5mにはマッチしていなかったというところでしょう。

 さて、次は全く性質の異なる「中～遠赤外域」にスポットを当てます。

 日本は間違いなく世界一のカメラ大国です。名だたるカメラメーカー、レンズメーカーの企業があり、素晴らしい性能のカメラを世に送り出しています。しかし同じ光学機器とはいえ、中～遠赤外線カメラとなるとどうも話は違ってくるようで。関連する展示会のブースを見ると、多くは海外メーカーの産業カメラ。日本製は非常に少ないです。これは一体どうしたことか。

 その海外メーカーの担当者さんに話を聞くと、どうやら中～遠赤外線カメラは軍事関連と密接に関連して進歩する業界のようで、アメリカ、フランス、イスラエルで研究が進んでいるとのこと。う～ん、なんだか説得力のある面々ですな。かたや日本は…いろいろ政治的な事情があるんでしょう。

 さて早速の脱線もそのままに、軍事関連ということで暗視スコープを例に挙げて中～遠赤外線カメラの用途例について説明いたします。

 まずiPhoneの用途例でもご紹介した、近赤外ライトと近赤外カメラのセット。これで相手を照らし撮影すれば、相手に気付かれずに観察することが出来ます。これが暗視スコープの始まりです。暗闇の中を近赤外ライトで照らし、煌々と明るく見える環境で敵を見つけ出し攻撃できる。素晴らしいですね。

しかし、これには大きな欠点が。

 相手も同様の近赤外カメラで見ていた場合、近赤外ライトは闇夜に燦々と輝く格好の標的に早変わり。これでは意味がありません。その後、僅かな月明かりでも見える超高感度可視光カメラなども登場しますが、ブレークスルーを起こすのは中～遠赤外線技術です。

 中～遠赤外線とは冒頭で話したとおり、中赤外（2500~4000nm）、遠赤外（4000nm~）の波長範囲。数字が大きくなっておりますので、単位はnmではなく、2.5~4μm、4μm~という表記が一般的。

 熱というのはや原子や分子の振動などといったエネルギーですが、この波長域はこの振動に共振する周波数を含みます。分子の熱による振動がそのまま中～遠赤外線として放射され、また吸収されて熱に変わるのです。

 「遠赤外線効果でポカポカあったかい。」「遠赤外効果でお肉の中まで火が通る。」などCMなどでよく聞く言葉ですが、これは中～遠赤外線が持つ、熱エネルギーを伝播させる特性を表す言葉だったのですね。

 可視光～近赤外光を活用した観察の場合、自ら発光する物体はあまりありませんので、通常は太陽や照明器具に照らされた物体の反射光や透過光を観測します。当然完全な暗室の中では被写体を観測することはできません。

 熱そのものを観測できるというのは非常に有用なことです。生物の体温、車両のエンジン、発泡したあとの銃器。熱には多くの場合、戦場において重要な情報が含まれているのです。

 いかに中～遠赤外カメラが暗視カメラとして有効か、わかりやすい動画を見つけました。NIGHT VISION（おそらく高感度の近赤外カメラ）とTHERMAL（中～遠赤外カメラ）で得られる画像の比較を御覧ください。

 さて、そんな素晴らしい特性を持つ中～遠赤外カメラ。欠点の一つは、ノイズ対策が非常に難しいということです。

 可視光～近赤外光のノイズ対策は簡単です。余計な反射をする場所があれば、反射しない黒い素材で覆ってあげればいい。そんな用途で使用されるのが弊社製品だったりします。

 しかし中～遠赤外光となると話は厄介。観測するのは熱ですが、観測対象ではないすべてのものも熱を有しています。つまり、熱あるものすべてがノイズ源になります。なんとレンズやカメラの構成部材さえも。

 もし発光する素材でカメラを作ったら、撮影できるのはノイズだらけの真っ白けっけの画像ばかりです。中遠赤外カメラというのはそんな世界。

 そんなこともあり、中～遠赤外カメラで高画質を得るのに重要なことは、熱を排除することです。そこで取られる手法の一つが、液体窒素でカメラを冷却しながら撮影するというもの。非常に大掛かりな装置であることが想像できると思います。

 しかし、それによって得られる画像は高精度で、最新の装置を使用すると、大気と観測対象との温度差が0.1℃あれば、暗闇の中で100m離れた人間とジャンケンができるレベルらしいです。

 現在ではペルチェ素子等といった小型の冷却機構や、非冷却センサーの登場、ソフトウェアによるノイズ処理の進歩などで、中～遠赤外カメラの小型化、高画質化、低価格化が大きく進んでおります。弊社もiPhoneに取り付けるタイプのサーモグラフィを購入しましたが、4万円程度でも十分な画質と性能を持っておりました。驚きですね。

 電子回路の熱設計の確認や、建築物外壁の水漏れ発見など、もともと熱を可視化できることで応用できる用途は様々です。今後は一般企業や我々個人も手にするツールになるかもしれません。近年市場の急成長している製品ですので、注目していきましょう。

 以上、皆様には目に見えない赤外域の用途や事例を長々とご説明させて頂きました。楽しんで頂けましたでしょうか。

 弊社光陽オリエントジャパンは主に可視光～近赤外の光を吸収する製品やサービスに特化した企業です。取り扱う製品も真っ黒、ついでに営業車も真っ黒。ある意味”ブラック企業”ですが、今後も弊社製品を通して光学の未来を明るく照らして行きたいと思っております。

 可視光から近赤外まで。内面反射を抑える弊社の光吸収素材の紹介はこちらからどうぞ。「反射防止素材の選び方」。

それでは、今後とも弊社製品をよろしくお願いいたします。