サーモグラフィーとは？原理・種類・活用事例を解説

すべての物体は、温度に応じた赤外線を放射しています。サーモグラフィーはこの赤外線エネルギーを検出器でとらえ、温度分布として画像化する計測手法です。

赤外線にはいくつかの波長帯があり、サーモグラフィーでよく使われるのは中波長赤外（MWIR: 3〜5μm）と長波長赤外（LWIR: 8〜14μm）の2つです。短波長赤外（SWIR: 0.9〜1.7μm）は高温体の観測などに限定的に使われます[1]。

どの波長帯で測るかはなぜ重要か

物体の放射がピークになる波長は、ウィーンの変位則（λ_max×T＝2,898μm·K）で決まります。室温（約25℃）の物体は約10μm付近にピークがあるため、LWIR帯のカメラが適しています。一方、数百℃以上の高温対象ではピークがMWIR側へ移るため、用途に応じて波長帯を選ぶ必要があります[1]。

放射率が精度を左右する

カメラが受け取る赤外線は、対象物の温度だけでなく「放射率」と「反射温度」にも左右されます。放射率とは、理想的な黒体と比べてどれだけ赤外線を放射するかを示す値で、材質や表面状態で大きく変わります。たとえば人体の皮膚は0.98とほぼ黒体に近いのに対し、磨いたアルミニウムは0.04〜0.06しかありません[12]。放射率を正しく設定しないと、とくに金属のような低放射率材では見かけ温度が実温度から大きくずれます[2]。

サーモグラフィーカメラは、検出器の冷却方式によって大きく2種類に分かれます。

非冷却式（マイクロボロメータ）

常温で動作するマイクロボロメータを使う方式です。冷却機構が不要なぶん小型・軽量で、ハンディタイプや設備点検用に広く普及しています。多くの製品がLWIR（8〜14μm）帯に対応しており、NETD（温度分解能）は70mK未満が一般的です[4]。

冷却式（InSb・MCTなど）

検出素子を極低温に冷やして熱ノイズを抑え、高い感度と高速応答を実現する方式です。MWIR（1.5〜5.0μm）帯ではInSb（アンチモン化インジウム）、LWIR帯ではMCT（テルル化カドミウム水銀）が代表的な検出素子です。研究用カメラではNETDが20mK程度まで下がり、1,000fps超の高速撮像にも対応します[5]。

どちらを選ぶか

両者の違いをまとめると、非冷却式は低コスト・可搬性に優れ、冷却式は高感度・高速撮像・高温観測に強いという棲み分けになります。建築診断の比較研究でも、非冷却LWIRカメラのNETDが50mK以下、冷却MWIRカメラが20mK以下と、感度差が定量的に示されています[3]。

建築：外壁の断熱欠損・タイルはく離の検出

建築物の外壁にサーモグラフィーカメラを向けると、断熱材の欠損やタイルのはく離部分が周囲と異なる温度パターンとして浮かび上がります。日射による反射ノイズが課題ですが、ロックイン処理などの信号処理を組み合わせることで、はく離欠陥に由来する温度変化だけを抽出できることが確認されています[6]。

電気設備：異常過熱の早期発見

受変電設備や配電盤の定期点検にサーモグラフィーを使うと、接続不良や過負荷による異常発熱を非接触で検知できます。熱画像から欠陥の種類を自動分類する研究では、最大82.4%の分類精度が得られており、予防保全への応用が進んでいます[7]。

医療：体表温度による補助的評価

医療分野では、非侵襲かつ放射線被ばくのない補助的評価法として研究が進んでいます。乳がん関連リンパ浮腫の診断では、サーモグラフィーで感度85%・特異度56%という結果が得られています[8]。また、AIと赤外線サーモグラフィーを組み合わせた乳がんの事前スクリーニングでは、AUCが内部検証0.95・外部検証0.91に達し、読影者単独の精度を上回りました[9]。

研究開発：材料評価と非破壊検査

パルス加熱やフラッシュ加熱で試料表面の温度応答を撮影し、内部欠陥や熱拡散率を非破壊で評価する「アクティブサーモグラフィー」も重要な応用分野です。複合材料や電子基板の品質検査などに使われています[10]。

サーモグラフィーカメラを選ぶときに確認すべき主なスペックを整理します。

NETD（温度分解能）

NETD（Noise Equivalent Temperature Difference）は、カメラが識別できる最小の温度差です。値が小さいほど微小な温度差を検出できます。ハンディ点検用は70mK未満、設備診断・建築調査は50mK以下、研究用途は20mK級が一つの目安です[3]。

IFOV（空間分解能）

IFOV（Instantaneous Field of View）は1ピクセルが捉える角度で、値が小さいほど遠くの小さな対象を分離して見られます。たとえば6.3mrad/pixelのカメラでは、10m先で約6.3cmの範囲が1ピクセルに収まります[4]。

フレームレートと温度レンジ

溶接スパッタや電子部品の過渡応答など動きの速い現象を撮るなら、高フレームレートが必要です。非冷却ハンディ機は9Hz程度ですが、冷却式の研究用カメラでは1,000fps超に対応するモデルもあります[4][5]。温度レンジも用途に合わせて確認しましょう。日常の設備点検なら-20〜350℃程度で十分ですが、溶融金属や高温炉の観測では3,000℃対応が求められます[5]。

用途別の選定目安

• 点検・巡回：非冷却式、NETD 70mK未満、携帯性重視
• 設備診断・建築調査：NETD 50mK以下、高解像度
• 高速現象・高温対象・研究：冷却式、NETD 20mK級、高フレームレート

放射率を正しく設定する

サーモグラフィーで最も重要な補正パラメータが放射率です。対象の放射率がわからない場合は、表面に黒体塗料や高放射率テープを貼り、その部分の温度が接触式温度計の値と一致するようにカメラの放射率設定を調整します[2]。

代表的な放射率の値を把握しておくと、設定の出発点として役立ちます。

出典：日本アビオニクス放射率一覧[12]

反射温度に注意する

放射率が低い面では、対象自身の放射よりも周囲環境の赤外線が反射して映り込む成分のほうが大きくなります。このため、低放射率材ほど反射温度の影響を受けやすく、補正が難しくなります[2][3]。

測定条件を記録する

測定の再現性を高めるには、放射率、反射温度、撮影距離、観測角度、周囲の温湿度を記録しておくことが大切です。手順の標準化にはISO 18434-1:2008が参考になります。この規格は、状態監視におけるサーモグラフィーの一般手順として、反射見かけ温度や放射率の補正方法を定めています[11]。