科学技術の急速な発展に伴い、物体からの赤外線を捉えてそれを視覚画像に変換できる装置である赤外線カメラは、セキュリティ監視、産業検査、バイオメディカル、天体観測などの分野で広く使用されるようになりました。

赤外線カメラ（特に短波赤外線領域で動作するカメラ）では、画質は「暗電流」の影響を受けやすいです。一般的なInGaAsセンサーなどのカメラ内蔵検出器の暗電流は、温度上昇とともに急激に増加します。

研究によると、温度が10℃上昇するごとに暗電流*が約3倍に増加することが分かっています。暗電流の増加はカメラセンサーの感度を大幅に低下させ、カメラのダイナミックレンジを著しく圧縮します。その結果、画像の細部がぼやけ、信号対雑音比が低下し、科学研究や産業などのハイテク分野における高画質撮影のニーズを満たすことが困難になります。

赤外線カメラの高感度と高解像度画像を確保するには、精密な温度制御が不可欠です。現在利用可能なあらゆる温度制御技術の中でも、半導体冷却技術は、コンパクトな構造、高精度な温度制御、低ノイズ動作といった特長から、赤外線カメラの温度管理における主流のソリューションになりつつあります。

暗電流: 光がない場合でもセンサーによって生成される電気信号。

半導体冷却技術は、ペルチェ効果を利用して赤外線カメラを冷却します。まず、TECモジュールを赤外線撮像装置内に設置し、「冷却側」と「高温側」を形成します。次に、「高温側」の温度は熱伝導ベースとヒートパイプを介して放熱フィンに伝達されます。これにより、カメラ内部の温度を効果的に下げ、波長安定性を維持し、暗電流の影響を排除することで、極高温/低温下でも鮮明な画像を維持できます。

典型的なアプリケーションケース - Alize1.7近赤外線カメラ

カナダの企業Photon etc.は、ハイパースペクトルおよび赤外線イメージングシステムの研究開発と製造を専門としています。以下は、同社の近赤外線カメラの一つであるAlize1.7の典型的な温度制御例です。

4段階熱電冷却（TE4）技術を採用したこの赤外線カメラは、-50℃の低温環境でも安定して動作し、500～1700ナノメートルのスペクトル範囲で高画質画像を生成します。最大フレームレートは190フレーム/秒に達し、優れたダイナミックキャプチャ能力を備えています。同時に、非常に高い信号対雑音比（S/N比）を備え、微弱な光束信号も鮮明に復元できるため、画像品質とシステム安定性が大幅に向上します。

赤外線カメラによる温度管理ソリューションには、半導体冷却ソリューションに加え、スターリングクーラーによる冷却や液体窒素による冷却といった一般的なソリューションもあります。これら2つのソリューションの原理と特徴を簡単に見ていきましょう。

● スターリング冷却ソリューション

スターリング冷凍機は、断熱膨張*の原理を利用して冷却を行う電気駆動式の冷凍機です。小型という利点がありますが、動作中に騒音が大きく、寿命が短いため、カメラの安定性や携帯性に一定の影響を与える可能性があります。一方、半導体冷凍機は静音性が高く、寿命が長く、温度制御精度も高いため、赤外線カメラへの応用において高い適応性と総合的な性能を発揮します。

断熱膨張冷凍：熱力学の原理に基づく冷凍技術。高圧ガスを断熱環境下で膨張させることで温度を下げ、低圧状態で膨張したガスの再加熱（または吸熱）過程を利用して連続冷凍を実現する。

● 液体窒素冷却液

液体窒素冷却は、液体窒素が気化する際に大量の熱を吸収する特性を利用して冷却を行います。高い冷却効率により、周囲温度を-147℃まで冷却できます。しかし、液体窒素冷却プロセスでは液体窒素を頻繁に補充する必要があり、操作には専門の人員が必要です。使用環境と人員能力に対する要件は非常に厳しいです。一方、半導体冷却はメンテナンスが容易で、専門の人員を必要とせず、導入のハードルが低く、実際のアプリケーションのニーズにより合致しています。

スターリング冷却や液体窒素冷却は冷凍効率が高いものの、騒音の高さやメンテナンスの煩雑さといった問題により、その応用範囲は限られています。外部媒体に頼ることなく冷凍効率を向上させることは、赤外線カメラの温度制御において重要な課題となっています。こうした要求こそが、多段TECの開発を牽引してきたのです。

表面温度が50℃の場合、単段TECは70～80℃の温度を下げることができます。冷却効率を向上させるために、単段TECを多段TECに接続します。例えば、第1段で60℃、第2段でさらに40℃の温度を下げることで、合計100℃の温度差を実現できます。