赤外線カメラで発熱を検知できますか？

赤外線カメラの最も優れた点の一つは、対象物に向けるだけで、その温度や熱さを視覚的に捉えられることです。では、もし対象物が人間だったらどうなるでしょうか？例えば、飛行機の搭乗ゲートで、新型コロナウイルス感染症の発熱の有無を確認するのに赤外線カメラを使えるでしょうか？

プラス面としては、物理的な接触を必要とせず、ほぼ瞬時に測定結果が得られます。実際、中国では温度ガンと呼ばれる手持ち式の赤外線機器（動作原理は多少異なります）がこのように使われている写真を見たことがあるかもしれません。赤外線センサーは工場でも、機器を停止させることなく温度を監視するために使用されています。

しかし、この技術を病気のスクリーニングに使うにはいくつか問題があります。うまく機能させるには、赤外線センサーの仕組みをしっかりと理解する必要があります。そこで、その仕組みを全て説明したいと思います。それに、その物理学自体が本当に興味深いんです。私はこれらのカメラの大ファンです。文字通り、世界を違った光で見ることができるからです。

目に見えなくても、すべてのものは光を発している

科学では、必ずしも望む結果が得られるとは限りません。しかし、時には挑戦してみることで、より良い結果が得られることがあります。1800年、ウィリアム・ハーシェルはまさにそれを経験しました。ハーシェルは光フィルターの試験中に、プリズムを使って太陽光を各色に分解しました。そして、温度計をいくつか設置しました。物体に当たる光が物体を温めることは知っていましたが、それぞれの色の影響を個別に測定したいと考えました。

すると彼は奇妙なことに気づいた。赤い色の向こう側、光に当たっていない温度計も温まったのだ。一体何が起こったのだろうか？もちろん、その温度計には光が当たっていたのだ。ただ、人間の目には見えないだけなのだ。これが、現在赤外線と呼ばれている光の発見である。

でも待ってください！それだけではありません。物体から放射される光の波長を使って、その物体の温度を測ることができるのです。電気オーブンを使うときに、この現象を目にしたことがあるでしょう。加熱部が十分に熱くなり、例えば華氏2,000度（これはマフィンを焼くオーブン内の空気の温度ではなく、加熱部の温度です）に達すると、赤みがかったオレンジ色に光ります。

何かがこのように光っているのを見たら、触ってはいけないと分かりますよね？でも、それは万能ではありません。オーブンの電源を入れてから1分ほど経ったばかりの時は、まだ黒く見えるかもしれません。可視光は出ていないのに、すでに火傷するほど熱くなっています。では、赤外線カメラで写真を撮ったらどうなるでしょうか？赤外線スペクトルでは、こんな感じに見えます。

光が見えていますね。もちろん、これは擬似カラー画像です。私たちの目は赤外線を感知できないので、カメラは基本的に変換を行い、赤外線領域の様々な波長を目に見える色で表現しています。このパレット（変更可能）では、黄色はオレンジよりも熱く、オレンジは紫よりも熱くなっています。（オレンジ色に見えるのは、オーブンの上部からの反射です。）

赤外線カメラが温度を測定する仕組み

すべての物体は、様々な波長範囲にわたって電磁波（そう、光です）を放射しています。ある物体について、放射の強度（厳密にはスペクトル電力密度）と波長の関係をプロットすると、このような曲線が得られます。

このプロットのインタラクティブバージョンをプレイしたい場合は、このクールな PhET シミュレーターをチェックしてください。

最も強度の高い波長（上の曲線のピーク）は、物体の温度に依存することがわかります。物体の温度が上昇するにつれて、ピーク発光波長は短くなり、左に移動し、可視スペクトルに戻ります。

室温（例えば300ケルビン）では、このピーク波長は約9.7μm（マイクロメートル）です。つまり、放射の大部分はスペクトルの赤外線領域に含まれます。そのため、物体を目で見ただけでは、その温度がどれくらい高いか判断できないのが通常です。

しかし、例えば1,200 K（オーブンのヒーターのように）まで加熱すると、最も強度の高い波長は約2.4 μmまで下がります。これはまだ赤外線領域ですが、曲線がシフトすることで可視光線領域（< 0.74 μm）の光も増えるため、目で見て光っているのが分かります。（PhETシミュレータで試してみてください！）

この温度と波長の関係はウィーンの変位法則と呼ばれ、次のようになります。

この式では、λは最大強度の光の波長、Tは温度です（bは定数です）。つまり、物体が発する光の色を見るだけで、その物体の温度の値を知ることができるのです。

光のほとんどは目に見えないので、そのためには赤外線カメラが必要です。基本的には普通のデジタルカメラと同じですが、可視光線の波長を検知するセンサーではなく、赤外線の波長を「見る」ことができるという点が違います。私の赤外線カメラは、画像上で温度測定もできます。本当にすごいですね。

あなたには反省がない

ああ、でも問題があります。ウィーンの法則は「黒体」からの放射にしか適用されません。黒体って何ですか？黒体とは、外光を反射しない物体のことです。黒体が発する光はすべて、その物体自身によって生み出されます。白熱電球が良い例です。白熱電球が光るのは、フィラメントが非常に熱くなるからです。（だからこそ白熱電球は使い物にならない光源なのです。目に見えない赤外線領域のエネルギーを大量に無駄にしてしまうのです。）

現実には、ほとんどの物体から発せられる光は放射と反射が混ざり合っています。そのため、その光を使って物体の温度を測りたい場合、その比率を知る必要があります。この比率を表す指標として放射率があります。放射率は、完全に反射する表面では0.0、完全な黒体では1.0の範囲です。様々な物質の放射率を調べることができる表があります。

例えば、プラスチックカップを2つ用意し、氷水を入れて両方とも華氏32度（摂氏約17度）にしたとします。カップの外側にはアルミホイルを貼りますが、片方のカップは黒く塗りました。我が家の車道に置いてあるカップの様子はこんな感じです。

それでは、赤外線領域を観察して見かけの温度を測定してみましょう。

見た目が違うだけでなく、温度表示も異なっています。これは本来あるべき姿ではありません。ご覧の通り、カメラは左側の黒いカップの温度を華氏48.6度（摂氏約2.4度）と表示しているのに対し、銀色のカップは華氏86.1度（摂氏約3.8度）と表示しています。これは、アルミホイルの表面の放射率がはるかに低い（e = 0.04）ためです。カメラがカップに捉えた赤外線のほとんどは、熱い路面からの反射光です。

では、人間の皮膚はどうでしょうか？幸いなことに、人間は非常に黒体に近い（この言葉は私が作ったものです）。典型的な人間の放射率は0.95から0.98です。つまり、赤外線領域での反射率はそれほど高くありません。これは良いことです。

これが私の手です。放射率が高いので、ほぼ完全に私が光を生み出しています。

体温測定

仕組みがわかったところで、質問に戻りましょう。赤外線カメラを使って、体温が上昇しているかどうかを確認できるのでしょうか？実は、問題があります。カメラは物体の表面を撮影します。人間の体温は37℃（98.6℉）程度であるはずですが、外側の皮膚は一般的にそれよりも低いのです。

これが私の写真です（分かりにくいかもしれませんが）。顔の色々な場所で測ってみたところ、最高温度は目の内側の角で95.3℉（約33.8℃）でした。（ちなみに、赤外線機器のメーカーは涙管に焦点を合わせることを推奨しているようです。）

比較のために、口の中に温度計を入れて体温を測ってみたところ、華氏97度でした。つまり、体温と体温の間に一貫した関係があるかどうか、つまり、誰かが熱があるかどうかがわかるかどうかが疑問だと思います。

もう一つの考慮事項は、カメラをかなり近づける必要があったことです。今回の場合、顔から約10センチの距離でした。これでは明らかに2メートルのソーシャルディスタンスルールに違反してしまいます。もっと解像度の高いカメラを使えば、おそらく改善できるでしょう。私はスマートフォンに接続できるカメラを使っています（考えてみれば、これはかなり便利ですよね）。

楽しみのために、口を開けた人の赤外線写真も撮ってみました。これは私の口ではなく、ボランティアの息子の口です。

こちらのほうがより良い数値（97.2）を示しているようですが、カメラの前に立って口を開けて話すように人々を説得できるかどうかは疑問です。人々に家に留まるよう説得するだけでも大変なのに。

メガネを外してください

もう一つ小さな問題があります。涙管​​の温度を測りたい場合、眼鏡をかけている人は必ず眼鏡を外さなければなりません。なぜでしょうか？実は、ガラスは可視光線は透過しますが、赤外線は遮断してしまうからです。窓の外を見ている私の犬の写真を見てください。

ガラスに彼の姿が映っていますね。赤外線の場合、窓は鏡のような役割を果たします。では、眼鏡をかけている人間を見てみましょう。この場合、私が人間です。

あれはサングラスじゃなくて、普通のメガネです。目から出た赤外線が反射して私に戻ってくるので、黒く見えます。メガネの外では、私の体温よりも冷たい室内の赤外線を反射しているんです。

それで、それはうまくいくでしょうか?

人体の放射率が高いことは良い兆候です。これは良い兆候であり、高性能の赤外線カメラは小さな温度差を識別できます。唯一の問題は、皮膚の表面温度しか測定できないことです。しかし、単に人を比較し、他の人よりも温度が高い外れ値を探すだけであれば、これは問題ないかもしれません。

そうですね、赤外線カメラを使って体温の高い人をスクリーニングできると思います。もちろん、必ずしもCOVID-19に感染しているとは限りません。普通のインフルエンザかもしれませんし、飛行機に乗るために走って暑くなっているだけかもしれません。また、感染していても無症状の場合もあります。偽陽性や偽陰性が出る可能性は多々あります。

ということは、意味がないということでしょうか？いいえ、これはスクリーニングであって、診断検査ではありません。完璧ではありませんが、迅速かつ安価で非侵襲的な方法で、大規模な集団を調査し、少なくとも感染の可能性が高い人をフラグ付けして、その後の質問につなげることができるかもしれません。

確かに、口腔体温計の方が正確です。でも、スーパーの外で一人一人に体温計を口に入れて計測を待つなんて想像できますか？ 誰もそんなの我慢できないでしょう。

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