JP2004304545A

JP2004304545A - 赤外線カメラ

Info

Publication number: JP2004304545A
Application number: JP2003095557A
Authority: JP
Inventors: Kunio Ookawa; 訓生大川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】各動作温度におけるバイアス電圧と出力オフセット電圧との関係に関するデータテーブルを備える必要が無く、試験調整の工数を削減し低コストな赤外線カメラを得る。
【解決手段】キャリブレーション時に赤外線撮像素子の受光面を構成する各検知素子に等しい強度の校正用赤外線を入射する校正用赤外線入射手段、校正用赤外線の入射時に時間的に変化するバイアス電圧を赤外線撮像素子に印加するバイアス電圧調整回路、校正用赤外線の入射時の赤外線撮像素子からの出力電圧を平均化する素子出力レベル検出回路を備え、バイアス電圧調整回路は、平均化された出力電圧レベルが目標値に到達した時点でのバイアス電圧値を記憶し、記憶したバイアス電圧値に基づいて校正用赤外線の入射解除後の出力オフセットレベルを設定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は赤外線カメラ、特にボロメータアレイ等の常温で動作する熱型の赤外線撮像素子を用いた非冷却型の赤外線カメラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の赤外線カメラは、赤外線撮像素子の動作温度を、電源投入直後における周囲温度に所望のオフセット量を加算した温度に維持して撮像を行なうことにより、低消費電力化と立ち上げ時間の短縮を図っている（例えば、特許文献１参照。）。この技術においては、赤外線撮像素子に印加するバイアス電圧と出力オフセット電圧との関係を各動作温度の関数として用いているが、この関数データは赤外線カメラ内に設けたデータテーブルに予め記憶しておく。電源投入時にこのデータテーブルを参照することにより、赤外線撮像素子に印加するバイアス電圧を調整して出力オフセット電圧を動作温度によらず一定に維持し、後段の電子回路の飽和を回避して撮像するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１２２４７２号公報（第４頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の赤外線カメラは、以上のように構成されているが、バイアス電圧と出力オフセット電圧との関係は、使用される赤外線撮像素子によって異なる場合が多い。そのため、上記データテーブルとしては、個々の赤外線撮像素子に対してそれぞれ固有の値に決めたものを準備することが必要となる。したがって、試験調整時のデータ取得作業がカメラ１つ１つについて要求されるので、生産効率上好ましくなく、製造コストが高い要因となるなどの課題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、各動作温度におけるバイアス電圧と出力オフセット電圧との関係に関するデータテーブルを備える必要が無く、試験調整の工数を削減し低コストな赤外線カメラを得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る赤外線カメラは、赤外線撮像素子の視野を覆う位置に設置され、赤外線撮像素子を構成する検知素子の各出力オフセットのばらつきに対する校正を行なうためのキャリブレーションデータ取得時に検知素子の各々に対して等しい強度の校正用赤外線を入射する校正用赤外線入射手段と、校正用赤外線の入射時に時間的に増加または減少するバイアス電圧を赤外線撮像素子に印加するバイアス電圧調整回路と、校正用赤外線の入射時のバイアス電圧の変化に応答して増加または減少する検知素子の各出力電圧を平均化し検出する素子出力レベル検出回路とを備え、バイアス電圧調整回路は、素子出力レベル検出回路の出力電圧レベルを目標値と比較し、当該出力電圧レベルが目標値を中心とした規定の範囲に到達した時点でのバイアス電圧の値を記憶し、当該記憶した値のバイアス電圧を撮像素子に印加してキャリブレーションデータの取得と校正用赤外線の入射解除後の撮像を行なうようにしたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の各実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による赤外線カメラの回路構成を示すブロック図である。図において、赤外線撮像素子１は、赤外窓２および素子パッケージ３により形成された真空槽の中で赤外光学系４の結像面に実装されている。この実装方法としては、例えば特開平７−５０８３８４に記載のような方法が用いられている。赤外線撮像素子１には、定電圧源５、ドライバ回路６、増幅・表示処理回路７、素子出力レベル検出回路８およびバイアス電圧調整回路９が電気的に接続している。素子出力レベル検出回路８は、ＡＤ変換回路１０と平均化回路１１から構成される。バイアス電圧調整回路９は、目標値１２、比較回路１３、ランプ波形出力回路１４、メモリ１５、スイッチ１６およびＤＡ変換回路１７から構成される。校正用赤外線入射手段１８は、赤外線撮像素子１の視野を覆う位置で、かつ赤外光学系４と赤外窓２との間に設置されている。この実施の形態１ではシャッタを念頭において説明を行なうが、校正用赤外線入射手段１８としては、図２に示すように赤外線撮像素子１の受光面に配置された検知素子２２〜２５の各々に対して等しい強度の赤外線を入射できる手段であれば、デフォーカス板等他の手段であってもよい。タイミング発生回路１９および電源回路２０は、定電圧源５、ドライバ回路６、増幅・表示処理回路７、素子出力レベル検出回路８、バイアス電圧調整回路９、校正用赤外線入射手段１８等の構成要素に必要な駆動クロックと電力を供給している。上記説明した各構成要素はカメラ筐体２１内に収納されている。
【０００８】
図２は赤外線撮像素子１の回路構成を示しており、説明を簡素化するために、２×２画素のものを例示した。赤外線撮像素子１は、検知素子２２〜２５、ダイオード２６〜２９、トランジスタ３０〜３４、水平走査回路３５、および垂直走査回路３６から構成される。検知素子２２〜２５は、例えば特表平７−５０９０５７に記載されている中空断熱構造を有するマイクロボロメータが用いられる。
【０００９】
図３は実施の形態１に係る赤外線カメラの動作を示すフローチャートで、このフローチャートに沿って動作を説明する。
電源が投入されると（ステップＳＴ１）、電源回路２０から各部に電力が供給される（ステップＳＴ２）。次に、タイミング発生回路１９で素子駆動クロックが発生し、ドライバ回路６を通して赤外線撮像素子１内の水平走査回路３５と垂直走査回路３６に印加される（ステップＳＴ３）。上記動作によりトランジスタ３０〜３３を順次導通状態にし、定電圧源５から印加される直流電圧とトランジスタ３４の特性により決まる電流がバイアス電圧調整回路９から検知素子２２〜２５に順次供給される。このことにより、検知素子２２〜２５はフレーム毎に繰り返して、抵抗値に応じた各画像電圧信号を増幅・表示処理回路７と素子出力レベル検出回路８へ出力する（ステップＳＴ４）。
【００１０】
次に、タイミング発生回路１９がキャリブレーション実行信号を発生し（ステップＳＴ５）、これによってシャッタ（校正用赤外線入射手段）１８を閉じて（ステップＳＴ６）、各検知素子２２〜２５に対し等しい強度の赤外線を入射する。この状態で、スイッチ１６の接続先が図示されたように設定されていると、ランプ波形出力回路１４からは、時間的に増加または減少するバイアス電圧データ（デジタル値）がＤＡ変換回路１７に出力され、アナログ電圧に変換される（ステップＳＴ７）。この動作により、トランジスタ３４へ印加するバイアス電圧は、時間的に増加または減少し、検知素子２２〜２５の出力も増加または減少する。
【００１１】
次に、増加または減少する検知素子２２〜２５の各出力電圧は、素子出力レベル検出回路８内のＡＤ変換回路１０でデジタル値に変換され、さらに平均化回路１１で平均化処理される。平均化回路１１の出力は、比較回路１３において目標値１２と比較され、平均化回路１１の出力が目標値を中心とした規定の範囲に到達した時点で、ランプ波形出力回路１４の出力はメモリ１５に記憶される（ステップＳＴ８）。またこの時、スイッチ１６はメモリ１５の出力がＤＡ変換回路１７に入力されるように切り替えられ、メモリ１５に記憶されたデータに基づいて赤外線撮像素子１の出力オフセットレベルは赤外線撮像素子１の動作温度における目標値に設定される（ステップＳＴ９）。
【００１２】
次に、シャッタ（校正用赤外線入射手段）１８が閉じたままの状態で、検知素子２２〜２５個々の出力が増幅・表示処理回路７において取得され、検知素子２２〜２５個々の抵抗値（各出力オフセット）のばらつきを補正するためのキャリブレーションデータとして増幅・表示処理回路７に記憶される（ステップＳＴ１０）。次に、シャッタ（校正用赤外線入射手段）１８を開くと（ステップＳＴ１１）、被写体が放射する赤外線は赤外光学系４により集光して、赤外窓２を通して検知素子２２〜２５に結像する。シャッタ開時の検知素子２２〜２５個々の出力から上記取得したキャリブレーションデータを検知素子毎に差し引くことにより、各検知素子で放射赤外線の吸収により生じる数ｍＫ程度の微少な温度上昇に起因する抵抗値の変化による電気信号の変化が画像表示のためのビデオ信号として出力される（ステップＳＴ１２）。
撮像開始後時間が経過すると、赤外線撮像素子１の動作温度の変化に伴い、固定パターンノイズの増加による画像劣化が生じる。このときには再度キャリブレーションを実行するが、ステップＳＴ９でキャリブレーションデータ取得前にバイアス電圧調整回路９から赤外線撮像素子１に印加するバイアス電圧の再調整を行なう。
【００１３】
以上のように、この実施の形態１によれば、赤外窓２の前面で赤外線撮像素子１の視野を覆う位置に設置された校正用赤外線入射手段１８により、キャリブレーション実行時に赤外線撮像素子１の受光面を構成する検知素子の各々に対して等しい強度の校正用赤外線を入射し、バイアス電圧調整回路９が、校正用赤外線の入射時に時間的に増加または減少するバイアス電圧を赤外線撮像素子１に印加し、素子出力レベル検出回路８が、校正用赤外線の入射時の赤外線撮像素子１からバイアス電圧の変化に応答して増加または減少する検知素子の各出力電圧を取り出しＡＤ変換して平均化し、バイアス電圧調整回路９が、素子出力レベル検出回路８の平均化された出力電圧レベルを目標値と比較し、当該出力電圧レベルが目標値を中心とした規定の範囲に到達した時点でのバイアス電圧の値を記憶し、当該記憶したバイアス電圧の値に基づいて校正用赤外線の入射解除後の画像を入手するための出力オフセットレベルを設定するようにしたので、赤外線撮像素子１に供給するバイアス電圧を自動調整でき、そのために赤外線撮像素子１の各動作温度におけるバイアス電圧と出力オフセット電圧との関係に関するデータテーブルを予め取得する必要が無く、試験調整を簡素化できる効果が得られる。
【００１４】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による赤外線カメラの回路構成を示すブロック図である。また、赤外線撮像素子１の構成は、図２と同じものである。図４において、図１と同じまたは相当する構成要素については同一符号を付して示す。図４では、新たな構成として、赤外窓２と素子パッケージ３で構成される真空槽内で、赤外線撮像素子１に対しそれぞれ熱的に接続される熱電素子３７と素子温度センサ３８が新たに設置されている。素子温度センサ３８は、素子動作温度設定回路３９と熱電素子駆動回路４０に接続され、熱電素子駆動回路４０の出力は熱電素子３７に接続している。素子動作温度設定回路３９は、信号の入力から出力に向かって、ＡＤ変換回路４１、オフセット量加算回路４２、メモリ４３、ＤＡ変換回路４４から構成される。
【００１５】
図５はこの実施の形態２に係る赤外線カメラの動作を示すフローチャートで、このフローチャートに沿って動作を説明する。
電源が投入されると（ステップＳＴ２１）、定電圧源５、ドライバ回路６、バイアス電圧調整回路９から赤外線撮像素子１への信号印加、および熱電素子駆動回路４０から熱電素子３７への電力供給が開始されるが、これらの動作の立ち上り前に、直ちに次の動作が行われる。素子温度センサ３８の検出電圧がＡＤ変換回路４１でＡＤ変換され、オフセット量加算回路４２においてその値に所定のオフセット値が加算され、メモリ４３に記憶される。立ち上げ時間を最短にするという観点からは、このオフセット値は、零が望ましいが、一般的な監視用や携帯用のカメラでは動作開始後の低消費電力化を考慮して、カメラ筐体２１内の上昇温度に相当する１０℃程度の正の値とする。次に、メモリ４３から読み出したオフセット値加算後の電圧はＤＡ変換回路４４でＤＡ変換されて熱電素子駆動回路４０に伝達される。熱電素子駆動回路４０は、オフセット値加算後の電圧と素子温度センサの検出電圧に基づいて、赤外線撮像素子１をオフセット値加算後の電圧により設定される温度にするように熱電素子３７に対し電力を供給する（ステップＳＴ２２）。このステップＳＴ２２の間に、赤外線撮像素子１に定電圧源５から直流電圧が印加され（ステップＳＴ２３）、またドライバ回路６から素子駆動クロックが印加されるようになる（ステップＳＴ２４）。このようにして赤外線撮像素子１は、素子温度センサ３８の電源投入直後の温度に所望のオフセット値を加算した温度に加熱され安定化する。
【００１６】
赤外線撮像素子１から画像電圧信号が出力した後は実施の形態１と同様に動作する。素子動作温度設定回路３９で設定した赤外線撮像素子１の動作温度において、バイアス電圧調整回路９が、キャリブレーション実行信号に基づき、出力オフセットレベルが目標値になるようなバイアス電圧値を自動設定して赤外線撮像素子１に供給し、キャリブレーションデータ取得を行ない、画像を表示する。熱電素子３７を用いて一定温度に温度制御しているため、赤外線撮像素子１の動作温度は一旦動作を開始した後は実施の形態１と比較して遥かに安定してはいるものの、撮像開始後時間が経過すると赤外線撮像素子１の動作温度は数ｍＫオーダのレベルでは微少な変化が生じ、これに伴い固定パターンノイズ増加による画像劣化が生じる。このときには再度キャリブレーションを実行するが、ステップＳＴ９に示すようにキャリブレーションデータ取得前にバイアス電圧調整回路９から赤外線撮像素子１に印加するバイアス電圧の再調整を行なう。
【００１７】
以上のように、この実施の形態２は、上記実施の形態１に加え、素子温度センサ３８により赤外線撮像素子１の温度を検出し、素子動作温度設定回路３９が、電源投入直後における素子温度センサ３８の検出電圧に所定のオフセット値を加算して記憶し、記憶したオフセット値加算後の電圧を取り出し、熱電素子駆動回路４０が、オフセット値加算後の電圧と素子温度センサ３８の検出電圧に基づいて、赤外線撮像素子１をオフセット値加算後の電圧により設定される温度にするように熱電素子３７に対し電力を供給するようにしたものである。したがって、赤外線撮像素子１に供給するバイアス電圧を自動調整することにより赤外線撮像素子１の各動作温度におけるバイアス電圧と出力オフセット電圧との関係に関するデータテーブルを予め取得する必要が無く試験調整を簡素化できることに加え、電源投入直後の赤外線撮像素子１の動作温度の変動量を実施の形態１よりも小さく設定できるため、動作温度の変化に起因する固定パターンノイズの発生が少なく、キャリブレーション実施の頻度の少ない赤外線カメラが得られる効果がある。なお、前記オフセット値を零にすれば、撮像素子１の動作温度を整定温度にするまでの時間が最短となり、赤外線カメラの立ち上げ時間を最短にすることが出来る。
【００１８】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３による赤外線カメラの回路構成を示すブロック図である。また、赤外線撮像素子１の構成は、図２と同じものである。図６において、図１および図４と同じまたは相当する構成要素にはそれぞれ同一符号を付して示す。図６では、新たな構成として筐体温度センサ４８が筐体２１内に設置されている。素子動作温度設定回路３９のＡＤ変換回路４１には、実施の形態３の場合、筐体温度センサ４８の検出電圧が入力されるようになっている。
【００１９】
図７はこの実施の形態３に係る赤外線カメラの動作を示すフローチャートである。
電源が投入されると（ステップＳＴ３１）、定電圧源５、ドライバ回路６、バイアス電圧調整回路９から赤外線撮像素子１への信号印加、および熱電素子駆動回路４０から熱電素子３７への電力供給が開始されるが、その立ち上り前に、直ちに次の動作が行われる。筐体温度センサ４８によりカメラ筐体２１の内部温度が検出される。その検出電圧はＡＤ変換回路４１でＡＤ変換され、オフセット量加算回路４２に与えられる。オフセット量加算回路４２において、検出電圧のデジタル値には所定のオフセット値が加算され、メモリ４３に記憶される。次に、メモリ４３からオフセット値加算後の電圧データが読み出され、ＤＡ変換回路４４でＤＡ変換されて熱電素子駆動回路４０に伝達される。熱電素子駆動回路４０は、入力されるオフセット値加算後の電圧と素子温度センサ３８の検出電圧に基づいて、赤外線撮像素子１をオフセット値加算後の電圧により設定される温度にするように熱電素子３７に対し電力を供給する（ステップＳＴ３２）。このステップＳＴ３２の間に、赤外線撮像素子１に定電圧源５から直流電圧が印加され（ステップＳＴ３３）、またドライバ回路６から素子駆動クロックが印加されるようになる（ステップＳＴ３４）。このようにして赤外線撮像素子１は、筐体温度センサ４８の電源投入直後の温度に所定のオフセット値を加算した温度に加熱され安定化する。その後は実施の形態１および実施の形態２と同様に動作するので説明を省略する。
このように電源投入直後の筐体温度センサ４８の温度に応じて赤外線撮像素子１の動作温度を設定するようにした。このことにより、短い時間間隔で繰り返し電源をオン、オフした場合でも赤外線撮像素子１の動作温度を必要以上に高く設定することなく、低消費電力が維持される。なお、加算される所定のオフセット値を、実施の形態２で説明したように、同様に零に設定してもよい。
【００２０】
以上のように、この実施の形態３によれば、上記実施の形態２に加え、素子温度センサ３８により赤外線撮像素子の温度を検出し、また筐体温度センサ４８によりカメラ筐体２１内の温度を検出し、素子動作温度設定回路３９が、電源投入直後における筐体温度センサ４８の検出電圧に所定のオフセット値を加算して記憶し、記憶したオフセット値加算後の電圧を取り出し、熱電素子駆動回路４０が、オフセット値加算後の電圧と素子温度センサ３８の検出電圧に基づいて、赤外線撮像素子１をオフセット値加算後の電圧により設定される温度にするように熱電素子３７に対し電力を供給するようにしたものである。したがって、赤外線撮像素子１に供給するバイアス電圧を自動調整することにより赤外線撮像素子１の各動作温度におけるバイアス電圧と出力オフセット電圧との関係に関するデータテーブルを予め取得する必要が無く試験調整を簡素化できることに加え、赤外線撮像素子１の動作温度の変動量を実施の形態１よりも小さくできるため、動作温度の変化に起因する固定パターンノイズの発生が少なく、キャリブレーションデータ取得頻度の少ない赤外線カメラが得られる効果がある。また、電源投入直後の筐体温度センサ４８の温度に応じて赤外線撮像素子１の動作温度を設定するようにしているので、上記実施の形態２と比較すると、短い時間間隔で繰り返し電源をオン、オフした場合でもオフセット加算量がオン、オフの回数に応じて重畳されることがないため赤外線撮像素子１の動作温度を周囲温度からかけ離れて設定することがなく、消費電力の増加を回避出来る効果が得られる。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、赤外窓および素子パッケージにより形成された真空槽の中に実装された赤外線撮像素子に対する出力オフセットレベルを設定する赤外線カメラにおいて、赤外窓の前面で赤外線撮像素子の視野を覆う位置に設置され、キャリブレーション実行時に赤外線撮像素子の受光面を構成する検知素子の各々に対して等しい強度の校正用赤外線を入射する校正用赤外線入射手段と、校正用赤外線の入射時に時間的に増加または減少するバイアス電圧を赤外線撮像素子に印加するバイアス電圧調整回路と、校正用赤外線の入射時の赤外線撮像素子からバイアス電圧の変化に応答して増加または減少する検知素子の各出力電圧を平均化する素子出力レベル検出回路とを備え、バイアス電圧調整回路は、素子出力レベル検出回路の平均化された出力電圧レベルを目標値と比較し、当該出力電圧レベルが目標値を中心とした規定の範囲に到達した時点でのバイアス電圧の値を記憶し、当該記憶したバイアス電圧の値に基づいて校正用赤外線の入射解除後の画像を入手するための出力オフセットレベルを設定するように構成したので、赤外線撮像素子の各動作温度におけるバイアス電圧と出力オフセット電圧との関係に関するデータテーブルを必要とせずに赤外線撮像素子に供給するバイアス電圧を自動調整できるため、試験調整の工数を低減でき、低コストな赤外線カメラが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による赤外線カメラの回路構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る赤外線撮像素子の構成を示す回路図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る赤外線カメラの動作を示すフローチャートである。
【図４】この発明の実施の形態２による赤外線カメラの回路構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る赤外線カメラの動作を示すフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態３による赤外線カメラの回路構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る赤外線カメラの動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１赤外線撮像素子、８素子出力レベル検出回路、９バイアス電圧調整回路、１８校正用赤外線入射手段、２２〜２５検知素子、３７熱電素子、３８素子温度センサ、３９素子動作温度設定回路、４０熱電素子駆動回路、４８筐体温度センサ。

Claims

赤外線撮像素子の視野を覆う位置に設置され、前記赤外線撮像素子を構成する検知素子の各出力オフセットのばらつきに対する校正を行なうためのキャリブレーションデータ取得時に前記検知素子の各々に対して等しい強度の校正用赤外線を入射する校正用赤外線入射手段と、
前記校正用赤外線の入射時に時間的に増加または減少するバイアス電圧を前記赤外線撮像素子に印加するバイアス電圧調整回路と、
前記校正用赤外線の入射時の前記バイアス電圧の変化に応答して増加または減少する検知素子の各出力電圧を平均化し検出する素子出力レベル検出回路とを備え、
前記バイアス電圧調整回路は、素子出力レベル検出回路の出力電圧レベルを目標値と比較し、当該出力電圧レベルが目標値を中心とした規定の範囲に到達した時点での前記バイアス電圧の値を記憶し、当該記憶した値のバイアス電圧を前記撮像素子に印加して前記キャリブレーションデータの取得と前記校正用赤外線の入射解除後の撮像を行なう赤外線カメラ。
赤外線撮像素子の温度を制御する熱電素子と、
前記赤外線撮像素子の温度を検出する素子温度センサと、
電源投入直後における前記素子温度センサの検出電圧に所定のオフセット値を加算して記憶し、記憶したオフセット値加算後の電圧を取り出す素子動作温度設定回路と、
前記オフセット値加算後の電圧と前記素子温度センサの検出電圧に基づいて、前記赤外線撮像素子を前記オフセット値加算後の電圧により設定される温度にするように前記熱電素子に対し電力を供給する熱電素子駆動回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の赤外線カメラ。
赤外線撮像素子の温度を制御する熱電素子と、
前記赤外線撮像素子の温度を検出する素子温度センサと、
カメラ筐体内の温度を検出する筐体温度センサと、
電源投入直後における前記筐体温度センサの検出電圧に所定のオフセット値を加算して記憶し、記憶したオフセット値加算後の電圧を取り出す素子動作温度設定回路と、
前記オフセット値加算後の電圧と前記素子温度センサの検出電圧に基づいて、前記赤外線撮像素子を前記オフセット値加算後の電圧により設定される温度にするように前記熱電素子に対し電力を供給する熱電素子駆動回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の赤外線カメラ。
所定のオフセット値を零に設定したことを特徴とする請求項２または請求項３記載の赤外線カメラ。