JP2005181206A

JP2005181206A - 非冷却赤外線カメラ

Info

Publication number: JP2005181206A
Application number: JP2003425329A
Authority: JP
Inventors: Kunio Ookawa; 訓生大川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】非冷却赤外線撮像素子１を動作状態としたまま素子内部の温度分布を熱平衡状態に近づける待機モ−ドを設けることにより、映像信号出力開始直後から固定パタ−ンノイズの発生が少なく、かつ、待機中の消費電力の少ない非冷却赤外線カメラを得る。
【解決手段】映像出力が必要な時刻までの間、撮像素子電源５、バイアス電圧源６、素子駆動クロック生成回路７に限定して電源を供給して素子電源、バイアス電圧、素子駆動クロックを加えることにより、非冷却赤外線撮像素子１を動作状態にして待機するようにする。映像信号出力開始信号がマイコン１４に入力されると、マイコン１４からスイッチアセンブリ９にスイッチ切換信号が出力され、Ｓ３をＯＮにすることにより増幅及び表示処理回路８に電源を供給し、映像信号を出力する。
【選択図】図１

Description

この発明は、赤外線カメラ、特にボロメ−タ等の常温で動作する熱型の赤外線検出器を用いた非冷却赤外線カメラに関するものである。

従来の非冷却赤外線カメラは、2次元に配列したボロメ−タ等の熱型赤外線検出素子から成る画素と、各画素を順次走査する走査手段と、走査手段により走査された画素からの信号を読み出す読み出し手段とを有する赤外線イメ−ジセンサを備え、被写体の放射する赤外線を赤外線イメ−ジセンサ上に結像することにより各赤外線検出素子に生じる上昇温度の画素間の差を電気信号に変換し、撮像を行なっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３３３０８号公報（段落００１０〜段落００１６、図１）

然るに、被写体の放射により各赤外線検出素子に生じる上昇温度は目標温度差1℃当たり数mK程度であり微少なため、赤外線検出素子が2次元に配列している基板の空間的な温度分布が撮像中に変動すると、各赤外線検出素子の出力が大きく変動し、固定パタ−ンノイズとして現れる。特に、赤外線イメ−ジセンサの動作開始直後、基板温度が熱平衡に達するまでの期間においては上記空間的な温度分布の変動が大きいため、この固定パタ−ンノイズは特に大きく出現する。このため、赤外線映像信号の開始直後から高いS/Nを要求される用途においては上記固定パタ−ンノイズをいかに低減するかが課題となっている。上記のような課題を解決するためには、映像が必要となる時刻に上記基板が十分熱平衡に達するよう、前もってカメラ全体を起動しておく方法もあるが、ミサイルシ−カ等、小型、軽量が要求される用途においては、電源容量の観点から得策とは言えない状況である。

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、赤外線映像信号の出力開始直後においても固定パタ−ンノイズの発生量が少なく、かつ、赤外線映像信号出力前に待機をする運用をする場合においても待機中の消費電力の少ない非冷却赤外線カメラを得ることを目的とする。

この発明による非冷却赤外線カメラは、被写体が放射する赤外線を吸収し電気信号に変換する複数の素子を有する非冷却赤外線撮像素子を備え、この非冷却赤外線撮像素子の内部発熱の要因となる各種信号のうち、少なくとも一つ以上の各種信号を上記非冷却赤外線撮像素子に供給した待機状態にしておき、上記非冷却赤外線カメラからの映像信号の出力を開始する映像信号出力開始信号により、上記内部発熱の要因となる各種信号以外を起動して、上記映像信号を出力する様にしたものである。

この発明によれば、映像出力が必要な時刻までの間、撮像素子電源、バイアス電圧源、素子駆動クロック生成回路に限定して電源供給し、素子電源、バイアス電圧、素子駆動クロックを加えることにより、非冷却赤外線撮像素子を動作状態にして待機するようにしたので、映像信号出力開始直後から固定パタ−ンノイズが少ない良好な映像が得られ、待機中の消費電力も少ない非冷却赤外線カメラが得られる効果がある。
また、映像出力が必要な時刻までの間、撮像素子電源、バイアス電圧源、素子駆動クロック生成回路、熱電素子駆動回路に限定して電源供給し、熱電素子を用いて非冷却赤外線撮像素子を動作状態のままマクロ的に一定温度に維持しながら待機するようにしたので、映像信号出力までの待機時間が短い場合でも映像信号出力開始直後から固定パタ−ンノイズが少ない良好な映像が得られ、待機中の消費電力が少ない非冷却赤外線カメラが得られる効果がある。

実施の形態１．
以下、図を用いて本発明に係わる実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１による非冷却赤外線カメラのブロック図である。非冷却赤外線撮像素子１は赤外窓２及び素子パッケ−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おり、その受光面側にはシャッタ４１が設置されている。非冷却赤外線撮像素子１には撮像素子電源５、バイアス電圧源６、素子駆動クロック生成回路７、増幅及び表示処理回路８が電気的に接続しており、撮像素子電源５及びバイアス電圧源６には第１の電源１０、素子駆動クロック生成回路７には第２の電源１１、増幅及び表示処理回路８には第３の電源１２から、スイッチアセンブリ９内のそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３を介して電源が供給されている。又、素子駆動クロック生成回路７、増幅及び表示処理回路８、スイッチアセンブリ９、シャッタ４１に接続したマイコン１４には第４の電源１３から電源が供給されている。上記非冷却赤外線撮像素子1、赤外窓２、素子パッケ−ジ３、及び符号５〜符号１４は、筐体１５内に収納されている。

図２は、非冷却赤外線撮像素子１の構成であり、説明の簡素化のため２×２画素のものを示した。非冷却赤外線撮像素子１は検知素子１６〜１９、ダイオ−ド２０〜２３、トランジスタ２４〜２８、水平走査回路２９、及び垂直走査回路３０から構成される。検知素子１６〜１９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−タである。

次に、動作について説明する。主電源を第１の電源１０〜第４の電源１３の全てに接続し、各電源を起動する。初期状態においてＳ１、Ｓ２、Ｓ３は全てＯＦＦである。この時点でマイコン１４には第４の電源１３から電源が供給されており、マイコン１４が起動する。次にマイコン１４の指令によりスイッチアセンブリ９内のＳ１及びＳ２をＯＮ、Ｓ３をＯＦＦに設定し、撮像素子電源５、バイアス電圧源６及び素子駆動クロック生成回路７に電源を供給し、非冷却赤外線撮像素子１に素子電源、バイアス電圧及び素子駆動クロックを供給する。これにより、非冷却赤外線撮像素子１は水平走査回路２９及び垂直走査回路３０が動作し、トランジスタ２４〜２７を順次導通状態にし、撮像素子電源５の電圧とトランジスタ２８の特性に依存する電流が検知素子１６〜１９及びダイオ−ド２０〜２３に順次通電され、検知素子１６〜１９の抵抗値に応じた各画像電圧信号が出力される。

一方、増幅及び表示処理回路８は電源が供給されないため、休止状態のままとなり、この状態で映像信号出力開始信号がマイコン１４に入力されるまで待機する。上記の動作により、検知素子１６〜１９、ダイオ−ド２０〜２３、トランジスタ２４〜２８、及びこれらを接続する配線は、検知素子１６〜１９への電流通電により、増幅及び表示処理回路８から映像信号を出力する時と同等の発熱量で発熱しながら待機を続ける。又、水平走査回路２９及び垂直走査回路３０も、各走査信号クロックの入出力に伴なう電荷の移動により同様に発熱し、非冷却赤外線撮像素子１を熱平衡状態に近い温度分布に近ずかせながら待機する。

次に、映像信号出力開始信号がマイコン１４に入力されると、マイコン１４からスイッチアセンブリ９にスイッチ切換信号が出力され、Ｓ３をＯＮにすることにより増幅及び表示処理回路８に電源を供給する。次にシャッタ４１を一旦閉じ、検知素子１６〜１９に一様な赤外線を入射した状態で検知素子１６〜１９の出力のオフセットばらつきに相当するキャリブレ−ションデ−タを増幅及び表示処理回路８で取得する。次にシャッタ４１を開き、検知素子１６〜１９個々の出力から上記キャリブレ−ションデ−タを差し引き、映像信号出力開始時点における固定パタ−ンノイズを補正した映像信号を増幅及び表示処理回路８から出力する。

上記のように、映像出力が必要な時刻までの間、撮像素子電源５、バイアス電圧源６、素子駆動クロック生成回路７に限定して電源を供給して素子電源、バイアス電圧、素子駆動クロックを加えることにより、非冷却赤外線撮像素子１を動作状態にして待機するようにしたため、映像信号出力開始直後から固定パタ−ンノイズが少ない良好な映像が得られ、かつ、待機中の消費電力も少ない非冷却赤外線カメラが得られる効果がある。

実施の形態２．
以下、図を用いて本発明に係わる実施の形態２について説明する。図３は実施の形態２による非冷却赤外線カメラのブロック図である。図中、符号２〜符号８、符号１０〜符号１５は実施の形態１と同じものである。赤外窓２と素子パッケ−ジ３で構成される真空領域内には非冷却赤外線撮像素子３２に熱的に接続し、熱電素子駆動回路３４に電気的に接続した熱電素子３１が設置されている。熱電素子３１は本実施の形態２ではペルチェ素子である。

図４は、非冷却赤外線撮像素子３２の構成であり、符号１６〜符号３０は実施の形態１と同じものである。３３は素子温度センサであり、本実施の形態２ではアルミニウムの薄膜抵抗体であり、符号１６〜符号３０と熱的に接続している。

再び、図３に戻って説明を行なう。図３において、熱電素子駆動回路３４は、素子温度センサ３３への通電電流の源となる定電圧源３５と、定電圧源３５と素子温度センサ３３の間に設置した基準抵抗３６と、非冷却赤外線撮像素子３２の動作温度を設定する基準電圧源３７と差動増幅回路３８とから構成され、スイッチアセンブリ３９内のＳ４を介して第５の電源４０に接続している。

次に、動作について説明する。主電源を第１の電源１０〜第４の電源１３、及び第５の電源４０全てに接続し、各電源を起動する。初期状態においてＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は全てＯＦＦである。この時点でマイコン１４には第４の電源１３から電源が供給されており、マイコン１４が起動する。次にスイッチアセンブリ３９内のＳ１、Ｓ２、Ｓ４をＯＮ、Ｓ３をＯＦＦに設定し、撮像素子電源５、バイアス電圧源６及び素子駆動クロック生成回路７に電源を供給し、非冷却赤外線撮像素子３２に素子電源、バイアス電圧及び素子駆動クロックを供給する。

これにより、非冷却赤外線撮像素子３２は水平走査回路２９及び垂直走査回路３０が動作し、トランジスタ２４〜２７を順次導通状態にし、撮像素子電源５の電圧とトランジスタ２８の特性に依存する電流が検知素子１６〜１９及びダイオ−ド２０〜２３に順次通電され、検知素子１６〜１９の抵抗値に応じた各画像電圧信号が出力される。同時に熱電素子駆動回路３４にも第５の電源４０から電源が供給され、定電圧源３５から基準抵抗３６を介して素子温度センサ読み出し電流が素子温度センサ３３に通電され、非冷却赤外線撮像素子３２の温度に応じた電圧が、素子温度センサ３３から差動増幅回路３８の差動入力端子の一方の端子に入力される。

一方、基準電圧源３７からは非冷却赤外線撮像素子３２の動作温度を設定する電圧信号が差動増幅回路３８の差動入力端子のもう一方の端子に入力されており、差動増幅回路を用いた一般的の動作に基づいた動作により、非冷却赤外線撮像素子３２の温度が動作温度設定値よりも高い場合には非冷却赤外線撮像素子３２を冷却する方向、逆に非冷却赤外線撮像素子３２の温度が動作温度設定値よりも低い場合には非冷却赤外線撮像素子３２を加熱する方向、に差動増幅回路３８から熱電素子３１に電流を供給し、非冷却赤外線撮像素子３２を一定温度に維持する。

一方、増幅及び表示処理回路８は電源が供給されないため休止状態のままであり、この状態で映像信号出力開始信号がマイコン１４に入力されるまで待機する。
上記の動作により、検知素子１６〜１９、ダイオ−ド２０〜２３、トランジスタ２４〜２８、及びこれらを接続する配線は検知素子１６〜１９への電流通電により、又、素子温度センサ３３は素子温度センサ読み出し電流の通電により、増幅及び表示処理回路８から映像信号を出力する時と同等の発熱量で発熱しながら待機を続ける。又、水平走査回路２９及び垂直走査回路３０も、各走査信号クロックの入出力に伴なう電荷の移動により同様に発熱し、非冷却赤外線撮像素子１を熱平衡状態に近い温度分布に近ずかせながら待機する。

次に映像信号出力開始信号がマイコン１４に入力されると、マイコン１４からスイッチアセンブリ３９にスイッチ切換信号が出力され、Ｓ３をＯＮにし、及び表示処理回路８を起動する。その後の動作は実施の形態１と同じである。

上記のように、映像出力が必要な時刻までの間、撮像素子電源５、バイアス電圧源６、素子駆動クロック生成回路７、熱電素子駆動回路３４に限定して電源を供給し、熱電素子３１を用いて非冷却赤外線撮像素子３２を動作状態のままマクロに見て一定温度に維持しながら待機するようにしたため、映像信号出力までの待機時間が短い場合でも映像信号出力開始直後から固定パタ−ンノイズが少ない良好な映像が得られ、かつ、待機中の消費電力が少ない非冷却赤外線カメラが得られる効果がある。

この発明による非冷却赤外線カメラの実施の形態１の構成を示すブロック図である。この発明による非冷却赤外線カメラの実施の形態１における非冷却赤外線撮像素子２の構成図である。この発明による非冷却赤外線カメラの実施の形態２の構成を示すブロック図である。この発明による非冷却赤外線カメラの実施の形態２における非冷却赤外線撮像素子３２の構成図である。

符号の説明

１非冷却赤外線撮像素子、５撮像素子電源、６バイアス電圧源、
７素子駆動クロック生成回路、８増幅及び表示処理回路、
３１熱電素子、３２非冷却赤外線撮像素子、３３素子温度センサ
３４熱電素子駆動回路。

Claims

被写体が放射する赤外線を吸収し電気信号に変換する複数の素子を有する非冷却赤外線撮像素子を備えた非冷却赤外線カメラにおいて、
この非冷却赤外線撮像素子の内部発熱の要因となる各種信号のうち、少なくとも一つ以上の各種信号を上記非冷却赤外線撮像素子に供給した待機状態にしておき、上記非冷却赤外線カメラからの映像信号の出力を開始する映像信号出力開始信号により、上記内部発熱の要因となる各種信号以外を起動して、上記映像信号を出力することを特徴とする非冷却赤外線カメラ。
赤外光学系と、この赤外光学系の結像面に位置し、被写体が放射する赤外線を吸収し電気信号に変換する複数の素子を有する非冷却赤外線撮像素子と、この非冷却赤外線撮像素子にバイアス電圧を印加するバイアス電圧源と、上記非冷却赤外線撮像素子に素子用電源を印加する撮像素子電源と、上記非冷却赤外線撮像素子の夫々の素子から信号を読み出すためのクロックを発生させる素子駆動クロック生成回路と、上記非冷却赤外線撮像素子から読み出される各画素電圧信号を増幅して表示する増幅及び表示処理回路と、を備え、
上記非冷却赤外線撮像素子の内部発熱の要因となる各種信号のうち、少なくとも一つ以上の各種信号を上記非冷却赤外線撮像素子に供給した待機状態にしておき、上記非冷却赤外線カメラからの映像信号の出力を開始する映像信号出力開始信号により、上記内部発熱の要因となる各種信号以外を起動して、上記映像信号を出力することを特徴とする非冷却赤外線カメラ。
上記非冷却赤外線撮像素子の内部発熱の要因となる各種信号は、上記バイアス電圧源のバイアス電圧、上記撮像素子電源の素子電源、上記素子駆動クロック生成回路の素子駆動クロックの何れかであることを特徴とする、請求項２に記載の非冷却赤外線カメラ。
更に、上記非冷却赤外線撮像素子に熱的に接続した熱電素子と、上記非冷却赤外線撮像素子を構成する検知素子と熱的に接続した素子温度センサと、上記熱電素子に接続し上記非冷却赤外線撮像素子を略一定温度に維持する熱電素子制御回路とを備え、
上記撮像中に上記非冷却赤外線撮像素子の内部発熱の要因となる各種信号のうち、少なくとも一つ以上の各種信号を上記非冷却赤外線撮像素子に供給すると共に上記熱電素子により略一定温度に維持した待機状態にしておき、上記映像信号出力開始信号により、上記内部発熱の要因となる各種信号以外を起動して、上記映像信号を出力することを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の非冷却赤外線カメラ。
上記非冷却赤外線撮像素子の内部発熱の要因となる各種信号は、上記バイアス電圧源のバイアス電圧、上記撮像素子電源の素子電源、上記素子駆動クロック生成回路の素子駆動クロック、上記素子温度センサへの通電電流の何れかであることを特徴とする、請求項４記載の非冷却赤外線カメラ。