JP2005519298A - 赤外線カメラ較正における、または、赤外線カメラ較正に関する改良 - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線カメラ較正における、または、赤外線カメラ較正に関する改良
【解決手段】ここに説明するのは、冷却赤外線検出器を較正するために使用されることができる改良された基準表面（１０）である。基準表面（１０）は、複数のコーナーキューブユニット（１２、１４、１６、１８、２０、２２）を含み、これらの上に直接入射する放射を反射する。低音冷却検出器により画像化される場合、基準表面（１０）がその実際の温度よりも低い温度において黒体源として出現するように、コーナーキューブユニット（１２、１４、１６、１８、２０、２２）それぞれの表面は部分的に反射および部分的に放射する。

Description

本発明は、赤外線（ＩＲ）カメラの較正における、または、赤外線（ＩＲ）カメラの較正に関する改良に関し、特に低温冷却検出器素子を使用するようなカメラの較正に関係する。

このようなカメラは一般的に、焦点面アレイ（フオーカルプレインアレイ；ＦＰＡ）形態での複数の検出器素子を使用し、このアレイ上にシーンの画像の焦点が合わせられる。しかしながら、多素子線形アレイか、または単一素子検出器のような、その上でシーンの画像がスキャンされる別の構成もまた知られている。

１つまたは複数の検出器素子からのデータは、テレビモニターのようなディスプレイ上に可視画像を形成するのに使用され得る。これは、従来技術の可視光テレビ画像と類似しているが、シーンの異なる部分における画像輝度は、対応するシーンの部分からの可視光放射輝度よりもむしろ、検出されたＩＲ放射輝度の関数である。

個々の検出器素子は、入射放射線（フラックス）に対する感度における変動と、時間および動作条件の関数としての出力のオフセット、または「バイアス」における変動とを示す。感度における変動は、フラックスの関数としての出力における非線形性での変化を表してよく、従って、観測されるシーンを含む素子の温度に同様に依存するフラックスレベルによって決まる。多素子検出器を有するカメラにおいて、この変動性は所与のＩＲ輝度レベルへの不均一な反応の原因となる。この不均一性は、得られる画像に、極めて望ましくないノイズまたはアーチファクトを引き起こす。

検出器に降りるＩＲフラックスを正確に表す数値出力を生じるために、検出器が要求されるかもしれない。これはまた、検出器性能における変動により損なわれる。
異なる温度における１つ以上の基準表面がカメラに提供される場合、素子それぞれからの示度を使用することにより、ＩＲカメラを較正することが知られている。これらの示度は、次いでカメラを較正するために使用される。強力で正確な較正のため、画像化されるシーンで見られる範囲を覆うフラックスレベルを引き起こす表面を提供することが必要である。しかしながら、実際にしばしば見られるシーンに相当する低フラックスレベルを生じるための、十分に冷たい基準表面の供給は、基準表面の実質的な冷却を必要とする。これは、達成するのに費用がかかり困難である。

従って本発明の目的は、基準表面を冷却する必要性を克服する較正システムを提供することである。

本発明の一態様によれば、赤外線検出器の較正での使用のための基準表面が提供され、基準表面は、部分的に反射および部分的に放射する複数の中空コーナーキューブを有する。
本発明の別の態様によれば、上に説明したような基準表面を使用して、複数の検出器素子を含む赤外線検出器を較正する方法が提供され、方法は、
ａ）既知の温度において赤外線検出器に基準表面を提供すること、
ｂ）検出器素子それぞれの出力を測定すること、
ｃ）既知の温度において較正誤差を決定するために、検出器素子それぞれの測定された出力を、既知の温度のための公称出力と比較すること、および
ｄ）基準表面を１つ以上の付加の既知の温度に加熱すること、および付加の既知の基準温度のそれぞれのための較正誤差を決定するために前記工程ｂ）とｃ）を繰り返すこと、
を具備する。

本発明をより理解するために、これより参照符号が例示としてのみ添付の図面に付される。

本発明によれば、低温冷却検出器によって観測される場合、低温黒体の放射輝度に相当する放射輝度を生じることができる、基準表面が提供される。このことは、表面を実際の黒体温度に冷却する必要なく、冷たいシーンのための赤外線（ＩＲ）カメラの較正を可能にする。

本発明は、例えば０℃、装置動作温度、一般的な室内温度、またはそれ以上における比較的冷たい黒体の同等の放射輝度を提供する、部分的に反射および部分的に放射する表面を提供する。表面は冷却ＩＲ焦点面アレイ（ＦＰＡ）検出器に使用されることができる。

Ｎ％の放射性の単純な平面表面は、周囲の熱い金属加工物を１００−Ｎ％において反射し、表面の放射性を単に変更することにより低い全体的な放射輝度を達成することが不可能となる。これをするために表面を冷却する必要がある。コーナーキューブ型表面を利用することにより、代表的には７７Ｋである冷たいＦＰＡの温度のみを反射して、熱い（または周囲温度）金属加工物から反射を実質的に除去することが可能である。Ｎ％のパターン表面がまだ放射するので、表面を加熱することによって表面の同等の温度（７７Ｋ以上）を制御することが可能である。

ここで図１に、基準表面の部分１０が示されている。この基準表面は、中空コーナーキューブのパターン１２、１４、１６、１８、２０、２２により形成され、自転車用反射板に見られるものと同様である。各キューブ１２、１４、１６、１８、２０、２２の各表面は、名目上１００％の反射表面とするため銀メッキされるかアルミが被覆される。このことは、較正されるＦＰＡ（図示せず）が冷たいＦＰＡ自体からの反射光のみを受け取り、そこからのフラックスは所望のフラックスと比較して小さいことを確実にしている。ＦＰＡの温度はおよそ７７Ｋに制御される。反射表面は、次いで、有効放射度がＮ％であるように、Ｎ％の平均密度を有するマットブラック塗料の均一パターンの上に重ねられる。塗料のパターン、そして理想的には表面構造は、比較的高い空間周波数でなければならず、カメラの光学系によるぼけ（非焦点）がＦＰＡにおける均一輝度を表すように位置決めされる。このような配列が図２に示されている。

図２は、基準表面の一部分２４をより詳細に示している。ここでは、塗料２６で効果的にコーティングされていない複数のドット２８を、マットブラック塗料２６が囲っていることが見られ得る。これらのドット２８は、マットブラック塗料２６が塗られた後、元の反射表面に残ったものである。

銀メッキするか、またはアルミを被覆し、続いて塗布した後、冷却ＩＲ検出器により観測される場合、基準表面の実際の温度より低い温度において、基準表面全体が黒体源として出現する。マットブラック領域からの放射輝度は領域が加熱されると増大するので、見かけの温度は基準温度の実際の温度の関数である。このことは、較正の間観測するためのＦＰＡのための異なる同等の基準温度（約７７Ｋ）を提供するように、基準表面が加熱され、温度が制御されることができることを意味する。

図３はコーナーキューブ３０の横断面図を示す。図示するように、光路３２上に入ってくる光線は光路３４をたどるように反射され、次いでまた光路３６をたどるように反射される。同様に、光路３８上に入った光線は、光路４０上に反射され、次いで光路４２上に反射される。両方の場合において、入ってくる光路３２、３８上の光線は、入ってくる光線と反対方向に、それぞれ平行な光路３６、４２上に出て行くように、コーナーキューブ３０により反射される。これは逆反射と呼ばれる。

図３を参照して上述された原理は、三次元コーナーキューブ、例えば上に図１を参照に説明したキューブ１２、１４、１６、１８、２０、２２に入る全ての光線に適用することが容易に理解されよう。特に、図４はいくつかの軸ｘ、ｙ、ｚに平行に配列されたコーナーキューブ表面を示す。入射光線４４は、成分、例えばｘ_１、ｙ_１、ｚ_１を有するいくつかの方向においてモーションを有する（すなわち速度を有する）。光線４４は、３つの表面のそれぞれにより必ず一度反射される（ｘ＝ｙ＝０；ｘ＝ｚ＝０；およびｙ＝ｚ＝０）。表面それぞれにおいて、表面の法線に沿った成分の記号は反対になり、例えば、表面ｘ＝ｙ＝０において、速度の成分ｚ_１は反対になり−ｚ_１となる。その他の成分は変えられない。このような３つの反射のあと、反射光線４４’は速度（方向）−ｘ_１、−ｙ_１、−ｚ_１を有する。これは入ってくる光線４４と等しく、また反対である。

上に説明した基準表面の製造において、塗装前の銀メッキまたはアルミの被覆は、このプロセスを逆に実施する場合よりも、幾何学的に、より正確な反射表面を生じると考えられる。
ペイントの代わりとして、銀メッキされたか、またはアルミが被覆された表面が非反射表面を下部に残すようエッチングされることができる。このことはマットブラック塗料表面に塗るのと同等な効果を有するであろう。

図５は、図１ないし４を参照に上に説明したように、基準表面５２を利用する較正配置５０を示す。基準表面５２は、赤外線カメラ５６が較正される較正温度に基準表面を加熱する、ヒーターユニット５４に接続されている。ヒーターユニット５４は、配置５０を制御する制御装置５８に接続されている。基準表面５２上の温度センサは、基準表面５２の温度を所望の温度に自動調整して維持するために、温度データをヒーター制御装置５８にフィードバックする。所望の温度は較正シーケンスの一部として処理装置６２により定義され、制御装置５８に送信される。

よく知られているように、カメラ５６は、カメラ５６の検出器素子（図示せず）を冷却するよう動作する冷却制御ユニット６０と、カメラ５６からの信号を受信し、信号を処理し、次いで出力６４を提供する処理装置６２とに接続される。処理装置６２はまた、カメラ５６が動作および較正の間その最適化動作温度範囲内に保持されるように、冷却制御ユニット６０を制御することが実行可能である。

処理装置６２は、また、較正の間決定される較正係数がストアされる記憶ユニット６６にも接続されている。
較正の間、基準表面５２はカメラ５６によって観測されるように位置決めされる。最初に、ヒーターユニット５４は動作可能ではなく、基準表面５２は要求される最小の較正フラックスレベルより下のフラックスを生じる。このフラックスは主として、カメラの内部周囲温度における、冷却検出器から反射されたフラックスと、基準表面の放射部分から放射されたフラックスとの組み合わせである。リフレクタにおける欠陥およびカメラ光学系からの反射による、いくつかの迷光フラックスもまた存在するであろうが、慎重に選択された設計により最小化することができる。

ヒーターユニット５４は、次いで、要求される最小の較正フラックスレベルを発生するのに必要な温度に、基準表面５２の温度を上げるために、制御装置５８の制御下において活性化される。カメラ５６は、基準表面５２により提供されるフラックスを検出し、検出器素子それぞれの出力を表す信号を処理装置６２に与える。通常のように、処理装置６２は信号を処理しシーンの部分それぞれにおける画像輝度を表す出力６４を提供する。処理装置６２内において、（処理装置出力６４に含まれる）検出器素子それぞれからの出力値は、最新の基準表面温度のために算出される理想値と比較される。検出器素子それぞれに対する出力値と理想値の間のいずれの差は、較正プロセスにおいて後に必要になるまで、ストアするための記憶ユニット６６に送られる。

ヒーターユニット５４は、次いで、基準表面５２の温度を更に上げるために、制御装置５８の制御下において活性化される。基準表面５２により発生されたこの新しい高められたフラックスレベルは主として、ヒーターユニット５４により制御される上げられた温度における、カメラ５６から反射されたフラックスと基準表面５２の放射部分との組み合わせである。また、処理装置６２内において、検出器素子それぞれからの出力値は最新の基準表面温度のための理想出力値と比較される。いずれの差はまた、較正プロセスにおいて後に必要になるまで、ストアするための記憶ユニット６６に送られる。カメラ５６が効果的に動作するのに必要な較正係数全てを算出するのに十分なデータを記憶ユニット６６が含むまで、このプロセスはいくつかの較正温度のそれぞれに対し繰り返される。一般的にこのような示度は３つの異なる基準表面温度のそれぞれにおいて取られる。出力誤差を検出器素子それぞれに対するシーン温度に関連付ける、二次多項式関数の係数を計算するために、ストアされた出力誤差は次いで処理装置６２内において使用される。

図１ないし４を参照に上に説明したように基準表面５２の構造により、理想的にはカメラへ反射されるフラックスのみが、カメラ検出器自体の冷却構成要素から生じるものであることが容易に理解されよう。このことは、カメラ５６を囲む環境の温度が較正プロセスを著しく妨害するのを防ぐ。その上、基準表面５２の温度は、ヒーティングユニット５４によりそこにかかる熱量を制御することにより、正確に制御されることができる。

カメラ５６、冷却制御ユニット６０、処理装置６２、および記憶ユニット６２は当然、点線６６で示されるように、単一ユニットとして収容されてよい。
上に説明した方法は、加熱および冷却の両方が可能である基準表面と共に使用されることもできることに留意されたい。この場合、基準表面に必要とされる所望の冷却の程度は実質的に減少されてよい。

本発明による反射表面の部分を図解する図である。 反射表面セクタのうちの１つの部分をより詳細に図解する図である。 コーナーキューブが光を反射する時のコーナーキューブ動作を図解する図である。 三次元コーナーキューブにより反射される、入射光線を図解する図である。 本発明による、基準表面を利用する較正装置のブロック線図である。

Claims (12)

1. 赤外線検出器の較正での使用のための基準表面であって、部分的に反射および部分的に放射する複数の中空コーナーキューブを具備する基準表面。
2. 前記各コーナーキューブは、Ｎ％の有効放射表面を形成する反射表面およびマット表面を有する請求項１に記載の基準表面。
3. 前記反射表面は、銀メッキされた表面を備える請求項２に記載の基準表面。
4. 前記反射表面は、アルミで被覆された表面を備える請求項２に記載の基準表面。
5. 前記マット表面は、反射表面に重ねられるマットブラック塗料を備える請求項２ないし４のいずれか１項に記載の基準表面。
6. 前記マット表面は、反射表面までエッチングされた非反射表面を備える請求項２ないし４のいずれか１項に記載の基準表面。
7. 前記全ての請求項のいずれか１項による基準表面を使用して、複数の検出器素子を含む赤外線検出器を較正する方法にであって、
   ａ）既知の温度で赤外線検出器に基準表面を提供することと、
   ｂ）各検出器素子の出力を測定することと、
   ｃ）既知の温度で較正誤差を決定するために、各検出器素子の測定された出力を、既知の基準表面温度のための公称出力と比較することと、
   ｄ）基準表面を１もしくは複数の更なる既知の温度に加熱すること、および更なる既知の温度のそれぞれに対する較正誤差を決定するために前記工程ｂ）と工程ｃ）とを繰り返すことと、を具備する方法。
8. 各検出器素子の出力誤差を、基準表面の温度に関連付ける関数を算出する工程を更に具備する請求項７に記載の方法。
9. 前記関数は、多項式関数である、請求項８に記載の方法。
10. 検出器から得られる示度への適用のための較正定数をストアする工程を更に具備する請求項７ないし９のいずれか１項に記載の方法。
11. 添付の図面を参照にここに実質的に説明される基準表面。
12. 添付の図面の図４を参照にここに実質的に説明される赤外線検出器を較正する方法。

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