JP2010019784A - 赤外線センサの信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線を検出し赤外線強度に比例した電流、又は電圧の出力がえられる多素子の赤外線センサ１０１が持つオフセット、又は、オフセットばらつきによる増幅回路の飽和を防止し、高い増幅率を得ることができかつＳ／Ｎを向上させた信号処理装置を提供すること。
【解決手段】赤外線センサ１０１に大きなオフセット、オフセットバラつきがあっても、Ａ／Ｄ変換器１０９、第一メモリ１１４、Ｄ／Ａ変換器１１２、第二メモリ１１４を制御回路１１３で駆使しながらオフセットを除去し、増幅回路を飽和させることなく第一増幅回路１０２、第二増幅回路１０４で増幅を行い、且つ、デジタル値に変換時の量子誤差もなくしたデジタル出力を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は１次元、または、２次元に配列された多素子の赤外線検出素子を備える赤外線センサからの信号処理装置に関する。尚、本明細書における赤外線センサとは赤外線を取り込む窓材と接合された容器にパッケージングされ、制御入力信号、出力信号の端子を持つものをいう。

１次元、２次元配列された多素子の赤外線センサには赤外線入射による温度変化を抵抗変化として検出するものや、ダイオードの順方向電圧が温度によって変化することを利用したものやサーもパイル方のように起電力を出力するものがある。

赤外線センサ内部に持つ赤外線検知素子からの信号は、抵抗変化型の素子では各素子の抵抗ばらつきが、順方向電圧型の素子では順方向電圧のばらつきがあり、このバラつきによる固定パターンノイズの補正方法が考案されている。例えば特許文献１に開示されている方法では、赤外線センサからの出力をＡ／Ｄ変換器でデジタル変換を行い、開示されている補正回路によって補正を行っている。
特許第２０２３９７１号公報

従来の補正方法は面光源等の均一温度分布を見ているときの画像信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル変換し、メモリ１に記憶し、さらに、均一温度分布を見ているときの画像データからメモリ１に記憶した画像データを引き算しメモリ２に記憶する。補正すべき画像データからメモリ１の値を減算し、更に、均一温度分布を見ているときの画像データとメモリ１に記憶したデータとメモリ２の値を加算したうえ、赤外線が入力されたときの画像データから減算することによってオフセットバラつきによる固定パターンノイズを補正し、且つ、前段のＡ／Ｄ変換器での量子誤差の除去も行っている。

しかし、赤外線センサの出力が微弱であって、固定パターンノイズが大きな場合、センサ出力が微弱であるため前段で大きく増幅を行いたいところであるが、増幅回路が固定パターンノイズで飽和してしまい、また、Ａ／Ｄ変換器の制限範囲を超えてしまい補正回路が機能しない場合がある。その場合、特許文献２、特許文献３に開示されているように、赤外線センサ内に増幅回路と高度な信号補正回路を組み込んで処理する必要があった。

特許第３９９８５９９号公報

特許第３００５５２７号公報

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、赤外線センサ内に高度な信号処理回路を持っていない、たとえば、抵抗変化型のセンサであれば、抵抗アレイとその値を順次読み出すためのマトリクス・スィッチのみを備えただけのセンサであって、赤外線による出力変化が微弱で且つ、抵抗ばらつきがそのまま固定パターンノイズとして出力される赤外線センサであっても、抵抗バラつきによる増幅回路の飽和、Ａ／Ｄ変換器の制御電圧を越えることを防ぎながらＳ／Ｎを確保する信号処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の信号処理装置は、多素子の赤外線センサから出力されるオフセットを含む出力信号を、オフセットのバラつきによって飽和しない程度の増幅率をも持つ第一増幅回路を有し、その増幅された信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル変換し記憶する第一メモリを備え、記憶した情報をＤ／Ａ変換しアナログ情報に戻し第一増幅回路の出力信号から引き算を行う減算回路を備え、引き算した出力を増幅する積分回路で構成される第二増幅回路を備え、第二増幅回路で増幅した信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル変換し記憶する第二メモリとそれらを制御する演算機能を持った制御回路を備え、赤外線センサからの微弱な信号を増幅しながら固定パターンノイズの補正、デジタル変換を行う際の量子誤差の補正も行えることを特徴とする信号処理装置。

本件発明によれば、オフセット出力の大小に係わらず、キャンセルしながら信号を増幅することができ、出力信号が弱くオフセットバラつきが大きな赤外線センサ素子でも、センサ内部に特別なオフセット補償回路を設けることなく画像信号のＳ／Ｎを顕著に向上することができるようになる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態に係わる信号処理装置と赤外線センサ＋シャッタのブロック図である。図１における赤外線センサ１０１は内部に複数の赤外線検知素子を持ち、制御回路１１３からの制御信号で個々のセンサ素子からの赤外線検出信号を順次出力する。その出力を増幅する第一増幅回路１０２は赤外線センサからの出力信号が含むオフセット信号で増幅回路が飽和しないで、且つ、Ａ／Ｄ変換装置の制御電圧を超えない範囲になるように増幅率が設定されている。また、赤外線センサからの出力信号が電流出力であれば電流―電圧変換回路で、電圧出力であれば電圧増幅回路で第一増幅回路１０２は構成される。説明する実施の形態は簡単のために順次出力される赤外線センサからの各検知素子からの信号の１素子の場合について説明するが、実際は４０９６素子を持つ赤外線センサであれば４０９６回繰りかえされる。

まず、スイッチ１０８が開いた状態でスイッチ１０７、１０６を閉じ、赤外線センサ１０１前面にあるシャッタ１２０が閉じた状態で外部からの赤外線入力が無く、且つ、均一な温度分布のシャッタを見ている場合の赤外線センサ１０１の出力は、例えば純粋な赤外線による電圧出力をＶｃとし、素子のバラつきに起因するオフセットをＶｏｆとすれば、Ｖｃ＋Ｖｏｆを出力する。この信号を増幅率Ｇ１の第一増幅回路１０２で、Ｇ１（Ｖｃ＋Ｖｏｆ）に増幅して出力する。同時に、スイッチ１０７を開き、この第一増幅回路１０２で増幅された信号をサンプルホールド１１１でホールドし、Ａ／Ｄ変換装置１０９でデジタル変換して第一メモリ１１４に記憶する。第一メモリ１１４に記録される値はＡ／Ｄ変換時の量子誤差Ｖａｄが加わり、Ｇ１（Ｖｃ＋Ｖｏｆ）＋Ｖａｄが記録される。これを、制御回路１１３の出力で赤外線センサ１０１からの出力素子を切り替えながら繰り返す。４０９６個の素子を持つセンサであれば４０９６回繰り返され、４０９６個のデータが第一メモリに記録される。

次に、スイッチ１０６、１０７を開け、スィッチ１０８を閉じ赤外線センサ１０１前面にあるシャッター１２０が閉じた状態での赤外線センサ１０１からの出力は同様にＶｃ＋Ｖｏｆであり第一増幅回路１０２からの出力もＧ１（Ｖｃ＋Ｖｏｆ）であり、この信号から前記第一メモリ１１４に記録しておいた値をＤ／Ａ変換器１１２でアナログ信号に変換し減算回路１０３で引き算を行う。記録しておいた値はＧ１（Ｖｃ＋Ｖｏｆ）＋Ｖａｄであるが、Ｄ／Ａ変換器１１２でアナログ変換する際に量子誤差Ｖｄａが加わり、Ｇ１（Ｖｃ＋Ｖｏｆ）＋Ｖａｄ＋Ｖｄａとなる。減算回路１０３でＧ１（Ｖｃ＋Ｖｏｆ）−（Ｇ１（Ｖｃ−Ｖｏｆ）＋Ｖａｄ＋Ｖｄａ）が行われ、減算回路１０３は−（Ｖａｄ＋Ｖｄａ）を出力する。スイッチ１０６を開けた状態であるから第二増幅回路１０４の増幅率をＧ２とすれば、Ｇ２＝−（１／Ｃ・Ｒ）Ｔ、の積分回路を第二増幅回路は構成する（Ｔ：積分時間）。
減算回路１０３の出力はこの第二増幅回路に入力され、積分を行うことでランダムのイズを除去し、−Ｇ２（Ｖａｄ＋Ｖｄａ）の信号を出力し、スイッチ１０８を開くことで、サンプルホールド回路１１１でホールドされ、Ａ／Ｄ変換器１０９でデジタル変換され第二メモリに記録される。このとき記録される値は更にＡ／Ｄ変換器の量子誤差Ｖａｄを含み、−Ｇ２（Ｖａｄ＋Ｖｄａ）＋Ｖａｄが記録される。同時に、スイッチ１０６を閉じ、積分回路をリセットする。同様に４０９６個の素子を持つセンサであれば４０９６回繰り返され、第二メモリに４０９６個のデータが記録される。

次に、スイッチ１０６、１０７を開け、スイッチ１０８を閉じた状態でシャッタ１２０をオープンにすることで、赤外線センサ１０１の各素子に赤外線を入射し、赤外線が入射したときの出力をＶｏとすれば、赤外線センサはＶｏ＋Ｖｏｆの信号を出力する。これを第一増幅回路１０２で増幅し、Ｇ１（Ｖｏ＋Ｖｏｆ）の信号がえられる。この信号から減算回路１０３で、前記第一メモリに記録したＧ１（Ｖｃ＋Ｖｏｆ）＋ＶａｄをＤ／Ａ変換器１１２でアナログ変換した値Ｇ１（Ｖｃ＋Ｖｏｆ）＋Ｖａｄ＋Ｖｄａを減算し、Ｇ１（Ｖｏ−Ｖｃ）―（Ｖａｄ＋Ｖｄａ）が減算回路１０３から出力される。この信号を第二増幅回路１０４で増幅しＧ１・Ｇ２（Ｖｏ−Ｖｃ）―Ｇ２（Ｖａｄ＋Ｖｄａ）の信号を第二増幅回路１０４は出力し、スイッチ１０８を開け、サンプルホールド回路１１１でホールドし、Ａ／Ｄ変換器でデジタル変換を行えば、更にＡ／Ｄ変換時の量子誤差Ｖａｄが加算されＧ１・Ｇ２（Ｖｏ−Ｖｃ）−Ｇ２（Ｖａｄ＋Ｖｄａ）＋Ｖａｄが制御回路１１３に読み込まれる。制御回路１１３はこの値から第二メモリに記録した、−Ｇ２（Ｖａｄ＋Ｖｄａ）＋Ｖａｄを減算することによって、Ｇ１・Ｇ２（Ｖｏ―Ｖｃ）のオフセット電圧及びデジタル変換時に発生する量子誤差をキャンセルし、赤外線入力による信号変化のみを増幅した値をデジタルデータとして出力することができる。同様に４０９６個の素子を持つ赤外線センサ１０１であれば、４０９６回繰り返され、制御回路から順次４０９６個のデジタルデータが出力される。

また、本発明の形態では説明を簡素化するためにＡ／Ｄ変換器は1度しか変換を行っていないが、Ｎ回連続して行った結果を積分した場合量子誤差もＮ倍となってしまうが、本発明の信号処理装置では完全にキャンセルされるため、赤外線センサ内及び第一増幅回路で発生するランダムのイズも除去することができ大きな効果を得ることができる。

図1は本発明に係わる信号処理装置のブロック図である。

符号の説明

１０１ 赤外線センサ
１０２ 第一増幅回路
１０３ 減算回路
１０４ 第二増幅回路
１０５ 積分抵抗
１０６ スィッチ
１０７ スイッチ
１０８ スイッチ
１０９ Ａ／Ｄ変換器
１１０ 積分コンデンサ
１１１ サンプルホールド
１１２ Ｄ／Ａ変換器
１１３ 制御回路
１１４ 第一メモリ
１１５ 第二メモリ
１２０ シャッタ

Claims (4)

1. 赤外線センサからの出力信号のオフセットバラつきによって飽和しない増幅率を持つ第一増幅回路を有し、その増幅された信号をＡ／Ｄ変換して記憶する第一メモリを備え、記憶した情報をＤ／Ａ変換しアナログ情報に戻し第一増幅回路の出力信号から引き算を行う減算回路を備え、さらに、引き算した出力を増幅する第二増幅回路を備え、第二増幅回路の出力をＡ／Ｄ変換し記憶する第二メモリを備え、それらを制御する演算機能を持った制御回路を備える信号処理装置。
2. 第一増幅回路の出力と第二増幅回路の出力をデジタル変換するサンプルホールド回路、Ａ／Ｄ変換機は同一であることを特徴とする、請求項１に記載の信号処理装置。
3. 第二増幅回路は積分回路で構成されることを特徴とする、請求項１項、2項に記載の信号処理装置。
4. 多素子の赤外線センサからの出力であれば、赤外線センサ素子がボロメータ型であろうが、半導体素子であろうが、サーモパイルであっても、出力にオフセット、オフセットバラつきを持っている場合、処理することができることを特徴とする請求項１〜３に記載の信号処理装置。

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