JP2012058064A - Method for correcting data of infrared imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は赤外線撮像装置から出力されるデータの補正方法に関する。 The present invention relates to a method for correcting data output from an infrared imaging device.
ペルチェ素子等の冷却素子を必要としない赤外線撮像装置からの画像データの温度ドリフトの補正方法として、非特許文献1で示すように、電源投入直後にシャッタを閉じた状態での第一画像データからドリフト成分を抽出し、シャッタを開放した状態での第2画像データからのドリフト成分との相関をとり、相関値に基づいて第2の画像データに含まれるドリフト値を除去している。
As a method for correcting the temperature drift of image data from an infrared imaging device that does not require a cooling element such as a Peltier element, as shown in Non-Patent
上記の方法では電源投入直後のような過渡的な温度変化の状態ではシャッタを開放した状態での第2画像の成分は赤外線入力による成分よりドリフトによる成分がはるかに大きいため効果はあるが、安定時の環境温度変化によるドリフト成分のほうがはるかに低くなるため、画像データからドリフト成分を抽出することは困難になるという問題があった。 The above method is effective because the component of the second image in the state where the shutter is opened is much larger due to drift than the component due to infrared input in the state of transient temperature change just after turning on the power, but stable. There is a problem that it is difficult to extract the drift component from the image data because the drift component due to the environmental temperature change at the time is much lower.
上記の課題を解決するために本発明の補正方法は2次元に配置した複数の赤外線検出素子102と校正のため定期的に外部からの赤外線入力をさえぎるシャッタ101を持ち、その赤外線検出素子102からの信号を信号処理回路103で処理後、A/D変換機104でA/D変換を行い、時系列で順次2次元のデジタル画像データを出力する赤外線撮像装置200の画像データについて、CPU106で時間の異なる画像データの差分を元に赤外線検出素子102の温度変化による出力ドリフトをCPU106内で補正する手段を備える。
In order to solve the above problems, the correction method of the present invention has a plurality of
本発明によれば、赤外線撮像装置より得られた時間の異なる画像データの差分を元に赤外線検出素子の温度変化による出力ドリフトを補正することにより、赤外線撮像装置にペルチェ素子及びペルチェ素子のコントローラを持たない安価な赤外線撮像装置を利用できる。 According to the present invention, the Peltier element and the controller of the Peltier element are added to the infrared imaging apparatus by correcting the output drift due to the temperature change of the infrared detecting element based on the difference between the image data obtained from the infrared imaging apparatus at different times. An inexpensive infrared imaging device that does not have it can be used.
以下、本発明の実施の形態について説明する。
2次元に配列された赤外線検出素子102として抵抗変化型のボロメータを使用した赤外線撮像装置200で、5回/秒の計測フレーム間隔で温度計測を行っている場合を想定する。
Embodiments of the present invention will be described below.
Assume that the infrared imaging device 200 using a resistance change bolometer as the two-dimensionally arranged infrared detecting
理解のためデータをCPU106で温度換算した例について図1のブロック図、図2のフローチャートを元に説明するがA/D104でA/D変換後のデータ値に対する処理でもかまわない。まずCPU106はシャッタ101を閉じる命令を送る(S301)。入射赤外線を遮断し赤外線検出素子からの出力を信号処理回路103で信号処理後、A/D変換しCPU106が読み込んだデータは、シャッタ101表面から放射する赤外線による信号と赤外線検出素子102のFPNノイズとを含んだデータとなっているため、読み込んだ2次元配列データTn(x、y)とシャッタ101近傍に取り付けられた温度センサ107からの温度出力を読み取った温度TSを記憶する(S302)。これを計測フレームn=0とする。次にシャッタ101を開ける命令を送り(S303)、赤外線検出素子102から出力された検出エリアからの赤外線信号を信号処理回路103で信号処理後、A/D104でA/D変換を行い、FPNのイズTn(x、y)の減算を行いシャッタ温度TSで校正、温度換算処理を行い、2次元配列温度データTn+1(x、y)を得記憶する(S304)。また、Tn+1(x、y)の平均温度Tav0を計算し記憶する。計測したフレームn+1の計測温度は校正直後であるため精度よく計測できる。
For the sake of understanding, an example in which data is converted into temperature by the
次にCPU106は1/5秒後、同様にフレームn+2の温度換算データTn+2(x、y)を得る。(S305)。
1/5秒の間に環境温度変化があれば、Tn+2(x、y)は、環境温度変化による温度ドリフト成分を含んだデータになる。赤外線検出素子102は対象物から放射される赤外線をうけ、赤外線検出素子102の温度が赤外線によって温度上昇し抵抗変化をする。
Next, after 1/5 second, the
If there is an environmental temperature change within 1/5 second, Tn + 2 (x, y) is data including a temperature drift component due to the environmental temperature change. The infrared detecting
この入射赤外線による赤外線検出素子102の温度変化は非常にわずかで、たとえば、計測対象物の温度変化が1℃の場合での入射赤外線での赤外線検出素子102の温度変化は0.001℃程度である。このとき環境温度が5℃/分の温度勾配で変化し、赤外線撮像装置200の外装ケース等で温度変化が緩和され、赤外線検出素子102の温度が0.3℃/分で変化した場合、環境温度変化により計測と計測の間、1/5秒後の赤外線検出素の出力データTn+2(x、y)は対象物の温度が1フレームあたり約1℃変化したことと同等の温度データのドリフトが発生してしまう。計測と計測の間に変化した差分温度はほとんど赤外線検出素子102の温度変化による温度ドリフトとみなせば、CPU106はこのフレームn+1とn+2間の差分データ1℃をフレームn+2の温度データから減算してやれば、環境温度変化によるドリフトを補正することができる。CPU106はフレームn+2とn+1の差分データを計算する。
The temperature change of the
しかし、上記の処理を全画素に対して行えば計測エリアに熱源が入ってきた場合、熱源による計測値の変動をドリフトと判断して補正してしまう問題が発生する。 However, if the above processing is performed on all the pixels, when a heat source enters the measurement area, there arises a problem that a measurement value variation due to the heat source is determined to be drift and corrected.
そこで、フレーム間の差分データを求めるエリアを計測エリア内の最も影響を受けにくい計測エリアの上下、左右4辺またはその近傍の画像データとする。たとえば64×64の2次元に配列された赤外線検出素子102の場合上下、左右4辺252個の赤外線検出素子102からのデータのフレーム間差分の平均をドリフトデータとすれば、ほとんどの場合計測エリア内の熱源の影響での問題は発生しない。
Therefore, the area for obtaining the difference data between frames is set as image data on the upper and lower sides, the left and right sides of the measurement area that is least affected by the measurement area, or the vicinity thereof. For example, in the case of the
CPU106はTn+2(x、y)、Tn+1(x、y)の4辺の差分温度を求める(S306)。この場合4辺としたが、4辺近辺のデータとしてもよい。
計測エリア外から熱源が進入した場合必ずこの4辺のどれかの部分を横切るためこの横切った部分のデータは補正データとして使用できない。そこで、差分温度の絶対値が設定温度t1以上の画素が無いか確認する(S307)。仮にフレーム間の差分がt1=2℃以上になる赤外線検出素子4辺からのデータは補正データとして使用しないようにすればこの問題は回避できると共にフレーム間の温度ドリフトが2℃未満であれば補正することができる。設定温度t1を超える画素が無い場合4辺の平均差分温度avを計算し記憶する(S309)。
進入熱源が大きく、補正データとして使用しない画素データが多くなれば残った画素での補正データの精度が下がるため、補正として使用しない画素数が設定画素以上となった場合、補正不能と判断し、CPU106はシャッターコントローラ105に対しシャッタでの校正命令を送り、シャッタを閉じ校正データの取得をおこなう(S308)。差分温度の絶対値がt1を超える画素がありその画素数が設定数を超えなければ、4辺の差分温度のデータから超えた画素のデータを外した差分温度の平均avを計算し記憶する(S310)。
The
When a heat source enters from outside the measurement area, it always crosses any part of these four sides, so the data of this crossing part cannot be used as correction data. Therefore, it is confirmed whether there is any pixel whose absolute value of the difference temperature is equal to or higher than the set temperature t1 (S307). If the data from the four sides of the infrared detection element where the difference between frames is t1 = 2 ° C. or higher is not used as correction data, this problem can be avoided and correction can be performed if the temperature drift between frames is less than 2 ° C. can do. When there is no pixel exceeding the set temperature t1, the average difference temperature av on the four sides is calculated and stored (S309).
If the ingress heat source is large and the amount of pixel data that is not used as correction data increases, the accuracy of the correction data in the remaining pixels is reduced. The
温度換算し記憶した2次元配列データTn+2(x、y)全データから差分温度データの平均avを減算して補正済みデータとして記憶する。また、補正済みデータの全画素の平均Tav1を求め記憶する。
環境温度変化、温度ドリフトが無い状態でこの4辺のエリア内に温度変化の絶対値が設定温度t1=2℃未満の熱源が入ってきた場合、この熱源の大きさは補正誤差に影響し、1.9℃温度差で20画素分の熱源が入った場合、(1.9*20)/252≒0.15℃の補正誤差が発生し、温度が変動していない計測エリア全体の温度計測値に影響し0.15℃下げてしまう。40画素分の熱源が入った場合0.3℃計測エリア全体の温度を下げてしまい温度計測精度に大きく影響を与えてしまう。そこで、ドリフト補正の結果計測範囲全体の温度をあらかじめ設定された閾値温度t2以上変動させてしまうような補正が入った場合、又は、計測フレームnが進むうち閾値温度t2以上の計測温度変動が発生した場合、|Tav1-Tav0|>t2(S312)、補正異常としてCPU106はシャッターコントローラ105に対しシャッタを閉じる命令を送り(S301)、校正データを取得し、フレームカウントnをリセットした後(S302)。シャッタを開け(S303)。計測、補正動作をくりかえす。これら設定閾値温度t1、t2は目的とする計測温度の精度、公差により決定される。仮にt2=0.3℃と設定しておけば、フレーム間での補正誤差及びフレームが進む間に積分される補正誤差が0.3℃を超えることは無い。また、計測エリア全体が温度変化した場合、校正データ取得(S202)直後の計測温度から0.3℃以上の温度変化があれば、シャッタを閉じ校正データを取得、校正を行うため0.3℃以内の誤差で常に温度計測を行うことができる。
補正がうまくいった場合CPU106は補正済み温度データを外部に出力する(S313)。
CPU106はフレームカウントnをインクリメントする(処理314)。
nがあらかじめ設定された値を超えない場合、次のフレームデータ取得を行い、差分データを求め補正、出力を繰り返す。
nが設定された値を超えた場合、シャッタを閉じ、校正データを取得、フレームカウントnをリセットし計測、補正を繰り返す。nの設定値は計測環境によって設定される。
The average temperature av of the difference temperature data is subtracted from all the two-dimensional array data Tn + 2 (x, y) stored after temperature conversion and stored as corrected data. Further, the average Tav1 of all the pixels of the corrected data is obtained and stored.
If there is a heat source with an absolute value of temperature change less than the set temperature t1 = 2 ° C in these four areas with no environmental temperature change or temperature drift, the size of this heat source will affect the correction error, When a heat source for 20 pixels enters with a temperature difference of 1.9 ° C, a correction error of (1.9 * 20) /252≈0.15°C occurs, and the temperature of the entire measurement area where the temperature does not fluctuate It affects the value and drops by 0.15 ° C. When a heat source for 40 pixels enters, the temperature of the entire 0.3 ° C. measurement area is lowered, greatly affecting the temperature measurement accuracy. Therefore, when a correction that causes the temperature of the entire measurement range to fluctuate by a predetermined threshold temperature t2 or more is entered as a result of the drift correction, or a measurement temperature fluctuation of the threshold temperature t2 or more occurs as the measurement frame n advances. If | Tav1-Tav0 |> t2 (S312), the
If the correction is successful, the
The
If n does not exceed a preset value, the next frame data is acquired, the difference data is obtained, corrected, and output is repeated.
When n exceeds the set value, the shutter is closed, the calibration data is acquired, the frame count n is reset, and the measurement and correction are repeated. The set value of n is set according to the measurement environment.
シャッタを閉じ定期的に校正を行う赤外線撮像装置の場合、ペルチェ等で赤外線検出素子の温度を一定に保たなければ、校正と校正の間の環境温度の変動で計測値が校正時からドリフトしてしまうためシャッタでの校正間隔を非常に短くする必要があるが、本発明はペルチェ素子等の冷却装置を持たない赤外線撮像装置であってもデータの温度ドリフトを防ぐことができるため、校正間隔を長く設定でき、安価で電力を消費しない赤外線撮像装置を利用することができるようになる。 In the case of an infrared imaging device that periodically calibrates with the shutter closed, if the temperature of the infrared detection element is not kept constant with Peltier etc., the measured value drifts from the time of calibration due to fluctuations in the environmental temperature between calibrations. Therefore, it is necessary to make the calibration interval at the shutter very short. However, the present invention can prevent data temperature drift even in an infrared imaging device having no cooling device such as a Peltier element. Can be set long, and an infrared imaging device that is inexpensive and does not consume power can be used.
101 シャッタ
102 赤外線検出素子
103 信号処理回路
104 A/D変換機
106 CPU
107 温度センサ、 赤外線撮像装置 200
101
107 Temperature sensor, infrared imaging device 200
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