JP2015014581A - Imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus.
ボロメータ検出器を備えた撮像装置がある。このような撮像装置は、撮像対象物の温度差を画像化する。この画像輝度は、予め取得された校正データを用いることにより輝度温度に変換される。しかし、画像輝度は、撮像対象物の他に、検出器自身及び検出器の視野に入る光学系の温度変化によっても変化する。このため、検出器自身及び検出器の視野に入る光学系の温度変化の影響を排除することによって、輝度温度の精度の向上が図られている。 There is an imaging device with a bolometer detector. Such an imaging apparatus images the temperature difference of the imaging object. This image luminance is converted into luminance temperature by using calibration data acquired in advance. However, in addition to the object to be imaged, the image luminance also changes due to temperature changes in the detector itself and the optical system that enters the field of view of the detector. For this reason, the accuracy of the brightness temperature is improved by eliminating the influence of the temperature change of the detector itself and the optical system that enters the visual field of the detector.
例えば、特許文献1には、赤外線センサの温度補償装置を備えた撮像装置が記載されている。この撮像装置では、予め準備された補正テーブルを用いて、環境温度の変化等に起因して生じる画像輝度の変動を補正している。 For example, Patent Document 1 describes an imaging device including a temperature compensation device for an infrared sensor. In this imaging apparatus, a variation in image brightness caused by a change in environmental temperature or the like is corrected using a correction table prepared in advance.
また、光学系の温度変動による影響を補償する構造としては、下記特許文献2のものが知られている。このレンズ装置は、レンズ枠を像面側の方向に押圧するコイルバネと、断面が円形の棒状素材を輪にして形成したリング状部材を備える。
Further, as a structure for compensating for the influence due to temperature fluctuations of the optical system, the one disclosed in
特許文献1に記載の撮像装置では、環境温度が変化し得る範囲を複数の温度領域に分割し、温度領域ごとに補正テーブルを準備している。例えば、高度600kmの極軌道を周回する地球観測衛星(宇宙機)では、環境温度はおおよそ−5度〜40度の範囲で変化する。このため、特許文献1に記載の撮像装置を宇宙機に搭載した場合、環境温度の変化の不確定要素を考慮すると、多大な量の補正テーブルが必要となり、開発工数が増大するおそれがある。 In the imaging apparatus described in Patent Document 1, a range in which the environmental temperature can change is divided into a plurality of temperature regions, and a correction table is prepared for each temperature region. For example, in an earth observation satellite (spacecraft) orbiting a polar orbit at an altitude of 600 km, the environmental temperature changes in a range of approximately −5 degrees to 40 degrees. For this reason, when the imaging device described in Patent Document 1 is mounted on a spacecraft, a large amount of correction table is required in consideration of an uncertain element of a change in environmental temperature, which may increase the number of development steps.
一方で、撮像装置の温度制御を行うことによって、環境温度が画像輝度に及ぼす影響を低減させることがある。しかしながら、撮像装置全体を温度制御するためには、消費電力が大きくなる。 On the other hand, by controlling the temperature of the imaging device, the influence of the environmental temperature on the image brightness may be reduced. However, in order to control the temperature of the entire imaging apparatus, power consumption increases.
さらに、特許文献2に記載のレンズ装置は、構造が複雑化して装置の大型化及びコストアップを招く傾向にある。
Furthermore, the lens device described in
本発明は、消費電力の増加を抑えつつ、温度補償のためのデータ量を低減可能であり、装置の小型化及びコストダウン化が容易な構造を有する撮像装置を提供する。 The present invention provides an imaging apparatus having a structure that can reduce the amount of data for temperature compensation while suppressing an increase in power consumption, and can easily reduce the size and cost of the apparatus.
本発明の一側面に係る撮像装置は、撮像対象物から放射される赤外線を結像するレンズ及びレンズを収容する内筒を有する光学系と、レンズが結像した赤外線を電気信号に変換する検出器と、光学系を加熱するヒータと、光学系を収容する筐体と、光学系と筐体とを熱的に分離する熱分離部と、光学系と筐体とが熱的に分離された状態で、ヒータを制御して、光学系の温度を調整するコントローラと、を備える。 An imaging apparatus according to an aspect of the present invention includes a lens that forms an infrared ray emitted from an imaging target, an optical system having an inner cylinder that houses the lens, and a detection that converts the infrared ray formed by the lens into an electrical signal. , A heater for heating the optical system, a housing for housing the optical system, a thermal separation unit for thermally separating the optical system and the housing, and the optical system and the housing are thermally separated. And a controller that controls the heater to adjust the temperature of the optical system.
撮像対象物からの赤外線を変換した電気信号を輝度温度に変換するために、校正データが用いられる。そして、撮像装置の光学系の温度に応じて異なる校正データが用いられる。このため、精度の高い輝度温度を得るためには、光学系が取り得る温度範囲に応じて、複数の校正データが予め取得される必要がある。上記撮像装置によれば、光学系の温度を制御することにより、光学系の温度に対する環境温度の影響を低減することができ、光学系が取り得る温度範囲を制御することが可能となる。このため、輝度温度に変換する際に用いられる校正データのデータ量を低減することが可能となる。また、熱分離部によって光学系及び筐体とが熱的に分離される。このため、光学系の熱が筐体に伝わることが抑制されるので、ヒータによる光学系の温度制御の効率を向上することができる。これにより、消費電力を低減することが可能となる。さらに、レンズを含む光学系の温度変化を補償するための複雑な構造を有さないので、装置全体の小型化及びコストダウン化が容易となる。 Calibration data is used to convert an electrical signal obtained by converting infrared rays from the imaging object into a luminance temperature. Different calibration data is used depending on the temperature of the optical system of the imaging apparatus. For this reason, in order to obtain a high-accuracy luminance temperature, it is necessary to obtain a plurality of calibration data in advance according to the temperature range that the optical system can take. According to the imaging apparatus, by controlling the temperature of the optical system, the influence of the environmental temperature on the temperature of the optical system can be reduced, and the temperature range that the optical system can take can be controlled. For this reason, it becomes possible to reduce the data amount of the calibration data used when converting into luminance temperature. Further, the optical system and the housing are thermally separated by the heat separation unit. For this reason, since it is suppressed that the heat of an optical system is transmitted to a housing | casing, the efficiency of the temperature control of the optical system by a heater can be improved. Thereby, power consumption can be reduced. Furthermore, since there is no complicated structure for compensating for the temperature change of the optical system including the lens, it is easy to reduce the size and cost of the entire apparatus.
本発明の別の側面に係る撮像装置では、検出器によって変換された電気信号を輝度温度に変換する読み出し回路をさらに備える、ことでもよい。読み出し回路を備える撮像装置で上記構成を採用することで、輝度温度の変換に必要な構成データのデータ量を削減することができる。よって、撮像装置の開発工数を容易に削減できる。 The imaging apparatus according to another aspect of the present invention may further include a readout circuit that converts the electrical signal converted by the detector into a luminance temperature. By adopting the above configuration in an imaging device including a readout circuit, the amount of configuration data necessary for luminance temperature conversion can be reduced. Therefore, it is possible to easily reduce the development man-hour of the imaging device.
本発明の別の側面に係る撮像装置では、コントローラは、光学系の温度が所定の温度範囲内に収まるようにヒータを制御してもよい。この場合、光学系の取り得る温度範囲を制限することができるので、輝度温度に変換する際に用いられる校正データのデータ量を低減することが可能となる。 In the imaging apparatus according to another aspect of the present invention, the controller may control the heater so that the temperature of the optical system is within a predetermined temperature range. In this case, since the temperature range that the optical system can take can be limited, it is possible to reduce the amount of calibration data used for conversion to the luminance temperature.
本発明のさらに別の側面に係る撮像装置では、熱分離部は、光学系と筐体とを断熱する断熱部材と、筐体からの輻射光を遮蔽する遮熱部材と、を備えてもよい。この場合、光学系と筐体との伝導による熱導通を遮断するとともに、光学系と筐体との放射による熱導通(放射結合)を遮断することができる。 In the imaging device according to still another aspect of the present invention, the heat separation unit may include a heat insulating member that insulates the optical system and the housing, and a heat shield member that shields radiation light from the housing. . In this case, thermal conduction due to conduction between the optical system and the casing can be blocked, and thermal conduction (radiation coupling) due to radiation between the optical system and the casing can be blocked.
本発明のさらに別の側面に係る撮像装置では、内筒は、レンズを把持する把持部と、レンズを透過した赤外線を検出器に導く導波部と、を備えてもよく、遮熱部材は導波部に設けられてもよい。この場合、検出器に入力される赤外放射は、レンズ、内筒及び撮像対象物からの赤外放射に制限される。このため、光学系の温度制御を行う際に、光学系以外からの熱の影響を低減することが可能となる。 In the imaging device according to still another aspect of the present invention, the inner cylinder may include a gripping part that grips the lens, and a waveguide part that guides infrared rays that have passed through the lens to the detector. You may provide in a waveguide part. In this case, the infrared radiation input to the detector is limited to infrared radiation from the lens, the inner cylinder, and the imaging object. For this reason, when temperature control of the optical system is performed, it is possible to reduce the influence of heat from other than the optical system.
本発明のさらに別の側面に係る撮像装置では、断熱部材は把持部と筐体との間に設けられてもよい。光学系が内筒の把持部において筐体に支持されている場合、把持部と筐体との間に断熱部材を設けることによって、光学系と筐体との伝導による熱導通を遮断することができる。 In the imaging device according to still another aspect of the present invention, the heat insulating member may be provided between the grip portion and the housing. When the optical system is supported by the housing in the grip portion of the inner cylinder, the heat conduction due to the conduction between the optical system and the housing can be blocked by providing a heat insulating member between the grip portion and the housing. it can.
本発明のさらに別の側面に係る撮像装置では、導波部は、検出器の近傍まで伸びるように形成されていてもよい。かかる構成を採れば、光学系以外からの熱の影響を低減することが可能となる。 In the imaging device according to still another aspect of the present invention, the waveguide section may be formed to extend to the vicinity of the detector. By adopting such a configuration, it becomes possible to reduce the influence of heat from other than the optical system.
本発明のさらに別の側面に係る撮像装置では、ヒータは内筒を加熱してもよい。この場合、内筒を加熱することにより、光学系の温度が調整される。また、ヒータで内筒を含む光学系の温度制御を行う構成により、レンズに温度補償付きの複雑な構成の高価なものを用いる必要が無くなる。さらに、内筒の温度を制御することにより、内筒からの輻射熱を制御することもできる。 In the imaging device according to still another aspect of the present invention, the heater may heat the inner cylinder. In this case, the temperature of the optical system is adjusted by heating the inner cylinder. Further, the configuration in which the temperature of the optical system including the inner cylinder is controlled by the heater eliminates the need to use an expensive lens having a complicated configuration with temperature compensation. Furthermore, the radiant heat from the inner cylinder can be controlled by controlling the temperature of the inner cylinder.
本発明のさらに別の側面に係る撮像装置では、コントローラは、光学系の熱平衡温度の最大値よりも大きい温度に設定された設定温度を光学系が保つようにヒータを制御してもよい。光学系の温度を光学系の熱平衡温度よりも大きい設定温度にすることにより、光学系の熱制御をヒータのみで行うことが可能となる。このようにヒータのみの温度制御装置を用いることで、従来のような冷却と加熱の双方が必要な温度制御装置と比較して、装置を小型化することができる。 In the imaging device according to still another aspect of the present invention, the controller may control the heater so that the optical system maintains a set temperature that is set to a temperature higher than the maximum value of the thermal equilibrium temperature of the optical system. By setting the temperature of the optical system to a set temperature that is higher than the thermal equilibrium temperature of the optical system, it is possible to perform thermal control of the optical system using only a heater. Thus, by using a temperature control device only with a heater, the device can be downsized as compared with a conventional temperature control device that requires both cooling and heating.
本発明のさらに別の側面に係る撮像装置では、検出器は非冷却マイクロボロメータであってもよい。この場合、非冷却マイクロボロメータを備えた撮像装置においても、消費電力の増加を抑えつつ、校正データのデータ量を低減することが可能となる。 In the imaging device according to still another aspect of the present invention, the detector may be an uncooled microbolometer. In this case, even in an imaging apparatus equipped with an uncooled microbolometer, it is possible to reduce the amount of calibration data while suppressing an increase in power consumption.
本発明によれば、消費電力の増加を抑えつつ、温度補償のためのデータ量を低減できる。 According to the present invention, the amount of data for temperature compensation can be reduced while suppressing an increase in power consumption.
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
図1は、一実施形態に係る撮像装置の構成を概略的に示す端面図である。図1に示されるように、撮像装置1は、測定対象物(撮像対象物)から放射された赤外線を検出し、検出した赤外線に応じて温度を画像化する赤外線カメラであって、レンズ2と、内筒3と、検出器4と、読み出し回路5と、ヒータ6と、コントローラ7と、熱分離部8と、筐体10と、を備えている。撮像装置1は、例えば人工衛星等の宇宙機に搭載される。ここで、撮像装置1の光学系は、レンズ2及び内筒3を含む部分である。撮像装置1の本体部は、筐体10、検出器4、読み出し回路5及びコントローラ7を含む部分である。
FIG. 1 is an end view schematically showing a configuration of an imaging apparatus according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the imaging apparatus 1 is an infrared camera that detects infrared rays emitted from a measurement target (imaging target) and images a temperature according to the detected infrared rays. , An
筐体10は、撮像装置1の光学系を収容し、例えば方向Aに沿って延びる軸Xを軸とした筒状の筐体である。筐体10は、支持部11と収容部12とを有している。支持部11及び収容部12は、その順に方向Aに沿って配列されている。支持部11は、光学系を支持する部分である。支持部11は、方向Aにおける一端に開口部11aを有し、他端に開口部11bを有している。開口部11aの開口径は、開口部11bの開口径よりも大きい。開口部11bは、収容部12の一端に接続されている。収容部12は、光学系、検出器4、読み出し回路5、ヒータ6及びコントローラ7を収容する収容空間を有している。
The
レンズ2は、測定対象物から放射される赤外線を結像させるためのレンズである。レンズ2は、赤外線を透過可能なレンズであって、例えばゲルマニウム(Ge)レンズである。レンズ2は、内筒3によって把持されている。
The
内筒3は、レンズ2を把持するとともに、レンズ2を透過した赤外線を検出器4に導く筒状部材である。内筒3は、軸Xを軸とした筒状の形状を呈しており、方向Aに沿って筐体10の開口部11aから検出器4の近傍まで延びている。内筒3は、把持部31と導波部32とを有している。把持部31及び導波部32は、その順に方向Aに沿って配列されている。
The
把持部31は、レンズ2を把持する部分である。把持部31は、例えば内面にレンズ2の周縁が当接するようにして、レンズ2を把持している。把持部31は、熱分離部8を介して支持部11に支持されている。導波部32は、レンズ2を透過した赤外線を検出器4に導く部分である。導波部32は、方向Aに沿って内径が次第に小さくなっている。なお、内筒3には、温度センサが設けられており、光学系(内筒3)の温度をコントローラ7に出力する。
The
検出器4は、赤外線を検出する熱赤外センサであって、例えば非冷却マイクロボロメータである。検出器4は、赤外線を吸収することによって生じる検出器4内部の素子の温度変化をそれぞれ電気信号に変換し、各電気信号を読み出し回路5に出力する。検出器4によって検出される赤外線は、例えば8〜12μm程度の波長を有している。
The
読み出し回路5は、検出器4によって変換された電気信号を輝度温度に変換する回路である。読み出し回路5は、検出器4の各素子から出力される電気信号(画像輝度)を校正データを用いて輝度温度に変換する。校正データは、例えば温度が既知の黒体等を撮像することにより予め取得され、所定の温度範囲毎に予め設定されている。なお、この読出し回路5は、必ずしも撮像装置1の内部に設けられている必要は無く、撮像装置1の外部において検出器4と電気的に接続されていてもよい。
The
ヒータ6は、光学系を加熱するための装置である。ヒータ6は、例えば内筒3の導波部32の外周面に設けられており、内筒3を加熱する。ヒータ6は、例えば軸Xを軸とした筒状を呈し、軸X回りに導波部32の外周面に沿って設けられている。
The
コントローラ7は、ヒータ6を制御して、光学系の温度を調整する。コントローラ7は、光学系が所定の設定温度を保つようにヒータ6を制御する。つまり、コントローラ7は、光学系の温度が設定温度に対して所定の温度範囲内に収まるようにヒータ6を制御する。設定温度は、例えば撮像装置1の光学系の熱平衡温度の最大値よりも高い温度に設定される。熱平衡温度とは、熱入力と放熱とがバランスしている温度である。コントローラ7は、例えばPID(Proportional Integral Derivative)制御によってヒータ6を制御する。
The
図2は、レンズ2の温度変化とMTFとの関係の一例を示す図である。図2において、横軸はレンズの温度変化(度)を示し、縦軸はレンズの正規化MTFを示している。図2に示されるように、レンズ2は温度変化が大きくなるとMTFが劣化する。つまり、レンズ2は温度変化によって膨張または収縮するので、レンズ2の焦点がずれる。レンズ2のMTFの劣化を回避するために、レンズ2の温度範囲は、例えば±5度であればよく、±3度とするのが好ましい。そこで、コントローラ7は、例えば光学系の設定温度を0度とし、温度範囲を±3度とし、光学系の温度変化率を0.5度/分としている。なお、光学系が熱制御されている状態で、レンズ2の光学調整(焦点合わせ)が行われ、校正データが取得される。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the relationship between the temperature change of the
熱分離部8は、光学系と本体部とを熱的に分離するための部分である。熱分離部8は、例えば光学系と筐体10とを熱的に分離する。熱分離部8は、断熱部材81と、遮熱部材82と、を備えている。
The
断熱部材81は、光学系と本体部との伝導による熱導通を遮断する断熱部材であって、例えば光学系と筐体10とを断熱する。断熱部材81は、熱伝導率の低い部材から構成されており、例えばガラスエポキシによって構成されている。断熱部材81は、例えば筐体10の支持部11と内筒3の把持部31との間に設けられている。
The
遮熱部材82は、光学系と本体部との放射による熱導通(放射結合)を遮断する遮熱部材であって、例えば筐体10からの輻射光を遮蔽する。遮熱部材82は、放射率の低い断熱材から構成されており、例えばアルミニウム、金等によって構成されている。遮熱部材82は、ヒータ6及び導波部32の外周面を覆うように導波部32に設けられている。遮熱部材82は、導波部32の外周面に塗装または蒸着等によって設けられる。
The
次に、レンズ2の温度制御に要するヒータ6の消費電力について説明する。まず、撮像装置1及び撮像装置100を人工衛星に搭載した際のレンズ2の温度変化のシミュレーション結果を説明する。撮像装置100は、撮像装置1から熱分離部8を除いた撮像装置であって、光学系と本体部とが熱的に分離されていない。このシミュレーションは、以下の条件で行われた。
Next, the power consumption of the
人工衛星の外面の中で比較的温度変動が低いと予想される地球指向面に撮像装置1及び撮像装置100が設けられるものとし、筐体10は地球指向面と熱的に結合され、他の面とは断熱されているものとした。軌道として、高度が628km、軌道傾斜角が90度、地方時が12時の軌道を用いた。撮像装置1及び撮像装置100の全質量は800g、発熱は7Wとした。また、筐体10はアルミニウムから構成されており、筐体10の質量は500gとした。レンズ2はGeレンズとし、レンズ2の質量は260g、レンズ2の赤外線の反射率は0、吸収率αは0.60、放射率εは0.55と仮定した。人工衛星の地球指向面は、アルミサンドイッチパネル構造とし、その質量は500gとした。人工衛星の外面はアルミ蒸着テフロン(登録商標)とし、太陽光吸収率αは0.09、赤外放射率εは0.88と仮定した。
The imaging device 1 and the
シミュレーションで用いた最悪低温条件及び最悪高温条件を以下の表1に示す。
Table 1 below shows the worst low temperature condition and the worst high temperature condition used in the simulation.
以上の条件で、1節点解析によりレンズ2の温度変化のシミュレーションを行った。レンズ2の開口面は宇宙空間への放熱面となり、人工衛星内の機器の発熱は光学系への熱入力となる。撮像装置1におけるレンズ2への熱入力としては、太陽直達日射量、アルベド、地球赤外放射、光学系及び検出器4からの放射が想定される。このため、撮像装置1の熱バランス式は式(1)によって示される。また、撮像装置100におけるレンズ2への熱入力としては、太陽直達日射量、アルベド、地球赤外放射、衛星内部から加わる熱量が想定される。このため、撮像装置100の熱バランス式は式(2)によって表される。
Under the above conditions, the temperature change of the
式(1)の第1項は太陽直達日射量を示し、第2項はアルベドを示し、第3項は地球赤外放射を示し、第4項は衛星壁面(フード)からの放射を示し、第5項は光学系からの放射を示し、第6項は検出器4からの放射を示している。式(2)の第1項は太陽直達日射量を示し、第2項はアルベドを示し、第3項は地球赤外放射を示している。そして、式(2)の第4項及び第5項は人工衛星内部から加わる熱量を示している。
The first term of equation (1) indicates the amount of solar direct solar radiation, the second term indicates albedo, the third term indicates earth infrared radiation, the fourth term indicates radiation from the satellite wall (hood), The fifth term represents the radiation from the optical system, and the sixth term represents the radiation from the
図3は、撮像装置を搭載した人工衛星が軌道を周回する際の断熱されたレンズ2の温度変化のシミュレーション結果を示す図である。同図において、横軸は真近点角(度)を示し、縦軸はレンズ2の温度(K)を示している。グラフTWC1は最悪低温条件でのレンズ2の温度を示し、グラフTWH1は最悪高温条件でのレンズ2の温度を示し、グラフT1は2Wの消費電力のヒータ6によって加熱されている場合のレンズ2の温度を示している。
FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of a temperature change of the heat-insulated
図3の結果を見ると、レンズ2は、最悪低温ケースで267.2K(−6.6°C)、最悪高温ケースで306.0K(33°C)で温度が安定する。レンズ2と地球表面との形態係数がほぼ0であるため、外部熱入力の影響がほぼない。グラフT1の結果が示すように、レンズ2の温度がTWC1の状態でも、2W程度の熱量のヒータによって、レンズ2は、軌道を半分周回しないうちに、40°C以上に温度制御されることがわかる。このことから、内筒3及び検出器4の温度が0〜40°Cの間で変動したとしても、2W程度の容量のヒータ6を用いれば、レンズ2をある一定温度に制御することができると予想される。その結果、撮像装置1にヒータ6を用いることで、消費電力を低減しつつ、レンズ2の温度を一定に保つことができる。
From the results shown in FIG. 3, the temperature of the
撮像装置1を人工衛星に搭載して軌道上で周回させた場合、熱入力と熱出力の変動により軌道上での温度変動が生じる。レンズ2の開口面である地球指向面が宇宙空間への放熱面となり、人工衛星内の機器自体の発熱はレンズ2への熱入力となる。宇宙空間においてはこれらの温度変動をいかに省電力でキャンセルすることが重要となる。そこで、撮像装置1では地球指向面を低温にバイアスし、この地球指向面と熱的に結合したレンズ2をヒータ6で熱制御してもよい。詳細には、地球指向面に放熱材として銀蒸着テフロン(登録商標)を設けることにより、地球指向面を低温にバイアスしてもよい。
When the imaging device 1 is mounted on an artificial satellite and orbited in orbit, temperature fluctuations in the orbit occur due to fluctuations in heat input and heat output. The earth-oriented surface, which is the opening surface of the
図4には、地球指向面を低温にバイアスした撮像装置1を搭載した人工衛星が軌道を周回する際に、地球指向面の温度変化のシミュレーション結果を示す図である。同図において、グラフTWC2は最悪低温条件での地球指向面の温度を示し、グラフTWH2は最悪高温条件での地球指向面の温度を示している。横軸は真近点角(度)を示し、縦軸は地球指向面の温度(K)を示している。 FIG. 4 is a diagram illustrating a simulation result of the temperature change of the earth-oriented surface when the artificial satellite equipped with the imaging device 1 having the earth-oriented surface biased to a low temperature orbits the orbit. In the figure, a graph T WC2 indicates the temperature of the earth-oriented surface under the worst low temperature condition, and a graph T WH2 indicates the temperature of the earth-oriented surface under the worst high temperature condition. The horizontal axis indicates the closest point angle (degrees), and the vertical axis indicates the temperature (K) of the earth-oriented surface.
この結果により、温度変動幅を最悪低温ケースで247.4±2.9K、最悪高温ケースで265.8±5.1Kとし、低温にバイアスできることが分かる。なお、地球指向面全てを銀蒸着テフロン(登録商標)としてもよいが、低温になりすぎる場合を考慮して、地球指向面の一部に設けてもよい。このように、地球指向面を低温にバイアスすることでヒータ6のみによる熱制御の上限温度を制御することができる。
This result shows that the temperature fluctuation range is 247.4 ± 2.9K in the worst case and 265.8 ± 5.1K in the worst case, and it can be biased to a low temperature. Note that all of the earth-oriented surface may be silver-deposited Teflon (registered trademark), but may be provided on a part of the earth-oriented surface in consideration of a case where the temperature becomes too low. Thus, the upper limit temperature of the thermal control by only the
一方、図4のグラフT2には、地球指向面を低温にバイアスした撮像装置において、筐体10から断熱されていないレンズ2の温度変化のシミュレーション結果も併せて示している。この場合、撮像装置に内蔵するヒータ6としては19Wの消費電力のものを想定している。このように、撮像装置全体と地球指向面とを熱的に結合した場合には、撮像装置全体を熱制御する必要があるため、温度変動をキャンセルして、レンズ2の温度を±3K以内とするためには、ヒータ6としては19W程度の電力を要することがわかる。
On the other hand, the graph T 2 of the 4, the imaging device biasing the earth direction cold, also shows the simulation result of the temperature change of the
以上の考察より、撮像装置1としては、地球指向面とレンズ6を含む光学系のみとを熱的に結合することが好ましい。すなわち、レンズ6を筐体10から熱的に分離することで、地球指向面と熱的に結合する部材をレンズ6を含む光学系のみに限定することが好ましい。このときに地球指向面を低温にバイアスしてもよい。
From the above consideration, it is preferable that the imaging device 1 thermally couples the earth-oriented surface and only the optical system including the
また、撮像装置1を用いて真空試験を行った。筐体10の温度が約−4.5度以上である場合、ヒータ6は、4Wの電力を用いて、レンズ2を35度に保った状態に維持することができた。つまり、光学系と本体部との温度差を約40度程度とすることができた。
Further, a vacuum test was performed using the imaging device 1. When the temperature of the
次に、撮像装置1の作用効果について説明する。撮像装置における画像輝度は主に、各素子の感度のばらつき(赤外線吸収係数、抵抗値、抵抗温度係数、熱容量値、熱伝達率のばらつき)、検出器の基板温度、及び、検出器周辺から入力する赤外放射の影響を受ける。 Next, functions and effects of the imaging device 1 will be described. The image brightness in the imaging device is mainly input from the sensitivity variation of each element (infrared absorption coefficient, resistance value, resistance temperature coefficient, heat capacity value, variation in heat transfer coefficient), detector substrate temperature, and detector periphery. Affected by infrared radiation.
従来の熱赤外用の撮像装置では、非冷却マイクロボロメータ検出器はペルチェモジュール等の温度制御機構を有し、検出器自身の熱放射を一定に保っている。しかし、光学系は温度制御されないので、光学系の温度変化に応じた校正データを取得して補正を行っている。また、従来の熱赤外用の撮像装置では、光学系とカメラ本体とが熱的に結合されているので、光学系の温度制御を行うためには撮像装置全体の温度制御を行う必要が生じる。撮像装置全体を温度制御するためには大きな電力を要し、省電力が要求される宇宙機には適用できないおそれがある。 In a conventional thermal infrared imaging device, the uncooled microbolometer detector has a temperature control mechanism such as a Peltier module, and keeps the thermal radiation of the detector itself constant. However, since the temperature of the optical system is not controlled, calibration data corresponding to the temperature change of the optical system is acquired and corrected. In the conventional thermal infrared imaging device, since the optical system and the camera body are thermally coupled, it is necessary to control the temperature of the entire imaging device in order to control the temperature of the optical system. In order to control the temperature of the entire imaging apparatus, a large amount of power is required, which may not be applicable to a spacecraft that requires power saving.
これに対し、撮像装置1によれば、光学系の温度を制御することにより、光学系の温度に対する環境温度の影響を低減することができ、光学系が取り得る温度範囲を制御することが可能となる。具体的には、コントローラ7は、光学系の温度が設定温度に対して所定の温度範囲内に収まるようにヒータ6を制御する。これにより、光学系の取り得る温度範囲が制限される。このため、校正データのデータ量を低減するとともに、レンズ2のMTFの劣化を低減することが可能となる。
On the other hand, according to the imaging apparatus 1, by controlling the temperature of the optical system, the influence of the environmental temperature on the temperature of the optical system can be reduced, and the temperature range that the optical system can take can be controlled. It becomes. Specifically, the
また、熱分離部8によって光学系及び本体部とが熱的に分離される。このため、光学系の熱が本体部に伝わることが抑制されるので、ヒータ6による光学系の温度制御の効率を向上することができる。つまり、ヒータ6は、熱容量が小さい光学系のみを熱制御すればよい。これにより、消費電力を低減することが可能となる。
Further, the optical system and the main body are thermally separated by the
熱分離部8は、光学系と筐体10とを断熱する断熱部材81と、筐体10からの輻射光を遮蔽する遮熱部材82と、を備えている。断熱部材81は把持部31と筐体10との間に設けられ、遮熱部材82は導波部32の外周面を覆うように設けられている。このため、光学系と筐体10との伝導による熱導通を遮断するとともに、光学系と筐体10との放射による熱導通を遮断することができる。したがって、検出器4に入力される赤外放射は、レンズ2、内筒3及び撮像対象物からの赤外放射に制限される。つまり、検出器4への赤外放射の入力源を温度制御された光学系と撮像対象物の2つに制限することが可能になる。その結果、光学系の温度制御を行う際に、光学系以外からの熱の影響を低減することが可能となる。
The
撮像装置1では、コントローラ7は、光学系の熱平衡温度の最大値よりも大きい温度に設定された設定温度を光学系が保つようにヒータ6を制御してもよい。例えば、人工衛星などの宇宙器に搭載される場合、宇宙空間における熱平衡温度は低温であることが想定される。この場合、光学系の設定温度は熱平衡温度よりも大きくなるため、光学系の熱制御を冷却装置を用いることなくヒータ6のみを用いて行うことが可能となる。また、宇宙空間という真空環境であれば、大気中のように対流が生じないため、より完全に光学系と筐体を熱的に分離することができる。
In the imaging apparatus 1, the
なお、本発明に係る撮像装置は、上記実施形態に限定されない。例えば、撮像装置1は、超小型衛星に搭載され得る。 The imaging device according to the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the imaging device 1 can be mounted on a microsatellite.
また、撮像装置1は、宇宙機に限られず、セキュリティシステムに搭載されてもよい。 Further, the imaging device 1 is not limited to a spacecraft, and may be mounted on a security system.
1…撮像装置、2…レンズ(光学系)、3…内筒(光学系)、4…検出器、5…読み出し回路、6…ヒータ、7…コントローラ、8…熱分離部、10…筐体、31…把持部、32…導波部、81…断熱部材、82…遮熱部材。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Imaging device, 2 ... Lens (optical system), 3 ... Inner cylinder (optical system), 4 ... Detector, 5 ... Reading circuit, 6 ... Heater, 7 ... Controller, 8 ... Thermal separation part, 10 ... Housing , 31 ... gripping part, 32 ... waveguide part, 81 ... heat insulating member, 82 ... heat shielding member.
Claims (10)
前記レンズが結像した赤外線を電気信号に変換する検出器と、
前記光学系を加熱するヒータと、
前記光学系を収容する筐体と、
前記光学系と前記筐体とを熱的に分離する熱分離部と、
前記光学系と前記筐体とが熱的に分離された状態で、前記ヒータを制御して、前記光学系の温度を調整するコントローラと、
を備える、撮像装置。 An optical system having a lens that forms an infrared ray emitted from the imaging object and an inner cylinder that houses the lens;
A detector that converts the infrared imaged by the lens into an electrical signal;
A heater for heating the optical system;
A housing for housing the optical system;
A thermal separation unit that thermally separates the optical system and the housing;
A controller that adjusts the temperature of the optical system by controlling the heater in a state where the optical system and the housing are thermally separated;
An imaging apparatus comprising:
請求項1記載の撮像装置。 A read circuit for converting the electrical signal converted by the detector into a luminance temperature;
The imaging device according to claim 1.
前記光学系と前記筐体とを断熱する断熱部材と、
前記筐体からの輻射光を遮蔽する遮熱部材と、
を備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の撮像装置。 The thermal separation unit is
A heat insulating member for insulating the optical system and the housing;
A heat shield member that shields radiation from the housing;
The imaging device according to claim 1, comprising:
前記レンズを把持する把持部と、
前記レンズを透過した赤外線を前記検出器に導く導波部と、
を備え、
前記遮熱部材は前記導波部に設けられている、請求項4に記載の撮像装置。 The inner cylinder is
A gripping part for gripping the lens;
A waveguide section that guides infrared rays transmitted through the lens to the detector;
With
The imaging device according to claim 4, wherein the heat shield member is provided in the waveguide portion.
請求項5又は6記載の撮像装置。 The waveguide is formed to extend to the vicinity of the detector,
The imaging device according to claim 5.
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