JP4007018B2

JP4007018B2 - 赤外線撮像装置

Info

Publication number: JP4007018B2
Application number: JP2002047467A
Authority: JP
Inventors: 啓輔釜
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2022-02-25
Also published as: JP2003247889A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、赤外線撮像装置に関し、特に、高精度のA/D変換回路を用いることなく温度分解能を向上できる赤外線撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来の赤外線撮像装置を説明するための図であり、図１０は、従来の赤外線撮像装置の表示処理を示す図である。
図において、１は赤外光学系、２は赤外線検知素子、３は赤外光学系１と赤外線検知素子２間を遮蔽可能なシャッタ、４は増幅回路、５はＡ／Ｄ変換回路、６は表示処理回路、６ａはオフセット補正回路、６ｂはオフセット補正データ記憶回路、６ｃは表示出力回路、７はビデオ信号、８はタイミング発生回路、９はタイミング発生回路８のタイミングを受けて赤外線検知素子２を駆動する検知素子駆動回路、１０は全体を統合する筐体である。
【０００３】
次に、図９および図１０を用いて、従来の赤外線撮像装置の動作を説明する。検知素子駆動回路９より駆動信号が与えられると赤外線検知素子２が動作する。赤外線検知素子２は、単画素の物や１画素×ｌ、あるいは、ｌ×ｍ（ここで、ｌ、ｍは自然数）のような画素配列を持つものもある。
赤外線検知素子２は、被写体が発する赤外線が入射すると、赤外線入射量に応じた電位を出力する。被写体が放射する赤外線は、被写体の温度により決まり、温度が高いほど赤外線放射量も大きくなる。赤外線検知素子２には、固有の出力レベルばらつきが存在するため、オフセット補正処理（以下、キャリブレーションと呼ぶ）を行う必要がある。
【０００４】
すなわち、シャッタ３を一旦閉じ、赤外線検知素子２に一様な赤外線を入射した際の出力、すなわち赤外線検知素子２の出力ばらつき電位を増幅回路４にて増幅した後、Ａ／Ｄ変換回路５でディジタル信号に変換し、オフセット補正データ記憶回路６ｂに記憶する。これをキャリブレーションと言う。
通常の撮像時は、シャッタ３を開き、被写体が放射する赤外線を赤外光学系により集光し、赤外線検知素子２に結像する。これにより、被写体からの放射赤外線の強度に応じた電位が出力される。その出力を増幅回路４にて増幅した後、Ａ／Ｄ変換回路５にてディジタル信号に変換し、オフセット補正回路６ａにおいてオフセット補正データを各赤外線検知素子毎に減算し、オフセットの補正を行う。これらの処理により、出力ばらつきのない画像を得ることができる。
【０００５】
次に、赤外線撮像装置の性能を示す温度分解能Ｒについて説明する。赤外線検知素子２の出力温度感度：α、増幅回路４の増幅率：Ｇ、Ａ／Ｄ変換回路５の入力範囲：ΔＶad、Ａ／Ｄ変換回路５の階調：ｎ、回路ノイズ：Ｖnoiseとした場合、Ｖnoise≦ΔＶad／ｎとなる時が最小で、Ｒ＝ΔＶad／（ｎ×Ｇ×α）となる。
【０００６】
被写体とシャッタ３の温度差が大きい場合、例えば、冬など外気温が低いが撮像装置が閉じた環境に設置されている場合、その内部温度が上昇するためシャッタ温度が外気温に比べて高くなるが、このような場合の赤外線検知素子２の出力は、キャリブレーション時はシャッタ３の温度に対応した値Ｖshが、被写体撮像時は被写体の温度に対応した値Ｖhが、それぞれ出力される。
従来例の場合、シャッタ温度が高いため、Ｖsh＞Ｖhである。このどちらの場合の出力でもＡ／Ｄ変換回路５に入力できる様に、増幅回路４の増幅率を低く抑えなければならなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、温度分解能Ｒを向上させるには、上述した温度分解能Ｒの算式により、回路増幅率Ｇを大きくするか、またはＡ／Ｄ変換回路の階調数ｎを大きくすることが手法として考えられるが、上述の通り回路増幅率Ｇを大きくできないため、温度分解能Ｒを向上させようとすれば、Ａ／Ｄ変換回路を出力階調数ｎの大きい高級な高精度のものを用いる必要があり、またそれに伴い、ノイズも低減する必要があり、コスト上昇と共に技術的にも困難であるという課題があった。
【０００８】
この発明は、上記の様な課題を解決するためになされたものであり、高精度のＡ／Ｄ変換回路を用いることなく、温度分解能を向上できる赤外線撮像装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る赤外線撮像装置は、赤外光学系を介して、赤外線検知を行う赤外線検知素子と、赤外光学系と赤外線検知素子の間に介在し、その空間を遮蔽可能なシャッタと、シャッタの温度を計測するシャッタ温度センサと、外気温度を計測する外気温センサと、予め、外気温センサと赤外線検知素子の出力との関係を実測あるいは算出し、記憶する制御データ（１）記憶媒体と、予め、シャッタ温度センサと赤外線検知素子の出力との関係を実測あるいは算出し、記憶する制御データ（２）記憶媒体と、外気温センサとシャッタ温度センサの各センサデータを、制御データ（１）記憶媒体と制御データ（２）記憶媒体に出力し、夫々の制御データを得て、この夫々の制御データから赤外線検知素子の出力差分データを抽出するレベル制御手段と、この赤外線検知素子の出力差分データに基づき、赤外線検知素子の出力との差分演算を行う減算部とを備えたものである。
【００１０】
第２の発明に係る赤外線撮像装置は、第１の発明において、制御データ（１）記憶媒体と制御データ（２）記憶媒体として、シャッタ温度センサおよび外気温センサの出力と、シャッタを閉じた時と開けた時に発生する赤外線検知素子の出力差との関係を測定または算出し、記憶する制御データ記憶媒体としたものである。
【００１１】
第３の発明に係る赤外線撮像装置は、第２の発明において、外気温センサとして、赤外光学系、あるいは筐体の温度を計測するレンズ／筐体温度センサとしたものである。
【００１２】
第４の発明に係る赤外線撮像装置は、赤外光学系を介して、赤外線検知を行う赤外線検知素子と、赤外光学系と赤外線検知素子の間に介在し、その空間を遮蔽可能なシャッタと、シャッタの温度を計測するシャッタ温度センサと、外気温度を計測する外気温センサと、赤外線検知素子が外部バイアス信号によりその出力レベルが調整可能であり、予め実測または算出する外気温およびシャッタ温度の相違に基づく赤外線検知素子の出力差を解消する様な外部バイアス信号への出力と、外気温センサおよびシャッタ温度センサの出力との関係を記憶する制御データ記憶媒体と、外気温センサとシャッタ温度センサの各センサデータを上記制御データに出力し、その値に応じたデータ値を上記制御データ記憶媒体制御データを得て、この制御データに応じた出力を、赤外線検知素子の外部バイアス信号に出力する素子出力レベル設定手段とを備えたものである。
【００１３】
第５の発明に係る赤外線撮像装置は、第４の発明において、外気温センサとして、赤外光学系、あるいは筐体の温度を計測するレンズ／筐体温度センサとしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による赤外線撮像装置を示す図、図２は、この発明の実施の形態１による赤外線撮像装置の出力レベル制御方法を説明する図である。
図１において、１は赤外光学系、２は赤外線検知素子、３は赤外光学系１と赤外線検知素子２間を遮蔽可能なシャッタ、４は増幅回路、５はＡ／Ｄ変換回路、６は表示処理回路、７はビデオ信号、８はタイミング発生回路、９はタイミング発生回路８のタイミングを受けて赤外線検知素子２を駆動する検知素子駆動回路、１０は全体を統合する筐体、１１はシャッタ温度センサ、１２は外気温センサ、１３はレベル制御手段、１４は制御データ（１）、１５は制御データ（２）、１６は減算部である。
【００１５】
この実施の形態１の主要部分は、シャッタ３に取り付けたシャッタ温度センサ１１、外気温センサ１２、予め実測または算出により求めておいたシャッタ温度と赤外線検知素子出力の関係（図２を参照）を示す制御データ（１）１４、予め実測または算出により求めておいた外気温と赤外線検知素子２の出力の関係（図２を参照）を示す制御データ（２）１５、外気温センサ１２とシャッタ温度センサ１１の値の夫々を、制御データ（１）１４、制御データ（２）１５を夫々記憶している例えばＲＯＭに出力し、その値に応じたデータ値を制御データ（１）１４、制御データ（２）１５のＲＯＭから得て、そのデータ値に応じた出力を減算部１６に出力するレベル制御手段１３、赤外線検知素子２の出力とレベル制御手段１３の出力とを減算する減算部１６にて構成される。
ここで、制御データ（１）１４、制御データ（２）１５は、撮像装置の試験・調整の時点でＲＯＭなどの情報記憶媒体に記録して格納されたものである。
【００１６】
次に、この実施の形態の動作を説明する。まず、制御データ（１）１４、制御データ（２）１５は、例えば次の様にして求めることができる。
撮像装置の温度を変化させるなどの方法により、シャッタ３の温度を変化させる。各温度において、シャッタ３を閉じた状態でのシャッタ温度センサ１１の出力レベルと赤外線検知素子２の出力レベルを計測器で測定することにより、シャッタ温度とキャリブレーション時の赤外線検知素子出力の関係を求めることができる。
また、撮像装置と被写体を恒温槽などに入れ、その周辺の温度を変化させるなどの方法により、外気温と被写体の温度を変化させる。
各温度において、シャッタ３を開けた状態での外気温センサ１２の出力レベルと赤外線撮像素子２の出力レベルを測定器で測定することにより、外気温と撮像時の赤外線検知素子出力の関係を求めることができる。
さて、被写体温度と赤外線検知素子出力との関係式が与えられていれば、赤外線検知素子出力レベルは計算にて求めることも可能である。
【００１７】
次に、動作原理について述べる。シャッタ温度センサ１１と外気温センサ１２の出力（Ｔｓｈ１、Ｔｏｕｔ１）を受けて、レベル制御手段１３がその出力に応じたデータ値をそれぞれのＲＯＭである制御データ（１）１４、制御データ（２）１５（Ｖ１、Ｖ２）から読み出し、その読み出されたデータ値からキャリブレーション時に発生する赤外線検知素子２の出力差（ΔＶ＝｜Ｖ１−Ｖ２｜）を算出し、キャリブレーション時のみに減算部１６に出力する。
図３は、上記減算処理のブロック図および時系列状況を示したものであり、シャッタ３を閉じた時と開いた時には、赤外線検知素子２の出力には出力差ΔＶkが発生する。この時、レベル制御手段１３から出力される値をΔＶとする。このをΔＶを出力減算部１６に出力すると、ほぼΔＶk≒ΔＶであるため、減算部１６の出力は、ほぼ０となる。
ここで、減算部１６の呼称は減算であるが、実効上は差異分の処理をしていることは勿論である。
【００１８】
この実施の形態によれば、減算部１６において、キャリブレーション時には赤外線検知素子２の出力からレベル制御手段１３の出力を減じることにより、キャリブレーション時に発生する出力差が解消できる。これにより、増幅回路４における回路増幅率Ｇを大きくすることができるため、温度分解能を向上することができる。
【００１９】
また、この実施の形態によれば、赤外線撮像装置において、赤外光学系１やシャッタ３や筐体１０等にシャッタ温度センサ１１と、キャリブレーション時と撮像時とで発生する赤外線検知素子２の出力レベル差を各部位の温度を測定することで、推定・補正する回路を構成することにより、高精度のＡ／Ｄ変換回路を用いることなく、温度分解能を向上できるメリットが得られる。
【００２０】
また、この実施の形態によれば、シャッタ３に取り付けたシャッタ温度センサ１１、外気温センサ１２、制御データ（１）１４、制御データ（２）１５、減算部１６、レベル制御手段１３を持ったことにより、キャリブレーション時に赤外線検知素子出力で発生する出力差を解消して、温度分解能を向上させることができる。
【００２１】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２による赤外線撮像装置を示す図である。図において、実施の形態１と同一または相当部分には同一符号を付してあるので、説明は省略する。１７は制御データ（３）である。
【００２２】
図４において、実施の形態２は、制御データを一つにしたものである。制御データ（３）１７は、シャッタ温度センサ１１および外気温センサ１２の出力と、シャッタを閉じた時と開けた時に発生する赤外線検知素子２の出力差との関係を測定、または計算にて求めたものである。ＲＯＭの数量が少なくて済むことがメリットである。
【００２３】
また、図５は、この制御データ（３）１７の処理方法を説明した図であり、シャッタ温度センサ１１および外気温センサ１２の出力差に基づく処理イメージを示す。
【００２４】
この実施の形態によれば、シャッタ３に取り付けたシャッタ温度センサ１１、外気温センサ１２、制御データ（３）１７、減算部１６、レベル制御手段１３、を持ったことにより、キャリブレーション時に赤外線検知素子の出力で発生する出力差を解消して、メモリを削減することができる。
【００２５】
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３による赤外線撮像装置を示す図である。図において、実施の形態１または２と同一または相当部分には同一符号を付してあるので、説明は省略する。１８はレンズ／筐体温度センサである。
【００２６】
この実施の形態３は、実施の形態１または２において、外気温センサ１２をレンズ／筐体温度センサ１８に変更したものである。
この場合、レンズや筐体に温度センサを取り付けても同様の効果を得る。メリットとしては、あまり熱変動のない場所にレンズ／筐体温度センサ１８を取り付けることで実現できるため、外気温センサ１２でなくても良いことである。
【００２７】
この実施の形態によれば、シャッタ３に取り付けたシャッタ温度センサ１１、筐体１０等に取り付けたレンズ／筐体温度センサ１８、制御データ（３）１７、減算部１６、レベル制御手段１３を持つことにより、キャリブレーション時に赤外線検知素子出力で発生する出力差を解消して、レンズ／筐体温度センサ、あるいはその同等品で済ますことができる。
【００２８】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４による赤外線撮像装置を示す図である。図において、実施の形態１乃至３と同一または相当部分には同一符号を付してあるので、説明は省略する。１９は素子出力レベル設定手段、２０は制御データ（４）である。
【００２９】
この実施の形態４の主要部分は、外部バイアス信号により、出力レベルを調整可能な赤外線検知素子２、予め実測または算出により求めておいた外気温およびシャッタ温度の違いによって発生する赤外線検知素子２の出力差を解消するような外部バイアス信号への出力と外気温センサ１２およびシャッタ温度センサ１１の出力との関係を示す制御データ（４）２０、外気温センサ１２とシャッタ温度センサ１１の各センサデータを制御データ（４）２０に出力し、その値に応じたデータ値を制御データ（４）２０から得て、この制御データに応じた出力を、キャリブレーション時に、赤外線検知素子２の外部バイアス信号に出力する素子出力レベル設定手段１９にて構成される。
また、この実施の形態の動作は、実施の形態１にてキャリブレーション時に減算部にて行っていたことを赤外線検知素子２の外部バイアス信号にて検知素子出力自体を制御するものである。
【００３０】
この実施の形態によれば、シャッタ３に取り付けたシャッタ温度センサ１１、外気温センサ１２、制御データ（４）２０、素子出力レベル設定手段１９を持ったことにより、キャリブレーション時に赤外線検知素子の出力で発生する出力差を解消すると共に、減算部が不要となり、変動の激しい検知素子にも対応できる。
【００３１】
実施の形態５．
図８は、この発明の実施の形態５による赤外線撮像装置を示す図である。図において、実施の形態１乃至４と同一または相当部分には同一符号を付してあるので、説明は省略する。
【００３２】
この実施の形態５は、実施の形態４において、外気温センサ１２をレンズ／筐体温度センサ１８に変更したものである。
この実施の形態においても、レンズや筐体にシャッタ温度センサを取り付けたことにより、同様の効果を得る。メリットはあまり熱変動のない場所にシャッタ温度センサを取り付けることで実現できるため、外気温センサ１２でなくても良いことである。
【００３３】
この実施の形態によれば、シャッタ温度センサ１１、レンズ／筐体温度センサ１８、制御データ（４）２０、素子出力レベル設定手段１９を持つことにより、キャリブレーション時に、赤外線検知素子２の出力で発生する出力差を解消する。また、減算部１６が不要となり、変動の激しい検知素子にも対応でき、レンズ／筐体温度センサで済ますことができる。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によれば、赤外線撮像装置において、キャリブレーション時と撮像時とで発生する赤外線検知素子出力レベル差を各部位の温度を測定することで推定・補正する回路を配置・構成することにより、高精度のA/D変換回路を用いることなく温度分解能を向上できるメリットが得られる。
また、シャッタに取り付けたシャッタ温度センサ、外気温センサ、制御データ、減算部、レベル制御手段を持ったことにより、キャリブレーション時に赤外線検知素子出力で発生する出力差を解消して、温度分解能を向上させることができる。
【００３５】
この発明によれば、シャッタに取り付けたシャッタ温度センサ、外気温センサ、制御データ、減算部、レベル制御手段、を持ったことによりキャリブレーション時に赤外線検知素子出力で発生する出力差を解消して、メモリを削減することができる。
【００３６】
この発明によれば、シャッタに取り付けたシャッタ温度センサ、筐体等に取り付けたシャッタ温度センサ、制御データ、減算部、レベル制御手段、を持ったことによりキャリブレーション時に赤外線検知素子出力で発生する出力差を解消して、レンズ／筐体温度センサで済ますことができる。
【００３７】
この発明によれば、シャッタに取り付けたシャッタ温度センサ、外気温センサ、制御データ、素子出力レベル設定手段、を持ったことによりキャリブレーション時に赤外線検知素子出力で発生する出力差を解消すると共に、減算部が不要となり、変動の激しい検知素子にも対応できる。
【００３８】
この発明によれば、シャッタに取り付けたシャッタ温度センサ、筐体等に取り付けたシャッタ温度センサ、制御データ、素子出力レベル設定手段、を持ったことによりキャリブレーション時に赤外線検知素子出力で発生する出力差を解消する。減算部が不要となり、変動の激しい検知素子にも対応でき、レンズ／筐体温度センサで済ますことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による赤外線撮像装置を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１による赤外線撮像装置の動作概要を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１による赤外線撮像装置の減算動作を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２による赤外線撮像装置を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２による赤外線撮像装置の動作概要を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態３による赤外線撮像装置を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態４による赤外線撮像装置を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態５による赤外線撮像装置を示す図である。
【図９】従来の赤外線撮像装置を説明するための図である。
【図１０】従来の赤外線撮像装置の表示処理を示す図である。
【符号の説明】
１赤外光学系、２赤外線検知素子、３シャッタ、４増幅回路、５Ａ／Ｄ変換回路、６表示処理回路、７ビデオ信号、８タイミング発生回路、９検知素子駆動回路、１０筐体、１１シャッタ温度センサ、１２外気温センサ、１３レベル制御手段、１４制御データ（１）、１５制御データ（２）、１６減算部、１７制御データ（３）、１８レンズ／筐体温度センサ、１９素子出力レベル設定手段、２０制御データ（４）。

Claims

赤外光学系を介して、赤外線検知を行う赤外線検知素子と、
上記赤外光学系と上記赤外線検知素子の間に介在し、その空間を遮蔽可能なシャッタと、
上記シャッタの温度を計測するシャッタ温度センサと、
外気温度を計測する外気温センサと、
予め、上記外気温度と上記外気温度における上記赤外線検知素子の出力との関係を記憶する制御データ（１）記憶媒体と、
予め、上記シャッタの温度と上記シャッタの温度における上記赤外線検知素子の出力との関係を記憶する制御データ（２）記憶媒体と、
上記赤外線検知素子の出力のオフセットを補正するオフセット補正時において、上記制御データ（１）記憶媒体から上記外気温センサが出力する温度データに対応した上記赤外線検知素子の出力値を第１の出力値として抽出し、上記制御データ（２）記憶媒体から上記シャッタ温度センサが出力する温度データに対応した上記赤外線検知素子の出力値を第２の出力値として抽出し、上記第１の出力値と上記第２の出力値との差分をとった出力差分値を減算手段に出力するレベル制御手段と、
上記オフセット補正時において上記シャッタを閉じた時の上記赤外線検知素子の出力と上記シャッタを開いた時の上記赤外線検知素子の出力との差から上記出力差分値を減算して、上記赤外線検知素子のオフセットを補正する補正データを出力する減算手段と、を備えたことを特徴とする赤外線撮像装置。
上記外気温センサは、上記赤外光学系、あるいは筐体の温度を計測するレンズ／筐体温度センサである、請求項１に記載の赤外線撮像装置。