JP4417713B2 - 焦点面アレイ較正システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学システム、特に焦点面アレイを較正するシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
焦点面アレイ（ＦＰＡ）は幾つかの個々の検出器素子（画素）から構成されたアレイである。焦点面アレイは検出器素子間での感度の変化による非均一性を受ける。これらの変化は適切なセンサ較正を実現するために決定され考慮されなければならない。結果として、非均一の補正（ＮＵＣ）尺度がＦＰＡ較正に対して開発されている。
【０００３】
現在のＮＵＣ較正技術は、焦点面アレイ全体をカバーするために非常に均一な機上の較正ソースを必要とする。均一なソースにより、各検出器素子は同一のソースの強度を受信する。検出器出力の変化はそれ故、検出器感度の変化によるものである。この情報はその後、焦点面アレイの較正に使用されることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
残念ながら、必要とされるシステムは複雑でかさばり、高価である。パッケージと価格の制約により、大抵のセンサで、特に宇宙応用で均一な較正ソースを構成することは非常に困難である。さらに、ソースの均一性は被覆のエージングとソース特性の変化の結果として長時間維持されるのはほぼ不可能である。この問題はさらに宇宙応用が典型的にメンテナンスせずにセンサが数年間宇宙で動作することを必要とする事実によって深刻にされる。
【０００５】
赤外線応用の別の方法は黒体と、所望の放射分析の較正の正確度を与えるためにセンサに黒体放射を注入する複雑な機構を使用することである。しかしながら、この較正装置はかさばって重く、製造および試験に費用がかかり、単一点の故障機構である。熱、整列、信頼性の問題も有し、温度を制御し電流を維持するための精巧な装置を必要とする。
【０００６】
均一なソースを必要としない焦点面アレイ較正の改良されたシステムまたは方法が技術で必要とされている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この技術の必要性は本発明により解決され、本発明は較正ソースを使用する焦点面アレイ（ＦＰＡ）較正システムおよび方法を提供し、これは均一であることを必要としない。図示の実施形態では、システムは、少なくとも１つの基準素子に関して焦点面アレイの各検出器素子の相対的利得を計算する第１の機構と、基準素子の絶対利得を獲得する第２の機構と、基準素子の絶対利得と関係する相対利得を使用して全ての他の検出器素子の絶対利得を計算する第３の機構とを含んでいる。
【０００８】
各画素の相対的応答特性は２以上の異なるソース位置の内部較正ソースと、各位置における２つの照射強度を使用して各画素の応答特性Ｄの測定から計算されることができる。ｋ個の画素により分離される１対のソース位置を使用する測定は（ｉ＋ｋ）番目の画素に関してｉ番目の画素の相対的応答を設定する。この帰納的な関係と異なるシフトベクトルｋを有する他の対のソース位置により、ＦＰＡの画素毎の相対的応答が設定されることができる。その後、少なくとも１つの基準画素の絶対的な放射分析較正が星等の既知の外部ソースを使用して実現される。各画素の絶対応答較正はその後、基準画素と組合わせた帰納的関係を使用して獲得されることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の有効な考察を説明するために添付図面を参照して図示の実施形態および例示的な応用を説明する。
本発明を特定の応用で図示の実施形態を参照してここで説明するが、本発明はそれに限定されないことが理解されよう。当業者およびここで与えられた考察に対するアクセスはその技術的範囲と、本発明が非常に有効である付加的な分野内で付加的な変更、応用、実施形態を認識する。
【００１０】
本発明は内部の非均一な較正ソースを使用する焦点面アレイ（ＦＰＡ）較正用システムおよびシステムを提供する。本発明の考察によると、ＦＰＡの各検出器素子（画素）の相対的利得間の帰納的な関係は最初に内部ソースを使用して計算される。その後、幾つかの基準画素の絶対利得は既知の外部ソースを使用して決定される。最終的に、全ての画素の絶対利得は、基準画素と組合わせた帰納的関係を使用して獲得される。
【００１１】
各画素の相対的な応答特性は２以上の異なるソース位置の内部較正ソースを使用して各画素の応答Ｄの測定から計算されることができる。ｋ個の画素により分離される１対のソース位置を使用する測定は（ｉ＋ｋ）番目の画素に関してｉ番目の画素の相対的応答を設定する。この帰納的な関係および異なるシフトベクトルｋを有する他のソース位置対により、ＦＰＡの画素毎の相対的応答が設定されることができる。その後、幾つかの基準画素の絶対的な放射分析較正は星等の既知の外部ソースを使用して実現される。各画素の絶対応答の較正はその後、基準画素と組合わせた帰納的関係を使用して獲得されることができる。
【００１２】
図１は本発明の考察にしたがって設計された焦点面アレイ較正用システム100 の図示の実施形態のブロック図である。システム100 は焦点面アレイ20、内部較正ソース30、システム制御装置10を含んでいる。ＦＰＡ20は多数の検出器素子を含んでいる。内部較正ソース30はＦＰＡにより検出されるタイプの放射を発生する。可視光センサは例えば光源を有し、赤外線センサは熱源を有する。較正ソースは均一である必要はない。システム制御装置10はプロセッサ12、メモリ14、検出器の利得計算装置300 、検出器のオフセット評価装置400 を含んでいる。
【００１３】
検出器の利得計算装置300 は相対的利得を計算する装置16、少なくとも１つの基準画素の絶対利得を獲得する装置18、全ての画素の絶対利得を計算する装置18からなる。相対的利得は内部較正ソース30を使用して検出器測定から計算される。基準画素の絶対利得を獲得することは少なくとも１つの検出器素子が星などの既知の較正ソース40を使用して計算されることを必要とする。全ての他の画素の絶対利得はその後、相対的利得と、基準画素の絶対利得とを使用して計算されることができる。好ましい実施形態では、利得計算装置300 とオフセット評価装置400 はシステムメモリ14中に位置するソフトウェアで構成され、マイクロプロセッサ12により実行される。
【００１４】
較正システム100 は信号プロセッサ22、ソースの位置設定装置32、光強度制御装置34も含んでいる。信号プロセッサ22はＦＰＡ20からの検出器出力を処理し、処理されたデータをシステム制御装置10へ送信する。ソースの位置設定装置32はソース照射をＦＰＡ20に関して異なる位置へ移動する。位置設定装置32は較正ソースを移動し、ＦＰＡを移動し、薄いウェッジまたはウェッジ対をソースとＦＰＡ間に挿入するか、ミラーを傾斜し、或いは光源の入射瞳または射出瞳に位置するウェッジを挿入することにより構成されることができる。光強度制御装置34は較正ソースの強度レベルを調節する。これは駆動電圧または電流の変化またはニュートラルフィルタの挿入により実行されることができる。
【００１５】
検出器素子ｉの応答Ｄは、次式により与えられるように、照射レベルＬ、画素の利得Ｇ、画素のバイアスＢの関数である。
Ｄ_i ＝Ｇ_i Ｌ＋Ｂ_i ［１］
焦点面アレイの各画素の利得ＧおよびバイアスＢは較正される必要のある２つのパラメータである。
【００１６】
検出器の較正はデータが取られるときに各検出器で放射レベルＬの知識を必要とする。入念なセットアップを除いて、詳細な検出器の放射レベルが常に得られるわけではなく、特に検出器の照射が均一ではなく正確に知られていないときには得られない。検出器の照射がシフトベクトルｋによりシフトされ、ｋは１以上の整数であり、照射プロフィールが変化しない状態であるならば、シフトベクトルにより分離される１対の検出器間の検出器の感度比が決定されることができる。ソースシフトのセットは全ての検出器対間に利得比関係を設定することができなければならない。シフト前の検出器ｉの放射と、シフト後の検出器ｉ＋ｋの放射は等しい。検出器ｉと検出器ｉ＋ｋ間の感度比は絶対放射を知らずに決定されることができる。放射レベルの比だけが必要とされる。これは図２で示されている。
【００１７】
図２のａは、照射ソースが位置Ｐ_m1に位置付けられるときシフトされる前の焦点面アレイと照射装置の図である。
【００１８】
図２のｂは、照射ソースがシフトベクトルｋによりシフトされた後の状態を示しており、シフトベクトルｋはｋ画素間の距離であり、それによってソースは位置Ｐ_m2に位置されている。２つの検出器素子ｉおよびｊはｋ画素だけ離れて位置されている（ｊ＝ｉ＋ｋ）。シフト前の検出器ｉの照射レベルはシフト後の検出器ｊの照射レベルに等しい。
【００１９】
各照射位置Ｐ_m に対しては、検出器出力は２つの照射レベルＬ_h とＬ_l で測定される。検出器ｉとｊの間の感度比Ｒ_ijは２つの照射レベルで取られた検出器ｉとｊの出力から決定されることができる。Ｄ_i （Ｐ_m1，Ｌ_h ）とＤ_i （Ｐ_m1，Ｌ_l ）は位置Ｐ_m1のソースとそれぞれ照射レベルＬ_h とＬ_l を有する検出器ｉからの出力である。検出器出力Ｄが照射レベルＬ、利得Ｇ、バイアスＢの関数であることを再度考慮する。
Ｄ_i （Ｐ_m1，Ｌ_h ）＝Ｇ_i Ｌ_h ＋Ｂ_i ［２］
Ｄ_i （Ｐ_m1，Ｌ_l ）＝Ｇ_i Ｌ_l ＋Ｂ_i ［３］
２つの照射レベルで検出器出力を測定することにより、２つの未知のパラメータ利得Ｇ_i とバイアスＢ_i が解かれる。利得Ｇ_i を解くと次式が得られる。
Ｇ_i ＝［Ｄ_i （Ｐ_m1，Ｌ_h ）−Ｄ_i （Ｐ_m1，Ｌ_l ）］／（Ｌ_h −Ｌ_l ）
［４］
照射ソースがｋ画素だけ位置Ｐ_m2へシフトされるときの（検出器ｉからｋ画素だけ離れて位置する）検出器ｊの照射レベルはシフト前の検出器ｉの照射レベルと同一である（位置Ｐ_m1のソース）。Ｄ_j （Ｐ_m2，Ｌ_h ）とＤ_j （Ｐ_m2，Ｌ_l ）は位置Ｐ_m2のソースとそれぞれ照射レベルＬ_h とＬ_l を有する検出器ｊからの出力である。したがって検出器ｊの利得Ｇ_j は次式により与えられる。
Ｇ_j ＝［Ｄ_j （Ｐ_m2，Ｌ_h ）−Ｄ_j （Ｐ_m2，Ｌ_l ）］／（Ｌ_h −Ｌ_l ）
［５］
検出器ｉとｊ間の感度比Ｒ_i,j は検出器出力だけを使用して計算されることができる（照射レベルの絶対値の知識は必要ない）。
【数１】

【００２０】
同様に、（シフト前の）位置Ｐ_m1におけるソースによる検出器ｊでの照射強度は（ｋ画素シフト後の）位置Ｐ_m2におけるソースによる検出器ｎ＝ｊ＋ｋでの照射強度と同一である。検出器ｊとｎ間の感度比Ｒ_j,n は次式により与えられる。
【数２】

【００２１】
検出器ｎと第１の検出器ｉとの関係はその後、決定される。検出器ｉとｎと間の感度比Ｒ_j,n は次式により与えられる。
Ｒ_j,n ＝Ｒ_i,j Ｒ_j,n ［８］
この連鎖関係を使用することにより、選択された基準検出器に関する任意の検出器の感度は適切な照射シフトで採取された検出器データのセットから評価されることができる。
【００２２】
相対的な検出器感度を評価するための連鎖関係を与えるため、１つの検出器から別の検出器までは幾つかのパスが存在する。これは特に二次元の検出器アレイで真である。ただ１つのみのパスを使用して基準検出器に関するある検出器の感度を決定するとき、パスに沿って不良の検出器または不良のデータが存在するときにはエラー伝播および累算等の問題を受ける。それ故、全てのパスはエラー伝播を最小にするために利用される。
【００２３】
感度に関係する全ての可能なパスを使用して実現する最良の方法は最小二乗適合式を設定し解くことである。最小二乗適合式は全ての感度比の式から得られる
感度関係の全ての可能なパスを使用して実現する最良方法は最小二乗適合式を組立て、解くことである。最小二乗適合式は全ての感度比の式から得られる。
【数３】

または、Ｒ_i,j ｇ_i −ｇ_j ＝０ ［１０］
ここで、下のケースのｇは相対利得を表している。最小二乗式は基準検出器の利得係数として選択されることができる任意の正規化定数まで解かれるだけである。
【００２４】
大きい検出器アレイでは、最小二乗式は疎マトリックス解答装置を使用して解くことができる。
【００２５】
図３は本発明の考察にしたがって設計された検出器利得係数の較正用システム300 のフロー図である。
【００２６】
ステップ310 では、ソース位置インデックスｍは１に設定される。
【００２７】
ステップ312 では、光源は位置Ｐ_m に移動される。
【００２８】
ステップ314 では、光源強度レベルはＬ_l に設定される。
【００２９】
ステップ316 では、各検出器素子ｉの応答Ｄ_i （Ｐ_m ，Ｌ_l ）は全ての検出器素子ｉ＝１乃至Ｎに対して獲得され記憶され、ここでＮは素子の総数である。
【００３０】
ステップ318 では、光源強度レベルはＬ_h に設定される。
【００３１】
ステップ320 では、各検出器素子ｉの応答Ｄ_i （Ｐ_m ，Ｌ_h ）は全ての検出器素子ｉ＝１乃至Ｎで獲得され記憶され、Ｎは素子の総数である。
【００３２】
ステップ322 では、ｍが所望のソース位置の総数に等しいか否かを決定する。ノーであるならば、データは次のソース位置で採取されなければならず、ステップ334 へ進み、イエスであるならば、ステップ324 へ進む。
【００３３】
ステップ334 では、位置インデックスｍは１だけ増加され、システムはステップ312 へ戻る。
【００３４】
ステップ324 では、検出器利得比Ｒ_i+k,i は検出器の全ての組合わせについて計算される。
【数４】

【００３５】
ステップ326 では、最小二乗適合式は利得係数式のセットから構成される。
【００３６】
Ｒ_i,i+k,ｇ_i −ｇ_i+k ＝０ ［１２］
最小二乗適合式はｇ_i に対して任意の正規化定数まで解かれる。
【００３７】
ステップ328 では、選択された基準検出器ａの絶対利得係数Ｇ_a は（恒星のような）既知の強度点ソースでそれを指向し、検出器応答を得ることにより決定される。検出器バイアスオフセットはステップ328 を実行する前に決定されるべきである。
【００３８】
ステップ330 では、他の検出器の絶対利得係数Ｇ_i が計算される。
Ｇ_i ＝（ｇ_i ／ｇ_a ）Ｇ_a ［１３］
最終的に、ステップ332 では、全ての検出器ｉ＝１乃至Ｎの絶対利得係数Ｇ_i を出力する。
【００３９】
利得係数Ｇ_i に加えて、各検出器のバイアスオフセットＢ_i も適切な焦点面較正で計算されなければならない。式２と３から、オフセットＢ_i は次式のように決定されることができる。
【数５】

【００４０】
異なる位置Ｐ_m からの測定を使用するオフセット計算は異なる解を生成する。最良の結果では、オフセットＢ_i は各位置Ｐ_m における測定から計算されたオフセットＢ_i （ｍ）の平均であるべきである。
【００４１】
図４は本発明の考察にしたがって設計された検出器オフセットの評価用システム400 のフロー図である。
【００４２】
ステップ410 では、位置インデックスｍは１に設定され、検出器インデックスは１に設定される。
【００４３】
ステップ412 では、多数のソース位置オフセット評価値Ｂ_i は０に設定される。
【００４４】
ステップ414 では、単一のソース位置オフセット評価値Ｂ_i （ｍ）を計算する。
【数６】

強度レベルを含む係数は以下の形態であるので、
【数７】

したがって、絶対強度レベル自体ではなく強度レベルＬ_h ／Ｌ_l 間の比だけが知られる必要がある。
【００４５】
ステップ416 では、この位置におけるオフセット評価値が他の位置のオフセット評価値に付加される。
Ｂ_i ＝Ｂ_i ＋Ｂ_i （ｍ） ［１７］
ステップ418 では、ｍがソース位置の総数に等しいか否かを決定する。ノーであるならば、次のソース位置で反復され、ステップ428 へ進み、イエスであればステップ420 へ続く。
【００４６】
ステップ428 では、位置インデックスｍは１つ増加し、ステップ414 へ戻る。
【００４７】
ステップ420 では、検出器ｉの平均オフセット評価値を計算する。
【００４８】
Ｂ_i ＝Ｂ_i ／（ソース位置の総数） ［１８］
ステップ422 では、オフセットが全ての検出器で評価されるか否かを決定し、ｉ＝１乃至Ｎである。ノーであるならば、次の検出器で反復され、ステップ426 へ進む。イエスであるならば、ステップ424 へ続く。
【００４９】
ステップ426 では、検出器インデックスｉは１だけ増加し、ステップ412 へ戻る。
【００５０】
最終的に、ステップ424 では、全ての検出器ｉ＝１乃至Ｎのオフセット評価値Ｂ_i を出力する。
【００５１】
較正ソースの均一性で２対１のバリエーションを有する５対１検出器感度のバリエーションにもかかわらず１％よりも良好な正確度の較正がこの技術を使用して実現されることができることをコンピュータシミュレーションは示している。これは図５と図６で示されている。
【００５２】
図５は５対１検出器の感度のバリエーションを有する焦点面アレイの検出器の相対的な感度の分布グラフを示している。
【００５３】
図６は本発明の考察にしたがった較正後の検出器感度の分布グラフを示している。検出器感度は１％よりも良好なＲＭＳ正確度を有するように示されている。
【００５４】
以上、本発明を特定の応用で特定の実施形態を参照してここで説明した。当業者は付加的な変形、応用、実施形態をその技術的範囲内で認識するであろう。
【００５５】
それ故、添付の特許請求の範囲によって任意のおよび全てのこのような応用、変形、実施形態が本発明の技術的範囲内に含まれることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の考察にしたがって設計された焦点面アレイ較正用システムのブロック図。
【図２】 本発明の考察にしたがった、照射ソースがシフトされる前と、照射ソースがシフトベクトルｋによりシフトされた後の焦点面アレイと照射装置の図。
【図３】 本発明の考察にしたがって設計された検出器利得係数の較正用システムのフロー図。
【図４】 本発明の考察にしたがって設計された検出器オフセットの評価用システムのフロー図。
【図５】 典型的な焦点面アレイの検出器の相対的な感度の分布グラフ。
【図６】 本発明の考察にしたがった、較正後の検出器感度の分布グラフ。

Claims (6)

1. 焦点面アレイ（20）の較正システムにおいて、
   非均一な内部較正ソース（30）と、外部較正ソース（40）と、
   前記非均一な内部較正ソース（30）を使用して少なくとも１つの基準素子に関する前記焦点面アレイ（20）の各検出器素子から測定値を得て、各検出器素子の相対的利得を得る第１の機構（16）と、
   前記外部較正ソース（40）を使用して前記基準素子の絶対利得を得る第２の機構（17）と、
   前記相対利得と前記基準素子の絶対利得を使用して全ての他の検出器素子に対する絶対利得を計算する第３の機構（18）と、
   前記非均一な内部較正ソース（30）を使用して焦点面アレイ（20）中の各検出器素子のバイアスオフセットを得る第４の機構（400 ）と、
   前記非均一な内部較正ソース（30）に２つの異なった強度レベルを与える手段と、
   少なくとも１対の位置に前記非均一な内部較正ソース（30）の位置を設定する位置設定手段(32)とを具備し、
   前記第１および第４の機構（16, 400 ）は前記非均一な内部較正ソース（30）が前記少なくとも１対の位置にあるときに各検出器素子から測定値を得るように構成され、
   前記１対の位置はｋを１以上の整数としてｋ個の画素間の距離だけ離れており、
   前記測定値は各位置において内部較正ソース（30）の２つの異なる強度レベルで得られるように構成されている較正システム。
2. 前記内部較正ソース（30）は光源である請求項１記載のシステム。
3. 前記内部較正ソース（30）は熱源である請求項１記載のシステム。
4. 前記第１の機構（16）はＲ_i,i+k ｇ_i −ｇ_i+K ＝０から較正される最小二乗適合式を解くことを含んでおり、ここでＲ_i,i+k は検出器ｉとｉ＋ｋとの間の感度比であり、ｇ_i は検出器ｉの相対的利得である請求項１記載のシステム。
5. 前記最小二乗適合式はスパーマトリックス解答装置を使用して解かれる請求項４記載のシステム。
6. 前記外部較正ソース（40）は既知の星である請求項１記載のシステム。

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