JP4604033B2 - 非冷却マイクロボロメータ検出器を使用する放射測定 - Google Patents
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Description
a.製造工程の結果としての検出器の電気特性および熱特性の小さいばらつき、
b.放出/吸収角度の関数としての電磁波強度のばらつき、
c.光学系の口径食、
d.光学系の温度変化、
のためである。
赤外エネルギを検出するように構成された非冷却かつ非遮蔽検出器と、
外部の場面に由来しないエネルギを無視し、それによって前記検出器のエネルギを温度として読むことができるように、前記非冷却センサで検出されたエネルギを補正するために使用できる、少なくとも一回の較正温度測定を前記カメラに対して行うことによって周期的較正動作を実行する較正器と、
を備えた赤外撮像カメラを提供する。
IRセンサの視野(FOV)に入射するIR放射線に従って温度画像を形成するために画像応答を提供するための非遮蔽非冷却赤外(IR)センサと、
内部温度基準ユニット用の測定面を形成する内面を持つ、前記FOVを制御可能に不明瞭化するためのシャッタと、
を含み、前記温度補正装置が
前記測定面を使用して基準温度を決定するための温度センサと、
局所的カメラ基準応答および前記基準温度を使用して、前記局所的温度の温度ドリフトの一時的作用を近似化するためのリファレンサと、
前記温度センサおよび前記リファレンサに関連付けられ、前記近似化された一時的作用に従って前記画像の補正を生成するように構成された信号補正装置と、
を含んで成る、温度補正装置を提供する。
前記FOVが前記シャッタによって不明瞭化されている間に、前記シャッタの放射率に従って選択された位置の基準温度を決定すること、および
前記基準温度に従って前記画像の補正を生成すること、
を含む方法を提供する。
外部場面から赤外エネルギを収集するための集束光学系と、
前記集束光学系からの前記赤外エネルギを検出するように構成された非冷却赤外センサと、
前記外部場面の前記赤外エネルギからの前記赤外センサにおける温度測定が、高い空間周波数に対しカメラの変調伝達関数によって導入される誤差を受けるようになっており、前記カメラの変調伝達関数の逆関数を組み込むことによって前記誤差を克服するように構成された高域フィルタと、
を含む赤外カメラを提供する。
外部場面から赤外エネルギを収集するための集束光学系と、
前記カメラの内部部品から遮蔽されておらず、かつ赤外エネルギを検出するように構成された非冷却検出器と、
前記集束光学系と前記非冷却センサアレイとの間にそれ自体を周期的に介在させて、前記検出器が前記シャッタ面にわたる温度測定から周期的均一性補正動作を実行することができるように、制御可能に搭載されたシャッタと、
を含み、
前記アップグレードは、受信した画像の較正に使用するために周期的間隔で局所化された温度測定を行うことができるように、前記カメラ内に少なくとも一つの温度センサを適用することを含んで成る、方法を提供する。
外部場面から赤外エネルギを収集するための集束光学系と、
赤外エネルギを検出するように構成された非冷却非遮蔽検出器と、
を備え、前記外部場面の赤外エネルギからの前記赤外検出器における温度測定は、高い空間周波数に対しカメラの変調伝達関数によって導入される誤差を受けるようになっており、
前記アップグレードは前記光学系、検出器、および信号処理に関連して高域フィルタを設けることを含み、前記高域フィルタは、前記カメラの変調伝達関数の逆関数を組み込むことによって前記誤差を克服するように構成されて成る、方法を提供する。
本明細書では本発明を単に例示し図面を参照して説明する。特に詳細に図面を参照して、示されている詳細が例示であり本発明の好ましい実施態様を例示考察することだけを目的としており、本発明の原理や概念の側面の最も有用でかつ容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示していることを強調するものである。この点について、本発明を基本的に理解するのに必要である以上に詳細に本発明の構造の詳細は示さないが、図面について行う説明によって本発明のいくつもの形態を実施する方法は当業者には明らかになるであろう。
図1は本発明の第一の好適な実施形態に係る赤外検出器の簡易ブロック図を示す簡易図である。
図2は本発明の好適な実施形態に係る、シャッタが不明瞭化位置にある状態の非冷却マイクロボロメータに基づくセンサを示す。
図3はシャッタが退いてセンサが露出している状態の図2のセンサを示す。
図4は温度センサがシャッタ上、および検出器内の他の場所に配置されている、図1の実施形態の変形例を示す簡易図である。
図5はマイクロボロメータを示す簡易図である。
図6は320×240素子アレイのためのFLIR逆変調伝達関数(MTF−1)の実施例を示す。
図7は光学系のf#が1であると想定して、センサと外部視界との間で交換されるエネルギを示すグラフである。
図8はセンサと光学系との間で交換されるエネルギを示す同様のグラフである。
図9はカメラと内部カメラ部品との間のエネルギの交換を示す簡易図である。
図10は総エネルギの比例として視界のエネルギを示すグラフである。
図11は温度誤差対真空パッケージサーミスタ(温度測定センサ)温度のグラフである。
図12は誤差値に対する最小平均二乗誤差の線形当てはめを表わすグラフである。
図13は温度に対する検出器の出力信号のグラフであり、数学モデルの出力を表わす。
図14aおよび図14bは二次多項式展開を示すグラフである。
図15aおよび図15bは三次多項式近似を示すグラフである。
図16aおよび図16bは四次多項式近似を示すグラフである。
図17は光学系検出器および電子機器を含む、1mm当たり周期単位のカメラインパルス応答のフーリエ変換である。
式中、
Reference_temperatureは、上で定義された基準温度を表わす。
Tijは、pi,j映像信号素子値の各々に関連付けられる温度値を表わす。
pi,jは、不均一性補正および不良画素置換後の素子i,jの映像信号を表わすか、あるいは
pi,jは、不均一性補正、不良画素置換、およびMTF逆フィルタ後の素子i,jの映像信号を表わすかのいずれかである。
Ei,jは、位置i,jにおける検出器によって見られる表面の放射率を表わし、
temp_ambは、観察される場面の周囲温度を表わす。
F(…)は、映像信号、NUC更新プロセス中に測定された平均映像信号、放射率、周囲温度等のような様々な入力変数を使用して、検出器の映像信号を温度に変換する一般関数を表わす。
マイクロボロメータ出力の映像信号は、検出器の素子と、
*光景
*光学系
*内部カメラ部品
との間で交換されるエネルギによって生成される。
方程式1.検出器と光景との間で交換されるジュール単位のエネルギ
L(λ,Temp0+ΔTemp)は、ワット/(sr・m3)単位で平均黒体放射源としてモデル化された光景を表わす。
Temp0は、ケルビン度単位の検出器の懸架構造温度を表わす。
A_detは、単一検出器の素子のm2単位の有効面積を表わす。
f#は、光学系のfナンバを表わす。
λは、メートル単位の波長を表わす。
λ_1は、積分下限を表わす。
λ_2は、積分上限を表わす。
Trans_optics(λ)は、光学系の透過率を表わす。
ε(λ)は、検出器の懸架構造の放射率を表わす。
tは、秒単位の時間を表わす。
*fナンバが1に等しいこと
*高透過率の光学系(93%)
*検出器の放射率が0.8に等しい
*有効検出器面積が(41*10−6)2メートルに等しい
*スペクトル帯域が8*10−6から12.5*10−6メートルまでの範囲であること
を想定して、検出器と光景との間で交換されるエネルギを描いている。
θは、集光に関連する平面円錐角の半分を表わす。
f#=1の場合、θ=0.464ラジアンである。
検出器の真空パッケージの外面上に一つのサーミスタ34。
単に簡潔を期すために、光学系の影響は無視できるほど小さいと仮定しよう。(後で、この仮定を再検討する)。NUC更新プロセスは周期的に実行されるので、プロセス#n中に、NUC更新および不良画素置換(BPR)が実行された後の平均検出器信号ASnが算出されたと仮定することができる。また、同じNUC更新プロセス番号n中に、設置された全てのサーミスタの温度が取得されたと仮定する。
Tdnは、番号nのNUC更新プロセス中に検出器の真空パッケージの外面で測定された温度を表わす。
Tonは、番号nのNUC更新プロセス中に外部光学系ケースで測定された平均温度を表わす。
方程式4.測定温度の第一近似
式中、Fは、映像信号を温度に変換する変換関数である。
方程式5
式中、Tdnは、n回目のNUC更新プロセス中に検出器の周囲真空パッケージの外面で測定された温度を表わす。
方程式8.
方程式9.
発熱している人間を検出するように設計された計器を提供するために、上述の実施形態の実現を構築した。計器は顔の温度を監視し、画像内に予め定められた温度閾値より高い領域があれば点滅する。そのような用途の場合、計器は比較的非常に小さい温度範囲をカバーすればよい。摂氏30度から40の範囲は充分すぎるくらいであり、摂氏±0.25度の精度でカバーすることができる。そのような実施形態は、空港でSARSおよび同様の感染症の保因者を選別するための便利な非侵襲性検出器として使用する用途を有する。
Claims (12)
- 赤外放射エネルギを検出するように構成された、IRセンサのアレイを含む非冷却かつ非遮蔽の検出器と、以下のことによって較正動作を実行する較正器とを備えた赤外撮像カメラ:
i)前記赤外撮像カメラのシャッタの温度の少なくとも一回の較正温度測定を、前記シャッタが閉じられている間に、前記シャッタ上に位置された第一温度センサを使用して行い、外部の場面に由来しない赤外放射エネルギを示す第一基準温度を測定すること、
ii)前記較正温度測定の時点での前記IRセンサのアレイの平均出力を含む平均映像信号を決定すること、及び
iii)前記IRセンサのアレイにおける各IRセンサについて信号を温度に変換する同一の関数を使用して、前記シャッタが開かれている間であって不均一補正の後に得られた前記IRセンサのそれぞれの出力から前記平均映像信号を差し引いたものからIRセンサのそれぞれについて温度を算出すること、ただし、前記第一基準温度は、前記信号を温度に変換する関数のオフセットである。 - 前記較正器は、初期較正温度測定から得た初期第一基準温度を、続く較正温度測定から得た続く第一基準温度と組み合わせるようにさらに構成され、前記組合せることは時間依存関数を使用して、前記較正温度測定後の時点について前記第一基準温度の外挿値を生成する請求項1に記載の赤外撮像カメラ。
- 前記較正器は、前記赤外撮像カメラの筐体上に配置された第二温度センサを使用して前記シャッタが開かれている間に第二基準温度を測定するようにさらに構成されており、前記第二基準温度は、前記第二基準温度の測定時点についての前記信号を温度に変換する関数のさらなるパラメータである請求項1又は2に記載の赤外撮像カメラ。
- 前記シャッタは、前記非冷却かつ非遮蔽の検出器によって使用されるスペクトル周波数範囲内の放射率を有するシートを含み、前記シャッタから反射された放射は、前記シャッタの温度を示し、前記較正器は、前記シャッタからの放射を測定することによって、前記信号を温度に変換する関数のさらなるパラメータである追加の基準温度を決定するように構成される請求項1〜3のいずれか一項に記載の赤外撮像カメラ。
- 前記シャッタは、前記非冷却かつ非遮蔽の検出器によって使用されるスペクトル周波数範囲内の反射率を有するシートを含み、前記シャッタから反射された放射は、前記非冷却かつ非遮蔽の検出器の温度を示し、前記較正器は、前記シャッタから反射された放射を測定することによって、前記信号を温度に変換する関数のさらなるパラメータである追加の基準温度を決定するように構成される請求項1〜3のいずれか一項に記載の赤外撮像カメラ。
- 前記較正器は、赤外撮像カメラの熱時定数未満の時間間隔で前記較正温度測定を行うように構成される請求項1〜5のいずれか一項に記載の赤外撮像カメラ。
- 前記非冷却かつ非遮蔽の検出器は、マイクロボロメータアレイを含む請求項1〜6のいずれか一項に記載の赤外撮像カメラ。
- 前記非冷却かつ非遮蔽の検出器における温度測定は、前記赤外撮像カメラの変調伝達関数によって導入される誤差を受けるようになっており、前記較正器は、その変調伝達関数の逆関数を前記それぞれの温度算出中に組み込むことによって、前記誤差を克服するように構成される請求項1に記載の赤外撮像カメラ。
- 較正温度測定に従って非冷却かつ非遮蔽の放射計の応答を補正するための方法であって、
前記非冷却かつ非遮蔽の放射計が、IRセンサのアレイに入射するIR放射線に従って温度画像を形成するために画像応答を提供するための前記IRセンサのアレイと、制御可能な開閉のためのシャッタとを含み、
前記方法が、前記シャッタが閉じられている間に、較正温度測定を行って前記シャッタの温度を含む第一基準温度を決定すること、ただし、前記第一基準温度は、外部の場面に由来しない赤外放射エネルギを示す、
前記較正温度測定の時点での前記IRセンサのアレイの平均出力を含む平均映像信号を決定すること、
前記シャッタが開かれている間に得られた前記IRセンサのアレイの複数の出力上で不均一性補正(NUC)を実行して非冷却かつ非遮蔽の放射計で検出された赤外放射エネルギに対する均一応答を有する複数の均一出力を提供すること、および
前記均一出力のそれぞれについて信号を温度に変換する同一の関数を使用して、それぞれの均一出力と前記平均映像信号との差から前記IRセンサのアレイにおける各IRセンサについて温度を算出すること、ただし、前記第一基準温度は、前記信号を温度に変換する関数のパラメータである、
を含む方法。 - 一連の較正温度測定にわたって前記シャッタの温度に対する前記IRセンサのアレイにおける前記IRセンサの時間依存基準応答を決定すること、および前記温度算出の修正に前記時間依存基準応答を使用することをさらに含む請求項9に記載の方法。
- 一連の温度測定にわたって、前記IRセンサのアレイの前記出力信号から算出された物体の温度と前記物体から直接測定された温度との差を決定することによって一連の誤差を得ることをさらに含み、続く温度測定のために、前記IRセンサのアレイにおける各IRセンサについて温度を算出することは、続く誤差を減少させるために、前記一連の誤差に従って前記均一出力を分析することを含む請求項9又は10に記載の方法。
- 筐体上に配置された第二温度センサを使用して、前記シャッタが開かれている間に第二基準温度を測定することをさらに含み、前記第二基準温度は、前記信号を温度に変換する関数のさらなるパラメータであり、前記さらなるパラメータは、前記第二基準温度測定の時点での前記IRセンサのアレイにおける各IRセンサの温度を算出するためのものである請求項9〜11のいずれか一項に記載の方法。
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