JP4936731B2 - 赤外線撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線撮像装置に関し、特に撮像素子から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換において、ダイナミックレンジを有効に利用した変換を行うことを特徴とする赤外撮像装置に関する。

赤外線撮像装置は、被写体が放射する赤外線を映像化するもので、赤外線を吸収することにより生じる温度上昇の差が画像の濃淡となる。被写体が放射する赤外線はレンズにより集光され、撮像素子上に結像する。撮像素子には赤外を検知する素子が二次元平面上に配列されており、各素子は赤外線強度に応じた電圧を出力する。
従来の赤外線撮像装置においては、撮像素子が出力する電圧を前置増幅回路で増幅し、デジタル信号に変換した後、固定パターンノイズを除去し、アナログのビデオ信号に変換して出力している（特許文献１参照）。

特開２０００−８８６４４公報（段落０００４〜０００５）

赤外線撮像装置においては、被写体が放射する赤外線の強度に応じて生じる温度変化は、撮像素子の出力のばらつき（固定パターンノイズ、ＦＰＮ）に対して微小なものである。よって、従来の赤外線撮像装置のように、固定パターンノイズを含む信号をＡ／Ｄ変換してから固定パターンノイズを除去すると、信号の有効ダイナミックレンジが固定パターンノイズのために小さくなる問題点があった。Ａ／Ｄ変換の有効ダイナミックレンジが小さいと量子化ノイズが大きくなり画質が低下する。

この発明は、
所定の波長域に感度を有する撮像手段と、所定の波長域成分を前記撮像手段の撮像面上で結像させる結像手段とを備えた赤外線撮像装置において、
所定の波長域成分の前記撮像手段への入射を遮る遮蔽手段と、
前記遮蔽手段を所定のタイミングで開放状態から遮蔽状態に動作させる遮蔽制御手段と、
前記遮蔽制御手段の遮蔽動作タイミング信号を生成するタイミング生成手段と、
前記撮像手段から出力される撮像信号と第１のフレーム遅延映像信号との差分信号を出力する差分手段と、
前記差分手段から出力される前記差分信号をＡ／Ｄ変換してデジタル差分信号を出力するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段から出力される前記デジタル差分信号を一つの入力として第１のデジタル映像信号を出力する第１の加算手段と、
前記第１の加算手段から出力された前記第１のデジタル映像信号を１フレーム期間保持して第１のフレーム遅延デジタル映像信号を出力する第１の遅延手段と、
前記第１の遅延手段から出力された前記第１のフレーム遅延デジタル映像信号をＤ／Ａ変換して前記第１のフレーム遅延映像信号を出力するＤ／Ａ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段から出力される前記デジタル差分信号を一つの入力として第２のデジタル映像信号を出力する第２の加算手段と、
前記第２の加算手段から出力された前記第２のデジタル映像信号が前記開放状態に得られた撮像信号に対応するものである時は前記第２のデジタル映像信号を出力し、前記遮蔽状態に得られた撮像信号に対応するものである時には前記第２のデジタル映像信号を出力しない切換手段と、
前記切換手段から出力された信号を１フレーム期間保持して前記第２のフレーム遅延デジタル映像信号を出力する第２の遅延手段とを備え、
前記第１の加算手段は、前記第１のフレーム遅延デジタル映像信号を他の入力として、前記デジタル差分信号と前記第１のフレーム遅延デジタル映像信号を加算して前記第１のデジタル映像信号を出力し、
前記第２の加算手段は、前記第２のフレーム遅延デジタル映像信号を他の入力として、前記デジタル差分信号と前記第２のフレーム遅延デジタル映像信号を加算して前記第２のデジタル映像信号を出力する
ことを特徴とする赤外線撮像装置を提供する。

この発明によれば、撮像素子から出力される信号と、１フレーム遅延した信号との差分をＡ／Ｄ変換することにより、固定パターンノイズに相当する成分が差し引かれている信号をＡ／Ｄ変換することになり、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器のダイナミックレンジを有効に利用することが出来るため、Ａ／Ｄ変換による量子化ノイズが低減し、画質が向上する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
以下の実施の形態の赤外線撮像装置は、所定の波長域に感度を有する撮像手段を有する。ここで所定の波長域とは例えば、概ね８〜１４マイクロメートル波長帯域である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の赤外線撮像装置の構成を表すブロック図である。
図示の撮像装置においては、レンズ１と撮像素子３の間にはシャッタ２が設けてある。
被写体が放射する赤外線はレンズ１により集光され、シャッタ２が開いていれば、撮像素子３に結像する。撮像素子３には赤外を検知する素子が二次元平面上に配列されており、各素子からは赤外線強度に応じて変化する信号が得られる。

差分回路４は、撮像素子３の出力信号である映像信号Ｅ３と、後述のようにして第１の遅延回路８から出力される１フレーム前の第１のデジタル映像信号Ｅ８をＤ／Ａ変換して得られる第１のフレーム遅延映像信号Ｅ９との差分をとり、差分信号Ｅ４を生成する。差分回路４で生成された差分信号Ｅ４は、可変利得増幅回路５で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器６でデジタル差分信号Ｅ６に変換される。

第１の加算回路７は、第１の遅延回路８から出力される第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８と、Ａ／Ｄ変換器６から得られるデジタル差分信号Ｅ６を加算し、最新の、即ち現に撮像素子３から出力されている撮像信号Ｅ３に対応する第１のデジタル映像信号Ｅ７を生成する。ここで加算する第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８は、差分回路４において撮像素子３の出力信号Ｅ３から差し引いたフレーム遅延映像信号Ｅ９をＤ／Ａ変換する前の信号Ｅ８と等しい。このように、第１の加算回路７は、差分回路４で得た差分信号Ｅ４から映像信号を復元し、復元した信号を第１のデジタル映像信号Ｅ７としている。

第１の加算回路７で復元した第１のデジタル映像信号Ｅ７は、例えばフレームメモリで構成される第１の遅延回路８に格納されて１フレーム遅延期間後、第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８としてＤ／Ａ変換器９と第１の加算回路７へ送られる。Ｄ／Ａ変換器９でアナログ信号に変換された信号Ｅ９は、差分回路４に送られ、次フレームの撮像信号Ｅ３との差分演算に用いられる。第１の加算回路７では、差分演算により得られるデジタル差分信号Ｅ４をＡ／Ｄ変換したもの（Ｅ６）に第１のフレーム遅延映像信号Ｅ８を加算しなおすことで映像信号を復元する。

Ａ／Ｄ変換器６から出力されるデジタル差分信号Ｅ６は、第２の加算回路１０にも送られる。第２の加算回路１０では、デジタル差分信号Ｅ６と第２の遅延回路１２からの出力信号Ｅｃを加算し、第２のデジタル映像信号Ｅａを生成する。後述のように、シャッタ２が開放された状態では、第２の加算回路１０の信号Ｅａが第２の遅延回路１２に供給されるので第２の加算回路１０と第２の遅延回路１２とで、フレーム間差分を表すデジタル差分信号Ｅ６を積算し、これにより、撮像信号Ｅ３から固定パターンノイズ（ＦＰＮ）を除去したデジタル映像信号を出力する。

第２のデジタル映像信号Ｅａは、撮像装置の出力信号として外部に出力されると同時に、切換回路１１に送られる。切換回路１１はタイミング生成回路１４から送られてくるシャッタ動作タイミング信号ＳＴに応じて第２の加算回路１０へ出力する信号を切換える。第２の遅延回路１２は、例えばフレームメモリで構成され、切換回路１１から送られてくる信号を１フレーム期間遅延させた後、第２のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅｃとして第２の加算回路１０に送る。

シャッタ２の開閉制御はシャッタ制御回路１３により行われる。シャッタ制御回路１３は、タイミング生成回路１４から送られてくるシャッタ動作タイミング信号ＳＴに従いシャッタ２を開いたり（開放したり）、閉じたり（遮蔽したり）する。シャッタ２を閉じて遮蔽状態にすると、レンズ１で集光した赤外線の撮像素子３への入射は遮断されるため、信号成分が含まれておらず、ＦＰＮのみに相当する撮像信号が出力される。シャッタ２の開放状態では、レンズ１で集光した赤外線が撮像素子３に入射し、信号成分とＦＰＮ成分の合計に相当する撮像信号が出力される。

タイミング生成回路１４は、シャッタ動作タイミング信号ＳＴを切換回路１１にも送る。切換回路１１はシャッタ２の状態に応じて第２の遅延回路１２へ送る信号を切り換える。シャッタ２が開放状態の時に得た信号を処理する場合（シャッタ２が開放状態のときに得られた撮像信号Ｅ３に対応するデジタル差分信号Ｅ６が第２の加算回路１０に供給されているとき）には、切換回路１１は第２の加算回路１０から出力される信号Ｅａを第２の遅延回路１２へ出力する。シャッタ２が遮蔽状態の時に得た信号を処理する場合（シャッタ２が遮蔽状態のときに得られた撮像信号Ｅ３に対応するデジタル差分信号Ｅ６が第２の加算回路１０に供給されているとき）には、切換回路１１は、第２の加算回路１０から出力される第２のデジタル映像信号Ｅａを第２の遅延回路１２に供給せず、例えば第２の遅延回路１２に出力する信号Ｅｃをゼロに固定する。

第２の加算回路１０で算出した第２のデジタル映像信号Ｅａは、積分回路１５にも送られる。積分回路１５では、フレーム毎に各画素の信号を積算した積算値を算出する。利得制御回路１６は、積分回路１５で算出した積算値を基に、可変利得増幅回路５を制御するための利得設定値を算出する。このとき利得設定値は、積分回路１５で算出した各フレームの積算値が概ね一定となるような（即ち、フレーム相互間での差が十分に小さくなるような）値に設定する。

このように、撮像素子３が出力する撮像信号Ｅ３から第１のフレーム遅延映像信号Ｅ９を差し引いた信号Ｅ４をＡ／Ｄ変換することで、撮像素子３が出力する撮像信号Ｅ３をそのままＡ／Ｄ変換する場合と比較し、Ａ／Ｄ変換器６のダイナミックレンジを有効に利用することが出来る。このことは、特に、ＦＰＮの振幅（ばらつき）に対して映像の濃淡を示す信号の振幅が小さい撮像素子においては有効である。

また、差分回路４から出力される差分信号Ｅ４は、ＦＰＮを含まないフレーム間差分を表す信号であるので、第２の加算回路１０は差分信号Ｅ４に対応するデジタル差分信号Ｅ６と前フレームの第２のデジタル映像信号Ｅａ（ＦＰＮを含まない映像信号）に等しい第２のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅｃを加算することにより、ＦＰＮを含まない、素子毎の特性の違いにより生じる感度のばらつきを補正した出力信号Ｅａを生成し続ける。

次に、Ａ／Ｄ変換器６及びＤ／Ａ変換器９の分解能について説明する。
Ａ／Ｄ変換器６には、撮像信号Ｅ３と第１のフレーム遅延映像信号Ｅ９との差である差分信号Ｅ４が入力されるが、Ｄ／Ａ変換器９には、デジタル差分信号Ｅ６に第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（デジタル差分信号Ｅ６に第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８を加算して復元した第１のデジタル映像信号Ｅ７を遅延させたもの）が入力される。よって、Ａ／Ｄ変換器６の分解能をＤ／Ａ変換器９の分解能よりも低くしておくことができ、Ａ／Ｄ変換器６のダイナミックレンジを最大限活用して量子化誤差を十分に小さくすることができる。ここで、分解能はＡ／Ｄ変換器６の出力、Ｄ／Ａ変換器９の入力のビット数をｎとしたとき２のｎ乗で与えられる数値であり、デジタル信号の値の数、言い換えるとステップ数を表す。例えば、ＦＰＮの振幅（素子間のばらつきの変動幅）がＲａであり、差分信号Ｅ６の変動幅がＲｃであれば、Ａ／Ｄ変換器６の分解能Ｒ５と、Ｄ／Ａ変換変換器９の分解能Ｒ９との間に、
Ｒ６／Ｒ９＝Ｒｃ／Ｒａ
の関係が成り立つようにすると無駄がない。変動幅Ｒａ、Ｒｃは、以下に図２（ｂ）を参照して説明する変動範囲Ｒａ、Ｒｃと同じものである。

例えば、ＦＰＮの振幅（ばらつき）が、映像の濃淡を示す信号の振幅の２倍ある場合、Ａ／Ｄ変換器６の分解能は、Ｄ／Ａ変換器９の分解能の１／２で良い。つまり、Ａ／Ｄ変換器６が８ビットの場合、９ビット以上のＤ／Ａ変換器９を用いることにより、映像信号からＦＰＮ成分を精度よく除去した差分信号が得られ、Ａ／Ｄ変換器６の全ての分解能を映像の濃淡を示す信号の振幅にあてることが出来る。

次に、各信号レベルの大きさとＡ／Ｄ変換のダイナミックレンジの関係を図示しながら、本実施の形態で得られる効果について説明する。

図２（ａ）のグラフは、撮像素子３から出力された１ライン分の撮像信号Ｅ３の波形を示したものである。この撮像素子３には、図に示したように、被写体が放射する赤外線強度に応じて生じる温度変化に対して素子毎の出力のばらつきが非常に大きいという特徴がある。
図２（ｂ）のグラフは、撮像素子３から出力された撮像信号Ｅ３のうちの符号ＷＥで示す部分を横方向に拡大し、その期間における、第１の遅延回路８から読み出された第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８をＤ／Ａ変換した第１のフレーム遅延映像信号Ｅ９と、撮像信号Ｅ３と第１のフレーム遅延映像信号Ｅ９の差である差分信号Ｅ４の関係を示した模式図である。横軸は、撮像素子上の各画素の位置（図２（ｂ））又はそれに対応する時間（図２（ａ））を表し、縦軸は各信号のレベルである。

撮像素子３から出力された撮像信号Ｅ３を従来の技術によりＡ／Ｄ変換する場合、図２（ｂ）の符号Ｒａで示した範囲（ＦＰＮの振幅、即ち素子間のばらつきの変動幅）内のレベルをＡ／Ｄ変換の有効ダイナミックレンジに割り当てることになる。
しかし、赤外線撮像素子３においては、出力信号のレベルのうち、素子毎の出力ばらつき、すなわちＦＰＮが占める割合が比較的大きく、被写体の温度の違いによる出力信号の変動量が小さいため、Ａ／Ｄ変換のダイナミックレンジが有効に利用出来ないという問題がある。
そこで、出力信号と１フレーム前の出力信号との差分をとり、ＦＰＮに相当する成分を除いた信号をＡ／Ｄ変換すると、図２（ｂ）の符号Ｒｃで示した範囲（差分信号の変動幅）をＡ／Ｄ変換器６のダイナミックレンジに割り当てることになり、ダイナミックレンジを有効に活用することが出来、量子化のノイズが軽減されたデジタル映像信号を取得することが出来る。

図３は、撮像素子３からの出力信号Ｅ３と、信号Ｅ３をそのままＡ／Ｄ変換した場合に得られるデジタル映像信号Ｇ４（図１の回路では発生されない仮想の信号）の関係を示した模式図である。図３から分るように、図２（ｂ）の符号Ｒａで示した広い範囲をＡ／Ｄ変換器６のダイナミックレンジに割り当てるため、量子化誤差が大きくなる。

図４は、差分信号Ｅ４と、差分信号Ｅ４をＡ／Ｄ変換したデジタル差分信号Ｅ６と、差分信号Ｅ４を算出する際に使用した第１のフレーム遅延映像信号Ｅ９をＤ／Ａ変換する前の第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８と、第１のデジタル映像信号Ｅ７の関係を示した模式図である。
差分信号Ｅ４をＡ／Ｄ変換する際、図２（ｂ）の符号Ｒｃで示した狭い範囲をＡ／Ｄ変換のダイナミックレンジに割り当てているため、得られるデジタル差分信号Ｅ６の量子化誤差が小さくなる。その結果、デジタル差分信号Ｅ６に第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８を加算して得られる第１のデジタル映像信号Ｅ７の量子化誤差も小さくなる。また、これに伴い、デジタル差分信号Ｅ６に第２のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅｃを加算して得られる第２のデジタル映像信号Ｅａの量子化誤差も小さくなる。

なお、本実施の形態では、可変利得増幅回路５と、それを制御するための積分回路１５と利得制御回路１６が設けられている場合について説明しているが、差分回路４から出力される差分信号とＡ／Ｄ変換器６のダイナミックレンジの整合性が取れていれば、差分回路４の出力信号をそのままＡ／Ｄ変換しても差し支えない。

次に、本撮像装置を用いて撮影する際の手順の一例を説明する。図５（ａ）〜（ｈ）は、各信号の変化を示すタイミングチャートである。図５（ａ）〜（ｈ）でフレーム期間ＦＰ（０）、ＦＰ（１）、ＦＰ（２）、…はそれぞれ時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２、…に始まり、各フレーム期間の最初に垂直同期信号ＶＤが発生される。

図５（ａ）は、垂直同期信号ＶＤを示し、図５（ｂ）は、シャッタ２の遮蔽、開放を示し、図５（ｃ）の符号Ｅ３（ｎ）（ｎ＝０、１、２、…）は、フレーム期間ＦＰ（ｎ）における撮像素子３の出力（撮像信号）の値を表し、図５（ｄ）の符号Ｅ６（ｎ）は、フレーム期間ＦＰ（ｎ）におけるＡ／Ｄ変換回路６の出力（デジタル差分信号）の値を表し、図５（ｅ）の符号Ｅ７（ｎ）は、フレーム期間ＦＰ（ｎ）における加算回路７の出力（第１のデジタル映像信号）の値を表し、図５（ｆ）の符号Ｅ８（ｎ）は、フレーム期間ＦＰ（ｎ）における第１の遅延回路８の出力（第１のフレーム遅延デジタル映像信号）の値を表し、図５（ｇ）の符号Ｅａ（ｎ）は、フレーム期間ＦＰ（ｎ）における第２の加算回路１０の出力（第２のデジタル映像信号）の値を表し、図５（ｈ）の符号Ｅｃ（ｎ）は、フレーム期間ＦＰ（ｎ）における第２の遅延回路１２の出力（第２のフレーム遅延デジタル映像信号）の値を表す。

Ｎ（ｎ）（ｎ＝−１、０、１、２、…）は、フレーム期間ＦＰ（ｎ）に撮像素子３内で生成され、フレーム期間ＦＰ（ｎ＋１）に撮像素子３から出力されるＦＰＮ成分の大きさを表し、Ｓ（ｎ）（ｎ＝−１、０、１、２、…）は、フレーム期間ＦＰ（ｎ）に撮像素子３内で生成され、フレーム期間ＦＰ（ｎ＋１）に撮像素子３から出力される信号成分（撮像信号Ｅ３からＦＰＮ成分を除去した成分）の大きさを表す。

各フレーム期間ＦＰ（ｎ）に撮像素子３から出力される撮像信号Ｅ３（ｎ）は、一つ前のフレーム期間ＦＰ（ｎ−１）中に撮像素子３内で生成されたＦＰＮ成分Ｎ（ｎ−１）のみ、又はＦＰＮ成分Ｎ（ｎ−１）と信号成分Ｓ（ｎ−１）の和を表すものである。
撮像素子３が遮蔽された状態では、撮像素子３から出力される信号Ｅ３（ｎ）は、
Ｅ３（ｎ）＝Ｎ（ｎ−１）、
撮像素子３が開放された状態では、撮像信号Ｅ３（ｎ）は、
Ｅ３（ｎ）＝Ｎ（ｎ−１）＋Ｓ（ｎ−１）
である。

即ち、シャッタ２が遮蔽状態のときに得られた撮像信号Ｅ３（ｎ）に対応するデジタル差分信号Ｅ６（ｎ）が第２の加算回路１０に供給されているとき（図５（ａ）乃至（ｈ）の例では、フレーム期間ＦＰ（５）まで）には、
Ｅｃ（ｎ）＝０、
Ｅａ（ｎ）＝Ｅ６（ｎ）＋Ｅｃ（ｎ）＝Ｅ６（ｎ）

シャッタ２が開放状態のときに得られた撮像信号Ｅ３（ｎ）に対応するデジタル差分信号Ｅ６（ｎ）が第２の加算回路１０に供給されているとき（図５（ａ）乃至（ｈ）の例では、フレーム期間ＦＰ（６）以降）には、
Ｅｃ（ｎ）＝Ｅａ（ｎ）、
Ｅａ（ｎ）＝Ｅ６（ｎ）＋Ｅｃ（ｎ）＝Ｅ６（ｎ）＋Ｅａ（ｎ−１）
である。

例えばフレーム期間ＦＰ（０）に撮像素子３で生成されたＦＰＮ（Ｎ（０））に対応する撮像信号Ｅ３（１）がフレーム期間ＦＰ（１）に出力される。
差分回路４は、撮像信号Ｅ３（１）と、第１の遅延回路８が保持している第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（１）をアナログに変換したフレーム遅延映像信号Ｅ９（１）の差を求め、差分信号Ｅ４（１）を生成する。
差分信号Ｅ４（１）はデジタル変換器６によりデジタル差分信号Ｅ６（１）に変換され、第１の加算回路７に送られる。第１の加算回路７では、デジタル差分信号Ｅ６（１）と第１の遅延回路８が保持している第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（１）を加算し、第１のデジタル映像信号Ｅ７（１）を生成する。
第１のデジタル映像信号Ｅ７（１）は、第１の遅延回路８で保持され、次のフレーム期間ＦＰ（２）の第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（２）として用いられる。

第２の加算回路１０は、デジタル差分信号Ｅ６（１）と第２の遅延回路１２が保持している第２のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅｃ（１）を加算し、第２のデジタル映像信号Ｅａ（１）を生成する。第２のデジタル映像信号Ｅａ（１）は、出力信号として外部に出力されると同時に、第２の遅延回路１２で保持され、次のフレーム期間ＦＰ（２）の第２の遅延デジタル映像信号Ｅｃ（２）として用いられる。上記のように、フレーム期間ＦＰ（０）〜ＦＰ（４）においてはシャッタ２が遮蔽状態になっており、切換回路１１がゼロ信号を出し続けているため、第２の加算回路１０ではデジタル差分信号Ｅ６（１）に０を加算している。
フレーム期間ＦＰ（２）以降も繰り返し同様の処理を行う。

時刻ｔ５でシャッタ２は開放状態になるが、時刻ｔ５で始まるフレーム期間ＦＰ（５）では、フレーム期間ＦＰ（４）に撮像素子３で生成されたＦＰＮ（Ｎ（４））に応じた撮像信号Ｅ３（５）が処理される（撮像信号Ｅ３に対応するデジタル差分信号Ｅ６（５）が第１、第２の加算回路７、１０に入力される）ため、切換回路１１からは引き続きゼロ信号が出力される。
フレーム期間ＦＰ（６）になると、シャッタ２の開放時のデータが処理されるため、切換回路１１は第２の加算回路１０から送られてくる第２のデジタル映像信号Ｅａ（６）を第２の遅延回路１２に送る。

第１の遅延回路８、第２の遅延回路１２に格納される信号について更に説明する。

フレーム期間ＦＰ（０）〜ＦＰ（４）ではシャッタ２が閉じており、撮像素子３には被写体が放射する赤外線が入射されないため、撮像素子３のＦＰＮ（Ｎ（−１）〜Ｎ（３））が撮像信号として出力される。
この状態で撮像装置を所定の時間動作させると、第１の遅延回路８にはＦＰＮ（Ｎ（−１）〜Ｎ（３））に相当する信号が格納される（ＦＰＮに相当する信号が格納される様子については、後ほど説明する）。
一方、第２の加算回路１０には、Ａ／Ｄ変換器６の出力であるデジタル差分信号Ｅ６と、シャッタ２が閉じているためにゼロに固定されている第２の遅延回路１２の出力信号Ｅｃが入力される。１フレーム期間におけるＦＰＮ成分の変化が無視できるほど小さいとすると、シャッタ２が遮蔽状態で、かつ第１の遅延回路８にＦＰＮに相当する信号が格納されている状態であれば、デジタル差分信号Ｅ６もゼロになる。

第１の遅延回路８にＦＰＮ相当の信号が格納されたらシャッタ２を開く。図５では時刻ｔ５でシャッタ２を開いている。時刻ｔ５で始まるフレーム期間ＦＰ（５）はシャッタ２遮蔽時のデータを処理しているため、フレーム期間ＦＰ（４）以前と同じ処理を行う。

フレーム期間ＦＰ（６）では、差分回路４で撮像信号Ｅ３（６）とＦＰＮ成分の差分演算が初めて行われるため、撮像信号からＦＰＮ成分を除去した信号（Ｓ（５））がデジタル差分信号Ｅ６（６）として第１の加算回路７と第２の加算回路１０に送られる。
第１の加算回路７では、撮像信号からＦＰＮ成分を除去した信号にＦＰＮ成分が再度加算されるため、撮像信号Ｅ７（６）（＝Ｅ３（６））が復元される。復元した撮像信号は、第１の遅延回路８に格納される。
一方、フレーム期間ＦＰ（６）に第２の遅延回路１２に格納されている信号がゼロ（Ｅｃ（６）＝０）なので、第２の加算回路１０では何も加算されず、撮像信号からＦＰＮ成分を除去した信号がそのまま第２のデジタル映像信号となる。

第２のデジタル映像信号Ｅａは第２の遅延回路１２に格納され、１フレーム遅延させた後、第２の加算回路１０でデジタル差分信号Ｅ６（７）に加算される。以降、第２の遅延回路１２には、１フレーム前の撮像信号からＦＰＮ成分を除去した信号が格納される。

フレーム期間ＦＰ（７）では、差分回路４で、現在の撮像信号と１フレーム前の撮像信号の差分演算が行われるため、フレーム間差分信号が第１の加算回路７と第２の加算回路１０に送られる。
第１の加算回路７では、フレーム間差分信号に１フレーム前の撮像信号が加算されるため、現在の撮像信号が復元される。復元した撮像信号は第１の遅延回路８に格納され、１フレーム後に差分回路４と第１の加算回路７に送られる。以降、第１の遅延回路８には、復元により得た１フレーム前の撮像信号が格納される。

一方、第２の加算回路１０では、フレーム間差分信号に１フレーム前の撮像信号からＦＰＮ成分を除去した信号が加算されるため、現在の撮像信号からＦＰＮ成分を除去した信号が得られる。これは先にも述べたように、１フレーム期間におけるＦＰＮ成分の変化が無視できるほど小さいことを前提としている。現在の撮像信号からＦＰＮ成分を除去した信号は、出力信号として撮像装置の外部に出力されると同時に、第２のデジタル映像信号として第２の遅延回路１２に格納される。第２のデジタル映像信号は１フレーム後に第２の加算回路１０に送られる。以降、第２の遅延回路１２には、１フレーム前の出力信号、つまり撮像信号からＦＰＮ成分を除去した信号が格納される。

本実施の形態では、Ａ／Ｄ変換器６の分解能を低くしているため、撮像装置の動作開始数フレーム期間経過までは適正な信号が得られない。適正な信号が得られるまでのフレーム期間数はＡ／Ｄ変換器６及びＤ／Ａ変換器９の分解能により異なる。図６（ａ）及び（ｂ）、ならびに図７（ａ）〜（ｆ）は、適切な処理サイクルになるまでの過程を説明するための模式図である。以下、その詳細について説明する。

撮像素子３からは、例えば図６（ａ）に示す様な、０．０〜２．０Ｖの振幅を持つ撮像信号が出力されているものとする。ここでは説明をしやすくするため、図６（ｂ）の様に簡略化した撮像信号が出力されているものとする。また、シャッタを遮蔽している間、撮像信号の変化は無いものとする。
また、第１の遅延回路８に格納されている第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８の初期値はゼロとする。よって、第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８をＤ／Ａ変換器９によりアナログに変換した第１のフレーム遅延映像信号Ｅ９の初期値もゼロとなる。さらに、第２の遅延回路１２に格納されている第２のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅｃの初期値もゼロとする。

図７（ａ）〜（ｆ）は、フレーム期間ＦＰ（０）〜ＦＰ（５）、特にそれぞれのフレーム期間において信号処理が行われる時刻における、第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８、第１のフレーム遅延映像信号Ｅ９、差分信号Ｅ４、デジタル差分信号Ｅ６の変化の様子を示した図である。

第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８は１０ビットデータで、Ｄ／Ａ変換器９により０．０〜２．０Ｖに変換される。差分信号Ｅ４は撮像信号Ｅ３と第１のフレーム遅延映像信号Ｅ９の差なので、−２．０〜２．０Ｖの範囲の値をとる。デジタル差分信号Ｅ６は差分信号Ｅ４を９ビットのＡ／Ｄ変換器６でＡ／Ｄ変換したもので、変換する際のレンジは１．０Ｖ、オフセットは−０．５Ｖ、即ち図８に示す入出力変換特性を有することとした。

フレーム期間ＦＰ（０）では第１のフレーム遅延映像信号Ｅ９の初期値Ｅ９（０）がゼロなので、差分信号Ｅ４（０）は図６（ｂ）に示した撮像信号Ｅ３と同じになる。この差分信号Ｅ４（０）をＡ／Ｄ変換器６によりＡ／Ｄ変換するとデジタル差分信号Ｅ６（０）が得られる。ここでは、差分信号Ｅ４（０）の振幅がＡ／Ｄ変換器６のダイナミックレンジに対して大き過ぎるため、差分信号Ｅ４（０）が０．５Ｖを超えるので、デジタル差分信号Ｅ６（０）は全ての値が「５１１」となる。デジタル差分信号Ｅ６は、「２５５」が差分信号Ｅ４の値０に対応し、「２５５」よりも大きい値が差分信号Ｅ４の正の値に、「２５５」よりも小さい値が差分信号Ｅ４の負の値に対応する。

デジタル差分信号Ｅ６（０）に第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（０）を加算するとデジタル映像信号Ｅ７（０）が得られる。
図７（ａ）〜（ｆ）に示すように、加算回路７における数値計算では、フレーム期間ＦＰ（ｎ）のデジタル差分信号Ｅ６（ｎ）を表すデジタル値と、第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（ｎ）を表すデジタル値を加算し、さら「２５５」を引くことにより、第１のデジタル映像信号Ｅ７（ｎ）を表すデジタル値を生成しており、この第１のデジタル映像信号Ｅ７（ｎ）が第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（ｎ＋１）となり、したがって、次のフレーム期間ＦＰ（ｎ＋１）において、第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（ｎ＋１）となる。数値計算において、「２５５」を引くのは、デジタル差分信号Ｅ６の値「２５５」が電圧値の「０Ｖ」に対応するためである。従って、デジタル差分信号Ｅ６の値が「２５５」を超える場合、超える幅を第１のフレーム遅延デジタル信号Ｅ８（ｎ）に加算することになり、デジタル差分信号Ｅ６の値が「２５５」を下回る場合には、下回る幅を第１のフレーム遅延デジタル信号Ｅ８（ｎ）から減算することになる。

第１のデジタル映像信号Ｅ７（０）は、第１の遅延回路８に送られ、次のフレーム期間ＦＰ（１）の第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（１）となる。
フレーム期間ＦＰ（０）では、第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（０）がゼロなので、フレーム期間ＦＰ（０）のデジタル差分信号Ｅ６（０）とフレーム期間ＦＰ（１）の第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（１）は同一となる。この時点では、まだ、本来の遮蔽時デジタル映像信号は得られていない。

フレーム期間ＦＰ（１）では、一様に「２５５」の値を持つ第１のフレーム遅延映像信号Ｅ８（１）と図６（ｂ）に示したのと同じ撮像信号Ｅ３（１）の差を取るため、その結果０．０〜１．５の間で一律に変化する差分信号Ｅ４（１）が得られる。
この結果をＡ／Ｄ変換すると、右側３分の２はＡ／Ｄ変換器６のダイナミックレンジを超えているため、デジタル差分信号は「５１１」に張り付く。一方、左側３分の１は０．０〜０．５の間に納まっているため、デジタル差分信号は０．０Ｖに対応する「２５５」から０．５Ｖに対応する「５１１」の間で変化する。

フレーム期間ＦＰ（１）に得られたデジタル差分信号Ｅ６（１）に、フレーム期間ＦＰ（１）の第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（１）を加算し、フレーム期間ＦＰ（２）の第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（２）とする。この場合も、デジタル差分信号Ｅ６（１）は全て「２５５」を超えているため、超えている幅（０〜２５５の値）をフレーム期間ＦＰ（１）のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（１）に加算することになる。

フレーム期間ＦＰ（２）でも同様に、第１のフレーム遅延映像信号Ｅ８（２）＝Ｅ７（１）と図６（ｂ）に示した撮像信号Ｅ３の差を取る。その結果、差分信号Ｅ４（２）の左側３分の１が０．０Ｖとなる。Ａ／Ｄ変換器６は、−０．５〜０．５Ｖを０〜５１１に変換するため、デジタル差分信号Ｅ６（２）の左側３分の１が２５５となる。
フレーム期間ＦＰ（２）に得られたデジタル差分信号Ｅ６（２）に、フレーム期間ＦＰ（２）の第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（３）を加算し、フレーム期間ＦＰ（３）の第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（３）とする。この場合、デジタル差分信号Ｅ６（２）の左側３分の１は０．０Ｖを示す「２５５」なので、第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（２）には「０」を加算する。中央３分の１は「２５５」〜「５１１」の間で変化しているので、第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（２）に「０」〜「２５５」の間で変化する値を加算する。右側３分の１は「５１１」に張り付いているので、第１のフレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８（２）に「２５５」を加算する。

同様の処理を繰り返し行うと、フレーム遅延デジタル映像信号Ｅ８はフレーム期間ＦＰ（４）以降で図６（ｂ）と同じレンジを持つ信号となり、その結果、適切な処理結果が得られるようになる。

仮に、切換回路１１を設けず、第２の加算回路１０の出力Ｅａを常に第２の遅延回路１２に供給するとすれば、Ａ／Ｄ変換器６の出力が適正な値になる前のＡ／Ｄ変換器６の出力が第２の遅延回路に供給され、第２の加算回路１０及び第２の遅延回路１２を含む積算回路に取り込まれて、その影響がいつまでも残る。Ａ／Ｄ変換器６の出力Ｅ６が適正な値となるまでの間、切換回路１１により、第２の加算回路１０の出力を第２の遅延回路１２に供給しないことにより（例えば上記の例のように、値がゼロの信号を第２の遅延回路１２に供給することにより）、不適正な値が第２の加算回路１０及び第２の遅延回路１２を含む積算回路で循環されるのを防ぎ、適正な値になった後（即ち、撮像装置の動作開始後の過渡状態が経過した後の）Ａ／Ｄ変換器６の出力に基づいて、第２のデジタル映像信号Ｅａの値を決定することができる。

以上のように、本発明では、Ａ／Ｄ変換器６の分解能およびレンジにより、シャッタ２を遮蔽した状態で電源を投入した後、有効な遮蔽時デジタル映像信号Ｅａを得るまでに数フレーム掛かるので、シャッタ２を遮蔽した状態で電源を投入した後、数フレーム待ち、有効な遮蔽時デジタル映像信号Ｅａが得られるようになった後に、シャッタ２を開放して通常の撮像を開始することとしている。

この発明の実施の形態１の赤外線撮像装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）および（ｂ）は、撮像信号とフレーム遅延映像信号と差分信号の関係を示す模式図である。 撮像信号とデジタル映像信号の関係を示す模式図である。 差分信号とデジタル差分信号とデジタル映像信号とフレーム遅延デジタル映像信号の関係を示す模式図である。 （ａ）〜（ｈ）は、処理手順を示すタイミングチャートである。 （ａ）及び（ｂ）は、撮像素子の出力波形の一例とそれを簡略化した波形を示す図である。 （ａ）〜（ｆ）は、撮像装置の動作開始直後の信号波形の変化を示す図である。 Ａ／Ｄ変換器６の入出力変換特性を示すグラフである。

符号の説明

１ レンズ、 ２ シャッタ、 ３ 撮像素子、 ４ 差分回路、 ５ 可変利得増幅回路、 ６ Ａ／Ｄ変換器、 ７ 第１の加算回路、 ８ 第１の遅延回路、 ９ Ｄ／Ａ変換器、 １０ 第２の加算回路、 １１ 第２の遅延回路、 １２ 切換回路、 １３ シャッタ制御回路、 １４ タイミング生成回路、 １５ 積分回路、 １６ 利得制御回路。

Claims (6)

1. 所定の波長域に感度を有する撮像手段と、所定の波長域成分を前記撮像手段の撮像面上で結像させる結像手段とを備えた赤外線撮像装置において、
   所定の波長域成分の前記撮像手段への入射を遮る遮蔽手段と、
   前記遮蔽手段を所定のタイミングで開放状態から遮蔽状態に動作させる遮蔽制御手段と、
   前記遮蔽制御手段の遮蔽動作タイミング信号を生成するタイミング生成手段と、
   前記撮像手段から出力される撮像信号と第１のフレーム遅延映像信号との差分信号を出力する差分手段と、
   前記差分手段から出力される前記差分信号をＡ／Ｄ変換してデジタル差分信号を出力するＡ／Ｄ変換手段と、
   前記Ａ／Ｄ変換手段から出力される前記デジタル差分信号を一つの入力として第１のデジタル映像信号を出力する第１の加算手段と、
   前記第１の加算手段から出力された前記第１のデジタル映像信号を１フレーム期間保持して第１のフレーム遅延デジタル映像信号を出力する第１の遅延手段と、
   前記第１の遅延手段から出力された前記第１のフレーム遅延デジタル映像信号をＤ／Ａ変換して前記第１のフレーム遅延映像信号を出力するＤ／Ａ変換手段と、
   前記Ａ／Ｄ変換手段から出力される前記デジタル差分信号を一つの入力として第２のデジタル映像信号を出力する第２の加算手段と、
   前記第２の加算手段から出力された前記第２のデジタル映像信号が前記開放状態に得られた撮像信号に対応するものである時は前記第２のデジタル映像信号を出力し、前記遮蔽状態に得られた撮像信号に対応するものである時には前記第２のデジタル映像信号を出力しない切換手段と、
   前記切換手段から出力された信号を１フレーム期間保持して前記第２のフレーム遅延デジタル映像信号を出力する第２の遅延手段とを備え、
   前記第１の加算手段は、前記第１のフレーム遅延デジタル映像信号を他の入力として、前記デジタル差分信号と前記第１のフレーム遅延デジタル映像信号を加算して前記第１のデジタル映像信号を出力し、
   前記第２の加算手段は、前記第２のフレーム遅延デジタル映像信号を他の入力として、前記デジタル差分信号と前記第２のフレーム遅延デジタル映像信号を加算して前記第２のデジタル映像信号を出力する
   ことを特徴とする赤外線撮像装置。
2. 前記切換手段は、前記第２の加算手段から出力された前記第２のデジタル映像信号が前記遮蔽状態に得られた撮像信号に対応するものである時には前記第２の遅延手段に値がゼロの信号を供給することを特徴とする請求項１記載の赤外線撮像装置。
3. 前記Ａ／Ｄ変換手段の分解能は、前記Ｄ／Ａ変換手段の分解能よりも低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線撮像装置。
4. 前記差分手段から出力される前記差分信号を利得設定値にしたがって増幅して前記Ａ／Ｄ変換手段に供給する可変利得増幅手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線撮像装置。
5. 前記第２の加算手段から出力された前記デジタル映像信号をフレーム単位で画素積分する積分手段と、
   前記積分手段から出力される積分値が概ね一定となるように前記利得設定値を制御する利得制御手段と
   を備えたことを特徴とする請求項４に記載の赤外線撮像装置。
6. 前記所定の波長域は、概ね８〜１４マイクロメートル波長帯域であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の赤外線撮像装置。

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