JP5292689B2

JP5292689B2 - 熱型赤外線撮像装置及びその動作方法

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Publication number: JP5292689B2
Application number: JP2006295681A
Authority: JP
Inventors: 浩司竹村; 和行江頭; 雄高田中
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: US7645990B2; US20080099679A1; EP1918684A1; JP2008111754A

Description

本発明は、熱型赤外線撮像装置及びその動作方法に関し、特に、ボロメータを赤外線検出素子とする熱型赤外線撮像装置及びその動作方法に関する。

被写体の温度分布を画像化する検知器として、ボロメータを用いた熱型赤外線撮像装置が知られている。ボロメータは、赤外線の入射により抵抗体の抵抗値が変化する現象を利用して赤外線を検出する素子であり、熱型赤外線撮像装置では、ボロメータを二次元のマトリックス状に配列して、各々のボロメータの抵抗変化を電気的に読み取ることにより、赤外線による被写体の二次元画像を取得している。

上記熱型赤外線撮像装置では個々のボロメータの出力が小さいことから出力を積分する回路が設けられる。図７は、入射する被写体からの赤外線量に応じてボロメータ抵抗の変化を読み出す回路の構成を示したものである。図７に示すとおり、ボロメータ２１の抵抗変化は積分回路を用いて電圧変換しており、積分回路の電気の一般的な理論より、
出力電圧＝ボロメータ印加電圧／ボロメータ抵抗値／積分用コンデンサ容量値×積分している時間
の関係があることから、ボロメータ２１に印加するバイアス電圧２２、積分用コンデンサ２４の容量、積分時間をそれぞれ決めることで出力電圧２５を調整し、出力電圧範囲２６内において読み出して画像化している。

また、ボロメータ２１の感度はこの出力電圧２５を調整したものであり、出力電圧範囲２６によって被写体の測定温度範囲が制限される（例えば、特許文献１、２等参照）。

ここで、図８に示すように、温度測定範囲と温度分解能とはトレードオフの関係がある。従って、同一の出力電圧範囲において感度を高く設定すると、温度分解能は向上するが温度測定範囲は狭まり（図８の高感度領域２８参照）、逆に感度を低く設定すると、温度分解能は低下するが温度測定範囲は広がることになる（図８の低感度領域２９参照）。

特開平８−１０５７９４号公報特開平９−２０３６５９号公報

上記特許文献１によると、この感度は、基準となる一定の温度測定範囲と温度分解能において、検出する信号の画素毎のばらつきを防止するために調整されている。しかしながら、被写体温度が温度測定範囲の設定幅を超えてしまった場合には、画像出力は飽和してしまい、一定値以上の温度は全て上限の一定温度として出力され、温度情報が消失してしまう。一方、設定した感度に比べて被写体の温度分布が小さい場合には、十分な温度分解能が得られないため、適切な温度情報を出力することができない。従って、被写体温度に対して感度の設定のずれが大きい場合には、適切な赤外線画像を出力するために感度の設定を切り替える必要があった。

例えば、火災現場などを撮像の対象とする場合、常温付近の環境温度を識別するための高い温度分解能と、発火元といった高温源を判別するための広い温度測定範囲とが必要である。しかしながら、前記の通り、温度分解能と温度測定範囲は一定の出力電圧範囲内においてトレードオフの関係にあるため、高い温度分解能と広い温度測定範囲とを同時に実現することは困難である。そのため、前述した火災現場の例では、状況に応じてユーザが感度の設定の切り替えを行う必要があるため操作が煩雑になり、また、切り替えを行わないと温度情報が消失したり適切な温度情報が得られないという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、その主たる目的は、ユーザが感度の設定を切り替えなくても、高い温度分解能と広い温度測定範囲とを同時に実現することができる熱型赤外線撮像装置及びその動作方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、被写体の赤外線を電気信号に変換する赤外線検出素子を含む画素が二次元に配置された赤外線検出部と、各々の前記赤外線検出素子の信号をスイッチ動作により順次読み出し、設定された感度で増幅して処理する信号処理部と、を少なくとも備える熱型赤外線撮像装置において、前記信号処理部に、所定のパターンに従って前記画素毎に感度を設定する制御手段を備え、前記制御手段により、複数の前記画素が、感度を有し、かつ、同一波長帯に対する感度が異なる複数種類の画素に分類されるものである。

本発明においては、前記制御手段は、前記赤外線検出素子に印加する電圧、前記信号を積分するコンデンサの容量、又は、前記信号を積分する時間の少なくとも１つを調整して感度を設定する構成とすることができる。

また、本発明においては、前記複数種類の画素は、感度が相対的に高く設定された第１の画素と、感度が相対的に低く設定された第２の画素とで構成され、同種類の画素が隣接しないように配置される構成とすることもできる。

また、本発明においては、前記赤外線検出素子は、赤外線の受光量に応じてその抵抗値が変化するボロメータ素子であることが好ましい。

また、本発明は、被写体の赤外線を電気信号に変換する赤外線検出素子を含む画素が二次元に配置された赤外線検出部と、前記赤外線検出部からの信号を処理する信号処理部と、を少なくとも備える熱型赤外線撮像装置の動作方法であって、前記信号処理部で、所定のパターンに従って前記画素毎に感度を設定し、複数の前記画素を、感度を有し、かつ、同一波長帯に対する感度が異なる複数種類の画素に分類する第１のステップと、前記被写体の温度に応じて、いずれかの一の種類の前記画素からの信号を処理する第２のステップと、を少なくとも有するものである。

本発明においては、前記第１のステップでは、前記赤外線検出素子に印加する電圧、前記信号を積分するコンデンサの容量、又は、前記信号を積分する時間の少なくとも１つを調整して感度を設定する構成とすることができる。

また、本発明においては、前記複数種類の画素を、感度が相対的に高く設定された第１の画素と、感度が相対的に低く設定された第２の画素とで構成して、同種類の画素が隣接しないように配置し、前記第２のステップでは、前記第１の画素からの信号に基づいて赤外線画像を生成し、前記第１の画素からの信号が予め定めた閾値を越えたら、前記第２の画素からの信号に基づいて赤外線画像を生成する構成とすることもできる。

このように、信号処理部で、各画素の赤外線検出素子の信号を読み出すためのスイッチの動作に連動して、所定のパターンに従って画素毎に感度を設定し、複数の画素を、感度の設定値が異なる複数種類の画素に分類することにより、温度範囲の広い被写体を撮像する場合であっても、感度の設定をユーザが切り替えることなく、高い温度分解能と広い温度測定範囲を同時に実現することができる。

本発明の熱型赤外線撮像装置及びその動作方法によれば、ユーザが感度の設定を切り替えることなく、高い温度分解能と広い温度測定範囲を同時に実現することができる。

その理由は、赤外線検出素子が配置された画素が二次元のマトリクス状に配列された赤外線検出部と赤外線検出部からの信号を処理する信号処理部とを少なくとも備える熱型赤外線撮像装置において、信号処理部で、各画素の赤外線検出素子の信号を読み出すためのスイッチの動作に連動して、所定のパターンに従って画素毎に感度を設定し、複数の画素を、高感度（低温度測定範囲−高温度分解能）に設定された画素と低感度（高温度測定範囲−低温度分解能）に設定された画素などの、感度の設定が異なる複数種類の画素に分類しているため、感度の設定をユーザが切り替えなくても、常温付近において細かい温度分解能を実現すると同時に、高温の被写体も測定が可能となる広い温度測定範囲を実現することができるからである。

従来技術で示したように、従来の熱型赤外線撮像装置では、全ての画素の感度が一定に設定されており、被写体温度に対して感度の設定のずれが大きい場合には、適切な赤外線画像を出力するために、ユーザが感度の設定を切り替える必要があった。この問題に対して、二次元に配列された複数の画素自体を、高感度の画素と低感度の画素とで構成する（すなわち、高感度の画素と低感度の画素とを基板上に作り込む）構造が提案されているが、この構造では、赤外線検出素子の製造が難しいためにコストの上昇を招いてしまい、また、高感度の画素と低感度の画素の配列パターンを変更することができないために汎用性に乏しいという問題がある。

そこで、本発明では、感度が異なる複数種類の画素を基板上に作り込むのではなく、各画素の信号を処理する信号処理部で画素毎に感度を設定するようにする。具体的には、ボロメータが配置された画素が二次元のマトリクス状に配列された赤外線検出部と、各画素のボロメータの信号を水平シフトレジスタ及び垂直シフトレジスタなどのスイッチ動作によって順次読み出し、読み出した信号を積分回路で積分して出力する信号処理部とを少なくとも備える熱型赤外線撮像装置において、上記信号処理部を、スイッチ動作に連動して、所定のパターンに従って画素毎に感度（例えば、ボロメータに印加する電圧や積分回路内のコンデンサの容量、積分時間など）を設定可能に構成し、複数の画素が、感度が相対的に高く設定された（すなわち、温度測定範囲が狭く温度分解能が高い）第１の画素と、感度が相対的に低く設定された（すなわち、第１の画素よりも温度測定範囲が広く温度分解能が低い）第２の画素などの、感度の設定が異なる複数種類の画素に分類されるようにして、高い温度分解能と広い温度測定範囲を同時に実現する。以下、図面を参照して具体的に説明する。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の第１の実施例に係る熱型赤外線撮像装置及びその動作方法について、図１乃至図５を参照して説明する。図１は、本実施例の熱型赤外線撮像装置の構成を示す回路図であり、図２乃至図４は、本実施例の熱型赤外線撮像装置における画素の配置を示す図である。また、図５は、本実施例の熱型赤外線撮像装置の動作を示すフローチャート図である。

図１に示すように、熱型赤外線撮像装置１は、複数の画素が二次元に配列された赤外線検出部と、赤外線検出部からの信号を処理する信号処理部などを備え、信号処理部は、基板内に作り込まれる内部回路と、基板外に設けられる外部回路とで構成される。また、赤外線検出部の各々の画素は、ボロメータ２などの赤外線検出素子とＭＯＳトランジスタ３などの選択素子とで構成され、ＭＯＳトランジスタ３のソースはＧＮＤに接続され、ＭＯＳトランジスタ３のドレインはボロメータ２を介して垂直信号線５に接続され、ＭＯＳトランジスタ３のゲートは水平信号線４に接続されている。また、垂直信号線５と出力端子ＯＵＴの間には、ＰチャネルＭＯＳトランジスタとＮチャネルＭＯＳトランジスタなどからなるトランスファゲート８が接続されている。

そして、水平信号線４は垂直シフトレジスタ６及びアンド回路９によって順次選択され、垂直信号線５は水平シフトレジスタ７及びアンド回路１０によって順次選択され、選択された水平信号線４及び垂直信号線５が交差する画素のボロメータ２の信号が出力端子ＯＵＴから出力される。

また、出力端子ＯＵＴは基板外に配置される積分回路１１に接続されている。この積分回路１１は、エミッタが出力端子ＯＵＴに接続されたバイポーラトランジスタ１２などのスイッチング素子と、バイポーラトランジスタ１２のコレクタに接続された積分用コンデンサ１３とリセットトランジスタ１４などからなり、バイポーラトランジスタ１２がＯＮの間、ボロメータ２の信号が積分される。

上記構成の熱型赤外線撮像装置１を各ボロメータ２に着目すると図７のようになり、前述したように、ボロメータ２の出力電圧は、ボロメータ２に印加するバイアス電圧、積分用コンデンサ１３の容量、積分時間によって変化することから、本実施例では、これらの値を設定する制御手段（図示せず）を信号処理部に設け（又は、制御手段として機能する制御プログラムを信号処理部で動作させ）、その制御手段を垂直シフトレジスタ６及び水平シフトレジスタ７のスイッチ動作に連動して（すなわち、垂直シフトレジスタ６及び水平シフトレジスタ７に入力される同期信号に基づいて）動作させ、所定のパターンに従って、画素毎に、バイアス電圧を小さく又は積分用コンデンサ１３の容量を大きく又は積分時間を短くして感度を低く設定するか、若しくは、バイアス電圧を大きく又は積分用コンデンサ１３の容量を小さく又は積分時間を長くして感度を高く設定するかを変更できるようにする。なお、上記制御手段の具体的な構成は特に限定されず、バイアス電圧や積分用コンデンサ１３の容量、積分時間を調整可能な構成であればよい。

図２は上記制御手段によって感度を調整した画素の配置を示す図であり、感度を相対的に高く設定した高感度画素１５（”Ｈ”と記載した画素）と、感度を相対的に低く設定した低感度画素１６（”Ｌ”と記載した画素）とが交互に配置されるように、制御手段によって各画素の感度を設定する。なお、図２では、横方向に６画素、縦方向に４画素の計２４画素の例を示しているが、複数の画素が二次元に配列されていればよく、その画素数は限定されない。また、図２では、高感度画素１５と低感度画素１６とが交互に配置されるようにしたが、例えば、図３に示すように、同一種類の複数の画素群（ここでは４画素）が交互に配置されるように、制御手段によって各画素の感度を設定してもよい。また、図２及び図３では、高感度画素１５と低感度画素１６とが同数になるように感度を設定しているが、例えば、図４に示すように、いずれか一方の種類の画素（ここでは低感度画素１６）が少なくなるように、制御手段によって感度を設定してもよい。

次に、複数の画素が、所定のパターンに従って高感度画素１５と低感度画素１６に分類された熱型赤外線撮像装置の動作方法について、図５のフローチャート図を参照して説明する。

まず、ステップＳ１０１で、高感度画素１５と低感度画素１６をどのように配列するかを決めると共に、高感度画素１５及び低感度画素１６の感度（バイアス電圧値、積分用コンデンサ１３の容量値、積分時間）を決め、それに従って各画素の感度を設定する制御手段を信号処理部に形成する。

次に、ステップＳ１０２で、画素が配列された赤外線検出部と制御手段が形成された信号処理部とを用いて被写体を撮像して画像化するが、その際、高感度画素１５及び低感度画素１６の双方から出力される信号を全て処理するのではなく、初期状態においては、高感度画素１５から出力される信号のみを処理し、常温付近の狭い温度範囲を高い解像度で撮像した赤外線画像を表示する。

次に、ステップＳ１０３で、高感度画素１５の信号を計測し、その信号と予め定めた閾値とを比較し、信号が閾値を越えたら（すなわち、高感度画素１５の信号が飽和したら）、ステップＳ１０４で、低感度画素１６から出力される信号のみを処理して、高温を含む広い温度範囲を低い解像度で撮像した赤外線画像を表示する。

このように、本実施例の熱型赤外線撮像装置では、複数の画素が、所定のパターンに従って高感度画素１５と低感度画素１６とに分類されているため、常温付近において細かい温度分解能を実現すると同時に、高温の被写体も測定が可能となる広い温度測定範囲を実現することができる。

なお、ここでは、初期状態で高感度画素１５から出力される信号のみを処理し、高感度画素１５の信号が飽和したら低感度画素１６から出力される信号のみを処理する制御を行ったが、始めに低感度画素１６から出力される信号を処理して被写体の概略の温度分布を把握し、高感度画素１５の信号が飽和しないことを確認した後、高感度画素１５に切り替えるなど、処理の順序を変更することもできる。また、高感度画素１５と低感度画素１６とは同じように表示してもよいし、高感度画素１５の信号を出力する際にはグレースケールで表示し、低感度画素１６の信号を出力する際にはカラーで表示するなど、表示形態を変えてもよい。

次に、本発明の第２の実施例に係る熱型赤外線撮像装置及びその動作方法について、図６を参照して説明する。図６は、本実施例の熱型赤外線撮像装置における画素の配置を示す図である。

前記した第１の実施例では、二次元のマトリクス状に配列された複数の素子を、高感度画素１５又は低感度画素１６のいずれかに分類したが、本実施例では、図６に示すように、二次元に配列された複数の素子を、高感度画素１５と、低感度画素１６と、その間の感度に設定された中感度画素１７（”Ｍ”と記載した画素）の３種類に分類し、この３種類の画素を用いて３つの感度を同時に実現する。これにより、様々な温度範囲において最適な感度で被写体を撮像することができる。

なお、図６では、二次元のマトリクス状に配列された複数の素子を、高感度画素１５と中感度画素１７と低感度画素１６の３種類に分類したが、４種類以上に分類してもよい。また、各々の感度の画素の配列パターンは図の構成に限定されず、第１の実施例と同様に同一種類の複数の画素群を交互に配置してもよいし、種類毎に画素の数を変えてもよい。

また、１つの画素に隣接する画素より読み出された信号値を主成分分析により固有ベクトルを求め、得られる固有空間内の点を画素信号値として決定するようにすることもできる。

また、上記各実施例では、赤外線検出素子としてボロメータを使用する熱型赤外線撮像装置を示したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、スイッチ動作によって各画素の赤外線検出素子の信号が読み出され、読み出された信号が信号処理部で増幅又は積分されて出力される任意の熱型赤外線撮像装置に対して適用することができる。

本発明は、複数の画素が二次元に配列され、各画素の出力電圧が調整可能な任意の熱型赤外線撮像装置及びその動作方法に利用可能である。

本発明の第１の実施例に係る熱型赤外線撮像装置の構成を示す回路図である。本発明の第１の実施例に係る熱型赤外線撮像装置における画素配置の例を示す図である。本発明の第１の実施例に係る熱型赤外線撮像装置における画素配置の他の例を示す図である。本発明の第１の実施例に係る熱型赤外線撮像装置における画素配置の他の例を示す図である。本発明の第１の実施例に係る熱型赤外線撮像装置の動作を示すフローチャート図である。本発明の第２の実施例に係る熱型赤外線撮像装置における画素配置の例を示す図である。従来の熱型赤外線撮像装置における積分回路を示す図である。熱型赤外線撮像装置における温度測定範囲と温度分解能の関係を示す図である。

符号の説明

１熱型赤外線撮像装置
２ボロメータ
３ＭＯＳトランジスタ
４水平信号線
５垂直信号線
６垂直シフトレジスタ
７水平シフトレジスタ
８トランスファゲート
９、１０アンド回路
１１積分回路
１２バイポーラトランジスタ
１３積分用コンデンサ
１４リセットトランジスタ
１５高感度画素
１６低感度画素
１７中感度画素
２１ボロメータ
２２バイアス電圧
２３出力抵抗
２４積分用コンデンサ
２５出力電圧
２６出力電圧範囲
２７リセットスイッチ
２８高感度領域
２９低感度領域

Claims

被写体の赤外線を電気信号に変換する赤外線検出素子を含む画素が二次元に配置された赤外線検出部と、各々の前記赤外線検出素子の信号をスイッチ動作により順次読み出し、設定された感度で増幅して処理する信号処理部と、を少なくとも備える熱型赤外線撮像装置において、
前記信号処理部に、所定のパターンに従って前記信号を積分するコンデンサの容量を調整することにより前記画素毎に感度を設定する制御手段を備え、
前記制御手段により、複数の前記画素が、感度を有し、かつ、同一波長帯に対する感
度が異なる複数種類の画素に分類され、
前記複数種類の画素は、前記制御手段で前記信号を積分するコンデンサの容量を調整することにより感度が相対的に高く設定された第１の画素と、前記制御手段で前記信号を積分するコンデンサの容量を調整することにより感度が相対的に低く設定された第２の画素とで構成され、同種類の画素が横及び縦方向で隣接しないように配置される熱型赤外線撮像装置。
前記赤外線検出素子は、赤外線の受光量に応じてその抵抗値が変化するボロメータ素子である請求項１に記載の熱型赤外線撮像装置。
被写体の赤外線を電気信号に変換する赤外線検出素子を含む画素が二次元に配置された赤外線検出部と、前記赤外線検出部からの信号を処理する信号処理部と、を少なくとも備える熱型赤外線撮像装置の動作方法であって、
前記信号処理部で、所定のパターンに従って前記信号を積分するコンデンサの容量を調整することにより前記画素毎に感度を設定し、複数の前記画素を、感度を有し、かつ、同一波長帯に対する感度が異なる複数種類の画素に分類する第１のステップと、
前記被写体の温度に応じて、いずれかの一の種類の前記画素からの信号を処理する第２のステップと、を少なくとも有し、
前記複数種類の画素を、前記信号を積分するコンデンサの容量を調整することにより感度が相対的に高く設定された第１の画素と、前記信号を積分するコンデンサの容量を調整することにより感度が相対的に低く設定された第２の画素とで構成して、同種類の画素が横及び縦方向で隣接しないように配置し、
前記第２のステップでは、前記第１の画素からの信号に基づいて赤外線画像を生成し、
前記第１の画素からの信号が予め定めた閾値を越えたら、前記第２の画素からの信号に基づいて赤外線画像を生成する熱型赤外線撮像装置の動作方法。
前記赤外線検出素子は、赤外線の受光量に応じてその抵抗値が変化するボロメータ素子である請求項３に記載の熱型赤外線撮像装置の動作方法。