JP5361434B2

JP5361434B2 - 赤外線カメラ装置

Info

Publication number: JP5361434B2
Application number: JP2009035753A
Authority: JP
Inventors: 剛典大野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-02-18
Also published as: JP2010193194A

Description

本発明は赤外線カメラ装置、特に熱型の赤外線撮像素子を用いた非冷却赤外線カメラの画像補正方法に関するものである。

熱型撮像素子とは、被写体が放射する赤外線による温度変化を半導体基板と熱的に分離した中空構造体において検知するものである。熱型撮像素子では、赤外線吸収体によって赤外線を一度熱に変換し、温度による物性の変化が大きい材料を用いて前記の温度変化を検出する。
温度変化の検知手段として、中空構造体上にボロメータを形成し抵抗変化を検知するボロメータ方式、中空構造体上にＰＮ接合ダイオードを形成し順方向電流を流した時の電圧変化を検知するダイオード方式等が提案されている。
熱型撮像素子の一例として、特許文献１に開示されている熱型撮像素子の構成を図７に示す。
図７（ａ）は熱型撮像素子３の断面を示し、図７（ｂ）は別の断面を示している。また、図７（ｃ）は、熱型撮像素子３の平面構成を模式的に示す図であり、図７（ｃ）におけるＩａ−Ｉａ’線による断面が図７（ａ）に相当する。また、図７（ｃ）におけるＩｂ−Ｉｂ’線による断面が図７（ｂ）に相当する。
図７において、温度検知部２０は、絶縁膜３１２により半導体基板３１１と分離されており、また、絶縁膜３１２は中空構造３１３となっている。また、３１７は、温度検知部２０に電気的に接続された金属配線である。

ここで中空構造体温度Ｔｘは、半導体基板温度Ｔｂ、撮像素子に入射する赤外線エネルギー寄与分ΔＴｉ、中空構造体上に形成されたボロメータ・ＰＮ接合ダイオード等の温度検知部の自己発熱寄与分ΔＴｊを用いて、Ｔｘ＝Ｔｂ＋ΔＴｉ＋ΔＴｊで示される。
またΔＴｉは、入射赤外線エネルギー量Ｉｉ、中空構造体の熱コンダクタンスＧｔ、中空構造体の熱時定数Ｔｔ、フレーム時間Ｔｆを用いて、ΔＴｉ＝Ｉｉ（１−ｅｘｐ^{（−Ｔｆ／Ｔｔ）}）／Ｇｔで示される。つまり、中空構造体温度Ｔｘと撮像素子に入射する赤外線エネルギー量Ｉｉには、図５に示すような比例関係が成り立つこととなる。

上記、熱型撮像素子を用いた赤外線カメラにおいて、撮像素子に入射する赤外線エネルギー量に対する撮像素子出力電圧変化で示される撮像素子感度が画素毎に微妙に異なっている。
このことにより、シャッタ等の均一温度面を撮像することで取得したＦＰＮ（ＦｉｘｅｄＰａｔｔｅｒｎＮｏｉｓｅ：固定パターン雑音）データを素子出力データから減算する（以下、ＦＰＮ補正処理と称す）等の処理のみでは、ＦＰＮデータ取得時と異なる温度の被写体を撮像した場合に、画面上に感度むらが現れ画質が悪化する。
よって、この感度むらを補正する処理（以下、感度補正処理と称す）を高精度に実施することが重要とされる。このことは、特許文献２にも示されるとおりである。

図６は、従来の赤外線カメラのブロック図の例である。
図中、１は光学系である。
２は開閉することで光学系１からの入射光量を制御するシャッタである。
３は光学系１の結像面に位置する撮像素子である。
２０は、被写体の温度を検知する温度検知部である。温度検知部２０は、ボロメータ、ＰＮ接合ダイオード等である。
４は撮像素子３を駆動する為の素子駆動回路である。
１０５は撮像素子３に印加する素子駆動クロックを生成する素子駆動タイミング発生回路である。
８は撮像素子３からのアナログ素子出力をデジタルデータに変換するＡ／Ｄコンバータである。
９はＦＰＮ補正データ格納用ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）１１１や感度補正データ格納用ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）１１２から補正データを読み出し画像補正を行う画像補正回路である。
１０は画像補正回路９からのデジタルデータをアナログビデオに変換し出力するＤ／Ａ変換回路である。
１４は各構成物を収納する筐体である。

ここで、感度補正データ格納用ＲＯＭ１１２に保存されているデータは、カメラ製造時の調整段階において取得した各画素感度データであり、均一温度の被写体を撮像する試験を複数温度について繰り返し実施することにより得られる。ただし、各画素の感度特性は素子温度等の周辺環境に依存することが知られており、特許文献２において既に開示されているように、素子温度をモニタリングしながら複数温度の感度補正データを利用することで感度補正精度向上を実現する方法が提案されている。

特開２００８−３９５７０号公報特開２００５−２３６５５０号公報

従来の赤外線カメラにおける感度補正処理は、以上の方法により取得した感度補正データを使用しており、次に示す課題がある。
複数温度の被写体を撮像することにより感度特性を得る方法であることから、カメラがスタンドアロンにて感度補正データを取得する構成とすることが困難であり、カメラ製造時には感度特性取得試験が必須である。
また、素子温度等に依存し変化する感度特性を精度良く補正する為には、感度特性取得試験の試験時間増加、並びに素子温度モニタ用回路等の付加回路が必要である。

本発明は、かかる課題を解決することを主な目的の一つとしており、カメラ製造時の感度特性取得試験を必要とせず、周辺環境に応じた感度補正データを、カメラがスタンドアロンにて取得可能とする赤外線カメラを提供することを主な目的とする。

本発明に係る赤外線カメラ装置は、被写体の温度を検知する温度検知部と、
第１の通電期間の間前記温度検知部を通電し、前記第１の通電期間と異なる期間である第２の通電期間の間前記温度検知部を通電する通電部とを有することを特徴とする。

温度検知部を異なる通電期間にて通電することにより、温度検知部の自己発熱量の違いから生じる中空構造体温度の差異に基づいて感度補正データを生成することができ、このため、従来の赤外線カメラで必要とされていたカメラ製造時の感度特性取得試験を必要とせず、撮像中においてもカメラがスタンドアロンで感度特性を更新することで、素子温度等の周辺環境に依存し変化する感度特性にも柔軟に対応可能となる。

実施の形態１における赤外線カメラのブロック図である。実施の形態１における中空構造体温度と通電期間の関係を示す図である。実施の形態２における赤外線カメラのブロック図である。実施の形態２における中空構造体温度と通電期間の関係を示す図である。従来の赤外線カメラにおける中空構造体温度と入射赤外線エネルギーの関係を示す図である。従来の赤外線カメラの構成例を示すブロック図である。従来の撮像素子の構成例を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における赤外線カメラ装置のブロック図である。
図中、１は光学系である。
２は開閉することで光学系１からの入射光量を制御するシャッタである。
３は光学系１の結像面に位置する撮像素子である。
２０は、被写体の温度を検知する温度検知部である。温度検知部２０は、ボロメータ、ＰＮ接合ダイオード等である。
撮像素子３及び温度検知部２０は、例えば、特許文献１に記載の構成でもよいし、他の構成でもよい。
４は撮像素子３を駆動する為の素子駆動回路である。
５は撮像用タイミング発生部６および感度データ取得用タイミング発生部７から構成され撮像素子３に印加する素子駆動クロックを生成する素子駆動タイミング発生回路である。
８は撮像素子３からのアナログ素子出力をデジタルデータに変換するＡ／Ｄコンバータである。
９はＦＰＮ補正データ格納用ＲＡＭ１１や感度補正データ格納用ＲＡＭ１２から補正データを読み出し画像補正を行う画像補正回路である。
１３は素子駆動タイミング発生回路５内の撮像用タイミング発生部６および感度データ取得用タイミング発生部７の切替および感度補正データ算出処理を実施する感度補正データ制御回路である。
１０は画像補正回路９からのデジタルデータをアナログビデオに変換し出力するＤ／Ａ変換回路である。
１４は各構成物を収納する筐体である。
なお、詳細は後述するが、素子駆動タイミング発生回路５及び素子駆動回路４は、異なる２つの期間（第１の通電期間、第２の通電期間）の間、複数の温度検知部２０を通電する制御を行い、通電部の例である。
また、感度補正データ制御回路１３は、温度検知部２０ごとに、第１の通電期間の通電による温度検知部の発熱量と第２の通電期間の通電による温度検知部の発熱量とに基づいて、温度検知部の感度特性を補正する感度補正データを生成し、感度補正データ生成部の例である。

続いて、実施の形態１における動作について説明する。
既に述べたように、中空構造体温度Ｔｘは、半導体基板温度Ｔｂ、撮像素子に入射する赤外線エネルギー寄与分ΔＴｉ、中空構造体上に形成されたボロメータ・ＰＮ接合ダイオード等の温度検知部の自己発熱寄与分ΔＴｊを用いて、Ｔｘ＝Ｔｂ＋ΔＴｉ＋ΔＴｊで示されるが、本実施の形態では温度検知部の自己発熱寄与分であるΔＴｊを制御することに主眼を置いている。
まずΔＴｊは、通電により温度検知部に生じるジュール熱Ｉｊ、中空構造体の熱コンダクタンスＧｔ、中空構造体の熱時定数Ｔｔ、温度検知部への通電期間Ｔｏを用いて、ΔＴｊ＝Ｉｊ（１−ｅｘｐ^{（−Ｔｏ／Ｔｔ）}）／Ｇｔで示される。
一般に、通電期間Ｔｏは熱時定数Ｔｔよりも十分小さく、Ｔｏ＜＜Ｔｔの関係が成り立つことにより、ΔＴｊは中空構造体の熱容量Ｈｔを用いて、ΔＴｊ≒Ｉｊ（Ｔｏ／Ｈｔ）で近似される。
つまり図２に示すように、通常の通電期間Ｔｏ付近において中空構造体温度Ｔｘと通電期間には、比例関係が成り立つこととなり、図５に示した入射赤外線エネルギーによる中空構造体温度変化と同様の効果が温度検知部の通電期間を変化することによって得られることが分かる。

そこで、まず、従来の赤外線カメラと同様にシャッタ２を閉じることによって得られる均一温度面を撮像用タイミング発生部６にて生成した撮像用タイミングにて撮像し、ＦＰＮ補正データとしてカメラ内ＦＰＮ補正データ格納用ＲＡＭ１１に格納する。
次に、ＦＰＮ補正データ取得時と同一温度面であるシャッタ２を、感度データ取得用タイミング発生部７にて生成した感度データ取得用タイミングにて撮像する。
ここで、感度データ取得用タイミングにおける各温度検知部２０への通電期間Ｔａ（第２の通電期間）は、撮像用タイミングにおける通電期間Ｔｏ（第１の通電期間）とは異なる期間（Ｔａ≠Ｔｏ）である。
このように、同一の均一温度面を被写体としたまま異なる通電期間にて読み出すことにより、温度検知部２０の自己発熱量の違いから中空構造体温度に差異が生じる。
これら中空構造体温度差によって生じる撮像素子出力電圧差からカメラ内デジタル処理により感度補正データ制御回路１３において感度補正データを算出し、感度補正データ格納用ＲＡＭ１２に格納する。

次に、実施の形態１における構成・動作により得られる効果について説明する。
これまでの説明より、温度検知部の通電期間を変化させることにより、同一温度面を用いて中空構造体に温度差を生じさせることが可能となることが分かる。
これにより、従来の赤外線カメラで必要とされていたカメラ製造時の感度特性取得試験を必要とせず、撮像中においてもカメラがスタンドアロンで感度特性を更新することで、素子温度等の周辺環境に依存し変化する感度特性にも柔軟に対応可能となるという効果が得られる。

以上のように、本実施の形態では、中空構造体上に形成された温度検知部への通電期間が異なる、複数のタイミング発生部を有する赤外線カメラ装置を説明した。

また、上記の複数のタイミング発生部を切り替えることにより、撮像素子出力から各画素感度特性を取得する機能を有する赤外線カメラ装置を説明した。

また、上記の各画素感度特性から感度補正データを算出する機能を有する赤外線カメラ装置を説明した。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２における赤外線カメラ装置のブロック図である。
実施の形態２では、図１における感度データ取得用タイミング発生部７（通電期間Ｔａ，Ｔａ≠Ｔｏ）の代わりに、感度データ取得用タイミング１発生部１５（通電期間Ｔｂ，Ｔｂ＜Ｔｏ）、および感度データ取得用タイミング２発生部１６（通電期間Ｔｃ，Ｔｃ＞Ｔｏ）を設けることに違いがある。

以下に、実施の形態２における動作について説明する。
図４は、通電期間Ｔｏ付近での中空構造体温度と通電期間の関係を示している。通電期間Ｔｏ付近において中空構造体温度と通電期間が比例の関係にあることは、既に述べた通りである。
そこで、まず、実施の形態１と同様にＦＰＮ補正データを取得しＲＡＭ１１に格納する。
続いて、ＦＰＮ補正データ取得時と同一温度面であるシャッタ２を、感度データ取得用タイミング１発生部１５にて生成した感度データ取得用タイミング１および感度データ取得用タイミング２発生部１６にて生成した感度データ取得用タイミング２にてそれぞれ撮像する。
ここで、感度データ取得用タイミング１、２における温度検知部への通電期間Ｔｂ及び通電期間Ｔｃは、撮像用タイミングにおける通電期間Ｔｏと、Ｔｂ＜Ｔｏ＜Ｔｃの関係を満たす期間とする。
このように、通電期間Ｔｏより短い期間Ｔｂ（短期第２の通電期間）及び長い期間Ｔｃ（長期第２の通電期間）にて読み出すことにより、通常期間読み出しにおける中空構造体温度Ｔｘｏと比較して、低い中空構造体温度Ｔｘｂおよび高い中構造体温度Ｔｘｃが生じることとなる。
これら中空構造体温度差によって生じる撮像素子出力電圧差からカメラ内デジタル処理によって感度補正データ制御回路１３において感度補正データを算出し、感度補正データ格納用ＲＡＭ１２に格納する。

次に、実施の形態２における構成・動作により得られる効果について説明する。
実施の形態１では、撮像用タイミングである通電期間Ｔｏと、Ｔｏとは異なる通電期間Ｔａでの読み出しにより生じる中空構造体温度差を元に感度データを算出した。
つまり、ＦＰＮ補正データを取得したときの被写体であるシャッタ温度を基準として、シャッタよりも高温もしくは低温のいずれかの被写体撮像に関して偏った感度データであるとも言える。
それに対し実施の形態２においては、ＦＰＮ補正データを取得したときの被写体であるシャッタ温度を基準として、シャッタよりも高温および低温のいずれの被写体撮像に関しても精度良く感度補正可能なデータを取得することができる。

１光学系、２シャッタ、３撮像素子、４素子駆動回路、５素子駆動タイミング発生回路、６撮像用タイミング発生部、７感度データ取得用タイミング発生部、８Ａ／Ｄコンバータ、９画像補正回路、１０Ｄ／Ａコンバータ、１１ＦＰＮ補正データ格納用ＲＡＭ、１２感度補正データ格納用ＲＡＭ、１３感度補正データ制御回路、１４筐体、１５感度データ取得用タイミング１発生部、１６感度データ取得用タイミング２発生部、１７素子駆動タイミング発生回路、１８感度補正データ制御回路、２０温度検知部、１０５素子駆動タイミング発生回路、１１１ＦＰＮ補正データ格納用ＲＡＭ、１１２感度補正データ格納用ＲＯＭ。

Claims

被写体の温度を検知する複数の温度検知部と、
第１の通電期間の間前記複数の温度検知部を通電し、前記第１の通電期間と異なる期間である第２の通電期間の間前記複数の温度検知部を通電する通電部と、
温度検知部ごとに、第１の通電期間の通電による温度検知部の発熱量と第２の通電期間の通電による温度検知部の発熱量とに基づいて、温度検知部の感度特性を補正する感度補正データを生成する感度補正データ生成部とを有することを特徴とする赤外線カメラ装置。
前記通電部は、
前記複数の温度検知部を前記第１の通電期間の間通電し、前記第２の通電期間として、前記第１の通電期間よりも短い期間である短期第２の通電期間の間前記複数の温度検知部を通電し、前記第１の通電期間よりも長い期間である長期第２の通電期間の間前記複数の温度検知部を通電し、
前記感度補正データ生成部は、
温度検知部ごとに、第１の通電期間の通電による温度検知部の発熱量と短期第２の通電期間の通電による温度検知部の発熱量と長期第２の通電期間の通電による温度検知部の発熱量とに基づいて、感度補正データを生成することを特徴とする請求項１に記載の赤外線カメラ装置。
前記通電部は、
前記複数の温度検知部が前記第１の通電期間と前記第２の通電期間で同一の均一温度面を被写体としている状況で、前記複数の温度検知部を前記第１の通電期間の間通電し、前記第２の通電期間の間通電することを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線カメラ装置。
前記通電部は、
ＦＰＮ（ＦｉｘｅｄＰａｔｔｅｒｎＮｏｉｓｅ：固定パターン雑音）補正のためのＦＰＮ補正データを生成するために前記複数の温度検知部を通電させる期間を前記第１の通電期間とする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カメラ装置。