JP6768452B2

JP6768452B2 - ピクセル非一様性補正

Info

Publication number: JP6768452B2
Application number: JP2016217877A
Authority: JP
Inventors: ジョナサン・ナゼミ
Original assignee: センサーズ・アンリミテッド・インコーポレーテッド
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2020-10-14
Anticipated expiration: 2036-11-08
Also published as: EP3169055A1; EP3169055B1; US20170142297A1; US9936106B2; JP2017090457A

Description

連邦政府委託による研究または開発に関する声明
この本発明は、米国海軍から授与された契約番号Ｎ０００１４−１４−Ｃ−００６１、及び、海兵隊システム・コマンド（ＭＡＲＣＯＲＳＹＳＣＯＭ）を通して授与された契約番号Ｗ１５Ｐ７Ｔ−０６−Ｄ−Ｅ４０２／Ｓ３及びＷ１５Ｐ７Ｔ−１０−Ｄ−Ｄ４１３／Ｒ２３Ｇの下で、政府の支援を受けて達成された。米国政府は、本発明に特定の権利を有する。

本開示は、イメージングに関し、特に、イメージング・システムに使用されるような焦点面アレイに関する。

典型的な焦点面アレイ（ＦＰＡ）は、製造上のバラツキなどに起因して、動作にピクセル毎の変動がある。この変動は、正確な画像データを生成するために、典型的に、各ピクセルを較正することによって、及び、ピクセル毎の較正データを、ピクセルからの信号を補正するように使用される補正マップとして保存することによって対処される。ピクセル性能は温度の関数として変化するため、補正マップが作成された温度が、システムが最も正確な画像を生成する温度である。すなわち、ＦＰＡの温度変化は、補正マップの有効性を低減する。非一様性は、典型的に、低光レベルで最も顕著である。この問題に対する典型的な解決策は、ＦＰＡの温度を制御するために、熱電冷却を利用することである。熱電冷却が一定の、既知の温度をＦＰＡに維持し、また、その既知の温度に対応する補正マップが使用される限り、ＦＰＡは、周囲温度に関係なく、正確な画像データを生成するために使用できる。

そのような従来の方法及びシステムは、概して、それらの意図された目的を満たすと見なされている。しかしながら、今なお、本分野においては、イメージング技術を向上させる必要がある。本開示は、この必要性に対する解決策を提供する。

温度変化に対するピクセル非一様性の補正方法は、ＦＰＡ温度を判定すること、及び、ＦＰＡに対してピクセル毎に非一様性補正マップを算出することを含む。この方法における各ピクセルに対する非一様性補正は、ＦＰＡ温度と、実験的に導出した係数との関数である。この方法は、また、温度依存非一様性補正画像データを生成するために、非一様性補正マップを、ＦＰＡからのイメージング・データに適用することを含む。

非一様性補正マップの適用は、ＦＰＡの温度を制御することなく実行できる。ＦＰＡ温度及び実験導出係数の関数は、ＦＰＡ温度に基づき、各々のピクセルの暗レベルにおける変化を所望の補正値へ近似することを含むことができる。

各ピクセルに対する非一様性補正がＦＰＡ温度及び実験導出係数の関数である、ピクセル毎の非一様性補正マップの算出は、次式によって支配されてもよい。

上式において、δＩｃは、各々のピクセルに関する、それの暗レベルから所望補正値への変化を表し、Ｔは、デジタル数字でのＦＰＡ温度であり、Ｉｒａｗは、デジタル数字でのピクセルの生の値であり、Ｔ_ｍａｘ及びＴ_ｍｉｎは、正規化温度Ｔに対する、各々最高及び最低温度、例えば最高及び最低作動温度であり、ｐ０、ｐ１、ならびにａ_０、ａ_１、ａ_３及びａ_５は、実験的に導出された係数である。

イメージング・システムは、焦点面アレイ（ＦＰＡ）を含む。ＦＰＡ温度を測定するために、温度センサが作動可能に結合される。上記説明のように、ピクセル毎に非一様性補正マップを算出するために、また、温度依存非一様性補正画像データを生成するために、ＦＰＡの出力を調節するよう非一様性補正マップを適用するために、ＦＰＡ及び温度センサへ、モジュールが作動可能に結合される。

ＦＰＡの温度制御のために、温度制御デバイス、例えば熱電冷却デバイスが結合される必要は全くない。ＦＰＡは、バッファー付きカレント・ミラー・ピクセル・アーキテクチャを含んでもよい。また、ＦＰＡが、赤外イメージングのためにＩｎＧａＡｓ材料を含むことも想定される。

本件開示のシステム及び方法の、これらの及び他の特徴は、図面と併せて、好適な実施形態の以下の詳細説明を考察すれば、当業者には容易に明らかになる。

本件開示に関わる当業者が、過度の実験を行わずに、本件開示のデバイス及び方法を製作及び使用する方法を容易に理解できるよう、特定の図面を参照しながら、以下に好適な実施形態を詳述する。

本開示に従って構築されたイメージング・システムの例示的実施形態を表す概略図であり、焦点面アレイ（ＦＰＡ）を示す。

図面を参照する。図面内の類似参照数字は、本件開示の類似構造形態または態様を特定する。制限ではなく、説明及び図解の目的で、図１は、本開示によるイメージング・システムの例示的実施形態の一部を示す。そのイメージング・システムは、全体として参照文字１００が付されている。本明細書に説明のシステム及び方法は、非温度制御焦点面アレイを使用する正確なイメージングのために使用可能である。

イメージング・システム１００は、焦点面アレイ（ＦＰＡ）１０２、及び図１内に三つの大きな矢印によって示すようにＦＰＡ１０２上に画像の焦点を定めるレンズ光学系１０１を含む。ＦＰＡ１０２は、例えば、ピクセルの２４０×６１２のグリッドを有する二次元アレイ等、いずれの適切なアレイ・タイプであってもよい。しかし、この開示の範囲を逸脱することなく、一次元アレイを含んで、他の適切なアレイ構成を使用することも可能である。

温度センサ１０６は、読み出し集積回路ＲＯＩＣ１０４へ作動可能に結合される。ＦＰＡ１０２とＲＯＩＣ１０４とは相対温度平衡状態にあるため、温度センサ１０６は、ＦＰＡ１０２の温度を正確に表すのに十分な温度読み取りを提供する。ＲＯＩＣ１０４は、イメージングのためにアレイからの電気信号を調節するために、ＦＰＡ１０２へ作動可能に結合される。ＲＯＩＣ１０４へは、モジュール１１２が作動可能に結合される。このモジュール１１２は、ＲＯＩＣ１０４からの信号が、信号出力のために調節可能なよう、フィールドプログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）内のもの等の、埋め込みロジックで解析されるよう、エレクトロニック・アーキテクチャを提供する。モジュール１１２内では、ＲＯＩＣ１０４からの入力に基づいて、新しい制御値ＶＧａｉｎ、ゲイン電圧が算出される。それから、所望レベルのゲイン補整を成就するために、その新しい制御値がＲＯＩＣ１０４内に設定される。ＦＰＡ１０２の温度制御のために、熱電冷却デバイス等の温度制御デバイスが結合される必要は全くない。ＦＰＡ１０２は、バッファー付きカレント・ミラー・ピクセル・アーキテクチャまたは他の適切なアーキテクチャを含むことができる。また、ＦＰＡ１０２が、赤外イメージングのために、ＩｎＧａＡｓ材料を含むことも想定される。

温度変化に対する、例えば、システム１００のピクセル非一様性の補正方法は、例えば、センサ１０６を使用してＦＰＡ温度を測定すること、及び、ＦＰＡ、例えばＦＰＡ１０２に対して、ピクセル毎に非一様性補正マップを算出することを含む。この場合の、各ピクセルに対する非一様性補正は、ＦＰＡ温度及び実験導出係数の関数である。この方法は、また、温度依存非一様性補正画像データを生成するためにＦＰＡの出力を調節するよう、ＦＰＡ温度で非一様性補正マップを適用することを含む、その補正画像データは、例えばモジュール１１２によって出力できる。

非一様性補正マップの適用は、ＦＰＡ１０２の温度を制御することなく実行可能である。ＦＰＡ温度、基準温度でのシステム非一様性補正及び実験導出係数の関数は、各々のピクセルの暗レベルにおける変化を、所望の補正へ近似することを含むことができる。

従来の非一様性補正は、絶対基準からピクセルを補正するモデルを利用する。このことは、ピクセルが、入力デジタル・レベルと温度とのペアのためのデジタル・レベルになるよう補正されることを意味する。対照的に、この実施例で使用されるモデルは、相対基準において任意のピクセルを補正するアプローチを利用する。このことは、ピクセルが、ノーマルからの差を最小にするよう補正されることを意味する。オフセットからのゲインにおける変化は、滑らかであり、モデル化が著しく容易である。以下の計算は、非一様性、及び較正係数の数を低減する、または最小化するモデルに由来する。

各ピクセルに対する非一様性補正がＦＰＡ温度及び実験導出係数の関数である、ピクセル毎の非一様性補正マップの算出は、次式に支配されてもよい。

上式において、δＩｃは、各々のピクセルに関する、それの暗レベルから所望補正値への変化を表し、Ｔは、デジタル数字でのＦＰＡ温度であり、Ｉｒａｗは、デジタル数字でのピクセルの生の値であり、Ｔ_ｍａｘ及びＴ_ｍｉｎは、正規化温度Ｔに対する、各々、最高及び最低温度、例えば最高及び最低作動温度などであり、ｐ０、ｐ１、ならびに、ａ_０、ａ_１、ａ_３及びａ_５は、実験的に導出された係数である。

本明細書で説明するシステム及び方法は、ＦＰＡ温度及び光レベルの範囲に渡って、ピクセル毎の非一様性を補正するために使用できる。本明細書に開示のシステム及び方法を利用する潜在的な利点は、イメージング・システムから、熱電冷却デバイス等の、温度制御のためのハードウェアを排除することを含む。また、温度制御がＦＰＡの温度を部分的にのみ制御するハイブリッド・システムの使用も想定される。そのケースでは、残存するＦＰＡ温度誘発非一様性が、本明細書に開示の技術を利用することで補正可能である。温度制御デバイスの低減または排除は、電力消費及びハードウェア・サイズへの主要な要因の排除を可能にする。また、非温度制御（または部分的非温度制御）イメージング・システムにおける温度変化に対してシステム・ゲイン補正が行われた場合、そのような補正は、本明細書に開示の非一様性補正のためのデジタル負荷を有利に低減可能であることも想定される。

上記説明及び図示のように、本開示の方法及びシステムは、周囲温度の範囲に渡って正確なイメージング・データを提供することに加え、温度制御の必要性を低減または排除することを含む優れた特性を有するイメージング・システムを提供する。好適な実施形態を参照しながら、本件開示の装置及び方法を図示及び説明したが、当業者は、本件開示の範囲を逸脱することなく、それらへの変形例及び／または修正例を容易に理解することができる。

１００イメージング・システム
１０１レンズ光学系
１０２焦点面アレイ（ＦＰＡ）
１０４読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）
１０６温度センサ
１１２モジュール

Claims

温度変化に対するピクセル非一様性の補正方法であって、
焦点面アレイ（ＦＰＡ）の温度であるＦＰＡ温度を測定すること、
前記ＦＰＡに対してピクセル毎に非一様性補正マップを算出することであって、各ピクセルに対する非一様性補正が、前記ＦＰＡ温度と実験的に導出された係数との関数であるよう前記非一様性補正マップを算出すること、及び
温度依存非一様性補正画像データを生成するために、前記ＦＰＡからのイメージング・データへ前記非一様性補正マップを適用することを含み、
各ピクセルに対する前記非一様性補正が前記ＦＰＡ温度及び実験導出係数の関数となる前記算出が、次式によって支配され、

前記式中の、δＩｃが、各々のピクセルに関する、それの暗レベルから所望補正値への変化を表し、Ｉｒａｗが、デジタル数字でのピクセルの生の値であり、Ｔ _max 及びＴ _min が、正規化ＦＰＡ温度Ｔに対する、各々、最高及び最低温度であり、ｐ０、ｐ１、ならびにａ ₀ 、ａ ₁ 、ａ ₃ 及びａ ₅ が、実験的に導出された係数である
、方法。
前記非一様性補正マップを適用することが、前記ＦＰＡの前記温度を制御することなく実行される、請求項１に記載の方法。
前記ＦＰＡ温度及び実験導出係数の前記関数が、前記ＦＰＡ温度に基づき、各々のピクセルのレベルにおける変化を、所望の補正値へ近似することを含む、請求項１に記載の方法。
前記ＦＰＡが、バッファー付きカレント・ミラー・ピクセル・アーキテクチャを含む、請求項１に記載の方法。
前記ＦＰＡが、赤外イメージングのためのＩｎＧａＡｓ材料を含む、請求項１に記載の方法。
焦点面アレイ（ＦＰＡ）、
ＦＰＡ温度を測定するために、作動可能に結合された温度センサ、及び
前記ＦＰＡ及び温度センサへ作動可能に結合されたモジュールであって、前記ＦＰＡ温度と実験的に導出された係数との関数として、前記ＦＰＡに対してピクセル毎に非一様性補正マップを適用する、及び、温度依存非一様性補正画像データを生成するために、前記ＦＰＡからの出力を調整するよう前記非一様性補正マップを適用する前記モジュールを含み、
前記モジュールが、次式に支配される前記ＦＰＡ温度及び実験導出係数の関数として、前記ＦＰＡに対してピクセル毎に前記非一様性補正マップを算出するように構成され、

前記式中の、δＩｃが、各々のピクセルに関する、それの暗レベルから所望補正値への変化を表し、Ｉｒａｗが、デジタル数字でのピクセルの生の値であり、Ｔ _max 及びＴ _min が、正規化ＦＰＡ温度Ｔに対する、各々、最高及び最低温度であり、ｐ０、ｐ１、ならびにａ ₀ 、ａ ₁ 、ａ ₃ 及びａ ₅ が、実験的に導出された係数である、イメージング・システム。
前記ＦＰＡの温度制御のために結合される熱電冷却デバイスが全く存在しない、請求項６に記載のシステム。
前記ＦＰＡの温度制御のために結合される温度制御デバイスが全く存在しない、請求項７に記載のシステム。
前記ＦＰＡ温度及び実験導出係数の関数が、各々のピクセルの暗レベルにおける変化を、前記ＦＰＡ温度での所望の補正値へ近似することを含む、請求項６に記載のシステム。
前記ＦＰＡが、バッファー付きカレント・ミラー・ピクセル・アーキテクチャを含む、請求項６に記載のシステム。
前記ＦＰＡが、赤外イメージングのためのＩｎＧａＡｓ材料を含む、請求項６に記載のシステム。