JP6769838B2

JP6769838B2 - ゲイン正規化

Info

Publication number: JP6769838B2
Application number: JP2016220312A
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: 2016-11-11
Publication date: 2020-10-14
Anticipated expiration: 2036-11-11
Also published as: EP3182082B1; JP2017090463A; US20170138788A1; EP3182082A1; US10018504B2

Description

連邦政府資金による研究開発の記載
本発明は、米国海軍によって授与された契約番号Ｎ０００１４‐１４‐Ｃ‐００６１、米海兵隊システム司令部（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の下で政府支援を得てなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。

本開示は、撮像に関し、より詳細には、撮像システムによって用いられる等の焦点面アレイに関する。

典型的な焦点面アレイ（ＦＰＡ）は、温度関数として一定でないシステムゲインを有する。システムゲインは、正確な画像データを生成するために重要である。また、ＦＰＡの温度は、例えば、撮像システムの外部の環境の変化と、撮像システム内の動作の変化による温度変化とに基づいて変わるので、温度ゲインの変動は、正確な画像データ作成に課題を提示し得る。この問題の典型的な解決法は、熱電冷却を用いてＦＰＡの温度を制御することである。熱電冷却は、ＦＰＡの一定の既知の温度を維持し、かつ、その温度における正確なシステムゲインが分かっている限り、ＦＰＡを用いて正確な画像データを生成できる。

このような従来の方法及びシステムは、その意図する目的に関して満足するものであると一般的に考えられてきた。しかしながら、それでもなお、当技術分野で撮像技術の改良に対する需要がある。本開示は、この需要に対する解決法を提供する。

変化する温度に対してＦＰＡシステムゲインを正規化する方法は、ＦＰＡ温度を決定することと、ＦＰＡ温度、基準温度におけるＦＰＡのシステムゲイン、及び、経験的に導かれた係数の関数としてＦＰＡシステムゲインを計算することとを含む。方法は、ＦＰＡ温度におけるＦＰＡシステムゲインをＦＰＡの条件出力に適用して、温度に依存しない画像データを生成することも含む。

ＦＰＡシステムゲインの適用は、ＦＰＡの温度を制御することなしに行うことができる。ＦＰＡ温度、基準温度におけるＦＰＡのシステムゲイン、及び、経験的に導かれた係数の関数は、基準温度におけるシステムゲインと比較したＦＰＡ温度におけるシステムゲインの変化を近似することを組み込むことができる。基準温度は、室温であってもよく、任意の他の適切な温度であってもよい。

ＦＰＡ温度、基準温度におけるＦＰＡのシステムゲイン、及び、経験的に導かれた係数の関数としてＦＰＡシステムゲインを計算することは、下記の式によって規定することができる。
Ｖｇａｉｎ（Ｔ）＝［（ｐ１＋ｐ３^＊Ｔｒｅｆ）^＊Ｖｇａｉｎｒｅｆ＋ｐ２^＊（Ｔｒｅｆ−Ｔ）］／（ｐ１＋ｐ３^＊Ｔ）
ここで、Ｖｇａｉｎは、ＦＰＡシステムゲインと相関する可変の制御レベル、Ｖｇａｉｎｒｅｆは、基準温度（Ｔｒｅｆ）におけるＦＰＡシステムゲインに設定する制御レベルの値、ｐ１、ｐ２、ｐ３は、経験的に導かれた係数である。

撮像システムは、焦点面アレイ（ＦＰＡ）を備える。温度センサは、動作可能に接続されて、ＦＰＡの温度を測定する。モジュールは、ＦＰＡと温度センサに動作可能に接続されて、上記のようにＦＰＡのＦＰＡシステムゲインを計算し、ＦＰＡシステムゲインをＦＰＡの条件出力に適用して、温度に依存しない画像データを生成する。

ＦＰＡの温度制御のために接続される熱電冷却装置等の温度制御装置を必要としない。ＦＰＡは、バッファ・カレント・ミラー・ピクセル・アーキテクチャを備えることができる。ＦＰＡは、赤外線撮像のためのＩｎＧａＡｓ材料を含んでよいことも企図されている。

開示の主題のシステム及び方法のこれら及び他の特徴は、図面と併せて好ましい実施形態の以下の詳細な記載から、当業者には容易に明らかになろう。

開示の主題が属する分野の当業者が、過度の実験を行うことなく、開示の主題の装置及び方法の作成及び使用の仕方を容易に理解するように、それらの好ましい実施形態を図面を参照しながら以下に詳細に記載する。

焦点面アレイ（ＦＰＡ）を示す、本開示に従って構築された撮像システムの例示の実施形態の概略図である。本開示の実施形態に係る、ある温度の範囲にわたる、補償された及び補償されていない非温度制御ＦＰＡのシステムゲインを比較するグラフである。

図面を参照する。図面中、類似の参照番号は、開示の主題の類似の構造的特徴または態様を指す。制限ではなく説明及び例証の目的で、本開示による撮像システムの例示の実施形態の部分図を図１に示し、参照番号１００によって一般的に指定している。本開示による撮像システムの他の実施形態、または、その態様は、以下に記載するように、図２に示している。本明細書に記載のシステム及び方法は、非温度制御焦点面アレイを用いた正確な撮像に使用できる。

撮像システム１００は、焦点面アレイ（ＦＰＡ）１０２と、図１の３つの大きい矢印で示すように、ＦＰＡ１０２上に像を結ぶための光学レンズ１０１とを備える。読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）１０４は、センサアレイ１０２に動作可能に接続されて撮像のためのアレイからの電気信号を調整する。温度センサ１０６は、ＲＯＩＣ１０４に動作可能に接続される。ＦＰＡ１０２及びＲＯＩＣ１０４は、相対的温度平衡にあるので、温度センサ１０６は、十分な温度読み取りを提供して、ＦＰＡ１０２の温度を正確に表す。モジュール１１２は、ＲＯＩＣ１０４に動作可能に接続される。モジュールが電子アーキテクチャを提供することによって、ＲＯＩＣ１０４からの信号が信号出力のために調整され、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）内のロジック等、組み込みロジックを用いて分析できるようになる。モジュール１１２内で、新しい制御値Ｖｇａｉｎは、以下にさらに記載するように、ＲＯＩＣ１０４からの入力に基づいて計算される。新しい制御値が、次に、ＲＯＩＣ１０４に設定されて、ゲイン補償の所望のレベルを達成する。ＦＰＡ１０２の温度制御のために接続される熱電冷却装置等の温度制御装置を必要としない。ＦＰＡ１０２は、バッファ・カレント・ミラー・ピクセル・アーキテクチャ、または任意の他の適切なアーキテクチャを備えることができる。ＦＰＡ１０２は、赤外線撮像のためのＩｎＧａＡｓ材料を含み得ることも企図されている。

例えば、撮像システム１００で、変化する温度に対してＦＰＡシステムゲインを正規化する方法は、例えば、温度センサ１０６を用いてＦＰＡ温度を決定することと、ＦＰＡ温度、基準温度におけるＦＰＡのシステムゲイン、及び、経験的に導かれた係数の関数として、ＦＰＡシステムゲインを計算することとを含む。方法は、ＦＰＡ温度におけるＦＰＡシステムゲインをＦＰＡの条件出力に適用して、温度に依存しない画像データを生成することを含み、その画像データは、例えば、モジュール１１２によって出力することができる。

ＦＰＡシステムゲインの適用は、ＦＰＡ１０２の温度を制御することなく、行うことができる。ＦＰＡ温度、基準温度におけるＦＰＡのシステムゲイン、及び、経験的に導かれた係数の関数は、基準温度のシステムゲインと比較したＦＰＡ温度におけるシステムゲインの変化を近似することを含み得る。基準温度は、室温、例えば、２０℃、または任意の他の適切な温度であってよい。

ＦＰＡシステムゲイン、Ｖｇａｉｎ、及び、温度Ｔの関数として、Ｚは以下のように定義される。
Ｚ＝ｌｏｇ（ΔＲｅｓｐｏｎｓｅ／ΔＰｏｗｅｒ）
ここで、ΔＲｅｓｐｏｎｓｅは、入射光パワーΔＰｏｗｅｒに変化を与えられた場合、電気光学応答の変化である。以下に示す式のモデルを用いて、温度Ｔが変わる時のシステム性能を近似することができる。
Ｚ＝ｐ０＋ｐ１・Ｖｇａｉｎ＋ｐ２・Ｔ＋ｐ３・Ｖｇａｉｎ・Ｔ
ここで、ｐ０、ｐ１、ｐ２、ｐ３は、所与のシステムに合わせて調整可能な定数である。このモデルは、ＦＰＡシステムゲインの計算に使用できる。例えば、すぐ上に記載した等式をＶｇａｉｎに関して解き、Ｖｇａｉｎが分かった状態で、既知の基準温度において取得されるＺに値を代入すると、ＦＰＡ温度、基準温度におけるＦＰＡのシステムゲイン、及び、経験的に導かれた係数の関数として、ＦＰＡシステムゲインを計算する公式が与えられる。
Ｖｇａｉｎ（Ｔ）＝［（ｐ１＋ｐ３^＊Ｔｒｅｆ）^＊Ｖｇａｉｎｒｅｆ＋ｐ２^＊（Ｔｒｅｆ―Ｔ）］／（ｐ１＋ｐ３^＊Ｔ）
ここで、Ｖｇａｉｎは、ＦＰＡシステムゲインに相関する可変の制御レベル、Ｖｇａｉｎｒｅｆは、基準温度（Ｔｒｅｆ）におけるＦＰＡシステムゲインを設定する制御レベルの値、ｐ１、ｐ２、ｐ３は、経験的に導かれた係数である。温度の単位は、一貫性のある限り、任意でよく、例えば、ケルビン、摂氏、または、１２ビット整数等のデジタル番号で報告されてよい。従って、係数ｐ１、ｐ２、ｐ３は、公式が任意の温度スケールで機能できるように決定されてよい。

図２を参照すると、２つのプロットは、非温度制御ＦＰＡにおけるシステムゲインを示す。１つは、されていないゲインに関し、１つは、補償されていないゲインに関する。それぞれ、比較のため、同じ正規化されたスケール上にある。縦のスケールは、Ｔｒｅｆにおけるシステムゲインからのシステムゲインの正規化された変化である。水平方向のスケールは、正規化された温度で、Ｔｒｅｆは、水平軸上で識別される。補償されていないゲインのプロットは、温度の関数として大きく変動する。対照的に、補償されたゲインのプロットは、システムゲインが本明細書に開示のように補償された温度であるとき、ある温度範囲にわたってほぼ一定であり得ることを示している。これは、本明細書に開示のシステム及び方法は、ある温度範囲にわたって非温度制御ＦＰＡのシステムゲインをほぼ一定にすることを示すものである。

本明細書に記載の方法は、機械可読命令を用いて実施することができて、例えば、撮像システム１００を支援するモジュール１１２等、機械可読命令を実行するモジュールで実行される本明細書に記載の操作を行うことを、当業者は、容易に理解されよう。

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長所は、熱電冷却装置等、温度制御のためのハードウェアを撮像システムから排除することを含む。温度制御でＦＰＡの温度を部分的にのみ制御可能なハイブリッドシステムを使用できることも企図している。その場合、残存するＦＰＡ温度の変動はいずれも、本明細書に開示の技術を用いて、システムゲイン補償することができる。温度制御装置を減らすまたは排除することによって、電力消費及びハードウェアの大きさの主な原因を取り除くことができる。非温度制御（または、部分的に温度制御されていない）撮像システムにおける温度の変動に対して不均一性補償が行われる場合、本明細書に開示のシステム及び方法は、このような不均一性補償のデジタルフットプリントを有利に低減することができることも企図している。

本開示の方法及びシステムは、上記のように、また、図に示したように、温度制御の必要を低減または排除することを含む優れた特性を有する撮像システムを提供すると同時に、ある範囲の周囲温度にわたって正確な画像データを提供する。好ましい実施形態を参照して、開示の主題の装置及び方法を示し、記載してきたが、開示の主題の範囲を逸脱することなく、変更及び／または修正を行ってよいことを当業者は容易に理解されよう。

１００撮像システム
１０１光学レンズ
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

変化する温度に対して焦点面アレイ（ＦＰＡ）のシステムゲインを正規化する方法であって、
ＦＰＡ温度を決定することと、
前記ＦＰＡ温度、基準温度における前記ＦＰＡのシステムゲイン、及び、経験的に導かれた係数の関数として、ＦＰＡシステムゲインを計算することと、
前記ＦＰＡ温度における前記ＦＰＡシステムゲインを前記ＦＰＡの条件出力に適用して、温度に依存しない画像データを生成することと、
を含み、
前記ＦＰＡ温度、基準温度における前記ＦＰＡの前記システムゲイン、及び、前記経験的に導かれた係数の関数として前記ＦＰＡシステムゲインを計算することは、
Ｖｇａｉｎ（Ｔ）＝［（ｐ１＋ｐ３ ^* Ｔｒｅｆ） ^* Ｖｇａｉｎｒｅｆ＋ｐ２ ^* （Ｔｒｅｆ−Ｔ）］／（ｐ１＋ｐ３ ^* Ｔ）
によって規定され、ここで、Ｖｇａｉｎは、前記ＦＰＡシステムゲインに相関する可変の制御レベル、Ｖｇａｉｎｒｅｆは、前記基準温度（Ｔｒｅｆ）における前記ＦＰＡシステムゲインを設定する前記制御レベルの値、そして、ｐ１、ｐ２、ｐ３は、経験的に導かれた係数である、方法。
前記ＦＰＡシステムゲインを適用することは、前記ＦＰＡの前記温度を制御することなく行われる、請求項１に記載の方法。
前記ＦＰＡは、バッファ・カレント・ミラー・ピクセル・アーキテクチャを備える、請求項１に記載の方法。
前記ＦＰＡは、赤外線撮像のためのＩｎＧａＡｓ材料を含む、請求項１に記載の方法。
前記基準温度は室温である、請求項１に記載の方法。
焦点面アレイ（ＦＰＡ）と、
動作可能に接続されて前記ＦＰＡの温度を測定する温度センサと、
前記ＦＰＡ及び前記温度センサに動作可能に接続されて、前記ＦＰＡ温度、基準温度における前記ＦＰＡのシステムゲイン、及び、経験的に導かれた係数の関数として前記ＦＰＡのＦＰＡシステムゲインを計算し、かつ、前記ＦＰＡシステムゲインを前記ＦＰＡの条件出力に適用して温度に依存しない画像データを生成するモジュールと、
を備え、
前記モジュールは、前記ＦＰＡ温度、基準温度における前記ＦＰＡの前記システムゲイン、及び、前記経験的に導かれた係数の関数として、前記ＦＰＡシステムゲインを
Ｖｇａｉｎ（Ｔ）＝［（ｐ１＋ｐ３ ^* Ｔｒｅｆ） ^* Ｖｇａｉｎｒｅｆ＋ｐ２ ^* （Ｔｒｅｆ−Ｔ）］／（ｐ１＋ｐ３ ^* Ｔ）
によって計算するように構成され、
ここで、Ｖｇａｉｎは、前記ＦＰＡシステムゲインと相関する可変の制御レベル、Ｖｇａｉｎｒｅｆは、前記基準温度（Ｔｒｅｆ）における前記ＦＰＡシステムゲインを設定する前記制御レベルの値、そして、ｐ１、ｐ２、ｐ３は経験的に導かれた係数である、撮像システム。
前記ＦＰＡの温度制御のために接続される熱電冷却装置のない、請求項６に記載のシステム。
前記ＦＰＡの温度制御のために接続される温度制御装置のない、請求項７に記載のシステム。
前記ＦＰＡは、バッファ・カレント・ミラー・ピクセル・アーキテクチャを備える、請求項６に記載のシステム。
前記ＦＰＡは、赤外線撮像のためのＩｎＧａＡｓ材料を含む、請求項６に記載のシステム。
前記基準温度は室温である、請求項６に記載のシステム。