JP7271604B2

JP7271604B2 - 赤外線撮像装置

Info

Publication number: JP7271604B2
Application number: JP2021079471A
Authority: JP
Inventors: 倫宏前川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2040-06-02
Also published as: JP2021189171A

Description

本開示は、赤外線撮像装置に関する。

一般的な熱型赤外線固体撮像素子では、断熱構造を有する画素を二次元アレイ状に配列し、入射した赤外線によって画素の温度が変化することを利用して赤外線像を撮像する。非冷却型の熱型赤外線固体撮像素子の場合、画素を構成する温度センサには、ポリシリコン、アモルファスシリコン、炭化ケイ素、酸化バナジウムなどのボロメータのほか、ダイオードあるいはトランジスタなどの半導体素子を用いたものが知られている。特に、ダイオードなどの半導体素子は固体等からなり、電気特性および温度依存性のばらつきが非常に小さいため、各画素の特性を均一にする上で有利である。

熱型赤外線撮像素子では、上記温度センサに対して、電流を注入もしくは電圧を印加することにより電気信号を発生させる。赤外線が入射することにより温度センサの温度が微小に変動し、上記電気信号が微小に変動する。この電気信号の変動を増幅し、デジタル信号への変換を経て外部に出力される。

一般的に、赤外線撮像装置は、上記赤外線撮像素子と、赤外線撮像素子を保持する実装基板部と、赤外線光を集光、結像するためのレンズ等の光学系部材と、光学系部材を保持するための鏡筒部により構成される。また、画像処理、補正処理等を行うためのＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）基板、ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等で構成される部品類を実装基板部に同時に実装することが多い。

赤外線を集光結像させるための光学部材は、ゲルマニウム（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ：Ｇｅ）、カルコゲナイドガラス、もしくはシリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎ：Ｓｉ）等で形成されることが一般的である。カルコゲナイドガラスは、焼結によりレンズ形成が可能な反面、材料が非常に高価である。また、Ｇｅ、Ｓｉは焼結形成が不可能なため、削りもしくはエッチング加工等で形成を行う必要がある。いずれの材質も可視光で一般的に使用されているガラスレンズあるいは樹脂レンズと比べてコスト面、もしくは、加工精度の面で劣る。

このため、特に安価な赤外線撮像装置においては、Ｓｉ材を用いた球面レンズを使用することが一般的であるが、この場合、赤外線光の結像性という点で理想的な状態でない場合が多い。特に、広い視野角と高感度を同時に達成しようとした場合、結像性の悪化が顕著となる傾向がある。さらに、光学中心部と外周部の光量差、つまり、シェーディング成分による感度ばらつきも同時に顕著となる。

また、温度センサにおいては、被写体から光学系を通して入射する赤外線光による温度センサの温度変化、つまり、実感度成分と、温度センサに電流を注入もしくは電圧を印加することによる温度センサ自身の自己発熱温度変化と、上述の部品類で発生する赤外線撮像装置全体での自己発熱による温度変化が合算されて検知される。このため、赤外線光による温度センサから出力された温度情報は、上記実感度成分のみとは限らない。

上述の問題を解決するため、例えば、特許文献１に開示されるように、画素ごとの感度補正テーブルをあらかじめ用意した上で、補正を行う機構が報告されている。

また、特許文献２に開示されるように、デジタル処理によりあらかじめ設定された補正テーブルを用いて補正処理を行う機構も報告されており、その際は、例えば赤外線撮像装置の温度情報を取得するための第二温度センサと、あらかじめ取得して赤外線撮像装置ごとに記憶された出力レベルの事前データに基づき、逐次差分処理を行うことも一般的である。

特開２０１２－２１３１３０号公報特許第５７５５７８０号公報

しかしながら、従来の赤外線撮像装置では、光学特性が理想的でない光学レンズを使用した場合、レンズ結像性悪化による画像ぼやけに関しては補正することができないという不具合があった。

本開示による赤外線撮像装置はかかる課題を解決するためになされたものであり、光学特性が理想的でない光学レンズを使用した場合でも、レンズ結像性悪化による画像ぼやけを適正に補正する赤外線撮像装置を提供することを目的とする。

本開示による赤外線撮像装置は、被写体から放射される赤外線光を集光する赤外線透過レンズと、前記赤外線透過レンズで集光された赤外線光を電気信号に変換する画素が、二次元アレイ状に配置された画面を有する赤外線撮像素子と、前記赤外線撮像素子からの前記電気信号をデジタル信号に変換する信号処理部と、前記信号処理部の出力と、前記信号処理部の出力に前記赤外線透過レンズの分散度を乗じた出力との差分値に、比例定数を乗じた数値に基づき光学特性の補正を行う光学特性補正部と、基準温度を検知する基準温度検知部と、前記光学特性補正部の出力と前記基準温度検知部の出力に基づき、前記被写体の絶対温度換算を行う温度測定部と、を備え、前記二次元アレイ状に配置されている画面がｉ×ｊ個の画素で構成され、理想的な光学系を用いた場合の出力値を理想出力値Ｐ（ｘ，ｙ）、前記赤外線透過レンズにおける画素配列中の点（ｘ，ｙ）に点光源が入射した際の周辺画素への分散度を分散度ｒ _{（ｘ，ｙ）} （ｉ，ｊ）、点（ｘ，ｙ）における実際に出力される実測出力値をＱ（ｘ，ｙ）、前記比例定数をα、仮定出力値Ｓ（ｘ，ｙ）を、後述の（２）式とする場合、後述の（６）式から前記理想出力値Ｐ（ｘ，ｙ）を算出することを特徴とする。

本開示による赤外線撮像装置によると、光学特性が理想的でない赤外線透過レンズを使用した場合でも、赤外線透過レンズの分散度の情報に基づき信号処理することで、絶対温度測定精度の向上が図れると共に、結像性を改善した画像を取得することができる。

実施の形態１による赤外線撮像装置の機能ブロック図である。赤外線撮像素子の構成を示す図である。画素の構成を示す図である。入射光線角１０度の場合の両凸球面形状のＳｉレンズ結像性の計算結果を示す図である。入射光線角５５度の場合の両凸球面形状のＳｉレンズ結像性の計算結果を示す図である。絞りを有する両凸球面形状のＳｉレンズ結像性の計算結果を示す図である。両凸非球面形状のＳｉレンズ結像性の計算結果を示す図である。レンズ結像性悪化による撮像画像の変化の傾向を示す図である。レンズ結像性悪化による撮像画像の輝度値の傾向を示す図である。実施の形態１による赤外線撮像装置における光学特性の補正による画像補正のイメージ図である。実施の形態１による赤外線撮像装置における光学特性の補正による輝度値補正の傾向を示す図である。実施の形態１による赤外線撮像装置における光学特性の補正による画像補正のイメージ図である。実施の形態１による赤外線撮像装置における光学特性の補正による輝度値補正の傾向を示す図である。実施の形態１による赤外線撮像装置における光学特性の補正による画像補正の実測結果を示す図である。実施の形態１による赤外線撮像装置における出力温度感度の被写体サイズ依存性を示す図である。実施の形態１による赤外線撮像装置の機能ブロック図である。実施の形態２による赤外線撮像装置の機能ブロック図である。実施の形態３による赤外線撮像装置の機能ブロック図である。実施の形態４による赤外線撮像装置の機能ブロック図である。実施の形態５による赤外線撮像装置の機能ブロック図である。実施の形態１～５による赤外線撮像装置のハードウエアの一例を示す図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による赤外線撮像装置の機能ブロック図である。
受光した赤外線光を電気信号に変換する画素を二次元アレイ状に配置した画素領域１２を有する赤外線撮像素子２と、赤外線撮像素子２と被写体の間に配置され、被写体から放射される赤外線光を集光し、結像するように配置された赤外線透過レンズ１と、赤外線撮像素子２からの電気信号を入力し、信号増幅およびデジタル信号への変換等を行う信号処理部３と、信号処理部３の出力と、光学部材非結像性情報記憶部５において蓄積された赤外線透過レンズ１の非結像性情報とに基づき補正処理を行う光学特性補正部４を有し、光学特性補正部４で補正された信号成分、すなわち、光学特性補正部４の出力と、基準温度情報を取得する基準温度検知部７の信号成分、すなわち、基準温度検知部７の出力を受けて、温度測定部６において被写体温度情報の演算を行う構成となっている。

図２に赤外線撮像素子２の構成を示す。入射した赤外線光を受光して電気信号に変換する画素部１００が好ましくは二次元アレイ状に配列され、画素部１００の通電タイミングを制御する駆動線選択回路１０２と画素部１００から出力される信号成分の増幅および読出しを行う読み出し回路１０１が配置されている。二次元アレイ状に配列された画素部１００の電気信号は、読み出し回路１０１から信号出力端１０３を経て、順次出力される。

画素部１００の構成を図３に示す。図３の上側の図は画素部１００の上面図であり、図３の下側の図は上面図中のＡ－Ａ線の断面図である。
駆動線選択回路１０２に接続された駆動線配線２００に対して電気的および熱的に接続された中空支持脚配線２０１に保持された形で、温度検知部２０２が中空断熱構造２０５中に配置されている。ここで、基板２０４の一部にエッチング等を行って中空断熱構造２０５を構成してもよいし、有機層その他の構成要素で構成される犠牲層をエッチングすることで中空断熱構造２０５を形成してもよい。

温度検知部２０２には、被写体から射出される赤外線光の成分を検知するため、ダイオードもしくはボロメータ等で構成される熱電変換機構２０６が設けられている。温度検知部２０２で生じた電気信号は、もう一方の中空支持脚配線２０１を介して、信号線配線２０３を介して読み出し回路１０１に伝達される。なお、図３の上側の図中の符号１０２ａは駆動線選択回路１０２から流入する電流の方向を示し、符号１０１ｂは読み出し回路１０１に流れていく電流の方向を示している。

ここで、温度検知部２０２から出力される電気信号は、その成分として、基板温度、通電による自己発熱成分、および、レンズ等の光学系部材、光学系部材を保持する鏡筒などから発せられる赤外線光の成分を含んでいる。つまり、環境温度等の変動により、温度検知部２０２の電気信号レベルは変動することになる。この電気信号レベルの変動を改善するために、モジュール温度および筐体温度を安定させることが、一般的に実施されている。

以下に、実施の形態１による赤外線撮像装置２０において、赤外線透過レンズ１についてあらかじめ設定された非結像性情報に基づき光学特性補正部４を設けて光学特性の補正を行うことの必要性を説明する。

一般的に用いられる両凸形状のＳｉレンズにおいて、入射光線角を１０度として結像性を計算すると、図４に示すように、入射する平行光線が一点に集中せず、分散していることが分かる。これがレンズ結像性を悪化させている理由である。点光源を撮像したとしても、結像点を中心として正規分布のように分散して入射することになる。

図５に、図４よりさらに入射光線角が大きい、入射光線角を５５度とした場合の光線の計算結果を示す。光学レンズへの入射光線角により入射する光線光量が異なることが図４と図５の対比より理解できる。これが光学中心部と外周部の光量差、つまりシェーディング成分による感度ばらつきにつながる。同時に、結像点までの焦点距離が図４と図５で異なることが分かる。

光線の入射角が浅い場合と比べて光線の入射角が深い場合は、実効的な光学焦点距離が短くなる。これは、いわゆる像面湾曲という現象であり、得られる画像の中心部と外周部で画像のぼやけ度合いに差が発生することにつながる。

上述の両凸形状のＳｉレンズの不具合を改善するため、一般的には光学系に対する改良がこれまでなされてきた。例えば、図６に示すような絞りを光学レンズの前面に配置して不要光を除去することで、見た目は結像性を改善することが可能である。ただし、図４と図６を比較して分かるとおり、入射する絶対光量が絞りにより減少するため、感度としては減少することになる。

また、図７のように光学レンズを非球面化することも一般的である。図７では対物面のみの非球面化を模擬した計算結果ではあるが、図４のものと比べて改善していることが分かる。さらに、入射光量も向上していることが分かる。

以上のように、光学レンズの非球面化は、イメージセンサの特性に対して非常に大きなメリットをもたらすことが分かる。可視光イメージセンサ領域では、光学レンズ材として樹脂材、もしくはガラス材が使用されるため、非球面化への対応に大きなコストインパクトはない。

一方、一般的に８～１４μｍに代表される赤外線領域の波長を透過する材料としては、Ｇｅ、カルコゲナイドガラス、もしくはＳｉ等が一般的に使用されるが、焼結加工による非球面化が可能なカルコゲナイドガラスでは素材自体が高価であるというコスト面での欠点を持つ。

ＧｅあるいはＳｉに至っては、焼結加工が不可能であり、削り出しによる非球面レンズ加工は非常に大きなコストアップにつながる。

かかる問題を解決するために、Ｓｉウエハに対してグレースケールエッチングを用いることで非球面加工を実施する技術も報告されているものの、非球面レンズ化には非常に高度な表面加工技術が必要であり、加工精度の観点で課題が残る。

ここで、上述のレンズ結像性悪化による撮像画像変化の傾向を、図８に模式的に示す。また、図８のＡ－Ｂ間の出力輝度を図９に模式的に示す。

理想的な光学特性を有する光学レンズで被写体撮像を行った場合は、図８の左側の図に示すように、被写体の温度情報および表面放射率に基づく出力輝度を得ることができる。さらに、図９中の実線で示すように、被写体－背景間ぼやけに関しても発生せず、良好な出力を得ることができる。つまり、出力輝度に基づき各部の温度情報を演算により求めることが容易である。

一方、球面Ｓｉレンズに代表される、理想的な光学特性を有していない光学レンズで被写体撮像を行った場合は、図８の右側の図に示すように、被写体の温度情報が背景温度、被写体撮像のサイズ等の影響を受けてしまう。具体的には、図９中の破線で示すように、背景温度が低いほど被写体出力輝度は低く、被写体サイズが小さいほど被写体出力輝度は低くなってしまう。つまり、出力輝度に基づき各部の温度情報を演算により正確に算出することが困難である上に、被写体－背景間ぼやけによる視認性の悪化が発生することになる。

以上の検討を踏まえ、本開示による赤外線撮像装置では、光学特性が理想的でない赤外線透過レンズ１を使用した場合でも、レンズ結像性悪化による画像ぼやけを適正に補正可能とするために、図１に示される装置構成を基本構成とした。以下に、実施の形態１による赤外線撮像装置の動作原理を詳述する。

赤外線透過レンズ１についてあらかじめ設定された非結像性情報に基づいて補正処理を行う光学特性補正部４に関して、以下に説明する。
理想的な光学系を用いた場合を仮定し、二次元アレイ状に配置されている画素配列それぞれの出力値を理想出力値Ｐ（ｉ，ｊ）とする。次に、画素配列中のある点（ｘ，ｙ）に点光源が入射した際の周辺画素への分散度を分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）とする。点（ｘ，ｙ）における実際に出力される実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）は、理想出力値Ｐ（ｉ，ｊ）および分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）で表すと、下記の（１）式で表現できる。

分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）は光学レンズ等で決定される分散度、つまり、光学部材非結像性情報記憶部５において蓄積された赤外線透過レンズ１の非結像性情報であり、出荷検査等での赤外線透過レンズ１を測定した実測値から導出してもよいし、誤差が許容範囲であれば、レンズ設計で算出される理想値としてもよい。また、厳密には入射角に対して分散度は変化するが、誤差が許容されるのであれば、入射角に対して代表値を設けることとしてもよい。

また、分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）は、影響範囲を限定して設定してもよい。つまり、点（ｘ，ｙ）を中心として、数画素もしくは十画素程度の限られた範囲のみの分散が主要因である場合は、その他の画素領域に関しては無視するような処理を行ってもよい。

画素配列それぞれの実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）は実測値であり、光学レンズ等で決定される分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）はあらかじめ算出あるいは測定されているため、（１）式を用いた解析計算によって理想出力値Ｐ（ｉ，ｊ）を算出することが可能である。この場合、分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）の設定を上述のように工夫することで、解析計算の負荷を低減することも可能である。

さらに、解析計算負荷を軽減するため、以下のような線形演算手段を採用してもよい。
点（ｘ，ｙ）における実際に出力される実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）に対して、赤外線透過レンズ１による分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）をさらに乗じたと仮定した場合の出力を仮定出力値Ｓ（ｘ，ｙ）と定義すると、仮定出力値Ｓ（ｘ，ｙ）は下記の（２）式で表すことができる。

この場合、理想出力値Ｐ（ｘ，ｙ）と実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）の差分値と、実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）と仮定出力値Ｓ（ｘ，ｙ）の差分値の比率は、下記の（３）式に変形することができる。

ここで、（３）式の分母の項は、下記の（４）式のように近似される。

一方、（３）式の分子の項は、下記の（５）式のように表される。

つまり、（５）式の左側の項を定数として近似することで、下記の（６）式に示すように、理想出力値Ｐ（ｘ，ｙ）と実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）との差分値と、実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）と仮定出力値Ｓ（ｘ，ｙ）との差分値の比率を比例定数αとして線形近似することが可能となる。

上述のとおり、実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）と分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）から直接、理想出力値Ｐ（ｉ，ｊ）を計算するには、行列計算を含めた複雑な計算が必要であるが、実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）と分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）から、赤外線透過レンズ１による分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）をさらに乗じたと仮定した場合の出力である仮定出力値Ｓ（ｘ，ｙ）に関しては、単純計算により算出することができる。実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）と仮定出力値Ｓ（ｘ，ｙ）から、線形計算により理想出力値Ｐ（ｉ，ｊ）を導出することによって、演算の負荷が大きく低減できる。

線形近似による光学特性の補正値の計算に関して、さらに説明を加える。
理想出力値Ｐ（ｘ，ｙ）、実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）、仮定出力値Ｓ（ｘ，ｙ）の関係性から、模擬的に光学特性の補正の効果を計算した結果を図１０および図１１に示す。

図１０は、理想出力値Ｐ（ｘ，ｙ）を正方形型の被写体を撮像した場合の模擬画像とし、分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）を画面の面内一定値として任意に設定した場合における、理想出力値Ｐ（ｘ，ｙ）、実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）、仮定出力値Ｓ（ｘ，ｙ）および実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）と仮定出力値Ｓ（ｘ，ｙ）から導出される復元画像Ｐ’（ｘ，ｙ）をそれぞれ表し、図１０中の左から１番目、２番目、３番目、４番目の図に対応している。

図１１は、図１０中の理想出力値Ｐ（ｘ，ｙ）、実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）、仮定出力値Ｓ（ｘ，ｙ）および復元画像Ｐ’（ｘ，ｙ）、それぞれのＡ－Ｂ間の出力を表したグラフで、それぞれ、図１０中の左から１番目、２番目、３番目、４番目の図に対応している。

復元画像Ｐ’（ｘ，ｙ）においては、出力値が切り替わるポイントでの補正に関しては誤差が生じるものの、被写体の中心部分における出力値は誤差が小さくなり、温度判定精度が向上する効果が得られる。加えて、出力値が切り替わるポイント、つまり実測出力値Ｑ（ｘ，ｙ）ではぼやけてしまっていた輪郭部分に関しても、若干のエッジ強調の効果が得られている。

本開示の線形近似による光学特性の補正計算は、高温あるいは低温の被写体が隣接している場合においても、同様に温度判定精度の向上とエッジ強調の効果を得ることができる。

図１２および図１３は、それぞれ、図１０および図１１の場合と同様、模擬画像および復元画像と、Ａ－Ｂ間の出力を表したグラフである。

図１３のグラフは、被写体モデルとして、高温あるいは低温被写体が隣接する場合を、図１２のように仮定して補正計算を行った際の出力を表している。図１０および図１１の場合と同様、温度判定精度の向上と、エッジ強調の効果を得ることが確認できる。

実際に、光学レンズで決定される分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）を、
（ａ）光学設計値から導出
（ｂ）２１×２１画素に限定
（ｃ）入射角に対して変化しないものとする
（ｄ）線形演算による出力値の補正
以上、（ａ）～（ｄ）を条件として、光学特性の補正の効果を実撮像データより評価した結果を図１４に示す。

図１４の左側の２図に示す光学特性の補正前の画像では、被写体、すなわち、図中の人物の輝度値が、被写体が小さい場合の方が低く変化していると同時に、人物と背景の境界部分にぼやけが生じている。これに対して、図１４の右側の２図に示す光学特性の補正後の画像では、出力輝度値の変化が小さく、かつ、境界部分のぼやけも改善されている。

図１５のグラフに、同一の補正方法を用いた際の被写体サイズに対する出力温度感度、つまり被写体温度が１℃変化する場合の出力輝度の変化量を計測した結果を示す。図１５中、黒で塗りつぶした丸点は光学特性の補正前の画像からの出力感度値、黒で塗りつぶした三角点は光学特性の補正後の画像からの出力感度値をそれぞれ表す。被写体サイズが極端に縮小した場合、出力感度値は低下してしまうものの、それ以外の場合は出力感度値が一定となるように補正できていることが分かる。

次に、温度測定部６における被写体温度情報の演算について補足説明を加える。
上述のとおり、温度検知部２０２の信号成分は、被写体から放射される赤外線光による温度変化成分と、基板温度、通電による自己発熱成分およびレンズ等の光学系部材、光学系部材を保持する鏡筒などから発せられる赤外線光の成分を含んでいる。つまり、被写体の温度検知を行うためには被写体温度情報の演算を行う必要がある。

一例として、図１６に示される赤外線撮像装置の機能ブロック図のように、赤外線透過レンズ１の前面にメカニカルシャッター８を配置し、基準温度検知部７でメカニカルシャッター８の温度を測定すると同時に、メカニカルシャッター８を撮像した際の出力値を事前に記憶しておく。この構成では、メカニカルシャッター８の温度が基準温度となる。なお、メカニカルシャッター８以外のシャッター機構でも同様の効果を奏することは言うまでもない。

まず、メカニカルシャッター８の温度をＴ_１、求められた出力値をＰ_１と仮定する。次に、メカニカルシャッター８を除いて、被写体を撮像した際の出力を測定する。求められた出力値をＰ_２と仮定する。上述の光学特性の補正を行った後の出力温度感度、つまり、被写体温度が１℃変化する場合の出力輝度変化量をｄＰ／ｄＴとすると、被写体温度Ｔ_２は下記の（７）式で表すことができる。

ここで、出力温度感度ｄＰ／ｄＴは前述の光学特性の補正に関する説明で示したとおり、光学部材非結像性情報記憶部５において蓄積された赤外線透過レンズ１の非結像性情報に基づき光学特性の補正を行うことで、被写体サイズが極端に縮小した場合、出力感度値は低下してしまうものの、それ以外の場合は出力感度値が一定となるように補正できる。つまり、被写体温度Ｔ_２の測定精度が向上することになる。

一方、図１に示される赤外線撮像装置のように、メカニカルシャッター８を構成せず、壁、床等の室温と同等の被写体を撮像し、基準温度検知部７で室温を観測することでも、同等の効果が得られる。

ここで、出力温度感度ｄＰ／ｄＴに関して説明を加える。被写体から放射される赤外線光は、様々な波長帯から構成されるが、全波長帯を積分した放射光量の総和は、プランクの放射則に従い、温度の４乗の特性を持つ。

加えて、赤外線透過レンズ１をはじめとする光学系の透過率は、波長特性を持つ。例えば、Ｓｉレンズであれば、８μｍ帯の波長に関しては透過率が低い一方、１０μｍ～１２μｍ帯の波長に関しては透過率が高い。さらに、赤外線撮像装置２０中の温度検知部２０２の吸収率という観点でも波長特性が存在する。つまり、入射光量波長特性、光学系波長特性およびセンサ吸収率波長特性の積を行い、かつ、全波長積分を行った結果が、検知可能な入射光量となる。

出力温度感度ｄＰ／ｄＴは、この検知可能な入射光量に比例する値であり、被写体温度に対して複雑な関数系を持つことになる。出力温度感度ｄＰ／ｄＴを演算に用いるにあたり、被写体温度に対して換算テーブルを持ってもよいし、二次あるいは三次関数の関数系としてもよい。なお、測定誤差が許容できるのであれば、一次関数系としてもよい。

これらの補正回路構成および演算回路構成により、球面Ｓｉレンズに代表される、理想的な光学特性を有していない光学レンズで被写体撮像を行った場合においても、光学部材非結像性情報記憶部５において蓄積された赤外線透過レンズ１の非結像性情報に基づき光学特性の補正を行うことで、被写体の温度情報が背景温度、被写体撮像サイズ等の影響を受けず、被写体温度の換算精度を向上することができる。同時に、被写体－背景間ぼやけによる視認性の悪化を解消し、輪郭が強調された画像を得ることができる。

実施の形態２．
図１７は、実施の形態２による赤外線撮像装置の機能ブロック図である。
実施の形態１による赤外線撮像装置の構成要素に加えて、信号処理部３と光学特性補正部４の間に、温度検知対象導出部２３を配置する。温度検知対象導出部２３により、赤外線撮像素子２の画面内の温度測定箇所を限定し、限定された部分にのみ光学特性の補正を実施する。これにより、光学特性の補正に必要な演算量は著しく減少させることができる。同時に、指定された温度測定箇所に関しては、被写体温度の換算精度を向上するという効果を得ることができる。

例えば、温度検知対象導出部２３で導出する温度測定箇所は、画面内出力輝度の最大点のみに設定してもよいし、画像解析により、複数点を設定してもよい。あるいは、常時同一のポイントを指定してもよい。

実施の形態２による赤外線撮像装置により、球面Ｓｉレンズに代表される、理想的な光学特性を有していない光学レンズで被写体撮像を行った場合においても、光学部材非結像性情報記憶部５において蓄積された赤外線透過レンズ１の非結像性情報に基づき光学特性の補正を行うことで、被写体の温度情報が背景温度、被写体撮像サイズ等で影響を受けず、被写体温度の換算精度を向上することができるという、実施の形態１の効果を奏すると同時に、演算負荷を大きく減少させることができるという新たな効果が得られる。

実施の形態３．
図１８は、実施の形態３による赤外線撮像装置の機能ブロック図である。
実施の形態１による赤外線撮像装置の構成要素に加えて、温度測定部６の後段に、レベル安定化代表点抽出部２１と、レベル安定化代表点抽出部２１の出力を受ける輝度値調整部２２とを配置する。温度測定部６で測定された出力のうち、被写体が移動した部分、つまり、出力値が大きく変動していない部分は、室温レベルであり実温度は大きく変化していないと推測される。

一方、温度検知部２０２の信号成分は、基板温度、通電による自己発熱成分およびレンズ等の光学系部材、光学系部材を保持する鏡筒などから発せられる赤外線光の成分を含んでいる。つまり、風、直射日光、その他外乱影響および環境温度等の変動により、信号レベルは変動することになるため、出力値が安定しない場合がある。

出力値が大きく変動していない部分をレベル安定化代表点抽出部２１で判定し、出力値のレベルが大きく変動していないと判定された部分の座標データを温度測定部６に出力する。温度測定部６では指定の座標データ出力を一定とするような画面輝度補正、もしくは判定温度補正を実施することで、外乱影響に影響されずに温度判定および画像生成が可能となる。

レベル安定化代表点抽出部２１では、例えば複数の固定点を常に温度判定し、その出力値の時間偏差が小さい画素を指定画素、すなわち、代表点としてもよく、もしくは画面全体で画像解析を行うことで精度を高めてもよい。一例としては、出力値の変動が予め定められたしきい値未満である画素を指定画素、すなわち、代表点として抽出するようにしても良い。輝度値調整部２２はレベル安定化代表点抽出部２１の出力を受けて、指定画素、すなわち、代表点の輝度を調整する。

実施の形態３による赤外線撮像装置により、球面Ｓｉレンズに代表される、理想的な光学特性を有していない光学レンズで被写体撮像を行った場合においても、光学部材非結像性情報記憶部５において蓄積された赤外線透過レンズ１の非結像性情報に基づき光学特性の補正を行うことで、被写体の温度情報が背景温度、被写体撮像サイズ等の影響を受けないため、被写体温度の換算精度が向上する。

さらに、被写体－背景間ぼやけによる視認性の悪化を解消し、輪郭が強調された画像を得ることができるという実施の形態１の効果を奏すると同時に、外乱の影響を低減した判定ができるという新たな効果が得られる。

実施の形態４．
図１９は、実施の形態４による赤外線撮像装置の機能ブロック図である。
実施の形態１による赤外線撮像装置の構成要素に加えて、信号処理部３と光学特性補正部４の間に、温度影響演算部９を配置し、温度影響演算部９には基準温度検知部７からの基準温度情報と、出力影響演算係数記憶部１０が接続されている。出力影響演算係数記憶部１０では、あらかじめ保有された基準温度に対する出力変位傾向が記憶されている。

温度影響演算部９では、基準温度検知部７からの基準温度情報と、基準温度に対する出力変位傾向を組み合わせることにより、出力値の補正を実施する。これにより、実施の形態３による赤外線撮像装置２０で説明した、風、直射日光、その他外乱影響、環境温度等の変動による、信号レベルは変動を補正することができ、出力値を安定させることができる。

実施の形態４による赤外線撮像装置より、球面Ｓｉレンズに代表される、理想的な光学特性を有していない光学レンズで被写体撮像を行った場合においても、光学部材非結像性情報記憶部５において蓄積された赤外線透過レンズ１の非結像性情報に基づき光学特性の補正を行うことで、被写体の温度情報が背景温度、被写体撮像サイズ等の影響を受けず、被写体温度換算精度が向上する。

さらに、被写体-背景間ぼやけによる視認性の悪化を解消し、輪郭が強調された画像を得ることができるという、実施の形態１の効果を奏すると同時に、実施の形態３と同様、外乱の影響を低減した判定ができるという新たな効果を得られる。また、シャッター補正の頻度低減、さらにはシャッター機構自体を廃することができる。

実施の形態５．
図２０は、実施の形態５による赤外線撮像装置の機能ブロック図である。
実施の形態１による赤外線撮像装置で示した構成要素のうち、基準温度検知部７において検知する基準温度は、赤外線撮像素子２内に配置された温度センサ出力としてもよい。上述のとおり、温度検知部２０２の信号成分は、基板温度、通電による自己発熱成分、およびレンズ等の光学系部材、光学系部材を保持する鏡筒などから発せられる赤外線光の成分を含んでいる。赤外線撮像素子２の温度を正確に測定することで、温度判定精度を向上させることが可能となる。

実施の形態５による赤外線撮像装置により、球面Ｓｉレンズに代表される、理想的な光学特性を有していない光学レンズで被写体撮像を行った場合においても、光学部材非結像性情報記憶部５において蓄積された赤外線透過レンズ１の非結像性情報に基づき光学特性の補正を行うことで、被写体の温度情報が背景温度、被写体撮像サイズ等の影響を受けず、被写体温度の換算精度が向上する。さらに、被写体-背景間ぼやけによる視認性の悪化を解消し、輪郭が強調された画像を得ることができるという、実施の形態１の効果を奏すると同時に、温度判定精度をさらに向上させることが可能となる。

なお、実施の形態１～５による赤外線撮像装置の構成は、いずれも機能ブロック図を用いて説明した。上述の各機能ブロックを格納するハードウエアとしての構成の一例を図２１に示す。ハードウエア３００は、プロセッサ３０１と記憶装置３０２から構成される。記憶装置は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ３０１は、記憶装置３０２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ３０１にプログラムが入力される。また、プロセッサ３０１は、演算結果等のデータを記憶装置３０２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。

従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１赤外線透過レンズ、２赤外線撮像素子、３信号処理部、４光学特性補正部、５光学部材非結像性情報記憶部、６温度測定部、７基準温度検知部、８メカニカルシャッター、９温度影響演算部、１０出力影響演算係数記憶部、１２画素領域、２１レベル安定化代表点抽出部、２２輝度値調整部、２３温度検知対象導出部、１００画素部、１０１読み出し回路、１０２駆動線選択回路、１０３信号出力端、２００駆動線配線、２０１中空支持脚配線、２０２温度検知部、２０３信号線配線、２０４基板、２０５中空断熱構造、２０６熱電変換機構、３００ハードウエア、３０１プロセッサ、３０２記憶装置

Claims

被写体から放射される赤外線光を集光する赤外線透過レンズと、
前記赤外線透過レンズで集光された赤外線光を電気信号に変換する画素が、二次元アレイ状に配置された画面を有する赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子からの前記電気信号をデジタル信号に変換する信号処理部と、
前記信号処理部の出力と、前記信号処理部の出力に前記赤外線透過レンズの分散度を乗じた出力との差分値に、比例定数を乗じた数値に基づき光学特性の補正を行う光学特性補正部と、
基準温度を検知する基準温度検知部と、
前記光学特性補正部の出力と前記基準温度検知部の出力に基づき、前記被写体の絶対温度換算を行う温度測定部と、を備え、
前記二次元アレイ状に配置されている画面がｉ×ｊ個の画素で構成され、理想的な光学系を用いた場合の出力値を理想出力値Ｐ（ｘ，ｙ）、前記赤外線透過レンズにおける画素配列中の点（ｘ，ｙ）に点光源が入射した際の周辺画素への分散度を分散度ｒ_{（ｘ，ｙ）}（ｉ，ｊ）、点（ｘ，ｙ）における実際に出力される実測出力値をＱ（ｘ，ｙ）、前記比例定数をα、仮定出力値Ｓ（ｘ，ｙ）を、

とする場合、下記の式、

から前記理想出力値Ｐ（ｘ，ｙ）を算出することを特徴とする赤外線撮像装置。
前記赤外線透過レンズの前面にシャッター機構を配置し、前記基準温度検知部によりシャッター機構の温度を測定して、前記温度測定部での演算に適用することを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像装置。
前記基準温度が、前記基準温度検知部で測定された前記赤外線撮像素子の温度であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像装置。
前記赤外線撮像素子の画面内から温度測定箇所を限定する温度検知対象導出部をさらに備え、
前記光学特性補正部が、前記温度検知対象導出部により限定された代表点を演算の対象とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
出力値の変動がしきい値未満である画素を抽出するレベル安定化代表点抽出部と、
前記レベル安定化代表点抽出部の出力に基づき画素の輝度値を調整する輝度値調整部と、をさらに備え、
前記光学特性補正部が、前記レベル安定化代表点抽出部および前記輝度値調整部の出力を含めて、前記信号処理部の出力に対して出力値の補正を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
前記基準温度に対する出力変位傾向を記憶する出力影響演算係数記憶部と、
前記出力変位傾向に基づき前記基準温度検知部の出力の補正を演算する温度影響演算部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。