JPH0231122A - 熱放射検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、被写体からの放射を受けその出力端子に放射
に応じて変化する電圧信号を発生する少なくとも１つの
焦電検出器を具え、該検出器の出力端子を該検出器によ
り発生された電圧信号を処理する信号処理回路を経て装
置の出力端子に結合して成る熱放射検出装置に関するも
のである。

（従来の技術） 焦電装置を用いる熱検出器は一般に公知である。

これら検出器は例えば熱撮像、赤外ライン走査及び侵入
者検出のような多くの種々の目的に使われている。単能
動素子を具えた単焦電装置は例えば侵入者を検出する簡
単なシステムに用いることができるが、現在では一次元
又は二次元に配列された焦電素子のアレーが撮像用のよ
うなもっと複雑なシステムに一般に使用されている。焦
電素子は一般に２個の電極間に挟まれた焦電材料の層か
ら成る。焦電材料の温度が例えば被写体からの赤外放射
の入射の結果として変化すると、電荷が電極に発生する
。焦電素子を適当な増幅回路内にキャパシタとして配置
すれば発生電荷を電流又は抵抗の両端間に発生する電圧
として検出することができる。無電荷は素子の温度が変
化しているときにのみ発生するため、連続的な信号電流
を得るためには素子温度を連続的に変化させる必要があ
る。

簡単なシステムでは、所要の温度変化は視野内の移動物
体を例えば監視区域を横切る侵入者により生じさせて、
移動物体の存在を示す検出出力を発生させることができ
、この信号を用いて警報をトリガさせることができる。

或いは又、被写体の像を必要がある場合には、適当な光
学系を用いて、或いは検出器を被写体に対し移動させる
ことにより被写体を走査することができる。

これらの方法は入射放射に時間変調を与えて焦電素子を
応答可能にするものであるが、検出器の前で光学チョッ
パを用いる方が好ましいと考えられている。光学チョッ
パ（回転有孔ディスクの形態にし得る）は入射放射を周
期的に断続して、被写体からの放射が遮断されている間
は焦電素子は略々一定の基準温度にのみさらされるよう
にする。

断続の周波数は数ヘルツから数百ヘルツの範囲内にする
ことができる。

焦電素子の被写体への露光は素子の温度変化を生じ、素
子の熱時定数により決まる速度で漸増する電圧を発生す
る。素子の熱時定数は熱容量と熱伝導係数との比により
決まる。焦電素子の静的被写体への長時間に亘る一定の
露光は検出器内の電荷漏洩効果により減衰する過渡信号
を発生する。

素子からの熱損失は放射であり、素子が装着された基板
のヒートシンクによっても影響される。熱平衡に到達す
ると、信号は消滅する。これがため、チョッパを使用す
ると、信号出力はチョッパ周波数に依存し、チョッパ周
波数は検出器の熱時定数及び電気時定数に関連して選択
する。検出器が比較的長い熱時定数を有するものとする
と、入射放射の断続により、徐々に増大し熱平衡時に平
坦になる直流成分上に重畳された交流成分を有する温度
変化曲線が焦電素子に生ずる。交流成分は入射放射に略
々比例する対応交流出力電圧を発生する。

従来より、チョッパを用いる熱検出器においては出力信
号の質を向上させるために差分信号処理技術が使われて
いる。差分処理は長年の間、例えば焦電ビジコンのよう
な焦電撮像システムに対し使用されており、有益な処理
機能をもたらす。撮像システムに適用されるこの種の処
理の一例は米国特許第４０７２８６３号明細書に記載さ
れている。簡単に説明すると、アレー内の多数の焦電素
子の各々からの出力信号をシフトレジスタの制御の下で
各別のＦＥＴによりメモリ又は遅延線へとゲートすると
共に差動増幅器の一方の入力端子へとゲートする。メモ
リの出力端子をこの差動増幅器の他方の入力端子に接続
する。これがため、各焦電素子がチョッパにより交互に
被写体に露光され且つ遮断される期間に対応する順次の
フレーム周期中に各素子により発生された信号が差動増
幅器とメモリに供給される。メモリはこれらの信号を１
フレ一ム周期だけ遅延して差動増幅器に供給するため、
この増幅器はチョッパの開状態によりそれぞれ発生され
た各素子からの１対の順次の信号の差を表わす信号を発
生する。チョッパの閉状態中に素子は例えば放射により
冷えるため、この状態中に発生する素子信号はチョッパ
の開状態中に発生する信号と反対極性になる。従って、
増幅器は順次のチョッパフレーム中に発生する信号を実
際上加算することになる。これがため、チョッパの開及
び閉フレーム中略々一定である固定のパターンノイズは
差動増幅器により相殺される。差動増幅器からの出力は
チョッパと同期したスイッチを経て反転増幅器の反転入
力端子と非反転入力端子に交互に供給して同一極性の信
号列を発生させる。次いで、これらの信号の各々を加算
回路に供給し、メモリに蓄積されている信号に加算する
。加算した信号を次いでメモリに帰還する。加算回路に
順次に供給される信号はその都度メモリ内に蓄積されて
いる信号に加算される。このようにして各焦電素子によ
り発生された信号は所定の期間に亘り積分される。メモ
リからの出力は表示装置のような利用装置に供給される
。

同様の処理技術がｒｓＰＩＥ　Ｖｏｌ、　８０７＋　Ｐ
ａ５ｓｉｖｅＩｎｆｒａｒｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎ
ｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊ　１９８７年、第９８〜
１０５頁に発表されているワラトン及びマニングの論文
ｒＴｈｅ　Ｄｅｓｔｇｎ　ｏｆ　Ｌｏｗ−Ｎｏｉｓｅ　
Ａｒｒａｙｓ　ｏｆＭＯ５ＦＥＴｓ　ｆｏｒ　Ｐｙｒｏ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ａｒｒａｙ　ＲｅａｄｏｕＪに開示
されている。これにも差分処理技術が記載されており、
この技術ではチョッパがそれぞれ開閉する２つの順次の
フィールド周期（この周期は熱時定数より短いものとす
る）からのアレー内の個々の素子の出力信号をフィール
ド遅延を用いて互いに減算している。このように処理さ
れた出力は素子ごとに変化するオフセットが除去された
ものになり且つ固定のパターンノイズが除去されたもの
になる。これがためこの処理技術は低周波雑音用のフィ
ルタとして作用する。比較的長い時定数が存在する検出
器においてはフレーム（＝２フィールド）ストアを必要
とする順次の３フイ一ルド信号を用いる変形差分画像処
理技術を用いることができる。

これら既知の装置においては満足な動作はチョッパの使
用に鎖っている。尚、検出装置はチョッパを用いないで
動作させることができ、この場合にも簡単な差分画像処
理技術を用いて、受信放射の変化に従って変化する出力
信号を得ることができる。しかし、この装置からの出力
は受信放射の変化を忠実に表わさない。これは素子の有
限の熱時定数及び電気時定数の影響のせいである。チョ
ッパなしでは出力信号の波形は誤りや歪みを含むものと
なる。

（発明が解決しようとする課題） これがためチョッパは焦電検出器の満足な性能に重要で
あると考えられているが、その使用には欠点が伴う。即
ち、電気機械素子であるチョッパは装置を大形にすると
共に重くし、且つ適当な電源も必要とする。更に、焦電
素子のアレーから成る熱検出器に対し使用する場合には
チョッパの動作をアレーの素子の電子走査と同期させる
必要がある。更にチョッパの使用は、被写体から所定時
間に亘って受ける放射の量が連続露光の場合に比べて著
しく減少することになる。

本発明の目的はチョッパの使用を必要とせず、従ってこ
れに伴う上述の欠点がなく、しかも受信放射をチョッパ
・しない装置と関連する出力信号の誤りを殆ど除去する
ことができ、受信放射を忠実に再生する出力を発生する
頭書に記載した種類の熱放射検出装置を提供することに
ある。

（課題を解決するための手段） 本発明の第１の特徴は、前記処理回路は、前記検出器か
らの電圧信号に応答して、前記検出器からの電圧信号に
比例する第１成分と前記検出器からの電圧信号の変化率
に比例する第２成分とを検出器の熱時定数の値に応じた
相対的割合で含む出力信号を発生する処理段を具えてい
る点にある。

本発明の第２の特徴は、被写体からの放射を受けその出
力端子に放射に応じて変化する電圧信号を発生する少な
くとも１つの焦電検出器を具え、該検出器の出力端子を
該検出器により発生された電圧信号を処理する信号処理
回路を経て装置の出力端子に結合して成る熱放射検出装
置において、前記信号処理回路は、検出器からの電圧信
号に応答して、該電圧信号に応じて変化する第１信号か
ら少なくとも部分的に取り出した補正因子を発生し、該
補正因子を検出器からの電圧信号の変化率に応じて変化
する第２信号と、検出器の熱時定数の値に応じた割合で
合成して補正された出力信号を発生するよう構成しであ
る点にある。

本発明の斯かる装置はチョッパの助けをかりずに高忠実
度の出力信号を得ることができ、従ってチョッパと関連
する問題、即ち大型化や高電力化や信号損失の増大のよ
うな問題を避けることができる。検出器の出力信号の変
化率に比例する信号を発生し、この信号を熱時定数を包
含するように修正する処理回路を用いることにより受信
放射信号の波形を略々忠実に再生する出力が発生される
。

本発明は性能に関し、更にいくつかの利点を提供するも
のである。理論的考察によれば、上述の処理手段の使用
はチョッパを用いる前述の従来の検出装置と比べて２倍
の応答度及び２倍以上の検出感度をもたらすことが証明
される。更に、本発明検出装置によれば雑音が約１．５
分の１に低減する。

従って本発明の利点は顕著である。

本発明の一実施例では、補正因子は第１信号に比例する
ものとし、これを第２信号に加えて補正された出力信号
を発生させるようにする。

検出器の出力信号の変化率に応じて変化する信号は、関
連の如く検出器の電圧信号に比例する信号を規則正しい
時間間隔でサンプリングし、順次のサンプル電圧を互い
に減算することにより、或いは微分回路により取り出す
ことができる。

検出器はソースホロワに接続された焦電素子を具え、そ
のソースホロワから検出器の出力信号が得られるように
するのが好ましい。

検出器の出力信号が検出期間の開始時に、例えば装置が
その前に過負荷状態になったために所定のレベル（例え
ば零レベル）にならないことがあることを考慮するため
に、処理回路は検出器の電気時定数を考慮して検出器の
出力信号の時間に関する成分値に比例する第３成分を含
む出力信号を発生し、第１及び第３成分の相対割合が検
出器の電気時定数に応じた比率になるように構成する。

本発明の実施例ではこれを、補正因子が第１信号の時間
に関する積分値に比例する追加の成分を含み、且つ補正
因子と第２信号との割合が検出器の電気時定数に応じた
比率になるようにすることにより実現する。これにより
、例えば過負荷状態後に検出器の出力信号がソースホロ
ワ入力端子の大きな電圧の指数関数状減衰（検出器の電
気時定数により決まる）により生ずる誤差信号に埋もれ
てしまうという問題が解消される。

本発明は少なくとも１つの焦電素子のリニアアレーから
成る複数の焦電素子を具えた熱放射検出装置に特に好適
である。

（実施例） 図面につき本発明熱放射検出装置の実施例を説明する。

第１図は本発明熱放射検出装置の一実施例のブロック図
を示し、本例装置はインピーダンス変換用ソースホロワ
の対応するアレーを含む集積回路１２に接続された焦電
素子のリニアアレー１０と、アドレスデコーダ１５の制
御の下でソースホロワの出力をサンプリングしてライン
１６に単チャネル電圧信号を出力するマルチプレクサ１
４とを具えている。

ライン１６上の信号は、高周波数遮断フィルタ１７によ
りろ波し、２０で示す処理回路で処理する前に増幅器１
８で増幅することができる。動作中、アレーの焦電素子
は被写体からの放射に露光し、この際チョッパは使用せ
ず、例えば適当な光学系により又はアレーの移動により
被写体をアレーと相対的に移動させ、これら焦電素子が
入射放射レベルの変化により生じたそれらの温度変化に
従って電荷を発生するようにする。処理回路２０を除い
て上述の構成部はｒＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　５
ＰＩＥ　Ｊ　ＶＯｌ、　８０７＋１９８７年、第９２〜
９７頁のターンプル及びクーツの論文ｒＨｉｇｈ　Ｒｅ
５ｏｌｕｔｉｏｎ　６４−Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｐｙｒｏｅ
ｌｅｃｔｒｉｃＬｆｎｅａｒ　Ａｒｒａｙ　ＩＲＤｅｔ
ｅｃｔｏｒ、１に開示されているものと同様である。第
２図も参照して簡単に説明すると、各高インピーダンス
焦電素子は集積回路１２内の逆並列接続の２個のダイオ
ードから成る低リーク装置２２により分路される。素子
１１の一端はソースホロワ回路２３のゲートに接続され
、このソースホロワ回路から出力が得られる。各素子１
１はその各自の低リーク装置２２及びソースホロワとと
もに個別の能動検出器を構成している。全ての素子に共
通の１個以上の基準低リーク装置１９とキャパシタも設
け、その一端を高利得負帰還ループ２１を経て基準装置
の他端に接続すると共に共通ラインを経て各焦電素子の
他端にも接続しである。高利得負帰還ループは基準装置
の一端における直流オフセットを零に低減するように作
用し、従って各焦電素子の出力端子の出力電圧に含まれ
る直流オフセットが略々零になる。低リーク装置は大き
な温度変化の場合に素子の出力電圧を制限するのみなら
ず負帰還ループに対する直流接続も設定する。

周囲温度、即ち装置の温度のランプ（単調な変化）の結
果として発生される信号の補償は、前記のターンプル及
びクーツの論文に記載されているように、対応する個数
の追加の焦電素子（図を簡単にするために図示してない
）を設け、追加の各素子をアレーの各素子１１と逆並列
に接続すると共に永久に入射放射から遮蔽することによ
り得ることができる。周囲温度の変化は関連する焦電素
子対に等しく影響を与えるためその影響が互いに相殺さ
れる。

各焦電素子１１はＭＯＳＦＥＴ又はＪＦＥＴソースホロ
ワ２３と関連して素子の極めて高いインピーダンスと電
子回路に見られる通常のインピーダンスレベルとの結合
を与えるものである。各ソース負荷２４は線形領域で動
作し高い抵抗を構成する直列配置の２個の小さなデプリ
ーション型ＭＯ５ＦＥＴで構成される。

これらソースホロワからの出力はマルチプレクサ１４に
より順次にサンプリングされる。

マルチプレクサ１４は各ソースホロワ出力端子とライン
１６に至る共通ラインとの間の一連のＭＯＳスイッチか
ら成る。ライン走査帰還においてアレー〇焦電素子から
のソースホロワ出力が順に読出され、この処理が順次の
走査期間においてくり返されて順次のライン走査出力信
号が得られ、これら信号は被写体がアレーに対し移動す
る場合にはラスク走査に類似のフレームを構成して被写
体の完全な電子画像を形成することができる。行列配置
の二次元アレーの場合には行を順に走査すればよい。

焦電素子１１は英国特許第２１０００５８号明細書に記
載されている方法で形成することができ、対向主表面上
に電極を具えたチタン酸バリウムのような焦電セラミッ
ク材料から成る。或いは又は、有極ＰｖＣ材料を用いる
こともできる。

装置の動作を考察すると、特に例えば被写体の像が焦電
素子のアレー１０を横切って掃引される場合、即ち個々
の素子が被写体の個々の帯部分を見るようにアレーの長
さ方向を横切る方向に走査された被写体の像の場合には
、アレーの任意の所定の素子ＩＩがＩＲ（赤外）放射パ
ルスの列に露光される。各焦電素子と関連するソースホ
ロワに発生される電圧信号出力は増幅器１８及びフィル
タ１７を経て処理回路２０に直列に供給される。

処理回路２０の動作の以下の説明を簡単にするために、
アレーの１つの代表的な焦電素子に対し行われる信号処
理について説明する。この素子により受信されたＩＲ放
射信号は第３（ａ）図に示すように変化するものとし、
且つ検出器の電気時定数は比較的大きいものとすると、
素子の温度Ｔの経時変化及びこれに応じて関連するソー
スホロワ（又は増１幅器）の出力端子に発生ずる電圧Ｖ
の経時変化は第３Φ）図に示すようになり、両値の波形
は互いに略々一致する。素子温度及び出力電圧は徐々に
上昇し、徐々に減少する。これは素子の熱時定数のせい
である。受信ＩＲ放射信号に波形がもっと合致する電圧
信号を取り出すために、処理回路２０は最初にこの電圧
信号を微分し、例えば所要の解像度に対し十分に短いタ
イムインターバルでｍＪＩＵ正しくサンプリングすると
共に順次の値を互いに減算することにより実質的に微分
する。任意のサンプリング瞬時の電圧を次のサンプリン
グ瞬時の電圧から減算すると一連の電圧差ΔＶが得られ
る。

このサンプリング差分技術の代わりに検出器の出力信号
に作用する微分回路を用いることができる。

微分した電圧信号を第３（Ｃ）図にｙで示し、この信号
は図から明らかなようにＩＲ倍信号一層よく近似する。

この信号ｙはΔＶ／ｌｓに等価であり、ここでｔｓはサ
ンプリング周期である。

ＩＩ？パ／Ｌ／　Ｘ　列の若干のＩＲパルスは素子の熱
時定数（通常、素子のサイズ、支持基板及びその他のパ
ラメータに依存し０．０５〜０．５秒）と同程度の持続
時間を有し得るので、この簡単な差分技術により得られ
る信号は第３（Ｃ）図から明らかなように誤差又は変形
を含む。即ち、ＩＲパルスの前縁及び後縁において信号
ｙの対応部分はオーバーシュート及びアンダシュートを
示すと共に、入射放射の略々一定レベルの期間中、信号
ｙは傾斜を示す。

これらの誤差は処理回路２０内の他の信号処理により略
々除去される。実際には、信号ｙの時間に関する積分信
号Ｉを予め実験的に測定するか計算した焦電素子の熱時
定数ＴｃＯ値に従って割算により修正して補正因子１／
Ｔｃを発生させる。この補正因子を次いでもとの信号ｙ
に加算して第３（ｄ）図に示すような補正された出力信
号を発生させる。

この図から明らかなようにこの補正をされた出力信号は
受信［信号の波形を忠実に再生している。

このようにして得られる出力信号の完全性は、チョッパ
と画像差分処理技術を用い、チョッパ処理により画像差
分処理後の信号がＩｔ？パルスに近似するようにする前
述した既知の装置により得られる信号に匹敵する。しか
し、本発明装置、特に上述の信号補正技術の適用によれ
ば、第１に応答度が約２倍に向上し、第２に検出感度が
２倍以上に向上し、第３に総合実行雑音が１．５分の１
に減少すると共に、チョッパを設ける必要もなくなる。

本発明装置の動作を末尾の表に示す種々の式を用いて以
下にもっと詳細に説明する。

焦電素子の温度変化は式（１）により与えられ、ここで
Ｔはシンクの温度を越えた温度、Ｇは焦電素子のシンク
に対する熱伝導度、Ｒは入射放射の強度、Ｌは時間、Ｔ
、は１＝０のときのＴの値、及びＨは素子の熱容量であ
る。

素子により発生される電流ｉは式（２）により与えられ
、ここでｐは焦電係数及びＡは素子面積である。

式（２）に式（１）のＴを代入すると、熱時定数Ｔｃは
ＨをＧで割ったものに等しいため、式（２）は式（３）
のように書き表わせる。

Ｔ、−０の簡単な場合、弐（１）は簡単になり、その結
果得られる関数は第３（ｂ）図のＴの波形の曲線部分の
形状を示す。

ソースホロワの出力端子の電圧を構成する電圧■は式（
４）で与えられ、ここでＴｅ及びＣｅは検出器回路から
ソースホロワまでの電気時定数（素子のキ十パシタンス
と検出器２２の抵抗値とにより生ずる）及びソースホロ
ワ入力端子の総合キャパシタンスであり、ｖｏはｔ、−
０のときの■の値である。

Ｔ０＝０、ｖ０＝０の簡単な場合であって、ＴｅがＴｃ
より遥かに大きい場合には、この式は式（５）に示す形
に簡単化される。従って、■の波形は第３（ｂ）図に示
すようにＴの波形と正解に同一になる。

電圧Ｖは、処理回路２０によりこの電圧を時間間隔ｔｓ
でサンプリングすると共に各サンプリングの値を次のサ
ンプルの値から減算することにより実質的に微分する。

このようにすると得られる信号はＶ　（ｎ＋１）−Ｖ　
（ｎ）の時系列を含み、ここでＶ　（ｎ＋１）及びＶ　
（ｎ）はｔ　＝　ｔ　（ｎ＋１）及びｔ　＝　ｔ　（ｎ
）における電圧値であり、ｔ、　（ｎ＋１）　　　ｔ　
（ｎ）　−ｔｓである。

この微分信号は信号■を微分回路に供給することにより
得ることもでき、第３（Ｃ）図に示す上述の信号ｙに等
価である。これがため、小サンプリング周期に対してｙ
＝ｄＶ／ｄｔになる。弐（５）を微分すると式（６）で
示すｙが得られる。ｙの波形は一般に、ｌフレーム走査
期間中のＬの全ての値に対してＴｃ＞＞　を及びＴｅ＞
＞　ｔである場合にのみＩＲパルス列の波形に追従する
。第３（ａ）図に示すようなＩＲパルス列の場合、ｙの
波形はパルスの終端及び始端にアンダーシュート及びオ
ーバーシュートを有する弐（６）の指数関数に従った減
衰パルス波形になる。

今、ｙをΔＶ／ｌｓと定義すると、１＝０におけるΔ■
の初期値は式（６）から式（７）で与えられる。

比較のために、チョッパを用いる等価な装置について考
察するとこの装置ではダイナミック平衡状態において電
圧差Ｖ、−Ｖ、は式（８）を満足し、ここでｖ２及びｖ
Ｉは時間ｔ２及び１＋の■の値であり、チョッパはｔｚ
−ｔｌに対応する同一の期間ｔｃ中開閉する。

従って、この電圧差はチョッパを用いない場合において
ｔｓをｔｃに等しくしたとき得られる値（弐（７））の
正確に半分になる。順次の３つのサンプリング時間ｔ＋
、　ｔｚ及びｔ３における電圧ＶＩ＋　ｖ２及びＶ、を
考察し、ここでｔｚ　　ｔｌ　＝　ｈ　　ｈ＝　ｔｃで
、この期間中チョッパが開くか閉じるものとし、且つ画
像差分処理技術を適用するものとすると、ダイナミック
平衡状態が存在してもしてなくても（Ｖｚ　　Ｖｄ（Ｖ
３　　ｖｚ）は全てのしに対し式（８）で与えられる（
ＶＺ−Ｖ＋）の値の２倍に等しくなる。

これがため、チョッパを用いて信号を取り出すと有効期
間ｈ　　ｔｌ（＝２ｔｃ）中の信号は式（８）で与えら
れる信号の２倍になる。式（７）と式（８）を比較する
よ、（１＝０において）同一の実効サンプリング周期ｔ
ｓ＝２ｔｃに対しチョッパを用いないときに得られる信
号はチョッパを用いるときに得られる信号の２倍になる
。

再び式（６）にもどり考察するは、ありそもないがＬが
常にＴｃに対し極めて小さくない場合には信号ｙはｌＲ
パルス列に追従しない。ＲのＰｉなステップ関数の場合
には、Δ■は式（９）のように書き表わせる。ΔＶを０
ともとの間の時間に関し積分して積分値Ｉを得、これを
Ｔｃで割算すると、式（１０）で示す関係式が得られる
。

Ｔ／ＴｃをΔ■に加えると、ΔＶｃ、即ちΔ■の補正さ
れた値が得られ、これはΔＶＯ（弐（９））に等しく、
従ってＲに正比例する。

Ｒの一連のステップ関数に対し、回折によって、補正さ
れた信号ΔＶｃは常にＲに比例することを示すことがで
きる。従って、もとの信号Δ■中の誤差はＬの全ての値
に対し補正因子（Ｉ／Ｔｃ）をΔ■に加えることにより
補正される。

本発明装置の雑音に関しては、数学的回折により、白色
雑音に対しては補正因子（１／Ｔｃ）の付加により生ず
る追加の雑音が極めて小さ（なることが示される。補正
因子（例えば５０個の焦電素子を有し、各素子は５Ｘ１
０−’の熱時定数Ｔｃを有し、且つサンプリング期間ｔ
ｓが１０−３秒である実施例では約１．０５Ｘ１０−’
である）の付加により得られる信号の部分的増大によっ
て、信号対雑音比の改善が確かめられた。

同様に、補正因子の適用によって１／ｆ雑音（ｒは周波
数）の増大も極めて小さく、無視することができる。

チョッパを用いない本発明の装置において得られる雑音
と、チョッパと画像差分処理を用いる等価な従来装置に
おいて得られる雑音とを比較すると、本発明の装置に対
する実効雑音値は等価な従来装置で得られる実効雑音値
の約１．５分の１になることが確かめられた。

処理回路２０の種々の段の動作を説明する簡単化した回
路図を第４ａ図に示しである。この回路図はアレーの１
つの代表の焦電素子に対応する処理動作を示すものであ
る。当業者であれば、焦電素子アレーに対する所望の信
号処理にはライン１６に直列に現れる各素子の信号を蓄
積する手段が必要とされることは理解される。増幅器１
８で増幅された信号■を減算器３２の一方の入力端子に
供給すると共に信号を１サンプリング期間保持する遅延
素子又はメモリ３１にも供給し、その出力を減算器３２
の他方の入力端子に供給する。この減算器３２は２個の
順次の信号（例えばＳ及び５−１）の差に対応する出力
を発生し、従って、この出力は実際上Δ■倍信号式））
）を構成する。このΔ■倍信号時間りに関し積分する積
分器３３に供給し、その出力を割算器３４において定数
Ｔｃで割算して補正因子を得、次いでこの補正因子を加
算器３５に供給し、ここで遅延素子又はメモリ３６に一
次的に蓄積されたΔ■倍信号加えて補正された信号出力
を得る。素子３１及び３２は信号ｙを直接出力する微分
回路と置き換えることもできる。積分器３３からの出力
は処理回路２０への人力信号、即ち増幅後の信号Ｖに等
価である。これがため、この入力信号を割算器３４に供
給することもできる。このように変更した処理回路の例
を第４ｂ図に示しである。本例では検出器の出力信号を
増幅後に微分回路と割算器をそれぞれ含む並列ブランチ
に供給する。次いで、両ブランチからの出力を加えて補
正された出力信号を得る。

処理回路２０の動作の以上の説明においては、特に数学
的説明に関しては考慮中の信号及びこれら信号に行う処
理は理解を容易にするために故意に簡単化した。例えば
、フレーム期間の開始時のＬ＝０における各焦電素子の
ソースホロワの入力端子における初期電圧は十分に小さ
いものと仮定した。この仮定の下では処理回路はその所
望の機能を良好に実行する。しかし、この条件は常に得
られるわけではなく、例えば電源電圧をソースホロワに
印加直後のある期間中は得られずまた過負荷を生ずるよ
うな極めて高レベルの入射の印加直後のある期間中も得
られない。検出器が過負荷を受けると、過負荷直後のあ
る期間中、検出器の出力信号が関連するソースホロワの
ＰＵＴのゲート上の大きな電圧の指数関数状の減衰の結
果生ずる誤差信号に埋もれてしまうことが起こり得る。

この減衰は検出器回路からＦＥＴまでの電気時定数に支
配される。

処理回路の変形例では、これらの予想される誤差の影響
を、これにより生ずる小信号の埋没を克服するアルゴリ
ズムを導出することにより略々除去することができる。

この変形処理手段の動作は電気時定数Ｔｅも考慮に入れ
、略々一定の熱及び電気時定数Ｔｃ及びＴｅに対し通常
予想される放射強度範囲に亘って満足な結果をもたらす
ようにする。

末尾の表内の弐（４）で与えられる電圧■の式に関し、
新しいアルゴリズムの目的は、放射強度Ｒが一連のステ
ップ関数を具えるときに電圧■がら放射強度Ｒに比例す
る関数を導出することにある。

この目的のために、■の微分信号に電気時定数Ｔｅを乗
算し、その結果をもとの信号Ｖに加算して新しい信号を
得、次いでこの信号を熱時定数とこの信号の積分値を含
む補正因数と合成して上述の処理回路と同様に処理して
補正された出力信号を発生させる。

例えばＲが２つのステップ関数を具え、１＝ａ〜１＝１
．において放射レベルが略々一定のレベルＲ１であり、
１＝１．から先は略々一定の低レベルＲ２である場合に
ついて考察すると、式（４）で与えられる電圧■の式を
用いれば、第１のステップ関数（時間１＝０〜ｔ、中Ｒ
＝Ｒ，）に対して得られる電圧ｖ１は末尾の式（１１）
で与えられ、ここでＤは定数である。

この式を微分し、Ｔｅを乗算し、次いでｖｌに加算する
と、弐〇２）で示すような電圧ｖ１′が得られる。

この電圧ｈ′は新しい信号とみなすことができる。

この電圧はＴｅに依存する指数関数項を含んでいない。

この場合、焦電素子がｖｏの大きな値を生ずる過負荷を
受けてもｖ、Ｉは影響を受けない。

Ｔｏが零に等しい場合、或いはシ、′がｔ＝Ｑにおいて
零にセットされる場合、放射Ｒは１＝０においてＲに比
例する値ｖ、ｒを発生する。

零より大きいしの値に対しｖＩ′は指数関数項のために
減少するため、このｖＩ′の減衰の補正のためにＲの新
しい関数が必要とされる。

この場合には弐０２）で与えられる関数ｖ１′をＯ〜Ｌ
の間積分し、この成分値ＩをＴｃで割算して前述の補正
因子に対応する補正因子１／Ｔｃを求め、次いでこの補
正因子をｖ１′に加算することにより補正された信号ｖ
Ｉ＃を導出することができる。こうして得られる補正信
号■１′は弐θりで与えられる時間と無関係の式を満足
する。

これがため、ステップ関数Ｒ９に対し電圧ｖ１′もステ
ップ関数になり、即ら時間ととも減少しない。

また、Ｔ０＝０の場合にはｖＩ＃はＲ１に比例にする。

上述のアルゴリズムはＲの次のステップ関数にもあては
まる。次のステップ関数（１＝１．〜ｔ２中Ｒ＝Ｒ２）
に対してはＴｏ及びＶ。の新しい値を計算する必要があ
る。

Ｖ、及びＴｏの新しい値Ｖ（１１及びＴＯ＋　は式（１
１）及び（１）のしにり、を代入することにより導かれ
る。

これらの値Ｖ。Ｉ及びＴ。Ｉを式（４）に用いるとも＝
Ｌ　ｌ”　Ｅ　ｚ中の電圧（ｖ２）の式は式側で与える
。

弐０２）に関し上述した値ν１に対する処理と同様に、
ν２を微分し、Ｔｅを乗算し、その結果をｖ２に加算し
て新しい関敗り２′を導出する。ｖＩ′　と同様に、ｖ
２′はまだ補正されてない新しい信号を構成する。

前と同様に、この信号ｖ２′を積分し、その結果ＩをＴ
ｃで割算して補正因子を発生させることができる。この
値１／Ｔｃは１＝１．〜ｔ２の期間中の補正因子を構成
する。

総合補正因子は式０３）を発生するために得た期間１＝
０〜１．中のＩ／Ｔｃの値も含む必要がある。この総合
補正因子は弐〇５）で表される。

この場合、補正された信号ｖ２″は総合補正因子をｖ２
′に加算することにより得られ、これは弐〇６）に簡単
化することができる。

■“の式は何のトランジェントも含まない。従って、必
要に応じｖ″を零にセットし、■“の後続の値が放射Ｒ
の変化に比例するようにすることができる。

弐〇〇は式０３）に類似する。従って、Ｒの任意の一連
のステップ関数がＲの値に対応する大きさのｖ″の値を
発生する。

上述の処理回路の動作を要約すると、各焦電素子に対す
るソースホロワからの電圧■を微分する（これを達成す
る最も簡単な方法はサンプリングによる方法である）。

放射Ｒはある期間に亘って一定に維持され得るが、微分
された電圧の値は熱時定数のために減少する。更に、出
発時における■の値（即ち１＝０のＶＯ）が素子のその
前の過負荷状態のために零でない場合には、電気時定数
による電圧信号■への影響が誤差信号を発生し、問題を
生じ得る。処理回路はこれら問題を補正する。

第１に、微分した信号に電気時定数を乗算し、その結果
を電圧■に加算して電気時定数Ｔｅに依存する指数関数
状の減衰と無関係の新しい信号Ｖ′を得る。第２に、こ
の新しい信号Ｖ′を時間に関し積分し、次いで熱時定数
で割算して補正因子を得、次いでこれを信号Ｖ′に加算
して熱時定数及び電気時定数に依存する何れの指数関数
とも無関係の補正された出力信号Ｖ″を発生させる。Ｖ
″の出発値を必要に応じリセット処理により零にすれば
、Ｖ″は所要の如くＲに比例するものとなる。

処理回路のこの変形例は第５図に簡単化して示しである
。前述したように、アレーからの一連の信号を処理する
ために信号蓄積手段が必要とされる。ソースホロワから
の増幅後の電圧信号■を微分回路４０に供給し、その出
力を加算器４２に供給する前に乗算回路４１でＴｅを乗
算し、その結果を加算器４２でもとの信号■に加算して
新しい信号Ｖ′を発生させる。次いでこの信号Ｖ′を積
分回路４３で積分し、その積分結果を加算器４５に供給
する前に割算器Ｔｃで割算し、その結果を加算器４５で
信号■′に加算して補正された出力信号ｖ″を発生させ
る。

アレーの各焦電素子の出力はマルチプレクサ１４の動作
により各走査フィールド中に順次に処理回路２０に供給
されるため、処理回路２０からの出力は各フィールドに
対する一連の補正された出力になる。これらの出力は例
えば次の評価のために蓄積し、或いは表示装置に供給す
ることができる。

他の装置においては、焦電素子の出力は並列に読出し、
並列処理することもできる。

上述した本発明の実施例は例示であって、本発明は焦電
素子のリニアアレーに限定されるものでない。本発明は
単能動素子検出装置にも、焦電素子の二次元アレーを用
いる装置にも適用し得るものである。

本明細書を読めば他の種々の変更が当業者に明らかであ
る。これらの変更には熱放射検出装置の設計や製造や使
用方法において既知の特徴であって明細書中に記載した
特徴の代わりに或いは加えて使用し得る特徴を含むこと
ができる。

（表） し く２） ｉ＝ｐＡ Ｔ ｔ （９）　　ΔＶ＝Δｙ　ｏｅ　−Ｌ　／　Ｔ　ｌ’　　
；ΔＶｏ＝ｌｃｅ ・　ｔｓ θ０） ［／Ｔｃ−ΔＶｏ　（１−ｅ　−””　）（ＩＩ）　　
Ｖ＋＝（ＯＲ＋−ＤＧＴｏ）（ｅ−””　−ｅ−””）
＋Ｖｏｅ ０２）　　シ、′＝シ、＋ＴｅＶ、−（ＤＲ，−ＤＧＴ
ｏ）ｅ　−””ｅ ０３）　　Ｖ＋’　＝（ＤＲｌ−ＤＧＴｏ）（■） ｃ ０４）　　ＶＺ＝　（ＤＲ２−ＤＧ　　［（Ｒ＋−（Ｒ
＋−ＧＴｏ）　　）　ｅ・（ （ｅ−は−ｔ　Ｉ　＞　／Ｔａ　　−ｆＬ−ｔ　Ｉ　ｌ
　／Ｔｃ）　＋ｅ （（ＤＩ？ （ｅ−Ｌｌ／↑１！　　　−Ｌｌ／Ｔｅ）＋ｖｏｅｅ ｅ ｑω　Ｖｚ”　　＝（ＤＲｚ−ＤＧＴｏ）（■） ｃ ′−１７丁８） ｅ ｃ ｔ１／Ｔｃ）　） −ＤＧＴｏ）

【図面の簡単な説明】

第１図はリニアアレーに配置された複数の焦電素子を含
む熱放射検出装置の一実施例のブロック図、 第２図はアレーの数個の代表の焦電検出器の回路構成の
一部を示す回路図、 第３（ａ）〜３（ｄ）図はアレーの代表の焦電索子によ
り受信される代表的なＩＲ放射パルス列の波形、このｒ
Ｒパルス列に応答して生ずるこの焦電素子の温度（Ｔ）
及び関連するソースホロワの出力端子に発生する電圧信
号（Ｖ）の波形、この電圧信号（Ｖ）の変化率を表わす
信号波形（ｙ）、及び処理回路により発生される補正さ
れた信号出力の波形をそれぞれ示す波形図、 第４８及び４ｂ図は本発明装置の処理回路の一実施例の
２つの例を示すブロック回路図、 第５図は本発明装置の処理回路の他の変形例のブロック
回路図である。 １０・・・焦電素子のリニアアレー １２・・・集積回路　　　　　　１４・・・マルチプレ
クサ１５・・・アドレスデコーダ １８・・・増幅器 ２０・・・処理回路 ２２・・・低リーク装置 ２４・・・負荷 ３２・・・減算器 ３４・・・割算器 ３６・・・遅延素子 ４１・・・乗算器 ４３・・・積分器 ４５・・・加算器 １７・・・フィルタ １９・・・基準低リーク装置 ２１・・・負帰還ループ ２３・・・ソースホロワ ３１・・・遅延素子（メモリ） ３３・・・積分器 ３５・・・加算器 ４０・・・微分回路 ４２・・・加算器 ４４・・・割算器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被写体からの放射を受けその出力端子に放射に応じ
   て変化する電圧信号を発生する少なくとも１つの焦電検
   出器を具え、該検出器の出力端子を該検出器により発生
   された電圧信号を処理する信号処理回路を経て装置の出
   力端子に結合して成る熱放射検出装置において、前記処
   理回路は、前記検出器からの電圧信号に応答して、前記
   検出器からの電圧信号に比例する第１成分と前記検出器
   からの電圧信号の変化率に比例する第２成分とを検出器
   の熱時定数の値に応じた相対的割合で含む出力信号を発
   生する処理段を具えていることを特徴とする熱放射検出
   装置。 ２、前記処理回路は、検出器の出力信号の時間に関する
   積分値に比例する第３成分も含み、第１及び第３成分の
   相対割合が検出器の電気時定数に応じた比率である出力
   信号を発生するよう構成してあることを特徴とする請求
   項１記載の熱放射検出装置。 ３、被写体からの放射を受けその出力端子に放射に応じ
   て変化する電圧信号を発生する少なくとも１つの焦電検
   出器を具え、該検出器の出力端子を該検出器により発生
   された電圧信号を処理する信号処理回路を経て装置の出
   力端子に結合して成る熱放射検出装置において、前記信
   号処理回路は、検出器からの電圧信号に応答して、該電
   圧信号に応じて変化する第１信号から少なくとも部分的
   に取り出した補正因子を発生し、該補正因子を検出器か
   らの電圧信号の変化率に応じて変化する第２信号と、検
   出器の熱時定数の値に応じた割合で合成して補正された
   出力信号を発生するよう構成してあることを特徴とする
   熱放射検出装置。 ４、前記補正因子は第１信号に比例するものとし、これ
   を第２信号に加算して補正された出力信号を発生させる
   ことを特徴とする請求項３記載の熱放射検出装置。 ５、前記補正因子は処理回路内において第２信号に対す
   る第１信号のレベルを熱時定数に応じた量だけ調整して
   得ることを特徴とする請求項４記載の熱放射検出装置。 ６、前記補正因子は第１信号の時間に関する積分値に比
   例する追加の成分を含み、この補正因子と第２信号の割
   合は検出器の電気時定数に応じた比率にしてあることを
   特徴とする請求項３記載の装置。 ７、検出器の出力電圧信号の変化率に従って変化する信
   号は処理回路内において検出器の出力電圧信号に比例す
   る信号を規則正しい時間間隔でサンプリングし、順次の
   サンプル電圧を互いに減算することにより取り出すこと
   を特徴とする請求項３〜６の何れかに記載の熱放射検出
   装置。 ８、検出器の出力電圧信号の変化率に従って変化する信
   号は処理回路内において微分回路により取り出すことを
   特徴とする請求項３〜６の何れかに記載の熱放射検出装
   置。 ９、検出器はソースホロワに接続された焦電素子を具え
   、そのソースホロワから出力信号が得られるようにして
   あることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の熱
   放射検出装置。 １０、検出器は更に焦電素子を分路する低リーク装置を
   具えていることを特徴とする請求項９記載の熱放射検出
   装置。 １１、アレーに配置された焦電素子を有する複数個の焦
   電検出器を具え、これら検出器の出力端子をスイッチン
   グ回路に接続し、該スイッチング回路により各出力端子
   を前記処理回路に順次接続するようにしてあることを特
   徴とする請求項９又は１０記載の熱放射検出装置。