JPH03191837A - 計測装置 - 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］ この発明は例えば計測対象物の赤外線放射量を計測する
計測装置に関するものである。

［従来の技術］ 第６図は、［海洋観測衛星１号ｆＭＯ５−１１搭載用可
視熱赤外放射計　ｆＶＴＩＲ）の概要」　（電子通信学
会技術報告、　５ＡＮＥ８６−２９．Ｐ１７〜２４）に
示された従来の赤外線計測装置の説明図である。

図においてｆｉｌは反射鏡、（２）は反射鏡（１）を回
転駆動する回転台、（３）は輝度が既知である赤外線基
準光源、（４）は赤外線レンズ、（５）は赤外線レンズ
（４）を保持する鏡筒、（６）は赤外線レンズ（４）と
鏡筒（５）を有する赤外線光学系、（７）は赤外線レン
ズ（４）の像面に置かれた赤外線検出素子からなる光電
変換器（以後、適宜、検出素子と呼ぶ）　、　ｆ１７１
は検出素子（７）を格納する二重壁でできた容器、　（
１８１は検出素子（７）に信号光を取り込むための窓、
　（１５１は検出素子（７）への不要光（信号光以外の
背景光）の入射を抑えるためのコールドシールド、　（
１９１は検出素子（７）およびコールドシールド（工５
）を冷却するための冷媒が満たされている容器、（８）
は赤外線計測装置の光学部。

（２０）は検出素子（７）をデジタル値に変換するＡＤ
変換器、（９）は検出素子（７）の出力を記憶するメモ
リ１ｉ１０１は減算器、　　Ｔ′１３１はこの赤外線計
測装置の感度が記憶されているメモリ２．　（１４）は
除算器、　（ｉｌｌはＡＤ変換器（２０）とメモリ１（
９）と減算器（ｌＯ）とメモリ２　（１３１と除算器（
１４）とを有する信号処理回路、　　（１２１は対象物
である。

上記のように構成された装置において、対象物（１２）
から放射された信号光は反射鏡（１１で反射され、赤外
線光学系（６）で集光された後、検出素子（７）で検出
される。ところが、光学部（８）自身からも赤外線が放
射されており９例えば赤外線光学系（６）から放射され
る赤外線などの不要光が信号光に重畳されて検出素子（
７）で検出される。また、検出素子（７）の出力には暗
電流等によるオフセット出力が含まれる。このため、従
来のこの種の装置では以下に述べる方法で、上述の不要
光及びオフセット出力を補正していた。

先ず検出素子（７）が赤外線基準光源（３）を見るよう
に反射鏡＋１１　を回転台（２）により回転させる。こ
のときの検出素子（７）の出力Ｖ０は次式で表される。

Ｖｏ　：Ｖｓ　＋　ＶＬ　＋　ＶＨ＋　ＶＤ　　　　　
　　・・・　［１１ここで。

ｖ３：赤外線基準光源（３）の放射による出力ｖＬ：赤
外線レンズ（４）の放射による出力及びレンズ表面で反
射した鏡筒（５）の放射光による出力 ■Ｈ：鏡筒（５）の放射による出力 ＶＤ＝オフセット出力 である。ｖＬおよび■。は不要光による出力成分であり
、赤外線光学系（６）の温度に依存する。Ｖｏは補正信
号としてメモリ１（９）に入力される。

次に、検出素子（７）が対象物（Ｉ２）を見るように反
射鏡（１１を回転台（２）により回転させる。このとき
赤外線光学系（６）の温度が変化しなければ検出素子（
７）の出力信号■は次式で表される。

Ｖ　”　ＶＴ＋　ＶＬ＋　Ｖｌｌ＋　ＶＤ　　　　　　
”’　　［２］ここで。

ｖｏ：対象物（１２）の放射による出力である。

検出素子（７）の出力Ｖは減算器（１０）に入力される
。

減算器（１０）ではまず信号（Ｖ）と補正信号（ＶＯ＋
との差を求める演算を行う。

この過程を次式で表すと次式のようになる。

Ｖ−Ｖｏ”　ｌＶＴ＋ＶＬ＋ＶＩＩ＋ＶＤｌ　−（Ｖｌ
＋ＶＬ＋ＶＨ＋ＶＤｌ＝ｖＴ−ｖ、　　　　　　　　　
−［３］この結果、不要光の放射量に相当する出力成分
及びオフセット出力は相殺される。次に（ＶＴ−Ｖ−１
が除算器（１４）に入力される。

メモリ２　（１３１にはこの赤外線計測装置の感度△η
が記憶されている。

△ηは次式で表される。

Δη＝△Ｖ／ΔＮ　　　・・・　　［４１ここで ΔＮ：１１度の変化量 △Ｖ：輝度がΔＮ変化したときの検出素子（７）の出力
変化量である。

除算器（１４）において上記信号成分（ｖ、−ｖ、ｌ　
をΔηで割ることにより、対象物（１２）と赤外線基準
光源（３）との輝度の差に換算できる。即ち。

（Ｖ７−Ｖｇ）／△η＝　εＪ（Ｔｉ−１εｇＮ（Ｔｇ
）　　−”　　［５）ここで ε７：対象物（１２）の放射率 ε３　：赤外線基準光源（３）の放射率７ も　：対象物（１２）の温度 Ｉ３：赤外線基準光源（３）の温度 黒 Ｎ（Ｔ）：絶対温度Ｔの放射率１の標準光源（＃体とも
いう）の輝度 である。

図には示していないが、上記結果に既知である赤外線基
準光源（３）の輝度ε、Ｎ（Ｔ、）を加えることにより
対象物（１２）の輝度εｔＮ　（ＴＴｌが求まる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の赤外線計測装置においては、検出素子が赤外線基
準光源（３）を見るときと、検出素子が計測対象物（１
２）を見るときとで赤外線光学系の温度が変化すると不
要光による出力成分を充分に補正することができず、求
める信号光の放射量の計測誤差が大きくなるという課題
があった。また、この誤差を低減させるためには赤外線
光学系の温度が変化するごとに赤外線基準光源を用いて
メモリ１に記憶されている補正信号を頻繁に訂正しなけ
ればならず、その間計測を中断しなければならないとい
う課題があった。

この発明は」−２のような課題を解消するためになされ
たもので、赤外線光学系の温度が変化しても計測を中断
することなく高い計測精度の得られる赤外線計測装置を
提供することを目的としている。

［課題を解決するだめの手段］ この発明に係る計測装置は、光学系と、光電変換器の各
素子の感度およびオフセットばらつきを補正する第１の
補正回路と、光学系の基準温度からのずれによる補正量
を記憶したメモリーと、前記光学系より得られた温度情
報と前記メモリーに記憶された補正量とで補正をする第
２の補正回路とを備えた。

［作用１ この発明においては、光電変換器の各素子の性能ばらつ
きを補正する回路と、光学系の温度情報に応じた補正回
路とで有効入力量に応じた出力を決定する。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示す図であり。

＋４Ｌｆ５１　、（７１，ｆ１２）、ｆ１７］〜（２０
）は第６図に示した従来装置と同一のものである。図に
おいて、　＋１６１はコールド　・シールド、　（３０
）は赤外光学系であり、この赤外光学系の検出素子（７
）から見た開口角度は、同じ（検出素子（７）から見た
コールド・シールド　（１６）の開口角度と等しくした
ものである。

（３１）は判定回路（３２）は第１のメモリー群、　（
３３）は第２のメモリ群、　（３４１は第３のメモリ群
、　（３５１は演算回路１１３６）は判定回路（３１）
と第１のメモＪ　（３２１と第２のメモリ群（３３）と
第３のメモリ群（３４）と演算回路１　　［３５１とを
有する第１の補正回路、　　（４０１は赤外線光学系（
３０）の温度情報を得る温度計測手段である例えば熱電
対、（４目は第４のメモリ、　（４２１は演算回路２．
（４３１は第４のメモリ（４１）と演算回路２　（４２
１を有する第２の補正回路である。

検出素子（７）の出力を式で表現すると、第１番目の検
出素子（７）の出力Ｖ、は次式で表される。

Ｌ＝Ｖｙ＋　＋ＶＬ＋　＋Ｖｏ＋　　　　　　　［６］
ここで。

添字ｉ：第ｉ番目の検出素子（７）を示す。

検出素子（７）は鏡筒（５）を見ることはないので、■
、には鏡筒（５）の放射による出力は含まれない。

また＋　ＶＴＩ　＋　ＶＬｉはそれぞれ次式で表される
。

ＶＴＩ”　εＴ　’Ｔ：　ＬＮｆＴｖｌΩｔ＋Ｒ＋Ａｄ
＋　　　−［７］ＶＬｉｌｌ−ＴＬ）Ｎ（ＴＬＩ　ΩＬ
＋Ｒ＋Ａｄ＋　　＋＋＋　［８］ここで。

τＬ＝赤外線レンズ（４）の透過率 ■Ｌ＝赤外線光学系（３０）の温度 Ω１．：第１番目の検出素子（７）から赤外線レンズ（
２）の開口を見込む立体角（第１番目の検出素子（７）
からコールドシールド（７）の開口を見込む立体角） Ｒ９：第１番目の検出素子（７）の感度Ａｄｌ　　：第
１番目の検出素子（７）の受光面積である。

−Ｍに検出素子（７）の出力は素子毎に暗電流によるオ
フセットと感度が異なるためばらつきを示す。

このため第１の補正回路（３６）において検出素子（７
）の感度およびオフセットの素子間のばらつきを補正す
る。

以下にその補正方法を詳細に説明する。

第２図は第１のメモリ群（３２１，第２のメモリ群（３
３）　、第３のメモリ群（３４）の内容を説明するため
の図である。赤外線光学系（３０）の温度を任意の基準
温度ＴＬｏに固定して、各検出素子（７）の出力を複数
の領域に分け、第１のメモリ群（３２）には各領域にお
ける検出素子（７）の出力特性を線形近似した直線の傾
きΔη、を領域ごとに記憶させておく。Δη、は検出素
子（７）の各領域における平均感度に比例した定数であ
り次式で表される。

△η１＝（△■／△Ｎ）ＡＶ！ ；（Δ　Ｎ１：ｔ　　Ω１−ＩＲＩＡｄｉ／ΔＮ）Ａｖ
Ｆ＝τ、ΩＬ、Ａｄ、　（Ｒ＋）Ａｖｔ　　　　　−［
９１ここで。

△Ｎ：輝度の微小変化量 △Ｖ：輝度が△Ｎ変化したときの検出素子（７）の出力
変化量 添字ＡＶＥ　：領域内での平均値を示す。

同様に赤外線光学系（３０）の温度を前記基準温度ＴＬ
ｏに固定して、第２のメモリ群（３３）には各領域に含
まれる検出素子（７）の任意の出力を領域ごとに記憶さ
せておく。第３のメモリ群（３４）には第２のメモリ群
（３３）に記憶させた任意の出力が得られたときの対象
物（１２）の輝度を各領域ごとに記憶させておく。

上記のように構成された赤外線計測装置において、赤外
線光学系（３０）の温度がＴＬのときの第ｉ番目の検出
素子（７）の出力ｖｌはＡＤ変換器（２０）でデジタル
値に変換された後９判定回路（３１）において予め記憶
させておいた各領域の境界となる電圧情報と比較するこ
とによりこの出力がどの領域に含まれているかが判定さ
れ、この判定結果に基づき第１のメモリ群（３２１、第
２のメモリ群（３３］、第３のメモリ群（３４）からこ
の領域に対応するメモリがそれぞれ選択され、さらに各
検出素子（７）に対応する記憶内容が読み出される。以
後、第ｉ番目の検出素子（７）の第ｉ番目の領域に対応
する第１のメモリ群（３２１、第２のメモリ群（３３１
，第３のメモリ群（３４）の記憶内容をそれぞれΔηｌ
　Ｊ　＋　Ｖ　Ｉ　Ｊ　＋　Ｎ　Ｉ　Ｊと呼ぶことにす
る。

次に演算回路１　（３５１において、検出素子（７）の
出力Ｖｌからｖ４、が差し引かれ、オフセット成分のば
らつきが補正される。以上の過程を式で表すと以下のよ
うになる。

Ｌ−ＶＩＪ＝Ｚ　ｔ（Ｅ　ＴＮ（ＴＴＩ−ＮＩＪ）　Ω
Ｌ＋ＲｔＡｄｌ＋（１−ＴＬＩ　（Ｎ　（ｒｔ、　ｌ　
ｌ　−Ｎ　（ＴＬ、）　）　ΩいＲ，Ａｄ。

・・・［１０］ 次に上記結果な△η、で除し、感度のばらつきが補正さ
れる。なお第１のメモリ群（３２）にΔη、。

の逆数を記憶させておき、これを上記結果に乗じても同
様の補正が行えることはいうまでもない。

以上の過程を式で表すと以下のようになる。

ｆＶｌ−Ｖ、Ｊ）／△η、ｊ ＝［（εＴＮ　（Ｔア）−Ｎ、ｊ） ”　（１−ｔ　Ｌ）　（Ｎ　（ＴＬＩ　−Ｎ　（ＴＬＯ
）　）／　　τＬＩＲＩ／　（ＲＩＪｌ　　ＡｖＥ［１
１］ すでに述べたようにＲ１は検出素子（７）の入力光量レ
ベルに応じて変化するが、前記領域の幅を狭（すること
によって（Ｒ，ＪＩＡｖえをＲ＋と等しいと見なしたと
きの誤差を十分小さくすることができる。

したがってｆＲ＋Ｊｌａｖｔ・Ｒ６とおくことにより式
［１１］は次式のようになる。

［ｖ＋−ｖＢ）／△７７１Ｊ”（εＴＮ（ＴＴＩ−ＮＩ
Ｊ）÷（１−ＩＣＬｌ　（Ｎ　（ＴＬ）−Ｎ（ＴＬｏｌ
　）／τ。

・・・　【Ｉ２１ 次に上記結果にＮｌ、を加え、ＤＣ成分の再生を行い演
算を完了する。この過程を式で表すと以下のようになる
。

（Ｌ−ＬＪＩ／Δ７７１　Ｊ”ＮＩ　Ｊ”　εｔＮ　（
ＴＴ）イ１−てＬ）　（Ｎ　ｆＴＬ）　−Ｎ　（ＴＬｏ
）　）／　Ｚ　Ｌ・・・　［１３］ 上記右辺には検出素子（７）に固有なパラメータは含ま
れておらず、素子毎のばらつきが補正できることが分か
る。従って、輝度−様な対象物（１２）の一定温度変化
に対して赤外線検出素子（７）の各出力が同じ変化をす
る。

なお９以上の説明ではＶＩＪを任意の値とした場合につ
いて説明したが＋Ｎｌｊ検出素子（７）で同一としこの
ＮＩＪの輝度を持つ対象物（１２）を計測したときの出
力をｖｌＪとして第２のメモリ群（３３）に記憶させて
も良い。この場合＋ＮＩＪを記憶した第３のメモリ群（
３４）の容量を小さ（できる。

式［１３１の第２項は赤外線光学系（３ｏ）の温度が基
準温度ＴＬｏからＴＬに変化することによる計測誤差で
ある。

次に、第２の補正回路（４３）によるこの計測誤差の補
正方法について説明する。第３図は、第４のメモリ（４
１）の内容を説明する図である。第４のメモリ（４１）
には、輝度が既知である基準光源を見たときに＋　ＴＬ
を複数点変化させたときの赤外線放射量の変化量、すな
わち上記計測誤差（ｌ−てＬ）（Ｎ（ＴＬ）−Ｎ（ＴＬ
Ｏ））／て、を記憶させておく。この計測誤差は第１の
補正回路（３６）の出力（式［１３］　）から前記基準
光源の輝度（式［１３１の第１項に対応する）を差し引
くことにより求める。式［１３１は検出素子（７）によ
らず一定であるので、上記計測誤差は任意の１つの検出
素子（７）について求めておけば良い。

対象物（１２）の輝度を計測するときに、赤外線光学系
（３Ｄ）の温度Ｔ　ｔが熱雷対（４０）により計測され
。

その出力が演算回路２　（４２）に入力される。演算回
路２　（４２１において、熱電対（４０）の出力を基に
第４のメモリ（４１）の内容を内挿あるいは外挿して、
赤外線光学系（３０）の）品度Ｔ３．における上記計測
誤差を求める。この値を演算回路１　（３５１の出力か
ら差し引くことにより上記計測誤差の補正が完了し、対
象物（１２）の輝度が求められる。

第４図は、この発明の他の実施例を示すものであり９図
において（５１）は対物レンズであり、対象物（１２）
からの赤外線を集光する。（５２）はこの対物（５１）
の像面に置かれた絞り、　（５３）はリレーレンズで、
対物レンズ（５１）の像を再結像すると共に絞り（５２
）の像を結像する。（５４）は鏡筒、　　（５５１は対
物レンズ（５１）、絞り１５２）　、　　リレーレンズ
（５：ｌ）　、鏡筒（５４）を有する赤外線光学系であ
り、この赤外線光学系（５５）は検出素子（７）から見
たコールドシールド（１６）の開口角度と同じ開口角度
となっており。

かつ入射赤外線が鏡筒（５）によってケラレないように
構成されている。

第５図は赤外線光学系（５５）の像面を示した説明図で
ある。この図において、斜線でハツチングして表した部
分（５６）は絞り（５２）の像、すなわち絞り像である
。破線で囲んで表した（５７ａｌ　、　（５７ｂｌは赤
外線光学系（５５）の温度情報を得る温度計測手段であ
る検出素子（７）である。検出素子（５７）は絞り像（
５６）の範囲内に、換言すると絞り（５２）を見るよう
に配置されている。図には複数個の検出素子（５７）が
示されているが、検出素子（５７）の数は１個でも良い
。検出素子（５７）はリレーレンズ（５３）を通して絞
り（５２）のみを見るので、対象物（１２）から放射さ
れる赤外線には影響を受けない。故に、検出素子（５７
）の出力は赤外線光学系（５５）の温度に対応する。す
なわち、検出素子（５７）は放射温度計と同様の原理に
より赤外線光学系（５５）の温度を計測する。

従って後の演算回路で光学系の温度情報が得られる。

第１図の実施例と同様に、第１の補正回路（３６）によ
り検出素子（７）の各出力のばらつきを補正した後、第
２の補正回路（４３）により赤外線光学系（５５）の温
度変化による計測誤差を補正する。演算回路２　Ｆ４２
）において、第１図の実施例における熱電対（４０）の
出力の代わりに検出素子（５７）の出力を用い、この出
力と第４のメモリ（４１）に格納された情報から、計測
誤差が補正されて、対象物（１２）の輝度が求められる
。

なお、上記実施例では１個の検出素子（５７）の出力を
基に計測誤差を補正しているが、赤外線光学系（５５）
の温度計測の精度を向上するために複数個の検出素子（
５７）の出力の積算値あるいは平均値等絞り（５２）の
平均的な温度に対応する量を求め、これをもとに上記計
測誤差を補正しても良い。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、光電変換器の各素子の
性能ばらつきを補正する回路と、光学系の温度情報に応
じた補正回路とを設けたので、光学系の温度が変化して
も、高い計測精度が得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は第
１図に示した第１の補正回路の入出力の関係を示した図
、第３図は温度誤差の関係を示した図、第４図はこの発
明の他の実施例を示す構成図、第５図は第４図に示した
赤外光学系の像面を示した説明図、第６図は従来の赤外
計測装置を示す構成図である。 図において、　（３０１は赤外線光学系、（７）は赤外
線光学系の像面に２次元に配列された赤外線検出素子、
　ｆ１６）はコールドシールド、　（３６１は第１の補
正回路、　（４０１は温度計測手段である熱電対、　（
４３１は第２の補正回路、　ｆ５５）は赤外線光学系、
　（５７）は温度計測手段である検出素子である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。 第２ 図 第 図 基欅：ＷＪｊ！ｉ■。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光学系と、この光学系を通しての入射光を光電変換する
   光電変換器と、この光電変換器の各素子の感度およびオ
   フセットばらつきを前記光電変換器の出力から所定の演
   算により補正する第１の補正回路と、前記光学系の基準
   温度からのずれによる補正量を記憶したメモリーと、前
   記光学系より得られた温度情報と前記メモリーに記憶さ
   れた補正量とで所定の補正値を得る第２の補正回路とを
   備えたことを特徴とする計測装置。