JPH09168116A - 熱型赤外線撮像装置 - Google Patents
熱型赤外線撮像装置Info
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Abstract
けやすい熱型赤外線撮像装置において、各画素の感度ば
らつきによって発生する固定パターンノイズFPNを補
正する。 【構成】 入射赤外線に対して感度を持たないオプティ
カルブラックOBと、通常の有効画素を有する赤外線検
出器101と、各画素のドリフトの係数を蓄えるメモリ
116を持ち、オプティカルブラックOBのばらつき量
とこの各画素のドリフト係数から、有効画素のドリフト
量を推定して補正するドリフト補正回路117を設け
る。
Description
装置に関し、特に、入射赤外線を熱の形でとらえる熱型
赤外線撮像素子の駆動装置に関し、更に詳しくは、複数
の画素のDCレベルが時間と共に変化する、いわゆるド
リフトの補正に関するものである。
出願と同一出願人の出願に係る特願平7−75264号
明細書に記載の発明に改良を加えるものである。
一例を示すように、半導体基板700とその基板表面に
走査回路701を持ち、その上に入射赤外線を電気信号
に変換する受光部を持つ。この回路及び受光部は、二次
元の赤外線像が得られるように、複数の画素、即ち熱電
変換素子を集積化している。受光部は赤外線を吸収する
赤外線吸収層と、熱の逃げを防ぐダイヤフラム、熱を電
気信号に変換する熱電変換素子からなる。ダイヤフラム
はその下層をエッチングで取り除くことによって、宙に
浮いた膜状の構造を形成する。熱電変換素子は、この例
では温度によってその電気抵抗値が変化するボロメータ
707を用いており、ボロメータとしてチタンを用いて
いる。各画素に入射した赤外線は、各画素の赤外線吸収
層に吸収され、各画素のダイヤフラムの温度を上昇させ
る。この温度上昇はチタンボロメータ707によって電
気信号に変換され、基板上の回路を通じて順次外部に読
み出される。
(半導体を利用した光電効果型)を問わず、各画素の検
出器のばらつきなどに起因する、バイアスレベルのばら
つきが存在する。これを固定パターンノイズ(FPN)
と称し、通常補正回路で補正を行っている。この一例と
して上記先願発明に記載されているように、バイアスレ
ベルのばらつき量を保持するメモリを設けて、固定パタ
ーンノイズを補正している。
9に示すように、赤外線入力エネルギーと検出器出力の
関係が、画素によって異なるいわゆる感度ばらつきがあ
る。このような状態で被写体の背景温度が変化するなど
して、画面全体の赤外線入力エネルギーが変化すると、
たとえ図9のx0 で固定パターンノイズを除去しても、
感度ばらつきによって再びΔy1 に相当する固定パター
ンノイズが現れてしまう。この対策として図8に示すよ
うなゲイン補正回路の構成を設けて、あらかじめ感度ば
らつきΔy2 /y2 を感度差分メモリに保持しておき、
検出器出力y1に対してΔy1 =y1 ・Δy2 /y2 の
計算を行い、それをy1 に加算することでこのような感
度ばらつきによる固定パターンノイズを補正している
(例えば特開平2−107074号公報参照)。
平7−193752号公報に示すように、入射赤外線に
感じない画素いわゆるオプティカルブラック(OB)を
設けて、信号の基準レベルにする例が提案されている。
従来技術には下記に示す如き欠点があった。
線検出器では、デバイスの温度が変化した場合に、その
温度変化はそのまま信号となってしまうという、ボロメ
ータ型特有の問題がある。しかも各画素の感度ばらつき
に応じてその変化量が異なるために、ある時点で固定パ
ターンノイズ(以下FPNと略記する)を除去しても温
度変化によってFPNが再び現れてしまう。感度ばらつ
きは、ボロメータの温度係数のばらつき、抵抗値自体の
ばらつき等に起因しており小さくない。
フラムの温度変化は微小なために、デバイス1℃の変化
で対象物が500℃程度変化したのに相当する信号変化
がある。各画素の感度ばらつきを5%として、対象物換
算25℃程度のFPNとなってしまう。デバイスの温度
変化は、何も温度コントロールをしない場合には、電源
投入直後で数℃、安定後でも1℃程度の変化がある。
われているような、感度ばらつきを考慮したFPN補正
を適用する場合には次のような問題がある。
ために大きな信号増幅を行う必要があるが、これを行う
増幅器のドリフトが信号レベルに対して無視できないた
めに、信号の絶対レベルを測定することができない。つ
まり画素間の相対レベルしかわからないことになる。
赤外線に対して感度を有しない参照画素、即ち、オプテ
ィカルブラック(以下OBと略記する)も、有効画素と
同様にデバイスの温度変化の影響を受けてしまう。
をする上で基準となるレベルが存在せず、従来技術の延
長では感度ばらつきにより発生するFPNの補正はでき
ない。
化によりOB画素及び有効画素にばらつきが生じ、この
ばらつきの量は装置の温度変化を反映している。
ものであり、従って本発明の目的は、赤外線検出器のO
B画素の温度によるばらつきを使用して有効画素の温度
によるばらつきを補正することにより、従来の技術に内
在する上記諸欠点を解消することを可能とした新規な熱
型赤外線撮像装置を提供することにある。
に、本発明に係る熱型赤外線撮像装置は、入射赤外線に
対して感度を持たない複数の参照画素いわゆるオプティ
カルブラックと複数の有効画素と、各画素のドリフトの
係数を蓄えるメモリと、ドリフト補正手段とを持ち、前
記複数の参照画素のばらつき量をもとに、前記有効画素
のドリフト量を補正することを特徴としている。
レベルの平均を求める手段と、その平均からの各画素の
変位を求める手段を持っている。
対値の平均を求める手段を持っている。
各参照画素の変位の絶対値の平均を記憶するメモリを持
っている。
前記各有効画素の変位を記憶するメモリを持っている。
てくる前記各参照画素の変位の絶対値の平均を初期設定
時に求めた前記各参照画素の変位の絶対値の平均で除算
する手段を持っている。
設定時に求めた各有効画素の変位を乗算する手段と、得
られた各乗算結果を各有効画素から減算する手段をもっ
ている。
すれば、初期設定時には、入射赤外線を遮断し、FPN
補正後にデバイスの温度を変化させて入射赤外線に対し
て感度を有しない複数の参照画素の出力レベルの平均値
をOB画素平均値算出回路により算出し、前記参照画素
及び複数の有効画素を含む全画素信号から参照画素の前
記出力レベル平均値を第1の演算器により減じて前記全
画素についてドリフト係数を求め、そのうち前記参照画
素については参照画素のドリフト係数の平均値を算出
し、通常動作時には、前記参照画素の出力レベルの平均
値を算出し、リアルタイムで到来する参照画素信号の前
記参照画素出力レベルの平均値からの変位を前記第1の
演算器により求め、前記参照画素の変位の平均値をOB
変位の平均値算出回路により算出し、第2の演算器によ
り前記参照画素の変位の平均値を初期設定時に求めた前
記参照画素のドリフト係数の平均値で除算し、次に該除
算結果に全有効画素について求めた前記有効画素ドリフ
ト係数を第3の演算器により乗算し、リアルタイムで到
来する前記有効画素信号から第4の演算器により前記乗
算結果を減算することを特徴としている。
ベルが時間と共に変動する現象であり、全画素で変動量
が同じであれば、OBなどの参照画素のレベルを基準に
することでドリフトを除去することができる。しかしな
がら、ボロメータを使用した熱型赤外線センサでは、前
述したように画素間の感度ばらつきによって各画素のド
リフト量が異なるために、単純にOBを基準にすること
はできない。
り、変動は温度に対してほぼリニアである。つまり画素
によって変動量は異なるが、仮にある温度変化ΔTで画
素iに変動量Δvi があった場合には、2倍の温度変化
2ΔTで、2倍の変動量2Δvi があることになる。つ
まり、ある温度変化における各画素の変動量いわゆるド
リフト係数と温度変化量がわかれば、それを引くことに
よってもとのばらつきの無い画面に戻すことができる。
参照画素いわゆるOBは、入射赤外線を遮断している。
複数のOB間のばらつきは、温度変化を反映しており、
このOBのばらつきを測ることで温度変化が推定でき
る。
図面を参照しながら具体的に説明する。
第1の実施例を示すブロック構成図である。
は、従来のチタンボロメータ型赤外線検出器の一部に、
入射赤外光に対して感度を有しない参照画素、即ちOB
画素を設けたものである。OB画素は、ここではパッケ
ージ上に入射赤外線を遮る遮蔽板を設けて実現してい
る。OB画素は、図6に示すように読み出しの先頭画素
が望ましい。各行に1個あれば良いが、万一欠陥となっ
た時の予備として数列形成しておくこともできる。パッ
ケージに遮蔽板を設ける方法は、デバイス自体になにも
変更しない点で有利であり、入射赤外線を遮蔽している
以外OB画素と有効画素の構造上の違いがないために、
入射赤外線以外の擾乱の影響を最小限にすることができ
る。
り、このFPN補正回路102によりある程度FPNを
除去して、A/D変換器104のダイナミックレンジの
範囲内に各画素のレベルが入るようにしている。105
はディジタルFPN補正回路であり、アナログFPN補
正回路102で取りきれなかったFPNを除去してばら
つきの無視できる画面にする。
7を有している。このドリフト補正回路117はさらに
幾つかのブロックからなっており、図2(a)、(b)
の動作を表す図及び図4のフローチャートを併用して説
明する。図2(a)、(b)はOB画素群と有効画素群
それぞれの検出器出力の変化を、デバイス温度Tdを関
数として表したものである。FPN補正直後は、OB画
素群も有効画素群も検出器の出力は揃っている。デバイ
スが温度変化すると検出器出力は変化し、各画素の感度
ばらつきに応じて出力のばらつきが発生する。各画素の
感度はリニアであるために、信号のばらつき量もリニア
で増加していく。
した状態でデバイス温度を変化させる。この変化は、ペ
ルチェ素子などによって変えても良いし、電源投入後の
デバイス温度の自然な変化を利用しても良い。変化させ
る温度は問題ではなく、ドリフト係数を取得するための
有効なビット数のばらつきが起きれば良い。ある程度ば
らつきが発生したところで、OB画素、有効画素を含め
た全ての画素のドリフト係数を取得する。これはOB平
均値算出回路110で全OB画素の出力レベルの平均値
[vOB]を求め、減算器111でOB画素及び有効画素
を含む各画素から[vOB]を引いた結果Δvi0をドリフ
ト係数メモリ116のOB部に蓄える。このΔvi0が画
素iのドリフト係数となる。OB画素のドリフト係数
は、特にΔvi0,OBと呼ぶことにする。有効画素のドリ
フト係数はΔvi0である。有効画素のドリフト係数Δv
i0もOB画素と同様にして求められ、ドリフト係数メモ
リ116の有効画素部に蓄積される。ドリフト係数の取
得は、ランダムノイズの影響を減らすために、何フレー
ムかにわたって行った結果を平均化した方がよい。OB
部ドリフト係数の平均値レジスタ113には、各OB画
素のドリフト係数Δvi0,OBの絶対値を平均化した値
[Δvi0,OB ]を格納する。
1]により
ジスタ113に蓄える。この計算には、図1の破線にて
示すようにOB変位の平均値算出回路112を使用して
も良いし、外部の演算装置等を使用しても良い。
定であり、通常の動作は次のように行う。先ほどと同様
にOB平均値算出回路110によりその時のOB画素の
出力レベルの平均値[vOB]を求め、OB変位の平均値
算出回路112によりOB画素の出力レベル平均値[v
OB]からの変位の絶対値の平均値[Δvi,OB]を求め
る。この値はOB画素のばらつき量を表しており、デバ
イス温度を反映している。つまり、前記OB画素の変位
の絶対値はドリフトに応じて刻々と変化している。OB
部ドリフト係数の平均値レジスタ113には初期設定で
取得したOB画素のドリフト係数Δvi0,OB の絶対値の
平均値[Δvi0,OB ]が格納されており、除算器114
によってxd =[Δvi,OB]/[Δvi0,OB ]を求め
る。この値xd は、初期設定時に対して現在デバイス温
度がどのレベルにあるかを示しており、この値xd に初
期設定で取得した有効画素のドリフト係数を乗算器11
5によって掛けることで、有効画素のドリフト量が推定
できる。有効画素は、通常入射赤外線を受けているため
に、この様な推定によらざるを得ない。この各有効画素
の推定ドリフト量を、各有効画素から減算器107によ
り減算することで、ドリフトの補正は完了する。
時定数にもよるが、数フレームに1回行えばよい。スキ
ャンコンバータ108は、赤外線検出器101の動作タ
イミングとNTSC出力のタイミングを合わせる目的で
使用される。D/A変換器109及びその他の回路によ
ってNTSCコンポジット信号を出力する。
動かすためのクロック等のパルスを印加する。119は
赤外線検出器101のデバイス温度を一定に保つペルチ
ェ素子であり、120はそのコントローラである。温度
コントロールは、通常100mK程度の揺らぎがあり、
かつデバイス以外の増幅器等の揺らぎもあるために、ド
リフトが無くなることはないが、ドリフトはかなり軽減
される。これによってドリフト補正回路117のダイナ
ミックレンジの設計に、余裕ができる。同じ目的で、図
1の回路全体、または一部を恒温槽等の温度コントロー
ルされた中に入れることも可能である。
117をより具体的に示したブロック構成図である。
128×128程度の2次元センサを仮定しており、各
行に1個づつ、合わせて128個のOB画素を仮定して
いる。信号の分解能は、14bitを仮定している。O
B平均値算出回路110は、ADDER301、ラッチ
302、RAM303、OB部分のタイミング発生器3
04から構成される。OB部分のタイミング発生器30
4によって各回路をコントロールして、128個のOB
の合計を求め、その上位14bitを使うことで128
で割られることになり、OBの平均値が求められる。そ
の値は、RAM303に記憶される。
平均値からの変位が現れる。この変位、つまりはOBの
ばらつきは、14bitのダイナミックレンジに対して
1/16程度を仮定しており、ここのビット数は10b
itでよい。
128個のOBのばらつき量の絶対値をさらに平均して
いる。絶対値は、単に符号ビットを取ればよい。ここで
は、続く除算回路114での有効桁を大きく取るため
に、加算結果をOB数で割っていない。つまりOBばら
つき量の平均値[Δvi,OB]が128倍されており、さ
らに3bitシフトさせて、合計で1024倍されてい
る。
13には、前述したように初期設定時に取得したOBば
らつき量の絶対値の平均値[Δvi0, OB]が記憶されて
いる。リアルタイムでやってくるOB変位の平均値算出
回路112の出力[Δvi,OB]は、この初期設定時に取
得した平均値[Δvi0,OB]で割られ(114)、初期
設定時に対してどの程度ドリフトしているかを求める。
この時リアルタイムのデータ[Δvi,OB]は1024倍
されているために、初期設定時と同じドリフト量であれ
ば、ここの値は1024となる。また、[Δvi,OB]は
[Δvi0,OB]の2倍まで大きくても大丈夫なように、
除算回路114の出力は11bitとしている。
得した各有効画素のドリフト係数Δvi0と掛け合わされ
(115)、各有効画素のドリフト量Δvi が推定でき
る。並列乗算器115の出力の上位11bitを取って
いるのは、下位10bitを捨てて先ほど1024倍し
たのを元に戻すためである。アドレス発生器309は、
有効画素のアドレスを順次発生させる。
の温度分解能に対して何ビットを割り当てればよいかを
考える必要がある。過度に割り当てれば、装置の規模が
増大していまう。また、デバイスの性能をフルに引き出
すには、FPNはランダムノイズに対して十分小さい必
要がある。FPNがランダムノイズに対して実効値で1
/4程度であれば、
コントロールを、ランダムノイズ(最小の温度分解能に
相当)の1/4の精度で行う場合には、最小の温度分解
能に少なくとも2bit割り当てる必要がある。例えば
デバイスの温度分解能が、0.1℃の時に、1bit当
たり0.025℃としてFPNのコントロール精度を
0.025℃とすれば良い。
発明の一例を示すブロック図であって、本発明の主旨に
従って他の回路を構成することは当然可能である。
ブロック構成図である。この第2の実施例では、上述し
た計算を全てCPU501で行わせており、その結果を
随時画像メモリ502に蓄えている。図4のフローチャ
ートに従ってプログラムを構成すればよい。503、5
04は、CPUを動かすためのROM、及びRAMであ
る。
あるか(xd )の推定として、初期設定時の各OBの変
位Δvi0,OB とリアルタイムでの各OB変位Δvi,OBか
ら、下記[数3]によってxd
[ 数4]、[数5]
が大きくなる問題がある。[数5]は、計算が複雑にな
る問題がある。
線撮像装置によれば、従来技術の延長では困難であった
熱型赤外線検出器の感度ばらつきにより発生する固定パ
ターンノイズFPNの補正を行うことが可能となり、温
度分解能を一段と向上させることができる。
温度ドリフトの他に、増幅回路の温度ドリフトもある
が、本発明によれば、この影響も除去することができ
る。
例を示すブロック構成図である。
図である。
の第1の実施例を更に具体的に示すブロック構成図であ
る。
示すフローチャートである。
例を示すブロック構成図である。
使用される赤外線検出器の具体例を示す回路構成図であ
る。
Claims (12)
- 【請求項1】 入射赤外線に対して感度を持たない複数
の参照画素と複数の有効画素とを備えた赤外線検出手段
と、前記各画素のドリフトの係数を蓄えるメモリと、前
記複数の参照画素のばらつき量をもとに前記有効画素の
ドリフト量を補正するドリフト補正手段とを有すること
を特徴とした熱型赤外線撮像装置。 - 【請求項2】 前記ドリフト補正手段は、前記複数の参
照画素の出力レベルの平均を求める手段と、該平均値か
らの各画素の変位を求める手段とを持つことを更に特徴
とする請求項1に記載の熱型赤外線撮像装置。 - 【請求項3】 前記ドリフト補正手段は、前記各参照画
素の変位の絶対値の平均を求める手段を持つことを更に
特徴とする請求項1に記載の熱型赤外線撮像装置。 - 【請求項4】 前記ドリフト補正手段は、初期設定時に
求めた前記各参照画素のドリフト係数の絶対値の平均を
記憶するメモリを持つことを更に特徴とする請求項1に
記載の熱型赤外線撮像装置。 - 【請求項5】 前記ドリフト補正手段は、初期設定時に
求めた前記各有効画素のドリフト係数を記憶するメモリ
を持つことを更に特徴とする請求項1に記載の熱型赤外
線撮像装置。 - 【請求項6】 前記ドリフト補正手段は、リアルタイム
で到来する前記各参照画素の変位の絶対値の平均を初期
設定時に求めた前記各参照画素のドリフト係数の絶対値
の平均で除算する手段を持つことを更に特徴とする請求
項1に記載の熱型赤外線撮像装置。 - 【請求項7】 前記ドリフト補正手段は前記除算結果と
初期設定時に求めた前記各有効画素の変位を乗算する手
段を有し、該乗算手段により得られた各乗算結果を前記
各有効画素から減算する手段を持つことを更に特徴とす
る請求項6に記載の熱型赤外線撮像装置。 - 【請求項8】 初期設定時には、入射赤外線を遮断し、
FPN補正後にデバイスの温度を変化させて入射赤外線
に対して感度を有しない複数の参照画素の出力レベルの
平均値をOB画素平均値算出回路により算出し、前記参
照画素及び複数の有効画素を含む全画素信号から参照画
素の前記出力レベル平均値を第1の演算器により減じて
前記全画素についてドリフト係数を求め、そのうち前記
参照画素については参照画素のドリフト係数の平均値を
算出し、通常動作時には、前記参照画素の出力レベルの
平均値を算出し、リアルタイムで到来する参照画素信号
の前記参照画素出力レベルの平均値からの変位を前記第
1の演算器により求め、前記参照画素の変位の平均値を
OB変位平均値算出回路により算出し、第2の演算器に
より前記参照画素の変位の平均値を初期設定時に求めた
前記参照画素のドリフト係数の平均値で除算し、次に該
除算結果に全有効画素について求めた前記有効画素ドリ
フト係数を第3の演算器により乗算し、リアルタイムで
到来する前記有効画素信号から第4の演算器により前記
乗算結果を減算することを特徴とした熱型赤外線撮像装
置。 - 【請求項9】 デバイスの前記温度変化をペルチェ素子
を使用して実現することを更に特徴とする請求項8に記
載の熱型赤外線撮像装置。 - 【請求項10】 前記全画素のドリフト係数のうち参照
画素のドリフト係数をOB画素ドリフト係数メモリに格
納し、前記有効画素のドリフト係数を有効画素ドリフト
係数メモリに格納することを更に特徴とする請求項8に
記載の熱型赤外線撮像装置。 - 【請求項11】 前記参照画素のドリフト係数の平均値
をOB部ドリフト係数平均値メモリに蓄積することを更
に特徴とする請求項8に記載の熱型赤外線撮像装置。 - 【請求項12】 前記OB画素平均値算出回路及び前記
OB変位平均値算出回路による算出機能及び前記第1〜
第4の演算器による演算機能をCPUが実効することを
更に特徴とする請求項8に記載の熱型赤外線撮像装置。
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