(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外光学系と、上記赤外光学系の結像面に位置する撮像素子と、上記撮像素子に熱的に接続した熱電素子と、上記撮像素子に熱的に接続した素子温度モニタと、電源投入直後の上記素子温度モニタの温度に所望のオフセット量を加算した温度を上記撮像素子の動作温度として設定する素子動作温度設定回路と、上記素子動作温度設定回路の出力と上記素子温度モニタの出力とにもとづいて上記熱電素子に電力を供給する熱電素子駆動回路とを備えたことを特徴とする赤外線カメラ。
【請求項２】
上記撮像素子、上記熱電素子及び上記素子温度モニタとを収納する素子パッケ−ジを備えたことを特徴とする請求項１記載の赤外線カメラ。
【請求項３】
上記素子動作温度設定回路は上記素子温度モニタに接続したＡ／Ｄ変換回路と、上記Ａ／Ｄ変換回路に接続したオフセット量加算回路と、上記オフセット量加算回路に接続したメモリと、上記メモリに接続したＤ／Ａ変換回路とを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線カメラ。
【請求項４】
赤外光学系と、上記赤外光学系の結像面に位置する撮像素子と、上記撮像素子に熱的に接続した熱電素子と、上記撮像素子に熱的に接続した素子温度モニタと、上記撮像素子と熱的に絶縁された位置に設置した温度センサと、電源投入直後の上記温度センサの温度に所望のオフセット量を加算した温度を上記撮像素子の動作温度として設定する素子動作温度設定回路と、上記素子動作温度設定回路の出力と上記素子温度モニタの出力とにもとづいて上記熱電素子に電力を供給する熱電素子駆動回路とを備えたことを特徴とする赤外線カメラ。
【請求項５】
上記撮像素子、上記熱電素子及び上記素子温度モニタとを収納する素子パッケ−ジを備えたことを特徴とする請求項４記載の赤外線カメラ。
【請求項６】
上記素子動作温度設定回路は上記温度センサに接続したＡ／Ｄ変換回路と、上記Ａ／Ｄ変換回路に接続したオフセット量加算回路と、上記オフセット量加算回路に接続したメモリと、上記メモリに接続したＤ／Ａ変換回路とを備えたことを特徴とする請求項４又は５記載の赤外線カメラ。
【請求項７】
上記撮像素子に印加するバイアス電圧値を上記素子動作温度設定回路の出力に応じて設定する可変バイアス電圧印加回路を備えたことを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の赤外線カメラ。
【請求項８】
上記可変バイアス電圧印加回路は上記素子動作温度設定回路に接続したバイアス電圧値算出回路と、上記バイアス電圧値算出回路に接続した素子バイアスメモリと、上記撮像素子と上記素子バイアスメモリに接続したＤＡ変換回路とを備えたことを特徴とする請求項７記載の赤外線カメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は赤外線カメラ、特に常温で動作する熱型の赤外線撮像素子を用いた非冷却赤外線カメラの立ち上げ時間の短縮と低消費電力化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の赤外線カメラのブロック図である。図中、Ｍは被写体、１は赤外光学系、２は赤外光学系１の結像面に位置する撮像素子、３は撮像素子２に熱的に接続した素子温度モニタ、４、５は共に撮像素子２に接続したバイアス電源、６は撮像素子２に接続したドライバ回路、７は撮像素子２に接続した増幅及び表示処理回路、８は撮像素子２に熱的に接続した熱電素子、９は定電圧源、１０は素子温度モニタ３と定電圧源９と熱電素子８に接続した熱電素子駆動回路である。１１は撮像素子２と素子温度モニタ３と熱電素子８を収納する素子パッケージ、１２は素子パッケ−ジ１１の一部をなすもので、赤外線を透過する赤外窓である。素子パッケージ１１の内部は真空に保持されており、このような実装方法に関する従来の技術例としては特表平７−５０８３８４号がある。１３はドライバ回路６、増幅及び表示処理回路７に接続したタイミング発生回路、１４は２〜１３の構成物を収納する筐体、４０は各部の動作に必要な電力を供給する電源回路である。
【０００３】
図５は撮像素子２の構成であり、説明の簡素化のため２Ｘ２画素のものを示した。図中１５〜１８は赤外線検知素子、１９〜２２はダイオード、２３〜２７はトランジスタ、２８は水平走査回路、２９は垂直走査回路である。赤外線検知素子１５〜１８は例えば特表平７−５０９０５７号に記載されている中空構造を有するマイクロボロメータである。
【０００４】
次に動作について説明する。電源回路４０から各部に電力が供給されると熱電素子駆動回路１０は素子温度モニタ３の出力と撮像素子２の動作温度を設定する定電圧源９の出力との差に応じた電力を熱電素子８に供給し、撮像素子２の温度を室温の一定温度に安定化させる。通常この温度は２０〜４０℃の間の値である。
【０００５】
次に被写体Ｍが放射する赤外線を赤外光学系１により集光し、赤外窓１２を透過した後に赤外線検知素子１５〜１８に結像する。これにより被写体Ｍからの放射赤外線の強度に応じた数ｍＫ程度の微小な温度上昇が赤外線検知素子１５〜１８に生じ、各検知素子の抵抗値が検知素子毎に変化する。
【０００６】
次にタイミング発生回路１３で生成した素子駆動クロックをドライバ回路６から撮像素子２に印加する。上記クロックは水平走査回路２８と垂直走査回路２９に供給され、トランジスタ２３〜２６を順次導通状態にすることにより、バイアス電源５の印加電圧とトランジスタ２７の特性により決まる電流をバイアス電源４から赤外線検知素子１５〜１８に順次供給する。
【０００７】
ダイオ−ド１９〜２２の存在によりバイアス電流は選択した１個の赤外線検知素子とトランジスタ２７を経由してグランドへ流れ、各赤外線検知素子の抵抗値に応じた信号をトランジス２７とグランドとの間に生じる電位差として出力する。上記信号を増幅及び表示処理回路７へ入力し、ビデオ信号として出力する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の赤外線カメラは上記のように構成されており、一般には−１０℃〜５０℃程度の範囲で動作が要求させるため、電源回路４０が各部への電力の供給を開始する電源投入時の環境温度が定電圧源９が定める動作温度から離れるにしたがい、撮像素子２を所望の動作温度に安定化させるまでの時間が長くなり、電源投入から画像を出力するまでの立ち上げ時間が長くなるという難点があった。
【０００９】
また、熱電素子１２の撮像素子２の側と素子パッケージ１１の側との間の熱抵抗や撮像素子２の外部との電気的接続部分の熱抵抗を介して外部から流出入する熱の量が大きくなり、撮像素子２を一定温度に安定化させるために必要な熱電素子１２の消費電力が大きくなるという難点があった。
【００１０】
この発明は上記のような難点を解決するためになされたものであり、電源投入時の環境温度に所望のオフセット量を加算した温度に撮像素子２を安定化して動作させることにより、広い環境温度範囲において起動時間が短く、かつ、消費電力の少ない赤外線カメラを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の発明による赤外線カメラは、赤外光学系と、上記赤外光学系の結像面に位置する撮像素子と、上記撮像素子に熱的に接続した熱電素子と、上記撮像素子に熱的に接続した素子温度モニタと、電源投入直後の上記素子温度モニタの温度に所望のオフセット量を加算した温度を上記撮像素子の動作温度として設定する素子動作温度設定回路と、上記素子動作温度設定回路の出力と上記素子温度モニタの出力とにもとづいて上記熱電素子に電力を供給する熱電素子駆動回路とを備えたものである。
【００１２】
第２の発明による赤外線カメラは、第１の発明の構成に、上記撮像素子、上記熱電素子及び上記素子温度モニタとを収納する素子パッケ−ジを備えたものである。
【００１３】
第３の発明による赤外線カメラは、第１、第２の発明において上記素子動作温度設定回路を上記素子温度モニタに接続したＡ／Ｄ変換回路と、上記Ａ／Ｄ変換回路に接続したオフセット量加算回路と、上記オフセット量加算回路に接続したメモリと、上記メモリに接続したＤ／Ａ変換回路とにより構成したものである。
【００１４】
第４の発明による赤外線カメラは、赤外光学系と、上記赤外光学系の結像面に位置する撮像素子と、上記撮像素子に熱的に接続した熱電素子と、上記撮像素子に熱的に接続した素子温度モニタと、上記撮像素子と熱的に絶縁された位置に設置した温度センサと、電源投入直後の上記温度センサの温度に所望のオフセット量を加算した温度を上記撮像素子の動作温度として設定する素子動作温度設定回路と、上記素子動作温度設定回路の出力と上記素子温度モニタの出力とにもとづいて上記熱電素子に電力を供給する熱電素子駆動回路とを備えたものである。
【００１５】
第５の発明による赤外線カメラは、第４の発明の構成に、上記撮像素子、上記熱電素子及び上記素子温度モニタとを収納する素子パッケ−ジを備えたものである。
【００１６】
第６の発明による赤外線カメラは、第４、第５のは発明において上記素子動作温度設定回路を上記温度センサに接続したＡ／Ｄ変換回路と、上記Ａ／Ｄ変換回路に接続したオフセット量加算回路と、上記オフセット量加算回路に接続したメモリと、上記メモリに接続したＤ／Ａ変換回路とにより構成したものである。
【００１７】
第７の発明による赤外線カメラは、第１〜第６の発明の構成に、上記撮像素子に印加するバイアス電圧値を上記素子動作温度設定回路の出力に応じて設定する可変バイアス電圧印加回路を設けたものである。
【００１８】
第８の発明による赤外線カメラは、第７の発明において上記可変バイアス電圧印加回路を、上記素子動作温度設定回路に接続したバイアス電圧値算出回路と、上記バイアス電圧値算出回路に接続した素子バイアスメモリと、上記撮像素子と上記素子バイアスメモリに接続したDA変換回路とにより構成したものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明による赤外線カメラの実施の形態１を示すブロック図である。図中、１〜４、６〜８、１０〜１４、４０は従来の赤外線カメラと同じものである。３０は素子温度モニタ３と熱電素子駆動回路１０との間に設置した素子動作温度設定回路で、素子動作温度設定回路３０は素子温度モニタ３に接続したAD変換回路３１と、AD変換回路３１に接続したオフセット量加算回路３２と、オフセット量加算回路３２に接続したメモリ３３と、メモリ３３と熱電素子駆動回路１０に接続したDA変換回路３４から構成される。３５は撮像素子２に接続した可変バイアス電圧印加回路で、可変バイアス電圧印加回路３５は、オフセット量加算回路３２に接続したバイアス電圧値算出回路３６と、バイアス電圧値算出回路３６に接続した素子バイアスメモリ３７と、この素子バイアスメモリ３７と撮像素子２に接続したDA変換回路３８から構成される。
【００２０】
次にこの発明による赤外線カメラの動作について説明する。バイアス電圧、素子駆動クロック及び素子温度安定化のための電力を撮像素子２に印加しない状態で電源投入後ただちに素子温度モニタ３の出力をＡＤ変換回路３１でＡＤ変換し、次にこの測定値に対する所望のオフセット量ΔＴをオフセット量加算回路３２において加算し、メモリ３３と可変バイアス電圧印加回路３５内のバイアス電圧値算出回路３６に伝達する。メモリ３３はオフセット量加算回路３２の加算結果を記憶する。
【００２１】
立ち上げ時間を最短にするという観点からはオフセット量ΔＴの値は零が望ましいが、動作開始後の低消費電力化を考慮し、一般的な監視用や携帯用のカメラでは筐体１４内の上昇温度に相当する１０℃程度の正の値とする。
【００２２】
バイアス電圧値算出回路３６はトランジスタ２７の特性とオフセット量加算回路３２の出力、すなわち撮像素子２の設定動作温度をもとに図２のようにバイアス電圧値を算出し、素子バイアスメモリ３７に伝達され、この素子バイアスメモリ３７をこのバイアス電圧値を記憶する。
【００２３】
DA変換回路３８は素子バイアスメモリ３７の出力に応じたバイアス電圧を撮像素子２に印加し、撮像素子２の出力オフセット電圧が増幅及び表示処理回路７の入力電圧範囲の中で動作温度によらず一定になるように設定する。 次にタイミング発生回路１３からドライバ回路６を介して素子駆動クロックを撮像素子２に印加する。
【００２４】
次にメモリ３３の出力をＤＡ変換回路３４においてＤＡ変換して熱電素子駆動回路１０に伝達し、撮像素子２の温度が素子動作温度設定回路３０の設定した温度になるように熱電素子８に電力を供給する。
【００２５】
上記のようにして素子温度モニタ３の電源投入直後の温度に所望のオフセット量を加算した温度に撮像素子２を安定化して撮像を開始する。オフセット量加算回路３２が加算するオフセット量ΔＴの値は、監視用や携帯用のカメラでは上記のように１０℃程度の正の値とするのが一般的であるが、立ち上げ時間の短縮を最優先にする運用の場合には零、立ち上げ後ただちに低温環境下に移動するような運用形態の場合には負の値とすることもある。その他の動作は従来の赤外線カメラと同様である。
【００２６】
実施の形態２．
図３はこの発明による赤外線カメラの実施の形態２を示すブロック図である。図中、１〜４、６〜８、１０〜１４、４０は従来の赤外線カメラと同じものである。また、３０〜３８は実施の形態１と同じものである。３９は撮像素子２と熱的に十分に絶縁された位置に設置した温度センサである。
【００２７】
次にこの発明による赤外線カメラの動作について説明する。バイアス電圧、素子駆動クロック及び素子温度安定化のための電力を撮像素子２に印加しない状態で電源投入後ただちに温度センサ３９の出力をＡＤ変換回路３１でＡＤ変換する。
【００２８】
次にこの温度測定値に対する所望のオフセット量をオフセット量加算回路３２において加算し、メモリ３３と可変バイアス電圧印加回路３５内のバイアス電圧算出回路３６に伝達し、温度センサ３９の電源投入直後の温度に所望のオフセット量を加算した温度に撮像素子２を安定化して撮像を開始する。その他の動作は実施の形態１の赤外線カメラと同様である。
【００２９】
上記の動作により、撮像素子２や素子温度モニタ３の温度が素子パッケ−ジ１１の周囲温度に等しくなるまでの時間よりも短い時間間隔で繰り返し電源をオン／オフした場合でも撮像素子２の動作温度を必要以上に高く設定することなく撮像を行なう。
【００３０】
【発明の効果】
この発明によれば、広い環境温度範囲において立ち上げ時間が短く、かつ、消費電力の少ない赤外線カメラが得られる効果がある。
【００３１】
この発明によれば、短い時間間隔で繰り返し電源をオン／オフした場合でも撮像素子の動作温度を必要以上に高く設定することなく、広い環境温度範囲において立ち上げ時間が短く、かつ、消費電力の少ない赤外線カメラが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による赤外線カメラの実施の形態１の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明による赤外線カメラの実施の形態１における撮像素子２の動作温度とトランジスタ２７への印加バイアス電圧との関係を示す図である。
【図３】この発明による赤外線カメラの実施の形態２の構成を示すブロック図である。
【図４】従来の赤外線カメラの構成を示すブロック図である。
【図５】従来の赤外線カメラにおける撮像素子２の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 赤外光学系、２ 撮像素子、３ 素子温度モニタ、６ ドライバ回路、７ 増幅及び表示処理回路、８ 熱電素子、１０ 熱電素子駆動回路、１１ 素子パッケ−ジ、３０ 素子動作温度設定回路、３１ AD変換回路、３２ オフセット量加算回路、３３ メモリ、３４ DA変換回路、３５ 可変バイアス電圧印加回路、３６ バイアス電圧値算出回路、３７ 素子バイアスメモリ、３８ DA変換回路、３９ 温度センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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