(57)【要約】検出器アレイの温度を安定させるためのシステムおよび方法である。本発明(100)は、検出器アレイ(50)の温度に応答する基準信号を出力するように構成された１以上のビデオ基準画素(52)と、この基準信号に基づいて検出器アレイ(50)の温度を調節するメカニズムとを含んでいる。示されている実施形態においては、このメカニズムは熱電冷却装置(112)と、この熱電冷却装置(112)に供給されなければならない電流の量をビデオ基準画素(52)からの基準信号に基づいて計算する制御アルゴリズム(106)を実行するプロセッサ(104)とを備えている。ビデオ基準画素(52)は、検出器アレイ(50)と同じ基板から構成されているが、しかしそれらは情景照明の変化に応答しないように構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出器アレイ(50)の温度に応答する基準信号を出力するように構成された１以上のビデオ基準画素(52)と、
前記基準信号に基づいて前記検出器アレイ(50)の温度を調節するメカニズムとを具備していることを特徴とする検出器アレイ(50)の温度を安定させるためのシステム。
【請求項２】
前記ビデオ基準画素(52)は、前記検出器アレイ(50)と同じ基板上に構成されている請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記ビデオ基準画素(52)は、それらが情景照明の変化に応答しないように構成されている請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記ビデオ基準画素(52)は、情景照明を受信しないように遮蔽されている請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記ビデオ基準画素(52)は、基板にヒートシンクされている請求項３記載のシステム。
【請求項６】
前記メカニズムは熱電冷却装置(112)を備えており、前記熱電冷却装置(112)はこれに供給された電流または電圧の量に基づいて前記検出器アレイ(50)の温度を調節するように構成されている請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記メカニズムはさらに、制御信号(108)に応答して前記熱電冷却装置(112)に電流を供給するように構成された電流駆動装置(110)を備えている請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記メカニズムはさらに、前記基準信号に応答して前記電流駆動装置(110)に制御信号(108)を出力する制御アルゴリズム(106)を実行するプロセッサ(104)を備えている請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記メカニズムはさらに、前記プロセッサ(104)に入力するために前記ビデオ基準画素(52)の出力をデジタル化するアナログデジタル変換装置(102)を備えている請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記制御アルゴリズム(106)は、検出器アレイ(50)を所望の温度に維持するために熱電冷却装置(112)に送られなければならない電流の量を計算する請求項８記載のシステム。
【請求項１１】
前記アルゴリズム(106)は複数のタイプの制御装置を含んでいる請求項８記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサに関する。とくに、本発明は、赤外線検出器の温度安定化に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線映像化システム用の検出器は、基板本体の温度の変化に対して非常に敏感である。わずかな温度変化のために、検出された信号が検出器中の雑音によって圧倒される可能性が高い。
【０００３】
基板の温度変化の影響を最小にする技術は、基板温度を実質的に一定に維持するように基板を“冷却”すること（すなわち、基板温度の安定化）である。基板温度を安定させるために使用される１つの通常の技術は、一般に“熱電冷却”と呼ばれているものの使用である。この明細書において使用されているように、“熱電冷却装置”という用語は、“熱電安定化装置”と同じであり、両者は一般に技術的に使用され、基板の温度の上昇および低下を行なってその基板を実質的に一定の温度に維持する技術を意味している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱電冷却は典型的に、サーミスターに基づくアナログ制御ループによってアナログフィードバックにより制御される。これらの熱電制御ループは、アナログコンポーネントを駆動するために広い回路板スペースと多量の付加的な電力とを必要とする。制御ループが精巧になると、それだけ一層広いスペースが必要になる。さらに、アナログ回路は固定されている。制御アルゴリズムがひとたびアナログ回路において実施されると、それは変更されることができない。従来技術の熱電制御装置の別の欠点は、検出器基板の温度を感知するために使用されるサーミスターによって生じる。サーミスターは焦点面アレイ上に接着されているだけなので、わずかな温度遅延が生じ、瞬時の正確な測定が行われない。
【０００５】
従来は、デジタル制御ループにおいてデジタル処理のためにサーミスターの出力をデジタル化することが試みられた。これらのデジタル回路はアナログシステムよりフレキシブルであるが、しかし依然としてサーミスターに関連した温度遅延問題がある。さらに、それらは追加のアナログデジタル変換装置を必要とする。いくつかのアナログコンポーネントを維持するハイブリッドシステムもまた設計されている。これらのシステムにも熱遅延問題があり、余分の電力および回路板スペースが要求される。
【０００６】
したがって、フレキシビリティが高く、さらに正確であって、必要とされるスペースおよび電力が従来技術の方法よりも少ない検出器アレイの温度を安定させるための改良されたシステムまたは方法が技術的に必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この技術的な必要性は、本発明の検出器アレイの温度を安定させるためのシステムおよび方法によって解決される。本発明は、検出器アレイの温度に応答する基準信号を出力するように構成された１以上のビデオ基準画素と、この基準信号に基づいて検出器アレイの温度を調節するメカニズムとを含んでいる。示されている実施形態においては、このメカニズムは熱電冷却装置と、この熱電冷却装置に供給されなければならない電流の量をビデオ基準画素からの基準信号に基づいて計算する制御アルゴリズムを実行するプロセッサとを備えている。ビデオ基準画素は、検出器アレイと同じ基板から構成されているが、しかしそれらは情景照明の変化に応答しないように構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の有効な教示を開示するために添付図面を参照して、示されている実施形態および例示的な適用を説明する。  
本発明はこの明細書において特定の適用に対して示された実施形態を参照にして説明されているが、本発明はそれに限定されないことを認識すべきである。当業者は、本発明の技術的範囲内における付加的な修正、適用および実施形態、ならびに本発明が非常に有用なものとなる付加的な分野を認識するであろう。
【０００９】
図１は、従来の設計および構成の熱電冷却装置制御回路10の概略図である。この回路または“制御ループ”10は、検出器アレイ14上に取付けられたサーミスター12と、積分装置16と、エラー増幅器18と、高電流駆動装置20と、および熱電冷却装置（ＴＥＣ）22とを備えている。サーミスター12は検出器構造14の温度を感知する。このサーミスター12の出力は積分装置16によって積分され、その後エラー増幅器18に入力される。エラー増幅器18は、利得Ｇを有するフィードバックループを備えた差動増幅器である。このエラー増幅器18と積分装置16のセットはサーミスター12の出力を所望の設定点24と比較し、制御信号26を電流駆動装置20に出力する。電流駆動装置20は、制御信号26に応答して電流を熱電冷却装置22に供給する。この熱電冷却装置22は、ＴＥＣ22に供給された電流または電圧にしたがって検出器基板14の加熱または冷却を行なうように構成されている。制御回路10は、検出器構造14が所望の温度になるまで駆動装置20中の電流を変化させる。
【００１０】
図１には検出器構造14から出力されたビデオデータ流28もまた示されており、このビデオデータ流28はアナログデジタル変換装置30によってデジタル化され、プロセッサ32により処理されたものである。プロセッサ32はまた設定点信号24をエラー増幅器18に供給することができる。
【００１１】
上述したように、サーミスターでは本質的に熱遅延が生じ、瞬時の正確な測定結果が得られる。さらに、このタイプの設計では、制御ループのタイプが固定されていることに加えて、積分装置およびエラー増幅器回路のコストが増加し、それらに対する追加の電力が必要とされる。
【００１２】
本発明の熱電冷却装置制御回路は、従来技術によるようにサーミスターを使用する代りに、１以上の“ビデオ基準画素”（ＶＲＰ）を使用して検出器アレイの温度を感知する。ＶＲＰは、検出器の残りの部分と同じ材料から製造されているが、しかしそれらは関心を払われている情景からの入力エネルギから遮蔽され、あるいは隔離されている画素である。検出器のアクティブな領域（通常の映像化画素）とＶＲＰとは基板の本体温度に応答する。通常の映像化画素は情景照明に加えて基板温度に応答するが、ＶＲＰは基板の温度だけに応答する。したがって、ＶＲＰからの信号は、検出器基板の温度の測定値として使用されることができる。
【００１３】
図２は、本発明の例示的な実施形態にしたがって設計されたビデオ基準画素52を備えている検出器構造50を示す概略図である。検出器構造50は、関心を払われている情景からエネルギを受取るように構成された通常の映像化検出器54の焦点面アレイ（ＦＰＡ）（Ｎ行×Ｎ列の大きさのアレイとして示されている）を備えている。通常の映像化画素54の近くには、複数のビデオ基準画素52（Ｎ行×Ｎｖｒｐの大きさのアレイとして示されている）が配置されている。示されている例では、いくつかのＶＲＰ52がＦＰＡの各行と関連されている。ＶＲＰ52は、それらが情景照明の変化に応答しないように構成されている。これは、それらを情景から遮蔽するか、あるいは基板と緊密に熱結合しているボロメータ（“ヒートシンク”ボロメータ）としてそれらを形成することによって行なわれることができる。図２の実施形態においては、放射線シールド56が情景照明がＶＲＰ52に到達することを阻止するために使用されている。情景照明をＶＲＰから遮断する別の方法が本発明の教示の技術的範囲を逸脱することなく使用されることができる。たとえば、ＶＲＰは基板にヒートシンクされることができ、その場合には、放射線シールドは必要ない。ＶＲＰ52はバイアスされ、通常の映像化画素54と同時に信号を獲得する。ＶＲＰ信号は通常の映像化画素信号と共にＦＰＡからビデオデータ流58に多重化される。通常の映像化画素54およびＶＲＰ52の各列からの信号を多重化された出力58に導くために、アドレススイッチ60が使用可能である。
【００１４】
図３は、本発明の示されている実施形態にしたがって設計された熱電冷却装置制御回路100の概略図である。この回路100は、１以上のビデオ基準画素52を有する検出器構造50を備えている。ＶＲＰ52からの信号は、アナログデジタル変換装置102によってデジタル化され、プロセッサ104に入力される。本発明の１実施形態において、ＶＲＰ52からの信号は通常の映像化画素信号と共にビデオデータ流に多重化される。この実施形態においては、映像化画素およびＶＲＰの両者からの出力をデジタル化するのに１個のアナログデジタル変換装置102しか必要としない。プロセッサ104は、ＶＲＰ52からの信号に応答して制御信号108を出力するデジタル制御ループアルゴリズム106を実行している。制御信号108は熱電冷却装置112を駆動する高電流駆動装置110中の電流を調節して、検出器構造50の加熱または冷却を行なう。
【００１５】
デジタル制御ループアルゴリズム106は、ＶＲＰを所望の温度に維持するように設計されている。図４は、本発明の示されている実施形態にしたがって設計されたデジタル制御ループアルゴリズム106のフローチャートである。ステップ120において、デジタル化された信号をＶＲＰ52から入力する。ステップ122において、ＶＲＰデータを予め定められた設定点と比較する。設定点は、検出器基板が所望の温度であるときのＶＲＰの応答に対応している。ＶＲＰ52が所望の温度である場合、変更は必要ない。ステップ124において、検出器が所望の温度でないことがＶＲＰ信号により示された場合、その検出器構造の温度を上昇させ、あるいは低下させるためにＴＥＣに送るべき電流の量を計算する。ステップ126において、電流駆動装置110に制御信号を出力してＴＥＣ112に送るべき電流の量を示す。ＴＥＣ112に取付けられた検出器アレイの温度は電流駆動装置110によって送られた電流に基づいて上昇し、あるいは下降し（ステップ128）、この検出器構造からの出力がデジタル化される（ステップ130）。その後、デジタル制御ループアルゴリズム106はステップ120に戻り、デジタル化された信号をＶＲＰ52から入力する。
【００１６】
デジタル制御ループを使用することにより、スペース、電力またはコストの増加（アナログ回路に対して必要とされる）を伴わずに、さらに精巧なアルゴリズムが実施されることができる。別の利点は、制御アルゴリズムの多くのバリエーションを有する能力と、異なったタイプの制御装置間の同時切替えを行なう能力とを有することである。
【００１７】
マルチ制御装置タイプのＴＥＣループは、デジタル論理を使用して容易に構成されることができる。図５は、本発明の例示的な実施形態にしたがって設計されたマルチタイプの制御装置を有するデジタル制御ループ106のブロック図である。このループには、タイプ０、タイプ１…タイプＮ−１とラベル付けされたＮ個のタイプの制御装置（140A、140B、140N）が含まれている。各制御装置は異なった特性を有している。デジタル化されたＶＲＰデータは制御装置と選択装置142とに入力される。この選択装置142はどの制御装置を使用すべきかを、ＶＲＰデータおよび安定した温度へのそれらの近さとに基づいて選択する。その後、その制御装置からの制御信号が電流駆動装置110に出力される。
【００１８】
図６のａ乃至ｃは、３つのタイプの制御アルゴリズムのシミュレートされた応答特性を示すグラフである。図６のａに示されているように、第１のアルゴリズム（タイプ１とラベル付けされた）は所望の温度に比較的迅速に到達するが、しかし若干の不安定さまたは“リンギング”が認められる。図６のｂに示されている第２のアルゴリズム（タイプ０）は前者より安定しているが、所望の温度に到達するのにはるかに長い時間を要する。図６のｃに示されている第３のアルゴリズムは、第１および第２のアルゴリズムを組合せたものである。このアルゴリズムはタイプ１の制御装置で始まり、その後、温度が設定点に到達したときにタイプ０の制御装置に切替わる。結果的に得られたアルゴリズムは、いずれかの単一のタイプの制御装置よりはるかに速く最終的な安定点に到達し、安定している。
【００１９】
異なったタイプの制御装置を瞬間的に切替える能力によって、単一のタイプの制御装置によるよりも高いフレキシビリティと良好な性能を達成することができる。この特徴は、アナログコンポーネントを使用して得ることができない。
【００２０】
以上、ここにおいて特定の適用に対する特定の実施形態を参照して本発明を説明してきた。当業者は、本発明の技術的範囲内における付加的な修正適用および実施形態を認識するであろう。
【００２１】
したがって、添付された特許請求の範囲は、本発明の技術的範囲内における任意および全てのこのような適用、修正および実施形態をカバーするものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の設計および構成の熱電冷却装置制御回路の概略図。
【図２】本発明の例示的な実施形態にしたがって設計されたビデオ基準画素を有する検出器構造を示す概略図。
【図３】本発明の示されている実施形態にしたがって設計された熱電冷却装置制御回路の概略図。
【図４】本発明の示されている実施形態にしたがって設計されたデジタル制御ループアルゴリズムのフローチャート。
【図５】本発明の示されている実施形態にしたがって設計された多くのタイプの制御装置を有するデジタル制御ループのブロック図。
【図６】第１のタイプの制御装置と、第２のタイプの制御装置と、および第１のタイプの制御装置から第２のタイプの制御装置に切替えるアルゴリズムとのシミュレートされた応答特性のグラフ。
【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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【図６】
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【国際調査報告】
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