(57)【要約】【課題】オフセット補正データ取得時の画像途切れ頻度の低減を図る。【解決手段】熱型の赤外線検出器により構成された二次元配列の有効画素と、各有効画素に対して組を成して設置され、有効画素と同等の電気特性を有しながら入射赤外線に対する感度が極めて低い参照画素とを有する撮像素子２と、開口部を閉じることにより有効画素と参照画素にほぼ均一な強度の赤外線を入射させるシャッタ３と、シャッタ開状態の被写体撮像中における参照画素の出力を記憶する撮像時参照画素メモリ１１と、補正精度向上のため撮像時参照画素メモリ１１の各データに対して各有効画素との出力オフセットレベル差の修正を加える減算回路１８とを備え、有効画素を用いて撮像を行ないつつ、撮像中にシャッタ３を開いた状態で取得した参照画素の出力オフセットデータをもとにオフセット補正を行ない、画像途切れの頻度を極めて少なくして固定パターンノイズを低減する。【選択図】図６
2008219613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の有効画素と複数の参照画素とを備えた撮像素子と、
開口部を有し、当該開口部を閉じることにより上記撮像素子を構成している上記有効画素及び上記参照画素の各々に対してほぼ均一な強度の赤外線を入射させうる位置に設置されたシャッタと、
上記シャッタの閉状態における各有効画素の出力を記憶する校正時有効画素メモリと、
被写体撮像時の上記シャッタの開状態における各参照画素の出力を記憶する撮像時参照画素メモリと、
上記校正時有効画素メモリと上記撮像時参照画素メモリのいずれか一方のデータを、上記被写体撮像時の上記シャッタの開状態における各有効画素の出力から減算することによりオフセット補正を行なう減算補正回路と
を備えたことを特徴とする非冷却赤外線カメラ。
【請求項２】
複数の有効画素と複数の参照画素とを備えた撮像素子と、
開口部を有し、当該開口部を閉じることにより上記撮像素子を構成している上記有効画素及び上記参照画素の各々に対してほぼ均一な強度の赤外線を入射させうる位置に設置されたシャッタと、
上記シャッタの閉状態における各有効画素の出力を記憶する校正時有効画素メモリと、
上記シャッタの閉状態における各参照画素の出力を記憶する校正時参照画素メモリと、
上記校正時参照画素メモリと上記校正時有効画素メモリとの差を記憶する校正時差分値メモリと、
被写体撮像時の上記シャッタの開状態における各参照画素の出力を記憶する撮像時参照画素メモリと、
上記校正時差分値メモリのデータを上記撮像時参照画素メモリのデータから減算する修正を加える減算回路と、
上記校正時有効画素メモリのデータと上記減算回路からの出力のいずれか一方のデータを、上記被写体撮像時の上記シャッタの開状態における各有効画素の出力から減算することによりオフセット補正を行なう減算補正回路と
を備えたことを特徴とする非冷却赤外線カメラ。
【請求項３】
上記有効画素は、中空断熱構造と赤外線吸収構造を有した熱型の赤外線検出器から構成され、
上記参照画素は、上記有効画素から上記中空断熱構造と上記赤外線吸収構造の両方又はいずれか一方を除外した構成を有している
ことを特徴とする請求項１または２に記載の非冷却赤外線カメラ。
【請求項４】
上記撮像素子は、
二次元に配列した有効画素と、
上記各有効画素に対して一対一に隣接して設置された参照画素と
を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の非冷却赤外線カメラ。
【請求項５】
上記撮像素子は、
二次元に配列した有効画素と、
上記有効画素の二次元配列の周囲において、行又は列方向の配列に対して共通に設置された参照画素と
を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の非冷却赤外線カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は赤外線カメラに関し、特に、ボロメ−タ方式やＳＯＩダイオ−ド方式等の常温動作する熱型の赤外線検出器を用いた非冷却赤外線カメラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の非冷却赤外線カメラは、２次元に配列した熱型の赤外線検出器と、２次元に配列した熱型の赤外線検出器の各々に対しほぼ均一な強度の基準赤外線を入射させうる位置に設置したシャッタとを設け、カメラ始動時や撮像中に固定パターンノイズが増加した時にシャッタを一旦閉じて各赤外線検出器の出力オフセットレベルのばらつきに相当する補正データの取得を行ない、再びシャッタを開き、取得した補正データを各赤外線検出器の出力毎に減算して出力することによりオフセット補正を行ない、固定パターンノイズの低減を行なっていた（例えば、特許文献１および２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３２６１６１７号公報
【特許文献２】特開２００５-２１４６３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
然るに、上記オフセット補正データ取得の際にはシャッタを閉じるため撮像中にもかかわらず画像が途切れてしまい、特に侵入者の発見を目的とした監視カメラや、運転中における前方の障害物発見を目的とした車両搭載カメラ等としての用途においては、この画像途切れの頻度をいかに少なくするかが課題である。
【０００５】
この発明はかかる課題を解決するためになされたもので、オフセット補正データ取得による撮像中の画像途切れの頻度が極めて少ない非冷却赤外線カメラを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、複数の有効画素と複数の参照画素とを備えた撮像素子と、開口部を有し、当該開口部を閉じることにより上記撮像素子を構成している上記有効画素及び上記参照画素の各々に対してほぼ均一な強度の赤外線を入射させうる位置に設置されたシャッタと、上記シャッタの閉状態における各有効画素の出力を記憶する校正時有効画素メモリと、被写体撮像時の上記シャッタの開状態における各参照画素の出力を記憶する撮像時参照画素メモリと、上記校正時有効画素メモリと上記撮像時参照画素メモリのいずれか一方のデータを、上記被写体撮像時の上記シャッタの開状態における各有効画素の出力から減算することによりオフセット補正を行なう減算補正回路とを備えた非冷却赤外線カメラである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、複数の有効画素と複数の参照画素とを備えた撮像素子と、開口部を有し、当該開口部を閉じることにより上記撮像素子を構成している上記有効画素及び上記参照画素の各々に対してほぼ均一な強度の赤外線を入射させうる位置に設置されたシャッタと、上記シャッタの閉状態における各有効画素の出力を記憶する校正時有効画素メモリと、被写体撮像時の上記シャッタの開状態における各参照画素の出力を記憶する撮像時参照画素メモリと、上記校正時有効画素メモリと上記撮像時参照画素メモリのいずれか一方のデータを、上記被写体撮像時の上記シャッタの開状態における各有効画素の出力から減算することによりオフセット補正を行なう減算補正回路とを備えた非冷却赤外線カメラであるので、撮像中に取得した参照画素のデータを用いて有効画素出力に対する補正を行うことができ、オフセット補正データ取得による撮像中の画像途切れの頻度を極めて少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下、図を用いて、この発明の実施の形態１に係わる非冷却赤外線カメラについて説明する。図１は本実施の形態１による非冷却赤外線カメラの構成を示したブロック図である。図１において、１は撮像時に被写体が放射する赤外線を集光して撮像素子２に赤外線像を結像させる赤外光学系、２は赤外光学系１の結像面に位置した撮像素子、３は、開口部を有し、当該開口部を閉じることにより撮像素子２の赤外線入射面内においてほぼ均一な強度の赤外線を入射させうる位置に設置したシャッタ、４は撮像素子２に接着した素子パッケージ（筐体）であり、素子パッケージ４は例えば特表平９-５０６７１２号公報に示すような構造で赤外線に対する高い透過率を有しており、また、素子パッケージ４と撮像素子２とで囲まれた空間は真空に保持されている。５は撮像素子２に接続されたドライバ回路、６は撮像素子２に接続された直流電源、７はドライバ回路５、シャッタ３及び当該非冷却赤外線カメラを構成する電気回路各部に接続された制御信号発生回路、８は撮像素子２に接続された増幅回路、９は増幅回路８に接続されたＡ／Ｄ変換回路、１０はＡ／Ｄ変換経路９からの出力を画素毎に所望の回数だけフレーム積分演算を行うフレーム積分回路、１１は被写体撮像時のシャッタ３の開状態における撮像素子２内の参照画素の出力を記憶する撮像時参照画素メモリ、１２は校正時のシャッタ３の閉状態における撮像素子２内の有効画素の出力を記憶する校正時有効画素メモリ、１３は、撮像時参照画素メモリ１１および校正時有効画素メモリ１２のいずれか一方のデータを記憶する補正メモリ、１４は、補正メモリ１３とＡ／Ｄ変換回路９に接続され、Ａ／Ｄ変換回路９から出力される被写体撮像時における有効画素の出力から補正メモリ１３のデータを減算することにより、オフセット補正を行う減算補正回路、１５は減算補正回路１４からの出力を所望の出力フォーマットに変換して画像信号として出力する表示処理回路である。
【０００９】
なお、図１において、
（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー：シャッタ３が閉の状態で取得した校正時有効画素メモリ１２のデータ、
（Ｄｒｅｆ１（ｎ））バー：シャッタ３が開の状態で取得した撮像時参照画素メモリ１１のデータ、
Ｄｏｐｔ１（ｍ）：撮像中における有効画素のデータ、
Ｄｒｅｆ１（ｎ）：撮像中における参照画素のデータ
とする。
【００１０】
また、図１に示すように、補正メモリ１３の記憶データは、
（ｉ）シャッタ閉キャリブレーション実行後、シャッタ開キャリブレーションが実行されるまでの間は、（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バーであり、
（ｉｉ）シャッタ開キャリブレーション実行後、シャッタ閉キャリブレーションが実行されるまでの間は、（Ｄｒｅｆ１（ｎ））バー（※）である。
【００１１】
さらに、図１に示すように、表示処理回路１５が出力する画像データは、
（ｉ）シャッタ閉キャリブレーション実行後、シャッタ開キャリブレーションが実行されるまでの間は、Ｄｏｐｔ１（ｍ）−（（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー）であり、
（ｉｉ）シャッタ開キャリブレーション実行後、シャッタ閉キャリブレーションが実行されるまでの間は、Ｄｏｐｔ１（ｍ）−（（Ｄｒｅｆ１（ｎ））バー）（※）である。
【００１２】
また、ｍおよびｎは以下の通りであり、ｍは有効画素に付された符号で、ｎは参照画素に付された符号である。
ｍ＝５２、５３、５４、５５
ｎ＝５６、５７、５８、５９
【００１３】
ただし、（※）を付記したデータについては、ｍとｎの組み合わせは下記の通りである。
（ｍ，ｎ）＝（５２，５６）、（５３，５７）、（５４，５８）、（５５，５９）
【００１４】
図２は、撮像素子２の構成を示す図であり、図２において、４０は垂直駆動クロック信号が入力される垂直走査回路、４１は水平駆動クロック信号が入力される水平走査回路、４２及び４３は垂直走査回路４０に接続された垂直走査トランジスタ、４４〜４７は水平走査回路４１に接続された水平走査トランジスタ、４８〜５１は定電流源、５２〜５５は撮像素子２の表面に二次元に（アレイ状に）配列された熱型の赤外線検出器より構成された有効画素、５６〜５９は有効画素５２〜５５の近傍においてそれぞれに一対一に配置された参照画素、６０及び６１は垂直走査トランジスタ４２及び４３を介して垂直走査回路４０に接続されるとともに有効画素５２〜５５及び参照画素５６〜５９に接続された水平信号線、６２〜６５は水平走査トランジスタ４４〜４７を介して水平走査回路４１に接続されるとともに有効画素５２〜５５、参照画素５６〜５９及び定電流原４８〜５１に接続された垂直信号線である。図の簡略化のため、図２では、有効画素５２と参照画素５６、有効画素５３と参照画素５７、有効画素５４と参照画素５８、有効画素５５と参照画素５９、の組み合わせをそれぞれ１組として、水平方向２画素×垂直方向２画素分の４組のみを図示しているが、実際には、実用的な分解能を得るために一般的に水平方向３２０画素×垂直方向２４０画素程度以上（＝７６，８００画素以上）の組数を有している。
【００１５】
有効画素５２〜５５は、ダイオ−ドの順方向電圧の温度依存性を利用した熱型の赤外線検出器であり、例えば特許文献２（特開２００５−２１４６３９号公報）に示された構造を有する。一方、参照画素５６〜５９は、特許文献２に示された画素構造のうち、中空断熱構造及び赤外線吸収構造の両方又はいずれか一方を除外して構成した以外は有効画素５２〜５５と同一の構造を有するものである。有効画素５２〜５５及び参照画素５６〜５９の構造の差異について、図３及び図４を用いて模式的に説明する。図３は有効画素５２〜５５の構造模式図であり、図中、６２は半導体基板、６３は半導体基板６２にエッチング等により形成された凹部からなる中空断熱構造（中空部）、６４は中空断熱構造６３を覆うように半導体基板６２上に配置された構造支持体、６５及び６６は構造支持体６４上に設けられた電極配線、６７は電極配線６５及び６６と後述するＰＮ接合ダイオード６８との上部に設けられた絶縁保護層、６８は電極配線６５及び６６間に設けられたＰＮ接合ダイオ−ド、６９は絶縁保護層６７上に設けられた赤外線吸収構造（赤外線吸収部材）である。一方、図４は、参照画素５６〜５９の構造模式図であり、有効画素５２〜５５と比較してわかるように、有効画素５２〜５５の中空断熱構造６３と赤外線吸収構造６９の両方（またはいずれか一方）を除外した構成を有するものである。他の構成については有効画素５２〜５５と同一であるため、同一符号を付して示し、ここでは、その説明を省略する。なお、この参照画素５６〜５９の構造は、例えば特開２００３−１９８９４２号公報や特開２００５−６４９９９号公報においても説明が記載されている。上記構造により、入射赤外線に対する感度が極めて低いことを除き、参照画素５２〜５５の出力オフセットレベル、及び、出力オフセットレベルの温度変化率等の電気的特性は、有効画素５６〜５９とそれぞれほぼ同等となっている。また、垂直走査トランジスタ４２及び４３、水平走査トランジスタ４４〜４７、定電流源４８〜５１はそれぞれ同等の特性を有するものである。
【００１６】
次に、本実施の形態１に係る非冷却赤外線カメラの動作について図１、図２および図５を用いて説明する。なお、本実施の形態１の説明において、動作の各段階における撮像時参照画素メモリ１１、校正時有効画素メモリ１２、補正メモリ１３のそれぞれに記憶させるデータ、及び、表示処理回路１５から出力される画像データの関係については、図１の説明で上述したとおりである。非冷却赤外線カメラの始動（ステップＳ１００）後、シャッタ閉キャリブレーション信号を制御信号発生回路７に入力し（ステップＳ１０１）、当該入力に基づいて制御信号発生回路７が発生する信号によりシャッタ３を閉じ、シャッタ３が放射する空間的に一様な強度の赤外線を撮像素子２の有効画素５２〜５５及び参照画素５６〜５９に対して素子パッケージ４を介して入射させる（ステップＳ１０２）。次に制御信号発生回路７から、ドライバ回路５を介して、撮像素子２の垂直走査回路４０に垂直駆動クロック、水平走査回路４１に水平駆動クロックを供給する。撮像素子２は、垂直走査回路４０の動作により垂直走査トランジスタ４２を導通状態とし、定電流源４８〜５１の特性で定まる各素子電流を、直流電源６から水平信号線６０を通して、有効画素５２及び５３、参照画素５６及び５７に流す。また、撮像素子２は、各素子電流通電中における垂直信号線６２〜６５の電位（すなわち、有効画素５２及び５３、参照画素５６及び５７の出力電圧）を、水平走査回路４１の動作により水平走査トランジスタ４４〜４７を順次導通状態にして、増幅回路８に順次出力する。次に、垂直走査トランジスタ４３を導通状態にして、同様の動作を繰り返し、有効画素５４及び５５、参照画素５８及び５９の出力電圧を読み出す。このようにして、すべての有効画素および参照画素の出力電圧の読み出しを継続して行う（ステップＳ１０３）。
【００１７】
上記のように、一様な強度の赤外線を入射させた状態での有効画素５２〜５５及び参照画素５６〜５９の出力電圧を増幅回路８で増幅し、次に、Ａ／Ｄ変換回路９でデジタル信号に変換した後、フレーム積分回路１０で画素毎に所望の回数積分処理を行ない（ステップＳ１０４）、有効画素５２〜５５の出力データ（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バーを校正時有効画素メモリ１２に記憶させた(ステップＳ１０５)後、有効画素５２〜５５の出力オフセットばらつきデータとして補正メモリ１３にも記憶する（ステップＳ１０６）。なお、ステップＳ１０１〜Ｓ１０６までの行程が、シャッタ閉キャリブレーション動作である。
【００１８】
次にシャッタ３を開き、被写体が放射する赤外線を赤外光学系１により集光し、素子パッケージ４を透過した後に、撮像素子２上で有効画素５２〜５５及び参照画素５６〜５９の位置する面に結像する（ステップＳ１０７）。これにより、被写体から入射する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各有効画素５２〜５５にそれぞれ生じ、各有効画素５２〜５５が有するＰＮ接合ダイオ−ド６８（図３参照）の順方向電圧値が各有効画素５２〜５５毎に変化する。一方、中空断熱構造６３と赤外線吸収構造６９を有さない参照画素５６〜５９においては、放射赤外線の吸収量が少なく、かつ、吸収された熱が半導体基板６２側に放出されるため、温度上昇は有効画素５２〜５５と比較して極めて小さい。この状態における有効画素５２〜５５及び参照画素５６〜５９の出力電圧Ｄｏｐｔ１（ｍ）及びＤｒｅｆ１（ｎ）をステップＳ１０３と同様の方法で読み出して、減算補正回路１４に入力する。減算補正回路１４において、被写体撮像時のシャッタ開状態における有効画素５２〜５６に対応するこれらの出力データＤｏｐｔ１（ｍ）に対して、補正メモリ１３のデータ（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バーを画素毎に減算することにより、出力データに重畳している出力オフセットばらつき分を減算して補正を行ない（ステップＳ１０８）、表示処理回路１５において所望の出力フォ−マットに変換して画像信号（Ｄｏｐｔ１（ｍ）−（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー）として出力する（ステップＳ１０９）。
【００１９】
撮像中は有効画素５２〜５５と参照画素５６〜５９の双方の信号が撮像素子２から出力され続けるが、シャッタ３開後の所望の期間における参照画素５６〜５９の出力信号をフレーム積分回路１０で所望の回数平均化処理し、得られたデータ（Ｄｒｅｆ１（ｎ））バーを撮像時参照画素メモリ１１に記憶する。撮像が長時間に渡る際には、参照画素５６〜５９の出力に関する上記平均化処理を繰り返して行ない、撮像時参照画素メモリ１１の内容を適宜更新しながら撮像を行なう（ステップＳ１１０）。
【００２０】
撮像素子２の画素数として、図の簡略化のため、図２では４組分のみを図示したが、実用的な分解能を得るためには一般的に水平３２０×垂直２４０程度以上の組数を有し、また、有効画素と参照画素の寸法は１組当たり水平方向５０μｍ、垂直方向２５μｍ程度であるため、有効画素の間には最大で対角に相当する１０〜２０ｍｍ程度の距離が存在する。このため、撮像中に当該非冷却赤外線カメラ内部にある電子回路の自己発熱や周囲環境温度変化の影響等により撮像素子２の面内には、被写体からの放射赤外線により有効画素５２〜５５に生じる数ｍＫ程度の温度上昇以上の相対的な温度分布の変化が生じることがあり、これが有効画素間の出力オフセットレベルの差となり、画像上は固定パターンノイズとして現われてくる。
【００２１】
また、上記のように撮像素子２の有効画素間には対角で１０〜２０ｍｍ程度の距離が存在するため、有効画素５２〜５５の出力オフセットレベルの温度変化率には製造上の誤差による差が存在する。このため、撮像素子２の温度が面内で一様に変化した際にも、有効画素５２〜５５間の出力オフセットレベルには差が生じ、これが固定パターンノイズとして画像に現われてくる。
【００２２】
これに対し、参照画素５６〜５９は有効画素５２〜５５にそれぞれ隣接して配置されており、かつ、入射赤外線に対する感度が極めて低いことを除いた電気的特性が有効画素５２〜５５とほぼ同等となっているため、撮像中に撮像素子２に上記のような面内での相対的な温度変化や一様な温度変変化が生じても、参照画素５６〜５９の出力オフセットレベルは有効画素５２〜５５とそれぞれ同じように変化する。このため、参照画素５６〜５９の出力オフセットレベルは、被写体からの放射赤外線が入射しない状態における有効画素５２〜５５の出力オフセットレベルにそれぞれほぼ等しいものとなっている。
【００２３】
上記のような参照画素５６〜５９の出力オフセットレベルの変化を利用し、固定パターンノイズが増加して画質の観点から許容できないレベルに達したか否かを判定し（ステップＳ１１２）、達した場合（ステップＳ１１２のＹＥＳ）には、シャッタ開キャリブレーション信号を制御信号発生回路７に入力して（ステップＳ１１３）、補正メモリ１３のデータを、最新の撮像時参照画素メモリ１１のデータ（Ｄｒｅｆ１（ｎ））バーで置き換え、シャッタ３を開いた状態で撮像を継続したまま、画像途切れを生じること無く、固定パターンノイズの低減を行なう（ステップＳ１１４）。なお、ステップＳ１１２のＹＥＳ、Ｓ１１３、Ｓ１１４の行程が、シャッタ開キャリブレーション動作である。
【００２４】
シャッタ開キャリブレーション実行後の撮像継続中に撮像素子２内の相対的な面内温度分布や一様な温度変化がさらに大きくなり、各有効画素５２〜５５間の出力オフセットレベルの差が拡大することにより固定パターンノイズが顕著になった場合には、再度、シャッタ開キャリブレーション動作を行ない、最新の撮像時参照画素メモリ１１のデータ（Ｄｒｅｆ１（ｎ））バーを用いて補正を行なう（ステップＳ１１１のＹＥＳ→ステップＳ１１２のＹＥＳ→ステップＳ１１３→ステップＳ１１４）。なお、画像途切れによる不都合が問題ない場合には、ステップＳ１１２においてシャッタ閉キャリブレーションの動作を適宜選択し（ステップＳ１１２のＮＯ）、ステップＳ１０１に戻って、校正時有効画素メモリ１２のデータ（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バーを更新して撮像を継続しても良い。
【００２５】
以上のように、本実施の形態１によれば、撮像時に被写体が放射する赤外線を集光し、撮像素子２上に結像させる赤外光学系１と、複数の有効画素５２〜５５と複数の参照画素５６〜５９とを備えた撮像素子２と、開口部を閉じることにより撮像素子２を構成する有効画素５２〜５５と参照画素５６〜５９の各々に対してほぼ均一な強度の赤外線を入射させうる位置に設置したシャッタ３と、非冷却赤外線カメラ内の各部に対する制御信号を出力する制御信号発生回路７と、シャッタ閉状態における各有効画素５２〜５５の出力を記憶する校正時有効画素メモリ１２と、被写体撮像時のシャッタ開状態における各参照画素５６〜５９の出力を記憶する撮像時参照画素メモリ１１と、校正時有効画素メモリ１２と撮像時参照画素メモリ１１のいずれかのデータを被写体撮像時における各有効画素５２〜５５の出力から減算することによりオフセット補正を行なう減算補正回路１４と、オフセット補正されたデータを画像信号として出力する表示処理回路１５とを備えた非冷却赤外線カメラであるので、校正時有効画素メモリ１２と撮像時参照画素メモリ１１のいずれか一方のデータを、被写体撮像時のシャッタ３の開状態における各有効画素５２〜５５の出力から減算することによりオフセット補正を行なうとともに、参照画素５６〜５９の出力オフセットレベルの変化を利用し、固定パターンノイズが増加して画質の観点から許容できないレベルに達した場合には、シャッタ開キャリブレーション信号を制御信号発生回路７に入力して、補正メモリ１３のデータを最新の撮像時参照画素メモリ１１の内容で置き換えて、撮像中に取得した参照画素のデータを用いて有効画素出力に対する補正を行うことができるようにしたので、シャッタ３を開いた状態で撮像を継続したまま、画像途切れを生じること無く、固定パターンノイズの低減を行なうようにしたので、オフセット補正データ取得による撮像中の画像途切れの頻度を極めて少なくすることができる。
【００２６】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係る非冷却赤外線カメラのブロック図である。図において、１６は、校正時のシャッタ３の閉状態における撮像素子２の参照画素の出力を記憶する校正時参照画素メモリ、１７は、校正時有効画素メモリ１２と校正時参照画素メモリ１６に接続されて、校正時参照画素メモリ１６のデータから校正時有効画素メモリ１２のデータを減算した結果を記憶する校正時差分値メモリ、１８は、撮像時参照画素メモリ１１と校正時差分値メモリ１７に接続されて、撮像時参照画素メモリ１１のデータから校正時差分値メモリ１７のデータを減算する減算回路である。なお、本実施の形態２においては、補正メモリ１３は、校正時有効画素メモリ１２と減算回路１８とに接続されて、それらの出力のいずれか一方が記憶される。記憶されるデータの詳細については後述する。他の構成については、図１〜図４と同様であるため、同一符号により示し、ここでは説明を省略する。
【００２７】
このように、本実施の形態２に係る非冷却赤外線カメラは、撮像時に被写体が放射する赤外線を集光し、撮像素子２上に結像させる赤外光学系１と、複数の有効画素と複数の参照画素とを備えた撮像素子２と、開口部を閉じることにより撮像素子２を構成する有効画素と参照画素の各々に対してほぼ均一な強度の赤外線を入射させうる位置に設置したシャッタ３と、非冷却赤外線カメラ内の各部に対する制御信号を出力する制御信号発生回路７と、シャッタ閉状態における各有効画素の出力を記憶する校正時有効画素メモリ１２と、シャッタ閉状態における各有効画素の出力を記憶する校正時参照画素メモリ１６と、校正時参照画素メモリ１６と校正時有効画素メモリ１２との差を記憶する校正時差分値メモリ１７と、被写体撮像時のシャッタ開状態における各参照画素の出力を記憶する撮像時参照画素メモリ１１と、撮像時参照画素メモリ１１のデータから校正時差分値メモリ１７のデータを減算することにより修正を加える減算回路１８と、校正時有効画素メモリ１２と減算回路１８との出力のいずれか一方のデータを被写体撮像時における各有効画素の出力から減算することによりオフセット補正を行なう減算補正回路１４と、オフセット補正されたデータを画像信号として出力する表示処理回路１５とを備えている。
【００２８】
なお、図６において、
（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー：シャッタ３が閉の状態で取得した校正時有効画素メモリ１２のデータ、
（Ｄｒｅｆ０（ｎ））バー：シャッタ３が閉の状態で取得した校正時参照画素メモリ１６のデータ、
（Ｄｒｅｆ１（ｎ））バー：シャッタ３が開の状態で取得した撮像時参照画素メモリ１１のデータ、
Ｄｏｐｔ１（ｍ）：撮像中における有効画素のデータ、
Ｄｒｅｆ１（ｎ）：撮像中における参照画素のデータ
とする。
【００２９】
また、図６に示すように、補正メモリ１３の記憶データは、
（ｉ）シャッタ閉キャリブレーション実行後、シャッタ開キャリブレーションが実行されるまでの間は、（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バーであり、
（ｉｉ）シャッタ開キャリブレーション実行後、シャッタ閉キャリブレーションが実行されるまでの間は、（（Ｄｒｅｆ１（ｎ））バー）−｛（（Ｄｒｅｆ０（ｎ））バー）−（（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー）｝（※）である。
【００３０】
さらに、図６に示すように、表示処理回路１５が出力する画像データは、
（ｉ）シャッタ閉キャリブレーション実行後、シャッタ開キャリブレーションが実行されるまでの間は、Ｄｏｐｔ１（ｍ）−（（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー）であり、
（ｉｉ）シャッタ開キャリブレーション実行後、シャッタ閉キャリブレーションが実行されるまでの間は、Ｄｏｐｔ１（ｍ）−［（（Ｄｒｅｆ１（ｎ））バー）−｛（（Ｄｒｅｆ０（ｎ））バー）−（（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー）｝］（※）である。
【００３１】
また、ｍおよびｎは以下の通りであり、ｍは有効画素に付された符号で、ｎは参照画素に付された符号である。
ｍ＝５２、５３、５４、５５
ｎ＝５６、５７、５８、５９
【００３２】
ただし、（※）を付記したデータについては、ｍとｎの組み合わせは下記の通りである。
（ｍ，ｎ）＝（５２，５６）、（５３，５７）、（５４，５８）、（５５，５９）
【００３３】
次に、本実施の形態２に係る非冷却赤外線カメラの動作について、図６及び図７を用いて説明する。なお、実施の形態２の説明において、動作の各段階における撮像時参照画素メモリ１１、校正時有効画素メモリ１２、補正メモリ１３、校正時参照画素メモリ１６に記憶させるデータ、及び、表示処理回路１５から出力される画像データの関係については上述のとおりである。非冷却赤外線カメラ始動後、ステップＳ１００〜Ｓ１０４までの動作は実施の形態１と同じであるため、ここでは説明を省略する。
【００３４】
次に、本実施の形態２においては、シャッタ閉キャリブレーション動作の過程において、シャッタ３を閉じて所望の回数分、フレーム積分回路１０による回数フレーム積分を施した有効画素５２〜５５の出力（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バーを校正時有効画素メモリ１２に、参照画素５６〜５９の出力（Ｄｒｅｆ０（ｎ））バーを校正時参照画素メモリ１６にそれぞれ記憶し（ステップＳ２００）、さらに、画素毎の両者の差（（（Ｄｒｅｆ０（ｎ））バー）−（（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー））を校正時差分値メモリ１７に記憶する（ステップＳ２０１）。その後、実施の形態１で説明したステップＳ１０６と同じ動作を行う（ステップＳ１０６）。なお、本実施の形態２においては、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４，Ｓ２００，Ｓ２０１，Ｓ１０６の行程が、シャッタ閉キャリブレーション動作となる。
【００３５】
次に、ステップＳ１０７からステップＳ１１１までの動作は実施の形態１と同じであるため、実施の形態１と同様に動作する。次に、撮像継続中に固定パターンノイズの増加が認められ（ステップＳ１１２のＹＥＳ）、シャッタ開キャリブレーション信号が制御信号発生回路７に入力されると（ステップＳ１１３）、減算回路１８において、最新の撮像時参照画素メモリ１１のデータ（Ｄｒｅｆ１（ｎ）バー）から校正時差分値メモリ１７のデータ（（（Ｄｒｅｆ０（ｎ））バー）−（（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー））を減算することにより、互いに組を構成する有効画素と参照画素との出力オフセット差に相当する修正を撮像時参照画素メモリ１１のデータに対して加え、その結果得られたデータ（（Ｄｒｅｆ１（ｎ）バー）−（（（Ｄｒｅｆ０（ｎ））バー）−（（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー））を、補正メモリ１３のデータとして置き換え、シャッタ３を開いたまま画像途切れを生じること無く、固定パターンノイズの低減を行なう（ステップＳ１１２のＹＥＳ、Ｓ１１３、Ｓ２０２）。
【００３６】
各参照画素５６〜５９は、互いに組を構成する有効画素５２〜５５と比較して、入射赤外線に対する感度が極めて低いことを除き、電気的特性は理想的には有効画素５２〜５５と同一であるが、実際には製造上の誤差により各有効画素５２〜５５と各参照画素５６〜５９との間には出力オフセットレベル、及び、出力オフセットレベルの温度変化率等の特性差がわずかながら存在する。このため、各有効画素５２〜５５と各参照画素５６〜５９との間には出力オフセットレベル差がわずかに存在し（図８のＡ）、また、撮像素子２内の相対的な面内温度分布の変化、あるいは、撮像素子２内の一様な温度変化により互いに組を構成する有効画素５２〜５５と参照画素５６〜５９の温度が変化すると、その出力オフセットレベル差（図８のＢ）も増加する。図８の差Ａについては、シャッタ閉キャリブレーションのステップＳ２０１において校正時差分値メモリ１７に記憶されており、シャッタ開キャリブレーションのステップＳ２０２において補正されるが、図８の差Ａから差Ｂへの増加分については、これがシャッタ開キャリブレーション実施後の固定パターンノイズとなる。上記固定パターンノイズは、互いに組を構成する有効画素５２〜５５と参照画素５６〜５９とが位置する撮像素子２の場所における、シャッタ閉キャリブレーション実施時からの温度変化量が大きい程大きくなる。ステップＳ１１３、Ｓ２０２のシャッタ開キャリブレーションで固定パターンノイズを十分低減しきれなくなった場合には、必要に応じて、再度、シャッタ閉キャリブレーション信号を制御信号発生回路７に入力して、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４、Ｓ２００、Ｓ２０１及びＳ１０６を実行し、校正時有効画素メモリ１２、校正時参照画素メモリ１６、及び、校正時差分値メモリ１７のデータを更新し、当該シャッタ閉キャリブレーション実行時における各有効画素５２〜５５と各参照画素５６〜５９との出力オフセットレベル差を補正して撮像を継続する。その他の動作については実施の形態１と同じである。
【００３７】
以上のように、本実施の形態２によれば、上記の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、本実施の形態２においては、始動時及び撮像中の必要な時期において適宜実行されるシャッタ閉キャリブレーションにおいて、各有効画素の出力オフセットレベルを校正時参照画素メモリ１２に、各参照画素の出力オフセットレベルを校正時参照画素メモリ１６に、互いに組を構成する参照画素と有効画素との間に存在する出力オフセットレベルの差を校正時差分値メモリ１７に記憶し、減算回路１８において互いに組を構成する有効画素と参照画素との出力オフセット差に相当する補正を撮像時参照画素メモリ１１のデータに対して施し、補正を加えて補正メモリ１３に記憶するようにしたため、互いに組を構成する各有効画素と各参照画素との電気的特性差間により生じる出力オフセットレベル差の画像への影響を解消することが出来、シャッタ３を開いたまま撮像を継続しつつ画像途切れを生じること無く、固定パターンノイズの低減を行なうことが出来るだけでなく固定パターンノイズが低減の精度が向上して画質が向上するという効果が得られる。
【００３８】
実施の形態３．
図９は実施の形態３に係わる非冷却赤外線カメラのブロック図であり、図９において、１９は、ライン状に配置した参照画素を有する撮像素子である。図１０は、撮像素子１９の構成であり、図中、７０〜７５は有効画素、７６〜７８は水平方向にライン状に配置した参照画素である。本実施の形態３においては、このように、撮像素子１９が、二次元に配列した有効画素７０〜７５と、有効画素７０〜７５の二次元配列の外部における周囲において行方向又は列方向の各配列毎に共通に配置された参照画素７６〜７８とを備えている。すなわち、本実施の形態３においては、列方向に配列された有効画素７０及び７３に対しては参照画素７６、有効画素７１及び７４に対しては参照画素７７、有効画素７２及び７５に対しては参照画素７８が互いに組を構成している。この点が実施の形態２と異なる点である。なお、図の簡略化のため、図１０では、有効画素７０〜７５については水平方向３画素×垂直方向２画素分、参照画素については水平方向に３画素分のみ図示しているが、実際には、実用的な分解能を得るため一般的には有効画素は水平方向３２０画素×垂直方向２４０画素程度以上、参照画素は水平方向３２０画素以上程度を有する。
【００３９】
また、図９において、２０は、校正時のシャッタ３の閉状態における参照画素の出力を記憶する校正時参照画素メモリ、２１は、被写体撮像時のシャッタ３の開状態における参照画素の出力を記憶する撮像時参照画素メモリ、２２は、校正時参照画素メモリ２０のデータから校正時有効画素メモリ１２のデータを減算した差を記憶する校正時差分値メモリ、２３は、撮像時参照画素メモリ２１のデータから校正時差分値メモリ２２のデータを減算する減算回路である。校正時参照画素メモリ２０及び撮像時参照画素メモリ２１は、参照画素７６〜７８の数が、上述した実施の形態１及び２と比較して少ない分、校正時参照画素メモリ１６及び撮像時参照画素メモリ１１よりも小容量のものでよい。なお、本実施の形態３においては、補正メモリ１３は、校正時有効画素メモリ１２と減算回路２３とに接続されて、それらの出力のいずれか一方が記憶される。記憶されるデータの詳細については後述する。他の構成については、図６及び図２と同じであるため、同一符号を付して示し、ここでは説明を省略する。また、有効画素の構成については図３の構成と同じであり、参照画素の構成については図４の構成と同じであるので、これらの図を参照することとする。
【００４０】
このように、本実施の形態３に係る非冷却赤外線カメラは、撮像時に被写体が放射する赤外線を集光し、撮像素子２上に結像させる赤外光学系１と、二次元配列された複数の有効画素７０〜７５と有効画素７０〜７５の列方向の各配列に対して共通に配置された複数の参照画素７６〜７８とを備えた撮像素子２と、開口部を有し、開口部を閉じることにより撮像素子２を構成する有効画素７０〜７５と参照画素７６〜７８の各々に対してほぼ均一な強度の赤外線を入射させうる位置に設置したシャッタ３と、非冷却赤外線カメラ内の各部に対する制御信号を出力する制御信号発生回路７と、シャッタ閉状態における各有効画素７０〜７５の出力を記憶する校正時有効画素メモリ１２と、シャッタ閉状態における各有効画素７０〜７５の出力を記憶する校正時参照画素メモリ２０と、校正時参照画素メモリ２０と校正時有効画素メモリ１２との差を記憶する校正時差分値メモリ２２と、被写体撮像時のシャッタ開状態における各参照画素７６〜７８の出力を記憶する撮像時参照画素メモリ２１と、撮像時参照画素メモリ２１のデータから校正時差分値メモリ２２のデータを減算して修正を加える減算回路２３と、校正時有効画素メモリ１２と減算回路２３との出力のいずれか一方のデータを被写体撮像時における各有効画素７０〜７５の出力から減算することによりオフセット補正を行なう減算補正回路１４と、オフセット補正されたデータを画像信号として出力する表示処理回路１５とを備えている。
【００４１】
なお、図９において、
（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー：シャッタ３が閉の状態で取得した校正時有効画素メモリ１２のデータ、
（Ｄｒｅｆ０（ｋ））バー：シャッタ３が閉の状態で取得した校正時参照画素メモリ２０のデータ、
（Ｄｒｅｆ１（ｋ））バー：シャッタ３が開の状態で取得した撮像時参照画素メモリ１１のデータ、
Ｄｏｐｔ１（ｍ）：撮像中における有効画素のデータ、
Ｄｒｅｆ１（ｋ）：撮像中における参照画素のデータ
とする。
【００４２】
また、図９に示すように、補正メモリ１３の記憶データは、
（ｉ）シャッタ閉キャリブレーション実行後、シャッタ開キャリブレーションが実行されるまでの間は、（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バーであり、
（ｉｉ）シャッタ開キャリブレーション実行後、シャッタ閉キャリブレーションが実行されるまでの間は、（（Ｄｒｅｆ１（ｋ））バー）−｛（（Ｄｒｅｆ０（ｋ））バー）−（（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー）｝（※）である。
【００４３】
さらに、図９に示すように、表示処理回路１５が出力する画像データは、
（ｉ）シャッタ閉キャリブレーション実行後、シャッタ開キャリブレーションが実行されるまでの間は、Ｄｏｐｔ１（ｍ）−（（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー）であり、
（ｉｉ）シャッタ開キャリブレーション実行後、シャッタ閉キャリブレーションが実行されるまでの間は、Ｄｏｐｔ１（ｍ）−［（（Ｄｒｅｆ１（ｋ））バー）−｛（（Ｄｒｅｆ０（ｋ））バー）−（（Ｄｏｐｔ０（ｍ））バー）｝］（※）である。
【００４４】
また、ｍおよびｋは以下の通りであり、ｍは有効画素に付された符号で、ｋは参照画素に付された符号である。
ｍ＝７０、７１、７２、７３、７４、７５
ｋ＝７６、７７、７８
【００４５】
ただし、（※）を付記したデータについては、ｍとｋの組み合わせは下記の通りである。
（ｍ，ｋ）＝（７２，７８）、（７１，７７）、（７０，７６）、
（７５，７８）、（７４，７７）、（７３，７６）
【００４６】
本実施の形態３おいては、校正時参照画素メモリ２０にはシャッタ閉キャリブレーション実行時における参照画素７６〜７８の出力オフセットデータ、撮像時参照画素メモリ２１には撮像時のシャッタ開状態における参照画素７６〜７８の出力オフセットデータ、校正時有効画素メモリ１２にはシャッタ閉キャリブレーション実行時における有効画素７０〜７５の出力オフセットデータが記憶されている。また、校正時差分値メモリ２２には、校正時有効画素メモリ１２のデータと各有効画素に対して同じ列に対応して位置する校正時参照画素メモリ２０のデータとの差が有効画素数分記憶されている。減算回路２３において、校正時差分値メモリ２２のデータと、同じ列に対応する撮像時参照画素メモリ２１のデータとによる差分の計算を行ない、補正メモリ１３には、上述した（※）を付記した場合のｍとｋとの組み合わせで示す有効画素数分のデータを記憶する。その他の動作は、上記の実施の形態２と同じであるため、撮像時参照画素メモリ１１を撮像時参照画素メモリ２１に、校正時参照画素メモリ１６を校正時参照画素メモリ２０に、校正時差分値メモリ１７を校正時差分値メモリ２２に、減算回路１８を減算回路２３に、ｎをｋに、それぞれ、読み替えてその説明及び図７を参照するものとし、ここでは詳細な説明を省略する。なお、動作の各段階における撮像時参照画素メモリ２１、校正時有効画素メモリ１２、補正メモリ１３、校正時参照画素メモリ２０に記憶させるデータ、及び、表示処理回路１５から出力される画像データの関係については、上述のとおりである。
【００４７】
以上のように、本実施の形態３においては、上述の実施の形態１および実施の形態２と同様の効果が得られるとともに、さらに、本実施の形態３においては、参照画素７６〜７８を有効画素７０〜７５の２次元配列の外に配置したため、実施の形態１及び２と比較して、有効画素７０〜７５の開口率が向上し、実施の形態１及び２と同様に、シャッタ３を開いたまま撮像を継続しつつ画像途切れを生じること無く固定パターンノイズの低減を行なうことが出来、かつ、非冷却赤外線カメラとしての感度向上が期待出来る効果がある。なお、本実施の形態３においては、２次元配列した有効画素の外側において、参照画素７８〜７６を定電流源４８〜５１から遠い側（図１０において有効画素７０〜７５の二次元配列の下方）に水平方向に配置した場合を示したが、定電流源４８〜５１に近い側（図１０において有効画素７０〜７５の二次元配列の上方）に配置しても良い。さらに、参照画素７６〜７８を、水平走査回路４１の反対側において水平方向に配置する場合を示したが、有効画素７０〜７５の二次元配列の外側における、垂直走査回路４０側、あるいは、垂直走査回路４０の反対側において、垂直に配置しても同様の効果が得られる。
【００４８】
なお、上記実施の形態１、２、３の説明においては、赤外光学系１と撮像素子２及び１９との間に設置したシャッタ３を閉じることによりシャッタ閉キャリブレーションを実行するものとして説明を行なったが、シャッタ３の位置は赤外光学系１の前でも良いし、各有効画素と各参照画素に一様な強度の赤外線を入射出来れば、シャッタ以外の他の手段であっても良い。また、シャッタ閉キャリブレーション信号及びシャッタ開キャリブレーション信号は当該非冷却赤外線カメラの外部から入力するものとして説明を行なったが、起動後初回のシャッタ閉キャリブレーション信号は制御信号発生回路７から自動的に供給される構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の実施の形態１による非冷却赤外線カメラの構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１及び２による非冷却赤外線カメラにおける撮像素子２の構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１及び２による非冷却赤外線カメラにおける有効画素５２〜５５、および、この発明の実施の形態３における有効画素７０〜７５の構造模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１及び２による非冷却赤外線カメラにおける参照画素５６〜５９、および、この発明の実施の形態３における参照画素７６〜７８の構造模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１による非冷却赤外線カメラの動作を示すフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態２による非冷却赤外線カメラの構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態２による非冷却赤外線カメラの動作を示すフローチャートである。
【図８】この発明の実施の形態２及び３による非冷却赤外線カメラにおける有効画素と参照画素の出力オフセットレベルの温度変化の差を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態３による非冷却赤外線カメラの構成を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態３による非冷却赤外線カメラにおける撮像素子１９の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  赤外光学系、２  撮像素子、３  シャッタ、４  素子パッケージ、５  ドライバ回路、６  直流電源、７  制御信号発生回路、８  増幅回路、９  Ａ/Ｄ変換回路、１０  フレーム積分回路、１１  撮像時参照画素メモリ、１２  校正時有効画素メモリ、１３  補正メモリ、１４  減算補正回路、１５  表示処理回路、１６  校正時参照画素メモリ、１７  校正時差分値メモリ、１８  減算回路、１９  撮像素子、２０  校正時参照画素メモリ、２１  撮像時参照画素メモリ、２２  校正時差分値メモリ、２３  減算回路、５２，５３，５４，５５  有効画素、５６，５７，５８，５９  参照画素、６３  中空断熱構造、６９  赤外線吸収構造、７０，７１，７２，７３，７４，７５  有効画素、７６，７７，７８  参照画素。
【図１】
2008219613.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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