(57)【要約】【課題】高輝度被写体又は高温度被写体を撮像したことによる赤外線撮像部の故障を防止した赤外線カメラを提供する。【解決手段】受光した赤外線を強さに応じた電気信号に変換する赤外線撮像部と、外部からの前記赤外線撮像部へ入射する光を遮断するためのシャッタ機構と、外部からの前記赤外線撮像部へ入射する光の絞りを調節する光学絞り機構と、前記赤外線撮像部からの電気信号を第１の利得で増幅した後Ａ／Ｄ変換した信号を処理して画像信号を生成する画像信号生成部と、前記赤外線撮像部からの電気信号を前記第１の利得より低い第２の利得で増幅した後Ａ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換した赤外線信号が予め定められた閾値以上になった時に、外部からの前記赤外線撮像部へ入射する光を遮断又は絞るために前記シャッタ機構又は光学絞り機構に入射光制御信号を送る入射光制御信号生成部と、を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光した赤外線を強さに応じた電気信号に変換する赤外線撮像部と、
外部からの前記赤外線撮像部へ入射する光を遮断するためのシャッタ機構と、
外部からの前記赤外線撮像部へ入射する光の絞りを調節する光学絞り機構と、
前記赤外線撮像部からの電気信号を第１の利得で増幅した後Ａ／Ｄ変換した信号を処理して画像信号を生成する画像信号生成部と、
前記赤外線撮像部からの電気信号を前記第１の利得より低い第２の利得で増幅した後Ａ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換した赤外線信号が予め定められた閾値以上になった時に、外部からの前記赤外線撮像部へ入射する光を遮断又は絞るために前記シャッタ機構又は光学絞り機構に入射光制御信号を送る入射光制御信号生成部と、
を備えたことを特徴とする赤外線カメラ。
【請求項２】
赤外線撮像部が複数の赤外線撮像素子を含み、画像信号生成部及び入射光制御信号生成部で前記赤外線撮像部の複数の赤外線撮像素子からの信号を含むフレームを単位とする信号で処理を行い、前記入射光制御信号生成部が、連続する複数のフレームにおいて赤外線信号が前記閾値以上になった時に、入射光制御信号を送ることを特徴とする請求項１に記載の赤外線カメラ。
【請求項３】
入射光制御信号生成部が、シャッタ機構を遮断状態にした時の赤外線撮像部からの信号値をオフセット補正値として記憶し、赤外線信号から前記オフセット補正値を差し引いた信号を使用することを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線カメラ。
【請求項４】
赤外線撮像部が、照射される赤外線による温度変化により信号出力が変化する熱型赤外線撮像部であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の赤外線カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、赤外線カメラ、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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱型の赤外線撮像素子等を使用したこの種の赤外線カメラは例えば特許文献１に開示されており、特許文献１では赤外光学系や装置の筐体等からの不要な赤外線放射によるシェーディングの影響をカメラ内部に設けたシャッタで有効に補正する装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２７４３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
明るい光学系を用いた従来のこの種の赤外線カメラでは、太陽光などの高輝度物体又は高温度物体を撮像した場合に赤外線撮像部の赤外線撮像素子の画素温度が高温になり、長時間耐熱温度を超えた状態が続くと素子が故障するという問題があった。
【０００５】
この発明は、高輝度被写体又は高温度被写体を撮像したことによる赤外線撮像部の故障を防止した赤外線カメラを提供す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、受光した赤外線を強さに応じた電気信号に変換する赤外線撮像部と、外部からの前記赤外線撮像部へ入射する光を遮断するためのシャッタ機構と、外部からの前記赤外線撮像部へ入射する光の絞りを調節する光学絞り機構と、前記赤外線撮像部からの電気信号を第１の利得で増幅した後Ａ／Ｄ変換した信号を処理して画像信号を生成する画像信号生成部と、前記赤外線撮像部からの電気信号を前記第１の利得より低い第２の利得で増幅した後Ａ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換した赤外線信号が予め定められた閾値以上になった時に、外部からの前記赤外線撮像部へ入射する光を遮断又は絞るために前記シャッタ機構又は光学絞り機構に入射光制御信号を送る入射光制御信号生成部と、を備えたことを特徴とする赤外線カメラにある。
【発明の効果】
【０００７】
この発明では、高輝度被写体又は高温度被写体を撮像したことによる赤外線撮像部の故障を防止した赤外線カメラを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による赤外線カメラの構成を示す図である。赤外線カメラは、筐体１４、筐体１４に取り付けられた赤外線光学系１、熱型赤外線撮像部４(以下赤外線撮像部)、赤外線光学系１と赤外線撮像部４の間に設けられたシャッタ２と光学絞り２０、赤外線撮像部４を真空状態に保持するための真空パッケージ５、真空パッケージ５の赤外線入射方向に設置されている赤外線透過窓３を含む。
【０００９】
また、赤外線撮像部４からの電気信号を増幅するための第１のプリアンプ６、第１のプリアンプ６の出力信号をデジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄコンバータ７、第１のＡ／Ｄコンバータ７からの量子化された信号に基づきビデオ出力信号(画像信号)を出力する信号処理回路８を含み、これらは画像信号を生成することを目的としており、画像信号生成部を構成する。
【００１０】
また、赤外線撮像部４からの電気信号を増幅するための第２のプリアンプ９、第２のプリアンプ９の出力信号をデジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄコンバータ１０、第２のＡ／Ｄコンバータ１０からの量子化された信号のレベルを検知するレベル検知回路１１を含み、これらはシャッタ２や光学絞り２０への制御信号である入射光制御信号を生成することを目的としており、入射光制御信号生成部を構成する。
【００１１】
さらにそれぞれレベル検知回路１１からの入射光制御信号により、シャッタ２を開閉駆動制御するシャッタドライバ１２、光学絞り２０の絞り駆動制御する光学絞りドライバ１５を含む。シャッタ２とシャッタドライバ１２はシャッタ機構を構成し、光学絞り２０と光学絞りドライバ１５は光学絞り機構を構成する。そしてさらに赤外線カメラ全体の制御を行うカメラ制御部１３を含む。
【００１２】
図２は赤外線撮像部４の平面図であり、シリコン基板４１上に二次元(マトリクス状)に赤外線撮像素子が配置された赤外線撮像素子部４２、画素出力信号の読出し回路４３が形成されている。
【００１３】
図３は図２における赤外線撮像素子部４２の１画素の構造、すなわち１つの赤外線撮像素子４０２を示す斜視図である。シリコン基板４１に両側の支持脚４０２ｂにより基板から空間を隔てて持ち上げるように赤外線検知部４０２ａが設けられている。熱型の赤外線撮像素子４０２は、赤外線が照射されると、赤外線を吸収して赤外線検知部４０２ａの温度が上昇し、その温度変化を抵抗変化に変換して検出するものである。
【００１４】
最初に一般的動作を説明する。図１において、赤外線光学系１から入射した赤外線は赤外線透過窓３を透過して赤外線撮像部４に照射される。照射された赤外線は、図３における赤外線検知部４０２ａにおいて吸収されることにより赤外線検知部の温度が上昇する。赤外線検知部４０２ａに例えば酸化バナジウムなどの抵抗体を用いた場合、温度変化に伴いその抵抗値が変化するので、この温度変化による抵抗値の変化を電気信号の変化として読み出すことにより２次元の赤外線画像情報を得ることができる。
【００１５】
赤外線は室温においては、あらゆる物体から放射されているため、たとえシャッタ２を閉じたとしても赤外線撮像部４に入射される赤外線の入射光量はゼロにはならない。赤外線カメラでは、ある基準面を撮像しそれを撮像信号から差し引くオフセット補正を行う必要がある。図１においては、カメラ制御部１３からの信号に応じてシャッタドライバ１２の制御によりシャッタ２が閉じられ、その時の赤外線撮像部４から第１のプリアンプ６及び第１のＡ／Ｄコンバータ７を介して得られる撮像信号の値をオフセット補正値として信号処理回路８で保持記憶しておき、撮像時に生の撮像信号から差し引く動作を行う。
【００１６】
また、図３に示す赤外線検知部４０２ａに用いる抵抗体の抵抗温度係数(温度に対する抵抗値の変化の割合のことで単位は％／℃)が同じであれば、赤外線検知部４０２ａの温度上昇が大きいほど同じ量の赤外線入射でえられる抵抗変化が大きくなり、感度が高くなる。従って温度上昇を高くするためには赤外線検知部４０２ａからシリコン基板４１に逃げる熱をできるだけ小さくすることが効果的であり、このために両側の支持脚４０２ｂは熱抵抗をできるだけ大きくするように設計される。
【００１７】
よって近年の高性能な赤外線撮像素子４０２は、支持脚４０２ｂの熱抵抗を小さくし画素温度が上昇しやすい設計になっているため、明るい光学系を用いた場合、太陽光などの高輝度物体又は高温度物体を直視時に、画素温度が数百℃に上昇することで素子が故障するという問題があった。赤外線撮像素子４０２の耐熱温度は、使用している部材の融点や、部材の変質、熱変形等に決まり、例えば、配線に用いられるアルミニウムの融点による耐熱温度は約４００℃である。
【００１８】
そしてこの発明に関し、高感度の赤外線カメラの温度分解能は一般に０．１ｍ℃前後であり、高いＳＮ比の画像信号を生成するための第１のプリアンプ６は利得(第１の利得)を高く設計されている。そのため、ある輝度以上又はある温度以上の被写体を撮像した場合、第１のＡ／Ｄコンバータ７は飽和した状態となり、画像は白とび状態となる。一方、第２のプリアンプ９は、高温撮像においても第２のＡ／Ｄコンバータ１０が飽和しないように利得(第２の利得)が上述の第１のプリアンプ６は利得に比べて低く設計されている。
【００１９】
次に、高輝度被写体又は高温度物体を撮像したことによる赤外線撮像素子の故障防止の動作について説明する。第１のプリアンプ６、第１のＡ／Ｄコンバータ７、信号処理回路８からなる画像信号生成部、及び第２のプリアンプ９、第２のＡ／Ｄコンバータ１０、レベル検知回路１１からなる入射光制御信号生成部はそれぞれ、赤外線撮像部４の複数又は全ての赤外線撮像素子４０２からの信号を含むフレームを単位とする信号で処理を行い得る。
【００２０】
図４はレベル検知回路１１での信号処理の動作を説明するための図である。図４において、縦軸は第２のＡ／Ｄコンバータ１０で量子化された出力(赤外線信号)の諧調、横軸はフレーム番号である。この例ではＡ／Ｄコンバータ１０として１０ビット(１０２４階調)を使用している。各フレーム期間において全画素の出力、すなわち例えば図２の赤外線撮像素子部４２の全ての赤外線撮像素子４０２からの出力が表示されており、図４においては５フレーム分が表示されている。
【００２１】
また第３フレーム以降において、高輝度被写体又は高温度被写体を撮像しており、一部の画素において出力が大きくなっている。予め閾値を設定しておき、一部の画素出力が閾値を超えた場合、シャッタ２を閉じる入射光制御信号をシャッタドライバ１２に出力する。画素が故障する温度を例えば４００℃とすれば、閾値をそれ以下の温度に設定することにより、高輝度被写体又は高温度被写体を撮像した場合にシャッタ２を閉じることで、赤外線撮像素子を保護することができる。
【００２２】
なお、レベル判定を行うデータは、上記の例においてはＡ／Ｄコンバータ１０の出力(赤外線信号)をそのまま使用したが、レベル検知回路１１に信号処理回路８と同様にして、シャッタ２が閉じられた時の赤外線撮像部４から第２のプリアンプ９及び第２のＡ／Ｄコンバータ１０を介して得られる赤外線信号の値をオフセット補正値として保持記憶しておき、撮像時に生の赤外線信号からオフセット補正値を差し引くオフセット補正を実施した赤外線信号を用いるようにしてもよい。これは以下の実施の形態について同様である。
【００２３】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２による赤外線カメラにおけるレベル検知回路１１での信号処理の動作を説明するための図である。赤外線カメラ全体の構成は図１に示すものと基本的に同じである。上述の実施の形態１においては、高輝度被写体又は高温度被写体からの入射光が入射された後、レベル検知回路１１は赤外線信号が最初に閾値以上になったと判断した場合にシャッタ２を閉じる入射光制御信号を出力するのに対して、本実施の形態においては最初に閾値以上になったと判断した後、連続してＮフレーム回、閾値以上になったときにシャッタ２を閉じる入射光制御信号を出力するものである。フレーム数Ｎは各赤外線撮像素子４０２が高温に耐えうる期間により設定され、例えばその期間を１秒間とすれば、ＴＶ同期の場合３０フレーム／秒なのでＮは３０に設定される。これにより、赤外線撮像素子が故障しないような短時間の高輝度又は高温度被写体からの入射光でのシャッタ動作を防止できる。
【００２４】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３による赤外線カメラの構成を示す図である。上述の図１と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明は省略する。図６の赤外線カメラでは実施の形態１に対し、レベル検知回路１１から出力される入射光制御信号が光学絞りドライバ１５に入力されている点が異なる。高輝度被写体又は高温度被写体からの入射光を検知してレベル検知回路１１が出力する入射光制御信号に応じて、光学絞りドライバ１５が光学絞り２０を開口が最も小さくなる状態に駆動する。レベル検知の方法については、上述の実施の形態１又は２と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態１による赤外線カメラの構成を示す図である。
【図２】図１は赤外線撮像部の平面図である。
【図３】図２の赤外線撮像素子部の１つの赤外線撮像素子を示す斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１による赤外線カメラのレベル検知回路での信号処理の動作を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態２による赤外線カメラのレベル検知回路での信号処理の動作を説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態３による赤外線カメラの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  赤外線光学系、２  シャッタ、３  赤外線透過窓、４  (熱型)赤外線撮像部、５  真空パッケージ、６  第１のプリアンプ、７  第１のＡ／Ｄコンバータ、８  信号処理回路、９  第２のプリアンプ、１０  第２のＡ／Ｄコンバータ、１１  レベル検知回路、１２  シャッタドライバ、１３  カメラ制御部、１４  筐体、１５  光学絞りドライバ、２０  光学絞り、４１  シリコン基板、４２  赤外線撮像素子部、４３  読み出し回路、４０２  赤外線撮像素子、４０２ａ  赤外線検知部、４０２ｂ  支持脚。
【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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