(57)【要約】【課題】従来の赤外線カメラはその感度補正データが素子温度により一定であるため、素子温度が変ると感度特性が変り、補正ずれが生じ、画像に固定パターン雑音が目立つ。【解決手段】赤外光学系と、赤外光学系の結像面に位置する撮像素子と、撮像素子を駆動するドライバ回路と、撮像素子の温度を検出する素子温度モニタと、撮像素子の複数の異なる温度での感度補正データを予め記憶するメモリと、赤外線カメラ使用時の撮像素子の温度を素子温度モニタから得、感度補正データメモリからの複数の感度補正データを用いて撮像素子の温度に応じた感度補正データを生成する感度補正データ演算回路と、感度補正データを用いて撮像素子からの撮像画像データを補正する画像データ演算回路を備えることで、メモリの増加、カメラの大きさやコストの上昇を抑えて、固定パターン雑音を発生しない赤外線カメラを提供する。【選択図】図１
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【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、上記撮像素子を駆動するドライバ回路とを備えた赤外線カメラにおいて、上記撮像素子と熱的に接続され上記撮像素子の温度を検出する素子温度モニタと、上記撮像素子の複数の異なる温度での感度補正データが予め記憶されたメモリと、赤外線カメラ使用時の上記撮像素子の温度を素子温度モニタから得、上記感度補正データメモリからの感度補正データを用いて上記撮像素子の温度に応じた感度補正データを生成する感度補正データ演算回路と、上記感度補正データを用いて上記撮像素子からの撮像画像データを補正する画像データ演算回路を備えることを特徴とする赤外線カメラ。
【請求項２】
上記感度補正データメモリは、異なる２以上の温度での感度補正データを予め記憶し、上記感度補正データ演算回路は直線補完法で感度補正データを生成する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】
上記感度補正データメモリは、異なる３以上の温度での感度補正データを予め記憶し、上記感度補正データ演算回路は最小２乗多項式近似を用いて感度補正データを生成することを特徴とする請求項１記載の赤外線カメラ。
【請求項４】
上記撮像素子の動作温度を設定する素子動作温度設定回路と、上記素子温度モニタからの出力と上記撮像素子の設定動作温度とから算出されたバイアス電圧を上記撮像素子に印加する可変バイアス電圧印加回路と、上記撮像素子に熱的に接続され、上記撮像素子を設定動作温度に制御する熱電素子とを備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の赤外線カメラ。
【請求項５】
上記撮像素子に熱容量体を設置することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一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の画像補正方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１１は従来の赤外線カメラのブロック図である。
図中、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に熱的に接続された素子温度モニタ、４は撮像素子２に接続されたバイアス電源、６は撮像素子２に接続されたドライバ回路、８は撮像素子２に熱的に接続された熱電素子、１０は素子温度モニタ３と素子動作温度設定回路３０と熱電素子8に接続された熱電素子駆動回路である。
１３はタイミング発生回路で、ドライバ回路６から撮像素子２に印加する素子駆動クロックを生成する。
【０００３】
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いる。
１０１は撮像素子２からの出力を増幅するプリアンプ、１０２はプリアンプ１０１の出力を量子化するA/Dコンバータ、１０３は事前に取得したオフセット補正データ１０９と感度補正データ１０５を用いて画像補正を行う画像データ演算回路、１０４は画像データ演算回路１０３の出力をビデオ出力に変換し出力する画像用D/A変換回路、１１０は開閉により撮像素子２への入射光量をオン、オフさせるシャッター、１４は各構成物を収納する筐体である。
【０００４】
３０は素子温度モニタ３と熱電素子駆動回路１０との間に設置された素子動作温度設定回路、３５は撮像素子２に接続された可変バイアス電圧印加回路である。
熱電素子8は外部気温と撮像素子２の設定温度との差が小さくなるようにする事で、消費電力を小さくできるので、外部気温に応じて最適な撮像素子温度が設定できるように撮像素子２を冷却又は加熱するものであり、この事は、例えば特許文献１（特開2002-122472号公報）において既に開示されている。
【０００５】
次に動作について説明する。
熱電素子駆動回路１０は、素子温度モニタ３の出力である撮像素子２の温度と、素子動作温度設定回路３０が設定する撮像素子２の動作温度との差に応じた電力を熱電素子８に供給し、撮像素子２の温度を素子動作温度設定回路３０が設定した所定温度に安定化させる。
タイミング発生回路１３は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。上記クロックは撮像素子２を構成する複数の赤外線を検知する画素（図示せず）に順次供給され、このクロックの供給タイミングに合わせてバイアス電源４から電流が供給され、被撮像物を撮像する。
撮像素子２からの出力は、プリアンプ１０１で増幅され、A/Dコンバータ１０２にて量子化される。その後事前に取得したオフセット補正データ１０９と感度補正データ１０５を用いて画像データ演算回路１０３にて画像補正を行い、画像用D/A変換回路１０４でビデオ出力に変換し出力する。
【０００６】
図２はある１画素の素子出力Vsigと撮像素子への入射光量Iとの関係を示したものである。ｎは画素番号、Tは素子温度を示し、Ｒ（ｎ，Ｔ）は画素番号ｎにおける温度Ｔの時の感度である。光量Iは、図１１におけるシャッター１１０を閉じた時の素子への入射光量を０とし、その差分量で規定されている。シャッター１１０を閉じた時の出力をVoffset(n,T)としオフセット出力と呼ぶ。光量Iが大きくなると出力が大きくなる。ここでは直線的に記載しているが、一般的には非線型である。
【０００７】
図３はオフセット出力と画素番号との関係を模式的に示した図である。この図においては、画素数Nの撮像素子の場合について記載されている。オフセット出力は、撮像素子の各画素の特性ばらつきのため画素毎にばらつく。このため、カメラ使用時にはオフセット出力を補正する必要がある。また、外部温度の変化などにより当初実施した補正が適切ではなくなると、画像むらが発生する。画像むらのことを固定パターン雑音と呼ぶ。この固定パターン雑音除去のため、赤外線カメラには適宜オフセット出力を補正する機能が付いてあり、一般にシャッター１１０が閉じて、その時の画素出力値をオフセット補正データとしてメモリに記憶さている。
【０００８】
図４は感度と画素番号との関係を模式的に示した図である。この図においては、画素数Nの撮像素子の場合について記載されている。一般に画素毎に感度の値が微妙に異るため、オフセット量Voffset(n,T)だけを除去しても、異なる温度の物体などを撮像した場合、感度のむらが画像に現れる。このため、カメラ製造時の調整段階で全画素の感度データを取得し、このデータより感度補正データを作成しカメラ内部の画像メモリ１０５に記憶させておく。
【０００９】
感度補正データ G(n,T)は
G(n,T)＝Rave / R(n,T)      （数式１）
で表される。ここに、Raveは全画素の感度の平均値である。
【００１０】
画像データ演算回路１０３は、オフセット補正データ１０９と感度補正データ１０５から、以下の式に従い補正後の画像出力Voutを計算する。
Vout = （Vsig(n,T)−Voffset(n,T)）・G(n,T)          （数式２）
【００１１】
なお、可変バイアス電圧印加回路３５は撮像素子２の温度変化に伴う素子出力電圧オフセット値の変動を補償するため、その撮像素子２の温度に対応したバイアス電圧を撮像素子２に印加する。
【００１２】
【特許文献１】特開2002-122472号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来の赤外線カメラでは、感度補正データは素子温度により一定であることを前提としていたが、実際には素子温度が変ったときに素子の感度特性が変るために同一の感度補正データでは補正ずれが生じ、画像に固定パターン雑音が目立つという問題があった。また、感度補正データは、各画素毎に８ビットから１０ビットの２値データとして持つ必要があり、個々の温度での感度補正データを持つ事はカメラ内部に多くのメモリを要する事となり、カメラの大きさやコストが高くなる問題があった。
【００１４】
この発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、各設定した素子温度において固定パターン雑音を発生しない赤外線カメラを提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明に係る赤外線カメラは、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、上記撮像素子を駆動するドライバ回路とを備えた赤外線カメラにおいて、上記撮像素子の温度を検出する素子温度モニタと、上記撮像素子の複数の異なる温度での感度補正データを予め記憶するメモリと、赤外線カメラ使用時の上記撮像素子の温度を素子温度モニタから得、上記感度補正データメモリからの複数の感度補正データを用いて上記撮像素子の温度に応じた感度補正データを生成する感度補正データ演算回路と、上記感度補正データを用いて上記撮像素子からの撮像画像データを補正する画像データ演算回路を備える。
【発明の効果】
【００１６】
感度補正データ演算回路で、予め記憶された複数の感度補正データを用いて上記撮像素子の設定温度に応じた感度補正データを生成するので、メモリの増加も少く、カメラの大きさやコストの上昇を抑えて、素子温度変化による固定パターン雑音を発生しない赤外線カメラを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における赤外線カメラを示すものである。
図１において、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に熱的に接続された素子温度モニタ、４は撮像素子２に接続されたバイアス電源、６は撮像素子２に接続されたドライバ回路、８は撮像素子２に熱的に接続された熱電素子、１０は素子温度モニタ３と素子動作温度設定回路３０と熱電素子8に接続された熱電素子駆動回路である。
【００１８】
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いる。
撮像素子２からの出力は、プリアンプ１０１で増幅され、A/Dコンバータ１０２にて量子化される。その後感度補正データ１０５と事前に取得したオフセット補正データ１０９とを用いて画像データ演算回路１０３にて画像補正を行い、画像用D/A変換回路１０４でビデオ出力に変換し出力する。
これらの構成及び動作は図１１に示す従来の赤外線カメラと同様である。
【００１９】
この発明は感度補正データ１０５をカメラ内部で生成するものであり、そのために、事前に取得された感度補正データＡが格納された画像メモリＡ１０７および同じく事前に取得された感度補正データＢが格納された画像メモリＢ１０８、およびこれらのデータと素子温度設定回路３０からの素子温度情報を基に感度補正データを演算生成する感度補正データ演算回路１０６を備える。
即ち、この発明における感度補正データ１０５は、画像メモリＡ１０７および画像メモリＢ１０８に格納されている事前に取得された感度補正データＡおよびＢのデータと素子温度設定回路３０からの撮像素子２の温度情報を基に感度補正データ演算回路１０６によって撮像素子２の動作設定温度での感度補正データ１０５が生成される。
画像データ演算回路１０３は感度補正データ演算回路１０６で生成された撮像素子２の動作温度での感度補正データ１０５を用いて画像補正を行う。
【００２０】
次に感度補正データの生成方法の第１の例について説明する。
画像メモリＡ１０７には、素子温度T1時の感度補正データが、画像メモリＢ１０８には、素子温度T2時の感度補正データが格納されているとする。図５は画素ｎの感度補正データと素子温度の関係をしめしたものである。温度Tc時の感度補正データは、直線補間により求められ、下記の数式３で表される。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
以上のように、この実施の形態によれば、画像メモリＡ１０７および画像メモリＢ１０８に格納されている事前に取得された異なる温度での感度補正データＡおよびデータＢと素子温度設定回路３０からの撮像素子２の温度情報を基に感度補正データ演算回路１０６によって撮像素子２の動作設定温度での感度補正データ１０５を生成し、画像データ演算回路１０３は感度補正データ演算回路１０６で生成された撮像素子２の動作温度での感度補正データ１０５を用いて画像補正を行うので、補正ずれが生ぜず、画像の固定パターン雑音が発生しない。
また、メモリの増加も少く、カメラの大きさやコストの上昇を抑えて、素子温度変化による固定パターン雑音を発生しない赤外線カメラを実現できる。
【００２３】
実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２における赤外線カメラを示すものである。画像メモリＣ１１２が付加された点が実施の形態１と異なる。
次に感度補正データの生成方法の第２の例について説明する。
画像メモリＡ、Ｂ、Ｃには、それぞれ素子温度T1、T2、T3時の感度補正データが格納されている。図６は画素ｎの感度補正データと素子温度の関係を示したものである。３温度におけるデータから近似関数を求めこれf(T)とすると、温度Tcにおける感度補正データは
G(n,Tc) = f(n,Tc)
で表される。
なお、この近似関数ｆ(T)は、例えば最小２乗多項式近似を用いる。
【００２４】
この実施の形態によれば、撮像素子２の動作温度における感度補正データはより正確に近いものとなる。
【００２５】
実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３における赤外線カメラを示すものである。熱電素子８および熱電素子駆動回路１０が除去されている点と素子動作温度設定回路３０が素子温度モニタ回路１２１に変更されている点が実施の形態１と異なる。
この実施の形態においては、低コスト、低消費電力化のため撮像素子の温度制御するための熱電素子を除去してある。撮像素子の温度情報を適宜モニタし、その温度に適したバイアス電圧を撮像素子に供給すると共に、実施の形態１で示したように、その温度に適した感度補正データを生成する。
【００２６】
この実施の形態によれば、感度補正データを求める演算頻度が多くなるが、低コスト、低消費電力化を図ることができる。
【００２７】
実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４における赤外線カメラを示すもので、実施の形態３を発展させたものである。撮像素子２に撮像素子が短時間に温度変化がしないように熱容量の大きな熱容量体１２２を接続する。この熱容量体は素子パッケージ１１の中にあっても外部にあっても良い。
【００２８】
素子温度が変ると、オフセット補正データ、感度補正データ共に更新する必要がある。データを更新する必要のある素子温度変化量をTxとする。図１０は、撮像素子への熱流入により、撮像素子温度の変動するようすを模式的に示した図である。カメラの電源投入時には素子の発熱量のため素子温度が上昇しやがて熱平衡状態となる。その後は、外部環境の変化により素子温度は変動する特性を示す。温度変化量Txの範囲内にある時間を安定期間ｔsとする。
【００２９】
補正データを更新する場合は、オフセット補正動作のために一度シャッター１１０を閉じてオフセットデータを取得すると共に感度補正データの演算を行う必要があり、これらの処理するために要する時間を補正時間ｔｐとする。
熱容量体１２２の熱容量Ctは、この安定期間ｔｓを補正処理時間ｔｐより大きくなるように設計されている。
【００３０】
この実施の形態によれば、実施の形態３に比し、感度補正データを求める演算頻度を減らすことができ、実施の形態１および２に比べ、低コスト、低消費電力化を図ることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
この発明は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適用することで、メモリの増加、カメラの大きさやコストの上昇を抑えて、素子温度変化による固定パターン雑音を発生しない赤外線カメラを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の実施の形態１における赤外線カメラの構成図である。
【図２】ある１画素の素子出力と撮像素子への入射光量との関係を示す特性図である。
【図３】オフセット出力と画素番号との関係を模式的に示した図である。
【図４】感度と画素番号との関係を模式的に示した図である。
【図５】画素の感度補正データと素子温度の関係を示す図である。
【図６】画素の感度補正データと素子温度の別の関係を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２における赤外線カメラの構成図である。
【図８】この発明の実施の形態３における赤外線カメラの構成図である。
【図９】この発明の実施の形態４における赤外線カメラの構成図である。
【図１０】熱流入による撮像素子温度の変動を模式的に示した図である。
【図１１】従来の赤外線カメラの構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
１：赤外光学系、２：撮像素子、３：素子温度モニタ、４：バイアス電源、６：ドライバ回路、８：熱電素子、１０：熱電素子駆動回路、１１：素子パッケージ、１２：赤外窓、１３：タイミング発生回路、１４：筐体、３０：素子動作温度設定回路、３５：可変バイアス電圧印加回路、１０１：プリアンプ、１０２：A/Dコンバータ、１０３：画像データ演算回路、１０４：画像用D/A変換回路、１０５：感度補正データ、１０６：感度補正データ演算回路、１０７：画像メモリＡ、１０８：画像メモリＢ、１０９：オフセット補正データ、１１０：シャッター、１１２：画像メモリＣ、１２１：素子温度モニタ回路、１２２：熱容量体。
【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】
2005236550.tif 000008
【図６】
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【図７】
2005236550.tif 000010
【図８】
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【図９】
2005236550.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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