(57)【要約】【課題】メカニカルな構造を有する部品を必要とせず、各検出器の特性や光学系の透過率特性等の経年変化による影響を低減できる、信頼性の高い非冷却赤外線撮像システムを得る。【解決手段】平面鏡１３の静止又は回転により、撮像素子１２上での像の移動速度が検出器の熱時定数よりも十分短く、像流れが生じるようにする。これにより、大気の窓を通して一様な強度の赤外線がオフセット補正データ取得領域から入射している状態を等価的に作りだしてシャッタやデフォ−カス手段を用いずにオフセット補正データを取得する。また、運用中に異なる２つの感度補正データ取得領域において取得したデータから感度補正データを取得する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行体に搭載され、受信したコマンドに応じて、放射赤外線による所望の画像を平面鏡を介して複数画素の赤外線検出器からなる撮像素子により撮像し、前記所望の画像に対応するデジタルデータを生成する搭載撮像部と、
地上に設置され、前記搭載撮像部に前記コマンドを送信し、前記コマンドに応じて前記搭載撮像部で生成された前記デジタルデータを受信することで、前記所望の画像に対応するデータを取得するデータ処理部と
を備えた非冷却赤外線撮像システムであって、
前記データ処理部は、前記赤外線検出器の出力オフセットレベルばらつきに相当するオフセット補正データを取得したい場合には、オフセットデータコマンドを前記搭載撮像部に送信し、
前記搭載撮像部は、前記オフセットデータコマンドを受信した場合には、前記撮像素子上での像の前記赤外線検出器１画素分の移動時間が前記赤外線検出器の熱時定数よりも十分短く像流れが生じ、一様な強度の赤外線が大気の窓を通してオフセット補正データ取得領域から入射しているのと等価な状態を作り出すように前記平面鏡を静止又は回転させて、オフセット補正データとなるデジタルデータを生成し、
前記データ処理部は、前記オフセットデータコマンドに応じて前記搭載撮像部で生成された前記デジタルデータを受信することによりオフセット補正データを更新する
ことを特徴とする非冷却赤外線撮像システム。
【請求項２】
請求項１に記載の非冷却赤外線撮像システムにおいて、
前記データ処理部は、前記赤外線検出器間の入射赤外線に対する感度のばらつきに相当する感度補正データを取得したい場合には、感度補正データコマンドを前記搭載撮像部に送信し、
前記搭載撮像部は、前記感度補正データコマンドを受信した場合には、前記撮像素子上での像の前記赤外線検出器１画素分の移動時間が前記赤外線検出器の熱時定数よりも十分短く像流れが生じ、一様な強度の赤外線が大気の窓を通して観測領域から入射しているのと等価な状態を２つの感度補正データ領域について作り出すように前記平面鏡を静止又は回転させて、感度補正データとなるデジタルデータを生成し、
前記データ処理部は、前記感度補正データコマンドに応じて前記搭載撮像部で生成された前記デジタルデータを受信することにより感度補正データを更新する
ことを特徴とする非冷却赤外線撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボロメ−タやＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ダイオ−ド等、熱型の赤外線検出器を、例えば、人工衛星に搭載し、上空から地上の赤外線画像を取得する非冷却赤外線撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、熱型の赤外線検出器を用いた非冷却赤外線撮像システムにおいては、例えば、２次元に配列した熱型の赤外線検出器を使用するものがある（例えば、非特許文献１参照）。この非特許文献１では、各検出器間の出力オフセットレベルのばらつきに対する補正（オフセット補正）と、各検出器間の入射赤外線に対する感度のばらつきに対する補正（感度補正）を行なうことにより、画像に表れる固定パタ-ンノイズの低減を行なっている。
【０００３】
オフセット補正と感度補正に用いる補正データの取得に関する従来の非冷却赤外線撮像システムとしては、次のようなものがある（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１では、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得る位置にシャッタを設けている。そして、始動時の撮像開始前や撮像中に、シャッタを一旦閉じて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、各検出器の出力オフセットレベルばらつきに相当する補正データの取得を行なっている。さらに、再びシャッタを開き、取得した補正データを各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っている。
【０００４】
また、特許文献２では、光学系と受光素子との光学的距離を可変するメカニカルなデフォ−カス手段を備え、光学系の合焦位置を受光素子の受光面からずらした状態で校正用の光を入射して、オフセット補正データの取得を行なっている。
【０００５】
また、特許文献３では、異なる２つの温度の基準黒体に対する撮像を行ない、そのデータから各画素の感度ばらつきに関する補正データを算出して、製造段階において、非冷却赤外線撮像システム内のメモリに書き込む。そして、撮像時に各赤外線検出器の出力毎に掛け算して出力することにより、感度補正を行なっている。
【０００６】
【非特許文献１】T．Ishikawa, M．Ueno, Y．Nakai, K．Endo, Y．Ohta, J．Nakanishi, Y．Kosasayama, H．Yagi, T．sone and M．Kimata, “Performannce of 320×240 uncooled IRFPA with SOI Diode Detectors”, Proc．SPIE vol．4130, 2000年7月, pp．152〜159．
【特許文献１】特許第３２６１６１７号公報
【特許文献２】特開平６-８２３０３号公報
【特許文献３】特開２００５-２３６５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術には次のような問題がある。
非冷却赤外線撮像システムを人工衛星に搭載する際には、高い信頼性が要求される。このため、シャッタやデフォ−カス手段のようなメカニカルな構造を有する部品は、故障率低減のために少なくすることが望ましい。
【０００８】
また、放射線被爆等、運用中に受けるストレスにより、各検出器の特性や光学系の透過率特性に経年変化が生じ、製造段階において取得した感度補正データによる補正効果が低減し、固定パタ−ンノイズが増加する懸念がある。しかしながら、運用中に軌道上で感度補正データを更新するためには、基準黒体を搭載しなければならないという課題があった。
【０００９】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、メカニカルな構造を有する部品を必要とせず、各検出器の特性や光学系の透過率特性等の経年変化による影響を低減できる、信頼性の高い非冷却赤外線撮像システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る非冷却赤外線撮像システムは、飛行体に搭載され、受信したコマンドに応じて、放射赤外線による所望の画像を平面鏡を介して複数画素の赤外線検出器からなる撮像素子により撮像し、所望の画像に対応するデジタルデータを生成する搭載撮像部と、地上に設置され、搭載撮像部にコマンドを送信し、コマンドに応じて搭載撮像部で生成されたデジタルデータを受信することで、所望の画像に対応するデータを取得するデータ処理部とを備えた非冷却赤外線撮像システムであって、データ処理部は、赤外線検出器の出力オフセットレベルばらつきに相当するオフセット補正データを取得したい場合には、オフセットデータコマンドを搭載撮像部に送信し、搭載撮像部は、オフセットデータコマンドを受信した場合には、撮像素子上での像の赤外線検出器１画素分の移動時間が赤外線検出器の熱時定数よりも十分短く像流れが生じ、一様な強度の赤外線が大気の窓を通してオフセット補正データ取得領域から入射しているのと等価な状態を作り出すように平面鏡を静止又は回転させて、オフセット補正データとなるデジタルデータを生成し、データ処理部は、オフセットデータコマンドに応じて搭載撮像部で生成されたデジタルデータを受信することによりオフセット補正データを更新するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の非冷却赤外線撮像システムによれば、シャッタやデフォ−カス手段を用いずに、運用中にオフセット補正データを取得することが可能な構成を備えることにより、メカニカルな構造を有する部品を必要とせず、各検出器の特性や光学系の透過率特性等の経年変化による影響を低減できる、信頼性の高い非冷却赤外線撮像システムを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の非冷却赤外線撮像システムの好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における非冷却赤外線撮像システムのブロック図である。本実施の形態１における非冷却赤外線撮像システムは、搭載撮像部１００とデータ処理部３００とで構成されている。
【００１４】
図１における搭載撮像部１００は、赤外光学系１１、赤外光学系１１の結像面に位置した撮像素子１２、赤外光学系１１の開口部に設置した平面鏡１３、撮像素子１２に接続されたバイアス回路１４、撮像素子１２に接続されたドライバ回路１５、撮像素子１２に接続された信号処理回路１６、回転軸２０を中心に平面鏡１３を回転させる機能を有する平面鏡制御回路１９、および送受信回路２１を備えている。また、信号処理回路１６は、増幅回路１７とＡ／Ｄ変換回路１８を備えている。
【００１５】
一方、データ処理部３００は、送受信回路３１、フレーム積分回路３２、フレーム積分回路３２に接続されたオフセット補正メモリ３３、感度補正メモリ３４、送受信回路３１とオフセット補正メモリ３３に接続されたオフセット補正回路３５、オフセット補正回路３５と感度補正メモリ３４に接続された感度補正回路３６、およびコマンド生成回路３７を備えている。
【００１６】
ここで、感度補正メモリ３４には、搭載撮像部１００の製造時に、異なる２つの温度の基準黒体に対する撮像を行ない、設定した黒体温度差に対する各検出器の出力電圧から計算して取得した各検出器に対する感度補正データが書き込まれている。
【００１７】
図２は、本発明の実施の形態１における撮像素子１２を構成する各検出器の構造模式図である。図２における撮像素子１２は、熱容量Ｃｔを有する受光部７１、コンダクタンスＧｔを有する熱コンダクタンス７２、および基板７３で構成され、熱コンダクタンス７２は、受光部７１と基板７３との間に接続されている。
【００１８】
熱型赤外線検出器の動作は、例えば、非特許文献２（Paul W．Kruse, David D．Skatrud 著、SEMICONDUCTORS AND SEMIMETALS VOLUME47、“Uncooled Infrared Imaging Arrays and Systems”）や特許文献４（特開平１０-３０７０６１号公報）に記載されているように、入射赤外線の吸収により受光部７１に生じたｍＫオ−ダの上昇温度を、受光部７１内に設けた抵抗やダイオ−ド等により電気信号に変換して出力する原理に基づくものである。
【００１９】
このため、Ｇｔが小さい程、入射赤外線の吸収による受光部７１の上昇温度は高くなり、感度が向上する。一方で、各検出器は、入射赤外線の強度変化に対し、τ＝Ｃｔ／Ｇｔの熱時定数を有するため、Ｇｔが小さい程、熱時定数が大きくなり、応答は遅くなる。このため、感度を確保するためにＧｔを極力小さく設計し、一方で、応答性を確保するためにＣｔについても微細加工技術を駆使してなるべく小さくなるように設計されてはいる。しかしながら、現状では、熱時定数τの値は、非特許文献２や特許文献４によれば、１０〜２０ｍｓｅｃ程度である。
【００２０】
図３は、本発明の実施の形態１における非冷却赤外線撮像システムの運用形態を示す図である。搭載撮像部１００は、衛星の軌道上から撮像を行ない、画像データおよびオフセット補正データ作成用の検出器出力データを、地上４００に設置したデータ処理部３００に送信する。データ処理部３００は、画像データに対してオフセット補正および感度補正を行ない、固定パタ−ンノイズを低減した画像を出力する。
【００２１】
次に、本実施の形態１における非冷却赤外線撮像システムの動作について説明する。搭載撮像部１００は、軌道上において、オフセット補正データを取得する観測領域からの放射赤外線を、平面鏡１３および赤外光学系１１を介して撮像素子１２上に結像する。さらに、この撮像素子１２に対しては、バイアス回路１４およびドライバ回路１５から、バイアス電源および駆動クロックを供給する。
【００２２】
次に、データ処理部３００内のコマンド生成回路３７は、オフセット補正データ取得コマンドを、送受信回路３１を介して搭載撮像部１００に送信する。そして、平面鏡制御回路１９は、撮像素子１２上で、像が１画素分の距離を移動する時間Δｔが検出器の熱時定数τよりも十分短くなるように、平面鏡１３を静止又は回転させる。
【００２３】
一例として、搭載撮像部１００の高度ｈを５００ｋｍ、対地速度ｖを７ｋｍ／ｓｅｃ、赤外光学系１１の焦点距離を１０ｍ、各検出器の画素ピッチを２５μｍとする。この場合、平面鏡１３が静止の状態では、撮像素子１２上で像が１画素分の距離を移動する時間Δｔは、約０．１８ｍｓｅｃとなる。このΔｔは、検出器の熱時定数１０〜２０ｍｓｅｃと比較して十分短いため、検出器の応答が追いつかずに像流れが生じる。この結果、一様な強度の赤外線が、大気の窓を通して観測領域から入射しているのと等価な状態になる。
【００２４】
次に、撮像素子１２の出力は、信号処理回路１６内の増幅回路１７で増幅され、Ａ／Ｄ変換回路１８でデジタルデータに変換される。その後、送受信回路２１を介してデータ処理部３００に、オフセット補正データ作成用の検出器出力データとして送信される。データ処理部３００では、平面鏡１３が静止し、像流れが起きてから熱時定数τの数倍以上の時間が経過し検出器出力が時間的に安定した状態になった後の検出器出力データを、フレーム積分回路３２で、各検出器出力毎にフレーム積分する。そして、フレーム積分回路３２は、Ｓ／Ｎを向上させた後、オフセット補正メモリ３３にオフセット補正データとして書き込みを行なう。
【００２５】
次に、コマンド生成回路３７は、撮像開始のコマンドを、送受信回路３１を介して搭載撮像部１００に送信する。今度は、撮像素子１２上で、像が静止、または１画素分の距離を像が移動する時間Δｔが検出器の熱時定数Δｔよりも十分長く、像流れが生じないような角速度で、平面鏡１３を回転軸２０を中心に回転させ、観測領域に対する撮像を行なう。
【００２６】
なお、ここで、衛星搭載による撮像では、空間分解能を上げるためには、高度ｈを低く、また、赤外光学系１１の焦点距離を長く設計する。しかしながら、空間分解能を上げる程、撮像素子１２上での像の移動速度は、早くなる。このため、熱型の赤外線検出器を用いた観測において、平面鏡１３の存在とその回転動作は、十分な空間分解能を得るために必要不可欠なものである。
【００２７】
次に、搭載撮像部１００は、撮像素子１２の出力を信号処理回路１６でデジタルデータに変換した後、画像データとしてデータ処理部３００に送信する。これに対応して、データ処理部３００内のオフセット補正回路３５は、各検出器出力毎にオフセット補正メモリ３３に書き込んであるオフセット補正データを減算し、オフセット補正を行なう。
【００２８】
そして、感度補正回路３６は、感度補正メモリ３４に搭載撮像部１００の製造時にあらかじめ書き込まれた感度補正データを用いて感度補正を施す。さらに、感度補正回路３６は、感度補正により固定パタ−ンノイズを低減した後のデータを、非冷却赤外線撮像システムの画像データとして出力する。
【００２９】
なお、オフセット補正データを取得する観測領域は、海域等、できるだけ一様な温度分布を有する場所が望ましい。図４は、本発明の実施の形態１におけるオフセット補正データを取得する観測領域および視野範囲の一例を示した図である。一例として、搭載撮像部の高度ｈを５００ｋｍ、対地速度ｖを７ｋｍ／ｓｅｃ、赤外光学系の焦点距離を１０ｍ、各検出器の画素ピッチをＸ方向、Ｙ方向共に２５μｍ、撮像素子１２の画素数を４８０（Ｘ方向）×６４０（Ｙ方向）、読み出しフレームレ−トを３０Ｈｚ、フレーム積分回数を３２回とする。
【００３０】
この場合、図４に示すように、視野範囲は６００ｍ（Ｘ方向）×８００ｍ（Ｙ方向）、フレーム積分３２回中の視野中心の移動距離は、Ｘ方向７．５ｋｍとなる。これより、オフセット補正データを取得する観測領域は、８．１ｋｍ×０．８ｋｍとなり、海域等では一様な温度分布を十分期待でき得る範囲である。
【００３１】
以上のように、実施の形態１によれば、平面鏡の静止または回転による像流れを利用することにより、オフセット補正データ取得領域から大気の窓を通して一様な強度の赤外線が入射している状態を等価的に作り出すことができる構成を備えている。これにより、シャッタやデフォ−カス手段を用いずに、運用中にオフセット補正データを取得でき、各検出器の特性や光学系の透過率特性等の経年変化による影響を低減できるとともに、部品点数が少なく、信頼性の高い非冷却赤外線撮像システムを得ることができる。
【００３２】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、搭載撮像部１００の製造時に、感度補正メモリ３４にあらかじめ書き込まれた感度補正データを用いて感度補正を施す場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、感度補正データに関しても運用中に更新し、感度補正を施す場合について説明する。
【００３３】
図５は、本発明の実施の形態２における非冷却赤外線撮像システムのブロック図である。本実施の形態１における非冷却赤外線撮像システムは、搭載撮像部１００とデータ処理部５００とで構成されている。図５における搭載撮像部１００は、先の実施の形態１における図１の搭載撮像部１００と同じものである。
【００３４】
一方、図５におけるデータ処理部５００は、先の実施の形態１における図１の搭載撮像部３００と比較すると、フレーム積分回路３２に接続された第１のメモリ５１、第２のメモリ５２、および感度補正データ算出回路５３をさらに備えている。そして、この感度補正データ算出回路５３は、感度補正メモリ３４に接続されており、感度補正データを運用中に更新して感度補正を施すことを可能にしている。
【００３５】
また、図６は、本発明の実施の形態２における非冷却赤外線撮像システムの運用形態を示す図である。搭載撮像部１００は、衛星の軌道上から撮像を行ない、画像データ、オフセット補正データ作成用の検出器出力データ、および感度補正データ作成用の検出器出力データを、地上４００に設置したデータ処理部５００に送信する。データ処理部５００は、画像データに対してオフセット補正および感度補正を行ない、固定パタ−ンノイズを低減した画像を出力する。
【００３６】
次に、本実施の形態２における非冷却赤外線撮像システムの動作について説明する。オフセット補正方法に関しては、先の実施の形態１と同様であり、ここでは、感度補正方法について説明する。
【００３７】
本実施の形態２の感度補正においては、まず始めに、１回目の感度補正データ取得コマンドを、コマンド生成回路３７から搭載撮像部１００に送信する。そして、先の実施の形態１で説明したオフセット補正データ取得と同等の動作により、撮像素子１２上で像が１画素分の距離を移動する時間Δｔが検出器の熱時定数τよりも十分短く、像流れが生じ、第１の領域から大気の窓を通して一様な強度の赤外線が入射した状態と等価になるように、平面鏡１３を静止又は回転させる。
【００３８】
この状態で、フレーム積分回路３２は、第１の領域の観測に対応する第１の感度補正データ作成用の検出器出力データを、先の実施の形態１と同様の動作により、第１のメモリ５１に記録する。
【００３９】
次に、２回目の感度補正データ取得コマンドを、コマンド生成回路３７から搭載撮像部１００に送信する。そして、第１の領域におけるデータと同様に、フレーム積分回路３２は、第２の領域の観測に対応する第２の感度補正データ作成用の検出器出力データを、第２のメモリ５２に記録する。
【００４０】
次に、感度補正データ算出回路５３は、２つの領域における検出器出力電圧の差分を各検出器毎に算出し、感度補正メモリ３４に最新の感度補正データとして記録する。
【００４１】
その後、撮像を開始し、感度補正回路３６は、先の実施の形態１と同じ動作によりオフセット補正を行なうとともに、感度補正メモリ３４に記録された感度補正データを用いて感度補正を施す。さらに、感度補正回路３６は、感度補正により固定パタ−ンノイズを低減した後のデータを、非冷却赤外線撮像システムの画像データとして出力する。
【００４２】
また、宇宙における放射線被爆等、運用中に受けるストレスにより各検出器の特性や光学系の透過率特性に経年変化が生じた場合には、一旦取得した感度補正データによる補正効果が低減し、感度補正実施後の固定パタ−ンノイズが増加することが考えられる。そこで、このような場合には、上述した感度補正データの再取得、および感度補正データの作成、更新を行なう。この結果、運用中に、更新した感度補正データを用いた感度補正を行うことができる。
【００４３】
なお、第１の領域と第２の領域は、高緯度の海域と低緯度の海域等、それぞれは一様な温度分布を有し、かつ、ある程度の温度差を有する組み合わせが望ましい。
【００４４】
以上のように、実施の形態２によれば、平面鏡の静止または回転による像流れを利用することにより、感度補正データ取得領域から大気の窓を通して一様な強度の赤外線が入射している状態を等価的に作り出すことができる構成を備えている。さらに、２つの領域における検出器出力電圧の差分を各検出器毎に算出することで、運用中に感度補正データを更新することができる構成を備えている。
【００４５】
これにより、先の実施の形態１による効果に加え、基準黒体が不要で信頼性が高く、放射線被爆等運用中に受けるストレスにより各検出器の特性や光学系の透過率特性に経年変化が生じた場合にも、最適な感度補正データの再取得を行なうことができる。この結果、固定パタ−ンノイズを低減した画像を常に得ることのできる非冷却赤外線撮像システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態１における非冷却赤外線撮像システムのブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１における撮像素子を構成する各検出器の構造模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１における非冷却赤外線撮像システムの運用形態を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるオフセット補正データを取得する観測領域および視野範囲の一例を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態２における非冷却赤外線撮像システムのブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態２における非冷却赤外線撮像システムの運用形態を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１  赤外光学系、１２  撮像素子、１３  平面鏡、１４  バイアス回路、１５  ドライバ回路、１６  信号処理回路、１７  増幅回路、１８  Ａ／Ｄ変換回路、１９  平面鏡制御回路、２０  回転軸、２１  送受信回路、３１  送受信回路、３２  フレーム積分回路、３３  オフセット補正メモリ、３４  感度補正メモリ、３５  オフセット補正回路、３６  感度補正回路、３７  コマンド生成回路、５１  第１のメモリ、５２  第２のメモリ、５３  感度補正データ算出回路、１００  搭載撮像部、３００、５００  データ処理部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2009281863.tif 000006
【図５】
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【図６】
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