JP5779910B2 - 赤外線カメラ及び焦点位置補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線カメラ及び焦点位置補正方法に関し、特に、空気の屈折率の変化による影響を受けやすい屋外で使用する赤外線カメラ及び当該赤外線カメラにおける焦点位置補正方法に関する。

近年、夜間の防犯等を目的として、人体が放射する赤外線を検出する赤外線カメラが広く利用されている。この赤外線カメラでは、入射光を集光するレンズの材料として、一般的に赤外線の透過率が高いゲルマニウムが使用されるが、このゲルマニウムレンズは、温度の変化によって屈折率が大きく変化する。そのため、赤外線カメラを収納する筐体内に温度調節機能を設けて温度変化を抑制したり、レンズの材料として、温度変化に対する屈折率の変化が小さいシリコン等を使用したりする方法が用いられる。

しかしながら、筐体内に温度調節機能を設けると、筐体のサイズが大きくなり、また、赤外線カメラの価格も高くなるという問題が生じる。また、シリコン等の材料は、ゲルマニウムに比べて遠赤外域の透過率が低いため、赤外線カメラの性能が低下するという問題が生じる。

このような問題に対して、下記特許文献１には、カメラと、入射光を集束して該カメラに入射させるレンズと、該レンズまたは該レンズの近傍の温度を検出する温度センサと、該レンズの焦点距離を補正するフォーカス駆動部と、前記フォーカス駆動部を制御する制御部とを備え、前記温度センサが検出した温度に応じて、フォーカス駆動部を駆動して前記焦点距離を補正するカメラ装置が開示されている。

特開２００３−１３１１０６号公報

上記特許文献１に記載された従来の手法は、レンズ材質から屈折率の温度係数を調べ、予めメモリに焦点位置の補正量を格納し、温度変化量に応じて適切な補正量をメモリから送信するというものであるが、この手法では、実際の運用で不可欠となる空気の屈折率の変化による影響を考慮していないため、精度の高い安定した焦点位置の検出ができないという問題があった。

すなわち、空気の屈折率は、波長、気温、湿度等に依存し、カメラと被写体の間における空気の密度ムラは、環境条件によって様々に変化するため、従来の手法におけるレンズの温度変化による屈折率変化のみに特化した焦点位置の補正だけでは、正確な焦点位置を検出することができないという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、空気の屈折率が変化する環境で使用する場合であっても、高精度に焦点位置を検出して高精細な赤外線画像を取得することができる赤外線カメラ及び焦点位置補正方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、被写体から放射される赤外線を集光するレンズと、前記レンズによって集光された赤外線を検出して映像信号を出力するカメラと、前記レンズの温度を検出する温度センサと、前記レンズを光軸方向に移動させて焦点位置を調整する焦点位置調整部と、前記焦点位置調整部を制御する制御部と、を備える赤外線カメラにおいて、前記制御部は、予め記憶した、前記レンズの温度と前記焦点位置とを対応付けるテーブルを参照し、前記温度センサが検出した温度に基づいて前記焦点位置を補正した後、前記レンズを光軸方向に移動させ、前記映像信号のコントラストが最大となる位置に前記焦点位置を再補正する制御を行うものであり、前記制御部は、前記映像信号の出力電圧のピーク値を取得するピークホールド部と、前記ピーク値をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、前記レンズを光軸方向に所定の範囲で移動させた時の各位置の前記ピークを比較し、前記ピーク値が最大となる位置を焦点位置として特定する演算部と、を備える構成とすることができる。

また、本発明は、被写体から放射される赤外線を集光するレンズと、前記レンズによって集光された赤外線を検出して映像信号を出力するカメラと、前記レンズの温度を検出する温度センサと、前記レンズを光軸方向に移動させて焦点位置を調整する焦点位置調整部と、を備える赤外線カメラにおける焦点位置補正方法であって、予め記憶した、前記レンズの温度と前記焦点位置とを対応付けるテーブルを参照し、前記温度センサが検出した温度に基づいて前記焦点位置を補正する第１ステップと、前記レンズを光軸方向に移動させ、前記映像信号のコントラストが最大となる位置に焦点位置を再補正する第２ステップと、を実行するものであり、前記第２ステップでは、前記レンズを光軸方向に所定の範囲で移動させた時の各位置の前記映像信号の出力電圧のピーク値を比較し、前記ピーク値が最大となる位置を焦点位置として特定する構成とすることができる。

本発明の赤外線カメラ及び焦点位置補正方法によれば、空気の屈折率が変化する環境で使用する場合であっても、高精度に焦点位置を検出して高精細な赤外線画像を取得することができる。

その理由は、赤外線を検出して映像信号を出力するカメラと、赤外線を集光してカメラに入射するレンズと、レンズを光軸方向に移動させて焦点位置を調整する焦点位置調整部と、レンズの温度を検出する温度センサと、制御部と、を備える赤外線カメラにおいて、制御部に、カメラから出力される映像信号の出力電圧のピーク値を取得するピークホールド部と、ピーク値をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、焦点位置を補正する演算部と、を設け、演算部は、温度センサが検出したレンズの温度に基づいて、予め記憶したテーブルを参照して焦点位置を補正した後、その焦点位置から所定範囲でレンズを移動させた時の各位置のピーク値を比較し、ピーク値が最大となる位置に焦点位置を補正する制御を行うからである。

本発明の一実施例に係る赤外線カメラのカメラ部の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施例に係る赤外線カメラの制御部の機能を示すブロック図である。 従来（特開２００３−１３１１０６号公報）の赤外線カメラのカメラ部の構成を示すブロック図である。 従来（特開２００３−１３１１０６号公報）の赤外線カメラの制御部の機能を示すブロック図である。

特許文献１（特開２００３−１３１１０６号公報）に開示される従来の赤外線カメラについて説明する。図３は、従来の赤外線カメラのカメラ部の構成を示すブロック図であり、カメラ部１１０は、赤外線をカメラに集光するゲルマニウムからなるレンズ１２０、入射した赤外線を検出して映像信号に変換するカメラ１３０、制御部１４０、フォーカスを調整するための電動モータ１５０、フォーカスリングの位置を検出するためのポテンショメータ１６０、レンズ１２０近傍の温度を検出するための温度センサ１７０などで構成される。そして、電動モータ１５０、ポテンショメータ１６０、温度センサ１７０は、制御部１４０に接続される。

図３のカメラ部１１０におけるフォーカス位置の補正機能を、図４のブロック図を用いて説明する。図４は、図３のカメラ部１１０の制御部１４０の構成を示すブロック図である。制御部１４０は、演算部１４１、記憶部１４２、操作部１４３などで構成される。そして、ポテンショメータ１６０の抵抗値と温度センサ１７０が検知する温度は、演算部１４１に出力されるようになっている。

図４において、オペレータは、操作部１４３を用いて、カメラ１３０を設置した時の周囲温度で撮影したい場所のフォーカスを設定する。このときの位置検出用のポテンショメータ１６０の抵抗値と温度センサ１７０の出力値（温度）とを、演算部１４１を介して記憶部１４２に記憶する。演算部１４１は、常時、温度センサ１７０の出力値を監視し、所定の値以上の温度変化が生じたとき、温度変化量に対するフォーカスリング位置補正量を計算し、フォーカス駆動用の電動モータ１５０の動作を開始させる。そして、ポテンショメータ１６０の抵抗値を監視し、電動モータ１５０の開始前の抵抗値との差が制御するフォーカスリング位置補正量と一致した時点で、電動モータ１５０の動作を停止させる。

このように、特許文献１に記載された従来の赤外線カメラは、あらかじめ記憶された温度変化に応じた焦点補正のみを考慮しており、実際の運用面で不可欠となる空気の屈折率の変化による影響を考慮していないため、精度の高い安定した焦点位置の検出が得られないという問題があった。

そこで、本発明の一実施の形態では、レンズと被写体間の空気の屈折率の影響を考慮し、より高精度な映像を得るために、映像信号の出力電圧の最大ピーク値を検出することによる二段階の補正を行い、温度変化により生じるフォーカスぼけを補正できるようにする。

具体的には、フォーカスぼけが大きくなるほどコントラスト値が減少していく特性を利用し、特許文献１に記載された手法において、温度変化が生じた時に、焦点位置の補正を行った後、その位置からフォーカスリングを所定の範囲で前後させ、映像信号の出力電圧のピーク値が最大となる（すなわち、映像信号のコントラストが最大となる）位置を特定し、その位置を最終的な焦点位置とする。

このように、特許文献１に記載された従来の赤外線カメラに、本実施形態の動作を実現する機能を追加することによって、空気の屈折率が如何様に変化しても精度の高い安定した焦点位置の検出が可能となる。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る赤外線カメラ及び焦点位置補正方法について、図１及び図２を参照して説明する。

図１は、本実施例の赤外線カメラのカメラ部の構成を示すブロック図であり、図３と同様に、カメラ部１０は、レンズ２０、カメラ３０、制御部４０、焦点位置調整部（電動モータ５０及びポテンショメータ６０）、温度センサ７０などで構成される。

レンズ２０は、ズームレンズやフォーカスレンズ、絞りなどで構成され、被写体から放射される赤外線をカメラ３０に集光する。カメラ３０は、レンズ２０を介して入射した赤外線を検出する赤外線センサ（単素子のセンサを２次元にスキャンする構成でもよいし、リニアアレイセンサを１次元にスキャンする構成でもよいし、２次元アレイセンサでもよい。）、検出した赤外線を２次元の赤外画像の映像信号に変換する信号処理部などで構成され、映像信号を図示しない画像処理部に出力すると共に、制御部４０に出力する。制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリとで構成され、カメラ部１０全体の動作を制御する。電動モータ５０は、制御部４０の制御信号により動作するモータであり、レンズ２０を光軸方向に移動させて焦点位置を調整する。ポテンショメータ６０は、レンズ２０の位置（フォーカスリングの角度）を検出する手段であり、位置（角度）に応じた抵抗値を制御部４０に出力する。温度センサ７０は、熱電対などで構成され、レンズ２０近傍の温度を検出し、温度に応じた信号を制御部４０に出力する。

図２は、本実施例の赤外線カメラの制御部４０の機能を示すブロック図であり、制御部４０は、演算部４１、記憶部４２、操作部４３、ピークホールド部４４、Ａ／Ｄ変換部４５などで構成される。

演算部４１は、温度センサ７０からレンズ２０近傍の温度を取得し、レンズ２０の各温度化に対するフォーカスリングの補正量を規定するテーブルを参照して、フォーカスリングの位置補正量を計算し、その位置補正量に基づいてフォーカス駆動用の電動モータ５０の動作を制御する。また、ピークホールド部４４から映像信号の出力電圧のピーク値を取得して比較し、ピーク値が最大となる（すなわち、映像信号のコントラストが最大となる）フォーカスリングの位置補正量を計算し、その位置補正量に基づいてフォーカス駆動用の電動モータ５０の動作を制御する。記憶部４２は、ポテンショメータ６０の抵抗値、温度センサ７０の出力値、上記テーブルなどを記憶する。操作部４３は、フォーカスを設定する操作などを可能にする。ピークホールド部４４は、カメラ３０から受信した映像信号の出力電圧のピーク値（赤外画像全面若しくは赤外線が入射しない領域以外の領域の出力電圧のピーク値）を検出する。Ａ／Ｄ変換部４５は、検出したピーク値をデジタル化して演算部４１に出力する。

図２において、先ず、オペレータは、操作部４３を操作して、撮影したい場所のフォーカスを設定する。このとき、フォーカスリングが回転し、カメラ３０から制御部４０に映像信号が送信される。カメラ３０から映像信号を受信したピークホールド部４４は、映像信号の出力電圧のピーク値を検出し、Ａ／Ｄ変換部４５は、このピーク値をデジタル化して演算部４１に送信する。

演算部４１は、最大ピーク値を認識すると、最大ピーク値における位置検出用のポテンショメータ６０の抵抗値を取得し、フォーカス駆動用の電動モータ５０に停止信号を送信する。この時の位置検出用のポテンショメータ６０の抵抗値と温度センサ７０の出力値は、演算部４１を介して記憶部４２に記憶される。このようにしてレンズ２０の初期位置が決定される。

次に、演算部４１は、常時、温度センサ７０の出力値を監視し、予め記憶した、レンズ２０の各温度化に対するフォーカスリングの補正量を規定するテーブルを記憶部４２から取得する。そして、温度センサ７０から取得した温度と上記テーブルとに基づいて、温度変化量に対するフォーカスリングの位置補正量を計算し、位置補正量に基づいてフォーカス駆動用の電動モータ５０の動作を開始させる。そして、演算部４１は、ポテンショメータ６０の抵抗値を監視し、電動モータ５０の開始前のポテンショメータ６０の抵抗値との差が制御するフォーカスリングの位置補正量と一致した時点で、電動モータ５０の動作を停止させる。

上記制御による位置補正が完了すると、演算部４１は、ピークホールド部４４からの信号をＡ／Ｄ変換部４５を介して受信できる状態となり、先に完了した補正位置からある所定量で前後してフォーカスリングが動作するように、電動モータ５０に信号を送信する。カメラ３０から映像信号を受信したピークホールド部４４は、映像信号の出力電圧のピーク値を検出し、Ａ／Ｄ変換部４５は、このピーク値をデジタル化して演算部４１に送信する。

演算部４１は、ピーク値を比較し、最大ピーク値を認識すると、最大ピーク値における位置検出用のポテンショメータ６０の抵抗値を取得し、電動モータ５０に停止信号を送信する。この時の位置検出用のポテンショメータ６０の抵抗値と温度センサ７０の出力値は、演算部４１を介して記憶部４２に記憶される。これが最終的な補正位置となる。これ以降に温度変化が生じた場合、同様の動作を行い、補正位置が決定される。

このように、本実施例の赤外線カメラでは、演算部４１は、温度センサ７０が検出したレンズ２０の温度に基づいて、予め記憶したテーブルを参照して焦点位置を補正した後、その焦点位置から所定範囲でレンズ２０を移動させた時の、各位置の映像信号の出力電圧のピーク値を取得して比較し、ピーク値が最大となる（すなわち、映像信号のコントラストが最大となる）位置に焦点位置を補正する制御を行うため、空気の屈折率が変化する環境で使用する場合であっても、高精度に焦点位置を検出することができ、高精細な赤外画像を取得することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の方法による焦点位置補正が可能な限りにおいて、その構成や制御は適宜変更可能である。

例えば、上記実施例では、赤外線カメラについて説明したが、空気の屈折率の変化による影響を受けやすい環境で使用する任意の波長を検出するカメラに対して、同様に適用することができる。

本発明は、空気の屈折率の変化による影響を受けやすい環境で使用するカメラ、特に、屋外で使用する赤外線カメラ及び当該赤外線カメラを用いた焦点位置補正方法に利用可能である。

１０ カメラ部
２０ レンズ
３０ カメラ
４０ 制御部
５０ 駆動モータ
６０ ポテンショメータ
７０ 温度センサ
４１ 演算部
４２ 記憶部
４３ 操作部
４４ ピークホールド部
４５ Ａ／Ｄ変換部
１１０ カメラ部
１２０ レンズ
１３０ カメラ
１４０ 制御部
１５０ 駆動モータ
１６０ ポテンショメータ
１７０ 温度センサ
１４１ 演算部
１４２ 記憶部
１４３ 操作部

Claims (4)

1. 被写体から放射される赤外線を集光するレンズと、前記レンズによって集光された赤外線を検出して映像信号を出力するカメラと、前記レンズの温度を検出する温度センサと、前記レンズを光軸方向に移動させて焦点位置を調整する焦点位置調整部と、
   前記焦点位置調整部を制御する制御部と、を備える赤外線カメラにおいて、
   前記制御部は、
   予め記憶した、前記レンズの温度と前記焦点位置とを対応付けるテーブルを参照し、前記温度センサが検出した温度に基づいて前記焦点位置を補正した後、前記レンズを光軸方向に移動させ、前記映像信号のコントラストが最大となる位置に前記焦点位置を再補正する制御を行い、被写体と前記赤外線カメラの間の空気の屈折率変化による焦点位置の変化を補正する、ことを特徴とする赤外線カメラ。
2. 前記制御部は、前記映像信号の出力電圧のピーク値を取得するピークホールド部と、前記ピーク値をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、前記レンズを光軸方向に所定の範囲で移動させた時の各位置の前記ピークを比較し、前記ピーク値が最大となる位置を焦点位置として特定する演算部と、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線カメラ。
3. 被写体から放射される赤外線を集光するレンズと、前記レンズによって集光された赤外線を検出して映像信号を出力するカメラと、前記レンズの温度を検出する温度センサと、前記レンズを光軸方向に移動させて焦点位置を調整する焦点位置調整部と、を備える赤外線カメラにおける焦点位置補正方法であって、
   予め記憶した、前記レンズの温度と前記焦点位置とを対応付けるテーブルを参照し、前記温度センサが検出した温度に基づいて前記焦点位置を補正する第１ステップと、
   前記レンズを光軸方向に移動させ、前記映像信号のコントラストが最大となる位置に焦点位置を再補正することで、被写体と前記赤外線カメラの間の空気の屈折率変化による焦点位置の変化を補正する、第２ステップと、を実行することを特徴とする焦点位置補正方法。
4. 前記第２ステップでは、
   前記レンズを光軸方向に所定の範囲で移動させた時の各位置の前記映像信号の出力電圧のピーク値を比較し、前記ピーク値が最大となる位置を焦点位置として特定する、ことを特徴とする請求項３に記載の焦点位置補正方法。

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