JPH02187633A - 赤外線撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 撮像素子の視野を制限するために冷却された開口である
コールドアパーチャを備えた赤外線撮像装置に関し、 簡単な構成の補正手段により、周囲温度による出力撮像
信号への影響を排除することを目的とし、コールドヘッ
ドにより冷却され、集光レンズを介して入射する撮像対
象からの赤外光を光電変換して撮像信号を出力する撮像
素子と、集光レンズを保持する鏡筒に設けられた温度セ
ンサと、温度センサとの温度データと、鏡筒の温度変動
に対応した撮像素子の出力信号（補正値）を予め記憶さ
せたメモリと、 撮像素子からの出力信号から、温度センサの温度データ
に対応してメモリから読出された補正値を減算するため
の演算論理ユニットとを設けた構成とし、 また、コールドヘッドにより冷却され、撮像対象からの
赤外光を光電変換して撮像信号を出力づ−る一次元配列
の撮像素子と、］−ルドヘヘノに配置されており、撮像
素子と同じ特性を持ち同じ条件で信号を取出す補正用受
光素子と、鏡筒から撮像素子への入射光が各撮像素子で
均一になるように開口された撮像素子開口部と、鏡筒か
らの入射光が撮像素子と補正用受光素子とで等しくなる
ように開口された補正用受光素子開口部とを設けられた
コールドアパーチャと、撮像索子の出力信号から補正用
受光素子の出力信号を減算する信号処理回路とを設けた
構成とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は赤外線撮像装置に関し、特に撮像素子の視野を
制限するために冷却された開口であるコールドアパーチ
ャを備えた赤外線撮像装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の赤外線撮像装置は第８図に示すように、赤外線撮
像素子１がコールドヘッド２上に取付けられ、また撮像
素子１には集光のためのレンズ３゜赤外線を透過する例
えばゲルマニウム（Ｇｅ）製のウィンド４．コールドア
パーチャ５を順次通して赤外線が入射される。

撮像素子１．コールドヘッド２．コールドアパーチャ５
は例えばガラス製の撮像素子容器６内に収納されており
、撮像素子容器６の一部は前記ウィンド４が設けられて
いる。撮像素子容器６の内部は真空とされている。レン
ズ３は鏡筒７に取付けられている。

コールドアパーチャ５は撮像素子１とウィンド４との間
に設【プられ、主にレンズ３からの赤外光を制限する（
換言すると、搬像素子１の視野８を制限することにより
、撮像素子１に入射する撮像対象からの背景光を制限す
る）ことを目的とし、また鏡筒７などのレンズ面以外の
物体を撮像素子１が見込まないようにする目的も兼ねて
いる。

このように、冷却された開口であるコールドアパーチャ
５を備えた赤外線撮像装置においては、コールドアパー
チャ５が上記目的を十分に達成できる構造が重要となる
。又、装置の環境温度が変化しても赤外画像が変化しな
い様、装置の温度安定度を向上させる必要がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

撮像素子１がレンズ面以外の装置の一部を（例えば鏡筒
７）見込んでいる場合、周囲温度の変化により装置の温
度が変化すると、撮像素子１に入射する赤外光も変化す
るため、撮像対象が変化しないにも拘らず撮像素子１の
出力撮像信号が変化することになり不都合が生じる。こ
のため、］−ルドアパーヂャ５とレンズ３とのサイズ、
位置関係の整合をとることにより、撮像素子１がレンズ
面のみを見込むようにしている。

例えば、第９図の平面図に示すような１次元のりニアア
レイ型撮像素子１ａの場合は、撮像素子１ａのＸ方向は
１画素分の長さで、Ｘ方向が複数画素分の長さであるの
で、コールドアパーチャ５ａはこの撮像素子１ａの形状
に応じて長方形の開口を有する。

第１０図はこのリニアアレイ型撮像素子を用いた従来の
赤外線撮像装置の一例の構成図を示し、同図（Ａ）は撮
像素子１ａのＸ方向から見た構成図、同図（Ｂ）はＸ方
向から見た構成図で、各図中、第８図と同一構成部分に
は同一符号を付し、その説明を省略する。第１０図（△
）に示すように、Ｘ方向では」−ルドアパーチャ５ａに
より撮像素子１ａはレンズ３のレンズ面だけを見込むこ
とができる。しかし、第１０図（Ｂ）に示す如く、Ｘ方
向では両端の受光素子１８〜１の視野を確保するために
］−ルドアパーチャ５ａが広く、撮像素子１ａは破線で
示すようにレンズ面以外の鏡筒７を見込む不都合を生じ
ることになる。

このことを第１１図を用いてより詳細に説明する。撮像
素子１ａからの出力信号は、レンズ３から入射する有効
入射光成分、鏡筒７から入射する無効入射光成分、撮像
素子１自身のもつ温度により発生する暗電流成分の３種
に分けられる。

これら各成分のうち無効入射光成分は、第１１図に示す
ように撮像素子１ａの各位置によって異なり、即ち、中
央の素子で多く、両端の素子で少なくなる。これは、第
９図に示すような長方形のスリットをもつコールドアパ
ーチャ５ａを各撮像素子１ａが見た時の開口部の立体角
が中央の素子はど大きく、両端の素子はど小さくなるた
めである。ここで、装置の環境湿度が変動した場合、鏡
筒７の温度変動に伴なって無効入射光成分が変動するが
、この変動１　ｄ　＋は各撮像素子によって異なる。又
、搬像素子の冷却温度が変動した場合、暗電流成分が変
動するが、この変動ａｄ２も各撮像装置によって異なる
。

上述の如く鏡筒７や、素子１ａの温度が変化すれば、撮
像対象物の温度が変化していないにもがかわらず、撮像
素子からの出力が変化するという不都合がある。

この場合、レンズ３の径を大きくすることにより上記無
効入射光成分の変動をある程度改善できるが、このよう
にするとコスト高となる。特に、撮像素子１の素子数が
多く、そのサイズが大きい場合、レンズ３の径を大きく
しただけでは殆ど改善できないという問題がある。

本発明は、上記従来の欠点に鑑み、簡単な構成の補正手
段により、周囲温度や撮像素子の冷却温度による出力撮
像信号への影響を排除できる赤外線撮像装置を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は第１発明の原理図である。同図において、１は
例えば−次源の撮像素子、２は撮像素子を載置するｌご
めの］−ルドヘッドであり、この］ルドヘヘノは液体チ
ッソ等の寒剤により冷却される。３はＩ＋Ｈ６ｌ対象か
らの赤外光を集光するレンズであり、７はこのレンズ３
を支持する鏡筒である。１０１は鏡筒に取付Ｅノられた
温１良センザである。この温度センサ１０１からの出力
は温度データとしてメモリ１２１に格納されるとともに
、この温度データに対応する撮像素子１からの信号出力
もメモリ１２１に格納され、補正伯として用いられる。

１５は演算論理ユニットであり、撮像時には撮像信号か
ら前記補正値を減算して出力するものである。

第２図は第２発明の原理図を示す。同図（Ａ）は正面図
、同図（Ｂ）は］−ルドアパーチャの平面図を示す。同
図中、１は一次元配列の撮像素子で、コールドヘッド２
により冷却され、集光レンズ３を介して入射光する撮像
対象からの赤外光を光電変換して撮像信号を出力する。

２０は補正用受光素子で、コールドヘッド２に配置され
ており、該撮像素子と同じ特性を持ち同じ条件で信号を
取出す。２１はコールドアバーチＶで、纏像素ｒ１の両
端に向って次第にその幅が広げられて鏡筒７から撮像素
子１への入射光が各撮像素子で均一になるように開口さ
れた撮像素子開口部２１１と、鏡筒７のみから補正用受
光素子２０へ赤外光が入射し、鏡筒７からの入射光が撮
像素子１と補正用受光素子２０とで等しくなるように開
口された補正用受光素子開口部２１２とを設けられてお
り、撮像素子１．補正用受光素子２０の各視野を制御す
る。３０は信号処理回路で、撮像素子１の出力信号から
補正用受光素子２０の出力信号を減算する。

〔作用〕

第１発明においては、第１図のように鏡筒７の温度変動
は、予め温度センサ１０１により測定した温度データと
、この温度データに対応する撮像素子１の信号出力（補
正値）とをメモリ１２１にテーブル化しておき、論理演
算ユニット１５でじいの撮像信号から補正値を減算する
ので、無効入射光成分の変動は補正されることになる。

第２発明においては、第２図のように開口部２１１はそ
の両端で広げられているので、無効入射光成分は中央か
ら両端の各撮像素子まで均一とされ、一方の開口部２１
２は補正用受光素子２０の入射光立体角Ω２が撮像素子
１の鏡筒７からの入射光立体角Ω１に等しくなるように
開口されているので、補正用受光素子２０による無効入
射光成分は撮像素子１による無効入射光成分と等しくな
る。従って、撮像素子１の出力信号（有効入射光成分、
無効入射光成分、暗電流成分）から補正用受光素子２０
の出力信号（無効入射光成分、暗電流成分）を引けば有
効入射光成分のみ残る。

〔実施例〕

第３図は本発明の第１実施例の構成図を示す。

温度センサ１０１および１０２でそれぞれ鏡筒７および
コールドヘッド２の温度を検出する１、温度センサ１０
１．１０２からの信号Ｓ＋　、８２はそれぞれアンプ１
７１．１７２で増幅され、Ａ／Ｄ変換器１１１．．１１
２でディジタルデータに変換され、アドレスデータＡ＋
　、Ａ２となる。このアドレスデータＡｌ、Ａ２に記憶
している補正データＣ＋　、０２を読出すことになる。

温度センサ１０１．１０２における温度が変化−した時
は、その温度に対応してアドレスデータＡ＋　、Ａ２が
変わり、メモリ１２１．１２２内の別の補正データＣ＋
　、Ｃ２が読出さ・れ・ることになる。

一方、撮像装置１からの信号はアンプ１３で増幅□され
た後、Ａ／Ｄ変換器１４でディジタルデータに変換され
てＱｕｔ、を出力する。

演算論理ユニット（ＡＬＵ）において、撮像素子出力信
号Ｑｕｔ１から補正データＣ１，Ｃ２が減算され、補正
演出力信号０ｕｔ２が得られる。

ここで、撮像素子１のｎ個の各素子ごとの出力信号を、
０ｕｔｌ　（ｎ）と表わす。また、補正用用データＣ＋
　、Ｃ２は、湿度センサ１０１　、　１０２の温度Ｔと
ｎ個の素子に対して決まっているまで、これをそれぞれ
Ｃｉ’（Ｔ、ｎ）Ｃ２（ｔ、ｎ）と表わす。

補正演出力信号０ｕｔ２はｎ個の各素子に対して０ＬＪ
ｔ２（ｎ＞と表わされ、ＡＬＶＩ　５の演算によって、 ０Ｕｔ２＋（ｎ）＝Ｏｕｔｌ＋　（ｎ）Ｃ＋　　（Ｔ、
ｎ）　　　Ｃ２（Ｔ、ｎ）となる。

次に、メモリ１２１．１２２中に記憶させる補正用デー
タを取得する方法について説明する。第４図に補正用デ
ータ取得時の撮像素子出力信号を示す。まず、レンズ３
の前に十分低い温度のものを置き、レンズを通して入射
する有効入射光成分が十分ゼロに近いレベルとなるよう
にする。このとき、撮像素子出力信号は第４図のように
無効入射光成分と暗電流成分のみであり、これを補正用
信号として利用する。。

第４図（Ａ）は、温度センサ１０１．１０２がそれぞれ
、ある温度Ｔ＋　、Ｔ２である場合の各素子の出力信号
であり、無効入射成分と暗電流成分の合計でＣ３（Ｔ１
．Ｔ２．ｎ）と表わす。これは、そのまま、セン、す温
度Ｔ−＋　’ｌ　Ｔ２のとぎの補正用データとなる。こ
のデータを、メモリ１２１の温度Ｔ１に対応するアドレ
スＡ１　（ＴＩ）の位置にｎ個の各素子ごとに記憶させ
る。

次に鏡ｊＦｊ　７の温度を上げ、湿度センサ１０１の温
度が△Ｔｏだり上昇した場合を第４図（Ｂ）に示す。こ
のとさ、無効入射光成分は増加し、その増加部を八Ｃ＋
　　（△Ｔ＋、ｒＴ）とすると、各素子の出力信号ハＣ
ｏ　　（ＴＩ　、　Ｔ２　、　ｎ　）　＋△Ｃ１（△ｌ
＋　、ｎ）となる・このデータを、メモリ１２１の渇匪
Ｔ＋４−Δ”１１１に対応するアドレスへ１　く１１＋
ΔＴ−＋＋）の位置にｎ素子分記憶させる１、上記のよ
うに温度センサ−１０１の温度上昇ΔＴ＋　、＋　、△
Ｔ＋　、　２　、△Ｔ−１，３・・・に対して、Ｃｏ　
（ＴＩ　＋Ｔ２　＋ｒｌ）＋ΔＣ＋　　（ΔＴ＋ｔ、ｎ
）１−△Ｃ＋　　（△Ｔ１２．ｎ） ＋へＣ＋　　（ΔＴ＋３．ｎ） のデータをそれぞれ温爪１１＋△Ｔ　ｎ　、　Ｔ　＋　
十△Ｔ１２．ＴＩ　＋△ＴＩ３・・・に対応するアドレ
スＡ１１ｌ−＋＋△Ｔｎ）、△＋（１−＋　十△Ｔ１２
＞、ＡＩ（Ｔ＋十Δ１１３　）・・・の位置に記憶させ
る。

次に、温度センサ１０１の温度がＴ１のとき−Ｃ１］−
ルドヘッド２の混１哀を上げ、温度センｖ１０２の温度
がΔＴ２＋だけ上昇し１こ場合を第４図（０）に示す。

このとき、暗電流成分がΔＣ２（ΔＴ２１゜ｎ）だけ増
加し、各素子の出力信号はＧｏ　　（ＴＴｚ、ｎ）＋Δ
Ｇ２　　（ΔＴ２＋、ｎ）となる。

ここで、最初にメモリ１２１に書込んだＣ０（ＴＩ　、
Ｔ２　、ｎ）なるデータを八ＬｔＪ１５において減算し
、残った八Ｃ２（Ｔ２１．ｎ）をメモリ１２２の温度■
２＋△Ｔ　２＋に対応するアドレスＡ２　　（Ｔ２　＋
ΔＴ２＋　）の位置にｎｉ子分記憶させる。前述と同様
に温度センサ１０２の温度上昇Δ丁２１．△Ｔ２２．△
ＴＺＩ・・・に対して、対応するアドレスΔ２　（■２
＋ΔＴ２＋）、　Ａ２２　　（Ｔ２　十へＴη）、Ａ２
　（−ｒ２→−ΔＴ２３　）　、・・・の位置に補正用
データΔＣ２（ΔＴ２＋、ｎ）、△Ｃ２（△Ｔ２２゜ｎ
）、・・・をそれぞれｎ素子分記憶させる。

上記のように補正データを取得い、メモリ１２１゜１２
２に記憶しておけば、例えば、鏡筒７．コルドヘッド２
の温度がそれぞれＴ１＋ΔＴ１×。

］−２→−△ｔ２ｘに変動した場合、ＡＬＵ１５におけ
る補正減算により Ｑ　Ｕ　’Ｉ２（ｎ　＞　−０Ｌｌ　ｔ　＋　　（ｎ　
）Ｇｏ　　（ＴＩ　、　Ｔ２　、　ｎ　）−ΔＣ＋　　
（△Ｔ＋ｘ、ｎ） 一△Ｃ２（ΔＴ２ｘ、ｎ） なる補正積出力が得られる。

第５図は第２発明の原理図を示し、同図中、第３図と同
一機能を有する部分には同一番号を付してその説明を省
略する。第５図中、２０は補正用受光素子で、］−ルト
ドヘッド２にｉｉｌ！冒されており、撮像素子１の各素
子と同じ特性を有してこれと同じ条！１で信号を取出す
。２１は］−ルドアパチャで、ｍｌ像素子１に対応して
搬像素子間口部２１１が設（Ｊられている一方、補ｎ用
受光素ｒ２０に対応して補正用受光素子開口部２１２が
設けられている。

聞「１部２１１は、第２図に示ずようにその幅が中央で
は従来通りであるが、両端では広げられており、両端の
搬像素子１ａが鏡筒７を見込む場合の立体角を大にして
中央の１ｍ素子が鏡筒７を児込む立体角と同一（Ω１）
にしである。一方、開口部２１２は、補正用受光素Ｆ２
０が鏡筒７のみを見込み、その入射光立体角Ω２が、撮
像索ｆ１が鏡筒７を見込む立体角Ω１に等しくなるよう
に位置及びサイズが決定されている。鏡筒７は、各部分
で均一な赤外線放射となるように内面は思体処理されて
いる。

次に、第２実施例の動作について第５図−第７図と共に
説明する。

上記の如く、間［１部２１］はその幅が中央では従来通
りで、両端では広げられているので、第６図に示す如く
、無効入射光成分は中央から両端の各撮像素子まで均一
とされる。又、開口部２１２は補正用受光素子２０の入
射光Ｘ′ｌ休角体２が撮像素子１の入射光立体角Ω１に
等しくされているので、第６図に示す如く、補正用受光
素子２０による無効入射光成分は撮像素子１による無効
入射光成分と等しくなる。この場合、補正用受光素子２
０の出力信号（補正用信号）は、撮像素子１の出力信号
のうち無効入射光成分と暗電流成分との和と等しくなる
。又、装置の環境温度変動による無効入射光成分の変動
分ｄ＋４．を撮像素子１の各素子及び補正用受光素子２
０で共に等しく、更に、暗電流成分の変動分ｄ２も撮像
素子１の各素子及び補正用受光素子２０で共に等しくな
る。

従って、第６図より明らかな如く、単に、撮像素子１の
出ツノ信号（有効入射光成分、無効入射光成分、暗電流
成分）から補正用受光素子２０の出力信号（無効入射光
成分、暗電流成分）を引けば有効入射光成分のみが残り
、温度変動による信号変動分は除去され、湿度変動の影
響のない正しい出力信号が得られる。

いま、補正用受光素子２０の出力信号（補正用信号）を
■、撮像素子１の各撮像素子の出力信号を■、■、・・
・とする。補正用信号■は信号転送用ＣＯＤ　（チャー
ジ・カップルド・デバイス）２２゜プリアンプ２３を介
してり゛ンプルホールド回路２４２に供給され、サンプ
ルボールド制御信号発生器２５からの制御信号にてサン
プルされて常時その値がホールドされ続【プる。一方、
出力信号■、■、・・・はＣＣＤ２２にて順次転送され
て読出され、プリアンプ２３を介してナンプルホールド
回路２４１にて順次サンプルホールドされる。

これにより、第７図に示す如く、補正用信号■は最初に
読出されて制御信号Ｓｈ２にて常時ボールドされ、出力
信号■、■、・・・はそのあと順次読出されて制御信号
ｓｈ、にて順次ホールドされ、演算増幅器２６にて順次
、■−■、■−■、・・・のように引算が行なわれる。

この結果、有効入射光成分のみが取出され、温度変動の
影響のない出力信号が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明した如く、本発明鏡筒からの無効入射光成分お
よび暗電流成分をその変動分も含めて補正できるので、
赤外線撮像装置の温度安定度を向上させ、良質の画像を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１発明の原理図、 第２図は第２発明の原理図、 第３図は本発明の第１実施例の構成図、第４図は第１実
施例における補正用データ取得の説明図、 第５図は第２実施例の構成図、 第６図は第２実施例における出力信号の図、第７図は第
２実施例における信号処理を示す図、第８図は赤外線撮
像装置の概略構成図、第９図はりニアアレイ型纏像素子
と」−ルドアパーチャとの位置関係を示す図、 第１０図は従来装置の一例の構成図、 第１１図は従来における素子出力信号の図である。 ３は集光レンズ、 ７は鏡筒、 ２０は補正用受光素子、 ２１はコールドアバーチｊｙ　。 ２１１は撮像素子開口部、 ２１２は補正用受光素子開口部、 ２２は信号転送用ＣＯＤ、 ２７！Ｉ１．２４２はサンプルボールド回路、２５はサ
ンプルホールド制御信号発生器、２６は演算増幅器 を示す。 特許出願人　富　士　通　株式会社 図において、 １は撮像素子、 １ａは端の撮像素子、 ２は二」−ルドヘッド、 ・ご１．　　シラノ ＼−〜−／ 従米におけう系テ出力信号の図 第■図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）コールドヘッド（２）により冷却され、集光レン
   ズ（３）を介して入射する撮像対象からの赤外光を光電
   変換して撮像信号を出力する撮像素子（１）と、 上記集光レンズ（３）を保持する鏡筒（７）に設けられ
   た温度センサ（１０＿１）と、 該温度センサと（１０＿１）の温度データと、上記鏡筒
   （７）の温度変動に対応した上記撮像素子（１）の出力
   信号（補正値）を予め記憶させたメモリ（１２＿１）と
   、 撮像素子（１）からの出力信号から、上記温度センサ（
   １０＿１）の温度データに対応してメモリ（１２＿１）
   から読出された補正値を減産するための演算論理ユニッ
   ト（１５）とを設けてなること特徴とする赤外線撮像装
   置。 （２）コールドヘッド（２）により冷却され、集光レン
   ズ（３）を介して入射する撮像対象からの赤外光を光電
   変換して撮像信号を出力する一次元配列の撮像素子（１
   ）と、 該コールドヘッド（２）に配置されており、該撮像素子
   と同じ特性を持ち同じ条件で信号を取出す補正用受光素
   子（２０）と、 上記撮像素子（１）に対応して設けられ、上記撮像素子
   （１）の両端に向って次第にその幅が広げられて上記集
   光レンズ（３）以外の部分である鏡筒（７）から上記撮
   像素子（１）への入射光が各撮像素子で均一になるよう
   に開口された撮像素子開口部（２１＿１）と、上記補正
   用受光素子（２０）に対応して設けられ、該鏡筒（７）
   のみから上記補正用受光素子（２０）へ赤外光が入射し
   、該鏡筒（７）からの入射光が上記撮像素子（１）と上
   記補正用受光素子 （２０）とで等しくなるように開口された補正用受光素
   子開口部（２１＿２）とを設けられた、上記撮像素子（
   １）、補正用受光素子（２０）の各視野を限定するため
   のコールドアパーチャ（２１）と、 上記撮像素子（１）の出力信号から上記補正用受光素子
   （２０）の出力信号を減算する信号処理回路（３０）と
   を設けてなることを特徴とする赤外線撮像装置。