JPH09189610A - ２次元時間遅延積分型熱画像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 赤外線センサによって取得する熱画像品質の
改善。 【解決手段】 赤外線検出素子を２次元配列した２次元
赤外線センサ１で、別途光学走査系で主走査（水平方
向）および副走査（垂直方向）の組合せ走査による被写
体の受光入力を受け、主走査方向の出力をＴＤＩ（時間
遅延積分）回路2a〜2dで時間遅延による時間位置整合の
うえ加算出力し、これらの加算出力を遅延加算回路3a〜
3cで副走査方向にＴＤＩ処理後加算回路４で加算出力す
る２次元時間遅延積分処理を行い、この２次元にわたる
時間遅延積分効果で熱画像品質（Ｓ／Ｎ比）を著しく改
善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は２次元時間遅延積分
型熱画像装置に関し、特に２次元の赤外線センサによる
被写体の水平方向および垂直方向を含むラスタースキャ
ンによって取得する熱画像の画質改善を、２次元時間遅
延積分処理に基づいて確保する２次元時間遅延積分型熱
画像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】複数の赤外線検出素子を配列して取得す
る熱画像の画質改善を確保する手法として、従来ＴＤＩ
(Time Delay and Integration:時間遅延積分）方式ある
いはパラレルスキャン(parallel scan) 方式が良く知ら
れている。ＴＤＩ方式は、複数の赤外線検出素子を主走
査方向（走査速度の速い方の走査方向）に１次元配列
し、個々の赤外線検出素子の出力を遅延しつつ加算する
ことで画質の改善を図る方法である。一般にはＮ個の赤
外線検出素子の出力を遅延加算することにより感度をＮ
倍とし且つＳ／Ｎ比をＮ^1/2 倍に比例して向上させるこ
とができる。

【０００３】ＴＤＩ方式による熱画像装置は、図５に示
すように、回転方向Ｒ１の方向に所定の回転数（例えば
14,400rpm)で回転し水平方向走査を行う回転多面鏡（ポ
リゴンミラー）を有する主走査装置８と、回動軸９１を
中心として回動方向Ｒ２での所定の繰り返し数（例えば
１５Ｈｚ）の回動を行う平面鏡を有する副走査装置９
と、主走査装置８と副走査装置９との組合せ走査（ラス
タースキャン）によって２次元走査を受けた入力光を集
束するレンズ１１と、レンズ１１の集束出力を受光して
電気信号に変換出力する１次元検出素子配列としての赤
外線センサ１０とを基本的構成として備える。

【０００４】図５は、尚、図示しないシリコンウインド
ウなどの受光窓や受光光学系などを介して受光する被写
体１０３を併記して示し、さらに被写体１０３上には、
主走査（水平走査）方向１０１および副走査（垂直走
査）方向１０２と、赤外線センサ１０の含む各赤外線検
出素子に対応する検出エリア１０６を示す。赤外線セン
サ１０によって取得される赤外線受光素子ごとの入力光
は、次に図６に示す受光信号処理回路によって熱画像の
合成が行われる。

【０００５】図６に示す赤外線センサ１２は、複数の赤
外線検出素子 121-1〜121-8 を１次元配列して成る。こ
れら赤外線検出素子は、通常Ｉ_n Ｓ_b やＨ_g Ｃ_d Ｔ_e な
どの量子型赤外線検出素子が利用され、一辺が数１０ミ
クロンの正方形もしくは長方形の形状をしており、素子
面に赤外線が入射すると入射量に応じた電気信号変換を
行う。

【０００６】この赤外線検出素子を使用してより感度の
高い信号を得るためには、図６に示すＴＤＩ方式が利用
され、赤外線の光学走査方向に直列にＮ個の赤外線検出
素子（図６ではＮ＝８）を配置させているため、各赤外
線検出素子には走査速度に対応した一定時間遅れで被写
体の任意の同じ部分からの赤外線が入射し、これらの検
出出力をその遅れた時間だけ遅延させて隣接する赤外線
検出素子の出力に順次加算していく累加処理を施すこと
により、受光感度をＮ倍に高くでき、雑音についても加
算されていくことにはなるが、雑音相互間に相関が無い
のでＮ^1/2 倍の増加に留まり、Ｓ／Ｎ比としてはＮ^1/2
倍向上することになるほか、空間分解能は１つの赤外線
検出素子の大きさで決まるため、空間分解能を犠牲にす
ることも回避できるといった特徴がある。

【０００７】光学系の機械的走査方向（主走査方向）Ｌ
の方向に走査された赤外線検出素子121-1〜121-8 の検
出出力はそれぞれ増幅器13-1〜13-8で増幅されたのち、
遅延加算回路14-1〜14-7で走査時間に対応する遅延時間
だけ次々に遅延させつつ隣接する増幅器出力に累加させ
て加算合成していくことによってＴＤＩ処理が行われ、
受光感度Ｎ倍の出力1301が得られる。ただしこの場合、
遅延加算回路14-1のみは加算量をあらかじめ零として設
定している。

【０００８】また、パラレルスキャン方式は、図７に示
すように、複数の赤外線検出素子を副走査方向１０２の
方向に１次元配列して成る赤外線センサ１５を利用し、
熱画像の一定のフレームレートでの個々の赤外線検出素
子の走査速度を副走査による低い走査速度に低下させて
検出信号の占有帯域を狭くし、これによってノイズ抑制
を図るものである。Ｎ個の赤外線検出素子によって占有
帯域を１／Ｎとなし、Ｎ^1/2 に比例してＳ／Ｎ比の改善
が確保できる。赤外線センサ１５による検出信号の処理
は図６に示す構成に準じて行われる。

【０００９】さらに、ＴＤＩ方式を発展させたものとし
て、ＳＰＲＩＴＥ赤外線センサがあり、これを図８に示
す。このＳＰＲＩＴＥ赤外線センサは、光学系の機械走
査方向（主走査方向）Ｌの方向に細長く配列したフィラ
メント状の赤外線検出素子１７を内蔵する赤外線センサ
１６として構成され、図６に示す遅延加算回路14-1〜14
-7等による遅延加算処理回路は赤外線検出素子１７に一
体化内蔵され、電極も駆動用のバイアス電極が２つ、出
力が１つといった極めて簡素な構成となっている。出力
は増幅器１８で増幅され、図５および図６に示すＴＤＩ
方式の出力と等価な出力1801が得られる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の方法による熱画像の画質改善効果すなわちＳ／
Ｎ比改善度は、いずれも赤外線センサの含む赤外線検出
素子の個数Ｎ^1/2 に比例するため、大きな画質改善効果
を得るためには、赤外線検出素子の個数を大幅に増やす
必要がある。例えば、Ｓ／Ｎ比を１０倍改善するために
は、理論的には１００個の赤外線検出素子の１次元配列
が必要となる。

【００１１】ＴＤＩ方式では、１００個の赤外線検出素
子および遅延加算回路を主走査方向に並べる必要がある
が、これら全ての赤外線検出素子に対して充分な結像性
能を提供するような光学系は極めて大型化し、著しく非
実用的である。

【００１２】またパラレルスキャン方式では、遅延回路
は不必要であるが同じく１００個の赤外線検出素子を副
走査方向に配列することになり、ＴＤＩ方式における場
合と同様に光学系が極めて大型化する上、個々の赤外線
検出素子の特性のバラツキにより、赤外線検出素子それ
ぞれで形成される走査線ごとの感度バラツキが生じ、赤
外線検出素子それ自体あるいは信号処理によって、かか
る感度バラツキを除去することは極めて困難である。

【００１３】以上のような理由により、複数の赤外線検
出素子の運用による画質改善を行った商業用の赤外線カ
メラでは、多くとも１０個程度の赤外線検出素子しか使
用しておらず、従って画質改善の限度ともなっている。
これはＳＰＲＩＴＥ赤外線検出素子においても同様で、
赤外線検出素子の１０素子程度の長さの１次元配列フィ
ラメントが本格的に実用化されているに過ぎない。

【００１４】本発明の目的は、上述した問題点を解決
し、２次元配列した赤外線検出素子の出力を全て遅延加
算して合成出力することにより、著しく感度改善とＳ／
Ｎ比改善とを向上しうる２次元時間遅延積分型熱画像装
置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した目的
を達成するために次の手段構成を有する。即ち、２次元
時間遅延積分型熱画像装置に関する本発明の第１の構成
は、被写体を光学的に２次元走査して赤外線を検出し、
検出信号の時間遅延積分処理に基づいて前記被写体の表
面温度分布像を再生することを特徴とする２次元時間遅
延積分型熱画像装置であって下記に示す（イ）ないし
（ハ）の各構成を有する。 （イ）前記被写体を水平および垂直方向に光学的に走査
して２次元像を得る水平走査装置および垂直走査装置を
備えた光学走査機構 （ロ）前記水平走査装置によって形成される反射光路に
配置され、赤外線を検出すべき複数の赤外線検出素子を
２次元的に配列して成る赤外線センサ （ハ）前記赤外線センサの含む個々の赤外線検出素子の
検出信号を、前記光学走査機構による水平および垂直方
向の光学的走査における隣接赤外線検出素子間の遅れ時
間だけ遅延させて順次隣接赤外線検出素子の検出信号に
累加しつつ加算合成する時間遅延積分処理に基づき、検
出感度並びに信号対雑音比を赤外線検出素子の走査数に
対応して実効的に高める遅延加算回路

【００１６】本発明の第２の構成は、前記第１の構成に
おいて、前記赤外線センサが、複数の赤外線検出素子を
マトリクス状に配列したものである。

【００１７】本発明の第３の構成は、前記第１の構成に
おいて、前記赤外線センサが、隣接赤外線検出素子の走
査タイミング差に起因する検出信号の遅れ時間だけ順次
遅延させつつ隣接赤外線検出素子の検出信号に重畳して
合成する１次元配列の時間遅延積分型の赤外線検出素子
の複数を水平走査方向に平行に２次元配列したものであ
る。

【００１８】本発明の第４の構成は、前記第１の構成に
おいて、前記赤外線センサが、前記１次元配列の時間遅
延積分型の赤外線検出素子自体に前記時間遅延積分処理
機能を内蔵した一体化構成のＳＰＲＩＴＥ赤外線センサ
の複数を水平走査方向に平行に２次元配列したものであ
る。

【００１９】本発明の第５の構成は、前記第１の構成に
おいて、前記遅延加算回路が、前記赤外線センサに対す
る水平方向の光学的走査における前記時間遅延積分処理
による出力を、前記赤外線センサに対する垂直方向の光
学的走査における前記時間遅延積分処理で遅延加算する
ことを繰り返しつつ２次元の時間遅延積分処理を確保す
るものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】主走査（高速度の水平走査）方向
もしくは副走査（低速度の垂直走査）方向に１次元配列
したＮ個の赤外線検出素子の検出出力を、走査に要する
遅れ時間ずつ遅延させて隣接する赤外線検出素子の出力
に順次加算しつつ累加合成して受光感度を実効的にＮ倍
となし、Ｓ／Ｎ比はＮ^1/2 倍に改善するＴＤＩ方式やパ
ラレル方式による赤外線熱画像処理では、受光感度とＳ
／Ｎ比で表現される画質改善度がＮ即ち配列赤外線検出
素子数に比例するので、この改善度を向上させるには配
列赤外線検出素子数を増大することが必要である。

【００２１】従って、画質改善度をＮ倍しようとすれ
ば、配列赤外線検出素子の数はＮ² 倍となり、これを主
走査方向もしくは副走査方向に配列することが必要とな
り、この実現は感度のバラツキの問題も含め、極めて非
現実的で実現し難いものとなる。

【００２２】本発明では、赤外線検出素子を主走査方向
と副走査方向とに配列した２次元配列となし、主走査方
向に配列した複数の赤外線検出素子列の出力をＴＤＩ方
式で遅延加算して出力し、さらにこれら複数の主走査方
向の遅延加算出力を副走査方向にわたって遅延加算する
２次元遅延加算処理を施すことにより、実現可能な現実
的構成による画質改善を可能としている。

【００２３】本発明によれば、例えば画質改善度をＮ倍
とするためには、主走査方向ではＮ個の配列、副走査方
向ではこの配列をＮ段に平行配列した構成で済み、現実
的構成が容易に確保できるという実施の形態を特徴とし
ている。

【００２４】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。図１は、本発明の第１の実施例の構成を示すブロッ
ク図である。図１に示す実施例の構成は、複数の赤外線
検出素子をマトリクス状に２次元配列して成る２次元赤
外線センサ１と、２次元赤外線センサ１の主走査方向に
配列した赤外線検出素子の時間遅延積分処理を行うＴＤ
Ｉ回路２ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄと、ＴＤＩ回路２ａ
〜２ｄの出力の副走査方向の時間遅延積分処理を行う遅
延加算回路３ａ，３ｂおよび３ｃ並びに加算回路４とを
備える。これらは図５に示す走査光学系に準じた走査光
学系と併用される構成を有する。

【００２５】次に、本実施例の動作について説明する。
２次元赤外線センサ１は、主走査方向１０１の方向に４
個の赤外線検出素子Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ１ｃおよびＳ１
ｄ、Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ２ｃおよびＳ２ｄ、Ｓ３ａ，Ｓ
３ｂ，Ｓ３ｃおよびＳ３ｄ、Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ，Ｓ４ｃお
よびＳ４ｄを平行配列した４×４個の赤外線検出素子の
マトリクス状配列による２次元配列で構成される。

【００２６】図２は、図１の実施例の光学的走査の説明
図であり、図２の（ａ）は５回目の主走査、図２の
（ｂ）は６回目の主走査状態を示す。２次元赤外線セン
サ１は、主走査方向×副走査方向を４×４個の赤外線検
出素子のマトリクス配列を走査単位として構成している
ので、赤外線検出素子の投影像すなわち被写体１０３に
対する検出エリア１０４も、赤外線検出素子の受光面に
対応して区分される４×４区分の検出単位として表現さ
れる。

【００２７】この２次元赤外線センサ１による走査は、
水平方向の主走査と垂直方向の副走査との組合せ走査
が、主走査番号＃１〜＃９……＃ｎ等で示す赤外線検出
素子の副走査方向の幅に対応する走査ラインを１走査線
分ずつ下方にシフトしながら次々に走査される。図２の
（ａ）は５回目の主走査状態、図２の（ｂ）は６回目の
主走査状態を示す。

【００２８】再び図１に戻って実施例の説明を続行す
る。主走査方向１０１に２次元赤外線センサ１で被写体
１０３を主走査と副走査の組合せ走査することにより、
マトリクス配列の赤外線検出素子Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄ、Ｓ２
ａ〜Ｓ２ｄ、Ｓ３ａ〜Ｓ３ｄおよびＳ４ａ〜Ｓ４ｄの各
主方向配列ごとに得られる４個ずつの検出出力はそれぞ
れ、ＴＤＩ回路２ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄに供給さ
れ、図６を利用して前述した時間遅延積分処理に基づく
主走査方向の遅延加算処理を受ける。主走査と副走査と
を含む走査を主走査番号を１つづつシフトしながら繰り
返し、被写体１０３の全視野が走査されることとなる。

【００２９】ＴＤＩ回路２ａ〜２ｄが全視野走査におけ
る主走査方向の時間遅延積分処理を行うのに対し、これ
らＴＤＩ回路２ａ〜２ｄの出力に対して遅延加算回路３
ａ〜３ｃおよび加算回路４によって副走査方向の時間遅
延積分処理が行われ、結果として２次元的にマトリクス
配列した全ての赤外線検出素子による被写体１０３の２
次元時間遅延積分処理が確保される。

【００３０】遅延加算回路３ａは、遅延加算回路３ｂ，
３ｃと同一構成であるが、加算量は零として設定し、結
果的には副走査時間に対応した赤外線検出素子１個分の
遅れ時間をＴＤＩ回路２ａの出力に付与する処理を行
い、遅延加算回路３ｂはＴＤＩ回路２ｂの出力に遅延加
算回路３ａの出力を遅延加算し、また遅延加算回路３ｃ
はＴＤＩ回路２ｃの出力に遅延加算回路３ｂの出力を遅
延加算する。これら遅延加算回路３ｂ，３ｃにおける遅
延量はいずれも、副走査速度における赤外線検出素子１
個当たりの時間遅延量である。

【００３１】加算回路４は、ＴＤＩ回路２ｄの出力に遅
延加算回路３ｃの出力を加算し、２次元時間遅延積分処
理による出力４０１を得る。このような２次元時間遅延
積分処理を被写体１０３の全域にわたって実施すること
により著しい画像品質の改善が得られる

【００３２】図３は、本発明の第２の実施例の構成を示
すブロック図である。図３に示す第２の実施例は、４個
のＳＰＲＩＴＥ赤外線センサ５１〜５４を平行配列して
成る２次元赤外線センサ５と、遅延加算回路６ａ〜６ｃ
および加算回路７とを備える。これら図３に示す実施例
も、図５に示す走査光学系に準じた走査光学系と併用さ
れる構成を有する。この第２の実施例の動作は、基本的
には図１に示す第１の実施例の動作と同じであるが、個
別の４個の赤外線検出素子を一体化構成とするＳＰＲＩ
ＴＥ赤外線センサに置換することによって、主走査方向
の遅延加算回路を大幅に圧縮することができる。この場
合、副走査方向に隣接するＳＰＲＩＴＥ赤外線センサ５
１〜５４は、互いに数主走査時間ずつの時間差があるの
で、遅延加算回路６ａ〜６ｃで与える遅延時間も、この
条件を勘案して設定される。尚、遅延加算回路６ａの加
算量のみは零として設定される。加算回路７からは、２
次元時間遅延積分処理による出力701 が得られる。

【００３３】図４は、図３の実施例の光学的走査の説明
図であり、図４の（ａ）は５回目の主走査、図４の
（ｂ）は６回目の主走査状態を示す。この場合の主走査
における走査単位は、図２の場合と同じであるが、走査
単位としての検出エリア１０５は、各ＳＰＲＩＴＥ赤外
線センサによる４つの検出視野より成る。このようにし
て、被写体１０３に対する２次元時間遅延積分処理によ
り、画像品質を著しく向上させることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、２次元的
に配列した複数の赤外線検出素子の光学的主走査および
副走査による出力を全て時間遅延積分処理に基づいて主
走査および副走査方向にわたって加算合成することによ
り熱画像品質を著しく改善することができ、且つその改
善程度は、従来のＴＤＩ方式やパラレルスキャン方式の
場合の１次元配列赤外線検出素子数Ｎ^1/2 倍に対しＮ²
倍程度まで改善可能とすることができる効果がある。ま
た、受光信号を副走査方向にも時間遅延積分処理するこ
とにより、パラレルスキャン方式に生起する赤外線検出
素子間のバラツキに起因する走査ごとの品質バラツキの
発生も回避することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示すブロック図
である。

【図２】本発明の第１の実施例の光学的走査の説明図で
ある。

【図３】本発明の第２の実施例の構成を示すブロック図
である。

【図４】本発明の第２の実施例の光学的走査の説明図で
ある。

【図５】ＴＤＩ方式による熱画像装置の基本的構成を示
す図である。

【図６】ＴＤＩ方式による熱画像形成のための基本的構
成を示すブロック図である。

【図７】パラレルスキャン方式による熱画像装置の基本
的構成を示す図である。

【図８】ＳＰＲＩＴＥ赤外線センサの基本的構成を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１ ２次元赤外線センサ ２ａ〜２ｄ ＴＤＩ回路 ３ａ〜３ｃ 遅延加算回路 ４ 加算回路 ５ ２次元赤外線センサ ６ａ〜６ｃ 遅延加算回路 ７ 加算回路 ８ 主走査装置 ９ 副走査装置 １０ 赤外線センサ １１ レンズ １２ 赤外線センサ 13-1〜13-8 増幅器 14-1〜14-7 遅延加算回路 ５１〜５４ ＳＰＲＩＴＥ赤外線センサ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 次の各構成を備え、被写体を光学的に２
   次元走査して赤外線を検出し、検出信号の時間遅延積分
   処理に基づいて前記被写体の表面温度分布像を再生する
   ことを特徴とする２次元時間遅延積分型熱画像装置。 （イ）前記被写体を水平および垂直方向に光学的に走査
   して２次元像を得る水平走査装置および垂直走査装置を
   備えた光学走査機構 （ロ）前記水平走査装置によって形成される反射光路に
   配置され、赤外線を検出すべき複数の赤外線検出素子を
   ２次元的に配列して成る赤外線センサ （ハ）前記赤外線センサの含む個々の赤外線検出素子の
   検出信号を、前記光学走査機構による水平および垂直方
   向の光学的走査における隣接赤外線検出素子間の遅れ時
   間だけ遅延させて順次隣接赤外線検出素子の検出信号に
   累加しつつ加算合成する時間遅延積分処理に基づき、検
   出感度並びに信号対雑音比を赤外線検出素子の走査数に
   対応して実効的に高める遅延加算回路
2. 【請求項２】 前記赤外線センサが、複数の赤外線検出
   素子をマトリクス状に配列したものであることを特徴と
   する請求項１記載の２次元時間遅延積分型熱画像装置。
3. 【請求項３】 前記赤外線センサが、隣接赤外線検出素
   子の走査タイミング差に起因する検出信号の遅れ時間だ
   け順次遅延させつつ隣接赤外線検出素子の検出信号に重
   畳して合成する１次元配列の時間遅延積分型の赤外線検
   出素子の複数を水平走査方向に平行に２次元配列したも
   のであることを特徴とする請求項１記載の２次元時間遅
   延積分型熱画像装置。
4. 【請求項４】 前記赤外線センサが、前記１次元配列の
   時間遅延積分型の赤外線検出素子自体に前記時間遅延積
   分処理機能を内蔵した一体化構成のＳＰＲＩＴＥ(Signa
   l Processing In The Element)赤外線センサの複数を水
   平走査方向に平行に２次元配列したものであることを特
   徴とする請求項１記載の２次元時間遅延積分型熱画像装
   置。
5. 【請求項５】 前記遅延加算回路が、前記赤外線センサ
   に対する水平方向の光学的走査における前記時間遅延積
   分処理による出力を、前記赤外線センサに対する垂直方
   向の光学的走査における前記時間遅延積分処理で遅延加
   算することを繰り返しつつ２次元の時間遅延積分処理を
   確保するものであることを特徴とする請求項１記載の２
   次元時間遅延積分型熱画像装置。