JP3702695B2 - Infrared imaging device - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線撮像装置に係り、特に、光学系中のアフォーカル第一結像面における赤外線検知素子の投影像の温度変動による大きさの変動、光学系内に設けられる水平走査ミラーを走査する水平スキャナの温度変動を考慮した走査角の縮減、及び、測定対象物体が放射する赤外線の取り込みを行なわない無効走査領域の縮減によって水平スキャナを小型化し、又、基準温度熱源が放射する赤外線を光学系に導入する反射ミラーの調整機構を簡易化し、温度基準熱源を小型化することによって実現される小型の赤外線撮像装置に関する。
【０００２】
赤外線撮像装置は、物体がその温度と一義的な関係を持って放射する赤外線を検知して、検知した赤外線の強度に応じた輝度表示又は色表示を行なう。つまり、上記輝度表示又は色表示によって当該物体の表面の温度分布を測定する装置である。そして、最大の特徴は測定対象の物体に直接触れずに温度を測定できるという点にある。
【０００３】
この非接触で温度測定できるという特徴を生かして、ビル管理システム等において火災検知装置として適用されることも多く、又、化学プラントや原子炉のように人が近づくことが困難か、入ること自体が危険な箇所の温度測定には不可欠となっており、その用途は拡大の一途を辿っている。
【０００４】
広がりつつある用途の中で、特に医療分野のように人体の疾患を発見したり、スポーツ医学分野のように身体の生理的或いは物理的な変化を検出するために使われる場合には、非常に高い精度と確度での温度測定が要求される。
【０００５】
かくの如く、近年、赤外線撮像装置には高精細化の要求が強くなっている。
【０００６】
又、セキュリティ管理や警備、防衛のために使われる場合にも、非常に高い精度が要求されると同時に誤認がないことが極めて重要であり、加えて、セキュリティ管理や警備、防衛のためのアクションを短時間で確実に行なうことができる必要がある。
【０００７】
このため、視野角の拡大及び表示の高速化に対する要求も強くなっており、同時に装置の小型化も急務となっている。
【０００８】
特に、視野角を拡大するには水平スキャナの走査角を広げることが必要になるが、走査角の増加のためには水平スキャナの駆動力を増加する必要があるために、視野角の拡大と装置の小型化は相矛盾する要求である。又、視野角を拡大した上で表示を高速化するためには水平スキャナの走査を高速化する必要があるが、走査の高速化のためにも水平スキャナの駆動力を増加する必要があるために、走査の高速化と装置の小型化も相矛盾する要求である。
【０００９】
本発明は、このように相矛盾する厳しい要請に応える小型の赤外線撮像装置に関するものである。
【００１０】
【従来の技術】
図１１は、従来の赤外線撮像装置の構成で、従来の赤外線撮像装置の機能を示す目的で主要な構成要素を、機構的な物は模式的に、電気的な物はブロック図で図示したものである。
【００１１】
図１１において、１は赤外線検知器、２ａはイメージ・レンズ系、３ａは水平スキャナ、４ｂ及び４ｃは温度基準熱源、５ａはアフォーカル・レンズ系、６ａは熱源導入光学系、７は画像処理系、８は熱源温度制御系である。
【００１２】
該赤外線検知器１は、主として、水銀・カドミウム・テルル（ＨｇＣｄＴｅ）によって代表される赤外線検知素子１１、循環冷却器やジュール・トムソン冷却器などの冷却器１２、真空容器１３、該真空容器１３に設けられたゲルマニウム（Ｇｅ）などによる赤外線を透過する窓１４によって構成される。
【００１３】
尚、赤外線検知素子１１を冷却器１２を備えた真空容器１３中に設置して８０Ｋ（Ｋは絶対零度を基準とする温度の単位で、英国のケルビン卿に因んで“ケルビン”と呼ばれる。温度の単位であるが、“°”は付けずに標記する。）程度の極低温で赤外線検知素子を動作させるが、これは、赤外線が照射されていない状態で赤外線検知素子が生成する電気信号（これを暗電流と呼ぶ。）を抑圧して、赤外線検知素子が赤外線を受けて生成する電気信号の信号対雑音比を向上させるためである。
【００１４】
該イメージ・レンズ系２ａについては、イメージ・レンズ系第三レンズ２６のみを図示している。
【００１５】
該水平スキャナ３については、水平走査ミラー３１、水平スキャナ制御用角度検出器３２及び光学式角度検出器３４ａを図示している。
【００１６】
該温度基準熱源４ｂ及び４ｃは、主として、ペルチエ素子によるサーモ・モジュール４１、該サーモ・モジュール４１によって温度を制御される温度基準板４２、該サーモ・モジュール４１が吸熱する熱量と発熱する熱量の和の熱量の放熱効率を高めるために設けられる放熱フィン４３、該放熱フィン４３から効率よく放熱させるために設けられるファン４４によって構成される。
【００１７】
該アフォーカル・レンズ系５ａについては、対物レンズ・ユニット５１とリレー・レンズ系第二レンズ５２２のみを図示している。
【００１８】
該熱源導入光学系６ａについては、熱源導入レンズ系６１と反射ミラー６２を図示している。
【００１９】
該画像処理系７ａは、該赤外線検知器１が検出した赤外線強度に応じて出力する電気信号を増幅する増幅器７１、該増幅器７１の出力を受けて該水平スキャナ制御用角度検出器３２及び該光学式角度検出器３４の出力を参照して信号処理する信号処理回路７２ａ、該信号処理回路が出力する画像信号に対して表示のための処理を加える画像処理回路７３及び画像を表示する陰極線管や液晶ディスプレイなどによるモニタ７４によって構成される。
【００２０】
該熱源温度制御系８は、高温側の温度基準板の温度を算出して対応する電圧を出力する高温側指令電圧生成回路８１、低温側の温度基準板の温度を算出して対応する電圧を出力する低温側指令電圧生成回路８１ａ、該信号処理回路７２で検出した高温側温度基準板の温度を対応する電圧に変換する高温側検出電圧生成回路８２、該信号処理回路７２ａで検出した低温側温度基準板の温度を対応する電圧に変換する低温側検出電圧生成回路８２ａ、該高温側指令電圧生成回路８１の出力から該高温側検出電圧生成回路８２の出力を減算する加算回路８３、該低温側指令電圧生成回路８１ａの出力から該低温側検出電圧生成回路８２ａの出力を減算する加算回路８３ａ、該加算回路８３の出力を電力増幅する電力増幅器８４、該加算回路８３ａの出力を電力増幅する電力増幅器８４ａによって構成される。 図１１の構成は、概ね下記のように動作して測定対象物体が放射する赤外線を画像化して表示する。
【００２１】
まず、被測定物体が放射する赤外線は対物レンズ・ユニット５１を経由してアフォーカル・レンズ系５ａに導かれてアフォーカル第一結像面ａに結像される。
この、被測定物体が放射する赤外線がアフォーカル第一結像面ａに結像される範囲が有効走査領域ｂ（これについては、後で図１４乃至図１６によって詳細に説明する。）である。
【００２２】
アフォーカル第一結像面ａ上に結像された赤外線は、リレー・レンズ・ユニット第二レンズ５２２を経由して水平走査ミラー３１に導かれて反射され、イメージ・レンズ系２ａを経由して赤外線検知器１に導かれ、赤外線検知素子１１上に結像される。
【００２３】
赤外線検知素子１１によって生成された電気信号は増幅器７１を経由して信号処理回路７２ａに導かれ、赤外線検知素子毎のばらつきを補正された後画像処理回路７３において水平走査ミラー３１での走査によって形成された２次元画像からモニタ７４での走査方式に合致する２次元画像に変換され、最後に該モニタ７４において表示される。
【００２４】
一方、温度基準板４２が放射する赤外線は熱源導入光学系６ａを経由してアフォーカル第一結像面上ａの無効走査領域ｃ（これについては、後で図１４乃至図１６によって詳細に説明する。）からアフォーカル・レンズ系５ａに導入され、水平走査ミラー３１によって反射されてイメージ・レンズ系２ａに導かれて、被測定物が放射する赤外線を計測していない時に赤外線検知器１の赤外線検知素子１１上に結像される。
【００２５】
赤外線検知素子１１によって生成された電気信号は増幅器７１に導かれて増幅され、信号処理回路７２ａにおいて赤外線検知素子毎のばらつきを補正され、以降は測定対象物体が放射する赤外線画像と同様に処理されてモニタ７４に表示される。
【００２６】
さて、測定対象の物体が放射する赤外線量に対応する電気信号から、信号処理回路７２はシーン温度平均値を算出し、該シーン温度平均値を基準に２つの温度基準板に設定する温度を算出する。
【００２７】
こうして算出された高温側の温度基準板の温度と低温側の温度基準板の温度情報は、それぞれ、高温側指令電圧生成回路８１と低温側指令電圧生成回路８１ａに供給され、温度基準板に設定する温度に対応する電圧が生成される。
【００２８】
又、該信号処理回路７２ａは、温度基準板が放射する赤外線強度によって温度基準板の温度を無効走査領域において計測する。こうして計測された高温側の温度基準板の温度と低温側の温度基準板の温度は、それぞれ、高温側検出電圧生成回路８２と低温側検出電圧生成回路８２ａに供給され、検出温度に対応する電圧が生成される。
【００２９】
該高温側指令電圧生成回路８１の出力電圧と該高温側検出電圧生成回路８２の出力電圧の差を該加算回路８３によって求めて、電力増幅器８４を介して高温側の温度基準板の温度を制御するサーモ・モジュールに温度制御信号として供給する。同様に、該高温側指令電圧生成回路８１ａの出力電圧と該高温側検出電圧生成回路８２ａの出力電圧の差を該加算回路８３ａによって求めて、電力増幅器８４ａを介して低温側の温度基準板の温度を制御するサーモ・モジュールに温度制御信号として供給する。即ち、該熱源温度制御系８は負帰還によって温度基準板の温度を制御している。
【００３０】
又、水平スキャナ制御用角度検出器３２及び光学式角度検出器３４ａが走査角を検出して出力するパルスを信号処理回路７２に供給して、画像処理及び表示の基準信号とする。
【００３１】
ここまでにおいて従来の赤外線撮像装置の構成と大まかな動作を説明した。以下においては、図１１に示した従来の赤外線撮像装置の構成の主要構成要素について詳細に説明する。
【００３２】
図１２は、１次元赤外線検知素子の代表的な素子配列を示す図である。
【００３３】
図１２に示しているものが図１１における赤外線検知素子１１であり、基板１１１の上に複数の単位赤外線検知素子１１２が水平走査方向に対して垂直に整列配置されている。そして、図１２においては、奇数番目の単位赤外線検知素子（図では奇数領域と標記している。）と偶数番目の単位赤外線検知素子（図では偶数領域と標記している。）が異なる位置に整列している例を示している。尚、図１２においては基板１１１上の配線パターン及び赤外線検知素子から外部に引き出す配線などは図示を省略している。
【００３４】
さて、赤外線検知素子はシリコン（Ｓｉ）のような単結晶半導体ではなく、水銀（Ｈｇ）、カドミウム（Ｃｄ）及びテルル（Ｔｅ）の混合融液から析出して形成されるＨｇＣｄＴｅ合金の平板から切り出して得る素子である。従って、ＨｇＣｄＴｅ合金の平板の組成は、析出したＨｇＣｄＴｅ合金の平板と混合融液との接触界面における水銀、カドミウム及びテルルの組成によって決まるが、混合融液内の接触界面における水銀、カドミウム及びテルルの組成は析出が進むにつれて水銀、カドミウム及びテルルの組成が変化するのに加えて、接触界面内の位置によっても水銀、カドミウム及びテルルの組成が異なるのが実情である。
【００３５】
従って、混合融液から析出したＨｇＣｄＴｅ合金の平板の組成はミクロには一定ではない。このために、混合融液から析出したＨｇＣｄＴｅ合金の平板から切り出された単位赤外線検知素子の間には特性のばらつきがあり、各々の単位赤外線検知素子が同じ強度の赤外線を検出しても出力の電気信号にはばらつきが生ずる。
【００３６】
図１３は、赤外線検知素子の出力のばらつきで、２つの赤外線検知素子間（図では、素子Ｎｏ．１、素子Ｎｏ．２と標記している。）の出力のばらつきを説明するものである。
【００３７】
図１３において、横軸はシーン温度、縦軸は赤外線検知素子の電気出力（図では、素子出力と標記している。）である。
【００３８】
赤外線検知素子は、図１３に示す如く、シーン温度に対して非直線な特性を持っている。そして、赤外線検知素子毎に同一温度における電気出力の絶対値のばらつき（これがオフセットである。）と、同一温度における非直線カーブの傾き（これが感度である。）のばらつきがある。
【００３９】
この感度のばらつきとオフセットを放置して温度測定をすると、当然測定結果には誤差が含まれ、赤外線撮像装置の測定確度の低下の原因になる。
【００４０】
この誤差を抑圧するために、温度測定開始前又は温度測定中に機械的に均一な赤外線放射面を有する異なる温度の２つの温度基準板から放射される赤外線を入射光路中に短時間挿入し、各々の赤外線検知素子の電気出力を計測して赤外線検知素子毎の定常偏差を補正する。これが２点補正である。
【００４１】
即ち、温度をシーン平均温度の上下（図では、Δｔ₁ 、Δｔ₂ と標記されている温度幅である。）に追従制御された２つの温度基準板が出力する赤外線を赤外線検知器に導入して全ての単位赤外線検知素子に同一温度の物体が放射する赤外線を検知させ、赤外線検知素子毎の感度と赤外線検知素子間のオフセットを補正する。
【００４２】
そして、２つの温度基準板の設定温度差が大きいとその内側で誤差が大きくなり、２点の温度差が小さいとその外側で誤差が大きくなる。高精度の赤外線撮像装置においては、通常上記Δｔ₁ 、Δｔ₂ を数℃に設定する。
【００４３】
又、測定対象物体によってシーン平均温度が大幅に変動すると、赤外線検知素子の非直線特性によってオフセットと感度の定常偏差が変動する。この変動を抑圧するために、シーン平均温度の変化を含めて温度基準板の温度を制御するようにしている訳である。
【００４４】
ところで、２点補正を温度測定前に行なう方式と、温度測定中に行なう方式がある旨記載したが、温度測定中に赤外線撮像装置を構成する回路の特性や温度基準板の温度等にドリフトが生ずると測定誤差の原因になるので、高精度な赤外線撮像装置においては温度測定中に機械的に均一な赤外線放射面を有する異なる温度の２つの温度基準板から放射される赤外線を入射光路中に短時間挿入し、各々の赤外線検知素子の電気出力を計測して赤外線検知素子毎の定常偏差を温度変動の影響も含めて補正する無効走査領域方式が採用されることが多い。これで、ほぼリアル・タイムで赤外線検知素子毎の感度の偏差とオフセットを補正することができるので、温度測定の精度と確度を高く保つことができるからである。
【００４５】
さて、図１２の如き１次元赤外線検知素子の視野を、水平スキャナによって水平走査ミラーを１次元赤外線検知素子が整列している方向と垂直な方向に一定速度で走査することによって２次元画像を得る。
【００４６】
図１４は、２次元画像を得るための水平スキャナの走査波形である。
【００４７】
１回の走査では一定方向に一定速度で走査するが、必要な視野角の範囲で走査を繰り返すためにフライ・バックさせる必要があるので、走査波形は図１４に示す如く鋸歯状波様になる。
【００４８】
このうち、２次元画像の生成を行なう有効走査領域（図１１でｂと標記している領域である。）は右上がりの傾斜の中で一定速度で走査している直線部に対応する。
【００４９】
一方、全走査領域の中で有効走査領域の外側の領域が無効走査領域（図１１でｃと標記している領域である。）である。
【００５０】
上記の、温度測定中に機械的に均一な赤外線放射面を有する異なる温度の２つの温度基準板から放射される赤外線を入射光路中に短時間挿入し、各々の赤外線検知素子の電気出力を計測して赤外線検知素子ごとの定常偏差を補正する無効走査領域方式とは、この無効走査領域において異なる温度の２つの温度基準板から放射される赤外線を入射光路中に挿入する方式である。
【００５１】
そして、無効走査領域方式によって２点補正が正確に行なわれるためには、無効走査領域において温度基準板４２が出力する基準の赤外線を計測している時には赤外線検知素子１１は有効走査領域を通る測定対象の赤外線を受けてはならない。一方、有効走査領域を通る測定対象が放射する赤外線を計測している時には赤外線検知素子１１は温度基準板４２が放射する赤外線を受けてはならない。即ち、無効走査領域と有効走査領域とが干渉しないことが絶対的に必要である。
【００５２】
図１５は、従来の水平走査範囲と反射ミラーの位置を示す図である。
【００５３】
図１５（イ）は、赤外線検知素子の大きさを無視できる場合の有効走査領域である。
【００５４】
赤外線検知素子の大きさを無視することができるとしているから、有効走査領域は視野角の範囲に等しくなる。
【００５５】
図１５（ロ）は、赤外線検知素子の大きさを考慮した場合の有効走査領域である。尚、図１５（ロ）以降の、長方形をたがいちがいにつないだ形状のものは図１２に示した赤外線検知素子を表し、各々の長方形が図１２に示した赤外線検知素子における奇数領域の赤外線検知素子と偶数領域の赤外線検知素子の列を表しており、上に出ている方が奇数領域の赤外線検知素子、下に出ている方が偶数領域の赤外線検知素子である。
【００５６】
まず、奇数領域の赤外線検知素子と偶数領域の赤外線検知素子の境界が図１５（イ）の視野角のところまで走査された状態（正確に表現すると、アフォーカル第一結像面上の赤外線検知素子の投影像が図１５（ロ）の破線で示された位置まで走査された状態）を考えると、奇数領域の赤外線検知素子はまだ視野角の全ての画像の取り込みを完了していないのに対して、偶数領域の赤外線検知素子は既に視野角全ての画像の取り込みを完了している。
【００５７】
従って、視野角から奇数領域の赤外線検知素子の大きさＮだけ外側まで走査して初めて視野角全ての画像の取り込みが完了する。
【００５８】
即ち、赤外線検知素子の大きさを考慮した場合の有効走査領域は、図１５（ロ）に示す如く、視野角に奇数領域の赤外線検知素子の大きさＮを加えた領域になる。
【００５９】
図１５（ハ）は、反射ミラーの設置可能位置である。
【００６０】
従来は、赤外線検知素子が有効走査領域の外側に更に赤外線検知素子の大きさＮだけとった領域まで走査されていると考えて、そこから温度変動も含んだ水平スキャナの走査角の誤差Ｚと温度変動も含んだ反射ミラーの寸法誤差Ｓを見込んで反射ミラーの設置位置としていた。
【００６１】
図１５（ニ）は、温度基準熱源データ取り込み開始位置である。
【００６２】
図１５（ニ）に示す如く、赤外線検知素子の投影像が反射ミラーの領域内に、温度変動も含んだ反射ミラーの寸法誤差Ｓだけ入ったところから温度基準熱源のデータの取り込みを開始する。
【００６３】
図１５（ホ）は、温度基準熱源データ取り込み終了位置である。
【００６４】
図１５（ホ）に示す如く、所要角度Ｈだけ走査して所要サンプル数のデータを取得して温度基準熱源データの取り込みを終了する。
【００６５】
従って、水平スキャナは有効走査領域に加えて、
Ｎ＋Ｚ＋２Ｓ＋ＳＤ＋Ｈ
で決まる無効走査領域を走査することになる。
【００６６】
図１６は、従来の水平走査ミラーの所要振角で、上記のことを再度表現しなおしたものである。
【００６７】
即ち、従来の水平走査ミラーの振角は
有効走査領域＋Ｎ＋Ｚ＋２Ｓ＋ＳＤ＋Ｈ
である。
【００６８】
しかも、赤外線検知素子の投影像の大きさ自体も温度変動するので、図１５及び図１６における赤外線検知素子の大きさにはそれも考慮する必要がある。
【００６９】
図１７は、赤外線検知素子の投影像の大きさの変動を説明する図で、図１７（イ）は、アフォーカル第一結像面での光束の断面図、図１７（ロ）は、アフォーカル第一結像面での投影像の大きさである。
【００７０】
図１７（イ）において、実線は常温時の光束の断面図、破線は温度変動時の光束の断面図である。このように、アフォーカル第一結像面での光束の直径が温度によって変動するのは、アフォーカル・レンズ系を構成するレンズの焦点距離が温度変動したり、アフォーカル・レンズ系自体の光路長が温度変動するためである。
【００７１】
ここで、アフォーカル第一結像面での投影像の大きさとは、図１７（イ）においてｄで示した方向から見た投影像の大きさのことであり、図１７（ロ）は、常温時の光束がアフォーカル第一結像面上で大きさＷの像を結ぶのに対して、温度変動時の光束はアフォーカル第一結像面上で大きさＷ’の像を結ぶことを示している。
【００７２】
かくの如く、赤外線検知素子のアフォーカル第一結像面での投影像の大きさは温度変動するので、これを考慮して無効走査領域を設定する必要がある。
【００７３】
次に、図１８は、図１１において符号３４ａを付して示した従来の光学式角度検出器の構成で、水平走査ミラー３１及び該水平走査ミラー３１上に設けられる水平スキャナ制御用角度検出器３２も併せて、概略を図示してある。尚、図１８は従来の光学式角度検出器を、該光学式角度検出器の光軸中心を含む水平な面で切った時の断面図である。
【００７４】
図１８において、３４０は該光学式角度検出器３４の筐体、３４１は発光ダイオード（通常ＬＥＤと呼ばれる物である。）、３４２は該発光ダイオード３４１の出力光を平行光にするコリメータ・レンズ、３４３は該コリメータ・レンズ３４２の出力光を折り返すために反射させる反射ミラー、３４４はフォト・ダイオード、３４５は該水平走査ミラー３１の角度が該反射ミラー３４３の反射光の光軸に対して４５°の時に反射光を該フォト・ダイオードの受光面に集光する集光レンズ、３４６ａは該発光ダイオード３４１と該フォト・ダイオード３４４にバイアスを供給すると共に、該水平走査ミラーが４５°の時に反射する光を受けて該フォト・ダイオード３４４が出力するパルスを図１１の信号処理回路７２に供給する制御基板である。又、該水平スキャナ制御用角度検出器３２の出力も図１１の信号処理回路７２ａに供給される。即ち、図示されていない水平スキャナが有効走査領域と無効走査領域の境界を走査する時刻に出力されるパルスが信号処理回路７２に供給される。
【００７５】
尚、該筐体３４０への該発光ダイオード３４１、該コリメータ・レンズ３４２、該反射ミラー３４３、該フォト・ダイオード３４４、該集光レンズ３４５の固定手段及び該制御基板３４６の実装手段の説明は必要がないので省略する。
【００７６】
又、水平走査ミラー３１及び水平スキャナ制御用角度検出器３２についても、装着手段の説明は必要ないので省略する。
【００７７】
図１９は、従来の画像データ取り込み信号と温度基準熱源データ取り込み信号を示す図である。
【００７８】
図１９（イ）は、水平スキャナの走査波形を水平スキャナ制御用角度検出器で検出した電気信号の波形である。実際には鋸歯状波様の波形の最高及び最低付近では丸みを帯びた波形になる（図１４参照）が、図示を簡単にするために、丸みを取り除いて完全な鋸歯状波で図示している。
【００７９】
図１９（イ）において、実線で示した波形が常温での水平スキャナ制御用角度検出器で検出した電気信号の波形で、２点鎖線で示した波形が環境温度変動の影響を受けた水平スキャナ制御用角度検出器で検出した電気信号の波形である。
【００８０】
図１９（ロ）は、光学式角度検出器３４の出力で、図１８におけるフォト・ダイオード３４４が水平走査ミラーの走査角度が４５°であることを検出して出力するパルスである。
【００８１】
図１９（ハ）は、水平スキャナ制御用角度検出器３２の出力で、水平スキャナ制御用角度検出器３２が水平スキャナが有効走査領域と無効走査領域の境界を走査していることを検出して出力するパルスである。
【００８２】
上記２つの角度検出器が出力する図１９（ロ）と図１９（ハ）のパルスを基準信号として画像データの取り込みと温度基準熱源データの取り込みを行なう。
【００８３】
即ち、光学式角度検出器が水平スキャナの角度が光軸に対して４５°であることを検出して出力するパルスのうち、走査角度が増加中に出力されるパルスＣを基準に、所定の時間ＴＣを経過した時刻に画像データの取り込みを開始する。この時刻は、水平スキャナが無効走査領域における走査から有効走査領域における走査に入る時刻で、走査速度は設計上判っているので時間ＴＣの設定は可能である。
【００８４】
尚、フライ・バック中にも水平スキャナの角度が光軸に対して４５°になり、光学式角度検出器３４はこの時刻でもパルスＤを出力するが、走査角が減少していることを検出する比較器の出力によってこのパルスＤをマスクすることは容易にできるので、画像データ取り込みタイミングを誤ることはない。
【００８５】
一方、水平スキャナ制御用角度検出器３２が出力するパルスを使って温度基準熱源データの取り込みを制御する。温度基準熱源は高温側と低温側の２個あるので、温度基準熱源データの取り込みタイミングは２つ必要である。これは、有効走査領域から無効走査領域に移行するタイミングで生成されるパルスを第一の温度基準熱源のデータの取り込みパルスとし（図では、符号Ｅを付している。）、有効走査領域から無効走査領域に移行するタイミングで生成されるパルスを第二の温度基準熱源のデータの取り込みパルスとすれば（図では、符号Ｆを付している。）よい。
【００８６】
尚、水平スキャナ制御用角度検出器３２は上記Ｅ及びＦのパルス以外に、有効走査領域と無効走査領域間を移行するタイミングにパルスを出力するが、上記と同様な原理でマスクすることができるので、温度基準熱源データの取り込みタイミングを誤ることはない。
【００８７】
図２０は、温度基準熱源と温度基準熱源導入光学系及び反射ミラーの構成を模式的に示す図で、図２０（イ）は温度基準熱源と温度基準熱源導入光学系及び反射ミラーの構造を示す。尚、図２０（イ）は、温度基準熱源導入光学系の光軸中心を含む水平な平面で温度基準熱源導入光学系及び温度基準熱源を切った断面図である。又、図２０（ロ）は図２０（イ）においてｅの方向から見た反射ミラー及び反射ミラー固定台のｅ矢視図、更に、図２０（ハ）は図２０（ロ）においてｆの方向から見た反射ミラー及び反射ミラー固定台のｆ矢視図である。
【００８８】
図２０において、４１はサーモ・モジュール、４２は温度基準板、４３は放熱フィン、４４はファンで、温度基準熱源を構成する。
【００８９】
ここで、該サーモ・モジュール４１はペルチエ素子でできており、電流を印加することによって２面あるセラミック面の一方の面から吸熱し、もう一方の面から放熱する。そして、電流の方向を変えることによってヒータとしても冷却機として使用することができる。
【００９０】
該サーモ・モジュール４１は、自身が発熱する熱量と吸熱する熱量の和の熱量を放熱側から放熱することによってその性能を発揮する。該放熱フィン４３及びファン４４は該サーモ・モジュール４１からの放熱効果を高めるために使用されている。
【００９１】
又、図２０において、５２３はアフォーカル・レンズ系を構成する鏡筒、６１は熱源導入光学系を構成する熱源導入レンズ系、６２は熱源導入光学系を構成する反射ミラー、６３は該反射ミラーを固定する反射ミラー固定台である。
【００９２】
更に、６３１は該反射ミラー固定台６３を該鏡筒５２３に固定するねじ、６３２は該反射ミラー固定台６３を構成する第一のブロック、６３３は該反射ミラー固定台６３を構成する第二のブロック、６３４は該反射ミラー固定台を構成する第三のブロック、６３５及び６３６はねじである。
【００９３】
まず、該反射ミラー６２は該反射ミラー固定台６３を介して該アフォーカル・レンズ系を構成する鏡筒５２３にねじ止め固定されている。
【００９４】
そして、該反射ミラー６２の温度変動による寸法の変動と、該反射ミラー固定台の取り付け位置の誤差を吸収するために、該第一のブロック６３２と該第二のブロック６３３は図２０（ロ）のｇに示すあり溝で嵌合しており、紙面に垂直な方向に位置調整ができるようになっており、同様な目的で該第二のブロック６３３と該第三のブロック６３４は図２０（ハ）のｈに示すあり溝で嵌合しており、紙面に平行な方向に位置調整ができるようになっている。尚、該ネジ６３５は熱源導入光学系の光軸に平行な方向での位置調整後に該第二のブロックと該第三のブロックを固定し、該ネジ６３６は熱源導入光学系の光軸に垂直な方向での位置調整後に該第位置ブロックと該第二のブロックを固定する。
【００９５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の赤外線撮像装置においては、無効走査領域を図１５（ハ）に示す如く、本来の有効走査領域に偶数領域の赤外線検知素子の大きさＮまでも加えた領域の外側に設定しており、更に温度変動分を含んだ水平スキャナの走査角変動Ｚと温度変動を含んだ反射ミラーの位置変動Ｓを考慮して反射ミラーの設置位置としていた。
【００９６】
本来の有効走査領域の外側の偶数領域の赤外線検知素子の位置は画像の走査が不要な領域である（これについては後で詳述する。）にもかかわらずここまで走査するので、偶数領域の赤外線検知素子の大きさＮの分だけ水平スキャナの走査角が大きくなっていた。
【００９９】
このように、水平スキャナの振角を大きく設定するということは、水平スキャナの駆動力を大きくしなければならないということであり、この結果水平スキャナの寸法と質量の増加を招いていた。
【０１００】
本発明は、上記問題点に鑑み、水平スキャナの振角を小さく設定することが可能な赤外線撮像装置を提供することを第一の目的とする。
【０１０８】
【課題を解決するための手段】
第一の課題を解決するための第一の手段は、水平走査ミラーの走査角を小さく設定するために、無効走査領域を小さく設定する技術である。
【０１０９】
図１５（ハ）において、有効走査領域の外側の偶数番目の赤外線検知素子に該当する領域においては偶数番目の赤外線検知素子は既に画像取り込みを終了しているので、偶数番目の赤外線検知素子に該当する領域は画像上の走査不要領域である。従って、従来設定されていた無効走査領域を偶数番目の赤外線検知素子に該当する領域分小さくしても無効走査領域と有効走査領域が干渉することはない。
【０１１０】
つまり、第一の課題を解決するための第一の手段により、水平スキャナの走査角を小さくすることができるので、水平スキャナの寸法と質量を縮減することができる。
【０１１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の赤外線撮像装置の構成（その１）で、赤外線撮像装置の構成を一部簡略化しながら実体図的に示す図である。
【０１２０】
又、図２は、本発明の赤外線撮像装置の光学系の構成である。
【０１２１】
更に、図３は、本発明の赤外線撮像装置の構成（その２）で、本発明の赤外線撮像装置の機能を示す目的で主要な構成要素を、機構的な物は模式的に、電気的な物はブロック図で図示したものである。
【０１２２】
まず、図１において、１は赤外線検知器、２はイメージ・レンズ系、３は水平スキャナ、４及び４ａは温度基準熱源、５はアフォーカル・レンズ系である。
【０１２３】
該イメージ・レンズ系２については、イメージ・レンズ系第一レンズ２１、垂直走査ミラー２３、折り返しミラー２５、イメージ・レンズ系第三レンズ２６、該イメージ・レンズ系第一レンズ２１の位置調整をするモータ２７及び該モータ２７による該イメージ・レンズ系第一レンズ２１の移動量を計測するポテンショ・メータ２８を図示している。尚、イメージ・レンズ系第一レンズの位置調整のための制御系は図示を省略している。
【０１２４】
該水平スキャナ３については、水平走査ミラー３１、水平走査駆動部３３、３点型光学式角度検出器３４を図示している。
【０１２５】
アフォーカル・レンズ系５は、対物レンズ・ユニット５１、リレー・レンズ・ユニット５２に分けられる。
【０１２６】
該対物レンズ・ユニット５１には、中視野レンズ５１１、広視野レンズ５１２が設けられていて視野切替ができるようになっており、更に、該対物レンズ・ユニット５１の位置を調整するためのモータ５１３及び該対物レンズ・ユニット５１の移動量を計測するポテンショ・メータ５１４が設けられている。尚、該対物レンズ・ユニットの位置調整のための制御系は図示を省略している。
【０１２７】
又、リレー・レンズ・ユニット５２については、リレー・レンズ・ユニット第一レンズ５２１、リレー・レンズ・ユニット第二レンズ５２２、鏡筒５２３を図示している。
【０１２８】
そして、画像処理系も図示を省略している。
【０１２９】
本発明の赤外線撮像装置の光学系の構成を示す図２において、１は赤外線検知器、２はイメージ・レンズ系、３は水平スキャナ、４及び４ａは温度基準熱源、５はアフォーカル・レンズ系である。
【０１３０】
該赤外線検知器１については赤外線検知素子１１のみを図示している。
【０１３１】
該イメージ・レンズ系２については、イメージ・レンズ系第一レンズ２１、遮蔽板２２、垂直走査ミラー２３、イメージ・レンズ系第二レンズ２４、折り返しミラー２５、イメージ・レンズ系第三レンズ２６を図示している。
【０１３２】
該水平スキャナ３については、水平走査ミラー３１、３点型光学式角度検出器３４を図示している。
【０１３３】
アフォーカル・レンズ系５は、対物レンズ・ユニット５１、リレー・レンズ・ユニット５２に分けられる。
【０１３４】
該対物レンズ・ユニット５１には、５１１は中視野レンズ、５１２は広視野レンズ５１２が備えられていて視野切替ができるようになっている。
【０１３５】
又、リレー・レンズ・ユニット５２については、リレー・レンズ・ユニット第一レンズ５２１、リレー・レンズ・ユニット第二レンズ５２２を図示している。
【０１３６】
そして、図１において図示しているモータ５１３によって該対物レンズ・ユニット５１は図２にＡで示した方向に位置調整をされる。又、図１において図示しているモータ２７によって該イメージ・レンズ系第一レンズ２１は図２にＢで示した方向に位置調整される。尚、位置調整機構については後に詳述する。
【０１３７】
又、図２のＢ方向の寸法に余裕があれば、垂直走査ミラー２３、折り返しミラー２５は不要で、イメージ・レンズ系第三レンズ２６と赤外線検知器をＢ方向の延長線上に配置すればよい。又、図２のＢ方向と垂直な下方向の寸法に余裕があれば、折り返しミラー２５は不要で、イメージ・レンズ系第三レンズ２６と赤外線検知器をＢ方向に垂直な、紙面の下側に配置すればよい。
【０１３８】
即ち、図１又は図２に示す配置にしているのは、光路長は同じでありながら光学系の構成をコンパクトにするためである。
【０１３９】
本発明の赤外線撮像装置の機能を示す目的で主要な構成要素を、機構的な物は模式的に、電気的な物はブロック図で図示した図３において、１は赤外線検知器、２はイメージ・レンズ系、３は水平スキャナ、４及び４ａは温度基準熱源、５はアフォーカル・レンズ系、６は熱源導入光学系、７は画像処理系、８は熱源温度制御系、９はレンズ位置制御系である。
【０１４０】
該赤外線検知器１は、主として、水銀・カドミウム・テルル（ＨｇＥｄＴｅ）によって代表される赤外線検知素子１１、循環冷却器やジュール・トムソン冷却器などの冷却器１２、真空容器１３、該真空容器１３に設けられたゲルマニウム（Ｇｅ）などによる赤外線を透過する窓１４によって構成される。尚、赤外線検知素子を冷却器１２を備えた真空容器１３中に設置して８０Ｋ程度の極低温で赤外線検知素子を動作させるが、これは、暗電流を抑圧して、赤外線検知素子が生成する電気信号の信号対雑音比を高めるためである。
【０１４１】
該イメージ・レンズ系２については、イメージ・レンズ系第三レンズ２６のみを図示している。
【０１４２】
該水平スキャナ３については、水平走査ミラー３１、及び３点式光学式角度検出器３４を図示している。
【０１４３】
該温度基準熱源４及び４ａについては、ペルチエ素子によるサーモ・モジュール４１、該サーモ・モジュール４１によって温度を制御される温度基準板４２を図示している。
【０１４４】
該アフォーカル・レンズ系５については、対物レンズ・ユニット５１とリレー・レンズ・ユニット第二レンズ５２２を図示している。
【０１４５】
該熱源導入光学系６については、熱源導入レンズ系６１と反射ミラー６２を図示している。
【０１４６】
該画像処理系７は、該赤外線検知器１が検出した赤外線強度に応じて出力する電気信号を増幅する増幅器７１、該増幅器７１の出力を受けて該光学式角度検出器３４の出力を参照して信号処理する信号処理回路７２、該信号処理回路が出力する画像信号に表示するための処理を加える画像処理回路７３及び画像を表示する陰極線管や液晶ディスプレイなどによるモニタ７４によって構成される。
【０１４７】
該熱源温度制御系８は、該温度基準板の高温側の温度を算出して対応する電圧を出力する高温側指令電圧生成回路８１、該温度基準板の低温側の温度を算出して対応する電圧を出力する低温側指令電圧生成回路８１ａ、該信号処理回路７２で検出した高温側温度基準板の温度情報を対応する電圧に変換する高温側検出電圧生成回路８２、該信号処理回路７２で検出した低温側温度基準板の温度情報を対応する電圧に変換する低温側検出電圧生成回路８２ａ、該高温側指令電圧生成回路８１の出力から該高温側検出電圧生成回路８２の出力を減算する加算回路８３、該低温側指令電圧生成回路８１ａの出力から該低温側検出電圧生成回路８２ａの出力を減算する加算回路８３ａ、該加算回路８３の出力を電力増幅する電力増幅器８４、該加算回路８３ａの出力を電力増幅する電力増幅器８４ａによって構成される。
【０１４８】
最後に、レンズ系位置制御系９は、温度センサ９１及び制御回路９２によって構成される。
【０１４９】
図３の構成は、概ね下記のように動作して赤外線画像を表示する。
【０１５０】
まず、被測定物が放射する赤外線は対物レンズ・ユニット５１を経由してアフォーカル・レンズ系５に導かれてアフォーカル第一結像面ａに結像される。この、被測定物が放射する赤外線がアフォーカル第一結像面ａに被測定物が放射する赤外線が結像される範囲が有効走査領域ｂである。
【０１５１】
アフォーカル第一結像面ａ上に結像された赤外線は、リレー・レンズ・ユニット第二レンズ５２２を経由して水平走査ミラー３１に導かれて反射され、イメージ・レンズ系２を経由して赤外線検知器１に導かれ、赤外線検知素子１１上に結像される。
【０１５２】
そして、赤外線検知素子１１が赤外線強度に対応して生成した電気信号は増幅器７１を経由して信号処理回路７２に導かれ、赤外線検知素子毎のばらつきを補正された後画像処理回路７３において水平走査ミラー３１による走査方式からモニタ７４に合致する走査方式に変換され、最後にモニタ７４において表示される。
【０１５３】
一方、温度基準板４２が放射する赤外線は熱源導入光学系６を経由してアフォーカル第一結像面ａ上の無効走査領域ｃからアフォーカル・レンズ系５に導入され、水平走査ミラー３１によって反射されてイメージ・レンズ系２に導かれて、測定対象物体が放射する赤外線を計測していない時に赤外線検知器１の赤外線検知素子１１に結像される。
【０１５４】
そして、赤外線検知素子１１によって生成された電気信号は増幅器７１に導かれて増幅され、信号処理回路７２において赤外線検知素子毎のばらつきを補正される。
【０１５５】
そして、信号処理回路７２は測定対象物体の温度であるシーン温度の平均値を算出し、該シーン温度平均値の上下に設定する温度基準板の温度を算出する。
【０１５６】
こうして算出された高温側の温度基準板の温度情報と低温側の温度基準板の温度情報は、それぞれ、高温側指令電圧生成回路８１と低温側指令電圧生成回路８１ａに供給され、温度基準板に設定する温度に対応した電圧が生成される。
【０１５７】
又、該信号処理回路７２は、測定対象物体の温度を測定していない時に温度基準板が放射する赤外線強度に対応する電気信号によって温度基準板の温度を計測している。計測された高温側の温度基準板の温度情報と低温側の温度基準板の温度情報は、それぞれ、高温側検出電圧生成回路８２と低温側検出電圧生成回路８２ａに供給され、検出温度に対応した電圧が生成される。
【０１５８】
該高温側指令電圧生成回路８１の出力電圧と該高温側検出電圧生成回路８２の出力電圧の差を該加算回路８３によって求めて、該電力増幅器８４を介して高温側の温度基準板の温度を制御するサーモ・モジュールに温度制御信号として供給する。同様に、該低温側指令電圧生成回路８１ａの出力電圧と該低温側検出電圧生成回路８２ａの出力電圧の差を該加算回路８３ａによって求めて、該電力増幅器８４ａを介して低温側の温度基準板の温度を制御するサーモ・モジュールに温度制御信号として供給する。即ち、該熱源温度制御系８は負帰還によってサーモ・モジュールの温度を制御することによって温度基準板の温度を制御している。
【０１５９】
又、３点型光学式角度検出器３３が水平走査ミラーの走査角を検出して出力するパルスを信号処理回路７２に供給して、画像表示の基準信号とする。
【０１６０】
最後に、レンズ系位置調整制御系９では、温度センサ９１が温度変動を検出して、検出した温度変動量を該制御回路９２に供給する。
【０１６１】
該制御回路９２は受信した温度変動量をアドレスとして読み出し専用メモリから読み出すという手法で、該対物レンズ・ユニット５１及び該イメージ・レンズ系第一レンズ系２１に必要となる位置調整量を求めて該モータ２７及び該モータ５１３を駆動する。そして、該ポテンショ・メータ２８及び該ポテンショ・メータ５１４の出力を取り込んでサーボ系を構成して該対物レンズ・ユニット５１及び該イメージ・レンズ系第一レンズ２１の位置調整を正確に行なう。
【０１６２】
ここまでにおいて、図１乃至図３に示した本発明の赤外線撮像装置の構成と大まかな動作を説明した。以下においては、図１乃至図３に示した本発明の赤外線撮像装置の主要構成要素について詳細に記載して、本発明の赤外線撮像装置について説明する。
【０１６３】
ただ、１次元赤外線検知素子の素子配列、単位赤外線検知素子の間の感度特性のばらつき、単位赤外線検知素子の間のオフセット、２点補正による感度とオフセットの補正、及び、シーン平均温度の変化を含めた２点補正の温度基準板の温度制御、高精度な赤外線撮像装置においては温度測定中に機械的に均一な赤外線放射面を有する異なる温度の２つの温度基準板から放射される赤外線を入射光路中に短時間挿入し、各々の赤外線検知素子の電気出力を計測して赤外線検知素子毎の偏差を温度変動の影響も含めて補正する無効走査領域方式が採用されることが多いことについては、従来の赤外線撮像装置の説明において詳細に記載したので、ここでは記載を省略する。
【０１６４】
さて、無効走査領域方式によって２点補正が正確に行なわれるためには、無効走査領域において温度基準板が放射する基準の赤外線を計測している時には赤外線検知素子１１は有効走査領域を通る測定対象の赤外線を受けてはならない。
【０１６５】
一方、有効走査領域において測定対象物体が放射する赤外線を計測している時には有効走査領域を通る測定対象が放射する赤外線を計測している時には赤外線検知素子１１は温度基準板が放射する赤外線を受けてはならない。
【０１６６】
即ち、無効走査領域と有効走査領域とが干渉しないことが必要であるということは、本発明においても同じことである。
【０１６７】
ここでは、無効走査領域と有効走査領域が干渉しないということ自体の説明は必要がないにしても、従来の技術とは異なる無効走査領域の設定の考え方について説明しておく。
【０１６８】
図４は、従来の水平走査範囲と反射ミラーの位置を示す図である。
【０１６９】
図４（イ）は、赤外線検知素子の大きさを無視できる場合の有効走査領域である。赤外線検知素子の大きさを無視することができるとしているから、有効走査領域は視野角の範囲に等しくなる。
【０１７０】
しかし、実際の赤外線検知素子は有限の大きさを持たないと受光する赤外線を、その強度に対応する電気信号に変換することはできない。従って、現実にある赤外線検知素子の大きさを考慮しないで有効走査領域を設定することは無意味である。
【０１７１】
図４（ロ）は、赤外線検知素子の大きさを考慮した場合の有効走査領域である。尚、図４（ロ）以降の、２つの長方形の一辺をずらして接触させた形状のものは図１２に示した赤外線検知素子を表している。ここで、各々の長方形が図１２に示した赤外線検知素子における奇数領域の赤外線検知素子と偶数領域の赤外線検知素子を表しており、上に出ている方が奇数領域の赤外線検知素子、下に出ている方が偶数領域の赤外線検知素子である。
【０１７２】
まず、奇数領域の赤外線検知素子と偶数領域の赤外線検知素子の境界が図４（イ）の視野角の範囲まで走査された状態（正確に表現すると、赤外線検知素子の投影像が図４（ロ）の破線で示された位置まで走査された状態）を考えると、奇数領域の赤外線検知素子はまだ視野角の全ての画像の取り込みを完了していないのに対して、偶数領域の赤外線検知素子は既に視野角全ての画像の取り込みを完了している。
【０１７３】
従って、視野角から奇数領域の赤外線検知素子の大きさＮだけ外側まで走査して初めて視野角全ての画像の取り込みが完了する。即ち、赤外線検知素子の大きさを考慮した場合の有効走査領域は、図４（ロ）に示す如く、視野角の範囲に奇数領域の赤外線検知素子の大きさＮを加えた領域になる。
【０１７４】
図４（ハ）は、画像上の走査不要領域である。
【０１７５】
図４（ハ）に示す位置まで赤外線検知素子の投影像を走査した時に初めて奇数番目の赤外線検知素子は画像の取り込みを完了するが、この時には既に偶数番目の赤外線検知素子はそれよりＮだけ内側で画像の取り込みを完了している。
【０１７６】
従って、図４（ハ）における偶数番目の赤外線検知素子の位置（図４（ハ）においてＮという赤外線検知素子の大きさを示している位置）は画像上は走査しなくてもよい領域（これを走査不要領域と呼ぶことにする。）である。
【０１７７】
従って、上記走査不要領域を含んで有効走査領域とし、その外側を無効走査領域とする必要性はない。この点が本発明における無効走査領域の設定の考え方の特徴である。
【０１７８】
図４（ニ）は、反射ミラーの設置位置である。
【０１７９】
本発明においては、上記有効走査領域の端から温度変動も含んだ水平スキャナの走査角の誤差Ｚと温度変動も含んだ反射ミラーの寸法誤差Ｓを見込んだ位置を反射ミラーの設置位置とする。
【０１８０】
図４（ホ）は、温度基準熱源データ取り込み開始位置である。
【０１８１】
図４（ホ）に示す如く、赤外線検知素子の投影像が反射ミラーの領域内に、温度変動も含んだ反射ミラーの寸法誤差Ｓだけ入ったところから温度基準熱源のデータの取り込みを開始することは本発明においても同じである。
【０１８２】
図４（ヘ）は、温度基準熱源データ取り込み終了位置である。
【０１８３】
図４（ヘ）に示す如く、所要角度Ｈだけ走査して所要サンプル数のデータを取得して温度基準熱源データの取り込みを終了することは本発明においても同じである。
【０１８４】
従って、水平スキャナは有効走査領域に加えて、
Ｚ＋２Ｓ＋ＳＤ＋Ｈ
で決まる無効走査領域を走査すればよいことになる。
【０１８５】
図５は、本発明の水平走査ミラーの所要振角で、上記のことを再度表現しなおしたものである。
【０１８６】
即ち、本発明の水平走査ミラーの振角は
有効走査領域＋Ｚ＋２Ｓ＋ＳＤ＋Ｈ
である。ただし、この振角はアフォーカル・レンズ系の光軸から一方に走査した時の振角である。
【０１８７】
上記の如く水平走査ミラーの振角を上記Ｎだけ小さくできることは、実際の赤外線撮像装置において水平走査ミラーの振角の縮減率５％に対応する。これは、限界に近い設計をしている赤外線撮像装置においては大きな効果である。
【０１８８】
図６は、水平走査ミラーの振角と水平走査ミラーの大きさの関係を示す図である。
【０１８９】
図６（イ）は、振角０（振角は４５°を原点とする。）の場合である。この時には、光束の直径をＧとすると、水平走査ミラー面上での光束の長径は
√２Ｇ
となる。
【０１９０】
図６（ロ）は、水平走査ミラーを所要の最大振角α°まで振った場合である。
この時には、光束の直径をＧとすると、水平走査ミラー面上での光束の長径は
Ｇ×Sin(４５°＋α°）
となる。ここで、Sin は三角関数の正弦関数である。
【０１９１】
今、現実の所要最大振角α°に対して上記５％程度の振角増だけを考慮して水平走査ミラー面上での光束の長径の増加、即ち、水平走査ミラーの大きさの増加を試算しても、約４％となる。これも、限界に近い設計をしている赤外線撮像装置においては大きな値である。即ち、水平走査ミラーの振角を縮減することによって水平走査ミラー自体の大きさを縮減できる。
【０１９２】
しかも、図１７によって説明したように、赤外線検知素子の投影像の大きさ自体も温度変動するので、図４及び図５における赤外線検知素子の大きさにはそれも考慮する必要がある。つまり、実際には振角を大きく設定しなければならない他の要因もあるので、振角を縮減できることは更に大きな効果をもたらす。
【０１９３】
この赤外線検知素子の投影像の大きさの変化の主原因は、温度変動に伴うアフォーカル・レンズ系とイメージ・レンズ系を構成するレンズの焦点距離の変動及び温度変動に伴うアフォーカル・レンズ系とイメージレンズ系の寸法の変動である。
【０１９４】
従って、赤外線検知素子の投影像の大きさの変化を抑圧するには、温度変動に伴うアフォーカル・レンズ系とイメージ・レンズ系を構成するレンズの焦点距離の変動及び温度変動に伴うアフォーカル・レンズ系とイメージレンズ系の寸法の変動を抑圧すればよい。
【０１９５】
これには、図２に示したように、アフォーカル・レンズ系のレンズの位置をＡの方向に調整し、イメージ・レンズ系のレンズの位置をＢの方向に調整すれば、アフォーカル第一結像面ａの前方の焦点距離の変動とアフォーカル第一結像面ａの後方の焦点距離の変動の双方を補正することができる。
【０１９６】
図７は、本発明のレンズ位置調整のための構成を示す図で、構造は模式的に示し、制御系はブロック図で示したものである。
【０１９７】
尚、図７では、一応図１におけるイメージ・レンズ系第一レンズ２１の位置調整を意識して図示しているが、図１における対物レンズ・ユニット５１の位置調整についても同様な構成で可能である。又、構造的にはイメージ・レンズ系第一レンズ２１と対物レンズ・ユニット５１の位置調整が最も簡単であるが、アフォーカル・レンズ系とイメージ・レンズ系の他のレンズの位置調整も技術的には不可能ではない。
【０１９８】
又、図７は、イメージ・レンズ系の光軸中心を含む水平な平面でイメージ・レンズ系を切った断面図である。
【０１９９】
図７において、２１はイメージ・レンズ系第一レンズ、２９はイメージ・レンズ系の鏡筒である。
【０２００】
又、２１１は該イメージ・レンズ系第一レンズを装着固定するレンズ鏡筒、２１２はレンズ鏡筒回り止めピン、２９１は回転フレーム、２９２は該回転フレーム２９１と該鏡筒２９の間に設けられるねじ機構、２９３はボール・ベアリング、２９４及び２９４ａは歯車、２９５及び２９５ａは該歯車２９４及び２９４ａとかみ合う歯車、５１３は該鏡筒２９を移動させることで該イメージ・レンズ系第一レンズ２１を移動させるモータ、５１４は該イメージ・レンズ系第一レンズ２１の移動量を計測するポテンショ・メータである。
【０２０１】
又、９１は図３におけるレンズ位置制御系９を構成する温度センサ、９２は図３におけるレンズ位置制御系９を構成する制御回路である。そして、該制御回路９２は、読み出し専用メモリ部９２１、加算回路９２２及び電力増幅器９２３を備えている。
【０２０２】
まず、レンズ位置調整のための構造について説明する。
【０２０３】
イメージ・レンズ系第一レンズ２１はレンズ鏡筒２１１に装着固定されている。該レンズ鏡筒２１１は鏡筒２９とレンズ鏡筒回り止めピン２１２の部分で嵌合しており、該レンズ鏡筒回り止めピン２１１によってレンズ鏡筒２１１と鏡筒２９は互いに回転しないように固定されている。
【０２０４】
又、該レンズ鏡筒２１１は該ボール・ベアリング２９３の部分で該回転フレーム２９１と結合しており、該レンズ鏡筒２１１と該回転フレーム２９１は互いに回転可能になっている。
【０２０５】
該回転フレーム２９１のの周囲には歯車２９５が設けられており、該歯車２９５はモータ５１３に結合された該歯車２９４及び該ポテンショ・メータ５１４に結合された歯車２９４ａと噛み合っており、該歯車２９４の回転を該回転フレームの前進、後退に変換し、該回転フレーム２９１の前進、後退を該歯車２９４ａの回転に変換するようになっている。
【０２０６】
次にレンズ位置制御系とレンズ位置調整のための構造とを総合して説明をする。
【０２０７】
温度センサ９１は環境温度の変動を検出し、通常アナログ量としての電圧を出力する。
【０２０８】
読み出し専用メモリ部９２１は、入力側にアナログ・デジタル変換回路を備えており、該アナログ・デジタル変換回路でデジタル変換された電圧値は読み出し専用メモリ（通常ＲＯＭと標記されるものである。）にアドレスとして供給され、該読み出し専用メモリからデジタル変換された電圧値に対応するレンズ位置の移動量のデジタル値が読み出される。
【０２０９】
読み出されたデジタル量の電圧値は、該読み出し専用メモリ部９２１の出力側に備えられているデジタル・アナログ変換回路によってアナログ量としての電圧値に変換されて出力される。
【０２１０】
該読み出し専用メモリ部９２１から出力された電圧はレンズ位置指令電圧として該加算回路９２２の一方の端子に供給される。
【０２１１】
一方、該回転フレーム２９１の前進、後退は歯車２９５から歯車２９４ａに伝えられて該ポテンショ・メータ５１４を回転させる。該ポテンショ・メータ５１４は自身の回転角に対応した電圧を出力するが、この電圧出力が該加算回路９２２のもう一方の入力端子に帰還電圧として供給され、上記レンズ位置指令電圧との差が求められる。
【０２１２】
該加算回路９２２が出力する上記レンズ位置指令電圧と上記帰還電圧との差の電圧が電力増幅器９２３に供給され、実際に該モータ５１３を駆動して該歯車２９４を回転させ、該歯車２９４の回転が該歯車２９５に伝えられて該回転フレーム２９１の前進、後退に変換される。
【０２１３】
即ち、該温度センサ９１、該制御回路９２、該モータ５１３、該歯車２９４、該歯車２９５、該歯車２９４ａ、該歯車２９５ａ、該ポテンショ・メータ５１４によって構成される負帰還ループによって該イメージ・レンズ系第一レンズ２１の位置の調整が行なわれる。
【０２１４】
図７の構成の利点は、負帰還ループによってレンズ位置の調整を行なうために、レンズ位置の調整確度が高いことである。
【０２１５】
しかし、レンズ位置の調整機構は図７に示したものだけではなく、モータ５１３、ポテンショ・メータ５１４と制御回路９２を取り除いて、モータの代わりに手動の回転機構を取り付け、ポテンショ・メータ５１４の代わりに該回転フレームの移動距離を示す目盛りを付けておくという簡易な構造でもよい。特に、上記回転機構にはマイクロメータに適用される如き微細ピッチのねじ機構を適用すれば、大きな回転角を小さな移動距離に変換することができるので、移動距離を正確に制御することが可能である。尚、この場合には、図７の読み出し専用メモリ部９２１の代わりに環境温度の変動に対する回転フレームの移動距離を算出した表を準備しておく必要がある。
【０２１６】
そして、上記の如きマニュアルでレンズの位置を調整する機構の利点は、赤外線撮像装置の構造を複雑化しないことと、赤外線撮像装置自体の寸法と重量を軽減できることである。
【０２１７】
上記自動制御又はマニュアルのいずれの手段によっても、レンズの位置を調整することによってレンズ系の焦点距離の温度変動を抑圧することができるので、赤外線検知素子の投影像の大きさの増加を抑圧することが可能になり、水平走査ミラーの振角を縮減することができる。
【０２１８】
これにより、水平スキャナの駆動力の増加を抑圧することが可能になり、水平スキャナの大きさと重量を縮減することができる。よって、赤外線撮像装置自体の大きさと重量の縮減が可能になる。
【０２１９】
図８は、本発明の３点型光学式角度検出器で、水平走査ミラーも併せて図示している。尚、図８は、該３点型光学式角度検出器の光軸中心を含む水平な平面で該３点型光学式角度検出器を切った断面図である。
【０２２０】
図８において、３１は水平走査ミラーである。尚、後述する３点型光学式角度検出器によって、水平走査ミラーが有効走査領域と無効走査領域の境界を走査していることを検出してパルスを出力するので、本発明においては水平スキャナ制御用角度検出器は不要になる。
【０２２１】
又、３４０は図１又は図２における３点型光学式角度検出器３４の筐体、３４１は発光ダイオード、３４２は該発光ダイオードの出力光を平行光にするコリメータ・レンズ、３４３は該コリメータ・レンズ３４２の出力光を折り返すために反射させる反射ミラー、３４４、３４４ａ、３４４ｂはフォト・ダイオード、３４５は該水平走査ミラー３１の角度が該反射ミラー３４３の反射光に対して４５°の時と、無効走査領域と有効走査領域の境界における水平走査ミラーの振角をβ°として該水平走査ミラーの角度が該反射ミラー３４３の反射光に対して４５°±β°の時に反射光を該フォト・ダイオード３４４、３４４ａ及び３４４ｂのいずれかの受光面に集光する集光レンズ、３４６は該発光ダイオード３４１と該フォト・ダイオード３４４乃至３４４ｂにバイアスを供給すると共に、該フォト・ダイオード３４４乃至３４４ｂが該水平走査ミラーの角度が４５°の時と、４５°±β°の時に反射光を受けて該フォト・ダイオード３４４乃至３４４ｂが出力するパルスを図３の信号処理回路７２に供給する制御基板である。
【０２２２】
ここで、上においては表現をまるめて、該水平走査ミラー３１の角度が４５°に等しい時と、４５°±β°に等しい時に反射光を該フォト・ダイオード３４４、３４４ａ及び３４４ｂのいずれかの受光面に集光すると記載しているが、図８に則して見れば、実際には該水平走査ミラー３１の角度が４５°の時に該フォト・ダイオード３４４が受光し、該水平走査ミラー３１の角度が４５°＋β°の時に該フォト・ダイオード３４４ａが受光し、該水平走査ミラー３１の角度が４５°−β°の時に該フォト・ダイオード３４４ｂが受光することが判る。
【０２２３】
尚、筐体への発光ダイオード３４１、コリメータ・レンズ３４２、反射ミラー３４３、フォト・ダイオード３４４、集光レンズ３４５の固定手段及び制御基板３４６の実装手段の説明は必要がないので省略する。又、水平走査ミラー３１及び水平スキャナ制御用角度検出器３２についても、装着手段の説明は必要ないので省略する。
【０２２４】
図９は、本発明の画像データ取り込み信号と温度基準熱源データ取り込み信号を示す図である。
【０２２５】
図９（イ）は、水平スキャナの走査波形である。実際には鋸歯状波様の波形の最高及び最低付近では丸みを帯びた波形になる（図１４参照）が、図示を簡単にするために、丸みを取り除いて完全な鋸歯状波で図示している。
【０２２６】
図９（ロ）は、本発明の３点型光学式角度検出器の出力で、図８におけるフォト・ダイオード３４４が水平走査ミラーの角度が４５°であることを検出して出力するパルスである。これは、水平走査ミラーの角度が走査範囲の中心である時の３点型光学式角度検出器の出力であるので、３点型光学式角度検出器の中心出力と呼ぶことにする。
【０２２７】
図９（ハ）は、本発明の３点型光学式角度検出器の出力で、図８におけるフォト・ダイオード３４４ａ及び３４４ｂが水平走査ミラーの角度が４５°±β°であることを検出して出力するパルスである。これは、水平走査ミラーが有効走査領域と無効走査領域の境界を走査している時の３点型光学式角度検出器の出力であるので、境界出力と呼ぶことにする。
【０２２８】
画像データの取り込みは、図９（ロ）の中心出力を基準に行なう。即ち、中心出力のうち、走査角度が増加中に出力されるパルスＣを基準に、所定の時間ＴＣを経過した時刻に画像データの取り込みを開始する。この時刻は、水平スキャナが無効走査領域における走査から有効走査領域における走査に入る時刻で、走査速度は設計上判っているので時間ＴＣの設定は可能である。
【０２２９】
尚、フライ・バック中にも水平走査ミラーの角度が４５°になる時刻があり、３点型光学式角度検出器はこの時刻でもパルスＤを出力するが、走査角が減少していることを検出する比較器を設けておき、この比較器の出力によって上記パルスＤをマスクすることは容易にできるので、画像データ取り込みタイミングを誤ることはない。
【０２３０】
一方、図９（ハ）の境界出力を使って温度基準熱源データの取り込みを制御する。温度基準熱源は高温側と低温側の２個あるので、温度基準熱源データの取り込みタイミングは２つ必要である。これは、有効走査領域から無効走査領域に移行するタイミングで生成されるパルスを第一の温度基準熱源のデータの取り込みパルスとし（図９（ニ）に、符号Ｅを付している。）、有効走査領域から無効走査領域に移行するタイミングで生成されるパルスを第二の温度基準熱源のデータの取り込みパルスとすれば（図９（ニ）に、符号Ｆを付している。）よい。
【０２３１】
尚、３点型光学式角度検出器は、図９（ハ）に示す如く、上記Ｅ及びＦのパルス以外にも有効走査領域と無効走査領域間を移行するタイミングにパルスを出力するが、上記と同様な原理で不要なパルスをマスクすることができるので、温度基準熱源データの取り込みタイミングを誤ることはない。
【０２３２】
尚、図８におけるフォト・ダイオード３４４乃至３４４ｂの受光面は有限の面積を持っているので、水平走査ミラーの角度が所定の角度になる前に反射光を受光し始め、水平走査ミラーの角度が所定の角度を過ぎても反射光を受光し続けるので、フォト・ダイオードが直接出力するパルスは裾を引いた波形をしている上にパルス幅も広いが、フォト・ダイオードが直接出力するパルスを比較器に入力し、所定の振幅以上の時に比較器から出力させるように設定しておけば、中心出力も境界出力もシャープでパルス幅が小さいパルスとすることができるので、画像データ取込みと温度基準熱源データの取り込みのタイミング・パルスとして問題なく使うことができる。
【０２３３】
本発明の３点型光学式角度検出器においては、図８の水平走査ミラーからフォト・ダイオードまでの光路長と集光レンズの焦点距離と水平走査ミラーの角度によって反射光を集光させる位置を正確に決めることができる。即ち、上記中心出力と境界出力が出力されるタイミングは水平走査ミラーの角度と正確に対応しており、しかも、境界出力が出力されないという事態は決して起こらない。
【０２３４】
このため、角度検出の誤差を見込んで水平走査ミラーの振角を大きく設定する必要がないので、水平スキャナの駆動力の増加を抑圧することができ、水平スキャナの小型化と軽量化が可能になる。
【０２３５】
その上、正確なタイミングで確実に画像データを取り込むパルスと温度基準熱源のデータを取り込むパルスを生成することができるので、赤外線撮像装置の画像表示の信頼度を高めることができる。
【０２３６】
図１０は、本発明の温度基準熱源と熱源導入光学系の構成である。尚、図１０は、熱源導入光学系の光軸中心を含む水平な平面で温度基準熱源と熱源導入光学系を切った断面図である。
【０２３７】
図１０において、４は温度基準熱源、６は熱源導入光学系である。
【０２３８】
該温度基準熱源４は、サーモ・モジュール４１、温度基準板４２、放熱フレーム４５、Ｏリング４６、温度基準熱源固定ネジ４７、シム４８及び放熱フレーム固定ねじ４９を備えている。
【０２３９】
又、該熱源導入光学系６は、熱源導入レンズ６１、反射ミラー６２及び熱源導入光学系鏡筒６３を備えている。
【０２４０】
該温度基準熱源４において、該サーモ・モジュール４１は一方の表面において該放熱フレーム４５に接着固定されており、該サーモ・モジュール４１のもう一方の面は該温度基準板４２と接着固定されている。
【０２４１】
該熱源導入光学系６において、該熱源導入レンズ６１は該熱源導入光学系鏡筒６３に装着固定されており、又、反射ミラー６２も該熱源導入光学系 鏡筒６３に装着固定されている。
【０２４２】
該温度基準熱源４を構成する該放熱フレーム４３は、熱源導入光学系６を構成する該熱源導入光学系鏡筒６３に該放熱フレーム固定ねじ４９によってねじ止め固定されるが、該放熱フレーム４５の該熱源導入光学系鏡筒６３との取り付け面には該放熱フレーム４５中を周回する溝が形成されており、この溝の中にはＯリングが組み込まれている。これで、該熱源導入光学系鏡筒６３上の該放熱フレーム４５の取り付け面での密閉性を高く保つことができる。
【０２４３】
一方、熱源導入レンズ６１と熱源導入光学系鏡筒６３との間の密閉性も当然高い。
【０２４４】
従って、該放熱フレーム４５、該熱源導入光学系鏡筒６３及び該熱源導入レンズ６１によって囲まれる空間を外部の空間から密閉された空間にすることができる。
【０２４５】
このため、上記空間に化学的に不活性な窒素などの乾燥気体を封入することによって、該サーモ・モジュール４１と該温度基準板４２の表面が露点以下の温度になっても、該サーモ・モジュール４１と該温度基準板４２の表面に結露が生じないようにすることができる。
【０２４６】
又、該シム４８と該熱源導入光学系鏡筒６３に設けた長径穴６４によって、アフォーカル・レンズ系とイメージ・レンズ系に対する該反射ミラー６２の位置の調整を行なうことができる。
【０２４７】
まず、該シム４８の厚さを調整することによって、イメージ・レンズ系に対する該反射ミラー６２の位置の調整、即ち、図２のＢの方向での位置の調整を行なうことができる。
【０２４８】
次に、該温度基準熱源固定ねじ４７を緩めた状態で該熱源導入光学系鏡筒６３に固定されている該放熱フレーム４５を該長径穴６４の長径の方向にずらすことによってアフォーカル・レンズ系に対する該反射ミラー６２の位置の調整、即ち、図２のＡの方向での位置の調整を行なうことができる。
【０２４９】
図１０の構成の利点は下記の通りである。
【０２５０】
即ち、温度基準熱源４においては、放熱フィンとファンを適用しないで、サーモ・モジュールの発熱エネルギーを直接放熱フレーム４５に逃がす構成をとっているので、温度基準熱源４自体の小型化と構成の簡易化ができる。
【０２５１】
又、熱源導入光学系６においては、反射ミラー６２を熱源導入光学系鏡筒６３に直接取り付けることによって熱源導入光学系自体の構成の簡易化ができ、シム４８と長径穴６４による位置調整によって該反射ミラー６２のアフォーカル・レンズ系とイメージ・レンズ系に対する位置調整を正確且つ容易に行なうことができる。
【０２５２】
更に、温度基準熱源４と熱源導入光学系６の間の空間に乾燥気体を封入することによってサーモ・モジュール４１と温度基準板４２表面での結露を防止することができる。
【０２５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、以下に列挙する効果を奏する赤外線撮像装置を実現することができる。
【０２５４】
水平スキャナの走査角を小さくすることができるので、水平スキャナの大きさと質量を縮減することができる。
【０２５５】
アフォーカル系の第一の結像面への赤外線検知素子の投影の大きさを一定に保つことができるので、水平スキャナの走査角を小さくすることができ、水平スキャナの大きさと質量を縮減することができる。
【０２５６】
温度変動を見込んで水平スキャナの振角を大きく設定する必要がなくなり、水平スキャナの大きさと質量を縮減することができる。
【０２５７】
温度基準熱源導入系の光束と反射ミラーの相対位置の調整機構が簡易になって、赤外線撮像装置を小型化することができる。
【０２５８】
温度基準熱源を構成するサーモ・モジュールの吸熱量と発熱量を直接温度基準熱源導入系の鏡筒に逃がしてやることができ、温度基準熱源から放熱フィンとファンを除去することができるので、温度基準熱源の大きさを縮減することができる。これは、とりもなおさず赤外線撮像装置の小型化である。
【０２５９】
水平スキャナの走査角から直接画像データと温度基準熱源データを取り込むパルスを生成するので、パルス生成の信頼度を高めることが可能になり、これによって赤外線撮像装置の表示自体の信頼度も高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の赤外線撮像装置の構成（その１）。
【図２】 本発明の赤外線撮像装置の光学系の構成。
【図３】 本発明の赤外線撮像装置の構成（その２）。
【図４】 本発明の反射ミラーの位置と水平走査範囲。
【図５】 本発明の水平走査ミラーの所要振角。
【図６】 水平走査ミラーの振角と水平走査ミラーの大きさの関係。
【図７】 本発明のレンズ位置調整のための構成。
【図８】 本発明の３点型光学式角度検出器。
【図９】 本発明の画像データ取り込み信号と温度基準熱源データ取り込み信号。
【図１０】 本発明の温度基準熱源と熱源導入光学系の構成。
【図１１】 従来の赤外線撮像装置の構成。
【図１２】 １次元赤外線検知素子の代表的な素子配列。
【図１３】 赤外線検知素子の出力のばらつき。
【図１４】 ２次元画像を得るための水平スキャナの走査波形。
【図１５】 従来の水平走査範囲と反射ミラーの位置。
【図１６】 従来の水平走査ミラーの所要振角。
【図１７】 赤外線検知素子の投影像の大きさの変動。
【図１８】 従来の光学式角度検出器の構成。
【図１９】 従来の画像データ取り込み信号と温度基準熱源データ取り込み信号。
【図２０】 温度基準熱源と熱源導入光学系及び反射ミラーの構成。
【符号の説明】
１ 赤外線検知器
２ イメージ・レンズ系
２ａ イメージ・レンズ系
３ 水平スキャナ
３ａ 水平スキャナ
４ 温度基準熱源
４ａ 温度基準熱源
４ｂ 温度基準熱源
４ｃ 温度基準熱源
５ アフォーカル・レンズ系
５ａ アフォーカル・レンズ系
６ 熱源導入光学系
６ａ 熱源導入光学系
７ 画像処理系
７ａ 画像処理系
８ 温度基準熱源制御系
９ レンズ系位置調整制御系
１１ 赤外線検知素子
１２ 冷却器
１３ 真空容器
１４ 窓
２１ イメージ・レンズ系第一レンズ
２２ 遮蔽板
２３ 垂直走査ミラー
２４ イメージ・レンズ系第二レンズ
２５ 折り返しミラー
２６ イメージ・レンズ系第三レンズ
２７ モータ
２８ ポテンショ・メータ
２９ 鏡筒
３１ 水平走査ミラー
３２ 水平スキャナ制御用角度検出器
３３ 水平走査駆動部
３４ ３点型光学式角度検出器
３４ａ 光学式角度検出器
４１ サーモ・モジュール
４２ 温度基準板
４３ 放熱フィン
４４ ファン
４５ 放熱フレーム
４６ Ｏリング
４７ 温度基準熱源固定ねじ
４８ シム
４９ 放熱フレーム固定ねじ
５１ 対物レンズ・ユニット
５２ リレー・レンズ・ユニット
６１ 温度基準熱源導入レンズ系
６２ 反射ミラー
６３ 熱源導入光学系鏡筒
６４ 長径穴
７１ 増幅器
７２ 信号処理回路
７２ａ 信号処理回路
７３ 画像処理回路
７４ モニタ
８１ 高温側指令電圧生成回路
８１ａ 低温側指令電圧生成回路
８２ 高温側検出電圧生成回路
８２ａ 低温側検出電圧生成回路
８３ 加算回路
８３ａ 加算回路
８４ 電力増幅器
８４ａ 電力増幅器
９１ 温度センサ
９２ 制御回路
１１１ 基板
１１２ 単位赤外線検知素子
２９１ 回転フレーム
２９２ ねじ機構
２９３ ボール・ベアリング
２９４ 歯車
２９４ａ 歯車
２９５ 歯車
２９５ａ 歯車
３４１ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
３４２ コリメータ・レンズ
３４３ 反射鏡
３４４ フォト・ダイオード（ＰＤ）
３４４ａ フォト・ダイオード（ＰＤ）
３４４ｂ フォト・ダイオード（ＰＤ）
３４５ 集光レンズ
３４６ 制御基板
３４６ａ 制御基板
５１１ 中視野レンズ
５１２ 広視野レンズ
５１３ モータ
５１４ ポテンショ・メータ
５２１ リレー・レンズ・ユニット第一レンズ
５２２ リレー・レンズ・ユニット第二レンズ
５２３ 鏡筒
６３１ ねじ
６３２ 第一のブロック
６３３ 第二のブロック
６３４ 第三のブロック
６３５ ねじ
９２１ 読み出し専用メモリ部
９２２ 加算回路
９２３ 電力増幅器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an infrared imaging device, and in particular, a variation in size due to a temperature variation of a projected image of an infrared detection element on an afocal first imaging plane in an optical system, and scanning a horizontal scanning mirror provided in the optical system. The horizontal scanner is reduced in size by reducing the scanning angle in consideration of temperature fluctuations of the horizontal scanner and by reducing the invalid scanning area where the infrared radiation emitted by the measurement target object is not captured, and the infrared radiation emitted by the reference temperature heat source is reduced. The present invention relates to a small-sized infrared imaging device that is realized by simplifying a mechanism for adjusting a reflecting mirror introduced into an optical system and downsizing a temperature reference heat source.
[0002]
The infrared imaging device detects infrared rays emitted from an object with a unique relationship with its temperature, and performs luminance display or color display according to the detected infrared intensity. That is, it is a device that measures the temperature distribution on the surface of the object by the luminance display or color display. The biggest feature is that the temperature can be measured without directly touching the object to be measured.
[0003]
Taking advantage of this non-contact temperature measurement, it is often applied as a fire detection device in building management systems, etc., and it is difficult for people to approach or enter itself as in chemical plants and nuclear reactors. However, it is indispensable for the temperature measurement of dangerous places, and its use is steadily expanding.
[0004]
Among the expanding applications, especially when used to detect human body diseases, such as in the medical field, or to detect physiological or physical changes in the body, such as in the field of sports medicine, Temperature measurement with high accuracy and accuracy is required.
[0005]
As described above, in recent years, there has been a strong demand for high-definition infrared imaging devices.
[0006]
Also, when used for security management, security and defense, it is extremely important that very high accuracy is required and there is no misidentification. In addition, actions for security management, security and defense Must be able to be performed reliably in a short time.
[0007]
For this reason, there is a strong demand for widening the viewing angle and speeding up the display, and at the same time, miniaturization of the apparatus is urgently required.
[0008]
In particular, in order to increase the viewing angle, it is necessary to increase the scanning angle of the horizontal scanner, but in order to increase the scanning angle, it is necessary to increase the driving force of the horizontal scanner. Miniaturization of the device is a contradictory requirement. Also, in order to increase the display speed while expanding the viewing angle, it is necessary to increase the scanning speed of the horizontal scanner. However, it is necessary to increase the driving force of the horizontal scanner in order to increase the scanning speed. In addition, speeding up of scanning and downsizing of the apparatus are contradictory requirements.
[0009]
The present invention relates to a small-sized infrared imaging device that meets the strict requirements that contradict each other.
[0010]
[Prior art]
FIG. 11 shows a configuration of a conventional infrared imaging device, in which main components are shown for the purpose of illustrating functions of the conventional infrared imaging device, a mechanical object is schematically illustrated, and an electrical object is illustrated by a block diagram. It is.
[0011]
In FIG. 11, 1 is an infrared detector, 2a is an image lens system, 3a is a horizontal scanner, 4b and 4c are temperature reference heat sources, 5a is an afocal lens system, 6a is a heat source introducing optical system, and 7 is an image processing system. , 8 is a heat source temperature control system.
[0012]
The infrared detector 1 mainly includes an infrared detector 11 typified by mercury, cadmium and tellurium (HgCdTe), a cooler 12 such as a circulation cooler and a Joule-Thomson cooler, a vacuum vessel 13, and the vacuum vessel 13. It is constituted by a window 14 which transmits infrared rays by germanium (Ge) provided.
[0013]
The infrared detecting element 11 is installed in a vacuum vessel 13 provided with a cooler 12 and is 80 K (K is a unit of temperature based on absolute zero degree, and is called “Kelvin” in connection with the Kelvin basin in England.) The infrared detection element is operated at an extremely low temperature of about an electrical signal generated by the infrared detection element (without infrared irradiation). This is to suppress the dark current) and improve the signal-to-noise ratio of the electrical signal generated by the infrared detection element receiving the infrared light.
[0014]
For the image / lens system 2a, only the image / lens system third lens 26 is shown.
[0015]
As for the horizontal scanner 3, a horizontal scanning mirror 31, a horizontal scanner control angle detector 32, and an optical angle detector 34a are illustrated.
[0016]
The temperature reference heat sources 4b and 4c are mainly composed of a thermo module 41 using Peltier elements, a temperature reference plate 42 whose temperature is controlled by the thermo module 41, and the sum of heat absorbed by the thermo module 41 and heat generated. The heat dissipating fins 43 are provided to increase the heat dissipating efficiency of the heat quantity, and the fans 44 are provided to dissipate heat efficiently from the heat dissipating fins 43.
[0017]
For the afocal lens system 5a, only the objective lens unit 51 and the relay lens system second lens 522 are shown.
[0018]
As for the heat source introduction optical system 6a, a heat source introduction lens system 61 and a reflection mirror 62 are shown.
[0019]
The image processing system 7a includes an amplifier 71 that amplifies an electrical signal output according to the infrared intensity detected by the infrared detector 1, and receives the output of the amplifier 71 to control the horizontal scanner control angle detector 32 and the optical signal. A signal processing circuit 72a that performs signal processing with reference to the output of the equation angle detector 34, an image processing circuit 73 that performs processing for display on an image signal output from the signal processing circuit, a cathode ray tube that displays an image, The monitor 74 includes a liquid crystal display.
[0020]
The heat source temperature control system 8 calculates the temperature of the temperature reference plate on the high temperature side and outputs a corresponding voltage, calculates the temperature of the temperature reference plate on the low temperature side and calculates the corresponding voltage by calculating the temperature of the temperature reference plate on the low temperature side. A low temperature side command voltage generation circuit 81a to output, a high temperature side detection voltage generation circuit 82 for converting the temperature of the high temperature side temperature reference plate detected by the signal processing circuit 72 into a corresponding voltage, and a low temperature side detected by the signal processing circuit 72a A low temperature side detection voltage generation circuit 82a for converting the temperature of the temperature reference plate into a corresponding voltage; an addition circuit 83 for subtracting the output of the high temperature side detection voltage generation circuit 82 from the output of the high temperature side command voltage generation circuit 81; An adder circuit 83a for subtracting the output of the low temperature side detection voltage generator circuit 82a from the output of the side command voltage generator circuit 81a, a power amplifier 84 for amplifying the output of the adder circuit 83, and the adder circuit 83a. Force constituted by the power amplifier 84a which amplifies the power. The configuration shown in FIG. 11 operates in the following manner to image and display infrared rays emitted from the measurement target object.
[0021]
First, the infrared rays emitted from the object to be measured are guided to the afocal lens system 5a via the objective lens unit 51 and imaged on the afocal first imaging plane a.
The range in which the infrared rays emitted from the object to be measured are imaged on the afocal first imaging plane a is an effective scanning area b (this will be described in detail later with reference to FIGS. 14 to 16). .
[0022]
The infrared rays imaged on the afocal first imaging plane a are reflected by being guided to the horizontal scanning mirror 31 via the relay lens unit second lens 522, and then via the image lens system 2a. The light is guided to the infrared detector 1 and imaged on the infrared detection element 11.
[0023]
The electric signal generated by the infrared detection element 11 is guided to the signal processing circuit 72a via the amplifier 71, and after the variation for each infrared detection element is corrected, it is formed by scanning with the horizontal scanning mirror 31 in the image processing circuit 73. The two-dimensional image thus converted is converted into a two-dimensional image that matches the scanning method on the monitor 74, and finally displayed on the monitor 74.
[0024]
On the other hand, the infrared rays radiated from the temperature reference plate 42 pass through the heat source introducing optical system 6a, and the invalid scanning region c on the afocal first imaging surface a (this will be described in detail later with reference to FIGS. 14 to 16). Are introduced into the afocal lens system 5a, reflected by the horizontal scanning mirror 31 and guided to the image lens system 2a, and when the infrared radiation emitted from the object to be measured is not measured, the infrared detector 1 An image is formed on the infrared detection element 11.
[0025]
The electric signal generated by the infrared detection element 11 is guided to the amplifier 71 and amplified, and the signal processing circuit 72a corrects the variation for each infrared detection element. Thereafter, it is processed in the same manner as the infrared image emitted from the measurement target object. Are displayed on the monitor 74.
[0026]
Now, from the electrical signal corresponding to the amount of infrared rays radiated by the object to be measured, the signal processing circuit 72 calculates the average temperature of the scene, and calculates the temperature set for the two temperature reference plates based on the average value of the scene temperature. To do.
[0027]
The temperature information of the temperature reference plate on the high temperature side and the temperature information on the temperature reference plate on the low temperature side thus calculated are supplied to the high temperature side command voltage generation circuit 81 and the low temperature side command voltage generation circuit 81a, respectively, and set in the temperature reference plate. A voltage corresponding to the temperature to be generated is generated.
[0028]
The signal processing circuit 72a measures the temperature of the temperature reference plate in the invalid scanning region based on the intensity of infrared rays emitted from the temperature reference plate. The temperature of the temperature reference plate on the high temperature side and the temperature of the temperature reference plate on the low temperature side thus measured are respectively supplied to the high temperature side detection voltage generation circuit 82 and the low temperature side detection voltage generation circuit 82a, and a voltage corresponding to the detection temperature. Is generated.
[0029]
A difference between the output voltage of the high temperature side command voltage generation circuit 81 and the output voltage of the high temperature side detection voltage generation circuit 82 is obtained by the addition circuit 83, and the temperature of the temperature reference plate on the high temperature side is controlled via the power amplifier 84. Is supplied as a temperature control signal to the thermo module. Similarly, the difference between the output voltage of the high temperature side command voltage generation circuit 81a and the output voltage of the high temperature side detection voltage generation circuit 82a is obtained by the adder circuit 83a, and the temperature reference plate of the low temperature side is obtained via the power amplifier 84a. A temperature control signal is supplied to a thermo module for controlling the temperature. That is, the heat source temperature control system 8 controls the temperature of the temperature reference plate by negative feedback.
[0030]
Further, the horizontal scanner control angle detector 32 and the optical angle detector 34a detect the scanning angle and output a pulse to the signal processing circuit 72 to be used as a reference signal for image processing and display.
[0031]
Up to this point, the configuration and general operation of the conventional infrared imaging apparatus have been described. In the following, the main components of the configuration of the conventional infrared imaging apparatus shown in FIG. 11 will be described in detail.
[0032]
FIG. 12 is a diagram showing a typical element arrangement of a one-dimensional infrared detection element.
[0033]
What is shown in FIG. 12 is the infrared detection element 11 in FIG. 11, and a plurality of unit infrared detection elements 112 are arranged on the substrate 111 so as to be aligned perpendicular to the horizontal scanning direction. In FIG. 12, the odd-numbered unit infrared detecting elements (denoted as odd areas in the figure) and the even-numbered unit infrared detecting elements (denoted as even areas in the figure) are located at different positions. An example of alignment is shown. In FIG. 12, the wiring pattern on the substrate 111, the wiring drawn out from the infrared detection element, and the like are not shown.
[0034]
The infrared detector is not a single crystal semiconductor such as silicon (Si), but is cut out from a flat plate of HgCdTe alloy formed by precipitation from a mixed melt of mercury (Hg), cadmium (Cd) and tellurium (Te). It is an element obtained. Therefore, the composition of the flat plate of HgCdTe alloy is determined by the composition of mercury, cadmium and tellurium at the contact interface between the precipitated HgCdTe alloy flat plate and the mixed melt, but the composition of mercury, cadmium and tellurium at the contact interface in the mixed melt. In fact, the composition of mercury, cadmium and tellurium changes as the precipitation proceeds, and the composition of mercury, cadmium and tellurium varies depending on the position within the contact interface.
[0035]
Therefore, the composition of the flat plate of the HgCdTe alloy precipitated from the mixed melt is not constant microscopically. For this reason, there is a variation in characteristics between the unit infrared detection elements cut out from the flat plate of the HgCdTe alloy deposited from the mixed melt, and even if each unit infrared detection element detects infrared rays of the same intensity, the output of Variations occur in the electrical signal.
[0036]
13 is a diagram illustrating variations in output between two infrared detection elements (indicated as element No. 1 and element No. 2 in the figure) by variations in the output of the infrared detection elements.
[0037]
In FIG. 13, the horizontal axis represents the scene temperature, and the vertical axis represents the electrical output of the infrared detection element (labeled as element output in the figure).
[0038]
The infrared detection element has a non-linear characteristic with respect to the scene temperature, as shown in FIG. There are variations in the absolute value of the electrical output at the same temperature (this is an offset) and variations in the slope of the non-linear curve (this is the sensitivity) at the same temperature for each infrared detection element.
[0039]
If the temperature measurement is performed with this sensitivity variation and offset left unacceptable, the measurement result naturally includes an error, which causes a decrease in the measurement accuracy of the infrared imaging device.
[0040]
In order to suppress this error, infrared rays radiated from two temperature reference plates of different temperatures having a mechanically uniform infrared emission surface before the start of temperature measurement or during temperature measurement are inserted into the incident optical path for a short time, The electrical output of each infrared detection element is measured to correct the steady deviation for each infrared detection element. This is a two-point correction.
[0041]
That is, the temperature is changed above and below the scene average temperature (in the figure, Δt ₁ , Δt ₂ It is the temperature range labeled as ) The infrared rays output from the two temperature reference plates that are controlled to follow are introduced into the infrared detector, and the infrared rays emitted from the object of the same temperature are detected by all unit infrared detectors. Correct the offset between the sensing elements.
[0042]
If the set temperature difference between the two temperature reference plates is large, the error increases inside, and if the temperature difference between the two points is small, the error increases outside. In a high-accuracy infrared imaging device, usually Δt ₁ , Δt ₂ Set to a few degrees Celsius.
[0043]
Further, when the scene average temperature varies greatly depending on the object to be measured, the offset and sensitivity steady-state deviations vary due to the nonlinear characteristics of the infrared detection element. In order to suppress this variation, the temperature of the temperature reference plate is controlled including the change in the scene average temperature.
[0044]
By the way, it has been described that there are a method of performing two-point correction before temperature measurement and a method of performing it during temperature measurement, but there is a drift in the characteristics of the circuit constituting the infrared imaging device or the temperature of the temperature reference plate during temperature measurement. If it occurs, it causes a measurement error. Therefore, in a high-accuracy infrared imaging device, infrared rays emitted from two temperature reference plates at different temperatures having a mechanically uniform infrared emission surface during temperature measurement are input into the incident optical path. In many cases, an invalid scanning region method is employed in which the insertion is performed for a short time, the electrical output of each infrared detection element is measured, and the steady-state deviation for each infrared detection element is corrected including the influence of temperature fluctuations. This is because the sensitivity deviation and offset for each infrared detection element can be corrected almost in real time, so that the accuracy and accuracy of temperature measurement can be kept high.
[0045]
Now, a two-dimensional image is obtained by scanning the visual field of the one-dimensional infrared detection element as shown in FIG. 12 at a constant speed in a direction perpendicular to the direction in which the one-dimensional infrared detection elements are aligned by a horizontal scanner. .
[0046]
FIG. 14 shows a scanning waveform of a horizontal scanner for obtaining a two-dimensional image.
[0047]
In one scan, the scan is performed at a constant speed in a constant direction. However, since it is necessary to fly back in order to repeat the scan within the range of the required viewing angle, the scan waveform becomes like a sawtooth waveform as shown in FIG. .
[0048]
Of these, the effective scanning region (the region labeled b in FIG. 11) for generating a two-dimensional image corresponds to a straight line portion that scans at a constant speed in an upward slope.
[0049]
On the other hand, the area outside the effective scanning area among all the scanning areas is the invalid scanning area (the area indicated by c in FIG. 11).
[0050]
During the temperature measurement, infrared rays emitted from two temperature reference plates with different temperatures and having a mechanically uniform infrared emission surface are inserted into the incident light path for a short time, and the electrical output of each infrared detection element is measured. The invalid scanning area method for correcting the steady deviation for each infrared detection element is a system in which infrared rays radiated from two temperature reference plates having different temperatures in this invalid scanning area are inserted into the incident optical path.
[0051]
In order for the two-point correction to be accurately performed by the invalid scanning area method, when the reference infrared ray output from the temperature reference plate 42 is measured in the invalid scanning area, the infrared detection element 11 is measured through the effective scanning area. Do not receive the subject's infrared rays. On the other hand, when the infrared ray emitted from the measurement object passing through the effective scanning area is being measured, the infrared detection element 11 should not receive the infrared ray emitted from the temperature reference plate 42. That is, it is absolutely necessary that the invalid scanning area and the effective scanning area do not interfere with each other.
[0052]
FIG. 15 is a diagram illustrating the conventional horizontal scanning range and the position of the reflecting mirror.
[0053]
FIG. 15A shows an effective scanning area when the size of the infrared detection element can be ignored.
[0054]
Since the size of the infrared detection element can be ignored, the effective scanning area is equal to the viewing angle range.
[0055]
FIG. 15B shows an effective scanning area in consideration of the size of the infrared detection element. In FIG. 15 (B) and subsequent figures, the rectangles in which the rectangles are connected to each other represent the infrared detection elements shown in FIG. 12, and each rectangle represents the infrared detection in the odd region in the infrared detection element shown in FIG. The row of the elements and the infrared detection elements in the even-numbered area is shown, and the upper one is the infrared detection element in the odd-numbered area, and the lower one is the infrared detection element in the even-numbered area.
[0056]
First, a state where the boundary between the infrared detection elements in the odd-numbered area and the infrared detection elements in the even-numbered area has been scanned up to the viewing angle shown in FIG. When the projected image of the element is scanned to the position indicated by the broken line in FIG. 15 (b)), the infrared detection element in the odd-numbered area has not yet captured all the images of the viewing angle. On the other hand, the infrared detection elements in the even-numbered areas have already completed capturing of images for all viewing angles.
[0057]
Accordingly, the scanning of the image of all the viewing angles is completed only after scanning from the viewing angle to the outside by the size N of the infrared detection element in the odd-numbered region.
[0058]
That is, the effective scanning area in consideration of the size of the infrared detection element is an area obtained by adding the size N of the infrared detection element in the odd-numbered area to the viewing angle as shown in FIG.
[0059]
FIG. 15C shows a position where the reflection mirror can be installed.
[0060]
Conventionally, it is considered that the infrared detecting element is scanned to the outside of the effective scanning area up to the area where the size of the infrared detecting element is N, and from there, the error Z of the scanning angle of the horizontal scanner including temperature fluctuation and The reflection mirror was set in consideration of the dimensional error S of the reflection mirror including the temperature fluctuation.
[0061]
FIG. 15D is a temperature reference heat source data capturing start position.
[0062]
As shown in FIG. 15 (d), the capturing of data of the temperature reference heat source is started when the projected image of the infrared detecting element is within the reflecting mirror area by the dimensional error S of the reflecting mirror including temperature fluctuation.
[0063]
FIG. 15E is a temperature reference heat source data capturing end position.
[0064]
As shown in FIG. 15 (e), scanning is performed for the required angle H to acquire the data for the required number of samples, and the acquisition of the temperature reference heat source data is completed.
[0065]
Therefore, in addition to the effective scanning area, the horizontal scanner
N + Z + 2S + SD + H
The invalid scanning area determined by is scanned.
[0066]
FIG. 16 is a re-representation of the above with the required swing angle of the conventional horizontal scanning mirror.
[0067]
That is, the swing angle of the conventional horizontal scanning mirror is
Effective scanning area + N + Z + 2S + SD + H
It is.
[0068]
In addition, since the size of the projected image of the infrared detection element itself also varies in temperature, the size of the infrared detection element in FIGS. 15 and 16 needs to be taken into consideration.
[0069]
17A and 17B are diagrams for explaining the variation in the size of the projected image of the infrared detection element. FIG. 17A is a cross-sectional view of the light beam on the afocal first imaging plane, and FIG. This is the size of the projected image on the focal first imaging plane.
[0070]
In FIG. 17 (a), the solid line is a cross-sectional view of the light beam at normal temperature, and the broken line is a cross-sectional view of the light beam when the temperature varies. In this way, the diameter of the light beam at the afocal first imaging plane varies with temperature because the focal length of the lenses constituting the afocal lens system varies with temperature, or the optical path of the afocal lens system itself. This is because the length varies with temperature.
[0071]
Here, the size of the projected image on the afocal first imaging plane is the size of the projected image viewed from the direction indicated by d in FIG. 17 (a), and FIG. The light flux at room temperature forms an image of size W on the afocal first image plane, whereas the light flux at temperature fluctuation forms an image of size W ′ on the afocal first image plane. Is shown.
[0072]
As described above, since the size of the projected image on the afocal first imaging plane of the infrared detecting element fluctuates in temperature, it is necessary to set the invalid scanning region in consideration of this.
[0073]
Next, FIG. 18 shows a configuration of a conventional optical angle detector denoted by reference numeral 34a in FIG. 11, and a horizontal scanning mirror 31 and a horizontal scanner control angle detector provided on the horizontal scanning mirror 31. 32 is also schematically shown. FIG. 18 is a cross-sectional view of a conventional optical angle detector cut along a horizontal plane including the optical axis center of the optical angle detector.
[0074]
In FIG. 18, 340 is a housing of the optical angle detector 34, 341 is a light emitting diode (usually called an LED), 342 is a collimator lens that collimates the output light of the light emitting diode 341, Reference numeral 343 denotes a reflection mirror for reflecting the output light of the collimator lens 342, 344 denotes a photodiode, 345 denotes an angle of the horizontal scanning mirror 31 of 45 ° with respect to the optical axis of the reflected light of the reflection mirror 343. The condenser lens 346a collects the reflected light on the light receiving surface of the photo diode at, and supplies a bias to the light emitting diode 341 and the photo diode 344, and reflects when the horizontal scanning mirror is 45 °. This is a control board that supplies light to the signal processing circuit 72 shown in FIG. The output of the horizontal scanner control angle detector 32 is also supplied to the signal processing circuit 72a of FIG. That is, a pulse output at the time when a horizontal scanner (not shown) scans the boundary between the effective scanning area and the invalid scanning area is supplied to the signal processing circuit 72.
[0075]
The light emitting diode 341, the collimator lens 342, the reflection mirror 343, the photo diode 344, the fixing means for the condensing lens 345 and the mounting means for the control board 346 to the casing 340 are necessary. Because there is no, it is omitted.
[0076]
Also, the horizontal scanning mirror 31 and the horizontal scanner control angle detector 32 are not described because they do not require description of the mounting means.
[0077]
FIG. 19 is a diagram illustrating a conventional image data capture signal and a temperature reference heat source data capture signal.
[0078]
FIG. 19A is a waveform of an electric signal obtained by detecting the scanning waveform of the horizontal scanner by the horizontal scanner control angle detector. Actually, the waveform is rounded near the highest and lowest of the sawtooth-like waveform (see FIG. 14), but for simplicity of illustration, the rounded shape is removed and shown as a complete sawtooth waveform. Yes.
[0079]
In FIG. 19 (a), the waveform shown by the solid line is the waveform of the electrical signal detected by the horizontal scanner control angle detector at room temperature, and the waveform shown by the two-dot chain line is affected by the environmental temperature fluctuation. It is the waveform of the electric signal detected with the angle detector for control.
[0080]
FIG. 19B shows the output of the optical angle detector 34, which is a pulse output when the photodiode 344 in FIG. 18 detects that the scanning angle of the horizontal scanning mirror is 45 °.
[0081]
FIG. 19C shows the output of the horizontal scanner control angle detector 32. The horizontal scanner control angle detector 32 detects that the horizontal scanner is scanning the boundary between the effective scanning area and the invalid scanning area. This is the output pulse.
[0082]
Image data and temperature reference heat source data are captured using the pulses of FIGS. 19 (b) and 19 (c) output from the two angle detectors as reference signals.
[0083]
That is, of the pulses output when the optical angle detector detects and outputs that the angle of the horizontal scanner is 45 ° with respect to the optical axis, the pulse C output while the scanning angle is increasing is used as a reference. At the time when the time TC has elapsed, image data capture is started. This time is the time when the horizontal scanner enters the scan in the effective scan area from the scan in the invalid scan area, and the scan speed is known by design, so the time TC can be set.
[0084]
Even during flyback, the angle of the horizontal scanner is 45 ° with respect to the optical axis, and the optical angle detector 34 outputs a pulse D at this time, but detects that the scanning angle is decreasing. Since the pulse D can be easily masked by the output of the comparator, the image data capturing timing is not erroneous.
[0085]
On the other hand, the intake of the temperature reference heat source data is controlled using a pulse output from the horizontal scanner control angle detector 32. Since there are two temperature reference heat sources, the high temperature side and the low temperature side, two timings for acquiring the temperature reference heat source data are required. In this case, a pulse generated at the timing of transition from the effective scanning area to the ineffective scanning area is used as a data intake pulse of the first temperature reference heat source (indicated by symbol E in the figure), and from the effective scanning area. A pulse generated at the timing of shifting to the invalid scanning region may be used as a data acquisition pulse of the second temperature reference heat source (indicated by symbol F in the figure).
[0086]
The horizontal scanner control angle detector 32 outputs a pulse at the timing of transition between the effective scanning region and the invalid scanning region in addition to the pulses E and F, but can be masked by the same principle as described above. Therefore, there is no mistake in the acquisition timing of the temperature reference heat source data.
[0087]
FIG. 20 is a diagram schematically showing the configuration of the temperature reference heat source, the temperature reference heat source introduction optical system, and the reflection mirror. FIG. 20A shows the structure of the temperature reference heat source, the temperature reference heat source introduction optical system, and the reflection mirror. . 20A is a cross-sectional view of the temperature reference heat source introduction optical system and the temperature reference heat source cut along a horizontal plane including the optical axis center of the temperature reference heat source introduction optical system. 20 (b) is a view of the reflecting mirror and the reflecting mirror fixing base as seen from the direction of e in FIG. 20 (a), and FIG. 20 (c) is the direction of f in FIG. 20 (b). It is the f arrow directional view of the reflective mirror and reflective mirror fixed base seen from.
[0088]
In FIG. 20, 41 is a thermo module, 42 is a temperature reference plate, 43 is a radiation fin, and 44 is a fan, which constitutes a temperature reference heat source.
[0089]
Here, the thermo module 41 is made of a Peltier element, and absorbs heat from one surface of the two ceramic surfaces and dissipates heat from the other surface by applying a current. And by changing the direction of electric current, it can be used also as a heater as a heater.
[0090]
The thermo module 41 exerts its performance by dissipating from the heat radiating side the amount of heat that is the sum of the amount of heat it generates and the amount of heat it absorbs. The heat radiating fins 43 and the fan 44 are used to enhance the heat radiating effect from the thermo module 41.
[0091]
In FIG. 20, reference numeral 523 denotes a lens barrel constituting an afocal lens system, 61 denotes a heat source introduction lens system constituting a heat source introduction optical system, 62 denotes a reflection mirror constituting the heat source introduction optical system, and 63 denotes the reflection mirror. This is a reflection mirror fixing base for fixing.
[0092]
Further, 631 is a screw for fixing the reflecting mirror fixing base 63 to the lens barrel 523, 632 is a first block constituting the reflecting mirror fixing base 63, and 633 is a second block constituting the reflecting mirror fixing base 63. A block 634 is a third block constituting the reflecting mirror fixing base, and 635 and 636 are screws.
[0093]
First, the reflection mirror 62 is screwed and fixed to the lens barrel 523 constituting the afocal lens system via the reflection mirror fixing base 63.
[0094]
The first block 632 and the second block 633 are shown in FIG. 20 (b) in order to absorb the variation in dimensions due to the temperature variation of the reflection mirror 62 and the error in the mounting position of the reflection mirror fixing base. The second block 633 and the third block 634 can be adjusted in the direction perpendicular to the paper surface, and the second block 633 and the third block 634 are shown in FIG. C) is fitted in a dovetail groove shown in h, so that the position can be adjusted in a direction parallel to the paper surface. The screw 635 fixes the second block and the third block after position adjustment in a direction parallel to the optical axis of the heat source introduction optical system, and the screw 636 is perpendicular to the optical axis of the heat source introduction optical system. After the position adjustment in any direction, the first position block and the second block are fixed.
[0095]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional infrared imaging apparatus, as shown in FIG. 15C, the invalid scanning area is set outside the area obtained by adding the even number area of the infrared detecting element size N to the original effective scanning area. Further, the reflection mirror is set in consideration of the scanning angle variation Z of the horizontal scanner including the temperature variation and the reflection mirror position variation S including the temperature variation.
[0096]
Even though the positions of the infrared detection elements in the even area outside the original effective scanning area are areas where scanning of the image is unnecessary (this will be described in detail later), scanning is performed up to this point. The scanning angle of the horizontal scanner was increased by the size N of the infrared detection element.
[0099]
As described above, setting the horizontal scanner to have a large swing angle means that the driving force of the horizontal scanner has to be increased, resulting in an increase in the size and mass of the horizontal scanner.
[0100]
In view of the above problems, it is a first object of the present invention to provide an infrared imaging device capable of setting a small swing angle of a horizontal scanner.
[0108]
[Means for Solving the Problems]
The first means for solving the first problem is a technique for setting the ineffective scanning area small in order to set the scanning angle of the horizontal scanning mirror small.
[0109]
In FIG. 15C, in the area corresponding to the even-numbered infrared detection element outside the effective scanning area, since the even-numbered infrared detection element has already finished the image capture, it corresponds to the even-numbered infrared detection element. The area to be scanned is a scanning unnecessary area on the image. Therefore, even if the conventionally set invalid scanning area is reduced by an area corresponding to the even-numbered infrared detecting element, the invalid scanning area and the effective scanning area do not interfere with each other.
[0110]
That is, since the scanning angle of the horizontal scanner can be reduced by the first means for solving the first problem, the size and mass of the horizontal scanner can be reduced.
[0119]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic diagram of the configuration of an infrared imaging apparatus according to the present invention (part 1) while partially simplifying the configuration of the infrared imaging apparatus.
[0120]
FIG. 2 shows the configuration of the optical system of the infrared imaging device of the present invention.
[0121]
Further, FIG. 3 shows the configuration of the infrared imaging apparatus of the present invention (part 2). The main components are shown for the purpose of showing the function of the infrared imaging apparatus of the present invention, the mechanical objects are schematically shown as electrical components. The thing is illustrated in the block diagram.
[0122]
In FIG. 1, 1 is an infrared detector, 2 is an image lens system, 3 is a horizontal scanner, 4 and 4a are temperature reference heat sources, and 5 is an afocal lens system.
[0123]
For the image / lens system 2, the position of the image / lens system first lens 21, the vertical scanning mirror 23, the folding mirror 25, the image / lens system third lens 26, and the image / lens system first lens 21 is adjusted. A potentiometer 28 for measuring the movement of the image lens system first lens 21 by the motor 27 and the motor 27 is shown. The control system for adjusting the position of the first lens of the image / lens system is not shown.
[0124]
As for the horizontal scanner 3, a horizontal scanning mirror 31, a horizontal scanning drive unit 33, and a three-point optical angle detector 34 are shown.
[0125]
The afocal lens system 5 is divided into an objective lens unit 51 and a relay lens unit 52.
[0126]
The objective lens unit 51 is provided with a medium-field lens 511 and a wide-field lens 512 so that the field of view can be switched. Further, a motor 513 for adjusting the position of the objective lens unit 51 is provided. A potentiometer 514 for measuring the amount of movement of the objective lens unit 51 is provided. A control system for adjusting the position of the objective lens unit is not shown.
[0127]
As for the relay lens unit 52, a relay lens unit first lens 521, a relay lens unit second lens 522, and a lens barrel 523 are illustrated.
[0128]
The image processing system is also not shown.
[0129]
In FIG. 2 showing the configuration of the optical system of the infrared imaging device of the present invention, 1 is an infrared detector, 2 is an image lens system, 3 is a horizontal scanner, 4 and 4a are temperature reference heat sources, and 5 is an afocal lens system. It is.
[0130]
For the infrared detector 1, only the infrared detecting element 11 is shown.
[0131]
As for the image / lens system 2, an image / lens system first lens 21, a shielding plate 22, a vertical scanning mirror 23, an image / lens system second lens 24, a folding mirror 25, and an image / lens system third lens 26 are illustrated. Show.
[0132]
As for the horizontal scanner 3, a horizontal scanning mirror 31 and a three-point optical angle detector 34 are shown.
[0133]
The afocal lens system 5 is divided into an objective lens unit 51 and a relay lens unit 52.
[0134]
The objective lens unit 51 is provided with a medium-field lens 511 and a wide-field lens 512, and the field of view can be switched.
[0135]
As for the relay lens unit 52, a relay lens unit first lens 521 and a relay lens unit second lens 522 are shown.
[0136]
The position of the objective lens unit 51 is adjusted in the direction indicated by A in FIG. 2 by the motor 513 shown in FIG. Further, the position of the image lens system first lens 21 is adjusted by the motor 27 shown in FIG. 1 in the direction indicated by B in FIG. The position adjustment mechanism will be described in detail later.
[0137]
If the dimension in the B direction in FIG. 2 has a margin, the vertical scanning mirror 23 and the folding mirror 25 are unnecessary, and the image lens system third lens 26 and the infrared detector may be arranged on the extension line in the B direction. . Further, if there is a margin in the downward direction perpendicular to the B direction in FIG. 2, the folding mirror 25 is unnecessary, and the image lens system third lens 26 and the infrared detector are placed on the lower side of the sheet perpendicular to the B direction. Should be arranged.
[0138]
That is, the arrangement shown in FIG. 1 or 2 is to make the configuration of the optical system compact while the optical path length is the same.
[0139]
For the purpose of showing the function of the infrared imaging apparatus of the present invention, the main components are shown in FIG. 3 where the mechanical objects are schematically shown and the electrical objects are shown in a block diagram. In FIG. Lens system, 3 horizontal scanner, 4 and 4a temperature reference heat source, 5 afocal lens system, 6 heat source introduction optical system, 7 image processing system, 8 heat source temperature control system, 9 lens position control It is a system.
[0140]
The infrared detector 1 mainly includes an infrared detector 11 typified by mercury, cadmium and tellurium (HgEdTe), a cooler 12 such as a circulation cooler and a Joule-Thomson cooler, a vacuum vessel 13, and the vacuum vessel 13. It is constituted by a window 14 which transmits infrared rays by germanium (Ge) provided. The infrared detection element is installed in a vacuum vessel 13 equipped with a cooler 12, and the infrared detection element is operated at an extremely low temperature of about 80K. This suppresses dark current, and the infrared detection element is generated. This is to increase the signal-to-noise ratio of the electrical signal.
[0141]
For the image / lens system 2, only the image / lens system third lens 26 is shown.
[0142]
For the horizontal scanner 3, a horizontal scanning mirror 31 and a three-point optical angle detector 34 are shown.
[0143]
As for the temperature reference heat sources 4 and 4a, a thermo module 41 using Peltier elements and a temperature reference plate 42 whose temperature is controlled by the thermo module 41 are shown.
[0144]
As for the afocal lens system 5, an objective lens unit 51 and a relay lens unit second lens 522 are shown.
[0145]
As for the heat source introduction optical system 6, a heat source introduction lens system 61 and a reflection mirror 62 are illustrated.
[0146]
The image processing system 7 amplifies an electrical signal output in accordance with the infrared intensity detected by the infrared detector 1, receives the output of the amplifier 71, and refers to the output of the optical angle detector 34. A signal processing circuit 72 that performs signal processing, an image processing circuit 73 that applies processing for display to an image signal output from the signal processing circuit, and a monitor 74 such as a cathode ray tube or a liquid crystal display that displays an image.
[0147]
The heat source temperature control system 8 calculates the temperature on the high temperature side of the temperature reference plate and outputs a corresponding voltage, and calculates the temperature on the low temperature side of the temperature reference plate. A low temperature side command voltage generation circuit 81 a that outputs a voltage, a high temperature side detection voltage generation circuit 82 that converts temperature information of the high temperature side temperature reference plate detected by the signal processing circuit 72 into a corresponding voltage, and a detection by the signal processing circuit 72 A low temperature side detection voltage generation circuit 82a that converts the temperature information of the low temperature side temperature reference plate into a corresponding voltage, and an addition circuit that subtracts the output of the high temperature side detection voltage generation circuit 82 from the output of the high temperature side command voltage generation circuit 81 83, an adder circuit 83a for subtracting the output of the low temperature side detection voltage generation circuit 82a from the output of the low temperature side command voltage generation circuit 81a, a power amplifier 84 for amplifying the output of the addition circuit 83, and the addition circuit Constituted by the power amplifier 84a which amplifies the power output 83a.
[0148]
Finally, the lens system position control system 9 includes a temperature sensor 91 and a control circuit 92.
[0149]
The configuration of FIG. 3 generally operates as follows to display an infrared image.
[0150]
First, the infrared rays emitted from the object to be measured are guided to the afocal lens system 5 via the objective lens unit 51 and imaged on the afocal first imaging plane a. The range in which the infrared ray emitted from the object to be measured is imaged on the afocal first imaging plane a is the effective scanning region b.
[0151]
The infrared image formed on the afocal first imaging plane a is reflected by being guided to the horizontal scanning mirror 31 via the relay lens unit second lens 522 and then via the image lens system 2. The light is guided to the infrared detector 1 and imaged on the infrared detection element 11.
[0152]
Then, the electric signal generated by the infrared detection element 11 corresponding to the infrared intensity is guided to the signal processing circuit 72 via the amplifier 71, and after the variation for each infrared detection element is corrected, the image processing circuit 73 performs horizontal scanning. The scanning method by the mirror 31 is converted to a scanning method that matches the monitor 74 and finally displayed on the monitor 74.
[0153]
On the other hand, the infrared rays radiated from the temperature reference plate 42 are introduced into the afocal lens system 5 from the invalid scanning region c on the afocal first imaging plane a via the heat source introducing optical system 6, and are introduced by the horizontal scanning mirror 31. Reflected and guided to the image / lens system 2, an image is formed on the infrared detection element 11 of the infrared detector 1 when the infrared ray emitted from the object to be measured is not measured.
[0154]
Then, the electric signal generated by the infrared detection element 11 is guided to the amplifier 71 and amplified, and the signal processing circuit 72 corrects the variation for each infrared detection element.
[0155]
Then, the signal processing circuit 72 calculates the average value of the scene temperature, which is the temperature of the measurement target object, and calculates the temperature of the temperature reference plate that is set above and below the scene temperature average value.
[0156]
The temperature information of the temperature reference plate on the high temperature side and the temperature information on the temperature reference plate on the low temperature side calculated in this way are supplied to the high temperature side command voltage generation circuit 81 and the low temperature side command voltage generation circuit 81a, respectively. A voltage corresponding to the set temperature is generated.
[0157]
Further, the signal processing circuit 72 measures the temperature of the temperature reference plate by an electric signal corresponding to the infrared intensity emitted from the temperature reference plate when the temperature of the measurement target object is not measured. The measured temperature information of the high temperature side temperature reference plate and the temperature information of the low temperature side temperature reference plate are respectively supplied to the high temperature side detection voltage generation circuit 82 and the low temperature side detection voltage generation circuit 82a, and correspond to the detection temperature. A voltage is generated.
[0158]
The difference between the output voltage of the high temperature side command voltage generation circuit 81 and the output voltage of the high temperature side detection voltage generation circuit 82 is obtained by the addition circuit 83, and the temperature of the high temperature side temperature reference plate is obtained via the power amplifier 84. It is supplied as a temperature control signal to the thermo module to be controlled. Similarly, the difference between the output voltage of the low temperature side command voltage generation circuit 81a and the output voltage of the low temperature side detection voltage generation circuit 82a is obtained by the adding circuit 83a, and the low temperature side temperature reference plate is passed through the power amplifier 84a. Is supplied as a temperature control signal to a thermo module for controlling the temperature of That is, the heat source temperature control system 8 controls the temperature of the temperature reference plate by controlling the temperature of the thermo module by negative feedback.
[0159]
The three-point optical angle detector 33 detects the scanning angle of the horizontal scanning mirror and supplies a pulse output to the signal processing circuit 72 as a reference signal for image display.
[0160]
Finally, in the lens system position adjustment control system 9, the temperature sensor 91 detects the temperature fluctuation, and supplies the detected temperature fluctuation amount to the control circuit 92.
[0161]
The control circuit 92 obtains a position adjustment amount necessary for the objective lens unit 51 and the image lens system first lens system 21 by a method of reading the received temperature fluctuation amount as an address from a read-only memory. The motor 27 and the motor 513 are driven. The outputs of the potentiometer 28 and the potentiometer 514 are taken in to constitute a servo system, and the position adjustment of the objective lens unit 51 and the image lens system first lens 21 is accurately performed.
[0162]
Up to this point, the configuration and the rough operation of the infrared imaging device of the present invention shown in FIGS. 1 to 3 have been described. Hereinafter, the main components of the infrared imaging device of the present invention shown in FIGS. 1 to 3 will be described in detail to describe the infrared imaging device of the present invention.
[0163]
However, the element arrangement of the one-dimensional infrared detection element, the variation of sensitivity characteristics between unit infrared detection elements, the offset between unit infrared detection elements, the sensitivity and offset correction by two-point correction, and the change of the scene average temperature Including two-point correction temperature reference plate temperature control, in high-accuracy infrared imaging device, incident infrared rays radiated from two temperature reference plates of different temperature with mechanically uniform infrared emission surface during temperature measurement About the fact that an invalid scanning area method is often adopted that is inserted in the optical path for a short time, measures the electrical output of each infrared detection element, and corrects the deviation for each infrared detection element, including the effect of temperature fluctuations. Since it was described in detail in the description of the conventional infrared imaging device, the description is omitted here.
[0164]
In order to accurately perform the two-point correction by the invalid scanning area method, when the infrared ray of the reference emitted from the temperature reference plate is measured in the invalid scanning area, the infrared detecting element 11 is a measurement object passing through the effective scanning area. Do not receive the infrared rays.
[0165]
On the other hand, when measuring the infrared rays emitted from the measurement target object in the effective scanning region, the infrared detector 11 receives the infrared rays emitted from the temperature reference plate when measuring the infrared rays emitted from the measurement subject passing through the effective scanning region. must not.
[0166]
That is, it is necessary for the invalid scanning area and the effective scanning area not to interfere with each other in the present invention.
[0167]
Here, although it is not necessary to explain that the invalid scanning region and the effective scanning region do not interfere with each other, the concept of setting the invalid scanning region different from the conventional technique will be described.
[0168]
FIG. 4 is a diagram illustrating the conventional horizontal scanning range and the position of the reflecting mirror.
[0169]
FIG. 4A shows an effective scanning area in the case where the size of the infrared detection element can be ignored. Since the size of the infrared detection element can be ignored, the effective scanning area is equal to the viewing angle range.
[0170]
However, if the actual infrared detecting element does not have a finite size, the received infrared ray cannot be converted into an electrical signal corresponding to its intensity. Therefore, it is meaningless to set an effective scanning area without considering the actual size of the infrared detection element.
[0171]
FIG. 4B is an effective scanning area in consideration of the size of the infrared detection element. In addition, the thing of the shape which shifted and contacted one side of two rectangles after FIG.4 (b) represents the infrared rays detection element shown in FIG. Here, each rectangle represents an odd-numbered infrared detecting element and an even-numbered infrared detecting element in the infrared detecting element shown in FIG. The infrared sensor in the even region is on the outside.
[0172]
First, a state in which the boundary between the infrared detection elements in the odd-numbered region and the infrared detection element in the even-numbered region is scanned to the range of the viewing angle shown in FIG. ) Is scanned to the position indicated by the broken line), the infrared detection element in the odd-numbered area has not yet captured all the images of the viewing angle, whereas the infrared detection element in the even-numbered area. Has already captured images for all viewing angles.
[0173]
Accordingly, the scanning of the image of all the viewing angles is completed only after scanning from the viewing angle to the outside by the size N of the infrared detection element in the odd-numbered region. In other words, the effective scanning region in consideration of the size of the infrared detection element is a region obtained by adding the size N of the infrared detection element in the odd number region to the range of the viewing angle as shown in FIG.
[0174]
FIG. 4C shows a scanning unnecessary area on the image.
[0175]
Only when the projected image of the infrared detector element is scanned up to the position shown in FIG. 4 (c), the odd-numbered infrared detector element completes the image capture. At this time, the even-numbered infrared detector element is already N more inside than that. The image has been downloaded in.
[0176]
Therefore, the positions of even-numbered infrared detection elements in FIG. 4C (positions indicating the size of the infrared detection element N in FIG. 4C) do not have to be scanned on the image (this). Will be referred to as a scanning unnecessary area).
[0177]
Therefore, there is no need to make the effective scanning area including the scanning unnecessary area and to make the outside the invalid scanning area. This is a feature of the concept of setting the invalid scanning region in the present invention.
[0178]
FIG. 4 (d) shows the installation position of the reflection mirror.
[0179]
In the present invention, the position where the horizontal scanner scanning angle error Z including temperature variation from the end of the effective scanning region and the reflecting mirror dimensional error S including temperature variation are considered as the installation position of the reflecting mirror.
[0180]
FIG. 4E is a temperature reference heat source data capturing start position.
[0181]
As shown in FIG. 4E, the capturing of the data of the temperature reference heat source is started when the projected image of the infrared detecting element enters only the dimensional error S of the reflecting mirror including the temperature fluctuation in the region of the reflecting mirror. The same applies to the present invention.
[0182]
FIG. 4F is a temperature reference heat source data capturing end position.
[0183]
As shown in FIG. 4 (f), the scanning of the required angle H to acquire the data of the required number of samples and the completion of the intake of the temperature reference heat source data is the same in the present invention.
[0184]
Therefore, in addition to the effective scanning area, the horizontal scanner
Z + 2S + SD + H
It is sufficient to scan the invalid scanning area determined by.
[0185]
FIG. 5 is a representation of the above again in the required swing angle of the horizontal scanning mirror of the present invention.
[0186]
That is, the swing angle of the horizontal scanning mirror of the present invention is
Effective scanning area + Z + 2S + SD + H
It is. However, this swing angle is the swing angle when scanning from the optical axis of the afocal lens system to one side.
[0187]
The fact that the swing angle of the horizontal scanning mirror can be reduced by N as described above corresponds to a reduction rate of 5% of the swing angle of the horizontal scanning mirror in an actual infrared imaging apparatus. This is a great effect in an infrared imaging device designed to approach the limit.
[0188]
FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the swing angle of the horizontal scanning mirror and the size of the horizontal scanning mirror.
[0189]
FIG. 6A shows a case where the swing angle is 0 (the swing angle is set to 45 ° as the origin). At this time, if the diameter of the light beam is G, the major axis of the light beam on the horizontal scanning mirror surface is
√2G
It becomes.
[0190]
FIG. 6B shows a case where the horizontal scanning mirror is swung to the required maximum swing angle α °.
At this time, if the diameter of the light beam is G, the major axis of the light beam on the horizontal scanning mirror surface is
G x Sin (45 ° + α °)
It becomes. Where Sin is a trigonometric sine function.
[0191]
Now, taking into account only the 5% increase in the swing angle relative to the actual required maximum swing angle α °, the major axis of the light beam on the horizontal scanning mirror surface is increased, that is, the size of the horizontal scanning mirror is increased. Even if it is estimated, it will be about 4%. This is also a large value in an infrared imaging device designed to be close to the limit. That is, the size of the horizontal scanning mirror itself can be reduced by reducing the swing angle of the horizontal scanning mirror.
[0192]
In addition, as described with reference to FIG. 17, the size of the projected image of the infrared detection element itself also fluctuates in temperature. Therefore, it is necessary to consider the size of the infrared detection element in FIGS. In other words, there are other factors that actually require a large swing angle, so reducing the swing angle has a greater effect.
[0193]
The main cause of the change in the size of the projected image of the infrared detection element is the focal distance of the afocal lens system and the lens constituting the image lens system due to temperature fluctuation, and the afocal lens system due to temperature fluctuation. And variations in the dimensions of the image lens system.
[0194]
Therefore, in order to suppress the change in the size of the projected image of the infrared detection element, the focal distance of the afocal lens system and the lens constituting the image lens system due to the temperature fluctuation and the afocal- It is only necessary to suppress the variation in the dimensions of the lens system and the image lens system.
[0195]
As shown in FIG. 2, if the position of the lens of the afocal lens system is adjusted in the direction A and the position of the lens of the image lens system is adjusted in the direction B, the afocal first It is possible to correct both the focal length variation in front of the imaging plane a and the focal length variation behind the afocal first imaging plane a.
[0196]
FIG. 7 is a diagram showing a configuration for adjusting the lens position according to the present invention. The structure is schematically shown, and the control system is shown in a block diagram.
[0197]
In FIG. 7, the position adjustment of the image lens system first lens 21 in FIG. 1 is shown in consideration of the position adjustment. However, the position adjustment of the objective lens unit 51 in FIG. is there. Further, structurally, the position adjustment of the image lens system first lens 21 and the objective lens unit 51 is the simplest, but the position adjustment of other lenses of the afocal lens system and the image lens system is also technical. Is not impossible.
[0198]
FIG. 7 is a sectional view of the image lens system cut along a horizontal plane including the optical axis center of the image lens system.
[0199]
In FIG. 7, 21 is an image / lens system first lens, and 29 is an image / lens system lens barrel.
[0200]
Reference numeral 211 denotes a lens barrel for mounting and fixing the first lens of the image lens system, 212 is a lens barrel detent pin, 291 is a rotating frame, and 292 is provided between the rotating frame 291 and the lens barrel 29. Screw mechanism, 293 is a ball bearing, 294 and 294a are gears, 295 and 295a are gears that mesh with the gears 294 and 294a, 513 moves the lens barrel 29 to move the first lens 21 of the image lens system The motor 514 is a potentiometer that measures the amount of movement of the image lens system first lens 21.
[0201]
Further, 91 is a temperature sensor constituting the lens position control system 9 in FIG. 3, and 92 is a control circuit constituting the lens position control system 9 in FIG. The control circuit 92 includes a read-only memory unit 921, an adder circuit 922, and a power amplifier 923.
[0202]
First, a structure for adjusting the lens position will be described.
[0203]
The image lens system first lens 21 is mounted and fixed to a lens barrel 211. The lens barrel 211 is fitted in the portion of the lens barrel 29 and the lens barrel detent pin 212, and the lens barrel 211 and the lens barrel 29 are fixed so as not to rotate with each other by the lens barrel detent pin 211. Has been.
[0204]
The lens barrel 211 is coupled to the rotating frame 291 at the ball bearing 293, and the lens barrel 211 and the rotating frame 291 are rotatable relative to each other.
[0205]
A gear 295 is provided around the rotating frame 291, and the gear 295 meshes with the gear 294 coupled to the motor 513 and the gear 294 a coupled to the potentiometer 514. The rotation of the rotary frame is converted into forward and backward movement, and the forward and backward movement of the rotary frame 291 is converted into rotation of the gear 294a.
[0206]
Next, the lens position control system and the structure for adjusting the lens position will be described together.
[0207]
The temperature sensor 91 detects a change in environmental temperature and outputs a voltage as a normal analog amount.
[0208]
The read-only memory unit 921 includes an analog / digital conversion circuit on the input side, and the voltage value digitally converted by the analog / digital conversion circuit is stored in a read-only memory (usually denoted as ROM). A digital value of the movement amount of the lens position corresponding to the voltage value supplied as an address and digitally converted from the read-only memory is read out.
[0209]
The read voltage value of the digital amount is converted into a voltage value as an analog amount by the digital / analog conversion circuit provided on the output side of the read-only memory unit 921 and output.
[0210]
The voltage output from the read-only memory unit 921 is supplied to one terminal of the adder circuit 922 as a lens position command voltage.
[0211]
On the other hand, the forward and backward movements of the rotating frame 291 are transmitted from the gear 295 to the gear 294a to rotate the potentiometer 514. The potentiometer 514 outputs a voltage corresponding to its own rotation angle. This voltage output is supplied as a feedback voltage to the other input terminal of the adder circuit 922, and a difference from the lens position command voltage is obtained. It is done.
[0212]
The difference voltage between the lens position command voltage output from the adder circuit 922 and the feedback voltage is supplied to the power amplifier 923, and the motor 513 is actually driven to rotate the gear 294, thereby rotating the gear 294. Is transmitted to the gear 295 and converted into forward and backward movement of the rotating frame 291.
[0213]
That is, the image lens system is constituted by a negative feedback loop constituted by the temperature sensor 91, the control circuit 92, the motor 513, the gear 294, the gear 295, the gear 294a, the gear 295a, and the potentiometer 514. The position of the first lens 21 is adjusted.
[0214]
The advantage of the configuration of FIG. 7 is that the lens position is adjusted by the negative feedback loop, and therefore the lens position adjustment accuracy is high.
[0215]
However, the lens position adjustment mechanism is not limited to that shown in FIG. 7. The motor 513, the potentiometer 514, and the control circuit 92 are removed and a manual rotation mechanism is attached instead of the motor, so that the potentiometer 514 is replaced. A simple structure in which a graduation indicating the moving distance of the rotating frame is attached may be used. In particular, if a screw mechanism with a fine pitch as applied to a micrometer is applied to the rotation mechanism, a large rotation angle can be converted into a small movement distance, so that the movement distance can be accurately controlled. is there. In this case, instead of the read-only memory unit 921 in FIG. 7, it is necessary to prepare a table for calculating the moving distance of the rotating frame with respect to the environmental temperature fluctuation.
[0216]
The advantages of the mechanism for manually adjusting the lens position as described above are that the structure of the infrared imaging device is not complicated and the size and weight of the infrared imaging device itself can be reduced.
[0217]
The temperature variation of the focal length of the lens system can be suppressed by adjusting the lens position by any of the above-described automatic control or manual means, thereby suppressing an increase in the size of the projected image of the infrared detection element. And the swing angle of the horizontal scanning mirror can be reduced.
[0218]
As a result, an increase in the driving force of the horizontal scanner can be suppressed, and the size and weight of the horizontal scanner can be reduced. Therefore, the size and weight of the infrared imaging device itself can be reduced.
[0219]
FIG. 8 is a three-point optical angle detector of the present invention, and also shows a horizontal scanning mirror. FIG. 8 is a cross-sectional view of the three-point optical angle detector cut along a horizontal plane including the optical axis center of the three-point optical angle detector.
[0220]
In FIG. 8, 31 is a horizontal scanning mirror. Note that a three-point optical angle detector, which will be described later, detects that the horizontal scanning mirror is scanning the boundary between the effective scanning area and the invalid scanning area and outputs a pulse. An angle detector is not required.
[0221]
340 is a housing of the three-point optical angle detector 34 in FIG. 1 or FIG. 2, 341 is a light emitting diode, 342 is a collimator lens that collimates the output light of the light emitting diode, 343 is the collimator Reflection mirrors for reflecting the output light of the lens 342, 344, 344a and 344b are photodiodes, 345 is when the angle of the horizontal scanning mirror 31 is 45 ° with respect to the reflected light of the reflection mirror 343, and The angle of the horizontal scanning mirror at the boundary between the invalid scanning area and the effective scanning area is β °, and the reflected light is reflected when the angle of the horizontal scanning mirror is 45 ° ± β ° with respect to the reflected light of the reflecting mirror 343. A condensing lens for condensing on the light receiving surface of any one of the diodes 344, 344a and 344b, 346 includes the light emitting diode 341 and the photo diode 344. A bias is supplied to 344b, and the photodiodes 344 to 344b receive reflected light when the angle of the horizontal scanning mirror is 45 ° and 45 ° ± β °, and the photodiodes 344 to 344b It is a control board which supplies the pulse to output to the signal processing circuit 72 of FIG.
[0222]
Here, in the above, the expression is rounded, and when the angle of the horizontal scanning mirror 31 is equal to 45 ° and when it is equal to 45 ° ± β °, the reflected light is either one of the photodiodes 344, 344a and 344b. Although it is described that the light is condensed on the light receiving surface, when viewed in accordance with FIG. 8, the photodiode 344 actually receives light when the angle of the horizontal scanning mirror 31 is 45 °, and the horizontal scanning mirror 31. It can be seen that the photo diode 344a receives light when the angle is 45 ° + β °, and the photo diode 344b receives light when the angle of the horizontal scanning mirror 31 is 45 ° -β °.
[0223]
A description of the means for fixing the light emitting diode 341, the collimator lens 342, the reflection mirror 343, the photo diode 344, and the condenser lens 345 to the housing and the means for mounting the control board 346 is omitted because it is not necessary. Also, the horizontal scanning mirror 31 and the horizontal scanner control angle detector 32 are not described because they do not require description of the mounting means.
[0224]
FIG. 9 is a diagram showing an image data capturing signal and a temperature reference heat source data capturing signal according to the present invention.
[0225]
FIG. 9A shows the scanning waveform of the horizontal scanner. Actually, the waveform is rounded near the highest and lowest of the sawtooth-like waveform (see FIG. 14), but for simplicity of illustration, the rounded shape is removed and shown as a complete sawtooth waveform. Yes.
[0226]
FIG. 9 (b) is an output of the three-point optical angle detector of the present invention, and is a pulse that is output when the photodiode 344 in FIG. 8 detects that the angle of the horizontal scanning mirror is 45 °. . Since this is the output of the three-point optical angle detector when the angle of the horizontal scanning mirror is the center of the scanning range, it will be referred to as the center output of the three-point optical angle detector.
[0227]
FIG. 9 (c) shows the output of the three-point optical angle detector of the present invention. The photodiodes 344a and 344b in FIG. 8 detect that the angle of the horizontal scanning mirror is 45 ° ± β °. This is the output pulse. This is the output of the three-point optical angle detector when the horizontal scanning mirror is scanning the boundary between the effective scanning area and the invalid scanning area, and is therefore referred to as boundary output.
[0228]
Image data is taken in based on the center output in FIG. That is, image data capture is started at a time when a predetermined time TC has elapsed with reference to the pulse C output while the scanning angle is increasing in the center output. This time is the time when the horizontal scanner enters the scan in the effective scan area from the scan in the invalid scan area, and the scan speed is known by design, so the time TC can be set.
[0229]
Note that there is a time when the angle of the horizontal scanning mirror becomes 45 ° even during flyback, and the three-point optical angle detector outputs a pulse D at this time, but the scanning angle is reduced. Since a comparator for detection is provided and the pulse D can be easily masked by the output of the comparator, the image data capture timing is not erroneous.
[0230]
On the other hand, the acquisition of temperature reference heat source data is controlled using the boundary output of FIG. Since there are two temperature reference heat sources, the high temperature side and the low temperature side, two timings for acquiring the temperature reference heat source data are required. In this case, a pulse generated at the timing of transition from the effective scanning area to the ineffective scanning area is taken as a data intake pulse of the first temperature reference heat source (reference numeral E is added to FIG. 9 (D)). The pulse generated at the timing of transition from the effective scanning area to the ineffective scanning area may be used as the data acquisition pulse for the second temperature reference heat source (reference numeral F is added to FIG. 9D).
[0231]
As shown in FIG. 9C, the three-point optical angle detector outputs a pulse at the timing of transition between the effective scanning region and the invalid scanning region in addition to the pulses E and F. Since unnecessary pulses can be masked according to the same principle as described above, the timing for capturing the temperature reference heat source data is not erroneous.
[0232]
Since the light receiving surfaces of the photodiodes 344 to 344b in FIG. 8 have a finite area, the reflected light starts to be received before the angle of the horizontal scanning mirror reaches a predetermined angle. Since the reflected light continues to be received even after a predetermined angle, the pulse output directly from the photo diode has a trailing waveform and a wide pulse width, but the pulse output directly from the photo diode If it is set to output from the comparator when it is input to the comparator and exceeds the specified amplitude, the center output and the boundary output can be made a sharp pulse with a small pulse width. It can be used without any problem as a timing pulse for capturing reference heat source data.
[0233]
In the three-point optical angle detector of the present invention, the position where the reflected light is condensed is determined by the optical path length from the horizontal scanning mirror to the photodiode in FIG. 8, the focal length of the condenser lens, and the angle of the horizontal scanning mirror. Can be determined accurately. That is, the timing at which the center output and the boundary output are output exactly corresponds to the angle of the horizontal scanning mirror, and the situation in which the boundary output is not output never occurs.
[0234]
For this reason, it is not necessary to set a large swing angle of the horizontal scanning mirror in anticipation of angle detection errors, so that an increase in the driving force of the horizontal scanner can be suppressed, and the size and weight of the horizontal scanner can be reduced. Become.
[0235]
In addition, it is possible to generate a pulse that reliably captures image data at an accurate timing and a pulse that captures data of a temperature reference heat source, so that the reliability of image display of the infrared imaging device can be increased.
[0236]
FIG. 10 shows the configuration of the temperature reference heat source and the heat source introduction optical system of the present invention. FIG. 10 is a sectional view of the temperature reference heat source and the heat source introduction optical system cut along a horizontal plane including the optical axis center of the heat source introduction optical system.
[0237]
In FIG. 10, 4 is a temperature reference heat source, and 6 is a heat source introduction optical system.
[0238]
The temperature reference heat source 4 includes a thermo module 41, a temperature reference plate 42, a heat dissipation frame 45, an O-ring 46, a temperature reference heat source fixing screw 47, a shim 48, and a heat dissipation frame fixing screw 49.
[0239]
The heat source introduction optical system 6 includes a heat source introduction lens 61, a reflection mirror 62, and a heat source introduction optical system barrel 63.
[0240]
In the temperature reference heat source 4, the thermo module 41 is bonded and fixed to the heat dissipating frame 45 on one surface, and the other surface of the thermo module 41 is bonded and fixed to the temperature reference plate 42. .
[0241]
In the heat source introduction optical system 6, the heat source introduction lens 61 is attached and fixed to the heat source introduction optical system barrel 63, and the reflection mirror 62 is also attached and fixed to the heat source introduction optical system barrel 63.
[0242]
The heat dissipating frame 43 constituting the temperature reference heat source 4 is screwed and fixed to the heat source introducing optical system barrel 63 constituting the heat source introducing optical system 6 by the heat dissipating frame fixing screw 49. A groove that circulates in the heat dissipating frame 45 is formed on the mounting surface of the heat source introducing optical system barrel 63, and an O-ring is incorporated in the groove. As a result, it is possible to maintain high sealing performance at the mounting surface of the heat dissipating frame 45 on the heat source introducing optical system barrel 63.
[0243]
On the other hand, the airtightness between the heat source introduction lens 61 and the heat source introduction optical system barrel 63 is naturally high.
[0244]
Therefore, the space surrounded by the heat dissipating frame 45, the heat source introduction optical system barrel 63, and the heat source introduction lens 61 can be a space sealed from the outside space.
[0245]
For this reason, even if the surfaces of the thermo module 41 and the temperature reference plate 42 are below the dew point by enclosing a dry gas such as chemically inert nitrogen in the space, the thermo module 41 and the surface of the temperature reference plate 42 can be prevented from causing condensation.
[0246]
Further, the position of the reflecting mirror 62 with respect to the afocal lens system and the image lens system can be adjusted by the long hole 64 provided in the shim 48 and the heat source introducing optical system barrel 63.
[0247]
First, by adjusting the thickness of the shim 48, the position of the reflecting mirror 62 with respect to the image lens system can be adjusted, that is, the position in the direction B in FIG. 2 can be adjusted.
[0248]
Next, an afocal lens system is formed by displacing the heat dissipating frame 45 fixed to the heat source introducing optical system lens barrel 63 in a state where the temperature reference heat source fixing screw 47 is loosened in the direction of the long diameter of the long diameter hole 64. It is possible to adjust the position of the reflecting mirror 62 with respect to the angle, that is, to adjust the position in the direction A in FIG.
[0249]
The advantages of the configuration of FIG. 10 are as follows.
[0250]
That is, the temperature reference heat source 4 does not use heat radiation fins and fans, and the heat generation energy of the thermo module is directly released to the heat radiation frame 45. Therefore, the temperature reference heat source 4 itself can be reduced in size and simplified in structure. Can be made.
[0251]
Further, in the heat source introduction optical system 6, the configuration of the heat source introduction optical system itself can be simplified by directly attaching the reflection mirror 62 to the heat source introduction optical system barrel 63. Position adjustment of the reflecting mirror 62 with respect to the afocal lens system and the image lens system can be performed accurately and easily.
[0252]
Further, by confining the dry gas in the space between the temperature reference heat source 4 and the heat source introduction optical system 6, dew condensation on the surface of the thermo module 41 and the temperature reference plate 42 can be prevented.
[0253]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to realize an infrared imaging device that exhibits the effects listed below.
[0254]
Since the scanning angle of the horizontal scanner can be reduced, the size and mass of the horizontal scanner can be reduced.
[0255]
Since the projection size of the infrared detector on the first imaging plane of the afocal system can be kept constant, the scanning angle of the horizontal scanner can be reduced, and the size and mass of the horizontal scanner can be reduced. be able to.
[0256]
It is not necessary to set a large swing angle of the horizontal scanner in view of temperature fluctuations, and the size and mass of the horizontal scanner can be reduced.
[0257]
The mechanism for adjusting the relative position between the light beam and the reflecting mirror in the temperature reference heat source introduction system is simplified, and the infrared imaging device can be miniaturized.
[0258]
The heat absorption amount and heat generation amount of the thermo module that constitutes the temperature reference heat source can be released directly to the lens barrel of the temperature reference heat source introduction system, and the radiation fins and fans can be removed from the temperature reference heat source. The size of the reference heat source can be reduced. This is a miniaturization of the infrared imaging device.
[0259]
Since the pulse that directly captures the image data and the temperature reference heat source data is generated from the scanning angle of the horizontal scanner, it becomes possible to increase the reliability of the pulse generation, thereby increasing the reliability of the display of the infrared imaging device itself. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the configuration of an infrared imaging device according to the present invention (part 1).
FIG. 2 shows a configuration of an optical system of the infrared imaging device of the present invention.
FIG. 3 shows the configuration of an infrared imaging device according to the present invention (part 2).
FIG. 4 shows the position and horizontal scanning range of the reflecting mirror of the present invention.
FIG. 5 shows a required swing angle of the horizontal scanning mirror of the present invention.
FIG. 6 shows the relationship between the swing angle of the horizontal scanning mirror and the size of the horizontal scanning mirror.
FIG. 7 shows a configuration for adjusting a lens position according to the present invention.
FIG. 8 is a three-point optical angle detector according to the present invention.
FIG. 9 is an image data capture signal and a temperature reference heat source data capture signal of the present invention.
FIG. 10 shows a configuration of a temperature reference heat source and a heat source introduction optical system according to the present invention.
FIG. 11 shows a configuration of a conventional infrared imaging device.
FIG. 12 is a typical element arrangement of a one-dimensional infrared detection element.
FIG. 13 shows variations in the output of the infrared detection element.
FIG. 14 shows a scanning waveform of a horizontal scanner for obtaining a two-dimensional image.
FIG. 15 shows a conventional horizontal scanning range and a position of a reflecting mirror.
FIG. 16 shows a required swing angle of a conventional horizontal scanning mirror.
FIG. 17 shows the variation in the size of the projected image of the infrared detection element.
FIG. 18 shows a configuration of a conventional optical angle detector.
FIG. 19 shows a conventional image data capture signal and a temperature reference heat source data capture signal.
FIG. 20 shows a configuration of a temperature reference heat source, a heat source introduction optical system, and a reflection mirror.
[Explanation of symbols]
1 Infrared detector
2 Image lens system
2a Image lens system
3 Horizontal scanner
3a Horizontal scanner
4 Temperature reference heat source
4a Temperature reference heat source
4b Temperature reference heat source
4c Temperature reference heat source
5 Afocal lens system
5a Afocal lens system
6 Heat source introduction optical system
6a Heat source introduction optical system
7 Image processing system
7a Image processing system
8 Temperature reference heat source control system
9 Lens system position adjustment control system
11 Infrared detector
12 Cooler
13 Vacuum container
14 windows
21 The first lens in the image lens system
22 Shield plate
23 Vertical scanning mirror
24 Image lens system second lens
25 Folding mirror
26 Image lens system third lens
27 Motor
28 Potentiometer
29 Lens tube
31 Horizontal scanning mirror
32 Angle detector for horizontal scanner control
33 Horizontal scan driver
34 Three-point optical angle detector
34a Optical angle detector
41 Thermo module
42 Temperature reference plate
43 Heat dissipation fin
44 fans
45 Heat dissipation frame
46 O-ring
47 Temperature reference heat source fixing screw
48 Sim
49 Heat dissipation frame fixing screw
51 Objective lens unit
52 Relay Lens Unit
61 Temperature reference heat source introduction lens system
62 Reflection mirror
63 Heat source introduction optical system barrel
64 Long hole
71 amplifier
72 Signal processing circuit
72a Signal processing circuit
73 Image processing circuit
74 Monitor
81 High temperature side command voltage generation circuit
81a Low temperature side command voltage generation circuit
82 High-temperature side detection voltage generation circuit
82a Low-temperature detection voltage generation circuit
83 Adder circuit
83a Adder circuit
84 Power amplifier
84a Power amplifier
91 Temperature sensor
92 Control circuit
111 substrates
112 unit infrared detector
291 Rotating frame
292 Screw mechanism
293 ball bearing
294 gear
294a gear
295 gear
295a gear
341 Light Emitting Diode (LED)
342 Collimator lens
343 Reflector
344 Photodiode (PD)
344a Photodiode (PD)
344b Photodiode (PD)
345 condenser lens
346 Control board
346a Control board
511 Medium-field lens
512 Wide-field lens
513 motor
514 Potentiometer
521 Relay lens unit first lens
522 Relay lens unit second lens
523 tube
631 screw
632 First block
633 second block
634 Third block
635 screw
921 Read-only memory
922 Adder circuit
923 power amplifier

Claims (1)

水平走査方向に対して垂直方向に複数の素子が奇数領域列と偶数領域列とに整列配置されている一次元赤外線検知素子を使用し、測定対象物体が放射する赤外線像を結像するアフォーカル第一結像面上の有効走査領域の外側に設定される無効走査領域において温度基準熱源が放射する赤外線をアフォーカル・レンズ系に取り込んで赤外線検知素子のばらつきを補正して、有効走査領域に結像される赤外線画像を表示する赤外線撮像装置であって、
水平スキャナの走査範囲が、赤外線画像の視野の範囲に赤外線検知素子の幅を加えた領域の有効走査領域と、該有効走査領域の外側の温度基準熱源の赤外線を取り込むための無効走査領域とからなり、温度基準源が放射する赤外線を反射させる反射ミラーを、有効走査領域と無効走査領域の境界から水平スキャナの走査角の誤差と温度変動を含んだ反射ミラーの寸法誤差との和だけ離れて設置することを特徴とする赤外線撮像装置。An afocal that forms an infrared image emitted from the object to be measured using a one-dimensional infrared detector in which a plurality of elements are arranged in an odd-numbered and even-numbered array in the vertical direction with respect to the horizontal scanning direction. In the invalid scanning area set outside the effective scanning area on the first imaging surface, the infrared radiation emitted from the temperature reference heat source is taken into the afocal lens system to correct the variation of the infrared detecting element, and the effective scanning area An infrared imaging device for displaying an infrared image to be formed,
The scanning range of the horizontal scanner includes an effective scanning area in which the width of the infrared detecting element is added to the range of the visual field of the infrared image, and an invalid scanning area for capturing infrared rays of the temperature reference heat source outside the effective scanning area. Therefore, the reflecting mirror that reflects the infrared rays emitted from the temperature reference source is separated from the boundary between the effective scanning area and the ineffective scanning area by the sum of the horizontal scanner scanning angle error and the reflective mirror dimensional error including temperature fluctuation. An infrared imaging device characterized by being installed .

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