专利名称：热成像摄像机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有红外线探测器的红外(IP)测量设备，所述红外线探测器具 有至少一个传感器元件，所述传感器元件对红外线敏感，其中所述至少一个传感器元件连 接到分析电子器件上，通过所述分析电子器件能够得到所述至少一个传感器元件的与积分 持续时间有关的输出信号。本发明还涉及一种用于补偿红外测量设备的红外线探测器的由温度引起的漂移 的方法。
背景技术：
这种类型的红外测量设备和补偿方法是已知的，并被用作带有热辐射计的高温 计，或者被用作带有在红外线探测器内以网格状排列的多个热辐射计的、用于拍摄热成像 照片的热成像摄像机。热成像摄像机尤其被用于确定物体的表面温度状况。其经常被用在温度变化的环 境中。因而对建筑物外墙的热像分析既可以从内部进行也可以从外部进行。其中热成像摄 像机从温度较高的室内被带到温度较低的户外空气中。这样，摄像机在短时间内所经历的 温度变化达到数十K。这种温度变化造成偏移量变化或灵敏度变化，其如果不加以补偿就会 导致显著的测量值偏差。对此的原因一方面是在于热辐射计本身，另一方面是由于控制电 压和供电电压、时钟生成和外壳辐射、热成像摄像机的电子管和镜头的温度相关性。已知有不同的方法来避免这样的偏差或对其进行补偿。用于实现这类方法的过程 和电路例如在 DE69830731T1、DE102005010986B4、EP870181B1、EP1007920B1、EP1279011A2、 US5756999、US5760398、US5763885、US6028309、US6444983、US6465785、US6476392、 US6538250、US6690013、US5953932、US7030378、US7105818、US56515285 及 US56730909 中 描述。零点偏差例如可通过遮光器来加以校正。其中通过一个具有恒定和已知的温度的 平面的光路被关闭，并拍摄一幅参考图像。还有这样的建议即通过减去与基板热耦合的像 素的像素值来对偏移量偏差进行校正。同样还已知纯粹的数学校正，包括根据测得的温度 计算校正值，并从测得的像素值中减去该校正值。另外，还已知借助探测器电压有目的地改变探测器零点，作为零点校正的一种可 能的方案。除了零点偏差(偏移量)之外，热成像摄像机的灵敏度(增益)也可能随环境温 度而改变。对于这种坡度变化，过去同样也已知了不同的补偿和校正策略。另一种已知的方案涉及通过例如用珀耳帖元件主动稳定探测器温度来抑制对像 素平面的温度影响。为了避免对温度敏感的热辐射计由于环境温度波动而产生的影响，红 外线探测器往往具有温度稳定机制，其通过根据需要冷却或加热而将红外线探测器的工作 温度保持在恒定的预定温度值上。但这种温度稳定机制的成本很高，并具有高能耗，而这对 于简单的手持设备来说恰好是不希望有的。
另外，还已知一种用于后续数学校正的方法。最后，还已知对另一探测器电压进行 主动跟踪，以进行灵敏度调节。
发明内容
本发明的任务在于提供一种热成像摄像机，其具有简单的结构构造。为解决该任务，对于开始所述类型的红外测量设备，建议使红外线探测器与至少 一个温度传感器热耦合，并设置有用于通过所述至少一个温度传感器的输出信号来影响积 分持续时间的装置，该装置被设置为使得红外线探测器的由温度引起的漂移至少部分地、 尤其是在使用需求的范围内得以补偿，和/或使得所设定的红外测量设备的测量精度的由 温度引起的漂移完全得以补偿。其优点在于，积分持续时间可作为能够在调节回路中简单 匹配的参数而被保存，以便在当前占主导的工作条件下对红外测量设备的拍摄质量和/或 测量特性加以优化。这种匹配例如可通过软件来控制，而不需要在结构上以及在能耗方面 开销很大的电子控制电路，例如用于跟踪电压源或进行电流调节的电路。因而这种红外测 量设备的结构构造得以简化。所述由温度引起的漂移例如可能由于红外线探测器、尤其是至少一个传感器元件 的灵敏度随温度的改变而导致。这种由温度引起的漂移还可能通过至少一个传感器元件的 输出信号的零点随温度的偏移而受到影响。例如，所述红外测量设备可构造为高温计或作为热成像摄像机。有利的是，本发明可应用在具有传感器元件的红外测量设备的情况下，所述传感 器元件的输出信号可通过积分持续时间而受到影响。例如，这种积分持续时间可能是对该 输出信号进行采集和/或分析的时间段。所述传感器元件例如可设计成悬梁式元件，在这 种元件中所出现的红外线使得由于具有不同热膨胀系数的材料的材料加热而导致材料形 变，其中这种材料形变可通过所设计的装置以电阻、电容、电感、光学或其它方式被检测，并 被处理成输出信号。特别优选的是，所述传感器元件是热辐射计。在热辐射计的情况下，例如通过对于 确定热辐射计内的欧姆电阻的积分持续时间的变化而对输出信号施加影响。为了检测温度或热成像照片可以建议红外线探测器具有网格状排列的多个传感 器元件，这些传感器元件连接到分析电子器件上。这种网格状排列最好位于进行拍摄的红 外光学器件的焦平面上，和/或集成在一个焦平面阵列(FPA)组件的焦平面设置内。这些 传感器元件由此构成了 FPA组件和所拍摄的热图的像素。在本发明的一个实施例中可以建议为了检测与积分持续时间有关的输出信号， 设置有用于检测在积分持续时间内流过所述传感器元件的电荷量的装置，尤其是用于确定 在积分持续时间内经由所述至少一个传感器元件以预定的电压聚集到一个电容上的电荷
量的装置。能够用至少一个温度传感器检测红外线探测器的外壳部件的温度或者该红外线 探测器的温度对于许多目的来说就已经足够了。能够用至少一个温度传感器检测紧邻该至 少一个传感器元件附近的温度实现了红外测量设备的特别良好的使用特性。例如可以建 议能够用至少一个温度传感器检测网格状排列的传感器元件中的多个传感器元件或者甚 至是所有传感器元件的平均温度。
根据本发明的一个实施例可以建议至少一个传感器元件，尤其是网格状排列的 所有传感器元件，被固定在一个基板上，并且能够用至少一个温度传感器检测该基板的温度。作为替代或者附加地建议使用第二温度传感器来检测红外线探测器的外壳的温 度，并且所述第二温度传感器的输出信号如此影响积分持续时间，使得红外线探测器由温 度造成的漂移至少部分得到补偿。在改进方案中，至少一个传感器元件的供电电子器件的温度漂移通过温度传感器 来检测并如上所述得以补偿，其中所述供电电子器件提供了用于驱动和/或读取和/或控 制至少一个传感器元件所需的电压和/或电流。用于改变积分持续时间的一种特别简单的可能方案是通过可调节的时钟发生器 来确定积分持续时间。为了读取至少一个传感器元件的输出信号，可以建议所述分析电子器件具有模 /数转换器，该模/数转换器将至少一个传感器元件和/或至少一个温度传感器的输出信号 以数字形式提供给控制器。为了影响至少一个传感器元件的输出信号以补偿温度漂移，可以建议所述控制 器具有用于影响积分持续时间的装置，尤其是用于控制时钟发生器的装置。为了驱动至少一个传感器元件，可以设置一个电子电路，该电子电路被设置为向 至少一个传感器元件供给恒定的驱动电压。所述任务还通过开始所述类型的方法来解决，其中红外线探测器与至少一个温度 传感器热耦合，并且所述至少一个温度传感器元件的输出信号如此影响积分持续时间，使 得红外线探测器由温度造成的漂移至少部分得以补偿。其中具有优点的是，能够在大的环境温度范围内确保红外线探测器的恒定灵敏度。该方法在红外测量设备的情况下、例如在高温计的情况下可采用一个单个的传感 器元件，或者是在红外测量设备的情况下可采用多个传感器元件。在一种实施方式中例如 建议该红外线探测器具有网格状排列的多个传感器元件，这些传感器元件由分析电子器 件进行分析。从而利用本发明所述方法得到了经过补偿的热成像摄像机。为了检测到与积分持续时间有关的输出信号，可以建议确定在积分持续时间内 流过所述传感器元件的电荷量，尤其是确定在积分持续时间内经由所述传感器元件以预定 的电压聚集到一个电容上的电荷量。本发明的优点是，能够用至少一个温度传感器检测红外线探测器的外壳部件的温 度或者该红外线探测器的温度对于许多目的来说就已经足够了。但是，为了对传感器元件 的温度漂移进行效率特别高或特别精确的补偿，也可以建议用至少一个温度传感器检测 该至少一个传感器元件的空间附近内的温度，尤其是检测网格状排列的传感器元件中的多 个传感器元件或者甚至是所有传感器元件的平均温度。为此，所述至少一个温度传感器与 所述传感器元件热耦合，即在它们之间具有良好的热传导性。为了检测平均温度，例如可以 建议相关的传感器元件以良好的热传导性耦合到一个部件体上，并且所述的至少一个温 度传感器检测该部件体的温度。为了考虑环境温度影响，可以建议使用第二温度传感器，它来检测红外线探测器的外壳的温度，并且所述第二温度传感器的输出信号如此影响积分持续时间，使得红外线 探测器由温度造成的漂移至少部分得以补偿。积分持续时间例如可通过时钟发生器来确定。例如，积分持续时间路可通过时钟发生 器产生的特定数目的时钟节拍和/或通过时钟发生器处的时钟信号的时间周期或时钟信号频 率来确定。其中，通过有目的地改变对红外线探测器进行控制的时钟节拍，构成像素的传感器 元件的积分持续时间随环境温度或探测器温度而变化，使得由于环境造成的灵敏度变化最小。 这样可以将探测器信号换算成辐射测量得到的现场温度，其中只用到一条单个的特征曲线。积 分持续时间与至少一个温度传感器的输出信号之间的相关性可作为特征曲线而被保存。其中，积分持续时间的变化可以这样来设计，使得不仅对形成像素的传感器元件 的温度相关性进行补偿，还对用于产生供电和控制电压的调节装置、即提供驱动传感器元 件所需的驱动电压或驱动电流的电子电路的温度相关性进行补偿。作为替代或者补充，可 以这样来设计积分持续时间的变化，从而对时钟生成的温度相关性进行补偿。为了分析至少一个传感器元件的输出信号，可以建议分析电子器件具有模/数 转换器，它将至少一个传感器元件和/或至少一个温度传感器的输出信号转换成数字形式 并提供给控制器。其中可以建议控制器对积分持续时间施加影响，尤其是对时钟发生器进行控制。利用本发明所述方法，可以省去对至少一个传感器元件的控制电压的后续调节。 因此可以建议用恒定的控制电压来驱动至少一个传感器元件。该控制电压是在一个为此 而设置的电子电路中提供的。这样，本发明可以实现一种用于对至少一个传感器元件的像素灵敏度的环境影响 进行校正的新颖的方法。该方法无需对温度进行恒温调节就可执行，并且为传感器元件提 供了很高的动态范围。根据本发明可以建议在制造红外测量设备时的工件校准中对于每个红外测量设 备确定一条特征曲线，在后续工作中，借助该特征曲线针对相应的当时占主导的环境条件、 尤其是针对环境温度，设定一个积分持续时间，利用该积分持续时间实现了红外线探测器 的一个或多个传感器元件的恒定灵敏度。其中该环境条件可通过一个或多个在红外测量设 备处测得的温度和/或通过红外线探测器或传感器元件的温度给出。特别有利的是，如此进行工件校准，使得红外测量设备或者该红外测量设备的至 少所有在其它环境温度下表现出灵敏度变化的组成部件或模块被放置到具有不同环境温 度的温度室内。其中在各种在所述温度室内设定的环境温度下，通过选择积分持续时间对 红外测量设备的灵敏度进行调节，使得红外测量设备的温度相关性在很大程度上被减小或 者甚至被消除。优选的是，红外测量设备的灵敏度借助于在至少两个射线源处进行的测量而确 定。使用设置在红外测量设备内或者其上的温度传感器读出的值作为参照。这样，利用本发明可以对红外线探测器以及与之相连的电子器件对红外测量设备 的测量信号的温度影响加以考虑。由此能够实现红外测量设备的恒定的光学灵敏度。
现在借助一个实施例更详细地描述本发明，但本发明并不限于该实施例。其它实施例通过权利要求书中的各技术特征和/或该实施例的各技术特征的相互组合而获得。在唯一的附图1中以示意图的形式示出了本发明所述热成像摄像机的电路结构。
具体实施例方式附图中示出了一个红外测量设备，它被实现为整体上用附图标记1来表示的热成 像摄像机。热成像摄像机1具有一个红外线探测器2。该红外线探测器2具有带有网格状排 列的热辐射计29的FPA 3。所述热辐射计29对红外线敏感，所述红外线经由红外光学器件4和光阑系统5到 达 FPA 3。所到达的红外线在FPA 3中产生输出信号，该输出信号由视频放大器6检测到，并 作为视频信号7经由多路复用器8被传送到模/数转换器9。模/数转换器9将该视频信 号7转换成数字信号10，该数字信号10被传送到控制器11。控制器11用于控制该系统。该控制器包括用于对FPA 3中的热辐射计29的输出 信号进行分析的分析电子器件30的一部分。模/数转换器9同样构成了分析电子器件30 的一部分。控制器11控制一个数/模转换器13，该数/模转换器13基于这种控制而提供用 于向红外线探测器2供电的控制电压14和15。控制电压14通常用于增益匹配，而控制电 压15用于偏移量匹配。但在本发明的这个实施例中，电压14恒定地保持在一个预定值。在红外线探测器2的FPA 3上导热地耦合有一个未进一步示出的集成的温度传感 器。FPA 3的这个温度传感器的输出信号27经由共用的多路复用器8被传送到模/数转换 器9，该模/数转换器9将输出信号27以数字化的形式传送给控制器11。控制器11根据FPA 3的温度传感器所检测到的输出信号27生成一个控制信号 18，该控制信号18对数/模转换器13进行控制，使得规定的模拟电压19被传送给一个由 电压控制的振荡器20 (电压控制振荡器VC0)。通过这个模拟电压19对VCO频率及由此对 用于时钟节拍数据存储器21的系统时钟进行调节，使得在红外线探测器处对积分持续时 间进行的测量恰好持续到使得对红外探测器2处的温度的坡度灵敏度保持近似恒定，并与 通过FPA 3的温度传感器检测到的温度无关。为此，所述积分持续时间通过将一个集成信 号22施加到红外线探测器2而被给定。这样，红外线探测器2由温度引起的漂移通过积分 持续时间的变化而得以补偿。通过控制器11与由电压控制的振荡器的所述总体作用，构成了用于影响积分持 续时间的装置，该装置被设置为对红外线探测器2的由温度引起的漂移进行补偿。在积分持续时间期间这样来确定流过热辐射计29的电荷量使得在积分持续时 间内通过热辐射计29以预定电压聚集到一个未进一步示出的电容上的电荷量被确定。为 此，在红外线探测器2内集成了用于检测相应的电荷量的装置。这一过程对于FPA 3的热 辐射计29周期性地重复执行，并被进一步处理以生成输出信号12。所述补偿最好是在红外线探测器7本身的测量时间之外进行。其中在补偿期间 FPA 3的光路通过遮光器23截断。遮光器23由一个可构造为电机的闭合装置24驱动。这个闭合装置24通过一个来自控制器11的闭合信号25触发，从而使遮光器23被置于光阑系统5的光阑开口 28前时钟数据存储器21是可编程的，其中预先设定的值通过与控制器11的连接26而 进行交换。这些预先设定的值对应于在规定的FPA温度下所希望的积分时间。为了考虑到其它环境影响，在红外线探测器2的外壳部件上设置了另一温度传感 器16，它与所述外壳部件以具有良好热传导的方式热耦合。这个温度传感器16的输出信号 17经由同样也用于FPA 3的温度传感器的输出信号27的同一多路复用器8被传送到模/ 数转换器9，并在那里被数字化。经过数字化的信号10被传送给控制器11以进一步处理， 并像对于输出信号27所描述的那样被用于跟踪积分持续时间。在热成像摄像机1的校准过程中，为此在使用之前或者在使用中在温度校准时确 定一条特征曲线，该特征曲线表明了在FPA 3上或者在红外线探测器2上普遍占主导的温 度与FPA 3中的热辐射计对于规定的现场温度的坡度、即灵敏度之间的关系。在传感器工 作时，借助这种特征曲线及在温度传感器16或FPA 3的温度传感器上测得的温度，红外线 探测器的坡度灵敏度始终与使用温度传感器16或FPA 3的温度传感器检测到的环境温度 无关地保持在一个恒定的值。该特征曲线被保存在时钟数据存储器21中。在红外测量设备1中设置有至少一个对于红外线敏感的传感器元件29，它生成一 个与入射到所述至少一个传感器元件29上的红外线相关的输出信号12。其中建议该输出 信号12可通过积分持续时间变到一个预定的入射射线，并检测施加到所述至少一个传感 器元件29上的瞬时温度，将其应用于改变所述积分持续时间，从而补偿温度波动对所述至 少一个温度传感器29的输出信号12或灵敏度的影响。
权利要求
一种带有红外线探测器(2)的红外测量设备(1)，所述红外线探测器具有至少一个传感器元件(29)，所述传感器元件对红外线敏感，其中所述至少一个传感器元件(29)连接到分析电子器件(9，11，30)上，通过所述分析电子器件能够得到所述至少一个传感器元件(29)的与积分持续时间有关的输出信号(12)，其特征在于，所述红外线探测器(2)与至少一个温度传感器(16)热耦合，并设置有用于通过所述至少一个温度传感器(16)的输出信号(17，27)来影响积分持续时间的装置(11，20，21)，该装置被设置为使得红外线探测器(2)的由温度引起的漂移至少部分地得以补偿。
2.根据权利要求1的红外测量设备，其特征在于，所述红外测量设备⑴被构造为高温计。
3.根据权利要求1或2的红外测量设备，其特征在于，所述红外测量设备被构造为热成 像摄像机(1)。
4.根据权利要求1至3中任一项的红外测量设备，其特征在于，所述传感器元件是热辐 射计(29)。
5.根据权利要求1至4中任一项的红外测量设备，其特征在于，所述红外线探测器(2) 具有网格状排列(3)的传感器元件(29)，这些传感器元件连接到所述分析电子器件(9，22， 30)。
6.根据权利要求1至5中任一项的红外测量设备，其特征在于，为了检测与积分持续时 间有关的输出信号(12)，设置有用于检测在积分持续时间内流过所述传感器元件的电荷量 的装置，尤其是用于确定在积分持续时间内经由所述至少一个传感器元件(29)以预定电 压(14，15)聚集到一个电容上的电荷量的装置。
7.根据权利要求1至6中任一项的红外测量设备，其特征在于，所述至少一个传感器元 件(29)、尤其是网格状排列(3)的所有传感器元件(29)被固定在一个基板上，并能够用所 述至少一个温度传感器来检测所述基板的温度。
8.根据权利要求1至7中任一项的红外测量设备，其特征在于，设置有第二温度传感器 (16)，利用所述第二温度传感器能够检测红外线探测器(2)的外壳的温度，并且设置有用 于通过所述第二温度传感器(16)的输出信号(17)影响积分持续时间的装置(11，20，21)， 该装置被设置为使得红外线探测器(2)的由温度引起的漂移至少部分地得到补偿。
9.根据权利要求1至8中任一项的红外测量设备，其特征在于，积分持续时间通过时钟 发生器(20)来确定。
10.根据权利要求1至9中任一项的红外测量设备，其特征在于，所述分析电子器件 (9，11，30)具有模/数转换器(9)，该模/数转换器将所述至少一个传感器元件(29)和/ 或至少一个温度传感器(16)的输出信号(12，7)以数字形式提供给控制器(11)。
11.根据权利要求1至10中任一项的红外测量设备，其特征在于，所述控制器(11)具 有用于影响积分持续时间的装置，尤其是用于控制(18，26)所述时钟发生器(20，31)的装 置(13，21)。
12.根据权利要求1至11中任一项的红外测量设备，其特征在于，设置有一电子电 路(13)，该电子电路被设置为用于以恒定的控制电压(14)控制所述至少一个传感器元件 (9)。
13.一种用于补偿红外测量设备(1)的红外线探测器(2)的由温度引起的漂移的方法，其中所述红外线探测器(2)具有至少一个传感器元件(29)，其中所述至少一个传感器元件 (29)连接到分析电子器件(9，11，30)上，其中所述分析电子器件(9，11，30)得到所述至少 一个传感器元件(29)的与积分持续时间有关的输出信号(17)，其特征在于，所述红外线探 测器⑵与至少一个温度传感器(16)热耦合，所述温度传感器(16)的输出信号(17，27) 影响积分持续时间，使得红外线探测器(2)的由温度引起的漂移至少部分地得以补偿。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，所述红外线探测器⑵具有网格状排列⑶ 的传感器元件(29)，这些传感器元件由所述分析电子器件(9，11，30)进行分析。
15.根据权利要求13或14的方法，其特征在于，为了检测与积分持续时间有关的输出 信号(12)，确定在积分持续时间内流过所述传感器元件的电荷量，尤其是确定在积分持续 时间内经由所述传感器元件以预定电压(14，15)聚集到一个电容上的电荷量。
16.根据权利要求13至15中任一项的方法，其特征在于，用所述至少一个温度传感器 检测所述至少一个传感器元件(29)的温度，尤其是检测网格状排列(3)的传感器元件(29) 中的多个传感器元件或者甚至是所有传感器元件(29)的平均温度。
17.根据权利要求13至16中任一项的方法，其特征在于，使用第二温度传感器(16)来 检测红外线探测器(2)的外壳的温度，并且所述第二温度传感器(16)的输出信号(17)影 响积分持续时间，使得红外线探测器的由温度引起的漂移至少部分地得到补偿
18.根据权利要求13至17中任一项的方法，其特征在于，积分持续时间通过时钟发生 器(20，21)来确定。
19.根据权利要求13至18中任一项的方法，其特征在于，所述分析电子器件(9，11， 30)具有模/数转换器(9)，该模/数转换器将所述至少一个传感器元件(29)和/或所述 至少一个温度传感器(16)的输出信号(7，17，27)转换成数字形式并提供给控制器(11)。
20.根据权利要求13至19中任一项的方法，其特征在于，所述控制器(11)影响积分持 续时间，尤其是控制所述时钟发生器(20，21)。
21.根据权利要求13至20中任一项的方法，其特征在于，用恒定的控制电压(14)来驱 动所述至少一个传感器元件(29)。
全文摘要
在红外测量设备(1)中设置了至少一个对红外线敏感的传感器元件(29)，所述传感器元件生成与入射到至少一个传感器元件(29)上的射线有关的输出信号(12)。其中建议该输出信号(12)能够通过积分持续时间被变到一个预定的入射射线，并检测施加到所述至少一个传感器元件(29)上的瞬时温度，将其用于改变积分持续时间，从而补偿温度波动对所述至少一个传感器元件(29)的输出信号(12)的影响。
文档编号H04N5/365GK101919236SQ200880125121
公开日2010年12月15日 申请日期2008年12月22日 优先权日2008年1月19日
发明者A·梅塞施米德, K·舒勒, M·斯特拉特曼 申请人:特斯托股份公司