技术领域
[0001] 本
发明涉及一种带有红外线探测器的红外(IP)测量设备。
[0002] 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
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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
[0011] 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。
[0012] 为解决该任务，对于开始所述类型的红外测量设备，所述红外测量设备的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被构造为热辐射计并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，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，其中在一条特征曲线中表明了在红外线探测器上占主导的温度与红外线探测器中的热辐射计对于规定现场温度的坡度之间的关系，借助该特征曲线针对相应的当时占主导的环境条件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传感器元件的恒定灵敏度。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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 所述任务还通过开始所述类型的方法来解决，其中所述红外线探测器具有至少一个传感器元件，其中所述至少一个传感器元件被构造为热辐射计并连接到分析电子器件上，其中所述分析电子器件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，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，其中在一条特征曲线中表明了在红外线探测器上占主导的温度与红外线探测器中的热辐射计对于规定现场温度的坡度之间的关系，借助该特征曲线针对相应的当时占主导的环境条件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传感器元件的恒定灵敏度。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 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。
[0037] 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。
[0038] 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。
[0039] 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。
[0040] 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。
[0041] 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。
[0042] 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。
附图说明
[0043] 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。
[0044] 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。
具体实施方式
[0045] 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。
[0046] 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。
[0047] 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。
[0048] 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。
[0049] 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。
[0050] 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。
[0051] 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。
[0052] 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VCO)。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。
[0053] 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。
[0054] 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。
[0055] 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。
[0056] 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前面。
[0057] 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。
[0058] 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。
[0059] 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。
[0060] 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。
