(57)【要約】      （修正有）【課題】装置が大型化するのを抑制することが可能な高感度撮像装置を提供することが可能な高感度撮像装置を提供する。【解決手段】この高感度撮像装置１００は、入射した光を波長帯毎の複数の光に分離する分光部１と、分光部１で波長帯毎に分離された複数の光を増幅する単一の増幅部２と、単一の増幅部２で増幅された光を撮像し、画像信号を生成する撮像部３と、撮像部において生成された前記画像信号から画像を生成する画像処理部４を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光を波長帯毎の複数の光に分離する分光部と、
前記分光部で波長帯毎に分離された複数の光を増幅する単一の増幅部と、
前記単一の増幅部で増幅された光を撮像し、画像信号を生成する撮像部と、
前記撮像部において生成された前記画像信号から画像を生成する画像処理部と、を備える、高感度撮像装置。
【請求項２】
前記画像処理部は、前記単一の増幅部の異なる画素位置における波長帯毎の画素値に基づいて、波長成分を合成する、請求項１に記載の高感度撮像装置。
【請求項３】
前記画像処理部は、前記単一の増幅部の同じ画素位置に入射した複数の波長帯の光を、同じ画素位置に入射した波長帯毎の光の比率に基づいて、波長成分を合成する、請求項１または２に記載の高感度撮像装置。
【請求項４】
前記分光部は、入射した光を波長帯毎に分離するフィルタを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の高感度撮像装置。
【請求項５】
前記分光部は、前記フィルタを透過した光を結像させる光学系と、前記光学系を透過した光が結像する結像位置に配置されたマイクロレンズアレイと、を含み、
前記マイクロレンズアレイは、前記フィルタによって波長帯毎に分離された状態で光を前記単一の増幅部の互いに異なる画素位置に各々照射する、請求項４に記載の高感度撮像装置。
【請求項６】
前記光学系は、前記フィルタを透過した光を結像させるレンズを含み、
前記フィルタは、入射した光が全て通過する絞り位置に配置されている、請求項５に記載の高感度撮像装置。
【請求項７】
前記単一の増幅部は、イメージ・インテンシファイアを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の高感度撮像装置。
【請求項８】
前記分光部は、可視光領域の光を赤色光と緑色光と青色光とに分離可能に構成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の高感度撮像装置。
【請求項９】
前記分光部は、可視光領域の赤色光と緑色光と青色光とに分離することに加えて、赤外領域の光または紫外領域の光も分離可能に構成されている、請求項８に記載の高感度撮像装置。
【請求項１０】
前記画像信号に基づいて制御信号を出力し、前記単一の増幅部および前記撮像部のゲインまたは露光時間をそれぞれフィードバック制御する制御部をさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の高感度撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高感度撮像装置に関し、特に、増幅部により増幅された光に基づいて画像を撮像する撮像部を備える高感度撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、増幅部により増幅された光に基づいて画像を撮像する撮像部を備える高感度撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、入射光を波長帯毎に分離するプリズムと、分離された複数の入射光をそれぞれ増幅する複数の増幅部と、各々の増幅部により増幅された出力光に基づいて画像を各々撮像する複数の撮像部とを備える暗視カメラ（高感度撮像装置）が開示されている。
【０００４】
ここで、上記特許文献１に記載されている増幅部は、入射した光が光電子に変換され、光電子の加速によりエネルギーを増倍（増幅）する。増倍された電子が蛍光面に衝突することにより、衝突した電子のエネルギーに応じて単色の光を出力するように構成されている。そのため、特許文献１では、入射した光をプリズムによって色毎に分離し、色毎に設けられた増幅部で増幅した後の出力光を撮像部で撮像し、画像を多色に再構成するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３０４４３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１のような従来の高感度撮像装置では、分離した色毎に増幅部と撮像部とを設けているため、その分、高感度撮像装置が大型化するという問題点がある。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、装置が大型化するのを抑制することが可能な高感度撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における高感度撮像装置は、入射した光を波長帯毎の複数の光に分離する分光部と、分光部で波長帯毎に分離された複数の光を増幅する単一の増幅部と、増幅部で増幅された光を撮像し、画像信号を生成する撮像部と、撮像部において生成された画像信号から画像を生成する画像処理部とを備える。
【０００９】
この発明の一の局面による高感度撮像装置では、上記のように、入射した光を波長帯毎の複数の光に分離する分光部と、分光部で波長帯毎に分離された複数の光を増幅する単一の増幅部と撮像部とを設けている。これにより、分光部において分離された異なる波長帯の光を単一の増幅部によって増幅することができるため、増幅部を複数設ける必要がない。その結果、増幅部を複数設ける場合と比べて装置が大型化するのを抑制することができる。また、増幅部を複数設ける必要がないので、部品点数が増加するのを抑制することができるとともに、装置構成を簡素化することができる。
【００１０】
上記一の局面による高感度撮像装置において、好ましくは、画像処理部は、単一の増幅部の異なる画素位置における波長帯毎の画素値に基づいて、波長成分を合成する。このように構成すれば、各画素位置の画素値が、波長帯毎の成分量（光の量）を現しているため、成分量に基づいて合成することにより、撮像した画像を多色の画像に再構成することができる。
【００１１】
上記一の局面による高感度撮像装置において、好ましくは、単一の増幅部の同じ画素位置に入射した複数の波長帯の光を、同じ画素位置に入射した波長帯毎の画素値に基づいて、波長成分を合成する。このように構成すれば、単一の増幅部の同じ画素位置に複数の波長帯の光が入射した場合であっても、画像の色を再構成することができる。
【００１２】
上記一の局面による高感度撮像装置において、好ましくは、分光部は、入射した光を波長帯毎に分離するフィルタを含む。このように構成すれば、プリズムを用いて分光する場合と比べて、大きさ（厚み）が小さいフィルタを用いて分光することができるため、装置が大型化するのを効果的に抑制することができる。
【００１３】
この場合、好ましくは、分光部は、フィルタを透過した光を結像させる光学系と、光学系を透過した光が結像する結像位置に配置されたマイクロレンズアレイと、を含み、マイクロレンズアレイは、フィルタによって波長帯毎に分離された状態で光を単一の増幅部の互いに異なる画素位置に各々照射する。このように構成すれば、フィルタによって波長帯毎に分離した光は、マイクロレンズアレイによって集光されずに波長帯毎に分離した状態を維持する。これにより、波長帯毎に分離した状態の光をそれぞれ単一の増幅部の異なる画素位置に入射させることができるので、複数の増幅部を設けなくとも波長帯毎に分離された光をそれぞれ増幅することができる。
【００１４】
上記一の局面による分光部が光学系とマイクロレンズアレイとを含む構成において、好ましくは、光学系は、フィルタを透過した光を結像させるレンズを含み、フィルタは入射した光が全て通過する絞り位置に配置されている。このようにすれば、絞り位置にフィルタを設けることにより外部（被写体）から入射する光を漏れなく波長帯毎に分離することができる。
【００１５】
上記一の局面による高感度撮像装置において、好ましくは、単一の増幅部は、イメージ・インテンシファイアを含む。このように構成すれば、単一のイメージ・インテンシファイアを用いて互いに異なる波長帯の光を増幅することができる。
【００１６】
上記一の局面による高感度撮像装置において、好ましくは、分光部は、可視光領域の光を赤色光と緑色光と青色光とに分離可能に構成されている。このように構成すれば、可視光領域の光をバランスよく分光することができるため、分光した赤色光、緑色光および青色光を各々増幅して再構成することにより画像の色をバランスよく再構成することができる。
【００１７】
この場合、好ましくは、分光部は、可視光領域の赤色光と緑色光と青色光とに分離することに加えて、赤外領域の光または紫外領域の光も分離可能に構成されている。このように構成すれば、可視光に加えて、赤外光または紫外光も増幅して撮像することができる。
【００１８】
上記一の局面による高感度撮像装置において、好ましくは、画像信号に基づいて制御信号を出力し、単一の増幅部および撮像部のゲインまたは露光時間をそれぞれフィードバック制御する制御部をさらに備える。このように構成すれば、増幅部と撮像部とを一元的に制御することにより、増幅部および撮像部の動作を互いに競合させることなく、輝度調整をスムーズに行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、装置が大型化するのを抑制することが可能な高感度撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一実施形態における高感度撮像装置の全体構成を示したブロック図である。
【図２】一実施形態における分光部の構成を示したブロック図である。
【図３】一実施形態におけるフィルタの一例を示した図である。
【図４】一実施形態におけるフィルタの別の例を示した図である。
【図５】一実施形態における分光部の構成の一例を示した図である。
【図６】一実施形態における増幅器の受光面の一例を示した図である。
【図７】一実施形態における光の波長帯毎の分離から画像の色の再構成までの流れの一例を説明するための図である。
【図８】一実施形態における光の波長帯毎の分離から画像の色の再構成までの流れの他の例を説明するための図である。
【図９】一実施形態におけるフィードバック制御を表すブロック図である。
【図１０】変形例におけるフィルタの例を示した図である。
【図１１】変形例におけるフィルタの別の例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１〜図９を参照して、本発明の一実施形態による高感度撮像装置１００の構成について説明する。
【００２３】
高感度撮像装置１００は、夜間や暗所でも光を増幅して撮像することが可能である。具体的には、高感度撮像装置１００は、たとえば、監視用カメラ、地上走行車両、航空機用の暗視装置、科学計測用高感度カメラなどに適用される。
【００２４】
図１に示すように、高感度撮像装置１００は、分光部１と、単一の増幅部２と、撮像部３と、画像処理部４とを備える。
【００２５】
分光部１は、高感度撮像装置１００に入射した光を波長帯毎の複数の光に分離する。波長帯としては、可視光領域（３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下）、可視光領域より波長の長い赤外領域、可視光領域よりも波長の短い紫外領域である。
【００２６】
図２に示すように、分光部１は、フィルタ５と、光学系６と、マイクロレンズアレイ７とを含む。フィルタ５は、入射した光を波長帯毎に分離する。フィルタ５は、特定の波長帯の光を透過し、それ以外の波長帯の光は吸収または反射することにより特定の波長帯の光を分離する光学フィルタである。フィルタ５は、可視光領域の光を赤色光、緑色光および青色光に分離可能である。また、可視光領域の光に加えて紫外領域の光または赤外領域の光を分離する構成も可能である。フィルタ５は、分離したい波長帯の光により適宜構成される。
【００２７】
フィルタ５は、たとえば、図３および図４に示すようなバンドパスフィルタである。図３に示すバンドパスフィルタは、第１フィルタ５ａ、第２フィルタ５ｂおよび第３フィルタ５ｃの３箇所でそれぞれ異なる波長帯の光を透過させる。たとえば、第１フィルタ５ａで赤色光を透過させ、第２フィルタ５ｂで緑色光を透過させ、第３フィルタ５ｃで青色光を透過させる。他の例では、図４に示すバンドパスフィルタは、第１フィルタ５ａ、第２フィルタ５ｂ、第３フィルタ５ｃおよび第４フィルタ５ｄの４箇所でそれぞれ異なる波長帯の光を透過させる。たとえば、第１フィルタ５ａで赤色光を透過させ、第２フィルタ５ｂで緑色光を透過させ、第３フィルタ５ｃで青色光を透過させ、第４フィルタ５ｄで赤外光を透過させる。第１フィルタ５ａ、第２フィルタ５ｂ、第３フィルタ５ｃおよび第４フィルタ５ｄは、それぞれ円弧形状に形成されている。
【００２８】
図５に示すように、光学系６は、フィルタ５を透過した光を結像するレンズ６ａを含む。フィルタ５は入射した光が全て透過する絞り位置に設けられている。たとえば、絞り位置は、絞り６ｂが設けられる絞り位置である。全ての光は絞り６ｂを通るため、絞り位置にフィルタ５を設けることで、全ての光を漏れなく波長帯毎に分離することができる。
【００２９】
マイクロレンズアレイ７は、複数の微小なレンズをアレイ状に集積したものである。マイクロレンズアレイ７は、レンズ６ａの結像位置に設けられる。マイクロレンズアレイ７をレンズ６ａの結像位置に設けることにより、フィルタ５で波長帯毎に分離した光は、波長帯毎の光に分離された状態で単一の増幅部２へ入射する。
【００３０】
単一の増幅部２は、イメージ・インテンシファイアを含む。イメージ・インテンシファイアは、レンズ６ａを含む光学系６を介して入射する光を増幅するように構成されている。具体的には、図６に示すように、イメージ・インテンシファイアは、光電面(図示せず)で光を電子に変換後、電子を増幅するマイクロチャンネルプレート２１を備える。フィルタ５で分離した光は電子に変換後、マイクロチャンネルプレート２１の異なるチャンネル２１ａで増幅された後、蛍光面（図示せず）によって光に変換され、蛍光面から出射するように構成されている。マイクロチャンネルプレート２１の各チャンネル２１ａが画素に相当するため、以下、増幅部の画素として説明する。なお、チャンネル２１ａの位置は、特許請求の範囲の「画素位置」の一例である。
【００３１】
イメージ・インテンシファイアによっては、増幅できる波長帯の光が異なっている。そのため、イメージ・インテンシファイアの増幅できる波長帯の光とフィルタ５の分離できる波長帯の光とを調整することにより撮像可能な波長帯の光を変更することができる。
【００３２】
イメージ・インテンシファイアの蛍光面（図示せず）から出力された出力光は、伝送部８によって撮像部３に伝送される（図９参照）。伝送部８は、たとえば、テーパファイバ、リレーレンズである。
【００３３】
撮像部３は、高感度かつ高解像度のセンサであり、イメージ・インテンシファイアからの光を受光し、撮像することによりモノクロ（単色）のデジタル画像を取得する。撮像部３は、たとえば、ＣＭＯＳやＣＣＤなどのイメージセンサである。撮像部３は、取得したデジタル画像を画像信号として画像処理部４に出力する。
【００３４】
画像処理部４は、撮像部３から出力された画像信号を受信するとともに、受信した画像信号に基づいて、画像を生成するように構成されている。受信した画像信号は、単色であるため、多色の画像にするために色を再構成する必要がある。外部から照射された光は、フィルタ５によって異なる波長帯の光に分離された後に、マイクロレンズアレイ７によって波長帯毎の光に分離した状態で電子に変換後、単一の増幅部２の異なるチャンネル２１ａの位置に入射する。画像処理部４は、単一の増幅部２の異なるチャンネル２１ａの位置における波長帯毎の成分比に基づいて、波長成分を合成する。
【００３５】
１つのチャンネル２１ａの位置に波長帯毎の光が混ざらずに入射する場合の画像の色の再構成について図７をもとに説明する。外部から照射された光は第１フィルタ５ａと第２フィルタ５ｂと第３フィルタ５ｃとにそれぞれ入射する。第１フィルタ５ａでは赤色光が透過し、第２フィルタ５ｂでは緑色光が透過し、第３フィルタ５ｃでは青色光が透過する。その後、透過された光はマイクロレンズアレイ７によって、波長帯毎に分離された状態で増幅部２に入射するそして、透過された光は、電子に変換後に、異なるチャンネル２１ａの位置（第１チャンネル２１１ａ、第２チャンネル２１２ａおよび第３チャンネル２１３ａ）に入射する。増幅部２で増幅された電子は光に変換後に伝送部８によって撮像部３に伝送され、撮像される。撮像部３で撮像された画像は単色であり、画像信号として画像処理部４に出力される。画像処理部４は、赤色光が入射した第１チャンネル２１１ａの画素値と緑色光が入射した第２チャンネル２１２ａの画素値と青色光が入射した第３チャンネル２１３ａの画素値とに基づいて撮像部３で撮像された画像の色を再構成する。このとき、フィルタ５で波長帯毎に分離された光が集約する。
【００３６】
１つのチャンネル２１ａの位置に複数の波長帯の光が混ざり合い入射する場合の画像の色の再構成について図８をもとに説明する。外部から照射された光は第１フィルタ５ａと第２フィルタ５ｂと第３フィルタ５ｃとにそれぞれ入射する。第１フィルタ５ａでは赤色光が透過し、第２フィルタ５ｂでは緑色光が透過し、第３フィルタ５ｃでは青色光が透過する。その後、透過された光はマイクロレンズアレイ７によって、波長帯毎に分離された状態で増幅部２に入射する。そして、透過した光は、電子に変換後に異なるチャンネル２１ａの位置（第１チャンネル２１１ａ、第２チャンネル２１２ａおよび第３チャンネル２１３ａ）に入射する。このとき、赤色光成分が、第１チャンネル２１１ａおよび第２チャンネル２１２ａに入射すると、第２チャンネル２１２ａには、赤色光成分と緑色光成分が混ざった状態になる。増幅部２で増幅された波長帯毎の電子は光に変換後、伝送部８によって撮像部３に伝送され、撮像される。撮像部３で撮像された画像は単色であり、画像信号として画像処理部４に出力される。このとき、赤色光と緑色光の成分が混ざって入射している第２チャンネル２１２ａについては、第２チャンネル２１２ａにおける赤色光と緑色光成分の入射比率に基づき画像の色を再構成する。たとえば、赤色光と緑色光との成分比率が、赤色光２０％、緑色光８０％の場合は、第２チャンネル２１２ａの画素値の２０％を赤色光で、８０％を緑色光で再構成する。比率は、光学シミュレーションによって取得してもよく、予め増幅部２を含まない高感度撮像装置１００に光を照射し、フィルタ５およびマイクロレンズアレイ７を透過した光がどのチャンネル２１ａの位置に入射するかを予め検証することにより求めておいてもよい。
【００３７】
図９に示すように、高感度撮像装置１００は、制御部９をさらに備える。制御部９は、画像信号を受信し、受信した画像信号から、ゲインまたは露光時間を調整するための制御信号を単一の増幅部２または撮像部３に制御信号を出力する。たとえば、出力が小さい場合は、ゲインを大きくするように制御信号を出力する。
【００３８】
（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００３９】
本実施形態では、上記のように、入射した光を波長帯毎の複数の光に分離する分光部１と、分光部１で波長帯毎に分離された複数の光を増幅する単一の増幅部２と撮像部３とを設けている。これにより、分光部１において分離された異なる波長帯の光を単一の増幅部２によって増幅することができるため、増幅部２を複数設ける必要がない。その結果、増幅部２を複数設ける場合と比べて装置が大型化するのを抑制することができる。また、増幅部２を複数設ける必要がないので、部品点数が増加するのを抑制することができるとともに、装置構成を簡素化することができる。
【００４０】
また、本実施形態では、上記のように、画像処理部４は、単一の増幅部２の異なるチャンネル２１ａの位置における波長帯毎の画素値に基づいて、波長成分を合成する。これにより、チャンネル２１ａの画素値が、波長帯毎の成分量（光の量）を現しているため、成分量に基づいて合成することにより、撮像した画像を多色の画像に再構成することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、上記のように、画像処理部４は、単一の増幅部２の同じチャンネル２１ａの位置に入射した複数の波長帯の光を、同じチャンネル２１ａの位置に入射した波長帯毎の光の成分比率に基づいて、波長成分を合成する。これにより、単一の増幅部２の同じチャンネル２１ａの位置に複数の波長帯の光が入射した場合であっても、画像の色を再構成することができる。
【００４２】
また、本実施形態では、分光部１は、入射した光を波長帯毎に分離するフィルタ５を含む。これにより、プリズムを用いて分光する場合と比べて、大きさ（厚み）が小さいフィルタ５を用いて分光することができるため、装置が大型化するのを効果的に抑制することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、分光部１は、フィルタ５を透過した光を結像させる光学系６と、光学系６を透過した光が結像する結像位置に配置されたマイクロレンズアレイ７と、を含み、マイクロレンズアレイ７は、フィルタ５によって波長帯毎に分離された状態で光を単一の増幅部２の異なるチャンネル２１ａの位置に照射する。その結果、波長帯毎に分離した状態の光をそれぞれ単一の増幅部２の異なるチャンネル２１ａの位置に入射させることができるので、複数の増幅部２を設けなくとも波長帯毎の光をそれぞれ増幅することができる。
【００４４】
また、本実施形態では、上記のように、光学系６は、フィルタ５を透過した光を結像させるレンズ６ａを含み、フィルタ５は、入射した光が全て通過する絞り位置に配置されている。これにより、絞り位置にフィルタ５を設けることにより外部（被写体）から入射する光を漏れなく波長帯毎に分離することができる。
【００４５】
また、本実施形態では、上記のように、単一の増幅部２は、イメージ・インテンシファイアを含む。これにより、単一のイメージ・インテンシファイアを用いて様々な波長帯の光を増幅することができる。
【００４６】
また、本実施形態では、上記のように、分光部１は、可視光領域の光を赤色光と緑色光と青色光とに分離可能に構成されている。これにより、可視光領域の光をバランスよく分光することができるため、分光した赤色光、緑色光および青色光を各々増幅して再構成することにより画像の色をバランスよく再構成することができる。
【００４７】
また、本実施形態では、上記のように、分光部１は、可視光領域の赤色光と緑色光と青色光とに分離することに加えて、赤外領域の光または紫外領域の光も分離可能に構成されている。これにより、可視光に加えて、赤外光または紫外光も増幅して撮像することができる。
【００４８】
また、本実施形態では、上記のように、画像信号に基づいて制御信号を出力し、単一の増幅部２および撮像部３のゲインまたは露光時間をそれぞれフィードバック制御する制御部９をさらに備える。これにより、増幅部２と撮像部３とを一元的に制御することにより、増幅部２および撮像部３の動作を互いに競合させることなく、輝度調整をスムーズに行うことができる。
【００４９】
［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００５０】
たとえば、上記実施形態では、分光部として第１フィルタ、第２フィルタ、第３フィルタおよび第４フィルタは、それぞれ円弧形状に形成されているバンドパスフィルタを用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。ローパスフィルタやハイパスフィルタにより構成してもよい。本発明では、分光部は、波長帯毎に光を分離できるフィルタであれば、第１フィルタ、第２フィルタ、第３フィルタおよび第４フィルタが図１０および図１１に示すような形状であってもよい。また、ベイヤーフィルタなどのフィルタであってもよい。
【００５１】
また、上記実施形態では、分光部としてフィルタを用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、分光部は、波長帯毎に光を分離できれば、特に限定されない。
【００５２】
また、上記実施形態では、分光部が可視光領域の光を赤色光と緑色光と青色光とに分離する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、分光部は、可視光領域の光を別の波長区分で分離してもよい。また、さらに細かく分けてもよい。
【００５３】
また、上記実施形態では、イメージ・インテンシファイアが、マイクロチャンネルプレートを備える例を示したが、本発明はこれに限られない。
【符号の説明】
【００５４】
１  分光部
２  増幅部
３  撮像部
４  画像処理部
５  フィルタ
６  光学系
６ａ  レンズ
７  マイクロレンズアレイ
９  制御部
１００  高感度撮像装置
【図１】
2020161901.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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