(57)【要約】【課題】高速度、高感度、高ダイナミックレンジを満たすファイバアレイカメラを提供する。【解決手段】ファイバアレイカメラは、被写体の画像を取り込む撮像ユニット１０と、撮像ユニット１０で取り込んだ光信号をデジタル画像信号に変換するデジタル処理ユニット３０と、撮像ユニット１０とデジタル処理ユニット３０とを接続する複合光ファイバケーブル２０とから構成されている。さらに、複数の光ファイバを束ね、各々の光ファイバの端面を１画素として撮像面が形成されたファイバアセンブリ１２と、ファイバアセンブリの撮像面に被写体の画像を結合する受光レンズ１１と、各々の光ファイバに結合し、１画素分の光信号を受光する複数の受光素子３１３とを備えた。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光ファイバを束ね、各々の前記光ファイバの端面を１画素として撮像面が形成されたファイバアセンブリと、
該ファイバアセンブリの前記撮像面に被写体の画像を結合する受光レンズと、
各々の前記光ファイバに結合し、１画素分の光信号を受光する複数の受光素子と
を備えたことを特徴とするファイバアレイカメラ。
【請求項２】
前記撮像面は、前記受光レンズの光軸上の一点を中心とした円弧の一部であることを特徴とする請求項１に記載のファイバアレイカメラ。
【請求項３】
前記ファイバアセンブリは、各々の前記光ファイバの端面が千鳥格子状に配列されていることを特徴とする請求項１に記載のファイバアレイカメラ。
【請求項４】
前記受光素子の出力電流を電圧に変換するプリアンプと、
該プリアンプで変換された電圧を、デジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
該Ａ／Ｄ変換器で変換されたデジタル信号を、１画素分のデジタル画像信号として逐次記憶するメモリと、
各々の前記メモリから前記１画素分のデジタル画像信号を読み出して、前記被写体のデジタル画像信号を構成して出力する画像信号出力手段と
を備えたことを特徴とする請求項１、２または３に記載のファイバアレイカメラ。
【請求項５】
前記受光素子の放熱のために、前記受光素子に接合された冷却素子を備えたことを特徴とする請求項４に記載のファイバアレイカメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバアレイカメラに関し、より詳細には、ファイバアレイと受光素子とを組み合わせた高速度カメラであるファイバカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、生命科学の分野では、細胞膜の電位分析において、光の強度で１／１０００程度の変化を、１０−１５秒の単位で観測することが求められている。このような現象を観測するためのカメラには、高速度、高感度、高ダイナミックレンジを有する撮像素子が必要となる。
【０００３】
しかしながら、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）方式の撮像素子は、画素サイズが５〜１０μｍと小さく高解像度を実現できるものの、画素を読み出すための電荷の転送速度が低く、高速度化が困難である。また、ＣＭＯＳ方式の撮像素子は、画素の読み出し速度は速いものの、トランジスタによるスイッチングノイズにより感度が低い。さらに、ＣＣＤ方式、ＣＭＯＳ方式ともに、画素間のクロストークの影響により感度が低く、ダイナミックレンジが狭いという欠点を有している。
【０００４】
一方、１本の光ファイバにより１画素の情報を転送し、光ファイバを束ねた光ファイバアレイにより２次元画像を転送し、ＣＣＤ方式の撮像素子とを組み合わせることにより、三次元アレイ・センサを実現することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２０１７２５号公報（第５〜７頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
三次元アレイ・センサに、被写体の画像を取り込むための光学系を配置して、ファイバアレイカメラを構成することができる。しかしながら、上述した撮像素子の性能の限界により、高速度、高感度、高ダイナミックレンジを実現することが難しいという問題があった。
【０００７】
一方、光通信の分野で用いられる受光素子は、高速度、高感度、高ダイナミックレンジを有しているものの、撮像素子の１画素を構成するのみであり、高解像度を得るための高集積化が難しいという問題もあった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高速度、高感度、高ダイナミックレンジを満たすファイバアレイカメラを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ファイバアレイカメラであって、複数の光ファイバを束ね、各々の前記光ファイバの端面を１画素として撮像面が形成されたファイバアセンブリと、該ファイバアセンブリの前記撮像面に被写体の画像を結合する受光レンズと、各々の前記光ファイバに結合し、１画素分の光信号を受光する複数の受光素子とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記撮像面は、前記受光レンズの光軸上の一点を中心とした円弧の一部であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の前記ファイバアセンブリは、各々の前記光ファイバの端面が千鳥格子状に配列されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載のファイバアレイカメラにおいて、前記受光素子の出力電流を電圧に変換するプリアンプと、該プリアンプで変換された電圧を、デジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器で変換されたデジタル信号を、１画素分のデジタル画像信号として逐次記憶するメモリと、各々の前記メモリから前記１画素分のデジタル画像信号を読み出して、前記被写体のデジタル画像信号を構成して出力する画像信号出力手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のファイバアレイカメラにおいて、前記受光素子の放熱のために、前記受光素子に接合された冷却素子を備えたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明は、光ファイバアレイと、フォトダイオードなどの受光素子とを組み合わせることにより、高速度、高感度、高ダイナミックレンジのファイバアレイカメラを実現する。
【００１５】
図１に、本発明の一実施形態にかかるファイバアレイカメラを示す。ファイバアレイカメラは、被写体の画像を取り込む撮像ユニット１０と、撮像ユニット１０で取り込んだ光信号をデジタル画像信号に変換するデジタル処理ユニット３０と、撮像ユニット１０とデジタル処理ユニット３０とを接続する複合光ファイバケーブル２０とから構成されている。また、ファイバアレイカメラは、デジタル画像信号を所定のフォーマットの画像信号に変換し、ネットワークに送出する通信ユニット４０を備えている。本実施形態では、一例として、３２×３２画素のファイバアレイカメラについて説明する。
【００１６】
撮像ユニット１０は、被写体の画像を、ファイバアセンブリ１２の撮像面に結合する受光レンズ系１１を備えている。ファイバアセンブリ１２は、３２×３２本の光ファイバの端面によって、撮像面が形成されている。複合光ファイバケーブル２０は、３２×３２本の光ファイバで構成され、１本の光ファイバにより１画素分の光信号を伝達する。
【００１７】
デジタル処理ユニット３０は、１画素分の光信号をデジタル画像信号に変換する画素処理部３２１〜３２ｎと、複合光ファイバケーブル２０の各光ファイバを画素処理部３２１〜３２ｎに振り分ける光ファイバ終端部３１と、１画素分のデジタル画像信号から、３２×３２画素のデジタル画像信号を構成して出力する画像信号出力部３３とを有している。画素処理部３２１〜３２ｎと画像信号出力部３３とは、内部バス３４で接続されている。
【００１８】
画像信号出力部３３は、画素処理部３２１〜３２ｎから１画素分のデジタル画像信号を逐次読み込んで、３２×３２画素の被写体の画像を構成する。通信ユニット４０は、画像信号出力部３３から被写体のデジタル画像信号を入力し、デジタル画像圧縮処理、画像フォーマット変換、通信フォーマット変換などの処理を行って、画像信号を出力する。なお、通信ユニット４０の処理の一部または全部を、画像信号出力部３３で行ってもよい。
【００１９】
図２に、本発明の一実施形態にかかるファイバアセンブリを示す。ファイバアセンブリ１２は、複合光ファイバケーブル収容された各光ファイバ１１１から、裸の光ファイバ１１２を引き出し、ガイドプレート１２１，１２２により固定したものである。ガイドプレート１２１，１２２は、金属板に３２×３２の穴を開けたプレートである。裸の光ファイバ１１２は、ガイドプレート１２１の一方の面に端面が形成され、撮像面を構成する。図２（ａ）は、撮像面が平面の場合を示している。
【００２０】
図２（ｂ）は、受光レンズ系１１との関係から撮像面を曲面にしたものである。例えば、受光レンズ系１１の光軸上の一点を中心とした円弧の一部を構成するようにする。
【００２１】
図３に、ファイバアセンブリの撮像面を示す。ガイドプレート１２１における裸の光ファイバ１１２の配置は、図３（ａ）に示すように格子状に配置されている。また開口率を上げるために、図３（ｂ）に示すように千鳥格子に配列することもできる。撮像面は、１画素を構成する光ファイバの数と受光レンズ系１１との関係から、目的に応じて開口面積を大きくすることができるので、感度を高くすることができる。
【００２２】
図４に、本発明の第１の実施形態にかかる画素処理部の構成を示す。１画素分の画素処理部３２は、受光部３０１とデジタル変換部３０２とから構成されている。受光部３０１は、光ファイバを接続するコネクタ３１１と、受光レンズ３１２と、受光素子３１３と、プリアンプ３１４とを備えている。受光素子３１３には、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ　Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）、ｐｉｎ−ＰＤなどを使用する。これら受光素子は、数ＧＨｚの高速度と、３６ｄＢ程度の高ダイナミックレンジを実現することができる。また、受光素子の種類を選択することにより、紫外から赤外まで、様々な波長帯域に対応することができる。さらに、受光素子が独立して配置されているので、撮像素子で問題となるクロストークがなく、感度が落ちることがない。
【００２３】
デジタル変換部３０２は、プリアンプ３１４の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３２１と、デジタル画像信号を一時記憶するＲＡＭ３２２とを備えている。また、Ａ／Ｄ変換器３２１とＲＡＭ３２２とに、クロック信号などの制御信号を供給する制御部３２３を有し、内部バス３４を介して、画像信号出力部３３に接続されている。
【００２４】
このような構成により、１画素分の光信号は、受光部３０１で電気信号に変換され、デジタル変換部３０２のＡ／Ｄ変換器３２１で、デジタル信号に変換されて、ＲＡＭ３２２に記憶される。例えば、クロック周波数１００ＭＨｚ、１４ビットのＡ／Ｄ変換器を用いることにより、４０ｄＢの高ダイナミックレンジと、１秒間に１億コマの高速度撮影が可能となる。ＲＡＭ３２２は、１６ＭバイトのＲＡＭを２個使用して、１６００万枚分のデジタル信号を記憶する。画像信号出力部３３は、内部バス３４を介して、ＲＡＭ３２２から１画素分のデジタル画像信号を逐次読み込んで、３２×３２画素の被写体の画像を構成する。
【００２５】
図５に、本発明の第２の実施形態にかかる画素処理部の構成を示す。受光部３０３は、ファイバアセンブリ１２の撮像面における１ライン分３２本の光ファイバをまとめて受光する。受光部３０３は、３２本の光ファイバを接続する複合コネクタ３３１と、集合レンズ３３２と、受光素子アレイ３３３と、プリアンプアレイ３３４とを備えている。１ライン分ごとにアレイ化することにより、受光部を小型化するとともに、受光部３０３を基礎単位として、様々な画素数のファイバアレイカメラを構成することが容易になる。
【００２６】
また、受光素子アレイ３３３とプリアンプアレイ３３４との放熱用の冷却素子３３５とを備えている。受光素子アレイ３３３の冷却により、暗電流を減少させ、感度を高めることができる。プリアンプアレイ３３４の出力は、各画素ごとに、図４に示したデジタル変換部３０２１〜３０２３２に接続される。なお、デジタル変換部３０２は、受光部３０３と同様に１ライン分を集積化した構成としてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の光ファイバを束ね、各々の光ファイバの端面を１画素として撮像面が形成されたファイバアセンブリと、ファイバアセンブリの撮像面に被写体の画像を結合する受光レンズと、各々の光ファイバに結合し、１画素分の光信号を受光する複数の受光素子とを備えたので、高速度、高感度、高ダイナミックレンジを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるファイバアレイカメラを示す構成図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるファイバアセンブリを示す構成図である。
【図３】ファイバアセンブリの撮像面を示す平面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる画素処理部の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる画素処理部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０　　撮像ユニット
１１　　受光レンズ系
１２　　ファイバアセンブリ
２０　　複合光ファイバケーブル
３０　　デジタル処理ユニット
３１　　光ファイバ終端部
３２１〜３２ｎ　　画素処理部
３３　　画像信号出力部
３４　　内部バス
４０　　通信ユニット
１１１　　光ファイバ
１１２　　裸の光ファイバ
１２１〜１２３　　ガイドプレート
３０１，３０３　　受光部
３１１　　コネクタ
３１２　　受光レンズ
３１３　　受光素子
３１４　　プリアンプ
３０２　　デジタル変換部
３２１　　Ａ／Ｄ変換器
３２２　　ＲＡＭ
３２３　　制御部
３３１　　複合コネクタ
３３２　　集合レンズ
３３３　　受光素子アレイ
３３４　　プリアンプアレイ
３３５　　冷却素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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