(57)【要約】【課題】  高速現象に対する光学的イメージ情報の検出適性を高める。【解決手段】  この発明の高速撮像素子は、光ファイバー１０の一側端１０Ａとフォトダイオードの配置態様に２次元と１次元という大差があっても、入射光が光ファイバー１０を通る間に光ファイバー１０の光路の配置によってマッピング用変換が行われ、入射光は光ファイバー１０からフォトダイオードへ確実に伝達されて電気信号へ変換されることで２次元画像情報が検出される。その結果、フォトダイオードの側の配置態様を１次元アレイの配置態様として、フォトダイオードの下方へ信号記憶部の配設エリアを十分に確保し、各信号記憶部の信号転送セルの数を多くして連続撮影できる枚数を増やすことで高速現象に対する光学的イメージ情報の検出に好適な構成にできる。【選択図】        図２
2005051060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的イメージ情報を保持している入射光の受光面に一側端が配置されているとともに一側端で受光した前記入射光が他側端から出力される複数の光導波路と、光導波路の他側端から出力される前記入射光が投影される検出面に各光導波路に対応して配置されているとともに各光導波路の他側端から出力される前記入射光を受光して光学的イメージ情報としての電気信号に変換する光電変換手段と、入射光が光導波路を通る間に光導波路の一側端と光電変換手段の配置態様の差に応じたマッピング用変換あるいは光導波路同士の間に生じさせる入射光の通過時間の差に応じたタイムラグ用変換を行うマッピング用／タイムラグ用変換手段とを備えていることを特徴とする光学的イメージ情報検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学的イメージ情報検出装置において、マッピング用／タイムラグ用変換手段によるマッピング用変換が、光導波路の光路の配置により行われる光学的イメージ情報検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学的イメージ情報検出装置において、マッピング用／タイムラグ用変換手段によるタイムラグ用変換が、光導波路同士の間に付けられたファイバー長さの相違、あるいは、光導波路に設置された通過時間の差に応じた時間遅れをもたらす光遅延素子により行われる光学的イメージ情報検出装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載の光学的イメージ情報検出装置において、光学的イメージ情報を保持している入射光である被写体の光学像が投影される受光面に光導波路の一側端が２次元配列ラインに沿って配置されており、各光電変換手段ごとに光電変換手段から出力される光学的イメージ情報としての電気信号を複数個記憶する信号記憶手段が接続されていて、被写体の光学像が光電変換手段により電気信号に変換されて光学的イメージ情報としての被写体の二次元画像情報が検出されて信号記憶手段によって記憶される光学的イメージ情報検出装置。
【請求項５】
請求項１から３までのいずれかに記載の光学的イメージ情報検出装置において、光学的イメージ情報を保持している入射光である分光スペクトルの測定対象光が分光投影される受光面に光導波路の一側端が２次元配列ラインに沿って横または縦の一方のライン毎に光導波路が受光する光の波長が順次同様に変化するかたちで配置されているとともに、マッピング用／タイムラグ用変換手段によるタイムラグ用変換が前記横または縦の一方のライン毎に順に所定の時間ずつ入射光の通過時間の差が付くように行われるのに加え、各光電変換手段から出力される光学的イメージ情報としての電気信号を転送する信号転送手段が接続されていて、分光スペクトルの測定対象光が光電変換手段により電気信号に変換されて光学的イメージ情報としての測定対象光の分光スペクトル情報が検出されて信号転送手段によって転送される光学的イメージ情報検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、爆発現象や燃焼現象の２次元画像（２次元の光学的イメージ）や蛍光消滅現象の分光スペクトル（１次元の光学的イメージ）など種々の現象における光学的イメージ情報を検出する装置に関し、特に高速現象に対する光学的イメージ情報の検出適性を高めるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速現象の光学的イメージ情報検出装置として、１画面の撮影時間が１μ秒（１００万枚／１秒）というような高速度で（例えば、爆発，破壊，燃焼などの）高速現象を撮影し高速現象における２次元画像情報（光学的イメージ情報）を検出する高速撮像素子を備えた高速撮影装置（高速ビデオカメラ）が、科学的計測等に用いられている。
【０００３】
従来の高速撮像素子の場合、図１６に示すように、被写体の光学像が投影される面に、入射光を受光して２次元画像情報としての電気信号を発生するフォトダイオード５１が例えば８万画素分、２次元配列ラインに沿ってマトリックス状に配置されており、各フォトダイオード５１には電子シャッタリング毎に信号取出ゲート５２によってフォトダイオード５１から取り出される電気信号を２次元画像情報として蓄積するＣＣＤセルＣ１〜Ｃ２４からなる信号記憶部５３が付設されている。
【０００４】
光学レンズ（図示省略）を介して被写体の光学像が取り込まれると、１画面の画像情報を得るための電子シャッタリング毎にフォトダイオード５１から出力される電気信号が電荷のかたちで信号取出ゲート５２で取り出されて信号記憶部５３へ次々と送り出される。ＣＣＤセルＣ１〜Ｃ２４では表面に設けられた転送用電極ライン（図示省略）に電子シャッタリング動作と同期した電荷転送信号が印加されるのに伴って、信号記憶部５３へ次々と送り込まれる電荷が、以下のように次々とＣＣＤセル間を転送されながら蓄積される。電荷がＣＣＤセルＣ４〜Ｃ１と水平に転送されてＣＣＤセルＣ１〜Ｃ４に全て電荷が蓄積されると、ＣＣＤセルＣ１〜Ｃ４の各電荷が、一斉に一段下のＣＣＤセルＣ２１〜Ｃ２４へ垂直に転送される。そして、再びＣＣＤセルＣ１〜Ｃ４に全て電荷が蓄積されると、各ＣＣＤセルの電荷が一斉に一段下のＣＣＤセルへそれぞれ垂直に転送される転送動作が繰り返される。そして、電子シャッタリングが２４回連続で切られると、全てのＣＣＤセルＣ１〜Ｃ２４に電荷が蓄積された状態となる。よって、フォトダイオード５１に付設された信号記憶部５３には２４画面分の画像信号が続けて高速で記憶されることになる。
【０００５】
このようにして高速撮影の場合は、電子シャッタリングが高速で行われて信号記憶部５３に画像情報用の電荷が高速で蓄積される。高速撮影の場合は、電荷を蓄積しながら読み出すことは難しいので、電子シャッタリングを停止してから信号記憶部５３に蓄積された電荷を読み出し電極（図示省略）から読み出す。さらに、読み出した電荷は高速撮像素子の後段でディジタル化した後、さらに同一電子シャッタリングで得られた電気信号を１枚の画面に編集して２次元画像を作成表示する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の高速撮影装置に用いられている高速撮像素子の場合、高速現象についての２次元画像情報の検出適性が十分でない。
【０００７】
具体的には、高速撮像素子の連続撮影枚数が増やせれば、高速現象についての２次元画像情報の検出適性があがって高速現象がより精度良く解析できるはずである。しかし、連続撮影枚数の増加はフォトダイオード５１に付設されている信号記憶部５３のＣＣＤセルの個数の増加を必然的に伴うので、増やすＣＣＤセルの設置エリアを確保するためにフォトダイオード５１の大きさを小さくするか、フォトダイオード５１の配置密度を下げる必要がある。ただフォトダイオード５１の大きさを小さくすると受光感度がさがり、またフォトダイオード５１の配置密度がさがると画素がまばらになり、いずれも画質の低下を招く。したがって高速撮像素子の連続撮影枚数を増やすことは事実上できない。
【０００８】
また、図１６のフォトダイオード５１に測定対象光を分光して投影すると測定対象光の分光スペクトル情報を検出することが可能となる。しかし、この場合も、高速光現象（例えば極めて変化の速い蛍光消滅現象）の分光スペクトル情報の検出適性は十分でない。信号記憶部５３での電気信号の転送速度以上には電気信号の検出速度をアップできないからである。信号記憶部５３での電気信号の転送速度をあげれば、検出速度をアップできるはずであるが、これも実際には信号記憶部５３での電気信号の転送速度を上げると信号電荷の転送損失が大きくなってＣＣＤセルの発熱が著しくなる等の不具合を生ずるので、信号記憶部５３での電気信号の転送速度を上げるのは難しい。
【０００９】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高速現象に対する光学的イメージ情報の検出適性を十分に高めることができる光学的イメージ情報検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
【００１１】
すなわち、請求項1に記載の発明は、光学的イメージ情報を保持している入射光の受光面に一側端が配置されているとともに一側端で受光した前記入射光が他側端から出力される複数の光導波路と、光導波路の他側端から出力される前記入射光が投影される検出面に各光導波路に対応して配置されているとともに各光導波路の他側端から出力される前記入射光を受光して光学的イメージ情報としての電気信号に変換する光電変換手段と、入射光が光導波路を通る間に光導波路の一側端と光電変換手段の配置態様の差に応じたマッピング用変換あるいは光導波路同士の間に生じさせる入射光の通過時間の差に応じたタイムラグ用変換を行うマッピング用／タイムラグ用変換手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
［作用・効果］請求項１に記載の発明の装置によって光学的イメージ情報を検出する場合、光学的イメージ情報を保持している入射光が、入射光の受光面に配置されている各光導波路の一側端で受光されてから、マッピング用／タイムラグ用変換手段により光導波路の一端側と光電変換手段の配置態様の差に応じたマッピング用変換あるいは光導波路同士の間に生じさせる入射光の通過時間の差に応じたタイムラグ用変換が行われながら、光導波路を経て他側端から各光導波路に対応して光電変換手段が配置されている検出面に出力されるとともに、入射光は各光電変換手段で受光されて光学的イメージ情報としての電気信号に変換される。
【００１３】
このように、請求項１に記載の発明の装置では、光導波路の一側端と光電変換手段の配置態様に差がある場合、入射光が光導波路を通る間にマッピング用／タイムラグ用変換手段によって光導波路の一側端と光電変換手段の配置態様の差に応じたマッピング用変換が行われるので、光学的イメージ情報を保持している入射光は光導波路から配置態様に差のある光電変換手段へ確実に伝達される。
【００１４】
また、光導波路同士の間で入射光の通過時間の差をもたせる場合、入射光が光導波路を通る間にマッピング用／タイムラグ用変換手段によって光導波路同士の間に生じさせる入射光の通過時間の差に応じたタイムラグ用変換が行われるので、光学的イメージ情報を保持している入射光はタイムラグ用変換により光導波路から通過時間の差に応じた時間遅れを伴って光電変換手段へ到達する。
【００１５】
すなわち、請求項１に記載の発明では、光学的イメージ情報を保持している入射光の受光面に配置されている各光導波路の一側端と入射光を受光して光学的イメージ情報としての電気信号に変換する光電変換手段との配置態様に差があっても、光学的イメージ情報を保持している入射光が光導波路を通る間に光導波路の一側端と光電変換手段の配置態様の差に応じたマッピング用変換が行われ、光学的イメージ情報を保持している入射光はマッピング用変換により光導波路から配置態様に差のある光電変換手段へ確実に伝達され、光学的イメージ情報としての電気信号に変換されて検出される。その結果、光電変換手段の側の配置態様が光導波路の側の配置態様にほとんど拘束されないので、光電変換手段の配置態様の自由度が大きくなり、光電変換手段の側を高速現象に対する光学的イメージ情報の検出に向いた配置態様とすることができる。
【００１６】
また、請求項1に記載の発明の装置では、光学的イメージ情報を保持している入射光が通る光導波路同士の間で入射光の通過時間の差をもたせる場合、入射光が光導波路を通る間にマッピング用／タイムラグ用変換手段によって光導波路同士の間に生じさせる入射光の通過時間の差に応じたタイムラグ用変換が行われ、各光電変換手段へ同時平行で到達する入射光の間にはタイムラグ用変換により光導波路から通過時間の差に応じた時間遅れが生じ、光電変換手段では光導波路同士の間の入射光の通過時間の差に対応した検出タイミングの違いがある光学的イメージ情報としての電気信号が光電変換手段で同時に検出される。その結果、電気信号の転送を伴うことなく光導波路同士の間の入射光の通過時間の差に対応した時間間隔で光学的イメージ情報が検出できるので、光学的イメージ情報としての電気信号の転送時間に制限を受けなくなり、マッピング用／タイムラグ用変換手段によるタイムラグ用変換によって光学的イメージ情報の検出速度をあげることができる。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学的イメージ情報検出装置において、マッピング用／タイムラグ用変換手段によるマッピング用変換が、光導波路の光路の配置により行われるものである。
【００１８】
［作用・効果］請求項２に記載の発明の場合、光導波路の一側端と光電変換手段の配置態様の差に応じて光導波路の光路の配置を調整することで、マッピング用／タイムラグ用変換手段によるマッピング用変換を容易に行うことができる。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光学的イメージ情報検出装置において、マッピング用／タイムラグ用変換手段によるタイムラグ用変換が、光導波路同士の間に付けられたファイバー長さの相違、あるいは、光導波路に設置された通過時間の差に応じた時間遅れをもたらす光遅延素子により行われるものである。
【００２０】
［作用・効果］請求項３に記載の発明の場合、光導波路同士の間に生じさせる入射光の通過時間の差に応じて、光導波路同士の間にファイバー長さの相違を付けたり、あるいは光導波路に通過時間の差に応じた時間遅れをもたらす光遅延素子を設置することにより、マッピング用／タイムラグ用変換手段によるタイムラグ用変換を容易に行うことができる。
【００２１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３までのいずれかに記載の光学的イメージ情報検出装置において、光学的イメージ情報を保持している入射光である被写体の光学像が投影される受光面に光導波路の一側端が２次元配列ラインに沿って配置されており、各光電変換手段ごとに光電変換手段から出力される光学的イメージ情報としての電気信号を複数個記憶する信号記憶手段が接続されていて、被写体の光学像が光電変換手段により電気信号に変換されて光学的イメージ情報としての被写体の二次元画像情報が検出されて信号記憶手段によって記憶されるものである。
【００２２】
［作用・効果］請求項４に記載の発明の場合、光導波路の一側端が２次元配列ラインに沿って配置されている受光面に投影される被写体の光学像が光電変換されることによって、光学的イメージ情報である二次元画像情報としての複数個の電気信号が検出されるとともに各光電変換手段ごとに付設されている信号記憶手段に記憶されるので、被写体を高速で連続撮影することができる。
【００２３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１から３までのいずれかに記載の光学的イメージ情報検出装置において、光学的イメージ情報を保持している入射光である分光スペクトルの測定対象光が分光投影される受光面に光導波路の一側端が２次元配列ラインに沿って横または縦の一方のライン毎に光導波路が受光する光の波長が順次同様に変化するかたちで配置されているとともに、マッピング用／タイムラグ用変換手段によるタイムラグ用変換が前記横または縦の一方のライン毎に順に所定の時間ずつ入射光の通過時間の差が付くように行われるのに加え、各光電変換手段から出力される光学的イメージ情報としての電気信号を転送する信号転送手段が接続されていて、分光スペクトルの測定対象光が光電変換手段により電気信号に変換されて光学的イメージ情報としての測定対象光の分光スペクトル情報が検出されて信号転送手段によって転送されるものである。
【００２４】
［作用・効果］請求項５に記載の発明の場合、分光スペクトルの測定対象光が光導波路の一側端が２次元配列ラインに沿って配置されている受光面に分光投影されるのに伴って測定対象光が光電変換手段により光電変換されることにより、光導波路が受光する光の波長が順次同様に変化する２次元配列ラインの横または縦の一方のラインのそれぞれに対応する光電変換手段毎にタイムラグ用変換による入射光の通過時間の差に応じて検出タイミングが異なる光学的イメージ情報としての分光スペクトル情報が同時に検出されて転送される。
【発明の効果】
【００２５】
請求項１の発明に係る光学的イメージ情報検出装置では、光学的イメージ情報を保持している入射光の受光面に配置されている各光導波路の一側端と入射光を受光して光学的イメージ情報としての電気信号に変換する光電変換手段との配置態様に差があっても、光学的イメージ情報を保持している入射光が光導波路を通る間に光導波路の一側端と光電変換手段の配置態様の差に応じたマッピング用変換が行われ、光学的イメージ情報を保持している入射光はマッピング用変換により光導波路から配置態様に差のある光電変換手段へ確実に伝達され、光学的イメージ情報としての電気信号に変換されて検出される結果、光電変換手段の側の配置態様が光導波路の側の配置態様にほとんど拘束されないので、光電変換手段の配置態様の自由度が大きくなり、光電変換手段の側を高速現象に対する光学的イメージ情報の検出に向いた配置態様とすることができる。
【００２６】
また、請求項１の発明に係る光学的イメージ情報検出装置では、光学的イメージ情報を保持している入射光が通る光導波路同士の間で入射光の通過時間の差をもたせる場合、入射光が光導波路を通る間に光導波路同士の間に生じさせる入射光の通過時間の差に応じたタイムラグ用変換が行われ、各光電変換手段へ同時平行で到達する入射光の間にはタイムラグ用変換により光導波路から通過時間の差に応じた時間遅れが生じ、光電変換手段では光導波路同士の間の入射光の通過時間の差に対応した検出タイミングの違いがある光学的イメージ情報としての電気信号が光電変換手段で同時に検出される結果、電気信号の転送を伴うことなく光導波路同士の間の入射光の通過時間の差に対応した時間間隔で光学的イメージ情報が検出できるので、光学的イメージ情報としての電気信号の転送時間に制限を受けなくなり、タイムラグ用変換によって光学的イメージ情報の検出速度を上げることができる。
【００２７】
よって、請求項１に記載の発明に係る光学的イメージ情報検出装置は、高速現象に対する光学的イメージ情報の検出適性を十分に高めることができる。
【実施例１】
【００２８】
この発明の光学的イメージ情報検出装置の実施例１に係る高速撮像素子を、図面を参照して説明する。図１は実施例１の高速撮像素子を用いた高速撮影装置の全体構成を示すブロック図である。
【００２９】
図１の高速撮影装置（高速ビデオカメラ）は、１画面の撮影時間が１μ秒（１００万枚／１秒）というような高速度で被写体を撮影して（例えば、爆発，破壊，燃焼などの）高速現象についての２次元画像を表示する装置であり、科学的計測等に用いられる。
【００３０】
図１の高速撮影装置は、被写体（図示省略）の光学像を必要に応じて配設される高感度イメージインテンシファイア等の光増倍機構（図示省略）や機械シャッタリング機構（図示省略）を介して取り込む光学系１と、光学系１で取り込まれた光学像を撮像して２次元画像情報（２次元光学的イメージ情報）を検出する高速撮像素子２と、高速撮像素子２の電子シャッタリング周期（電子露光周期）などをコントロールする高速撮像素子制御部３と、高速撮像素子２から出力される電気信号をディジタル信号に変換するＡＤコンバータ４と、ディジタル化された電気信号にしたがって被写体の２次元画像を編集作成する画像処理演算部５と、画像処理演算部５で作成された２次元画像を記憶する画像記憶部６と、画像記憶部６に記憶された２次元画像を画面に映し出す画像表示モニタ７と、高速撮影の実行に必要な種々の操作を行う操作部８と、操作部８により設定した撮影条件に従って装置全体の動作・進行を司る主制御部９とを備えている。
【００３１】
実施例１の高速撮像素子２は、図２に示すように、光学系１で取り込まれた被写体の光学像が２次元画像情報を保持している入射光として投影される受光面２Ａに一側端１０Ａは縦・横二直線の２次元配列ラインに沿って２次元アレイ状に配置され、他側端１０Ｂは横一直線の１次元配列ラインに沿って１次元アレイ状に配置されていて、一側端１０Ａで受光した入射光が他側端１０Ｂから出力される高速撮像素子２の画素数（例えば８万個）と同数の光ファイバー（光導波路）１０と、図３に示すように、光ファイバー１０の他側端１０Ｂから出力される入射光が投影される検出面２Ｂに各光ファイバー１０に対応するかたちで横一直線の１次元配列ラインに沿って１次元アレイ状に配置されている高速撮像素子２の画素数と同数のフォトダイオード（光電変換手段）１１とを備え、被写体の光学像が光ファイバー１０を経てフォトダイオード１１に伝達されるとともにフォトダイオード１１により２次元画像情報としての電気信号に変換される。
【００３２】
上述のように、高速撮像素子２の場合、２次元画像情報を保持している入射光を受光する２次元アレイ配置の光ファイバー１０の一側端１０Ａと入射光を光電変換して２次元画像情報を検出する１次元アレイ配置のフォトダイオード１１との間には、光ファイバー１０の光路の配置（マッピング用／タイムラグ用変換手段）によって、入射光が光ファイバー１０を通る間に光ファイバー１０の一側端１０Ａとフォトダイオード１１の配置態様の差に応じたマッピング用変換が行われるので、入射光は光ファイバー１０から配置態様に差のあるフォトダイオード１１へ確実に伝達される。すなわち、各光ファイバー１０の他側端１０Ｂがそれぞれ対応するフォトダイオード１１に対面するように各光ファイバー１０を配置して接続する（図２参照）ことでマッピング用変換が容易に行われる。なお、光ファイバー１０は多数であるが、図４に示すように、まとまった本数の光ファイバー１０について平行かつフラットに接続されているリボンケーブルを使えば光ファイバー１０の配置が簡単に行える。
【００３３】
また、高速撮像素子２の場合、図５に示すように、各フォトダイオード１１ごとに信号取出用ゲート１２によりフォトダイオード１１から取り出されて出力される２次元画像情報の電気信号を複数個（以下、便宜上４０個）記憶する信号記憶部１３がそれぞれ接続されている。高速撮像素子２の電子シャッタリング周期（電子露光周期）などをコントロールする高速撮像素子制御部３のコントロールにしたがって１画面の画像情報を得るための電子シャッタリングが切られる毎に、信号取出用ゲート１２によりフォトダイオード１１から電気信号が１個ずつ信号記憶部１３へ送り込まれる。
【００３４】
各信号記憶部１３は、信号転送セルＣ０１〜Ｃ４０を有していて、信号転送セルの表面に設けられた転送用電極ライン（図示省略）に電子シャッタリング動作と同期したかたちで印加される電荷転送信号により、フォトダイオード１１から送り込まれた電気信号が信号転送セルＣ０１〜Ｃ４０に順次転送されるＣＣＤデバイスである。電気信号は信号転送セルＣ０１〜Ｃ１０までは垂直に転送され、信号転送セルＣ０１〜Ｃ１０全部に電気信号が蓄積されると次からは左側の信号転送セルＣ１１〜Ｃ２０，信号転送セルＣ２１〜Ｃ３０，信号転送セルＣ３１〜Ｃ４０へと１列分ずつ順に一斉に転送される。
【００３５】
実施例１の高速撮像素子２の場合、電子シャッタリングが４０回切られると、４０個の信号転送セルＣ０１〜Ｃ４０に４０枚分の２次元画像情報としての電気信号が蓄積された状態となる。全信号転送セルＣ０１〜Ｃ４０に電気信号が蓄積された段階で電子シャッタリングが停止され、信号転送セルＣ０１〜Ｃ４０に蓄積された電気信号がＣＣＤデバイス式垂直転送セルＶ０１〜Ｖ１０や垂直転送セルＶ０１〜Ｖ１０の先に設けられているＣＣＤデバイス式水平転送セル（図示省略） を経て高速撮像素子２からＡＤコンバータ４へ次々と出力される。
【００３６】
なお、信号転送セルＣ０９は、転送されてくる電気信号を、上書き指令が出されている間は、隣の信号転送セル１０を転送せずに直に外部へ放出するドレイン素子を兼ねている。上書き指令が出されていなければ、信号転送セルＣ０９は転送されて来た電気信号を隣の信号転送セルＣ１０へ転送する。
【００３７】
さらに、図１の高速撮影装置の場合、外部から高速現象の生起を報知するトリガ信号が導入されるように構成されていて、高速撮像素子制御部３が通常は遅い電子シャッタリング周期で撮影を行わせながら信号転送セルＣ０９で電気信号を直に外部へ放出して上書きを続け、撮影対象の高速現象が起こってトリガ信号が導入された時点で高速撮像素子制御部３が上書きを停止するとともに速い電子シャッタリング周期で撮影を行わせる高速撮影へ切り換えられる構成となっている。
【００３８】
また、ＡＤコンバータ４でディジタル化された電気信号は、画像処理演算部５によって同一電子シャッタリングで得られた２次元画像情報毎に１枚の２次元画像が編集作成されて画像記憶部６へ記憶される。画像記憶部６に記憶された２次元画像は操作部の入力操作により随時に読み出して適当な表示速度で画像表示モニタ７の画面に映し出して観察することができる。
【００３９】
以上に述べたように、実施例１の高速撮像素子２では、光ファイバー１０の一側端１０Ａとフォトダイオード１１の配置態様に２次元と１次元という大きな差があっても、入射光が光ファイバー１０を通る間に光ファイバー１０の光路の配置によって光ファイバー１０の一側端１０Ａとフォトダイオード１１の配置態様の差に応じたマッピング用変換が行われ、２次元画像情報を保持している入射光は光ファイバー１０から配置態様に差のあるフォトダイオード１１へ確実に伝達されて電気信号に変換されることによって２次元画像情報が検出される。すなわち、フォトダイオード１１の側の配置態様が光ファイバー１０の側の配置態様にほとんど拘束されないので、フォトダイオード１１の配置態様の自由度が大きくなり、フォトダイオード１１の側の配置態様を１次元アレイの配置態様とすることにより、フォトダイオード１１の下方へ信号記憶部１３の配設エリアを十分に確保して、各信号記憶部１３の信号転送セルの数を多くして連続撮影できる枚数を増やすことで高速現象についての光学的イメージ情報の検出に適した構成にできる。よって、実施例１の高速撮像素子２は、高速現象に対する光学的イメージ情報の検出適性を十分に有する。
【実施例２】
【００４０】
この発明の光学的イメージ情報検出装置の実施例２に係る高速撮像素子を、図面を参照して説明する。実施例２の高速撮像素子１４も、図１に示すように、高速撮影装置に用いることができるものであり、下記の点の他は実施例１の高速撮像素子２と同様の構成を有するものであるので、相違点のみを説明し、共通点については説明を省略する。
【００４１】
すなわち、実施例２の高速撮像素子１４は、図６に示すように、光学系１で取り込まれた被写体の光学像が２次元画像情報を保持している入射光として投影される受光面１４Ａに一側端１０Ａは縦・横二直線の２次元配列ラインに沿って２次元アレイ状に配置され、他側端１０Ｂは縦方向だけが所定間隔分あいた２次元配列ラインに沿って２次元アレイ状に配置されていて、一側端１０Ａで受光した入射光が他側端１０Ｂから出力される高速撮像素子２の画素数（例えば８万個）と同数の光ファイバー１０と、図７に示すように、光ファイバー１０の他側端１０Ｂから出力される入射光が投影される検出面１４Ｂに各光ファイバー１０に対応するかたちで縦方向が所定間隔分あいた２次元配列ラインに沿って２次元アレイ状に配置されている高速撮像素子１４の画素数と同数のフォトダイオード１１とを備え、被写体の光学像が光ファイバー１０を経てフォトダイオード１１に伝達されるとともに、フォトダイオード１１により２次元画像情報としての電気信号に変換される。
【００４２】
実施例２の高速撮像素子１４も、実施例１の高速撮像素子２と同様、フォトダイオード１１の下方へ信号記憶部１３の配設エリアを十分に確保して、各信号記憶部１３の信号転送セルの数を多くして連続撮影できる枚数を増やすことで高速現象に対する光学的イメージ情報の検出に好適な構成にできる。よって、実施例２の高速撮像素子１４は、高速現象に対する光学的イメージ情報の検出適性を十分に有する。
【実施例３】
【００４３】
この発明の光学的イメージ情報検出装置の実施例３に係る高速撮像素子を、図面を参照して説明する。実施例３の高速撮像素子１５も、図１に示すように、高速撮影装置に用いることができるものであり、下記の点の他は実施例１の高速撮像素子２と同様の構成を有するものであるので、相違点のみを説明し、共通点については説明を省略する。
【００４４】
すなわち、実施例３の高速撮像素子１５は、図８に示すように、光学系１で取り込まれた被写体の光学像が２次元画像情報を保持している入射光として投影される受光面１５Ａに一側端１６Ａは縦・横二直線の２次元配列ラインに沿って２次元アレイ状に配置され、図９に示すように、他側端１６Ｂは一側端１６Ａに対して直角の向きで２次元配列ラインに沿って２次元アレイ状に配置されていて、一側端１６Ａで受光した入射光が他側端１６Ｂから出力される高速撮像素子２の画素数（例えば８万個）と同数の導波プリズム（光導波路）１６と、導波プリズム１６の他側端１６Ｂから出力される入射光が投影される検出面１５Ｂに各導波プリズム１６に対応するかたちで２次元配列ラインに沿って２次元アレイ状に配置されている高速撮像素子１５の画素数と同数のフォトダイオード１７とを備え、被写体の光学像が導波プリズム１６を経てフォトダイオード１７に伝達されるとともに、フォトダイオード１７により２次元画像情報としての電気信号に変換される。
【００４５】
実施例３の高速撮像素子１５の場合、フォトダイオード１７が配置される検出面１５Ｂは、導波プリズム１６の横の配列ライン毎にそれぞれ設定されていて、導波プリズム１６の一側端１６Ａが配置されている受光面１５Ａに対し直角の向きで平行に並んでおり、導波プリズム１６の一側端１６Ａとフォトダイオード１７は向きが９０°異なるという配置態様の大きな差があるが、導波プリズム１６が一側端１６Ａと他側端１６Ｂの間で入射光の９０°向きが変るように設置するという光路の配置（マッピング用／タイムラグ用変換手段）によって、入射光が導波プリズム１６を通る間に導波プリズム１６の一側端１６Ａとフォトダイオード１７の配置態様の差に応じたマッピング用変換が行われる構成となっているので、入射光は導波プリズム１６から配置態様に差のあるフォトダイオード１７へ確実に伝達される。
【００４６】
一方、各フォトダイオード１７ごとにフォトダイオード１７から取り出されて出力される２次元画像情報の電気信号を複数個（例えば４０個）記憶する信号記憶部１８がそれぞれ接続されている。高速撮像素子２の電子シャッタリング周期（電子露光周期）などを制御する高速撮像素子制御部３のコントロールにしたがって１画面の画像情報を得るための電子シャッタリングが切られる毎に、フォトダイオード１７から電気信号が１個ずつ信号記憶部１８へ送り込まれる。
【００４７】
なお、高速撮像素子１５の場合は、各フォトダイオード１７および信号記憶部１８は、ＦＴ−ＣＣＤデバイス（フレームトランスファＣＣＤデバイス）の一側のフォトダイオード１７を残して表面を遮光膜１９でカバーしフォトダイオード１７から横方向へシリアルに続く信号転送セルを信号記憶部１８としたボードを所要枚数積層することで容易に作製できる。信号記憶部１８に蓄積された２次元画像情報はフォトダイオード１７と反対側の読み出し用ＣＣＤライン２０により読み出される。
【００４８】
以上に述べたように、実施例３の高速撮像素子１５でも、導波プリズム１６の一側端１６Ａとフォトダイオード１７の配置態様に差があっても、入射光が導波プリズム１６を通る間に導波プリズム１６の光路の配置によって導波プリズム１６の一側端１６Ａとフォトダイオード１７の配置態様の差に応じたマッピング用変換が行われ、２次元画像情報を保持している入射光は導波プリズム１６と配置態様に差のあるフォトダイオード１７へ確実に伝達されて電気信号に変換されて２次元画像情報が検出される。その結果、導波プリズム１６の側の配置態様に対してフォトダイオード１７の側を９０°向きの異なる配置態様とすることにより、フォトダイオード１７の横方向へ信号記憶部１８の配設エリアを十分に確保できるので、各信号記憶部１８の信号転送セルの数を多くして連続撮影できる枚数を増やし高速現象に対する光学的イメージ情報の検出に適したものにできる。よって、実施例３の高速撮像素子１５も、高速現象に対する光学的イメージ情報の検出適性を十分に有する。
【実施例４】
【００４９】
この発明の光学的イメージ情報検出装置の実施例４に係る分光スペクトル情報検出用センサを、図面を参照して説明する。図１０は実施例４の分光スペクトル情報検出用センサを用いた高速分光分析装置の要部構成を示すブロック図である。
【００５０】
図１０の高速分光分析装置は、蛍光寿命解析等の際に分光スペクトルを極めて短い間隔で時間的に分解して測定できる装置であり、測定対象光を分光する（例えば回折光子などの分光素子を用いた）分光器Ｒと、分光スペクトル情報（光学的イメージ情報）を検出する分光スペクトル情報検出用センサ２１とを備えている。
【００５１】
実施例４の分光スペクトル情報検出用センサ２１（以下、適宜「情報検出用センサ」と略記）の場合、分光スペクトルの測定対象光が分光器Ｒで分光されて分光スペクトル情報を保持している入射光として投影される受光面２１Ａに、図１１に示すように、一側端２２Ａが２次元配列ラインに沿って２次元アレイ配置されているとともに、一側端２２Ａで受光した入射光が他側端２２Ｂから出力される情報検出用センサ２１の画素数と同数の光ファイバー２２と、光ファイバー２２の他側端２２Ｂから出力される入射光が電子シャッタリング機能をもつイメージインテンシファイア２３を介して投影される検出面２１Ｂに、図１２に示すように、各光ファイバー２２に対応するかたちで２次元配列ラインに沿って２次元アレイ配置されている情報検出用センサ２１の画素数と同数の受光ＣＣＤ（光電変換手段）２４とを備え、測定対象光が光ファイバー２２を経て受光ＣＣＤ２４により受光されて分光スペクトル情報としての電気信号が検出される。また、受光ＣＣＤ２４は信号転送セル（信号転送手段）を兼ねている。
【００５２】
イメージインテンシファイア２３はゲートを電気的に開閉させることで高速で光の断続を行い、電子シャッタリング機能を発揮する。また、各受光ＣＣＤ２４で検出された分光スペクトル情報は、信号転送セルを兼ねた受光ＣＣＤ２４により転送されて読み出し用ＣＣＤライン２６から情報検出用センサ２１の外部へ送り出される。
【００５３】
２次元アレイ配置の光ファイバー２２の場合、ｍ本の縦配列ラインＤ1〜Ｄmとｎ本の横配列ラインＥ1〜Ｅnに沿って光ファイバー２２の一側端２２Ａがマトリックス状に整列していて、横の各配列ラインＥ1〜Ｅnでは、それぞれ光ファイバー２２が受光する光の波長λが順次、波長λ1，波長λ2，…，波長λmと各横配列ラインＥ1〜Ｅnともに同様に変化するかたちで光ファイバー２２の一側端２２Ａが配置されている。つまり、縦配列ラインが共通している各光ファイバー２２の一側端２２Ａで受光される入射光の波長は同一となる。
【００５４】
２次元アレイ配置の受光ＣＣＤ２４の場合、光ファイバー２２の縦配列ラインＤ1〜Ｄmに対応して設定されているｍ本の縦配列ラインｄ1〜ｄmと光ファイバー２２の横配列ラインＥ1〜Ｅnに対応して設定されているｎ本の横配列ラインｅ1〜ｅnとに沿って受光ＣＣＤ２４がマトリックス状に整列していて、各横配列ラインｅ1〜ｅnでは、それぞれ受光ＣＣＤ２４が受光する光の波長λが順次、波長λ1，波長λ2，…，波長λmと各横配列ラインｅ1〜ｅnともに同様に変化するかたちで受光ＣＣＤ２４が配置されている。つまり、縦配列ラインが共通している各受光ＣＣＤ２４で受光される入射光の波長は同一となる。
【００５５】
したがって、横配列ラインが共通するｍ個の受光ＣＣＤ２４によって波長λ1〜波長λmの範囲の１本分の分光スペクトル情報が検出されることになるので、情報検出用センサ２１全体としては、横配列ライン１本につき１本分の分光スペクトル情報が検出されるので、合計ｎ本分の分光スペクトル情報が検出される。
【００５６】
さらに、２次元アレイ配置の光ファイバー２２は、横配列ラインｅ1〜ｅn同士の間で入射光の通過時間に差がある構成になっている。すなわち、図１３に示すように、入射光が光ファイバー２２を通る間に光遅延素子Ｌ2〜Ｌnによってタイムラグ用変換が行われ入射光の通過時間に差がもたらされる。最上段の横配列ラインｅ1の各光ファイバー２２は光遅延素子が配備されておらず、入射光は最も短い通過時間Ｔ0 で通り抜け、以下、配列ラインが一段下がる毎に単位送れ時間Δｔずつ通過時間が増すように各光遅延素子Ｌ2〜Ｌnの遅れ時間が設定されている。各横各配列ラインｅ1〜ｅnの光ファイバー２２を入射光が通過するのに要する時間は、図１３中に記した通りとなる。
【００５７】
続いて、実施例４の情報検出用センサ２１による分光スペクトル情報の具体的な検出状況に即して説明する。以下では、蛍光励起用レーザのパルス幅を２００ｐｓ（ピコ秒）とし、光遅延素子Ｌ2〜Ｌnにより行われるタイムラグ用変換で単位遅れ時間Δｔを２００ｐｓとするとともに、図１４に示すように、蛍光励起用レーザのパルス発信時点から〔通過時間Ｔ0 ＋単位時間遅れΔｔ×（ｎ−１）〕後の時点でイメージインテンシファイア２３のゲートを２００ｐｓの時間だけ一度開いて電子シャッタリングを行う設定となっていることとする。
【００５８】
蛍光励起用レーザのパルス発信時点から〔通過時間Ｔ0 ＋単位時間遅れΔｔ×（ｎ−１）〕の時間が経過した電子シャッタリングの時点では、最下段の横配列ラインＥnの光ファイバー２２に対応する横配列ラインｅnの受光ＣＣＤ２４には、蛍光励起時点（すなわち蛍光励起用レーザのパルス発信時点）の入射光が到達するので、電子シャッタリングに伴って蛍光励起時点の分光スペクトル情報が検出される。ひとつ上の（ｎ−１）段目の横配列ラインｅ(n-1)の受光ＣＣＤ２４には、蛍光励起時点から２００ｐｓ後の入射光が到達するので、電子シャッタリングに伴って蛍光励起時点のから２００ｐｓ後の分光スペクトル情報が検出される。同様にひとつ段があがる毎に検出タイミングの時点が２００ｐｓずつ新しくなった分光スペクトル情報が検出される。最上段である１段目の横配列ラインｅ1の受光ＣＣＤ２４には蛍光励起時点から２００ｐｓ×（ｎ−１）後の入射光が到達するので、電子シャッタリングに伴って蛍光励起時点から２００ｐｓ×（ｎ−１）後の分光スペクトル情報が検出される。
【００５９】
すなわち、電子シャッタリングに伴って情報検出用センサ２１では、蛍光励起時点から２００ｐｓ刻みでｎ本分の分光スペクトル情報が同時に検出される。そして、検出された分光スペクトル情報は受光ＣＣＤ２４から読み出し用ＣＣＤライン２６を経て外部に送り出された後、各横配列ラインｅ1〜ｅn毎に分光スペクトル情報にしたがって分光スペクトルが描画される。つまり、図１５に示すように、２００ｐｓ毎に時間分解分光スペクトルが蛍光励起時点〜２００ｐｓ×ｎの間、次々と測定される結果、蛍光寿命を精度良く解析することができる。
【００６０】
以上に述べた構成を有する情報検出用センサ２１の場合、各横配列ラインＥ1〜Ｅnの光ファイバー２２に対応する横配列ラインｅ1〜ｅnの受光ＣＣＤ２４により波長λ1〜λmについてのｎ本分の分光スペクトル情報が同時に検出されるとともに、横配列ラインｅ1〜ｅn同士の間では受光ＣＣＤ２４に到達する入射光に光遅延素子Ｌ2〜Ｌnにより行われるタイムラグ用変換により光ファイバー２２の通過時間の差に応じた時間遅れが生じるので、受光ＣＣＤ２４の電気信号の転送を伴うことなく、光遅延素子Ｌ2〜Ｌnによるタイムラグ用変換に応じた時間間隔で検出タイミングの差のあるｎ本分の分光スペクトル情報を同時に検出でき、分光スペクトル情報としての電気信号の転送時間に何ら制限されない。そして、光ファイバー２２を通る入射光にかけられるタイムラグ用変換による時間遅れは極めて僅かなものにできるので、光遅延素子Ｌ2〜Ｌnによるタイムラグ用変換によってｎｓ（ナノ秒），ｐｓ（ピコ秒）といった極めて短い検出タイミングが異なる時間分解分光スペクトル情報が検出可能となる結果、分光スペクトル情報の検出速度をあげることができる。したがって、実施例４の分光スペクトル情報検出用センサ２１は、高速光現象に対する分光スペクトル情報の検出適性が十分である。
【００６１】
この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
【００６２】
（１）実施例１〜４においては、入射光が光導波路を通る間にマッピング用変換とタイムラグ用変換のいずれか一方が行われる構成であったが、この発明の光学的イメージ情報検出装置は、入射光が光導波路を通る間にマッピング用変換とタイムラグ用変換との両方が行われる構成であってもよい。
【００６３】
（２）実施例１〜３においては、この発明における光電変換手段として、フォトダイオードを用いたが、受光ＣＣＤであってもよい。
【００６４】
（３）実施例４の分光スペクトル情報検出用センサでは、光遅延素子により入射光にタイムラグ用変換を行う構成であったが、光ファイバー同士の間でファイバー長さを調整することにより入射光にタイムラグ用変換を行う他は実施例４と同じ構成の分光スペクトル情報検出用センサが、変形例としてあげられる。
【００６５】
（４）この発明の光学的イメージ情報検出装置は、実施例１，２に示した高速撮影装置や高速分光分析装置だけに用いられるものではなく、高速撮影装置や高速分光分析装置以外の機器にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】実施例１〜３の高速撮像素子を用いた高速撮影装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】実施例１の高速撮像素子での光ファイバーの配置状況を示す模式図である。
【図３】実施例１の高速撮像素子でのフォトダイオードの配置状況を示す模式図である。
【図４】リボンケーブルタイプの光ファイバーを示す平面図である。
【図５】実施例１の高速撮像素子のフォトダイオードと信号記憶部を示すブロック図である。
【図６】実施例２の高速撮像素子での光ファイバーの配置状況を示す模式図である。
【図７】実施例２の高速撮像素子でのフォトダイオードの配置状況を示す模式図である。
【図８】実施例３の高速撮像素子での光ファイバーとフォトダイオードの配置状況を示す模式図である。
【図９】実施例３の高速撮像素子のフォトダイオードと信号記憶部を示すセミブロック図である。
【図１０】実施例４の情報検出用センサを用いた高速分光分析装置の要部構成を示すブロック図である。
【図１１】実施例４の情報検出用センサの光ファイバーの配置状況を示す模式図である。
【図１２】実施例４の情報検出用センサの受光ＣＣＤの配置状況を示す模式図である。
【図１３】実施例４の情報検出用センサの光ファイバー同士の間の入射光の通過時間の違いを示す模式図である。
【図１４】実施例４に係る高速分光分析装置における電子シャッタリングのタイミングを説明するためのタイムチャートである。
【図１５】実施例４に係る高速分光分析装置で描画される分光スペクトルを示すグラフである。
【図１６】従来の高速撮像素子の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６７】
２，１４，１５          …高速撮像素子（光学的イメージ情報検出装置）
２Ａ，１４Ａ，１５Ａ    …受光面
２Ｂ，１４Ｂ，１５Ｂ    …検出面
１０，２２              …光ファイバー（光導波路）
１０Ａ，２２Ａ          …（光ファイバー）の一側端
１０Ｂ，２２Ｂ          …（光ファイバー）の他側端
１１，１７              …フォトダイオード（光電変換手段）
１３，１８              …信号記憶部（信号記憶手段）
１６                    …導波プリズム（光導波路）
１６Ａ                  …（導波プリズム）の一側端
１６Ｂ                  …（導波プリズム）の他側端
２１                    …情報検出用センサ（光学的イメージ情報検出装置）
２１Ａ                  …受光面
２１Ｂ                  …検出面
２４                    …受光ＣＣＤ（光電変換手段・信号転送手段）
Ｌ2〜Ｌn               …光遅延素子
【図１】
2005051060.tif 000003
【図２】
2005051060.tif 000004
【図３】
2005051060.tif 000005
【図４】
2005051060.tif 000006
【図５】
2005051060.tif 000007
【図６】
2005051060.tif 000008
【図７】
2005051060.tif 000009
【図８】
2005051060.tif 000010
【図９】
2005051060.tif 000011
【図１０】
2005051060.tif 000012
【図１１】
2005051060.tif 000013
【図１２】
2005051060.tif 000014
【図１３】
2005051060.tif 000015
【図１４】
2005051060.tif 000016
【図１５】
2005051060.tif 000017
【図１６】
2005051060.tif 000018