(57)【要約】【課題】小型でありながらも高温、高放射線環境下でもその撮像特性が変化しにくく鮮明な可視光画像を得られる撮像板及びカメラを提供する。【解決手段】第１光電変換膜ＰＭ１と、複数の電子源が前記第１光電変換膜ＰＭ１に対して電子ビームを射出するように配列された第１電子源アレイＥＡ１と、を具備する第１撮像素子１と、第２光電変換膜ＰＭ２と、複数の電子源が前記第２光電変換膜ＰＭ２に対して電子ビームを射出するように配列された第２電子源アレイＥＡ２と、を具備する第２撮像素子２と、を備え、撮像対象側から視た場合に前記第１撮像素子１の後ろ側に前記第２撮像素子２が重なるように配置した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光電変換膜と、複数の電子源が前記第１光電変換膜に対して電子ビームを射出するように配列された第１電子源アレイと、を具備する第１撮像素子と、
第２光電変換膜と、複数の電子源が前記第２光電変換膜に対して電子ビームを射出するように配列された第２電子源アレイと、を具備する第２撮像素子と、を備え、
撮像対象側から視た場合に前記第１撮像素子の後ろ側に前記第２撮像素子が重なるように配置されていることを特徴とする撮像板。
【請求項２】
前記第１撮像素子の光軸と、前記第２撮像素子の光軸が一致するように配置されている請求項１記載の撮像板。
【請求項３】
前記第１撮像素子から出力される第１出力信号と、前記第２撮像素子から出力される第２出力信号との差に基づいて可視光画像データを出力する画像データ生成部と、を備えた請求項１又は２記載の撮像板。
【請求項４】
前記第１光電変換膜及び前記第２光電変換膜が、ＣｄＴｅ／ＣｄＳダイオードと、前記ＣｄＴe／ＣｄＳダイオードの外表面に形成されたＳｂ２Ｓ３膜である請求項１乃至３いずれかに記載の撮像板。
【請求項５】
前記第１電子源アレイ及び前記第２電子源アレイの電子源が、電子が射出される円錐状のエミッタと、前記エミッタの周囲形成された絶縁膜と、前記エミッタからの電子の射出を制御するゲート、とを備え、
前記絶縁膜が０．２μｍ以上１μｍ以下である請求項１乃至４いずれかに撮像板。
【請求項６】
前記第１撮像素子と前記第２撮像素子が同一の撮像特性を有するものである請求項１乃至５いずれかに記載の撮像板。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の撮像板を備えたカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高放射線環境下で用いられる撮像板及びカメラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
東日本大震災における福島第一原子力発電所の事故以来、高い放射線耐性を持つ撮像素子開発の要求は従来以上に高まっている。例えば通常の監視以外に、事故時の高い線量率の下で機能する撮像素子や、ロボットの目となる小型、軽量の撮像素子が必要とされている。
【０００３】
現状ではＣＣＤ等を用いた固体撮像素子と、撮像管等の真空撮像素子が高放射線環境下において用いられている。
【０００４】
ところで、固体撮像素子は多数のＭＯＳ−ＦＥＴを用いているため、放射線によりＭＯＳ−ＦＥＴの特性が変化し、その結果、撮像特性に変化が生じてしまうという問題がある。
【０００５】
一方、撮像管は１つの電子源から射出される電子ビームを光電変換膜の全面に走査する必要があるため、電子源と光電変換膜を所定距離以上離間させて偏向子により電子ビームを偏向できるように構成しなくてはならない。このため、撮像管は高い放射線耐性を実現できるものの原子炉内部を調査するためのロボットに搭載するのに適したサイズや重量まで小型化することは難しい。
【０００６】
また、非特許文献１に示されるように撮像管を小型化するために単一の電子源の代わりに各画素に対して電子源が配列された電子源アレイを用いた撮像板も提案されている。
【０００７】
しかしながら、前記撮像板により小型でありながらも高い放射線耐性を実現できたとしても、高温、高放射線環境下では可視光以外の熱又は放射線によって光電変換膜で正孔が生成され、各画素の出力信号として出力されてしまう。このため、高温、高放射線環境下で撮像される画像は、白飛びしている部分があったり、撮像対象が不鮮明になっている部分があったりする。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】映像情報メディア学会誌Vol.54, No.2, pp.242〜247 (2000)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、小型でありながらも高温、高放射線環境下でもその撮像特性が変化しにくく鮮明な可視光画像を得られる撮像板及びカメラ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】
すなわち、本発明に係る撮像板は、第１光電変換膜と、複数の電子源が前記第１光電変換膜に対して電子ビームを射出するように配列された第１電子源アレイと、を具備する第１撮像素子と、第２光電変換膜と、複数の電子源が前記第２光電変換膜に対して電子ビームを射出するように配列された第２電子源アレイと、を具備する第２撮像素子と、を備え、撮像対象側から視た場合に前記第１撮像素子の後ろ側に前記第２撮像素子が重なるように配置されていることを特徴とする。
【００１１】
このようなものであれば、前記第１撮像素子には撮影対象から飛来する可視光と放射線が入射し、透過性の強い放射線のみが前記第２撮像素子に入射させることができる。このため、前記第１撮像素子からは可視光、放射線、温度の影響を受けた信号出力を得ることができ、前記第２撮像素子からは放射線、温度の影響を受けた信号出力を得ることができる。
【００１２】
したがって、前記第１撮像素子の信号出力から前記第２撮像素子の信号出力を差し引くことにより、可視光のみを信号出力を得ることができ、白飛び等がなく、撮像対象について鮮明な画像を得ることが可能となる。
【００１３】
また、各撮像素子は光電変換膜と電子源アレイで構成されているので高放射線環境においてもその撮像特性が変化しにくい。さらに電子源アレイを用いているので電子ビームを走査するための構成が必要ではなく、各撮像素子を例えば厚み方向に対して小型化する事が可能である。
【００１４】
これらのことから本発明に係る撮像板であれば、小型でありながら高放射線耐性があり、しかも鮮明な可視光画像を得ることができる。したがって、例えば放射能で汚染されている原子炉内の調査を行うためのロボットに搭載するのに適している。
【００１５】
前記第１撮像素子の各画素と前記第２撮像素子の各画素との位置関係を対応させ、同じ画素に対して同じ放射線が入射しやすくすることができ、各撮像素子の出力信号について単純な差分を取るだけでも鮮明な可視光画像を得られるようにするには、前記第１撮像素子の光軸と、前記第２撮像素子の光軸が一致するように配置されているものであればよい。
【００１６】
鮮明な可視光画像を得られるようにするための具体的な構成としては、前記第１撮像素子から出力される第１出力信号と、前記第２撮像素子から出力される第２出力信号との差に基づいて可視光画像データを出力する画像データ生成部と、を備えたものが挙げられる。
【００１７】
各撮像素子の光電変換機能について高い放射線耐性を実現できるようにするには、前記第１光電変換膜及び前記第２光電変換膜が、前記第１光電変換膜及び前記第２光電変換膜が、ＣｄＴｅ／ＣｄＳダイオードと、前記ＣｄＴe／ＣｄＳダイオードの外表面に形成されたＳｂ２Ｓ３膜であればよい。
【００１８】
各撮像素子における光電変換膜に蓄えられた正孔から出力信号を読み出す機能についても高い放射線耐性を実現できるようには、前記第１電子源アレイ及び前記第２電子源アレイの電子源が、電子が射出される円錐状のエミッタと、前記エミッタの周囲形成された絶縁膜と、前記エミッタからの電子の射出を制御するゲート、とを備え、前記絶縁膜が０．２μｍ以上１μｍ以下であればよい。
【００１９】
放射線が各撮像素子に作用する影響をほとんど同じにすることができ、出力信号の差を取るだけで放射線の影響を正確に補償できるようにするには、前記第１撮像素子と前記第２撮像素子が同一の撮像特性を有するものであればよい。
【００２０】
本発明に係る撮像板を備えたカメラであれば、小型かつ高放射線耐性を有しながら鮮明な可視光画像を得ることができるので、特に放射能に汚染された原子炉等の調査を行うロボットに搭載するのに適したものになる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る撮像板によれば、小型かつ高放射線耐性を有し、しかも、各撮像素子の出力信号の差を取ることで温度や放射線の影響をキャンセルし鮮明な可視光画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る撮像板を用いたカメラを示す模式図。
【図２】同実施形態におけるカメラの模式的分解斜視図。
【図３】同実施形態における撮像板の模式図。
【図４】同実施形態における電子源アレイの構造を示す電子顕微鏡写真。
【図５】同実施形態における電子源アレイの内部構造を示す断面の電子顕微鏡写真。
【図６】同実施形態における撮像板の機能ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の一実施形態に係る撮像板１００及びカメラ２００について各図を参照しながら説明する。
【００２４】
本実施形態の撮像板１００及びカメラ２００は例えば放射能に汚染され、高放射線環境となっている原子力発電所内等を撮像するために用いられるものである。図１に示すように前記カメラ２００は概略平板状をなす小型のものである。
【００２５】
より具体的には図２に示すように前記カメラ２００は、前記撮像板１００が収容されるケーシング４と、前記ケーシング４内に収容される前記撮像板１００と、前記ケーシング４の面板部に設けられ、前記撮像板１００の受光面へと撮像対象からの可視光ＶＬを集光するレンズ５と、を備えている。
【００２６】
前記撮像板１００は、２つの撮像素子１、２と、各撮像素子１、２から出力される信号の処理、及び、画像データの生成を行う制御ボード３とからなる。より具体的には前記撮像板１００は、前記レンズ５とその受光面が対向するように設けられる第１撮像素子１と、前記第１撮像素子１と同型のものであり、前記第１撮像素子１の底面側に対してその受光面が対向するように設けられた第２撮像素子２とを備えている。前記第１撮像素子１及び前記第２撮像素子２は、撮像対象側から視た場合、あるいは、前記レンズ５側から視た場合に前記第１撮像素子１の後ろ側に前記第２撮像素子２が重なるように配置してある。また、前記第１撮像素子１の受光面の光軸と、前記第２撮像素子２の受光面の光軸は前記レンズ５の光軸に一致するように配置してある。さらに前記第１撮像素子１の各画素と前記第２撮像素子２の各画素の位置は前記ケーシング４の厚み方向の位置のみが異なるように対応させて配置してある。
【００２７】
次に前記第１撮像素子１及び前記第２撮像素子２の構成の詳細について図３及び４を参照しながら説明する。
【００２８】
前記第１撮像素子１は、入射する可視光ＶＬ又は放射線ＲＲにより光電変換が生じ、正孔により像が形成される第１光電変換構造ＰＣ１と、前記第１光電変換構造ＰＣ１において形成されている正孔の像を各画素で読み出す第１画素構造ＩＭ１と、を備えている。
【００２９】
前記第１光電変換構造ＰＣ１は、第１ガラスプレート１１、第１透明電極１２、第１光電変換膜ＰＭ１と、を備え、可視光ＶＬ及び放射線ＲＲの入射側からこの順番で積層してある。
【００３０】
前記第１透明電極１２は例えばＩｎ電極であって、この第１透明電極１２を介して前記第１光電変換膜ＰＭ１への電圧の印加、及び、出力信号の取り出しが行われる。
【００３１】
前記第１光電変換膜ＰＭ１は、前記第１透明電極１２と接する第１光電変換ダイオード１３と、前記第１光電変換ダイオード１３の外表面であり、前記第１画素構造ＩＭ１と対向する面に形成された第１二次電子放出比制御膜１４とからなる。
【００３２】
前記第１光電変換ダイオード１３は、前記第１透明電極１２と接するように形成されたｎ型半導体層であるＣｄＳ層と、前記ＣｄＳと接するように形成されたｐ型半導体層であるＣｄＴｅ層とからなるＣｄＳ／ＣｄＴｅダイオードである。
【００３３】
前記第１二次電子放出比制御膜１４は、Ｓｂ２Ｓ３膜であり、その表面を粗く形成することにより二次電子放出比が１よりも小さくなるように構成してある。
【００３４】
前記第１画素構造ＩＭ１は、前記第１光電変換膜ＰＭ１へ電子ビームを射出する第１電子源アレイＥＡ１と、前記第１光電変換膜ＰＭ１と前記第１電子源アレイＥＡ１との間に離間させて設けられた第１メッシュ電極１５と、前記第１電子源アレイＥＡ１からの電子ビームの制御を行う第１制御回路１８と、を備えている。
【００３５】
前記第１電子源アレイＥＡ１は、図４に示すように複数の電子源が前記第１光電変換膜ＰＭ１に対して電子ビームを射出するようにマトリクス状に配列された微小真空冷陰極アレイ（ＦＥＡ）である。この第１電子源アレイＥＡ１は、図５に示すように電子が射出される円錐状の第１エミッタ１７と、前記第１エミッタ１７の周囲形成された第１絶縁膜１９と、前記第１エミッタ１７からの電子の射出を制御する第１ゲート１６、とを備えている。前記第１絶縁膜１９の厚さは０．２μｍ以上１μｍ以下であり、厚膜化することによって高放射線環境下においてもその動作特性が変化しにくいようにしてある。また、本実施形態では複数個の隣接する第１エミッタ１７を１単位として制御され、その領域が１画素として出力信号が得られるようにしてある。
【００３６】
前記第１メッシュ電極１５は、前記第１電子源アレイＥＡ１から射出された電子のうち前記第１光電変換膜ＰＭ１の正孔と結合しなかった余剰電子を吸収するものである。
【００３７】
前記第１制御回路１８は、各第１ゲート１６に印加する電圧を制御し、各第１エミッタ１７群から順次電子ビームが射出されるように構成してある。すなわち１画素ずつ前記第１光電変換膜ＰＭ１に貯まっている正孔の量に応じた出力信号を得られるようにしてある。
【００３８】
このように構成された第１撮像素子１の動作について説明する。前記第１光電変換膜ＰＭ１に可視光ＶＬ又は放射線ＲＲが入射すると、光電効果により照射量に応じた電子と正孔が発生する。この正孔に対して前記第１電子源アレイＥＡ１から電子が照射されると、短絡が生じその部分に貯まっていた正孔に応じた電流が第１出力信号として出力される。この第１出力信号は前記第１撮像素子１に入射した可視光ＶＬ及び放射線ＲＲの量、さらには周囲温度の影響を反映したものとなる。
【００３９】
次に第２撮像素子２について説明する。前記第２撮像素子２は前記第１撮像素子１と全く同じ構成のものである。なお、ＰＣ２は第２光電変換構造、ＩＭ２は第２画素構造、２１は第２ガラスプレート、２２は第２透明電極、ＰＭ２は第２光電変換膜、２３第２光電変換ダイオード、２４は第２二次電子放出比制御膜、ＥＡ２は第２電子源アレイ、２６は第２ゲート、２７は第２エミッタ、２５は第２メッシュ電極、２８は第２制御回路である。そして、基本動作については前記第１撮像素子１と同様であるので説明を省略する。図２に示すようにこの第２撮像素子２は前記レンズ５に対して前記第１撮像素子１の後側に配置されているので、図３に示すように可視光ＶＬは前記第１撮像素子１で遮られ、放射線ＲＲのみが到達する。したがって、前記第２撮像素子２から出力される第２出力信号は放射線ＲＲ、周囲温度のみの影響を反映したものとなる。
【００４０】
次に制御ボード３に実装されているプログラムの構成及びその機能について図６を参照しながら説明する。
【００４１】
前記制御ボード３はＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ等を含む入出力手段を備えたいわゆるコンピュータであって、前記メモリに格納された撮像板１００用プログラムが実行され、各種機器と協業する。その結果、前記制御ボード３は、少なくとも、第１受付部３１、第１撮像データ記憶部３２、第２受付部３３、第２撮像データ記憶部３４、可視光画像データ生成部３５、可視光画像データ記憶部３６としての機能を発揮するものである。
【００４２】
各部について詳述する。
【００４３】
前記第１受付部３１は、前記第１撮像素子１から出力される可視光ＶＬ、周囲温度、放射線ＲＲに由来する第１信号を受け付ける。そして、前記第１受付部３１は第１信号が得られた際に電子ビームが照射されている箇所の画素を示すインデックスと、その画素に対して電子ビームを照射して得られた第１信号をＡ／Ｄ変換した電圧値とを対にして第１撮像データを出力する。前記インデックスは例えば前記第１制御回路１８へ入力されている駆動信号を取得して設定される。
【００４４】
前記第１撮像データ記憶部３２は、前記第１受付部３１から出力される第１撮像データを順次記憶するものである。ここで、仮に前記第１撮像データ記憶部３２に記憶されている各撮像データに基づいて画像を生成すると、従来の撮像管等と同じく可視光ＶＬ、周囲温度、放射線ＲＲの両方の影響を受けたものとなる。
【００４５】
前記第２受付部３３は、前記レンズ５から視て前記第１撮像素子１よりも奥側にある前記第２撮像素子２から出力される放射線ＲＲのみに由来する第２信号を受け付ける。そして、前記第１受付部３１は第１信号が得られた際に電子ビームが照射されている箇所の画素を示すインデックスと、その画素に対して電子ビームを照射して得られた第２信号をＡ／Ｄ変換した電圧値とを対にして第２撮像データを出力する。
【００４６】
前記第２撮像データ記憶部３４は、前記第２受付部３３から出力される第２撮像データを順次記憶するものである。ここで、仮に前記第２撮像データ記憶部３４に記憶されている各撮像データに基づいて画像を生成すると、ガンマ線等の放射線ＲＲだけの影響を受けたものとなる。
【００４７】
前記可視光画像データ生成部３５は、前記第１撮像データ記憶部３２と前記第２撮像データ記憶部３４から第１撮像データと第２撮像データを取得し、前記第１撮像素子１のある画素と、前記第２撮像素子２の対応する画素について第１信号の電圧値と第２信号の電圧値との差分を算出する。さらに前記可視光画像データ生成部３５は、ある画素について算出した差分とその画素を示すインデックスと対にして可視光画像データを生成するように構成してある。言い換えると前記可視光画像データ生成部３５は、第１信号に含まれている可視光ＶＬ、周囲温度、放射線ＲＲの情報から第２信号に含まれている周囲温度、放射線ＲＲの情報を差し引き、可視光ＶＬのみの情報からなる可視光画像データを生成している。
【００４８】
前記可視光画像データ記憶部３６は、前記可視光画像データ生成部３５で生成された各画素について可視光画像データを記憶するものである。この可視光画像データ記憶部３６に記憶されている可視光画像データは有線又は無線により例えば遠隔地にある表示端末へと送信され、例えば原子炉内の静止画像又は動画像として表示される。
【００４９】
このような本実施形態の撮像板１００及びカメラ２００によれば、前記第１撮像素子１と前記第２撮像素子２が入射光軸に対して積層し、前記レンズ５に対して前記第２撮像素子２が奥側になるように設けてあるので、前記第１撮像素子１には可視光ＶＬと放射線ＲＲの影響を受けた第１信号を出力させ、前記第２撮像素子２には放射線ＲＲの影響のみを受けた第２信号を出力させることができる。
【００５０】
さらに前記可視光画像データ生成部３５において第１信号から第２信号を差し引くことにより、可視光ＶＬのみの影響を抽出した可視光画像データを生成するので、高放射線環境において撮像された画像に発生しがちな白飛びや不鮮明さを少なくし、鮮明な可視光画像を得られる。
【００５１】
また、前記第１撮像素子１及び前記第２撮像素子２は、光電変換膜と電子源アレイにより構成されているので、ＣＭＯＳやＣＣＤと比較してＭＯＳ−ＦＥTを多量に用いてない分だけ高放射線環境下においても撮像特性が変化しにくい。さらに、前記撮像素子１及び前記第２撮像素子２は扁平な形状に構成できるので、本実施形態のように２枚を重ねてもロボット等に搭載可能な大きさで構成することができる。これに対して、例えば従来の撮像管であれば概略円筒形状となるため、２本の撮像管を光軸方向に並べて各出力信号の差分を取れるようにすると非常に長大な構成となってしまい、ロボット等に搭載することは非常に難しい。加えて、本実施形態の前記第１撮像素子１及び前記第２撮像素子２は従来の撮像管と比較して消費電力も抑えることができる。
【００５２】
したがって、本実施形態の撮像板１００及びカメラ２００であれば例えば原子炉内のような10kGy/hに至る可能性があるような高放射線環境を調査するロボットにも搭載しやすく、しかも鮮明な可視光画像を得ることが可能となる。
【００５３】
その他の実施形態について説明する。
【００５４】
前記実施形態では、第１撮像素子と第２撮像素子は各画素の座標がケーシングの奥行き方向のみ異なるように構成していたが、ケーシングの平面方向に多少ずれていても構わない。例えば可視光画像データ生成部において第１撮像素子と第２撮像素子の各画素のずれを補正した上で可視光画像データを生成するようにすればよい。すなわち、撮像対象側から視た場合に前記第１撮像素子の後ろ側に前記第２撮像素子が重なるように配置されていればよい。
【００５５】
また、可視光画像データに基づく画像と第２撮像データに基づく画像を重ね合わせることにより、ガンマ線源等の放射線源の位置を特定するためのガンマカメラとして構成してもよい。
【００５６】
前記実施形態では可視光画像データのみを表示端末で表示するようにしていたが、第１撮像データ、第２撮像データに基づく画像を表示するようにしてもよい。すなわち、可視光及び放射線の両方の影響を受けた画像と、放射線の影響を受けた画像と、可視光の影響を受けた画像を同時に表示して比較できるようにしてもよい。
【００５７】
光電変換膜については前記実施形態に記載した組成のものに限られず、例えばａ−Ｓｅ膜を用いて構わない。
【００５８】
可視光画像データについてはモノクロ、カラーのいずれであってもよい。また、制御ボードについては前記実施形態のようにカメラのケーシング内で第１撮像素子及び第２撮像素子の近傍に配置するのではなく、例えばケーシング外において放射線を実質的に透過させないように所定値以上の厚みを有した鉛で覆われた状態で設けてもよい。この場合、第１撮像素子と第２撮像素子からの各出力信号を鉛で覆われた制御ボードまで伝達されるように配線等を行えばよい。このように構成すれば、制御ボードに用いられる電子部品に対する放射線耐性をさらに高めて、撮像特性をより変化しにくくすることができる。また、前記実施形態において制御ボードにおいて実現されていた機能や第１撮像素子、第２撮像素子の制御に関する機能については例えばカメラが搭載されるロボットのための演算機構を利用して実現するようにしても構わない。
【００５９】
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の組み合わせや変形を行っても構わない。
【符号の説明】
【００６０】
２００・・・カメラ
１００・・・撮像板
１、２・・・第１撮像素子、第２撮像素子
ＰＣ１、ＰＣ２・・・第１光電変換構造、第２光電変換構造
１１、２１・・・第１ガラスプレート、第２ガラスプレート
１２、２２・・・第１透明電極、第２透明電極
ＰＭ１、ＰＭ２・・・第１光電変換膜、第２光電変換膜
１３、２３・・・第１光電変換ダイオード、第２光電変換ダイオード
１４、２４・・・第１二次電子放出比制御膜、第２二次電子放出比制御膜
ＩＭ１、ＩＭ２・・・第１画素構造、第２画素構造
１５、２５・・・第１メッシュ電極、第２メッシュ電極
ＥＡ１、ＥＡ２・・・第１電子源アレイ、第２電子源アレイ
１６、２６・・・第１ゲート、第２ゲート
１７、２７・・・第１エミッタ、第２エミッタ
１８、２８・・・第１制御回路、第２制御回路
１９、２９・・・第１絶縁膜、第２絶縁膜
３・・・制御ボード
３１・・・第１受付部
３２・・・第１撮像データ記憶部
３３・・・第２受付部
３４・・・第２撮像データ記憶部
３５・・・可視光画像データ生成部
３６・・・可視光画像データ記憶部
４・・・ケーシング
５・・・レンズ
【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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【図６】
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