JP2002271695A - 視物質類似蛋白質を用いた画像認識素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、入力される動画像内の移動物
体の検出精度がさらに向上する視物質類似蛋白質を用い
た映像認識素子を提供することを目的とする。 【解決手段】 表面に複数の画素電極が２次元配列状に
形成された第１基板、表面に透明対向電極が形成された
透明な第２基板、ならびに両電極間に配された視物質類
似蛋白質配向配列フィルム層および電気的絶縁層を備え
ており、視物質類似蛋白質配向配列フィルム層が画素電
極側に形成され、電気的絶縁層が対向電極側に形成され
ており、第２基板側から視物質類似蛋白質配向配列フィ
ルム層に光情報を照射し、視物質類似蛋白質配向配列フ
ィルム層の電気分極によって画素電極に誘導された誘導
電流を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、視物質類似蛋白
質を用いた画像認識素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】視物質類似蛋白質、例えばバクテリオロ
ドプシンを高度に配向したフィルムは、光情報を与える
ことによって、光情報中の輪郭部分に応じた部分に電位
が発生することが知られている。

【０００３】そこで、バクテリオロドプシンを利用した
画像認識素子が開発されている。バクテリオロドプシン
を利用した従来の画像認識素子は、バクテリオロドプシ
ンまたはそれを含む紫膜の配向膜を２枚の電極（１枚は
透明電極）で挟んだ構造である。そして、このような構
造の画像認識素子に光情報を与え、光起電力によって発
生した”電位”を測定していた（特開平４−３１１９５
４号公報参照）。

【０００４】しかしながら、電位は暗電位等のさまざま
なノイズがのりやすく、従来の画像認識素子において
は、本来の信号のみを検出するためには慎重さが必要で
あった。特に、電極を微少電極にした場合の信号検出に
は、慎重さが必要であった。

【０００５】そこで、本出願人は、図７に示すような画
像認識素子を開発した（特開２０００−２６７２２３号
公報参照）。この画像認識素子は、表面に複数の画素電
極２２が２次元配列状に形成された第１基板２１と、表
面に対向電極１２が形成された第２基板１１と、両電極
１２、２２間に配された誘電体３０から構成されてい
る。対向電極１２の表面に、バクテリオロドプシンを含
む紫膜の配向膜１３が形成されている。

【０００６】第２基板１１側から配向膜１３に光情報
（動画像）が照射される。そして、配向膜１３の電気分
極によって画素電極２２に誘導される誘導電流を検出す
る。画素電極２２に誘導される誘導電流を検出している
ため、移動物体の検出精度が高くなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、入力され
る動画像内の移動物体の検出精度がさらに向上する視物
質類似蛋白質を用いた画像認識素子を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明による第１の視
物質類似蛋白質を用いた画像認識素子は、表面に複数の
画素電極が２次元配列状に形成された第１基板、表面に
透明対向電極が形成された透明な第２基板、ならびに両
電極間に配された視物質類似蛋白質配向配列フィルム層
および電気的絶縁層を備えており、視物質類似蛋白質配
向配列フィルム層が画素電極側に形成され、電気的絶縁
層が対向電極側に形成されており、第２基板側から視物
質類似蛋白質配向配列フィルム層に光情報を照射し、視
物質類似蛋白質配向配列フィルム層の電気分極によって
画素電極に誘導された誘導電流を検出するようにしたこ
とを特徴とする。

【０００９】この発明による第２の視物質類似蛋白質を
用いた画像認識素子は、表面に複数の透明画素電極が２
次元配列状に形成された透明な第１基板、表面に対向電
極が形成された第２基板、ならびに両電極間に配された
視物質類似蛋白質配向配列フィルム層および電気的絶縁
層を備えており、視物質類似蛋白質配向配列フィルム層
が画素電極側に形成され、電気的絶縁層が対向電極側に
形成されており、第１基板側から視物質類似蛋白質配向
配列フィルム層に光情報を照射し、視物質類似蛋白質配
向配列フィルム層の電気分極によって画素電極に誘導さ
れた誘導電流を検出するようにしたことを特徴とする。

【００１０】視物質類似蛋白質配向配列フィルム層とし
ては、たとえば、バクテリオロドプシンの配向配列フィ
ルム層が用いられる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。

【００１２】〔Ａ〕第１の実施の形態の説明

【００１３】〔１〕画像認識素子の構成の説明

【００１４】図１は、画像認識素子の構成を示してい
る。

【００１５】画像認識素子１００は、表面に画素電極２
が２次元配列状に形成された第１基板１、表面に対向電
極５が形成された第２基板６、ならびに両電極間に配さ
れた視物質類似蛋白質配向配列フィルム層３および電気
的絶縁層４を備えている。視物質類似蛋白質配向配列フ
ィルム層３は画素電極２側に形成され、電気的絶縁層４
は対向電極５側に形成されている。この画像認識素子１
００では、動画像は、第２基板６側から視物質類似蛋白
質配向配列フィルム層３に投影される。

【００１６】第１基板１上には、複数の画素電極２と各
画素電極２に接続された配線が形成されている。画像電
極２および配線の材料としては、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ｃ
ｕ等の低抵抗導電材料が用いられる。

【００１７】動画像が第２基板６側から視物質類似蛋白
質配向配列フィルム層３に投影されるので、第２基板６
としては、透明ガラス基板等の透明な基板が用いられて
いる。また、対向電極５としては、ＩＴＯ等の光透過性
導電層が用いられる。

【００１８】視物質類似蛋白質配向配列フィルム層３と
しては、この例では、バクテリオロドプシン（BR:Bacte
riorhodopsin) の配向配列フィルム層が用いられる。電
気的絶縁層４としては、ポリマー性超薄膜、ポリイミド
ＬＢ膜が用いられる。対向電極５は接地されている。各
画素電極２は、第１基板１上の配線を介して電流検出手
段に接続されている。

【００１９】動画像が第２基板６側から視物質類似蛋白
質配向配列フィルム層３に投影され、視物質類似蛋白質
配向配列フィルム層３の電気分極によって画素電極２に
誘導された誘導電流が検出される。この画像認識素子１
００は、図７の従来例と比較すると、視物質類似蛋白質
配向配列フィルム層３が画素電極２の表面に形成されて
いるため、画素電極２に誘導される誘導電流が増大す
る。このため、移動物体の検出精度が向上する。

【００２０】〔２〕画像認識素子の製造方法の説明

【００２１】画像認識素子を製造するには、まず、第１
基板１上に画素電極２および配線が形成された第１電極
基板を製造する。同様に、第２基板６に対向電極５が形
成された第２電極基板を製造する。そして、第１電極基
板上に視物質類似蛋白質配向配列フィルム層３を形成す
る。

【００２２】電気絶縁層４を、第１電極基板上に形成さ
れた視物質類似蛋白質配向配列フィルム層３の表面、ま
たは第２電極基板の対向電極５上に形成する。そして、
第１電極基板と第２電極基板とを、電気絶縁層４と対向
電極５とが圧接した状態で固定する。

【００２３】以下、図２を参照して、第１基板１上に画
素電極２および配線が形成された第１電極基板上に視物
質類似蛋白質配向配列フィルム層３を形成する方法につ
いて説明する。

【００２４】（１）視物質類似蛋白質展開溶液の調製
（視物質類似蛋白質単分子膜の作成） まず、図２（ａ）に示すように、視物質類似蛋白質であ
るバクテリオロドプシン４１を変性させにくい有機溶媒
４２に分散させ、蛋白質展開溶液５０を調製する。有機
溶媒としては、例えば、３３％ジメチルフォルムアミド
水溶液が用いられる。

【００２５】ここで、蛋白質の変性とは、蛋白質の機能
が、蛋白質分子構造の破壊等によって失われることを言
う。蛋白質の失活ともいう。

【００２６】（２）視物質類似蛋白質の展開 次に、図２（ｂ）に示すように、ラングミュアトラフ
（水槽）６１に張った下層液６０の液面上に、蛋白質展
開溶液５０をシリンジ（注射器）６２などで静かに展開
し、下層液６０の液面上に蛋白質の単分子層を形成す
る。この時、単分子層を形成している蛋白質の分子配向
は、下層液６０の界面張力の効果により、ほぼ同一方向
を向いている。なお、下層液６０としては、例えば、ｐ
Ｈを酸性に調製した純水が用いられる。

【００２７】（３）視物質類似蛋白質単分子膜の圧縮 次に、図２（ｃ）に示すように、ラングミュアトラフの
可動式バリア６３により、下層液６０の液面上に形成さ
れた蛋白質単分子膜５１を、所定の面積或いは所定の表
面圧力になるまで圧縮する。視物質類似蛋白質がバクテ
リオロドプシンである場合には、表面圧力を１５mN/mに
なるまで圧縮する。

【００２８】ここで、表面圧力とは、一般には、１次元
圧力をいい、単位長さ当たりの力で表される。蛋白質単
分子膜５１は下層液の液面上にシート状に形成されてお
り、可動式バリア６３で圧縮されると、その膜の横方向
から１次元の力が作用する。ここでは、力が加わった蛋
白質単分子膜の横方向の１次元長さをその力で割った値
をさす。

【００２９】（４）視物質類似蛋白質単分子膜の累積 下層液６０の液面上に形成された蛋白質単分子膜５１
を、所定の面積或いは所定の表面圧力にさせた後、蛋白
質展開溶液に含まれている有機溶媒が揮発するのを待
つ。ただし、一般に蛋白質は、液面に加わる界面張力に
よっても徐々に変性していく性質がある。したがって、
蛋白質展開溶液中の有機溶媒の揮発時間と、界面張力に
よる変性の進行速度の兼ね合いによって、蛋白質単分子
膜５１が失活してしまわないように、待ち時間を適切な
時間に設定する必要がある。視物質類似蛋白質がバクテ
リオロドプシンである場合には、この待ち時間は、１０
分程度となる。

【００３０】第１基板１上に画素電極２および配線が形
成された第１電極基板への視物質類似蛋白質単分子膜５
１の累積は、図２（ｄ）に示すように、水平付着法の繰
り返しによって行なう。

【００３１】次に、電気絶縁層４の形成方法について説
明する。電気絶縁層４を第２電極基板の対向電極５上に
形成する場合には、たとえば、ポリイミド等のポリマー
を対向電極５上にスピンコートすることによって、対向
電極５上に電気絶縁層を形成する。

【００３２】電気絶縁層４を第１電極基板上に形成され
た視物質類似蛋白質配向配列フィルム層３の表面に形成
する場合には、視物質類似蛋白質配向配列フィルム層３
を失活させないようにする必要がある。そこで、たとえ
ば、ＬＢ法によって、ポリイミド等のポリマーを単分子
膜の累積膜として、視物質類似蛋白質配向配列フィルム
層３の表面に形成する。

【００３３】〔３〕視物質類似蛋白質の電気分極特性の
説明

【００３４】図３に示すように、バクテリオロドプシン
１０に光を照射すると、電気分極が生じる。この電気分
極特性は、図４に示すようになる。つまり、光が照射さ
れると（時点ｔ１）、電気分極が起こり、時間の経過と
ともに電気分極は徐々に減衰する。そして、光の照射を
中止すると（時点ｔ２）、光を照射したときと逆極性の
電気分極が起こり、時間の経過とともに電気分極は徐々
に減衰する。

【００３５】〔４〕画像認識素子の動作についての説明

【００３６】画像中の移動物体の輪郭抽出は、従来は、
ＣＣＤ等の入力デバイスによって取得された画像の連続
したフレーム画像間のデータ差分をとることにより、行
われている。この方法は、２つの連続したフレーム画像
の違いが、一般的に画像中の移動物体の輪郭に相当する
部分に起因していることを利用している。

【００３７】したがって、データ差分法で抽出された移
動物体の輪郭データは、全ての場合において、移動物体
の背景画像データに依存する。すなわち、移動物体の光
強度が一定であるとしても、移動物体周辺の背景の光強
度が変化すれば、差分値である輪郭データは一定となら
なくなる。

【００３８】上記実施の形態による画像認識素子１００
（図１参照）では、データ差分をとることなく、移動物
体の輪郭を抽出することができる。さらに、抽出された
移動物体の輪郭データは、静止画データである背景画像
データに依存しない。画像認識素子１００によって抽出
された画素値が一定値であれば、この輪郭を追跡すれ
ば、そのままオプティカルフロー検出時の一次データと
なる。

【００３９】図５は、移動物体を含む動画像を画像認識
素子１００に照射した場合に、画像認識素子１００によ
って得られる出力画像を示している。

【００４０】図５において、１１１は時点ｔ＝Ｔ１にお
ける入力画像を、１１２は入力画像１１１に対する画像
認識素子１００の出力画像を、１１３は出力画像１１２
における直線ＡＢで示す水平ライン上の画像認識素子１
００の出力電流値を、それぞれ示している。ここでは、
時点ｔ＝Ｔ１において、移動物体の光が画像認識素子１
００に最初に照射されたとする。

【００４１】図５において、１２１は時点ｔ＝Ｔ２にお
ける入力画像（光情報）を、１２２は入力画像１２１に
対する画像認識素子１００の出力画像を、１２３は出力
画像１２２における直線ＡＢで示す水平ライン上の画像
認識素子１００の出力電流値を、それぞれ示している。

【００４２】時点ｔ＝Ｔ１においては、画像認識素子１
００の視物質類似蛋白質配向配列フィルム層３の電気分
極特性（図４参照）によって、移動物体の光が照射され
た部分に対応する画素電極２に移動物体の光強度に応じ
た所定値Current+8 の誘導電流が発生する。

【００４３】時点ｔ＝Ｔ２においては、移動物体の光
が新たに照射された部分に対応する画素電極２には、所
定値Current+8 の誘導電流が発生する。移動物体の光
が時点ｔ＝Ｔ１から引き続いて照射されている部分に対
応する導電電極２２への誘導電流は、画像認識素子１０
０の視物質類似蛋白質配向配列フィルム層３の電気分極
特性（図４参照）によって、所定値Current+8 より低い
値Current+5 となる。また、時点ｔ＝Ｔ１では移動物
体の光が照射されていたが、時点ｔ＝Ｔ２では移動物体
の光が照射されなくなった部分に対応する導電電極２２
への誘導電流は、視物質類似蛋白質配向配列フィルム層
３の電気分極特性（図４参照）によって、移動物体の光
強度に応じた逆極性の所定値Current-5 に変化する。

【００４４】したがって、移動物体の光が新たに照射さ
れた部分（移動物体の移動方向前側の輪郭）に対応する
誘導電流値は、移動物体の光強度に応じた一定値Curren
t+8となる。また、移動物体の光が照射されなくなった
部分（移動物体の移動方向後側の輪郭）に対応する誘導
電流値は、移動物体の光強度に応じた一定値Current-5
となる。このように、画像認識素子１００を用いて移動
物体を検出した場合には、背景輝度が一定であるなら
ば、その輪郭の誘導電流値は一定となる。更に、移動物
体の光が照射され続けた部分、および照射されなくなっ
た部分に対応する誘導電流値は、時間の経過とともにCu
rrent0となる。

【００４５】データ差分法で抽出された移動物体の輪郭
内画像は差分画像であるのに対し、画像認識素子１００
によって抽出された移動物体の輪郭内画像は実画像であ
る。このため、入力される動画像の背景が模様がある複
雑な画像であっても、静止画である限り、動画像中の移
動物体の輪郭のみを抽出することができる。また、移動
物体の移動方向も抽出することができる。

【００４６】〔Ｂ〕第２の実施の形態の説明

【００４７】図６は、画像認識素子の他の例を示してい
る。

【００４８】画像認識素子２００は、表面に画素電極２
が２次元配列状に形成された第１基板１、表面に対向電
極５が形成された第２基板６、ならびに両電極間に配さ
れた視物質類似蛋白質配向配列フィルム層３および電気
的絶縁層４を備えている。視物質類似蛋白質配向配列フ
ィルム層３は画素電極２側に形成され、電気的絶縁層４
は対向電極５側に形成されている。この画像認識素子２
００では、図１の画像認識素子１００とは異なり、動画
像は、第１基板１側から視物質類似蛋白質配向配列フィ
ルム層３に投影される。

【００４９】動画像が第１基板１側から視物質類似蛋白
質配向配列フィルム層３に投影されるので、第１基板１
としては、透明ガラス基板等の透明な基板が用いられて
いる。また、第１基板１上に形成される画素電極２とし
ては、ＩＴＯ等の光透過性導電層が用いられる。第１基
板１上に形成される配線の材料としては、Ａｕ、Ａｕ／
Ｃｒ、Ｃｕ等の低抵抗導電材料が用いられる。

【００５０】第２基板上に形成される対向電極５として
は、Ａｕ等の低抵抗導電層が用いられる。視物質類似蛋
白質配向配列フィルム層３としては、この例では、バク
テリオロドプシンの配向配列フィルム層が用いられる。
電気的絶縁層４としては、ポリマー性超薄膜、ポリイミ
ドＬＢ膜が用いられる。対向電極５は接地されている。
各画素電極２は、第１基板１上の配線を介して電流検出
手段に接続されている。

【００５１】動画像が第１基板１側から視物質類似蛋白
質配向配列フィルム層３に投影され、視物質類似蛋白質
配向配列フィルム層３の電気分極によって画素電極２に
誘導された誘導電流が検出される。この画像認識素子１
００は、図７の従来例と比較すると、視物質類似蛋白質
配向配列フィルム層３が画素電極２の表面に形成されて
いるため、画素電極２に誘導される誘導電流が増大す
る。このため、移動物体の検出精度が向上する。

【００５２】

【発明の効果】この発明によれば、入力される動画像内
の移動物体の検出精度がさらに向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】画像認識素子の構成を示す模式図である。

【図２】第１電極基板上に視物質類似蛋白質配向配列フ
ィルム層３を形成する方法を説明するための工程図であ
る。

【図３】視物質類似蛋白質の一種であるバクテリオロド
プシン１に光を照射すると、電気分極が生じることを示
す模式図である。

【図４】バクテリオロドプシンの電気分極特性を示すグ
ラフである。

【図５】移動物体を含む動画像を画像認識素子１００に
照射した場合に、画像認識素子１００によって得られる
出力画像を示す模式図である。

【図６】画像認識素子の他の例を示す模式図である。

【図７】従来例を示す模式図である。

【符号の説明】

１００、２００ 画像認識素子 １ 第１基板 ２ 画素電極 ３ 視物質類似蛋白質配向配列フィルム層 ４ 電気的絶縁層 ５ 対向電極 ６ 第２基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に複数の画素電極が２次元配列状に
   形成された第１基板、表面に透明対向電極が形成された
   透明な第２基板、ならびに両電極間に配された視物質類
   似蛋白質配向配列フィルム層および電気的絶縁層を備え
   ており、視物質類似蛋白質配向配列フィルム層が画素電
   極側に形成され、電気的絶縁層が対向電極側に形成され
   ており、第２基板側から視物質類似蛋白質配向配列フィ
   ルム層に光情報を照射し、視物質類似蛋白質配向配列フ
   ィルム層の電気分極によって画素電極に誘導された誘導
   電流を検出するようにした視物質類似蛋白質を用いた画
   像認識素子。
2. 【請求項２】 表面に複数の透明画素電極が２次元配列
   状に形成された透明な第１基板、表面に対向電極が形成
   された第２基板、ならびに両電極間に配された視物質類
   似蛋白質配向配列フィルム層および電気的絶縁層を備え
   ており、視物質類似蛋白質配向配列フィルム層が画素電
   極側に形成され、電気的絶縁層が対向電極側に形成され
   ており、第１基板側から視物質類似蛋白質配向配列フィ
   ルム層に光情報を照射し、視物質類似蛋白質配向配列フ
   ィルム層の電気分極によって画素電極に誘導された誘導
   電流を検出するようにした視物質類似蛋白質を用いた画
   像認識素子。
3. 【請求項３】 視物質類似蛋白質配向配列フィルム層が
   バクテリオロドプシンの配向配列フィルム層である請求
   項１および２のいずれかに記載の光情報処理素子。