JP2006304154A - 原子炉内構造物検査用テレビカメラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉内構造物を観察・検査しようとするシステムの場合は、通常の高画素の撮像素子を用いたテレビカメラシステムでは耐放射線性能が十分でないため高解像度のシステムが実用化されていない。本発明は現在使用されている実績のある４１万画素程度のＣＣＤを４個使用してメガピクセルカメラに匹敵するシステムを構成しようとするもので、原子炉内構造物の検査の精度を高めることを目的としている。
【解決手段】被写体像を４分割して撮影したテレビカメラの画像を合成表示する画像表示装置上に、撮像素子の複数個の画素に相当する巾の十字スケールを表示させ、合成した前記４分割された画像の境界部を十字スケールの線幅内に設定することで４分割した画像を合成表示する場合最大の問題になる合成する分割画像の境界領域の処置を容易にする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、原子炉内構造物を高解像で撮像する高解像テレビカメラの構造に関するもので、特に原子炉のシュラウド、循環系配管等原子炉内構造物の観察・検査を高解像度画像で行える耐放射線の高い高解像テレビカメラ装置に関するものである。

近年電気事業法に基づき原子力発電所の原子炉内構造物の定期検査が義務づけられており、定期検査の中にはシュラウド及び循環系配管等の水中テレビカメラ等による遠隔目視検査が点検要領に定められている。遠隔目視点検用の装置としては、長さ数十メートルのケーブルを有する防水構造のCCDテレビカメラが用いられる。作業者は比較的放射線被爆の可能性が少ない場所から、テレビカメラを遠隔手操作により被検査部位に近づけ、溶接箇所のひび割れ又はその兆候等の有無を、画像表示装置（モニター）を通して目視検査する。特にひび割れ等の兆候は出来るだけ初期の段階で遠隔目視により発見できれば早期補修によりリスクが低減できることは言うまでも無い。一般民生用では解像度の高いテレビカメラとしては、撮像素子として画素数の多い高画素（メガピクセル）のCCD等の固体撮像素子を用いたものが実用化されている。原子炉内構造物の定期検査でも同様の高画素固体撮像素子を組み込んだテレビカメラが使用できれば、高解像度の画像で早期のひび割れの兆候等が発見できる可能性が高いが、現実には実用化されていない。以降説明を簡略にするため、以降固体撮像素子をCCDで代表させて記述する。

その主たる技術的な理由は、集積度の高いＩＣ等の機能素子は放射線に対する耐久性が著しく低いので、放射線に曝される炉内に入るカメラヘッド部には集積度の高いＩＣ等の機能素子は組み込めない。このため、集積度の高いＩＣ等の機能素子を使用するＣＣＤ駆動回路、信号処理回路等は炉外に設置出来る信号処理装置に組み込み、カメラヘッド部は耐放射線に比較的つよいトランジスターをバッファーアンプとして組み込んだ簡単な構成のものを採用している。このような構成では、撮像素子として高画素のCCD（メガピクセル）を用いるとCCDを駆動するクロック周波数が高くなるので、信号処理装置より数十メート離れた先端部ではクロック波形の形がなまりCCDの駆動が困難になる。そのために実際は仕様出来るCCDの画素数が制約されており、現在では４１万画素程度（有効画素３８万画素）のCCDが実用化されている限界となっているが、高画素のＣＣＤを使用したテレビカメラの必要性は高くなっている。

テレビカメラでは画像の解像度を決める重要な要因としては、対物レンズの高解像度化と同時に、対物レンズによる像を電気信号に変換するＣＣＤの画素数を多くし、同時に画像を表示する画像表示装置（モニター）の高解像度化があげられる。画像表示装置としてはＮＴＳＣ等の従来の標準方式より遙かに高い解像度を持ったＳＸＧＡ（１２８０×１０２４）規格のものが実用になっており、これに見合った解像度を持ったＣＣＤが使えれば高解像度のテレビカメラシステムが構成出来る。前述のように一般的な環境下では１００万画素以上のＣＣＤを使ったシステムが存在するが、原子炉内構造物を観察しようとするシステムの場合は耐放射線性能が十分でないため高解像度のシステムが実用化されていない。本発明は現在使用されている実績のある４１万画素程度のＣＣＤを４個使用してメガピクセルカメラに匹敵するシステムを構成しようとするもので、原子炉内構造物の検査の精度を高めることを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、被写体像を４分割して撮影したテレビカメラの画像を合成表示する画像表示装置の中心を通る垂直軸と水平軸上に、テレビカメラの撮像素子の複数個の画素に相当する巾の十字スケールを表示させ、合成した前記４分割された画像の境界部を十字スケールの線幅内に設定することを特徴とした原子炉内構造物検査用テレビカメラ装置に関するものである。

さらに詳しく説明すると、被写体を４分割して撮像した画像を合成表示する場合には、ＣＣＤ撮像面のそれぞれ隣り合う境界領域を自然に見えるように処理することが必要になってくる。実際は各画面の境界領域での重なりや、間隙、色の再現の不一致で見づらい画面となることが多く、この改善にもいろいろな技術的な提案がなされているがテレビカメラとしては実用化されていない。本発明は、原子炉内構造物の検査装置の高解像度テレビカメラ装置であることに着目してなされたもので、合成画像を表示する画像表示装置の画面の中心を通る垂直軸と水平軸上に、撮像素子の複数個の画素に相当する巾の十字スケールを表示させ、ＣＣＤ撮像面のそれぞれ隣り合う境界領域をこの十字スケールの巾内に押さえ込むことで合成画像の境界の不自然さを目立たなくしている。図１は画像表示装置の画面上に表示する十字スケールのパターンの１例を示すもので、図中１は表示装置の画面を、２は画面１の中心を通る十字スケールの垂直線を、３は画面１の中心を通る十字スケールの水平線を示している。図に示すように十字スケールの垂直線２と水平線３にはそれぞれ目盛りが付いており、被検査物の傷の大きさ等を比較する目安に使うことができ、検査装置としては利用価値が大きい。

請求項２に係る発明は、４本の対物レンズの光軸を、各対物レンズに装着される固体撮像素子が干渉しない間隔を持って各々の対物レンズの光軸が平行になるように配置し、それぞれの対物レンズの結像面を光軸を通る垂直軸と水平軸で４分割し、４分割された各結像面に4個の固体撮像素子の撮像面を配置したことを特徴とした請求項１項記載の原子炉内構造物検査用テレビカメラ装置に関するものである。

さらに詳しく説明すると、対物レンズで撮像した被検査物の光学像を４１万画素のＣＣＤ4個で撮像すると有効画素としては約１５０万画素（３８万画素×４＝１５２万画素）の高解像度テレビカメラを提示するものである。図２は本発明による高解像テレビカメラの基本概念を示すもので、図中１１は対物レンズ、１２は対物レンズ１１による結像面を、１３は対物レンズ１１の光軸を示している。図に見られるように結像面１２は光軸と直交する垂直軸１４と水平軸１５で４分割されており、４分割されたそれぞれの結像面に４個のＣＣＤ１６、１７、１８，１９の撮像面が配置されている。この様に撮像系を構成すればＣＣＤの画素の4倍の画素を有する高解像テレビカメラが出来ることになるが、実際のＣＣＤは撮像面より一回り大きなチップで構成され、パッケージに組み込まれるので周りに可なりのスペースをひつようとしている。このため実際は対物レンズの像をプリズム光学系で4分割して、ＣＣＤが装着出来るようにした提案がなされている。

通常被写体像をプリズム光学系で４分割しようとすると、3個の反射像と１個の透過像として取り出すのが一般的であるが、本発明の目的には像を波長で分割するのでなく光量で分割する必要がある。この様なプリズム光学系を用いた場合は、対物レンズの像を光量で４分割するので、４分割した像の明るさは分割前の４分の１となり可なり暗い像となる。原子炉内構造物の検査を目的とした場合にはカメラが水中で使用される場合も多く、照明光を4倍にして明るさの減少を補うことが必要となる。光量の減少分をレンズの明るさで補おうとすると、この対物レンズとしては２絞り分明るくする必要が出てくる。対物レンズを明るくすることはレンズの被写界深度が浅くなり、検査システムとしては好ましくない。本発明はこの様な問題点を改善する目的でなされたもので、前述のように4本の対物レンズを用いると光学系としてはあまり明るいものを使う必要がなく、被写界深度も十分にとることが出来るので、その実用価値は非常に高くなる。
特開平６−１４１２４６号公報 特開昭６０−２４８０７９号公報

本発明による原子炉内構造物の観察・検査を高解像で行える耐放射線性能の高い高解像テレビカメラ装置は、特殊な電子ディバイス等を使うことなく、通常市販されているＣＣＤを4個用いて被写体像を分割撮像して、これを合成画像と表示する際も画面合成の境界の不自然さを生じさせないので、容易に装置の高解像度化が達成でき、検査の精度と効率化を上げることが出来る。

本発明による原子炉内構造物の観察・検査を高解像で行える耐放射線の高い原子炉内構造物検査用テレビカメラ装置は、４本の対物レンズと４個のＣＣＤより構成されるカメラヘッドと、ＣＣＤからの映像信号処理装置、十字スケールを表示させた画像表示装置で構成されるがその具体的な形態は図面を用いて実施例で説明する。

図３は本発明によるカメラヘッドの基本的な構造を示す配置例である。図３ではＸ−Ｙで示す座標系の第１象限、第２象限、第３象限、第４象限に対物レンズ２１（光軸２１ａ）、２２（光軸２２ａ），２３（光軸２３ａ）、２４（光軸２４ａ）が配置されている。この対物レンズは焦点距離の等しいものが選別等で選ばれ、結像面の座標系Ｘ‘−Ｙ’上にＣＣＤの撮像面の4倍以上のイメージサイズ（２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂ）を持って被写体の像を結像する。図２中２１ｃ、２２ｃ、２３ｃ、２４ｃはそれぞれＣＣＤのパッケージの外周を示しており対物レンズ２１（光軸２１ａ）、２２（光軸２２ａ），２３（光軸２７）、２４（光軸２８）の光軸位置はＣＣＤのパッケージ２１ｃ、２２ｃ、２３ｃ、２４ｃが干渉しないように座標系Ｘ−Ｙ上で決められている。図３中ハッチングをした部分、２１ｄ、２２ｄ、２３ｄ、２４ｄはＣＣＤ２１ｃ、２２ｄ、２３ｄ、２４ｄの撮像面を示しており、それぞれの撮像面中心は、２１ｄは光軸２１ａの右上、２２ｄは光軸２２ａの左上、２３ｄは光軸２３ａの左下、２４ｄは光軸２４ａの右下にシフトしている。この配置は等価的には図1に示した状態となっておりＣＣＤ２１ｃ、２２ｃ、２３ｃ、２４ｃからは被写体の像を4分割した映像信号が出力される。

図４は本発明による原子炉内構造物検査用テレビカメラ装置の高解像度テレビカメラの信号処理系を示すもので図中２０はカメラヘッド部、３０は信号処理装置、５０は画像表示装置（モニター）を示している。

カメラヘッド部２０は放射線の強い炉内に入るため、前述のように耐放射線に強いトランジスターで構成されているバッファーアンプが組み込まれており、４個の対物レンズ２１，２２，２３，２４と４個のＣＣＤ２１ｃ，２２ｃ，２３ｃ，２４ｄ及びバッファーアンプ２１ｅ，２２ｅ，２３ｅ，２４ｅから構成されており、各ＣＣＤから出力される映像信号はバッファーアンプを通して信号処理装置３０におくられる。

信号処理装置３０は、ＣＣＤ駆動回路、映像信号処理回路、インターレース・プレグレシーブ変換回路、メモリー、メモリーコントローラー、走査変換回路、補間回路、レチクルパターン発生回路等より構成されている。カメラヘッド部２０の各ＣＣＤ２１、２２、２３、２４はＣＣＤ駆動回路３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、で駆動され、バッファーアンプ２１ｅ、２２ｅ、２３ｅ、２４ｅを介して各ＣＣＤからの映像信号は、ガンマー補正、色調整等の処理を行う映像信号処理回路３１、３２、３３、３４に送られる。映像信号処理回路で処理した映像信号はインターレース方式であるが、画像表示装置としてＳＸＧＡ規格のモニターを使用するので、このインターレースの映像信号をプログレシーブの映像信号に変換する必要がある。図４中４１、４２、４３、４４はインターレース・プレグレシーブ変換回路を示しており、プログレシーブ信号に変換された映像信号は4枚の画像信号としてメモリー４５に記憶される。ここで説明を明確にするためにインターレース画像までの信号を映像信号と呼び、プレグレシーブ信号に変換された以降を画像信号と呼ぶことにする。メモリー４５に記憶された４枚の画像信号はメモリーコントローラー４６によって記憶時の4倍の速度で読み出され走査変換回路４７で前述の合成画像に変換される。この実施例では画像表示装置としてＳＸＧＡ（１２８０×１０２４）規格のものを用いているので縦長のＣＣＤ画素を正方画素に変換する必要があるので、さらに走査変換回路と画像表示装置の間に補間回路４８を設けている。

上記のような映像信号の処理を行って、４枚に分割された画像を１枚の画像に合成する場合、４分割された画像のそれぞれ隣り合う境界領域が正確に合致せず、たとえば数ピクセル分重なり合うようにＣＣＤを配置しておき、その重なり合う量をカバーする線幅の十字スケールをスケールパターン発生回路４９で発生させ、合成画像とともに画像表示装置に表示するようにすることも出来る。この様な表示方式をとることによって４個のＣＣＤの配置は、それぞれ隣り合う境界領域を厳密に位置決めする必要はなく、精密な機械的な位置調整装置即ちＣＣＤの中心位置、ＣＣＤの回転方向を数ピクセル内の精度で行えば良いことになる。特にＣＣＤの中心位置等はメモリーより画像信号を読み出すときに電子的な調節が容易であるので機械的な調整方法と併用することも有効であるが、水平、垂直方向即ち回転方向は電子的に補正することは容易でないのでＣＣＤの回転方向は機械的な調整機構で正確に合わせることがのぞましい。

図５は前述の十字スケールの効果を説明するためのもので、図中６０は４つの画面の合成画面の１例を示しており、６１は画中心を通る垂直軸上に設けられた十字スケールパターンの垂直成分を、６２は画面中心を通る水平軸上に設けられた水平成分を表しており、理解を容易にするため十字スケールの巾や画像の境界領域部は誇張して表している。この図では合成しようとする４画面をそれぞれ６３、６４、６５、６６で表しているが、これは図３で示した４個のＣＣＤの撮像面２１ｄ、２２ｄ、２３ｄ、２４ｄに対応している。図中６７は画像６４と６５の重なり合った部分を示しており、７０は画像６５と６６の重なり合う部分が重なり合わず生じた隙間を示している。図中６３の画像は水平、垂直軸に対してわずか傾いて設置された場合を示しており、画像６３と６４の間に生じる重なり合った部分６９、画像６３と６６の間に生じた隙間６８の様子を示している。図に示すように十字スケールを表示させることで、合成する４つの画面の隣り合う境界領域の処理は容易になる。特にこの様な方法を採ると４分割された画像のそれぞれ隣り合う境界領域を数ピクセル分重なり合うようにすることがのぞましいが、重なり合わず間隙があった場合でも境界領域の処理が不自然なく行える特徴を有している。

本発明は原子炉内構造物検査用テレビカメラ装置としてなされたもので、従来より高解像度の画像での検査を可能にしたもので、原子力発電等の分野での安全性の確保に多大な貢献が期待できるが、他の分野でも広く適用可能であることはゆうまでもない。

画像表示装置の画面上に表示する十字スケールの例。 本発明に係わる高解像度テレビカメラの基本概念を示す説明図。 カメラヘッド部の基本的な構造図。 高解像度テレビカメラの信号処理系の説明図。 十字スケールの効果を示す説明図。

符号の説明

１ 画像表示装置の画面
２ 十字スケールの垂直線
３ 十字スケールの水平線
１１ 対物レンズ
１２ 対物レンズによる結像面
２０ カメラヘッド部
２１、２２、２３、２４ 対物レンズ
２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂ 被写体の像
２１ｃ、２２ｃ、２３ｃ、２４ｃ ＣＣＤ
２１ｅ、２２ｅ、２３ｅ、２４ｅ バッファーアンプ
３０ 信号処理装置
３１、３２、３３、３４、映像信号処理回路
３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ ＣＣＤ駆動回路
４１、４２、４３、４４ インターレース・プログレシーブ変換回路
４５ メモリー
４６ メモリーコントローラー
４７ 走査変換回路
４９ スケールパターン発生回路
５０ 画像表示装置
６０ ４つの画面の合成画面

Claims (2)

1. 被写体像を４分割して撮影したテレビカメラの画像を合成表示する画像表示装置の中心を通る垂直軸と水平軸上に、テレビカメラの撮像素子の複数個の画素に相当する巾の十字スケールを表示させ、合成した前記４分割された画像の境界部を十字スケールの線幅内に設定することを特徴とした原子炉内構造物検査用テレビカメラ装置。
2. ４本の対物レンズの光軸を、各対物レンズに装着される固体撮像素子が干渉しない間隔を持って各々の対物レンズの光軸が平行になるように配置し、それぞれの対物レンズの結像面を光軸を通る垂直軸と水平軸で４分割し、４分割された各結像面に4個の固体撮像素子の撮像面を配置したことを特徴とした請求項１項記載の原子炉内構造物検査用テレビカメラ装置。
   

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