JP2009303166A

JP2009303166A - 撮像システムおよび周辺モニタ装置

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Publication number: JP2009303166A
Application number: JP2008158335A
Authority: JP
Inventors: Haruhito Nakamura; 治仁中村
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: JP5139891B2

Abstract

【課題】イメージインテンシファイアを用いた撮像方式を備えており、撮像対象物までの距離に起因する画像内の明暗のばらつきを抑えることができる撮像システムを提供する。
【解決手段】撮像システム１は、撮像対象物にパルス光Ｐを照射するパルス光源２と、パルス光Ｐによる撮像対象物に関する光像Ｂを撮像する撮像装置３と、制御部４とを備える。撮像装置３は、光像Ｂを受けて光電子を放出するとともに制御部４による電位制御によってゲート動作を行う光電面と、光電面に対向配置されたマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）と、ＭＣＰから放出された電子像に基づいて画像データを生成する撮像部とを有する。制御部４は、パルス光源２からのパルス光Ｐの発生およびＭＣＰの両端電位差の立ち上げをそれぞれ周期的に行うとともに、パルス光Ｐの発生後であって両端電位差の立ち上げ期間内に光電面のゲートを開放する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像システムおよび周辺モニタ装置に関するものである。

近年、車載用のモニタリング装置や防犯監視システムなどにおいて、周囲の状況をＣＣＤカメラ等の固体撮像手段により撮影することが行われている。そして、これらの装置が撮影を行う際には、赤外線等の光を撮影方向へ連続的に照射し、その反射光を撮影する場合がある。例えば、移動中の車両の前方に赤外線を照らしながら撮影することが行われている。このような撮影方法では、近くに存在する物体が明るく映り、遠くに存在する物体が暗く映ってしまうという問題がある。また、光を連続的に照射するので、霧や雨などの気象条件の場合には雨粒等により光が反射してしまい、遠方を撮影することが困難となる。

これに対し、入射光像の光強度を増強するイメージインテンシファイアを用いた撮像方式がある（例えば特許文献１参照）。イメージインテンシファイアを用いると、上記方式と比較して光の照射による影響がなく、自然な画像が得られる。例えば、イメージインテンシファイアを用いると、イメージインテンシファイアを用いない上記方式を利用して移動中の車両の前方に赤外線を照らしながら撮影した場合には光が反射して認識できなかった道路標識が認識可能となっている。

特許文献１には、イメージインテンシファイアを用いた車載低視野撮像システムが記載されている。この文献に記載されたシステムでは、パルス光を撮像対象物へ照射し、パルス光の発光タイミングと撮像タイミングとの時間間隔を撮像対象物までの距離に応じて可変とすることによって、雨や雪といった視界が遮られる環境下においても遠く離れた撮像対象物を認識可能としている。
米国特許第６７００１２３号明細書

イメージインテンシファイアを用いた撮像方式では、ゲート電圧を短時間だけ印加するゲート動作（電子シャッタ動作）を採用することで、霧や雨等の気象条件下においても遠方の撮像対象物を好適に撮影できる。しかしながら、この撮像方式では、遠方の撮像対象物から得られる反射光量が、近い撮像対象物から得られる反射光量と比較して極めて小さくなるので、全体としての明暗がばらついた画像になってしまう。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、イメージインテンシファイアを用いた撮像方式を備えており、且つ撮像対象物までの距離に起因する画像内の明暗のばらつきを抑えることができる撮像システムおよび周辺モニタ装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による撮像システムは、撮像対象物にパルス光を照射するパルス光源と、パルス光による撮像対象物に関する光像を撮像する撮像装置と、パルス光源および撮像装置を制御する制御部とを備え、撮像装置は、光像を受けて光電子を放出するとともに制御部による電位制御によってゲート動作を行う光電面と、光電面に対向配置されて光電子を増倍するマイクロチャンネルプレートと、マイクロチャンネルプレートから放出された電子像に基づいて画像データを生成する撮像部とを有し、制御部が、パルス光源からのパルス光の発生およびマイクロチャンネルプレートの両端電位差の立ち上げをそれぞれ周期的に行わせるとともに、パルス光の発生後であって両端電位差の立ち上げ期間内に光電面のゲートを開放させることを特徴とする。

この撮像システムが備える撮像装置は、光像を受けて光電子を放出するとともに制御部による電位制御によってゲート動作を行う光電面と、光電面に対向配置されて光電子を増倍するマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）とを有しており、いわゆるイメージインテンシファイアを構成している。このイメージインテンシファイアは、ＭＣＰに印加される両端電位差に応じた増倍率でもって入射光像を増強することができる。また、上記した撮像システムにおいては、パルス光の発生およびＭＣＰの両端電位差の立ち上げをそれぞれ周期的に行わせるとともに、パルス光の発生後であって両端電位差の立ち上げ期間内に、光電面のゲートを開放することにより撮像対象物を撮像装置によって撮影している。なお、両端電位差の立ち上げ期間は、例えば５００ナノ秒程度といった極めて短い時間である。また、このうち光電面のゲート開放時間は例えば３００ナノ秒程度である。

パルス光が撮像対象物により反射して光像として戻って来るまでに要する時間は撮像対象物から当該撮像装置までの距離によって異なるが、ゲート開放直後の入射光像に含まれる撮像対象物は撮像装置から近く、ゲート開放時間の経過に従って入射光像に含まれる撮像対象物は撮像装置から遠くなる。そして、撮像対象物が撮像装置から遠いほど光像が微弱となるので、ゲート開放時間の経過に従って入射光像の光量は小さくなる。しかし、上記した撮像システムではＭＣＰの両端電位差の立ち上げ期間内に光電面のゲートを開放しているので、ゲート開放中にはＭＣＰの両端電位差が単調増加することとなる。すなわち、光像に含まれる撮像対象物においては、撮像装置からの距離が長くなるほどイメージインテンシファイアによる増倍率が増す。したがって、上記した撮像システムによれば、撮像対象物までの距離に起因する画像内の明暗のばらつきを抑えることができる。

また、撮像システムは、マイクロチャンネルプレートの両端電位差の立ち上げ期間における該両端電位差の増加率が可変であることを特徴としてもよい。例えば晴天時と雨天時とを比較すると、晴天時には当該撮像システムから遠い撮像対象物であってもその入射光像の光量は比較的大きくなるが、雨天時にはパルス光が雨によって遮られる為、当該撮像システムから遠い撮像対象物に関する入射光像の光量が晴天時より小さくなってしまう。このような場合に、ＭＣＰの両端電位差の立ち上げ期間における両端電位差の増加率、すなわちイメージインテンシファイアの光増倍率の増加幅を例えば雨天時には晴天時より大きくするといった変更を行うことにより、このような撮像条件による影響を抑えてより明瞭な画像を得ることができる。

また、撮像システムは、マイクロチャンネルプレートの両端電位差の立ち上げ期間内における該両端電位差の増加率が該期間内において時間変化しており、制御部において光電面のゲートを開放させるタイミングが可変であることを特徴としてもよい。このような構成によって、ゲート開放中におけるイメージインテンシファイアの光増倍率の増加幅を撮像条件に応じて好適に変更できるので、撮像条件による影響を抑えてより明瞭な画像を得ることができる。

また、撮像システムは、パルス光源がＬＥＤを有することを特徴としてもよい。これにより、パルス光を容易に発生させることができる。

また、本発明による周辺モニタ装置は、周囲の状況をモニタする周辺モニタ装置であって、上記したいずれかの撮像システムを備えることを特徴とする。この周辺モニタ装置は上記した撮像システムを備えているので、撮像対象物までの距離に起因する画像内の明暗のばらつきを効果的に抑えることができる。

本発明によれば、イメージインテンシファイアを用いた撮像方式を備えており、且つ撮像対象物までの距離に起因する画像内の明暗のばらつきを抑えることができる撮像システムおよび周辺モニタ装置を提供できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による撮像システムおよび周辺モニタ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施の形態）
図１は、本発明に係る撮像システムの一実施形態に係る構成を示す図である。本実施形態に係る撮像システム１は、例えば車載用のモニタリング装置や防犯監視システムといった、周囲の状況をモニタする周辺モニタ装置を構成するものである。図１に示すように、撮像システム１は、撮像対象物（被写体）Ａにパルス光Ｐを照射するパルス光源２と、パルス光Ｐによる撮像対象物Ａに関する光像（主に反射光像）Ｂを撮像する撮像装置３と、パルス光源２および撮像装置３を制御する制御部４とを備えている。

パルス光源２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）といった半導体発光素子５と、この半導体発光素子５から出射されたパルス光Ｐを撮影方向へ向けて拡張するレンズ６とを有している。半導体発光素子５は、パルス光Ｐとして例えば赤外光を出射する。このように、パルス光源２がＬＥＤやＬＤといった、電力の供給によって発光状態と非発光状態とを容易に切り替え可能な半導体発光素子５を有することによって、パルス光Ｐを容易に発生させることができる。

撮像装置３は、撮像対象物Ａから入射した光像Ｂの光量を増強するイメージインテンシファイア１０と、イメージインテンシファイア１０から出力された光像を受けて画像データを生成する撮像部（ＣＣＤカメラ）１１とを有している。また、撮像装置３は、光像Ｂをイメージインテンシファイア１０へ向けて結像するレンズ１２と、イメージインテンシファイア１０から出力された光像をＣＣＤカメラ１１へ伝搬する光学部材１３と、イメージインテンシファイア１０に駆動電圧を印加する電圧源１４と、電圧源１４から出力される駆動電圧の大きさを制御するゲイン制御部１５とを有している。なお、光学部材１３としては、例えばリレーレンズやファイバオプティックプレート（ＦＯＰ）が好適である。

ここで、図２及び図３は、イメージインテンシファイア１０の詳細な構成を示す図である。図２はイメージインテンシファイア１０を一部破断して示す平面図であり、図３は、図２に示すイメージインテンシファイア１０の一部を、III−III線に沿って示す断面図である。なお、図３では、説明の便宜上、図２のイメージインテンシファイア１０とは若干各部材の大きさ等を変更している。図２及び図３に示すイメージインテンシファイア１０は、外囲器の内部で光電面、ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート：電子増倍部）及び蛍光面を近接して設置した近接型イメージインテンシファイアである。

図２に示すように、イメージインテンシファイア１０の内部は、略中空円柱状の外囲器２０の両端部を略円板状の入射窓３０及び略円柱状の出射窓７０によって気密に封止することにより、圧力約１×１０^-8［Ｔｏｒｒ］〜１×１０^-6［Ｔｏｒｒ］（１．３３×１０^-6［Ｐａ］〜１．３３×１０^-4［Ｐａ］）を有する高真空に保持されている。外囲器２０は、略中空円筒状の側管部材２１と、この側管部材２１の側部を被覆する略中空円柱状のモールド部材２２と、このモールド部材２２の側部及び底部を被覆する略中空円筒状のケース部材２３とから構成されている。特に、モールド部材２２の両端部には２個の開口がそれぞれ形成されている。ケース部材２３の一端部は開放して形成され、ケース部材２３の他端部にはモールド部材２２の一方の開口とその周縁を一致させた開口が形成されている。

モールド部材２２の一端部側には、入射窓３０がモールド部材２２の一方の開口周辺の表面と密着して設置されている。この入射窓３０の真空側表面の中央領域には、薄膜状の光電面４０が形成されている。光電面４０は、光像Ｂを受けて光電子ｅ₁を放出する。入射窓３０および光電面４０は、光電陰極３５を構成している。

また、モールド部材２２の他端部側には、出射窓７０がモールド部材２２の他方の開口に密着して設置されている。この出射窓７０の真空側表面の中央領域には、薄膜状の蛍光面６０が形成されている。さらに、光電面４０と蛍光面６０との間には、円板状のＭＣＰ５０が光電面４０及び蛍光面６０に対向して所定の間隙をそれぞれ保持して設置されている。このＭＣＰ５０は、側管部材２１にその一端部を埋没して支持された２種類の導電部材からなる電極８１，８２の他端部によって挾持されており、光電面４０から放出される光電子ｅ₁を増倍する。

入射窓３０の真空側表面の周辺領域には、金属製の導電膜（図示しない）が光電面４０と接触して形成されている。この導電膜は、側管部材２１と入射窓３０とを接合するための導電部材からなる電極８０と接触している。詳しくは、電極８０はその一端部がモールド部材２２に埋没されるとともに、その他端部で導電膜と接触している。

出射窓７０の真空側表面の周辺領域には、金属製の導電膜（図示しない）が蛍光面６０と接触して形成されている。この導電膜に接触するように、電極８３が設置されている。詳しくは、電極８３はその一端部がモールド部材２２に埋没されるとともに、その他端部で導電膜と接触している。

４種類の電極８０〜８３の一端部にその一端部をそれぞれ接触した４種類のリード線９０〜９３が、モールド部材２２及びケース部材２３を気密に貫通して外部に突出して設置されている。これらリード線９０〜９３の他端部は、電圧源１４（図１参照）と電気的にそれぞれ接続されている。そのため、光電面４０と、ＭＣＰ５０の光電面側表面及び蛍光面側裏面と蛍光面６０とに対しては、電圧源１４から高電圧がそれぞれ印加される。

図３に示すように、光電面４０とＭＣＰ５０の光電面側表面との間には、電位差Ｖ₁として約２００［Ｖ］が設定されている。ＭＣＰ５０の光電面側表面と蛍光面側表面との間には、電位差Ｖ₂として約４００［Ｖ］〜約９００［Ｖ］が可変に設定されている。ＭＣＰ５０の蛍光面側表面と蛍光面６０との間には、電位差Ｖ₃として約６［ｋＶ］が設定されている。これにより、光電面４０とＭＣＰ５０との間隙と、ＭＣＰ５０の電子入射面と電子出射面との間に配列されたチャネル管の内側と、ＭＣＰ５０と蛍光面６０との間隙とには、蛍光面６０から光電面４０に向かう電界がそれぞれ発生する。

入射窓３０は、大気側及び真空側の各表面の中央領域に共に略平面を有する形状にサファイアを加工して形成されたガラス面板である。光電面４０は、入射窓３０上にガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を結晶成長させて形成されている。この光電面４０は、電圧源１４からリード線９０及び電極８０を介して印加された電圧に基づいて、電位約−１５０［Ｖ］〜約−２００［Ｖ］に設定される。

出射窓７０は、多数個の光ファイバをプレート状に集束して構成されたファイバープレートである。蛍光面６０は、蛍光体を出射窓７０の真空側表面に塗布して形成されており、例えば、ＧｄＯ２Ｓ２：Ｔｂ等で構成されている。この蛍光面６０は、電圧源１４からリード線９３及び電極８３を介して印加された電圧に基づいて、電位約５０００［Ｖ］〜約６０００［Ｖ］に設定される。

なお、蛍光面６０の真空側表面には、メタルバック層と低電子反射率層とが順次積層して形成されている。メタルバック層は、蛍光面６０の表面にＡｌを蒸着して形成されている。このメタルバック層は、ＭＣＰ５０を通過して入射した光に対して比較的高い反射率を有し、かつ、ＭＣＰ５０から放出されて入射した光電子に対して比較的高い透過率を有する。低電子反射率層は、メタルバック層の表面にＣ，Ｂｅ等を蒸着して形成されている。この低電子反射率層は、ＭＣＰ５０から放出されて入射した光電子に対して比較的低い反射率を有する。

図４は、図２に示したＭＣＰ５０を一部破断して示す斜視図である。図４に示すように、ＭＣＰ５０は、複数個のチャネル管５２をプレート状に集束して構成された少なくとも一つの電子増倍領域５１と、この電子増倍領域５１を取り囲むガラス製の縁部５３とを備えている。この電子増倍領域５１の電子入射面及び電子出射面に配列されたチャネル管５２のピッチは、隣接するチャネル管５２の中心間距離として約７．５［μｍ］〜約２５［μｍ］である。

ＭＣＰ５０の光電面側表面は、電圧源１４からリード線９１及び電極８１を介して印加された電圧に基づいて、接地電位に設定される。また、ＭＣＰ５０の蛍光面側裏面は、電圧源１４からリード線９２及び電極８２を介して印加された電圧に基づいて、電位約４００［Ｖ］〜約９００［Ｖ］に設定される。

光像Ｂが外部から入射窓３０を通過して光電面４０に入射すると、光電面４０の価電子帯に位置する電子がその伝導帯に励起し、負の電子親和力作用によって光像Ｂの二次元位置情報を保持した光電子ｅ₁として真空中に放出される。このように光電面４０から放出された光電子ｅ₁は、光電面４０とＭＣＰ５０との間隙に発生した電界によって加速され、ＭＣＰ５０の電子入射側表面に入射する。

ＭＣＰ５０に入射した光電子ｅ₁は、チャネル管５２の内側に発生した電界によって加速され、チャネル管５２の壁面に対する衝突を繰り返しながら移動し、エネルギーを失う毎に電子−正孔対を生成する。この電子−正孔対として生成された電子は、二次電子として光電子ｅ₁と同様に電子−正孔対を生成する過程を繰り返す。そのため、光電子ｅ₁と比較して増倍された光電子ｅ₂が、光像Ｂの二次元位置情報を保持した電子像としてＭＣＰ５０の蛍光面側表面から放出される。このとき、光電子ｅ₁に対する光電子ｅ₂のゲインは、両端電位差Ｖ₂に起因して約１×１０³〜約２×１０⁴に達する。このようにＭＣＰ５０から放出された光電子ｅ₂は、ＭＣＰ５０と蛍光面６０との間隙に発生した電界によって加速され、蛍光面６０に入射する。

蛍光面６０に入射した光電子ｅ₂に対応し、蛍光として発生した光像Ｃが出射窓７０に入射する。このように出射窓７０に入射した光像Ｃは、光像Ｂの二次元位置情報を保持した光像として光学部材１３を介してＣＣＤカメラ１１へ向けて出射される。

再び図１を参照して、本実施形態に係る撮像システム１の構成について説明する。制御部４は、ＭＣＰ用ゲート回路１６、ＰＣ用ゲート回路１７、及びタイミング回路１８を有している。ＭＣＰ用ゲート回路１６は、図２に示したイメージインテンシファイア１０のリード線９１及び９２と電気的に接続されており、電極８１及び８２を介して印加されるＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂についてのゲート動作を制御する。ＰＣ用ゲート回路１７は、図２に示したイメージインテンシファイア１０のリード線９０と電気的に接続されており、電極８０を介して印加される光電面４０の電位についてのゲート動作を制御する。タイミング回路１８は、ＭＣＰ用ゲート回路１６及びＰＣ用ゲート回路１７のそれぞれと電気的に接続されており、ＭＣＰ５０及び光電面４０のそれぞれにおけるゲート開放タイミングをＭＣＰ用ゲート回路１６及びＰＣ用ゲート回路１７に指令するための信号を出力する。また、タイミング回路１８は、パルス光源２と電気的に接続されており、半導体発光素子５の発光タイミングをパルス光源２に指令するための信号を出力する。なお、ここでいうゲート動作とは、イメージインテンシファイア１０を、光像Ｃを出力するための状態と出力しない状態とに切り替えることであり、ゲート開放とは光像Ｃを出力するための状態にすることである。

ここで、図５は、（ａ）ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の遷移、（ｂ）光電面４０の電位の遷移、および（ｃ）パルス光Ｐの強度の遷移をそれぞれ示すタイミングチャートである。図５（ａ）を参照すると、ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂は周期的な期間Ｔ１において立ち上がっており、この立ち上げ期間Ｔ１がすなわちＭＣＰ５０のゲート開放期間となる。立ち上げ期間Ｔ１の時間幅は、例えば５００ナノ秒である。また、両端電位差Ｖ₂のピーク電圧は例えば４００［Ｖ］である。この立ち上げ期間Ｔ１の間、ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂は単調増加しており、当該期間内においてその増加率は時間の経過とともに減少している。

イメージインテンシファイア１０は、ＭＣＰ５０に印加される両端電位差Ｖ₂に応じた増倍率でもって入射光像Ｂを増強する。ここで、図６は、ＭＣＰ５０に印加される両端電位差Ｖ₂と入射光像Ｂに対する増倍率（ルミナンスゲイン）との関係を示すグラフである。図６に示すように、イメージインテンシファイア１０の増倍率は両端電位差Ｖ₂の指数関数に比例して増加する。したがって、ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂が単調増加する期間Ｔ１の間（図５（ａ）参照）、イメージインテンシファイア１０の増倍率もまた単調増加することとなる。

図５（ｂ）を参照すると、光電面４０の電位は周期的な期間Ｔ２において負のパルスとして印加されており、この期間Ｔ２がすなわち光電面４０のゲート開放期間となる。期間Ｔ２の時間幅は、例えば３００ナノ秒である。期間Ｔ２は、図５（ａ）に示したＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の立ち上げ期間Ｔ１に含まれており、この期間Ｔ２の間のみ撮像装置３において光像Ｂが撮像される。また、上述したように、立ち上げ期間Ｔ１の間ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂は単調増加しているので、期間Ｔ２においてもＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂は単調増加しており、期間Ｔ２終了時におけるＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂₂は、期間Ｔ２開始時におけるＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂₁より大きい。

図５（ｃ）を参照すると、パルス光源２からのパルス光Ｐの発生は、ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の立ち上げ周期に合わせて周期的に行われている。そして、図５（ｂ）に示した光電面４０のゲート開放期間Ｔ２は、パルス光Ｐの発生後に設定されている。

パルス光Ｐが撮像対象物により反射して光像Ｂとして戻って来るまでに要する時間は、撮像対象物から当該撮像装置３までの距離によって異なる。すなわち、図５（ｂ）に示した期間Ｔ２において、ゲート開放直後の入射光像Ｂには撮像装置３から最も近い撮像対象物が含まれ、時間が経過するほど入射光像Ｂには撮像装置３から遠く離れた撮像対象物が含まれる。そして、撮像対象物が撮像装置３から遠いほど光像は微弱となるので、期間Ｔ２における時間の経過に従って入射光像Ｂの光量は小さくなる。

そこで、本実施形態の撮像システム１では、ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の立ち上げ期間Ｔ１内の期間Ｔ２において光電面４０のゲートを開放している。これにより、上述したようにゲート開放中にはＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂が単調増加することとなり、光像Ｂに含まれる撮像対象物においては、撮像装置３からの距離が長くなるほどイメージインテンシファイア１０による光増倍率が増す。したがって、本実施形態の撮像システム１によれば、撮像対象物までの距離に起因する画像内の明暗のばらつきを効果的に抑えることができる。

図７〜図９は、本実施形態に係る撮像システム１による上記効果を確認した際の画像である。図７は、撮影対象となった昼間の風景を示す画像であり、撮影位置から主要な建造物までのおおよその距離を示している。図８（ａ）は本実施形態に係る撮像システム１によって前述したようにして取得された夜間の画像であり、図８（ｂ）は本実施形態のような光電面４０及びＭＣＰ５０におけるゲート制御をともに行わずに撮影した夜間の画像である。また、図９（ａ）は光電面４０のゲート制御のみによってゲート撮影位置から近い対象物のみを撮影した夜間の画像であり、図９（ｂ）はゲート撮影位置から遠い対象物のみを撮影した夜間の画像である。図８（ｂ）に示されるように、ゲート制御を行わない場合、撮影位置の近くに存在する対象物に関する光像が明るくなり、相対的に撮影位置の遠くに存在する対象物に関する光像が暗くなってしまう。これに対して本実施形態の撮像システム１による画像（図８（ａ））では、撮影位置からの距離にかかわらず画像内の明暗のばらつきが抑えられ、明瞭な画像が得られている。

また、図９（ａ）、図９（ｂ）は前述した特許文献１に記載された撮像システムによる撮像画像に該当するが、本実施形態に係る撮像システム１によれば、特許文献１に記載された撮像システムと異なり、ゲート開放タイミングに応じて或る特定の距離にある対象物のみの画像を得るのではなく均一な明るさの全体画像を取得することができる。また、特許文献１に記載された撮像システムは電子増倍手段を備えていないので、仮に本実施形態と同様に増幅率を調整しようとすると光電面への印加電圧を変化させることとなるが、このような場合、ダイナミックレンジが極めて狭くなる。これに対し、本実施形態に係る撮像システム１においては、ＭＣＰ５０の電子増倍率が両端電位差Ｖ₂に対して指数関数的に変化するので（図６参照）、ダイナミックレンジが広くなり、イメージインテンシファイア１０の光増倍率を容易に高めることができる。

本実施形態に係る撮像システム１は、更に以下の構成を備えることが好ましい。図１０は、（ａ）ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の遷移、（ｂ）光電面４０の電位の遷移、および（ｃ）パルス光Ｐの強度の遷移をそれぞれ示すタイミングチャートである。既に説明した図５との相違点は、ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の立ち上げ期間Ｔ１における両端電位差Ｖ₂の増加率と、光電面４０のゲート開放期間Ｔ２のタイミングである。

すなわち、図１０（ａ）に示す立ち上げ期間Ｔ１における両端電位差Ｖ₂のピーク電圧は例えば９００［Ｖ］であり、上述した４００［Ｖ］より高圧となっている。立ち上げ期間Ｔ１の時間幅は図５（ａ）と同じ（５００ナノ秒）なので、立ち上げ期間Ｔ１における両端電位差Ｖ₂の増加率が図５（ａ）より大きくなっている。また、図１０（ｂ）に示す光電面４０のゲート開放期間Ｔ２に関しては、その時間幅は図５（ｂ）と同じ（３００ナノ秒）であるが、ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の立ち上げ期間Ｔ１（図１０（ａ））に対する期間Ｔ２の開始タイミングが、図５（ｂ）と比較して早まっている。

図１０（ａ）に示すように、立ち上げ期間Ｔ１における両端電位差Ｖ₂の増加率は、該期間Ｔ１内において時間変化している。具体的には、両端電位差Ｖ₂の増加率は期間Ｔ１内において時間とともに減少しており、期間Ｔ１内の開始直後における両端電位差Ｖ₂の増加率は大きく、時間経過に従って両端電位差Ｖ₂の増加率は小さくなっている。すなわち、両端電位差Ｖ₂の立ち上げ期間Ｔ１に対し相対的に期間Ｔ２の開始タイミングが早まると、当該期間Ｔ２における両端電位差Ｖ₂の増加幅が拡大することとなる。また、立ち上げ期間Ｔ１における両端電位差Ｖ₂の増加率が大きくなれば、期間Ｔ２における両端電位差Ｖ₂の増加率も更に大きくなる。したがって、期間Ｔ２開始時におけるＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂₃と、期間Ｔ２終了時におけるＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂₄との差（Ｖ₂₄−Ｖ₂₃）は、図５（ａ）における差（Ｖ₂₂−Ｖ₂₁）より大きくなっている。つまり、図１０に示した例では、期間Ｔ２におけるイメージインテンシファイア１０の増幅率の変化幅が、図５に示した形態と比較して大きくなっている。

このような形態は、光像Ｂが撮像装置３に届きにくい撮像条件、例えば雨天時や濃霧時などにおいて好適である。晴天時には当該撮像システム１から遠い撮像対象物であってもその入射光像Ｂの光量は比較的大きくなるが、雨天時にはパルス光Ｐや光像Ｂが雨によって遮られる為、当該撮像システム１から遠い撮像対象物に関する入射光像Ｂの光量が晴天時より小さくなってしまう。このような場合に、ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の立ち上げ期間Ｔ１における両端電位差Ｖ₂の増加率、すなわちイメージインテンシファイア１０の光増倍率の増加幅を例えば雨天時には晴天時より大きくするといった変更をゲイン制御部１５において行うことにより、撮像条件による影響を抑えてより明瞭な画像を得ることができる。

したがって、制御部４においては、立ち上げ期間Ｔ１におけるＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の増加率が、撮像条件に応じて可変であることが好ましい。具体的には、立ち上げ期間Ｔ１における両端電位差Ｖ₂のピーク電圧を、制御部４において４００［Ｖ］から９００［Ｖ］を含む範囲で変更できると良い。また、本実施形態のように、立ち上げ期間Ｔ１内における両端電位差Ｖ₂の増加率が該期間Ｔ１内において時間変化している場合には、制御部４において、期間Ｔ２の開始タイミング（立ち上げ期間Ｔ１に対して光電面４０のゲートを開放させる相対的なタイミング）が撮像条件に応じて可変であることが好ましい。

図１１は、撮像システム１からの距離に応じた、光像Ｂの明るさ及びイメージインテンシファイア１０の増倍率の変化を示す図である。図中の曲線Ｒ１は光の拡散による光像Ｂの減衰を示しており、曲線Ｒ２は撮像条件（雨や霧）による光像Ｂの減衰を示している。また、図中の曲線Ｒ３は晴天時におけるイメージインテンシファイア１０の増倍率を示しており、曲線Ｒ４は雨天時におけるイメージインテンシファイア１０の光増倍率を示している。

図１１の曲線Ｒ１に示すように、光像Ｂの明るさは、パルス光Ｐや光像Ｂ自体の拡散によって、撮像システム１からの距離に応じて指数関数的に減衰する。そして、雨天時や濃霧時には、この減衰に加えて更に指数関数的に減衰する（Ｒ２）。本実施形態の撮像システム１では、上述したように撮像システム１からの距離が遠いほどイメージインテンシファイア１０の光増倍率が指数関数的に大きくなるので（Ｒ３，Ｒ４）、撮像システム１からの距離による減衰（Ｒ１）や、撮像条件による減衰（Ｒ２）を効果的に補い、撮影位置からの距離にかかわらず画像内の明暗のばらつきが抑えられる。

（第１変形例）
図１２は、上記実施形態の第１変形例について説明するための図であり、（ａ）ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の遷移、（ｂ）光電面４０の電位の遷移、および（ｃ）パルス光Ｐの強度の遷移をそれぞれ示すタイミングチャートである。本変形例では、ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の波形（図１２（ａ））が図５（ａ）とは異なっており、期間Ｔ１の開始時と期間Ｔ２の開始時が等しく、期間Ｔ２開始時におけるＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂₁（例えば２００［Ｖ］）、又はＶ₂₁より僅かに小さな値より低下しないように、ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂が維持されている。この場合、期間Ｔ１を短くできるので、単位時間あたりのゲート動作を増やすことができ、よりリアルタイムな画像を取得することができる。なお、図１２（ｂ）に示す光電面４０の電位の遷移、および図１２（ｃ）に示すパルス光Ｐの強度の遷移は、それぞれ図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示したものと同様である。

撮像システム１におけるＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂は、ゲイン制御部１５またはＭＣＰ用ゲート回路１６によって図１２（ａ）に示したような波形に制御されてもよい。このような場合でも、上記した実施形態による効果を好適に得ることができる。

（第２変形例）
図１３は、上記実施形態の第２変形例について説明するための図であり、（ａ）パルス光Ｐの強度の遷移、（ｂ）光電面４０の電位の遷移をそれぞれ示すタイミングチャートである。なお、図示はしないが、ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ_２と図１３（ｂ）の光電面４０の電位の遷移との関係に関しては、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す関係と等しい。本変形例では、パルス光Ｐの波形（図１３（ａ））が図５（ｃ）とは異なっており、パルス光Ｐの強度の立ち上がりが急峻であり、且つなだらかに低下するような波形となっている。また、パルス光Ｐの発光中に、光電面４０のゲート動作を行っている。

パルス光Ｐの発光強度をこのような形状とすることで、得られる画像内において撮像システム１から遠い撮像対象物ほどパルス光Ｐの照射強度が強くなる。したがって、パルス光Ｐの照射によっても、撮像システム１からの距離による減衰を補い、撮影位置からの距離にかかわらず画像内の明暗のばらつきをより好適に抑えることができる。

本発明による撮像システム及び周辺モニタ装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではイメージインテンシファイア１０が薄膜の蛍光面６０を備えており、この蛍光面６０から出射される光像をＣＣＤカメラ１１により撮像する方式について説明したが、ＭＣＰから出力される電子を直接検出することにより画像データを生成してもよい。また、上記実施形態ではイメージインテンシファイア１０とＣＣＤカメラ１１との間に光学部材１３を配置しているが、本発明の撮像装置では光電面およびＭＣＰを含む構成部分と撮像部とが直に結合されていてもよい。

本発明に係る撮像システムの一実施形態に係る構成を示す図である。イメージインテンシファイア１０を一部破断して示す平面図である。図２に示すイメージインテンシファイア１０の一部を、III−III線に沿って示す断面図である。図２に示したＭＣＰ５０を一部破断して示す斜視図である。（ａ）ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の遷移、（ｂ）光電面４０の電位の遷移、および（ｃ）パルス光Ｐの強度の遷移をそれぞれ示すタイミングチャートである。ＭＣＰ５０に印加される両端電位差Ｖ₂と入射光像Ｂに対する増倍率（ルミナンスゲイン）との関係を示すグラフである。撮像システム１による効果を確認した際に撮影対象となった昼間の風景を示す画像であり、撮影位置から主要な建造物までのおおよその距離を示している。（ａ）撮像システム１によって取得された夜間の画像である。（ｂ）ゲート制御を行わずに撮影した夜間の画像である。（ａ）光電面４０のゲート制御のみによってゲート撮影位置から近い対象物のみを撮影した夜間の画像である。（ｂ）ゲート撮影位置から遠い対象物のみを撮影した夜間の画像である。（ａ）ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の遷移、（ｂ）光電面４０の電位の遷移、および（ｃ）パルス光Ｐの強度の遷移をそれぞれ示すタイミングチャートである。撮像システム１からの距離に応じた、光像Ｂの明るさ及びイメージインテンシファイア１０の増倍率の変化を示す図である。第１変形例について説明するための図であり、（ａ）ＭＣＰ５０の両端電位差Ｖ₂の遷移、（ｂ）光電面４０の電位の遷移、および（ｃ）パルス光Ｐの強度の遷移をそれぞれ示すタイミングチャートである。第２変形例について説明するための図であり、（ａ）パルス光Ｐの強度の遷移、（ｂ）光電面４０の電位の遷移をそれぞれ示すタイミングチャートである。

符号の説明

１…撮像システム、２…パルス光源、３…撮像装置、４…制御部、５…半導体発光素子、６，１２…レンズ、１０…イメージインテンシファイア、１１…ＣＣＤカメラ、１３…光学部材、１４…電圧源、１５…ゲイン制御部、１６…ＭＣＰ用ゲート回路、１７…ＰＣ用ゲート回路、１８…タイミング回路、３０…入射窓、３５…光電陰極、４０…光電面、５０…ＭＣＰ、６０…蛍光面、８０〜８３…電極、９０〜９３…リード線、Ａ…撮像対象物、Ｂ，Ｃ…光像、Ｐ…パルス光、Ｖ₂…両端電位差、ｅ₁，ｅ₂…光電子。

Claims

撮像対象物にパルス光を照射するパルス光源と、
前記パルス光による前記撮像対象物に関する光像を撮像する撮像装置と、
前記パルス光源および前記撮像装置を制御する制御部と
を備え、
前記撮像装置は、
前記光像を受けて光電子を放出するとともに前記制御部による電位制御によってゲート動作を行う光電面と、
前記光電面に対向配置されて前記光電子を増倍するマイクロチャンネルプレートと、
前記マイクロチャンネルプレートから放出された電子像に基づいて画像データを生成する撮像部と
を有し、
前記制御部は、前記パルス光源からのパルス光の発生および前記マイクロチャンネルプレートの両端電位差の立ち上げをそれぞれ周期的に行わせるとともに、パルス光の発生後であって両端電位差の立ち上げ期間内に前記光電面のゲートを開放させることを特徴とする、撮像システム。
前記マイクロチャンネルプレートの両端電位差の立ち上げ期間における該両端電位差の増加率が可変であることを特徴とする、請求項１に記載の撮像システム。
前記マイクロチャンネルプレートの両端電位差の立ち上げ期間内における該両端電位差の増加率が該期間内において時間変化しており、
前記制御部において前記光電面のゲートを開放させるタイミングが可変であることを特徴とする、請求項１に記載の撮像システム。
前記パルス光源がＬＥＤを有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像システム。
周囲の状況をモニタする周辺モニタ装置であって、
請求項１〜４のいずれか一項に記載された撮像システムを備えることを特徴とする、周辺モニタ装置。