JP2012060411A - マルチバンド１次元ラインセンサカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】撮影対象を１回スキャンすることのみで多チャンネルの情報が得られ、しかも、高速、高分解能、高感度を実現するマルチスペクトルカメラを提供すること。
【解決手段】ＣＣＤイメージング素子やＣＭＯＳイメージング素子などのフォトダイオードアレイの多数個を１列に並べた１次元ラインセンサを、並行に複数列配列したものを基本バンドとし、この基本バンドを、さらに並行に複数バンド配設してマルチバンドとするとともに、基本バンドのそれぞれの前面に、それぞれが独立した分光透過率特性を有するバンドパスカラーフィルタを積層することを特徴とするマルチバンド１次元ラインセンサカメラ。
【選択図】図６

Description

本発明は、マルチバンド１次元ラインセンサカメラに関し、詳細には、マルチスペクトルＴＤＩ（Time Delay Integration）方式の１次元並行配列ラインセンサカメラに関する。

従来、マルチスペクトルカメラとしては、２次元モノクロイメージセンサを用い、可視光波長域４００〜９００ｎｍ程度の周波数帯域のうち必要とする特定バンドのみ通過させる回転式バンドパスフィルタを光路に設置し、複数の特定スペクトルイメージを取得する手法がある。
また、１次元ラインセンサ素子を用いて、カラーＲＧＢカメラを構成する場合もあり、
例えば、３板式ＲＧＢラインセンサ方式（図９参照）と並行配列ラインセンサ方式（図１０参照）などがある。

３板式ＲＧＢラインセンサ方式は、ダイクロックミラーで分光したイメージを、それぞれ光学的同位置に配置したＲＧＢ別の各センサに入力する方式であり、イメージのずれが生じることはなく同時刻同位置の１次元情報が得られる。

並行配列ラインセンサ方式は、レンズで分光したイメージを、並行に配置したＲＧＢ別の各ラインセンサに入力する方式である。

しかしながら、上記、３板式ＲＧＢラインセンサ方式は、実際には、数千ビットに及ぶ１次元素子の機械的な同位置調整はかなり困難で、各素子ピクセル間には１ピクセルから２ピクセル程度以上の調整誤差が生じ、ダイクロックプリズム自身の持つ歪み誤差や３つの光路に分離するため顕著な感度低下も無視できず、タクトを上げるためには大光量の光源も必要となるなど問題がある。

また、上記、並行配列ラインセンサ方式は、配列ピッチ分視野位置がずれるため、同時刻に同一場所のＲＧＢ色情報が得られず、２次元方向のスキャン動作で時間軸を合わせるためクロック同期信号によって同一場所の色情報として再合成する必要が生じる（図１１参照）。
但し、３板式ＲＧＢラインセンサ方式と比べ、ダイクロックミラーなどを使用しないため減光は比較的に少ないが、それでもセンサ前面に貼り付けた広域のＲＧＢカラーフィルタによる減光は避けられず、特に、資料の劣化を恐れ高感度とするためスキャンレートを落とし蓄積時間を増やすか、あるいは照度を極端に高輝度にするなど工夫が必要である。
なお、本発明に関する従来技術としては以下の文献がある。

特開２００４−３００８９２号公報 特開平９−１４４３１１号公報

マルチスペクトルカメラは、計測対象物の分光反射率を、帯域内に設定された多バンド（波長域）複数の特徴点を精密に捉えることができることから、高レベルの計測を行う手列としては極めて有用であり、マルチスペクトル計測の重要性が改め認識され、高度なマルチスペクトルカメラの出現が待たれていたが、従来方式で高分解能のマルチスペクトルカメラを構成しようとすれば、図１２に示すように、モノクロの１次元ラインセンサカメラを用意し、目的のバンドパスフィルタを必要枚数貼り付けた回転機構を有するカメラとしていた。

このような回転機構バンドパスフィルタ方式のマルチスペクトルカメラは、チャンネル数だけ同位置のスキャンを繰り返す必要からタクト時間がチャンネル数分大幅に増すなどの問題があり、前記図１０に示す並行配列ラインセンサの場合では、低感度を改善するため、良好なスペクトル画像を得ようとすれば、ハロゲン光源やメタルハライド光源を使用し、更に、スキャンレートを遅くするなどし、積算照明強度を相対的に得るか、あるいは高輝度ＬＥＤ照明装置を用いるなどして、撮影対象である資料を高輝度で照明する必要があった。

しかし、文化財のデジタルアーカイブを例にとると、特に光や温度による劣化が促進されるおそれから、その扱いに当たって照明強度の制限が設けられ、ヨーロッパやアメリカを中心に厳しい基準が定められ、照度と時間の積による積算照度基準を定め厳密な規制を課すようになった。
例えば、アメリカ照明学会（IES:Illuminating Engineering Socity)では、照明と時間の積による積算照度基準を厳格に定め規制を課している。
また、医療分野でも、医療分析における病理診断において高輝度照明は資料劣化促進を招くため極めて好ましくないとし、積算照度がある基準を超える場合は、スキャンレートを落としてフォトン蓄積時間を増やすなどの対策をとっているが、患部の微細微弱な蛍光応答を拾いきれず、改善が必要となっている。
本発明は、従来の問題点を解決するものであり、撮影対象を１回スキャンすることのみで多チャンネルの情報が得られ、しかも、高速、高分解能、高感度を実現するマルチスペクトルカメラを提供することを目的とする。

（１）本発明のマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、
ＣＣＤイメージング素子やＣＭＯＳイメージング素子などのフォトダイオードアレイの多数個を１列に並べた１次元ラインセンサを、並行に複数列配列したものを基本バンドとし、
この基本バンドを、さらに並行に複数バンド配設してマルチバンドとするとともに、
上記基本バンドのそれぞれの前面に、それぞれが独立した分光透過率特性を有するバンドパスカラーフィルタを積層することを特徴とする。
（２）本発明のマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、前記（１）において、
前記基本バンドが、１次元ラインセンサを９６列配列したものであり、
該基本バンドを８バンド配設したことを特徴とする。
（３）本発明のマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、前記（１）又は（２）において、スキャン対象物からの反射光をビームスプリッタを介して分割して、
複数台のマルチバンド１次元ラインセンサカメラに入射するようにしたことを特徴とする。
（４）本発明のスキャン装置は、前記（１）〜（３）のいずれかのマルチバンド１次元ラインセンサカメラの１次元ラインセンサの配列方向に対し、
スキャン対象物を直角方向に移動させる移動手段を備え、
該スキャン対象物からの反射光を基本バンド上に多重の露光を行い、
基本バンドに蓄積された情報をリードアウトするようにしたことを特徴とする。

本発明のマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、回転機構を必要としないソリッドステート構造（固定した構造）の１次元ラインセンサを半導体ウエファー(Wafer)のダイ(die)上に複数バンドで形成して、複数バンドのＴＤＩ(Time Delay Integration)方式のマルチバンド１次元ラインセンサカメラとしたので、多チャンネルで同一場所を１スキャンのみでマルチバンド情報を画像取得でき、高分解能で、従来のものよりも高速でスキャンしても超高感度を実現できる。
さらに、超高感度であるから、複数バンド、例えば８バンド１次元センサカメラをビームスプリッタで２台組み合わせ搭載したマルチスペクトル複数バンド、例では１６バンドの更なる、超多バンド１次元ラインセンサカメラとすることができ、資源探査を始め、成分分析等の、従来不可能だったマルチスペクトル分析が、高速高感度で行える等、革新的な高度応用にも採用拡大ができる。

本発明の実施の形態のマルチバンド１次元ラインセンサカメラを用いたスキャン装置を示す概略説明図である。 本発明の実施の形態のマルチバンド１次元ラインセンサカメラのラインセンサの動作原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態１のマルチバンド１次元ラインセンサカメラの基本バンドの構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態１の８バンド１次元ラインセンサカメラの構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に用いるインターフェースの構成ブロックの例を示す説明図である。 本発明の実施の形態１の８バンド１次元ラインセンサカメラを用いた画像処理の構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態１の８バンド１次元ラインセンサカメラに用いるバンドパスカラーフィルタのチャンネル選定例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２の１６バンド１次元ラインセンサカメラの構成を示す説明図である。 従来例の３板式ＲＧＢラインセンサ構造を示す説明図である。 従来例の平行配列ラインセンサ構造を示す説明図である。 従来例の平行配列型ＣＣＤ視野位置ずれを示す説明図である。 従来例の回転機構バンドパスフィルタ方式のマルチスペクトルカメラを示す説明図である。

本発明のマルチバンド１次元ラインセンサカメラの実施形態を、以下に説明する。
図１は実施の形態のマルチバンド１次元ラインセンサカメラのスキャン方式を示す説明図であり、
図２はラインセンサの動作原理を示す説明図である。
図３は実施の形態１のマルチバンド１次元ラインセンサカメラの基本バンドの構成を示す説明図であり、
図４は実施の形態１の８バンド１次元ラインセンサカメラの構成を示す説明図であり、
図５は実施の形態１に用いるインターフェースの構成ブロックの例を示す説明図であり、図６は実施の形態１の８バンド１次元ラインセンサカメラを用いた画像処理の構成を示す説明図であり、
図７は実施の形態１の８バンド１次元ラインセンサカメラに用いるバンドパスカラーフィルタのチャンネル選定例を示す説明図である。

図４に示すように、本発明の実施の形態１のマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、ＣＣＤイメージング素子又はＣＭＯＳイメージング素子などのフォトダイオードアレイを１列に並べた１次元ラインセンサ、レンズ、信号ドライバ−・コントロール回路などを備えており、撮影対象の映像をレンズによってイメージング素子上に照射して結像させ、１次元ラインセンサ１列分の光量を蓄積して、ビデオ信号に変換して出力させるように構成される。
すなわち、ＣＣＤイメージング素子やＣＭＯＳイメージング素子などのフォトダイオードアレイの多数個を１列に並べた１次元ラインセンサを、並行に複数列配列したものを基本バンドとし、この基本バンドを、さらに並行に複数バンド配設してマルチバンドとするとともに、上記基本バンドのそれぞれの前面に、それぞれが独立した分光透過率特性を有するバンドパスカラーフィルタを積層して、マルチバンド１次元ラインセンサカメラを構成する。

このマルチバンド１次元ラインセンサカメラのフォトダイオードアレイに光が照射されると電荷が時間とともに露光蓄積され、外部よりの並列転送パルスによって、リードアウトレジスターに順次加算（図３の例では最大９６列分を加算）した後一括転送され、ビデオ信号として出力され、ビデオ信号は、時系列パルスと同期させて取り出され、移動体（スキャン対象物）に対し並行で一定ピッチ毎に平均した積分値が出力されるようになっている。

＜裏面入射型ＣＣＤ（Back-Thinned CCD）＞
なお、本実施の形態のマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、可視光域を広げ、新たなたスペクトル応用解析を目的に、裏面入射型ＣＣＤ（Back-Thinned CCD)を採用することもできる。
裏面入射型ＣＣＤは、受光面（裏面）に、保護膜を含む酸化膜や、ポリシリコン電極など、多数の薄膜を形成する必要がなく、高感度広域な理想的な入射面を形成できる。
また、裏面入射型ＣＣＤは、従来の表面入射型ＣＣＤでは検出できなかった近赤外〜紫外域の広域な入射光を高い量子効率で検出することができる。

＜バンドパスカラーフィルタ＞
また、各基本バンドを構成するＣＣＤ前面には、各バンド毎に異なった（独立した）分光透過率特性を有するバンドパスカラーフィルタを積層している。バンドパスカラーフィルタとは、必要な波長域の光を透過し、不要な波長域の光を反射や吸収によりカットする帯域透過フィルターをいう。
これにより、スキャン対象物の反射光を、各基本バンドに積層された各バンドパスカラーフィルタを通してフォトダイオードアレイに取り込むことができ、１スキャンでスキャン対象物の反射光の特徴点を精密に捉えることができる。
したがって、タクト時間が極めて短縮され、ハロゲンやメタルハライドなどの強い光源を使用することなく、高速、高分解能、高感度で多チャンネルの情報を得ることができる。

＜ビームスプリッタ＞
また、本発明のマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、スキャン対象物からの反射光をビームスプリッタを介して分割して、複数台のマルチバンド１次元ラインセンサカメラに入射するようにすることもできる。ビームスプリッターは、光束を二つに分割する光学分野の装置をいい、ビームスプリッターに入射した光の一部は反射し、一部は透過する。
これにより、超高感度多チャンネルのマルチバンド１次元ラインセンサカメラとすることが可能となり、資源探査や成分分析等の、従来不可能だったマルチスペクトル分析を、高速高感度で行うなどの、革新的な高度応用にも適用できる。
そして、１次元ラインセンサによって得られた１次元情報を、２次元的なカメラ映像に再現させるため、対象物を移動させる機構（移動体）を備え、一定速度でラインセンサ列方向と直角に移動させ、１次元ラインセンサ１列分のビデオ信号を組み合わせて２次元イメージとして組み立てる構成としている。

＜実施の形態１＞
以下、実施の形態１により、本発明のマルチバンド１次元ラインセンサカメラをさらに詳細に説明する。
実施の形態１のマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、図４に示すように、図３のＴＤＩ方式の基本バンド（９６列センサ）の８個（８バンド）を、半導体ダイ上に並行に配列し、各基本バンドの前面に、８種類の独立した分光透過率特性を有するバンドパスカラーフィルタを搭載し、マルチバンド１次元ラインセンサカメラとした。
そして、図示するように、各バンドの１次元ラインセンサ上に多重の露光を行い、資料（スキャン対象物）を８バンドの配列方向に移動させ、半導体ウエファー(Wafer)のダイ(die)上に搭載された８バンド９６列（９６ステージ）に蓄積された情報を合計してリードアウトするようにして、高感度なイメージングを実行できるようにしている。

実施形態のマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、１列（１ステージ）として、
画素サイズ：８．５μｍ、
画素数：４０９６ｂｉｔ、
素子長：３４．８ｍｍ、とした。
この１列を素子長方向と直角に９６列（９６ステージ）ＴＤＩ方式に並べて、４０Ｍｈｚ・４Ｔａｐ総合転送速度１６０Ｍｈｚのセンサバンド（基本バンド）とした。そして、この基本バンドを、ダイ上に８バンド並行配列し、高分解能・高速・超高感度のセンサとした。インタフェースは高速のCoaXPresを搭載した。

このマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、１バンド１６０Ｍｈｚで８バンド総合Data Rate（Line Rate）１．２８Ｇｈｚを超えるため、従来のCamera LinkなどのインターフェースではＣＰＵ間と接続できず、新たにAdimic社、EqcoLogic社で提唱された高速デジタルインタフェースであるCoaXPress（図５参照）によって、ＣＰＵ間との接続が電源を含め同軸ケーブル１本で足りる。
CoaXPressは、最高６．２５Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ（CPX-Base) 、同軸ケーブル４本で２５Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ（CPXQuad）でＣＰＵ間を接続できる高速フレキシブルなカメラインタフェースである。

＜バンドパスカラーフィルタ＞
ＣＣＤ素子は、基本的に可視域に加え、視覚感度より外側波長域のイメージを広域バンドに対応する高性能な裏面ＣＣＤセンサ２５０ｎｍ〜１１００ｎｍを８バンド搭載した。
この連続する波長バンド情報を、ＣＣＤ前面にバンドパスカラーフィルタを、各ＣＣＤバンド毎に８バンド搭載して、マルチスペクトルイメージを得た。
このため、８バンドのそれぞれの前面に、それぞれが独立した分光透過率特性を有する８種類のバンドパスカラーフィルタを積層した。

＜ＴＤＩ（Time Delay Integration）＞
図３に示すように、実施の形態１のマルチバンド１次元ラインセンサカメラにおいては、ＴＤＩ（Time Delay Integration）の１次元ラインセンサイメージング方式を採用している。
ＣＣＤ素子を横１列に４０９６画素並べた１次元ラインセンサを、縦方向に９６列配設してＴＤＩ（Time Delay Integration）方式のイメージング方式とした基本バンド（９６列センサ）構造である。
従来、１次元ラインセンサは１本のラインが露光され、次のクロックでリードアウトレジスタに並行移動される事を繰り返していたので、この間、次ラインが有効視野に入るまで一回しか露光されず、その結果、露光時間の問題から低感度とならざるを得なかったが、ＴＤＩ方式によってこのような問題を解決した。
なお、アプリケーション側の要求に応じ、画素数（例えば８０００素子）、列数、バンド数などを更に拡大することも可能である。

次に、実施形態１の８バンド１次元ラインセンサカメラの動作を説明する。
図６に示すように、まず、レンズからの入射光のイメージを８バンドで構成されたＣＣＤセンサに集光させる。
次に、ＣＣＤセンサの各バンドに接続されたリードアウトレジスタからのアナログ出力をVideo A/D Convertor でデジタル変換させる。
そして、ＣＣＤセンサの各バンドについての感度差をシューディング補正回路で感度補正する。
この後、取得しデジタル化されたイメージ情報を高速FPGA回路で送信情報としてパケットに配列する。
パケットに生成されたデジタルイメージ情報を、CoaXpress変換素子によって、高速でシリアル化して、同軸ケーブルによって最大６.２５Ｍｂｐｓで外部に送信する。
なお、ローカルＣＰＵは、８バンド１次元ラインセンサカメラの各機能の制御を、外部の指令によって制御する能力を有する。
なお、Hi-Defnision １Line CCD Camera Interface 回路は、内部のクロックと同期し、上記の一連の動作を制御するハードウエア回路である。
図７に示すように、本実施形態では、８バンドを有することから、基本的に２５０ｎｍ〜１１００ｎｍ内を半値幅を標準的に検討し、入手可能なレンズの特性までを考慮しながら原則的に帯域を等分割するが、対象によって適宜帯域を選定することになり、アプリケーションを判断しながら選定することができる。

＜スキャン装置＞
実施の形態１の「８バンド１次元ラインセンサカメラ」は、回転機構を必要としないソリッドステート構造の１次元ラインセンサを半導体ウエファー(Wafer)のダイ(die)上に８バンドで形成して、９６列のＴＤＩ(Time Delay Integration)方式のマルチバンド１次元ラインセンサカメラとした。
また、この８バンド１次元ラインセンサカメラを用いたスキャン装置として用いる場合は、図１に示すように、スキャン対象物の上方にマルチバンド１次元ラインセンサカメラを設置し、マルチバンド１次元ラインセンサカメラの１次元ラインセンサの配列方向に対し、スキャン対象物を直角方向に移動させる移動手段（回転保持ローラー）を備え、該スキャン対象物からの反射光をマルチバンド１次元ラインセンサカメラの基本バンド上に多重の露光を行い、基本バンドに蓄積された情報をリードアウトするように構成する。
これにより、８バンドで同一場所を１スキャンのみで高速化でき、高分解能で、従来の１００倍程度の超高感度を実現できる。

実施形態１の８バンド１次元ラインセンサカメラ及びそれを用いたスキャン装置は、以下に記載するような特徴を有する。
・ＴＤＩ−９６列センサを搭載したので従来の１００倍近い高感度を実現する。
・ソリッドステート構造で従来のような機構による回転フィルタ切り換えは必要ない。 ・１スキャンのみで従来のようなバンド数分の繰り返しスキャンは必要ない。
・高感度のみならずスキャンスピードが従来に比較しきわめて高速となる。
・構造上従来の１次元センサと同様高分解能を容易に実現できる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２により、本発明のマルチバンド１次元ラインセンサカメラをさらに詳細に説明する。
実施の形態２のマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、図８に示すように、実施形態１の８バンド１次元ラインセンサカメラを、ビームスプリッタで２台組み合わせ、「１６バンド１次元ラインセンサカメラ」としたものである。
すなわち、実施形態２のマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、実施形態１の８バンド１次元センサカメラを、光学ビームスプリッタで同一光路上に２台組み合わせ搭載して、レンズから入光した光をレンズ後に設置されたビームスプリッターで２分割し、それぞれの光路に８バンド１次元センサカメラを設置し、カメラ別に必要とするバンドパスフィルタを設置することで１６バンドの１次元センサカメラとしたものである。
カメラ感度は設置したビームスプリッターで入射光が１／２となるが、ＴＤＩ−９６列構成とし十分高感度であるため、１６バンド構成としても感度が低下することはない。
１６バンド１次元ラインセンサカメラは、１台の８バンド１次元ラインセンサカメラが極めて高速のため、ＣｏａＥＸｐｒｓｓインターフェース１アウトプット単位（同軸単位）にイメージングＣＰＵ１台を配し、各々をもう１台のＣＰＵが統括し画像処理する形態をとり処理の高速化に十分対処可能な構成とした。
なお、双方のカメラの同期を取るためカメラクロックを外部から各カメラの供給する事が必要となる。
このような構成により、実施形態２の１６バンド１次元ラインセンサカメラは、特に、医療用病理解析の原因究明には、資料を劣化させず広域高速処理可能な高性能のシステム装置などに適用できる。

本発明のマルチバンド１次元ラインセンサカメラは、分光的画像分析では、高コントラスト検出・欠陥原因分析などに利用できる。
文化財デジタルアーカイブ応用では、顔料分析・文化財修復分析などに利用できる。
医用応用では病理診断・症例データベースなどに利用できる。
分光的色再現分析では、印刷照明メタメリズムの解消・照明下のカラーマネージメント、平面ディスプレイ照明メタメリズムの解消・忠実性・色再現性分析などに利用できる。
測色的分析では、忠実性・多原色表示分析などに利用できる。
高リアリティー映像表現分野では、臨場感重視の分析、その他資源探査・都市温度分布・人口分布解析などなどに利用できる。
従来不可能と思えた多数の革新的応用分野で、高速・高感度な高度アプリケーションに対応可能な、新発想のイメージングセンサとして中心的役割が大いに期待できる。このため産業上の利用可能性が極めて高い。

Claims (4)

1. ＣＣＤイメージング素子やＣＭＯＳイメージング素子などのフォトダイオードアレイの多数個を１列に並べた１次元ラインセンサを、並行に複数列配列したものを基本バンドとし、
   この基本バンドを、さらに並行に複数バンド配設してマルチバンドとするとともに、
   上記基本バンドのそれぞれの前面に、それぞれが独立した分光透過率特性を有するバンドパスカラーフィルタを積層することを特徴とする、マルチバンド１次元ラインセンサカメラ。
2. 前記基本バンドが、１次元ラインセンサを９６列配列したものであり、
   該基本バンドを８バンド配設したことを特徴とする請求項１に記載のマルチバンド１次元ラインセンサカメラ。
3. スキャン対象物からの反射光をビームスプリッタを介して分割して、
   複数台のマルチバンド１次元ラインセンサカメラに入射するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチバンド１次元ラインセンサカメラ。
4. 前記請求項１〜３のいずれかのマルチバンド１次元ラインセンサカメラの１次元ラインセンサの配列方向に対し、
   スキャン対象物を直角方向に移動させる移動手段を備え、
   該スキャン対象物からの反射光を基本バンド上に多重の露光を行い、
   基本バンドに蓄積された情報をリードアウトするようにしたことを特徴とするスキャン装置。