JP4049665B2 - カラー光量増幅装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズを通して光学像を撮影する撮像技術に関し、特に微弱光をカラー可視映像に変換するカラー光量増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光量が少ない条件下で高感度撮影を可能とするものとして微弱光を増幅するイメージインテンシファイヤ（光電子増幅管）を用いた光量増幅装置が知られている。イメージインテンシファイヤとは、微弱光から光電効果作用により光電子を発生させ、これを加速し運動エネルギを増大後、これを蛍光膜に衝突させ増幅された可視光を得るものである。図１４を参照してイメージインテンシファイヤを用いた従来の光量増幅装置１０ｃの構成および原理について説明する。まず、対物レンズ６ｃにより結像された被写体４の光学像は、光電陰極１５ｃの面上に投影され、そして光が電子に変換され、真空状態のイメージインテンシファイヤ３ｃ内部に放出される。
【０００３】
次に、真空中に放出された光電子は、光電陰極１５ｃから蛍光面１７ｃの方向に印加された直流電界によって加速され、蛍光面１７ｃに衝突する。このとき、電子の持つエネルギが光に再変換される。これにより、被写体４の微弱光による像は、輝度分布に比例して増幅され、可視像として蛍光面１７ｃ上に形成され、接眼レンズ７ｃを経由し、現実より明るく観測者８に観測されることとなる。この明るさの倍率は約５０倍程度になる。
【０００４】
以上説明した原理に基づいた、従来の光量増幅装置は、主にモノクロ画像を対象としたものであるが、カラー撮影を可能とするカラー光量増幅装置としては次にあげる方式がある。第一の例は、レンズの後ろに色分解光学系を挿入し、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光学像に分解し、それぞれをイメージインテンシファイヤで増幅した後、撮像素子で光電変換する、いわゆる三板撮像方式のものである（例えば、特許文献１参照）。図面は省略するが、前記三板撮像方式によれば、被写体からの微弱光は、レンズ後方に設けられたダイクロイックプリズムの作用により光が三方向に分岐され、色の三原色のフィルタのうちいずれか一つを付した三つの撮像素子により検出されることとなる。そして、得られたＲ画像、Ｇ画像、Ｂ画像を合成してカラー可視映像を得るカラー光量増幅装置である。
【０００５】
第二の例は、イメージインテンシファイヤ装置前面に三色のカラーフィルタを順次挿入する方法である（例えば、特許文献１、２参照）。これによれば、図面は省略するが、ＲＧＢのカラーフィルタが扇状に１２０°ずつ区切られた円形フィルタを軸中心に回転させＲ画像、Ｇ画像、Ｂ画像を得、これらを合成してカラー可視映像を得る。そして、ＲＧＢそれぞれのカラーフィルタの介在時間を調整することで色バランスの調整を可能としたカラー光量増幅装置である。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−６４２０８号公報（第３−５頁、図１、図１２）
【特許文献２】
特開平８−２２３５８８号公報（第３−５頁、図１、図２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、以上述べた従来のカラー光量増幅装置は、原理的に次に述べるような問題があった。第一の例における三板撮像方式を用いた場合、三つの撮像素子の位置を正確に合わせなければならない点、ならびに撮像素子およびイメージインテンシファイヤをそれぞれ三個必要とすることで、装置が大型化、およびコスト高となる点が欠点である。
【０００８】
また、第二の例であるカラー光量増幅装置の場合も、イメージインテンシファイヤのモノクロ出力画像を一度、撮像素子で電気信号に変換し、信号処理により色情報を分離・再生し、モニタ上でカラー映像を見るといった構成となる為、装置の大型化が避けられない。以上のように、簡単にカラー映像を見ることができない点、設備全体としてコスト高になる点において第一の例における三板撮像方式の場合と同様の問題があった。
【０００９】
さらに、本来、光量増幅装置は、非常に微弱な光源下で明るい映像を簡易に見ることができる特長を生かして、夜間の屋外での野生動物観察や暗視カメラとしての用途を主流とする。しかし、従来のカラー光量増幅装置における装置の大型化は、このような実施に困難をきたすとして問題である。
本発明は、以上の問題点を解決することを目的としてなされたものであり、小型で低コストなカラー光量増幅装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記した目的を達成するために創案されたものであり、まず請求項１に記載のカラー光量増幅装置は、色の三原色に各々対応するカラーフィルタが規則的に配列してなるカラーフィルタアレイ膜と、前記カラーフィルタを透過した透過光が光電子に変換され、増幅された後に衝突して、三原色中いずれか一色を発光する蛍光体が規則的に配列してなる蛍光膜と、を有するカラー光量増幅装置であって、前記カラーフィルタ、および前記蛍光体は、同一の色順、ピッチおよびパターンに配列され、三原色中いずれか一色の前記カラーフィルタの透過光から変換された前記光電子が同色の前記蛍光体に衝突するように、前記カラーフィルタアレイ膜と前記蛍光膜とを、対向して配置することとした。
【００１１】
かかる構成によれば、対物レンズを通して入射した被写体の光学像は、カラーフィルタアレイ膜の作用により、三原色に分離され、各色に対応した単色光による輝度分布が光電陰極上に形成され、輝度に応じた光電子が放出される。そして、電界作用により、運動エネルギを増加させた光電子は、これを発生させた光が透過したカラーフィルタと同色の蛍光体に衝突しこれを発光させる。そのため、入射した被写体の微弱光による光学像は、光量が増幅された相似形のカラー可視映像に変換され観測されることとなる。
【００１２】
さらに、請求項１に記載のカラー光量増幅装置は、電圧の印加により光学変調する短冊形状の複数の光変調素子が前記蛍光膜上の蛍光体配列に沿って規則的に平面状に配置してなるシャッタと、このシャッタを挟着する偏光板と、からなるシャッタアレイを有し、前記シャッタアレイには、前記シャッタと前記偏光板との機能に基づいて、前記蛍光体の発光を遮光または透過する複数の開口部分が形成され、前記複数の開口部分は、その各配置位置が、前記複数の蛍光体の各々に対応し、前記遮光／透過を切り替えて輝度調整を三原色ごとに独立に実行し色バランス調整することとした。
【００１３】
かかる構成によれば、同一の蛍光体配列に対応した複数の光変調素子に対し、同期して高周波駆動のパルス電圧を印加することで、対応する一群の開口部分の遮光または透過動作を同期して行える。この動作を高速で繰返し連続し、さらにパルス期間を可変することにより、蛍光体が発する光量調整をシャッタアレイの制御により可能とする。そして、ＲＧＢ各色に対応する光変調素子は、それぞれ独立にパルス制御されることにより、ＲＧＢ各色はそれぞれ独立に輝度調整がなされ、カラー可視映像の色バランスの最適化が実行されることとなる。
【００１４】
さらに、請求項２に記載のカラー光量増幅装置は、請求項１に記載のカラー光量増幅装置において、前記カラーフィルタおよび前記蛍光体の配列は、色の三原色が水平方向に一定の順番で繰り返されるとともに、垂直方向に同色で配列された縦ストライプ配列であり、前記シャッタは、前記光変調素子の長手方向が前記蛍光体の同色配列方向に一致する位置に配置して構成されていることとした。
【００１５】
かかる構成によれば、対物レンズを通して入射した被写体の光学像は、三原色のうちいずれか一色の単色光で、縦ストライプ形状の輝度分布が連続して形成された光学像として光電陰極上に投影され、輝度に応じた光電子が放出される。そして、電界作用により、運動エネルギを増加させた光電子は、この光電子を発生させた光が透過したカラーフィルタと同色で同じく縦ストライプ配列の蛍光体に衝突し発光させる。以上により入射した被写体の微弱光による光学像は、光量が増幅された相似形のカラー可視映像として変換される。そして、このカラー可視映像を形成する蛍光体のうち同色に対応して配置しているシャッタアレイの開口部分が、印加した高周波駆動パルス電圧のパルス期間に同期して開閉し、各色毎に出力時間を制御し、ＲＧＢ各色の輝度調整を可能とする。これにより、ＲＧＢそれぞれ独立に輝度出力の調整を行い、出力されるカラー可視映像の色バランスの最適化を行うことが可能となる。
【００１６】
そして、請求項３に記載のカラー光量増幅装置は、請求項１に記載のカラー光量増幅装置において、前記カラーフィルタおよび前記蛍光体の配列は、色の三原色によるベイヤ配列であり、前記シャッタは、前記光変調素子の長手方向が前記蛍光体の斜め方向に一致する位置に配置して構成される第１シャッタと、垂直方向に一致する位置に配置して構成される第２シャッタとの二枚よりなるものであり、前記偏光板は、前記第１、第２シャッタを交互に挟む三枚よりなるものであり、前記開口部分は、前記第１シャッタおよび前記第２シャッタを構成するそれぞれの前記光変調素子が交差する部分に対応して形成されていることとした。
【００１７】
かかる構成によれば、フィルタアレイ膜を構成するカラーフィルタの配列は、ある行を水平方向にＲＧＲＧの連続とし、次の行を水平方向にＧＢＧＢの連続として交互に繰り返してなるベイヤ配列となる。これにより、ＲとＢに対しＧのカラーフィルタの密度は二倍となり、さらにＧの配色は斜めパターンとなる。また、シャッタアレイは、第１シャッタにおいて光変調素子が蛍光膜上の斜めラインであるＧラインもしくはＲ／Ｂラインに一致し、また第２シャッタにおいて、縦ラインであるＲラインもしくはＢラインに一致し構成される。これにより、斜めラインと縦ラインとの交差部分が開口部分を形成し、この開口部分を蛍光膜上のＲＧＢ各色に対応させることで、対応するＲＧＢを各色毎に独立に遮光／透過することが可能となる。そして、各シャッタを構成する光変調素子に印加する電圧パルスのパルス期間を変えることで、ＲＧＢ各色毎に輝度調整し、カラー可視映像のカラー調整を行うことが可能となる。
【００１８】
また請求項４に記載のカラー光量増幅装置は、請求項１乃至請求項３のうちいずれか一項に記載のカラー光量増幅装置において、前記光変調素子はＰＬＺＴ素子であることとした。
【００１９】
かかる構成によれば、光量増幅装置を構成するシャッタは短冊形状のＰＬＺＴが規則的に平面上に配列した構成をとることとなる。これにより、カー効果を利用した極めて応答の速いシャッタが実現され、輝度出力調整の為のシャッタ開閉を高速化することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
（第一の実施の形態）
図１は、本発明における第一の実施形態であるカラー光量増幅装置１０の基本構成を示す構成断面図である。図１に示すようにカラー光量増幅装置１０は、シャッタアレイ駆動回路２ａ、可変電圧器５、対物レンズ６、接眼レンズ７、およびイメージインテンシファイヤ３から構成される。そしてこのイメージインテンシファイヤ３は、カラーフィルタアレイ膜１３、入射光透過板１４、および光電陰極１５からなる光入射面１２と、蛍光膜１７、可視光透過板１８、およびシャッタアレイ１９からなる出力面１６とが平行に対峙した構造を有する。また、被写体４の位置は実際上、対物レンズ６と光入射面１２の間隔に比べてカラー光量増幅装置１０から充分間隔をおいて位置しているものとする。そして、観測者８は目を接眼レンズ７に近接させ、このレンズを通して被写体のカラー可視像を観測しているものとする。
【００２１】
ここで、入射光透過板１４と可視光透過板１８とは互いに電気的に絶縁され光透過性を有する例えばガラス板のような一対の平行面である。そして、入射光透過板１４の内部側には光電陰極１５が、外側にはカラーフィルタアレイ膜１３が装着され全体として光入射面１２を構成している。また、可視光透過板１８の内側には蛍光膜１７が、外側にはシャッタアレイ１９が、装着され全体として出力面１６を構成している。
【００２２】
そして蛍光膜１７または可視光透過板１８のどちらか一方の片面は導電性処理が施されており、可変電圧器５により電圧が印加されると光電陰極１５と蛍光膜１７との間に電界が形成される。また、イメージインテンシファイヤ３全体は、その内部が真空状態であることをふまえて、大気圧に耐えられる充分な密封性と強度をかねそなえているものとする。
【００２３】
以下、図面を用いてイメージインテンシファイヤ３を構成する各部分について適宜図１を参照しながら説明する。
図２は、イメージインテンシファイヤ３（図１）における光入射面１２部分の側面断面図と正面図とを示す図である。図２はイメージインテンシファイヤ３（図１）の外面に設置されたカラーフィルタアレイ膜１３と内面に設置された光電陰極１５とを示している。そしてカラーフィルタアレイ膜１３は縦長の短冊状のＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）のカラーフィルタ２２Ｒ、同２２Ｇ、同２２Ｂをそれぞれ規則的に連続的に配列して全体を構成している。なお、以降、前記カラーフィルタを示す場合において特に色を特定する必要がない時は、単にカラーフィルタ２２と記すこととする。
【００２４】
光電陰極１５は、光電効果に基づき光量に応じて光電子を放出するもので光入射面１２に入射しカラーフィルタアレイ膜１３を透過した被写体４からの光信号を電気信号に変換する作用を有する。また、光電陰極１５は、純金属物質、アルカリハライド等の絶縁物、アルカリ金属複合体、またはIII−Ｖ族半導体などの材料からなり、そして可変電圧器５の陰極に接続され蛍光膜１７（図１）との間で平行平板電極を構成する。
【００２５】
図３は、イメージインテンシファイヤ３（図１）における出力面１６部分の側面断面図と正面図とを示す図である。図３は出力面１６の外面に設置されたシャッタアレイ１９と、そして内面に設置された蛍光膜１７とを示している。そして蛍光膜１７はテレビジョンのブラウン管と同様、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色を発光する短冊形状の蛍光体３３Ｒ、同３３Ｇ、同３３Ｂが色毎に規則的に連続的に配置して構成され、ガラス製の可視光透過板１８の内側に設置されている。なお、以降、前記蛍光体を示す場合において特に色を特定する必要がない時は、単に蛍光体２２と記すこととする。
【００２６】
また、これらＲＧＢ各色の蛍光体３３は、図３に示すように（適宜図２を参照）カラーフィルタ２２のＲＧＢと同一の色順、ピッチならびにパターンで配列され、蛍光膜１７は、カラーフィルタアレイ膜１３（図２）上のＲＧＢ各色に位置的に対応して配置されていることとする。これにより、光電陰極１５上で発生した光電子は、電界に沿って直進する為、光電子は、変換前の入射光が透過したカラーフィルタ２２と同色の蛍光体３３に入射し、発光体を発光させる。このように、光入射面１２において光信号から電気信号に変換された情報は、出力面１６において増幅された光信号すなわち可視光に変換されることとなる。次に、蛍光体３３が発する光は、可視光透過板１８の外側に配置した後述するシャッタアレイ１９とこれに接続するシャッタ駆動回路２ａにより色毎に輝度調節されることとなる。
【００２７】
図４は、蛍光膜１７（図１）の表面を拡大した拡大図である。図４における遮光部４２は、黒色で幅Ｔを有するものであってＲＧＢの蛍光体３３Ｒ、同Ｇ、同Ｂ各々の境界部分に挿入されている。これは、光電陰極１５（図１）から出射した色情報を持った光電子が、多少広がりをもって蛍光膜１７に到達した際に、隣接した蛍光体３３Ｒ、同Ｇ、同Ｂに異色の情報を有する電子が衝突しておこす干渉を防止する機能を有するものである。この遮光部４２の幅Ｔは、電子の広がり具合、蛍光体３３の発光効率、および画面全体の明るさ等を総合的に判断して最適値が設定される。
【００２８】
次に、図５および図６を用いて、シャッタアレイ１９の構成について説明する。図５は、シャッタアレイ１９の構成を分離して示す斜視図である。図に示すようにシャッタアレイ１９は、光を遮光／透過の切り替え機能を奏するシャッタ５３として光変調素子であるＰＬＺＴ板５３と第１、第２の偏光板（５５、５７）とから構成される。
【００２９】
このＰＬＺＴ板５３とは強誘電性セラミックであるジルコン酸チタン酸鉛製のパネルであり、この両面を挟むように二色性を示すシート状偏光材である第１、第２の偏光板（５５、５７）が偏光方向を同方向として設置されている。また、ＰＬＺＴ板５３には、シャッタ制御を行う為のシャッタアレイ駆動回路２ａが接続されている。なお、図５においてＰＬＺＴ板５３と第１、第２の偏光板（５５、５７）とは分離して表示されているが、三者は積層され一体化して全体としてシャッタアレイ１９を構成している。
【００３０】
図６はシャッタ（ＰＬＺＴ板）５３の詳細な構成を示す詳細図である。二次元平面のシャッタ５３は、複数の短冊状の構成単位である光変調素子から構成されている。また、光変調素子はＰＬＺＴ素子６３であり、蛍光体３３（図３）と同じピッチ、パターン、および位置的な対応を維持しつつ配置されていることとする。さらに、このＰＬＺＴ素子６３は、同色の蛍光体３３に対応するＰＬＺＴ素子６３Ｒ、同６３Ｇ、同６３Ｂごとに、並列にシャッタ電極６６Ｒ、同６６Ｇ、同６６Ｂに連結されていることとする。なお、以降これら並列にシャッタ電極に連結し、電極への電圧印加に同期して動作する一群のＰＬＺＴ素子をカラムと総称することとする。また、前記ＰＬＺＴ素子を示す場合において特に対応色を特定する必要がない時は、それぞれ単にＰＬＺＴ素子６３と記すこととする。
【００３１】
ここで、ＰＬＺＴ板５３は、可視光や赤外光を良く透過する性質を有する。そして、シャッタ電極６６Ｒ、同６６Ｇ、同６６Ｂに電圧が印加されていない場合、第１、第２の偏光板（５５、５７）（図５）は偏光方向が同じである為、シャッタアレイ１９に入射した光は光強度をそれほど減ずることなくシャッタアレイ１９を通過する。次に、例えばＲ光用シャッタ電極６６Ｒに電圧を印加するとＲの蛍光体３３Ｒ（図３）に対応するカラム６３Ｒに電界が付与され、カー効果によりＰＬＺＴ素子６３Ｒは光学的等方性状態から複屈折の状態へと転移する。
【００３２】
そして、第１の偏光板５５（図５）を通過した光は、偏光板の偏光方向に偏光面が直線偏光されており、電界が付与されているＰＬＺＴ素子６３に入光すると、通過光の偏光面がπ／２回転するので、偏光方向が第１の偏光板と同じである第２の偏光板５７を透過できない。これにより、各々のシャッタ電極６６Ｒ、同６６Ｇ、同６６Ｂに印加する電圧をＯＮ／ＯＦＦすることでシャッタアレイ１９（図５）は、ＲＧＢの蛍光体３３の出射光をＲＧＢの色毎に独立に、遮光／透過するシャッタ機能を奏することとなる。
【００３３】
また、後記するようにシャッタアレイ駆動回路２ａ（図５）によりＰＬＺＴ素子６３にパルス状の電圧が印加され、高速に遮光／透過が繰り返され、パルス期間を変更することで遮光期の調整が可能となる。これにより、シャッタアレイ１９を透過する光の透過率を調整し、輝度調整をシャッタアレイ駆動回路２ａの制御により行うことが可能となる。このようにして、シャッタ機能を担う各色ＰＬＺＴ素子６３の遮光期間を調整することにより、ＲＧＢの輝度調整を独立して行い、色バランスを調整し、良好な色再現をもつカラー映像を得ることができる。
【００３４】
次に、本実施形態におけるカラー光量増幅装置１０の動作について、被写体からの微弱光が、カラー可視映像として観測されるまでの流れに沿って説明する。図１において、被写体４からの微弱光は、対物レンズ６を経由してイメージインテンシファイヤ３の光入射面１２に入射し、カラーフィルタアレイ膜１３を透過する。この透過光は、透過した短冊形状のカラーフィルタ２２（図２）の各色に対応したＲＧＢのうちいずれか一つの単色光が交互にストライプ状に整列した被写体４の像の輝度分布となって光電陰極１５の表面に投影される。
【００３５】
そして、光電陰極１５は、面上投影された像の輝度に応じた量の光電子を放出し、すなわち、光電陰極１５上において、光信号が電子信号に変換されることとなる。次に、この光電子は、可変電圧器５によりイメージインテンシファイヤ３内部に形成された電界により直進加速し、運動エネルギが増幅された後、蛍光膜１７に衝突しこれを発光させ、出力面１６上に増幅された被写体４のカラー映像を映し出す。
【００３６】
なお、光電子が衝突する蛍光膜１７上の蛍光体３３（図３）は、この光電子を発生させた光が透過したカラーフィルタ２２（図２）と同色で位置的に対応したものとなっている。ところでこの光電子は、イメージインテンシファイヤ３（図１）内に形成される電界に沿って直進するが、わずかに拡散する。このため、カラーフィルタ２２（図２）の境界近傍を透過した光が発生させた光電子は、隣接する異色の蛍光体３３の領域に飛び込む可能性がある。
【００３７】
これに起因した画像劣化を回避する為に、異色蛍光体の境界部には幅Ｔなる不感帯領域である遮光部４２（図４）が設けられ、そして、この領域においては光電子を検出しない。以上により、被写体４からの微弱な反射光は増幅され、出力面１６において肉眼にて観測可能な被写体４のカラー光学像となるが、この光学像の色調は、実際の被写体のオリジナル色調と比較して異なる場合がある。
【００３８】
これは、カラーフィルタアレイ膜１３の透過率、および各蛍光体３３Ｒ、同Ｇ、同Ｂの発光効率の相違、ならびに光電陰極１５の光電子変換効率の波長依存性等に起因して、イメージインテンシファイヤ３を透過する前後でカラー光学像を構成するＲＧＢの輝度比率が相違することによる。例えば白色光を入射した場合に出力される増幅された光学像は必ずしも白色とはならず、各色の変換効率により着色した像として認識される。そこで、蛍光体３３（図３）から発した光は、シャッタアレイ１９を透過することによりＲＧＢの色毎に、輝度出力調整がなされ、観測者８により観測されるカラー光学像は被写体４のオリジナル色調に近づくことになる。
【００３９】
図７は、シャッタ電極６６Ｒ、同Ｇ、同Ｂに印加する電圧の駆動パルスを示すタイミングチャートである。本図に基づいてシャッタアレイ１９の動作を説明する。ここで、駆動パルスがＬｏｗからＨｉｇｈレベルに変化すると、対応するＰＬＺＴ素子が光学的に等方性状態から複屈折状態へと転移しシャッタアレイ１９は、遮光動作を行う。そして、各シャッタパルスは周期Ｔで高周波駆動されており、このパルス期間（ｎ）および（ｍ）を調整することにより各色の輝度が調整される。
【００４０】
図７において、Ｂ光用シャッタパルス７３をパルス期間（ｎ）にすると、ＰＬＺＴ素子６３Ｂ（図６）は、（ｎ）期間、蛍光体３３Ｂ（図３）からの出射光を遮光し、（Ｔ−ｎ）期間、出射光を透過し、これが交互に繰り返される。同様に、Ｇ光用シャッタパルス７２においては、ＰＬＺＴ素子６３Ｇ（図６）は、（ｍ）期間、蛍光体３３Ｇ（図３）からの出射光を遮光し、（Ｔ−ｍ）期間、出射光を透過し、これが交互に繰り返される。Ｒ光用シャッタパルス７１においては、駆動パルスは常時Ｌｏｗ状態となっているので、蛍光体３３Ｒ（図３）からの出射光は遮光されることなく常時透過の状態である。図７において例示したパルス駆動においては、ＢＧＲの順番で輝度出力が抑えられた制御態様となっている。
【００４１】
このように各色のシャッタ電極６６Ｒ、同Ｇ、同Ｂに加えるパルス期間（ｍ）ならびに（ｎ）を変更することにより、各色の出力時間を制御することで輝度比率が調整され、出力される光学像の色調整が行なわれる。なお、シャッタ電極６６、同Ｇ、同Ｂに印加する（ｍ）および（ｎ）の期間調整は観察装置使用前に行われることとし、色バランス調整後の出力面１６（図１）に表示された映像は、接眼レンズ７を通して観測者８に被写体４のオリジナル色調に近いカラー映像として認識されることとなる。
【００４２】
なお、本実施形態の説明において、シャッタ５３（図６）を構成する短冊形状のカラムは、光変調素子の一つであるＰＬＺＴ素子６３で構成されていることを前提とした。これは、カー効果を利用して極めて応答の早いシャッタを実現するＰＬＺＴの特徴を利用したもので、特に本発明のように高周波パルス駆動による高速シャッタ開閉を伴う実施形態においては最適であるからである。またパルスの駆動周波数を高くすることで、ちらつきの少ないカラー可視映像を得ることが可能である。従って、シャッタ材質に関しては、装置が要求される性能に応じて適宜変更可能で、電気的に光の遮光／透過の切り替えを行えるものであれば何でもよく、例えば液晶のようなものであってもよい。
【００４３】
以上示したように、本実施形態にかかる発明は小型で低コストなカラー光量増幅装置を提供するものであり、イメージインテンシファイヤ３にＲＧＢのカラーフィルタ２２を縦ストライプ配置してなるカラーフィルタアレイ膜１３と、蛍光体３３を同配置してなる蛍光膜１７と、カラム（ＰＬＺＴ素子）６３を同配置してなるシャッタ（ＰＬＺＴ板）５３と、を設置した構成をとる。そして、装置に入射する被写体４の微弱な光学像はＲＧＢの三原色に分離後、増幅されＲＧＢの色毎に輝度調整が行われる。これにより微弱な光源下でも、明るく色再現性の高いカラー映像を得ることを可能とした小型で低コストなカラー光量増幅装置が得られる。
（第二の実施の形態）
【００４４】
次に、本発明における第二の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態におけるカラー光量増幅装置の基本構成は、図１で示すものと同じであるので、同一部分に関しては説明を省略するが、同一でなく機能的に相当する部分については異なる符号を付して以降説明する。図８は、本実施形態における光入射面８２の側面断面図と正面図を示す図であり、図２で示される第一実施形態における光入射面１２と同様の機能を有する部分である。
【００４５】
図８に示す本実施形態における光入射面８２と第一実施形態の光入射面１２（図２）との相違は、カラーフィルタアレイ膜８３上のカラーフィルタ８２の配列を縦ストライプ配列のかわりに図示するようなベイヤ配列とした点である。ベイヤ配列とは、ある行をＲＧＲＧ、次の行をＧＢＧＢとして交互に繰り返し配列し、さらに垂直方向も同様にＲＧとＧＢの繰り返しを有するように配列したもので、民生用単板カラーカメラ等に広く用いられているカラーフィルタ配列である。
【００４６】
第一実施形態における縦ストライプ配列と対比して本実施形態におけるベイヤ配列の特徴の一つは、ＲとＢに対しＧが二倍の密度を有する点である。これは人間の目が輝度情報としてＧ色を強く認識する一般的性質より、ＲＧＢのうちＧの配列を他と変化させたり密度を高くさせたりすることで、明るくコントラストの良い映像として認識される効果による。また、二点目として、カラーフィルタの配色パターンが認識されにくいといった特徴も有し、これらにより画質の高い映像が得られることとなる。
【００４７】
図９は、本実施形態における出力面９６の側面断面図と正面図を示す図であり、図３で示される第一実施形態における出力面１６と同様の機能を有する部分である。本実施形態と第一実施形態の出力面１６との相違は、光入射面８２（図８）と同様に、蛍光膜９７を構成する蛍光体９３がベイヤ配列を有する点ならびに、シャッタアレイ９９が後記する図１０のように五層構造を有する点である。
【００４８】
図９において、出力面９６に配置される蛍光膜９７を形成する蛍光体９３は、光入射面８２（図８）上のカラーフィルタ８２（図８）と同じ色順、ピッチ、ならびにパターンで配列されている。さらに、蛍光膜９７は、カラーフィルタアレイ膜８３（図８）上のＲＧＢ各色同士が位置的に対応するように配置していることとする。なお、特に図示しないが、隣接する蛍光体９３との境界部には、遮光部（図４参照）が挿入されており、これら遮光部は異なる色情報をもった光電子が、多少広がりをもって到達した時の干渉防止機能を奏する。
【００４９】
そして、第一実施態様と同様に蛍光膜９７が形成した光学像の色バランスを補正するシャッタアレイ９９がガラス製の可視光透過板１８の外側に配置されている。シャッタアレイ９９は、ベイヤ配列で配置されたＲＧＢ各色の蛍光体９３の発光を色ごとに光を遮光／透過するシャッタ動作を可能とするものである。
【００５０】
図１０は、シャッタアレイ９９の構成を分離して示す斜視図である。
シャッタアレイ９９は、図示するように第１、第２シャッタ（１０６、１０３）を第１、第２、第３偏光板（１０８、１０５、１０７）で交互に挟み込んだ構造を有する。そして、第１シャッタ１０６を構成する光変調素子の配向は斜め方向であり、第２シャッタ１０３を構成する光変調素子の配向は垂直方向であり、そして偏光板（１０８、１０５、１０７）の偏光方向はいずれも同方向となっている。なお、図１０において第１、第２シャッタ（１０６、１０３）と第１、第２、第３偏光板（１０８、１０５、１０７）とは分離して表示されているが、シャッタ、偏光板からなる五者は積層され一体化して全体としてシャッタアレイ１９を構成している。そして、第１シャッタ駆動回路１０１、第２シャッタ駆動回路１０２はそれぞれ第１シャッタ１０６、第２シャッタ１０３を制御するものであって、これら二つの駆動回路が一体となってシャッタアレイ駆動回路２ｂが構成されている。
【００５１】
図１１（ａ）および図１１（ｂ）はシャッタアレイ９９（図１０）を構成する第１、および第２シャッタ（１０６、１０３）の詳細を示す詳細図である。第１シャッタ１０６は、短冊状の光変調素子である複数のＰＬＺＴ素子１１１が繰り返し斜方向に整列したものであり、これらＰＬＺＴ素子１１１は、偶数列ならびに奇数列ごとに、それぞれが並列にシャッタ電極１１６ｅ、ならびに同１１６ｏに連結されている。ここで、ＰＬＺＴ素子１１１のうちシャッタ電極１１６ｅに連結されたものを偶数斜めカラム１１１ｅ、シャッタ電極１１６ｏに連結されたものを奇数斜めカラム１１１ｏと呼ぶことにする。そして、これら斜めカラム１１１ｅ、または同１１１ｏは、蛍光体９３（図９）におけるＧまたはＢ／Ｒの斜めラインに位置的に対応している。
【００５２】
一方、第２シャッタ１０３は、短冊状の光変調素子である複数のＰＬＺＴ素子１１３が垂直方向に繰返し整列したものであり、これらＰＬＺＴ素子１１３は偶数列ならびに奇数列ごとに、それぞれが並列にシャッタ電極１１８ｅ、ならびに同１１８ｏに連結されている。ここで、ＰＬＺＴ素子１１３のうちシャッタ電極１１８ｅに連結したものを偶数縦カラム１１３ｅ、シャッタ電極１１８ｏに連結したものを奇数縦カラム１１３ｏと呼ぶことにする。そして、これら縦カラム１１８ｅ、または同１１８ｏは、蛍光体９３（図９）におけるＧ／ＲまたはＧ／Ｂの縦ラインに位置的に対応している。
【００５３】
次に、図面を参照しつつ本実施形態におけるカラー光量増幅装置１０の動作について説明する。ここで、図１における被写体４からの微弱光が、対物レンズ６に入射後、イメージインテンシファイヤ３内部で光電子を発生させ、そして、この光電子が蛍光膜に衝突し、蛍光膜を発光させる。ここまでの微弱光が増幅され可視映像に変換される過程は、カラーフィルタアレイ膜１３を同８３（図８）に、蛍光膜１７を同９７（図９）に置換して考えれば第一実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。以降、蛍光膜９７が発光後の過程について説明する。
【００５４】
ここで、蛍光膜９７（図９）の発光により出力面９６上に、形成された被写体４の光学像は、各色のフィルタ特性、蛍光特性に基づいて、オリジナル色調と異なる色調を有するものである。つまり、白色光を入力しても出力光として必ずしも白色光が得られない状態ということである。そこで、蛍光面９７の反対面側にシャッタアレイ９９を配置し、ＲＧＢの色情報ごとに独立に輝度調整を行うことにより、観察する画像のＲ、Ｇ、Ｂの明るさを制御し、色バランスの調整を可能なものとした。
【００５５】
以降、シャッタアレイの動作について説明する。蛍光体９３の発光がシャッタアレイ９９に入光し第１偏光板１０８（図１０）を透過すると一定方向に偏光面が直線偏光する。ここで例えば、第１シャッタ駆動回路１０１から、奇数斜めカラム用シャッタ電極１１６ｏ（図１１ａ）のみに電圧を印加すると、奇数斜めカラム１１１ｏのみが光学的等方性状態から複屈折状態に転移し、ここを透過する光は偏光面がπ／２回転し、第２偏光板１０５（図１０）を透過できない。次に電圧の印加を解除すると、透過することが可能となる。このようにして、斜めカラム用シャッタ電極１１６ｅおよび同１１６ｏ（図１１ａ）に電圧をＯＮ／ＯＦＦすれば、ベイヤ配列した蛍光体９３（図９）のうち斜めラインのＧラインもしくはＲ／Ｂラインからの光のシャッタ動作が可能となる。
【００５６】
次に、第２偏光板１０５（図１０）を透過した光に対して、第２シャッタ１０３（図１１ｂ）は、縦カラム１１３ｅおよび同１１３ｏに印加される電圧のＯＮ／ＯＦＦにより同様のシャッタ動作を行う。例えば第１シャッタ１０６（図１１ａ）からＲ／Ｂラインの光が透過してきた場合、偶数縦カラム１１３ｅもしくは奇数縦カラム１１３ｏの印加電圧をＯＮ／ＯＦＦすることで、Ｒ光もしくはＢ光のシャッタ動作を独立に行うことが可能である。以上述べたようにシャッタ電極（１１６ｅ，１１６ｏ，１１８ｅ，１１８ｏ）に電圧をＯＮ／ＯＦＦすることで蛍光膜９７（図９）上のＲＧＢの発光を色毎に同期させて遮光／透過するシャッタ動作が可能となる。
【００５７】
図１２は、第１、第２シャッタ（１０６、１０３）（図１１）の２枚を合わせた状態で、蛍光膜９７（図９）を重ねて正面より観察した状態における各ＲＧＢの開口形状を示す図である。この菱形状開口の中心位置が蛍光膜９７のベイヤ配列上の蛍光体９３（図９）の中心に合致するように第１、第２シャッタ（１０６、１０３）が配置されていることとする。ところで、蛍光体９３の形状は正方形もしくは長方形であり、一方シャッタアレイの開口形状は菱形であり、両者の形状は一致しないが、中心位置を合致させることで充分に高画質の映像が得られる。
【００５８】
ここで再度、ＲＧＢ各色発光のシャッタ動作について述べるが、図中Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｑで表される縦および斜めのカラム列のシャッタＯＮ／ＯＦＦ制御の組み合わせについて考える。ここで、Ｘのみ遮光（ＹＺＱ透過）することでＧ光、ＹとＺを遮光（ＸＱ透過）することでＲ光、ならびにＹとＱを遮光（ＸＺ透過）することでＢ光のみを透過させることが機能上可能であることがわかる。
【００５９】
図１３は、カラム用シャッタ電極（１１１e，１１１ｏ，１１８ｅ，１１８ｏ）に印加する電圧の駆動パルスを示すタイミングチャート図である。本図に基づいてシャッタアレイ９９の動作を説明する。ここで、駆動パルスがＬｏｗからＨｉｇｈレベルに変化すると、対応するカラム１１１ｅもしくは同１１１ｏまたは同１１３ｅもしくは同１１３ｏが光学的に等方性状態から複屈折状態へと転移する。さらにこれらの制御（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｑ）間の組み合わせにより、シャッタアレイ９９（図９）上の開口部分は、対応するＲＧＢ色毎に遮光／透過動作を行うこととする。
【００６０】
また、偶数斜めカラム用シャッタパルス（制御Ｘ）と奇数斜めカラム用シャッタパルス（制御Ｙ）はそれぞれ排他関係にあることとし、偶数縦カラム用シャッタパルス（制御Ｑ）は常時Ｌｏｗレベルであることとする。そしてここでは、図１２に示すように、偶数斜めカラム１１１ｅが蛍光膜９７上のＲ／Ｂラインに対応して設置され、偶数縦カラム１１３ｅが蛍光膜９７上のＲ／Ｇラインに対応して設置されているものとする。
【００６１】
まず、各シャッタパルスは周期Ｔで高周波駆動されていることとし、偶数斜めカラム用シャッタパルス（制御Ｘ）を（Ｔ−ｎ）期間ＨｉｇｈレベルとすることでＲ／Ｂの信号が遮光される。その後、偶数斜めカラム用シャッタパルス（制御Ｘ）をＬｏｗレベルにし、代わりに奇数斜めカラム用シャッタパルス（制御Ｙ）を（ｎ）期間ＨｉｇｈレベルにすることによりＧ信号が遮光される。このパルス期間（ｎ）を調整することによりＧとＲ／Ｂ間での光量差を調整することができる。
【００６２】
次にＲ、Ｂ間での光量差の調整は、奇数斜めカラム用シャッタパルス（制御Ｙ）がＨｉｇｈレベル期間中に、奇数縦カラム用シャッタパルス（制御Ｚ）のＨｉｇｈレベル期間（ｍ）を調整することにより行う。つまり図１３において例示する周期Ｔのパルス駆動においては、（ｍ）と（ｎ）の設定により、Ｇ色を（Ｔ−ｎ）期間、Ｒ色を（ｎ）期間、Ｂ色を（ｎ−ｍ）期間出力することを可能としている。以上示した通り、各シャッタ電極に加えるパルス期間（ｍ）および（ｎ）を調整することによって、ＲＧＢ各色の出力時間を制御し、出力される光学像の色調整を行うことが可能である。
【００６３】
以上述べた色バランス調整後の光学像が、出力面９６（図９）上に表示され、接眼レンズ７（図１）を通して観測者８に被写体４のオリジナル色調に近いカラー映像として認識されることとなる。
【００６４】
なお、以上本実施形態において、第１、第２シャッタ（１０６、１０３）（図１１）を構成する短冊形状のカラムとしてＰＬＺＴ素子であることを前提に説明を展開したが、例えば液晶のような電気的に光の遮光／透過を行えるものであれば何でもよい。
【００６５】
以上示したように、本実施形態にかかる発明は小型で低コストなカラー光量増幅装置を提供するものであり、イメージインテンシファイヤ３にＲＧＢのカラーフィルタ８２をベイヤ配置してなるカラーフィルタアレイ膜８３と、蛍光体９３を同配置してなる蛍光膜９７と、カラム（１１１、１１３）を平面配置してなる二枚のシャッタ（１０６、１０３）と、を設置した構成をとる。そして、装置に入射する被写体４の微弱な光学像は、ＲＧＢの三原色に分離後増幅され、ＲＧＢの色毎に輝度調整が行われる。これにより微弱な光源下でも、明るく色再現性が高く画質の高いカラー映像を得ることを可能とした小型で低コストなカラー光量増幅装置が得られる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明に係るカラー光量増幅装置により以下に示す、優れた効果を奏する。
請求項１の発明によれば、従来、モノクロのみの映像監視装置として用いられていたイメージインテンシファイヤ付きナイトビューアなどの装置で、簡単にカラー化が実現でき、映像の監視効果が向上する。また、非常に微弱な光源下で明るい映像を観測できる小型で低コストなカラー光量増幅装置が得られる。
【００６７】
さらに請求項１の発明によれば、被写体からの微弱光を増幅して可視化した直後の光学像の色調が、実際の被写体のオリジナル色調と比較して異なる場合であっても、シャッタアレイによるＲＧＢ色毎の輝度出力調整作用により、観測されるカラー光学像を被写体４のオリジナル色調に近づかせることが可能となる。
【００６８】
請求項２の発明によれば、得られる可視映像は、縦ストライプ配列を基調としたものとなり、シャッタアレイによるＲＧＢ色毎の輝度出力調整作用により、観測されるカラー光学像を被写体４のオリジナル色調に近づけることが可能とする。そして、微弱な光源下でも、明るく色再現性の高いカラー映像を得ることができる小型で低コストなカラー光量増幅装置を得ることができる。
【００６９】
請求項３の発明によれば、得られる可視映像は、ベイヤ配列を基調としたものであるため、コントラストが高く、カラーフィルタの配色パターンが認識しにくい映像となる。また、シャッタアレイによるＲＧＢ色毎の輝度出力調整作用により、観測されるカラー光学像を被写体４のオリジナル色調に近づけることを可能とする。そして、微弱な光源下でも、明るく色再現性が高く画質の高いカラー映像を得ることができる小型のカラー光量増幅装置を得ることができる。
【００７０】
請求項４の発明によれば、シャッタ材質をＰＬＺＴ素子とすることにより、シャッタ開閉の高周波数駆動が可能となり、輝度出力調整の際のちらつきが低減され、高品質の可視映像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第一の実施の形態であるカラー光量増幅装置の構成断面図である。
【図２】第一の実施の形態におけるカラー光量増幅装置の光入射面の側面断面図と正面図を示す図である。
【図３】第一の実施の形態におけるカラー光量増幅装置の出力面の側面断面図と正面図を示す図である。
【図４】第一の実施の形態におけるカラー光量増幅装置の蛍光膜の表面を拡大した拡大図である。
【図５】第一の実施の形態におけるカラー光量増幅装置のシャッタアレイの構成を分離して示す斜視図である。
【図６】第一の実施の形態におけるカラー光量増幅装置のシャッタアレイを構成するシャッタの詳細を示す詳細図である。
【図７】第一の実施の形態におけるカラー光量増幅装置のシャッタ電極に印加する電圧の駆動パルスを示すタイミングチャートである。
【図８】第二の実施の形態におけるカラー光量増幅装置の光入射面の側面断面図と正面図を示す図である。
【図９】第二の実施の形態におけるカラー光量増幅装置の出力面の側面断面図と正面図を示す図である。
【図１０】第二の実施の形態におけるカラー光量増幅装置のシャッタアレイの構成を分離して示す斜視図である。
【図１１】（ａ）第二の実施の形態におけるカラー光量増幅装置のシャッタアレイを構成する第１シャッタの詳細を示す詳細図である。（ｂ）第二の実施の形態におけるカラー光量増幅装置のシャッタアレイを構成する第２シャッタの詳細を示す詳細図である。
【図１２】第二の実施の形態において、第１、第２シャッタを合わせて、蛍光膜を正面より観察した時の各ＲＧＢの開口形状を示す図である。
【図１３】第二の実施の形態におけるカラー光量増幅装置のシャッタ電極に印加する電圧の駆動パルスを示すタイミングチャートである。
【図１４】イメージインテンシファイヤを用いた従来の光量増幅装置の構成断面図である。
【符号の説明】
２ａ，２ｂ シャッタアレイ駆動回路
３，３ｃ イメージインテンシファイヤ
４ 被写体
５ 可変電圧器
６ 対物レンズ
７ 接眼レンズ
８ 観察者
１０ カラー光量増幅装置
１２，８２ 光入射面
１３，８３ カラーフィルタアレイ膜
１４ 入射光透過板
１５ 光電陰極
１６，９６ 出力面
１７，９７ 蛍光膜
１８ 可視光透過板
１９，９９ シャッタアレイ
２２，２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ，８２，８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂ カラーフィルタ
３３，３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂ，９３，９３Ｒ，９３Ｇ，９３Ｂ 蛍光体
４２ 遮光部
５５，５７，１０５，１０７，１０８ 偏光板
５３，１０３，１０６ シャッタ（ＰＬＺＴ板）
６３，６３Ｒ，６３Ｇ，６３Ｂ，１１１ｅ，１１１ｏ，１１３ｅ，１１３ｏ カラム（ＰＬＺＴ素子）
６６Ｒ，６６Ｇ，６６Ｂ，１１６ｅ，１１６ｏ，１１８ｅ，１１８ｏ シャッタ電極

Claims (4)

1. 色の三原色に各々対応するカラーフィルタが規則的に配列してなるカラーフィルタアレイ膜と、前記カラーフィルタを透過した透過光が光電子に変換され、増幅された後に衝突して、三原色中いずれか一色を発光させる蛍光体が規則的に配列してなる蛍光膜と、を有するカラー光量増幅装置であって、
   前記カラーフィルタ、および前記蛍光体は、同一の色順、ピッチおよびパターンに配列され、
   三原色中いずれか一色の前記カラーフィルタの透過光から変換された前記光電子が同色の前記蛍光体に衝突するように、前記カラーフィルタアレイ膜と前記蛍光膜とが対向して配置され、
   前記カラー光量増幅装置はさらに、電圧の印加により光学変調する短冊形状の複数の光変調素子が前記蛍光膜上の蛍光体配列に沿って規則的に平面状に配置してなるシャッタと、このシャッタを挟着する偏光板と、からなるシャッタアレイを有し、
   前記シャッタアレイには、前記シャッタと前記偏光板との機能に基づいて、前記蛍光体の発光を遮光または透過する複数の開口部分が形成され、
   前記複数の開口部分は、その各配置位置が前記複数の蛍光体の各々に対応し、前記遮光／透過を切り替えて輝度調整を三原色ごとに独立に実行し色バランス調整することを特徴とするカラー光量増幅装置。
2. 前記カラーフィルタおよび前記蛍光体の配列は、色の三原色が水平方向に一定の順番で繰り返されるとともに、垂直方向に同色で配列された縦ストライプ配列であり、
   前記シャッタは、前記光変調素子の長手方向が前記蛍光体の同色配列方向に一致する位置に配置して構成されていることを特徴とする請求項１に記載のカラー光量増幅装置。
3. 前記カラーフィルタおよび前記蛍光体の配列は、色の三原色によるベイヤ配列であり、
   前記シャッタは、前記光変調素子の長手方向が前記蛍光体の斜め方向に一致する位置に配置して構成される第１シャッタと、垂直方向に一致する位置に配置して構成される第２シャッタとの二枚よりなるものであり、
   前記偏光板は、前記第１、第２シャッタを交互に挟む三枚よりなるものであり、
   前記開口部分は、前記第１シャッタおよび前記第２シャッタを構成するそれぞれの前記光変調素子が交差する部分に対応して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のカラー光量増幅装置。
4. 前記光変調素子はＰＬＺＴ素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか一項に記載のカラー光量増幅装置。

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