JP7352495B2 - Imaging systems and imaging system application equipment - Google Patents
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Description
本発明は、イメージセンサを用いた撮像システム及び撮像システム応用機器に関する。 The present invention relates to an imaging system using an image sensor and an imaging system application device.
原子力プラントや放射線利用施設には、プラント内や施設内を監視するために、イメージセンサを有する撮像システムが設置されている。また、原子力プラントの廃炉のための内部調査等でイメージセンサを有する撮像システムが活用されている。これらの撮像システムが有するイメージセンサには、真空管である撮像管や、半導体を用いた固体撮像素子などがある。 2. Description of the Related Art Imaging systems having image sensors are installed in nuclear power plants and radiation utilization facilities in order to monitor the inside of the plants and facilities. In addition, imaging systems having image sensors are used in internal investigations for decommissioning nuclear power plants. Image sensors included in these imaging systems include image pickup tubes that are vacuum tubes, solid-state image sensors that use semiconductors, and the like.
特許文献1に述べられているように、固体撮像素子型イメージセンサでは通常、画素内の受光素子で光電変換された電荷を、CMOS型増幅アンプ(相補型金属-絶縁体-半導体型電界効果トランジスタ、CMOS-FET)を用いて増幅する。増幅された電圧信号は、垂直走査回路と水平走査回路で順次走査して取り出され、各画像の光量、すなわち、輝度に比例した電圧信号を取得する。これにより対象物(被写体)の画像を取得する。
As described in
しかし、CMOS型アンプは、放射線照射による劣化が起こり易いことが知られている。この一つの理由は、以下の通りである。MOS型FETに放射線が照射されると、ゲートの酸化膜(絶縁膜)中で電子とホールが生成される。酸化膜中の電子は、ホールより移動度が大きいため、酸化膜中から抜け出すが、ホールは移動度が小さいため正の電荷として酸化膜中に蓄積する。このように酸化膜中に蓄積した電荷によって、MOS型FETの閾値が変動し、安定した信号増幅ができなくなるなどの悪影響が生じるためである。 However, it is known that CMOS amplifiers are susceptible to deterioration due to radiation exposure. One reason for this is as follows. When a MOS type FET is irradiated with radiation, electrons and holes are generated in the oxide film (insulating film) of the gate. Electrons in the oxide film have higher mobility than holes, so they escape from the oxide film, but holes have lower mobility, so they accumulate in the oxide film as positive charges. This is because the charges accumulated in the oxide film cause the threshold value of the MOS FET to fluctuate, resulting in adverse effects such as the inability to perform stable signal amplification.
一般に、放射線環境などの過酷環境下で使用される回路素子は、鉛などで遮蔽したり、線源から遠ざける等の対策がなされている。しかしながら、イメージセンサ、カメラ、撮像装置では、光を透過しない鉛板で遮蔽できない。 In general, circuit elements used in harsh environments such as radiation environments are protected by shielding with lead or the like or moved away from radiation sources. However, image sensors, cameras, and imaging devices cannot be shielded with lead plates that do not transmit light.
一方、撮像画像をカラー化するために、従来は特許文献2に述べられているようなイメージセンサの前にカラーフィルタを配置していた。しかしながら,この場合,カラーフィルタ自体も放射線環境下では光透過率が低下するなど劣化することが知られており,放射線環境下でカラー撮像装置の長時間の使用は困難であった。
On the other hand, in order to colorize a captured image, a color filter has conventionally been placed in front of an image sensor as described in
前述した通り、従来の固体撮像素子型イメージセンサは、通常CMOS型アンプが使用されており、CMOS型アンプは、放射線照射により特性が劣化し易いという課題があった。 As described above, conventional solid-state image sensor type image sensors usually use CMOS type amplifiers, and the CMOS type amplifiers have a problem in that their characteristics tend to deteriorate due to radiation irradiation.
この問題に対応するため、撮像管などの真空管を用いる試みがされているが、撮像管は電子ビームを空間的に走査して動作させるという原理上、物理的な大きさが大きく、重量が重いという課題がある。 To deal with this problem, attempts have been made to use vacuum tubes such as image pickup tubes, but since image pickup tubes operate by spatially scanning an electron beam, they are physically large and heavy. There is a problem.
また、特許文献2に述べられているようなイメージセンサの前にカラーフィルタを配置してカラー化すると,カラーフィルタ自体も放射線環境下では光透過率が低下するなど劣化することが知られており,放射線環境下で使用する撮像装置を長時間使用することが出来ないという課題があった。
Furthermore, when a color filter is placed in front of an image sensor as described in
一方、ロボットシステムなどの応用機器においては、複数のイメージセンサを搭載したいという要求があり、小型で軽量なイメージセンサが求められている。さらに、ロボットの作業支援においては、従来のCMOS耐放射線カメラや真空管を用いた撮像管のようなモノクロ画像ではなく、撮像対象をより鮮明に映すためにカラー化が求められている。 On the other hand, in applied equipment such as robot systems, there is a demand for mounting multiple image sensors, and a small and lightweight image sensor is required. Furthermore, in support of robot work, there is a demand for color images in order to more clearly capture images of objects, rather than monochrome images such as conventional CMOS radiation-resistant cameras and image pickup tubes using vacuum tubes.
本発明が解決しようとする課題は、耐放射線性などの環境性能が優れ、かつ小型で軽量なイメージセンサと色分解素子を使ってカラー化された撮像システム及び撮像システム応用機器を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a color imaging system and imaging system application equipment that has excellent environmental performance such as radiation resistance, and uses a compact and lightweight image sensor and color separation element. be.
本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、放射線が照射される高線量環境に設置されるセンサ部と、前記高線量環境下と壁で区切られた低線量環境に設置される画像処理部とを備える撮像システムであって、前記センサ部は、特定の波長の光を取り出す色分解素子と、前記色分解素子を透過した光を撮影する撮像センサとを有し、前記撮像センサは、センサ素子と送受信部とを有し、前記センサ素子は、受光素子と充電トランジスタを画素毎に有し、前記受光素子の端子電圧が所定の閾値以上かを判定する1又は複数の閾値判定回路を有し、異なる輝度閾値に対応する複数のサブ画像を取得し、前記画像処理部は、放射線遮蔽材で囲まれており、前記複数のサブ画像の信号を処理して、階調画像を生成し、前記色分解素子は、誘電体ミラーによって、入射した可視光を赤色光、緑色光及び青色光に分解し、各色の光を前記入射した可視光と異なり直交する3方向に進行させるものであって、前記センサ部は、前記色分解素子を透過した光を撮影する複数の撮像センサを有し、前記撮像システムは、前記各撮像センサから出力された画像を合成して、カラー画像を生成することを特徴とする撮像システム。 A typical example of the invention disclosed in this application is as follows. That is, an imaging system including a sensor unit installed in a high-dose environment where radiation is irradiated , and an image processing unit installed in a low-dose environment separated from the high-dose environment by a wall , the sensor The unit includes a color separation element that extracts light of a specific wavelength, and an image sensor that photographs the light transmitted through the color separation element, and the image sensor includes a sensor element and a transmitting/receiving unit, and the sensor The element has a light receiving element and a charging transistor for each pixel, has one or more threshold value judgment circuits for determining whether the terminal voltage of the light receiving element is equal to or higher than a predetermined threshold value, and has a plurality of sub-subs corresponding to different brightness threshold values. The image processing unit is surrounded by a radiation shielding material and processes the signals of the plurality of sub-images to generate a gray scale image , and the color separation element is configured to: The sensor unit separates the incident visible light into red light, green light, and blue light, and causes the light of each color to travel in three orthogonal directions different from the incident visible light, and the sensor unit An imaging system comprising a plurality of imaging sensors that capture transmitted light, the imaging system generating a color image by synthesizing images output from each of the imaging sensors.
本発明の一態様によれば、耐環境性能が優れており、過酷な環境下でも色付き画像を撮影可能な撮像装置および撮像システムを提供できる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明によって明らかにされる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide an imaging device and an imaging system that have excellent environmental resistance and can capture colored images even under harsh environments. Problems, configurations, and effects other than those described above will be made clear by the description of the following examples.
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。但し、本発明は以下の実施例に限らず、例えば複数の実施例を組み合わせたり、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲で任意に変形したりできる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and can be modified, for example, by combining a plurality of embodiments or without departing from the technical idea of the present invention.
また、本明細書において、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。図示の内容は、図示の都合上、本発明の趣旨を損なわない範囲で実際の構成から変更することがある。 In addition, in this specification, the same members are given the same reference numerals, and redundant explanations will be omitted. For convenience of illustration, the contents of the illustrations may be changed from the actual configuration without departing from the spirit of the present invention.
図1は、本実施例の撮像システム1の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of an
本実施例の撮像システム1は、センサ部10と画像処理部20とで構成される。図示したように、センサ部10と画像処理部20を分離して構成して、ケーブル30又は無線で接続してもよいが、センサ部10と画像処理部20を一体に構成してもよい。
The
センサ部10は、色分解素子14と複数の撮像センサ15とで構成され、撮像センサ15は、外部の画像を検出するセンサ素子13と、センサ素子13内の回路による処理を制御するセンサ制御部11と、センサ部10と画像処理部20との間で信号を送受信する送受信部12とを有する。センサ制御部11と送受信部12は機能的に分けられたものであり、一つのICチップにセンサ素子13とセンサ制御部11と送受信部12を設けてもよい。
The
色分解素子14は、無機材料(例えば、誘電体光学素子など)で構成され、可視光を波長の異なるRGB(赤、緑、青)に分解する。図示したように、各色に分けられた光を複数の撮像センサ15で受光し、後段の画像処理部20の信号処理によって特定の色を含む画像(例えば、赤色光の画像、白黒画像に赤色画像を合成した画像)や、カラー画像を取得する。従来の有機材料で構成されたカラーフィルタによる色分解素子と異なり、本実施例の色分解素子14は無機材料で構成されるため、放射線や紫外線によって劣化しにくく、放射線環境などの過酷な環境下でも長期間安定して使用できる。
The
色分解素子14の構成をさらに具体的に述べると、誘電体光学素子を用いるとよい。誘電体光学素子は、屈折率が異なる無機材料を複数層積層し、その積層膜厚に応じて特定波長帯の光を反射させる。反射波長帯を積層膜厚で定められるため,パターンが不要である。本発明の色分解素子14は、このような構成によって有機物を含有しないため、放射線や紫外線の照射によるブラウニング(褐色化)を、従来のカラーフィルタより格段に抑制できる。
To describe the configuration of the
撮像センサ15は、光の三原色(赤、緑、青)に分解されたRGB各色に対応して三つを設けるとよいが、その組み合わせは任意に変更してもよい。また、複数の撮像センサ15を用いることで、SN比(信号雑音比)を向上でき、より高品質な画像を提供できる。
It is preferable to provide three
(色分解素子の構成)
図2は、色分解素子14の構成例1を示す模式図である。
(Configuration of color separation element)
FIG. 2 is a schematic diagram showing a first configuration example of the
構成例1では、可視光が図左から色分解素子14に入射するとき、RGBの各波長を反射する3枚の誘電体ミラー16R、16G、16Bによって可視光は赤色光、緑色光及び青色光(RGB)に分解される。この例では、赤色光Rをx軸正方向に、青色光Bをx軸負方向に、緑色光Gをz軸方向に反射させている。誘電体ミラー16R、16G、16Bによって反射しないγ線を直進させ、撮像センサ15に放射線が直接入射しないように構成して、撮像システム1の放射線耐性をより向上させている。なお、構成をより簡易にするために、緑色光を反射する誘電体ミラー16Gを排除し、図1に示すように緑色光Gを直進させてもよい。
In configuration example 1, when visible light enters the
色分解素子14によって反射された赤色光、緑色光及び青色光の各々は、撮像センサ15が受光する。図示した色分解素子14では、赤色光R及び青色光Bは2回反射しているが、緑色光は1回だけ反射しているため、緑色用の撮像センサ15が撮影した緑色画像は左右反転した画像となる。このため、緑色画像は画像処理部20において、電気的な左右反転処理が必要である。より具体的には、後述する画像処理部20での信号処理において、図13に模式的に示したメモリ上の画素の列番号を緑色画像についてのみ左右反転させる。
The
従来のカラーフィルタの放射線劣化を詳細に調べると、カラーフィルタがブラウニングを起こすために、可視光透過率が低下することが分かった。本発明の発明者らは、この放射線照射によるブラウニングの原因を鋭意検討した結果、γ線などの光子エネルギーが高い光の照射によって、カラーフィルタに含まれる有機物が分解するためであると思い至った。 A detailed study of the radiation deterioration of conventional color filters revealed that color filters undergo browning, resulting in a decrease in visible light transmittance. After intensively investigating the cause of browning caused by radiation irradiation, the inventors of the present invention came to the conclusion that it is due to the decomposition of organic substances contained in color filters due to irradiation with light with high photon energy such as gamma rays. .
一般に、有機物の骨格を形成する炭素-炭素間の結合エネルギーは、一重結合で4eV(電子ボルト)程度、二重結合でも6eV程度であるため、波長20nm以下、すなわち、光子エネルギー60eV以上の光が照射されると結合が破壊する。このため、放射線(一般的には、波長20nm以下、すなわち、光子エネルギー60eV以上)が有機物に照射されると、有機物が分解し、ブラウニングが発生する。 Generally, the bond energy between carbons that form the skeleton of organic substances is about 4 eV (electron volt) for a single bond and about 6 eV for a double bond, so light with a wavelength of 20 nm or less, that is, a photon energy of 60 eV or more, is When irradiated, the bonds are destroyed. Therefore, when an organic substance is irradiated with radiation (generally, a wavelength of 20 nm or less, that is, a photon energy of 60 eV or more), the organic substance is decomposed and browning occurs.
このようなブラウニングは、無機材料を主要構成材料とするカラーフィルタを用いた場合でも、カラーフィルタを各色毎にパターン化する際に用いる、リソグラフィ工程で使用した薬剤の残留有機物が残存していても発生しうる。従来のカラーフィルタに放射線を照射すると劣化するのは、このためである。 This kind of browning can occur even when using a color filter whose main constituent material is an inorganic material, even if there is residual organic matter from the chemicals used in the lithography process used to pattern the color filter for each color. It can occur. This is why conventional color filters deteriorate when exposed to radiation.
このような考察に基づき、本発明の実施例では、有機物を含まない色分解素子、すなわち、無機材料で構成された色分解素子14を採用した。
Based on such consideration, in the embodiment of the present invention, a
さらに、フィルタの各色のパターン化プロセスでの残留薬剤の問題を解決するため、パターン化プロセスを用いない色分解素子を用いるとよい。 Furthermore, in order to solve the problem of residual chemicals in the patterning process of each color of the filter, it is preferable to use a color separation element that does not use a patterning process.
図3は、色分解素子14の構成例2を示す模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a second configuration example of the
構成例2では、色分解素子14として、無機材料で構成されるフィルタ、特に、ハーフミラー17と所望の波長範囲の光を透過するカラーフィルタ18を使用する。
In configuration example 2, the
ハーフミラー17は、可視光波長範囲において波長選択性を持たずに、一定量の光を反射し、かつ一定量の光を透過するミラーである。
The
レンズ光学系を透過した入射光は、ハーフミラー17によって、反射光と透過光に分けられる。反射光の経路にカラーフィルタ18を配置し、カラーフィルタ18を透過した光を撮像センサ15で撮像する。
The incident light that has passed through the lens optical system is divided by the
透過光の経路には、別の撮像センサ15を配置して透過光の画像を撮像する。
Another
本実施例では、カラーフィルタ18として無機材料を用いた構成で、赤色領域を透過するフィルタを用いた。例えば、ガラス材料に金属酸化物を含ませることによって、赤色の波長のみを透過させるフィルタを構成できる。
In this embodiment, the
構成例2では、積層誘電体膜で構成したハーフミラー17を用いるとよい。しかし、ハーフミラーとして機能すれば、積層誘電体膜によるハーフミラーに限定されない。
In configuration example 2, it is preferable to use a
構成例2では、ハーフミラー17の透過光は全ての色を含むので、取得した画像は、白黒画像となる。一方、ハーフミラー17による反射光は、赤色カラーフィルタを通過するため、赤色の画像となる。二つの画像を重畳して表示することで、白黒画像中で被写体の赤色部分が赤色に着色された画像を得ることができる。
In configuration example 2, the transmitted light of the
構成例2では、白黒画像と特定色のカラー画像を合成した画像が得られるので、特定の色の物体を強調表示した画像を撮影できる。 In configuration example 2, since an image is obtained by combining a monochrome image and a color image of a specific color, it is possible to capture an image in which an object of a specific color is highlighted.
また、複数のハーフミラー17を用いて、赤色画像、緑色画像、及び青色画像を撮影し、これらを合成することによって、カラー画像を得ることができる。 Further, a color image can be obtained by photographing a red image, a green image, and a blue image using a plurality of half mirrors 17 and combining these images.
また、図3(A)に示す構成では、反射光はハーフミラー17で奇数回反射しているので、左右反転した画像となる。このため、反射光から取得した画像は画像処理部20において、電気的な左右反転処理を施してから、透過光と合成すればよい。左右反転処理は、前述と同様に、画像処理部20での信号処理において、図13に模式的に示したメモリ上の画素の列番号を緑色画像についてのみ左右反転させるとよい。
Furthermore, in the configuration shown in FIG. 3A, the reflected light is reflected by the
図3(B)に示す構成では、ハーフミラー17の後段に反射板19を設けて、反射光も偶数回反射させることで、左右反転を防止する。この構成を用いれば、左右反転の画像処理は不要になるため、画像処理部20の処理回路を簡略化できる。
In the configuration shown in FIG. 3(B), a
(センサ素子13の構成)
図4は、センサ素子13の構成を示す模式図である。
(Configuration of sensor element 13)
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the
図4では、説明を分かりやすくするため四つの画素130を示す。実際のセンサ素子13では、さらに多数の画素を有し、典型的には、行数が100行~2000行、列数が100列~4000列程度の画素を有する。
In FIG. 4, four
各画素には、2本の水平方向配線と、1本の垂直方向配線が接続される。 Two horizontal wires and one vertical wire are connected to each pixel.
水平方向配線の1本は、充電用の充電走査線(Charge走査線)135であり、後述するように画素130の受光素子131を充電する機能を有する。他の1本の水平方向配線は、信号の読み出しタイミングを指定する読み出し走査線(Read走査線)136である。充電走査線135は、各画素130の充電アドレス端子(図中の「CA」)に接続される。読み出し走査線136は、各画素130の読み出しアドレス端子(図中の「RA」)に接続される。充電走査線135と読み出し走査線136は、各画素130の行数だけ設けられる。
One of the horizontal wirings is a
充電走査線135は、充電走査回路(Charge走査回路)138に接続される。読み出し走査線136は読み出し走査回路139(Read走査回路)に接続される。充電走査回路138と読み出し走査回路139は、それぞれ適切な電圧波形を出力して各画素130を走査する。この走査方法に関しては後に詳述する。
The charging
垂直方向配線は、データ線137である。データ線137は各画素130に配線されている。
The vertical wiring is a
データ線137は、各画素130のデータ出力端子(図中の「D」)に接続される。データ線137は、画素130内の受光素子131が検知した信号を読み出す機能を有する。データ線137は、水平走査回路140に接続され、各画素130内の受光素子131が検知した信号を順次読み出し、送受信部12に転送する。
The
(画素の構成)
図5は、各画素130の構成を示す模式図である。
(Pixel configuration)
FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of each
各画素130は、受光素子131、保持容量132、充電トランジスタ(Chargeトランジスタ)133、及び閾値判定回路134を有する。
Each
本明細書で説明される回路図を表す図面において、下向きの白抜き矢印は、接地電位に接続することを示す。ここで、接地電位とは、センサ素子13内の基準電位の意味であり、信号処理部の接地電位と一致しなくてもよい。必要に応じて、センサ素子13内の基準電位(接地電位)には、信号処理部の接地電位に対してバイアス電位を与えてもよい。
In the drawings representing circuit diagrams described herein, a downward-pointing white arrow indicates a connection to ground potential. Here, the ground potential means a reference potential within the
本実施例では、受光素子131にシリコンのフォトダイオードを用いるとよく、シリコンカーバイドのフォトダイオードでもよい。
In this embodiment, a silicon photodiode is preferably used as the
保持容量132は、受光素子131とは独立に設けてもよいし、受光素子131の接合容量(寄生容量)を利用してもよい。
The
受光素子131にフォトダイオードを用いた場合、受光素子131の接合容量の等価回路は図5の保持容量132と同じである。したがって、受光素子131の接合容量が保持容量132として十分な容量を備えている場合は、保持容量132を受光素子131とは別個に設けるかわりに、接合容量をもって保持容量132の機能を持たせればよい。本明細書では、このように受光素子131の接合容量(寄生容量)も含めて保持容量132とする。
When a photodiode is used as the
すなわち、本明細書においては、保持容量132とは、受光素子131の接合容量も含む。そして、受光素子131の接合容量で保持容量132を置き換えた場合も、本発明の効果が得られる。
That is, in this specification, the
図5を用いて、各画素130での外光検出の方法を述べる。充電走査線135に適正な電圧を印加して充電トランジスタ133をON状態(すなわち、導通状態)にすると、受光素子131と保持容量132は充電電圧Vb0に充電される。なお、充電トランジスタ133は、バイポーラトランジスタでもMOSFETでもよい。
A method of detecting external light in each
この状態で、受光素子131に光が照射されない状態では、保持容量132の端子電圧は保持される。一方、受光素子131に光が照射される状態では、受光素子131が導通状態になるため保持容量132の電荷が少しずつ漏れ出るため、保持容量132の端子電圧が低下する。
In this state, when the
(閾値判定回路134)
保持容量132の端子は閾値判定回路134の入力端子INに接続される。
(Threshold value determination circuit 134)
A terminal of the holding
閾値判定回路134は、保持容量132の端子電圧が予め設定された電圧閾値Vthよりも小さい場合は信号1を出力端子Oから出力し、電圧閾値Vthよりも大きい場合は信号0を出力端子Oから出力する。すなわち、外部の被写体の輝度が、所定の輝度閾値Bthを超える場合は、対応する位置の画素130は、受光素子131のリーク電流により保持容量132電圧が低下してVthより小さくなるため、閾値判定回路134は出力信号として1を出力する。一方、被写体の輝度が輝度閾値Bthより小さい場合は、対応する位置の画素130の保持容量132電圧はVthより大きいので、閾値判定回路134は出力信号として0を出力する。
The
なお、出力信号1とは、論理回路の信号状態1を意味する。例えば、電圧が高い状態(Highレベル)を信号「1」とし、電圧が低い状態(Lowレベル)を信号「0」とする。これとは逆にLowレベルを信号「1」とし、Highレベルを信号「0」としてもよい。又は、電圧レベルの代わりに、電流レベルなどを用いてもよい。本実施例では、信号「1」を電圧のHighレベルに対応させた。
Note that the
このようにして、被写体の輝度閾値Bth以上の場所に対応する画素130では、信号「1」が出力され、輝度閾値Bth以下に対応する画素130では信号「0」が出力される。すなわち、輝度閾値Bthを基準とした2値の画像が取得できる。
In this way, a signal "1" is output at the
各データ線137には2値の信号が流れるので、切替スイッチ141はロジック回路でよい。
Since a binary signal flows through each
(閾値判定回路134の出力インピーダンス)
閾値判定回路134は読み出し有効化端子RE(Read Enable)を有する。読み出し有効化端子REは、読み出し走査線136に接続される。読み出し有効化端子REに有効化信号が入力された期間(読み出し有効期間)では、前述した動作に従い信号「0」又は「1」が出力端子Oから出力される。
(Output impedance of threshold value determination circuit 134)
The threshold
読み出し有効化端子REに有効化信号が入力されない期間(読み出し無効期間)では、出力端子Oは、より高インピーダンスな状態に遷移する。このように、出力端子Oの出力インピーダンスを、読み出し無効期間で高インピーダンスにすることで、複数個の画素130がデータ線137に接続されていても、選択した画素130の閾値判定回路134の出力信号を取り出すことが可能になる。
During a period in which an enabling signal is not input to the read enabling terminal RE (read invalid period), the output terminal O transitions to a higher impedance state. In this way, by making the output impedance of the output terminal O high during the readout invalid period, even if a plurality of
(閾値判定回路134の実装例)
図6は、本実施例の閾値判定回路134を示す回路図である。
(Example of implementation of threshold value judgment circuit 134)
FIG. 6 is a circuit diagram showing the threshold
本実施例の閾値判定回路134は、PNP型トランジスタであるトランジスタ1(Tr1)と、NPN型トランジスタであるトランジスタ2(Tr2)と、抵抗(R)とで構成される。閾値判定回路134の入力端子は、トランジスタ2(Tr2)のベースに接続される。閾値判定回路134の入力端子がトランジスタ2(Tr2)の閾値電圧Vthより大きいと、トランジスタ2(Tr2)のコレクタは、電源電圧Vccに維持(ラッチ)される。Tr2のコレクタが、閾値判定回路134の出力端子になる。
The threshold
本実施例で用いた閾値判定回路134は、ラッチ回路を採用しており、電源電圧Vccが印加された期間は、出力信号は、HighレベルまたはLowレベルを維持する。このように、ラッチ回路を閾値判定回路134に用いることで、誤動作が低減できる効果がある。
The
図6のRE端子の電圧をLowレベルに設定すると、二つのトランジスタTr1、Tr2が非導通状態になるため、出力端子Oの出力インピーダンスは、高インピーダンス状態になる。 When the voltage at the RE terminal in FIG. 6 is set to a low level, the two transistors Tr1 and Tr2 become non-conductive, so the output impedance of the output terminal O becomes a high impedance state.
図7は、閾値判定回路134の別の例を示す回路図である。
FIG. 7 is a circuit diagram showing another example of the
図7に示す閾値判定回路134では、二つのトランジスタTr1とTr2の動作は、図6と同じであり、第3のトランジスタである読み出しトランジスタTr3が加わっている。読み出し有効化パルスが印加された期間のみ読み出しトランジスタTr3がON状態になり、データ線137に信号電圧が出力される。読み出し無効期間では、読み出しトランジスタTr3がOFF状態になるので、閾値判定回路134の出力端子Oの出力インピーダンスは、図6の回路と比較して、さらに高インピーダンスになる。
In the
選択されていない画素130の閾値判定回路134の出力インピーダンスをより一層高くすることは、走査線の本数が多い場合に、より望ましい。その理由は、各データ線137には、走査線の本数の閾値判定回路134が接続されているので、非選択画素の閾値判定回路134の出力インピーダンスが高いほど、走査線本数が多くても、非選択画素の閾値判定回路134によるインピーダンスは十分な高さを維持できるからである。
It is more desirable to further increase the output impedance of the
なお、図6、図7に示した回路は閾値判定回路134の一例であり、前述した閾値判定回路134の特性を満たす回路であれば、他の回路を用いても本発明の効果が得られることは言うまでも無い。
Note that the circuits shown in FIGS. 6 and 7 are examples of the threshold
(比較例との対比)
次に、比較例との対比を行う。図8は、比較例のセンサ素子の画素530の構成を示す模式図である。
(Comparison with comparative example)
Next, a comparison with a comparative example will be made. FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of a
図8には、CMOSセンサ(相補型MOS電界効果トランジスタ型センサ)の例であり、民生用カメラの撮像デバイスの方式を示す。 FIG. 8 is an example of a CMOS sensor (complementary MOS field effect transistor type sensor), and shows a system of an imaging device for a consumer camera.
図8に示すセンサ素子は、受光素子531、保持容量532、及び充電走査線535に接続された充電トランジスタ(Chargeトランジスタ)FET1を有する。充電走査線535によって充電される受光素子531と並列に設けられた保持容量532の電圧を画素アンプで増幅し、保持容量532の蓄積電荷に比例した電圧値V2をアナログ信号として出力する。画素アンプにはCMOS型FET(電界効果トランジスタ)を用いている。図8のFET2とFET3とで画素アンプを構成する。この画素アンプでは、FET2がソースフォロア回路として動作しており、FET2のゲートに印加された電荷を低インピーダンスな電圧信号に変換する、電荷増幅をしている。
The sensor element shown in FIG. 8 includes a
読み出し走査線536に適切な電圧が印加されてFET3がON状態になると、画素アンプの出力信号であるアナログ信号電圧がデータ線537に出力されて、図示を省略する水平走査回路で順次出力される。
When an appropriate voltage is applied to the readout scanning line 536 and the
比較例では、被写体の輝度レベルに対応した電圧信号がアナログ的に出力されるので、階調付きの画像を取得することができる。 In the comparative example, since a voltage signal corresponding to the brightness level of the subject is output in an analog manner, an image with gradation can be obtained.
しかしながら、図8の画素内の回路で使用されるCMOS画素アンプは、放射線照射に対する耐性が低いため、放射線が存在するなど過酷な環境下で使用すると、センサ素子が劣化しやすいという課題がある。これに対して、本発明ではCMOSアンプより放射線照射への耐性が高い素子を用いているため、放射線環境下での特性の劣化を抑制できるという効果がある。 However, the CMOS pixel amplifier used in the circuit inside the pixel in FIG. 8 has low resistance to radiation irradiation, so there is a problem that the sensor element is likely to deteriorate when used in a harsh environment such as the presence of radiation. In contrast, the present invention uses elements that are more resistant to radiation irradiation than CMOS amplifiers, and therefore has the effect of suppressing deterioration of characteristics in a radiation environment.
特に、本発明の本実施例である図6のようにバイポーラ型トランジスタは、CMOS型FETよりも放射線耐性が高いことが知られており、バイポーラ型トランジスタで構成すると、さらに好ましい。 In particular, it is known that bipolar transistors have higher radiation resistance than CMOS FETs, as shown in FIG. 6, which is the present embodiment of the present invention, and it is more preferable to use bipolar transistors.
また、上述の比較例では、データ線537に接続される切替スイッチと送受信回路はアナログ信号を扱う必要がある。これに対し、本発明では切替スイッチ141や送受信回路142が処理する信号は、2値の信号であるため、比較例より回路構成が簡易になる。
Further, in the above-mentioned comparative example, the changeover switch and the transmitting/receiving circuit connected to the
(2値画像の階調化)
前述した通り、本実施例の画素130で得られた画像は、被写体をある輝度閾値で2値化した2値画像である。
(gradation of binary image)
As described above, the image obtained by the
以下に、2値画像から階調画像を構成する方法を述べる。本実施例では、複数の輝度閾値Bth[n]で2値画像を取得し、それぞれをサブ画像SIm[n](Sub-Image)と呼ぶことにする。ここで、添え字のnは、輝度閾値とサブ画像を区別するための番号であり、n=1,2,・・・・である。 A method for constructing a gradation image from a binary image will be described below. In this embodiment, binary images are acquired using a plurality of brightness threshold values Bth[n], and each is referred to as a sub-image SIm[n] (Sub-Image). Here, the subscript n is a number for distinguishing between the brightness threshold and the sub-image, and n=1, 2, . . . .
(輝度閾値を変える手段)
輝度閾値Bth[n]を変える方法を述べる。本発明では、保持容量132の電圧V1が閾値を超えるか否かを検出している。保持容量132の電圧V1は次式で表される。
(Means for changing the brightness threshold)
A method for changing the brightness threshold Bth[n] will be described. In the present invention, it is detected whether the voltage V1 of the
ここで、Vb0は受光素子131の充電電圧、ΔVは受光素子131に流れる光電流による電圧減少量、Jは受光素子131を流れる光電流の電流密度、Sは受光素子131の受光面積、Δtは受光素子131の露光時間、Cは保持容量132の容量(Capacitance)である。本実施例では、受光素子131としてフォトダイオードを用いた。
Here, Vb0 is the charging voltage of the
画素130の輝度閾値Bthを変化させるには、以下の方法がある。
(A)露光時間Δtを変える。
(B)受光素子131の面積Sを変える。
(C)受光素子131への充電電圧Vb0を変える。
The following method can be used to change the brightness threshold Bth of the
(A) Changing the exposure time Δt.
(B) Changing the area S of the
(C) Changing the charging voltage Vb0 to the
本発明では、(A)、(B)、(C)のいずれの方法で輝度閾値を変化させてもよい。また、これらの複数の方法を組み合わせてもよい。さらに、(A)~(C)以外の方法で輝度閾値を変えてもよい。 In the present invention, the luminance threshold value may be changed using any of the methods (A), (B), and (C). Furthermore, these plural methods may be combined. Furthermore, the brightness threshold value may be changed using methods other than (A) to (C).
すなわち、本実施例の撮像システム1は、輝度閾値変化手段を備える。輝度閾値変化手段には、(A)露光時間Δtをサブ画像毎に変える、(B)受光素子131の受光面積が異なる複数のサブ画素を備える、(C)受光素子131へ印加する充電電圧Vb0を所定の期間毎に変える、などの手段があり、さらに、これら(A)~(C)の組み合わせる手段などを含む。
That is, the
また、上記の輝度閾値変化手段は、典型的にはセンサ部10に設ける。実装上、容易になるためである。ただし、センサ部以外に設けてもよい。
Further, the above-mentioned luminance threshold value changing means is typically provided in the
(露光時間により輝度閾値を変える)
本実施例では、露光時間を変えることで輝度閾値を変える。
(Change the brightness threshold depending on the exposure time)
In this embodiment, the brightness threshold value is changed by changing the exposure time.
図9は、本実施例のセンサ素子13内の画素130からの読み出しシーケンスを模式的に示すタイミング図である。この図では、横軸が時間を示し、縦軸がセンサ素子13内の画素130の走査線位置を示す。走査タイミングを表すダイヤグラムが図9のように斜めの直線になるのは、各走査線が、第1走査線、第2走査線、・・・・と順次走査されることを示す。
FIG. 9 is a timing diagram schematically showing the readout sequence from the
1フィールドは、1枚の画像を取得するための時間であり、典型的には1/30秒~1/60秒である。本実施例では1/30秒(33.3ms)に設定した。1フィールドは、四つのサブフィールドに分割される。一つのサブフィールドで一つのサブ画像を取得する。図9では四つのサブ画像を取得する例を示したが、より多くのサブフィールドに分割してももちろんよい。n番目のサブフィールドをSF[n]と記すことにする。 One field is the time to acquire one image, and is typically 1/30 second to 1/60 second. In this example, it was set to 1/30 second (33.3 ms). One field is divided into four subfields. One sub-image is acquired in one sub-field. Although FIG. 9 shows an example of acquiring four sub-images, it is of course possible to divide the image into more sub-fields. The nth subfield will be denoted as SF[n].
第1サブフィールドSF[1]を例に、サブフィールド内での読み出しシーケンスを説明する。第1行の充電走査線135に充電走査パルスが印加されると、第1行の画素130では受光素子131が充電電圧Vb0に充電される。これ以降、第2行以降の充電走査線135に充電走査パルスが印加される。
The read sequence within the subfield will be explained using the first subfield SF[1] as an example. When a charging scanning pulse is applied to the charging
時間Δtexが経過した後に、第1行の読み出し走査線136に読み出し走査パルスを印加すると、各画素130の閾値判定回路134が動作し、その時点での保持容量132電圧に基づいて、出力信号1又は0が閾値判定回路134から出力される。その後、第2行以降の読み出し走査線136に読み出し走査パルスが印加される。このように、充電走査パルスの印加から読み出し走査パルスの印加までの時間Δtexが露光時間に相当する。
When a readout scan pulse is applied to the
このようにして、第1サブフィールドSF[1]の走査を終え、第1サブ画像SIm[1]が取得される。次に、第2サブフィールドSF[2]にも同様に充電走査線135と読み出し走査線136の走査を行う。但し、充電走査線135と読み出し走査線136の間の経過時間ΔtexはSF[1]よりも長くする。次に、充電走査線135と読み出し走査線136の間の経過時間ΔtexはSF[2]よりも長くして、第3サブフィールドSF[3]にも同様に充電走査線135と読み出し走査線136の走査を行う。さらに、充電走査線135と読み出し走査線136の間の経過時間ΔtexはSF[3]よりも長くして、第4サブフィールドSF[4]にも同様に充電走査線135と読み出し走査線136の走査を行う。このようにして、サブフィールド毎に露光時間Δtexを変えてサブ画像を取得する。
In this way, the scanning of the first subfield SF[1] is completed, and the first subimage SIm[1] is obtained. Next, the charging
数式(1)から分かるように、露光時間Δtexを変えると、閾値判定回路134の電圧閾値に対応する輝度閾値が変化する。同じ被写体の場合、露光時間Δtexが長いほど、保持容量132電圧が低下するので、より小さい輝度(暗い輝度)でも閾値判定回路134の電圧閾値を超え、出力信号「1」が与えられる。このようにして、輝度閾値が異なる複数のサブ画像を取得できる。
As can be seen from equation (1), when the exposure time Δtex is changed, the brightness threshold corresponding to the voltage threshold of the
(階調画像の構成)
取得された複数のサブ画像は、図1に示す通り、センサ部10から画像処理部20に送信される。画像処理部20では、輝度閾値が異なる複数のサブ画像から、以下の方法で階調画像が構成される。
(Configuration of gradation image)
The plurality of acquired sub-images are transmitted from the
図10は、階調画像の構成方法を示す模式図である。図10では、四つのサブ画像から4階調の階調画像を構成する例を示す。 FIG. 10 is a schematic diagram showing a method of configuring a gradation image. FIG. 10 shows an example in which a four-tone image is constructed from four sub-images.
図10(A)は、4枚のサブ画像を示す。それぞれのサブ画像が被写体の像を示す2値画像であり、1枚目は輝度閾値が8のサブ画像、2枚目の輝度閾値が4のサブ画像、3枚目の輝度閾値が2のサブ画像、4枚目の輝度閾値が1のサブ画像である。図中ハッチングを示した領域が出力信号「1」の画素領域である。 FIG. 10(A) shows four sub-images. Each sub-image is a binary image showing the image of the subject; the first is a sub-image with a brightness threshold of 8, the second is a sub-image with a brightness threshold of 4, and the third is a sub-image with a brightness threshold of 2. The fourth image is a sub-image with a brightness threshold of 1. The hatched area in the figure is the pixel area of the output signal "1".
輝度閾値が高いほど、出力信号「1」の領域、すなわち輝度閾値を超える領域は小さくなる。また、輝度閾値が低いサブ画像での出力信号「1」の領域は、輝度閾値がより高いサブ画像の出力信号「1」の領域を包含する。 The higher the brightness threshold, the smaller the area of the output signal "1", that is, the area exceeding the brightness threshold. Furthermore, the area of the output signal "1" in the sub-image with a low luminance threshold includes the area of the output signal "1" of the sub-image with a higher luminance threshold.
n番目のサブ画像SIm[n]の画像データをS[n]とする。サブ画像は2値画像なので、その画像データS[n]は各画素130に信号「1」または「0」が割り当てられた2次元データである。そして、nが小さいほど輝度閾値Bth[n]が高い場合を考える。
The image data of the n-th sub-image SIm[n] is assumed to be S[n]. Since the sub-image is a binary image, its image data S[n] is two-dimensional data in which each
図11は、階調画像を構成する処理を示す論理表である。輝度閾値が隣接するサブ画像の画像データS[n]とS[n-1]から、階調画像GS[n]を構成する。GS[n]の列に「1」とした画素130に、輝度閾値Bth[n]に対応する階調輝度を与える。図11に示すように、S[n]が「1」でS[n-1]が「0」である画素130に階調Bth[n]を与える。このような信号処理により階調画像GS[n]を生成できる。
FIG. 11 is a logical table showing the process of constructing a gradation image. A gradation image GS[n] is constructed from image data S[n] and S[n-1] of sub-images with adjacent luminance threshold values. A gradation luminance corresponding to the luminance threshold Bth[n] is given to the
図11の信号処理の論理式は次式で与えられる。 The logical equation for the signal processing in FIG. 11 is given by the following equation.
図11の信号処理は、図12の回路で実装できる。サブ画像データS[n-1]をインバータにより論理反転した信号と、S[n]との論理積(AND)によって、その画素130がn番目の階調GS[n]を持つか否かの結果が得られる。
The signal processing in FIG. 11 can be implemented with the circuit in FIG. 12. Whether or not the
この信号処理を、n=1~4について行うと、各画素130に対して輝度階調0、GS[1]~GS[4]のいずれかが割り当てられ、階調画像を生成できる。このように、2値のサブ画像間の信号処理によって、簡単な処理回路で階調画像を生成できる利点がある。もちろん、コンピュータやCPU(中央演算装置)を用いて図11の論理表の信号処理を数式的に処理してもよい。
When this signal processing is performed for n=1 to 4, each
図13と図14を用いて、閾値が異なる複数のサブ画像から階調画像を生成する別の実施例を述べる。 Another example in which a gradation image is generated from a plurality of sub-images having different threshold values will be described using FIGS. 13 and 14.
図13は、サブ画像SIm[n]の画像データS[n]が、メモリ上に格納された状態を示す模式図である。図中(k,m)は、k行m列の位置の画素130に対応する。図13のように、複数のサブ画像S[n]を画素130が対応するようにメモリ上に配置し、そこから各画素130の信号処理により各画素130の階調を算出する。
FIG. 13 is a schematic diagram showing a state in which image data S[n] of sub-image SIm[n] is stored on the memory. In the figure, (k, m) corresponds to the
階調画像を算出する方法は、図14に示す真理値表を用いる。S[1]~S[4]の値に応じて、階調レベルの出力GSが得られる。図14の真理値表において「X」は「1」又は「0」のいずれでもよいことを示す。また、出力GSの欄のBth[n]は、サブ画像S[n]の輝度閾値を意味する。 The method for calculating the gradation image uses the truth table shown in FIG. Depending on the values of S[1] to S[4], an output GS of gradation level is obtained. In the truth table of FIG. 14, "X" indicates that it may be either "1" or "0". Further, Bth[n] in the output GS column means the brightness threshold of the sub-image S[n].
図14の真理値表に基づく処理は、FPGA(Field Programable Gate Array)を用いて容易に実装できる。または、CPUによる演算処理によって実装してもよい。 Processing based on the truth table of FIG. 14 can be easily implemented using an FPGA (Field Programmable Gate Array). Alternatively, it may be implemented by arithmetic processing by a CPU.
以上のようにして生成された各色毎の階調画像は、画像処理部内に設けられた画像処理部20に送られる。画像処理部20は、赤色(R)画像、緑色(G)画像、青色(B)画像の三つの画像信号を受け取り,それらを適切な比率で合成して、カラー画像を出力する。
The gradation images for each color generated as described above are sent to the
以上のようにして生成された階調画像は、画像処理部20に接続された表示装置21に表示される。また、階調画像は、必要に応じて、画像処理部20に接続された画像記録部22に記憶される。画像記録部22は、画像処理部20に組み込んでももちろんよい。
The gradation image generated as described above is displayed on the
(画像処理部20を分離する利点)
本実施例では、図1に示すように、画像処理部20とセンサ部10を分離して、両者をケーブル30で接続している。このような分離した構成によって、放射線耐性を向上できる効果がある。
(Advantages of separating the image processing unit 20)
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the
センサ部10は、放射線の高線量環境下に設置し、画像処理部20は低線量環境下に設置する。図1において、壁40で区切られた左側の領域(領域A)が高線量環境、壁40の右側の領域(領域B)が低線量環境である。このようにすると、画像処理部20は放射線耐性が低い通常のCPUや回路部品で構成でき、より好ましい。
The
本実施例の撮像システム1の耐放射線性をさらに高める方法として、図1に示すように、画像処理部20を鉛板などの放射線遮蔽材25で囲んでもよい。画像処理部20は、センサ部10とは異なり、光を通さない部材で囲っても機能を損なわない。このように、画像処理部20とセンサ部10を分離して構成すると、放射線耐性がさらに高まるという効果がある。
As a method of further increasing the radiation resistance of the
<実施例2>
図15、図16を用いて本発明の第2の実施例の撮像システム1を説明する。
<Example 2>
An
本実施例の撮像システム1では、異なる輝度閾値のサブ画像を取得するために、画素130内に受光面積が異なるサブ画素1300を設けたセンサ素子13を用いる。第2の実施例では、前述した第1の実施例と同じ機能を有する構成の説明は省略し、主に異なる構成について説明する。
The
図15は、本実施例の撮像システム1のセンサ素子13の構成を示す図であり、センサ素子13の中で四つの画素130を示す。図中、1点鎖線で囲った部分が一つの画素130を構成する。一つの画素130は、四つのサブ画素1300から構成され、四つのサブ画素1300の面積が互いに異なる。
FIG. 15 is a diagram showing the configuration of the
各サブ画素1300の構成は、図5と同じである。但し、サブ画素1300の受光素子131の受光面積はサブ画素1300により異なる。数式(1)に示すように、ある所定の電圧減少量ΔVを得ようとする場合、受光面積が小さいほど所定のΔVを得るのに大きな光電流密度Jが必要である。光電流密度Jは観測対象の輝度と対応するので、受光面積が小さいほど輝度閾値Bthが大きくなる。図15の各画素130内に記した数字は、各サブ画素1300の輝度閾値Bthの相対値である。受光素子131の受光面積に応じて、輝度閾値が変化する。
The configuration of each sub-pixel 1300 is the same as that in FIG. 5. However, the light-receiving area of the light-receiving
また、図15から分かるように、一つの画素130に2本の充電走査線135と2本の読み出し走査線136が必要なので、走査する本数は第1の実施例の2倍になる。本実施例では、保持容量132を受光素子131とは別に設ける構成が好ましい。その理由は、受光素子131の接合容量の大きさは受光素子131の面積に概ね比例する場合があるためである。数式(1)からわかるように、容量の大きさCが面積Sに比例する場合には、輝度閾値が変わらなくなる。
Furthermore, as can be seen from FIG. 15, one
図1に示すように、可視光をRGBに分解する色分解素子14をセンサ素子13の前に設けることで、カラー画像を取得する方法は実施例1と同様である。
As shown in FIG. 1, the method of acquiring a color image is the same as in the first embodiment by providing a
図16は、本実施例のセンサ素子13内の画素130からの読み出しシーケンスを模式的に示すタイミング図である。サブ画素1300の面積で輝度閾値を変化させているため、1フィールド期間に1回走査するだけで、輝度閾値が異なる四つのサブ画像を得ることができる。同じ画素数の場合、第1の実施例と比べて走査線の本数が2倍になるが、サブフィールド毎の4回の走査が1回になるので、走査の回数は低減できる。
FIG. 16 is a timing diagram schematically showing the readout sequence from the
サブ画像から階調画像を生成する方法は、第1の実施例と同様である。 The method of generating a gradation image from a sub-image is the same as in the first embodiment.
(サブ画素配置パターン)
また、図15の画素130の構成では、データ線137の取り出し方向をサブ画素1300間で逆側にすることによって、サブ画素1300の受光素子131間の距離が短くなるように配置される。一例を示すと、閾値8のサブ画素1300はデータ線137が左側に延びており、閾値2のサブ画素1300はデータ線137が右側に延びている。このような配置パターンの採用により、サブ画素1300間の受光素子131が互いに近接する。
(Sub-pixel arrangement pattern)
Furthermore, in the configuration of the
このように、データ線137の取り出し方向をサブ画素1300の間で逆側にしたサブ画素1300の配置を採用することで、観測対象の輝度変化が空間的に細かい場合でも、階調の乱れが発生しにくくなり、いわゆる、モアレ現象を低減する効果が得られる。
In this way, by adopting the arrangement of the sub-pixels 1300 in which the extraction direction of the
<実施例3>
図17、図18を用いて本発明の第3の実施例の撮像システム1を説明する。
<Example 3>
An
本実施例の撮像システム1では、異なる輝度閾値のサブ画像を取得するために、受光素子131の充電電圧Vb0を変化させる。第3の実施例では、前述した実施例と同じ機能を有する構成の説明は省略し、主に異なる構成について説明する。
In the
図17は、輝度、すなわち受光素子131に入射する光量と端子電圧との関係を示す模式図である。
FIG. 17 is a schematic diagram showing the relationship between the brightness, that is, the amount of light incident on the
この図は、充電電圧Vb0を、Vb01~Vb04の4種の値に変えた時の特性を示している。 This figure shows the characteristics when the charging voltage Vb0 is changed to four values of Vb01 to Vb04.
数式(1)から分かるように、輝度がゼロの場合ΔV=0なので、保持容量132の端子電圧V1は、充電電圧Vb0に概ね等しい。そして、光が入射して光電流が流れると、数式(1)に従ってΔVだけ電圧が減少するので、図17に示す特性になる。
As can be seen from equation (1), when the brightness is zero, ΔV=0, so the terminal voltage V1 of the holding
図17から分かるように、充電電圧Vb0をVb01~Vb04の4種の値に変化させると、保持容量132の端子電圧V1が所定の閾値Vthに等しくなる輝度が変化する。すなわち、輝度閾値Bthが変化する。本実施例では、この特性を利用して、輝度閾値が異なる複数のサブ画像を取得する。
As can be seen from FIG. 17, when the charging voltage Vb0 is changed to four types of values Vb01 to Vb04, the brightness at which the terminal voltage V1 of the
本実施例で用いるセンサ素子13の構成は、図4に示すものと同じである。
The configuration of the
図18は、本実施例での各画素130からの読み出しシーケンスと充電電圧Vb0の関係を示す模式図である。
FIG. 18 is a schematic diagram showing the relationship between the readout sequence from each
1フィールドを四つのサブフィールドSF[1]~SF[4]に分割する。各サブフィールドで、充電走査パルスを順次走査し(図中の点線のタイミング)、露光時間Δtex経過後に読み出し走査パルスを順次走査する。本実施例の特徴は、サブフィールド毎に充電電圧Vb0を変化させることである。これにより、輝度閾値が異なるサブ画像を取得できる。 One field is divided into four subfields SF[1] to SF[4]. In each subfield, charging scan pulses are sequentially scanned (timings indicated by dotted lines in the figure), and readout scan pulses are sequentially scanned after the exposure time Δtex has elapsed. The feature of this embodiment is that the charging voltage Vb0 is changed for each subfield. This makes it possible to obtain sub-images with different brightness thresholds.
サブ画像から階調画像を生成する方法は、第1の実施例と同様である。 The method of generating a gradation image from a sub-image is the same as in the first embodiment.
<実施例4>
本発明の第4の実施例の撮像システム1を説明する。本実施例は、数式(1)で説明した、輝度閾値を変化させる方法を複数用いるハイブリッド型である。これにより、階調数がより高い画像を取得できる効果がある。第4の実施例では、前述した実施例と同じ機能を有する構成の説明は省略し、主に異なる構成について説明する。
<Example 4>
An
本実施例では、図15に示したセンサ素子13の構成を使用し、図18に示した走査シーケンスで、サブフィールド毎の充電電圧を変える。一例として、図15に示すように四つのサブ画素1300で構成されたセンサ素子13を用いると、4階調の画像が得られる。そして、図18のように、充電電圧Vb0を4段階に変化させてサブ画像を取得すると4階調の画像が得られる。この結果、4×4である16階調の階調画像を生成することができる。
In this embodiment, the configuration of the
<実施例5>
図19を用いて、本発明の第5の実施例の撮像システム1を説明する。本実施例は、数式(1)で説明した、輝度閾値を変化させる方法を複数用いるハイブリッド型である。本実施例では、露光時間の変化と、充電電圧Vb0の変化を組み合わせる。第5の実施例では、前述した実施例と同じ機能を有する構成の説明は省略し、主に異なる構成について説明する。
<Example 5>
An
図19に示すように、第1のフィールドは、露光時間を変えた四つのサブフィールドSF[1]~SF[4]を含む。そして、第2のフィールドでは充電電圧Vb0を変化させた上で、露光時間を変えた四つのサブフィールドで画像を取得する。このようにして、輝度閾値が異なる8枚のサブ画像を取得する。このサブ画像から上述の方法により8階調の階調画像を生成できる。 As shown in FIG. 19, the first field includes four subfields SF[1] to SF[4] with different exposure times. Then, in the second field, images are acquired in four subfields in which the charging voltage Vb0 is changed and the exposure time is changed. In this way, eight sub-images with different brightness thresholds are obtained. An 8-gradation image can be generated from this sub-image by the method described above.
説明は省略するが、ハイブリッド型の第3態様として、画素面積が異なるサブ画素1300と、露光時間の変化を組み合わせてもよい。 Although the description will be omitted, as a third hybrid mode, sub-pixels 1300 having different pixel areas and changes in exposure time may be combined.
<実施例6>
本発明の第6の実施例の撮像システム1を説明する。本実施例の撮像システム1は、通常モード及び高階調モードの二つの撮像モードで動作可能である。第6の実施例では、前述した実施例と同じ機能を有する構成の説明は省略し、主に異なる構成について説明する。
<Example 6>
An
本実施例の撮像システム1は、リアルタイム性が要求される場合には、図9の駆動タイミングにより4階調の画像を得る。これを通常モードと呼ぶ。一方、より高階調な画像が必要な場合には、高階調モードに遷移する。高階調モードにおいては、図19の駆動タイミングを用いる。すなわち、1フィールドを露光時間の異なるサブフィールドに分割し、充電電圧Vb0を1フィールド毎に変えながら、nフィールド期間にわたって撮像する。図19ではn=2の場合を示したが、n=8としてもよい。n=8とした場合、撮像に必要な時間は8倍になるが、4×8=32階調の階調画像を生成できる。
The
なお、通常モードでの階調画像を4階調の場合を示したが、これはあくまで一例であり、通常モードが、例えば16階調であってもよい。 Note that although the case where the gradation image in the normal mode has 4 gradations is shown, this is just an example, and the normal mode may have, for example, 16 gradations.
本実施例のポイントは、階調画像を生成するために用いるサブ画像の数が、高階調モードの場合の方が、通常モードの場合よりも多いということである。これにより、高階調モードでは、高階調な画像を撮像できる。 The key point of this embodiment is that the number of sub-images used to generate a gradation image is greater in the high gradation mode than in the normal mode. Thereby, in the high gradation mode, a high gradation image can be captured.
<実施例7>
図20を用いて、本発明の第7の実施例である撮像システム応用機器の一例としてロボットシステムを説明する。
<Example 7>
With reference to FIG. 20, a robot system will be described as an example of an imaging system application device according to a seventh embodiment of the present invention.
本実施例の応用機器は、高レベル放射線環境下などの過酷環境下でも使用可能なロボットシステムである。第7の実施例では、前述した実施例と同じ機能を有する構成の説明は省略し、主に異なる構成について説明する。 The application device of this example is a robot system that can be used even under harsh environments such as high-level radiation environments. In the seventh embodiment, explanations of structures having the same functions as those of the previous embodiments will be omitted, and mainly different structures will be explained.
本実施例のロボットシステムは、ロボット100とロボット制御装置200とを有する。ロボット100は、タイヤ102が取り付けられたロボット台101と、アーム110と、センサ部10を有する。アーム110は関節111を有し、回転や屈折などの動作が可能である。図示していないが、アーム110を伸縮可能とする機構を設けてもよい。センサ部10は、前述したいずれかの実施例のセンサ構造を有する。
The robot system of this embodiment includes a
ロボット制御装置200は、遠隔操作によりロボット100を操作可能な制御装置である。ロボット制御装置200は、画像処理部20とロボット制御部210を有する。センサ部10と画像処理部20とはケーブル30によって接続され、互いに信号を送受信する。ロボット100とロボット制御部210とはケーブル31によって接続され、ロボット100を駆動するための電力の供給と制御信号を送受信する。画像処理部20とロボット制御部210とは必要に応じて信号を送受信する。
The
本実施例において、センサ部10は耐放射線性に優れるため、ロボット100は高レベル放射線環境下でも画像を撮影できる。特に、本実施例では、高レベル放射線環境である領域A(図20の壁40の左側)にロボット100(センサ部10)を配置し、低放射線環境である領域B(壁40の右側)に画像処理部20を配置する。これにより、画像処理部20を低放射線環境で動作させることができる。
In this embodiment, since the
また、撮像管などの真空管型撮像素子を用いる場合と比較すると、本実施例のセンサ部10を構成するセンサ素子13は小型軽量である。そのため、ロボット100を狭い場所に設置可能であり、複数個のセンサ部10をロボット100に設置しても重量の増加が抑制でき、設置場所への影響を低減できる。これにより、対象物300をより正確に把握することが可能になり、ロボット100に高度な動作を行わせることができる。
Furthermore, the
また、本実施例のロボットシステムでは、必要に応じて、第6の実施例に記載した、高階調モードと通常モードとを切り替え可能な構成を採用するとよい。ロボット100の移動時や、対象物300をアーム110で操作する場合は、センサ部10を通常モードで動作する。これにより、対象物300の画像を高速で取得できるので、ロボット制御部210に高速なフィードバックを行うことができる。一方、対象物300や周囲の画像を記録のために撮影する場合には、センサ部10を高階調モードで動作させる。これにより、高い階調数で、高画質の画像で記録できる。
Further, in the robot system of this embodiment, it is preferable to adopt a configuration in which the high gradation mode and the normal mode can be switched, as described in the sixth embodiment, as necessary. When the
<実施例8>
図21、図22を用いて本発明の第8の実施例の撮像システム1を説明する。
<Example 8>
An
本実施例では、閾値判定回路134を画素130内に設けず、データ線137毎に設ける。第8の実施例では、前述した実施例と同じ機能を有する構成の説明は省略し、主に異なる構成について説明する。
In this embodiment, the threshold
図21は、本実施例のセンサ素子13の画素130の構成を示す模式図である。
FIG. 21 is a schematic diagram showing the configuration of the
保持容量132の端子は、読み出しトランジスタ143を介してデータ線137に接続される。
A terminal of the
図22は、本実施例の撮像システム1のセンサ素子13の構成を示す模式図であり、センサ素子13の中で四つの画素130を示すが、実際にはより多数の画素が配列されている。
FIG. 22 is a schematic diagram showing the configuration of the
各データ線137は、閾値判定回路134の入力端子INに接続される。閾値判定回路134の出力端子Oは、切替スイッチ141を介して送受信部12に接続される。
Each
本実施例での信号読み出し手順を説明する。本実施例では、図9に示すタイミングで走査パルスを印加する。充電走査線135に充電走査パルスを印加すると、選択された走査線上の画素(図21)のCA端子に充電走査パルスが印加され、充電トランジスタ133がON状態になる。これにより、受光素子131が充電電圧Vb0に充電される。その後、充電トランジスタ133はOFF状態になる。
The signal readout procedure in this embodiment will be explained. In this embodiment, scanning pulses are applied at the timing shown in FIG. When a charging scanning pulse is applied to the charging
所定の露光時間後、読み出し走査線136に読み出し走査パルスが印加されると、選択された画素の読み出しトランジスタ143がON状態になる。このとき、選択されていない走査線上の画素の読み出しトランジスタ143はOFF状態である。従って、選択された走査線上の画素の保持容量132の電圧が、データ線137に出力される。
After a predetermined exposure time, when a readout scan pulse is applied to the
この時点で、図22に示す読み出しパルス発生部144から、読み出しパルスが出力され、閾値判定回路134のRE端子に入力される。これにより、読み出しパルスの印加時点でのデータ線137の電圧と所定の閾値との大小関係に基づいて、閾値判定回路134の出力端子Oは、信号「1」または「0」にラッチされる。
At this point, a read pulse is output from the read
この期間に、水平走査回路140から順次出力される水平走査パルスによって、切替スイッチ141が動作し、各データ線137の信号電圧(「1」または「0」)が送受信部12に転送される。各データ線137には、閾値判定回路134の出力以降は2値の信号が流れるので、切替スイッチ141はロジック回路でよい。
During this period, the horizontal scanning pulses sequentially output from the
このようにして、各画素の保持容量132電圧に基づいて、2値のサブ画像データが得られる。図9に示すように、各サブフィールド毎に露光時間を変えることによって、輝度閾値が異なるサブ画像を取得できる。複数のサブ画像から階調画像を生成する方法は、第1の実施例で前述した通りである。
In this way, binary sub-image data is obtained based on the voltage of the
図21では、読み出しトランジスタ143にMOS型FETを用いているが、この動作ではFETの飽和領域で動作させるので、FETのゲート電圧閾値が多少変化しても、データ線137へ出力される信号への影響が少ない。このため、CMOS型増幅アンプを用いる場合と比べて、耐放射線性が向上する。
In FIG. 21, a MOS FET is used as the
本実施例によると、画素130内の回路を簡素化できる。
According to this embodiment, the circuit within the
また、本実施例では、露光時間の変化で輝度閾値を変えるが、充電電圧を変える構成(図18)や受光素子131の面積を変える構成(図15)や、複数の方法を組み合せたハイブリッド型(図19等)にも、閾値判定回路134をデータ線137毎に設ける構成を適用できる。
In this embodiment, the brightness threshold value is changed by changing the exposure time, but a configuration in which the charging voltage is changed (FIG. 18), a configuration in which the area of the
以上に説明したように、本発明の実施例の撮像システム1は、センサ部10と画像処理部20とを備え、センサ部10は、特定の波長の光を取り出す色分解素子14と、色分解素子14を透過した光を撮影する撮像センサ15とを有し、撮像センサ15は、送受信部12とセンサ素子13とを有し、センサ素子13は、受光素子131と充電トランジスタ133を画素130毎に有し、センサ素子13は、受光素子131の端子電圧が所定の閾値以上かを判定する1又は複数の閾値判定回路134とを有し、センサ素子13は、異なる輝度閾値に対応する複数のサブ画像を取得し、画像処理部20は、複数のサブ画像の信号を処理して、階調画像を生成するので、耐環境性能が優れており、高レベル放射線環境下などの過酷な環境下でも使用可能で、小型かつ軽量で、少なくとも1色が付いた画像を撮影する撮像装置を提供できる。
As described above, the
また、第1の実施例では、色分解素子14は、入射した光を3色の光に分解するものであって、センサ部10は、色分解素子14を透過した光を撮影する複数の撮像センサ15を有し、撮像システム1は、各撮像センサ15から出力された画像を合成して、カラー画像を生成するので、耐環境性能が優れており、高レベル放射線環境下などの過酷な環境下でも使用可能で、小型かつ軽量で、カラー画像を撮影する撮像装置を提供できる。
Further, in the first embodiment, the
また、第1の実施例では、色分解素子14は、無機材料で構成されるので、放射線や紫外線の照射によるブラウニング(褐色化)の発生を抑制できる。
Further, in the first embodiment, since the
また、第1の実施例では、色分解素子14は、誘電体光学素子であるので、硬度が高く、化学的に安定しているので、酸化や変質が生じにくく、長期間使用できる。
Further, in the first embodiment, since the
また、第1の実施例では、色分解素子14は、透過した光を放射線と別の方向に進行させるので、撮像センサ15に放射線が直接入射せず、撮像システム1の放射線耐性を向上できる。
Furthermore, in the first embodiment, the
また、第1の実施例では、センサ素子13は、画素130毎に閾値判定回路134を有するので、走査線の数が多くても確実に動作でき、アナログ信号を長く伝送することによるレベル変化の影響を抑制できる。
Furthermore, in the first embodiment, since the
また、センサ素子13は、受光素子131の露光時間をサブ画像毎に変えることによって前記輝度閾値を変化させるので、画素内にサブ画素を設ける必要がなく、画素の構成を簡素化できる。
Further, since the
また、第2の実施例では、センサ素子13の各画素130は、受光素子131の受光面積が異なる複数のサブ画素1300を含むので、1回の走査で1画像が取得でき、1画素の読み出し時間を長くできる。
Furthermore, in the second embodiment, each
また、第3の実施例では、センサ素子13は、受光素子131へ印加する充電電圧を所定の期間毎に変化させるので、画素内にサブ画素を設ける必要がなく、画素の構成を簡素化できる。また、サブ画素を取得する期間毎に電圧を変えることによって、サブ画素の輝度閾値を変えることができる。また、複数のサブ画素を取得するサイクル毎に電圧を変えることによって、複数のサブ画素の輝度閾値を一括して変えることができる。
Furthermore, in the third embodiment, since the
また、別の実施例では、センサ部10と画像処理部20とは空間的に分離され、有線又は無線で接続されるので、高レベル放射線環境下などの過酷な環境下でも使用可能な撮像装置を提供できる。また、画像処理部20に安価かつ高性能な半導体素子を使用できる。
In another embodiment, the
また、別の実施形態では、画像処理部20は、放射線遮蔽材25で囲まれているので、高レベル放射線環境下などの過酷な環境下でも使用可能な撮像装置を提供できる。また、画像処理部20に安価かつ高性能な半導体素子を使用できる。
Furthermore, in another embodiment, the
また、別の実施例では、閾値判定回路134は、受光素子131の出力電圧が入力されるバイポーラトランジスタTr2を有するので、耐放射線性能を向上できる。
Further, in another embodiment, the threshold
また、別の実施例では、撮像システム1は通常モードと高階調モードとで動作可能であって、高階調モードにおいて階調画像を生成するために取得するサブ画像の数は、通常モードにおいて階調画像を生成するために取得するサブ画像の数より多いので、画像取得目的に応じて、リアルタイム性と高画質のいずれかを優先させた画像を得ることができる。
In another embodiment, the
なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲の趣旨内における様々な変形例及び同等の構成が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに本発明は限定されない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えてもよい。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えてもよい。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をしてもよい。 Note that the present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications and equivalent configurations within the scope of the appended claims. For example, the embodiments described above have been described in detail to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and the present invention is not necessarily limited to having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment may be replaced with the configuration of another embodiment. Further, the configuration of one embodiment may be added to the configuration of another embodiment. Further, other configurations may be added, deleted, or replaced with a part of the configuration of each embodiment.
また、前述した各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により、ハードウェアで実現してもよく、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。 Further, each of the above-mentioned configurations, functions, processing units, processing means, etc. may be realized in part or in whole by hardware, for example by designing an integrated circuit, and a processor realizes each function. It may also be realized by software by interpreting and executing a program.
各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記憶装置、又は、ICカード、SDカード、DVD、BD等の記録媒体に格納することができる。 Information such as programs, tables, files, etc. that realize each function can be stored in storage devices such as memory, hard disk, SSD (Solid State Drive), or recording media such as IC cards, SD cards, DVDs, and BDs. can.
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、実装上必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてよい。 Furthermore, the control lines and information lines shown are those considered necessary for explanation, and do not necessarily show all the control lines and information lines necessary for implementation. In reality, almost all configurations can be considered interconnected.
1 撮像システム
10 センサ部
11 センサ制御部
12 送受信部
13 センサ素子
14 色分解素子
15 撮像センサ
16R、16G、16B 誘電体ミラー
17 ハーフミラー
18 カラーフィルタ
19 反射板
20 画像処理部
21 表示装置
22 画像記録部
25 遮蔽材
30、31 ケーブル
100 ロボット
101 ロボット台
102 タイヤ
110 アーム
111 関節
130 画素
131 受光素子
132 保持容量
133 充電トランジスタ
134 閾値判定回路
135 充電走査線
136 読み出し走査線
137 データ線
138 充電走査回路
139 読み出し走査回路
140 水平走査回路
143 読み出しトランジスタ
144 読み出しパルス発生部
200 ロボット制御装置
210 ロボット制御部
300 対象物
1300 サブ画素
1
Claims (11)
前記センサ部は、特定の波長の光を取り出す色分解素子と、前記色分解素子を透過した光を撮影する撮像センサとを有し、
前記撮像センサは、センサ素子と送受信部とを有し、
前記センサ素子は、
受光素子と充電トランジスタを画素毎に有し、
前記受光素子の端子電圧が所定の閾値以上かを判定する1又は複数の閾値判定回路を有し、
異なる輝度閾値に対応する複数のサブ画像を取得し、
前記画像処理部は、放射線遮蔽材で囲まれており、前記複数のサブ画像の信号を処理して、階調画像を生成し、
前記色分解素子は、誘電体ミラーによって、入射した可視光を赤色光、緑色光及び青色光に分解し、各色の光を前記入射した可視光と異なり直交する3方向に進行させるものであって、
前記センサ部は、前記色分解素子を透過した光を撮影する複数の撮像センサを有し、
前記撮像システムは、前記各撮像センサから出力された画像を合成して、カラー画像を生成することを特徴とする撮像システム。 An imaging system comprising: a sensor unit installed in a high-dose environment where radiation is irradiated ; and an image processing unit installed in a low-dose environment separated from the high-dose environment by a wall ,
The sensor section includes a color separation element that extracts light of a specific wavelength, and an image sensor that photographs the light that has passed through the color separation element,
The image sensor includes a sensor element and a transmitter/receiver,
The sensor element is
Each pixel has a light receiving element and a charging transistor,
comprising one or more threshold value determination circuits for determining whether the terminal voltage of the light receiving element is equal to or higher than a predetermined threshold value;
Obtain multiple sub-images corresponding to different brightness thresholds,
The image processing unit is surrounded by a radiation shielding material, and processes the signals of the plurality of sub-images to generate a gradation image ,
The color separation element separates incident visible light into red light, green light, and blue light using a dielectric mirror, and causes the light of each color to travel in three orthogonal directions unlike the incident visible light. ,
The sensor section includes a plurality of image sensors that photograph the light transmitted through the color separation element,
The imaging system is characterized in that the imaging system generates a color image by combining images output from each of the imaging sensors .
前記センサ素子は、画素毎に前記閾値判定回路を有することを特徴とする撮像システム。 An imaging system characterized in that the sensor element has the threshold value determination circuit for each pixel.
前記センサ素子は、前記受光素子の露光時間をサブ画像毎に変えることによって前記輝度閾値を変化させることを特徴とする撮像システム。 The imaging system is characterized in that the sensor element changes the brightness threshold by changing the exposure time of the light receiving element for each sub-image.
前記センサ素子の各画素は、前記受光素子の受光面積が異なる複数のサブ画素を含むことを特徴とする撮像システム。 An imaging system characterized in that each pixel of the sensor element includes a plurality of sub-pixels having different light-receiving areas of the light-receiving element.
前記センサ素子は、前記受光素子へ印加する充電電圧を所定の期間毎に変化させることを特徴とする撮像システム。 The imaging system is characterized in that the sensor element changes a charging voltage applied to the light receiving element every predetermined period.
前記センサ部と前記画像処理部とは空間的に分離され、有線又は無線で接続されることを特徴とする撮像システム。 An imaging system characterized in that the sensor section and the image processing section are spatially separated and connected by wire or wirelessly.
前記閾値判定回路は、前記受光素子の出力電圧が入力されるバイポーラトランジスタを有することを特徴とする撮像システム。 The imaging system is characterized in that the threshold determination circuit includes a bipolar transistor into which the output voltage of the light receiving element is input.
通常モードと高階調モードとで動作可能であって、 Operable in normal mode and high gradation mode,
前記高階調モードにおいて前記階調画像を生成するために取得するサブ画像の数は、前記通常モードにおいて前記階調画像を生成するために取得するサブ画像の数より多いことを特徴とする撮像システム。 An imaging system characterized in that the number of sub-images acquired to generate the gradation image in the high gradation mode is greater than the number of sub-images acquired to generate the gradation image in the normal mode. .
前記センサ部を有する耐放射線装置部と、 a radiation-resistant device section having the sensor section;
前記画像処理部と、前記撮像システム応用機器の動作を制御する装置制御部とを有する制御装置を備えることを特徴とする撮像システム応用機器。 An imaging system applied device comprising: a control device having the image processing section and a device control section that controls operations of the imaging system applied device.
前記センサ部を設置したロボットと、 a robot equipped with the sensor section;
前記画像処理部と、前記ロボットの動作を制御するロボット制御部と有する制御装置を備えることを特徴とする撮像システム応用機器。 An imaging system application device comprising: a control device having the image processing section and a robot control section that controls the operation of the robot.
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