JPH08265645A - 画像入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】単体の撮像素子のダイナミックレンジを越える
広いダイナミックレンジをもつ入射画像を、一画面の出
力信号として得る画像入力装置を提供する。 【構成】半導体内部での電荷増倍現象を利用した感度設
定が可変な撮像素子１０２と、撮像素子１０２の出力信
号量と感度設定条件から入射光量に略比例した画素毎の
出力信号レベルを決定する手段と、同一の撮像素子１０
２で異なる感度設定条件で得られた複数の信号を合成す
る手段を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光やＸ線，電子線など
の入射量の空間分布に対応する出力電気信号を発生する
画像入力装置に係り、特に、広いダイナミックレンジを
有する画像信号を検出できるようにした画像入力装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】入射光量の空間分布に応じて電気信号を
発生する画像入力装置としては、可視光を撮像するテレ
ビジョン用等のカメラ装置，Ｘ線像を撮像するＸ線ディ
ジタルラジオグラフィーのような医療診断画像を得る装
置，電子線による画像をシンチレータによって光の像に
変換して撮像する透過電顕像の観察システム等の理化学
機器用画像入力装置などがある。

【０００３】これらの画像入力装置で、検出可能な一画
面内の信号量の最大値と最小値の範囲即ちダイナミック
レンジは、一般に、用いる撮像素子のダイナミックレン
ジによって制限される。撮像素子には、光導電ターゲッ
トで発生した信号電荷を電子ビーム走査によって読み取
る光導電型撮像管や、画素毎に設けられたフォトダイオ
ードで光を検出して走査回路で信号を読み出す固体撮像
素子を用いたもの等、種々の方式のものがある。例え
ば、撮像管では、入射光量が多すぎると、走査電子ビー
ム不足や過大な信号電流に伴う画質劣化が起こるため検
出可能な光量には上限があり、暗電流や増幅器の雑音が
あるため、検出し得る光量には下限があり、これらによ
りダイナミックレンジが制限される。

【０００４】図５は一例としてＸ線ＩＩ(イメージイン
テンシファイア)５０４と光導電型撮像管５０５を組み
合わせたＸ線画像入力装置を示したものである。Ｘ線源
５０１より放射され被写体５０２を透過したＸ線像は、
Ｘ線ＩＩ５０４に入射する。Ｘ線ＩＩでは、Ｘ線の入力
によって入力蛍光面から放射される光が光電子放出面に
入射し、放出された電子は加速集束されて出力蛍光面を
発光させる。それによる発光画像を撮像管５０５で検出
して、被写体５０２の透過Ｘ線像に対応する映像信号を
得る。

【０００５】Ｘ線ＩＩ５０４は、撮像管５０５より広い
ダイナミックレンジを有しており、装置全体としてのダ
イナミックレンジは撮像管のダイナミックレンジによっ
て制限されている。そのため、被写体５０２のＸ線透過
率が比較的低い領域の画像を検出できるようにＸ線量を
設定すると、Ｘ線透過率が高い領域ではいわゆる白づま
りや画像歪み等によって情報が失われてしまう。逆にそ
のような領域の画像を良好に検出できるようにＸ線量や
撮像管カメラの光学絞りを設定すると、Ｘ線透過率が低
い領域の画像情報が雑音レベル以下となって失われてし
まう。

【０００６】このように、検出すべき画像のダイナミッ
クレンジが撮像管のそれより広い場合には、必要な情報
を一画像の信号として検出，表示できないという問題が
ある。特に、Ｘ線ディジタルラジオグラフィーのような
医療診断画像を得る装置や、透過電顕像の観察システム
のような理化学機器用画像入力装置などでは、広いダイ
ナミックレンジを有する画像の観察が必要とされる場合
が多く、撮像素子によるダイナミックレンジの制限が大
きな問題となる場合が多い。

【０００７】この問題を解決する手段としては、第一の
公知例として米国特許Ｎo.4549209号に開示されている
ように、入射光像を異なる像強度の複数の光像に分割
し、それぞれの像に対応する複数の感度可変撮像素子で
撮像して得られた画像信号を合成して一枚の画像にする
Ｘ線撮像装置や、第二の公知例として、特開平3−38979
号公報に開示されているように被写体に照射する放射線
量を変えて撮像した複数の画像信号を合成して一枚の画
像にする透視装置が提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記第一の公知例で
は、入射光を分割する手段や複数の撮像素子を必要とす
るために装置構成が複雑で大きくなるという課題があ
り、上記第二の公知例の場合には、被写体に照射する放
射線量を変える必要があり、そのことによって試料の状
態が変化して正確な画像を得られない恐れがある。

【０００９】また、いずれの公知例でも、ＣＣＤ等の従
来の撮像素子を用いた場合には感度が不十分なため、一
画像中の内で暗い領域を撮像可能にするには、被写体に
強い放射線を照射する必要があるという課題がある。

【００１０】Ｘ線医療診断装置等では、人体への悪影響
を考えると強い放射線を照射するのは好ましくないし、
物体の観察等では、強い放射線照射により試料の状態が
変化する恐れがある。

【００１１】本発明の目的は、簡素でコンパクトな装置
構成を保ったままで、かつ被写体に照射する放射線量を
変化させることなく、また強い放射線を照射することな
く従来より広いダイナミックレンジを有する画像入力装
置を得ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、少なくと
も半導体内部での電荷増倍現象を利用した高感度かつ感
度設定が可変な撮像素子と、該撮像素子の出力信号量と
感度設定条件から入射光量に略比例した画素毎の出力信
号レベルを決定する手段と、同一の撮像素子で異なる感
度設定条件で得られた複数の信号を合成する手段を有す
ることによって解決できる。

【００１３】

【作用】本発明による画像入力装置の原理を、図１の基
本構成例と図２の撮像素子出力特性を用いて説明する。
入射光１０１は、アバランシェ現象のような半導体内部
での電荷増倍現象を用い得る蓄積型の撮像素子１０２で
電気信号に変換される。このとき、撮像素子１０２の感
度は感度制御器１０３で可変になっている。これは、例
えば、撮像素子１０２でアバランシェ現象が起こる領域
に印加される電圧を変化させることで可能である。

【００１４】図２は、撮像素子の出力と入射光量との関
係を示したもので、２０１，２０２，２０３はそれぞれ
異なる感度設定における特性を表しており、２０１が最
も感度を高めた場合に相当し、２０２，２０３の順に感
度設定が低い場合になる。図２で、２０４は、信号飽和
や画像劣化などによって決まる撮像素子の実用的な最高
出力レベル、２０５は、暗電流や増幅器雑音などによっ
て決まる最低有効出力レベルを示している。従って、２
０１，２０２，２０３の感度設定における有効な入射光
量のダナミックレンジはそれぞれ、２０６，２０７，２
０８となる。

【００１５】このように半導体内部での電荷増倍を用い
た撮像素子では、低雑音高感度特性を有し、しかも印加
電圧を変えることで感度を自由に設定でき、感度の切り
かえも簡単であるという利点を有している。そのため、
例えば、ＣＣＤ等の通常の撮像素子に相当する感度２０
３では撮影できない暗い領域２０２，２０１でも、被写
体への照射光量を増やすことなく撮像素子の感度を上げ
ることにより容易に撮像できる。また、ここで用いてい
る半導体内部での電荷増倍現象を利用した撮像素子は、
「テレビジョン学会技術報告，Ｖol.１５，Ｎo.５２，ｐ
７(１９９１)」によると、電気的増幅器とは異なる無雑
音増倍作用があるため従来の撮像素子より高感度，高解
像度，高画質という特長をもつ。

【００１６】ここで、半導体内部での電荷増倍を利用し
た蓄積型撮像素子では、素子出力と入射光量の関係は必
ずしも比例関係ではなく、２０１〜２０３のように、特
に高照度部で光電変換特性が飽和傾向光を示す。これ
は、蓄積期中に、蓄積電荷による半導体への印加電界の
降下が起こり実効的な電荷増倍率が減少するためと考え
られる。このような非線形の光電変換特性は、増倍率即
ち設定した撮像素子の感度によっても異なり、図２では
明確に示していないが、２０１，２０２，２０３は必ず
しも同じ曲線を並行移動したものにはならない。

【００１７】そこで、本発明による画像入力装置では、
信号補正装置１０４によって、撮像素子１０２の出力と
感度制御器１０３の感度設定条件とから、入射光量に比
例した画素毎の出力信号レベルを決定し、フレームメモ
リ１０５に記憶する。そして、異なる感度設定条件で撮
像して得られた信号を画像処理装置１０６によって合成
処理して一画面分の映像信号を形成し、モニタ１０７や
記憶装置１０８などに出力する。画像の合成にあたって
は、各感度設定条件で有効な撮像素子出力が得られた画
素の信号のみを合成する。異なる感度設定で撮像する際
の感度の選択は、はじめ撮像素子の最低感度レベルに設
定し、そこから徐々に感度を高めつつ撮像し、一画面中
の出力信号のいずれかが初めて撮像素子の最高出力レベ
ル２０４に達した時点の感度を最初の設定感度にし、順
次、感度設定を上げて撮像する。例えば、本画像入力装
置への入射光１０１の光量範囲が２０９である場合、ま
ず感度選択手法で選択した感度設定２０３で撮像し、出
力を補正してフレームメモりに書き込む。このとき、光
量範囲２０８の領域にある画素のみが入射光量に比例し
た有効信号レベルを有している。次に感度設定を２０２
に変えて同様に撮像を行い、光量範囲２０７の領域で有
効な信号を記憶し、さらに感度設定を最も感度が高い２
０１に変えて入射光量が最も少ない範囲２０６の領域で
有効信号を得る。以上のようにして得られた信号を合成
することにより、入射光量範囲２０９の全体にわたって
入射光量に比例した画像信号が得られるので、画像入力
装置全体として大きなダイナミックレンジが得られる。
感度の変換は、この例と逆に最も高い感度設定から徐々
に感度を下げる方法もある。画像の合成では、メモリへ
の入力値の範囲が適正なものだけをピックアップするよ
うにしてもよいし、各感度設定毎に、出力補正後にそれ
が有効範囲にある画素のアドレスを記憶しておいてもよ
い。図２では、各感度設定で有効な光量範囲が重複しな
いようにしてあるが、有効な光量範囲が重なり部分をも
つように感度設定を変え、特に良好な画像が得られる部
分のみを選択したり、複数の感度設定で得られた信号を
平均化してもよい。また、画像処理装置１０６で合成さ
れた画像信号は、信号レベルが入射光量に比例している
が、出力装置の特性などに合わせてさらにその関係を補
正するなどのさらなる画像処理を施すことが有効な場合
もある。要は、異なる感度設定で得られた信号を合成す
る際に、各条件で得られた信号レベルが入射光量に比例
するように補正しておくことであり、これによって、異
なる感度設定で得られた異なる入射光量レベルに対応す
る画像が自然につながり、広い入射光量範囲にわたって
入射光量に比例した画像信号が得られる。なお、信号補
正装置１０４では、あらかじめ所定の感度設定条件ごと
の撮像素子の光電変換特性を記憶しておき、ルックアッ
プテーブル方式で補正を行っても良いし、アナログ回路
的な補正でも良い。

【００１８】

【実施例】以下、本発明による撮像装置の実施例を図面
を用いて説明する。

【００１９】（実施例１）図３を用いて本発明による画
像入力装置の第一の実施例を説明する。本実施例は、本
発明による画像入力装置を透過電顕（ＴＥＭ）像の観察
システムに応用したものである。図３でＴＥＭ３０１内
の電子線像３０２は、ファイバーオプティックプレート
３０４上のシンチレータ３０３を発光させる。この発光
画像をレンズ３０５を介して、本実施例の撮像素子であ
る撮像管カメラ３０６に導く。

【００２０】撮像管には、非晶質セレンを光導電膜に用
いたアバランシェ増倍型撮像管を用いた。非晶質セレン
は、約１０⁶Ｖ／cm 以上の高電界で大面積にわたり一様
なアバランシェ現象が起こることが知られており、これ
を用いたアバランシェ増倍型撮像管は従来型撮像管の数
十倍から数百倍に達する高い感度を有する。撮像管カメ
ラ３０６の感度はカメラコントロールユニット（ＣＣ
Ｕ）３０７によって、撮像管の光導電ターゲットに印加
される電圧を変えることで可変である。

【００２１】本実施例では、撮像管カメラの感度を従来
型撮像管の１倍，４倍，１６倍，６４倍の４種類に変え
て撮像を行った。各感度設定条件での光電変換特性は、
被写体を設置せずに電子線量を変えながら測定した校正
曲線をパソコン３０８にあらかじめ記憶させておいた。

【００２２】本実施例では、画像合成の方法として二つ
のモードを選択できるようにした。一つのモードは、各
感度設定で得られた画像信号を入射電子線量に比例する
ように補正した後、パソコンの画面上で観察して、それ
ぞれの感度条件で良好な画面が得られている領域を任意
に選択して合成するものである。このモードでは、例え
ば画面内の数カ所だけが特に大きな入射電子線量になっ
ている場合などにその部分のみを低感度画像から選択す
ればよく、実際に画面を観察しながら高速に合成処理を
できるという利点がある。他のモードは自動合成モード
であり、各条件で測定された信号から、まず、所定の高
信号限界レベル以上の画素と、低信号限界レベル以下の
画素を除きメモりに記憶する。このようにして、各条件
で得られた有効な画素の信号のみを合成するが、二つ以
上の条件で得られた信号が有効な画素ではそれらを平均
化した信号レベルを当該画素の信号とした。このモード
は、複雑に画面内の輝度が変化するような被写体の場合
などに自動的に画像合成が行えるという利点がある。な
お、各感度設定での高信号限界レベルと低信号限界レベ
ルはそれぞれ連続的に可変とし、合成画像を観察しなが
ら最適画面が得られるように反復して処理できるように
した。

【００２３】本実施例のＴＥＭ像観察システムでは、広
いダイナミックレンジを有しており、例えば電子線解折
像のように特に入射電子線量の変化が激しい画像もリニ
アリティ良く撮像できる。

【００２４】（実施例２）図４を用いて本発明による画
像入力装置の第二の実施例を説明する。本実施例は、本
発明による画像入力装置を医療用のＸ線ディジタルラジ
オグラフィーシステムに応用したものである。Ｘ線源４
０１より放射されて被検体４０２を透過したＸ線像は、
蛍光板４０３で可視光に変換され、ａ−Ｓｅ光導電膜と
ＴＦＴ走査回路を組み合わせた撮像素子４０４に入射す
る。撮像素子４０４のａ−Ｓｅ光導電膜は厚さが約２μ
ｍで、最大２６５Ｖの電圧を印加できるようにした。こ
れにより、ａ−Ｓｅ膜中での光生成電荷のアバランシェ
増倍が利用可能であり、感度が可変でしかも高い感度を
実現することができる。

【００２５】撮像素子への印加電圧は制御装置４０５に
よって行われ、各感度設定で得られた信号はＡ／Ｄ変換
器４０６でＡ／Ｄ変換された後、光電変換補正回路４０
７によって入射Ｘ線量に比例した信号に変換されフレー
ムメモリ４０８に記憶されると共に、ディスプレイモニ
タ４１０で観察することもできるようになっている。画
像処理装置４０９では各感度設定で得られた補正画像信
号を合成するとともに、必要に応じてさらに画像処理を
行い、ディスプレイモニタ４１０や記憶装置４１１に出
力する。

【００２６】本実施例のＸ線ディジタルラジオグラフィ
ーシステムでは、撮像素子４０４が、ａ−Ｓｅ光導電膜
とＴＦＴ走査回路を組み合わせたものなので、蛍光板と
同程度に大面積を有し、Ｘ線ＩＩ（イメージインテンシ
ファイア）や撮像管のような電子光学系でなく固体走査
回路を用いているので薄型であるという特徴を有してい
る。しかも、アバランシェ増倍を用いていることと縮小
光学系がないことから感度が高く可変であるので、本発
明による処理を行うことで、被検体４０２に照射するＸ
線量を増やすことなく、広いダイナミックレンジの画像
が得られ、医療診断に極めて効果的である。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、一台の感度設定が可変
な撮像素子を用いることで、従来の画像入力装置では得
られない、単体撮像素子のダイナミックレンジより広い
ダイナミックレンジを有する画像情報を一画像の信号と
して得ることができる。すなわち、第一の公知例におけ
る装置構成が複雑で大きくなるという課題に対しては、
本発明では一台の撮像素子で済むので装置が大幅に簡素
化される。また、被写体への照射光量を変える必要がな
く、半導体内部での電荷増倍現象を利用した高感度な撮
像素子を用いることで、従来より大幅に低い照射線量で
も暗部の撮像が可能となるので、第二の公知例における
課題が解決される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いた画像入力装置の基本構成例を示
すブロック図。

【図２】本発明による画像入力装置への入射光量と各感
度設定での撮像素子出力との関係を示す特性図。

【図３】本発明の第一の実施例である透過電顕像観察シ
ステムの説明図。

【図４】本発明の第二の実施例である医療用Ｘ線ディジ
タルラジオグラフィーシステムのブロック図。

【図５】従来のＸ線ＩＩ（イメージインテンシファイ
ア）と撮像管を組み合わせたＸ線画像入力装置の説明
図。

【符号の説明】

１０１…入射光、１０２…撮像素子、１０３…感度制御
器、１０４…信号補正装置、１０５…フレームメモリ、
１０６…画像処理装置、１０７…モニタ、108…記憶装
置。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも半導体内部での電荷増倍現象を
   利用した感度設定が可変な撮像素子と、前記撮像素子の
   出力信号量と感度設定条件から入射光量に略比例した画
   素毎の出力信号レベルを決定する手段と、同一の撮像素
   子で異なる感度設定条件において得られた複数の信号を
   合成する手段を有することを特徴とする画像入力装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記撮像素子が非晶質
   半導体光導電膜におけるアバランシェ現象を用いたもの
   である画像入力装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記撮像素子が非晶質
   セレン系光導電膜におけるアバランシェ現象を用いたも
   のである画像入力装置。
4. 【請求項４】請求項１または２において、電子線で形成
   される電子画像をシンチレータによって光画像に変換し
   て撮像する画像入力装置。
5. 【請求項５】請求項１，２または３記載の画像入力装置
   を用いたＸ線画像撮像装置。