特許 7352495 撮像システム及び撮像システム応用機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-20

(45)【発行日】2023-09-28

(54)【発明の名称】撮像システム及び撮像システム応用機器

(51)【国際特許分類】

   H04N 25/10 20230101AFI20230921BHJP

   H04N 5/32 20230101ALI20230921BHJP

   H04N 25/53 20230101ALI20230921BHJP

   H04N 23/54 20230101ALI20230921BHJP

   H04N 23/60 20230101ALI20230921BHJP

   H04N 23/40 20230101ALI20230921BHJP

   H04N 23/55 20230101ALI20230921BHJP

   G21C 17/00 20060101ALI20230921BHJP

   G01N 21/27 20060101ALI20230921BHJP

【ＦＩ】

H04N25/10

H04N5/32

H04N25/53

H04N23/54

H04N23/60 500

H04N23/40 300

H04N23/55

G21C17/00 100

G01N21/27 A

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020039201

(22)【出願日】2020-03-06

(65)【公開番号】P2021141506

(43)【公開日】2021-09-16

【審査請求日】2022-05-12

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001678

【氏名又は名称】藤央弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】桑名 諒

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 睦三

(72)【発明者】

【氏名】増永 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】野本 真司

【審査官】橘 高志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１３４９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２５１５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１０１９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２３５２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１５６１９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２９６４１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１０４９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０４６０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－０８７４０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０６５５２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｎ ２５／１０

Ｈ０４Ｎ ５／３２

Ｈ０４Ｎ ２５／５３

Ｈ０４Ｎ ２３／５４

Ｈ０４Ｎ ２３／６０

Ｈ０４Ｎ ２３／４０

Ｈ０４Ｎ ２３／５５

Ｇ２１Ｃ １７／００

Ｇ０１Ｎ ２１／２７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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。

【請求項2】

請求項１に記載の撮像システムであって、
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。

【請求項3】

請求項１に記載の撮像システムであって、
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。

【請求項4】

請求項１に記載の撮像システムであって、
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。

【請求項5】

請求項１に記載の撮像システムであって、
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。

【請求項6】

請求項１に記載の撮像システムであって、
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。

【請求項7】

請求項１に記載の撮像システムであって、
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。

【請求項8】

請求項１に記載の撮像システムであって、
通常モードと高階調モードとで動作可能であって、
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。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一つに記載の撮像システムを備えることを特徴とする撮像システム応用機器。

【請求項10】

請求項９に記載の撮像システム応用機器であって、
前記センサ部を有する耐放射線装置部と、
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。

【請求項11】

請求項９に記載の撮像システム応用機器であって、
前記センサ部を設置したロボットと、
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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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。

【0006】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１４－３９１５９号公報

【文献】特開２０１８－２００９０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【課題を解決するための手段】

【0013】

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。

【発明の効果】

【0014】

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。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る耐放射線撮像システムにおける、構成図である。

【図2】第１の実施例の色分解素子の構成を示す模式図の第１例である。

【図3】第１の実施例の色分解素子の構成を示す模式図の第２例である。

【図4】センサ素子の構成を示す模式図である。

【図5】各画素の構成を示す模式図である。

【図6】本実施例の閾値判定回路を示す回路図である。

【図7】第１の実施例の閾値判定回路の別の例を示す回路図である。

【図8】比較例のセンサ素子の画素の構成を示す模式図である。

【図9】第１の実施例のセンサ素子内の画素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。

【図10】階調画像の構成方法を示す模式図である。

【図11】第１の実施例の階調画像を構成する処理を示す論理表である。

【図12】図９に示す階調画像を構成する処理を実現する回路の回路図である。

【図13】第１の実施例のサブ画像の画像データがメモリ上に格納された状態を示す模式図である。

【図14】図１１に示す階調画像を構成する処理を実現するための真理値表である。

【図15】第２の実施例のセンサ素子の構成を示す図である。

【図16】第２の実施例のセンサ素子内の画素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。

【図17】第３の実施例の受光素子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。

【図18】第３の実施例の各画素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。

【図19】第４の実施例の各画素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。

【図20】第７の実施例の応用機器の一例であるロボットシステムを示す図である。

【図21】第８の実施例の画素の構成を示す模式図である。

【図22】第８の実施例のセンサ素子の構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

図１は、本実施例の撮像システム１の構成図である。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

（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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

図３は、色分解素子１４の構成例２を示す模式図である。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

（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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

（画素の構成）
図５は、各画素１３０の構成を示す模式図である。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

（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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

（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。

【0066】

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。

【0067】

（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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

図７は、閾値判定回路１３４の別の例を示す回路図である。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

（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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

（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。

【0084】

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。

【0085】

（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。

【0086】

【数1】

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

（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。

【0093】

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。

【0094】

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。

【0095】

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。

【0096】

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。

【0097】

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。

【0098】

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。

【0099】

（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。

【0100】

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。

【0101】

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。

【0102】

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。

【0103】

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。

【0104】

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。

【0105】

図１１の信号処理の論理式は次式で与えられる。

【0106】

【数2】

【0107】

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。

【0108】

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。

【0109】

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。

【0110】

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。

【0111】

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。

【0112】

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。

【0113】

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。

【0114】

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。

【0115】

（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。

【0116】

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。

【0117】

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。

【0118】

＜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。

【0119】

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。

【0120】

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。

【0121】

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。

【0122】

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。

【0123】

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。

【0124】

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。

【0125】

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。

【0126】

（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。

【0127】

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。

【0128】

＜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。

【0129】

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。

【0130】

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。

【0131】

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。

【0132】

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。

【0133】

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。

【0134】

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。

【0135】

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。

【0136】

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。

【0137】

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。

【0138】

＜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。

【0139】

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。

【0140】

＜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。

【0141】

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。

【0142】

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。

【0143】

＜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。

【0144】

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。

【0145】

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。

【0146】

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。

【0147】

＜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。

【0148】

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。

【0149】

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。

【0150】

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。

【0151】

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。

【0152】

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。

【0153】

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。

【0154】

＜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。

【0155】

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。

【0156】

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。

【0157】

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。

【0158】

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。

【0159】

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。

【0160】

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。

【0161】

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。

【0162】

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。

【0163】

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。

【0164】

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。

【0165】

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。

【0166】

本実施例によると、画素１３０内の回路を簡素化できる。

【0167】

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。

【0168】

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。

【0169】

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。

【0170】

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。

【0171】

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。

【0172】

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。

【0173】

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。

【0174】

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。

【0175】

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。

【0176】

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。

【0177】

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。

【0178】

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。

【0179】

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。

【0180】

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。

【0181】

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。

【0182】

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。

【0183】

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。

【0184】

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。

【符号の説明】

【0185】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】