JPH04312080A - 光電変換素子による像情報検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光画像情報の新規な検出
方法に関するものであり、特に光電変換素子を用いて画
像情報を処理するときに光の窓口である感光素子におい
て特定の情報処理を施すことのできる検出方法に関する
ものである。本発明は感光素子にバクテリオロドプシン
などの感光性色素蛋白質を用いたときに該蛋白質の特徴
的な光情報処理機能を有効に引き出すことのできる検出
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、微細加工技術と光リソグラフィー
の進歩によって画像情報の記録密度はますます記録を更
新する傾向にある。しかしながら現在の高感度光センサ
および高密度記録素子の開発は大部分をシリコンを基板
とする微細加工技術に頼っており、シリコンとその接合
素子の持つ特性が感光素子の機能を支配している現状で
ある。したがって、記録密度は改善されるものの入力さ
れる画像情報の処理は回路とソフトウエアの側が負担す
ることになる。

【０００３】画像情報を高密度で入力する撮像素子とし
てはシリコンを主体とするＣＣＤ素子が典型である。こ
こでは光信号が電荷量に変換された後に一度電気的にメ
モリーされる。このメモリーは回路側で一次元の逐次処
理によって読み取られたのちに、２次元情報として表示
される。この方法では情報の時間変化を追うためにメモ
リーを逐次一定時間間隔でリセットする操作が採用され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしシリコンを主体
とする固体素子には次世代の画像情報処理システムに要
求されるさまざまな機能、すなわち動物の視覚がもつパ
ターン認識や動きの抽出といった情報の識別に必要な処
理機能が備わっておらず、これは所謂インテイジェント
素子としての利用に限界を生じることにつながる。視覚
情報処理システムとして固体素子を働かせるためには、
出力情報を処理するコンピュータ側の負担が大きくなら
ざるを得ない。たとえば、形状を認識して記憶のパター
ンと比較するためには、物体の輪郭構造を取り出さなけ
ればならない。輪郭成分の抽出はパターン認識の重要な
因子である。また、物体の動きを検出するためには入力
される光情報中の動的成分だけを実時間で即座に抽出で
きなければならない。これらの情報抽出にはさらに明る
さに対する順応性や輪郭のコントラストの強調といった
補助機能も重要に関わってくる。以上の機能は視覚の受
容体が本来担っている重要な働きであり、次世代の光セ
ンサが目指す機能であるが、現在の固体素子そのもので
は実現の難しい課題である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明者は固体素子に固執せずに生物材料にその
機能を求めると共に、視覚に習った情報処理手段を備え
た素子を構築しようという考えにたって検討を進めた。 その結果、本発明に開示するように、光入力信号を電気
信号に直接変換する感光ピクセルが受光平面上に複数配
列してなる光電変換素子において、感光ピクセルが入力
信号の光量の変化分を出力する微分感応性の光センサか
らなっており、この光センサに対して光入力信号の全体
の光強度を周期的に変調させた後で入力することを特徴
とする像情報の検出方法を用いることで、課題を解決す
るに至った。

【０００６】この発明に効果的に用いられる感光素子は
、光量変化すなわち光強度の対時間変化量に対して敏感
に応答するタイプの感光素子であり、換言すれば微分感
応型の光センサである。このようなセンサでは、光量の
変化分（時間微分値）が電気量として出力され光量の増
加は正の電気量、光量の減少は負の電気量として出力さ
れる。

【０００７】この目的に適した感光材料としては、感光
性色素蛋白質が挙げられる。感光性色素蛋白質において
は、可視光の吸収下で方向性を持った電荷の分離が高効
率で起こるためである。なかでも特に好ましく用いられ
るものはバクテリオロドプシンである。バクテリオロド
プシンは光合成反応中心クロロフィル蛋白質とならび感
光性色素蛋白質を代表する物質であり、また視物質ロド
プシンとともにレチナールを発色団とするレチナール蛋
白質の典型として知られている。バクテリオロドプシン
は、高度好塩菌ハロバクテリア（Ｈａｌｏｂａｃｔｅｒ
ｉｕｍ　　ｈａｌｏｂｉｕｍ）の細胞形質膜より、たと
えばＤ．Ｏｅｓｔｅｒｈａｌｔ，Ｗ．Ｓｔｏｅｃｋｅｎ
ｉｕｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ　　ｉｎ　　Ｅｎｚｙｍｏｌｏ
ｚｙ，３１，ｐｐ６６７−６７８（１９７４）に記載さ
れる方法に従って、紫膜と呼ばれるディスク状膜断片（
サイズ約０．５μｍ）の形で精製することができる。バ
クテリオロドプシンは従って一般にはこの紫膜の形態で
使用されることが多い。バクテリオロドプシンは蛋白質
部分のオプシンとその中に埋め込まれオプシンとシッフ
結合をするレチナールからなっている。このシッフ結合
がもたらすオプシンシフトと呼ばれる長波長シフトによ
って広い可視吸収（５５０〜５７０ｎｍに極大）が賦与
されている。

【０００８】バクテリオロドプシンは輸送機能をもつ膜
蛋白の１種であり、その機能は光吸収のもとで水素イオ
ンを膜の内側から外側にベクトル的に輸送することであ
り、その意味でプロトンポンプとも称されている。この
プロトンポンプ機能に関しては、池上　　明著「蛋白質
・核酸・酵素」第３４巻、ｐｐ４４０〜４６１（１９８
９）あるいはＡ．Ｉｋｅｇａｍｉ，ｅｔ　　ａｌ．，Ｓ
ｐｒｉｎｇｅｒＰｒｏｃ．Ｐｈｙｓ．，２０，ｐｐ１７
３〜１８２（１９８７）に解説がある。光によるプロト
ンすなわち正電荷の移動はバクテリオロドプシンからさ
まざまの光電効果を引き出すことのできる重要な現象と
なっている。

【０００９】バクテリオロドプシンの光機能を生体外で
光電変換に利用した例は、たとえばＫ．Ｓｉｎｇｈ，ｅ
ｔ　　ａｌ．，Ｂｉｏｐｈｙ．Ｊ．，３１，ｐｐ３９３
〜４０２（１９８０），Ｋ．Ｉｈａｒａ　　ａｎｄ　　
Ｙ．Ｍｕｋｏｈａｔａ，ＦＥＢＳＬｅｔｔｅｒｓ，２４
０，ｐｐ１４８〜１５２（１９８８），あるいはＳ．Ｙ
．Ｌｉｕ，Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｊ．，５７，ｐｐ９４３〜
９５０（１９９０）とその引用文献に示されている。最
も一般的な方法はバクテリオロドプシンあるいは紫膜の
配向性薄膜を２種の電極の間に挟んでサンドイッチ型の
乾式ボルタイックセルを作製し電極間に生じる光起電力
を計測する方法である。その基本はたとえばＧ．Ｖａｒ
ｏ，Ａｃｔａ　　Ｂｉｏｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．Ｈｕｎ
ｇａｒｙ，３２，ｐｐ３０１〜３１０（１９８１）に記
載されている。

【００１０】本発明において用いられる光量の変化に対
して応答することのできる光電変化素子として、最も目
的にあったものは以下の構成の素子である。すなわち、
光電変換素子は２種の電極（作用極と対極）とそれに挟
まれたバクテリオロドプシンの薄膜および電解質を含む
親水性層からなっており、バクテリオロドプシン薄膜の
一方の面は作用極に、他方の面は親水性電解質層に接合
しており、結果として作用極／バクテリオロドプシン層
／親水性電解質層／対極という接合構造を取っている。 このような湿式型の接合素子によって、光に対する微分
応答を効率よく取り出すことができる。そして、作用極
を多数の微小な電極群として構成することにより受光平
面上に感光ピクセルを複数配列することができる。

【００１１】次に本発明の光情報検出方法について説明
する。本発明で用いられる光センサは光の変化量に鋭敏
に応答する種類のセンサであり、このセンサに対して入
射する情報を持った光は、光学系を通過する際にその強
度が時間的な変調を受けることにより、最終的にセンサ
の受光面で強度変化を伴った状態でセンサに入射される
。入射光の強度の時間に対する振動（ｏｃｉｌｌａｔｉ
ｏｎ）のパターンはその種類を選ばないが、ある短い時
間（例えば１秒間）の間では一定の時間周期をもって行
なわれることが必要である。入射光の強度の時間に対す
る振動は、光のチョッピングのようなＯＮ／ＯＦＦの振
動であってもよいし、ある強度変化の範囲で振幅をもっ
た振動であってもよい。

【００１２】光強度の振動は、光学系に回転セクターや
開閉シャッターを挿入したり、あるいは液晶材料などか
らなる光学空間変調素子を挿入して、これらを電気的に
駆動させることによって行うことができる。これらの手
段のうち光学空間変調素子（液晶シャッターなど）を用
いる方法は機械的振動を生じない点でより望ましい。

【００１３】光強度の振動の周期は、動く像情報をある
程度の時間分解で追跡できる点と像情報の表示をある程
度の連続性をもった行なえる点で、周波数として２５Ｈ
ｚ以上、周期として５０ｍｓ以下が好ましく、更に周波
数として５０Ｈｚ以上、周期として３０ｍｓ以下がより
好ましい。

【００１４】光情報が回転セクターや変調素子によって
ＯＮ／ＯＦＦの周期的なチョッピングを受ける場合は、
バクテリオロドプシンを感光材料とする素子においては
、応答出力を十分獲得する目的で、光の明暗（ＯＮ／Ｏ
ＦＦ）の時間比が１／１から１／４の範囲に収まること
が望ましく、１／２から１／４の範囲に入ることが特に
望ましい。

【００１５】本発明の方法に従った光画像検出方法の特
徴は、入力される像情報中の輪郭部分あるいは境界部分
（像を構成する光の色や強度が変化する部分）にある程
度のコントラストを付加した形で像情報を入力すること
ができる点である。また特にこの方法に従えば、静止画
像の全体像をセンサが捕らえることができると同時に、
動く画像に対しては静止するものよりも敏感な感度をも
ってこの物体の輪郭像を強調して検出することができる
。このような特徴あるセンシングの特性（動く画像の抽
出、画像の輪郭の抽出）は、センサ自体あるいは光をセ
ンサに導く光学系を、該センサの受光面に平行な方向に
周期的に位置的な振動を与えることによって更に強調す
ることができる。

【００１６】本発明においては、情報処理の目的に従っ
て、以下の操作を付随させて行うことができる。 （１）カラー画像を色分解して情報処理するために、特
定の感光波長域をもったセンサあるいはピクセルのみを
選択して光強度の振動を与える操作。 （２）本発明で示す光強度の振動操作を不連続的に振動
条件を変えて行う操作。 （３）２種以上の光電変換素子を単一の入力像に対して
併用して像情報の多面的処理を行う操作。

【００１７】以下に本発明の実施例を示すが、本発明は
これに限定されるものではない。

【００１８】

【実施例】Ｏｅｓｔｅｒｈａｌｔ，ｅｔ　　ａｌ．，Ｍ
ｅｔｈｏｄｓ　　ｉｎ　　Ｅｎｚｙｍｏｌｏｇｙ，３１
，６６７（１９７４）の方法に従って、密度勾配遠心法
を用いてＨａｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ　　Ｈｏｌｏｂｉ
ｕｍの菌体からバクテリオロドプシンを含む紫膜を分離
精製し、純水に分散して吸光度６．０（５６０ｎｍ）の
サスペンジョンを調製した。

【００１９】紫膜の分散水溶液１００μｌにヘキサン１
００μｌとＤＭＦ２０μｌを加えて振とうミキサーにか
けて紫膜の単分子膜展開用懸濁液を調製した。

【００２０】この懸濁液を単分子膜製造水槽の純水相の
上に展開し、水面上に紫膜の１層が配列してなるバクテ
リオロドプシンの単分子膜を作製した。この単分子膜を
３０ｍＮ／ｍの表面圧力に圧縮した後、この圧力のもと
で水平付着法によって、膜厚１０００オングストローム
、伝導度６×１０３　ｃｍ−１のＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ
ｔｉｎ　　ｏｘｉｄｅ）層の正方ピクセルパターン（ピ
クセルサイズ１×１ｍｍ、ピクセル数２５６）が設けら
れた透明電極基板（３×３ｃｍ）の表面に移し取り、付
着操作を繰り返して最終的に２０層の紫膜を基板上に累
積した。次いで、紫膜の層を１％グルタルアルデヒド水
溶液にディップした後水洗して紫膜を架橋固定化した。

【００２１】バクテリオロドプシンの担持されたパター
ン化ＩＴＯ基板（厚さ１．１ｍｍ）上に、厚さ２００μ
ｍのテフロン製の中空スペーサを介して共通対極の金電
極（厚さ１ｍｍ）を置き、スペーサによって形成された
間隙に電解質として３％の寒天水溶液（ｐＨ７、４０℃
）を注入した。このようにしてＩＴＯ／バクテリオロド
プシン／電解質／金電極の接合からなる光電変換素子を
作製した。素子には外部回路を通してＩＴＯピクセル側
に−０．６Ｖのバイアスを印加した。素子からの電流出
力はオペアンプによって電圧に変換し且つ増幅を行なっ
た後電圧信号を、同じく２５６画素を持つ発光素子（Ｌ
ＥＤ）に出力し、信号の２次元的表示を行なわせた。

【００２２】このようにして２５６画素をもつ微分感応
型の光電変換素子（イメージセンサ）とＬＥＤ表示パネ
ルからなる画像情報処理システムを完成した。このセン
サに対し、ＩＴＯ基板側からスライドプロジェクターに
よって各種の文字像を光情報として入射した。

【００２３】文字像の入射に際して、センサの光源側手
前３ｃｍに強誘電液晶と直交偏向板からなる光変調素子
（３．５×３．５ｃｍ、ＩＴＯ電極使用）を光学シャッ
ターとして設置し、この液晶素子に駆動回路を介して６
ＶのＯＮ／ＯＦＦ断続信号を４０ｍｓの周期で入力して
シャッターの開閉の時間比が１／３となるように設定し
た。この操作によって、シャッターに入射される光が強
度比が１０／１の振動光に変調されるようになった。な
お、ちなみにこの強度比は、偏向板の確度を変えること
によって任意に変えることが可能であり、２０／１から
２／１の範囲で目的に応じて調整を行なった。

【００２４】はじめに、イメージセンサ上に光学シャッ
ターを開の状態にしたままでＴという英文字を連続光と
して入射した結果、ＬＥＤ表示パネル上にＴ文字の全体
像が一瞬表示されたが、この像はすぐに消滅した。これ
は、光の強度変化が照射の一瞬しか生じなかったためで
ある。そこで、つぎに光学シャッターを４０ｍｓの周期
で振動状態で駆動させた。そうすると、ＬＥＤ表示パネ
ル上にＴ文字の全体像が明瞭に連続的に表示された。次
にこのように光強度に振動を与えた状態で、Ｔ文字がセ
ンサの受光面に平行に水平方向、垂直方向に動くようス
ライドプロジェクターを動かした結果、表示パネル上に
は静止像として検出された文字よりも高いコントラスト
をもって、且つ輪郭部分が強調された状態でＴ文字の動
く様子が表示された。ここで、強調される輪郭成分を調
べた結果、強調される部分は動く方向に対して垂直な成
分であることがわかった。同様な特徴を持った像情報の
検出は、アルファベットの２６文字全てについても再現
することができた。

【００２５】振動変調の周期を４０ｍｓから２０ｍｓに
変えて同様な文字情報の検出を実施したところ、２０ｍ
ｓの条件下ではより時間的連続性に優れた明瞭な画像が
ＬＥＤ表示パネル上に表示された。

【００２６】

【発明の効果】このように、本発明の像情報検出方法を
用いると、従来のシリコン系固体素子では表現できない
、像情報からの動く成分の強調や輪郭成分の抽出といっ
た特徴的な情報処理をセンサの入力部において実行でき
ることが明らかである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光入力信号を電気信号に直接変換する
   感光ピクセルが受光平面上に複数配列してなる光電変換
   素子において、感光ピクセルが入力信号の光量の変化分
   を出力する微分感応性の光センサからなっており、この
   光センサに対して光入力信号の全体の光強度を周期的に
   変調させた後で入力することを特徴とする像情報の検出
   方法。
2. 【請求項２】　　感光ピクセルがバクテリオロドプシン
   もしくはその類似化合物を含む素子であることを特徴と
   する請求項１記載の像情報の検出方法。
3. 【請求項３】　　光強度の変調の周期が５０ｍｓ以下で
   あることを特徴とする請求項１記載の像情報の検出方法
   。
4. 【請求項４】　　光強度の変調の周期が３０ｍｓ以下で
   あることを特徴とする請求項１記載の像情報の検出方法
   。