JPH0560311B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野の説明） 本発明はホトンによつて励起され光電面から放
出される光電子の発生の間隔がテレビジヨン撮像
装置の画素に対応する時間単位程度で分解可能な
程度に微弱な映像を撮像する撮像装置に関する。

（従来技術の説明） SIT（SILICON INTENSIFIED TARGET）
を使用した撮像装置で撮像できる像の照度の下限
は10^-3Lux程度である。

このような高感度撮像装置では撮像できない前
述のような微弱映像の撮像装置として次のような
装置が提案されている。

イメージインテンシフアイヤの光電面に前述の
ような微弱映像からのホトンを入射させる。

ホトンにより励起された各光電子は増倍され
て、その光電子の発生した位置に対応する螢光面
の対応する位置を発光させる。

光電子の発生に対応して螢光面に輝点が発生消
滅する。

この像を一つの光電子に対応する個々の像（輝
点）が重ならないようなフレーミング速度でテレ
ビジヨン撮像する。

螢光面の各位置に対応する番地をもつ二次元画
像メモリ（フレームメモリ）を用意しておいて、
各フレーム周期ごとに輝点に対応する番地に１を
加算する。

多数枚のフレーム撮像により、フレームメモリ
各番地にその番地に対応する螢光面の輝点の発生
回数が記憶される。

この二次元画像メモリの内容を読み出しモニタ
の画面に表示することにより、二次元微弱画像を
可視像として再構成することができる。

しかしながら像が微弱であるときは、以下の問
題がある。

光電面、マイクロチヤンネルプレート、螢光面
をもつイメージインテンシフアイヤの出力は、イ
メージインテンシフアイヤの発生する雑音とホト
ンにより励起された光電子をマイクロチヤンネル
プレートの信号出力の和であると考えられる。

光電面に入射するホトンに関係なく発生する熱
電子、マイクロチヤンネルプレートの発生する熱
電子等がマイクロチヤンネルプレートにより増倍
されて出力される。

そのため、長時間の撮像をすると、雑音も信号
と同様に累積され再生像の解像を損なう。

一つの光電子がマイクロチヤンネルプレートで
増倍されると広がつて螢光面に入射するので、理
想的には１画素に対応すべき輝点が多数画素分に
対応する可能性があり、これも解像力を低下させ
る原因となつている。

次に前記撮像装置は、比較的長い時間を経過し
た後でないと、撮影状態（例えば光学系の焦点合
わせ状態）の評価ができないと言う問題がある。

（目的の説明） 本発明の主たる目的は前述した従来の微弱な映
像を撮像する撮像装置の問題を解決できる微弱な
映像を撮像する撮像装置を提供することにある。

（構成の説明） 前記目的を達成するために本発明による微弱な
映像を撮像する撮像装置は、光電面、マイクロチ
ヤンネルプレート、螢光面をもつイメージインテ
ンシフアイヤと、前記イメージインテンシフアイ
ヤの螢光面に形成された像を撮像するテレビヨン
撮像装置と、前記テレビジヨン撮像装置の映像信
号に含まれる映像信号を前記光電面の発生した単
一電子に原因す信号波形の中心部分を有意として
取り出す閾値をもつ２値化回路と、テレビジヨン
撮像の画素に対応する番地を持つフレームメモリ
と、被測定ホトン源からのホトンの前記イメージ
インテンシフアイヤの光電面へ入射させた状態で
第１の期間前記２値化回路出力の有意部分を前記
フレームモメモリの対応する番地に加算させ、被
測定ホトン源からのホトンの前記イメージインテ
ンシフアイヤの光電面への入射を遮断した状態で
第２の期間前記２値化回路出力の有意部分を対応
する番地から減算させる制御回路と、前記演算結
果を出力する画像再生装置とから構成されてい
る。

（実施例の説明） 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく
説明する。

第１図は本発明による二次元微弱画像撮像装置
の実施例を示すブロツク図である。

以下詳しく説明する実施例装置は、１ホトエレ
クトロンを単位とする微弱映像撮像（以下デイジ
タル撮像モードと言う）と、前記デイジタル撮像
モードに先立つ通常のテレビジヨン撮像モード
（以下アナログ撮像モードと言う）の両方のモー
ドを実施できるものである。

デイジタル撮像モードは次のステツプを含む。

（画像撮像ステツプ）画像撮像ステツプとはイ
メージインテンシフアイヤに撮像対象である微弱
な映像からのホトンを受け入れている状態でのイ
メージインテンシフアイヤの出力を一定時間撮像
記録するステツプを言う。

このとき記録されるデータには前記ホトンによ
らない雑音、例えば光電面の発生した熱電子に原
因する雑音も同時に記録される。

（背景撮像ステツプ）背景撮像ステツプとは、
微弱な映像からのホトンを遮断した状態における
イメージインテンシフアイヤの出力を一定時間撮
像記録するステツプを言う。

（演算ステツプ）前記画像撮像ステツプと背景
撮像ステツプで得られた記録間の演算を行い背景
を除去するステツプを言う。

イメージインテンシフアイヤ１の真空容器の内
面に光電面１ａが設けられている。

ホトン源Ｏ（被測定像）からのホトンは撮像光
学系２１により前記光電面１ａに導かれる。

撮像光学系２１はホトン源Ｏの像を螢光面１ａ
に結像させるように調節可能に設けられている。

この光電面１ａが発生した各電子（ホトンに原
因しない熱電子を含む）は、電子レンズ１ｂによ
りマイクロチヤンネルプレート１ｃの表面の対応
する位置にもたらされる。

この実施例では増倍率を大きくするためにマイ
クロチヤンネルプレート１ｃは３枚のプレートを
重ねて用いてある。

光電面１ａの発生した一つの電子は前記マイク
ロチヤンネルプレート１ｃにより増倍され、多数
個の電子がイメージインテンシフアイヤの螢光面
１ｄに衝突させられる。一方、３枚のマイクロチ
ヤンネルプレート１ｃ自身から生成された熱電子
も、それ自身によつて増倍される。但し、この場
合に螢光面１ｄに入射される電子の数は、光電面
から電子が放出された場合よりも少い。

この像は光学系２を介して低残像特性のビジコ
ン３の光電面に結像される。

前記イメージインテンシフアイヤ１とこのビジ
コン３はそれぞれ、駆動電源回路４および駆動電
源回路５により、動作電圧が供給されている。

ビジコン３の光電面に形成された前記イメージ
インテンシフアイヤ１の螢光面１ｄの輝点の像は
テレビジヨン走査により取り出される。

水平走査周波数15.75KHz、垂直走査周波数60
Hz、インターレース２：１、画面縦横比３：４で
ある。

ビジコン３の出力である映像信号は映像信号増
幅回路６により増幅されて、切換回路８に接続さ
れる。

切換回路８はデジタル撮像モードのときは前記
増幅された映像信号を２値化回路７に接続し、モ
ニタモードのときはテレビジヨンモニタ１２に切
換接続する。

ここでデイジタル撮像モードにおける前記イメ
ージインテンシフアイヤ１の輝点おおび輝点に対
応する映像信号について説明する。

第２図に光電面１ａの発生した一つの電子に原
因する螢光面１ｄの輝度分布のモデルを示す。

輝度の大きさを螢光面１ｄに垂直方向に示して
ある。

この一つの輝度のもつエネルギーは一定ではな
く統計的な分布をもつ。

第３図にエネルギーの分布を示す。

第３図はエネルギーE₂もつ輝度の発生確率が
最も大きいことを示している。

この曲線は熱電子等に原因する分布ｎおよびホ
トンにより励起された光電子に原因する分布ｓの
合成されたものであると考えられる。より詳しく
は、分布ｎのうち、低エネルギーのものはマイク
ロチヤンネルプレート１ｄ自身で生成された熱電
子等に相当し、これは量が多い。これに対し、分
布ｎのうち、高エネルギーのものは光電面１ａで
生成された熱電子等に相当し、ホトエレクトロン
（分布ｓ）との分別は困難である。そこで、この
エネルギーの所定レベルに相当する閾値で２値化
することにより、熱電子に起因する大部分の雑音
成分を除去することが可能になる。

本発明では２値化回路７にエネルギーE₂とエ
ネルギーE₁の中間に相当する閾値を設定して映
像信号を２値化する。この閾値のレベルは映像信
号を観察しながら任意に設定できる。

２値化回路７の出力は、演算および記憶回路９
に接続されている。

演算および記憶回路９には第１のフレームメモ
リ９ａ、第２のフレームメモリ９ｂ、第３のフレ
ームメモリ９ｃおよび、演算器９ｄが含まれてい
る。各フレームメモリは、512×512×16BITSの
容量を持ち、512×512で規定される各番地はテレ
ビジヨン撮像の画素にそれぞれ対応させられてい
る。

前記デイジタル撮像モードの背景撮像のステツ
プにおいては、前記２値化回路７の出力は一定期
間前記第１のフレームメモリ９ａに接続される。

前記画像撮像ステツプでは前記２値化回路７の
出力は一定期間前記第２のフレームメモリ９ｂに
接続される。

前記演算器９ｄは前記第１および第２のフレー
ムメモリ９ａ，９ｂの内容を番地対応で演算する
回路である。その演算結果は第３のフレームメモ
リ９ｃに記憶される。第３のフレームメモリ９ｃ
の内容は、DA変換回路を介してテレビジヨンモ
ニタ１２に接続される。

制御回路１０は、前述した各部の動作の順序を
制御する回路である。

次に前記装置の使用例を説明する。

デイジタル撮像モードの前にアナログ撮像モー
ドを実施する。

デイジタル撮像の対象である物体等は、通常肉
眼では観察できない。

切換回路８により映像増幅回路６の出力をテレ
ビジヨンモニタ１２側に接続した状態で、デイジ
タル撮像の対象である物体等を他の光源で説明す
る。操作者はテレビジヨンモニタ１２の画面を観
察しながら、撮像レンズ２１の焦点調整をするこ
とができる。

デイジタル撮像モードでは前記切換回路８によ
り映像増幅回路６の出力を２値化回路７に接続す
る。雑音と信号が重ね合わされた状態を撮像する
ステツプと背景の撮像のステツプはどちらをさき
に実行しても良いが、理解を容易にするために先
に雑音と信号が重ね合わされた状態を撮像するス
テツプから説明する。このステツプでは制御回路
１０により、２値化回路７の出力は第２のフレー
ムメモリ９ｂに接続される。

第２図に示すようにイメージインテンシフアイ
ヤ１の螢光面に現れた輝点は最も輝度の高い所に
水平走査線が一致したとすると６〜８の画素に対
応する。第２図にその走査線に対応する512の番
地をもつフレームメモリの行の一部を対応させて
ある。

今仮に２値化回路７の閾値が図中Thの示すレ
ベルであると、走査線に対応するフレームメモリ
９ｂの行の対応する３つの番地に３個の１が書き
込まれることになる。

第４図は書込みの原理を示す説明図である。

図においてａは特定の走査線に対応する映像信
号増幅回路６の出力、ｂはその出力に対応する２
値化回路７の出力、ｃは前記走査線に対応する第
２のフレームメモリ９ｂの行に書き込まれた内容
を示している。

第１回の１画面のテレビジヨン走査F₁で画面
中の特定の走査線にａに示す映像信号が現れると
２値化回路７により、F₁のｂに示すように２値
化される。

２値化回路７の最初の出力に対応するフレーム
メモリ９ｂの行の１つの番地に１が書き込まれ、
次の出力に対応する２つの番地にそれぞれ１が書
き込まれる。

第２回のテレビジヨン走査F₂で画面中の前記
特定の走査線と画面上同一の位置にある走査線に
F₂(a)に示す映像信号が現れると２値化回路７に
より、F₂(b)に示すように２値化される。

この結果前記フレームメモリ９ｂの前記行に、
最初の信号に対応する１、１と次の信号に対応す
る１が書き込まれてF₂(c)に示すようになる。

第３回のテレビジヨン走査F₃で画面中の前記
特定の走査線と画面上同一の位置にある走査線に
F₃(a)に示す映像信号が現れると２値化回路７に
より、F₃(b)に示すように２値化される。

この結果前記フレームメモリ９ｂの前記行に、
最初の信号に対応する１、１と次の信号に対応す
る１が書き込まれてF₃(c)に示すようになる。

前記３フレームの走査による前記図示されてい
る行の内容の変化を以下にまとめて示す。

F₁0100000000110 F₂0210001000110 F₃1310001010110 このようにして多数回の撮像を繰り換しフレー
ムメモリ９ｂに雑音と信号が重ね合わされたデー
タを蓄積する。例えば５秒で150フレームの撮像
を行つた場合各フレームごとに１個あて電子を放
出する光電面の領域があつたとすれば、フレーム
メモリ９ｂの前記光電面に対応する番地の内容は
150となる。

以上特定の行について説明したが他の行もにも
同様な記録が行われ、総ての行の配列により、画
像に関するデータの記録が行われる。

背景の撮像のステツプではイメージインテンシ
フアイヤ１への前記被撮像対象からのホトンの入
射を図示しないシヤツタ等で遮断する。このとき
２値化回路７の出力は制御回路１０により第１の
フレームメモリ９ｂに接続される。

そして前記画像撮像のステツプと撮像時間と同
じ時間の撮像を行う。

先に第３図を参照して説明したように、イメー
ジインテンシフアイヤ１の光電面のホトンが入射
しなくても熱電子が放出されることがある。

この熱電子に原因する出力が前記２値化回路の
閾値を越えるものは前述と同様にして、第１のフ
レームメモリ９ａの対応する番地に有意なものと
して記憶される。

演算のステツプは前記第２のフレームメモリ９
ａに記憶されている内容と前記第１のフレームメ
モリ９ａに記憶されている内容を演算器９ｄで画
素対応で減算し、その結果を第３のフレームメモ
リ９ｃに格納するステツプである。

第１のフレームメモリ９ａ、第２のフレームメ
モリ９ｂ、第３のフレームメモリ９ｃの対応する
番地の内容の簡単な例を示す。

9bのｎ行（4436522552110） ｎ＋１行（4436522555110） 9aのｎ行（4433222222110） ｎ＋１行（4433222222110） 9cのｎ行（0003300330000） ｎ＋１行（0003200333000） この第３のフレームメモリ９の内容は背景の影
響を除去したホトンに原因するものである。

第３のフレームメモリ９ｃの内容はDA変換器
１１を介してテレビジヨンモニタ１２に接続され
表示される。

以上詳しく説明した実施例について本発明の範
囲内で種々の変形を施すことができる。

前記ビジコンの変わりに固体撮像素子を利用す
ることもできる。本発明は、前述したように、二
次元のシングルホトン像を撮像する装置に関する
もので、シングルホトンによつて光電面１ａから
放出されるシングルエレクトロンを、イメージイ
ンテンシフアイヤ１のマイクロチヤンネルプレー
ト１ｃで増倍させ、螢光面１ｄに光学像を生成さ
せている。ここで、マイクロチヤンネルプレート
１ｃの電子増倍倍率は極めて大きい反面で、これ
自身が熱電子等を放出することがあり、これも増
倍されて螢光面１ｄに達する。ところが、このマ
イクロチヤンネルプレート１ｃ自身からの熱電子
による螢光面１ｄにおける輝度レベルは、光電面
１ａからマイクロチヤンネルプレート１ｃに入射
された電子による輝度レベルより一般に低く（第
３図参照）、従つて２値化回路７による分別が可
能である。このため、シングルホトンによつてシ
ングルエレクトロンが生成されることに起因し
て、上記２値化により正確なデータを得ることが
可能になる。

さらに、本発明のシングルホトン像は二次元で
あるため、マイクロチヤンネルプレート１ｄから
の熱電子による雑音イメージも二次元となる。こ
のため、フレームメモリを用いることで、二次元
のノイズ処理を行なつているのである。特に、こ
の二次元のノイズは、二次元平面において一様な
レベルとはならず、位置により異なるため、正確
な像を得るためには特に重要である。この点にお
いて、一様に現れるバツクグラウンドノイズと
は、全く異なつていることは注目すべきである。

（効果の説明） 以上説明したように、本発明によれば、微弱光
領域では、２値化回路と画像メモリを使うことに
より解像度の低下をきたさないで良好な撮像を行
うことができる。

光学系の調整はアナログ像を映しながら焦点を
合わせ次にデイジタル撮像をすることにより操作
性が非常に良くなつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る微弱な映像を撮像する撮
像装置の実施例を示すブロツク図である。第２図
はイメージインテンシフアイヤの螢光面に発生し
た一つの輝点の輝度分布のモデルを示す斜視図で
ある。第３図は輝点のエネルギーの分布を示すグ
ラフである。第４図は、水平走査により取り出さ
れた信号と、記憶の関係を示すグラフである。 １……イメージインテンシフアイヤ、３……ビ
ジコン、４……イメージインテンシフアイヤの電
源回路、５……ビジコン駆動回路、６……映像信
号増幅回路、７……２値化回路、８……切換回
路、９……記憶および演算回路、９ａ……第１の
フレームメモリ、９ｂ……第２のフレームメモ
リ、９ｃ……第３のフレームメモリ、９ｄ……減
算回路、１０……制御回路、１１……DA変換回
路、１２……テレビジヨンモニタ、２１……撮像
レンズ、２２……中継レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 二次元のシングルホトン像を撮像する装置に
   おいて、光電面、マイクロチヤンネルプレート、
   螢光面をもつイメージインテンシフアイヤと、前
   記イメージインテンシフアイヤの蛍光面に形成さ
   れた像を撮像するテレビジヨン撮像装置と、前記
   テレビジヨン撮像装置の映像信号に含まれる映像
   信号を前記光電面の発生した単一電子に原因する
   信号波形の中心部分を有意として取り出す閾値を
   もつ２値化回路と、テレビジヨン撮像の画素に対
   応する番地を持つフレームメモリと、被測定ホト
   ン源からのホトンの前記イメージインテンシフア
   イヤの光電面へ入射させた状態で第１の期間前記
   ２値化回路出力の有意部分を前記フレームメモリ
   の対応する番地に加算させ、被測定ホトン源から
   のホトンの前記イメージインテンシフアイヤの光
   電面への入射を遮断した状態で第２の期間前記２
   値化回路出力の有意部分を対応する番地から減算
   させる制御回路と、前記演算結果を出力する画像
   再生装置とから構成した微弱な映像を撮像する撮
   像装置。 ２ 前記第１および第２の期間は略等しい時間で
   ある特許請求の範囲第１項記載の微弱な映像を撮
   像する撮像装置。 ３ 前記イメージインテンシフアイヤは複数枚の
   マイクロチヤンネルプレートを持つ特許請求の範
   囲第１項記載の微弱な映像を撮像する撮像装置。 ４ 前記撮像装置は標準テレビジヨン走査により
   前記イメージインテンシフアイヤの光電面を走査
   する特許請求の範囲第１項記載の微弱な映像を撮
   像する撮像装置。 ５ 前記撮像装置の光電変換部は低残像形ビジコ
   ンや固体撮像素子である特許請求の範囲第１項記
   載の微弱な映像を撮像する撮像装置。 ６ 二次元のシングルホトン像を撮像する装置に
   おいて、 光電面、マイクロチヤンネルプレート、蛍光面
   をもつイメージインテンシフアイヤと、前記イメ
   ージインテンシフアイヤの蛍光面に形成された像
   を撮像するテレビジヨン撮像装置と、前記テレビ
   ジヨン撮像装置の映像信号に含まれる映像信号を
   前記光電面の発生した単一電子に原因する信号波
   形の中心部分を有意として取り出す閾値を持つ２
   値化回路と、テレビジヨン撮像の画素に対応する
   番地を持つ第１および第２のフレームメモリと、 前記各フレームメモリ間の演算を行う演算器
   と、被測定ホトン源からのホトンの前記イメージ
   インテンシフアイヤの光電面への入射を遮断した
   状態で前記２値化回路出力を前記第１のフレーム
   メモリに切換接続して第１の期間だけ前記２値化
   回路出力の有意部分を対応する番地に加算させ、
   被測定ホトン源からのホトンの前記イメージイン
   テンシフアイヤの光電面へ入射させた状態で前記
   ２値化回路出力を前記第２のフレームメモリに切
   換接続し、第２の期間だけ前記２値化回路出力の
   有意部分を対応する番地に加算させ、前記演算器
   に前記第１および第２のフレームメモリの画素対
   応番地ごとに差を演算させる制御回路と、前記演
   算結果を出力する画像再生装置とから構成した微
   弱な映像を撮像する撮像装置。 ７ 二次元のシングルホトン像を撮像する装置に
   おいて、 光電面、マイクロチヤンネルプレート、蛍光面
   をもつイメージインテンシフアイヤと、前記イメ
   ージインテンシフアイヤの光電面に被測定像を形
   成する焦点調節可能な光学系と、前記イメージイ
   ンテンシフアイヤの蛍光面に形成された像を撮像
   するテレビジヨン撮像装置と、前記テレビジヨン
   撮像装置で撮像された映像を再生するテレビジヨ
   ンモニタと、前記テレビジヨン撮像装置の映像信
   号に含まれる映像信号を前記光電面の発生した単
   一電子に原因する信号波形の中心部分を有意とし
   て取り出す閾値をもつ２値化回路と、テレビジヨ
   ン撮像の画素に対応する番地を持つ第１および第
   ２のフレームメモリと、前記各フレームメモリ間
   の演算を行う演算器と、被測定ホトン源からのホ
   トンの前記イメージインテンシフアイヤの光電面
   への入射を遮断した状態で前記２値化回路出力を
   前記第１のフレームメモリに切換接続して第１の
   期間だけ前記２値化回路出力の有意部分を対応す
   る番地に加算させ、被測定ホトン源からのホトン
   の前記イメージインテンシフアイヤの光電面へ入
   射させた状態で前記２値化回路出力を前記第２の
   フレームメモリに切換接続し、第２の期間だけ前
   記２値化回路出力の有意部分を対応する番地に加
   算させ、前記演算器に前記第１および第２のフレ
   ームメモリの画素対応番地ごとに差を演算させる
   制御回路と、前記演算結果を出力する画像再生装
   置とからなり、被測定微弱ホトン源の位置に通常
   撮像可能な物または像を形成し前記テレビジヨン
   モニタでその像を観察しながら前記撮像光学系の
   焦点を調節するように構成した微弱な映像を撮像
   する撮像装置。