JP2024087739A - 暗視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 暗視装置におけるモノクロ画像を簡易な構成によりカラー画像として取得し、かつモノクロ画像とカラー画像とを切替える装置を提供する。【解決手段】 暗視環境下における被写体像を集光する対物レンズと、第一の分光カラーフィルター手段と、光電子倍増管と、第二の分光カラーフィルター手段とを含んで構成され、前記第一の分光カラーフィルター手段と前記第二の分光カラーフィルター手段とは、同一の色画像を出力するように駆動制御手段により同期駆動され、前記第一及び第二の分光カラーフィルター手段の色切替速度は、目の残像時間より早い速度で切り替えることにより出力像を取得する。また、第一と第二の分光カラーフィルター手段、および駆動制御手段とは一体化されて暗視装置本体と着脱自在に構成する。【選択図】図３

Description

本発明は、微弱光又は光源の乏しい環境下での画像を視認し、簡易な構成によりカラー画像を取得する暗視装置に関するものである。

ナイトビジョン、ナイトスコープ、暗視カメラなどと称される暗視装置は、夜間や暗所での画像認識として車載、監視、医療、天文観察、軍事、エンターテインメント、Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ（ＦＡ）など種々の場面で活用されてきている。暗視装置としては、赤外光線や紫外光線などの光源を発光させ、反射光を処理して可視化するアクティブ方式と、極めて少ない微弱光を増強して可視化するパッシブ方式とがある。

アクティブ方式の例としては、光源より発光させた近赤外光線を被写体へ照射し、その反射光をイメージセンサーなどで受け、その光電面の赤外線像の濃淡に応じて光電子を電子の密度変化として捉える。変換された電子は、加速させてセンサー面に収束させる。収束した電子は光電変換により画像として取得したり、又は蛍光面に収束させて、蛍光面を励起して画像を取得する。この様なアクティブ方式の暗視装置は、全く光源のない暗部の被写体像を画像として取得することが可能となるため、夜間走行の車載用カメラ、監視カメラなどに広く用いられている。また、可視光を照射できないような環境での監視カメラなどでは赤外光を照射して画像検知できるため特に有効に機能している。

また、パッシブ方式の例としては、超微弱光を増幅させる光電子倍増管（イメージ・インテンシファイアー）などの光電子増幅素子を用いてわずかな可視光や赤外光による画像を取得している。このイメージ・インテンシファイアーでは、マイクロ・チャネル・プレート（ＭＣＰ）型光電子倍増管の開発により光倍増率２万倍以上に増幅された光電子を蛍光面に収束させて画像を取得できるようになってきている。更に、最新世代といわれる光電面にＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓなどのガリウム砒素系半導体結晶を用いたイメージ・インテンシファイアーでは、光電面感度が格段に向上し、光増幅率も３万倍以上、有効視認距離も拡大し、コントラストに優れた画像を取得することが可能となってきている。そのため、このパッシブ方式の暗視装置は、赤外光線や紫外光線を発光できない環境や高コントラスト画像を取得する必要のある環境等で広く活用されている。

上述のアクティブ方式の暗視装置では、赤外光線の反射特性を利用して画像を取得しているため可視光全体の波長を取得できず、モノクロの画像となる。多くの場合、人の目の視認性で最も感度の高い緑色系にすることで視認性を高めているが、利用目的等により他の橙色系や赤色系などで表示することもある。また、パッシブ方式の暗視装置においては、倍増された光電子が蛍光体でコーティングされた蛍光面に激突し、励起状態として光子を放出し、増幅された画像を取得している。そのため、再生された画像は、緑色系のモノクロ画像として表示されることが多い。

この様に、暗視装置の多くは、緑色系を中心とするモノクロ画像を取得している。モノクロ画像の場合、被写体の識別が困難となったり、被写体の形状が重なって区別できなくなったりすることがあり、モノクロ画像をカラー化（色彩区別化）することで識別性をより向上させることが求められている。例えば、監視カメラなどで被写体人物の着衣の色彩や走行車両の色彩が再現されるようになれば被写体をカラー画像化し、暗視環境下においても被写体の識別能力を向上させることが可能となる。

暗視装置において、モノクロ画像をカラー化する試みは、種々提案されている。例えば、特許文献１においては、暗視環境下において異なる複数の波長分布の赤外光線を被写体へ照射し、それぞれの赤外光に含まれる異なる単色（例えばＲ、Ｇ、Ｂ）波長成分を取り出し、合成処理し、カラー化する方法が開示されている。

また、特許文献２においては、３原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のフィルターエレメントをセンサー前に配置し、３原色に対応した赤外光線を投光し、３原色の画像データをフレーム毎に処理する方法が示されている。

また、特許文献３においては、３原色分光フィルターを光電子倍増管（イメージ・インテンシファイアー）の前面に配置して３原色の画像データを画像処理するための白バランス設定方法が示されている。

上記の様な暗視装置は、いずれもカラー３原色をフィールド毎に面順次など時分割画像処理し、モニター・ディスプレイや画像記録カメラなどで表示したり、記録したりして、画像を認識している。これらの画像処理やモニター表示では、信号処理やディスプレイの装置が必要となり簡便に画像を視認することができない。暗視環境下においてより簡便にカラー画像を視認できる工夫が求められている。

特開２０１１－５００４９号公報 特開２０１５－１５９５２６号公報 特開平８－２２３５８８号公報

この発明は、上述の状況に鑑みて提供されるものであって、主として以下のような暗視装置及び撮像装置用カラー画像の提供を目的とする。
（１）簡易な構成によりモノクロ画像をカラー画像として取得する暗視装置
（２）簡易な構成によるモノクロ画像とカラー画像との切替装置構成
（３）暗視画像用カメラ装置用カラー画像の提供

本発明における暗視装置は、暗視環境下における被写体像を集光する対物レンズと、集光された被写体像を３色に順次分光する第一の分光カラーフィルター手段と、前記第一の分光用カラーフィルター手段を通過して順次分光された分光光像を受光し、光電変換された光電子を倍増し、倍増された光電子を出力像として出力する蛍光面とを有する光電子倍増管と、前記光電子倍増管の出力像を３色に順次分光する第二の分光カラーフィルター手段とを含んで構成され、前記第一の分光カラーフィルター手段と前記第二の分光カラーフィルター手段とは、同一の色画像を出力するように駆動制御手段により同期駆動され、前記第一及び第二の分光カラーフィルター手段の色切替速度は、目の残像時間より早い速度で切り替えることにより出力像を取得することを特徴とする。

また、本発明の暗視装置は、前記第一の分光カラーフィルター手段及び第二の分光カラーフィルター手段が、３原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）フィルターを含んで構成され、それぞれの色の境界を識別する識別手段を有しているように構成することもできる。

また、本発明の暗視装置は、前記第一の分光カラーフィルター手段、第二の分光カラーフィルター手段及び前記駆動制御手段が、一体として構成され、装置本体とは前記光電子倍増管を挟んで着脱自在であるように構成することもできる。

また、本発明の暗視装置は、前記光電子倍増管の蛍光面の後側に出力像の色調整を行う色補正フィルターを備えるように構成することもできる。

また、本発明の暗視装置は、前記蛍光面の出力画像を記録する映像カメラ取付部を具備するように構成することもできる。上述した課題を解決する手段は、可能な限り組合せて使用することができる。

本発明による暗視装置は、光電子倍増管を用いて第一及び第二の分光用カラーフィルターの構成によりモノクロ画像をカラー化することが出来、アクティブ型及びパッシブ型のいずれの暗視装置にも適用しうる。特に直視型暗視装置としては極めて簡便な構成により被写体のカラー化を行うことができる。また、第一及び第二の分光用カラーフィルター、それらカラーフィルターの同期駆動手段を一体化して、着脱自在にすることでモノクロ画像とカラー画像とを容易に切り替えて取得することができる。更に、フィルター手段を装置本体と着脱自在にすることで、違う種類のフィルター交換やフィルターの清掃を容易にすることができる。また、画像出力部にカメラ取付部を具備することで直視型暗視装置だけでなく、必要に応じて画像出力をカメラ記録用などの映像出力として取り出すことができる。

本発明による実施例１の暗視装置の基本構成例を示す説明図である。 本発明によるカラーフィルター例の説明図である。 本発明による実施例２の暗視装置の構成例を示す説明図である。

以下、本発明に係る暗視装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例に記載されているいずれの説明図や図面も本発明の説明用に概略的または模式図として描かれており、実際の寸法や形状は特に限定するものではない。また、実施例で用いているシステム構成、ブロック図、寸法、材質、形状、その相対配置および使用例は特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

本願では、単眼用暗視装置で直視型を想定して説明するが、本発明を組み合わせたり、変形して双眼鏡型暗視装置や暗視カメラとして用いることも可能である。また、本発明は、暗視環境下において赤外光を発光して検出するアクティブ方式でも、極めて僅かな微弱光を検出するパッシブ方式でも同様に適用することができる。

図１は、本発明による実施例１の暗視装置１の基本構成例を示す説明図である。暗視環境下にある被写体は、対物レンズ２により集光され、被写体像は、光電子倍増管３の受光面である光電面４に入射する。対物レンズ２の入射光側には第一の分光カラーフィルター５が設けられており、被写体像はこの第一の分光カラーフィルター５を介して光電面４に入射する。

光電面４では入射した光束を光電子変換する。光電面４で放出される電子数は、入射光量に比例しており、放出された電子を高電圧により加速し、蛍光面６に激突させる。最近の光電面４には、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やカリウム砒素リン（ＧａＡｓＰ）の半導体結晶が用いられており、高電子移動度と高飽和電子速度を達成している。放出された電子は、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）と称される電子倍増手段の各チャンネルの入力側と出力側との間の電圧勾配により衝突を繰り返し、二次電子を増加させ、多数の電子が蛍光面６を発光させる。このＭＣＰを数段重ねて配置することで、極めて微弱な光量であっても被写体像を認識することができる。

理論的には、暗視環境下の条件で、照度１、月明かり０．２から０．５ｌｕｘ程度の光源であっても画像検知は可能であることが判明している。光電子倍増管３の蛍光面６では、光倍増された電子が蛍光面６で発光し、被写体像を形成する。分光カラーフィルター手段を光電子倍増管３の前後に２個配置することで色分解能が大幅に低下するが、光電子倍増管３の光電子倍増度を高めることにより暗視下においても被写体像を認識することができる。

対物レンズ２の入射側に設けられた第一の分光カラーフィルタ５は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３原色により３分割されて構成され、それぞれの波長光である赤色光像、緑色光像、青色光像を順次透過させて光電子倍増管３の光電面４へ投射する。また、蛍光面６の出射側には、第二の分光カラーフィルター７が設けられている。この第二の分光カラーフィルター７は、第一の分光カラーフィルター５と同様、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３原色により構成されている。第一及び第二の分光カラーフィルター（５及び７）は、同軸上で連結されており、駆動モーター８により駆動されている。

それぞれのフィルターは、同一色のフィルターリングを行うように回転検出手段９より取得した信号により回転速度を制御している。つまり、２個のフィルターは、常に同期して同じ期間、同じ色彩をフィルターリングするように構成されている。光倍増されて蛍光面６に投射された被写体像は、接眼レンズ１０を介して直視用画像出力部１１より肉眼で直視する。また、画像出力をカメラで取得するためのカメラ取付部（カメラポート）１２を設けることもできる。

図１においては、第一及び第二の分光カラーフィルター（５及び７）が同一軸上で、同期駆動制御手段１３を介してモーター８により同期回転するように制御されているが、それぞれの分光カラーフィルターを別々の駆動モーターにより同期回転制御するように構成しても構わない。また、回転検出手段９は、片方の分光フィルターだけでなく、両方の分光カラーフィルターに配置してそれぞれの同期回転検出を行い別個に微調整制御するように構成することもできる。具体的分光カラーフィルター構成例としては、回動可能な円形ターレット上に赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３原色円形フィルターを組み込んで、それぞれが１２０度回転する毎に同一の光軸となるよう配置する。

また、光電子倍増管３の蛍光面６の後段には、色補正用フィルター１４が設けられている。この色補正フィルター１４は、光電子倍増管３の蛍光面６の出力画像の色彩を調整するためのもので、目視による画像視認に適した色彩とすることと、白バランスを調整するために用いられる。蛍光面６の出力画像をビデオ信号として取得する場合は、ビデオカメラ側で映像信号として補正したり、白バランス調整可能であるが、直視タイプの暗視装置においては直接蛍光面６の画像を視認するため、色補正フィルター１４を設けることが望ましい。この色補正フィルター１４は、蛍光面６と直視用画像出力部１１との間であればいずれでも構わない。

この色補正フィルターを白バランス調整用に用いる場合、被写体として基準色となる白色板の被写体像を蛍光面６に投射し、目視により適切な色補正フィルター１４を選択する。このような色補正フィルター１４は、いくつかの色補正用フィルターをスライドして切り替えたり、回転式ターレットにより切り替えたりして構成することもできる。

図２は、この第一及び第二の分光カラーフィルター（５及び７）の構成例を示している。図２において、分光カラーフィルターは、円板状のターレットにそれぞれに赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３原色に分割されている。それぞれの色の境界には、境界点を示す回転検知マーカー（２１，２２，２３）が配置されており、回転検出手段９により回転速度及び第一及び第二の分光カラーフィルター（５及び７）が同一色を同期してフィルターリングするように構成されている。この回転検出手段９及び検知マーカー（２１，２２，２３）による回転速度及び同期制御用の信号検知には、磁気センサーや光センサーなどいずれの方式であっても構成することができる。３分割分光カラーフィルターはＲ、Ｇ、Ｂの各色画像が１／６０秒で回転同期され赤色（Ｒ）像、緑色（Ｇ）像、青色（Ｂ）像のそれぞれが順次６０ｆｐｓの面順次画像として出力される。

蛍光面６の画像を直接肉眼１１で見る直視方式の暗視装置において、面順次方式では、それぞれの色の切替（円板の回転）速度は、肉眼の時間分解能より短く設定する。肉眼の時間分解能は、５０乃至１００ｍｓ程度と言われており、これより短い面順次方式での画面の切替画像は、眼の残像効果または仮現運動により連続した動画像として認識されると共に赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）それぞれの面順次画面が合成されて知覚される。このようにして、直視型暗視装置では、カラー化した被写体像を所得することができる。

図３は、本発明による実施例２の暗視装置の構成例を示す説明図である。図３において、図１と同じ構成部については同じ番号が付してある。第一の分光用カラーフィルター５、第二の分光用カラーフィルター７及び駆動手段１３で構成される分光フィルターアタッチメント３０は、一体化されており、装置本体とは光電子倍増管３を挟んで着脱自在となるように構成されている。

暗視装置の利用場面に応じては、常にカラー化した被写体像を必要とする訳でもないため、通常はモノクロ画像で使用し、必要に応じて分光フィルターアタッチメント３０取り付けカラー化した被写体像を取得する。このような一体化された分光カラーフィルターアタッチメント３０を用いて着脱自在とすることで、モノクロ画像とカラー化した画像とを瞬時に比較しながら被写体像を視認することもできる。

また、分光カラーフィルターアタッチメント３０を暗視装置本体と着脱可能とすることでフィルター交換を容易に行うことができたり、前後の分光カラーフィルター手段５及び７の同期化調整、回転速度調整などの調整アライメントを行うことも可能となる。そのため、異なる種類のフィルターや特定波長の単色フィルターや無色透明のフィルターなどの目的に応じた種々のフィルターを用意して交換することにより特定波長の画像のみの取り出しなどを行うことが可能となる。また、フィルターはゴミなどの影響で性能劣化や不具合が生じたりするため、この様に着脱自在とすることでフィルターの清掃を容易に行うことができる。更に、前述の色補正フィルター１４を装置本体と着脱可能な分光フィルターアタッチメント３０に一体化して、カラー化した場合の色補正をこの色補正フィルター１４により行うようにすることも可能である。

本発明では、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）をそれぞれ分光する第一及び第二の分光カラーフィルター手段を使用しているためフィルター自体による感度減衰に加えて、色分割による減衰や蛍光体色感度のばらつきなどによる減衰など種々の色感度減衰要因が考えられる。しかし、新たな光電子倍増管においては、光電面にガリウム砒素（ＧａＡｓ）やカリウム砒素リン（ＧａＡｓＰ）の半導体結晶により光電面感度が格段に向上し、更にＭＣＰを複数段重ねた光電子倍増管を用いることで極めて微弱な光源（照度１、月明かり程度）であっても画像検知が可能となり、自ら光源照射を行わないパッシブ方式の暗視装置であってもカラー化を達成することができる。

また、波長帯域の異なる赤外光線を発光し、それぞれの赤外光線よりＲ、Ｇ、Ｂカラー成分を取り出すようなアクティブ方式の暗視装置においても良好に適用することができる。パッシブ方式、アクティブ方式のいずれの方式であっても若干のカラー光成分を含んでいれば本発明によりカラー化画像を取得することができるものである。

以上、本発明の実施例においては、分光カラーフィルターに円板状ターレット式の光学フィルターを使用して説明したが、２つの分光カラーフィルターは、光学フィルターに限らず液晶フィルターなどの電子分光フィルターであっても同様の効果を達成することができる。また、実施例の単眼鏡に限定されることなく、双眼鏡や、ビデオカメラへの組み込みタイプなど本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適用できる。

本発明による暗視装置を用いてモノクロ画像を簡易な構成でカラー化して画像の視認性を高めることが可能であり、ＦＡカメラ、監視カメラ、観察カメラ、車載カメラ、気象カメラ、航空機カメラ、内視鏡カメラなど利用範囲が広範なものとなり、業務用、民生用、工業用、医療用、軍事用など多岐にわたる産業上の利用可能性が広がる。

１．暗視装置
２．対物レンズ
３．光電子倍増管
４．光電面
５．第一の分光カラーフィルター
６．蛍光面
７．第二の分光カラーフィルター
８．駆動モーター
９．回転検出手段
１０．接眼レンズ
１１．直視用画像出力部
１２．カメラ取付部（カメラポート）
１３．同期駆動制御手段
１４．色補正フィルター
２１～２３．回転検知マーカー
３０．分光カラーフィルターアタッチメント

Claims (5)

1. 暗視環境下における被写体像を集光する対物レンズと、
   集光された被写体像を３色に順次分光する第一の分光カラーフィルター手段と
   前記第一の分光用カラーフィルター手段を通過して順次分光された分光光像を受光し、光電変換された光電子を倍増し、倍増された光電子を出力像として出力する蛍光面とを有する光電子倍増管と、
   前記光電子倍増管の出力像を３色に順次分光する第二の分光カラーフィルター手段とを含んで構成され、
   前記第一の分光カラーフィルター手段と前記第二の分光カラーフィルター手段とは、同一の色画像を出力するように駆動制御手段により同期駆動され、前記第一及び第二の分光カラーフィルター手段の色切替速度は、目の残像時間より早い速度で切り替えることにより出力像を取得することを特徴とする暗視装置。
2. 前記第一の分光カラーフィルター手段及び第二の分光カラーフィルター手段は、３原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）フィルターを含んで構成され、それぞれの色の境界を識別する識別手段を有していることを特徴とする請求項１記載の暗視装置。
3. 前記第一の分光カラーフィルター手段、第二の分光カラーフィルター手段及び前記駆動制御手段は、一体として構成され、装置本体とは前記光電子倍増管を挟んで着脱自在であることを特徴とする請求項２記載の暗視装置。
4. 前記光電子倍増管の蛍光面の後側に出力像の色調整を行う色補正フィルターを備えていることを特徴とする請求項２乃至３記載の暗視装置。
5. 前記暗視装置は、前記蛍光面の出力画像を記録する映像カメラ取付部を具備していることを特徴とする請求項１記載の暗視装置。