JP2013108835A - 監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アイセーフ光を用いた監視を実現することのできる監視装置を提供することを目的とする。
【解決手段】１４００ｎｍ以上の波長帯域のレーザ光を射出する送光部と、送光部から射出されたレーザ光が物体に到達し、物体により反射された反射光を受光し、画像信号に変換して出力する撮像部１２と、撮像部１２からの画像信号を用いて監視画像を作成する画像処理装置とを備え、撮像部１２は、入射光を増幅する増幅機能とシャッタ機能とを備えたイメージインテンシファイア１２３と、イメージインテンシファイア１２３よりも光の入射側に配置され、イメージインテンシファイア１２３の適用可能な波長範囲に反射光の波長を変換する波長変換デバイス１２２と、イメージインテンシファイア１２３を通過した光を受光するカメラ１２４とを備える監視装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、船舶などに設置され、周囲の障害物などの監視を行う監視装置に関するものである。

従来、船舶等に設置され、広範囲に渡り物体を探知する監視装置として、レーザレーダを使用した監視装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
レーザレーダを用いた監視装置は、例えば、図５に示すように、レーザレーダ５１と、レーザレーダ５１を制御するレーザレーダ制御部５２と、レーザレーダ５１により得られた画像信号を表示する表示部５３とを備えている。レーザレーダ５１は、旋回台５４により、その迎角及び回転角が制御される構成となっている。

このような構成において、監視時においては、レーザレーダ５１内のレーザヘッドからパルスレーザ光を船舶の周辺に射出し、このレーザ光が監視対象Ａに到達して反射された反射光をレーザレーダ５１内に設けられたカメラによって撮像し、この画像信号を表示部５３に出力することにより、周囲に存在する物体Ａが表示部５３に表示される。

また、従来、上記カメラの手前に、シャッタ機能と光増幅機能を有するデバイスであるイメージインテンシファイア（Image Intensifier）を設けた監視装置が提案されている。このような監視装置では、監視対象からの反射光がカメラに到達するタイミングでイメージインテンシファイアのシャッタを開くことで、雨滴等からの不要な散乱光の写り込みを回避している。

特開平１１−１０２００１号公報

上述したようなイメージインテンシファイアを有する監視装置においては、レーザヘッドから射出されるレーザ光の波長帯域は、イメージインテンシファイアの特性に適した波長帯とされ、主に約１１００ｎｍ以下の波長帯域のレーザが用いられている。図７に、現在、一般的に市販されているイメージインテンシファイアの波長と量子効率特性を示す。図７に示すように、現在のイメージインテンシファイアの適用波長は、約２００ｎｍ以上約１１００ｎｍ以下であり、レーザレーダで用いるレーザもこの特性に応じて１１００ｎｍ以下のものが使用されている。

近年、眼や皮膚に対する安全性の高いアイセーフ光、換言すると、１４００ｎｍ以上の波長のレーザ光を利用した監視装置が求められている。例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｃ ６８０２）では、図６に示すように、眼又は皮膚が損傷を受けず被ばくできる最大の露光量として最大許容露光量（ＭＰＥ：maximum permissible exposure）が定義されている。図６に示すように、アイセーフ波長は、近赤外波長に比べて最大許容露光量が２倍以上であるため、出力パワーの増大が比較的容易であるという利点がある。

しかしながら、図７に示したように、現在、市販されているイメージインテンシファイアは、適応可能な最大波長がせいぜい１１００ｎｍ程度であり、光源としてアイセーフレーザ光を用いてしまうと、イメージインテンシファイアの適用範囲を外れてしまい、従来通りの画質の監視画像を得ることが難しくなってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、アイセーフ光を用いた監視を実現することのできる監視装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、１４００ｎｍ以上の波長帯域のレーザ光を射出する送光手段と、前記送光手段から射出された前記レーザ光が物体に到達し、前記物体により反射された反射光を受光し、画像信号に変換して出力する撮像手段と、前記撮像手段からの画像信号を用いて監視画像を作成する監視画像作成手段とを備え、前記撮像手段は、入射光を増幅する増幅機能とシャッタ機能とを備えたイメージインテンシファイアと、前記イメージインテンシファイアよりも光の入射側に配置され、前記イメージインテンシファイアの適用可能な波長範囲に前記反射光の波長を変換する波長変換手段と、前記イメージインテンシファイアを通過した光を受光する受光手段とを備える監視装置を提供する。

このような構成によれば、送光手段から射出された１４００ｎｍ以上の波長帯域の光であるアイセーフレーザ光は、物体に到達することにより反射される。反射波は、撮像手段内の波長変換手段に導かれ、イメージインテンシファイアに適した波長範囲にその波長が変換される。波長が変換された反射波は、イメージインテンシファイアに導かれ、増幅機能により増幅されるとともに、シャッタを通過して受光手段に導かれる。受光手段に導かれた光は、画像信号に変換され、この画像信号に基づいて監視画像作成手段により監視画像が作成される。
このように、入射光を増幅する増幅機能とシャッタ機能とを備えたイメージインテンシファイアの光入射側に、物体からの反射光の波長をイメージインテンシファイアの適用可能な範囲に変換する波長変換手段を設けたので、イメージインテンシファイアの適用可能な範囲外の波長帯であるアイセーフレーザ光を用いた場合でも、イメージインテンシファイアに入射される反射光の波長帯をイメージインテンシファイアの適用可能範囲とすることができる。これにより、アイセーフレーザ光とイメージインテンシファイアとを併用することができる。

上記監視装置において、前記撮像手段は、前記波長変換手段よりも光の入射側に配置され、入射光を集光させる第１光学系と、前記波長変換手段と前記イメージインテンシファイアとの間に配置され、入射光の径を拡大させる第２光学系とを備えていてもよい。

このような構成によれば、波長変換手段よりも光の入射側に光を集光させる第１光学系を設けたので、波長変換手段へ導かれる光の径を縮小させることができ、よって、波長変換手段への入射光のパワー密度を高めることができる。この結果、波長変換手段から出力される光のパワー密度を高めることが可能となる。また、波長変換手段とイメージインテンシファイアとの間には、光の径を拡大する第２光学系が設けられているので、イメージインテンシファイアに入射させる光の径を拡大させることが可能となる。

上記監視装置において、光軸方向における前記第１光学系及び前記第２光学系の少なくともいずれか一方の位置を調整する調整手段を備えることとしてもよい。

光軸方向における第１光学系の位置を変化させることにより、波長変換手段への集光率を変化させることができ、第２光学系の位置を変化させることにより、イメージインテンシファイアへの光の径の拡大率を変化させることが可能となる。これら集光率及び拡大率を変えることによって、最終的に得られる監視画像の質を変化させることができる。したがって、監視画像に応じて第１光学系、第２光学系の位置を調整することにより、監視画像の質（例えば、輝度、解像度等）をカスタマイズすることが可能となる。

本発明によれば、アイセーフ光を用いた監視を実現できるという効果を有する。

本発明の第１実施形態に係る監視装置の全体構成を概略的に示したブロック図である。 図１に示した撮像部の内部構成を概略的に示した図である。 本発明の第２実施形態に係る監視装置が備える撮像部の内部構成を概略的に示した図である。 ＩＲコンバータの入力パワー密度と出力パワー密度との関係を示した図である。 従来の監視装置の全体構成を示した図である。 ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｃ ６８０２）で定義される波長と最大許容露光量との関係を示した図である。 イメージインテンシファイアの特性の一例を示した図である。

〔第１実施形態〕
以下に、本発明の第１実施形態に係る監視装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る監視装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る監視装置は、レーザレーダ１、レーザレーダ制御部２、制御装置３、及び表示装置（表示手段）４を備えて構成されている。

レーザレーダ１は、送光部（送光手段）１１及び撮像部（撮像手段）１２を備えて構成されている。
上記送光部１１は、例えば、パルス状のレーザ光を連続的に射出するレーザ光源１１１と、レーザ光源１１１から射出されたレーザ光を目標物へ照射させる送光レンズ１１２、及び送光レンズ１１２の角度を調整するための送光レンズアクチュエータ（図示略）を主な構成要素として備えている。
上記レーザ光源１１１は、後述するレーザレーダ制御部２内のレーザ電源２６から電源供給をうけ、パルス状のレーザ光を連続的に射出する。レーザ光源１１１から射出されるレーザ光は、例えば、１４００ｎｍ以上の波長帯域に属するアイセーフレーザ光とされる。なお、１４００ｎｍ以上の波長帯域におけるどの波長のレーザ光を使用するかという点については、ユーザが任意で選択できるものとする。

送光レンズアクチュエータは、後述するレーザレーダ制御部２から供給される制御信号に基づいて、送光レンズ１１２の位置を調整する。これにより、送光レンズ１１２に入射されるレーザ光の角度を調整し、所望の範囲に、レーザ光を射出させることが可能となる。

撮像部１２は、例えば、図２に示すように、ズームレンズ１２１、波長変換デバイス（波長変換手段）１２２、イメージインテンシファイア１２３、及びカメラ（受光手段）１２４を備えている。
ズームレンズ１２１は、上記送光部１１から発せられ、目標物により反射された反射光を集光して、波長変換デバイス１２２に導く。

波長変換デバイス１２２は、入力光の波長をイメージインテンシファイア１２３の適用波長範囲に変換して出力する。波長変換デバイス１２２の具体例としては、ＩＲコンバータ（InfraRed Converter）が挙げられる。本実施形態では、１４９５ｎｍから１５４０ｎｍ程度の入射光を９５０ｎｍから１０７５ｎｍの間の波長の光に変換して出力する能力を有するＩＲコンバータを採用している。

イメージインテンシファイア１２３は、入射光を増幅する増幅機能とシャッタ機能とを備えている。イメージインテンシファイア１２３のシャッタは、後述するレーザレーダ制御部２内に設けられたシャッタ制御部２４により駆動される。
カメラ１２４は、イメージインテンシファイア１２３からの光を取り込み、電気信号に変換して画像信号を生成し、この画像信号を後述するレーザレーダ制御部２内の画像処理装置（監視画像作成手段）２５へ出力する。
また、上記イメージインテンシファイア１２３及びカメラ１２４は、個別にそれぞれ設けられていても良いし、一体化されたＩＣＣＤカメラを使用することとしてもよい。
このようなレーザレーダ１は、旋回台５によりその回転角及び迎角が所望の角度に調節される構造とされている。

レーザレーダ制御部２は、制御装置３から供給される各種制御信号に基づいて、上記レーザレーダ１の送光部１１、撮像部１２、及びレーザレーダ１の回転角などを調整する旋回台５を制御する。レーザレーダ制御部２は、例えば、旋回台駆動部２１、同期回路２２、制御信号変換装置２３、シャッタ制御部２４、画像処理装置２５、及びレーザ電源２６などを備えている。
制御装置３は、レーザレーダ１を制御するための各種制御信号を生成し、生成した各種制御信号をレーザレーダ制御部２に出力するとともに、レーザレーダ制御部２から供給される監視画像を表示装置４へ出力する。

制御装置３は、レーザ光源１１１からパルス状のレーザ光が所定のパルス周期で連続的に射出されるように、レーザレーダ制御部２を制御する。
また、制御装置３は、上記レーザ光源１１１から連続的に射出されるパルス状のレーザ光が所望の監視距離に存在する物体に到達し、該物体により反射された反射光が到達するタイミングにあわせて、イメージインテンシファイア１２３のシャッタを開くように、レーザレーダ制御部２を制御する。

レーザレーダ制御部２における画像処理装置２５は、撮像部１２のカメラ１２４（図２参照）から出力される画像信号を所定期間に渡って蓄積し、蓄積した複数の画像信号を重畳することにより、監視画像を作成する。画像処理装置２５によって作成された監視画像は、制御装置３を経由して表示装置４に出力されるように構成されている。
表示装置４は、制御装置３から出力される監視画像等を表示する表示モニタ（図示略）を備えている。

次に、本実施形態に係る監視装置の作用について説明する。
まず、監視時において、制御装置３は、パルス状のレーザ光を所定のパルス周期で連続的に射出させるために必要となる同期制御信号、レーザ光源１１１から連続的に射出されたパルス状のレーザ光が監視距離の位置にある物体に到達し、反射された反射光のみをカメラ１２４が取り込むためのシャッタ駆動信号などを生成し、これらをレーザレーダ制御部２に出力する。

制御装置３から出力された上記同期制御信号及びシャッタ駆動信号は、レーザレーダ制御部２内の制御信号変換装置２３を経由して、同期回路２２、シャッタ制御部２４へそれぞれ供給される。
同期回路２２は、入力された同期制御信号に基づいて、レーザ光の送光と受光の同期を取るための同期信号を生成し、この同期信号をレーザ電源２６及びシャッタ制御部２４に出力する。
レーザ電源２６は、同期回路２２から供給された同期信号に基づいて、レーザレーダ１が備える送光部１１内のレーザ光源１１１の動作信号を生成し、この動作信号に基づいてレーザ光源１１１を駆動する。
一方、シャッタ制御部２４は、制御装置３から入力されたシャッタ駆動信号及び同期回路２２から入力された同期信号に基づいて、レーザレーダ１が備える撮像部１２のイメージインテンシファイア１２３内のシャッタを駆動する。

これにより、まず、レーザ電源２６により半導体レーザ光源１１１が駆動されることにより、レーザ光源１１１から所定のパルス周期で連続的にパルス状のレーザ光が射出される。このレーザ光は、送光レンズ１１２により所定の範囲を有する照射領域に拡張されて、外部へ射出され、更に、照射領域内に存在する物体により反射された上記レーザ光が撮像部１２に導かれることとなる。

撮像部１２に導かれた反射光は、図２に示された受光用レンズ１２１を介して波長変換デバイス１２２に入射する。入射した光は、波長変換デバイス１２２により、イメージインテンシファイア１２３に適した波長範囲に変換された後、イメージインテンシファイア１２３に導かれる。
イメージインテンシファイア１２３では、シャッタ制御部２４（図１参照）が制御装置３からのシャッタ駆動信号に基づいてシャッタを駆動することにより、所定の監視距離の位置に存在する物体によって反射されてきたレーザ光のみがカメラ１２４へ導かれる。なお、このときカメラ１２４へ導かれる光は、イメージインテンシファイア１２３の増幅機能により、増幅されたものとなる。

そして、カメラ１２４により取り込まれた反射光の情報は、電気信号である画像信号に変換されて、レーザレーダ制御部２内の画像処理装置２５に出力される。画像処理装置２５は、所定の期間においてカメラ１２４から出力された複数の画像信号を蓄積し、蓄積した複数の画像を積算（重畳）することにより輝度の高い監視画像を作成し、この監視画像を出力する。
画像処理装置２５により作成された監視画像は、制御信号変換装置２３を経由して制御装置３へ入力される。制御装置３は、入力された監視画像を表示装置４に出力する。これにより、例えば、監視距離の位置にあった浮遊物の輪郭などが可視情報として、表示装置４の表示モニタに鮮明に（輝度が高く）表示されることとなる。この結果、表示モニタに表示された画像を乗組員等が確認することにより、照射領域に存在した物体の形状や大きさなどの情報を取得することが可能となる。

以上、述べてきたように、本実施形態に係る監視装置によれば、レーザレーダ１の撮像部１２において、イメージインテンシファイア１２３の光入射側に入射光の波長を変換する波長変換デバイス１２２を設けたので、イメージインテンシファイア１２３に入射させる光の波長をイメージインテンシファイア１２３の適用範囲の波長帯とすることが可能となる。これにより、１４００ｎｍ以上の波長を有するアイセーフレーザ光とイメージインテンシファイア１２３との併用が可能となり、安全性を高めながらも従来と同様の品質を有する監視画像を得ることが可能となる。

以下の表１に、ＩＲコンバータ及びイメージインテンシファイアを使用せずに、カメラ１２４のみを使用したときの性能（センサ感度＋カメラゲイン）と、波長変換デバイス１２２としてのＩＲコンバータとイメージインテンシファイア１２３とを併用したときのカメラ１２４の性能とを比較して示す。ここで、カメラ１２４としては、ＩｎＧａＡｓカメラを用いた場合を例示している。

上記表１のように、カメラのみを使用する場合に比べて、ＩＲコンバータとイメージインテンシファイアとの組み合わせの場合は、１０^３倍の性能（センサ感度＋カメラゲイン）を得ることができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る監視装置について説明する。本実施形態に係る監視装置は、図３に示すように、撮像部１２´において、図２に示した受光用レンズ１２１に代えて第１レンズ（第１光学系）１３０を採用する点、及び波長変換デバイス１２２とイメージインテンシファイア１２３との間に、入射光の径を拡大させる第２レンズ（第２光学系）１３２を配置する点が上述した第１実施形態に係る監視装置と異なる。
第１レンズ１３０は、波長変換デバイス１２２であるＩＲコンバータの蛍光面１２６に集光させる目的で設けられており、第２レンズ１３２は、第１レンズ１３０によって集光された光の径をイメージインテンシファイア１２３の受光面サイズまで拡大させる目的で設けられている。

ここで、波長変換デバイス１２２としてＩＲコンバータを採用する場合、ＩＲコンバータの出力パワー密度は、ＩＲコンバータの入力パワー密度に依存する。図４は、ＩＲコンバータの入力パワー密度と出力パワー密度との関係を示した図であり、横軸が入力パワー密度、縦軸が出力パワー密度を示している。
また、イメージインテンシファイア１２３の特性から、イメージインテンシファイア１２３に入射させる光のパワー密度は、イメージインテンシファイア１２３の最小感度露光量に相当するパワー密度以上である必要がある。そうすると、波長変換デバイス１２２の出力パワー密度は、イメージインテンシファイア１２３の最小感度露光量に相当するパワー密度（例えば、図４における値Ａ）以上である必要があり、したがって、ＩＲコンバータの入力パワー密度は図４における値Ｂ以上である必要がある。

ＩＲコンバータに入射させる光のパワー密度を増加させるには、送光部１１から射出させるレーザ光の出力パワー密度を高くすればよいが、図６に示すように、その出力値には限界がある。そこで、本実施形態では、ＩＲコンバータの光入射側に、ＩＲコンバータの蛍光面１２６に入射光を集光させる第１レンズ１３０を設け、光を集光させることでＩＲコンバータへの入力パワー密度を高めることとしている。

これにより、送光部１１における出力調整を行わずに、ＩＲコンバータの蛍光面１２６における入力パワー密度を容易に高めることが可能となる。なお、光を集光させることで、蛍光面１２６に投影される像の分解能は低下してしまうことから、第１レンズ１３０の集光度は予め検討する必要がある。

また、波長変換デバイス１２２とイメージインテンシファイア１２３との間には、光の径を拡大するための第２レンズ１３２を配置しているので、波長変換デバイス１２２の蛍光面に集光された光の径を拡大して、イメージインテンシファイア１２３の受光面へ導くことが可能となる。ここで、第２レンズ１３２による光の拡大率は、イメージインテンシファイア１２３の受光面のサイズに応じて決められることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る監視装置によれば、波長変換デバイス１２２の光入力側に第１レンズ１３０を設けているので、波長変換デバイス１２２への光の入力パワー密度を高めることが可能となる。これにより、波長変換デバイス１２２の光の出力パワー密度を高めることができ、アイセーフレーザ光を利用していたとしても、イメージインテンシファイア１２３へ導かれる光のパワー密度を高めることができ、より鮮明な監視画像の取得が期待できる。
また、波長変換デバイス１２２とイメージインテンシファイア１２３の間に第２レンズ１３２を配置したので、集光されることによって縮小した光の径を再度拡大させて、イメージインテンシファイア１２３へ導くことが可能となり、画像の大きさを従来通りとすることができる。

また、本実施形態に係る監視装置では、光軸方向における第１レンズ１３０及び第２レンズ１３２の少なくともいずれか一方の位置を変更可能とする図示しないレンズ位置調整機構（調整手段）を備えることとしてもよい。

このように、レンズ位置を調整する機構を有することで、例えば、監視画像を確認しながらレンズ位置を調整することが可能となる。例えば、輝度よりも解像度が気になる場合には、第１レンズ１３０による集光度が小さくなるように第１レンズ１３０の位置を調整すればよい。このように、表示装置４に表示された監視画像の状態に応じて第１レンズ１３０および第２レンズ１３２の位置を調整することで、表示装置４に表示させる監視画像の品質をカスタマイズすることが可能となる。
また、監視画像の品質に応じてレンズ位置調整機構を駆動させる制御部を設け、自動的に画質を調整することとしてもよい。

１ レーザレーダ
２ レーザレーダ制御部
３ 制御装置
４ 表示装置
５ 旋回台
１１ 送光部
１２，１２´ 撮像部
２１ 旋回台駆動部
２２ 同期回路
２３ 制御信号変換装置
２４ シャッタ制御部
２５ 画像処理装置
２６ レーザ電源
１１１ レーザ光源
１１２ 送光レンズ
１２１ ズームレンズ
１２２ 波長変換デバイス
１２３ イメージインテンシファイア
１２４ カメラ
１３０ 第１レンズ
１３２ 第２レンズ

Claims (3)

1. １４００ｎｍ以上の波長帯域のレーザ光を射出する送光手段と、
   前記送光手段から射出された前記レーザ光が物体に到達し、前記物体により反射された反射光を受光し、画像信号に変換して出力する撮像手段と、
   前記撮像手段からの画像信号を用いて監視画像を作成する監視画像作成手段と
   を備え、
   前記撮像手段は、
   入射光を増幅する増幅機能とシャッタ機能とを備えるイメージインテンシファイアと、
   前記イメージインテンシファイアよりも光の入射側に配置され、前記イメージインテンシファイアの適用可能な波長範囲に前記反射光の波長を変換する波長変換手段と、
   前記イメージインテンシファイアを通過した光を受光する受光手段と
   を備える監視装置。
2. 前記撮像手段は、
   前記波長変換手段よりも光の入射側に配置され、入射光を集光させる第１光学系と、
   前記波長変換手段と前記イメージインテンシファイアとの間に配置され、入射光の径を拡大させる第２光学系と
   を備える請求項１に記載の監視装置。
3. 光軸方向における前記第１光学系及び前記第２光学系の少なくともいずれか一方の位置を調整する調整手段を備える請求項２に記載の監視装置。

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