(57)【要約】【課題】短時間で適切な撮影条件を設定し、撮影者の負荷を軽減する。【解決手段】複数の受光素子１４と、レンズ１１の絞り値を調節して該複数の受光素子に入射する光量を段階的に調整する絞り値調節手段１３と、該複数の受光素子により得られた電気信号をそれぞれデジタル変換して複数の画素信号に変換するA/D変換器１６aとを有し、撮像指示を受けて撮像する撮像手段と、前記A/D変換器から出力される複数の画素信号の最大値を検出する最大画素信号検出手段１７bと、前記最大値と前記A/D変換器の出力最大値を照合する最大値照合手段１７cと、前記最大値照合手段による照合の結果、前記最大値が前記A/D変換器の出力最大値と一致した場合に、前記絞り値調節手段に、レンズの絞り値を１段階大きな値に変更させる絞り値変更手段１７dを備える撮像装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 複数の受光素子と、レンズの絞り値を調節して該複数の受光素子に入射する光量を段階的に調整する絞り値調節手段と、該複数の受光素子により得られた電気信号をそれぞれデジタル変換して複数の画素信号に変換するA/D変換器とを有し、撮像指示を受けて撮像する撮像手段と、
b) 前記A/D変換器から出力される複数の画素信号の最大値を検出する最大画素信号検出手段と、
c) 前記最大値と前記A/D変換器の出力最大値を照合する最大値照合手段と、
d) 前記最大値照合手段による照合の結果、前記最大値が前記A/D変換器の出力最大値と一致した場合に、前記絞り値調節手段に、レンズの絞り値を１段階大きな値に変更させる絞り値変更手段と
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
e) 前記絞り値変更手段によりレンズの絞り値が変更された場合に、前記撮像手段に対して撮像指示を出す撮像指示手段
を備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
f) 前記A/D変換器により画素信号に変換される前に前記電気信号を増幅する信号増幅手段と、
g) 前記最大画素信号抽出手段により抽出された画素信号の最大値が、予め決められた値未満である場合に、前記最大値が該予め決められた値になるように前記信号増幅手段による増幅比率を決定する増幅比率決定手段と
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
ストロボ照明下で撮像データを取得する場合に、前記撮像手段が、撮像指示を受けて、ストロボ照射中に複数回の撮像を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来よりも短時間で撮像条件を決定することができる撮像装置に関する。特に、高速度ビデオカメラのように、短いシャッター開放時間で画像を取得する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
爆発、破壊、衝突、放電、或いは物体の高速移動といった、通常の撮像装置では捉えることが困難である高速の現象を連続的に撮影するために、専用の高速度ビデオカメラが開発されている。例えば非特許文献１、２に記載の高速度ビデオカメラは、画素周辺記録型撮像素子（IS-CCD＝image storage-CCD）と呼ばれる撮像素子を搭載しており、最高で100万フレーム／秒もの超高速度撮影が可能となっている。
【０００３】
高速度ビデオカメラは、１乃至複数の撮像素子と、レンズの絞り値(f値)を調節して該撮像素子が有する複数の受光素子に入射する光量を調整する絞り値調節手段と、該複数の受光素子により得られた電気信号をそれぞれデジタル変換して複数の画素信号に変換するA/D変換器を備えている。また、多くの高速度ビデオカメラは、電気信号、あるいは画素信号を増幅する信号増幅手段を備えている。
【０００４】
撮影者は、上記のような高速の現象を撮影する前に、以下のような順序で撮影条件を決定する。
【０００５】
まず、対象物の移動速度や現象が起こる速度に合わせてフレームレートを決定する。続いて、画角の決定、ピント合わせ、レンズの絞り値の設定、及びゲインの調整を行う。これらのうち、露光とは関係しない画角の決定やピント合わせは、室内照明程度の明るさの照明を被写体に照射した状態において、テレビレートの撮影速度（1/60秒）で行う。
【０００６】
一方、露光と関係するf値の設定は、撮影時に使用する照明を照射した状態で行う。f値を１段階ずつ大きくしていくと、入射光量は1/2ずつ減少する。そのため、撮影データの明るさを連続的に調整することはできない。そこで、レンズの絞り値の設定を完了した後、さらに、撮影により取得した電気信号を増幅する割合（ゲイン）を調整して、最適な明るさの撮影データを得る。
【０００７】
通常の高速度ビデオカメラでは、受光素子から出力され得る最大の電気信号を増幅せずに（ゲインの値を×１に設定して）A/D変換器に入力すると、該A/D変換器のダイナミックレンジの最大値が出力されるように構成されている。つまり、撮影者は、A/D変換器からの出力信号が、そのダイナミックレンジの最大値に達していないことを確認することにより、受光素子が飽和状態になっていないことを確認できるようになっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】近藤  泰志、ほか５名、「高速度ビデオカメラHyperVision HPV-1の開発」、島津評論、島津評論編集部、２００５年９月発行、第６２巻、第１・２号、ｐ．７９−８６
【非特許文献２】近藤  泰志、ほか５名、「高速度ビデオカメラHPV-2と高速撮影アプリケーション」、島津評論、島津評論編集部、２００９年３月発行、第６５巻、第３・４号、ｐ．２１９−２２７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
高速度ビデオカメラにおいて、100万フレーム／秒のフレームレートで撮影を行うと、シャッター開放時間は1μs未満となる。このような超高速撮影を行う場合には、短いシャッター開放時間で十分な光量を得るために、真夏の直射日光に相当する明るさである10万ルクス程度の連続光源やストロボ光源を照明として使用することが多い。
【００１０】
従来、レンズの絞り値の設定やゲインの調整は、撮影者がそれらを試行錯誤で少しずつ変化させることにより行われている。そのため、撮影条件の決定に時間がかかり、その間、撮影者は強力な連続光源やストロボ光源の照射下に曝されることになり、負担が大きいという問題があった。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、短時間で適切な撮影条件を設定することができ、撮影者の負荷を軽減することができる撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために成された本発明に係る撮像装置は、
a) 複数の受光素子と、レンズの絞り値を調節して該複数の受光素子に入射する光量を段階的に調整する絞り値調節手段と、該複数の受光素子により得られた電気信号をそれぞれデジタル変換して複数の画素信号に変換するA/D変換器とを有し、撮像指示を受けて撮像する撮像手段と、
b) 前記A/D変換器から出力される複数の画素信号の最大値を検出する最大画素信号検出手段と、
c) 前記最大値と前記A/D変換器の出力最大値を照合する最大値照合手段と、
d) 前記最大値照合手段による照合の結果、前記最大値が前記A/D変換器の出力最大値と一致した場合に、前記絞り値調節手段に、レンズの絞り値を１段階大きな値に変更させる絞り値変更手段と
を備えること特徴とする。
【００１３】
本発明に係る撮像装置では、外部からの撮像指示を受けて撮像手段が撮像する。このとき、A/D変換器から出力される複数の画素信号の最大値がA/D変換器の出力最大値（A/D変換器が出力することのできる値の最大値）に達している場合に（これは、A/D変換器に入力可能な大きさ以上の電気信号が入力されていることを意味する）、絞り値変更手段が、絞り値調節手段にレンズの絞り値を１段階大きな値に変更させて入射光量を減少させる。上述のように、一般的な撮像装置では、絞り値を１段階大きな値に変更すると入射光量が1/2減少するが、必ずしも入射光量の変化量は1/2でなくてもよい。つまり、絞り値を１段階変更することで入射光量を段階的に減少させるものであれば、その比率は限定されない。
【００１４】
上述のとおり、従来は、撮影者は、撮像、そのデータの確認、及び試行錯誤によるレンズの絞り値の調整を繰り返してレンズの絞り値を決定していた。これに対し、本発明に係る撮像装置では、撮像が行われ、それにより取得された画素信号が最大値を超えている場合には、絞り値変更手段がレンズの絞り値を１段階大きな値に変更する。そのため、撮影者が自らレンズの絞り値を調整する必要がなく、レンズの絞り値が変更されなくなるまで撮像指示を繰り返すだけで撮像条件を決定することができる。つまり、撮影者は簡便な操作により、短時間で最適な撮影条件を設定することができ、撮影者の負荷が軽減される。
【００１５】
本発明に係る撮像装置は、さらに、
e) 前記絞り値変更手段によりレンズの絞り値が変更された場合に、前記撮像手段に対して撮像指示を出す撮像指示手段
を備えることが望ましい。
この態様の撮像装置では、撮影者が１度、撮影指示を出すと、その後は、レンズの絞り値が変更されなくなるまで、撮像指示手段が撮像手段に対して撮像指示を出し続ける。従って、撮像（画素信号の取得）、最大値の照合、及びレンズの絞り値の変更が繰り返され、自動的に適切なレンズの絞り値が設定される。そのため、撮影者の負担はより一層軽減される。
【００１６】
また、
f) 前記A/D変換器により画素信号に変換される前に前記電気信号を増幅する信号増幅手段と、
g) 前記最大画素信号抽出手段により抽出された画素信号の最大値が、予め決められた値未満である場合に、前記最大値が該予め決められた値になるように前記信号増幅手段による増幅比率を決定する増幅比率決定手段と
を備えることが望ましい。
【００１７】
前述のとおり、レンズの絞り値を１段階ずつ大きくしていくと、多くの場合、入射光量は1/2ずつ減少していく。例えば、A/D変換器に入力される電気信号の最大値が、該A/D変換器に入力可能な最大値の110%である場合、A/D変換器から出力される画素信号の最大値がA/D変換器の出力最大値になるため、絞り値変更手段はレンズの絞り値を１段階大きな値に変更する。すると、次の撮像時には入射光量が半減し、A/D変換器に入力される電気信号の最大値が、該A/D変換器に入力可能な最大値の55%にまで減少する。つまり、絞り値変更手段がレンズの絞り値を１段階大きな値に変更することによって、画素信号の最大値が小さくなりすぎてしまう場合がある。
上記のように、信号増幅手段による増幅比率（ゲイン）を変更させるように構成することにより、こうした場合でも電気信号を最適な値（例えば、画素信号の最大値がA/D変換器の出力最大値の90％の値）まで増幅させ、十分な明るさの撮像データが得られる、最適な撮像条件を設定することができる。
ゲインの設定可能値は離散的な値である場合が多い。そうした場合には、増幅比率決定手段は、例えば、前記最大値が予め決められた値以下で最も近い値になるように増幅比率を決定すればよく、必ずしも増幅後の最大値が予め決められた値と完全に一致しなくてもよい。
【００１８】
ストロボ照明下で撮像する場合、該ストロボ照明の強度は、時間的に変化する。そのため、ストロボ照明の照射中に取得される撮像データが１フレームのみであると、ストロボ照明の強度が低いタイミングで取得した撮像データに基づいて撮像条件を設定してしまう可能性が高くなる。すると、撮像条件を設定した際のストロボ照明の強度よりも高強度の照明が照射された状態でその後の撮像が行われ、A/D変換器に入力可能な大きさ以上の電気信号が入力されてしまう。そこで、ストロボ照明下で撮像データを取得する場合には、前記撮像手段が、撮像指示を受けて、ストロボ照射中に複数回の撮像を行うように構成することが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る撮像装置では、撮像が行われ、それにより取得された画素信号が最大値を超えている場合には、絞り値変更手段がレンズの絞り値を１段階大きな値に変更する。そのため、撮影者が自らレンズの絞り値を調整する必要がなく、レンズの絞り値が変更されなくなるまで撮像指示を繰り返すだけで撮像条件を決定することができる。つまり、撮影者は簡便な操作により、短時間で最適な撮影条件を設定することができ、撮影者の負荷が軽減される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る撮像装置の一実施例である高速度ビデオカメラの要部構成図。
【図２】本実施例の高速度ビデオカメラにおける撮像条件設定のフローチャート。
【図３】本実施例の高速度ビデオカメラにおけるレンズ絞り値及びゲインの設定による画素信号の変化について説明する図。
【図４】ストロボ照明の強度の時間的変化と複数回の撮像について説明する図。
【図５】連続照明の強度の時間的変化と１回の撮像について説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る撮像装置の一実施例である高速度ビデオカメラについて、以下、図面を参照して説明する。
【００２２】
図１(a)は、本実施例の高速度ビデオカメラ１及び周辺機器（ＰＣ及びストロボ照明）の要部構成図である。本実施例の高速度ビデオカメラ１は、レンズ１１、レンズ絞りリング１２、レンズ絞りリング駆動モータ１３、イメージセンサ１４、信号読み出し部１５、信号処理部１６、制御部１７、外部機器接続用インターフェース１８、信号出力部１９を有している。信号処理部１６は、A/D変換器１６a及び信号増幅部１６bを備えている。また、図１(b)に示すように、制御部１７は、撮像指示部１７a、最大画素信号検出部１７b、最大値照合部１７c、絞り値変更部１７d、増幅比率決定部１７eを機能的に備えている。さらに、制御部１７は記憶部１７fを備えており、該記憶部１７fには、A/D変換器１６aの出力最大値（A/D変換器が出力することのできる値の最大値）、及び後述する所定値が保存されている。
【００２３】
高速度ビデオカメラ１の外部機器接続用インターフェース１８には、撮像結果を確認したり、高速度ビデオカメラの動作制御等を行うためのＰＣ２が接続されており、該ＰＣ２には入力部３及び表示部４が接続されている。
また、高速度ビデオカメラ１の信号出力部１９にはストロボ照明５が接続されている。
【００２４】
続いて、本実施例の高速度ビデオカメラを用いた撮像条件決定の流れについて、図１及び２を参照して説明する。ここではストロボ照明５の照射下で撮像する場合を例に説明する。
【００２５】
撮像条件設定時には、まず、露光時間を決定する。露光時間は撮像対象に応じて決定するものであるため、以降の撮像条件設定において露光時間は変更しない。続いて、撮像条件の初期設定を行う。具体的には、レンズ１１の絞り値（f値）を最小にして入射光量を最大にしておき、また、信号増幅部１６bによる増幅比率（ゲイン）を増幅なし（ゲインを×１倍）にしておく（ステップＳ１）。
【００２６】
初期設定を完了すると、撮影者は、入力部３を通じて高速度ビデオカメラ１に撮像を指示する（ステップＳ２）。撮像者から撮像指示を受けると、撮像指示部１７aは高速度ビデオカメラ１の各部を動作させて撮像する（ステップＳ３）。また、撮像指示部１７aは、信号出力部１９を通じてストロボ照明５に同期信号を送信する。そして、高速度ビデオカメラ１はストロボ照明５の照射中に複数回の撮像を行う。
【００２７】
撮像を終了すると、イメージセンサ１４に蓄積された電気信号は信号読み出し部１５により読み出され、A/D変換器１６aによりデジタル変換されて画素信号となる。最大画素信号検出部１７bは、複数の受光素子から構成されるイメージセンサを用い、複数回の撮像により得られた複数の画素信号の中から最大値を検出する（ステップＳ４）。
【００２８】
最大画素信号検出部１７bにより最大値が検出されると、最大値照合部１７cは、該最大値と、記憶部１７fに保存されているA/D変換器１６aの出力最大値を照合（ステップＳ５）し、それらが一致するか否かを判定する（ステップＳ６）。
【００２９】
図３(a)に示すように、A/D変換器１６aに入力可能な大きさ以上の電気信号が入力されていると、画素信号の最大値と、A/D変換器１６aの出力最大値が一致する（ステップＳ６においてYES）。この場合には、絞り値変更部１７dはレンズ絞りリング駆動モータ１３を動作させ、レンズ絞りリング１２を調整して、レンズの絞り値を１段階大きな値に変更する（ステップＳ６a）。レンズの絞り値が変更されると、撮像指示部１７aは新たに設定されたレンズ絞り値で撮像指示部１７aは高速度ビデオカメラ１の各部を動作させて撮像する（ステップＳ３）。
【００３０】
本実施例の高速度ビデオカメラ１では、画素信号の最大値とA/D変換器１６aの出力最大値が一致しなくなるまで（即ち、A/D変換器１６aに入力される電気信号の値が、該A/D変換器１６aに入力可能な値未満になるまで）、上述したステップＳ３からステップＳ６の動作を繰り返す。これにより、図３(b)に示すように、A/D変換器１６aに入力される電気信号の最大値が、該A/D変換器１６aの出力最大値未満となる、適切なレンズ絞り値を決定する。
【００３１】
画素信号の最大値と、A/D変換器１６aの出力最大値が一致しない（ステップＳ６においてNO）場合には、続けて増幅比率（ゲイン）の設定を行う。増幅比率決定部１７eは、画素信号の最大値と、記憶部１７fに保存されている所定値を比較する。そして、画素信号の最大値が、前記所定値となるようにゲインを変更する（ステップＳ７）。例えば、画素信号の最大値が600、所定値が900である場合には、ゲインを×１から×１．５に変更する。上述したように、ゲインの設定可能値が離散的な値である場合には、例えば、画素信号の最大値が所定位置以下で最も近い値となるようにゲインを決定する。こうして、図３(c)に示すように、十分な明るさの撮像データが得られる最適なゲインを設定する。ゲインを決定すると、撮像条件の設定を終了する（ステップＳ８）。
【００３２】
上記実施例は一例であって、本願発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
上記実施例では、ストロボ照明５を用いた撮像時の撮像条件を決定した。ストロボ照明５の強度は、図４に示すように、時間的に変化する。そのため、ストロボ照明の照射中に取得される撮像データが１フレームのみであると、ストロボ照明の強度が低いA/D変換器タイミングで取得した撮像データに基づいて撮像条件を決定してしまう可能性が高くなる。すると、撮像条件を決定した際のストロボ照明の強度よりも高強度の照明が照射された状態でその後の撮像が行われ、A/D変換器に入力可能な大きさ以上の電気信号が入力されてしまう。そこで、上記実施例では、該ストロボ照明５の照射中に複数回の撮像を行い、それら複数回の撮像により得られた画素信号の最大値とA/D変換器１６aの出力最大値を照合する構成とした。しかし、ストロボ照明５の強度変化特性が予め分かっている場合には、該ストロボ照明５の強度が最大となるタイミングで１回撮像し、該撮像により得られた画素信号の最大値を検出するようにしてもよい。
【００３３】
一方、図５に示すように、強度の時間的な変化が小さい連続照明を用いる場合には、照明点灯後、ある程度の時間が経過し、強度が安定した時点で取得した１回の撮像データを取り出し、該撮像データ中の画素信号の最大値を検出するようにしてもよい。あるいは、連続照明照射中に複数回の撮像を行い、その中間で取得した１回の撮像データ中の画素信号の最大値を検出するようにしてもよい。これらにより、画素信号の最大値を検出する時間を短縮することができる。
【００３４】
また、上記実施例の高速度ビデオカメラに、ライブモニタを接続し、画素信号をライブモニタに出力するように構成してもよい。この場合も、上記実施例と同様に、撮像、画素信号の最大値の検出、該最大値とA/D変換器の出力最大値の照合、レンズ絞りの設定（変更）、ゲインの設定（変更）を繰り返す。この構成を採ることにより、撮像者がライブモニタを確認しつつ撮像条件を設定することができる。
【００３５】
上記実施例では、本発明の特徴的な機能を有する制御部１７を高速度ビデオカメラ１の内部に内蔵する構成としたが、該制御部１７に内蔵されている各機能を外部機器に備えておき、外部機器接続用インターフェース１８を介して高速度ビデオカメラ１の各部を動作させる構成としてもよい。その場合には、上記各機能を備えた外部機器を含めて本発明の撮像装置の一実施形態となる。
また、本発明に係る高速度ビデオカメラにおいて、受光素子は特定の種類に限定されない。従って、ＣＭＯＳ、ＣＣＤ等を問わず、適宜の受光素子を用いることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１…高速度ビデオカメラ
１１…レンズ
１２…レンズ絞りリング
１３…リング駆動モータ
１４…イメージセンサ
１５…信号読み出し部
１６…信号処理部
１６a…A/D変換器
１６b…信号増幅部
１７…制御部
１７a…撮像指示部
１７b…最大画素信号検出部
１７c…最大値照合部
１７d…絞り値変更部
１７e…増幅比率決定部
１７f…記憶部
１８…外部機器接続用インターフェース
１９…信号出力部
２…ＰＣ
３…入力部
４…表示部
５…ストロボ照明
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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