(57)【要約】【課題】画素周辺記録型撮像素子を数十万から百万フレーム／秒以上の高速で駆動することのできる高速撮像装置を提供する。【解決手段】被写体の光学像をアナログ電気信号に変換する光電変換部１１と、光電変換部１１から出力されるアナログ電気信号から雑音を除去する信号処理を行うアナログ電気信号処理部１２と、信号処理後のアナログ電気信号に基づいて画像信号を生成する画像信号生成部１３と、撮像速度に応じた周波数の制御信号を生成する制御信号生成部１４と、制御信号に基づいてアナログ電気信号処理部駆動信号、画像信号生成部駆動信号および光電変換部駆動信号を生成する駆動信号生成部１５と、制御信号の周波数が高くなるほど光電変換部駆動信号のデューティ比を小さく補正するデューティ比補正部と、を含む。【選択図】図１
2011250477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体の光学像をアナログ電気信号に変換する光電変換部と、
前記光電変換部から出力される前記アナログ電気信号から雑音を除去しデジタル電気信号に変換する信号処理を行うアナログ電気信号処理部と、
前記アナログ電気信号処理部から出力される前記デジタル電気信号に基づいて画像信号を生成する画像信号生成部と、
撮像速度に応じた周波数の制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記制御信号に基づいてアナログ電気信号処理部駆動信号、画像信号生成部駆動信号および光電変換部駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
前記制御信号の周波数が高くなるほど前記光電変換部駆動信号のデューティ比を小さく補正するデューティ比補正部と、を含む高速撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速撮像装置に係り、特に、画素周辺記録型撮像素子を使用して高速で撮像することの可能な高速撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１秒間に１００万フレーム程度の画像を撮影可能な撮像素子として画素周辺記録型撮像素子は既に提案されており、超高速撮影装置に組み込まれて様々な分野で使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、従来の画素周辺記録型撮像素子を適用した高速撮像装置は、画素周辺記録型撮像素子自体は百万フレーム／秒で撮像可能な性能を有しているにも係らず、数十万から百万フレーム／秒以上の高速で撮影すると撮像素子に印加される駆動信号の電圧が低下し画質が悪化するという課題があった。
【０００４】
図１１は、従来の高速撮像装置の構成を示すブロック図であって、従来の高速撮像装置１１０は、被写体の光学像をアナログ電気信号に変換する光電変換部１１１と、光電変換部１１１から出力されるアナログ電気信号からノイズを除去しデジタル電気信号に変換するアナログ電気信号処理部１１２と、アナログ電気信号処理部１１２から出力されるデジタル電気信号を処理して画像信号を生成する画像信号生成部１１３と、撮像速度に応じた周波数の制御信号を生成する制御信号生成部１１４と、制御信号に基づいて光電変換部１１１、アナログ電気信号処理部１１２および画像信号生成部１１３を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部１１５とを含む。
【０００５】
また、図１２は駆動信号生成部１１５の出力（実線）と光電変換部１１１に実際に印加される電圧波形（破線）であって、１０万フレーム／秒の撮像速度（ａ）であれば光電変換部１１１には駆動信号生成部１１５の出力電圧がほぼそのまま印加されるが、１００万フレーム／秒の撮像速度（ｂ）となると光電変換部１１１に実際に印加される電圧の振幅は駆動信号生成部１１５の出力電圧の振幅よりも小さくなる。
【０００６】
図１３は、駆動信号生成部１１５が矩形波を出力する場合に光電変換部１１１で実際に測定される電圧（以下、実電圧Ｖrealという。）の最大電圧Ｖreal_Hと最小電圧Ｖreal_Lと撮像速度との関係を示すグラフであって、４０万フレーム／秒以上の撮像速度となると最大電圧Ｖreal_Hと最小電圧Ｖreal_Lの差電圧は徐々に減少し、数百万フレーム／秒以上の撮像速度となると最大電圧Ｖreal_Hと最小電圧Ｖreal_Lの差電圧が減少して、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が極端に悪化し、撮像不可能な状態となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３４５４４１号公報（［００３２］〜［００３５］、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、画素周辺記録型撮像素子を使用して数十万から百万フレーム／秒以上の高速でもＳ／Ｎの劣化のない映像を撮像することの可能な高速撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の高速撮像装置は、被写体の光学像をアナログ電気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部から出力される前記アナログ電気信号から雑音を除去しデジタル電気信号に変換する信号処理を行うアナログ電気信号処理部と、前記アナログ電気信号処理部から出力される前記デジタル電気信号に基づいて画像信号を生成する画像信号生成部と、撮像速度に応じた周波数の制御信号を生成する制御信号生成部と、前記制御信号に基づいてアナログ電気信号処理部駆動信号、画像信号生成部駆動信号および光電変換部駆動信号を生成する駆動信号生成部と、前記制御信号の周波数が高くなるほど前記光電変換部駆動信号のデューティ比を小さく補正するデューティ比補正部と、を含む構成を有している。
【００１０】
この構成により、フォトダイオードの電荷の排出能力を高めることができるとともに、メモリＣＣＤの電荷転送能力を高めることができることとなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、制御信号の周波数に応じた光電変換部駆動信号を生成する駆動信号生成部を設けることにより、画素周辺記録型撮像素子を使用して数十万から百万フレーム／秒以上の高速でもＳ／Ｎの劣化のない映像を撮像することができるという効果を有する高速撮像装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る高速撮像装置のブロック図
【図２】本発明に係る高速撮像装置を適用した高速カラー撮像装置の構成を示すブロック図
【図３】赤色光光電変換部として使用される画素周辺記録型撮像素子の構造図
【図４】駆動信号生成部で生成された赤色光光電変換部駆動信号Ｖdの最大電圧Ｖd_Hおよび最小電圧Ｖd_Lと赤色光光電変換部に印加される実電圧Ｖrealの最大電圧Ｖreal_Hおよび最小電圧Ｖreal_Lとの関係を示すグラフ
【図５】赤色光光電変換部と駆動信号生成部との接続関係を表すブロック図
【図６】赤色光光電変換部用振幅補正部が有する電圧補正回路の一例
【図７】赤色光光電変換部用振幅補正部の入力と出力の波形を示すグラフ
【図８】赤色光光電変換部駆動信号Ｖdの波形と赤色光光電変換部で観測した実電圧Ｖrealの波形を示すグラフ
【図９】デューティ比を５０％および２５％とした場合の赤色光光電変換部に印加される実電圧Ｖrealの最大電圧Ｖreal_H、最小電圧Ｖreal_Lを示すグラフ
【図１０】デューティ比補正部から出力される赤色光光電変換部駆動信号Ｖd、赤色光光電変換部に印加された実電圧Ｖrealを示すグラフ
【図１１】従来の高速撮像装置の構成を示すブロック図
【図１２】駆動信号生成部の出力と光電変換部に実際に印加される電圧波形を示すグラフ
【図１３】実電圧Ｖrealの最大電圧Ｖreal_Hと最小電圧Ｖreal_Lと撮像速度との関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る高速撮像装置の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
即ち、本発明に係る高速撮像装置１の第１の実施形態は、図１のブロック図に示すように、被写体の光学像をアナログ電気信号に変換する光電変換部１１と、光電変換部１１から出力されるアナログ電気信号から雑音を除去しデジタル電気信号に変換する信号処理を行うアナログ電気信号処理部１２と、アナログ電気信号処理部１２から出力されるデジタル電気信号に基づいて画像信号を生成する画像信号生成部１３と、撮像速度に応じた周波数の制御信号を生成する制御信号生成部１４と、制御信号に基づいてアナログ電気信号処理部駆動信号、画像信号生成部駆動信号および光電変換部駆動信号を生成する駆動信号生成部１５と、制御信号の周波数が高くなるほど光電変換部駆動信号の振幅を大きく補正する振幅補正部１６とを含む。
【００１５】
図２は、本発明に係る高速撮像装置１を適用した高速カラー撮像装置の構成を示すブロック図であって、高速カラー撮像装置２は、被写体光を取り込むレンズ２７と、被写体光の入射および遮断を制御するシャッター機構２８と、シャッター機構２８を介して高速カラー撮像装置２に入射した被写体光を分光する分光プリズム２９と、分光プリズム２９により分光された赤色光、緑色光および青色光をそれぞれアナログ電気信号に変換する赤色光光電変換部２１１、緑色光光電変換部２１２および青色光光電変換部２１３と、赤色光光電変換部２１１、緑色光光電変換部２１２および青色光光電変換部２１３から出力される赤色光アナログ電気信号、緑色光アナログ電気信号および青色光アナログ電気信号から雑音を除去し、赤色光デジタル電気信号、緑色光デジタル電気信号および青色光デジタル電気信号に変換する電気信号処理を行う赤色光アナログ電気信号処理部２２１、緑色光アナログ電気信号処理部２２２および青色光アナログ電気信号処理部２２３と、赤色光デジタル電気信号、緑色光デジタル電気信号および青色光デジタル電気信号に基づいてカラー画像信号を生成するカラー画像信号生成部２３と、撮像速度に応じた周波数の制御信号を生成する制御信号生成部２４と、制御信号に基づいてアナログ電気信号処理部駆動信号、画像信号生成部駆動信号および光電変換部駆動信号を生成する駆動信号生成部２５と、制御信号の周波数が高くなるほど光電変換部駆動信号の振幅を大きく補正する振幅補正部２６とを含む。
【００１６】
さらに、振幅補正部２６は、赤色光光電変換部用振幅補正部２６１、緑色光光電変換部用振幅補正部２６２および青色光光電変換部用振幅補正部２６３とを含んでいる。
【００１７】
赤色光光電変換部２１１、緑色光光電変換部２１２および青色光光電変換部２１３、赤色光アナログ電気信号処理部２２１、緑色光アナログ電気信号処理部２２２および青色光アナログ電気信号処理部２２３、ならびに赤色光光電変換部用振幅補正部２６１、緑色光光電変換部用振幅補正部２６２および青色光光電変換部用振幅補正部２６３は、それぞれ同一構成を有するので、以下は赤色光光電変換部２１１、赤色光アナログ電気信号処理部２２１および赤色光光電変換部用振幅補正部２６１について構成と動作を説明する。
【００１８】
図３は、赤色光光電変換部２１１として使用される画素周辺記録型撮像素子３の構造図であって、赤色光の強度をアナログ電気信号に変換するフォトダイオード３１は、下方に延伸する約１００段のメモリＣＣＤ３２（太い実線で囲んだ領域）を備える。そして、フォトダイオード３１は露光のたびに受光量に比例した電荷を発生し、メモリＣＣＤ３２に順次転送する。
【００１９】
メモリＣＣＤ３２に蓄積された電荷は、垂直読み出し転送路３３（太い破線で囲んだ領域）および水平読み出し転送路３４（太い一点鎖線で囲んだ領域）を介して赤色光アナログ電気信号処理部２２１に出力される。
【００２０】
赤色光アナログ電気信号処理部２２１は、赤色光光電変換部２１１で生じる雑音を除去する信号処理を実行する相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路およびアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換するアナログ／デジタル変換器を含んでおり、赤色光アナログ電気信号から雑音を除去して赤色光デジタル電気信号を生成する。
【００２１】
カラー画像信号生成部２３は、例えばデジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）で構成され、赤色光デジタル電気信号、緑色光デジタル電気信号および青色光デジタル電気信号から例えばＮＴＳＣ規格のカラー画像信号を生成する。
【００２２】
制御信号生成部２４は、撮像速度に応じた周波数の制御信号を生成する。
【００２３】
駆動信号生成部２５は、例えばフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）を使用して構成され、制御信号に基づいてアナログ電気信号処理部駆動信号、画像信号生成部駆動信号および光電変換部駆動信号を生成する。
【００２４】
赤色光光電変換部用振幅補正部２６１は、制御信号の周波数が高くなるほど光電変換部駆動信号の振幅を大きく補正する。
【００２５】
図４は、赤色光光電変換部用振幅補正部２６１で生成された赤色光光電変換部駆動信号Ｖdの最大電圧Ｖd_Hおよび最小電圧Ｖd_Lと、赤色光光電変換部２１１に印加される実電圧Ｖrealの最大電圧Ｖreal_Hおよび最小電圧Ｖreal_Lとの関係を示すグラフである。
【００２６】
このグラフから判明するように、赤色光光電変換部２１１に印加される実電圧Ｖrealの最大電圧Ｖreal_Hと最小電圧Ｖreal_Lの差を１２ボルトに維持するためには、赤色光光電変換部用振幅補正部２６１は、赤色光光電変換部駆動信号Ｖdの最大電圧Ｖd_Hを制御信号の周波数が高くなるに従って上昇させ、最小電圧Ｖd_Lを制御信号の周波数が高くなるに従って低下させることが必要である。
【００２７】
なお、赤色光光電変換部用振幅補正部２６１は、赤色光光電変換部２１１を駆動する全てのパルスに対して補正を行う。
【００２８】
図５は、赤色光光電変換部２１１と赤色光光電変換部用振幅補正部２６１との接続関係を表すブロック図であって、赤色光光電変換部２１１のメモリＣＣＤ３２を４相駆動する場合を示す。ここで、赤色光光電変換部用振幅補正部２６１は、第１の振幅補正部２６１ａ、第２の振幅補正部２６１ｂ、第３の振幅補正部２６１ｃ、第４の振幅補正部２６１ｄ、および第５の振幅補正部２６１ｅを有するものとする。
【００２９】
即ち、赤色光光電変換部用振幅補正部２６１は、赤色光光電変換部２１１のフォトダイオード３１を制御するフォトゲートパルスφPGを生成する第１の振幅補正部２６１ａ、メモリＣＣＤ３２の第１のセル３２１、第５のセル３２５、第９のセル３２９・・・を制御する第１相パルスφ1を生成する第２の振幅補正部２６１ｂ、メモリＣＣＤ３２の第２のセル３２２、第６のセル３２６・・・を制御する第２相パルスφ2を生成する第３の振幅補正部２６１ｃ、メモリＣＣＤ３２の第３のセル３２３、第７のセル３２７・・・を制御する第３相パルスφ3を生成する第４の振幅補正部２６１ｄ、メモリＣＣＤ３２の第４のセル３２４、第８のセル３２８・・・を制御する第４相パルスφ4を生成する第５の振幅補正部２６１ｅを含む。
【００３０】
図６は、赤色光光電変換部用振幅補正部２６１が有する電圧補正回路の一例であって、ディスクリート素子によって構成され、入力信号は制御信号と同じ周波数の光電変換部駆動信号Ｖc、最大電圧Ｖd_Hおよび最小電圧Ｖd_Lであり、出力信号である赤色光光電変換部駆動信号Ｖdは赤色光光電変換部２１１に供給される。
【００３１】
図７は上記赤色光光電変換部用振幅補正部２６１の入力と出力の波形を示すグラフであって、入力信号（光電変換部駆動信号Ｖc）と出力信号（赤色光光電変換部駆動信号Ｖd）の位相は反転するものの、波形が歪むことはなく、矩形波状の赤色光光電変換部駆動信号Ｖdを赤色光光電変換部２１１に供給することが可能となる。
【００３２】
なお、駆動信号生成部２５はＦＰＧＡのようなプログラマブル素子で構成してもよい。
【００３３】
以下、高速カラー撮像装置２の動作を説明する。
【００３４】
即ち、被写体から放射される光はレンズ２７を介して高速カラー撮像装置２内に結像する。
【００３５】
被写体像は分光プリズム２９で赤色光、緑色光および青色光に分光され、赤色光光電変換部２１１、緑色光光電変換部２１２および青色光光電変換部２１３で電気信号に変換される。以下では簡単のため、赤色光の処理について説明する。
【００３６】
高速カラー撮像装置２で１００万フレーム／秒で撮像する場合は、駆動信号生成部２５は、周波数が１ＭＨｚである制御信号に基づいてデューティ比５０％の光電変換部駆動信号Ｖcを生成し、赤色光光電変換部用振幅補正部２６１に光電変換部駆動信号Ｖcを出力する。なお、この光電変換部駆動信号Ｖcは、例えば、最大電圧Ｖc_Hが１２ボルト、最小電圧Ｖc_Lが０ボルトの一定振幅を有する。
【００３７】
また、駆動信号生成部２５は、周波数１ＭＨｚの制御信号に基づいてアナログ電気信号処理部駆動信号および画像信号生成部駆動信号を生成し、それぞれを赤色光アナログ電気信号処理部２２１およびカラー画像信号生成部２３に供給する。
【００３８】
また、赤色光光電変換部用振幅補正部２６１は、実電圧Ｖrealの最大電圧Ｖreal_Hを１２ボルト、最小電圧Ｖreal_Lを０ボルトとするために、光電変換部駆動信号Ｖcを例えば図４の補正特性により補正して、最大電圧Ｖd_Hが１６ボルト、最小電圧Ｖd_Lが−４ボルト、振幅が２０ボルトの赤色光光電変換部駆動信号Ｖdを発生する。
【００３９】
図８は、赤色光光電変換部用振幅補正部２６１で生成された赤色光光電変換部駆動信号Ｖdの波形と赤色光光電変換部２１１で観測した実電圧Ｖrealの波形を示すグラフであって、赤色光光電変換部２１１においても１２ボルトの振幅が確保され、例えば１００万フレーム／秒でも鮮明な画像を撮像可能となることが判る。
【００４０】
なお、赤色光光電変換部駆動信号Ｖｄは、フォトゲートパルスφPG、第１相パルスφ1、第２相パルスφ2、第３相パルスφ3、第４相パルスφ4の５つのパルスを含む。
【００４１】
赤色光光電変換部２１１は、フォトゲートパルスφPGが最大電圧となるたびに、受光量に比例した電荷を生成し、順次メモリＣＣＤの第１のセル３２１に転送する。
【００４２】
そして、第１のセル３２１に転送された電荷は、第２のセル３２２、第３のセル３２３・・・と順次転送され、セル中に記憶される。
【００４３】
撮像が終了すると、メモリＣＣＤ３２に記憶されている電荷は垂直読み出し転送路３３および水平読み出し転送路３４を介して、赤色光アナログ電気信号処理部２２１に送出される。
【００４４】
以上説明したように、第１の実施形態によれば、光電変換部を駆動する光電変換部駆動信号の振幅を撮像速度に応じて大きくすることにより数十万から百万フレーム／秒以上の高速での撮像が可能となる。
【００４５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、光電変換部駆動信号の振幅を撮像速度に応じて大きくしているが、これは撮像速度が速くなるとリセット動作において光電変換部のフォトダイオードに蓄積された電荷を完全に排出できずブルーミングが発生することを防止するためである。
【００４６】
従って、リセット動作における電荷の排出能力を高めることができれば、光電変換部駆動信号の振幅を撮像速度に応じて大きくすることなく高速撮像が可能となる。
【００４７】
そして、リセット動作における電荷の排出能力を高めるためには、光電変換部駆動信号が最小電圧を維持する時間を長くすればよい。
【００４８】
そこで、第２の実施形態にあっては、最大電圧が１２ボルト、最小電圧が０ボルトの光電変換部駆動信号Ｖｃのデューティ比を撮像速度に応じて変更する。
【００４９】
図９は、デューティ比を５０％および２５％とした場合の赤色光光電変換部２１１に印加される実電圧Ｖrealの最大電圧Ｖreal_H、最小電圧Ｖreal_Lを示すグラフである。
【００５０】
デューティ比が５０％であれば実電圧Ｖrealの中心電圧は６ボルトであり、撮像速度が数十万フレーム／秒以上となると、画像のダイナミックレンジが低下してしまう。
【００５１】
一方、デューティ比を２５％とすれば中心電圧は３ボルトまで低下し、リセット動作における電荷の排出能力が高まるため、撮像速度が数十万フレーム／秒であっても電荷を転送することができる。
【００５２】
よって、第２の実施形態にあっては、高速撮像装置１を適用した高速カラー撮像装置２は、デューティ比補正特性が組み込まれたデューティ比補正部１７を有する。
【００５３】
図１０は、デューティ比補正部１７から出力される赤色光光電変換部駆動信号Ｖd、赤色光光電変換部２１１に印加された実電圧Ｖrealを示すグラフであって、デューティ比を５０％とした場合（ａ）と、デューティ比を２５％とした場合（ｂ）を示す。
【００５４】
このグラフから判るように、デューティ比を５０％とした場合は、赤色光光電変換部２１１に印加された実電圧Ｖrealは、中心電圧＝６ボルトとなり、転送時に電荷が溢れてブルーミングが発生する状態になる。
【００５５】
デューティ比を２５％とした場合は、赤色光光電変換部２１１に印加された実電圧Ｖrealは最大電圧Ｖreal_H＝６ボルト、最小電圧Ｖreal_L＝１ボルトとなるため、ブルーミングが発生し難い状態となる。
【００５６】
第２の実施形態の上記以外の構成、動作は第１の実施形態と同一であるので、説明を省略する。なお、高速カラー撮像装置２は、デューティ比補正部１７を単独で備えてもよいし、振幅補正部２６とデューティ比補正部１７とを同時に備えてもよい。
【００５７】
以上説明したように、第２の実施形態によれば、光電変換部に印加する光電変換部駆動信号のデューティ比を撮像速度に応じて小さくすることにより数十万から百万フレーム／秒以上の高速での撮像が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上のように、本発明に係る高速撮像装置は、画素周辺記録型撮像素子を数十万から百万フレーム／秒以上の高速で駆動することができるという効果を有し、撮像装置等として有効である。
【符号の説明】
【００５９】
１  高速撮像装置
１１  光電変換部
１２  アナログ電気信号処理部
１３  画像信号生成部
１４  制御信号生成部
１５  駆動信号生成部
１６  振幅補正部
１７  デューティ比補正部
【図１】
2011250477.tif 000003
【図２】
2011250477.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011250477.tif 000009
【図８】
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【図９】
2011250477.tif 000011
【図１０】
2011250477.tif 000012
【図１１】
2011250477.tif 000013
【図１２】
2011250477.tif 000014
【図１３】
2011250477.tif 000015