(57)【要約】【課題】各画素に撮影データを蓄積するためのメモリを備えた高速カメラ装置では、そのメモリ容量によって撮影可能枚数が決定されてしまうため、撮影時間が限られてしまうという問題がある。また、メモリの容量と画素のピッチとがトレードオフの関係にあるため、解像度を上げることが困難である。【解決手段】複数枚の固体撮像素子を有し、前記複数枚の固体撮像素子のうち少なくとも１枚以上の固体撮像素子にずらし機構を備えた構成とする。特に、固体撮像素子を４枚とし、その４枚のうち何れか２枚の固体撮像素子に画素ずらし機構を設けるのが好適である。長時間の撮影を可能とするためには各固体撮像素子の撮影タイミングを制御するタイミング制御部を設ける。画素ずらし機構とタイミング制御部とを制御することにより、モノクロ・撮影時間４倍、モノクロ・撮影時間２倍、解像度２倍、カラー・解像度２倍、といった種々の撮影形態を選択することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の固体撮像素子を有し、
前記複数枚の固体撮像素子のうち少なくとも１枚以上の固体撮像素子にずらし機構を備えた
ことを特徴とする高速撮影装置。
【請求項２】
４枚の固体撮像素子を有し、
前記４枚の固体撮像素子のうち、何れか２枚の固体撮像素子に画素ずらし機構を備えたことを特徴とする高速撮影装置。
【請求項３】
前記各固体撮像素子の撮影タイミングを制御するタイミング制御部を更に備えた請求項１又は２に記載の高速撮影装置。
【請求項４】
前記画素ずらし機構がピエゾ素子を用いたものである請求項１〜３のいずれかに記載の高速撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速撮影装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
爆発、破壊、燃焼、衝突、放電といった高速の現象を連続的に撮影するための高速撮影装置が従来より開発されている（例えば非特許文献１参照）。現在では、高速撮影装置によって100万枚／秒といった極めて高速度での撮影が可能となっている。
【０００３】
高速撮影を行う場合には、固体撮像素子の画素からデータを出力するのに要する処理時間、つまり処理レートが問題となる。例えば10万画素を有する固体撮像素子によって1万枚／秒という撮影速度で撮影を行おうとすると、1GHzもの出力レートが必要となる。撮影速度を上げてゆくと出力レートもそれに伴って高くしなければならないので、どうしても処理の実行に限界が生じる。そこで、この問題を解決する一つの方法として、各画素の素子に画素データ蓄積メモリを設ける方法が考えられた。この方法では、各画素の撮影データを１枚毎に出力するのではなく、複数枚の撮影データを画素データ蓄積メモリ内に蓄積しておく。そして、撮影終了後に画素データ蓄積メモリに保存されている全てのデータを読み出す。
【０００４】
【非特許文献１】“撮影速度１００万コマ／秒の超高速度ビデオカメラを開発（2001年9月27日付プレスリリース”、［online］、株式会社島津製作所、［平成１８年６月３０日検索］、インターネット、〈URL : http://www.shimadzu.co.jp/news/press/010927.html〉
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
各画素に画素データ蓄積メモリを設けるという上記方法には、撮影速度が出力レートに影響されないというメリットがあるものの、そのメモリ容量によって撮影可能枚数、即ち撮影時間が限られてしまうという問題がある。例えばメモリ蓄積可能撮影枚数が最大100枚の高速撮影装置では、101枚目以降の画像を保存することが当然できない。従って、撮影を行おうとする現象が比較的長時間の場合には、現象の開始から終了までを記録することができないという事態が生じ得る。この問題は画素データ蓄積メモリの容量を大きくすることによってある程度解決し得るものの、蓄積メモリの容量を増やそうとすると、その物理的サイズ自体を大きくせざるを得ないため、今度は固体撮像素子の画素数を減らさなければならなくなったり、又は各画素間のピッチを拡げなければならなくなったりするという新たな問題が発生する。
このように、高速撮影装置には、常に、撮影時間を長時間化したいという要求があった。
【０００６】
また、高速撮影装置による撮影対象の種類によっては、現象の詳細を知るために高い解像度で撮影を行いたいことがある。解像度を上げるためには画素の数を増加させるとともに各画素間の配列ピッチを狭くする必要があるが、そうすると、画素データ蓄積メモリのサイズを小さくしなければならなくなり、撮影可能時間が短くなる。同時に固体撮像素子の製造コストも高くなる。
【０００７】
以上のように、従来の高速撮影装置には、長時間且つ高解像度で撮影を行いたいという要望があるが、この両者はトレードオフの関係にあるために、実現は容易ではなく、特に、低コストでは実現が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述したような課題を解決するために成された本発明に係る高速撮影装置は、複数枚の固体撮像素子を有し、前記複数枚の固体撮像素子のうち少なくとも１枚以上の固体撮像素子にずらし機構を備えたことを特徴とする。  
【０００９】
なお、本発明ではこれら複数枚の固体撮像素子はいずれも同一構成とし、初期状態では全ての固体撮像素子が同一の箇所を撮影するようにレンズ系を構成しておく。ただし、あまり多くの固体撮像素子を用いると、コストがかさむうえ、固体撮像素子１枚あたりの光の照射量が低下してしまって露光量が不足するようになる。
本願発明者らはこのような事情を踏まえ、本発明の高速撮影装置を、市場に流通している撮影形態である４枚の固体撮像素子から成る構成とし、そのうち何れか２枚の固体撮像素子に画素ずらし機構を備えるのがとりわけ好適であることを見いだした。
【００１０】
ここで、画素ずらしについて説明する。画素ずらしは、解像度を上げる技術として一般に知られている撮影手法であり、特に、固体撮像素子において各画素の間隔を狭めることが困難な場合に有効である。画素ずらし法は各種のものが提案されているが、本発明の高速撮影装置において用いるのは次のような手法である。なお、以下は２枚の固体撮像素子によってモノクロで撮影を行う場合を例にとった説明である。
本明細書では、各固体撮像素子に関して、画素ずらし機構が作動していることによって画素がずれている状態（つまり、撮影箇所がずれている状態）にある位置のことをずらし位置と呼び、画素がずれていない状態の位置を正位置と呼ぶものとする。
互いに同じ箇所を撮影するように設定された２枚の、同一構成の固体撮像素子を用いる。各固体撮像素子における水平方向の各画素の間隔をh、垂直方向の各画素の間隔をvとしたとき、正位置の固体撮像素子に対して、他の固体撮像素子を物理的に水平方向にh/2、垂直方向にv/2だけずらして配置して撮影を行い、それぞれの固体撮像素子による撮影データを重ね合わせる。これにより、１枚の固体撮像素子による撮影画像と比較すると解像度が約２倍の画像を得ることができる。
【００１１】
従って、本発明の高速撮影装置において、ずらし機構は、複数の固体撮像素子のうち半数以下のものに備わっていればよい。
【００１２】
また、本発明の高速撮影装置は、前記各固体撮像素子の撮影タイミングを制御するタイミング制御部を更に備えた構成とすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る高速撮影装置によれば、正位置にある固体撮像素子と、ずらし位置にある固体撮像素子とによって同じ箇所を撮影することによって、撮影画像（動画）の解像度を高めることができる。また、モノクロ撮影だけでなく、カラー撮影時の解像度を高めることもできる。
【００１４】
また、本発明に係る高速撮影装置に前記各固体撮像素子の撮影タイミングを制御するタイミング制御部を設けることによって、従来のように１枚のみの固体撮像素子によって撮影を行う場合よりも長時間の撮影が可能となる。
【００１５】
よって、画素ずらしとタイミング制御とを適宜に組み合わせることによって、一つの高速撮影装置おいて、撮影を行おうとする現象の種類に応じて、撮影形態を任意に、しかも簡単に選択することができる。４枚の固体撮像素子を有し、そのうち２枚の固体撮像素子にずらし機構が備わった構成の高速撮影装置では、以下のような形態で高速撮影を行うことができる。
・モノクロ撮影で記録時間が２倍、解像度が２倍。
・モノクロ撮影で記録時間が４倍。
・カラー撮影で解像度が２倍。
【００１６】
また、本発明の高速撮影装置が、４枚の固体撮像素子を有し、そのうち２枚の固体撮像素子にずらし機構が備わった構成であるときには、これは一般的な撮影装置にも利用されることがある４枚の固体撮像素子からなる構成であるため、レンズ系などに殊更新規な独自構成を必要としない。従って、コスト的にも非常に有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る高速撮影装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る高速撮影装置の構成概念図である。本発明の高速撮影装置は、いずれも同一構成であるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４枚の固体撮像素子を備えており、全ての固体撮像素子が同一の箇所を撮影するようにレンズ系を構成しておく。図１（１）はＡ〜Ｄの全ての固体撮像素子が同じ箇所を撮影している状態を模式的に表した図である。これら４枚の固体撮像素子はいずれも高速撮影用の固体撮像素子であり、各画素に画素データ蓄積メモリを有している。なお、図１では４枚の固体撮像素子が横並びに描かれているが、これらの配置形態は特に限定されるものではない。
【００１９】
上記Ａ〜Ｄの４枚の各固体撮像素子のうち、任意の２枚の固体撮像素子には画素ずらし機構が備わっている。本実施形態では、固体撮像素子Ｃ及びＤに画素ずらし機構が備えられているものとする。
図１（２）は、固体撮像素子Ｃ及びＤの撮影箇所が固体撮像素子Ａ、Ｂの撮影箇所とずれている状態、すなわち、画素ずらしの状態を示している。すなわち、図１（２）に示す状態では、固体撮像素子Ａ及びＢは正位置にあり、Ｃ及びＤはずらし位置にある。
【００２０】
本発明の高速撮影装置では、２つの固体撮像素子に備わっているずらし機構を、それぞれ独立して作動させることが可能な構成とする。（なお、本明細書では、ずらし機構によって固体撮像素子をずらし位置の状態にすることを「ずらし機構を作動させる」と表現する。）図１（２）に示す例では固体撮像素子Ｃ及びＤの両方のずらし機構が作動しているが、Ｃのずらし機構のみ、又はＤのずらし機構のみを作動させてもよい。もちろん、両方のずらし機構を作動させない状態（つまり、図１（１）の状態）とすることもできる。
【００２１】
本発明に係る高速撮影装置では、ずらし機構にピエゾ素子（圧電素子）を用いるのが好適である。ピエゾ素子を用いることで、適宜の電圧を印加するだけで、微小な変位動作を容易に、しかも正確に実現することができる。
【００２２】
また、本実施形態の各固体撮像素子には、固体撮像素子毎の撮影タイミングを制御するためのタイミング制御部を接続する。タイミング制御部を適宜に作動させることによって、撮影時間を長時間化することができるようになる。タイミング制御部の構成はどのようなものでもよい。
【００２３】
以下、本実施例の高速撮影装置によって選択的に行うことができる撮影形態の例と、各場合の高速撮影装置の動作について説明する。
【００２４】
［モノクロ撮影、解像度約２倍、撮影時間２倍］
図２に、本形態で撮影を行う場合の、高速撮影装置において行われる処理の模式図を示す。
撮影を開始する前に、Ａ及びＢ：正位置、Ｃ及びＤ：ずらし位置としておく。
撮影を行う際にはタイミング制御部からの指示に基づき、まず固体撮像素子Ａ及びＣによって画素データ蓄積メモリの容量が許す撮影枚数分の撮影を行う。その後、遅滞なく連続して固体撮像素子Ｂ及びＤによって撮影を行う。
撮影終了後、画像合成部が固体撮像素子Ａ〜Ｄのそれぞれにおいて取得された動画データ（複数枚の静止画データ）ａ、ｂ、ｃ、ｄを読み出す。画像合成部は、まず、同じ時刻に撮影された動画データであるａとｃを重ね合わせることにより動画データｅを生成する。動画データｅは、ａ又はｃ単体の動画データの約２倍の解像度を有する。画像合成部は、動画データｂ及びｄに関しても同様の処理を行うことにより、動画データｆを生成する。次いで、動画データｅ及びｆは時間的に連続しているから、両データを繋ぎ合わせることにより最終的に撮影動画データｇを得て、出力する。
こうして得られた動画データｇは、一枚の固体撮像素子によって撮影される撮影データと比較すると、解像度は約２倍、撮影時間は２倍となっている。
【００２５】
［モノクロ撮影、解像度１倍、記録時間４倍］
図３に、本形態で撮影を行う場合の、高速撮影装置において行われる処理例の模式図を示す。
この場合は、ずらし機構を作動させず、Ａ〜Ｄの全ての固体撮像素子を正位置とする。
撮影を行う際には、タイミング制御部からの指示に基づき、まず固体撮像素子Ａによって画素データ蓄積メモリの容量が許す撮影枚数分の撮影を行い、次に固体撮像素子Ｂ、Ｃ、Ｄの順番で同様に撮影を行う。
撮影終了後、画像合成部は固体撮像素子Ａ〜Ｄのそれぞれにおいて取得された動画データａ、ｂ、ｃ、ｄを読み出し、それらを時間的に繋ぎ合わせる。この繋ぎ合せ処理によって撮影動画データｈを生成し、出力する。
動画データｈは、一枚の固体撮像素子によって撮影される撮影データと比較すると、解像度が１倍、撮影時間は４倍となっている。
【００２６】
上記の形態では４枚の固体撮像素子全てを使用しているが、ユーザの希望する撮影形態に合わせて、１〜３枚の固体撮像素子のみを使用して、１〜３倍の撮影時間としてももちろん構わない。
【００２７】
[カラー撮影、解像度約２倍、記録時間１倍]
本発明の高速撮影装置を用いて、カラー撮影を約２倍の解像度で以て行うこともできる。カラーで撮影を行う場合には、固体撮像素子Ａ〜Ｄのうち３枚（例えばＡ、Ｂ、Ｃ）を正位置とし、残り１枚だけをずらし位置とする。
正位置の３枚が、それぞれＲ(Red)、Ｇ(Green)、Ｂ(Blue)に対応する波長の光のみを受光し、撮影するようにする。例えば、レンズを通過した光をプリズムによって色分解し、各固体撮像素子にそのＲ、Ｇ、Ｂのそれぞれに対応する波長の光のみが照射されるようにすればよい。ずらし位置にある固体撮像素子には、Ｇに対応する光が照射されるようにレンズ系を構成する。
撮影を行う際には、Ａ〜Ｄの全ての固体撮像素子が同時に撮影を行う。撮影終了後、画像合成部は固体撮像素子Ａ〜Ｄのそれぞれにおいて取得された動画データａ、ｂ、ｃ、ｄを読み出し、適切な重ね合せ処理を行うことにより、通常のカラー撮影よりも解像度が高い動画データを生成して出力する。
【００２８】
なお、本発明において画像合成部はソフトウェア的に構成されることによって上記の処理を行うコンピュータの機能であっても良いし、専用の回路等によって構成されるハードウェアであっても構わない。
【００２９】
以上、本発明に係る高速撮影装置について説明を行ったが、上記は例に過ぎず、適宜に修正・変更を行っても構わないことは明らかである。
【００３０】
例えば、本発明の高速撮影装置は、撮影形態を機械的に選択するための入力部（例えばボタンやスイッチ等）を備えたり、所定の入力画面に表示される撮影形態の選択肢から、所定の入力部を用いることによって所望の撮影形態を選択することができる選択部を備えた構成とすることができる。これにより、上記で説明したような種々の撮影形態をユーザが簡単に選択することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る高速撮影装置の構成概念図。
【図２】モノクロ撮影、解像度約２倍、撮影時間２倍の形態で撮影を行う場合の高速撮影装置の処理を模式的に示す図。
【図３】モノクロ撮影、解像度１倍、記録時間４倍の形態で撮影を行う場合の高速撮影装置の処理を模式的に示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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