(57)【要約】【課題】撮影対象の状態に応じて撮影を精度よく行える撮像装置およびそれを用いた撮影方法を提供する。【解決手段】撮影対象の一連の変化を撮影するために、撮影対象に応じてフレームのフレーム間隔、単位撮影時間および単位撮影時間内の露光回数、露光時間などの条件を単位撮影時間ごとに予め制御部１１に入力して撮像素子７の駆動を制御する。撮影により得られた単位撮影時間ごとの画像情報は、画像処理部８でデジタル変換後、種々の画像の加工処理が実行されて主記憶部９に蓄積され、適時に蓄積された画像情報をモニタ３に出力表示する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換する受光素子と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに前記受光素子で生じた電荷信号群をフレームごとに区別して蓄積する複数個の電荷蓄積部とからなり前記電荷蓄積部に蓄積された電荷信号群を出力する撮像素子を備えた撮像装置において、（ａ）一連の撮影を行う過程で前記フレームのフレーム間隔、単位撮影時間、および露光条件の少なくともいずれかを単位撮影時間ごとに複数回変更できる変更手段を備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、（ｂ）前記露光条件は単位撮影時間ごとの露光回数であって、一連の撮影を行う過程で単位撮影時間内ごとに複数回の露光を行い、単位撮影時間ごとに得られる複数枚の画像情報を１画像として組み合わせる画像処理手段と、（ｃ）前記画像処理された画像情報を出力表示する表示手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の撮像装置を用いた撮影方法であって、一連の撮影を行う過程で単位撮影時間内に複数回の露光を行うとともに、前記フレーム間隔を変更することを特徴とする撮影方法。
【請求項４】
請求項１に記載の撮像装置を用いた撮影方法であって、一連の撮影を行う過程で単位撮影時間または前記露光条件である露光時間の少なくともいずれかを一定の比率で変更することを特徴とする撮影方法。
【請求項５】
請求項１に記載の撮像装置を用いた撮影方法であって、一連の撮影を行う過程で一定の単位撮影時間内に１回の露光を行い、かつ、露光ごとに露光時間を変更することを特徴とする撮影方法。
【請求項６】
請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の撮影方法において、前記フレーム間隔または露光時間の変更は、外部からの信号に同期することを特徴とする撮影方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラなどの高速撮像装置に係り、特に、ロケットなどの高速移動物体，爆発，乱流，放電現象，顕微鏡下での微生物の運動，脳・神経系の信号伝達などの科学計測用に用いて撮影を行う技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の撮像装置としては、例えば、１００万枚／秒などの高速撮影を実現したビデオカメラがある。この撮像装置は、次に説明するような「画素周辺記録型固体撮像素子」と呼ばれる撮像素子を備えることで高速撮影を実現している。この画素周辺記録型固体撮像素子は、入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレーム（画像）ごとに受光画素で生じた電荷信号群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、高速撮影後に各蓄積画素の電荷信号群を出力するという固体撮像素子である。
【０００３】
上述の固体撮像素子を用いた撮像装置（高速度ビデオカメラ）は、一連の撮影を行う過程で、フレームごとの単位撮影時間内に所定時間の露光を１回行い、この動作を連続的に繰り返している。
【０００４】
また、撮影対象の変化をさらに詳しく確認するための画像情報を得る場合、つまり、単位撮影時間内に複数枚分の画像情報を得たいときは、図１１のタイミングチャートに示すように、撮影対象に向けて照射する光源を１回の露光時間ｔ１内に複数回点灯（図では３回）させている。この場合、微小間隔で精度よく点灯発光させるために、光源として特殊なレーザ照明を用いる必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の撮像装置は、次のような問題がある。
一連の撮影の過程で単位撮影時間と露光時間とが一定（露光時間内に一回の露光）であるので、撮影対象の変化に応じた精度の高い画像情報を得ることができない。例えば、自己発光を伴う爆発現象を撮影する場合には、現象が生起した瞬間は発光を伴った急激な変化をする。そのため、素子内に必要以上に光が入り込んでハレーションを起さない程度の露光時間を考慮し、かつ、単位撮影時間を短く設定している。しかし、現象の生起後、発光による光量の減衰および現象の変化が緩やかになるにも関わらず同条件のまま撮影が行なわれる。したがって、得られる一連の画像情報からは、終始鮮明な動画像を得ることができないといった問題がある。
【０００６】
また、単位撮影時間内に複数枚分の画像情報を得る場合については、単位撮影時間内の１回の露光中に光源を複数回点灯させて多重露光しているので、１回の露光で得られる全ての画像情報が１画像上に重畳表示される、結果、確認したい画像情報を動画上で判別することが困難になるといった問題がある。
【０００７】
また、従来装置は、一連の撮影の過程で単位撮影時間と露光時間が一定に保たれているので、撮影対象を撮影するための最適な条件を設定するのが煩雑であり、かつ、費用負担が嵩むといった不都合も生じている。つまり、鮮明な画像情報を得るために露光時間を変更した再現実験を本番撮影前に予め複数回行わなければならない。
【０００８】
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、撮影対象の状態に応じて撮影を精度よく行える撮像装置およびそれを用いた撮影方法を提供することを主たる目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、入射光を光電変換する受光素子と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに前記受光素子で生じた電荷信号群をフレームごとに区別して蓄積する複数個の電荷蓄積部とからなり前記電荷蓄積部に蓄積された電荷信号群を出力する撮像素子を備えた撮像装置において、（ａ）一連の撮影を行う過程で前記フレームのフレーム間隔、単位撮影時間、および露光条件の少なくともいずれかを単位撮影時間ごとに複数回変更できる変更手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
（作用・効果）請求項１に記載の発明によれば、一連の撮影を行う過程でフレームのフレーム間隔、単位撮影時間、および露光条件の少なくともいずれかを単位撮影時間ごとに複数回変更できる変更手段を備えることにより、経時的に変化する撮影対象の変化に応じて精度よく撮影ができ、結果、鮮明な動画像を得ることができる。
【００１１】
例えば、自己発光を伴う爆発現象を撮影する場合であって、現象が生起した瞬間の光量が多く急激な変化を伴うときには単位撮影時間および露光時間を短く設定し、その後、経時的に光量が減衰し、現象の変化が緩やかになるに連れて単位撮影時間と露光時間のそれぞれを長くするように単位撮影時間ごとに設定する。
【００１２】
したがって、単位撮影時間のフレームごとに最適な光量の条件で画像情報を得ることができるので、鮮明な一連の動画像を得ることができるとともに、現象の緩やかな時点で必要以上に画像情報を得る必要がなく効率のよい撮影も行うことができる。
【００１３】
また、変更手段を設けることで単位撮影時間のフレームごとに最適な光量の条件を設定できるので、従来装置のように特殊な光源を用いる必要がない。つまり、光源を用いる場合には、一般的に使用されるライト照明などでもよい。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の撮像装置において、（ｂ）前記露光条件は単位撮影時間ごとの露光回数であって、一連の撮影を行う過程で単位撮影時間内ごとに複数回の露光を行い、単位撮影時間ごとに得られる複数枚の画像情報を１画像として組み合わせる画像処理手段と、（ｃ）前記画像処理された画像情報を出力表示する表示手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
（作用・効果）請求項２に記載の発明によれば、一連の撮影を行う過程で単位撮影時間ごとに複数回の露光を行い、単位撮影時間ごとに得られる複数枚の画像情報を１フレーム分の１画像として組み合わせる画像処理手段を備えることにより、撮影対象が経時的に移動・変化する変化情報を１画像上に出力することができる。さらに、このフレームごとの１画像を動画像として連続出力することで、撮影対象が移動・変化する変化情報、例えば物体の移動方向などを動画上でより正確に確認することができる。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の撮像装置を用いた撮影方法であって、一連の撮影を行う過程で単位撮影時間内に複数回の露光を行うとともに、前記フレーム間隔を変更することを特徴とするものである。
【００１７】
（作用・効果）請求項３に記載の発明によれば、一連の撮影を行う過程で単位撮影時間内に複数回の露光を行うとともに、フレーム間隔を変更することにより、一定のフレーム間隔で複数回露光するのに比べてより少ない露光回数で変化量の大きい撮影対象物と変化量の小さい撮影対象物とを画像上から正確に確認することができる。
【００１８】
例えば、単位撮影時間内の連続する露光同士の間隔であるフレーム間隔を全て短く設定して得た画像情報同士を比較した場合、変化量の小さい撮影対象物は、撮影順に確認すると画像上の略同じ位置に写っており、移動・変化の有無を確認しづらい。そのため、変化量の小さな撮影対象の移動・変化を確認しようとすると、１枚目の撮影時点からある程度の時間が経過した複数枚目の画像情報を比較することになる。それに対し、単位撮影時間内の連続するフレーム間隔を短い間隔と長い間隔との組み合わせに設定することにより、短い間隔で得た前後２枚の画像情報を比較すれば変化量の大きな撮影対象物を、長い間隔で得た前後２枚の画像情報を比較すれば変化量の小さな撮影対象物の移動・変化をそれぞれ画像上から正確に確認することができる。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の撮像装置を用いた撮影方法であって、一連の撮影を行う過程で単位撮影時間または前記露光条件である露光時間の少なくともいずれかを一定の比率で変更することを特徴とするものである。
【００２０】
（作用・効果）請求項４に記載の発明によれば、一連の撮影を行う過程で単位撮影時間または露光時間の少なくともいずれかを一定の比率で変更させることにより、経時的に規則正しく変化する撮影対象を精度よく撮影することができる。
【００２１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の撮像装置を用いた撮影方法であって、一連の撮影を行う過程で一定の単位撮影時間内に１回の露光を行い、かつ、露光ごとに露光時間を変更することを特徴とするものである。
【００２２】
（作用・効果）請求項５に記載の発明によれば、一連の撮影を行う過程で単位撮影時間内に１回の露光を行い、かつ、露光ごとに露光時間を変更することにより、撮影対象に対する最適な露光時間を１回の再現実験でもって確認することができる。
【００２３】
例えば、自己発光を伴う爆発現象を撮影する場合、単位撮影時間ごとに露光時間を変更した複数枚分の画像情報を得ることにより、露光時間を少しずつ変更して複数回にわたって再現実験を行ったのと略同じ条件の画像情報が得られる。したがって、撮影条件を設定するための再現実験を１回行うだけでよい。
【００２４】
また、請求項６に記載の発明は、請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の撮影方法において、前記フレーム間隔または露光時間の変更は、外部からの信号に同期することを特徴とするものである。
【００２５】
（作用・効果）請求項６に記載の発明によれば、外部からの信号に同期してフレーム間隔または露光時間を変更することにより、現象が生起するタイミングの取りづらい撮影を容易に行うことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
図１は、実施例に係る撮像装置の全体構成を示したブロック図、図２は、撮像素子の概略構成を示した図、図３は、撮影間隔や露光時間のタイミングを示したパルス波形図（タイミングチャート）である。
【００２７】
図１中の符号１は、本実施例に係る撮像装置であり、この撮像装置１は、本体装置２，モニタ３，操作部４から構成される。
【００２８】
本体装置２は、被写体からの光を取り込む光学レンズ５と、光学レンズ５から取り込まれた光学像を電気信号（電荷信号）に変換して種々の処理を行う処理部６とから構成される。
【００２９】
処理部６は、撮像素子７，画像処理部８，主記憶部９，クロック発生回路１０，および制御部１１から構成される。
【００３０】
撮像素子７は、図２に示すように、光電変換する複数個のフォトダイオード１２と、光電変換された電荷信号群を蓄積する１次元アレー状のＣＣＤ素子群１３を備えており、取り込まれた光学像を光電変換して蓄積した電荷信号をドレイン１４から電荷信号移送部１５を介して出力する。また、撮像素子７は、光電変換された電荷の蓄積、および読み出しを逐次行う際に、電子シャッタとして作動する機能を備えている。フォトダイオード１２は、本発明の受光素子に、ＣＣＤ群は電荷蓄積部にそれぞれ相当する。
【００３１】
なお、ＣＣＤ素子群１３は、１次元アレー状のみならず２次元アレー状に連接されたＣＣＤ素子群であってもよい。
【００３２】
画像処理部８は、アンプやＡＤコンバータ（いずれも図示省略）によって信号を増幅してアナログ信号からディジタル信号に変換する。つまり、画像処理部８は、撮像素子７から出力された電気信号を撮影画像として処理する機能を備えている。例えば、流体中に含まれるパーティクルが流路を循環するときの現象を撮影し、画像処理部８で画像処理してパーティクルの変化情報を求めて動画上に表示する場合を例に採って説明する。
【００３３】
この場合、操作部４からの入力操作により制御部１１に、図３のタイミングチャートに示すように、単位撮影時間Ｔ１〜Ｔｎ（ｎは正の整数であって、以下同様にする）を１ｍｓに、単位撮影時間内ごとに露光時間が１μｓの露光を３回（ｔｎ，ｔｎ’，ｔｎ”）行うように設定入力する。
【００３４】
一連の撮影を行うと、単位撮影時間ごとに３枚の画像情報が得られる。この３枚の画像情報のうち１枚目を基準画像情報とし、残りの２枚の画像情報のそれぞれを、例えば２値化処理してパ−ティクルの輪郭座標を求める。求まった各輪郭座標を１枚目の画像情報に組み合わせて反映させ、１枚分の画像情報であって動画として画像出力する際の１フレーム分に相当する画像情報を得る。したがって、出力される１フレームの画像上には、図４に示すように、３枚分のパーティクル（図中の○、△，×で示す）の像が流体の流れ方向（図中の矢印ａ）に経時的に移動する様子が表示されることになる。これら一連の撮影で得られる画像情報をモニタ３に動画表示することにより、パーティクルの移動方向などの変化を出力画面上からより正確に確認できる。
【００３５】
次に、主記憶部９は、画像処理部８で求められた画像情報が記憶され、逐次モニタ３に出力表示される。
【００３６】
クロック発生回路１０は、後述する制御部１１に設定入力された撮影条件に基づいて、一連の撮影過程での単位撮影時間内のフレームごとに露光を行うシャッタリングクロックを発生させる。例えば、図３に示すように、単位撮影時間Ｔｎごとの間に３回の露光（ｔｎ，ｔｎ’，ｔｎ”）を実行させるように、単位撮影時間内に３回のクロックを発生させる。
【００３７】
制御部１１は、撮像素子７，画像処理部８，主記憶部９，クロック発生回路１０を統括制御する機能を備えている。なお、クロック発生回路１０と制御部１１とが本発明における変更手段に相当する。
【００３８】
また、制御部１１には、操作部４からの入力操作により撮影対象に応じてフレームのフレーム間隔、単位撮影時間および単位撮影時間内の露光回数、露光時間などの撮影条件が単位撮影時間ごとに予め入力される。この入力条件に基づいてクロック発生回路１０を介して、撮像素子７を駆動制御する。なお、撮影条件などについては、撮影方法の具体例を用いて以下に詳述する。なお、具体例では、上述の構成を有する撮像装置を用いている。
【００３９】
＜具体例１＞
本具体例では、図５に基づいて、一連の撮影を行う過程で単位撮影時間内に複数回の露光を行うとともに、フレーム間隔を変更する場合を例にとって説明する。なお、本具体例では、説明の便宜上、単位撮影時間内の露光回数を３回（ｔｎ，ｔｎ’，ｔｎ”）とし、各単位撮影時間Ｔ１〜Ｔｎを１ｍｓ、各露光時間を１μｓとする。
【００４０】
図５に示すように、例えば単位撮影時間内の１回目ｔ１の露光終了から２回目ｔ１’の露光を行うまでの間隔を２０μｓとし、２回目ｔ１’の露光終了から３回目ｔ１”の露光を行うまでの間隔を４０μｓとなるように各フレーム間隔を変更するように設定し、一連の撮影を行う。本具体例でのフレーム間隔とは、ある露光開始時点から次の露光が開始されるまでの間隔をいう。なお、フレーム間隔の変更は、この形態に限定されるものではなく、例えば、露光時間を調整して行ってもよい。
【００４１】
このような撮影方法を行うことにより、撮影対象の変化量の大きな物と、変化量の小さな物とを画像上から正確に確認することができる。つまり、単位時間内に得られえる３枚分の画像情報を画像処理部８で組み合わせ処理すると、図６に示すように、変化（移動）量の大きな○印は、フレーム間隔を短く設定したｔ１時点とｔ１’時点とを比較すると、明らかに位置が異なり矢印ａ方向に大きく移動していることが分かる。これに対して、移動量の少ない△印は、ｔ１，ｔ１’時点では略同じ位置に重畳して表示される。
【００４２】
しかし、フレーム間隔を長く設定したｔ１’時点とｔ１”時点とを比較すると、移動量の少ない△印が明らかに移動していることが分かる。
【００４３】
したがって、単位撮影時間内に少ない露光回数で変化量の異なる物の変化を画像上で判別することができる。さらにこの画像をモニタ３に動画表示すれば撮影対象の変化、例えば移動方向などを画面上から一層正確に確認することができる。
【００４４】
＜具体例２＞
本具体例では、一連の撮影を行う過程で単位撮影時間と露光時間のそれぞれを一定の比率で変更する場合を例に採って説明する。
【００４５】
図７に示すように、単位撮影時間を１００（μｓ），２００（μｓ），…１００・ｎ（μｓ）に、露光時間を１０（μｓ），２０（μｓ），…１０・ｎ（μｓ）に経時的に一定の比率で変更するように設定する。
【００４６】
このような撮影方法を行うことにより、例えば、鉄球が壁に衝突し食い込んでゆく様子のように、変化スピードが経時的に規則正しく減速する現象を精度よく撮影することができる。なお、この場合、露光時間を一定にしてもよい。
【００４７】
＜具体例３＞
本具体例では、一連の撮影を行う過程で一定の単位時間内に１回の露光を行い、かつ、単位撮影時間ごとの露光時間をそれぞれ変更する場合を例にとって説明する。
【００４８】
図８に示すように、フレームｎ枚分の一連の撮影を行う際に、単位撮影時間を終始一定の１００μｓに設定し、かつ、単位撮影時間ごとの露光時間を１０（μｓ）、２０（μｓ）、…、１０・ｎ（μｓ）に変更するように設定する。
【００４９】
このように、露光時間のみを単位撮影時間ごとに変更することにより、撮影対象に応じた最適な撮影条件、つまり、出力画像にハレーションなどが発生しない最適な光量が撮像素子７内に入り込む露光時間を確認することができる。
【００５０】
例えば、自己発光を伴う爆発現象を撮影する場合に適している。つまり、現象が生起して発光している間に、露光時間を変更した複数種類の画像情報が得られ、これら得られた画像情報から鮮明に撮影されている画像情報の露光時間を選択すればよい。
【００５１】
したがって、撮影条件である露光時間を設定するための再現実験を１回行うだけでよくなる。
【００５２】
＜具体例４＞
本具体例では、一連の撮影を行う過程で一定の単位撮影時間内に１回の露光を行い、かつ、単位撮影時間および露光時間を外部からの信号（トリガ）に同期して変更する場合を例にとって説明する。例えば、風船に矢が突き刺さり爆発が生起したときに露光時間が変更される場合を例に採る。
【００５３】
なお、本具体例を実現するため、図９に示すように、図１の装置構成にトリガ発生回路１６を付加し、撮像装置１に外部接続した振動センサ１７とから構成する。
【００５４】
振動センサ１７は、風船の爆発による振動を検出するもので、この振動センサ１７の検出のタイミングをトリガ発生回路１６がトリガとして取り込む。トリガ発生回路１６から発生したこのトリガはクロック発生回路１０に送り込まれるようになっている。
【００５５】
したがって、この装置を用いて撮影を実行する場合、図１０に示すように、矢が放たれて風船に突き刺さるまでの間は、例えば、単位撮影時間を１００μｓ、露光時間を５０μｓで撮影される。矢が風船に突き刺さり破裂した振動を振動センサ１７が検知するとトリガがクロック発生回路１０に送り込まれ単位撮影時間が３０μｓ、露光時間が１０μｓに変更されて撮影が連続的に行なわれる。
【００５６】
このように外部からの信号（トリガ）を取り込むことにより、現象の生起するタイミングの取りづらい撮影を容易かつ精度よく行うことができる。
【００５７】
以上のように、一連の撮影を行う過程で撮影対象に応じて、フレームのフレーム間隔、単位撮影時間および単位撮影時間内の露光回数、露光時間などの撮影条件を単位撮影時間ごとに変更するように予め制御部１１に入力し、クロック発生回路１０を介して撮像素子７を駆動制御することにより、撮影対象の変化に影響されずに鮮明な動画像を得る撮影を行うことができる。
【００５８】
本発明は上述した実施例のものに限らず、次のように変形実施することもできる。
【００５９】
（１）上記実施例では、単位撮影時間内に得た複数枚の画像情報を２値化処理して輪郭座標を求めて１枚目の基準画像情報に他の画像情報を反映させ、１フレーム分の画像情報を得ていたが、この形態に限定されるものではく、識別しづらい物体の情報を反映させる場合には、多値化した情報を利用してもよい。また、１画像上に複数枚分の情報を重畳表示するのではなく、求めた輪郭座標の略中心座標を求め、この中心座標を時系列順に線で結び物体の移動の軌跡を表示してもよいし、矢印を用いて移動方向を示すようにしてもよい。
【００６０】
物体の軌跡を表示する際、単位撮影時間ごとに得られる複数枚分の画像情報のうち、連続する２枚の画像情報を順番に用いて所定の物体の移動距離を求め、この求めた移動距離と、移動距離を求めるのに用いた画像情報同士のフレーム間隔（時間）とから物体の移動速度を撮影順に求めてもよい。さらに、求まる移動速度を撮影順に用いて所定の物体の加速度を求めるようにしてもよい。
【００６１】
（２）上記実施例では、撮影対象に向けて光を照射しない場合を例に採って説明していたが、ライトなどの一般的な照明手段を用いて撮影を行うようにしてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、変更手段を設けることにより、一連の撮影を行う過程でフレームのフレーム間隔、単位撮影時間、および露光条件などの少なくともいずれかを、単位撮影時間ごとに複数回にわたって変更することができるので、経時的に変化の激しい撮影対象を精度よく撮影するこができ、結果、鮮明な動画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る撮像装置の概略構成を示したブロック図である。
【図２】撮像素子の概略構成を示した図である。
【図３】単位撮影時間や露光時間などの撮影条件を示したパルス波形図である。
【図４】画像処理した１フレーム分の画像情報を示した図である。
【図５】具体例１の撮影条件を示したパルス波形である。
【図６】具体例１により得られた１フレーム分の画像情報を示した図である。
【図７】具体例２の撮影条件を示したパルス波形である。
【図８】具体例３の撮影条件を示したパルス波形である。
【図９】具体例４に用いる装置構成を示したブロック図である。
【図１０】具体例４の撮影条件を示したパルス波形である。
【図１１】従来装置を用いて単位時間内に多重露光する撮影条件を示したパルス波形である。
【符号の説明】
１　…　撮像装置
２　…　撮像素子
３　…　画像処理部
４　…　主記憶部
５　…　クロック発生回路
６　…　制御部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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