(57)【要約】【課題】入射光を分割することなく、画像に変化が生じたときにその状態を高速で撮影するためのトリガ信号を生成する。【解決手段】撮像素子１０は上下二層の二次元受光面１１、１２を有する。下層受光面１２では信号蓄積を行わずに各受光素子の検出信号を読み出し、変化量演算部２２により検出信号の変化量を反映する出力を求める。トリガ信号生成部２３はこの変化量出力が所定閾値電圧を越えたときにトリガ信号を生成し、メモリ制御部２７はトリガ信号を受けて画像メモリ２６への画像データの書き込みを開始する。これにより、入射光を分割して別の撮像素子で受ける必要がなく、高速撮影装置の小型化・軽量化が容易に行える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）微小受光素子を二次元状に配列した二次元受光面を上層及び下層の二層に有する光電変換手段と、
ｂ）該光電変換手段の上層又は下層のいずれか一方の二次元受光面を構成する各微小受光素子から、撮影対象の二次元画像を形成するための画像信号を取得する画像信号取得手段と、
ｃ）前記二次元画像の形成に利用される上層又は下層の二次元受光面の他方の二次元受光面を構成する微小受光素子より得られる検出信号に基づいて、撮影対象に生じた急激な変化を検出してトリガ信号を生成するトリガ信号生成手段と、
ｄ）該トリガ信号を受けて前記画像信号取得手段により得られる画像信号の保存を開始する画像保存手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
ａ）微小受光素子を二次元状に配列した二次元受光面を複数層に有する光電変換手段と、
ｂ）該光電変換手段の複数層のいずれか一層の二次元受光面を構成する各微小受光素子から、撮影対象の二次元画像を形成するための画像信号を取得する画像信号取得手段と、
ｃ）前記複数層のうちのいずれか二層の二次元受光面に対しそれぞれ異なる信号蓄積時間を設定し、それら二層の二次元受光面によりそれぞれ得られる二枚の二次元画像を形成するための画像信号の差に基づいて、撮影対象に生じた急激な変化を検出してトリガ信号を生成するトリガ信号生成手段と、
ｄ）該トリガ信号を受けて前記画像信号取得手段により得られる画像信号の保存を開始する画像保存手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置に関し、更に詳しくは、主として破壊、爆発、燃焼などの高速の現象を撮影するために好適な撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば爆発、破壊、燃焼、衝突、放電などの高速の現象を、短時間だけ連続的に撮影するための高速撮影装置（高速ビデオカメラ）が従来より開発されている（例えば非特許文献１など）。一般的な撮影装置では、外部からスイッチ動作等のトリガ信号を受けてそれに応じて撮影を開始するものが多いが、上記のような瞬間的又は突発的な現象を撮影する場合には必ずしもそうした外部からのトリガ信号が得られない場合があり、その場合には、例えば爆発などの現象の発生自体をモニタ画像から判断して撮影を開始する必要がある。こうした撮影を行うために、従来の高速撮影装置では、撮像レンズの後方にビームスプリッタやハーフミラーなどの光分割手段を設け、入射光を複数に分割してそれぞれ異なる撮像装置に導入し、一方の撮像装置を画像の急激な変化を検出するためのモニタリング専用とし、それによって得られたトリガ信号に応じて他方の撮像装置で得られた画像信号の記憶を制御するようにしている（例えば特許文献１など参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−３３６４２０号公報
【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１５年４月１７日検索］、インターネット、〈ＵＲＬ  ：  ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｈｉｍａｄｚｕ．ｃｏ．ｊｐ／ｎｅｗｓ／ｐｒｅｓｓ／０１０９２７．ｈｔｍｌ〉
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした従来の高速撮影装置では、撮影対象物から到来する入射光を複数に分割するための光学系部品が必要になるとともに撮像装置（撮像素子）も複数用意する必要があるため、装置が大掛かりとなり、コストを引き下げることが難しく、装置を小型化・軽量化するのも困難である。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、画像の変化を捉えて撮影を自動的に行うような撮像装置において、構成を簡素化してコストの低減と装置の小型化・軽量化を達成することを主な目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段、及び効果】
上記課題を解決するために成された第１発明に係る撮像装置は、
ａ）微小受光素子を二次元状に配列した二次元受光面を上層及び下層の二層に有する光電変換手段と、
ｂ）該光電変換手段の上層又は下層のいずれか一方の二次元受光面を構成する各微小受光素子から、撮影対象の二次元画像を形成するための画像信号を取得する画像信号取得手段と、
ｃ）前記二次元画像の形成に利用される上層又は下層の二次元受光面の他方の二次元受光面を構成する微小受光素子より得られる検出信号に基づいて、撮影対象に生じた急激な変化を検出してトリガ信号を生成するトリガ信号生成手段と、
ｄ）該トリガ信号を受けて前記画像信号取得手段により得られる画像信号の保存を開始する画像保存手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００７】
この第１発明に係る撮像装置における光電変換手段では、同一の入射光を受光するように二つの二次元受光面は近接して積層されている。したがって、入射光は上層の受光面に当たった後、その上層受光面を通過した光が下層の受光面に到達する。このように二層構造の二次元受光面を有する光電変換手段にあって、一つの層の二次元受光面はほぼ連続的に画像情報をモニタリングする、厳密には画像内の光情報の変化をモニタリングするために利用され、もう一方の二次元受光面は本来の目的である撮像用の画像信号を取得するために利用される。一般に受光面が二層構造である場合、下層の受光面には比較的短波長の光は届きにくいため、被写体の像を正確に再現するという点では上層の受光面を撮像用に用いるのが好ましい。
【０００８】
トリガ信号生成手段は、モニタリング用の例えば下層の二次元受光面の微小受光素子より得られる検出信号を監視し、例えばその検出信号に所定閾値以上の変化が生じたときに、撮影対象である被写体に何らかの急激な変化が生じたものと判断してトリガ信号を生成する。画像信号取得手段は、例えば上層の二次元受光面の各微小受光素子で光電変換された電気信号を所定時間蓄積した後に読み出すことで、撮影対象の二次元画像を形成するための画像信号を取得する。画像保存手段は上記トリガ信号を受けると、例えば画像信号取得手段により得られる画像信号をメモリに格納し始める、或いは、既にメモリに格納された画像信号の上書き（消去）を禁止することで、画像信号の保存を開始する。
【０００９】
なお、画像保存手段はトリガ信号を受けたことを契機として保存動作を開始するが、これは必ずしもトリガ信号が発生した以降の画像信号を保存することを意味するものではなく、例えば上述するように既にメモリに格納された画像信号の上書きを禁止する等の方法によれば、トリガ信号が発生した時点から適宜時間的に遡った時点からの画像信号を保存することも可能である。
【００１０】
第１発明に係る撮像装置によれば、二層に積層された二次元受光面の一層を被写体の変化を検出するためのモニタリングに利用しているので、従来のこの種の撮像装置のように入射光を複数に分割する必要がなく、ハーフミラーやビームスプリッタなどの光学系部品が不要であるとともに光路構成も簡単になる。また、上記のような高速撮影装置を構成する際に撮像装置（撮像素子）を１個のみ設ければよい。したがって、高速撮影装置の構成が簡素化され、装置の小型化・軽量化が容易になる。また、部品コストのほか組立コストまで含めた総合的なコストを低減することができる。
【００１１】
また、上記課題を解決するために成された第２発明に係る撮像装置は、
ａ）微小受光素子を二次元状に配列した二次元受光面を複数層に有する光電変換手段と、
ｂ）該光電変換手段の複数層のいずれか一層の二次元受光面を構成する各微小受光素子から、撮影対象の二次元画像を形成するための画像信号を取得する画像信号取得手段と、
ｃ）前記複数層のうちのいずれか二層の二次元受光面に対しそれぞれ異なる信号蓄積時間を設定し、それら二層の二次元受光面によりそれぞれ得られる二枚の二次元画像を形成するための画像信号の差に基づいて、撮影対象に生じた急激な変化を検出してトリガ信号を生成するトリガ信号生成手段と、
ｄ）該トリガ信号を受けて前記画像信号取得手段により得られる画像信号の保存を開始する画像保存手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１２】
この第２発明に係る撮像装置において、複層構造の二次元受光面を有する光電変換手段にあって、相対的に長い信号蓄積時間が設定された二次元受光面で受光された画像信号では、その位置が高速に移動する又は急激に変化するような被写体像はぼけてしまい、逆に位置が変化しないか或いはその変化が緩慢であるような被写体像は明瞭に現れる。これに対し、相対的に短い信号蓄積時間が設定された二次元受光面で受光された画像信号では、その位置が高速に移動する又は急激に変化するような被写体像も位置が変化しないか或いはその変化が緩慢であるような被写体像も共に明瞭に現れる。したがって、両画像の差をとれば、その位置が高速に移動する又は急激に変化するような被写体像が得られる。トリガ信号生成手段はこのように、その位置が高速に移動する又は急激に変化するような被写体像のみが現れる画像信号に基づいてトリガ信号を生成するので、被写体の高速動作又は急激な変化を確実に捉えて撮影を行うことができる。
【００１３】
またこの第２発明に係る撮像装置では、同一入射光を受光する複数層の二次元受光面のうちの二層の二次元受光面をトリガ信号を生成するために利用しているので、上記第１発明に係る撮像装置と同様に、入射光を複数に分割する必要がなく、高速撮影装置の小型化・軽量化が容易になるという効果も奏する。なお、ここで複数層は二層であってもよい。
【００１４】
なお、第１及び第２発明に係る撮像装置では、１個の半導体素子（つまり固体撮像素子ＩＣ）に上記各手段を全て搭載する構成とすることも可能であるし、例えば光電変換手段のみを備える固体撮像素子ＩＣとそれ以外の手段とを別部品とする等、固体撮像素子ＩＣに一部の手段のみを搭載した構成とすることも可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
まず、第１発明に係る撮像装置の一実施例（第１実施例）について、図１〜図３を参照して説明する。図１はこの第１実施例の撮像装置を用いた高速撮影装置の要部の電気系構成図、図２は第１実施例の撮像装置に含まれる撮像素子１０の構造を示す概念図、図３は本高速撮影装置の動作説明図である。
【００１６】
この高速撮影装置は、撮影対象である被写体から到来する入射光を集光する撮像レンズ２０、後述するように上層及び下層の二層の二次元受光面１１、１２を有する撮像素子１０、該撮像素子１０を駆動する下層駆動部２１及び上層駆動部２４、下層駆動部２１により読み出された信号を演算処理する変化量演算部２２、この変化量演算部２２の出力に基づいてトリガ信号ＴＧを生成するトリガ信号生成部２３、上層駆動部２４により読み出された信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換部２５、デジタル化された画像信号を格納するための画像メモリ２６、画像メモリ２６の読み書き動作を制御するメモリ制御部２７、画像メモリ２６に一旦格納された画像信号を処理して二次元画像を再構成する画像信号処理部２８、再構成された二次元画像を表示する表示部２９などを備える。
【００１７】
撮像素子１０は、図２に示すように、微小受光素子１１ａをｘ軸方向及びｙ軸方向の二次元状に多数配列した上層受光面１１と、微小受光素子１２ａをｘ軸方向及びｙ軸方向の二次元状に多数配列した下層受光面１２とを有し、上層受光面１１と下層受光面１２とはｘ軸及びｚ軸に直交するｚ軸方向に近接して積層されている。実際には、この上層受光面１１と下層受光面１２とは半導体基板の厚さ方向に積層されることになるが、深さ（厚さ）方向の光の到達距離は波長依存性を有しており、短波長成分ほど奥までは到達しにくくなる。そのため、一般的には、上層受光面１１と下層受光面１２とはできるだけ近接して表面に近い位置に設けることが好ましい。但し、後述するような画像の変化を検出するために赤色光又は赤外光などの長波長成分を利用できる場合には、下層受光面１２がかなり深い位置にあっても（極端な場合には基板の裏面に形成されていても）よい。
【００１８】
なお、図２に示した例では、上下層の微小受光素子１１ａ、１２ａのサイズは互いに異なっているが、これは同一サイズでもよい。また、上下層の微小受光素子１１ａ、１２ａの受光面の境界はｚ軸方向に一致している必要はない。即ち、原則的には、上層受光面１１と下層受光面１２のそれぞれの画素構成は任意とすることができる。
【００１９】
この撮像素子１０の上層受光面１１と下層受光面１２とには、独立に信号読み出し用クロック等の各種制御信号を供給するための駆動部、即ち上層駆動部２４及び下層駆動部２１が設けられている。下層駆動部２１は下層受光面１２を構成する各微小受光素子１２ａの検出信号を蓄積することなく読み出し、変化量演算部２２へと入力する。一方、上層駆動部２４は、一般的な撮像素子の信号読み出しと同様に、上層受光面１１を構成する各微小受光素子１１ａで光電変換によって得られた電荷信号を所定時間だけ蓄積し、その後に各微小受光素子１１ａに蓄積された電荷信号を読み出す。
【００２０】
したがって、下層受光面１２で検出される信号は信号強度的には相対的に弱いものの、連続的つまりほぼリアルタイムでモニタリングされており、変化量演算部２２は各微小受光素子１２ａからの検出信号に対して所定の演算処理を施すことによって、画像に生じる変化に対応した変化量信号を生成する。この演算処理方法は撮影対象とする現象や被写体の種類などに応じて適宜のものを選べばよい。例えば爆発現象などを撮影したい場合には、画像全体が殆ど無変化である状態から、急激に変化が生じる状態を捉えればよい。したがって、各微小受光素子１２ａの検出信号を全てアナログ的に加算する演算処理で充分である。
【００２１】
次に、上記高速撮影装置の典型的な動作の一例について、図３を参照しながら説明する。上述したように、撮像素子１０の上層受光面１１を構成する各微小受光素子１１ａからは、所定の信号蓄積時間毎に一枚の画像に対応する画像信号（画素信号）が読み出される。したがって、上層受光面１１により得られる画像信号は、図３（ａ）に示すように所定時間間隔毎に一枚ずつの二次元画像に対応するものとなる。
【００２２】
一方、下層受光面１２により得られる検出信号に基づいて変化量演算部２２で生成される変化量出力は、例えば図３（ｂ）のように得られる。即ち、撮像レンズ２０に入射する入射光の状態に大きな変化が生じると、それから殆ど時間遅れなく変化量出力は大きく変化する。トリガ信号生成部２３はこの変化量出力を所定の閾値電圧Ｖと比較し、変化量出力が閾値電圧Ｖを越えたならば図３（ｃ）に示すようにパルス状のトリガ信号ＴＧを生成する。
【００２３】
メモリ制御部２７はトリガ信号ＴＧを検知すると、デジタル化された画像信号（画像データ）の画像メモリ２６への書き込みを開始する。したがって、画像メモリ２６には、図３（ｄ）に示すように、トリガ信号ＴＧが発生した後の最初の周期の画像に対応した画像データから格納される。画像データの格納の開始後、通常は、所定時間が経過した時点又は所定枚数の二次元画像に相当する画像データを保存した時点（通常はメモリ２６の記憶容量によって制限される）で格納動作を終了する。こうして画像メモリ２６に格納された画像データは、その後に読み出されて画像信号処理部２８により処理され、二次元画像として表示部２９の画面上に表示される。
【００２４】
このようにして第１実施例による撮像装置では、モニタリングしている被写体に大きな変化が生じた後の画像を連続的に撮影することができる。但し、トリガ信号ＴＧの発生を検知してから画像メモリ２６への書き込みを開始するような制御を行っているため、被写体に生じた変化が非常に急激である場合には、その変化の瞬間の画像を捉え損ねる可能性がある。
【００２５】
そこで、こうした画像の欠損を防止するには、トリガ信号ＴＧの発生を検知してから画像メモリ２６への書き込みを開始するのではなく、トリガ信号ＴＧの発生前から連続的に画像メモリ２６への画像データの書き込みを行い、トリガ信号ＴＧを検知したならばその時点から時間的に所定枚数分だけ遡った時点以前に書き込んだ画像データについては上書き等の消去を許可し、その時点以降に書き込んだ画像データについては上書き等の消去を禁止してメモリ２６に残すような制御を行えばよい。
【００２６】
次に、第２発明に係る撮像装置の一実施例（第２実施例）について説明する。図４は第２実施例の撮像装置を含む高速撮影装置の要部の電気系構成図、図５はこの高速撮影装置の動作説明図である。上記第１実施例と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。この第２実施例の撮像装置でも第１実施例と同様に上下二層の二次元受光面３１、３２を有する撮像素子３０を利用する。この場合、後述するように上下層での画像の差分を求めるためには、上下の画素構成が揃っていることが好ましい。
【００２７】
この高速撮影装置では、上層受光面３１、下層受光面３２のいずれでも画像信号を取得するために光電変換により得られた電荷を蓄積するが、その信号蓄積時間（換言すれば信号読み出し時間）を下層では上層よりもかなり長く定める。いま、図５（ａ）に示すような被写体を考える。この被写体は移動しない又はごく低速で移動する背景５０の前方に、或る移動体５１が位置Ａに現れて位置Ｂまで高速に移動するものである。
【００２８】
こうした被写体の画像を、移動体５１の移動速度に比べて長い信号蓄積時間を設定した下層受光面３２の画像信号により再構成すると、図５（ｂ）に示すように、高速で移動する移動体の像はぼけてしまって明瞭には現れず、背景に相当する背景像５０’のみが明瞭に現れる。一方、移動体５１の移動速度に比べて短い信号蓄積時間を設定した上層受光面３１の画像信号により被写体の画像を再構成すると、図５（ｃ）に示すように、高速で移動する移動体像５１’と背景像５０’との両方が明瞭に現れる。
【００２９】
そこで、差分画像演算部４３では、下層駆動部４１により読み出された画像信号と上層駆動部４２により読み出された画像信号との差分を例えば各画素単位で算出する。そうして求めた画像信号に基づいて差分画像を再構成するとすれば、図５（ｄ）に示すように、背景像５０’は相殺されてほぼ消えてしまい、高速で移動する移動体像５１’のみが明瞭に現れる。したがって、この差分画像を構成する画像信号に基づいて変化量を演算すれば、高速で移動する又は急激に変化する現象のみを捉えたトリガ信号を生成することができる。
【００３０】
このようにして、この第２実施例による撮像装置では、被写体の中での急激な変化を確実に捉えてトリガ信号を生成し、その急激な変化の瞬間を含む画像を撮影することができる。
【００３１】
なお、上記実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、追加を行なえることは明らかである。例えば、上記記載の撮像素子は特定の方式の撮像素子に限定されるものではなく、高速撮影装置で一般に利用されるマイクロチャンネルプレート型イメージインテンシファイヤ（ＭＣＰ型ＩＩ）を用いた撮像素子のほか、ＣＣＤ型やＣ−ＭＯＳ型のイメージセンサなど、各種の撮像素子を利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１発明の一実施例である撮像装置を含む高速撮影装置の要部の電気系構成図。
【図２】図１の撮像装置に用いられる撮像素子の構造を示す概念図。
【図３】図１の高速撮影装置の動作説明図。
【図４】第２発明の一実施例である撮像装置を含む高速撮影装置の要部の電気系構成図。
【図５】図４の高速撮影装置の動作説明図。
【符号の説明】
１０、３０…撮像素子
１１、３１…上層受光面
１１ａ、１２ａ…微小受光素子
１２、３２…下層受光面
２０…撮像レンズ
２１、４１…下層駆動部
２２…変化量演算部
２３…トリガ信号生成部
２４、４２…上層駆動部
２５…Ａ／Ｄ変換部
２６…画像メモリ
２７…メモリ制御部
２８…画像信号処理部
２９…表示部
４３…差分画像演算部
【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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