(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 外部からの信号により、対象物に照射する撮影光を発光する撮影用光源と、
b) 前記対象物を撮影する撮影用カメラと、
c) 前記対象物に照射する停止信号生成用の検出光を発光する検出用光源と、
d) 外部からの信号により、前記対象物からの前記検出光を検出する検出器と、
e) 前記撮影用カメラの露光期間中にのみ前記撮影光を発光させ、該撮影光の発光期間中は前記検出器において検出を行わないように制御を行う制御部と
を備えることを特徴とする高速度撮影システム。
【請求項２】
前記検出用光源が前記検出光を連続的に発光することを特徴とする請求項１に記載の高速度撮影システム。
【請求項３】
a) 対象物に照射する撮影光を発光する撮影用光源と、
b) 前記対象物を撮影する撮影用カメラと、
c) 外部からの信号により、前記対象物に照射する停止信号生成用の検出光を発光する検出用光源と、
d) 前記対象物からの前記検出光を検出する検出器と、
e) 前記撮影用カメラの露光期間中は発光を行わないように前記検出用光源を制御する制御部と
を備えることを特徴とする高速度撮影システム。
【請求項４】
前記撮影用光源が前記撮影光を連続的に発光することを特徴とする請求項３に記載の高速度撮影システム。
【請求項５】
前記検出光が前記撮影光と異なる波長の光である請求項１〜４のいずれかに記載の高速度撮影システム。
【請求項６】
前記撮影用光源の前に検出光の波長成分を除去する帯域除去フィルタが設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高速度撮影システム。
【請求項７】
前記検出器の前に検出光のみを通過させるバンドパスフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の高速度撮影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速の現象を撮影するための高速度撮影システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属は温度や圧力等により様々な相に変態するが、それらの相変態の温度や圧力等の条件を正しく知ることにより、その金属を最適な条件で利用することができるようになる。
例えば炭素鋼の場合、加熱してゆくと、室温付近のフェライト・パーライト組織が約800℃でオーステナイト組織となり、その状態から急冷する（焼き入れする）ことにより非常に硬いマルテンサイト組織となる。これらの組織の変化（相変態）は温度変化の速度にもよるが、非常に高速に現れる。
【０００３】
このような高速の現象を撮影するために、専用の高速ビデオカメラが開発されている（特許文献１、非特許文献１、２）。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）と呼ばれる特殊な構造の撮像素子を搭載しており、最高で100万フレーム/秒（1 Mfps、すなわち1μsec/フレーム）もの極めて高速度の撮影が可能である。
【０００４】
高速度ビデオカメラは、撮影速度は高速である一方、その映像の収録時間を長く取ることはできない。例えば前記1 Mfpsの高速度撮影が可能なビデオカメラでは、記録フレーム数は100枚から300枚程度でしかない。従って、高速度ビデオカメラにより瞬間的な現象を撮影するためには、その現象の生起時点を確実に把握し、その時点での撮影映像を記録することが重要となる。そのため、高速度ビデオカメラでは、通常、次のような手順で撮影を行う。
(1) 撮影を開始し、各フレームの画像を記録してゆく。
(2) 記録画像数がビデオカメラの記憶容量を超えると、過去の画像を削除し、新たな画像を記録する。
(3) 外部からの停止信号（トリガ信号）を検出するまで(2)を繰り返す。
(4) 予め定められている場合、停止信号を検出後も記録容量の範囲内で所定時間（枚数）だけ(2)を繰り返す。
(5) 撮影を停止する。
【０００５】
瞬間的な現象を上記手順の通りに正しく撮影するためには、その現象に対応した停止信号を適切に生成することが必要である。
【０００６】
金属が前述のような相変態をするとき、予め金属の表面を鏡面研磨しておけば、相変態によりその表面に変態後の組織に応じたパターンが生ずることが多い。例えば、炭素鋼における前述のマルテンサイト変態の場合は、鏡面がマルテンサイト相に特有の針状模様に変化する。そこで、試料表面を撮影しつつ、その画像を解析し、その結果（画像の変化）に基づいて停止信号を生成することも考えられるが、現在の技術では画像解析の速度は相変態の速度よりも遅く、実用的ではない。
【０００７】
そこで、撮影用の光源とは別に目的現象を検出するための光源（検出用光源）を設け、その光（検出光）の試料表面からの反射光の強度の変化を検出することにより停止信号を生成することが知られている。前記例の場合、相変態に伴って鏡面化した表面にマルテンサイト相の模様が現れることにより試料表面の反射率が変化するため、試料表面からの検出光の反射光を検出することにより、停止信号を生成することができる。なお、撮影用光源には白色連続光源、検出用光源にはレーザ等の単色光源が多く用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2012-156805号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】近藤、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、pp. 79-86
【非特許文献２】近藤、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、pp. 219-227
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
高速度ビデオカメラによる撮影においては、各画像の露光時間が短いため、撮影用光源の光量を十分に大きくする必要がある。更に、前述のような金属の相変態を撮影しようとする場合、その組織は顕微鏡オーダー（数十〜数百倍）の拡大観察が必要となり、カメラに入る光量が少ないことから、更に十分な量の光を対象物に照射する必要がある。
【００１１】
こうした撮影のための光（撮影光）は、検出光の光検出素子にとっては背景ノイズとなる。また、前記のように金属相変態を撮影する場合、試料を1000℃近くまで加熱する必要があるが、このように加熱された試料からの放射光（赤外線、可視光等）もノイズとして光検出素子に入ってくる。停止信号生成用の光検出素子には、検出光の他にこれらのノイズが重畳して入ってくるが、金属試料の相変態を撮影する場合、相変態による試料表面の反射率の変化は大きくないため、そのような変化がノイズに埋もれてしまい、正しい検出信号（停止信号）を生成することが難しくなる。
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、様々なノイズを排除して、より高いS/N比で検出光を検出し、停止信号を生成して、高速度の現象を正しく撮影することのできる高速度撮影システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために成された本発明に係る高速度撮影システムの第１の態様のものは、
a) 外部からの信号により、対象物に照射する撮影光を発光する撮影用光源と、
b) 前記対象物を撮影する撮影用カメラと、
c) 前記対象物に照射する停止信号生成用の検出光を発光する検出用光源と、
d) 外部からの信号により、前記対象物からの前記検出光を検出する検出器と、
e) 前記撮影用カメラの露光期間中にのみ前記撮影光を発光させ、該撮影光の発光期間中は前記検出器において検出を行わないように制御を行う制御部と
を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第１の態様の高速度撮影システムでは、制御部は、撮影用カメラからの信号に基いてその露光期間を検出し、該露光期間中にのみ撮影光を発光するように撮影用光源を制御する。このため、撮影光は強力な光とすることができる。
制御部は、検出器については、その撮影光の発光期間中は検出光の検出を行わないように制御する。従って、検出器は検出光の検出の際に強力な撮影光を検出することがないため、ノイズの少ない検出光の検出を行うことができ、より正確に停止信号を生成することができる。本態様の高速度撮影システムでは、検出器は検出時に強力な撮影光を入力しないため、検出光源には比較的弱い連続発光光源を用いることができる。もちろん、検出時にのみ発光する光源を用いてもよい。
【００１５】
上記課題を解決するために成された本発明に係る高速度撮影システムの第２の態様のものは、
a) 対象物に照射する撮影光を発光する撮影用光源と、
b) 前記対象物を撮影する撮影用カメラと、
c) 外部からの信号により、前記対象物に照射する停止信号生成用の検出光を発光する検出用光源と、
d) 前記対象物からの前記検出光を検出する検出器と、
e) 前記撮影用カメラの露光期間中は発光を行わないように前記検出用光源を制御する制御部と
を備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第２の態様の高速度撮影システムでは、制御部は、撮影用カメラからの信号に基いてその露光期間を検出し、該露光期間中は発光を行わないように検出用光源を制御する。そのため、検出用光源には強力な光源を使用することができ、検出器は相対的にノイズの少ない検出光の検出を行うことができる。これにより、より正確に停止信号を生成することができる。
本態様の高速度撮影システムでは露光期間中は検出光が発光されないため、検出光が撮影の妨げにならないことから、撮影用光源としては比較的弱い連続発光光源を用いることができる。
【００１７】
なお、いずれの態様の高速度撮影システムにおいても、検出光としては、撮影光や試料の熱線が含む波長成分と異なる波長のレーザ光を選択することが望ましい。
また、撮影用光源の前に、撮影用照明が含む波長成分の中で検出光と等しい（及び近い）波長成分をノッチフィルタ（帯域除去フィルタ）で除去することが望ましい。
更に、検出器の光検出素子をバンドパスフィルタで狭帯域化することが望ましい。
これらの付加対策により、検出器の検出精度がより向上する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る高速度撮影システムでは、いずれの態様のものであっても、停止信号生成用の検出器におけるS/N比を高めることができるため、高い精度で停止信号を生成し、高速度現象の撮影を正しく行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例である高速度撮影システムの概略構成図。
【図２】実施例の高速度撮影システムの制御ブロック図。
【図３】実施例の高速度撮影システムによる第１の態様の高速度撮影のタイミングチャート。
【図４】実施例の高速度撮影システムによる第２の態様の高速度撮影のタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の一実施例である、鋼の相変態を検出するための高速度撮影システムを説明する。図１に示すように、本高速度撮影システム１０は、鋼の試料１１を加熱及び冷却するための調温室１２、調温室１２に設けられた窓（図示せず）を通して試料１１を撮影する高速度カメラ１３、試料１１に撮影用の光を照射する撮影光源１４、試料１１にタイミング検出用の光（検出光）を照射する検出光源１５、試料１１の表面で反射された検出光を検出する検出器１６、検出器１６からの信号に基き、高速度撮影の停止タイミングを決定して高速度カメラ１３に停止信号を与えるタイマー１７などを備える。なお、検出器１６の前には、検出器１６の検出光のみを通過させる光学バンドパスフィルタ１８を設けておく。更に、図示していないが、撮影光源１４の前には、検出器１６の検出光のみを除去するノッチフィルタ（帯域除去フィルタ）を設けておくことが望ましい。
【００２１】
図２に示すように、本実施例の高速度撮影システム１０では、高速度カメラ１３の中に制御部２４が含まれている。この制御部２４は、撮像素子２１で生成された画像データを蓄積する画像メモリ（IMG）２２から画像データを取り出したりその動作を制御する他、前記の撮影光源１４、検出光源１５、検出器１６、タイマー１７などとの間でそれぞれインターフェイス（I/F）２３を介して信号のやりとりを行い、それらの動作を制御したり、それらから情報を受け取る。
【００２２】
次に、鋼である試料１１の相変態の様子を撮影する際の本高速度撮影システム１０の動作を説明する。試料１１の一つの表面を予め鏡面に研磨しておき、その面を高速度カメラ１３で撮影しつつ試料１１の温度を上げてゆく（又は下げて行く）ことにより、或る温度で鋼が相変態を生じ、試料１１の表面が鏡面状態から、生成相に応じた組織（パターン）が現れた状態に変化する。この変化（変態）の速度は非常に高速であるため高速度カメラ１３で撮影する必要があるが、高速度カメラ１３では各フレームの露光時間は短く、撮影光量が少ない。また、鋼の相変態により現出する組織は微細であるため、高速度カメラ１３は試料１１の当該表面を撮影視野幅で0.5mm程度に拡大して撮影しなければならず、その視野から得られる光量は更に少なくなる。このため、撮影光源１４が試料１１に照射する光量を十分大きくしなければならないが、連続発光でそのような大光量を生成するのは難しいため、ここでは撮影光源１４をパルス光源とする。一方、検出光源１５には連続発光光源を使用する。
【００２３】
このようなシステムを構成した場合の、高速度カメラ１３のフレーム撮影（露光）、撮影光源１４の発光、検出器１６の検出のタイミングを図３に示す。高速度カメラ１３は、所定の間隔で所定の露光時間だけ露光を行い、各フレームの画像データを採取する。制御部２４はこの高速度カメラ１３の露光タイミングの信号に基き、その露光時間の間のみ、撮影光源１４に対して発光信号を出力する。これにより、撮影光源１４は強力なパルス状の撮影光を試料１１に照射する。そして制御部２４は更に、検出器１６に、撮影光の発光の期間内は検出を行わないような検出タイミング信号を送る。検出器１６はこの検出タイミング信号に従って検出光の検出を行い、検出信号をタイマー１７に送る。タイマー１７はこの検出信号を所定の基準レベルと比較し、基準レベル以下になった時点で停止信号を生成して高速度カメラ１３に送る。高速度カメラ１３の制御部２４は、この停止信号を受けたとき、画像メモリ２２での画像データのそれ以上の蓄積を停止する。これにより、画像メモリ２２には、その時点から所定時間だけ前に遡った時点までの画像データが保持され、試料１１の相変態の際の表面の変化の様子が撮影される。
【００２４】
このように本実施例の高速度撮影システム１０では、検出器１６は、強力な撮影光が発光している間は検出を行わないため、検出器１６における検出のS/N比が上がり、タイマー１７はより適切に停止タイミングの判断が行えるようになる。
【００２５】
次に、本実施例の高速度撮影システム１０を用いた別の実施形態を説明する。試料１１の表面に現れる組織が大きく、拡大しなくても十分撮影が可能である場合には、撮影光源１４としては比較的低光量の連続発光光源を用いることができる。一方、観察しようとする相変態の温度が高温である場合、試料１１自体からの熱放射が大きくなるため、検出器１６におけるノイズとしては試料１１からの放射線（赤外線、可視光）が問題となってくる。そこで、本実施形態では、検出光の光量を上げることにより検出器１６におけるS/N比を上げるため、検出光源１５としては強力な光量を発することのできるパルスレーザ光源を用いる。この場合、制御部２４は、図４に示すように、高速度カメラ１３の露光期間中は検出光源１５を発光させないようにし、検出光が撮影の妨げにならないようにする。
このように、本実施形態では、検出光が撮影の妨げにならないため強力な検出光を用いることができ、上記同様に検出器１６における検出のS/N比が上がり、タイマー１７は適切な停止タイミングの判断が行えるようになる。
【００２６】
なお、上記のいずれの態様の高速度撮影システムにおいても、検出光としては、撮影光や試料の熱線が含む波長成分と異なる波長の光を選択することが望ましい。
【符号の説明】
【００２７】
１０…高速度撮影システム
１１…試料
１２…調温室
１３…高速度カメラ
１４…撮影光源
１５…検出光源
１６…検出器
１７…タイマー
１８…光学バンドパスフィルタ
２１…撮像素子
２２…画像メモリ（IMG）
２３…インターフェイス（I/F）
２４…制御部（CONT）
【図１】
0006332001.tif 000002
【図２】
0006332001.tif 000003
【図３】
0006332001.tif 000004
【図４】
0006332001.tif 000005