(57)【要約】【課題】高速撮影装置において撮影終了時に撮像素子への光の入射を直ちに禁止するのに好適なシャッタ装置を提供する。【解決手段】基板１１０には光通過穴１１１を所定間隔で多数穿孔し、基板１１０には蓋体１１３を設ける。蓋体１１３では、両縁辺部において絶縁層１１２を挟んで基板１１０に固定された固定部１１３ａから細く延伸するヒンジ部１１３ｄにより、各穴１１１の上端面を掩蔽する微小蓋１１３ｄを連結した構造を有する可動部１１３ｃが保持される。基板１１０上の駆動電極部１１４に所定の電圧を印加すると静電力作用部１１３ｅが力を受け、それによって可動部１１３ｃは水平方向に移動する。穴１１１の開閉に要する移動距離は短く、可動部１１３ｃは基板１１０に接触しないので摩擦力を受けない。そのため、迅速に光を遮蔽することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を遮蔽するためのシャッタ装置であって、
ａ）所定間隔で２次元状に多数の微小な貫通穴が穿孔されて成る基板と、
ｂ）該基板の表面上に所定の間隙を有して浮上した構造であり、前記各貫通穴の一方の開放端面を覆う微小蓋が連結されて一体になった、基板の延展方向と略水平な方向に移動自在である蓋体と、
ｃ）少なくとも、前記蓋体の各微小蓋が前記基板の各貫通穴の開放端面をそれぞれ掩蔽する閉鎖位置と、各微小蓋が隣接する貫通穴の間にあって貫通穴の開放端面を掩蔽しない開放位置との間で前記蓋体を移動させる駆動手段と、
を備えることを特徴とするシャッタ装置。
【請求項２】
撮影対象物から到来する入射光を撮像素子の受光面に導入して画像信号を取得する撮影装置であって、
前記撮像素子の受光面の手前の光路上に、前記貫通穴のピッチが撮像素子の微小受光面のピッチよりも充分に小さく定められて成る請求項１記載のシャッタ装置が挿入されたことを特徴とする撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮影装置と該撮影装置に用いるに好適なシャッタ装置に関する。本発明に係る撮影装置は、特に破壊、爆発、燃焼などの高速の現象を撮影するために好適である。
【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、２など）。こうした高速撮影装置では、最高で１００万枚／秒程度のきわめて高速度の撮影が可能となっている。従来の一般的なＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の撮像素子では、このような高速度での撮影には対応し得ない。そのため、こうした高速撮影装置には、例えば特許文献１、非特許文献２などに記載のような特殊な構造の撮像素子が利用される。
【０００３】
この撮像素子は画素周辺記録型撮像素子と呼ばれ、受光部である各フォトダイオード毎にそれぞれ記録枚数分の転送を兼ねた蓄積用ＣＣＤを備え、撮影中にはフォトダイオードで光電変換された信号電荷を蓄積用ＣＣＤに順次転送し、撮影終了後に蓄積用ＣＣＤに記憶してある記録枚数分の信号電荷を読み出すことによって画素信号を取得する。撮影中に記録枚数分を越えた信号電荷は廃棄され、常に最新の記録枚数分の信号電荷が蓄積用ＣＣＤに保持されるようにしているため、撮影の終了時に信号電荷の転送を中止すれば、その時点から時間的に記録枚数分だけ遡った時間からの最新の画像が得られることになる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３４５４４１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６月２日検索］、インターネット、〈ＵＲＬ  ：  ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｈｉｍａｄｚｕ．ｃｏ．ｊｐ／ｎｅｗｓ／ｐｒｅｓｓ／０１０９２７．ｈｔｍｌ〉
【非特許文献２】
丸野  浩昌、近藤  泰志、江藤  剛治，「画素周辺記録型撮像素子を用いた高速度ビデオカメラ」，応用光学  ２００２  Ｖｏｌ．２  Ｎｏ．１２  ｐ．５−８，２００２年１２月１０日発行
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記画素周辺記録型撮像素子では、その素子内部に信号電荷の転送と蓄積とを兼ねたＣＣＤを多数設ける必要があり、構造上、フォトダイオードへの入射光により発生した電子を基板へと逃がすような電子的なシャッタ機能を内蔵することが困難である。そのため、上記特許文献１に記載の高速撮影装置では、撮像素子の手前に機械的に閉鎖するシャッタ機構を設け、撮影終了時にこのシャッタを閉鎖して撮像素子への光の入射を遮っている。
【０００６】
しかしながら、こうした機械的なシャッタ機構は開閉速度が遅く、一般的にはその開放又は閉鎖には数ｍ秒〜１０ｍ秒程度以上の時間を必要とする。シャッタ機構の閉鎖が遅いと、撮像素子のフォトダイオードには撮影終了時点からシャッタが閉鎖するまでの期間に不要な光が当たり続ける。すると、この光によって電子が発生し、その量が多いと周囲に溢れ出る。上記画素周辺記録型撮像素子では、こうした不所望の電子がフォトダイオード近傍の転送路を兼ねた蓄積用ＣＣＤに流れ込むと、撮影した画像の劣化を引き起こす。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、撮影終了時などに撮像素子の受光面に入射する光をきわめて高速に遮断することができるシャッタ装置とこのシャッタ装置を用いた撮影装置を提供することにある。
【０００８】
【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発明は、光を遮蔽するためのシャッタ装置であって、
ａ）所定間隔で２次元状に多数の微小な貫通穴が穿孔されて成る基板と、
ｂ）該基板の表面上に所定の間隙を有して浮上した構造であり、前記各貫通穴の一方の開放端面を覆う微小蓋が連結されて一体になった、基板の延展方向と略水平な方向に移動自在である蓋体と、
ｃ）少なくとも、前記蓋体の各微小蓋が前記基板の各貫通穴の開放端面をそれぞれ掩蔽する閉鎖位置と、各微小蓋が隣接する貫通穴の間にあって貫通穴の開放端面を掩蔽しない開放位置との間で前記蓋体を移動させる駆動手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００９】
本発明に係るシャッタ装置の一態様としては、基板のおもて面（光が入射する面）に蓋体を設ける構成、基板の裏面（光が出射する面）に蓋体を設ける構成、及び基板の両面にそれぞれ蓋体を設ける構成が考え得る。
【００１０】
例えば基板のおもて面に蓋体を設ける構成において、駆動手段による駆動によって蓋体が開放位置にあるとき、蓋体の各微小蓋は基板の貫通穴の開放端面の直上から後退した位置にあるため、上方から基板に対して入射する光は微小蓋に遮られることなく貫通穴を通過し、基板の裏側から出射する。なお、貫通穴でない位置に入射する光は微小蓋に当たるが、これはもともと貫通穴を通過し得ないものであるからここでは無視する。すなわち、蓋体が開放位置にあれば、メッシュを通過するのと同様の光が出射光として得られ、目的に応じて貫通穴のサイズと間隔とを適宜決めれば、完全な通過光（隣接する貫通穴間の基板で遮られない光）と性能上、遜色ない光を得ることができる。
【００１１】
一方、遮光したい場合には、駆動手段により蓋体を開放位置から閉鎖位置へと移動させる。この駆動には静電気力などの電気的な力を利用することができる。この状態では、蓋体の各微小蓋が貫通穴の開放端面の直上に位置し、上方から基板に対して入射する光はこの微小蓋に遮られて貫通穴に到達しない。そのため、基板の裏側から通過光が出射せず、入射光は完全に遮蔽される。各貫通穴毎に微小蓋を設ける構成では、蓋体をごく僅かだけ移動させることで貫通穴を掩蔽したりそれを解除したりすることができるから、機械的なシャッタ機構に比べて格段に短い時間での切替えが可能となる。
【００１２】
具体的には、第１発明に係るシャッタ装置は、いわゆるマイクロファブリケーション技術などを利用して作製（製造）することができる。
【００１３】
上記課題を解決するために成された第２発明は、撮影対象物から到来する入射光を撮像素子の受光面に導入して画像信号を取得する撮影装置であって、前記撮像素子の受光面の手前の光路上に、前記貫通穴のピッチが撮像素子の微小受光面のピッチよりも充分に小さく定められて成る、上記第１発明に係るシャッタ装置が挿入されたことを特徴とする。
【００１４】
すなわち、多数の微小受光面がアレイ状に配置された撮像素子に対しては、その撮像素子の微小受光面のピッチよりも前記基板の貫通穴のピッチを充分に小さく定めておけば、上述したような隣接した貫通穴の間の部分による遮光の影響を殆ど受けずに済む。
【００１５】
したがって、この第２発明に係る撮影装置によれば、必要な撮影が終了した時点において、機械的なシャッタ機構よりも格段に高速に撮像素子への入射光を遮蔽することができる。それによって、撮像素子として例えば上記画素周辺記録型撮像素子を使用した場合に、撮影終了後の不所望の光の入射による電子の溢れ出しを回避することができ、撮影した画像の劣化を防止することができる。
【００１６】
なお、画素周辺記録型撮像素子以外の撮像素子であっても、撮影終了後の不所望の光の入射が画質の劣化等、何らかの不具合をもたらすものであれば、本発明を適用することが有効であるのは当然である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例であるシャッタ装置及びこれを用いた高速撮影装置について、図１〜図４を参照して説明する。図１は本実施例によるシャッタ装置を用いた高速撮影装置の要部の構成図、図２は本実施例のシャッタ装置の上面図及び正面図、図３は図２の上面図の一部拡大図、図４は図３中のＡ−Ａ’矢視線断面図である。
【００１８】
この高速撮影装置１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１０、撮像レンズ１０を通過した光を反射するようにその光路上に配置されたシャッタ１１、シャッタ１１を駆動するべく電圧を印加するシャッタ駆動部１２、２次元受光面を有する撮像素子である画素周辺記録型の撮像素子１３、撮像素子１３を駆動するべく電荷転送信号等を送る撮像素子駆動部１４、シャッタ駆動部１２や撮像素子駆動部１４を制御する制御部１５など、を備える。ここで、撮像素子１３は既述のような画素周辺記録型撮像素子であり、例えば１００枚の記録枚数分の蓄積用ＣＣＤを内蔵しているものとする。
【００１９】
次に、本発明の特徴であるシャッタ１１の構造について詳細に述べる。例えばシリコンから成る基板１１０には、縦横に同一間隔（ピッチ）で円筒状の光通過穴１１１が上下に貫通して穿設されている。ここでは、光通過穴１１１の直径ｄを約３μｍ、隣接する光通過穴１１１間の間隔（図３中のｄ＋２α）を３．４〜４．０μｍとしている。一方、基板１１０の上面には、光通過穴１１１の上側開放端面を掩蔽するための可動式の蓋体１１３が設けられている。
【００２０】
この蓋体１１３は、基板１１０上面の左右両縁辺近傍に酸化シリコン膜などの絶縁層１１２を挟んで設けられた固定部１１３ａと、両側の固定部１１３ａから細く延設されて成る複数のアーム状のヒンジ部１１３ｂを介して渡設された可動部１１３ｃとを有し、この可動部１１３ｃは、各光通過穴１１１に対応した微小蓋１１３ｄが直線状に連結された構造体と、前後の縁辺部にあって櫛の歯状に突出した静電力作用部１１３ｅとを備える。可動部１１３ｃは複数のヒンジ部１１３ｂによって両側から略水平に保持されており、それによって図４に示すように可動部１１３ｃ全体が基板１１０から所定の間隙を有して浮いた状態となっている。なお、蓋体１１３はポリシリコンなどにより形成することができる。
【００２１】
基板１１０上面の前後両縁辺近傍には、酸化シリコン膜などの絶縁層１１２を介して駆動電極部１１４が設けられている。この駆動電極部１１４は、蓋体１１３の静電力作用部１１３ｅの櫛の歯形状にちょうど相対する櫛の歯形状となっており、これによって駆動電極部１１４に印加される電圧による静電力が効率良く可動部１１３ｃに作用する。駆動電極部１１４に電圧が印加されない状態では図３中に実線で示す開放位置に可動部１１３ｃは位置し、駆動電極部１１４に所定電圧が印加されると、駆動電極部１１４と静電力作用部１１３ｅとの間の静電反発力及び静電引力によって、可動部１１３ｃは図３中に点線で示す閉鎖位置に移動する。
【００２２】
この実施例では、図３に示すように、光通過穴１１１の径ｄ（ここでは３μｍ）に対し、微小蓋１１３ｄのサイズは１辺の長さがｄ＋α（ここでは３．２〜３．５μｍ）に設定されている。すなわち、光通過穴１１１のエッジに対してα／２（０．１〜０．２５μｍ）の寸法的余裕が設けられており、これによって可動部１１３ｃが閉鎖位置に移動したときに微小蓋１１３ｄが確実に光通過穴１１１の開放端面を掩蔽することを可能としている（図４（Ｂ）参照）。また、可動部１１３ｃの移動距離はｄ＋αと非常に短く、しかも可動部１１３ｃが基板１１０から浮いていることによって摩擦による拘束を受けない。そのため、可動部１１３ｃは開放位置から閉鎖位置まで高速に移動することができる。
【００２３】
次に、図１に示した高速撮影装置の典型的な動作の一例について説明する。撮影時には、制御部１５の制御の下に、シャッタ駆動部１２は可動部１１３ｃが開放位置にあるようにシャッタ１１を制御する（実際にはこのとき電圧をゼロにする）。このとき、図４（Ａ）に示すように各光通過穴１１１を光が通過し、その光が撮像素子１３の受光面に到達する。このときの光はいわばメッシュを通過したものと同じようになるが、光通過穴１１１のピッチが撮像素子１３の微小受光面の配列のピッチよりも充分に小さければ、隣接する光通過穴１１１の間の部分での遮光の影響は殆どない（厳密に言えば、光量が減じることの影響はあるが、もともとの入射光量が充分であれば実質的に影響はない）。ここでは、撮像素子１３の微小受光面のピッチは約６０μｍである一方、光通過穴１１１のピッチは３．２〜３．５μｍであり、上記条件を充分に満たしている。
【００２４】
而して、撮影時には時間の経過に伴い、撮像素子１３内部の蓄積用ＣＣＤに常に最新の１００枚分の画素信号（信号電荷）が保持される。例えば、撮影対象である被写体に大きな変化が発生すると、図示しないトリガ信号発生回路からトリガ信号が制御部１５に入力される。制御部１５はトリガ信号を受けると、予め決められたフレーム数分だけ遅延した時点で蓄積用ＣＣＤでの信号転送を停止させるべく撮像素子駆動部１４を制御する。例えば、遅延フレーム数を５０とすれば、トリガ信号が入力された時点から時間的に前方向に５０枚、後方向に５０枚分の画素信号が蓄積用ＣＣＤに残る。
【００２５】
一方、制御部１５はトリガ信号を受けた後、上記遅延フレーム数に相当する時間が経過した後に直ちに可動部１１３ｃが開放位置から閉鎖位置まで移動するようにシャッタ駆動部１２に指示を与え、シャッタ駆動部１２はシャッタ１１の駆動電圧部１１４に所定の電圧を印加する。可動部１１３ｃの移動に要する時間は一般に数μ秒〜数十μ秒程度のごく短時間であり、可動部１１３ｃが閉鎖位置に到達した以降は、図４（Ｂ）に示すように入射光は完全に遮蔽され、撮像素子１３の受光面には光が到達しない。したがって、撮像素子１３において画像の形成に必要な入射光を受けた後、不要になった入射光が撮像素子１３の受光面に当たる時間が短くて済む。それによって、撮像素子１３では不所望の電子の溢れ出しが発生することを防止できる。
【００２６】
撮像素子１３の蓄積用ＣＣＤに保持された画素信号は、撮影時の信号転送の停止の後の適宜の時点で順次読み出され、図示しないＡ／Ｄ変換器を通してデジタルデータに変換された後に一旦、メモリに格納される。そして、その後に、画像処理部において各フレームの画像に再構成される。上記のように撮像素子１３に画素信号が蓄積されている際に不所望の電子による汚染を受けないので、こうした要因による画質の劣化が生じることがない。
【００２７】
上記実施例のシャッタの構造は単に一例であって、適宜に変形することが可能である。例えば、図５に示すように、蓋体１１３を基板１１０の両面に設け、その両面の蓋体１１３の可動部１１３ｃが同期して同一方向に移動するようにしてもよい。これによれば、例えば何らかの原因によって一方の可動部１１３ｃの動作が遅れた場合、或いは動作しなかった場合でも、確実に光通過穴１１１の開放端面を掩蔽して遮光を行うことができる。また、蓋体１１３の保持構造や駆動方法なども上記記載に限るものでないことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるシャッタ装置を用いた高速撮影装置の要部の構成図。
【図２】本発明の一実施例であるシャッタ装置の上面図（Ａ）及び正面図（Ｂ）。
【図３】図２の上面図の一部拡大図。
【図４】図３中のＡ−Ａ’矢視線断面図。
【図５】本発明の他の実施例によるシャッタ装置の断面図。
【符号の説明】
１…高速撮影装置
１０…撮像レンズ
１１…シャッタ
１１０…基板
１１１…光通過用穴
１１２…絶縁層
１１３…蓋体
１１３ａ…固定部
１１３ｂ…ヒンジ部
１１３ｃ…可動部
１１３ｄ…微小蓋
１１３ｅ…静電力作用部
１１４…駆動電極部
１２…シャッタ素子駆動部
１３…画素周辺記録型撮像素子
１４…撮像素子駆動部
１５…制御部
【図１】
2005003928.tif 000003
【図２】
2005003928.tif 000004
【図３】
2005003928.tif 000005
【図４】
2005003928.tif 000006
【図５】
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