(57)【要約】【課題】撮影終了時に撮像素子への光の入射を直ちに禁止することで、画素周辺記録型の撮像素子でも電子の溢れ出しを回避し、画質の劣化を防止する。【解決手段】撮像素子１３の受光面の手前の光路上にマイクロミラー素子１１を挿入し、駆動部１２から印加する電圧により２次元アレイ状に配置された各マイクロミラーの反射面１１ａの角度を振るように制御することで、撮影時には撮像素子１３の受光面へ被写体から到来した光を導入し、撮影終了時にはその光が受光面から外れるようにする。マイクロミラー素子１１では機械的なシャッタ機構に比べて格段に高速で反射面１１ａを駆動できるので、きわめて高速なシャッタが実現できる。【選択図】  図１
2005005975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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において、
ａ）前記撮像素子の受光面の手前の光路上に挿入され、前記入射光を反射する反射面を有するアレイ状のマイクロミラーから成る光反射手段と、
ｂ）前記反射面で反射させた入射光を前記撮像素子の受光面に照射する撮影モードと、該反射面で反射させた入射光を前記撮像素子の受光面の範囲外に照射する遮光モードとを切り替えるように前記反射面の傾斜角を制御するべく前記光反射手段の各マイクロミラーを駆動する駆動手段と、
を備える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影装置に関する。
【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、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を備え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本発明は、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において、
ａ）前記撮像素子の受光面の手前の光路上に挿入され、前記入射光を反射する反射面を有するアレイ状のマイクロミラーから成る光反射手段と、
ｂ）前記反射面で反射させた入射光を前記撮像素子の受光面に照射する撮影モードと、該反射面で反射させた入射光を前記撮像素子の受光面の範囲外に照射する遮光モードとを切り替えるように前記反射面の傾斜角を制御するべく前記光反射手段の各マイクロミラーを駆動する駆動手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００９】
周知のようにマイクロミラー（又はＭＥＭＳミラーなどと呼ばれることもあるある）はマイクロマシン（ＭＥＭＳ＝Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）の一つであり、微細なミラーをアレイ状に多数配列して反射面を構成している。こうしたマイクロミラーは、これまで一般には液晶プロジェクタの光走査用デバイスや光通信のための光スイッチデバイスとして利用されているが、本発明に係る撮影装置では、撮像素子への入射光を遮断するためのシャッタとして利用する。
【００１０】
すなわち、撮影時には駆動手段は撮影モードとなるようにマイクロミラーの反射面の傾斜角を設定し、必要な撮影が終了すると撮影モードから遮光モードへと速やかに切り替える。この切替えは各マイクロミラーを所定角度（通常大きくても１０°程度の比較的小さな角度）だけ振ることにより達成されるので、数μ秒〜数十μ秒程度のごく短時間での切替えが可能である。
【００１１】
したがって、本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。
【００１２】
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。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例である高速撮影装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１は本実施例による高速撮影装置の要部の構成図、図２はこの高速撮影装置におけるシャッタの動作原理の説明図である。
【００１４】
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マイクロミラー素子１１、マイクロミラー素子１１を駆動するべく電圧を印加するマイクロミラー素子駆動部１２、二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、マイクロミラー素子駆動部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。
【００１５】
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。一方、マイクロミラー素子１１は多数のマイクロミラーが２次元アレイ状に配列された構成を有し、各マイクロミラーでは、ヒンジ部１１ｂを中心にして反射面１１ａが揺動自在となっている。反射面１１ａの揺動動作は各マイクロミラーに対応して基板１１ｃ上に形成されたヨークを含む電気回路によって達成され、外部から印加される電圧に応じて各マイクロミラーの反射面１１ａの傾斜角が変化する。マイクロミラー素子１１として具体的には、テキサス・インスツルメンツ社が開発したデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ：登録商標）などを利用することができるが、ここで利用できるマイクロミラー素子１１はこれに限るものではなく、その反射面１１ａの駆動方式は特に限定しない。
【００１６】
図２において、マイクロミラー素子１１に２次元アレイ状に配置された各反射面１１ａが実線で示す位置（これを「撮影位置」という）にあるとき、この反射面１１ａで反射された光はその全てが撮像素子の受光面１３ａに照射される。このとき、入射光に対する各反射面１１ａの傾斜角度は４５°である。一方、反射面１１ａがそれぞれ上記撮影位置から角度θだけ振られて図２中で点線で示す位置（これを「遮光位置」という）にきたとき、各反射面１１ａで反射された光はその全てが撮像素子の受光面１３ａを逸脱する。つまり、撮像素子の受光面１３ａに対する入射光が完全に遮蔽されたことになり、機械的なシャッタが完全に閉鎖したのと同じことである。
【００１７】
このときの遮光の条件は、図２に示すように撮像素子の受光面１３ａの端部に反射光を送るマイクロミラー素子１１の反射面１１ａと撮像素子の受光面１３ａとの最短離間距離をＬ、撮像素子の受光面１３ａの幅をＤとしたとき、
Ｌ≧Ｄ／ｔａｎ  θ
である。通常、角度θの上限はマイクロミラー素子１１の特性で決まっており、例えば最大振れ角が１０°であって、Ｄが３ｍｍである場合には、上記式より、最短離間距離Ｌを約１７ｍｍ以上とするように光学的配置を決める必要がある。但し、入射光に対し撮影位置にある各反射面１１ａの傾斜角度を４５°とするのは一例であり、それ以外の角度に設定してもよく、その場合には上記遮光条件は適宜変わる。したがって、入射光に対するマイクロミラー素子１１及び撮像素子１３の配置は適宜に決めることができる。また、マイクロミラー素子１１の各マイクロミラーの反射面１１ａはそれぞれ独立に揺動自在であるから、必ずしも全ての反射面１１ａを上記最大振れ角で以て振る必要はなく、少なくとも反射光が受光面１３ａから逸脱するような角度分だけそれぞれの反射面１１ａを傾斜しさえすればよい。
【００１８】
次に、上記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、マイクロミラー素子駆動部１２は反射面１１ａが撮影位置にあるようにマイクロミラー素子１１を駆動する。したがって、時間の経過に伴い、撮像素子１３内部の蓄積用ＣＣＤには常に最新の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。
【００１９】
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反射面１１ａが撮影位置から遮光位置に切り替わるようにマイクロミラー素子駆動部１２を制御する。この切替えに要する時間はマイクロミラー素子の特性や反射面１１ａの振り角度などにも依るが、一般には数μ秒〜数十μ秒程度のごく短時間である。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。
【００２０】
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。
【００２１】
なお、上記実施例は一例であって、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である高速撮影装置の要部の構成図。
【図２】本高速撮影装置におけるシャッタの動作の原理説明図。
【符号の説明】
１…高速撮影装置
１０…撮像レンズ
１１…マイクロミラー素子
１１ａ…反射面
１１ｂ…ヒンジ部
１１ｃ…基板
１２…マイクロミラー素子駆動部
１３…画素周辺記録型撮像素子
１３ａ…受光面
１４…撮像素子駆動部
１５…制御部
【図１】
2005005975.tif 000003
【図２】
2005005975.tif 000004