(57)【要約】【課題】撮影待機時の撮像素子でのノイズの蓄積を防止しつつ、その待機時の素子の発熱を抑えて長時間の撮影待機を可能とする。【解決手段】操作部１６から撮影開始指示が与えられると、タイミング制御部１７は蓄積用ＣＣＤ１３２を低速動作させるアイドリング運転を実施するように撮像素子１３を制御する。この状態では素子の発熱量は小さいので温度上昇は緩慢である。一方、光電変換部１３１の蓄積電荷は蓄積用ＣＣＤ１３２により順送りされるので、暗電流によるノイズの蓄積もない。外部センサ２からの検出信号によりトリガ信号生成部１８から撮影開始トリガが出されると、撮像素子１３で高速撮影動作を開始させ、蓄積用ＣＣＤ１３２に蓄積可能な所定フレーム数の画素信号が溜まると撮影を終了する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
取り込まれた被写体の光学像を光電変換し電気信号として出力する撮像手段を具備し、該撮像手段から出力された電気信号を撮影画像として処理する高速撮影装置であって、
a)撮影開始の指令を与えるトリガ信号を生成する開始トリガ生成手段と、
b)前記トリガ信号が与えられるまで後記撮影動作時よりも低速での動作を繰り返すアイドリング状態で待機し、前記トリガ信号が与えられると高速での撮影動作に移行するように前記撮像手段を駆動する撮影制御手段と、
を備えることを特徴とする高速撮影装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高速撮影装置であって、前記撮像手段は、所定のフレーム数分の電気信号を外部に出力することなく内部に蓄積する信号蓄積部を有し、前記撮影制御手段は、前記トリガ信号の入力に応じて撮影を開始してから前記所定のフレーム数の光学像に対応する電気信号を前記信号蓄積部に蓄積した時点で撮影を終了するべく前記撮像手段を制御することを特徴とする高速撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば破裂、爆発、燃焼、衝突、放電、或いは物体の高速移動といった通常の撮像装置では捉えることが困難である高速の現象を撮影するための高速撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば爆発、破壊、燃焼、衝突、放電などといった高速の現象を連続的に撮影するために、専用の高速撮影装置が従来より開発されている（例えば非特許文献１など）。この高速撮影装置では、最高で１００万フレーム／秒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、上記高速撮影装置には、例えば特許文献１などに記載のような特殊な構造の撮像素子が利用されている。
【０００３】
この撮像素子は画素周辺記録型撮像素子（ＩＳ−ＣＣＤ＝image storage-CCD）と呼ばれるものであり、光電変換部である各フォトダイオード毎にそれぞれ記録フレーム数（例えば１００フレーム程度）分の垂直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フレーム数分の信号電荷を順番に水平転送用ＣＣＤを通して読み出すことによって、画素信号を取得する。撮影中に記録フレーム数分を越えた信号電荷は廃棄され、常に最新の記録フレーム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、撮影終了時に蓄積用ＣＣＤでの信号転送を中止すれば、その時点から時間的に記録フレーム数分だけ遡った時点からの最新の所定フレーム数分の画像が得られることになる。
【０００４】
上述した撮像素子はきわめて高速の撮影が可能であるものの、その反面、大きな駆動電流を消費し、撮影動作時の発熱はかなり大きい。そのため、例えば最高撮影速度の１Mfpsでの高速撮影動作を連続して行うと、発熱のために素子が破壊されてしまう場合がある。こうしたことを避けるために、従来、素子温度をモニタして異常温度になったときに素子の駆動を停止する、或いは、高速撮影動作を行う連続時間（高速撮影許容時間）を制限するようにしている。
【０００５】
こうした高速撮影装置での被写体の特性上、例えば爆発等の或る現象が生起してその生起に対応したトリガ信号が得られた時点から短時間の範囲内で起こる変化を高速で撮影したい、というような場合がよくある。その場合、目的とする現象が起こるのを待つ必要があり、場合によってはその待機状態が長引くことがある。そうした場合に、上記のような高速撮影動作の状態で待機していると、その間に高速撮影許容時間が経過してしまって自動的に撮影待機状態が解除されてしまう場合があるという問題があった。
【０００６】
撮影待機時には撮像素子を駆動せず、トリガ信号が得られてから撮像素子が高速撮影動作を開始するように駆動を行うことも制御の上では可能である。しかしながら、一般的に、上記のような撮像素子では、暗電流に由来するノイズの蓄積が問題となるため、撮影開始時点から撮像素子の動作を開始させるのでは、十分なＳＮ比を確保するのが難しいという問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３４５４４１号公報
【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３０日発行、第６２巻、第１・２号、ｐ．７９−８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、撮影時の画像のＳＮ比を確保しつつ、高速撮影開始前の待機時間を長くすることができる高速撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明は、取り込まれた被写体の光学像を光電変換し電気信号として出力する撮像手段を具備し、該撮像手段から出力された電気信号を撮影画像として処理する高速撮影装置であって、
a)撮影開始の指令を与えるトリガ信号を生成する開始トリガ生成手段と、
b)前記トリガ信号が与えられるまで後記撮影動作時よりも低速での動作を繰り返すアイドリング状態で待機し、前記トリガ信号が与えられると高速での撮影動作に移行するように前記撮像手段を駆動する撮影制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１０】
本発明に係る高速撮像装置の一態様として、前記撮像手段は、所定のフレーム数分の電気信号を外部に出力することなく内部に蓄積する信号蓄積部を有し、前記撮影制御手段は、前記トリガ信号の入力に応じて撮影を開始してから前記所定のフレーム数の光学像に対応する電気信号を前記信号蓄積部に蓄積した時点で撮影を終了するべく前記撮像手段を制御することが好ましい。
【００１１】
上記開始トリガ生成手段は、被写体の変化を検出する別のセンサ、例えば振動センサ、位置センサ、光センサ、音センサなどによる検出信号を受けて、トリガ信号を生成するようにしてもよい。また、別の撮影装置で取得された画像信号を処理した結果に基づいて、例えばその画像上で特定の変化が生じたときにトリガ信号を生成するようにしてもよい。もちろん、オペレータによる手動操作に応じてトリガ信号を生成するようにしてもよい。
【００１２】
また、停止状態からアイドリング状態への移行は、例えばオペレータによる手動操作に応じて行うようにするとよい。
【００１３】
本発明に係る高速撮影装置を用いた撮影の作業手順の一例としては、撮影者はまず手動操作により装置を撮影待機状態にする。これにより、撮影制御手段は撮像手段をアイドリング状態で動作させる。撮像手段がＣＣＤによる信号転送を行う撮像素子である場合、上記アイドリング状態では、光電変換動作とそれにより得られた電気信号の信号転送が低速で繰り返し行われる。このとき、当然、撮像素子に駆動電流は供給されるが、低速動作であるため、高速での撮影動作時に比べれば発熱量はかなり少なく、長時間アイドリング状態を継続することが可能である。
【００１４】
そして、開始トリガ生成手段によりトリガ信号が生成されると、撮影制御手段は撮像手段の動作をアイドリング状態から予め設定された高速の撮影動作に切り替えて、実質的に光学像の撮影を開始する。この撮影開始の直前まで、アイドリング状態において光電変換動作と電気信号の転送動作とが繰り返し実施されるため、暗電流などに起因するノイズは蓄積されず、撮影開始直後から良好なＳＮ比の画像信号を得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る高速撮像装置によれば、撮影開始前の待機時には撮像手段の発熱が抑制されるので、撮影待機時間が長くなった場合でも過剰な発熱による素子の損傷を回避することができる。それによって、長時間の撮影待機を可能にすることができる。また、その撮影待機時にも撮像手段の基本的な動作は行われているため、暗電流などに起因するノイズの蓄積は問題とならず、高速撮影開始直後から高いＳＮ比の画像信号を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の一実施例である高速撮影装置について、図１〜図４を参照して詳細に説明する。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は本実施例の高速撮影装置の動作説明のための概略タイミング図、図３は本実施例の高速撮影装置を利用した撮影手順のフローチャートの一例を示す図、図４は本実施例の高速撮影装置における撮像素子の温度変化を模式的に示す図、である。
【００１７】
図１に示すように、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と、光学像を電気信号に変換する撮像素子（本発明における撮像手段に相当）１３と、撮影された電気信号（画素信号）を処理する画像処理部１４と、処理されたデータを保存する記憶部１５と、撮像素子１３に入射する光を遮蔽するシャッタ駆動部１２により駆動される機械式のシャッタ１１と、撮影者により操作される操作部１６と、撮影を実行するために各部を制御するべく種々の制御信号やクロック信号を供給するタイミング制御部（本発明における撮影制御手段に相当）１７と、撮影開始トリガを生成するトリガ信号生成部（本発明における開始トリガ生成手段に相当）１８と、を備える。トリガ信号生成部１８には、この高速撮影装置１とは別の外部センサ２による検出信号が入力される。また、記憶部１５に記憶された画像データは外部に出力されてモニタ３により再生される。
【００１８】
外部センサ２は、撮影対象である被写体の変化の端緒などを検出するものであれば特に限定されないが、例えば振動センサ、位置センサ、音センサ、光センサなどを用いるものとする。トリガ信号生成部１８は外部センサ２による検出信号又は操作部１６における所定の操作のいずれかに応じて撮影開始トリガを生成し、その撮影開始トリガをタイミング制御部１７に与える。タイミング制御部１７はＣＰＵや制御プログラムを格納したＲＯＭなどのほか、撮像素子１３などを動作させるのに必要な各種のクロック信号を生成する回路を含む。
【００１９】
撮像素子１３は前述した画素周辺記録型撮像素子（ＩＳ−ＣＣＤ）であり、二次元アレイ状に配列されたフォトダイオード等の光電変換部１３１と、光電変換により生成された電気信号を所定フレーム数（ここでは一例として１００フレームとする）分蓄積する蓄積用ＣＣＤ１３２と、蓄積用ＣＣＤに保持されている電気信号を順送りで読み出すための転送用ＣＣＤ１３３と、を含む。実際には、蓄積用ＣＣＤ１３２は垂直転送ＣＣＤの機能も持つため、蓄積用ＣＣＤ１３２と転送用ＣＣＤ１３３の一部は共通である。但し、撮像素子１３はこれに限るものではなく、１kfps程度以上の高速撮影が可能な撮像素子であればよい。
【００２０】
画像処理部１４はアンプやＡ／Ｄ変換器を含み、撮像素子１３から読み出されたアナログ画素信号を増幅して所定ビット数のデジタルデータに変換し、必要に応じてノイズ除去などの適宜のデータ処理を実施する。画像処理部１４により処理された画像データは所定フレーム数分の記憶領域を有する記憶部１５に格納され、さらに順番にモニタ３に出力される。
【００２１】
次に、本実施例の高速撮影装置１の特徴的な動作を説明する。撮影者はまず操作部１６から、撮影時の速度（フレームレート）等の撮影条件を設定する。設定可能な最も速いフレームレートは１Mfps（１００万コマ／秒）以上であり、通常の撮影装置に比べると遙かに高速である。撮影条件設定が終わると、撮影者はいつでも撮影を開始可能な状態にするために、操作部１６により撮影待機指示を与える（ステップＳ１でＹＥＳ）。タイミング制御部１７はこの指示を受けて、シャッタ１１を開放するようにシャッタ駆動部１２を制御するとともに、アイドリング運転を実行するように撮像素子１３を制御する（ステップＳ２）。
【００２２】
シャッタ１１が開放されると、撮像レンズ１０を通した光が撮像素子１３に入射する。本来、アイドリング運転時には入射光を遮蔽したいのであるが、シャッタ１１の開閉動作には高速撮影動作に比べると長い時間を要する（図２中のｄ；例えば３ms程度）。そのため、撮影開始トリガが入力されてからシャッタ１１を開放したのでは、露光開始が遅れて所望の撮影ができなくなる。そこで、ここでは撮影待機開始時点でシャッタ１１を開放するようにしている。
【００２３】
撮像素子１３にあって、アイドリング運転状態においては、蓄積用ＣＣＤ１３２は撮影時と同様に、光電変換部１３１により発生した電気信号（ダミーの画素信号）を順送りするように動作する。但し、転送用ＣＣＤ１３３の動作による撮像素子１３からの画素信号出力は実行されず、１００フレーム分の蓄積用ＣＣＤ１３２に保持できない電気信号は古い順に廃棄される。
【００２４】
上述のようにアイドリング運転状態では画素信号は不要でもあるに拘わらず蓄積用ＣＣＤ１３２で転送動作を実行するのは、光電変換部（フォトダイオード）１３１や素子上でフォトダイオードに近接して配置された蓄積用ＣＣＤなどに暗電流などに起因するノイズが蓄積することを防止するためである。このときの蓄積用ＣＣＤ１３２における転送動作の速度は、実際の撮影実行時の転送動作速度に比べて十分に遅い速度に設定される。例えば、実際の撮影実行時の転送速度が１００Mfpsである場合でも、アイドリング運転時の転送速度は３０fpsとしておく。これは、蓄積用ＣＣＤ１３２が１００Mfpsなどのような高速で動作すると発熱量が大きく、素子内温度の上昇が急でアイドリング運転の継続時間を長くすることができないためである。即ち、低い動作速度でアイドリング運転を実行することで、ノイズの蓄積を防止できるとともに、発熱量も抑えてアイドリング運転を長く続けることが可能となる。
【００２５】
この点を図４により補足的に説明する。いま、時刻０で撮影待機開始が指示され、アイドリング運転が開始されると、図４中のＡに示すように、比較的緩慢に撮像素子１３の温度（素子温度）は上昇する。一方、後述するように高速撮影動作が行われると、図４中のＢに示すように急峻に素子温度が上昇する。撮像素子１３が故障しない限界の温度がＴlimitであるとすると、撮影待機開始直後から高速撮影動作時と同等の動作速度でアイドリングを行うと、素子温度は短時間で限界温度Ｔlimitを超えてしまう。これに対し、低速動作でアイドリングを行うことで、撮影待機時間は長くなる。
【００２６】
もちろん、低速動作であっても撮像素子１３内の発熱を全く無視することはできないため、アイドリング運転の継続可能時間を予め決めておき、その継続可能時間が経過したならば（ステップＳ３でＹＥＳ）、タイミング制御部１７はアイドリング運転を一旦停止させるべく撮像素子１３を制御する（ステップＳ８）。図４において、撮影開始から撮影終了までの期間の温度上昇幅ΔＴが推定可能であるとすると、アイドリング運転の継続時間がt3を超えると、撮影実行時に素子温度が限界温度Ｔlimitを超えるおそれがある。そこで、上記継続可能時間をt3と定めておくことができる。もちろん、実際には周囲温度等の諸条件の相違を考慮する必要があるから、最も厳しい条件を考慮して継続可能時間を決めておくとよい。
【００２７】
ステップＳ３の所定時間t3が経過する前に、被写体に撮影すべき現象の端緒があり、これを外部センサ２が検出して検出信号がトリガ信号生成部１８に入力されると、トリガ信号生成部１８は撮影開始トリガを生成してタイミング制御部１７へと送る。タイミング制御部１７は撮影開始トリガがあることを認識すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、高速撮影運転を実行するべく撮像素子１３を駆動する（ステップＳ５）。高速撮影運転が開始されると（図４の時刻t1）、撮像素子１３では、光電変換部１３１で入射した光量に対応した電気信号が蓄積用ＣＣＤ１３２に順送りされ、撮影開始直後に最初に得られた電気信号が蓄積用ＣＣＤ１３２の最後段（１００段目）のＣＣＤに格納されたところで、つまり１００フレーム分の画素信号が得られたところで（ステップＳ６でＹＥＳ）、撮影が終了される（図４の時刻t2）。また、撮影終了と同時に、シャッタ駆動部１２によりシャッタ１１が閉鎖するように制御される（ステップＳ７）。
【００２８】
撮影が終了した後に、タイミング制御部１７は、撮像素子１３において転送用ＣＣＤ１３３を駆動し、蓄積用ＣＣＤ１３２に保持された１００フレーム分の画素信号を順に読み出し、画像処理部１４に転送する（ステップＳ８）。この信号読み出しは低速でしか行えないので、１００フレーム分の画像信号を読み出すには或る程度の時間が掛かる。一方、シャッタ１１の閉鎖動作もそれほど高速では行われず、信号読み出し中にシャッタ１１は閉じるが、これによって撮像素子１３への入射光を遮蔽して該素子１３内でのノイズの増加を防止することができる。
【００２９】
画像処理部１４では、撮像素子１３から順に読み出された画素信号がデジタルデータに変換され、さらに適宜にデータ処理されて記憶部１５に保存される。撮影者が操作部１６から所定の操作を行うと、記憶部１５から画像データが読み出されてモニタ３に送られ、高速撮影した１００フレーム分の画像をスローモーション再生することができる。
【００３０】
上記実施例では、アイドリング運転の開始からの時間経過のみでアイドリング運転の停止を行うようにしていたが、温度センサにより撮像素子の温度を検出し、温度が所定値以上になったときにアイドリング運転を一旦停止するような制御を併用してもよい。
【００３１】
上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜修正、変形、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施例による高速撮影装置の要部の構成図。
【図２】本実施例の高速撮影装置の動作説明のための概略タイミング図。
【図３】本実施例の高速撮影装置を利用した撮影手順のフローチャートの一例を示す図。
【図４】本実施例の高速撮影装置における撮像素子の温度変化を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１…高速撮影装置
１０…撮像レンズ
１１…シャッタ
１２…シャッタ駆動部
１３…撮像素子
１３１…光電変換部
１３２…蓄積用ＣＣＤ
１３３…転送用ＣＣＤ
１４…画像処理部
１５…記憶部
１６…操作部
１７…タイミング制御部
１８…トリガ信号生成部
２…外部センサ
３…モニタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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