撮像システム
【課題】多様性に富んだ撮像条件のもとでストロボ光源による高速撮像に対応した撮像システムを提供すること。
【解決手段】撮像デバイスに画素周辺記録型撮像素子を用いたカメラ１にＬＥＤ投光器２-１〜２-ｎからなるストロボ光源を組み合わせ、これらＬＥＤ投光器２-１〜２-ｎをＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４により、前記画素周辺記録型撮像素子のフレーム期間を周期として予め設定してあるパターンに従って個別に又は複数個ずつ発光させるようにし、被写体の照明状態が任意に変更できるようにしたもの。
【解決手段】撮像デバイスに画素周辺記録型撮像素子を用いたカメラ１にＬＥＤ投光器２-１〜２-ｎからなるストロボ光源を組み合わせ、これらＬＥＤ投光器２-１〜２-ｎをＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４により、前記画素周辺記録型撮像素子のフレーム期間を周期として予め設定してあるパターンに従って個別に又は複数個ずつ発光させるようにし、被写体の照明状態が任意に変更できるようにしたもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像デバイスに画素周辺記録型撮像素子を用いた撮像システムに係り、特に、ストロボ光源を用いて高速撮像に対応した撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、爆発、燃焼、破壊、弾丸の発射状況や飛翔状況など、状態が短時間の間に大きく変化する現象、いわゆる高速現象を伴う被写体は、そのまま肉眼で観察しても像として捉えることは殆どできず、従って、現象の分析が極めて困難であり、このためには、例えば１フレームの撮像時間が１μ秒以下という高速度で被写体を撮像する必要がある。
【０００３】
しかしながら、従来から用いられている通常のＣＣＤ固体撮像デバイスによっては、このような高速度の撮像に対応するのは困難であった。
【０００４】
しかし、近年、ＩＳＩＳ(In-situStorage Image Sensor：画素周辺記録型撮像素子)と称されるＣＣＤ固体撮像デバイス、いわゆるＩＳＩＳ−ＣＣＤが実用化され、これによれば、高速度の撮像にも容易に対応できるようになっている(例えば特許文献１などを参照)。
【０００５】
また、近年は、ＬＥＤ(発光ダイオード)の性能向上も著しく、この結果、ＬＥＤランプによれば、高効率で、例えば１ＫＷのキセノン放電ランプと同等の光量が半分以下の消費電力で実現でき、且つ長寿命で応答性にも優れ、極めて幅の狭いパルス状の光でも制御性よく発生させることができる光源が容易に得られる。
【０００６】
そこで、このＬＥＤをストロボ光源として用い、光サンプリングより高速度撮像を可能にしたＩＳＩＳ−ＣＣＤ撮像装置が従来から知られているが、このとき、ストロボ光源となるＬＥＤを、撮像フレーム毎にパルス状に発光させることにより高速度撮像に対応している。
【０００７】
この場合、発光パルスの幅(閃光時間)が各撮像フレームにおける露光時間となり、従って、ここでパルス幅を１μ秒にすれば、各撮像フレームにおける露光時間は１μ秒になり、フレームレートが１００万ｆｐｓ(フレーム／毎秒)の画像が、このとき用いたＩＳＩＳ−ＣＣＤの撮像フレーム数分、例えば１４４フレーム分、得られることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２２６４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来技術は、ストロボ光源として用いたＬＥＤの発光量制御に配慮がされておらず、撮像条件の選択に自由度が少ないという問題があった。
【００１０】
高速度撮像におけるフレームレートは、ユーザが撮像装置の性能範囲内で任意に決定できる。
【００１１】
しかしながら、高速度撮像にストロボ光源を用いた場合、被写体を含む画像の照度は、ストロボ光源の発光量(パルス発光１回当りの光量)により、フレームレートに関係なく決まる。
【００１２】
従って、ストロボ光源の発光量が一定で変えられない場合は、被写体の撮像条件を決めるパラメータとしてはフレームレートしかなく、このため従来技術は、撮像条件の選択に自由度が少ないという問題が生じてしまうのである。
【００１３】
本発明の目的は、多様な撮像条件のもとで、ストロボ光源による高速撮像に対応した撮像システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明においては、撮像デバイスに画素周辺記録型撮像素子を用いたカメラにストロボ光源を組み合わせて高速撮像に対応した撮像システムにおいて、前記ストロボ光源を少なくとも２台のＬＥＤ投光器で構成し、これら少なくとも２台のＬＥＤ投光器を、前記画素周辺記録型撮像素子のフレーム期間を周期として予め設定してあるパターンに従って個別に又は複数個ずつ発光させる制御手段が設けられ、前記予め設定してあるパターンの変更により前記ストロボ光源による被写体の照明状態が任意に変更できるようにする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、ストロボ光源の発光量を各撮像フレームで同じにしたり、撮像フレーム毎に変化させたりできる。
【００１６】
この結果、本発明によれば、被写体の状態変化を同一の照度のもとでも、異なった照度のもとでも、任意の明るさの画像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による撮像システムの一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるカメラの説明図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるＬＥＤ投光器とフレームアウトコントロールユニット及び調光ユニットの説明図である。
【図４】本発明の他の一実施形態におけるＬＥＤ投光器とフレームアウトコントロールユニット及び調光ユニットの説明図である。
【図５】本発明の実施形態１の動作説明用タイミング図である。
【図６】本発明の実施形態２の動作説明用タイミング図である。
【図７】本発明の実施形態３の動作説明用タイミング図である。
【図８】本発明の実施形態３の別の例の動作説明用タイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る撮像システムについて、図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る撮像システムの一実施の形態で、この実施形態は、カメラ１とＬＥＤ投光器２ａ〜２ｎ、Ｒec／トリガユニット３、Ｆrame Ｏut Ｃontrol(フレームアウトコントロール)ユニット４、それに調光ユニット５を備えている。
【００２０】
そこで、まず、カメラ１は、図２に示されているように、カメラヘッド１０とＣＣＵ２０を備え、これらをカメラケーブル３０で接続したものである。ここで、ＣＣＵとはカメラ・コントロール・ユニット(カメラ制御ユニット：信号処理部)のことである。
【００２１】
そして、まず、カメラヘッド１０は、撮像用のレンズ及びメカシャッタ(機械式シャッタ)を備えた光学部１０Ａと、ＩＳＩＳ−ＣＣＤ及びその駆動部であるＣＣＤドライバを備えた撮像部１０Ｂ、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling)をＮ個(例えば８個)備えたＣＤＳ部１０Ｃ、それにＣＣＤドライバによるＩＳＩＳ−ＣＣＤの制御に必要な駆動パルスと転送パルス、それにＦrame Ｏut(フレームアウト)信号などを生成するＴＧ部１０Ｄの４ブロックで構成されている。
【００２２】
ここで光学部１０Ａのメカシャッタは、高速で撮像した信号電荷を外部に出力するまでの間遮光して入射光による影響を回避するためのものであり、通常開かれている。
【００２３】
高速撮像時、ＩＳＩＳ−ＣＣＤとしては、例えば撮像フレーム数が１４４フレームのものが用いられ、このＩＳＩＳ−ＣＣＤによる画像データの読み出しは、詳しくは後述するが、一般的なＣＣＤの場合とは異なっている。
【００２４】
ＩＳＩＳ−ＣＣＤから読み出された画像データは、８並列に分割され、ＣＤＳ部１０Ｃの８個のＣＤＳにより相関二重サンプリングが施された上でカメラケーブル３０を介してＣＣＵ２０に伝送される。
【００２５】
このときカメラヘッド１０のＴＧ部１０Ｄは、プログラミングが可能なＬＳＩデバイスであるＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)により構成されていて、Ｒec／トリガユニット３から入力されるＲ／Ｔ信号に応じて駆動パルスを生成し、これを撮像部１０ＢのＣＣＤドライバに供給する。これにより光学部１０Ａのメカシャッタが開かれた後、ＩＳＩＳ−ＣＣＤが動作し、画像蓄積と画像データの読み出しが可能になる。
【００２６】
また、この駆動パルスはカメラケーブル３０を介してＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４にＦrame Ｏut 信号として供給される。
【００２７】
そこで、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４は、このＦrame Ｏut 信号を使用し、後述するように発光制御を行う。
【００２８】
次に、ＣＣＵ２０は、Ａ／Ｄ(アナログデジタル変換器)をｎ個(例えば８個)備えたＡＤＣ部２０Ａと、２個のＦＰＧＡと複数個(例えば８個)のＤＰＲＡＭ(Dual Port ＲＡＭ)及びＳＤＲＡＭ(Synchronous ＤＲＡＭ)とＦＩＦＯバッファを備えたソート・フォーマット変換部２０Ｂ、ＲＧＢ(ＲＧＢ信号復調部)とガンマ補正部及び輪郭強調部を備えたプロセス部２０Ｃ、それにＹ／Ｃマトリクス部からなる出力部２０Ｄの４ブロックで構成されている。
【００２９】
そこで、カメラヘッド１０からＣＣＵ２０に供給された画像データは、ＡＤＣ部２０Ａに入力され、ここで、Ａ／Ｄによりデジタルデータに変換された上でソート・フォーマット変換部２０Ｂに入力される。
【００３０】
このときカメラヘッド１０から供給される画像データは、上記したように、８並列に分割され、撮像部１０ＢからＣＤＳ部１０Ｃの８個のＣＤＳにより相関二重サンプリングが施されている。そこで、このＡＤＣ部２０Ａも８個のＡ／Ｄを備え、８並列の画像データをデジタルデータに変換してソート・フォーマット変換部２０Ｂに入力する。
【００３１】
このソート・フォーマット変換部２０Ｂでは、ＡＤＣ部２０ＡのＡ／Ｄでデジタルデータに変換された映像信号をＦＰＧＡにより８個のＤＰＲＡＭに書き込み、撮影イメージに合わせて読み出すことにより並び替えを行い、ＳＤＲＡＭ上に各フレームの映像情報として格納し、所望のタイミングで所望の順序に従って読出し、プロセス部２０Ｃに入力する。
【００３２】
プロセス部２０Ｃでは、ＲＧＢ処理して入力されたデータからＲＧＢ信号を復調し、ガンマ補正と輪郭強調などの処理を施し、出力部２０ＤのＹ／ＣマトリクスによりＮＴＳＣ信号に変換し、それを出力するのである。
【００３３】
図１に戻り、ｎ台のＬＥＤ投光器２-１、２-２、２-３〜２-ｎは、被写体にストロボ光を照射するための光源として設けられたもので、図３の実施形態の場合は、４個(図示したのは２個だけ)の並列接続した白色ＬＥＤを備え、図４の実施形態の場合は１個の大出力白色ＬＥＤを備え、これに所望の反射器を設けることにより投光器として構成したもので、各々が単独で、或いは同時にパルス発光動作し、被写体に所望のパルス幅で所望の光量のパルス光を所望のタイミングで照射し、これによりストロボ撮像が得られるようにする。
【００３４】
次に、Ｒec／トリガユニット３は、撮像部１０ＢのＩＳＩＳ−ＣＣＤによる録画動作(画素電荷の蓄積転送動作)を開始させるためのＲec 信号を発生する手段と、録画動作終了後にＩＳＩＳ−ＣＣＤの画素電荷を読み出して画像データとするためのトリガ信号を発生する手段とを備えたユニットである。ここで、まず、Ｒec 信号とは、被写体に撮像対象となる高速現象が発現する前の所望のタイミングで発生される信号のことであり、トリガ信号とは、対象となる被写体に高速現象が発現したタイミング、又は発現入力から僅かに遅れたタイミングで発生される信号のことである。
【００３５】
Ｒec／トリガユニット３は、例えば撮像対象となる高速現象が爆発の場合は、当該爆発をもたらす爆薬のフューズに点火した時点でＲec 信号を発生させるスイッチ(例えば押しボタンスイッチ)や、前記爆薬による爆発が発現したことを検知するセンサ、例えば気圧センサ、音響センサ、光センサ(又はそれに所望の遅延を与える回路を接続したもの)などのトリガ信号を発生する手段である。
【００３６】
そして、このことの当然の結果として、トリガ信号は、Ｒec 信号が発生した後で発生されることになる。
【００３７】
次に、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４は、各フレーム期間において、ｎ個設けられているＬＥＤ投光器２-１、２-２、２-３〜２-ｎの何れを発光させるのか選択する働きをするもので、このためカメラ１からＦrame Ｏut 信号を入力し、図３の実施形態の場合は、図示のように、ｎ個のＭＯＳＦＥＴからなる高速スイッチング素子Ｑ１〜Ｑｎを用い、図４の実施形態の場合は、図示のように、ｎ個の、例えば７４ＡＣ０４として知られている高速高出力論理バッファＩＣ１〜ＩＣｎを用い、これらを複数のフレーム期間において所望の周期的なパターンに従って交互に、或いは同時にＯＮ／ＯＦＦできるように構成してある。
【００３８】
このため、このＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４には、図示していない発光パターン制御手段が備えられ、これによりスイッチング素子Ｑ１〜Ｑｎ(図３の場合)、又はＩＣ１〜ＩＣｎ(図４の場合)が所望のパターンに従ってＯＮ／ＯＦＦ制御されるように構成されている。
【００３９】
そして、このときの所望のパターンについては、これも図示していない入力設定手段により、予め人為的に設定できるようにしてある。
【００４０】
なお、このときの所望のパターンについては後述するが、ここで前述の発光パターン制御手段については、例えばＦＰＧＡに所望のプログラムを搭載したものを用い、これにマンマシーンインターフェースとしてキーボードなどの入力機器を接続してやればよい。
【００４１】
最後に調光ユニット５は、＋１６Ｖの電源ＶＨ(図３の場合)、又は＋５Ｖの電源Ｖcc (図４の場合)から給電されているｎ個の定電流源Ｉcc １〜Ｉcc ｎを備えたもので、これにより、ＬＥＤ投光器２-１〜２-ｎの夫々に、各々の仕様で決められている電流値の定電流を供給する働きをする。
【００４２】
次に、この実施形態の動作について、図５のタイミングチャートを用いて説明する。
【００４３】
いま、メカシャッタを開いた後の或る時点ｔ1 において、Ｒec／トリガユニット３からＲec 信号がカメラ１に入力されたとする。
【００４４】
そうすると、この時点ｔ1 でＴＧ部１０Ｄから駆動パルスが出力され、この結果、カメラの録画が開始される。
【００４５】
このカメラの録画においては、ＩＳＩＳ−ＣＣＤの各画素の電荷が、当該ＩＳＩＳ−ＣＣＤの各画素に直結された１４４段のメモリの最初のセルから駆動パルス毎に順次、バケツリレー式に次のセルに転送されてゆき、１４４フレーム分の全てメモリのセルに電荷が記憶された後は、最後のセルから電荷が順次押し出され、ＩＳＩＳ−ＣＣＤ内のＦＤＡを経由して外部に出力される。
【００４６】
この動作は、Ｒec 信号が入力されてからトリガ信号が入力されるまで繰り返えされ、これによりトリガ信号が入力されるまで常時、ＩＳＩＳ−ＣＣＤの１４４段あるメモリは、順次、記憶内容が更新されていることになる。
【００４７】
このときの駆動パルスは、図５に示すように、矩形波の繰り返しからなるパルスで、その周波数とパルス幅はカメラ１に設定されたフレームレートによって決まる。
【００４８】
例えばフレームレートが１０００ｆｐｓに設定された場合は周波数が１ｋＨｚでパルス幅は１／２ｍＳになり、１００万ｆｐｓに設定したときは１ＭＨｚと１／２μＳになる。
【００４９】
そこで、いま、一例として、カメラ１のフレームレートを１００万ｆｐｓに設定したとすると、駆動パルスの周波数は１ＭＨｚになり、パルス幅は１μＳになる。
【００５０】
そして、この駆動パルスは、上記したように、ＩＳＩＳ−ＣＣＤの録画に使用されるが、この実施形態においては、更にＦrame Ｏut 信号として、カメラ１からＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４に入力され、ＬＥＤ投光器２−１〜２−ｎの発光制御に使用される。なお、この発光制御についての詳細は後述する。
【００５１】
次に、時点ｔ1 の後の或る時点ｔN で、今度はＲec／トリガユニット３からトリガ信号がカメラ１に入力されたとする。
【００５２】
そうすると、この時点ｔN でＴＧ部１０Ｄは駆動パルスの発生を停止し、この結果、ＩＳＩＳ−ＣＣＤの録画がこの時点ｔN で停止される。
【００５３】
そこで、このときＩＳＩＳ−ＣＣＤの１４４段のメモリに蓄積されていた電荷は、そのまま１４４フレームの画像データとして保持される。
【００５４】
従って、この１４４フレームの画像データについては、読出パルスをＩＳＩＳ−ＣＣＤの１４４段のメモリに供給してやれば、取り出すことができる。
【００５５】
このとき時点ｔN 以降の任意の時点において、図示のように、トリガ信号が入力される時点ｔN 以前の１４４フレームから時点ｔN 以後の１４４フレームまでの間で任意のフレームを選択して出力することができ、この結果、高速度撮像による被写体の画像をデータとして得ることができる。
【００５６】
＜実施形態１＞
次に、このときのＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４によるＬＥＤ投光器２-１〜２-ｎの発光制御について説明する。
【００５７】
ここで、まず、この実施形態においては、ＬＥＤ投光器２-ｎのｎを４としている。つまり、４台のＬＥＤ投光器２-１〜２-４を用いている。
【００５８】
そして、これら４台のＬＥＤ投光器をＦrame Ｏut 信号の各パルスにより１個ずつ順番に、Ｆrame Ｏut 信号の４個のパルスを周期としてサイクリックに繰り返すパターンに従って発光させるようにしてある。
【００５９】
そして、このため、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４内の発光パターン制御手段には、上記のパターンによる４台のＬＥＤ投光器２-１〜２-４の発光制御に必要なプログラムが格納してある。
【００６０】
図５により詳しく説明すると、まず、時点ｔ1 でＦrame Ｏut 信号が発生され、この時点ｔ1 でＦrame Ｏut 信号の最初のパルス、つまり１番目のパルスが現れる。
【００６１】
そこで、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４内の発光パターン制御手段は、まず、この１番目のパルスに同期して発光パルスＬＥＤ１を生成する。
【００６２】
次に、Ｆrame Ｏut 信号の２番目のパルスが発生した時点ｔ2 では発光パルスＬＥＤ２を生成し、次いで、３番目のパルスが発生した時点ｔ3 では発光パルスＬＥＤ３を生成し、更に、４番目のパルスが発生した時点ｔ4 では発光パルスＬＥＤ４を生成する。
【００６３】
そして、この４番目のパルスが発生した時点ｔ4 以後は、次の時点ｔ5 で再び発光パルスＬＥＤ１から発光パルスＬＥＤ４までの生成に戻り、この動作をＦrame Ｏut 信号が消滅する時点ｔN まで順次繰り返すのである。
【００６４】
このときに生成された発光パルスＬＥＤ１〜発光パルスＬＥＤ４は、それぞれＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑｎ(図３の場合、但しｎ＝４)、又はＩＣ１〜ＩＣｎ(図４の場合、同じくｎ＝４)に供給される。この結果、４台のＬＥＤ投光器２-１〜２-４が、上記した発光パターン、すなわち４台のＬＥＤ投光器２-１〜２-４をＦrame Ｏut 信号の各パルス毎に１個ずつ、順番に発光するという発光パターンにより発光し、被写体にストロボ光を照射することになる。
【００６５】
従って、この実施形態によれば、４台のＬＥＤ投光器２-１〜２-４がフレーム毎に１個ずつサイクリックに発光することになり、各フレームで均等な光量によるストロボ照明を与えらることができる。
【００６６】
ここで、このときのＬＥＤ投光器２-１〜２-４の各々による光量は、図３の実施形態の場合、＋１６Ｖの電源ＶＨから給電される４個の白色ＬＥＤによる光量となり、図４の実施形態の場合は、＋５Ｖの電源ＶCC から給電される１個の白色ＬＥＤによる光量となるので、図３の実施形態の場合、図４の実施形態の４倍の光量になる。
【００６７】
従って、この実施形態によれば、この１倍と４倍の範囲で任意の光量によるストロボ照明が各フレームで均等に得られることになり、この結果、被写体の状態変化を同一の照度のもとで映像化することができる。
【００６８】
また、この実施形態の場合、４台のＬＥＤ投光器２-１〜２-４が用いられているため、被写体に対する光の照射方向をＬＥＤ投光器の設置状態に応じて変えることができ、一方向からの照明に限らず、シルエット照明や斜め方向照明などによる撮像が任意に選択できるので、高速現象の解析の自由度を高めることができる。
【００６９】
＜実施形態２＞
次に、本発明の他の実施形態の動作について、図６のタイミングチャートにより説明する。
【００７０】
ここで、まず、この実施形態２では、ＬＥＤ投光器２-ｎのｎを７とし、７台のＬＥＤ投光器２-１〜２-７を用いたものであり、その他の構成は上記した実施形態１の場合と同じである。
【００７１】
そして、これら７台のＬＥＤ投光器の中で、まず、ＬＥＤ投光器２-１は、Ｆrame Ｏut 信号の第１番目のパルスと第５番目のパルスにより発光させ、次に、ＬＥＤ投光器２-２とＬＥＤ投光器２-５は、対をなしてＦrame Ｏut 信号の第２番目のパルスにより発光させ、更に、ＬＥＤ投光器２-３とＬＥＤ投光器２-６及びＬＥＤ投光器２-７は、３個一緒になってＦrame Ｏut 信号の第３番目のパルスにより発光させ、ＬＥＤ投光器２-４は、Ｆrame Ｏut 信号の第４番目のパルスにより発光させ、これらの発光を、Ｆrame Ｏut 信号の４個のパルスを周期としてサイクリックに繰り返すパターンにしてある。
【００７２】
このため、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４内の発光パターン制御手段には、上記のパターンによる７台のＬＥＤ投光器２-１〜２-７の発光制御に必要なプログラムが格納してある。
【００７３】
図６により詳しく説明すると、まず、時点ｔ1 でＦrame Ｏut 信号が発生され、この時点ｔ1 でＦrame Ｏut 信号の最初のパルス、つまり１番目のパルスが現れる。
【００７４】
そこで、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４内の発光パターン制御手段は、まず、この１番目のパルスに同期して発光パルスＬＥＤ１を生成する。
【００７５】
次に、Ｆrame Ｏut 信号の２番目のパルスが発生した時点ｔ2 では発光パルスＬＥＤ２と発光パルスＬＥＤ５を生成し、次いで、３番目のパルスが発生した時点ｔ3 では発光パルスＬＥＤ３と発光パルスＬＥＤ６及び発光パルスＬＥＤ７を生成し、更に、４番目のパルスが発生した時点ｔ4 では発光パルスＬＥＤ４を生成する。
【００７６】
そして、この４番目のパルスが発生した時点ｔ4 以後は、次の時点ｔ5 で再び上記した発光パルスＬＥＤ１から発光パルスＬＥＤ７までの生成に戻り、この動作をＦrame Ｏut 信号が消滅する時点ｔN まで順次繰り返す。
【００７７】
こうして生成された発光パルスＬＥＤ１〜発光パルスＬＥＤ７は、それぞれＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑｎ(但し図３の場合、ｎ＝７)、又はＩＣ１〜ＩＣｎ(図４の場合、同じくｎ＝７)に供給され、この結果、７台のＬＥＤ投光器２-１〜２-７が、上記した発光パターンにより発光し、被写体にストロボ光を照射することになる。
【００７８】
従って、この実施形態２によれば、７台のＬＥＤ投光器２-１〜２-７がフレーム毎に異なった台数でサイクリックに発光することになり、この結果、各フレームで任意に設定した台数のＬＥＤ投光器により、各々異なった光量によるストロボ照明が与えられるので、多様な明るさの画像を取得することができ、高速現象の解析の自由度を高めることができる。
【００７９】
また、このときのＬＥＤ投光器２-１〜２-７の各々による光量は、図３の場合、＋１６Ｖの電源ＶＨから給電される４個の白色ＬＥＤによる光量となり、図４の場合は、＋５Ｖの電源ＶCC から給電される１個の白色ＬＥＤによる光量となるので、図３の場合、図４の４倍の光量になる。
【００８０】
従って、この実施形態２によれば、この１倍と４倍の範囲で任意の光量によるストロボ照明が各々のフレーム毎に異なって得られることになり、この結果、被写体の状態変化を異なった照度のもとで映像化することができる。
【００８１】
また、この実施形態２の場合も複数台、つまり７台のＬＥＤ投光器２-１〜２-７が用いられているため、被写体に対する光の照射方向がＬＥＤ投光器の設置状態に応じて変えることができ、一方向からの照明に限らず、シルエット照明や斜め方向照明などによる撮像が任意に選択できるので、高速現象の解析の自由度を高めることができる。
【００８２】
＜実施形態３＞
ここで、以上に説明した実施形態においては、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４から出力される発光パルスＬＥＤ１〜ＬＥＤｎのパルス幅は、何れの場合も一定で、Ｆrame Ｏut 信号と同じになるようにしてあるため、ＬＥＤ投光器２-１〜２-ｎにより発光されるストロボ光のパルス幅もＦrame Ｏut 信号と同じ幅になる筈であるが、実際には多少広くなってしまう。
【００８３】
これはＬＥＤにＴurn-off(ターンオフ)遅延特性があるためである。
【００８４】
ところで、ストロボ光のサンプリング機能による高速変化状態の写し止め撮像(高速移動体を撮像する際に、シャッタースピードを速くして、フレのない画像を撮像する手法)においては、画像のズレがストロボ光のパルス幅に依存し、パルス幅を狭くすればズレが減少するので分解能が向上する。
【００８５】
そこで、以下、ＬＥＤ投光器２-１〜２-ｎによるストロボ光のパルス幅をＦrame Ｏut 信号のパルス幅よりも狭くできるようにした実施形態について説明する。
【００８６】
まず、図７は、図５により説明した実施形態をベースにした実施形態３のタイミングチャートであり、この場合、図示のように、図５のタイミングチャートにおけるＦrame Ｏut 信号の下に内部クロックを付加したものになっている。
【００８７】
この内部クロックは、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４に備えられているクロック源により生成されるが、このときのフレームレートについては１００万ｆｐｓに設定されているものとすると、Ｆrame Ｏut 信号の周波数は１ＭＨｚでパルス幅は１／２μＳになっている。
【００８８】
そこで、この実施形態では、まず、内部クロックの周波数を２７ＭＨｚとする。そして、その上でＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４は、この内部クロックを分周し、図７に示されているように、Ｆrame Ｏut 信号のパルスの立ち下がりに同期した立ち下がりが３０ｎＳの細いパルスを論理演算により生成し、発光パルスＬＥＤ１〜ＬＥＤ４とする。
【００８９】
そうすると、この場合、発光パルスＬＥＤ１〜ＬＥＤ４は、何れも図示の通りＴurn-off遅延分進相された状態で立ち下がるようになって、ＬＥＤのＴurn-off遅延特性による遅れが補償される。
【００９０】
従って、この実施形態３によれば、ＬＥＤ投光器２-１〜２-４によるストロボ光のパルス幅がＦrame Ｏut 信号のパルス幅よりも広くなる虞がなくなり、分解能の低下を抑えることができる。
【００９１】
次に、図８は、図６により説明した実施形態をベースにした場合の実施形態３のタイミングチャートであり、この場合も図示のように、図６のタイミングチャートにおけるＦrame Ｏut 信号の下に内部クロックを付加したものになっている。
【００９２】
そして、この実施形態においても、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４は、内部クロックを分周し、図８に示されているように、Ｆrame Ｏut 信号のパルスの立ち下がりに同期した立ち下がりが３０ｎＳの細いパルスを論理演算により生成され、発光パルスＬＥＤ１〜ＬＥＤ７とすることになる。
【００９３】
そこで、この場合も、発光パルスＬＥＤ１〜ＬＥＤ７は、何れも図示の通りＴurn-off遅延分進相された状態で立ち下がるようになって、ＬＥＤのＴurn-off 遅延特性による遅れが補償され、従って、この実施形態３によってもＬＥＤ投光器２-１〜２-７によるストロボ光のパルス幅がＦrame Ｏut 信号のパルス幅よりも広くなる虞がなくなるので、分解能の低下を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、超高速現象の分析に利用することができる。
【符号の説明】
【００９５】
１ カメラ
２ａ〜２ｎ ＬＥＤ投光器
３ Ｒec／トリガユニット
４ Ｆrame Ｏut Ｃontrol(フレームアウトコントロール)ユニット
５ 調光ユニット
１０ カメラヘッド
２０ ＣＣＵ(信号処理部)
３０ カメラケーブル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像デバイスに画素周辺記録型撮像素子を用いた撮像システムに係り、特に、ストロボ光源を用いて高速撮像に対応した撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、爆発、燃焼、破壊、弾丸の発射状況や飛翔状況など、状態が短時間の間に大きく変化する現象、いわゆる高速現象を伴う被写体は、そのまま肉眼で観察しても像として捉えることは殆どできず、従って、現象の分析が極めて困難であり、このためには、例えば１フレームの撮像時間が１μ秒以下という高速度で被写体を撮像する必要がある。
【０００３】
しかしながら、従来から用いられている通常のＣＣＤ固体撮像デバイスによっては、このような高速度の撮像に対応するのは困難であった。
【０００４】
しかし、近年、ＩＳＩＳ(In-situStorage Image Sensor：画素周辺記録型撮像素子)と称されるＣＣＤ固体撮像デバイス、いわゆるＩＳＩＳ−ＣＣＤが実用化され、これによれば、高速度の撮像にも容易に対応できるようになっている(例えば特許文献１などを参照)。
【０００５】
また、近年は、ＬＥＤ(発光ダイオード)の性能向上も著しく、この結果、ＬＥＤランプによれば、高効率で、例えば１ＫＷのキセノン放電ランプと同等の光量が半分以下の消費電力で実現でき、且つ長寿命で応答性にも優れ、極めて幅の狭いパルス状の光でも制御性よく発生させることができる光源が容易に得られる。
【０００６】
そこで、このＬＥＤをストロボ光源として用い、光サンプリングより高速度撮像を可能にしたＩＳＩＳ−ＣＣＤ撮像装置が従来から知られているが、このとき、ストロボ光源となるＬＥＤを、撮像フレーム毎にパルス状に発光させることにより高速度撮像に対応している。
【０００７】
この場合、発光パルスの幅(閃光時間)が各撮像フレームにおける露光時間となり、従って、ここでパルス幅を１μ秒にすれば、各撮像フレームにおける露光時間は１μ秒になり、フレームレートが１００万ｆｐｓ(フレーム／毎秒)の画像が、このとき用いたＩＳＩＳ−ＣＣＤの撮像フレーム数分、例えば１４４フレーム分、得られることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２２６４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来技術は、ストロボ光源として用いたＬＥＤの発光量制御に配慮がされておらず、撮像条件の選択に自由度が少ないという問題があった。
【００１０】
高速度撮像におけるフレームレートは、ユーザが撮像装置の性能範囲内で任意に決定できる。
【００１１】
しかしながら、高速度撮像にストロボ光源を用いた場合、被写体を含む画像の照度は、ストロボ光源の発光量(パルス発光１回当りの光量)により、フレームレートに関係なく決まる。
【００１２】
従って、ストロボ光源の発光量が一定で変えられない場合は、被写体の撮像条件を決めるパラメータとしてはフレームレートしかなく、このため従来技術は、撮像条件の選択に自由度が少ないという問題が生じてしまうのである。
【００１３】
本発明の目的は、多様な撮像条件のもとで、ストロボ光源による高速撮像に対応した撮像システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明においては、撮像デバイスに画素周辺記録型撮像素子を用いたカメラにストロボ光源を組み合わせて高速撮像に対応した撮像システムにおいて、前記ストロボ光源を少なくとも２台のＬＥＤ投光器で構成し、これら少なくとも２台のＬＥＤ投光器を、前記画素周辺記録型撮像素子のフレーム期間を周期として予め設定してあるパターンに従って個別に又は複数個ずつ発光させる制御手段が設けられ、前記予め設定してあるパターンの変更により前記ストロボ光源による被写体の照明状態が任意に変更できるようにする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、ストロボ光源の発光量を各撮像フレームで同じにしたり、撮像フレーム毎に変化させたりできる。
【００１６】
この結果、本発明によれば、被写体の状態変化を同一の照度のもとでも、異なった照度のもとでも、任意の明るさの画像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による撮像システムの一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるカメラの説明図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるＬＥＤ投光器とフレームアウトコントロールユニット及び調光ユニットの説明図である。
【図４】本発明の他の一実施形態におけるＬＥＤ投光器とフレームアウトコントロールユニット及び調光ユニットの説明図である。
【図５】本発明の実施形態１の動作説明用タイミング図である。
【図６】本発明の実施形態２の動作説明用タイミング図である。
【図７】本発明の実施形態３の動作説明用タイミング図である。
【図８】本発明の実施形態３の別の例の動作説明用タイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る撮像システムについて、図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る撮像システムの一実施の形態で、この実施形態は、カメラ１とＬＥＤ投光器２ａ〜２ｎ、Ｒec／トリガユニット３、Ｆrame Ｏut Ｃontrol(フレームアウトコントロール)ユニット４、それに調光ユニット５を備えている。
【００２０】
そこで、まず、カメラ１は、図２に示されているように、カメラヘッド１０とＣＣＵ２０を備え、これらをカメラケーブル３０で接続したものである。ここで、ＣＣＵとはカメラ・コントロール・ユニット(カメラ制御ユニット：信号処理部)のことである。
【００２１】
そして、まず、カメラヘッド１０は、撮像用のレンズ及びメカシャッタ(機械式シャッタ)を備えた光学部１０Ａと、ＩＳＩＳ−ＣＣＤ及びその駆動部であるＣＣＤドライバを備えた撮像部１０Ｂ、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling)をＮ個(例えば８個)備えたＣＤＳ部１０Ｃ、それにＣＣＤドライバによるＩＳＩＳ−ＣＣＤの制御に必要な駆動パルスと転送パルス、それにＦrame Ｏut(フレームアウト)信号などを生成するＴＧ部１０Ｄの４ブロックで構成されている。
【００２２】
ここで光学部１０Ａのメカシャッタは、高速で撮像した信号電荷を外部に出力するまでの間遮光して入射光による影響を回避するためのものであり、通常開かれている。
【００２３】
高速撮像時、ＩＳＩＳ−ＣＣＤとしては、例えば撮像フレーム数が１４４フレームのものが用いられ、このＩＳＩＳ−ＣＣＤによる画像データの読み出しは、詳しくは後述するが、一般的なＣＣＤの場合とは異なっている。
【００２４】
ＩＳＩＳ−ＣＣＤから読み出された画像データは、８並列に分割され、ＣＤＳ部１０Ｃの８個のＣＤＳにより相関二重サンプリングが施された上でカメラケーブル３０を介してＣＣＵ２０に伝送される。
【００２５】
このときカメラヘッド１０のＴＧ部１０Ｄは、プログラミングが可能なＬＳＩデバイスであるＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)により構成されていて、Ｒec／トリガユニット３から入力されるＲ／Ｔ信号に応じて駆動パルスを生成し、これを撮像部１０ＢのＣＣＤドライバに供給する。これにより光学部１０Ａのメカシャッタが開かれた後、ＩＳＩＳ−ＣＣＤが動作し、画像蓄積と画像データの読み出しが可能になる。
【００２６】
また、この駆動パルスはカメラケーブル３０を介してＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４にＦrame Ｏut 信号として供給される。
【００２７】
そこで、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４は、このＦrame Ｏut 信号を使用し、後述するように発光制御を行う。
【００２８】
次に、ＣＣＵ２０は、Ａ／Ｄ(アナログデジタル変換器)をｎ個(例えば８個)備えたＡＤＣ部２０Ａと、２個のＦＰＧＡと複数個(例えば８個)のＤＰＲＡＭ(Dual Port ＲＡＭ)及びＳＤＲＡＭ(Synchronous ＤＲＡＭ)とＦＩＦＯバッファを備えたソート・フォーマット変換部２０Ｂ、ＲＧＢ(ＲＧＢ信号復調部)とガンマ補正部及び輪郭強調部を備えたプロセス部２０Ｃ、それにＹ／Ｃマトリクス部からなる出力部２０Ｄの４ブロックで構成されている。
【００２９】
そこで、カメラヘッド１０からＣＣＵ２０に供給された画像データは、ＡＤＣ部２０Ａに入力され、ここで、Ａ／Ｄによりデジタルデータに変換された上でソート・フォーマット変換部２０Ｂに入力される。
【００３０】
このときカメラヘッド１０から供給される画像データは、上記したように、８並列に分割され、撮像部１０ＢからＣＤＳ部１０Ｃの８個のＣＤＳにより相関二重サンプリングが施されている。そこで、このＡＤＣ部２０Ａも８個のＡ／Ｄを備え、８並列の画像データをデジタルデータに変換してソート・フォーマット変換部２０Ｂに入力する。
【００３１】
このソート・フォーマット変換部２０Ｂでは、ＡＤＣ部２０ＡのＡ／Ｄでデジタルデータに変換された映像信号をＦＰＧＡにより８個のＤＰＲＡＭに書き込み、撮影イメージに合わせて読み出すことにより並び替えを行い、ＳＤＲＡＭ上に各フレームの映像情報として格納し、所望のタイミングで所望の順序に従って読出し、プロセス部２０Ｃに入力する。
【００３２】
プロセス部２０Ｃでは、ＲＧＢ処理して入力されたデータからＲＧＢ信号を復調し、ガンマ補正と輪郭強調などの処理を施し、出力部２０ＤのＹ／ＣマトリクスによりＮＴＳＣ信号に変換し、それを出力するのである。
【００３３】
図１に戻り、ｎ台のＬＥＤ投光器２-１、２-２、２-３〜２-ｎは、被写体にストロボ光を照射するための光源として設けられたもので、図３の実施形態の場合は、４個(図示したのは２個だけ)の並列接続した白色ＬＥＤを備え、図４の実施形態の場合は１個の大出力白色ＬＥＤを備え、これに所望の反射器を設けることにより投光器として構成したもので、各々が単独で、或いは同時にパルス発光動作し、被写体に所望のパルス幅で所望の光量のパルス光を所望のタイミングで照射し、これによりストロボ撮像が得られるようにする。
【００３４】
次に、Ｒec／トリガユニット３は、撮像部１０ＢのＩＳＩＳ−ＣＣＤによる録画動作(画素電荷の蓄積転送動作)を開始させるためのＲec 信号を発生する手段と、録画動作終了後にＩＳＩＳ−ＣＣＤの画素電荷を読み出して画像データとするためのトリガ信号を発生する手段とを備えたユニットである。ここで、まず、Ｒec 信号とは、被写体に撮像対象となる高速現象が発現する前の所望のタイミングで発生される信号のことであり、トリガ信号とは、対象となる被写体に高速現象が発現したタイミング、又は発現入力から僅かに遅れたタイミングで発生される信号のことである。
【００３５】
Ｒec／トリガユニット３は、例えば撮像対象となる高速現象が爆発の場合は、当該爆発をもたらす爆薬のフューズに点火した時点でＲec 信号を発生させるスイッチ(例えば押しボタンスイッチ)や、前記爆薬による爆発が発現したことを検知するセンサ、例えば気圧センサ、音響センサ、光センサ(又はそれに所望の遅延を与える回路を接続したもの)などのトリガ信号を発生する手段である。
【００３６】
そして、このことの当然の結果として、トリガ信号は、Ｒec 信号が発生した後で発生されることになる。
【００３７】
次に、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４は、各フレーム期間において、ｎ個設けられているＬＥＤ投光器２-１、２-２、２-３〜２-ｎの何れを発光させるのか選択する働きをするもので、このためカメラ１からＦrame Ｏut 信号を入力し、図３の実施形態の場合は、図示のように、ｎ個のＭＯＳＦＥＴからなる高速スイッチング素子Ｑ１〜Ｑｎを用い、図４の実施形態の場合は、図示のように、ｎ個の、例えば７４ＡＣ０４として知られている高速高出力論理バッファＩＣ１〜ＩＣｎを用い、これらを複数のフレーム期間において所望の周期的なパターンに従って交互に、或いは同時にＯＮ／ＯＦＦできるように構成してある。
【００３８】
このため、このＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４には、図示していない発光パターン制御手段が備えられ、これによりスイッチング素子Ｑ１〜Ｑｎ(図３の場合)、又はＩＣ１〜ＩＣｎ(図４の場合)が所望のパターンに従ってＯＮ／ＯＦＦ制御されるように構成されている。
【００３９】
そして、このときの所望のパターンについては、これも図示していない入力設定手段により、予め人為的に設定できるようにしてある。
【００４０】
なお、このときの所望のパターンについては後述するが、ここで前述の発光パターン制御手段については、例えばＦＰＧＡに所望のプログラムを搭載したものを用い、これにマンマシーンインターフェースとしてキーボードなどの入力機器を接続してやればよい。
【００４１】
最後に調光ユニット５は、＋１６Ｖの電源ＶＨ(図３の場合)、又は＋５Ｖの電源Ｖcc (図４の場合)から給電されているｎ個の定電流源Ｉcc １〜Ｉcc ｎを備えたもので、これにより、ＬＥＤ投光器２-１〜２-ｎの夫々に、各々の仕様で決められている電流値の定電流を供給する働きをする。
【００４２】
次に、この実施形態の動作について、図５のタイミングチャートを用いて説明する。
【００４３】
いま、メカシャッタを開いた後の或る時点ｔ1 において、Ｒec／トリガユニット３からＲec 信号がカメラ１に入力されたとする。
【００４４】
そうすると、この時点ｔ1 でＴＧ部１０Ｄから駆動パルスが出力され、この結果、カメラの録画が開始される。
【００４５】
このカメラの録画においては、ＩＳＩＳ−ＣＣＤの各画素の電荷が、当該ＩＳＩＳ−ＣＣＤの各画素に直結された１４４段のメモリの最初のセルから駆動パルス毎に順次、バケツリレー式に次のセルに転送されてゆき、１４４フレーム分の全てメモリのセルに電荷が記憶された後は、最後のセルから電荷が順次押し出され、ＩＳＩＳ−ＣＣＤ内のＦＤＡを経由して外部に出力される。
【００４６】
この動作は、Ｒec 信号が入力されてからトリガ信号が入力されるまで繰り返えされ、これによりトリガ信号が入力されるまで常時、ＩＳＩＳ−ＣＣＤの１４４段あるメモリは、順次、記憶内容が更新されていることになる。
【００４７】
このときの駆動パルスは、図５に示すように、矩形波の繰り返しからなるパルスで、その周波数とパルス幅はカメラ１に設定されたフレームレートによって決まる。
【００４８】
例えばフレームレートが１０００ｆｐｓに設定された場合は周波数が１ｋＨｚでパルス幅は１／２ｍＳになり、１００万ｆｐｓに設定したときは１ＭＨｚと１／２μＳになる。
【００４９】
そこで、いま、一例として、カメラ１のフレームレートを１００万ｆｐｓに設定したとすると、駆動パルスの周波数は１ＭＨｚになり、パルス幅は１μＳになる。
【００５０】
そして、この駆動パルスは、上記したように、ＩＳＩＳ−ＣＣＤの録画に使用されるが、この実施形態においては、更にＦrame Ｏut 信号として、カメラ１からＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４に入力され、ＬＥＤ投光器２−１〜２−ｎの発光制御に使用される。なお、この発光制御についての詳細は後述する。
【００５１】
次に、時点ｔ1 の後の或る時点ｔN で、今度はＲec／トリガユニット３からトリガ信号がカメラ１に入力されたとする。
【００５２】
そうすると、この時点ｔN でＴＧ部１０Ｄは駆動パルスの発生を停止し、この結果、ＩＳＩＳ−ＣＣＤの録画がこの時点ｔN で停止される。
【００５３】
そこで、このときＩＳＩＳ−ＣＣＤの１４４段のメモリに蓄積されていた電荷は、そのまま１４４フレームの画像データとして保持される。
【００５４】
従って、この１４４フレームの画像データについては、読出パルスをＩＳＩＳ−ＣＣＤの１４４段のメモリに供給してやれば、取り出すことができる。
【００５５】
このとき時点ｔN 以降の任意の時点において、図示のように、トリガ信号が入力される時点ｔN 以前の１４４フレームから時点ｔN 以後の１４４フレームまでの間で任意のフレームを選択して出力することができ、この結果、高速度撮像による被写体の画像をデータとして得ることができる。
【００５６】
＜実施形態１＞
次に、このときのＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４によるＬＥＤ投光器２-１〜２-ｎの発光制御について説明する。
【００５７】
ここで、まず、この実施形態においては、ＬＥＤ投光器２-ｎのｎを４としている。つまり、４台のＬＥＤ投光器２-１〜２-４を用いている。
【００５８】
そして、これら４台のＬＥＤ投光器をＦrame Ｏut 信号の各パルスにより１個ずつ順番に、Ｆrame Ｏut 信号の４個のパルスを周期としてサイクリックに繰り返すパターンに従って発光させるようにしてある。
【００５９】
そして、このため、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４内の発光パターン制御手段には、上記のパターンによる４台のＬＥＤ投光器２-１〜２-４の発光制御に必要なプログラムが格納してある。
【００６０】
図５により詳しく説明すると、まず、時点ｔ1 でＦrame Ｏut 信号が発生され、この時点ｔ1 でＦrame Ｏut 信号の最初のパルス、つまり１番目のパルスが現れる。
【００６１】
そこで、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４内の発光パターン制御手段は、まず、この１番目のパルスに同期して発光パルスＬＥＤ１を生成する。
【００６２】
次に、Ｆrame Ｏut 信号の２番目のパルスが発生した時点ｔ2 では発光パルスＬＥＤ２を生成し、次いで、３番目のパルスが発生した時点ｔ3 では発光パルスＬＥＤ３を生成し、更に、４番目のパルスが発生した時点ｔ4 では発光パルスＬＥＤ４を生成する。
【００６３】
そして、この４番目のパルスが発生した時点ｔ4 以後は、次の時点ｔ5 で再び発光パルスＬＥＤ１から発光パルスＬＥＤ４までの生成に戻り、この動作をＦrame Ｏut 信号が消滅する時点ｔN まで順次繰り返すのである。
【００６４】
このときに生成された発光パルスＬＥＤ１〜発光パルスＬＥＤ４は、それぞれＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑｎ(図３の場合、但しｎ＝４)、又はＩＣ１〜ＩＣｎ(図４の場合、同じくｎ＝４)に供給される。この結果、４台のＬＥＤ投光器２-１〜２-４が、上記した発光パターン、すなわち４台のＬＥＤ投光器２-１〜２-４をＦrame Ｏut 信号の各パルス毎に１個ずつ、順番に発光するという発光パターンにより発光し、被写体にストロボ光を照射することになる。
【００６５】
従って、この実施形態によれば、４台のＬＥＤ投光器２-１〜２-４がフレーム毎に１個ずつサイクリックに発光することになり、各フレームで均等な光量によるストロボ照明を与えらることができる。
【００６６】
ここで、このときのＬＥＤ投光器２-１〜２-４の各々による光量は、図３の実施形態の場合、＋１６Ｖの電源ＶＨから給電される４個の白色ＬＥＤによる光量となり、図４の実施形態の場合は、＋５Ｖの電源ＶCC から給電される１個の白色ＬＥＤによる光量となるので、図３の実施形態の場合、図４の実施形態の４倍の光量になる。
【００６７】
従って、この実施形態によれば、この１倍と４倍の範囲で任意の光量によるストロボ照明が各フレームで均等に得られることになり、この結果、被写体の状態変化を同一の照度のもとで映像化することができる。
【００６８】
また、この実施形態の場合、４台のＬＥＤ投光器２-１〜２-４が用いられているため、被写体に対する光の照射方向をＬＥＤ投光器の設置状態に応じて変えることができ、一方向からの照明に限らず、シルエット照明や斜め方向照明などによる撮像が任意に選択できるので、高速現象の解析の自由度を高めることができる。
【００６９】
＜実施形態２＞
次に、本発明の他の実施形態の動作について、図６のタイミングチャートにより説明する。
【００７０】
ここで、まず、この実施形態２では、ＬＥＤ投光器２-ｎのｎを７とし、７台のＬＥＤ投光器２-１〜２-７を用いたものであり、その他の構成は上記した実施形態１の場合と同じである。
【００７１】
そして、これら７台のＬＥＤ投光器の中で、まず、ＬＥＤ投光器２-１は、Ｆrame Ｏut 信号の第１番目のパルスと第５番目のパルスにより発光させ、次に、ＬＥＤ投光器２-２とＬＥＤ投光器２-５は、対をなしてＦrame Ｏut 信号の第２番目のパルスにより発光させ、更に、ＬＥＤ投光器２-３とＬＥＤ投光器２-６及びＬＥＤ投光器２-７は、３個一緒になってＦrame Ｏut 信号の第３番目のパルスにより発光させ、ＬＥＤ投光器２-４は、Ｆrame Ｏut 信号の第４番目のパルスにより発光させ、これらの発光を、Ｆrame Ｏut 信号の４個のパルスを周期としてサイクリックに繰り返すパターンにしてある。
【００７２】
このため、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４内の発光パターン制御手段には、上記のパターンによる７台のＬＥＤ投光器２-１〜２-７の発光制御に必要なプログラムが格納してある。
【００７３】
図６により詳しく説明すると、まず、時点ｔ1 でＦrame Ｏut 信号が発生され、この時点ｔ1 でＦrame Ｏut 信号の最初のパルス、つまり１番目のパルスが現れる。
【００７４】
そこで、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４内の発光パターン制御手段は、まず、この１番目のパルスに同期して発光パルスＬＥＤ１を生成する。
【００７５】
次に、Ｆrame Ｏut 信号の２番目のパルスが発生した時点ｔ2 では発光パルスＬＥＤ２と発光パルスＬＥＤ５を生成し、次いで、３番目のパルスが発生した時点ｔ3 では発光パルスＬＥＤ３と発光パルスＬＥＤ６及び発光パルスＬＥＤ７を生成し、更に、４番目のパルスが発生した時点ｔ4 では発光パルスＬＥＤ４を生成する。
【００７６】
そして、この４番目のパルスが発生した時点ｔ4 以後は、次の時点ｔ5 で再び上記した発光パルスＬＥＤ１から発光パルスＬＥＤ７までの生成に戻り、この動作をＦrame Ｏut 信号が消滅する時点ｔN まで順次繰り返す。
【００７７】
こうして生成された発光パルスＬＥＤ１〜発光パルスＬＥＤ７は、それぞれＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑｎ(但し図３の場合、ｎ＝７)、又はＩＣ１〜ＩＣｎ(図４の場合、同じくｎ＝７)に供給され、この結果、７台のＬＥＤ投光器２-１〜２-７が、上記した発光パターンにより発光し、被写体にストロボ光を照射することになる。
【００７８】
従って、この実施形態２によれば、７台のＬＥＤ投光器２-１〜２-７がフレーム毎に異なった台数でサイクリックに発光することになり、この結果、各フレームで任意に設定した台数のＬＥＤ投光器により、各々異なった光量によるストロボ照明が与えられるので、多様な明るさの画像を取得することができ、高速現象の解析の自由度を高めることができる。
【００７９】
また、このときのＬＥＤ投光器２-１〜２-７の各々による光量は、図３の場合、＋１６Ｖの電源ＶＨから給電される４個の白色ＬＥＤによる光量となり、図４の場合は、＋５Ｖの電源ＶCC から給電される１個の白色ＬＥＤによる光量となるので、図３の場合、図４の４倍の光量になる。
【００８０】
従って、この実施形態２によれば、この１倍と４倍の範囲で任意の光量によるストロボ照明が各々のフレーム毎に異なって得られることになり、この結果、被写体の状態変化を異なった照度のもとで映像化することができる。
【００８１】
また、この実施形態２の場合も複数台、つまり７台のＬＥＤ投光器２-１〜２-７が用いられているため、被写体に対する光の照射方向がＬＥＤ投光器の設置状態に応じて変えることができ、一方向からの照明に限らず、シルエット照明や斜め方向照明などによる撮像が任意に選択できるので、高速現象の解析の自由度を高めることができる。
【００８２】
＜実施形態３＞
ここで、以上に説明した実施形態においては、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４から出力される発光パルスＬＥＤ１〜ＬＥＤｎのパルス幅は、何れの場合も一定で、Ｆrame Ｏut 信号と同じになるようにしてあるため、ＬＥＤ投光器２-１〜２-ｎにより発光されるストロボ光のパルス幅もＦrame Ｏut 信号と同じ幅になる筈であるが、実際には多少広くなってしまう。
【００８３】
これはＬＥＤにＴurn-off(ターンオフ)遅延特性があるためである。
【００８４】
ところで、ストロボ光のサンプリング機能による高速変化状態の写し止め撮像(高速移動体を撮像する際に、シャッタースピードを速くして、フレのない画像を撮像する手法)においては、画像のズレがストロボ光のパルス幅に依存し、パルス幅を狭くすればズレが減少するので分解能が向上する。
【００８５】
そこで、以下、ＬＥＤ投光器２-１〜２-ｎによるストロボ光のパルス幅をＦrame Ｏut 信号のパルス幅よりも狭くできるようにした実施形態について説明する。
【００８６】
まず、図７は、図５により説明した実施形態をベースにした実施形態３のタイミングチャートであり、この場合、図示のように、図５のタイミングチャートにおけるＦrame Ｏut 信号の下に内部クロックを付加したものになっている。
【００８７】
この内部クロックは、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４に備えられているクロック源により生成されるが、このときのフレームレートについては１００万ｆｐｓに設定されているものとすると、Ｆrame Ｏut 信号の周波数は１ＭＨｚでパルス幅は１／２μＳになっている。
【００８８】
そこで、この実施形態では、まず、内部クロックの周波数を２７ＭＨｚとする。そして、その上でＦrame Ｏut Ｃontrol ユニット４は、この内部クロックを分周し、図７に示されているように、Ｆrame Ｏut 信号のパルスの立ち下がりに同期した立ち下がりが３０ｎＳの細いパルスを論理演算により生成し、発光パルスＬＥＤ１〜ＬＥＤ４とする。
【００８９】
そうすると、この場合、発光パルスＬＥＤ１〜ＬＥＤ４は、何れも図示の通りＴurn-off遅延分進相された状態で立ち下がるようになって、ＬＥＤのＴurn-off遅延特性による遅れが補償される。
【００９０】
従って、この実施形態３によれば、ＬＥＤ投光器２-１〜２-４によるストロボ光のパルス幅がＦrame Ｏut 信号のパルス幅よりも広くなる虞がなくなり、分解能の低下を抑えることができる。
【００９１】
次に、図８は、図６により説明した実施形態をベースにした場合の実施形態３のタイミングチャートであり、この場合も図示のように、図６のタイミングチャートにおけるＦrame Ｏut 信号の下に内部クロックを付加したものになっている。
【００９２】
そして、この実施形態においても、Ｆrame Ｏut Ｃontrol ユニット４は、内部クロックを分周し、図８に示されているように、Ｆrame Ｏut 信号のパルスの立ち下がりに同期した立ち下がりが３０ｎＳの細いパルスを論理演算により生成され、発光パルスＬＥＤ１〜ＬＥＤ７とすることになる。
【００９３】
そこで、この場合も、発光パルスＬＥＤ１〜ＬＥＤ７は、何れも図示の通りＴurn-off遅延分進相された状態で立ち下がるようになって、ＬＥＤのＴurn-off 遅延特性による遅れが補償され、従って、この実施形態３によってもＬＥＤ投光器２-１〜２-７によるストロボ光のパルス幅がＦrame Ｏut 信号のパルス幅よりも広くなる虞がなくなるので、分解能の低下を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、超高速現象の分析に利用することができる。
【符号の説明】
【００９５】
１ カメラ
２ａ〜２ｎ ＬＥＤ投光器
３ Ｒec／トリガユニット
４ Ｆrame Ｏut Ｃontrol(フレームアウトコントロール)ユニット
５ 調光ユニット
１０ カメラヘッド
２０ ＣＣＵ(信号処理部)
３０ カメラケーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像デバイスに画素周辺記録型撮像素子を用いたカメラにストロボ光源を組み合わせて高速撮像に対応した撮像システムにおいて、
前記ストロボ光源を少なくとも２台のＬＥＤ投光器で構成し、
これら少なくとも２台のＬＥＤ投光器を、前記画素周辺記録型撮像素子のフレーム期間を周期として予め設定してあるパターンに従って個別に又は複数個ずつ発光させる制御手段が設けられ、
前記予め設定してあるパターンの変更により前記ストロボ光源による被写体の照明状態が任意に変更できるように構成されていることを特徴とする撮像システム。
【請求項１】
撮像デバイスに画素周辺記録型撮像素子を用いたカメラにストロボ光源を組み合わせて高速撮像に対応した撮像システムにおいて、
前記ストロボ光源を少なくとも２台のＬＥＤ投光器で構成し、
これら少なくとも２台のＬＥＤ投光器を、前記画素周辺記録型撮像素子のフレーム期間を周期として予め設定してあるパターンに従って個別に又は複数個ずつ発光させる制御手段が設けられ、
前記予め設定してあるパターンの変更により前記ストロボ光源による被写体の照明状態が任意に変更できるように構成されていることを特徴とする撮像システム。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図７】
【図８】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−６２６１０（Ｐ２０１３−６２６１０Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９８６７７（Ｐ２０１１−１９８６７７）
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【Ｆターム（参考）】
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