撮像装置
【課題】超高速度撮像の長時間化を図ることができ、さらに、超高速度撮像を実行中の映像と同じ映像が取得できる撮像装置を提供すること。
【解決手段】超高速度撮像装置１００は、被写体光２０を入射して集光するレンズ１０１と、被写体光２０の光路を開閉するシャッタ１０２と、被写体光２０を第１の被写体光２１と第２の被写体光２２とに分離するＢＳ１０３と、第１の被写体光２１を光電変換するＣＣＤ１１０と、第２の被写体光２２を光電変換するＣＣＤ１２０とを備え、ＣＣＤ１１０が、１枚目から１００枚目まで超高速度撮像し、ＣＣＤ１２０が、１０１枚目から２００枚目まで超高速度撮像するとともに、ＣＣＤ１１０の超高速度撮像前に低速度で撮像動作を行って映像信号を出力する構成を有する。
【解決手段】超高速度撮像装置１００は、被写体光２０を入射して集光するレンズ１０１と、被写体光２０の光路を開閉するシャッタ１０２と、被写体光２０を第１の被写体光２１と第２の被写体光２２とに分離するＢＳ１０３と、第１の被写体光２１を光電変換するＣＣＤ１１０と、第２の被写体光２２を光電変換するＣＣＤ１２０とを備え、ＣＣＤ１１０が、１枚目から１００枚目まで超高速度撮像し、ＣＣＤ１２０が、１０１枚目から２００枚目まで超高速度撮像するとともに、ＣＣＤ１１０の超高速度撮像前に低速度で撮像動作を行って映像信号を出力する構成を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、１００万枚／秒程度の速度の撮像（以下「超高速度撮像」という。）に用いられる画素周辺記録型素子を備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からカメラ等の撮像装置における超高速度撮像を行うための研究、開発が行われている。その中でも、撮像素子におけるフレームレートの向上を目的として画素周辺記録型素子（ISIS:In-situ Storage Image Sensor）の提案がされている（例えば、特許文献１参照）。以下、ＩＳＩＳの一例として画素周辺記録型ＣＣＤ（Charge Coupled Device）を挙げて説明する。
【０００３】
画素周辺記録型ＣＣＤは、１つ１つの画素に対して多数の蓄積ＣＣＤを有するように構成されており、受光素子（以下「ＰＤ（Photo Diode）」という。）等から得られる撮像中の画像情報を直接外に読み出さず、蓄積ＣＣＤに連続的に蓄積しておき、撮像後に出力を行うものである。これにより、撮像装置等において被写体等を撮像することで生じる信号電荷を高速に蓄積ＣＣＤに転送して超高速度撮像を実現している。
【０００４】
画素周辺記録型ＣＣＤの動作原理について図７により説明を行う。図７に示すように、画素周辺記録型ＣＣＤ１０は、ＰＤ１１、蓄積ＣＣＤ１２、垂直読出転送路１３、水平読出転送路１４を備えている。蓄積ＣＣＤ１２は、１つのＰＤ１１に対応して、数十から数百個程度で多段に構成されている。図示の例では、蓄積ＣＣＤ１２が１００個で構成されたものである。
【０００５】
画素周辺記録型ＣＣＤ１０において、被写体光の入射後、ＰＤ１１で発生した信号電荷は、１枚（１フレーム）撮影が行われるごとに蓄積ＣＣＤ１２に転送される。蓄積ＣＣＤ１２は、１枚撮像が行われるごとに電荷を１段転送する。蓄積ＣＣＤ１２の最後段にあるドレイン１２ａに達した信号電荷は捨てられる。この動作は、超高速度撮像の動作状態になってから超高速度撮像の開始を示すトリガ信号が入力されるまで続く。撮影終了後、蓄積ＣＣＤ１２に蓄積された１００枚分の信号電荷は、垂直読出転送路１３及び水平読出転送路１４を介して素子外部に読み出される。
【０００６】
以上のような原理により、画素周辺記録型ＣＣＤ１０は、１００万枚／秒程度の超高速度撮像を実現している。
【０００７】
ところが、画素周辺記録型ＣＣＤ１０を用いた撮像装置では２つの課題がある。第１の課題は、蓄積ＣＣＤ１２の数が有限であることから、１回の撮影における記録時間が極短時間に制限されることである。第２の課題は、撮影の開始から終了までの間、画素周辺記録型ＣＣＤ１０から映像信号が出力されないため、超高速度撮像を実行中の映像が取得できないことである。そのため、撮影者が、超高速度撮像を実行中の映像を見ながら、予め、フォーカスや画角の確認ができないこととなる。
【０００８】
一方、プリズムやミラーと撮像装置とを組み合わせて使用し、高度な高速度撮像を行う装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、特許文献２に示されたものは、撮像速度の高速化や高速度カラー撮像を可能にする装置であり、画素周辺記録型ＣＣＤ１０が有する前述の２つの課題を解決することはできない。
【特許文献１】特開２００１−３４５４４１号公報
【特許文献２】特開平４−６８８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前述のような事情に鑑みてなされたものであり、超高速度撮像の長時間化を図ることができ、さらに、超高速度撮像を実行中の映像と同じ映像が取得できる撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の撮像装置は、被写体からの光を入射して複数の被写体光に分離する光分離手段と、前記複数の被写体光をそれぞれ受光して前記被写体を撮像する複数の撮像手段と、予め定められた所定時間間隔の撮像を前記複数の撮像手段ごとに順次行わせる駆動手段と、前記複数の撮像手段によってそれぞれ得られた撮像信号を撮像順に結合する撮像信号結合手段とを備えた構成を有している。
【００１１】
この構成により、本発明の撮像装置は、複数の撮像手段が超高速度撮像を順次行い、それぞれ得られた超高速度撮像による撮像信号を撮像信号結合手段が撮像順に結合することにより、超高速度撮像の長時間化を図ることができる。
【００１２】
また、本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、外部トリガ信号が入力されたとき、及び前記複数の撮像手段ごとに前記所定時間間隔の撮像を終了したときにトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段を備え、前記トリガ信号に基づいて前記複数の撮像手段のそれぞれに前記所定時間間隔による撮像を開始させるものである構成を有している。
【００１３】
この構成により、本発明の撮像装置は、トリガ信号発生手段が発生したトリガ信号に基づいて超高速度撮像を順次実行することができる。
【００１４】
また、本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、前記複数の撮像手段のうち最初に撮像を開始する撮像手段を除くいずれか１つの撮像手段に対して、前記最初に撮像を開始する時刻より前の時刻から前記いずれか１つの撮像手段が撮像を開始する時刻までの間に、前記所定時間間隔よりも長い長時間間隔で撮像を行わせるものであり、前記いずれか１つの撮像手段が前記長時間間隔で撮像した撮像信号を出力する撮像信号出力手段を備えた構成を有している。
【００１５】
この構成により、本発明の撮像装置は、複数の撮像手段のうち最初に撮像を開始する撮像手段を除くいずれか１つの撮像手段が、最初に撮像を開始する撮像手段が撮像を開始する時刻よりも前に低速度で撮像し、撮像信号出力手段が超高速度撮像を実行中の映像と同じである低速度で撮像した映像を出力するので、超高速度撮像を実行中の映像と同じ映像を取得することができる。
【００１６】
なお、本発明の撮像装置は、前記いずれか１つの撮像手段が、前記複数の撮像手段のうち最後に撮像を開始する撮像手段であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の撮像装置は、前記複数の撮像手段が、それぞれ、前記光分離手段が分離した前記被写体光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、該受光素子からの前記信号電荷を順次蓄積する信号電荷蓄積手段と、蓄積された前記信号電荷を予め定められた出力先に順次読み出す信号電荷読出手段とを備えた構成を有するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、超高速度撮像の長時間化を図ることができ、さらに、超高速度撮像を実行中の映像と同じ映像が取得できるという効果を有する撮像装置を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の撮像装置を、１００万枚／秒の超高速度撮像を行うことができる画素周辺記録型ＣＣＤを備えた撮像装置（以下「超高速度撮像装置」という。）に適用した例を挙げて説明する。
【００２０】
まず、本実施形態における撮像装置の構成について図面を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態における超高速度撮像装置１００の基本構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態における超高速度撮像装置１００は、被写体光２０を入射して集光するレンズ１０１と、被写体光２０の光路を開閉するシャッタ１０２と、被写体光２０を第１の被写体光２１と第２の被写体光２２とに分離するビームスプリッタ（以下「ＢＳ」という。）１０３と、第１の被写体光２１を光電変換するＣＣＤ１１０と、第２の被写体光２２を光電変換するＣＣＤ１２０とを備えている。
【００２２】
ＣＣＤ１１０及び１２０は、前述の画素周辺記録型ＣＣＤ１０（図７参照）を備え、それぞれ、１画素につき例えば１００個の蓄積ＣＣＤ１２を有し、１００万枚／秒の撮像速度で撮像した１００枚分の映像信号を記録することができるものとする。さらに、ＣＣＤ１２０は、３０枚／秒の撮像速度での撮像（以下「低速度撮像」という。）も行えるものとする。ここで、ＣＣＤ１１０及び１２０は、本発明に係る撮像手段を構成する。なお、これらの条件は一例であり、本発明はこれらの条件に限定されるものではない。
【００２３】
前述の構成により、超高速度撮像装置１００は、ＣＣＤ１１０が１枚目から１００枚目までの超高速度撮像した映像信号を取得し、ＣＣＤ１２０が１０１枚目から２００枚目までの超高速度撮像した映像信号を取得することができ、従来の２倍の超高速度撮像時間が得られることとなる。
【００２４】
また、ＣＣＤ１２０は、ＣＣＤ１１０が超高速度撮像を開始する前の任意の時刻から、ＣＣＤ１１０が超高速度撮像により１００枚分の映像信号の取得が終了する時刻までの期間、低速度撮像動作を行い、映像信号を出力するようになっている。この構成により、超高速度撮像装置１００の操作者は、ＣＣＤ１２０で撮像した映像を見ながら、予め、画角やフォーカス等の調整を行うことができる。
【００２５】
次に、本実施形態における超高速度撮像装置１００の詳細な構成について図２を用いて説明する。
【００２６】
本実施形態における超高速度撮像装置１００は、前述したレンズ１０１、シャッタ１０２、ＢＳ１０３、ＣＣＤ１１０及び１２０に加えて、図２に示すように構成されている。すなわち、超高速度撮像装置１００は、ＣＣＤ１１０に係る構成として、ＣＣＤ１１０を駆動する駆動回路１１１と、ＣＣＤ１１０が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１１２と、デジタル変換された信号を蓄積するメモリ１１３とを備えている。
【００２７】
また、超高速度撮像装置１００は、ＣＣＤ１２０に係る構成として、ＣＣＤ１２０を駆動する駆動回路１２１と、ＣＣＤ１２０が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１２２と、デジタル変換された信号を蓄積するメモリ１２３とを備えている。
【００２８】
また、超高速度撮像装置１００は、メモリ１１３及び１２３に蓄積された信号に基づいて映像信号を出力する信号処理回路１３１と、信号処理回路１３１の映像出力信号に基づいた映像を表示するビューファインダ（以下「ＶＦ」という。）１３２とを備えている。
【００２９】
また、超高速度撮像装置１００は、撮像に係る制御を行う撮像制御装置２０１と、トリガ信号を発生するトリガ信号発生装置２０２とに接続され、撮像制御装置２０１から撮像に係る制御信号３０を入力し、トリガ信号発生装置２０２から超高速度撮像の開始タイミングとして用いる外部トリガ信号４０を入力するようになっている。
【００３０】
撮像制御装置２０１は、例えば、パーソナルコンピュータで構成され、ネットワークを介して超高速度撮像装置１００に接続されるものである。撮像制御装置２０１が出力する制御信号３０は、例えば、撮影開始を指示する撮影開始信号、超高速度撮像で動作させる状態（以下「超高速度撮像動作状態」という。）に設定する指示信号、低速度撮像で動作させる状態（以下「低速度撮像動作状態」という。）に設定する指示信号等を含む。
【００３１】
トリガ信号発生装置２０２は、例えば光、電波、音波等を用いて撮影タイミングを取得し、トリガ信号を出力する装置である。具体的には、トリガ信号発生装置２０２は、例えば、赤外線やレーザ光が高速度移動物体によって遮断されたときを基準としてトリガ信号を生成して出力するようになっている。
【００３２】
レンズ１０１が出射した被写体光２０の光路は、シャッタ１０２によって開閉されるようになっている。シャッタ１０２は、例えば機械式シャッタで構成され、駆動回路１２１からのシャッタ制御信号に基づいて、所定のシャッタ速度で開閉する機能を備えている。
【００３３】
ＢＳ１０３は、入射した被写体光２０を、透過光である第１の被写体光２１と、反射光である第２の被写体光２２とに分離して出力するようになっている。なお、ＢＳ１０３は、本発明に係る光分離手段を構成する。
【００３４】
ＣＣＤ１１０及び１２０は、それぞれ、図７に示した画素周辺記録型ＣＣＤ１０と同等な構成を有するものであって、分離された被写体光を光電変換して信号電荷を生成するＰＤ１１と、ＰＤ１１からの信号電荷を順次蓄積する蓄積ＣＣＤ１２と、蓄積された信号電荷を予め定められた出力先に順次読み出す垂直読出転送路１３及び水平読出転送路１４とを備えている。なお、ＰＤ１１及び蓄積ＣＣＤ１２は、それぞれ、本発明に係る受光素子及び信号電荷蓄積手段を構成する。また、垂直読出転送路１３及び水平読出転送路１４は、本発明に係る信号電荷読出手段を構成する。
【００３５】
ここで、ＣＣＤ１２０は、超高速度撮像動作状態及び低速度撮像動作状態を有し、各状態において異なる動作を行うようになっている。超高速度撮像動作状態においては、ＣＣＤ１２０は、図７に示したように、１枚ごとに１段ずつ信号電荷を転送して垂直読出転送路１３に出力する動作を行うようになっている。一方、低速度撮像動作状態においては、ＣＣＤ１２０は、図３に示す動作を行う。すなわち、ＣＣＤ１２０は、１枚ごとにＰＤ１１から信号電荷を読み出して垂直読出転送路１３に転送する動作を行うようになっている。
【００３６】
図２に戻り、駆動回路１１１は、撮像制御装置２０１からは制御信号３０を入力し、トリガ信号発生装置２０２からは外部トリガ信号４０を入力するようになっている。
【００３７】
また、駆動回路１１１は、制御信号３０及び外部トリガ信号４０に基づいて第１の駆動信号３１を生成し、ＣＣＤ１１０に出力するようになっている。この第１の駆動信号３１は、ＣＣＤ１１０を超高速度撮像動作状態に設定する信号、外部トリガ信号４０を入力してから１００枚分の超高速度撮像をＣＣＤ１１０に行わせる信号、超高速度撮像による信号電荷をＣＣＤ１１０から読み出す信号を含む。
【００３８】
また、駆動回路１１１は、ＣＣＤ１１０による１００枚分の超高速度撮像に引き続いて、ＣＣＤ１２０に１００枚分の超高速度撮像を行わせるための内部トリガ信号４１を生成し、駆動回路１２１に出力するようになっている。なお、駆動回路１１１は、本発明に係るトリガ信号発生手段を構成する。また、駆動回路１１１は、本発明に係る駆動手段を構成する。
【００３９】
Ａ／Ｄ変換器１１２は、超高速度撮像によるアナログ信号をＣＣＤ１１０から読み出してデジタル信号に変換し、メモリ１１３に出力するようになっている。
【００４０】
メモリ１１３は、例えばＳＤＲＡＭ（Synchronous Dynamic Random Access Memory）で構成され、Ａ／Ｄ変換器１１２が出力したデジタル信号を蓄積するようになっている。
【００４１】
駆動回路１２１は、撮像制御装置２０１からは制御信号３０を入力し、駆動回路１１１からは内部トリガ信号４１を入力するようになっている。また、駆動回路１２１は、所定のシャッタ速度でシャッタ１０２を開閉するためのシャッタ制御信号をシャッタ１０２に出力するようになっている。
【００４２】
また、駆動回路１２１は、制御信号３０及び内部トリガ信号４１に基づいて第２の駆動信号３２を生成し、ＣＣＤ１２０に出力するようになっている。この第２の駆動信号３２は、ＣＣＤ１２０を低速度撮像動作状態に設定する信号、ＣＣＤ１２０を超高速度撮像動作状態に設定する信号、内部トリガ信号４１を入力してから１００枚分の超高速度撮像をＣＣＤ１２０に行わせる信号、低速度撮像及び超高速度撮像による信号電荷をＣＣＤ１２０から読み出す信号を含む。なお、駆動回路１２１は、本発明に係る駆動手段を構成する。
【００４３】
Ａ／Ｄ変換器１２２は、低速度撮像及び超高速度撮像によるアナログ信号をＣＣＤ１２０から読み出してデジタル信号に変換し、メモリ１２３に出力するようになっている。
【００４４】
メモリ１２３は、例えばＳＤＲＡＭで構成され、Ａ／Ｄ変換器１２２が出力したデジタル信号を蓄積するようになっている。
【００４５】
信号処理回路１３１は、メモリ１１３及び１２３にそれぞれ蓄積されたデジタル信号を結合し、連続した映像信号として出力するようになっている。例えば、信号処理回路１３１は、ＮＴＳＣ（National Television Standards Committee）やＨＤ−ＳＤＩ（High Definition - Serial Digital Interface）等の規格の映像信号を出力するものである。なお、信号処理回路１３１は、本発明に係る撮像信号結合手段及び撮像信号出力手段を構成する。
【００４６】
ＶＦ１３２は、例えば液晶の表示画面を備え、信号処理回路１３１が出力する映像信号に基づいた映像を表示するようになっている。
【００４７】
次に、本実施形態における超高速度撮像装置１００の動作について図２及び図４を用いて説明する。図４は、超高速度撮像装置１００の動作を示すタイミングチャートであって、時刻（ａ〜ｆ）に対する各信号の状態と、ＣＣＤ１１０及び１２０の出力との関係を示している。第１の駆動信号３１及び第２の駆動信号３２の表示において、それぞれ、撮像のタイミングを示す駆動パルスの位置と、読み出しのタイミングとを別個に示している。ここで、駆動パルスの１つが１枚の撮像に相当するものとする。
【００４８】
まず、撮像制御装置２０１からの制御信号３０に基づき、駆動回路１２１が第２の駆動信号３２を生成し、図４に示すように、ＣＣＤ１２０を低速度駆動状態にする。なお、ＣＣＤ１２０を低速度駆動状態にする前に、シャッタ１０２は既に開状態になっているものとする。
【００４９】
駆動回路１２１からは、低速度駆動状態においてＣＣＤ１２０に撮像させる駆動パルスが１／３０秒間隔でＣＣＤ１２０に出力され、駆動パルスが出力される間隔時間内でＣＣＤ１２０から信号電荷が読み出される。その結果、例えば時刻ａにおいて、ＣＣＤ１２０からは図示のように出力信号が得られる。ＣＣＤ１２０からの出力信号は、Ａ／Ｄ変換器１２２及びメモリ１２３を経由して信号処理回路１３１に送られ、映像信号として出力される。したがって、ＶＦ１３２は、ＣＣＤ１２０による映像をリアルタイムで表示することができる。
【００５０】
次に、時刻ｂにおいて、駆動回路１１１は、撮像制御装置２０１から撮影開始信号を入力すると、第１の駆動信号３１を生成し、駆動パルスをＣＣＤ１１０に出力する。その結果、ＣＣＤ１１０は超高速度撮像動作状態となる。
【００５１】
続いて、時刻ｃにおいて、駆動回路１１１は、トリガ信号発生装置２０２から外部トリガ信号４０を入力すると、時刻ｃから（１／１００万）秒間隔で駆動パルスをＣＣＤ１１０に１００枚分出力し、１００枚目の撮像完了の時刻ｄで駆動パルスの出力を停止するとともに、時刻ｄにおいて内部トリガ信号４１を発生して駆動回路１２１に出力する。
【００５２】
内部トリガ信号４１を入力した駆動回路１２１は、駆動パルスを切り替え、ＣＣＤ１２０を低速度駆動状態から超高速度撮像動作状態にする。すなわち、駆動回路１２１は、時刻ｄの（１／１００万）秒後から（１／１００万）秒間隔で駆動パルスをＣＣＤ１２０に１００枚分出力し、１００枚目の撮像完了の時刻ｅで駆動パルスの出力を停止する。
【００５３】
ＣＣＤ１２０が超高速度で１００枚分撮像した後、駆動回路１２１は、シャッタ１０２を閉じるシャッタ制御信号をシャッタ１０２に出力する。その後、駆動回路１１１及び１２１は、それぞれ、超高速度の撮像による１００枚分の信号電荷を読み出す信号（図中の"Read Out"）をＣＣＤ１１０及び１２０に出力する。その結果、例えば時刻ｆにおいてＣＣＤ１１０及び１２０から図示のような出力信号が得られる。ここで、図４においては、ＣＣＤ１１０及び１２０から信号電荷を同時に読み出すものとしているが、読み出しは同時でなくてもよい。ただし、超高速度撮像の終了後、できるだけ早い時刻に読み出すのが好ましい。
【００５４】
なお、図４において、ＣＣＤ１１０及び１２０が、それぞれ、超高速度で撮像する時間間隔が本発明に係る所定時間間隔に対応する。また、ＣＣＤ１２０が低速度で撮像する時間間隔が本発明に係る長時間間隔に対応する。
【００５５】
引き続き、ＣＣＤ１１０からの出力信号（１枚目〜１００枚目）は、Ａ／Ｄ変換器１１２を経由してメモリ１１３に蓄積される。一方、ＣＣＤ１２０からの出力信号（１０１枚目〜２００枚目）は、Ａ／Ｄ変換器１２２を経由してメモリ１２３に蓄積される。
【００５６】
そして、信号処理回路１３１は、メモリ１１３に蓄積された映像信号と、メモリ１２３に蓄積された映像信号とを結合し、１枚目〜２００枚目の映像信号を出力する。
【００５７】
次に、図２及び図４を用いて行った超高速度撮像装置１００の動作説明を、さらに図５を参照して具体的に説明する。図５は、被写体及びＶＦ映像を含めた動作シーケンス図である。この例では、板にぶつかるボールを被写体としている。
【００５８】
シャッタ１０２が開いてから撮影開始信号を入力するまでの間（例えば時刻ａ）においては、ＣＣＤ１１０は停止状態にあるが、ＣＣＤ１２０が低速度駆動状態にあり、ＣＣＤ１２０は低速度（３０枚／秒）で被写体を撮像する。このとき、ＶＦ１３２にはＣＣＤ１２０による映像がリアルタイムで表示される。したがって、操作者は、超高速度撮像を試行的に実施する際に、ＶＦ１３２の映像を見ながら、画角、フォーカス等の調整を行うことができる。
【００５９】
次に、撮影開始信号を入力した時刻ｂにおいて、ＣＣＤ１１０は停止状態から超高速度撮像動作状態になる。このときも、ＶＦ１３２にはＣＣＤ１２０による映像が表示されている。
【００６０】
さらに、外部トリガ信号４０を入力した時刻ｃにおいて、ＣＣＤ１１０は超高速度（１００万枚／秒）で１００枚分の撮像を開始し、１００枚目の撮像が終了した時刻ｄで撮像を停止する。時刻ｃから時刻ｄまでの間も、ＣＣＤ１２０は低速度で被写体を撮像し、ＶＦ１３２にはＣＣＤ１２０による映像が表示されている。
【００６１】
時刻ｄにおいて、ＣＣＤ１２０は、低速度駆動状態から超高速度撮像動作状態になり、超高速度で１００枚分の撮像を開始し、１００枚目の撮像が終了した時刻ｅで撮像を停止する。時刻ｄ以降では、ＣＣＤ１２０は超高速度撮像動作状態にあり、ＶＦ１３２には映像が表示されない。
【００６２】
時刻ｅにおいて、駆動回路１２１によってシャッタ１０２（図示省略）が閉じられた後、ＣＣＤ１１０及び１２０から超高速度の撮像による１００枚分の信号電荷の読み出しが開始される。この読み出し期間中、例えば時刻ｆにおいてもＶＦ１３２には映像が表示されない。
【００６３】
以上のように、本実施形態における超高速度撮像装置１００によれば、ＢＳ１０３は、被写体光２０を第１の被写体光２１と第２の被写体光２２とに分離し、ＣＣＤ１１０は、第１の被写体光２１を入射し、外部トリガ信号４０の入力時から１００枚分（１枚目〜１００枚目）の超高速度撮像を行い、ＣＣＤ１２０は、第２の被写体光２２を入射し、ＣＣＤ１１０に続いて１００枚分（１０１枚目〜２００枚目）の超高速度撮像を行うとともに、ＣＣＤ１１０の１枚目の超高速度撮像の前に低速度撮像を行って、低速度撮像による映像信号を出力する構成としたので、超高速度撮像の長時間化を図ることができ、さらに、超高速度撮像を実行中の映像と同じ映像が取得できる。
【００６４】
次に、本実施形態の他の態様について説明する。前述の実施形態においては、超高速度撮像装置１００が、被写体光２０を２つに分離し、２つのＣＣＤ１１０及び１２０により受光し、超高速度撮像による撮像を２つのＣＣＤ１１０及び１２０で行う例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、被写体光２０を３つ以上に分離し、超高速度撮像による撮像を３つ以上のＣＣＤで行う構成とすることもできる。
【００６５】
例えば、被写体光２０を３つに分離する構成例を図６に基づき説明する。図６（ａ）に示すように、２つのＢＳ３０１及び３０２を設けて被写体光２０を３つに分離し、３つのＣＣＤ３１１、３１２及び３１３で受光する構成としてもよい。また、図６（ｂ）に示すように、２つのＢＳ３０１及び３０２と、ミラー３０３とを設けて被写体光２０を３つに分離し、３つのＣＣＤ３１１、３１２及び３１３で受光する構成としてもよい。
【００６６】
図６（ａ）及び（ｂ）に示した構成において、例えばＣＣＤ３１１、３１２、３１３の順序で超高速度撮像を実施する場合、低速度撮像を行う撮像手段としてＣＣＤ３１３を選択するのが好ましいが、ＣＣＤ３１２を選択してもよい。また、この場合、トリガ信号発生手段が、ＣＣＤ３１１による超高速度撮像の終了時と、ＣＣＤ３１２による超高速度撮像の終了時とに内部トリガ信号４１を発生する構成となる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態における超高速度撮像装置の基本構成を示す図
【図２】本発明の一実施形態における超高速度撮像装置の詳細な構成を示す図
【図３】本発明の一実施形態における超高速度撮像装置において、低速度撮像動作状態で撮像した信号電荷を出力する動作を示す図
【図４】本発明の一実施形態における超高速度撮像装置の動作を示すタイミングチャート
【図５】本発明の一実施形態における超高速度撮像装置の具体的な動作を示す動作シーケンス図
【図６】本発明の一実施形態における超高速度撮像装置の他の態様の構成図
【図７】画素周辺記録型ＣＣＤの動作原理の説明図
【符号の説明】
【００６８】
１０ 画素周辺記録型ＣＣＤ
１１ ＰＤ
１２ 蓄積ＣＣＤ
１２ａ ドレイン
１３ 垂直読出転送路
１４ 水平読出転送路
２０ 被写体光
２１ 第１の被写体光
２２ 第２の被写体光
３０ 制御信号
３１ 第１の駆動信号
３２ 第２の駆動信号
４０ 外部トリガ信号
４１ 内部トリガ信号
１００ 超高速度撮像装置
１０１ レンズ
１０２ シャッタ
１０３、３０１、３０２ ＢＳ
１１０、１２０、３１１、３１２、３１３ ＣＣＤ
１１１、１２１ 駆動回路
１１２、１２２ Ａ／Ｄ変換器
１１３、１２３ メモリ
１３１ 信号処理回路
１３２ ＶＦ
２０１ 撮像制御装置
２０２ トリガ信号発生装置
３０３ ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、１００万枚／秒程度の速度の撮像（以下「超高速度撮像」という。）に用いられる画素周辺記録型素子を備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からカメラ等の撮像装置における超高速度撮像を行うための研究、開発が行われている。その中でも、撮像素子におけるフレームレートの向上を目的として画素周辺記録型素子（ISIS:In-situ Storage Image Sensor）の提案がされている（例えば、特許文献１参照）。以下、ＩＳＩＳの一例として画素周辺記録型ＣＣＤ（Charge Coupled Device）を挙げて説明する。
【０００３】
画素周辺記録型ＣＣＤは、１つ１つの画素に対して多数の蓄積ＣＣＤを有するように構成されており、受光素子（以下「ＰＤ（Photo Diode）」という。）等から得られる撮像中の画像情報を直接外に読み出さず、蓄積ＣＣＤに連続的に蓄積しておき、撮像後に出力を行うものである。これにより、撮像装置等において被写体等を撮像することで生じる信号電荷を高速に蓄積ＣＣＤに転送して超高速度撮像を実現している。
【０００４】
画素周辺記録型ＣＣＤの動作原理について図７により説明を行う。図７に示すように、画素周辺記録型ＣＣＤ１０は、ＰＤ１１、蓄積ＣＣＤ１２、垂直読出転送路１３、水平読出転送路１４を備えている。蓄積ＣＣＤ１２は、１つのＰＤ１１に対応して、数十から数百個程度で多段に構成されている。図示の例では、蓄積ＣＣＤ１２が１００個で構成されたものである。
【０００５】
画素周辺記録型ＣＣＤ１０において、被写体光の入射後、ＰＤ１１で発生した信号電荷は、１枚（１フレーム）撮影が行われるごとに蓄積ＣＣＤ１２に転送される。蓄積ＣＣＤ１２は、１枚撮像が行われるごとに電荷を１段転送する。蓄積ＣＣＤ１２の最後段にあるドレイン１２ａに達した信号電荷は捨てられる。この動作は、超高速度撮像の動作状態になってから超高速度撮像の開始を示すトリガ信号が入力されるまで続く。撮影終了後、蓄積ＣＣＤ１２に蓄積された１００枚分の信号電荷は、垂直読出転送路１３及び水平読出転送路１４を介して素子外部に読み出される。
【０００６】
以上のような原理により、画素周辺記録型ＣＣＤ１０は、１００万枚／秒程度の超高速度撮像を実現している。
【０００７】
ところが、画素周辺記録型ＣＣＤ１０を用いた撮像装置では２つの課題がある。第１の課題は、蓄積ＣＣＤ１２の数が有限であることから、１回の撮影における記録時間が極短時間に制限されることである。第２の課題は、撮影の開始から終了までの間、画素周辺記録型ＣＣＤ１０から映像信号が出力されないため、超高速度撮像を実行中の映像が取得できないことである。そのため、撮影者が、超高速度撮像を実行中の映像を見ながら、予め、フォーカスや画角の確認ができないこととなる。
【０００８】
一方、プリズムやミラーと撮像装置とを組み合わせて使用し、高度な高速度撮像を行う装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、特許文献２に示されたものは、撮像速度の高速化や高速度カラー撮像を可能にする装置であり、画素周辺記録型ＣＣＤ１０が有する前述の２つの課題を解決することはできない。
【特許文献１】特開２００１−３４５４４１号公報
【特許文献２】特開平４−６８８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前述のような事情に鑑みてなされたものであり、超高速度撮像の長時間化を図ることができ、さらに、超高速度撮像を実行中の映像と同じ映像が取得できる撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の撮像装置は、被写体からの光を入射して複数の被写体光に分離する光分離手段と、前記複数の被写体光をそれぞれ受光して前記被写体を撮像する複数の撮像手段と、予め定められた所定時間間隔の撮像を前記複数の撮像手段ごとに順次行わせる駆動手段と、前記複数の撮像手段によってそれぞれ得られた撮像信号を撮像順に結合する撮像信号結合手段とを備えた構成を有している。
【００１１】
この構成により、本発明の撮像装置は、複数の撮像手段が超高速度撮像を順次行い、それぞれ得られた超高速度撮像による撮像信号を撮像信号結合手段が撮像順に結合することにより、超高速度撮像の長時間化を図ることができる。
【００１２】
また、本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、外部トリガ信号が入力されたとき、及び前記複数の撮像手段ごとに前記所定時間間隔の撮像を終了したときにトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段を備え、前記トリガ信号に基づいて前記複数の撮像手段のそれぞれに前記所定時間間隔による撮像を開始させるものである構成を有している。
【００１３】
この構成により、本発明の撮像装置は、トリガ信号発生手段が発生したトリガ信号に基づいて超高速度撮像を順次実行することができる。
【００１４】
また、本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、前記複数の撮像手段のうち最初に撮像を開始する撮像手段を除くいずれか１つの撮像手段に対して、前記最初に撮像を開始する時刻より前の時刻から前記いずれか１つの撮像手段が撮像を開始する時刻までの間に、前記所定時間間隔よりも長い長時間間隔で撮像を行わせるものであり、前記いずれか１つの撮像手段が前記長時間間隔で撮像した撮像信号を出力する撮像信号出力手段を備えた構成を有している。
【００１５】
この構成により、本発明の撮像装置は、複数の撮像手段のうち最初に撮像を開始する撮像手段を除くいずれか１つの撮像手段が、最初に撮像を開始する撮像手段が撮像を開始する時刻よりも前に低速度で撮像し、撮像信号出力手段が超高速度撮像を実行中の映像と同じである低速度で撮像した映像を出力するので、超高速度撮像を実行中の映像と同じ映像を取得することができる。
【００１６】
なお、本発明の撮像装置は、前記いずれか１つの撮像手段が、前記複数の撮像手段のうち最後に撮像を開始する撮像手段であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の撮像装置は、前記複数の撮像手段が、それぞれ、前記光分離手段が分離した前記被写体光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、該受光素子からの前記信号電荷を順次蓄積する信号電荷蓄積手段と、蓄積された前記信号電荷を予め定められた出力先に順次読み出す信号電荷読出手段とを備えた構成を有するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、超高速度撮像の長時間化を図ることができ、さらに、超高速度撮像を実行中の映像と同じ映像が取得できるという効果を有する撮像装置を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の撮像装置を、１００万枚／秒の超高速度撮像を行うことができる画素周辺記録型ＣＣＤを備えた撮像装置（以下「超高速度撮像装置」という。）に適用した例を挙げて説明する。
【００２０】
まず、本実施形態における撮像装置の構成について図面を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態における超高速度撮像装置１００の基本構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態における超高速度撮像装置１００は、被写体光２０を入射して集光するレンズ１０１と、被写体光２０の光路を開閉するシャッタ１０２と、被写体光２０を第１の被写体光２１と第２の被写体光２２とに分離するビームスプリッタ（以下「ＢＳ」という。）１０３と、第１の被写体光２１を光電変換するＣＣＤ１１０と、第２の被写体光２２を光電変換するＣＣＤ１２０とを備えている。
【００２２】
ＣＣＤ１１０及び１２０は、前述の画素周辺記録型ＣＣＤ１０（図７参照）を備え、それぞれ、１画素につき例えば１００個の蓄積ＣＣＤ１２を有し、１００万枚／秒の撮像速度で撮像した１００枚分の映像信号を記録することができるものとする。さらに、ＣＣＤ１２０は、３０枚／秒の撮像速度での撮像（以下「低速度撮像」という。）も行えるものとする。ここで、ＣＣＤ１１０及び１２０は、本発明に係る撮像手段を構成する。なお、これらの条件は一例であり、本発明はこれらの条件に限定されるものではない。
【００２３】
前述の構成により、超高速度撮像装置１００は、ＣＣＤ１１０が１枚目から１００枚目までの超高速度撮像した映像信号を取得し、ＣＣＤ１２０が１０１枚目から２００枚目までの超高速度撮像した映像信号を取得することができ、従来の２倍の超高速度撮像時間が得られることとなる。
【００２４】
また、ＣＣＤ１２０は、ＣＣＤ１１０が超高速度撮像を開始する前の任意の時刻から、ＣＣＤ１１０が超高速度撮像により１００枚分の映像信号の取得が終了する時刻までの期間、低速度撮像動作を行い、映像信号を出力するようになっている。この構成により、超高速度撮像装置１００の操作者は、ＣＣＤ１２０で撮像した映像を見ながら、予め、画角やフォーカス等の調整を行うことができる。
【００２５】
次に、本実施形態における超高速度撮像装置１００の詳細な構成について図２を用いて説明する。
【００２６】
本実施形態における超高速度撮像装置１００は、前述したレンズ１０１、シャッタ１０２、ＢＳ１０３、ＣＣＤ１１０及び１２０に加えて、図２に示すように構成されている。すなわち、超高速度撮像装置１００は、ＣＣＤ１１０に係る構成として、ＣＣＤ１１０を駆動する駆動回路１１１と、ＣＣＤ１１０が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１１２と、デジタル変換された信号を蓄積するメモリ１１３とを備えている。
【００２７】
また、超高速度撮像装置１００は、ＣＣＤ１２０に係る構成として、ＣＣＤ１２０を駆動する駆動回路１２１と、ＣＣＤ１２０が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１２２と、デジタル変換された信号を蓄積するメモリ１２３とを備えている。
【００２８】
また、超高速度撮像装置１００は、メモリ１１３及び１２３に蓄積された信号に基づいて映像信号を出力する信号処理回路１３１と、信号処理回路１３１の映像出力信号に基づいた映像を表示するビューファインダ（以下「ＶＦ」という。）１３２とを備えている。
【００２９】
また、超高速度撮像装置１００は、撮像に係る制御を行う撮像制御装置２０１と、トリガ信号を発生するトリガ信号発生装置２０２とに接続され、撮像制御装置２０１から撮像に係る制御信号３０を入力し、トリガ信号発生装置２０２から超高速度撮像の開始タイミングとして用いる外部トリガ信号４０を入力するようになっている。
【００３０】
撮像制御装置２０１は、例えば、パーソナルコンピュータで構成され、ネットワークを介して超高速度撮像装置１００に接続されるものである。撮像制御装置２０１が出力する制御信号３０は、例えば、撮影開始を指示する撮影開始信号、超高速度撮像で動作させる状態（以下「超高速度撮像動作状態」という。）に設定する指示信号、低速度撮像で動作させる状態（以下「低速度撮像動作状態」という。）に設定する指示信号等を含む。
【００３１】
トリガ信号発生装置２０２は、例えば光、電波、音波等を用いて撮影タイミングを取得し、トリガ信号を出力する装置である。具体的には、トリガ信号発生装置２０２は、例えば、赤外線やレーザ光が高速度移動物体によって遮断されたときを基準としてトリガ信号を生成して出力するようになっている。
【００３２】
レンズ１０１が出射した被写体光２０の光路は、シャッタ１０２によって開閉されるようになっている。シャッタ１０２は、例えば機械式シャッタで構成され、駆動回路１２１からのシャッタ制御信号に基づいて、所定のシャッタ速度で開閉する機能を備えている。
【００３３】
ＢＳ１０３は、入射した被写体光２０を、透過光である第１の被写体光２１と、反射光である第２の被写体光２２とに分離して出力するようになっている。なお、ＢＳ１０３は、本発明に係る光分離手段を構成する。
【００３４】
ＣＣＤ１１０及び１２０は、それぞれ、図７に示した画素周辺記録型ＣＣＤ１０と同等な構成を有するものであって、分離された被写体光を光電変換して信号電荷を生成するＰＤ１１と、ＰＤ１１からの信号電荷を順次蓄積する蓄積ＣＣＤ１２と、蓄積された信号電荷を予め定められた出力先に順次読み出す垂直読出転送路１３及び水平読出転送路１４とを備えている。なお、ＰＤ１１及び蓄積ＣＣＤ１２は、それぞれ、本発明に係る受光素子及び信号電荷蓄積手段を構成する。また、垂直読出転送路１３及び水平読出転送路１４は、本発明に係る信号電荷読出手段を構成する。
【００３５】
ここで、ＣＣＤ１２０は、超高速度撮像動作状態及び低速度撮像動作状態を有し、各状態において異なる動作を行うようになっている。超高速度撮像動作状態においては、ＣＣＤ１２０は、図７に示したように、１枚ごとに１段ずつ信号電荷を転送して垂直読出転送路１３に出力する動作を行うようになっている。一方、低速度撮像動作状態においては、ＣＣＤ１２０は、図３に示す動作を行う。すなわち、ＣＣＤ１２０は、１枚ごとにＰＤ１１から信号電荷を読み出して垂直読出転送路１３に転送する動作を行うようになっている。
【００３６】
図２に戻り、駆動回路１１１は、撮像制御装置２０１からは制御信号３０を入力し、トリガ信号発生装置２０２からは外部トリガ信号４０を入力するようになっている。
【００３７】
また、駆動回路１１１は、制御信号３０及び外部トリガ信号４０に基づいて第１の駆動信号３１を生成し、ＣＣＤ１１０に出力するようになっている。この第１の駆動信号３１は、ＣＣＤ１１０を超高速度撮像動作状態に設定する信号、外部トリガ信号４０を入力してから１００枚分の超高速度撮像をＣＣＤ１１０に行わせる信号、超高速度撮像による信号電荷をＣＣＤ１１０から読み出す信号を含む。
【００３８】
また、駆動回路１１１は、ＣＣＤ１１０による１００枚分の超高速度撮像に引き続いて、ＣＣＤ１２０に１００枚分の超高速度撮像を行わせるための内部トリガ信号４１を生成し、駆動回路１２１に出力するようになっている。なお、駆動回路１１１は、本発明に係るトリガ信号発生手段を構成する。また、駆動回路１１１は、本発明に係る駆動手段を構成する。
【００３９】
Ａ／Ｄ変換器１１２は、超高速度撮像によるアナログ信号をＣＣＤ１１０から読み出してデジタル信号に変換し、メモリ１１３に出力するようになっている。
【００４０】
メモリ１１３は、例えばＳＤＲＡＭ（Synchronous Dynamic Random Access Memory）で構成され、Ａ／Ｄ変換器１１２が出力したデジタル信号を蓄積するようになっている。
【００４１】
駆動回路１２１は、撮像制御装置２０１からは制御信号３０を入力し、駆動回路１１１からは内部トリガ信号４１を入力するようになっている。また、駆動回路１２１は、所定のシャッタ速度でシャッタ１０２を開閉するためのシャッタ制御信号をシャッタ１０２に出力するようになっている。
【００４２】
また、駆動回路１２１は、制御信号３０及び内部トリガ信号４１に基づいて第２の駆動信号３２を生成し、ＣＣＤ１２０に出力するようになっている。この第２の駆動信号３２は、ＣＣＤ１２０を低速度撮像動作状態に設定する信号、ＣＣＤ１２０を超高速度撮像動作状態に設定する信号、内部トリガ信号４１を入力してから１００枚分の超高速度撮像をＣＣＤ１２０に行わせる信号、低速度撮像及び超高速度撮像による信号電荷をＣＣＤ１２０から読み出す信号を含む。なお、駆動回路１２１は、本発明に係る駆動手段を構成する。
【００４３】
Ａ／Ｄ変換器１２２は、低速度撮像及び超高速度撮像によるアナログ信号をＣＣＤ１２０から読み出してデジタル信号に変換し、メモリ１２３に出力するようになっている。
【００４４】
メモリ１２３は、例えばＳＤＲＡＭで構成され、Ａ／Ｄ変換器１２２が出力したデジタル信号を蓄積するようになっている。
【００４５】
信号処理回路１３１は、メモリ１１３及び１２３にそれぞれ蓄積されたデジタル信号を結合し、連続した映像信号として出力するようになっている。例えば、信号処理回路１３１は、ＮＴＳＣ（National Television Standards Committee）やＨＤ−ＳＤＩ（High Definition - Serial Digital Interface）等の規格の映像信号を出力するものである。なお、信号処理回路１３１は、本発明に係る撮像信号結合手段及び撮像信号出力手段を構成する。
【００４６】
ＶＦ１３２は、例えば液晶の表示画面を備え、信号処理回路１３１が出力する映像信号に基づいた映像を表示するようになっている。
【００４７】
次に、本実施形態における超高速度撮像装置１００の動作について図２及び図４を用いて説明する。図４は、超高速度撮像装置１００の動作を示すタイミングチャートであって、時刻（ａ〜ｆ）に対する各信号の状態と、ＣＣＤ１１０及び１２０の出力との関係を示している。第１の駆動信号３１及び第２の駆動信号３２の表示において、それぞれ、撮像のタイミングを示す駆動パルスの位置と、読み出しのタイミングとを別個に示している。ここで、駆動パルスの１つが１枚の撮像に相当するものとする。
【００４８】
まず、撮像制御装置２０１からの制御信号３０に基づき、駆動回路１２１が第２の駆動信号３２を生成し、図４に示すように、ＣＣＤ１２０を低速度駆動状態にする。なお、ＣＣＤ１２０を低速度駆動状態にする前に、シャッタ１０２は既に開状態になっているものとする。
【００４９】
駆動回路１２１からは、低速度駆動状態においてＣＣＤ１２０に撮像させる駆動パルスが１／３０秒間隔でＣＣＤ１２０に出力され、駆動パルスが出力される間隔時間内でＣＣＤ１２０から信号電荷が読み出される。その結果、例えば時刻ａにおいて、ＣＣＤ１２０からは図示のように出力信号が得られる。ＣＣＤ１２０からの出力信号は、Ａ／Ｄ変換器１２２及びメモリ１２３を経由して信号処理回路１３１に送られ、映像信号として出力される。したがって、ＶＦ１３２は、ＣＣＤ１２０による映像をリアルタイムで表示することができる。
【００５０】
次に、時刻ｂにおいて、駆動回路１１１は、撮像制御装置２０１から撮影開始信号を入力すると、第１の駆動信号３１を生成し、駆動パルスをＣＣＤ１１０に出力する。その結果、ＣＣＤ１１０は超高速度撮像動作状態となる。
【００５１】
続いて、時刻ｃにおいて、駆動回路１１１は、トリガ信号発生装置２０２から外部トリガ信号４０を入力すると、時刻ｃから（１／１００万）秒間隔で駆動パルスをＣＣＤ１１０に１００枚分出力し、１００枚目の撮像完了の時刻ｄで駆動パルスの出力を停止するとともに、時刻ｄにおいて内部トリガ信号４１を発生して駆動回路１２１に出力する。
【００５２】
内部トリガ信号４１を入力した駆動回路１２１は、駆動パルスを切り替え、ＣＣＤ１２０を低速度駆動状態から超高速度撮像動作状態にする。すなわち、駆動回路１２１は、時刻ｄの（１／１００万）秒後から（１／１００万）秒間隔で駆動パルスをＣＣＤ１２０に１００枚分出力し、１００枚目の撮像完了の時刻ｅで駆動パルスの出力を停止する。
【００５３】
ＣＣＤ１２０が超高速度で１００枚分撮像した後、駆動回路１２１は、シャッタ１０２を閉じるシャッタ制御信号をシャッタ１０２に出力する。その後、駆動回路１１１及び１２１は、それぞれ、超高速度の撮像による１００枚分の信号電荷を読み出す信号（図中の"Read Out"）をＣＣＤ１１０及び１２０に出力する。その結果、例えば時刻ｆにおいてＣＣＤ１１０及び１２０から図示のような出力信号が得られる。ここで、図４においては、ＣＣＤ１１０及び１２０から信号電荷を同時に読み出すものとしているが、読み出しは同時でなくてもよい。ただし、超高速度撮像の終了後、できるだけ早い時刻に読み出すのが好ましい。
【００５４】
なお、図４において、ＣＣＤ１１０及び１２０が、それぞれ、超高速度で撮像する時間間隔が本発明に係る所定時間間隔に対応する。また、ＣＣＤ１２０が低速度で撮像する時間間隔が本発明に係る長時間間隔に対応する。
【００５５】
引き続き、ＣＣＤ１１０からの出力信号（１枚目〜１００枚目）は、Ａ／Ｄ変換器１１２を経由してメモリ１１３に蓄積される。一方、ＣＣＤ１２０からの出力信号（１０１枚目〜２００枚目）は、Ａ／Ｄ変換器１２２を経由してメモリ１２３に蓄積される。
【００５６】
そして、信号処理回路１３１は、メモリ１１３に蓄積された映像信号と、メモリ１２３に蓄積された映像信号とを結合し、１枚目〜２００枚目の映像信号を出力する。
【００５７】
次に、図２及び図４を用いて行った超高速度撮像装置１００の動作説明を、さらに図５を参照して具体的に説明する。図５は、被写体及びＶＦ映像を含めた動作シーケンス図である。この例では、板にぶつかるボールを被写体としている。
【００５８】
シャッタ１０２が開いてから撮影開始信号を入力するまでの間（例えば時刻ａ）においては、ＣＣＤ１１０は停止状態にあるが、ＣＣＤ１２０が低速度駆動状態にあり、ＣＣＤ１２０は低速度（３０枚／秒）で被写体を撮像する。このとき、ＶＦ１３２にはＣＣＤ１２０による映像がリアルタイムで表示される。したがって、操作者は、超高速度撮像を試行的に実施する際に、ＶＦ１３２の映像を見ながら、画角、フォーカス等の調整を行うことができる。
【００５９】
次に、撮影開始信号を入力した時刻ｂにおいて、ＣＣＤ１１０は停止状態から超高速度撮像動作状態になる。このときも、ＶＦ１３２にはＣＣＤ１２０による映像が表示されている。
【００６０】
さらに、外部トリガ信号４０を入力した時刻ｃにおいて、ＣＣＤ１１０は超高速度（１００万枚／秒）で１００枚分の撮像を開始し、１００枚目の撮像が終了した時刻ｄで撮像を停止する。時刻ｃから時刻ｄまでの間も、ＣＣＤ１２０は低速度で被写体を撮像し、ＶＦ１３２にはＣＣＤ１２０による映像が表示されている。
【００６１】
時刻ｄにおいて、ＣＣＤ１２０は、低速度駆動状態から超高速度撮像動作状態になり、超高速度で１００枚分の撮像を開始し、１００枚目の撮像が終了した時刻ｅで撮像を停止する。時刻ｄ以降では、ＣＣＤ１２０は超高速度撮像動作状態にあり、ＶＦ１３２には映像が表示されない。
【００６２】
時刻ｅにおいて、駆動回路１２１によってシャッタ１０２（図示省略）が閉じられた後、ＣＣＤ１１０及び１２０から超高速度の撮像による１００枚分の信号電荷の読み出しが開始される。この読み出し期間中、例えば時刻ｆにおいてもＶＦ１３２には映像が表示されない。
【００６３】
以上のように、本実施形態における超高速度撮像装置１００によれば、ＢＳ１０３は、被写体光２０を第１の被写体光２１と第２の被写体光２２とに分離し、ＣＣＤ１１０は、第１の被写体光２１を入射し、外部トリガ信号４０の入力時から１００枚分（１枚目〜１００枚目）の超高速度撮像を行い、ＣＣＤ１２０は、第２の被写体光２２を入射し、ＣＣＤ１１０に続いて１００枚分（１０１枚目〜２００枚目）の超高速度撮像を行うとともに、ＣＣＤ１１０の１枚目の超高速度撮像の前に低速度撮像を行って、低速度撮像による映像信号を出力する構成としたので、超高速度撮像の長時間化を図ることができ、さらに、超高速度撮像を実行中の映像と同じ映像が取得できる。
【００６４】
次に、本実施形態の他の態様について説明する。前述の実施形態においては、超高速度撮像装置１００が、被写体光２０を２つに分離し、２つのＣＣＤ１１０及び１２０により受光し、超高速度撮像による撮像を２つのＣＣＤ１１０及び１２０で行う例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、被写体光２０を３つ以上に分離し、超高速度撮像による撮像を３つ以上のＣＣＤで行う構成とすることもできる。
【００６５】
例えば、被写体光２０を３つに分離する構成例を図６に基づき説明する。図６（ａ）に示すように、２つのＢＳ３０１及び３０２を設けて被写体光２０を３つに分離し、３つのＣＣＤ３１１、３１２及び３１３で受光する構成としてもよい。また、図６（ｂ）に示すように、２つのＢＳ３０１及び３０２と、ミラー３０３とを設けて被写体光２０を３つに分離し、３つのＣＣＤ３１１、３１２及び３１３で受光する構成としてもよい。
【００６６】
図６（ａ）及び（ｂ）に示した構成において、例えばＣＣＤ３１１、３１２、３１３の順序で超高速度撮像を実施する場合、低速度撮像を行う撮像手段としてＣＣＤ３１３を選択するのが好ましいが、ＣＣＤ３１２を選択してもよい。また、この場合、トリガ信号発生手段が、ＣＣＤ３１１による超高速度撮像の終了時と、ＣＣＤ３１２による超高速度撮像の終了時とに内部トリガ信号４１を発生する構成となる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態における超高速度撮像装置の基本構成を示す図
【図２】本発明の一実施形態における超高速度撮像装置の詳細な構成を示す図
【図３】本発明の一実施形態における超高速度撮像装置において、低速度撮像動作状態で撮像した信号電荷を出力する動作を示す図
【図４】本発明の一実施形態における超高速度撮像装置の動作を示すタイミングチャート
【図５】本発明の一実施形態における超高速度撮像装置の具体的な動作を示す動作シーケンス図
【図６】本発明の一実施形態における超高速度撮像装置の他の態様の構成図
【図７】画素周辺記録型ＣＣＤの動作原理の説明図
【符号の説明】
【００６８】
１０ 画素周辺記録型ＣＣＤ
１１ ＰＤ
１２ 蓄積ＣＣＤ
１２ａ ドレイン
１３ 垂直読出転送路
１４ 水平読出転送路
２０ 被写体光
２１ 第１の被写体光
２２ 第２の被写体光
３０ 制御信号
３１ 第１の駆動信号
３２ 第２の駆動信号
４０ 外部トリガ信号
４１ 内部トリガ信号
１００ 超高速度撮像装置
１０１ レンズ
１０２ シャッタ
１０３、３０１、３０２ ＢＳ
１１０、１２０、３１１、３１２、３１３ ＣＣＤ
１１１、１２１ 駆動回路
１１２、１２２ Ａ／Ｄ変換器
１１３、１２３ メモリ
１３１ 信号処理回路
１３２ ＶＦ
２０１ 撮像制御装置
２０２ トリガ信号発生装置
３０３ ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光を入射して複数の被写体光に分離する光分離手段と、前記複数の被写体光をそれぞれ受光して前記被写体を撮像する複数の撮像手段と、予め定められた所定時間間隔の撮像を前記複数の撮像手段ごとに順次行わせる駆動手段と、前記複数の撮像手段によってそれぞれ得られた撮像信号を撮像順に結合する撮像信号結合手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記駆動手段は、外部トリガ信号が入力されたとき、及び前記複数の撮像手段ごとに前記所定時間間隔の撮像を終了したときにトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段を備え、
前記トリガ信号に基づいて前記複数の撮像手段のそれぞれに前記所定時間間隔による撮像を開始させるものであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記駆動手段は、前記複数の撮像手段のうち最初に撮像を開始する撮像手段を除くいずれか１つの撮像手段に対して、前記最初に撮像を開始する時刻より前の時刻から前記いずれか１つの撮像手段が撮像を開始する時刻までの間に、前記所定時間間隔よりも長い長時間間隔で撮像を行わせるものであり、
前記いずれか１つの撮像手段が前記長時間間隔で撮像した撮像信号を出力する撮像信号出力手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記いずれか１つの撮像手段は、前記複数の撮像手段のうち最後に撮像を開始する撮像手段であることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記複数の撮像手段は、それぞれ、前記光分離手段が分離した前記被写体光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、該受光素子からの前記信号電荷を順次蓄積する信号電荷蓄積手段と、蓄積された前記信号電荷を予め定められた出力先に順次読み出す信号電荷読出手段とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１】
被写体からの光を入射して複数の被写体光に分離する光分離手段と、前記複数の被写体光をそれぞれ受光して前記被写体を撮像する複数の撮像手段と、予め定められた所定時間間隔の撮像を前記複数の撮像手段ごとに順次行わせる駆動手段と、前記複数の撮像手段によってそれぞれ得られた撮像信号を撮像順に結合する撮像信号結合手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記駆動手段は、外部トリガ信号が入力されたとき、及び前記複数の撮像手段ごとに前記所定時間間隔の撮像を終了したときにトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段を備え、
前記トリガ信号に基づいて前記複数の撮像手段のそれぞれに前記所定時間間隔による撮像を開始させるものであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記駆動手段は、前記複数の撮像手段のうち最初に撮像を開始する撮像手段を除くいずれか１つの撮像手段に対して、前記最初に撮像を開始する時刻より前の時刻から前記いずれか１つの撮像手段が撮像を開始する時刻までの間に、前記所定時間間隔よりも長い長時間間隔で撮像を行わせるものであり、
前記いずれか１つの撮像手段が前記長時間間隔で撮像した撮像信号を出力する撮像信号出力手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記いずれか１つの撮像手段は、前記複数の撮像手段のうち最後に撮像を開始する撮像手段であることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記複数の撮像手段は、それぞれ、前記光分離手段が分離した前記被写体光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、該受光素子からの前記信号電荷を順次蓄積する信号電荷蓄積手段と、蓄積された前記信号電荷を予め定められた出力先に順次読み出す信号電荷読出手段とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１１４７６３（Ｐ２０１０−１１４７６３Ａ）
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８６８５９（Ｐ２００８−２８６８５９）
【出願日】平成２０年１１月７日（２００８．１１．７）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月７日（２００８．１１．７）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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