JP2004254073A - 高速度撮影カメラ装置及びこの装置を用いた高速度撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速度撮像しながら撮像画像の一部をスローモーション再生して目視出来たり、撮像画像を画像処理して、移動物体の軌跡や速度などのベクトルをスローモーション画像と重ねて表示したり、高速度撮像中に撮像コマ数を可変したりすることができる高速度カメラ装置とそれを用いた高速度撮像方法を提供すること。
【解決手段】被写体を撮像するレンズと、該レンズからの画素の光路を分割する光路分割部を設け、該光路分割部に外部同期ＣＣＤカメラを設け、かつ前記ＣＣＤカメラを順次撮像する同期制御部を設けたことを特徴とする高速度カメラ装置を提供する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤカメラを用いて撮像する高速度カメラ装置と高速度撮像方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、高速の現象を撮像する高速度カメラ技術がある。近年は精密加工技術の進歩によって、高速度カメラ用の撮像素子は固体撮像素子になってきている。固体撮像素子としてＣＣＤ撮像素子や、Ｃ−ＭＯＳ撮像素子があり、一秒間に１００コマから１００，０００コマ程度の画像を撮像できる様になっている。
さらに光増幅作用を利用したイメージインテンシティファイアをＣＣＤ等の固体撮像素子と組み合わせて低照度でも高速度撮像が可能となった。
そして、高速度撮像した画像は撮像トリガーで半導体メモリに保存されるのが一般的になってきている。半導体メモリ容量分の時間だけ画像をメモリーに保存する。メモリに保存した画像は、１コマづつ再生し画像処理されたり、通常の再生速度の３０コマ／秒で再生（スローモーション再生）し目視されたりしている。
【０００３】
高速の現象の撮像は、例えば、ゴム風船が破裂する瞬間の動きを観察する単発の現象を高速度撮像する場合と、自動車用４サイクルエンジンなどの内燃機関の燃焼状態を観察する繰返しの現象を高速度撮像する場合がある。
単発の現象を撮像する場合、どのタイミングで撮像画像の保存を開始するかのトリガー機能が必要である。
例えば、針がゴム風船に当たり破裂する場合などは、針が当たる直前を検知して撮像保存を開始するような現象の開始直前から撮像保存を開始するフロントトリガーと言われるトリガー方法と、ゴム風船の破裂中を検知して撮像トリガーとするミッドトリガー方法（トリガー前の画像保存と、トリガー後の画像保存をおこう画像保存方法）と、ゴム風船の破裂後を検知して撮像トリガーとするエンドトリガー方法（トリガー前の画像保存をおこなう画像保存方法）がある。
４サイクルエンジンの燃焼状態の様に繰返しの現象を撮像する場合、高速度カメラは必ずしも必要がない場合がある。例えば、エンジンの点火タイミングを基準トリガーとして、基準トリガーの前後に撮像タイミングをずらす（繰返し周期の１／１００程度づつ前後にずらして撮像する）ことで高速の現象をスローモーションで観察することができる。この場合、カメラは、３０コマ／秒程度の撮像速度があればよいが、カメラにはランダムトリガー、ランダムシャッター機能が必要となり、このランダムトリガー、ランダムシャッター機能へ撮像するタイミングでトリガー信号を基準トリガーから生成する機構が必要となる。また、高速度カメラで繰返し現象を撮像する場合、撮像トリガーは前述の単発現象の撮像と同様であり、撮像時間は半導体メモリの容量分の時間だけ画像を得ることができる。
【０００４】
前記高速度カメラの形態は、画像を撮像する撮像素子と画像を保存するメモリーと撮像トリガーや画像の再生出力等の操作系を一体化したユニットとなっている形態や、撮像素子だけのカメラヘッドと画像メモリーボードと制御をパソコンでおこなうようにした形態などが多くなっている。
高速度撮像画像は、高速撮像の終了後にそのままスローモーション再生されることが多く、高速の現象の把握に使用されている。
また、前述の制御用パソコンに、画像処理ソフトを追加して、高速度撮像の終了後に撮像した画像を一コマづつ画像処理し特徴的な部分を抽出して複数のコマ間で移動している物体の軌跡を描画したり、その移動方向や移動速度などを表示して動きの解析や解明などの用途に使われている。
【０００５】
一方、高速の現象を、より長時間観察する要望や、高速度カメラで撮像しながら人間の目で見て分かるようにスローモーション再生する要望や、高速度撮像しながら一コマづつ画像処理をして軌跡や方向や速度を表示する要望が出てきているが実現できていない。
【０００６】
また、撮像トリガーの生成は、高速現象の発生に同期して生成するのが難しい場合が多く、高速撮像の失敗が多いという問題がある。
そして、繰返し現象において、一秒間にどのくらいコマ数で高速度撮像すればよいか不明の場合が多く、予想を越えた速度で現象が推移した場合、高速度カメラの性能が追いつかずに撮像できないという問題が発生する可能性がある。
【０００７】
また、一秒間に１０，０００コマから１００，０００コマ以上を撮像するような場合、撮像素子の動作速度が上がり画像メモリーまでの長距離の画像データ伝送が困難で撮像素子とメモリーを一体化したカメラヘッドの形態となりカメラヘッドの大きさを考慮した場合、大量のメモリを搭載できず総撮像コマ数を多くできないという問題がある。
さらに、撮像素子の動作速度限界からより高速度撮像になると撮像素子の画素数を減少せざるを得なくなり撮像画像の分解能劣化という問題がある。また搭載メモリの動作速度限界から分解能を向上したり撮像速度を早くすることができないという問題点がある。
撮像素子の動作速度が間に合わないと言う現象ばかりでなく、一コマ分の画像処理を行う処理速度は、例えば一コマがヨコ６４０画素タテ４８０画素、３色（赤、緑、青）カラーの場合、３０コマ／秒から６０コマ／秒程度であり、高速度撮像しながら画像処理を行うことができないという問題がある。
【０００８】
このように、標準信号カメラの撮像速度（３０コマ／秒）以上の高速度カメラでは、撮像しながら再生する事が出来ないことや、撮像画像の画像処理がすぐに出来ないという問題があり、これらを解決しようという技術的取り組みはおこなわれていないことが多い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するものであり、その課題とするところは、特に１，０００コマ／秒程度の高速度カメラにおいて、高速度撮像しながら撮像画像の一部をスローモーション再生して目視出来たり、撮像画像を画像処理して、移動物体の軌跡や速度などのベクトルをスローモーション画像と重ねて表示したり、高速度撮像中に撮像コマ数を可変したりすることができる高速度カメラ装置とそれを用いた高速度撮像方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、被写体を撮像するレンズと、該レンズからの画素の光路を分割する光路分割部を設け、該光路分割部に外部同期ＣＣＤカメラを設け、かつ前記ＣＣＤカメラを順次撮像する同期制御部を設けたことを特徴とする高速度カメラ装置である。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記光路分割部は、光路が等しくなるように分割されていることを特徴とする請求項１記載の高速度カメラ装置である。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記光路分割部が、光路を分割する透過反射率５０％のミラーと、反射率１００％のミラーを複数個有する透過反射部と、分割した複数の光路長が各々等しいことを特徴とする請求項１記載の高速度カメラ装置としたものである。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記外部同期ＣＣＤカメラが、シャッター機能を有することを特徴とする、請求項１記載の高速度カメラ装置である。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、前記同期制御部は、順次撮像するタイミングを可変することを特徴とする請求項１記載の高速度カメラ装置である。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の高速度カメラ装置を用いて撮像する高速度撮像方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
本発明の高速度カメラ装置は、図１の説明図に示すように、例えば、被写体（１）は数字の「１」を撮像する場合、レンズ（２）を通して撮像される。
撮像された画素は、撮像素子までの光路分割部（３）において、４分割するように分割する。
この光路分割部（３）は、それぞれの光路長が等しくなるように構成されており、結像画像を４つとも同じにすることができ、光路長の違いにより結像画像の大きさが異なったりピントずれが発生しないようにすることができる。
【００１７】
さらに透過反射率５０％のミラー（以下にハーフミラーという）と反射率１００％のミラー（以下にミラーという）を組み合わせることで４つに分割された結像の明るさが等しくすることができると言う特徴がある。
これらにより分割された画像がどれも同じになるようにできることで、どの結像画像を見てもチラツイていたり、大きさが異なったり、ピントが合っていないということがないように構成できる。
これらは見やすいと言うことと、画像処理をする場合に、画像の大きさを画像処理して同じ大きさにしたり、明るさが同じになるように画像処理したりするなどの事前処理の必要がなくなるため不要な画像処理時間をなくすことができる。
【００１８】
またピントずれの画像をピントのあった画像と比較するような画像処理の場合、ピントずれ画像を異常な画像と誤って判断するようなことも発生しないという特徴がある。
【００１９】
光路分割部（３）の構成は、立方体のブロックを組み合わせて構成するようにする。具体的には、レンズ（２）の口径が、例えば、φ５０の場合、内寸の一辺が５０ｍｍの直方体とすることが光学的に望ましい。例えばアルミ引き抜き材を使用する場合、肉厚が３ｍｍ〜５ｍｍで、外寸が６０ｍｍ×６０ｍｍの物を長さ５０ｍｍに加工して、光路分割部（３）を構成する一ブロックとしてもよい。
【００２０】
光路分割部（３）のブロック構成は、ブロックａに設けるハーフミラーによって透過光５０％（正画像）と反射光５０％（反転画像）に分けられる。透過光５０％（正画像）は次のブロックｂ２に設けるハーフミラーによって、透過光２５％（正画像）と反射光２５％（反転画像）に分けられる。透過光２５％（正画像）は次のブロックｃ２と、次のブロックｄ２をそのままの通り元の明るさの２５％の「（反転した）１」のように結像１２となる。
この結像１２を固体撮像素子４２で撮像するように構成する。
ブロックａで分けられた反射光５０％（反転画像）は、次のブロックｂ３にに設けるミラーによって、透過光５０％（正転画像）となり、次のブロックｃ３に設けるハーフミラーによって、透過光２５％（正画像）と反射光２５％（反転画像）に分けられる。
【００２１】
そして、透過光２５％（正画像）は、次のブロックｄ３をそのままの通り元の明るさの２５％の「（反転した）１」のように結像１３となる。
この結像１３を固体撮像素子４３で撮像するように構成する。
ブロックｂ２で分けられた反射光２５％（反転画像）は、次のブロックｃ１に設けるミラーによって、透過光２５％（正転画像）となり、次のブロックｄ１をそのままの通り、元の明るさの２５％の「（反転した）１」のように結像１１となる。
この結像１１を固体撮像素子４１で撮像するように構成する。
【００２２】
ブロックｃ３で分けられた反射光２５％（反転画像）は、次のブロックｄ４に設けるミラーによって透過光２５％（正転画像）となり、元の明るさの２５％の「（反転した）１」のように結像１４となる。
この結像１４を固体撮像素子４４で撮像するように構成する。
以上のような構成で被写体の画像を等しく４分割した画像を撮像することができるようになる。
【００２３】
以上のように、１０個のブロックで構成するを光路分割部（３）を一モジュールとすることで、モジュールの増設で４分割から１６分割、さらに６４分割と光路分割を行うことができるようになる。
【００２４】
例えば、光路分割部（３）をモジュール１として、モジュール１のブロックｄ１の次に、モジュール２のブロックａになるようにモジュール２を配置し、モジュール１のブロックｄ２の次に、モジュール３を配置し、モジュール１のブロックｄ３の次に、モジュール４を配置し、モジュール１のブロックｄ４の次に、モジュール５を配置することで光路を等しく１６分割することができる。この場合、それぞれの固体撮像素子に結像するように焦点距離を合わせるようにする。
【００２５】
このようにモジュールを増設していくことでさらに６４分割、１２８分割とする構成も可能となる。
これは、固体撮像素子の撮像速度が、通常３０コマ／秒程度の安価な素子の複数個使用することで、例えば、４分割ならば、３０コマ／秒×４個＝１２０コマ／秒の高速度撮像が可能になり、さらに各撮像素子ごとに画像処理装置を接続することで、リアルタイムで画像処理が可能な構成とすることができる。１６分割であれば、３０コマ／秒×１６個＝４８０コマ／秒の、高速度撮像とリアルタイム画像処理が可能となり、６４分割であれば３０コマ／秒×６４個＝１９２０コマ／秒の高速度撮像とリアルタイム画像処理が可能となる。
これらは高速度カメラにおいて従来にない機能と性能を、汎用カメラ、汎用レンズなどを使用して安価に実現できる構成といえる。
【００２６】
固体撮像素子４１〜４４は、汎用の３０コマ／秒の撮像速度を持つ外部同期ＣＣＤカメラを使用することが望ましい。画素数は横方向６４０画素、縦方向４８０画素程度、カラー（ＲＧＢ：赤緑青３色）の汎用ＣＣＤ、あるいはＣ−ＭＯＳのボード型カメラが安価、小型で望ましい。
固体撮像素子４１〜４４は、外部同期信号のトリガ５１〜トリガ５４を入力し、撮像される。外部同期信号のトリガ５１〜トリガ５４は、同期制御部５０で生成される。
固体撮像素子４１〜４４で撮像された画像のデータは、画像データ４１１〜４４１によって画像情報を記憶したり、画像処理したりする処理部６１〜６４へ入力する。処理部６１〜６４は、例えば各々画像処理ボードと、パソコンをセットにしたようなもので構成することが望ましい。
それぞれのパソコンの汎用画像処理ソフトや画像制御ソフトは、同一のソフトウエアをインストールすることで、操作性や処理技術を統一することができソフト開発の効率化とコスト低廉化が可能となるばかりでなく、従来不可能であった撮像と同時の画像処理が可能になるという特徴が実現できる。
【００２７】
処理部６１〜６４から出力される画像データは、画像表示処理部（７０）に集められ、３０コマ／秒〜６０コマ／秒程度を表示するモニタ（８０）で表示される。画像表示処理部（７０）は、４個の画像入力ボードと一台のパソコンで構成することができる。
【００２８】
また、本発明の高速度カメラ装置のトリガタイミングは、図２の模式的に表したタイミング図で表したように、例えば、光路分割部（３）のブロックｄ１端の結像１１を撮像する固体撮像素子４１を駆動する外部同期信号のトリガ５１は、タイミング５１ａに示すように、３０コマ／秒で動作している。
撮像開始は、便宜的に信号の立ち上がりとしている。
【００２９】
本発明において高速度カメラに使用する固体撮像素子群は、同じ動作速度、例えば３０コマ／秒で動作するものとして説明する。同じ動作速度であれば３０コマ／秒〜６０コマ／秒のどの動作速度でもかまわないのであるが画像処理時間から３０コマ／秒程度で動作させることが望ましい。
撮像開始付近を時間拡大し模式的に表したものがタイミング５１ｂであり、タイミング開始点をスタート１００として説明すると、タイミング５１ｃは、定常遅延時間１０１の経過の後、シャッタ開、１μＳｅｃ経過し、シャッタ閉、そして固体撮像素子動作速度３０コマ／秒であるから、３３．３ｍＳｅｃ後にシャッタ開閉を繰り返すタイミングとする。定常遅延時間１０１は、固体撮像素子の内部回路的に必要な時間で、ある時間経過後は、任意にシャッタ開閉が実施できるようになっているのが普通である。
【００３０】
ここで、シャッタ開閉を積極的に制御して従来にない高速度撮像を実現するものである。本例では、固体撮像素子のシャッタ開閉は１μＳｅｃで、これは１００万コマ／秒に相当する動作速度であるが、光路分割部（３）が４つであるので、１μＳｅｃの現象を連続的に４コマ撮像でき、３３．３ｍＳｅｃ後に繰り返し、１μＳｅｃの現象を連続で４コマ撮像できるということである。連続撮像コマ数を多くするには、前述のように１６分割、６４分割の光路分割を行えば可能である。光路分割部（３）をモジュール構成としているため、必要に応じて連続撮像コマ数を増減できるという利点がある。
【００３１】
タイミング５２ｂとタイミング５２ｃは、固体撮像素子４２を駆動するタイミングを模式的に表したものであり、固体撮像素子４１のシャッタ閉と同時にシャッタを開、１μＳｅｃにシャッタ閉するタイミングである。
タイミング５３ｂとタイミング５３ｃは、固体撮像素子４３を駆動するタイミングを模式的に表したものであり、固体撮像素子４２のシャッタ閉と同時にシャッタを開、１μＳｅｃにシャッタ閉するタイミングである。
タイミング５４ｂとタイミング５４ｃは、固体撮像素子４４を駆動するタイミングを模式的に表したものであり、固体撮像素子４３のシャッタ閉と同時にシャッタを開、１μＳｅｃにシャッタ閉するタイミングである。
以上のように固体撮像素子４１〜４４まで、順に１μＳｅｃずつ連続で撮像することができる。
【００３２】
また、高速度カメラ装置の、他のトリガタイミングを示す。図３に示されたタイミングは、光路分割部（３）と固体撮像素子４１〜４４を使用して１２０コマ／秒を連続撮像する場合である。
固体撮像素子４１は、タイミング５１ａで駆動される。固体撮像素子４２は、タイミング５２ａで駆動される。固体撮像素子４３は、タイミング５３ａで駆動される。固体撮像素子４４は、タイミング５４ａで駆動される。
このように、順次撮像開始を少しずつずらすことで連続撮像が可能となる。シャッタ機能を使用してタイミング５１ｃ〜５４ｃのように制御することで、撮像期間が重なり撮像される画像の情報が重なることを防止することが望ましい。
１６個あるいは６４個の固体撮像素子を使用する場合も同様に、１コマの撮像時間内を１６等分あるいは６４等分になるようにタイミング制御することで４８０コマ／秒あるいは１９２０コマ／秒の連続撮像することが可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は以上の構成であるから、下記に示す如き効果がある。
即ち、被写体を撮像するレンズと、複数の外部同期ＣＣＤカメラを設け、その間に画像光路を等しく分割する光路分割部を設け、複数のＣＣＤカメラを順次撮像する同期制御部を設けることで従来にない機能を有するする高速度カメラを実現できる。
【００３４】
また、前記光路分割部は、光路を分割する透過反射率５０％のミラーと反射率１００％のミラーを複数個有する透過反射部と、分割した複数の光路長が各々等しくする構成によって構成部品種類を少なくでき簡単に一モジュールを構成でき、モジュールの増設、削減が容易におこなえ、広範囲な高速度撮像速度を実現できる。
【００３５】
また、前記外部同期ＣＣＤカメラは、シャッター機能を有することで順次撮像する画像情報の重なり防止できることと、前記同期制御部で順次撮像するタイミングを可変することで従来にない高速度撮像が可能になるような高速度カメラ装置とすることができる。
【００３６】
従って本発明は、高速で推移する現象を撮像する分野における高速度カメラ装置および高速度撮像方法として、優れた実用上の効果を発揮する。
【００３７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高速度カメラ装置の一実施形態を側断面図で表した説明図である。
【図２】本発明の高速度カメラ装置の一実施形態のトリガタイミングを模式的なタイミング図で表した説明図である。
【図３】本発明の高速度カメラ装置の他の実施形態のトリガタイミングを模式的なタイミング図で表した説明図である。
【符号の説明】
１‥‥被写体
２‥‥レンズ
３‥‥光路分割部
ａ、ｂ２、ｂ３、ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４‥‥ブロックｂ２
１１、１２，１３，１４‥‥結像
４１、４２，４３，４４‥‥固体撮像素子
４１１、４２１、４３１、４４１‥‥画像データ
５０‥‥同期制御部
５１‥‥トリガ
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ‥‥タイミング
５２‥‥トリガ
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ‥‥タイミング
５３‥‥トリガ
５３ａ、５２ｂ、５２ｃ‥‥タイミング
５４‥‥トリガ５４
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ‥‥タイミング
６１、６２、６３、６４‥‥処理部
７０‥‥画像表示処理部
８０‥‥モニタ
１００‥‥スタート
１０１‥‥定常遅延時間

Claims (6)

1. 被写体を撮像するレンズと、該レンズからの画素の光路を分割する光路分割部を設け、該光路分割部に外部同期ＣＣＤカメラを設け、かつ前記ＣＣＤカメラを順次撮像する同期制御部を設けたことを特徴とする高速度カメラ装置。
2. 前記光路分割部は、光路が等しくなるように分割されていることを特徴とする請求項１記載の高速度カメラ装置。
3. 前記光路分割部が、光路を分割する透過反射率５０％のミラーと、反射率１００％のミラーを複数個有する透過反射部と、分割した複数の光路長が各々等しいことを特徴とする請求項１記載の高速度カメラ装置。
4. 前記外部同期ＣＣＤカメラが、シャッター機能を有することを特徴とする、請求項１記載の高速度カメラ装置。
5. 前記同期制御部は、順次撮像するタイミングを可変することを特徴とする請求項１記載の高速度カメラ装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の高速度カメラ装置を用いて撮像する高速度撮像方法。

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