JP2009200982A - High-speed imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a high-speed imaging apparatus for capturing high-speed phenomena that are difficult to capture with a normal imaging apparatus such as bursting, explosion, combustion, collision, discharge, or high-speed movement of an object.
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。
For example, a dedicated high-speed imaging device has been developed in order to continuously capture high-speed phenomena such as explosion, destruction, combustion, collision, and discharge (for example, Non-Patent Document 1). With this high-speed photographing device, photographing at a very high speed of 1 million frames / second is possible. Conventional general CCD-type and CMOS-type image sensors cannot cope with such high-speed shooting. For this reason, an imaging element having a special structure as described in, for example,
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。 This imaging device is called a pixel peripheral recording type imaging device (IS-CCD = image storage-CCD), and is vertically transferred by the number of recording frames (for example, about 100 frames) for each photodiode as a photoelectric conversion unit. During the shooting, the signal charge photoelectrically converted by the photodiode is sequentially transferred to the storage CCD, and after the shooting, the signal charge for the number of recording frames stored in the storage CCD is stored. The pixel signal is acquired by sequentially reading through the horizontal transfer CCD. The signal charge that exceeds the number of recording frames during shooting is discarded, and the signal charge for the latest number of recording frames is always held in the storage CCD. If the operation is canceled, the latest predetermined number of frames from the time point that has been recorded by the number of recording frames from that point in time can be obtained.
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。 Although the above-described imaging device can perform extremely high-speed shooting, on the other hand, it consumes a large drive current and generates a considerable amount of heat during the shooting operation. For this reason, for example, if high-speed shooting operation is continuously performed at 1 Mfps, which is the maximum shooting speed, the element may be destroyed due to heat generation. In order to avoid this, conventionally, the element temperature is monitored and the driving of the element is stopped when an abnormal temperature is reached, or the continuous time (high-speed shooting allowable time) for performing the high-speed shooting operation is limited. Yes.
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。 Due to the characteristics of the subject in such a high-speed imaging device, for example, a phenomenon such as an explosion has occurred and it is desired to photograph changes occurring within a short period of time from when a trigger signal corresponding to the occurrence is obtained. There are many cases. In that case, it is necessary to wait for the target phenomenon to occur, and in some cases, the standby state may be prolonged. In such a case, if the camera is on standby in the state of high-speed shooting as described above, the shooting standby state may be automatically canceled because the high-speed shooting allowable time has passed during that time. It was.
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。 In terms of control, it is possible to drive the imaging device so that the imaging device starts a high-speed imaging operation after the trigger signal is obtained without driving the imaging device during imaging standby. However, in general, in the above-described image sensor, noise accumulation due to dark current becomes a problem. Therefore, when the operation of the image sensor is started from the photographing start time, a sufficient SN ratio is ensured. There is a problem that is difficult.
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。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a high-speed imaging device capable of extending the standby time before starting high-speed imaging while ensuring the SN ratio of the image at the time of shooting. Is to provide.
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。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention includes an imaging unit that photoelectrically converts a captured optical image of a subject and outputs it as an electrical signal, and processes the electrical signal output from the imaging unit as a captured image. A high-speed imaging device,
a) start trigger generating means for generating a trigger signal for giving an instruction to start photographing;
b) Stand by in an idling state that repeats the operation at a lower speed than the shooting operation described later until the trigger signal is given, and drives the imaging means so as to shift to the shooting operation at a high speed when the trigger signal is given. Photographing control means;
It is characterized by having.
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。 As one aspect of the high-speed imaging device according to the present invention, the imaging unit includes a signal storage unit that stores therein an electrical signal for a predetermined number of frames without outputting the signal to the outside. Preferably, the imaging means is controlled to end the imaging when the electrical signal corresponding to the optical image having the predetermined number of frames is accumulated in the signal accumulation unit after the imaging is started in response to the input of the trigger signal. .
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。 The start trigger generation means may generate a trigger signal in response to a detection signal from another sensor that detects a change in the subject, for example, a vibration sensor, a position sensor, an optical sensor, a sound sensor, or the like. Further, based on the result of processing an image signal acquired by another photographing apparatus, for example, a trigger signal may be generated when a specific change occurs on the image. Of course, the trigger signal may be generated in accordance with a manual operation by the operator.
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。 Further, the transition from the stop state to the idling state may be performed according to a manual operation by an operator, for example.
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。 As an example of a shooting work procedure using the high-speed shooting apparatus according to the present invention, a photographer first places the apparatus in a shooting standby state by a manual operation. Thereby, the imaging control means operates the imaging means in an idling state. When the image pickup means is an image pickup device that performs signal transfer using a CCD, in the idling state, the photoelectric conversion operation and the signal transfer of the electric signal obtained thereby are repeatedly performed at a low speed. At this time, naturally, a drive current is supplied to the image sensor, but since it is a low-speed operation, the amount of heat generation is considerably smaller than that during a high-speed shooting operation, and the idling state can be continued for a long time.
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。 Then, when the trigger signal is generated by the start trigger generation means, the imaging control means switches the operation of the imaging means from the idling state to a preset high-speed imaging operation, and substantially starts optical image imaging. Since the photoelectric conversion operation and the electric signal transfer operation are repeatedly performed in the idling state until immediately before the start of photographing, noise due to dark current or the like is not accumulated, and an image signal having a good SN ratio from immediately after the photographing is started. Can be obtained.
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。 According to the high-speed imaging device of the present invention, since heat generation of the imaging unit is suppressed during standby before the start of shooting, damage to the element due to excessive heat generation can be avoided even when the shooting standby time is long. Thereby, it is possible to wait for a long time. Further, since the basic operation of the image pickup means is performed even during standby for shooting, accumulation of noise due to dark current or the like does not matter, and an image signal with a high S / N ratio can be obtained immediately after the start of high-speed shooting. Can do.
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。 A high-speed imaging apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of a high-speed imaging apparatus according to the present embodiment, FIG. 2 is a schematic timing diagram for explaining the operation of the high-speed imaging apparatus of the present embodiment, and FIG. 3 uses the high-speed imaging apparatus of the present embodiment. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a flowchart of a photographing procedure, and FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a temperature change of the image sensor in the high-speed photographing device of the present embodiment.
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。
As shown in FIG. 1, the high-
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。
The
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。
The
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。
The
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)。
Next, a characteristic operation of the high-
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。
When the
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。
In the
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。
As described above, in the idling operation state, although the pixel signal is not necessary, the transfer operation is performed by the
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。
This point will be supplementarily described with reference to FIG. Now, when the start of shooting standby is instructed at time 0 and the idling operation is started, the temperature of the image sensor 13 (element temperature) rises relatively slowly as indicated by A in FIG. On the other hand, when a high-speed shooting operation is performed as will be described later, the element temperature rapidly rises as indicated by B in FIG. Assuming that the limit temperature at which the
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。
Of course, since the heat generation in the
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)。
Before the predetermined time t3 of step S3 elapses, there is a beginning of a phenomenon to be photographed on the subject, and when this is detected by the
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。
After the photographing is completed, the
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。
In the
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。 In the above embodiment, the idling operation is stopped only after the lapse of time from the start of the idling operation. However, when the temperature of the image sensor is detected by the temperature sensor and the temperature exceeds a predetermined value, the idling operation is performed. It is also possible to use a control that temporarily stops the operation.
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。 The above-described embodiment is an example of the present invention, and it is obvious that the present invention is encompassed by the claims of the present application even if appropriate modifications, changes and additions are made within the scope of the present invention.
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
DESCRIPTION OF
133 ... CCD for transfer
DESCRIPTION OF
Claims (2)
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。 A high-speed imaging device that includes an imaging unit that photoelectrically converts a captured optical image of a subject and outputs the signal as an electrical signal, and that processes the electrical signal output from the imaging unit as a captured image,
a) start trigger generating means for generating a trigger signal for giving an instruction to start photographing;
b) Stand by in an idling state that repeats the operation at a lower speed than the shooting operation described later until the trigger signal is given, and drives the imaging means so as to shift to the shooting operation at a high speed when the trigger signal is given. Photographing control means;
A high-speed photographing apparatus comprising:
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2015005932A (en) * | 2013-06-21 | 2015-01-08 | 富士通株式会社 | Portable terminal device, terminal control program, and terminal control method |
-
2008
- 2008-02-25 JP JP2008042300A patent/JP2009200982A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2015005932A (en) * | 2013-06-21 | 2015-01-08 | 富士通株式会社 | Portable terminal device, terminal control program, and terminal control method |
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