JP2510768B2 - Video camera for high-speed flow field measurement - Google Patents
Video camera for high-speed flow field measurementInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は高速流速場測定用ビデオ撮影装置に関し、高
速乱流等の流体運動の測定および、高速移動物体、破壊
現象、放電現象や化学反応現象等の解明にも好適に用い
られ、かつ、カラー撮影を行うこともできるものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a video camera for measuring a high-speed velocity field, for measuring fluid motion such as high-speed turbulence, high-speed moving object, destruction phenomenon, discharge phenomenon, chemical reaction phenomenon, etc. It is also suitably used to clarify the above, and can also perform color photography.
従来の技術及び発明が解決しようとする課題 従来、流速の点計測に関する技術開発は進んでいる
が、画的に流速場を計測する技術、特に、高速の乱流流
速場を連続的に高い時間分解能で測定できるビデオ撮影
装置は提供されていない。2. Description of the Related Art Conventional techniques and problems to be solved by the related art have been developed in the past with respect to measurement of flow velocity points. However, techniques for graphically measuring flow velocity fields, in particular, high-speed turbulent flow velocity fields with high continuous time There is no video recording device that can measure with resolution.
上記した流速運動では、流速部分同士の相互位置関係
は可変し、この点で物体運動の場合と全く異なる。例え
ば、人間の体では手は首の下で胴の横についているが、
流速運動では左右上下の入れ変わりは、運動条件に対応
してどんな場合でも起こりうる。従って、例えば、流体
中に混じった多数の固体粒子をビデオ撮影装置で撮影し
追跡することにより流速場を計測する場合、１枚の画像
内の粒子間の位置関係を見ても何もわからない。短い時
差で取られた２枚以上の連続画像から各粒子の位置のズ
レを計測し、各点での速度、あるいは全体の流速場がわ
かってはじめて意味がある。現にナビア・ストークスの
式等の流体運動の基礎方程式のほとんどは、位置ではな
く、流速を変数とした式である。In the flow velocity motion described above, the mutual positional relationship between the flow velocity portions is variable, and this point is completely different from the case of the object motion. For example, in the human body, the hands are under the neck and beside the torso,
In the flow velocity motion, the left-right and up-down interchange can occur in any case depending on the motion condition. Therefore, for example, when measuring the flow velocity field by shooting and tracking a large number of solid particles mixed in a fluid with a video shooting device, nothing can be seen even by looking at the positional relationship between the particles in one image. It is only meaningful to measure the deviation of the position of each particle from two or more consecutive images taken with a short time difference and to know the velocity at each point or the entire flow velocity field. In fact, most of the basic equations of fluid motion, such as the Navier-Stokes equation, are equations in which the flow velocity is a variable, not the position.
よって、ビデオ装置で撮影する場合、１つの撮像素子
当たりのフレームレートを例えば1,000枚／秒とする
と、1/10,000秒ごとに短い時差の２〜３枚の連続画像が
得られると、1/1,000秒ごとに流速場がわかり、流体解
析には極めて好都合となる。Therefore, when shooting with a video device, assuming that the frame rate per image sensor is, for example, 1,000 frames / second, if 2 or 3 continuous images with a short time difference are obtained every 1 / 10,000 seconds, then 1 / 1,000 The flow velocity field is known every second, which is extremely convenient for fluid analysis.
また、通常２枚の連続画像のみでは、例えば、１枚目
の画像の粒子と２枚目の画像の粒子の対応付けは困難な
場合があり、補助的に３〜４枚目の画像を使うことによ
って測定の信頼性を高める必要がある。In addition, with only two continuous images, for example, it may be difficult to associate the particles of the first image with the particles of the second image, and the third to fourth images are used supplementarily. Therefore, it is necessary to increase the reliability of the measurement.
このように流体運動を測定する場合、１個の撮像素子
のフレームレートの約1/10/〜1/100程度の短い時差で、
１個の撮像素子の１フレームレート内で少なくとも２枚
以上の連続画像を得ることが必要となっている。When measuring fluid motion in this way, with a short time difference of about 1/10 / to 1/100 of the frame rate of one image sensor,
It is necessary to obtain at least two or more continuous images within one frame rate of one image sensor.
一方、放送局等の業務用のカラー撮像では３板式ビデ
オカメラが用いられていることが多い。該３板式ビデオ
は、第９図に示すように、撮像レンズ10の後方にダイク
ロイックプリズム２を配置し、該プリズム内に所定の色
のみを透過または反射する層を設けたダイクロイック面
3A,3Bを設けると共に、上記所定の色（緑、赤、青）を
受光する撮像素子（撮像管を含む）4A、4B、4Cを設け、
この３個の撮像素子で撮影を同期させてカラー画像を得
るようにしている。On the other hand, a three-plate type video camera is often used for commercial color imaging such as broadcasting stations. As shown in FIG. 9, the three-plate type video has a dichroic prism in which a dichroic prism 2 is arranged behind an imaging lens 10 and a layer for transmitting or reflecting only a predetermined color is provided in the prism.
3A and 3B are provided, and image pickup devices (including an image pickup tube) 4A, 4B, and 4C that receive the above predetermined colors (green, red, and blue) are provided.
A color image is obtained by synchronizing shooting with these three image pickup devices.
本発明は、短い時差で連続的に撮影できる方法とし
て、上記した３個の撮像素子を用いた３板式ビデオカメ
ラに注目し、この複数の撮像素子を用いたビデオカメラ
の基本的な構成を利用すると共に改良を加え、即ち、カ
ラー撮影用に用いられているダイクロイックプリズムに
代えて単に入射光を分割するプリズムあるいはミラーを
用いると共に、複数の撮像素子で時間をずらせて撮影す
ることにより、極めて短い時間差で連続撮影を可能とし
て、高速流速場測定用に好適に用いられるビデオ撮影装
置を提供するものである。The present invention focuses on a three-plate video camera using the above-mentioned three image pickup devices as a method of continuously shooting with a short time difference, and utilizes the basic configuration of a video camera using a plurality of these image pickup devices. In addition to using a prism or a mirror that simply splits incident light in place of the dichroic prism used for color photography, it is possible to use a plurality of image sensors to capture images at different times. It is intended to provide a video photographing device which can be continuously photographed with a time difference and is preferably used for high-speed flow velocity field measurement.
さらに、撮像素子の受光面の前面にカラー光学フィル
タを着脱自在に装填できるようにして、かつ、各撮像素
子の撮影時間を完全に一致させてカラー撮影用にも利用
し得るようにするものである。Further, a color optical filter can be detachably mounted on the front surface of the light receiving surface of the image pickup device, and the image pickup time of each image pickup device can be perfectly matched to be used for color image pickup. is there.
課題を解決するための手段 即ち、本発明は、撮像レンズの後方に入射光を分割す
るプリズムあるいはミラーを配置すると共に、分割した
光を受光する少なくとも２個以上のＭ個の撮像素子を設
け、これらの撮像素子の受光面に同一の像を結像させる
と共に、各撮像素子の受光面の前面に光学フィルタを着
脱自在に装填する光学フィルタ装填部を設ける一方、上
記撮像素子からの信号を処理する信号処理部及び該信号
を記憶するメモリ部と、上記Ｍ個の撮像素子に対して任
意に設定した撮影時刻及びゲートオープン時間を指示す
る同期信号を出力する同期信号発生装置とを備え、高速
流速場測定時には、上記同期信号発生装置は、１個の撮
像素子のフレームレートが1/T秒である時に、上記Ｍ個
の撮像素子が1/（Ｔ・Ｍ）秒より小さい時差をあけて撮
影するように撮影時刻を設定した同期信号を出力する一
方、カラー撮影時には、上記光学フィルタ装填部に光学
フィルタを装着すると共に、上記同期信号発生装置がＭ
個の撮像素子の撮影時刻及びゲートオープン時間を一致
させる同期信号を出力する構成としていることを特徴と
する高速流速場測定用ビデオ撮影装置を提供するもので
ある。Means for Solving the Problems That is, according to the present invention, a prism or a mirror that splits incident light is arranged behind an imaging lens, and at least two or more M imaging elements that receive the split light are provided. The same image is formed on the light-receiving surface of these image pickup devices, and an optical filter mounting section for detachably mounting an optical filter is provided on the front surface of the light-receiving face of each image pickup device, while processing signals from the image pickup devices. A high speed signal processing unit and a memory unit that stores the signal, and a synchronization signal generator that outputs a synchronization signal that indicates a photographing time and a gate open time arbitrarily set to the M image pickup devices. When measuring the flow velocity field, when the frame rate of one image sensor is 1 / T seconds, the synchronization signal generator opens a time difference of less than 1 / (T · M) seconds for the M image sensors. While outputting a sync signal set a photographing time to photograph, when color images, as well as mounting an optical filter on the optical filter loading unit, the synchronization signal generating device M
The present invention provides a video shooting device for high-speed velocity field measurement, which is configured to output a synchronization signal that matches the shooting time and the gate open time of each image pickup device.
上記したビデオ撮影装置では、入射光をプリズムある
いはミラーで３分割し、従来の３板式の構造と同様に撮
像素子を配置する方式、および、入射光を２分割して従
来の２板式の構造と同様に撮像素子を配置する方式のい
ずれも任意に採用できる。In the above video photographing apparatus, the incident light is divided into three by a prism or a mirror, and an image pickup element is arranged similarly to the conventional three-plate structure, and the incident light is divided into two and the conventional two-plate structure is adopted. Similarly, any method of arranging the image pickup element can be arbitrarily adopted.
さらに、上記した２個以上のＭ個の撮像素子で短い時
間差を撮影する高速連続撮影の場合、光量不足になるこ
とが多いため、この光量不足を補うと共にブレ止めをす
るために、上記光分割用プリズムまたはミラーの前方に
配置するレンズ系に、高速ゲーティング可能で光量を増
加するイメージインテンシファイヤを取り付け、該イメ
ージインテンシファイヤに対してＭ個の撮像素子と同期
するように上記同期信号発生装置より同期信号を出力す
る構成とすることが好ましい。Further, in the case of high-speed continuous shooting in which a short time difference is taken by the above-mentioned two or more M image pickup devices, the light amount often becomes insufficient. Therefore, in order to compensate for this light amount shortage and to prevent blurring, the light splitting is performed. An image intensifier capable of high-speed gating and increasing the amount of light is attached to a lens system arranged in front of a prism or a mirror for a mirror, and the synchronization signal is synchronized with the image intensifier so as to synchronize with M image pickup devices. It is preferable that the generator outputs a synchronization signal.
さらにまた、カラー撮影に用いる場にも光量不足を補
うと共にブレ止めのために、上記Ｍ個の撮像素子の受光
部の前面で、該受光前面と上記光学フィルタ装填部との
間に、それぞれ高速ゲーティング可能なイメージインテ
ンシファイヤを取り付けるようにし、かつ、上記同期信
号発生装置からＭ個の撮像素子に同時かつ周期的に撮影
時刻を指示する同期信号を出力しえる設定として、カラ
ー撮影用にも好適に利用できるようにすることが好まし
い。Furthermore, in order to make up for a lack of light quantity and prevent blurring in a field used for color photography, a high speed is provided between the light receiving front surface and the optical filter loading section on the front surface of the light receiving section of the M image pickup devices. An image intensifier capable of gating is attached, and a synchronization signal for instructing the image capturing time to the M image pickup devices at the same time and periodically is output from the above-mentioned synchronizing signal generator so that the image signal can be output for color image capturing. Also, it is preferable to make it suitable for use.
上記した高速ゲーティング可能なイメージインテンシ
ファイヤとして、マイクロチャンネルプレート型イメー
ジインテンシファイヤ（以後MCPと呼ぶ）を用いると、
光増強機能、超高速ゲーティング機能、受光パターンの
保持機能（蛍光面の残像による）の全てが満たされる。As the image intensifier capable of high-speed gating described above, a micro channel plate type image intensifier (hereinafter referred to as MCP) is used,
The light enhancement function, the ultra-high-speed gating function, and the light-receiving pattern holding function (due to the afterimage of the phosphor screen) are all satisfied.
尚、上記光学フィルタ装填部にはカラー（緑、赤、
青）光学フィルタを装填する代わりに、科学計測用に用
いられる各種の光学フィルタを装填できることは言うま
でもない。It should be noted that the above-mentioned optical filter loading section has colors (green, red,
It goes without saying that various optical filters used for scientific measurement can be mounted instead of mounting the optical filters.
作用 上記した本発明に係わるビデオ撮影装置を用いると、
非常に短い時差で数枚の連続画像の組が撮影され、それ
らの組が高いフレームレートで連続して得られ、かつ、
これらを自動的に電気信号の形で記録することができ
る。Operation When the video recording apparatus according to the present invention described above is used,
A series of several consecutive images were taken with a very short time difference, these series were obtained in succession at a high frame rate, and
These can be recorded automatically in the form of electrical signals.
例えば、３個の撮像素子を配置した３板式にした場
合、１個の撮像素子のフレームレートを1,000枚／秒と
しておき、３個の撮像素子の撮影時刻を1/10,000秒づつ
ずらせると、１フレームレート内に１万分の１秒の時差
で３枚の連続画像が得られ、特に、流速場の測定に好ま
しい。尚、１個の撮像素子のフレームレートが1,000枚
／秒の時、３個の撮像素子の撮影時刻を1/3,000秒ずら
せると、この場合、1/3,000秒毎の流速場を得ることは
できないが、通常のビデオ装置として３倍速の撮影が可
能である。さらに、イメージインテンシファイヤの超高
速ゲーティング機能（最高数億分の１秒）と光増強機能
（10,000倍以上）および蛍光面の残光特性（1/10,000〜
1/1,000秒程度）をバッファーメモリーとして有効に活
用すれば、最高１億分の１秒の時差で３枚の連続画像が
得られ、このような３枚の連続画像の組が1/1,000秒ご
とに得られることとなる。For example, in the case of a three-plate type in which three image pickup devices are arranged, if the frame rate of one image pickup device is set to 1,000 images / sec and the shooting times of the three image pickup devices are shifted by 1 / 10,000 seconds, Three continuous images can be obtained within a frame rate with a time difference of 1 / 10,000 second, which is particularly preferable for measuring the flow velocity field. If the frame rate of one image sensor is 1,000 frames / second and the shooting times of the three image sensors are shifted by 1 / 3,000 seconds, in this case, it is possible to obtain a flow velocity field every 1 / 3,000 seconds. Although not possible, it is possible to shoot at 3x speed as a normal video device. In addition, the image intensifier's ultra-high-speed gating function (up to several hundredths of a second), light enhancement function (over 10,000 times), and phosphor screen afterglow characteristics (1 / 10,000 ~
(1 / 1,000 seconds) is effectively used as a buffer memory, three consecutive images can be obtained with a time difference of up to one hundred millionth of a second, and a set of such three consecutive images is 1/1000 seconds. Will be obtained for each.
上記したように、短い時差の２〜３枚の連続画像があ
る時間をおきながら得られることの研究開発上の意義
は、特に、流体工学において極めて大きい。As described above, the significance of research and development that two or three continuous images with a short time difference can be obtained with a certain time is extremely great particularly in fluid engineering.
また、３個の撮像素子の前面に赤、緑、青、の３色の
光学フィルタを付け、３個の撮影時差を０とすれば１秒
間に1,000枚の高速カラー撮影をすることができる。Further, by attaching optical filters of three colors of red, green and blue to the front surfaces of the three image pickup devices and setting the shooting time difference of the three image pickup devices to 0, 1,000 high-speed color images can be taken per second.
実施例 以下、本発明を図面に示す実施例により詳細に説明す
る。Examples Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples shown in the drawings.
第１図から第３図は本発明の第１実施例を示し、撮像
素子を３個用いた３板式である。1 to 3 show a first embodiment of the present invention, which is a three-plate type using three image pickup devices.
撮像レンズ10の後方に、該撮像レンズ10から入射した
光を分割するビームスプリットプリズム11を配置し、該
ビームスプリットプリズム11の中に設けた1/3反射膜12
と1/2反射膜13とによって入射光を略均等に３分割し、
これら分割した入射光をビームスプリットプリズム11の
３つの出射面11a、11b、11cに対向配置したCCD撮像素子
14、15、16の受光面にそれぞれ同一の像で結像するよう
にしている。尚、上記撮像素子はCCDに限定されず、MOS
型撮像素子でもよく、また、撮像管を用いることもでき
る。Behind the imaging lens 10, a beam split prism 11 for splitting the light incident from the imaging lens 10 is arranged, and a 1/3 reflection film 12 provided in the beam split prism 11
And the 1/2 reflection film 13 divide the incident light into three substantially evenly,
CCD image pickup device in which these split incident lights are arranged to face the three exit faces 11a, 11b, 11c of the beam split prism 11.
The same image is formed on the light receiving surfaces of 14, 15, and 16. The image pickup device is not limited to the CCD, and the MOS
Type image pickup device, or an image pickup tube can be used.
上記各撮像素子14、15、16の前面とビームスプリット
プリズム11の各出射面との間には、光学フィルタ17、1
8、19を外部から着脱自在に装填できる光学フィルタ装
填部20a〜20c（第２図に図示）を設けている。これら光
学フィルタ装填部20a〜20cは各撮像素子14〜16と各ビー
ムスプリットプリズム出射面11a〜11cの間に形成した空
隙21a〜21cからなり、これら空隙21a〜21cの一端にカメ
ラ本体22に凹設したストッパ部23a〜23cを形成し、空隙
21a〜21cに光学フィルタを装填した時に位置決め保持し
ている。かつ、各空隙21a〜21cは通常はカバー（図示せ
ず）等で閉鎖される外面に開口しており、該開口より光
学フィルタ17〜19を挿入および取り出すことができるよ
うにしている。上記撮像レンズ10にもイメージインテン
シファイヤ25を着脱自在に装填できるイメージインテン
シファイヤ装填部26を設け、該イメージインテンシファ
イヤ装填部26内にイメージインテンシファイヤ25を固定
配置している。An optical filter 17, 1 is provided between the front surface of each of the image pickup devices 14, 15, 16 and each emission surface of the beam split prism 11.
Optical filter loading sections 20a to 20c (shown in FIG. 2) which can detachably load 8 and 19 from the outside are provided. These optical filter loading parts 20a to 20c are composed of voids 21a to 21c formed between the image pickup elements 14 to 16 and the beam split prism exit surfaces 11a to 11c, respectively, and one end of these voids 21a to 21c is recessed in the camera body 22. Form the stoppers 23a-23c that are
The optical filters 21a to 21c are positioned and held when loaded. In addition, each of the voids 21a to 21c is opened on the outer surface that is normally closed by a cover (not shown) or the like, and the optical filters 17 to 19 can be inserted and removed through the opening. An image intensifier loading section 26 is also provided to which the image intensifier 25 can be removably loaded in the imaging lens 10, and the image intensifier 25 is fixedly arranged in the image intensifier loading section 26.
カメラ本体とは分離した外部信号処理機構30には、上
記カメラ本体に内蔵した撮像素子14〜16と夫々接続した
プリアンプ31A〜31Cを設け、これらプリアンプ31A〜31C
をA/D変換器32に接続し、かつ、該A/D変換器32を固体メ
モリ33と接続し、各撮像素子14〜16から出力した信号を
そのまま所謂たれ流し方式でシリアルに固体メモリ33に
一旦記録している。該固体メモリ33には画像構成用コン
ピユータ34、画像処理装置35を接続し、かつ、画像処理
装置35に再生用モニタ36を接続している。上記画像構成
用コンピユータ34では、上記固体メモリ33に記録された
信号を、光学フィルタを装填していない場合は１フレー
ムにつき３枚のモノクロ画像に変換した後、あるいは光
学フィルタを装填している場合は１フレームにつき３枚
のモノクロ画像から１枚のカラー画像に構成してフレー
ムメモリ等の形で固体メモリ33に記録している。該固体
メモリ33に接続した画像処理装置35では上記１フレーム
に３枚のモノクロ画像から流速場に変換する等の計測処
理を行うようにしている。The external signal processing mechanism 30 separated from the camera body is provided with preamplifiers 31A to 31C connected to the image pickup devices 14 to 16 incorporated in the camera body, respectively.
Is connected to the A / D converter 32, and the A / D converter 32 is connected to the solid-state memory 33, and the signals output from the image pickup devices 14 to 16 are serially transferred to the solid-state memory 33 by a so-called drifting method. I have recorded it once. An image forming computer 34 and an image processing device 35 are connected to the solid-state memory 33, and a reproduction monitor 36 is connected to the image processing device 35. In the image forming computer 34, the signal recorded in the solid-state memory 33 is converted into three monochrome images per frame when the optical filter is not loaded, or when the optical filter is loaded. Is composed of three monochrome images per frame into one color image and recorded in the solid-state memory 33 in the form of a frame memory or the like. The image processing device 35 connected to the solid-state memory 33 performs measurement processing such as conversion of three monochrome images into a flow velocity field in one frame.
さらに、上記各撮像装置14〜16、イメージインテンシ
ファイヤ25の装填時には該イメージインテンシファイヤ
25および上記各プリアンプ31A〜31Cに接続される同期信
号発生装置40を設け、該同期信号発生装置40より撮影時
間を指示するための同期信号を周期的に送るようにして
いる。該撮影時間を指示する同期信号は、光学フィルタ
17〜19を装填せずにモノクロ画像を高速撮影する場合に
は、各撮像素子への同期信号に時差を設けて撮影時刻お
よびゲートオープン時間の指示信号を送るように設定し
ている。Further, when the image pickup devices 14 to 16 and the image intensifier 25 are loaded, the image intensifiers are
A synchronizing signal generator 40 connected to 25 and each of the preamplifiers 31A to 31C is provided, and a synchronizing signal for instructing a photographing time is periodically sent from the synchronizing signal generator 40. The sync signal indicating the shooting time is an optical filter.
When shooting a monochrome image at high speed without loading 17 to 19, a time difference is provided in the synchronization signal to each image pickup device and the setting signals are sent so that the instruction signals of the shooting time and the gate open time are sent.
一方、光学フィルタ17〜19を装填してカラー撮影する
場合には、各撮像素子で同時一斉に撮影するように指示
信号を送るように設定している。On the other hand, when the color filters are to be photographed by mounting the optical filters 17 to 19, it is set to send an instruction signal so that the respective image pickup elements simultaneously photograph.
次に、上記撮影装置の作用を説明する。 Next, the operation of the photographing device will be described.
まず、短い時差で３枚のモノクロ画像を連続撮影し
て、高速かつ画的に流速場を測定する場合、光学フィル
タ装填部20a（20b、20c）から光学フィルタ17〜19を取
り外す。かつ、同期信号発生装置40から３枚の撮像素子
14〜16および各撮像素子に対応するプリアンプ31A〜31C
に時差をずらして撮影時刻を指示する同期信号を出力す
る。その際、撮像素子14〜16の最大フレームレートがＫ
枚／秒であるとき、フレームレートはそのままで、ゲー
ティング時差とゲートオープン時間を任意に調整して、
例えば1/K秒ごとに完全に同期させた３個のトリガー信
号を出し、それぞれの同期信号をもとに、各撮像素子14
〜16ごとに設定した時差などに対応する遅延回路等を通
して、ゲートのオープン、クローズのための信号を送
る。各撮像素子14〜16からの画像信号は、上記したよう
に、プリアンプ 31A〜31C、A/D変換器32を経て固体メモリ33にシリアル
に記録され、この記録された信号を画像構成用コンピユ
ータ34で読み出し、３枚のモノクロ画像になおしてい
る。First, in the case where three monochrome images are continuously photographed with a short time difference and the flow velocity field is measured at high speed and in an imagewise manner, the optical filters 17 to 19 are removed from the optical filter loading section 20a (20b, 20c). Also, three image pickup devices from the synchronization signal generator 40
Preamplifiers 31A to 31C corresponding to 14 to 16 and each image sensor
A synchronizing signal for indicating the shooting time is output by shifting the time difference to. At that time, the maximum frame rate of the image pickup devices 14 to 16 is K.
When the number of frames / second is set, the frame rate remains the same and the gating time difference and the gate opening time are arbitrarily adjusted,
For example, three trigger signals that are perfectly synchronized are output every 1 / K second, and each image sensor 14 is output based on each synchronization signal.
A signal for opening and closing the gate is sent through a delay circuit etc. that corresponds to the time difference set every ~ 16. The image signals from the image pickup devices 14 to 16 are serially recorded in the solid-state memory 33 via the preamplifiers 31A to 31C and the A / D converter 32 as described above, and the recorded signals are recorded in the image forming computer 34. Read out and rewrite it into 3 monochrome images.
即ち、第３図に示すように、１個の撮像素子フレーム
レートが1000枚／秒である時、３個の撮像素子14〜16の
撮影開始時刻t1、t2、t3を1/10,000秒づつずらせ、か
つ、各撮像素子14〜16の撮影時間を1/10,000秒とする
と、1/10,000秒の時差で３枚の連続画像が1/1,000秒毎
に得られることとなる。このように1/10,000秒毎に短い
時差の３枚の連続画像が得られると、1/1,000秒毎に流
速場が分かり、流体解析が容易となる。That is, as shown in FIG. 3, when the frame rate of one image sensor is 1000 frames / second, the shooting start times t 1 , t 2 , and t 3 of the three image sensors 14 to 16 are 1 / 10,000. If the images are shifted by one second and the imaging time of each of the image pickup devices 14 to 16 is set to 1 / 10,000 seconds, three continuous images are obtained every 1 / 1,000 seconds with a time difference of 1 / 10,000 seconds. In this way, if three consecutive images with a short time difference every 1 / 10,000 second are obtained, the flow velocity field can be known every 1/1000 second, and the fluid analysis becomes easy.
また、３枚の連続画像のみでは１枚目の画像の粒子と
２枚目の画像の粒子と対応付けが困難な場があり、その
場には、第４図に示すように、撮像素子14と15とがゲー
ティングする間（撮影時間T1＋T2）、撮像素子16のゲー
トを明けておく（撮像素子16の撮影時間T3＝T1＋T2、撮
像開始時間t3をt1と一致させる）。このように撮影時刻
とゲートオープン時間を設定することにより、第５図に
示すように所謂流跡線を撮影して流れパターンを知ると
同時に、１枚目と２枚目の画像中の粒子そのものの位置
から、高い精度で流速を計測することができる。In addition, there is a case where it is difficult to associate the particles of the first image with the particles of the second image only with three continuous images. In that case, as shown in FIG. While the gates 15 and 15 are gated (shooting time T 1 + T 2 ), the gate of the image sensor 16 is left open (shooting time T 3 = T 1 + T 2 of the image sensor 16), and the imaging start time t 3 is set to t 1 . Match). By setting the photographing time and the gate opening time in this way, so-called trajectory lines are photographed to know the flow pattern as shown in FIG. 5, and at the same time, the particles themselves in the first and second images are detected. The flow velocity can be measured with high accuracy from the position.
上記撮影は多数の粒子の移動を追跡する場合である
が、流速場を求めるにはこの他、流体に少し混じった染
料などの濃度場から計測する方法もある。この場合も上
記したように、短い時差で撮影した２〜３枚の連続画像
が必要で、これにより、1/1,000秒ごとに１枚の流速場
が得られる。The above-mentioned photographing is for tracking the movement of a large number of particles, but in addition to this, there is also a method for measuring the flow velocity field from the concentration field of a dye or the like slightly mixed in the fluid. Also in this case, as described above, two to three continuous images taken with a short time difference are required, which allows one flow velocity field to be obtained every 1/1000 second.
尚、１個の撮像素子のフレームレートが1000枚／秒で
ある時、３個の撮像素子の撮影開始時間を1/3000秒づつ
ずらせて、かつ、各撮像素子のゲートオープン時間を1/
3000秒とすると、この場合、1/3,000秒毎の流速場は得
ることはできないが、通常の高速撮影を行うことができ
る。When the frame rate of one image sensor is 1000 frames / second, the shooting start times of the three image sensors are shifted by 1/3000 seconds and the gate open time of each image sensor is reduced to 1 /.
If it is 3000 seconds, in this case, the flow velocity field at every 1 / 3,000 seconds cannot be obtained, but normal high-speed imaging can be performed.
特に、微弱光下での超高速撮影で光量不足となる場合
等においては、第７図に示すように撮像阻止16とビーム
スプリットプリズム11との間にイメージインテンシファ
イヤ25を装填することが好ましい。該イメージインテン
シファイヤ25としては、マイクロチャンネルプレート
（MCP）タイプを用いており、該MCPは10000倍以上の光
増強機能を有するために、高速撮影時に入射光量が少な
くなる問題も解消できる。また、超高速ゲーティング機
構（最高数億分の１秒）を有するため、１億分の１秒の
時間差で３枚の連続画像を得ることができる。さらに、
蛍光面の残光特性（1/10,000〜1/1,000秒程度）をバッ
ファーメモリとして活用すれば、最高１億分の１秒の時
差で３枚の連続画像を得られる。よって、ジェットエン
ジンの噴射やプラズマのような超高速の流速運動も計測
できる。In particular, when the amount of light is insufficient due to ultra-high-speed photography under weak light, it is preferable to install an image intensifier 25 between the imaging block 16 and the beam split prism 11 as shown in FIG. . As the image intensifier 25, a micro channel plate (MCP) type is used, and since the MCP has a light enhancement function of 10,000 times or more, it is possible to solve the problem that the amount of incident light is reduced during high-speed shooting. Also, since it has an ultra-high speed gating mechanism (up to several hundredths of a millionth of a second), three continuous images can be obtained with a time difference of one hundred millionth of a second. further,
If the afterglow characteristic of the phosphor screen (1 / 10,000 to 1 / 1,000 seconds) is used as a buffer memory, three consecutive images can be obtained with a time difference of up to one hundred millionth of a second. Therefore, it is possible to measure the jet velocity of the jet engine and the ultra-high-speed flow velocity motion such as plasma.
尚、第１図においてレンズ系にMCPのイメージインテ
ンシファイヤ25を介設した場合、光の結合損失が大きい
ので、さらに、該MCPの後にイメージコンバータ型のイ
メージインテンシファイヤを付けて光量不足を補う必要
がある場合も生ずる。また、第１図に示す構成では、MC
Pのゲーティング周期は、最高1/10,000秒程度なので、
一度ゲーティングして次のゲーティングまでの時間はそ
れ以下には縮めらず、よって、３枚の画像の時差はそれ
以下にはできない。It should be noted that when an MCP image intensifier 25 is provided in the lens system in FIG. 1, the coupling loss of light is large. Therefore, an image converter type image intensifier is attached after the MCP to reduce the amount of light. There are cases where it is necessary to make up for it. In addition, in the configuration shown in FIG.
Since the maximum gating cycle of P is about 1 / 10,000 second,
The time from one gating to the next gating cannot be shortened below that, and therefore the time difference between the three images cannot be reduced below that.
一方、上記撮影装置を用いてカラー撮影する場合、第
６図に示すように、光学フィルタ装填部20a〜20cに緑、
赤、青の光学フィルタ17〜19を装填すると共に、同期信
号発生装置40から３個の撮像素子14〜16へ撮影開始時刻
およびゲートオープン時間を完全に一致させて同期信号
を送る。上記撮像素子14〜16からの画像出力信号は、上
記モノクロ撮影の場合と同様に、プリアンプ31A〜31C、
A/D変換器32を通しデジタル信号になおした後に、その
ままの垂れ流し方式でシリアルに固体メモリ33に一旦記
録される。再生時には、画像再生用のコンピユータソフ
トを変えるだけで、画像構成用コンピユータ34により３
枚のモノクロ画像から１枚のカラー画像を構成し、これ
をフレームメモリ等の形で固体メモリに記録している。On the other hand, in the case of color photographing using the photographing device, as shown in FIG. 6, the optical filter loading parts 20a to 20c are green,
The red and blue optical filters 17 to 19 are loaded, and the sync signal is sent from the sync signal generator 40 to the three image pickup devices 14 to 16 with the shooting start time and the gate open time perfectly matched. The image output signals from the image pickup devices 14 to 16 are the preamplifiers 31A to 31C, as in the case of the monochrome shooting.
After being converted into a digital signal through the A / D converter 32, it is once recorded serially in the solid-state memory 33 by the same streaming method. At the time of playback, simply change the computer software for image playback, and the image composition computer 34
A single color image is constructed from a single monochrome image and recorded in a solid-state memory in the form of a frame memory or the like.
第７図は本発明の第２実施例を示すもので、３個の撮
像素子14〜16にそれぞれMCP型のイメージインテンシフ
ァイヤ25′を予め内蔵させている。即ち、各撮像素子14
〜16の受光面の前面にMCPを固定している。このよう
に、各撮像素子14〜16にMCPを取り付けた場合、光量不
足を補う必要がないため、イメージコンバータ型のイメ
ージインテンシファイヤを付設する必要がない。よっ
て、画像の歪は殆んどなく、かつ、各撮像素子の時差も
最高１億分の１秒程度にすることができる。FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention, in which the three image pickup devices 14 to 16 have MCP type image intensifiers 25 'incorporated therein in advance. That is, each image sensor 14
The MCP is fixed on the front of the light receiving surface of ~ 16. As described above, when the MCP is attached to each of the image pickup devices 14 to 16, it is not necessary to supplement the insufficient light amount, and thus it is not necessary to attach an image converter type image intensifier. Therefore, there is almost no image distortion, and the time difference between the image pickup devices can be reduced to about one hundred millionth of a second.
カラー撮影の場合は、通常のカラー撮影用のダイクロ
イック・プリズムと比較して、光量が1/2〜1/4になる
が、上記のように各撮像素子の前面に光増強作用を有す
るイメージインテンシファイヤを取り付けていることに
より、光量不足の問題を解消できる。In the case of color photography, the amount of light is 1/2 to 1/4 compared to the dichroic prism for normal color photography, but as described above, the image intensifier on the front surface of each image sensor has a light enhancing effect. By installing a tensioner, the problem of insufficient light quantity can be solved.
第８図は本発明の第３実施例を示し、入射光を２分割
すると共に、分割した入射光を２個の撮像素子で受光す
る２板式タイプのものである。該撮影装置においては、
入射光を２分割するためにビームスプリットプリズム50
内に半透過膜51を設け、該プリズム50の出射面50a、50b
に対向して２個の撮像素子52、53を設置している。ま
た、各撮像素子52と53の前面に光学フィルタ装填部を設
置し、カラー撮影の時には緑の光学フィルタ54と、赤と
青のアレイの光学フィルタ55とを装填するようにし、か
つ、該光学フィルタ55と撮像素子53との間にはリレーレ
ンズ56を装填している。FIG. 8 shows a third embodiment of the present invention, which is of a two-plate type in which incident light is split into two and the split incident light is received by two image pickup devices. In the photographing device,
Beam split prism 50 to split the incident light into two
A semi-transmissive film 51 is provided inside, and the exit surfaces 50a and 50b of the prism 50 are provided.
Two image pickup devices 52 and 53 are installed facing each other. Further, an optical filter loading section is installed on the front surface of each of the image pickup elements 52 and 53, and a green optical filter 54 and a red and blue array optical filter 55 are loaded at the time of color photographing, and A relay lens 56 is mounted between the filter 55 and the image sensor 53.
上記２板式の撮影装置は、第１実施例の３板式と比較
して、１フレーム内に短い時差で連続して得られる画像
が２枚か３枚だけの相違で、他は同様であるため、説明
を省略する。Compared to the three-plate type image pickup apparatus of the first embodiment, the two-plate type image pickup apparatus described above is different in that only two or three images are continuously obtained within one frame with a short time difference, and the others are the same. , Description is omitted.
また、本発明では、同期信号の時差及びゲートオープ
ン時間を異ならせると共に互いに同期した２種類以上の
撮影パターンを設定し、これらを任意の選択可能とする
構成とすることができる。Further, in the present invention, the time difference of the synchronization signal and the gate open time may be made different, and two or more kinds of shooting patterns which are synchronized with each other may be set, and these may be arbitrarily selected.
例えば、第10図では、第１撮影パターンとして、ゲー
トオープン時間T1、T2、T3をフレームレートより十分小
さく設定すると共に、同期信号の時差を撮影開始時刻t
1、t2、t3がゲートオープン時間Ｔと等しい間隔でずれ
るように設定している。一方、第２撮影パターンとして
ゲートオープン時間Ｔをフレームレートの1/3に設定し
て、かつ撮影開始時間ｔをゲートオープン時間Ｔと等し
い間隔でずらして設定している。また、第１及び第２撮
影パターンはフレームレートを等しく設定して互いに同
期させている。従って、第１撮影パターンを選択した場
合には短い時差で撮影した３枚の連続画像が得られる一
方、第２撮影パターンに切り替えれば、ビデオ撮影装置
として３倍速の高速撮影を行うことができる。For example, in FIG. 10, as the first shooting pattern, the gate open times T1, T2, and T3 are set sufficiently smaller than the frame rate, and the time difference of the synchronization signal is set to the shooting start time t.
It is set so that 1, t2, and t3 are displaced at intervals equal to the gate open time T. On the other hand, as the second shooting pattern, the gate open time T is set to 1/3 of the frame rate, and the shooting start time t is set to be shifted at an interval equal to the gate open time T. The frame rates of the first and second shooting patterns are set to be equal to each other and are synchronized with each other. Therefore, when the first shooting pattern is selected, three continuous images shot with a short time difference can be obtained, while switching to the second shooting pattern enables high-speed shooting at triple speed as a video shooting device.
発明の効果 以上の説明より明らかなように、本発明に係る撮影装
置によれば、光学フィルタを取り外し、複数の撮像素子
の撮影時間をずらせることにより、１個の撮像素子のフ
レームレートの1/10〜1/100程度の、例えば、1/10,000
秒ごとの極めて短い時差で２〜３枚のモノクロ（白黒）
撮影をすることができ、高速流体の粒子の運動（位置関
係）を追跡し、流速を計測する場合等に好適に用いるこ
とができる。また、上記流体計測の他にも、産業全般に
わたり、高速に変化する諸現象の観察や画像解析が有効
となる全ての研究開発、例えば、爆発現象、乱流現象、
破壊現象、顕微鏡の視野内で高速に変化する生物現象や
化学現象などの解明にも好適に利用できる。EFFECTS OF THE INVENTION As is apparent from the above description, according to the image pickup apparatus of the present invention, the optical filter is removed and the image pickup times of a plurality of image pickup elements are shifted to reduce the frame rate of one image pickup element to 1 / 10 to 1/100, for example, 1 / 10,000
2-3 black and white (black and white) with extremely short time difference per second
It can be photographed, and can be suitably used in the case of tracking the motion (positional relationship) of particles of a high-speed fluid and measuring the flow velocity. In addition to the above-mentioned fluid measurement, all research and development in which observation and image analysis of various phenomena that change at high speed are effective throughout the industry, for example, explosion phenomenon, turbulence phenomenon,
It can also be suitably used for elucidating destruction phenomena, biological phenomena and chemical phenomena that change rapidly in the field of view of a microscope.
また、本装置では、カラー撮影をしたい場合に光学フ
ィルタ装填部にカラーの光学フィルタを装填するように
しており、かつ、撮像素子からの出力信号はA/D変換さ
れ、デジタル信号として高速メモリにシリアルに、所謂
垂れ流し方式で記録されるだけで、再生時にコンピユー
タソフトを変えて画像を再生しているため、カラー撮影
用に使用することができる。このように１台のビデオカ
メラを白黒画像の超高速連続撮影用に用いることができ
ると共に、カラー撮影用にも用いることができ、多様な
用途に対応することができる利点を有するものである。Also, in this device, when color shooting is desired, a color optical filter is loaded in the optical filter loading section, and the output signal from the image sensor is A / D converted and stored in a high-speed memory as a digital signal. Since the image is reproduced by changing the computer software at the time of reproduction only by serially recording in a so-called non-stop system, it can be used for color photography. Thus, one video camera can be used not only for ultra-high-speed continuous shooting of black and white images but also for color shooting, which has the advantage of being compatible with various applications.
第１図は本発明の第１実施例の全体図、第２図は第１実
施例の要部拡大断面図、第３図および第４図は第１実施
例による撮影装置での白黒高速撮影の撮影パターンを示
す線図、第５図は第４図の撮影パターンによる画像構成
を示す概略図、第６図は第１実施例の撮影装置でのカラ
ー撮影時の状態を示す要部拡大図、第７図および第８図
は本発明の第２および第３実施例を示す要部拡大図、第
９図は従来の３板式カラー撮影装置の要部を示す図面で
あり、第10図はゲートオープン時間及び同期信号の時差
を異ならせた２種類の撮影パターンを有する場合を示す
線図である。 10…レンズ系、11…ビームスプリットプリズム、14〜16
…撮像素子、17〜19…光学フィルタ、25…イメージイン
テンシファイヤ、31A〜31C…プリアンプ、32…A/D変換
器、33…固体メモリ、34…画像構成用コンピユータ、35
…画像処理装置、40…同期信号発生装置。FIG. 1 is an overall view of the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the essential parts of the first embodiment, and FIGS. 3 and 4 are high-speed black-and-white shooting with a shooting device according to the first embodiment. 5 is a schematic diagram showing an image structure according to the photographing pattern of FIG. 4, and FIG. 6 is an enlarged view of a main part showing a state at the time of color photographing by the photographing apparatus of the first embodiment. 7, FIG. 8 and FIG. 8 are enlarged views of essential parts showing the second and third embodiments of the present invention, FIG. 9 is a drawing showing essential parts of a conventional three-plate type color photographing apparatus, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing a case where there are two types of shooting patterns in which the gate open time and the time difference of the synchronization signal are different. 10 ... Lens system, 11 ... Beam split prism, 14-16
... Image pickup device, 17 to 19 ... Optical filter, 25 ... Image intensifier, 31A to 31C ... Preamplifier, 32 ... A / D converter, 33 ... Solid-state memory, 34 ... Image configuration computer, 35
Image processing device, 40 Synchronous signal generator.
Claims (3)
ズムあるいはミラーを配置すると共に、分割した光を受
光する少なくとも２個以上のＭ個の撮像素子を設け、こ
れらの撮像素子の受光面に同一の像を結像させると共
に、各撮像素子の受光面の前面に光学フィルタを着脱自
在に装填する光学フィルタ装填部を設ける一方、 上記撮像素子からの信号を処理する信号処理部及び該信
号を記憶するメモリ部と、 上記Ｍ個の撮像素子に対して任意に設定した撮影時刻及
びゲートオープン時間を指示する同期信号を出力する同
期信号発生装置とを備え、 高速流速場測定時には、上記同期信号発生装置は、１個
の撮像素子のフレームレートが1/T秒である時に、上記
Ｍ個の撮像素子が1/（Ｔ・Ｍ）秒より小さい時差をあけ
て撮影するように撮影時刻を設定した同期信号を出力す
る一方、 カラー撮影時には、上記光学フィルタ装填部に光学フィ
ルタを装着すると共に、上記同期信号発生装置がＭ個の
撮像素子の撮影時刻及びゲートオープン時間を一致させ
る同期信号を出力する構成としていることを特徴とする
高速流速場測定用ビデオ撮影装置。1. A prism or a mirror for splitting incident light is arranged behind an image pickup lens, and at least two or more M image pickup elements for receiving the split light are provided, and light receiving surfaces of these image pickup elements are provided. While forming the same image, an optical filter mounting section for detachably mounting an optical filter is provided on the front surface of the light receiving surface of each image sensor, while a signal processing section for processing a signal from the image sensor and the signal are provided. A memory unit for storing and a synchronization signal generator for outputting a synchronization signal for instructing a photographing time and a gate open time arbitrarily set to the M image pickup devices, and the synchronization signal for high-speed flow velocity field measurement. When the frame rate of one image sensor is 1 / T second, the generator sets the shooting time so that the M image sensors shoot with a time difference smaller than 1 / (TM) second. While outputting a fixed sync signal, at the time of color shooting, an optical filter is mounted on the optical filter mounting section, and the sync signal generator generates a sync signal for matching the shooting time and the gate open time of the M image pickup devices. A video recording device for high-speed flow velocity field measurement, which is characterized in that it is configured to output.
イメージインテンシファイヤを取り付け、該イメージイ
ンテンシファイヤに対してＭ個の撮像素子と同期するよ
うに上記同期信号発生装置より同期信号を出力する構成
としている請求項１記載のビデオ撮影装置。2. An image intensifier capable of high-speed gating is attached to the image pickup lens, and a synchronizing signal is output from the synchronizing signal generator so as to synchronize with the M image pickup devices with respect to the image intensifier. The video recording device according to claim 1, which is configured.
光学フィルタ装填部との間に、それぞれ高速ゲーティン
グ可能なイメージインテンシファイヤを取り付け、各イ
メージインテンシファイヤに対して、そのイメージイン
テンシファイヤを取付けた撮像素子と同期するように上
記同期信号発生装置より同期信号を出力する構成として
いる請求項１記載のビデオ撮影装置。3. An image intensifier capable of high-speed gating is mounted between the front surfaces of the light-receiving surfaces of the M image pickup devices and the optical filter mounting portion, and the image intensifiers are attached to the respective image intensifiers. 2. The video recording apparatus according to claim 1, wherein the synchronizing signal generator outputs a synchronizing signal so as to synchronize with an image pickup device having an image intensifier attached.
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