JP2591680B2

JP2591680B2 - 非同期現象計測カメラ装置

Info

Publication number: JP2591680B2
Application number: JP1172570A
Authority: JP
Inventors: 周良竹山; 一三小川
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1989-07-04
Filing date: 1989-07-04
Publication date: 1997-03-19
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: JPH0338170A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明はカメラ個有の同期信号とは無関係なタイミン
グで発生するストロボ発光やゲート信号に基づく現象を
計測する非同期現象計測カメラ装置に関するものであ
る。

「従来の技術」固体撮像素子や撮像管を用いた計測用カメラが広く用
いられている。計測の対象は静止した物だけでなく動く
物も多い。

従来、動きをともなう現象の計測には、第４図に示す
ように、ストロボ光を用いたCCDカメラによる方法があ
る。

すなわち、撮像部（１）にはCCDからなる撮像素子
（３）とその走査を制御する走査回路部（４）を有し、
外部にストロボ装置（２）を具備している。

このような構成において、撮像素子（３）の画素数
を、説明の簡略化のため、垂直水平方向とも４画素と
し、かつ水平転送クロックHCK、垂直転送クロックVCK、
電荷読出クロックRCK、電荷読出信号QD1を、それぞれ第
２図の（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｆ）の波形とする。この状
態で第２図（ｄ）のt₁時、すなわち、電荷読出信号QD1
と時間的に重合しない状態で、ストロボ発光の外部トリ
ガ信号EXTが入力してストロボ光が生じたものとする
と、第２図（ｊ）の期間T₂に示した波形のように、走査
読出期間に発生したイメージは正確に読み出される。

「発明が解決しようとする課題」ところが、第２図（ｄ）のt₅時、すなわち、電荷読出
信号QD1と時間的に重合した状態で外部トリガ信号EXTが
入力したものとすると、QD1と重合している前半部（EXT
0）のストロボ光で第２図（ｊ）の期間T₃に示した波形
の映像信号が出力し、後半部（EXT1）のストロボ光によ
る信号は撮像素子（３）に残って、つぎの電荷読出信号
QD1によって第２図（ｊ）の期間T₄に示した波形の映像
信号が出力する。したがって、同一ストロボ光によるイ
メージでありながら正確なイメージが得られない。この
ため電荷読出信号QD1の期間はストロボ発光（外部シャ
ッタ）を禁止しなければならなかった。以上のような問
題は、例えば、撮像管、MOS型、フレームトランスファC
CD型撮像素子等を用いた場合に特に発生するが、またイ
ンターラインCCD型撮像素子を用いた場合も、前記素子
を用いた場合に比べればその期間は短いものの、やはり
同様の理由によりストロボ発光（外部シャッタ）禁止期
間が必要となる。

このようなストロボ発光（外部シャッタ）禁止期間が
問題となる用途では、カメラ自体の走査を一時停止し、
被計測現象の発生を待ち、その現象の終了後、走査を再
開し、画像を取得するという特殊なカメラが使用され
る。ところが、走査停止期間が長いと、撮像素子各部で
発生する暗電流が増加し、画質を劣化させるので、完全
に非同期でかつ何時発生するか判らないような現象には
対応できなかった。

現行のテレビ方式がかつて撮像管の走査方式等を参考
にして決められたものであるため、最近開発されたイン
ターラインCCD型撮像素子を用いた場合には、読み出し
方式の差から、読み出しタイミング等に若干余裕があ
る。本発明はこの点に着目し、ストロボ発光（外部シャ
ッタ）のタイミングにより撮像素子の読み出しタイミン
グを変更することにより、ストロボ発光（外部シャッ
タ）禁止期間の全く存在しない計測用カメラ装置を提供
することを目的とするものである。

「課題を解決するための手段」本発明による非同期現像計測カメラ装置は、光電変換
部で光を電気信号に変換し、この電気信号を読出ゲート
を介して転送部まで転送し、出力端まで送ることのでき
る撮像素子と、一定の走査速度で前記撮像素子を走査駆
動する走査回路部とを具備してなるものにおいて、前記
撮像素子の読出ゲートの電荷転送時間を制御する読出時
間制御回路部を設け、この読出時間制御回路部は、前記
走査回路部から出力する電荷読出クロックに基づいて、
前記光電変換部の全電荷を前記転送部に完全に転送する
に充分な設定時間の間、電荷読出信号を前記読出ゲート
に出力する第１の時定数回路と、前記走査回路部から出
力する電荷読出クロックと被計測現象の発生を示す信号
との論理積信号に基づいて、前記光電変換部の全電荷を
前記転送部に転送するに充分な設定時間の間、電荷読出
信号を前記読出ゲートに出力する第２の時定数回路とを
具備してなることを特徴とするものである。

「作用」撮像素子は、その光電変換部が受光した光を電気信号
に変換し、この電気信号を読出ゲートを介して転送部に
転送し、出力端まで送出する。走査回路部は、一定の走
査速度（例えばNTSC方式の走査タイミング）で撮像素子
を走査駆動する。

このため、ストロボ発光のような非同期の被計測現象
が発生していないときには、読出時間制御回路部内の第
１の時定数回路から出力する電荷読出信号によって撮像
素子内の読出ゲートの電荷転送時間が制御される。従っ
て、計測カメラは、カメラ固有の同期信号のタイミング
（例えばNTSC方式のタイミング）に従って、完全な画像
の映像信号を出力する。

また、ストロボ発光のような非同期の被計測現象が発
生したときは、つぎのように作用する。

非同期の被計測現象の発生タイミングが第１の時定数
回路から出力する電荷読出信号と一部重合しているとき
には、第２の時定数回路からも電荷読出信号が出力し、
この電荷読出信号によって撮像素子内の読出ゲートの電
荷転送時間が制御される。このため、読出ゲートの電荷
転送時間が、非同期の被計測現象の発生タイミング時か
ら第２の時定数回路の設定時間だけ延長する。また、非
同期の被計測現象の発生タイミングが第１の時定数回路
から出力する電荷読出信号と重合していないときには、
第２の時定数回路からからは電荷読出信号が出力しない
が、第１の時定数回路から出力する電荷読出信号によっ
て撮像素子内の読出ゲートの電荷転送時間が制御され
る。従って、いかなるタイミングで被計測現象が発生し
ても、計測カメラは完全な画像の映像信号を出力する。

「実施例」以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る非同期現象計測カメラ装置とス
トロボ発光装置とを用い、計測装置を構成する場合の実
施例である。

第１図に示す計測装置は、計測対象を撮像する撮像部
（１）と、計測対象を照明するストロボ装置（２）とを
備えている。

前記撮像部（１）は電荷結合素子（CCD）等の撮像素
子（３）と、この撮像素子（３）を走査駆動する走査回
路部（４）と、被計測現象の発生タイミングに基づき前
記撮像素子（３）の読み出し時間を制御する読出時間制
御回路部（５）とから構成されている。

前記撮像素子（３）は入射光量に見合った電荷を発生
蓄積する光電変換部（６）と、電荷を垂直方向に順次転
送できる垂直転送レジスタ（７）と、この垂直転送レジ
スタ（７）からの電荷を水平方向に順次転送し映像信号
VDOを出力する水平転送レジスタ（８）と、前記読出時
間制御回路部（５）から出力される電荷読出信号RRKに
より前記光電変換部（６）の電荷を前記垂直転送レジス
タ（７）に転送できる読み出しゲート（９）とを備えて
いる。

前記垂直転送レジスタ（７）と水平転送レジスタ
（８）は転送部を形成している。

前記走査回路部（４）は基本クロックOSGを発生する
発振回路（10）と、この基本クロックOSGからそれぞれ
前記垂直転送レジスタ（７）および前記水平転送レジス
タ（８）を駆動するための垂直転送クロックVCKおよび
水平転送クロックHCKを発生する垂直転送クロック発生
回路（11）および水平転送クロック発生回路（12）と、
前記読出時間制御回路部（５）に出力される電荷読出ク
ロックRCKを発生する電荷読出クロック発生回路（13）
とから構成されている。

前記読出時間制御回路部（５）は、電荷読出クロック
RCKの立上がりでコンデンサ（15）と可変抵抗（16）に
より定まる時定数のパルスを発生するワンショットマル
チバイブレータからなる第１の時定数回路（14）と、電
荷読出クロックRCKと被計測現象の発生を示す外部トリ
ガ信号EXTの論理積を出力する第２のゲート回路（21）
と、この第２のゲート回路（21）の出力の立上りでコン
デンサ（18）、可変抵抗（19）により定まる時定数のパ
ルスを発生するワンショットマルチバイブレータからな
る第２の時定数回路（17）と、前記第１の時定数回路
（14）の出力QD1と第２の時定数回路（17）の出力QD2の
論理和、すなわち電荷読出信号RRKを出力する第１のゲ
ート回路（20）と、外部トリガ信号EXTでリセットさ
れ、電荷読出信号RRKのパルス数を計測する計数回路（2
2）と、前記可変抵抗（16）と可変抵抗（19）とを制御
する時定数制御回路（23）と、この時定数制御回路（2
3）の動作モードを切換えるモード切換えスイッチ（2
4）とから構成されている。

前記ストロボ装置（２）は、外部トリガ信号EXTから
ストロボ発生信号SDVを発生するストロボ駆動回路（2
5）と、ストロボ発光信号SDVで発光する発光部（26）と
を備えている。

なお、被計測対象を照明する光源は発光部（26）のみ
であり、そのイメージは光学系を介し撮像素子（３）に
結像されるように調整されているものとする。

このように構成された本発明の計測カメラ装置の動作
を第２図のタイムチャートを用いて説明する。ただし、
説明を簡略化するため撮像素子（３）の画素数は垂直、
水平方向とも４画素とした。

Ａ、モード切換スイッチ（24）をモード１側に接続し
たものとする。

このモード１では時定数制御回路（23）はコンデンサ
（15）、可変抵抗（16）を具備した第１の時定数回路
（14）の時定数と、またコンデンサ（18）と、可変抵抗
（19）を具備した第２の時定数回路（17）の時定数と
を、光電変換部（６）の全電荷が垂直転送レジスタ
（７）に完全に転送されるに充分な時間d₄となるような
一定時間に設定する。

前述の通り、水平転送クロックHCK、垂直転送クロッ
クVCK、電荷読出クロックRCKは第２図（ａ）（ｂ）
（ｃ）の波形とする。

ここで、t₁時、すなわち電荷読出信号QD1と時間的に
重合しない状態でストロボ発光のトリガ信号EXTが入力
してストロボ信号が生じたものとすると、このストロボ
光により撮像素子（３）にイメージ光が電気信号に変換
されて一時的にメモリされる。

そしてストロボトリガ信号EXTが立下ってからt₂時に
電荷読出クロックRCKが発生するので、第２のゲート回
路（21）は開かない。そのため、第１の時定数回路（1
4）からだけ第２図の（ｆ）に示すような電荷読出信号Q
D1の出力があらわれ、第１のゲート回路（20）を経て、
同図の（ｈ）に示すような、転送に充分な時間d₄をもつ
電荷読出信号RRKが撮像素子（３）に送られる。この結
果、第２図（ｉ）の期間T₁に示すような波形の映像信号
VDOが完全に転送されて出力する。以上の動作は従来と
同様である。

本発明はt₅時、すなわち電荷読出信号QD1とストロボ
トリガ信号EXTが一部重合しているときに、特に効果を
発揮する。すなわち、t₄時にまず電荷読出クロックRCK
が立上り、第１の時定数回路（14）が一定時間d₄だけ出
力する。すると、第１のゲート回路（20）からの電荷読
出信号RRKが第２図の（ｈ）のようにt₄時に立上る。こ
こで、電荷読出クロックRCKが立下る前のt₅時にストロ
ボ信号トリガEXTが入力すると、ストロボ装置（２）が
発光するとともに、第２のゲート回路（21）がトリガ信
号EXTと電荷読出信号RCKによって開き、第２の時定数回
路（17）をトリガーする。このため、この第２の時定数
回路（17）から、第２図（ｇ）に示すような、t₅時に立
ち上がる電荷読出信号QD2が出力し、第１のゲート回路
（20）を経て、同図（ｈ）に示すような電荷読出信号RR
Kとして出力する。この結果、電荷読出信号RRKは、第２
図（ｈ）に示すように、ストロボ発光のt₅時から電荷転
送に充分な時間d₄だけ延長されたこととなる。したがっ
て、第２図（ｉ）の期間T₃に示す波形のように、撮像素
子（３）のイメージが完全に転送される。

Ｂ、モード切換スイッチ（24）をモード２側に接続し
たものとする。

このモード２では時定数制御回路（23）は第１、第２
の時定数回路（14）、（21）の各時定数を計数回路（2
2）の計数結果に基づきｎ回でd₄に達するように分割す
る。例えば第２図（ｌ）（ｍ）に示すように、d₁から
d₂、d₃を経てd₄まで変化させる。変化の割合は例えばのように等分割としてもよいし、また、不等分割として
もよい。

この状態で、第２図（ｋ）のt₁時にストロボ信号EXT
が発生したものとすると、t₂時には光電変換部（６）の
全電荷のd₁分だけ転送され、t₃時にはd₂−d₁分、t₄時に
はd₃−d₂分、t₅時にはd₄−d₃分だけ転送される。

このようにして、t₁時の外部トリガ信号EXTにより発
光したストロボ光で撮像素子（３）に生じたイメージは
複数回、すなわち、期間T₁、T₂、T₃、T₄に分けて出力さ
れることになる。これは実験準備、調整等には有用な機
能である。また複数回出力されるイメージを利用するこ
とで、単発現像をフレームメモリなしで計測することも
可能となる。

つぎに、第３図はゲーテングII（イメージインテンシ
ファイヤ）（30）への応用例を示した本発明の他の実施
例である。この例では、光源（31）からの外部光をホト
マルチプライヤなどのホトセンサ（32）で検出すると、
前記ストロボ信号に対応する外部トリガ信号EXTが出力
して高電圧発生回路（33）からタイミング信号が出力す
る。また、II（30）はゲーテング信号によって外部光を
とり込みCCDなどの撮像素子（34）にイメージをメモリ
するものである。このようなゲーテングII（30）におい
ても、外部トリガ信号EXTと撮像素子（34）の電荷転送
時間とが一部重合するのを前記同様の方法で解決でき
る。

「発明の効果」本発明による非同期現象計測カメラ装置は、上述のよ
うに構成したので、つぎのような効果を有する。

（１）ストロボ発光のような非同期の被計測現象が発生
していないときには、読出時間制御回路部内の第１の時
定数回路から出力する電荷読出信号によって撮像素子内
の読出ゲートの電荷転送時間を制御しているので、本発
明によるカメラ装置は、カメラ固有の同期信号のタイミ
ング（例えばNTSC方式のタイミング）に従って、完全な
画像の映像信号を出力することができる。

（２）ストロボ発光のような非同期の被計測現象が発生
した場合、その発生タイミングが第１の時定数回路から
出力する電荷読出信号と一部重合しているときには、第
２の時定数回路から出力する電荷読出信号によって撮像
素子内の読出ゲートの電荷転送時間を制御して、読出ゲ
ートの電荷転送時間を非同期の被計測現象の発生タイミ
ング時から第２の時定数回路の設定時間（全電荷を転送
するのに充分な設定）だけ延長するようにしたので、い
かなるタイミングで被計測現象が発生しても、計測カメ
ラは完全な画像の映像信号を出力することができる。

（３）撮像素子として、光電変換部で光を電気信号に変
換し、この電気信号を読出ゲートを介して転送部まで転
送し、出力端まで送ることのできる撮像素子を用いたの
で、映像データ蓄積部を有しない安価な撮像素子を用い
ることができる。例えば、映像データ蓄積部としてのCC
D蓄積部を有するフレーム・トランスファ型CCDやフレー
ム・インターライン型CCDのような高価な撮像素子を用
いる必要がなく、インターライン型CCDのような安価な
撮像素子を用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による非同期現象計測カメラ装置の第１
実施例のブロック図、第２図はタイムチャート、第３図
は本発明の第２実施例のブロック図、第４図は従来装置
のブロック図である。（１）……撮像部、（２）……ストロボ装置、（３）…
…撮像素子、（４）……走査回路部、（５）……読出時
間制御回路部、（６）……光電変換部、（７）……垂直
転送レジスタ、（８）……水平転送レジスタ、（９）…
…読出ゲート、（10）……発振回路、（11）……垂直転
送クロック発生回路、（12）……水平転送クロック発生
回路、（13）……電荷読出クロック発生回路、（14）…
…第１の時定数回路、（15）……コンデンサ、（16）…
…可変抵抗、（17）……第２の時定数回路、（18）……
コンデンサ、（19）……可変抵抗、（20）……第１のゲ
ート回路、（21）……第２のゲート回路、（22）……計
数回路、（23）……時定数制御回路、（24）……モード
切換スイッチ、（25）……ストロボ駆動回路、（26）…
…発光部、（30）……ゲーテングII（イメージインテン
シファイヤ）、（31）……光源、（32）……ホトセン
サ、（33）……高電圧発生回路、（34）……撮像素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭50−75317（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−309074（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−78324（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光電変換部で光を電気信号に変換し、この
電気信号を読出ゲートを介して転送部まで転送し、出力
端まで送ることのできる撮像素子と、一定の走査速度で
前記撮像素子を走査駆動する走査回路部とを具備してな
るものにおいて、前記撮像素子の読出ゲートの電荷転送
時間を制御する読出時間制御回路部を設け、この読出時
間制御回路部は、前記走査回路部から出力する電荷読出
クロックに基づいて、前記光電変換部の全電荷を前記転
送部に完全に転送するに充分な設定時間の間、電荷読出
信号を前記読出ゲートに出力する第１の時定数回路と、
前記走査回路部から出力する電荷読出クロックと被計測
現象の発生を示す信号との論理積信号に基づいて、前記
光電変換部の全電荷を前記転送部に転送するに充分な設
定時間の間、電荷読出信号を前記読出ゲートに出力する
第２の時定数回路とを具備してなることを特徴とする非
同期現象計測カメラ装置。