JP2861384B2

JP2861384B2 - スローモーションカラーカメラ装置

Info

Publication number: JP2861384B2
Application number: JP2323645A
Authority: JP
Inventors: 孝明富田; 八州美宮川; 覚大平
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-11-26
Filing date: 1990-11-26
Publication date: 1999-02-24
Anticipated expiration: 2014-02-24
Also published as: JPH04192782A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明はテレビジョンカメラに関するものであり、更
に詳述するならばテレビジョンカメラの動的解像度を向
上させて被写体の動きを明確に撮像し、良好なスローモ
ーション画像を得るものである。

従来の技術スローモーションカメラ装置の従来の技術を簡単に説
明する。

極めて高速で動く被写像体をスローモーション撮影し
その動きを明確に観察する方法としては、高速度フィル
ムカメラで撮影し、それを低速で映写する方法が周知で
あるが、前記の方法ではフィルムを用いているため撮影
−現像−再生（映写）までに時間がかかり過ぎるという
大きな欠点がある。

これに対して、テレビジョンカメラによるスローモー
ションカメラ装置としては通常のテレビジョンカメラの
走査速度（NTSC方式では水平走査周波数約15.734K Hzフ
ィールド周波数60Hz）を速くして、高速に記録するビデ
オテープレコーダに記録し、前記、高速に記録されたビ
デオテープを標準の速度で再生する事によりスローモー
ション画像を得る装置が実用化されている事は周知であ
る。

以下、周知のスローモーションカメラ装置を図面を用
いて簡単に説明する。

第７図において１は被写体、２は撮像レンズ、103は
３色分解プリズム、104〜106は撮像管、107〜109は偏向
コイル、110〜112はプリアンプ、113はプロセスおよび
エンコーダ及び周波数変換回路、114は偏向回路であ
る。番号２〜114によりテレビジョンカメラが構成され
ている。115はビデオテープレコーダ（以下VTRと略す）
である。

次に動作を説明する。説明を簡単にするため、前記テ
レビジョンカメラは標準のテレビジョンカメラの３倍速
で動作する、即ち1/3倍速のスローモーションの記録，
再生が可能なスローモーションカメラ装置として説明す
る。

標準のテレビジョンカメラ（NTSC方式では水平走査周
波数は約15.734K Hz、フィールド周波数は60Hz）に比べ
て、前記スローモーションカメラでは、水平走査周波数
は約47.202K Hz、フィールド周波数は180Hzで動作する
ことになる。

通常の３倍の速度で操作を行うため、偏向回路114か
らは３倍の周波数の偏向信号が偏向コイル107〜109に供
給される。実際の偏向コイルは水平・垂直の２方向が必
要であるが、第７図では一方の偏向コイルの図示は省略
している。

被写体１からの被写体像は撮像レンズ２により集光さ
れた後、３色分解プリズム103により赤（Ｒ）・緑
（Ｇ）・青（Ｂ）３原色に分解され、撮像管104〜106に
結像される。撮像管104〜106に結像された被写体像は撮
像管の光電変換膜により光電変換される。光電変換され
た被写体像は、偏向ヨークにより偏向された電子ビーム
により、信号電流として読み出され、プリアンプ110〜1
12により増幅され、プリアンプから赤・緑・青の信号電
圧として取り出され、プロセス・エンコーダ回路113へ
供給される。プロセス・エンコーダ回路113で前記、赤
・緑・青の信号は標準の３倍速の複合カラーテレビジョ
ン信号に変換し、その後周波数変換回路により通常の周
波数のカラーテレビジョン信号に変換した後VTRへ供給
する。前記VTRは３個の記録ヘッドを有しており、記録
ドラムは通常の１倍速のNTSC信号を記録する時の回転を
行っているが、記録されるテープは通常の３倍速の速度
で走っている。したがって、VTRのテープ上には通常の
３倍速の映像信号が記録される。このようにして記録さ
れたテープを、通常のドラム回転速度および通常のテー
プ走行速度で再生すれば1/3倍速のスローモーション画
像を得ることができる。

ここでVTRは１個の記録ヘッドを用い、ドラムおよび
テープを通常の３倍速回転及び送行させて記録を行い、
スローモーション再生時には通常の回転およびテープ送
行を行うことにより1/3倍速のスローモーション画像を
得る方法もある。

ところが、前記の構成によるスローモーションカメラ
装置では、動的解像度が向上せず輪郭がボケたスローモ
ーション画像となる。また、画像歪のある画像となる、
例えば高速で動くゴルフのクラブの柄が第９図の如く曲
がって見える欠点を有している。

前記欠点のうち、画像の輪郭がボケる原因は、撮像管
の残像現象によるものであり、高速で動くゴルフクラブ
の柄が曲がって見える原因は、画面の上部と下部とでは
信号電荷の蓄積タイミングがズレるためである。

前記欠点を解決するための最も簡単な手段としては、
第７図に示した４〜６の撮像管を前記CCD固体撮像素子
に置き換えて、前記CCD固体撮像素子を通常の３倍速で
駆動する方法がある。

発明が解決しようとする課題ところが、前記CCD固体撮像素子はフォトダイオード
で光電変換して得た信号電荷を垂直方向および水平方向
に転送して信号電圧として読み出しているのは周知の如
くである。一般的にNTSC方式の場合、前記CCDの固体撮
像素子の垂直方向の画素数は略500画素、水平方向の画
素数は500〜800画素程度であり、通常の動作速度、即ち
転送周波数としては、垂直方向は15.734K Hzであり、水
平方向の転送周波数としては500画素では9.5M Hz、800
画素では14.32M Hz程度である。1/3倍速のスローモーシ
ョン画像を得るためには、CCD固体撮像素子を通常の３
倍の周波数で駆動しなければならない。即ち、垂直方向
は47.202K Hz、水平方向は28.5〜42.95M Hzもの高い周
波数で転送を行わねばならない。現状のCCD固体撮像素
子では、水平方向に前記の如く高い転送周波数で信号電
荷を転送することには３つの大きな問題が発生する。

その第一は、水平方向の転送周波数が高くなるため
に、十分な転送効率が得られず、画面が水平方向に極端
にボケる事である。この画面の水平方向のボケは、画面
の左右方向で大きく異なり、即ち画面の左側では転送段
数が少ない為にボケ量が少なく、画面の右側では転送段
数が多い為に、極端にボケてしまう。第二の問題は、水
平方向に高い周波数の転送を行うと、CCD固体撮像素子
自体が発熱し、その結果、暗電流が増加し、信号のSN比
を劣化させてしまうことである。第３の問題として、CC
D固体撮像素子を前記の如く、高い周波数で駆動するた
めの駆動回路の実現が困難である。つまり、水平転送段
は容量性であり、かつ100PF以上の容量を有しているた
め数十M Hzで、かつ数Ｖ程度の振幅の駆動パルスをCCD
に印加するための駆動回路の実現は困難を極めることは
言うまでもない。

本発明では、CCD固体撮像素子を高速（通常の駆動速
度の３倍程度）で駆動することにより発生する上記の弊
害を招くことなく、かつ撮像管を用いたスローモーショ
ンカメラの欠点を克服するものである。

周知の如く、CCD固体撮像素子は撮像管に比べて残像
は極端に少なく、また、フォトダイオードとCCDからな
る垂直，水平転送段を介して信号電荷を読み出す形式の
CCD固体撮像素子、即ちインターライン固体撮像素子
（以降IT−CCDと略す）では受光部の全てのフォトダイ
オードに蓄積された信号電荷を同時に垂直転送段に転送
するため、画面の上部と下部とで信号電荷の蓄積タイミ
ングがズレるという事はなくなるため、スローモーショ
ン再生をした場合、第10図の如く自然な画像となる。つ
まり、スローモーションカメラにおいては撮像管の替わ
りに前記,IT−CCDあるいはFIT−CCDを用いれば、動的解
像度が高く、即ち画像の輪郭部が尖鋭で画像の歪のない
スローモーション画像を得ることができる。

本発明では、CCD固体撮像素子を高速（通常の駆動速
度の３倍程度）で駆動することにより発生する上記の弊
害を招くことなく、かつ撮像管を用いたスローモーショ
ンカメラの欠点を克服し、動的解像度が高く、即ち画像
の輪郭部が尖鋭で、画像の歪のないスローモーション画
像を得るものである。

課題を解決するための手段本発明では、前記欠点を解決するため第１として、光
電変換素子として固体撮像素子を用いる。光電変換部に
フォトダイオード等に代表される各画素ごとに独立した
光電変換部を有し、垂直及び水平方向の信号電荷の転送
に電荷結合素子を用いた、所謂CCD固体撮像素子が最も
適している。

本発明では、前記欠点を解決するため第２として被写
体像を固体撮像素子の受光面に結像するための１個の撮
像レンズを有し、前記、撮像レンズと前記固体撮像素子
の結像面の間に、赤，緑，青色光に色分割する手段の後
に、ｎ数に振幅分割する手段を設けて、３（青，赤、緑
色成分）×ｎ数の被写体像に分離し、前記分離された被
写体像を３×ｎ個の固体撮像素子により撮像しｎ個のカ
ラーカメラ系を構成し1/n倍速のスローモーション像を
得る。前記、ｎ個の撮像素子はフォトダイオードへの信
号電荷の蓄積時間を1/nずつ移動して動作させる。つま
り、ｎを３とすれば、被写体像を振幅分割プリズム群で
３個に分割し、３台のカメラ（１台のカメラはR,G,Bch
の３つの撮像素子）に結像させる。前記３台のカメラは
通常の周波数で動作させており、かつ、動作タイミング
はフィールド走査を行う際1/3周期ずつ移相させてい
る。また、３台のカメラは通常動作の略1/3の期間のみ
フォトダイオードに信号電荷を蓄積させるように成して
いる。このようにして得られた３台のカメラの出力信号
を、ディジタル信号に変換し、通常の周波数の信号を３
倍の周波数に変換し、通常の３倍速でドラム回転、テー
プ走行するVTRへ記録し、前記、記録されたテープを通
常の１倍速で再生すれば、動的解像度が高く、画像歪の
ない高画質なスローモーションを得ることができる。

作用本発明では、CCD固体撮像素子を高速（通常の駆動速
度の３倍程度）で駆動することにより発生する上記の弊
害を招くことなく、かつ撮像管を用いたスローモーショ
ンカメラの欠点を克服するものである。

周知の如く、CCD固体撮像素子は撮像管に比べて残像
は極端に少なく、また、フォトダイオードとCCDからな
る垂直，水平転送段を介して信号電荷を読み出す形式の
CCD固体撮像素子、即ちインターライン固体撮像素子
（以降IT−CCDと略す）では受光部の全てのフォトダイ
オードに蓄積された信号電荷を同時に垂直転送段に転送
するため、画面の上部と下部とで信号電荷の蓄積タイミ
ングがズレるという事はなくなるため、スローモーショ
ン再生をした場合、第９図の如く自然な画像となる。つ
まり、スローモーションカメラにおいては撮像管の替わ
りに前記、IT−CCDあるいはFIT−CCDを用いれば、動的
解像度が高く、即ち画像の輪郭部が尖鋭で画像の歪のな
いスローモーション画像を得ることができる。

実施例以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図，第２図は第１の実施例である、1/3倍速のス
ローモーション画像を得る光学系を示す概要図である。
第１図，第２図において、１は被写体、２は撮像レン
ズ、３は赤外カットフィルター、４はND・色温度変換フ
ィルター、５は偏光板、６は光学ローパスフィルター、
７は色分解プリズム群、８は編光板、９は振幅分割プリ
ズム群、10はCCD固体撮像素子、11はガラスピース、12
は振幅分割プリズム群固定板、13は光学ユニット固定基
盤である。

被写体１からの被写体像は撮像レンズ２により集光さ
れ、集光された光束は、前記、赤外カットフィルター3,
ND・色温度変換フィルター4,偏光板5,光学ローパスフィ
ルター６を透過し、色分解プリズム群７に入射し第１の
プリズム14と第２のプリズム15間に形成されたダイクロ
イック膜16により、青色成分のみが反射され、前記第１
のプリズム14の入射面で全反射し編光板８を透過し振幅
分割プリズム群９に入射する。前記、振幅分割プリズム
群９に入射した光束は第１のプリズム17と第２のプリズ
ム18間に形成された振幅分割膜19により光束の約1/3は
反射し第１のプリズム17の入射面にて全反射し第１のカ
メラの青色成分のCCD固体撮像素子10−１−Ｂに結像さ
れる。前記、振幅分割プリズム群９の振幅分割膜19を透
過した光束は、第２のプリズム18と第３のプリズム20間
に形成された振幅分割膜21により、光束の約1/2は反射
し、第２のカメラの青色成分のCCD固体撮像素子10−２
−Ｂに結像される。前記、振幅分割膜21を透過した光束
は第３のカメラの青色成分のCCD固体撮像素子10−３−
Ｂに結像される。

前記、色分解プリズム群７のダイクロイック膜16を透
過した光束は、第２のプリズム15と第３のプリズム22間
に形成されたダイクロイック膜23により、赤色成分のみ
が反射され、前記、第２のプリズム15の入射面で全反射
し、編光板８を透過し振幅分割プリズム群９に入射す
る。前記、振幅分割プリズム群９に入射した赤色成分の
光束は前記の青色成分の光束と同様に振幅分割され、第
1,第2,第３のカメラの赤色成分のCCD固体撮像素子10−
１−R,10−２−R,10−３−Ｒに結像される。

前記、色分解プリズム群７のダイクロイック膜23を透
過した光束は、編光板８を透過し振幅分割プリズム群９
に入射する。前記、振幅分割プリズム群９に入射した緑
色成分の光束は、前記の青色成分の光束と同様に振幅分
割され、第1,第2,第３のカメラの緑色成分のCCD固体撮
像素子10−１−G,10−２−G,10−３−Ｇに結像される。

振幅分割プリズム群固定板12は振幅分割プリズムに接
着固定され、光学ユニット固定基盤13に設けられた位置
決めピン13aに勘合する穴12bを設けてある。このような
構成にすることにより色分解プリズム群の出射面と振幅
分割プリズム群の入射面に空気層を設けてあるため、前
記、色分解プリズム群の出射面または振幅分割プリズム
群の１入射面にゴミ等が付着した際、振幅分割プリズム
群を取り外しゴミ等を除去する事が可能となる。もちろ
ん、振幅分割プリズム群固定板を無くして振幅分割プリ
ズム群を光学ユニット固定基盤に接着固定しても前記空
気層にゴミ等が入らない構成にすれば問題はないもので
ある。

もちろん前記の色分解プリズム群７の第１のプリズム
14と第２のプリズム15間には微小な空気層を有している
が振幅分割プリズム群は空気層はない構成である。

前記の９個のCCD固体撮像素子は被写体像が所定位置
に精密調整（レジストレーション調整）され、ガラスピ
ース11を介して前記、振幅分割プリズム群９の出射面近
傍に接着固定されている。

前記の構成にする事により、色分解プリズム群７によ
り撮像レンズからの被写体像を青，赤，緑色成分から成
る被写体像に色分解した後、振幅分割プリズム群９にて
それぞれの被写体像を略1/3づつに振幅分割して、９個
のCCD固体撮像素子に結像され、10−１−R,G,Bにて第１
のカメラ系を、10−２−R,G,Bにて第２のカメラ系を、1
0−３−R,G,Bにて第３のカメラ系を構成する。

前記の構成において、振幅分割プリズム群９の振幅分
割膜21により反射した、10−２−R,G,Bからなる第２の
カメラ系は他の第1,第２のカメラ系に対し反射像になる
がデジタル回路において像を反転させることは容易であ
る。

第３図において、220R,G,B〜222R,G,Bはプリアンプ、
223〜225はプロセス回路、226は周波数変換回路、227は
同期信号発生器、28はCCD駆動パルス発生器およびCCD駆
動回路、229はVTRである。被写体１からの被写体像は撮
像レンズ２により集光され、色分解プリズム群７により
撮像レンズからの被写体像を青，赤，緑色成分から成る
被写体像に色分解した後、振幅分割プリズム群９にてそ
れぞれの被写体像を略1/3づつに振幅分割して、９個のC
CD固体撮像素子、10−１−R,G,B、10−２−R,G,B、10−
３−R,G,Bに結像させる。９個のCCD固体撮像素子は各々
の受光部に配置されたフォトダイオードにより光電変換
を行う。フォトダイオードにより光電変換されて得られ
た信号電荷は、垂直および水平転送段を転送し電圧信号
としてCCDから取り出され、プリアンプ220R,G,B〜222R,
G,Bに供給され、不要雑音成分を除去した後、任意の振
幅に増幅される。プリアンプ出力信号はプロセス回路22
3,224,225にそれぞれ供給され、各種信号処理を施す。
各プロセス回路223,224,225の出力信号は標準の映像信
号（テレビジョンカメラ出力信号）となっている。この
ようにして標準の映像信号（テレビジョンカメラ出力信
号）に変換された信号は周波数変換器226に供給され
る。周波数変換器はメモリーおよびメモリー制御回路か
ら構成されている。本実施例では説明を簡単にするため
入力信号（標準の周波数、水平走査周波数15.734K Hz、
垂直走査周波数60Hz）を３倍の周波数（水平走査周波数
47.20K Hz、垂直走査周波数180Hz）に変換するとして説
明する。前記周波数変換器出力信号はドラム回転数が通
常の３倍で回転し、テープ走査速度が通常の３倍のVTR2
29へ供給され記録される。同期信号発生器227は、スロ
ーモーションカメラ装置の全てを同期関係を保って動作
させるためのものであり、前記、同期信号発生器の出力
信号は周波数変換器226、プロセス回路223,224,225およ
びCCD駆動パルス発生器228、VTR229へ供給される。CCD
駆動パルス発生器228の出力信号はプリアンプ220,221,2
22,にも供給される。CCD駆動パルス発生器、CCD駆動回
路228からはCCDの駆動に必要な各種パルスが出力されて
いる。CCD駆動回路228の出力信号はCCD固体撮像素子10
−１−R,G,B、10−２−R,G,B、10−３−R,G,Bに供給さ
れ、CCDは標準の周波数で駆動される。ところが、1/3倍
速のスローモーション画像を得るには前記10−１−R,G,
B（CCDA群とする）・10−２−R,G,B（CCDB群とする）・
10−３−R,G,B（CCDC群とする）を各々1/3フィールドず
つタイミングをズラして駆動すると共に、CCDA群〜CCDC
群の各フォトダイオードに蓄積させる蓄積時間を通常周
波数で駆動する場合の蓄積時間の1/3としなければなら
ない。

以下、第８図を用いてCCDA群〜CCDC群の駆動タイミン
グおよび信号のタイミングを説明する。

第８図において（ａ）は通常のテレビジョン方式（本
実施例ではNTSC方式）のフィールド期間を示すものであ
り、1Fは第１フィールド、2Fは第２フィールドの期間を
示す。第８図（ｂ）〜（ｄ）はCCDA群〜CCDC群の動作タ
イミングを示すものである。本実施例では周知のCCD固
体撮像素子を用いている。CCD固体撮像素子は周知であ
るのでその説明は省略する。図中、蓄積と記した期間は
固体撮像素子のフォトダイオートへの信号電荷蓄積期間
を示し、読み出しと記したタイミングで、フォトダイオ
ードに蓄積された信号電荷を垂直転送段に読み出してい
る。転送と記した期間に信号電荷を垂直電送、水平転送
を行いCCDから電圧信号として取り出している。第８図
（ｅ）〜（ｇ）はCCDA群〜CCDC群に印加するシャッター
パルスのタイミングを示している。CCD固体撮像素子は
周知の如くCCDの基板に高い電圧のパルスを印加する事
により、フォトダイオードに蓄積されていた信号電荷を
基板に抜き出す、つまり捨てることが可能である。した
がって、CCD固体撮像素子のフォトダイオードに信号電
荷を蓄積する蓄積時間は、前記シャッターパルスを印加
するタイミングを操作することにより制御可能である。
信号電荷の蓄積時間はシャッターパルス印加後からCCD
信号電荷の読み出しパルスがCCDに印加されるまでの期
間となる。

第８図（ｈ）〜（ｊ）はCCDA群〜CCDC群の出力信号、
即ちプロセス回路23〜25の出力信号である。CCDA群〜CC
DC群は各々120゜の位相を持たせて（1/3フィールドずつ
タイミングをズラせて）駆動している。したがって、CC
DA〜CCDCの出力信号は1/3フィールドずつタイミングが
ずれて得られる。但し、信号電荷の蓄積はCCDA群→CCDB
群→CCDC群→CCDA群と順次変化するように、シャッター
及びCCDの駆動タイミングを変化させている。プロセス
回路の出力信号は周波数変換器226に供給している。周
波数変換器226は３個のフィールドメモリ及びメモリー
制御回路から構成されており、入力の周波数と出力の周
波数を変換している。つまり、メモリーへの記憶の際は
通常の周波数で記憶し（第８図（ｈ）（ｉ）（ｊ）の周
波数の状態で記憶し）、メモリーから読み出す際は記憶
する（メモリーに書き込む）周波数の３倍の周波数で読
み出し、３つのフィールドメモリの信号を切り換えるこ
とにより、CCDA群→CCDB群→CCDC群→CCDA群の順に通常
の周波数の３倍の画像を得ることができる。VTR229では
通常の３倍のドラム回転数および３倍速のテープ走行を
行い、前記、周波数変換器226の出力信号をビデオテー
プに記録する。前記、記録されたビデオテープを通常速
度で再生すれば1/3倍速のスローモーション画像を得る
ことができる。ここでVTRは標準カラーテレビジョン信
号（輝度信号と変調色信号を加算した信号）を記録する
として説明したが、輝度信号と色信号を分離した状態で
記録するVTRを用いても良い。その際はプロセス回路出
力信号には輝度信号と色信号が必要なことは言うまでも
ない。

次に、本発明の第２の実施例である1/3倍速のスロー
モーション画像を得る光学系について説明する。第４図
において、１は被写体、２は撮像レンズ、３は赤外カッ
トフィルター、４はND・色温度変換フィルター、５は偏
光板、６は光学ローパスフィルター、570は色分解プリ
ズム群、８は編光板、590は振幅分割プリズム群、10はC
CD固体撮像素子、11はガラスピースである。

被写体１からの被写体像は撮像レンズ２により集光さ
れ、集光された光束は、前記、赤外カットフィルター
３、ND・色温度変換フィルター４、偏光板５、光学ロー
パスフィルター６を透過し、色分解プリズム群570に入
射し第１のプリズム514と第２のプリズム515間に形成さ
れたダイクロイック膜516により、青色成分のみが反射
され、前記第１のプリズム514の入射面で全反射し編光
板８を透過し振幅分割プリズム群590に入射する。前
記、振幅分割プリズム群590に入射した光束は第１のプ
リズム517と第２のプリズム518間に形成された振幅分割
膜519により光束の約1/3は反射し第１のプリズム517の
入射面にて全反射し第１のカメラの青色成分のCCD固体
撮像素子10−１−Ｂに結像される。前記、振幅分割プリ
ズム群590の振幅分割膜519を透過した光束は、第２のプ
リズム518と第３のプリズム520間に形成された振幅分割
膜521により、光束の約1/2は反射し、前記第２のプリズ
ム518の入射面で全反射し、第２のカメラの青色成分のC
CD固体撮像素子10−２−Ｂに結像される。前記、振幅分
割膜521を透過した光束は第３のカメラの青色成分のCCD
固体撮像素子10−３−Ｂに結像される。

前記、色分解プリズム群570のダイクロイック膜516を
透過した光束は、第２のプリズム515と第３のプリズム5
22間に形成されたダイクロイック膜523により、赤色成
分のみが反射され、前記、第２のプリズム515の入射面
で全反射し、編光板８を透過し振幅分割プリズム群590
に入射する。前記、振幅分割プリズム群590に入射した
赤色成分の光束は前記の青色成分の光束と同様に振幅分
割され、第1,第2,第３のカメラの赤色成分のCCD固体撮
像素子10−１−R,10−２−R,10−３−Ｒに結像される。

前記、色分解プリズム群570のダイクロイック膜523を
透過した光束は、編光板８を透過し振幅分割プリズム群
590に入射する。前記、振幅分割プリズム群590に入射し
た緑色成分の光束は、前記の青色成分の光束と同様に振
幅分割され、第1,第2,第３のカメラの緑色成分のCCD固
体撮像素子10−１−G,10−２−G,10−３−Ｇに結像され
る。

もちろん前記の色分解プリズム群570の第１のプリズ
ム514と第２のプリズム515間および振幅分割プリズム群
590の第１のプリズム517と第２のプリズム518間には微
小な空気層を有している。

前記の９個のCCD固体撮像素子は被写体像が所定に位
置に精密調整（レジストレーション調整）され、ガラス
ピース11を介して前記、振幅分割プリズム群590の出射
面近傍に接着固定されている。

前記の構成にする事により、色分解プリズム群570に
より撮像レンズからの被写体像を青，赤，緑色成分から
成る被写体像に色分解した後、振幅分割プリズム群590
にてそれぞれの被写体像を略1/3ずつに振幅分割して、
９個のCCD固体撮像素子に結像させ、10−１−R,G,Bにて
第１のカメラ系を、10−２−R,G,Bにて第２のカメラ系
を、10−３−R,G,Bにて第３のカメラ系を構成する。

前記の構成にする事により、第１の実施例とは異なり
９個のCCD固体撮像素子に結像する全ての像は同じにな
るため、像の反転回路が不要となる。

次に、本発明の第３の実施例である1/3倍速スローモ
ーション画像を得る光学系について説明する。第５図に
おいて、１は被写体、２は撮像レンズ、３は赤外カット
フィルター、４はND・色温度変換フィルター、５は偏光
板、６は光学ローパスフィルター、670は色分解プリズ
ム群、８は編光板、690は振幅分割プリズム群、10はCCD
固体撮像素子、11はガラスピースである。

被写体１からの被写体像は撮像レンズ２により集光さ
れ、集光された光束は、前記、赤外カットフィルター
３、ND・色温度変換フィルター４、偏光板５、光学ロー
パスフィルター６を透過し、色分解プリズム群670に入
射し第１のプリズム614と第２のプリズム615間に形成さ
れたダイクロイック膜616により、青色成分のみが反射
され、前記第１のプリズム614の入射面で全反射し編光
板８を透過し振幅分割プリズム群690に入射する。前
記、振幅分割プリズム群690に入射した光束は第１のプ
リズム617と第２のプリズム618間に形成された振幅分割
膜619により光束の約1/3は反射し第１のプリズム617の4
5゜面にて全反射し第１のカメラの青色成分のCCD固体撮
像素子10−１−Ｂに結像される。前記、振幅分割プリズ
ム群690の振幅分割膜619を透過した光束は、第２のプリ
ズム618と第３のプリズム620間に形成された振幅分割膜
621により、光束の約1/2は反射し、第２のカメラの青色
成分のCCD固体撮像素子10−２−Ｂに結像される。前
記、振幅分割膜621を透過した光束は第３のカメラの青
色成分のCCD固体撮像素子10−３−Ｂに結像される。

前記、色分解プリズム群670のダイクロイック膜616を
透過した光束は、第２のプリズム615と第３のプリズム6
22間に形成されたダイクロイック膜623により、赤色成
分のみが反射され、前記、第２のプリズム615の入射面
で全反射し、編光板８を透過し振幅分割プリズム群690
に入射する。前記、振幅分割プリズム群690に入射した
赤色成分の光束は前記の青色成分の光束と同様に振幅分
割され、第1,第2,第３のカメラの赤色成分のCCD固体撮
像素子10−１−R,10−２−R,10−３−Ｒに結像される。

前記、色分解プリズム群670のダイクロイック膜623を
透過した光束は、編光板８を透過し振幅分割プリズム群
690に入射する。前記、振幅分割プリズム群690に入射し
た緑色成分の光束は、前記の青色成分の光束と同様に振
幅分割され、第1,第2,第３のカメラの緑色成分のCCD固
体撮像素子10−１−G,10−２−G,10−３−Ｇに結像され
る。

前記の９個のCCD固体撮像素子は被写体像が所定に位
置に精密調整（レジストレーション調整）され、ガラス
ピース11を介して前記、振幅分割プリズム群９の出射面
近傍に接着固定されている。

前記の構成にする事により、色分解プリズム群670に
より撮像レンズからの被写体像を青，赤，緑色成分から
成る被写体像に色分解した後、振幅分割プリズム群690
にて、それぞれの被写体像を略1/3ずつに振幅分割し
て、９個のCCD固体撮像素子に結像させ、10−１−R,G,B
にて第１のカメラ系を、10−２−R,G,Bにて第２のカメ
ラ系を、10−３−R,G,Bにて第３のカメラ系を構成す
る。

もちろん前記の色分解プリズム群670の第１のプリズ
ム614と第２のプリズム615間には微小な空気層を有して
いるが振幅分割プリズム群690は空気層はない構成であ
る。

前記の構成において、振幅分割プリズム群690の振幅
分割膜21により反射した10−２−R,G,Bからなる第２の
カメラ系は他の第1,第２のカメラ系に対し反転像になる
がデジタル回路において像を反転させることは容易であ
る。

前記の構成にする事により、第1,第２の実施例とは異
なり、振幅分割プリズム群690の第１のプリズムの入射
面で全反射させる事がない構成であるため、前記、色分
割プリズム群の各出射面に直接、または編光板を介して
各振幅分割プリズム群の入射面を接着する事ができる。
また、前記の構成にする事により振幅分割プリズム690
群の各プリズムはすべて直角２等辺三角プリズムで構成
できる。この場合、第１のプリズムは２点波線部分で分
離して加工し接着するものである。

本構成によれば、第1,第２の実施例と異なり、振幅分
割プリズム群の第１のプリズムの入射面で全反射させる
事がない構成であるため、前記、色分解プリズム群の各
出射面に直接、または編光板を介して各振幅分割プリズ
ム群の入射面を接着する事ができる。

次に、本発明の第４の実施例である1/2倍速のスロー
モーション画像を得る光学系について説明する。第６図
において、１は被写体、２は撮像レンズ、３は赤外カッ
トフィルター、４はND・色温度変換フィルター、５は偏
光板、６は光学ローパスフィルター、770は色分解プリ
ズム群、８は編光板、790は振幅分割プリズム群、10はC
CD固体撮像素子、11はガラスピースである。

被写体１からは被写体像は撮像レンズ２により集光さ
れ、集光された光束は、前記、赤外カットフィルター3,
ND・色温度変換フィルター4,偏光板5,光学ローパスフィ
ルター６を透過し、色分解プリズム群770に入射し第１
のプリズム714と第２のプリズム715間に形成されたダイ
クロイック膜716により、青色成分のみが反射され、前
記第１のプリズム714の入射面で全反射し編光板８を透
過し振幅分割プリズム群790に入射する。前記、振幅分
割プリズム群790に入射した光束は第１のプリズム717と
第２のプリズム718間に形成された振幅分割膜719により
光束の約1/2は反射し、第１のカメラの青色成分のCCD固
体撮像素子10−１−Ｂに結像される。前記、振幅分割プ
リズム群790の振幅分割膜719を透過した光束は、第２の
カメラの青色成分のCCD固体撮像素子10−２−Ｂに結像
される。

前記、色分解プリズム群770のダイクロイック膜716を
透過した光束は、第２のプリズム715と第３のプリズム7
22間に形成されたダイクロイック膜723により、赤色成
分のみが反射され、前記、第２のプリズム715の入射面
で全反射し、編光板８を透過し振幅分割プリズム群790
に入射する。前記、振幅分割プリズム群790に入射した
赤色成分の光束は前記の青色成分の光束と同様に振幅分
割され、第1,第２のカメラの赤色成分のCCD固体撮像素
子10−１−R,10−２−Ｒに結像される。

前記、色分解プリズム群770のダイクロイック膜723を
透過した光束は、編光板８を透過し振幅分割プリズム群
790に入射する。前記、振幅分割プリズム群790に入射し
た緑色成分の光束は、前記の青色成分の光束と同様に振
幅分割され、第1,第２のカメラの緑色成分のCCD固体撮
像素子10−１−G,10−２−Ｇに結像される。

前記の６個のCCD固体撮像素子は被写体像が所定位置
に精密調整（レジストレーション調整）され、ガラスピ
ース11を介して前記、振幅分割プリズム群９の出射面近
傍に接着固定されている。

前記の構成にする事により、色分解プリズム群770に
より撮像レンズ２からの被写体像を青，赤，緑色成分か
ら成る被写体像に色分解した後、振幅分割プリズム群79
0にて、それぞれの被写体像を略1/2ずつに振幅分割し
て、６個のCCD固体撮像素子に結像させ、10−１−R,G,B
にて第１のカメラ系を、10−２−R,G,Bにて第２のカメ
ラ系を構成する。

前記の構成において、振幅分割プリズム群790の振幅
分割膜721により反射した10−２−R,G,Bからなる第２の
カメラ系は他の第1,第２のカメラ系に対し反転像になる
がデジタル回路において像を反転させることは容易であ
る。

前記の構成にする事により、第1,第２の実施例とは異
なり、振幅分割プリズム群790の第１のプリズムの入射
面で全反射させる事がない構成であるため、前記、色分
解プリズム群の各出射面に直接、または編光板を介して
各振幅分割プリズム群の入射面を接着する事ができる。
また、前記の構成にする事により振幅分割プリズム790
群の各プリズムはすべて直角２等辺三角プリズムで構成
できる。

以上、1/n倍速のスローモーション画像を得る本発明
の３つの光学系について説明してきたが、これらの光学
系によれば（ａ）撮像レンズからの被写体像を色分解プリズム群
により赤，緑，青色光に色分割し、その後ｎ数に振幅分
割した構成であるため下記の長所をもつ。

色分解プリズム群の前に振幅分割プリズムがある
場合の振幅分割プリズムの分割波長帯域は可視光の範囲
（400nm〜700nm）全域が必要であるが、このような長範
囲を精度良く振幅分割する振幅分解膜の製作は非常に困
難である。これに比べ本発明によれば青色成分，赤色成
分，緑色成分に色分解した後に振幅分割するため、青色
成分の後にくる振幅分割膜は青色成分の帯域のみを、赤
色成分の後にくる振幅分割膜は赤色成分の帯域のみを、
また緑色成分の後にくる振幅分割膜は緑色成分の帯域の
みをそれぞれ振幅分割できれば良いため、振幅分割膜の
製作は非常に容易であるばかりか分割精度も向上する。

振幅分割プリズム群に比べ、色分解プリズム群は
青反射膜，赤反射膜，青トリミング膜，赤トリミング
膜，緑トリミング膜等、膜層数が多く、製造条件により
微妙に特性が変化する膜を多数有しており、製作が困難
であり高価なものである。しかし本発明によれば、色分
解プリズム群は１つで済むため、光学系全体としてコス
トの低減になる。

第3,第４の実施例によれば、振幅分割プリズム群
の第１のプリズムの入射面で全反射させる事がない構成
であるため、前記、色分解プリズム群の各出射面に直
接、または編光板を介して各振幅分割プリズム群の入射
面を接着する事ができる。これによりレジストレーショ
ンの経時変化が少なく安定性が確保できる。

（ｂ）振幅分割手段および色分解手段がプリズム間に
光学薄膜を形成したプリズムブロックにより構成してい
るため、ハーフミラーやダイクロイックミラーを用いた
分解系に比べ光学系を小型，軽量化できる。

（ｃ）振幅分割面および色分解面が光学ユニット固定
基盤に対し垂直に形成しているため、振幅分割プリズム
群，色分解プリズム群を光学ユニット固定基盤上に固定
する事が容易であると同時にレジストレーションの経時
変化が少なく安定性が確保できる。

（ｄ）撮像レンズのイメージサイズに対し固体撮像素
子のイメージサイズが小さいものを用いるため、通常の
カラーカメラに使用する撮像レンズを共用でき安価な光
学系を提供できる。通常のカラーカメラに使用する撮像
レンズは固体撮像素子のイメージサイズと同じものを用
いており、撮像レンズのバックフォーカスは光学系の小
型、軽量化を図るため、必要最小限の各種フィルター
（赤外カットフィルター,NDフィルター，色温度変換フ
ィルター，光学ローパスフィルター等）と色分解プリズ
ムを透過して固体撮像素子に結像するように成ってい
る。

このようにバックフォーカスが限定されているため、
振幅分割プリズムを前記、撮像レンズと固体撮像素子間
に追加して設けることは困難である。

撮像レンズと固体撮像素子とのイメージサイズを同じ
で、しかも振幅分割プリズムを追加する方法として、振
幅分割プリズムと色分解プリズム間にリレーレンズを設
けることが考えられるが、（１）大型化する、（２）リ
レーレンズによる軸上色収差が増加するとともに像面湾
曲収差が増加し画像の劣化がおこる。（３）複数のリレ
ーレンズの製造バラツキによる倍率の不一致。（４）振
幅分割プリズムから色分解プリズムまでの距離が長いた
め温度変化で光軸やレジストレーションのズレが大き
い。等の多くの欠点を有する。

前記のように撮像レンズのイメージサイズに対し固体
撮像素子のイメージサイズが小さいものを用いることに
より多くの欠点を補うことができる。

次に、本発明によるCCD固体撮像素子を用いたカメラ
を用いて動く物体を撮像した時の画像を第10図に示す
が、動的解像度が高く、画像の輪郭部が尖鋭で、画像歪
のないスローモーション画像を得る。

本実施例では、色分解プリズム群により青，赤，緑色
成分に色分解しCCD固体撮像素子をそれぞれに設けた構
成について説明してきたが、色分解プリズム群の代わり
に単板カラーフィルタを配置したものでも効果は同一で
ある。

また、本実施例では記録媒体としてVTRを例にとって
説明したが、他の記録媒体、例えば光ディスクや半導体
メモリーを使用したものでもよい事は言を待たない。

発明の効果以上、説明したように本発明によれば動的解像度が高
く、画像の輪郭部が尖鋭で、画像歪のないスローモーシ
ョン画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す光学系の概
要構成図、第２図は第１図の同実施例のＡ矢視図、第３
図は本発明の第１の実施例の構成を示すブロック図、第
４図は本発明の第２の実施例の構成を示す光学系の概要
構成図、第５図は本発明の第３の実施例の構成を示す光
学系の概要構成図、第６図は本発明の第４の実施例の構
成を示す光学系の概要構成図、第７図は従来の構成を示
す概要構成図、第８図は固体撮像素子及び映像信号のタ
イミングチャート、第９図は撮像管カメラで動く物体を
撮像した時の画像を示す図、第10図はCCD固体撮像素子
を用いて動く物体を撮像した時の画像を示す図である。１……被写体、２……撮像レンズ、３……赤外カットフ
ィルター、４……ND・色温度変換フィルター、５……偏
光板、６……光学ローパスフィルター、７……色分解プ
リズム群、８……編光板、９……振幅分割プリズム群、
10……CCD固体撮像素子、11……ガラスピース、12……
振幅分割プリズム群固定板、13……光学ユニット固定基
盤。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H04N 9/04 - 9/11 H04N 5/225 - 5/253 H04N 5/335 H04N 7/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被写体像を固体撮像素子の受光面に結像す
るための１個の撮像レンズを有し、前記撮像レンズと前
記固体撮像素子の結像面の間に、赤，緑，青色光に色分
解する手段の後に、ｎ数に振幅分割する手段を設けて、
３（青，赤，緑成分）×ｎ数の被写体像に分割し、前記
分離された被写体像を３×ｎ個の固体撮像素子により撮
像しｎ個のカラーカメラ系を構成し1/n倍速のスローモ
ーション像を得る事を特徴とするスローモーションカラ
ーカメラ装置。
【請求項２】振幅分割手段および色分解手段がプリズム
間に光学薄膜を形成したプリズムブロックにより構成し
た事を特徴とする請求項１記載のスローモーションカメ
ラ装置。
【請求項３】振幅分割面および色分解面が光学ユニット
固定基盤面に対し垂直に形成した事を特徴とする請求項
２記載のスローモーションカメラ装置。
【請求項４】撮像レンズのイメージサイズに比べ、固体
撮像素子のイメージサイズが小さい事を特徴とする請求
項２記載のスローモーションカメラ装置。
【請求項５】１つの色分解プリズム群の出射面に振幅分
割プリズムが接着固定されている事を特徴とする請求項
２記載のスローモーションカメラ装置。
【請求項６】振幅分割プリズム群が複数の２等辺直角３
角形プリズムから成る事を特徴とする請求項５記載のス
ローモーションカメラ装置。