JP4275826B2 - 高速撮影装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラなどの高速撮影装置に関し、例えば、ロケットなどの高速移動物体、爆発、破壊、乱流、放電現象、顕微鏡下の微生物の運動、脳・神経系の信号伝達などの科学的計測用に用いられるものである。
【０００１】
【従来の技術】
一般の撮影装置は、１枚の画像を得るための単位撮影期間内に１回のシャッタリングが行なわれ、またそのシャッタリング時間は予め固定されている。このようなシャッタリングを連続して行なうことにより、被写体を連続撮影している。そして、高速現象を高速撮影する場合にはシャッタリング時間が非常に短くなり、１画面当たりの光量が少なくなるので、一般の高速撮影装置における高速撮像素子では光量不足となり撮影が困難になる。
そこで、一般的な高速撮像素子を用いた場合には、１画面当たりの光量を大きくするために、高輝度の光源により強い光を被写体に照射している。
【０００２】
また、１画面当たりの光量を大きくするための他の方法として、電子流を受けるための電極によって受光面を構成した高速撮像素子の前方に、微弱光を増倍するマイクロチャンネルプレート型イメージインデンシファイア（ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．）と呼ばれる光増強装置が使用されている。この光増強装置は、入射光を光量に応じた光電子に変換した後にアバランシュ現象を利用して光電子を増倍させ、入射光を数万倍まで増加させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
前者の装置においては、撮影速度が毎秒１０6 から１０7 枚（ＦＰＳ）に達すると、被写体に非常に強い光を照射したとしても、光量不足により撮影が困難になるという問題がある。
【０００４】
光増強装置を用いた後者の装置において、光量が少ない場合には、シャッタリング時間を長くすることでフォトダイオードなどの光電変換装置への入射光量を多くして感度を確保することができる。また、光量が多い場合はシャッタリング時間を短くすことで光電変換装置への入射光量を少なくして飽和を防ぐことができる。しかしながら、光電変換装置のダイナミックレンジは限られているので、非常に明るい部分と非常に暗い部分の両方を含む被写体を撮影する場合には、これらの両方に感度が適合するようにシャッタリング時間を調整することは困難である。そのため、この場合には、非常に明るい部分もしくは非常に暗い部分のどちらか一方に感度が適合するようにシャッタリング時間を調整して撮影を行い、他方は犠牲にせざるを得ないという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、広いダイナミックレンジで高速撮影を行なうことができる高速撮影装置を供給することを主たる目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、１画面の画像情報を得るために行われる単位撮影時間に、Ｍ回（ただし、Ｍは２以上の整数）のシャッタリングを行なうことともに、前記単位撮影を連続的にＮ回（ただし、Ｎは２以上の整数）繰り返すことにより高速撮像を行なう装置であって、入射光の強度に応じた電気信号を発生する二次元配置された複数個の光電変換手段と、前記複数個の光電変換手段のそれぞれに設けられた、前記シャッタリングごとに各光電変換手段から出力される電気信号を先入れ先出しの順に蓄積する少なくともＭ×Ｎ個の電気信号蓄積手段と、前記電気信号蓄積手段から、単位撮影時間に係るＭ個の電気信号を単位として順に読み出す読み出し手段と、前記撮影時間期間内にＭ回のシャッタリングのそれぞれの時間を個々に設定するシャッタリング時間設定手段とを備え、前記シャッタリング時間設定手段は、前記単位撮影時間内のＭ回のシャッタリングをそれぞれ同一のシャッタリング時間に設定し、前記Ｍ回のシャッタリングより得られた画像情報から、隣り合う２回分の画像情報の輝度レベルを用いて差分演算処理し、前記演算処理により得られた輝度レベルの変化情報を出力する。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の高速撮影装置において、前記複数個の光電変換手段の前段に、入射光を光電子に変換し、その光電子を増倍し、その増倍された光電子を光学像に変換して出力する光増強手段を備えている。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の高速撮影装置において、前記読み出し手段は、前記各電気信号蓄積手段から電気信号をパラレルに読み出し、かつ、前記パラレルに読み出された電気信号をパラレルに入力して記憶する記憶手段を備えている。
【００１１】
【作用】
本発明の作用は次のとおりである。
【００１２】
請求項１の発明に係る高速撮像装置は、各光電変換手段ごとに少なくともＭ×Ｎ個（ＭおよびＮは、２以上の整数）の電気信号蓄積手段を備えているので、高速な画像情報が蓄積される。また、各電気信号蓄積手段が、画像情報で満たされた状態であっても、画像情報の先入れ先出し（以下、「上書き」という。）の一連の動作を繰り返すことで、高速連続撮影の上書が行える。さらに、単位撮影時間内のＭ回のシャッタリング時間を個々に設定するので、輝度の高い部分と低い部分を含む被写体を高速連続撮影する場合、単位撮影時間内に輝度の高い部分と輝度の低い部分とに応じたシャッタリング時間を設定して撮影するなど、種々の撮影方法を採ることができる。
また、単位撮影時間内のＭ回のシャッタリングをそれぞれ同一のシャッタリング時間に設定する。この設定により得られた画像情報から隣り合う２回分の画像情報の輝度レベルを用いて差分による演算処理を行なう。この演算処理により得られた輝度レベルの変化情報を出力する。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、光電変換手段の前段に光増強装置を配置することで、受光した微弱光は増倍された後、光電変換手段へ送られる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、読み出し手段は、各電気信号蓄積手段から電気信号をパラレルに読み出す。読み出された電気信号は記憶手段にパラレルに入力されて高速に蓄積される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明の高速撮影装置の一実施例の構造図である。
本実施例に係る高速撮影装置は大きく分けて被写体から光を取り込む光学系１００と、この光学系１００から取り込まれた光学像を電気信号に変換して種々の処理を行なう処理系２００と、操作部３００と、撮影された画像を表示するモニタ４００とから構成されている。
【００１８】
前記処理系２００は、光学系１００に近い方から順に、光学像を増倍するＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．１０と、ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ１０から出力された光学像を電気信号に変換する高速撮像素子２０と、この高速撮像素子２０のシャッタリング時間などを調整する高速撮像素子制御部４０と、高速撮像素子２０で処理されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ５０と、前記デジタル信号を用いて画像情報処理を行なう画像情報処理演算部６０と、この画像情報処理演算部６０で処理された画像情報を記憶する主記憶装置７０と、前記各部を制御する主制御部８０とを備えている。
【００１９】
上述したＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．１０は、図２に示すよう、光入射側から順に、入射ファイバーガラス１１と、入射光を受ける光電面１２と、入射光を光電子に変換して増倍するマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）１３と、ＭＣＰ１３からの出力された光電子を光学像に変換する蛍光面１４とを備えている。
【００２０】
前記ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．１０において、光学系１００から入射ファイバーガラス１１に入射した光学像は光電面１２に結像される。この光学像は光電子に変換されてＭＣＰ１３に入射する。その光電子は、さらにＭＣＰ１３でパルス電圧が印加されて電子衝突を起こしながら転送される。そのときに多数の２次電子を放出するアバランシュ現象を繰り返し生じる。そうすることにより、光電子の数が増倍される。その増幅変換された光電子は、蛍光面１４に当たって再び光学像にもどされて出力される。また、このＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．１０では、電圧の印加をＯＮ、ＯＦＦと切り替えることで電子シャッタとしても動作している。
【００２１】
また、高速撮像素子２０は、図３にその一部を示すように、大きく分けて本発明における光電変換手段に相当するフォトダイオード２１ａと、電気信号蓄積手段に相当するＣＣＤ素子群２５ａ、２６ａ、２７ａ（電荷結合素子型電気信号転送路）とから構成されている。
ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．１０から出力された光学像は、高速撮像素子２０のフォトダイオード２１ａで受光され、アナログ信号に変換される。このアナログ信号である画像情報（電荷）は、電荷収集井戸２２ａに集められてインプットゲート２３ａからＣＣＤ転送路２５ａ（以下、「垂直ＣＣＤ転送路」という。）に転送される。その画像情報は、垂直ＣＣＤ転送路２５ａ上を図３における垂直下方向に転送される。この垂直ＣＣＤ転送路２５ａ上における転送は、ＣＣＤの標準的な駆動方法である３相駆動により行われる。
【００２２】
なお、垂直ＣＣＤ転送路２５ａは、インプットゲート２３ａから画像情報を円滑に受け取ることができるように、若干の傾斜をもたせてインプットゲート２３ａに接続されている。
【００２３】
垂直ＣＣＤ転送路２５ａは、１画面の画像情報を得るための単位撮影時間内のＭ回（Ｍは２以上の整数）の連続撮影に同期して画像情報を垂直方向にＭ＋１ステップ転送する。このＭ回の連続撮影が終了すると同時に、垂直ＣＣＤ転送路２５ａにあるＭ個の画像情報は、垂直ＣＣＤ転送路２５ａの水平左方向に配置された（Ｎ−２）×Ｍ組のＣＣＤ転送路２６ａ（以下、「水平ＣＣＤ転送路」という。）へ転送される。ここで、Ｎは２以上の整数で、単位撮影を繰り返す回数である。図３に示すように、垂直ＣＣＤ転送路２５ａは、隣接する水平ＣＣＤ転送路２６ａとの配置の関係上、ＣＣＤ素子が水平ＣＣＤ転送路２６ａの個数よりも１個多く（Ｍ＋１個）設けられている。したがって、垂直ＣＣＤ転送路２５ａから水平ＣＣＤ転送路２６ａへＭ個の画像情報の転送を行うためには、予め垂直ＣＣＤ転送路２５ａの画像情報を１ステップだけ多く転送している。
【００２４】
なお、ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａ上を標準の３相駆動を用いて画像情報を転送するために、図４に示すポリシリコン電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃに電圧が与えられる。このポリシリコン電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃは、その上層に図示していないが、ポリシリコン電極に直交して配置される駆動電圧を送るための３本１組のアルミニウム線にコンタクトポイントを介して接続されており、第１相、第２相および第３相の駆動電圧を送るためのものである。なお、ポリシリコン電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃは、各ＣＣＤ素子に設けられている。
【００２５】
水平ＣＣＤ転送路２６ａの左端まで画像情報が転送された状態、すなわち、水平ＣＣＤ転送路２６ａがすべて画像情報で満たされている状態で、次の１ステップ転送が行われると、画像情報は、垂直ＣＣＤ転送路２７ａへ転送される。この状態において、フォトダイオード２１ａからの画像情報が次のステップ転送として垂直ＣＣＤ転送路２５ａに転送される直前に、垂直ＣＣＤ転送路２７ａに蓄積されていた画像情報は、逐次下方向へ転送される。
【００２６】
垂直ＣＣＤ転送路２７ａの最下端には、ドレインゲート２８ａとドレイン２９ａとが設けられているので、逐次下方向に転送された画像情報は、ドレインゲート２８ａとドレイン２９ａを介してチップ基板に排出される。
【００２７】
本実施例の高速撮像素子２０において、上述の一連の画像情報の先入れ先出しの順の蓄積転送を繰り返すことにより、逐次、最新のＭ×Ｎ個の画像情報が高速連続上書および高速に蓄積される。また、ＣＣＤ素子群は、垂直ＣＣＤ転送路２５ａの方向にＭ個と、水平ＣＣＤ転送路２６ａの方向にＮ個とにより構成されているので、画像の再生に必要最小限度の画素である２５６×２５６を持つ画像を作る場合に少なくとも（（２５６×Ｍ）×（２５６×Ｎ））個のＣＣＤ素子が設けられている。
【００２８】
前記一連の動作により保持された画像情報の読み出しは、撮影対象となる現象が生起した時に前記連続上書き操作を停止させ、その後に各ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａ内に保持されている画像情報を読み出すことによって行なわれる。すなわち、各ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａの転送操作が停止した状態で、すべての画素の中から１画素（例えばフォトダイオード２１ａを含む画素）を選び、垂直ＣＣＤ転送路２７ａの下端のドレインゲート２８ａを開き、各ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａの転送操作を１ステップだけ行う。そうすることで、Ｍ×Ｎ個の画像情報のうち最初の画像情報がドレイン線３０ａから排出される。すべてのドレイン線３０は一つの出力線に接続されており、この出力線は、読み出し操作時には受光面の読み出し回路に接続されている。さらに、この出力線は、読み出し操作時以外のときはチップ基板に接続されており、画像情報を排出する機能としての役割も兼ねている。
【００２９】
前記のように１画素を順次選択してドレインゲート２８ａを１つずつ開けるには、図５に示すように、読み出し回路としてＭＯＳ型回路（Metal Oxide Semiconductor)を使用する。画像情報の読み出しを兼ねているドレインゲート２８ａは、垂直ＭＯＳスイッチ（ゲート）である。垂直走査シフトレジスタ３３から水平制御線３６ａに電圧を送ると、この水平制御線３６ａに連なる横１行の垂直ＭＯＳゲート（ドレインゲート）２８が一斉に開いて通電状態となる。この状態を保ちながら、水平走査シフトレジタ３４から受光面外に並んだ水平ＭＯＳゲート３５に順次電圧を送る。電圧を送ったゲートに連なる垂直信号読み出し線３６ｂと、通電中の水平制御線３６ａの交点に当たるフォトダイオード３０（図２では、Ｍ行Ｎ番目の画像情報、すなわち、垂直ＣＣＤ転送路２７ａの最下端の画像情報）から、画像情報がドレイン線３０ａに流出する。それ以後は、垂直走査シフトレジスタ３３から順次電圧を送り、その状態で水平走査シフトレジスタ３４を走査する。そうすることで、ある時点に対する全ての画素の画像情報を順次読み出す。
【００３０】
前記高速撮像素子２０は、画像情報の高速連続上書きおよび蓄積を可能としており、なおかつ、この高速撮像素子２０はシャッタリング時間制御にも対応している。この高速撮像素子２０のドレイン２９ａと電荷収集井戸２２ａの間には、オーバーフローゲート２４ａが設けられている。図４に示すように、このオーバーフローゲート２４ａには、金属線３１ａから操作電圧が供給される。また、撮影時に強い光が入って過剰な電荷が生じたときは、ブルーミング現象が起こらないように過剰な画像情報がオーバーフローゲート２４ａを介してドレイン２９ａから排出される。読み出し操作中には、光の入射による画像情報の発生を防ぐために、オーバーフローゲート２４ａを開いている。また、図７に示すように、３相駆動の一連の動作ごとにリセットパルスを送ることにより、このオーバーフローゲート２４ａを単位撮影時間ごとに開放して電荷収集井戸２２ａに蓄積された画像情報を一旦全部排出することでリセットゲートとして動作する。そうすることで、任意の時間で前記動作を行うことでシャッタリング時間を制御することを可能とした電子シャッタ構造としている。
【００３１】
オーバーフローゲート２４ａを読み出しＭＯＳゲートとして使用することもできる。そうすることで垂直ＣＣＤ転送路２５ａ、２７ａおよび水平ＣＣＤ転送路２６ａを経由することなく直接画像情報を読み出せる。この場合、ドレインゲート２８は閉じる。例えば、図３でフォトダイオード２１ａのオーバーフローゲート２４ａを開けると、電荷収集井戸２２ａに集まった画像情報は、右のドレイン２９ａに移って光電面に読み出される。また、読み出し中の光の入射による画像情報の発生を防ぐため、この間はＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．による電子シャッタあるいはメカニカルシャッタを閉じる。撮影後の読み出し中にもＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．による電子シャッタあるいはメカニカルシャッタを閉じる。
なお、前記読み出し回路は、ＭＯＳ回路に限られず、ＣＭＯＳ回路であってもよい。
【００３２】
なお、前記メカニカルシャッタは、ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．１０において電圧の印加をＯＦＦの動作により行なわれる。この動作は、高速撮像素子２０の電子シャッタの動作と同期をとるように主制御部４０で制御されている。
【００３３】
図５に示す高速撮像素子制御部２０は、上述したように、高速撮像素子２０と接続された構成をとる。
すなわち、図１０に示すような形状の異なった２つの物体ＡとＢをビデオカメラなどで撮影する場合、被写体に対して輝度の非常に低い部分Ａと、非常に高い部分Ｂとが発生する。本実施例の場合には、このような現象が発生している状態であっても、単位撮影時間内に被写体の暗い部分Ａと明るい部分Ｂとに合わせて異なったシャッタリング時間を設定して高速連続撮影を行なうために、高速撮像素子２０のシャッタリング時間を制御する目的として設けられているのが、この高速撮像素子制御部４０である。
【００３４】
前記高速撮像素子制御部４０と画像情報演算処理部６０についての詳細の説明は、以下の一巡の動作で説明する。
【００３５】
上述した本実施例の高速撮影装置を用いて、ダイナミックレンジを拡大する高速撮影方法について説明する。
【００３６】
高速撮像素子２０で任意の時間で電子シャッタ動作を行うことおよび、シャッタリング時間を制御する手段として、本実施例の場合は、画像情報の転送を３相駆動で行っている。この３相駆動を行なうための構成は、図６に示すように、単位撮影時間、シャッタリング時間、しきい値など、種々の設定を予め行なう操作部３００と、操作部３００で設定された命令に基づいて高速撮像素子２０を制御する高速撮像素子制御部４０とから構成されている。
【００３７】
高速撮像素子制御部４０では、高層撮像素子２０を用いて高速連続撮影を行なうことおよび、高速な画像情報の上書きを行なうために、単位撮影時間内のシャッタリング時間制御パルスと、高速撮像素子が電子シャッタ動作を行なうためのリセットパルスと、画像情報の転送を制御するための垂直ＣＣＤ転送路制御パルスと水平ＣＣＤ転送路制御パルスとを制御する構成としている。
【００３８】
図１０に示すような明るさの異なった２つの物体ＡとＢをビデオカメラなどで撮影する場合、被写体に対して輝度の非常に低い部分Ａと、非常に高い部分Ｂとが発生するので、操作部３００では、予め輝度の非常に低い部分Ａに対する光量のしきい値ｉs2と、輝度の非常に高い部分Ｂに対する光量のしきい値ｉs3の設定を行なう。各しきい値ｉs2、ｉs3は、部分Ａ、Ｂの光量を予め測定することにより行なわれる。
【００３９】
また、この操作部３００では、図１１に示すように、単位撮影時間Ｔ1 を設定するとともに、その単位撮影時間内Ｔ1 に前記被写体ＡとＢのそれぞれに対し十分な光量が確保できるように、被写体Ａの輝度の低い部分の画像情報を得るためのシャッタリング時間Ｔ2 と、被写体Ｂの輝度の高い部分の画像情報を得える際にブルーミングが発生しないシャッタリング時間Ｔ3 とを設定する。但し、前記関係は、本実施例ではＴ2 ＞Ｔ3 である。
【００４０】
前記設定された単位撮影時間Ｔ1 内の２回の異なったシャッタリング時間Ｔ2とＴ3 の設定は、図７に示すようにようにシャッタリング時間制御パルスを生成する回路に供給するクロックパルスの分周比をシャッタリングごとに変化させる手段を用いる。また、前記単位撮影時間の１連の動作が終了すると、その時点で、別途リセット用のリセットパルスが送られてリセット状態となる。また、他の手段として図８（ａ）に示すように、単位撮影時間のクロックパルスに遅延パルスを組み込むことで遅延状態として変化させる手段、若しくは（ｂ）に示すように、クロックパルスを間引く手段を用いている。なぜならば、クロックパルスのレンジを広げる方法を用いてもよいが、クロックパルスのレンジを広げることにより個々のシャッタリング時間も比例して拡大される。その結果、ノイズの発生による影響を伴いやすくなるからである。さらに、この手段を用いることで単位撮影時間の幅も変化させることができる。
【００４１】
上述した本実施例の手段を用いて得られたシャッタリング時間Ｔ2 、Ｔ3 のアナログ画像情報は、ＡＤコンバータ５０でデジタル信号に変換されて画像情報演算処理部６０に転送される。
【００４２】
この転送された画像情報は、図１２の（ａ）、（ｂ）のように示される。すなわち、図１０に示した明るさの異なった被写体に対して、図１１に示す単位撮影時間内Ｔ1 のシャッタリング時間Ｔ2 、Ｔ3 で撮影した場合のＣ−Ｃ’のライン上の輝度分布を示したものである。（ａ）はシャッタリング時間Ｔ2 の場合であり、シャッタリング時間が長いために輝度の高い部分が飽和レベルＨを越えている。また、（ｂ）はシャッタリング時間Ｔ3 の場合であり、シャッタリング時間が短いために、輝度レベルの低い部分がファトダイオードの暗電流により生ずるノイズレベルなどに埋もれる可能性がある。そこで図９に示すように、画像情報処理演算部６０では、撮影前に予め設定された個々のシャッタリング時間ごとのしきい値ｉs2とｉs3の条件に従い、実際に撮影された単位撮影時間内のシャッタリング時間の異なった２画面の画像情報を用いて、それぞれ比較演算を行なう。
【００４３】
シャッタリング時間の異なった２画面の画像情報のしきい値と比較演算するために、それぞれの出力信号強度ｉ2 とｉ3 を算出する。前記出力信号強度の算出方法は、高速撮像素子の入射光量をＥ、出力信号強度ｉ、ｋは比例定数とすると、ｉ＝ｋ・Ｅで表されるので、シャッタリング時間Ｔ2 、Ｔ3 の場合の出力信号強度をｉ2 ＝ｋ2 ・Ｅ、とｉ3 ＝ｋ3 ・Ｅで表すことができる。そうすることで、シャッタリング時間Ｔ2 のときの画像情報からしきい値ｉs2以下に輝度の分布している被写体Ａの画像情報を抽出する。また、シャッタリング時間Ｔ3 のときの画像情報からは、しきい値ｉs3以上に輝度の分布している被写体Ｂの画像情報を抽出する。
【００４４】
単位撮影時間内の２画面の画像情報からそれぞれ抽出された被写体ＡとＢの画像情報を組み合わせて合成することで、図１３に示すようなダイナミックレンジを拡大した１画面の画像情報を得ることができる。
【００４５】
このようにして得られた画像情報は、記憶装置７０に転送され、モニタ４００に出力される。
【００４６】
次に、実施例装置を用いた別の撮影方法を説明する。
この方法は、単位撮影時間内にシャッタリング時間を同一に設定して得られた複数個の画像情報から、隣り合った２回分の画像情報を用いて演算処理を行い、輝度レベルの変化情報を得るものである。
以下、その輝度レベルを求めるための方法について説明をする。
【００４７】
本発明の高速撮影装置を用いて単位撮影時間内の複数回のシャッタのシャッタリング時間を同一に設定し、複数個の物体の運動を高速連続撮影を行なう。すなわち、図１４に示すように、単位撮影時間内Ｔ1 にシャッタリング時間の等しい２回のシャッタリングｔ1 、ｔ2 を行う。この２回のシャッタ同士のシャッタリング間隔をＴ2 （Ｔ2 ＜Ｔ1 ）とした場合、ｔ1 からｔ2 時の輝度レベル変化情報α(t1)を求めるためには、次のような演算式で求めることができる。
α(t1)＝ｙ(t2)−ｙ(t1)
ｙ(t2)は、ｔ2 時の輝度レベルであり、ｙ(t1)は、ｔ1 時の輝度レベルである。上記式を用いて演算処理を行なうことで、輝度レベルの変化のあった部分のみの画像情報を抽出することができる。
【００４８】
前記手段を用いて高速連続撮影で複数回（ｎ回）のシャッタリングを行なった場合、各シャッタリングごとの輝度レベルの変化情報は、α(tn ) ＝ｙ(tn+1)−ｙ(tn ) で求めることができるので、時間経過に伴って刻々と変化する輝度レベルの変化情報を容易に得ることができる。
【００４９】
本発明の高速撮影装置において、図３に示す高速撮像素子２０を用いて高速に画像情報を読み出す手段および、高速に画像情報を蓄積する手段の構成について説明する。
【００５０】
撮影対象となる現象が生起した時に上述した連続上書き操作を停止させ、その後に各ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａ内に保持されている画像情報を読み出す。すなわち、各ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａの転送操作が停止した状態で、すべての画素の中から１画素（例えばフォトダイオード２１ａを含む画素）を選び、垂直ＣＣＤ転送路２７ａの下端のドレインゲート２８ａを開き、各ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａの転送操作を１ステップだけ行う。そうすることで、Ｍ×Ｎ個の画像情報のうち最初の画像情報が各ドレイン線３０ａからパラレルに排出される。すべてのドレイン線３０は、主記憶装置７０にパラレルに接続され、それぞれのドレイン線３０から直接パラレルに画像情報を出力することができるので、高速に画像情報を読み出すことができる。前記読み出された画像情報は、主記憶装置７０にパラレルに入力されるので高速に画像情報を蓄積することができる。
【００５１】
この発明は、上記実施の形態に限られることはなく、下記のような変形実施することができる。
【００５２】
図１５に示すように、高速撮像素子のＣＣＤ転送路２５ａを垂直下長手方向に１つ配置し、そのＣＣＤ転送路２５ａをインプットゲート２３ａに若干の傾斜を持たせて接続した高速撮像素子を用いてもよい。なぜならば、この手段を用いることで、画像情報を垂直方向から水平方向に鋭角に転送しなくてよいので、画像情報の損失を軽減でき、円滑な画像情報の転送が行なえる。
なお、図１５において、画像情報の転送を示す都合上、ＣＣＤ転送路２５ａを構成するＭ×Ｎ個（Ｍ、Ｎは２以上の整数）のＣＣＤ素子の図示を省略している。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、光電変換手段ごとに少なくともＭ×Ｎ（ＭおよびＮは、２以上の整数）個の電気信号蓄積手段を備えているので、画像情報の高速な蓄積が可能である。また、各電気信号蓄積手段は、電気信号を先入れ先出しの順に蓄積するので、高速連続撮影の上書きをすることができる。さらに、単位撮影時間内のＭ回のシャッタリング時間を個々に設定することができるので、被写体に対して輝度の非常に暗い部分の画像情報と、非常に明るい部分の画像情報の両方を得ることができるなど、種々の撮影手法を採ることができる。
また、単位撮影時間内に複数回のシャッタリング時間が同一の高速撮影を行い、その結果から、隣り合う２個の画像情報を用いて差分演算処理を行うことにより輝度レベルの変化情報を得ることがことができる。
【００５４】
請求項２に記載の発明によれば、受光した光が微弱であっても、光増強手段で一旦増倍された光学像が光電変換手段に出力されるので、感度が高められた画像情報を得ることがでる。
【００５５】
請求項３に記載の発明によれば、各電気信号蓄積手段から電気信号をパラレルに読み出し、これを記憶手段にパラレルに入力して、画像情報を高速に読み出すと共に、画像情報を高速に記憶をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高速撮影装置の一実施例構造図である。
【図２】ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．の構造図である。
【図３】実施例の高速撮像素子の構造図である。
【図４】実施例の高速撮像素子の金属線配線構造図である。
【図５】ＭＯＳ型読み出し回路の回路図である。
【図６】高速撮像素子制御部の構成図である。
【図７】シャッタリング時間を制御するための３相駆動のパルス波形図である。
【図８】単位撮影時間の間隔を調整するための３相駆動のパルス波形とクロックパルスの波形図である。（ａ）は、クロックパルスに遅延パルスを組み込んで遅延をかける方法である。（ｂ）は、クロックパルスを間引く方法である。
【図９】画像情報演算処理部の構成を示した図である。
【図１０】明るさの異なった被写体の輝度を示した図である。
【図１１】図１０のそれぞれの被写体に輝度を合わせて、異なったシャッタリング時間で２回のシャッタリングを行ったときのパルス波形を示した図である。
【図１２】（ａ）は、被写体Ａの輝度の低い部分にシャッタリング時間Ｔ2 を合わせた輝度分布図であり、（ｂ）は、被写体Ｂの輝度の高い部分にシャッタリング時間Ｔ3 を合わせた輝度分布図である。
【図１３】各シャッタリング時間に適合した画像情報を組み合わせてダイナミックレンジを拡大した輝度分布図である。
【図１４】輝度レベルの変化情報を求めるために、単位撮影時間内に同一のシャッタリング時間で撮影をした時のクロックパルス波形図である。
【図１５】変形実施例の高速撮像素子の構造図である。
【符号の説明】
１０ … ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．
２０ … 高速撮像素子
４０ … 高速撮像素子制御部
５０ … ＡＤコンバータ
６０ … 画像情報演算処理部
７０ … 主記憶装置
８０ … 主制御部
１００ … 光学系
２００ … 処理系
３００ … 操作部
４００ … モニタ
本発明は、ビデオカメラなどの高速撮影装置に関し、例えば、ロケットなどの高速移動物体、爆発、破壊、乱流、放電現象、顕微鏡下の微生物の運動、脳・神経系の信号伝達などの科学的計測用に用いられるものである。
【０００１】
【従来の技術】
一般の撮影装置は、１枚の画像を得るための単位撮影期間内に１回のシャッタリングが行なわれ、またそのシャッタリング時間は予め固定されている。このようなシャッタリングを連続して行なうことにより、被写体を連続撮影している。そして、高速現象を高速撮影する場合にはシャッタリング時間が非常に短くなり、１画面当たりの光量が少なくなるので、一般の高速撮影装置における高速撮像素子では光量不足となり撮影が困難になる。
そこで、一般的な高速撮像素子を用いた場合には、１画面当たりの光量を大きくするために、高輝度の光源により強い光を被写体に照射している。
【０００２】
また、１画面当たりの光量を大きくするための他の方法として、電子流を受けるための電極によって受光面を構成した高速撮像素子の前方に、微弱光を増倍するマイクロチャンネルプレート型イメージインデンシファイア（ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．）と呼ばれる光増強装置が使用されている。この光増強装置は、入射光を光量に応じた光電子に変換した後にアバランシュ現象を利用して光電子を増倍させ、入射光を数万倍まで増加させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
前者の装置においては、撮影速度が毎秒１０6 から１０7 枚（ＦＰＳ）に達すると、被写体に非常に強い光を照射したとしても、光量不足により撮影が困難になるという問題がある。
【０００４】
光増強装置を用いた後者の装置において、光量が少ない場合には、シャッタリング時間を長くすることでフォトダイオードなどの光電変換装置への入射光量を多くして感度を確保することができる。また、光量が多い場合はシャッタリング時間を短くすことで光電変換装置への入射光量を少なくして飽和を防ぐことができる。しかしながら、光電変換装置のダイナミックレンジは限られているので、非常に明るい部分と非常に暗い部分の両方を含む被写体を撮影する場合には、これらの両方に感度が適合するようにシャッタリング時間を調整することは困難である。そのため、この場合には、非常に明るい部分もしくは非常に暗い部分のどちらか一方に感度が適合するようにシャッタリング時間を調整して撮影を行い、他方は犠牲にせざるを得ないという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、広いダイナミックレンジで高速撮影を行なうことができる高速撮影装置を供給することを主たる目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、１画面の画像情報を得るために行われる単位撮影時間に、Ｍ回（ただし、Ｍは２以上の整数）のシャッタリングを行なうことともに、前記単位撮影を連続的にＮ回（ただし、Ｎは２以上の整数）繰り返すことにより高速撮像を行なう装置であって、入射光の強度に応じた電気信号を発生する二次元配置された複数個の光電変換手段と、前記複数個の光電変換手段のそれぞれに設けられた、前記シャッタリングごとに各光電変換手段から出力される電気信号を先入れ先出しの順に蓄積する少なくともＭ×Ｎ個の電気信号蓄積手段と、前記電気信号蓄積手段から、単位撮影時間に係るＭ個の電気信号を単位として順に読み出す読み出し手段と、前記撮影時間期間内にＭ回のシャッタリングのそれぞれの時間を個々に設定するシャッタリング時間設定手段とを備え、前記シャッタリング時間設定手段は、前記単位撮影時間内のＭ回のシャッタリングをそれぞれ同一のシャッタリング時間に設定し、前記Ｍ回のシャッタリングより得られた画像情報から、隣り合う２回分の画像情報の輝度レベルを用いて差分演算処理し、前記演算処理により得られた輝度レベルの変化情報を出力する。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の高速撮影装置において、前記複数個の光電変換手段の前段に、入射光を光電子に変換し、その光電子を増倍し、その増倍された光電子を光学像に変換して出力する光増強手段を備えている。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の高速撮影装置において、前記読み出し手段は、前記各電気信号蓄積手段から電気信号をパラレルに読み出し、かつ、前記パラレルに読み出された電気信号をパラレルに入力して記憶する記憶手段を備えている。
【００１１】
【作用】
本発明の作用は次のとおりである。
【００１２】
請求項１の発明に係る高速撮像装置は、各光電変換手段ごとに少なくともＭ×Ｎ個（ＭおよびＮは、２以上の整数）の電気信号蓄積手段を備えているので、高速な画像情報が蓄積される。また、各電気信号蓄積手段が、画像情報で満たされた状態であっても、画像情報の先入れ先出し（以下、「上書き」という。）の一連の動作を繰り返すことで、高速連続撮影の上書が行える。さらに、単位撮影時間内のＭ回のシャッタリング時間を個々に設定するので、輝度の高い部分と低い部分を含む被写体を高速連続撮影する場合、単位撮影時間内に輝度の高い部分と輝度の低い部分とに応じたシャッタリング時間を設定して撮影するなど、種々の撮影方法を採ることができる。
また、単位撮影時間内のＭ回のシャッタリングをそれぞれ同一のシャッタリング時間に設定する。この設定により得られた画像情報から隣り合う２回分の画像情報の輝度レベルを用いて差分による演算処理を行なう。この演算処理により得られた輝度レベルの変化情報を出力する。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、光電変換手段の前段に光増強装置を配置することで、受光した微弱光は増倍された後、光電変換手段へ送られる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、読み出し手段は、各電気信号蓄積手段から電気信号をパラレルに読み出す。読み出された電気信号は記憶手段にパラレルに入力されて高速に蓄積される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明の高速撮影装置の一実施例の構造図である。
本実施例に係る高速撮影装置は大きく分けて被写体から光を取り込む光学系１００と、この光学系１００から取り込まれた光学像を電気信号に変換して種々の処理を行なう処理系２００と、操作部３００と、撮影された画像を表示するモニタ４００とから構成されている。
【００１８】
前記処理系２００は、光学系１００に近い方から順に、光学像を増倍するＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．１０と、ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ１０から出力された光学像を電気信号に変換する高速撮像素子２０と、この高速撮像素子２０のシャッタリング時間などを調整する高速撮像素子制御部４０と、高速撮像素子２０で処理されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ５０と、前記デジタル信号を用いて画像情報処理を行なう画像情報処理演算部６０と、この画像情報処理演算部６０で処理された画像情報を記憶する主記憶装置７０と、前記各部を制御する主制御部８０とを備えている。
【００１９】
上述したＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．１０は、図２に示すよう、光入射側から順に、入射ファイバーガラス１１と、入射光を受ける光電面１２と、入射光を光電子に変換して増倍するマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）１３と、ＭＣＰ１３からの出力された光電子を光学像に変換する蛍光面１４とを備えている。
【００２０】
前記ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．１０において、光学系１００から入射ファイバーガラス１１に入射した光学像は光電面１２に結像される。この光学像は光電子に変換されてＭＣＰ１３に入射する。その光電子は、さらにＭＣＰ１３でパルス電圧が印加されて電子衝突を起こしながら転送される。そのときに多数の２次電子を放出するアバランシュ現象を繰り返し生じる。そうすることにより、光電子の数が増倍される。その増幅変換された光電子は、蛍光面１４に当たって再び光学像にもどされて出力される。また、このＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．１０では、電圧の印加をＯＮ、ＯＦＦと切り替えることで電子シャッタとしても動作している。
【００２１】
また、高速撮像素子２０は、図３にその一部を示すように、大きく分けて本発明における光電変換手段に相当するフォトダイオード２１ａと、電気信号蓄積手段に相当するＣＣＤ素子群２５ａ、２６ａ、２７ａ（電荷結合素子型電気信号転送路）とから構成されている。
ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．１０から出力された光学像は、高速撮像素子２０のフォトダイオード２１ａで受光され、アナログ信号に変換される。このアナログ信号である画像情報（電荷）は、電荷収集井戸２２ａに集められてインプットゲート２３ａからＣＣＤ転送路２５ａ（以下、「垂直ＣＣＤ転送路」という。）に転送される。その画像情報は、垂直ＣＣＤ転送路２５ａ上を図３における垂直下方向に転送される。この垂直ＣＣＤ転送路２５ａ上における転送は、ＣＣＤの標準的な駆動方法である３相駆動により行われる。
【００２２】
なお、垂直ＣＣＤ転送路２５ａは、インプットゲート２３ａから画像情報を円滑に受け取ることができるように、若干の傾斜をもたせてインプットゲート２３ａに接続されている。
【００２３】
垂直ＣＣＤ転送路２５ａは、１画面の画像情報を得るための単位撮影時間内のＭ回（Ｍは２以上の整数）の連続撮影に同期して画像情報を垂直方向にＭ＋１ステップ転送する。このＭ回の連続撮影が終了すると同時に、垂直ＣＣＤ転送路２５ａにあるＭ個の画像情報は、垂直ＣＣＤ転送路２５ａの水平左方向に配置された（Ｎ−２）×Ｍ組のＣＣＤ転送路２６ａ（以下、「水平ＣＣＤ転送路」という。）へ転送される。ここで、Ｎは２以上の整数で、単位撮影を繰り返す回数である。図３に示すように、垂直ＣＣＤ転送路２５ａは、隣接する水平ＣＣＤ転送路２６ａとの配置の関係上、ＣＣＤ素子が水平ＣＣＤ転送路２６ａの個数よりも１個多く（Ｍ＋１個）設けられている。したがって、垂直ＣＣＤ転送路２５ａから水平ＣＣＤ転送路２６ａへＭ個の画像情報の転送を行うためには、予め垂直ＣＣＤ転送路２５ａの画像情報を１ステップだけ多く転送している。
【００２４】
なお、ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａ上を標準の３相駆動を用いて画像情報を転送するために、図４に示すポリシリコン電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃに電圧が与えられる。このポリシリコン電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃは、その上層に図示していないが、ポリシリコン電極に直交して配置される駆動電圧を送るための３本１組のアルミニウム線にコンタクトポイントを介して接続されており、第１相、第２相および第３相の駆動電圧を送るためのものである。なお、ポリシリコン電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃは、各ＣＣＤ素子に設けられている。
【００２５】
水平ＣＣＤ転送路２６ａの左端まで画像情報が転送された状態、すなわち、水平ＣＣＤ転送路２６ａがすべて画像情報で満たされている状態で、次の１ステップ転送が行われると、画像情報は、垂直ＣＣＤ転送路２７ａへ転送される。この状態において、フォトダイオード２１ａからの画像情報が次のステップ転送として垂直ＣＣＤ転送路２５ａに転送される直前に、垂直ＣＣＤ転送路２７ａに蓄積されていた画像情報は、逐次下方向へ転送される。
【００２６】
垂直ＣＣＤ転送路２７ａの最下端には、ドレインゲート２８ａとドレイン２９ａとが設けられているので、逐次下方向に転送された画像情報は、ドレインゲート２８ａとドレイン２９ａを介してチップ基板に排出される。
【００２７】
本実施例の高速撮像素子２０において、上述の一連の画像情報の先入れ先出しの順の蓄積転送を繰り返すことにより、逐次、最新のＭ×Ｎ個の画像情報が高速連続上書および高速に蓄積される。また、ＣＣＤ素子群は、垂直ＣＣＤ転送路２５ａの方向にＭ個と、水平ＣＣＤ転送路２６ａの方向にＮ個とにより構成されているので、画像の再生に必要最小限度の画素である２５６×２５６を持つ画像を作る場合に少なくとも（（２５６×Ｍ）×（２５６×Ｎ））個のＣＣＤ素子が設けられている。
【００２８】
前記一連の動作により保持された画像情報の読み出しは、撮影対象となる現象が生起した時に前記連続上書き操作を停止させ、その後に各ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａ内に保持されている画像情報を読み出すことによって行なわれる。すなわち、各ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａの転送操作が停止した状態で、すべての画素の中から１画素（例えばフォトダイオード２１ａを含む画素）を選び、垂直ＣＣＤ転送路２７ａの下端のドレインゲート２８ａを開き、各ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａの転送操作を１ステップだけ行う。そうすることで、Ｍ×Ｎ個の画像情報のうち最初の画像情報がドレイン線３０ａから排出される。すべてのドレイン線３０は一つの出力線に接続されており、この出力線は、読み出し操作時には受光面の読み出し回路に接続されている。さらに、この出力線は、読み出し操作時以外のときはチップ基板に接続されており、画像情報を排出する機能としての役割も兼ねている。
【００２９】
前記のように１画素を順次選択してドレインゲート２８ａを１つずつ開けるには、図５に示すように、読み出し回路としてＭＯＳ型回路（Metal Oxide Semiconductor)を使用する。画像情報の読み出しを兼ねているドレインゲート２８ａは、垂直ＭＯＳスイッチ（ゲート）である。垂直走査シフトレジスタ３３から水平制御線３６ａに電圧を送ると、この水平制御線３６ａに連なる横１行の垂直ＭＯＳゲート（ドレインゲート）２８が一斉に開いて通電状態となる。この状態を保ちながら、水平走査シフトレジタ３４から受光面外に並んだ水平ＭＯＳゲート３５に順次電圧を送る。電圧を送ったゲートに連なる垂直信号読み出し線３６ｂと、通電中の水平制御線３６ａの交点に当たるフォトダイオード３０（図２では、Ｍ行Ｎ番目の画像情報、すなわち、垂直ＣＣＤ転送路２７ａの最下端の画像情報）から、画像情報がドレイン線３０ａに流出する。それ以後は、垂直走査シフトレジスタ３３から順次電圧を送り、その状態で水平走査シフトレジスタ３４を走査する。そうすることで、ある時点に対する全ての画素の画像情報を順次読み出す。
【００３０】
前記高速撮像素子２０は、画像情報の高速連続上書きおよび蓄積を可能としており、なおかつ、この高速撮像素子２０はシャッタリング時間制御にも対応している。この高速撮像素子２０のドレイン２９ａと電荷収集井戸２２ａの間には、オーバーフローゲート２４ａが設けられている。図４に示すように、このオーバーフローゲート２４ａには、金属線３１ａから操作電圧が供給される。また、撮影時に強い光が入って過剰な電荷が生じたときは、ブルーミング現象が起こらないように過剰な画像情報がオーバーフローゲート２４ａを介してドレイン２９ａから排出される。読み出し操作中には、光の入射による画像情報の発生を防ぐために、オーバーフローゲート２４ａを開いている。また、図７に示すように、３相駆動の一連の動作ごとにリセットパルスを送ることにより、このオーバーフローゲート２４ａを単位撮影時間ごとに開放して電荷収集井戸２２ａに蓄積された画像情報を一旦全部排出することでリセットゲートとして動作する。そうすることで、任意の時間で前記動作を行うことでシャッタリング時間を制御することを可能とした電子シャッタ構造としている。
【００３１】
オーバーフローゲート２４ａを読み出しＭＯＳゲートとして使用することもできる。そうすることで垂直ＣＣＤ転送路２５ａ、２７ａおよび水平ＣＣＤ転送路２６ａを経由することなく直接画像情報を読み出せる。この場合、ドレインゲート２８は閉じる。例えば、図３でフォトダイオード２１ａのオーバーフローゲート２４ａを開けると、電荷収集井戸２２ａに集まった画像情報は、右のドレイン２９ａに移って光電面に読み出される。また、読み出し中の光の入射による画像情報の発生を防ぐため、この間はＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．による電子シャッタあるいはメカニカルシャッタを閉じる。撮影後の読み出し中にもＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．による電子シャッタあるいはメカニカルシャッタを閉じる。
なお、前記読み出し回路は、ＭＯＳ回路に限られず、ＣＭＯＳ回路であってもよい。
【００３２】
なお、前記メカニカルシャッタは、ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．１０において電圧の印加をＯＦＦの動作により行なわれる。この動作は、高速撮像素子２０の電子シャッタの動作と同期をとるように主制御部４０で制御されている。
【００３３】
図５に示す高速撮像素子制御部２０は、上述したように、高速撮像素子２０と接続された構成をとる。
すなわち、図１０に示すような形状の異なった２つの物体ＡとＢをビデオカメラなどで撮影する場合、被写体に対して輝度の非常に低い部分Ａと、非常に高い部分Ｂとが発生する。本実施例の場合には、このような現象が発生している状態であっても、単位撮影時間内に被写体の暗い部分Ａと明るい部分Ｂとに合わせて異なったシャッタリング時間を設定して高速連続撮影を行なうために、高速撮像素子２０のシャッタリング時間を制御する目的として設けられているのが、この高速撮像素子制御部４０である。
【００３４】
前記高速撮像素子制御部４０と画像情報演算処理部６０についての詳細の説明は、以下の一巡の動作で説明する。
【００３５】
上述した本実施例の高速撮影装置を用いて、ダイナミックレンジを拡大する高速撮影方法について説明する。
【００３６】
高速撮像素子２０で任意の時間で電子シャッタ動作を行うことおよび、シャッタリング時間を制御する手段として、本実施例の場合は、画像情報の転送を３相駆動で行っている。この３相駆動を行なうための構成は、図６に示すように、単位撮影時間、シャッタリング時間、しきい値など、種々の設定を予め行なう操作部３００と、操作部３００で設定された命令に基づいて高速撮像素子２０を制御する高速撮像素子制御部４０とから構成されている。
【００３７】
高速撮像素子制御部４０では、高層撮像素子２０を用いて高速連続撮影を行なうことおよび、高速な画像情報の上書きを行なうために、単位撮影時間内のシャッタリング時間制御パルスと、高速撮像素子が電子シャッタ動作を行なうためのリセットパルスと、画像情報の転送を制御するための垂直ＣＣＤ転送路制御パルスと水平ＣＣＤ転送路制御パルスとを制御する構成としている。
【００３８】
図１０に示すような明るさの異なった２つの物体ＡとＢをビデオカメラなどで撮影する場合、被写体に対して輝度の非常に低い部分Ａと、非常に高い部分Ｂとが発生するので、操作部３００では、予め輝度の非常に低い部分Ａに対する光量のしきい値ｉs2と、輝度の非常に高い部分Ｂに対する光量のしきい値ｉs3の設定を行なう。各しきい値ｉs2、ｉs3は、部分Ａ、Ｂの光量を予め測定することにより行なわれる。
【００３９】
また、この操作部３００では、図１１に示すように、単位撮影時間Ｔ1 を設定するとともに、その単位撮影時間内Ｔ1 に前記被写体ＡとＢのそれぞれに対し十分な光量が確保できるように、被写体Ａの輝度の低い部分の画像情報を得るためのシャッタリング時間Ｔ2 と、被写体Ｂの輝度の高い部分の画像情報を得える際にブルーミングが発生しないシャッタリング時間Ｔ3 とを設定する。但し、前記関係は、本実施例ではＴ2 ＞Ｔ3 である。
【００４０】
前記設定された単位撮影時間Ｔ1 内の２回の異なったシャッタリング時間Ｔ2とＴ3 の設定は、図７に示すようにようにシャッタリング時間制御パルスを生成する回路に供給するクロックパルスの分周比をシャッタリングごとに変化させる手段を用いる。また、前記単位撮影時間の１連の動作が終了すると、その時点で、別途リセット用のリセットパルスが送られてリセット状態となる。また、他の手段として図８（ａ）に示すように、単位撮影時間のクロックパルスに遅延パルスを組み込むことで遅延状態として変化させる手段、若しくは（ｂ）に示すように、クロックパルスを間引く手段を用いている。なぜならば、クロックパルスのレンジを広げる方法を用いてもよいが、クロックパルスのレンジを広げることにより個々のシャッタリング時間も比例して拡大される。その結果、ノイズの発生による影響を伴いやすくなるからである。さらに、この手段を用いることで単位撮影時間の幅も変化させることができる。
【００４１】
上述した本実施例の手段を用いて得られたシャッタリング時間Ｔ2 、Ｔ3 のアナログ画像情報は、ＡＤコンバータ５０でデジタル信号に変換されて画像情報演算処理部６０に転送される。
【００４２】
この転送された画像情報は、図１２の（ａ）、（ｂ）のように示される。すなわち、図１０に示した明るさの異なった被写体に対して、図１１に示す単位撮影時間内Ｔ1 のシャッタリング時間Ｔ2 、Ｔ3 で撮影した場合のＣ−Ｃ’のライン上の輝度分布を示したものである。（ａ）はシャッタリング時間Ｔ2 の場合であり、シャッタリング時間が長いために輝度の高い部分が飽和レベルＨを越えている。また、（ｂ）はシャッタリング時間Ｔ3 の場合であり、シャッタリング時間が短いために、輝度レベルの低い部分がファトダイオードの暗電流により生ずるノイズレベルなどに埋もれる可能性がある。そこで図９に示すように、画像情報処理演算部６０では、撮影前に予め設定された個々のシャッタリング時間ごとのしきい値ｉs2とｉs3の条件に従い、実際に撮影された単位撮影時間内のシャッタリング時間の異なった２画面の画像情報を用いて、それぞれ比較演算を行なう。
【００４３】
シャッタリング時間の異なった２画面の画像情報のしきい値と比較演算するために、それぞれの出力信号強度ｉ2 とｉ3 を算出する。前記出力信号強度の算出方法は、高速撮像素子の入射光量をＥ、出力信号強度ｉ、ｋは比例定数とすると、ｉ＝ｋ・Ｅで表されるので、シャッタリング時間Ｔ2 、Ｔ3 の場合の出力信号強度をｉ2 ＝ｋ2 ・Ｅ、とｉ3 ＝ｋ3 ・Ｅで表すことができる。そうすることで、シャッタリング時間Ｔ2 のときの画像情報からしきい値ｉs2以下に輝度の分布している被写体Ａの画像情報を抽出する。また、シャッタリング時間Ｔ3 のときの画像情報からは、しきい値ｉs3以上に輝度の分布している被写体Ｂの画像情報を抽出する。
【００４４】
単位撮影時間内の２画面の画像情報からそれぞれ抽出された被写体ＡとＢの画像情報を組み合わせて合成することで、図１３に示すようなダイナミックレンジを拡大した１画面の画像情報を得ることができる。
【００４５】
このようにして得られた画像情報は、記憶装置７０に転送され、モニタ４００に出力される。
【００４６】
次に、実施例装置を用いた別の撮影方法を説明する。
この方法は、単位撮影時間内にシャッタリング時間を同一に設定して得られた複数個の画像情報から、隣り合った２回分の画像情報を用いて演算処理を行い、輝度レベルの変化情報を得るものである。
以下、その輝度レベルを求めるための方法について説明をする。
【００４７】
本発明の高速撮影装置を用いて単位撮影時間内の複数回のシャッタのシャッタリング時間を同一に設定し、複数個の物体の運動を高速連続撮影を行なう。すなわち、図１４に示すように、単位撮影時間内Ｔ1 にシャッタリング時間の等しい２回のシャッタリングｔ1 、ｔ2 を行う。この２回のシャッタ同士のシャッタリング間隔をＴ2 （Ｔ2 ＜Ｔ1 ）とした場合、ｔ1 からｔ2 時の輝度レベル変化情報α(t1)を求めるためには、次のような演算式で求めることができる。
α(t1)＝ｙ(t2)−ｙ(t1)
ｙ(t2)は、ｔ2 時の輝度レベルであり、ｙ(t1)は、ｔ1 時の輝度レベルである。上記式を用いて演算処理を行なうことで、輝度レベルの変化のあった部分のみの画像情報を抽出することができる。
【００４８】
前記手段を用いて高速連続撮影で複数回（ｎ回）のシャッタリングを行なった場合、各シャッタリングごとの輝度レベルの変化情報は、α(tn ) ＝ｙ(tn+1)−ｙ(tn ) で求めることができるので、時間経過に伴って刻々と変化する輝度レベルの変化情報を容易に得ることができる。
【００４９】
本発明の高速撮影装置において、図３に示す高速撮像素子２０を用いて高速に画像情報を読み出す手段および、高速に画像情報を蓄積する手段の構成について説明する。
【００５０】
撮影対象となる現象が生起した時に上述した連続上書き操作を停止させ、その後に各ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａ内に保持されている画像情報を読み出す。すなわち、各ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａの転送操作が停止した状態で、すべての画素の中から１画素（例えばフォトダイオード２１ａを含む画素）を選び、垂直ＣＣＤ転送路２７ａの下端のドレインゲート２８ａを開き、各ＣＣＤ転送路２５ａ、２６ａ、２７ａの転送操作を１ステップだけ行う。そうすることで、Ｍ×Ｎ個の画像情報のうち最初の画像情報が各ドレイン線３０ａからパラレルに排出される。すべてのドレイン線３０は、主記憶装置７０にパラレルに接続され、それぞれのドレイン線３０から直接パラレルに画像情報を出力することができるので、高速に画像情報を読み出すことができる。前記読み出された画像情報は、主記憶装置７０にパラレルに入力されるので高速に画像情報を蓄積することができる。
【００５１】
この発明は、上記実施の形態に限られることはなく、下記のような変形実施することができる。
【００５２】
図１５に示すように、高速撮像素子のＣＣＤ転送路２５ａを垂直下長手方向に１つ配置し、そのＣＣＤ転送路２５ａをインプットゲート２３ａに若干の傾斜を持たせて接続した高速撮像素子を用いてもよい。なぜならば、この手段を用いることで、画像情報を垂直方向から水平方向に鋭角に転送しなくてよいので、画像情報の損失を軽減でき、円滑な画像情報の転送が行なえる。
なお、図１５において、画像情報の転送を示す都合上、ＣＣＤ転送路２５ａを構成するＭ×Ｎ個（Ｍ、Ｎは２以上の整数）のＣＣＤ素子の図示を省略している。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、光電変換手段ごとに少なくともＭ×Ｎ（ＭおよびＮは、２以上の整数）個の電気信号蓄積手段を備えているので、画像情報の高速な蓄積が可能である。また、各電気信号蓄積手段は、電気信号を先入れ先出しの順に蓄積するので、高速連続撮影の上書きをすることができる。さらに、単位撮影時間内のＭ回のシャッタリング時間を個々に設定することができるので、被写体に対して輝度の非常に暗い部分の画像情報と、非常に明るい部分の画像情報の両方を得ることができるなど、種々の撮影手法を採ることができる。
また、単位撮影時間内に複数回のシャッタリング時間が同一の高速撮影を行い、その結果から、隣り合う２個の画像情報を用いて差分演算処理を行うことにより輝度レベルの変化情報を得ることがことができる。
【００５４】
請求項２に記載の発明によれば、受光した光が微弱であっても、光増強手段で一旦増倍された光学像が光電変換手段に出力されるので、感度が高められた画像情報を得ることがでる。
【００５５】
請求項３に記載の発明によれば、各電気信号蓄積手段から電気信号をパラレルに読み出し、これを記憶手段にパラレルに入力して、画像情報を高速に読み出すと共に、画像情報を高速に記憶をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高速撮影装置の一実施例構造図である。
【図２】ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．の構造図である。
【図３】実施例の高速撮像素子の構造図である。
【図４】実施例の高速撮像素子の金属線配線構造図である。
【図５】ＭＯＳ型読み出し回路の回路図である。
【図６】高速撮像素子制御部の構成図である。
【図７】シャッタリング時間を制御するための３相駆動のパルス波形図である。
【図８】単位撮影時間の間隔を調整するための３相駆動のパルス波形とクロックパルスの波形図である。（ａ）は、クロックパルスに遅延パルスを組み込んで遅延をかける方法である。（ｂ）は、クロックパルスを間引く方法である。
【図９】画像情報演算処理部の構成を示した図である。
【図１０】明るさの異なった被写体の輝度を示した図である。
【図１１】図１０のそれぞれの被写体に輝度を合わせて、異なったシャッタリング時間で２回のシャッタリングを行ったときのパルス波形を示した図である。
【図１２】（ａ）は、被写体Ａの輝度の低い部分にシャッタリング時間Ｔ2 を合わせた輝度分布図であり、（ｂ）は、被写体Ｂの輝度の高い部分にシャッタリング時間Ｔ3 を合わせた輝度分布図である。
【図１３】各シャッタリング時間に適合した画像情報を組み合わせてダイナミックレンジを拡大した輝度分布図である。
【図１４】輝度レベルの変化情報を求めるために、単位撮影時間内に同一のシャッタリング時間で撮影をした時のクロックパルス波形図である。
【図１５】変形実施例の高速撮像素子の構造図である。
【符号の説明】
１０ … ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ．
２０ … 高速撮像素子
４０ … 高速撮像素子制御部
５０ … ＡＤコンバータ
６０ … 画像情報演算処理部
７０ … 主記憶装置
８０ … 主制御部
１００ … 光学系
２００ … 処理系
３００ … 操作部
４００ … モニタ
Claims (3)
- １画面の画像情報を得るために行われる単位撮影時間に、Ｍ回（ただし、Ｍは２以上の整数）のシャッタリングを行なうとともに、前記単位撮影を連続的にＮ回（ただし、Ｎは２以上の整数）繰り返すことにより高速撮影を行なう装置であって、入射光の強度に応じた電気信号を発生する二次元配置された複数個の光電変換手段と、前記複数個の光電変換手段のそれぞれに設けられた、前記シャッタリングごとに各光電変換手段から出力される電気信号を先入れ先出しの順に蓄積する少なくともＭ×Ｎ個の電気信号蓄積手段と、前記電気信号蓄積手段から、単位撮影時間に係るＭ個の電気信号を単位として順に読み出す読み出し手段と、前記単位撮影時間内のＭ回のシャッタリングのそれぞれの時間を個々に設定するシャッタリング時間設定手段とを備え、前記シャッタリング時間設定手段は、前記単位撮影時間内のＭ回のシャッタリングをそれぞれ同一のシャッタリング時間に設定し、前記Ｍ回のシャッタリングより得られた画像情報から、隣り合う２回分の画像情報の輝度レベルを用いて差分演算処理し、前記演算処理により得られた輝度レベルの変化情報を出力することを特徴とする高速撮影装置。
- 請求項１に記載の高速撮影装置において、前記複数個の光電変換手段の前段に、入射光を光電子に変換し、その光電子を増倍し、その増倍された光電子を光学像に変換して出力する光増強手段を備えたことを特徴とする高速撮影装置。
- 請求項１または請求項２に記載の高速撮影装置において、前記読み出し手段は、前記各電気信号蓄積手段から電気信号をパラレルに読み出し、かつ、前記パラレルに読み出された電気信号をパラレルに入力して記憶する記憶手段を備えたことを特徴とする高速撮影装置。
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