JP5412152B2 - 撮像方法及び撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、被写体を高速に撮像するための撮像方法、撮像装置、及び撮像システムに関するものである。
近年の撮像装置においては、複数のフォトダイオードのそれぞれの周辺にフォトダイオードの信号電荷を蓄積する転送電極を有する画素周辺記録型(ISIS:In-situ Storage Image Sensor )CCD( Charge Coupled Device )を撮像素子として用いることによって、高速度撮影が可能になった(特許文献1参考。)。さらに、画素周辺記録型CCDを斜行直線状にして並列読み出しとして、100万枚/秒で連続撮影が可能になった(特許文献2参考。)。また、画素周辺記録型CCDによる高速撮影を計測に用いるために、高速撮影のフレーム間黒変動を補正することも可能となった(特許文献3参照。)。
またさらに、並列読み出し数を増加したり、複数の撮像素子を貼り合わせて、より高速の読み出しを試行している。
上記画素周辺記録型CCDを使った撮像装置において、撮像素子部では、画素毎に、入射光量に応じた電荷が発生し、露光中に画素毎の画像情報として蓄積される。蓄積された電荷は、画素毎にそれぞれ、画素周辺記録型CCDに高速転送され、フォトダイオードの信号電荷として蓄積される。
画素周辺記録型CCDを使った撮像装置によって高速撮影する場合には、画像情報を蓄積しながら読み出すことは難しい。従って、読み出しを行う時には、高速転送を停止すると共に、露光終了してから、高速転送を停止する前に、画素周辺記録型CCDの撮像素子部に蓄積された電荷を、垂直読み出しCCD(図示しない)と水平読み出しCCD(図示しない)に転送し、FDA( Floating Diffusion Amplifier )で信号電圧として撮像素子から読み出す。
読み出された信号電圧は、次に、CDS( Correlated Double Sampling )と利得可変増幅回路( Automatic Gain Control :AGC)とデジタル映像信号Viに変換するADC( Analog Digital Converter )の順で処理され、デジタル信号に変換され、同一位相で高速転送された電気信号として、パソコン等の映像編集装置により1枚の画面に合成され、高速撮影映像が編集される。
なお、露光開始または露光終了の高速化手段としては、機械シャッタやマイクロミラーやキセノン放電管ストロボ照明やLED(発光ダイオード)等がある。
CCDを駆動する駆動パルスのうち、フォトダイオードの露光と転送の制御を行うパルスをPG( Photodiode Gate )パルスと呼ぶ。例えば、このPGパルスのレベルがHighの期間が露光中であり、Lowの期間が転送中である。PGパルスは、一般的に、2つのPG1パルスとPG2パルスの2つのパルスで構成する。
図7は、高速撮影可能な撮像装置における従来のモニタモードの駆動タイミングを説明するための図である。従来のモニタモードの動作では、露光時間が固定されている。このため、露光と転送のタイミングが、図7に示すようなタイミングとなる。横軸は経過時間、図7(a)は垂直同期信号(VD_IN)の信号波形、図7(b)はPG1パルスの波形、図7(c)はPG2パルスの波形、図7(d)は転送パルス波形、図7(e)は撮像素子部と機械シャッタの動作状態(露光または遮光)を示す。図7(d)の網掛け部分は転送パルス期間を示す。
即ち、PGパルス(PG1、PG2)は、入力される垂直同期信号(VD_IN)に同期して開始され、露光のために33.3[ms]間、PGパルスのレベルをHighに保持する。次に、33.3[ms]間、PGパルスのレベルをLowにして、各転送パルスの駆動を開始すると共に、撮像素子部に入射する光(被写体像)を遮光する。
そして、各転送パルスの駆動終了後に、入力された垂直同期信号に従って遮光を解除し、再度PGパルスをHighにし、露光を開始する。
上述のように、4つの垂直同期信号の区間(VD1、VD2、VD3、VD4)のうち、区間VD1と区間VD2の間に露光が実行され、区間VD3と区間VD4の間に遮光と転送が実行される。
高速撮影するための撮像装置において、従来のモニタモードは、リアルタイムに映像を出力する動作モードである。モニタモードの場合には、フレームレートが15[fps]固定、露光時間が連続読み出し周期の1/2固定となっている。
特開平9−55889号公報 特開2000−286404号公報 特開2009−33510号公報
一方、高速撮影するための撮像装置において、従来の高速撮影モードでは、出力される映像の、フレームレートと露光時間の指定が可能である。従って、指定されるフレームレートや露光時間によって、明るさが異なる。しかし、高速撮影モードでは、リアルタイムで映像を見ることができない。このため、一度撮影した後に見ることでしか、高速撮像された映像が適切な明るさであるか確認できない。
この結果、フレームレートや露光時間を変更するたびに、撮影、アイリス調整、照明感度調整、などの操作を繰り返し行って、適切な明るさに調整する必要があった。
本発明は、上記の問題に鑑み、高速撮影可能な撮像装置において、高速撮影モードの動作におけるフレームレートや露光時間の変更を、リアルタイムに明るさの調整ができるモニタモードを実現することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明は、複数のフォトダイオードを有し、前記複数のフォトダイオードのそれぞれの周辺にフォトダイオードの信号電荷を蓄積及び転送するための転送電極を有する撮像素子と、連続読み出しモード駆動パルスを発生するパルス発生部と、外部同期部を有する撮像装置と、外部同期信号を発生し、撮像装置出力を記録し処理する外部処理装置とを有する撮像システムにおいて、
前記発生された外部同期信号の垂直同期信号から、連続読み出し周期の1/2より短い時間後に前記複数のフォトダイオードの信号電荷を前記転送電極に読み出し転送するパルスを電極に印加する回路を撮像装置を有することを特徴とした撮像システムである。
好ましくは、前記外部処理装置はパソコン若しくは専用の操作装置である。
好ましくは、 複数のフォトダイオードを有し、前記複数のフォトダイオードのそれぞれの周辺にフォトダイオードの信号電荷を蓄積及び転送するための転送電極を有する撮像素子と、連続読み出しモード駆動パルス発生部と、外部同期部を有する撮像装置と、外部同期信号を発生し、撮像装置出力を記録し処理する装置とを有する撮像システムにおける前記撮像装置において、
前記発生された外部同期信号の垂直同期パルスから、連続読み出し周期の1/2より短い時間後に前記複数のフォトダイオードの信号電荷を前記転送電極に読み出し転送する回路有することを特徴とする撮像装置である。
また、好ましくは、複数のフォトダイオードを有し、前記複数のフォトダイオードのそれぞれの周辺にフォトダイオードの信号電荷を蓄積及び転送するための転送電極を有する撮像素子と、連続読み出しモード駆動パルス発生部と、外部同期部を有する撮像装置と、外部同期信号を発生し、撮像装置出力を記録し処理する装置とを有する撮像システムにおける撮像方法において、
前記発生された外部同期信号の垂直同期パルスから、連続読み出し周期の1/2より短い時間後に前記複数のフォトダイオードの信号電荷を前記転送電極に読み出し転送することを特徴とする撮像方法である。
本発明によれば、モニタモードにおいて、高速撮影モードによって撮影された映像と同じ明るさで出力できる機能(ライトモード機能)を付加した。これによって、ライトモード機能のオフ時は従来通りのモニタモードとし、ライトモード機能のオン時は指定されたフレームレートと露光時間を考慮したモニタモードとする撮像方法及び撮像装置並びに撮像システムとするものである。その結果、高速撮影を繰り返すことなく、リアルタイムに明るさの調整ができる。
即ち、本発明によれば、高速撮影モードの指定フレームレート、指定露光時間を考慮し、リアルタイムに感度の調整ができ、モニタモードでも高速撮影モードによって撮影された映像と同じ感度で出力できる。その結果、高速撮影モードと同じ感度をモニタモードで確認し、撮影条件を整備してから、迅速に高速撮影が可能となる。
本発明の撮像システムの一実施例の構成を示すブロック図である。 本発明の撮像システムの一実施例の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施例の撮像素子の構造を説明する模式図である。 本発明の一実施例の駆動タイミングを説明するための模式図である。 本発明の一実施例の駆動タイミングを説明するための模式図である。 本発明の一実施例の駆動タイミングを説明するための模式図である。 従来のモニタモードの駆動タイミングを説明するための図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。本書では、既に説明した図7を含め、以降の各図の説明において、共通な機能を有する構成要素には同一の参照番号を付し、説明を省略する。
図1によって、本発明の撮像システムの全体構成を説明する。図1は、本発明の撮像システムの一実施例の構成を示すブロック図である。101は入射光、102はレンズ部、103は撮像部、104はパソコン、105は映像モニタである。
図1において、被写体像からの入射光101は、レンズ部102を通って撮像部103に入力される。撮像部103は、入力された入射光を電気信号(映像信号)に変換し画像処理して、パソコン104と映像モニタ105に出力する。映像モニタ105は、入力された映像データを表示する。パソコン104は、入力された映像データを表示する他、撮像部103とレンズ部102を制御するための制御信号を撮像部103に出力する。
図2によって、本発明の撮像方法及び撮像装置並びに撮像システムの詳細をさらに説明する。図2は、本発明の撮像システムの一実施例の全体構成を示すブロック図である。201は撮像素子部、202はCDS( Correlated Double Sampling )部、203は利得可変増幅(AGC:Automatic Gain Control )部、204はADC( Analog Digital Converter )部、206は多重(MPX:Multiplexer )部、208はタイミング発生(TG:Timing Generator )部、209はCPU( Central Processing Unit )部、221はガンマ補正部、222はインターフェース(IF:Interface )部、223は画像処理部である。IF部222は、例えば、LAN( Local Area Network )のインターフェース、224と225は外部入力端子である。
また、211、212、・・・、216はフロントエンドプロセッサ(FEP:Front End Processor )部であり、1ch〜16ch(計16チャネル)備えられ、FEP211、212、・・・、216それぞれのチャネルは、CDS部202、AGC部203及びADC部204で構成で構成される。
なお、図2では、撮像部103の前段のレンズ部102(図1参照)を省略し、図示していない。
図2の撮像部103において、撮像素子201には、図示しないレンズ部102を通って被写体像からの光が入力される。撮像素子201は、CPU部209から入力される駆動パルスに基づいて、入力された光を電気信号に変換し、16CHのFEP部211〜216に出力する。FEP部211〜216それぞれは、入力された電気信号(映像信号)について、CDS部202が雑音を除去し、AGC部203でゲインを調整し、ADC部204でアナログ信号からデジタル信号に変換して、MPX部206に出力する。
MPX部206は、1〜16CHのFEP部211〜216からそれぞれ入力された映像を多重(1枚のフレームに)した映像(補正前映像)を生成し、ガンマ補正部221、及び、IF部222に出力する。IF部222は、入力された映像(補正前映像)を伝送可能な形式(例えば、LANに伝送可能な形式)に変換して、外部のパソコン104に出力する。
TG部208は、装置内部で発生するクロックパルス( CLK )、水平駆動パルス( HD )及び垂直駆動パルス( VD )並びにCPU部209を介して外部から入力されるパルスによってタイミングパルスを生成する。例えば、TG部208は、ガンマ補正部221とMPX部206にセレクタパルス( SEL )を出力し、それらの入出力のタイミングを合わせる。また、TG部208は、撮像素子部201に水平及び垂直駆動パルスを出力して、信号電荷の蓄積と転送を制御する。
ガンマ補正部221は、入力された映像それぞれのチャネル毎にガンマ補正して、補正した映像を画像処理部223に出力する。
なお、ガンマ補正の方法及び構成は周知の技術、例えば、本願出願人が特許出願した、特開2009−055596号公報、等記載の技術を用いる。
画像処理部223は、ガンマ補正部221から入力された補正された映像信号について、出力信号を生成し、撮像部103から、映像モニタ105に出力する。
また、パソコン104は、IF部222を介して、撮像部103と通信し、制御信号をCPU部209に出力する。CPU部209は、入力された制御信号に応じて、ガンマ補正部221を制御し、係数設定を行う。
外部端子225からはオペレータが、撮像装置のモードを設定するための信号が入力される。即ち、オペレータが撮像装置のモードを切替えると、その指定に応じて、モニタモードと高速撮影モードの切替え操作が可能であり、さらに、モニタモードにおいて、ライトモードのオン若しくはオフの切替え操作が可能となる。それらの操作信号を入力されたCPU部209は、予め定められた実行プログラムに従って、撮像装置を制御する。
また、外部端子224からは、外部垂直同期信号が、映像モニタ105と共にCPU部209に入力される。外部垂直同期信号を入力されたCPU部209は、その同期に合わせて、内部の垂直同期信号を同期させる。
図3によって、本発明の撮像素子部の電荷転送の動作について説明する。図3は、本発明の一実施例の撮像素子(画素周辺記録型(ISIS)CCD)で、画素周辺記録型CCDの構造を説明するための模式図である。図3(a)は、フォトダイオード周辺の構造について示す模式図である。図3(b)は、並列出力部の構造を模式的に示す図である。
図3(a)において、入射光を受光するフォトダイオード301それぞれから、信号電荷を記録するためのCCDメモリ302を直接結合した構造としている。例えば、CCDメモリ302は144段でフォトダイオード301から読み出し出力部303に結合している。
即ち、1枚の撮影毎に、CCDメモリ302内の電荷を1段ずつ転送し、読み出し出力部303から出力する構造としている。このため、フレーム毎の電荷転送段数を1段として、撮影の超高速度化を実現している。またさらに、撮像素子部301の電荷出力部は16に分割されており、16のチャネルCH1〜CH16それぞれから、並列で信号電荷が、撮像素子部301から、FEP部211〜216にそれぞれ出力される。従って、さらに高速に高速撮影を可能としている。
図3(b)においては、撮像素子部301の電荷出力部(311〜316)は16に分割されており、16のチャネルCH1〜CH16それぞれから、並列で信号電荷が、撮像素子部301から出力される(図2、撮像素子部201からFEP部211〜216参照)。
上記の動作において、モニタモードでの撮影では、映像モニタ105での再生速度と同じ速度で撮影されるので、リアルタイムで映像が確認できるため、露光時間等の調整もその場で可能である。しかし、高速撮影モードでは、撮影後に編集してからで無ければ、映像を表示できない。従って、フレームレートの変更や露光時間等の調整には、時間がかかる。
そこで、本発明では、モニタモードにおいて、高速撮影モードで撮影された映像と同じ明るさで出力できるようにした。本明細書では、そのモードをライトモードと称する。
以下、その動作を、図4〜図6によって説明する。図4〜図6は、本発明の撮像方法及び撮像装置並びに撮像システムにおける一実施例の駆動タイミングを説明するための模式図である。
図4〜図6において、入力される垂直同期信号の周期は同じであり、各転送パルスも従来と変わらない。変更点は、PGパルスのみである。横軸は経過時間、図4(a)、図5(a)及び図6(a)は垂直同期信号(VD_IN)の信号波形、図4(b)、図5(b)及び図6(b)はPG1パルスの波形、図4(c)、図5(c)及び図6(c)はPG2パルスの波形、図4(d)、図5(d)及び図6(d)は転送パルス波形、図4(e)、図5(e)及び図6(e)は撮像素子部と機械シャッタの動作状態(露光または遮光)を示す。ここで、図4(d)、図5(d)及び図6(d)の網掛け部分は転送パルス期間を示す。
図4によって、指定フレームレートが1[kfps]、指定露光時間が連続読み出し周期の1/2という条件で露光時間が反映するように、ライトモードをオンにした場合の駆動タイミングを示す。
まず垂直同期信号期間VD1の開始と共に、露光を開始する。フレームレートが1[kfps]であるので、1フレームの時間は1[ms]になる。また、露光時間が連続読み出し周期の1/2であるので、PGパルス1及びPGパルス2がHighである期間は、500[μs](0.5[ms])となる。
露光完了後、各転送パルスの駆動を開始すると共に、PGパルス(PGパルス1及びPGパルス2)をLowにし、次の垂直同期信号期間VD1が開始するまでを待つ。
ところで、画素周辺記録型CCDは、フォトダイオードから斜め転送路に繋がる部分で不要な電荷を掃き捨てる構造になっていない。つまり、指定条件に従って、まず遮光し不要な電荷を掃き捨てた後、必要な時間だけ露光するという処理ができない。そこで、図4では、まず露光を開始し、また指定条件に従って露光を完了した後、すぐに各転送パルスを駆動し、電荷を斜め転送路に送り出す必要がある。
よって、決まった入力垂直同期信号(VD_IN)のタイミングで各転送パルスが駆動せず、PGパルスに同期して各転送パルスが駆動する。従って、映像信号の出力も、入力される垂直同期信号に同期しない。
次に、図5によって、指定フレームレートが100[fps]、指定露光時間が1/4という条件で露光時間が反映するように、ライトモードをオンにした場合の駆動タイミングを示す。
まず垂直同期信号期間VD1の開始と共に、露光を開始する。フレームレートが100[fps]であるので、1フレームの時間は10[ms]になる。また、露光時間が1/4であるので、PGパルス1及びPGパルス2がHighである期間は、2.5[ms]となる。
露光完了後、各転送パルスの駆動を開始すると共に、PGパルス(PGパルス1及びPGパルス2)をLowにし、次の垂直同期信号期間VD1が開始するまでを待つ。
露光時間は、連続読み出し周期の1/2、1/4、1/8というように、相対的な値で設定できる他、10[ms]、100[μs]、500[ns]等、絶対的な値にも設定可能である。
例えば、指定フレームレートが100[fps]の場合、1フレーム期間が10[ms]であるうち、露光時間を9[ms]とする設定も可能である。図6にその場合の駆動パルスタイミングを示す。
このように詳細な露光時間を設定できることにより、撮影環境の調整に柔軟性を持たせることができる。
また、高速撮影モードに切り替えたときには、ライトモード時の露光時間で設定すれば良いため、迅速かつ的確に高速撮影が可能となった。
本発明について、図2を用いて、別の実施例を説明する。
撮像装置のモードは、撮像装置若しくは撮像システムのオペレータが、外部入力端子225から設定することはすでに説明した。この設定時にオペレータがモニタモードに切替えかつライトモードをオンにした場合には、CPU部209は、自動的に、直前にオペレータが高速撮影モード切替え時に設定したフレームレートについて、所定の複数の露光時間に、露光時間が所定の間隔で切り替わり、所定の露光時間に応じた映像が、映像モニタ105に表示される。オペレータは、その次々と切り替わる露光時間に応じて表示される映像をみて、最適の露光時間を選択することができる。オペレータはこの操作をパソコン104若しくは専用の操作装置に対して、図示しない入出力装置を操作して実行する。
これによって、この選択後に高速撮影モードに切り替えたときには、選択された露光時間で撮影される。この結果、高速撮影モードでの明るさの調整が不要となり、迅速に撮影が開始できる。
なお、好ましくは、輝度信号のレベル幅が所定の大きさ以上若しくは最大であるときの露光時間を、最適の露光時間としてCPU部209が設定するようにしても良い。また好ましくは、CPU部209は、設定された若しくは選択された露光時間とフレームレートを関連付けて記録しておき、次にライトモードに切り替わった場合には、切り替わったフレームレート若しくはそのフレームレートに最も近いフレームレートの、記録された露光時間から、先ず明るさの調整が開始されるようにしても良い。
101:入射光、 102:レンズ部、 103:撮像部、 104:パソコン、 105:映像モニタ、 201:撮像素子部、 202:CDS部、 203:AGC部、 204:ADC部、 206:MPX部、 208:TG部、 209:CPU部、 221:ガンマ補正部、 222:IF部、 223:画像処理部、 211、212、・・・、216:FEP部、 224、225:外部入力端子。

Claims (4)

  1. 複数のフォトダイオードを有し、前記複数のフォトダイオードのそれぞれの周辺にフォトダイオードの信号電荷を蓄積及び転送するための転送電極を有する撮像素子と、設定されたフレームレート及び露光時間情報に基づいて露光と転送のタイミングを制御するパルスを生成して、前記撮像素子に出力するパルス発生部と、外部同期部とを備え、
    高速撮影モードと、
    前記撮像素子が、外部同期部から発生する垂直同期信号に応じて前記パルスが立ち上がり露光を開始し、設定されたフレームレートの1フレーム期間に対する設定された割合で決定される露光時間の間中、前記パルスが立ち上がり続け、該露光時間経過後に前記パルスが立ち下って露光を終了するとともに転送を開始するライトモードと、
    を切り替えて動作する撮像装置であって、
    前記高速撮影モードから前記ライトモードへ切り替えられた場合、前記高速撮影モード時に設定したフレームレートを切り替え後の前記ライトモードでも適用し、露光時間を所定の間隔で切り替えて撮像することを特徴とする撮像装置。
  2. さらに前記ライトモードから前記高速撮影モードに切り替えられた場合、前記ライトモード時に設定された露光時間を切り替え後の前記高速撮影モードでも適用することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置
  3. 複数のフォトダイオードを有し、前記複数のフォトダイオードのそれぞれの周辺にフォトダイオードの信号電荷を蓄積及び転送するための転送電極を有する撮像素子と、設定されたフレームレート及び露光時間情報に基づいて露光と転送のタイミングを制御するパルスを生成して前記撮像素子に出力するパルス発生部と、外部同期部とを備える撮像装置において、
    高速撮影モードと、
    前記撮像素子が、外部同期部から発生する垂直同期信号に応じて前記パルスが立ち上がり露光を開始し、設定されたフレームレートの1フレーム期間に対する設定された割合で決定される露光時間の間中、前記パルスが立ち上がり続け、該露光時間経過後にパルスが立ち下って露光を終了するとともに転送が開始するライトモードと、を切り替えて動作する撮像方法であって、
    前記高速撮影モードから前記ライトモードへ切り替えられた場合、前記高速撮影モード時に設定したフレームレートを切り替え後の前記ライトモードでも適用し、露光時間を所定の間隔で切り替えて撮像することを特徴とする撮像方法。
  4. さらに前記ライトモードから前記高速撮影モードに切り替えられた場合、前記ライトモード時に設定された露光時間を切り替え後の前記高速撮影モードでも適用することを特徴とする請求項3に記載の撮像方法。
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