JPWO2007142032A1 - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

イメージ変換管２ｃと複数の撮像素子ＣＣＤ１（ここでは８つのＣＣＤ１）とを備え、各々のＣＣＤ１とイメージ変換管２ｃ内における結像位置とが一対一で対応するように構成する。そして、所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御、所定時間間隔の撮影周期で別の結像位置に移動する制御のうちの少なくとも１つの制御を行うことで、ＣＣＤ１自体の構造を変えずに、様々な撮像態様に対応することができる。

Description

この発明は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させて撮像を行う撮像素子を備えた撮像装置に関する。

この種の撮像素子として、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)型固体撮像素子がある。近年、かかるＣＣＤ型固体撮像素子（以下、『ＣＣＤ』と略記する）において、高速撮像を可能にするために、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換部（例えばフォトダイオード）の傍らに、光電変換部から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積部（例えば蓄積用ＣＣＤ）を備える素子がある（例えば、特許文献１参照）。この撮像素子では光電変換部や電荷蓄積部をチップ上に配設している。

近年では、『画素周辺記録型撮像素子』と呼ばれるＣＣＤを採用している。このＣＣＤについて、図２を参照して説明する。図２に示すように、ＣＣＤ１は、上述したフォトダイオード１１と蓄積用ＣＣＤ１２とを複数個備えるとともに、これら蓄積用ＣＣＤ１２内の信号電荷を図２に示す垂直方向に転送する垂直転送用ＣＣＤ１３とを備えている。そして、フォトダイオード１１からそれに隣接した蓄積用ＣＣＤ１２へ信号電荷を読み出す読み出しゲート１４を各フォトダイオード１１の傍らにそれぞれ配設している。その他に、垂直転送用ＣＣＤ１３から転送された信号電荷を図２に示す水平方向に転送する水平転送用ＣＣＤ１５を備えている。

この『画素周辺記録型撮像素子』では、ライン状の蓄積用ＣＣＤ１２は斜め方向に延びている。このように斜め方向にすることでチップ上に無駄な空地が生じないようにＣＣＤセルを詰め込むことができる。

ところで、かかる撮像素子の前段には、電子的なシャッタおよび増幅を行うためにイメージ変換管を撮像装置内に組み込んでいる（例えば、特許文献２参照）。イメージ変換管は、「ストリーク管」とも呼ばれ、光学レンズで光電面に結像された入力像（光学像）は電子像に変換され、光電面から放出された電子像は電子レンズによってＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）上に結像される。電子レンズとＭＣＰとの間にある偏向板は電子像の結像位置を移動させ、ＭＣＰは電子的なシャッタおよび増幅を行う。蛍光面では電子像は光学像に変換され、ＣＣＤによって撮像される。
特開平１１−２２５２８８号公報（第１−８頁、図２−７，１５−２０） 特開平３−２１０８１２号公報（第１，３−５頁、第２，６，７図）

しかしながら、蓄積用ＣＣＤなどに代表されるＣＣＤセルの数は、チップ上に配設する関係上、限られている。したがって、撮影枚数に制限がある。特に、例えば撮影速度が１．０×１０^６フレーム／秒（１，０００，０００フレーム／秒）の高速撮像のように撮影周期が１μｓと短い場合には、一般のビデオレートのように撮影周期が長い（例えば１ｍｓ以上）場合と比較すると、撮影時間が短くなってしまい、長時間の撮影を行うことができない。例えば、蓄積用ＣＣＤの数が１００個の場合で撮影周期が１μｓの場合には、１００個×１μｓ／個＝１００μｓの撮影時間となる。このように、蓄積素子の数が制限されているので、撮影時間の制限に代表されるように様々な撮像態様に対応できないという問題がある。なお、本明細書中では、撮像した画像をフレームと定義づけるとともに、各フレーム毎の時間間隔を撮影周期と定義づける。また、撮影周期の逆数を撮影速度と定義づける。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、様々な撮像態様に対応することができる撮像装置を提供することを目的とする。

発明者は、上記の問題を解決するために鋭意研究した結果、次のような知見を得た。

すなわち、撮像素子自体の構造を変えずに周辺の構造について着目してみた。そこで、上述した特許文献２のようにイメージ変換管に着目してみて、イメージ変換管に関連して撮像素子を構成することに発想を変えてみた。

具体的には、撮像素子を複数備えて、各々の撮像素子とイメージ変換管内における結像位置とが一対一で対応するように構成する。そして、（Ａ）所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御、（Ｂ）所定時間間隔の撮影周期で別の結像位置に移動する制御のうちの少なくとも１つの制御を行えばよい。このように制御すれば、撮像素子自体の構造を変えずに、長時間の撮影を行うことができるなどのように様々な撮像態様に対応することができるという知見を得た。

このような知見に基づくこの発明は、次のような構成をとる。
すなわち、この発明の撮像装置は、撮像を行う撮像装置であって、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させて撮像を行う複数の撮像素子と、光学像を電子像に変換して、その電子像の結像位置を移動させて、結像された電子像を光学像に再度変換した後に、その変換された光学像を前記入射光として前記撮像素子に入射するように構成されたイメージ変換管とを備えるとともに、各々の撮像素子と各々の前記結像位置とが一対一で対応するように構成し、前記撮像装置は、（Ａ）所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御、（Ｂ）所定時間間隔の撮影周期で別の結像位置に移動する制御のうちの少なくとも１つの制御を行う制御手段を備えることを特徴とするものである。

この発明の撮像装置によれば、イメージ変換管と複数の撮像素子とを備える。イメージ変換管は、光学像を電子像に変換して、その電子像の結像位置を移動させて、結像された電子像を光学像に再度変換した後に、その変換された光学像を入射光として撮像素子に入射するように構成されている。そして、各々の撮像素子とイメージ変換管内における結像位置とが一対一で対応するように構成する。さらに、（Ａ）所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御、（Ｂ）所定時間間隔の撮影周期で別の結像位置に移動する制御のうちの少なくとも１つの制御を行う制御手段を備える。このような制御手段を備えることで、撮像態様に応じて撮像素子による撮像に支障を来たした場合には、支障を来たしていない別の結像位置に移動して、その移動先の結像位置に一対一に対応した別の撮像素子に切り替えることができる。その結果、撮像素子自体の構造を変えずに、様々な撮像態様に対応することができる。本明細書中では、撮影速度が１００，０００フレーム／秒以上を『高速撮影』とする。

上述した発明において、前記（Ａ）、（Ｂ）の少なくとも１つの制御を行う例として、（Ａ）の制御のみを制御手段は行ってもよいし、（Ｂ）の制御のみを制御手段は行ってもよいし、（Ａ）および（Ｂ）の制御の両方を制御手段は行ってもよい。

上述した発明において、撮像装置は、前記（Ａ）、（Ｂ）の少なくとも１つの制御と、信号電荷を蓄積して記憶する電荷蓄積手段の数によって規定される撮像素子の１つ当たりの所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させる制御とのいずれかを切り替える切替手段を備えるのが好ましい。信号電荷を蓄積して記憶する電荷蓄積手段の数によって規定される撮像素子の１つ当たりの所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させる制御は、単体の撮像素子を備えた場合での、いわゆる「通常の撮影モード」での制御であって、切替手段を備えることで前記（Ａ）、（Ｂ）の少なくとも１つの制御と通常の撮影モードでの制御とを自在に切り替えて、様々な撮像態様に通常の撮影モードを加えて汎用性が高くなる。

上述したこれらの発明の一例は、（Ａ）の制御として、信号電荷を蓄積して記憶する電荷蓄積手段の数によって規定される撮像素子の１つ当たりの所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御を、結像位置に一対一で対応した各々の撮像素子毎に繰り返して行うことである。上述した所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動することで、その移動先の結像位置に一対一に対応した撮像素子で新たに撮像を行うことができる。そして、撮像素子の数の倍だけ長時間の撮影を行うことができる。

上述したこれらの発明の他の一例は、結像位置に一対一で対応した各々の撮像素子の個数をｎとし、同一の結像位置での各撮影枚数毎の時間間隔をｔとし、撮影周期をｔ／ｎとしたときに、（Ｂ）の制御として、撮影周期ｔ／ｎで別の結像位置に移動する制御を、各々の撮像素子毎に繰り返して行うことである（請求項４に記載の発明）。上述した撮影周期ｔ／ｎで別の結像位置に移動する制御を、各々の撮像素子毎に繰り返して行うことで、撮像素子の数ｎを分母とした１／ｎ分だけ撮影周期を短縮させて、高速撮像を行うことができる。

上述したこれらの発明において、撮像素子は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段を備える。また、光電変換手段の一例はフォトダイオードである。このような光電変換手段を備えた場合において、撮像素子を下記のように構築してよい。

すなわち、光電変換手段、および信号電荷を蓄積して記憶する電荷蓄積手段を複数個備え、各電荷蓄積手段のそれぞれをライン状に接続して構成するとともに、光電変換手段から発生した信号電荷を、隣接する電荷蓄積手段に順次転送しながら各電荷蓄積手段に蓄積するように構成し、各光電変換手段の並びに対して斜め方向にライン状の電荷蓄積手段が延びるように構成する。このように構成することで、撮像素子は「画素周辺記録型撮像素子」として構築される。この画素周辺記録型撮像素子では、ライン状の電荷蓄積手段を斜め方向にすることで、光電変換手段および電荷蓄積手段を配設したチップ上に無駄な空地が生じないように電荷蓄積手段を詰め込むことができる。

また、代表的な撮像素子はＣＣＤ型固体撮像素子である。

この発明に係る撮像装置によれば、イメージ変換管と複数の撮像素子とを備え、各々の撮像素子とイメージ変換管内における結像位置とが一対一で対応するように構成する。そして、（Ａ）所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御、（Ｂ）所定時間間隔の撮影周期で別の結像位置に移動する制御のうちの少なくとも１つの制御を行う制御手段を備えることで、撮像素子自体の構造を変えずに、様々な撮像態様に対応することができる。

実施例１，２に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）を用いた撮像装置の概略を示すブロック図である。 実施例１，２に係るＣＣＤの構成を示すブロック図である。 実施例１，２に係るイメージ変換管を含んだ光学系の内部を模式的に示す斜視図である。 実施例１，２に係るマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）の結像位置と垂直／水平位置制御電圧との関係を示す概略図である。 図５は、実施例１，２に係るマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）の結像位置と垂直／水平位置制御電圧との関係を示すタイミングチャートである。 実施例１に係る電子像の結像位置およびフレーム出力のタイミングチャートである。 実施例２に係る電子像の結像位置およびフレーム出力のタイミングチャートである。 実施例１と通常の撮影モードとを組み合わせたタイミングチャートである。 実施例２と通常の撮影モードとを組み合わせたタイミングチャートである。

符号の説明

１ … ＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）
２ｃ … イメージ変換管
９ｂ … イメージ変換管駆動回路
１１ … フォトダイオード
１２ … 蓄積用ＣＣＤ
１３ … 垂直転送用ＣＣＤ
Ｔ，ｔ／ｎ … 撮影周期
Ｐ_１〜Ｐ_８ … 結像位置

以下、図面を参照してこの発明の実施例１を説明する。
図１は、実施例１、後述する実施例２に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）を用いた撮像装置の概略を示すブロック図であり、図２は、実施例１，２に係るＣＣＤの構成を示すブロック図であり、図３は、実施例１，２に係るイメージ変換管を含んだ光学系の内部を模式的に示す斜視図であり、図４は、実施例１，２に係るマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）の結像位置と垂直／水平位置制御電圧との関係を示す概略図であり、図５は、実施例１，２に係るマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）の結像位置と垂直／水平位置制御電圧との関係を示すタイミングチャートである。なお、本実施例１では、後述する理由から明らかなように、この発明における（Ａ）の制御の一例である。

後述する実施例２も含めて、実施例１に係る撮像装置は、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を信号電荷に変換するとともに電気信号に変換して被写体を撮像するように構成されている。すなわち、撮像装置は、図１に示すように、固体撮像素子（ＣＣＤ）１を備えるとともに、光学系２と相関二重サンプリング部３とＡＤコンバータ４と画像処理演算部５とモニタ６と操作部７と制御部８とを備えている。さらに、撮像装置は、撮像素子駆動回路９ａとイメージ変換管駆動回路９ｂとを備えている。この撮像装置は、撮影速度が１．０×１０^６フレーム／秒（１，０００，０００フレーム／秒）の高速撮像として用いられる。固体撮像素子（ＣＣＤ）１は、この発明における撮像素子に相当する。

光学系２は、２つのレンズ２ａ、２ｂとイメージ変換管２ｃとを備えている。被写体側のレンズ２ａは、被写体の光学像を取り込む。イメージ変換管２ｃは、「ストリーク管」とも呼ばれ、レンズ２ａで取り込まれた光学像を電子像に変換して、電子的なシャッタおよび増幅を行った後に、光学像に変換する。イメージ変換管２ｃの後段にあるレンズ２ｂは、イメージ変換管２ｃで出力された光学像を取り込む。イメージ変換管２ｃは、この発明におけるイメージ変換管に相当する。

相関二重サンプリング部３は、ＣＣＤ１からの信号電荷を低雑音に増幅して電気信号に変換して取り出す。ＡＤコンバータ４は、その電気信号をディジタル信号に変換する。画像処理演算部５は、ＡＤコンバータ４でディジタル化された電気信号に基づいて被写体の２次元画像を作成するために各種の演算処理を行う。モニタ６は、その２次元画像を画面に出力する。操作部７は、撮像の実行に必要な種々の操作を行う。制御部８は、操作部７により設定された撮影条件などの操作にしたがって装置全体を統括制御する。

撮像素子駆動回路９ａは、ＣＣＤ１内部を駆動するために、後述する読み出しゲート１４（図２を参照）や、ＣＣＤ１内の信号電荷を転送する転送電極に電圧を印加して、電圧の印加のタイミングや撮像のタイミングやクロック（図４ではクロック周波数）などを生成する。イメージ変換管駆動回路９ｂは、イメージ変換管２ｃ内部を駆動するために、後述する垂直偏向板２３（図３を参照）に垂直位置制御電圧（図４、図５を参照）を印加するとともに、後述する水平偏向板２４（図３を参照）に水平位置制御電圧（図４、図５を参照）を印加して、撮像素子駆動回路９ａからのクロックに同期して上述した垂直位置制御電圧や水平位置制御電圧の印加のタイミングなどを生成する。イメージ変換管駆動回路９ｂは、この発明における制御手段に相当する。

次に、ＣＣＤ１は、図２に示すように、入射光（被写体の光学像）を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させるフォトダイオード１１と、そのフォトダイオード１１から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の蓄積用ＣＣＤ１２と、これら蓄積用ＣＣＤ１２内の信号電荷を図２に示す垂直方向に転送する垂直転送用ＣＣＤ１３とを備えている。フォトダイオード１１は、この発明における光電変換手段に相当し、蓄積用ＣＣＤ１２および垂直転送用ＣＣＤ１３は、この発明における電荷蓄積手段に相当する。

各フォトダイオード１１の傍らには読み出しゲート１４をそれぞれ配設しており、このフォトダイオード１１からそれに隣接した蓄積用ＣＣＤ１２へ各読み出しゲート１４は信号電荷を読み出す。

各蓄積用ＣＣＤ１２についてはそれぞれをライン状に接続して構成しており、ライン状の蓄積用ＣＣＤ１２を複数本分配設している。フォトダイオード１１から発生した信号電荷を、隣接する蓄積用ＣＣＤ１２に順次に転送しながら各蓄積用ＣＣＤ１２に蓄積する。そして、蓄積用ＣＣＤ１２から順次に転送された信号電荷を垂直転送用ＣＣＤ１３に合流させる。垂直転送用ＣＣＤ１３から転送されたこの信号電荷を水平転送用ＣＣＤ１５に転送する。

フォトダイオード１１を２次元状に配置しており、水平および垂直方向に平行して各フォトダイオード１１を並べて配設する関係上、ライン状の蓄積用ＣＣＤ１２は斜め方向に延びている。後述する実施例２も含めて本実施例１に係るＣＣＤ１は、いわゆる『画素周辺記録型撮像素子』と呼ばれているものである。なお、ＣＣＤ１の全体構成については従来と同じである。

後述する実施例２も含めて本実施例１に係る撮像装置では、ＣＣＤ１を８つ備えている。 なお、図３では図面の便宜上、ＣＣＤ１を４つのみ図示するとともに、それに一対一で対応する結像位置も４つのみ図示する。図３に示すように、光学系２のイメージ変換管２ｃは、被写体Ｍ側から順に、光電面２１と電子レンズ２２と垂直偏向板２３と水平偏向板２４とマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）２５と蛍光面２６とを備えている。

イメージ変換管２ｃでは、レンズ２ａで取り込まれた被写体Ｍの光学像Ｍ_１を電子像Ｍ_２に変換する。具体的には、レンズ２ａで光電面２１に結像された光学像Ｍ_１（入力像）を光電面２１で電子像Ｍ_２に変換する。光電面２１から放出された電子像Ｍ_２を電子レンズ２２によってＭＣＰ２５上に結像する。ＭＣＰ２５上に結像するまでに、垂直偏向板２３および水平偏向板２４によって、その電子像Ｍ_２の結像位置ＰをＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_５，Ｐ_６，Ｐ_７，Ｐ_８（図３ではＰ_１〜Ｐ_４のみ図示）のいずれかに移動させる。ＭＣＰ２５上に結像された電子像Ｍ_２を蛍光面２６では光学像に再度変換する。その変換された光学像を入射光Ｏｐｔとしてレンズ２ｂを介してＣＣＤ１に入射する。

各々のＣＣＤ１と各々の結像位置Ｐ_１〜Ｐ_８とが一対一で対応するように構成している（図３ではＣＣＤ１を４つのみ図示）。なお、垂直偏向板２３は、電子像Ｍ_２を垂直方向に偏向させるための２つの電極からなり、垂直位置制御電圧を垂直偏向板２３に印加することで垂直方向の偏向を行う。水平偏向板２４は、電子像Ｍ_２を水平方向に偏向させるための２つの電極からなり、水平位置制御電圧を水平偏向板２４に印加することで水平方向の偏向を行う。

各々の結像位置Ｐ_１〜Ｐ_８を、図４に示すように図示し、垂直位置制御電圧をＶ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４として、水平位置制御電圧をＨ_１，Ｈ_２とする。垂直偏向板２３（図３を参照）および水平偏向板２４（図３を参照）ともに電圧を印加しない状態（すなわち垂直位置制御電圧および水平位置制御電圧がともに０Ｖ）では、電子像Ｍ_２はＭＣＰ２５の中央部分に結像されるようにする。したがって、垂直位置制御電圧をＶ_１＝−Ｖ_４、Ｖ_２＝−Ｖ_３となるように設定するとともに、水平位置制御電圧をＨ_１＝−Ｈ_２となるように設定するのが好ましい。また、結像位置は垂直方向および水平方向ともに等間隔で並んでいるのが制御する意味においても好ましい。したがって、Ｖ_１−Ｖ_２＝Ｖ_２−Ｖ_３＝Ｖ_３−Ｖ_４となるように設定するのが好ましく、以上をまとめると、Ｖ_１＝３×Ｖ_２＝−Ｖ_４＝−３×Ｖ_３となるように設定するのが好ましい。例えば、Ｖ_１＝１５００Ｖ、Ｖ_２＝Ｈ_１＝５００Ｖ、Ｖ_３＝Ｈ_２＝−５００Ｖ、Ｖ_４＝−１５００Ｖと設定する。

図５に示すようなタイミングで、イメージ変換管駆動回路９ｂ（図１を参照）は垂直位置制御電圧Ｖ_１〜Ｖ_４および水平位置制御電圧Ｈ_１，Ｈ_２を切り替えて垂直／水平偏向板２３，２４（図３を参照）に印加して制御すると、印加された電圧の大きさに応じて電子像Ｍ_２の結像位置が移動する。垂直位置制御電圧がＶ_２からＶ_１へと大きくなるのにしたがって、ＭＣＰ２５の中央部分から離れた位置（ここでは図４の図面から見て上側）で結像され、垂直位置制御電圧がＶ_３からＶ_４へと負の値が大きくなるのにしたがって、ＭＣＰ２５の中央部分から離れた位置（ここでは図４の図面から見て下側）で結像される。また、水平位置制御電圧がＨ_１ではＭＣＰ２５の中央部分から、図４の図面から見て左側に結像され、水平位置制御電圧がＨ_２ではＭＣＰ２５の中央部分から、図４の図面から見て右側に結像される。

図４、図５に示すように、垂直制御電圧がＶ_１で水平制御電圧がＨ_１のときには結像位置はＰ_１となり、垂直制御電圧がＶ_１で水平制御電圧がＨ_２のときには結像位置はＰ_２となり、垂直制御電圧がＶ_２で水平制御電圧がＨ_２のときには結像位置はＰ_３となり、垂直制御電圧がＶ_２で水平制御電圧がＨ_１のときには結像位置はＰ_４となり、垂直制御電圧がＶ_３で水平制御電圧がＨ_１のときには結像位置はＰ_５となり、垂直制御電圧がＶ_３で水平制御電圧がＨ_２のときには結像位置はＰ_６となり、垂直制御電圧がＶ_４で水平制御電圧がＨ_２のときには結像位置はＰ_７となり、垂直制御電圧がＶ_４で水平制御電圧がＨ_１のときには結像位置はＰ_８となる。したがって、図５に示すタイミングチャートの場合には、Ｐ_１→Ｐ_２→Ｐ_３→Ｐ_４→Ｐ_５→Ｐ_６→Ｐ_７→Ｐ_８の順に結像位置が順に移動する。

続いて、本実施例１での結像位置およびフレーム出力の時系列変化について、図６を参照して説明する。図６は、実施例１に係る電子像の結像位置およびフレーム出力のタイミングチャートである。

本実施例１では、撮影速度が１．０×１０^６フレーム／秒（１，０００，０００フレーム／秒）、すなわち撮影周期Ｔが１μｓ／フレーム（図６では１μｓ／Ｆ）で、蓄積用ＣＣＤ１２および垂直転送用ＣＣＤ１３のＣＣＤセルの合計数によって規定されるＣＣＤ１の１つ当たりの撮影フレーム数を１００とする。したがって、１つのＣＣＤ１で１００フレーム分の撮像が撮影周期Ｔ毎に連続的に行われる。また、撮像素子駆動回路９ａ（図１を参照）から出力されるクロック周波数を１６ＭＨｚ（周期に換算すると１μｓ／１６＝０．０６２５μｓ＝６２．５ｎｓ）として、そのクロック周波数に撮影周期Ｔや電子像の結像位置やフレーム出力が同期するとして説明する。なお、図６では、フレーム出力のＦ_ｘの下付き添え字のｘはフレーム数を示して、例えばＦ_１は１フレーム目を示すとともに、Ｆ_１００は１００フレーム目を示す。

図６に示すように、蓄積用ＣＣＤ１２および垂直転送用ＣＣＤ１３のＣＣＤセルの合計数によって規定されるＣＣＤ１の１つ当たりの撮影フレーム数である１００フレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御を、結像位置に一対一で対応した各々のＣＣＤ１毎に繰り返して行う。図６では、上述したようにＰ_１→Ｐ_２→Ｐ_３→Ｐ_４→Ｐ_５→Ｐ_６→Ｐ_７→Ｐ_８の順に結像位置を移動させる。したがって、１００フレームで同一の結像位置Ｐ_１に結像させて１００フレーム分のＣＣＤ１での撮像（図６のＦ_１〜Ｆ_１００を参照）を行った後に次の結像位置Ｐ_２に移動して、１００フレームで同一の結像位置Ｐ_２に結像させて１００フレーム分のＣＣＤ１での撮像（図６のＦ_１０１〜Ｆ_２００を参照）を行った後に次の結像位置Ｐ_３に移動する。

同様に、１００フレームで同一の結像位置Ｐ_３に結像させて１００フレーム分のＣＣＤ１での撮像（図６のＦ_２０１〜Ｆ_３００を参照）を行った後に次の結像位置Ｐ_４に移動して、１００フレームで同一の結像位置Ｐ_４に結像させて１００フレーム分のＣＣＤ１での撮像（図６のＦ_３０１〜Ｆ_４００を参照）を行った後に次の結像位置Ｐ_５に移動する。同様に、１００フレームで同一の結像位置Ｐ_５に結像させて１００フレーム分のＣＣＤ１での撮像（図６のＦ_４０１〜Ｆ_５００を参照）を行った後に次の結像位置Ｐ_６に移動して、１００フレームで同一の結像位置Ｐ_６に結像させて１００フレーム分のＣＣＤ１での撮像（図６のＦ_５０１〜Ｆ_６００を参照）を行った後に次の結像位置Ｐ_７に移動する。同様に、１００フレームで同一の結像位置Ｐ_７に結像させて１００フレーム分のＣＣＤ１での撮像（図６のＦ_６０１〜Ｆ_７００を参照）を行った後に次の結像位置Ｐ_８に移動して、１００フレームで同一の結像位置Ｐ_８に結像させて１００フレーム分のＣＣＤ１での撮像（図６のＦ_７０１〜Ｆ_８００を参照）を行う。

上述した撮像装置によれば、イメージ変換管２ｃと複数のＣＣＤ１（ここでは８つのＣＣＤ１）とを備える。イメージ変換管２ｃは、光学像を電子像に変換して、その電子像の結像位置を移動させて、結像された電子像を光学像に再度変換した後に、その変換された光学像を入射光としてＣＣＤ１に入射するように構成されている。そして、各々のＣＣＤ１とイメージ変換管２ｃ内における結像位置とが一対一で対応するように構成する（ここでは結像位置Ｐ_１〜Ｐ_８）。（Ａ）所定枚数のフレーム（ここでは蓄積用ＣＣＤ１２および垂直転送用ＣＣＤ１３のＣＣＤセルの合計数によって規定されるＣＣＤ１の１つ当たりの撮影フレーム数である１００フレーム）で同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御を行うイメージ変換管駆動回路９ｂを備える。このようなイメージ変換管駆動回路９ｂを備えることで、撮像態様に応じてＣＣＤ１による撮像に支障を来たした場合には、支障を来たしていない別の結像位置に移動して、その移動先の結像位置に一対一に対応した別のＣＣＤ１に切り替えることができる。その結果、ＣＣＤ１自体の構造を変えずに、様々な撮像態様に対応することができる。

本実施例１では、（Ａ）の制御として、蓄積用ＣＣＤ１２および垂直転送用ＣＣＤ１３のＣＣＤセルの合計数によって規定されるＣＣＤ１の１つ当たりの撮影フレーム数である１００フレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御を、結像位置に一対一で対応した各々のＣＣＤ１毎に繰り返して行っている。上述した１００フレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動することで、その移動先の結像位置に一対一に対応したＣＣＤ１で新たに撮像を行うことができる。そして、ＣＣＤ１の数（ここでは８つ）の倍（ここでは８倍）だけ長時間の撮影を行うことができる。

次に、図面を参照してこの発明の実施例２を説明する。
図７は、実施例２に係る電子像の結像位置およびフレーム出力のタイミングチャートである。なお、撮像装置、ＣＣＤおよびイメージ変換管を含んだ光学系は、実施例１と同様の構成であり、図１〜図５と同様である。本実施例２での結像位置およびフレーム出力の時系列変化について、この図７を参照して説明する。なお、本実施例２では、後述する理由から明らかなように、この発明における（Ｂ）の制御の一例である。

本実施例２では、結像位置に一対一で対応した各々のＣＣＤ１の個数をｎとし、同一の結像位置での各撮影枚数毎の時間間隔をｔとし、撮影周期Ｔをｔ／ｎとしたときに、撮影周期Ｔ（＝ｔ／ｎ）で別の結像位置に移動する制御を、各々のＣＣＤ１毎に繰り返して行う。ＣＣＤ１の個数ｎは実施例１と同様に８つとして、蓄積用ＣＣＤ１２および垂直転送用ＣＣＤ１３のＣＣＤセルの合計数によって規定されるＣＣＤ１の１つ当たりの撮影フレーム数を実施例１と同様に１００とする。したがって、撮影周期Ｔの間に１つのＣＣＤ１による１フレーム分の撮像がＣＣＤ１の個数ｎ（＝８）だけ繰り返して行われる。また、撮像素子駆動回路９ａ（図１を参照）から出力されるクロック周波数を実施例１と同様に１６ＭＨｚとして、そのクロック周波数に撮影周期Ｔや電子像の結像位置やフレーム出力が同期するとして説明する。

なお、同一のＣＣＤ１での各撮影枚数毎の時間間隔ｔを実施例１での撮影周期Ｔと同じ時間間隔の１μｓとすると、ｎ＝８なので時間間隔ｔの１／８が撮影周期Ｔとなる。したがって、撮影周期Ｔ＝ｔ／ｎ＝ｔ／８＝１μｓ／８＝０．１２５μｓとなる。

図７に示すように、撮影周期Ｔ（＝ｔ／ｎ＝０．１２５μｓ）で別の結像位置に移動する制御を、各々のＣＣＤ１毎に繰り返して行う。図７では、実施例１と同様に、Ｐ_１→Ｐ_２→Ｐ_３→Ｐ_４→Ｐ_５→Ｐ_６→Ｐ_７→Ｐ_８の順に結像位置を移動させる。したがって、撮影周期Ｔ（＝ｔ／ｎ＝０．１２５μｓ）の間に１つのＣＣＤ１による１フレーム分の撮像が以下のようにして繰り返して行われる。

すなわち、先ず、撮影時間が０．１２５μｓ（＝ｔ／ｎ×１）になるまでに１フレーム分で結像位置Ｐ_１に一対一で対応したＣＣＤ１で撮像（図７のＦ_１を参照）を行い、その結像位置Ｐ_１から次の結像位置Ｐ_２に移動して、撮影時間が０．２５０μｓ（＝ｔ／ｎ×２）になるまでに１フレーム分で結像位置Ｐ_２に一対一で対応したＣＣＤ１で撮像（図７のＦ_２を参照）を行い、その結像位置Ｐ_２から次の結像位置Ｐ_３に移動する。

同様に、撮影時間が０．３７５μｓ（＝ｔ／ｎ×３）になるまでに１フレーム分で結像位置Ｐ_３に一対一で対応したＣＣＤ１で撮像（図７のＦ_３を参照）を行い、その結像位置Ｐ_３から次の結像位置Ｐ_４に移動して、撮影時間が０．５００μｓ（＝ｔ／ｎ×４）になるまでに１フレーム分で結像位置Ｐ_４に一対一で対応したＣＣＤ１で撮像（図７のＦ_４を参照）を行い、その結像位置Ｐ_４から次の結像位置Ｐ_５に移動する。同様に、撮影時間が０．６２５μｓ（＝ｔ／ｎ×５）になるまでに１フレーム分で結像位置Ｐ_５に一対一で対応したＣＣＤ１で撮像（図７のＦ_５を参照）を行い、その結像位置Ｐ_５から次の結像位置Ｐ_６に移動して、撮影時間が０．７５０μｓ（＝ｔ／ｎ×６）になるまでに１フレーム分で結像位置Ｐ_６に一対一で対応したＣＣＤ１で撮像（図７のＦ_６を参照）を行い、その結像位置Ｐ_６から次の結像位置Ｐ_７に移動する。同様に、撮影時間が０．８７５μｓ（＝ｔ／ｎ×７）になるまでに１フレーム分で結像位置Ｐ_７に一対一で対応したＣＣＤ１で撮像（図７のＦ_１を参照）を行い、その結像位置Ｐ_７から次の結像位置Ｐ_８に移動して、撮影時間が１．０００μｓ（＝ｔ／ｎ×８）になるまでに１フレーム分で結像位置Ｐ_８に一対一で対応したＣＣＤ１で撮像（図７のＦ_８を参照）を行う。このようにして、撮影周期Ｔ（＝ｔ／ｎ＝０．１２５μｓ）の間に１つのＣＣＤ１による１フレーム分の撮像が行われる。

上述した撮像装置によれば、実施例１と同様に、イメージ変換管２ｃと複数のＣＣＤ１（ここでは８つのＣＣＤ１）とを備え、各々のＣＣＤ１とイメージ変換管２ｃ内における結像位置とが一対一で対応するように構成する（ここでは結像位置Ｐ_１〜Ｐ_８）。そして、（Ｂ）所定時間間隔の撮影周期（ここではＴ＝ｔ／ｎ）で別の結像位置に移動する制御を行うイメージ変換管駆動回路９ｂを備える。このようなイメージ変換管駆動回路９ｂを備えることで、撮像態様に応じてＣＣＤ１による撮像に支障を来たした場合には、支障を来たしていない別の結像位置に移動して、その移動先の結像位置に一対一に対応した別のＣＣＤ１に切り替えることができる。その結果、ＣＣＤ１自体の構造を変えずに、様々な撮像態様に対応することができる。

本実施例２では、（Ｂ）の制御として、撮影周期ｔ／ｎ（ここではｎ＝８）で別の結像位置に移動する制御を、各々のＣＣＤ１毎に繰り返して行う。上述した撮影周期ｔ／ｎで別の結像位置に移動する制御を、各々のＣＣＤ１毎に繰り返して行うことで、ＣＣＤ１の個数ｎ（ここではｎ＝２）を分母とした１／ｎ（ここでは１／８）分だけ撮影周期Ｔを短縮させて、高速撮像を行うことができる。

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した各実施例では、撮影速度が１００，０００フレーム／秒以上の高速撮像を例に採って説明したが、撮影速度が１００，０００フレーム／秒未満の通常の撮像に適用してもよい。

（２）上述した各実施例では、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号を発生させる光電変換の機能として、フォトダイオードを例に採って説明したが、フォトゲートを替わりに用いてもよい。

（３）上述した各実施例では、斜行ＣＣＤによる『画素周辺記録型撮像素子』を例に採って説明したが、ライン状の蓄積用ＣＣＤを垂直方向に延在するように構成した撮像素子、またはマトリクス状の蓄積用ＣＣＤで構成した蓄積素子にもこの発明は適用することができる。

（４）上述した各実施例では、ＣＣＤの数は８つであったが、複数であって、結像位置に一対一に対応するのであれば８つに限定されない。したがって、イメージ変換管内の結像位置の数に応じてＣＣＤに代表される撮像素子を備えればよい。

（５）上述した各実施例では、電荷蓄積手段（各実施例では蓄積用ＣＣＤ１２および垂直転送用ＣＣＤ１３）の合計数によって規定される撮像素子（各実施例ではＣＣＤ１）の１つ当たりの所定枚数のフレーム（各実施例では１００フレーム）で同一の結像位置に結像させる制御、すなわち単体の撮像素子（各実施例ＣＣＤ１）を備えた場合での、いわゆる「通常の撮影モード」での制御を行わなかったが、各実施例での制御（すなわち（Ａ）、（Ｂ）の少なくとも１つの制御）と通常の撮影モードでの制御とを切り替える切替手段を備えてもよい。この場合には、イメージ変換管駆動回路９ｂが切替手段の機能を果たせばよい。図８は、実施例１と通常の撮影モードとを組み合わせたタイミングチャートであって、図９は、実施例２と通常の撮影モードとを組み合わせたタイミングチャートである。図８、図９では通常の撮影モードをＭとして図示する。なお、図８、図９ともに、通常の撮影モードでは、撮影周期Ｔを１μｓ／フレームとしている。このような切替手段を備えることで各実施例での制御と通常の撮影モードでの制御とを自在に切り替えて、様々な撮像態様に通常の撮影モードを加えて汎用性が高くなる。

（６）上述した実施例１では、（Ａ）の制御として、電荷蓄積手段（各実施例では蓄積用ＣＣＤ１２および垂直転送用ＣＣＤ１３）の合計数によって規定される撮像素子（各実施例ではＣＣＤ１）の１つ当たりの所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御を、結像位置に一対一で対応した各々の撮像素子（各実施例ではＣＣＤ１）毎に繰り返して行ったが、各々の撮像素子（各実施例ではＣＣＤ１）毎に繰り返さなくてもよいし、所定枚数は、電荷蓄積手段の数に規定される撮像素子（各実施例ではＣＣＤ１）の１つ当たりのフレーム数である必要はない。例えば、ＣＣＤの数が８つで、蓄積用ＣＣＤ１２および垂直転送用ＣＣＤ１３の合計数によって規定されるＣＣＤ１の１つ当たりのフレーム数を１００としたときに、所定枚数のフレームを１００未満（例えば５０）のフレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御を、１つのＣＣＤ１のみで１回のみ行ってもよい。また、各ＣＣＤ１毎に所定枚数を自在に設定（例えば結像位置Ｐ_１に一対一で対応したＣＣＤには１００フレーム、結像位置Ｐ_２に一対一に対応したＣＣＤには８０フレーム、…）して、各々のＣＣＤ１毎に繰り返して行ってもよい。以上をまとめると、（Ａ）所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御を行えば、具体的な（Ａ）の制御については特に限定されない。

（７）上述した実施例２では、（Ｂ）の制御として、撮影周期ｔ／ｎで別の結像位置に移動する制御を、各々のＣＣＤ毎に繰り返して行ったが、各々のＣＣＤ毎に繰り返さなくてもよいし、ＣＣＤの個数ｎに応じて撮影周期Ｔをｔ／ｎに必ずしも設定する必要はない。例えば、ＣＣＤの数が８つとしたときに、撮影周期ｔで別の結像位置に移動する制御を、１つのＣＣＤのみで１回のみ行ってもよい。以上をまとめると、（Ｂ）所定時間間隔の撮影周期で別の結像位置に移動する制御を行えば、具体的な（Ｂ）の制御については特に限定されない。

（８）上述した変形例（６）および（７）を組み合わせてもよい。すなわち、（Ａ）所定枚数のフレームで同一の結像位置で電子像に結像させた後に別の結像位置に移動する制御、（Ｂ）所定時間間隔の撮影周期で別の結像位置に移動する制御を互いに切り替え可能にして、２つの（Ａ）、（Ｂ）の制御のいずれかに選択可能、あるいは（Ａ）、（Ｂ）の制御の両方を選択可能にしてもよい。

（９）この発明では、いずれの撮像方式においても適用することができる。撮像方式としては、主にＩＬ(Interline)方式、ＦＴ(Frame Transfer)方式、ＦＦＴ(Full Frame Transfer)方式、ＦＩＴ(Frame Interline Transfer)方式などがある。これらの方式に合わせて撮像素子の構造も変化する。

Claims (11)

1. 撮像を行う撮像装置であって、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させて撮像を行う複数の撮像素子と、光学像を電子像に変換して、その電子像の結像位置を移動させて、結像された電子像を光学像に再度変換した後に、その変換された光学像を前記入射光として前記撮像素子に入射するように構成されたイメージ変換管とを備えるとともに、各々の撮像素子と各々の前記結像位置とが一対一で対応するように構成し、前記撮像装置は、（Ａ）所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御、（Ｂ）所定時間間隔の撮影周期で別の結像位置に移動する制御のうちの少なくとも１つの制御を行う制御手段を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、前記（Ａ）の制御のみを前記制御手段は行うことを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１に記載の撮像装置において、前記（Ｂ）の制御のみを前記制御手段は行うことを特徴とする撮像装置。
4. 請求項１に記載の撮像装置において、前記（Ａ）および（Ｂ）の制御の両方を前記制御手段は行うことを特徴とする撮像装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の撮像装置において、前記撮像装置は、前記（Ａ）、（Ｂ）の少なくとも１つの制御と、信号電荷を蓄積して記憶する電荷蓄積手段の数によって規定される撮像素子の１つ当たりの所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させる制御とのいずれかを切り替える切替手段を備えることを特徴とする撮像装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の撮像装置において、前記（Ａ）の制御として、信号電荷を蓄積して記憶する電荷蓄積手段の数によって規定される撮像素子の１つ当たりの所定枚数のフレームで同一の結像位置に結像させた後に別の結像位置に移動する制御を、結像位置に一対一で対応した各々の撮像素子毎に繰り返して行うことを特徴とする撮像装置。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の撮像装置において、結像位置に一対一で対応した各々の撮像素子の個数をｎとし、同一の結像位置での各撮影枚数毎の時間間隔をｔとし、撮影周期をｔ／ｎとしたときに、前記（Ｂ）の制御として、撮影周期ｔ／ｎで別の結像位置に移動する制御を、各々の撮像素子毎に繰り返して行うことを特徴とする撮像装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の撮像装置において、前記撮像素子は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段を備えることを特徴とする撮像装置。
9. 請求項８に記載の撮像装置において、前記光電変換手段はフォトダイオードであることを特徴とする撮像装置。
10. 請求項８または請求項９に記載の撮像装置において、前記光電変換手段、および前記信号電荷を蓄積して記憶する電荷蓄積手段を複数個備え、各電荷蓄積手段のそれぞれをライン状に接続して構成するとともに、光電変換手段から発生した信号電荷を、隣接する電荷蓄積手段に順次転送しながら各電荷蓄積手段に蓄積するように構成し、各光電変換手段の並びに対して斜め方向にライン状の電荷蓄積手段が延びるように構成することで、前記撮像素子は画素周辺記録型撮像素子として構築されることを特徴とする撮像装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載の撮像装置において、前記撮像素子はＣＣＤ型固体撮像素子であることを特徴とする撮像装置。

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