JP2550567B2 - 高速撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高速撮像装置、即ち、時間軸方向の情報密度
の高いビデオ信号を出力する撮像装置に関する。

〔従来の技術とその問題点〕

ビデオ・カメラによる高速撮像装置としては、撮像部
への垂直走査周波数f_VSと水平走査周波数f_HSの両方を同
一の倍率だけ高める方法が公知である。しかも単純にf
_VS,f_HSを高くしたのでは、信号周波数も同様に高くなる
ため、カメラの信号処理回路を広帯域化しなければなら
ず、出力されるビデオ信号を記録したい場合には、広帯
域の記録装置を用いなければならず、非常に高価な記録
装置が必要になる。また、モニタ装置も高速度対応の専
用装置を用いなければならない。

本発明は、ビデオ記録装置やモニタ装置として専用の
装置を必要とせず、安価な装置で利用できる時間軸方向
情報密度の高いビデオ信号を出力する高速撮像装置を提
示することを目的とする。

本発明の第２の目的は、通常撮影速度の撮像装置とし
て兼用することの容易な高速撮像装置を提供することで
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る高速撮像装置は、出力するビデオ信号の
垂直同期信号の周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の垂
直走査信号及び前記ビデオ信号の水平同期信号の周波数
のｍ倍（ｍは２以上の整数で、ｎの約数）の水平走査信
号に従い光電変換信号を出力する撮像手段と、当該撮像
手段からの出力信号を一時記憶し、１画面内に水平方向
ｍ個、垂直方向n/m個の合計ｎ個の画像を含むビデオ信
号に変換して出力する変換手段とからなる。

〔作用〕

垂直走査信号を垂直同期周波数のｎ倍にすることによ
り、時間分解能をｎ倍にする。このとき、水平走査信号
を水平同期周波数のｍ倍にすることにより、水平方向で
の出力画素数を1/m、垂直方向での走査線数をm/nにす
る。前記撮像手段の出力信号から、水平方向ｍ個、垂直
方向n/m個の合計ｎ個の画像分の信号を集めると、１画
面分のビデオ信号を構成し、従って、水平同期信号及び
垂直同期信号を付加することにより、従来から通常用い
られているモニタ装置やビデオ記録装置での表示又は記
録が可能になる。また、撮像面の各画素からの信号読出
速度を、従来の撮像装置でのでの撮影の場合と同じにす
れば、従来の撮像管や固体撮像素子をそのまま利用して
高速撮影を行うことができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
第１図は本発明の一実施例の撮像装置の概略構成ブロッ
ク図を示し、第２図は第１図の実施例の撮像部を構成す
る撮像素子の一例を示す。尚、以下の説明でn,mは整数
である。

第１図を説明する前に、第２図に例示したインターラ
イン型CCD撮像素子10を説明する。第２図において、12
は光電変換セルであり、縦横に多数配置される。14は垂
直転送用CCD、16はゲート電極、18は水平転送用CCD、20
はバッファ・アンプ、22は出力端子である。この構造自
体は公知であるが、本実施例では、高速撮影の場合には
水平転送用CCD18を出力端子22側から1/mの箇所（図示例
ではｍ＝２であるので中央）で２つに分割して使用す
る。その右側のCCDに符号18Aを付し、左側のCCDに符号1
8Bを付した。Φ_Ｖは垂直転送用CCD14に対する垂直転送
信号、Φ_H1は水平転送用CCD18Aに対する右方向シフトの
水平転送信号、Φ_H2は水平転送用CCD18Bに対する左方向
シフト（通常撮影速度の撮影の場合には右方向シフト）
の水平転送信号、Φ_Ｒはゲート・パルスである。第３図
に通常撮影速度により得られる映像信号の垂直同期信号
f_Vに対する高速撮影の場合のΦ_ＶとΦ_Ｒのタイミングを
示した。これらΦ_V,Φ_R,Φ_H1,Φ_H2等は後述する同期信
号発生回路（SSG）48から与えられる。

通常速度での撮影時には、垂直同期信号f_Vに同期して
垂直帰線期間内にゲート・パルスΦ_Ｒが印加され、各セ
ル12の電荷が同時に垂直転送用CCD14に移され、その後
水平同期信号f_Hに同期した垂直転送パルスΦ_Ｖの印加に
より１水平ラインずつ水平転送用CCD18に転送され、水
平転送パルスΦ_H1,Φ_H2でこれらを全て右側に転送する
ことにより出力端子22に映像信号Ｓが出力される。

次に高速撮影モードでの動作を説明する。但し通常撮
影速度の４倍（即ちｎ＝４）の場合を例にとる。この場
合、撮像素子10に対する垂直走査信号を通常の場合の４
倍の周波数に上げ、第２図に示すように、通常撮影速度
での１垂直期間に４個のゲート・パルスΦ_Ｒを印加す
る。ゲート・パルスΦ_Ｒによりセル12から垂直転送用CC
D14に移された電荷は、垂直転送信号Φ_Ｖ（周波数f₂）
により水平転送用CCD18に１水平ラインずつ送られる。
尚、この時の垂直転送信号Φ_Ｖの周波数は上述した通常
撮影時における垂直転送信号の２（＝n/m）倍の周波数
とする。水平転送用CCD18Aの1/2水平ライン分の信号
は、水平転送信号Φ_H1により出力端子22に送出される。
他方、水平転送用CCD18Bの1/2水平ライン分の信号は、
水平転送信号Φ_H2により逆方向に送られ、棄てられる。
垂直方向の走査線の約1/2が読み出された段階で周波数f
₁（＞f₂）の高速の垂直転送信号Φ_Ｖを印加し、垂直転
送用CCD14に残る電荷の掃き出しを行う。この掃き出し
に際しては、水平転送信号Φ_H1による転送方向を第２図
の左方向に逆転させてもよいし、出力端子22からの信号
をゲート（図示せず）等で除去してもよい。この掃き出
し後、再びゲート・パルスΦ_Ｒを印加して、セル12の電
荷の読出を行う。

この高速撮影により撮像素子10の出力端子22から得ら
れる映像信号は、第４図（ａ）に示すように、垂直同期
信号V_Hの周波数が通常のテレビジョン信号の４倍、水平
同期信号H_Hの周波数が通常のテレビジョン信号の２倍の
信号になる。但し各出力画面は、通常速度での撮影に較
べ、水平方向の分解能は1/2、垂直方向の分解能は1/2の
小画面となる。第４図（ａ）の小画面A,B,C,Dは時間的
に連続している。このようにして得られる高速の映像信
号を第１図に示す構成により、通常撮影速度の場合と同
じ周波数の水平同期信号及び垂直同期信号を有し、第４
図（ｂ）に示すような画像配置の映像信号に変換する。

第１図を説明する。撮像素子10が通常撮影動作を行っ
ている時にはスイッチ46はＮ側に接続し、撮像素子10の
出力端子22から出力された映像信号はスイッチ46のＮ側
端子を介して信号処理回路42に供給される。一方、撮像
素子10の高速撮影動作によって出力端子22から出力され
た映像信号は、A/D変換器30でディジタル信号に変換さ
れる。スイッチ32は、SSG48が発生する高速撮影時の垂
直走査周期を示す信号V_Hにより順次切り換わり、A/D変
換器30の出力信号を高速撮影時の１垂直走査期間毎に逐
次、1/nフィールド分の容量のｍ個（図示例では２個）
のメモリ34,36に印加する。メモリ34,36はランダム・ア
クセス型でも、ファーストイン・ファーストアウト型で
もよい。メモリ34,36の信号の読出に際しては、SSGから
供給される高速の水平走査周期を示す信号H_Hにより切り
換わるスイッチ38でメモリ34及び同36の出力を切り換え
交互に読出を行い、D/A変換器40に印加する。D/A変換器
40のアナログ出力はＨ側に切り換えられているスイッチ
46を介して信号処理回路42に送られる。回路42において
は、通常のテレビジョン信号の同期信号が付加され、更
にビデオカメラの分野で周知の信号処理が施される。D/
A変換後に信号処理を行う構成を採用することにより、
色信号処理等を、通常撮影速度による映像信号処理と共
用できる利点がある。勿論必要な信号処理をディジタル
信号の状態で行ってもよい。

こうして得られたビデオ信号は第４図（ｂ）に示す如
く２×２の小画面が１つの画面内に含まれるビデオ信号
となる。

信号処理回路42の出力信号は端子44から出力される
が、NTSC方式等の通常のテレビジョン信号と同じ周波数
の同期信号を有するので、通常のモニタ装置による表
示、通常のVTR等による記録が可能である。

第５図は第１図に示す撮像装置の出力するビデオ信号
を記録再生する装置の一例を示す。本例の装置は従来の
２ヘッド・ヘリカル・スキャン型VTRを利用したもので
ある。

撮像装置の出力端子44が接続される入力端子を介し
て、通常撮影又は高速撮影により得られたビデオ信号
は、記録信号処理回路54にて上述のVTRで周知のように
輝度信号をFM変調し、搬送色信号をその低減へ周波数変
換する処理が行われる。加算器56は、回路54で処理され
たビデオ信号に、通常撮影によるものか高速撮影による
ものかを示す識別信号を多重する。52はマニュアル操作
又は撮像装置からの指示に応答してこの識別信号を発生
する回路である。尚、識別信号はパイロット信号として
ビデオ信号に多重したり、垂直帰線期間にパルス信号と
して多重するなどの方法でビデオ信号に多重される。こ
の識別信号が多重されたビデオ信号は記録再生部58に供
給され、周知の如く互いに異なるアジマスを有する一対
の回転ヘッドにより、所定速度で走行する磁気テープ上
に順次記録される。

以下、記録再生部58によりビデオ信号を再生する際の
動作を説明する。記録されているビデオ信号が通常撮影
によるものであるとする。識別信号分離回路62において
分離された識別信号に応じて、スイッチ66がＮ側に接続
し、再生信号処理回路60で周知の信号処理をされたビデ
オ信号、即ち輝度信号はFM復調され、搬送色信号は元の
帯域に戻されたビデオ信号は、スイッチ66のＮ側端子を
介して端子68に供給され、モニタ等に出力される。この
時、キャプスタン制御回路64は識別信号に応じて磁気テ
ープを記録時と同じ速度で搬送するようにキャプスタン
（図示せず）を制御する。この動作は従来のVTRと全く
同様である。

次に、高速撮影されたビデオ信号を再生する際の動作
を説明する。この時、同時に再生信号処理回路60で信号
処理されたビデオ信号は第４図（ｂ）に示す如く１フィ
ールドが４つの小画面A,B,C,Dから構成されている。図
示装置にあっては、この４つの小画面を１フィールドに
１画面ずつ順次含むビデオ信号に変換し、第４図（ｃ）
のＡに示す位置にて各小画面が順次表示できるようにし
ようとするものである。即ち、再生ビデオ信号の４フィ
ールドに対応する期間に１フィールド分（４つの小画面
分）の再生信号を得て、これを４フィールドのビデオ信
号として出力する。

分離回路62で分離された識別信号はスイッチ66をＨ側
に接続すると共に、キャプスタン制御回路64をして磁気
テープを記録時の1/4の速度で走行させる。この時の磁
気テープ上の回転ヘッドのトレースの様子を第６図に示
す。第６図の実線はトラック間の境界を示し、TR1はプ
ラスアジマスのトラック、TR2はマイナスアジマスのト
ラックである。一点鎖線で示すT₁,T₃,T₅,T₇はプラスア
ジマスのヘッドによるトレース軌跡の中心線、破線で示
すT₂,T₄,T₆,T₈はマイナスアジマスのヘッドによるトレ
ース軌跡の中心線である。

再生信号処理回路60で処理されたビデオ信号は、A/D
変換器84に入力され、ディジタル化されてスイッチ86に
入力される。スイッチ86は再生信号中の水平同期信号の
周波数をPLL等で構成される逓倍器76で２逓倍した信号
で切り換えられ、各水平走査線の前半部分を2/nフィー
ルド・メモリ88に、後半部分を2/nフィールド・メモリ9
0にそれぞれ供給する。尚、上記水平同期信号は同期信
号分離回路70で分離された複合同期信号から水平同期回
路72で分離することによって得られる。

80はメモリ88,90の書込制御回路であり、その書込タ
イミング及び書込アドレスを制御し、82はメモリ88,90
の読出制御回路であり、その読出タイミング及び読出ア
ドレスを制御する。第７図にメモリ88,90の書込
（Ｗ）、読出（Ｒ）のタイミング・チャートを示す。第
７図の期間T₁〜T₈は第６図のトレース軌跡T₁〜T₈にて再
生信号が得られる期間に対応している。

メモリ88,90は期間T₃とT₆にビデオ信号の書込を行う
が、この書込期間名、前半は第４図（ｂ）のA,B、後半
はC,Dに対応するビデオ信号がそれぞれ書き込まれる。
また前述のスイッチ32の動作により、メモリ88にはA,
C、メモリ90にはB,Dに対応するビデオ信号が書き込まれ
る。第７図のA₁,B₁,C₁,D₁はトラックTR1に記録されてい
るビデオ信号、A₂,B₂,C₂,D₂はトラックTR2に記録されて
いるビデオ信号で、それぞれ第４図（ｂ）のA,B,C,Dに
対応している。尚、トレース軌跡T₈をトレースした後
は、トラックとトレース軌跡との関係は再びT₁と同様に
なるが、これらに対応する期間は、第７図ではダッシュ
を付してT₁′,T₂′，…で示した。この場合もT₃′,T₆′
で書込が行われる。

期間T₃でメモリ88,90に書き込まれたビデオ信号は期
間T₃,T₄,T₅,T₆にそれぞれ１つの小画面づつA₁,B₁,C₁,D₁
の順に読み出される。この読出タイミングは各１フィー
ルド期間の中央の1/2フィールド期間とされ、且つ各水
平走査期間の中央の1/2の期間とされる。これら各メモ
リ88,90の出力は、スイッチ92で１フィールド期間毎に
交互に出力され、D/A変換器94に供給される。尚、書込
制御回路80及び読出制御回路82はそれぞれ、前述の再生
水平同期信号と、複合同期信号から垂直同期回路74で分
離した再生垂直同期信号とにより動作する。スイッチ92
は再生垂直同期信号をフリップ・フロップ78に入力する
ことにより得た第７図に示す制御信号によって制御され
る。

D/A変換器94から出力されるビデオ信号は第４図
（ｃ）に示す如く、出力画面の中央に各小画面A,B,C,D
が順次表示されるものとなり、通常の４倍の時間軸方向
の情報密度を有するスローモーション画像を得ることが
でき、このD/A変換器94の出力はスイッチ66のＨ側を介
して端子68から出力される。

第５図の回路では2/nフィールド・メモリを２個設け
ているが、ランダム・アクセス・メモリであれば、１個
だけでもよい。当然のことながら、１フィールド分の容
量のメモリを用いてアドレス制御のみで変換することも
可能である。

第４図（ｃ）の背景Ｇの部分は、時刻、フィールド番
号等の各種のデータの表示に用いることができる。ま
た、多少画像が粗くなるが、画像を拡大表示してもよ
い。ｎ＝m²の関係を満たすようにn,mを選択すると、各
画像の縦横比が通常撮影速度による画像と同じにでき
る。

電子シャッタ動作のためには、周波数f₁の垂直転送パ
ルスΦ_Ｖの前にゲート・パルスΦ_Ｒ（第３図に破線で図
示）を印加すると、電子シャッタ機能を持たせうる。勿
論、機械式シャッタや、その他の電子シャッタを用いて
もよく、ストロボ等と組み合わせて使用してもよい。

以上、ｎ＝4,m＝２の場合を説明したが、ｎがｍの倍
数である限り任意の数値を採りうる。また撮像素子10と
しては、フレーム・トランスファー型CCDや、MOS式のも
のでもよい。

上記実施例では、撮影画面の左上部（第２図の撮像素
子10では右下のセル）を読み出したが、撮像素子10への
転送信号を調節することにより、画面中央部や、他の部
分から読み出すように設定できる。

〔発明の効果〕

以上の説明から容易に理解出来るように、本発明によ
れば、極めて簡単な回路構成で、そのまま通常のビデオ
記録装置又はテレビジョン装置で記録又は表示できる高
速の映像信号を形成できる。また、撮影速度の変更、通
常速度での撮影との兼用も容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成ブロック図、第２図は
第１図の撮像素子10の一例の構成図、第３図は第２図の
撮像素子の転送信号のタイミング・チャート、第４図は
各段階での画面表示図、第５図は第１図の装置の出力信
号を記録再生する装置の一構成例を示す図、第６図は第
５図の装置による磁気テープ上のトレース軌跡を示す
図、第７図は第５図の装置のメモリへの書込及び読出の
タイミング・チャートである。 10……撮像素子、12……セル、14……垂直転送用CCD、1
6……ゲート電極、18……水平転送用CCD、20……アン
プ、22……出力端子、30……A/D変換器、32,38……スイ
ッチ、34,36……メモリ、40……D/A変換器、42……信号
処理回路、44……出力端子、48……同期信号発生回路

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】撮像面上の光学像を電気信号に変換し、水
   平同期信号及び垂直同期信号を付加してビデオ信号とし
   て出力する装置であって、当該垂直同期信号周波数のｎ
   倍（ｎは２以上の整数）の垂直走査信号及び当該水平同
   期信号の周波数のｍ倍（ｍは２以上の整数でｎの約数）
   の水平走査信号に従い光電変換信号を出力する撮像手段
   と、当該撮像手段からの出力信号を一時記憶し、１画面
   内に水平方向ｍ個、垂直方向n/m個の合計ｎ個の画像を
   含むビデオ信号に変換して出力する変換手段とを具備す
   ることを特徴とする高速撮像装置。
2. 【請求項２】ｎ＝m²である特許請求の範囲第（１）項に
   記載の装置。