JPH04369977A - スローモーションカメラ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、特に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、良好な画像
を得るスローモーションカメラ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のスローモーションカメラ装置技術
を簡単に説明する。

【０００３】極めて高速で動く被写体像をスローモーシ
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、こ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。

【０００４】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１５．７３４ｋＨｚ，フィールド周波数５９．９４Ｈ
ｚ）を速くして、高速にビデオテープレコーダに記録し
、高速に記録されたビデオテープを標準の速度で再生す
ることによりスローモーション画像を得る装置が実用化
されていることは周知である。

【０００５】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。図４において１は被写
体、２は撮像レンズ、３は３色分解プリズム、４〜６は
撮像管、７〜９は偏向コイル、１０〜１２はプリアンプ
、１３はプロセスおよびエンコーダおよび周波数変換回
路、１４は偏向回路である。これらの符号２〜１４を付
した要素によってテレビジョンカメラが構成されている
。１５はＶＴＲである。

【０００６】動作の説明を簡単にするため、テレビジョ
ンカメラは標準のテレビジョンカメラの３倍の速度で動
作する、すなわち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１５．７３４ｋＨｚ、フィールド周波
数は５９．９４Ｈｚ）に比べて、このスローモーション
カメラでは、水平走査周波数は４７．２０２ｋＨｚ、フ
ィールド周波数は１７．９８Ｈｚで動作する。標準の３
倍の速度で動作するため、偏向回路１４からは３倍の周
波数の偏向信号が偏向コイル７〜９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、図
４では一方の偏向コイルの図示は省略している。

【０００７】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３により、赤（Ｒ
）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）３原色に分解され、撮像管４〜
６に結像される。撮像管４〜６に結像された被写体像は
撮像管によって光電変換される。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１０〜２０によ
って増幅され赤・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１３へ供給される。プロセス
・エンコーダ回路１３で赤・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、ＶＴＲ１５へ供給する。ＶＴＲ１５
は３個の記録ヘッドを有しており、記録ドラムは標準の
ＮＴＳＣ信号を記録するときの回転を行なっているが、
記録されるテープは標準速度の３倍の速度で走行されて
いる。したがって、ＶＴＲのテープ上には標準速度に比
べ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、標準のドラム回転速度および標準のテ
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。

【０００８】また、ＶＴＲは１個の記録ヘッドを用い、
ドラムおよびテープを標準速度の３倍の回転および走行
させて記録を行ない、スローモーション再生時には通常
の回転およびテープ走行を行なうことにより１／３倍速
のスローモーション画像を得る方法もある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】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
向上せず輪郭がぼけ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
クラブの柄が図５のように曲がって見える欠点を有して
いる。

【００１０】これら欠点のうち、画像の輪郭がぼける原
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ずれるためで
ある。

【００１１】本発明は、上記欠点を解決するもので、動
的解像度が高く、画像の歪のないスローモーション画像
を得るスローモーションカメラ装置の提供を目的として
いるものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、被写体像を複数の撮像素子の受光面に結像
するための撮像レンズと、撮像レンズと複数の撮像素子
の結像面の間に撮像レンズにより集光された被写体像を
複数の像に振幅分離する光学系を備え、振幅分離された
被写体像を複数の撮像素子より各々時間をずらせて被写
体像を撮像し、かつ撮像素子への信号電荷の蓄積時間を
撮像素子の信号電荷転送時間よりも短くし、撮像素子出
力信号を電気回路により時間軸圧縮し、時間軸圧縮され
た信号をＶＴＲに記録し再生することによりスローモー
ション画像を得る構成を有する。

【００１３】

【作用】本発明は上記した構成により、２系列の撮像素
子に結像させ、２系列の撮像素子は標準動作の約１／３
の期間のみフォトダイオードに信号電荷を蓄積し、その
出力信号を、ディジタル信号に変換し、撮像素子出力信
号を通常の周波数の信号の３倍の周波数に変換して、標
準の３倍速でドラム回転，テープ走行するＶＴＲへ記録
し、記録されたテープを標準速度で再生するので、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。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明
する。

【００１５】本発明を説明するに先立ち、本発明の原理
的事項を解説する。本発明では、従来の欠点を解決する
ため、光電変換素子として固体撮像素子を用いる。本発
明には、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、垂直および水
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固体撮像素子を用いる。

【００１６】従来技術の欠点を解決するための最も簡単
な手段としては、図４に示した４〜６の撮像管をＣＣＤ
固体撮像素子に置き換えて、ＣＣＤ固体撮像素子を通常
の３倍速で駆動する方法がある。

【００１７】ところが、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
周知の通りである。一般的にＮＴＳＣ方式の場合、ＣＣ
Ｄ固体撮像素子の垂直方向の画素数は約５００画素、水
平方向の画素数は５００〜８００画素程度であり、標準
の動作速度、すなわち転送周波数としては、垂直方向は
１５．７３４ｋＨｚであり、水平方向の転送周波数とし
ては５００画素では９．５ＭＨｚ、８００画素では１４
．３２ＭＨｚ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。すなわち、垂直
方向は４７．２０２ｋＨｚ、水平方向は２８．５〜４２
．９５ＭＨｚもの高い周波数で転送を行なわねばならな
い。現状のＣＣＤ固体撮像素子では、水平方向にこのよ
うに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。

【００１８】その第１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
向に極端にぼけることである。この画面の水平方向のぼ
けは、画面の左右方向で大きく異なり、すなわち画面の
左側では転送段数が少ないためにぼけ量が少なく、画面
の右側では転送段数が多いために、極端にぼけてしまう
。第２の問題は、水平方向に高い周波数の転送を行なう
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、ＣＣＤ固体撮像素子をこのよう
に、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１０
０ＰＦ以上の容量を有しているため数＋ＭＨｚ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。

【００１９】本発明は、ＣＣＤ固体撮像素子を高速（標
準の駆動速度の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。

【００２０】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、すなわちインタラ
イン固体撮像素子（以降ＩＴ−ＣＣＤと略す）では受光
部のすべ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ずれるということはなく
なるため、スローモーション再生をした場合、図３のよ
うに、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代わりに、ＩＴ−ＣＣＤあるい
はＦＩＴ−ＣＣＤを用いれば、動的解像度が高く、すな
わ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。ここで解決しなければな
らない課題は、ＣＣＤ固体撮像素子を通常の周波数の数
倍で駆動することにより発生する弊害を除去することで
ある。

【００２１】本実施例では説明を簡単にするため３倍速
のカメラ出力信号を得、それを通常の再生速度のＶＴＲ
で再生して１／３のスローモーション画像を得る場合を
例に取って説明する。

【００２２】図１において、１は被写体、２は撮像レン
ズ、１６はプリズム群、１７〜２２はＣＣＤ固体撮像素
子、２３〜２８はプリアンプ、２９〜３４はプロセス回
路、３５は周波数変換回路、３６は同期信号発生器、３
７はＣＣＤ駆動パルス発生器およびＣＣＤ駆動回路、３
８はＶＴＲである。被写体１からの被写体像は撮像レン
ズ２により集光される。撮像レンズの射出面側にはプリ
ズム群１６が配置されており、プリズム群１６は撮像レ
ンズ２により集光された被写体からの光（被写体像）を
赤，緑，青色光に分解し、かつ赤，緑，青色光を約１／
２ずつに分光している。プリズム群１６の射出面にはＣ
ＣＤ撮像素子１７〜２２が配置されており、プリズム群
１６から出力された被写体像はＣＣＤＢ１，ＣＣＤＢ２
，ＣＣＤＧ１，ＣＣＤＧ２，ＣＣＤＲ１，ＣＣＤＲ２に
導き結像させている。ＣＣＤ１７〜２２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なう
。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２３〜２８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２９〜３４に
それぞれ供給され、信号処理を施す。各プロセス回路２
９〜３４の出力信号を標準の映像信号（テレビジョンカ
メラ出力信号）に変換した後、周波数変換器３５に供給
される。周波数変換器はメモリおよびメモリ制御回路か
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１５．７３４
ｋＨｚ，垂直走査周波数５９．９４Ｈｚ）を３倍の周波
数（水平走査周波数約４７．２０ｋＨｚ，垂直走査周波
数約１８０Ｈｚ）に変換するとして説明する。周波数変
換器３５出力信号はドラム回転数が標準の３倍で回転し
、テープ走行速度が標準の３倍のＶＴＲ３８へ供給され
記録される。同期信号発生器３６は、スローモーション
カメラ装置のすべてを同期関係を保って動作させるため
のものであり、同期信号発生器３６の出力信号は周波数
変換器３５，プロセス回路２９〜３４およびＣＣＤ駆動
パルス発生器３７，ＶＴＲ３８へ供給される。ＣＣＤ駆
動パルス発生器３７の出力信号はプリアンプ２３〜２８
にも供給される。ＣＣＤ駆動パルス発生器，ＣＣＤ駆動
回路３７からはＣＣＤの駆動に必要な各種のパルスが出
力されている。ＣＣＤ駆動回路３７の出力信号はＣＣＤ
１７〜ＣＣＤ２２に供給され、ＣＣＤは標準の１．５倍
の周波数で駆動される。

【００２３】ところが、３倍速のカメラ出力信号を得る
にはＣＣＤＢ１，ＣＣＤＧ１，ＣＣＤＲ１から成る第１
のカメラ系統とＣＣＤＢ２，ＣＣＤＧ２，ＣＣＤＲ２か
ら成る第２のカメラ系統を各々１／２フィールドずつタ
イミングをずらして駆動するとともに、ＣＣＤ１７〜Ｃ
ＣＤ２８の各フォトダイオードに蓄積させる蓄積時間を
標準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。

【００２４】以下、図２を用いてＣＣＤ１７，ＣＣＤ１
９，ＣＣＤ２１から成る第１のカメラ系列とＣＣＤ１８
，ＣＣＤ２０，ＣＣＤ２２から成る第２のカメラ系列の
駆動タイミングおよび信号のタイミングを説明する。 図２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。図２（ｂ），（ｃ）は各々第１のカメラ系列お
よび第２のカメラ系列のＣＣＤ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ド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転送，水平転送を行ないＣ
ＣＤから電圧信号として取り出している。図２（ｄ），
（ｅ）は第１のカメラ系列および第２のカメラ系列のＣ
ＣＤに印加するシャッタ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ようにＣＣＤの基板に
高い電圧のパルスを印加することにより、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期間は
、シャッタ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。信号電荷の蓄積期間は、シャッ
タパルス印加後からＣＣＤの読み出しパルスがＣＣＤに
印加されるまでの期間となる。

【００２５】図２（ｆ），（ｇ）はＣＣＤ１７，１９，
２１つまり第１のカメラ系列およびＣＣＤ１８，２０，
２２つまり第２のカメラ系列の出力信号、すなわちプロ
セス回路（２９）〜（３４）の出力信号である。第１の
カメラ系列と第２のカメラ系列のＣＣＤは相対的に１８
０°の位相を持たせて（１／２フィールドずつタイミン
グをずらせて）駆動している。したがって、第１のカメ
ラ系列と第２のカメラ系列は通常のフィールド周期（Ｎ
ＴＳＣの場合５９．９４Ｈｚ）に対して出力信号は１／
３フィールドずつタイミングがずれて得られる。ただし
、信号電荷の蓄積は第１のＣＣＤ系列→第２のＣＣＤ系
列→第１のＣＣＤ系列と順次変化するように、シャッタ
およびＣＣＤの駆動タイミングを変化させている。ＣＣ
Ｄ１７〜ＣＣＤ２２の出力信号はプリアンプ，プロセス
回路を介して信号処理を施した後、周波数変換器３５に
供給している。周波数変換器３５は３個のフィールドメ
モリおよびメモリ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
への記憶の際は通常の周波数で記憶し（図２（ｆ）（ｇ
）の周波数で記憶し）、メモリから読み出す際は記憶す
る（メモリに書き込む）周波数の２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、第１のカメラ系列、第２のカメラ系列、第１のカ
メラ系列の順に標準の周波数の３倍の周波数の画像を得
ることができる。ＶＴＲ３８では標準の３倍のドラム回
転数および３倍速のテープ走行を行ない、周波数変換器
３５の出力信号をビデオテープに記録する。記録された
ビデオテープを標準速度で再生すれば１／３倍速のスロ
ーモーション画像を得ることができる。

【００２６】このように本発明の実施例のスローモーシ
ョンカメラ装置によれば、被写体像を２系列の撮影素子
に結像させ、それら撮影素子には標準動作速度の１／３
の期間のみ信号電荷を蓄積させ、その出力を標準の３倍
の周波数に変換して標準の３倍で回転するドラムおよび
３倍速度のテープ送りで記録し、そうして記録したテー
プを標準状態で再生し１／３倍速のスローモーション画
像を得る。

【００２７】なお、本実施例では被写体像を３色に分解
した後、その分解された色の被写体像を振幅分離して２
系列の被写体像に分離した場合の説明を行なったが、プ
リズム群により被写体像を振幅分離し、その振幅分離さ
れた被写体像を単板式カメラで撮像しても同様の効果が
得られることは言を待たない。また記録媒体としてＶＴ
Ｒを例に取って説明したが、記録媒体は半導体メモリや
光ディスクのようなものでもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上の実施例から明らかなように、本発
明によれば動的解像度が高く、画像の輪郭が尖鋭で、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ス
ローモーションカメラ装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるスローモーションカメラ装置の構
成を示すブロック図

【図２】同装置における固体撮像素子および映像信号の
タイミングチャート

【図３】同装置において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模式図

【図４】従来の
スローモーションカメラ装置の構成を示すブロック図

【図５】同装置における再生画像を示す模式図

【符号の説明】

２　　撮像レンズ １６　　プリズム群 １７〜２２　　ＣＣＤ固体撮像素子 ３７　　ＣＣＤ駆動パルス発生器，ＣＣＤ駆動回路３６
　　同期信号発生器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被写体像を複数の撮像素子の受光面に結像
   するための撮像レンズと、前記撮像レンズと前記複数の
   撮像素子の結像面の間に前記撮像レンズにより集光され
   た被写体像を複数の像に振幅分離する光学系を備え、前
   記振幅分離された被写体像を前記複数の撮像素子より各
   々時間をずらせて前記被写体像を撮像し、かつ前記撮像
   素子への信号電荷の蓄積時間を前記撮像素子の信号電荷
   転送時間よりも短くしたスローモーションカメラ装置。