JPH04172790A - 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】 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、更に
詳述するならば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、良好なスローモー
ション画像を得るものである。

従来の技術 スローモーションカメラ装置の従来の技術を簡単に説明
する。

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、それを低速で映像する方法が周知であ
るが、前記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。

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１５．７３
４ＫＨｚフイ一ルド周波数６０Ｈｚ）を速くして、高速
に記録するビデオテープレコーダに記録し、前記、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事に
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
る事は周知である。

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。

第３図において１は被写体、２は撮像レンズ、３は３色
分離プリズム、４〜６は撮像管、７〜９は偏向コイル、
１０〜】２はプリアンプ、１３はプロセスおよびエンコ
ーダ及び周波数変換回路、１４は偏向回路である。番号
２〜１４によりテレビジョンカメラが構成されている。

１５はビデオテープレコーダ（以下ＶＴＲと略す）であ
る。

次に動作を説明する。説明を簡単にするため、前記テレ
ビジョンカメラは標準のテレビジョンカメラの３倍速で
動作する、即ち１７′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１．５．７３４ＫＨｚ、フィールド周波数は
６０Ｈｚ）に比べて、前記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１８０Ｉ（ｚで動作することになる。

通常の３倍の速度で操作を行うため、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、第３図では一方の偏向コイルの図示は省略して
いる。

被写体１からの被写体増は撮像レンズ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象は撮像管の光電変
換膜により光電変換される。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］Ｏ〜２０により増
幅され、プリアンプから赤・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で前記、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ＶＴＲへ供給する。前
記ＶＴＲは３個の記録ヘットを有しており、記録トラム
は通常１倍速のＮＴＳＣ信号を記録する時の回転を行っ
ているが、記録されるテープは通常の３倍速の速度で走
っている。したがって、ＶＴＲのテープ上には通常の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、通常のドラム回転
速度および通常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。

ここでＶＴＲは１個の記録ヘッドを用い、ドラムおよび
テープを通常の３倍速回転及び送行させて記録を行い、
スローモーション再生時には通常の回転およびテープ送
行を行うことにより１／３倍速のスミ−モーション画像
を得る方法もある。

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ボケたスローモー
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のクラブの柄が第４図の如く曲が
って見える欠点を有している。

前記欠点のうち、画像の輪郭がボケる原因は、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ズレるためである。

本発明は、上記欠点を解決し、動的解像度が高く、即ち
画像の輪郭部が尖鋭で、画像の歪のないスローモーショ
ン画像を得るものである。

課題を解決するための手段 本発明では、前記欠点を解決するため、充電変換素子と
して固体撮像素子を用いる。本発明には、充電変換部に
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、垂直及び水平方向の信号電荷の転送
を電荷結合素子を用いた、所１ｃｃＤ固体撮像素子が最
も適している。

前記欠点を解決するための最も簡単な手段としては、第
３図に示した４〜６の撮像管を前記ＣＣＤ固体撮像素子
に置き換えて、前記ＣＣＤ固体撮像素子を通常の３倍速
で駆動する方法がある。

ところが、前記ＣＣＤ固体撮像素子はフォトダイオード
で充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如
くである。−船釣にＮＴＳＣ方式の場合、前記ＣＣＤの
固体撮像素子の垂直方向の画素数は略５００画素、水平
方向の画素数は５００〜８００画素程度であり、通常の
動作速度、即ち転送周波数としては、垂直方向１５．７
３４ＫＨｚであり、水平方向の転送周波数としては５０
０画素では９．５ＭＨｚ、８０画素では１４．３２Ｍ）
ＥＸ程度である。１７′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。即ち垂直方向は４７．
２０２ＫＨｚ、水平方向は２８．５〜４２．９５ＭＨｚ
もの高い周波数で転送を行わねばならない。現状のＣＣ
Ｄ固体撮像素子では、水平方向に前記の如（高い転送周
波数で信号電荷を転送することにには３つの大きな問題
が発生する。

その第一は、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ボ
ケる事である。この画面の水平方向のボケは、画面の左
右方向で大きく異なり、即ち画面の左側では転送段数が
少ない為にボ）Ｔ量が少なく、画面の右側では転送段数
か多い為に１．極端いボケでしまう、第二の問題は、水
平方向に高い周波数の転送を行うと、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Ｓ
Ｎ比を劣化させてしまうことである。第３の問題として
、ＣＣＤ固体撮像素子を前記の如く、高い周波数で駆動
するだめの駆動回路の実現が困ｉである。つまり、水平
転送段は容量性であり、かつ１００ＦＦ以上の容量を有
しているため数十ＭＨｚで、かつ数Ｖ程度の振幅の駆動
パルスをＣＣＤ１：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。

本発明では、ＣＣ０間体撮像素子を高速（通常の駆動速
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。

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、即ちインターライン固体撮像素
子（以降ＩＴ−ＣＣＤと略す）では受光部の全てのフォ
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、画面の上部さ下部とで信号電荷の蓄積
タイミングがズレるとう事はなくなるため、スローモー
ション再生をした場合、第５図の如く自然な画像となる
。つまり、スローモーションカメラにおいては撮像管の
替わりに前記、ＩＴ−ＣＣＤあるいはＦ　ＩＴ−ＣＣＤ
を用いれば、動的解像度が高く、即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。

前記、課題を解決するために本発明では、被写体ｆ象を
撮像素子の受光面に結像させるための１個の撮像レンズ
を有し、前記撮像レンズにより集光された被写体像を赤
、緑、青色光を含む複数の像に分離し、前記分離された
被写体像を複数の撮像素子により撮像し、電気回路処理
により周波数変換を行いＶＴＲへ記録・再生するもので
ある。

作　　　用 上記構成により、本発明は、１個の撮像レンズにより集
光された被写体像を酵記撮像レンズの射出面側に配置さ
れた光分離手段により赤、緑、青色光を含むｎ個の被写
体像に分離し、前記分離された被写体像をｎ個の被写体
像により撮像するものであるが、前記撮像レンズの射出
面側に配置する光分離手段は例えば、プリズム群あるい
は、ハーフミラ−により実現できる。前記、ｎ個の撮像
素子はフォトダイオードへの信号電荷の蓄積時間１　／
　ｎずつ移動して動作させる。つまり、ｎを３とすれば
、被写体像をプリズム群で３個に分割し、３台のカメラ
（撮像素子）に結像させる。前記３台のカメラ（撮像素
子）は通常の周波数で動作させており、かつ、動作タイ
ミングはフィールド走査を行う際１／３周期ずつ移相さ
せている。

また、３台のカメラ（撮像素子）は通常動作の略１／′
３の期間のみフォトダイオードに信号電荷を蓄積させる
ように成している。このようにして得られた３台のカメ
ラ（撮像素子）の出力信号を、ディジタル信号に変換し
、通常の周波数の信号を３倍の周波数に変換し、通常の
３倍速でドラム回転、テープ走行するＶＴＲへ記録し、
前記、記録されたテープを通常の１倍速で再生すれば、
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。

実　　施　　例 以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図において、１は被写体、２は撮像レンズ、１６は
プリズム群、１７〜１９はＣＣＤ固体撮像素子、２０〜
２２はプリアンプ、２３〜２５はプロセス回路、２６は
周波数変換回路、２７は同期信号発生器、２８はＣＣＤ
駆動パルス発生器およびＣＣＤ駆動回路、２９はＶＴＲ
である。被写体ｌ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、前記プリズム群は撮像レンズにより
集光された被写体からの光（被写体像）を略１／３づつ
に分光し、ＣＣＤＡ１７．ＣＣＤＢ１８、ＣＣＤＣ１９
に導き結像させている。

ＣＣＤＡ、ＣＣＤＢ、ＣＣＤＣ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２０．２１．２２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２３，２４．２５に
それぞれ供給され、各種信号処理を施す。各プロセス回
路２３．２４．２５の出力信号は標準の映像信号（テレ
ビジョンカメラ出力信号）七なっている。このようにし
て標準の映像信号（テレビジョンカメラ出力信号）に変
換された信号は周波数変換器２６に供給される。周波数
変換器はメモリーおよびメモリー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１５．７３４ＫＨｚ、垂
直走査周波数６０Ｈｙ、’）を３倍の周波数（水平走査
周波数４７．２０ＫＨｚ、垂直走査周波数１８０比）に
変換するとして説明する。前記周波数変換器出力信号は
ドラム回転数が通常の３倍で回転し、テープ走行速度が
通常の３倍のＶＴＲ２９へ供給され記録される。同期信
号発生器２７は、スローモーションカメラ装置の全てを
同期関係を保って動作させるためのものであり、前記、
同期信号発生器の出力信号は周波数変換器２６、プロセ
ス回路２３，２４．２５およびＣＣＤｇｊＡＣＣＤ駆動
パルス発生器２８９へ供給される。ＣＣＤ駆動パルス発
生器２８の出力信号はプリアンプ２０．２１．２２にも
供給される。ＣＣＤ駆動パルス発生器、ＣＣＤ駆動回路
２８からはＣＣＤの駆動に必要な各種パルスが出力され
ている。ＣＣＤ駆動回路２８の出力信号はＣＣＤＡ１７
．ＣＣＤＢ１８、ＣＣＤＣ１９に供給され、ＣＣＤは標
準の周波数で駆動される。

ところが、１／３倍速のスローモーション画像を得るに
は前記ＣＣＤＡ　−ＣＣＤＢ　−ＣＣＤＣを各々１／３
フイールドずつタイミングをズラして駆動すると共に、
ＣＣＤＡ−ＣＣＤＣの各フォトダイオードに蓄積させる
蓄積時間を通常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。

以下、第２図を用いてＣＣＤＡ−ＣＣＤＣの駆動タイミ
ングおよび信号のタイミングを説明する。

第２図において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
、ＩＦは第１フイールド２Ｆは第２フイールドの期間を
示す。第２図ｂ〜ｄはＣＣＤＡ−ＣＣＤＣ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
を行いＣＣＤから電圧信号として取り出している。第２
図ｅ　−ｇはＣＣＤＡ−ＣＣＤＣに印加するシャッター
パルスのタイミングを示している。ＣＣＤ固体撮像素子
は周知の如＜　ＣＣＤの基板に高い電圧のパルスを印加
する事により、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フォトダイオードに信号電荷を蓄
積する蓄積時間は、前記シャッター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
荷の蓄積時間はシャッターパルス印加後からＣＣＤの読
み出しパルスかＣＣＤに印加されるまでの期間となる。

第２図ｈ−ｊはＣＣＤＡ−ＣＣＤＣの出力信号、即ちプ
ロセス回路２３〜２５の出力信号である。ＣＣＤＡ−Ｃ
ＣＤＣは各々１２０°の位相を持たせて（１／３フイー
ルドずつタイミングをズラせて）駆動している。したか
って、ＣＣＤＡ〜ＣＣＣＤＣの出力信号は１．・′３フ
ィールドずつタイミングがずれて得られる。但し、信号
電荷の蓄積はＣＣＤＡ−ＣＣＤＢ−ＣＣＤＣ→ＣＣＤＡ
と順次変化するように、シャッター及びＣＣＤの駆動タ
イミングを変化させている。ＣＣＤＡ−ＣＣＤＣの出力
信号は周波数変換器２６に供給しでいる。

周波数変換器２６は３個のフィールドメモリ及びメモリ
ー制御回路から構成されており、入力の周波数の出力の
周波数を変換している。つまり、メモリーへの記憶の際
は通常の周波数で記憶しく第３図り、ｉ、ｊの周波数の
状態で記憶し）、メモリーから読み出す際は記憶する（
メモリーに書き込む）周波数の３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、ＣＣＤＡ→ＣＣＤＢ−ＣＣＤＣ→ＣＣＤＡの順に通
常の周波数の３倍の周波数の画像を得ることができる。

ＶＴＲ２９では通常の３倍のドラム回転数および３倍速
のテープ走行を行い、前記、周波数変換器２６の出力信
号をビデオテープに記録する。前記、記録されたビデオ
テープを通常速度で再生すれば１／３倍速のスローモー
ション画像を得ることができる。

本実施例では、第１図に示したようにプリズム群により
分割された被写体像を各々単一のＣＣＤ固体撮像素子で
撮像する場合の説明を行ったが、ＣＣＤＩＷＣＣＤ固体
撮像素子ラーフィルタを配置したものでも効果は同一で
ある。また、プリズム群により被写体像を分割している
が前記プリズム群の出射面に３色分解用プリズム及び３
個のＣＣＤ固体撮像素子を設けた３板式カラーカメラを
配置したものでも同一の効果を得ることかできる。

また、本実施例では、記録媒体としてＶＴＲを例にとっ
て説明したが、他の記録媒体、例えば光ディスクや半導
体メモリーを使用したものでもよい事は言を待たない。

発明の効果 以上、説明したように本発明によれば動的解像度が高く
、画像の輪郭部が尖鋭で、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は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、第２図は固体機イ象素子および映
像信号のタイミングを示すタイミングチャート、第３図
は従来のスローモーションカメラ装置の再生画像を示す
ブロック図、第４図は撮像管を用いて動体を撮像した時
の画像を示す図、第５図はＣＣＤ固体撮像素子を用いて
動体を撮像した時の画像を示す図である。 ■・・・・・・被写体、２・・・・・・撮像レンズ、１
６・・・・・・プリズム群、１７〜１９・・・・・・Ｃ
ＣＤ固体撮像素子、２０〜２２・・・・・・プリアンプ
、２３〜２５・・・・・・プロセス回路、２６・・・・
・・周波数変換回路、２７・・・・・・同期信号発生器
、２８・・・・・・ＣＣＤ駆動パルス発生器及びＣＣＤ
駆動回路、２９・・・・・・ＶＴＲ。 代理人の氏名　弁理士小蝦治明ばか２名区　　　　　　
　　　　　　　　ビ リ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　り稼　
　　　　　　　　　　　　綜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被写体像を撮像素子の受光面に結像するための１個の撮
   像レンズを有し、前記撮像レンズと前記撮像素子の結像
   面の間に前記撮像レンズにより集光された被写体像を赤
   、緑、青色光を含む複数の象に分離し、前記分離された
   被写体像を複数の撮像素子により撮像する事を特徴とす
   るスローモーションカメラ装置。