ふつうの ビデオカメラは、1びょうに 30まいほど とります。高そく度カメラは、1びょうに 数百から 数まんまい とれる といわれます［4］。

にいがたけんの 研究所にある カメラは、がめんを こまかく しない とき、1びょうに 4000まい。がめんを ちいさく すると、4まん まいを こえます［3］。

4まん まいなら、1まいの 間は 0.000025びょうです。まばたきの 間に、何千コマも とれる ことに なります。

ここで 気に なります。こんな みじかい 時間で、ほんとうに ちゃんと うつる のでしょうか。

ふつうのビデオとくらべる

通常のビデオカメラは1秒に30枚ほどを撮ります。高速度カメラは、1秒に数百枚から数万枚を撮り、あとでスローモーションとして再生して観察する装置だと説明されます［4］。

新潟県工業技術総合研究所の設備は、画面全体を使うと最大で毎秒4,000コマ。画素数を減らした低解像度の設定では、毎秒40,800コマまで撮れます［3］。

1コマの長さを計算する

毎秒4万コマなら、1コマに使える長さは、1÷40,000で0.000025秒、つまり25マイクロ秒です。これは計算で出した上限の値で、実際にカメラが光を受ける時間は、これ以下になります。

25マイクロ秒は、ふつうのビデオの1コマ（約3万3000マイクロ秒）の約1300分の1です。この短さで、像はきちんとできるのでしょうか。

通常のビデオカメラは毎秒30コマ程度で、高速度カメラは毎秒数百〜数万コマを撮影してスロー再生する装置と説明される［4］。新潟県工業技術総合研究所の機器は、フルフレームで最大4,000fps、解像度を下げると40,800fpsで撮影できる［3］。

40,000fpsなら、1コマの間隔は1÷40,000＝25μsである。これは間隔の計算値で、露光時間は間隔以下にしか取れない。毎秒30コマの約33,000μsと比べて約1300分の1であり、同じ明るさの被写体では、受け取る光の時間もそれだけ短くなる。では、その不足をどう埋めるのか。

カメラは、ひかりを あびて 絵を つくります。ひかりを あびる 時間が みじかいと、絵は くらく なります。

たとえば、目を あけて いる 時間が、ほんの 一しゅん だけだと したら、まわりは ほとんど 見えません。それと にた ことが 高そく度カメラの 中で おきます。

10まんコマなら、1コマに つかえる 時間は 10まん分の 1びょう いかです。ひかりを あびる 時間は、それよりも みじかく なります。

だから、強い ライトが いります。にいがたけんの カメラには、250ワットの 強い ライトが ついて いました［3］。ただし、これは その カメラの 場合です。

コマ数が上がるほど、光が足りなくなる

カメラは、レンズから入る光を一定時間ためて、1コマの像をつくります。コマ数を増やすと、その時間が短くなり、受ける光の量も減ります。

露光できる時間は、1コマの間隔より長くできません。毎秒1,000コマなら1,000分の1秒以下、毎秒10万コマなら10万分の1秒（10マイクロ秒）以下です（計算値）。

だから照明が主役になる

光が足りないぶんは、強い照明で補います。新潟県の設備では、250ワットのメタルハライド照明が付属していて、高速撮影はカメラと照明をセットで使う実例になっています［3］。

暗さの壁は、照明で押し返せます。けれど、まだ別の壁があります。撮ったデータを、どこにどれだけ置くのかという問題です。

コマ数を上げると、各コマの露光時間の上限は1/fpsで決まり、受光量も減る。1,000fpsなら1ms以下、100,000fpsなら10μs以下である（計算値）。同じ明るさの被写体なら、露光が短くなったぶん像は暗くなる。

そのため、高速撮影では被写体側の光で補うことになる。新潟県の設備には250Wのメタルハライド照明が付属し［3］、カメラと専用の強い照明を組み合わせて使う運用の一例である。必要な光量の絶対値は機種により異なる。光の問題が片づいても、次に撮った画像をどこへ蓄えるか、という限界が残る。

にいがたけんの カメラは、がめんを こまかく した ときは 1びょうに 4000コマ、がめんを ちいさく すると 4まん コマを こえます［3］。

はやく したい ほど、がめんは こまかく できません。

とれる 長さも みじかいのです。にいがたけんの カメラは、一ばん はやい ときで、2.73びょうしか とれません［3］。

それを ふつうの はやさで 見ると、4000コマ×2.73びょうを 30コマ/びょうで 見るので、およそ 6分に なります。

速さと細かさの引き換え

新潟県の機器は、画面全体を使うと毎秒4,000コマ、画素数を減らすと毎秒40,800コマです［3］。

画面全体を細かく撮ったまま、最高の速さが出るわけではありません。速さを上げるときは、画素数を減らす関係があります。

撮れる時間は、ほんの数秒

新潟県の機器は、メモリ16GBで、フルフレームの最高速度なら撮影できるのは2.73秒です［3］。毎秒4,000コマで2.73秒なら約1万900コマ。これを毎秒30コマで再生すると、約364秒、つまり6分ほどの映像になります。

数秒を6分に延ばして見る。それが高速度カメラの使い方です。では、もっと速い毎秒100万、1,000万コマは、どう実現したのでしょう。

新潟県の機器は、フルフレームで4,000fps、解像度を下げて40,800fpsである［3］。速度を上げるほど画素数を減らす関係があり、全画素のまま最高速度が出るわけではない。

記録時間も短い。新潟県の機器は16GBメモリで、フルフレーム最高速度なら撮影は2.73秒、つまり約1万900コマだ［3］。30コマ/秒で再生すると約364秒（約6分）の映像になる（計算値）。

この「速さ・細かさ・撮れる時間」のやりとりは、メモリ容量と、撮った画像を送り出す速さに縛られているためと考えられる。では、これを根本から変えて毎秒1,000万コマに届いたのはどういう方法か。

ふつうの カメラは、1コマ とる たびに、じょうほうを 外の ぶぶんへ おくります。道が せまいと、おくる のが まに あいません。

しまづせいさくしょと 東北大学は、ちがう 方ほうを 考えました。ひかりを うける チップの 中に、メモリを いれたのです。とって いる 間は、中に ためる だけ。おわって から、ゆっくり 外へ 出します［1］。

たとえば、おもちゃの 工場で、できた ものを 1つずつ 外の そうこへ はこぶと おそく なります。まず 工場の 中に 山づみに して、あとで まとめて はこぶ ような ものです。ただし 本当の しくみは、もっと ふくざつです。

こうして 1びょうに 1000万コマが、とれる ように なりました［1］。ただし、とれるのは ほんの みじかい あいだ だけです。

撮影中は外に出さない

2012年9月、島津製作所は東北大学の須川成利教授らと共同で、高速CMOSイメージセンサ「FTCMOS」を載せたHyperVision HPV-Xを発売しました。最高で毎秒1,000万コマ、従来機HPV-2の10倍の速さです［1］。

通常のセンサは、撮るたびに映像の信号を外の回路へ送り出します。FTCMOSはチップにメモリを内蔵していて、撮影中は信号をチップの中に記録し、撮影後に外へ読み出します。外部回路の制約を受けないので、超高速の撮影ができる、という説明です［1］。

代わりに、撮れる枚数は少ない

代わりの条件もあります。毎秒500万コマまでは10万画素、毎秒1,000万コマでは5万画素になります。記録できる枚数は、FPモードで128枚、HPモード（5万画素）ではダブルメモリ方式で256枚です［1］。

毎秒1,000万コマで256枚ですから、撮れるのは256÷10,000,000で約25.6マイクロ秒分です（計算値）。ごく短い一瞬を、枚数を決めて切り取るカメラです。

従来の構成では、撮るたびに画素の信号を外部回路へ読み出す必要があり、そこが速度の限界になる。島津製作所と東北大学（須川成利教授ら）が共同開発したFTCMOSは、センサチップ自体にメモリを内蔵し、撮影中は信号をチップ内部に記録して、撮影後に外へ読み出す［1］。外部回路の制約を受けないため、HyperVision HPV-X（2012年9月3日発売）は最高毎秒1,000万コマに達し、従来機HPV-2の10倍の速度になった［1］。

ただし、速さの代償は撮れる量に出る。500万コマ/秒までは10万画素、1,000万コマ/秒では5万画素に下がり、記録枚数はFPモードで128枚、HPモードはダブルメモリ方式で256枚である［1］。1,000万コマ/秒で256枚なら、記録できる長さは256÷10⁷≒25.6μsだ（計算値で、出典に書かれた数字ではない）。毎秒30コマで再生すれば約8.5秒で、約33万倍に引き延ばして見ることになる。

しまづせいさくしょは、2005年に 1びょうに 100まんコマの カメラを つくって いました［2］。それでも、もっと はやい カメラを ほしいと 思って いました。

もとの センサは、はやく すると ねつを もち、センサを いためて しまう ことが ありました。

2007年5月、会社の 人が 東北大学の 先生を たずねます。先生は、「1びょうに 1000万コマを こえて、うまく いけば ひやさなくても いい、小さな カメラが できます」と、こたえました［2］。

大学の ぎじゅつと、会社の ねがいが 5年ほどで 1つに なり、せいひんに なりました［2］。

発熱という壁

島津製作所は2005年に、毎秒100万コマ（100万分の1秒をとらえる）のカメラを製品にしていました。ところが、従来のCCDというセンサは、速さを上げると熱が出て、センサを傷めるという問題がありました［2］。

2007年5月の訪問

2007年5月、島津製作所の開発担当者が東北大学の教授を訪ねました。教授が示したのは、毎秒1,000万コマを超えて撮れ、うまくいけば冷却がいらず、コンパクトにもなるCMOSセンサの案でした［2］。

大学のCMOS技術と企業の超高速カメラへの希望が出会って、約5年で製品になりました。ただし、「世界初」といえるかどうかは、JSTや島津の記述に限った話で、ほかの会社との比較には踏みこみません［2］。

島津製作所は2005年に毎秒100万コマの高速度カメラを製品化していたが、CCDは撮影速度を上げると発熱がセンサを傷めるという課題を抱えていた。2007年5月、同社の近藤泰志氏が東北大学の須川教授を訪ね、毎秒1,000万コマを超え、うまくいけば冷却不要でコンパクトなCMOSセンサの案を得た［2］。

大学の技術と、企業の「もっと速く」という要望が結びつき、約5年で製品になった。JST newsはこれを大学のシーズと企業のニーズの出会いとして紹介する［2］。なお「世界初」の表現はJSTと島津の記述にもとづくもので、他社製品との優劣の比較は、ここでは断定しない。

ガラスが われる とき、ひびは 1びょうで 1キロメートルほど 走る といわれます［2］。ふつうの カメラでは、いつ われたのか さえ 分かりません。

1びょうに 1000万コマで とると、1コマの 間に ひびが 進む のは、0.1ミリほど。つまり、まるで 止まって いるように 見えます。

この カメラで はじめて、たんそせんいの かたい ざいりょうが、とつぜん われる ようすも、えいぞうに とれたそうです［2］。

秒速1kmの亀裂を、ゆっくり見る

ガラスが割れるとき、亀裂は秒速1kmほどの速さで進みます。毎秒1,000万コマの映像なら、これが超スローモーションで見えます［2］。

計算すると、1コマは1,000万分の1秒、つまり0.1マイクロ秒です。秒速1,000mなら、1コマの間に進むのは0.0001m、約0.1ミリです。毎秒100万コマだと、約1ミリです。

1,000万コマ/秒は、100万コマ/秒のコマとコマの間に、さらに9コマを挟み込めることに当たります［2］。

前ぶれなく壊れる材料

炭素繊維複合材（CFRP）は、前ぶれなく壊れる材料です。その壊れ方が、はじめて映像でとらえられたと紹介されています［2］。東北大学のプレスリリースも、材料の破断の瞬間は従来の高速度ビデオカメラでは観察できなかった、と述べます［1］。

ガラスの亀裂は秒速1km程度の猛スピードで進むが、毎秒1,000万コマの映像では超スローモーションで見られる［2］。1コマは1÷10⁷＝0.1μsで、1,000m/s×10⁻⁷s＝0.1mm（計算値）。毎秒100万コマなら約1mmとなる。1,000万コマ/秒は、100万コマ/秒のコマの間に9コマを挟めることに当たる［2］。

JSTは、炭素繊維複合材（CFRP）が前ぶれなく破断する過程を、このカメラで初めて映像でとらえたと紹介する［2］。東北大学のプレスリリースも、材料の破断の瞬間は従来の高速度ビデオでは観察できなかったとし、用途として、複合材料の破断、化学強化ガラスの破壊、レーザ加工や放電などのプラズマ応用、インクジェット印刷による電子回路の製作を挙げる［1］。

はやく うごく ものを 見たい、という 気もちは、むかしから ありました。1870ねんだいに、マイブリッジという 人が、馬の 走る ようすを 写真に とりました［5］。

ぎもんは、「馬が 走る とき、4ほんの 足が ぜんぶ 地めんから はなれる ときは あるの？」でした。馬の 足は はやすぎて、目では 見えなかったのです。

マイブリッジは 1870ねんだいの おわりに、カメラを ならべて つづけて とる ことに せいこうした と いわれます［5］。いまの 高そく度カメラは、その 考えを 小さな チップの 中で、何まんばいにも はやく した もの とも いえます。

馬の足は地面を離れるのか

馬が走るとき、4本の足がすべて地面を離す瞬間はあるのか。この論争を決着させるため、カリフォルニア州の元知事スタンフォードの依頼で、マイブリッジは1872年に実験を始めたとされます［5］。

1870年代後半に疾走する馬の瞬間撮影に成功し、その後、12台のカメラを走路と平行に並べた連続撮影に成功したと伝えられます［5］。台数は資料によって、12台とも24台ともいわれます。

動きを分けて見る、という発想

1コマずつ分けて見ると、ふだん見えない動きが見える。高速度カメラの出発点は、この考え方にあります。違いは、マイブリッジがカメラを何台も並べたのに対し、今のカメラは1つのセンサで毎秒数万〜1,000万コマを撮ることです。

高速度カメラの発想の原点は、1870年代のマイブリッジの連続写真に求められる。コトバンクの記述では、疾走する馬の4本の足が地上を離れるかという論争を決着させるため、元カリフォルニア州知事スタンフォードの依頼で1872年に実験を始め、1870年代後半に馬の瞬間撮影、のちに12台のカメラを走路と平行に並べた連続撮影に成功した［5］。カメラの台数は資料により12台とも24台ともいわれるため、ここでは大まかな経緯にとどめる。

マイブリッジは複数のカメラで動きを時間で切り分けた。FTCMOSは1つのセンサの内部にメモリを置き、同じ分割を毎秒1,000万コマで行う。比べているのは、動きを刻む発想だけである。動きを時間で細かく刻んで見るという発想は、ここで読んだ資料に共通している。

スマホに スローモーションの きのうが あれば、ゴムの ボールが ゆかで はねる ところを とって みましょう。まず あかるい まどの そばで、つぎに 部屋の おくで とります。

見くらべて、がめんの あかるさが ちがうか 見て ください。ボールは ゆかに 向けて おとし、人や ものに ぶつけないで ください。

もっと 知りたく なったら、東北大学や しまづせいさくしょの 発表を、おうちの 人と 見て みましょう［1］。

スマホにスローモーション撮影の機能があれば、ゴムのボールが床ではねる瞬間を撮ってみましょう。明るい窓際と、部屋の奥の2か所で撮り、画面の明るさにちがいが出るかを見比べます。

ボールは床に向かって落とし、人や物に当てないように。スマホは落としたり、ぶつけたりしない場所に置きます。

もっと読みたくなったら、東北大学のプレスリリース［1］や、JST newsの開発事例［2］を開いてみてください。

手元でも、スマホのスロー撮影でゴムボールのバウンドを撮り、明るい窓際と室内の奥で画面の明るさを見比べると、露光と光量の関係を体験的に確かめられる。ボールは床へ落とし、人や物に当てない。

資料を読むなら、1,000万コマ/秒の仕様と用途は東北大学のプレスリリース［1］、開発の経緯と映像の事例はJST news［2］が日本語で読める。最高速度の次の世代機（HPV-X2など）がどう変わったかは、さらに調べる価値のある問いだ。