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発明の名称 二次元撮像素子の駆動制御方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−268446(P2001−268446A)
公開日 平成13年9月28日(2001.9.28)
出願番号 特願2000−72979(P2000−72979)
出願日 平成12年3月15日(2000.3.15)
代理人 【識別番号】100098899
【弁理士】
【氏名又は名称】飯塚 信市
【テーマコード(参考)】
2F065
4M118
5C024
【Fターム(参考)】
2F065 AA06 AA09 AA53 DD06 FF01 FF02 FF09 JJ03 JJ26 MM22 NN11 QQ03 QQ04 QQ12 QQ24 
4M118 AB01 BA10 BA13 CA02 CA17 DA01 DB03 DB07 FA06
5C024 CX12 GY04 GZ18 GZ25 GZ38 GZ39 GZ40 JX09 JX24
発明者 河内 雅弘
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 マトリクス状に配列された複数のフォトセンサと、各フォトセンサの信号電荷を列毎に垂直方向へと転送する複数の垂直シフトレジスタと、各垂直シフトレジスタから転送されてくる信号電荷を水平方向へと転送して外部へと出力する水平シフトレジスタとを有する二次元撮像素子の駆動制御方法であって、垂直シフトレジスタを1水平期間内に複数段転送させる連続垂直転送動作と、水平シフトレジスタを1水平期間内に1水平ライン画素相当段転送させる連続水平転送動作とを、同時並行的に規定水平期間回数だけ繰り返し実行させる、二次元撮像素子の駆動制御方法。
【請求項2】 連続水平転送動作の開始前に1若しくは2以上の段数の垂直転送動作を行ない、かつ連続水平転送動作の開始後に1若しくは2以上の段数の垂直転送動作を行う、請求項1に記載の二次元撮像素子の駆動制御方法。
【請求項3】 連続水平転送動作の開始前に垂直転送動作を行わず、かつ連続垂直転送動作の開始後に2以上の段数の垂直転送動作を行う、請求項1に記載の二次元撮像素子の駆動制御方法。
【請求項4】 マトリクス状に配列された複数のフォトセンサと、各フォトセンサの信号電荷を列毎に垂直方向へと転送する複数の垂直シフトレジスタと、各垂直シフトレジスタから転送されてくる信号電荷を水平方向へと転送して外部へと出力する水平シフトレジスタとを有する二次元撮像素子から撮影画像に相当する信号電荷を読み出す方法であって、不要画像部分に相当する水平ライン帯については、請求項1〜3に記載の二次元撮像素子の駆動制御方法を使用して信号電荷の読み出しを行なう、一方有効画像部分に相当する水平ライン帯については、垂直シフトレジスタを水平ブランキング期間内に1若しくは複数段転送させる連続垂直転送動作と、水平シフトレジスタを1水平期間内に1水平ライン画素相当段転送させる連続水平転送動作とを、交互に規定水平期間回数だけ繰り返し実行させる二次元撮像装置の駆動制御方法を使用して信号電荷の読み出しを行う、二次元撮像素子の画像読出方法。
【請求項5】 マトリクス状に配列された複数のフォトセンサと、各フォトセンサの信号電荷を列毎に垂直方向へと転送する複数の垂直シフトレジスタと、各垂直シフトレジスタから転送されてくる信号電荷を水平方向へと転送して外部へと出力する水平シフトレジスタとを有する二次元撮像素子から撮影画像を読み出し、該読み出した撮影画像に対して画像処理を施すことにより、計測対象量を求める計測方法であって、前記画像処理に必要な撮影画像の読み出し動作は、請求項4に記載の画像読出方法を使用して行われる、計測方法。
【請求項6】 マトリクス状に配列された複数のフォトセンサと、各フォトセンサの信号電荷を列毎に垂直方向へと転送する複数の垂直シフトレジスタと、各垂直シフトレジスタから転送されてくる信号電荷を水平方向へと転送して外部へと出力する水平シフトレジスタとを有する二次元撮像素子と、前記二次元撮像素子の各フォトセンサ,垂直シフトレジスタ,水平シフトレジスタに対し、それぞれ保有する信号電荷を転送させるための転送パルスを生成する転送パルス発生部と、1水平期間内に何行分の画像データを出力するかを示す転送ライン数を指定するための転送ライン数指定部とを備え、前記転送パルス発生部は、各垂直期間の開始時に各フォトセンサの信号電荷を垂直シフトレジスタ側に取り込むための第1の転送パルスを送出する電荷取込用転送パルス送出処理と、各水平期間毎に、各垂直シフトレジスタに対して、前記転送ライン数指定部にて指定された転送ライン数分の第2の転送パルスを送出する垂直転送パルス列送出処理と、各水平期間毎に、前記水平シフトレジスタに対して、1ライン画素数分の第3の転送パルスを送出する水平転送パルス列送出処理と、を実行すると共に、前記垂直転送パルス列送出処理と前記水平転送パルス列送出処理とは同時並行的に実行される、撮像装置。
【請求項7】 第3の転送パルス列の送出開始前に1若しくは2以上の個数の第2の転送パルスを送出し、かつ第3の転送パルス列の送出開始後に1若しくは2以上の個数の第2の転送パルスを送出する、請求項6に記載の撮像装置。
【請求項8】 第3の転送パルス列の送出開始前に第2の転送パルスを送出せず、かつ第3の転送パルス列の送出開始後に2以上の個数の第2の転送パルスを送出する、請求項6に記載の撮像装置。
【請求項9】 転送ライン数指定部は、各水平期間毎の転送ライン数を記憶する転送ライン数テーブルを具備し、各水平期間毎にその期間に対応する転送ライン数を前記転送ライン数テーブルより読み出して転送ライン数の指定を行う請求項6〜8に記載の撮像装置。
【請求項10】 請求項6〜9のいずれかに記載の撮像装置と、この撮像装置より出力された画像データを入力して、所定の画像処理を実施する画像処理装置とを備えてなる計測装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、CCD撮像素子に代表される二次元撮像素子の駆動制御方法に係り、特に、水平シフトレジスタの飽和による画像劣化を回避しつつ、不要画像領域に相当する信号電荷を可及的速やかに排出して、有効画像の高速読み出しを可能とした二次元撮像素子の駆動制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】CCD撮像素子に代表される固体撮像素子では、フォトダイオードやフォトトランジスタ等のフォトセンサを複数個マトリクス状に配列し、各フォトセンサ毎に入射された光情報に比例する信号電荷を蓄積することにより、二次元画像データを生成している。各フォトセンサに蓄積された信号電荷は、インターライン転送方式やフレーム転送方式などの転送方法により一次元の映像信号として外部に出力される。
【0003】図14は、インターライン転送方式型のCCD撮像素子の基本構成を示すもので、m行×n列のマトリクス状に配列された複数個のフォトセンサPhと、これらフォトセンサPhの列毎に配備されるn個の垂直シフトレジスタVR1〜VRnと、各垂直シフトレジスタVR1〜VRnの出力側に配備される水平シフトレジスタHRとを、主要構成として備えている。なお、図中14は出力バッファである。
【0004】各垂直シフトレジスタVR1〜VRnの各転送部(ステージ)には、それぞれその転送部に電荷を転送するフォトセンサPhがm行×n列のマトリクスのどの位置にあるかを示すアドレスが示してある。また水平シフトレジスタHRの各転送部に示される数値は、それぞれその転送部に何列目のフォトダイオードPhからの電荷が転送されるかを示すものである。
【0005】各垂直シフトレジスタVR1〜VRn,水平シフトレジスタHRは、CCD(電荷結合素子)により構成されており、各フォトセンサPh,垂直シフトレジスタVR1〜VRn,水平シフトレジスタHRは、それぞれ図示しない駆動制御部よりビデオ規格に基づくタイミングで与えられる転送パルスTP1(電荷取込パルス),TP2(垂直転送パルス),TP3(水平転送パルス)を受けて、内部に蓄積された信号電荷を転送する。なお、それらの転送パルスTP1,TP2,TP3は、この明細書では便宜的に単一のパルスで表されているが、実際は、単一のパルスで構成されているものではなく、2相、3相、4相と言った多相パルスで構成されるのが通例である。一例としては、各転送パルスの1段の転送に要する多相一組のパルスの期間は、TP1では約7.5μs以上、TP2では約8.0μs以上、TP3では約40ns以上である。
【0006】図15は、上記撮像素子から得られる映像信号のフォーマットを示す。なお図中、1垂直期間毎の映像信号(上段)の1ライン分の出力データには、それぞれそのデータが何ライン目のフォトセンサPhに対応するかを示す数値が、また各水平期間毎の詳細な映像信号(下段)の1画素分の出力データには、そのデータに対応するフォトセンサPhのアドレスが、それぞれ示されている。
【0007】まず最初の垂直期間が開始され、垂直ブランキング期間内に第1の転送パルスTP1が出力される。この転送パルスTP1は各フォトセンサPhに同時に与えられ、それぞれのフォトセンサPhに蓄積された電荷が対応する垂直シフトレジスタVR1〜VRnに一斉に転送される。
【0008】次に、第1の水平期間が開始され、水平ブランキング期間内に、各垂直シフトレジスタVR1〜VRnに第2の転送パルスTP2が与えられる。この転送パルスTP2により、各垂直シフトレジスタVR1〜VRn内の信号電荷は1画素ずつシフトされて、一番先頭の1ライン分の信号電荷(図中、アドレス(1,1)(1,2)・・・(1,n)の画素に対応する電荷)が水平シフトレジスタHR側へと転送される。
【0009】次いで、1水平期間が終了するまでの間に、水平シフトレジスタHRに対し、第3の転送パルスTP3が1水平ライン画素相当数であるn個連続して与えられる。これにより水平シフトレジスタHR内に蓄積された1ライン分の信号電荷は1画素ずつシフトされ、最前方の電荷より順次出力される。
【0010】以下同様にして、各水平期間毎に各垂直シフトレジスタVR1〜VRnに転送パルスTP2が与えられて、1ライン分の信号電荷が水平シフトレジスタHRへと転送された後、水平シフトレジスタHR側にn個の転送パルスTP3が与えられて前記転送された1ライン分の信号電荷が1画素ずつ出力される。この水平期間がm回繰り返されることにより1垂直期間が終了する。
【0011】図16は、上記の動作により生成された二次元画像のデータ構成を示すもので、各フォトダイオードPhに対応する各画素がフォトダイオードの配列状態と同様のマトリクス状に配置された画像データが生成される。
【0012】上記インターライン方式の固体撮像素子を用いた撮像装置は、現行のビデオ規格に伴い、1フィールド分の映像信号を1/60秒の時間間隔で出力するように設定されている。したがってこの現行の方式により出力される映像信号を画像処理装置に取り込んで処理を行う場合、入力された映像信号をリアルタイムで処理しても1秒間に60回の処理を行うのが限度であり、それ以上の高速化は図れないという問題がある。
【0013】特開平10−191176号公報には、一画面分の映像信号をより高速に読み出すことを可能とする技術が開示されている。この公報開示技術にあっては、一画面を構成する信号電荷の中で、不要画像領域に相当する信号電荷については通常よりも高速で読み出す一方、有効画像領域に相当する信号電荷については必要な分解能で読み出すようにしたものである。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】上記の公報開示技術にあっては、不要画像領域に相当する信号電荷を高速に読み出すについて、垂直シフトレジスタを水平ブランキング期間内に複数段転送させる連続垂直転送動作と、水平シフトレジスタを水平ブランキング期間外に1水平ライン画素相当段転送させる連続水平転送動作とを、交互に規定水平期間回数だけ繰り返すと言う手法を採用している。換言すれば、連続垂直転送動作中にあっては、水平シフトレジスタの転送動作は停止され、複数行分の信号電荷は水平シフトレジスタの各ステージにおいて列毎に一括加算される。
【0015】そのため、不要画像領域に輝度の高い画像が存在したり、或いは、一括加算される水平ライン数が多いと、水平シフトレジスタのいずれかのステージにおいて信号電荷が飽和する確率が高くなり、スミヤの発生等により読み出される画像が劣化すると言う問題点が指摘されている。
【0016】この発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、水平シフトレジスタの飽和による画像劣化を回避しつつ、不要画像領域に相当する信号電荷を可及的速やかに排出可能とした二次元撮像素子の駆動制御方法を提供することにある。
【0017】この発明の他の目的とするところは、水平シフトレジスタの飽和による画像劣化を回避しつつ、不要画像領域に相当する信号電荷を可及的速やかに排出して、有効画像の高速読み出しを可能とした二次元撮像素子の画像読出方法を提供することにある。
【0018】この発明の他の目的とするところは、応答速度の速いビジュアル計測(例えば、光切断法を利用した変位計測、三次元計測等)に好適な計測方法を提供することにある。
【0019】この発明の他の目的とするところは、応答速度の速いビジュアル計測(例えば、光切断法を利用した変位計測、三次元計測等)に好適な撮像装置を提供することにある。
【0020】この発明の他の目的とするところは、応答速度の速いビジュアル計測(例えば、光切断法を利用した変位計測、三次元計測等)に好適な計測装置を提供することにある。
【0021】この発明のさらに他の目的又は作用効果については、明細書の以下の記述により、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【0022】
【課題を解決するための手段】この発明の二次元撮像素子の駆動制御方法は、マトリクス状に配列された複数のフォトセンサと、各フォトセンサの信号電荷を列毎に垂直方向へと転送する複数の垂直シフトレジスタと、各垂直シフトレジスタから転送されてくる信号電荷を水平方向へと転送して外部へと出力する水平シフトレジスタとを有する二次元撮像素子を使用することを前提としている。
【0023】ここで、二次元撮像素子には、少なくとも、CCD撮像素子が含まれる。また、『水平』並びに『垂直』の語は、この種の映像信号に関する技術用語にならったもので、物理的な意味での水平並びに垂直ではないことは言うまでもない。
【0024】この発明の要部は、垂直シフトレジスタを1水平期間内に複数段転送させる連続垂直転送動作と、水平シフトレジスタを1水平期間内に1水平ライン画素相当段転送させる連続水平転送動作とを、同時並行的に規定水平期間回数だけ繰り返し実行させる、と言う点にある。
【0025】ここで、『同時並行的に』としたのは、連続垂直転送動作と連続水平転送動作とを1水平期間内において時間帯をずらせて別々に行うようにした従来技術との差異を明らかにするためである。『同時並行的』の態様には、次の二つの態様が少なくとも含まれる。
【0026】第1の態様では、連続水平転送動作の開始前に1若しくは2以上の段数の垂直転送動作を行ない、かつ連続水平転送動作の開始後に1若しくは2以上の段数の垂直転送動作を行う。
【0027】第2の態様では、連続水平転送動作の開始前に垂直転送動作を行わず、かつ連続垂直転送動作の開始後に2以上の段数の垂直転送動作を行う。
【0028】ここで、『連続水平転送動作の開始前』とは、例えば、1水平期間内の前部に位置するブランキング期間が含まれる。
【0029】このような構成によれば、各垂直シフトレジスタにより連続垂直転送される複数個の信号電荷は、水平シフトレジスタ上の2以上のステージに分散重畳して移送される。そのため、画面上の高輝度領域に対応して特定の垂直シフトレジスタの一連のステージに比較的多量の信号電荷が格納されていても、そのような電荷は水平シフトレジスタ上の複数のステージに分散して重畳移送されるので、水平シフトレジスタ上のいずれかのステージにおいて信号電荷が飽和する確率が低くなり、水平シフトレジスタの飽和による画像劣化を回避しつつ、不要画像領域に相当する信号電荷を可及的速やかに排出可能となる。
【0030】次に、この発明の二次元撮像素子の画像読出方法は、マトリクス状に配列された複数のフォトセンサと、各フォトセンサの信号電荷を列毎に垂直方向へと転送する複数の垂直シフトレジスタと、各垂直シフトレジスタから転送されてくる信号電荷を水平方向へと転送して外部へと出力する水平シフトレジスタとを有する二次元撮像素子から撮影画像に相当する信号電荷を読み出すものであることを前提としている。
【0031】この発明の要部は、不要画像部分に相当する水平ライン帯については、先に説明した本発明の二次元撮像素子の駆動制御方法を使用して信号電荷の高速読み出しを行なう一方、有効画像部分に相当する水平ライン帯については、垂直シフトレジスタを水平ブランキング期間内に1若しくは複数段転送させる連続垂直転送動作と、水平シフトレジスタを1水平期間内に1水平ライン画素相当段転送させる連続水平転送動作とを、交互に規定水平期間回数だけ繰り返し実行させる二次元撮像装置の駆動制御方法を使用して信号電荷の読み出しを行う、と言う点にある。
【0032】ここで、『不要画像部分』並びに『有効画像部分』の定義については、予め特定の水平ライン帯をそのように割り付けてもよいし、実際の画像をモニタにて確認後、手動若しくは自動で該当する水平ライン帯をそのように割り付けてもよいであろう。
【0033】このような構成によれば、水平シフトレジスタの飽和による画像劣化を回避しつつ、不要画像領域に相当する信号電荷を可及的速やかに排出して、有効画像を高速に読み出すことが可能となる。
【0034】次に、この発明の計測方法は、マトリクス状に配列された複数のフォトセンサと、各フォトセンサの信号電荷を列毎に垂直方向へと転送する複数の垂直シフトレジスタと、各垂直シフトレジスタから転送されてくる信号電荷を水平方向へと転送して外部へと出力する水平シフトレジスタとを有する二次元撮像素子から撮影画像を読み出し、該読み出した撮影画像に対して画像処理を施すことにより、計測対象量を求めることを前提としている。
【0035】この発明の要部は、前記画像処理に必要な撮影画像の読み出し動作は、先に説明した画像読出方法を使用して行われる、と言う点にある。
【0036】このような構成によれば、応答速度の速いビジュアル計測(例えば、光切断法を利用した変位計測、三次元計測等)が可能となる。
【0037】この発明の撮像装置は、マトリクス状に配列された複数のフォトセンサと、各フォトセンサの信号電荷を列毎に垂直方向へと転送する複数の垂直シフトレジスタと、各垂直シフトレジスタから転送されてくる信号電荷を水平方向へと転送して外部へと出力する水平シフトレジスタとを有する二次元撮像素子と、前記二次元撮像素子の各フォトセンサ,垂直シフトレジスタ,水平シフトレジスタに対し、それぞれ保有する信号電荷を転送させるための転送パルスを生成する転送パルス発生部と、1水平期間内に何行分の画像データを出力するかを示す転送ライン数を指定するための転送ライン数指定部とを備える、ことを前提としている。
【0038】加えて、この発明の要部は、前記転送パルス発生部は、各垂直期間の開始時に各フォトセンサの信号電荷を垂直シフトレジスタ側に取り込むための第1の転送パルスを送出する電荷取込用転送パルス送出処理と、各水平期間毎に、各垂直シフトレジスタに対して、前記転送ライン数指定部にて指定された転送ライン数分の第2の転送パルスを送出する垂直転送パルス列送出処理と、各水平期間毎に、前記水平シフトレジスタに対して、1ライン画素数分の第3の転送パルスを送出する水平転送パルス列送出処理と、を実行すると共に、前記垂直転送パルス列送出処理と前記水平転送パルス列送出処理とは同時並行的に実行される、と言う点にある。
【0039】この発明にあっても、『同時並行的』なる概念には次のような少なくとも2つの態様が含まれる。
【0040】第1の態様においては、第3の転送パルス列の送出開始前に1若しくは2以上の個数の第2の転送パルスを送出し、かつ第3の転送パルス列の送出開始後に1若しくは2以上の個数の第2の転送パルスを送出する。
【0041】第2の態様においては、第3の転送パルス列の送出開始前に第2の転送パルスを送出せず、かつ第3の転送パルス列の送出開始後に2以上の個数の第2の転送パルスを送出する。なお、一般に良く知られているように、この種の二次元撮像素子(例えば、CCD撮像素子等)の第1、第2、及び第3の転送パルスは、それぞれ2相、3相、4相と言った多相パルスで構成されている場合が多い。そのため、このような多相パルス列が使用される場合には、第2及び第3の転送パルスに関して言う『1個のパルス』とは、該当するシフトレジスタを1段転送乃至移送するために必要な多相一組のパルスのことを意味している。
【0042】このような構成によれば、応答速度の速いビジュアル計測(例えば、光切断法を利用した変位計測、三次元計測等)に好適な撮像装置を提供できる。
【0043】この発明の好ましい実施の形態においては、転送ライン数指定部は、各水平期間毎の転送ライン数を記憶する転送ライン数テーブルを具備し、各水平期間毎にその期間に対応する転送ライン数を前記転送ライン数テーブルより読み出して転送ライン数の指定を行う。
【0044】このような構成によれば、転送ライン数テーブルの内容を外部から制御することにより、任意の水平ライン帯に属する画像を水平シフトレジスタを飽和させること無く、高速に読み出すことができる。
【0045】この発明の計測装置は、先に説明した本発明の撮像装置と、この撮像装置より出力された画像データを入力して、所定の画像処理を実施する画像処理装置とを備えてなるものである。
【0046】このような構成によれば、応答速度の速いビジュアル計測(例えば、光切断法を利用した変位計測、三次元計測等)が可能となる。
【0047】
【発明の実施の形態】この発明の一実施例にかかるビジュアル計測装置(例えば、光切断法応用の変位センサ、三次元センサ等)の構成を示すブロック図が図1に示されている。
【0048】同図に示されるように、ビジュアル計測装置100は、二次元画像の映像信号を生成して出力する撮像装置1と、この撮像装置1から出力される映像信号を取り込んで計測に必要な画像処理を実行する画像処理装置2とを、主要構成として備えている。
【0049】撮像装置1は、固体撮像素子としてのCCD撮像素子11(図中「CCD」と略す)と、転送パルス発生部12と、転送ライン数指定部13と、出力バッファ14と、転送ラインテーブル15とを含んでいる。
【0050】画像処理装置2は、撮像装置1からの映像信号をA/D変換するための画像入力部21と、変換処理後のディジタル画像を用いて所定の計測のための画像処理を実施する画像処理部22と、この画像処理結果を外部に出力するための出力部23とを含んでいる。
【0051】CCD撮像素子11は、前記した図14のものと同様の構成を備えるもので、転送パルス発生部12より出力される第1〜第3の転送パルスTP1〜TP3を受けて動作する。すなわち第1の転送パルスTP1が与えられる毎に、各フォトセンサPhに蓄積された信号電荷が垂直シフトレジスタVR1〜VRnに転送され、第2の転送パルスTP2が与えられる毎に、各垂直シフトレジスタVR1〜VRnの蓄積電荷が1画素ずつシフトされて、先頭の1ライン分の信号電荷が水平シフトレジスタHRに転送される。さらに第3の転送パルスTP3が与えられる都度、水平シフトレジスタHRに蓄積された信号電荷が1画素ずつ走査され、先頭の信号電荷が出力バッファ14を介して画像処理装置2へと出力される。
【0052】後に詳細に説明するように、この実施形態の撮像装置1は、1水平期間内に第2の転送パルスTP2を複数個出力することにより、垂直シフトレジスタを1水平期間内に複数段転送させる連続垂直転送動作と、1水平期間内に第3の転送パルスTP3をn個出力することにより、水平シフトレジスタを1水平期間内に1水平ライン画素相当段転送させる連続水平転送動作とを、同時並行的に規定水平期間回数だけ繰り返し実行することにより、不要画像に相当する信号電荷を高速に読み出すことが可能に構成されている。
【0053】転送ライン数指定部13は、1水平期間内に何ライン分の画像データを転送するかを設定するためのもので、設定された転送ライン数は、2ビット構成の転送ライン数信号L1,L2に変換されて、転送パルス発生部4に出力される。
【0054】転送ライン数毎の転送ライン数信号L1,L2のデータ構成が図2に示されている。同図に示されるように、1〜4までの各転送ライン数について、それぞれ「00」,「10」,「01」,「11」のコードが割り当てられており、そのコードの上位ビットがL1として、下位ビットがL2として、それぞれ設定されている。
【0055】転送パルス発生部12における第2の転送パルスTP2の生成部の内部構成が図3に示されている。同図に示されるように、第2の転送パルス生成部には、4個のタイミング発生部121,122,123,124と、各タイミング発生部121〜124からのパルス列を選択的に出力するマルチプレクサ125とが含まれている。
【0056】各タイミング発生部121〜124は、それぞれ1〜4ライン分の転送用に用いられるもので、通常のビデオ規格の水平期間と同じ長さの期間内に、対応する転送ライン数分の第2の転送パルスTP2を出力する。各タイミング発生部121〜124からの転送パルスTP2の出力態様が図4に示されている。なお、先に説明したように、転送パルスTP2は多相パルスで構成されており、図中1個のパルスで表されている部分は、実際は、垂直シフトレジスタを1段転送乃至移送させるに必要な多相一組のパルスを意味している。この例では、転送パルスTP2の1個のパルスに相当する多相一組のパルスの出力期間は約8μs以上が必要であり、通常の垂直ブランキング期間を想定すると、垂直ブランキング期間内には約2個程度のパルスの出力が可能である。
【0057】同図に示されるように、1ライン転送用のタイミング発生部121は、水平ブランキング期間内に1個のパルスを出力する。なお、1個のパルスとは、多相一組のパルスの意味である。以下、同様である。
【0058】2ライン転送用のタイミング発生部122は、水平ブランキング期間内に1個のパルスを、また水平ブランキング期間外に1個のパルスを出力する。
【0059】3ライン転送用のタイミング発生部123は、水平ブランキング期間内に1個のパルスを、また水平ブランキング期間外に2個のパルスを出力する。
【0060】4ライン転送用のタイミング発生部124は、水平ブランキング期間内に1個のパルスを、また水平ブランキング期間外に3個のパルスを出力する。
【0061】マルチプレクサ125は、これらタイミング発生部121〜124の中から転送ライン数信号L1,L2の示す転送ライン数用のタイミング発生部を選択し、その信号の入力経路をCCD撮像素子11への出力経路に接続する。これにより選択されたタイミング発生部の出力パルスが転送パルスTP2として採用され、CCD撮像素子11へと与えられる。
【0062】なお、ここでは図示しないが、第1の転送パルスTP1の生成部も、上記と同様に、各転送ライン数用の4個のタイミング発生部とマルチプレクサとにより構成される。このうち1ライン転送用のタイミング発生部は、通常のビデオ規格に基づくタイミングでパルス信号を1個出力するのに対し、2ライン〜4ライン転送用の各タイミング発生部は、転送ライン数で定まる一画面分の電荷の出力周期毎にパルス信号を1個出力する。マルチプレクサが前記と同様に転送ライン数信号L1,L2に対応するタイミング発生部を選択することにより、そのタイミング発生部の出力パルスが転送パルスTP1として出力され、CCD撮像素子11に与えられる。
【0063】CCD撮像素子11のより具体的な一例の画素配列が図5に示されている。なお、説明の便宜上、画素の大きさは実際よりもかなり誇張して描かれていることに注意されたい。
【0064】同図において、Phは標準的なビデオカメラの視野に対応して垂直方向501行×水平方向700列のマトリクス状に配列されたフォトセンサ群(画素群)の各構成画素、VRは画素群を構成する各画素Phの出力を各列毎に垂直方向へと移送する垂直シフトレジスタ、HRは各列の垂直シフトレジスタVRから移送されてくる電荷を受け取ると共にこれを水平方向へと移送する水平シフトレジスタ、14は水平シフトレジスタHRから移送されてくる電荷を外部へ出力するための出力バッファである。
【0065】画素Phの中で図中白抜きにて表された画素Ph1は光感応画素であり、図中ハッチングにて塗りつぶされて表された画素Ph2はオプティカルブラック画素である。それらの画素Ph1,Ph2はいずれもフォトダイオードを基本とした素子構造を有する。垂直並びに水平シフトレジスタVR,HRはCCDを基本とした素子構造を有する。
【0066】当業者にはよく知られているように、オプティカルブラック画素Ph2とは遮光マスクにより受光不能としたり、受光しても電荷が蓄積されないようにしたり、或いは受光により蓄積された電荷が取り出せないように改変した画素のことで、その出力は受光量に拘わらず常に規定の暗レベルとなる。光感応画素Ph1とはそのような特別の改変を加えていない通常の画素のことで、その出力は受光量に応じた明レベルとなる。
【0067】図5の例では、画素群を構成する画素Phの中で、画面上縁部近傍の12本の水平ライン(水平画素列の意味)に属する画素と画面下縁部近傍の3本の水平ラインに属する画素は全てオプティカルブラック画素Ph2とされている。それら上縁部12本の水平ライン並びに下縁部3本の水平ラインに挟まれた中央部に位置する485本の水平ラインに属する画素Phの大部分は光感応画素Ph1とされている。
【0068】より厳密に言えば、中央部の485本の水平ラインに属する画素Phの中で、画面左縁部近傍の3本の垂直ライン(垂直画素列の意味)に属する画素Phと画面右縁部近傍の40本の垂直ラインに属する画素Phは全てオプティカルブラック画素Ph2とされている。それら左縁部3本の垂直ライン並びに右縁部40本の垂直ラインに挟まれた中央部に位置する657本の垂直ラインに属する画素Phは全て光感応画素Ph1とされている。
【0069】同CCD撮像素子(ビデオカメラ用)における光感応画素領域とオプティカルブラック画素領域との関係が実際の画面縦横比で図6に示されている。同図に示されるように、光感応画素領域(486行×657列)は、受光面全体(501行×700列)の大部分を占めていることが理解される。
【0070】今仮に、ビジュアル計測装置100に必要とされる光像が、図6に示される受光面上において、202〜301ラインの水平ライン帯(点線にて囲まれた領域)に存在するものと想定する。この場合、同図に記述されているように、受光面上の202〜301ラインの100ラインが有効画像領域とされ、1〜201ラインの201ライン並びに302〜501ラインの200ラインが前段及び後段の不要画像領域とされる。応答性の良好なビジュアル計測装置を実現するためには、このような一画面分の画像データ(信号電荷)を、有効画像領域のデータを壊すことなく、できる限り速やかに読み出す必要がある。
【0071】そこで、この実施形態においては、以下に詳細に説明するように、不要画像領域に相当する水平ライン帯(1〜200ラインの200ライン並びに302〜500ラインの199ライン)については、第1のCCD駆動制御方法を使用して信号電荷の高速読み出しを行なう。一方、有効画像部分に相当する水平ライン帯(201〜301ラインの100ライン)については、第2のCCD駆動制御方法を使用して信号電荷の読み出しを行う。水平ライン201および501については、これらは不要画像領域の最後尾に位置するので、水平シフトレジスタHRの電荷を一掃するために、第2のCCD駆動制御方法を使用する。
【0072】ここで、第1のCCD駆動制御方法では、垂直シフトレジスタを1水平期間内に4段転送させる連続垂直転送動作と、水平シフトレジスタを1水平期間内に1水平ライン画素相当段転送させる連続水平転送動作とを、同時並行的に規定水平期間回数だけ繰り返し実行させる。これに対して、第2のCCD駆動制御方法では、1水平ラインづつ或いは複数ラインを列毎に加算して出力する二次元撮像装置の駆動制御方法を使用して信号電荷の読み出しを行う。
【0073】図6に示した画像に対する転送ライン数テーブル15の設定例が図7に示されている。同図に示されるように、この転送ラインテーブル15には、何度目の水平期間であるかを示す水平期間カウンタ値に対応させて、それぞれその水平期間における転送ライン数の設定値が、転送ライン数信号L1,L2の形式により記憶されている。
【0074】この例は、有効画像領域に対応する映像信号を1ラインずつ転送し、他の背景等の不要画像領域に対応する映像信号を4ラインずつ転送するように設定した例であって、カウンタ値0〜49の50回の水平期間における転送ラインを4ラインとした後、つぎのカウンタ値50〜150の101回の水平期間における転送ラインを1ラインとし、カウンタ値151〜200番目の50回の水平期間における転送ラインを再び4ラインに設定している。
【0075】図1に戻って、転送ライン数指定部13は、各水平期間毎に転送ライン数テーブル15に記憶された各転送ライン数信号L1,L2の設定値を読み込んで、各転送ライン数信号をその設定値に応じたレベルに設定し、転送パルス発生部12に出力する。転送パルス発生部12は、転送ライン数テーブル15にセットされた水平期間カウンタのMAX値(図7及び図8では「201」)に基づき第1の転送パルスの出力タイミングを設定する(すなわちビデオ規格の垂直期間の2/5の時間間隔で転送パルスTP1を出力することになる)。
【0076】この後、転送パルス発生部12は、各水平期間毎に、転送ライン数指定部13より与えられた転送ライン数信号L1,L2に基づき第2の転送パルスTP2の出力回数を設定して、CCD撮像素子11に対する一連の制御を実施する。
【0077】なお、画像処理装置2は、必要に応じて画像処理部22より転送ライン数テーブル15の各転送ライン数を設定するように構成される。
【0078】図1の撮像装置1におけるCCD撮像素子11に対する1垂直期間内の動作制御の手順が図8のフローチャートに示されている。一連の動作は、転送ライン数指定部13に内蔵される水平期間カウンタLCの値に基づき行われる。
【0079】垂直期間が開始されると、水平期間カウンタLCがリセットされた後(ステップ801)、転送パルス発生部12より各フォトセンサPhに対する転送パルスTP1が出力される(ステップ802)。
【0080】垂直ブランキング期間が終了して第1番目の水平期間が開始されると(ステップ803)、転送ライン数テーブル15より水平期間カウンタLCの値(最初は『0』)に対応する転送ライン数信号L1,L2の設定値を読み出して、転送パルス発生部12に出力する(ステップ804)。
【0081】次に、転送パルス発生部12は、転送ライン数信号L1,L2に応じてマルチプレクサ125を切り換えることにより、1水平期間内に設定された転送ライン数分の転送パルスTP2を生成し、CCD撮像素子11の各垂直シフトレジスタVR1〜VRn(図14参照)へと出力する。この処理により、各垂直シフトレジスタVR1〜VRnから水平シフトレジスタHRに、それぞれ転送パルスTP2の数分の信号電荷が転送される(ステップ805)。
【0082】同時に、転送パルス発生部12は、水平シフトレジスタHRに対し、第3の転送パルスTP3を1水平ライン分の画素数nだけ生成して出力する。これによりステップ805で水平シフトレジスタHRに転送された信号電荷が1画素ずつシフトされ、先頭より順に出力される(ステップ806)。すなわち、ステップ805の転送パルス(TP2)の送出処理とステップ806の転送パルス(TP3)の送出処理とは、同時並行的に実行される。
【0083】以下、各水平期間毎に上記ステップ804〜807の処理が繰り返し実行されることにより、水平期間カウンタLCの値が歩進されてゆき、水平期間カウンタLCの値が転送ライン数テーブルのMAX値に達した段階で、ステップ808が「YES」となり、1垂直期間が終了する。
【0084】上記手順が図7の転送ライン数テーブルの設定値に基づき行われた場合の映像信号の出力態様が水平期間カウンタLCのカウント値並びに転送パルス列(TP1,TP2,TP3)と関連づけて図9に示されている。なお、それらの転送パルスTP1,TP2,TP3は、便宜的に単一のパルスで表されているが、実際は、単一のパルスで構成されているものではなく、2相、3相、4相と言った多相パルスで構成されるのが通例である。一例としては、各転送パルスの1段の転送に要する期間は、TP1では約7.5μs以上、TP2では約8.0μs以上、TP3では約40ns以上が必要である。
【0085】垂直期間が開始された後、最初の水平期間では水平期間カウンタLCの値が「0」であるから、転送ライン数テーブル15によれば、転送ライン数信号L1は「1」,L2は「1」にそれぞれ設定されている(すなわち転送ライン数は「4」となる)。したがって、このカウント値「0」の水平期間では、図10(a)に示されるように、水平ブランキング期間内に1個及び水平ブランキング期間以外に3個の垂直転送パルスTP2が出力される。一方、2〜4個目の垂直転送パルスTP2が出力される時点では、既に、水平転送パルスTP3の出力が開始されている。そのため、各垂直シフトレジスタVR1〜VRnよりそれぞれ出力される4画素分の信号電荷は、水平シフトレジスタHRの一連のステージへと1画素ずつ4つに分散して格納されることとなり、同一垂直シフトレジスタの電荷同士が相互に加算される事態が回避される。その結果、画面の一部に局部的高輝度領域が存在したり、或いは多数の水平ラインを1水平期間に連続的に出力した場合にも、水平シフトレジスタの特定ステージで電荷飽和の生ずる確率が低くなり、水平シフトレジスタの飽和による画像劣化を回避しつつ、不要画像領域に相当する信号電荷を可及的速やかに排出できることとなる。
【0086】以下、カウンタLCの値が49に達するまで転送ライン数信号L1,L2の値は保持されるから、この50回の水平期間毎に前記ステップ804〜807の処理を実施することにより、4ライン分ずつの映像信号が分散重畳された信号が出力される。これにより前段不要画像領域については、ライン数を標準画像の1/4の51本に減縮された画像データとして高速に読み出すことができる。
【0087】次の水平期間が開始されてカウンタLCが50になったとき、転送ライン数テーブル15の転送ライン数信号L1,L2の設定値がいずれも「1」から「0」に切り替わる。これを受けてこの水平期間では、図10(b)に示されるように、転送パルス信号TP2が1個だけ発生し、各垂直シフトレジスタVR1〜VRmからはそれぞれ1画素分の信号電荷が単独で出力される。
【0088】以下、カウンタLCが149に達するまで、転送ライン数信号L1,L2の設定値が固定されているので、50回目〜150目の計101回の水平期間においては、標準画像と同様の形態の映像信号が出力される。これにより有効画像領域について標準画像の解像度が維持された画像データが生成される。
【0089】次に、カウンタLCが151になると、転送ライン数テーブル15の転送ライン数信号L1,L2の設定値が再びいずれも「1」に復帰する。これを受けて、転送パルス発生部12は、再び各水平期間毎に4個の転送パルスTP2を出力するので、この水平期間では、4ライン分の映像信号が分散重畳された信号が、1ライン分の映像信号として出力される。
【0090】以下、カウンタLCがMAX値の201になるまで、同様の形態の映像信号が出力されることにより、後段不要画像領域についても、ライン数を標準画像の1/4の50本に減縮された画像データとして高速に読み出すことができる。
【0091】上記処理により生成された画像データが画像処理装置2に取り込まれると、画像処理部22は、有効画像領域の画像データに対し、例えば、2値化処理,エッジ抽出処理などの手法を用いて画像上の対象物を抽出した後、抽出された対象物について、面積,重心位置などの特徴量を計測する。
【0092】このとき、前段並びに後段の不要画像領域の合計401ライン分の画像データが通常の約4分1の時間で取り込まれるので、画像入力にかかる時間が大幅に短縮され、処理効率が向上する。しかも、水平シフトレジスタHR上で電荷が飽和することがないため、飽和によるスミヤ発生により有効画像領域の画像が劣化する虞もない。加えて、詳細な処理が必要な有効画像領域については、通常のビデオ規格で生成された画像データと同様の解像度の画像データを取得できるので、計測処理の精度を維持できる。
【0093】その後、さらに必要に応じてこの計測結果をあらかじめ設定された基準値と比較して対象物の良否を判定する。この計測結果や判定結果は、出力部23を介してモニタなどの外部装置に出力される。
【0094】なお上記の実施例は、いずれの水平期間で転送ライン数を切り換えるかが既知であることを前提としているが、この切り換え時期が不明な場合、画像処理装置2側に通常のビデオ規格により生成された標準画像を取り込んで、前記転送ライン数テーブルの各設定データを作成すればよい。
【0095】図11は、制御処理装置2に取り込まれた標準画像をモニタに表示させて、オペレータが画像上で転送ラインの切換え位置を指定することにより転送ライン数の設定データを作成する手順を示す。なおここでは、前記の例と同様に、計測対象となる有効画像領域に対応する画像データは1ラインずつ転送し、不要画像である背景等の画像データは4ラインずつ転送するように設定するものとする。
【0096】まず撮像装置1を通常モードに設定して、所定の観測位置に位置決めされた対象物のモデルを撮像する。この場合、転送ライン数指定部13により指定される転送ライン数は「1」となるから、転送パルス発生部4からは、ビデオ規格に基づくタイミングで転送パルスTP1が出力されるとともに、各水平ブランキング期間毎に、単独の転送パルスTP2が出力される。
【0097】この結果、各水平期間毎に1ライン分の映像信号が出力されて、順次、制御処理部の画像入力部21に入力されるもので、取り込まれた画像信号は順次A/D変換されて図示しない画像メモリに格納されるとともに、図示しないモニタ上に出力される(ステップ1101)。
【0098】1フレーム分の映像信号により、モニタに対象物の画像が表示されると、オペレータは、この表示された画像上で、マウスなどのポインティングデバイスを用いて計測領域の上限位置および下限位置を指定する(ステップ1102)。図12は、この指定操作画面の一例を示すもので、対象物の画像が位置する上限および下限の各座標位置V1,V2が指定されている。
【0099】次に、画像処理部22は、この指定された座標位置V1,V2を取り込んだ後、1フィールド分の標準画像上で、これら座標V1,V2に対応する座標を認識し、これら座標間の領域を計測対象である有効画像領域として、またこの計測領域の上方および下方の各領域を前段及び後段の不要画像領域として、それぞれ設定する。さらに画像処理部22は、有効画像領域について領域内のライン数分の水平期間を、前段並びに後段の不要画像領域背景の領域についてそれぞれ領域内のライン数の4分の1の水平期間を、それぞれ設定した後、各領域毎に、その水平期間の設定数分の水平期間カウンタ値を確保して、それぞれのカウンタ値に前記設定した転送ライン数を対応づけし、転送ライン数テーブルを作成する。(ステップ1104)。
【0100】こうして作成された転送ライン数テーブルは、撮像装置1側へ転送される(ステップ1105)。これにより以後、撮像装置1を計測モードに切り換えることにより、撮像装置1は、転送されたテーブルの設定値に基づき、前記図8のフローチャートと同様の手順で動作する。
【0101】図13は、画像処理部22により画像上の転送ライン数の切換え位置を自動的に抽出するようにした場合の制御手順を示す。なおこの例についても、前記と同様、有効画像領域に対する転送ライン数を「1」に、前段並びに後段の不要画像領域に対する転送ライン数を「4」に、それぞれ設定することを前提として説明する。
【0102】まず、撮像装置1を通常モードに設定して対象物を撮像し、出力された標準画像の映像信号を入力する。入力された映像信号は、画像入力部21で順次A/D変換され、画像メモリ内に格納される(ステップ1301)。
【0103】画像メモリに1フレーム分のディジタル画像が格納されると、画像処理部22は、このディジタル画像を所定のしきい値で2値化処理し、たとえば対象物の画像を黒画素、背景の画像を白画素とする2値画像を生成する(ステップ1302)。
【0104】次に、画像処理部22は、2値画像上の各ラインを順次走査して対象物を示す黒画素をサーチし、画像上の対象物の位置する上限および下限位置を特定した後、その特定された座標位置に基づき、有効画像領域と不要画像領域とを設定する(ステップ1303)。
【0105】この後、画像処理部22は、前記と同様にして、転送ライン数テーブルを作成し、これを撮像装置1へと転送する(ステップ1304〜1306)。
【0106】このように撮像装置1を通常モードに設定して得られた対象物の画像上で計測領域を設定し、その設定結果に基づき転送ライン数テーブルを自動生成することが可能であるので、計測対象の大きさや形状に応じて撮像装置1の動作態様を自在に設定でき、汎用性の高い装置を提供することができる。
【0107】なお、本発明においては、1水平期間内に出力される複数の垂直転送パルスTP2は、全て水平ブランキング期間外に出力するようにしてもよい。また、水平ブランキング期間に出力されるパルスTP2(実際には多相パルス)の個数は2個以上でもよい。
【0108】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、この発明の二次元撮像素子の駆動制御方法は、垂直シフトレジスタを1水平期間内に複数段転送させる連続垂直転送動作と、水平シフトレジスタを1水平期間内に1水平ライン画素相当段転送させる連続水平転送動作とを、同時並行的に規定水平期間回数だけ繰り返し実行させるものであるから、水平シフトレジスタの飽和による画像劣化を回避しつつ、不要画像領域に相当する信号電荷を可及的速やかに排出可能なる。
【0109】そのため、水平シフトレジスタの飽和による画像劣化を回避しつつ、不要画像領域に相当する信号電荷を可及的速やかに排出して、有効画像の高速読み出しを可能とした二次元撮像素子の画像読出方法、応答速度の速いビジュアル計測(例えば、光切断法を利用した変位計測、三次元計測等)に好適な計測方法、応答速度の速いビジュアル計測(例えば、光切断法を利用した変位計測、三次元計測等)に好適な撮像装置、さらには、応答速度の速いビジュアル計測(例えば、光切断法を利用した変位計測、三次元計測等)に好適な計測装置を提供することが可能となる。




 

 


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