JP3599239B2 - Displacement sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光切断法を利用して物体の変位を計測し、その計測値をそのまま出力したり、或いは計測値と基準値との比較結果等を出力する変位センサに係り、特に、受光素子として細長い視野を有する二次元撮像素子を使用することにより、多様な計測を可能とした変位センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
光学式変位センサのセンサヘッドの光学系の従来例が図28に示されている。同図において、500はセンサヘッド部、501は光切断法における切断光を発するレーザダイオード、502は切断光の断面を線状にするためのスリット、503は投光レンズ、504は受光レンズ、505はPSDや一次元CCD等で構成される受光素子、600は計測対象物体、700はステージ、SPは計測対象物体600上の計測対象位置に形成された切断光の照射光像(線状輝線)である。
【0003】
このように従来の光学式変位センサの受光素子505としては、PSDや一次元CCDと言った一次元情報しか取得できない素子が使用されていたため、計測対象物体の領域計測を行うためには、図29に示されるように、センサヘッド500と計測対象物体600との間で相対移動を行わせるための複雑な走査機構が必要となり、コストアップに繋がると言う問題点が指摘されていた。
【0004】
昨今、受光素子として二次元撮像素子を使用する光学式変位センサも提案されてはいるが、斯かる変位センサで使用される二次元撮像素子としては、コストダウンの観点よりデジタルカメラやビデオカメラ等に使用される普及型の2次元CCDが使用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
変位センサの受光素子として二次元CCDを使用する場合、変位計測方向については精度乃至分解能を高めるために多くの画素数(例えば、数百画素程度)が必要であるが、計測方向と直交する方向については比較的に少ない画素数(例えば、数十〜百数十画素程度)で足りる。
【0006】
しかし、この種の普及型二次元CCDの画素配列は、図30に示されるように、縦横共に数百〜数千画素(縦横比3対4)もあるため、必然的に一回の撮影毎に受光電荷を読み出すのに時間が掛かり、その結果、計測応答性が悪くなると言う問題点がある。尚、OBはオプティカルブラック領域である。
【0007】
より高速な撮影を可能とするための一つの解決策として、発明者等はそのような計測用の細長い長方形視野に合うような、水平ライン総数の少ない(例えば、60〜70本程度)CCD撮像素子をこの用途のために製作して使用することの可能性を検討した。しかし、このようなCCD撮像素子は特注品となるため、開発費が大きいことに加えて、開発期間も長く、コストアップとなることは避けがたいことが判った。
【0008】
この発明は、上述の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、細長い視野から必要な解像度で高速に画像データを取得して高速応答で多様な計測処理を実施することができ、しかも低コストに製造が可能な変位センサを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明の変位センサは、切断光の照射光像を有する計測対象物体表面を計測対象変位に応じて光像位置が変化して見える角度から撮影する撮像部と、撮像部から得られる画像を処理することにより、計測対象変位を算出する画像処理部とを具備する。
【0010】
撮像部には、標準的な撮像装置の視野に対応してマトリクス状に配列された受光画素群、各列の垂直シフトレジスタ、並びに、各列の垂直シフトレジスタの出力を先頭から順に受け取る水平シフトレジスタを有し、かつ前段オプティカルブラック画素領域と後段オプティカルブラック画素領域とを設けることにより、それらに挟まれるようにして、総水平ライン幅よりも十分に幅の狭い特定水平ライン帯に光感応画素領域を形成してなる二次元撮像素子と、指令された電荷転送仕様に基づいて、受光画素群から各列の垂直シフトレジスタへの電荷取込動作、垂直シフトレジスタの転送動作、水平シフトレジスタの転送動作を制御する駆動制御部、とが含まれている。
【0011】
画像処理部には、撮像部の駆動制御部に対して画像処理内容に応じた電荷転送仕様を与える電荷転送仕様指令手段が含まれている。
【0012】
『標準的な撮像装置』には、少なくとも、一般用のデジタルスチルカメラやビデオカメラ等が含まれる。現行製品について見ると、デジタルスチルカメラ用の二次元撮像素子の一例としては、垂直方向788画素×水平方向1077画素の受光画素配列を有するものが存在する。同様にして、ビデオカメラ用の二次元撮像素子の一例としては、垂直方向500行×水平方向500〜700列の受光画素配列を有するものが存在する。
【0013】
『十分に幅の狭い』とは、本発明素子が使用される変位センサの細長い長方形視野を考慮して定義したものである。変位センサに必要な視野を想定すると、特定水平ライン帯を構成するライン本数は水平ライン総数の約20%以下で足りることが多い。このような細長い視野を長手方向の解像度を維持しつつ高速に撮影できれば、光切断法を基本原理とする変位センサの撮像素子として極めて好適なものとなる。
【0014】
『オプティカルブラック画素』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受光画素のことで、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。一方、『光感応画素』とは、そのような特別の改変を加えていない通常の受光画素のことで、その出力は受光量に応じた明レベルとなる。
【0015】
以上の構成によれば、光感応画素領域に属する受光画素群は、撮影対象となる細長い被写体領域からの光像に感応して受光量に対応した電荷を生成する。前段および後段オプティカルブラック画素領域に属する受光画素群は、撮影対象となる細長い被写体領域以外から到来する光像には感応しないから、電荷を全く又は殆ど生成しない。
【0016】
各列の垂直シフトレジスタのステージのうちで、光感応画素領域に位置するステージには受光量に対応した電荷が転送格納される。前段および後段オプティカルブラック画素領域に位置するステージには全く又は殆ど電荷が転送格納されない。
【0017】
したがって、駆動制御部が動作し、前後オプティカルブラック画素領域に続いて光感応画素領域からの電荷が全て読み出された時点で、後段オプティカルブラック画素領域からの電荷の全部または一部について読み出しを省略するか高速に読み出すことにより、1画面分の電荷の読み出し所要時間を短縮し、コマ撮り周期を短縮して高速撮影を行うことが可能となる。加えて、二次元撮像素子それ自体は既存の素子に軽微な改造を加えるだけであるから、低コストに製造可能であり、撮像装置全体の価格を押し上げることもない。
【0018】
好ましい実施の形態では、計測対象物体表面に切断光の照射光像を形成するための切断光は断面線状の光線とされる。これにより、撮像素子の受光面上には、計測方向と直交する方向(投光光軸及び受光光軸を含む平面と直交する方向)へ延びる線状の光像(輝線)が描かれるから、領域計測に必要な情報を確実に得ることができる。
【0019】
好ましい実施の形態では、特定水平ライン帯が水平シフトレジスタに近接して配置された二次元撮像素子が使用される。
【0020】
水平シフトレジスタと特定水平ライン帯(光感応画素領域)との間に挟まれて存在する前段オプティカルブラック画素領域については、全ラインを一纏めにするにせよ、或いは複数ライン毎に何回かに分けるにせよ、その全てを必ず水平シフトレジスタに読み出さねばならない。したがって、前段オプティカルブラック画素領域のライン総数が少ないほど、有効画像読み出し開始に至る時間が短縮化される。また、十分に幅の狭い特定水平ライン帯が水平レジスタに近接して配置されているので、電荷読み出し時間の発生しない後段オプティカルブラック画素領域が水平ライン総数の大部分を占めることになり、1画面分の電荷の読み出し所要時間が大幅に短縮される。
【0021】
好ましい実施の形態では、特定水平ライン帯のライン総数が、水平ライン総数の20%以下または10%以下である二次元撮像素子が使用される。
【0022】
好ましい実施の形態では、受光画素群の配列が、デジタルスチルカメラ、或いはTV又はHDTVカメラの視野に対応したものとなっている。
【0023】
好ましい実施の形態では、オプティカルブラック画素が、光電変換素子を遮光マスクで覆った構造、光電変換素子を動作不能化した素子構造、および/または、光電変換素子から垂直シフトレジスタへの電荷転送路を切断した構造を有する二次元撮像素子が使用される。
【0024】
好ましい実施の形態では、二次元撮像素子の水平ラインが、計測対象変位に応じて二次元撮像素子上の光像位置が変化する方向に向けられている。
【0025】
このような構成によれば、計測対象変位に応じて二次元撮像素子上の光像位置が変化しても広い範囲に亘って光感応画素で光像を受けることができるので、変位センサの計測可能な変位範囲として大きな範囲を得ることができる。
【0026】
断面線状の計測光を使用する場合の好ましい実施の形態では、二次元撮像素子の水平ラインが、計測対象変位に応じて二次元撮像素子上の光像位置が変化する方向に対して垂直な方向に向けられている。
【0027】
このような構成によれば、断面線状の照射位置に沿った長い領域を視野に収めることができるので、この長い領域における高さの分布を一挙に測定することができる。
【0028】
本発明の変位センサにおいて、画像処理部から指令される電荷転送仕様の内容としては、様々なものが考えられる。
【0029】
電荷転送仕様の1つでは、毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタの転送と水平シフトレジスタの転送とを適宜に連繋して外部に読み出させる光感応画素領域対応処理とを、後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理を途中に挟むことなく繰り返す。このような電荷転送態様によれば、後段オプティカルブラック画素領域対応処理を行わない分だけ、1画面読出周期を短縮することができる。
【0030】
すなわち、駆動制御部が動作すると、前段オプティカルブラック画素領域に続いて光感応画素領域からの電荷が全て読み出された時点で、後段オプティカルブラック画素領域からの電荷読み出しを待つことなく、直ちにシャッタを開いて上書き露光が行なわれ、以後、前段オプティカルブラック画素領域および光感応画素領域からの電荷読み出しと後段オプティカルブラック画素領域からの電荷に対する上書き露光とが繰り返される。
【0031】
このとき、光感応画素領域の電荷を全て読み出してしまうと、後段オプティカルブラック画素領域に属する垂直シフトレジスタの各ステージの電荷は殆どゼロの状態となるから、その上から上書き露光を行っても、実質的に二重撮りの問題は生じない。
【0032】
そのため、後段オプティカルブラック画素領域の電荷読み出しを行わない分だけ1画面分の電荷の読み出し所要時間を短縮することで、コマ撮り周期を短縮して一層の高速撮影を行なうことが可能となる。
【0033】
上述の電荷転送仕様において、前段オプティカルブラック画素領域対応処理は、1水平期間内に複数段の連続垂直転送を行う動作を、1の水平期間に、若しくは2以上の水平期間に亘り繰り返し、行わせる処理を含むことができる。このとき、1水平期間内に複数段の連続垂直転送を行なう動作を、水平シフトレジスタの転送を当該水平期間中に亘り停止したままで行なうようにしてもよい。これにより、前段オプティカルブラック画素領域から得られる不要画像を水平シフトレジスタへと高速に排出することができる。上述の電荷転送仕様において、光感応画素領域対応処理は、1若しくは2以上の段数の連続垂直転送動作と1水平ライン画素数に相当する段数の連続水平転送動作とを、1水平期間内において時間帯を前後にずらして行わせる処理を含むことができる。これにより、目的とする1若しくは複数ラインの落とし込み完了毎に、蓄積された電荷が映像信号中に出力されるため、映像信号に基づく画像処理が簡単となる。
【0034】
好ましい実施の形態では、二次元撮像素子の水平ラインが、計測対象変位に応じて二次元撮像素子上の光像位置が変化する方向に向けられており、画像処理部から指令される電荷転送仕様の内容が、毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタの転送と水平シフトレジスタの転送とを適宜に連繋して外部に読み出させる光感応画素領域対応処理とを、後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理を途中に挟むことなく繰り返すものであり、それにより、後段オプティカルブラック画素領域対応処理を行わない分だけ、1画面読出周期を短縮するようにされる。
【0035】
加えて、光感応画素領域対応処理は、2以上の段数の連続垂直転送動作と1水平ライン画素数に相当する段数の連続水平転送動作とを、1水平期間内において時間帯を前後にずらして行わせる処理を含む。
【0036】
このような電荷転送仕様によれば、二次元撮像素子の内部で複数の水平ラインに現れた光像位置情報の平均化処理を高速に行うことができる。この処理を計測対象物体表面が粗面であることの影響やノイズの影響を除去するために利用すれば、高精度な変位計測を安定して行うことができる。
【0037】
上の場合に、光感応画素領域対応処理は、1若しくは2以上の水平期間に亘り水平転送動作を停止させ、その間に光感応画素領域の全水平ラインの電荷を水平シフトレジスタに一括転送して、同一垂直列同士で画素電荷を重畳させるものとすることができる。これにより、光感応画素領域の全ライン一括平均化処理を二次元撮像素子内で行うことができる。すなわち、二次元撮像素子から水平シフトレジスタの内容が1回の撮像につき1回出力され、出力された信号のピーク位置が光感応画素領域に対応する計測対象物体表面の高さまたは変位の平均値を表している。
【0038】
電荷転送仕様の他の1つでは、毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと高速に落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタの転送と水平シフトレジスタの転送とを適宜に連繋して外部に読み出す光感応画素領域対応処理と、後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと高速に落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理とを、繰り返し実行する。
【0039】
このような電荷転送仕様においては、駆動制御部が動作すると、前段および後段のオプティカルブラック画素領域の電荷については、複数水平ライン分を纏めて一括読み出しされる。このとき、各列の垂直シフトレジスタの前段および後段オプティカルブラック画素領域に属するステージの格納電荷は殆どゼロであるから、原理的には、水平シフトレジスタの各ステージにおいて何ライン分の電荷を加算しても、水平シフトレジスタのいずれかのステージにおいて電荷が飽和する虞はない。そのため、不要な水平ラインの電荷については一纏めに加算して可及的速やかに読み出す一方、光感応画素領域である特定水平ライン帯の電荷については1ライン乃至数ラインづつ好みの精度で読み出すことにより、1画面分の電荷の読み出し所要時間を短縮することで、コマ撮り周期を短縮して高速撮影を行うことが可能となる。
【0040】
上述の電荷転送仕様において、前段オプティカルブラック画素領域対応処理、および/または、後段オプティカルブラック画素領域対応処理は、1水平期間内に複数段の連続垂直転送を行う動作を、1の水平期間に、若しくは2以上の水平期間に亘り繰り返し、行わせる処理を含むことができる。このとき、1水平期間内に複数段の連続垂直転送を行う動作を、水平シフトレジスタの転送を当該水平期間中に亘り停止したままで行うことができる。
【0041】
上述の電荷転送仕様において、有効画像対応処理は、1若しくは2以上の段数の連続垂直転送動作と1水平ライン画素数に相当する段数の連続水平転送動作とを、1水平期間内において時間帯を前後にずらして行わせる処理を含むことができる。
【0042】
好ましい実施の形態では、二次元撮像素子の水平ラインが計測対象変位に応じて二次元撮像素子の光像位置が変化する方向に向けられており、画像処理部から指令される電荷転送仕様の内容が、毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタの転送と水平シフトレジスタの転送とを適宜に連繋して外部に読み出させる光感応画素領域対応処理と、後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと高速に落とし込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理とを、繰り返し実行するものであり、それにより、前段並びに後段のオプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタに高速に落とし込ませる分だけ、1画面読出手記を短縮するようにされている。
【0043】
加えて、光感応画素領域対応処理は、2以上の段数の連続垂直転送動作と1水平ライン画素数に相当する段数の連続水平転送動作とを、1水平期間内において時間帯を前後にずらして行わせる処理を含む。
【0044】
このような電荷転送仕様によれば、二次元撮像素子の内部で複数の水平ラインに現れた光像位置情報の平均化処理を高速に行うことができる。この処理を計測対象物体表面が粗面であることの影響やノイズの影響を除去するために利用すれば、高精度な変位計測を安定して行うことができる。
【0045】
上の場合に、光感応画素領域対応処理は、1若しくは2以上の水平期間に亘り水平転送動作を停止させ、その間に光感応画素領域の全水平ラインの電荷を水平シフトレジスタに一括転送して、同一垂直列同士で画素電荷を重畳させるものとすることができる。これにより、光感応画素領域の全ライン一括平均化処理を二次元撮像素子内で行うことができる。すなわち、二次元撮像素子から水平シフトレジスタの内容が1回の撮像につき1回出力され、出力された信号のピーク位置が光感応画素領域に対応する計測対象物体表面の高さまたは変位の平均値を表している。
【0046】
画像処理部で行われる基本的な画像処理は、各計測ラインの高さを算出することである。ここで計測ラインとは、二次元撮像素子の光感応画素領域の、1本の水平ライン、または垂直ライン方向に電荷情報が加算もしくは平均化された複数本の水平ラインをいう。また、計測ラインの高さとは、その計測ラインにおける電荷量のピーク位置に対応して算出される計測対象物体表面の高さまたは変位である。
【0047】
画像処理部で行われる画像処理の内容としては、各計測ラインの高さを算出してピーク間距離(peak to peak)を求めるか、或いは各計測ラインの分散を求めるものとすることができ、これにより傷の計測が可能となる。
【0048】
画像処理部で行われる画像処理の内容としては、各計測ラインの高さを算出し、それらのピークを求めるものとすることができ、これにより、突起の計測が可能となる。
【0049】
画像処理部で行われる画像処理の内容としては、各計測ラインの高さを算出し、それらのボトムを求めるものとすることができ、これにより、溝の計測か可能となる。
【0050】
画像処理部で行われる画像処理の内容としては、各計測ラインの高さを算出し、それらの傾きを求めるものとすることができ、それにより、面の傾きの計測が可能となる。
【0051】
画像処理部で行われる画像処理の内容としては、各計測ラインの高さを算出し、それらの時系列方向の平均値をとるものとすることができ、それにより、センサとワークとの相対移動により、コプラナリティの計測が可能となる。
【0052】
以上説明した変位センサは、画像処理部の電荷転送仕様指令手段が撮像部の駆動制御部に電荷転送仕様を指令するものであった。このようにすると、画像処理部が画像処理内容に応じて電荷転送仕様を変えることができるから、多様な内容の画像処理を実行することが容易である利点がある。しかし、電荷転送仕様を固定して変位センサを構成しても、高速撮影が可能であるという特徴に変わりはない。この場合には、電荷転送仕様についての撮影部と画像処理部との間の動的な連携は必要でなく、あらかじめ撮像部と画像処理部とに同じ電荷転送仕様を採用しておけばよい。
【0053】
また、撮像部および画像処理部の外部から電荷転送仕様を随時与えることにより、撮影部と画像処理部とに同じ電荷転送仕様を採用させるようにすることもできる。
【0054】
これらの観点から、本発明は次のように表現することもできる。すなわち、本発明の変位センサは、切断光の照射光像を有する計測対象物体表面を計測対象変位に応じて光像位置が変化して見える角度から撮影する撮像部と、撮像部から得られる画像を処理することにより、計測対象変位を算出する画像処理部とを具備する。
【0055】
撮像部には、標準的な撮像装置の視野に対応してマトリクス状に配列された受光画素群、各列の垂直シフトレジスタ、並びに、各列の垂直シフトレジスタの出力を先頭から順に受け取る水平シフトレジスタを有し、かつ前段オプティカルブラック画素領域と後段オプティカルブラック画素領域とを設けることにより、それらに挟まれるようにして、総水平ライン幅よりも十分に幅の狭い特定水平ライン帯に光感応画素領域を形成してなる二次元撮像素子と、所定の電荷転送仕様に基づいて、受光画素群から各列の垂直シフトレジスタへの電荷取込動作、垂直シフトレジスタの転送動作、水平シフトレジスタの転送動作を制御する駆動制御部、とが含まれている。
【0056】
さらに、画像処理部は、撮像部の駆動制御部に採用されている電荷転送仕様と同じ電荷転送仕様に基づいた画像処理を行うように構成されている。
【0057】
画像処理部が撮像部に電荷転送仕様を指令する場合の変位センサについて先に説明したような、光学配置、二次元撮像素子の構成、電荷転送仕様の内容等のいずれの特徴事項もこの発明に適用することができる。
【0058】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態である変位センサの電気的なハードウェア構成を示すブロック図が図1に示されている。
【0059】
同図に示されるように、この変位センサ1は、切断光の照射光像を有する計測対象物体300の表面を計測対象変位に応じて光像位置が変化して見える角度から撮影する撮像部であるセンサヘッド部200と、センサヘッド部200から得られる画像を処理することにより、計測対象変位を算出して変位データとして出力する画像処理部であるセンサ本体部100とを、主要構成として備えている。
【0060】
センサヘッド部200は、発振器(OSC201)と、センサ本体部100内のレジスタ109に格納される転送仕様設定データに基づいて、必要なタイミング信号を発生し、これをCCDドライブ203並びにスリット光源206へと送り出す。スリット光源206は、後述するように、レーザダイオード207とスリット208とから構成されており、いわゆる光切断法における切断光を発生して計測対象物体300へと照射する。この計測用の光切断光によって検出対象物体300の表面には切断光の照射光像(ライン状輝線)が形成される。このようにしてライン状輝線が形成された検出対象物体の表面は、二次元撮像素子であるCCD205によって撮影される。このCCD205は後述するように、CCDドライブ203から送られてくる転送パルスTP1〜TP3によって転送動作が制御される。CCD205から読み出された映像信号は、サンプルホールド回路204にて滑らかに整形され映像信号としてセンサ本体100へと送り出される。
【0061】
センサヘッド部の光学系が図2に示されている。同図において、207はレーザダイオード、208はスリット、209は投光レンズ、210は切断光の照射光像、211は受光レンズ、205はCCD、300は計測対象物体、400は計測対象物体の置かれたステージである。このようにレーザダイオード207から発せられたレーザビームはスリット208を通して断面線状の光線(いわゆるラインビーム)に成形された後、投光レンズ209を介して計測対象物体300の表面に照射される。一方、この照射により生じた切断光の照射光像210は、所定の角度から受光レンズ211を介してCCD205で撮影される。よく知られているように、CCD205の撮影角度は、計測対象物体300の高さ変化によって、光像210のCCD212上への結像位置が変化するように位置決めされている。
【0062】
本発明の撮像装置を光切断法を検出原理とする変位センサに使用した応用例が図31に概略的に示されている。同図(a)は変位センサヘッド部の模式的斜視図、同図(b)は変位センサヘッド部の模式的断面図である。
【0063】
図において、91は測定対象物、92は測定用のラインビーム(断面ライン状のビーム)、93は反射光、94はレンズ系、95は二次元撮像素子、96は二次元撮像素子の水平走査方向、97は二次元撮像素子の垂直走査方向、98は二次元撮像素子の受光面上における特定水平ライン帯である。なお、ラインビーム92としては、この例では、0.1×5mmの線幅規格のものが使用されている。測定対象物91の高さ変位は、二次元撮像素子97の水平走査方向におけるラインビーム反射光の光像位置の変位として表れる。特定水平ライン帯98で構成される細長い視野はこの変位に沿った方向へと向けられている。
【0064】
CCD212は、本発明者が提案した新規な構成を有する。CCD撮像素子の受光面の画素配列の一例が図3に模式的に示されている。なお、この例にあっても、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。
【0065】
同図において、Phは標準的な撮像装置であるデジタルスチルカメラの視野に対応して垂直方向788行×水平方向1077列のマトリクス状に配列された受光画素群を構成する各受光画素、VRは受光画素群を構成する各受光画素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、Aout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。
【0066】
受光画素Phの中で図中ハッチングにて塗りつぶされた受光画素Ph2は所謂オプティカルブラック画素(OB画素)であり、図中ハッチングにて塗りつぶされていない白抜きの受光画素Ph1は光感応画素である。それらの受光画素Ph1,Ph2はいずれもフォトダイオードを基本とする素子構造を有する。垂直並びに水平シフトレジスタVR,HRはCCDを基本とする素子構造を有する。
【0067】
先に述べたように、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した受光画素のことで、その出力は受光量に拘わらず常に規定の暗レベル(殆どゼロ電荷相当)に固定されている。光感応画素Ph1とはそのような特別の構造を採用しない通常の受光画素のことで、その出力は受光量に応じた明レベルとなる。
【0068】
目的とする画素を、光感応画素Ph1ではなくて、オプティカルブラック画素Ph2とするための方法としては、様々な方法が考えられる。第1の方法としては、目的とする受光画素を構成する光電変換素子(例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ等)を遮光マスクで覆った構造とすることが挙げられる。具体的には、半導体製造プロセスにおいて、受光画素を構成するフォトダイオードの上に光を透過しないメタルマスクを形成することで遮光マスクを実現することができる。半導体製造プロセスの終了後の段階(例えば、製品購入後の段階)において、デバイスの受光面上に光を透過しないマスク(例えば、アルミ箔等)を張り付けることによっても、遮光マスクを実現することができる。ただし、遮光マスクを半導体製造プロセスの終了後に張り付けると、画素との位置合わせに誤差が生じやすかったり、画素とマスクとの間に距離があるためにオプティカルブラック画素領域と光感応画素領域との境界に沿って不完全に遮光される画素領域が生じることがあるので、半導体製造プロセスにおいて遮光マスクを形成する方が好ましい。
【0069】
第2の方法としては、半導体製造プロセスにおいて、目的とする受光画素を構成するフォトダイオードの素子構造それ自体を改変することで、当該素子を受光不可乃至光電変換作用不能とすることが挙げられる。
【0070】
第3の方法としては、半導体製造プロセスにおいて、目的とする受光画素を構成するフォトダイオードから垂直シフトレジスタへの電荷移動路を切断することが挙げられる。
【0071】
第1乃至第3のいずれの方法を採用したとしても、計測用の細長い長方形視野に合うような、水平ライン総数の少ない(例えば、60〜70本程度)専用のCCD撮像素子を初めから設計し直す場合よりは、設計費用と設計時間を大幅に節減することができる。なお、第1乃至第3の方法の併用も可能であることは言うまでもない。
【0072】
図3に戻って、マトリクス状に配列された受光画素群は、水平ライン総数(788本)に比べて十分に少ないライン本数(60本)の特定水平ライン帯HLBに属する第1の画素群と、特定水平ライン帯HLBに属さない第2の画素群とに分けられている。
【0073】
すなわち、この例では、画面最上段から第8番目の水平ラインから第67番目の水平ラインに至る60本の水平ラインが特定水平ライン帯HLBとされ、この特定水平ライン帯HLBに含まれる画素群が第1の画素群とされている。また、第1番目の水平ラインから第7番目の水平ラインに至る7本の水平ライン帯、並びに、第68番目の水平ラインから最下段である第788番目の水平ラインに至る721本の水平ライン帯に含まれる画素群が第2の画素群とされている。
【0074】
第1の画素群を構成する画素Phの全部又は大部分は光感応画素Ph1とされており、かつ前記第2の画素群を構成する画素Phの全部又は大部分(この例では、全部)はオプティカルブラック画素Ph2とされている。
【0075】
より厳密に言えば、特定水平ライン帯HLBを構成する60本の水平ラインに属する画素の中で、画面左縁部近傍の3本の垂直ラインに属する画素と画面右縁部近傍の40本の垂直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1034本の垂直ラインに属する画素は全て光感応画素Ph1とされている。その結果、光感応画素領域(60行×1034列)は、その周囲をオプティカルブラック画素領域により囲まれ、有効画像領域の輪郭が明確化される。
【0076】
同CCD撮像素子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大小関係が実際の画面縦横比で図4に示されている。同図に示されるように、光感応画素領域(60行×1034列)は、受光面全体(788行×1077列)のほんの一部を占めるに過ぎないことが理解される。また、光感応画素領域を構成する特定水平ライン帯HLBは、水平シフトレジスタHRの存在する画面最上段に近接して配置されていることも理解される。さらに、受光面全体(788行×1077列)の大部分はオプティカルブラック画素領域により占められていることも理解される。
【0077】
このようなCCD撮像素子において、図5に示されるように外部から第1の転送パルスTP1が与えられると、各垂直ラインに属する受光画素Phの出力(光感応画素Ph1の場合は電子シャッタ開期間の蓄積電荷、又オプティカルブラック画素Ph2の場合には規定の暗レベル相当のほぼゼロ電荷)は隣接する垂直シフトレジスタVR1〜nの該当ステージへと転送される。外部から第2の転送パルスTP2が与えられると、各垂直シフトレジスタVR1〜nは図中上方へ1ステージ分だけシフトされ、各垂直シフトレジスタVR1〜nの先頭ステージに格納された電荷は水平シフトレジスタHRの該当ステージへと転送される。外部から第3の転送パルスTP3が与えられると、水平シフトレジスタHRは1ステージ分だけ図中左方へシフトされ、水平シフトレジスタHRの先頭ステージに格納された電荷は出力部Aoutを介して外部へと出力される。
【0078】
以上説明したCCD撮像素子の駆動制御部の構成について説明する。この駆動制御部は、図1に示されるように、タイミング信号発生部202とCCDドライブ203とを含んでいる。タイミング信号発生部202内には、転送パルス発生部と転送制御部(図示せず)とが含まれている。
【0079】
転送制御部は、1水平期間内に何ライン分の画像データを転送するか、並びに、各水平期間において第3の転送パルスTP3を1水平ライン画素相当数だけ出力して外部へ画像データを出力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、又外部出力の有無は出力有無制御信号OEに変換され、転送パルス発生部2に出力される。
【0080】
転送ライン数信号L1,L2並びに外部出力有無制御信号OEのデータ構成が図9(a),(b)にそれぞれ示されている。同図に示されるように、1,2,4,7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。また、出力有無制御信号OEについては、TP3出力無しが「0」又TP3出力有りが「1」に設定されている。
【0081】
転送パルス発生部2における第1、第2、第3の転送パルスTP1、TP2、TP3の生成部の内部構成が図6に示されている。そのうち、第1の転送パルス生成部には、外部から与えられる垂直期間開始指令XVDに応答して画素電荷転用の第1の転送パルスTP1を生成出力するタイミング発生部21が含まれている。
【0082】
第2の転送パルス生成部には、4個のタイミング発生部22a,22b,22c,22dと、各タイミング発生部22a〜22dからのパルス列を選択的に出力するマルチプレクサ23とが含まれている。
【0083】
各タイミング発生部22a〜22dは、それぞれ1,2,4,7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22a〜22dからの転送パルスTP2の出力態様が図7に示されている。
【0084】
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22aは、水平ブランキング期間内に1個のパルスを出力する。
【0085】
2ライン転送用のタイミング発生部22bは、水平ブランキング期間内に2個のパルスを出力する。
【0086】
4ライン転送用のタイミング発生部22cは、水平ブランキング期間内に2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。
【0087】
7ライン転送用のタイミング発生部22dは、水平ブランキング期間内に2個のパルスを、また水平ブランキング期間外に5個のパルスを出力する。
【0088】
マルチプレクサ23は、これらタイミング発生部22a〜22d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205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205へと与えられる。
【0089】
第3の転送パルス生成部には、1ライン画素相当数分の第3の転送パルスTP3を生成出力するタイミング発生部24と、出力有無信号OEに応答して第3の転送パルスTP3の外部出力可否を制御するゲート回路25が含まれている。出力有無制御信号OEが「1」のときにゲート25は開き、出力有無信号OEが「0」のとき、ゲート25は閉じる。
【0090】
図3を参照して先に説明したように、この実施形態のCCD撮像素子205にあっては、受光面上の8〜67ラインの60ラインが光感応画素領域(有効画像領域と)とされ、1〜7ラインの7ライン並びに68〜788の721ラインが前段及び後段のオプティカルブラック画素領域(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。そのための高速画像読出方式としては、2種類の方式が考えられる。
【0091】
第1の高速画像読出方式では、前記駆動制御部は、毎垂直期間の初めに、受光画素Phから各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRnへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を水平シフトレジスタHRへと落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRnの転送と水平シフトレジスタHRの転送とを適宜に連繋して外部に読み出させる光感応画素領域対応処理とを、後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を水平シフトレジスタHRへと落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理を途中に挟むことなく繰り返すように構成され、それにより、後段オプティカルブラック画素領域対応処理を行わない分だけ、1画面読出周期を短縮する。
【0092】
第2の高速画像読出方式では、前記駆動制御部は、毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRnへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を水平シフトレジスタHRへと高速に落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRnの転送と水平シフトレジスタHRの転送とを適宜に連繋して外部に読み出す光感応画素領域対応処理と、後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を水平シフトレジスタHRへと高速に落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理とを、繰り返し実行するように構成されており、それにより、前段並びに後段のオプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を水平シフトレジスタHRに高速に落とし込ませる分だけ、1画面読出周期を短縮する。
【0093】
第1の高速画像読出方式の具体的な一例を図7〜図14を参照して説明する。この例にあっては、駆動制御部(転送パルス発生部2と図10のフローチャートで示される転送制御部3とで構成される)は、信号電荷取込処理(A)と前段オプティカルブラック画素対応処理(B)と光感応画素領域対応処理(C)とを、後段オプティカルブラック画素領域対応処理(D)を途中に挟むことなく繰り返す。
【0094】
ここで、信号電荷取込処理(A)とは、毎垂直期間の初めに、受光画素Ph(m,n)から各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRnへと信号電荷を取り込ませる処理である。
【0095】
また、前段オプティカルブラック画素対応処理(B)とは、前段オプティカルブラック画素領域(1〜7ライン)から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を水平シフトレジスタHRへと落し込ませる処理である。
【0096】
また、光感応画素領域対応処理(C)とは、光感応画素領域(8〜67ライン)から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRnの転送と水平シフトレジスタHRの転送とを適宜に連繋して外部に読み出させる光感応画素領域対応処理である。
【0097】
さらに、後段オプティカル画素領域対応処理(D)とは、後段オプティカルブラック画素領域(68〜788ライン)から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を水平シフトレジスタHRへと落し込ませる後処理である。
【0098】
前段オプティカルブラック画素領域対応処理(B)は、この例では、1水平期間内に7段の連続垂直転送を行う動作を含んでいる。そして、この1水平期間内に7段の連続垂直転送を行う動作は、水平シフトレジスタの転送を当該水平期間中に停止したまで行なわれる(図11参照、図12参照)。
【0099】
光感応画素領域対応処理(C)は、この例では、2段の連続垂直転送動作と1水平ライン画素数に相当する段数の連続水平転送動作とを、1水平期間内において時間帯を前後にずらして行わせる処理を含んでいる。後述するように、この例では、2段の連続垂直転送動作は水平ブランキング期間内に行われる(図11、図13参照)。
【0100】
この第1の高速画像読出方式にて使用される転送仕様テーブル(後述するレジスタ109に格納される)の設定例が図8に示されている。同図に示されるように、この転送仕様テーブルには、何番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並びに出力有無の設定値が、転送ライン数信号L1,L2の形式により記憶されている。
【0101】
この例は、前段オプティカルブラック画素領域に対応する映像信号を1水平期間に7ライン連続して転送し、続く光感応画素領域に対応する映像信号を1水平期間毎に2ラインずつ転送するように設定した例であって、最初の1番目の水平期間における転送ライン数を7ライン(L2,L1=1,1)とした後、2〜31番目の水平期間における転送ラインを2ライン(L2,L1=1,0)に設定している。また、水平転送による出力の有無については、最初の1回の水平期間における出力有無は『無し』(OE=0)、その後、2〜31番目の水平期間における出力有無は『有り』(OE=1)とされる。
【0102】
転送制御部(図10のフローチャートにその動作が示される)は、各水平期間毎に転送仕様テーブルに記憶された各転送ライン数信号L1,L2並びに出力有無信号OEの設定値を読み込んで、各転送ライン数信号L1,L2並びに出力有無信号OE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2に出力する。転送パルス発生部2は、転送仕様テーブルにセットされた水平期間カウンタのMAX値(図8では「31」)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31/788の時間間隔で転送パルスTP1を出力することになる)。
【0103】
転送パルス発生部2は、各水平期間毎に、転送制御部より与えられた転送ライン数信号L1,L2並びに出力有無信号OEに基づき第2の転送パルスTP2の出力回数並びに第3の転送パルスTP3の出力有無を設定して、CCD撮像素子205に対する一連の制御を実施する。
【0104】
なお、センサ本体部100(図1参照)は、必要に応じて転送仕様テーブルの各転送ライン数並びに出力有無の値をレジスタ109を介して設定するように構成される。
【0105】
転送制御部において実行される転送制御処理の概略が図10のフローチャートに示されている。なお、この転送制御処理は、転送パルス発生部2から到来する水平期間開始信号HD(図11参照)の到来に応答して起動される。その後の一連の動作は、転送制御部に内蔵される水平期間カウンタLCの値に基づき周期的に繰り返される。
【0106】
今仮に、水平期間カウンタLCがクリアされていると想定する。この状態において、水平期間開始信号HDが到来すると、図10の処理が起動されて、水平期間カウンタLCの値は「0」から「1」へとカウントアップされる(ステップ1001)。
【0107】
水平期間カウンタLCの値が「1」になると、カウント値「1」を引数として転送仕様テーブルが参照され、これにより転送ライン数信号L1,L2並びに出力有無信号OEの設定値が読み出される。図9の換算表から明らかように、このとき、転送ライン数は「7」となり、水平転送による外部出力は「無し」とされる(ステップ1002)。
【0108】
転送仕様テーブルから読み出された設定値の内容に応じて、転送ライン数信号L1,L2並びに水平転送有無信号OEの値は、L1=1,L2=1,OE=0にそれぞれ設定される(ステップ1003)。すると、図11並びに図12に示されるように、カウント値「1」に対応する最初の水平期間では、水平転送用の第3の転送パルスTP3を出力することなく、垂直転送用の第2の転送パルスTP2だけが7個連続して転送パルス発生部2から出力される。その結果、映像信号中にはなにも出力されない(空状態)ものの、水平シフトレジスタHRの各ステージには、1〜7ラインの7ライン分の空の電荷が落とし込まれて重畳される。その後、処理は終了して(ステップ1004NO)、次の水平期間開始信号HDの到来を待機する状態となる。
【0109】
2番目の水平期間開始信号HDが到来すると、図10の処理が起動されて、水平期間カウンタLCの値は「1」から「2」へとカウントアップされる(ステップ1001)。
【0110】
水平期間カウンタLCの値が「2」になると、カウント値「2」を引数として転送仕様テーブルが参照され、これにより転送ライン数信号L1,L2並びに出力有無信号OEの設定値が読み出される。図8の換算表から明らかように、このとき、転送ライン数は「2」となり、水平転送による外部出力は「有り」とされる(ステップ1002)。
【0111】
転送仕様テーブルから読み出された設定値の内容に応じて、転送ライン数信号L1,L2並びに水平転送有無信号OEの値は、L1=0,L2=1,OE=1にそれぞれ設定される(ステップ803)。すると、図11並びに図13に示されるように、カウント値「2」に対応する2番目の水平期間では、転送パルス発生部2からは、垂直転送用の第2の転送パルスTP2が水平ブランキング期間中に2個出力されたのち、水平ブランキング期間の終了を待って、水平転送用の第3の転送パルスTP3が1水平ライン画素相当数だけ出力される。
【0112】
第2の転送パルスTP2が水平ブランキング期間中に2個出力されると、水平シフトレジスタHRの各ステージに蓄積された1〜7ラインの7ライン分の電荷の上に、さらに、8,9ラインの2ライン分の電荷が落とし込まれ、全体として1〜9ラインの9ライン分の電荷が重畳される。その後、水平転送用の第3の転送パルスTP3が1水平ライン画素相当数だけ出力されると、上記の重畳された9ライン分の電荷は映像信号中に出力される。図11にハッチングにて又図13に点線で囲んで示されるように、この9ライン分の電荷が重畳された映像信号部分は、OB不要映像信号となる。結果として、映像信号中の最初の2ラインは無効画像部分となる。その後、処理は終了して(ステップ1004NO)、次の水平期間開始信号HDの到来を待機する状態となる。
【0113】
3番目の水平期間開始信号HDが到来すると、図10の処理が起動されて、水平期間カウンタLCの値は「2」から「3」へとカウントアップされる(ステップ1001)。
【0114】
水平期間カウンタLCの値が「3」になると、カウント値「3」を引数として転送仕様テーブルが参照され、これにより転送ライン数信号L1,L2並びに出力有無信号OEの設定値が読み出される。図9の換算表から明らかように、このときも転送ライン数は「2」となり、水平転送による外部出力は「有り」とされる(ステップ1002)。
【0115】
転送仕様テーブルから読み出された設定値の内容に応じて、転送ライン数信号L1,L2並びに水平転送有無信号OEの値は、L1=0,L2=1,OE=1にそれぞれ設定される(ステップ1003)。すると、図11並びに図13に示されるように、カウント値「3」に対応する3番目の水平期間では、転送パルス発生部2からは、垂直転送用の第2の転送パルスTP2が水平ブランキング期間中に2個出力されたのち、水平ブランキング期間の終了を待って、水平転送用の第3の転送パルスTP3が1水平ライン画素相当数だけ出力される。
【0116】
第2の転送パルスTP2が水平ブランキング期間中に2個出力されると、水平シフトレジスタHRの空の状態にある各ステージには、10,11ラインの2ライン分の電荷が落とし込まれて重畳される。このとき、水平シフトレジスタHRの各ステージ上の電荷は、2ライン分が重畳されているとは言え、未だ、原画像の特徴を十分に残している。その後、水平転送用の第3の転送パルスTP3が1水平ライン画素相当数だけ出力されると、上記の重畳された2ライン分の電荷は映像信号中に出力される。図11および図13に示されるように、この10〜11の2ライン分の電荷が重畳された映像信号部分は、有効映像信号となる。
【0117】
以後、4番目〜31番目の水平期間開始信号HDが到来したときの動作は、3番目の垂直期間開始信号HDが到来したときの動作と同様である。そのため、4番目〜31番目の垂直期間開始信号HDの到来に際しては、図11および図13に示されるように、12,13ライン、14,15ライン、〜66,67ラインの各2ラインが重畳された映像信号が順次に出力される。
【0118】
31番目の水平期間開始信号が到来すると、ラインカウンタLCの値が最大値に達して(ステップ1004YES)、垂直期間開始指令XVDが出力され(ステップ1005)、その後、水平期間カウンタLCの内容は「0」にクリアされる(ステップ1006)。この垂直期間開始指令XVDを受けて、転送パルス発生部12から画素電荷取込用の第1の転送パルスTP1が出力され、以後、68〜788ラインの信号電荷は垂直シフトレジスタVR1〜VRn上に取り残したまま、以上説明した1番目乃至31番目の水平期間開始信号到来時の処理が繰り返される。
【0119】
2番目以降の画素電荷取込用の転送パルスTP1が出力されると、各受光画素Ph(m,n)から各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRnに対して、再び、信号電荷が取り込まれる。このとき、光感応画素領域に位置する垂直シフトレジスタVR1〜VRnの各ステージには、後段オプティカルブラック画素領域から転送されてきた電荷が存在する筈である。しかし、この後段オプティカルブラック画素領域からの電荷は極めて僅か若しくはゼロに等しいものであるから、その上に有効画像電荷が取り込まれて重畳されたとしても、所謂二重撮り現象のために有効画像が劣化する虞はない。すなわち、後段オプティカルブラック画素領域からの電荷の上に上書きしても二重撮り現象は生じないのである。
【0120】
したがって、この第1の高速画像読出方式によれば、68〜788ラインの信号電荷を垂直シフトレジスタVR1〜VRn上に取り残したまま、次の撮影に移ることができるため、単位時間毎の撮影コマ数を増加させて、所謂高速撮影が可能となる。
【0121】
第1の高速画像読出方式を採用して取得された1画面分の画像データが図14に表にして示されている。同図に示されるように、1〜2ラインの2ライン分が無効画像とされ、3〜31ラインの29ライン分が有効画像とされる。
【0122】
つぎに、第2の高速画像読出方式の具体的な一例を図15〜図17を参照して説明する。この例にあっては、駆動制御部(図6に示す転送パルス発生部2と図10に動作を示す転送制御部とで構成される)は、信号電荷取込処理(A)と前段オプティカルブラック画素領域対応処理(B)と光感応画素領域対応処理(C)と後段オプティカルブラック画素領域対応処理(D)とを、繰り返し実行するように構成されており、それにより、前段並びに後段のオプティカルブラック画素領域(B),(D)から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を水平シフトレジスタHRに高速に落とし込ませる分だけ、1画面読出周期を短縮する。
【0123】
ここで、信号電荷取込処理(A)とは、毎垂直期間の初めに、受光画素Ph(m,n)から各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRnへと信号電荷を取り込ませる処理である。
【0124】
前段オプティカルブラック画素領域対応処理(B)とは、前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を水平シフトレジスタHRへと高速に落し込ませる処理である。
【0125】
光感応画素領域対応処理(C)とは、光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRnの転送と水平シフトレジスタHRの転送とを適宜に連繋して外部に読み出す処理である。
【0126】
後段オプティカルブラック画素領域対応処理(D)とは、後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタVR1〜VRn上の信号電荷を水平シフトレジスタHRへと高速に落し込ませる処理である。
【0127】
前段オプティカルブラック画素領域対応処理(B)、および/または、後段オプティカルブラック画素領域対応処理(D)は、この例では、1水平期間内に7段の連続垂直転送を行う動作を、1の水平期間に、若しくは2以上の水平期間に亘り繰り返し、行わせる処理を含んでいる。そして、この1水平期間内に7段の連続垂直転送を行う動作は、水平シフトレジスタHRの転送を当該水平期間中に亘り停止したまで行われる(図16参照)。
【0128】
光感応画像領域対応処理(C)は、2段の連続垂直転送動作と1水平ライン画素数に相当する段数の連続水平転送動作とを、1水平期間内において時間帯を前後にずらして行わせる処理を含んでいる(図16参照)。
【0129】
この第2の高速画像読出方式にて使用される転送仕様テーブルの設定例が図15に示されている。同図に示されるように、この転送仕様テーブルには、何番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並びに出力有無の設定値が、転送ライン数信号L1,L2の形式により記憶されている。
【0130】
この例は、前段オプティカルブラック画素領域に対応する映像信号を1水平期間に7ライン連続して転送し、続く光感応画素領域に対応する映像信号を1水平期間毎に2ラインずつ転送するように設定し、続く後段オプティカルブラック画素領域を1水平期間に7ライン連続して転送した例であって、最初の1回の水平期間における転送ライン数を7ラインとした後、2〜31番目の水平期間における転送ラインを2ラインに設定し、さらに、32〜134番目の水平期間における転送ラインを7ラインに設定している。また、水平転送による出力の有無については、最初の1回の水平期間における出力有無は『無し』、その後、2〜31番目の水平期間における出力有無は『有り』、その後、32〜134番目の水平期間における出力有無は再び『無し』とされる。
【0131】
転送制御部において実行される転送制御処理は、基本的には図10のフローチャートに示されているものと同様である。そのため、再度同フローチャートを参照しつつ、第2の高速画像読出方式について説明する。
【0132】
水平期間カウンタLCのカウント値「1」〜「31」に至る間の動作は、第1の高速画像読出処理と同様である。すなわち、カウント値「1」,「2」に対応する水平期間(主として、前段オプティカルブラック画素領域)では、水平シフトレジスタHRの各ステージに蓄積された1〜7ラインの7ライン分の電荷の上に、さらに、8,9ラインの2ライン分の電荷が落とし込まれ、全体として1〜9ラインの9ライン分の電荷が重畳され、映像信号中のカウント値「2」の垂直期間に出力される。この9ライン分の電荷が重畳された映像信号部分は、OB不要映像信号となり、結果として、映像信号中の最初の2ラインは無効画像部分となる(図16のカウント値「1」,「2」参照)。
【0133】
カウント値「3」〜「31」に対応する3番目〜31番目の水平期間(主として、光感応画素領域)では、10,11ライン、12,13ライン、14,15ライン、〜66,67ラインの各2ラインが重畳された映像信号が順次に出力される。これらの2ライン分の電荷が重畳された映像信号部分は、有効映像信号となる(図16のカウント値「3」〜「31」参照)。
【0134】
カウント値「32」〜「134」に対応する32番目〜134番目の水平期間(主として、後段オプティカルブラック画素領域)では、転送パルス発生部12からは、水平期間毎に垂直転送用の第2の転送パルスTP2が水平ブランキング期間中に2個出力されるものの、水平ブランキング期間が終了しても、水平転送用の第3の転送パルスTP3は出力されず、その結果、映像信号中にはなにも出力されない(図16のカウント値「32」〜「134」参照)。
【0135】
第2の高速画像読出方式を採用して取得された1画面分の画像データが図17に表にして示されている。同図に示されるように、1〜2ラインの2ライン分が前段無効画像とされ、3〜31ラインの29ライン分が有効画像とされ、32〜134ラインの103ライン分が後段無効画像とされる。
【0136】
上述のセンサヘッド部200を構成するCCD撮像素子205のベースとなる画素配列としては、標準的なデジタルスチルカメラの画面縦横比に対応した普及型CCD撮像素子の画素配列をそのまま採用することができる。そのため、特別な画素配列を新たに設計し直す必要はないことから、開発費用乃至開発期間を節減することができ、低コストに提供することができる。
【0137】
次にセンサ本体部100で行われる画像処理の内容について図1を参照して説明する。センサ本体部100は、ワンチップマイコンであるCPU101と、表示用LED102と、操作スイッチ103と、入出力回路(I/O)104と、演算部105と、メモリ制御部106と、フレームバッファ107と、D/A変換器108と、レジスタ109と、同期信号発生部110と、発振器(OSC)111とを備えている。なお、BUS1は同期バス、BUS2はCPUバスである。
【0138】
ワンチップマイコンを構成するCPU101は、センサ本体部100の全体を統括制御するものである。演算部105は画像処理に必要な各種の演算を行う専用のハードウェア回路であり、この演算部105ではA/D変換器112を介して取り込まれた画像データに対し各種の処理が行われる。ここで処理された画像は、メモリ制御部106を介してフレームバッファ107に格納され、必要に応じてD/A変換器108を介してNTSC画像として外部のCRTディスプレイ等に送られる。レジスタ109は、センサヘッド部200の動作に必要とされる転送仕様テーブルを格納するものであり、この転送仕様テーブルの内容は先に図8並びに図15を参照して説明したように、各水平期間カウンタ値に対応させてL1,L2,OEを設定したものである。表示用LED102は、センサ本体部100の動作状態を外部に表示するものであり、操作スイッチ103はセンサ本体部100に対して各種の指示を与えるためのものである。又、入出力回路(I/O)104は、センサ本体部100にて計測された変位データを外部へと出力するものである。なお、この変位データには計測値そのものの他に、計測値と基準値との比較結果を示すスイッチング信号も含まれる。なお、センサ本体部100の動作は、発振器(OSC)111及び同期信号発生部110を介して得られる同期信号によって制御される。
【0139】
次に、以上の構成よりなる変位センサ1における各種の計測処理を具体的な例を挙げて説明する。
【0140】
まず、表面にヘアラインを有する金属板を対象として、その高さの計測を行う場合を図18〜図21を参照して説明する。このような場合、図18に示されるように、全ライン一括平均化処理を実行する。この場合の転送仕様テーブルの内容が図19に、撮像素子の駆動例が図20にそれぞれ示されている。図19に示されるように、この場合水平期間カウンタの値が「1」のときは転送段数は「7」、水平カウンタの値が「2」〜「31」のときは転送段数は「2」とされる。一方、水平カウンタの値が「1」〜「30」の間、水平転送は「なし」とされる。このような転送仕様テーブルに従って、先に説明した図10の処理が実行される結果、図20に示されるように、29ライン分の電荷加算結果が垂直周期ごとに一括して出力される。その結果、図21(a)に示されるように、表面にヘアラインを有する物体を計測すると、同図(b)に示されるように物体表面には切断光の照射光像であるジグザグ状のラインビームが表れるが、同図(c)に示されるように、撮像素子の受光面上においては、そのようなデータはエリア効果で平均化されるため、ヘアラインの影響が低減されて正確な計測が可能となるのである。このように本発明においては、CCD撮像素子から1ラインづつ画像データを読み出した後にメモリ上で平均化処理を行うのではなく、CCDの多段垂直動作と水平転送停止制御とを組み合わせてCCD素子内部で平均化処理を実行しているため、平均化処理を高速に行うことができ、またその分特別な平均化演算回路を外部に設ける必要もない。
【0141】
次に、CCD撮像素子から読み出されたデータに対してメモリ上で各種の画像処理演算を行うことにより様々な計測を行う過程を説明する。尚、それらの計測処理においても、レジスタ109に格納された転送仕様テーブルの内容を計測種別に応じて適宜に置き換えることが行なわれる。
【0142】
まず、図23を参照して傷の計測処理について説明する。図23(a)に示されるように、表面に傷を有する物体をセンサヘッド部で撮影すると、同図(b)に示されるように物体表面には傷の深さに応じた大きな波形輝線となるラインビーム像が表れる。そこで、同図(c)に示されるように、各計測ラインの高さを検出し、P−P(peak to peak)を求める。又は、各計測ラインの高さの分散を求める。すると、このような傷の幅や深さを計測値として得ることができる。
【0143】
次に、突起の計測について図24を参照して説明する。同図(a)に示されるように、突起物を有する計測物体をセンサヘッド部で撮影すると、同図(b)に示されるように物体表面には弧状の輝線からなるラインビーム像が表れる。そこで、同図(c)に示されるように、各計測ラインの高さを検出し、P−P(peak to peak)を求める。すると、このような突起物の高さを計測値として得ることができる。
【0144】
次に、溝の計測を図25を参照して説明する。同図(a)に示されるように、表面にV字溝を有する物体の表面をセンサヘッド部で撮影すると、同図(b)に示されるように物体表面には傷の深さに応じた大きなV字波形輝線となるラインビーム像が表れる。そこで、同図(c)に示されるように、各計測ラインの高さを検出し、ボトムを求める。すると、このような溝の深さを計測値として得ることができる。
【0145】
次に、傾きの計測を図26を参照して説明する。同図(a)に示されるように、表面が傾いた物体に対してその上方から計測を行うと、同図(b)に示されるように、物体の表面には傾き角度θを有するラインビーム像が表れる。そこで同図(c)に示されるように、このようにして得られた画像データから各計測ラインの高さを算出し、その傾きを求めることによって、表面が傾いた物体の傾きを計測値として得ることができる。同時にこの機能を使うことによって、センサの取付状態の確認も行うことができる。
【0146】
次に、コプラナリティ(高さの均一性)の計測を図27を参照して説明する。同図(a)に示されるように、表面にBGA(Ball Grid Array)を有する物体に対してその上方から計測を行うと、同図(b)に示されるように、物体の表面には半円状の輝線であるラインビーム像が表れる。そこで同図(c)に示されるように、このような物体を移動させながら、各計測ラインの高さを算出してピークを求めることにより、BGAのコプラナリティ、すなわち複数のBGAの頂点の高さがどれだけそろっているかについての計測が可能になる。
【0147】
以上述べた処理と計測対象物との関係を図22のフローチャートにまとめて示す。同図に示されるように、傷の計測の場合には(ステップ2201YES)、各計測ラインの高さを算出し、P−Pを求める。又は、各計測ラインの高さの分散を求める(ステップ2202)。
【0148】
突起の計測の場合には(ステップ2203YES)、各計測ラインの高さを算出し、ピークを求める(ステップ2204)。
【0149】
溝の計測の場合には(ステップ2205YES)、各計測ラインの高さを算出し、ボトムを求める(ステップ2206)。
【0150】
傾きの計測の場合には(ステップ2207YES)、各計測ラインの高さを算出し、傾きを求める(ステップ2208)。
【0151】
コプラナリティの計測の場合には(ステップ2209YES)、各計測ラインの高さを算出しピークを求める。ワークを移動させながら計測することでリード、BGAなどのコプラナリティーの計測が可能となる(ステップ2210)。
【0152】
以上説明した実施の形態では、撮像素子の水平ラインの方向を計測対象変位に応じて撮像素子受光面上に結像されるラインビーム像の位置が変化する方向に向けていたが、撮像素子の方向はその受光面内で90度回転させた向きにしてもよい。すなわち、撮像素子の水平ラインの方向を計測対象変位に応じて撮像素子受光面上に結像されるラインビーム像の位置が変化する方向に対して垂直な方向に向けるようにしてもよい。このようにすれば、ラインビームの照射位置に沿った長い領域を視野に収めることができるので、この長い領域における高さの分布を一挙に測定することができる。例えば、複数のリードやBGAを視野に収め、それらの高さのばらつきを一挙に測定することができる。
【0153】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の変位センサによれば、細長い視野から必要な解像度で高速に画像データを取得して高速応答で多様な計測処理を実施することができ、しかも低コストに製造が可能な変位センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明変位センサの電気的な構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の変位センサのセンサヘッド部の光学系を示す図である。
【図3】センサヘッド部の撮像素子における受光綿上の画素配列を模式的に示す図である。
【図4】センサヘッド部の撮像素子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を実際の画面縦横比で示す図である。
【図5】撮像素子における電荷移送回路を説明するためのブロック図である。
【図6】転送パルス発生部の内部構成を示す図である。
【図7】水平転送用パルス(TP2)の出力態様を示すタイムチャートである。
【図8】転送仕様テーブルの内容を示す図(第1の高速画像読出方式)である。
【図9】L1,L2,OEの意味内容を示す図である。
【図10】転送制御部の動作を示すフローチャートである。
【図11】撮像素子の一駆動例を示すタイムチャート(第1の高速画像読出方式)である。
【図12】図11のタイムチャートの要部を説明する図である。
【図13】図11のタイムチャートの要部を説明する図である。
【図14】撮像素子の一駆動例における1画面分のデータ構成を表にして示す図(第1の高速画像読出方式)である。
【図15】転送仕様テーブルの内容を示す図(第2の高速画像読出方式)である。
【図16】撮像素子の一駆動例を示すタイムチャート(第2の高速画像読出方式)である。
【図17】本発明素子の一駆動例における1画面分のデータ構成を表にして示す図(第2の高速画像読出方式)である。
【図18】撮像素子上で行なわれる全ライン一括平均化処理を説明する概念図である。
【図19】全ライン一括平均化処理のための転送仕様テーブルの内容を示す図である。
【図20】全ライン一括平均化処理時の撮像素子の一駆動例を示すタイムチャートである。
【図21】全ライン一括平均化処理の応用例を示す図である。
【図22】センサ本体部で実行される画像処理の全体を示すフローチャートである。
【図23】傷計測のための画像処理の説明図である。
【図24】突起計測のための画像処理の説明図である。
【図25】溝計測のための画像処理の説明図である。
【図26】傾き計測のための画像処理の説明図である。
【図27】コプラナリティー計測のための画像処理の説明図である。
【図28】従来の変位センサのセンサヘッド部の光学系を示す図である。
【図29】従来の変位センサを用いて領域計測を行なう場合の動作を模式的に示す図である。
【図30】従来の2次元CCDの光感応領域を説明する図である。
【図31】撮像装置の一応用例を示す図である。
【図32】ビジュアル計測装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 変位センサ
7 撮像装置
8 画像処理装置
71 CCD
72 転送パルス発生部
73 転送制御部
74 アンプ
75 転送仕様テーブル
81 画像入力部
82 画像処理部
83 出力部
91 計測対象物
92 測定用のラインビーム
93 反射光
94 レンズ系
95 二次元撮像素子
96 二次元撮像素子の水平走査方向
97 二次元撮像素子の垂直操作方向
98 特定水平ライン帯
100 センサ本体部
101 CPU(ワンチップマイコン)
102 表示用LED
103 操作スイッチ
104 入出力(I/O)回路
105 演算部
106 メモリ制御部
107 フレームバッファ
108 D/A変換器
109 レジスタ
110 同期信号発生部
111 発振器(OSC)
112 A/D変換器
200 センサヘッド部
201 発振器(OSC)
202 タイミング信号発生部
203 CCDドライブ
204 サンプルホールド回路
205 CCD(二次元撮像素子)
206 スリット光源
207 レーザダイオード
208 スリット
209 投光レンズ
210 切断光跡
211 受光レンズ
300 計測対象物体
400 ステージ
500 センサヘッド部
501 レーザダイオード
502 スリット
503 投光レンズ
504 受光レンズ
505 受光素子
600 計測対象物体
700 ステージ
800 画像処理装置
SP 切断光跡
Ph1 光感応画素
Ph2 オプティカルブラック画素
HR 水平シフトレジスタ
VR 垂直シフトレジスタ
Aout 出力バッファ
HLB 特定水平ライン帯[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a displacement sensor that measures the displacement of an object using a light-section method and outputs the measured value as it is, or outputs a result of comparison between the measured value and a reference value, and more particularly to a light receiving element. The present invention relates to a displacement sensor capable of performing various measurements by using a two-dimensional imaging device having an elongated field of view.
[0002]
[Prior art]
FIG. 28 shows a conventional example of an optical system of a sensor head of an optical displacement sensor. 5,
[0003]
As described above, as the
[0004]
Recently, an optical displacement sensor using a two-dimensional image sensor as a light receiving element has also been proposed. However, as a two-dimensional image sensor used in such a displacement sensor, a digital camera, a video camera, or the like is used from the viewpoint of cost reduction. The popular two-dimensional CCD used for the above is used.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When a two-dimensional CCD is used as the light receiving element of the displacement sensor, a large number of pixels (for example, about several hundred pixels) is required in the displacement measurement direction in order to increase the accuracy or resolution, but the direction orthogonal to the measurement direction Is relatively small in the number of pixels (for example, about several tens to one hundred and several tens of pixels).
[0006]
However, as shown in FIG. 30, the pixel arrangement of this type of popular two-dimensional CCD has several hundreds to thousands of pixels both vertically and horizontally (aspect ratio is 3 to 4). However, there is a problem that it takes time to read out the received electric charge, and as a result, the measurement response is deteriorated. Note that OB is an optical black area.
[0007]
As one solution to enable higher-speed imaging, the present inventors have proposed a CCD imaging device having a small number of horizontal lines (for example, about 60 to 70 lines) so as to fit in such an elongated rectangular field of view for measurement. The possibility of producing and using the device for this purpose was examined. However, since such a CCD image pickup device is a custom-made product, it has been found that in addition to a large development cost, a development period is long and an increase in cost is inevitable.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to acquire image data at a required resolution at a high speed from a long and narrow field of view and perform various measurement processes with a high-speed response. An object of the present invention is to provide a displacement sensor which can be manufactured at low cost.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The displacement sensor according to the present invention processes an image obtained from the imaging unit, which captures the surface of the measurement target object having the cutting light irradiation light image from an angle at which the position of the optical image changes according to the measurement target displacement. And an image processing unit that calculates the displacement of the measurement target.
[0010]
The imaging unit includes a light receiving pixel group arranged in a matrix corresponding to the field of view of a standard imaging device, a vertical shift register of each column, and a horizontal shift receiving the output of the vertical shift register of each column in order from the top. It has a register, and by providing a former optical black pixel area and a latter optical black pixel area, a light sensitive pixel is provided between specific horizontal line bands sufficiently narrower than the total horizontal line width so as to be sandwiched therebetween. Based on the two-dimensional imaging device having an area formed therein, and the charge transfer operation from the light receiving pixel group to the vertical shift register of each column, the transfer operation of the vertical shift register, And a drive control unit for controlling the transfer operation.
[0011]
The image processing unit includes a charge transfer specification command unit that gives a charge transfer specification according to the content of the image processing to the drive control unit of the imaging unit.
[0012]
The “standard imaging device” includes at least a general-purpose digital still camera, a video camera, and the like. Looking at current products, there is an example of a two-dimensional imaging device for a digital still camera having a light receiving pixel array of 788 pixels in the vertical direction × 1077 pixels in the horizontal direction. Similarly, as an example of a two-dimensional imaging device for a video camera, there is one having a light receiving pixel array of 500 rows in the vertical direction × 500 to 700 columns in the horizontal direction.
[0013]
“Sufficiently narrow” is defined in consideration of the elongated rectangular field of view of the displacement sensor in which the element of the present invention is used. Assuming a field of view necessary for the displacement sensor, the number of lines constituting a specific horizontal line band is often less than about 20% of the total number of horizontal lines. If such an elongated visual field can be photographed at high speed while maintaining the resolution in the longitudinal direction, it becomes extremely suitable as an image sensor of a displacement sensor based on the light cutting method as a basic principle.
[0014]
An “optical black pixel” is a light-receiving pixel that has been modified so that light cannot be received by a light-shielding mask, no charge is accumulated even when light is received, or the charge accumulated by light reception cannot be taken out. Is always at a prescribed dark level regardless of the amount of received light. On the other hand, the "photosensitive pixel" is a normal light receiving pixel without such special modification, and its output is a light level corresponding to the amount of received light.
[0015]
According to the above configuration, the light-receiving pixel group belonging to the light-sensitive pixel region generates an electric charge corresponding to the amount of received light in response to the light image from the elongated object region to be photographed. The light receiving pixel groups belonging to the first and second optical black pixel regions are insensitive to a light image arriving from a region other than the elongated subject region to be photographed, and therefore generate no or almost no electric charge.
[0016]
Of the stages of the vertical shift register in each column, the charge corresponding to the amount of received light is transferred and stored in the stage located in the photosensitive pixel region. No or almost no charge is transferred and stored in the stages located in the front and rear optical black pixel regions.
[0017]
Therefore, when the drive control unit operates and all the charges from the photosensitive pixel area are read following the front and rear optical black pixel areas, reading of all or a part of the charges from the subsequent optical black pixel area is omitted. In other words, by reading at high speed, the time required to read the charges for one screen can be shortened, and the frame shooting cycle can be shortened to perform high-speed shooting. In addition, the two-dimensional imaging device itself can be manufactured at a low cost and does not increase the price of the entire imaging device because the existing device is only slightly modified.
[0018]
In a preferred embodiment, the cutting light for forming the irradiation light image of the cutting light on the surface of the measurement target object is a light beam having a cross-sectional line shape. Accordingly, a linear light image (bright line) extending in a direction perpendicular to the measurement direction (a direction perpendicular to a plane including the light projecting optical axis and the light receiving optical axis) is drawn on the light receiving surface of the image sensor. Information necessary for area measurement can be reliably obtained.
[0019]
In a preferred embodiment, a two-dimensional image sensor in which a specific horizontal line band is arranged close to a horizontal shift register is used.
[0020]
Regarding the pre-stage optical black pixel region interposed between the horizontal shift register and the specific horizontal line band (photosensitive pixel region), all lines are grouped together, or divided several times for each of a plurality of lines. In any case, all of them must be read out to the horizontal shift register. Therefore, the smaller the total number of lines in the preceding optical black pixel area, the shorter the time required to start reading an effective image. In addition, since the specific horizontal line band having a sufficiently small width is arranged close to the horizontal register, the subsequent optical black pixel area in which the charge readout time does not occur occupies most of the total number of horizontal lines. The time required for reading out the electric charges for one minute is greatly reduced.
[0021]
In a preferred embodiment, a two-dimensional image sensor is used in which the total number of lines in the specific horizontal line band is 20% or less or 10% or less of the total number of horizontal lines.
[0022]
In a preferred embodiment, the arrangement of the light receiving pixel groups corresponds to the field of view of a digital still camera or a TV or HDTV camera.
[0023]
In a preferred embodiment, the optical black pixel has a structure in which the photoelectric conversion element is covered with a light shielding mask, an element structure in which the photoelectric conversion element is inoperable, and / or a charge transfer path from the photoelectric conversion element to the vertical shift register. A two-dimensional image sensor having a cut structure is used.
[0024]
In a preferred embodiment, the horizontal line of the two-dimensional image sensor is directed in a direction in which the light image position on the two-dimensional image sensor changes according to the displacement of the measurement target.
[0025]
According to such a configuration, even if the position of the light image on the two-dimensional image sensor changes according to the displacement of the measurement target, the light sensitive pixel can receive the light image over a wide range. A large range can be obtained as a possible displacement range.
[0026]
In a preferred embodiment when measuring light having a linear cross section is used, the horizontal line of the two-dimensional image sensor is perpendicular to the direction in which the optical image position on the two-dimensional image sensor changes in accordance with the displacement of the measurement target. Oriented.
[0027]
According to such a configuration, a long region along the irradiation position having a linear cross section can be included in the field of view. You Height distribution can be measured at once.
[0028]
In the displacement sensor of the present invention, various contents can be considered as the contents of the charge transfer specification instructed from the image processing unit.
[0029]
In one of the charge transfer specifications, at the beginning of each vertical period, a signal charge taking-in process for taking in signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers of each column, and a process of taking in each column taken in from the preceding optical black pixel region. Optical black pixel area pre-processing corresponding to the previous stage where the signal charge on the vertical shift register is dropped into the horizontal shift register, and the signal charge on the vertical shift register of each column taken from the photosensitive pixel area is shifted vertically by each column The transfer of the register and the transfer of the horizontal shift register are appropriately linked, and the light-sensitive pixel area corresponding processing for reading out to the outside is carried out. The signal charge on the vertical shift register of each column taken from the subsequent optical black pixel area is read out. Repeat the process for the optical black pixel area in the subsequent stage to be dropped into the horizontal shift register without intervening . According to such a charge transfer mode, the one-screen readout cycle can be shortened by the amount that the subsequent-stage optical black pixel region correspondence processing is not performed.
[0030]
That is, when the drive control unit operates, the shutter is immediately opened without waiting for the charge reading from the subsequent optical black pixel area when all the charges from the photosensitive pixel area have been read following the previous optical black pixel area. Opening and overwriting exposure are performed, and thereafter, reading of charges from the preceding optical black pixel region and the photosensitive pixel region and overwriting exposure to charges from the following optical black pixel region are repeated.
[0031]
At this time, if all the charges in the photosensitive pixel area have been read out, the charges in each stage of the vertical shift register belonging to the subsequent optical black pixel area are almost in a state of zero. Substantially no double shooting problem occurs.
[0032]
Therefore, by shortening the time required to read the charges for one screen by the amount that the charges are not read from the subsequent optical black pixel area, it is possible to shorten the frame shooting cycle and perform higher-speed shooting.
[0033]
In the above-described charge transfer specification, the preceding-stage optical black pixel region corresponding process causes an operation of performing a plurality of stages of continuous vertical transfer within one horizontal period to be repeatedly performed in one horizontal period or over two or more horizontal periods. Processing can be included. At this time, the operation of performing a plurality of stages of continuous vertical transfer within one horizontal period may be performed while the transfer of the horizontal shift register is stopped during the horizontal period. Thus, unnecessary images obtained from the preceding optical black pixel area can be discharged to the horizontal shift register at high speed. In the above-described charge transfer specification, the light-sensitive pixel area corresponding processing is performed by performing one or two or more continuous vertical transfer operations and a continuous horizontal transfer operation of one horizontal line pixel number within one horizontal period. A process for shifting the band back and forth may be included. Thus, the accumulated electric charge is output in the video signal every time the dropping of one or a plurality of target lines is completed, so that the image processing based on the video signal is simplified.
[0034]
In a preferred embodiment, the horizontal line of the two-dimensional image sensor is oriented in a direction in which the position of the light image on the two-dimensional image sensor changes in accordance with the displacement of the measurement target, and the charge transfer specification instructed by the image processing unit. At the beginning of each vertical period, a signal charge capturing process for capturing signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers of each column, and a signal charge capturing process for capturing the signal charges from the preceding optical black pixel region. And the signal charge on the vertical shift register of each column taken from the photosensitive pixel region is transferred to the vertical shift register of each column. The light-sensitive pixel area corresponding processing for reading out to the outside by appropriately linking the transfer of the horizontal shift register to the external optical black pixel area This process repeats the subsequent optical black pixel area processing that intercepts the signal charge on the vertical shift register of each column that is taken into the horizontal shift register without intervening, thereby supporting the subsequent optical black pixel area. The one-screen reading cycle is shortened by the amount of no processing.
[0035]
In addition, the light-sensitive pixel area corresponding processing is performed by shifting the time zone forward and backward within one horizontal period between the continuous vertical transfer operation of two or more stages and the continuous horizontal transfer operation of the number of stages corresponding to one horizontal line pixel. Including processing to be performed.
[0036]
According to such a charge transfer specification, the averaging process of the optical image position information appearing on a plurality of horizontal lines inside the two-dimensional image sensor can be performed at high speed. If this processing is used to remove the influence of the rough surface of the measurement target object and the influence of noise, highly accurate displacement measurement can be stably performed.
[0037]
In the above case, the photosensitive pixel area corresponding processing stops the horizontal transfer operation for one or two or more horizontal periods, during which charges of all the horizontal lines in the photosensitive pixel area are transferred collectively to the horizontal shift register. Alternatively, pixel charges may be overlapped between the same vertical columns. This makes it possible to perform the averaging process for all the lines in the photosensitive pixel area in the two-dimensional image sensor. That is, the contents of the horizontal shift register are output from the two-dimensional image sensor once per image pickup, and the peak position of the output signal is the average value of the height or displacement of the surface of the measurement object corresponding to the photosensitive pixel area. Is represented.
[0038]
In another one of the charge transfer specifications, at the beginning of each vertical period, a signal charge taking-in process for taking in signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers of each column, and a process of taking each signal taken from the preceding optical black pixel region. The signal charge on the vertical shift register of each column taken from the photosensitive pixel area and the processing of the optical black pixel region corresponding to the former stage, in which the signal charges on the vertical shift register of the column are quickly dropped into the horizontal shift register, Processing for reading out the photosensitive pixel area corresponding to the transfer of the vertical shift register of the column and the transfer of the horizontal shift register to the outside as appropriate, and the signal charge on the vertical shift register of each column taken from the subsequent optical black pixel area And the subsequent step of dropping the data into the horizontal shift register at high speed. To.
[0039]
In such a charge transfer specification, when the drive control unit operates, the charges in the optical black pixel regions in the preceding and subsequent stages are read out collectively for a plurality of horizontal lines. At this time, the stored charges of the stages belonging to the optical black pixel area at the previous stage and the succeeding stage of the vertical shift register of each column are almost zero. Therefore, in principle, the charge of several lines is added at each stage of the horizontal shift register. However, there is no possibility that the charge is saturated in any stage of the horizontal shift register. Therefore, while unnecessary charges on horizontal lines are added together and read out as quickly as possible, charges on a specific horizontal line band, which is a photosensitive pixel area, are read out one or several lines at a desired accuracy. First, by shortening the time required to read the charges for one screen, it is possible to shorten the frame shooting cycle and perform high-speed shooting.
[0040]
In the above-described charge transfer specification, the process corresponding to the first-stage optical black pixel region and / or the process corresponding to the second-stage optical black pixel region are performed in one horizontal period. Inside Operation to perform a plurality of stages of continuous vertical transfer During the horizontal period of Or over two or more horizontal periods repetition, Including processing to be performed be able to . At this time, one horizontal period Inside The operation of performing a plurality of stages of continuous vertical transfer can be performed while the transfer of the horizontal shift register is stopped during the horizontal period.
[0041]
In the above-described charge transfer specification, the effective image correspondence processing includes the continuous vertical transfer operation of one or more stages and the continuous horizontal transfer operation of the number of stages corresponding to one horizontal line pixel in a time zone within one horizontal period. It may include a process to be shifted back and forth.
[0042]
In a preferred embodiment, the horizontal line of the two-dimensional image sensor is oriented in a direction in which the optical image position of the two-dimensional image sensor changes according to the displacement of the measurement target, and the content of the charge transfer specification instructed by the image processing unit At the beginning of each vertical period, a signal charge capturing process for capturing signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers of each column, and a signal on the vertical shift register of each column captured from the preceding optical black pixel region. Optical black pixel area pre-processing corresponding to the charge dropping into the horizontal shift register, and transfer of signal charge on the vertical shift register of each column taken from the photosensitive pixel area to the vertical shift register of each column and horizontal shift The transfer of the register is appropriately linked to the light-sensitive pixel area processing for reading out to the outside, and the processing from the subsequent optical black pixel area is performed. And a post-stage optical black pixel region corresponding process of rapidly dropping the signal charges on the vertical shift register of each column into the horizontal shift register. One-screen reading is reduced by the amount by which the signal charges on the vertical shift registers of each column taken in from the pixel area are dropped into the horizontal shift register at a high speed.
[0043]
In addition, the light-sensitive pixel area corresponding processing is performed by shifting the time zone forward and backward within one horizontal period between the continuous vertical transfer operation of two or more stages and the continuous horizontal transfer operation of the number of stages corresponding to one horizontal line pixel. Including processing to be performed.
[0044]
According to such a charge transfer specification, the averaging process of the optical image position information appearing on a plurality of horizontal lines inside the two-dimensional image sensor can be performed at high speed. If this processing is used to remove the influence of the rough surface of the measurement target object and the influence of noise, highly accurate displacement measurement can be stably performed.
[0045]
In the above case, the photosensitive pixel area corresponding processing stops the horizontal transfer operation for one or two or more horizontal periods, during which charges of all the horizontal lines in the photosensitive pixel area are transferred collectively to the horizontal shift register. Alternatively, pixel charges may be overlapped between the same vertical columns. This makes it possible to perform the averaging process for all the lines in the photosensitive pixel area in the two-dimensional image sensor. That is, the contents of the horizontal shift register are output from the two-dimensional image sensor once per image pickup, and the peak position of the output signal is the average value of the height or displacement of the surface of the measurement object corresponding to the photosensitive pixel area. Is represented.
[0046]
The basic image processing performed by the image processing unit is to calculate the height of each measurement line. Here, the measurement line refers to one horizontal line or a plurality of horizontal lines in which charge information is added or averaged in the vertical line direction in the photosensitive pixel area of the two-dimensional image sensor. Further, the height of the measurement line is the height or displacement of the surface of the measurement target object calculated corresponding to the peak position of the charge amount on the measurement line.
[0047]
As the content of the image processing performed in the image processing unit, it is possible to calculate the height of each measurement line to determine the distance between peaks (peak to peak), or to calculate the variance of each measurement line, This makes it possible to measure flaws.
[0048]
As the contents of the image processing performed by the image processing unit, the height of each measurement line can be calculated and their peaks can be obtained, whereby the projection can be measured.
[0049]
As the contents of the image processing performed by the image processing unit, the height of each measurement line can be calculated, and the bottom thereof can be obtained, whereby the groove can be measured.
[0050]
As the contents of the image processing performed by the image processing unit, the height of each measurement line can be calculated, and their inclinations can be obtained. As a result, the inclination of the surface can be measured.
[0051]
As the contents of the image processing performed by the image processing unit, it is possible to calculate the height of each measurement line and take an average value in the time series direction, whereby the relative movement between the sensor and the work can be obtained. Thereby, the coplanarity can be measured.
[0052]
In the displacement sensor described above, the charge transfer specification command means of the image processing unit commands the drive control unit of the imaging unit to specify the charge transfer specification. With this configuration, the image processing unit can change the charge transfer specification in accordance with the content of the image processing. Therefore, there is an advantage that it is easy to execute image processing of various contents. However, even if the displacement sensor is configured with the charge transfer specification fixed, the feature that high-speed imaging is possible remains the same. In this case, dynamic cooperation between the imaging unit and the image processing unit regarding the charge transfer specification is not necessary, and the same charge transfer specification may be used in advance for the imaging unit and the image processing unit.
[0053]
In addition, by providing a charge transfer specification from outside the imaging unit and the image processing unit as needed, the same charge transfer specification can be adopted for the imaging unit and the image processing unit.
[0054]
From these viewpoints, the present invention can also be expressed as follows. That is, the displacement sensor according to the present invention includes an imaging unit that captures the surface of a measurement target object having an irradiation light image of cutting light from an angle at which an optical image position changes according to the measurement target displacement, and an image obtained from the imaging unit. And an image processing unit that calculates the displacement to be measured.
[0055]
The imaging unit includes a light receiving pixel group arranged in a matrix corresponding to the field of view of a standard imaging device, a vertical shift register of each column, and a horizontal shift receiving the output of the vertical shift register of each column in order from the top. It has a register, and by providing a former optical black pixel area and a latter optical black pixel area, a light sensitive pixel is provided between specific horizontal line bands sufficiently narrower than the total horizontal line width so as to be sandwiched therebetween. Based on a two-dimensional imaging device having an area formed therein, and a charge transfer operation from a light receiving pixel group to a vertical shift register of each column, a transfer operation of a vertical shift register, a transfer of a horizontal shift register based on a predetermined charge transfer specification And a drive control unit for controlling the operation.
[0056]
Further, the image processing unit is configured to perform image processing based on the same charge transfer specification as the charge transfer specification employed in the drive control unit of the imaging unit.
[0057]
Any features such as the optical arrangement, the configuration of the two-dimensional image sensor, the contents of the charge transfer specification, and the like as described above for the displacement sensor in the case where the image processing unit instructs the image pickup unit of the charge transfer specification are included in the present invention. Can be applied.
[0058]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing an electrical hardware configuration of a displacement sensor according to an embodiment of the present invention.
[0059]
As shown in FIG. 1, the
[0060]
The
[0061]
The optical system of the sensor head is shown in FIG. In the figure, 207 is a laser diode, 208 is a slit, 209 is a projection lens, 210 is an irradiation light image of cutting light, 211 is a light receiving lens, 205 is a CCD, 300 is a measurement target object, and 400 is a placement of a measurement target object. It is a stage that was set. Thus, the laser beam emitted from the
[0062]
FIG. 31 schematically illustrates an application example in which the imaging apparatus of the present invention is used for a displacement sensor based on a light-section method as a detection principle. FIG. 2A is a schematic perspective view of the displacement sensor head, and FIG. 2B is a schematic sectional view of the displacement sensor head.
[0063]
In the drawing,
[0064]
The CCD 212 has a novel configuration proposed by the present inventors. FIG. 3 schematically shows an example of a pixel array on the light receiving surface of the CCD image sensor. It should be noted that, even in this example, the size of the pixel is considerably exaggerated from the actual size.
[0065]
In the figure, Ph is each light receiving pixel constituting a light receiving pixel group arranged in a matrix of 788 rows in the vertical direction × 1077 columns in the horizontal direction corresponding to the visual field of a digital still camera which is a standard imaging device, and VR is A vertical shift register HR which transfers the output of each light receiving pixel Ph constituting the light receiving pixel group in a vertical direction for each column, and HR receives the charge transferred from the vertical shift register VR in each column and transfers it in the horizontal direction. Aout is an output buffer for outputting the charges transferred from the horizontal shift register HR to the outside.
[0066]
Among the light receiving pixels Ph, the light receiving pixels Ph2 filled with hatching in the drawing are so-called optical black pixels (OB pixels), and the white light receiving pixels Ph1 not filled with hatching in the drawing are photosensitive pixels. . Each of the light receiving pixels Ph1 and Ph2 has an element structure based on a photodiode. The vertical and horizontal shift registers VR, HR have a CCD-based element structure.
[0067]
As described above, the optical black pixel Ph2 is a light-receiving pixel in which light cannot be received by a light-shielding mask, electric charge is not accumulated even when light is received, or electric charge accumulated by light reception cannot be taken out. Thus, the output is always fixed to a specified dark level (almost zero charge) regardless of the amount of received light. The photosensitive pixel Ph1 is a normal light receiving pixel that does not employ such a special structure, and its output has a light level corresponding to the amount of received light.
[0068]
Various methods can be considered as a method for setting the target pixel as the optical black pixel Ph2 instead of the photosensitive pixel Ph1. As a first method, there is a structure in which a photoelectric conversion element (for example, a photodiode, a phototransistor, or the like) included in a target light-receiving pixel is covered with a light-shielding mask. Specifically, in a semiconductor manufacturing process, a light-shielding mask can be realized by forming a metal mask that does not transmit light on a photodiode constituting a light-receiving pixel. Realizing a light-shielding mask also by attaching a mask (for example, aluminum foil or the like) that does not transmit light on the light-receiving surface of the device at a stage after the end of the semiconductor manufacturing process (for example, after a product purchase). Can be. However, if a light-shielding mask is attached after the semiconductor manufacturing process is completed, an error is likely to occur in the alignment with the pixel, or the distance between the pixel and the mask may cause a difference between the optical black pixel region and the photosensitive pixel region. It is preferable to form a light-shielding mask in the semiconductor manufacturing process, because a pixel region that is incompletely shielded from light may occur along the boundary.
[0069]
As a second method, in a semiconductor manufacturing process, the element structure itself of a photodiode constituting a target light-receiving pixel is modified to make the element incapable of receiving light or incapable of performing photoelectric conversion.
[0070]
A third method is to cut off a charge transfer path from a photodiode constituting a target light receiving pixel to a vertical shift register in a semiconductor manufacturing process.
[0071]
Even if any one of the first to third methods is adopted, a CCD image sensor having a small number of horizontal lines (for example, about 60 to 70) is designed from the beginning so as to fit into a long and narrow rectangular visual field for measurement. Design costs and design time can be significantly reduced compared to repairing. It goes without saying that the first to third methods can be used together.
[0072]
Returning to FIG. 3, the light receiving pixel group arranged in a matrix includes the first pixel group belonging to the specific horizontal line band HLB having a sufficiently small number of lines (60 lines) compared to the total number of horizontal lines (788 lines). , And a second pixel group that does not belong to the specific horizontal line band HLB.
[0073]
That is, in this example, 60 horizontal lines from the eighth horizontal line to the 67th horizontal line from the top of the screen are set as the specific horizontal line band HLB, and the pixel group included in the specific horizontal line band HLB Are the first pixel group. Also, seven horizontal line bands from the first horizontal line to the seventh horizontal line, and 721 horizontal lines from the 68th horizontal line to the 788th horizontal line at the lowermost stage The pixel group included in the band is the second pixel group.
[0074]
All or most of the pixels Ph constituting the first pixel group are light-sensitive pixels Ph1, and all or most of the pixels Ph constituting the second pixel group (all in this example) are photosensitive pixels Ph1. The optical black pixel Ph2 is set.
[0075]
Strictly speaking, among the pixels belonging to the 60 horizontal lines constituting the specific horizontal line band HLB, the pixels belonging to the three vertical lines near the left edge of the screen and the 40 pixels near the right edge of the screen All pixels belonging to the vertical line are optical black pixels Ph2. Pixels belonging to 1034 vertical lines located at the center between the three vertical lines on the left edge and the 40 vertical lines on the right edge are all light-sensitive pixels Ph1. As a result, the photosensitive pixel area (60 rows × 1034 columns) is surrounded by the optical black pixel area, and the outline of the effective image area is clarified.
[0076]
FIG. 4 shows the relationship between the size of the photosensitive pixel region and the size of the optical black pixel region in the CCD image sensor in terms of the actual screen aspect ratio. As shown in the figure, it is understood that the photosensitive pixel area (60 rows × 1034 columns) occupies only a part of the entire light receiving surface (788 rows × 1077 columns). It can also be understood that the specific horizontal line band HLB constituting the photosensitive pixel area is arranged close to the top of the screen where the horizontal shift register HR exists. Further, it is understood that most of the entire light receiving surface (788 rows × 1077 columns) is occupied by the optical black pixel area.
[0077]
In such a CCD image pickup device, when a first transfer pulse TP1 is externally applied as shown in FIG. 5, the output of the light receiving pixel Ph belonging to each vertical line (in the case of the photosensitive pixel Ph1, the electronic shutter open period (In the case of the optical black pixel Ph2, almost zero charge corresponding to a prescribed dark level) is transferred to the corresponding stage of the adjacent vertical shift register VR1 to VRn. When a second transfer pulse TP2 is externally applied, each of the vertical shift registers VR1 to VRn is shifted upward by one stage in the figure, and the electric charges stored in the first stage of each of the vertical shift registers VR1 to VRn are shifted horizontally. The data is transferred to the corresponding stage of the register HR. When a third transfer pulse TP3 is applied from the outside, the horizontal shift register HR is shifted to the left by one stage in the figure, and the electric charge stored in the first stage of the horizontal shift register HR is supplied to the external unit via the output unit Aout. Is output to.
[0078]
The configuration of the drive control unit of the CCD image sensor described above will be described. This drive control unit includes a timing
[0079]
The transfer control unit determines the number of lines of image data to be transferred within one horizontal period, and outputs the third transfer pulse TP3 by the number corresponding to one horizontal line pixel in each horizontal period to output image data to the outside. The set number of transfer lines is converted into 2-bit transfer line number signals L1 and L2, and the presence / absence of an external output is converted into an output presence / absence control signal OE to generate a transfer pulse. Output to the
[0080]
FIGS. 9A and 9B show the data structures of the transfer line number signals L1 and L2 and the external output presence / absence control signal OE, respectively. As shown in the figure, codes of “00”, “10”, “01”, and “11” are assigned to the numbers of
[0081]
FIG. 6 shows the internal configuration of the generation unit of the first, second, and third transfer pulses TP1, TP2, and TP3 in the transfer
[0082]
The second transfer pulse generator includes four
[0083]
Each of the
[0084]
As shown in the drawing, the one-line
[0085]
The
[0086]
The
[0087]
The timing generator 22d for seven-line transfer outputs two pulses during the horizontal blanking period and five pulses outside the horizontal blanking period.
[0088]
The
[0089]
The third transfer pulse generator includes a
[0090]
As described above with reference to FIG. 3, in the CCD
[0091]
In the first high-speed image reading method, at the beginning of each vertical period, the drive control unit performs a signal charge capturing process for capturing signal charges from the light receiving pixels Ph to the vertical shift registers VR1 to VRn of each column. A preceding optical black pixel region corresponding process for dropping signal charges on the vertical shift registers VR1 to VRn of each column taken from the optical black pixel region into the horizontal shift register HR, and each column taken from the photosensitive pixel region Processing for reading out the signal charges on the vertical shift registers VR1 to VRn to the outside by appropriately linking the transfer of the vertical shift registers VR1 to VRn and the transfer of the horizontal shift register HR of each column to the outside. To the signal voltages on the vertical shift registers VR1 to VRn of each column captured from the subsequent-stage optical black pixel area. Is dropped into the horizontal shift register HR, and the subsequent optical black pixel area corresponding processing is repeated without being interposed. Thus, the one-screen readout cycle is reduced by the amount that the subsequent optical black pixel area corresponding processing is not performed. Shorten.
[0092]
In the second high-speed image reading method, at the beginning of each vertical period, the drive control unit performs a signal charge capturing process for capturing signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers VR1 to VRn of each column; A first-stage optical black pixel region corresponding process for rapidly dropping signal charges on the vertical shift registers VR1 to VRn of each column taken from the black pixel region into the horizontal shift register HR; A light-sensitive pixel area corresponding process for reading out signal charges on the column vertical shift registers VR1 to VRn to the outside by appropriately transferring the transfer of the vertical shift registers VR1 to VRn and the transfer of the horizontal shift register HR of each column to the outside; The signal charges on the vertical shift registers VR1 to VRn of each column captured from the subsequent optical black pixel area are And a subsequent-stage optical black pixel region corresponding process for rapidly dropping the data into the flat shift register HR is configured to be repeatedly executed. The one-screen read cycle is reduced by the amount by which the signal charges on the shift registers VR1 to VRn are dropped into the horizontal shift register HR at high speed.
[0093]
A specific example of the first high-speed image reading method will be described with reference to FIGS. In this example, the drive control unit (including the transfer
[0094]
Here, the signal charge capturing process (A) is a process of capturing signal charges from the light receiving pixels Ph (m, n) to the vertical shift registers VR1 to VRn of each column at the beginning of each vertical period.
[0095]
The pre-stage optical black pixel corresponding processing (B) is a process of dropping signal charges on the vertical shift registers VR1 to VRn of each column taken from the pre-stage optical black pixel area (1 to 7 lines) to the horizontal shift register HR. This is the process of inserting.
[0096]
The photosensitive pixel area correspondence processing (C) means that the signal charges on the vertical shift registers VR1 to VRn of each column taken from the photosensitive pixel area (8 to 67 lines) are converted into the vertical shift registers VR1 of each column. ... VRn and the transfer of the horizontal shift register HR are appropriately linked and read out to the outside.
[0097]
Further, the post-stage optical pixel region correspondence processing (D) is a process of dropping signal charges on the vertical shift registers VR1 to VRn of each column taken from the post-stage optical black pixel region (
[0098]
In this example, the first-stage optical black pixel region correspondence processing (B) is performed for one horizontal period. Inside 1 includes an operation of performing seven-stage continuous vertical transfer. And this one horizontal period Inside The operation of performing the seven-stage continuous vertical transfer is performed until the transfer of the horizontal shift register is stopped during the horizontal period (see FIGS. 11 and 12).
[0099]
In this example, the photosensitive pixel area correspondence processing (C) includes a two-stage continuous vertical transfer operation and a continuous horizontal transfer operation of the number of stages corresponding to the number of pixels of one horizontal line before and after a time zone within one horizontal period. Includes processing to be shifted. As will be described later, in this example, the two-stage continuous vertical transfer operation is performed within the horizontal blanking period (see FIGS. 11 and 13).
[0100]
FIG. 8 shows a setting example of a transfer specification table (stored in a
[0101]
In this example, a video signal corresponding to the preceding optical black pixel region is transferred continuously for seven lines in one horizontal period, and a video signal corresponding to the subsequent photosensitive pixel region is transferred two lines in each horizontal period. In this example, the number of transfer lines in the first horizontal period is set to 7 (L2, L1 = 1, 1), and then the number of transfer lines in the second to 31st horizontal periods is set to 2 (L2, L2). L1 = 1, 0). Regarding the presence or absence of output by horizontal transfer, the presence or absence of output in the first one horizontal period is “none” (OE = 0), and the presence or absence of output in the second to 31st horizontal periods is “present” (OE = 1).
[0102]
The transfer control unit (the operation of which is shown in the flowchart of FIG. 10) reads the set values of the transfer line number signals L1 and L2 and the output presence / absence signal OE stored in the transfer specification table for each horizontal period, and The transfer line number signals L1 and L2 and the output presence / absence signal OE are set to levels according to the set values and output to the
[0103]
The transfer
[0104]
The sensor main body 100 (see FIG. 1) is configured to set the number of transfer lines and the value of output / non-output of the transfer specification table via the
[0105]
An outline of the transfer control processing executed in the transfer control unit is shown in the flowchart of FIG. This transfer control process is started in response to the arrival of the horizontal period start signal HD (see FIG. 11) coming from the
[0106]
It is now assumed that the horizontal period counter LC is cleared. In this state, when the horizontal period start signal HD arrives, the process of FIG. 10 is started, and the value of the horizontal period counter LC is counted up from "0" to "1" (step 1001).
[0107]
When the value of the horizontal period counter LC becomes "1", the transfer specification table is referred to using the count value "1" as an argument, whereby the set values of the transfer line number signals L1 and L2 and the output presence / absence signal OE are read. As is clear from the conversion table of FIG. 9, the number of transfer lines is "7" at this time, and the external output by horizontal transfer is "none" (step 1002).
[0108]
According to the contents of the set values read from the transfer specification table, the values of the transfer line number signals L1, L2 and the horizontal transfer presence / absence signal OE are set to L1 = 1, L2 = 1, and OE = 0, respectively ( Step 1003). Then, as shown in FIGS. 11 and 12, in the first horizontal period corresponding to the count value “1”, the second transfer pulse TP3 for horizontal transfer is not output, and the second transfer pulse TP3 for vertical transfer is output. Only seven transfer pulses TP2 are continuously output from the
[0109]
When the second horizontal period start signal HD arrives, the process of FIG. 10 is started, and the value of the horizontal period counter LC is counted up from "1" to "2" (step 1001).
[0110]
When the value of the horizontal period counter LC becomes "2", the transfer specification table is referred to using the count value "2" as an argument, whereby the set values of the transfer line number signals L1 and L2 and the output presence / absence signal OE are read. As is apparent from the conversion table of FIG. 8, at this time, the number of transfer lines is “2”, and the external output by horizontal transfer is “present” (step 1002).
[0111]
According to the contents of the set values read from the transfer specification table, the values of the transfer line number signals L1, L2 and the horizontal transfer presence / absence signal OE are set to L1 = 0, L2 = 1, and OE = 1, respectively ( Step 803). Then, as shown in FIGS. 11 and 13, in the second horizontal period corresponding to the count value “2”, the
[0112]
When two second transfer pulses TP2 are output during the horizontal blanking period, the charges for the seven lines from 1 to 7 accumulated in each stage of the horizontal shift register HR are further added to 8, 9 The charges of two lines are dropped, and the charges of nine lines of 1 to 9 lines are superimposed as a whole. Thereafter, when the third transfer pulse TP3 for horizontal transfer is output by the number corresponding to one horizontal line pixel, the above-mentioned superimposed charges for nine lines are output in the video signal. As shown by hatching in FIG. 11 and surrounded by a dotted line in FIG. 13, the video signal portion on which the charges for the nine lines are superimposed becomes an OB unnecessary video signal. As a result, the first two lines in the video signal become an invalid image portion. Thereafter, the process ends (NO in step 1004), and a state in which the process waits for the next horizontal period start signal HD to arrive.
[0113]
When the third horizontal period start signal HD arrives, the process of FIG. 10 is started, and the value of the horizontal period counter LC is counted up from "2" to "3" (step 1001).
[0114]
When the value of the horizontal period counter LC becomes "3", the transfer specification table is referred to using the count value "3" as an argument, whereby the set values of the transfer line number signals L1, L2 and the output presence / absence signal OE are read. As is clear from the conversion table of FIG. 9, the number of transfer lines is also "2" at this time, and the external output by horizontal transfer is determined to be "present" (step 1002).
[0115]
According to the contents of the set values read from the transfer specification table, the values of the transfer line number signals L1, L2 and the horizontal transfer presence / absence signal OE are set to L1 = 0, L2 = 1, and OE = 1, respectively ( Step 1003). Then, as shown in FIG. 11 and FIG. 13, in the third horizontal period corresponding to the count value “3”, the
[0116]
When two second transfer pulses TP2 are output during the horizontal blanking period, charges of two lines of 10 and 11 lines are dropped into each empty stage of the horizontal shift register HR. Superimposed. At this time, although the charge on each stage of the horizontal shift register HR is superimposed on two lines, the characteristics of the original image still remain sufficiently. Thereafter, when the third transfer pulse TP3 for horizontal transfer is output by the number corresponding to one horizontal line pixel, the above-mentioned superposed charges of two lines are output in the video signal. As shown in FIGS. 11 and 13, the video signal portion on which the electric charges of two
[0117]
Thereafter, the operation when the fourth to 31st horizontal period start signals HD arrive is the same as the operation when the third vertical period start signal HD arrives. Therefore, when the fourth to 31st vertical period start signals HD arrive, as shown in FIG. 11 and FIG. 13, two lines of 12, 13, 14, 15, and 66, 67 lines are superimposed. The output video signals are sequentially output.
[0118]
When the 31st horizontal period start signal arrives, the value of the line counter LC reaches the maximum value (
[0119]
When the transfer pulse TP1 for capturing the second and subsequent pixel charges is output, the signal charges are again captured from each of the light receiving pixels Ph (m, n) to the vertical shift registers VR1 to VRn of each column. At this time, electric charges transferred from the subsequent optical black pixel region should exist in each stage of the vertical shift registers VR1 to VRn located in the photosensitive pixel region. However, since the charge from the subsequent optical black pixel area is very small or equal to zero, even if the effective image charge is taken in and superimposed thereon, the effective image will not be obtained due to the so-called double shooting phenomenon. There is no risk of deterioration. That is, even if the electric charge from the optical black pixel region in the subsequent stage is overwritten, the double shooting phenomenon does not occur.
[0120]
Therefore, according to the first high-speed image reading method, it is possible to proceed to the next photographing while leaving the signal charges of 68 to 788 lines on the vertical shift registers VR1 to VRn. By increasing the number, so-called high-speed shooting becomes possible.
[0121]
FIG. 14 is a table showing image data for one screen obtained by adopting the first high-speed image reading method. As shown in the figure, two lines of 1-2 lines are regarded as invalid images, and 29 lines of 3-31 lines are regarded as valid images.
[0122]
Next, a specific example of the second high-speed image reading method will be described with reference to FIGS. In this example, the drive control unit (which includes the transfer
[0123]
Here, the signal charge capturing process (A) is a process of capturing signal charges from the light receiving pixels Ph (m, n) to the vertical shift registers VR1 to VRn of each column at the beginning of each vertical period.
[0124]
The preceding-stage optical black pixel region corresponding process (B) is a process of rapidly dropping signal charges on the vertical shift registers VR1 to VRn of each column taken from the preceding-stage optical black pixel region into the horizontal shift register HR. .
[0125]
The photosensitive pixel area correspondence processing (C) means that the signal charges on the vertical shift registers VR1 to VRn of each column taken from the photosensitive pixel area are transferred to the vertical shift registers VR1 to VRn of each column and the horizontal shift register is transferred. This is a process of reading out to the outside by appropriately linking the transfer of the HR with the transfer.
[0126]
The post-stage optical black pixel region corresponding process (D) is a process of rapidly dropping signal charges on the vertical shift registers VR1 to VRn of each column taken from the post-stage optical black pixel region into the horizontal shift register HR. .
[0127]
In this example, the first-stage optical black pixel region corresponding process (B) and / or the second-stage optical black pixel region corresponding process (D) correspond to one horizontal period. Inside Operation to perform seven-stage continuous vertical transfer to During the horizontal period of Or over two or more horizontal periods repetition, The processing to be performed is included. And this one horizontal period Inside The operation of performing the seven-stage continuous vertical transfer is performed until the transfer of the horizontal shift register HR is stopped during the horizontal period (see FIG. 16).
[0128]
In the photosensitive image area corresponding processing (C), the continuous vertical transfer operation of two stages and the continuous horizontal transfer operation of the number of stages corresponding to the number of one horizontal line pixel are performed by shifting the time zone back and forth within one horizontal period. The processing is included (see FIG. 16).
[0129]
FIG. 15 shows a setting example of a transfer specification table used in the second high-speed image reading method. As shown in the figure, in this transfer specification table, the set values of the number of transfer lines and the presence or absence of output in the horizontal period are respectively associated with the horizontal period counter value indicating the number of the horizontal period. It is stored in the form of transfer line number signals L1, L2.
[0130]
In this example, a video signal corresponding to the preceding optical black pixel area is transferred continuously for seven lines in one horizontal period, and a video signal corresponding to the subsequent photosensitive pixel area is transferred two lines in each horizontal period. This is an example in which a subsequent optical black pixel region is set and transferred seven lines continuously in one horizontal period. After the number of transfer lines in the first one horizontal period is set to seven, the second to 31st horizontal lines are transferred. The transfer lines in the period are set to 2 lines, and the transfer lines in the 32nd to 134th horizontal periods are set to 7 lines. Regarding the presence / absence of output by horizontal transfer, the presence / absence of output in the first one horizontal period is “absent”, the presence / absence of output in the second to 31st horizontal periods is “present”, and then the presence of 32 to 134th The presence / absence of output during the horizontal period is set to “none” again.
[0131]
The transfer control processing executed in the transfer control unit is basically the same as that shown in the flowchart of FIG. Therefore, the second high-speed image reading method will be described with reference to the flowchart again.
[0132]
The operation of the horizontal period counter LC during the count from “1” to “31” is the same as in the first high-speed image reading process. That is, in the horizontal period (mainly, the preceding optical black pixel region) corresponding to the count values “1” and “2”, the charge of seven lines from 1 to 7 accumulated in each stage of the horizontal shift register HR is increased. Further, charges of two lines of 8, 9 lines are dropped, and charges of nine lines of 1 to 9 lines are superimposed as a whole, and are output in the vertical period of the count value "2" in the video signal. You. The video signal portion on which the charges for the nine lines are superimposed becomes an OB unnecessary video signal, and as a result, the first two lines in the video signal become invalid image portions (the count values “1” and “2” in FIG. 16). "reference).
[0133]
In the third to 31st horizontal periods (mainly photosensitive pixel areas) corresponding to the count values “3” to “31”, 10,11 lines, 12,13 lines, 14,15 lines, to 66,67 lines Are superimposed on each other and are sequentially output. The video signal portion on which these two lines of charges are superimposed becomes an effective video signal (see count values “3” to “31” in FIG. 16).
[0134]
In the 32nd to 134th horizontal periods corresponding to the count values “32” to “134” (mainly, in the latter-stage optical black pixel area), the transfer
[0135]
FIG. 17 is a table showing image data for one screen acquired by employing the second high-speed image reading method. As shown in the figure, two lines of 1 to 2 lines are regarded as a preceding invalid image, 29 lines of 3 to 31 lines are regarded as valid images, and 103 lines of 32 to 134 lines are regarded as a succeeding invalid image. Is done.
[0136]
As a pixel array serving as a base of the
[0137]
Next, the contents of the image processing performed by the sensor
[0138]
The
[0139]
Next, various measurement processes in the
[0140]
First, the case of measuring the height of a metal plate having a hairline on its surface will be described with reference to FIGS. In such a case, as shown in FIG. 18, the all-line collective averaging process is executed. FIG. 19 shows the contents of the transfer specification table in this case, and FIG. 20 shows an example of driving the image sensor. As shown in FIG. 19, in this case, when the value of the horizontal period counter is “1”, the number of transfer stages is “7”, and when the value of the horizontal counter is “2” to “31”, the number of transfer stages is “2”. It is said. On the other hand, while the value of the horizontal counter is “1” to “30”, horizontal transfer is “none”. As a result of executing the processing of FIG. 10 described above in accordance with such a transfer specification table, as shown in FIG. 20, the charge addition results of 29 lines are output collectively for each vertical cycle. As a result, when an object having a hairline on its surface is measured as shown in FIG. 21A, a zigzag line which is an irradiation light image of the cutting light is formed on the object surface as shown in FIG. Although a beam appears, such data is averaged by the area effect on the light receiving surface of the image sensor as shown in FIG. 3C, so that the influence of the hairline is reduced and accurate measurement is performed. It is possible. As described above, according to the present invention, instead of reading out image data line by line from the CCD image pickup device and performing averaging processing on the memory, the multi-stage vertical operation of the CCD and the horizontal transfer stop control are combined to realize the CCD internal device. , The averaging process can be performed at high speed, and it is not necessary to provide a special averaging operation circuit externally.
[0141]
Next, a description will be given of a process of performing various measurements by performing various image processing operations on data read out from the CCD image pickup device on a memory. In these measurement processes, the contents of the transfer specification table stored in the
[0142]
First, the measurement processing of the flaw will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 23A, when an object having a flaw on the surface is photographed by the sensor head, a large waveform bright line corresponding to the depth of the flaw is formed on the surface of the object as shown in FIG. The following line beam image appears. Therefore, as shown in FIG. 3C, the height of each measurement line is detected, and peak-to-peak (PP) is obtained. Alternatively, the variance of the height of each measurement line is obtained. Then, the width or depth of such a flaw can be obtained as a measured value.
[0143]
Next, measurement of protrusions will be described with reference to FIG. When a measurement object having a protrusion is photographed by the sensor head as shown in FIG. 7A, a line beam image composed of an arc-shaped bright line appears on the surface of the object as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 3C, the height of each measurement line is detected, and peak-to-peak (PP) is obtained. Then, the height of such a protrusion can be obtained as a measured value.
[0144]
Next, the measurement of the groove will be described with reference to FIG. When the surface of an object having a V-shaped groove on the surface is photographed by the sensor head as shown in FIG. 7A, the surface of the object has a depth corresponding to the depth of the scratch as shown in FIG. A line beam image serving as a large V-shaped waveform bright line appears. Therefore, as shown in FIG. 3C, the height of each measurement line is detected, and the bottom is obtained. Then, the depth of such a groove can be obtained as a measured value.
[0145]
Next, measurement of the inclination will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3A, when an object having a tilted surface is measured from above, a line beam having a tilt angle θ is formed on the surface of the object as shown in FIG. 3B. An image appears. Therefore, as shown in FIG. 3C, the height of each measurement line is calculated from the image data obtained in this way, and the inclination is obtained, so that the inclination of the object whose surface is inclined is used as the measurement value. Obtainable. At the same time, by using this function, the mounting state of the sensor can be confirmed.
[0146]
Next, measurement of coplanarity (height uniformity) will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3A, when an object having a BGA (Ball Grid Array) on the surface is measured from above, a half of the surface of the object is formed as shown in FIG. A line beam image as a circular bright line appears. Therefore, as shown in FIG. 4C, the height of each measurement line is calculated and the peak is obtained while moving such an object, thereby obtaining the coplanarity of the BGA, that is, the height of the vertices of a plurality of BGAs. It is possible to measure how much is complete.
[0147]
The relationship between the above-described processing and the measurement target is summarized in the flowchart of FIG. As shown in the figure, in the case of measuring a flaw (YES in step 2201), the height of each measurement line is calculated, and PP is obtained. Alternatively, the variance of the height of each measurement line is obtained (step 2202).
[0148]
In the case of measuring a protrusion (YES in step 2203), the height of each measurement line is calculated, and a peak is obtained (step 2204).
[0149]
In the case of groove measurement (step 2205 YES), the height of each measurement line is calculated, and the bottom is determined (step 2206).
[0150]
In the case of measuring the inclination (YES in step 2207), the height of each measurement line is calculated to determine the inclination (step 2208).
[0151]
In the case of coplanarity measurement (
[0152]
In the embodiment described above, the direction of the horizontal line of the image sensor is directed to the direction in which the position of the line beam image formed on the light receiving surface of the image sensor changes in accordance with the displacement of the measurement target. The direction may be a direction rotated by 90 degrees in the light receiving surface. That is, the direction of the horizontal line of the image sensor may be directed in a direction perpendicular to the direction in which the position of the line beam image formed on the light receiving surface of the image sensor changes in accordance with the displacement of the measurement target. With this configuration, a long region along the irradiation position of the line beam can be included in the field of view, so that the height distribution in this long region can be measured at once. For example, a plurality of leads or BGAs can be placed in a field of view, and variations in their height can be measured at once.
[0153]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the displacement sensor of the present invention, it is possible to acquire image data at a required resolution at a high speed from a long and narrow field of view, perform various measurement processes with a high-speed response, and at a low cost. And a displacement sensor that can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an electrical configuration of a displacement sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an optical system of a sensor head of a displacement sensor according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a pixel array on a light-receiving cotton in an imaging element of a sensor head unit.
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a photosensitive pixel area and an optical black pixel area in an image sensor of a sensor head unit by an actual screen aspect ratio.
FIG. 5 is a block diagram illustrating a charge transfer circuit in the image sensor.
FIG. 6 is a diagram showing an internal configuration of a transfer pulse generator.
FIG. 7 is a time chart showing an output mode of a horizontal transfer pulse (TP2).
FIG. 8 is a diagram showing the contents of a transfer specification table (first high-speed image reading method).
FIG. 9 is a diagram showing semantic contents of L1, L2, and OE.
FIG. 10 is a flowchart illustrating an operation of a transfer control unit.
FIG. 11 is a time chart (first high-speed image reading method) illustrating an example of driving the image sensor.
FIG. 12 is a diagram illustrating a main part of the time chart of FIG. 11;
FIG. 13 is a diagram illustrating a main part of the time chart of FIG. 11;
FIG. 14 is a diagram (first high-speed image reading method) showing a tabular data configuration of one screen in one driving example of an image sensor.
FIG. 15 is a diagram showing the contents of a transfer specification table (second high-speed image reading method).
FIG. 16 is a time chart (second high-speed image reading method) showing one driving example of an image sensor.
FIG. 17 is a diagram (a second high-speed image reading method) showing a tabular data configuration of one screen in a driving example of the element of the present invention.
FIG. 18 is a conceptual diagram illustrating an all-line batch averaging process performed on an image sensor.
FIG. 19 is a diagram showing the contents of a transfer specification table for batch averaging of all lines.
FIG. 20 is a time chart illustrating a driving example of an image sensor at the time of all-line collective averaging processing.
FIG. 21 is a diagram illustrating an application example of the all-line collective averaging process.
FIG. 22 is a flowchart illustrating the entire image processing executed by the sensor body.
FIG. 23 is an explanatory diagram of image processing for flaw measurement.
FIG. 24 is an explanatory diagram of image processing for projection measurement.
FIG. 25 is an explanatory diagram of image processing for groove measurement.
FIG. 26 is an explanatory diagram of image processing for tilt measurement.
FIG. 27 is an explanatory diagram of image processing for coplanarity measurement.
FIG. 28 is a diagram showing an optical system of a sensor head of a conventional displacement sensor.
FIG. 29 is a diagram schematically showing an operation in a case where area measurement is performed using a conventional displacement sensor.
FIG. 30 is a diagram illustrating a photosensitive region of a conventional two-dimensional CCD.
FIG. 31 is a diagram illustrating an application example of the imaging apparatus.
FIG. 32 is a block diagram illustrating a configuration of a visual measurement device.
[Explanation of symbols]
1 Displacement sensor
7 Imaging device
8 Image processing device
71 CCD
72 Transfer pulse generator
73 Transfer control unit
74 amplifier
75 Transfer specification table
81 Image input section
82 Image processing unit
83 Output unit
91 Measurement object
92 Line beam for measurement
93 Reflected light
94 lens system
95 Two-dimensional image sensor
96 Horizontal scanning direction of 2D image sensor
97 Vertical operation direction of 2D image sensor
98 Specific horizontal line zone
100 Sensor body
101 CPU (one-chip microcomputer)
102 Display LED
103 Operation switch
104 input / output (I / O) circuit
105 arithmetic unit
106 Memory control unit
107 frame buffer
108 D / A converter
109 registers
110 Synchronous signal generator
111 Oscillator (OSC)
112 A / D converter
200 Sensor head
201 Oscillator (OSC)
202 Timing signal generator
203 CCD drive
204 Sample hold circuit
205 CCD (two-dimensional image sensor)
206 slit light source
207 laser diode
208 slit
209 Floodlight lens
210 Cut Light Trace
211 Light receiving lens
300 Object to be measured
400 stages
500 Sensor head
501 laser diode
502 slit
503 Floodlight lens
504 light receiving lens
505 light receiving element
600 Object to be measured
700 stages
800 Image processing device
SP cutting light trace
Ph1 photosensitive pixel
Ph2 optical black pixel
HR horizontal shift register
VR vertical shift register
Aout output buffer
HLB Specific horizontal line zone
Claims (10)
撮像部には、
標準的な撮像装置の視野に対応してマトリクス状に配列された受光画素群、各列の垂直シフトレジスタ、並びに、各列の垂直シフトレジスタの出力を先頭から順に受け取る水平シフトレジスタを有し、かつ半導体プロセスにおいて形成された前段オプティカルブラック画素領域と後段オプティカルブラック画素領域とを設けることにより、それらに挟まれるようにして、その全部又は大部分が光感応画素領域であり、総水平ライン幅よりも十分に幅の狭い特定水平ライン帯を具備してなり、計測対象変位に応じて受光面上の光像位置が変化する方向に水平ラインが向けられている二次元撮像素子と、
指令された電荷転送仕様に基づいて、受光画素群から各列の垂直シフトレジスタへの電荷取込動作、垂直シフトレジスタの転送動作、水平シフトレジスタの転送動作を制御する駆動制御部、とが含まれ、かつ
画像処理部には、
撮像部の駆動制御部に対して画像処理内容に応じた電荷転送仕様を与える電荷転送仕様指令手段が含まれている、変位センサ。By processing the image obtained from the imaging unit, which captures the surface of the measurement target object having the irradiation light image of the cross-section linear cutting light from an angle at which the optical image position changes according to the displacement of the measurement target, and an image obtained from the imaging unit , An image processing unit that calculates a displacement to be measured,
In the imaging unit,
A light-receiving pixel group arranged in a matrix corresponding to the field of view of a standard imaging device, a vertical shift register of each column, and a horizontal shift register that sequentially receives the output of the vertical shift register of each column from the top, And, by providing the former optical black pixel region and the latter optical black pixel region formed in the semiconductor process, all or most of them are photosensitive pixel regions so as to be sandwiched between them, and A two-dimensional image sensor, which also includes a specific horizontal line band having a sufficiently narrow width, and a horizontal line is directed in a direction in which an optical image position on a light receiving surface changes according to a displacement of a measurement target,
A drive control unit that controls a charge take-in operation from the light receiving pixel group to the vertical shift register of each column, a transfer operation of the vertical shift register, and a transfer operation of the horizontal shift register based on the commanded charge transfer specification. And the image processing unit
A displacement sensor including charge transfer specification command means for giving a charge transfer specification according to image processing contents to a drive control unit of an imaging unit.
毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、
前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、
光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタの転送と水平シフトレジスタの転送とを適宜に連繋して外部に読み出させる光感応画素領域対応処理とを、
後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理を途中に挟むことなく繰り返すものであり、
それにより、後段オプティカルブラック画素領域対応処理を行わない分だけ、1画面読出周期を短縮するものであり、
光感応画素領域対応処理は、2以上の段数の連続垂直転送動作と1水平ライン画素数に相当する段数の連続水平転送動作とを、1水平期間内において時間帯を前後にずらして行わせる処理を含む、請求項1に記載の変位センサ。The content of the charge transfer specification instructed by the image processing unit is
At the beginning of each vertical period, a signal charge capturing process for capturing signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers of each column;
A preceding optical black pixel area corresponding process of dropping signal charges on the vertical shift register of each column taken from the preceding optical black pixel area into the horizontal shift register;
A photosensitive pixel area for reading signal charges on the vertical shift register of each column taken from the photosensitive pixel area to the outside by appropriately linking the transfer of the vertical shift register of each column and the transfer of the horizontal shift register. The corresponding process,
The subsequent optical black pixel region corresponding process of dropping the signal charges on the vertical shift register of each column taken from the subsequent optical black pixel region into the horizontal shift register is repeated without being sandwiched in the middle,
Thereby, the one-screen readout cycle is shortened by the amount that the post-stage optical black pixel region corresponding processing is not performed.
The photosensitive pixel area corresponding processing is a processing in which a continuous vertical transfer operation of two or more stages and a continuous horizontal transfer operation of a number of stages corresponding to one horizontal line pixel are performed by shifting a time zone back and forth within one horizontal period. The displacement sensor according to claim 1, comprising:
毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、
前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、
光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタの転送と水平シフトレジスタの転送とを適宜に連繋して外部に読み出させる光感応画素領域対応処理とを、
後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理を途中に挟むことなく繰り返すものであり、
それにより、後段オプティカルブラック画素領域対応処理を行わない分だけ、1画面読出周期を短縮するものであり、
光感応画素領域対応処理は、1若しくは2以上の水平期間に亘り水平転送動作を停止させ、その間に光感応画素領域の全水平ラインの電荷を水平シフトレジスタに一括転送して、同一垂直列同士で画素電荷を重畳させるものであり、
それにより、光感応画素領域の全ライン一括平均化処理を二次元撮像素子内で行う、請求項1に記載の変位センサ。The content of the charge transfer specification instructed by the image processing unit is
At the beginning of each vertical period, a signal charge capturing process for capturing signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers of each column;
A preceding optical black pixel area corresponding process of dropping signal charges on the vertical shift register of each column taken from the preceding optical black pixel area into the horizontal shift register;
A photosensitive pixel area for reading signal charges on the vertical shift register of each column taken from the photosensitive pixel area to the outside by appropriately linking the transfer of the vertical shift register of each column and the transfer of the horizontal shift register. The corresponding process,
The subsequent optical black pixel region corresponding process of dropping the signal charges on the vertical shift register of each column taken from the subsequent optical black pixel region into the horizontal shift register is repeated without being sandwiched in the middle,
Thereby, the one-screen readout cycle is shortened by the amount that the post-stage optical black pixel region corresponding processing is not performed.
In the photosensitive pixel area corresponding processing, the horizontal transfer operation is stopped for one or more horizontal periods, during which charges of all the horizontal lines in the photosensitive pixel area are collectively transferred to the horizontal shift register, and the same vertical column is transferred. To superimpose the pixel charge,
The displacement sensor according to claim 1, wherein the collective averaging process of all lines in the photosensitive pixel area is performed in the two-dimensional image sensor.
毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、
前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと高速に落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、
光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタの転送と水平シフトレジスタの転送とを適宜に連繋して外部に読み出す光感応画素領域対応処理と、
後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと高速に落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理とを、
繰り返し実行するものであり、
それにより、前段並びに後段のオプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタに高速に落とし込ませる分だけ、1画面読出周期を短縮するものであり、
光感応画素領域対応処理は、2以上の段数の連続垂直転送動作と1水平ライン画素数に相当する段数の連続水平転送動作とを、1水平期間内において時間帯を前後にずらして行わせる処理を含む、請求項1に記載の変位センサ。The content of the charge transfer specification instructed by the image processing unit is
At the beginning of each vertical period, a signal charge capturing process for capturing signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers of each column;
A first-stage optical black pixel region corresponding process for quickly dropping signal charges on the vertical shift register of each column taken from the first-stage optical black pixel region into the horizontal shift register;
A photosensitive pixel area corresponding process for reading out the signal charges on the vertical shift registers of each column taken from the photosensitive pixel area to the outside by appropriately linking the transfer of the vertical shift register and the transfer of the horizontal shift register of each column to the outside. When,
A post-stage optical black pixel region corresponding process of rapidly dropping signal charges on the vertical shift register of each column taken from the post-stage optical black pixel region into the horizontal shift register,
It is something that is executed repeatedly,
Thereby, the one-screen readout cycle is shortened by the amount by which the signal charges on the vertical shift register of each column taken in from the optical black pixel regions at the preceding and subsequent stages are dropped into the horizontal shift register at a high speed.
The photosensitive pixel area corresponding processing is a processing in which a continuous vertical transfer operation of two or more stages and a continuous horizontal transfer operation of a number of stages corresponding to one horizontal line pixel are performed by shifting a time zone back and forth within one horizontal period. The displacement sensor according to claim 1, comprising:
毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、
前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと高速に落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、
光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタの転送と水平シフトレジスタの転送とを適宜に連繋して外部に読み出す光感応画素領域対応処理と、
後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと高速に落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理とを、
繰り返し実行するものであり、
それにより、前段並びに後段のオプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタに高速に落とし込ませる分だけ、1画面読出周期を短縮するものであり、
光感応画素領域対応処理は、1若しくは2以上の水平期間に亘り水平転送動作を停止させ、その間に光感応画素領域の全水平ラインの電荷を水平シフトレジスタに一括転送して、同一垂直列同士で画素電荷を重畳させるものであり、
それにより、光感応画素領域の全ライン一括平均化処理を二次元撮像素子内で行う、請求項1に記載の変位センサ。The content of the charge transfer specification instructed by the image processing unit is
At the beginning of each vertical period, a signal charge capturing process for capturing signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers of each column;
A first-stage optical black pixel region corresponding process for quickly dropping signal charges on the vertical shift register of each column taken from the first-stage optical black pixel region into the horizontal shift register;
A photosensitive pixel area corresponding process for reading out the signal charges on the vertical shift registers of each column taken from the photosensitive pixel area to the outside by appropriately linking the transfer of the vertical shift register and the transfer of the horizontal shift register of each column to the outside. When,
A post-stage optical black pixel region corresponding process of rapidly dropping signal charges on the vertical shift register of each column taken from the post-stage optical black pixel region into the horizontal shift register,
It is something that is executed repeatedly,
Thereby, the one-screen readout cycle is shortened by the amount by which the signal charges on the vertical shift register of each column taken in from the optical black pixel regions at the preceding and subsequent stages are dropped into the horizontal shift register at a high speed.
In the photosensitive pixel area corresponding processing, the horizontal transfer operation is stopped for one or more horizontal periods, during which charges of all the horizontal lines in the photosensitive pixel area are collectively transferred to the horizontal shift register, and the same vertical column is transferred. To superimpose the pixel charge,
The displacement sensor according to claim 1, wherein the collective averaging process of all lines in the photosensitive pixel area is performed in the two-dimensional image sensor.
撮像部には、
標準的な撮像装置の視野に対応してマトリクス状に配列された受光画素群、各列の垂直シフトレジスタ、並びに、各列の垂直シフトレジスタの出力を先頭から順に受け取る水平シフトレジスタを有し、かつ半導体プロセスにおいて形成された前段オプティカルブラック画素領域と後段オプティカルブラック画素領域とを設けることにより、それらに挟まれるようにして、その全部又は大部分が光感応画素領域であり、総水平ライン幅よりも十分に幅の狭い特定水平ライン帯を具備してなり、計測対象変位に応じて撮像面上の光像位置が変化する方向に水平ラインが向けられている二次元撮像素子と、
所定の電荷転送仕様に基づいて、受光画素群から各列の垂直シフトレジスタへの電荷取込動作、垂直シフトレジスタの転送動作、水平シフトレジスタの転送動作を制御する駆動制御部、とが含まれ、かつ
画像処理部は、
撮像部の駆動制御部に採用されている電荷転送仕様と同じ電荷転送仕様に基づいた画像処理を行う、変位センサ。By processing the image obtained from the imaging unit, which captures the surface of the measurement target object having the irradiation light image of the cross-section linear cutting light from an angle at which the optical image position changes according to the displacement of the measurement target, and an image obtained from the imaging unit , An image processing unit that calculates a displacement to be measured,
In the imaging unit,
A light-receiving pixel group arranged in a matrix corresponding to the field of view of a standard imaging device, a vertical shift register of each column, and a horizontal shift register for sequentially receiving the output of the vertical shift register of each column from the top, And, by providing the former optical black pixel region and the latter optical black pixel region formed in the semiconductor process, all or most of them are photosensitive pixel regions so as to be sandwiched between them, and A two-dimensional image sensor having a sufficiently narrow specific horizontal line band, and a horizontal line directed in a direction in which an optical image position on an imaging surface changes according to a displacement of a measurement target,
A drive control unit that controls a charge taking operation from the light receiving pixel group to the vertical shift register of each column, a transfer operation of the vertical shift register, and a transfer operation of the horizontal shift register based on predetermined charge transfer specifications. , And the image processing unit,
A displacement sensor that performs image processing based on the same charge transfer specifications as those used in the drive control unit of the imaging unit.
毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、
前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、
光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタの転送と水平シフトレジスタの転送とを適宜に連繋して外部に読み出させる光感応画素領域対応処理とを、
後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理を途中に挟むことなく繰り返すものであり、
それにより、後段オプティカルブラック画素領域対応処理を行わない分だけ、1画面読出周期を短縮するものであり、
光感応画素領域対応処理は、2以上の段数の連続垂直転送動作と1水平ライン画素数に相当する段数の連続水平転送動作とを、1水平期間内において時間帯を前後にずらして行わせる処理を含む、請求項6に記載の変位センサ。The content of the predetermined charge transfer specification,
At the beginning of each vertical period, a signal charge capturing process for capturing signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers of each column;
A preceding optical black pixel area corresponding process of dropping signal charges on the vertical shift register of each column taken from the preceding optical black pixel area into the horizontal shift register;
A photosensitive pixel area for reading signal charges on the vertical shift register of each column taken from the photosensitive pixel area to the outside by appropriately linking the transfer of the vertical shift register of each column and the transfer of the horizontal shift register. The corresponding process,
The subsequent optical black pixel region corresponding process of dropping the signal charges on the vertical shift register of each column taken from the subsequent optical black pixel region into the horizontal shift register is repeated without being sandwiched in the middle,
Thereby, the one-screen readout cycle is shortened by the amount that the post-stage optical black pixel region corresponding processing is not performed.
The photosensitive pixel area corresponding processing is a processing in which a continuous vertical transfer operation of two or more stages and a continuous horizontal transfer operation of a number of stages corresponding to one horizontal line pixel are performed by shifting a time zone back and forth within one horizontal period. The displacement sensor according to claim 6, comprising:
毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、
前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、
光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタの転送と水平シフトレジスタの転送とを適宜に連繋して外部に読み出させる光感応画素領域対応処理とを、
後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理を途中に挟むことなく繰り返すものであり、
それにより、後段オプティカルブラック画素領域対応処理を行わない分だけ、1画面読出周期を短縮するものであり、
光感応画素領域対応処理は、1若しくは2以上の水平期間に亘り水平転送動作を停止させ、その間に光感応画素領域の全水平ラインの電荷を水平シフトレジスタに一括転送して、同一垂直列同士で画素電荷を重畳させるものであり、
それにより、光感応画素領域の全ライン一括平均化処理を二次元撮像素子内で行う、請求項6に記載の変位センサ。The content of the predetermined charge transfer specification,
At the beginning of each vertical period, a signal charge capturing process for capturing signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers of each column;
A preceding optical black pixel area corresponding process of dropping signal charges on the vertical shift register of each column taken from the preceding optical black pixel area into the horizontal shift register;
A photosensitive pixel area for reading signal charges on the vertical shift register of each column taken from the photosensitive pixel area to the outside by appropriately linking the transfer of the vertical shift register of each column and the transfer of the horizontal shift register. The corresponding process,
The subsequent optical black pixel region corresponding process of dropping the signal charges on the vertical shift register of each column taken from the subsequent optical black pixel region into the horizontal shift register is repeated without being sandwiched in the middle,
Thereby, the one-screen readout cycle is shortened by the amount that the post-stage optical black pixel region corresponding processing is not performed.
In the photosensitive pixel area corresponding processing, the horizontal transfer operation is stopped for one or more horizontal periods, during which charges of all the horizontal lines in the photosensitive pixel area are collectively transferred to the horizontal shift register, and the same vertical column is transferred. To superimpose the pixel charge,
7. The displacement sensor according to claim 6, wherein the process of averaging all lines in the photosensitive pixel region is performed in the two-dimensional image sensor.
毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、
前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと高速に落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、
光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタの転送と水平シフトレジスタの転送とを適宜に連繋して外部に読み出す光感応画素領域対応処理と、
後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと高速に落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理とを、
繰り返し実行するものであり、
それにより、前段並びに後段のオプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタに高速に落とし込ませる分だけ、1画面読出周期を短縮するものであり、
光感応画素領域対応処理は、2以上の段数の連続垂直転送動作と1水平ライン画素数に相当する段数の連続水平転送動作とを、1水平期間内において時間帯を前後にずらして行わせる処理を含む、請求項6に記載の変位センサ。The content of the predetermined charge transfer specification,
At the beginning of each vertical period, a signal charge capturing process for capturing signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers of each column;
A first-stage optical black pixel region corresponding process for quickly dropping signal charges on the vertical shift register of each column taken from the first-stage optical black pixel region into the horizontal shift register;
A photosensitive pixel area corresponding process for reading out the signal charges on the vertical shift registers of each column taken from the photosensitive pixel area to the outside by appropriately linking the transfer of the vertical shift register and the transfer of the horizontal shift register of each column to the outside. When,
A post-stage optical black pixel region corresponding process of rapidly dropping signal charges on the vertical shift register of each column taken from the post-stage optical black pixel region into the horizontal shift register,
It is something that is executed repeatedly,
Thereby, the one-screen readout cycle is shortened by the amount by which the signal charges on the vertical shift register of each column taken in from the optical black pixel regions at the preceding and subsequent stages are dropped into the horizontal shift register at a high speed.
The photosensitive pixel area corresponding processing is a processing in which a continuous vertical transfer operation of two or more stages and a continuous horizontal transfer operation of a number of stages corresponding to one horizontal line pixel are performed by shifting a time zone back and forth within one horizontal period. The displacement sensor according to claim 6, comprising:
毎垂直期間の初めに、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、
前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと高速に落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、
光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタの転送と水平シフトレジスタの転送とを適宜に連繋して外部に読み出す光感応画素領域対応処理と、
後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタへと高速に落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理とを、
繰り返し実行するものであり、
それにより、前段並びに後段のオプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタ上の信号電荷を水平シフトレジスタに高速に落とし込ませる分だけ、1画面読出周期を短縮するものであり、
光感応画素領域対応処理は、1若しくは2以上の水平期間に亘り水平転送動作を停止させ、その間に光感応画素領域の全水平ラインの電荷を水平シフトレジスタに一括転送して、同一垂直列同士で画素電荷を重畳させるものであり、
それにより、光感応画素領域の全ライン一括平均化処理を二次元撮像素子内で行う、請求項6に記載の変位センサ。The content of the predetermined charge transfer specification,
At the beginning of each vertical period, a signal charge capturing process for capturing signal charges from the light receiving pixels to the vertical shift registers of each column;
A first-stage optical black pixel region corresponding process for quickly dropping signal charges on the vertical shift register of each column taken from the first-stage optical black pixel region into the horizontal shift register;
A photosensitive pixel area corresponding process for reading out the signal charges on the vertical shift registers of each column taken from the photosensitive pixel area to the outside by appropriately linking the transfer of the vertical shift register and the transfer of the horizontal shift register of each column to the outside. When,
A post-stage optical black pixel region corresponding process of rapidly dropping signal charges on the vertical shift register of each column taken from the post-stage optical black pixel region into the horizontal shift register,
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In the photosensitive pixel area corresponding processing, the horizontal transfer operation is stopped for one or more horizontal periods, during which charges of all the horizontal lines in the photosensitive pixel area are collectively transferred to the horizontal shift register, and the same vertical column is transferred. To superimpose the pixel charge,
7. The displacement sensor according to claim 6, wherein the process of averaging all lines in the photosensitive pixel region is performed in the two-dimensional image sensor.
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