JPH0140287B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電荷蓄積型光電素子アレイを用い
て、そこに投影された光像を電気信号に変換する
光電変換装置の蓄積時間制御方式に関する。

この種の蓄積時間制御方式としては特開昭53−
15131号公報にすでに開示されている。この公報
においては、一般に光電変換素子の出力信号は入
射光量に比例するが、素子の動作特性によりある
範囲の光量以上では出力が入射光量に比例せず飽
和し、またある光量以下では出力信号が暗電流等
により得られない。従つて、一般に光電変換素子
を用いた装置においては、素子が直線特性で作動
する範囲（ダイナミツクレンジ）は限られてお
り、素子への受光量をこの範囲内になるように調
整する必要がある。その点に着目し、時系列的に
発生する光電出力のピーク値を検出して蓄積時間
を制御する方法が述べられている。またピーク値
の代わりに他の測光回路から明るさ情報を得て蓄
積時間を制御する場合についても開示されてい
る。

しかしながら、特定の画像処理を目的とした場
合には、このような光電変換素子上の明るさ情報
（ピーク値や平均値）で蓄積時間を制御すること
は必ずしも最適とは言えない。即ち、明るさ情報
で蓄積時間を制御した場合には、被写体のコント
ラストが高い場合と低い場合とで著しく情報量の
差が生じ、そのような誤つた情報量を利用するこ
とにより制御の応答性の低下を招き、また誤制御
するという問題点がある。

そこで、本出願人は、そのような問題点を解決
する為に、コントラストが高い場合には、より短
い蓄積時間で画像処理に必要十分な情報が得られ
るので、蓄積時間を短くして応答性を良くするよ
うに最適化をはかることが可能である点、またコ
ントラストの低い場合には、応答性は悪くなつて
も蓄積時間を長くする事により、そのような被写
体でも検出可能とあるように最適化をはかること
が可能である点に着目した。

以上の観点から本出願人は、通常の電荷蓄積時
間の制御を明るさ情報（ピーク値、又は平均値）
ではなく、通常はコントラスト量に応じて電荷蓄
積時間を制御すると共に、著しくコントラストの
低い被写体に対してのみ、いたずらに蓄積時間が
長引くことのないように明るさ情報により蓄積時
間に制限を与えることにより、光電素子アレイの
電荷蓄積の飽和を防止し、応答性と検出範囲の広
い、バランスの取れた効率の良い光電変換装置を
提供することを目的としている。

以下本発明を図示した実施例について説明す
る。実施例として図示したものは光電素子アレイ
に投影された光像からその光像中の特定空間周波
数成分を抽出し、アレイの配列方向へのその光像
の変位を検出する変位検出用光電変換装置に本発
明を適用した例である。

第１図において、フオトダイオードアレイ１０
０が設けられ、このアレイを構成する各フオトダ
イオードの光電出力は、アレイ上の光像の照度分
布を表わす。各フオトダイオードの電荷蓄積時間
はすべて、同一でありこの蓄積時間は発振ブロツ
ク２００のパルス出力に基づき制御される。アレ
イの光電出力は増幅器３００で増幅される。

増幅された光電出力は特定空間周波数抽出回路
４００に送られ、これにより光像中の例えばmmオ
ーダ又は0.1mmオーダの空間周期を持つ特定空間
周波数成分を抽出する。この回路の交流出力は、
その位相が光像中の特定空間周波数成分とアレイ
との相対位置関係を表わすものである。光像がア
レイの配列方向に変位した場合、この位相もそれ
に応じて変化するので、これを測定することによ
つて光像の変位を検出できる。ところが、この特
定空間周波数成分が多く含まれる光像に対しても
わずかに含まれる光像に対しても、同一の処理を
施こした場合、この回路の交流出力の振幅はその
成分の多寡に依存し、その成分が少ないと振幅が
小さくなつてしまう。この様に、抽出回路４００
の出力の振幅が種々の光像によつて大きく変化し
てしまうと、その位相測定精度が悪化する。そこ
で、この特定空間周波数成分の多寡に無関係にこ
の実施例では、以下の如く振幅が一定となるよう
に帰還をかけている。

帰還路には整流平滑回路５００が設けられ、抽
出回路４００の出力を整流して平滑にする。整流
平滑回路５００の出力は誤差検出器６００に送ら
れ、整流平滑回路５００の出力電圧と基準電圧源
６００ａの基準電圧との差を検出する。誤差検出
器６００の検出出力はＶ−Ｆコンバータ７００に
与えられ、誤差電圧に対応した周波数の出力信号
を発生する。Ｖ−Ｆコンバータ７００の出力信号
は発振ブロツク２００に与えられ、発振ブロツク
２００はＶ−Ｆコンバータ７００の出力周波数に
基づきアレイ１００の各フオトダイオードの蓄積
時間を制御する。

整流平滑回路５００、誤差検出器６００、Ｖ−
Ｆコンバータ７００からなる帰還回路は、空間周
波数抽出回路４００の交流出力の振幅がほぼ一定
値となる様に帰還をかけるものである。

この装置が平衡し、上記振幅が一定値となつて
いる状態から今照射光像が変化し、抽出空間周波
数成分やより少ない光像が投影されたとすると、
光電素子出力間の差が小さくなり空間周波数抽出
回路４００の交流出力の振幅は上記一定値より小
さくなる。従つて整流平滑回路５００の直流出力
も低下し、基準電圧よりも小さくなり、誤差検出
器６００はこの差を検出する。するとＶ−Ｆコン
バータ７００の出力周波数は低下し、発振ブロツ
ク２００はアレイ１００のフオトダイオードの蓄
積時間を、空間周波数抽出回路４００の出力の振
幅が上記一定値となるまで、増大させる。この一
定値になると、整流平滑回路５００の出力は基準
電圧と一致し誤差検出器６００の出力はこの平衡
点で安定し光像が変化しない限りこの状態が保持
される。次に、この状態から、抽出空間周波数を
もつと多く含んだ光像がアレイに投影されると上
述の全く逆の作用により蓄積時間が短縮され、や
はり空間周波数抽出回路４００の振幅が一定値と
なるように制御される。

このように光像中に抽出すべき空間周波数成分
が多い場合も少ない場合でも、蓄積時間を制御す
ることによつて空間周波数抽出回路４００の出力
の振幅を一定にできる。

しかしながら、白板の像の如く、明るいが抽出
空間周波数成分をほとんど含まず光電素子の電荷
蓄積時間をどんなに伸ばしても光電出力の飽和の
為に、空間周波数抽出回路４００の出力の振幅
が、所望の値にならない様な像がアレイに投影さ
れた場合には、空間周波数抽出回路４００の出力
振幅は極めて小さいので、整流平滑回路５００の
出力も基準電圧源６００ａの出力よりはるかに小
さく、Ｖ−Ｆコンバータ７００の出力周波数は低
下する。これによつて、電荷蓄積時間が増大し、
各光電素子出力も増大する。周波数固定回路７５
０はこの光電出力自身又は増幅器３００で増幅さ
れた光電出力が或る所定値になつたことを検出
し、その結果、基準電圧源６００ａの基準電圧と
等しい出力を発生し、整流平滑回路５００の出力
に無関係にＶ−Ｆコンバータ７００の出力周波数
をその検出時の周波数に固定させる。この場合、
像は明るいので、Ｖ−Ｆコンバータ７００の出力
周波数があまり低下しないうちに、周波数固定回
路７５０が作動し、無駄に、周波数が更に低下す
ることを防止する。

また黒板の像の如き、抽出空間周波数成分をほ
とんど含まずかつ暗い像がアレイに投影された場
合にも同様に、周波数固定回路７５０の働きによ
つて、Ｖ−Ｆコンバータは発振を停止することな
く或る周波数に、固定される。もちろん、この光
像は暗いので、電荷蓄積時間が前例より充分長く
なつた状態で、光電出力又はその増幅された出力
が周波数固定回路７５０の前記所定値に達するの
で、このときの固定周波数は、像の明るさに応じ
て、前例のものより低くなつている。

尚、像が更に暗くて、Ｖ−Ｆコンバータが発振
を停止する程度まで、その出力周波数を低下して
も、光電出力又はその増幅出力が周波数固定回路
７５０の所定値に達しないこともあり得るので、
Ｖ−Ｆコンバータの出力特性を或る周波数以下は
飽和してしまうように、することは望ましい。

もちろん、このように周波数固定回路７５０に
よつて、Ｖ−Ｆコンバータが一時的にロツクされ
ても、次に抽出空間周波数成分を充分含む光像が
アレイに投影された場合には、周波数固定回路７
５０が不作動となり又は整流平滑回路５００の出
力が大きくなりＶ−Ｆコンバータのロツクが解除
され、空間周波数抽出回路４００の出力振幅が所
定の値となる様に電荷蓄積時間が制御される。本
発明のレベル検出手段は、この実施例においては
周波数固定回路７５０に対応している。またコン
トラスト検出手段は、この実施例においては抽出
回路４００に対応している。また制御手段は、検
出回路６００及びＶ−Ｆコンバータ７００及び制
御回路２００に対応している。

第１図に示した光電変換装置の具体的回路図を
第２図に示す。第２図において、フオトダイオー
ドD₁〜D₄はアレイ１００を構成し、直列スイツ
チング素子S₁〜S₄はスイツチ群１１０を構成して
いる。スイツチ群１１０の各スイツチS₁〜S₄は第
３図(a)のゲートパルスGa₁〜Ga₄で順次オンされ、
フオトダイオードD₁〜D₄の蓄積電荷による入力
信号電圧e₁〜e₄はサイクル周期T₁、所定の時間ず
れt₁の間隙で順次増幅器３００のなかのサンプル
ホールド回路３００ｂに入力される。FETスイ
ツチ３００ａはサンプルホールド回路３００ｂへ
フオトダイオードD₁〜D₄からの入力e₁〜e₄が入
る直前のタイミングで第３図(b)のGbのゲートパ
ルスでオンされサンプルホールド回路３００ｂを
リセツトして順次e₁〜e₄をサンプルホールドして
出力する。FETスイツチ３００ｆはフオトダイ
オードD₁からの入力e₁がサンプルホールド出力
された直後のみ第３図(c)のゲートパルスGc₁でオ
ンされるだけであるので、コンデンサ３００ｃに
は入力e₁の値がサイクル周期T₁に亘つて蓄積さ
れている。増幅回路３００の出力Ｖは従つて、Ｖ
＝G₁・G₂・Vr−（１＋G₁）G₂・V₂＋（１＋G₂）
V₁（但し、G₁、G₂は増幅器３００ｄ、３００ｅの
利得で夫々R₂／R₁、R₄／R₃であり、V₁はサンプ
ルホールド回路３００ｂの出力電圧、V₂はコン
デンサ３００ｃの蓄積電圧でe₁である。）で示さ
れるが、こゝでG₁・G₂＝R₂R₄／R₁R₃＝１となるよう 抵抗値を選択すれば Ｖ＝Vr＋（１＋G₂）（V₁−e₁） よつてフオトダイオードアレイ１００からの入
力信号e₁〜e₄が順次入力された時の増幅回路の出
力V₁〜V₄は、次のようになる。

V₁＝Vr V₂＝Vr＋（１＋G₂）（e₂−e₁） V₃＝Vr＋（１＋G₂）（e₃−e₁） V₄＝Vr＋（１＋G₂）（e₄−e₁） このV₁〜V₄は第３図(c)のゲートパルスDc₁〜
Gc₄が抽出回路４００のFETスイツチS₁₀〜S₄₀に
印加されることにより順次コンデンサC₁₀〜C₄₀に
蓄積される。こうして増幅器３００によつて、コ
ンデンサC₁₀にはフオトダイオードD₁の出力e₁に
無関係に一定値Vrが記憶され、そしてコンデン
サC₂₀〜C₃₀には夫々フオトダイオードD₂〜D₄の
出力e₂〜e₄から夫々出力e₁を引いた値（e₂−e₁）
（e₃−e₁）、（e₄−e₁）を増幅した値が一定値Vr加
算されたものが記憶される。所望の空間周波数成
分を抽出するには各フオトダイオードの出力の差
分が必要であるので上述の如く、この差分のみを
増幅する増幅器３００は、極めて好ましいもので
ある。即ち、各フオトダイオードD₁〜D₄の各差
分を求めており、光像のコントラスト（明暗の差
の大きい）の高いものではこの各差分、又はこれ
らの差分を様々の形に合成して出力は高出力とな
るので、この差分又は合成出力はコントラストに
関連する情報を増幅していることになる。そして
この蓄積された電圧V₁〜V₄は第４図に示される
周期T₂（T₂＜T₁）でT₂／４時間ずつ時間遅れしたゲ ートパルスGd₁〜Gd₄がゲートパルス発生器８０
０よりFETスイツチS₁₀₀〜S₄₀₀に印加されること
により読出され、電流加算及び電流電圧変換回路
４００ａにおいて加算され電圧変換されてバンド
パスフイルタ４００ｂによつて１／T₂の周波数
成分が抽出される。

このようにして得られた抽出回路４００の出力
は、イメージセンサ１幅即ち、４つのフオトダイ
オードD₁〜D₄の配列方向の長さをｄmmとすると
空間周波数１／ｄ本／mmの光像成分を抽出したも
のであり、その抽出出力振幅が光像成分の大き
さ、位相が光像とイメージセンサの相対位置を示
すものである。

抽出回路４００の出力は位相差測定器９００に
入力される。抽出回路４００の交流出力の位相は
上述の如く、光像とアレイとの相対位置関係を表
わしているので、スイツチング素子S₁₀₀〜S₄₀₀の
制御信号に同期したゲートパルス発生器８００か
らの周期T₂の信号と抽出回路４００の出力信号
との位相差を位相差測定器９００によつて測定す
ることによつて、光像の変位を検出する。

一方、抽出回路４００の出力は周波数制御のた
め帰還され、整流平滑回路５００に入力される。
整流平滑回路５００の実施例の回路構成は周知の
ものであるので説明を省略する。

周波数固定回路７５０はダイオード７５０ａと
ツツナーダイオード７５０ｂとからなる。入力は
フオトダイオードD₁の光電出力を増幅したOPア
ンプ３００ｄの出力であり、出力は誤差検出器６
００の入力に供給される。

誤差検出器６００は、OPアンプとその帰還コ
ンデンサ６００ｃとからなる積分器である。整流
平滑回路５００からの出力と基準電圧Vcとの差
電圧を積分して出力する。この検出差電圧の積分
量がＶ−Ｆコンバータ７００を制御して周波数を
可変する。

Ｖ−Ｆコンバータ７００は入力電圧に応じて次
のような周波数の出力信号を発生する。即ち、 ｆ＝Ae^c〓 こゝで ｆ：出力周波数 υ：入力電圧即ち誤差検出器６００の出力 ｃ：定数 このような入力電圧に対する出力周波数の指数
特性は、Ｖ−Ｆコンバータ７００の入力部に設け
た複数のダイオード７００ｃによるもので、ダイ
オード７００ｃは入力電圧をその指数関数となる
充電電流に変換しこれによつて積分コンデンサ７
００ｂを充電している。他の構成は、公知のＶ−
Ｆコンバータと類似したものである。

Ｖ−Ｆコンバータ７００の動作についてみる
と、誤差検出器６００の出力電圧に応じた電流が
積分コンデンサ７００ｂと複数のダイオード７０
０ｃを通つて流れ７００ｂを充電する。従つて、
このOPアンプ７００ａの出力電圧は徐々に上昇
する。この電圧が比較回路７００ｄの基準電圧
Vthを越えると出力コンデンサ７００ｅがオン
し、発振ブロツク２００に出力パルスを供給す
る。出力トランジスタ７００ｅのオンによつて電
流供給回路７００ｆが作動し、帰還コンデンサ７
００ｂを瞬時に逆充電、即ち放電する。これによ
つて７００ａの出力電圧は瞬時に初期状態に復帰
し再び上述の出力トランジスタ７００ｅの充電を
開始し、上述の動作を繰り返す。

次に第２図に示した装置の動作を説明すると、
この装置が正常に働いている状態から例えばアレ
イ１００に抽出すべき特定空間周波数成分のより
少ない光像が投影された場合、整流平滑回路５０
０の出力は、誤差検出器６００の基準電圧＋VC
より小さくなるので、誤差検出器６００の負出力
−Ｖは上昇し即ち、Ｖは小さくなる。従つてＶ−
Ｆコンバータ７００の出力周波数ｆは小さくな
り、発振ブロツク２００は、S₁〜S₄の走査周期
T₁即ちD₁〜D₄の蓄積周期T₁を、整流平滑回路５
００の出力が＋VCに等しくなるまで増加させる。
もちろんこのときリセツトコンデンサ３５０及び
S₁₀〜S₄₀の導通周期も、同様に増加されている。

逆に、抽出空間周波数成分が、前より多い光像
に対しては、上と全く逆の働きによつて出力周波
数が増加し、空間周波数抽出回路４００の出力振
幅を所定値にもたらす。

他方、極めて、抽出空間周波数が少ない光像が
投影されると、OPアンプ３００ｄの出力がツエ
ナーダイオード７５０ｂのツエナー電圧とダイオ
ード７５０ａの導通電圧と基準電圧源６００ａの
基準電圧＋Vcとの合計を越えると、周波数固定
回路７５０が働き、この時点の周波数にＶ−Ｆコ
ンバータ７００をこの時点の周波数より下がらな
い様に働く。

第２図の装置の一部を変形した実施例を第５図
に示す。

第２図に示した実施例では、周波数固定回路７
５０はフオトダイオードアレイを構成する１つの
フオトダイオードD₁のみの光電出力を検出して
いた。しかしながら、このフオトダイオードD₁
への入射光強度が他の残りのフオトダイオードの
入射光強度と著しく異なる様な特殊な光像の場合
には、第２図に示した第１実施例の周波数固定回
路７５０は、正しく作動しない恐れがある。

これを改良したのが第５図に示す第２実施例で
ある。

増幅回路３００は各光電出力の差分でなく光電
出力をそのまゝ増幅した出力を発生する。従つて
スイツチング素子S₁₀〜S₄₀を介してホールド回路
には増幅された各フオトダイオードの光電出力が
ホールドされる。

この各ホールド回路の出力端子を夫々同一の抵
抗Ｒを介して共通接続する。これによつて周波数
固定回路７５０には、フオトアレイの全フオトダ
イオードの合計出力が入力される。

このようにこの実施例では、周波数固定回路７
５０は全フオトダイオードの光電出力の合計に基
づいてＶ−Ｆコンバータを制御しているので、上
述した如き極めて特殊な光像に対しても、正しく
作動し得る。もちろん周波数固定回路７５０は全
フオトダイオードの平均光電出力に基づいても、
又、フオトダイオードアレイ中の適当な複数のフ
オトダイオードの光電出力に基づいて、Ｖ−Ｆコ
ンバータ７００を制御しても同様の効果を得られ
る。以上の如く、本発明によれば、光像のコント
ラストに関する情報を検出して電荷蓄積時間を制
御することにより、コントラストの高い光像では
電荷蓄積時間を短くできるため光電変換装置の応
答性を良くでき、更に光電素子アレイの出力に関
する値が宿定レベルを越えたことを検出して電荷
蓄積時間を所定時間に設定しているので、コント
ラストの著しく低い光像でも電荷蓄積時間が無駄
に長くなることがなく且つ誤検出を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光電変換装置のブロツク図、
第２図は第１図の装置の具体的な実施例を示す回
路図、第３図及び第４図は第２図の回路の各部で
発生するパルスの波形図、第５図は第２図の実施
例の一部を変形した他の実施例の回路図である。 〔主要部分の符号の説明〕、１００……光電素
子アレイ、６００……検出回路、７００……Ｖ−
Ｆコンバータ、７５０……周波数固定回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 自身に投影された光像に応じた光電出力を発
   生する電荷蓄積型光電変換素子が配列されて成る
   電荷蓄積型光電素子アレイと、 前記電荷蓄積型光電素子アレイの出力に関する
   値が所定レベルを越えたことを検出して検出信号
   を出力するレベル検出手段と、 前記電荷蓄積型光電素子アレイの出力に基づい
   て前記光像のコントラストに関する情報を検出す
   るコントラスト検出手段と、 前記検出手段の検出信号が出力されていない場
   合には、前記コントラスト検出手段のコントラス
   トに関する情報により前記光電素子アレイの電荷
   蓄積時間を制御すると共に、前記検出手段の検出
   信号が出力された場合には、前記光電素子アレイ
   の電荷蓄積時間を所定時間に設定して制御する制
   御手段とを有することを特徴とする電荷蓄積型光
   電素子アレイを用いた光電変換装置。 ２ 前記レベル検出手段は、前記電荷蓄積型光電
   素子アレイのうち一つの電荷蓄積型光電素子の光
   電出力が所定レベルを越えたことを検出すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電荷蓄
   積型光電素子アレイを用いた光電変換装置。 ３ 前記コントラスト検出手段は、異なる前記電
   荷蓄積型光電素子の光電出力の差分出力を加算し
   た加算出力に関連する情報を検出することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の電荷蓄積型光
   電素子アレイを用いた光電変換装置。 ４ 前記コントラスト検出手段は、異なる前記電
   荷蓄積型光電素子の光電出力の差分出力に関連す
   る情報を検出することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の電荷蓄積型光電素子アレイを用い
   た光電変換装置。