JPH06300623A - 光学的変化測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＣＣＤイメージャを用いることで測定精度を
向上できるとともに、被測定物の任意の位置の測定が可
能で、しかも１ｍsec.以下の時間分解能を持つ測定が可
能な光学的変化測定装置を提供する。 【構成】 被測定物１をレンズ２によってＣＣＤイメー
ジャ３の撮像面上に結像させ、その測定エリアを撮像面
上の一部に限定し、この測定エリア内に蓄積された電荷
については通常の転送速度で順次読み出す一方、それ以
外に蓄積された電荷については高速転送しつつ掃き捨
て、測定エリア内の蓄積電荷に基づく画像出力をＡ／Ｄ
コンバータ６でＡ／Ｄ変換して画像メモリ７に格納し、
ＣＰＵ８によって平均化・フィルタリング等の処理を施
して測定出力として出力装置９に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学的変化測定装置に
関し、特に被測定物の光量が連続的に変化する事象を測
定する測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光量が連続的に変化する事象、例
えばＬＣＤ(Liquid Crystal Display)の立上がり特性の
如き事象を測定するような場合、フォトセンサを用いて
行うのが一般的であった。フォトセンサを用いた測定装
置によれば、光量が連続的に変化する事象を、数ｍsec.
の単位で測定できる利点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フォト
センサを用いた従来の測定装置では、基本的にセンサが
１つであり、その出力を平均化することができないた
め、測定結果のバラツキが大きいという問題点があっ
た。さらに、被測定対象の任意の位置へ測定場所を移動
しようとした場合、被測定物とフォトセンサとの相対的
な位置を物理的に移動させる必要があるため、複雑な制
御系が必要となる問題点もあった。被測定物の複数のポ
イントを測定するために、フォトセンサを複数個配置し
た場合にも、測定ポイントはそれぞれの場所に固定され
てしまうことになる。

【０００４】また、フォトセンサに代えてＣＣＤイメー
ジャや撮像管を使用したカメラを用いることも考えられ
る。この場合には、画素単位で測定出力を得ることがで
きるため、各画素出力を平均化することで測定結果のバ
ラツキを抑え、測定精度を向上できる反面、フレーム周
期が通常３０〜３３ｍsec.であり、ＬＣＤの立上がり特
性を測定する場合のように時間分解能１ｍsec.以下を必
要とするような光学的変化を捕らえることはできないと
いう問題点がある。また、単純に駆動周波数を上げただ
けでは、１画素の転送レートが数百ＭＨｚになってしま
い、ＣＣＤを駆動することはできないことになる。

【０００５】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、ＣＣＤイメージャを
用いることで測定精度を向上できるとともに、被測定物
の任意の位置の測定が可能で、しかも１ｍsec.以下の時
間分解能を持つ測定が可能な光学的変化測定装置を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による光学的変化測定装置においては、電荷
排出部を有するＣＣＤイメージャと、被測定対象をＣＣ
Ｄイメージャの撮像面上に結像させる光学系と、ＣＣＤ
イメージャをその撮像面上における所定の測定エリア内
に蓄積された電荷を順次読み出しかつ上記測定エリア以
外に蓄積された電荷を高速転送しつつ前記電荷排出部に
捨てるべく駆動する駆動手段と、上記測定エリア内の各
画素出力を平均化して測定出力とする平均化手段とを備
えた構成となっている。

【０００７】

【作用】被測定対象をＣＣＤイメージャの撮像面上に結
像させ、その測定エリアを撮像面上の一部（垂直ｍ画素
×水平ｎ画素）に限定し、この測定エリア内に蓄積され
た電荷については通常の転送速度で順次読み出す一方、
測定エリア以外に蓄積された電荷については高速転送し
つつ掃き捨てる。これによれば、１フレームの周期を通
常のＴＶ信号駆動周期よりも高速化できるため、ＴＶ信
号駆動周期以上の光学的変化を捕らえることができる。
また、測定エリアに決定した（ｍ×ｎ）画素の各出力を
平均化することで、測定結果のバラツキを抑えることが
できるため、測定精度を向上できる。さらには、ＣＣＤ
イメージャの駆動タイミングを変更することによって測
定エリアの位置を変えることができるので、被測定物と
ＣＣＤイメージャとの相対的な位置を物理的に移動させ
なくても、被測定物の任意の位置の光学的変化を測定で
きる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は、本発明の一実施例を示すブロック
図である。図において、ＬＣＤ等の被測定物１は、光学
系を構成するレンズ２によってＣＣＤイメージャ３の撮
像面上に結像される。ＣＣＤイメージャ３は、ＣＣＤド
ライバ４によって、タイミングジェネレータ５からの各
種タイミング信号に基づいて撮像面上における所定の測
定エリア内に蓄積された電荷については通常の転送速度
で順次読み出す一方、測定エリア以外に蓄積された電荷
については高速転送しつつ掃き捨てるように駆動され
る。

【０００９】ＣＣＤイメージャ３からは、後述するよう
に、撮像面上のある一部の測定エリア内の各画素に蓄積
された信号電荷に基づくアナログ画像出力が導出され
る。このアナログ画像出力は、Ａ／Ｄコンバータ６でＡ
／Ｄ変換された後画像メモリ７に格納される。ＣＰＵ８
は、画像メモリ７に格納された上記測定エリア内の複数
画素分の画像出力を平均化し、フィルタリング等の信号
処理をして測定出力として出力装置９に供給する。

【００１０】ＣＰＵ８はさらに、ＣＣＤイメージャ３か
らＴＶ信号のみならず、任意のパターン信号を発生でき
るように、タイミングジェネレータ５で発生される各種
タイミング信号のタイミング制御や、被測定物１の光学
的事象の起動信号の設定などをも行う。各種タイミング
信号のタイミングにより、ＣＣＤイメージャ３の撮像面
上における上記測定エリアが決定される。この測定エリ
アの指定は、操作部１０からＣＰＵ８に対して行われ
る。出力装置９としては例えばＴＶモニタが用いられ、
このＴＶモニタに測定結果を画像表示する。

【００１１】図２に、ＣＣＤイメージャ３の具体的な構
成を示す。同図において、マトリクス状に２次元配列さ
れた多数のフォトセンサ３１と、これらフォトセンサ３
１の垂直列毎に配されかつ読出しゲート３２を介して読
み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジ
スタ３３とによって撮像部３４が構成されている。垂直
転送レジスタ３３に読み出された信号電荷は、１走査線
に相当する部分ずつ順に水平転送レジスタ３５へ転送さ
れる。この１走査線分の信号電荷は、水平転送レジスタ
３５によって水平方向に順次転送されて電荷検出部３６
に供給される。

【００１２】電荷検出部３６は、例えばフローティング
・ディフュージョン・アンプによって構成され、転送さ
れてきた信号電荷を検出して信号電圧に変換し、ＴＶ信
号として出力する。水平転送レジスタ３５には不要電荷
排出ゲート３７が連続して設けられ、さらにこの不要電
荷排出ゲート３７には水平転送レジスタ３５中の電荷を
排出する不要電荷排出ドレイン（電荷排出部）３８が連
続して設けられている。この不要電荷排出ドレイン３８
には、ポテンシャルが十分に深くなり、不要電荷排出ゲ
ート３７が開いたときに、水平転送レジスタ３５中に存
在する電荷が流れ込めるような電圧が印加されている。

【００１３】タイミングジェネレータ５からは、ＣＣＤ
イメージャ３のフォトセンサ３１に蓄積された電荷を垂
直転送レジスタ３３に読み出す読出しパルスＶＴ、この
読出しパルスＶＴによって読み出された電荷を高速で垂
直転送する高速垂直転送パルスＶＨＣ、読出しパルスＶ
Ｔによって読み出された電荷を通常速度で垂直転送する
通常垂直転送パルスＶＬＣ、水平転送レジスタ３５に垂
直転送された電荷を通常速度（ＴＶ信号と同じ周波数）
で水平転送する水平転送パルスＨＣ、及び不要電荷排出
ゲート３７をオン／オフ制御するドレインパルスＳＧの
各種タイミング信号が発生される。これら各種タイミン
グ信号は、ＣＣＤイメージャ３を駆動するＣＣＤドライ
バ４に供給される。

【００１４】次に、上記構成の具体的な回路動作につい
て、図３のタイミングチャート及び図４の状態図を参照
しつつ説明する。先ず、ＣＣＤイメージャ３の垂直転送
パルスのパターンを、図３（Ａ）に示すように、高速転
送パルスＶＨＣと通常転送パルスＶＬＣとが混在するパ
ターンとする。そして、読出しゲート３２に適当なタイ
ミングで読出しパルスＶＴ（Ｂ）を印加することによ
り、読出しゲート３２が開き、各画素から垂直転送レジ
スタ３３へ信号電荷が読み出される。図４（Ａ）に、読
出し直後の状態を示す。

【００１５】なお、本例では、図４（Ａ）に斜線で示す
垂直方向のあるｍ画素（ｍライン）と水平１ライン分の
画素で決まるエリアを測定エリアと仮定し、全ラインの
最上部ラインを破線で示している。また、読出しパルス
ＶＴ（Ｂ）のパルス間隔を、例えば１ｍsec.に設定する
ものとする。信号電荷を読み出した後の垂直転送では、
読出しゲート３２は閉じているので信号電荷の高速転送
が可能となる。なお、この高速転送において、垂直転送
クロックを通常の３０〜５０倍高速にしても転送可能で
あることは本願発明者によって確認済みである。また、
時間分解能は、高速転送の限界（０．５ｍsec.以下）ま
で上げることが可能である。

【００１６】図３（Ａ）のａ期間において、高速転送パ
ルスＶＨＣによって信号電荷を高速にて垂直転送すると
きは、高速転送パルスＶＨＣを垂直転送レジスタ３３に
印加する毎に、ドレインパルスＳＧ（Ｃ）を不要電荷排
出ゲート３７に印加する。ここで、不要電荷排出ゲート
３７は通常は閉状態にあるが、ドレインパルスＳＧ
（Ｃ）が印加されると開状態となる。不要電荷排出ゲー
ト３７が開状態になると、水平転送レジスタ３７中に存
在する信号電荷は全て不要電荷排出ドレイン３８に掃き
捨てられるようになっている。したがって、水平転送レ
ジスタ３７に高速で垂直転送される信号電荷は、全て不
要電荷排出ドレイン３８に掃き捨てられ、電荷検出部３
６には転送されない。図４（Ｂ）に、高速転送中の状態
を示す。

【００１７】このようにして、高速転送にて測定エリア
内の最下端ラインの信号電荷を水平転送レジスタ３５の
直前まで垂直転送した後、図３（Ａ）のｂ期間におい
て、通常転送パルスＶＬＣを垂直転送レジスタ３３に印
加することにより、測定エリアのｍライン分の信号電荷
を通常速度で順次水平転送レジスタ３５へ転送する。こ
のとき、不要電荷排出ゲート３７には不要電荷排出ゲー
ト３７が印加されないため信号電荷が掃き捨てられるこ
とはなく、水平転送レジスタ３５によって電荷検出部３
６へ水平転送される。水平転送レジスタ３５では、ＴＶ
信号と同じ通常周波数で水平転送が行われるので、水平
全画素（１ライン分の画素）の信号電荷が読み出される
ことになる。図４（Ｃ）に、通常転送中の状態を示す。

【００１８】続いて、測定エリアより上の残りの各ライ
ンの信号電荷を掃き捨てるために、図３（Ａ）のｃ期間
において、ａ期間における場合と同様に高速転送パルス
ＶＨＣを垂直転送レジスタ３３に印加して高速転送を行
うとともに、ドレインパルスＳＧ（Ｃ）を不要電荷排出
ゲート３７に印加して信号電荷を不要電荷排出ドレイン
３８に掃き出す。図４（Ｄ）に、掃き出し後の状態を示
す。このようにして、信号電荷の高速転送中は、ＣＣＤ
イメージャ３の撮像出力が乱れることから、測定エリア
以外に蓄積された信号電荷を不要電荷排出ドレイン３８
に掃き捨て、１フレーム分（垂直転送ラインＶ分）だけ
読み進めて１フレーム前のｍライン分の信号電荷を画像
出力（Ｄ）として読み出す。

【００１９】こうして得られたｍライン分の画像出力
（Ｄ）は、図１において、Ａ／Ｄコンバータ６でＡ／Ｄ
変換されて画像メモリ７に蓄えられ、垂直ｍ画素×１ラ
イン分の画素の画像に再構築される。そして、ＣＰＵ８
により、画像メモリ７の格納データに基づいて測定エリ
アにおけるｍ画素×１ライン分の画素の各出力の平均化
・フィルタリング等の処理が施され、測定出力として出
力装置９に供給される。なお、上記実施例では、測定エ
リアに関して、垂直ｍ画素に対して水平方向の画素数ｎ
を１ライン分の画素と定義したが、これに限定されるも
のではない。

【００２０】ここで、図５に示すように、測定エリアを
撮像面上の中央部のｍライン×ｎ画素のエリアとして定
義した場合を考える。この場合には、先述したように、
読出しパルスＶＴのパルス間隔を１ｍsec.に設定するこ
とで、測定エリア（ｍ×ｎ）内の各画素の出力の平均値
が画像出力として１ｍsec.単位で得られるため、出力装
置９では、例えばＴＶモニタの画面上に図６に示す如き
再構成画像として表示されることになる。また、その測
定結果としては、図７に示すような時間−光量変化の特
性が得られることになる。

【００２１】なお、上記実施例においては、垂直方向の
中央部分のｍライン分を測定エリアとしたが、図１の読
出しゲート３２に印加する読出しパルスＶＴのタイミン
グを変更することにより、垂直方向の任意の位置に設定
可能である。また、先述したように、水平転送について
は通常周波数で転送を行うため、水平有効画素をフルに
使用できるとともに、一度に測定結果を取り出すことが
できる。通常、光の変化は四角形のポイントとして取り
扱われるので、図８に示すように、平均化処理を複数の
エリア別に行うことにより、水平方向の複数のポイント
について同時に処理が可能となる。

【００２２】さらに、上記実施例においては、垂直方向
に１個の測定エリアを定義した場合について説明した
が、これに限定されるものではなく、垂直方向に複数個
の測定エリアを定義することも可能である。この場合、
図９（Ａ）に示すように、垂直方向の高速転送を３ブロ
ックに分けて行うようにすれば良い。また、水平方向の
複数のポイント（エリア）についての同時処理との併用
により、図９（Ｂ）に示すように、ＣＣＤイメージャ３
の撮像面上の任意の点在箇所（測定エリア）の光学的変
化を測定できる。その結果、被測定物１とＣＣＤイメー
ジャ３との相対的な位置を物理的に変えなくても、被測
定物１の任意の位置の光学的変化を測定できることにな
る。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、被測定対象をＣＣ
Ｄイメージャの撮像面上に結像させ、その測定エリアを
撮像面上の一部に限定し、この測定エリア内に蓄積され
た電荷については通常の転送速度で順次読み出す一方、
測定エリア以外に蓄積された電荷については高速転送し
つつ掃き捨てる構成としたことにより、１フレームの周
期を通常のＴＶ信号駆動周期よりも高速化でき、ＴＶ信
号駆動周期以上の光学的変化を捕らえることができるた
め、１ｍsec.以下の時間分解能を持つ測定が可能とな
る。

【００２４】また、測定エリア内の各画素の出力を平均
化することで、測定結果のバラツキを抑えることができ
るため、測定精度を向上できることにもなる。さらに
は、ＣＣＤイメージャの駆動タイミングを変更すること
によって測定エリアの位置を変えることができるので、
被測定物とＣＣＤイメージャとの相対的な位置を物理的
に移動させなくても、被測定物の任意の位置の光学的変
化を測定できることにもなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】ＣＣＤイメージャ及びその駆動系の構成を示す
ブロック図である。

【図３】電荷の読出し、高速転送及び通常転送の各動作
を説明するためのタイミングチャートである。

【図４】電荷の読出し、高速転送及び通常転送の各動作
状態における状態図である。

【図５】測定エリアを画面中央部に設定した場合を示す
図である。

【図６】測定結果として画面表示された再構成画像を示
す図である。

【図７】測定結果を示す時間−光量変化の特性図であ
る。

【図８】本発明の一変形例を示す図である。

【図９】本発明の他の変形例を示す図である。

【符号の説明】

１ 被測定物 ３ ＣＣＤイメージャ ５ タイミングジェネレータ ７ 画像メモリ ８ ＣＰＵ ９ 出力装置 ３１ フォトセンサ ３２ 読出しゲート ３３ 垂直転送レジスタ ３５ 水平転送レジスタ ３７ 不要電荷排出ゲート ３８ 不要電荷排出ドレイン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電荷排出部を有するＣＣＤイメージャ
   と、 被測定対象を前記ＣＣＤイメージャの撮像面上に結像さ
   せる光学系と、 前記ＣＣＤイメージャをその撮像面上における所定の測
   定エリア内に蓄積された電荷を順次読み出しかつ前記測
   定エリア以外に蓄積された電荷を高速転送しつつ前記電
   荷排出部に捨てるべく駆動する駆動手段と、 前記測定エリア内の各画素出力を平均化して測定出力と
   する平均化手段とを備えたことを特徴とする光学的変化
   測定装置。
2. 【請求項２】 前記測定エリアは、前記撮像面上の垂直
   方向において複数個に分割配置されたことを特徴とする
   請求項１記載の光学的変化測定装置。
3. 【請求項３】 前記平均化手段は、水平方向において各
   画素出力を複数のエリア別に平均化処理することを特徴
   とする請求項１記載の光学的変化測定装置。