JPH09200626A - Ｃｃｄカメラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １つの撮像画面を画像処理するだけで、照明
の明暗が混合する被写体の鮮明な画像が得られるＣＣＤ
カメラを提供する。 【解決手段】 感度が高いセンサ１１がマトリクス状に
配列された第１のセンサ群および感度が低いセンサ１２
が前記感度が高いセンサとそれぞれ隣接して配列された
第２のセンサ群からなる撮像部１０と、第１のセンサ群
または第２のセンサ群の各センサの出力信号と基準信号
とを比較するコンパレータ２５と、該コンパレータの出
力により前記隣接する第１のセンサ群のセンサの出力か
第２のセンサ群のセンサの出力のいずれかを選択するス
イッチング回路２７とからなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子部品の外観検査
などのＦＡ（自動化工場）におけるマシンビジョンや道
路の渋滞状況の自動監視などの自然光を用いて画像処理
をする場合に用いられるＣＣＤカメラに関する。さらに
詳しくは、被写体の場所（部分）によって明るさが異な
っても全体として鮮明な画像が得られる広ダイナミック
なＣＣＤカメラに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＦＡにおけるマシンビジョンなどにおい
て、画像認識により部品や製品の外観検査を行う場合、
たとえば窓際や出入り口に近いところでは、太陽の入射
光などにより被写体の明るさが場所によって異なる。こ
のような場合、ＣＣＤカメラによる認識画像は図５
（ａ）に示されるように、明るい所Ａは白っぽく表示さ
れ、暗い所Ｃは黒っぽくなり、たとえシャッタースピー
ドを調整しても全体として鮮明な画像が得られず、正確
な画像処理をすることができない。なお、Ｂは明るさが
適当なところを示す。

【０００３】このような問題を解決するため、たとえば
山田らによる「広ダイナミックレンジ視覚による照明変
動に強い部品位置決め」（１９９５年１１月１〜２日に
工学院大学にて開催の第７回外観検査の自動化 ワーク
ショップ、２７〜３２頁）に、シャッタカメラを使用
し、同一物体についてシャッタ速度が異なる２以上の画
像をとり、合成し直す方法が開示されている。すなわ
ち、図５（ｂ）に示されるような、シャッタ速度が遅い
画像Ｐと、図５（ｃ）に示されるような、シャッタ速度
が早い画像Ｑの２つの画像をまず読み込む。画像Ｐはシ
ャッタ速度ｔ₁ が遅いため、被写体の暗い部分Ｃは適度
に認識されるが、通常の明るさまたは明るすぎる部分
Ａ、Ｂのところはハレーション（明るすぎて飽和してい
る状態）を起こしている。また、画像Ｑはシャッタ速度
ｔ₂ が早すぎるため、明るい部分Ａは適度に認識される
が、暗すぎる部分Ｃは黒くなって、正確な画像が認識さ
れない。そこで、画像Ｐのハレーションを起こしている
部分については、画像Ｑの認識データを用い、その両者
を合成する。この際、遅いシャッタ速度ｔ₁ と早いシャ
ッタ速度ｔ₂ の比分を画像Ｐの信号にかけ合わせて広ダ
イナミックレンジを得ている。なお、シャッタ速度は２
種類とは限らない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述のシャッタ速度が
異なる画像を合成する方法は、それぞれの画像を得た時
間が異なるため、移動物体を画像認識する場合には適さ
ない。

【０００５】さらに１画面を作成するのに２フレーム以
上の時間が必要となり、最終的な画像を得るのに時間が
長くかかるという問題がある。

【０００６】本発明はこのような問題を解決し、１つの
撮像画面の画像処理をするだけで、照明の明暗が混合す
る被写体の鮮明な画像が得られるＣＣＤカメラを提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によるＣＣＤカメ
ラは、感度が高い受光センサ（以下、単にセンサとい
う）がマトリクス状に配列された第１のセンサ群および
感度が低いセンサが前記感度が高いセンサとそれぞれ隣
接して配列された第２のセンサ群からなる撮像部と、第
１のセンサ群または第２のセンサ群の各センサの出力信
号と基準信号とを比較するコンパレータと、該コンパレ
ータの出力により前記隣接する第１のセンサ群のセンサ
の出力か第２のセンサ群のセンサの出力のいずれかを選
択するスイッチング回路とからなっている。

【０００８】前記感度が高いセンサと前記感度が低いセ
ンサとを隣接させる手段としては、それぞれのセンサが
垂直方向に連続して配列された第１のセンサ列と、第２
のセンサ列とが水平方向に交互に配列されたり、それぞ
れのセンサが水平方向に連続して配列された第３のセン
サ列と、第４のセンサ列とが垂直方向に交互に配列され
ることにより達成される。前者の場合は、水平方向の画
素数が多いため画像への影響が少なく、後者の場合は、
水平方向の解像度を上げることができるため好ましい。
なお、後者の場合は、垂直方向に並ぶ各センサの奇数番
目のセンサの出力信号を水平方向に転送する第１フィー
ルド電荷転送部と、偶数番目のセンサの出力信号を水平
方向に転送する第２フィールド電荷転送部とが設けられ
ることにより、２線出しＣＣＤカメラを用いて感度が高
いセンサと感度が低いセンサとの出力信号の処理を同時
にすることができる。

【０００９】ここに水平方向とは、テレビ画面の走査線
の方向である横方向を意味し、垂直方向とはそれと直角
方向のテレビ画面の縦方向を意味する。

【００１０】本発明のＣＣＤカメラの他の構成は、入射
光を少なくとも２つの方向に分割するスプリッタと、該
スプリッタの分割された光の進行面にそれぞれ設けられ
た、感度が高いセンサがマトリクス状に配列されている
第１の撮像部および感度が低いセンサがマトリクス状に
配列されている第２の撮像部と、第１の撮像部または第
２の撮像部の各センサの出力信号と基準信号とを比較す
るコンパレータと、該コンパレータの出力により前記第
１の撮像部のセンサの出力か第２の撮像部のセンサの出
力のいずれかを選択するスイッチング回路とからなって
いる。

【００１１】前記感度が低いセンサの出力が前記スイッ
チング回路に入力される前に前記感度が高いセンサの出
力と大きさを合わせるキャリブレーション用増幅器が設
けられていることが、画面の明るさを正確に補正するこ
とができるため好ましい。

【００１２】前記感度が低いセンサが該センサの表面側
に光を減衰させるフィルタが設けられて形成されること
により、簡単な一工程の増加だけで容易に感度が低いセ
ンサが得られる。

【００１３】前記感度が高いセンサからの出力信号をデ
ジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器と、前記感度
が低いセンサからの出力信号をデジタル信号に変換する
第２のＡ／Ｄ変換器とを有し、前記コンパレータおよび
スイッチング回路がデジタル信号の処理回路であること
が、それぞれの信号を役割分担できるため、たとえば８
ビットのＡ／Ｄ変換器２個で１２ビット相当の出力をす
ることができ、安価な設備で構成することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明のＣＣＤカメラについて説明をする。

【００１５】図１は本発明のＣＣＤカメラの一実施形態
を示す図、図２は本発明の第２の実施形態を示す図、図
３はさらに他の実施形態を示す図、図４は信号処理部を
デジタルで行うブロック図である。

【００１６】図１において、１１はたとえばホトダイオ
ードなどからなる感度が高いセンサ、１２は感度が低い
センサで、たとえばホトダイオードの表面側に光を減衰
させるフィルタが設けられたり、ホトダイオードの受光
面積が小さくされたり、シャッタ時間が短くなる構成に
することにより形成される。１３はセンサ１１、１２に
より受像した信号の電荷を垂直方向電荷転送部１４に移
すトランスファゲートで、信号の電荷は垂直方向電荷転
送部１４および水平方向電荷転送部１５を転送されて信
号処理部２０に送られる。

【００１７】図１に示される構造においては、感度が高
いセンサ１１および感度が低いセンサ１２はそれぞれ垂
直方向に連続して設けられ、それぞれ第１のセンサ列１
および第２のセンサ列２が形成されている。この第１の
センサ列１および第２のセンサ列２はそれぞれ水平方向
に交互に並べられて、感度が高いセンサ１１と感度が低
いセンサ１２とがそれぞれ隣接してマトリクス状に配列
されている。すなわち垂直方向には同じ感度のセンサが
連続して並べられ、水平方向には感度が異なるセンサが
交互に並べられて、感度が高いセンサ１１の第１のセン
サ群および感度が低いセンサ１２の第２のセンサ群が形
成され、カメラの撮像部１０が形成されている。

【００１８】このカメラで画像を読み取ると、感度が高
いセンサ１１によっては明るく認識され、被写体が暗い
部分でも鮮明に認識することができ、感度が低いセンサ
１２では、たとえばグレーのフィルタが表面に設けられ
ているため、暗く認識され、被写体の暗い部分は認識さ
れ難いが、被写体が明るすぎても適度に認識される。こ
の両方のセンサ１１、１２により撮像した画像信号は、
電荷としてそれぞれ垂直方向電荷転送部１４および水平
方向電荷転送部１５を転送され、信号処理部２０に送ら
れる。

【００１９】信号処理部２０では、感度が高いセンサ１
１と感度が低いセンサ１２との信号が、水平方向電荷転
送部１５を経由して交互に送られてくる。交互に送られ
てくる両方の信号はそれぞれ感度が高いセンサの信号用
の第１の信号ライン２１と感度の低い信号用の第２の信
号ライン２２に送られ、増幅器２３ａ、２３ｂでそれぞ
れ増幅される。ついで、水平方向電荷転送部１５で電荷
を転送させるクロック信号を分周したクロック信号発生
器２８からのクロック信号によりサンプルホールド回路
２４ａ、２４ｂでそれぞれ感度が高い信号および感度が
低い信号だけをピックアップし、両信号を分離する。分
離された信号のうち、たとえば第１の信号ライン２１か
らの信号の一部を分岐し、基準信号とコンパレータ２５
により比較し、転送されている信号が正常な明るさか否
かを判断する。コンパレータで比較した信号が正常であ
れば第１の信号ライン２１の信号を、正常でなければ第
２の信号ライン２２の信号を、たとえばマルチプレクサ
からなるスイッチング回路２７により選択し、出力す
る。

【００２０】第２の信号ライン２２の信号はキャリブレ
ーション用増幅器２６により増幅され、感度が低くなら
ない状態に戻し、第１の信号ラインの信号とレベルを合
わせている。このキャリブレーション用増幅器２６はあ
らかじめ分かっている感度が高いセンサと感度が低いセ
ンサとの比率に応じた補正をしておけば増幅器を用いる
必要はないが、増幅器でプログラマブルにしておくこと
により正確に調整をすることができる。

【００２１】図１に示される例では、感度が高いセンサ
からの信号と、感度が低いセンサからの信号との分離を
サンプルホールド回路２４ａ、２４ｂを用いて行った
が、水平方向電荷転送部１５からの取り出し位置を変え
てそれぞれ別々に取り出し、第１の信号ライン２１およ
び第２の信号ライン２２に入力することにより分離して
もよい。また、コンパレータ２５は第２の信号ライン２
２の信号と比較してもよい。

【００２２】以上の構成にすることにより、センサが設
けられた各画素ごとに信号レベルを比較し、鮮明な画像
の信号を選択して画像データとして用いることができる
ので、１つの画面に明るすぎる部分と暗すぎる部分とが
ある被写体を写す場合でも全体が鮮明な画像を得ること
ができる。

【００２３】図２は本発明のＣＣＤカメラの第２の実施
形態の説明図である。図２において、符号は図１と同じ
部分には同じ符号が付してある。この例が図１に示され
る例と異なるところは、感度が高いセンサ１１および感
度が低いセンサ１２がそれぞれ水平方向に連続して配列
され、それぞれ第３のセンサ列３、第４のセンサ列４が
垂直方向に交互に並べられていること、および水平方向
電荷転送部が２列設けられ、それぞれ第１フィールド電
荷転送部１５ａ、第２フィールド電荷転送部１５ｂとさ
れていることである。そして、垂直方向に交互に並ぶセ
ンサ列３、４の奇数番目のセンサ列の各センサのデータ
が第１フィールド電荷転送部１５ａに、偶数番目のセン
サ列の各センサのデータが第２フィールド電荷転送部１
５ｂに送られる。

【００２４】本来なら奇数番フィールドと偶数番フィー
ルドとの間に時間遅れがあるが、水平方向電荷転送部を
第１フィールド電荷転送部１５ａおよび第２フィールド
電荷転送部１５ｂの２つに分離することにより、通常テ
レビカメラに用いられる２線出しＣＣＤを用いれば同時
に信号処理をすることができる。この構成にすることに
より、一般によく行われる水平方向の解像度を上げるこ
とができる。

【００２５】信号処理部２０の信号処理については、図
１の場合と同じで同様に隣接するセンサ間で鮮明な画像
が得られる方の信号により画像が得られる。

【００２６】図３は本発明の第３の実施形態の説明図で
ある。この例は、マトリクス状に配列されるセンサが感
度が高いセンサと感度が低いセンサを隣接させることに
より撮像部を形成するのではなく、同じ感度の複数のセ
ンサがマトリクス状に並べられ、電荷転送部もそれぞれ
備えた複数個の撮像部６、７、８が１つの画面を同時に
撮像できるように、たとえば２個の分光プリズムなどを
内蔵するスプリッタ５を介して配設され、その撮像部
６、７、８の各々の間で感度に差をもたせているもので
ある。

【００２７】この実施形態の場合、通常のカラーカメラ
で、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色用に用いられる、いわゆる２板Ｃ
ＣＤまたは３板ＣＣＤを用いることにより、感度が高い
ＣＣＤと感度が低いＣＣＤによる同一画面の異なる明る
さの複数個の画面のデータが得られる。その結果、前述
の例と同様に、複数個の画面の同じ画素同士のデータを
比較して最適な方の画素のデータを合成することにより
明暗の混合した被写体の鮮明な画像が得られる。なお、
図３において、９はカメラの外枠を示し、ａ、ｂ、ｃを
付した符号はその数字と同じ数字が付された図１の符号
と同様の部分で同様の機能を果たし、その説明を省略す
る。

【００２８】この構成にすれば、隣接した感度が高いセ
ンサと感度が低いセンサの信号をそれぞれ比較して選択
するのではなく、同じ画素を同時に感度が高いセンサと
感度が低いセンサとで読み取り比較するため、時間およ
び場所（画素）のずれがなく、一層鮮明な画像が得られ
る。

【００２９】図４は、本発明のＣＣＤカメラのさらに他
の実施形態の信号処理部のブロック図で、第１の信号ラ
イン２１と第２の信号ライン２２に信号データが分離さ
れた後の信号処理をデジタル信号で行うものである。撮
像部については、図１〜３に示される構成のいずれでも
用いることができる。

【００３０】３３ａ、３３ｂはそれぞれアナログ信号を
デジタル信号に変換する第１および第２のＡ／Ｄ変換
器、３５はコンパレータで、図１〜３のコンパレータ２
５と同じ機能を果たす。３６は乗算器で、図１〜３のキ
ャリブレーション用増幅器２６と同じ機能を果たす。ま
た、３７はスイッチング素子で、第１の信号ライン２１
または第２の信号ライン２２のいずれかの信号を選択し
て出力する。このような構成によりデジタル信号の処理
を行うので、第１および第２のＡ／Ｄ変換器３３ａ、３
３ｂはそれぞれ安価な８ビットの高速Ａ／Ｄ変換器を用
いることができ、１２ビットの情報処理と同様の効果を
発揮する。それぞれのＡ／Ｄ変換器３３ａ、３３ｂが処
理する信号が、第１の信号ラインの信号、および第２の
信号ラインの信号と分担されているからである。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、近接した画素または同
じ画素を同時に受像して比較し、最適な画像を選択して
画面を形成しているため、一画面の形成をパイプライン
で行うことができ、テレビレートで画像が得られる（プ
ロセスが１つの流れの中で逐次的にでき、実時間で画像
が得られる）。また、感度が低いセンサは、たとえば感
度が高いセンサの表面にフィルタ膜を形成することによ
り得られ、同じプロセスで最後にフィルタ膜を形成する
一工程を追加するだけで製造でき、安価に得ることがで
きる。

【００３２】その結果、場所によって照明の明るさが異
なる被写体を画像処理する場合でも鮮明な画面が得ら
れ、正確な画像処理をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＣＣＤカメラの一実施形態の構成図で
ある。

【図２】本発明のＣＣＤカメラの他の実施形態の構成図
である。

【図３】本発明のＣＣＤカメラのさらに他の実施形態の
構成図である。

【図４】本発明のＣＣＤカメラのさらに他の実施形態の
信号処理部の構成図である。

【図５】従来の明るさが異なる被写体の画像の説明図で
ある。

【符号の説明】

１ 第１のセンサ列 ２ 第２のセンサ列 ３ 第３のセンサ列 ４ 第４のセンサ列 ６ 撮像部 ７ 撮像部 ８ 撮像部 １０ 撮像部 １１ 感度が高いセンサ １２ 感度が低いセンサ １５ａ 第１フィールド電荷転送部 １５ｂ 第２フィールド電荷転送部 ２０ 信号処理部 ２５ コンパレータ ２６ キャリブレーション用増幅器 ２７ スイッチング回路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 感度が高い受光センサがマトリクス状に
   配列された第１のセンサ群および感度が低い受光センサ
   が前記感度が高い受光センサとそれぞれ隣接して配列さ
   れた第２のセンサ群からなる撮像部と、第１のセンサ群
   または第２のセンサ群の各受光センサの出力信号と基準
   信号とを比較するコンパレータと、該コンパレータの出
   力により前記隣接する第１のセンサ群の受光センサの出
   力か第２のセンサ群の受光センサの出力のいずれかを選
   択するスイッチング回路とからなるＣＣＤカメラ。
2. 【請求項２】 前記感度が高い受光センサが垂直方向に
   連続して配列された第１のセンサ列と、前記感度が低い
   受光センサが垂直方向に連続して配列された第２のセン
   サ列とが水平方向に交互に配列されることにより前記感
   度が高い受光センサと感度が低い受光センサとが隣接し
   て配設されてなる請求項１記載のＣＣＤカメラ。
3. 【請求項３】 前記感度が高い受光センサが水平方向に
   連続して配列された第３のセンサ列と、前記感度が低い
   受光センサが水平方向に連続して配列された第４のセン
   サ列とが垂直方向に交互に配列されることにより前記感
   度が高い受光センサと感度が低い受光センサとが隣接し
   て配設され、垂直方向に並ぶ各受光センサの奇数番目の
   受光センサの出力信号を水平方向に転送する第１フィー
   ルド電荷転送部と、偶数番目の受光センサの出力信号を
   水平方向に転送する第２フィールド電荷転送部とが設け
   られてなる請求項１記載のＣＣＤカメラ。
4. 【請求項４】 入射光を少なくとも２つの方向に分割す
   るスプリッタと、該スプリッタの分割された光の進行面
   にそれぞれ設けられた、感度が高い受光センサがマトリ
   クス状に配列されている第１の撮像部および感度が低い
   受光センサがマトリクス状に配列されている第２の撮像
   部と、第１の撮像部または第２の撮像部の各受光センサ
   の出力信号と基準信号とを比較するコンパレータと、該
   コンパレータの出力により前記第１の撮像部の受光セン
   サの出力か第２の撮像部の受光センサの出力のいずれか
   を選択するスイッチング回路とからなるＣＣＤカメラ。
5. 【請求項５】 前記感度が低い受光センサの出力が前記
   スイッチング回路に入力される前に前記感度が高い受光
   センサの出力と大きさを合わせるキャリブレーション用
   増幅器が設けられてなる請求項１または４記載のＣＣＤ
   カメラ。
6. 【請求項６】 前記感度が低い受光センサは該受光セン
   サの表面側に光を減衰させるフィルタが設けられること
   により形成されてなる請求項１、２、３または４記載の
   ＣＣＤカメラ。
7. 【請求項７】 前記感度が高い受光センサからの出力信
   号をデジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器と、前
   記感度が低い受光センサからの出力信号をデジタル信号
   に変換する第２のＡ／Ｄ変換器とを有し、前記コンパレ
   ータおよびスイッチング回路がデジタル信号の処理回路
   である請求項１または４記載のＣＣＤカメラ。