WO2001069169A1

WO2001069169A1 - Displacement sensor

Info

Publication number: WO2001069169A1
Application number: PCT/JP2001/002038
Authority: WO
Inventors: Masahiro Kawachi; Michitoshi Okada; Koji Shimada; Hitoshi Oba; Satoshi Yoneda
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2001-09-20
Anticipated expiration: 2002-09-15
Also published as: EP1189017A4; EP1189017A1; EP1189017B1; US7151568B2; US20020159074A1

Description

変位センサ技術分野

この発明は、光切断法を利用して物体の変位を計測し、その計測値をそ明

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。

書背景技術

光学式変位センサのセンサへッドの光学系の従来例が図 2 8に示されている。同図において、 5 0 0はセンサヘッド部、 5 0 1は光切断法における切断光を発するレーザダイオード、 5 0 2は切断光の断面を線状にするためのスリット、 5 0 3は投光レンズ、 5 0 4は受光レンズ、 5 0 5は S Dや一次元 C C D等で構成される受光素子、 6 0 0は計測対象物体、 7 0 0はステージ、 S Pは計測対象物体 6 0 0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。

このように従来の光学式変位センサの受光素子 5 0 5としては、 P S D や一次元 C C D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 2 9に示されるように、センサへッド 5 0 0と計測対象物体 6 0 0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。

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力メラ等に使用される普及型の 2次元 C C Dが使用されている。

変位センサの受光素子として二次元 C C D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。

しかし、この種の普及型二次元 C C Dの画素配列は、図 3 0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、 O Bはオプティカルブラック領域である。

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、 6 0〜7 0本程度） C C D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 C C D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。

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。発明の開示

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。

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、かつ前段ォプティカルブラック画素領域と後段ォ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。

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。

『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ゃ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 7 8 8画素 X水平方向 1 0 7 7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 5 0 0行 X水平方向 5 0 0〜7 0 0列の受光画素配列を有するものが存在する。

『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 2 0 %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。

『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喑レベルとなる。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。

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。前段および後段ォプティ力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。

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一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。

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、後段ォ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。

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。

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。

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、前段ォプティカルブラック画素領域のラィ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レ、後段ォプティ力ルブラック画素領域が水平ラィ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。

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 2 0 %以下または 1 0 %以下である二次元撮像素子が使用される ₍ 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 T V又は H D T Vカメラの視野に対応したものとなっている。

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。

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, 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つ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。

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。

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、この長い領域にける高さの分布を一挙に測定することができる。

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。

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、後段ォプティ力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。

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、後段ォ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、直ちにシャツ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ォ：

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。

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、後段ォ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。

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。

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水平期間毎に複数段の連続垂直転送を行う動作を、 1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水平期間毎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レ、。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。

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繫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、後段ォ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。

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。

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ゃノィ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。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。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ォ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。

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ォプティ力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ライン乃至数ラィンづっ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。

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水平期間毎に複数段の連続垂直転送を行う動作を、 1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。このとき、 1水平期間毎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。

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。

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、前段ォ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、後段ォ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。

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。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ゃノィ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。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。

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。

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 _c 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。

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。

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。

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、コブラナリティの計測が可能となる。

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。しカゝし、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レ、。

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。

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。

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、かつ前段ォプティカルブラック画素領域と後段ォ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レ、特定水平ラィ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, 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, 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。図面の簡単な説明

第 1図は、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。第 2図は、本発明の変位センサのセンサへッド部の光学系を示す図である。

第 3図は、センサへ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。

第 4図は、センサヘッド部の撮像素子における光感応画素領域とォプテイ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。

第 5図は、撮像素子における電荷移送回路を説明するためのプロック図である。

第 6図は、転送パルス発生部の内部構成を示す図である。

第 7図は、水平転送用パルス（T P 2 ) の出力態様を示すタイムチヤ一トである。第 8図は、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。

第 9図は、 L I , L 2 , O Eの意味内容を示す図である。

第 1 0図は、転送制御部の動作を示すフローチャートである。

第 1 1図は、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。

第 1 2図は、図 1 1のタイムチヤ一トの要部を説明する図である。第 1 3図は、図 1 1のタイムチャートの要部を説明する図である。第 1 4図は、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。

第 1 5図は、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。

第 1 6図は、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。

第 1 7図は、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。

第 1 8図は、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。

第 1 9図は、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。

第 2 0図は、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ィムチヤ一トである。

第 2 1図は、全ライン一括平均化処理の応用例を示す図である。

第 2 2図は、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ヤートである。

第 2 3図は、傷計測のための画像処理の説明図である。第 2 4図は、突起計測のための画像処理の説明図である。

第 2 5図は、溝計測のための画像処理の説明図である。

第 2 6図は、傾き計測のための画像処理の説明図である。

第 2 7図は、コブラナリティ一計測のための画像処理の説明図である。第 2 8図は、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。

第 2 9図は、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。

第 3 0図は、従来の 2次元 C C Dの光感応領域を説明する図である。第 3 1図は、撮像装置の一応用例を示す図である。

第 3 2図は、ビジュアル計測装置の構成を示すブロック図である。発明を実施するための最良の形態

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。

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 3 0 0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へッド部 2 0 0と、センサへッド部 2 0 0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 1 0 0とを、主要構成として備えている。

センサへッド部 2 0 0は、発振器（O S C 2 0 1 ) と、センサ本体部 1 0 0内のレジスタ 1 0 9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 C C Dドライブ 2 0 3並びにスリット光源 2 0 6へと送り出す。スリット光源 2 0 6は、後述するように、レ一ザダイォード 2 0 7とスリット 2 0 8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 CCD 205によつて撮影される。この CCD 205は後述するように、 CCDドライブ 20 3から送られてくる転送パルス TP 1〜TP 3によって転送動作が制御される。 CCD 205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。

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、 21 1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ォード 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 2 10は、所定の角度から受光レンズ 2 1 1を介して CCD 205で撮影される。よく知られているように、 C CD 205の撮影角度は、計測対象物体 300の高さ変化によって、光像 2 10の CCD2 12上への結像位置が変化するように位置決めされている。

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 3 1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, 図において、 9 1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、 9 6は二次元撮像素子の水平走査方向、 9 7は二次元撮像素子の垂直走查方向、 9 8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 9 2としては、この例では、 0 . I X 5 mmの線幅規格のものが使用されている。測定対象物 9 1の高さ変位は、二次元撮像素子 9 7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 9 8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。

C C D 2 1 2は、本発明者が提案した新規な構成を有する。 C C D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。

同図において、 P h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 7 8 8行 X水平方向 1 0 Ί 7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、 V Rは受光画素群を構成する各受光画素 P h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、 H Rは各列の垂直シフトレジスタ V R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、 A o u t は水平シフトレジスタ H R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。

受光画素 P hの中で図中ハッチングにて塗りつぶされた受光画素 P h 2 は所謂オプティカルブラック画素（O B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 P h 1は光感応画素である。それらの受光画素 P h 1， P h 2はいずれもフォトダイォ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 V R， H Rは C C Dを基本とする素子構造を有する。

先に述べたように、オプティカルブラック画素 P h 2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 P h 1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。

目的とする画素を、光感応画素 P h 1ではなくて、オプティカルブラック画素 P h 2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ォ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。半導体製造プ口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つても、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つたり、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。

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ォ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。

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。

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、 6 0〜7 0本程度）専用の C C D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。

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（7 8 8本）に比べて十分に少ないライン本数（6 0本）の特定水平ラィン帯 H L Bに属する第 1の画素群と、特定水平ライン帯 H L Bに属さない第 2の画素群とに分けられている。

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 6 7番目の水平ラインに至る 6 0本の水平ラインが特定水平ライン帯 H L B とされ、この特定水平ライン帯 H L B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 6 8番目の水平ラインから最下段である第 7 8 8番目の水平ラインに至る 7 2 1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。

第 1の画素群を構成する画素 p hの全部又は大部分は光感応画素 P h 1 とされており、かつ前記第 2の画素群を構成する画素 P h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 P h 2とされている, より厳密に言えば、特定水平ライン帯 H L Bを構成する 6 0本の水平ラィ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 4 0本の垂直ラインに属する画素は全てォプティカルブラック画素 P h 2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 4 0本の垂直ラインに挟まれた中央部に位置する 1 0 3 4本の垂直ラインに属する画素は全て光感応画素 P h 1とされている。その結果、光感応画素領域（60行 X 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。

同 C CD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 X I 034列）は、受光面全体（7

88行 X 1 07 7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 X 1077列）の大部分はォ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。

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 TP 1が与えられると、各垂直ラインに属する受光画素 P hの出力（光感応画素 Ph 1の場合は電子シャツタ開期間の蓄積電荷、又オプティカルブラック画素 P h 2の場合には規定の喑レベル相当のほぼゼ口電荷）は隣接する垂直シフトレジスタ VR l〜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 T P 2が与えられると、各垂直シフトレジスタ VR 1〜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 VR 1〜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 TP 3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 A o u tを介して外部へと出力される。

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。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 TP 3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 L 1, L 2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。

転送ライン数信号 L 1 , L 2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」，「1 0」，「01」，「1 1」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 L 1として、下位ビットが L 2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、 TP 3出力無しが「0」又 TP 3出力有り力 S 「1」に設定されている。

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 TP 1、 T P 2、 TP 3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 TP 1を生成出力するタイミング発生部 21が含まれている。

第 2の転送パルス生成部には、 4個のタイミング発生部 2 2 a , 22 b 22 c, 22 dと、各タイミング発生部 22 a〜22 d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。

各タイミング発生部 22 a〜22 d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 TP 2を出力する。各タイミング発生部 22 a〜22 dからの転送パルス TP 2の出力態様が図 7に示されている。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 2 2 aは、水平ブランキング期間内に 1個のパルスを出力する。

2ライン転送用のタイミング発生部 2 2 bは、水平ブランキング期間内に 2個のパルスを出力する。

4ライン転送用のタイミング発生部 2 2 cは、水平ブランキング期間內に 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。

7ライン転送用のタイミング発生部 2 2 d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。

マルチプレクサ 2 3は、これらタイミング発生部 2 2 a〜2 2 dの中から転送ライン数信号 L 1， L 2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 C C D撮像素子 2 0 5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 T P 2として採用され、 C C D撮像素子 2 0 5へと与えられる。

なお、ここでは図示しないが、第 1の転送パルス T P 1の生成部も、上記と同様に、各転送ライン数用の 4個のタイミング発生部とマルチプレクサとにより構成される。このうち 1ライン転送用のタイミング発生部は、通常のビデオ規格に基づくタイミングでパルス信号を 1個出力するのに対し、 2ライン〜 7ライン転送用の各タイミング発生部は、転送ライン数で定まる 1画面分の電荷の出力期間毎にパルス信号を 1個出力する。マルチプレクサが前記と同様に転送ライン数信号 L 1， L 2に対応するタイミング発生部を選択することにより、そのタイミング発生部の出力パルスが転送パルス T P 1として出力され、 C C D撮像素子 2 0 5に与えられる。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 T P 3を生成出力するタイミング発生部 2 4と、出力有無信号 O Eに応答して第 3の転送パルス T P 3の外部出力可否を制御するゲート回路 2 5 が含まれている。出力有無制御信号 O Eが「1」のときにゲート 2 5は開き、出力有無信号 O Eが「0」のとき、ゲート 2 5は閉じる。

図 3を参照して先に説明したように、この実施形態の C C D撮像素子 2 0 5にあっては、受光面上の 8〜6 7ラインの 6 0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 6 8〜7 8 8の 7 2 1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、有効画像領域のデ一タを壊すことなく、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。

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 P hから各列の垂直シフトレジスタ V R 1〜V R n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 V R 1〜V R n上の信号電荷を水平シフトレジスタ H R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 V R 1〜V R n上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタ V R 1 〜V R nの転送と水平シフトレジスタ H R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 V R l〜V R n上の信号電荷を水平シフトレジスタ H R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、後段ォ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。

第 2の高速画像読出方式では、前記駆動制御部は、毎垂直期間の初め受光画素から各列の垂直シフトレジスタ VR VR nへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、前段；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 V R 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 V R 1〜 V R n上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタ V R 1〜VR n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 VR l〜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 VR 1〜VR n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。

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。

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 P h (m, n) から各列の垂直シフトレジスタ VR 1〜VR nへと信号電荷を取り込ませる処理である。

また、前段オプティカルブラック画素対応処理（B) とは、前段ォ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 VR 1〜VR n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。

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 VR 1〜VR n上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタ VR 1〜VR nの転送と水平シフトレジスタ H R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。

さらに、後段オプティカル画素領域対応処理（D) とは、後段ォ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 VR 1〜VR n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。

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 水平期間毎に 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水平期間毎に 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 1 1参照、図 1 2参照）。

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 1 1、図 1 3参照）。

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 L l， L 2の形式により記憶されている。

この例は、前段ォプティ力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（L 2， L 1 = 1， 1 ) とした後、 2〜 3 1番目の水平期間における転送ラインを 2ライン（L 2 , L 1 = 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』（O E = 0 ) 、その後、 2〜3 1番目の水平期間における出力有無は『有り』 (O E = 1 ) とされる。

転送制御部（図 1 0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 L 1， L 2 並びに出力有無信号 O Eの設定値を読み込んで、各転送ライン数信号 L 1 L 2並びに出力有無信号 O E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 MA X値（図 8では「3 1」）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 3 1 / 7 8 8の時間間隔で転送パルス T P 1を出力することになる）。

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 L 1， L 2並びに出力有無信号 O Eに基づき第 2の転送パルス T P 2の出力回数並びに第 3の転送パルス T P 3の出力有無を設定して、 C C D撮像素子 2 0 5に対する一連の制御を実施する。

なお、センサ本体部 1 0 0 (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 1 0 9を介して設定するように構成される。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のフローチャ一トに示されている。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 1 1参照）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。

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) 。

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 L 1 , L 2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) 。

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 L l， L 2並びに水平転送有無信号〇Eの値は、 L l = l， L 2 = 1， OE = 0にそれぞれ設定される（ステップ 1003) 。すると、図 1 1並びに図 1 2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 TP 3を出力することなく、垂直転送用の第 2の転送パルス T P 2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。

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) 。

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 L 1， L 2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) 。

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 L l， L 2並びに水平転送有無信号 OEの値は、 L 1 = 0， L 2 = 1， OE = 1にそれぞれ設定される（ステップ 803) 。すると、図 1 1 並びに図 1 3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 TP 2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 TP 3が 1水平ライン画素相当数だけ出力される。

第 2の転送パルス T P 2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 TP 3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 _c 図 1 1にハッチングにて又図 1 3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。 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) 。

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 L 1, L 2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) 。

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 L l， L 2並びに水平転送有無信号 OEの値は、 L 1 =0， L 2 = 1, OE== 1にそれぞれ設定される（ステップ 1003) 。すると、図 1 1並びに図 1 3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 TP 2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 T P 3が 1水平ラィン画素相当数だけ出力される。

第 2の転送パルス T P 2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， 1 1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 T P 3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 1 1および図 1 3に示されるように、この 10〜1 1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。

以後、 4番目〜 3 1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 H D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 1 1および図 1 3に示されるように、 1 2， 1 3ライン、 14， 1 5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。

3 1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 1004 YE S) 、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 XV Dを受けて、転送パルス発生部 1 2から画素電荷取込用の第 1の転送パルス TP 1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 VR 1〜VR n上に取り残したまま、以上説明した 1番目乃至 3 1番目の水平期間開始信号到来時の処理が繰り返される。

2番目以降の画素電荷取込用の転送パルス TP 1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 V R 1〜 V R n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 VR l〜VRnの各ステージには、後段ォ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箸である。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力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。

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 VR 1〜VR n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。

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〜 3 1ラインの 29ライン分が有効画像とされる。

つぎに、第 2の高速画像読出方式の具体的な一例を図 1 5〜図 1 7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 VR 1〜VR n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。

前段オプティカルブラック画素領域対応処理（B) とは、前段ォ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 VR 1 〜VR n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。

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 VR 1〜VR n上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタ VR 1〜VR n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。後段オプティカルブラック画素領域対応処理（D ) とは、後段ォ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 V R 1 〜V R n上の信号電荷を水平シフトレジスタ H Rへと高速に落し込ませる処理である。

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水平期間毎に 7段の連続垂直転送を行う動作を、 1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水平期間毎に 7段の連続垂直転送を行う動作は、水平シフトレジスタ H R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 1 6参照）。

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水平ラィ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 1 6参照）。

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 1 5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 L 1， L 2の形式により記憶されている。

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、続く後段ォ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、 2〜3 1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, 3 2〜1 3 4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、 2〜3 1番目の水平期間における出力有無は『有り』、その後、 3 2〜1 3 4番目の水平期間における出力有無は再び『無し』とされる。

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 1 0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。

水平期間カウンタ L Cのカウント値「 1」〜「3 1」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 H R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、 O B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 1 6のカウントイ直「1」，「2」参照）。

カウント値「3」〜「3 1」に対応する 3番目〜 3 1番目の水平期間 (主として、光感応画素領域）では、 1 0， 1 1ライン、 1 2， 1 3ライン、 1 4 , 1 5ライン、〜 6 6， 6 7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 1 6のカウント値「 3」〜「 3 1」参照）。

カウント値「3 2」〜「 1 3 4」に対応する 3 2番目〜 1 3 4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 1 2からは、水平期間毎に垂直転送用の第 2の転送パルス T P 2 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 TP 3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 1 6のカウント値「3 2」〜「 1 34」参照）。

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 1 7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〜 3 1ラインの 2 9ライン分が有効画像とされ、 3 2〜 1 34ラインの 1 0 3ライン分が後段無効画像とされる。

上述のセンサへッド部 200を構成する CCD撮像素子 20 5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 C C D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。

次にセンサ本体部 1 00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 1 00は、ワンチップマイコンである C PU 1 0 1と、表示用 LED 1 0 2と、操作スィツチ 1 0 3と、入出力回路 ( I /O) 1 04と、演算部 1 0 5と、メモリ制御部 1 06と、フレームバッファ 1 0 7と、 0 八変換器1 0 8と、レジスタ 1 0 9と、同期信号発生部 1 1 0と、発振器（OS C) 1 1 1とを備えている。なお、 BUS 1は同期バス、 BUS 2は CPUバスである。

ワンチップマイコンを構成する C PU 1 0 1は、センサ本体部 1 00の全体を統括制御するものである。演算部 1 0 5は画像処理に必要な各種の演算を行う専用のハードウエア回路であり、この演算部 1 0 5では AZD 変換器 1 1 2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 1 06を介してフレームバッファ 1 0 7に格納され、必要に応じて DZA変換器 1 0 8を介して N T S C画像として外部の C R Tディスプレイ等に送られる。レジスタ 1 0 9は、センサへッド部 2 0 0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 1 5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 L 1， L 2 , O Eを設定したものである。表示用 L E D 1 0 2は、センサ本体部 1 0 0の動作状態を外部に表示するものであり、操作スィッチ 1 0 3はセンサ本体部 1 0 0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) 1 0 4は、センサ本体部 1 0 0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ィツチング信号も含まれる。なお、センサ本体部 1 0 0の動作は、発振器（O S C ) 1 1 1及び同期信号発生部 1 1 0を介して得られる同期信号によって制御される。

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。

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 1 8〜図 2 1を参照して説明する。このような場合、図 1 8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 1 9に、撮像素子の駆動例が図 2 0にそれぞれ示されている。図 1 9に示されるように、この場合水平期間カウンタの値「1」のときは転送段数は「7」、水平カウンタの値が「2」〜「3 1 J 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」〜「3 0」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 1 0の処理が実行される結果、図 2 0に示されるように、 2 9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 2 1 ( 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、 C C D撮像素子から 1ラインづっ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、 C C Dの多段垂直動作と水平転送停止制御とを組み合わせて C C D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。

次に、 C C D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 1 0 9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。

まず、図 2 3を参照して傷の計測処理について説明する。図 2 3 ( a ) に示されるように、表面に傷を有する物体をセンサへ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。

次に、突起の計測について図 2 4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へ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。

次に、溝の計測を図 2 5を参照して説明する。同図 ) 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へ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。

次に、傾きの計測を図 2 6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。

次に、コブラナリティ（高さの均一性）の計測を図 2 7を参照して説明する。同図（a ) に示されるように、表面に B G A (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、 B G Aのコプラナリティ、すなわち複数の B G Aの頂点の高さがどれだけそろつているかについての計測が可能になる。

以上述べた処理と計測対象物との関係を図 2 2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 2 2 0 1 Y E S ) 、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) 。

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) 。

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) 。

傾きの計測の場合には（ステップ 2207 YE S) 、各計測ラインの高さを算出し、傾きを求める（ステップ 2208) 。

コブ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 ) 。

別の一面から見ると、以上説明した一連の実施形態には、次のような第 1及び第 2の撮像装置並びに第 1及び第 2のビジュアル計測装置の発明が含まれていると見ることもできる。

すなわち、第 1の撮像装置は、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一括して受け取る水平シフトレジスタを有し、かつ周囲をオプティカルブラック画素領域とすることにより、水平ライン総数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、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへの信号電荷の取込、各列の垂直シフトレジスタによる信号電荷の垂直転送、並びに、水平シフトレジスタによる信号電荷の水平転送を制御する駆動制御部と、を具備する。

この駆動制御部には、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、前段ォ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繫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ように構成されており、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なわない分だけ、 1画面読出周期を短縮する。

また、第 1のビジュアル計測装置とは、上記第 1の撮像装置と、この撮像装置より出力された画像データを入力して、所定の画像処理を実施する画像処理装置とを備えてなるものである。

また、第 2の撮像装置は、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一括して受け取る水平シフトレジスタを有し、かつ周囲をオプティカルブラック画素領域とすることにより、水平ラィン総数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、受光画素から各列の垂直シフトレジスタへの信号電荷の取込、各列の垂直シフトレジスタによる信号電荷の垂直転送、並びに、水平シフトレジスタによる信号電荷の水平転送を制御する駆動制御部と、を具備する。

この駆動制御部には、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、前段ォ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ォ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、後段ォ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、繰り返し実行するように構成されており、それにより、前段並びに後段のォ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。

さらに、第 2のビジュアル計測装置とは、上記第 2の撮像装置と、この撮像装置より出力された画像データを入力して、所定の画像処理を実施する画像処理装置を備えてなるものである。

ここで言う『ビジュアル計測装置』とは、光切断法を基本原理とする変位センサ、 3 Dセンサ、測長センサ、バーコードリ一ダなどのうち二次元撮像素子を受光素子とするものの総称である。この明細書で説明した二次元撮像素子の有する、細長い視野の長手方向の解像度を維持しつつ高速に撮影できるという特徴は、変位センサ以外のビジュアル計測装置に適用した場合にも極めて有利に働く。ここで、 3 Dセンサは光切断法応用の変位センサを用い、変位センサと計測対象物とを変位センサのスリットビームの長手方向に対して垂直方向に相対移動させつつ各部の高さ情報を取得することにより、計測対象物の表面の三次元的形状を計測するセンサである, 測長センサは、平行光線からなるスリットビームを形成し、このスリットビームを二次元撮像素子の受光面に投影し、計測対象物がスリットビームの一部を遮光した場合に受光面上に生じる影の領域の長さから対象物のスリットビームを遮光した部分の長さを計測するセンサである。

この発明の一実施形態であるビジュアル計測装置（例えば、光切断法応用の変位センサ、 3 Dセンサ、等）の電気的なハードウェア構成を示すブ口ック図が図 3 2に示されている。

同図に示されるように、ビジュアル計測装置 8 0 0は、二次元画像の映像信号を生成して出力する撮像装置 7と、この撮像装置 7から出力される映像信号を取り込んで計測に必要な画像処理を実行する画像処理装置 8とを、主要構成として備えている。

撮像装置 7は、固体撮像素子としての C C D撮像素子 7 1 (図中「C C D」と略す）と、転送パルス発生部 7 2と、転送制御部 7 3と、出力バッファ 7 4と、転送仕様テーブル 7 5とを含んでいる。そして、転送パルス発生部 7 2と転送制御部 7 3と転送仕様テーブル 7 5とによって、駆動制御部が構成されている。

画像処理装置 8は、撮像装置 7からの映像信号を AZD変換するための画像入力部 8 1と、変換処理後のディジタル画像を用いて所定の計測のための画像処理を実施する画像処理部 8 2と、この画像処理結果を外部に出力するための出力部 8 3とを含んでいる。

撮像装置 7にて生成された画像データが画像処理装置 8に取り込まれると、画像処理部 8 2は、有効画像領域の画像データに対し、例えば、 2値化処理，エッジ抽出処理などの手法を用いて画像上の対象物を抽出した後、抽出された対象物について、面積，重心位置などの特徴量を計測する。なお、この特徴量計測処理の具体的な内容は、ビジュアル計測装置が変位センサ、 3 Dセンサ、測長センサ、バーコードリーダ等のいずれに相当するかで決定される。

このとき、撮像装置 7にて第 1の高速画像読出方式（図 1 1，図 1 4等参照）が採用されると、 1画面分の画像データは通常の約 1 Z 2 5の時間で取り込まれるので、画像入力にかかる時間が大幅に短縮され、処理効率が向上する。しかも、水平シフトレジスタ H R上で電荷が飽和することがないため、飽和によるスミヤ発生により有効画像領域の画像が劣化する虞もない。加えて、詳細な処理が必要な有効画像領域については、通常のビデォ規格で生成された画像データと同様の解像度の画像データを取得できるので、計測処理の精度を維持できる。

その後、さらに必要に応じてこの計測結果をあらかじめ設定された基準値と比較して対象物の良否を判定する。この計測結果や判定結果は、出力部 2 3を介してモニタなどの外部装置に出力される。

また、撮像装置 7にて第 2の高速画像読出方式（図 1 5〜図 1 7等参照）が採用されると、 1画面分の画像データは通常の約 1 Z 5の時間で取り込まれるので、画像入力にかかる時間が大幅に短縮され、処理効率が向上する。しかも、オプティカルブラック画素からの電荷を多数加算しても、水平シフトレジスタ H R上で電荷が飽和することがないため、飽和によるスミャ発生により有効画像領域の画像が劣化する虞もない。加えて、詳細な処理が必要な有効画像領域については、通常のビデオ規格で生成された画像データと同様の解像度の画像データを取得できるので、計測処理の精度を維持できる。

その後、さらに必要に応じてこの計測結果をあらかじめ設定された基準値と比較して対象物の良否を判定する。この計測結果や判定結果は、出力部 8 3を介してモニタなどの外部装置に出力される。

上述の撮像装置 7を構成する C C D撮像素子 7 1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 C C D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。

上述の撮像装置の好適な用途としては、光切断法を検出原理とする変位センサ、 3 Dセンサ、測長センサ、バーコードリーダ等が挙げられる。これらのセンサに必要な被写体視野は細長くかつ長手方向への高い分解能を必要とされる一方、これと直交する方向へもある程度の分解能があれば、計測状態の生画像や計測光形状等の確認もできる。上述の C C D撮像素子では、変位測定に必要な長辺方向については 1 0 3 4画素の分解能を得ることができ、また短辺方向については最大 6 0画素の分解能を得ることができる。

以上の説明で明らかなように、この発明の撮像装置によれば、細長い視野を画質劣化を来すことなく高速に撮影することができ、しかも低コストに製造が可能である。そのため、本発明によれば、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応答で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ビジュアル計測装置（例えば、光切断法応用の変位センサ、 3 Dセンサ、測長センサ、バーコードリーダ等）を提供することができる。

別の一面から見ると、以上説明した一連の実施形態には、次のような二次元撮像素子並びに C C D撮像素子が含まれていると見ることもできる。すなわち、この発明の二次元撮像素子は、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画素群と、前記画素群を構成する各画素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と、前記各列の垂直シフトレジスタから移送されてくる電荷を水平方向へと移送して外部へ出力する水平シフトレジスタとを有し、垂直シフトレジスタの移送動作と水平シフトレジスタの移送動作とを外部から制御可能とした二次元撮像素子である。

前記マトリクス状に配列された画素群は、水平ライン総数に比べて十分に少ないライン本数の特定水平ライン帯に属する第 1の画素群と、前記特定水平ライン帯に属さない第 2の画素群とに分けられており、かつ前記第 1の画素群を構成する画素の全部又は大部分は光感応画素とされており、かつ前記第 2の画素群を構成する画素の全部又は大部分はォプティカルプラック画素とされている。

好ましくは、第 1の画素群を構成する画素の中で、特定水平ライン帯の水平方向両端部近傍に位置する画素はオプティカルブラック画素とされ、かつそれらオプティカルブラック画素にて挟まれた一連の画素は光感応画素とされ、さらに、特定水平ライン帯に属さない第 2の画素群を構成する画素は全てオプティカルブラック画素とされている。

好ましくは、画素群の配列がデジタルスチルカメラ、或いは、丁又^1 D T Vカメラの視野に対応したものとなっている。

また、この発明の C C D撮像素子は、標準的なデジタルスチルカメラの視野に対応してマトリクス状に配列されたフォトダイォード群と、前記フォトダイオード群を構成する各フォトダイオードの出力を各列毎に垂直方向へと移送する垂直 C C Dと、前記各列の垂直 C C Dから移送されてくる電荷を水平方向へと移送して外部へ出力する水平 C C Dとを有し、垂直 C C Dのシフト動作と水平 C C Dのシフト動作とを外部から独立に制御可能とした C C D撮像素子である。

前記マトリクス状に配列されたフォトダイォード群は、水平ライン総数の 2 0 %以下または 1 0 %以下のライン本数を有する特定水平ライン帯に属する第 1のフォトダイオード群と、前記特定水平ライン帯に属さない第 2のフォトダイオード群とに分けられており、かつ前記第 1のフォトダイォード群を構成するフォトダイォ一ドのうちで特定水平ライン帯の両端部を除く大部分は光感応画素とされており、かつ前記第 2のフォトダイォード群を構成するフォトダイォードは全てオプティカルブラック画素とされている。

そして、好ましくは、特定水平ライン帯が、水平 C C Dに近接して配置されている。また、特定水平ライン帯は、デバイスの受光面上から張り付けた遮光マスクに細長い窓を開口することにより形成することができる。

さらに、好ましくは、特定水平ライン帯が、光切断法を検出原理とする変位センサ、 3 Dセンサ、測長センサ、又はバーコードリーダの測定画像領域に相当する。

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 9 0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、この長レ、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 B G A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。産業上の利用可能性

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。

Claims

請求の範囲

1 . 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し、

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、かつ前段ォプティカルブラック画素領域と後段ォプティ力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レ、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、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。

2 . 計測対象物体表面に切断光の光像を形成するための切断光は断面線状の光線である、請求項 1に記載の変位センサ。

3 . 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を使用する、請求項 1に記載の変位センサ。

4 . 特定水平ライン帯のライン総数が、水平ライン総数の 2 0 %以下である二次元撮像素子を使用する、請求項 1に記載の変位センサ。

5 . 受光画素群の配列が、デジタルスチルカメラ、或いは T V又は H D T Vカメラの視野に対応したものとなっている二次元撮像素子を使用する、請求項 1に記載の変位センサ。

6 . 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 Z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を使用する、請求項 1に記載の変位センサ。

7 . 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、請求項 1に記載の変位センサ。

8 . 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、請求項 2に記載の変位センサ。

9 . 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ォ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ォ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、後段ォ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、請求項 1〜8のいずれかに記載の変位センサ。

1 0 . 前段オプティカルブラック画素領域対応処理は、 1水平期間毎に複数段の連続垂直転送を行う動作を、 1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、請求項 9に記載の変位センサ。

1 1 . 1水平期間毎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、請求項 1 0に記載の変位センサ。

1 2 . 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、請求項 9に記載の変位センサ。

1 3 . 画像処理部から指令される電荷転送仕様の内容が、

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ォプティ力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、後段ォ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ォ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 7に記載の変位センサ。

1 4 . 画像処理部から指令される電荷転送仕様の内容が、

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ォ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 7に記載の変位センサ。

1 5 . 画像処理部から指令される電荷転送仕様の内容が、

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ォプティ力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、

後段ォプティ力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、請求項 1〜8 のいずれかに記載の変位センサ。

1 6 . 前段オプティカルブラック画素領域対応処理、および Z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水平期間毎に複数段の連続垂直転送を行う動作を、 1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、請求項 1 5に記載の変位センサ。

1 7 . 1水平期間毎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、請求項 1 6に記載の変位センサ。

1 8 . 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、請求項 1 5に記載の変位センサ。

1 9 . 画像処理部から指令される電荷転送仕様の内容が、

後段ォ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 7に記載の変位センサ。

2 0 . 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高速に落し込ませる前段ォプティカルブラック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、

2 1 . 画像処理部で行われる画像処理の内容が、各計測ラインの高さを算出してピーク間距離（peak to peak) を求める力、或いは各計測ラインの分散を求めるものであり、

それにより、傷の計測が可能となる、請求項 1〜8に記載の変位センサ _c 2 2 . 画像処理部で行われる画像処理の内容が、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であり、

それにより、突起の計測が可能となる、請求項 1〜8に記載の変位センサ。

2 3 . 画像処理部で行われる画像処理の内容が、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であり、

それにより、溝の計測が可能となる、請求項 1〜8に記載の変位センサ _c 2 4 . 画像処理部で行われる画像処理の内容が、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であり、

それにより、傾きの計測が可能となる、請求項 1〜8に記載の変位センサ。

2 5 . 画像処理部で行われる画像処理の内容が、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であり、

それにより、センサとワークとの相対移動により、コブラナリティの計測が可能となる、請求項 1〜8に記載の変位センサ。

2 6 . 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し、

撮像部には、

標準的な撮像位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、かつ前段ォプティカルブラック画素領域と後段ォプティ力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レ、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、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。