JP2005117340A - 移動制御装置及び画像読取装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 移動手段のクリープやヒステリシスに影響されることなく、対象物の移動制御を高精度に行う。
【解決手段】 CCDイメージセンサ28をY方向移動ステージ38の上に固定し、Y方向移動ステージ38をX方向移動ステージ36の上に支持する。X方向ピエゾ素子50及びY方向ピエゾ素子52に電圧が印加されると、CCDイメージセンサ28がX方向及びY方向にそれぞれ移動する。X方向位置センサ54及びY方向位置センサ56は、それぞれCCDイメージセンサ28のX方向、Y方向の移動位置を検出し、位置情報をピエゾドライバ58へ送る。ピエゾドライバ58は、CCDイメージセンサ28の目標位置を設定し、X方向位置センサ54及びY方向位置センサ56からの位置情報と目標位置との偏差が0になるように、X方向ピエゾ素子50及びY方向ピエゾ素子52に印加する電圧を調節する。
【選択図】 図3

Description

本発明は、対象物の移動量を制御する装置、及びこの装置を用いて撮像素子を移動させながら画像の読み取りを行う画像読取装置に関する。
特開2001−298608号公報
ネガフイルムやリバーサルフイルム等の写真フイルムに記録された画像を光電的に読み取ってデジタルの画像データを生成し、この画像データに基づいて強度変調された記録光で感光材料を露光することで、画像記録を行うデジタルプリンタが広く普及している。このデジタルプリンタでは、写真フイルムから読み取られた画像に対して、カラーバランス補正やシャープネス補正等の画像処理を行うことで、画質を向上することができるという利点がある。
写真フイルム上の画像の読み取りは、光源から読取光を写真フイルムに照射し、その透過光をエリアCCDセンサ等のエリアイメージセンサで検出することで行われる。読みとり画像の解像度を高めるために、上記特許文献1では、透過光の結像面内でエリアイメージセンサを数ミクロン程度の一定距離(例えば、画素ピッチの半分あるいは4分の1)移動させて、画像を複数回読み取る技術が開示されている。
上記特許文献1に記載の方法では、ピエゾ素子に電圧を印加することでエリアイメージセンサの微小移動を可能としている。しかし、ピエゾ素子特有のクリープ、ヒステリシスにより、印加電圧が一定であってもエリアイメージセンサの位置が連続的に変化するため、読取位置の誤差が大きくなり、読みとり画像の画質低下の要因となる。また、ピエゾ素子特有のヒステリシスにより、印加電圧が0であってもエリアイメージセンサの位置が異なる場合がある。
従来の装置では、エリアイメージセンサの移動量が大きいため,読取位置の誤差による影響は無視できるほど小さいものであったが、ローコスト化を図るためにイメージセンサの画素ピッチを小さくしたり、解像度を増やすために読取回数を増やす場合には、イメージセンサの移動量が小さくなるため、読取位置の誤差が無視できないほど大きくなってしまう。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、エリアイメージセンサ等の対象物の移動制御を高精度で行うことができる移動制御装置を提供することを目的とする。また、この移動制御装置を用いてイメージセンサを移動しながら画像読み取りを複数回行うことで、読取画像の高画質化・高解像度化を図ることのできる画像読取装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の移動制御装置は、対象物を保持する可動ステージと、可動ステージを移動させる移動手段と、可動ステージの位置を検出する位置検出手段と、初期位置を含む複数の停止位置に対応する可動ステージの目標位置を定め、可動ステージの検出位置が目標位置に一致するように、移動手段への出力を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
可動ステージは、互いに直交する2方向に移動自在であることが好ましく、移動手段はピエゾ素子であることが好ましい。また、位置検出手段は、可動ステージとの間隔に応じて出力が変化する位置センサであることが好ましく、目標位置に対応する位置センサの出力を目標出力として定めることで、可動ステージの移動位置制御を行うことができる。
本発明の画像読取装置は、記録媒体上の画像を光電的に読み取って画像データを出力する撮像素子と、撮像素子を保持する可動ステージと、可動ステージを移動させる移動手段と、可動ステージの位置を検出する位置検出手段と、複数の停止位置に対応する可動ステージの目標位置を定め、可動ステージの検出位置が目標位置に一致するように移動手段への出力を制御する制御手段と、各停止位置での読み取りで得られた画像データを合成する画像合成手段と、を備えたことを特徴とする。撮像素子による画像読み取りの初期位置を停止位置に含めることが好ましい。
本発明によれば、複数の停止位置に対応して可動ステージの目標位置を定め、可動ステージの検出位置が目標位置に一致するように、可動ステージ移動手段への出力を制御するから、エリアイメージセンサ等の対象物を精度良く移動することができる。また、初期位置においても移動制御するようにしたから、移動手段のヒステリシスに起因する位置ずれを防止することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を説明する。図1に概略的に示すように、デジタルプリンタ10は、画像読取装置12、画像処理装置14、プリンタ16から構成される。
画像読取装置12は、写真フイルム18を一コマずつ間欠送りしながら、画像を光電的に読み取って画像データを生成する装置であり、光源20,拡散ボックス22,フイルムキャリア24,結像レンズ26,CCDイメージセンサ28,CCD移動機構30等を備える。
光源20は、LED又はランプから構成され、図示しないドライバ及びフィルタによって光量が制御された赤(R)、緑(G)、青(B)の各読取光を写真フイルム18に照射する。また、写真フイルム18上の傷や塵埃を検出するための赤外光を照射しても良い。読取光は、拡散ボックス22内で拡散され、写真フイルム18上の読取面内においてその光量が均一化される。
フイルムキャリア24は、画像読み取り装置12に着脱自在にセットされ、写真フイルム18を図中矢印方向に1コマずつ間欠送りする搬送手段、写真フイルム18の読取範囲を画定するマスク、DXコードなどのフイルム情報を読み取る情報読取手段を備える。なお、フイルムキャリア24は、複数タイプ(135サイズ、APSタイプ等)の写真フイルム18を同時に装填できるものでも良いし、写真フイルム18のタイプ毎に、複数のフイルムキャリア24を画像読み取り装置12にセットしても良い。
光源20からの読取光は、フイルムキャリア24にセットされた写真フイルム18の画像コマを通過し、結像レンズ26によってCCDイメージセンサ28の受光面に結像される。CCDイメージセンサ28は、画像コマを透過した読取光を光電変換して画像信号を生成する。
図2に示すように、CCDイメージセンサ28は、各画素に対応する受光素子32が写真フイルム18の搬送方向に対して千鳥格子状(ハニカム状)に配列されている。この千鳥格子状に配列されたCCDイメージセンサ28は、従来の正方格子状に画素が配列されたものと比べ、感度、S/N比などの点で有利である。図1において、CCDイメージセンサ28は、支持プレート34,X方向移動ステージ36,Y方向移動ステージ38等からなるCCD移動機構30の上に保持されている。詳細は後述するが、X方向移動ステージ36及びY方向移動ステージ38の移動により、CCDイメージセンサ28はその受光面に平行な面内で2次元状に移動可能であり、これにより読取画像の解像度を向上する、いわゆる画素ずらしを行うことができる。
CCDイメージセンサ28から出力される画像信号はアンプ40において増幅され、さらにA/D変換器42でデジタルの画像データに変換される。画像データはCCD補正回路44に送られて、DCオフセット補正やシェーディング補正等が施される。後述するように、いわゆる画素ずらしを行って画像コマを複数回読み取った場合は、複数の画像データが画像合成回路45に送られて画像データの合成処理が施される。画像データは画像処理装置14へ出力され、濃度補正、グレイバランス補正等の所定の画像処理を行うとともに、LUT等を用いてプリント用のプリントデータに変換する。プリンタ16は、画像処理装置14からのプリントデータに基づいて強度変調されたレーザ光を印画紙等の感光材料に照射して画像記録を行った後、現像・定着処理を行ってプリント写真を出力する。
図3に示すように、CCD移動機構30は、X方向移動ステージ36,Y方向移動ステージ38,X方向ピエゾ素子50,Y方向ピエゾ素子52,X方向位置センサ54,Y方向位置センサ56から構成される。なお、CCD移動機構30を構成する各部材は、指示プレート34上に支持されているが(図1参照)、図3では図面が煩雑になるのを避けるために、支持プレート34を省略している。X方向ピエゾ素子50及びY方向ピエゾ素子52は、電源装置60から出力され、ピエゾドライバ58によって調節された駆動電圧を受けて伸縮する。これにより、X方向移動ステージ36及びY方向移動ステージ38は、それぞれ、互いに垂直なX方向及びY方向に移動する。
Y方向移動ステージ38はX方向移動ステージ36の上に配置され、CCDイメージセンサ28はY方向移動ステージ38の上に固定されている。X方向移動ステージ36がX方向に移動すると、Y方向移動ステージ38はCCDイメージセンサ28と一緒にX方向に移動する。CCDイメージセンサ28は、その長手方向がX方向及びY方向に対して45度傾いた状態で固定されており、図2に示すように、ハニカム状に並べられた各画素の配列方向がX方向及びY方向に対応する。
X方向ピエゾ素子50及びY方向ピエゾ素子52の伸縮により、CCDイメージセンサ28は、X方向及びY方向に移動する。図4に示すように、CCDイメージセンサ28の移動により、画素32aは、X方向及びY方向の画素ピッチ(10.8μm)で規定された、図中点線で示す正方形の範囲内で移動する。このとき、画素32aに隣接する画素32b、32c、32dも、同じ量だけ移動する。画像読み取り時では、画素32aは図中「○」で示す第1位置48a、「□」で示す第2位置48b、「△」で示す第3位置48c、「☆」で示す第4位置48d、「●」で示す第5位置48e、「■」で示す第6位置48f、「▲」で示す第7位置48g、「★」で示す第8位置48hへ移動し、各読取位置で1回ずつ写真フイルム14上の画像を読み取り、画像合成回路45において画素データの合成を行うことで、CCDイメージセンサ28の画素数を増やすことなく、読取画像の解像度を増加することができる。
X方向ピエゾ素子50及びY方向ピエゾ素子52の伸縮量、すなわちCCDイメージセンサ28の移動量は、ピエゾドライバ58によって制御される。図5に示すように、上述の第1位置48a〜第8位置48hは、それぞれ画素ピッチ(10.8μm)の1/4単位で変位している。なお、第1位置48aにあるときには、ピエゾ素子に電圧を与えていない状態から、CCDイメージセンサが2.0μmずつX方向及びY方向に移動しており、すべての読取位置48a〜48hにおいてCCDイメージセンサ28の移動量を制御する。
図3において、金属で構成されたX方向移動ステージ36の一端には、X方向に伸びた突片62が一体に形成され、この突片62のX方向の先端面62aがX方向位置センサ54と相対する。同様に、金属製のY方向移動ステージ38に一体に形成された突片64のY方向の先端面64aが、Y方向位置センサ56と相対する。
X方向位置センサ54は、絶縁基板上に2次元スパイラル状に形成された導電体(インダクタ)と、静電容量が一定の固定キャパシタを備えている。図示しない高周波電源より導電体に高周波電流を流すと、導電体にインダクタンスが発生し、固定キャパシタと共振して一定周波数で発振する。ここで、金属体である突片62の先端面62aがX方向位置センサ54に近づくと、先端面62aに発生する誘導電流の影響で、導電体を流れる高周波電流が減少する。これにより、インダクタンスも減少するため、結果として発振周波数が増加する。
位置センサ54と先端面62aとの間隔Lと発振周波数Fとの関係は、図6に示すように近似関数式L=G(F)によって表すことができ、この情報は製造時にピエゾドライバ58内のROM76に記録されている。したがって、発振周波数Fを検出することで間隔Lを算出することができる。例えば、間隔LがL1である状態からL2になるまでCCD方向移動ステージ36をX方向に移動する場合には、上記関係式より発振周波数FがF2になるように、X方向ピエゾ素子50の出力電圧を調整する。これにより、任意の位置へX方向移動ステージ36を移動することができる。なお、Y方向位置センサ56の構成及び動作は、X方向位置センサ54と同様であるため、詳細な説明を省略する。
ピエゾドライバ58は、PLD(Phase Logic Device)70とコントローラ72とを備える。PLD70は、X方向位置センサ54及びY方向位置センサ56からの周波数情報をコントローラ72へ送り、コントローラ72はこの周波数情報(CCDイメージセンサ28の位置情報)よりX方向ピエゾ素子50及びY方向ピエゾ素子52へ供給する駆動電圧を調節する。
コントローラ72は、各部の動作制御を行うCPU74,CCD位置移動制御プログラムが格納されたROM76,ワークメモリとして使用されるRAM78,PLD70と接続する入出力(I/O)回路80及びD/A回路82,84とを備え、互いにデータバス86を介して電気的に接続されている。
コントローラ72は、図7に示すPIDフィードバック制御系に従い、制御対象であるX方向ピエゾ素子50に供給する出力電圧を決定する。例えば、X方向移動ステージ38の移動量設定値から測定値(X方向位置センサ54からの変位情報)を減算して得られる偏差をen とし、後述の制御演算式Yn に従って出力電圧を算出し、これを制御対象であるX方向ピエゾ素子50に供給する。そして、X方向位置センサ54で検出された周波数情報を変位情報として変換し、次回の制御量にフィードバックをかけることにより、移動量測定値を目標値に近づける。この制御演算式Yn は、以下の式で定められる。
Figure 2005117340
ここで、Kは比例ゲイン、TI は積分時間、TD は微分時間、θはサンプリング時間を表すパラメータである。これらのパラメータの値を適宜選択することにより、X方向移動ステージ36の変位量が目標値になめらかに近づくように、X方向ピエゾ素子50への出力電圧を制御することが可能となる。なお、Y方向ピエゾ素子52に対する駆動制御に関しても同様である。
次に、図8のフローチャートを用いて、画像読み取り動作について説明する。オペレータによる外部操作によって画像の読み取りが指示されると、ピエゾドライバ58はX方向ピエゾ素子50,Y方向ピエゾ素子52を駆動して、CCDイメージセンサ28を初期位置(例えば第1位置48a)へ移動する。ここで、初期位置においてもX方向ピエゾ素子50,Y方向ピエゾ素子52への出力電圧が調整されているので、1回目の画像読取時におけるピエゾ素子50,52のヒステリシスの影響を除去できる。
そして、画像読み取りを行った後、次の読取位置(例えば第2位置48b)へCCDイメージセンサ28を移動して再び画像読み取りを行う。まず、X方向及びY方向へのCCDイメージセンサ28の目標移動量を設定し、上述した制御演算式に従ってX方向ピエゾ素子50,Y方向ピエゾ素子52の出力電圧を調節する。そして、X方向位置センサ54及びY方向位置センサ56からの信号を受けて、CCDイメージセンサ28の移動量を検出する。目標移動量と実際の移動量との差が誤差範囲内(例えば±0.5μm以内)となったときに画像読み取りを行う。この動作を複数回(例えば8回)行い、全ての読取位置において画像読み取りが完了すると、画像読み取り動作を終了する。
図9〜図12に、上記構成による移動機構を用いてCCDイメージセンサ28の移動制御を行った例を示す。なお、以下に示す例では、X方向への移動制御について説明しているが、Y方向に対する移動制御に関しても同様である。図9は、第1位置48aから第2位置48bまでCCDイメージセンサ28をX方向に移動した例であり、グラフ縦軸の相対移動量は、第1位置48aに対する移動量を示している。すなわち、初期位置(X方向ピエゾ素子54に電圧を印加していない状態)から第1位置48aまでの移動量を2μmとすると、第2位置48bではCCDイメージセンサは7.4μm移動することを意味する。
時間0の瞬間にCCDイメージセンサ28の移動指示が出され、第1位置48aから第2位置48bへ向けてCCDイメージセンサ28の移動制御が開始される。上述のPID制御に従ってCCDイメージセンサ28の移動量がなだらかに変化するため、CCD移動機構30を構成する機械部品(X方向ステージやY方向ステージを初期位置に向けて付勢する板ばね部材など)に過度の負担がかかるのを防止することができる。CCDイメージセンサ28の移動量はなだらかに増加しながら、目標値である5.4μmに徐々に近づいていき、収束目標範囲である5.4±0.5μmの範囲内で収束する。図9で示す例では、収束範囲に達するまでの時間が15.8μsecと小さいため、CCDイメージセンサ28の位置ずらしを高速に行うことができる。また、画像読取開始時間を40μsecと設定した場合、この時点における収束誤差は0.04μmとなり、サブミクロンオーダーでの位置制御が可能であることが分かる。
図10〜図12に示すように、他の位置への移動に関しても、15μsec程度の短時間でなだらかに収束目標範囲に達することができるとともに、40μsecでの収束誤差をサブミクロンオーダーとすることができる。従って、画素ずらしによる画像読取を複数回行った場合に、読取画像の画質を高めることが可能となる。
CCDイメージセンサ28のX方向への移動制御を連続的に行った例を、図13に示す。同様に、Y方向への移動制御を連続的に行った例を図14に示す。図13及び14の例では、第1位置(図中、位置1)から第8位置(図中、位置8)まで、番号順にCCDイメージセンサ28を移動している。図示のグラフから明らかなように、各読取位置において移動量をフィードバック制御しているから、移動誤差を累積的に増加させることなく、CCDイメージセンサ28の移動位置制御を繰り返し行うことができる。なお、位置制御を行っていないとき(時間0より前,あるいは872msec以後)には、相対移動量が負(約−2μm)になっているが、これは、初期位置としての第1位置48aにおいてもX方向ピエゾ素子50及びY方向ピエゾ素子52に電圧が印加されていることを示している。
なお、位置制御の目標値の設定は、X方向位置センサ54及びY方向位置センサ56からの信号より、位置制御開始直前でのCCDイメージセンサ28の位置を検出し、この位置を基準として第1位置48a〜第8位置48hの目標値を設定することで行われる。すなわち、位置制御開始直前で検出された位置を基準として、相対的な移動量を設定することで目標値を決定する。従って、長期使用などによってCCDイメージセンサの初期位置にずれが生じたても、各制御位置間での移動量は正確に保たれる。
上記実施形態では、1コマ分の画像に対して8回の画像読取を行っているが、読取回数はプリントサイズまたは必要な読取データサイズ(読取画素数)に応じて適宜変更しても良い。例えば、2回の画像読取を行う場合には、第1位置48aと第3位置48cのそれぞれにおいて画像読取を行う。また、4回の画像読取を行う場合には、第1位置48a〜第4位置48dにおいて画像読取を行う。なお、画像読取の順序は適宜定めることができる。
CCDイメージセンサの移動量の変化を表す曲線(図9〜図12参照)は、立ち上がり又は立ち下がりが急峻でない限りどのようなカーブを描いても良く、例えば、移動量が正弦カーブ状に変化するように位置制御を行ってもよい。
上記実施形態では、予め位置が定められた第1位置48a〜第8位置48hにおいて画像読取を行っているが、読みとり画像の画質に影響を与えない範囲で、各位置48a〜48hからX方向及びY方向にランダムに微小変位させた点を目標移動位置として定めても良い。この場合、サンプリング点のピッチにランダム性が生じるため、モアレ等の発生を防ぐことができる。
上記実施形態では、画素が千鳥状に配列されたCCDイメージセンサ28を用いているが、正方格子状に画素が配列されたCCDイメージセンサや、CCDラインセンサを用いても良い。さらに、CMOSイメージセンサを適用することも可能である。
CCDイメージセンサの移動機構は上記実施形態に限定されることはなく、ボールブシュを用いた案内機構などを適用することができる。また、CCDイメージセンサの移動位置検出手段としてインダクタ変化検出型の位置センサを用いたが、これに限定されることはなく、渦電流方式の近接センサやレーザ変位計を用いても良い。さらに、CCDイメージセンサ28を移動させる手段として、ピエゾ素子の他にステッピングモータなどの移動手段を適用できる。
上記実施形態では、いわゆるCCDイメージセンサの画素ずらしを例として説明しているが、本発明はこれに限定されることはなく、ステッパ、基板接合時の位置あわせ装置など、精密な位置制御が必要となる場合に適用することができる。
デジタルプリンタの構成を概略的に示す説明図である。 CCDイメージセンサを構成する各画素の配置を示す説明図である。 CCDイメージセンサの移動機構を概略的に示す説明図である。 画像読取時におけるCCDイメージセンサの読取位置(第1位置〜第8位置)を示す説明図である。 第1位置に対する、各読取位置の相対移動量を表す図表である。 位置センサと測定対象物との間隔に対する、位置センサ出力周波数の変化を示すグラフである。 CCDイメージセンサの移動量のフィードバック制御系を示すブロック図である。 画像読み取りの手順を示すフローチャートである。 第1位置から第2位置への移動時における、CCDイメージセンサの移動量変化を表すグラフである。 第3位置から第4位置への移動時における、CCDイメージセンサの移動量変化を表すグラフである。 第4位置から第5位置への移動時における、CCDイメージセンサの移動量変化を表すグラフである。 第6位置から第7位置への移動時における、CCDイメージセンサの移動量変化を表すグラフである。 CCDイメージセンサを第1位置から第8位置まで連続的に移動させた場合の、X方向の移動量変化を表すグラフである。 CCDイメージセンサを第1位置から第8位置まで連続的に移動させた場合の、Y方向の移動量変化を表すグラフである。
符号の説明
12 画像読取装置
28 CCDイメージセンサ
30 CCD移動機構
36 X方向移動ステージ
38 Y方向移動ステージ
50 X方向ピエゾ素子
52 Y方向ピエゾ素子
54 X方向位置センサ
56 Y方向位置センサ
58 ピエゾドライバ

Claims (9)

  1. 対象物を保持する可動ステージと
    前記可動ステージを移動させる移動手段と、
    前記可動ステージの位置を検出する位置検出手段と、
    初期位置を含む複数の停止位置に対応する前記可動ステージの目標位置を定め、前記可動ステージの検出位置が前記目標位置に一致するように、前記移動手段への出力を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする移動制御装置。
  2. 前記可動ステージは、互いに直交する2方向に移動自在であることを特徴とする請求項1記載の移動制御装置。
  3. 前記位置検出手段は、前記可動ステージとの間隔に応じて出力が変化する位置センサであり、前記制御手段は、前記目標位置に対応する前記位置センサの出力を目標出力として定めることを特徴とする請求項1又は2記載の移動制御装置。
  4. 前記移動手段はピエゾ素子であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の移動制御装置。
  5. 記録媒体上の画像を光電的に読み取って画像データを出力する撮像素子と、
    前記撮像素子を保持する可動ステージと、
    前記可動ステージを移動させる移動手段と、
    前記可動ステージの位置を検出する位置検出手段と、
    複数の停止位置に対応する前記可動ステージの目標位置を定め、前記可動ステージの検出位置が前記目標位置に一致するように前記移動手段への出力を制御する制御手段と、
    各停止位置での読み取りで得られた画像データを合成する画像合成手段と、を備えたことを特徴とする画像読取装置。
  6. 前記可動ステージは、互いに直交する2方向に移動自在であることを特徴とする請求項5記載の画像読取装置。
  7. 前記停止位置は、前記撮像素子による画像読み取りの初期位置を含むことを特徴とする請求項5又は6記載の画像読取装置。
  8. 前記位置検出手段は、前記可動ステージとの間隔に応じて出力が変化する位置センサであり、前記制御手段は、前記目標位置に対応する前記位置センサの出力を目標出力として定めることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の画像読取装置。
  9. 前記移動手段はピエゾ素子であることを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の画像読取装置。
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