JP2005322996A - Image sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image sensor to which a storage time automatic control function is attached in order to avoid saturation of storage electric charges for each pixel. <P>SOLUTION: The image sensor includes: a plurality of pixel configuration sections arranged in a form of an array including electric charge generating sections PD0, PD1, ... for generating electric charges in response to a light receiving amount, and electric charge storage sections C0, C1, ... for storing the produced electric charges; global shutters TR20, TR21, ... for controlling start and stop of storing electric charges in response to the light receiving amount in a plurality of the pixel configuration sections almost at the same time for all the pixel configuration sections; a plurality of comparators CMP0, CMP1, ... for individually comparing a value equivalent to the stored electric charges of all or part of a plurality of the pixel configuration sections with a common reference value; and storage time control circuits AND1, INV1 for controlling the global shutters to execute stopping the storage of the electric charges in each of the pixel configuration sections when at least one of outputs of a plurality of the comparators indicates that the value of the stored electric charges is greater than the reference value. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、各画素の飽和を回避するために電荷蓄積時間の自動制御機能を付加したイメージセンサーに関する。   The present invention relates to an image sensor to which an automatic control function of charge accumulation time is added in order to avoid saturation of each pixel.

イメージセンサー(固体撮像素子ともいう)を用いて対象物の変位を測定する光学式変位計や画像パターンを読み取るバーコードリーダ等の光学式読取装置では、電荷蓄積時間を適切に調整することが重要である。電荷蓄積時間(単に蓄積時間ということもある)は露光時間(シャッター時間)に相当し、これが適切でなければ対象物の画像が暗すぎたり、逆に明るすぎたりする結果となり、対象物の変位測定や画像パターンの認識を正確に行うことが困難になる。また、照明光の強さや対象物の反射率によってイメージセンサーの受光量が変化するので、それらに応じて適切な電荷蓄積時間を設定する必要がある。   In an optical displacement meter that measures the displacement of an object using an image sensor (also called a solid-state image sensor) and an optical reader such as a barcode reader that reads an image pattern, it is important to adjust the charge accumulation time appropriately. It is. The charge accumulation time (sometimes simply the accumulation time) corresponds to the exposure time (shutter time). If this is not appropriate, the image of the object will be too dark or conversely too bright, and the object will be displaced. It becomes difficult to accurately perform measurement and image pattern recognition. In addition, since the amount of light received by the image sensor varies depending on the intensity of illumination light and the reflectance of an object, it is necessary to set an appropriate charge accumulation time according to them.

一般に最大受光量が多いほどイメージセンサーのダイナミックレンジを十分に活用できるので、変位測定や画像パターンの認識の精度が良くなる。しかし、最大受光量を大きく設定すると画素ごとの受光量の飽和(蓄積電荷の飽和)が起こりやすくなる。飽和が起こると、例えば三角測量の原理を用いた光学式変位計の場合に、リニアイメージセンサーから得られる光量分布波形のピーク位置が不明瞭になり、対象物の変位を正しく検出することができなくなる。光学式読取装置でも同様に、飽和によって画像パターンの誤認識を招くおそれがある。   In general, the greater the maximum amount of light received, the more fully the dynamic range of the image sensor can be utilized, so the accuracy of displacement measurement and image pattern recognition is improved. However, if the maximum amount of received light is set large, saturation of the amount of received light for each pixel (saturated accumulated charge) is likely to occur. When saturation occurs, for example, in the case of an optical displacement meter using the principle of triangulation, the peak position of the light distribution waveform obtained from the linear image sensor becomes unclear, and the displacement of the object can be detected correctly. Disappear. Similarly, in an optical reader, there is a risk of erroneous recognition of an image pattern due to saturation.

上記のような蓄積電荷の飽和を回避するための従来の方法として、例えば特許文献1に記載されている光学式変位計では、リニアイメージセンサーから得られる受光量データに基づいてレーザダイオードの発光量の制御を行っている。つまり、リニアイメージセンサーの出力信号をAD変換して得られるディジタルデータに基づいて、レーザダイオードのピーク出力又は発光時間(パルス幅)を制御することによって飽和を防止している。あるいは、蓄積時間(露光時間又はシャッター時間)を制御することによって飽和を防止している。
特開平10−267648号公報
As a conventional method for avoiding the saturation of the accumulated charge as described above, for example, in the optical displacement meter described in Patent Document 1, the light emission amount of the laser diode based on the light reception amount data obtained from the linear image sensor. Control is performed. That is, saturation is prevented by controlling the peak output or light emission time (pulse width) of the laser diode based on digital data obtained by AD conversion of the output signal of the linear image sensor. Alternatively, saturation is prevented by controlling the accumulation time (exposure time or shutter time).
JP-A-10-267648

上記のような従来の光学式変位計における飽和回避のための発光量又は蓄積時間の制御は、正確に言えば、リニアイメージセンサーから得られる受光波形に基づいて行われる。一次元の受光量分布である受光波形は、リニアイメージセンサーから得られる受光量データの演算処理によって得られる。この受光波形を1フレーム分読み出してから、次のフレーム以降で飽和しているか否かの判定を行い、その判定結果に基づいて発光量又は蓄積時間の制御を行うことになるので、フィードバック制御の遅れが発生する。具体的には、転送と波形演算が同時に行われる場合は2フレームの遅れで済む場合もあるが、転送と波形演算が同時でない場合は3フレーム以上の遅れとなる。   Control of the light emission amount or accumulation time for avoiding saturation in the conventional optical displacement meter as described above is performed based on the received light waveform obtained from the linear image sensor. The received light waveform, which is a one-dimensional received light amount distribution, is obtained by calculating the received light amount data obtained from the linear image sensor. After reading this received light waveform for one frame, it is determined whether or not it is saturated after the next frame, and the light emission amount or the accumulation time is controlled based on the determination result. Delay occurs. Specifically, when transfer and waveform calculation are performed simultaneously, a delay of 2 frames may be sufficient, but when transfer and waveform calculation are not simultaneous, a delay of 3 frames or more is required.

このフィードバック制御の遅れのために、サンプリング周期が短くなると(高速サンプリングになると)、飽和の回避が的確に行われなくなることがある。例えば、受光量が十分多いときのデータ(受光波形)に基づいて発光量又は蓄積時間を減少させる制御が実行されたときには既に対象物の反射率の変化等によって実際の受光量が大きく低下していることがある。逆に、受光量が僅かであるときのデータ(受光波形)に基づいて発光量又は蓄積時間を増加させる制御が実行されたときには既に対象物の反射率の変化等によって実際の受光量が大きく増加している場合がある。この場合は飽和が発生し、正しい測定値が得られなくなる。   Due to this delay in feedback control, if the sampling period is shortened (high-speed sampling), saturation may not be avoided accurately. For example, when the control for reducing the light emission amount or the accumulation time is executed based on the data when the light reception amount is sufficiently large (light reception waveform), the actual light reception amount has already greatly decreased due to the change in the reflectance of the object. There may be. On the contrary, when the control for increasing the light emission amount or the accumulation time is executed based on the data (light reception waveform) when the light reception amount is small, the actual light reception amount greatly increases due to the change in the reflectance of the object. May have. In this case, saturation occurs and correct measurement values cannot be obtained.

また、飽和が発生しているときの受光波形ではピーク位置が判別できないと共に、飽和の程度を判別することも困難である。このために、段階的に発光量又は蓄積時間を減少させる制御が実行された場合に、飽和状態が数フレーム続くことがある。   Further, the peak position cannot be determined from the received light waveform when saturation occurs, and it is also difficult to determine the degree of saturation. For this reason, when the control for decreasing the light emission amount or the accumulation time is executed step by step, the saturation state may continue for several frames.

更に、レーザダイオードの発光時間(パルス幅)によって発光量を制御する場合に、通常はクロック単位でパルス幅の制御を行うために、最小パルス幅まで発光量を下げても飽和状態が回避できないことある。例えば対象物の表面が反射率の高い鏡面であるような場合にそのような状況が発生しやすい。   In addition, when controlling the light emission amount by the light emission time (pulse width) of the laser diode, since the pulse width is normally controlled in units of clocks, saturation cannot be avoided even if the light emission amount is reduced to the minimum pulse width. is there. For example, such a situation is likely to occur when the surface of the object is a highly reflective mirror surface.

上記のような課題は、イメージセンサーとしてCMOSイメージセンサーを用いた場合に特に顕著になる。CMOSイメージセンサーは、オンチップ機能を付加してシステム化できるメリットがあるが、CCDに比べてダイナミックレンジが狭く飽和が生じやすいからである。また、上記のような飽和に関する課題は、光学式変位計に限らず、光学式読取装置や撮像装置等、種々の光学式電子機器に共通する課題である。   The above-described problems become particularly noticeable when a CMOS image sensor is used as the image sensor. The CMOS image sensor has an advantage that it can be systematized by adding an on-chip function, but the dynamic range is narrower than that of the CCD and saturation is likely to occur. Further, the above-described problem relating to saturation is a problem common to various optical electronic devices such as an optical reading device and an imaging device, as well as an optical displacement meter.

本発明は、上記のような従来の問題に鑑み、画素ごとの蓄積電荷の飽和を回避するための蓄積時間自動制御機能を付加したイメージセンサーを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an image sensor to which an accumulation time automatic control function for avoiding saturation of accumulated charges for each pixel is added in view of the conventional problems as described above.

本発明によるイメージセンサーの第1の構成は、受光量に応じた電荷を生成する電荷生成部と生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有するアレイ状に配列された複数の画素構成部と、複数の画素構成部における受光量に応じた電荷の蓄積開始及び蓄積停止をすべての画素構成部について略同時に制御するシャッター手段と、複数の画素構成部の全部又は一部の蓄積電荷に相当する値を共通の基準値と個別に比較する複数の比較器と、複数の比較器の出力の少なくとも1つが、基準値より蓄積電荷が大きくなったことを示したときに、シャッター手段を制御して各画素構成部における電荷の蓄積停止を実行する蓄積時間制御回路とを備えていることを特徴とする。   A first configuration of an image sensor according to the present invention includes a plurality of pixel configuration units arranged in an array having a charge generation unit that generates a charge according to the amount of received light and a charge storage unit that stores the generated charge. The shutter means for controlling the start and stop of charge accumulation according to the amount of received light in the plurality of pixel components substantially simultaneously for all the pixel components, and corresponds to all or part of the accumulated charges of the plurality of pixel components. When at least one of the plurality of comparators individually comparing the value with the common reference value and the output of the plurality of comparators indicates that the accumulated charge is greater than the reference value, the shutter means is controlled. And an accumulation time control circuit for stopping charge accumulation in each pixel component.

このような構成によれば、基準値を飽和直前の値に設定することにより、いずれかの画素構成部の蓄積電荷が飽和する直前で各画素構成部の電荷蓄積を停止することができる。したがって、イメージセンサーのダイナミックレンジを十分に活用しながら飽和を回避することができる。なお、「複数の画素構成部の全部又は一部の」とあるのは、例えばイメージセンサーの全画素範囲の画素構成部ではなく、周辺部を除いた有効画素範囲内の画素構成部について共通の基準値と個別に比較する複数の比較器を設ける場合を考慮する趣旨である。更に、有効画素範囲内であっても、すべての画素構成部ではなく例えば1つ置きに複数の画素構成部を選択して共通の基準値と個別に比較する複数の比較器を設けるような場合をも含む趣旨である。   According to such a configuration, by setting the reference value to a value immediately before saturation, the charge accumulation in each pixel component can be stopped immediately before the accumulated charge in any pixel component is saturated. Therefore, saturation can be avoided while fully utilizing the dynamic range of the image sensor. Note that “all or a part of the plurality of pixel components” is not common to the pixel components in the entire pixel range of the image sensor, for example, but common to the pixel components in the effective pixel range excluding the peripheral part. This is intended to consider the case where a plurality of comparators for individually comparing with a reference value are provided. Furthermore, even within the effective pixel range, for example, a plurality of comparators that select a plurality of pixel components instead of all pixel components and compare them individually with a common reference value are provided. It is also intended to include.

本発明によるイメージセンサーの第2の構成は、上記第1の構成において、蓄積時間制御回路が、蓄積開始からの経過時間が所定の上限時間を経過したときにシャッター手段を制御して各画素構成部における電荷の蓄積停止を実行するように構成されていることを特徴とする。   According to a second configuration of the image sensor of the present invention, in the first configuration, the accumulation time control circuit controls each of the pixel configurations by controlling the shutter means when the elapsed time from the start of accumulation has passed a predetermined upper limit time. The charge storage is stopped in the unit.

このような構成によれば、何らかの理由で受光量が少なく蓄積開始からの経過時間が異常に長くなる場合は、強制的に各画素構成部における電荷の蓄積停止を実行するので、電荷の蓄積完了と読み出しを無駄に長時間待つ必要がなくなる。なお、経過時間が所定の上限時間を経過したか否かの判断は、蓄積開始からのクロックのカウントによって判断してもよいし、時定数回路を用いて判断してもよい。   According to such a configuration, if for some reason the amount of received light is small and the elapsed time from the start of accumulation becomes abnormally long, the charge accumulation is forcibly stopped in each pixel component, so the charge accumulation is completed There is no need to wait for a long time for reading. Note that whether or not the elapsed time has exceeded a predetermined upper limit time may be determined by counting clocks from the start of accumulation, or may be determined using a time constant circuit.

本発明によるイメージセンサーの第3の構成は、上記第1又は第2の構成において、複数の比較器に与えられる基準値が複数の値の中から選択可能であることを特徴とする。これにより、上記の基準値として飽和直前の値だけでなく、それより低い余裕のある値を選択して設定可能とすることができる。例えば対象物の表面が部分的に鏡面を有する場合は、飽和直前の値よりも低い余裕のある値を基準値として設定することが飽和回避のためには好ましい。本構成によれば、対象物やその他の条件に応じて適切な基準値を選択することができる。   A third configuration of the image sensor according to the present invention is characterized in that, in the first or second configuration, a reference value given to a plurality of comparators can be selected from a plurality of values. Thereby, not only the value immediately before the saturation but also a value having a lower margin can be selected and set as the reference value. For example, when the surface of the object partially has a mirror surface, it is preferable to set a value having a margin lower than a value immediately before saturation as a reference value in order to avoid saturation. According to this configuration, it is possible to select an appropriate reference value according to the object and other conditions.

本発明によるイメージセンサーの第4の構成は、上記いずれかの構成において、複数の比較器の出力信号の論理和信号を出力するための端子を備えていることを特徴とする。このような構成によれば、複数の比較器の出力の少なくとも1つが、基準値より蓄積電荷が大きくなったことを示す信号がイメージセンサーの外部に出力される。したがって、イメージセンサーの外部の制御部がその信号を用いて例えば発光量の制御を行うことが可能になる。なお、複数の比較器の出力の論理和信号を得るための回路構成には、最も簡単な回路構成であるワイヤードオア回路が含まれる。   A fourth configuration of the image sensor according to the present invention is characterized in that, in any of the above configurations, a terminal for outputting a logical sum signal of the output signals of the plurality of comparators is provided. According to such a configuration, at least one of the outputs of the plurality of comparators outputs a signal indicating that the accumulated charge is larger than the reference value to the outside of the image sensor. Therefore, a control unit outside the image sensor can control, for example, the light emission amount using the signal. The circuit configuration for obtaining the logical sum signal of the outputs of the plurality of comparators includes a wired OR circuit that is the simplest circuit configuration.

本発明によるイメージセンサーの第5の構成は、受光量に応じた電荷を生成する電荷生成部と生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有するアレイ状に配列された複数の画素構成部と、複数の画素構成部における受光量に応じた電荷の蓄積開始及び蓄積停止をすべての画素構成部について略同時に制御するシャッター手段と、複数の画素構成部の全部又は一部の蓄積電荷に相当する値を共通の基準値と個別に比較する複数の比較器とを内蔵し、シャッター手段の制御入力端子と、複数の比較器の出力信号の論理和信号を出力するための端子とを備えていることを特徴とする。   A fifth configuration of the image sensor according to the present invention includes a plurality of pixel configuration units arranged in an array having a charge generation unit that generates charges according to the amount of received light and a charge storage unit that stores the generated charges. The shutter means for controlling the start and stop of charge accumulation according to the amount of received light in the plurality of pixel components substantially simultaneously for all the pixel components, and corresponds to all or part of the accumulated charges of the plurality of pixel components. A plurality of comparators for individually comparing values with a common reference value are incorporated, and a control input terminal for the shutter means and a terminal for outputting a logical sum signal of the output signals of the plurality of comparators are provided. It is characterized by that.

このような構成によれば、上記第1の構成における蓄積時間制御回路に相当する部分(制御部)を外付け回路で構成することができる。また、本発明によるイメージセンサーの第6の構成は、第5の構成において、複数の比較器に与えられる基準値が複数の値の中から選択可能であることを特徴とする。この構成によれば、上記第3の構成と同じ効果が得られる。   According to such a configuration, a portion (control unit) corresponding to the storage time control circuit in the first configuration can be configured by an external circuit. The sixth configuration of the image sensor according to the present invention is characterized in that, in the fifth configuration, the reference value given to the plurality of comparators can be selected from the plurality of values. According to this configuration, the same effect as the third configuration can be obtained.

また、本発明によるイメージセンサーの第7の構成は、上記いずれかの構成において、イメージセンサーがCMOSイメージセンサーであることを特徴とする。前述のようにCMOSイメージセンサーはダイナミックレンジが狭く飽和が生じやすいので、上記のような本発明の構成による効果が高くなる。   A seventh configuration of the image sensor according to the present invention is characterized in that, in any of the above configurations, the image sensor is a CMOS image sensor. As described above, since the CMOS image sensor has a narrow dynamic range and is likely to be saturated, the effect of the configuration of the present invention as described above is enhanced.

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明のイメージセンサーが使用される光学式電子機器の一例である光学式変位計の測定原理を示す図である。この光学式変位計はレーザ変位計ともいわれ、三角測量の原理を用いて測定対象物の変位を非接触で測定するのに用いられる。LDドライバ11の制御によってレーザダイオード12から発せられたレーザ光は、投光レンズ13を通り測定対象物WKを照射する。測定対象物WKで反射したレーザ光の一部は、受光レンズ14を通ってリニアイメージセンサー15により受光される。   FIG. 1 is a diagram illustrating the measurement principle of an optical displacement meter that is an example of an optical electronic device in which the image sensor of the present invention is used. This optical displacement meter is also called a laser displacement meter, and is used to measure the displacement of a measurement object in a non-contact manner using the principle of triangulation. Laser light emitted from the laser diode 12 under the control of the LD driver 11 passes through the light projecting lens 13 and irradiates the measurement object WK. Part of the laser light reflected by the measurement object WK passes through the light receiving lens 14 and is received by the linear image sensor 15.

測定対象物WKが図1に破線で示すように変位すると、測定対象物WKで反射してリニアイメージセンサー15に達するレーザ光の光路が破線のように変化する。その結果、リニアイメージセンサー15の受光面における受光スポットの位置が移動する。   When the measurement object WK is displaced as indicated by a broken line in FIG. 1, the optical path of the laser light that is reflected by the measurement object WK and reaches the linear image sensor 15 changes as indicated by the broken line. As a result, the position of the light receiving spot on the light receiving surface of the linear image sensor 15 moves.

リニアイメージセンサー15は、複数の画素構成部が一列に配列された構造を有し、各画素構成部は受光量に応じた電荷を生成する電荷生成部と生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有する。リニアイメージセンサー15の各画素構成部における受光量に応じた蓄積電荷が読み出し回路16によって読み出され、信号処理によって一次元の受光量分布である受光波形が得られる。この受光波形のピーク位置から測定対象物WKの変位が求まる。   The linear image sensor 15 has a structure in which a plurality of pixel configuration units are arranged in a line, and each pixel configuration unit generates a charge according to the amount of received light and a charge storage unit that stores the generated charge. And have. Accumulated charges corresponding to the amount of received light in each pixel component of the linear image sensor 15 are read out by the readout circuit 16 and a received light waveform that is a one-dimensional received light amount distribution is obtained by signal processing. The displacement of the measurement object WK is obtained from the peak position of the received light waveform.

図2は、光学式変位計の外観を示し、図2(a)は平面図、(b)は側面図である。この光学式変位計は、センサーヘッド部21とコントローラ部22からなる。センサーヘッド部21は、上記のLDドライバ11、レーザダイオード12、投光レンズ13、受光レンズ14、リニアイメージセンサー15及び読み出し回路16を内蔵している。コントローラ部22は、マイクロプロセッサ(制御部)を有し、センサーヘッド部21のLDドライバを介してレーザダイオード12の出力(発光量)を制御すると共に、リニアイメージセンサー15から読み出された信号から測定対象物WKの変位を求める処理を実行する。   2A and 2B show the appearance of the optical displacement meter, FIG. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a side view. The optical displacement meter includes a sensor head unit 21 and a controller unit 22. The sensor head unit 21 incorporates the LD driver 11, the laser diode 12, the light projecting lens 13, the light receiving lens 14, the linear image sensor 15, and the readout circuit 16. The controller unit 22 includes a microprocessor (control unit), controls the output (light emission amount) of the laser diode 12 via the LD driver of the sensor head unit 21, and uses signals read from the linear image sensor 15. A process for obtaining the displacement of the measuring object WK is executed.

センサーヘッド部21とコントローラ部22は電気ケーブル23で接続され、相互に電気信号がやりとりされると共に、電源電圧がコントローラ部22からセンサーヘッド部21に供給される。また、センサーヘッド部21は、2本のボルト24を用いて所定の取付け台25に固定される。ボルト24が挿通される2箇所の取付け孔はセンサーヘッド部21の基準面26に沿って設けられている。この基準面26は、測定用のレーザ光が出射すると共に測定対象物WKからの反射光が入射する面である。   The sensor head unit 21 and the controller unit 22 are connected by an electric cable 23 to exchange electric signals with each other, and a power supply voltage is supplied from the controller unit 22 to the sensor head unit 21. The sensor head unit 21 is fixed to a predetermined mounting base 25 using two bolts 24. Two mounting holes through which the bolts 24 are inserted are provided along the reference surface 26 of the sensor head portion 21. The reference surface 26 is a surface on which the laser beam for measurement is emitted and the reflected light from the measurement object WK is incident.

図3は、光学式変位計の主な回路構成を示すブロック図である。センサーヘッド部21は、レーザダイオード12とそのドライブ回路(LDドライバ)11、リニアイメージセンサー15とその読み出し回路16、投光レンズ13及び受光レンズ14を含む。コントローラ部22はローパスフィルタ(LPF)41、ピークホールド回路42、ADコンバータ(A/D)43,47、マイクロプロセッサ(MPU)44、DAコンバータ(D/A)45、AGC(自動利得制御)増幅器46及びリセット・制御回路48を含む。   FIG. 3 is a block diagram showing a main circuit configuration of the optical displacement meter. The sensor head unit 21 includes a laser diode 12 and its drive circuit (LD driver) 11, a linear image sensor 15 and its readout circuit 16, a light projecting lens 13 and a light receiving lens 14. The controller unit 22 includes a low-pass filter (LPF) 41, a peak hold circuit 42, AD converters (A / D) 43 and 47, a microprocessor (MPU) 44, a DA converter (D / A) 45, and an AGC (automatic gain control) amplifier. 46 and a reset / control circuit 48.

レーザダイオード12から発せられたレーザ光は、投光レンズ13を通り測定対象物WKを照射する。測定対象物WKで反射したレーザ光の一部は、受光レンズ14を通ってリニアイメージセンサー15に入射する。リニアイメージセンサー15の各画素構成部に蓄積された電荷は、読み出し回路16によって読み出される。読み出し回路16は、読み出し用パルス信号である画素選択信号をリニアイメージセンサー15に与えて各画素構成部を順次走査することによって、一次元の受光量分布に相当する時系列の電圧信号を得る。例えば、リニアイメージセンサー15が256画素からなり、画素ごとの転送レートが1マイクロ秒の場合は、256マイクロ秒かかって全画素構成部の蓄積電荷が読み出され、読み出し回路16から時系列の電圧信号として出力される。この全画素の蓄積電荷を読み出すのに要する時間がサンプリング周期である。読み出し回路16の出力信号は、コントローラ部22に渡され、まずローパスフィルタ41によって高周波成分を除かれる。この高周波成分には、リニアイメージセンサー15に与えられる画素選択信号の周波数成分が含まれる。   The laser light emitted from the laser diode 12 passes through the light projection lens 13 and irradiates the measurement object WK. Part of the laser light reflected by the measurement object WK passes through the light receiving lens 14 and enters the linear image sensor 15. The charge accumulated in each pixel component of the linear image sensor 15 is read out by the readout circuit 16. The readout circuit 16 obtains a time-series voltage signal corresponding to a one-dimensional received light amount distribution by applying a pixel selection signal that is a readout pulse signal to the linear image sensor 15 and sequentially scanning each pixel component. For example, when the linear image sensor 15 is composed of 256 pixels and the transfer rate for each pixel is 1 microsecond, the accumulated charge of all the pixel components is read out in 256 microseconds, and the time series voltage is read from the readout circuit 16. Output as a signal. The time required to read the accumulated charges of all the pixels is the sampling period. The output signal of the readout circuit 16 is passed to the controller unit 22, and the high frequency component is first removed by the low pass filter 41. This high frequency component includes the frequency component of the pixel selection signal given to the linear image sensor 15.

図4は、読み出し回路16から出力された電圧信号がローパスフィルタ41及びピークホールド回路42を経て変化していく様子を模式的に描いた図である。読み出し回路16の出力信号31は、図4に示すように、矩形波の連続であり、この矩形波の周波数が画素選択信号の周波数に相当する。この出力信号31がローパスフィルタ41を通過すると、画素選択信号の周波数に相当する高周波成分が除かれ、その包絡線に相当する低周波成分のみの電圧信号32となる。この電圧信号32は、リニアイメージセンサー15における画素位置に関する受光量の分布の情報を含んでいる。電圧値が高いほど、その画素位置における受光量が多いことを意味する。したがって、この電圧信号32のピーク位置は測定対象物WKの変位に応じて変化する受光量の最も多い画素位置に対応している。   FIG. 4 is a diagram schematically illustrating how the voltage signal output from the readout circuit 16 changes via the low-pass filter 41 and the peak hold circuit 42. As shown in FIG. 4, the output signal 31 of the readout circuit 16 is a continuous rectangular wave, and the frequency of this rectangular wave corresponds to the frequency of the pixel selection signal. When the output signal 31 passes through the low pass filter 41, the high frequency component corresponding to the frequency of the pixel selection signal is removed, and the voltage signal 32 includes only the low frequency component corresponding to the envelope. The voltage signal 32 includes information on the distribution of the amount of received light related to the pixel position in the linear image sensor 15. The higher the voltage value, the greater the amount of light received at that pixel position. Therefore, the peak position of the voltage signal 32 corresponds to the pixel position having the largest amount of received light that changes according to the displacement of the measurement object WK.

ローパスフィルタ41から出力される電圧信号32はピークホールド回路42に与えられる。ピークホールド回路42は電圧信号32のピーク値Vpを保持し、第1のADコンバータ43に出力する。ADコンバータ43はピーク値Vpをディジタル値に変換してマイクロプロセッサ44に与える。また、図3に示すように、ローパスフィルタ41から出力される電圧信号32はAGC増幅器46にも与えられる。AGC増幅器46で増幅された電圧信号は第2のADコンバータ47でディジタル値に変換され、そのディジタル値がマイクロプロセッサ44に逐次与えられる。AGC増幅器46の利得は、増幅後の電圧値が所定の範囲内に入るように自動制御される。   The voltage signal 32 output from the low pass filter 41 is given to the peak hold circuit 42. The peak hold circuit 42 holds the peak value Vp of the voltage signal 32 and outputs it to the first AD converter 43. The AD converter 43 converts the peak value Vp into a digital value and gives it to the microprocessor 44. As shown in FIG. 3, the voltage signal 32 output from the low-pass filter 41 is also supplied to the AGC amplifier 46. The voltage signal amplified by the AGC amplifier 46 is converted into a digital value by the second AD converter 47, and the digital value is sequentially given to the microprocessor 44. The gain of the AGC amplifier 46 is automatically controlled so that the amplified voltage value falls within a predetermined range.

マイクロプロセッサ44は、第1のADコンバータ43を経て入力されるピークデータと第2のADコンバータ47を経て入力される逐次データとに基づいて、受光量の重心値の位置を判定する。受光量の重心値の位置が求まると、前述の三角測量の原理から、測定対象物WKまでの距離又は変位が求まる。このようにして求められた測定対象物WKまでの距離又は変位は、マイクロプロセッサ44からDAコンバータ45に与えられ、アナログ電圧に変換されて出力される。   The microprocessor 44 determines the position of the barycentric value of the amount of received light based on the peak data input through the first AD converter 43 and the sequential data input through the second AD converter 47. When the position of the barycentric value of the amount of received light is obtained, the distance or displacement to the measurement object WK is obtained from the principle of triangulation described above. The distance or displacement to the measurement object WK determined in this way is given from the microprocessor 44 to the DA converter 45, converted into an analog voltage and output.

図3において、レーザダイオード12から発せられるレーザ光の強さ(発光量)はLDドライバ11を介してマイクロプロセッサ44によって制御される。レーザ光の強さが変われば、測定対象物WKで反射され、リニアイメージセンサー15に入射する光量(受光量)も変化する。そこで、測定対象物WKの光反射率(明るさ)に応じてレーザダイオード12から発せられるレーザ光の強さを調節することにより、リニアイメージセンサー15の受光量のダイナミックレンジを十分に活用できるようにしている。具体的には、レーザダイオード12を駆動するパルスのパルス幅又はデューティ比を変えることによってレーザ光の強さを調節する。もちろん、パルス電圧(ピーク値)を変えることによって、レーザ光の強さを調節してもよい。   In FIG. 3, the intensity (light emission amount) of the laser light emitted from the laser diode 12 is controlled by the microprocessor 44 via the LD driver 11. If the intensity of the laser beam changes, the amount of light (the amount of received light) reflected by the measurement object WK and incident on the linear image sensor 15 also changes. Therefore, by adjusting the intensity of the laser light emitted from the laser diode 12 according to the light reflectance (brightness) of the measurement object WK, the dynamic range of the received light amount of the linear image sensor 15 can be fully utilized. I have to. Specifically, the intensity of the laser beam is adjusted by changing the pulse width or duty ratio of a pulse for driving the laser diode 12. Of course, the intensity of the laser beam may be adjusted by changing the pulse voltage (peak value).

次に、本実施例の光学式変位計に使用されているリニアイメージセンサー15に備えられた蓄積時間自動制御機能について説明する。本実施例ではリニアイメージセンサー15としてCMOSイメージセンサーが使用されている。CMOSイメージセンサーは、オンチップ機能を付加してシステム化できるメリットがあるが、CCDに比べてダイナミックレンジが狭く蓄積電荷の飽和が生じやすいデメリットを有する。飽和が発生すると、リニアイメージセンサーから得られる受光量のピーク位置(又は重心位置)が不明瞭になり、対象物の変位を正しく検出することができなくなる。   Next, an automatic accumulation time control function provided in the linear image sensor 15 used in the optical displacement meter of the present embodiment will be described. In this embodiment, a CMOS image sensor is used as the linear image sensor 15. The CMOS image sensor has an advantage that it can be systemized by adding an on-chip function, but has a disadvantage that the dynamic range is narrower than that of the CCD and the stored charge is likely to be saturated. When saturation occurs, the peak position (or centroid position) of the received light amount obtained from the linear image sensor becomes unclear, and the displacement of the object cannot be detected correctly.

本実施例のリニアイメージセンサーは、各画素構成部における受光量に応じた電荷の蓄積開始及び蓄積停止をすべての画素構成部について略同時に制御するグローバルシャッター(シャッター手段)を用いて、各画素構成部における蓄積電荷の飽和を回避しながらダイナミックレンジを十分に活用できる構成を備えている。   The linear image sensor of this embodiment uses a global shutter (shutter means) that controls the start and stop of charge accumulation according to the amount of received light in each pixel configuration unit for all pixel configuration units at the same time. In this configuration, the dynamic range can be fully utilized while avoiding the saturation of accumulated charges in the unit.

図5は、本発明によるイメージセンサーの第1実施例を示す回路図である。このリニアイメージセンサーでは、受光量に応じた電荷を生成する電荷生成部であるフォトダイオードPD0,PD1,・・・と、生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部であるコンデンサC0,C1,・・・とを有する複数の画素構成部が一列に配列されている。図5では2つの画素構成部のみを描いているが、実際のリニアイメージセンサーでは画素数分(例えば256個)の画素構成部が設けられている。   FIG. 5 is a circuit diagram showing a first embodiment of the image sensor according to the present invention. In this linear image sensor, photodiodes PD0, PD1,... That are charges generating units that generate charges according to the amount of received light, and capacitors C0, C1,. A plurality of pixel constituent parts having the above are arranged in a line. Although only two pixel components are illustrated in FIG. 5, the actual linear image sensor has as many pixel components as the number of pixels (for example, 256).

フォトダイオードPD0,PD1,・・・が受光量に応じて生成した電荷は、トランジスタTR20,21,・・・を通ってコンデンサC0,C1,・・・に蓄積される。トランジスタTR20,21,・・・は、共通のグローバルシャッター信号GSによって同時にオン・オフ制御される。これにより、複数の画素構成部における受光量に応じた電荷の蓄積開始及び蓄積停止をすべての画素構成部について略同時に制御するグローバルシャッターの機能が実現している。   Charges generated by the photodiodes PD0, PD1,... According to the amount of light received are accumulated in the capacitors C0, C1,. The transistors TR20, 21,... Are simultaneously turned on / off by a common global shutter signal GS. This realizes a global shutter function that controls the start and stop of charge accumulation in accordance with the amount of received light in a plurality of pixel components substantially simultaneously for all the pixel components.

コンデンサC0,C1,・・・に蓄積された電荷はバッファBF20,21,・・・とトランジスタTR30,TR31,・・・を通り、共通の出力バッファBF3を通って出力電圧Voutとして読み出される。読み出し用パルス信号である画素選択信号Add0,Add1,・・・が順番に与えられることにより、トランジスタTR30,TR31,・・・が順番にオンになり、各コンデンサC0,C1,・・・の蓄積電荷が時系列の電圧信号Voutとして読み出される。   The charges accumulated in the capacitors C0, C1,... Pass through the buffers BF20, 21,... And the transistors TR30, TR31, etc., and are read as the output voltage Vout through the common output buffer BF3. The pixel selection signals Add0, Add1,..., Which are readout pulse signals, are sequentially applied, so that the transistors TR30, TR31,... Are sequentially turned on, and the capacitors C0, C1,. The charge is read out as a time-series voltage signal Vout.

また、バッファBF20,21,・・・の出力にはトランジスタTR30,TR31,・・・と並列に接続されたトランジスタTR40,TR41,・・・を介してコンパレータ(比較器)CMP0,CMP1,・・・がそれぞれ接続されている。コンデンサC0,C1,・・・に電荷が蓄積される過程において、トランジスタTR40,TR41,・・・は共通のコンパレータ切替入力(CMP切替入力)信号によってオンにされている。各コンパレータCMP0,CMP1,・・・の他方の入力には共通の基準電圧Vrefが入力されている。各コンパレータCMP0,CMP1,・・・はオープンドレイン出力であり、共通接続されてワイヤードオア出力(WOR)ラインとなっている。ワイヤードオア出力ラインWORにはプルアップ抵抗Rupが接続されている。ワイヤードオア出力ラインWORの信号はインバータINV1を介して負論理入力NORゲート(ANDゲート)AND1に入力されている。ゲートAND1の他方の入力にはリセット信号(RESET入力)が入力されている。ゲートAND1の出力が上述のグローバルシャッター信号GSとなる。   The outputs of the buffers BF20, 21,... Are connected to comparators CMP0, CMP1,... Via transistors TR40, TR41,.・ Is connected. In the process of accumulating charges in the capacitors C0, C1,..., The transistors TR40, TR41,... Are turned on by a common comparator switching input (CMP switching input) signal. A common reference voltage Vref is input to the other input of each of the comparators CMP0, CMP1,. Each of the comparators CMP0, CMP1,... Is an open drain output, and is connected in common to form a wired OR output (WOR) line. A pull-up resistor Rup is connected to the wired OR output line WOR. The signal of the wired OR output line WOR is input to the negative logic input NOR gate (AND gate) AND1 via the inverter INV1. A reset signal (RESET input) is input to the other input of the gate AND1. The output of the gate AND1 becomes the above-described global shutter signal GS.

上記のような回路構成によって、複数の比較器の出力の少なくとも1つが、基準値より蓄積電荷が大きくなったことを示したときに、グローバルシャッターを制御して各画素構成部における電荷の蓄積停止を実行する蓄積時間制御回路を実現している。つまり、トランジスタTR40,TR41,・・・、コンパレータCMP0,CMP1,・・・、ゲートAND1等を含む蓄積時間制御回路によって、各画素の蓄積電荷の飽和を防止する蓄積時間自動制御機能が実現している。   With the circuit configuration as described above, when at least one of the outputs of the plurality of comparators indicates that the accumulated charge is larger than the reference value, the global shutter is controlled to stop accumulating the charge in each pixel component. Is realized. In other words, an accumulation time automatic control function that prevents saturation of the accumulated charge of each pixel is realized by an accumulation time control circuit including transistors TR40, TR41,..., Comparators CMP0, CMP1,. Yes.

以下に、図5の回路の動作を順番に説明する。なお、図5におけるリセット入力(RESET)、画素選択信号入力(Add0,Add1,・・・)及びコンパレータ切替(CMP切替)入力は、図3に示したコントローラ部22のマイクロプロセッサ44がリセット・制御回路48を介してセンサーヘッド部21に与える信号に含まれている。   Hereinafter, the operation of the circuit of FIG. 5 will be described in order. Note that the reset input (RESET), pixel selection signal input (Add0, Add1,...) And comparator switching (CMP switching) input in FIG. 5 are reset and controlled by the microprocessor 44 of the controller unit 22 shown in FIG. It is included in a signal given to the sensor head unit 21 via the circuit 48.

まず、コンパレータ切替(CMP切替)入力がLレベルにされ、トランジスタTR40,TR41,・・・がオンとなる。また、画素選択信号入力(Add0,Add1,・・・)はすべてHレベルにされ、トランジスタTR30,TR31,・・・はすべてオフになっている。この状態でリセット入力信号がLレベルにされると、グローバルシャッター信号GSがLレベルとなりトランジスタTR20,21,・・・が同時にオンになるので、各画素構成部のコンデンサC0,C1,・・・において電源電圧Vccに対応する電荷が蓄積される。その結果、すべてのコンパレータCMP0,CMP1,・・・の出力はHレベルとなる。   First, the comparator switching (CMP switching) input is set to L level, and the transistors TR40, TR41,... Are turned on. Also, the pixel selection signal inputs (Add0, Add1,...) Are all set to the H level, and the transistors TR30, TR31,. When the reset input signal is set to L level in this state, the global shutter signal GS is set to L level and the transistors TR20, 21,... Are simultaneously turned on, so that the capacitors C0, C1,. At this time, charges corresponding to the power supply voltage Vcc are accumulated. As a result, the outputs of all the comparators CMP0, CMP1,...

リセット入力信号がHレベルにされる(リセット状態が解除される)と、トランジスタTR10,11,・・・がオンになり、各画素構成部のフォトダイオードPD0,PD1,・・・が受光量に応じた電荷の生成を開始する。このとき、すべてのコンパレータCMP0,CMP1,・・・の出力がHレベルであるので、グローバルシャッター信号GSはLレベルを維持し、トランジスタTR20,21,・・・のオン状態が維持される。したがって、各画素構成部のコンデンサC0,C1,・・・における電荷の蓄積が同時に開始する。   When the reset input signal is set to H level (the reset state is released), the transistors TR10, 11,... Are turned on, and the photodiodes PD0, PD1,. The generation of the corresponding charge is started. At this time, since the outputs of all the comparators CMP0, CMP1,... Are at the H level, the global shutter signal GS is maintained at the L level, and the transistors TR20, 21,. Therefore, charge accumulation in the capacitors C0, C1,.

各コンデンサC0,C1,・・・における電荷の蓄積が進むにしたがって、各コンパレータCMP0,CMP1,・・・の入力電圧が上昇する。やがて、いずれかの(受光量の最も多い)画素構成部のコンデンサの蓄積電荷が基準値より大きくなると、そのコンパレータの入力電圧が基準電圧Vrefより大きくなり、そのコンパレータの出力がLレベルに反転する。その結果、ワイヤードオア出力ラインWORがLレベルとなり、グローバルシャッター信号GSがHレベルに反転するので、トランジスタTR20,21,・・・が同時にオフになる。すなわち、各コンデンサC0,C1,・・・における電荷の蓄積停止が実行され、そのときの各画素構成部の蓄積電荷がコンデンサC0,C1,・・・に保存される。   As the charge accumulation in each capacitor C0, C1,... Progresses, the input voltage of each comparator CMP0, CMP1,. Eventually, when the accumulated charge of the capacitor of any of the pixel components having the largest amount of received light becomes larger than the reference value, the input voltage of the comparator becomes larger than the reference voltage Vref, and the output of the comparator is inverted to the L level. . As a result, the wired OR output line WOR becomes L level and the global shutter signal GS is inverted to H level, so that the transistors TR20, 21,. That is, the accumulation of charge in each capacitor C0, C1,... Is stopped, and the accumulated charge in each pixel component at that time is stored in the capacitors C0, C1,.

続いて、各画素構成部における蓄積電荷が読み出される。まず、コンパレータ切替入力がHレベルにされ、トランジスタTR40,TR41,・・・がオフになる。そして、画素選択信号入力(Add0,Add1,・・・)を順番にLレベルにする順次走査によって、各画素構成部における各コンデンサC0,C1,・・・の蓄積電荷が時系列の電圧信号Voutとして読み出される。すべてのコンデンサC0,C1,・・・の蓄積電荷が読み出された後に、再びコンパレータ切替入力をLレベルとし、画素選択信号入力(Add0,Add1,・・・)をすべてHレベルとして初期状態に戻す。   Subsequently, the accumulated charge in each pixel component is read out. First, the comparator switching input is set to H level, and the transistors TR40, TR41,. Then, by sequentially scanning the pixel selection signal inputs (Add 0, Add 1,...) To the L level, the accumulated charges of the capacitors C 0, C 1,. Is read as After the accumulated charges of all the capacitors C0, C1,... Are read, the comparator switching input is again set to the L level, and the pixel selection signal inputs (Add0, Add1,. return.

以上のような動作により、本実施例のリニアイメージセンサーでは、いずれかの画素構成部の蓄積電荷が基準値を超えた時点ですべての画素構成部における電荷蓄積が停止し、その時点の蓄積電荷が保存される。したがって、基準値(基準電圧Vref)を飽和直前の値に設定することにより、いずれかの画素構成部の蓄積電荷が飽和する直前で各画素構成部の電荷蓄積を停止することができる。こうして、イメージセンサーのダイナミックレンジを十分に活用しながら飽和を回避することができる。   With the operation as described above, in the linear image sensor of the present embodiment, the charge accumulation in all the pixel components stops when the accumulated charge in any pixel component exceeds the reference value, and the accumulated charge at that time Is saved. Therefore, by setting the reference value (reference voltage Vref) to a value immediately before saturation, the charge accumulation in each pixel component can be stopped immediately before the accumulated charge in any pixel component is saturated. In this way, saturation can be avoided while fully utilizing the dynamic range of the image sensor.

なお、上記のような蓄積時間自動制御機能を有する構成は各画素構成部が一列に配置されたリニアイメージセンサー(一次元イメージセンサー)に限らず、各画素構成部がマトリックス状に配置されたエリアイメージセンサー(二次元イメージセンサー)にも適用できる。また、このようなイメージセンサーは、光学式変位計に限らず、光学式読取装置や撮像装置等、種々の光学式電子機器に応用することができる。   The configuration having the automatic accumulation time control function as described above is not limited to a linear image sensor (one-dimensional image sensor) in which each pixel configuration unit is arranged in a row, but an area in which each pixel configuration unit is arranged in a matrix. It can also be applied to image sensors (two-dimensional image sensors). Such an image sensor is not limited to an optical displacement meter, and can be applied to various optical electronic devices such as an optical reading device and an imaging device.

また、蓄積電荷に相当する値を共通の基準値と個別に比較するためのトランジスタ及びコンパレータをすべての画素構成部に設ける必要は必ずしもない。例えば、イメージセンサーの周辺部を除いた有効画素範囲内の画素構成部のみにコンパレータ等を設けてもよい。更に、有効画素範囲内のすべての画素構成部ではなく、例えば1つ置きに複数の画素構成部を選択してコンパレータ等を設けるように構成してもよい。   Further, it is not always necessary to provide a transistor and a comparator for individually comparing a value corresponding to the accumulated charge with a common reference value in all the pixel components. For example, a comparator or the like may be provided only in the pixel configuration part within the effective pixel range excluding the peripheral part of the image sensor. Further, instead of all the pixel components in the effective pixel range, for example, a plurality of pixel components may be selected every other pixel component, and a comparator or the like may be provided.

図5に破線で示すように、ワイヤードオア出力ラインWORの信号を外部に出力するための端子(複数の比較器の出力信号の論理和信号を出力するための端子、WOR出力)を設けてもよい。このワイヤードオア出力ラインWORの出力信号は、例えばマイクロプロセッサ44が行うレーザ光の強さ(発光量)の制御に利用することが可能である。この制御については後述する。   As shown by a broken line in FIG. 5, a terminal for outputting a signal of the wired OR output line WOR to the outside (a terminal for outputting a logical sum signal of output signals of a plurality of comparators, WOR output) may be provided. Good. The output signal of the wired OR output line WOR can be used for controlling the intensity (light emission amount) of the laser beam performed by the microprocessor 44, for example. This control will be described later.

図6は、本発明によるイメージセンサーの第2実施例を示す回路図である。この実施例が図5の第1実施例と異なる点は、各コンパレータCMP0,CMP1,・・・に入力される共通の基準電圧Vref(基準値)を複数の値の中から選択可能とする基準電圧選択回路51を設けたことである。この実施例では、外部(マイクロプロセッサ44)からの電圧選択入力(Vsel)信号に応じて基準電圧選択回路51が選択した基準電圧Vrefが各コンパレータCMP0,CMP1,・・・に与えられる。これにより、飽和直前の基準電圧だけでなく、それより低い余裕のある基準電圧を選択して設定することが可能になる。例えば測定対象物WKの表面が部分的に鏡面を有する場合は、飽和直前の基準電圧よりも低い余裕のある基準電圧を設定することが飽和回避のためには好ましい。本実施例の構成によれば、測定対象物WKやその他の条件に応じて適切な基準電圧Vrefを選択することができる。   FIG. 6 is a circuit diagram showing a second embodiment of the image sensor according to the present invention. This embodiment is different from the first embodiment of FIG. 5 in that a common reference voltage Vref (reference value) input to each of the comparators CMP0, CMP1,... Can be selected from a plurality of values. The voltage selection circuit 51 is provided. In this embodiment, the reference voltage Vref selected by the reference voltage selection circuit 51 in response to a voltage selection input (Vsel) signal from the outside (microprocessor 44) is applied to each of the comparators CMP0, CMP1,. This makes it possible to select and set not only the reference voltage immediately before saturation but also a reference voltage having a lower margin. For example, when the surface of the measuring object WK partially has a mirror surface, it is preferable to set a reference voltage having a margin lower than the reference voltage immediately before saturation in order to avoid saturation. According to the configuration of the present embodiment, it is possible to select an appropriate reference voltage Vref according to the measurement object WK and other conditions.

図7は、本発明によるイメージセンサーの第3実施例を示す回路図である。この実施例が図5の第1実施例と異なる点は、ワイヤードオア出力ラインWORの信号からグローバルシャッター信号GSを生成するインバータINV1やゲートAND1を含む蓄積時間制御回路を内蔵する代わりに、ワイヤードオア出力ラインWORの外部出力端子(WOR出力)とグローバルシャッター信号GSの外部入力端子(GS入力)を設けたことである。   FIG. 7 is a circuit diagram showing a third embodiment of the image sensor according to the present invention. This embodiment differs from the first embodiment of FIG. 5 in that instead of incorporating an accumulation time control circuit including an inverter INV1 and a gate AND1 that generate a global shutter signal GS from a signal of the wired OR output line WOR, An external output terminal (WOR output) of the output line WOR and an external input terminal (GS input) of the global shutter signal GS are provided.

本実施例のリニアイメージセンサーを用いた光学式変位計では、図3に示したコントローラ部22のマイクロプロセッサ44(制御部)がWOR出力信号に基づいてリニアイメージセンサーの各画素構成部における電荷蓄積を停止するグローバルシャッター信号を出力することにより、第1実施例と同様の蓄積時間自動制御機能を実現することができる。但し、フィードバック制御の遅れ時間をできるだけ短くする観点からは、本実施例よりも第1実施例のほうが優れている。また、マイクロプロセッサ44が、WOR出力信号に基づいて、いずれかの画素構成部で飽和が発生する前に、LDドライバ11を介してレーザダイオード12の出力(発光量)を低減する制御を行うようにしてもよい。   In the optical displacement meter using the linear image sensor of this embodiment, the microprocessor 44 (control unit) of the controller unit 22 shown in FIG. 3 accumulates charges in each pixel configuration unit of the linear image sensor based on the WOR output signal. By outputting a global shutter signal that stops the operation, an automatic accumulation time control function similar to that of the first embodiment can be realized. However, from the viewpoint of shortening the delay time of the feedback control as much as possible, the first embodiment is superior to the present embodiment. Further, the microprocessor 44 performs control to reduce the output (light emission amount) of the laser diode 12 via the LD driver 11 before saturation occurs in any of the pixel components based on the WOR output signal. It may be.

また、マイクロプロセッサ44は、蓄積開始からの経過時間が所定の上限時間を経過したときに各画素構成部における電荷の蓄積を停止するグローバルシャッター信号を出力するように制御してもよい。何らかの理由で受光量が少なく蓄積開始からの経過時間が異常に長くなる場合は、強制的に各画素構成部における電荷の蓄積停止を実行することにより、電荷の蓄積完了と読み出しに移行することができる。なお、第1実施例においても、蓄積時間制御回路にタイマー回路等を付加することによって同様の機能を実現することが可能である。   Further, the microprocessor 44 may control to output a global shutter signal for stopping the accumulation of electric charges in each pixel component when the elapsed time from the accumulation start exceeds a predetermined upper limit time. If for some reason the amount of received light is small and the elapsed time from the start of accumulation becomes abnormally long, it is possible to shift to charge accumulation completion and readout by forcibly stopping charge accumulation in each pixel component. it can. In the first embodiment, a similar function can be realized by adding a timer circuit or the like to the storage time control circuit.

また、第3実施例の構成においてマイクロプロセッサ44は、イメージセンサーの各画素構成部における電荷の蓄積開始から蓄積停止までの時間が所定の下限時間より短い場合にレーザダイオード12の出力(発光量)を低減する制御を行うようにしてもよい。グローバルシャッター信号による蓄積時間自動制御の結果、蓄積開始から蓄積停止までの時間が下限時間より短くなった場合は発光量が多すぎると考えられるので、マイクロプロセッサ44が発光量を低減する制御を行うことにより消費電力の低減に寄与することができる。   In the configuration of the third embodiment, the microprocessor 44 outputs the laser diode 12 output (light emission amount) when the time from the start of charge accumulation to the stop of accumulation in each pixel component of the image sensor is shorter than a predetermined lower limit time. You may make it perform control which reduces this. As a result of the automatic accumulation time control by the global shutter signal, if the time from the accumulation start to the accumulation stop is shorter than the lower limit time, it is considered that the light emission amount is too large, so the microprocessor 44 performs control to reduce the light emission amount This can contribute to reduction of power consumption.

図8は、本発明によるイメージセンサーの第4実施例を示す回路図である。この回路図では、図5に示した実施例における一部の構成部分を簡略化してブロックで描いている。例えば、各画素構成部のフォトダイオードPD0,PD1,・・・は電荷生成部のブロックで描かれ、トランジスタTR20,21,・・・はスイッチSW10,SW11,・・・で描かれている。この実施例でも図5に示した実施例と同様に、各画素構成部のコンデンサC0,C1,・・・の蓄積電荷に相当する電圧を基準電圧Vrefと個別に比較する比較器(コンパレータ)CMP0,CMP1,・・・がそれぞれ設けられている。これらのコンパレータCMP0,CMP1,・・・のワイヤードオア信号WORがそのままグローバルシャッター信号GSとなっている(蓄積時間制御回路を簡略化している)。   FIG. 8 is a circuit diagram showing a fourth embodiment of the image sensor according to the present invention. In this circuit diagram, some components in the embodiment shown in FIG. 5 are simplified and drawn as blocks. For example, the photodiodes PD0, PD1,... Of each pixel configuration part are drawn as blocks of the charge generation part, and the transistors TR20, 21,... Are drawn as switches SW10, SW11,. In this embodiment as well, as in the embodiment shown in FIG. 5, a comparator (comparator) CMP0 that individually compares the voltage corresponding to the accumulated charge of the capacitors C0, C1,... Of each pixel component with the reference voltage Vref. , CMP1,... Are provided. The wired OR signal WOR of these comparators CMP0, CMP1,... Becomes the global shutter signal GS as it is (the storage time control circuit is simplified).

また、各画素構成部のコンデンサC0,C1,・・・の蓄積電荷を読み出すためのトランジスタ(図5におけるTR30,TR31,・・・)は図8ではスイッチSW20,SW21,・・・で描かれている。コンデンサC0,C1,・・・とスイッチSW20,SW21,・・・との間にはCDS回路CD0、CD1,・・・が接続されている。CDS(Collected Double Sampling)回路は、リセット時に各画素構成部のコンデンサC0,C1,・・・の蓄積電荷がクリアされたときの残留電荷(電圧)のばらつきを補償するための回路である。なお、CDS回路は省略可能である。   Further, the transistors (TR30, TR31,... In FIG. 5) for reading out the accumulated charges of the capacitors C0, C1,... Of each pixel component are depicted by switches SW20, SW21,. ing. .. Are connected between the capacitors C0, C1,... And the switches SW20, SW21,. A CDS (Collected Double Sampling) circuit is a circuit that compensates for variations in residual charges (voltage) when accumulated charges of capacitors C0, C1,. The CDS circuit can be omitted.

図9は、図8に示した実施例を具現化した回路の例を示す図である。この回路図も、図5に示した実施例の回路図に比べて簡略化されている。例えば、各コンパレータCMP0,CMP1,・・・のワイヤードオア信号WORがそのままグローバルシャッター信号GSとなり、トランジスタTR20,TR21,・・・のオン・オフ制御を行っている。   FIG. 9 is a diagram showing an example of a circuit embodying the embodiment shown in FIG. This circuit diagram is also simplified compared to the circuit diagram of the embodiment shown in FIG. For example, the wired OR signal WOR of each comparator CMP0, CMP1,... Becomes the global shutter signal GS as it is, and the transistors TR20, TR21,.

なお、図5から図9に示した具体的な回路はあくまで構成例に過ぎない。具体的な回路構成は適宜変更又は再構成可能である。本発明は、上記のような実施例に限らず、種々の形態で実施することが可能である。   Note that the specific circuits shown in FIGS. 5 to 9 are merely configuration examples. The specific circuit configuration can be changed or reconfigured as appropriate. The present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented in various forms.

本発明のイメージセンサーが使用される光学式電子機器の一例である光学式変位計の測定原理を示す図である。It is a figure which shows the measurement principle of the optical displacement meter which is an example of the optical electronic device in which the image sensor of this invention is used. 光学式変位計の外観を示す図である。It is a figure which shows the external appearance of an optical displacement meter. 光学式変位計の主な回路構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the main circuit structures of an optical displacement meter. 読み出し回路から出力された電圧信号がローパスフィルタ及びピークホールド回路を経て変化していく様子を模式的に描いた図である。It is the figure which drawn typically a mode that the voltage signal output from the read-out circuit changed through a low-pass filter and a peak hold circuit. 本発明によるイメージセンサーの第1実施例を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a first embodiment of an image sensor according to the present invention. 本発明によるイメージセンサーの第2実施例を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a second embodiment of the image sensor according to the present invention. 本発明によるイメージセンサーの第3実施例を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing a third embodiment of the image sensor according to the present invention. 本発明によるイメージセンサーの第4実施例を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing a fourth embodiment of the image sensor according to the present invention. 図8に示した実施例を具現化した回路の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the circuit which actualized the Example shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

12 レーザダイオード(発光素子)
15 イメージセンサー
44 マイクロプロセッサ(制御部)
AND1,INV1 蓄積時間制御回路
C0,C1,・・・ コンデンサ(電荷蓄積部)
CMP0,CMP1,・・・ コンパレータ(比較器)
PD0,PD1,・・・ フォトダイオード(電荷生成部)
TR20,TR21,・・・ トランジスタ(シャッター手段)
12 Laser diode (light emitting element)
15 Image sensor 44 Microprocessor (control unit)
AND1, INV1 storage time control circuit C0, C1,... Capacitors (charge storage unit)
CMP0, CMP1, ... Comparator (comparator)
PD0, PD1, ... Photodiode (charge generation unit)
TR20, TR21, ... Transistors (shutter means)

Claims (7)

受光量に応じた電荷を生成する電荷生成部と生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有するアレイ状に配列された複数の画素構成部と、
前記複数の画素構成部における受光量に応じた電荷の蓄積開始及び蓄積停止をすべての画素構成部について略同時に制御するシャッター手段と、
前記複数の画素構成部の全部又は一部の蓄積電荷に相当する値を共通の基準値と個別に比較する複数の比較器と、
前記複数の比較器の出力の少なくとも1つが、前記基準値より前記蓄積電荷が大きくなったことを示したときに、前記シャッター手段を制御して各画素構成部における電荷の蓄積停止を実行する蓄積時間制御回路と
を備えていることを特徴とするイメージセンサー。
A plurality of pixel components arranged in an array having a charge generation unit that generates a charge according to the amount of received light and a charge storage unit that stores the generated charge;
Shutter means for controlling the start and stop of charge accumulation according to the amount of received light in the plurality of pixel components substantially simultaneously for all the pixel components;
A plurality of comparators for individually comparing values corresponding to all or a part of the accumulated charges of the plurality of pixel components with a common reference value;
Accumulation for controlling the shutter means to stop accumulating charges in each pixel component when at least one of the outputs of the plurality of comparators indicates that the accumulated charge is greater than the reference value An image sensor comprising: a time control circuit.
前記蓄積時間制御回路は、前記蓄積開始からの経過時間が所定の上限時間を経過したときに前記シャッター手段を制御して各画素構成部における電荷の蓄積停止を実行するように構成されていることを特徴とする
請求項1記載のイメージセンサー。
The accumulation time control circuit is configured to execute the charge accumulation stop in each pixel component by controlling the shutter unit when an elapsed time from the accumulation start exceeds a predetermined upper limit time. The image sensor according to claim 1.
前記複数の比較器に与えられる基準値が複数の値の中から選択可能であることを特徴とする
請求項1又は2記載のイメージセンサー。
The image sensor according to claim 1, wherein a reference value given to the plurality of comparators can be selected from a plurality of values.
前記複数の比較器の出力信号の論理和信号を出力するための端子を備えていることを特徴とする請求項1、2又は3記載のイメージセンサー。   4. The image sensor according to claim 1, further comprising a terminal for outputting a logical sum signal of output signals of the plurality of comparators. 受光量に応じた電荷を生成する電荷生成部と生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有するアレイ状に配列された複数の画素構成部と、
前記複数の画素構成部における受光量に応じた電荷の蓄積開始及び蓄積停止をすべての画素構成部について略同時に制御するシャッター手段と、
前記複数の画素構成部の全部又は一部の蓄積電荷に相当する値を共通の基準値と個別に比較する複数の比較器とを内蔵し、
前記シャッター手段の制御入力端子と、前記複数の比較器の出力信号の論理和信号を出力するための端子とを備えていることを特徴とするイメージセンサー。
A plurality of pixel components arranged in an array having a charge generation unit that generates a charge according to the amount of received light and a charge storage unit that stores the generated charge;
Shutter means for controlling the start and stop of charge accumulation according to the amount of received light in the plurality of pixel components substantially simultaneously for all the pixel components;
A plurality of comparators for individually comparing the values corresponding to all or a part of the accumulated charges of the plurality of pixel components with a common reference value;
An image sensor comprising: a control input terminal of the shutter means; and a terminal for outputting a logical sum signal of output signals of the plurality of comparators.
前記複数の比較器に与えられる基準値が複数の値の中から選択可能であることを特徴とする
請求項5記載のイメージセンサー。
The image sensor according to claim 5, wherein a reference value given to the plurality of comparators can be selected from a plurality of values.
前記イメージセンサーはCMOSイメージセンサーであることを特徴とする
請求項1から6のいずれか1項記載のイメージセンサー。
The image sensor according to claim 1, wherein the image sensor is a CMOS image sensor.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011215036A (en) * 2010-03-31 2011-10-27 Panasonic Electric Works Sunx Co Ltd Displacement sensor
US8298853B2 (en) 2010-08-10 2012-10-30 International Business Machines Corporation CMOS pixel sensor cells with poly spacer transfer gates and methods of manufacture
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