JP2557097B2

JP2557097B2 - 放射輪郭線の検出システム

Info

Publication number: JP2557097B2
Application number: JP63505864A
Authority: JP
Inventors: オーメン，ゲイスバート・ローレンス
Original assignee: OPUTEITSUSHE IND DE ODE DERUFUTO BV; Optische Industrie de Oude Delft NV
Current assignee: OPUTEITSUSHE IND DE ODE DERUFUTO BV; Optische Industrie de Oude Delft NV
Priority date: 1987-08-05
Filing date: 1988-07-07
Publication date: 1996-11-27
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: NL8701847A; EP0379486B1; KR890701988A; EP0379486A1; WO1989001129A1; KR960013679B1; JPH03501880A; DE3865020D1; US5210402A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、Ｍ行Ｎ列の感光検出素子のマトリックス、
これら検出素子の出力信号をクロック信号の制御下でシ
フトする手段、および１つの入力が関連する検出素子と
常に接続されておりかつレベル検出器回路を含む読出し
回路、からなる放射輪郭線の検出システムに関するもの
である。

放射輪郭線を観察するシステムは、とりわけ、ある輪
郭を第１の角度で扇状光線により照射する間、この照射
した輪郭をその第１の角度と異なる第２の角度から検出
システムにより観察する、という三角測量において使用
されている。このような方法で観察する輪郭線は、その
輪郭における絶対距離の計算を可能にするものである。

その輪郭線を観察するためには、テレビジョン・カメ
ラか、あるいは感光素子の行列をなすマトリックスを含
む２次元の検出器かでなる検出システムを使用すること
ができる。テレビジョン・カメラおよびその現在ある２
次元検出器の短所は、画素即ち検出素子がライン毎ある
いは行単位で順次読出さねばならず、これが１秒当たり
に観察できる輪郭の数を通常のラスタ速度に制限してし
まうことである。このように、Ｍ×Ｎの感光素子のマト
リックスによる１読出しサイクル当たり、Ｍ×Ｎ個の読
出しが必要となる。

オランダ国特許出願第8,500,600号は、この問題につ
いて認識した検出システムを提供している。この特許出
願によれば、この問題に対する解決法が、諸列の感光検
出素子を使用するのではなく、列状に相互に平行に置い
た多数のいわゆる「位置感応性デバイス（PSD）」を使
用することにより与えられており、このようなPSDは、
光線が入射していることのPSD上の位置の測定である出
力信号を発生するようになっている。前記出力信号は、
補助的な計算により判定される。Ｎ個のPSDの場合の前
記公知の検出システムでは、Ｎ回、即ちPSD当たり１回
の連続する読出しにより輪郭線の変化に関する完全な情
報を得ることが可能であるが、PSDの使用もまた多くの
短所を有している。第一に、より高い周波数で必要とす
る上記補助的計算を実現することが困難であること、ま
たそのような計算の実現に要求される複雑な電子装置の
ため高コストとなってしまうことである。第二に、PSD
の出力信号は、このようなPSDの構造の故に多量の熱ノ
イズを含んでいることである。この熱ノイズあるにもか
かわらず充分に高い信号／ノイズ比を達成するために
は、充分な光量がPSDを含む検出システムに到達するよ
うに、高レベルの光を使用することが必要である。更に
また、PSDからの信号を処理するため必要な電子装置
は、適当な高さの解像度および適当な高さのダイナミッ
ク・レンジが要求される場合は、実現できないかもしく
はできたとしても非常に高いコストによってのみ可能で
ある。

ヨーロッパ特許出願第0,181,553号もまた、観察され
た輪郭線を高速で読出すことを可能にするよう意図した
放射輪郭線の検出システムについて記載している。この
目的のため、輪郭線の観察システムが提供されており、
これにおいて検出システムが観察する扇状のビームによ
り生成された全体的な輪郭線ではなく、観察すべき輪郭
に対する細い光線により投射された連続的な光点から構
成される輪郭線である。観察するべき輪郭により反射さ
れたそれら光点は、多数の、例えば８個の長方形の検出
器素子からなる検出システム上に円筒状レンズを介して
線としてイメージ化される。この検出器素子の各々は、
連続したそれら素子が２進コード化信号を生じるようマ
スクされるようになっている。このようなマスクされた
ある検出器素子が受取る光の量が、ある閾値を越える
（各検出器素子と接続されたレベル検出器により判定さ
れる）場合、このことはその関連の検出器素子の出力信
号が論理「１」であることを意味する。このように、検
出システムの出力信号が即座にディジタル形態で得ら
れ、その結果前記信号の処理が非常に高速となり得る。
もし上記の細い光線を発生するのに用いるレーザ源のパ
ワーが充分な高さであるならば、数MHzの走査速度が前
記公知の検出システムにより達成可能である。

それにも拘わらず、前記公知の検出システムには多く
の欠点がある。即ち、種々の長方形の検出器素子上に反
射光線を分散する間、それら素子上において照明強度を
充分でかつ均一に配分されるようにするためには、その
所要のレーザー・パワーは非常に高くなければならな
い。もし２つの隣接する検出器素子が共に「１」の出力
信号を生じる程多くの光を受取るように光のスポットが
検出器素子上に入射する場合、得られる出力信号もまた
実際の状態を全く不正確に再現することになる。

ヨーロッパ特許出願第0,157,141号もまた、観察した
輪郭線を高速で読出すことを可能にするよう意図した放
射輪郭線検出システムについて記載している。この目的
のため、全ての行は、最後の列において同時に読出され
る。この最後の列に存在する情報が読出された後、全て
の行内の情報が列単位で行方向にシフトされる。各行に
対して、輪郭が存在していた検出素子の位置が記憶素子
に格納される。全ての記憶素子がこの情報で充填された
後、これら情報は輪郭が存在していた全ての検出素子の
位置を判定するため読出されるようになっている。

本発明の目的は、公知の諸システムの短所を持たない
検出システムを提供し、それによって、例えば輪郭線を
公知の諸システムを用いて観察できる速度と少なくとも
等しい速度で輪郭線の観察が可能であるにも拘わらず、
補助的計算および（または）強力なレーザー・パワーの
ための高価な電子装置が不要であるようにし、また更
に、目的として不正確な測定結果の可能性を著しく排除
することにある。

この目的のため、本発明は上記のタイプのシステムを
提供するものであり、これにおいては、読出し回路が、
各列のＭ番目の検出素子と接続されておりかつそれぞれ
各列と対応するＮ個の出力を有したレベル検出器回路を
含んでおり、またレベル検出器回路の出力が最大量の光
を受取ったＭ番目の行内の素子の位置を表わすディジタ
ル・コードを発生することができる回路と接続されてい
る。

本発明は、２次元の検出システムにより輪郭線を観察
する際、各行の検出素子内の唯一つの素子が観察すべき
輪郭線から光を受取り、一方その他の検出素子は光を全
く受取らないかあるいは少なくとも非常に微量の光しか
受取らない、という概念に基づくものである。従って、
行単位でその行内の全検出素子について同時に、どの素
子が閾値を越える出力信号を発生しているかを判定する
ことにより、その素子をディジタル・コードにより示
し、そしてこのコードにより１つの行内のどの検出素子
が、一連の順次のディジタル・コード信号により反映さ
れる最大量の光を受取ったかを行単位で決定することが
可能である。このように、輪郭線のパターンが、従来の
検出システムの場合における如きＭ×Ｎ個の出力による
のではなく、Ｍ個の読出しによりＭ行Ｎ列の検出素子を
含むマトリックスにおいて決定することができる。

以下に、本発明を、実施例に基づいて図面を参照しな
がら更に詳細に説明する。図面において、第１図は、本発明による検出システムを示す概略図、
および第２図は、１つの行内の２つの感光素子が閾値を
越える量の光を受取る場合に、信頼し得る測定結果を得
るための、第１図によるシステムの拡張を示す図であ
る。

（実施例）第１図は、放射輪郭線を観察するための検出システム
の構造を略図的に示している。本発明の原理はＭ行（Ｍ
＝任意の整数）およびＮ列（Ｎ＝任意の整数）を含むマ
トリックスに適用し得るものであるが、本実施例は、判
り易くするため、８行８列を含むマトリックスに基いて
記述する。しかし、これが限定と見做されるべきでない
ことに注意されたい。

本システムは、それぞれ８つの行1a乃至1hの感光素子
と、８つの列2a乃至2hの感光素子とからなっている。従
って、本検出システムは、８×８個の感光素子からなっ
ている。１つの特定の列の８つの感光素子の各々からの
信号は、読出しゲート電極の制御下で、前記列と関連す
る縦方向のCCDシフト・レジスタ3a乃至3hに対して運転
することができる。クロック信号は、それ自体公知の方
法でバス４を介して前記シフト・レジスタ3a乃至3h、お
よび読出しゲート電極に対して送られる。８番目の行で
は、各列のシフト・レジスタの最後のCCD素子が、このC
CD素子内の電荷をそれ自体公知の方法で対応する電圧へ
変換するため、図示しない回路に接続されている。各列
と関連するこの電荷／電圧コンバータの出力信号は、関
連するレベル検出器5a乃至5hの第１の入力端子にそれぞ
れ接続されている。各レベル検出器は第２の入力端子を
含み、この全ての第２の入力端子は相互に接続され、そ
して基準電圧U_refに接続されている。レベル検出器５
は、それ自体公知の方法で、第１の入力端子の信号がU
_refより高い場合に「１」の出力信号を送出し、また第
１の入力端子の信号がU_refより低い場合に「０」の出力
信号を送出するように構成されている。

レベル検出器5a乃至5hの出力端子は、本実施例におい
ては８つの入力端子6a乃至6hおよび３つの出力端子7a乃
至7hからなるダイオード・マトリックスに接続されてい
る。このダイオード・マトリックスは、それ自体公知の
形態で構成され、検出器5aの出力の「１」出力信号が前
記ダイオード・マトリックスの出力端子7a乃至7cに対し
２進数000の信号を送出し、また検出器5hの出力の
「１」出力信号が出力端子7a乃至7cに対し２進数111の
信号を送出するように、入力端子6a乃至6hを介して各々
のレベル検出器5a乃至5hに接続されている。レベル検出
器5b乃至5gの出力の「１」出力信号は、中間の２進数信
号を出力端子7a乃至7cへ送出し、従って例えばレベル検
出器5fについては信号101である。

このように、第１図の検出システムによれば、各行の
全体について、どの感光素子が「１」信号（素子が光を
受取ったことを示す）を関連するレベル検出器を介して
送出しているかを判定することが可能である。その結
果、Ｍ行Ｎ列を含むマトリックスを、公知の検出システ
ムにおけるＭ×Ｎ個のステップの代わりに、Ｍ個のステ
ップからなる１サイクルにて読出すことができるのであ
る。

それ自体公知の方法で例2a乃至2h内の感光素子の機能
を列3a乃至3h内の関連するシフト・レジスタ素子の機能
と組合わせることが常に可能であるが、感光素子がシフ
ト・レジスタとは別個である第１図に略図的に示した構
造を使用することが望ましい。何故なら、このような形
態では、電荷の移動中、干渉信号の可能性が最も低いた
めであり、この結果、第１図に線Ａで略図的に示した放
射輪郭線の変化の最も正確な表示が得られる。第１図に
示した回路全体が半導体基板上に集積されることが望ま
しいことは明らかであろう。

本発明の検出システムによる輪郭線の観察においてで
きるだけ妨害周囲光の効果を抑制するためには、観察す
べき輪郭を扇状に照射するように閃光を用いることが望
ましく、マトリックス状の感光性の検出素子は、このよ
うな閃光の間のみ受取る光の量に比例した出力信号を発
生するように、クロック・パルスによって付勢される。

もし鏡面反射が起きたならば、感光素子内の電荷の量
は高い値に達することがある。このような感光素子から
隣接して置かれた感光素子に対し電荷が溢れ出ることを
防止するために、ブルーミング防止電極が設けられてい
る。この結果として、１つの行内の１つより多い感光素
子が電荷溢れの結果としてU_refよりも高い出力信号を送
出する可能性が低減される。

もし何等らの理由から、１つの行内の２つ又はそれ以
上の感光素子が、１つの輪郭線の観察中、U_refより高い
出力信号を送出して、いくつかのレベル検出器５が
「１」の出力信号を発生する場合、その結果何らの措置
が講じられなければ、完全に不正確な測定結果をもたら
すことになる。

このような障害を排除することが可能な第１の方法を
第１図に示してある。この目的のため、１つのダイオー
ド（8a乃至8h）および１つの抵抗（9a乃至9h）の直列回
路の１つの端子が、レベル検出器5a乃至5hの各々の各出
力端子と接続され、この直列回路の他の端子は、常に他
の直列回路の対応する端子とおよびレベル検出器10の第
１の入力と接続されている。このように、諸レベル検出
器の出力信号が加算され、この加算された信号が、レベ
ル検出器10により「１」信号レベルに等しい第２の基準
電圧U_2refと比較される。もしいくつかのレベル検出器
５が「１」信号を発生する場合、レベル検出器10もまた
「１」信号を発生し、これはこの時、各１行に関するい
くつかのレベル検出器の「１」出力信号の結果として不
正確な測定の表示となる。

もし１つの行内の２つの感光素子が関連するレベル検
出器５を介して「１」信号を発生する場合、本発明の望
ましい実施例によれば、不明確でない方法で信頼し得る
測定値信号へ変換することが可能であり、これにより例
えば１つの行の感光要素の照射の実際の重心が２つのこ
のような素子の間にあることを判定することが可能であ
る。

第２図は、このような測定を可能にするため、第１図
によるダイオード・マトリックスが拡張されるべき方法
を略図的に示している。このダイオード・マトリックス
しか示していないが、その理由は、感光素子のマトリッ
クス構造およびそのレベル検出器５との接続が第１図の
システムにおけるのと同じであるからである。

さて、このダイオード・マトリックスは、３つの出力
端子7a乃至7cの代わりに、６つの出力端子7a乃至7fを含
んでいる。入力端子6a乃至6hは、第１図の実施例におけ
るのと同じ方法でダイオード・マトリックスのダイオー
ドを介して出力端子7a乃至7cと接続されている。しか
し、出力端子7d乃至7fは、このダイオード・マトリック
スのダイオードを介して入力端子6a乃至6hに対して、端
子7a乃至7cにおける出力信号と相補的な出力信号をこれ
ら端子が生じるように接続されている。このため、出力
端子7d乃至7fは、レベル検出器5hが「１」出力信号を発
生する場合に000の２進信号を、またレベル検出器5aが
「１」出力信号を発生する場合に111の信号を発生す
る。

例示として、レベル検出器5bおよび5eが観察した放射
輪郭線の結果として「１」出力信号を発生するものと仮
定する。もし出力端子7a乃至7cからの出力信号のみが使
用されるものとすれば、２進信号100がレベル検出器5b
を介して得られ、信号001がレベル検出器5eを介して得
られることになり、その結果、端子7a乃至7cの総合的な
２進数の出力信号が101となり、これは、レベル検出器5
fが「１」出力信号を発生していることを示すことにな
る。これは、明らかに完全に不正確であり、信頼できな
い測定結果である。

しかし、第２図の実施例において付加されたダイオー
ド・マトリックスの上記部分の出力線7d乃至7fは、レベ
ル検出器5bの「１」出力信号に対しては011の２進出力
信号を、またレベル検出器5eの「１」出力信号に対して
は110の信号を発生する。線7d乃至7fにおける総合的な
出力信号は、これら２つの信号の和、即ち２進信号111
である。これは、レベル検出器5aが「１」出力信号を発
生していることを表わしており、そしてこれもまた不正
確な測定結果を構成している。

しかし、もし端子7a乃至7cの２進数出力信号および端
子7d乃至7fの２進数出力信号を別々にこれら信号の平均
値を決定するように構成した回路11へ送るならば、回路
11の出力信号は、実際に行1a内の感光素子の列2bと感光
素子の列2eとの間の幾何学的中心を正確に表わすことが
判る。この平均の場合は、２進数出力信号は、感光素子
1cと1dとの間の位置を表わし、これは実際には列2bと2e
との間の幾何学的中心である。

端子7a乃至7cおよび端子7d乃至7fの２進コードを加え
ることにより２進信号が得られ、これがこの平均値プラ
ス追加の情報の１ビットを再現し、従ってこれにより２
つの列間の位置が示される。端子7a乃至7cのものと相補
的な２進出力信号を発生する３つの出力端子をもった別
のダイオード・マトリックスを付加することにより、も
し１つの行内の２つの感光素子が同時に照射される場合
に、これら２つの感光素子間の中心に関する信頼し得る
情報を得ることが可能である。

もし第２図によるそのような付加的ダイオード・マト
リックスを設ける場合、レベル検出器10の基準電圧U
_2refを調整することにより、１つの行内の３つ以上の感
光素子が、その関連するレベル検出器を介して「１」出
力信号を発生する場合に、レベル検出器10が故障信号し
か発生しないようにできる。何故なら、その追加のダイ
オード・マトリックスにより、そのような多数照射が、
信頼し得る測定信号を結果としてもたらすことがないか
らである。

しかし原理的には、更に複雑なダイオード・マトリッ
クスおよび複雑なロジック処理を使用することにより、
同時に照射された１つの行内の３つ以上の感光素子でも
信頼し得る出力信号を得ることもまた可能である。

多数行の感光素子を含む実施例について以上に記述し
たが、本発明が基く原理は、同じ効果を以て唯一の行の
感光素子の場合にも適用することができる。このとき、
その行全体は、レベル検出器およびダイオード・マトリ
ックスにより並行的に常に読出される。このような検出
器は、観察すべき輪郭を扇形状の光線ではなく点状の光
線を用いて照射し、そして放射輪郭線を連続的な反射光
点から構成するようになった、ヨーロッパ特許出願第0,
181,553号に記載されたタイプの放射輪郭線観察システ
ムにおいて用いることができる。１行の感光素子を含む
本発明によるこのシステムにより、達成可能な読出し周
波数は、前記ヨーロッパ特許出願によるシステムにおけ
るのと全く同じ高さとなる。しかし、高パワーのレーザ
ー光源は不要である一方で、行内の２つの感光素子の同
時の照射の場合であっても、第２図に示したダイオード
・マトリックスの拡張を用いるならば、信頼し得る出力
信号を常に得ることが可能である。

１行の感光素子の場合およびいくつかの行の感光素子
の場合の双方において、本発明によるシステムを用いれ
ば「１」出力信号を関連するレベル検出器へ送出してい
る感光素子の実際のレベルを簡単な方法で決定すること
が可能である。これは、全てのレベル検出器の第１の入
力端子に走査線を常開スイッチを介して常に接続し、前
記の「１」の出力信号を発生するレベル検出器の第１の
入力端子に属するそのスイッチを閉じるようにすること
によって可能であり、その閉成は関与するレベル検出器
の「１」出力信号の制御下で生じ得る。

レベル検出器5a乃至5hおよび基準電圧U_REFは、一緒に
なってレベル検出器回路を形成しており、この回路は、
各列のＭ番目の検出素子と接続され、そして各々が各列
と対応するＮ個の出力を有している。しかし、このよう
なレベル検出回路の上述の実施例が唯１可能なものでは
ない。Ｎ個の入力およびＭ個の出力を持つレベル検出器
回路の別の実施例は、「Scientific American」第257
号、1987年12月号、62乃至70頁に記載のいわゆるｎ−フ
ロップを使用するものである。正しい接続ネットワーク
を選択することにより、唯１つの出力信号が「１」の状
態に駆動され、他の全ての出力信号は「０」の状態に駆
動されることになる。このようなｎ−フロップは、感光
性素子と同じチップ上にうまく集積することができ、非
常にコンパクトな検出器を作ることができる。別の利点
は、Ｍ番目の行の諸出力信号が相互にのみ比較される故
に、特定の基準電圧レベルU_REFを前もって選択する必要
がないことである。

最後に、本発明による検出システムがCCDの使用に限
定されないという事実に注意されたい。本原理はまた、
フォトダイオードがＸ線アドレス指定により読出すこと
ができるようになった２次元フォトダイオード・アレイ
の場合にも適用することができる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｍ行（1a,…,1h）Ｎ列（2a,…,2h）の感光
検出素子を含むマトリックスと、制御クロック信号
（４）の下で前記検出素子の出力信号をシフトする手段
と、１つの入力が常に関連する検出素子と接続されてお
りかつレベル検出回路（５）を含んでいる読出し回路
（5,6,7）と、から成る放射輪郭線（Ａ）の検出システ
ムにおいて、前記シフト手段は、前記検出素子の出力信
号を行単位で列方向にシフトし、また前記読出し回路の
前記１つの入力が前記レベル検出回路（５）を含んでお
り、また前記レベル検出回路は、各列のＭ番目の検出素
子に接続されており、また前記レベル検出回路は各々が
各列と対応するＮ個の出力（6a,…,6h）を有しており、
また前記レベル検出回路の出力が、前記Ｍ番目の行（1
a）内の最大量の光を受取った素子の位置を表わすディ
ジタル・コードを発生することができる回路に接続され
ていること、を特徴とする検出システム。
【請求項２】ディジタル・コードを発生できる前記の回
路がダイオード・マトリックスであり、その入力数が該
マトリックス内の列数と対応し、かつその出力数が該列
数の２進コード化に必要なビット数と対応しているこ
と、を特徴とする請求項１記載の検出システム。
【請求項３】前記レベル検出回路の出力（６）には、第
１のダイオード・マトリックスの入出力数と等しい入出
力数を有する別のダイオード・マトリックスが接続さ
れ、該別のダイオード・マトリックスは、前記第１のダ
イオード・マトリックスの出力信号と相補的な２進出力
信号を発生するように構成されていること、を特徴とす
る請求項２記載の検出システム。
【請求項４】前記第１のダイオード・マトリックスの２
進出力信号と第２のダイオード・マトリックスの２進出
力信号との間の平均値を決定する手段（11）が設けられ
ていること、を特徴とする請求項３記載の検出システ
ム。
【請求項５】前記レベル検出回路がｎ−フロップからな
ることを特徴とする請求項１記載の検出システム。
【請求項６】前記レベル検出回路が各列に対し１つのレ
ベル検出器（５）からなることを特徴とする請求項１記
載の検出システム。
【請求項７】全てのレベル検出器の出力信号を加算する
手段（8,9）が設けられており、該加算された信号を基
準電圧（U_2ref）と比較する別のレベル検出器（10）が
設けられていること、を特徴とする請求項６記載の検出
システム。
【請求項８】前記基準電圧が、前記例と接続された前記
レベル検出器の高出力信号と実質的に等しいこと、を特
徴とする請求項７記載の検出システム。
【請求項９】行の数が１に等しいことを特徴とする請求
項１乃至８のいずれかに記載の検出システム。