JP4250085B2 - イメージセンサの機能的信頼性の検査方法およびイメージセンサを有する装置 - Google Patents
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Description
本発明はさらに、イメージセンサを有する装置、特に電子カメラに関し、この装置は、複数個の光感知画素と、読み出すための前記光感知画素のグレイスケール値を提供する出力ユニットと、イメージセンサの機能的信頼性を検査するためのモニタリングユニットとを有しており、前記モニタリングユニットは参照値を保存するための少なくとも1個のメモリを有している。
本明細書は、危険領域を保護するための保護装置と、この保護装置の機能的信頼性を検査する方法とを説明する。保護装置は、例えば、自動的に作動する機械の危険領域を記録することのできる電子カメラである。例えば人が危険領域に位置しているかどうかを検査するために、記録されたイメージは、電子イメージ加工手段により評価される。もし、危険領域に位置しているならば、機械は作動停止される。
下記特許文献1によれば、カメラにより記録された被写体イメージは、イメージセンサの機能的信頼性を検査するために変形される。変形された被写体イメージは、次に、予期される変形を含む参照イメージと比較される。変形された被写体イメージが、参照イメージから逸脱すると、イメージセンサの機能的エラーが考えられる。この方法によって、とりわけ欧州標準 EN 9541 のカテゴリー3および4の高度安全要件に合致する保護装置が実現できる。特に、危険領域の(時間的に)中断しないモニタリングと個別画素の検査とが可能である。しかしながら、被写体イメージの所定の変形には、入射光のビーム通路に影響を与える機械的および/または光学的部品を必要とする。その結果、公知の保護装置は比較的高価となる。
本発明による方法は、検査すべき画素の実際のノイズ行動を、ダークノイズ係数により特徴づけられる予期される行動と比較するために、実際のノイズ係数を使用する。この場合、ダークノイズ係数は、損なわれていない画素のノイズ行動を反映する。比較は、例えば大きさの比較または同一比較など、個別のケースにおいて定められたノイズ係数に基づいて行われる。検査される画素の実際のノイズ係数が、ダークノイズ係数により特徴づけられるノイズ行動とは異なるノイズ行動を示す場合には、機能的エラーが存在すると考えられる。
本発明の一局面において、実際のノイズ係数はそれが光強度に応じて変化するように決定される。
この局面において、実際のノイズ係数は第一にフォトンノイズの強度を反映している。ダークノイズ係数は、暗闇における画素のノイズレベルを特定する。フォトンノイズは光強度に応じてノイズを上昇させるため、これらの2つのノイズ係数を比較することにより、画素が入射光に対し所望の感度を有しているかどうかを特に簡単に確かめることができる。存在する背景輝度にもかかわらず、実際のノイズ係数がダークノイズ係数よりも大きくなければ、機能的エラーが存在すると考えられる。光は「外側から」イメージセンサに当たるため、この場合、記録されたイメージ信号も通過する全体的な信号加工チェーンは1段階で検査される。従って、この局面は、イメージ記録経路全体を効果的且つ完全に検査することができる。
これとは異なり、純粋に測定に基づくノイズレベルの決定もまた原理的に可能である。しかしながら、一般的なタイプのカメラはしばしば、データの統計的評価の実施に使用できるマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラをすでに有しているので、ここにおいて好ましい実際のノイズ係数の決定はきわめて簡単に且つコストにおいて有利に実現できる。従って、本発明による装置は、追加測定手段を必要としない。特に、画素のグレイスケール値の分散、先行グレイスケール値からの現在のグレイスケール値の平均偏差または測定サイクル内の画素の全グレイスケール値の極値間の差は、実際のノイズ係数として役立ち得る。
これにより2つの値の比較が特に簡単になる。従って、実現のための出費は少なくて済み、比較は非常に迅速に実施できる。
さらに別の局面において、実際のノイズ係数とダークノイズ係数とは、現在の周囲温度範囲に基づいて互いに比較される。
さらに別の局面において、前記少なくとも1個の画素のための実際のノイズ係数は、絶対値として決定される。
従って、各画素のための実際のノイズ係数は独立して、すなわち他の画素とは無関係に決定される。これの代わりに、1個またはそれ以上の画素のノイズレベルに関連してノイズ係数を決定することもまた、原理的に可能である。好ましい局面は、いわゆる「膠着」エラー、すなわち画素のグレイスケール値が光入射に関係なく一定値にとどまるエラーを容易に明らかにする。現在のグレイスケール値の先行値からの分散または平均偏差は、ここでは絶対値として使用されることが望ましい。
これによって、個別画素における「膠着」エラーの所定の検知が簡単に可能になる。
さらに別の局面において、実際のノイズ係数は、少なくとも2個の異なる画素のグレイスケール値の比から決定される。
この場合、間違ったカップリングのサーチは、ある可能性でカップリングが起こり得る画素に所定の方法で集中される。好ましくは、一直線の画素、一列の画素および/または隣接した部分的領域(クラスター)内の画素が検査される。この局面により、データ加工の複雑さを減らして方法の実施を迅速にすることができる。
本発明のこの局面において、イメージセンサは画素精度について検査され、きわめて小さいエラーも検知できる。これによって、イメージセンサの特に高度な機能的信頼性が確実となる。
これによって、データ加工の複雑さを減らして方法実施を迅速にすることができる。しかしながら前記局面とは対照的に、この場合、イメージセンサは各画素に関して個別に検査されず、むしろ領域ごとにのみ検査される。
これによって、方法の実施はフォトンノイズに基づく確かな判断が可能な画素に集中されるので、データ加工の複雑さを軽減できる。
上記の特徴および下記の特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、互いに記載した組み合わせだけでなく他の組み合わせにおいてまたはそれ自体で使用できることはいうまでもない。
図1において、電子カメラの形態の本発明装置は全体として参照番号10で示されている。
カメラ10は、複数個の個別画素14、16を有するイメージセンサ12を有している。画素14、16は互いにマトリクス状に配置されており、小さいイメージセンサ12の場合には時には直線状にも配置されており、共にイメージセンサ12の光感知領域を形成している。
イメージセンサ12は、好ましくは直線状の特性曲線を有するCMOSイメージセンサである。しかしながら、本発明はこれに限定されることはなく、他のイメージセンサにも同様に適用できる。
参照番号26は、カメラ10および特にイメージセンサ12の機能的信頼性を検査するためのモニタリングユニットを示す。好ましい実施形態において、モニタリングユニット26は、本発明方法が複数のプログラムステップとして実施されるマイクロプロセッサにより実現される。この実施形態において、モニタリングユニット26は、個々のプログラムステップがそれ自体公知の方法で保存されているメモリ(ここには図示せず)を有している。
参照番号34は温度センサを示し、その出力信号はメモリ30に与えられる。これによって、上記比較に使用されるダークノイズ係数をそれぞれの周囲温度に応じて選択することができる。
上記2つのノイズ係数を比較した結果は、コンパレータ28の出力に与えられる。本実施形態において、コンパレータ28はエラー信号を発し、これは端子36を介して外側に送られる。
参照番号48は、入射光の強度とは無関係なノイズ成分を示す。このノイズ成分は、第一にダークノイズに帰すことができる。これとは対象的に、光強度Φの上昇に伴う特性曲線40の上昇は、フォトンノイズを示している。
好ましくは、この場合の現在のノイズ係数は下式に基づく統計的評価により、分散または標準偏差(分散の平方根)として決定される。
xj は現在のグレイスケール値を示し、
<x> は計算に入れられるすべてのグレイスケール値の平均値を示し、
n は測定数を示し、
θ は温度を示す。
ステップ60において、現在決定したノイズ係数を、次に、カメラ10のメモリ30からステップ62によって読み出されたのと同じ方法で決定されたダークノイズ係数xdark(θ)と比較する。もし、現在決定したノイズ係数xnoiseが比較のために使用されたダークノイズ係数xdarkよりも大きければ、検査した画素の機能は正常である。従って、ステップ50に戻り、新しい検査サイクルを開始する。
図示した方法とは異なり、複数個の画素を同時に検査することもまた可能である。
ステップ70において、まず、互いに比較される2個の画素のグレイスケール値aj、bj を読み出す。次にステップ72において、これら2つのグレイスケール値を比較する。例えば記録されたイメージにおける明暗構造によって起こりうるように、もし2つのグレイスケール値が大きく異なるならば、その場合にはカップリングが存在しないと考えられる。従って、ステップ70に戻る。
もしステップ74において充分な背景輝度が確認されると、ステップ76において、前記2個の画素のグレイスケール値の比を用いて下式により正確に現在のノイズ係数が決定される。
<Λ> はノイズ係数を示し、
a は第1画素のグレイスケール値を示し、
b は第2画素のグレイスケール値を示し、
n は測定サイクルの数を示す。
<U> は現在のノイズ係数を示し、
a は第1画素のグレイスケール値を示し、
b は第2画素のグレイスケール値を示し、
n は測定サイクルの数を示す。
外縁に位置する画素は構造上、光が当たらないように配置されている、市販のイメージセンサがある。従って、これらの縁部画素は、本来常にダーク値に対応する信号を供給する。好ましい実施形態においては、そのようなイメージセンサが本発明によるカメラにおいて使用され、参照として使用されるダークノイズ係数は、縁部における光の当たらない画素のグレイスケール値から決定される。そうでない場合には、必要な参照値が簡単に得られるように、イメージセンサの縁部の画素を、カメラ内の適切な配置により光りが当たらないようにしてもよい。
xj は現在のイメージからの画素jのグレイスケール値を示し、
yj は前のイメージからの画素jのグレイスケール値を示し、
n は画素の数を示す。
本実施形態において、個別画素の個別機能について述べることは不可能であるが、本実施形態はイメージセンサの機能性についてのきわめて簡潔で迅速な性質上の提示を行っている。
Claims (14)
- 複数個の光感知画素(14、16)を有するイメージセンサ(12)の機能的信頼性を検査する方法であって、
(a)光が入射している少なくとも1個の光感知画素(14、16)のグレイスケール値を読み出す段階と、
(b)当該画素(14、16)の入射光の強度に応じた前記グレイスケール値からその統計的な変動を示す実際のノイズ係数(xnoise; <Λ>; <U>)を決定する段階と、
(c)前記画素(14、16)の、入射光のない状態での統計的な変動を示すダークノイズ係数(x dark ; <Λ> dark ; <U> dark )を提供する段階と、
(d)前記決定したノイズ係数と前記ダークノイズ係数とを比較する段階とを含み、
前記画素が背景輝度 (Xt) を有しているにも係わらず、前記決定したノイズ係数が前記ダークノイズ係数を超えていなければ、当該画素に機能的エラーが存在すると判定する、方法。 - 前記実際のノイズ係数(xnoise; <Λ>; <U>)は、前記画素から複数個の読み出されたグレイスケール値の統計的評価(56; 76; 92)により決定される、請求項1に記載の方法。
- 前記実際のノイズ係数(xnoise; <Λ>; <U>)と前記ダークノイズ係数(x dark ; <Λ> dark ; <U> dark )とは、それぞれ同じ方法(56; 76; 92)で決定される、請求項1または2に記載の方法。
- 前記実際のノイズ係数(xnoise; <Λ>; <U>)と前記ダークノイズ係数(x dark ; <Λ> dark ; <U> dark )とは、周囲温度(58、62)に応じて評価される、請求項1ないし3のいずれかに記載の方法。
- 前記画素(14、16)のための前記実際のノイズ係数(xnoise)は、絶対値(56)として決定される、請求項1ないし4のいずれかに記載の方法。
- 前記実際のノイズ係数(xnoise)と前記ダークノイズ係数(x dark )とは、それぞれ同一の画素に関して比較される(60)、請求項1ないし5のいずれかに記載の方法。
- 前記実際のノイズ係数(<Λ>; <U>)は、少なくとも2個の異なる画素(76; 92)のグレイスケール値の比から決定される、請求項1ないし6のいずれかに記載の方法。
- 前記実際のノイズ係数(<Λ>; <U>)は、空間的に隣接した画素(14、16)のグレイスケール値の比から決定される、請求項7に記載の方法。
- 前記実際のノイズ係数(xnoise; <Λ>; <U>)と前記ダークノイズ係数(x dark ; <Λ> dark ; <U> dark )とは、個別画素(14、16)に関して互いに比較される、請求項1ないし8のいずれかに記載の方法。
- 前記実際のノイズ係数(xnoise; <Λ>; <U>)と前記ダークノイズ係数(x dark ; <Λ> dark ; <U> dark )とは、画素グループ(14、16)に関して互いに比較される、請求項1ないし9のいずれかに記載の方法。
- 前記画素(14、16)の平均グレイスケール値(<x>)が決定され(54; 74)、前記比較段階(d)は、前記平均グレイスケール値が前記背景輝度 (Xt) よりも小さくなければ実施される、請求項1ないし10のいずれかに記載の方法。
- イメージセンサ(12)を有する装置であって、この装置は、入射光に応じたグレイスケール値を生成する複数個の光感知画素(14、16)と、少なくとも1個の前記光感知画素(14、 16)から読み出されたグレイスケール値を提供する出力ユニット(18)と、イメージセンサ(12)の機能的信頼性を検査するためのモニタリングユニット(26)とを有し、
前記モニタリングユニット(26)は参照値を保存するための少なくとも1個のメモリ(30)を有しており、
前記画素のためのダークノイズ係数(x dark ; <Λ> dark ; <U> dark )が前記メモリ(30)に保存され、
前記モニタリングユニット(26)はノイズ決定部(32)とコンパレータ(28)とを有しており、
前記ノイズ決定部(32)は前記画素(14、16)の入射光の強度に応じたグレイスケール値から前記実際のノイズ係数(xnoise; <Λ>; <U>)を決定することができ、
前記コンパレータ(28)は前記実際のノイズ係数と前記ダークノイズ係数とを比較することができ、もし背景輝度 (Xt) を有しているにも係わらず前記決定したノイズ係数が前記ダークノイズ係数を超えていなければ、当該画素に、機能的エラーが存在すると判定する、装置。 - 請求項1ないし11のいずれかに記載の方法のすべてのステップを実行するためのプログラムコードを有するマイクロプロセッサプログラム。
- 請求項13に記載のマイクロプロセッサプログラムが保存されている、マイクロプロセッサプログラム記憶媒体。
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