JP4650600B2 - Ｒｇｂフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学像読取装置に係わり、より詳しくは、一定方向に一定速度で移動するベルトコンベア上の計測すべき被写体等の光学像から静止画像を生成し、ＳＮに優れた画像データを得るためのＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ベルトコンベアなどで高速で搬送する被写体の形状、数量、傷等を計測するためにラインセンサ又はエリアセンサなどを採用した固体撮像デバイスカメラが使用されている。
固体撮像デバイスカメラに使用されている上記センサは、ＩＣ、ＬＳＩ製造技術を応用して製作されるため原理的に図形（画像）ひずみが無く、電荷蓄積時間の制御が自在にできるなど優れた特徴を備えているため計測用のセンサカメラとして多種、大量に市場に供給されている。
【０００３】
前記ラインセンサを使用した固体撮像デバイスカメラは、ベルトコンベアなどの上に載置された計測すべき被写体からの透過光又は反射光をレンズ光学系を介して結像された一定方向に一定速度で移動する光学像を撮像することによって２次元画像を生成し、１ラインごと又はその２次元画像から被写体の形状、数量、傷等を計測している。
しかし、当該ラインセンサでは、１ラインを繰り返し走査しているため電荷蓄積時間はライン走査時間によって決定されるため、例えば、ＮＴＳＣ方式のテレビジョンの水平走査時間と同一のライン走査時間で走査し同一レベルを得ようとすると、エリアセンサ使用の場合の約５２５倍（走査線数倍）の照明光量が必要になる。照明光量をエリアセンサ使用時と同一にしようとすれば約５２５分の１のライン走査時間に設定しなければならない。
即ち、ラインセンサはエリアセンサに比較して、計測時間又は照明光量の制限を受けることとなる。
【０００４】
一方、前記エリアセンサを使用した固体撮像デバイスカメラは、１画面分を一度に画像として取り込める場合には好都合であるが、ベルトコンベア上や回転体上の被写体又は流体中の被写体を計測する場合は、電荷蓄積時間を制御できる電子シャッターで制御するか、照明光としてストロボ光源を使用するなどして静止画像として取り込む工夫が別に必要となる。
また、カラーで高精細な画像を取り込むためには３撮像板方式のカメラとなるため、特殊なプリズム光学系の使用と、複雑でコスト高な大型装置となってしまう。
【０００５】
さらに、固体撮像デバイスの光電変換特性はガンマ＝１で光の強さに応じて出力電流が直線的に変化する。このため、撮像中の被写体光学像を受像管上に表示したり、写真フィルムに焼き付ける場合には、撮像側で適正なガンマ補正が必要となるが、アナログ回路構成で公知の複数の直列接続されたダイオードと負荷抵抗を並列接続したガンマ補正回路では黒レベル近傍の立ち上がりが急峻なためＳＮ比の低下が顕著となる。
【０００６】
これらのセンサは、できるだけ大量の被写体像を取り込み、かつ高精細で高速な計測処理を行うために高画素化が進んでいる。
しかし、高画素化すればするほど画素自体の面積は小さくなるため光の利用効率は低下し、したがって感度が低下する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明した現状に鑑み、３分割されたカラー画像読取用のセンサを一つのエリアセンサで構成し、一定方向に一定速度で移動するベルトコンベア上の被写体等の光学像から静止画像を生成し、ＳＮ比に優れた画像データを得ることができ、かつ照明装置、レンズ光学系、回路装置の簡略化と、製造コストを下げつつコンパクト化し画像再現性に優れた光学像読取装置を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は，上記に鑑み鋭意研究の結果，次の手段によりこの課題を解決した。
（１）被写体を照明する照明装置と、被写体からの透過光又は反射光をレンズ光学系を介して結像した一定方向に一定速度で移動する光学像を光電変換するエリアセンサと、同エリアセンサを制御する制御手段とを備えた光学像読取装置において、前記エリアセンサが、その受光領域の３分割された複数の画素列ごとにそれぞれ赤、緑、青の色フィルタを有するカラー画像読取用画素列と、該カラー画像読取用画素列のそれぞれに水平転送レジスタとを備え、
前記制御手段が、前記エリアセンサの赤、緑、青の色フィルタを有するそれぞれのカラー画像読取用画素列で光電変換された画像信号のレベルを比較し、その差信号に基づき、前記各カラー画像読取用画素列内におけるそれぞれの垂直転送レジスタへの電荷の多重読み出し画素列数を制御してホワイトバランスをとるものであることを特徴とするＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置。
【０００９】
（２）前記カラー画像読取用画素列が、基準白色を有する被写体からの透過光又は反射光による光学像の赤色、緑色、青色のそれぞれの波長分布特性に従って光電変換される画像信号の信号値が等しくなる画素列比に赤、緑、青の色フィルタによって３分割されて構成されてなることを特徴とする前項（１）に記載のＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置。
【００１０】
（３）前記制御手段が、一定方向に一定速度で移動する光学像の動きに信号電荷の転送速度を同期させた垂直転送周波数でエリアセンサを制御できるものであることを特徴とする前項（１）又は（２）に記載のＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置。
【００１２】
（４）前記制御手段が、前記エリアセンサの赤、緑、青の色フィルタを有するそれぞれの画素列から光電変換された画像信号のレベルを比較し、その差信号に基づき、前記カラー画像読取用画素列のそれぞれの電荷蓄積時間を制御できるものであることを特徴とする前項（１）〜（３）のいずれか１項に記載のＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置。
【００１３】
（５）前記制御手段が、複数のガンマ補正値を記憶する補正値記憶手段及び前記カラー画像読取用画素列からの出力信号をメモリし、かつ信号処理する信号処理手段をさらに備え、
前記信号処理手段が、前記カラー画像読取用画素列出力信号のメモり信号を１又は複数回読み出し、該読み出し信号を前記ガンマ補正値に基づき、加算処理することによりガンマ補正できるものであることを特徴とする前項（１）〜（４）のいずれか１項に記載のＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例の図に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明実施例のＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置のブロック図であり、図２はエリアセンサのＲ，Ｇ，Ｂフィルタ配置例模式図であり、図３はＣＣＤの分光感度特性図であり、図４はＣＣＤの光電変換特性とガンマ補正曲線図である。
図において、１はベルトコンベア駆動装置、２はベルトコンベア、３は光源、５は照明装置、７は対物レンズ、８はエリアセンサ、９はカラー画像読取用画素列、９Ｒは赤（Ｒ）チャンネル画素列、９Ｇは緑（Ｇ）チャンネル画素列、９Ｂは青（Ｂ）チャンネル画素列、１１はＡ／Ｄ変換器、１２はメモリ、１３は制御手段、１４はプロセスアンプ、１５は出力端子、１５’はモニタ出力端子、１６はＣＣＤ駆動回路、１７は電荷蓄積時間制御回路、１９は補正制御回路、２０は補正値記憶手段、２３はＣＣＤの光電変換特性、２５は要補正量曲線、２６は補正量、９１ＲはＲ・ＨＣＣＤ、９１ＧはＧ・ＨＣＣＤ、９１ＢはＢ・ＨＣＣＤ、である。
【００１５】
図１において、ベルトコンベア駆動装置１によって一定方向に一定速度で駆動されているベルトコンベア２は、照明装置５によって調光された高輝度の白色発光ダイオードを装着した光源３によって照明されている。前記光源３はベルトコンベア２上の撮像エリアを照明可能な開口面積を有する筐体に収納された多数の発光ダイオードによってベルトコンベア２の面を陰影が生じないように照明することができる。
ベルトコンベア２上の被写体像は対物レンズ７によってインターライン型又はフレームトランスファ型エリアセンサ８の光電変換素子上に結像される。
【００１６】
前記エリアセンサ８は、ベルトコンベア駆動装置１によって一定方向に一定速度で駆動されるベルトコンベア２の移動速度を図示しないエンドレスロータリーエンコーダ等で検出したクロックパルスによって前記エリアセンサの制御手段であるＣＣＤ駆動回路１６を駆動し、移動する光学像の動きに信号電荷の転送速度を同期させた垂直転送周波数で制御されている。
したがって、前記移動する光学像の光電変換された信号電荷は、１画素列ごとに垂直転送レジスタ（以降ＶＣＣＤと記述）へ転送されるので、最初の画素列で光電変換された電荷がまずＶＣＣＤに読み出され、２列目の画素列も同じ光学像を光電変換してＶＣＣＤに読み出される。３列目以降の画素列も同様に同じ光学像を多重読み出しされるのでＶＣＣＤに読み出された電荷は、読み出した画素列倍された電荷量となる。
【００１７】
前記ＶＣＣＤに読み出された信号電荷は、ＶＣＣＤの転送電極に加えられるクロックパルスに同期して下方に転送される。
本実施例では、３分割されたそれぞれの画素列の最下端まで転送された時点で、ＶＣＣＤの１行分ずつの信号電荷がそれぞれの水平転送レジスタ（以降ＨＣＣＤと記述）に送られ、本実施例の図２では、Ｂチャンネル画素列９ＢのＨＣＣＤ９１Ｂからの読み出し開始と同時にＲ，Ｇチャンネル画素列９Ｒ，９ＧのＨＣＣＤ９１Ｒ，９１Ｇからの画像信号が同期して出力される。
あるいは、Ｒ，Ｇ，ＢそれぞれのＶＣＣＤの１行分ずつの信号電荷がＲ，Ｇ，Ｂ各ＨＣＣＤに送られ、各ＨＣＣＤの出力端から出力された画像信号をＡ／Ｄ変換器１１でデジタル信号に変換してそれぞれメモリ１２に必要画素列分メモリしてから、同時に読み出し、図示しない加算器により加算してもよい。
上記の動作を行いながら連続してベルトコンベア２上の被写体像をエリアセンサ８上で走査すれば連続した静止画の２次元画像信号を得ることができる。
また、多重読み出し、又は前記加算器出力信号によって十分な信号出力が得られることから、高感度化、又は光源３の低電力化が図られる他、エリアセンサ８の電荷蓄積時間を短く設定することによって、より高精度の蓄積時間の制御が可能となる。
これらの多重読み出し画素列数の制御とＨＣＣＤの制御及び電荷蓄積時間の制御は、電荷蓄積時間制御回路１７によって行われる。
【００１８】
図２において、エリアセンサ８は、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のフィルタを有するＲチャンネル画素列９Ｒ、Ｇチャンネル画素列９Ｇ、Ｂチャンネル画素列９Ｂのカラー画像読取用画素列９と、各画素間のＶＣＣＤから転送された電荷を読み出すために各色チャンネルごとに配設されたＲ・ＨＣＣＤ９１Ｒ、Ｇ・ＨＣＣＤ９１Ｇ、Ｂ・ＨＣＣＤ９１Ｂとで構成されている。
前記Ｒ，Ｇ，Ｂのカラー画像読取用画素列９の配置は順序不同であってもよい。
【００１９】
前記カラー画像読取用画素列９のそれぞれ複数の画素列で構成されているＲチャンネル画素列９Ｒ、Ｇチャンネル画素列９Ｇ、Ｂチャンネル画素列９Ｂは、基準白色パターン等を撮像し、その透過光又は反射光による光学像の赤色、緑色、青色のそれぞれの波長分布特性（図３）に従って光電変換された画像信号の信号値が等しくなる画素列比に赤、緑、青の色フィルタによって３分割されている。
あるいは、照明装置５及び光源３の交換又は変更等により波長分布特性に大きな違いを生ずることに対応するために、上記カラーフィルタの３分割比を等分分割としてもよい。
【００２０】
図１において、カラー画像読取用画素列９の光電変換されたアナログ出力信号はプロセスアンプ１４等信号処理手段を含む制御手段１３に入力される。前記アナログ信号はそれぞれＡ／Ｄ変換器１１によってデジタル信号に変換され、各々複数のフレームメモリで構成するメモリ１２に一旦メモリしておき、補正値記憶手段２０に記憶されている複数のガンマ補正値のいずれかを読み出し、補正値制御回路１９を介して前記メモリ１２及びプロセスアンプ１４を前記補正値に従って制御し、モニタ出力端子１５’から、図示しないモニタ受像機、写真プリンタ又は画像処理装置へ画像信号が出力される。ガンマ補正を要しない画像信号は出力端子１５から図示しない画像処理装置へ出力される。
【００２１】
［ホワイトバランス制御作用］
前述の通り、基準白色パターン等を撮像し、その透過光又は反射光による光学像の赤色、緑色、青色のそれぞれの波長分布特性（図３）に従って光電変換された画像信号の信号値が等しくなる画素列比でＲチャンネル画素列９Ｒ、Ｇチャンネル画素列９Ｇ、Ｂチャンネル画素列９Ｂに３分割（図２）されているが、照明装置５、光源３又はエリアセンサ８自体のばらつきによってはホワイトバランスの変化が考えられるので、使用開始にあたって前記基準白色を利用したホワイトバランス制御を行うことが好ましい。
【００２２】
前記ホワイトバランス制御を行うため、基準白色パターンなどをベルトコンベア２上に静止させ、基準白色パターンがエリアセンサ８の全面に結像するようにし、前記カラー画像読取用画素列９のＲチャンネル画素列９Ｒ、Ｇチャンネル画素列９Ｇ、Ｂチャンネル画素列９Ｂそれぞれの画素列の最初の１列又は複数列のいずれかを選択して光電変換された画像信号をプロセスアンプ１４の図示しないホワイトバランス回路で比較し、その差信号を電荷蓄積時間制御回路１７に入力し、いずれかのチャンネルを基準として他のチャンネルの前記各カラー画像読取用画素列９内におけるＶＣＣＤへの電荷の多重読み出し画素列数を制御してホワイトバランスをとることによりＳＮ比の良いレベルの揃ったＲ，Ｇ，Ｂ出力が得られる。
【００２３】
もう一つの方法として、同様に基準白色パターンなどをベルトコンベア２上に静止させ、基準白色パターンがエリアセンサ８の全面に結像するようにし、前記カラー画像読取画素列９のＲチャンネル画素列９Ｒ、Ｇチャンネル画素列９Ｇ、Ｂチャンネル画素列９Ｂそれぞれの画素列の最初の１列又は複数列のいずれかを選択して光電変換された画像信号をプロセスアンプ１４の図示しないホワイトバランス回路で比較し、その差信号を電荷蓄積時間制御回路１７に入力し、いずれかのチャンネルを基準として他のチャンネルの電荷蓄積時間を制御するか、又は多重読み出し画素列数と電荷蓄積時間を組み合わせ制御してホワイトバランスをとってもよい。
【００２４】
上記いずれの場合も、ホワイトバランス動作終了後は、Ｒ，Ｇ，Ｂ各チャンネルの電荷蓄積時間の制御割合値、又はＶＣＣＤへの電荷の多重読み出し画素列数の制御割合値が補正値記憶手段２０にメモリされる。
【００２５】
［光電変換特性補正作用］
図４において、エリアセンサ８では発生する信号電荷の量は入射光の強さと照射時間の積、すなわち、入射光量（像面照度）で決まる。入射光量と信号出力の関係を光電変換特性という。入射光量は画素面の照度、像面照度をｌｘで、信号出力レベルはμＡで表す。
信号出力をｉ、入射光量をＥとすると、これらの関係は、
ｉ＝ｋＥγ
となる。
ここでｋは常数である。係数をγ（ガンマ）という。式から明らかなように、入出力を対数でとれば傾斜がガンマになる。ＣＣＤの光電変換特性は図４の２３に示すように直線的になり、ガンマは１である。通常、信号電荷の最大値は蓄積容量の飽和で制限され、最小値は暗電流による固定パターンノイズ、検出アンプのノイズなどで制約される。
計測中の被写体像をモニタ受像機に表示する際は受像管のガンマ特性が２．２であるために、予め撮像側で補正し、再生画面が正しい階調特性を得られるようにしなければならない。
この補正を行うのがガンマ補正回路であり、１／２．２＝０．４５であるからこの値になるように補正を行う。
ガンマ補正を行うことによって正しい階調特性でモニタ受像機に表示できるだけで無く、写真プリンタで印画紙にプリントするときでも階調性に優れた写真が得られる。
【００２６】
図１において、カラー画像読取用画素列９の光電変換されたアナログ出力信号は、それぞれＡ／Ｄ変換器１１によってデジタル信号に変換され、複数で構成する各メモリ１２に入力し記憶される。
このとき図４で示したエリアセンサ８の光電変換特性２３に対し、要補正量曲線２５で示されているＸ軸の像面照度の各位置に見合った補正量２６になるように複数で構成する各メモリ１２からデジタル信号を１〜複数回読み出して、図示しない加算器により加算処理を行うことにより、補正曲線２６に近似した特性を得ることができる。
【００２７】
上記において、被写体をベルトコンベア駆動装置１によって一定方向に一定速度で駆動する実施例として説明したが、被写体を固定し、レンズ光学系とエリアセンサ８を一体化（必要があれば光源３も一体化する）して移動機構に装着し、同移動機構を被写体上で一定方向に一定速度で移動して光学像を読み取るようにしても良い。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果が発揮される。
１）被写体からの透過光又は反射光による光学像の赤色、緑色、青色の波長分光特性に相関して３分割されたカラー画像読取画素列と、それぞれに備えられた水平転送レジスタで構成され、一定方向に一定速度で移動する光学像の動きに信号電荷の転送速度を同期させた垂直転送周波数でエリアセンサを制御しているので、被写体を静止することなく二次元画像の生成が可能である。
【００２９】
２）基準白色を有する被写体からの透過光又は反射光による光学像の赤色、緑色、青色のそれぞれの波長分布特性に従って光電変換される画像信号の信号値が等しくなる画素列比に赤、緑、青の色フィルタによって３分割されて構成され、一定方向に一定速度で移動する光学像の動きに信号電荷の転送速度を同期させた垂直転送周波数でエリアセンサを制御できるので、多重読み出しによる連続した静止画像を生成でき、常に適正レベルで、高感度化、かつＳＮ比に優れた画像信号を出力できる。又は光源の低電力化が図られる。
【００３０】
３）前記エリアセンサの赤、緑、青の色フィルタを有するそれぞれの画素列から光電変換された画像信号のレベルを比較し、その差信号に基づき、前記各カラー画像読取用画素列内における垂直転送レジスタへの電荷の多重読み出し画素列数を制御、又は前記カラー画像読取用画素列のそれぞれの電荷蓄積時間を制御できるので、前記の優れた効果を損なうことなく、Ｒ，Ｇ，Ｂのホワイトバランスをとることができる。
【００３１】
４）Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号を利用し、複数のガンマ補正値を記憶する補正値記憶手段及び前記カラー画像読取用画素列からの出力信号をメモリし、かつ信号処理する信号処理手段を備えて、前記信号処理手段が、前記メモリの出力信号に対し、前記補正値記憶手段にあらかじめ記憶された複数のガンマ補正値に基づき補正できるので、正しい階調特性でモニタ受像機に表示できるだけだ無く、写真プリンタで印画紙にプリントするときでも階調性に優れた写真が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例のＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置のブロック図。
【図２】エリアセンサのＲ，Ｇ，Ｂフィルタ配置例模式図。
【図３】ＣＣＤの分光感度特性図。
【図４】ＣＣＤの光電変換特性とガンマ補正曲線図。
【符号の説明】
１：ベルトコンベア駆動装置 ２：ベルトコンベア
３：光源 ５：照明装置
７：対物レンズ ８：エリアセンサ
９：カラー画像読み取り用画素列 ９Ｒ：赤（Ｒ）チャンネル画素列
９Ｇ：緑（Ｇ）チャンネル画素列 ９Ｂ：青（Ｂ）チャンネル画素列
１１：Ａ／Ｄ変換器 １２：メモリ
１３：制御手段 １４：プロセスアンプ
１５：出力端子 １５’：モニタ出力端子
１６：ＣＣＤ駆動回路 １７：電荷蓄積時間制御回路
１９：補正制御回路 ２０：補正値記憶手段
２３：ＣＣＤの光電変換特性 ２５：要補正量曲線
２６：補正量
９１Ｒ：Ｒ・ＨＣＣＤ ９１Ｇ：Ｇ・ＨＣＣＤ
９１Ｂ：Ｂ・ＨＣＣＤ

Claims (5)

1. 被写体を照明する照明装置と、被写体からの透過光又は反射光をレンズ光学系を介して結像した一定方向に一定速度で移動する光学像を光電変換するエリアセンサと、同エリアセンサを制御する制御手段とを備えた光学像読取装置において、前記エリアセンサが、その受光領域の３分割された複数の画素列ごとにそれぞれ赤、緑、青の色フィルタを有するカラー画像読取用画素列と、該カラー画像読取用画素列のそれぞれに水平転送レジスタとを備え、
   前記制御手段が、前記エリアセンサの赤、緑、青の色フィルタを有するそれぞれのカラー画像読取用画素列で光電変換された画像信号のレベルを比較し、その差信号に基づき、前記各カラー画像読取用画素列内におけるそれぞれの垂直転送レジスタへの電荷の多重読み出し画素列数を制御してホワイトバランスをとるものであることを特徴とするＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置。
2. 前記カラー画像読取用画素列が、基準白色を有する被写体からの透過光又は反射光による光学像の赤色、緑色、青色のそれぞれの波長分布特性に従って光電変換される画像信号の信号値が等しくなる画素列比に赤、緑、青の色フィルタによって３分割されて構成されてなることを特徴とする請求項１に記載のＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置。
3. 前記制御手段が、一定方向に一定速度で移動する光学像の動きに信号電荷の転送速度を同期させた垂直転送周波数でエリアセンサを制御できるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置。
4. 前記制御手段が、前記エリアセンサの赤、緑、青の色フィルタを有するそれぞれの画素列から光電変換された画像信号のレベルを比較し、その差信号に基づき、前記カラー画像読取用画素列のそれぞれの電荷蓄積時間を制御できるもの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ＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置。
5. 前記制御手段が、複数のガンマ補正値を記憶する補正値記憶手段及び前記カラー画像読取用画素列からの出力信号をメモリし、かつ信号処理する信号処理手段をさらに備え、
   前記信号処理手段が、前記カラー画像読取用画素列出力信号のメモり信号を１又は複数回読み出し、該読み出し信号を前記ガンマ補正値に基づき、加算処理することによりガンマ補正できるものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＲＧＢフィルタを有するエリアセンサ付き光学像読取装置。

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