JP6819428B2 - 画像撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は画像撮像装置に関するものである。より具体的には、１次元の撮像素子と集光光学系からなる撮像系を備え、所定の時間周期で撮像を繰り返すと同時に、撮像系と撮像対象物との位置関係をほぼ等速で平行移動することで撮像対象物の２次元画像データを取得するラインスキャン型の画像撮像装置において、信号のオフセット量を精度良く除去可能な画像撮像装置に関するものである。

ＣＣＤ等の撮像素子が取得した画像信号には、（１）オフセットノイズ：画素ごとにおおむね決まった値で発生するノイズ、（２）暗電流：積分時間に応じて発生するノイズの２種類のノイズが、オフセット量として上乗せされる。すなわち、撮像素子が取得した画像撮像信号の総信号量は、有効信号にオフセットノイズと暗電流を足し合わせたものであり、有効信号のみを得るためには総信号量からオフセットノイズと暗電流を差し引く必要がある。
従来、撮像素子における画像信号のオフセット量除去方法、すなわち総信号量からオフセットノイズと暗電流を差し引くための従来技術としては複数の方法が採られている。
例えば、撮像素子のオフセットノイズを除去するために、（a）撮像素子の信号読出し後にも当該撮像素子の読み出し動作を行わせて疑似的な出力信号を発生させ、これをオフセット量とみなして取得した信号から差し引く方法（例えば、特許文献1参照）、（b）機械的なシャッタ等を備え、入射光を遮断したうえで暗時の画像データを取得し、これを明時の画像データから差し引く方法、（c）あらかじめ暗時のデータを取得しておき、これに基づきオフセット量を差し引く方法、等の技術が開示されている。

特開昭５２−１４４２１９号公報

しかし、上述の（a）の方法においては、撮像装置の撮像素子およびその読出し・信号処理回路に特殊な構成が別途必要となる、（b）の方法においては、機械的なシャッタ等を備えることが困難な撮像装置においては適用できない、（c）の方法においては、オフセット量が変動した場合に変動分を除去できない、という課題があった。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、特殊な撮像素子や読出し・信号処理回路や機械的なシャッタ等を用いることなく、また、オフセットノイズが変動した場合においても変動分を含めたオフセットノイズの除去を行うことができる画像撮像装置を提供することを目的とする。

この発明に係る画像撮像装置は、光学系により集光された光を光電変換する複数の撮像素子と、前記光電変換後の信号を処理して撮像対象の画像を生成する信号処理部と、を備え、前記撮像素子が、前記撮像対象上を一方向にスキャンしながら周期Ｔで前記撮像対象を撮像する画像撮像装置であって、周期Ｔの間において前記撮像対象からの光を受光する時間である第１の露光時間Ｔexpと第２の露光時間Ｔｂが、各々の時間が重なることなく設けられており、前記第２の露光時間Ｔｂは、前記第１の露光時間Ｔexpより短い時間であり、前記信号処理部は、前記第１の露光時間Ｔexpの間に前記撮像素子が受光して得た各信号強度から、前記第２の露光時間Ｔbの間に前記撮像素子が受光して得た各信号強度を各々除去して画像を生成する。

本発明の画像撮像装置によれば、特殊な撮像素子や、読出し・信号処理回路や、機械的なシャッタ等を用いることなく、変動分を含めたオフセット量の除去を行うことができる。

本発明の実施の形態１による画像撮像装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による画像撮像装置により対象物を撮像する際の配置関係を示す模式図である。 本発明の実施の形態１による画像撮像装置により対象物を撮像する際の、撮像周期と露光時間の関係を示すダイアグラム図である。 本発明の実施の形態１による画像撮像装置の画像撮像のフローを説明する図である。 本発明の実施の形態１による画像撮像装置における、第１の露光時間Ｔexpと第２の露光時間Ｔbの時間配置の例を示した図である。 本発明の実施の形態２による画像撮像装置における、第１の露光時間Ｔexpと第２の露光時間Ｔbの時間配置の例を示した図である。 本発明の実施の形態３による画像撮像装置における、第１の露光時間Ｔexpと第２の露光時間Ｔbの時間配置の例を示した図である。 本発明の実施の形態４による画像撮像装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態１.
図１は、本発明の実施の形態１による画像撮像装置１００の構成を示すブロック図である。画像撮像装置１００は、撮像対象物２０から発せられる光５０を集光し集光光５１として出力する集光光学系１、集光光５１を入力し、光電変換した電気信号５２を出力する撮像素子２、電気信号５２を信号処理する信号処理部３から構成される。
信号処理部３は、画像撮像装置１００の動作を制御する制御部３１、演算を行う演算部３２、データを記憶する記憶部３３を備える。
撮像素子２は一次元のライン型センサであり、複数（ｎ個）の検出素子２_１,２_２,２_３,・・・,２_ｎが一次元に配列された撮像素子である。検出素子２_１,２_２,２_３,・・・,２_ｎの各々は例えばフォトダイオードである。
なお、以下の実施の形態では撮像素子２として一次元ライン型センサを例として説明するが、二次元型のセンサであっても本発明を適用することは可能である。

図２は、撮像対象物２０を撮像する際の画像撮像装置１００の各構成の配置関係を表した模式図である。
図２のように、集光光学系１と撮像対象物２０は対向して配置される。撮像素子２は、集光光学系１を間に挟むように置かれ、集光光学系１により集光された集光光５１を光電変換する。
ここで、撮像素子２を構成する各検出素子（２_１,２_２,２_３,・・・,２_ｎ）は、集光光学系１を通して撮像対象物２０に投影される。投影された領域にある撮像対象物２０が検出素子（２_１,２_２,２_３,・・・,２_ｎ）により撮像される。

撮像素子２は撮像対象物２０上を一方向にスキャンして、投影領域の撮像対象物２０を順次撮像する。ここで撮像素子２がスキャンするスキャン方向は、検出素子２_１,２_２,２_３,・・・,２_ｎが配列する配列方向に対して略垂直の方向である。
図２では、撮像素子２は検出素子の配列方向に対して略垂直の方向となる、Ａ点からＢ点の方向にスキャンしながら撮像対象物２０を撮像する。より詳しくは、図２において、画像撮像装置１００と撮像対象物２０との位置関係が略等速で、Ａ点からＢ点の方向へ平行移動し、その間、撮像素子２が所定の撮像時間周期Ｔで撮像を繰り返すことで、撮像対象物２０の２次元画像データを取得する。
図２の例では、撮像時間周期Ｔの間に撮像素子２は、撮像対象物２０の斜線で示す帯状の領域Ｌ１を撮像し、次の撮像時間周期Ｔの間に領域Ｌ１に隣接する領域Ｌ２を撮像する。次の撮像時間周期Ｔの間には領域Ｌ２に隣接する領域Ｌ３を撮像する。このようにして、撮像素子２は撮像時間周期Ｔ毎に領域Ｌ１〜Ｌ１０を順次撮像していく。
撮像時間周期Ｔは撮像素子２が撮影する１周期の撮像時間である。撮像時間周期Ｔは、撮像素子２が投影される投影エリアのスキャン方向の距離と撮像素子２がスキャンするスキャン速度（移動速度）により算出される。
撮像時間周期Ｔと、集光光学系１をとおして撮像対象物２０に投影された撮像素子２に配置された画素の間隔５とが、撮像対象物２０の空間分解能を規定する。

ラインスキャン型の画像撮像装置１００においては、撮像素子２により規定されるスキャン方向に直交した方向の空間分解能と、撮像時間周期Ｔによって規定されるスキャン方向の空間分解能が等しくなるように、この撮像時間周期Ｔを決定することで、スキャン方向と、スキャン方向に直交した方向との画像の縦横比を等しくすることも可能である。
すなわち、撮像対象物２０に対する相対速度である、撮像素子２の移動速度に撮像時間周期を乗じた距離と、集光光学系１により投影される撮像素子２の個々の検出素子の間隔とが一致するように設定することにより、撮像素子２により得られる２次元の画像の１画素の形状を正方形にすることも可能である。

なお、信号処理部３は集光光学系１や撮像素子２と共に撮像対象物２０上を移動する必要はない。信号処理部３はセンサ側にあって、撮像素子２と電気的に接続されていればよい。

次に、実施の形態１に係る画像撮像装置の動作を図３、図４を用いて説明する。
図３は実施の形態１の画像撮像装置１００により撮像対象物２０を撮像する際の、撮像時間周期Ｔと第１の露光時間Ｔexpの関係を示すダイアグラム図である。

撮像素子２の各検出素子２_１、２_２、２_３、・・・、２_ｎが、撮像対象物２０からの光を受光して十分な信号量を得るために必要となる露光時間を、第１の露光時間Ｔexpとする。
ここで撮像時間周期Ｔが撮像素子２の第１の露光時間Ｔexpより長い（Ｔ＞Ｔexp）場合、１周期の撮像時間周期Ｔの間に、撮像素子２（検出素子）上への露光が不要となる時間が発生する。
以下の実施の形態においては、「撮像時間周期Ｔ＞第１の露光時間Ｔexp」であることを前提として本発明を説明する。
撮像時間周期Ｔ、第１の露光時間Ｔexpは、例えば、撮像時間周期Ｔ＝60[msec]、第１の露光時間Ｔexp＝10[msec]である。
撮像素子２（検出素子２_１,２_２,２_３,・・・,２_ｎ）の受光面には、この第１の露光時間Ｔexpの間、撮像対象物２０からの光が露光されて信号電荷が発生する。
ここで、撮像時間周期Ｔで露光せずに信号電荷を発生しない時間を、未露光時間Ｔi（すなわち、Ｔi＝Ｔ−Ｔexp）とする。本発明では、この未露光時間Ｔiの間を利用して、撮像素子２が有するオフセット量の除去を行う。
なお、第１の露光時間Ｔexpについては検出素子の基板電圧を変化させる電子シャッター（図示せず）により制御可能である。また、前述のとおり図２、図３では１次元の撮像素子を描いているが、２次元の撮像素子２であっても構わない。

図３は、図２のＡ点-Ａ’点を結ぶ線と、Ｂ点-Ｂ’点を結ぶ線で挟まれる撮像対象物２０の領域を、撮像時間周期Ｔ×１０回の間に順次撮像することを説明するダイアグラム図であり、図３は、例えば横軸の０〜Ｔの時間の間に領域Ｌ１を撮像し、次のＴ〜２Ｔの時間の間に領域Ｌ２を撮像することを模擬的に表している。

図４は本実施の形態の画像撮像装置１００が撮像を行う際のフローを説明する図である。以下、図４に記載の各ステップ（Ｓ１０〜Ｓ１６）に従い説明する。
（１）Ｓ１０
まず、記憶部３３に撮像時間周期Ｔ、第１の露光時間Ｔexp、第２の露光時間Ｔbを設定する。
ここで、第２の露光時間Ｔbは、撮像素子２が受光する強度で、集光光学系１により集光された光の強度が無視でき得る程度まで短い露光時間であり、予め、計測等により第２の露光時間Ｔbを設定しておく。第２の露光時間Ｔbの値の目安としては、第１の露光時間Ｔexpの百分の１（1/100）以下の時間であり、例えば、撮像時間周期Ｔ＝60[msec]、第１の露光時間Ｔexp＝10[msec]の場合、第２の露光時間Ｔb＝100[μsec]以下である。
記憶部３３への各露光時間の設定は、キーボード等の入力インターフェースにより行うことができる。
（２）Ｓ１１
次に制御部３１は、電子シャッター（図示せず）により露光時間の制御を行い、撮像素子２は第１の露光時間Ｔexpの間、撮像対象物２０からの光を受光し信号電荷を発生させる。
（３）Ｓ１２
制御部３１の制御により、記憶部３３は第１の露光時間Ｔexpにおける撮像素子２の第１の出力信号Sexpを記憶する。
（４）Ｓ１３
次に制御部３１は電子シャッター（図示せず）により露光時間の制御を行い、撮像素子２は第２の露光時間Ｔbの間、撮像対象物２０からの光を受光し信号電荷を発生させようとする。しかしながら先述のとおり、第２の露光時間Ｔbは撮像素子２が受光する光の強度が無視できる程度のごく短い露光時間であるため、光電変換による信号電荷の発生はない。
（５）Ｓ１４
制御部３１の制御により、記憶部３３は第２の露光時間Ｔbにおける撮像素子２の第２の出力信号Ｓbを記憶する。

図３を用いてＳ１１〜Ｓ１４の工程を説明する。本実施の形態では、図３の４Ｔ〜５Ｔの撮像時間周期において領域Ｌ５を撮影する場合に示すように、まず、撮像素子２の第１の露光時間を撮像時間周期Ｔよりも短い第１の露光時間Ｔexpに設定し、撮像動作を行う。次に、同じ４Ｔ〜５Ｔの撮像時間周期の間において、撮像時間周期Ｔの中で、露光時間を、集光光学系１により集光された光の強度が無視できる程度まで短い第２の露光時間Ｔｂに設定し、撮像を再度実施する。これにより、同じ撮像時間周期Ｔの間で、撮像素子２により撮像対象物２０を撮像した第１の出力信号Ｓexpと、撮像素子２が有するオフセット量のみを含む第２の出力信号Ｓbとを得ることができる。
（６）Ｓ１５
次に計算部３２は、第１の出力信号Ｓexpから第２の出力信号Ｓbを減算する。
これにより画像信号である第１の出力信号Ｓexpから、撮像素子２の有するオフセット量を除去することができる。
（７）Ｓ１６
次に、Ｓ１１からＳ１５までの工程を、撮像時間周期Ｔで、繰り返し実行する。
撮像時間周期Ｔで繰り返し実行し得られる出力信号（第１の出力信号Ｓexpから第２の出力信号Ｓbを減算した出力信号）を、順番に並べることにより撮像対象物２０について２次元の画像を得ることができる。

このように、信号処理部３は、第１の露光時間Ｔexpで取得された第１の出力信号Ｓexpから、第２の露光時間Ｔbで取得された第２の出力信号Ｓbを差し引き、差し引いた後の出力信号を順に並べることによって、撮像素子２が有するオフセット量を除去した２次元の画像を、簡易に得ることができる。

図５に領域Ｌ１〜Ｌ１０まで繰り返し実行したときの各領域での、第１の露光時間Ｔexp、第２の露光時間Ｔbの時間配置の例を示す。

以上のように実施の形態１に係る画像撮像装置１００によれば、撮像時間周期Ｔの中で撮像素子２に露光をしていない時間Ｔiを有効に使うことで、撮像時間周期Ｔにおける近似的なオフセット量を取得するようにした。このオフセット量を通常の撮影である第１の露光時間Ｔexpで取得した画像から差し引くことで、撮像素子２が有するオフセット量を削除した画像を、簡易な構成で取得することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、１つの領域Ｌi（i＝1〜n）において、第１の露光時間Ｔexpの後、第２の露光時間Ｔbを設けるようにし、１つの領域Ｌ内で第１の露光時間Ｔexpの間の信号出力から第２の露光時間Ｔbの間の信号出力を差し引くことで、オフセット量を除去していた。
実施の形態２では、１つの領域Ｌ内で、先に第２の露光時間Ｔbを設け、その後に第１の露光時間Ｔexpを設けるようにする。
図６は、実施の形態２による画像撮像装置における、第１の露光時間Ｔexpと第２の露光時間Ｔbの時間配置の例を示した図である。このように、１つの領域Ｌ内で先に第２の露光時間Ｔbの間の信号出力を求め、その後に第１の露光時間Ｔexpの間の信号出力を求めたのち、第１の露光時間Ｔexpの間の信号出力から第２の露光時間Ｔbの間の信号出力を差し引くことで、オフセット量を除去するようにしてもよい。これにより、設計のバリエーションを増やすことができる。

実施の形態３．
実施の形態３では、第２の露光時間Ｔbの間の信号出力は、１回だけ行うこととする。 図７は、実施の形態３による画像撮像装置における、第１の露光時間Ｔexpと第２の露光時間Ｔbの時間配置の例を示した図である。このように、第２の露光時間Ｔbの間における信号出力の測定は１回とし（図７では、時間ｔ＝４Ｔ〜５Ｔの間の１回）、この１回の第２の露光時間Ｔbの間における信号出力を用いて、Ｌ１からＬ１０の各領域において、第１の露光時間Ｔexpの間の信号出力から第２の露光時間Ｔbの間の信号出力を差し引くようにする。
これによれば、第２の露光時間Ｔbの間における信号出力の測定は１回でよいので、信号出力の測定回数を減らし、撮像対象物の画像を得るまでの時間を短縮することができる。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４による画像撮像装置１０１の構成を示すブロック図である。実施の形態４では、撮像素子２で取得した画像を保持する画像保持部８を備え、一度、画像保持部８に画像を保持するようにした。
実施の形態４では、保持した画像は後の処理で信号処理部３に渡し、信号処理部３にて第１の露光時間Ｔexpにより取得された画像から、第２の露光時間Ｔbにより取得された画像を差し引く処理を行うことで、処理のリソースを確保することができる。

実施の形態５．
実施の形態１〜４において、信号処理部３を撮像素子２と一体のシステムとしてハードウェア処理として配置する。第１の露光時間Ｔexpにより取得された画像から、第２の露光時間Ｔbにより取得された画像を差し引く処理を、信号処理部３において撮像と同期して連続的に行うようにする。
これにより、リアルタイムにオフセット量を補正した画像を得ることができる。

１ 集光光学系、２ 撮像素子、２_１,２_２,２_３,・・・,２_ｎ 検出素子、３ 信号処理部、５ 集光光学系１をとおして対象物に投影された、撮像素子２に配置された画素の間隔、８ 画像保持部、２０ 撮像対象物、３１ 制御部、３２ 演算部、３３ 記憶部、５０ 撮像対象物２０が発する光、５１ 集光光、５２ 電気信号、１００，１０１ 画像撮像装置、Ｌ 領域、Ｔ 撮像時間周期、Ｔexp （第１の露光時間）１回の撮像時間周期Ｔよりも短い露光時間、Ｔｉ 未露光時間、Ｔｂ （第２の露光時間）集光光学系１により集光された光の強度が無視できる程度まで短い露光時間、Ｓexp 第１の露光時間Ｔexpにおける撮像素子２の出力信号、Ｓb 第２の露光時間Ｔbにおける撮像素子２の出力信号。

Claims (6)

1. 光学系により集光された光を光電変換する複数の撮像素子と、
   前記光電変換後の信号を処理して撮像対象の画像を生成する信号処理部と、
   を備え、
   前記撮像素子が、前記撮像対象上を一方向にスキャンしながら周期Ｔで前記撮像対象を撮像する画像撮像装置であって、
   周期Ｔの間において前記撮像対象からの光を受光する時間である第１の露光時間Ｔexpと第２の露光時間Ｔｂが、各々の時間が重なることなく設けられており、
   前記第２の露光時間Ｔｂは、前記第１の露光時間Ｔexpより短い時間であり、
   前記信号処理部は、前記第１の露光時間Ｔexpの間に前記撮像素子が受光して得た各信号強度から、前記第２の露光時間Ｔbの間に前記撮像素子が受光して得た各信号強度を各々除去して画像を生成することを特徴とする画像撮像装置。
2. 前記撮像素子が前記撮像対象上を一方向にスキャンする間、前記周期Ｔにおいて前記第１の露光時間Ｔexpが、常に、前記第２の露光時間Ｔbよりも先に設けられていることを特徴とする請求項１記載の画像撮像装置。
3. 前記撮像素子が前記撮像対象上を一方向にスキャンする間、前記周期Ｔにおいて前記第２の露光時間Ｔbが、常に、前記第１の露光時間Ｔexpよりも先に設けられていることを特徴とする請求項１記載の画像撮像装置。
4. 前記信号処理部は、周期Ｔにおいて前記第１の露光時間Ｔexpの間に受光した前記撮像素子の各信号強度から、同じ周期Ｔにおいて前記第２の露光時間Ｔbの間に受光した前記撮像素子の各信号強度を各々除去して画像を生成することを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の画像撮像装置。
5. 光学系により集光された光を光電変換する複数の撮像素子と、
   前記光電変換後の信号を処理して撮像対象の画像を生成する信号処理部と、
   を備え、
   前記撮像素子が、前記撮像対象上を一方向にスキャンしながら周期Ｔで前記撮像対象を撮像する画像撮像装置であって、
   周期Ｔの間において前記撮像対象からの光を受光する時間である第１の露光時間Ｔexpと第２の露光時間Ｔｂが、各々の時間が重なることなく設けられており、
   前記第２の露光時間Ｔｂは、前記第１の露光時間Ｔexpより短い時間であり、
   前記撮像素子が前記撮像対象上を一方向にスキャンする間、前記撮像素子は、１回のみ、前記第２の露光時間Ｔbで前記撮像対象から受光し、
   前記信号処理部は、各周期Ｔにおいて前記第１の露光時間Ｔexpの間に前記撮像素子が受光して得た信号強度から、前記撮像素子が１回のみ受光した前記第２の露光時間Ｔbにおける信号強度を除去し画像を生成することを特徴とする画像撮像装置。
6. 前記第２の露光時間Ｔｂは、前記第１の露光時間Ｔexpの百分の１以下の時間であることを特徴とする請求項１から５いずれか記載の画像撮像装置。

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