JPH03158705A

JPH03158705A - 位置検出用ｃｃｄ装置

Info

Publication number: JPH03158705A
Application number: JP29756489A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamada; 洋山田; Kazuo Aoyama; 和夫青山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-11-17
Filing date: 1989-11-17
Publication date: 1991-07-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、移動する物体の位置を高精度で検出すること
のできる位置検出用ＣＣＤ装置に関する。

（従来の技術）近年、金属その他の固体の内部欠陥検査においては、音
波が金属その他の固体中も伝播し、欠陥など物質境界面
にぶつかると反射する性質を利用し、特に周波数が高く
て小さな欠陥でもよく反射する超音波を用い、この反射
波で画像を形成して視覚的に簡単に検査を行っている。

この検査に用いられる装置は、超音波画像処理検査装置
と呼ばれるが、第１０図にこの超音波画像処理検査装置
１のブロック図を示す。

被検査物２を取り囲んでスキャナ３が設置され、スキャ
ナ３には超音波の反射波を検知するセンサ４が取付けら
れる。スキャナ３はスキャナ３の走査を制御するスキャ
ナコントローラ５に、またセンサ４はセンサ４の稼働を
制御するセンサ制御装置６に接続し、スキャナコントロ
ーラ５とセンサ制御装置６は、データ処゛理装置７に接
続する。データ処理装置７は、超音波画像の処理プログ
ラムやスキャナ３の走査指令が入力される入力装置８、
および超音波画像の表示装置９とも接続する。

この超音波画像処理検査装置１は、被検査物２に超音波
を照射しながら、スキャナコントローラ５でスキャナ３
、そしてセンサ４を被検査物２上で走査する。被検査物
２に欠陥がある場合、センサ４は超音波の反射波を検知
するが、この反射波はセンサ制御装置６を通してデータ
処理装置７へ送られる。一方、スキャナ３の走査位置、
すなわちセンサ４の位置も、スキャナコントローラ５か
らデータ処理装置７に送られる。データ処理装置７は、
センサ４の検知した超音波の反射波とセンサ４の位置と
を合わせ、入力装置８からの指示に基づいて表示装置９
に超音波画像を形成する。この場合、表示装置９におい
て、反射波の大きな箇所と小さな箇所を色分けして表示
すれば、内部欠陥の位置と形状をより明瞭に把えること
ができる。

しかし、このようなスキャナ３を用いた超音波画像処理
検査装置１では、センサ４の位置を細かく設定しようと
すると、スキャナ３の機構が複雑化して、装置が高価に
なる。また、被検査物２の大きさが、被検査物２を取囲
むスキャナ３の大きさに制約される。

そこで、前述のようにセンサ４をスキャナ３に取付け、
センサ４の位置をスキャナ３の走査位置から捕えるので
はな（、スキャナを用いず、センサまたはセンサ保持具
を固体撮像素子を内蔵したＣ　ＣＤ　（Ｃｈａｎｇｅ　
Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ　；電荷結合素子）カメ
ラでとらえ、その位置を検出する超音波画像処理検査装
置も開発されている。ＣＯＤカメラでは、ＣＣＤにおけ
るＭＯ３構造の光応答性を利用し、例えばセンサと背景
の明暗の差によってセンサの位置をとらえる。

第１１図は、この種の超音波画像処理検査装置１０の模
式図である。第１０図と同様な部分には同一の符号を付
す。

この超音波画像処理検査装置１０においては、センサ４
はセンサ保持具１１で支持・稼働させ、センサ４の動き
を捕えられる箇所にＣＣＤカメラ１２を設置する。ＣＣ
Ｄカメラ１２は、データ処理装置７と接続するＣＯＤカ
メラコントローラ１３に接続する。

この超音波画像処理検査装置１０は、被検査物２に超音
波を照射しながら、センサ保持具１１を稼働させて、セ
ンサ保持具１１に取付けたセンサ４を被検査物２上で走
査する。すると、第１０図の超音波画像処理検査装置１
と同様、センサ４は検知した超音波の反射波をセンサ制
御装置６を通してデータ処理装置７へ送る。一方、セン
サ４の位置は、ＣＣＤカメラ１２がセンサ４を撮像する
ことによって捉えられ、データ処理装置７に送られる。

データ処理装置７は、センサ４の検知した超音波の反射
波とセンサ４の位置とを合わせ、入力装置８からの指示
に基づいて表示装置９に超音波画像を形成する。

ＣＣＤカメラ１２はスキャナ３に比べて機構が簡素で、
コスト的にも安くすむ。また被検査物の大きさに特に制
約もない。

（発明が解決しようとする課題）ところが、従来の固体撮像用ＣＣＤ素子は、画素が縦横
、すなわち２次元に配列されている。

そこで、このようなＣＣＤ素子で、例えば１００閣四方
のセンサ４の位置を±０．２聰の精度で検出するには、
縦５００列、横５００列に配列した２５万個の画素から
なるＣＣＤ素子が必要である。

ところで、センサ４のような移動する物体の位置を正確
に捕えるには、できるだけ頻繁にＣＣＤカメラ１２のシ
ャッタを開閉して、センサ４を数多く撮像する必要があ
る。ところが、撮影した画像（画面）はデータ処理装置
７に送らねばならないが、この画像の伝送速度は１画面
中の画素数に左右され、上述のように１画面が２５万個
の画素からなる場合は、１秒間に約３０画面が限度であ
る。したがって、センサ、４の位置は１秒間に約３０回
しか捉らえることができず、超音波画像処理検査装置１
０の高精度化には限界があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、超音
波画像処理検査装置のセンサなど移動する物体の位置を
高精度で検出することのでき、例えば超音波画像処理検
査装置の高精度化にも役立つ位置検出用ＣＯＤ装置を提
供することを目的とする。

〔発明の構成〕（課題を解決するための手段）本発明は上記課題を解決するために、画素を１次元に配
列した固体撮像用のＣＣＤ素子が複数個それぞれ異なる
方向に配置したことを特徴とする位置検出用ＣＣＤ装置
を提供する。

（作用）本発明に係る位置検出用ＣＣＤ装置は、画素を１次元に
配列した固体撮像用のＣＣＤ素子が複数個それぞれ異な
る方向に配置される。複数のＣＣＤ素子は、撮像の度に
それぞれ配置された方向について、例えば明暗の差によ
って撮像物体の位置を捕らえることができるため、撮像
を繰返せば、移動する物体の位置変化も識別することが
できる。

そして、本発明においては、ＣＣＤ素子によって得られ
る画像（画面）における画素の数は、各ＣＣＤ素子に１
次元に配列された分だけであり、複数のＣＣＤ素子があ
っても、画素全体の数は、各ＣＣＤ素子に１次元に配列
された分を足し合わせた合計ですむ。したがって、従来
のたとえ１個であっても、画素が行と列の２次元に配列
されたＣＣＤ素子（全画素数＝［行に配列された画素数
］×Ｅ列に配列された画素数］）に比べ、画素の数を格
段に減らすことが可能になる。よって本発明の位置検出
用ＣＯＤ装置によれば、単位時間当りの伝送画面数を増
加させて単位時間当りの撮像回数を増やし、物体の微小
な位置変化をもとらえる高精度の検出を行うことができ
る。

（実施例）以下第１図ないし第９図を参照して本発明の詳細な説明
する。

第１図は、本発明の第１実施例に係る位置検出用ＣＯＤ
装置２１の模式図である。この位置検出用ＣＯＤ装置２
１は、平面２２上を移動する物体２３の位置を検出する
ものであるが、２台のＣＣＤカメラ２４ａ、２４ｂを備
える。ＣＣＤカメラ２４ａ、２４ｂは、それぞれ本体の
物体２３側に集光レンズ２５ａ、２５ｂが設置され、内
部には集光レンズ２５ａ、２５ｂの側から順に柱状レン
ズ２６ａ、２６ｂおよびＣＣＤ素子２７ａ、２７ｂが、
集光レンズ２５ａ、２５ｂと同一線上に並ぶように収め
られる。

本実施例においては、柱状レンズ２６ａとＣＣＤ素子２
７ａおよび柱状レンズ２６ｂとＣＣＤ素子２７ｂは、そ
の軸方向を互いに揃えて配置され、また柱状レンズ２６
ａと２６ｂおよびＣＣＤ素子２７ａと２７ｂは、互いに
直角を成すように配置される。

本実施例においては、物体２３方向からの光２８ａ、２
８ｂは、それぞれ集光レンズ２５ａ、２５ｂを経てＣＣ
Ｄカメラ２４ａ、２４ｂの内部に導かれ、柱状レンズ２
６ａ、２６ｂによってそれぞれその軸方向に１次元的に
圧縮される。その結果、物体２３の像は、柱状レンズ２
６ａと２６ｂの軸方向に延びる１次元的な像として、そ
れぞれＣＣＤ素子２７ａと２７ｂに受光される。

本実施例においては、ＣＣＤカメラ２４ａと２４ｂの２
つのカメラを用いるため、各カメラにおいて互いに若干
の視点のずれがあるが、これによって画像の再現精度が
影響を受けることはない。

第２図は、前述の機構のＣＣＤカメラ２４ａ。

２４ｂを用いて超音波画像処理検査装置のセンサ４の位
置を検出するシステム２９の構成図を示す。

第１１図と対応する箇所には同一の符号を付して説明を
省略する。

このシステム２９は、ＣＣＤカメラ２４ａ、２４ｂとデ
ータ処理装置７に接続するカメラコントローラ３０を有
する。カメラコントローラ３０では、ＣＣＤカメラ２４
ａ、２４ｂのシャッタの開閉周期を設定したり、物体の
撮像条件についてスタティックモードとダイナミックモ
ードを選択したりする。スタティックモードとは、移動
物体を撮像するに当り事前に物体の静止状態下でＣＣＤ
カメラ２４ａ、２４ｂのピントや絞り、シャッタ速度お
よび照明の強度など撮影条件を設定するモードで、ダイ
ナミックモードとは、シャッタの開閉を繰返して移動物
体を撮像する際、シャッタ開閉の度に行う物体の位置検
出の演算方式や１回前のシャツタ開閉時との間でどの程
度の明暗の差をもって物体が移動したとするかの閾値を
設定するモードである。

第３図は、第２図のシステム２９において、スタティッ
クモードとダイナミックモードを利用して撮影を進めて
いく場合の流れ図を示す。撮影に当ってはまずカメラコ
ントローラ３０でスタティックモードを選択し、ＣＣＤ
カメラ２４ａ、２４ｂのピント、絞り、シャッタ速度お
よび照明強度などを設定した後、実際に静止物体につい
てＣＣＤカメラ２４ａ、２４ｂのシャッタを開閉して撮
影する。スタティックモードにおいては、シャッタの開
閉は同期パルス信号に合わせて行うが、この同期パルス
信号は、入力装置８からの指令によってデータ処理装置
７から発信される。

そして画像を受光したＣＣＤ素子各画素のデータは、カ
メラコントローラ３０を介してデータ処理装置７に送ら
れる。データ処理装置７は、入力装置８から入力される
画像処理パラメータ等に基づいて表示装置９に超音波画
像を形成する。

このシステム２９においては、ＣＣＤカメラ２４ａと２
４ｂが、物体をそれぞれ柱状レンズによってその軸方向
に１次元に圧縮して撮像するため、表示装置９において
も撮影されたままの１次元圧縮像が表示される。観測者
はこの表示装置９の画像を見て、もし画像の中心座標が
ずれるなど画像処理パラメータ等が適切でないときは、
入力装置８からこれを修正する。またＣＣＤカメラ２４
ａ。

２４ｂのピントや絞りなど撮影条件が適当でないときは
、再度スタティックモード下でこれらを調整する。

そして、画像処理パラメータおよび撮影条件のどちらも
適切なときは、モードの設定をダイナミックモードに変
える。なお次回の撮影において同一の画像処理パラメー
タおよび撮影条件を適用する場合は、ただちにダイナミ
ックモードを選択することもできる。

ダイナミックモードでは、上述のように物体の位置検出
の演算方式や物体の移動を判断する明暗の閾値などのパ
ラメータを設定する。パラメータの設定が終わったら撮
影を開始するが、この撮影はカメラコントローラ３０を
操作して任意の時点で終了することができる。

撮影は、ＣＣＤカメラ２４ａ、２４ｂのシャッタの開閉
から始まって、カメラコントローラ３０への画像データ
の伝送、カメラコントローラ３０における移動物体の座
標の計算、この座標値のデータ処理装置７への伝送で終
わる。そして１回の撮影が終わる度に前記座標値の伝送
が完了したかを確認し、もし完了していない場合は、こ
れが完了するまで次の撮影には移らず時間待ちをする。

そして座標値の伝送が完了した場合でも、先に設定した
次のシャッタ開閉時刻が来るまでは時間待ち（時間調整
）する。

ダイナミックモードにおいては、カメラコントローラ３
０は、ＣＣＤカメラ２４ａ、２４ｂがシャッタを切る度
に同期パルスを出力する。そこで、この同期パルスに同
期させてセンサ４の受は取った超音波の反射波をデータ
処理装置７に取入れれば、移動物体としてのセンサ４の
位置とその受は取った超音波の反射波を関連させて画像
に表すことができる。

第４図（ａ）と（ｂ）は、それぞれ第Ｎ回目と第（Ｎ＋
１）回目のシャッタ時におけるＣＣＤ素子２７ａの受光
の状況を示す図である。図中、斜線部は強い光を受けた
画素３１ａを、斜線の引いてない箇所は弱い光を受けた
画素３１ｂを示すが、画素３１ａがその周囲の画素３１
ｂより一定の強度以上の光を受けた場合、画素３１ａの
位置を物体の位置とすることができる。

ところで、第４図（Ｃ）は、第４図（ａ）と（ｂ）に表
した第Ｎ回目と第（Ｎ＋１）回目のシャッタ間における
画素の受光強度差を示す。斜線で示した画素３１ｃは受
光強度差の大きい画素で、それ以外の画素３１ｄは受光
強度差の小さい画素である。

このように、撮影している物体がＣＣＤ素子２７ａの軸
方向と垂直以外の方向に移動している物体ならば、画素
３１が各シャッタ時において受ける光の強度が異なるた
め、その移動をとらえることができる。本実施例におい
ては、第１図で説明したように、ＣＣＤ素子２７ａと垂
直に配置されるＣＣＤ素子２７ｂも用いるため、結局あ
らゆる方向の物体の移動がとらえられる。

なお、各シャッタ時における各画素の受光強度の差異の
演算は、ＣＣＤ素子２７ａ、２７ｂのしジスタで行うこ
ともできるし、データ処理装置７で行ってもよい。受光
強度の差異を識別する閾値や演算の方式は、第３図で説
明したように、ダイナミックモードにおいて入力装置８
から設定できる。

本実施例においては、画素を１次元に配列したＣＣＤ素
子を２個用いるだけであるため、物体の形状を正確にと
らえることはできないが、２個のＣＣＤ素子を互いに垂
直に配置すれば、移動の状況については正確に把握でき
る。しかも画素の数は、前述の５００Ｘ５００　（＝２
５万個）を配列するＣＣＤ素子に比べると大幅に減少し
、５００＋５００個の１０００個で済ますことができる
。

よって本実施例の位置検出用ＣＯＤ装置２１によれば、
単位時間当りの伝送画面数を増加させて単位時間当りの
撮像回数を増やし、物体の微小な位置変化をもとらえる
高精度の検出を行うことができる。

なお、物体からの光量は、画像を１次元に圧縮すること
により、コントラストが低下するおそれがあるが、本実
施例においては、センサ保持具にＬＥＤ等の光源を設け
れば、このおそれを解消することができる。

その他、本実施例においては２台のカメラを使用するが
、両者は同一の構造であるため、コスト的に問題にはな
らない。したがって本実施例にならって同一構造のカメ
ラを３台使用し、３次元で位置の検出をすることもでき
る。

第５図は、本発明の第２実施例に係る位置検出用ＣＣＤ
装置３２の模式図である。第１図と対応する箇所には同
一の符号を付して説明を省略する。

本実施例においては、１個の集光レンズ３３しか用いな
いため、カメラ（図示せず）は１台でよい。すなわち１
台のカメラ内にプリズム３４を収め、集光レンズ３３を
通過した光３５ａをこのプリズム３４で互いに垂直な２
方向の光３５ｂと３５Ｃに分光する。モして各光３５ａ
と３５ｂを、プリズム３４と同一のカメθ内に収めた柱
状レンズ２６ａと２６ｂでその軸方向に１次元に圧縮し
、さらに同一のカメラ内に収めたＣＣＤ素子２７ａと２
７ｂに受光させる。第１実施例と同様に、柱状レンズ２
６ａと２６ｂおよびＣＣＤ素子２７ａと２７ｂは、互い
に直角を成すように配置される。

第６図と第７図は、それぞれＣＣＤ素子２７ａと２７ｂ
の画素の受光の状況を示す。斜線の部分が強い光を受け
た画素３１ａで、斜線の引いてない箇所が弱い光を受け
た画素３１ｂである。

この実施例においても、第１実施例と同様に、受光強度
の差異によって物体２３の位置をとらえることができる
。そして第１実施例と同様のシステムを用いれば、移動
物体の位置も正確にとらえることができる。本実施例に
おいては、カメラが１台ですむため、コストが安価にな
るだけでなく、視点が１つになって物体の位置検出がよ
り正確になるという利点もある。

第８図は、本発明の第３実施例に係る位置検出用ＣＣＤ
装置３６の模式図である。第５図と対応する箇所には同
一の符号を付して説明を省略する。

この位置検出用ＣＣＤ装置３６の構成は、基本的に第２
実施例の位置検出用ＣＣＤ装置３２のそれと同様である
。したがって集光レンズは１個であり、カメラ（図示せ
ず）は１台しか用いない。

ところが、本実施例においては、ＣＣＤ素子３７ａと３
７ｂは、ともに画素３８を１次元に配置したものである
が、その画素は第２実施例と異なり縦横比の大きな矩形
をなしているため、プリズム３４からの光３５ｂと３５
ｃを圧縮しなくても受光することができる。したがって
本実施例においては、柱状レンズは不要であり、ＣＣＤ
素子３７ａと３７ｂを柱状レンズの集光点に配置する手
間も省ける。このためカメラの大きさもコンパクトにで
き、コストが安価になるという利点もできる。

第９図は、本発明の第４実施例に係る位置検出用ＣＯＤ
装置３９の模式図である。第８図と対応する箇所には同
一の符号を付して説明を省略する。

この位置検出用ＣＯＤ装置３９の構成は、基本的に第３
実施例の位置検出用ＣＯＤ装置３６のそれと同様である
。ＣＣＤ素子３７ａと３７ｂを構成する画素３８は、縦
横比の大きな矩形で、互いに直角をなす方向に１次元に
配列される。

ところが、本実施例においては、カメラ（図示せず）内
にプリズムはなく、ＣＣＤ素子３７ａと３７ｂは２段重
ねになっている。というのは、本実施例においては赤外
線光４０を用いるため、波長の大きな赤外線光４０は一
部ＣＣＤ素子３７ａを透過してＣＣＤ素子３７ｂに受光
される。したがって、１台のカメラで、かつプリズムで
分光しなくても、物体の位置を異なる方向から検出し、
正確にとらえることができる。

このように本実施例においては、プリズムがなく、かつ
２個のＣＣＤ素子を２段重ねにできるため、カメラの大
きさをよりコンパクトにできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る位置検出用ＣＯＤ装
置は、画素を１次元に配列した固体撮像用のＣＣＤ素子
が複数個それぞれ異なる方向に配置される。複数のＣＣ
Ｄ素子は、撮像の度にそれぞれ配置された方向について
、例えば明暗の差によって撮像物体の位置を捕らえるこ
とができるため、撮像を繰返せば、移動する物体の位置
変化も識別することができる。

そして、本発明においては、ＣＣＤ素子によって得られ
る画像（画面）における画素の数は、各ＣＣＤ素子に１
次元に配列された分だけであり、複数のＣＣＤ素子があ
っても、画素全体の数は、各ＣＣＤ素子に１次元に配列
された分を足し合わせた合計ですむ。したがって、従来
のたとえ１個であっても、画素が行と列の２次元に配列
されたＣＣＤ素子（全画素数＝［行に配列された画素数
］×［列に配列された画素数コ）に比べ、画素の数を格
段に減らすことが可能になる。よって本発明の位置検出
用ＣＯＤ装置によれば、単位時間当りの伝送画面数を増
加させて単位時間当りの撮像回数を増やし、物体の微小
な位置変化をもとらえる高精度の検出を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る位置検出ＣＯＤ装置
の模式図、第２図は第１実施例の位置検出ＣＣＤ装置を
超音波画像処理検査装置に適用する場合のシステムの構
成図、第３図は第２図の超音波画像処理検査装置におけ
る画像処理の流れ図、第４図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は
第１実施例のＣＣＤ素子の受光の状況を示す模式図、第
５図は本発明の第２実施例に係る位置検出ＣＣＤ装置の
模式図、第６図と第７図は第２実施例のＣＣＤ素子の受
光の状況を示す模式図、第８図と第９図はそれぞれ本発
明の第３および第４実施例に係る位置検出ＣＯＤ装置の
模式図、第１０図と第１１図は従来の超音波画像処理検
査装置の模式図である。２４ａ、２４ｂ・　ＣＣＤカメラ、２６ａ、２６　ｂ−
・・柱状レンズ、２７ａ、２７ｂ−ＣＣＤ素子、３０ａ
、３０ｂ・・・画素、３４・・・プリズム。

Claims

【特許請求の範囲】

画素を１次元に配列した固体撮像用のＣＣＤ素子が複数
個それぞれ異なる方向に配置したことを特徴とする位置
検出用ＣＣＤ装置。