JPWO2019058750A1 - Imaging system, imaging method and image sensor - Google Patents
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Abstract
撮像システムは、対象物に複数の異なるパターン光を切替えて投影可能な照明と、パターン光が投影された対象物を撮像可能な撮像素子と、照明と撮像素子とを制御する制御部と、を備え、撮像素子は、画素ごとに異なる時間で露光可能であって、制御部は、パターン光と露光する画素とを連動して切替える。 The image pickup system includes an illumination capable of switching and projecting a plurality of different pattern lights onto an object, an image sensor capable of imaging an object on which the pattern light is projected, and a control unit that controls the illumination and the image sensor. The image sensor can be exposed at different times for each pixel, and the control unit switches between the pattern light and the exposed pixel in conjunction with each other.
Description
本発明は、対象物の3次元形状を取得する撮像システム、撮像方法および撮像素子に関する。 The present invention relates to an image pickup system, an image pickup method, and an image pickup device that acquire a three-dimensional shape of an object.
対象物に対して非接触で3次元計測を行う手法として位相シフト法等が知られている。この位相シフト法では、対象物を固定、つまり静止した状態に保ち、対象物の全体にわたって縞状パターンを位相シフトさせながら投影してエリアカメラで対象物の全体の格子画像を撮影していた。 A phase shift method or the like is known as a method for performing three-dimensional measurement without contact with an object. In this phase shift method, the object is kept fixed, that is, stationary, and the striped pattern is projected while phase-shifting over the entire object, and the area camera captures a grid image of the entire object.
しかし、位相シフト法では対象物について複数の異なる位相での画像(位相シフト画像)の撮像を複数回行う必要があるため、動体の計測には適切な方法とは考えられていなかった。具体的には、位相シフト法で動体を計測するためには、高速に複数枚の位相シフト画像を取得する必要がある。 However, the phase shift method has not been considered to be an appropriate method for measuring a moving object because it is necessary to take a plurality of images (phase shift images) of an object in different phases. Specifically, in order to measure a moving object by the phase shift method, it is necessary to acquire a plurality of phase shift images at high speed.
従来、複数の位相シフト画像を高速に、実質的には同時に取得する手法が提案されている。例えば、入射光を直線偏光化し、その偏光方向を回転させることによって、高速化を図る試みがなされている(例えば、特許文献1参照。)。また、波長成分の異なる第1、第2、第3の波長成分について、各波長成分の一又は二を透光する領域を順に縞状に配列したフィルタ格子縞板を用い、位相シフト法によって三次元計測する装置が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。また、モアレ光学系を用いた形状測定装置であって、光学系と被検物の相対速度と受光素子の操作周期と複数配置された光源の点灯の時間を同期させる形状測定装置が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。 Conventionally, a method of acquiring a plurality of phase-shifted images at high speed and substantially simultaneously has been proposed. For example, attempts have been made to increase the speed by linearly polarized the incident light and rotating the polarization direction (see, for example, Patent Document 1). Further, for the first, second, and third wavelength components having different wavelength components, a filter lattice striped plate in which regions that transmit one or two of each wavelength component are arranged in order in a striped pattern is used, and three-dimensionally by a phase shift method. An apparatus for measuring is disclosed (see, for example, Patent Document 2). Further, a shape measuring device using a moire optical system, which synchronizes the relative velocity between the optical system and the test object, the operation cycle of the light receiving element, and the lighting time of a plurality of arranged light sources, is disclosed. (See, for example, Patent Document 3).
しかし、上記の手法では、それぞれ機械的耐久性、対象物の波長特性、光量減等の課題がある。 However, each of the above methods has problems such as mechanical durability, wavelength characteristics of an object, and reduction of light intensity.
そこで、本発明の目的は、複数の異なるパターン光を切替えて高速に撮像できる撮像システムを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide an imaging system capable of switching a plurality of different pattern lights to perform high-speed imaging.
本発明に係る撮像システムは、対象物に複数の異なるパターン光を切替えて投影可能な照明と、
前記パターン光が投影された前記対象物を撮像可能な撮像素子と、
前記照明と前記撮像素子とを制御する制御部と、
を備え、
前記撮像素子は、画素ごとに異なる時間で露光可能であって、
前記制御部は、前記パターン光と露光する画素とを連動して切替える。The imaging system according to the present invention includes illumination capable of switching and projecting a plurality of different pattern lights onto an object.
An image sensor capable of imaging the object on which the pattern light is projected,
A control unit that controls the illumination and the image sensor,
With
The image sensor can be exposed at different times for each pixel.
The control unit switches between the pattern light and the pixel to be exposed in conjunction with each other.
本発明に係る撮像方法は、対象物に複数の異なるパターン光を切替えて投影するステップと、
前記パターン光が投影された対象物を複数の画素からなる画素グループを前記パターン光の数だけ有する撮像素子で前記パターン光の切替えと同期させて前記画素グループごとに露光して撮像するステップと、
を含む。The imaging method according to the present invention includes a step of switching and projecting a plurality of different pattern lights onto an object.
A step of exposing and imaging each pixel group in synchronization with the switching of the pattern light by an image sensor having a pixel group consisting of a plurality of pixels of the object on which the pattern light is projected as many as the pattern light.
including.
本発明に係る撮像システム、撮像方法及び撮像素子によれば、複数の異なるパターン光を切替えて高速に撮像できる。また、本発明を位相シフト法に適用すれば、従来のイメージセンサに比べて十分高速(実質的に同時)に複数の位相シフト画像を取得することができ、動体計測も可能となる。 According to the image pickup system, the image pickup method, and the image pickup device according to the present invention, a plurality of different pattern lights can be switched and imaged at high speed. Further, if the present invention is applied to the phase shift method, it is possible to acquire a plurality of phase shift images at a sufficiently high speed (substantially simultaneously) as compared with a conventional image sensor, and it is possible to measure a moving object.
第1の態様に係る撮像システムは、対象物に複数の異なるパターン光を切替えて投影可能な照明と、
前記パターン光が投影された前記対象物を撮像可能な撮像素子と、
前記照明と前記撮像素子とを制御する制御部と、
を備え、
前記撮像素子は、画素ごとに異なる時間で露光可能であって、
前記制御部は、前記パターン光と露光する画素とを連動して切替える。The imaging system according to the first aspect includes illumination capable of switching and projecting a plurality of different pattern lights onto an object.
An image sensor capable of imaging the object on which the pattern light is projected,
A control unit that controls the illumination and the image sensor,
With
The image sensor can be exposed at different times for each pixel.
The control unit switches between the pattern light and the pixel to be exposed in conjunction with each other.
第2の態様に係る撮像システムは、上記第1の態様において、前記撮像素子に、同じ時間に露光する複数の画素からなる画素グループを前記パターン光の数だけ設け、
前記制御部は、前記パターン光と露光する前記画素グループとを連動して切替えてもよい。In the image pickup system according to the second aspect, in the first aspect, the image pickup device is provided with a pixel group composed of a plurality of pixels to be exposed at the same time as many as the number of pattern lights.
The control unit may switch between the pattern light and the pixel group to be exposed in conjunction with each other.
第3の態様に係る撮像システムは、上記第1又は第2の態様において、前記撮像素子は、同じ画素グループごとに露光開始又は露光終了の少なくとも一方のタイミングを制御する共通の画素転送制御信号線を有してもよい。 The image pickup system according to the third aspect is a common pixel transfer control signal line that controls at least one timing of exposure start or exposure end for each same pixel group in the first or second aspect. May have.
第4の態様に係る撮像システムは、上記第2又は第3の態様において、前記撮像素子は、同じ画素グループごとに各画素に蓄積された信号電荷をリセットする共通の画素リセット制御信号線を有してもよい。 In the image pickup system according to the fourth aspect, in the second or third aspect, the image pickup element has a common pixel reset control signal line that resets the signal charge accumulated in each pixel for each same pixel group. You may.
第5の態様に係る撮像システムは、上記第2から第4のいずれかの態様において、前記照明は、位相をシフトしながら前記対象物に格子パターンを投影してもよい。なお、格子パターンには、2次元の格子パターンの他、1方向の縞パターンも含む。 In the imaging system according to the fifth aspect, in any one of the second to fourth aspects, the illumination may project a grid pattern onto the object while shifting the phase. In addition to the two-dimensional grid pattern, the grid pattern also includes a unidirectional stripe pattern.
第6の態様に係る撮像システムは、上記第2から第5のいずれかの態様において、前記制御部は、前記画素グループごとに取得した複数の画像を基に前記対象物の3次元形状を算出する形状算出部をさらに備えてもよい。 In the imaging system according to the sixth aspect, in any one of the second to fifth aspects, the control unit calculates the three-dimensional shape of the object based on a plurality of images acquired for each pixel group. A shape calculation unit may be further provided.
第7の態様に係る撮像システムは、上記第2から第6のいずれかの態様において、前記制御部は、前記パターン光の切替えタイミングと前記画素グループの露光開始又は露光終了の少なくとも一方のタイミングとの同期を制御する、同期制御部をさらに備えてもよい。 In the imaging system according to the seventh aspect, in any one of the second to sixth aspects, the control unit has a timing of switching the pattern light and a timing of at least one of the exposure start and the exposure end of the pixel group. A synchronization control unit may be further provided to control the synchronization of the above.
第8の態様に係る撮像システムは、上記第2から第7のいずれかの態様において、前記撮像素子は、一つの方向に沿って互いに異なる画素グループに属する画素が順に配置されていてもよい。 In the image pickup system according to the eighth aspect, in any one of the second to seventh aspects, the image pickup device may have pixels belonging to different pixel groups arranged in order along one direction.
第9の態様に係る撮像方法は、対象物に複数の異なるパターン光を切替えて投影するステップと、
前記パターン光が投影された対象物を複数の画素からなる画素グループを前記パターン光の数だけ有する撮像素子で前記パターン光の切替えと同期させて前記画素グループごとに露光して撮像するステップと、
を含む。The imaging method according to the ninth aspect includes a step of switching and projecting a plurality of different pattern lights onto an object.
A step of exposing and imaging each pixel group in synchronization with the switching of the pattern light by an image sensor having a pixel group consisting of a plurality of pixels of the object on which the pattern light is projected as many as the pattern light.
including.
第10の態様に係る撮像方法は、上記第9の態様において、前記複数の異なるパターン光は、位相をシフトしながら構成されたそれぞれ位相が異なる複数の格子パターンであってもよい。 In the imaging method according to the tenth aspect, in the ninth aspect, the plurality of different pattern lights may be a plurality of lattice patterns having different phases, which are formed while shifting the phases.
第11の態様に係る撮像方法は、上記第9又は第10の態様において、画素グループごとに取得した複数の画像を基に対象物の3次元形状を算出するステップをさらに含んでもよい。 The imaging method according to the eleventh aspect may further include the step of calculating the three-dimensional shape of the object based on the plurality of images acquired for each pixel group in the ninth or tenth aspect.
第12の態様に係る撮像素子は、複数の画素からなる画素グループを複数有し、
前記画素グループごとに、
各画素の露光開始又は露光終了の少なくとも一方のタイミングを制御する共通の画素転送制御信号線と、
各画素に蓄積された信号電荷をリセットする共通の画素リセット制御信号線と、
を備え、
前記画素グループごとに露光時間を制御可能である。The image pickup device according to the twelfth aspect has a plurality of pixel groups composed of a plurality of pixels.
For each pixel group
A common pixel transfer control signal line that controls at least one timing of exposure start or exposure end of each pixel,
A common pixel reset control signal line that resets the signal charge accumulated in each pixel,
With
The exposure time can be controlled for each pixel group.
以下、実施の形態に係る撮像システム及び撮像方法について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。 Hereinafter, the imaging system and the imaging method according to the embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, substantially the same members are designated by the same reference numerals.
(実施の形態1)
<撮像システム>
図1は、実施の形態1に係る撮像システムの構成を示す概略図である。
この撮像システム30は、照明10と、撮像素子22と、制御部26と、を備える。照明10によって対象物2に複数の異なるパターン光を切替えて投影可能である。撮像素子によってパターン光の投影された対象物を撮像可能である。制御部によって照明と撮像素子とを制御する。撮像素子は、画素ごとに異なる時間で露光可能である。さらに、制御部26によって、パターン光と露光する画素とを連動して切り替えて撮像する。
これによって複数の異なるパターン光を切替えて高速に撮像できる。(Embodiment 1)
<Imaging system>
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of an imaging system according to the first embodiment.
The
As a result, a plurality of different pattern lights can be switched and imaged at high speed.
以下に、この撮像システム30を構成する構成要素について説明する。
The components constituting the
<照明>
図2は、4つの投影パターン(a)〜(d)の例を示している。この照明10によって対象物2に複数の異なるパターン光を切替えて投影可能である。照明10は、例えば、光源12と、格子14と、を備える。図2の例では、格子14を動かすことで位相がシフトした4つの格子パターン(図2(a)〜(d))を投影できる。なお、位相をシフトしたパターンを投影する方法はこれに限らない。例えば、照明としてプロジェクタを用いることで格子パターンを切替えながら投影することも可能である。好ましくは、格子14は固定式で、光源12を複数のLEDで構成したスイッチング光源とする。これにより、LEDの点灯位置を切替えながら格子パターンの位相をシフトできるため、より高速なパターン光切替え制御が可能となる。<Lighting>
FIG. 2 shows an example of four projection patterns (a) to (d). A plurality of different pattern lights can be switched and projected onto the object 2 by the
<カメラ>
カメラ20は、レンズ21と撮像素子22と撮像制御回路24とを有する。<Camera>
The
<レンズ>
レンズ21は、撮像素子22上に結像させることができるものであればよく、通常使用できるものであればよい。<Lens>
The
<撮像素子>
図3は、撮像素子22を構成する複数の画素A、B、C,Dの配列の一例を示す平面図である。図4は、撮像素子の一例であるCMOSイメージセンサの一画素40の回路を示す概略図である。
撮像素子22は、複数の画素40からなる画素グループ38を、例えば、3つ以上有する。図3に示す例では、撮像素子22は、画素A、B、C、Dのそれぞれを含む4つの画素グループ38a、38b、38c、38dを有する。また、4つの画素グループ38a、38b、38c、38dのそれぞれに含まれる画素A、B、C、Dは、正方形の角部に配置され、一処理単位36を構成している。なお、一処理単位36は、正方形を構成する場合に限られず、1行に並んでもよい。
撮像素子は、同じ時間に露光する複数の画素からなる画素グループをパターン光の数だけ設けてもよい。
なお、画素グループは3つ以上であればよく、上記4つの画素グループに限られず、5つ以上の画素グループであってもよい。<Image sensor>
FIG. 3 is a plan view showing an example of an arrangement of a plurality of pixels A, B, C, and D constituting the
The
The image pickup device may be provided with as many pixel groups as the number of pattern lights, which are composed of a plurality of pixels to be exposed at the same time.
The number of pixel groups may be three or more, and is not limited to the above four pixel groups, and may be five or more pixel groups.
撮像素子は、同じ画素グループごとに露光開始又は露光終了の少なくとも一方のタイミングを制御する共通の画素転送制御信号線を有してもよい。また、同じ画素グループごとに各画素に蓄積された信号電荷をリセットする共通の画素リセット制御信号線を有してもよい。 The image sensor may have a common pixel transfer control signal line that controls at least one timing of exposure start or exposure end for the same pixel group. Further, the same pixel group may have a common pixel reset control signal line that resets the signal charge accumulated in each pixel.
撮像素子22は、例えば、図3に示す画素が複数配列されたCMOSイメージセンサである。図4に示す画素40の回路では、受光部のフォトダイオード(PD)41と、フローティング拡散層(FD)42と、4つのMOS−FET(M1、M2、M3、M4)43a、43b、43c、43dと、により構成されている。また、画素40は、画素転送制御信号線(TRG)44と、画素読み出し選択制御信号線(SEL)46と、垂直信号線(VSL)47と、画素リセット制御信号線(RST)48と、に接続されている。
The
画素40に光が照射されると、フォトダイオード41において電子に変換され、光強度に対応する電荷がフォトダイオード41に蓄積される。MOS−FET(M1)43aによって、フォトダイオード(PD)41とフローティング拡散層(FD)42との間の電荷転送を制御する。MOS−FET(M1)43aのゲート電極に画素転送制御信号線(TRG)44の信号が印加されることによってフォトダイオード(PD)41に蓄積された電荷が、フローティング拡散層(FD)42に転送される。フローティング拡散層(FD)42は、MOS−FET(M3)43cのゲート電極とつながっている。MOS−FET(M4)43dのゲート電極に画素読み出し選択制御信号線(SEL)46の制御信号が印加されていると、垂直信号線(VSL)47からフローティング拡散層42に蓄積された電荷に応じた電圧を信号として読み出すことができる。MOS−FET(M2)43bのゲート電極に画素リセット制御信号線(RST)48のリセット信号が印加されると、フローティング拡散層(FD)42に蓄積された電荷はMOS−FET(M2)43bを通じて流れるため、電荷蓄積状態がリセットされる。
When the
まず、露光開始について説明する。
画素リセット制御信号線(RST)48がONであると、フローティング拡散層(FD)42に蓄積された電荷はMOS−FET(M2)43bを通じて流れるが、それだけでは画素40のフォトダイオード(PD)41に蓄積された電荷はリセットされない。画素リセット制御信号線(RST)48がONであると共に、画素転送制御信号線(TRG)44がONとなることによって、フォトダイオード(PD)41に蓄積された電荷がフローティング拡散層(FD)42に転送され、さらにMOS−FET(M2)43bを通じて流れる。これによって、フォトダイオード(PD)41及びフローティング拡散層(FD)42の電荷蓄積状態がリセットされ、次にRST信号およびTRG信号がOFFになったタイミングから画素40への露光が開始される。First, the start of exposure will be described.
When the pixel reset control signal line (RST) 48 is ON, the electric charge accumulated in the floating diffusion layer (FD) 42 flows through the MOS-FET (M2) 43b, but by itself, the photodiode (PD) 41 of the
次に、露光終了について説明する。
画素転送制御信号線(TRG)44の信号が印加される。これによってフォトダイオード(PD)41に蓄積された電荷が、フローティング拡散層(FD)42に転送される。つまり、画素40への露光が終了する。Next, the end of exposure will be described.
The signal of the pixel transfer control signal line (TRG) 44 is applied. As a result, the electric charge accumulated in the photodiode (PD) 41 is transferred to the floating diffusion layer (FD) 42. That is, the exposure to the
さらに、各画素に蓄積された電荷の読み出しについて説明する。
画素読み出し選択制御信号線(SEL)46の制御信号が印加されると、垂直信号線(VSL)47から画素40について、フローティング拡散層42に蓄積された電荷に応じた電圧を信号として読み出すことができる。Further, reading of the electric charge accumulated in each pixel will be described.
When the control signal of the pixel read selection control signal line (SEL) 46 is applied, the voltage corresponding to the electric charge accumulated in the floating
図5Aは、4つの画素グループを含む撮像素子50の回路の一例を示す概略平面図である。この撮像素子50は、図4に示す画素40が、図3に示すように縦横の格子状に配列され、さらに画素グループA、B、C、Dにそれぞれ属する4画素を1つの画素ユニットとし、その画素ユニットの配列が2次元的に繰り返されている。図3及び図5Aでは、画素ユニットを構成する画素が2×2で正方形に並ぶ例を示しているが、これに限らず、例えば画素が縦又は横に直線状に並んでいてもよい。また、4つの画素グループごとに共通の画素転送制御信号線(TRG(A)、TRG(B)、TRG(C)、TRG(D))を有する。また、4つの画素グループごとに共通の画素リセット制御信号線(RST(A)、RST(B)、RST(C)、RST(D))を有する。これによって、画素グループごとに露光開始又は露光終了の少なくとも一方のタイミングを制御できるので、異なるタイミングで露光可能である。なお、各行ごとに画素読み出し選択制御信号線(SEL1、SEL2、SEL3、SEL4)を有する。さらに、各列ごとに垂直信号線(VSL)を有する。
FIG. 5A is a schematic plan view showing an example of a circuit of the
さらに、この撮像素子50は、垂直走査制御回路52と、ノイズ除去回路54と、水平転送制御回路56とを備える。画素転送制御信号線(TRG(A)、TRG(B)、TRG(C)、TRG(D))と、画素リセット制御信号線(RST(A)、RST(B)、RST(C)、RST(D))とは、垂直走査制御回路52に接続されている。垂直信号線(VSL)は、ノイズ除去回路54を介して水平転送制御回路56に接続されている。
Further, the
図5Bは、4つの画素グループの各回路への制御信号とパターン光の切替えのタイミングチャートである。図5Bを用いて画素グループごとに露光開始及び/又は露光終了のタイミングを制御して撮像することについて説明する。図5Bは、図5Aに示すように、画素A、B、C、Dが正方形に配列されており、第1行に画素A、Bが繰り返し配列され、第2行に画素C、Dが繰り返し配列されている撮像素子についてのタイミングチャートである。つまり、第1行について画素グループAの画素転送制御信号線(TRG(A))、画素グループBの画素転送制御信号線(TRG(B))、画素グループAの画素リセット制御信号線(RST(A))、画素グループBの画素リセット制御信号線(RST(B))、画素読み出し選択制御信号線(SEL1)がある。また、第2行について画素グループCの画素転送制御信号線(TRG(C))、画素グループDの画素転送制御信号線(TRG(D))、画素グループCの画素リセット制御信号線(RST(C))、画素グループDの画素リセット制御信号線(RST(D))、画素読み出し選択制御信号線(SEL2)がある。 FIG. 5B is a timing chart for switching the control signal and the pattern light to each circuit of the four pixel groups. It will be described that the image is taken by controlling the timing of the exposure start and / or the exposure end for each pixel group with reference to FIG. 5B. In FIG. 5B, as shown in FIG. 5A, pixels A, B, C, and D are arranged in a square, pixels A and B are repeatedly arranged in the first row, and pixels C and D are repeatedly arranged in the second row. It is a timing chart about the arranged image pickup elements. That is, for the first line, the pixel transfer control signal line (TRG (A)) of the pixel group A, the pixel transfer control signal line (TRG (B)) of the pixel group B, and the pixel reset control signal line (RST (RST)) of the pixel group A. A)), a pixel reset control signal line (RST (B)) of the pixel group B, and a pixel read-out selection control signal line (SEL1). Further, regarding the second line, the pixel transfer control signal line (TRG (C)) of the pixel group C, the pixel transfer control signal line (TRG (D)) of the pixel group D, and the pixel reset control signal line (RST (RST)) of the pixel group C. C)), a pixel reset control signal line (RST (D)) of the pixel group D, and a pixel read selection control signal line (SEL2).
(a)まず、時間t0に画素グループAの画素リセット制御信号線(RST(A))がONとなり、同時に画素グループAの画素転送制御信号線(TRG(A))がONとなる。これによって画素グループAの画素40のフォトダイオード41の蓄積電荷がリセットされる。
(b)次に、時間t1においてRST(A)及びTRG(A)がOFFとなり、フォトダイオード41への電荷蓄積が開始される。時間t0からt1の間にPTN(a)がONとなり、パターン(a)の投影が開始される。つまり時間t1から画素グループAの画素への露光が開始される。(A) First, the pixel reset control signal line (RST (A)) of the pixel group A is turned ON at time t0, and at the same time, the pixel transfer control signal line (TRG (A)) of the pixel group A is turned ON. As a result, the accumulated charge of the photodiode 41 of the
(B) Next, at time t1, RST (A) and TRG (A) are turned off, and charge accumulation in the photodiode 41 is started. The PTN (a) is turned on between the time t0 and t1, and the projection of the pattern (a) is started. That is, the exposure to the pixels of the pixel group A is started from the time t1.
(c)時間t2に画素グループAの画素転送制御信号線(TRG(A))がONとなる。これによって、画素グループAの画素において、フォトダイオード(PD)41に蓄積された電荷が、フローティング拡散層(FD)42に転送される。つまり、画素グループAの画素40への露光が終了する。時間t1から時間t2までの時間が画素グループAの画素の露光時間である。
それと同時に、画素グループBの画素リセット制御信号線(RST(B))がONとなり、同時に画素グループBの画素転送制御信号線(TRG(B))がONとなる。これによって画素グループBの画素40のフォトダイオード41の蓄積電荷がリセットされる。
(d)次に、時間t3においてRST(B)及びTRG(B)がOFFとなり、フォトダイオード41への電荷蓄積が開始される。時間t2からt3の間にPTN(a)がOFFとなり、パターン(a)の投影が終了する。一方、時間t2からt3の間にPTN(b)がONとなり、パターン(b)の投影が開始される。つまり時間t3から画素グループBの画素への露光が開始される。(C) The pixel transfer control signal line (TRG (A)) of the pixel group A is turned on at time t2. As a result, in the pixels of the pixel group A, the charges accumulated in the photodiode (PD) 41 are transferred to the floating diffusion layer (FD) 42. That is, the exposure of the pixel group A to the
At the same time, the pixel reset control signal line (RST (B)) of the pixel group B is turned ON, and at the same time, the pixel transfer control signal line (TRG (B)) of the pixel group B is turned ON. As a result, the accumulated charge of the photodiode 41 of the
(D) Next, at time t3, RST (B) and TRG (B) are turned off, and charge accumulation in the photodiode 41 is started. The PTN (a) is turned off between the times t2 and t3, and the projection of the pattern (a) is completed. On the other hand, the PTN (b) is turned on between the times t2 and t3, and the projection of the pattern (b) is started. That is, the exposure to the pixels of the pixel group B is started from the time t3.
(e)時間t4に画素グループBの画素転送制御信号線(TRG(B))がONとなる。これによって、画素グループBの画素において、フォトダイオード(PD)41に蓄積された電荷が、フローティング拡散層(FD)42に転送される。つまり、画素グループBの画素40への露光が終了する。時間t3から時間t4までの時間が画素グループBの画素の露光時間である。
それと同時に、画素グループCの画素リセット制御信号線(RST(C))がONとなり、同時に画素グループCの画素転送制御信号線(TRG(C))がONとなる。これによって画素グループCの画素40のフォトダイオード41の蓄積電荷がリセットされる。
(f)次に、時間t5においてRST(C)及びTRG(C)がOFFとなり、フォトダイオード41への電荷蓄積が開始される。時間t4からt5の間にPTN(b)がOFFとなり、パターン(b)の投影が終了する。一方、時間t4からt5の間にPTN(c)がONとなり、パターン(c)の投影が開始される。つまり時間t5から画素グループCの画素への露光が開始される。(E) The pixel transfer control signal line (TRG (B)) of the pixel group B is turned on at time t4. As a result, in the pixels of the pixel group B, the charges accumulated in the photodiode (PD) 41 are transferred to the floating diffusion layer (FD) 42. That is, the exposure of the pixel group B to the
At the same time, the pixel reset control signal line (RST (C)) of the pixel group C is turned ON, and at the same time, the pixel transfer control signal line (TRG (C)) of the pixel group C is turned ON. As a result, the accumulated charge of the photodiode 41 of the
(F) Next, at time t5, RST (C) and TRG (C) are turned off, and charge accumulation in the photodiode 41 is started. During the time t4 to t5, the PTN (b) is turned off and the projection of the pattern (b) is completed. On the other hand, the PTN (c) is turned on during the time t4 to t5, and the projection of the pattern (c) is started. That is, the exposure to the pixels of the pixel group C is started from the time t5.
(g)時間t6に画素グループCの画素転送制御信号線(TRG(C))がONとなる。これによって、画素グループCの画素において、フォトダイオード(PD)41に蓄積された電荷が、フローティング拡散層(FD)42に転送される。つまり、画素グループCの画素40への露光が終了する。時間t5から時間t6までの時間が画素グループCの画素の露光時間である。
それと同時に、画素グループDの画素リセット制御信号線(RST(D))がONとなり、同時に画素グループDの画素転送制御信号線(TRG(D))がONとなる。これによって画素グループDの画素40のフォトダイオード41の蓄積電荷がリセットされる。
(h)次に、時間t7においてRST(D)及びTRG(D)がOFFとなり、フォトダイオード41への電荷蓄積が開始される。時間t6からt7の間にPTN(c)がOFFとなり、パターン(c)の投影が終了する。一方、時間t6からt7の間にPTN(d)がONとなり、パターン(d)の投影が開始される。つまり時間t7から画素グループDの画素への露光が開始される。(G) At time t6, the pixel transfer control signal line (TRG (C)) of the pixel group C is turned on. As a result, in the pixels of the pixel group C, the charges accumulated in the photodiode (PD) 41 are transferred to the floating diffusion layer (FD) 42. That is, the exposure of the pixel group C to the
At the same time, the pixel reset control signal line (RST (D)) of the pixel group D is turned ON, and at the same time, the pixel transfer control signal line (TRG (D)) of the pixel group D is turned ON. As a result, the accumulated charge of the photodiode 41 of the
(H) Next, at time t7, RST (D) and TRG (D) are turned off, and charge accumulation in the photodiode 41 is started. During the time t6 to t7, the PTN (c) is turned off and the projection of the pattern (c) is completed. On the other hand, the PTN (d) is turned on between the times t6 and t7, and the projection of the pattern (d) is started. That is, the exposure to the pixels of the pixel group D is started from the time t7.
(i)時間t8に画素グループDの画素転送制御信号線(TRG(D))がONとなる。これによって、画素グループDの画素において、フォトダイオード(PD)41に蓄積された電荷が、フローティング拡散層(FD)42に転送される。つまり、画素グループDの画素40への露光が終了する。時間t7から時間t8までの時間が画素グループDの画素の露光時間である。なお、時間t8からt9の間にPTN(d)がOFFとなり、パターン(d)の投影が終了する。
(I) At time t8, the pixel transfer control signal line (TRG (D)) of the pixel group D is turned on. As a result, in the pixels of the pixel group D, the charges accumulated in the photodiode (PD) 41 are transferred to the floating diffusion layer (FD) 42. That is, the exposure of the pixel group D to the
(j)時間t9に第1行の画素読み出し選択制御信号線(SEL1)がONとなる。これによって、第1行の各画素グループ(画素グループA及びB)の画素のフローティング拡散層(FD)42に転送されていた電荷に応じた電圧を信号として読み出すことができる。 (J) At time t9, the pixel read selection control signal line (SEL1) of the first line is turned ON. As a result, the voltage corresponding to the electric charge transferred to the floating diffusion layer (FD) 42 of the pixels of each pixel group (pixel groups A and B) in the first row can be read out as a signal.
(k)時間t10に第2行の画素読み出し選択制御信号線(SEL2)がONとなる。これによって、第2行の各画素グループ(画素グループC及びD)の画素のフローティング拡散層(FD)42に転送されていた電荷に応じた電圧を信号として読み出すことができる。
以上によって、画素グループごとに露光開始及び露光終了のタイミングを制御して撮像することができる。(K) At time t10, the pixel read selection control signal line (SEL2) of the second line is turned ON. As a result, the voltage corresponding to the charge transferred to the floating diffusion layer (FD) 42 of the pixels of each pixel group (pixel groups C and D) in the second row can be read out as a signal.
As described above, it is possible to control the timing of the start and end of exposure for each pixel group and take an image.
なお、図5BのPTN(a)〜(d)はそれぞれ4つの投影パターン(a)〜(d)の投影タイミングを表している。この例では、PTN(a)がt0−t1間でONとなり、t2−t3間でOFFとなることで、画素グループAの露光時間とパターン(a)の投影が連動して切り替わる。同様に投影パターン(b)〜(d)の投影も画素グループB〜Dの露光時間と連動して切り替わる。 The PTNs (a) to (d) in FIG. 5B represent the projection timings of the four projection patterns (a) to (d), respectively. In this example, the PTN (a) is turned on between t0 and t1 and turned off between t2-t3, so that the exposure time of the pixel group A and the projection of the pattern (a) are switched in tandem. Similarly, the projections of the projection patterns (b) to (d) are also switched in conjunction with the exposure time of the pixel groups B to D.
<制御部>
図6Aは、図1の撮像システム30の制御部26の機能的構成を示すブロック図である。図6Bは、図6Aの制御部26の物理的構成を示すブロック図である。制御部26によって照明10と撮像素子22とを制御する。制御部26は、例えば、同期制御部27及び/又は形状算出部28を有する。また、制御部26は、電気回路によって物理的な構成として実現してもよいし、コンピュータ上で動作するコンピュータソフトウェアによって実現してもよい。コンピュータで構成される場合には、例えばCPU31、メモリ32、記憶媒体33、入出力部34等のうち必要最小限の機能を備える。<Control unit>
FIG. 6A is a block diagram showing a functional configuration of the
この制御部によって、パターン光と露光する画素とを連動して切替える。さらに、撮像素子に、同じ時間に露光する複数の画素からなる画素グループをパターン光の数だけ設けている場合には、制御部によって、パターン光と露光する画素グループとを連動して切替える。 By this control unit, the pattern light and the pixel to be exposed are switched in conjunction with each other. Further, when the image sensor is provided with as many pixel groups as the number of pattern lights to be exposed at the same time, the control unit switches between the pattern lights and the pixel groups to be exposed in conjunction with each other.
<同期制御部>
同期制御部27によってパターン光の切替えタイミングと画素グループの露光開始又は露光終了の少なくとも一方のタイミングとの同期を制御する。同期制御部27は、電気的機構によって同期を制御してもよく、あるいはコンピュータプログラムによって同期を制御してもよい。後者の場合には、同期制御部27は、コンピュータプログラムによって構成してもよい。<Synchronous control unit>
The
<形状算出部>
形状算出部28によって画素グループごとに取得した複数の画像を基に対象物の3次元形状を算出する。形状算出部28は、コンピュータプログラムによって実現できる。例えば、画素グループごとに取得した複数の格子画像を基に、位相シフト法、フーリエ変換格子法等によって画素毎の位相を演算し、この位相及び撮像素子と光源との位置関係を基に三角測量の原理で対象物の3次元形状を算出できる。例えば、特開2012−150018号公報に記載の位相シフト法によれば、光源の点灯制御によって高速に投影パターンを切替えることができるため、本発明をより好適に用いることができる。
形状算出部28は、同じ画素ユニットに属する画素が実質的に同じ座標の画素(対象物の同じ場所を見ているもの)と考えて、1つの画素ユニット内の画素A、B、C、Dの輝度変化から当該画素ユニットに対応する位相を算出してもよい。また、同じ画素グループに属する画素を集合させて画素グループごとの画像をそれぞれ作成して保存しておき、保存した複数の画像から同じ座標の画素を参照して処理する方法も可能である。<Shape calculation unit>
The three-dimensional shape of the object is calculated based on a plurality of images acquired for each pixel group by the
The
(実施の形態2)
図7は、4つの投影パターンの切替と同期して画素グループごとに露光開始及び露光終了するタイミングを示すタイミングチャートである。図7の(a)は、同期信号を示し、(b)は投影パターンを示し、(c)〜(f)は、画素グループA〜Dの露光期間を示している。図8は、実施の形態2に係る撮像方法のフローチャートである。
(1)対象物に複数の異なるパターン光を切替えて投影する(S01)。
(2)パターン光が投影された対象物を複数の画素からなる画素グループをパターン光の数だけ有する撮像素子でパターン光の切替と同期させて画素グループごとに露光して撮像する(S02)。このパターン光の切替と画素グループごとの露光との同期について説明する。
(a)まず、投影パターンAの投影開始について同期信号が立ち上がり(図7(a))、投影パターンAの投影が行われる(図7(b))。これに伴って、画素グループAについて撮像が開始される(図7(c))。
(b)次に、投影パターンBの投影開始について同期信号が立ち上がり(図7(a))、投影パターンAに代えて投影パターンBの投影が行われる(図7(b))。これに伴って、画素グループBについて撮像が開始される(図7(d))。
(c)次に、投影パターンCの投影開始について同期信号が立ち上がり(図7(a))、投影パターンBに代えて投影パターンCの投影が行われる(図7(b))。これに伴って、画素グループCについて撮像が開始される(図7(e))。
(d)次に、投影パターンDの投影開始について同期信号が立ち上がり(図7(a))、投影パターンCに代えて投影パターンDの投影が行われる(図7(b))。これに伴って、画素グループDについて撮像が開始される(図7(f))。
以上によって、対象物に複数の異なるパターン光を切替えて投影し、パターン光の切替と同期させて画素グループごとに露光して撮像することができる。(Embodiment 2)
FIG. 7 is a timing chart showing the timing of exposure start and exposure end for each pixel group in synchronization with the switching of the four projection patterns. FIG. 7A shows a synchronization signal, FIG. 7B shows a projection pattern, and FIGS. 7C to 7F show exposure periods of pixel groups A to D. FIG. 8 is a flowchart of the imaging method according to the second embodiment.
(1) A plurality of different pattern lights are switched and projected onto the object (S01).
(2) An object on which pattern light is projected is exposed and imaged for each pixel group in synchronization with switching of pattern light by an image sensor having a pixel group composed of a plurality of pixels as many as the number of pattern lights (S02). The synchronization between the switching of the pattern light and the exposure for each pixel group will be described.
(A) First, a synchronization signal rises with respect to the start of projection of the projection pattern A (FIG. 7 (a)), and the projection pattern A is projected (FIG. 7 (b)). Along with this, imaging of the pixel group A is started (FIG. 7 (c)).
(B) Next, a synchronization signal rises with respect to the start of projection of the projection pattern B (FIG. 7 (a)), and the projection pattern B is projected instead of the projection pattern A (FIG. 7 (b)). Along with this, imaging of the pixel group B is started (FIG. 7 (d)).
(C) Next, a synchronization signal rises with respect to the start of projection of the projection pattern C (FIG. 7 (a)), and the projection pattern C is projected instead of the projection pattern B (FIG. 7 (b)). Along with this, imaging of the pixel group C is started (FIG. 7 (e)).
(D) Next, a synchronization signal rises with respect to the start of projection of the projection pattern D (FIG. 7 (a)), and the projection pattern D is projected instead of the projection pattern C (FIG. 7 (b)). Along with this, imaging of the pixel group D is started (FIG. 7 (f)).
As described above, a plurality of different pattern lights can be switched and projected onto the object, and the pixel group can be exposed and imaged in synchronization with the switching of the pattern lights.
(実施の形態3)
図9は、実施の形態3に係る撮像方法のフローチャートである。
(1)対象物2に複数の位相をシフトしながら異なる位相を有する格子パターン4を切替えて投影する(S11)。
(2)格子パターン4が投影された対象物2を複数の画素からなる画素グループを位相シフトの数だけ有する撮像素子22で格子パターン4の切替と同期させて画素グループごとに露光して撮像する(S12)。なお、パターン光の切替と画素グループごとの露光との同期については実施の形態2の撮像方法と同様であるので説明を省略する。
(3)画素グループごとに取得した複数の画像を基に対象物の3次元形状を算出する(S13)。
以上によって対象物の3次元形状を算出できる。(Embodiment 3)
FIG. 9 is a flowchart of the imaging method according to the third embodiment.
(1) A grid pattern 4 having different phases is switched and projected onto the object 2 while shifting a plurality of phases (S11).
(2) The object 2 on which the grid pattern 4 is projected is exposed and imaged for each pixel group in synchronization with the switching of the grid pattern 4 by the
(3) The three-dimensional shape of the object is calculated based on the plurality of images acquired for each pixel group (S13).
From the above, the three-dimensional shape of the object can be calculated.
なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び/又は実施例のうちの任意の実施の形態及び/又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び/又は実施例が有する効果を奏することができる。 It should be noted that the present disclosure includes appropriately combining any of the various embodiments and / or examples described above, and the respective embodiments and / or embodiments. The effects of the examples can be achieved.
また、本発明は、位相シフト法やフーリエ変換格子法以外にも、複数のパターン光を切り替えて投影する種々の3次元計測手法に適用可能である。例えば、空間にコード化された複数の光パターンを投影し、三角測量の原理で対象物までの距離を求める空間コード化パターン法等に適用できる。 Further, the present invention can be applied to various three-dimensional measurement methods for switching and projecting a plurality of pattern lights in addition to the phase shift method and the Fourier transform lattice method. For example, it can be applied to a space-coded pattern method in which a plurality of coded light patterns are projected onto a space and the distance to an object is obtained by the principle of triangulation.
本発明に係る撮像システム、撮像方法及び撮像素子によれば、複数の異なるパターン光を切替えて高速に撮像できる。 According to the image pickup system, the image pickup method, and the image pickup device according to the present invention, a plurality of different pattern lights can be switched and imaged at high speed.
1 パターン光投影
2 対象物
4 格子パターン
6 撮像
10 照明
12 スイッチング光源
14 格子
20 カメラ
21 レンズ
22 撮像素子(イメージセンサ)
24 撮像制御回路
26 制御部
27 同期制御部
28 形状算出部
30 撮像システム
31 CPU
32 メモリ
33 記憶媒体
34 入出力部
35 表示部
36 一処理単位
38 画素グループ
40 画素
41 フォトダイオード
42 フローティング拡散層
43a、43b、43c、43d MOS−FET(M1、M2、M3、M4)
44、45 画素転送制御信号線(TRG)
46 画素読み出し選択制御信号線(SEL)
47 垂直信号線(VSL)
48 画素リセット制御信号線(RST)
50 撮像素子
52 垂直走査制御回路
54 ノイズ除去回路
56 水平転送制御回路1 Pattern light projection 2 Object 4
24
32
44, 45 pixel transfer control signal line (TRG)
46 pixel read selection control signal line (SEL)
47 Vertical signal line (VSL)
48-pixel reset control signal line (RST)
50
Claims (12)
前記パターン光が投影された前記対象物を撮像可能な撮像素子と、
前記照明と前記撮像素子とを制御する制御部と、
を備え、
前記撮像素子は、画素ごとに異なる時間で露光可能であって、
前記制御部は、前記パターン光と露光する画素とを連動して切替える、撮像システム。Lighting that can switch and project multiple different patterns of light on an object,
An image sensor capable of imaging the object on which the pattern light is projected,
A control unit that controls the illumination and the image sensor,
With
The image sensor can be exposed at different times for each pixel.
The control unit is an imaging system that switches between the pattern light and the pixels to be exposed in conjunction with each other.
前記制御部は、前記パターン光と露光する前記画素グループとを連動して切替える、請求項1に記載の撮像システム。The image sensor is provided with as many pixel groups as the number of pattern lights, which are composed of a plurality of pixels to be exposed at the same time.
The imaging system according to claim 1, wherein the control unit interlocks and switches between the pattern light and the pixel group to be exposed.
請求項2から5のいずれか一項に記載の撮像システム。The control unit further includes a shape calculation unit that calculates a three-dimensional shape of the object based on a plurality of images acquired for each pixel group.
The imaging system according to any one of claims 2 to 5.
前記パターン光が投影された対象物を複数の画素からなる画素グループを前記パターン光の数だけ有する撮像素子で前記パターン光の切替えと同期させて前記画素グループごとに露光して撮像するステップと、
を含む、撮像方法。The step of switching and projecting multiple different patterns of light on an object,
A step of exposing and imaging each pixel group in synchronization with the switching of the pattern light by an image sensor having a pixel group consisting of a plurality of pixels of the object on which the pattern light is projected as many as the pattern light.
Imaging methods, including.
前記画素グループごとに、
各画素の露光開始又は露光終了の少なくとも一方のタイミングを制御する共通の画素転送制御信号線と、
各画素に蓄積された信号電荷をリセットする共通の画素リセット制御信号線と、
を備え、
前記画素グループごとに露光時間を制御可能な、撮像素子。It has multiple pixel groups consisting of multiple pixels,
For each pixel group
A common pixel transfer control signal line that controls at least one timing of exposure start or exposure end of each pixel,
A common pixel reset control signal line that resets the signal charge accumulated in each pixel,
With
An image sensor capable of controlling the exposure time for each pixel group.
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