(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の方向に移動する物品を撮影する撮像素子と、
前記撮像素子が設けられるアクチュエータと、
前記撮像素子が出力する信号から画像情報を生成する信号処理装置と、
前記撮像素子と前記物品との間に介在して前記撮像素子に前記物品のイメージを結像する光学系と、
前記アクチュエータに設けられ、前記撮像素子を前記物品の移動方向と逆方向に駆動する圧電素子と、
前記信号処理装置と前記圧電素子に接続され、前記信号処理装置から得られる画像情報に基づいて、前記撮像素子に結像される前記物品のイメージの移動速度を算出することで、前記撮像素子が前記物品のイメージの移動に追従するように、前記圧電素子に印加する電圧をＰＷＭ制御にて制御することにより、前記アクチュエータを駆動制御するアクチュエータ制御装置と
を具備する撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関する。より詳細には、ベルトコンベア等の移動手段によって移動する対象物の静止画を撮影する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像素子の高性能化と画像処理技術の進歩により、画像認識機能を備える産業用途の撮像装置が普及している。撮像装置は、ベルトコンベアやロボットアーム等によって移動する物品を撮影する。撮像装置に接続される情報処理装置は、撮像装置が出力する静止画像データを処理することで、物品の良否等を判定する。そして、物品の処理設備は、その判定結果に応じて所定の処理を行う。こうすることで、撮像装置は生産設備の歩留まりを向上させる等の効果を奏する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１６１０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
撮影のためにベルトコンベアを一時停止する処理を加えると、歩留まりに大きく影響するので、産業用途の撮像装置は、基本的にはベルトコンベアを止めることなく、ベルトコンベアによって移動する物品を撮影する。当然、ベルトコンベアの移送速度が速いと、撮影画像にブレが生じる。このため、従来の撮像装置は、高感度の撮像素子と、Ｆ値が小さい（明るい）レンズと、大光量のエレクトロニックフラッシュ（ストロボ）を用いている。それ故、産業用途の撮像装置は高価である。
【０００５】
静止画像のブレを減少させる技術としては、例えば特許文献１に開示されるような、画像処理ソフトウェアによる手ブレ補正技術が周知である。しかし、この画像補正技術を実施するプログラムの処理は複雑であるので、実装は容易ではない。
【０００６】
本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであり、簡素なソフトウェア及びハードウェアを用いて、低感度の撮像素子、暗いレンズ、少光量のエレクトロニックフラッシュあるいはエレクトロニックフラッシュなしでも十分に高解像度にて移動体の撮影が可能な撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、所定の方向に移動する物品を撮影する撮像素子と、撮像素子が設けられるアクチュエータと、撮像素子が出力する信号から画像情報を生成する信号処理装置と、撮像素子と物品との間に介在して撮像素子に物品のイメージを結像する光学系とを具備する。更に、アクチュエータに設けられ、撮像素子を物品の移動方向と逆方向に駆動する圧電素子と、信号処理装置と圧電素子に接続され、信号処理装置から得られる画像情報に基づいて、撮像素子に結像される物品のイメージの移動速度を算出することで、撮像素子が物品のイメージの移動に追従するように、圧電素子に印加する電圧をＰＷＭ制御にて制御することにより、アクチュエータを駆動制御するアクチュエータ制御装置とを具備する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、低感度の撮像素子、暗いレンズ、少光量のエレクトロニックフラッシュあるいはエレクトロニックフラッシュなしでも十分に高解像度にて移動体の撮影が可能な撮像装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る撮像装置を含む、産業ラインの概略図である。
【図２】カメラモジュールの分解斜視図である。
【図３】アクチュエータの正面図である。
【図４】アクチュエータ制御装置のハードウェア構成を示すブロック図と、信号処理装置とアクチュエータ制御装置の機能を示すブロック図である。
【図５】駆動制御部のブロック図である。
【図６】ＰＷＭ制御パルスの一例を示すタイムチャートと、リセットパルスの一例を示すタイムチャートと、圧電素子の駆動電圧の一例を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本実施形態に係る撮像装置を含む、産業ライン１０１の概略図である。
ベルトコンベア１０２はモータ１０３によって一定速度で駆動されている。ベルトコンベア１０２には所定の物品１０４が置かれている。この物品１０４は、製造途中であったり、製造後の検査の途中のものである。
ベルトコンベア１０２の近傍には、物品１０４を撮影するための撮像装置１０５が設置されている。撮像装置１０５は、カメラモジュール１０６と、信号処理装置１０７と、アクチュエータ制御装置１０８よりなる。
【００１１】
カメラモジュール１０６は、ベルトコンベア１０２の近傍に固定されている図示しない土台に設けられて、固定されている。カメラモジュール１０６は、アクチュエータ１０９と、複数のレンズを含む光学系１１０と、アクチュエータ１０９に固定されたセンサ基板１１１を有する。センサ基板１１１には撮像素子１１２が設けられている。光学系１１０は撮像素子１１２にベルトコンベア１０２上の物品１０４のイメージを結像させる。その際、周知のようにイメージは上下左右が反転される。アクチュエータ１０９には圧電素子１１３が設けられており、圧電素子１１３に所定の電圧を印加することで、アクチュエータ１０９はセンサ基板１１１上の撮像素子１１２を駆動させる。駆動方向は、撮像素子１１２に結像されるイメージの移動方向である、ベルトコンベア１０２上の物品１０４の移動方向（矢印Ｖ１１４）の逆（矢印Ｖ１１５）である。
【００１２】
撮像素子１１２には、信号処理装置１０７が接続されている。信号処理装置１０７は撮像素子１１２の出力信号を受けて、静止画データを生成する。信号処理装置１０７が生成する静止画データは、画像認識装置等の、所定の静止画像情報処理装置１１６へ出力される。また、静止画データはアクチュエータ制御装置１０８にも供給される。
【００１３】
アクチュエータ制御装置１０８は、外部トリガ入力端子１１８から、ベルトコンベア１０２の制御装置等から生成される外部のトリガ信号を受けて、圧電素子１１３に電圧を印加して、圧電素子１１３を通じてアクチュエータ１０９上の撮像素子１１２を所定の速度にて駆動制御する装置である。すなわち、ベルトコンベア１０２によって移動する物品１０４の移動速度に応じて、撮像素子１１２を微小駆動させることで、撮像素子１１２に投影される物品１０４の映像を固定化し、ブレを防ぐ。また必要に応じて、外部トリガ入力端子１１８から得られる外部のトリガ信号によってストロボを光らせる。本実施形態では、一例として白色ＬＥＤを用いたＬＥＤストロボ１１７を発光制御する。なお、ベルトコンベア１０２の移動速度や撮像素子１１２が設置されている環境の明るさによっては、必ずしもストロボは必要ではない。外部のトリガ信号は静止画像の撮影タイミング信号とほぼ同じであり、静止画像情報処理装置１１６にも供給される。
【００１４】
圧電素子１１３は、駆動するためには高電圧をかける必要がある。その一方で、圧電素子１１３は電圧に比例して変位し、この変位に伴って圧電素子１１３には大きな力が生じる。このため圧電素子１１３は、撮像素子１１２を迅速に、かつ微小に移動させるために最適な駆動手段である。
【００１５】
図２は、カメラモジュール１０６の分解斜視図である。
図３は、アクチュエータ１０９の正面図である。
光学系１１０はフロントパネル２０１を通じて、アクチュエータ１０９の周縁の固定部分１０９ａに固定される。センサ基板１１１は、アクチュエータ１０９の中心にある可動部分１０９ｂに固定される。可動部分１０９ｂと固定部分１０９ａの間には圧電素子１１３が挿入されており、この圧電素子１１３に電圧を印加すると、圧電素子１１３が膨張する。そして、圧電素子１１３の力によって可動部分１０９ｂが動く。
【００１６】
図４Ａは、アクチュエータ制御装置１０８のハードウェア構成を示すブロック図である。
図４Ｂは、信号処理装置１０７とアクチュエータ制御装置１０８の機能を示すブロック図である。
図４Ａに示すように、アクチュエータ制御装置１０８は周知のマイコンよりなる。ＣＰＵ３０１、ＲＯＭ３０２及びＲＡＭ３０３が、バス３０４に接続されている。バス３０４には更に、画像インターフェース３０５（図４Ａ中「画像Ｉ／Ｆ」と表記）と、第一インターフェース３０６（図４Ａ中「第一Ｉ／Ｆ」と表記）と、第二インターフェース３０７（図４Ａ中「第二Ｉ／Ｆ」と表記）が接続されている。
画像インターフェース３０５は、信号処理装置１０７から静止画像データを受け入れる。
第一インターフェース３０６は、外部のトリガ信号が入力されるシリアルインターフェースである。
第二インターフェース３０７は、スイッチ回路３０８を制御するシリアルインターフェースである。スイッチ回路３０８は、後述するＭＯＳＦＥＴを含む回路であり、スイッチング電源３０９が出力する高電圧を基に、ＰＷＭ制御にて任意の電圧を圧電素子１１３へ出力する。
【００１７】
図４Ｂのブロック図を参照して、信号処理装置１０７とアクチュエータ制御装置１０８の機能を説明する。
信号処理装置１０７は、ドライバ３１１と、Ａ／Ｄ変換器３１２（図４Ｂ中「Ａ／Ｄ」と表記）よりなる。
ドライバ３１１は撮像素子１１２の信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換器３１２は撮像素子１１２のアナログ信号をデジタルデータに変換する。
信号処理装置１０７は撮像素子１１２の出力信号を受けて、静止画データを生成する。信号処理装置１０７が生成する静止画データは、画像認識装置等の、所定の静止画像情報処理装置１１６へ出力される。
【００１８】
周知のマイコンを有するアクチュエータ制御装置１０８は、物品速度算出部３１３、駆動制御部３１４、スイッチング電源３０９、そして平滑コンデンサＣ３１５よりなる。
物品速度算出部３１３は、信号処理装置１０７から連続的に出力される静止画像データに基づき、撮像素子１１２に映るベルトコンベア１０２上の物品１０４のイメージの速度を算出し、イメージの速度情報を出力する。
駆動制御部３１４は、外部のトリガ信号と物品１０４のイメージの速度情報に基づき、スイッチング電源３０９が生成する高電圧をＰＷＭ制御にて電圧制御して、圧電素子１１３を駆動する電圧を出力する。駆動制御部３１４が出力する電圧は平滑コンデンサＣ３１５によって平滑されて、圧電素子１１３に印加される。
【００１９】
なお、物品速度算出部３１３は、物品１０４の移動速度ではなく、撮像素子１１２に映った物品１０４のイメージの移動速度を算出する。例えば、連続する複数のフレームに映る物品１０４のイメージを撮像素子１１２から取得して、撮像素子１１２のピクセル単位におけるイメージのずれ量とフレーム間時間から、イメージの移動速度を算出する。そしてアクチュエータ制御装置１０８は、撮像素子１１２がそのイメージの移動速度に追従するように、圧電素子１１３を駆動する。
【００２０】
本実施形態の撮像装置１０５は、物品１０４が一定速度にて駆動されることを想定している。このため、アクチュエータ制御装置１０８は、圧電素子１１３を、イメージの移動に合わせて一定速度にて駆動する。
【００２１】
図５は、駆動制御部３１４のブロック図である。
ＰＷＭ制御部５０１は、トリガパルスと物品１０４の速度情報を受けて、ＰＷＭ制御パルスとリセットパルスを出力する。
ＰＷＭ制御パルスは、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ５０２（以下「ＰＭＯＳＦＥＴ」と略）のゲートに印加される。ソースがスイッチング電源３０９に接続されるＰＭＯＳＦＥＴ５０２は、スイッチング電源３０９に対するハイサイドスイッチとして機能する。
リセットパルスは、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ５０３（以下「ＮＭＯＳＦＥＴ」と略）のゲートに印加される。ＮＭＯＳＦＥＴ５０３のドレインは、電流制限抵抗Ｒ５０４に接続されている。電流制限抵抗Ｒ５０４の他方の端子は、ＰＭＯＳＦＥＴ５０２のドレインに接続されている。ＮＭＯＳＦＥＴ５０３は、平滑コンデンサＣ３１５及び圧電素子１１３に対するローサイドスイッチとして機能する。
なお、駆動制御部３１４におけるＮＭＯＳＦＥＴ５０３及びＰＭＯＳＦＥＴ５０２は一般的な使用例であるが、必ずしもこれに限られない。例えば、ＮＭＯＳＦＥＴにスイッチング電源３０９が出力する電圧より高いゲート電圧を印加することで、スイッチング電源３０９のオン・オフを制御させてもよい。
【００２２】
図４Ａに示した、アクチュエータ制御装置１０８のハードウェア構成を示すブロック図のうち、スイッチ回路３０８とスイッチング電源３０９を除く、ＣＰＵ３０１、ＲＯＭ３０２、ＲＡＭ３０３、バス３０４、画像インターフェース３０５、第一インターフェース３０６及び第二インターフェース３０７は、図４Ｂの物品速度算出部３１３と図５のＰＷＭ制御部５０１を構成する。すなわち、物品速度算出部３１３とＰＷＭ制御部５０１は、マイコンが実行するプログラムによって実現される機能である。
図４Ａのスイッチ回路３０８は、図５のＰＭＯＳＦＥＴ５０２、ＮＭＯＳＦＥＴ５０３及び電流制限抵抗Ｒ５０４に対応する。
【００２３】
図６Ａは、ＰＷＭ制御パルスの一例を示すタイムチャートである。
図６Ｂは、リセットパルスの一例を示すタイムチャートである。
図６Ｃは、圧電素子１１３の駆動電圧の一例を示す波形図である。
図６Ａに示すように、ＰＷＭ制御部５０１は、時点ｔ０から、最初はデューティ比を小さくしたＰＷＭ制御パルスを出力し、徐々にデューティ比を大きくする。すると、図６Ｃに示すように、平滑コンデンサＣ３１５によって平滑された電圧は三角形状の、リニアに電圧が上昇する波形になる。
そして、時点ｔ１にて、図６Ａに示すようにＰＷＭ制御パルスの出力を停止すると共に、図６Ｂに示すようにリセットパルスを出力する。すると、平滑コンデンサＣ３１５と圧電素子１１３に蓄積されていた電荷が、電流制限抵抗Ｒ５０４とＮＭＯＳＦＥＴ５０３を通じて接地ノードへ放電される。
【００２４】
ＰＷＭ制御部５０１は、時点ｔ０から時点ｔ１に至るまでの時間を、物品１０４の速度情報に基づいて制御することで、撮像素子１１２を、物品１０４のイメージに追従させる。撮像素子１１２が物品１０４を撮影するに必要な露出時間は、例えば一般的な電子スチルカメラの標準的なシャッタータイムである６０分の１秒である。このため、撮像素子１１２を物品１０４のイメージに追従させるために必要な移動距離は、例えば数〜百数十μｍ程度の極小な距離で済む。
【００２５】
一例として、圧電素子１１３には、最大１４０Ｖ程度の電圧を印加して、撮像素子１１２を最大１５０μｍ程度まで駆動させる。ベルトコンベア１０２上の物品１０４の移動速度に同期して撮像素子１１２を駆動させることで、撮像素子１１２の露出時間（又は露光時間）を増やすことができる。
例えば、一般的な電子スチルカメラの標準的なシャッタータイムである６０分の１秒や３０分の１秒でブレのない撮影ができれば、撮像装置１０５のＩＳＯ感度を１００或は２００程度に設定できる。つまり、民生向けの低価格な撮像素子や光学系を採用できる。また、撮影される静止画像が十分明るければ、ＬＥＤストロボ１１７を用いず、ベルトコンベア１０２上を移動する物品１０４の近傍に蛍光灯等を設けることで、撮影に十分な照度を確保できるだろう。更に、従来の装置と同等の性能の光学系や撮像素子を使用した場合、撮影の際に得られる光量が増えるので、従来より光学系の絞りを絞ることができる。すなわち、撮像装置１０５の被写界深度が増大するので、静止画像がより鮮明になる。
【００２６】
平滑コンデンサＣ３１５と圧電素子１１３に蓄積されていた電荷が完全に放電される時間は、平滑コンデンサＣ３１５と圧電素子１１３の合成容量と電流制限抵抗Ｒ５０４によって形成される時定数によって決まる。平滑コンデンサＣ３１５は高電圧に耐えられる必要がある反面、０．０２７μＦ程度の小さな静電容量で十分な平滑性能を満たす。また、圧電素子１１３の静電容量は数ＰＦ程度の極めて小さい静電容量である。したがって、電流制限抵抗Ｒ５０４の抵抗値は１ＭΩ程度のカーボン抵抗であっても、流れる電流が小さいので十分事足りる。
【００２７】
本実施形態の撮像装置１０５は、民生用デジタルスチルカメラに採用されている電子的手ブレ補正技術とは異なり、撮像素子１１２を機械的に駆動することで、被写体（物品１０４）と撮像素子１１２との相対的な位置関係のズレにより生じるブレを低減させる。この、撮像装置１０５の仕組みは、撮影対象となる物品１０４の移動方向が常に一定であることを利用したものである。また撮像装置１０５は、物品１０４の移動速度を撮像素子１１２や外部から得て、イメージの移動速度を算出して、このイメージの移動速度に追従するように撮像素子１１２を駆動する。このため、撮像装置１０５はベルトコンベア１０２の速度が変動しても追従できる。したがって、電子的手ブレ補正技術とは異なり、実装が極めて容易である。マイコンのソフトウェアは、安価なワンチップマイコンに、物品１０４の移動速度の検出、物品１０４の存在の検出、そしてＰＷＭ駆動制御のプログラムをインストールして、実行すればよい。
【００２８】
本実施形態は、以下の様な応用例が可能である。
（１）物品１０４の移動速度の検出を精緻に行うために、例えば、ベルトコンベア１０２側にフォトインタラプタよりなる速度センサを設けて、物品１０４の移動速度情報を図４Ｂの移動速度情報入力端子４０１に与えてもよい。この場合、フォトインタラプタは物品１０４の移動速度を直接的に検出するので、物品速度算出部３１３はこれをイメージの移動速度（撮像素子１１２の移動速度に等しい）に変換する必要が生じる。あるいは、ベルトコンベア１０２を駆動するモータ１０３の回転速度から、ベルトコンベア１０２におけるベルトの移送速度、すなわち物品１０４の移動速度を算出して、移動速度情報入力端子４０１に与えてもよい。モータ１０３の回転速度を検出する手段は、ブラシレスモータに内蔵されるセンサを利用する他、タコジェネレータ等、様々な周知技術が利用可能である。この場合、モータ１０３の回転速度をベルトコンベア１０２の移動速度に変換し、更にイメージの移動速度に変換するか、あるいはモータ１０３の回転速度を直接的にイメージの移動速度に変換する必要が生じる。
【００２９】
（２）アクチュエータ制御装置１０８における、駆動制御部３１４の構成は、必ずしもＰＷＭ制御部５０１によるＰＷＭ制御に限られない。ＰＷＭと類似する波形を出力するΔΣ（デルタシグマ）変調による制御を行ってもよい。また、異なる電圧を出力する複数の電圧源を並列に並べ、スイッチで切り替えてもよい。
【００３０】
（３）図１では、物品１０４を移送する手段としてベルトコンベア１０２を例示したが、物品１０４を移送する手段はベルトコンベアに限られない。例えばロボットアーム等も対象である。往復運動や一時停止動作を伴うロボットアームの場合、アームの可動領域には、加速領域、定速領域、減速領域が存在するので、撮像装置１０５は定速領域内で撮影することが好ましい。
【００３１】
（４）本実施形態の撮像装置１０５が適用されるシーンは、産業ライン１０１のみに限られない。道路に設置され、自動車のナンバープレートを自動で読み取る自動車ナンバー自動読取装置にも応用が可能である。自動車ナンバー自動読取装置には、高感度の赤外線カメラと、強力な赤外線ストロボが用いられている。自動車の速度に追従して撮像装置１０５が駆動されることで、低感度の赤外線カメラや弱い赤外線ストロボを採用しても、ブレの少ない鮮明なナンバープレート画像を得ることができる。自動車ナンバー自動読取装置の低価格化は、社会の安全に大きく貢献できるであろう。
【００３２】
本実施形態では、撮像装置１０５を開示した。
ベルトコンベア１０２上の物品１０４の移動方向の逆方向に、アクチュエータ１０９上の撮像素子１１２を圧電素子１１３にて駆動する。撮像素子１１２上に結像される物品１０４のイメージのブレを物理的に除去することで、低感度の撮像素子１１２や、Ｆ値の大きい光学系１１０等、低価格な撮像部品を用いて、高解像度の静止画像を得ることができる。
【００３３】
以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
【符号の説明】
【００３４】
１０１…産業ライン、１０２…ベルトコンベア、１０３…モータ、１０４…物品、１０５…撮像装置、１０６…カメラモジュール、１０７…信号処理装置、１０８…アクチュエータ制御装置、１０９…アクチュエータ、１０９ａ…固定部分、１０９ｂ…可動部分、１１０…光学系、１１１…センサ基板、１１２…撮像素子、１１３…圧電素子、１１６…静止画像情報処理装置、１１７…ＬＥＤストロボ、２０１…フロントパネル、３０１…ＣＰＵ、３０２…ＲＯＭ、３０３…ＲＡＭ、３０４…バス、３０５…画像インターフェース、３０６…第一インターフェース、３０７…第二インターフェース、３０８…スイッチ回路、３０９…スイッチング電源、３１１…ドライバ、３１２…Ａ／Ｄ変換器、３１３…フレームメモリ、３１３…物品速度算出部、３１４…駆動制御部、Ｃ３１５…平滑コンデンサ、４０１…移動速度情報入力端子、５０１…ＰＷＭ制御部、５０２…ＰＭＯＳＦＥＴ、５０３…ＮＭＯＳＦＥＴ、Ｒ５０４…電流制限抵抗
【要約】
【課題】低感度の撮像素子、暗いレンズ、少光量のエレクトロニックフラッシュあるいはエレクトロニックフラッシュなしでも十分に高解像度にて移動体の撮影が可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】ベルトコンベア１０２上の物品１０４の移動速度に追従すべく、物品１０４の移動方向の逆方向に、アクチュエータ１０９上の撮像素子１１２を圧電素子１１３にて駆動する。撮像素子１１２上に結像される物品１０４のイメージのブレを物理的に除去することで、低感度の撮像素子１１２や、Ｆ値の大きい光学系１１０等の撮像部品を用いて、高解像度の静止画像を得ることができる。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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