(57)【要約】【課題】出力値を補正する方法や電磁シールド部材で電磁ノイズを遮蔽する方法によることなく、撮像手段の受ける電磁ノイズを抑制する。【解決手段】投影撮像装置１ａは、光源デバイス１１２を有し投影パターンを被写体Ｏに投影する投影手段１１と、光源デバイス１１２を発光させる電気を蓄電する蓄電手段１４と、蓄電手段１４に蓄電するスイッチング電源１２と、蓄電手段１４を放電させるスイッチ回路手段１２２と、被写体Ｏからの反射光を受光して撮像する撮像手段１３とを有し、撮像手段１３が撮像を実行するよりも前にスイッチング電源１２が蓄電手段１４を蓄電し、撮像手段１３が撮像を実行する間には、スイッチング電源１２はスイッチング動作を停止し、光源デバイス１１２は蓄電手段１４に蓄電された電気によって発光する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源デバイスを有し、投影パターンを被写体に投影する投影手段と、
前記光源デバイスを発光させる電気を蓄電する蓄電手段と、
前記蓄電手段に蓄電するスイッチング電源と、
前記蓄電手段を放電させるスイッチ回路手段と、
被写体からの反射光を受光して撮像する撮像手段とを有し、
前記撮像手段が撮像を実行するよりも前に前記スイッチング電源が前記蓄電手段を蓄電し、前記撮像手段が撮像を実行する間には、前記スイッチング電源はスイッチング動作を停止し、前記光源デバイスは前記蓄電手段に蓄電された電気によって発光することを特徴とする投影撮像装置。
【請求項２】
前記蓄電手段が放電する際に電流値を制御する電流値制御手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載の投影撮像装置。
【請求項３】
前記スイッチ回路手段は、前記光源デバイスに流す電流を平滑化することを特徴とする請求項１または２に記載の投影撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源デバイスと投光パターン発生手段とを有し、被写体（撮像対象）に照射した投影光の反射光を半導体センサーで撮像する投影撮像装置に関する。特に、本発明は、投影光源を発光させるためのスイッチング電源から放射されるスイッチングノイズが撮像データに混入して信号対ノイズ比が劣化することを防止できる投影撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工場の生産ラインにおいては、ロボットによる自動組み立てを行うことが一般的になってきている。自動組み立てを行うためには、各種部品の形状認識が必要となる。形状認識としては、コンピュータを用いた３次元計測が有力な方法として用いられている。たとえば、計測用の空間コード化パターン法やＳＧ法による投影パターンを計測対象に投影し、半導体センサーで撮像してコンピュータに取り込んだ撮像データを画像処理して計測値から形状情報を得るようにした方法が実用化されている。
このような計測のための撮像においては、半導体センサーのダイナミックレンジを大きくすることは極めて重要である。特に、特に半導体センサーの出力値が小さくなる暗所の撮像において、信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を高めることは必須である。
半導体センサーは、複数の画素が行列状に配列される画素領域を有する。各画素は、入射光を電荷に変換する変換素子と、変換された電荷を蓄積する電荷蓄積素子と、制御信号に応答して電気信号を出力するためのスイッチ素子とを有する。電荷の蓄積中に外部からの電磁ノイズが混入すると、本来の信号源である入射光が変換された電荷による電気信号成分とノイズ成分との比率であるＳ／Ｎ比が低下する。そこで、このＳ／Ｎ比低下の対策として、ノイズの混入を減らす試みやノイズ補正がなされている。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、撮像データのラインノイズ（画像データに生じる横スジ状アーチファクト）を補正により除去する構成が開示されている。特許文献１の放射線撮像装置のセンサーアレイには、電磁ノイズなどに起因するノイズ成分電圧を検知して保持する容量素子が画素領域外に設けられる。そして、特許文献１の放射線撮像装置は、画素データとして読み出されたノイズ成分を含んだ信号電圧から、前記の容量素子からのノイズ成分電圧を減算処理することによって、ノイズ成分の補正を行う。
また、特許文献２には、入出力される電気ノイズを低減して良好な撮像画像を得るための構成が開示されている。特許文献２に記載の構成は、入射光を電気信号に変換する素子本体部の受光部側を透光性導電部材で覆うものである。これにより、入出力電気ノイズのシールドを行い、低減化を図る。
また、特許文献３に記載の構成は、ボンディングワイヤーを、受光素子に入射する光を遮らないように電磁波を吸収する電磁波吸収部材で覆うものである。これにより、固体撮像装置を大型化することなく、電磁シールドしてＳ／Ｎ比低下を防止しようとする。
【０００４】
しかしながら、前述した特許文献１の先行技術は、ノイズ電圧成分のレベルを検出し、検出したノイズ電圧成分を、画素領域全面に対して一様の補正値として適用する。このような構成であると、全ての画素に入り込むノイズ成分が一様でない場合には、精度の高い補正が難しい。
また特許文献２と特許文献３の先行技術は、いずれも透光性導電部材や電波吸収部材でノイズの侵入経路を覆うことで、ノイズ成分の混入を阻止しようとするものである。このような構成では、すべてのノイズ侵入経路を完全に覆い尽くすことは、製品実現上困難である。また、本体のグランド電位とシールド部材の電位を等しく保つことで、シールド効果が得られる。そこで、シールド部材の組み込みにあたっては、両者の導通状態を安定的に維持できる構造とする必要がある。この結果、構造的な制約が生じるとともに、製造工程も複雑となる。
【０００５】
ここで、投影撮像装置の従来例について説明する。
図５は、投影撮像装置の概略的な構成の従来例を示すブロック図である。スイッチング電源９２は、図略の制御手段などから「スイッチング電源ＯＮ信号」が入力されると、動作モードに切り替わって光源デバイス９１に駆動電流を流す。光源デバイス９１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオードなどであって、所望の発光輝度が得られる光源が適用される。そして、光源デバイス９１は、駆動電流が流れると発光し、図略の投影パターン生成手段が生成する投影パターンを、被写体Ｏに投影する。半導体センサー９３は、光源デバイス９１による投影パターンの投影動作に同期して、撮像動作を開始する。
図６は、投影撮像装置の動作シーケンスの従来例を示すタイミングチャートである。スイッチング電源９２は、光源デバイス９１を発光させるため、半導体センサー９３が撮像動作中においてスイッチング動作を続けている。スイッチング動作中においては、スイッチング電源９２からはスイッチング動作に起因する電磁ノイズが放射される。このため、半導体センサー９３は、電磁ノイズの影響を受けながら撮像動作をしていることになる。撮像動作とは、受光画素が受けた光信号を電気信号に変換して電荷蓄積を行う動作である。電荷蓄積においては、受光した光信号が変換された電気信号成分のみを蓄積することが重要である。このため、ノイズ成分の混入を抑制する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１４１４３９号公報
【特許文献２】特開２００５−３４８２７５号公報
【特許文献３】特開２００５−２８６４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、出力値を補正する方法や電磁シールド部材で電磁ノイズを遮蔽する方法によることなく、撮像手段の受ける電磁ノイズを抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は、光源デバイスを有し、投影パターンを被写体に投影する投影手段と、前記光源デバイスを発光させる電気を蓄電する蓄電手段と、前記蓄電手段に蓄電するスイッチング電源と、前記蓄電手段を放電させるスイッチ回路手段と、
被写体からの反射光を受光して撮像する撮像手段とを有し、前記撮像手段が撮像を実行するよりも前に前記スイッチング電源が前記蓄電手段を蓄電し、前記撮像手段が撮像を実行する間には、前記スイッチング電源はスイッチング動作を停止し、前記光源デバイスは前記蓄電手段に蓄電された電気によって発光することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、装置の電磁ノイズ発生源であるスイッチング電源のスイッチング動作が停止しているときに投影撮像をするようにしたので電磁ノイズのない計測環境のもとで半導体センサーによるノイズ成分を含まない撮像データを得ることができる。そのことにより、従来の方法にくらべ格段にノイズ成分を抑制した投影撮像装置を実現することができるので撮像対象が暗所にあっても光源を発光させるための電流を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態にかかる投影撮像装置の概略的な構成をあらわすブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態にかかる投影撮像装置の動作シーケンスをあらわすタイミングチャートである。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態にかかる投影撮像装置の概略的な構成をあらわすブロック図である。
【図４】図４は、光源デバイスの電流と発光輝度の関係をあらわすグラフである。
【図５】図５は、従来の実施形態に係る投影撮像装置の概略的な構成をあらわすブロック図である。
【図６】図６は、従来の実施形態に係る投影撮像装置の動作シーケンスをあらわすタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態にかかる投影撮像装置１ａの概略構成を示す全体ブロック図である。図１に示すように、本発明の第１の実施形態にかかる投影撮像装置１ａは、制御手段１６と、投影手段１１と、蓄電手段１４と、電源部としてのスイッチング電源１２と、定電流回路１５と、撮像手段１３とを有する。
【００１２】
制御手段１６は、本発明の第１の実施形態にかかる投影撮像装置１ａの全体的な制御を行う。また、制御手段１６は、スイッチング電源１２に「スイッチング電源ＯＮ信号」を出力し、撮像手段１３に「シャッターＯＮ信号」を出力し、定電流回路１５に「定電流回路ＯＮ信号」を出力できる。さらに、制御手段１６は、蓄電手段１４から蓄電状態を受信できる。
【００１３】
投影手段１１は、投影パターン生成手段１１１と、光源デバイス１１２とを有する。投影手段１１は制御手段１６から撮像開始の指示を受けると、投影パターン生成手段１１１が被写体Ｏに投影する投影パターンを生成し、光源デバイス１１２が投影パターンを被写体Ｏに投影（照射）する。
光源デバイス１１２は、被写体Ｏに照射する光を発する。光源デバイス１１２には、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオードなどが適用できる。発光ダイオードやレーザーダイオードは、順方向電流が流れると発光する。
【００１４】
撮像手段１３は、被写体Ｏからの反射光を受光することにより撮像を行う。撮像手段１３は、半導体センサー１３１を有する。半導体センサー１３１は、投影手段１１による投影パターンの投影に同期してシャッターをオンにし、画素の電荷蓄積動作を行う。これにより、半導体センサー１３１は、被写体Ｏの光学像を電気信号に変換する。なお、半導体センサー１３１は、制御手段１６からの「シャッターＯＮ信号」がＯＮになると、前記動作（すなわち撮像動作）を実行する。
【００１５】
蓄電手段１４は、投影手段１１の光源デバイス１１２に、発光のための電気を供給する。なお、蓄電手段１４の蓄電容量は、撮像時における光源デバイス１１２のＯＮ時間および必要となる駆動電流とに応じて適宜設定される。また、蓄電手段１４の蓄電状態は、制御手段１６によってモニタリングされる。
【００１６】
スイッチング電源１２は、蓄電手段１４を蓄電する。なお、蓄電手段１４は、撮像の実行よりも前に蓄電されている必要がある。そこで、本発明の第１の実施形態にかかる投影撮像装置１ａには、蓄電手段１４に蓄電するための電源部として、急速充電が可能なスイッチング電源１２が適用される。スイッチング電源１２によれば、蓄電手段１４の蓄電を短時間で完了できる。なお、スイッチング電源１２は、蓄電手段１４の蓄電時には動作し、撮像手段１３の撮像時においては動作しないように（特に、スイッチング動作を実行しないように）、動作のＯＮ／ＯＦＦの制御が可能な構成を有する。
スイッチング電源１２は、入力としての交流電源３０に接続されており、蓄電手段１４を蓄電するための直流電気を出力する。このため、スイッチング電源１２は、整流回路部１２１とスイッチング回路部１２２とを有する。整流回路部１２１により整流された直後の直流電圧は、光源デバイス１１２を駆動するには高すぎることがある。そこで、スイッチング回路部１２２は、光源デバイス１１２の駆動に適した電圧となるように、電圧コンバータの機能を有している。このため、スイッチング電源１２は、所望の電圧の直流電気を蓄電手段１４に供給できる。
スイッチング電源１２のスイッチング回路部１２２は、制御手段１６からの「スイッチング電源ＯＮ信号」が「ＯＮ」の場合にのみスイッチング動作を実行し、ＯＦＦの場合にはスイッチング動作を実行しない（停止する）。したがって、スイッチング電源１２は、制御手段１６からの「スイッチング電源ＯＮ信号」がＯＮの場合にのみ、蓄電手段１４を蓄電する動作を実行する。
【００１７】
定電流回路１５（スイッチ回路手段）は、蓄電手段１４から放電される電流を所定の電流値に平滑化して光源デバイス１１２に流す。また、定電流回路１５（スイッチ回路手段）は、蓄電手段１４の放電のＯＮ／ＯＦＦを切替えるスイッチ回路の機能を有する。定電流回路１５（スイッチ回路手段）は、制御手段１６からの「定電流回路ＯＮ信号」によってＯＮ／ＯＦＦが制御される。定電流回路１５（スイッチ回路手段）は、ＯＮの場合にのみ、蓄電手段１４に蓄電された電気を光源デバイス１１２に流して光源デバイス１１２を発光させる。
【００１８】
ところで、本発明の第１の実施形態にかかる投影撮像装置１ａは、効率のよい電圧コンバートを行うため、電源部にスイッチング電源１２が適用される。電源部にスイッチング電源１２が適用される構成によれば、電源部の発熱を抑制できる。ただし、スイッチング電源１２のスイッチング回路部１２２が作動すると、電磁ノイズ（スイッチングノイズ）が発生する。そうすると、周囲に電磁ノイズ（スイッチングノイズ）が放射される。
半導体センサー１３１が動作中に電磁ノイズ（スイッチングノイズ）を受けると、出力される信号のＳ／Ｎ比が低下するおそれがある。そこで、本発明の第１の実施形態にかかる投影撮像装置１ａは、次に記す動作によって、半導体センサー１３１がスイッチング電源１２からの電磁ノイズの影響を受けることを防止している。
【００１９】
次に、本発明の第１の実施形態にかかる投影撮像装置１ａの動作について説明する。図２は、本発明実施形態にかかる投影撮像装置１ａの動作シーケンスを表すタイミングチャートである。
スイッチング電源１２は、制御手段１６からの「スイッチング電源ＯＮ信号」がＯＮになると（タイミングｔ１）、動作モードに切り替わる。動作モードにおいては、スイッチング電源１２のスイッチング回路部１２２が動作する。そして、スイッチング電源１２は、蓄電手段１４に直流電流を出力し、蓄電手段１４を蓄電する。図２の「スイッチング電流」は、スイッチング電源１２から蓄電手段１４に出力される直流電流を示す。この際、制御手段１６は、蓄電手段１４の電圧によって蓄電状態をモニタリングする。そして、制御手段１６は、蓄電手段１４が所定の蓄電状態となったと判断した場合には、「スイッチング電源ＯＮ信号」をＯＦＦに切り替える（タイミングｔ２）。なお、所定の蓄電状態とは、たとえば、光源デバイス１１２の発光に必要な電気が蓄電されている状態である。
タイミングｔ１〜ｔ２の間においては、スイッチング電源１２は、スイッチング回路部１２２の動作によって、電磁ノイズ（スイッチングノイズ）を放射している。しかしながら、この間においては、制御手段１６が出力する「シャッターＯＮ信号」はＯＦＦであり、半導体センサー１３１は撮像動作を行っていない。このため、半導体センサー１３１は、スイッチング電源１２からの電磁ノイズの影響を受けない。
制御手段１６は、タイミングｔ２において「スイッチング電源ＯＮ信号」をＯＦＦにしてスイッチング電源１２のスイッチング動作を停止させる。そして、制御手段１６は、スイッチング動作を停止させた後、タイミングｔ３において、「定電流回路ＯＮ信号」と「シャッターＯＮ信号」を同時にＯＮに切り替える。これにより、制御手段１６は、光源デバイス１１２の発光と半導体センサー１３１の撮像動作とを同時に行うことができる。
前記のとおり、半導体センサー１３１は、各画素において被写体Ｏからの反射光を受光し、受光した反射光を電気信号に変換して電荷を蓄積する。
「定電流回路ＯＮ信号」と「シャッターＯＮ信号」とがＯＮの期間（タイミングｔ３〜ｔ４の期間）は、「スイッチング電源ＯＮ信号」はＯＦＦである。このため、この期間は、スイッチング動作は停止しており、スイッチング回路部１２２のスイッチング動作に起因する電磁ノイズは放射されない。したがって、半導体センサー１３１は、電磁ノイズがない状態で撮影動作を行うことができる。このような構成によれば、電磁ノイズを遮断するシールド部材などを使用することなく、かつ、半導体センサー出力値の補正をする事無く、電磁ノイズの影響ない状態で撮影を行うことができる。
なお、制御手段１６は、「定電流回路ＯＮ信号」と「シャッターＯＮ信号」とをＯＮに切り替えてから所定の時間を経過した後、これらの信号を同時にＯＦＦに切り替える（タイミングｔ４）。そして、制御手段１６は、これらの信号をＯＦＦに切り替えた後、「スイッチング電源ＯＮ信号」をＯＮに切替える（タイミングｔ５）。タイミングｔ５以降における各動作は、タイミングｔ１以降における動作と同じである。
【００２０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と共通の構成については、同じ符号を付し、説明は省略する。
光源デバイス１１２に求められる発光輝度は、被写体が存在する環境の明暗度に応じて異なる。そして、光源デバイス１１２の発光輝度は、環境が明るい場合には弱くでき、暗い場合には強くできる構成であることが好ましい。第２の実施形態にかかる投影撮像装置１ｂは、種々の発光輝度を簡単に実現できる構成を有する。
【００２１】
図３は、本発明の第２の実施形態にかかる投影撮像装置１ｂの構成を模式的に示すブロック図である。図５に示すように、本発明の第２の実施形態にかかる投影撮像装置１ｂは、制御手段１６（電流値制御手段）が定電流回路１５に、「定電流回路ＯＮ信号」と「定電流値設定信号」を出力することができる。それ以外の構成は、第１の実施形態と共通の構成が適用できる。
「定電流値設定信号」は、光源デバイス１１２に流す電流の値を規定するための信号である。定電流回路１５は、制御手段１６（電流値制御手段）からの「定電流値設定信号」に基づいて、ＯＮの期間における定電流値を切替える。定電流値の設定には、公知の各種方法が適用できる。たとえば、電流センス抵抗（図略）の両端電圧と、比較される参照電圧とを、所望の電流値に対応した値とする方法が適用できる。
【００２２】
図４は、光源デバイス１１２の電流と発光輝度の関係を示すグラフであり、光源デバイス１１２として発光ダイオードをサンプルとして測定した結果を示す。グラフの横軸が発光ダイオード（ＬＥＤ）を流れる電流であり、縦軸が発光輝度である。図４に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）の電流と発光輝度の関係はほぼ直線的である。このように特性を有するため、発光輝度を所望の量だけ変化させるために、電流をどの程度変化させればよいかは既知である。したがって、撮像条件としての環境の明暗度に応じて、光源デバイス１１２の発光輝度を所望の輝度に容易に設定することができる。なお、発光ダイオードの電流の制御は公知の技術である。そして、本発明の第２の実施形態には、公知の各種構成が適用できる。
【００２３】
制御手段１６（電流値制御手段）は、「電流値設定信号」を、アナログ信号として、定電流回路１５に出力する。「電流値設定信号」には、電流センス抵抗の両端電圧と比較するための参照電圧（アナログ電圧）が適用される。なお、電流センス抵抗に定電流制御された電流が流れるものとすると、光源デバイス１１２に流れる電流は、次のようにして定電流制御される。すなわち、制御手段１６（電流値制御手段）から出力される「電流値設定信号」が、低い値のアナログ信号であれば、電流センス抵抗の電流は低い値で均衡し、光源デバイス１１２に流れる電流は、その時の電流値となるように定電流制御される。一方、制御手段１６（電流値制御手段）から出力される「電流値設定信号」が、高い値のアナログ信号であれば、電流センス抵抗の電流は高い値で均衡し、光源デバイス１１２に流れる電流は、その時の電流値となるように定電流制御される。
このような構成によれば、投影撮像装置は、被写体が存在する環境の明暗度が変化しても、環境の明暗度に対応して撮像を行うことができる。
【００２４】
ここで、本発明の各実施形態にかかる投影撮像装置１ａ，１ｂのハードウェア構成などについて、簡単に説明する。制御手段１６は、所定の演算を実行するＣＰＵと、コンピュータプログラム（コンピュータソフトウェア）や各種データを格納するＲＯＭと、コンピュータプログラムを展開できるＲＡＭとを有するコンピュータである。そして、ＣＰＵがＲＯＭに格納されるコンピュータプログラムを読み出してＲＡＭに展開し、実行することによって、前記各動作が実行される。また、蓄電手段１４には、公知の各種バッテリーが適用できる。半導体センサー１３１には、ＣＭＯＳイメージセンサーやＣＣＤイメージセンサーなど、公知の各種センサーが適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、光源を発光させて撮像対象（被写体）に投影光を照射し撮像対象からの反射光を半導体センサーで撮像する投影撮像装置に有効な技術である。
【符号の説明】
【００２６】
１ａ，１ｂ：本発明の実施形態にかかる投影撮像装置
１１：投影手段
１１１：投影パターン生成手段
１１２：発光ダイオード（ＬＥＤ）
１２：スイッチング電源
１２１：整流回路部
１２２：スイッチング回路部
１３：撮像手段
１３１：半導体センサー
１４：蓄電手段
１５：定電流回路
１６：制御手段
３０：交流電源
Ｏ：被写体（撮像対象）
【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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