(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、様々な程度の解像度で対象物（２）の特徴を画像化するためのシステムとセンサー（１９）を提供することである。    【解決手段】  センサーは、対象物（２）からの電磁放射を吸収し、吸収された放射を電荷に変換するように整えられた画素要素の第一領域（１１）と第二領域（１２）を少なくとも有する。第一領域（１１）は第一の程度の解像度を有し、第二領域（１２）は第一の程度の解像度と異なる第二の程度の解像度を有する。第一領域（１１）はあるタイプの特徴を画像化するように整えられ、第二領域（１２）は他のタイプの特徴を画像化するように整えられる。
2005522920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物（２）からの電磁放射を吸収し、吸収された放射を電荷に変換するように整えられた画素要素の第一領域（１１）と第二領域（１２）を少なくとも有するセンサー（１０）にして、
上記対象物の特徴が画像化され、
上記第一領域（１１）は第一の程度の解像度を有し、上記第二領域（１２）は第一の程度の解像度と異なる第二の程度の解像度を有するセンサーにおいて、
上記第一領域（１１）はあるタイプの特徴を画像化するように整えられ、上記第二領域（１２）は他のタイプの特徴を画像化するように整えられることを特徴とするセンサー。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサーにおいて、上記第一領域（１１）が上記対象物（２）の三次元の特徴を画像化するように整えられ、上記第二領域（１２）は上記対象物（２）の二次元の特徴を画像化するように整えられることを特徴とするセンサー。
【請求項３】
請求項１に記載のセンサーにおいて、二つの領域（１１、１２）の少なくとも一つが、色で上記対象物（２）を画像化するために、全体に又は一部に色フィルターを備えることを特徴とするセンサー。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサーにおいて、上記第一領域（１１）がＮ行とＭ列を有するマトリクスとして構成され、上記第二領域（１２）がＸ行とＹ列を有するマトリクスとして構成され、ＹはｂにＭ列を掛けたものであり、ｂはゼロより大きい整数であることを特徴とするセンサー。
【請求項５】
請求項４に記載のセンサーにおいて、時間差積分（ＴＤＩ）が上記第二領域（１２）で用いられることを特徴とするセンサー。
【請求項６】
請求項１に記載のセンサーにおいて、上記領域（１１、１２）の少なくとも一つが、クロストークを最小化させるために様々の波長のためのフィルターを備えることを特徴とするセンサー。
【請求項７】
請求項１に記載のセンサーにおいて、上記第一領域と上記第二領域が一つの一体化ユニットとして横方向に平行に配されることを特徴とするセンサー。
【請求項８】
請求項１に記載のセンサーにおいて、上記第一領域と上記第二領域が二つの別個のユニットとして横方向に平行に配されることを特徴とするセンサー。
【請求項９】
対象物（２）の特徴に依存するパラメータを測定するためのシステムにして、
上記対象物（２）の方に光を放出する少なくとも一個の光源（３、４）を有するシステムにおいて、
上記システムがさらに、上記対象物（２）からの電磁放射を吸収し、それを電荷に変換するように整えられた請求項１〜８のいずれか一項に記載のセンサー（１０）を有することを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムにおいて、上記システムが、上記センサー（１０）で受け取った電荷を読み取るように配された出力記録器（１５）をも有することを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項９に記載のシステムにおいて、上記システムが、上記センサー（１０）で受け取った電荷を読み取るように配された少なくとも二つの出力記録器（１８ａ、１８ｂ）をも有することを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムにおいて、上記センサー（１０）の上記第一領域（１１）及び上記第二領域（１２）が、それら自体の出力記録器（１８ａ、１８ｂ）で読み取られることを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１１に記載のシステムにおいて、上記センサーの上記第二領域（１２）が色フィルターを備え、収集されるそれぞれの色がそれ自体の出力記録器を有することを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１０又は１１に記載のシステムにおいて、上記システムがさらに、上記電荷をアナログ形式からデジタル形式に変換するように配されたＡ／Ｄコンバーター（１６）を有し、上記出力記録器（１５、１８ａ、１８ｂ）がデジタル出力記録器であることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項９に記載のシステムにおいて、上記システムが、上記電荷を解析するように配された画像／信号処理ユニットをも有することを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に対象物の特徴を画像化するセンサー及びシステムに関し、特に対象物の多数の特徴を異なる程度の解像度で画像化するセンサー及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電荷結合素子（ＣＣＤ）や相補形ＭＯＳタイプの従来の画像化センサーは、光ダイオードを有するＮ×Ｍマトリクス（配列）を有する。このダイオードは電磁放射を吸収しこれを電気信号に変換する。
【０００３】
様々な三次元（３Ｄ）及び二次元（２Ｄ）の特徴のような、同じ対象物の多数の特徴を画像化するためにはしばしば要件がある。３Ｄ画像では、対象物の幅、高さ、体積などの幾何学的特徴が画像化される。２Ｄ画像では、ひび、構造の向き、位置及び同一性（identity）のような特徴が、例えば、マーク、バーコード又はマトリクスコードを介して画像化される。普通、２Ｄ画像における強度情報はグレースケールで画像化される。しかし、例えばフィルターや光の波長を用いて、２Ｄ画像を色で画像化すること、つまり、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）及びＢ（青）の構成要素を記録すること（register）も一般的である。
【０００４】
マトリクス・アレイピクチャープロセッサー（ＭＡＰＰセンサー）が、レーザープロファイリングのためにセンサーの一部を用い（３Ｄ測定）、また強度情報を読み取るためにそれぞれのセンサーの行を用いて（２Ｄ測定）、同じセンサーを用いる同じ対象物の様々な特徴を画像化するために、いわゆるマルチセンシングのために用いられる。多数の特徴を画像化するために一個のセンサーを用いることの利点は、システムのコスト及び複雑性が、例えば３Ｄ測定のために一個のセンサーを用い、２Ｄ測定のために別なセンサーを用いるときよりも少ないことである。
【０００５】
今日、マルチセンシングでは、同じ解像度が２Ｄ測定と３Ｄ測定の両方においてラテラル測定（lateral measurement）のために用いられる。しかしながら、３Ｄ画像よりも２Ｄ画像において高めの解像度が要求されることは普通である。この理由は、形状の測定で要求されるよりも画像のより細かい詳細を測定できるように望むからである。この例は、幾何学的形状よりも高めの解像度でひびや表面構造を測定することがしばしば重要になる木材の検査である。
【０００６】
様々な程度の解像度を有する画像化センサーの例は非特許文献１に示されており、ここでは画像センサーが電子アイ（eye）として構成される。つまり、センサーは中央で高い解像度を有し、その周囲では低い解像度を有する。これら「アイ」における画素の幾何学的配置（geometry）は直線（linear-polar）又はログ（log-polar）である。「アイ」が低い解像度でその周囲の何か興味があるものを見ると、システムはセンサーを制御し、それで詳細を読むために高解像度の中央部分をその領域に向ける。このタイプのセンサーはロボットの適用に非常に適する。このような電子アイの例は特許文献１にも示されている。
【０００７】
様々な程度の解像度を有する画像化センサーの別な例が特許文献２に示されている。ここでは、配列マトリクスタイプのセンサーは、センサーの残りよりも高めの解像度を有する少なくとも一つの領域を備えている。センサーは、自動ナビゲーションシステムの一部として自動車に設けられたカメラの中に配置される。このシステムは自動車の機能を制御し、例えば、車の前に障害物が現れるとブレーキをかけたり、道の端の白線に沿って操縦したりする。センサーは高い解像度で遠くの情報を収集し、低い解像度で自動車の近くの情報を収集するように整えられている。
【特許文献１】US5166511
【特許文献２】US6320618
【特許文献３】US4204230
【非特許文献１】Alireza Moini “Vision chips”, Kluwer Academic Publishers, page 143-146, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、様々な程度の解像度で対象物の特徴を画像化するセンサー及びシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これは、請求項１及び９それぞれの特徴部分に特有の特徴を有するセンサー及びシステムにより達成される。
【００１０】
様々な程度の解像度で多数の特徴を読み込むセンサー及びシステムを用いることの利点の一つは、先に知られている解決法よりも、単純で、安価で、コンパクトな解決法が達成されることである。さらに、本発明に従うシステムは、カメラやレンズなどの少なめのシステムの構成要素を必要とするだけである。
【００１１】
本発明の一つの実施形態に従えば、センサーは、実質的に平行で横方向に並んで配された画素を有する二つの一体化した領域（integral region）を有する。
【００１２】
本発明の別な実施形態に従えば、画素を有する二つの領域は、実質的に平行で横方向に並んで配された二つの別個のユニットとして構成される。
【００１３】
本発明の別な実施形態に従えば、二つの画素領域／ユニットは、読み出し論理回路（read-out logic）を共有する。これは、それらが同じ出力記録器（output register）を有することを意味する。
【００１４】
本発明の他の実施形態によれば、二つの画素領域／ユニットがそれぞれ異なる出力記録器で読み込まれる。これは、二つの領域／ユニットに含まれる情報を同時に読み込むことができることを意味する。これの一つの利点は、それが露光時間に関してより大きい自由を得ることである。別な利点は、横方向とラテラル方向の両方における解像度の程度に関してより大きい自由を得ることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、対象物の特徴を読み込むためのシステムを示す。システムはカメラ１を有する。これは、ＭＡＰＰカメラ、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ又は対象物の特徴を画像化するのに適切な他のカメラでもよい。システムはさらに対象物２を有し、その特徴に依存するパラメータが、対象物２を照らすように整えられた二個の光源４及び５と共にベース３に配置されたシステムにより測定される。光源４、５は、例えば、実質的に点光、実質的に線光又は多数の実質的に点または線の部分から成る光を発生し、また例えば、レーザー、ＬＥＤ、普通の光（白熱電球）などの適用に適するタイプであればよい。しかし、これらは当業者にとって公知であり、ここではこれ以上述べない。
【００１６】
カメラ１は特に、センサー１０、光収集光学系及び制御論理回路（図示せず）を有する。このセンサーは図２〜５に示され、以下でより詳しく記述する。対象物２から反射した光線はセンサー１０で収集され、そこで電荷に変換される。電荷は今度は、アナログ又はデジタルの電気信号に変換される。好ましい実施形態では、これらの信号は次に解析・処理するために出力記録器を介して画像／信号処理ユニット（図示せず）に送られる。
【００１７】
上で述べたように対象物２はベース３の上に位置しており、このベースは好ましい実施形態では、図に矢印で示された測定システムに対して動く。測定システムに対して動くベース３の代わりに、その関係は当然逆転してもよい。つまり、測定時に対象物３が固定され、測定システムが対象物２の上を動いてもよい。該対象物が例えば紙製造機械の連続ウェブにある紙であるならば、ベース３は、例えばコンベアベルトでもよく、もう一つの選択肢としてベースがなく対象物自体が動く。
【００１８】
代わりの実施形態（図示せず）では、一個又は複数個の光源がベース３の下に位置し、対象物２を照らす。これは、センサー１０が対象物２を通ってきた透過光線を収集し、反射光線を収集しないことを意味する。
【００１９】
図１では動きの方向が矢印で示されている。この方向はこの文章では横方向（つまり図に描かれた座標系のＹ）と呼ぶ。ラテラル方向（座標系のＸ）は横方向と垂直に延びる。測定の際、横解像度とラテラル解像度がある。横解像度は、対象物２が何度読み取られるかに依存する（サンプリングされた）。本発明は主にラテラル解像度に関連し、これはセンサー１０が行に有する画素の数に大いに依存する。
【００２０】
センサー１０（図２〜５に示す）は配列センサーであり、Ｘ×Ｙ画素を備えた第二の高解像度領域１２と連結したＮ×Ｍ画素（ここでＮは行、Ｍは列である）を備えた第一の領域１１を有する。ここで、Ｙ＝Ｍ×ｂ（ｂは１より大きい整数）である。好ましい実施形態では、第一領域１１は三角測量（triangulation）による３Ｄ測定、つまり幅、高さ、体積などのような画像化された対象物２の幾何学的特徴のために用いられる。３Ｄ測定では、強度画像はｋ行（ｋ＞１）から、光がそれぞれの列のセンサーに当たる場所に対応する位置の値まで減少する。結果は、ｋ行のそれぞれのサンプルに対する三次元の情報を備えたプロフィールである。好ましい実施形態では、第二領域１２は２Ｄ測定（強度情報）、つまりひび、構造の向き、位置などのような対象物２の画像化した特徴のために用いられる。Ｘ≧２の場合、色フィルター（例えば、赤緑青）をそれぞれの画素に適用し、このようにして２Ｄデータの色読み取り（colour readout）を達成する可能性がある。
【００２１】
図２は、第一領域１１における対象物２の３Ｄプロフィールと、第二領域１２における対象物２のグレースケール／グレーカラーの画像を示す。対象物２は、対象物２が測定システムを通る際プロフィールごとに走査され、従って結果は対象物２の三次元及び二次元のイメージングである。
【００２２】
好ましい実施形態では、ＭＡＰＰセンサーが用いられるが、当業者は、本発明が例えばＣＣＤセンサーやＣＭＯＳセンサーのような他のタイプのセンサーにも適用できることを認識するだろう。
【００２３】
図３は本発明に従うセンサーの第一の実施形態を示す。ここでは、第二領域の画素は第一領域１１における画素の幅の三分の一である。例えば、第一領域１１に５１２×１５３６画素があれば、例えば第二領域１２は１６×４６０８画素（ｂ＝３）を有する。これは、５１２行までが３Ｄ測定のために用いられ、三倍の解像度強度の構成要素が１６行まで読み取られることを意味する。
【００２４】
図４に従う実施形態では、第二の高解像度領域１２における一つおきの行は、すぐ下と上の行に対して画像幅の半分だけずれている。図３の例に従う第二領域１２は、８×３０７２ダブル行の画素を有する（ｂ＝２）。ここでは、ダブル行は二つのシングル行から成り、一つの行は画素幅の半分だけずれている。これは、図４に従う実施形態では、５１２までの行が３Ｄ測定のために用いられ、８までの様々なダブル解像度強度構成要素が読み取られることを意味する。
【００２５】
当業者は、本発明が図３と４に示した実施形態に限定されないことを認識するだろう。画素を高解像度の第二領域１２で形成させる仕方にはほとんど無限の数の変形がある。例えば、画素は第一領域１１のこれらの幅の半分であるか、又は同時に二倍高くてもよい。図４に従う実施形態の他の変形は、三分の一又は四分の一の画像幅だけずれた画素を含む。この点に関しては、イメージングセンサーの解像度を増加させるためにずれた画像の行を示している特許文献３も参照せよ。
【００２６】
図３と４に従えば、第一領域１１と第二領域１２は、横方向に直接接触して並んで実質的に平行になっている。つまり、センサーは一体型ユニットとして製造される。図５は代わりの実施形態を示し、第一領域１１と第二領域１２は横方向に並んで実質的に平行になっているが直接接触していない二つの別個のユニットである。図２〜５において、第二の高解像度領域１２は第一領域１１の前に横に位置するが（図の上部に描かれる）、当然それは同様に第一領域１１の後に横に位置してもよい（図の下部に描かれる）。
【００２７】
互いに対してずれた画素を構成する代わりとしては、マスクで画素をカバーすることである。画素の部分の明かりがブロックされ、それによりずれたサンプリングパターンが取得されるようにマスクは整えられる。
【００２８】
センサーの行は読み取られて出力記録器に行く。図６と７に示されるセンサー行はＭ画素の長さである。この出力記録器１５、１８ａ、１８ｂのどれかは生データに変換されるか、行に平行なＡ／Ｄコンバータ、及び／又は信号／画像処理ユニットに接続される。Ｙ幅の行を読み取るために、ｗの読み取りが連続的に実行されなければならない。出力記録器１５、１８ａ、１８ｂがｂ行のためのスペースを有すると、これらは共に読み取り／処理される。ゆえに、読み取りはアナログとデジタルの両方である。しかし、発明の好ましい実施形態（図６に示す）では、測定データは、画像処理ユニット（図示せず）に中継される前に、Ａ／Ｄコンバータ１６とプロセッサー１７を介して読み取られ、デジタル出力記録器１５に行く。
【００２９】
プロセッサー１７は、多数の機能を実行するように、とりわけ強度画像から三次元プロフィールを抜き出すようにプログラムされる。つまり、それぞれの列は最も明るい点の位置を計算する。従ってこれらの値は強度が距離に対応する強度プロフィールと考えられる。プロセッサー１７で実行される他の機能は辺縁検出（edge detection）やノイズ除去などである。
【００３０】
図７に示した本発明の代わりの実施形態では、二つのセンサーエリア１１、１２（Ｎ×ＭとＸ×Ｙ）が読み取り論理回路を共有しない。つまり、それらは異なる出力記録器１８ａと１８ｂを有する。これは、他の効果が得られることを意味する。二つのエリア１１、１２からの情報は互いに独立して、大きい露光時間の自由度と、横方向とラテラル方向の両方における大きい解像度で読み取られる。さらには、Ｙ＝Ｍ×ｂが適用される必要がない。代わりに、それは様々な幾何学的配置を構成することが可能である。例えば１５３６×５１２マトリクスが４０９６×３マトリクスと結びつく。図７に示す代わりの実施形態の好ましい形態では、測定データは、Ａ／Ｄコンバータ１９ａ、１９ｂとプロセッサー２０ａ、２０ｂを介して読み取られ、デジタル出力記録器１８ａ、１８ｂに行く。
【００３１】
図６と７に従う実施形態の両方は、Ａ／Ｄコンバータとプロセッサーと共に示されている。これらは、好ましい実施形態としてだけ考えられるべきである。上で簡単に述べたように、測定データを出力記録器から直接アナログ生データ又はデジタル生データとして出力することが可能である。
【００３２】
上で述べたように、センサー１０の第二領域１２に色フィルター又は色付きの光源（図示せず）を用いることが可能である。これは、グレースケールとカラー画像の両方が高めの解像度で読み取られることを意味する。色フィルターと色付き光源のどちらを用いるか、そしてこれらをどのようにして用いるかは、当業者であれば分かるのでここでは詳しく述べない。しかし、バイエルパターン（Bayer pattern）やそれぞれの行のためのフィルターの使用が可能なことは例により述べる。ＲＧＢ構成要素は普通に選択されるが、ＣＭＹ（シアン・マゼンタ・イエロー）のような他の色も用いられる。図７に従う別な実施形態では、それぞれの色は、それぞれの色プロフィールをより早く読み取らせるそれ自体の出力記録器を有してもよい。
【００３３】
クロストークとは、ある測定からの光が他のセンサー領域を妨げることを意味する。つまり、３Ｄ測定からの光が２Ｄ測定を妨げること、及び／又はその逆も意味する。異なるセンサー領域の間のクロストークを減少させるために、光を様々な波長に分離し、波長ごとに異なる光学フィルターで様々なセンサー領域を保護することが可能である。このフィルターは光をブロックしたり、光をそれぞれのセンサー領域に通させたりする。
【００３４】
本発明に従うセンサー１のさらに他の実施形態では、時間差積分（ＴＤＩ）が高解像度の第二領域１２で用いられる。ＴＤＩは、対象物２がベース３と共に移動するとき、電荷がある行から他の行へ移動することを意味し、それによりＸＴＤＩステージを用いてＸ倍大きい光感度を達成する。図４に従う実施形態においてＴＤＩを用いることにより、介在している行が画像幅の半分だけずれるので、電荷は１段階当たり二行移動する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に従う測定システムの斜視図である。
【図２】センサーに画像化された対象物の三次元プロファイル及び強度プロファイルを示す図である。
【図３】本発明に従うセンサーの第一の実施形態を示す図である。
【図４】本発明に従うセンサーの第二の実施形態を示す図である。
【図５】本発明に従うセンサーの他の実施形態を示す図である。
【図６】第一の実施形態に従う基本的なシステムのセットアップを示す図である。
【図７】第二の実施形態に従う基本的なシステムのセットアップを示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
２  対象物
１０  センサー
１１  第一領域
１２  第二領域
【図１】
2005522920.tif 000003
【図２】
2005522920.tif 000004
【図３】
2005522920.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005522920.tif 000007
【図６】
2005522920.tif 000008
【図７】
2005522920.tif 000009
【国際調査報告】
2005522920.tif 000010
2005522920.tif 000011
2005522920.tif 000012