(57)【要約】【課題】信号処理時間を短縮化しつつ、従来よりも解像度を向上し得るイメージセンサを提供する。【解決手段】イメージセンサ５は、画素アレイ部１０の全画素数よりも少ない数の行検波回路２１および列検波回路２０により、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４を目安に必要な列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４だけ検波処理を実行することにより、特定周波数成分を検波する検波処理を各画素１１毎にそれぞれ個別に実行する場合に比して、信号処理時間を短縮化し得、また、従来のように検波回路が各画素内にそれぞれ個別に設けられていない分、各画素１１のサイズを小さく形成し得、所定領域内に従来よりもより多くの画素１１を配置できることから、その分、解像度を向上し得る。【選択図】図６
2015114225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面に沿って放射状に進行し特定周波数成分を持つシート光が測定対象に到達して得られる反射光を受光し、三角測量の原理を利用した光切断法によって前記測定対象の表面形状を測定するイメージセンサであって、
光を受光することにより光電変換信号を生成する画素が行列状に配置され、前記画素が特定列数毎に列ブロックに区分けされた画素アレイ部と、
前記画素アレイ部とは別の領域に形成され、前記画素アレイ部の画素列毎に１つの列検波回路を設け、該列検波回路毎に、対応する前記画素列から受け取った前記光電変換信号に前記特定周波数成分が含まれているか否かの検波処理を実行する画素列注目検波部と、
前記画素アレイ部とは別の領域に形成され、前記画素アレイ部の全画素列数よりも少ない特定列数の行検波回路を画素行毎に設けた注目列ブロック検波部とを備えており、
前記注目列ブロック検波部は、
前記列ブロックを目安に、前記画素から受け取った前記光電変換信号に前記特定周波数成分が含まれているか否かの検波処理を実行する
ことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記画素列注目検波部は、
各前記列検波回路によって画素列毎に検波処理を実行し、前記特定周波数成分を含む前記光電変換信号を送出した受光画素列を特定し、
前記注目列ブロック検波部は、
前記列検波回路によって特定した前記受光画素列を含む前記列ブロックから前記光電変換信号を受け取り、前記列ブロック単位で前記光電変換信号に前記特定周波数成分が含まれているか否かの検波処理を実行する
ことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記注目列ブロック検波部は、
前記受光画素列の数が前記特定列数を超えているとき、該受光画素列を含んだ複数の前記列ブロックから該列ブロック単位で順番に各前記画素から前記光電変換信号を受け取り、前記列ブロック毎に検波処理を順番に実行する
ことを特徴とする請求項２記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記画素列注目検波部は、
各前記列検波回路によって画素列毎に検波処理を実行し、前記特定周波数成分を含む前記光電変換信号を送出した受光画素列を特定し、
前記注目列ブロック検波部は、
前記受光画素列の数が前記特定列数以内であるとき、全ての前記受光画素列から前記光電変換信号を一括して受け取り、各前記行検波回路によって前記光電変換信号に前記特定周波数成分が含まれているか否かの検波処理を実行する
ことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記画素列注目検波部は、
各前記列検波回路によって前記画素アレイ部の画素列毎に検波処理を実行し、前記特定周波数成分を含む前記光電変換信号を送出した受光画素列を特定し、
前記注目列ブロック検波部は、
前記列ブロック毎に同じ配列位置にある画素列から該画素列毎に纏めて前記光電変換信号を受け取り、各前記列ブロックで同じ配列位置にある前記画素列からの各前記光電変換信号を合わせて検波処理を実行し、全ての前記列ブロックを重ねた状態の受光画素位置を特定する
ことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサに関し、例えば三角測量の原理を利用した光切断法によって測定対象の表面形状を測定するイメージセンサに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象の３次元情報を取得する方法として、３次元情報の取得対象となる測定対象を、平面に沿って放射状に進行するシート光により走査してゆき、その結果得られる反射光をイメージセンサで受光して反射光の位置情報から三角測量の原理により、測定対象の表面形状を推測する光切断法が知られている（例えば、非特許文献１および２参照）。
【０００３】
ここで、光切断法では、イメージセンサの受光面でシート光の座標を得るために、イメージセンサにおいて受光面上での輝度のピークを示す位置を、背景光が存在する条件下で検出する必要がある。そのため、光切断法では、例えば光を変調して特定周波数成分を持たせたシート光を用い、イメージセンサにおいてその特定周波数成分を持つ光を検出することにより、背景光が存在する条件下でも、シート光が測定対象に到達した結果得られる反射光を検出し得るようになされている。
【０００４】
実際上、イメージセンサは、複数の画素が行列状に配置された画素アレイ部を有しており、測定対象からの反射光を画素アレイ部において受光し得るようになされている。ここで、従来のイメージセンサは、光を受光することにより光電変換信号を生成する光電変換回路が各画素に設けられており、各画素毎に対応付けられた複数の検波回路が画素アレイ部とは別の領域に設けられている。各検波回路は、対応する画素から転送された光電変換信号に特定周波数成分が含まれているか否かは判別する検波処理を実行し、特定周波数成分の有無に基づいて背景光から反射光を識別し得るようになされている。
【０００５】
しかしながら、このような従来のイメージセンサでは、全画素数と比べ少数の検波回路を用いているものの、全ての画素に対して逐次的に検波処理を実行していることから、各画素からそれぞれ対応する検波回路に光電変換信号を全て転送する必要があり、全ての光電変換信号を検波回路に転送して、光電変換信号を生成した後に検波処理により特定周波数成分を検波して反射光を受光した画素位置を特定するまでの信号処理時間が長くなるという問題があった。
【０００６】
このような問題点を解決するため他のイメージセンサとして、各画素内に検波回路をそれぞれ設け、各画素内の検波回路により各画素内で検波処理を実行することで、光電変換信号の転送時間を短縮化させ、その分、信号処理時間を短くし得るイメージセンサが考えられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Yamamoto,K. and Fujii,H. and Ishii,I.,“A High-Speed 3D Shape Measurement System Using a Multi-Sided Mirror,”Automation Science and Engineering, 2007.CASE 2007.IEEE International Conference on,pp.823-828,Sep.2007.
【０００８】
【非特許文献２】J.Cheon,Y.Chae,D.Kim,S.Lim,I.Lee,H.Lee,D.J.Kim,G.Han,“SmartCMOS Image Sensor With High SBR and Subpixel Resolution for Light-Section-Based Range Finding,”Electron Devices,IEEE Transactions on,Vol.56,No.11,pp.2546-2555,Nov.2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、かかる構成でなる後者のイメージセンサでは、各画素内に検波回路が設けられていることから、当該検波回路が設けられた分だけ画素のサイズも大きくならざるを得ず、その結果、解像度を向上することが困難であるという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、信号処理時間を短縮化しつつ、従来よりも解像度を向上し得るイメージセンサを提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる課題を解決するため本発明によるイメージセンサは、平面に沿って放射状に進行し特定周波数成分を持つシート光が測定対象に到達して得られる反射光を受光し、三角測量の原理を利用した光切断法によって前記測定対象の表面形状を測定するイメージセンサであって、光を受光することにより光電変換信号を生成する画素が行列状に配置され、前記画素が特定列数毎に列ブロックに区分けされた画素アレイ部と、前記画素アレイ部とは別の領域に形成され、前記画素アレイ部の画素列毎に１つの列検波回路を設け、該列検波回路毎に、対応する前記画素列から受け取った前記光電変換信号に前記特定周波数成分が含まれているか否かの検波処理を実行する画素列注目検波部と、前記画素アレイ部とは別の領域に形成され、前記画素アレイ部の全画素列数よりも少ない特定列数の行検波回路を画素行毎に設けた注目列ブロック検波部とを備えており、前記注目列ブロック検波部は、前記列ブロックを目安に、前記画素から受け取った前記光電変換信号に前記特定周波数成分が含まれているか否かの検波処理を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、画素アレイ部の全画素数よりも少ない数の行検波回路および列検波回路により列ブロックを目安に検波処理を実行して、特定周波数成分を検波する検波処理を各画素毎にそれぞれ個別に実行することを不要としたことで、信号処理時間を短縮化し得、また、従来のように検波回路が各画素内にそれぞれ個別に設けられていない分、各画素のサイズを小さく形成し得、所定領域内に従来よりもより多くの画素を配置できることから、その分、解像度を向上し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】３次元形状測定システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】シート光が奥行きｚ０からｚ１まで広がったときのイメージセンサの画素アレイ部上における反射光の広がり領域を示す概略図である。
【図３】イメージセンサの構成（１）を示す概略図である。
【図４】イメージセンサの構成（２）を示す概略図である。
【図５】画素列注目検波部による受光画素列を特定する際の説明に供する概略図である。
【図６】図６Ａは、一の列ブロックからの光電変換信号を注目列ブロック検波部へ送出する際の説明に供する概略図であり、図６Ｂは、他の列ブロックからの光電変換信号を注目列ブロック検波部へ送出する際の説明に供する概略図である。
【図７】反射光を受光した受光画素列数が列ブロックを構成する画素列数以下であったときの説明に供する概略図である。
【図８】列検波回路および行検波回路の回路構成を示す概略図である。
【図９】図９Ａに示す光電変換信号Ｖｐｄと、図９Ｂに示す交流成分信号Ｖｍｏｄおよび平均値信号Ｖａｖｇと、図９Ｃに示す交流成分増幅信号Ｖａｍｐと、図９Ｄに示す信号ＭＰＹ＋と、図９Ｅに示す信号ＭＰＹ−と、図９Ｆに示す出力信号Ｖ＋，Ｖ−とのタイミングチャート図である。
【図１０】イメージセンサにおけるＳＢＲとＤＲのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１１】各行の行検波回路の数と、シート光でなぞる測定対象の大きさとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。
【００１５】
図１において１は、本発明のイメージセンサ５を用いた３次元形状測定システム１を示し、平面に沿って放射状に進行するシート光Ｌ１を発する光源２と、光源２からのシート光Ｌ１を反射板３ａで反射させて測定対象４に照射するスキャニングミラー３と、シート光Ｌ１が測定対象４に到達して得られた測定対象４からの反射光Ｌ３を、レンズ（図示せず）を介して受光するイメージセンサ５とを備えている。なお、スキャニングミラー３は、回転軸３ｂを中心に反射板３ａを回動し得るように構成されており、当該反射板３ａを回動させることにより測定対象４の表面をシート光Ｌ１により走査し得るようになされている。
【００１６】
３次元形状測定システム１は、イメージセンサ５で検出した反射光Ｌ３の受光位置と、シート光Ｌ１の照射角度θ（後述するベースラインｄを基準とした角度）と、図示しないレンズおよびスキャニングミラー３間の距離（ベースライン）ｄとから三角測量の原理により、イメージセンサ５において測定対象４の座標を取得し、測定対象４の表面形状を推測し得るようになされている。なお、図１においてイメージセンサ５には、ベースラインｄを基準として入射角度φで測定対象４から反射光Ｌ３が入射されている。
【００１７】
ここで、図２は、図１における３次元形状測定システム１を上方から見て、幅方向をｘ軸とし、奥行き方向をｚ軸とした概略図であり、８はレンズ、１０はイメージセンサ５において反射光Ｌ３の受光面となる画素アレイ部を示す。画素アレイ部１０は、画素１１が行方向（横方向）Ｒおよび列方向（縦方向）Ｃに沿って行列状に配置されており、反射光Ｌ３を受光した画素位置（図２中、濃色で示す画素１１）によって測定対象４の表面形状を推測し得るようになされている。
【００１８】
この場合、図２に示すように、１フレームでシート光Ｌ１が奥行きｚ０からｚ１まで広がる場合には、画素１１が行列状に配置された画素アレイ部１０上での反射光Ｌ３の広がり領域ｗは、ｗ＝ｄ・ｆ（１／ｚ０−１／ｚ１）となる。なお、ｄは、スキャニングミラー３およびレンズ８間の距離（ベースライン）であり、ｆは、レンズ８の焦点距離である。そして、測定対象４の大きさや形状、奥行きｚ０−ｚ１を想定することで、このような画素アレイ部１０での反射光Ｌ３の広がり領域ｗを表す式から、画素アレイ部１０上での反射光Ｌ３の広がり領域ｗを推定し得る。また、画像アレイ部１０において反射光Ｌ３の広がり領域ｗを推定できることから、この広がり領域ｗとなる測定対象４に対して、画素アレイ部１０で反射光Ｌ３を受光するために必要となる幅方向の画素列数Ｎｗをも推測し得る。
【００１９】
そこで、本発明によるイメージセンサ５では、図３に示すように、画素アレイ部１０において反射光Ｌ３を受光するために必要十分な画素列数Ｎｗを予め想定しておき、画素列数Ｎｗを１つの単位として画素アレイ部１０の画素１１を複数の列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４に区分けしている。なお、画素アレイ部１０としては、例えば行方向Ｒに１２８画素を配置し、列方向Ｃに１２８画素を配置した合計１２８×１２８個の画素１１を有した構成を実際には想定するが、この実施の形態では、説明の便宜上、図３に示すように、行方向Ｒに１６画素を配置し、列方向Ｃに１６画素を配置した合計１６×１６個の画素１１でなる画素アレイ部１０を用いて以下説明する。また、この実施の形態の場合、画素アレイ部１０は、１つの列ブロックを構成する画素列数Ｎｗを４列として、合計４つの列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４により構成されている場合について以下説明する。
【００２０】
この場合、イメージセンサ５は、上述したように行例状に配置された画素１１が複数の列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４に区分けされた画素アレイ部１０に加えて、１つの列ブロックＢ１（Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４）を構成する画素列数Ｎｗと同じ数（ここでは、画素列数Ｎｗが４列であることから４つ）の行検波回路２１を、各画素行毎に設けた注目列ブロック検波部１５と、各画素列に対して１つの列検波回路２０を設けた画素列注目検波部１６とが画素アレイ部１０の領域以外の領域に形成された構成を有する。
【００２１】
なお、この実施の形態の場合、イメージセンサ５は、面領域が列方向Ｃに平行な平面に沿って放射状に進行するシート光Ｌ１を測定対象４に照射していることから、このシート光Ｌ１が放射状に進行する平面と平行な列方向Ｃに沿って、画素アレイ部１０の画素１１が列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４に区分けされている。
【００２２】
なお、画素アレイ部１０を構成する列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４は全て同一構成を有していることから、ここでは列ブロックＢ１に着目して以下説明する。この実施の形態の場合、列ブロックＢ１には、１列目の画素列Ｃ１、２列目の画素列Ｃ２、３列目の画素列Ｃ３、および４列目の画素列Ｃ４にそれぞれ１つの列検波回路２０が接続されている。例えば、この１列目の画素列Ｃ１は、列方向Ｃに並んだ全ての画素１１に共通して１本の列配線ＣＬが接続されており、当該列配線ＣＬの末端に１つの列検波回路２０が接続された構成を有する。
【００２３】
画素１１には、ダイオード等でなる光電変換素子Ｄ１が設けられており、当該光電変換素子Ｄ１が列スイッチＣＳＷを介して列配線ＣＬに接続されている。画素１１は、光を受光すると光電変換素子Ｄ１により光電変換信号を生成し、オン状態の列スイッチＣＳＷから列配線ＣＬを介して列検波回路２０に光電変換信号を送出し得るようになされている。この１列目の画素列Ｃ１に接続された列検波回路２０は、この１列目の画素列Ｃ１内の全ての画素１１から光電変換信号を受け取り、これら光電変換信号のいずれかに特定周波数成分が含まれている否かの検波処理を実行し、例えば特定周波数成分を検波したときには「１」のデータを生成し、特定周波数成分を検波しなかったときには「０」のデータを生成し得る。このようにして、画素列注目検波部１６は、各列検波回路により特定周波数成分が検波されたか否かを基に、画素アレイ部１０の全画素列のうち、反射光Ｌ３を受光した画素１１を含む画素列を特定し得るようになされている。
【００２４】
次に、注目列ブロック検波部１５について説明する。図４に示すように、注目列ブロック検波部１５は、各列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４の画素列数Ｎｗと同じ数の行検波回路２１を各画素行毎に設け、これら行検波回路２１によって、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４単位で検波処理を実行し得る点に特徴を有している。すなわち、この注目列ブロック検波部１５は、画素アレイ部１０の画素行数と同じ数の行数で、かつ列ブロックの画素列数Ｎｗと同じ数の列数で行列状に配置された行検波回路２１が設けられている。
【００２５】
ここで、画素アレイ部１０において１行目の画素行Ｒ１に着目すると、画素アレイ部１０の各列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４における１行１列目の各画素１１ａは、行配線ＲＬ１を介して注目列ブロック検波部１５の１行１列目の行検波回路２１ａに接続されている。また、画素アレイ部１０の各列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４における１行２列目の各画素１１ｂは、他の行配線ＲＬ２を介して注目列ブロック検波部１５の１行２列目の行検波回路２１ｂに接続され、同様にして、各列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４における１行４列目の各画素１１ｄも、他の行配線ＲＬ４を介して注目列ブロック検波部１５の１行４列目の行検波回路２１ｄに接続されている。
【００２６】
このように、画素アレイ部１０は、各列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４毎に、同じ行、同じ列にある画素１１が、注目列ブロック検波部１５において当該画素１１と同じ行、同じ列にある行検波回路にそれぞれ接続された構成を有している。これにより、注目列ブロック検波部１５は、行列状に配置された各行検波回路２１に、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４単位で各画素１１から光電変換信号が送られ、行検波回路２１毎に検波処理を実行し得るようになされている。
【００２７】
ここで、各画素１１の構成は同様であるため、説明の便宜上、１列目の画素列Ｃ１にある画素１１ａに着目して画素１１ａの構成について説明する。この場合、画素１１ａは、図３に示した列スイッチＣＳＷ（図４に図示せず）とは別に、オンオフ動作により行配線ＲＬ１に対する接続状態が切り替わる行スイッチＲＳＷを備えており、当該行スイッチＲＳＷをオン動作させることにより行配線ＲＬ１と接続して対応する行検波回路２１ａに光電変換信号を送出し得るようになされている。
【００２８】
これにより注目列ブロック検波部１５は、例えば１の列ブロックＢ１内の各画素１１における行スイッチＲＳＷがオン動作し、他の列ブロックＢ２,Ｂ３,Ｂ４の各画素１１における行スイッチＲＳＷがオフ動作することで、列ブロックＢ１内の画素１１により生成された光電変換信号のみを行検波回路２１に送出し得、各行検波回路２１にて検波処理を実行することにより、列ブロックＢ１内において反射光Ｌ３を受光している画素位置を特定し得るようになされている。このように注目列ブロック検波部１５は、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４単位で選択的に各画素１１からの光電変換信号を読み出すことができ、各行検波回路２１による検波処理によって、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４単位で反射光Ｌ３を受光した画素位置を特定し得るようになされている。
【００２９】
このように、注目列ブロック検波部１５は、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４内の画素数に相当する数の行検波回路２１が設けられ、列ブロック単位で検波処理を実行していることから、画素アレイ部１０の全ての画素に対して個別に行検波回路を設ける場合に比して、行検波回路の数を格段的に少なくし得、全ての画素に対して検波処理を実行する必要がない分、光電変換信号を生成した後に検波処理により特定周波数成分を検波して反射光を受光した画素位置を特定するまでの信号処理時間をも短くし得る。
【００３０】
次に、図５に示すように、画素アレイ部１０の一の列ブロックＢ１と、これと隣接する他の列ブロックＢ２とにおいて反射光Ｌ３を受光したときのイメージセンサ５での検波処理について以下説明する。この場合、イメージセンサ５は、画素アレイ部１０の各画素１１内の列スイッチＣＳＷ（図３）をオン動作させ、各画素１１により生成された光電変換信号を各画素列毎に画素列注目検波部１６の各列検波回路２０に送出する。画素列注目検波部１６は、列検波回路２０によって、画素アレイ部１０の各画素列毎に検波処理を実行し、特定周波数成分の有無により反射光Ｌ３を受光した画素列を特定し得る。
【００３１】
ここでは、列ブロックＢ１の２列目の画素列Ｃ２、３列目の画素列Ｃ３および４列目の画素列Ｃ４と、隣接する列ブロックＢ２の１列目の画素列Ｃ１および２列目の画素列Ｃ２とに反射光Ｌ３を受光した画素（図５中、濃色で示す画素１１）がある場合について説明する。この場合、画素列注目検波部１６は、列ブロックＢ１の２列目の画素列Ｃ２に接続された列検波回路２０ｂと、列ブロックＢ１の３列目の画素列Ｃ３に接続された列検波回路２０ｃと、列ブロックＢ１の４列目の画素列Ｃ４に接続された列検波回路２０ｄとで特定周波数成分を検波し、当該特定周波数成分を検波したことを示す「１」データを生成し得る。
【００３２】
また、これと同時に、画素列注目検波部１６は、隣接する列ブロックＢ２の１列目の画素列Ｃ１に接続された列検波回路２０ｅと、列ブロックＢ２の２列目の画素列Ｃ２に接続された列検波回路２０ｆと、列ブロックＢ２の３列目の画素列Ｃ３に接続された列検波回路２０ｇとで特定周波数成分を検波し、当該特定周波数成分を検波したことを示す「１」の検波データを生成し得る。
【００３３】
なお、反射光Ｌ３を受光していないその他の画素列に接続された列検波回路２０では、特定周波数成分を検波していないことを示す「０」の非検波データを生成し得る。このようにして、イメージセンサ５は、画素列注目検波部１６にて得られた「１」データおよび「０」データの２値データを基に、反射光Ｌ３を受光した画素列数（以下、受光画素列数と呼ぶ）Ｌｗを認識し、この受光画素列数Ｌｗが列ブロックを構成する画素列数Ｎｗを超えているか否かを判断し得る。
【００３４】
ここで、イメージセンサ５は、図５に示すように、受光画素列数Ｌｗ（この場合、６列）が列ブロックを構成する画素列数Ｎｗ（この場合、４列）を超え、反射光Ｌ３を受光した画素列が１つの列ブロックに収まらない場合、特定周波数成分が検波された画素列を含んだ複数の列ブロックＢ１,Ｂ２を特定し、列ブロックＢ１（Ｂ２）単位で画素内の行スイッチＲＳＷ（図４）をオン動作し得る。これにより、イメージセンサ５は、特定周波数成分が検波された画素列を含んだ列ブロックＢ１（Ｂ２）単位で順番に、当該列ブロックＢ１（Ｂ２）の各画素により生成された光電変換信号を注目列ブロック検波部１５へ送出させ得る。
【００３５】
実際上、この実施の形態の場合、図６Ａに示すように、注目列ブロック検波部１５には、先ず始めに列ブロックＢ１の各画素１１内の行スイッチＲＳＷ（図４）がオン動作されて、当該列ブロックＢ１の各画素１１が行検波回路２１に接続され、当該各画素１１内で生成された光電変換信号が行検波回路２１に送出され得る。各行検波回路２１は、列ブロックＢ１の対応する画素１１から受け取った光電変換信号に対し検波処理を実行し、特定周波数成分の検波の有無に従って、対応付けられている画素１１が反射光Ｌ３を受光した画素１１であるか否かを判別し得る。
【００３６】
これにより、注目列ブロック検波部１５は、行検波回路２１で特定周波数成分を検波すると、当該行検波回路２１で受光位置データが生成され、この受光位置データを図示しない受光位置解析部に送出することにより、受光位置解析部において、全ての行検波回路２１での受光位置データの有無に従って、列ブロックＢ１で反射光Ｌ３を受光した画素位置を特定し得るようになされている。
【００３７】
続いて、イメージセンサ５は、列ブロックＢ１の各画素１１内の行スイッチＲＳＷをオフ動作させるとともに、画素列注目検波部１６にて特定周波数成分が検波された画素列を含む次の列ブロックＢ２に着目し、当該列ブロックＢ２における各画素１１内の行スイッチＲＳＷをオン動作させる。これにより、注目列ブロック検波部１５には、図６Ｂに示すように、次の列ブロックＢ２の各画素１１が行検波回路２１に接続され、当該各画素１１内で生成された光電変換信号が行検波回路２１に送出され得る。各行検波回路２１は、列ブロックＢ２の対応する画素１１から受け取った光電変換信号に対し検波処理を実行し、特定周波数成分の検波の有無に従って、対応付けられている画素１１が反射光Ｌ３を受光した画素１１であるか否かを判別し得る。
【００３８】
これにより、注目列ブロック検波部１５は、行検波回路２１で特定周波数成分を検波すると、当該行検波回路２１で受光位置データが生成され、この受光位置データを図示しない受光位置解析部に送出することにより、受光位置解析部において、全ての行検波回路２１での受光位置データの有無に従って、次の列ブロックＢ２で反射光Ｌ３を受光した画素位置を特定し得るようになされている。
【００３９】
受光位置解析部は、先に受け取った列ブロックＢ１における反射光Ｌ３の受光位置を示した受光位置データと、後に受け取った列ブロックＢ２における反射光Ｌ３の受光位置を示す受光位置データとを、画素アレイ部１０の列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４の配列情報を基に連結することで画素アレイ部１０において反射光Ｌ３を受光した画素位置を認識し得、画素アレイ部１０での反射光Ｌ３の受光領域を特定し得るようになされている。
【００４０】
次に、図７に示すように、反射光Ｌ３を受光した画素列数（受光画素列数）Ｌｗが列ブロックを構成する画素列数Ｎｗ以内である場合について以下説明する。この場合、イメージセンサ５は、画素列注目検波部１６において、特定周波数成分を検波した列検波回路２０の数を基に、画素アレイ部１０において反射光Ｌ３を受光した画素列の数が、列ブロックを構成する画素列数Ｎｗ（４列）以内であるか否かを判別し得る。イメージセンサ５は、画素列注目検波部１６において特定周波数成分を検波した列検波回路２０の数から、受光画素列数Ｌｗ（この場合、４列）が列ブロックを構成する画素列数Ｎｗ（この場合、４列）以内であると判断すると、特定周波数成分を検波した列検波回路２０の位置から、特定周波数成分が検波された画素列を含んだ列ブロックＢ１,Ｂ２を特定し得る。
【００４１】
この実施の形態の場合、反射光Ｌ３を受光した画素（図７中、濃色で示す画素１１）を含む画素列は、列ブロックＢ１の３列名の画素列Ｃ３および４列目の画素列Ｃ４と、隣接する列ブロックＢ２の１列目の画素列Ｃ１および２列目の画素列Ｃ２であり、２つの列ブロックＢ１,Ｂ２に亘って存在している。
【００４２】
この場合、イメージセンサ５は、反射光Ｌ３を受光した列ブロックＢ１,Ｂ２の画素列のうち、反射光Ｌ３を受光した画素列の各画素１１の行スイッチＲＳＷ（図４）をオン動作させ、当該画素１１で生成された光電変換信号を対応する行検波回路２１へ送出し得るようになされている。実際上、この実施の形態の場合、反射光Ｌ３を受光した画素列は、列ブロックＢ１の３列目の画素列Ｃ３および４列目の画素列Ｃ４と、隣接する列ブロックＢ２の１列目の画素列Ｃ１および２列目の画素列Ｃ２とである。これによりイメージセンサ５は、列ブロックＢ１の３列目の画素列Ｃ３および４列目の画素列Ｃ４の各画素１１の行スイッチＲＳＷをオン動作させるとともに、隣接する列ブロックＢ２の１列目の画素列Ｃ１および２列目の画素列Ｃ２の各画素１１の行スイッチＲＳＷもオン動作させ得る。
【００４３】
これにより、注目列ブロック検波部１５には、列ブロックＢ２の１列目の画素列Ｃ１で生成された各光電変換信号が１列目の行検波回路２１に送出され、同じく列ブロックＢ２の２列目の画素列Ｃ２で生成された各光電変換信号が２列目の行検波回路２１に送出され得る。また、これと当時に、注目列ブロック検波部１５には、列ブロックＢ１の３列目の画素列Ｃ３で生成された各光電変換信号が３列目の行検波回路２１に送出され、列ブロックＢ１の４列目の画素列Ｃ４で生成された各光電変換信号が４列目の行検波回路２１に送出され得る。
【００４４】
これにより注目列ブロック検波部１５は、列ブロックＢ１,Ｂ２にて反射光Ｌ３を受光した各受光画素列から受け取った光電変換信号に対し、対応する行検波回路２１により検波処理を実行し、列ブロックＢ１,Ｂ２において反射光Ｌ３を受光した画素位置に対応する位置の行検波回路２１で、特定周波数成分を検波したことを示す受光位置データを生成し、これを受光位置解析部（図示せず）に送出し得る。
【００４５】
受光位置解析部は、３列目および４列目の行検波回路２１から得られた、列ブロックＢ１における反射光Ｌ３の受光位置データと、１列目および２列目の行検波回路２１から得られた、列ブロックＢ２における反射光Ｌ３の受光位置データとを、画素列注目検波部１６から受け取った受光画素列の情報を基に並び替えることで画素アレイ部１０において反射光Ｌ３を受光した画素位置を認識し得、画素アレイ部１０での反射光Ｌ３の受光領域を特定し得るようになされている。
【００４６】
次に、画素列注目検波部１６に設けられた列検波回路２０と、注目列ブロック検波部１５に設けられた行検波回路２１とについて簡単に説明する。これら列検波回路２０および行検波回路２１は、特定周波数成分を検波し得る従来の回路構成を有するものであり、同一の回路構成を有している。実際上、図８に示すように、これら列検波回路２０および行検波回路２１は、画素１１に接続されたハイパスフィルタ２４と、ミキサ２５と、積分回路２６,２７と、コンパレータ回路２８とを有しており、画素１１内で生成された光電変換信号Ｖｐｄから特定周波数成分を検波し得るようになされている。
【００４７】
なお、画素１１には、列検波回路２０用と行検波回路２１用とに、サブスレッショルド領域で動作する２つの対数応答回路（図８では列検波回路２０または行検波回路２１のいずれかに着目しているため、１つの対数応答回路２３のみを図示している）が設けられており、光電変換素子Ｄ１を流れる電流を対数応答回路２３により電圧に変換し、これを光電変換信号Ｖｐｄとしてハイパスフィルタ２４に送出し得る。この場合、図９Ａに示すように、光電変換信号Ｖｐｄは、特定周波数成分の反射光Ｌ３を受光すると、立ち上がっていた波形が、立ち下がりと立ち上がりとを交互に繰り返す波形となり得る。
【００４８】
ハイパスフィルタ２４は、図９Ｂに示すように、光電変換信号Ｖｐｄの直流成分を抑制し立ち上がりおよび立ち下がりを繰り返す交流成分を抽出して増幅した交流成分信号Ｖｍｏｄを生成し、この交流成分信号Ｖｍｏｄの平均値信号Ｖａｖｇと、交流成分信号Ｖｍｏｄとの差分を増幅して、図９Ｃに示すように、反射光Ｌ３の特定周波数成分と同期した交流成分増幅信号Ｖａｍｐを生成し、これをミキサ２５に送出する（図８）。ミキサ２５には、立ち上がりおよび立ち下がりを交互に繰り返す信号ＭＰＹ＋、および当該信号ＭＰＹ＋と位相が１８０度ずれた信号ＭＰＹ−が入力されている。ミキサ２５は、交流成分増幅信号Ｖａｍｐを一方の信号ＭＰＹ＋により信号処理した出力信号を一方の積分回路２６に送出し、交流成分増幅信号Ｖａｍｐを他方の信号ＭＰＹ−により信号処理した出力信号を他方の積分回路２７に送出し得る。
【００４９】
この際、画素１１からの光電変換信号Ｖｐｄに特定周波数成分が含まれている場合には、一方の積分回路２６から得られる出力信号Ｖ＋と、他方の積分回路２７から得られる出力信号Ｖ−とに電圧に差が生じ、その一方、画素からの光電変換信号Ｖｐｄに特定周波数成分が含まれていない場合には、一方の積分回路２６から得られる出力信号Ｖ＋と、他方の積分回路２７から得られる出力信号Ｖ−との電圧が等しくなる。これにより、列検波回路２０および行検波回路２１は、一方の積分回路２６から得られる出力信号Ｖ＋の電圧値と、他方の積分回路２７から得られる出力信号Ｖ−の電圧値とをコンパレータ回路２８によって比較し、出力信号Ｖ＋および出力信号Ｖ−間の電圧差を検出することにより特定周波数成分を検波し得る。
【００５０】
本発明によるイメージセンサ５は、このように複数の回路部により構成された列検波回路２０および行検波回路２１が画素１１内に設けられておらず、その分、画素１１自体を小型化し得、所定領域内の画素アレイ部１０に配置する画素数を増やすことができ、解像度を向上し得る。
【００５１】
次に、画素アレイ部１０が１２８画素×１２８画素、１つの列ブロックが１６列の画素列数Ｎｗでなるイメージセンサ５に関し、特定周波数成分を２［ｋＨｚ］としたときのＳＢＲ（Signal-to-background ratio）と、ＤＲ（Dynamic Range）についてシミュレーションを行ったところ、図１０に示すような結果が得られた。なお、ＳＢＲは、背景光に対して検出される最小の信号光量の比であり、下記の式で表される。
【００５２】
【数１】
2015114225.tif 000003
【００５３】
なお、Ｉｂｇは背景光による光電流の電流値を示し、Ｉｓｉｇ,ｍｉｎは検出可能な信号光による光電流の最小値を示す。図１０では、背景光の光電流に対して、検出可能な信号光による光電流の最小値をプロットしており、背景光の光電流が５００［ｐＡ］以上のとき、ＳＢＲは−１８［ｄＢ］となり、それより小さい光電流のときにはＳＢＲが大きくなっている。
【００５４】
また、ＤＲは、イメージセンサ５の識別可能な信号の最大値と最小値の比であり、下記の式で表される。その結果、ＤＲは７６［ｄＢ］であった。このようなシミュレーションから、本発明のイメージセンサ５では、背景光があってもその中から特定周波数成分の信号光を検波できることが確認できた。
【００５５】
【数２】
2015114225.tif 000004
【００５６】
次に、図２に示したレンズ８の焦点距離ｆを８［ｍｍ］、ベースラインｄを２００［ｍｍ］として、測定対象４の奥行きｚ１−ｚ０を８００［ｍｍ］、１０００［ｍｍ］、１２００［ｍｍ］としたとき、シート光Ｌ１のなぞる列の幅が、１列ブロック分となる測定対象４の形状について検証したところ、図１１に示すような結果が得られた。図１１は、縦軸を測定対象４の形状（Target size）とし、横軸を１列ブロックとなる画素列数Ｎｗ（Number of demodurators in each row）としている。
【００５７】
測定対象４の大きさを１フレームでシート光Ｌ１が広がる奥行き方向の大きさと評価したが、イメージセンサ５の視野で測定対象４の大きさが制限されると考えれば、測定対象４の大きさはイメージセンサ５の視野の半分程度に収まると想定される。よって、図１１から、注目列ブロック検波部１５における行検波回路２１の行方向の個数は１６個ほどで十分であると想定されることが分かった。従って、画素アレイ部１０において１つの列ブロックを構成する画素列数Ｎｗは１６列に想定することが好ましい。
【００５８】
以上の構成において、本発明によるイメージセンサ５では、平面に沿って放射状に進行し特定周波数成分を持つシート光Ｌ１が測定対象４に到達して得られる反射光Ｌ３を受光し、三角測量の原理を利用した光切断法によって測定対象４の表面形状を測定する。この場合、イメージセンサ５では、光を受光することにより光電変換信号を生成する画素１１が行列状に配置され、画素１１が画素列数（特定列数）Ｎｗ毎に列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４に区分けされた画素アレイ部１０と、画素アレイ部１０とは別の領域に形成され、画素アレイ部１０の画素列毎に１つの列検波回路２０を設け、列検波回路２０毎に、対応する画素列から受け取った光電変換信号に特定周波数成分が含まれているか否かの検波処理を実行する画素列注目検波部１６と、画素アレイ部１０とは別の領域に形成され、画素アレイ部１０の全画素列数よりも少ない画素列数Ｎｗ（特定列数）の行検波回路２１を画素行毎に設けた注目列ブロック検波部１５とを設けるようにした。
【００５９】
そして、イメージセンサ５では、注目列ブロック検波部１５によって、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４を目安に、列ブロック単位で画素アレイ部１０から受け取った光電変換信号に特定周波数成分が含まれているか否かの検波処理を実行するようにした。これにより、イメージセンサ５では、画素アレイ部１０の全画素数よりも少ない数の行検波回路２１および列検波回路２０により列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４を目安に必要な列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４だけ検波処理を実行することにより、特定周波数成分を検波する検波処理を各画素毎にそれぞれ個別に実行する場合に比して、光電変換信号を生成した後に検波処理により特定周波数成分を検波して反射光を受光した画素位置を特定するまでの信号処理時間を短縮化し得る。また、このイメージセンサ５では、列検波回路２０および行検波回路２１が画素アレイ部１０の領域以外の領域に設けられており、従来のように検波回路が各画素内にそれぞれ個別に設けられていない分、各画素のサイズを小さく形成し得、所定領域内に従来よりもより多くの画素を配置できることから、その分、解像度を向上し得る。
【００６０】
また、このイメージセンサ５では、各列検波回路２０によって特定周波数成分を含む光電変換信号を送出した受光画素列を特定し、この受光画素列を含む列ブロックＢ１,Ｂ２単位で光電変換信号を受け取り、当該列ブロックＢ１,Ｂ２単位で光電変換信号に対する検波処理を実行する。これによりイメージセンサ５では、反射光Ｌ３を受光した受光画素列からの光電変換信号に対してだけ確実に検波処理を実行し得るとともに、当該受光画素列からの光電変換信号に対してだけ検波処理を実行することから信号処理時間を短縮化し得る。
【００６１】
この際、イメージセンサ５では、図５に示したように、受光画素列の数が画素列数Ｎｗを超えているとき、受光画素列を含んだ複数の列ブロックＢ１,Ｂ２から列ブロックＢ１,Ｂ２単位で順番に各画素１１から光電変換信号を受け取り、列ブロックＢ１,Ｂ２毎に検波処理を順番に実行するようにした。これにより、イメージセンサ５では、列ブロックＢ１,Ｂ２毎に順番に得られた受光位置データを受光位置解析部に順次送出することで、当該受光位置解析部によって、画素アレイ部１０の列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４の配列情報を基に複数の受光位置データを連結させ、画素アレイ部１０において反射光Ｌ３を受光した画素位置を特定させることができる。
【００６２】
一方、イメージセンサ５では、受光画素列の数が画素列数Ｎｗ以内であるとき、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４にかかわらず、全ての受光画素列から光電変換信号を一括して注目列ブロック検波部１５の行検波回路２１に送出させ、各行検波回路２１によって光電変換信号に特定周波数成分が含まれているか否かの検波処理を実行するようにした。これにより、イメージセンサ５では、注目列ブロック検波部１５により得られた受光位置データを受光位置解析部に送出するとともに、画素列注目検波部１６により得られた受光画素列の情報を受光位置解析部に送出し、当該受光位置解析部によって、画素アレイ部１０での受光画素列の情報を基に受光位置データを並べ替え、画素アレイ部１０において反射光Ｌ３を受光した画素位置を特定させることができる。
【００６３】
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施の形態においては、画素列注目検波部１６で受光画素列を特定した後、当該受光画素列を含む列ブロックＢ１,Ｂ２の各画素の光電変換信号を注目列ブロック検波部１５へ送出するイメージセンサ５について説明したが、本発明はこれに限らず、画素列注目検波部１６と注目列ブロック検波部１５との検波処理を同時に行うイメージセンサとしてもよい。以下、このようなイメージセンサについて、図７を用いて説明する。
【００６４】
この場合でも、イメージセンサ５は、行列状に配置された画素１１が画素列数Ｎｗ（特定列数）毎に列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４を構成した画素アレイ部１０を有しており、画素列注目検波部１６において各列検波回路２０により画素アレイ部１０の画素列毎に検波処理を実行し、特定周波数成分を含む光電変換信号を送出した受光画素列（図７中、濃色に示した列検波回路２０）を特定し得る。
【００６５】
また、これと同時に、注目列ブロック検波部１５でも、画素列注目検波部１６の検波結果を待つことなく、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４毎に同じ配列位置にある画素列から画素列毎に光電変換信号を行検波回路２１にて受け取る。具体的には、図４に示すように、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４の各１列目の画素列Ｃ１からの光電変換信号を１列目の行検波回路２１aにて受け取り、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４の各２列目の画素列Ｃ２からの光電変換信号を２列目の行検波回路２１ｂにて受け取り、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４の各３列目の画素列Ｃ３からの光電変換信号を３列目の行検波回路２１ｃにて受け取り、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４の各４列目の画素列Ｃ４からの光電変換信号を４列目の行検波回路２１ｄにて受け取る。
【００６６】
このようにして注目列ブロック検波部１５は、各列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４で同じ配列位置にある画素列からそれぞれ受け取った各光電変換信号を合わせて検波処理を実行し、図７に示すように、全ての列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４を重ねた状態の受光画素位置（図７中、濃色に示した行検波回路２１）を生成し得る。このように画素列注目検波部１６により得られた受光画素列の位置と、注目列ブロック検波部１５により得られた受光画素位置とを用いて、反射光Ｌ３の受光位置は連続するという特性から整合性をとることで、画素アレイ部１０において反射光Ｌ３を受光した画素位置を特定させることができる。
【００６７】
以上の構成において、このようなイメージセンサ５でも、行列状に配置された画素１１が画素列数（特定列数）Ｎｗ毎に列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４に区分けされた画素アレイ部１０と、画素列注目検波部１６と、注目列ブロック検波部１５とを設け、注目列ブロック検波部１５によって、列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４を目安に、各列ブロックＢ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４で同じ配列位置にある画素列から纏めて受け取った光電変換信号に特定周波数成分が含まれているか否かの検波処理を実行するようにした。
【００６８】
この場合でも、イメージセンサ５は、画素アレイ部１０の全画素数よりも少ない数の行検波回路２１および列検波回路２０により列ブロックを目安に画素列毎に纏めて検波処理を実行することにより、検波処理を各画素１１毎にそれぞれ個別に実行する場合に比して、信号処理時間を短縮化し得る。また、この場合も、従来のように検波回路が各画素内にそれぞれ個別に設けられていない分、各画素のサイズを小さく形成し得、所定領域内に従来よりもより多くの画素を配置できることから、その分、解像度を向上し得る。
【００６９】
なお、上述した実施の形態においては、画素アレイ部の全画素列数よりも少ない特定列数の行検波回路を画素行毎に設けた注目列ブロック検波部として、画素アレイ部１０の全画素列数よりも少ない４列の画素列数Ｎｗの行検波回路２１を、画素行毎に設けた注目列ブロック検波部１５を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、画素アレイ部の全画素列数よりも少ない特定列数であれば、その他種々の画素列数の行検波回路を画素行毎に設けた注目列ブロック検波部を適用しても良い。
【符号の説明】
【００７０】
１  ３次元形状測定システム
２  光源
４  測定対象
５  イメージセンサ
１５  注目列ブロック検波部
１６  画素列注目検波部
２０  列検波回路
２１  行検波回路
【図１】
2015114225.tif 000005
【図２】
2015114225.tif 000006
【図３】
2015114225.tif 000007
【図４】
2015114225.tif 000008
【図５】
2015114225.tif 000009
【図６】
2015114225.tif 000010
【図７】
2015114225.tif 000011
【図８】
2015114225.tif 000012
【図９】
2015114225.tif 000013
【図１０】
2015114225.tif 000014
【図１１】
2015114225.tif 000015