(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接現場からの入射光を受けてその照度に応じたレベルの電気信号をアナログ・センサ信号として出力する光電変換部と、
このアナログ・センサ信号をディジタル・センサ信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
このＡ／Ｄ変換部から出力されるディジタル・センサ信号又はこれを所定の照度及びセンサ信号のレベルの範囲にわたって相互の直線関係を有するように補正したディジタル・センサ信号のレベルを、入射光の所定の照度の範囲内でのみこの照度の変化に対して対数的に変化するように変換するレベル変換部と
を備えたことを特徴とする溶接用撮像装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記入射光の所定の照度の範囲は、スポット部からの入射光の照度を含む第１の照度の範囲と、ビード部からの入射光の照度を含む第２の照度の範囲とから成ることを特徴とする溶接用撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかにおいて、
前記入射光の所定の照度の範囲の外では、前記ディジタル・センサ信号のレベルがゼロのレベルに変換されることを特徴とする溶接用撮像装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記レベル変換部の変換の内容を外部入力によって変更する手段を備えたことを特徴とする溶接用撮像装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記光電変換部は、入射光を受けてその照度に応じたレベルの光電流を流すフォトダイオードと、このフォトダイオードに流れる光電流を電圧に変換する対数型のＶ−Ｉ特性を有する第１のトランジスタと、この電圧を増幅する第２のトランジスタと、この増幅された電圧を前記アナログ・センサ信号として選択的に出力する第３のトランジスタとを備えた画素群から成ることを特徴とする溶接用撮像装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記フォトダイオードの接合容量と浮遊容量とを含むコンデンサに充電された電荷を、前記第１のトランジスタを通して放電することにより残像の発生を回避する放電手段を備えたことを特徴とする溶接用撮像装置。
【請求項７】
請求項５又は６のいずれかにおいて、
前記第１のトランジスタと第２のトランジスタは、それぞれＭＯＳトランジスタであることを特徴とする溶接用撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、撮像装置に関するもので、特に、溶接現場の監視に適した広ダイナミックレンジを有する溶接用撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶接ロボットを用いて行われるレーザ溶接などの自動溶接工程では、撮像装置と表示装置とを用いて溶接状況の監視が行われる。この溶接状況の監視は、図７に示すように、レーザ光の照射を受けて溶融状態になった金属表面の高温の溶融池の先端部分と、この金属の溶融池が凝固することによってこの溶融池の背後に形成されるビード部について行われる。溶融池の先端部分はキーホール領域やスポット部と称され、溶接の良否の判断に監視が不可欠な箇所である。ビード部も溶接における重要な監視対象であり、その最大幅と最小幅の比に基づいて溶接作業を制御するという提案もなされている（例えば特開平６ー３４８８３）。
【０００３】
高輝度のスポット部と、低輝度のビード部とを一つの表示画面上で監視するには、輝度に対する広いダイナミックレンジを持った撮像装置が必要になるが、これを実現することは難しい。そこで、アーク部などの高輝度の箇所とビード部などの低輝度の箇所を２台の撮像装置で個別に撮像し、それぞれの撮像画面を合成したものを一つの表示画面に表示する方法が提案されている（特開平１１−１４６３８７号公報、特開平１１−２７７２３１号公報、特開２０００−１７６６７５号公報など）。
【０００４】
また、広ダイナミックレンジの撮像装置として、対数変換型のＣＭＯＳカメラが開発されてきた。このＣＭＯＳカメラは、ＭＯＳ・ＦＥＴのＶ−Ｉ特性が弱反転状態の微小電流範囲において対数特性を示すことを利用している。このようなＭＯＳ・ＦＥＴを受光用のフォトダイオードに負荷として接続することにより、入射光の照度の対数値に比例する大きさのセンサ信号を得ている（特開平１０−９００５８号公報、特開平１１−２１１５６５号公報など）。
【０００５】
また、上記特開平１１−２１１５６５号公報では、ＣＭＯＳカメラ出力にルックアップ・テーブルを用いてレベル変換を施すことにより、入射光の照度とセンサ信号との間に対数特性が成立しない微弱な照度の範囲にまで、ＣＭＯＳカメラの対数特性を拡張する技術が開示されている。また、この特許文献には、入射光の照度を複数の連続的な領域に分割し、各領域内で同一の対数特性を付与するような変換を行う技術が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の溶接用撮像装置は、監視対象の輝度の範囲に応じて２台のカメラを使用している。このため、システム全体の構成が複雑、高価になると共に、カメラを２台設置するために、設置空間もかさむという問題がある。また、２台のカメラの撮像画面を合成する回路も必要になる。
【０００７】
また、上記特開平１１−２１１５６５号公報に開示されたように、入射光の照度を複数の連続的な領域に分割し、各領域内で同一の対数特性を付与するような変換を適用することにより、ダイナミックレンジの拡大を図るという対策も考えられる。しかしながら、このようにすると、スポット部と、ビード部以外の輝度の箇所にもセンサ信号のレベルが割当られてしまい、監視対象として必須のスポット部とビード部とに割当てることができるセンサ信号のレベル（階調）が制限され、容易かつ正確に監視することが困難になるという問題がある。
【０００８】
従って、本発明の一つの目的は、１台の撮像装置を使用することにより、高輝度のスポット部も低輝度のビード部も一つの表示画面上で監視可能な溶接用撮像装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、監視対象として必須のスポット部とビード部とに多くのレベルを割当てることにより、溶接現場を容易にかつ正確に監視できる溶接用撮像装置を提供することにある。
【００１０】
本発明のさらに他の目的は、外部からルックアップ・テーブルを変更することにより撮像特性を撮像対象や状況に応じて容易に変更できる溶接用撮像装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明の溶接用撮像装置は、入射光を受けてその照度に応じた対数的レベルの電気信号をアナログ・センサ信号として出力する光電変換部と、このアナログ・センサ信号をディジタル・センサ信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、このＡ／Ｄ変換部から出力されるディジタル・センサ信号又はこれを所定の照度及びセンサ信号のレベルの範囲にわたって相互の直線関係を有するように補正したディジタル・センサ信号のレベルを、入射光の所定の照度の範囲内でのみこの照度の変化に対して対数的に変化するように変換するレベル変換部とを備えることにより、監視対象箇所の照度範囲に多くの階調信号を割当て、これによって容易かつ正確な監視を可能とするように構成されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記入射光の所定の照度の範囲は、スポット部からの入射光の照度を含む第１の照度の範囲と、ビード部からの入射光の照度を含む第２の照度の範囲とから成り、溶接状況の監視に適した撮像装置が提供される。
【００１３】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、上記入射光の所定の照度の範囲の外では、上記ディジタル・センサ信号のレベルがゼロのレベルに変換されることにより、一層多くの階調を監視対象の箇所に割当てて監視を容易かつ正確にするように構成されている。
【００１４】
本発明の更に好適な実施の形態によれば、上記レベル変換部の変換の内容を外部入力によって変更する手段を備えることにより、監視対象箇所を正確に設定したり、監視対象や状況の変化に応じて監視対象の輝度や照度の領域を容易に変更したりすることを可能とするように構成されている。
【００１５】
本発明の更に好適な実施の形態によれば、上記光電変換部は、入射光を受けてその照度に応じたレベルの光電流を流すフォトダイオードと、このフォトダイオードに流れる光電流を電圧に変換する対数型のＶ−Ｉ特性を有する第１のトランジスタと、この電圧を増幅する第２のトランジスタと、この増幅された電圧を前記アナログ・センサ信号として選択的に出力する第３のトランジスタとを備えた画素群から成ることにより、対数型の広いダイナミックレンジを実現するように構成されている。
【００１６】
本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、上記フォトダイオードの接合容量と浮遊容量とを含むコンデンサに充電された電荷を、第１のトランジスタを通して放電する放電手段を備えることにより、残像の発生を回避して撮像画面の画質を向上させるように構成されている。
【００１７】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の溶接用撮像装置の構成を示すブロック図である。この撮像装置は、光電変換部１、Ａ／Ｄ変換部２、直線補正部３、レベル変換部４及び特性調整部５を備えている。光電変換部１は、二次元的に配列された適宜個数の光電変換素子１〜ｎから構成されている。
【００１８】
光電変換部１の各光電変換素子は、図２に示すように、フォトダイオードＰＤと３個のＭＯＳトランジスタＱ１〜Ｑ３とを備えている。第１のＭＯＳトランジスタＱ１は、ｎ型のＭＯＳトランジスタから成り、ゲート直下に弱い逆転層が形成されるようにバイアスされることにより、対数型のＶ−Ｉ特性を有する。すなわち、フォトダイオードＰＤに入射した光の照度に応じた大きさの光電流が流れると、この光電流の対数値に比例する量だけドレイン電圧ＶＤよりも低下した電圧がノードＰに出現する。このノードＰの電圧は、第２のＭＯＳトランジスタＱ２で増幅され、画素選択信号ＶＣをゲートに受けて導通する第３のＭＯＳトランジスタを通して図１のＡ／Ｄ変換部２にアナログ・センサ信号として出力される。
【００１９】
Ａ／Ｄ変換部２は、光電変換部１内の各光電変換素子から順次供給されるアナログ・センサ信号をディジタル・センサ信号に変換し、これを直線補正部３に供給する。
【００２０】
直線変換部３は、前段のＡ／Ｄ変換部３から出力されたディジタル・センサ信号を、所定の照度と所定のレベルの範囲にわたって相互の直線関係を有するように補正する。一例として、図３中に曲線ａで示すように、光電変換素子への入射光の照度が１０ー2ルクスから１０6 ルクスの近くまで変化し、これに応じてディジタル・センサ信号に割当てられるレベルがほぼ２００から２５６の範囲にわたって変化するものとする。上記入射光の照度の範囲と、０から２５６までのレベルの範囲にわたって直線性が保たれるように、曲線ｂで示す特性に補正される。
【００２１】
直線補正部３において直線補正が施されたディジタル・センサ信号は、レベル変換部４に供給される。レベル変換部４は、ＲＡＭで構成されるルックアップ・テーブル４ａと、ディジタル・プロセッサで構成されるテーブル書換部４ｂとを備えており、直線補正済のディジタル・センサ信号に対して、ルックアップ・テーブル４ａの内容に従ってレベル変換を行う。
【００２２】
図４は、上記レベル変換部４で行われるレベル変換の一例を説明するための概念図である。この例では、変換前のレベルが３２から６４までの範囲と、１８０から２５６までの範囲について、変換前のレベルに応じて変換後のレベルが変化するようにレベルが割当てられる。すなわち、図３の照度と変換前のレベルとの関係を参照すると、入射光の照度が１０ー1ルックスから１０ 0ルックスの範囲と、３×１０3 ルックスから６×１０5 ルックスまでの範囲について、入射光の照度の変化に対して対数的に変化するように変換後のディジタル・センサ信号にレベルが割当てられる。
【００２３】
この実施例の溶接用撮像装置の感度特性によれば、１０ー1ルックスから１０ 0ルックスまでの照度の範囲は溶接現場のビード部から入射する光の典型的な照度を多く含む範囲であり、３×１０3 ルックスから６×１０5 ルックスまでの照度の範囲は同じくスポット部から入射する光の典型的な照度を多く含む範囲である。このように所定の照度範囲のみについてレベルを割り当てた結果、後段の図示しない表示装置の単一の画面上で、低輝度のビード部と光輝度のスポット部を同時に監視することが可能になる。
【００２４】
図５は、上記レベル変換部４によるレベル変換の他の例を示す概念図である。この例では、ビード部からの入射光の照度を含む１０ー1ルックスから１０ 0ルックスまでの照度の範囲と、スポット部からの入射光の照度を含む３×１０3 ルックスから６×１０5 ルックスまでの範囲のそれぞれに、０から２５６までのレベルが割当てられる。この例では、図４の場合に較べて、より鮮明な画像が表示される。
【００２５】
ビード部やスポット部の照度が溶接作業の状況や、撮像装置の設置位置や、光学フィルタの変更や特性の変化などに起因して当初の予想範囲からずれる場合がある。このような場合、この実施例の撮像装置の操作者は、図１の特性調整部５から指令を入力することにより、照度範囲の変更をテーブル書換部４ｂに指令する。この指令を受けたテーブル書換部４ｂは、ＲＡＭで構成されるルックアップ・テーブル４ａ内の変換データを書換えることにより、階調を割当てる照度の範囲を変更する。このように、ルックアップ・テーブルをＲＡＭで構成しておき、外部からの指令に応じて作成した変換データでルックアップ・テーブルの内容を書換えることにより、容易かつ安価に特性の変更を行うことが可能になる。
【００２６】
Ａ／Ｄ変換部２とレベル変換部４との間に直線補正部３を介在させることによって、レベル変換部４の汎用性が高まる。すなわち、レベル変換部４を、光電変換部１，Ａ／Ｄ変換部２及び直線補正部３から構成される種々の品種のセンサのフロントエンド部やヘッド部と組合わせることができる。あるいは、このレベル変換部４を撮像装置と表示装置の中間に付加したり、表示装置内の最前段に付加したりすることもできる。
【００２７】
図６は、レベル変換部４によるレベル変換の更に他の例を説明するための概念図である。この例では、ビード部からの入射光の照度よりも大きな１０ 0ルックス（レベル６４）からスポット部からの入射光の照度よりも小さな１０4 ルックス（レベル１９２）までの範囲に、照度に応じて変化するように０から２５６までのレベルが割当てられる。この例では、スポット部の末尾からビード部の先端部までの領域について鮮明な画像が表示される。
【００２８】
レベル変換部４が、図５に例示するようなレベル変換用のルックアップ・テーブルと、図６に例示するようなレベル変換用のルックアップ・テーブルとを備えており、特性調整部５からの切替え指令を受けた、テーブル書換部４ｂが、いずれかのルックアップ・テーブルを選択する構成とすることもできる。
【００２９】
図２の光電変換素子において、フォトダイオードＰＤに対して並列接続されているコンデンサＣは、このフォトダイオードＰＤの接合容量と浮遊容量とを含んでいる。フォトダイオードＰＤへの入射光の照度が変化すると、フォトダイオードＰＤを流れる光電流が増減し、ノードＰの電圧が上下することになる。それにはコンデンサＣがフォトダイオードＰＤやＭＯＳトランジスタＱ１を通して充放電されなければならない。しかしながら、フォトダイオードＰＤやＭＯＳトランジスタＱ１の抵抗値が大きいため、上記充放電には時間がかかる。この結果、コンデンサＣの端子間電圧、すなわちノードＰの電圧が入射光の照度に追従できなくなり、残像が生ずる。
【００３０】
このような残像の発生を回避するため、ＭＯＳトランジスタＱ３の導通によってこの光電変換素子のアナログ・センサ信号が出力されるたびに、直ちに、第１のＭＯＳトランジスタＱ１を通してコンデンサＣの放電が行われ、初期設定が行われる。すなわち、第１のＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤが短時間にわたって接地電圧程度まで低下され、コンデンサＣに蓄積された電荷がこのＭＯＳトランジスタＱ１を通して放電される。この結果、コンデンサＣの端子電圧は一旦接地電圧程度の初期値に低下せしめられる。この後、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧が定常値に復帰せしめられると、フォトダイオードＰＤに流れる光電流によってコンデンサＣの充電が開始され、端子間電圧は、光電流で決まる大きさの一定値に漸近する。
【００３１】
上述のように、この実施例の撮像装置は、第１のＭＯＳトランジスタＱ１を通してコンデンサＣの放電を行うことにより、残像の発生が回避された良質な画像信号を出力することができる。
【００３２】
以上、Ａ／Ｄ変換部２とレベル変換部４との間に直線補正部３を介在させる構成を例示した。しかしながら、前述したようにレベル変換部４の汎用性を必要としない場合なとには、直線補正部３を省略することもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の溶接用撮像装置は、スポット部やビード部などの監視対象からの入射光の照度を含む所定の照度の範囲内でのみこの照度の変化に対して対数的に変化するようにレベルを割り当てる構成であるから、監視対象箇所の照度範囲に多くの階調信号が割当てられ、監視が容易かつ正確になるという効果が奏される。
【００３４】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記入射光の所定の照度の範囲外では、上記ディジタル・センサ信号のレベルがゼロのレベルに変換される構成であるから、監視対象の箇所に一層多くの階調を割当てることが可能になり、監視が容易かつ正確になるという効果が奏される。
【００３５】
本発明の更に好適な実施の形態によれば、上記レベル変換部の変換の内容を外部入力によって変更する手段を備える構成であるから、監視対象箇所を正確に設定したり、監視対象や状況の変化に応じて監視対象の輝度や照度の領域を容易に変更したりすることを可能になるという利点がある。
【００３６】
本発明の更に好適な実施の形態によれば、光電変換部は、フォトダイオードとこのフォトダイオードに流れる光電流を電圧に変換する対数型のＶ−Ｉ特性を有するＭＯＳトランジスタなどのトランジスタを備える構成であるから、対数型の広いダイナミックレンジが実現できるという利点がある。
【００３７】
本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、上記フォトダイオードの接合容量と浮遊容量とを含むコンデンサに充電された電荷を、トランジスタを通して放電する構成であるから、残像の発生が回避され、撮像画面の画質が向上するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の溶接用撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記実施例の溶接用撮像装置の光電変換部１の光電変換素子の構成の一例を示す回路図である。
【図３】上記実施例の溶接用撮像装置の直線補正部３の直線補正の一例を説明するための概念図である。
【図４】上記実施例の溶接用撮像装置のレベル変換部４のレベル変換の一例を説明するための概念図である。
【図５】上記実施例の溶接用撮像装置のレベル変換部４のレベル変換の他の一例を説明するための概念図である。
【図６】上記実施例の溶接用撮像装置のレベル変換部４のレベル変換の更に他の一例を説明するための概念図である。
【図７】撮像装置による撮像対象の溶接現場の概要を示す平面図である。
【符号の説明】
１    光電変換部
２    Ａ／Ｄ変換部
３    直線補正部
４    レベル変換部
4a    ルックアップ・テーブル
4b    テーブル書換部
５    特性調整部
【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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【図７】
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