ＣＭＯＳエリアセンサにおける照明制御方法
【課題】 ＣＭＯＳエリアセンサでの照明に係る電力消費量を大幅に低減することができ、現在ＣＣＤエリアセンサが主流として使用されている手持式の小型の撮像装置をＣＭＯＳエリアセンサを用いた装置に置き代えることが可能な照明制御方法を提供する。
【解決手段】 水平方向の先頭ラインＬ１の蓄積開始時点Ｓｔ１から最終ラインＬｎの蓄積開始時点Ｓｔｎまでの時間ＴＳに所定の照明時間Ｘを加算した時間を１水平ラインの蓄積時間Ｂｔ’として設定して各水平ラインＬ１〜Ｌｎにおける蓄積のモードを制御すると共に、撮像エリアに対する照明光を前記最終ラインＬｎの蓄積開始時点Ｓｔｎから前記照明時間Ｘ分照射するように照明制御する。
【解決手段】 水平方向の先頭ラインＬ１の蓄積開始時点Ｓｔ１から最終ラインＬｎの蓄積開始時点Ｓｔｎまでの時間ＴＳに所定の照明時間Ｘを加算した時間を１水平ラインの蓄積時間Ｂｔ’として設定して各水平ラインＬ１〜Ｌｎにおける蓄積のモードを制御すると共に、撮像エリアに対する照明光を前記最終ラインＬｎの蓄積開始時点Ｓｔｎから前記照明時間Ｘ分照射するように照明制御する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、２次元に配列された蓄積型光電変換素子を備えた撮像装置の照明制御方法に関し、特に撮像素子として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor ：相補型金属酸化物絶縁半導体）を用いた２次元エリアセンサにおける照明制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、バーコード等の読取機能を有するコード読取装置やデジタルスチルカメラなどの撮像装置で使用される撮像素子としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ＝ 電荷結合素子）が主流である。ＣＣＤにおいて従来の撮像管の電子ビーム走査に相当するものは、クロックと呼ばれる読み出し用の基準になる連続パルスであり、画像情報を読み出す際には、例えばＣＣＤを駆動させる基本クロックをＣＰＵにて作成し、光電変換・蓄積，（転送，保持）及び読出の各モードを１サイクルとして各画素の情報を読み出すようにしている。
【０００３】図４は一般的なＣＣＤエリアセンサの内部構造の一例を示しており、同図に示すように、ｎ行ｍ列（ｎ，ｍは自然数）の各フォトセンサ１Ａから成るＣＣＤエリアセンサは、垂直方向のシフトレジスタ２Ａと水平方向のシフトレジスタ３Ａとを有しており、各フォトセンサ１Ａに対して蓄積された電気量（光電変換された電気量）が同時に垂直方向のシフトレジスタ２Ａに転送され、次に水平方向のシフトレジスタ３Ａに転送され、増幅器４Ａを介して順次出力されるようになっている。
【０００４】従って、ＣＣＤエリアセンサの場合、電荷蓄積時間（シャッタースピード）を規定するためのパルスを発生させて、垂直方向シフトレジスタ２Ａへの転送までの電気量の蓄積時間を制御することで、シャッター機能（「電子シャッター機能」と言う）を有している。
【０００５】一方、近年、ＣＣＤに代わる固体撮像素子として、ＣＭＯＳエリアセンサ（ＣＭＯＳイメージセンサとも言う）が開発，製造されている。ＣＭＯＳエリアセンサは、ＣＣＤエリアセンサに比べて、図５のように垂直方向のシフトレジスタを有しておらず、水平方向のシフトレジスタ３Ｂに１水平ライン分の各フォトセンサ１Ｂの電気量を直接転送する構造となっている。そして、ＣＣＤエリアセンサと同じように、この水平方向シフトレジスタ３Ｂへの転送までの電気量の蓄積時間を制御することで電子シャッター機能を有している。
【０００６】ここで、ＣＣＤエリアセンサとＣＭＯＳエリアセンサの電子シャッター機能の大きな違いは、ＣＣＤエリアセンサが垂直方向シフトレジスタを有しているために、図６に示すように、水平ラインの先頭ラインＬ１から最終ラインＬｎまで当該ラインの各フォトセンサ１Ａへの電気量の蓄積時間Ａｔ（Ａｔ１〜Ａｔｎ）が同一時間に行われるのに対して、ＣＭＯＳエリアセンサの電気量の蓄積には、１水平ライン分毎に水平方向シフトレジスタに転送するため、図７に示すように、各水平ライン（Ｌ１〜Ｌｎ）分のフォトセンサ毎に水平方向シフトレジスタ３Ｂが転送を終了するまでの時間のずれ（図７R>７中のＷｔの時間差）が生じることにある。
【０００７】従って、照明は、ＣＣＤエリアセンサでは図６中の蓄積時間Ａｔに示される同一時間Ａｔ内だけ照射すれば良いのに比べ、ＣＭＯＳエリアセンサでは、図７R>７中の１フレーム分の総蓄積時間ＡＢｔに示される区間（全ての水平ラインのフォトセンサが電気量を水平方向シフトレジスタヘ転送し終わるまでの時間）、照明を照射しなければならなくなる。すなわち、水平ラインの蓄積時間をＢｔ，ずれの時間をＷｔ，水平ラインの数をｎとした場合、照明時間Ｌｔ＝Ｂｔ＋Ｗｔ×（ｎ−１）となり、ＣＣＤエリアセンサと比較すると、照射時間がかなり長くなる。
【０００８】また、ＣＭＯＳエリアセンサでは電子シャッター機能を使用しない場合であっても、各水平ライン毎に１水平ライン転送時間分だけの電気量の蓄積時間のずれが生じる。従って、電気量の蓄積時間のずれは１番目の水平ラインと最終の水平ラインでは１フレーム分のずれが生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】光電変換素子としてＣＭＯＳを用いたＣＭＯＳエリアセンサは、ＣＣＤエリアセンサと比べて超低消費電力（約１／１０）で動作するという利点がある。さらに、撮像部と素子駆動回路を１チップに集積でき、高密度な高精細画素を構成可能であるといった優れた特徴を有する。その反面、ＣＭＯＳエリアセンサは、ＣＣＤエリアセンサに比べて感度が悪いと言う欠点があり、また、固定パターンのノイズが乗ってしまうと言う欠点もあったが、これらの欠点は、近年、解消する技術が発達し、ＣＭＯＳエリアセンサの実用化がほぼ可能となってきた。
【００１０】しかしながら、照明に関しては、ＣＣＤエリアセンサが全ライン蓄積して同時転送する方式のため照明時間は短くて良いが、ＣＭＯＳエリアセンサは垂直レジスタが無く、各ラインを順次、蓄積／転送する方式のため、前述のように、従来は１フレーム分をすべて蓄積／転送する間、照明をたき続けるという形態を採用していた。そのため、ＣＣＤエリアセンサに比べて、照明時間が長く、総消費電力がかなり大きくなるため、暗所においても高精度な読取機能を必要とする手持式の小型装置（軽量で小型のバッテリ内蔵型の撮像装置）、例えば操作者が片手で操作できるような手持式のコード読取装置や携帯型の撮像カメラ等においてはＣＭＯＳエリアセンサを用いた装置を低消費電力で実現することが実質上できなかった。
【００１１】本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、ＣＭＯＳエリアセンサでの照明に係る電力消費量を大幅に低減することができ、現在ＣＣＤエリアセンサが主流として使用されている手持式の小型の撮像装置をＣＭＯＳエリアセンサを用いた装置に置き代えることが可能な照明制御方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、水平方向及び垂直方向に２次元に配列された複数の光電変換素子を備え、前記光電変換素子としてＣＭＯＳを用いたＣＭＯＳエリアセンサにおける照明制御方法に関するものであり、本発明の上記目的は、前記水平方向の先頭ラインの蓄積開始時点から最終ラインの蓄積開始時点までの時間に所定の照明時間を加算した時間を１水平ラインの蓄積時間として設定して各水平ラインにおける蓄積のモードを制御すると共に、撮像エリアに対する照明光を前記最終ラインの蓄積開始時点から前記照明時間分照射するように照明制御することによって達成される。また、前記１水平ラインの蓄積時間を延長させたことで生じる感度の増大分をゲイン調整することによって、より効果的に達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明は、操作者が片手で操作できる手持式でバッテリ内蔵型の撮像装置で、暗所でも高精度の画像読取を必要とする撮像装置に好適に適用されるものである。本発明では、垂直方向のシフトレジスタを有していないＣＭＯＳエリアセンサにおいて、水平方向のラインの各フォトセンサ（以下、「水平ライン」と言う）に対する蓄積時間を基準時間よりも長くして、各水平ライン毎の電気量の蓄積時間帯において全ての水平ラインに照明時間分だけの蓄積時間が重複する区間を設け、その延長した蓄積時間を１水平ラインの蓄積時間として設定し、各水平ラインにおける蓄積のモードを制御するようにしている。そして、上記各水平ライン毎の蓄積時間が重複する区間の開始時点で所定時間だけ照明光を照射するように制御することで、撮像エリアに対する照明光の照射時間を大幅に低減させるようにしている。また、蓄積時間が伸びたことで生じる感度の増大を後段のゲインコントロール部（あるいはＣＭＯＳエリアセンサ内に設けたゲインコントロール部）にて調整するようにしている。
【００１４】以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明に係るＣＭＯＳエリアセンサの内部構造については図５に示した一般的な構造と同等であり、ここでは説明を省略する。
【００１５】図１は、本発明におけるＣＭＯＳエリアセンサの動作と照明制御の一例を、図７の従来例に対応させて示している。本実施の形態では、ＣＭＯＳエリアセンサにおける水平方向の先頭ラインの蓄積開始時点Ｓｔ１から最終ラインの蓄積開始時点Ｓｔｎまでの時間を「１フレーム蓄積制御時間」ＴＳと定義した場合、この１フレーム蓄積制御時間ＴＳに照明時間Ｘ（Ｘは任意）を加算した時間を１水平ラインの蓄積時間Ｂｔ’として設定することで、各水平ライン毎の電気量の蓄積時間に全ての水平ラインに照明時間分だけの蓄積時間の重なりを生じさせるようにし、蓄積のモードにおいて各水平ラインの蓄積時間が上記蓄積時間Ｂｔ’となるようにＣＭＯＳエリアセンサを駆動制御する。そして、各水平ラインＬ１〜Ｌｎ毎の蓄積時間Ｂｔ１’〜Ｂｔｎ’の全てが重なる開始時点、すなわち最終ラインの蓄積開始時点ＳＴｎ（先頭ラインＬ１の蓄積開始時点Ｓｔ１から１フレーム蓄積制御時間ＴＳが経過した時点）で照明を開始し、撮像エリアに対する照明光を所定時間（上記照明時間Ｘ）照射するようにしている。
【００１６】すなわち、次の数１により１水平ラインの蓄積時間Ｂｔ’を設定し、後述するタイミングジェネレータ（若しくは外部ＣＰＵ）にて、蓄積モードにおける基本クロックの周波数を１水平ラインの蓄積時間Ｂｔ’に対応する周波数で発振してＣＭＯＳエリアセンサを駆動制御すると共に、先頭の水平ラインの蓄積開始時点Ｓｔ１から１フレーム蓄積制御時間ＴＳが経過したタイミングで、撮像エリアに対する照明光をＸ時間だけ照射するように照明手段を制御するようにしている。
【００１７】
【数１】
Ｂｔ’＝１フレーム蓄積制御時間ＴＳＴ＋照明時間Ｘここで、Ｘは照明時間に対応する任意の時間である。また、１フレーム蓄積制御時間ＴＳは、水平ライン間の動作の“ずれ”の時間Ｗｔ×（水平ライン数ｎ−１）に相当する時間であり、例えば、予め（若しくは読取開始の指示時点で）１フレーム分動作させた測定値に基づいて自動的に設定される。
【００１８】次に、本発明を適用したＣＭＯＳカメラユニットの構成例について説明する。
【００１９】図２は、上述の照明制御方法を適用したＣＭＯＳカメラユニットの主要部の構成例をブロック図で示している。図２において、カメラユニット１０は、ＣＭＯＳユニット１１とその制御回路であるイメージャ制御回路１２とから構成され、図示されない制御装置のＣＰＵからの指令に従って駆動制御されるようになっている。ＣＭＯＳユニット１１は、２次元エリアの撮像手段であるＣＭＯＳイメージャ（ＣＭＯＳエリアセンサ）１１ａ，レンズ系１１ｂ，照明手段１１ｃ，及びガイド光投射手段１１ｄ等から構成される。
【００２０】カメラユニット１０内の照明手段１１ｃは、２次元の撮像エリアに係合して形成された略面状の発光部を備え、複数の小光源（本例ではＬＥＤ）からの照明光が２次元エリアに対して均一に照射されるように構成されている。ガイド光投射手段１１ｄは、撮像位置（読取位置）確認用のガイド光を投射する手段であり、ガイド光としては、例えば２点の可視光，十字形の可視光，Ｘ字形の可視光，或いは矩形状の可視光が適用され、光源としては例えばＬＥＤが使用される。
【００２１】一方、イメージャ制御回路１２は、タイミングジェネレータ１２ａ，ＤＡ変換器（本例では８ビットＤＡＣ）１２ｂ，及びＡＤ変換器（本例では８ビットＡＤＣ）１２ｃ等から構成される。タイミングジェネレータ１２ａは、ＭＰＵ，パルス発振器等から成り、カメラユニット１０の制御装置からの制御データを入力しその指令に従って所定周波数で基本クロックを発振し、ＣＭＯＳイメージャ１１ａによる撮像信号の光電変換・蓄積，（転送，保持）及び読出の各モードを１サイクルとして各画素情報の読み出しを制御するようになっている。
【００２２】ＤＡ変換器（本例では８ビットＤＡＣ）１２ｂは、カメラユニット１０の制御装置からのゲインコントロールデータをＤＡ変換してゲインコントロール信号ＧＣＶを出力するためのもので、本発明では、蓄積時間を延長させたことで生じる感度の増大をゲインコントロール信号ＧＣＶによってゲイン調整するようにしている。ＡＤ変換器（本例では８ビットＡＤＣ）１２ｃは、ＣＭＯＳイメージャ１１ａからの画像信号及びタイミングジェネレータ１２ａからのパルス信号をデジタルデータに変換してカメラユニット１０の制御装置に出力するためのもので、本例では８ビットデジタルデータを出力するようになっている。また、本例ではＡＤ変換器１２ｃにおいて、上記ゲインコントロール信号ＧＣＶを入力し、画像情報をＡ／Ｄ変換する際にゲイン調整するようにしている。
【００２３】上述のような構成において、その動作例を図３のフローチャートを参照して説明する。ここでは操作との関連を示すために、バーコード等のマークで表わされる１次元／２次元のコードを読取る手持式のコード読取装置を例として説明する。
【００２４】コード読取装置を使用する際には、使用者は装置本体に設けられている操作スイッチを押す。この操作スイッチの押下により、ガイド光投射手段１１ｄの投光部から撮像位置確認用のガイド光が投光される。使用者は、このガイド光により撮像エリア（読取位置）を撮像対象に合わせる。操作者は、ガイド光をコードに合わせた後に再度操作スイッチを押して読取開始を指示する。この指示により、ガイド光に示される部分を含む２次元エリアの読取動作が開始される。（ステップＳ１）。
【００２５】読取開始の指示がされると、カメラユニット１０の制御装置では、読取開始の制御データをイメージャ制御回路１２内のタイミングジェネレータ１２ａに送出する。タイミングジェネレータ１２ａでは読取開始の制御データを読込み（ステップＳ２）、画像情報の読取りを開始する。本発明では、ＣＭＯＳイメージャ１１ａの水平シフトレジスターをクリアした後、蓄積モードにおける基本クロックの周波数が前記数１により設定された１水平ラインの蓄積時間ＢＴ’（１フレーム蓄積制御時間ＴＳ＋照明時間Ｘ）に対応する周波数となるように基本クロックをオンオフし、電子シャッターによる電荷蓄積時間（シャッタースピード）を規定するためのパルスを発振してＣＭＯＳイメージャ１１ａの各水平ライン毎の光電変換・蓄積動作を制御する（ステップＳ３）。
【００２６】図１中の区間Ｘに示すように、先頭の水平ラインに対する基本クロックの発振後、１フレーム蓄積制御時間ＴＳが経過すると、各水平方向の全てのラインＬ１〜Ｌｎの電気量の蓄積の重なった状態が開始される。タイミングジェネレータ１２ａでは、蓄積開始後の経過時間（シャッタースピード＝露光時間）Ｔと１フレーム蓄積制御時間ＴＳとを比較し（ステップＳ４）、Ｔ＞ＴＳであれば、１フレーム蓄積制御時間ＴＳが経過したことを示すデータ（照明タイミングの制御データ）を出力する。照明タイミングの制御データを入力したカメラユニット１０の制御装置では、照明用の制御データを照明手段１１ｃに送出し、撮像エリアに対して照明時間Ｘだけ照明を点灯させる。すなわち、シャッタースピードＴが１フレーム蓄積制御時間ＴＳよりも長くなったタイミングで、照明手段１１ｃによる照明光を照明時間Ｘだけ照射するように制御する（ステップＳ５）。
【００２７】ＣＭＯＳイメージャ１１ａからは、１水平ラインの蓄積時間Ｂｔ’の間に当該水平ラインの各フォトセンサに蓄積された電気量（電荷）が、１水平ライン分毎に水平方向シフトレジスタ３に転送されて画像情報として読み出される（ステップＳ６）。その際、薄暗くない環境下では照明により強調されてしまうので、感度を落とすように制御する。本発明では、１水平ラインの蓄積時間を延長させたことで生じる感度の増大を調整するために、カメラユニット１０の制御装置では、イメージャ制御回路１２内のＤＡ変換器１２ｂを介してゲインコントロール信号ＧＣＶをＡＤ変換器１２ｃに送出し，ＡＤ変換器１２ｃによってアナログの画像信号をデジタル信号に変換する際にゲイン調整する（ステップＳ７）。
【００２８】このようにして読み出され画像情報は、ＡＤ変換器１２ｃを介してカメラユニット１０の制御装置に送出され、所定の画像処理が実施される。例えばコード読取装置の場合には、カメラユニット１０の制御装置は、Ａ／Ｄ変換された画像データに基づいてコードを認識すると共に復号化等の処理を行い、記録媒体に蓄積して記録し、全ての動作を終了する（ステップＳ８，Ｓ９）。なお、読出した画像情報を外部コンピュータで処理する場合は、記録媒体を外部コンピュータ側に装填してバッチ処理するか、あるいケーブル接続又は無線通信により記録媒体３０からデータを取込んで処理する。
【００２９】このように、本発明では、ＣＭＯＳエリアセンサへの電気量の蓄積時間を１フレーム制御時間＋照明時間（任意）とすることで、各水平ライン毎の電気量の蓄積時間に全ての水平ラインに照明時間分だけの蓄積時間の重なりを生じさせるようにしている。そして、蓄積時間が伸びたことで生じる感度の増大を後段のゲインコントロール部（あるいはＣＭＯＳエリアセンサ内に設けたゲインコントロール回路）によって調整するようにしている。これにより、照明の点灯時間は任意の時間と成り、無駄の無い照明時間の実現が可能となる。
【００３０】なお、上述した実施の形態では、蓄積時間を延長する制御、及び照明タイミングの制御をカメラ・ユニット１０内のタイミングジェネレータで行う場合を例として説明したが、これらの制御をカメラ・ユニット１０の制御装置側で行う構成としても良い。
【００３１】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれば、各水平ラインに対する蓄積時間を基準時間よりも長くして、各水平ライン毎の電気量の蓄積時間帯において全ての水平ラインに照明時間分だけの蓄積時間が重複する区間を設け、その区間に照明を照射するようにしているので、従来のＣＭＯＳエリアセンサにおける照明方法と比較して照明時間が著しく短くなり、照明に係る電力消費量を大幅に低減することができる。
【００３２】その結果、現在、ＣＣＤエリアセンサが主流として使用されている撮像装置、例えば、異なる反射率を有するバーコード等のマークで表わされる１次元コードや２次元コード等のコード読取装置、金属やセラミックス，高分子化合物などの物体表面にダイレクトマーキングされたマークを対象としたマーク読取装置、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどを、ＣＭＯＳエリアセンサを用いた撮像装置に置き代えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＣＭＯＳエリアセンサの動作と照明制御の一例を示すタイムチャートである。
【図２】本発明を適用したＣＭＯＳカメラユニットの主要部の構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明のＣＭＯＳエリアセンサにおける照明制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】一般的なＣＣＤエリアセンサのの内部構造の一例を示す図である。
【図５】一般的なＣＭＯＳエリアセンサの内部構造の一例を示す図である。
【図６】一般的なＣＣＤエリアセンサの動作と照明制御の一例を示すタイムチャートである。
【図７】従来のＣＭＯＳエリアセンサの動作と照明制御の一例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１ フォトセンサ
２ 垂直方向シフトレジスタ
３ 水平方向シフトレジスタ
４ 増幅器
１０ カメラユニット
１１ ＣＭＯＳユニット
１１ａ ＣＭＯＳイメージャ
１１ｂ レンズ系
１１ｃ 照明手段
１１ｄ ガイド光投射手段
１２ イメージャ制御回路
１２ａ タイミングジェネレータ
１２ｂ ＤＡ変換器
１２ｃ ＡＤ変換器
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、２次元に配列された蓄積型光電変換素子を備えた撮像装置の照明制御方法に関し、特に撮像素子として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor ：相補型金属酸化物絶縁半導体）を用いた２次元エリアセンサにおける照明制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、バーコード等の読取機能を有するコード読取装置やデジタルスチルカメラなどの撮像装置で使用される撮像素子としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ＝ 電荷結合素子）が主流である。ＣＣＤにおいて従来の撮像管の電子ビーム走査に相当するものは、クロックと呼ばれる読み出し用の基準になる連続パルスであり、画像情報を読み出す際には、例えばＣＣＤを駆動させる基本クロックをＣＰＵにて作成し、光電変換・蓄積，（転送，保持）及び読出の各モードを１サイクルとして各画素の情報を読み出すようにしている。
【０００３】図４は一般的なＣＣＤエリアセンサの内部構造の一例を示しており、同図に示すように、ｎ行ｍ列（ｎ，ｍは自然数）の各フォトセンサ１Ａから成るＣＣＤエリアセンサは、垂直方向のシフトレジスタ２Ａと水平方向のシフトレジスタ３Ａとを有しており、各フォトセンサ１Ａに対して蓄積された電気量（光電変換された電気量）が同時に垂直方向のシフトレジスタ２Ａに転送され、次に水平方向のシフトレジスタ３Ａに転送され、増幅器４Ａを介して順次出力されるようになっている。
【０００４】従って、ＣＣＤエリアセンサの場合、電荷蓄積時間（シャッタースピード）を規定するためのパルスを発生させて、垂直方向シフトレジスタ２Ａへの転送までの電気量の蓄積時間を制御することで、シャッター機能（「電子シャッター機能」と言う）を有している。
【０００５】一方、近年、ＣＣＤに代わる固体撮像素子として、ＣＭＯＳエリアセンサ（ＣＭＯＳイメージセンサとも言う）が開発，製造されている。ＣＭＯＳエリアセンサは、ＣＣＤエリアセンサに比べて、図５のように垂直方向のシフトレジスタを有しておらず、水平方向のシフトレジスタ３Ｂに１水平ライン分の各フォトセンサ１Ｂの電気量を直接転送する構造となっている。そして、ＣＣＤエリアセンサと同じように、この水平方向シフトレジスタ３Ｂへの転送までの電気量の蓄積時間を制御することで電子シャッター機能を有している。
【０００６】ここで、ＣＣＤエリアセンサとＣＭＯＳエリアセンサの電子シャッター機能の大きな違いは、ＣＣＤエリアセンサが垂直方向シフトレジスタを有しているために、図６に示すように、水平ラインの先頭ラインＬ１から最終ラインＬｎまで当該ラインの各フォトセンサ１Ａへの電気量の蓄積時間Ａｔ（Ａｔ１〜Ａｔｎ）が同一時間に行われるのに対して、ＣＭＯＳエリアセンサの電気量の蓄積には、１水平ライン分毎に水平方向シフトレジスタに転送するため、図７に示すように、各水平ライン（Ｌ１〜Ｌｎ）分のフォトセンサ毎に水平方向シフトレジスタ３Ｂが転送を終了するまでの時間のずれ（図７R>７中のＷｔの時間差）が生じることにある。
【０００７】従って、照明は、ＣＣＤエリアセンサでは図６中の蓄積時間Ａｔに示される同一時間Ａｔ内だけ照射すれば良いのに比べ、ＣＭＯＳエリアセンサでは、図７R>７中の１フレーム分の総蓄積時間ＡＢｔに示される区間（全ての水平ラインのフォトセンサが電気量を水平方向シフトレジスタヘ転送し終わるまでの時間）、照明を照射しなければならなくなる。すなわち、水平ラインの蓄積時間をＢｔ，ずれの時間をＷｔ，水平ラインの数をｎとした場合、照明時間Ｌｔ＝Ｂｔ＋Ｗｔ×（ｎ−１）となり、ＣＣＤエリアセンサと比較すると、照射時間がかなり長くなる。
【０００８】また、ＣＭＯＳエリアセンサでは電子シャッター機能を使用しない場合であっても、各水平ライン毎に１水平ライン転送時間分だけの電気量の蓄積時間のずれが生じる。従って、電気量の蓄積時間のずれは１番目の水平ラインと最終の水平ラインでは１フレーム分のずれが生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】光電変換素子としてＣＭＯＳを用いたＣＭＯＳエリアセンサは、ＣＣＤエリアセンサと比べて超低消費電力（約１／１０）で動作するという利点がある。さらに、撮像部と素子駆動回路を１チップに集積でき、高密度な高精細画素を構成可能であるといった優れた特徴を有する。その反面、ＣＭＯＳエリアセンサは、ＣＣＤエリアセンサに比べて感度が悪いと言う欠点があり、また、固定パターンのノイズが乗ってしまうと言う欠点もあったが、これらの欠点は、近年、解消する技術が発達し、ＣＭＯＳエリアセンサの実用化がほぼ可能となってきた。
【００１０】しかしながら、照明に関しては、ＣＣＤエリアセンサが全ライン蓄積して同時転送する方式のため照明時間は短くて良いが、ＣＭＯＳエリアセンサは垂直レジスタが無く、各ラインを順次、蓄積／転送する方式のため、前述のように、従来は１フレーム分をすべて蓄積／転送する間、照明をたき続けるという形態を採用していた。そのため、ＣＣＤエリアセンサに比べて、照明時間が長く、総消費電力がかなり大きくなるため、暗所においても高精度な読取機能を必要とする手持式の小型装置（軽量で小型のバッテリ内蔵型の撮像装置）、例えば操作者が片手で操作できるような手持式のコード読取装置や携帯型の撮像カメラ等においてはＣＭＯＳエリアセンサを用いた装置を低消費電力で実現することが実質上できなかった。
【００１１】本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、ＣＭＯＳエリアセンサでの照明に係る電力消費量を大幅に低減することができ、現在ＣＣＤエリアセンサが主流として使用されている手持式の小型の撮像装置をＣＭＯＳエリアセンサを用いた装置に置き代えることが可能な照明制御方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、水平方向及び垂直方向に２次元に配列された複数の光電変換素子を備え、前記光電変換素子としてＣＭＯＳを用いたＣＭＯＳエリアセンサにおける照明制御方法に関するものであり、本発明の上記目的は、前記水平方向の先頭ラインの蓄積開始時点から最終ラインの蓄積開始時点までの時間に所定の照明時間を加算した時間を１水平ラインの蓄積時間として設定して各水平ラインにおける蓄積のモードを制御すると共に、撮像エリアに対する照明光を前記最終ラインの蓄積開始時点から前記照明時間分照射するように照明制御することによって達成される。また、前記１水平ラインの蓄積時間を延長させたことで生じる感度の増大分をゲイン調整することによって、より効果的に達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明は、操作者が片手で操作できる手持式でバッテリ内蔵型の撮像装置で、暗所でも高精度の画像読取を必要とする撮像装置に好適に適用されるものである。本発明では、垂直方向のシフトレジスタを有していないＣＭＯＳエリアセンサにおいて、水平方向のラインの各フォトセンサ（以下、「水平ライン」と言う）に対する蓄積時間を基準時間よりも長くして、各水平ライン毎の電気量の蓄積時間帯において全ての水平ラインに照明時間分だけの蓄積時間が重複する区間を設け、その延長した蓄積時間を１水平ラインの蓄積時間として設定し、各水平ラインにおける蓄積のモードを制御するようにしている。そして、上記各水平ライン毎の蓄積時間が重複する区間の開始時点で所定時間だけ照明光を照射するように制御することで、撮像エリアに対する照明光の照射時間を大幅に低減させるようにしている。また、蓄積時間が伸びたことで生じる感度の増大を後段のゲインコントロール部（あるいはＣＭＯＳエリアセンサ内に設けたゲインコントロール部）にて調整するようにしている。
【００１４】以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明に係るＣＭＯＳエリアセンサの内部構造については図５に示した一般的な構造と同等であり、ここでは説明を省略する。
【００１５】図１は、本発明におけるＣＭＯＳエリアセンサの動作と照明制御の一例を、図７の従来例に対応させて示している。本実施の形態では、ＣＭＯＳエリアセンサにおける水平方向の先頭ラインの蓄積開始時点Ｓｔ１から最終ラインの蓄積開始時点Ｓｔｎまでの時間を「１フレーム蓄積制御時間」ＴＳと定義した場合、この１フレーム蓄積制御時間ＴＳに照明時間Ｘ（Ｘは任意）を加算した時間を１水平ラインの蓄積時間Ｂｔ’として設定することで、各水平ライン毎の電気量の蓄積時間に全ての水平ラインに照明時間分だけの蓄積時間の重なりを生じさせるようにし、蓄積のモードにおいて各水平ラインの蓄積時間が上記蓄積時間Ｂｔ’となるようにＣＭＯＳエリアセンサを駆動制御する。そして、各水平ラインＬ１〜Ｌｎ毎の蓄積時間Ｂｔ１’〜Ｂｔｎ’の全てが重なる開始時点、すなわち最終ラインの蓄積開始時点ＳＴｎ（先頭ラインＬ１の蓄積開始時点Ｓｔ１から１フレーム蓄積制御時間ＴＳが経過した時点）で照明を開始し、撮像エリアに対する照明光を所定時間（上記照明時間Ｘ）照射するようにしている。
【００１６】すなわち、次の数１により１水平ラインの蓄積時間Ｂｔ’を設定し、後述するタイミングジェネレータ（若しくは外部ＣＰＵ）にて、蓄積モードにおける基本クロックの周波数を１水平ラインの蓄積時間Ｂｔ’に対応する周波数で発振してＣＭＯＳエリアセンサを駆動制御すると共に、先頭の水平ラインの蓄積開始時点Ｓｔ１から１フレーム蓄積制御時間ＴＳが経過したタイミングで、撮像エリアに対する照明光をＸ時間だけ照射するように照明手段を制御するようにしている。
【００１７】
【数１】
Ｂｔ’＝１フレーム蓄積制御時間ＴＳＴ＋照明時間Ｘここで、Ｘは照明時間に対応する任意の時間である。また、１フレーム蓄積制御時間ＴＳは、水平ライン間の動作の“ずれ”の時間Ｗｔ×（水平ライン数ｎ−１）に相当する時間であり、例えば、予め（若しくは読取開始の指示時点で）１フレーム分動作させた測定値に基づいて自動的に設定される。
【００１８】次に、本発明を適用したＣＭＯＳカメラユニットの構成例について説明する。
【００１９】図２は、上述の照明制御方法を適用したＣＭＯＳカメラユニットの主要部の構成例をブロック図で示している。図２において、カメラユニット１０は、ＣＭＯＳユニット１１とその制御回路であるイメージャ制御回路１２とから構成され、図示されない制御装置のＣＰＵからの指令に従って駆動制御されるようになっている。ＣＭＯＳユニット１１は、２次元エリアの撮像手段であるＣＭＯＳイメージャ（ＣＭＯＳエリアセンサ）１１ａ，レンズ系１１ｂ，照明手段１１ｃ，及びガイド光投射手段１１ｄ等から構成される。
【００２０】カメラユニット１０内の照明手段１１ｃは、２次元の撮像エリアに係合して形成された略面状の発光部を備え、複数の小光源（本例ではＬＥＤ）からの照明光が２次元エリアに対して均一に照射されるように構成されている。ガイド光投射手段１１ｄは、撮像位置（読取位置）確認用のガイド光を投射する手段であり、ガイド光としては、例えば２点の可視光，十字形の可視光，Ｘ字形の可視光，或いは矩形状の可視光が適用され、光源としては例えばＬＥＤが使用される。
【００２１】一方、イメージャ制御回路１２は、タイミングジェネレータ１２ａ，ＤＡ変換器（本例では８ビットＤＡＣ）１２ｂ，及びＡＤ変換器（本例では８ビットＡＤＣ）１２ｃ等から構成される。タイミングジェネレータ１２ａは、ＭＰＵ，パルス発振器等から成り、カメラユニット１０の制御装置からの制御データを入力しその指令に従って所定周波数で基本クロックを発振し、ＣＭＯＳイメージャ１１ａによる撮像信号の光電変換・蓄積，（転送，保持）及び読出の各モードを１サイクルとして各画素情報の読み出しを制御するようになっている。
【００２２】ＤＡ変換器（本例では８ビットＤＡＣ）１２ｂは、カメラユニット１０の制御装置からのゲインコントロールデータをＤＡ変換してゲインコントロール信号ＧＣＶを出力するためのもので、本発明では、蓄積時間を延長させたことで生じる感度の増大をゲインコントロール信号ＧＣＶによってゲイン調整するようにしている。ＡＤ変換器（本例では８ビットＡＤＣ）１２ｃは、ＣＭＯＳイメージャ１１ａからの画像信号及びタイミングジェネレータ１２ａからのパルス信号をデジタルデータに変換してカメラユニット１０の制御装置に出力するためのもので、本例では８ビットデジタルデータを出力するようになっている。また、本例ではＡＤ変換器１２ｃにおいて、上記ゲインコントロール信号ＧＣＶを入力し、画像情報をＡ／Ｄ変換する際にゲイン調整するようにしている。
【００２３】上述のような構成において、その動作例を図３のフローチャートを参照して説明する。ここでは操作との関連を示すために、バーコード等のマークで表わされる１次元／２次元のコードを読取る手持式のコード読取装置を例として説明する。
【００２４】コード読取装置を使用する際には、使用者は装置本体に設けられている操作スイッチを押す。この操作スイッチの押下により、ガイド光投射手段１１ｄの投光部から撮像位置確認用のガイド光が投光される。使用者は、このガイド光により撮像エリア（読取位置）を撮像対象に合わせる。操作者は、ガイド光をコードに合わせた後に再度操作スイッチを押して読取開始を指示する。この指示により、ガイド光に示される部分を含む２次元エリアの読取動作が開始される。（ステップＳ１）。
【００２５】読取開始の指示がされると、カメラユニット１０の制御装置では、読取開始の制御データをイメージャ制御回路１２内のタイミングジェネレータ１２ａに送出する。タイミングジェネレータ１２ａでは読取開始の制御データを読込み（ステップＳ２）、画像情報の読取りを開始する。本発明では、ＣＭＯＳイメージャ１１ａの水平シフトレジスターをクリアした後、蓄積モードにおける基本クロックの周波数が前記数１により設定された１水平ラインの蓄積時間ＢＴ’（１フレーム蓄積制御時間ＴＳ＋照明時間Ｘ）に対応する周波数となるように基本クロックをオンオフし、電子シャッターによる電荷蓄積時間（シャッタースピード）を規定するためのパルスを発振してＣＭＯＳイメージャ１１ａの各水平ライン毎の光電変換・蓄積動作を制御する（ステップＳ３）。
【００２６】図１中の区間Ｘに示すように、先頭の水平ラインに対する基本クロックの発振後、１フレーム蓄積制御時間ＴＳが経過すると、各水平方向の全てのラインＬ１〜Ｌｎの電気量の蓄積の重なった状態が開始される。タイミングジェネレータ１２ａでは、蓄積開始後の経過時間（シャッタースピード＝露光時間）Ｔと１フレーム蓄積制御時間ＴＳとを比較し（ステップＳ４）、Ｔ＞ＴＳであれば、１フレーム蓄積制御時間ＴＳが経過したことを示すデータ（照明タイミングの制御データ）を出力する。照明タイミングの制御データを入力したカメラユニット１０の制御装置では、照明用の制御データを照明手段１１ｃに送出し、撮像エリアに対して照明時間Ｘだけ照明を点灯させる。すなわち、シャッタースピードＴが１フレーム蓄積制御時間ＴＳよりも長くなったタイミングで、照明手段１１ｃによる照明光を照明時間Ｘだけ照射するように制御する（ステップＳ５）。
【００２７】ＣＭＯＳイメージャ１１ａからは、１水平ラインの蓄積時間Ｂｔ’の間に当該水平ラインの各フォトセンサに蓄積された電気量（電荷）が、１水平ライン分毎に水平方向シフトレジスタ３に転送されて画像情報として読み出される（ステップＳ６）。その際、薄暗くない環境下では照明により強調されてしまうので、感度を落とすように制御する。本発明では、１水平ラインの蓄積時間を延長させたことで生じる感度の増大を調整するために、カメラユニット１０の制御装置では、イメージャ制御回路１２内のＤＡ変換器１２ｂを介してゲインコントロール信号ＧＣＶをＡＤ変換器１２ｃに送出し，ＡＤ変換器１２ｃによってアナログの画像信号をデジタル信号に変換する際にゲイン調整する（ステップＳ７）。
【００２８】このようにして読み出され画像情報は、ＡＤ変換器１２ｃを介してカメラユニット１０の制御装置に送出され、所定の画像処理が実施される。例えばコード読取装置の場合には、カメラユニット１０の制御装置は、Ａ／Ｄ変換された画像データに基づいてコードを認識すると共に復号化等の処理を行い、記録媒体に蓄積して記録し、全ての動作を終了する（ステップＳ８，Ｓ９）。なお、読出した画像情報を外部コンピュータで処理する場合は、記録媒体を外部コンピュータ側に装填してバッチ処理するか、あるいケーブル接続又は無線通信により記録媒体３０からデータを取込んで処理する。
【００２９】このように、本発明では、ＣＭＯＳエリアセンサへの電気量の蓄積時間を１フレーム制御時間＋照明時間（任意）とすることで、各水平ライン毎の電気量の蓄積時間に全ての水平ラインに照明時間分だけの蓄積時間の重なりを生じさせるようにしている。そして、蓄積時間が伸びたことで生じる感度の増大を後段のゲインコントロール部（あるいはＣＭＯＳエリアセンサ内に設けたゲインコントロール回路）によって調整するようにしている。これにより、照明の点灯時間は任意の時間と成り、無駄の無い照明時間の実現が可能となる。
【００３０】なお、上述した実施の形態では、蓄積時間を延長する制御、及び照明タイミングの制御をカメラ・ユニット１０内のタイミングジェネレータで行う場合を例として説明したが、これらの制御をカメラ・ユニット１０の制御装置側で行う構成としても良い。
【００３１】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれば、各水平ラインに対する蓄積時間を基準時間よりも長くして、各水平ライン毎の電気量の蓄積時間帯において全ての水平ラインに照明時間分だけの蓄積時間が重複する区間を設け、その区間に照明を照射するようにしているので、従来のＣＭＯＳエリアセンサにおける照明方法と比較して照明時間が著しく短くなり、照明に係る電力消費量を大幅に低減することができる。
【００３２】その結果、現在、ＣＣＤエリアセンサが主流として使用されている撮像装置、例えば、異なる反射率を有するバーコード等のマークで表わされる１次元コードや２次元コード等のコード読取装置、金属やセラミックス，高分子化合物などの物体表面にダイレクトマーキングされたマークを対象としたマーク読取装置、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどを、ＣＭＯＳエリアセンサを用いた撮像装置に置き代えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＣＭＯＳエリアセンサの動作と照明制御の一例を示すタイムチャートである。
【図２】本発明を適用したＣＭＯＳカメラユニットの主要部の構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明のＣＭＯＳエリアセンサにおける照明制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】一般的なＣＣＤエリアセンサのの内部構造の一例を示す図である。
【図５】一般的なＣＭＯＳエリアセンサの内部構造の一例を示す図である。
【図６】一般的なＣＣＤエリアセンサの動作と照明制御の一例を示すタイムチャートである。
【図７】従来のＣＭＯＳエリアセンサの動作と照明制御の一例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１ フォトセンサ
２ 垂直方向シフトレジスタ
３ 水平方向シフトレジスタ
４ 増幅器
１０ カメラユニット
１１ ＣＭＯＳユニット
１１ａ ＣＭＯＳイメージャ
１１ｂ レンズ系
１１ｃ 照明手段
１１ｄ ガイド光投射手段
１２ イメージャ制御回路
１２ａ タイミングジェネレータ
１２ｂ ＤＡ変換器
１２ｃ ＡＤ変換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】 水平方向及び垂直方向に２次元に配列された複数の光電変換素子を備え、前記光電変換素子としてＣＭＯＳを用いたＣＭＯＳエリアセンサにおける照明制御方法において、前記水平方向の先頭ラインの蓄積開始時点から最終ラインの蓄積開始時点までの時間に所定の照明時間を加算した時間を１水平ラインの蓄積時間として設定して各水平ラインにおける蓄積のモードを制御すると共に、撮像エリアに対する照明光を前記最終ラインの蓄積開始時点から前記照明時間分照射するように照明制御することを特徴とするＣＭＯＳエリアセンサにおける照明制御方法。
【請求項２】 前記１水平ラインの蓄積時間を延長させたことで生じる感度の増大分をゲイン調整するようにした請求項１に記載のＣＭＯＳエリアセンサにおける照明制御方法。
【請求項１】 水平方向及び垂直方向に２次元に配列された複数の光電変換素子を備え、前記光電変換素子としてＣＭＯＳを用いたＣＭＯＳエリアセンサにおける照明制御方法において、前記水平方向の先頭ラインの蓄積開始時点から最終ラインの蓄積開始時点までの時間に所定の照明時間を加算した時間を１水平ラインの蓄積時間として設定して各水平ラインにおける蓄積のモードを制御すると共に、撮像エリアに対する照明光を前記最終ラインの蓄積開始時点から前記照明時間分照射するように照明制御することを特徴とするＣＭＯＳエリアセンサにおける照明制御方法。
【請求項２】 前記１水平ラインの蓄積時間を延長させたことで生じる感度の増大分をゲイン調整するようにした請求項１に記載のＣＭＯＳエリアセンサにおける照明制御方法。
【図１】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００１−９４８７６（Ｐ２００１−９４８７６Ａ）
【公開日】平成１３年４月６日（２００１．４．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１１−２６４１６２
【出願日】平成１１年９月１７日（１９９９．９．１７）
【出願人】（０００１５１６０１）株式会社東研 (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１３年４月６日（２００１．４．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１１年９月１７日（１９９９．９．１７）
【出願人】（０００１５１６０１）株式会社東研 (18)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]