JPH0846877A - イメージ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定出力から高解像度のイメージを再構成す
る。 【構成】 イメージは、測定出力から、信号処理法を使
って再構成される。１つの実施例では、表面全体にわた
って非均一な空間感度を持つ検知器をアレー状に配列し
たものを用いてイメージを測定する。別の実施例では、
検知器は、イメージと検知器との間の相対位置を毎回変
えて、イメージを複数回測定する。測定された出力がイ
ンターレースされ、検知器の非均一な空間感度の反転モ
デルにより逆コンボリューションされて、高解像度のイ
メージが再構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセンサに関し、具体的に
は、非均一な空間感度を持つセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】デジタル・カメラの性能を改善する要求
が不断に存在している。通常、デジタル・カメラは、電
荷結合素子（ＣＣＤ）の配列（以下アレーという）を持
ち、ＣＣＤアレーは、画像（以下イメージという）を捕
らえるために、カメラのイメージ平面で領域Ａを占め
る。図１に示すように、通常、アレーは周期Ｔを持つ格
子に配列された多くの検知器で構成され、各検知器は大
きさｒの領域を占める。アレーは、イメージを捕らえる
ために、時間ｔの間露出される。Ｔがｒに等しい場合、
捕らえられたイメージの解像度はＴに依存する。多くの
場合、ｒはＴより小さく、イメージを捕らえるときに、
より高い解像度のイメージを得るために、アレーが動か
される。このような状況において、捕らえられたイメー
ジの解像度はｒに依存し、ｒが小さいほど、解像度は高
くなる。

【０００３】ｒが小さい検知器を使う場合、イメージ全
体の情報を捕らえるために、通常、イメージ平面の領域
Ａを満たすためにより多くの検知器を使うか、アレーを
ＸおよびＹ両方向に細かくステップ移動させなければな
らない。しかし、両方法とも、それぞれ欠点がある。第
１の方法では、検知器の数を増やすので、アレーのコス
トが劇的に上がる。第２の方法では、アレーを小刻みに
ステップさせるので、イメージ全体を捕らえるのにより
多くのステップ移動が要る。イメージは時間ｔで捕らえ
られるので、イメージを捕らえるのにアレーがとるステ
ップが多いほど、アレーが各ステップでとれる時間が短
くなる。したがって、ステップが増えるほど、各ステッ
プでアレーが集められる光が少なくなり、感度の低いア
レーになる。たとえば、イメージ平面の領域Ａにおい
て、1,024×l,024の第１のＣＣＤを、512×512の第２の
ＣＣＤに置き換えると、感度が１６分の１に減少する。
これは、第１のＣＣＤに比べ、第２のＣＣＤの面積が約
１／４であり、約１／４の時間露出されるからである。

【０００４】上記から明らかなように、良い解像度と感
度を持つ費用のかからない検知器でイメージを捕らえる
必要が存在する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高い
解像度を備えた、費用のかからない検知器アレーを提供
することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】高い解像度を得るため
に、従来技術の多くのアレーは、小さい検知器を多数持
つか、小さい検知器を小刻みにステップ移動させなけれ
ばならない。小さい検知器を多数使う第１の手法は、ア
レーのコストをかなり上げる。小さい検知器をステップ
させる第２の手法は、アレーの感度をかなり下げる。本
発明は、高解像度イメージを測定し再構成するために、
非均一な空間感度を持つ検知器と信号処理法とを結合し
たものである。本発明を使用すれば、アレーのコストを
増やす必要も、アレーの感度を減少させる必要もない。

【０００７】本発明は、イメージを測定するための感光
性表面を持つ検知器を含む。検知器は、その表面におい
て非均一な空間感度を持つ。測定された出力から、イメ
ージは信号処理法によって再構成される。

【０００８】１つの実施例では、感光性表面は少くとも
二辺を持つ。検知器の感度は二辺の交点で実質的に最も
高く、最高値から、感光性表面の他の部分でのごく僅か
な感度へと単調に減少する。本発明の別の実施例では、
上記の検知器アレーをイメージ平面に配列する。

【０００９】本発明を動作させるほとんどの場合、検知
器または検知器アレーは、イメージと検知器との間、あ
るいはイメージとアレーとの間の相対位置を毎回変え
て、イメージを一回以上測定する。

【００１０】本発明では、検知器の感度が非均一である
ので、イメージを高解像度で捕らえるために、検知器の
大きさを非常に小さなものにしなくてもよい。所望の解
像度に応じ、イメージを測定する際に検知器がとるステ
ップ移動の大きさが設定される。イメージは、先ず、検
知器の非均一な空間感度を表すモデルを作ることによっ
て再構成される。次に、モデルは解析的に反転される。
最後に、イメージを再構成するために、反転モデルが測
定された出力の逆コンボリューション（ディコンボリュ
ーション：deconvolution）を行う。

【００１１】検知器の全体感度は、検知器の領域全体に
わたる感度の積分に関連する。従来技術の検知器は、検
知器の大きさを小さくすることによって捕らえられたイ
メージの解像度を上げるものであるが、これは、捕らえ
られた光の量、および検知器の感度をかなり減らす。本
発明では、検知器の大きさを小さくしなくても、各検知
器の感度特性により、再構成されたイメージの解像度を
高くすることができる。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図１ないし図１１
を参照して説明する。

【００１３】図２（Ａ）に第１実施例による検知器１０
０を示す。検知器１００は、イメージからの光度を測定
するための、すなわち、イメージを測定するための感光
性表面１０２を持つ。検知器は感光性物質でつくられる
ことが望ましい。本実施例では、表面１０２は方形であ
る。他の実施例では、表面は他の形（たとえば四分円）
でもよい。

【００１４】図２（Ｂ）に、検知器１００の感光性表面
１０２全面にわたる非均一な空間感度１０８を示す。表
面１０２は、四辺１１２、１１４、１１６、および、１
１８で囲まれている。検知器１００の感度１０８は、二
辺１１２および１１８の交点１２０で実質的に最も高
く、その最高値から、表面上の別の領域（たとえば領域
１２２）で、ごく僅かな感度へと単調に減少する。

【００１５】第１実施例の検知器では、感度は、指数関
数的に中断することなく、なめらかに減少する。理想的
には、感度のすべての高次の導関数について空間導関数
は、辺１１２および１１８以外の、感光性表面１０２の
いかなる点においてもゼロでないことが望ましい。しか
し、本発明は、感度のなめらかな減少に限られるもので
はない。別の実施例では、感度は感光性表面１０２で小
さな階段状に減少する。

【００１６】この検知器では、検知器１００の感光性表
面１０２の感度の積分値は、全表面に均一に最高感度を
持つ検知器の合計感度の約２５％である。すなわち、第
１実施例の検知器は、最高感度が均一に全感光性表面に
分布している検知器に比べて、約２５％の光を捕らえる
ことを意味する。しかし、非均一な空間感度を持つ第１
実施例の検知器は、非常に高いイメージ解像度を得るこ
とができる。

【００１７】別の実施例においては、検知器は、線検知
器と同様に検知器の一辺に沿って感度が最も高く、感光
性表面のある部分でのごく僅かな感度へと単調に減少す
る。このような検知器は、一次元のイメージを捕らえる
のに特に適している。

【００１８】図３に、検知器１００と同様の検知器のア
レー１５０を持つ、本発明の第２実施例の１部を示す。
各検知器（たとえば１５２）は、検知器の二辺の交点
（たとえば１５６）で感度が最も高く、感度は交点１５
６から、たとえば位置１５８でのごく僅かな感度へと単
調に減少する。検知器は、イメージ平面１６２上で二次
元のアレーを形成するように、方形の格子状に配列する
のが望ましい。１つの実施例では、アレーはＣＣＤアレ
ーである。

【００１９】図３に示した実施例では、検知器は、全て
の検知器の感度が同じような方位になるように整列され
ている。たとえば、検知器１５２の最高感度は領域１５
６にあり、検知器１５４の最高感度は領域１６６にあ
る。

【００２０】検知器あるいは検知器アレーがイメージを
測定し、測定された出力が信号処理法によるイメージの
再構成に使われる。通常、イメージの測定は、イメージ
に対して検知器をステップ移動させて行う。

【００２１】図４に、本発明の第３実施例２００の１部
を示す。この実施例では、全ての検知器は必ずしも１つ
の方位に沿って整列していない。検知器は、４つの検知
器が１つのユニット２１６になるように配列されてい
る。たとえば、検知器２０２、２０４、２０６、および
２０８で構成されるユニットでは、検知器が実質的に円
形に対称な感度特性を形成している。たとえば、検知器
２０２の最高感度点は２１２にあり、検知器２０４の最
高感度点は２１４にある。点２１２および２１４はユニ
ット２０１のほぼ中央２１６にある。中央２１６から、
感度はほぼ円対称に単調に減少する。この実施例におい
ても、検知器の出力は、信号処理法によってイメージを
再構成するのに使われる。ただし、たとえば検知器２０
４のようないくつかの検知器の出力は、分析される前
に、Ｙ軸回りに鏡像にされる。

【００２２】実施例の検知器を製造するには、いくつか
の異なる方法が使われる。図５に、第４実施例のアレー
３００の１部を示す。これは、第３実施例のアレー２０
０を作成する１つの方法を表してもいる。検知器アレー
３００は、センサのアレー３０４上のフィルムあるいは
マスク３０２を含む。各センサはその感光性表面全体に
わたり均一な感度を持っている。たとえば、センサ３０
６はその感光性表面３０８全体にわたって均一な感度を
持っている。各検知器上のマスクは、対応する検知器の
感度の非均一性に従う光透過特性を持っている。たとえ
ば、センサ表面３０８上のマスク３０２の部分３１２
は、図４に示した検知器２０２の位置２１２の高感度と
同様の、非常に高い光透過率を持っている。

【００２３】図４に示した第３実施例を製造する別の方
法は、たとえば、検知器を中央領域２１６で重くドープ
し、その後、ドーパントが領域２１６から拡散されるよ
うに、制御された時間加熱する方法である。熱処理はよ
く制御されたもので長すぎてはならず、さもないと、検
知器の感度はその非均一性を失う。熱処理工程の後、ユ
ニット２０１のある部分、たとえば領域２１６は、その
部分の感度をかなり減らすために、別の処理ステップに
よって修正される。この別の処理ステップは、ユニット
２０１に４つの検知器を製造するために、溝を十字形２
１８に形成することによって達成できる。溝があること
により、ドーパントとともに検知器のある物質が除去さ
れ、検知器が分離される。

【００２４】本発明を製造する第３の方法は、検知器を
選択的にドープする、すなわち、感光性表面上の異なる
位置に異なるドーピング濃度を用いてドープする。

【００２５】イメージを測定し、測定後イメージを再構
成するために、いくつかの望ましい方法を使うことがで
きる。図６に、イメージを測定し再構成するための１組
の処理ステップ４００を示す。この処理ステップにおい
て、第１実施例の検知器、あるいは第３実施例の検知器
アレーは、検知器とイメージとの間の相対位置を変え
て、イメージを複数回測定する。別の実施例では、検知
器は、スナップショットのようにイメージを１回だけ測
定する。このようなスナップショット測定は低解像度イ
メージに特に適している。

【００２６】再び図６を参照すると、イメージを測定す
るために、第１実施例の検知器、あるいは第３実施例の
検知器アレーは、ブロック４０４に示すように、ステッ
プ移動される。ステップ移動のこまかさは再構成される
イメージの所望の解像度に依存する。ここでの考え方
は、イメージと検知器との間の相対位置をその度に変え
て、イメージを１回以上測定することである。相対位置
を変えるためにはいくつかの異なる方法が使える。たと
えば、アレーをステップ移動させる代わりに、アレーを
固定してイメージを動かすか、あるいは、たとえばカメ
ラのように、アレーのハウジングを動かすこともでき
る。

【００２７】アレーのハウジングを動かす、すなわちス
テップ移動させる考え方は非常に有用である。実施例の
アレーをカメラに搭載して、イメージの写真を撮ること
を想像してみる。写真を撮るときに手が揺れる。手が揺
れている間に、アレーは何回もイメージを捕らえる。捕
らえられたイメージの異なる相対位置から、手の揺れの
大きさをほぼ測定することができ、その大きさが、イメ
ージを再構成するためのステップ移動の大きさとして役
立つ。

【００２８】測定した（ブロック４０６）後、測定され
た出力が記憶される（ブロック４０８）。イメージを再
構成するときがくると、測定された出力が取り出され
（ブロック４１０）、非均一な空間感度の反転モデルに
よって逆コンボリューションが行われる（ブロック４１
４）。

【００２９】反転モデルは、反転されていないもとのモ
デルでコンボリューションされる（convolve）と単位関
数を与える関数である。単位関数は、１つの位置だけが
値１で、他のどの位置も値０ゼロである関数である。こ
れは大きさ１を持つ衝撃関数に似ている。

【００３０】本発明の反転モデルは、図７に示した処理
ステップ５００によってつくられる。先ず、検知器の非
均一な空間感度がモデル化され（ブロック５０２）、次
にこのモデルが反転される（ブロック５０４）。

【００３１】図８（Ａ）および（Ｂ）に、反転モデルを
作る処理の二次元の例の断面を示す。図８（Ａ）は、Ｙ
軸に沿った感度のモデルを示す。感度は１（最高値）か
らＹ軸に沿って単調に連続してほとんどゼロへと減少す
る。感度の反転モデルは、Ｙがゼロに等しいとき１に等
しく、Ｙ軸に沿った他の点について、”感度／最大値”
の負に等しい。このような反転モデルについては、「フ
ーリエ変換とその応用」（”Fourier Transform and It
s Applications", Ronald N. Bracewell, second edit
ion, revised）に記載があるので、この明細書ではこれ
以上説明しない。

【００３２】イメージを再構成するために、測定された
出力は反転モデルによって逆コンボリューションされ
る。そのような数値的逆コンボリューション処理の一般
式は、前述の「フーリエ変換とその応用」の４２９ペー
ジに記載されている。一般的に、ほとんどどのディコン
ボルーション方法も使うことができる。というのは、検
知器の空間非均一性は、実質的にカットオフ（cut-of
f）がない空間周波数応答になるからである。

【００３３】次に応用例を述べる。本発明は、本発明を
使った応用例として意図された以下の例を考慮すること
により、さらに明確になる。

【００３４】図９ないし図１１は、イメージを測定する
ために本発明の検知器アレーを使った例を示す。図６
は、イメージを測定し再構成する処理ステップを示す。

【００３５】図９は、８ピクセル／ｍｍ（２００ピクセ
ル／インチ）でディジタイズされた、もとのイメージを
示す写真である。先ず、ブロック４０２で、再構成され
るイメージの解像度をｎと決める。これにより、アレー
のステップ移動の大きさが決められ、その数はｒ／ｎに
なる。ｒ／ｎが１以下の場合は、アレーはステップ移動
されない。本応用例において、図９のイメージが、アレ
ーによりステップの大きさ０.１３ｍｍ（０.００５イン
チ）で測定される（ブロック４０６）。イメージを複数
回測定するようにアレーがステップ移動されるので、測
定された全ての出力が織りまぜられる（以下インターレ
ースという）（ブロック４１２）。たとえば、第１組の
測定出力が（C1,C3,...）であるとき、第２組の測定出
力（C2,C4,...）を得るためにアレーがステップ移動さ
れる。２つの組の出力がインターレースされて（C1,C2,
C3,C4,...）が得られる。インターレースされる前の隣
り合う出力の位置間の距離は、検知器の周期Ｔの大きさ
である。２つの組の出力は、１ステップの大きさ、すな
わちｎだけ離れてインターレースされる。図１０は、検
知器のモデルをもとのイメージでコンボリューションす
ることにより、解析的に計算された測定出力を示す。

【００３６】図９に示したイメージには、２つの黒いバ
ー５５０および５５２がある。２つのバーは、検知器ア
レーの出力の初期値を定める役割をする。２つのバーの
幅５５４および５５６は、ｒ、すなわち検知器の大きさ
にほぼ等しい。２つのバーはイメージでもよいし、アレ
ーを覆うフレームでもよい。

【００３７】検知器アレーの各検知器の感度は以下のよ
うにモデル化される。

【００３８】

【数１】 上式において、ｘおよびｙは、図２のｘおよびｙ方向を
表す。Ａは最高感度の値を表し、１に等しい。Ｄは、１
０ Ｔの幅を表す。

【００３９】感度関数の逆数は、以下のように記述する
ことができる。

【００４０】

【数２】ｂ^-1（ｘ，ｙ）＝１ （ｘ＝ｙ＝０の場合） ｂ^-1（ｘ，ｙ）＝−ｂ（−ｘ，−ｙ） （ｘ，ｙ＜ ＞
０の場合） 各検知器のｒの大きさは、１.３ｍｍ（０.０５インチ）
である。検知器アレーの周期Ｔは１.３ｍｍ（０.０５イ
ンチ）である。

【００４１】イメージを再構成するために、インターレ
ースされた出力は検知器モデルの逆数によって逆コンボ
リューションされる（ブロック４１４）。逆コンボルー
ションの間、反転モデルは、インターレースされた出力
全てにわたってステップ移動される。各ステップ移動に
おいて、反転モデルの各値は、インターレースされた出
力上の対応する値に乗算される。次に、乗算された出力
全てが加算される。このような逆コンボルーション処理
ステップは当業者には公知であるので、これ以上説明し
ない。図１１に再構成されたイメージの写真を示す。

【００４２】本発明では、検知器アレーの全ての検知器
は同じでなくてもよい。アレーの検知器が異なっても、
それらの検知器が本発明で記述した特性を持ち、その特
性がわかっている限り、イメージを再構成するために信
号処理法を使うことができる。

【００４３】上述したことから、コストの高い検知器の
アレーを使用することなく、また、感度を顕著に失うこ
となく、信号処理法とあわせて検知器の非均一な感度特
性を使って、高解像度のイメージを再構成することがで
きることがわかる。

【００４４】当業者には明らかなように、本発明の原理
を用いて、さまざまな他の応用例が可能であろう。上述
の実施例の記述は例として述べたもので、本発明は特許
請求の範囲の記述によって定められる。

【００４５】本発明には、例として次のような実施態様
が含まれる。 （１）感光性表面全体にわたって非均一な空間感度を持
つ検知器を有し、該検知器からの測定出力を信号処理法
で操作することによりイメージを再構成するようにした
イメージ測定装置。 （２）上記イメージと上記検知器との間の相対位置を毎
回変えて、上記検知器が上記イメージを複数回測定す
る、上記（１）に記載の装置。 （３）上記表面が少なくとも一辺を持ち、上記感度が、
上記一辺から上記表面の別の部分上の殆ど僅かな感度へ
と単調に減少する、上記（２）に記載の装置。 （４）上記表面が少なくとも二辺を持ち、上記検知器の
上記感度が上記二辺の交点で実質的に最も高く、上記感
度が、その最高値から、上記表面の別の部分上の殆ど僅
かな感度へと単調に減少する、上記（３）に記載の装
置。 （５）上記感度が実質的に中断しないで減少する、上記
（４）に記載の装置。 （６）上記感度が指数関数的に減少する、上記（５）に
記載の装置。 （７）上記感度が階段状に減少する、上記（４）に記載
の装置。 （８）それぞれが上記検知器と同様の検知器をさらに複
数有し、上記複数の検知器が二次元のアレーを形成する
ように格子状に配列されている、上記（１）に記載の装
置。 （９）上記イメージと上記アレーとの間の相対位置を毎
回変えて、上記アレーが上記イメージを１回以上測定す
る、上記（８）に記載の装置。 （１０）上記検知器全ての感度が同様の方位になるよう
に上記検知器が整列されている、上記（９）に記載の装
置。 （１１）上記検知器のそれぞれにおいて、上記感光性表
面が少なくとも二辺を有し、該検知器の感度が上記二辺
の交点で実質的に最も高く、上記感度が、その最高値か
ら、上記表面の別の部分上の殆ど僅かな感度へと単調に
減少する、上記（９）に記載の装置。 （１２）上記検知器のそれぞれにおいて、上記感度が実
質的に中断しないで減少する、上記（１１）に記載の装
置。 （１３）上記検知器のそれぞれにおいて、上記感度が階
段状に減少する、上記（１１）に記載の装置。 （１４）上記アレーが電荷結合素子のアレーである、上
記（９）に記載の装置。 （１５）上記装置がカメラを含み、上記イメージに対し
て上記カメラを移動することによって相対位置が変わ
る、上記（９）に記載の装置。 （１６）上記検知器が、均一な空間感度を持つ感光性表
面を備えたセンサ上のマスクを含み、上記マスクが上記
検知器の感度の非均一性に従う光透過特性を持つ、上記
（１）に記載の装置。 （１７）上記信号処理法が、上記イメージを再構成する
ために、上記測定出力を、上記検知器の非均一な空間感
度の反転モデルにより逆コンボリューションするステッ
プを有する、上記（２）に記載の装置。 （１８）上記反転モデルが、上記検知器の非均一な空間
感度を表すモデルを作るステップと、上記モデルを解析
的に反転するステップと、によって作られる、上記（１
７）に記載の装置。 （１９）上記信号処理法が、上記イメージを再構成する
ために、上記測定された出力を、上記検知器の１つの非
均一な空間感度の反転モデルにより逆コンボリューショ
ンするステップを有する、上記（９）に記載の装置。 （２０）上記反転モデルが、上記検知器の１つの非均一
な空間感度を表すモデルを作るステップと、上記モデル
を解析的に反転するステップと、によって作られる、上
記（１９）に記載の装置。

【００４６】

【発明の効果】本発明は、非均一な感度特性を持つ検知
器からの測定出力を信号処理法で処理することにより、
高解像度のイメージを再構成することができるという効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の検知器アレーの一部を示す図。

【図２】（Ａ）は本発明の第１実施例の検知器を示す
図、（Ｂ）は図２（Ａ）に示した検知器の感光性表面の
感度を示す図。

【図３】本発明の第２実施例の一部を示す図。

【図４】本発明の第３実施例の一部を示す図。

【図５】本発明の第４実施例の一部を示す図。

【図６】本発明を使用し、イメージを測定し再構成する
方法の流れ図。

【図７】本発明による、反転モデルをつくる方法の流れ
図。

【図８】（Ａ）および（Ｂ）は、本発明による反転モデ
ル作成の処理の１例を示す図。

【図９】もとのイメージを示す写真。

【図１０】測定出力を示す写真。

【図１１】再構成されたイメージを示す写真。

【符号の説明】

Ａ カメラのイメージ表面の領域 １００ 第１実施例の検知器 １０２ 感光性表面 １０８ 非均一な空間感度 112、114、116、118 感光性表面１０２の四辺 １２０ 二辺（１１２と１１８）の交点 １２２ 領域 １５０ 第２実施例の検知器アレーの１部 １５２、１５４ 検知器 １５６、１６６ 検知器の二辺の交点 １５８ 検知器の位置 １６２ イメージ表面 ２００ 第３実施例の検知器アレーの１部 ２０１ 検知器ユニット 202、204、206、208 検知器ユニットを構成する検知器 ２１２ 検知器２０２の感度の高い位置 ２１６ ユニット２０１の中央 ２１８ 十字形の溝 ３００ 第４実施例の検知器アレーの１部 ３０２ フィルムまたはマスク ３０４ センサのアレー ３０６ センサ ３０８ センサの感光性表面 ３１２ マスク３０２の部分 ４００ イメージを測定し再構成する処理
ステップ ５００ 反転モデルを作る処理ステップ ５５０、５５２ 黒いバー ５５４、５５６ バー５５０と５５２の幅

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 感光性表面全体にわたって非均一な空間
   感度を持つ検知器を有し、該検知器からの測定出力を信
   号処理法で操作することによりイメージを再構成するよ
   うにしたイメージ測定装置。