時間相関イメージセンサに基づく新世代パターン計測技術の基礎的研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11450158
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 安藤 繁 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (70134468)
• 研究分担者: 来海 暁 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (30312987)
• キーワード: CMOSビジョンチップ / 知能化センサ / 相関計測 / 画像センシング / 能動センシング / 固視微動 / 三次元計測 / パターン計測

研究概要

本研究の目的は、能動的な画像センシングに適した新しい原理のイメージセンサである時間相関イメージセンサを開発し、それに基づいて従来にない新しいパターン計測技術を展開してゆくことにある。時間相関イメージセンサとは、入射光強度と全画素共通に与える外部電気信号との時間相関を出力するイメージセンサであり、従来の汎用イメージセンサでは不可能だった、高周波時間軸情報を利用した画像センシングを可能にするものである。本研究で取り組むべき主な課題は、1)時間相関イメージセンサのための能動計測理論の構築、2)汎用CMOSプロセスで容易に集積化可能な設計法の確立、3)256×256画素を目標とした半導体チップの試作と検証、4)画像処理・画像認識・画像計測のための応用システムの構築、である。
以上の目的に対する本年度の成果は以下の通りである。
1.64×64画素時間相関型イメージセンサの試作
東京大学のVDEC(VLSI設計教育センター)の1.2μmCMOSプロセスを利用して64×64画素のイメージセンサを試作し、時間相関の動作を確認した。伝達コンダクタンス乗算器を用いることにより、MOSFETが4個というシンプルな画素セルの構成を実現し、高集積化への見通しを得た。
2.時間相関型光位置検出素子(PSD)の提案と試作
時間相関型イメージセンサと同じ時間相関による光検出の原理を導入したPSDを提案し、東京大学のVDECの1.2μmCMOSプロセスを利用して試作した。従来のPSDでは困難だった背景光の影響除去や複数輝点の分離抽出を実験により確認した。
3.時間相関型イメージセンサを用いた振動パターン計測法の提案
時間相関型イメージセンサの応用として、構造化照明を用いた振動パターン計測法を提案し基礎実験を行った。構造化照明により対象表面の機械的振動パターンを明暗分布の振動に変換し時間相関型イメージセンサで撮像することにより、複雑な光学系なしに振動の振幅と位相の分布が得られる点に特色がある。
4.時間相関型イメージセンサを用いた三次元計測法の提案
時間相関型イメージセンサの応用として、投射角に伴って変調の位相が変化するシート照明を用いた三次元計測法を提案した。時間相関型イメージセンサの1フレーム出力から実時間で奥行きマップが得られる点に特色がある。システムを試作し、実験により1フレーム出力からの立体復元を達成した。

研究成果

• [文献書誌] 来海,安藤: "時間相関型イメージセンサ:VDECによるCMOS集積化"1999年電子情報通信学会総合大会講演論文集-基礎・境界. 435-436 (1999)
• [文献書誌] S.Ando: "Correlation sensors : study on tight coupling architecture of detectors and demodulators"Proc.Transducers'99. 304-307 (1999)
• [文献書誌] A.Kimachi and S.Ando: "Time-domain correlation image sensor : first CMOS realization and evaluation"Proc.Transducers'99. 958-961 (1999)
• [文献書誌] S.Ando andA.Kimachi: "Time-domain correlation image sensor : first CMOS realization demodulator pixels array"Proc.IEEE Workshop on Advanced Image Sensors and Charge Coupled Devices. 33-36 (1999)
• [文献書誌] 来海,安藤: "時間相関型イメージセンサ:64×64画素CMOSセンサの試作と評価実験"第38回計測自動制御学会学術講演会予稿集. 13-14 (1999)
• [文献書誌] 山本,石川,来海,安藤: "時間相関型イメージセンサを用いる振動パターン計測(第一報)"第38回計測自動制御学会学術講演会予稿集. 15-16 (1999)
• [文献書誌] 高橋,来海,安藤: "時間相関型光位置検出素子(PSD)の提案と試作"第38回計測自動制御学会学術講演会予稿集. 145-146 (1999)
• [文献書誌] A.Kimachi and S.Ando: "Time-domain correlation image sensor : principle and fabrication of optoelectronic demodulator array"Proc.1999 Int.Conf.Solid-State Devices and Materials. 108-109 (1999)
• [文献書誌] 来海,安藤: "時間相関型イメージセンサを用いた立体計測:理論と基礎実験"第11回「外観検査の自動化」ワークショップ. 66-70 (1999)
• [文献書誌] 来海,安藤: "時間相関型イメージセンサを用いる形状計測:理論と基礎実験"電気学会センサシステム応用研究会. SSA-99. 37-42 (1999)
• [文献書誌] 高橋,来海,安藤: "時間相関型PSDの提案と試作"電気学会センサシステム応用研究会. SSA-99. 31-36 (1999)
• [文献書誌] A.Kimachi and S.Ando: "Time-domain correlation image sensor : CMOS design and integration of demodulator pixels"Proc.SPIE-Optoelectronic Integrated Circuirs IV. 3950. (2000)