JP2000333207A - ３次元電子カメラ - Google Patents
３次元電子カメラInfo
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- JP2000333207A JP2000333207A JP11140214A JP14021499A JP2000333207A JP 2000333207 A JP2000333207 A JP 2000333207A JP 11140214 A JP11140214 A JP 11140214A JP 14021499 A JP14021499 A JP 14021499A JP 2000333207 A JP2000333207 A JP 2000333207A
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- frequency
- dimensional
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
- Testing, Inspecting, Measuring Of Stereoscopic Televisions And Televisions (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】低い感度変調周波数でも等価的に高い距離分解
能を得ることのできる３次元電子カメラを提供する。 【解決手段】照明部１０１により第１の周波数で輝度変
調された光を物体１００に照射したときの物体光と、参
照光生成部１０８によって生成された第２の周波数で輝
度変調された参照光とをハーフミラー１０５により重畳
して感度変調型２次元撮像素子１０６上に結像させる。
この感度変調型２次元撮像素子１０６を第１の周波数と
第２の周波数との差分周波数で感度変調する。これによ
り、第１の周波数で輝度変調された照明光を用いて得ら
れる物体１００の位相情報を差分周波数での位相情報と
して取得することができ、感度変調型２次元撮像素子１
０６の感度変調周波数を低くしても、等価的に高い距離
分解能を維持することができる。
能を得ることのできる３次元電子カメラを提供する。 【解決手段】照明部１０１により第１の周波数で輝度変
調された光を物体１００に照射したときの物体光と、参
照光生成部１０８によって生成された第２の周波数で輝
度変調された参照光とをハーフミラー１０５により重畳
して感度変調型２次元撮像素子１０６上に結像させる。
この感度変調型２次元撮像素子１０６を第１の周波数と
第２の周波数との差分周波数で感度変調する。これによ
り、第１の周波数で輝度変調された照明光を用いて得ら
れる物体１００の位相情報を差分周波数での位相情報と
して取得することができ、感度変調型２次元撮像素子１
０６の感度変調周波数を低くしても、等価的に高い距離
分解能を維持することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アクティブな照明
光を利用した３次元（３Ｄ）物体の撮像カメラに係り、
特に３Ｄ物体の距離情報をリアルタイムに記録可能な３
Ｄ電子カメラに関する。
光を利用した３次元（３Ｄ）物体の撮像カメラに係り、
特に３Ｄ物体の距離情報をリアルタイムに記録可能な３
Ｄ電子カメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】物体の３次元情報を把握する手段とし
て、特開平８−３１３２１５号公報に記載されている感
度変調型２次元撮像素子を用いる方法が知られている。
これは、所定の周波数ωで輝度変調された照明光を測定
対象とする物体に照射し、物体からの散乱光（物体光と
いう）を撮像光学系を介して、上記周波数ωで感度変調
された感度変調型２次元撮像素子上に結像し、３Ｄ物体
の距離情報を撮像素子上の電荷分布の濃淡に変換させる
ものである。
て、特開平８−３１３２１５号公報に記載されている感
度変調型２次元撮像素子を用いる方法が知られている。
これは、所定の周波数ωで輝度変調された照明光を測定
対象とする物体に照射し、物体からの散乱光（物体光と
いう）を撮像光学系を介して、上記周波数ωで感度変調
された感度変調型２次元撮像素子上に結像し、３Ｄ物体
の距離情報を撮像素子上の電荷分布の濃淡に変換させる
ものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述した感度変調型２
次元撮像素子の感度変調は、ゲート電位あるいは基板電
位などを変調することによって得られる。しかしなが
ら、この変調周波数はゲートあるいは基板が持つ浮遊容
量や抵抗値のために上限があり、これを越えて駆動する
ことは信号のＳＮの低下や素子の寿命の短縮につなが
り、好ましくない。一方、３Ｄ物体の距離の分解能は変
調周波数の高い程、高くなる性質を持つ。このように、
両者は相反する性格を持つため、設計の自由度を制限す
る課題となっていた。
次元撮像素子の感度変調は、ゲート電位あるいは基板電
位などを変調することによって得られる。しかしなが
ら、この変調周波数はゲートあるいは基板が持つ浮遊容
量や抵抗値のために上限があり、これを越えて駆動する
ことは信号のＳＮの低下や素子の寿命の短縮につなが
り、好ましくない。一方、３Ｄ物体の距離の分解能は変
調周波数の高い程、高くなる性質を持つ。このように、
両者は相反する性格を持つため、設計の自由度を制限す
る課題となっていた。
【０００４】そこで、本発明は上記のような点に鑑みな
されたもので、低い感度変調周波数でも等価的に高い距
離分解能を得ることのできる３次元電子カメラを提供す
ることを目的とする。
されたもので、低い感度変調周波数でも等価的に高い距
離分解能を得ることのできる３次元電子カメラを提供す
ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、物体に光を照
射して、物体で反射された物体光を撮像光学系で２次元
受光素子上に結像させる３次元電子カメラであり、上記
物体に照射する光に第１の周波数で輝度変調をかける輝
度変調手段と、上記２次元受光素子に結像前の物体光
に、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数で輝度変
調された参照光を重畳する重畳手段と、上記２次元受光
素子に、上記第１の周波数と上記第２の周波数との差分
周波数で感度変調をかける感度変調手段とを具備して構
成される。
射して、物体で反射された物体光を撮像光学系で２次元
受光素子上に結像させる３次元電子カメラであり、上記
物体に照射する光に第１の周波数で輝度変調をかける輝
度変調手段と、上記２次元受光素子に結像前の物体光
に、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数で輝度変
調された参照光を重畳する重畳手段と、上記２次元受光
素子に、上記第１の周波数と上記第２の周波数との差分
周波数で感度変調をかける感度変調手段とを具備して構
成される。
【０００６】このような構成によれば、輝度変調手段に
よって第１の周波数で輝度変調された光が測定対象とな
る物体に照射される。この照射光が物体に反射して帰還
したときの物体光は、重畳手段にて第２の周波数で輝度
変調された参照光と重畳された後、２次元受光素子上に
結像される。この２次元受光素子は、感度変調可能な固
体撮像素子からなり、第１の周波数と第２の周波数との
差分周波数で感度変調される。この２次元受光素子を第
１の周波数と第２の周波数との差分周波数で感度変調し
て検波すると、第１の周波数で輝度変調された照明光を
用いて得られる物体の位相情報が差分周波数での位相情
報として得られる。
よって第１の周波数で輝度変調された光が測定対象とな
る物体に照射される。この照射光が物体に反射して帰還
したときの物体光は、重畳手段にて第２の周波数で輝度
変調された参照光と重畳された後、２次元受光素子上に
結像される。この２次元受光素子は、感度変調可能な固
体撮像素子からなり、第１の周波数と第２の周波数との
差分周波数で感度変調される。この２次元受光素子を第
１の周波数と第２の周波数との差分周波数で感度変調し
て検波すると、第１の周波数で輝度変調された照明光を
用いて得られる物体の位相情報が差分周波数での位相情
報として得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。
施の形態について説明する。
【０００８】図１は本発明の第１の実施形態に係る３次
元電子カメラの構成を示す概念図である。本発明の３次
元電子カメラは、物体１００（被測定物）に対して光を
照射し、その物体で反射された物体光を撮像光学系で２
次元受光素子上に結像させるカメラであって、図１に示
すように、照明部１０１、光源駆動部１０２、コントロ
ーラ１０３、撮像光学系１０４、ハーフミラー１０５、
感度変調型２次元撮像素子１０６、参照光源駆動部１０
７、参照光生成部１０８、受光素子１０９を有して構成
される。
元電子カメラの構成を示す概念図である。本発明の３次
元電子カメラは、物体１００（被測定物）に対して光を
照射し、その物体で反射された物体光を撮像光学系で２
次元受光素子上に結像させるカメラであって、図１に示
すように、照明部１０１、光源駆動部１０２、コントロ
ーラ１０３、撮像光学系１０４、ハーフミラー１０５、
感度変調型２次元撮像素子１０６、参照光源駆動部１０
７、参照光生成部１０８、受光素子１０９を有して構成
される。
【０００９】照明部１０１は、光源と送光光学系からな
り、物体１００に対してコヒーレント光を照射する。光
源駆動部１０２は、コントローラ１０３の制御の下で照
明部１０１の光源を駆動する。コントローラ１０３は、
周波数が僅かに異なる２つの周波数ν1とν2およびこれ
らの差分周波数Δν（ν1−ν2）を生成し、導線１１０
を介して周波数ν1を光源駆動部１０２に供給すると共
に、導線１１１を介して周波数ν2を参照光源駆動部１
０７に供給する。更に、コントローラ１０３は導線１１
２を介して差分周波数Δνを感度変調型２次元撮像素子
１０６に供給する。
り、物体１００に対してコヒーレント光を照射する。光
源駆動部１０２は、コントローラ１０３の制御の下で照
明部１０１の光源を駆動する。コントローラ１０３は、
周波数が僅かに異なる２つの周波数ν1とν2およびこれ
らの差分周波数Δν（ν1−ν2）を生成し、導線１１０
を介して周波数ν1を光源駆動部１０２に供給すると共
に、導線１１１を介して周波数ν2を参照光源駆動部１
０７に供給する。更に、コントローラ１０３は導線１１
２を介して差分周波数Δνを感度変調型２次元撮像素子
１０６に供給する。
【００１０】撮像光学系１０４は、照明部１０１によっ
て照射した光が物体１００に反射して帰還した帰還光
（物体光）を結像することで、物体１００の像を感度変
調型２次元撮像素子１０６上に形成する。ハーフミラー
１０５は、撮像光学系１０４と感度変調型２次元撮像素
子１０６との間に設置され、撮像光学系１０４によって
結像された帰還光と参照光生成部１０８によって生成さ
れた参照光とを合成するための光学系である。感度変調
型２次元撮像素子１０６は、所定の周波数で感度変調可
能な固体撮像素子からなり、撮像光学系１０４の焦点位
置に受光面が配設され、ハーフミラー１０５にて合成さ
れた物体光と参照光との合成光を受光する。
て照射した光が物体１００に反射して帰還した帰還光
（物体光）を結像することで、物体１００の像を感度変
調型２次元撮像素子１０６上に形成する。ハーフミラー
１０５は、撮像光学系１０４と感度変調型２次元撮像素
子１０６との間に設置され、撮像光学系１０４によって
結像された帰還光と参照光生成部１０８によって生成さ
れた参照光とを合成するための光学系である。感度変調
型２次元撮像素子１０６は、所定の周波数で感度変調可
能な固体撮像素子からなり、撮像光学系１０４の焦点位
置に受光面が配設され、ハーフミラー１０５にて合成さ
れた物体光と参照光との合成光を受光する。
【００１１】なお、感度変調された２次元撮像素子１０
６については、例えば特開平８−３１３２１５号公報に
開示されている、ＣＭＤ（Charge Modulation Device）
あるいはＡＭＩ（Amplified MOS intelligent Imager）
などの増幅型固体撮像素子のゲート電極あるいは基板な
どの電位を変調することによる感度変調方式を利用する
ことができる。
６については、例えば特開平８−３１３２１５号公報に
開示されている、ＣＭＤ（Charge Modulation Device）
あるいはＡＭＩ（Amplified MOS intelligent Imager）
などの増幅型固体撮像素子のゲート電極あるいは基板な
どの電位を変調することによる感度変調方式を利用する
ことができる。
【００１２】参照光源駆動部１０７は、参照光生成部１
０８を駆動して周波数ν2で輝度変調された参照光をハ
ーフミラー１０５を介して感度変調型２次元撮像素子１
０６に供給する。このハーフミラー１０５で反射された
物体光の一部は、受光素子１０９に与えられ、該物体光
の光量が検出される（光量検出手段）。また、参照光生
成部１０８は、受光素子１０９の出力に応じて参照光の
強度を調節したり、感度変調型２次元撮像素子１０６上
の参照光の強度分布を調節する機能を持つ（参照光調整
手段）。
０８を駆動して周波数ν2で輝度変調された参照光をハ
ーフミラー１０５を介して感度変調型２次元撮像素子１
０６に供給する。このハーフミラー１０５で反射された
物体光の一部は、受光素子１０９に与えられ、該物体光
の光量が検出される（光量検出手段）。また、参照光生
成部１０８は、受光素子１０９の出力に応じて参照光の
強度を調節したり、感度変調型２次元撮像素子１０６上
の参照光の強度分布を調節する機能を持つ（参照光調整
手段）。
【００１３】このような構成において、照明部１０１に
より周波数ν1で輝度変調された物体光と、参照光生成
部１０８によって生成された周波数ν2で輝度変調され
た参照光とがハーフミラー１０５にて重畳され、感度変
調型２次元撮像素子１０６上に結像される。ここで、物
体光の周波数ν1と参照光の周波数ν2との差分周波数Δ
ν＝ν1−ν2で感度変調型２次元撮像素子１０６を感度
変調して検波すると、物体１００の位相情報が感度変調
型２次元撮像素子１０６の濃淡情報として得られる。こ
のときの原理を以下に述べる。
より周波数ν1で輝度変調された物体光と、参照光生成
部１０８によって生成された周波数ν2で輝度変調され
た参照光とがハーフミラー１０５にて重畳され、感度変
調型２次元撮像素子１０６上に結像される。ここで、物
体光の周波数ν1と参照光の周波数ν2との差分周波数Δ
ν＝ν1−ν2で感度変調型２次元撮像素子１０６を感度
変調して検波すると、物体１００の位相情報が感度変調
型２次元撮像素子１０６の濃淡情報として得られる。こ
のときの原理を以下に述べる。
【００１４】感度変調型２次元撮像素子１０６上での物
体１００からの散乱光成分（つまり物体１００に反射し
て帰還した物体光の成分）をＦoとすると、次のように
表せる。 Ｆo＝ａ｛１＋sin(２πν1 ｔ＋φ（ｘ，ｙ))｝ …（１） 但し、ａ：振幅、φ（ｘ，ｙ）：物体の位相情報、ｔ：
時間、（ｘ，ｙ）：感度変調型２次元撮像素子上の一点
である。
体１００からの散乱光成分（つまり物体１００に反射し
て帰還した物体光の成分）をＦoとすると、次のように
表せる。 Ｆo＝ａ｛１＋sin(２πν1 ｔ＋φ（ｘ，ｙ))｝ …（１） 但し、ａ：振幅、φ（ｘ，ｙ）：物体の位相情報、ｔ：
時間、（ｘ，ｙ）：感度変調型２次元撮像素子上の一点
である。
【００１５】また、参照光成分をＦrとすると、次のよ
うに表せる。 Ｆr＝ｂ｛１＋sin ２πν2 ｔ｝ …（２） 但し、ｂ：振幅、ν2＝ν1−Δν、ν1≫Δνとする。
うに表せる。 Ｆr＝ｂ｛１＋sin ２πν2 ｔ｝ …（２） 但し、ｂ：振幅、ν2＝ν1−Δν、ν1≫Δνとする。
【００１６】感度変調型２次元撮像素子１０６上での光
強度Ｉは、上記式（１）および（２）を用いて次のよう
に表せる。 Ｉ＝Ｆo＋Ｆr ＝ａ＋ｂ＋√（Ａ2＋Ｂ2）sin ２π（ν1 ｔ＋α） …（３） 但し、α＝tan-1（Ｂ／Ａ）、 Ａ＝ａ cosφ（ｘ，ｙ）＋ｂ cos２πΔνｔ、 Ｂ＝ａ sinφ（ｘ，ｙ）＋ｂ sin２πΔνｔ であり、上記式（３）中のＡ2＋Ｂ2は以下のように表せ
る。
強度Ｉは、上記式（１）および（２）を用いて次のよう
に表せる。 Ｉ＝Ｆo＋Ｆr ＝ａ＋ｂ＋√（Ａ2＋Ｂ2）sin ２π（ν1 ｔ＋α） …（３） 但し、α＝tan-1（Ｂ／Ａ）、 Ａ＝ａ cosφ（ｘ，ｙ）＋ｂ cos２πΔνｔ、 Ｂ＝ａ sinφ（ｘ，ｙ）＋ｂ sin２πΔνｔ であり、上記式（３）中のＡ2＋Ｂ2は以下のように表せ
る。
【００１７】 Ａ2＋Ｂ2＝ａ2＋ｂ2＋２ａｂ cos{２πΔνｔ＋φ（ｘ，ｙ）｝…（４） 上記（３）式と（４）式とが意味するところは、感度変
調型２次元撮像素子１０６上での光強度Ｉは、差分周波
数Δνで定まるゆっくりした振幅の変化をし、物体１０
０の位相情報φ（ｘ，ｙ）によりその位相が定められて
いることがわかる。したがって、この光強度Ｉを感度変
調型２次元撮像素子１０６を用いて周波数Δνで検波す
ると、光強度Ｉの位相と感度変調型２次元撮像素子１０
６の感度変調の位相とが合えば、多くの電荷が撮像素子
に蓄積され、位相が合わなければ蓄積されない。
調型２次元撮像素子１０６上での光強度Ｉは、差分周波
数Δνで定まるゆっくりした振幅の変化をし、物体１０
０の位相情報φ（ｘ，ｙ）によりその位相が定められて
いることがわかる。したがって、この光強度Ｉを感度変
調型２次元撮像素子１０６を用いて周波数Δνで検波す
ると、光強度Ｉの位相と感度変調型２次元撮像素子１０
６の感度変調の位相とが合えば、多くの電荷が撮像素子
に蓄積され、位相が合わなければ蓄積されない。
【００１８】この場合、ｓｉｎ２π（ν1 ｔ＋α）の因
子はν1≫Δνのため、平均化されて無視され、物体の
位相情報φ（ｘ，ｙ）に応じて各画素（ｘ，ｙ）におけ
る蓄積された電荷の濃淡が生じ、これから物体１００の
位相情報φ（ｘ，ｙ）を得ることができる。すなわち、
周波数ν1で輝度変調された照明光を用いて得られる位
相情報を、差分周波数Δν≪ν1での位相情報として測
定できたことになる。
子はν1≫Δνのため、平均化されて無視され、物体の
位相情報φ（ｘ，ｙ）に応じて各画素（ｘ，ｙ）におけ
る蓄積された電荷の濃淡が生じ、これから物体１００の
位相情報φ（ｘ，ｙ）を得ることができる。すなわち、
周波数ν1で輝度変調された照明光を用いて得られる位
相情報を、差分周波数Δν≪ν1での位相情報として測
定できたことになる。
【００１９】例えば、ν1＝１００ＭＨｚ、Δν＝１Ｍ
Ｈｚとすれば、周波数ν1での等価的波長（往復するこ
とを考慮して）１．５ｍを用いた場合の物体１００の位
相情報φ（ｘ，ｙ）を、Δν＝１ＭＨｚでの感度変調で
得られることになる。言い換えれると、感度変調型２次
元撮像素子１０６の変調周波数を低くしても、高い距離
分解能を得ることできることになる。
Ｈｚとすれば、周波数ν1での等価的波長（往復するこ
とを考慮して）１．５ｍを用いた場合の物体１００の位
相情報φ（ｘ，ｙ）を、Δν＝１ＭＨｚでの感度変調で
得られることになる。言い換えれると、感度変調型２次
元撮像素子１０６の変調周波数を低くしても、高い距離
分解能を得ることできることになる。
【００２０】上記式（１）および式（２）によれば、差
分周波数Δνでの振幅は、 ａ＋ｂ−｜ａ−ｂ｜ となり、ｂ≧ａとすれば、振幅の値は２ａとなり、振幅
２ｂのベースの上に周波数Δνで振幅２ａの振動が加算
されている形となる。信号のＳＮの観点からすれば、で
きるだけａ≒ｂに近づける配慮が好ましい。
分周波数Δνでの振幅は、 ａ＋ｂ−｜ａ−ｂ｜ となり、ｂ≧ａとすれば、振幅の値は２ａとなり、振幅
２ｂのベースの上に周波数Δνで振幅２ａの振動が加算
されている形となる。信号のＳＮの観点からすれば、で
きるだけａ≒ｂに近づける配慮が好ましい。
【００２１】なお、物体光の強度は物体までの距離や反
射率で変化するため、その平均の強度を知って、参照光
の強度を調節する機能を持つことが好ましい。このため
には、最初に参照光は点灯せずに照明部１０１のみを点
灯し、受光素子１０９で物体光の平均強度を予備測定
し、参照光の必要強度を定めた後、両者を点灯し、物体
の３Ｄ情報を取得すれば良い。本実施形態の特徴は、コ
ントローラ１０３により、照明光と参照光、および感度
変調型２次元撮像素子１０６の３者につき、それらの変
調周波数間の同期が安定してとれることにある。
射率で変化するため、その平均の強度を知って、参照光
の強度を調節する機能を持つことが好ましい。このため
には、最初に参照光は点灯せずに照明部１０１のみを点
灯し、受光素子１０９で物体光の平均強度を予備測定
し、参照光の必要強度を定めた後、両者を点灯し、物体
の３Ｄ情報を取得すれば良い。本実施形態の特徴は、コ
ントローラ１０３により、照明光と参照光、および感度
変調型２次元撮像素子１０６の３者につき、それらの変
調周波数間の同期が安定してとれることにある。
【００２２】上記実施形態には種々の変更が可能であ
る。
る。
【００２３】例えば、必要に応じて照明光以外の自然光
をカットするフィルタを挿入することができる。具体的
には、照明光として赤外光線を用い、可視光カットのフ
ィルタを併用することにより、信号のＳＮを向上させる
ことができる。あるいは、照明光として半導体レーザを
用いるならば、該照明光に対する干渉フィルタを用いる
ことができる。
をカットするフィルタを挿入することができる。具体的
には、照明光として赤外光線を用い、可視光カットのフ
ィルタを併用することにより、信号のＳＮを向上させる
ことができる。あるいは、照明光として半導体レーザを
用いるならば、該照明光に対する干渉フィルタを用いる
ことができる。
【００２４】また、周波数が僅かに異なる２つの周波数
ν1，ν2を供給する装置が市販されており、これをコン
トローラ１０３として利用することができる。あるい
は、僅かに発振周波数の異なる２つの水晶発振子を用い
ることもできる。
ν1，ν2を供給する装置が市販されており、これをコン
トローラ１０３として利用することができる。あるい
は、僅かに発振周波数の異なる２つの水晶発振子を用い
ることもできる。
【００２５】また、照明光は被写体として人物を撮るこ
とも考慮して、眼への安全性からパルス状に照明するこ
とが好ましい。例えば、１ｍｓの持続パルスを考え、ν
1＝１００ＭＨｚとすると、１個の光パルスに１０5の波
が入っており、Δν＝１ＭＨｚとして１０００のビート
波が入っており、感度変調による検波に十分な数の波が
入っている。
とも考慮して、眼への安全性からパルス状に照明するこ
とが好ましい。例えば、１ｍｓの持続パルスを考え、ν
1＝１００ＭＨｚとすると、１個の光パルスに１０5の波
が入っており、Δν＝１ＭＨｚとして１０００のビート
波が入っており、感度変調による検波に十分な数の波が
入っている。
【００２６】また、周波数が僅かに異なる２つの周波数
ν1，ν2を供給する装置としては、図２に示すような実
施形態も考えられる。
ν1，ν2を供給する装置としては、図２に示すような実
施形態も考えられる。
【００２７】図２は本発明の第２の実施形態に係る３次
元電子カメラの構成を示す概念図である。図１と同じ部
分については説明を省略する。図１と異なる点は、光源
駆動部２００にて物体１００に照射する光の輝度変調周
波数を所定周期で線形的に変化させると共に、その光の
一部を分割し、導通路２０１により所定の光路差を与え
て参照光を生成して参照光学系２０２に与えている点で
ある。
元電子カメラの構成を示す概念図である。図１と同じ部
分については説明を省略する。図１と異なる点は、光源
駆動部２００にて物体１００に照射する光の輝度変調周
波数を所定周期で線形的に変化させると共に、その光の
一部を分割し、導通路２０１により所定の光路差を与え
て参照光を生成して参照光学系２０２に与えている点で
ある。
【００２８】すなわち、図２において、光源駆動部２０
０は、図３に示すように持続時間Ｔ 1の間だけパルス的
に照明部１０１の光源を駆動する。これは眼への安全性
を考慮したことによるものである。このときの繰り返し
周波数はＴ2で与えられる。光源からの光量の一部は一
定長の光ファイバ等からなる導通路２０１を経て参照光
学系２０２に与えられる。
０は、図３に示すように持続時間Ｔ 1の間だけパルス的
に照明部１０１の光源を駆動する。これは眼への安全性
を考慮したことによるものである。このときの繰り返し
周波数はＴ2で与えられる。光源からの光量の一部は一
定長の光ファイバ等からなる導通路２０１を経て参照光
学系２０２に与えられる。
【００２９】ここで、物体光と参照光において、物体１
００までの距離を往復する時間と一定長の導通路２０１
を通過するのに要する時間との差Δτに対応した輝度変
調の周波数の相異（Δｆ／Ｔ1）Δτを生じる。この値
は受光素子１０９に入射する物体光と参照光とから検出
することができる。これが感度変調型２次元撮像素子１
０６を駆動する変調周波数Δνと等しくなるように、Δ
ｆあるいはＴ1のいずれかを変えて達成される。本実施
形態の特徴は、光源が１つで物体の照明光と参照光の両
方を兼ねていることにある。
００までの距離を往復する時間と一定長の導通路２０１
を通過するのに要する時間との差Δτに対応した輝度変
調の周波数の相異（Δｆ／Ｔ1）Δτを生じる。この値
は受光素子１０９に入射する物体光と参照光とから検出
することができる。これが感度変調型２次元撮像素子１
０６を駆動する変調周波数Δνと等しくなるように、Δ
ｆあるいはＴ1のいずれかを変えて達成される。本実施
形態の特徴は、光源が１つで物体の照明光と参照光の両
方を兼ねていることにある。
【００３０】上述した式（３）および式（４）によれ
ば、感度変調型２次元撮像素子１０６による検波から得
られる各画素の濃淡は振幅ａが関与しており、物体１０
０の反射率分布の影響を受ける。これを軽減するために
は、物体１００の反射率分布を予め知る必要がある。こ
の場合、感度変調型２次元撮像素子１０６の感度変調を
行わなければ、通常のモノクロ画像が得られることか
ら、これを別途測定しておくことにより達成される。
ば、感度変調型２次元撮像素子１０６による検波から得
られる各画素の濃淡は振幅ａが関与しており、物体１０
０の反射率分布の影響を受ける。これを軽減するために
は、物体１００の反射率分布を予め知る必要がある。こ
の場合、感度変調型２次元撮像素子１０６の感度変調を
行わなければ、通常のモノクロ画像が得られることか
ら、これを別途測定しておくことにより達成される。
【００３１】例えば、最初の照明パルスで輝度変調の周
波数の相異（Δｆ／Ｔ1）Δτと感度変調型２次元撮像
素子１０６を駆動する変調周波数Δτとを等しくして、
次の２つ目のパルスで物体の３Ｄ位相情報を得、３つ目
のパルスでモノクロ画像を得て、必要に応じて補正に用
いる。あるいは、感度変調型２次元撮像素子１０６のあ
る画素に対しては感度変調をかけ、残りは感度変調をか
けないとし、両者をミックスさせておくことにより、一
度の露光で位相と振幅の両方の情報を取得することも可
能である。
波数の相異（Δｆ／Ｔ1）Δτと感度変調型２次元撮像
素子１０６を駆動する変調周波数Δτとを等しくして、
次の２つ目のパルスで物体の３Ｄ位相情報を得、３つ目
のパルスでモノクロ画像を得て、必要に応じて補正に用
いる。あるいは、感度変調型２次元撮像素子１０６のあ
る画素に対しては感度変調をかけ、残りは感度変調をか
けないとし、両者をミックスさせておくことにより、一
度の露光で位相と振幅の両方の情報を取得することも可
能である。
【００３２】なお、本発明について、別の観点から捕ら
えた場合の要旨を以下に付記しておく。
えた場合の要旨を以下に付記しておく。
【００３３】（１） 第１の周波数で輝度変調された光
を生成して、物体に照射する送光手段と、上記第１の周
波数とは異なる第２の周波数で輝度変調された参照光を
生成する参照光生成手段と、上記送光手段よりの光が上
記物体で反射された物体光を受光する結像光学系と、上
記物体光と上記参照光を重畳する重畳手段と、上記結像
光学系の焦点位置に受光面が配設された２次元受光素子
と、上記２次元受光素子に、上記第１の周波数と上記第
２の周波数の差分周波数で感度変調をかける感度変調手
段とを具備することを特徴とする３次元電子カメラ。
を生成して、物体に照射する送光手段と、上記第１の周
波数とは異なる第２の周波数で輝度変調された参照光を
生成する参照光生成手段と、上記送光手段よりの光が上
記物体で反射された物体光を受光する結像光学系と、上
記物体光と上記参照光を重畳する重畳手段と、上記結像
光学系の焦点位置に受光面が配設された２次元受光素子
と、上記２次元受光素子に、上記第１の周波数と上記第
２の周波数の差分周波数で感度変調をかける感度変調手
段とを具備することを特徴とする３次元電子カメラ。
【００３４】上記（１）に記載の３次元電子カメラは、
上記第１および第２の実施形態に対応しており、照明部
１０１により第１の周波数で輝度変調された光を物体１
００に照射したときの物体光（照射光が物体に反射して
帰還した光）と、第２の周波数で輝度変調された参照光
とを重畳して感度変調型２次元撮像素子１０６（２次元
受光素子）上に結像させ、この感度変調型２次元撮像素
子１０６を第１の周波数と第２の周波数との差分周波数
で感度変調することを特徴としている。この場合、上記
参照光生成手段とは、第１の実施形態では図１に示すコ
ントローラ１０３、参照光源駆動部１０７、参照光生成
部１０８に相当し、第２の実施形態では図２に示す光源
駆動部２００、導通路２０１、参照光学系２０２に相当
する。
上記第１および第２の実施形態に対応しており、照明部
１０１により第１の周波数で輝度変調された光を物体１
００に照射したときの物体光（照射光が物体に反射して
帰還した光）と、第２の周波数で輝度変調された参照光
とを重畳して感度変調型２次元撮像素子１０６（２次元
受光素子）上に結像させ、この感度変調型２次元撮像素
子１０６を第１の周波数と第２の周波数との差分周波数
で感度変調することを特徴としている。この場合、上記
参照光生成手段とは、第１の実施形態では図１に示すコ
ントローラ１０３、参照光源駆動部１０７、参照光生成
部１０８に相当し、第２の実施形態では図２に示す光源
駆動部２００、導通路２０１、参照光学系２０２に相当
する。
【００３５】（２） 第１の周波数で輝度変調された光
を生成して、物体に照射する送光手段と、上記第１の周
波数とは異なる第２の周波数で輝度変調された参照光を
生成する参照光生成手段と、上記送光手段よりの光が上
記物体で反射された物体光を受光する結像光学系と、上
記結像光学系の焦点位置に受光面が配設された２次元受
光素子と、上記結像光学系と上記２次元受光素子間の光
路中に置かれ、上記物体光と上記参照光を重畳する重畳
手段と、上記２次元受光素子に、上記第１の周波数と上
記第２の周波数の差分周波数で感度変調をかける感度変
調手段とを具備することを特徴とする３次元電子カメ
ラ。
を生成して、物体に照射する送光手段と、上記第１の周
波数とは異なる第２の周波数で輝度変調された参照光を
生成する参照光生成手段と、上記送光手段よりの光が上
記物体で反射された物体光を受光する結像光学系と、上
記結像光学系の焦点位置に受光面が配設された２次元受
光素子と、上記結像光学系と上記２次元受光素子間の光
路中に置かれ、上記物体光と上記参照光を重畳する重畳
手段と、上記２次元受光素子に、上記第１の周波数と上
記第２の周波数の差分周波数で感度変調をかける感度変
調手段とを具備することを特徴とする３次元電子カメ
ラ。
【００３６】上記（２）に記載の３次元電子カメラは、
上記第１および第２の実施形態に対応しており、撮像光
学系１０４（結像光学系）と感度変調型２次元撮像素子
１０６との間の光路中にハーフミラー１０５を設けて、
照明部１０１により第１の周波数で輝度変調された光を
物体１００に照射したときの物体光（照射光が物体に反
射して帰還した光）と、第２の周波数で輝度変調された
参照光とをハーフミラー１０５により重畳した後に感度
変調型２次元撮像素子１０６（２次元受光素子）上に結
像させ、この感度変調型２次元撮像素子１０６を第１の
周波数と第２の周波数との差分周波数で感度変調するこ
とを特徴としている。この場合、上記参照光生成手段と
は、第１の実施形態では図１に示すコントローラ１０
３、参照光源駆動部１０７、参照光生成部１０８に相当
し、第２の実施形態では図２に示す光源駆動部２００、
導通路２０１、参照光学系２０２に相当する。
上記第１および第２の実施形態に対応しており、撮像光
学系１０４（結像光学系）と感度変調型２次元撮像素子
１０６との間の光路中にハーフミラー１０５を設けて、
照明部１０１により第１の周波数で輝度変調された光を
物体１００に照射したときの物体光（照射光が物体に反
射して帰還した光）と、第２の周波数で輝度変調された
参照光とをハーフミラー１０５により重畳した後に感度
変調型２次元撮像素子１０６（２次元受光素子）上に結
像させ、この感度変調型２次元撮像素子１０６を第１の
周波数と第２の周波数との差分周波数で感度変調するこ
とを特徴としている。この場合、上記参照光生成手段と
は、第１の実施形態では図１に示すコントローラ１０
３、参照光源駆動部１０７、参照光生成部１０８に相当
し、第２の実施形態では図２に示す光源駆動部２００、
導通路２０１、参照光学系２０２に相当する。
【００３７】（３） 物体に光を照射し、反射された光
より物体の３次元情報を得る方法であり、第１の周波数
で輝度変調された光を物体に照射する工程と、上記照射
された光が物体で反射された物体光を受光して、上記第
１の周波数とは異なる第２の周波数で輝度変調された参
照光を重畳後、２次元受光素子上に結像させる工程と、
上記２次元受光素子に、上記第１の周波数と上記第２の
周波数の差分周波数で感度変調をかける工程と、を具備
することを特徴とする物体の３次元情報獲得方法。
より物体の３次元情報を得る方法であり、第１の周波数
で輝度変調された光を物体に照射する工程と、上記照射
された光が物体で反射された物体光を受光して、上記第
１の周波数とは異なる第２の周波数で輝度変調された参
照光を重畳後、２次元受光素子上に結像させる工程と、
上記２次元受光素子に、上記第１の周波数と上記第２の
周波数の差分周波数で感度変調をかける工程と、を具備
することを特徴とする物体の３次元情報獲得方法。
【００３８】（４） 物体光の光量を検出する工程と、
上記物体光の光量に応じて、上記参照光の光量を変化さ
せる工程とをさらに具備することを特徴とする（３）記
載の３次元情報獲得方法。
上記物体光の光量に応じて、上記参照光の光量を変化さ
せる工程とをさらに具備することを特徴とする（３）記
載の３次元情報獲得方法。
【００３９】上記（３）および（４）に記載の３次元情
報獲得方法は、上記第１および第２の実施形態で説明し
た３次元電子カメラを用いて物体の３次元情報を得るた
めの方法について記載したものである。
報獲得方法は、上記第１および第２の実施形態で説明し
た３次元電子カメラを用いて物体の３次元情報を得るた
めの方法について記載したものである。
【００４０】（５） 対象とする物体を照明する周波数
ν1で輝度変調された光源とこれを送光する送光光学系
と、上記周波数ν1と僅かに異なる周波数ν2で輝度変調
された参照光を生成・照射する参照光生成手段と、上記
物体の像を感度変調型２次元撮像素子面上に形成する撮
像光学系と、上記２周波数の差の周波数Δν＝ν1−ν2
で上記感度変調型２次元撮像素子を感度変調する感度調
整手段とを具備することを特徴とする３次元電子カメ
ラ。
ν1で輝度変調された光源とこれを送光する送光光学系
と、上記周波数ν1と僅かに異なる周波数ν2で輝度変調
された参照光を生成・照射する参照光生成手段と、上記
物体の像を感度変調型２次元撮像素子面上に形成する撮
像光学系と、上記２周波数の差の周波数Δν＝ν1−ν2
で上記感度変調型２次元撮像素子を感度変調する感度調
整手段とを具備することを特徴とする３次元電子カメ
ラ。
【００４１】（６） 物体光の一部を分割して、その光
量を検出する光量検出手段と、上記光量検出手段の出力
信号により参照光の強度を調整する参照光調整手段とを
さらに具備することを特徴とする上記（５）記載の３次
元電子カメラ。
量を検出する光量検出手段と、上記光量検出手段の出力
信号により参照光の強度を調整する参照光調整手段とを
さらに具備することを特徴とする上記（５）記載の３次
元電子カメラ。
【００４２】（７） 照明光源を所定の持続時間の間、
輝度変調するとともに、該輝度変調の周波数を線形的に
所定の幅だけ増大または減少させる光源駆動手段を具備
し、上記参照光生成手段は、上記照明光源の一部を分割
し、所定の光路差を与えて参照光とすることを特徴とす
る上記（５）記載の３次元電子カメラ。
輝度変調するとともに、該輝度変調の周波数を線形的に
所定の幅だけ増大または減少させる光源駆動手段を具備
し、上記参照光生成手段は、上記照明光源の一部を分割
し、所定の光路差を与えて参照光とすることを特徴とす
る上記（５）記載の３次元電子カメラ。
【００４３】（８） 物体光と参照光との輝度変調周波
数の差を検出する受光手段を具備し、上記光源駆動手段
は、上記輝度変調周波数の差と上記感度変調型２次元撮
像素子の感度変調周波数とが一致するように上記輝度変
調周波数を調整することを特徴とする上記（７）記載の
３次元電子カメラ。
数の差を検出する受光手段を具備し、上記光源駆動手段
は、上記輝度変調周波数の差と上記感度変調型２次元撮
像素子の感度変調周波数とが一致するように上記輝度変
調周波数を調整することを特徴とする上記（７）記載の
３次元電子カメラ。
【００４４】上記（５）に記載の３次元電子カメラは、
上記第１および第２の実施形態に対応しており、照明部
１０１により周波数ν1で輝度変調された光を物体１０
０に照射したときの物体光（照射光が物体に反射して帰
還した光）と、周波数ν2で輝度変調された参照光とを
感度変調型２次元撮像素子１０６に結像させ、この感度
変調型２次元撮像素子１０６を上記２周波数の差の周波
数Δν＝ν1−ν2で感度変調することを特徴としてい
る。
上記第１および第２の実施形態に対応しており、照明部
１０１により周波数ν1で輝度変調された光を物体１０
０に照射したときの物体光（照射光が物体に反射して帰
還した光）と、周波数ν2で輝度変調された参照光とを
感度変調型２次元撮像素子１０６に結像させ、この感度
変調型２次元撮像素子１０６を上記２周波数の差の周波
数Δν＝ν1−ν2で感度変調することを特徴としてい
る。
【００４５】上記（６）に記載の３次元電子カメラは、
上記第１および第２の実施形態に対応しており、ハーフ
ミラー１０５を介して物体光の一部を受光素子１０９に
与えて物体光の光量を検出し、その光量に応じて参照光
の強度を調整することを特徴としている。
上記第１および第２の実施形態に対応しており、ハーフ
ミラー１０５を介して物体光の一部を受光素子１０９に
与えて物体光の光量を検出し、その光量に応じて参照光
の強度を調整することを特徴としている。
【００４６】上記（７）に記載の３次元電子カメラは、
上記第２の実施形態に対応しており、光源駆動部１０２
によって照明部１０１の光源を所定の持続時間の間、輝
度変調し、その輝度変調の周波数を線形的に所定の幅だ
け増大または減少させ、そのときの光の一部を導通路２
０１に通して所定の光路差を与えることで参照光を生成
することを特徴としている。
上記第２の実施形態に対応しており、光源駆動部１０２
によって照明部１０１の光源を所定の持続時間の間、輝
度変調し、その輝度変調の周波数を線形的に所定の幅だ
け増大または減少させ、そのときの光の一部を導通路２
０１に通して所定の光路差を与えることで参照光を生成
することを特徴としている。
【００４７】上記（８）に記載の３次元電子カメラは、
上記第２の実施形態に対応しており、受光素子１０９に
て物体光と参照光との輝度変調周波数の差を検出するこ
とで光源駆動部１０２がその輝度変調周波数の差と感度
変調型２次元撮像素子１０６の感度変調周波数とが一致
するように輝度変調周波数を調整することを特徴として
いる。
上記第２の実施形態に対応しており、受光素子１０９に
て物体光と参照光との輝度変調周波数の差を検出するこ
とで光源駆動部１０２がその輝度変調周波数の差と感度
変調型２次元撮像素子１０６の感度変調周波数とが一致
するように輝度変調周波数を調整することを特徴として
いる。
【００４８】
【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、第
１の周波数で輝度変調された光を物体に照射したときの
物体光と、第２の周波数で輝度変調された参照光とを重
畳して２次元受光素子上に結像させ、この２次元受光素
子を第１の周波数と第２の周波数との差分周波数で感度
変調することにより、第１の周波数で輝度変調された照
明光を用いて得られる物体の位相情報を差分周波数での
位相情報として取得することができ、２次元受光素子の
感度変調周波数を低くしても、等価的に高い距離分解能
を維持することができる。
１の周波数で輝度変調された光を物体に照射したときの
物体光と、第２の周波数で輝度変調された参照光とを重
畳して２次元受光素子上に結像させ、この２次元受光素
子を第１の周波数と第２の周波数との差分周波数で感度
変調することにより、第１の周波数で輝度変調された照
明光を用いて得られる物体の位相情報を差分周波数での
位相情報として取得することができ、２次元受光素子の
感度変調周波数を低くしても、等価的に高い距離分解能
を維持することができる。
【図１】本発明の第１の実施形態に係る３次元電子カメ
ラの構成を示す概念図。
ラの構成を示す概念図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る３次元電子カメ
ラの構成を示す概念図。
ラの構成を示す概念図。
【図３】上記図２の３次元電子カメラに用いられる光源
駆動部の光源駆動動作を説明するための図。
駆動部の光源駆動動作を説明するための図。
１００…物体 １０１…照明部 １０２…光源駆動部 １０３…コントローラ １０４…撮像光学系 １０５…ハーフミラー １０６…感度変調型２次元撮像素子 １０７…参照光源駆動部 １０８…参照光生成部 １０９…受光素子 １１０，１１１…導線 ２００…光源駆動部 ２０１…導通路 ２０２…参照光学系
Claims (3)
- 【請求項１】 物体に光を照射して、物体で反射された
物体光を撮像光学系で２次元受光素子上に結像させる３
次元電子カメラであり、 上記物体に照射する光に第１の周波数で輝度変調をかけ
る輝度変調手段と、 上記２次元受光素子に結像前の物体光に、上記第１の周
波数とは異なる第２の周波数で輝度変調された参照光を
重畳する重畳手段と、 上記２次元受光素子に、上記第１の周波数と上記第２の
周波数との差分周波数で感度変調をかける感度変調手段
とを具備することを特徴とする３次元電子カメラ。 - 【請求項２】 物体光の光量を検出する物体光光量検出
手段と、 上記物体光光量検出手段の出力に応じて、上記参照光の
光量を変化させる参照光光量変化手段とをさらに具備す
ることを特徴とする請求項１記載の３次元電子カメラ。 - 【請求項３】 上記物体に照射する光の輝度変調周波数
を所定周期で線形的に変化させる輝度変調周波数変更手
段と、 上記物体に照射する光の一部を獲得し、この光に所定の
光路差を与えて参照光を生成する参照光生成手段とをさ
らに具備することを特徴とする請求項１または請求項２
記載の３次元電子カメラ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11140214A JP2000333207A (ja) | 1999-05-20 | 1999-05-20 | ３次元電子カメラ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11140214A JP2000333207A (ja) | 1999-05-20 | 1999-05-20 | ３次元電子カメラ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000333207A true JP2000333207A (ja) | 2000-11-30 |
Family
ID=15263583
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11140214A Withdrawn JP2000333207A (ja) | 1999-05-20 | 1999-05-20 | ３次元電子カメラ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000333207A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014143690A (ja) * | 2008-11-25 | 2014-08-07 | Tetravue Inc | 高解像度三次元撮像のシステムおよび方法 |
-
1999
- 1999-05-20 JP JP11140214A patent/JP2000333207A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014143690A (ja) * | 2008-11-25 | 2014-08-07 | Tetravue Inc | 高解像度三次元撮像のシステムおよび方法 |
| US11627300B2 (en) | 2008-11-25 | 2023-04-11 | Nlight, Inc. | System and method of three-dimensional imaging |
| US12081725B2 (en) | 2008-11-25 | 2024-09-03 | Nlight, Inc. | System and method of three-dimensional imaging |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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