JP2000346626A

JP2000346626A - ３次元画像入力装置

Info

Publication number: JP2000346626A
Application number: JP11162889A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Tani; 信博谷
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2000-12-15
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: JP4136195B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高精細画像に対応した多画素ＣＣＤを用いて
安価かつ簡便に雑音の少ない距離情報信号を得る。【解決手段】ＣＣＤに第１及び第２のグループのフォ
トダイオードを設ける。電荷掃出し信号Ｓ１を出力しフ
ォトダイオードに蓄積していた不要電荷を排出する。電
荷掃出し信号Ｓ１の終了により、測距光Ｓ３を照射され
た被計測物体からの反射光Ｓ４により生じる電荷Ｓ１２
が、フォトダイオードに蓄積される。電荷転送信号Ｓ９
を出力し、第１のグループのフォトダイオードに蓄積さ
れた電荷を垂直転送部へ転送する。電荷掃出し信号Ｓ
１、電荷転送信号Ｓ９を繰り返し出力することによりこ
の垂直転送部に第１のグループのフォトダイオードによ
り検出された距離情報に関する信号電荷が積分される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光伝播時間測定法
を用いて被計測物体の３次元形状等を検出する３次元画
像入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来３次元画像入力装置による３次元計
測は、光、電波あるいは音を被計測物体に照射する能動
方式と、光等を照射しない受動方式とに分類される。能
動方式には、光伝播時間測定法、変調した光波を用いる
位相差測定法、三角測量法、モアレ法、干渉法等が知ら
れており、受動方式には、ステレオ視法、レンズの焦点
法等が知られている。

【０００３】能動方式は受動方式に比べ、レーザ光等を
照射するための機構が必要なために装置の規模が大きく
なるが、距離分解能、計測時間、計測空間範囲等の点に
おいて優れており、産業応用分野において広く用いられ
てきている。「MeasurementScience and Technology」
（S. Christie 他、vol.6, p1301-1308, 1995 年）に記
載された３次元画像入力装置では、パルス変調されたレ
ーザ光が被計測物体に照射され、その反射光がイメージ
インテンシファイアが取付けられた２次元ＣＣＤセンサ
によって受光され、電気信号に変換される。イメージイ
ンテンシファイアはレーザ光のパルス発光に同期したゲ
ートパルスによってシャッタ制御される。この構成によ
れば、遠い被計測物体からの反射光による受光量は近い
被計測物体からの反射光による受光量に比べて小さいの
で、被計測物体の距離に応じた出力がＣＣＤの各画素毎
に得られる。

【０００４】一方、国際公開97/01111号公報に開示され
た装置では、パルス変調されたレーザ光等の光が被計測
物体に照射され、その反射光がメカニカル又は液晶素子
等から成る電気光学的シャッタと組み合わされた２次元
ＣＣＤセンサによって受光され、電気信号に変換され
る。そのシャッタは、測距光のパルスとは異なるタイミ
ングで制御され、距離情報がＣＣＤの各画素毎に得られ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の能動
方式の装置では、ＣＣＤセンサにおける電荷蓄積動作を
制御するためにＫＤＰ素子等の光シャッタが設けられて
いる。ところが光シャッタの規模が大きいだけでなく、
光シャッタを駆動するために高電圧を供給する電気回路
が必要であるので、従来装置は大型化せざるを得ないと
いう問題があった。一方、米国特許第 5,081,530号明細
書には、ＣＣＤセンサの電荷蓄積動作を制御するために
電子シャッタを用いる構成が開示されているが、従来の
１回の電子シャッタにより得られるＣＣＤセンサの出力
は、被計測物体の距離情報を検出するために十分な大き
さを有していない。

【０００６】本発明は、光シャッタを必要とせず小型で
安価であり、しかも高精細画像に対応した多画素ＣＣＤ
においても十分に大きい出力を得ることのできる３次元
画像入力装置を得ることを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の３次元画像入力
装置は、被計測物体に測距光を照射する光源と、受光量
に応じた電荷を蓄積可能な第１及び第２の光電変換素子
と、第１の光電変換素子に隣接して設けられた第１の信
号電荷保持部と、第２の光電変換素子に隣接して設けら
れた第２の信号電荷保持部と、第１の光電変換素子に蓄
積した第１の信号電荷を第１の信号電荷保持部のみに接
続された第１の電極を用いて第１の信号電荷保持部に転
送する第１の信号電荷転送手段と、第２の光電変換素子
に蓄積した第２の信号電荷を第２の信号電荷保持部のみ
に接続された第２の電極を用いて第２の信号電荷保持部
に転送する第２の信号電荷転送手段と、第１の信号電荷
転送手段を繰り返し駆動することにより、第１の信号電
荷保持部において被計測物体の距離情報に関する第１の
信号電荷を積分する信号電荷積分手段とを備えたことを
特徴としている。

【０００８】３次元画像入力装置は好ましくは、第１の
光電変換素子に蓄積した不要電荷を第１の光電変換素子
から掃出すことにより第１の光電変換素子における信号
電荷の蓄積動作を開始させる第１の蓄積電荷掃出手段
と、第２の光電変換素子に蓄積した不要電荷を第２の光
電変換素子から掃出すことにより第２の光電変換素子に
おける信号電荷の蓄積動作を開始させる第２の蓄積電荷
掃出手段とを備え、信号電荷積分手段が、第１の蓄積電
荷掃出手段と前記第１の信号電荷転送手段とを交互に駆
動することにより行われる。

【０００９】第１及び第２の光電変換素子が基板に沿っ
て形成された構成においては、蓄積動作開始手段は不要
電荷を基板側に掃出す。第１及び第２の信号電荷保持部
は、好ましくは第１及び第２の信号電荷を３次元画像入
力装置の外部に出力するための垂直転送部である。また
第１の光電変換素子は例えば、所定方向に第２の光電変
換素子を所定の数挟んで配列される。

【００１０】第１の蓄積電荷掃出手段において不要電荷
を掃出すために出力される電荷掃出し信号と、第１の信
号電荷転送手段において第１の信号電荷を転送するため
に出力される第１の電荷転送信号と、第２の信号電荷転
送手段において第２の信号電荷を転送するために出力さ
れる第２の電荷転送信号とは、それぞれ例えばパルス信
号である。

【００１１】好ましくは、被計測物体の距離情報に対応
した信号電荷が、第１の光電変換素子による反射光の受
光終了まで、第１の光電変換素子において蓄積される。
またこのとき好ましくは、電荷掃出し信号の出力が終了
することによって、被計測物体の距離情報に対応した信
号電荷の第１の光電変換素子における蓄積が開始する。

【００１２】好ましくは、光源によって、パルス状の測
距光が出力され、電荷掃出し信号が出力されてから第１
の電荷転送信号が出力されるまでの第１の電荷蓄積期間
中、測距光のパルスが出力されることによって、被計測
物体の距離情報に対応した信号電荷が第１の信号電荷保
持部において積分される。

【００１３】また好ましくは、光源による測距光の照射
動作を禁止する照射動作制御手段と、この照射動作制御
手段により測距光の照射を禁止した状態で、第１及び第
２の蓄積電荷掃出手段と第１及び第２の信号電荷転送手
段とを駆動して被計測物体の画像情報に関する第１及び
第２の信号電荷をそれぞれ第１及び第２の信号電荷保持
部に転送する画像情報検出手段とを備える。

【００１４】また本発明の３次元画像入力装置は、被計
測物体に光を照射する光源と、所定のグループに分けら
れ受光量に応じた電荷を生成する複数の光学センサと、
光学センサにおいて生成された電荷を光学センサの外部
へ転送するために光学センサの各々に設けられた電荷転
送電極と、電荷転送電極により光学センサから転送され
る電荷を保持転送するための電荷転送部と、光学センサ
毎に設けられた電荷転送電極を前記光学センサのグルー
プ毎に制御可能な電荷転送電極制御手段と、電荷転送電
極制御手段を繰り返し駆動することにより光学センサの
一部のグループで生成された電荷を電荷転送部へ繰り返
し転送し、この電荷を電荷転送部において累積的に蓄積
する生成電荷蓄積手段とを備えることを特徴としてい
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態で
ある３次元画像入力装置を備えたカメラの斜視図であ
る。

【００１６】カメラ本体１０の前面において、撮影レン
ズ１１の左上にはファインダ窓１２が設けられ、右上に
はストロボ１３が設けられている。カメラ本体１０の上
面において、撮影レンズ１１の真上には、測距光である
レーザ光を照射する発光装置（光源）１４が配設されて
いる。発光装置１４の左側にはレリーズスイッチ１５と
液晶表示パネル１６が設けられ、また右側にはモード切
替ダイヤル１７とＶ／Ｄモード切替スイッチ１８が設け
られている。カメラ本体１０の側面には、ＩＣメモリカ
ード等の記録媒体を挿入するためのカード挿入口１９が
形成され、また、ビデオ出力端子２０とインターフェー
スコネクタ２１が設けられている。

【００１７】図２は図１に示すカメラの回路構成を示す
ブロック図である。撮影レンズ１１の中には絞り２５が
設けられている。絞り２５の開度はアイリス駆動回路２
６によって調整される。撮影レンズ１１の焦点調節動作
およびズーミング動作はレンズ駆動回路２７によって制
御される。

【００１８】撮影レンズ１１の光軸上には撮像素子（Ｃ
ＣＤ）２８が配設されている。ＣＣＤ２８には、撮影レ
ンズ１１によって被写体像が形成され、被写体像に対応
した電荷が発生する。ＣＣＤ２８における電荷の蓄積動
作、電荷の読出動作等の動作はＣＣＤ駆動回路３０によ
って制御される。ＣＣＤ２８から読み出された電荷信号
すなわち画像信号はアンプ３１において増幅され、Ａ／
Ｄ変換器３２においてアナログ信号からデジタル信号に
変換される。デジタルの画像信号は撮像信号処理回路３
３においてガンマ補正等の処理を施され、画像メモリ３
４に一時的に格納される。アイリス駆動回路２６、レン
ズ駆動回路２７、ＣＣＤ駆動回路３０、撮像信号処理回
路３３はシステムコントロール回路３５によって制御さ
れる。

【００１９】画像信号は画像メモリ３４から読み出さ
れ、ＬＣＤ駆動回路３６に供給される。ＬＣＤ駆動回路
３６は画像信号に応じて動作し、これにより画像表示Ｌ
ＣＤパネル３７には、画像信号に対応した画像が表示さ
れる。

【００２０】また画像メモリ３４から読み出された画像
信号はＴＶ信号エンコーダ３８に送られ、ビデオ出力端
子２０を介して、カメラ本体１０の外部に設けられたモ
ニタ装置３９に伝送可能である。システムコントロール
回路３５はインターフェース回路４０に接続され、イン
ターフェース回路４０はインターフェースコネクタ２１
に接続されている。したがって画像メモリ３４から読み
出された画像信号は、インターフェースコネクタ２１に
接続されたコンピュータ４１に伝送可能である。またシ
ステムコントロール回路３５は、記録媒体制御回路４２
を介して画像記録装置４３に接続されている。したがっ
て画像メモリ３４から読み出された画像信号は、画像記
録装置４３に装着されたＩＣメモリカード等の記録媒体
Ｍに記録可能である。

【００２１】システムコントロール回路３５には、発光
素子制御回路４４が接続されている。発光装置１４には
発光素子１４ａと照明レンズ１４ｂが設けられ、発光素
子１４ａの発光動作は発光素子制御回路４４によって制
御される。発光素子１４ａは測距光であるレーザ光を照
射するものであり、このレーザ光は照明レンズ１４ｂを
介して被計測物体の全体に照射される。被計測物体にお
いて反射した光は撮影レンズ１１に入射する。この光を
ＣＣＤ２８によって検出することにより、後述するよう
に被計測物体の３次元画像が計測される。なお、この計
測において、ＣＣＤ２８における転送動作のタイミング
等の制御はシステムコントロール回路３５とＣＣＤ駆動
回路３０によって行なわれる。

【００２２】システムコントロール回路３５には、レリ
ーズスイッチ１５、モード切替ダイヤル１７、Ｖ／Ｄモ
ード切替スイッチ１８から成るスイッチ群４５と、液晶
表示パネル（表示素子）１６とが接続されている。

【００２３】図３および図４を参照して、本実施形態に
おける距離測定の原理を説明する。なお図４において横
軸は時間ｔである。

【００２４】距離測定装置Ｂから出力された測距光は被
計測物体Ｓにおいて反射し、図示しないＣＣＤによって
受光される。測距光は所定のパルス幅Ｈを有するパルス
状の光であり、したがって被計測物体Ｓからの反射光
も、同じパルス幅Ｈを有するパルス状の光である。また
反射光のパルスの立ち上がりは、測距光のパルスの立ち
上がりよりも時間δ・ｔ（δは遅延係数）だけ遅れる。
測距光と反射光は距離計測装置Ｔと被計測物体Ｓの間の
２倍の距離ｒを進んだことになるから、その距離ｒはｒ＝δ・ｔ・Ｃ／２・・・（１）により得られる。ただしＣは光速である。

【００２５】例えば測距光のパルスの立ち上がりから反
射光を検知可能な状態に定め、反射光のパルスが立ち下
がる前に検知不可能な状態に切換えるようにすると、す
なわち反射光検知期間Ｔを設けると、この反射光検知期
間Ｔにおける受光量Ａは距離ｒの関数である。すなわち
受光量Ａは、距離ｒが大きくなるほど（時間δ・ｔが大
きくなるほど）小さくなる。

【００２６】本実施形態では上述した原理を利用して、
ＣＣＤ２８に設けられ、２次元的に配列された複数のフ
ォトダイオード（光電変換素子）においてそれぞれ受光
量Ａを検出することにより、カメラ本体１０から被計測
物体Ｓの表面の各点までの距離をそれぞれ検出し、被計
測物体Ｓの表面形状に関する３次元画像のデータを一括
して入力している。

【００２７】図５は、ＣＣＤ２８に設けられているフォ
トダイオード（第１及び第２の光電素子）５１ａ₁、５
１ａ₂と垂直転送部５２の配置を示す図である。図６
は、ＣＣＤ２８を基板５３に垂直な平面で切断して示す
断面図である。このＣＣＤ２８は従来公知のインターラ
イン型ＣＣＤであり、不要電荷の掃出しにＶＯＤ（縦型
オーバーフロードレイン）方式を用いたものである。

【００２８】フォトダイオード５１ａ₁、５１ａ₂と垂
直転送部（信号電荷保持部）５２はｎ型基板５３の面に
沿って形成されている。フォトダイオード５１ａ₁、５
１ａ ₂は所定の配置で２次元的に格子状に配列され、垂
直転送部５２はフォトダイオード５１ａ₁、５１ａ₂に
隣接して設けられている。図５は格子状に配列されたフ
ォトダイオードの１つの列を抜き出したもので、フォト
ダイオード５１ａ₁が３つのフォトダイオード５１ａ₂
を挟んで３つおきに上下方向に配置さている。垂直転送
部５２は、１つのフォトダイオード５１ａ₁に対して４
つの垂直転送電極５２ａ₁、５２ｂ₁、５２ｃ₁、５２
ｄ₁を備え第１の信号電荷保持部を形成している。また
同様に１つのフォトダイオード５１ａ₂に対して４つの
垂直転送電極５２ａ₂、５２ｂ₂、５２ｃ₂、５２ｄ₂
を備え第２の信号電荷保持部を形成している。同一記号
で図示された垂直転送電極同士、例えば垂直転送電極５
３ａ₂は回路内において互いに電気的に接続されてい
る。また垂直転送電極５２ｂ ₁と５２ｂ₂、５２ｃ₁と
５２ｃ₂、５２ｄ₁と５２ｄ₂は回路内においてそれぞ
れ電気的に接続されている。すなわちＣＣＤ内の垂直転
送電極は、電気的に記号５２ａ₁、５２ａ₂、５２ｂ₁
と５２ｂ₂、５２ｃ₁と５２ｃ₂、５２ｄ₁と５２ｄ₂
で表される５つの系列の電極に分かれており、それぞれ
の系列毎に独立に信号電圧を印加することができる。例
えば記号５２ａ₁で表される垂直転送電極、あるいは記
号５２ｂ₁と５２ｂ₂で表される垂直転送電極のみに信
号電圧を印加しその他の垂直転送電極には信号電圧を印
加しないことができる。したがって垂直転送部５２で
は、フォトダイオード毎に４つのポテンシャルの井戸が
形成可能であり、従来公知のように、これらの井戸の深
さを制御することによって、信号電荷をＣＣＤ２８から
出力することができる。なお垂直転送電極の数は目的に
応じて自由に変更できる。

【００２９】基板５３の表面に形成されたｐ型井戸の中
にフォトダイオード５１ａ₁、５１ａ₂が形成され、ｐ
型井戸とｎ型基板５３の間に印加される逆バイアス電圧
によってｐ型井戸が完全に空乏化される。この状態にお
いて、入射光（被計測物体からの反射光）の光量に応じ
た電荷がフォトダイオード５１ａ₁、５１ａ₂において
蓄積される。基板電圧Ｖsub を所定値以上に大きくする
と、フォトダイオード５１ａ₁、５１ａ₂に蓄積した電
荷は、基板５３側に掃出される。これに対し、転送ゲー
ト部５４に電荷転送信号（電圧信号）が印加されたと
き、フォトダイオード５１ａ₁、５１ａ₂に蓄積した電
荷は垂直転送部５２に転送される。すなわち電荷掃出し
信号によって電荷を基板５３側に掃出した後、フォトダ
イオード５１ａ₁、５１ａ₂に蓄積した信号電荷が、電
荷転送信号によって垂直転送部５２側に転送される。こ
のような動作を繰り返すことにより、垂直転送部５２に
おいて信号電荷が積分され、電子シャッタ動作が実現さ
れる。

【００３０】本実施形態におけるＣＣＤは、垂直転送電
極５２ａ₁を有するフォトダイオード５１ａ₁と、垂直
転送電極５２ａ₂を有するフォトダイオード５１ａ₂を
備えているが、距離に関するデータを検出するために用
いられるのは、フォトダイオード５１ａ₁のみである。
これは後に詳述するように、高精細な画像を得るために
ＣＣＤの画素数（フォトダイオード数）を増加すると、
距離検出動作の実行が困難となるためである。このため
距離検出動作には３ラインおきのフォトダイオード５１
ａ₁のみを用いている。なお、被計測物体の画像に関す
るデータの検出にはフォトダイオード５１ａ₁及び５１
ａ₂を用いて画像検出動作を行なう。

【００３１】図７は、被計測物体の表面の各点までの距
離に関するデータを検出する距離情報検出動作のタイミ
ングチャートである。図１、図２、図５〜図７を参照し
て距離情報検出動作を説明する。

【００３２】垂直同期信号（図示せず）の出力に同期し
て電荷掃出し信号（パルス信号）Ｓ１が出力され、これ
によりフォトダイオード５１ａ₁に蓄積していた不要電
荷が基板５３の方向に掃出され、フォトダイオード５１
ａ₁における蓄積電荷量はゼロになる（符号Ｓ２）。電
荷掃出し信号Ｓ１の出力の開始の後、一定のパルス幅を
有するパルス状の測距光Ｓ３が出力される。測距光Ｓ３
が出力される期間（パルス幅）は調整可能であり、図示
例では、電荷掃出し信号Ｓ１の出力と同時に測距光Ｓ３
がオフするように調整されている。

【００３３】測距光Ｓ３は被計測物体において反射し、
ＣＣＤ２８に入射する。すなわちＣＣＤ２８によって被
計測物体からの反射光Ｓ４が受光されるが、電荷掃出し
信号Ｓ１が出力されている間は、フォトダイオード５１
ａ₁において電荷は蓄積されない（符号Ｓ２）。電荷掃
出し信号Ｓ１の出力が停止されると、フォトダイオード
５１ａ₁では、反射光Ｓ４の受光によって電荷蓄積が開
始され、反射光Ｓ４と外光に起因する信号電荷Ｓ５が発
生する。反射光Ｓ４が消滅すると（符号Ｓ６）フォトダ
イオード５１ａ₁では、反射光に基く電荷蓄積は終了す
るが（符号Ｓ７）、外光のみに起因する電荷蓄積が継続
する（符号Ｓ８）。

【００３４】その後、電荷転送信号Ｓ９が出力される
と、フォトダイオード５１ａ₁に蓄積された電荷が垂直
転送部５２に転送される。この電荷転送は、電荷転送信
号の出力の終了（符号Ｓ１０）によって完了する。すな
わち、外光が存在するためにフォトダイオード５１ａ₁
では電荷蓄積が継続するが、電荷転送信号の出力が終了
するまでフォトダイオード５１ａ₁に蓄積されていた信
号電荷Ｓ１１が垂直転送部５２へ転送される。電荷転送
信号の出力終了後に蓄積している電荷Ｓ１４は、そのま
まフォトダイオード５１ａ₁に残留する。

【００３５】このように電荷掃出し信号Ｓ１の出力の終
了から電荷転送信号Ｓ９の出力が終了するまでの期間Ｔ
_U1の間、フォトダイオード５１ａ₁には、被計測物体ま
での距離に対応した信号電荷が蓄積される。そして、反
射光Ｓ４の受光終了（符号Ｓ６）までフォトダイオード
５１ａ₁に蓄積している電荷が、外光と被計測物体の距
離情報とに対応した信号電荷Ｓ１２として垂直転送部５
２へ転送され、その他の信号電荷Ｓ１３は外光のみに起
因するものである。

【００３６】電荷転送信号Ｓ９の出力から一定時間が経
過した後、再び電荷掃出し信号Ｓ１が出力され、垂直転
送部５２への信号電荷の転送後にフォトダイオード５１
ａ₁に蓄積された不要電荷が基板５３の方向へ掃出され
る。すなわち、フォトダイオード５１ａ₁において新た
に信号電荷の蓄積が開始する。そして、上述したのと同
様に、電荷蓄積期間Ｔ_U1が経過したとき、信号電荷は垂
直転送部５２へ転送される。

【００３７】このような信号電荷Ｓ１１の垂直転送部５
２への転送動作は、次の垂直同期信号が出力されるま
で、繰り返し実行される。これにより垂直転送部５２に
おいて、信号電荷Ｓ１１が積分され、１フィールドの期
間（２つの垂直同期信号によって挟まれる期間）に積分
された信号電荷Ｓ１１は、その期間被計測物体が静止し
ていると見做せれば、被計測物体までの距離情報に対応
している。

【００３８】以上説明した信号電荷Ｓ１１の検出動作は
１つのフォトダイオード５１ａ₁に関するものであり、
垂直転送電極５２ａ₁を有する全てのフォトダイオード
５１ａ₁においてこのような検出動作が行なわれる。１
フィールドの期間における検出動作の結果、垂直転送電
極５２ａ₁を有するフォトダイオード５１ａ₁に隣接し
た垂直転送部には、そのフォトダイオード５１ａ₁によ
って検出された距離情報が保持される。この距離情報は
垂直転送部５２における垂直転送動作および図示しない
水平転送部における水平転送動作によってＣＣＤ２８か
ら出力され、被計測物体の３次元画像データとして、３
次元画像入力装置の外部に取り出される。

【００３９】しかしＣＣＤ２８により検出された反射光
は、被計測物体の表面の反射率の影響を受けている。し
たがって、この反射光を介して得られた距離情報は反射
率に起因する誤差を含んでいる。また、ＣＣＤ２８によ
り検出された反射光には、被計測物体からの反射光以外
に外光等の成分も含まれており、これに起因する誤差も
存在する。

【００４０】次にこれらの誤差を補正する方法について
説明する。図８〜図１０は距離補正情報、反射率情報お
よび反射率補正情報の検出動作におけるタイミングチャ
ートである。図１１と図１２は距離情報検出動作のフロ
ーチャートである。図１、図２、図７〜図１２を参照し
て、本実施形態における距離情報検出動作について説明
する。

【００４１】ステップ１０１においてレリーズスイッチ
１５が全押しされていることが確認されるとステップ１
０２が実行され、ビデオ（Ｖ）モードと距離測定（Ｄ）
モードのいずれが選択されているかが判定される。これ
らのモード間における切替はＶ／Ｄモード切替スイッチ
１８を操作することによって行なわれる。

【００４２】Ｄモードが選択されているとき、ステップ
１０３において垂直同期信号が出力されるとともに測距
光制御が開始される。すなわち発光装置１４が駆動さ
れ、パルス状の測距光Ｓ３が断続的に出力される。次い
でステップ１０４が実行され、ＣＣＤ２８による検知制
御が開始される。すなわち図７を参照して説明した距離
情報検出動作が開始され、電荷掃出し信号Ｓ１と電荷転
送信号Ｓ９が交互に出力されて、距離情報の信号電荷Ｓ
１１が垂直転送部５２において積分される。

【００４３】ステップ１０５では、距離情報検出動作の
開始から１フィールド期間が終了したか否か、すなわち
新たに垂直同期信号が出力されたか否かが判定される。
１フィールド期間が終了するとステップ１０６へ進み、
距離情報の信号電荷Ｓ１１がＣＣＤ２８から出力され
る。この信号電荷Ｓ１１はステップ１０７において画像
メモリ３４に一時的に記憶される。ステップ１０８では
測距光制御がオフ状態に切換えられ、発光装置１４の発
光動作が停止する。

【００４４】ステップ１０９〜１１２では、距離補正情
報の検出動作が行なわれる。まずステップ１０９では、
垂直同期信号が出力されるとともにＣＣＤ２８による検
知制御が開始される。すなわち発光装置１４の発光動作
が行なわれることなく、光源が消灯された状態で、電荷
掃出し信号Ｓ２１と電荷転送信号Ｓ２２が交互に出力さ
れる。電荷蓄積時間Ｔ_U1は図７に示す距離情報検出動作
と同じであるが、被計測物体に測距光が照射されないた
め（符号Ｓ２３）、反射光は存在せず（符号Ｓ２４）。
したがって、距離情報の信号電荷は発生しないが、ＣＣ
Ｄ２８には外光等の外乱成分が入射するため、この外乱
成分に対応した信号電荷Ｓ２５が発生し、電荷転送信号
Ｓ２２の出力によって、それまでフォトダイオードに蓄
積していた信号電荷Ｓ２６が垂直転送部へ転送される。
この信号電荷Ｓ２６は、外乱成分が距離情報に及ぼす影
響を補正するための、電荷蓄積時間Ｔ_U1に対する距離補
正情報に対応している。

【００４５】ステップ１１０では、距離補正情報の検出
動作の開始から１フィールド期間が終了したか否か、す
なわち新たに垂直同期信号が出力されたか否かが判定さ
れる。１フィールド期間が終了するとステップ１１１に
おいて、距離補正情報の信号電荷Ｓ２６がＣＣＤ２８か
ら出力される。距離補正情報の信号電荷Ｓ２６はステッ
プ１１２において画像メモリ３４に一時的に記憶され
る。

【００４６】ステップ１１３〜１１７では、反射率情報
の検出動作が行なわれる。ステップ１１３では、垂直同
期信号が出力されるとともに測距光制御が開始され、パ
ルス状の測距光Ｓ３３が断続的に出力される。ステップ
１１４では、ＣＣＤ２８による検知制御が開始され、電
荷掃出し信号Ｓ３１と電荷転送信号Ｓ３５が交互に出力
される。電荷掃出し信号Ｓ３１が出力されることによっ
て、フォトダイオードにおける蓄積電荷量はゼロになる
（符号Ｓ３２）。電荷掃出し信号Ｓ３１の出力が終了す
ると、測距光Ｓ３３が出力され、ＣＣＤには反射光Ｓ３
４が入射する。反射光Ｓ３４が消滅した後、電荷転送信
号Ｓ３５が出力される。すなわち反射率情報の検出動作
は、電荷掃出し信号Ｓ３１の出力が終了してから電荷転
送信号Ｓ３５の出力が終了するまでの電荷蓄積期間Ｔ_U2
内に、反射光Ｓ３４の全てが受光されるように制御され
る。

【００４７】このようにフォトダイオードでは、反射光
Ｓ３４を受光している間は反射光Ｓ３４と外光に起因す
る信号電荷Ｓ３６が蓄積され、また、反射光Ｓ３４を受
光していない間は外光のみに起因する信号電荷Ｓ３７、
Ｓ３８が蓄積される。そして電荷転送信号Ｓ３５の出力
により、それまでのフォトダイオードに蓄積されていた
信号電荷Ｓ３９が垂直転送部へ転送される。この信号電
荷Ｓ３９は反射率情報に対応し、外光に基く成分Ｓ’３
９を含んでいる。

【００４８】ステップ１１５では、反射率情報検出動作
の開始から１フィールド期間が終了したか否か、すなわ
ち新たに垂直同期信号が出力されたか否かが判定され
る。１フィールド期間が終了するとステップ１１６へ進
み、反射率情報の信号電荷Ｓ３９がＣＣＤ２８から出力
される。この信号電荷Ｓ３９はステップ１１７において
画像メモリ３４に一時的に記憶される。ステップ１１８
では測距光制御がオフ状態に切換えられ、発光装置１４
の発光動作が停止する。

【００４９】ステップ１１９〜１２２では、反射率補正
情報の検出動作が行なわれる。ステップ１１９では、垂
直同期信号が出力されるとともにＣＣＤ２８による検知
制御が開始される。すなわち発光装置１４の発光動作が
行なわれることなく、光源が消灯された状態で、電荷掃
出し信号Ｓ４１と電荷転送信号Ｓ４２が交互に出力され
る。電荷蓄積時間Ｔ_U2は図９に示す反射率情報検出動作
と同じであるが、被計測物体に測距光が照射されないた
め（符号Ｓ４３）、反射光は存在せず（符号Ｓ４４）。
したがって、反射率情報の信号電荷は発生しないが、Ｃ
ＣＤ２８には外光等の外乱成分に対応した信号電荷Ｓ４
６が発生する。この信号電荷Ｓ４６は、外乱成分が電荷
蓄積時間Ｔ_U2に対する反射率情報に及ぼす影響を補正す
るための反射率補正情報に対応している。

【００５０】ステップ１２０では、反射率補正情報の検
出動作の開始から１フィールド期間が終了したか否か、
すなわち新たに垂直同期信号が出力されたか否かが判定
される。１フィールド期間が終了するとステップ１２１
において、反射率補正情報の信号電荷Ｓ４６がＣＣＤ２
８から出力され、ステップ１２２において画像メモリ３
４に一時的に記憶される。

【００５１】ステップ１２３では、ステップ１０３〜１
２２において得られた距離情報、距離補正情報、反射率
情報および反射率補正情報を用いて距離データの演算処
理が行なわれ、ステップ１２４において距離データが出
力されてこの検出動作は終了する。一方、ステップ１０
２においてＶモードが選択されていると判定されたと
き、ステップ１２５において測距光制御がオフ状態に切
換えられるとともに、ステップ１２６においてＣＣＤ２
８（フォトダイオード５１ａ₁５１ａ₂）による通常の
撮影動作（ＣＣＤビデオ制御）がオン状態に定められ、
この検出動作は終了する。

【００５２】ステップ１２３において実行される演算処
理の内容を図７〜図１０を参照して説明する。反射率Ｒ
の被計測物体が照明され、この被計測物体が輝度Ｉの２
次光源と見做されてＣＣＤに結像された場合を想定す
る。このとき、電荷蓄積時間ｔの間にフォトダイオード
に発生した電荷が積分されて得られる出力Ｓｎは、Ｓｎ＝ｋ・Ｒ・Ｉ・ｔ・・・（２）で表される。ここでｋは比例定数で、撮影レンズのＦナ
ンバーや倍率等によって変化する。

【００５３】被計測物体がレーザ等の光源からの光で照
明される場合、輝度Ｉはその光源による輝度Ｉ_Sと背景
光による輝度Ｉ_Bとの合成されたものとなり、Ｉ＝Ｉ_S＋Ｉ_B ・・・（３）と表せる。

【００５４】図７に示されるように電荷蓄積時間を
Ｔ_U1、測距光Ｓ３のパルス幅をＴ_S、距離情報の信号電
荷Ｓ１２のパルス幅をＴ_Dとし、１フィールド期間中の
その電荷蓄積時間がＮ回繰り返されるとすると、得られ
る出力ＳＭ₁₀は、ＳＭ₁₀＝Σ（ｋ・Ｒ（Ｉ_S・Ｔ_D＋Ｉ_B・Ｔ_U1））＝ｋ・Ｎ・Ｒ（Ｉ_S・Ｔ_D＋Ｉ_B・Ｔ_U1）・・・（４）となる。なお、パルス幅Ｔ_DはＴ_D＝δ・ｔ＝２ｒ／Ｃ・・・（５）と表せる。

【００５５】図９に示されるようにパルス状の電荷蓄積
時間Ｔ_U2が、測距光Ｓ３３の期間（パルス幅）Ｔ_Sより
も十分大きく、反射光の単位受光時間を全部含むように
制御された場合に得られる出力ＳＭ₂₀は、ＳＭ₂₀＝Σ（ｋ・Ｒ（Ｉ_S・Ｔ_S＋Ｉ_B・Ｔ_U2））＝ｋ・Ｎ・Ｒ（Ｉ_S・Ｔ_S＋Ｉ_B・Ｔ_U2）・・・（６）となる。

【００５６】図８に示されるように発光を止めて、図７
と同じ時間幅でのパルス状の電荷蓄積を行なった場合に
得られる出力ＳＭ₁₁は、ＳＭ₁₁＝Σ（ｋ・Ｒ・Ｉ_B・Ｔ_U1）＝ｋ・Ｎ・Ｒ・Ｉ_B・Ｔ_U1 ・・・（７）となる。同様に、図１０に示されるような電荷蓄積を行
なった場合に得られる出力ＳＭ₂₁は、ＳＭ₂₁＝Σ（ｋ・Ｒ・Ｉ_B・Ｔ_U2）＝ｋ・Ｎ・Ｒ・Ｉ_B・Ｔ_U2 ・・・（８）となる。

【００５７】（４）、（６）、（７）、（８）式から、Ｓ_D＝（ＳＭ₁₀−ＳＭ₁₁）／（ＳＭ₂₀−ＳＭ₂₁）＝Ｔ_D／Ｔ_S ・・・（９）が得られる。

【００５８】上述したように測距光Ｓ３と反射光Ｓ４に
はそれぞれ外光等の外乱成分（背景光による輝度Ｉ_B）
が含まれている。（９）式のＴ_D／Ｔ_Sは、測距光Ｓ３
を照射したときの被計測物体からの反射光Ｓ４の光量
を、測距光Ｓ３の光量によって正規化したものであり、
これは、測距光Ｓ３の光量（図７の信号電荷Ｓ１１に相
当）から外乱成分（図８の信号電荷Ｓ２６に相当）を除
去した値と、反射光Ｓ４の光量（図９の信号電荷Ｓ３９
に相当）から外乱成分（図１０の信号電荷Ｓ’３９に相
当）を除去した値との比に等しい。

【００５９】（９）式の各出力値ＳＭ₁₀、ＳＭ₁₁、ＳＭ
₂₀、ＳＭ₂₁はステップ１０７、１１２、１１７、１２２
において、距離情報、距離補正情報、反射率情報、反射
率補正情報として格納されている。したがって、これら
の情報に基いて、Ｔ_D／Ｔ_Sが得られる。パルス幅Ｔ_s
は既知であるから、（５）式とＴ_D／Ｔ_Sから距離ｒが
得られる。

【００６０】次に図６および図１３〜図１５を参照して
例えば１００万画素を越えるような高精細な多画素ＣＣ
Ｄを距離検出動作に用いたときの問題について説明す
る。

【００６１】ＣＣＤ回路内において各垂直転送電極に
は、それぞれ寄生容量Ｃｐが存在する。図６に図示され
た寄生容量Ｃｐは、これを模式的に表したものである。
したがって同一記号で表された垂直転送電極全体におけ
る寄生容量は、これらの寄生容量Ｃｐの和となる。図１
３は同一記号で表される垂直転送電極全体の等価回路図
であり、Ｃはそのときの寄生容量（Ｃｐの和）、Ｒは垂
直転送電極がもつ抵抗による抵抗値である。またＡ_inは
等価回路への入力信号、Ａ_outは等価回路からの出力信
号を表す。

【００６２】図１４は等価回路に入力されるパルス状の
入力信号Ａ_inと、そのとき等価回路から出力される出力
信号Ａ_outを図示したものであり、Ａ_in、Ａ_outはそれ
ぞれの最大値によって規格化されている。パルス状の入
力信号Ａ_inが垂直転送電極に入力されるとき、出力信号
Ａ_outの立ち上り及び立ち下がりには寄生容量Ｃと抵抗
値Ｒの存在のために時定数ｔ₁（＝ＣＲ）で特徴づけら
れる遅れが生ずる。高精細な画像を得るためにＣＣＤの
画素数（フォトダイオードの数）を増加すると、垂直転
送電極の数が増えるために寄生容量Ｃ（Ｃｐの和）の値
が大きくなる。その結果時定数ｔ₁が増大し、出力信号
Ａ_outの立ち上がり及び立ち下がりの遅れが増大する。

【００６３】例えばＣＣＤの全フォトダイオードを用い
たときの垂直転送電極（５２ａ₁、５２ａ₂）の寄生容
量Ｃが３０００ｐＦで抵抗値Ｒが５０Ωの場合、時定数
ｔ₁は１５０ｎｓである。このとき図５のように、１／
４ラインに間引かれた３ラインおきのフォトダイオード
５１ａ₁のみを距離検出に用いると、寄生容量Ｃは７５
０ｐＦとなり、抵抗値Ｒは７０Ωとなる。したがって時
定数ｔ₁は５２．５ｎｓに減ぜられる。図１５は図７と
同様に距離情報検出動作におけるタイミングチャートを
表しているが、電荷転送信号を時定数１５０ｎｓおよび
時定数５２．５ｎｓで出力したときの状態を表してい
る。実線で表される電荷転送信号Ｓ６１はフォトダイオ
ード５１ａ₁のみを用いたとき、すなわち時定数５２．
５ｎｓのときの電荷転送信号を表す。破線で表される電
荷転送信号Ｓ６２はフォトダイオード５１ａ₁、５１ａ
₂を用いたとき、すなわち時定数１５０ｎｓのときの電
荷転送信号を表す。また実線で表された垂直転送部への
転送電荷量Ｓ６３は電荷転送信号Ｓ６１に対応し、破線
で表された垂直転送部への転送電荷量Ｓ６４は電荷転送
信号Ｓ６２に対応する。

【００６４】本実施形態では、電荷転送信号が立ち下が
ったときにフォトダイオードから垂直転送部へ蓄積電荷
を転送している。電荷転送信号Ｓ６１は電荷転送信号Ｓ
６２よりも信号の立ち下がりが早いので、垂直転送部へ
転送される蓄積電荷のうち外光に起因するものは斜線部
Ｓ６５だけ電荷転送信号Ｓ６２のときよりも少ない。こ
のため垂直転送部へ転送された蓄積電荷のうち距離情報
の信号電荷Ｓ６６の占める割合は相対的に高くなり、雑
音である外光による信号電荷の割合は低くなる。したが
って距離情報に対する雑音成分が低減し距離検出精度が
向上する。また雑音による信号電荷の量が減じるととも
にフォトダイオードから垂直転送部への転送時間が短く
なることから、１フィールド期間における電荷の積分回
数を増加させることができるので大きな信号出力を得る
ことができる。

【００６５】以上のように本実施形態によれば、高精細
画像に対応した多画素ＣＣＤにおいても光シャッタを必
要としない小型の３次元画像入力装置を安価に製造する
ことができる。

【００６６】さらに本実施形態によれば、被計測物体に
対して測距光を走査することなく、被計測物体の表面形
状に関する３次元画像のデータ、すなわち距離情報を一
括して計測することができる。したがって被計測物体の
３次元画像を得るまでの時間を大幅に短縮することが可
能となる。

【００６７】なお本実施形態では被計測物体の距離情報
に対して、外光等の影響が除去されていたが、外光等の
影響が無視できるときは、（９）式において外光等の影
響に関する信号電荷の積分値（すなわちＳＭ₁₁、Ｓ
Ｍ₂₁）を省略すればよい。これにより、被計測物体の表
面の反射率のみに関する補正が行なわれる。

【００６８】またステップ１０５、１１０、１１５、１
２０では、１フィールド期間の間、信号電荷の蓄積が行
なわれているが、これに代えて、複数フィールド期間、
電荷蓄積を行なうようにしてもよい。

【００６９】また本実施形態におけるＣＣＤは、フォト
ダイオード５１ａ₁を３個のフォトダイオード５１ａ₂
を挟んで垂直ライン上にとびとびに配置していたが、所
定の数のフォトダイオード５１ａ₂を挟んで水平ライン
上にとびとびに配置してもよい。またこれらの配置を組
み合せて格子状に配置してもよい。

【００７０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光シャッ
タを必要とせず小型で安価であり、しかも高精細画像に
対応した多画素ＣＣＤにおいても十分に大きい出力を得
ることのできる３次元画像入力装置を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である３次元画像入力装置
を備えたカメラの斜視図である。

【図２】図１に示すカメラの回路構成を示すブロック図
である。

【図３】測距光による距離測定の原理を説明するための
図である。

【図４】測距光、反射光、ゲートパルス、およびＣＣＤ
が受光する光量分布を示す図である。

【図５】ＣＣＤに設けられるフォトダイオードと垂直転
送部の配置を示す図である。

【図６】ＣＣＤを基板に垂直な平面で切断して示す断面
図である。

【図７】被計測物体までの距離に関するデータを検出す
る距離情報検出動作のタイミングチャートである。

【図８】距離補正情報の検出動作のタイミングチャート
である。

【図９】反射率情報の検出動作のタイミングチャートで
ある。

【図１０】反射率補正情報の検出動作のタイミングチャ
ートである。

【図１１】距離情報検出動作のフローチャートの前半部
である。

【図１２】距離情報検出動作のフローチャートの後半部
である。

【図１３】ＣＣＤ回路内における垂直転送電極の等価回
路である。

【図１４】垂直転送電極の等価回路への入力信号波形と
そのときの出力信号波形を表す図である。

【図１５】フォトダイオードを間引いて距離情報検出動
作を行なったときと間引かないで行なったときのタイミ
ングチャートである。

【符号の説明】

発光装置１４フォトダイオード５１ａ₁、５１ａ₂ 垂直転送電極５２ａ₁、５２ａ₂ 垂直転送部５２

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被計測物体に測距光を照射する光源と、前記被計測物体からの反射光を受け、受光量に応じた電
荷を蓄積可能な第１及び第２の光電変換素子と、前記第１の光電変換素子に隣接して設けられた第１の信
号電荷保持部と、前記第２の光電変換素子に隣接して設けられた第２の信
号電荷保持部と、前記第１の光電変換素子に蓄積した第１の信号電荷を前
記第１の信号電荷保持部のみに接続された第１の電極を
用いて前記第１の信号電荷保持部に転送する第１の信号
電荷転送手段と、前記第２の光電変換素子に蓄積した第２の信号電荷を前
記第２の信号電荷保持部のみに接続された第２の電極を
用いて前記第２の信号電荷保持部に転送する第２の信号
電荷転送手段と、前記第１の信号電荷転送手段を繰り返し駆動することに
より、前記第１の信号電荷保持部において前記被計測物
体の距離情報に関する前記第１の信号電荷を積分する信
号電荷積分手段とを備えたことを特徴とする３次元画像
入力装置。
【請求項２】前記第１の光電変換素子に蓄積した不要
電荷を前記第１の光電変換素子から掃出すことにより前
記第１の光電変換素子における信号電荷の蓄積動作を開
始させる第１の蓄積電荷掃出手段と、前記第２の光電変換素子に蓄積した不要電荷を前記第２
の光電変換素子から掃出すことにより前記第２の光電変
換素子における信号電荷の蓄積動作を開始させる第２の
蓄積電荷掃出手段とを備え、前記信号電荷積分手段が、前記第１の蓄積電荷掃出手段
と前記第１の信号電荷転送手段とを交互に駆動すること
により行われることを特徴とする請求項１に記載の３次
元画像入力装置。
【請求項３】前記第１及び第２の光電変換素子が基板
に沿って形成され、前記第１の蓄積電荷掃出手段が不要
電荷を前記基板側に掃出すことを特徴とする請求項２に
記載の３次元画像入力装置。
【請求項４】前記第１及び第２の信号電荷保持部が前
記第１及び第２の信号電荷を３次元画像入力装置の外部
に出力するための垂直転送部であることを特徴とする請
求項１に記載の３次元画像入力装置。
【請求項５】前記第１の光電変換素子が所定方向に前
記第２の光電変換素子を所定の数だけ挟んで配列されて
いることを特徴とする請求項１に記載の３次元画像入力
装置。
【請求項６】前記第１の蓄積電荷掃出手段において前
記不要電荷を掃出すために出力される電荷掃出し信号
と、前記第１の信号電荷転送手段において前記第１の信
号電荷を転送するために出力される第１の電荷転送信号
と、前記第２の信号電荷転送手段において前記第２の信
号電荷を転送するために出力される第２の電荷転送信号
とがそれぞれパルス信号であることを特徴とする請求項
２に記載の３次元画像入力装置。
【請求項７】前記被計測物体の距離情報に対応した信
号電荷が、前記第１の光電変換素子による前記反射光の
受光終了まで、前記第１の光電変換素子において蓄積さ
れることを特徴とする請求項６に記載の３次元画像入力
装置。
【請求項８】前記電荷掃出し信号の出力が終了するこ
とによって、前記被計測物体の距離情報に対応した信号
電荷の前記第１の光電変換素子における蓄積が開始する
ことを特徴とする請求項７に記載の３次元画像入力装
置。
【請求項９】前記光源によって、パルス状の測距光が
出力され、前記電荷掃出し信号が出力されてから前記第
１の電荷転送信号が出力されるまでの第１の電荷蓄積期
間中、前記測距光のパルスが出力されることによって、
前記被計測物体の距離情報に対応した信号電荷が前記第
１の信号電荷保持部において積分されることを特徴とす
る請求項６に記載の３次元画像入力装置。
【請求項１０】前記光源による前記測距光の照射動作
を禁止する照射動作制御手段と、前記照射動作制御手段により前記測距光の照射を禁止し
た状態で、前記第１及び第２の蓄積電荷掃出手段と前記
第１及び第２の信号電荷転送手段とを駆動して前記被計
測物体の画像情報に関する前記第１及び第２の信号電荷
をそれぞれ前記第１及び第２の信号電荷保持部に転送す
る画像情報検出手段とを備えたことを特徴とする請求項
１に記載の３次元画像入力装置。
【請求項１１】被計測物体に光を照射する光源と、所定のグループに分けられ、受光量に応じた電荷を生成
する複数の光学センサと、前記光学センサにおいて生成された前記電荷を前記光学
センサの外部へ転送するために前記光学センサの各々に
設けられた電荷転送電極と、前記電荷転送電極により前記光学センサから転送される
前記電荷を保持転送するための電荷転送部と、前記光学センサ毎に設けられた前記電荷転送電極を前記
光学センサの前記グループ毎に制御可能な電荷転送電極
制御手段と、前記電荷転送電極制御手段を繰り返し駆動することによ
り前記光学センサの一部のグループで生成された電荷を
前記電荷転送部へ繰り返し転送し、この電荷を前記電荷
転送部において累積的に蓄積する生成電荷蓄積手段とを
備えることを特徴とする３次元画像入力装置。