JP2001148868A - ３次元画像検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測距光を照射し、被写体からの反射光を受光
することにより被写体までの距離を画素毎に検出する３
次元画像検出装置において、距離情報の信号レベルと被
写体表面の反射率に関する反射率情報の信号レベルを合
わせる。 【解決手段】 被写体に幅Ｔ_S のパルス状の測距光を照
射し、その反射光のうち蓄積期間Ｔ_U1に受光される光
（斜線部Ａ１）に関する信号電荷を距離情報として検出
する。同一の測距光を被写体に照射し、その反射光を蓄
積期間Ｔ_U2に全て受光し、受光された光（斜線部Ａ２）
に関する信号電荷を反射率情報として検出する。被写体
を代表する１つの画素で検出される距離情報、反射率情
報（斜線部Ａ１、Ａ２）の比からＴ_D ／Ｔ_S を算出す
る。反射率情報を検出する際に照射される測距光の出力
を距離情報を検出するときのＴ_D ／Ｔ_S にし、距離情
報、反射率情報に対応する信号電荷量を等しくする。

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
を用いて被写体の３次元形状等を検出する３次元画像検
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来３次元画像入力装置における３次元
計測では、光伝播時間測定法を利用したものが知られて
いる。「Measurement Science and Technology」（S. C
hristie 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（被写体）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。また、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
反射光はメカニカル又は液晶素子等から成り測距光のパ
ルスとは異なるタイミングで制御される電気光学的シャ
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。これらの構成によれば、
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。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の方法で
検出された距離情報には、被写体（被計測物体）の表面
における反射率の違い等による誤差が含まれている。従
って、検出精度の高い距離情報を得るには、これら誤差
を補正する必要がある。反射率の違いによる誤差を補正
するには、反射率に関する情報（反射率情報）を検出す
る必要がある。しかし、反射率情報の信号レベルは、距
離情報の信号レベルに比べ高いため、反射率情報の信号
レベルにＡ／Ｄ変換器の動作範囲を設定すると、距離情
報に対する量子化Ｓ／Ｎ比が劣化してしまう。

【０００４】本発明は、距離情報に対する量子化Ｓ／Ｎ
比を劣化させることなく、精度の高い距離情報を検出可
能な３次元画像検出装置を得ることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の３次元画像検出
装置は、被写体に第１及び第２の測距光を照射するため
の光源と、光源の発光を制御する光源制御手段と、所定
の蓄積期間内に第１の測距光による被写体からの反射光
を撮像部において受光することによって生じる第１の信
号電荷に基づいて、被写体までの距離情報を画素毎に検
出する距離情報検出手段と、第２の測距光による被写体
からの反射光を撮像部において受光することにより生
じ、受光された反射光の全光量に対応する第２の信号電
荷に基づいて、測距光が被写体の表面で反射するときに
受ける影響に関する情報である反射率情報を画素毎に検
出する反射率情報検出手段と、第１の信号電荷と第２の
信号電荷とが、被写体の被計測領域に対応する画素にお
いて略同じ大きさとなるように光源制御手段を制御して
第１の測距光と第２の測距光の出力を調整する出力調整
手段とを備えることを特徴としている。

【０００６】好ましくは、出力調整手段における第１お
よび第２の測距光の調整は、予め被写体までの距離を概
ね計測するプリ測距の結果に基づいて行われる。プリ測
距は好ましくは、第１および第２の測距光の出力を同一
にして距離情報検出手段および反射率情報検出手段を駆
動して行われる。これにより、より適正な出力比を得る
ことができる。

【０００７】好ましくは、出力調整手段における第１お
よび第２の測距光の調整は、プリ測距において検出さ
れ、被写体の被計測領域に対応する画素を代表する１以
上の標本画素の距離情報および反射率情報に基づいて行
われる。このとき例えば、出力調整手段における第１お
よび第２の測距光の調整は、１つの標本画素における第
１の信号電荷と第２の信号電荷との比が１対１になるよ
うに調整される。これにより迅速かつ簡単に出力比を算
出し、測距光の出力を調整することができる。

【０００８】３次元画像検出装置は好ましくは、光学系
の像面照度を調整するための開口絞りを備え、プリ測距
を行なう際には、出力調整手段、距離情報検出手段、反
射率情報検出手段を駆動して被写体までの距離を計測す
る本測距に比べ開口絞りを絞った状態で計測を行なう。

【０００９】本発明の３次元画像検出装置は、測距光を
被写体に照射し、測距光の被写体からの反射光を受光す
ることにより被写体までの距離を画素毎に計測する３次
元画像検出装置であって、測距光を被写体に照射しその
反射光を受光することにより被写体までの距離を画素毎
に相対的に低い精度で予め計測するプリ測距手段と、測
距光を被写体に照射しその反射光を受光することにより
被写体までの距離を画素毎に相対的に高い精度で計測す
る本測距手段と、本測距手段において照射される測距光
の照射出力を、プリ測距手段を駆動して得られる計測結
果に基づいて調整する照射出力調整手段とを備えること
を特徴としている。

【００１０】

【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、本発明の一実施形態であ
るカメラ型の３次元画像検出装置の斜視図である。

【００１１】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、
液晶表示パネル１６が設けられ、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、インターフェースコネ
クタ２１が設けられている。

【００１２】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。

【００１３】撮影レンズ１１の光軸上にはＣＣＤ（撮像
部）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、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。

【００１４】ＣＣＤ駆動回路３０は、Ｖ／Ｄ切替回路２
９を介して３Ｄ駆動パルス発生回路２２または通常駆動
パルス発生回路２４から出力されるパルス信号により制
御される。通常駆動パルス発生回路２４から出力される
パルス信号は、ＣＣＤ２８において通常の撮影動作を行
ない被写体の画像情報を検出するためのものである。一
方、３Ｄ駆動パルス発生回路２２から出力されるパルス
信号は、ＣＣＤ２８において距離情報を検出する際に用
いられるパルス信号である。Ｖ／Ｄ切替回路２９は、Ｖ
／Ｄモード切替スイッチ１８（図１）の設定に対応し
て、３Ｄ駆動パルス発生回路または通常駆動パルス発生
回路２４からのパルス信号を選択的にＣＣＤ駆動回路３
０へ出力する。３Ｄ駆動パルス発生回路２２および通常
駆動パルス発生回路２４はシステムコントロール回路３
５により制御される。

【００１５】画像メモリ３４に一時的に記憶された画像
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ＬＣＤパネル３７に
は、画像信号に対応した画像が表示される。

【００１６】カメラをカメラ本体１０の外部に設けられ
たモニタ装置３９とケーブルで接続すれば、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３
８、ビデオ出力端子２０を介してモニタ装置３９に伝送
可能である。また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に接続されており、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。したがってカメラをカメラ本体１０の外部に
設けられたコンピュータ４１とインターフェースケーブ
ルを介して接続すれば、画像メモリ３４から読み出され
た画像信号をコンピュータ４１に伝送可能である。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。

【００１７】発光装置１４は発光素子１４ａと照明レン
ズ１４ｂにより構成され、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１
４ａはレーザダイオード（ＬＤ）であり、照射されるレ
ーザ光は被写体の距離を検出するための測距光として用
いられる。このレーザ光は照明レンズ１４ｂを介して被
写体の全体に照射される。被写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、後述するように被写体の表面形
状に関する距離情報が３次元画像として得られる。

【００１８】発光素子制御回路４４は、３Ｄ駆動パルス
発生回路２２から出力されたパルス信号に基いて制御さ
れる。３Ｄ駆動パルス発生回路２２から出力されたパル
ス信号は、パルス振幅変換回路２３を介して発光素子制
御回路４４へ出力される。パルス振幅変換回路２３で
は、システムコントロール回路３５の信号指令に従っ
て、発光素子１４ａが出力する測距光の出力を調整す
る。

【００１９】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。

【００２０】次に図３を参照して、本実施形態における
撮影動作について説明する。図３は、撮影動作プログラ
ムのフローチャートである。

【００２１】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。

【００２２】ステップ１０２においてＤモードが選択さ
れていると判定されると、ステップ１０３において本測
距（ステップ１０５）の予備計測であるプリ測距が、ア
イリス２５を本測距のＦナンバーよりも絞った（例え
ば、本測距でのＦナンバーから２段絞り込む）状態で行
われる。ステップ１０４では、ステップ１０３において
検出された距離情報に基づいて、ステップ１０５の本測
距において照射される測距光の出力比が算出される。後
に説明するように、プリ測距と本測距において実行され
る距離測定動作では、距離情報と反射率情報とがそれぞ
れ検出され、これらの情報から被写体までの距離が算出
される。プリ測距では、距離情報の検出と反射率情報の
検出において照射される測距光の出力は一定である。一
方ステップ１０５の本測距では、ステップ１０４におい
て算出された出力比に基づいて測距光の出力が調整さ
れ、距離情報および反射率情報の検出が行われる。した
がって、本測距において照射される測距光の出力は、距
離情報の検出と反射率情報の検出とでは異なる。これ
は、距離情報の信号に対する量子化Ｓ／Ｎ比の劣化を防
ぐためであり、距離情報を検出する際にＣＣＤ２８から
出力される信号のレベルが、反射率情報を検出する際に
ＣＣＤ２８から出力される信号のレベルと略等しくなる
よう調整される。その後ステップ１０６において得られ
た距離データが記録媒体Ｍに保存され、この撮影動作の
プログラムは終了する。

【００２３】一方、ステップ１０２において設定モード
がＶモードであると判定されると、ステップ１０７にお
いて測距光の制御がオフ状態に定められるとともに、ス
テップ１０８においてＣＣＤのビデオ制御がオン状態に
定められる。すなわち、被写体の画像情報（画像デー
タ）がＣＣＤの通常の撮影動作により検出される。ステ
ップ１０９において、検出された画像データが記録媒体
Ｍに保存され、この撮影動作のプログラムは終了する。

【００２４】次に図４および図５を参照して、本実施形
態における距離測定の原理について説明する。なお図５
において横軸は時間ｔである。

【００２５】距離測定装置Ｂから出力された測距光は被
写体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、したがって被写体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
射光は距離測定装置Ｂと被写体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。

【００２６】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。

【００２７】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から被写体Ｓの表面の各点ま
での距離をそれぞれ検出し、被写体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。

【００２８】図６は、ＣＣＤ２８に設けられるフォトダ
イオード５１と垂直転送部５２の配置を示す図である。
図７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。

【００２９】フォトダイオード５１と垂直転送部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５１は２次元的に格子状に配列され、垂直転送部
５２は所定の方向（図６において上下方向）に１列に並
ぶフォトダイオード５１に隣接して設けられている。垂
直転送部５２は、１つのフォトダイオード５１に対して
４つの垂直転送電極５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄを
有している。したがって垂直転送部５２では、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。

【００３０】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５１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
戸が完全空乏化される。この状態において、入射光（被
写体からの反射光）の光量に応じた電荷がフォトダイオ
ード５１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５１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５１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５１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５
２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、いわ
ゆる電子シャッタ動作が実現される。

【００３１】図８は、ステップ１０３のプリ測距および
ステップ１０５の本測距において実行される距離情報検
出動作のタイミングチャートである。図１、図２、図６
〜図８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。なお本実施形態の距離情報検出動作
では、図５を参照して行なった距離測定の原理の説明と
は異なり、外光の影響による雑音を低減するために測距
光のパルスの立ち下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った後に検知不可能な
状態に切換えるようにタイミングチャートを構成してい
るが原理的には何ら異なるものではない。

【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５１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は被写体において反射し、ＣＣ
Ｄ２８に入射する。すなわちＣＣＤ２８によって被写体
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５１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Ｓ
４と外光と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５１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５１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５１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５１に蓄積されていた信号電荷Ｓ１
１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５１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５１には、被写体までの距離
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５１に蓄
積している電荷が、被写体の距離情報と対応した信号電
荷Ｓ１２（斜線部）として垂直転送部５２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
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５１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、その期間被写体が静止してい
ると見做せれば、被写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５１に関するものであり、全て
のフォトダイオード５１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、各フォトダイオード５１に隣接した垂直転送部５２
の各部位には、そのフォトダイオード５１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
れる。

【００３９】しかしＣＣＤ２８により検出された反射光
は、被写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、被写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。これらの誤差を補正する方法について、次の距離測
定動作のフローチャートを参照して説明する。

【００４０】図１２と図１３はステップ１０３のプリ測
距およびステップ１０５の本測距（図３参照）において
実行される距離測定動作のフローチャートである。図
１、図２、図８〜図１３を参照して、本実施形態におけ
る距離測定動作について説明する。なお図９〜図１１
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。

【００４１】ステップ２０１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２０２が実行され、ＣＣＤ
２８による検知制御が開始される。すなわち図８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Ｓ１１が垂直転送部５２において積分さ
れる。

【００４２】ステップ２０３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、１フィールド期間にわ
たる信号電荷Ｓ１１の積分が完了し、積分された信号電
荷がステップ２０４においてＣＣＤ２８から出力され
る。この積分された信号電荷は距離情報に対応し、ステ
ップ２０５において画像メモリ３４に一時的に記憶され
る。ステップ２０６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。

【００４３】ステップ２０７〜２１０では、距離補正情
報の検出動作（図９参照）が行なわれる。まずステップ
２０７では、垂直同期信号が出力されるとともにＣＣＤ
２８による検知制御が開始される。すなわち発光装置１
４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８に示す距離
情報検出動作と同じであるが、被写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Ｓ
２４）。したがって、距離情報の信号電荷は発生しない
が、ＣＣＤ２８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。

【００４４】ステップ２０８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信号電荷Ｓ２６の
１フィールド期間にわたる積分が完了し、ステップ２０
９においてこの積分された信号電荷がＣＣＤ２８から出
力される。この積分された信号電荷は距離補正情報に対
応し、ステップ２１０において画像メモリ３４に一時的
に記憶される。

【００４５】ステップ２１１〜２１６では、反射率情報
の検出動作（図１０参照）が行なわれる。ステップ２１
１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２１２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Ｓ３
５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Ｓ３４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。

【００４６】このようにフォトダイオード５１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Ｓ３
７、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’３９を含んでいる。

【００４７】ステップ２１３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信号電荷Ｓ３９の１
フィールド期間にわたる積分が完了し、ステップ２１４
においてこの積分された信号電荷がＣＣＤ２８から出力
される。この積分された信号電荷は反射率情報に対応
し、ステップ２１５において画像メモリ３４に一時的に
記憶される。ステップ２１６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。

【００４８】ステップ２１７〜２２０では、反射率補正
情報の検出動作（図１１参照）が行なわれる。ステップ
２１７では、垂直同期信号が出力されるとともにＣＣＤ
２８による検知制御が開始される。すなわち発光装置１
４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１０に示す反
射率情報検出動作と同じであるが、被写体に測距光が照
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、ＣＣＤ２８には外光等の外乱成分に対応した
信号電荷Ｓ４６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。

【００４９】ステップ２１８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信号電荷Ｓ４７
の１フィールド期間にわたる積分が完了し、ステップ２
１９においてこの積分された信号電荷がＣＣＤ２８から
出力される。この積分された信号電荷は反射率補正情報
に対応し、ステップ２２０において画像メモリ３４に一
時的に記憶される。

【００５０】ステップ２２１では、ステップ２０１〜２
２０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、この距離測定動作のサブルーチンは終了
する。

【００５１】次にステップ２２１において実行される演
算処理の内容を図８〜図１１を参照して説明する。反射
率Ｒの被写体が照明され、この被写体が輝度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５１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。

【００５２】被写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。

【００５３】図８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。

【００５４】図１０に示されるように電荷蓄積時間Ｔ_U2
が、パルス状の測距光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。

【００５５】図９に示されるように発光を止めて、図８
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１１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。

【００５６】（４）、（６）、（７）、（８）式から、 Ｓ_D ＝（ＳＭ₁₀−ＳＭ₁₁）／（ＳＭ₂₀−ＳＭ₂₁） ＝Ｔ_D ／Ｔ_S ・・・（９） が得られる。

【００５７】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写体からの反射光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８の信号電荷Ｓ１１に相当）
から外乱成分（図９の信号電荷Ｓ２６に相当）を除去し
た値と、反射光Ｓ４の光量（図１０の信号電荷Ｓ３９に
相当）から外乱成分（図１１の信号電荷Ｓ’３９に相
当）を除去した値との比に等しい。

【００５８】（９）式の各出力値ＳＭ₁₀、ＳＭ₁₁、ＳＭ
₂₀、ＳＭ₂₁はステップ２０５、２１０、２１５、２２０
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。すなわち ２ｒ＝Ｃ・Ｔ_S ・（ＳＭ₁₀−ＳＭ₁₁）／（ＳＭ₂₀−ＳＭ₂₁） （１０） と表すことができる。

【００５９】次に図１４、図１５を参照して図３のステ
ップ１０４において算出される測距光の出力比について
説明する。図１４および図１５は、被写体の被計測領域
に対応する１つの画素（標本画素）において受光される
パルス光と蓄積期間の関係をプリ測距、本測距について
示したものである。図１４はプリ測距において距離情報
および反射率情報を検出する際に、ＣＣＤ２８で受光さ
れるパルス光（受光パルス）と蓄積期間Ｔ_U1およびＴ_U2
の関係を表したものである。また、図１５は本測距にお
いて距離情報および反射率情報を検出する際に、ＣＣＤ
２８で受光されるパルス光（受光パルス）と蓄積期間Ｔ
_U1およびＴ_U2の関係を表したものである。なお図１４お
よび図１５において外光の影響は省略されている。

【００６０】プリ測距における距離情報と反射率情報の
検出では、被写体に照射される測距光（発光パルス）の
出力が一定なので、各々の検出においてＣＣＤ２８で受
光されるパルス光（受光パルス）は同一である（図１
４）。すなわち、距離情報の検出において受光されるパ
ルス光のパルス幅と高さは、反射率情報の検出において
受光されるパルス光のパルス幅と高さに等しく、それら
の値はともにＴ_S とｈ₁である。距離情報の検出では、
受光パルスの斜線部Ａ１のみが蓄積期間Ｔ_U1内に受光さ
れ信号電荷として検出される。この信号電荷は斜線部分
Ａ１の面積（光量）ｈ₁ ×Ｔ_D に対応しており、被写体
までの距離情報を表している。ＣＣＤ２８において検出
された信号電荷は信号電位に変換され、アンプ３１を介
してＡ／Ｄ変換器３２へと出力される。また反射率情報
の検出では、蓄積期間Ｔ_U2内に受光パルスの全てが受光
され信号電荷として検出される。このとき検出される信
号電荷は、斜線部Ａ２の面積（受光パルスの全光量）ｈ
₂ ×Ｔ_S に対応しており、反射率情報を表している。検
出された信号電荷は信号電位に変換され、アンプ３１を
介してＡ／Ｄ変換器３２へ出力される。なお、受光パル
スの高さｈ₁ 、ｈ₂ は、（４）式におけるｋ・Ｒ・Ｉ_S
に対応している。

【００６１】距離情報と反射率情報の検出において測距
光の出力が一定であると、斜線部Ａ２は受光パルス全体
であるのに対し、斜線部Ａ１は受光パルスの一部である
ため、斜線部Ａ２、Ａ１の面積にそれぞれ対応する反射
率情報の信号レベルと距離情報の信号レベルは、後者が
前者に比べ著しく小さくなる場合がある。この様な場
合、反射率情報の信号に対して過負荷とならないように
Ａ／Ｄ変換器３２の入力レベルを設定すると、距離情報
の信号レベルに対する有効ビット数が相対的に減ること
となり、距離情報に対する量子化Ｓ／Ｎ比が劣化する。
例えば、反射率情報の信号レベルが０〜Ｖボルトであり
距離情報の信号レベルがそのｎ分の１、すなわち０〜Ｖ
／ｎボルトであるとき、Ｐビットの線形量子化を行なう
Ａ／Ｄ変換器の動作範囲を距離情報の信号レベルに合わ
せて０〜Ｖボルトに設定すると、反射率情報はＰビット
で量子化されるが、距離情報はＰ−Ｉｎｔ（ｌｏｇ
₂ ｎ）ビットで量子化されることとなり、距離情報に対
する量子化Ｓ／Ｎ比が劣化する。なお、ここでＩｎｔ
（ ）は括弧内の数値の小数部を切り捨てて整数に変換
する関数である。

【００６２】距離情報に対する量子化Ｓ／Ｎ比の劣化を
防止するには、Ａ／Ｄ変換器３２へ出力される反射率情
報の信号レベルと距離情報の信号レベルとを被写体の被
計測領域に対応する画素において略等しくする必要があ
る。距離情報の信号レベルと反射率情報の信号レベル
は、蓄積された信号電荷にそれぞれ相関する。したがっ
て、距離情報、反射率情報の信号のレベルを略等しくす
るには、蓄積される信号電荷（蓄積電荷）の量を略同じ
にすればよく、これは被計測領域での反射率情報に対応
する受光量を距離情報に対応する受光量を略等しくすれ
ばよい。ここで反射率情報に対応する受光量が距離情報
に対応する受光量に略等しいとは、反射率情報に対応す
る受光量が距離情報に対応する受光量の例えば２倍以内
であるような場合である。本実施形態の本測距では、標
本画素において蓄積される信号電荷（蓄積電荷量）に対
応する斜線部Ａ１’の面積ｈ₂ ×Ｔ_D と斜線部Ａ２’の
面積ｈ₂ ’×Ｔ_S とが等しくなるように測距光の出力を
調整することにより、被計測領域に対応する画素におい
て反射率情報の信号レベルと距離情報の信号レベルとを
略等しくしている。

【００６３】プリ測距および本測距において、距離情
報、反射率情報を検出する際に出力される測距光のパル
ス幅Ｔ_S は一定である。また、被写体までの距離は、プ
リ測距と本測距とで変わらないので、距離情報を検出す
る際に受光パルスの信号電荷が蓄積される期間Ｔ_D もプ
リ測距と本測距で同じである。プリ測距の検出結果か
ら、Ｔ_D とＴ_S との比Ｔ_D ／Ｔ_S は既知であるので、こ
れをα＝Ｔ_D ／Ｔ_S とすると、図１５の斜線部Ａ１’と
斜線部Ａ２’の面積（受光量）が等しくなるための条件
であるｈ₂ ’／ｈ₂ ＝αが求められる。受光パルスのパ
ルス高さは、照射される測距光の出力に比例するので、
距離情報を検出する際の測距光の出力と反射率情報を検
出する際の測距光の出力を１：αの出力比で出力すれ
ば、本測距における距離情報と反射率情報の信号レベル
を等しくすることができる。なお、標本画素は、被写体
の被計測領域に対応した画素を代表する画素であり、例
えば画像の中央の画素や、一番近い距離に対応する画素
などが用いられる。

【００６４】次に、プリ測距および本測距における絞り
（アイリス２５）の設定の違いについて図１４、図１５
を参照して説明する。

【００６５】プリ測距でのＦナンバーの設定を本測距と
同一にすると、距離情報を検出する際に被写体に照射さ
れる測距光の出力は、プリ測距および本測距において同
一であるので、プリ測距における受光パルスのパルス高
さｈ₁ は、本測距の距離情報の検出における受光パルス
のパルス高さｈ₂ に等しくなり、プリ測距での反射率情
報の信号レベルは、本測距での距離情報の信号レベルの
Ｔ_S ／Ｔ_D 倍となる。Ａ／Ｄ変換器３２の動作範囲は、
本測距での信号レベルに設定されているので、Ｔ_S ／Ｔ
_D の値が著しく大きいとき、プリ測距での反射率情報の
信号レベルが、Ａ／Ｄ変換器３２に対して過負荷とな
る。これを防ぐためにプリ測距では予めＦナンバーが大
き目に設定されている。したがって、ＣＣＤ２８におい
て受光される反射光の光量は、プリ測距の方が本測距に
比べ少なく、プリ測距での受光パルスのパルス高さｈ₁
は、本測距での受光パルスのパルス高さｈ₂ に比べアイ
リス２５が絞られている分小さい。

【００６６】以上のように、本実施形態によれば、プリ
測距を行いその計測結果に基づいて距離情報を検出する
ときと反射率情報を検出するときの測距光の出力を調整
することにより、距離情報に対する量子化Ｓ／Ｎ比を劣
化させることなく、反射率情報を考慮した精度の高い距
離情報を検出できる。また、プリ測距でのＦナンバーを
本測距でのＦナンバーよりも大き目に設定しておくこと
により、プリ測距での反射率情報の信号レベルがＡ／Ｄ
変換器に対して過負荷となることなく、Ａ／Ｄ変換器の
動作範囲を本測距での信号レベルに設定することができ
る。

【００６７】なお、本実施形態では、標本画素として１
つの画素を用いたが、標本画素として複数の画素を用
い、標本画素全体におけるＴ_D ／Ｔ_S の平均値をαとし
てもよい。

【００６８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、距離情報
に対する量子化Ｓ／Ｎ比を劣化させることなく、精度の
高い距離情報を検出可能な３次元画像検出装置を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態であるカメラ型の３次元画像
検出装置の斜視図である。

【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】本実施形態で実行される撮影動作のプログラム
のフローチャートである。

【図４】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５】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６】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７】ＣＣＤを基板に垂直な平面で切断して示す断面
図である。

【図８】距離情報を検出する際のタイミングチャートで
ある。

【図９】距離補正情報を検出する際のタイミングチャー
トである。

【図１０】反射率情報を検出する際のタイミングチャー
トである。

【図１１】反射率補正情報を検出する際のタイミングチ
ャートである。

【図１２】距離測定動作に関するプログラムのフローチ
ャートの前半部である。

【図１３】距離測定動作に関するプログラムのフローチ
ャートの後半部である。

【図１４】プリ測距において距離情報、反射率情報を検
出するときの受光パルスと蓄積期間との関係を示す図で
ある。

【図１５】本測距において距離情報、反射率情報を検出
するときの受光パルスと蓄積期間との関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

１４ 発光装置（光源） ２３ パルス振幅変換回路 ２８ ＣＣＤ（撮像部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA53 DD04 DD12 EE00 EE05 FF12 FF42 GG04 GG06 GG08 GG12 JJ03 JJ18 JJ26 LL04 LL30 NN02 NN11 NN17 QQ03 QQ23 QQ24 QQ26 QQ42 QQ47 SS02 SS13 5B057 AA20 BA02 DB03 5C061 AA29 AB02 AB03 AB06 AB08 AB21 AB24 5J084 AA05 AA13 AA20 AD01 BA04 BA36 BA40 BB01 BB35 BB37 CA03 CA19 CA31 CA34 CA49 CA55 CA67 CA69 CA70 CA76 DA05 DA07 DA10 EA01 EA11

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被写体に第１及び第２の測距光を照射す
   るための光源と、 前記光源の発光を制御する光源制御手段と、 所定の蓄積期間内に前記第１の測距光による前記被写体
   からの反射光を撮像部において受光することによって生
   じる第１の信号電荷に基づいて、前記被写体までの距離
   情報を画素毎に検出する距離情報検出手段と、 前記第２の測距光による前記被写体からの反射光を前記
   撮像部において受光することにより生じ、受光された前
   記反射光の全光量に対応する第２の信号電荷に基づい
   て、前記測距光が前記被写体の表面で反射するときに受
   ける影響に関する情報である反射率情報を前記画素毎に
   検出する反射率情報検出手段と、 前記第１の信号電荷と前記第２の信号電荷とが、前記被
   写体の被計測領域に対応する画素において略同じ大きさ
   となるように前記光源制御手段を制御して前記第１の測
   距光と前記第２の測距光の出力を調整する出力調整手段
   とを備えることを特徴とする３次元画像検出装置。
2. 【請求項２】 前記出力調整手段における前記第１およ
   び第２の測距光の調整が、予め前記被写体までの距離を
   概ね計測するプリ測距の結果に基づいて行われることを
   特徴とする請求項１に記載の３次元画像検出装置。
3. 【請求項３】 前記プリ測距が、前記第１および第２の
   測距光の出力を同一にして前記距離情報検出手段および
   前記反射率情報検出手段を駆動して行われることを特徴
   とする請求項２に記載の３次元画像検出装置。
4. 【請求項４】 前記出力調整手段における前記第１およ
   び第２の測距光の調整が、前記プリ測距において検出さ
   れ、前記被写体の被計測領域に対応する画素を代表する
   １以上の標本画素の距離情報および反射率情報に基づい
   て行われることを特徴とする請求項３に記載の３次元画
   像検出装置。
5. 【請求項５】 前記出力調整手段における前記第１およ
   び第２の測距光の調整が、１つの標本画素における前記
   第１の信号電荷と前記第２の信号電荷との比が１対１に
   なるように調整されることを特徴とする請求項４に記載
   の３次元画像検出装置。
6. 【請求項６】 光学系の像面照度を調整するための開口
   絞りを備え、前記プリ測距を行なう際には、前記出力調
   整手段、前記距離情報検出手段、前記反射率情報検出手
   段を駆動して被写体までの距離を計測する本測距に比べ
   前記開口絞りを絞った状態で計測を行なうことを特徴と
   する請求項２に記載の３次元画像検出装置。
7. 【請求項７】 測距光を被写体に照射し、前記測距光の
   前記被写体からの反射光を受光することにより前記被写
   体までの距離を画素毎に計測する３次元画像検出装置で
   あって、 前記測距光を前記被写体に照射しその反射光を受光する
   ことにより前記被写体までの距離を前記画素毎に相対的
   に低い精度で予め計測するプリ測距手段と、 前記測距光を前記被写体に照射しその反射光を受光する
   ことにより前記被写体までの距離を前記画素毎に相対的
   に高い精度で計測する本測距手段と、 前記本測距手段において照射される前記測距光の照射出
   力を、前記プリ測距手段を駆動して得られる計測結果に
   基づいて調整する照射出力調整手段とを備えることを特
   徴とする３次元画像検出装置。