JP2001153612A - ３次元撮像装置及び方法並びに干渉光生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、３次元（３Ｄ）物体である被写体の
距離（位相）情報とＲＧＢ情報をリアルタイムに記録す
る小型で低コストな３Ｄ撮像システムとしての３次元撮
像装置及び方法並びに干渉光生成装置を提供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、撮像した被写体
までの距離情報を取得することができる３次元撮像装置
であり、周波数差Δνをもつ２光束を干渉させて生成し
た流れる干渉縞パターンをもつ干渉光を被写体に照射す
る手段と、上記被写体より反射された干渉光を、上記周
波数差Δνで感度変調された撮像素子で撮像する手段と
を具備し、上記撮像素子の出力の位相情報に基づいて上
記被写体までの距離を求めることを特徴とする３次元撮
像装置が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は３次元撮像装置及び
方法並びに干渉光生成装置に係り、特に、アクティブな
照明光を用いて、３次元（３Ｄ）物体である被写体の距
離（位相）情報とＲＧＢ情報をリアルタイムに記録する
３Ｄシステムとしての３Ｄ撮像装置及び方法並びに干渉
光生成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、物体の３次元（３Ｄ）情報を
把握するアクティブな手法として、 （１）スリット状の光束を走査するスリットスキャン方
式 （２）何らかのコード化された光パターンを投影する方
式 （３）投影する格子として、干渉縞を用い、変形前の格
子パターンと変形後の格子パターンとのモアレを用いる
方式 （４）輝度変調された光源と感度変調の可能なＩＩＴ
（イメージインテンシファイア管）とＣＣＤとの組合わ
せ方式 などが知られている。

【０００３】上記（１）のスリットスキャン方式は、ス
リット光束を３Ｄ物体に投影して、スリット光束の変形
を基線長だけ離れたカメラ（撮像装置）で撮影し、いわ
ゆる、三角測距の原理で３Ｄ物体の断面形状を測定する
手法であり、光切断手法とも呼ばれている。

【０００４】そして、このようなスリットスキャン方式
では、スリット光束のメカニカルスキャンと組み合わせ
て、３Ｄ物体の距離画像を測定することができる。

【０００５】また、上記（２）の光パターン投影方式も
基本的には、上記（１）のスリットスキャン方式と同じ
で、一種の空間的にコード化されたマルチスリットを利
用していると考えられる。

【０００６】また、上記（３）のモアレを用いる方式
は、モアレ縞方式の一種で、Ｒ．Ｅ．Ｂｒｏｏｋｓらに
より提唱されたものである［Ｒ．Ｅ．Ｂｒｏｏｋｓ ｅ
ｔ ａｌ：Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ，ｖｏｌ．８，Ｎ
ｏ．５，ｐｐ９３５−９３９（１９６９），“Ｍｏｉｒ
ｅ Ｇａｇｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎ
ｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｐａｔｔｅｒｎｓ参照］。

【０００７】その要点は、トワイマン型干渉計で作られ
た干渉縞を変形前の物体に投影して写真をとり、このネ
ガティブ像を格子の標準として、前記干渉縞を変形後の
物体に投影したときの格子の変形をモアレ縞として観測
するものである。

【０００８】また、上記（４）のＩＩＴとＣＣＤとの組
合わせ方式は、光源の輝度変調の周波数と同じ周波数で
撮像部の感度変調を行い、３Ｄ物体までの往復に要する
時間に対応した位相のずれが撮像素子の各画素の濃淡に
変換されるものである。

【０００９】これは、いわゆるｔｉｍｅ ｏｆ ｌｉｇ
ｈｔ法（略してＴＯＰ法）に属する方式で、２次元の距
離画像が一回の露光で同時に得られる。

【００１０】また、このようにして得られた距離画像
に、別に得られた被写体のＲＧＢ画像を貼り付けて表示
することも行われている。

【００１１】該ＲＧＢ（あるいはテクスチャ）画像を得
るのに、距離画像用とＲＧＢ画像用と二眼の撮像素子を
用意する場合と、両者を共軸に配置して一眼の撮像素子
とする場合とがある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような（１）のスリットスキャン方式は、スリット光
束のメカニカルスキャンといった機械的走査を必要と
し、取込んだスリット像から３Ｄ物体の形状を三角測距
の原理で解釈し、復元するものであるが、ビデオレート
あるいはリアルタイムで３Ｄ情報を把握する点で難点が
ある。

【００１３】また、上記（２）の光パターン投影方式
は、一部にリアルタイムの観点からは改善されているも
のもあるが、ビデオレートで観測したいという観点から
は、基本的には上記（１）のスリットスキャン方式と同
じ難点がある。

【００１４】また、上記（３）のモアレを用いる方式
は、やはり、リアルタイムの観点から難点があるととも
に、モアレ縞の解釈が必要である。

【００１５】また、上記（４）のＩＩＴとＣＣＤとの組
合わせ方式は、ＩＩＴが大型で高電圧を必要とし、高価
であるという難点があると共に、ＴＯＰ法で距離分解能
を上げるためには、輝度変調の周波数を高く（例えば、
１００ＭＨｚ以上に）選ぶ必要がある。

【００１６】これを小型で低電圧で、低コストにするに
は、固体撮像素子の感度変調を用いる方式が、特開平８
−３１３２１５号公報に開示されている。

【００１７】しかるに、この特開平８−３１３２１５号
公報に開示されている方式では、輝度変調の周波数を高
くすることができない（例えば、１０ＭＨｚ以下）とい
う課題がある。

【００１８】また、ＲＧＢ画像を取得するのに、二眼式
とすると、距離画像とＲＧＢ画像と視点が異なり、ずれ
が生ずる不具合がある。

【００１９】なお、共軸単眼とした場合には、このよう
なずれが生ずる問題を緩和することができるが、コスト
や大きさの点で改善が望まれる。

【００２０】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、３次元（３Ｄ）物体である被写体の距離（位相）
情報とＲＧＢ情報をリアルタイムに記録する小型で低コ
ストな３Ｄ撮像システムとしての３次元撮像装置及び方
法並びに干渉光生成装置を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、（１） 撮像した被写体までの距
離情報を取得することができる３次元撮像装置であり、
周波数差Δνをもつ２光束を干渉させて生成した流れる
干渉縞パターンをもつ干渉光を被写体に照射する手段
と、上記被写体より反射された干渉光を、上記周波数差
Δνで感度変調された撮像素子で撮像する手段とを具備
し、上記撮像素子の出力の位相情報に基づいて上記被写
体までの距離を求めることを特徴とする３次元撮像装置
が提供される。

【００２２】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２） 撮像した被写体までの距離情報を取
得する３次元撮像方法であり、周波数差Δνをもつ光を
干渉させて生成した流れる干渉縞パターンをもつ干渉光
を被写体に照射するステップと、上記被写体より反射さ
れた干渉光を、上記周波数差Δνで感度変調された撮像
素子で撮像するステップと、上記撮像素子の出力の位相
情報に基づいて上記被写体までの距離を求めるステップ
とを具備することを特徴とする３次元撮像方法が提供さ
れる。

【００２３】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３） １光束を分割して生成した複数光束
に所定の周波数差を与えて干渉させて干渉光を生成する
干渉光生成装置であり、反射面に進行波を形成可能な光
線反射手段により、上記所定の周波数差が与えられるこ
とを特徴とする干渉光生成装置が提供される。

【００２４】

【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。

【００２５】まず、本発明による３次元撮像装置及び方
法並びに干渉光生成装置において採用する原理について
説明する。

【００２６】この発明において採用する原理は三角測量
を基本としたもので、詳細は、次に、述べるような流れ
る干渉縞を用いた３Ｄ撮像システムを実現したものであ
る。

【００２７】すなわち、本発明の流れる干渉縞を用いた
３Ｄ撮像装置は、相異なる２周波数の差の周波数で流れ
る干渉縞を被写体に送光する第１モードの送光部と、こ
れと共用あるいは併設されたＲＧＢ用照明光を該被写体
に送光する第２モードの送光部と、該被写体の距離画像
を生成する、前記差の周波数で感度変調された第１モー
ドの撮像部と、これと共用あるいは併設された、該被写
体のＲＧＢ用画像を生成する第２モードの撮像部とを具
備することを特徴としている。

【００２８】そして、上記第１モードの送光部において
は、光源と、該光源からの光束を二つの光束に分割する
第１のビームスプリッタと、その分割された少なくとも
一方の腕に挿入された周波数シフタと、該周波数シフタ
を透過した光束と他方の光束とを合波して流れる干渉縞
を生成する第２のビームスプリッタとを具備する流れる
干渉縞生成部と、該流れる干渉縞により対象とする被写
体を照明する送光光学系とを具備することを特徴として
いる。

【００２９】また、上記干渉縞生成部においては、サグ
ナック（サニャック）型コモンパス干渉計と、該サグナ
ック型コモンパス干渉計を構成する一つの鏡に、該鏡面
に平行で、かつ前記干渉計のコモンパス面に平行に、超
音波の進行波を形成する進行波駆動部を具備するか、ま
たは前記鏡自体を振動あるいは移動させる機構とを具備
することを特徴としている。

【００３０】また、上記干渉縞生成部において、可干渉
性光源と、該可干渉性光源の周波数を所定の周波数幅だ
け掃引する光源駆動部と、該光源からの光束を二つの光
束に分割する第１のビーム分割器と、その分割された一
方の腕に挿入された所定の長さの遅延光路と、該遅延光
路を透過した光束と他方の光束とを合波して流れる干渉
縞を生成する第２のビーム結合器と、前記遅延された光
束と他方の光束との間隔を可変とする機構を具備するこ
とを特徴とする。

【００３１】さらに、上記干渉縞生成部において、光源
として周波数の僅かに異なる２周波レーザと、連続また
はパルス駆動された半導体レーザと、単色フィルタとを
具備した白色光源などを用いることを特徴とする。

【００３２】また、上記感度変調された撮像部として
は、上述した特開平８−３１３２１５号公報に述べられ
ているＣＭＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ
Ｄｅｖｉｃｅ）あるいはＡＭＩ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ
ＭＯＳ ｉｎｔｅｌ１ｉｇｅｎｔ Ｉｍａｇｅｒ）など
の増幅型固体撮像素子を用いることを特徴とする。

【００３３】また、上記感度変調された撮像部として
は、同じ系列のＣＭＯＳセンサやその他の固体撮像素子
を用いることを特徴とする。

【００３４】そして、これらのゲート電極あるいは基板
の電位などを変調することにより、撮像素子の感度を変
調することができるものである。

【００３５】以上のような原理により、３次元（３Ｄ）
物体である被写体の距離（位相）情報とＲＧＢ情報をリ
アルタイムに記録する小型で低コストな３Ｄ撮像装置を
実現することが可能となる。

【００３６】すなわち、このような本発明の流れる干渉
縞を用いた３Ｄ撮像装置では、上記干渉縞生成部と、上
記第１及び第２のモードの送光部を含む送光光学系とに
より、被写体である３Ｄ物体上に差の周波数Δνで流れ
る干渉縞が投影され、３Ｄ物体の形状情報は、投影され
た干渉縞が空間的に変形することに反映されるととも
に、縞が流れることから、この変形が画素間の位相差と
して観測される。

【００３７】図４の（ａ）、（ｂ）は、この関係につい
て示している。

【００３８】図４の（ａ）において、符号Ａは、送光光
学系を表わし、符号Ｏは、該送光光学系から基線長ＡＯ
だけ離れた位置に設けられた撮像部を示している。

【００３９】符号Ｂは、任意に設定された標準面ｎと撮
像部Ｂの光軸ＯＰとの交点を表わし、前記送光光学系Ａ
の光軸はＡＢの方向を向き、撮像部Ｂの光軸ＯＰと角θ
をなしている。

【００４０】そして、ここでは、被写体として３Ｄ物体
を想定し、これを表現するために、標準面ｎから少し離
れた面ｍを想定する。

【００４１】図４の（ｂ）は、前記送光光学系Ａから投
影された干渉縞のある瞬間でのパターンを表わし、例え
ば、ピッチｐが等間隔にならんだ干渉縞からなり、これ
が差の周波数Δνで縞と直交する方向に流れているもの
とする。

【００４２】この干渉縞は流れる縞なので、通常の干渉
縞のような空間的に定在した縞としては観測されない
が、各瞬間では、被写体が平面状のものであれば、等間
隔の縞が観測され、凹凸があると、図４の（ｂ）中にΔ
ｘで例示されているように変形した縞が観測される。

【００４３】さらに、縞が流れることから、この変形量
が時間軸に変換して対応付けられることにより、位相の
差として観測される。

【００４４】図４の（ａ）において、標準面ｎと送光光
学系Ａの光軸との交点Ｂは、これから少し遠くの面ｍで
は、点Ｑに移動する。

【００４５】換言すると、光軸ＯＢと面ｍとの交点をＰ
とすれば、ＰＱが図４の（ｂ）におけるΔｘに対応す
る。

【００４６】ＯＢ＝Ｌ、ＢＰ＝Δｚとすると、 ＰＱ＝Δｘ＝Δｚｔａｎθ となる。

【００４７】これから、θが既知で、Δｘを測定してΔ
ｚを求めるというのが、いわゆる、光切断の考え方であ
る。

【００４８】この方式は三角測量の原理に従っているか
ら、基線長ＡＯが０の場合には感度が０となり、成立し
ない。

【００４９】本発明では、さらに流れる干渉縞を利用し
てΔｘを時間軸に変換し、画素間の位相の差として測定
する。

【００５０】一方、従来の技術で示したＴＯＰ法は、基
線長ＡＯが０の場合に相当し、光速をｃとして、距離Δ
ｚを往復するのに要する時間２Δｚ／ｃを正確に分解し
て測定することにより、距離Δｚを取得することができ
る。

【００５１】この関係について、数式を用いて、より詳
しく説明する。

【００５２】撮像素子面（ｘ，ｙ）上で観測される光強
度分布（物体光と呼ぶ）Ｐ_INを Ｐ_IN＝ａ（ｘ，ｙ）＋ｂ（ｘ，ｙ）ｓｉｎ［２πΔνｔ＋φ（ｘ，ｙ）］ …（１） とする。

【００５３】 ここに、ａ（ｘ，ｙ）：ＤＣ成分（背景を含む）、 ｂ（ｘ，ｙ）：物体の振幅情報、 φ（ｘ，ｙ）：物体の位相情報、 ｔ：時間、 を意味する。

【００５４】そして、縞がピッチｐの間隔を流れるのに
要する時間は１／Δνとなり、変形量Δｘに対応する時
間は、 （１／Δν）（Δｘ／ｐ）＝（１／Δ）（Δｚｔａｎθ
／ｐ） となる。

【００５５】前記ＴＯＰ法でΔｚの距離を光が往復する
のに要する時間は２Δｚ／ｃであるから、時間の比をα
とすれば α＝（１／Δν）（Δｚｔａｎθ／ｐ）ｃ／ｌ（２Δｚ） ＝ｃｔａｎθ／（２ｐΔν） となる。

【００５６】本発明は、流れる干渉縞を用いた光切断に
よる方法といえるが、この方法では、前記ＴＯＰ法より
も、時間軸をαだけ引き伸ばして測定可能となる。

【００５７】数値例をあげると、Ｌ＝５ｍ、基線長ＯＡ
＝５ｃｍ、ｔａｎθ＝ＯＡ／Ｌ＝０．０１、ｃ＝３×１
０⁸ ｍ／ｓ、ｐ＝１ｃｍ、Δν＝１ＭＨｚとした場合、
α＝１５０となり、前記ＴＯＰ法と比べて、例えば、１
５０倍だけ時間軸を引き伸ばして測定することができる
ことになる。

【００５８】２次元撮像素子の感度Ｓについて、振幅を
Ｃとしたとき、 Ｓ＝Ｃ｛１＋ｓｉｎ２πΔνｔ｝ …（２） のようにΔνで感度変調する。

【００５９】こうすると、（１）式の物体光Ｐ_INの周波
数Δνで変化する成分を検波したことになる。

【００６０】この検波された出力Ｐ_OUT は この（３）式は、物体の振幅情報ｂ（ｘ，ｙ）が掛かっ
ているが、物体の位相情報φ（ｘ，ｙ）が画素の濃淡と
して得られることを意味している。

【００６１】そして、物体の振幅情報ｂ（ｘ，ｙ）は、
別途２次元撮像素子の感度Ｓを変調させずに、流れる干
渉縞で照明された物体の像を撮像することにより、近似
的に得られる。

【００６２】これを用いて前述の検波出力Ｐ_OUT を補正
することにより、物体の位相情報φ（ｘ，ｙ）が得られ
る。

【００６３】あるいは、いわゆる縞走査法を適用して位
相情報φ（ｘ，ｙ）を検出することも可能である。

【００６４】このようにして得られた結果を、いわゆる
三角測距の原理に基づいて解釈することにより、３Ｄ物
体の形状情報に変換することが可能となる。

【００６５】次に、以上のような原理に基づく、本発明
の実施の形態について図１乃至図３及び図５を用いて説
明する。

【００６６】図１の（ａ）は本発明による３次元撮像装
置及び方法並びに干渉光生成装置において採用する概念
的な構成を示す要部のブロック図である。

【００６７】図１の（ａ）において、符号１１０は送光
部、符号１１１は、被写体１００に相異なる２周波数の
差の周波数Δνで流れる干渉縞を送光する第１モードの
送光部、符号１１２はＲＧＢ用照明光を前記被写体１０
０に送光する第２モードの送光部、符号１２０は撮像
部、符号１２１は前記差の周波数Δνで感度変調された
距離画像を生成する第１モードの撮像部、符号１２２は
ＲＧＢ用画像を生成する第２モ一ドの撮像部、符号１０
７は送光される照明光の一部を検出して前記第１モード
の撮像部１２１に感度変調信号を供給する導線を示して
いる。

【００６８】図１の（ｂ）は、図１の（ａ）における第
１モードの送光部１１１と撮像部１２１の構成を例示し
たもので、符号１０１は光源、符号１０２は干渉光学
系、符号１０３は送光光学系、符号１０４は撮像光学
系、符号１０５は感度変調駆動部、符号１０６は感度変
調型２次元固体撮像素子を示している。

【００６９】第１モードの送光部１１１は、光源１０
１、干渉光学系１０２、送光光学系１０３からなり、第
１モードの撮像部１２１は、撮像光学系１０４、感度変
調駆動部１０５、感度変調型２次元固体撮像素子１０６
からなる。

【００７０】図２の（ａ）、（ｂ）は、図１の（ａ）に
おける干渉光学系１０２として適用されるマッハツェン
ダ型干渉計を表わしている。

【００７１】図２の（ａ）において、符号２０１は入力
光束、符号２０２、２０４はハーフミラー、符号２０
３、２０６は鏡、符号２０７、２０８は２光束干渉計の
それぞれの腕に設けられた周波数シフタ、符号２１０は
出力光束を示している。

【００７２】図２の（ｂ）において、符号２１１は光源
１０１からのコリメートされた入力光束、符号２１２、
２１７は偏光プリズム、符号２１３及び２１４はλ／２
板、符号２１５、２１６は鏡、符号２１８は偏光子、符
号２１０は出力光束を示している。

【００７３】図２の（ｃ）は、図１の（ａ）における干
渉光学系１０２として適用される光ファイバを用いた干
渉計を表わしている。

【００７４】図２の（ｃ）において、符号２２３、２２
４はレンズ、符号２２０、２２１は前記レンズ２２３、
２２４の焦点近傍にその一端を設置された光ファイバの
ような導光路を示し、それぞれが２光束干渉計の各腕を
形成する。

【００７５】この内の一方（図では符号２２１）の腕の
長さを他方に比ベて所定の長さだけ長くすることによ
り、光がそれぞれの腕を通過するのに要する時間に差が
生ずるようにしてある。

【００７６】図３の（ａ）、（ｂ）はサグナック型コモ
ンパス干渉計の一つで、三角光路型干渉計を表わしてい
る。

【００７７】図３の（ａ）において、符号３０１は入力
光束、符号３０２はビームスプリッタ、符号３０３、３
０４は鏡を示している。

【００７８】ここで、ビームスプリッタ３０２、鏡３０
３、３０４は、図示右上の一点Ｏから発散する３本の直
線上に配置される。

【００７９】また、鏡３０３、３０４の一方、例えば、
鏡３０３には、図３の（ｂ）に示すように、駆動電極３
２０が設けられ、超音波周波数で駆動される進行波３３
０が該鏡３０３の鏡面に形成されるようになつている。

【００８０】図３の（ｂ）において、符号３２１は吸収
層、符号３０６は結合レンズを示し、符号３０７は鏡３
０３を平行にシフ卜した状態を示している。

【００８１】図５は、図１の（ａ）における第１モード
の撮像部１２１として適用される撮像部を表わしてい
る。

【００８２】図５において、符号５１６は撮像レンズ、
符号５１３は分離プリズム、符号５１２はローパスフィ
ルタ、符号５１１はＲＧＢ用ＣＣＤ、符号５１５はフィ
ルタ、符号５１４は測距用感度変調型固体撮像素子を示
している。

【００８３】次に、以上のように構成される本発明の実
施の形態による３Ｄシステムの動作について説明する。

【００８４】図１の（ａ）において、送光部１１０は第
１モードの送光部１１１と第２モードの送光部１１２か
ら構成されているが、両者は独立に併置されている（共
軸の構成に配置された場合を含む）か、あるいは後述す
るように前者が後者を兼用することも可能である。

【００８５】ここで、第１モードの送光部１１１は、被
写体１００に流れる干渉縞を照射する機能を持ち、その
詳細は、図１の（ｂ）に示される。

【００８６】また、第２モードの送光部１１２は、カメ
ラのフラッシュのように、白色光を照射する機能を持
つ。

【００８７】これは、第２モードの撮像部１２２と共同
して被写体１００のＲＧＢ信号を取得するのに用いられ
る。

【００８８】図１の（ｂ）において、光源１０１は運続
あるいはパルス駆動される。

【００８９】この光源１０１から発射された光束は、単
一周波数かあるいは周波数がわずかに異なる２周波数成
分からなる。

【００９０】前者の場合には、干渉光学系１０２で２光
束に分けられた後、その一方あるいは両方に設けられた
周波数シフト素子（図２の（ａ）における周波数シフタ
２０７，２０８）により、異なった２周波数成分の光束
に変換された後、再び合わせられ、２周波数の差の周波
数で流れる、いわゆる、流れる干渉縞を形成する。

【００９１】後者の場合には、干渉光学系１０２で周波
数の異なる２光束に分けられた後、再び合わせられ、流
れる干渉縞を形成する。

【００９２】このようにして形成された流れる干渉縞
は、照明光学系１０３により被写体１００に投影され
る。

【００９３】この照明光の一部は、光電変換されて導線
１０７を経て、感度変調駆動部１０５に供給され、前記
の差の周波数Δνで変化する参照信号となる。

【００９４】そして、流れる干渉縞で照明された被写体
１００は、照明光学系１０３に対して基線長だけ離れて
設置された撮像光学系１０４を介して感度変調型２次元
撮像素子１０６によって撮像される。

【００９５】このようにして撮像された流れる干渉縞の
２次元の位相分布は、いわゆる、光切断の原理に基づい
て投影された被写体１００の３次元（３Ｄ）形状情報を
反映している。

【００９６】一方、この感度変調型２次元撮像素子１０
６は、感度変調駆動部１０５により前記参照信号でその
感度が変調される。

【００９７】このため、撮像された流れる干渉縞の２次
元位相分布は、上記（１）〜（３）式で示したように検
波され、感度変調型２次元撮像素子１０６の各画素にお
ける電荷の濃淡に変換される。

【００９８】次に、以上における各構成部分の詳細例を
述べる。

【００９９】まず、光源１０１としては、偏光面の異な
る２周波数ν１、ν２で発振する、いわゆる、ゼーマン
レーザを用いることができる。

【０１００】この場合、干渉光学系１０２としては、図
２の（ｂ）に示したマッハツェンダ型干渉計を用いるこ
とができる。

【０１０１】図２の（ｂ）において、入力光束２１１
は、偏光プリズム２１２により、偏光方向の異なる（ｐ
偏光とｓ偏光）、周波数がわずかに異なる（Δν＝ν１
−ν２）二つの光束に分けられる。

【０１０２】これらは、λ／２板２１３、２１４、鏡２
１５、２１６及び偏光プリズム２１７を経て再び合わせ
られ、ｐあるいはｓ偏光面に４５゜の傾きをなして配置
された偏光子２１８により干渉する。

【０１０３】ここで、注意すべきことは、干渉する二つ
の波の周波数がわずかに異なる（Δν＝ν１−ν２≠
０）ため、生成された干渉縞は空間的に定在せず、差の
周波数Δνで流れ、肉眼では縞が観測されないというこ
とであり、これを流れる干渉縞と称する。

【０１０４】尚、図２の（ｂ）に例示した干渉計は公知
のものであり、種々の変形が可能である。

【０１０５】また、縞の間隔は、鏡２１５あるいは２１
６の傾きで調整される（以下に例示される他の干渉計で
も同様である）。

【０１０６】また、光源１０１としては、任意の可干渉
性光源を用いることができる。

【０１０７】この場合には、干渉光学系１０２として図
２の（ａ）に示したマッハツェンダ型干渉計あるいは図
３の（ａ）、（ｂ）に示した三角光路型コモンパス干渉
計を用いることができる。

【０１０８】図２の（ａ）において、周波数シフタ２０
７、２０８としては、超音波セルのような音響光学的変
調器を用いることができる。

【０１０９】これらを駆動する周波数は、たとえば８
０．０ＭＨｚと８０．１ＭＨｚといった具合にわずか異
なる値を選ぶものとする。

【０１１０】こうすることにより、出力光束２１０とし
て、これらの差の周波数Δν（＝０．１ＭＨｚ）で流れ
る干渉縞を得ることができる。

【０１１１】図３の（ａ）において、入力光束３０１
は、ビームスプリッタ３０２上の点Ｐで右回りと左回り
の２光束に分けられ、符号３０５で示される共通光路を
ＰＱＲ、あるいはＰＲＱと経て、再び、点Ｐで合わされ
て干渉する。

【０１１２】このとき、図３の（ｂ）に示すように、鏡
３０３に設けられた電極３２０に超音波周波数の電界を
印加することによって形成された進行波３３０により、
前記右回りと左回りの２光束は異なるドップラシフトが
与えられる。

【０１１３】このため干渉光は、該ドップラシフト周波
数の倍の周波数で流れる干渉縞を生成する。

【０１１４】そして、吸収層３２１は発生した超音波を
吸収する。

【０１１５】この干渉計は構成が簡単で、２光束が光路
を共有することから、外部の振動に対して極めて安定で
あるとともに、光束を大きくすることができ、出力光量
の増大が容易に達成される利点がある。

【０１１６】また、鏡３０３を傾けるか、符号３０７の
位置にシフトさせることにより、前記右回りと左回りの
光路をシフトさせ、レンズ３０６を介して符号３０７、
３０８で示されるように、一定の交差角をもって干渉す
る。

【０１１７】これにより、干渉縞のピッチを変えること
ができる。

【０１１８】また、光源１０１としては、電流を変調し
た半導体レーザ（ＬＤ）を用いることができる。

【０１１９】この電流をΔｉ＝αｔ、（α：定数、ｔ：
時間）のように掃引するとＬＤの周波数は ｜Δν｜＝（ｃ／λ² ）βαｔ（但し、λ：波長、β：
定数） のように時間とともに変化させることができる。

【０１２０】この場合、干渉光学系１０２としては、図
２の（ｃ）に示した光ファイバを用いた干渉計を用いる
ことができる。

【０１２１】図２の（ｃ）において、光がそれぞれの腕
を通過するのに要する時間に差が生ずるため、ＬＤの周
波数が上記のように時間的に変化しているから、出力光
束２１０で観測される縞は流れる干渉縞となる。

【０１２２】また、光源１０１として、単色フィルタを
具備した、あるいはこれを省略した白色光源を用いるこ
ともできる。

【０１２３】特に、後者が利用できれば、第２モードの
送光部の光源を兼用することができるため、実用上大き
なメリットを有する。

【０１２４】この場合、干渉光学系１０２としては、図
３の（ａ），（ｂ）に示した三角光路型コモンパス干渉
計を用いることができる。

【０１２５】この三角光路型コモンパス干渉計による
と、光路が共有されているために、可干渉距離の短い光
源でも安定に干渉縞が得られる。

【０１２６】しかも、鏡３０３に設けられた進行波３３
０によるドップラシフトにより、流れる干渉縞を得るこ
とができる。

【０１２７】図５に示した撮像部は、第１モードの撮像
部である測距用感度変調型固体撮像素子５１４と第モー
ドの撮像部であるＲＧＢ用ＣＣＤ５１１を、分離プリズ
ム５１３を介して同軸型に併置した例である。

【０１２８】ここで、フィルタ５１５としては、単色フ
ィルタ、あるいは干渉フィルタを用いることができる。

【０１２９】固体撮像素子は、一般に、電極電圧を変調
することにより、感度を変調することができる機能をも
つので、逆に、測距用感度変調型固体撮像素子５１４を
ＲＧＢ用撮像素子として兼用することも可能である。

【０１３０】換言すると、第２モードの撮像部１２２を
第１モードの撮像部１２１で代用することもできる。

【０１３１】尚、上記実施の形態は、種々の変更を加え
ることが可能である。

【０１３２】例えば、感度変調型２次元撮像素子１０６
としては、上記のようにＣＭＤあるいはＡＭＩなどの、
増幅型固体撮像素子が好適であるが、同じ範疇であるＣ
ＭＯＳセンサ、イオンビーム打ち込み型センサ、蓄積型
アバランシェフォトダイオードを用いることもできる。

【０１３３】同様に、感度変調型２次元撮像素子１０６
としては、ＭＯＳフォトダイオードの開口形状を変化さ
せる機構を用いることができる。

【０１３４】あるいは、感度変調型２次元撮像素子１０
６としては、ＣＣＤと液晶シャッタの組合わせや、ＣＣ
Ｄの電子シャッタを用いることができる。

【０１３５】さらに、感度変調型２次元撮像素子１０６
としては、複数の転送ゲートと、インフェイズ／アウト
フェイズの信号電荷を個別に蓄積する電荷蓄積部と、該
信号電荷を時間的に振り分ける機構を用いた撮像素子を
用いることができる。

【０１３６】また、感度変調型２次元撮像素子１０６と
しては、ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉ−Ｍｅｔａ
ｌ）、ＩＳＩ（Ｉｎｓ−Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓ）、ヘテロ接
合光電膜などの光電流の極性を反転させる機構を用いる
ことができる。

【０１３７】さらに、例えば、三角光路型コモンパス干
渉計の代わりに、四角光路型コモンパス干渉計を用いる
ことができる。

【０１３８】これらはサグナック型干渉計とも呼ばれて
いる。

【０１３９】図３の（ｂ）において、鏡３０３に超音波
の進行波を発生させて、右回りと左回りの光路にドップ
ラシフトを発生させたが、この代わりに、鏡３０３自体
を振動あるいは移動させることにより、同等の効果を得
ることができる。

【０１４０】また、干渉計としては、上記に例示した以
外にトワイマン型、マイケルソン型、フィゾー型などの
干渉計も用いることができる。

【０１４１】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。

【０１４２】例えば、１ｍｓの持続パルスを考え、Δν
＝１ＭＨｚとした場合、これには１０００個のビート波
が入っているので、感度変調による検波には十分な数の
波が入っているといえる。

【０１４３】そして、上述したような実施の形態で示し
た本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至
３以外にも、以下に付記１乃至付記１３として示すよう
な発明が含まれている。

【０１４４】（付記１） 上記被写体までの距離を求め
るにあたり、上記照射する手段と上記撮像する手段との
間の距離を基線長とする３角測量で上記被写体までの距
離を求めることを特徴とする請求項１記載の３次元撮像
装置。

【０１４５】（付記２） 上記被写体にＲＧＢ用照明光
を照射する手段と、上記被写体のＲＧＢ画像を撮像する
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次元撮像装置。

【０１４６】（付記３） 上記被写体より反射された平
渉光を感度変調されていない撮像素子で撮像するステッ
プと、上記感度変調されていない撮像素子の出力より振
幅情報を得るステップと、上記感度変調された撮像素子
の出力より上記振幅情報分を補正して上記位相情報を求
めるステップとをさらに具備することを特徴とする請求
項２記載の３次元撮像方法。

【０１４７】（付記４） 相異なる２周波数の差の周波
数で流れる干渉縞を被写体に送光する第１モードの送光
部と、この第１モードの送光部と共用あるいは併設され
たＲＧＢ用照明光を該被写体に送光する第２モードの送
光部と、該被写体の距離画像を生成する前記差の周波数
で感度変調された第１モードの撮像部と、この第１モー
ドの撮像部と共用あるいは併設され、該被写体のＲＧＢ
用画像を生成する第２モードの撮像部と、を具備するこ
とを特徴とする流れる干渉縞を用いた３Ｄ撮像装置。

【０１４８】（付記５） 上記第１モードの送光部は、
光源と、該光源からの光束を二つの光束に分割する第１
のビームスプリッタと、この分割された少なくとも一方
の腕に挿入された周波数シフタと、該周波数シフタを透
過した光束と他方の光束とを合波して流れる干渉縞を生
成する第２のビームスプリッタとを具備する干渉縞生成
部と、該流れる干渉縞により対象とする被写体を照明す
る送光光学系とを具備することを特徴とする付記４記載
の流れる干渉縞を用いた３Ｄ撮像装置。

【０１４９】（付記６） 上記干渉縞生成部は、サグナ
ック（サニャック）型コモンパス干渉計と、該サグナッ
ク型コモンパス干渉計を構成する一つの鏡に、該鏡面に
平行で、かつ前記干渉計のコモンパス面に平行に、超音
波の進行波を形成する進行波駆動部を具備するか、また
は前記鏡自体を振動あるいは移動させる機構とを具備す
ることを特徴とする付記５記載の流れる干渉縞を用いた
３Ｄ撮像装置。

【０１５０】（付記７） 上記サグナック型コモンパス
干渉計を構成する一つの鏡は、該鏡面に垂直な方向に、
該鏡を所定の距離だけ移動させる機構を具備することを
特徴とする付記６記載の流れる干渉縞を用いた３Ｄ撮像
装置。

【０１５１】（付記８） 上記干渉縞生成部は、可干渉
性光源と、該可干渉性光源の周波数を所定の周波数幅だ
け掃引する光源駆動部と、該光源からの光束を二つの光
束に分割する第１のビーム分割器と、この分割された一
方の腕に挿入された所定の長さの遅延光路と、該遅延光
路を透過した光束と他方の光束とを合波して流れる干渉
縞を生成する第２のビーム結合器と、前記遅延された光
束と他方の光束との間隔を可変とする機構とを具備する
ことを特徴とする付記５記載の流れる干渉縞を用いた３
Ｄ撮像装置。

【０１５２】（付記９） 上記干渉縞生成部は、縞走査
の機構を具備したことを特徴とする付記５記載の流れる
干渉縞を用いた３Ｄ撮像装置。

【０１５３】（付記１０） 上記干渉縞生成部は、光源
として周波数および偏光方向の異なる二つの光波を有す
る２周波レーザを具備することを特徴とする付記５記載
の流れる干渉縞を用いた３Ｄ撮像装置。

【０１５４】（付記１１） 上記干渉縞生成部は、光源
として連続またはパルス駆動された半導体レーザを具備
することを特徴とする付記５記載の流れる干渉縞を用い
た３Ｄ撮像装置。

【０１５５】（付記１２） 上記干渉縞生成部は、光源
として連続またはパルス駆動された白色光源を具備する
ことを特徴とする付記５記載の流れる干渉縞を用いた３
Ｄ撮像装置。

【０１５６】（付記１３） 上記第１モードの撮像部
は、流れる干渉縞を構成する２周波数の差の周波数で感
度変調された感度変調型撮像素子を具備することを特徴
とする付記４記載の流れる干渉縞を用いた３Ｄ撮像装
置。

【０１５７】（付記１４） 上記干渉縞生成部は、光源
として周波数の僅かに異なる２周波レーザと、連続また
はパルス駆動された半導体レーザと、単色フィルタとを
具備した白色光源などを用いることを特徴とする付記５
記載の流れる干渉縞を用いた３Ｄ撮像装置。

【０１５８】

【発明の効果】従って、以上説明したように、請求項１
または２記載の本発明によれば、３次元（３Ｄ）物体で
ある被写体の距離（位相）情報とＲＧＢ情報をリアルタ
イムに記録する小型で低コストな３Ｄ撮像システムとし
ての３次元撮像装置及び方法を提供することができる。

【０１５９】また、請求項３記載の本発明によれば、動
作が安定した干渉光生成装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１の（ａ）は本発明による３次元撮像装置及
び方法並びに干渉光生成装置において採用する概念的な
構成を示す要部のブロック図であり、図１の（ｂ）は、
図１の（ａ）における第１モードの送光部１１１と撮像
部１２１の構成を例示したブロック図である。

【図２】図２の（ａ）、（ｂ）は、図１の（ａ）におけ
る干渉光学系１０２として適用されるマッハツェンダ型
干渉計を表わし、図２の（ｃ）は同じく光ファイバを用
いた干渉計を表わしている図である。

【図３】図３の（ａ）、（ｂ）は、図１の（ａ）におけ
る干渉光学系１０２として適用されるサグナック型コモ
ンパス干渉計の一つで、三角光路型干渉計を表わしてい
る図である。

【図４】図４の（ａ），（ｂ）は、本発明による３次元
撮像装置及び方法並びに干渉光生成装置において採用す
る原理について説明するために示した図である。

【図５】図５は、図１の（ａ）における第１モードの撮
像部１２１として適用される測距用感度変調型固体撮像
素子５１４と、同じく第２モードの撮像部１２２として
適用されるＲＧＢ用ＣＣＤ５１１とを、分離プリズム５
１３を介して同軸型に併置した撮像部を例示する図であ
る。

【符号の説明】 １００…被写体、 １１０…送光部、 １１１…第１モードの送光部、 １１２…第２モードの送光部、 １２０…撮像部、 １２１…第１モードの撮像部、 １２２…第２モ一ドの撮像部、 １０７…導線、 １０１…光源、 １０２…干渉光学系、 １０３…送光光学系、 １０４…撮像光学系、 １０５…感度変調駆動部、 １０６…感度変調型２次元固体撮像素子、 ２０１…入力光束、 ２０２、２０４…ハーフミラー、 ２０３、２０６…鏡、 ２０７、２０８…周波数シフタ、 ２１０…出力光束、 ２１１…入力光束、 ２１２、２１７…偏光プリズム、 ２１３、２１４…λ／２板、 ２１５、２１６…鏡、 ２１８…偏光子、 ２２３、２２４…レンズ、 ２２０、２２１…導光路、 ３０１…入力光束、 ３０２…ビームスプリッタ、 ３０３、３０４…鏡、 ３２０…駆動電極、 ３３０…進行波、 ３２１…吸収層、 ３０６…結合レンズ、 ３０７…鏡３０３を平行にシフ卜した状態、 ５１６…撮像レンズ、 ５１３…分離プリズム、 ５１２…ローパスフィルタ、 ５１１…ＲＧＢ用ＣＣＤ、 ５１５…フィルタ、 ５１４…測距用感度変調型固体撮像素子。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 BB05 DD02 FF07 FF09 FF55 GG02 GG04 GG06 GG12 GG23 HH06 HH12 JJ03 JJ26 KK02 LL22 LL33 LL34 LL42 LL46 LL57 MM16 PP22 UU07 2F112 AD05 AD10 BA03 BA10 CA12 DA11 DA17 DA19 DA25 EA07 GA10 5B047 AA07 AB04 BC01 BC11 DC20

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 撮像した被写体までの距離情報を取得す
   ることができる３次元撮像装置であり、 周波数差Δνをもつ２光束を干渉させて生成した流れる
   干渉縞パターンをもつ干渉光を被写体に照射する手段
   と、 上記被写体より反射された干渉光を、上記周波数差Δν
   で感度変調された撮像素子で撮像する手段とを具備し、 上記撮像素子の出力の位相情報に基づいて上記被写体ま
   での距離を求めることを特徴とする３次元撮像装置。
2. 【請求項２】 撮像した被写体までの距離情報を取得す
   る３次元撮像方法であり、 周波数差Δνをもつ光を干渉させて生成した流れる干渉
   縞パターンをもつ干渉光を被写体に照射するステップ
   と、 上記被写体より反射された干渉光を、上記周波数差Δν
   で感度変調された撮像素子で撮像するステップと、 上記撮像素子の出力の位相情報に基づいて上記被写体ま
   での距離を求めるステップとを具備することを特徴とす
   る３次元撮像方法。
3. 【請求項３】 １光束を分割して生成した複数光束に所
   定の周波数差を与えて干渉させて干渉光を生成する干渉
   光生成装置であり、 反射面に進行波を形成可能な光線反射手段により、上記
   所定の周波数差が与えられることを特徴とする干渉光生
   成装置。