JP2001264014A - Optical sensor and three-dimensional shape measuring instrument - Google Patents

Optical sensor and three-dimensional shape measuring instrument

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JP2001264014A
JP2001264014A JP2000078002A JP2000078002A JP2001264014A JP 2001264014 A JP2001264014 A JP 2001264014A JP 2000078002 A JP2000078002 A JP 2000078002A JP 2000078002 A JP2000078002 A JP 2000078002A JP 2001264014 A JP2001264014 A JP 2001264014A
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JP
Japan
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light
signal
voltage
optical sensor
intensity
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Application number
JP2000078002A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshinori Yamaguchi
義紀 山口
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Fujifilm Business Innovation Corp
Original Assignee
Fuji Xerox Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized, low-priced optical sensor, capable of measuring the distance to an object with high accuracy in a short time, and to provide a three-dimensional shape measuring instrument. SOLUTION: When intensity-modulated light enters the optical sensor 9, a photoelectric transducing part PD of each pixel 90 transduces photoelectrically the incoming light into a signal current, a voltage conversion part Cj-MR converts the signal current into a voltage signal which is opposite in polarity and inversely proportional to the storage of charge, and a smoothing circuit MSF-C-R smooths the voltage signal. Since the current-voltage conversion has the effect of doubling the amplitude of the current from the transduction part PD, highly accurate detection can be performed, even if the amplitude of the current from the transduction part PD is minute. Each read-out means 91-92 reads out the voltage signal smoothed by the smoothing circuit of each of a plurality of signal generating means.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、対象物体までの距
離を計測する光センサおよび三次元形状計測装置に関
し、特に、小型かつ安価で、対象物体までの距離を短時
間かつ高精度に計測することが可能な光センサおよび三
次元形状計測装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical sensor and a three-dimensional shape measuring device for measuring a distance to a target object, and particularly to a small and inexpensive, short-time and highly accurate distance measuring device for a target object. The present invention relates to an optical sensor and a three-dimensional shape measurement device capable of performing the measurement.

【0002】[0002]

【従来の技術】三次元形状を計測する方式として、パッ
シブ方式とアクティブ方式の2つが提案されている。パ
ッシブ方式は、エネルギーを対象物体に放射することな
しに形状を計測する方式であり、アクティブ方式は、何
らかのエネルギーを対象物体に放射しその反射を検出す
ることによって形状を計測する方式である。
2. Description of the Related Art As a method for measuring a three-dimensional shape, two methods, a passive method and an active method, have been proposed. The passive method is a method of measuring a shape without radiating energy to a target object, and the active method is a method of measuring a shape by radiating some energy to a target object and detecting its reflection.

【0003】パッシブ方式において、対象物体までの複
数点の距離を計測する方法の一つとしてステレオ法があ
る。このステレオ法は、2台のカメラをある間隔をおい
て設置し、得られた2つの画像の視差から三角法により
対象物体までの距離を計測する方式である。この方式
は、画像として取り込むことができれば遠方までの距離
を計測することができるという特長はあるが、模様のな
い滑らかな面を持った表面全体の三次元計測を行うこと
ができないという重大な問題点が存在する。また、2台
のカメラの光軸を一致させることが原理的にできないた
め、距離を測定できない領域(オクルージョン)が発生
するという欠点があった。
In the passive method, there is a stereo method as one of the methods for measuring the distance of a plurality of points to a target object. The stereo method is a method in which two cameras are installed at a certain interval, and the distance to a target object is measured by a trigonometric method from the parallax of two obtained images. This method has the advantage that it can measure the distance to a distant place if it can be captured as an image, but it has a serious problem that it is not possible to perform three-dimensional measurement of the entire surface with a smooth surface without patterns There is a point. In addition, since the optical axes of the two cameras cannot be matched in principle, there is a disadvantage that an area (occlusion) where the distance cannot be measured occurs.

【0004】アクティブ方式において、対象物体までの
複数点の距離を計測する方法の一つとして光切断法があ
る。この光切断法は、スリット光をある角度で対象物体
に照射し、それとは別の角度から撮像した画像から三角
法により対象物体までの距離を計測する方式である。こ
の方式は、比較的簡単な構成で実現できるという特長は
あるが、スリット光を微少な角度単位で走査しなければ
ならず、その度に画像を撮像するため、計測時間が長く
なるという問題点がある。この問題点を解決するために
光切断法を応用した方式に空間コード化法がある。この
空間コード化法は、スリット光を何回も照射する替わり
に、投影光のパターンをコード化することにより、少な
い投影回数で距離を計測する方式であるが、水平方向の
サンプル数をnとすると、log2 n回(n=512ポ
イントとして9回)の撮像を行わなければならないた
め、測定時間が長くなるという問題点があった。また、
投光器と撮像器の光軸を一致させることが原理的にでき
ないため、距離を測定できない領域(オクルージョン)
が発生するという欠点があった。
In the active method, there is a light cutting method as one of the methods for measuring the distance of a plurality of points to a target object. This light cutting method is a method of irradiating a target object with slit light at a certain angle, and measuring the distance to the target object by triangulation from an image taken from another angle. This method has the advantage that it can be realized with a relatively simple configuration, but the slit light has to be scanned in small angle units, and an image is taken each time, so that the measurement time becomes longer. There is. In order to solve this problem, there is a spatial coding method as a method applying the light sectioning method. This spatial coding method measures the distance with a small number of projections by coding the pattern of the projection light instead of irradiating the slit light many times, but the number of samples in the horizontal direction is n. Then, since it is necessary to perform log 2 n times (n = 512 points and nine times) of imaging, there is a problem that the measurement time becomes long. Also,
Area where the distance cannot be measured because the optical axis of the projector and the imager cannot be matched in principle (occlusion)
However, there is a drawback that the problem occurs.

【0005】アクティブ方式において、1回の撮像で複
数点の距離を計測できる方式の一つとして、強度変調さ
れた光を対象物体に照射し、その反射光の位相分布を計
測する位相分布計測方式がある。従来の位相分布計測方
式としては、例えば、文献1「SPIE Vol.2588,1995年,
126 〜134 ページに記載された論文(An new active 3
D-Vision system basedon rf-modulation interferomet
ry light )」、および特許第2690673号およ
び、SPIE Vol.2748,1996年、47〜59ページ「The Emergi
ng Versatility ofa Scannless Range Imager」に示さ
れるものがある。
[0005] In the active method, as one of the methods capable of measuring the distance of a plurality of points by one imaging, a phase distribution measuring method of irradiating an intensity-modulated light to a target object and measuring a phase distribution of a reflected light thereof. There is. As a conventional phase distribution measurement method, for example, reference 1 “SPIE Vol. 2588, 1995,
Papers on pages 126-134 (An new active 3
D-Vision system basedon rf-modulation interferomet
ry light) "and Patent No. 2690673 and SPIE Vol. 2748, 1996, pp. 47-59," The Emergi.
ng Versatility ofa Scannless Range Imager ".

【0006】図5は、文献1に示された従来の三次元形
状計測装置を示す。この三次元形状計測装置100は、
光源101Aから集光レンズ102を介してポッケルズ
セルのような結晶を用いた平面変調器103に出射され
た光に強度変調を施す変調/復調信号発生器104と、
強度変調された光105aを対象物体6に平面照射する
投影レンズ106と、対象物体6で反射し結像レンズ1
07を介してポッケルズセルのような結晶を用いた平面
復調器108に入射した反射光105bに強度復調を施
す変調/復調信号発生器104と、強度復調を施された
光信号を撮像するCCDカメラ109とを有する。この
ような構成において、光源101Aから発せられた光
は、集光レンズ102により、平面変調器103に入射
し、変調/復調信号発生器104の信号に基いて強度変
調を施された後、その強度変調された光105aは、投
影レンズ106によって対象物体6に平面照射される。
対象物体6からの反射光105bは、結像レンズ107
により平面復調器108に入射し、変調/復調信号発生
器104の信号に基いて強度復調を施された後、CCD
カメラ109上に結像する。CCDカメラ109で撮像
された濃淡画像は、対象物体6までの距離に起因する位
相情報を含んでいる。コンピュータ110でこの濃淡画
像を処理することにより、1回の撮像で対象物体6の距
離データを得ることができる。
FIG. 5 shows a conventional three-dimensional shape measuring apparatus disclosed in Document 1. This three-dimensional shape measuring apparatus 100
A modulation / demodulation signal generator 104 for performing intensity modulation on light emitted from a light source 101A to a plane modulator 103 using a crystal such as a Pockels cell via a condenser lens 102;
A projection lens 106 for irradiating the target object 6 with the intensity-modulated light 105a in a plane, and an imaging lens 1 reflected by the target object 6
07, a modulation / demodulation signal generator 104 for demodulating the intensity of the reflected light 105b incident on a plane demodulator 108 using a crystal such as a Pockels cell, and a CCD camera 109 for imaging the optical signal subjected to the intensity demodulation. And In such a configuration, the light emitted from the light source 101A is incident on the plane modulator 103 by the condenser lens 102 and is subjected to intensity modulation based on the signal of the modulation / demodulation signal generator 104. The intensity-modulated light 105a is projected onto the target object 6 by the projection lens 106.
The reflected light 105b from the target object 6 is
, And after being subjected to intensity demodulation based on the signal of the modulation / demodulation signal generator 104,
An image is formed on the camera 109. The grayscale image captured by the CCD camera 109 includes phase information resulting from the distance to the target object 6. By processing the grayscale image by the computer 110, the distance data of the target object 6 can be obtained by one imaging.

【0007】図6は、特許第2690673号公報に記
載された従来の三次元形状計測装置を示す。図5との相
違点は、光源として半導体レーザ101Bを用いている
こと、ポッケルズセルのような結晶を用いた変調器は用
いずに半導体レーザ101Bで直接強度変調を行ってい
ること、ポッケルズセルのような結晶を用いた復調器は
用いずにイメージインテンシファイア111で復調を行
っていることの3点である。変調/復調信号発生器10
4の信号に基いて強度変調を施された光は、半導体レー
ザ101Bから放射された後、投影レンズ106によっ
て対象物体6に平面照射される。対象物体6からの反射
光105bは、結像レンズ107によりイメージインテ
ンシファイア111に結像される。変調/復調信号発生
器104の信号を高圧ドライブ回路112により高圧信
号に変換し、イメージインテンシファイア111のゲイ
ンコントローラ端子に入力することにより強度復調され
た反射光は、CCDカメラ109で撮像される。CCD
カメラ109で撮像された濃淡画像は、対象物体6まで
の距離に起因する位相情報を含んでいる。コンピュータ
110でこの濃淡画像を処理することにより、1回の撮
像で対象物体6の距離データを得ることができる。
FIG. 6 shows a conventional three-dimensional shape measuring apparatus described in Japanese Patent No. 2690673. The difference from FIG. 5 is that the semiconductor laser 101B is used as a light source, the intensity modulation is performed directly by the semiconductor laser 101B without using a modulator using a crystal such as a Pockels cell, The third point is that demodulation is performed by the image intensifier 111 without using a demodulator using a crystal. Modulation / demodulation signal generator 10
The light subjected to intensity modulation based on the signal of No. 4 is emitted from the semiconductor laser 101B, and then is projected onto the target object 6 by the projection lens 106. The reflected light 105b from the target object 6 is imaged by the imaging lens 107 on the image intensifier 111. The signal from the modulation / demodulation signal generator 104 is converted into a high-voltage signal by the high-voltage drive circuit 112 and input to the gain controller terminal of the image intensifier 111, and the reflected light whose intensity is demodulated is imaged by the CCD camera 109. . CCD
The grayscale image captured by the camera 109 includes phase information resulting from the distance to the target object 6. By processing the grayscale image by the computer 110, the distance data of the target object 6 can be obtained by one imaging.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、図5に示す従
来の三次元形状計測装置によると、平面変調器103、
平面復調器108にポッケルズセルのような結晶を用い
た変調器/復調器を用いているため、非常に高価な装置
となってしまうという欠点があった。また、この結晶を
用いた変調器/復調器は開口が約数ミリ程度と小さいた
め、光源101Aから放射された光および対象物体6で
反射された光をこの開口に合わせて集光レンズ102、
107を用いて集光しなければならず、装置が大型化し
てしまうという欠点があった。
However, according to the conventional three-dimensional shape measuring apparatus shown in FIG.
Since a modulator / demodulator using a crystal such as a Pockels cell is used for the plane demodulator 108, there is a disadvantage that the apparatus becomes very expensive. Since the aperture of the modulator / demodulator using this crystal is as small as about several millimeters, the light radiated from the light source 101A and the light reflected by the target object 6 are adjusted to the aperture by the condenser lens 102,
The light must be condensed using 107, and there is a disadvantage that the device becomes large.

【0009】また、図6に示す従来の三次元形状計測装
置によると、イメージインテンシファイア111を用い
ているため、非常に高価な装置となってしまうという欠
点があった。また、このイメージインテンシファイア1
11を駆動するためには数百ボルトという高電圧信号を
強度変調することが必要なため、駆動回路が複雑になる
という欠点があった。また、このイメージインテンシフ
ァイア111はCCDカメラ109に比べて大きいため
装置全体が大型化してしまうという欠点があった。
Further, the conventional three-dimensional shape measuring apparatus shown in FIG. 6 has a disadvantage that the apparatus becomes very expensive because the image intensifier 111 is used. Also, this image intensifier 1
In order to drive 11, it is necessary to intensity-modulate a high voltage signal of several hundred volts, so that there is a disadvantage that the drive circuit becomes complicated. Further, since the image intensifier 111 is larger than the CCD camera 109, there is a drawback that the entire apparatus becomes large.

【0010】一方、光を検出できるセンサにおいて、小
型化を図るために代表的な2次元センサである2次元M
OSイメージセンサや2次元CCDイメージセンサを用
いることも考えられるが、これらのイメージセンサは、
信号電荷を蓄積時間分だけ積分する機能しか有していな
いため、距離計測に必要な復調機能はなく、これらを3
次元形状計測装置の光センサとして用いることはできな
い。
On the other hand, in a sensor capable of detecting light, a two-dimensional M which is a typical two-dimensional sensor for miniaturization.
It is conceivable to use an OS image sensor or a two-dimensional CCD image sensor, but these image sensors are
Since it has only the function of integrating the signal charge for the accumulation time, there is no demodulation function necessary for distance measurement.
It cannot be used as an optical sensor of a three-dimensional shape measuring device.

【0011】従って、本発明の目的は、小型かつ安価
で、対象物体までの距離を短時間かつ高精度に計測する
ことが可能な光センサおよび三次元形状計測装置を提供
することにある。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide an optical sensor and a three-dimensional shape measuring apparatus which are small and inexpensive, and can measure the distance to a target object in a short time and with high accuracy.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を実
現するため、入射光を信号電流に光電変換する光電変換
部と、前記信号電流を電圧信号に非線型に変換する電圧
変換部と、前記電圧信号を平滑化する平滑回路とを有し
て2次元状に配列された複数の信号発生手段と、前記複
数の信号発生手段の前記平滑回路によって平滑化された
前記電圧信号を読み出す読み出し手段とを備えたことを
特徴とする光センサを提供する。上記構成によれば、電
圧変換部の端子間電圧の増大に従い接合容量が減少する
ようなキャパシタが配置されているため、光電変換部か
らの電流の振幅が電圧変換される際に倍増される効果が
あり、光電変換部からの電流の振幅が微小でも高精度な
検出が可能となる。
In order to achieve the above object, the present invention provides a photoelectric conversion unit for photoelectrically converting incident light into a signal current, and a voltage conversion unit for converting the signal current into a voltage signal in a non-linear manner. A plurality of signal generators arranged two-dimensionally having a smoothing circuit for smoothing the voltage signal, and reading out the voltage signals smoothed by the smoothing circuit of the plurality of signal generators Means for providing an optical sensor. According to the above configuration, since the capacitor whose junction capacitance decreases as the voltage between the terminals of the voltage converter increases, the amplitude of the current from the photoelectric converter is doubled when the voltage is converted. Therefore, even if the amplitude of the current from the photoelectric conversion unit is very small, highly accurate detection is possible.

【0013】本発明は、上記目的を実現するため、所定
の周波数で強度変調された強度変調光を物体に向けて出
射する光出射手段と、前記物体からの反射光と前記強度
変調光との合成光を受光して検出信号を出力する光セン
サと、前記検出信号に基づいて前記物体までの距離を演
算して距離画像を形成する画像処理手段とを有する三次
元形状計測装置において、前記光センサは、前記強度変
調光を信号電流に光電変換する光電変換部と、前記信号
電流を電圧信号に非線型に変換する電圧変換部と、前記
電圧信号を平滑化する平滑回路とを有して2次元状に配
列された複数の信号発生手段と、前記複数の信号発生手
段の前記平滑回路によって平滑化された前記電圧信号を
読み出す読み出し手段とを備えたことを特徴とする三次
元形状計測装置を提供する。
[0013] In order to achieve the above object, the present invention provides a light emitting means for emitting an intensity-modulated light intensity-modulated at a predetermined frequency toward an object, and a light-emitting means for reflecting light from the object and the intensity-modulated light. A three-dimensional shape measuring apparatus comprising: an optical sensor that receives a synthesized light and outputs a detection signal; and an image processing unit that calculates a distance to the object based on the detection signal to form a distance image. The sensor has a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts the intensity-modulated light into a signal current, a voltage conversion unit that converts the signal current into a voltage signal in a non-linear manner, and a smoothing circuit that smoothes the voltage signal. A three-dimensional shape measuring apparatus comprising: a plurality of signal generating means arranged two-dimensionally; and a reading means for reading out the voltage signal smoothed by the smoothing circuit of the plurality of signal generating means. To Subjected to.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
にしたがって詳細に説明する。図1は、本発明の第1の
実施の形態に係る三次元形状計測装置を示す。この装置
1は、変調信号を発生する変調信号発生器2と、変調信
号発生器2からの変調信号に基づいてレーザ光からなる
照明光4aを出射する半導体レーザ3と、半導体レーザ
3からの照明光4aを対象物体6に向けて照射する投影
レンズ5と、対象物体6で反射した物体光4bを光学フ
ィルタ8を介して光センサ9上に結像させる結像レンズ
7と、半導体レーザ3からの照明光4aの一部を透過さ
せ、残りを参照光4cとして反射させ、光学フィルタ8
を介して光センサ9上に導くハーフミラー10と、対象
物体6と光学フィルタ8との間に配置された第1の液晶
シャッタ11Aと、ハーフミラー10と光学フィルタ8
との間に配置された第2の液晶シャッタ11Bと、光セ
ンサ9の出力信号に基づいて対象物体6の表面形状に関
する距離データを2次元的に算出する距離演算部14
と、CPU、ROM、RAM等を備え、この装置1の各
部を制御するとともに、距離演算部14の演算結果を表
示するコンピュータ15とを有する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a three-dimensional shape measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. The apparatus 1 includes a modulation signal generator 2 for generating a modulation signal, a semiconductor laser 3 for emitting illumination light 4a composed of laser light based on the modulation signal from the modulation signal generator 2, and an illumination from the semiconductor laser 3. A projection lens 5 for irradiating light 4a toward a target object 6, an imaging lens 7 for forming an object light 4b reflected by the target object 6 on an optical sensor 9 via an optical filter 8, and a semiconductor laser 3. Of the illumination light 4a is transmitted, and the rest is reflected as the reference light 4c.
, A first liquid crystal shutter 11 </ b> A disposed between the target object 6 and the optical filter 8, the half mirror 10 and the optical filter 8.
And a distance calculator 14 that two-dimensionally calculates distance data on the surface shape of the target object 6 based on the output signal of the optical sensor 9.
And a computer 15 that includes a CPU, a ROM, a RAM, and the like, controls each unit of the device 1, and displays a calculation result of the distance calculation unit 14.

【0015】半導体レーザ3は、変調信号発生器2から
の変調信号に基づいて強度変調されたレーザ光からなる
照明光4aを出射するとともに、変調信号発生器2から
の定常信号に基づいて強度変調されていない定常光から
なる照明光4aを出射するものである。この定常光は、
強度変調された照明光4aの平均強度に一致した光強度
を有する。
The semiconductor laser 3 emits illumination light 4 a composed of laser light intensity-modulated based on the modulation signal from the modulation signal generator 2 and intensity modulation based on a steady signal from the modulation signal generator 2. It emits illumination light 4a consisting of unprocessed stationary light. This stationary light is
It has a light intensity that matches the average intensity of the intensity-modulated illumination light 4a.

【0016】第1および第2の液晶シャッタ11A、1
1Bは、例えば、画素毎に印加電圧を制御することによ
り透過率を0〜100%の範囲で制御できるようになっ
ている。なお、シャッタ11A、11Bは、画素毎でな
くても構わず、全画素同じ透過率でもよい。また、シャ
ッタとしてメカニカルシャッタを用いて一括遮断しても
よい。
First and second liquid crystal shutters 11A, 11A
1B, for example, can control the transmittance in the range of 0 to 100% by controlling the applied voltage for each pixel. Note that the shutters 11A and 11B do not have to be provided for each pixel, and may have the same transmittance for all pixels. Alternatively, a mechanical shutter may be used as the shutter to shut off all at once.

【0017】図2は、光センサ9を示す。この光センサ
9は、2次元状に配列された複数(同図では6つ)の画
素90(90−11,90−12,90−13,・・・,90
−21,90−22,90−23,・・・)と、各画素90毎
に設けられた垂直選択トランジスタ91(MSL11,M
SL12,MSL13,・・・,MSL21,MSL22,MS
L23,・・・)と、各行毎に設けられた水平選択トラン
ジスタ92(MSL1,MSL2 ,MSL3 ,・・・)
と、水平信号線93aを介して各垂直選択トランジスタ
91に駆動パルスを出力する垂直シフトレジスタ93
と、垂直信号線94aを介して各水平選択トランジスタ
92に駆動パルスを出力する水平シフトレジスタ94
と、負荷抵抗96を介して接地され、各画素から共通線
95に読みだされた電圧信号を増幅して出力するビデオ
アンプ97とを備える。
FIG. 2 shows the optical sensor 9. This optical sensor 9 has a plurality of (six in the figure) pixels 90 (90-11, 90-12, 90-13,..., 90) arranged two-dimensionally.
-21, 90-22, 90-23,...) And a vertical selection transistor 91 (MSL11, MSL11) provided for each pixel 90.
SL12, MSL13, ..., MSL21, MSL22, MS
L23,...) And horizontal selection transistors 92 (MSL1, MSL2, MSL3,...) Provided for each row.
And a vertical shift register 93 that outputs a drive pulse to each vertical selection transistor 91 via a horizontal signal line 93a.
And a horizontal shift register 94 that outputs a drive pulse to each horizontal selection transistor 92 via a vertical signal line 94a.
And a video amplifier 97 that is grounded via a load resistor 96 and amplifies and outputs a voltage signal read from each pixel to the common line 95.

【0018】画素90は、入射光をその光強度に応じた
信号電流に光電変換するフォトダイオードPDと、一端
がフォトダイオードPDに接続されるとともに、他端が
接地されて逆バイアスに配置されており、逆バイアス時
に非線型性を有したキャパシタとして機能するバラクタ
ダイオードCjと、ドレインがフォトダイオードPDに
接続され、バラクタダイオードCjに電荷を蓄積させる
P型のリセット用MOSトランジスタMRと、ドレイン
が電源Vddに接続されるとともに、ゲートがフォトダ
イオードPDに接続され、バラクタダイオードCjの出
力電圧を増幅するn型のMOSトランジスタMSFと、
MOSトランジスタMSFのソースに並列に接続され、
MOSトランジスタMSFの電圧信号を平滑化する平滑
回路を構成するコンデンサCおよび抵抗Rとを備える。
The pixel 90 has a photodiode PD for photoelectrically converting incident light into a signal current corresponding to the light intensity, and one end connected to the photodiode PD and the other end grounded and arranged in a reverse bias. A varactor diode Cj functioning as a non-linear capacitor at the time of reverse bias; a P-type reset MOS transistor MR having a drain connected to the photodiode PD to accumulate charges in the varactor diode Cj; An n-type MOS transistor MSF connected to Vdd and having a gate connected to the photodiode PD to amplify the output voltage of the varactor diode Cj;
Connected in parallel to the source of the MOS transistor MSF,
A capacitor C and a resistor R forming a smoothing circuit for smoothing the voltage signal of the MOS transistor MSF are provided.

【0019】図3は、1つの画素90の動作を説明する
ための図であり、同図(a)は1つの画素90の構成を
示し、同図(b)はフォトダイオードPDの電流(フォ
トダイオード電流)Ipdを示し、同図(c)はバラクタ
ダイオードCjの出力電圧V1を示し、同図(d)は平
滑回路によって平滑化された電圧信号V2を示す。バラ
クタダイオードCjは、PN接合における空乏層の幅が
逆電圧の増大に従い広がり、その結果、接合容量が減少
する特性を利用した素子であり、最大で容量が逆電圧に
対して−3乗に比例する。よって、フォトダイオード電
流Ipdの振幅が電圧変換される際に倍増される効果があ
り、フォトダイオード電流Ipdの振幅が微小でも高精度
な検出が可能である。バラクタダイオードCjの容量C
j は、次の式(1)のように表される。 Cj =Co (1+Vr /Φo -r ・・・(1) 但し、Co はVr =0のときの接合容量、Vr は逆バイ
アス電圧、Φo は拡散電位、rは接合近傍の不純物濃度
である。例えば、バラクタダイオードCjの接合近傍の
不純物濃度rを−3として非線型性を高め、フォトダイ
オード電流Ipdの振幅が微小振幅でも検出できるように
する。
FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the operation of one pixel 90. FIG. 3A shows the configuration of one pixel 90, and FIG. 3B shows the current (photodiode) of the photodiode PD. (C) shows the output voltage V1 of the varactor diode Cj, and (d) shows the voltage signal V2 smoothed by the smoothing circuit. The varactor diode Cj is an element utilizing the characteristic that the width of the depletion layer in the PN junction expands as the reverse voltage increases, and as a result, the junction capacitance decreases. I do. Therefore, there is an effect that the amplitude of the photodiode current Ipd is doubled when the voltage is converted, and high-precision detection is possible even if the amplitude of the photodiode current Ipd is minute. The capacitance C of the varactor diode Cj
j is represented by the following equation (1). C j = C o (1 + V r / Φ o ) -r (1) where C o is the junction capacitance when V r = 0, V r is the reverse bias voltage, Φ o is the diffusion potential, and r is This is the impurity concentration near the junction. For example, the impurity concentration r near the junction of the varactor diode Cj is set to −3 to enhance the non-linearity so that the photodiode current Ipd can be detected even with a small amplitude.

【0020】MOSトランジスタMSFのゲート電圧V
1が、逆バイアス電圧Vr となる。動作としては、先
ず、リセット用MOSトランジスタMRをオンすること
により、バラクタダイオードCjに電荷を蓄積させる。
そして、バラクタダイオードCjの出力電圧V1をMO
SトランジスタMSFの閾値電圧Vth1と等しくさせた
後、リセット用MOSトランジスタMRをオフする。次
に、フォトダイオード電流Ipdによりバラクタダイオー
ドCjに電荷を蓄積させる。このときのバラクタダイオ
ードCjの出力電圧V1は、時間の経過とともに次第に
上昇、すなわち次の式(2)に従って変化する。 V1=Vth1+Δt×Ipd/Cj ・・・(2) この際、バラクタダイオードCjの容量Cj は出力電圧
V1(=逆バイアス電圧Vr )の増大とともに式(1)
により非線型に減少するため、式(2)により出力電圧
V1はさらに増大する。よって、線型性のキャパシタを
使うよりも信号強度の変化量が大きく現れる。
Gate voltage V of MOS transistor MSF
1 becomes the reverse bias voltage Vr . As an operation, first, the reset MOS transistor MR is turned on, thereby accumulating charges in the varactor diode Cj.
Then, the output voltage V1 of the varactor diode Cj is
After making the threshold voltage Vth1 of the S transistor MSF equal, the reset MOS transistor MR is turned off. Next, charges are stored in the varactor diode Cj by the photodiode current Ipd. The output voltage V1 of the varactor diode Cj at this time gradually increases with time, that is, changes according to the following equation (2). V1 = Vth1 + Δt × Ipd / C j (2) At this time, the capacitance C j of the varactor diode Cj increases as the output voltage V1 (= reverse bias voltage V r ) increases and the expression (1)
, The output voltage V1 further increases according to equation (2). Therefore, the amount of change in signal strength appears larger than when a linear capacitor is used.

【0021】従って、DCオフセット光に重畳させた強
度変調光がフォトダイオードPDに照射されると、フォ
トダイオードPDは強度変調光の波形に対応した電流波
形を発生する。同図(b)は、DCオフセット光と、こ
のDCオフセット成分に対して振幅強度が違う2つの強
度変調された光がフォトダイオードPDに別々に照射さ
れた場合のフォトダイオード電流Ipdの波形を同時に示
している。実線がDCオフセット成分であり、点線が強
度変調光を示している。リセット用MOSトランジスタ
MRによりバラクタダイオードCjの端子間電圧がMO
SトランジスタMSFの閾値電圧Vth1にリセットされ
た後、フォトダイオード電流Ipdが発生すると、フォト
ダイオード電流IpdはバラクタダイオードCjにより上
記(1)式および(2)式に従い、振幅成分がより増幅
された電圧信号V1に変換される。
Therefore, when the photodiode PD is irradiated with the intensity modulated light superimposed on the DC offset light, the photodiode PD generates a current waveform corresponding to the waveform of the intensity modulated light. FIG. 6B shows the waveform of the photodiode current Ipd when the photodiode PD is separately irradiated with the DC offset light and two intensity-modulated lights having different amplitude intensities with respect to the DC offset component. Is shown. The solid line indicates the DC offset component, and the dotted line indicates the intensity modulated light. The voltage between the terminals of the varactor diode Cj is set to MO by the reset MOS transistor MR.
After the resetting to the threshold voltage Vth1 of the S transistor MSF, when the photodiode current Ipd occurs, the photodiode current Ipd is amplified by the varactor diode Cj according to the above equations (1) and (2). It is converted to a signal V1.

【0022】バラクタダイオードCjの出力電圧(=M
OSトランジスタMSFのゲート電圧)であるV1の波
形は、同図(c)に示すように、非線型に上昇してDC
オフセットに対して周期毎に上方に脈流状の波形を示
し、最大でフォトダイオードPDの閾値電圧Vth2(V
th2>Vth1)を示す。バラクタダイオードCjの出力
電圧V1は、MOSトランジスタMSFのゲートに入力
されることにより信号増幅され、増幅された信号が、同
図(d)に示すように、コンデンサCおよび抵抗Rの平
滑回路にて平滑化される。平滑化された電圧波形V2
は、バラクタダイオードCjの出力電圧V1からソース
フォロワとして機能するMOSトランジスタMSFの閾
値電圧Vth1分下がった電圧値を示し、同時に電流増幅
されている。最後に平滑化された信号を垂直選択トラン
ジスタ91により所定のタイミングで出力端子97aに
送りだす。同図(d)に示されるDCオフセットと平滑
化された電圧波形V2との差がフォトダイオード電流I
pdの振幅ひいては強度変調光の振幅に相当する。
The output voltage of the varactor diode Cj (= M
The waveform of V1, which is the gate voltage of the OS transistor MSF, rises nonlinearly and increases as shown in FIG.
A pulsating waveform is shown upward in each cycle with respect to the offset, and the threshold voltage Vth2 (V
th2> Vth1). The output voltage V1 of the varactor diode Cj is amplified by being input to the gate of the MOS transistor MSF, and the amplified signal is amplified by a smoothing circuit of a capacitor C and a resistor R as shown in FIG. Smoothed. Smoothed voltage waveform V2
Indicates a voltage value which is lower than the output voltage V1 of the varactor diode Cj by the threshold voltage Vth1 of the MOS transistor MSF functioning as a source follower, and is also current amplified. Finally, the smoothed signal is sent to the output terminal 97a at a predetermined timing by the vertical selection transistor 91. The difference between the DC offset and the smoothed voltage waveform V2 shown in FIG.
It corresponds to the amplitude of pd and thus the amplitude of the intensity modulated light.

【0023】図4(a)〜(d)は、第1の実施形態に
係る三次元形状計測装置1の動作を説明するための強度
変調光の波形プロファイルを示す。 (1)定常光からなる物体光4bの検出 ここでは、定常光からなる物体光4bを検出する。すな
わち、コンピュータ15は、変調信号発生器2の電流信
号ミキサを制御して直流電流源からの直流信号のみを半
導体レーザ3に出力させる。半導体レーザ3は、定常光
からなる照明光4aを出射する。また、コンピュータ1
5は、第1および第2の液晶シャッタ11A、11Bへ
の制御信号により、第1の液晶シャッタ11Aを開状態
にし、第2の液晶シャッタ11Bを閉状態にする。半導
体レーザ3からの照明光4aは、その一部がハーフミラ
ー10を透過し、投影レンズ5によって対象物体6に投
影され、その対象物体6で反射した物体光4bは、結像
レンズ7によって光学フィルタ8を介して光センサ9上
に結像する。
FIGS. 4A to 4D show waveform profiles of intensity-modulated light for explaining the operation of the three-dimensional shape measuring apparatus 1 according to the first embodiment. (1) Detection of object light 4b composed of stationary light Here, the object light 4b composed of stationary light is detected. That is, the computer 15 controls the current signal mixer of the modulation signal generator 2 to output only the DC signal from the DC current source to the semiconductor laser 3. The semiconductor laser 3 emits illumination light 4a composed of stationary light. Computer 1
Reference numeral 5 denotes a state where the first liquid crystal shutter 11A is opened and the second liquid crystal shutter 11B is closed according to a control signal to the first and second liquid crystal shutters 11A and 11B. A part of the illumination light 4a from the semiconductor laser 3 passes through the half mirror 10 and is projected on the target object 6 by the projection lens 5, and the object light 4b reflected by the target object 6 is optically reflected by the imaging lens 7. An image is formed on the optical sensor 9 via the filter 8.

【0024】対象物体6からの物体光4bは、フォトダ
イオードPDによって電流信号に光電変換され、その電
流信号はバラクタダイオードCjによって電圧信号に変
換され、その電圧信号はMOSトランジスタMSFによ
って増幅される。そして、その電圧信号はコンデンサC
および抵抗Rの平滑回路にて平滑化され、電荷信号とし
てコンデンサCに蓄積される。コンデンサCに蓄積され
た電荷信号は、通常のMOSイメージセンサと同様の方
法で読みだされる。すなわち、垂直シフトレジスタ93
と水平シフトレジスタ94から発生する駆動パルスによ
り垂直選択トランジスタ91(MSL11,MSL12,M
SL13,・・・,MSL21,MSL22,MSL23,・・
・)および水平選択トランジスタ92(MSL1 ,MS
L2 ,MSL3 ,・・・)を順次オンし、各画素90の
平滑回路によって平滑化された電荷信号が電圧信号とし
て共通線95に読みだされる。
The object light 4b from the target object 6 is photoelectrically converted into a current signal by the photodiode PD, the current signal is converted into a voltage signal by the varactor diode Cj, and the voltage signal is amplified by the MOS transistor MSF. And the voltage signal is the capacitor C
And smoothed by the smoothing circuit of the resistor R and stored in the capacitor C as a charge signal. The charge signal stored in the capacitor C is read out in the same manner as in a normal MOS image sensor. That is, the vertical shift register 93
And vertical drive transistors 91 (MSL11, MSL12, M
SL13, ..., MSL21, MSL22, MSL23, ...
.) And the horizontal selection transistor 92 (MSL1, MSL)
L2, MSL3,...) Are sequentially turned on, and the charge signal smoothed by the smoothing circuit of each pixel 90 is read out to the common line 95 as a voltage signal.

【0025】読みだされた電圧信号は、ビデオアンプ9
7により増幅され、出力端子97aから距離演算部14
に送られる。読みだされた出力信号は、距離演算部14
にて画素90毎にメモリされる。これら画素90毎にメ
モリされた出力信号の値は、図4(b)に示す物体光4
bの振幅(Cn ・aE)に対応し、その値をA11,A1
2,…とする。なお、画素90内では、強度変調光の変
調周波数である30〜100MHzといった高周波で動
作しているのに対し、垂直選択トランジスタ91(MS
L11,MSL12,MSL13,・・・,MSL21,MSL
22,MSL23,・・・)および水平選択トランジスタ9
2(MSL1 ,MSL2 ,MSL3 ,・・・)はビデオ
レート等の低周波で動作可能である。
The read voltage signal is supplied to a video amplifier 9
7 and amplified by the distance calculation unit 14 from the output terminal 97a.
Sent to The read output signal is output to a distance calculation unit 14.
Is stored for each pixel 90. The value of the output signal stored for each pixel 90 is the value of the object light 4 shown in FIG.
b corresponding to the amplitude (C n · aE), and its values are represented by A11 and A1.
2, ... The pixel 90 operates at a high frequency of 30 to 100 MHz, which is the modulation frequency of the intensity-modulated light, whereas the vertical selection transistor 91 (MS
L11, MSL12, MSL13, ..., MSL21, MSL
22, MSL23,...) And horizontal selection transistor 9
2 (MSL1, MSL2, MSL3,...) Can operate at a low frequency such as a video rate.

【0026】(2)定常光からなる参照光4cの検出 ここでは、定常光からなる参照光4cを検出する。すな
わち、コンピュータ15は、変調信号発生器2の電流信
号ミキサを制御して直流電流源からの直流信号のみを半
導体レーザ3に出力させる。半導体レーザ3は、定常光
からなる照明光4aを出射する。また、コンピュータ1
5は、第1および第2の液晶シャッタ11A,11Bへ
の制御信号により、第1の液晶シャッタ11Aを閉状態
にし、第2の液晶シャッタ11Bを開状態にする。半導
体レーザ3からの照明光4aは、その一部がハーフミラ
ー10で反射し、光学フィルタ8を介して光センサ9上
に照射される。参照光4cは、フォトダイオードPDに
よって信号電流に光電変換され、その信号電流は、定常
光からなる物体光4bを検出したのと同様に電圧信号と
して読みだされる。距離演算部14において画素90毎
にメモリされた出力信号の値は、図4(c)に示す参照
光4cの振幅(bE)に対応し、その値をB11,B12,
…とする。
(2) Detection of reference light 4c composed of stationary light Here, the reference light 4c composed of stationary light is detected. That is, the computer 15 controls the current signal mixer of the modulation signal generator 2 to output only the DC signal from the DC current source to the semiconductor laser 3. The semiconductor laser 3 emits illumination light 4a composed of stationary light. Computer 1
Reference numeral 5 indicates that the first liquid crystal shutter 11A is closed and the second liquid crystal shutter 11B is opened according to control signals to the first and second liquid crystal shutters 11A and 11B. A part of the illumination light 4 a from the semiconductor laser 3 is reflected by the half mirror 10 and is irradiated on the optical sensor 9 via the optical filter 8. The reference light 4c is photoelectrically converted by the photodiode PD into a signal current, and the signal current is read out as a voltage signal in the same manner as when the object light 4b composed of the stationary light is detected. The value of the output signal stored for each pixel 90 in the distance calculation unit 14 corresponds to the amplitude (bE) of the reference light 4c shown in FIG.
...

【0027】(3)強度変調光からなる照明光4aおよ
び参照光4cの合成光の検出 ここでは、強度変調光からなる照明光4aおよび参照光
4cの合成光を検出する。すなわち、コンピュータ15
は、変調信号発生器2の電流信号ミキサを制御して変調
電流源からの変調電流と直流電流源からの直流電流を合
成して半導体レーザ3に出力させる。半導体レーザ3
は、図4(a)に示すような強度変調光からなる照明光
4aを出射する。また、コンピュータ15は、第1およ
び第2の液晶シャッタ11A,11Bへの制御信号によ
り、第1および第2の液晶シャッタ11Aを開状態にす
る。半導体レーザ3からの照明光4aは、一部はハーフ
ミラー10を透過し、残りはハーフミラー10で反射す
る。ハーフミラー10を透過した照明光4aは、対象物
体6に投影され、その対象物体6で反射した図4(b)
に示すような物体光4bは、結像レンズ7によって光学
フィルタ8を介して光センサ9上に結像する。一方、ハ
ーフミラー10で反射した図4(c)に示すような参照
光4cは、光学フィルタ8を介して光センサ9上に投影
される。従って、光センサ9上には、物体光4bと参照
光4cからなる図4(d)に示すような合成光が入射す
る。1つの画素90に入射した合成光は、そのフォトダ
イオードPDによって信号電流に変換され、その信号電
流は前述したように電圧信号としてビデオアンプ97を
通して読みだされる。読みだされた出力信号は、距離演
算部14にて画素90毎にメモリされる。これら画素9
0毎にメモリされた出力信号の値をP1-11,P1-12,…
とする。
(3) Detection of Combined Light of Illumination Light 4a and Reference Light 4c Consisting of Intensity Modulated Light Here, the combined light of illumination light 4a and reference light 4c composed of intensity modulated light is detected. That is, the computer 15
Controls the current signal mixer of the modulation signal generator 2 to combine the modulation current from the modulation current source with the DC current from the DC current source and output the combined laser current to the semiconductor laser 3. Semiconductor laser 3
Emits illumination light 4a composed of intensity-modulated light as shown in FIG. Further, the computer 15 opens the first and second liquid crystal shutters 11A according to control signals to the first and second liquid crystal shutters 11A and 11B. Part of the illumination light 4a from the semiconductor laser 3 is transmitted through the half mirror 10, and the rest is reflected by the half mirror 10. The illumination light 4a transmitted through the half mirror 10 is projected onto the target object 6 and reflected by the target object 6 in FIG.
Is formed on the optical sensor 9 by the imaging lens 7 via the optical filter 8. On the other hand, the reference light 4c as shown in FIG. 4C reflected by the half mirror 10 is projected on the optical sensor 9 via the optical filter 8. Accordingly, a combined light, as shown in FIG. 4D, composed of the object light 4b and the reference light 4c is incident on the optical sensor 9. The combined light incident on one pixel 90 is converted into a signal current by the photodiode PD, and the signal current is read out as a voltage signal through the video amplifier 97 as described above. The read output signal is stored in the distance calculation unit 14 for each pixel 90. These pixels 9
The output signal values stored for each 0 are represented by P1-11, P1-12,.
And

【0028】(4)距離演算部14による演算 以下、この距離演算部14による演算について詳細に説
明する。半導体レーザ3からの照明光4aの強度変調の
角周波数をω、変調の最大値および最小値を2Eおよび
0とすると、半導体レーザ3から出射される図4(a)
に示すような照明光4aの光強度Io は、次の式(3)
のように表される。 Io =E(sinωt+1) ・・・(3) 対象物体6までの距離が0〜2.5mとすると、必要と
される変調周波数は30MHzとなる。ハーフミラー1
0の光透過率をa、対象物体6上のある点での反射係数
をCn とすると、その点が光センサ9上に結像された地
点nに入射する図4(b)に示すような物体光4bの強
度は、次の式(4)のように表される。 An =Cn ・aE{sin(ωt+φn )+1} ・・・(4) 但し、φn は光センサ9上に入射する光の光源からの飛
行距離に起因する位相遅れであり、(半導体レーザ3〜
対象物体6)+(対象物体6〜光センサ9)間の距離を
Lとすると、φn =ωL/Cである。但し、Cは光速を
表す。
(4) Calculation by the Distance Calculation Unit 14 The calculation by the distance calculation unit 14 will be described in detail below. Assuming that the angular frequency of the intensity modulation of the illumination light 4a from the semiconductor laser 3 is ω and the maximum and minimum values of the modulation are 2E and 0, FIG. 4A emitted from the semiconductor laser 3
Light intensity I o of the illumination light 4a, as shown in the following formula (3)
It is represented as I o = E (sin ωt + 1) (3) If the distance to the target object 6 is 0 to 2.5 m, the required modulation frequency is 30 MHz. Half mirror 1
Assuming that a light transmittance of 0 is a and a reflection coefficient at a certain point on the target object 6 is Cn, the point is incident on a point n imaged on the optical sensor 9 as shown in FIG. The intensity of the object light 4b is represented by the following equation (4). A n = C n · aE {sin (ωt + φ n ) +1} (4) where φ n is a phase delay caused by a flight distance of the light incident on the optical sensor 9 from the light source, and Laser 3 ~
Assuming that the distance between the target object 6) + (the target object 6 and the optical sensor 9) is L, then φ n = ωL / C. Here, C represents the speed of light.

【0029】一方、ハーフミラー10の反射率をbと
し、半導体レーザ3からハーフミラー10を経由して光
センサ9までの光路長が変調波の波長と比較して十分に
小さいとすると、光センサ9の地点n上での参照光4c
は、次の式(5)のように表される。 Bn =bE(sinωt+1) ・・・(5) 光センサ9上の地点n上での合成光の強度Pn は、物体
光4bの光強度を求める式(4)と参照光4cの光強度
を求める式(5)の加算により次の式(6)のように表
される。 Pn =An +Bn =Cn ・aE{sin(ωt+φn )+1}+bE(sinωt+1) =Cn ・aE{sinωtcosφn +cosωtsinφn +1} +bE(sinωt+1) =(Cn ・a+b)E+(Cn ・aEcosφn +bE)sinωt +Cn ・aEsinφn cosωt =(Cn ・a+b)E +√{(Cn ・aEcosφn +bE)2 +(Cn ・aEsinφn 2 } ・sin(ωt+θ) =(Cn ・a+b)E +√{(Cn ・aE)2 +(bE)2 +2Cn ・abE2 cosφn } ・sin(ωt+θ) ・・・(6) ただし、 tanθ=Cn ・aEsinφn /(Cn ・aEcosφn +bE)
On the other hand, assuming that the reflectance of the half mirror 10 is b and the optical path length from the semiconductor laser 3 via the half mirror 10 to the optical sensor 9 is sufficiently smaller than the wavelength of the modulated wave, the optical sensor Reference light 4c on point n of 9
Is expressed as in the following equation (5). B n = bE (sinωt + 1) (5) The intensity Pn of the combined light at the point n on the optical sensor 9 is obtained by calculating the expression (4) for obtaining the light intensity of the object light 4b and the light intensity of the reference light 4c. Expression (6) is obtained by adding the expression (5) to be obtained. P n = A n + B n = C n · aE {sin (ωt + φ n) +1} + bE (sinωt + 1) = C n · aE {sinωtcosφ n + cosωtsinφ n +1} + bE (sinωt + 1) = (C n · a + b) E + (C n · aEcosφ n + bE) sinωt + C n · aEsinφ n cosωt = (C n · a + b) E + √ {(C n · aEcosφ n + bE) 2 + (C n · aEsinφ n) 2} · sin (ωt + θ) = ( C n · a + b) E + √ {(C n · aE) 2 + (bE) 2 + 2C n · abE 2 cosφ n} · sin (ωt + θ) ··· (6) However, tanθ = C n · aEsinφ n / (C n · aEcosφ n + bE)

【0030】式(6)は、DC成分(Cna+b)E、お
よび高周波成分 √{(Cn ・aE)2 +(bE)2 +2Cn ・abE2
cosφn }・sin(ωt+θ) の和となる。Pn のピーク値をPp とすると、Pp は次
の式(7)のように表される。 Pp =Cn ・aE+bE +√{(Cn ・aE)2 +(bE)2 +2Cn ・abE2 cosφn } ・・・(7)
[0030] Equation (6) is, DC components (Cna + b) E, and the high frequency component √ {(C n · aE) 2 + (bE) 2 + 2C n · abE 2
cos φ n } · sin (ωt + θ). When the peak value of P n and P p, P p is expressed by the following equation (7). P p = C n · aE + bE + {(C n · aE) 2 + (bE) 2 + 2C n · abE 2 cosφ n } (7)

【0031】よって合成光のピーク値Pp と物体光4b
の振幅Cn ・aE、参照光の振幅bEを検出することが
できれば、距離情報を持つ位相遅れφn を算出すること
ができる。物体光4bの振幅に相当する信号(A11,A
12,…)の中の1つの信号をAとし、参照光4cの振幅
に相当する信号(B11,B12,…)および合成光のピー
ク信号(Pp-11,Pp-12,…)の中で信号Aに対応する
画素90に相当する信号をBおよびPp とすると、式
(7)は、次の式(8)のように表される。 Pp =A+B+√(A2 +B2 +2ABcosφn ) ・・・(8) このため、Pp ,A,Bに距離演算部14にメモリされ
ていた所定の値を代入し、距離演算部14においてφn
を算出し、φn =ωl/C (ただし、Cは光速)に従
って距離画像を取得する。これを全画素90について行
うことにより、全画素90における距離画像が取得でき
る。
[0031] Thus the peak value P p and the object beam 4b of the combined light
If it is possible to detect the amplitude C n · aE, the reference beam amplitude bE, it is possible to calculate the phase delay phi n with distance information. A signal corresponding to the amplitude of the object beam 4b (A11, A
12) is A, and among signals (B11, B12, ...) corresponding to the amplitude of the reference light 4c and peak signals (Pp-11, Pp-12, ...) of the combined light. When a signal corresponding to the pixel 90 corresponding to the signals a and B and P p, equation (7) can be expressed as the following equation (8). P p = A + B + √ (A 2 + B 2 + 2ABcosφ n ) (8) For this reason, the predetermined values stored in the distance calculation unit 14 are substituted for P p , A, and B, and the distance calculation unit 14 φ n
Is calculated, and a distance image is obtained according to φ n = ωl / C (where C is the speed of light). By performing this for all pixels 90, a distance image at all pixels 90 can be obtained.

【0032】上述した第1の実施の形態によれば、以下
の効果が得られる。 (イ)強度変調光を光電変換した信号電流のピーク値を
見かけ上増幅したように電圧信号に変換し、これを増幅
して平滑化している。この平滑化された電圧信号を1回
読みだせば、強度変調光の振幅値に対応する信号が得ら
れるので、画像の読み取りの高速化が図れ、物体6まで
の距離を高精度に計測することが可能となる。 (ロ)光を復調する手段として従来用いられてきた結晶
による光強度復調器やイメージインテンシティファイア
等の高価な手段を必要とせずに、光センサを小型かつ安
価で高速動作が可能なバラクタダイオードCjによって
構成しているので、小型かつ安価で、物体6までの距離
を短時間に計測することが可能となる。 (ハ)定常光からなる物体光4bの検出動作で得られた
信号から輝度画像を取得できる。また、強度変調光を用
いた場合の光センサ出力のピーク値を輝度画像としても
構わない。従って、1つの光センサ9で距離画像と輝度
画像の両方を得ることができ、しかも二つの画像は画素
90が1対1に対応しているため、後の画像処理を容易
に実行することができる。
According to the first embodiment, the following effects can be obtained. (A) The peak value of the signal current obtained by photoelectrically converting the intensity-modulated light is converted into a voltage signal as if apparently amplified, and the voltage signal was amplified and smoothed. If the smoothed voltage signal is read once, a signal corresponding to the amplitude value of the intensity-modulated light can be obtained, so that the speed of reading the image can be increased and the distance to the object 6 can be measured with high accuracy. Becomes possible. (B) A varactor diode that enables a small, inexpensive, and high-speed operation of an optical sensor without the need for expensive means such as a crystal light intensity demodulator or an image intensity fire that has been conventionally used as a means for demodulating light. Since it is constituted by Cj, it is possible to measure the distance to the object 6 in a short time at a small size and at low cost. (C) A luminance image can be obtained from the signal obtained by the operation of detecting the object light 4b composed of the stationary light. Further, the peak value of the output of the optical sensor when the intensity modulated light is used may be used as the luminance image. Accordingly, both the distance image and the luminance image can be obtained by one optical sensor 9 and the two images have one-to-one correspondence with the pixels 90, so that the subsequent image processing can be easily executed. it can.

【0033】次に、本発明の第2の実施の形態を説明す
る。この第2の実施の形態は、第1の実施の形態とは、
距離演算部14のみが異なり、他は第1の実施の形態と
同様に構成されている。式(7)を変形すると、次の式
(9)のようになる。 Pp −(Cn ・aE+bE) =√{(Cn ・aE)2 +(bE)2 +2Cn ・abE2 cosφn } ・・・(9) 左辺のPp −(Cn ・aE+bE)は、図4(d)から
も分かるように、合成光の振幅成分である。よって、合
成光のピーク値Pp の代わりに振幅成分を検出しても参
照光4cと物体光4bの位相差φn が求まり、距離を算
出できる。距離演算部14は、この式(9)に基づいて
合成光の振幅成分を演算する。すなわち、合成光のピー
ク値を、第1の実施形態の手順と同様に求める。次に、
定常光を物体4に照射し、物体光4bと参照光4cを同
時にフォトダイオードPDに照射し、その定常光の合成
光(DCオフセット光)の強度を求める。なお、この値
は物体光4bと参照光4cのDCオフセット成分を個別
に求め、両者を足し合わせることにより求めても構わな
い。合成光のピーク値とDCオフセット光の強度値の
差、すなわち合成光の振幅成分を算出する。以上により
求めた合成光の振幅成分と、第1の実施の形態で求めた
参照光4cおよび物体光4bの振幅に相当する成分を式
(9)に代入し、位相差φn を距離演算部14にて算出
する。この第2の実施の形態によっても、第1の実施の
形態と同様の効果が得られる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. This second embodiment is different from the first embodiment in that
Only the distance calculation unit 14 is different, and the other configuration is the same as that of the first embodiment. By transforming equation (7), the following equation (9) is obtained. P p - (C n · aE + bE) = √ {(C n · aE) 2 + (bE) 2 + 2C n · abE 2 cosφ n} ··· (9) the left side of P p - (C n · aE + bE) is 4D, it is an amplitude component of the combined light. Therefore, even when detecting the amplitude component instead of the peak value P p of the combined light Motomari phase difference phi n of the reference beam 4c and the object beam 4b, the distance can be calculated. The distance calculator 14 calculates the amplitude component of the combined light based on the equation (9). That is, the peak value of the combined light is obtained in the same manner as in the procedure of the first embodiment. next,
The object light 4 is irradiated with the stationary light, the object light 4b and the reference light 4c are simultaneously irradiated on the photodiode PD, and the intensity of the combined light (DC offset light) of the stationary light is obtained. Note that this value may be obtained by individually obtaining the DC offset components of the object light 4b and the reference light 4c, and adding the two. The difference between the peak value of the combined light and the intensity value of the DC offset light, that is, the amplitude component of the combined light is calculated. The amplitude component of the combined light obtained as described above and the components corresponding to the amplitudes of the reference light 4c and the object light 4b obtained in the first embodiment are substituted into Expression (9), and the phase difference φ n is calculated by the distance calculation unit. Calculate at 14. According to the second embodiment, effects similar to those of the first embodiment can be obtained.

【0034】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れず、種々に変形実施が可能である。例えば、上記実施
の形態では、光源として半導体レーザを用いたが、原理
的にコヒーレントな光を必要としないため一般的な光
源、例えば、キセノンランプ、ストロボ等を用いること
も可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be variously modified. For example, in the above-described embodiment, a semiconductor laser is used as a light source. However, since a coherent light is not required in principle, a general light source such as a xenon lamp or a strobe can be used.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、電
圧変換部は逆電圧の増大に従い接合容量が減少するよう
に構成されているため、光電変換部からの電流の振幅が
電圧変換される際に倍増される効果があり、光電変換部
からの電流の振幅が微小でも高精度な検出が可能とな
る。このため、対象物体までの距離を高精度に計測する
ことが可能となる。また、信号発生手段を小型かつ安価
で高速動作が可能なバラクタダイオードによって構成す
ることが可能であるので、小型かつ安価で、対象物体ま
での距離を短時間に計測することが可能となる。
As described above, according to the present invention, since the voltage converter is configured so that the junction capacitance decreases as the reverse voltage increases, the amplitude of the current from the photoelectric converter can be reduced. This has the effect of doubling the current, and enables high-precision detection even if the amplitude of the current from the photoelectric conversion unit is very small. Therefore, the distance to the target object can be measured with high accuracy. In addition, since the signal generating means can be constituted by a varactor diode that is small and inexpensive and can operate at high speed, it is possible to measure the distance to the target object in a short time at a small size and at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態に係る三次元形状計
測装置の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a three-dimensional shape measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【図2】第1の実施の形態に係る光センサの構成図であ
る。
FIG. 2 is a configuration diagram of an optical sensor according to the first embodiment.

【図3】第1の実施の形態に係る光センサの電荷発生か
ら電荷転送を模式的に示した図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing charge transfer from charge generation of the optical sensor according to the first embodiment.

【図4】第1の実施の形態における強度変調光の波形プ
ロファイルである。
FIG. 4 is a waveform profile of intensity-modulated light according to the first embodiment.

【図5】従来の三次元形状計測装置の構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of a conventional three-dimensional shape measuring apparatus.

【図6】従来の三次元形状計測装置の別の構成図であ
る。
FIG. 6 is another configuration diagram of a conventional three-dimensional shape measuring apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 三次元形状計測装置 2 変調信号発生器 3 半導体レーザ 4a 照明光 4b 物体光 4c 参照光 5 投影レンズ 6 対象物体 7 結像レンズ 8 光学フィルタ 9 光センサ 10 ハーフミラー 11A 第1の液晶シャッタ 11B 第2の液晶シャッタ 14 距離演算部 15 コンピュータ 90 画素 91 垂直選択トランジスタ 92 水平選択トランジスタ 93 垂直シフトレジスタ 93a 水平信号線 94 水平シフトレジスタ 94a 垂直信号線 95 共通線 96 負荷抵抗 97 ビデオアンプ PD フォトダイオード Cj バラクタダイオード MR リセット用MOSトランジスタ MSF MOSトランジスタ C コンデンサ R 抵抗 Reference Signs List 1 3D shape measuring device 2 Modulation signal generator 3 Semiconductor laser 4a Illumination light 4b Object light 4c Reference light 5 Projection lens 6 Target object 7 Imaging lens 8 Optical filter 9 Optical sensor 10 Half mirror 11A First liquid crystal shutter 11B First 2 liquid crystal shutter 14 distance calculation unit 15 computer 90 pixel 91 vertical selection transistor 92 horizontal selection transistor 93 vertical shift register 93a horizontal signal line 94 horizontal shift register 94a vertical signal line 95 common line 96 load resistance 97 video amplifier PD photodiode Cj varactor Diode MR Reset MOS transistor MSF MOS transistor C Capacitor R Resistance

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 31/10 H01L 27/14 A 5J084 // H04N 5/335 31/10 G Fターム(参考) 2F065 AA06 AA53 BB05 DD06 FF01 GG03 GG06 GG08 JJ03 JJ18 JJ26 LL21 LL30 LL53 NN08 NN13 QQ12 QQ24 QQ31 QQ33 SS02 SS13 2F112 AA09 BA05 BA10 CA08 DA28 GA10 4M118 AA02 AB01 CA02 FA06 FA34 FA50 5C024 AX02 BX00 CX00 CX56 CY44 EX13 EX41 EX42 GX03 GX16 GX18 GX19 GY39 HX05 HX40 5F049 MA01 NB07 RA02 RA06 UA20 5J084 AA05 AA13 AB16 AD05 BA04 BA36 BB01 BB20 BB24 BB35 CA07 CA23 CA31 DA01 EA04 EA05 EA31 FA03 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 31/10 H01L 27/14 A 5J084 // H04N 5/335 31/10 G F-term (Reference) 2F065 AA06 AA53 BB05 DD06 FF01 GG03 GG06 GG08 JJ03 JJ18 JJ26 LL21 LL30 LL53 NN08 NN13 QQ12 QQ24 QQ31 QQ33 SS02 SS13 2F112 AA09 BA05 BA10 CA08 DA28 GA10 4M118 AA02 AB01 CA02 FA06 FA34 EX03 G03 C02X00 HX40 5F049 MA01 NB07 RA02 RA06 UA20 5J084 AA05 AA13 AB16 AD05 BA04 BA36 BB01 BB20 BB24 BB35 CA07 CA23 CA31 DA01 EA04 EA05 EA31 FA03

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 入射光を信号電流に光電変換する光電変
換部と、前記信号電流を電圧信号に非線型に変換する電
圧変換部と、前記電圧信号を平滑化する平滑回路とを有
して2次元状に配列された複数の信号発生手段と、 前記複数の信号発生手段の前記平滑回路によって平滑化
された前記電圧信号を読み出す読み出し手段とを備えた
ことを特徴とする光センサ。
A photoelectric conversion unit configured to photoelectrically convert incident light into a signal current; a voltage conversion unit configured to nonlinearly convert the signal current into a voltage signal; and a smoothing circuit configured to smooth the voltage signal. An optical sensor comprising: a plurality of two-dimensionally arranged signal generating means; and a reading means for reading out the voltage signal smoothed by the smoothing circuit of the plurality of signal generating means.
【請求項2】 前記電圧変換部は、一端が前記光電変換
部に接続され、他端が接地されて逆バイアスに配置され
ており、逆バイアス時に非線型性を有するキャパシタと
して機能するバラクタダイオードを備えた構成であるこ
とを特徴とする請求項1に記載の光センサ。
2. The varactor diode, wherein one end of the voltage conversion unit is connected to the photoelectric conversion unit and the other end is grounded and arranged in a reverse bias, and functions as a non-linear capacitor at the time of the reverse bias. The optical sensor according to claim 1, wherein the optical sensor is provided.
【請求項3】 前記電圧変換部は、一端が前記光電変換
部に接続され、他端が接地されて逆バイアスに配置され
ており、逆バイアス時に非線型性を有するキャパシタと
して機能するバラクタダイオードと、ドレインが前記光
電変換部に接続され、前記バラクタダイオードに電荷を
蓄積させるリセット用MOSトランジスタとを備え、 前記平滑回路は、ドレインが電源に接続され、ゲートが
前記光電変換部に接続され、前記バラクタダイオードの
出力電圧を増幅するMOSトランジスタと、前記MOS
トランジスタのソースに並列に接続され、前記MOSト
ランジスタの電圧信号を平滑化するコンデンサおよび抵
抗とを備えた構成であることを特徴とする請求項1に記
載の光センサ。
3. The varactor diode, wherein one end of the voltage conversion unit is connected to the photoelectric conversion unit, and the other end is grounded and arranged in a reverse bias. The varactor diode functions as a non-linear capacitor at the time of reverse bias. A reset MOS transistor having a drain connected to the photoelectric conversion unit and accumulating charge in the varactor diode, wherein the smoothing circuit has a drain connected to a power supply, a gate connected to the photoelectric conversion unit, A MOS transistor for amplifying an output voltage of a varactor diode;
The optical sensor according to claim 1, further comprising a capacitor and a resistor connected in parallel to a source of the transistor and configured to smooth a voltage signal of the MOS transistor.
【請求項4】 所定の周波数で強度変調された強度変調
光を物体に向けて出射する光出射手段と、前記物体から
の反射光と前記強度変調光との合成光を受光して検出信
号を出力する光センサと、前記検出信号に基づいて前記
物体までの距離を演算して距離画像を形成する画像処理
手段とを有する三次元形状計測装置において、 前記光センサは、 前記強度変調光を信号電流に光電変換する光電変換部
と、前記信号電流を電圧信号に非線型に変換する電圧変
換部と、前記電圧信号を平滑化する平滑回路とを有して
2次元状に配列された複数の信号発生手段と、 前記複数の信号発生手段の前記平滑回路によって平滑化
された前記電圧信号を読み出す読み出し手段とを備えた
ことを特徴とする三次元形状計測装置。
4. A light emitting means for emitting an intensity-modulated light having been intensity-modulated at a predetermined frequency toward an object, and receiving a combined light of the reflected light from the object and the intensity-modulated light to generate a detection signal. In a three-dimensional shape measuring apparatus having an optical sensor for outputting and an image processing unit for calculating a distance to the object based on the detection signal to form a distance image, the optical sensor outputs the intensity-modulated light as a signal. A plurality of two-dimensionally arranged photoelectric conversion units that photoelectrically convert the current into a current, a voltage conversion unit that non-linearly converts the signal current into a voltage signal, and a smoothing circuit that smoothes the voltage signal A three-dimensional shape measuring apparatus, comprising: signal generating means; and reading means for reading out the voltage signal smoothed by the smoothing circuit of the plurality of signal generating means.
【請求項5】 前記光出射手段は、前記強度変調光と定
常光を選択的に出射し、 前記画像処理手段は、前記強度変調光の出射に基づいて
前記読み出し手段によって読みだされた前記電圧信号
と、前記定常光の出射に基づいて前記読み出し手段によ
って読みだされた前記電圧信号とから、前記距離を演算
する構成であることを特徴とする請求項4に記載の三次
元形状計測装置。
5. The light emitting means selectively emits the intensity modulated light and the stationary light, and the image processing means reads the voltage read by the reading means based on the emission of the intensity modulated light. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 4, wherein the distance is calculated from a signal and the voltage signal read by the reading unit based on emission of the stationary light.
【請求項6】 前記画像処理手段は、前記定常光の出射
に基づいて前記読み出し手段によって読みだされた前記
電圧信号から輝度画像を形成する構成であることを特徴
とする請求項4に記載の三次元形状計測装置。
6. The image processing apparatus according to claim 4, wherein the image processing unit forms a luminance image from the voltage signal read by the reading unit based on the emission of the stationary light. 3D shape measuring device.
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