JP2001268445A - 光センサおよび三次元形状計測装置 - Google Patents
光センサおよび三次元形状計測装置Info
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
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- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Testing, Inspecting, Measuring Of Stereoscopic Televisions And Televisions (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 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。 【解決手段】 入射光を信号電流に変換する光電変換部
90と、信号電流を所定の周期でサンプリングするサンプ
リング部91と、サンプリングされた信号電流に対応する
信号電荷を蓄積する蓄積部92と、サンプリング部がサン
プリングしていない期間に光電変換部とその周辺に形成
された寄生容量に蓄積された不要電荷を排出する排出部
93とを有して２次元状に配列された複数の信号発生手段
96と、複数の信号発生手段の蓄積部に蓄積された信号電
荷を読み出す読み出し手段97とを備える。
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。 【解決手段】 入射光を信号電流に変換する光電変換部
90と、信号電流を所定の周期でサンプリングするサンプ
リング部91と、サンプリングされた信号電流に対応する
信号電荷を蓄積する蓄積部92と、サンプリング部がサン
プリングしていない期間に光電変換部とその周辺に形成
された寄生容量に蓄積された不要電荷を排出する排出部
93とを有して２次元状に配列された複数の信号発生手段
96と、複数の信号発生手段の蓄積部に蓄積された信号電
荷を読み出す読み出し手段97とを備える。
Description
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【０００４】アクティブ法において、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、ｌｏｇ2ｎ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。
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、ｌｏｇ2ｎ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。
【０００５】アクティブ法において、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。
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。
【０００６】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 active３D-Vision system b
ased on rf-modulation interferometry light ）」、
および特許第２６９０６７３号および、SPIEVol.2748,1
996年、47〜59ページ「The Emerging Versatility of a
Scannless Range Imager」に示されるものがある。
ば、文献１「SPIE Vol.2588,1995年，126 〜134 ページ
に記載された論文（An new active３D-Vision system b
ased on rf-modulation interferometry light ）」、
および特許第２６９０６７３号および、SPIEVol.2748,1
996年、47〜59ページ「The Emerging Versatility of a
Scannless Range Imager」に示されるものがある。
【０００７】図８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。
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。
【０００８】図９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８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。
載された従来の三次元形状計測装置を示す。図８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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図８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。
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。
【００１０】また、図９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。
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。
【００１１】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。
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。
【００１２】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。
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。
【００１３】
【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、前記信号電流を所定の周期でサンプリングするサ
ンプリング部と、前記サンプリング部によってサンプリ
ングされた前記信号電流に対応する信号電荷を蓄積する
蓄積部と、前記サンプリング部がサンプリングしていな
い期間に前記光電変換部および前記光電変換部の周辺に
形成された寄生容量に蓄積された不要電荷を排出する排
出部とを有して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蓄積部に蓄積され
た前記信号電荷を読み出す読み出し手段とを備え、前記
サンプリング部および前記排出部は、フォトゲートを用
いて構成され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、サンプリング部がサンプリングして
いない期間に光電変換部および光電変換部の周辺に形成
された寄生容量に蓄積された不要電荷を排出することに
より、蓄積部には、サンプリング部によるサンプリング
の期間に発生した信号電荷のみが蓄積され、正確な信号
電荷が得られる。
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、前記信号電流を所定の周期でサンプリングするサ
ンプリング部と、前記サンプリング部によってサンプリ
ングされた前記信号電流に対応する信号電荷を蓄積する
蓄積部と、前記サンプリング部がサンプリングしていな
い期間に前記光電変換部および前記光電変換部の周辺に
形成された寄生容量に蓄積された不要電荷を排出する排
出部とを有して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蓄積部に蓄積され
た前記信号電荷を読み出す読み出し手段とを備え、前記
サンプリング部および前記排出部は、フォトゲートを用
いて構成され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、サンプリング部がサンプリングして
いない期間に光電変換部および光電変換部の周辺に形成
された寄生容量に蓄積された不要電荷を排出することに
より、蓄積部には、サンプリング部によるサンプリング
の期間に発生した信号電荷のみが蓄積され、正確な信号
電荷が得られる。
【００１４】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
算する演算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、前記信号電流を所定の周期でサ
ンプリングするサンプリング部と、前記サンプリング部
によってサンプリングされた前記信号電流に対応する信
号電荷を蓄積する蓄積部と、前記サンプリング部がサン
プリングしていない期間に前記光電変換部および前記光
電変換部の周辺に形成された寄生容量に蓄積された不要
電荷を排出する排出部とを有して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
蓄積部に蓄積された前記信号電荷を読み出す読み出し手
段とを備え、前記サンプリング部および前記排出部は、
フォトゲートを用いて構成されたことを特徴とする三次
元形状計測装置を提供する。
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
算する演算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、前記信号電流を所定の周期でサ
ンプリングするサンプリング部と、前記サンプリング部
によってサンプリングされた前記信号電流に対応する信
号電荷を蓄積する蓄積部と、前記サンプリング部がサン
プリングしていない期間に前記光電変換部および前記光
電変換部の周辺に形成された寄生容量に蓄積された不要
電荷を排出する排出部とを有して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
蓄積部に蓄積された前記信号電荷を読み出す読み出し手
段とを備え、前記サンプリング部および前記排出部は、
フォトゲートを用いて構成されたことを特徴とする三次
元形状計測装置を提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】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４
ａ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に
パルス信号を出力するパルス発生部１２と、光センサ９
の出力信号の大小を比較する比較回路１３と、比較回路
１３の比較結果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。
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４
ａ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に
パルス信号を出力するパルス発生部１２と、光センサ９
の出力信号の大小を比較する比較回路１３と、比較回路
１３の比較結果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。
【００１６】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。
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。
【００１７】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。
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。
【００１８】パルス発生部１２は、電荷蓄積用フォトゲ
ートを駆動する蓄積パルス信号Ｓｃ、および電荷排出用
フォトゲートを駆動する排出パルス信号Ｓｄを発生する
とともに、電荷蓄積部に印可するパルスである電荷蓄積
部印可パルスΦCH、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を
外部に読み出す読み出すために機能するトランスファー
ゲートおよびアナログレジスタ（ＣＣＤ）に印可するパ
ルスであるトランスファーゲートパルスΦTG、垂直ＣＣ
Ｄ印可パルスΦV1、ΦV2、ΦV3および水平ＣＣＤ印可パ
ルスΦH1、ΦH2、ΦH3を発生するものである。
ートを駆動する蓄積パルス信号Ｓｃ、および電荷排出用
フォトゲートを駆動する排出パルス信号Ｓｄを発生する
とともに、電荷蓄積部に印可するパルスである電荷蓄積
部印可パルスΦCH、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を
外部に読み出す読み出すために機能するトランスファー
ゲートおよびアナログレジスタ（ＣＣＤ）に印可するパ
ルスであるトランスファーゲートパルスΦTG、垂直ＣＣ
Ｄ印可パルスΦV1、ΦV2、ΦV3および水平ＣＣＤ印可パ
ルスΦH1、ΦH2、ΦH3を発生するものである。
【００１９】図２は、変調信号発生器２を示す。変調信
号発生器２は、変調信号を出力する変調電流源２０と、
定常信号を出力する直流電流源２１と、変調電流源２０
の出力信号と、直流電流源２１の出力信号とを合成して
半導体レーザ３に出力する電流信号ミキサ２２とを備え
る。
号発生器２は、変調信号を出力する変調電流源２０と、
定常信号を出力する直流電流源２１と、変調電流源２０
の出力信号と、直流電流源２１の出力信号とを合成して
半導体レーザ３に出力する電流信号ミキサ２２とを備え
る。
【００２０】図３は、光センサ９を示す。この光センサ
９は、２次元ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）センサ
を基本構成としており、入射光をその光強度に応じた信
号電流に光電変換する２次元状に配列された複数のフォ
トダイオード９０と、各フォトダイオード９０毎に設け
られフォトダイオード９０によって光電変換された信号
電流をパルス発生部１２からの所定の周期の蓄積パルス
信号Ｓｃに従ってサンプリングする電荷蓄積用フォトゲ
ート９１と、サンプリングされた信号電流に対応する信
号電荷を蓄積し、さらにパルス発生部１２からの転送パ
ルス信号ΦCHにより電荷転送機能も有する電荷蓄積部９
２と、パルス発生部１２から発生され、蓄積パルス信号
Ｓｃと逆相の排出パルス信号Ｓｄに従ってフォトダイオ
ード９０およびフォトダイオード９０の周辺に形成され
た寄生容量に蓄積された不要電荷を排出する電荷排出用
フォトゲート９３と、電荷排出用フォトゲート９３から
排出された不要電荷をグランドに排出するドレイン９４
と、電荷蓄積部９２に蓄積された信号電荷をパルス発生
部１２からの転送パルス信号ΦTGにより垂直ＣＣＤ９６
に転送するためのトランスファーゲート９５と、トラン
スファーゲート９５を介して転送された信号電荷を受
け、さらにパルス発生部１２からの３段の転送パルス信
号ΦV1、ΦV2、ΦV3により水平ＣＣＤ９７に転送する垂
直ＣＣＤ９６と、各垂直ＣＣＤ９６毎に設けられ、パル
ス発生部１２からの３段の転送パルス信号ΦH1、ΦH2、
ΦH3により外部にビデオ出力として出力するための水平
ＣＣＤ９７とを備える。
９は、２次元ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）センサ
を基本構成としており、入射光をその光強度に応じた信
号電流に光電変換する２次元状に配列された複数のフォ
トダイオード９０と、各フォトダイオード９０毎に設け
られフォトダイオード９０によって光電変換された信号
電流をパルス発生部１２からの所定の周期の蓄積パルス
信号Ｓｃに従ってサンプリングする電荷蓄積用フォトゲ
ート９１と、サンプリングされた信号電流に対応する信
号電荷を蓄積し、さらにパルス発生部１２からの転送パ
ルス信号ΦCHにより電荷転送機能も有する電荷蓄積部９
２と、パルス発生部１２から発生され、蓄積パルス信号
Ｓｃと逆相の排出パルス信号Ｓｄに従ってフォトダイオ
ード９０およびフォトダイオード９０の周辺に形成され
た寄生容量に蓄積された不要電荷を排出する電荷排出用
フォトゲート９３と、電荷排出用フォトゲート９３から
排出された不要電荷をグランドに排出するドレイン９４
と、電荷蓄積部９２に蓄積された信号電荷をパルス発生
部１２からの転送パルス信号ΦTGにより垂直ＣＣＤ９６
に転送するためのトランスファーゲート９５と、トラン
スファーゲート９５を介して転送された信号電荷を受
け、さらにパルス発生部１２からの３段の転送パルス信
号ΦV1、ΦV2、ΦV3により水平ＣＣＤ９７に転送する垂
直ＣＣＤ９６と、各垂直ＣＣＤ９６毎に設けられ、パル
ス発生部１２からの３段の転送パルス信号ΦH1、ΦH2、
ΦH3により外部にビデオ出力として出力するための水平
ＣＣＤ９７とを備える。
【００２１】次に、図３〜図７を参照して第１の実施の
形態に係る三次元形状計測装置１の動作を説明する。
形態に係る三次元形状計測装置１の動作を説明する。
【００２２】図１０は既存のＣＣＤイメージセンサの電
荷発生から電荷転送を模式的に示し、同図に基づいてＣ
ＣＤにみられるＭＯＳ構造におけるゲートに電圧を印可
することにより電荷が転送されるメカニズムを説明す
る。フォトゲート９１０が電荷蓄積を行うポテンシャル
の高さを決めるゲートとなる。フォトダイオード９００
で光電変換されたフォトキャリア９８０はフォトゲート
９１０下のポテンシャル井戸に蓄積される。トランスフ
ァーゲート９５０下のポテンシャルの高さがHighからLo
wになると、フォトゲート下の蓄積電荷がＣＣＤレジス
タ９６０に転送される。
荷発生から電荷転送を模式的に示し、同図に基づいてＣ
ＣＤにみられるＭＯＳ構造におけるゲートに電圧を印可
することにより電荷が転送されるメカニズムを説明す
る。フォトゲート９１０が電荷蓄積を行うポテンシャル
の高さを決めるゲートとなる。フォトダイオード９００
で光電変換されたフォトキャリア９８０はフォトゲート
９１０下のポテンシャル井戸に蓄積される。トランスフ
ァーゲート９５０下のポテンシャルの高さがHighからLo
wになると、フォトゲート下の蓄積電荷がＣＣＤレジス
タ９６０に転送される。
【００２３】図４は、本発明のＣＣＤイメージセンサを
基本構成とした光センサの電荷発生から電荷転送を模式
的に示したものである。ＣＣＤの電荷転送メカニズムを
利用し、フォトダイオード９０から発生した電荷を高周
波サンプリングする。フォトダイオード９０の隣に電荷
蓄積用フォトゲート９１を設け、この電荷蓄積用フォト
ゲート９１とトランスファーゲート９５の間に電荷蓄積
部９２を設ける。電荷蓄積用フォトゲート９１とは別の
場所にフォトダイオード９０に隣接した電荷排出用フォ
トゲート９３を設け、さらに電荷排出用フォトゲート９
３の先にドレイン９４を設ける。電荷蓄積部９２に接続
されたトランスファーゲート９５の先にＣＣＤアナログ
レジスタ９６０を設ける。
基本構成とした光センサの電荷発生から電荷転送を模式
的に示したものである。ＣＣＤの電荷転送メカニズムを
利用し、フォトダイオード９０から発生した電荷を高周
波サンプリングする。フォトダイオード９０の隣に電荷
蓄積用フォトゲート９１を設け、この電荷蓄積用フォト
ゲート９１とトランスファーゲート９５の間に電荷蓄積
部９２を設ける。電荷蓄積用フォトゲート９１とは別の
場所にフォトダイオード９０に隣接した電荷排出用フォ
トゲート９３を設け、さらに電荷排出用フォトゲート９
３の先にドレイン９４を設ける。電荷蓄積部９２に接続
されたトランスファーゲート９５の先にＣＣＤアナログ
レジスタ９６０を設ける。
【００２４】・電荷蓄積モード（図４（a ）） 電荷排出用フォトゲート９３（Ｓｄ）、電荷蓄積用フォ
トゲート９１（Ｓｃ）、電荷蓄積部９２（ΦCH）、トラ
ンスファーゲート９５（ΦTG）のそれぞれのポテンシャ
ルの高さをHigh、Middle、Low、Highに設定する。これ
らは先のパルス発生部１２からのパルス信号Ｓｄ、Ｓ
ｃ、ΦCH、ΦTGにより制御される。ここで印可パルス電
圧とポテンシャルの高さは逆の関係になる。すなわち印
可電圧がHighのときはポテンシャルの高さはLowとな
る。フォトダイオード９０で光電変換されたフォトキャ
リア９８は電荷蓄積部９２下のポテンシャル井戸に蓄積
される。フォトキャリア９８は信号電荷に相当する。
トゲート９１（Ｓｃ）、電荷蓄積部９２（ΦCH）、トラ
ンスファーゲート９５（ΦTG）のそれぞれのポテンシャ
ルの高さをHigh、Middle、Low、Highに設定する。これ
らは先のパルス発生部１２からのパルス信号Ｓｄ、Ｓ
ｃ、ΦCH、ΦTGにより制御される。ここで印可パルス電
圧とポテンシャルの高さは逆の関係になる。すなわち印
可電圧がHighのときはポテンシャルの高さはLowとな
る。フォトダイオード９０で光電変換されたフォトキャ
リア９８は電荷蓄積部９２下のポテンシャル井戸に蓄積
される。フォトキャリア９８は信号電荷に相当する。
【００２５】・電荷排出モード（図４（b ）） 電荷排出用フォトゲート９３（Ｓｄ）、電荷蓄積用フォ
トゲート９１（Ｓｃ）、電荷蓄積部９２（ΦCH）、トラ
ンスファーゲート９５（ΦTG）のそれぞれのポテンシャ
ルの高さをLow、High、Low 、Highに設定する。これら
は先のパルス発生部１２からのパルス信号Ｓｄ、Ｓｃ、
ΦCH、ΦTGにより制御される。フォトダイオード９０で
光電変換されたフォトキャリア９８は電荷排出用フォト
ゲート９３を経由して、ドレイン９４に排出される。こ
の際、電荷蓄積部９２に蓄積されたフォトキャリア（信
号電荷）は、ポテンシャルの壁に阻まれているためどこ
にも流出することなく一定値を保つことができる。
トゲート９１（Ｓｃ）、電荷蓄積部９２（ΦCH）、トラ
ンスファーゲート９５（ΦTG）のそれぞれのポテンシャ
ルの高さをLow、High、Low 、Highに設定する。これら
は先のパルス発生部１２からのパルス信号Ｓｄ、Ｓｃ、
ΦCH、ΦTGにより制御される。フォトダイオード９０で
光電変換されたフォトキャリア９８は電荷排出用フォト
ゲート９３を経由して、ドレイン９４に排出される。こ
の際、電荷蓄積部９２に蓄積されたフォトキャリア（信
号電荷）は、ポテンシャルの壁に阻まれているためどこ
にも流出することなく一定値を保つことができる。
【００２６】・ＣＣＤレジスタ転送から外部出力モード
( 図示せず) 電荷排出用フォトゲート９３（Ｓｄ）、電荷蓄積用フォ
トゲート９１（Ｓｃ）、電荷蓄積部９２（ΦCH）、トラ
ンスファーゲート９５（ΦTG）のそれぞれのポテンシャ
ルの高さをLow、High、Middle、Low に設定する。これ
らは先のパルス発生部１２からのパルス信号Ｓｄ、Ｓ
ｃ、ΦCH、ΦTGにより制御される。電荷蓄積部９２に蓄
積された信号電荷はトランスファーゲート９５を経由し
てＣＣＤレジスタ９６０に転送される。ＣＣＤレジスタ
から外部への出力は既存のＣＣＤイメージセンサに見ら
れるように例えば３段の転送パルスΦ1、Φ1 、Φ1 に
より、ポテンシャルの高さを３つのレベルに制御したい
わゆるバケツリレーにより行われる。
( 図示せず) 電荷排出用フォトゲート９３（Ｓｄ）、電荷蓄積用フォ
トゲート９１（Ｓｃ）、電荷蓄積部９２（ΦCH）、トラ
ンスファーゲート９５（ΦTG）のそれぞれのポテンシャ
ルの高さをLow、High、Middle、Low に設定する。これ
らは先のパルス発生部１２からのパルス信号Ｓｄ、Ｓ
ｃ、ΦCH、ΦTGにより制御される。電荷蓄積部９２に蓄
積された信号電荷はトランスファーゲート９５を経由し
てＣＣＤレジスタ９６０に転送される。ＣＣＤレジスタ
から外部への出力は既存のＣＣＤイメージセンサに見ら
れるように例えば３段の転送パルスΦ1、Φ1 、Φ1 に
より、ポテンシャルの高さを３つのレベルに制御したい
わゆるバケツリレーにより行われる。
【００２７】図５は、強度変調光の波形プロファイルを
示し、図６は、図５（ｂ）に示す物体光４ｂ、および図
５（ｃ）に示す参照光４ｃのサンプリングのタイミング
を示し、図７は、物体光４ｂと参照光４ｃとの図５
（ｄ）に示す合成光のサンプリングのタイミングを示
す。
示し、図６は、図５（ｂ）に示す物体光４ｂ、および図
５（ｃ）に示す参照光４ｃのサンプリングのタイミング
を示し、図７は、物体光４ｂと参照光４ｃとの図５
（ｄ）に示す合成光のサンプリングのタイミングを示
す。
【００２８】（１）定常光からなる物体光４ｂの検出 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２
２を制御して直流電流源２１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。
ピュータ１５は、変調信号発生器２の電流信号ミキサ２
２を制御して直流電流源２１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。
【００２９】パルス発生部１２により、先の電荷蓄積モ
ードと電荷排出モードで示したタイミングでパルスを発
生させ、これを繰り返す（図６）。対象物体６からの物
体光４ｂは、フォトダイオード９０によって信号電流に
光電変換され、その信号電流は、電荷蓄積用フォトゲー
ト９１を介して電荷蓄積部９２に信号電荷として所定の
回数分蓄積される。
ードと電荷排出モードで示したタイミングでパルスを発
生させ、これを繰り返す（図６）。対象物体６からの物
体光４ｂは、フォトダイオード９０によって信号電流に
光電変換され、その信号電流は、電荷蓄積用フォトゲー
ト９１を介して電荷蓄積部９２に信号電荷として所定の
回数分蓄積される。
【００３０】電荷蓄積部９２に蓄積された信号電荷は、
先のＣＣＤレジスタ転送から外部出力モードにて示した
通りである。電荷蓄積部９２に蓄積された信号電荷はト
ランスファーゲート９５を経由して、まず図３に示す垂
直ＣＣＤ９６に転送される。垂直ＣＣＤ９６から水平Ｃ
ＣＤ９７への転送は既存のＣＣＤに見られるように３段
の転送パルスΦV1、ΦV2、ΦV3により、ポテンシャルの
高さを３つのレベルに制御したいわゆるバケツリレーに
より行われる。水平ＣＣＤ９７から外部出力への転送の
仕方も垂直ＣＣＤ９６の場合と同様である。出力信号
は、図１の比較回路１３を経由し距離演算部１４にて１
画素に相当するフォトダイオード９０毎にメモリされ
る。これら画素毎にメモリされた出力信号の値は、図５
（ｂ）に示す物体光４ｂの振幅（Ｃn・ａＥ）に対応
し、その値をＡ11，Ａ12，…とする。
先のＣＣＤレジスタ転送から外部出力モードにて示した
通りである。電荷蓄積部９２に蓄積された信号電荷はト
ランスファーゲート９５を経由して、まず図３に示す垂
直ＣＣＤ９６に転送される。垂直ＣＣＤ９６から水平Ｃ
ＣＤ９７への転送は既存のＣＣＤに見られるように３段
の転送パルスΦV1、ΦV2、ΦV3により、ポテンシャルの
高さを３つのレベルに制御したいわゆるバケツリレーに
より行われる。水平ＣＣＤ９７から外部出力への転送の
仕方も垂直ＣＣＤ９６の場合と同様である。出力信号
は、図１の比較回路１３を経由し距離演算部１４にて１
画素に相当するフォトダイオード９０毎にメモリされ
る。これら画素毎にメモリされた出力信号の値は、図５
（ｂ）に示す物体光４ｂの振幅（Ｃn・ａＥ）に対応
し、その値をＡ11，Ａ12，…とする。
【００３１】（２）定常光からなる参照光４ｃの検出 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２
２を制御して直流電流源２１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９０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サンプリング
される。サンプリング回数（蓄積回数）は、物体光４ｂ
の検出時と同じである。距離演算部１４において画素毎
にメモリされた出力信号の値は、図５（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。なお、物体光４ｂおよび参照光４ｃの検出の
際のいずれも、サンプリングのスタート時刻は特に指定
は無い。またサンプリングの回数は、次の合成光の検出
時のサンプリング回数と同じにする。
ピュータ１５は、変調信号発生器２の電流信号ミキサ２
２を制御して直流電流源２１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９０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サンプリング
される。サンプリング回数（蓄積回数）は、物体光４ｂ
の検出時と同じである。距離演算部１４において画素毎
にメモリされた出力信号の値は、図５（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。なお、物体光４ｂおよび参照光４ｃの検出の
際のいずれも、サンプリングのスタート時刻は特に指定
は無い。またサンプリングの回数は、次の合成光の検出
時のサンプリング回数と同じにする。
【００３２】（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 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２２を制御して変調電流源
２０からの変調電流と直流電流源２１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５（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５（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５（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５（ｄ）に示すような合成光が入射す
る。
び参照光４ｃの合成光の検出 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２２を制御して変調電流源
２０からの変調電流と直流電流源２１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５（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５（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５（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５（ｄ）に示すような合成光が入射す
る。
【００３３】図７は、物体光４ｂおよび参照光４ｃから
なる合成光のサンプリングのタイミングを示す。パルス
発生部１２は、各フォトダイオード９０の電荷蓄積用フ
ォトゲート９１および電荷排出用フォトゲート９３に図
７に示すタイミングで蓄積パルス信号Ｓc1（α1），Ｓd
1（β1 ），…，Ｓc2（α2 ），Ｓd2（β2 ），…，Ｓc
k（αk），Ｓdk（βk ），…，Ｓcn（αn ），Ｓdn（β
n ），…を順次出力する。ここでは、サンプリングの位
相αは、合成光の１周期の中に強度変調光の最大振幅に
対応する位相が含まれるように略等間隔で複数設定して
いる。その設定された位相をα1，α2 ，…，αk ，
…，αn とし、その逆相である排出パルス信号Ｓd1〜Ｓ
dnの位相をβ1，β2 ，…，βk ，…，βn とする。
なる合成光のサンプリングのタイミングを示す。パルス
発生部１２は、各フォトダイオード９０の電荷蓄積用フ
ォトゲート９１および電荷排出用フォトゲート９３に図
７に示すタイミングで蓄積パルス信号Ｓc1（α1），Ｓd
1（β1 ），…，Ｓc2（α2 ），Ｓd2（β2 ），…，Ｓc
k（αk），Ｓdk（βk ），…，Ｓcn（αn ），Ｓdn（β
n ），…を順次出力する。ここでは、サンプリングの位
相αは、合成光の１周期の中に強度変調光の最大振幅に
対応する位相が含まれるように略等間隔で複数設定して
いる。その設定された位相をα1，α2 ，…，αk ，
…，αn とし、その逆相である排出パルス信号Ｓd1〜Ｓ
dnの位相をβ1，β2 ，…，βk ，…，βn とする。
【００３４】まず、所定の回数の蓄積パルス信号Ｓc1
（α1 ）に基づいて電荷蓄積を行う。各フォトダイオー
ド９０に入射した合成光は、そのフォトダイオード９０
によって信号電流に光電変換され、その信号電流は、所
定の回数の蓄積パルス信号Ｓc1（α1）に基づいて電荷
蓄積部９２に信号電荷として所定の回数分蓄積される。
また、パルス発生部１２は、各フォトダイオード９０の
電荷排出用フォトゲート９３に排出パルス信号Ｓd1（β
1）を出力してフォトダイオード９０とその周辺の寄生
容量に蓄積された不要電荷をドレイン９４に排出する。
電荷蓄積用フォトゲート９１と電荷排出用フォトゲート
９３とは逆相で駆動されているので、電荷蓄積部９２に
は、位相α1に対応する電荷のみが所定回数分蓄積され
る。
（α1 ）に基づいて電荷蓄積を行う。各フォトダイオー
ド９０に入射した合成光は、そのフォトダイオード９０
によって信号電流に光電変換され、その信号電流は、所
定の回数の蓄積パルス信号Ｓc1（α1）に基づいて電荷
蓄積部９２に信号電荷として所定の回数分蓄積される。
また、パルス発生部１２は、各フォトダイオード９０の
電荷排出用フォトゲート９３に排出パルス信号Ｓd1（β
1）を出力してフォトダイオード９０とその周辺の寄生
容量に蓄積された不要電荷をドレイン９４に排出する。
電荷蓄積用フォトゲート９１と電荷排出用フォトゲート
９３とは逆相で駆動されているので、電荷蓄積部９２に
は、位相α1に対応する電荷のみが所定回数分蓄積され
る。
【００３５】電荷蓄積部９２に蓄積された信号電荷は、
既存のＣＣＤイメージセンサと同様の方法で読み出され
る。読み出された出力信号は、図１の比較回路１３にて
１画素に相当するフォトダイオード９０毎にメモリされ
る。これら画素毎にメモリされた出力信号の値をＰ1-1
1，Ｐ1-12，…とする。
既存のＣＣＤイメージセンサと同様の方法で読み出され
る。読み出された出力信号は、図１の比較回路１３にて
１画素に相当するフォトダイオード９０毎にメモリされ
る。これら画素毎にメモリされた出力信号の値をＰ1-1
1，Ｐ1-12，…とする。
【００３６】同様にして所定の回数の蓄積パルス信号Ｓ
c2（α2 ）に基づいて電荷蓄積部９２に信号電荷として
所定の回数分蓄積する。電荷蓄積部９２には、位相α2
に対応する電荷のみが所定回数分蓄積される。電荷蓄積
部９２に蓄積された信号電荷は、前述したのと同様に出
力信号として読み出される。読み出された出力信号は、
図１の比較回路１３にて画素毎にメモリされる。これら
画素毎にメモリされた出力信号の値をＰ2-11，Ｐ2-12，
…とする。
c2（α2 ）に基づいて電荷蓄積部９２に信号電荷として
所定の回数分蓄積する。電荷蓄積部９２には、位相α2
に対応する電荷のみが所定回数分蓄積される。電荷蓄積
部９２に蓄積された信号電荷は、前述したのと同様に出
力信号として読み出される。読み出された出力信号は、
図１の比較回路１３にて画素毎にメモリされる。これら
画素毎にメモリされた出力信号の値をＰ2-11，Ｐ2-12，
…とする。
【００３７】比較回路１３は、Ｐ1-11とＰ2-11、Ｐ1-12
とＰ2-12というように、画素毎にその大小を比較し、大
きいほうをＰp-11，Ｐp-12，…とする。蓄積パルス信号
Ｓck，…，Ｓcnにより、この作業を同様の手順で繰り返
し、最終的に得られたＰp-11，Ｐp-12，…を距離演算部
１４にメモリする。
とＰ2-12というように、画素毎にその大小を比較し、大
きいほうをＰp-11，Ｐp-12，…とする。蓄積パルス信号
Ｓck，…，Ｓcnにより、この作業を同様の手順で繰り返
し、最終的に得られたＰp-11，Ｐp-12，…を距離演算部
１４にメモリする。
【００３８】（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６（ａ）
に示すような照明光４ａの光強度Ｉoは、次の式（１）
のように表される。 Ｉo ＝Ｅ（ｓｉｎωｔ＋１） ・・・（１）
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６（ａ）
に示すような照明光４ａの光強度Ｉoは、次の式（１）
のように表される。 Ｉo ＝Ｅ（ｓｉｎωｔ＋１） ・・・（１）
【００３９】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１０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６（ｂ）に示すような物
体光４ｂの強度は、次の式（２）のように表される。 Ａn ＝Ｃn・ａＥ｛ｓｉｎ（ωｔ＋φn ）＋１｝ ・・・（２） ここで、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る。（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 但し、Ｃは光速を表す。
ると、必要とされる変調周波数は３０ＭＨｚとなる。ハ
ーフミラー１０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６（ｂ）に示すような物
体光４ｂの強度は、次の式（２）のように表される。 Ａn ＝Ｃn・ａＥ｛ｓｉｎ（ωｔ＋φn ）＋１｝ ・・・（２） ここで、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る。（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 但し、Ｃは光速を表す。
【００４０】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（３）のように表される。 Ｂn ＝ｂＥ（ｓｉｎωｔ＋１） ・・・（３）
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（３）のように表される。 Ｂn ＝ｂＥ（ｓｉｎωｔ＋１） ・・・（３）
【００４１】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（２）と参照光
４ｃの光強度を求める式（３）の加算により次の式
（４）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 ・ａｂＥ2ｃｏｓφn ｝ ・ｓｉｎ（ωｔ＋θ） ・・・（４） ただし、 ｔａｎθ＝Ｃn ・ａＥｓｉｎφn ／（Ｃn ・ａＥｃｏｓφn ＋ｂＥ） 式（４）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、 Ｐp ＝Ｃn ・ａＥ＋ｂＥ ＋√｛（Ｃn ・ａＥ）2 ＋（ｂＥ）2 ＋２Ｃn ・ａｂＥ2ｃｏｓφn ｝ ・・・（５） と表される。
Ｐn は、物体光４ｂの光強度を求める式（２）と参照光
４ｃの光強度を求める式（３）の加算により次の式
（４）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 ・ａｂＥ2ｃｏｓφn ｝ ・ｓｉｎ（ωｔ＋θ） ・・・（４） ただし、 ｔａｎθ＝Ｃn ・ａＥｓｉｎφn ／（Ｃn ・ａＥｃｏｓφn ＋ｂＥ） 式（４）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、 Ｐp ＝Ｃn ・ａＥ＋ｂＥ ＋√｛（Ｃn ・ａＥ）2 ＋（ｂＥ）2 ＋２Ｃn ・ａｂＥ2ｃｏｓφn ｝ ・・・（５） と表される。
【００４２】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。Ｃn ・ａＥおよびｂＥは参照光を強度変調せ
ずに放射したときの値であるので、これらを求める際に
は強度変調を行わない。Ｐpを求める際には、物体光４
ｂおよび参照光４ｃを強度変調させて合成光を形成し、
合成波を所定の複数のタイミングによりサンプリング
し、サンプリング結果が最大となるタイミングにおける
値を検出する。物体光４ｂの振幅に相当する信号（Ａ1
1，Ａ12，…）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（フォトダイオード）に相当する信号をＢお
よびＰpとすると、式（５）は、 Ｐp ＝Ａ＋Ｂ＋√（Ａ2 ＋Ｂ2 ＋２ＡＢｃｏｓφn ） ・・・（６） と表されるため、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。これを全画素について行
うことにより、全画素における距離画像が取得できる。
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。Ｃn ・ａＥおよびｂＥは参照光を強度変調せ
ずに放射したときの値であるので、これらを求める際に
は強度変調を行わない。Ｐpを求める際には、物体光４
ｂおよび参照光４ｃを強度変調させて合成光を形成し、
合成波を所定の複数のタイミングによりサンプリング
し、サンプリング結果が最大となるタイミングにおける
値を検出する。物体光４ｂの振幅に相当する信号（Ａ1
1，Ａ12，…）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（フォトダイオード）に相当する信号をＢお
よびＰpとすると、式（５）は、 Ｐp ＝Ａ＋Ｂ＋√（Ａ2 ＋Ｂ2 ＋２ＡＢｃｏｓφn ） ・・・（６） と表されるため、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。これを全画素について行
うことにより、全画素における距離画像が取得できる。
【００４３】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）サンプリング期間以外に発生した不要電荷を排出
してサンプリング期間に発生した信号電荷にみを電荷蓄
積部に蓄積するようにしたので、正確な信号電荷が得ら
れ、また、強度変調光の同相について複数回蓄積した信
号電荷を得ているので、Ｓ／Ｎ比が高くなり、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ＣＣＤイメージセンサによって構
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）本センサ９は、フォトダイオード９０に隣接した
１つの電荷蓄積用フォトゲート９１と電荷蓄積部９２と
の間、および１つの電荷排出用フォトゲート９３とドレ
イン９４との間で電荷転送が行われるので、蓄積回路の
時定数を非常に小さく抑えられることから、電荷蓄積用
フォトゲート９１および電荷排出用フォトゲート９３を
駆動するパルス信号は、１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚと高周
波側まで対応可能である。よって高速に計測することが
可能となり、また蓄積回路のサンプリング周波数と信号
読み出しの周波数を独立に制御することができるため、
電荷蓄積部９２に高速で蓄積した信号電荷を通常のビデ
オレート等のように低速で読み出すことができる。 （ニ）本センサ９は、通常の画像センサとしても用いる
ことができる。先に示したタイミングにて動作させても
構わないが、電荷蓄積用フォトゲート９１、電荷蓄積部
９２、トランスファーゲート９５、電荷排出用フォトゲ
ート９３のポテンシャルの高さをmiddle,Low, High, Hi
gh にしておけば既存のＣＣＤイメージセンサと同様な
読み出しタイミングにより、輝度画像を取得できる。従
って、１つの２次元ＣＣＤセンサ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。
の効果が得られる。 （イ）サンプリング期間以外に発生した不要電荷を排出
してサンプリング期間に発生した信号電荷にみを電荷蓄
積部に蓄積するようにしたので、正確な信号電荷が得ら
れ、また、強度変調光の同相について複数回蓄積した信
号電荷を得ているので、Ｓ／Ｎ比が高くなり、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ＣＣＤイメージセンサによって構
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）本センサ９は、フォトダイオード９０に隣接した
１つの電荷蓄積用フォトゲート９１と電荷蓄積部９２と
の間、および１つの電荷排出用フォトゲート９３とドレ
イン９４との間で電荷転送が行われるので、蓄積回路の
時定数を非常に小さく抑えられることから、電荷蓄積用
フォトゲート９１および電荷排出用フォトゲート９３を
駆動するパルス信号は、１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚと高周
波側まで対応可能である。よって高速に計測することが
可能となり、また蓄積回路のサンプリング周波数と信号
読み出しの周波数を独立に制御することができるため、
電荷蓄積部９２に高速で蓄積した信号電荷を通常のビデ
オレート等のように低速で読み出すことができる。 （ニ）本センサ９は、通常の画像センサとしても用いる
ことができる。先に示したタイミングにて動作させても
構わないが、電荷蓄積用フォトゲート９１、電荷蓄積部
９２、トランスファーゲート９５、電荷排出用フォトゲ
ート９３のポテンシャルの高さをmiddle,Low, High, Hi
gh にしておけば既存のＣＣＤイメージセンサと同様な
読み出しタイミングにより、輝度画像を取得できる。従
って、１つの２次元ＣＣＤセンサ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。
【００４４】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（５）を変形すると、次の式
（７）のようになる。 Ｐp −（Ｃn ・ａＥ＋ｂＥ） ＝√｛（Ｃn ・ａＥ）2 ＋（ｂＥ）2 ＋２Ｃn ・ａｂＥ2ｃｏｓφn ｝ ・・・（７） 左辺のＰp −（Ｃn ・ａＥ＋ｂＥ）は、図５（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（７）に基づいて
合成光の振幅成分を検出する。
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（５）を変形すると、次の式
（７）のようになる。 Ｐp −（Ｃn ・ａＥ＋ｂＥ） ＝√｛（Ｃn ・ａＥ）2 ＋（ｂＥ）2 ＋２Ｃn ・ａｂＥ2ｃｏｓφn ｝ ・・・（７） 左辺のＰp −（Ｃn ・ａＥ＋ｂＥ）は、図５（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（７）に基づいて
合成光の振幅成分を検出する。
【００４５】次に、この第２の実施の形態の距離演算部
１４の動作を説明する。まず、合成光の光強度の最大値
（サンプリング結果の最大値）を第１の実施の形態にお
ける合成光のピーク値を求める手順と同じ手順で求め
る。それぞれの画素（フォトダイオード９０）におい
て、求められた最大値が距離演算部１４内のメモリにス
トアされる。次に光強度の最小値（サンプリング結果の
最小値）を最大値を求めたアルゴリズムと逆のアルゴリ
ズムにより求める。すなわち、合成光を所定の複数のタ
イミングによりサンプリングし、サンプリング結果が最
小となるタイミングにおける値を比較回路１３にて抽出
し、距離演算部１４内の別のメモリにストアする。合成
光の振幅成分は、これらの光強度の最大値から最小値を
引いた値の１／２であるので、これに基づいて、距離演
算部１４にて各画素における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（７）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。なお、参照光４ｃ
および物体光４ｂの振幅成分であるｂＥおよびＣn ・ａ
Ｅを、それぞれのＤＣ成分から求めるのではなく、照明
光４aを強度変調させて、その際の参照光４ｃおよび物
体光４ｂの振幅を上記に示した合成光の振幅成分を求め
た手順［（最大値−最小値）／２］から求めてもよい。
１４の動作を説明する。まず、合成光の光強度の最大値
（サンプリング結果の最大値）を第１の実施の形態にお
ける合成光のピーク値を求める手順と同じ手順で求め
る。それぞれの画素（フォトダイオード９０）におい
て、求められた最大値が距離演算部１４内のメモリにス
トアされる。次に光強度の最小値（サンプリング結果の
最小値）を最大値を求めたアルゴリズムと逆のアルゴリ
ズムにより求める。すなわち、合成光を所定の複数のタ
イミングによりサンプリングし、サンプリング結果が最
小となるタイミングにおける値を比較回路１３にて抽出
し、距離演算部１４内の別のメモリにストアする。合成
光の振幅成分は、これらの光強度の最大値から最小値を
引いた値の１／２であるので、これに基づいて、距離演
算部１４にて各画素における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（７）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。なお、参照光４ｃ
および物体光４ｂの振幅成分であるｂＥおよびＣn ・ａ
Ｅを、それぞれのＤＣ成分から求めるのではなく、照明
光４aを強度変調させて、その際の参照光４ｃおよび物
体光４ｂの振幅を上記に示した合成光の振幅成分を求め
た手順［（最大値−最小値）／２］から求めてもよい。
【００４６】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。
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。
【００４７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、サ
ンプリングの期間以外に発生した不要電荷を排出してサ
ンプリングの期間に発生した信号電荷のみを蓄積部に蓄
積するようにしたので、正確な信号電荷が得られ、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
ＣＣＤイメージセンサ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。
ンプリングの期間以外に発生した不要電荷を排出してサ
ンプリングの期間に発生した信号電荷のみを蓄積部に蓄
積するようにしたので、正確な信号電荷が得られ、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
ＣＣＤイメージセンサ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。
【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。
測装置の構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係る変調信号発生器の構成
図である。
図である。
【図３】第１の実施の形態に係る光センサの構成図であ
る。
る。
【図４】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。
ら電荷転送を模式的に示した図である。
【図５】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。
ロファイルである。
【図６】第１の実施の形態における光センサのサンプリ
ングのタイミングを示す図である。
ングのタイミングを示す図である。
【図７】第１の実施の形態における光センサのサンプリ
ングのタイミングを示す図である。
ングのタイミングを示す図である。
【図８】従来の三次元形状計測装置の構成図である。
【図９】従来の三次元形状計測装置の構成図である。
【図１０】ＣＣＤの電荷発生から電荷転送を模式的に示
した図である。
した図である。
１ 三次元形状計測装置 ２ 変調信号発生器 ４ａ 照明光 ３ 半導体レーザ ６ 対象物体 ５ 投影レンズ ４ｂ 物体光 ８ 光学フィルタ ９ 光センサ ７ 結像レンズ ４ｃ 参照光 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 １２ パルス発生回路 １３ 比較回路 １４ 距離演算部 １５ コンピュータ ２０ 変調電流源 ２１ 直流電流源 ２２ 電流信号ミキサ ９０ フォトダイオード ９００ フォトダイオード ９１ 電荷蓄積用フォトゲート ９１０ フォトゲート ９２ 電荷蓄積部 ９３ 電荷排出用フォトゲート ９４ ドレイン ９５ トランスファーゲート ９５０ トランスファーゲート ９６ 垂直ＣＣＤ ９６０ ＣＣＤレジスタ ９７ 水平ＣＣＤ ９８ フォトキャリア
───────────────────────────────────────────────────── 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 27/148 Ｇ０１Ｂ 11/24 Ｋ // Ｈ０４Ｎ 13/02 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｂ Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA53 DD00 DD02 DD04 DD06 FF13 FF42 GG06 JJ03 JJ18 JJ26 LL00 LL04 LL21 LL30 NN02 NN08 NN11 QQ00 QQ01 QQ02 QQ14 QQ23 QQ24 QQ25 QQ28 QQ47 4M118 AA10 AB02 AB03 BA08 BA13 CA03 FA06 FA12 FA15 FA19 FA33 FA34 FA44 GD03 GD14 5C024 AX01 BX00 CX12 CY17 EX12 GX03 GY04 GZ02 GZ03 GZ04 GZ07 GZ08 GZ13 5C061 AA29 AB02 AB03 AB06 AB08 5J084 AA05 AD01 AD05 BA04 BA36 BB02 BB20 BB24 BB35 CA03 CA22 CA31 CA67 EA31
Claims (8)
- 【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、前記信号電流を所定の周期でサンプリングする
サンプリング部と、前記サンプリング部によってサンプ
リングされた前記信号電流に対応する信号電荷を蓄積す
る蓄積部と、前記サンプリング部がサンプリングしてい
ない期間に前記光電変換部および前記光電変換部の周辺
に形成された寄生容量に蓄積された不要電荷を排出する
排出部とを有して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蓄積部に蓄積された前記
信号電荷を読み出す読み出し手段とを備え、前記サンプ
リング部および前記排出部は、フォトゲートを用いて構
成されたことを特徴とする光センサ。 - 【請求項２】 前記光電変換部は、前記入射光として所
定の周波数で強度変調された強度変調光を光電変換し、 前記サンプリング部は、前記強度変調光の複数の位相に
ついて前記信号電流をサンプリングし、 前記蓄積部は、前記信号電荷を前記位相毎に蓄積し、 前記読み出し手段は、前記信号電荷を前記位相毎に読み
出す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。 - 【請求項３】 前記光電変換部は、前記入射光として所
定の周波数で強度変調された強度変調光を光電変換し、 前記サンプリング部は、前記強度変調光の複数の位相に
ついて前記信号電流をそれぞれ複数回サンプリングし、 前記蓄積部は、前記複数回分の前記信号電荷を前記位相
毎に蓄積し、 前記読み出し手段は、前記複数回分の信号電荷を前記位
相毎に読み出す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。 - 【請求項４】 前記サンプリング部は、前記強度変調光
の最大振幅に対応する位相が前記複数の位相に含まれる
ように構成されたことを特徴とする請求項２又は３に記
載の光センサ。 - 【請求項５】 前記サンプリング部は、前記光電変換部
の出力側に接続され、所定の周期の蓄積パルスで駆動さ
れる電荷蓄積用フォトゲートを備え、 前記蓄積部は、前記電荷蓄積用フォトゲートに隣接さ
れ、前記光電変換部から前記電荷蓄積用フォトゲートを
介して流入する前記信号電流に対応する前記信号電荷を
蓄積し、 前記排出部は、ドレインに接続され、前記蓄積パルスと
逆相の排出パルスで駆動される電荷排出用フォトゲート
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。 - 【請求項６】 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する演算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、前記信号電流を所定の周期でサンプリングするサン
プリング部と、前記サンプリング部によってサンプリン
グされた前記信号電流に対応する信号電荷を蓄積する蓄
積部と、前記サンプリング部がサンプリングしていない
期間に前記光電変換部および前記光電変換部の周辺に形
成された寄生容量に蓄積された不要電荷を排出する排出
部とを有して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蓄積部に蓄積された前記
信号電荷を読み出す読み出し手段とを備え、前記サンプ
リング部および前記排出部は、フォトゲートを用いて構
成されたことを特徴とする三次元形状計測装置。 - 【請求項７】 前記サンプリング部は、前記強度変調光
の複数の位相について前記信号電流をサンプリングし、 前記蓄積部は、前記信号電荷を前記位相毎に蓄積し、 前記読み出し手段は、前記信号電荷を前記位相毎に読み
出し、 前記演算手段は、前記複数の位相の前記信号電荷のうち
最大値を示す前記信号電荷に基づいて前記強度変調光の
最大振幅を演算する構成であることを特徴とする請求項
６に記載の三次元形状計測装置。 - 【請求項８】 前記サンプリング部は、前記強度変調光
の複数の位相について前記信号電流をそれぞれ複数回サ
ンプリングし、 前記蓄積部は、前記複数回分の前記信号電荷を前記位相
毎に蓄積し、 前記読み出し手段は、前記複数回分の信号電荷を前記位
相毎に読み出し、 前記演算手段は、前記複数の位相の前記信号電荷のうち
最大値を示す前記信号電荷に基づいて前記強度変調光の
最大振幅を演算する構成であることを特徴とする請求項
６に記載の三次元形状計測装置。
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Cited By (15)
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|---|---|---|---|---|
| US7138646B2 (en) | 2002-07-15 | 2006-11-21 | Matsushita Electric Works, Ltd. | Light receiving device with controllable sensitivity and spatial information detecting apparatus with charge discarding device using the same |
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| JP2005235893A (ja) * | 2004-02-18 | 2005-09-02 | National Univ Corp Shizuoka Univ | 光飛行時間型距離センサ |
| WO2005078386A1 (ja) * | 2004-02-18 | 2005-08-25 | National University Corporation Shizuoka University | 光飛行時間型距離センサ |
| JP2006153772A (ja) * | 2004-11-30 | 2006-06-15 | Matsushita Electric Works Ltd | 測量装置 |
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| WO2008069141A1 (ja) * | 2006-11-30 | 2008-06-12 | National University Corporation Shizuoka University | 半導体測距素子及び固体撮像装置 |
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| JP2012173073A (ja) * | 2011-02-21 | 2012-09-10 | Omron Corp | 物体検出ユニット |
| CN103594480A (zh) * | 2013-12-02 | 2014-02-19 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 具备信号电荷选择功能的ccd像元结构 |
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