JP2001337166A - ３次元入力方法および３次元入力装置 - Google Patents

３次元入力方法および３次元入力装置

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幸一 掃部
Toshio Norita
寿夫 糊田
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浩志 内野
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Abstract

(57)【要約】 【課題】小型で高分解能の３次元入力装置を実現する。 【解決手段】対象物体にパルス光を投射し、対象物体か
らの反射光を複数の光電変換素子からなる撮像エリアセ
ンサで受光し、パルス光の投射に同期したタイミングで
撮像エリアセンサの露光制御を行い、撮像エリアセンサ
の出力に基づいて光電変換素子毎に距離を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光を投射して反射
光を受光することによって物体の位置情報を得る３次元
入力方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光のパルスの送信から物体で反射して戻
ったパルスの受信までの飛行時間（ＴＯＦ：time of fl
ight）が距離に依存することを利用して３次元入力を行
うことができる。
【０００３】特表平１１−５０８３７１号公報には、受
光デバイスとして撮像エリアセンサ（２次元イメージセ
ンサ）を用い、電気光学変調器によって撮像エリアセン
サに入射する光を変調する装置構成が記載されている。
投光に同期した受光変調を行うことにより、距離が撮像
エリアセンサの露光量に反映する。変調したときの露光
量と変調しないときの露光量との比を求めることによっ
て、対象物体の反射率に係わらず物体までの距離情報を
得ることができる。撮像エリアセンサを用いることによ
り、走査機構で光路を偏向する場合よりも高速に、多数
点の測距（すなわち３次元入力）を行うことが可能であ
る。
【０００４】また、特開平１０−３３２８２７号公報に
は、一定周期でパルス光の投射を繰り返し、戻った反射
パルス光の光量を一定化して撮像エリアセンサに入射さ
せ、所定期間における露光量を測定する装置構成が記載
されている。露光量は反射パルス光の個数（パルス数）
に比例し、飛行時間が長い遠距離ほど少ない。反射パル
ス光の光量を一定化することにより、対象物体の反射率
に依存しない３次元入力が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述のように光変調に
よって撮像エリアセンサの露光タイミングを制御する構
成では、光変調デバイスを組み込む必要があるので、装
置の小型化が困難であった。反射パルス光の光量を一定
化する構成では、一定化のための光学手段の性能で測定
可能な距離範囲および物体の反射率の許容範囲が制限さ
れ、かつ分解能が投射の周期で決まってしまうという問
題があった。
【０００６】また、従来のどちらの構成においても、飛
行時間の長短を露光量に基づいて検出する方式であるの
で、短距離の場合に高精度の測距を行うのが難しいとい
う問題もあった。
【０００７】本発明は、小型で高分解能の３次元入力装
置の実現を目的としている。他の目的は、所望精度の入
力が可能な距離範囲の拡大を図ることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明においては、撮像
エリアセンサの露光タイミングを制御することによっ
て、対象物体までの距離を各光電変換素子の露光量に反
映させる。例えば、露光期間を対象物体を照射するため
の光源の発光期間と一致させる。撮像エリアセンサの代
表例は、ＣＣＤセンサおよびＭＯＳ型センサである。そ
の入出力特性は、リニア型でもノンリニア型（例えば対
数型）でもよい。
【０００９】また、本発明においては、配光分布の異な
る第１および第２の光の投射を順に行い、対象物体まで
の距離を１回目の投射における露光量と２回目の投射に
おける露光量との比率に反映させる。これにより三角測
量法による距離の算出が可能となる。飛行時間法（ＴＯ
Ｆ法）と三角測量法とを使い分ければ、より広い距離範
囲にわたって高精度の３次元入力を行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕 ［装置の構成］図１は第１実施形態に係る３次元入力装
置の構成を示す図である。（ａ）は全体構成を示し、
（ｂ）は撮像面の構成を示している。
【００１１】３次元入力装置１は、光源１１、投光レン
ズ１２、受光レンズ２１、および撮像エリアセンサ２２
からなる光学系を有する。光源１１は、発光回路３２か
らの電力供給を受けてレーザ光を射出する。投光レンズ
１２を通ったレーザ光によって対象物体Ｑが照射され
る。対象物体Ｑからの反射光は受光レンズ２１を経て撮
像エリアセンサ２２に入射する。撮像エリアセンサ２２
は装置外からの光を遮光した画素を有しており、この画
素には光ファイバからなる内部光路１５を通って光源１
１から外部を経ずに直接にレーザ光の一部が“基準光”
として入射する。以下では、受光レンズ２１を経て撮像
エリアセンサ２２に入射する光を“測定光”、この測定
光が入射する画素を“測定画素”、基準光が入射する画
素を“基準画素”という。
【００１２】撮像エリアセンサ２２は、タイミングコン
トローラ３３からのクロックに従って動作し、単位受光
領域である個々の画素の露光量を示す画像信号ＳＧを画
像処理回路３４へ出力する。画像処理回路３４は所定の
演算を行い、それにより得られた測距データＤＬを、記
録のためのメモリ３５およびモニタ表示のためのディス
プレイ３６へ送る。３次元入力装置１における投受光お
よび信号処理に関わる制御はシステムコントローラ３１
が統括する。
【００１３】［測定方法］図２は測定原理の説明図であ
る。光源は一定周期で交互にＯＮ／ＯＦＦを繰り返す発
光制御信号に呼応して間欠発光をする。撮像エリアセン
サの露光は、フレーム（ｎ）においては発光タイミング
と同期した間欠露光である。図示では発光タイミングと
露光タイミングとが完全に一致しているが、同期がとれ
ていればタイミングがずれていてもよいし、期間の長さ
（パルス幅）が発光と露光とで多少異なってもよい。
【００１４】時点ｔ１において発光した光の一部（基準
光）は、内部光路を伝搬して基準画素に入射する。基準
光の入射は、時点ｔ１から発光遅れ時間（オフセット時
間）および内部光路を伝搬する時間とを合わせた時間Ｄ
ｒｅｆが経過した時点ｔ２から始まる。対象物体からの
測定光の入射は、時点ｔ１から発光遅れ時間および外部
光路を伝搬する時間とを合わせた時間Ｄ１が経過した時
点ｔ３から始まる。発光が停止する時点ｔ４で撮像エリ
アセンサの露光も停止するので、１回の露光における測
定画素の露光量は対象物体までの距離および対象物体の
反射率に応じた値をとる。なお、距離に依存する露光量
変化の要因には、入射が遅れることによる露光時間の差
異の他に、光強度の減衰（遠いほど強度が低下する）が
ある。対象物体の反射率が既知であれば、露光量に基づ
いて距離を求めることが可能である。１回の発光の期間
の長さによって測定可能距離が決まる。１フレーム期間
内に多数回の投受光を行って１フレーム期間内の露光量
の総和（蓄積電荷）に基づいて距離を求めることによ
り、誤差を低減することができる。
【００１５】しかし、実際には対象物体の各部の反射率
を前もって知ることは難しい。そこで、フレーム（ｎ＋
１）においては、撮像エリアセンサの露光を連続露光と
する。これによりフレーム（ｎ＋１）における露光量は
主として対象物体の反射率に応じた量（反射率データ）
となる。したがって、撮像エリアセンサの各画素につい
て次の演算を行うことにより、測定データから対象物の
反射率成分を除いた測距データを得ることができる。測
距データ＝測定データ÷反射率データ＝［フレーム
（ｎ）の画像データ）］÷［フレーム（ｎ＋１）の画像
データ］ この演算は図３に示す構成の画像処理回路３４により実
現可能である。
【００１６】撮像エリアセンサ２２から送られてくる画
像信号ＳＧはＡＤ変換器４０１にて量子化され、画像デ
ータＤＧとして出力される。フレーム（ｎ）において、
画像データＤＧ（測定データ）はフレームメモリ４１０
に一旦格納される。
【００１７】フレーム（ｎ＋１）において、画像データ
ＤＧ（反射率データ）がＡＤ変換器４０１から出力され
ると、それに同期してフレームメモリ４１０からフレー
ム（ｎ）の画像データＤＧが出力され、除算器４２０に
て上述の演算が行われる。
【００１８】また、測定画素の測距データと基準画素の
測距データとに基づいて次の補正演算を行うことによ
り、発光遅れ時間の影響を取り除き、各測定画素の対象
物体までの距離をより正確に測定することができる。 補正後の測距データ＝（測定画素の測距データ）−（基
準画素の測距データ） この演算機能を画像処理回路３４に設けてもよいし、シ
ステムコントローラ３１が演算を担ってもよい。
【００１９】［撮像エリアセンサの具体例］撮像エリア
センサ２２としては、ＣＣＤセンサおよびＭＯＳ型セン
サのどちらを用いてもよい。
【００２０】図４はＣＣＤセンサの動作説明図である。
（ａ）は構造を模式的に示し、（ｂ）は制御タイミング
を示す。各時点ｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４の状態は
次のとおりである。 ｔ０：フォトダイオード（ＰＤ）により光電変換された
電荷の蓄積が始まる。 ｔ１：ゲートＳＨ１がＯＮとされ、蓄積電荷がゲートＳ
Ｈ１へ移る。 ｔ２：ゲートＳＨ１がＯＦＦとなり、再びＰＤにて電荷
の蓄積が始まる。 ｔ３：ゲートＯＤがＯＮとなり、ｔ２〜ｔ３の期間に蓄
積した電荷がＰＤから基板へ排出される。 ｔ４：ＯＤゲートがＯＦＦとなり、再び電荷の蓄積が始
まる。 以上の動作を繰り返すことにより、ゲートＳＨ１には期
間Ｔｏｎに光電変換された電荷が次々と蓄積されてい
く。
【００２１】図５はＣＣＤセンサを用いた場合の投受光
の制御を示す信号波形図である。フレーム（ｎ）では図
４の動作を繰り返す間欠露光を行い、フレーム（ｎ＋
１）では連続露光を行う。フレーム（ｎ）においてゲー
トＳＨ１に貯えられた電荷はフレーム終了時にゲートＳ
Ｈ２がＯＮとなることにより、転送ゲートφＴ１に送ら
れ、フレーム（ｎ＋１）の露光動作と並行して画像処理
回路３４へ出力される。
【００２２】図６はＭＯＳ型センサの動作説明図であ
る。（ａ）は構造の概略、（ｂ）は電荷の移動、（ｃ）
は制御タイミングを示す。各時点ｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ
３，ｔ４の状態は次のとおりである。
【００２３】ｔ０：ＰＤの寄生容量Ｃ１にて電荷の蓄積
が始まる。 ｔ１：ゲートＳＴがＯＮとされ、寄生容量Ｃ１からそれ
より十分に容量の大きいコンデンサＣ２へ電荷が移る。
【００２４】ｔ２：ゲートＳＴがＯＦＦとなり、再び寄
生容量Ｃ１への電荷蓄積が始まる。 ｔ３：ゲートＲＳがＯＮとなり、ｔ２〜ｔ３の期間に蓄
積した電荷が寄生容量Ｃ１から電源ラインＶｃｃへ排出
される。
【００２５】ｔ４：ゲートＲＳがＯＦＦとなり、再び電
荷の蓄積が始まる。 以上の動作を繰り返すことにより、コンデンサＣ２には
期間Ｔｏｎに光電変換された電荷が次々と蓄積されてい
く。なお、コンデンサＣ２と比べて寄生容量Ｃ１は小さ
いので、電荷の蓄積により寄生容量Ｃ１の電位が大きく
上昇する。これによりゲートＳＴがＯＮのときに、寄生
容量Ｃ１からコンデンサＣ２へ電荷が移動する。
【００２６】図７はＭＯＳ型センサを用いた場合の投受
光の制御を示す信号波形図である。図７において、図６
（ａ）に示されるＰＤ11〜ＰＤ14におけるフレーム
（ｎ）はｔ０〜ｔ６に相当し、フレーム（ｎ＋１）はｔ
８〜ｔ１０に相当する。ＰＤ21〜ＰＤ24におけるフレー
ム（ｎ）はｔ５〜ｔ７に相当し、フレーム（ｎ＋１）は
ｔ９〜ｔ１１に相当する。また、ＰＤ31〜ＰＤ34におけ
るフレーム（ｎ）はｔ６〜ｔ８に相当し、フレーム（ｎ
＋１）はｔ１０〜ｔ１２に相当する。
【００２７】フレーム（ｎ）では図６の動作を繰り返す
間欠露光を行い、フレーム（ｎ＋１）では連続露光を行
う。フレーム（ｎ）でコンデンサＣ２に貯えられた電荷
はフレーム終了時にゲートＳＬ11〜ＳＬ14がＯＮとなる
ことにより、ＰＤ11〜ＰＤ14の電荷に相当する信号がラ
インメモリにより記憶される。ラインメモリに記憶され
たＰＤ11〜ＰＤ14の信号はスイッチＳＶ1 〜ＳＶ3 が順
次にＯＮしていくことにより、画像処理回路３４へ出力
される。
【００２８】次に、ＰＤ21〜ＰＤ24についても同様に信
号が出力され、最後にＰＤ31〜ＰＤ 34についても同様に
ラインメモリに信号が貯えられると、ＰＤ11〜ＰＤ14に
ついてのフレーム（ｎ＋１）に相当する連続露光が開始
され、連続露光と並行してＰＤ31〜ＰＤ34４の信号が出
力される。
【００２９】［環境光対策］環境光は対象物体までの距
離に依存しないので、撮像エリアセンサ２２ヘの環境光
の入射は誤測距の原因となる。環境光の対策として、光
源の発光波長域の光を選択的に透過させる光学フィルタ
の使用がある。しかし、光学フィルタでは環境光を完全
に取り除くことはできない。次に説明する実施例によれ
ば、環境光による誤測距を防止することができる。
【００３０】図８は制御の第１変形例を示す信号波形図
である。フレーム（ｎ）では間欠発光を行うとともに、
発光と同じタイミングで間欠露光を行う。
【００３１】フレーム（ｎ＋１）では、発光を行わずに
間欠露光を行うことにより、フレーム（ｎ）における露
光量のうちの環境光成分を検出する。フレーム（ｎ＋
２）では、反射率データを得るために、間欠発光および
連続露光を行う。
【００３２】そして、フレーム（ｎ＋３）では、発光を
行わずに連続露光を行うことにより、フレーム（ｎ＋
１）における露光量のうちの環境光成分を検出する。図
９は画像処理回路の第１変形例を示すブロック図であ
る。
【００３３】画像処理回路３４ｂにおいても、図３の場
合と同様に、撮像エリアセンサ２２から送られてくる画
像信号ＳＧはＡＤ変換器４０１にて量子化され、画像デ
ータＤＧとして出力される。
【００３４】フレーム（ｎ）において、画像データＤＧ
（測定データ）はフレームメモリ４１１に一旦格納され
る。フレーム（ｎ＋１）において、画像データＤＧ（間
欠露光の環境光データ）がＡＤ変換器４０１から出力さ
れると、フレームメモリ４１１からはフレーム（ｎ＋
１）の画像データＤＧに同期してフレーム（ｎ）の画像
データＤＧが出力される。減算器４３０での演算によっ
て環境光成分を除去した測定データが得られる。減算器
４３０の出力はフレームメモリ４１２に一旦格納され
る。また、フレームメモリ４１１では、読出しと並行し
てフレーム（ｎ＋２）の画像データＤＧ（反射率デー
タ）の書込みが行われる。
【００３５】フレーム（ｎ＋３）の画像データＤＧ（連
続露光の環境光データ）がＡＤ変換器４０１から出力さ
れると、フレームメモリ４１１から反射率データが読み
出され、減算器４３０から環境光成分を除去した反射率
データが出力される。そして、除算器４２０での演算に
よって、環境光成分を取り除いた測距データＤＬが得ら
れる。
【００３６】［測定可能の距離範囲の拡大］露光タイミ
ングを制御して距離を露光量に反映させる測距方法で
は、基本的には発光期間（発光パルス幅）よりも飛行時
間の長い遠距離の測定はできない。次に説明する実施例
によれば、遠距離の測定が可能となる。
【００３７】図１０は制御の第２変形例を示す図であ
る。フレーム（ｎ）では、間欠発光を行い、発光と同じ
タイミングで間欠露光を行う。フレーム（ｎ＋１）では
間欠発光を行うとともに、フレーム（ｎ）に対して露光
時間分だけ遅れたタイミングの間欠露光を行う。フレー
ム（ｎ＋２）では、間欠発光を行うとともに、フレーム
（ｎ＋１）に対して露光時間分だけ遅れたタイミングの
間欠露光を行う。そして、フレーム（ｎ＋３）では、反
射率データを得るために、間欠発光および連続露光を行
う。
【００３８】例えば、図示のようにフレーム（ｎ＋１）
の露光期間（ｔ１２〜ｔ１４）内の時点ｔ１３から測定
光の入射が始まる場合、対象物体までの距離を表す伝搬
時間Ｄ１１，Ｄ１１’に応じた測定データが、フレーム
（ｎ＋１）およびフレーム（ｎ＋２）の双方にて得られ
る。これらの測定データはフレーム（ｎ＋３）の反射率
データとの除算により反射率成分の除かれた測距データ
となる。フレーム（ｎ＋１）にて得られた測距データと
フレーム（ｎ＋２）にて得られた測距データとの平均を
算出して各画素の測距データとする。
【００３９】このようにフレームどうしで互いにずれた
露光タイミングを設定することで、１回の発光から次の
発光までの発光周期内に対象物体から戻った光を必ず受
光することができるので、測定可能距離は飛行時間でみ
ると発光期間から発光周期へと発光ＯＦＦ期間分だけ長
くなる。送信パルスの立上がりから受信パルスの立上が
りまでの時間（以下、立上がり時間差という）Ｄ１１
と、送信パルスの立下がりから受信パルスの立下がりま
での時間（以下、立下がり時間差という）Ｄ１１’とを
測定し、それらの平均を測距値とするので、高精度な測
距が可能となる。
【００４０】図１１は画像処理回路の第２変形例を示す
ブロック図である。画像処理回路３４ｃにおいて、撮像
エリアセンサ２２から出力された画像信号ＳＧはＡＤ変
換器４０１により画像データＤＧに変換され、フレーム
毎に順にフレームメモリ４１１，４１２，４１３に書き
込まれる。フレーム（ｎ＋３）の画像データＤＧがＡＤ
変換器４０１から出力されるとき、フレームメモリ４１
１からはフレーム（ｎ＋２）の画像データＤＧが、フレ
ームメモリ４１２からはフレーム（ｎ＋１）の画像デー
タＤＧが、フレームメモリ４１３からはフレーム（ｎ）
の画像データＤＧがそれぞれ出力される。除算器４２
１，４２２，４２３によって、各フレームメモリ４１１
〜４１３から出力された画像データＤＧとＡＤ変換器４
０１から出力されたフレーム（ｎ＋３）の画像データＤ
Ｇとの画素単位の除算が行われ、フレーム（ｎ）〜（ｎ
＋２）のそれぞれについて測距データＤＬが算出され
る。これら３フレームの測距データＤＬに基づいて３次
元データが算出される。ここでは、システムコントロー
ラ３１が演算を行うものとする。
【００４１】３次元データの算出に際しては、３フレー
ムの測距データＤＬから、伝搬時間Ｄ１１，Ｄ１１’を
示す２フレームのデータを選択する。そのための場合分
けについて次に説明する。
【００４２】図１２は３次元データの算出に係るモード
判別のフローチャート、図１３は３種のモードと受光時
期との関係を示す波形図である。なお、図１２において
はフレームを「Ｆ」と記してある。
【００４３】システムコントローラ３１は、フレーム
（ｎ）〜フレーム（ｎ＋３）の撮影で得られたフレーム
（ｎ）〜フレーム（ｎ＋２）の測距データＤＬをメモリ
３５から読み出す（＃１０１）。そして、画素毎にフレ
ーム（ｎ）〜フレーム（ｎ＋２）における測距データ値
の大小関係を判定し、その結果に応じてモード１，２，
３のいずれかの演算動作を行う（＃１０２〜＃１１
２）。
【００４４】図１３のように、基準画素についてはフレ
ーム（ｎ）の測距データが立上がり時間差Ｄｒｅｆを表
し、フレーム（ｎ＋１）の測距データが立下がり時間差
Ｄｒｅｆ’を表している。内部光路の伝搬時間が発光パ
ルス幅と比べて十分に短いからである。したがって、基
準画素についての演算には常にフレーム（ｎ），（ｎ＋
１）の測距データを用いる。ただし、基準画素について
も測定画素と同様にモード１〜３の判定を行い、その結
果に従って測距データを選択してもよい。
【００４５】モード１の場合、フレーム（ｎ）の測距デ
ータが立上がり時間差Ｄ１０１を表し、フレーム（ｎ＋
１）の測距データが立下がり時間差Ｄ１０１’を表す。
したがって、演算にはフレーム（ｎ），（ｎ＋１）の測
距データを用いる。各フレームにそれと同じフレームの
基準画素のデータを適用して減算を行うことにより、Ｄ
１０１−Ｄｒｅｆを表す補正した測距データおよびＤ１
０１’−Ｄｒｅｆ’を表す補正した測距データが得られ
る。これらの補正した測距データの平均をモード１と判
定された測定画素における測距データとする。
【００４６】同様に、モード２の場合はフレーム（ｎ＋
１），（ｎ＋２）の測距データを用いて、Ｄ１０２−Ｄ
ｒｅｆ，Ｄ１０２’−Ｄｒｅｆ’を表す補正した測距デ
ータの算出および平均演算を行う。モード３の場合はフ
レーム（ｎ），（ｎ＋２）の測距データを用いて、Ｄ１
０３−Ｄｒｅｆ，Ｄ１０３’−Ｄｒｅｆ’を表す補正し
た測距データの算出および平均演算を行う。
【００４７】以上のようにして遠距離測定を行う場合
に、図１４のように各フレームの露光期間を発光期間よ
りも短くし、複数のフレームが同時と仮定した見かけの
上で発光期間（パルス光投射期間）中に複数回の露光を
行うように、フレーム間で露光タイミングをずらすこと
により、分解能が高まって高精度の測距が可能となる。
図１４の例示では、立上がり時間差Ｄ１１を表すフレー
ム（ｎ）の測距データと、立下がり時間差Ｄ１１’を表
すフレーム（ｎ＋３）の測距データとを用いて測距値を
求める。
【００４８】また、遠距離測定を行う場合にも環境光の
影響を低減することができる。図１５は制御の第４変形
例の概要を示す図である。フレーム（ｎ）〜（ｎ＋２）
では、間欠発光を行い、発光と同じまたは遅れたタイミ
ングで間欠露光を行う。フレーム（ｎ＋３）では発光を
停止して間欠露光を行い、環境光データを得る。フレー
ム（ｎ＋４）では反射率データを得るために、間欠発光
および連続露光を行う。フレーム（ｎ＋５）では発光を
停止して連続露光を行う。
【００４９】図１６は画像処理回路の第３変形例を示す
ブロック図である。画像処理回路３４ｄにおいて、フレ
ームメモリ４１１，４１２，４１３にはフレーム（ｎ＋
２），（ｎ＋１），（ｎ）の測定データＤＧが記憶され
る。フレーム（ｎ＋３）の環境光データがＡＤ変換器４
０１から出力されると、それに同期してフレームメモリ
４１１〜４１３の読出しが行われ、減算器４３１，４３
２，４３３によって環境光成分が取り除かれる。環境光
成分の取り除かれたフレーム（ｎ＋２），（ｎ＋１），
（ｎ）の測定データはフレームメモリ４１４，４１５，
４１６に書き込まれる。
【００５０】次に、フレームメモリ４１１にはフレーム
（ｎ＋４）の反射率データが記憶され、フレーム（ｎ＋
５）の環境光データがＡＤ変換器４０１から出力される
と、減算器４３１によってフレーム（ｎ＋４）の反射率
データから環境光成分が除去される。減算器４３１から
のデータ出力に同期してフレームメモリ４１４〜４１６
の読出しが行われ、除算器４３１，４３２，４３３での
演算によって、環境光成分を取り除いたフレーム（ｎ＋
２），（ｎ＋１），（ｎ）の測距データＤＬが得られ
る。
【００５１】［光学系の他の例］図１７は光学系の変形
例を示す図である。同図において上述の例に対応する構
成要素には図１と同じ符号を付してある。
【００５２】同図（ａ）の構成において、光源１１が射
出した光はコレクタレンズ１３および偏光ミラー１７に
より受光レンズ２１の主点に集光され、対象物体Ｑに向
かう。対象物体Ｑからの反射光は受光レンズ２１、１／
４波長板１６、および偏光ミラー１７を経て撮像エリア
センサ２２の所定の画素に入射する。偏光ミラー１７は
垂直偏光を反射し、平行偏光を透過する。１／４波長板
１６は偏光を４５度傾ける。
【００５３】同図（ｂ）の構成において、光源１１が射
出した光はコレクタレンズ１４およびハーフミラー１８
により受光レンズ２１の主点に集光され、対象物体Ｑに
向かう。対象物体Ｑからの反射光は受光レンズ２１、ハ
ーフミラー１８を経て撮像エリアセンサ２２の所定の画
素に入射する。 〔第２実施形態〕ＴＯＦ方式の測距における信号媒体と
してレーザ光は好適である。しかし、光伝搬時間の測定
は高速の事象を取り扱うので、近距離測定で高精度を確
保するのが難しい。ＴＯＦ方式と三角測量方式とを使い
分けることにより、遠近に関わらず一定精度の測距を実
現することができる。
【００５４】［装置の構成］図１８は第２実施形態に係
る３次元入力装置の構成を示す図である。３次元入力装
置２は、上述した３次元入力装置１と同様の構成要素に
加えて、三角測量のための濃度勾配フィルタ１９、フィ
ルタコントローラ３８、およびモードスイッチ３９を有
する。
【００５５】濃度勾配フィルタ１９の機能は可変であ
り、配光分布の異なる第１，第２の投光を行うこと、お
よび実質的にスルー状態（均一配光）とすることが可能
である。モードスイッチ３９は、操作者が遠距離モード
／近距離モードの切換えを指示するためのユーザーイン
タフェースである。ただし、手動の切換えに限らず、簡
便な測距センサでおおよその距離を検出し、自動的にモ
ードを切り換えてもよい。モードスイッチ３９が出力す
るモード設定信号Ｓｍに応じて、システムコントローラ
３７はフィルタコントローラ３８に対して所定の指示を
与える。
【００５６】遠距離モードが指定された場合は、対象物
体Ｑをほぼ均一に照射するように濃度勾配フィルタ１９
が制御され、３次元入力装置１と同様のＴＯＦ方式の測
距が行われる。近距離モードが指定された場合の動作は
以下のとおりである。
【００５７】［近距離モードの動作］図１９は近距離モ
ードの測定原理の説明図である。同図（ａ）のように、
濃度勾配フィルタ１９の特性を、光軸に対して垂直な面
において１方向（Ｙ方向）に沿って光量が変化する特性
とする。
【００５８】フレーム（ｎ）において濃度勾配フィルタ
１９を用いて投光し、連続露光の撮影を行う。続くフレ
ーム（ｎ＋１）においては、濃度勾配フィルタ１９を光
軸を中心に１８０度回転した状態として撮影を行う。こ
れにより、フレーム（ｎ）とフレーム（ｎ＋１）との投
光強度比は、同図（ｂ）のように光軸を基準として全て
の角度において異なることになる。
【００５９】撮像エリアセンサ２２の各画素と光源との
距離Ｈ、および各画素が受光する光の入射角度αは既知
であり、投光強度比と光線角度θａ，θｂ，θｃ…との
対応関係も既知である。したがって、ある画素について
フレーム（ｎ）とフレーム（ｎ＋１）における入射光の
強度比を求めることにより、その画素に対応した対象物
体上の点ｑを照射する光線の角度（例示ではθｂ）が分
かる。このθｂに基づいて、三角測量の要領で点ｑまで
の距離Ｌｑを算出する。光強度比を得る除算は画像処理
回路３４が行い、各画素についての距離演算はシステム
コントローラ３７が行う。得られた測距データは記録さ
れ、かつ表示される。
【００６０】以上の第１および第２実施形態において、
カラー撮影が可能な撮像エリアセンサ２２を用い、３次
元入力と２次元カラー画像入力とを行い、両者を記録し
たり表示したりしてもよい。１枚の３次元画像を得るも
のとして動作説明をしたが、測定を繰り返して動体の３
次元入力を行うことも可能である。対数圧縮機能をもつ
撮像エリアセンサ２２を使用してもよい。
【００６１】
【発明の効果】請求項１乃至請求項１２の発明によれ
ば、小型で高分解能の３次元入力装置を実現することが
できる。請求項１１の発明によれば、所望精度の入力が
可能な距離範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る３次元入力装置の構成を示
す図である。
【図２】測定原理の説明図である。
【図３】画像処理回路の基本構成を示す図である。
【図４】ＣＣＤセンサの動作説明図である。
【図５】ＣＣＤセンサを用いた場合の投受光の制御を示
す信号波形図である。
【図６】ＭＯＳ型センサの動作説明図である。
【図７】ＭＯＳ型センサを用いた場合の投受光の制御を
示す信号波形図である。
【図８】制御の第１変形例を示す信号波形図である。
【図９】画像処理回路の第１変形例を示すブロック図で
ある。
【図１０】制御の第２変形例を示す図である。
【図１１】画像処理回路の第２変形例を示すブロック図
である。
【図１２】３次元データの算出に係るモード判別のフロ
ーチャートである。
【図１３】３種のモードと受光時期との関係を示す波形
図である。
【図１４】制御の第３変形例を示す図である。
【図１５】制御の第４変形例の概要を示す図である。
【図１６】画像処理回路の第３変形例を示すブロック図
である。
【図１７】光学系の変形例を示す図である。
【図１８】第２実施形態に係る３次元入力装置の構成を
示す図である。
【図１９】近距離モードの測定原理の説明図である。
【符号の説明】
Ｑ 対象物体 ２２ 撮像エリアセンサ ３３ タイミングコントローラ １５ 内部光路 １９ 濃度勾配フィルタ（光学手段）
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） Ｇ０６Ｆ 3/00 ６３０ Ｇ０６Ｆ 3/00 ６３０ 3/033 ３１０ 3/033 ３１０Ｙ (72)発明者 内野 浩志 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA53 DD02 DD12 EE00 FF12 FF32 FF42 FF61 GG04 GG08 JJ03 JJ26 LL04 NN12 PP22 QQ03 QQ23 QQ24 QQ26 QQ42 SS02 SS13 2F112 AD03 AD05 BA03 BA10 CA08 EA20 FA03 FA12 FA21 FA45 GA10 5B087 AA07 AD01 BC12 BC19 BC26 BC32 5E501 BA20 CB20 5J084 AA05 AD05 BA03 BA36 BA51 BB02 BB20 CA03 CA70 EA04

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光を投射して対象物体からの反射光を受光
    することによって、対象物体上の複数の位置までの距離
    を測定する３次元入力方法であって、 対象物体にパルス光を投射し、対象物体からの反射光を
    複数の光電変換素子からなる撮像エリアセンサで受光
    し、 パルス光の投射に同期したタイミングで撮像エリアセン
    サの露光制御を行い、前記撮像エリアセンサの出力に基
    づいて光電変換素子毎に距離を測定することを特徴とす
    る３次元入力方法。
  2. 【請求項２】露光量が光伝搬時間に依存するように露光
    制御したときの前記撮像エリアセンサの出力と、露光量
    が光伝搬時間に依存しないように露光制御したときの前
    記撮像エリアセンサの出力とに基づいて、光電変換素子
    毎に距離を測定する請求項１記載の３次元入力方法。
  3. 【請求項３】パルス光投射期間と露光期間とが一致する
    ように露光制御を行う請求項１記載の３次元入力方法。
  4. 【請求項４】１回の投射に対して、異なるタイミングで
    複数回の露光を行うように露光制御する請求項１記載の
    ３次元入力方法。
  5. 【請求項５】パルス光投射期間内に複数回の露光を行う
    ように露光制御する請求項１記載の３次元入力方法。
  6. 【請求項６】光を投射して対象物体からの反射光を受光
    することによって、対象物体上の複数の位置までの距離
    を測定する３次元入力装置であって、 対象物体にパルス光を投射する送光手段と、 対象物体からの反射光を受光する複数の光電変換素子か
    らなる撮像エリアセンサと、 パルス光の投射に同期したタイミングで撮像エリアセン
    サの露光制御を行うコントローラと、 露光制御によって得られる露光量から、対象物体の距離
    または反射率による受光強度変化成分を除去する手段と
    を有することを特徴とする３次元入力装置。
  7. 【請求項７】パルス光投射期間と露光期間とが一致する
    ように露光制御を行う請求項６記載の３次元入力装置。
  8. 【請求項８】１回の投射に対して、異なるタイミングで
    複数回の露光を行うように露光制御する請求項６記載の
    ３次元入力装置。
  9. 【請求項９】パルス光投射期間内に複数回の露光を行う
    ように露光制御する請求項６記載の３次元入力装置。
  10. 【請求項１０】前記送光手段から前記撮像エリアセンサ
    における少なくとも１個の光電変換素子へパルス光を導
    く内部光路を有し、 前記内部光路を伝搬したパルス光の露光量に応じて測定
    値を補正する請求項６記載の３次元入力装置。
  11. 【請求項１１】投射領域における照度分布を切り換える
    ための光学手段を有し、 対象物体に対して第１の照度分布の光および第２の照度
    分布の光を順に投射し、１回目の投射における前記撮像
    エリアセンサの出力と、２回目の投射における前記撮像
    エリアセンサの出力とに基づいて光電変換素子毎に距離
    を測定する動作モードが設けられた請求項６記載の３次
    元入力装置。
  12. 【請求項１２】光を投射して対象物体からの反射光を受
    光することによって、対象物体上の複数の位置までの距
    離を測定する３次元入力方法であって、 対象物体に対して第１の照度分布の光および第２の照度
    分布の光を順に投射し、各回の投射において対象物体で
    反射した光を複数の光電変換素子からなる撮像エリアセ
    ンサで受光し、 １回目の投射における前記撮像エリアセンサの出力と、
    ２回目の投射における前記撮像エリアセンサの出力とに
    基づいて、光電変換素子毎に距離を測定することを特徴
    とする３次元入力方法。
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