JP2002165230A

JP2002165230A - ３次元画像検出装置

Info

Publication number: JP2002165230A
Application number: JP2000358054A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Seo; 修三瀬尾
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-06-07
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP3954300B2

Abstract

(57)【要約】【課題】被写体と３次元画像検出装置との距離が大き
い場合にも、十分に大きい出力を得る。【解決手段】外部光源装置４５を被写体Ｓの近くに配
置する。内蔵ビーム光源装置１４から３つのレーザビー
ムを被写体Ｓ上の異なる点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃にスポット状
に照射する。点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃で反射された光をカメラ
のＣＣＤで受光し、点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃までの距離ａ₁、ａ
₂、ａ₃及びその座標値を算出する。外部光源装置４５か
ら測距光を拡散して被写体Ｓ全体に照射し、その反射光
をカメラのＣＣＤで検出することにより距離ａ１＋ｂ
１、ａ２＋ｂ２、ａ３＋ｂ３を求め、距離ｂ１、ｂ２、
ｂ３を算出する。点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃の座標値と距離ｂ
１、ｂ２、ｂ３から射出部Ｏ_Sの座標値を算出する。Ｃ
ＣＤの任意の画素に対応する被写体Ｓ上の点Ｃまでの距
離ａを、画素の位置、射出部Ｏ_Sの座標値及びＣＣＤで
検出される距離ａ＋ｂから算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光伝播時間測定法
を用いて被写体の３次元形状等を検出する３次元画像検
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、被計測物体（被写体）の３次元形
状を計測する能動方式の３次元画像検出装置として、例
えば「Measurement Science and Technology」（S. Chr
istie他、vol.6, p1301-1308, 1995 年）に記載された
３次元画像検出装置や、国際公開97/01111号公報に開示
された３次元画像検出装置などが知られている。「Meas
urement Science and Technology」に記載された装置で
は、パルス変調されたレーザ光が被写体の全体に照射さ
れ、その反射光がイメージインテンシファイアが取付け
られた２次元ＣＣＤセンサによって受光され、電気信号
に変換される。イメージインテンシファイアはレーザ光
のパルス発光に同期したゲートパルスによってシャッタ
制御される。この構成によれば、遠い被写体からの反射
光による受光量は近い被写体からの反射光による受光量
に比べて小さいので、被写体の距離に応じた出力がＣＣ
Ｄの各画素毎に得られる。一方、国際公開97/01111号公
報に記載された装置では、パルス変調されたレーザ光等
の光が被写体の全体に照射され、その反射光がメカニカ
ル又は液晶素子等から成る電気光学的シャッタと組み合
わされた２次元ＣＣＤセンサによって受光され、電気信
号に変換される。そのシャッタは、測距光のパルスとは
異なるタイミングで制御され、距離情報がＣＣＤの各画
素毎に得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらの測距方法で
は、光源の位置とＣＣＤとの位置とを略一致させ、測距
光が光源から照射されてからＣＣＤで受光されるまでの
時間（光の伝播時間）が、ＣＣＤと被写体との間を光が
往復する時間に略相当するとしてその距離が求められ
る。すなわち、測距光の発光とＣＣＤでの露光期間とを
制御することにより、被写体の３次元形状をＣＣＤの受
光面全体において一括して検出可能な上述のような３次
元画像検出装置では、光源は被写体からの反射光を検知
するＣＣＤの近くに配置される必要がある。

【０００４】また、これらの測距方法では、被写体の３
次元形状を一括して検出するため、被写体全体に測距光
を照射する必要があり、測距光は拡散して被写体に照射
される。したがって、３次元画像検出装置と被写体との
距離が離れると、被写体に届く測距光の光量が著しく減
少するため、光量不足となり距離測定が不可能になった
り、距離測定の精度が低下するなどの問題がある。

【０００５】本発明は、被写体と３次元画像検出装置と
の距離が大きい場合にも、十分に大きい出力を得ること
ができる３次元画像検出装置を得ることを目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の３次元画像検出
装置は、複数のビーム状の測距光を射出し撮像部から所
定の位置に配置されたビーム光源と、拡散された測距光
を照射し撮像部に対し任意の位置に配置可能な外部光源
と、ビーム光源から被写体に複数のビーム状の測距光を
射出しその反射光を撮像部で受光することにより、複数
のビーム状の測距光がスポット状に照射された被写体の
各点までの第１の距離を求めるスポット測距手段と、外
部光源から被写体に拡散された測距光を照射し、その反
射光を撮像部で受光することにより、外部光源から照射
された測距光が被写体に反射され撮像部で受光されるま
でに進んだ第２の距離を撮像部の画素毎に求める本測距
手段と、第１の距離と第２の距離とに基づき外部光源の
位置を算出する外部光源位置算出手段とを備えたことを
特徴としている。

【０００７】３次元画像検出装置は、第２の距離と、各
画素の撮像部における位置と、外部光源の位置とから、
各画素に対応する被写体までの距離を画素毎に算出する
ための手段を備えることが好ましく、これにより、被写
体の３次元形状を３次元画像検出装置内において直接算
出することが可能となる。また、高い出力と、指向性の
高いビーム状の測距光を得るために、ビーム光源はレー
ザであることが好ましい。更に、ビーム光源は３以上の
ビームを同時に射出可能であることが好ましい。これに
より、外部光源の位置を算出するのに必要なビーム測距
を短時間に行うことができる。

【０００８】また、本発明の３次元画像検出装置は、複
数のビーム状の測距光を射出し、撮像部から所定の位置
に配置されたビーム光源と、ビーム光源から被写体に複
数のビーム状の測距光を射出し、その反射光を撮像部で
受光することにより、複数のビーム状の測距光がスポッ
ト状に照射された被写体の各点までの第１の距離を求め
るスポット測距手段と、撮像部に対し任意の位置に配置
可能な外部光源から被写体に照射される拡散された測距
光の被写体からの反射光を撮像部で受光することによ
り、外部光源から照射された測距光が被写体に反射され
撮像部で受光されるまでに進んだ第２の距離を撮像部の
画素毎に求めることができる本測距手段と、第１の距離
と第２の距離とに基づき外部光源の位置を算出する外部
光源位置算出手段とを備えたことを特徴としている。

【０００９】また、本発明の３次元画像検出装置は、光
源の発光を制御するための制御信号を出力する光源制御
手段と、受光量に応じた電荷を画素毎に蓄積可能な撮像
部と、撮像部の駆動を制御する撮像部駆動制御手段と、
光源制御手段からの制御信号に基づき発光が制御される
光源からの光を被写体に照射し、その反射光を撮像部に
おいて受光することにより、被写体までの距離情報を画
素毎に検出する距離情報検出手段と、光源制御手段の制
御信号によりその発光が制御され、複数のビーム状の光
を射出するビーム光源と、光源制御手段から出力される
制御信号を外部光源へ出力するための外部出力手段と、
制御信号を択一的にビーム光源又は外部出力手段に出力
する選択切換手段とを備えたことを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態
であるカメラ型の３次元画像検出装置の斜視図である。
図１を参照して第１の実施形態において用いられるカメ
ラ型の３次元画像検出装置について説明する。

【００１１】カメラ本体１０の前面において、撮影レン
ズ１１の左上にはファインダ窓（対物部）１２が設けら
れ、右上にはストロボ１３が設けられている。カメラ本
体１０の上面において、撮影レンズ１１の真上には、測
距のためのビーム状のレーザ光線を射出する内蔵ビーム
光源装置（ビーム光源）１４が配設されており、内蔵ビ
ーム光源装置１４には、例えば３つのレーザ１４ａ、１
４ｂ、１４ｃが設けられている。内蔵ビーム光源装置１
４の左側にはレリーズスイッチ１５及び液晶表示パネル
１６が設けられ、また右側にはモード切替ダイヤル１７
が設けられている。カメラ本体１０の側面には、カメラ
本体１０に外付けされる外部光源装置（外部光源）４５
（図２参照）を接続するための外部光源接続コネクタ１
８、ＩＣメモリカード等の記録媒体を挿入するためのカ
ード挿入口１９が形成され、またビデオ出力端子２０、
インターフェースコネクタ２１が設けられている。

【００１２】図２は、図１に示すカメラの回路構成を示
すブロック図である。撮影レンズ１１の中には絞り２５
が設けられている。絞り２５の開度はアイリス駆動回路
２６によって調整される。撮影レンズ１１の焦点調節動
作及びズーミング動作はレンズ駆動回路２７によって制
御される。

【００１３】撮影レンズ１１の光軸上にはＣＣＤ（撮像
部）２８が配設されている。ＣＣＤ２８の撮像面には、
撮影レンズ１１によって被写体像が形成され、被写体像
に対応した電荷が発生する。ＣＣＤ２８における電荷の
蓄積動作、電荷の読出動作等の動作は、システムコント
ロール回路３５からＣＣＤ駆動回路３０へ出力されるＣ
ＣＤ駆動用のパルス信号によって制御される。ＣＣＤ２
８から読み出された電荷信号、すなわち画像信号はそれ
ぞれアンプ３１において増幅され、Ａ／Ｄ変換器３２に
おいてアナログ信号からデジタル信号に変換される。デ
ジタルの画像信号は撮像信号処理回路３３においてガン
マ補正等の処理を施され、画像メモリ３４に一時的に格
納される。アイリス駆動回路２６、レンズ駆動回路２７
及び撮像信号処理回路３３はシステムコントロール回路
３５によって制御される。

【００１４】画像信号は画像メモリ３４から読み出さ
れ、ＬＣＤ駆動回路３６に供給される。ＬＣＤ駆動回路
３６は画像信号に応じて動作し、これにより画像表示Ｌ
ＣＤパネル３７には、画像信号に対応した画像が表示さ
れる。

【００１５】また画像メモリ３４から読み出された画像
信号はＴＶ信号エンコーダ３８に送られ、ビデオ出力端
子２０を介して、カメラ本体１０の外部に設けられたモ
ニタ装置３９に伝送可能である。システムコントロール
回路３５はインターフェース回路４０に接続され、イン
ターフェース回路４０はインターフェースコネクタ２１
に接続されている。したがって画像メモリ３４から読み
出された画像信号は、インターフェースコネクタ２１に
接続されたコンピュータ４１に伝送可能である。またシ
ステムコントロール回路３５は、記録媒体制御回路４２
を介して画像記録装置４３に接続されている。したがっ
て画像メモリ３４から読み出された画像信号は、画像記
録装置４３に装着されたＩＣメモリカード等の記録媒体
Ｍに記録可能である。また記録媒体Ｍに一旦記録された
画像信号は必要に応じて記録媒体Ｍから読み出され、シ
ステムコントロール回路３５を介してＬＣＤパネル３７
に表示することができる。

【００１６】システムコントロール回路３５には、発光
素子制御回路４４が接続されている。発光装置１４に設
けられたレーザ１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、例えばレー
ザダイオードであり、レーザ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの
発光動作は発光素子制御回路４４によって制御される。
レーザ１４ａ、１４ｂ、１４ｃはそれぞれ測距光である
ビーム状のレーザ光線を照射するものであり、これらの
レーザ光線は被写体上の異なる３つの位置にスポット状
に照射される。被写体において反射した光は撮影レンズ
１１に入射し、ＣＣＤ２８において画像信号として検出
される。後述するように、この画像信号からレーザ光線
が照射された被写体上の３つの点（スポット）までの距
離が計測される（以後スポット測距と呼ぶ）。なお、こ
のスポット測距において、ＣＣＤ２８における転送動作
のタイミング等の制御はシステムコントロール回路３５
とＣＣＤ駆動回路３０によって行われる。

【００１７】発光素子制御回路４４は、外部光源接続コ
ネクタ１８にも接続されており、発光素子制御回路４４
から出力される制御信号は、外部光源接続コネクタ１８
に接続されるケーブル（４６）を介して外部光源装置４
５へ出力することができる。このとき、外部光源装置４
５での発光動作は、発光素子制御回路４４からの制御信
号に基づいて制御される。また、外部光源接続コネクタ
１８は、システムコントロール回路３５へも接続されて
おり、外部光源装置４５はシステムコントロール回路３
５から制御可能である。外部光源装置４５は被写体近く
に配置され、被写体に向けて拡散された測距光を被写体
全体に照射する。このとき、被写体で反射された光は、
撮像レンズ１１に入射し、ＣＣＤ２８において検知され
る。ＣＣＤ２８の各画素では、後述するように被写体ま
での距離に対応する信号電荷が蓄積され、被写体の３次
元形状を表す３次元画像として検出される（以後本測距
と呼ぶ）。なお、この本測距において、ＣＣＤ２８にお
ける転送動作のタイミング等の制御はシステムコントロ
ール回路３５とＣＣＤ駆動回路３０によって行われる。

【００１８】システムコントロール回路３５には、レリ
ーズスイッチ１５、モード切替ダイヤル１７から成るス
イッチ群４７と、液晶表示パネル（表示素子）１６とが
接続されている。

【００１９】次に図３及び図４を参照して、ＣＣＤを用
いた本実施形態における距離測定の基本的な原理につい
て説明する。なお図４において横軸は時間ｔである。

【００２０】距離測定装置Ｂから出力された測距光は被
写体Ｓにおいて反射し、図示しないＣＣＤによって受光
される。測距光は所定のパルス幅Ｈを有するパルス状の
光であり、したがって被写体Ｓからの反射光も、同じパ
ルス幅Ｈを有するパルス状の光である。また反射光のパ
ルスの立ち上がりは、測距光のパルスの立ち上がりより
も時間δ・ｔ（δは遅延係数）だけ遅れる。光源から射
出された測距光が、被写体で反射され距離測定装置Ｂに
おいて反射光として検出されるまでに進む距離Ｒ（ここ
では距離測定装置Ｂと被写体Ｓとの往復の距離２ｒ）はＲ＝２ｒ＝δ・ｔ・Ｃ・・・（１）により得られる。ただしＣは光速である。

【００２１】例えば測距光のパルスの立ち下がりから反
射光を検知可能な状態に定め、反射光のパルスが立ち下
がった後に検知不可能な状態に切り換えるように反射光
検知期間Ｔを設ける。すなわち、反射光検知期間Ｔは、
反射光の立ち上がりが、反射光検知期間Ｔが開始する前
にＣＣＤにおいて受光され、その立下りが反射光検知期
間内にＣＣＤにおいて受光されるように定められる。図
４に示されるように、この反射光検知期間Ｔにおける受
光量Ａは距離ｒに相関する。すなわち受光量Ａは、距離
ｒが大きくなるほど（時間δ・ｔが大きくなるほど）大
きくなるため、受光量Ａから被写体までの距離が算定さ
れる。

【００２２】本実施形態におけるスポット測距及び本測
距では、上述した原理を利用してＣＣＤ２８に設けら
れ、２次元的に配列された複数のフォトダイオードにお
いてそれぞれ受光量Ａを検出することにより行われる。
すなわち、各フォトダイオード（各画素）において検出
された受光量Ａに基づいて、カメラ本体１０からＣＣＤ
２８の各フォトダイオードに対応する被写体Ｓ上の各点
までの距離情報をフォトダイオード（画素）毎に画像信
号（３次元画像）として検出する。本測距では、この画
像信号から被写体Ｓの表面形状を表わす距離データがフ
ォトダイオード（画素）毎に算出される。スポット測距
ではレーザ１４ａ、１４ｂ、１４ｃにより測距光がスポ
ット状に照射された被写体上の３つの点までの距離及び
座標が算出される。

【００２３】図５は、ＣＣＤ２８に設けられるフォトダ
イオード５１と垂直転送部５２の配置を示す図である。
図６は、ＣＣＤ２８を基板５３に垂直な平面で切断して
示す断面図である。このＣＣＤ２８は従来公知のインタ
ーライン型ＣＣＤであり、不要電荷の掃出しにＶＯＤ
（縦型オーバーフロードレイン）方式を用いたものであ
る。

【００２４】フォトダイオード５１と垂直転送部（信号
電荷保持部）５２はｎ型基板５３の面に沿って形成され
ている。フォトダイオード５１は２次元的に格子状に配
列され、垂直転送部５２は所定の方向（図５において上
下方向）に１列に並ぶフォトダイオード５１に隣接して
設けられている。垂直転送部５２は、１つのフォトダイ
オード５１に対して４つの垂直転送電極５２ａ、５２
ｂ、５２ｃ、５２ｄを有している。したがって垂直転送
部５２では、４つのポテンシャルの井戸が形成可能であ
り、従来公知のように、これらの井戸の深さを制御する
ことによって、信号電荷をＣＣＤ２８から出力すること
ができる。なお、垂直転送電極の数は目的に応じて自由
に変更できる。

【００２５】基板５３の表面に形成されたｐ型井戸の中
にフォトダイオード５１が形成され、ｐ型井戸とｎ型基
板５３の間に印加される逆バイアス電圧によってｐ型井
戸が完全空乏化される。この状態において、入射光（被
写体からの反射光）の光量に応じた電荷がフォトダイオ
ード５１において蓄積される。基板電圧Ｖsub を所定値
以上に大きくすると、フォトダイオード５１に蓄積した
電荷は、基板５３側に掃出される。これに対し、転送ゲ
ート部５４に電荷転送信号（電圧信号）が印加されたと
き、フォトダイオード５１に蓄積した電荷は垂直転送部
５２に転送される。すなわち電荷掃出し信号によって電
荷を基板５３側に掃出した後、フォトダイオード５１に
蓄積した信号電荷が、電荷転送信号によって垂直転送部
５２側に転送される。このような動作により、いわゆる
電子シャッタ動作が実現される。

【００２６】しかし、被写体までの距離を図３、図４を
参照して説明した原理により測定する場合には、極めて
高速な電子シャッタ動作が要求されるため、１回のシャ
ッタ動作では十分な信号出力を得られない。したがっ
て、本実施形態の距離情報検出動作では、上述の電子シ
ャッタ動作を繰り返し行うことにより、垂直転送部５２
において信号電荷を積分し、より大きな信号出力を得て
いる。

【００２７】図７は、垂直転送部５２において信号電荷
の積分を行う本実施形態の距離情報検出動作のタイミン
グチャートである。また、図８はこの距離情報検出動作
のフローチャートである。図１、図２、図５〜図８を参
照して本実施形態における距離情報検出動作について説
明する。

【００２８】図７に示すように、垂直同期信号Ｓ１の出
力に同期して一定のパルス幅Ｔ_Sを有するパルス状の測
距光Ｓ３が出力される。測距光Ｓ３の出力から所定時間
経過後、電荷掃出し信号（パルス信号）Ｓ２が出力さ
れ、これによりフォトダイオード５１に蓄積していた不
要電荷が基板５３の方向に掃出される。電荷掃出し信号
Ｓ２は、測距光Ｓ３の立下りに略同期してその出力を終
了し、電荷掃出し信号Ｓ２の出力の終了によりフォトダ
イオード５１における電荷蓄積が開始する。すなわち、
フォトダイオード５１における電荷蓄積動作は、測距光
Ｓ３の立下りに略同期して開始される。一方、垂直同期
信号Ｓ１の出力に同期して出力された測距光Ｓ３は、被
写体において反射され、δ・ｔ時間経過後ＣＣＤ２８に
おいて反射光Ｓ４として受光される。測距光Ｓ３の出力
が終了してから一定時間が経過したとき、すなわち、電
荷蓄積期間が開始してから一定時間が経過したとき、電
荷転送信号（パルス信号）Ｓ５が出力され、これにより
フォトダイオード５１に蓄積された電荷が垂直転送部５
２に転送され、フォトダイオード５１における電荷蓄積
動作が終了する。なお、電荷転送信号Ｓ５は、反射光の
立下りが電荷蓄積期間Ｔ内に検知されるように、電荷掃
出し信号Ｓ２の出力から十分時間が経過した後に出力さ
れる。

【００２９】このように電荷掃出し信号Ｓ２の出力の終
了から電荷転送信号Ｓ５の出力開始までの期間Ｔの間、
フォトダイオード５１には、被写体までの距離に対応し
た信号電荷が蓄積される。すなわち反射光Ｓ４は被写体
までの距離に応じて測距光Ｓ３に比べてδ・ｔ時間だけ
遅れＣＣＤ２８において受光され、フォトダイオード５
１では、反射光Ｓ４の一部のみが検知される。検知され
る光は、光が伝播するのにかかる時間（δ・ｔ）に相関
し、この光によって生じる信号電荷Ｓ６は被写体までの
距離に対応している。この信号電荷Ｓ６は、電荷転送信
号Ｓ５によって垂直転送部５２に転送される。なお電荷
蓄積期間Ｔは、測距光Ｓ３の立下りに同期して開始され
る必要はなく、計測される被写体の距離に応じてそのタ
イミングは調整される。

【００３０】電荷転送信号Ｓ５の出力から一定時間が経
過した後、再び電荷掃出し信号Ｓ２が出力され、垂直転
送部５２への信号電荷の転送後にフォトダイオード５１
に蓄積された不要電荷が基板５３の方向へ掃出される。
すなわち、フォトダイオード５１において新たに信号電
荷の蓄積が開始する。そして、上述したのと同様に、電
荷蓄積期間Ｔが経過したとき、信号電荷は垂直転送部５
２へ転送される。

【００３１】このような信号電荷Ｓ６の垂直転送部５２
への転送動作は、次の垂直同期信号Ｓ１が出力されるま
で、繰り返し実行される。これにより垂直転送部５２に
おいて、信号電荷Ｓ６が積分され、１フィールドの期間
（２つの垂直同期信号Ｓ１によって挟まれる期間）に積
分された信号電荷Ｓ６は、その期間被写体が静止してい
ると見做せれば、被写体までの距離情報に対応してい
る。

【００３２】以上説明した信号電荷Ｓ６の検出動作は１
つのフォトダイオード５１に関するものであり、全ての
フォトダイオード５１においてこのような検出動作が行
なわれる。１フィールドの期間の検出動作の結果、各フ
ォトダイオード５１に隣接した垂直転送部５２の各部位
には、そのフォトダイオード５１によって検出された距
離情報が保持される。この距離情報は垂直転送部５２に
おける垂直転送動作および図示しない水平転送部におけ
る水平転送動作によってＣＣＤ２８から出力される。

【００３３】これら距離情報検出手段における各動作
は、図８のフローチャートに従って実行される。すなわ
ち、ステップ１０１において垂直同期信号Ｓ１が出力さ
れるとともに測距光制御が開始される。すなわち内蔵ビ
ーム光源装置１４又は外部光源装置４５が駆動され、パ
ルス状の測距光Ｓ３が断続的に出力される。次いでステ
ップ１０２が実行され、ＣＣＤ２８による検知制御が開
始される。すなわち図７を参照して説明した距離情報検
出動作が開始され、電荷掃出し信号Ｓ２と電荷転送信号
Ｓ５が交互に出力されて、距離情報の信号電荷Ｓ６が垂
直転送部５２において積分される。

【００３４】ステップ１０３では、距離情報検出動作の
開始から１フィールド期間が終了したか否か、すなわち
新たに垂直同期信号Ｓ１が出力されたか否かが判定され
る。１フィールド期間が終了するとステップ１０４へ進
み、距離情報の信号電荷Ｓ６がＣＣＤ２８から出力され
る。この信号電荷Ｓ６はステップ１０５において画像メ
モリ３４に一時的に記憶される。ステップ１０６では測
距光制御がオフ状態に切換えられ、内蔵ビーム光源装置
１４又は外部光源装置４５の発光動作が停止され、この
処理は終了する。

【００３５】本実施形態では、内蔵ビーム光源装置１４
を用いたスポット測距と外部光源４５を用いた本測距と
により被写体の３次元形状が検出される。図９は、本実
施形態のスポット測距及び本測距における被写体Ｓ、カ
メラ本体１０、ケーブル４６を介してカメラ本体１０と
接続される外部光源装置４５の配置を模式的に示す図で
ある。図９を参照して、本実施形態において実行される
上記距離情報検出動作を用いた３次元形状の算出方法に
ついて説明する。

【００３６】点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃は、カメラ本体１０に設
けられたスポット用光源装置１４のレーザ１４ａ、１４
ｂ、１４ｃから射出されるレーザビームにより、スポッ
ト状に測距光が照射される被写体Ｓ上の点の位置を示し
ている。距離ａ₁、ａ₂、ａ₃はカメラ本体１０から点
Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃までの距離（第１の距離）であり、距離
ｂ₁、ｂ₂、ｂ₃は、外部光源装置４５から測距光が拡散
されて射出される射出部Ｏ_Sから点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃までの
距離である。

【００３７】距離ａ₁、ａ₂、ａ₃は、スポット測距によ
り測定される。すなわち、スポット用光源装置１４のレ
ーザから図７のタイミングでパルス状のビーム光が測距
光として射出され、点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃において反射され
た反射光がカメラ本体１０のＣＣＤ２８において、図７
に示されるタイミングで検出されることにより距離
ａ ₁、ａ₂、ａ₃が測定される。スポット測距では、測距
光たるレーザビームは被写体Ｓ上の点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃の
みに照射されるので、ＣＣＤ２８の画素（フォトダイオ
ード５１）のうち反射光を受光検知するのは、点Ａ₁、
Ａ₂、Ａ₃に対応する画素のみである。したがって、これ
により、点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃に対応する画素をその画素値
から特定することができ、スポット測距では、点Ａ₁、
Ａ₂、Ａ₃に対応する画素のみで距離の算出が行われる。
なお、このとき算出される距離は、式（１）におけるｒ
＝Ｒ／２である。

【００３８】一方、距離ｂ₁、ｂ₂、ｂ₃は、本測距の検
出結果及びスポット測距により求められる距離ａ₁、
ａ₂、ａ₃により算出される。すなわち、外部光源装置４
５から図７に示されたタイミングで被写体Ｓの全体に測
距光が拡散されて照射され、被写体Ｓで反射された反射
光がＣＣＤ２８において、図７に示されるタイミングで
検出される。このとき、点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃において反射
された光は、距離（第２の距離）ａ₁＋ｂ₁、ａ₂＋ｂ₂、
ａ₃＋ｂ₃を経てＣＣＤ２８のフォトダイオード５１で検
出されるので、点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃に対応する画素で検出
された信号電荷からは、それぞれ距離ａ₁＋ｂ₁、ａ₂＋
ｂ₂、ａ₃＋ｂ₃が算出される。すなわち、式（１）にお
ける距離Ｒである。距離ａ₁＋ｂ₁、ａ₂＋ｂ₂、ａ₃＋ｂ₃
から距離ａ₁、ａ₂、ａ₃を減ずることにより、距離ｂ₁、
ｂ₂、ｂ₃が求められる。なお、本測距では、測距光は被
写体Ｓ全体に照射されるので、ＣＣＤ２８の略全画素に
おいて反射光が受光検知される。すなわち、本測距で
は、ＣＣＤ２８の全画素に対応する被写体Ｓ上の点まで
の距離に対応した信号電荷がそれぞれの画素で検出さ
れ、ＣＣＤ２８の各画素から被写体Ｓまでの距離（後述
の距離ｂに対応）が、ＣＣＤ２８の全画素について算出
される。

【００３９】カメラ本体１０の撮像光学系において、そ
の焦点とＣＣＤ２８の各画素との間の位置関係は既知な
ので、ある画素においてその画素値から距離が算出され
ると、その画素に対応する被写体Ｓ上の点の座標値（例
えばカメラの焦点を座標原点とする）が求められる。し
たがって、距離ａ₁、ａ₂、ａ₃から点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃の座
標（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）、（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₃）、（ｘ₃，
ｙ₃，ｚ₃）が求められる。ここで、各点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃
から外部光源装置４５における測距光の射出部Ｏ_Sまで
の距離は、それぞれｂ₁、ｂ₂、ｂ₃なので、射出部Ｏ_Sの
座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とすると、（Ｘ−ｘ₁）²＋（Ｙ−ｙ₁）²＋（Ｚ−ｚ₁）²＝ｂ₁ ² ・・・（２）（Ｘ−ｘ₂）²＋（Ｙ−ｙ₂）²＋（Ｚ−ｚ₂）²＝ｂ₂ ² ・・・（３）（Ｘ−ｘ₃）²＋（Ｙ−Ｙ₃）²＋（Ｚ−Ｚ₃）²＝ｂ₃ ² ・・・（４）が成り立ち、式（２）〜（４）を解くことにより射出部
Ｏ_Sの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が求められる。なお、式
（２）〜（４）は２次の方程式なので、その解には正負
の任意性があるが、これは外部光源装置４５の実際の配
置から特定される。

【００４０】次に、ＣＣＤ２８の各画素に対応する被写
体Ｓ上の点のうち、点Ａ₁、Ａ₂、Ａ ₃以外の点に対応す
る点の座標又は距離を求める方法について説明する。例
えば被写体Ｓ上の点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃以外の点Ｃの座標を
（ｘ，ｙ，ｚ）とし、カメラ本体１０からの距離をａ、
外部光源装置４５の射出部Ｏ_Sからの距離をｂとする
と、距離ａ、ｂは以下の式を解くことにより求められ
る。（ｘ−Ｘ）²＋（ｙ−Ｙ）²＋（ｚ−Ｚ）²＝ｂ² ・・・（５）ｘ²＋ｙ²＋ｚ²＝ａ² ・・・（６）ａ＋ｂ＝ｄ・・・（７）ｘ／α＝ｙ／β＝ｚ／γ ・・・（８）ここでｄは、外部光源装置４５から射出された測距光
が、点Ｃで反射されＣＣＤ２８で検出されるまでに進ん
だ距離（第２の距離）であり、上述した本測距において
算出される。また、式（８）は座標原点（焦点）と点Ｂ
とを結ぶ直線の式であり、α、β、γは、点Ｂに対応す
る画素の位置によって一意的に決まり、既知の値であ
る。すなわち、式（５）〜式（８）において未知変数は
ｘ、ｙ、ｚ、ａ、ｂの５つである。したがって、式
（５）〜式（８）を解くことにより、上記未知変数ｘ、
ｙ、ｚ、ａ、ｂを求めることができる。以上により、Ｃ
ＣＤ２８の各画素に対応する被写体Ｓ上の各点までの距
離ａとその座標値とが算出され、被写体の３次元形状が
取得される。

【００４１】図１０は、本実施形態のカメラ型の３次元
画像検出装置において実行されるプログラムのフローチ
ャートであり、図１１、図１２はそれぞれ図１０の中の
スポット測距、本測距のサブルーチンのフローチャート
である。図８〜図１２を参照して本実施形態における３
次元画像の検出動作について説明する。

【００４２】ステップ２０１においてレリーズスイッチ
１５が全押しされていることが確認されると、ステップ
２０２において、内蔵ビーム光源装置１４を用いたスポ
ット測距が開始され、ステップ２０３において、外部光
源装置４５を用いた本測距が行われる。ステップ２０３
における本測距が終了すると、ステップ２０４において
ＣＣＤ２８による通常の撮影動作（ＣＣＤビデオ制御）
がオン状態に定められ、カラーの静止画が撮像される。
その後ステップ２０５において、ステップ２０２のスポ
ット測距及びステップ２０３の本測距により求められた
被写体の３次元画像の画像データ、距離データ、及びス
テップ２０４において得られた被写体のカラー静止画像
の画像データなどが記録媒体Ｍに記録され、このプログ
ラムは終了する。

【００４３】ステップ２０２のスポット測距のサブルー
チンでは、図１１に示されるように、ステップ３０１
で、測距用の光源として内蔵ビーム光源装置が設定され
る。すなわち、発光素子制御回路４４（図２参照）から
出力される信号が、レーザ１４ａ、１４ｂ、１４ｃへの
み出力されるように設定される。この設定は、システム
コントロール回路３５からの制御信号により発光素子制
御回路４４において行われる。ステップ３０２では、図
８のフローチャートを参照して説明した距離情報検出動
作がレーザ１４ａ、１４ｂ、１４ｃを光源として実行さ
れ、画像メモリ３４に各画素の画素値が３次元画像の画
像データとして一時的に記憶される。なお、このときレ
ーザ１４ａ、１４ｂ、１４ｃは同時に測距光を射出す
る。

【００４４】ステップ３０３では、画像メモリ３４に一
時的に記憶された３次元画像の画像データがシステムコ
ントロール回路３５へ読み出され、ＣＣＤ２８の全画素
の中から、３つのレーザ１４ａ、１４ｂ、１４ｃにより
レーザビームがスポット状に照射される被写体上の３つ
の点（Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃）に対応する画素が探索される。
ステップ３０４では、ステップ３０３において探索さ
れ、レーザビームが照射されている３つの点に対応する
画素の画素値に演算処理が施され、被写体までの距離ａ
₁、ａ₂、ａ₃が距離データとして算出される。その後、
ステップ３０５において、ステップ３０３で特定された
点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃に対応する画素の位置、及びにステッ
プ３０４において算出された点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃までの距
離に基づいて演算処理が行われ、各点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃に
対応する座標値（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）、（ｘ₂，ｙ₂，
ｚ₂）、（ｘ₃，ｙ₃，ｚ₃）が、カメラの焦点を座標原点
とした座標系において求められる。ステップ３０６で
は、ステップ３０４、ステップ３０５で求められた点Ａ
₁、Ａ₂、Ａ₃までの距離とその座標値とが記録媒体Ｍに
記録されこのスポット測距のサブルーチンは終了する。

【００４５】次に図１２を参照してステップ２０３の本
測距のサブルーチンについて説明する。ステップ４０１
では、測距用の光源として外部光源装置が設定される。
すなわち、発光素子制御回路４４（図２参照）から出力
される信号が、外部光源取付コネクタを介して接続され
た外部光源装置４５のみへ出力されるように設定され
る。この設定は、ステップ３０１と同様に、システムコ
ントロール回路３５からの制御信号により発光素子制御
回路４４において行われる。ステップ４０２では、図８
のフローチャートを参照して説明した距離情報検出動作
が外部光源装置４５を光源として実行され、画像メモリ
３４に各画素の画素値が３次元画像の画像データとして
一時的に記憶される。

【００４６】ステップ４０３では、図１１のステップ３
０５において算出された点Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃の座標値
（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）、（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂）、（ｘ₃，ｙ₃，
ｚ₃）を用いた式（２）〜（４）により外部光源装置４
５の位置、すなわち、射出部Ｏ_Sの座標値（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）が求められる。ステップ４０４では、ステップ４０
２において取得され、画像メモリ３４に一時的に記憶さ
れた３次元画像の画像データがシステムコントロール回
路３５へ読み出され、各画素値に対し距離を求めるため
の演算処理が施される。すなわち、外部光源装置４５か
ら射出された測距光が、ＣＣＤ２８のフォトダイオード
５１で検出されるまでに進んだ距離ｄ（＝ａ＋ｂ）が画
素毎に算出される。ステップ４０５では、距離ｄ及びス
テップ４０３において求められた外部光源装置４５の位
置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）等に基づいて、カメラ本体１０から被
写体Ｓまでの距離ａが式（５）〜（８）を解くことによ
りＣＣＤ２８の画素毎に距離データとして求められる。
これらの距離データは、ステップ４０５において、画像
メモリ３５に一時的に記憶され、この本測距のサブルー
チンは終了する。

【００４７】以上のように、本実施形態によれば、カメ
ラ本体から分離された外部光源装置を任意の位置に配置
して、ＣＣＤの画素毎に被写体までの距離を検出するこ
とができる。すなわち、外部光源装置はカメラ本体から
分離されているので、被写体近くに配置することがで
き、これにより被写体とカメラとの距離が離れていると
きでも十分な光量の測距光を被写体に照射できるので、
高い信号出力が得られＳ／Ｎ比が向上する。

【００４８】また、外部光源装置はカメラ本体とは独立
しているためカメラ本体を小型化しつつ、大容量の光源
を外部光源装置として用いることも可能となる。更に、
カメラ本体には、内蔵ビーム光源装置が搭載されている
ので、外部光源装置の位置を簡単に特定することができ
る。

【００４９】本実施形態では、内蔵ビーム光源装置とし
て３つのレーザを用いたが、１つのレーザから射出され
る光線を回折格子などで複数の光線に分岐させてもよ
く、このときには、内蔵ビーム光源装置１４は１つのレ
ーザと回折格子とから構成することができる。また、ス
ポット測距において計測される被写体上の点の数は３点
に限られるものではなく４点以上であってもよい。

【００５０】本実施形態において、外部光源装置は、カ
メラ本体とケーブルにより接続され、外部光源装置の発
光のタイミングはこのケーブルを介して制御されていた
が、無線、光通信等を介して制御してもよい。

【００５１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、被写体
と３次元画像検出装置との距離が大きい場合にも、十分
に大きい出力を得ることができる３次元画像検出装置を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における一実施形態であるカメラ型の３
次元画像検出装置の斜視図である。

【図２】図１に示すカメラの回路構成を示すブロック図
である。

【図３】測距光による距離測定の原理を説明するための
図である。

【図４】測距光、反射光、ゲートパルス、及びＣＣＤが
受光する光量分布を示す図である。

【図５】ＣＣＤに設けられるフォトダイオードと垂直転
送部の配置を示す図である。

【図６】ＣＣＤを基板に垂直な平面で切断して示す断面
図である。

【図７】被写体までの距離に関するデータを検出する距
離情報検出動作のタイミングチャートである。

【図８】本実施形態において実行される距離情報検出動
作のサブルーチンのフローチャートである。

【図９】外部光源装置を用いた距離測定の原理を説明す
る図である。

【図１０】本実施形態のカメラ型の３次元画像検出装置
で実行されるプログラムのフローチャートである。

【図１１】スポット測距で実行されるサブルーチンのフ
ローチャートである。

【図１２】本測距で実行されるサブルーチンのフローチ
ャートである。

【符号の説明】

１４内蔵ビーム光源装置１４ａ、１４ｂ、１４ｃレーザ１８外部光源接続コネクタ２８ＣＣＤ３０ＣＣＤ駆動回路３５システムコントロール回路４４発光素子制御回路４５外部光源装置

───────────────────────────────────────────────────── 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） // Ｈ０４Ｎ 101:00 Ｇ０１Ｂ 11/24 ＡＦターム(参考） 2F065 AA06 BB05 DD00 FF01 FF12 FF31 GG06 GG08 HH02 HH04 JJ03 JJ09 JJ26 LL30 NN12 QQ03 QQ24 SS13 UU01 UU05 2H059 AA18 5B057 BA02 BA19 DA07 DA20 DB01 DB08 DC19 5C022 AA13 AB15 AB68 AC31 AC42 AC52 AC69 5C061 AB03 AB06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のビーム状の測距光を射出し、撮像
部から所定の位置に配置されたビーム光源と、拡散された測距光を照射し、前記撮像部に対し任意の位
置に配置可能な外部光源と、前記ビーム光源から被写体に前記複数のビーム状の測距
光を射出し、その反射光を前記撮像部で受光することに
より、前記複数のビーム状の測距光がスポット状に照射
された前記被写体の各点までの第１の距離を求めるスポ
ット測距手段と、前記外部光源から前記被写体に前記拡散された測距光を
照射し、その反射光を前記撮像部で受光することによ
り、前記外部光源から照射された前記測距光が前記被写
体に反射され前記撮像部で受光されるまでに進んだ第２
の距離を前記撮像部の画素毎に求める本測距手段と、前記第１の距離と、前記第２の距離とに基づき前記外部
光源の位置を算出する外部光源位置算出手段とを備える
ことを特徴とする３次元画像検出装置。
【請求項２】前記第２の距離と、前記各画素の前記撮
像部における位置と、前記外部光源の位置とから、前記
各画素に対応する被写体までの距離を前記画素毎に算出
するための手段を備えることを特徴とする請求項１に記
載の３次元画像検出装置。
【請求項３】前記ビーム光源がレーザであることを特
徴とする請求項１に記載の３次元画像検出装置。
【請求項４】前記ビーム光源が３以上のビームを同時
に射出可能であることを特徴とする請求項１に記載の３
次元画像検出装置。
【請求項５】複数のビーム状の測距光を射出し、撮像
部から所定の位置に配置されたビーム光源と、前記ビーム光源から被写体に前記複数のビーム状の測距
光を射出し、その反射光を前記撮像部で受光することに
より、前記複数のビーム状の測距光がスポット状に照射
された前記被写体の各点までの第１の距離を求めるスポ
ット測距手段と、前記撮像部に対し任意の位置に配置可能な外部光源から
前記被写体に照射される拡散された測距光の前記被写体
からの反射光を前記撮像部で受光することにより、前記
外部光源から照射された前記測距光が前記被写体に反射
され前記撮像部で受光されるまでに進んだ第２の距離を
前記撮像部の画素毎に求めることができる本測距手段
と、前記第１の距離と、前記第２の距離とに基づき前記外部
光源の位置を算出する外部光源位置算出手段とを備える
ことを特徴とする３次元画像検出装置。
【請求項６】光源の発光を制御するための制御信号を
出力する光源制御手段と、受光量に応じた電荷を画素毎に蓄積可能な撮像部と、前記撮像部の駆動を制御する撮像部駆動制御手段と、前記光源制御手段からの制御信号に基づき発光が制御さ
れる光源からの光を被写体に照射し、その反射光を前記
撮像部において受光することにより、前記被写体までの
距離情報を画素毎に検出する距離情報検出手段と、前記光源制御手段の制御信号によりその発光が制御さ
れ、複数のビーム状の光を射出するビーム光源と、前記光源制御手段から出力される制御信号を外部光源へ
出力するための外部出力手段と、前記制御信号を択一的に前記ビーム光源又は前記外部出
力手段に出力する選択切換手段とを備えることを特徴と
する３次元画像検出装置。