JP2002195812A - レンジファインダ装置、３次元計測方法および光源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ３次元計測を安定して長期間実行可能なレン
ジファインダ装置を提供する。 【解決手段】 例えばＬＥＤのような光源を複数個配列
した光源アレイ部１１を用いて、被写体へ光パタンを投
射する。ＬＥＤ１個当たりの光量が小さくても、光源ア
レイ部１１全体としては十分な光量を被写体に照射でき
るので、安定した３次元計測が可能になる。また、光源
アレイ部１１の各ＬＥＤの発光態様を制御することによ
って光パタンを生成するので、任意の光パタンを、機械
的な機構を必要とせず、電気的に生成することが可能に
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被写体の３次元情
報を撮影可能なレンジファインダ装置（距離画像を測定
できる３次元カメラ）に属する。

【０００２】

【従来の技術】図２１は従来のレンジファインダの構成
図である。図２１において、５１はカメラ、５２ａ，５
２ｂは光源、５５は光源制御部、５６は距離計算部であ
る。光源制御部５５はカメラ５１の垂直同期信号に同期
してフィールド周期毎に光源５２ａ，５２ｂを交互に発
光させる。

【０００３】ここで、カメラの光学中心を原点とし、カ
メラの光軸方向をＺ軸、水平方向にＸ軸、垂直方向にＹ
軸を設定し、光源からみた着目点の方向がＸ軸となす角
をφ、カメラから見た着目点の方向とＸ軸がなす角を
θ、光源位置を（０，−Ｄ）すなわち基線長をＤとする
と、着目点Ｐの奥行き値Ｚは、三角測量の原理により、 Ｚ＝Ｄｔａｎθｔａｎφ／（ｔａｎθ−ｔａｎφ） …（１） として計算できる。角度φを得るために、光源５２ａ，
５２ｂによって、所定の光パタンを投射する。

【０００４】光源５２ａ，５２ｂとしては例えば、図２
２（ａ）に示すような、キセノンフラッシュランプ等の
閃光光源５７，５８を縦に配置し、後方の反射板５９，
６０の方向を左右にずらしたものを用いる。図２２
（ｂ）は図２２（ａ）の平面図である。光源５２ａ，５
２ｂはそれぞれ範囲Ａ，Ｂに光を輻射する。

【０００５】図２３はこのような光源５２ａ，５２ｂか
ら輻射される光パタンを示す図である。図２３では、仮
のスクリーンＹに光を投射した場合の明るさを、図中の
矢印方向に示している。すなわち、各光源５２ａ，５２
ｂから投射される光は、中心軸上が最も明るく、周辺に
なるほど暗くなる特性を持つ。このような特性を持つの
は、半円筒状の反射板５９，６０が閃光光源５７，５８
の背後に配置されているからである。また、反射板５
９，６０の向きがずれているので、各光源５２ａ，５２
ｂの投射範囲はその一部が重なっている。

【０００６】図２４は図２３のＨ方向における投射光角
度φと光強度との関係を示す図である。このＨ方向と
は、光源中心とレンズ中心とを含む複数個の面のうち、
任意の面Ｓと仮のスクリーンＹとの交叉線の方向であ
る。図２４のα部分では、光源５２ａ，５２ｂから投射
された光パタンは、一方は右側が相対的に明るく、他方
は左側が相対的に明るくなっている。ただし、光パタン
の明るさは、高さ方向（Ｙ軸方向）においても異なって
いる。

【０００７】図２５は図２４のα部分における２種類の
投射光の光強度比と、投射光角度φとの関係を示すグラ
フである。図２５に示すように、α部分では、光強度比
と角度φとの関係は１対１に対応している。

【０００８】距離の測定のためには、事前に、光源から
所定距離離して垂直に立てた平面に２種類の光パタンを
交互に投射し、その反射光をカメラ１で撮像した結果か
ら、各Ｙ座標（ＣＣＤ上のＹ座標に対応する）毎に、図
２５のような光強度比と投射光角度との関係のデータを
得ておく。Ｙ座標毎とは、光源中心とレンズ中心とを含
む複数個の面毎に、ということである。また、カメラ５
１のレンズ中心と光源５２ａ，５２ｂとを結ぶ線分がＣ
ＣＤ撮像面のＸ軸と平行になるように、光源５２ａ，５
２ｂを配置すれば、各Ｙ座標毎に決定された光強度比と
投射光の角度の関係のデータを用いることによって、正
確に距離計算を行うことができる。

【０００９】図２１の点Ｐを着目点とするとき、２種類
の光パタンを照射したときの撮像画像から得た点Ｐにお
ける輝度比と、点ＰのＹ座標値に対応した図２５の関係
とを用いることによって、光源から見た点Ｐの角度φを
計測する。また、カメラから見た点Ｐに対する角度θ
は、画像中での位置（すなわち点Ｐの画素座標値）とカ
メラパラメータ（焦点距離、レンズ系の光学中心位置）
から決定する。そして、これな２つの角度φ，θと、光
源位置とカメラの光学中心位置間の距離（基線長）Ｄと
から、式（１）に従って、距離を計算する。

【００１０】このように、図２４のα部分のように、投
射方向によって単調増加・減少するような光パタンを生
成する光源があれば、簡単に被写体の３次元計測を行う
ことができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
構成では、光源にキセノンフラッシュランプを用いる
が、キセノンフラッシュランプは約５千回程度の発光で
寿命が来るため、レンジファインダ装置を長期間使用す
る場合には、ランプの交換などのメンテナンスが頻繁に
必要になる。また、フラッシュランプの発光量の安定度
は数％であるため、それ以上の測定精度を得ることがで
きない、という問題もあった。

【００１２】また、寿命が長い光源としては例えばＬＥ
Ｄ（発光ダイオード）などがあるが、ＬＥＤは１個当た
りの発光量が小さいために、これを単一で用いた場合に
は光量不足となり、安定した３次元計測ができない、と
いう問題が生じる。

【００１３】さらには、従来の構成では、投射する光パ
タンは反射板の形状によって定まるために、原則として
は、一組の光パタンしか生成することができない。

【００１４】前記の問題に鑑み、本発明は、長期間使用
可能で、かつ、安定した３次元計測を実行可能なレンジ
ファインダ装置を提供することを課題とする。また、レ
ンジファインダ装置において、任意の光パタンを容易に
生成可能にすることを課題とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、請求項１の発明が講じた解決手段は、被写体に光
を投射し、その反射光を受けて前記被写体の３次元位置
を測定するレンジファインダ装置として、複数の光源が
配列された光源アレイ部と、前記光源アレイ部の各光源
の発光態様を制御することによって、前記光源アレイ部
から、少なくとも２種類の光パタンを投射させる光源制
御部とを備えたものである。

【００１６】請求項１の発明によると、光源アレイ部が
有する複数の光源から光パタンが投射されるので、たと
え光源１個当たりの光量が小さい場合でも、全体として
十分な光量を被写体に照射でき、安定した３次元計測が
可能になる。また、光パタンの生成は、光源アレイ部の
各光源の発光態様を制御することによって行われるの
で、任意の光パタンを、機械的な機構を必要とせず、電
気的に、生成することが可能になる。

【００１７】請求項２の発明では、前記請求項１のレン
ジファインダ装置における光源は、ＬＥＤであるものと
する。

【００１８】請求項２の発明によると、ＬＥＤは光量が
小さいが寿命が比較的長いという特徴を持つため、ＬＥ
Ｄによって光源アレイ部を構成することによって、長期
間使用可能なレンジファインダ装置が実現できる。

【００１９】請求項３の発明では、前記請求項１のレン
ジファインダ装置における光源アレイ部は、各光源が格
子状または市松模様状に配置されたものとする。

【００２０】請求項４の発明では、前記請求項１のレン
ジファインダ装置における光源アレイ部は、各光源が曲
面上に配置されたものとする。

【００２１】請求項５の発明では、前記請求項１のレン
ジファインダ装置における光源アレイ部は、各光源が、
平面上に、かつ、その光軸が放射状になるように、配置
されたものとする。

【００２２】請求項６の発明では、前記請求項１のレン
ジファインダ装置における光源アレイ部は、光パタンの
投射範囲が、光パタン形成方向において複数の範囲に分
割されており、分割された各範囲に係る光源群は光パタ
ン形成方向に直交する方向に並べて配置されているもの
とする。

【００２３】請求項７の発明では、前記請求項１のレン
ジファインダ装置における光源制御部は、各光源の発光
強度をその光源の位置に応じて制御して光パタンを生成
するものとする。

【００２４】請求項８の発明では、前記請求項１のレン
ジファインダ装置における光源制御部は、各光源の発光
時間をその光源の位置に応じて制御して光パタンを生成
するものとする。

【００２５】請求項９の発明では、前記請求項７または
８のレンジファインダ装置における光源制御部は、２種
類の光パタンが投射された際に、３次元位置の測定が可
能な空間上の範囲がより広くなるように、前記光源アレ
イ部の端近傍に配置された光源についてその発光強度ま
たは発光時間を補正するものとする。

【００２６】請求項１０の発明では、前記請求項１のレ
ンジファインダ装置における光源アレイ部は複数個設け
られており、前記複数の光源アレイ部はその投光方向が
互いに異なるように配置されているものとする。

【００２７】請求項１１の発明では、前記請求項１のレ
ンジファインダ装置は、反射光画像から３次元計測を行
う３次元計測部を備え、前記３次元計測部は、前記光源
アレイ部から投射される２種類の光パタンについてその
光強度比が一定である空間軌跡を近似する計算式のパラ
メータを予め記憶しており、前記２種類の光パタンを投
射したときのそれぞれの反射光画像から着目画素におけ
る明るさの比を求め、求めた着目画素の明るさの比と記
憶している空間軌跡のパラメータとを基にして３次元計
測を行うものとする。

【００２８】請求項１２の発明では、前記請求項１のレ
ンジファインダ装置は、反射光画像から３次元計測を行
う３次元計測部を備え、前記３次元計測部は、奥行き値
一定の平面上に前記光源アレイ部から投射される２種類
の光パタンの光強度比が表された輝度比画像を、異なる
奥行き値について複数枚予め記憶しており、前記２種類
の光パタンを投射したときのそれぞれの反射光画像から
着目画素における明るさの比を求め、求めた着目画素の
明るさの比と前記各輝度比画像の前記着目画素の座標近
傍における光強度比とを比較して３次元計測を行うもの
とする。

【００２９】請求項１３の発明では、前記請求項１のレ
ンジファインダ装置は、反射光画像から３次元計測を行
う３次元計測部を備え、前記３次元計測部は、奥行き値
一定の平面上に、前記光源アレイ部から投射される２種
類の光パタンの光強度比が表された輝度比画像を、異な
る奥行き値について複数枚予め記憶しておき、前記輝度
比画像中に代表点を設定し、各代表点における光強度比
と奥行き値との関係式のパラメータを、前記複数枚の輝
度比画像および、それぞれの輝度比画像に対応する奥行
き値から決定し、前記２種類の光パタンを投射したとき
のそれぞれの反射光画像から着目画素における光強度比
を求め、着目画素の座標値と、前記着目画素における光
強度比と、前記各代表点における光強度比と奥行き値と
の関係式のパラメータを用いて、３次元計測を行うもの
とする。

【００３０】また、請求項１４の発明が講じた解決手段
は、被写体に少なくとも２種類の光パタンを投射し、そ
の反射光画像から前記被写体の３次元位置を測定する方
法として、前記２種類の光パタンについて、その光強度
比が一定である空間軌跡を近似する計算式のパラメータ
を予め記憶しておき、前記２種類の光パタンを投射した
ときのそれぞれの反射光画像から着目画素における明る
さの比を求め、求めた着目画素の明るさの比と記憶して
いる空間軌跡のパラメータとを基にして３次元計測を行
うものである。

【００３１】また、請求項１５の発明が講じた解決手段
は、被写体に少なくとも２種類の光パタンを投射し、そ
の反射光画像から前記被写体の３次元位置を測定する方
法として、奥行き値一定の平面上に前記２種類の光パタ
ンの光強度比が表された輝度比画像を、異なる奥行き値
について複数枚予め記憶しておき、前記２種類の光パタ
ンを投射したときのそれぞれの反射光画像から着目画素
における明るさの比を求め、求めた着目画素の明るさの
比と前記各輝度比画像の前記着目画素の座標近傍におけ
る光強度比とを比較して３次元計測を行うものである。

【００３２】また、請求項１６の発明が講じた解決手段
は、被写体に少なくとも２種類の光パタンを投射し、そ
の反射光画像から前記被写体の３次元位置を測定する方
法として、奥行き値一定の平面上に、前記２種類の光パ
タンの光強度比が表された輝度比画像を、異なる奥行き
値について複数枚予め記憶しておき、前記輝度比画像中
に代表点を設定し、各代表点における光強度比と奥行き
値との関係式のパラメータを、前記複数枚の輝度比画像
および、それぞれの輝度比画像に対応する奥行き値から
決定し、前記２種類の光パタンを投射したときのそれぞ
れの反射光画像から着目画素における光強度比を求め、
着目画素の座標値と、前記着目画素における光強度比
と、前記各代表点における光強度比と奥行き値との関係
式のパラメータを用いて、３次元計測を行うものであ
る。

【００３３】また、請求項１７の発明が講じた解決手段
は、被写体に光を投射し、その反射光を受けて前記被写
体の３次元位置を測定するレンジファインダ装置とし
て、少なくとも２種類の光パタンを投射する投光部と、
前記投光部から投射される光パタンの組を変化させるこ
とによって、計測範囲または計測精度を可変にする投光
パタン制御部とを備えたものである。

【００３４】請求項１７の発明によると、投光部から投
射される光パタンの組を変化させることによって、計測
範囲または計測精度を制御することが可能になり、様々
な測定モードを実現することが可能になる。

【００３５】請求項１８の発明では、前記請求項１７の
レンジファインダ装置における投光部は、複数の光源が
配列された光源アレイ部と、前記光源アレイ部の各光源
の発光態様を制御することによって、前記光源アレイ部
から光パタンを投射させる光源制御部とを備えたものと
し、前記投光パタン制御部は、前記光源制御部に前記光
源アレイ部から投射させる光パタンの組の種類を指示す
るものとする。

【００３６】請求項１９の発明では、前記請求項１７の
レンジファインダ装置における投光パタン制御部は、通
常の投光範囲を有する第１の光パタンの組を投射させる
通常測定モードと、投光範囲が前記第１の光パタンの組
よりも狭い第２の光パタンの組を、複数の方向に投射さ
せる精密測定モードとを有しているものとする。

【００３７】請求項２０の発明では、前記請求項１７の
レンジファインダ装置における投光パタン制御部は、計
測当初は相対的に広い投光範囲を有する第１の光パタン
の組を投射させ、その後、前記広い投光範囲の中の特定
の領域に対して、相対的に狭い投光範囲を有する第２の
光パタンの組を投射させる測定モードを有しているもの
とする。

【００３８】また、請求項２１の発明が講じた解決手段
は、複数の光源が配列された光源装置として、各光源の
発光態様を制御することによって所定の光パタンを投射
可能に構成されており、かつ、各光源は、平面上に、か
つ、その光軸が放射状になるように、配置されているも
のである。

【００３９】また、請求項２２の発明が講じた解決手段
は、複数の光源が配列された光源装置として、各光源の
発光態様を制御することによって所定の光パタンを投射
可能に構成されており、かつ、光パタンの投射範囲が、
光パタン形成方向において複数の範囲に分割されてお
り、分割された各範囲に係る光源群は、光パタン形成方
向に直交する方向に、並べて配置されているものであ
る。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００４１】（第１の実施形態）図１は本発明の第１の
実施形態に係るレンジファインダ装置の構成を示す図で
ある。図１において、１はカメラ、１１は複数の光源が
配列された光源アレイ部、１２は光源アレイ部１１の各
光源の発光態様を制御する光源制御部、１３はカメラ１
によって撮影された反射光画像から３次元計測を行う３
次元計測部としての距離計算部である。

【００４２】図１に示す構成では、図２３に示すような
２種類の光パタンを光源アレイ部１１から投光し、被写
体からの反射光をカメラ１で撮像して、被写体の３次元
位置を計測する。

【００４３】図２は光源アレイ部１１の構成の一例を示
す図である。同図中、（ａ）は断面図、（ｂ），（ｃ）
は平面図である。図２に示す光源アレイ部１１では、光
源として赤外ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いている。
図２（ａ）に示すように、複数個のＬＥＤを、円筒面ま
たは球面などの曲面上に配置している。これは、ＬＥＤ
単体では、光の輻射範囲（輻射角度）が約２０度程度で
あり、広い範囲に光を投光することはできないので、各
ＬＥＤの光軸を放射状にするためである。

【００４４】また平面的には、図２（ｂ）に示すように
ＬＥＤを格子状に整列させて配置したり、あるいは図２
（ｃ）に示すように市松模様状（千鳥格子状）に配置し
てもよい。図２（ｃ）の場合、図２（ｂ）よりも単位面
積当たりのＬＥＤの個数が多くなり、同一面積当たりの
光量を大きくできるので、光源アレイ部１１のサイズを
より小さくすることができる。光源の配列態様として
は、他にも同心円状などが考えられる。

【００４５】図３（ａ）は本願発明者が試作した光源ア
レイ部１１の一例の外観を示す斜視図である。図３
（ａ）では、２００個程度のＬＥＤが、曲面としての円
筒面上に市松模様状に配置されている。

【００４６】図３（ｂ）は本願発明者が試作した光源装
置としての光源アレイ部１１の他の例の外観を示す図、
図３（ｃ）はその断面図である。図３（ｃ）では、各Ｌ
ＥＤが、平面上に、かつ、その光軸が放射状になるよう
に、配置されている。このように、ＬＥＤをほぼ平板状
に実装することによって、光源アレイ部１１の奥行き方
向のサイズを小さくすることができる。

【００４７】また図３（ａ）では、ＬＥＤが、光パタン
形成方向（図では横方向）において一列に配置されてい
る。これに対して図３（ｂ）では、光パタンを投射する
範囲が右側と左側の２つの範囲に分割されており、水平
方向各列のＬＥＤが、分割したいずれかの投射範囲に対
応した構造になっている。言い換えると、分割された各
範囲に係る光源群（図ではＧ１，Ｇ２）は、光パタン形
成方向に直交する方向（図では縦方向）に、並べて配置
されている。このような構造にすることによって、光源
アレイ部１１の横方向のサイズを約１／２に小型化する
ことができ、図３（ａ）と比較して、点光源により近い
構造になる。

【００４８】なお図３（ｂ）では、ＬＥＤの各群Ｇ１，
Ｇ２は３列からなるものとし、ＬＥＤの放射方向を３列
毎に変えるものとしているが、１列毎に変えてもよい
し、３列以外の複数列毎に変えるようにしてもよい。

【００４９】また図３（ｂ）では、光パタン投射範囲を
２つに分割したが、これを３つ以上に分割し、各範囲に
係る光源群を縦方向に並べてもよい。この場合、分割数
を増やすことによって、光源アレイ部１１の横方向のサ
イズをさらに小さくすることができる。ただし、逆に縦
方向のサイズが大きくなるので、図１５（ａ）に示すよ
うな光強度分布が、画像の縦方向に変動してしまうおそ
れがある。ただし、この変動の程度が、後述するような
計算アルゴリズムによって光強度パタンを精度良く近似
できる範囲内であれば、実用上、光源として使用可能で
ある。

【００５０】図４（ａ），（ｂ）は光源アレイ部１１を
用いて生成した２種類の光パタンを示す図である。光源
制御部１２は、光源アレイ部１１の各ＬＥＤの発光強度
（明るさ）をそのＬＥＤの位置に応じて制御することに
よって、光パタンを生成する。ここでは、光源となるＬ
ＥＤに与える電圧（すなわちＬＥＤを流れる電流）を制
御することによって、その発光強度を制御するものとす
る。図４（ａ）に示す光パタンＡはＬＥＤの光量を列番
号に従って単調に増加させるパタン、図４（ｂ）に示す
光パタンＢはＬＥＤの光量を列番号に従って単調に減少
させるパタンである。

【００５１】光源制御部１２は、図５に示すように、カ
メラ１の露出タイミング（露出期間）に合わせて、図４
に示す光パタンＡと光パタンＢとを交互に順次切り換え
る。これによって、カメラ１から、光パタンＡが投射さ
れたときの反射光画像と光パタンＢが投射されたときの
反射光画像とが交互に得られる。すなわち、図２４に示
すα部分と同様の光パタンが被写体に投射され、その撮
像結果が、交互に得られる。

【００５２】なお、ここでは、動画像を撮像するために
２種類の光パタンＡ，Ｂを連続して交互に投射するもの
としたが、静止画像を撮像する場合は、光パタンＡ，Ｂ
を１回ずつ投光して２枚の画像をカメラ１によって撮像
するだけでよい。

【００５３】また、上述の例では、ＬＥＤの光量を制御
するためにＬＥＤ自体の明るさを制御するものとした
が、その代わりに、光源制御部１２が各ＬＥＤの発光時
間をそのＬＥＤの位置に応じて制御することによって、
光パタンを生成してもかまわない。この場合は、ＬＥＤ
に流れる電流は一定にしておけばよく、カメラの露光時
間内における各ＬＥＤの発光時間のみを制御すればよ
い。

【００５４】図６（ａ），（ｂ）は発光時間の制御によ
って生成した２種類の光パタンを示す図である。同図
中、（ａ）に示す光パタンＡはＬＥＤの発光時間を列番
号に従って単調に増加させるパタン、（ｂ）に示す光パ
タンＢはＬＥＤの発光時間を列番号に従って単調に減少
させるパタンである。カメラ１の露光時間内において、
長い時間投光するほど、のべの光量が大きくなるので、
光パタンの生成が可能になる。

【００５５】ＬＥＤは、ＬＥＤ自体が熱を持った場合、
あるいは、ＬＥＤ駆動回路の温度特性によってＬＥＤを
流れる電流が時間的に変化した場合には、その明るさが
変化する。この場合、発光強度を制御する手法では、生
成した光パタンに誤差が生じる可能性がある。しかし、
ＬＥＤに流れる電流を一定にし、発光時間を変化させて
光量を制御する場合には、ＬＥＤ駆動回路が安定であ
り、ＬＥＤ自体の発熱を抑えることもできるので、光パ
タンの形自体はほとんど変化しない。したがって、反射
光の光強度比を用いる本３次元測定方式では、その影響
はほとんどないといえる。また、発光強度一定で時間を
変化させるので、個々のＬＥＤの性能がばらついても、
正確に光量比を設定することができる。さらに、ＬＥＤ
の電流によって光強度を制御する場合、その制御はアナ
ログ回路となるが、発光時間の制御はデジタル回路によ
って容易に実現できるので、発光制御の精度を向上させ
ることは容易である。すなわち、発光時間の制御により
各ＬＥＤの光量を制御することによって、精度の高い、
安定した光パタンを生成することができる。

【００５６】（３次元計測方法）次に、得られた反射光
画像から３次元計測を行う方法について説明する。これ
は、図１における距離計算部１３が行う処理内容に相当
する。

【００５７】ここで、本実施形態においても従来技術の
項で説明した計算方法を用いてもかまわないが、従来の
３次元計算は、光源が点光源であることを前提とした手
法である。このため、本実施形態のようにＬＥＤアレイ
を光源として用いる場合には、光源自体が大きさを有し
ているので、従来の手法をそのまま用いた場合には、誤
差が発生する可能性がある。そこで、ここでは、光源自
体が大きさを有している場合であっても、誤差の発生を
防ぎ、正確に３次元計測を行うことができる方法につい
て、詳細に説明する。

【００５８】図７はカメラのｙ座標一定（ｙ１）の平面
における光源アレイ部１１、カメラ１および被写体の位
置関係を示す図である。図７に示すように、光パタン
Ａ，Ｂを投射して撮像したそれぞれの画像から求めた、
明るさ比の値ρ（光強度比）が一定の箇所（ρ＝ρ０，
ρ１，ρ２，ρ３，ρ４）は曲線群Ｆによって表され
る。そこで、これらの曲線を近似する方程式ｆ（ρ，
ｘ，ｚ）＝０を、レンジファインダ装置の使用前に、予
め求めておく。

【００５９】方程式ｆの求め方は次の通りである。図７
において、カメラ１の前に、Ｚ座標一定の平面（前額平
行面として配置した平面）を様々な距離の位置（Ｚ＝ｚ
０，ｚ１，…）におき、光源アレイ部１１から光パタン
Ａ，Ｂを照射して、その画像をカメラ１で撮像する。

【００６０】次に、図８に示すように、光パタンＡ，Ｂ
に対応する画像の画素毎に明るさ比の値を求め、同一の
ｙ座標値ｙ０について、明るさ比の値ρが同一の点を結
ぶ曲線（図８における点線）を回帰曲線に当てはめる。
ここで、回帰曲線を当てはめずに、直線の折れ線近似を
用いてもかまわない。このような、ρをパラメータとし
た回帰曲線の式を、画像の各ｙ座標について求めてお
く。すなわち、光強度比ρが一定である空間軌跡を近似
する計算式のパラメータを、３次元計測を行う準備のた
めに予め記憶しておく。

【００６１】次に、撮影された画像データから、実際に
３次元計測を行う。

【００６２】いま、着目する画素の座標が（ｘ１，ｙ
１）であるとする。座標（ｘ１，ｙ１）において、光パ
タンＡ，Ｂを投射したときの画像における輝度の比の値
を計算する。この輝度比がρ１であったとすると、ｙ＝
ｙ１の平面上において、ρ＝ρ１を満たす等輝度比曲線
（図７における曲線ｆ１）を、選択する。このとき、選
択した曲線ｆ０と、ＣＣＤ上の着目点（ｘ１，ｙ１）と
カメラのレンズ中心を通る直線ｌとの交点Ｃが、求める
３次元位置となる。

【００６３】このように、２枚の画像から各画素につい
てその明るさの比を求め、着目する画素について、その
輝度比から該当する等輝度比曲線を決定する。そして、
この等輝度比曲線と直線ｌとの交点を求めることによっ
て、撮像画像の各画素について３次元測定を行うことが
できる。

【００６４】また、等輝度比曲線の近似方程式ｆにｙの
項も入れ、ｆ（ρ，ｘ，ｙ，ｚ）＝０として３次元的に
回帰曲線を当てはめれば、輝度比の値ρから、３次元計
算に用いる曲線ｆを直接決定することができる。この場
合、図７の直線ｌと曲線ｆとの交点がない場合もある
が、この場合には例えば、直線ｌと曲線ｆとの距離が最
も近くなる点の平均値か、あるいは、ＺＸ平面に投影し
たときの交点を、その交点として求めてもよい。

【００６５】また、３次元計測を行う他の方法につい
て、次に説明する。

【００６６】図９に示すように、カメラ１前面にＺ値
（奥行き値）一定（Ｚ０）の平面をおき、この平面に光
パタンＡ，Ｂを投射して、それぞれの画像をカメラ１に
よって撮像する。そして、各画素における明るさ比の値
を求め、この輝度比が表された画像を輝度比画像Ｃ０と
して、予め記憶しておく。同様に、異なる奥行き値Ｚ１
〜Ｚ５について、輝度比画像Ｃ１〜Ｃ５をそれぞれ記憶
する。

【００６７】次に、撮影された画像データから、実際に
３次元計測を行う。

【００６８】いま、着目する画素の座標が（ｘ１，ｙ
１）であるとする。座標（ｘ１，ｙ１）において、光パ
タンＡ，Ｂを投射したときの画像における輝度比の値が
ρ０であったとする。このとき、図１０に示すように、
予め準備した各輝度比画像Ｃｉ（ｉ＝０〜５）におい
て、着目画素の座標（ｘ１，ｙ１）の近傍の範囲（Δ
ｘ，Δｙ）において、輝度比の平均値ρｍを求める。そ
して、着目画素の輝度比ρ０と、その座標近傍における
輝度比平均値ρｍとを比較することによって、３次元位
置の計測を行う。

【００６９】図１１は輝度比の差（ρｍ−ρ０）と各輝
度比画像の奥行き値との関係を示すグラフである。図１
１に示すように、（ρｍ−ρ０）が０になる位置、すな
わち、着目画素（ｘ１，ｙ１）において計測された輝度
比ρ０が、その座標近傍における輝度比平均値ρｍと等
しくなると想定される輝度比画像のＺ値Ｚｍが、その着
目画素（ｘ１，ｙ１）の奥行き値として求められる。こ
の場合には、予め回帰曲線を求める必要がなく、単純な
計算によって、３次元計測を実現することができる。

【００７０】図１２は本実施形態に係る３次元計測方法
の他の例を示す図である。図１２において、１００は複
数の奥行き値についての輝度比画像を予め記憶しておく
メモリ、Ｓ１１は奥行き値計算用パラメータ計算ステッ
プ、Ｓ１２は光パタンＡと光パタンＢから光強度比画像
を計算する光強度比計算ステップ、Ｓ１３は奥行き値計
算ステップ、Ｓ１４は３次元座標値計算ステップであ
る。メモリ１００は図１の構成における距離計算部１３
に設けられており、各ステップＳ１１〜Ｓ１４はこの距
離計算部１３によって実行される。

【００７１】メモリ１００は、図９に示した上述の３次
元計測方法と同様に、複数の奥行き値についての輝度比
画像を予め記憶しておく。

【００７２】次に、３次元座標値のうち奥行き値Ｚの計
算について説明する。奥行き値Ｚは、図１３に示すよう
に、輝度比画像中に矩形状に配置した節点（代表点）に
おける、光強度比ρと奥行き値Ｚとの関係式を用い、補
間計算によって各画素について計算する。すなわち図１
３において、節点を通りＺ軸に平行な直線（節線）上に
おける光強度比ρと奥行き値Ｚの関係式を用い、補間計
算によって節線間での光強度比ρと奥行き値Ｚの関係を
決定する。

【００７３】節線における光強度比ρと奥行き値Ｚの関
係式の計算方法（すなわちキャリブレーション方法）に
ついて、説明する。

【００７４】節線における光強度比ρと奥行き値Ｚの関
係は、複数の距離値に配置した平面（較正面）上での光
強度比について、光強度比の空間分布モデルを当てはめ
ることによって求める。これにより、光強度比ρと距離
値Ｚとが関係付けられ、奥行き値の計算が可能となる。

【００７５】図１４に距離計算に用いる有限要素モデル
を示す。図中、ｘ，ｙは画素座標値、Ｚは奥行き値（三
次元座標値）である。要素は、ｘｙ面に垂直な４つの節
線からなる四角柱として定義する。このモデルでは、ｘ
ｙＺの３次元空間における光強度比ρの分布から距離Ｚ
を求める。すなわち、ρ（ｘ，ｙ，Ｚ）を観測し、これ
をＺについて解けばよい。

【００７６】本実施の形態では、各節線において、

【数１】 として、光強度比ρと距離Ｚの関係を３次式としてモデ
ル化する。上式において、ρは光強度比、ｐ＝（ａ，
ｂ，ｃ，ｄ）ｔはパラメータベクトルである。図１３に
示すように、節線を２次元的に配置することにより、パ
ラメータベクトルｐの任意の変化に対して、一定の精度
を保った距離計測が可能となる。すなわち、節線を密に
配置すれば、演算量は増すが奥行き値の計測精度は向上
し、逆に、節線を粗く配置すれば、奥行き値の精度は低
下するが演算量を低減できる。

【００７７】節線間の画素座標値では、パラメータベク
トルｐを節線におけるパラメータベクトルｐ０〜ｐ３の
線形補間によって決定し、

【数２】 とする。ここで、

【数３】 であり、ｓ，ｔはｘ方向、ｙ方向についての線形重みで
ある。各節線におけるパラメータベクトルｐ０，ｐ１，
ｐ２，ｐ３は、予め記憶している複数の平面（較正面）
についての距離誤差が要素内で小さくなるように、すな
わち、

【数４】 を最小化するように決定する。ここで、Ｗは図１４に示
すように、４つの節線で囲まれる要素の底面領域を示
し、ｎはＺ方向に配置された平面（較正面）の面数であ
る。式（４）を最小化する条件、

【数５】 より

【数６】 となる。これを整理して

【数７】 となる。上記は局所的な要素についての連立方程式であ
る。複数の要素からなる系全体については、局所的な連
立方程式を加算して系全体の連立方程式を決定し、これ
を解くことによって、各節線におけるパラメータａ，
ｂ，ｃ，ｄをすべて求めることができる。

【００７８】幅６４０画素、高さ４８０画素の輝度比画
像に対して節線間隔を縦横１０画素にすると、６５×４
９＝３１８５個の節線を配置することになる。各節線は
ａ，ｂ，ｃ，ｄの４つのパラメータを持っているので、
３１８５×４＝１２７４０元の連立方程式を解くことに
より、入力画像の各画素についての奥行き値（Ｚ値）計
算に必要なパラメータを決定できる。

【００７９】奥行き計算用パラメータ計算ステップＳ１
１は、メモリ１００に予め記憶している複数の較正用輝
度比画像に対して、上述の計算を行うことにより、奥行
き計算に必要なパラメータを決定する。

【００８０】光強度比計算ステップＳ１２は、入力画像
（光パタンＡ、光パタンＢ）に対して、画素毎に光強度
比ρを計算する。

【００８１】奥行き値計算ステップＳ１３は、着目画素
の座標値ｘ，ｙと着目画素における光強度比ρと、近傍
４節線におけるパラメータとを用い、式（２），（３）
の計算により各画素における奥行き値Ｚを計算する。

【００８２】３次元座標値計算ステップＳ１４は、残り
の３次元座標値Ｘ，Ｙを、画素座標値ｘ，ｙと奥行き値
Ｚから計算する。画素座標値ｘ，ｙと奥行き値Ｚから３
次元座標値Ｘ，Ｙへの変換は、撮像系の幾何学的な特性
（１画素あたりの視野角、レンズ歪）を用いて行う。

【００８３】なお、入力の光パタンＡ，Ｂと較正用光強
度比の計算に用いる複数の画像にローパスフィルターを
かけることにより、画像に含まれるノイズの影響を低減
することができる。また、奥行き値にローパスフィルタ
ーをかけたり、メディアンフィルターをかけても、同様
の効果を得ることができる。

【００８４】なお、節点の間隔は、小さくすると計算時
に用いるパラメータ数は増加するが距離測定精度は良く
なり、逆に大きくするとパラメータ数は減少するが距離
測定精度は悪くなる。現在の実験結果では、縦４８０画
素、横６４０画素の画像に対して、縦横５０画素程度の
間隔まで節点間隔を拡げても、距離測定精度はほとんど
劣化しないことが判明している。

【００８５】以上のような３次元計測計算によって、光
源が点光源ではなく、本実施形態に係る光源アレイ部１
１のように所定の大きさを有する場合であっても、正確
に３次元計測を行うことができる。もちろん、点光源を
用いた場合であっても、ここで示した３次元計測の手法
を利用してもかまわない。また、光源アレイ以外の光源
であって、所定の大きさを有するものを用いた装置であ
っても、ここで示した手法が有効であることはいうまで
もない。

【００８６】（発光光量の補正）図１５（ａ）はカメラ
の前面に設置した前額平行面に図４に示す光パタンＡ，
Ｂを投射したときの明るさ比の分布を示すグラフであ
る。また図１５（ｂ）は、光パタンＡのときの光源アレ
イ部１１の各ＬＥＤの発光強度を示している。

【００８７】図１５（ａ）から分かるように、明るさ比
の変化が単調減少（または単調増加）である部分すなわ
ち３次元計測に用いられる範囲は、光パタンの照射範囲
のうちのα部分に限られてしまう。これは、光パタンの
照射範囲の端近傍では、光源アレイ部１１の光量が低下
し、光量変化が直線的でなくなることに起因する。すな
わち、各ＬＥＤの輻射角度は互いにオーバーラップして
おり、それらの足し合わせによって光パタンの一様な光
量変化を実現しているのであるが、アレイの端近傍で
は、足し合わせに有効となるＬＥＤの個数が減少するの
で、相対的に光量が低下する。また、カメラ１で撮像す
る際、画像の周辺ではレンズの周辺減光に起因して受光
量が減ることも、その一因である。

【００８８】このような理由によって、３次元計測に用
いられる範囲が、光パタンの照射範囲よりも狭く限定さ
れてしまう。そこで、ここでは、３次元位置の測定が可
能な空間上の範囲がより広くなるように、図１５（ｃ）
に示すような補正係数を用いて各ＬＥＤの光量補正を行
う。

【００８９】具体的には、図１５（ｂ）に示すような光
パタンに応じた光量制御値に、図１５（ｃ）に示すよう
な補正計数を乗じたものを、新たな光量制御値とする。
これは、２種類の光パタンの光量比を変えないで、光源
アレイ部１１の端近傍の光源の光量を中心部と比べて所
定の比率で増大させ、光源アレイ部１１端部における光
量低下を抑え、図１５（ａ）に示すα部分の範囲を大き
くするものである。すなわち、光源アレイ部１１の端近
傍に配置された光源について、その発光強度を補正する
と、明るさが大きい空間上の範囲が広くなり、また明る
さ比が単調に変化する空間上の範囲が広くなるので、３
次元位置の測定が可能な空間上の範囲がより広くなる。

【００９０】図１６は本願発明者が実験で測定して得た
光パタンと明るさ比との関係を示すグラフである。同図
中、（ａ）は補正前、（ｂ）は補正後のデータである。
上述のように補正することによって、補正前では図１６
（ａ）のようにピーク点と端近傍の最小点との輝度差ｄ
１が大きく、周辺部で計測不能になる状態が、補正後で
は図１６（ｂ）に示すように、明るさ比は図１６（ａ）
と同様に保ちつつ、ピーク点と端近傍の最小点との輝度
差ｄ２を小さくすることができ、計測可能範囲を拡大す
ることができる。

【００９１】なお、発光強度の代わりに発光時間を制御
して光パタンを生成している場合には、その発光時間に
図１５（ｃ）に示すような補正係数を乗ずることによっ
て、同様の効果が得られる。

【００９２】（第２の実施形態）図１７は本発明の第２
の実施形態に係るレンジファインダ装置の構成を示す図
である。同図中、図１と共通の構成要素には、図１と同
一の符号を付している。図１７の構成では、光源アレイ
部１１から投射させる光パタンの組の種類を光源制御部
１２に指示する投光パタン制御部１４が、さらに設けら
れている。光源アレイ部１１および光源制御部１２によ
って、投光部２０が構成されている。

【００９３】本実施形態の特徴は、投光パタン制御部１
４が、投射される光パタンの組を変化させることによっ
て、計測範囲や計測精度を変えることができる点にあ
る。なお、本実施形態の基本的な動作は第１の実施形態
と同様であり、図４に示すような２種類の光パタンを投
射し、被写体からの反射光をカメラ１で撮像して、被写
体の３次元位置を計測する。３次元計測方法もまた、第
１の実施形態と同様に実現される。投光パタン制御部１
４は、光源制御部１２に指示した光パタンの組の種類に
応じて、３次元計測のために必要となる計算パラメータ
情報を距離計算部１３に与える。

【００９４】図１８は計測範囲の制御の例を示す図であ
る。図１８（ａ）では、計測範囲の大小が切り替えられ
ている。すなわち、の場合は、第１の実施形態と同様
に、光源アレイ部１１の光投射範囲全てにわたって光強
度を変化させており、この結果得られた計測範囲ＡＲ
は最も広くなる。これに対して、の場合は、光投射範
囲のほぼ中心にある一部の範囲のみにおいて光強度を変
化させており、これにより、測定範囲ＡＲが狭くなっ
ている。ただし、の場合、計測範囲は狭くなるもの
の、測定範囲内の光強度の変化はの場合よりも大きい
ので、計測精度はよりも向上する。

【００９５】また、図１８（ｂ）では、計測範囲の位置
が切り替えられている。すなわち、の場合は、光パタ
ンの投射範囲のうちむかって左側の一部が計測範囲ＡＲ
になっており、の場合は、むかって右側の一部が計
測範囲ＡＲになっている。すなわち、カメラ視野範囲
内において、計測範囲を任意に移動させることが可能に
なる。これは、言い換えると、計測方向を変化させるこ
とが可能であることに相当する。

【００９６】光源アレイ部１１を用いた場合には、各光
源への供給電圧を制御することによって、図１８に示す
ような任意の光パタンを、電子的に、極めて容易に生成
することができる。これにより、レンジファインダ装置
に、様々な測定モードを持たせることが可能になる。

【００９７】図１９は測定モードの一例である。図１９
（ａ）に示すように、計測範囲を複数（図では７個）に
分割し、各計測範囲について、図１８（ｂ）に示すよう
な光パタンを投射して、順次３次元計測してこれらの結
果を合成すれば、カメラの視野全体にわたって精度の高
い３次元計測を行うことができる。すなわち、図１８
（ａ）ののような通常の投光範囲を有する第１の光パ
タンの組を投射させる通常測定モードとは別に、図１９
（ａ）に示すように、この第１の光パタンの組よりも投
光範囲が狭い第２の光パタンの組を複数の方向に投射さ
せる精密測定モードを設けることができる。

【００９８】また、図１９（ｂ）に示すように、まず計
測当初はカメラの視野全体に光パタンを投射して３次元
計測を行い、その後、得られた画像データから興味のあ
る部分などを特定し、その特定の領域に対して狭い投光
範囲を有する第２の光パタンの組を投射させて、精度の
高い計測を行うようにしてもよい。このようなインテリ
ジェントな動作を行う測定モードを持たせることも可能
である。

【００９９】以上のように本実施形態によると、３次元
計測を行う範囲や方向を、電子的に変化させることがで
きる。また、３次元計測の精度も、必要に応じて制御す
ることができる。

【０１００】また、本実施形態では、光源アレイ部を用
いて任意の光パタンを生成するものとしたが、例えば、
点光源をガルバノミラーなどで走査するような構成によ
っても、任意の光パタンを生成することは可能である。
すなわち、ミラー走査時における光源の光強度を時間的
に可変すれば、同様な効果を得ることができる。また、
光源として、動画を再生するプロジェクタを用いても、
同様の光パタンを生成することができる。すなわち、プ
ロジェクタに表示させる画像を図１８に示すような光パ
タンにするだけで、実現することができる。

【０１０１】なお、本発明の各実施形態において、光源
アレイ部を複数個設けて、各光源アレイ部を、その投光
方向が互いに異なるように配置してもよい。これによ
り、より広い空間上の範囲に光パタンを投射することが
できる。

【０１０２】なお、本発明の各実施形態では、複数の光
パタンＡ，Ｂを時分割で生成するものとしたが、波長が
互いに異なる光源を用いることによって、２種類の光パ
タンを同時に照射することができる。この場合、例え
ば、光源アレイ部１１に波長が異なる２種類の光源を均
一に混ぜて配置しておき、各波長の光源を用いて、光パ
タンＡ，Ｂをそれぞれ生成させればよい。ただし、この
場合には、カメラ側には、フィルターなどの波長を選別
するための機構が必要になる。また、複数の波長の光を
出力可能な光源を用いても、同様な構成を実現すること
ができる。

【０１０３】また、本発明に係る光源アレイ部は、ＬＥ
Ｄ以外の他の光源、例えば有機ＥＬ（エレクトロルミネ
サンス）素子などを用いても、同様に実現することがで
きる。

【０１０４】図２０はＥＬディスプレイの１画素構造を
示す図である。図２０に示すように、有機ＥＬ素子は陽
極と陰極とによって有機薄膜を挟み込んだ構造からな
り、これに直流電圧を与えると、陽極からは正孔が、陰
極からは電子が注入され、有機薄膜中で正孔と電子の再
結合がおこり、このとき発生したエネルギーが有機材料
を励起し、有機材料固有の色の発光が起こる。有機材料
から放出された光は、少なくとも一方の電極（この場合
は陽極）が透明であることから、外部に出力される。

【０１０５】有機ＥＬディスプレイは、図２０のような
素子をＲＧＢ各画素として２次元配置することによって
形成される。これは、図３に示すような光源アレイと同
様の構造であり、したがって、本実施形態で示したよう
な光パタンを生成することができる。この場合、各画素
にマイクロレンズを配置すれば、光の広がりが狭くな
り、さらに効率よく光を投射することができる。

【０１０６】また、単一素子の構造を大きくすることに
よって、面発光の光源を作ることも可能である。この場
合、電極の位置に応じて異なる電圧を印加することによ
って、図１５のような光分布を得ることも可能である。

【０１０７】また、各実施形態で説明したレンジファイ
ンダ装置は、被写体の３次元位置を測定することができ
るため、例えば、人間の虹彩を用いた個人認証を行う装
置に使用することができる。この場合、まず人間の眼の
３次元位置をレンジファインダ装置で測定し、その位置
に向かってカメラを正確にズームアップし、人間の虹彩
パタンを大きく撮像する。そして、撮像した虹彩画像を
用いて、認証処理を行う。あるいは、レンジファインダ
装置は、被写体の立体形状データの作成にも用いること
ができる。この場合は、レンジファインダ装置によって
測定した奥行き画像を基に、被写体を３次元ＣＧ（コン
ピュータグラフィックス）で用いられるポリゴン表現で
表現する。これにより、被写体の立体形状を、一般的な
ＣＧデータとして扱うことができる。

【０１０８】

【発明の効果】以上のように本発明によると、１個当た
りの光量が小さい光源を用いても、全体として十分な光
量を被写体に照射できるので、安定した３次元計測が可
能になる。また、任意の光パタンを、機械的な機構を必
要とせず、電気的に生成することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るレンジファイン
ダ装置の構成を示すブロック図である。

【図２】光源アレイ部の構成の一例を示す図であり、
（ａ）は断面図、（ｂ），（ｃ）は平面図である。

【図３】光源アレイ部の例の外観を示す図である。

【図４】（ａ），（ｂ）は光源の発光強度を制御して生
成した２種類の光パタンを示す図である。

【図５】光パタンの切替タイミングを示す図である。

【図６】（ａ），（ｂ）は光源の発光時間を制御して生
成した２種類の光パタンを示す図である。

【図７】本発明の実施形態に係る３次元計測方法を説明
するための図であり、カメラｙ座標一定の平面における
光源アレイ部、カメラおよび被写体の位置関係を示す図
である。

【図８】光強度比一定である空間軌跡を近似する曲線を
示す図である。

【図９】本発明の実施形態に係る３次元計測方法を説明
するための図であり、予め準備する輝度比画像を示す図
である。

【図１０】輝度比画像における着目画素付近の平均輝度
比の算出を示す図である。

【図１１】輝度比の差（ρｍ−ρ０）と各輝度比画像の
奥行き値との関係を示すグラフである。

【図１２】本実施形態に係る３次元計測方法の他の例を
示す図である。

【図１３】３次元計測で用いる代表点を示す図である。

【図１４】距離計算に用いる有限要素モデルである。

【図１５】光源アレイの発光光量の補正について説明す
るための図である。

【図１６】本願発明者が実験で測定して得た光パタンと
明るさ比との関係を示すグラフである。

【図１７】本発明の第２の実施形態におけるレンジファ
インダ装置の構成を示すブロック図である。

【図１８】本発明の第２の実施形態における計測範囲の
制御の例を示す図であり、（ａ）は計測範囲の大きさを
切り替える場合、（ｂ）は計測範囲の位置を切り替える
場合である。

【図１９】本発明の第２の実施形態に係る測定モードの
一例である。

【図２０】有機ＥＬ素子の構造を示す図である。

【図２１】従来のレンジファインダ装置の構成を示す図
である。

【図２２】図２１における光源の構成の一例を示す図で
ある。

【図２３】図２１の構成における投射光の分布を示す図
である。

【図２４】図２１の構成における光パタンと計測範囲を
示すグラフである。

【図２５】図２４のグラフから得られた投射光角度と光
強度比との関係を示す図である。

【符号の説明】

１１ 光源アレイ部 １２ 光源制御部 １３ 距離計算部（３次元計測部） １４ 投光パタン制御部 ２０ 投光部

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｇ０６Ｔ 7/60 １８０ Ｇ０１Ｂ 11/24 Ｋ (72)発明者 和田 穣二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 吾妻 健夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA53 BB05 FF04 GG07 GG15 HH02 HH14 JJ03 JJ26 2F112 AA09 CA02 CA08 DA02 EA07 FA39 5B047 AA07 AB02 BA03 BB04 BC12 BC14 CA19 CB22 DC09 5B057 BA02 BA15 CA08 CA13 CA16 CB08 CB16 CB20 CE11 CG09 DA11 DA17 DB09 DC22 DC33 5L096 AA06 AA09 CA04 CA17 DA02 FA81 GA08 GA41 HA07 JA11

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被写体に光を投射し、その反射光を受け
   て、前記被写体の３次元位置を測定するレンジファイン
   ダ装置であって、 複数の光源が配列された光源アレイ部と、 前記光源アレイ部の各光源の発光態様を制御することに
   よって、前記光源アレイ部から、少なくとも２種類の光
   パタンを投射させる光源制御部とを備えたことを特徴と
   するレンジファインダ装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のレンジファインダ装置に
   おいて、 前記光源は、ＬＥＤであることを特徴とするレンジファ
   インダ装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載のレンジファインダ装置に
   おいて、 前記光源アレイ部は、各光源が、格子状または市松模様
   状に配置されたものであることを特徴とするレンジファ
   インダ装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載のレンジファインダ装置に
   おいて、 前記光源アレイ部は、各光源が、曲面上に配置されたも
   のであることを特徴とするレンジファインダ装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載のレンジファインダ装置に
   おいて、 前記光源アレイ部は、 各光源が、平面上に、かつ、その光軸が放射状になるよ
   うに、配置されたものであることを特徴とするレンジフ
   ァインダ装置。
6. 【請求項６】 請求項１記載のレンジファインダ装置に
   おいて、 前記光源アレイ部は、 光パタンの投射範囲が、光パタン形成方向において、複
   数の範囲に分割されており、 分割された各範囲に係る光源群は、光パタン形成方向に
   直交する方向に、並べて配置されていることを特徴とす
   るレンジファインダ装置。
7. 【請求項７】 請求項１記載のレンジファインダ装置に
   おいて、 前記光源制御部は、 各光源の発光強度を、その光源の位置に応じて制御し
   て、光パタンを生成するものであることを特徴とするレ
   ンジファインダ装置。
8. 【請求項８】 請求項１記載のレンジファインダ装置に
   おいて、 前記光源制御部は、 各光源の発光時間を、その光源の位置に応じて制御し
   て、光パタンを生成するものであることを特徴とするレ
   ンジファインダ装置。
9. 【請求項９】 請求項７または８記載のレンジファイン
   ダ装置において、 前記光源制御部は、 ２種類の光パタンが投射された際に、３次元位置の測定
   が可能な空間上の範囲がより広くなるように、前記光源
   アレイ部の端近傍に配置された光源について、その発光
   強度または発光時間を補正することを特徴とするレンジ
   ファインダ装置。
10. 【請求項１０】 請求項１記載のレンジファインダ装置
    において、 前記光源アレイ部は、複数個、設けられており、 前記複数の光源アレイ部は、その投光方向が互いに異な
    るように、配置されていることを特徴とするレンジファ
    インダ装置。
11. 【請求項１１】 請求項１記載のレンジファインダ装置
    において、 反射光画像から３次元計測を行う３次元計測部を備え、 前記３次元計測部は、 前記光源アレイ部から投射される２種類の光パタンにつ
    いて、その光強度比が一定である空間軌跡を近似する計
    算式のパラメータを予め記憶しており、 前記２種類の光パタンを投射したときのそれぞれの反射
    光画像から、着目画素における明るさの比を求め、 求めた着目画素の明るさの比と、記憶している空間軌跡
    のパラメータとを基にして、３次元計測を行うものであ
    ることを特徴とするレンジファインダ装置。
12. 【請求項１２】 請求項１記載のレンジファインダ装置
    において、 反射光画像から３次元計測を行う３次元計測部を備え、 前記３次元計測部は、 奥行き値一定の平面上に、前記光源アレイ部から投射さ
    れる２種類の光パタンの光強度比が表された輝度比画像
    を、異なる奥行き値について複数枚、予め記憶してお
    り、 前記２種類の光パタンを投射したときのそれぞれの反射
    光画像から、着目画素における明るさの比を求め、 求めた着目画素の明るさの比と、前記各輝度比画像の、
    前記着目画素の座標近傍における光強度比とを比較し
    て、３次元計測を行うものであることを特徴とするレン
    ジファインダ装置。
13. 【請求項１３】 請求項１記載のレンジファインダ装置
    において、 反射光画像から３次元計測を行う３次元計測部を備え、 前記３次元計測部は、 奥行き値一定の平面上に、前記光源アレイ部から投射さ
    れる２種類の光パタンの光強度比が表された輝度比画像
    を、異なる奥行き値について複数枚、予め記憶してお
    き、 前記輝度比画像中に代表点を設定し、各代表点における
    光強度比と奥行き値との関係式のパラメータを、前記複
    数枚の輝度比画像および、それぞれの輝度比画像に対応
    する奥行き値から決定し、 前記２種類の光パタンを投射したときのそれぞれの反射
    光画像から、着目画素における光強度比を求め、 着目画素の座標値と、前記着目画素における光強度比
    と、前記各代表点における光強度比と奥行き値との関係
    式のパラメータを用いて、３次元計測を行うものである
    ことを特徴とするレンジファインダ装置。
14. 【請求項１４】 被写体に、少なくとも２種類の光パタ
    ンを投射し、その反射光画像から、前記被写体の３次元
    位置を測定する方法であって、 前記２種類の光パタンについて、その光強度比が一定で
    ある空間軌跡を近似する計算式のパラメータを予め記憶
    しておき、 前記２種類の光パタンを投射したときのそれぞれの反射
    光画像から、着目画素における明るさの比を求め、 求めた着目画素の明るさの比と、記憶している空間軌跡
    のパラメータとを基にして、３次元計測を行うことを特
    徴とする３次元計測方法。
15. 【請求項１５】 被写体に、少なくとも２種類の光パタ
    ンを投射し、その反射光画像から、前記被写体の３次元
    位置を測定する方法であって、 奥行き値一定の平面上に、前記２種類の光パタンの光強
    度比が表された輝度比画像を、異なる奥行き値について
    複数枚、予め記憶しておき、 前記２種類の光パタンを投射したときのそれぞれの反射
    光画像から、着目画素における明るさの比を求め、 求めた着目画素の明るさの比と、前記各輝度比画像の、
    前記着目画素の座標近傍における光強度比とを比較し
    て、３次元計測を行うことを特徴とする３次元計測方
    法。
16. 【請求項１６】 被写体に、少なくとも２種類の光パタ
    ンを投射し、その反射光画像から、前記被写体の３次元
    位置を測定する方法であって、 奥行き値一定の平面上に、前記２種類の光パタンの光強
    度比が表された輝度比画像を、異なる奥行き値について
    複数枚、予め記憶しておき、 前記輝度比画像中に代表点を設定し、各代表点における
    光強度比と奥行き値との関係式のパラメータを、前記複
    数枚の輝度比画像および、それぞれの輝度比画像に対応
    する奥行き値から決定し、 前記２種類の光パタンを投射したときのそれぞれの反射
    光画像から、着目画素における光強度比を求め、 着目画素の座標値と、前記着目画素における光強度比
    と、前記各代表点における光強度比と奥行き値との関係
    式のパラメータを用いて、３次元計測を行うことを特徴
    とする３次元計測方法。
17. 【請求項１７】 被写体に光を投射し、その反射光を受
    けて、前記被写体の３次元位置を測定するレンジファイ
    ンダ装置であって、 少なくとも２種類の光パタンを投射する投光部と、 前記投光部から投射される光パタンの組を変化させるこ
    とによって、計測範囲または計測精度を可変にする投光
    パタン制御部とを備えたことを特徴とするレンジファイ
    ンダ装置。
18. 【請求項１８】 請求項１７記載のレンジファインダ装
    置において、 前記投光部は、 複数の光源が配列された光源アレイ部と、 前記光源アレイ部の各光源の発光態様を制御することに
    よって、前記光源アレイ部から光パタンを投射させる光
    源制御部とを備えたものであり、 前記投光パタン制御部は、前記光源制御部に、前記光源
    アレイ部から投射させる光パタンの組の種類を、指示す
    るものであることを特徴とするレンジファインダ装置。
19. 【請求項１９】 請求項１７記載のレンジファインダ装
    置において、 前記投光パタン制御部は、 通常の投光範囲を有する第１の光パタンの組を投射させ
    る通常測定モードと、 投光範囲が前記第１の光パタンの組よりも狭い第２の光
    パタンの組を、複数の方向に投射させる精密測定モード
    とを有していることを特徴とするレンジファインダ装
    置。
20. 【請求項２０】 請求項１７記載のレンジファインダ装
    置において、 前記投光パタン制御部は、 計測当初は、相対的に広い投光範囲を有する第１の光パ
    タンの組を投射させ、 その後、前記広い投光範囲の中の特定の領域に対して、
    相対的に狭い投光範囲を有する第２の光パタンの組を投
    射させる測定モードを有していることを特徴とするレン
    ジファインダ装置。
21. 【請求項２１】 複数の光源が配列された光源装置であ
    って、 各光源の発光態様を制御することによって、所定の光パ
    タンを投射可能に構成されており、かつ、 各光源は、平面上に、かつ、その光軸が放射状になるよ
    うに、配置されていることを特徴とする光源装置。
22. 【請求項２２】 複数の光源が配列された光源装置であ
    って、 各光源の発光態様を制御することによって、所定の光パ
    タンを投射可能に構成されており、かつ、 光パタンの投射範囲が、光パタン形成方向において、複
    数の範囲に分割されており、 分割された各範囲に係る光源群は、光パタン形成方向に
    直交する方向に、並べて配置されていることを特徴とす
    る光源装置。