JP3471201B2 - 撮像モジュール、および撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本考案は、３次元空間上での
ポインティングを行うための発光手段を備えた撮像モジ
ュール、および撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

「従来のコンピュータへの入力手段」コンピュータへの
入力デバイスとしては、マウスが圧倒的に使われてい
る。が、マウスでできることは、カーソルの移動と、メ
ニューの選択など、あくまでも２次元のポインティング
デバイスとしての役目である。マウスで扱えるのは、２
次元情報なので、３次元空間のなかの物体など奥行きが
あるものを選択することは難しい。また、アニメーショ
ンを作成するときに、キャラクタに動きをつけるのに、
マウスでは、自然な動きをつけることが難しかった。

【０００３】「既存の３次元ポインティングデバイス」
３次元空間でのポインティングの難点を補うために、３
次元ポインティングデバイスが開発されている。例え
ば、図１２のような３次元ポインティングデバイスで
は、中央の丸い手段分の前方を押す、中央を押す、後方
を押す、丸い手段分の全体を持ち上げる、全体を右に回
す、左に回すというように、６通りの操作ができ、６自
由度ある。この６自由度を割り振ることで、３次元空間
内のカーソルの位置（ｘ，ｙ，ｚ）と向き（ｘ軸，ｙ
軸，ｚ軸）制御したり、あるいは、３次元空間に対する
視点位置（ｘ，ｙ，ｚ）と向き（ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸）を
制御できる。

【０００４】しかし、実際に操作すると、思うようにカ
ーソルや視点の制御ができないという問題がある。例え
ば、左右に回そうとすると、前方あるいは後方を押して
しまい、思わぬ方向にカーソルが動いたり、視点が動い
たりしてしまう。

【０００５】「装着型の３次元入力デバイス」このよう
な３次元ポインティングデバイスに対して、手振りや身
ぶりを使って入力するデバイスも開発されている。デー
タグローブやデータスーツ、サイバーグローブと呼ばれ
るものである。

【０００６】これらは、例えば、データグローブは手袋
状のデバイスで、表面に光ファイバが走っている。光フ
ァイバは、指の関節まで通っており、指を曲げることに
より、光の導通が変わる。この光の導通を計測すること
で、各指の関節がどの程度曲がっているかがわかる。手
自体の３次元空間内の位置は、手の甲についている磁気
センサによって計測するようになっている。人差し指を
立てれば、前進するというように、身ぶりとそれに対応
する指示を決めておけば、データグローブを使って、３
次元空間内を種々に視点を変えて、ちょうど歩き回るよ
うにする（ウォークスルーという）ことができる。

【０００７】「データグローブの問題点」しかし、問題
がいくつかある。まず、価格が高価であり、家庭用など
で手軽に使用することは難しい。指の関節の角度を計測
しているので、例えば、人差し指だけのばし、他の指
は、曲げた状態を前進指示と定義したとする。一口に指
を伸ばすといっても、人差し指の第２関節の角度が１８
０度に完全になっていることは少ないので、遊びの部分
を作らないと、正確にのばしたとき以外は、のばしてい
ると認識するのが難しい。

【０００８】また、データーグローブを装着するので、
自然な操作が阻害される。また、装着するたびに、手の
開いた状態と閉じた状態で、光の導通状態を校正せねば
ならないので、手軽に使えない。また、光ファイバを使
っているため、継続的に使っていると、ファイバが断絶
するなど消耗品に近いという問題がある。また、このよ
うに、高価で、手間がかかるデバイスである割には、手
袋の大きさが、ぴったり合っていないと、使っているう
ちにずれたりして校正した値からずれるために、細かな
手振りを認識することは難しい。

【０００９】このように、いろいろな問題があるため
に、データグローブは、ＶＲ（バーチャルリアリティ、
仮想現実感）技術のトリガーとなったデバイスであった
にもかかわらず、当初の期待ほど、普及しておらず、ま
た、低価格化もなされていず、使い勝手の点で問題が多
い。

【００１０】「画像を用いた身振り手振りの認識技術の
問題点」これに対し、データグローブのような特殊な装
置を装着することなく、手振りや身ぶりを入力しようと
する試みが、いくつかなされている。例えば、ビデオ映
像などの動画像を解析して、手の形を認識するような研
究がなされている。しかし、これらでは、背景画像から
目的とする画像、手振りの認識の場合には、手のみを切
り出すことが難しいという問題がある。例えば、色を使
って切り出す場合を考えてみる。手の色は肌色であるの
で、肌色の部分のみを切り出すような方式が考えられる
が、背景にベージュ色の洋服や、壁があると、肌色を識
別することが難しい。また、調整を行って、ベージュと
肌色を区別できるようにしても、照明が変われば、色調
が変化してしまうために、定常的に切り出すことは困難
である。

【００１１】このような問題から逃れるために、背景に
ブルーマットをおくというように、背景画像に制限を置
き、切り出しを容易にする方策も採られている。また、
以上のような切り出しなどのビデオの画像認識処理は、
非常に演算量が多い。このため、現状のパーソナルコン
ピュータでは、秒３０枚発生する画像を処理しきれない
のが実状である。従って、ビデオ映像の処理によってモ
ーションキャプチャなどを行うのは、リアルタイムは無
理である。

【００１２】「マーカーによる身振りの認識」また、手
や身体の一部に色マーカーや発光部を取り付け、画像に
よりそれらを検出し、手・身体の形、動きなどを捉える
装置もあり、一部実用化されている。

【００１３】ＣＧアニメーションやＴＶゲームなどの制
作現場で用い、入力した人間の動きにしたがってＣＧキ
ャラクタを動かすものである。しかし、個人レベルのユ
ーザーがこのような装置を使うことを考えると、操作の
度に装置を装着しなくてはならないというのは大きなデ
メリットであり、応用範囲を非常に制約する。また、デ
ータグローブの例に見られるように、装置を手などの可
動部に装着して使用する装置は耐久性が問題になりやす
い。

【００１４】「レンジファインダ」レンジファインダと
呼ばれる、距離画像を入力する装置がある。その代表的
な原理として、スポット光あるいはスリット光を対象物
体に照射し、その反射光の受光位置から三角測量の原理
で求めるものである。２次元的な距離情報を求めるため
に、スポット光あるいはスリット光を機械的に走査して
いる。この装置は非常に高精度な距離画像を生成するこ
とができるが、その反面、装置の構成が大掛かりにな
り、高コストになる。また入力に時間がかかり、実時間
で処理を行わせるのは困難である。

【００１５】またカメラを２台使い、２つの方向からの
画像を撮像し、両方の画像中の対応点から、三角法を用
いて３次元情報を生成するという手法もある。しかし、
２つの画像中から対応点を見つけることは難しく、とく
に複雑な背景下でこれを行うのは非常に困難である。ま
たその難しさから、実時間処理には非常に多く計算機パ
ワーを要する。

【００１６】「画像中からのキャラクタの切り出し」次
に、以上のような入力デバイスとは別に、カメラ技術に
ついて従来技術についての問題点を述べる。従来のカメ
ラ技術では、背景に対して、キャラクタの合成（クロマ
キー）を行うには、あらかじめ、ブルーバックでキャラ
クタを撮影して、キャラクタの切り出しを容易にする必
要があった。このため、ブルーバックで撮影ができるス
タジオなど、撮影場所に制限があった。あるいは、ブル
ーバックでない状態で撮影した映像から、キャラクタを
切り出すには、コマごとに、キャラクタの切り出し範囲
を人手で編集せねばならないので、非常な手間がかかっ
ていた。

【００１７】同様に、キャラクタを３次元空間の中に生
成するには、あらかじめ３次元のモデルをつくってお
き、そこにキャラクタの写真を貼り付ける（テクスチャ
マッピング）をおこなうような方式をとっている。が、
３次元モデルの生成、および、テクスチャマッピングに
は手間がかかり、映画制作など経費がかかってもよい用
途以外では、ほとんど使えなかった。

【００１８】「問題提起」以上述べたように従来は、特
殊な装置を装着することなく、簡易にジェスチャや動き
を入力できる直接指示型の入力デバイスが存在しなかっ
た。特に、３次元空間でのポインティングや視点の変更
を容易に行える簡易なデバイスは存在しなかった。ま
た、ユーザのジェスチャや動きをそのまま使って、アニ
メーションのキャラクタなどに自然な動きをつけたりす
ることができなかった。

【００１９】さらに、従来のカメラでは、特定のキャラ
クタだけを切り出したり、キャラクタの奥行き情報を容
易に入力できなかった。「その解決法としての発光手段
を持つ撮像装置」上記の問題点を解決するために、考案
者たちは、既に物体の形状、動き、距離情報などを非接
触で入力することの可能な装置を発明した（特願平８−
２７５９４９号）。この発明した入力装置は、光を発光
し、その対象物体による反射光を画像として捉える。物
体表面がほぼ均一な拡散反射面である場合、反射光の強
さは物体までの距離と密接な関係を持つ。物体が存在し
ている場所からの反射光はある程度の値を持ち、遠い背
景からの反射光はほとんど無いため、反射光の画像をし
きい値で分けることにより、物体の形状を抽出すること
が出来る。またその形状を画像処理することにより、重
心位置や大きさ、水平方向、垂直方向への形状の広が
り、また形状の時系列からその動きや変形などの様々な
特徴量を抽出することができる。また物体の凹凸を反射
光量の違いとして捉えられるため、対象物体の立体構造
を得ることも出来る。

【００２０】「外光の影響の低減」光を発して、その反
射光を単に受光しても、その中には、照明や太陽光など
の外光が入り込んでしまい、正しい受光量が得られな
い。反射光の画像を入力するために、あるタイミングを
発生するタイミング発生手段の制御信号によって、発光
部、および受光部を動作させる。発光部が発光している
ときの受光画像から発光部が発光していないときの受光
画像の差分を取ることによって、反射光画像を得ること
ができる。

【００２１】具体的には、一つの画素に相当するセルに
２つのキャパシタを持った撮像センサを発光手段と同期
させて動作させることによって反射光画像を得ることが
できる。セルの光電変換部で受光し発生した電荷は２つ
のキャパシタのうちどちらかを選択して蓄積できるよう
にしておく。そして発光手段が発光しているときに受光
し発生した電荷を第１のキャパシタに蓄積し、次に発光
していないときに受光し発生した電荷を第２のキャパシ
タに蓄積する。セルから電荷を読み出す際に２つの電荷
量の差を出力するしくみを用意しておけば、２つのキャ
パシタの差、すなわち反射光のみの画像データが得られ
る。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
装置を構成する上でいくつかの問題があった。不可視光
を発光し、その物体による反射光を撮像する撮像装置に
おいて、物体の形状に凹凸がある場合に、凸部に遮られ
て凹部に十分な光が届かないことによって正しくない形
状が捉えられてしまうことがあった。特に撮像光学系と
発光手段とは離れている場合にこの現象が顕著であっ
た。

【００２３】また、撮像範囲に発光手段からの光ができ
るだけ有効に届くよう、また撮像範囲ができるだけ均一
に照らされるようにするために発光手段と撮像光学系の
位置関係をきちんと設計する必要があるが、本撮像装置
を入力手段として組み込む機器の設計者がこれらの設計
を行うことは非常に手間がかかった。

【００２４】また、一般的に発光手段は中心方向が明る
く、周辺方向が暗い指向特性を持つため、撮像範囲の中
で明るさに差が出る。そして暗いところはＳ／Ｎが悪く
なるという問題があった。

【００２５】また、発光手段の位置によってはその直接
光が撮像光学系を経て直接撮像素子に入射してしまい、
ノイズとなってしまう問題があった。また、発光手段か
らの光が撮像範囲外まで照らした場合、撮像範囲外に放
射した光はまったく利用されることなく、逆に本撮像装
置の消費電力増大を引き起こしたり、必要以上のＬＥＤ
を使うことになり高コスト化を招く、という問題があっ
た。

【００２６】また、撮像光学系は一般的に中心部分が明
るく周辺部は暗い。本撮像装置はその利用形態によって
はかなり広角な光学系を必要とするがそのような場合に
はその傾向は一層顕著である。また撮像対象の物体が光
学系の光軸と垂直な平面を持っているようなとき、発光
部から物体表面へ至り反射して撮像光学系に入射する経
路は、物体の周辺ほど長くなる。つまり周辺ほど反射光
の量が少なくなる。以上の特性から反射光画像は周辺ほ
どＳ／Ｎが悪くなるという問題があった。一方、一般的
な発光手段は中心方向が最も明るく周辺方向ほど暗いた
め、上記の問題点をさらに悪化させてしまうという問題
があった。

【００２７】また、発光手段や撮像光学系を露出してお
くと、不用意に手などで触ってしまい、皮脂などで汚れ
てしまう、という問題がある。発光手段が汚れると撮像
範囲の照度の均一さが保たれなくなってしまう。また明
るさ自体も暗くなってしまう。撮像光学系の表面が汚れ
ると、やはり撮像画像の品質劣化となって現れる。多少
の汚れならばその表面を拭くことで多少は改善される。
しかし、撮像光学系と場合によっては複数の発光手段が
組み合わせて構成されたモジュールの表面は凹凸が多く
あり、拭いたりするのも面倒である上に完全にきれいに
するのは難しい。また、発光手段を持つ撮像装置なの
で、拭いているうちに発光手段の向きなどが微妙に変わ
ってしまいその後の特性の劣化を招くこともある。

【００２８】本撮像装置は非接触で機械を操作するため
の入力装置として用いることができるため、その特性を
生かした使用法として、悪環境下での入力手段として用
いるケースがある。このような場合は、撮像装置本体
が、水、泥や埃などにさらされることが多く、誤動作や
故障の原因になるという問題があった。

【００２９】使用者がこの撮像装置の前に手を出して動
かすことにより機械をコントロールすることを考えた場
合、使用者の体格や姿勢によって、手をだしやすい場所
が異なる。撮像モジュールの向きが固定になっている
と、その撮像範囲に合わせて使用者が自分の手の位置を
調整しなくてはならず、これは自然な操作を阻害するこ
とになり疲労を助長してしまう、という問題がある。

【００３０】撮像モジュールが可動である撮像装置にお
いて、使用者がその向きを変えようとするときはモジュ
ール部分を持たなくてならず、このときに発光部や撮像
光学系や、あるいはそれらが保護ガラスのようなもので
覆われているときはその保護面をつい触ってしまいがち
である。そうすると前述のように装置自体の性能劣化を
引き起こしてしまう、という問題がある。以上のように
本撮像装置にはいくつかの問題点があったが、これまで
に出願した特願平８−２７５９４９号では、このような
ことは考慮していなかった。

【００３１】

【課題を解決するための手段】

「第１の発明に対応」不可視光を発光し、その物体によ
る反射光を撮像する撮像装置において、物体の形状に凹
凸がある場合に、凸部に遮られて凹部に十分な光が届か
ないことによって正しくない形状が捉えられてしまうこ
とを防ぐために、撮像光学系の外周部近傍に不可視光を
発光する発光手段を配置して構成する。

【００３２】また、撮像範囲に発光手段からの光ができ
るだけ有効に届くよう、また撮像範囲ができるだけ均一
に照らされるようにするために発光手段と撮像光学系の
位置関係をきちんと設計する必要があるが、本撮像装置
を入力手段として組み込む機器の設計者がこれらの設計
に手間を取らずにすむようにあらかじめ適切な配置で、
発光手段と撮像光学系を組み込んだ撮像モジュールを構
成する。

【００３３】つまり、光を発光する発光手段と、この発
光手段から発光された光の撮像すべき物体による反射光
を撮像する撮像手段を有する撮像モジュールにおいて、
撮像手段の外周部分の近傍に光を発光する発光手段を配
置したことを特徴とする。

【００３４】「第２の発明に対応」撮像範囲の中で発光
手段からの光がもっとも強いところと弱いところの差が
なるべく小さくなるように、撮像光学系の外周部近傍
に、複数の発光手段を幾何学的に対称となるよう配置す
る。

【００３５】つまり、撮像手段の外周部分の近傍に、複
数の発光手段を幾何学的に対称となるよう配置したこと
を特徴とする。 「第３の発明に対応」発光手段からの光が撮像光学系を
経て直接撮像素子に入射すると、得られる画像の誤差と
なるため、発光手段による直接光が撮像光学系を経て撮
像素子に入射しないような位置関係で発光手段を配置す
ることによってこれを防ぐ。

【００３６】つまり、発光手段から発光された光が直接
撮像手段に入射しない位置に発光手段を配置したことを
特徴とする。 「第４の発明に対応」発光手段からの光が撮像範囲外ま
で照らしていた場合、撮像範囲外に放射した光はまった
く利用されることなく、逆に本撮像装置の消費電力増大
を引き起こしたり、必要以上のＬＥＤを使うことになり
高コスト化を招く。発光手段からの光ができるだけ撮像
範囲内に有効に照射されるようにし、その結果省電力
化、ＬＥＤ数の最小化を図るために、発光手段とともに
反射手段を用いる。

【００３７】つまり、発光手段から発光された光が撮像
範囲内に照射されるための反射手段を有することを特徴
とする。 「第５、６の発明に対応」撮像光学系は一般的に中心部
分が明るく周辺部は暗い。本撮像装置はその利用形態に
よってはかなり広角な光学系を必要とするがそのような
場合にはその傾向は一層顕著である。また撮像対象の物
体が光学系の光軸と垂直な平面を持っているとき、発光
部から物体表面へ至り反射して撮像光学系に入射する経
路は、物体の周辺ほど長くなる。つまり周辺ほど反射光
の量は少なくなる。以上の特性から反射光画像は周辺ほ
どＳ／Ｎが悪くなるが、発光手段で撮像範囲を照らすと
きに周辺を中心より明るく照らすことによりこれを改善
することができる。このために、中心部より周辺の方が
発光強度の大きい指向特性を持った発光手段を用いる。

【００３８】また、一般的にはそのような発光手段はそ
れほど多くなく、大抵は中心方向が最も明るく周辺方向
ほど暗い。そのような発光手段を用いる場合は反射手段
と併用することにより、周辺部を中心部より明るくした
指向特性を実現する。撮像範囲よりも広い範囲を照射で
きるような広い指向性を持った発光手段と、反射手段を
併用し、中心方向からある角度以上の光を撮像範囲内に
戻すことで、撮像範囲の中心よりも周辺の方が明るく照
射できるようにする。

【００３９】つまり、撮像範囲よりも広い範囲を照射で
きるような広い指向性を持った発光手段と、前記反射手
段を有し、撮像範囲の中心よりも周辺の方が明るく照射
させることを特徴とする。

【００４０】また、中心よりも周辺を明るく照射させる
指向特性を持った発光手段を備える事を特徴とする。 「第７、８の発明に対応」発光手段や撮像光学系を露出
しておくと、不用意に手などで触ってしまい、皮脂など
で汚れてしまう。発光手段が汚れると撮像範囲の照度の
均一さが保たれなくなってしまう。また明るさ自体も暗
くなってしまう。撮像光学系の表面が汚れると、やはり
撮像画像の品質劣化となって現れる。多少の汚れならば
その表面を拭くことで多少は改善される。しかし、撮像
光学系と場合によっては複数の発光手段が組み合わせて
構成されたモジュールの表面は凹凸が多くあり、拭いた
りするのも面倒である上に完全にきれいにできるとは限
らない。また、拭いているうちに発光手段の向きなどが
微妙に変わってしまいその後の特性の劣化を招くことも
ある。このようなことを防ぐために、発光手段または撮
像光学系を保護する手段を持たせる。

【００４１】つまり、発光手段または撮像手段を保護す
る手段を持ち、保護する手段は、入射すべき波長光を通
す波長選択特性を持つことを特徴とする。 「第９、１４、１０、１１の発明に対応」本撮像装置は
非接触で機械を操作するための入力装置として用いるこ
とができるため、その特性を最大限に生かした利用法と
して悪環境下での入力手段として用いるケースがある。
このような場合、撮像装置本体を、水、泥や埃などの汚
れから守る必要がある。そこで、発光手段と撮像光学系
と撮像素子を有し、これら全体を密閉された筐体に格納
する。その際には内部回路から信号を取り出したり、ま
た内部回路に信号を伝えるためのコネクタを持つ。また
その撮像モジュールを用いて撮像装置を構成したとき回
路部分がモジュール内と装置本体の両方に存在すること
もある。このようなときには、装置本体内部の回路も汚
れから保護するために筐体の中に遮蔽された構造とす
る。さらに撮像モジュールがその向きを可動となるよう
に撮像装置を構成するとき、コネクタをいいかげんな位
置に取り付けてしまうと、撮像モジュールの向きを動か
したときにコネクタの位置が大きく動いてしまい、必要
以上のケーブルを要してしまう。そこで、撮像モジュー
ルがそれを可動とする撮像装置を構成したときに回転軸
として本体から支えられる部分を持ち、その近くにコネ
クタを配置する。

【００４２】つまり、発光手段および撮像手段全体が密
閉された筐体に格納されていることを特徴とする。ま
た、撮像装置の内部回路と信号のやり取りするためコネ
クタを有することを特徴とし、撮像モジュールが回転移
動ができるように回転軸として支えられる部分を有し、
前記回転軸に近いところにコネクタが配置されたことを
特徴とする。

【００４３】また、撮像モジュールの外部の回路が、密
閉された筐体に格納されていることを特徴とする。 「第１２の発明に対応」使用者がこの撮像装置の前に手
を出して動かすことにより機械をコントロールすること
を考えた場合、使用者の体格や姿勢によって、手を出し
やすい場所が異なる。撮像モジュールの向きが固定にな
っていると、その撮像範囲に合わせて使用者が自分の手
の位置を調整しなくてはならず、これは自然な操作を阻
害することになり疲労を助長してしまう。そこで、撮像
モジュールの仰角がある範囲で可変となるようにして撮
像装置を構成する。

【００４４】つまり、光を発光する発光手段と、この発
光手段から発光された光の撮像すべき物体による反射光
を撮像する撮像手段を有し、この撮像手段の外周部分の
近傍に光を発光する前記発光手段を配置した撮像モジュ
ールが撮像手段の仰角がある範囲で可動する機構を有す
ることを特徴とする。

【００４５】「第１３の発明に対応」撮像モジュールが
可動である撮像装置において、使用者がその向きを変え
ようとするときはモジュール部分を持たなくてならず、
このときに発光部や撮像光学系や、あるいはそれらが保
護ガラスのようなもので覆われているときはその保護面
をつい触ってしまいがちであった。そうすると前述のよ
うに装置自体の性能劣化を引き起こしてしまう。それを
防ぐために、発光部、撮像光学系、あるいはその前面を
覆っている保護手段を手で触れることなく、撮像モジュ
ールを動かせるように、撮像モジュールに取っ手を取り
付ける。つまり、撮像モジュールを動かすための取っ手
が取り付けたことを特徴とする。

【００４６】

【発明の実施の形態】

「基本原理の説明」まず始めに本発明を適用するところ
の撮像装置の基本原理および基本構成を説明する。この
撮像装置は不可視光を発光する手段を持ち、その物体に
よる反射光を撮像する。発光手段と撮像手段を同期的に
動作させることによって室内照明や太陽光などの外部光
から分離して、発光手段による光の反射光だけを捉え
る。またこの反射光画像を入力情報としてコンピュータ
などの機器に取り込んだり、またこの画像を様々な形に
加工してあるいはこの画像から情報を抽出して、機器を
操作するための情報として利用する。

【００４７】本撮像装置の基本構成を図１に、その中の
反射光画像検出部のより詳細な構成を図２に示す。発光
手段１より発光された光は、対象物体２に反射して、受
光光学系３により、反射光画像検出部４の受光面上に結
像する。反射光画像検出部４は、この反射光の強度分
布、すなわち反射光画像を検出する。反射光画像検出部
において外光から分離して反射光のみを取り出すしくみ
については後述する。反射光画像検出部４は反射光画像
の各画素の反射光量をシーケンシャルに出力する。反射
光画像検出部からの出力はアンプ５によって増幅され、
Ａ／Ｄ６によってデジタルデータに変換された後、メモ
リ７に蓄えられる。しかるべきタイミングでこのメモリ
７より蓄積されたデータが読み出される。読み出された
データは例えば、図示しない特徴情報生成手段において
処理される。これら全体の制御をタイミング制御９が行
う。

【００４８】次に、図２を用いて反射光画像検出部のよ
り詳細な構成を説明する。反射光画像検出部は、画像の
１画素分に相当する単位受光部であるセル１５が２次元
的に並べられている。この点ではＣＣＤイメージセンサ
など他の撮像素子と似ている。異なるのは、セル構造の
中に外光から分離して反射光のみを取り出すためのしく
みがあることである。セル１５は光電変換手段１０と蓄
積方向制御手段１１と第１の電荷蓄積手段１２および第
２の電荷蓄積手段１３と、選択出力手段１４からなる。
光電変換手段は入射した光を電荷に変換する。第１およ
び第２の電荷蓄積手段は光電変換手段において発生した
電荷を蓄積する手段である。蓄積方向制御手段は光電変
換手段において発生した電荷を第１、第２の電荷蓄積手
段のいずれに蓄積するかを制御する手段である。選択出
力手段は第１、第２の電荷蓄積手段のいずれか選択しそ
の電荷をセル外部へ読み出すための手段である。

【００４９】１枚の反射光画像を得るために以下のよう
な動作を行う。まず発光手段１がパルス発光する。発光
している間、光電変換手段で発生した電荷を第１の電荷
蓄積手段１２に蓄積する。次に発光していない間に、光
電変換手段で発生した電荷を第２の電荷蓄積手段１３に
蓄積する。こうすることによって、第１の電荷蓄積手段
には反射光と室内照明、太陽光などの外光を受光した電
荷量が、第２の電荷蓄積手段には外光のみを受光した電
荷量が蓄積される。セルから電荷を読み出すときは、２
つの電荷蓄積量を順番に読み出し外部の差分回路１７で
その差分を取り出す。第１の電荷蓄積手段の蓄積量から
第２の電荷蓄積手段の蓄積量を引くと、反射光成分のみ
が取り出される。

【００５０】上の説明では、第１の電荷蓄積部、第２の
電荷蓄積部への電荷蓄積は１回ずつであったが、回数は
これに限らない。例えば２つの電荷蓄積部への蓄積を１
０回繰り返してもよい。また、第１の電荷蓄積部、第２
の電荷蓄積部への電荷蓄積回数が異なってもよい。例え
ば、始めに第１の電荷蓄積部へ１ｍｓ蓄積し、ついで第
２の電荷蓄積部へ２ｍｓ蓄積し、最後にもう一度第１の
電荷蓄積部へ１ｍｓ蓄積してもよい。このようにする
と、外光の変動の影響を受けにくい。

【００５１】発光手段は人間の目に見えない不可視光を
発光する。具体的には近赤外光を発光するＬＥＤはその
コスト、装置への組み込みやすさから言っても好適であ
る。不可視光であるため、使用者は眩しさを感じずに済
む。また、より好適には受光光学系には図示しない、波
長選択型光学フィルタが設ける。近赤外光を用いる場合
は、このフィルタは発光波長である近赤外光を通過し、
可視光、遠赤外光を遮断する。従って、ノイズとなる外
光の多くをカットしている。

【００５２】上記で述べた撮像装置の構成はほんの一例
である。実際にはさまざまな形で反射光画像を得る装置
を構成できる。本装置では発光手段と撮像光学系の位置
関係を主にした発明を述べているので、撮像素子自体の
細かい構成は問わない。上の説明では、単位セル内に２
つの電荷蓄積部を持つ撮像素子を例に挙げたが、例え
ば、セル内には電荷蓄積部は１つしかなく、差分を得る
しくみをセル外に用意してもよい。同じ考え方で、既存
のＣＣＤイメージセンサなどを用いてもこの撮像装置を
構成することはできる。

【００５３】「反射光画像の利用」物体からの反射光
は、物体の距離が大きくなるにつれ大幅に減少する。物
体の表面が一様に光を散乱する場合、反射光画像１画素
あたりの受光量は物体までの距離の２乗に反比例して小
さくなる。従って、本入力装置の前に物体を置いたと
き、背景からの反射光はほぼ無視できるくらいに小さく
なり、物体のみからの反射光画像を得ることが出来る。

【００５４】例えば、入力装置の前に手を持ってきた場
合、その手からの反射光画像が得られる。この時、反射
光画像の各画素値は、その画素に対応する単位受光セル
で受光した反射光の量を表す。反射光量は、物体の性質
（光を鏡面反射する、散乱する、吸収する、など）、物
体面の向き、物体の距離、などに影響されるが、物体全
体が一様に光を散乱する物体である場合、その反射光量
は物体までの距離と密接な関係を持つ。手などはこのよ
うな性質を持つため、手を差し出した場合の反射光画像
は、手の距離、手の傾き（部分的に距離が異なる）、な
どを反映する。従ってこれらの特徴情報を抽出すること
によって、様々な情報の入力・生成が可能になる。

【００５５】反射光画像の加工の仕方の代表例は、距離
情報の抽出と、領域抽出である。先にも述べたように、
物体が一様で均質な散乱面を持つ物体であれば、反射光
画像は距離画像と見なすことができる。従って、物体の
立体形状を抽出することができる。物体が手であれば、
手のひらの傾きなどが検出できる。手のひらの傾きは部
分的な距離の違いとして現れる。また、手を移動させた
ときに画素値が変われば、距離が移動したと見ることが
できる。また、背景のように遠い物体からの反射光はほ
とんどないため、反射光画像からあるしきい値以上の領
域を切り出すという処理で、物体の形状を簡単に切り出
すことができる。例えば、物体が手であれば、そのシル
エット像を切り出すのは極めて容易である。また画素値
が距離と密接な関係を持つため物体の凹凸の情報を得る
ことができる。これは３次元形状の獲得が可能であるこ
とを示す。

【００５６】また反射光画像よりさまざまな特徴情報を
抽出することができる。この特徴情報あるいは特徴情報
の抽出方法は様々考えられる。例えば形状の面積や重心
の位置、水平方向、垂直方向の広がり、およびそれらの
時間的変化などを抽出することができます。また手の形
から指先の位置などを検出することもできる。また距離
情報も併用した特徴量を求めることもできる。これらの
特徴情報からジェスチャーやポインティングなどの情報
を生成し、これによりコンピュータなどの操作を行うこ
とができる。また対象物体の立体情報を抽出し、利用す
ることもできる。また、コンピュータに限らず、ＡＶ機
器や家電製品などの機器や非接触で操作したい医療機器
や汚れたてで操作したい工場などの装置などさまざまな
製品に応用できる。

【００５７】「明るさを距離に変換することを説明」こ
れまでにも述べたように、本装置では、発光手段により
光を発し、その光の対象物体による反射光を画像として
獲得する。したがって、物体が近くに存在すれば反射光
は大きくなり、物体が遠くになれば反射光は小さくな
る。物体面が光軸と垂直であり、その表面が完全拡散面
だと仮定すると、物体面上からの反射光を受光する、受
光セル（反射光画像の１画素に相当する）が受ける光の
量は、物体面までの距離の２乗に反比例する。実際に
は、物体面が完全拡散面でないこともあるし、物体面は
光軸に垂直でなければ反射光量は減衰する。また発光手
段が均一に対象空間を照らしていなければ対象物体の位
置によっても反射光量が変わる。したがって、精度良く
求めようとすればさまざまな補正を行う必要はある。し
かし基本的には反射光量、つまり画素値は距離と関係を
持つ。

【００５８】「ＬＥＤを光学系から離した場合のデメリ
ット」ところで、発光手段はどこにあっても良いのかと
いうと、通常の撮像、つまり人が見るための映像を撮る
ときにも、照明を用いる場合は多い、例えばテレビ局の
スタジオには照明用のライトがいくつもある。屋外で撮
影するときも照明や光を反射して被写体を照らすための
板などが必要である。しかしこのような撮像の場合、撮
像手段と照明手段はそれほど近くないことが多い。むし
ろ被写体に適度な陰影がついた方が良いので、離れてい
るくらいである。この場合の照明は単に撮像に十分な光
を確保したり、あるいは被写体に望みの陰影をつけるな
ど、おもに視覚的な効果のために用いるのであり、本発
明で対象とする撮像装置の持つ発光手段とは本質的に異
なる。

【００５９】しかし、本装置のような場合、発光手段、
撮像手段の位置関係は重要である。同じ距離に物体があ
るときには、その物体表面は同じように照らされるのが
望ましい、言い換えると同じ照度であるのが望ましい。

【００６０】例えば、図３を見てみる。中央にある円筒
状の形状の物体が撮像光学系３である。物体２５からの
反射光はこの光学系を通して図示しない撮像素子によっ
て撮像される。いま、発光手段がＡ１、Ａ２の位置に２
つあるとする。ここでは発光手段としてＬＥＤを用いて
いる。いま対象物体２５は中央がへこんだ凹状の形をし
ている。このへこんだ部分に光源Ａ１から光が到達しな
い部分２６がある。同様に光源Ａ２からも光が到達しな
い部分２７がある。この部分は本来ならば２つ分の光源
の光があたるところを半分の光しかあたっていないため
照度が低くなっている。したがって反射光画像での対応
する部分は実際以上に暗くなっている。またこの光があ
たらない２つの領域の重なった部分２８にはどちらの光
源からの光も到達せず、対応する部分の受光セルには反
射光はまったく戻ってこない。

【００６１】したがって反射光画像では、中央に穴があ
いたような形として捕らえられることになる。光源がＡ
１、Ａ２の位置の替わりにＢ１、Ｂ２にあれば、中央の
凹部にも光は到達するためこのような問題は起こらな
い。同様に中央が出っ張った凸型の形状の場合にも同じ
事がいえる。外側の傾斜の部分にはやはり１つ分の光源
からの光しか到達しないため、照度が落ちてしまい、実
際より暗くなってしまう。重要なのは対象物上の撮像さ
れるすべての点について、その点と光源を結ぶ直線が、
同じ物体の他の部分によって遮られないことである。

【００６２】このためには光源の位置は撮像光学系ので
きるだけ近くに配置されるのが良い。このことは、本実
施例で述べているように、発光源から光を発し、その反
射光を画像として捉え、その画像の各画素値を距離と関
係づけて処理するような装置には重要である。通常の撮
像装置はその目的、撮像された画像の使われ方が異なる
ためこのような使用条件は設定されない。

【００６３】「ＬＥＤを近づけて配置した本実施例につ
いて説明」図４に、発光手段と撮像光学系を近づけて配
置して構成した撮像モジュールを表す。図４（ａ）はこ
の撮像モジュールを上から（被写体側から）見た図であ
り、図４（ｂ）は真横から見た図である。図４（ａ）の
中央部分が撮像光学系３であり、その周りに同心円上に
８つある小さな円が発光手段、ここではＬＥＤ３０であ
る。図４（ｂ）について説明すると、中央にあるのが撮
像光学系であり、その両脇上方にＬＥＤが見える。撮像
光学系の下にあるのが撮像素子である。その周りを覆っ
ているのは、ＬＥＤと撮像光学系の位置関係を固定する
ためのフレームまたは筐体の一部３２である。

【００６４】この実施例では、撮像光学系の画角はかな
り大きい。画角が大きい理由について説明する。この撮
像装置では発光手段からの光の対象物体による反射光を
捕らえて撮像する。したがって、対象物体までの距離が
遠ければ、受光できる反射光の量は非常に小さくなって
しまう。対象物体までの距離は小さいほどＳ／Ｎの点で
は望ましい。しかし、距離が近いほど撮像できる範囲は
狭くなる。

【００６５】例えば、この装置により手の形を入力しこ
れを解析することにより、ジェスチャ入力装置を構成し
ようとしたとする。このような場合少なくとも手全体が
撮像範囲に入り、ある程度その中で手を動かせる程度の
撮像範囲が必要となる。具体的には最低でも３０ｃｍ四
方程度の撮像範囲が必要である。３０ｃｍ四方の撮像範
囲だと、対角は４２ｃｍ程度の長さになる。これを画角
５０度程度の光学系を用いて実現すると、物体までの距
離が４５ｃｍ程度になる。これを画角７０度程度の光学
系で実現すると、物体までの距離が３０ｃｍ程度にな
る。既に述べたように発光手段の発光量が等しければ、
受光量は物体距離の２乗に反比例するので、３０ｃｍが
４５ｃｍになれば反射光の量は半分以下になる。したが
って光学系の画角は大きい方が望ましい。しかし一般的
には画角を大きくすると、明るくするのが難しくなりコ
スト高になるので、バランスが重要である。

【００６６】「直接光が入らない位置に配置する」この
撮像装置は、発光手段の発光した光の物体からの反射光
を受光して画像化するのであるから、発光手段の発した
光が直接受光素子に入っては不都合である。したがっ
て、発光手段は、その光が撮像素子に直接入り込まない
ような位置に配置されなくてはならない。広い撮像範囲
をカバーするためには広指向性の光源が必要であるが、
逆に非常に広い指向性を持った光源も存在するからであ
る。これを実現する方法としては、単純に発光源と撮像
光学系の位置関係を、直接光が入らないように定める、
あるいは発光源と撮像光学系の間に、物体への光の照
射、反射光の撮像には影響がないが、直接光のみを遮蔽
するものを配置する、といった方法がある。図４では、
両方を組み合わせた方法となっている。

【００６７】「反射手段を持つ例を説明」発光源である
ＬＥＤの周りに斜めに切り込んだ傾斜３３があり、この
表面がＬＥＤ光を反射するようになっている。図４
（ｂ）のＬＥＤの周りを見れば明白である。このＬＥＤ
は、非常に指向性が広く、撮像範囲をはるかに越える範
囲を照らす。ところが、撮像範囲を超えて照射された光
は、たとえ物体に反射して返ってきたとしても撮像素子
に到達する事はなく、まったく無駄になってしまう。こ
の撮像範囲外に向かって発光される光を反射手段によっ
て、撮像範囲内に向ける事によって、反射光量も大きく
なり、Ｓ／Ｎが改善される。

【００６８】反射手段を持つことで更なる顕著な効果も
ある。撮像光学系を通して撮像すると通常、中心部が明
るくなり、周辺部が暗くなる。また、平面を撮像した場
合、周辺部分ほど、発光部−物体表面−撮像光学系の経
路距離が長いため、さらに周辺は暗くなる。画像の明る
さを距離と関係づけて処理を行う場合、この周辺輝度の
落ち込みを補正することになるが、周辺のＳ／Ｎの悪化
は防ぐ事ができない。

【００６９】反射手段を用いる事により、反射手段と発
光手段を含めた発光手段の指向特性を変化させる事がで
き上記のような減少を防ぐ事ができる。具体的には反射
手段を用いる事によって中心より、周辺の方が放射輝度
が高くなるような指向特性を持たせる事ができ、上記い
くつかの理由による周辺部におけるＳ／Ｎの悪化を防ぐ
事ができる。この事を図を用いてさらに詳細に説明す
る。

【００７０】発光手段として好適なＬＥＤを用いて説明
する。ＬＥＤは通常発光体であるＬＥＤチップをレンズ
効果のある樹脂で封止して作られる。ＬＥＤチップ自体
はあらゆる方向に光を放出するが、封止樹脂のレンズ効
果を変える事により、さまざまな指向特性を持つ事がで
きる。図５（ａ）は、本実施例に用いて好適なＬＥＤの
発光指向特性を表している。このＬＥＤは比較的広い指
向性を持つもので、広範囲を照らす事ができる。この図
を見ると正面方向からずれると徐々に発光強度が小さく
なっていき、正面方向から５０度程度ずれたところで、
ほぼ半分の発光強度になる。このＬＥＤに図６のような
形で反射板を取り付ける。中央部分がＬＥＤ３０で、そ
の両脇の傾斜した部分が反射手段３３である。この図に
は反射板によってＬＥＤからの発光光束が反射してその
方向が変えられる様子が表されている。このような反射
板の利用によって変えられた発光指向特性が図５（ｂ）
である。

【００７１】ここでは正面方向より４０度以上の角度で
放射された光が反射するように反射板を配置した。これ
により正面方向に比べ周辺方向の発光強度が大きくな
る。しかし、反射板を取り付ける事によりかならずこの
ような効果が出るとは限らず、元々のＬＥＤの指向特
性、反射板の配置の仕方の組み合わせによって、変わる
ので、最適な条件を設定する事が重要である。この図で
は、ＬＥＤの左右の傾斜は同じであった。

【００７２】「反射板の傾斜が異なる場合」しかし、Ｌ
ＥＤが対象空間の中心を向いているとは限らないので、
反射板の傾斜および形状は左右対称ではない方が良い場
合もある。対称の場合は、円錐状の穴を真上から開けれ
ば良かったが、左右非対象にする場合は、ＬＥＤの向き
と外れた斜め方向から円錐状の穴を開ければ非対象な傾
斜を作ることができる。

【００７３】例えば、レンズの中心からＬＥＤまでの距
離が２０ｍｍ、レンズから２０ｃｍの距離の２０ｃｍ四
方の空間に光を有効に照射するためには、レンズ側の傾
斜は３８度、反対側の傾斜は３５度程度が望ましい（い
ずれも光軸方向からの角度）。

【００７４】「対照的に配置することの効果」次に、複
数のＬＥＤの配置について述べる。図７にいくつかのＬ
ＥＤ数に応じた配置の例を示す。これらはＬＥＤ数が１
つの場合４０を除いて、どれもレンズ中心に対して対称
な形になるように配置されている。対象空間はできるだ
け均一な光が当たっているのが望ましい。もしレンズの
片側にすべてのＬＥＤが偏って配置されていると、対象
空間のＬＥＤから遠い側がその反対側と比べて暗くなっ
てしまう。図７の４０〜４５では、２、３、４、６、８
個のＬＥＤを用いた場合の配置の例を示しているが、Ｌ
ＥＤの数はこれに限らない。ＬＥＤがひとつの場合は、
対称に配置することはできないが、レンズからできるだ
け離さずに配置するのが有効である。

【００７５】図７の４６、４７の２つは、左右対称であ
るが、光学系の周りに均等にばらまかれてはいない。こ
のような配置の方法もある。撮像範囲が横に長い長方形
などはこの配置でもよい。この配置の別の利点として
は、左右の２ヶ所にＬＥＤがかたまっているため、例え
ばひとかたまりごとに小型基板にＬＥＤを取り付けれ
ば、基板が小さくてすむ上に実装も楽である。

【００７６】「密閉した構造」この撮像モジュールは様
々な場面における入力装置として用いる事ができる。例
えば手が汚れていて機械を直接触って操作する事が望ま
しくないような場合に非接触で機械を操作できる環境を
提供する。このような場合、その環境は機会にとって良
いものでない事も多い。具体的には水で濡れやすいとか
泥などで汚れやすいといった環境である。電子回路はこ
のような環境に露出して置かれると故障を伴う致命的な
ダメージを受けやすい。

【００７７】また、撮像光学系と撮像センサの間に泥や
埃といったものが入り込むと画像品質が劣化して、装置
の性能劣化につながってしまう。したがって撮像モジュ
ール自体をこれらの影響を受けないように構成する事
は、このような悪環境下で使用される可能性の大きい装
置にはきわめて重要である。

【００７８】図８は、密閉された構造を持つ、撮像モジ
ュールである。発光手段であるＬＥＤ３０と撮像光学系
３と撮像センサ３１および多少の回路部分が密閉された
筐体の中に収まっている。撮像光学系３、ＬＥＤ３０、
小基板５１に乗せられた撮像素子３１は筐体５２によっ
て固定され、またそれらの位置関係が固定される。小基
板５１上には必要に応じて周辺回路が実装される。また
ＬＥＤを発光させるためのケーブルが小基板より出てい
る。

【００７９】さらに好適には、上部は撮像するために受
光する波長の光を選択的に通過させる光学フィルタ５０
で覆ってある。本実施例では近赤外光を用いるため、近
赤外光通過フィルタを用いる。このフィルタは可視光を
通過しないため使用者にはフィルタの内部は見えない。
このようなフィルタを用いることは見た目にすっきりさ
せるという効果もある。

【００８０】撮像光学系、撮像素子が実装された小基
板、ＬＥＤは筐体５２、５３、保護手段５０によって密
閉されている。光学フィルタを用いる利点は次に述べる
ところにもある。発光源として近赤外ＬＥＤを用いれ
ば、使用者の目に光は見えない。しかし、もっと多くの
光量を確保するために他の光源を利用したいという事も
ある。例えば、小型の蛍光ランプを使うような場合であ
る。しかし、蛍光ランプを用いればこの光は使用者に見
えるので、眩しくないようにするために可視光カットフ
ィルタを用いる必要がある。

【００８１】一方、撮像光学系は室内照明や太陽光など
の外光をできるだけ低減するために所定波長の光以外を
カットする光学フィルタを併用する。発光側と撮像側で
同じような光学フィルタが必要とされている場合にそれ
ぞれに光学フィルタを取り付けるのは、手間がかかる。
そこで、発光源と撮像光学系をなるべく近くに配置した
上で、その前面を所定波長光以外をカットする光学フィ
ルタで覆ってしまうのがもっとも効率が良い。またこの
とき、光学フィルタの大きさはそのままコストに跳ね返
ってくるので、撮像光学系と発光源が近けれが近いほ
ど、低コストになって望ましい。

【００８２】「コネクタ」さて、この撮像モジュール内
には撮像センサが入っており、これに付随するいくつか
の電子部品とともに電気回路を構成している。したがっ
て撮像モジュールを密閉構造とした場合には、内部回路
と外部回路を電気的に接続する必要がある。ケーブルを
直接出して外部回路と直接接続してしまっても良いが、
より好適にはコネクタ５４を持ち、外部との接続性を良
くすると同時に独立性を持たせるのが良い。これは撮像
モジュールの他の機器への組み込みを容易にするためで
ある。既に何度か述べているが、本発明に見られるよう
な撮像装置は様々な機器の入力装置として用いる事がで
きるため、他の機器に組み込まれやすい。したがって他
の機器の設計者が組み込みやすいようにしておくことが
重要である。

【００８３】このモジュール内で、手の形を検出し、さ
らにある程度の画像処理プロセッサを内蔵し操作情報と
して使えるデータに変換した後、コネクタ外にはその情
報のみを取り出すようにしておけば、組み込み機器設計
者はこの撮像装置をあるフォーマットの入力情報を吐き
出すブラックボックスとして扱う事ができるので非常に
便利である。その際にこの撮像モジュール自体に防水
性、防塵性が備わっていれば、そのような事にも気を取
られることなく設計が行える。また、非常に環境の悪い
ところで使用する場合には防水性を持ったコネクタを利
用するなども一案である。

【００８４】「回転軸に近い場所に配置されたコネク
タ」この撮像装置はその撮像する向きが変えられるよう
に設置されると都合の良い事が多い。例えば、手を動か
してその形状や動きを入力するための装置として用いる
場合、人の体型や好みの違いによって、手を出しやすい
位置が異なる。このような場合使用者に、機械にあわせ
てもらう事もできるが、使いやすさや長時間使用の際の
疲労を考えた場合、やはり使用者によって撮像する向き
を調整できるようにした方が良い。

【００８５】撮像する向きを調整できるようにする最も
簡単な方法は、撮像モジュール自体をある回転軸を中心
に周るようにしておき、その向きを調整する事である。
ここでは典型的には回転軸は撮像系の光軸とは垂直な方
向をむいている。

【００８６】この場合、コネクタはどの位置にあるのが
良いのであろうか。回転軸から遠いところにコネクタが
あると、回転によるコネクタの位置の変化が大きい。し
たがってコネクタから別の回路までをつなぐケーブルを
長くしなくてはならなくなってしまう。この事を避ける
ためには、コネクタと回転軸の位置関係をなるべく近く
することが望ましい。これによって、撮像モジュールと
外部回路をつなぐケーブルの長さを最小化できる。また
長すぎるケーブルによって、撮像モジュールを動かした
時にケーブルが他の部分に絡まるのを防止する。図８に
おいては、回転軸になる部分５５とコネクタ５４の位置
は近くなるように構成されている。

【００８７】「撮像する向きを変えられるようにした撮
像装置」図９には、撮像モジュールは仰角を３０度から
９０度の範囲で調整できるようにした、撮像装置の３面
図を表す。この撮像装置はその撮像する向きを調整可能
であるため、個人差に合わせて調整する事ができる。こ
の装置は好適には、机の上に置いて、その前で使用者が
手の形を変えたり動かしたりして操作できるようになっ
ている。通常このような操作を行う場合、右手を用いる
とすると、右ひじを机について作業をするのが一番楽で
ある。そうすると、ひじから手の先までの長さや、ひじ
から先の部分の角度（これは人によって快適な角度が異
なる）などによって、手の位置が異なる。このような使
用者による違いをこの機構は吸収する事ができる。

【００８８】「向きを変えるための取っ手がついた撮像
装置」さらに図１０、図１１には撮像モジュールに、そ
の角度を変える事を容易にならしめるための取っ手６
０、６１がついた撮像装置を表す。撮像装置の向きを変
えるときにレンズ部分もしくは光学フィルタなどの部分
を触ってしまうと、その部分に油や指紋などがついてし
まい、画像の品質を劣化させる要因になる。取っ手が付
いていることによって、使用者は間違ってガラス部分に
触れてしまうことがなくなる。

【００８９】図１０では撮像モジュールのＬＥＤの上あ
たりに取っ手６０が付けられている。もちろんこの取っ
手は発光された光が物体に反射して撮像素子まで至る経
路を遮断しないような位置に注意深く取り付けられる。
この取っ手は左右に付けられているので、右利き左利き
どちらの使用者でも操作しやすくなっている。またウサ
ギの耳を連想させるデザインで、やさしいイメージを持
たせている。図１１は本体の横から取って６１を出した
例である。丸い取っ手を溝６２にそってスライドさせる
ことで撮像モジュールも連動して動くようになってい
る。この図では右側にしか取っ手はないが、もちろん両
側に付けてもよい。

【００９０】

【発明の効果】これまでに、不可視光を発光し、その物
体による反射光を撮像する撮像装置を構成する際に生ず
るいくつかの問題点を解決する発明について述べた。
「第１の発明の効果」撮像光学系の外周部近傍に不可視
光を発光する発光手段を配置して構成することにより、
物体の形状に凹凸がある場合にも、物体全体に均一に発
光手段からの光があたるため、凸部に遮られて凹部に十
分な光が届かないことによって正しくない形状が捉えら
れてしまうといった問題点を解決することができる。

【００９１】また、撮像範囲に発光手段からの光ができ
るだけ有効に届くよう、また撮像範囲ができるだけ均一
に照らされるようにするために発光手段と撮像光学系の
位置関係をきちんと設計する必要があるが、本撮像装置
を入力手段として組み込む機器の設計者がこれらの設計
に手間を取らずにすむようになる。

【００９２】「第２の発明の効果」撮像光学系の外周部
近傍に、複数の発光手段を幾何学的に対称となるよう配
置することによって、撮像範囲の中で発光手段からの光
がもっとも強いところと弱いところの差をできるだけ小
さくすることができる。このことは反射光画像の中でき
わめてＳ／Ｎの悪い部分を無くすという効果をもたら
す。

【００９３】「第３の発明の効果」発光手段からの光が
撮像光学系を経て直接撮像素子に入射すると、得られる
画像の誤差となるため、発光手段による直接光が撮像光
学系を経て撮像素子に入射しないような位置関係で発光
手段を配置することによってこれを防ぐ。

【００９４】「第４の発明の効果」発光手段とともに反
射手段を用いることにより、本来利用されなかった撮像
範囲外に照射される光を有効に利用することができる。
このことにより、本撮像装置の低消費電力化、ＬＥＤ数
の最小化を図ることができる。

【００９５】「第５、６の発明の効果」撮像光学系は一
般的に中心部分が明るく周辺部は暗い。本撮像装置はそ
の利用形態によってはかなり広角な光学系を必要とする
がそのような場合にはその傾向は一層顕著である。また
撮像対象の物体が光学系の光軸と垂直な平面を持ってい
るとき、発光部から物体表面へ至り反射して撮像光学系
に入射する経路は、物体の周辺ほど長くなる。つまり周
辺ほど反射光の量は少なくなる。以上の特性から反射光
画像は周辺ほどＳ／Ｎが悪くなるという問題があった。
しかし、中心部より周辺の方が発光強度の大きい指向特
性を持った発光手段を用いることにより周辺部のＳ／Ｎ
を改善することができる。

【００９６】また、一般的にはそのような発光手段はそ
れほど多くなく、大抵は中心方向が最も明るく周辺方向
ほど暗いが、そのような発光手段も反射手段と併用する
ことにより、周辺部を中心部より明るくした指向特性を
実現できる。その結果周辺部Ｓ／Ｎを改善することがで
きる。

【００９７】「第７、８の発明の効果」発光手段または
撮像光学系を保護する手段を持たせることにより、発光
手段や撮像光学系を不用意に手などで触ってしまい、皮
脂などで汚れてしまうという問題を防ぐことができる。
多少の汚れならばその表面を拭くことができるが、拭い
ているうちに発光手段の向きなどが微妙に変わってしま
いその後の特性の劣化を招くことも防ぐことができる。

【００９８】また保護する手段を波長選択性を持った光
学フィルタで構成することにより、発光手段、撮像手段
双方に波長選択性を持たせたいときに、個別に光学フィ
ルタを付けずにすむため、低コスト化できる。

【００９９】「第９、１４、１０、１１の発明の効果」
発光手段と撮像光学系と撮像素子を有し、これら全体を
密閉された筐体に格納することによって、悪環境下での
使用に際し、撮像装置本体を、水、泥や埃などの汚れか
ら守ることができる。またその際にはコネクタを付ける
ことによって、内部回路から信号を取り出したり、また
内部回路に信号を伝えることができる。またその撮像モ
ジュールを用いて撮像装置を構成したとき回路部分がモ
ジュール内と装置本体の両方に存在するときには、装置
本体内部の回路も汚れから保護するために筐体の中に遮
蔽することにより、故障などを防ぐことができる。さら
に撮像モジュールがその向きを可動となるように撮像装
置を構成するとき、回転軸と近い位置にコネクタを配置
することによって、ケーブルの長さを必要最小限に抑え
ることができる。

【０１００】「第１２の発明の効果」撮像モジュールの
仰角がある範囲で可変となるようにして撮像装置を構成
することによって、使用者の体格や姿勢によって、手を
出しやすい位置で操作することができる。これにより自
然な操作が行え、疲労を少なくすることができる。

【０１０１】「第１３の発明の効果」発光部、撮像光学
系、あるいはその前面を覆っている保護手段を手で触れ
ることなく、撮像モジュールを動かせるように、撮像モ
ジュールに取っ手を取り付けることによって、使用者が
その向きを変えようとするときに、発光部や撮像光学系
や、あるいはそれらが保護ガラスのようなもので覆われ
ているときはその保護面をつい触ってしまうことを防ぐ
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例における発光手段と撮像手
段を持った入力装置の構成を示す図である。

【図２】 本発明の一実施例における反射光画像検出手
段を説明する図である。

【図３】 本発明の一実施例における発光手段と撮像光
学系の位置関係の影響を説明する図である。

【図４】 本発明の一実施例における撮像モジュールの
構成を示す図である。

【図５】 本発明の一実施例における反射手段を用い発
光手段の指向特性を変えることを説明する図である。

【図６】 本発明の一実施例における反射手段による光
の反射の様子を表す図である。

【図７】 本発明の一実施例における撮像光学系と発光
手段の配置の例を示す図である。

【図８】 本発明の一実施例における密閉された撮像モ
ジュールの例を示す図である。

【図９】 本発明の一実施例における撮像モジュールを
可動にした撮像装置の例を示す図である。

【図１０】 本発明の一実施例における撮像モジュール
を動かす取っ手が付いた撮像装置の例を示す図である。

【図１１】 本発明の一実施例における撮像モジュール
を動かす取っ手が付いた撮像装置の例を示す図である。

【図１２】 従来の３次元入力デバイスの例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 発光手段，２ 対象物体，３ 撮像光学系，４ 反
射光画像検出部 ５ アンプ，６ ＡＤ変換器，１０ 光電変換部，１１
蓄積方向制御手段 １２ 第１の電荷蓄積手段，１３ 第２の電荷蓄積手
段，１４ 出力選択部 １５ 単位受光セル，１６ 受光素子アレイ，１７ 差
分回路，３０ ＬＥＤ ３１ 撮像素子，３２ 筐体，３３ 反射手段，５０
保護手段 ５１ 撮像素子が実装された小基板，５２ 筐体，５３
筐体，５４ コネクタ ５５ 回転軸になる部分，６０、６１ 取っ手

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森下 明 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 梅木 直子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平８−340479（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−265346（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−141101（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−128141（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−214275（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−130608（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−19957（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−242469（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−58755（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−234114（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−70075（ＪＰ，Ｕ) 特許3321053（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 3/00,3/03 - 3/037 H04N 5/225 - 5/257 G06T 1/00,3/00 H01L 27/24

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光を発光する発光手段と、 この発光手段から発光された光の撮像すべき物体による
   反射光を撮像する際に、前記発光手段が発光している間
   に光電変換手段で発生した電荷を蓄積する第１の電荷蓄
   積手段と、発光していない間に光電変換手段で発生した
   電荷を蓄積する第２の電荷蓄積手段と、この第１及び第
   ２の電荷蓄積手段に蓄積された電荷の差分を取る撮像手
   段を有する撮像モジュールにおいて、 撮像手段の外周部分の近傍に光を発光する発光手段を配
   置したことを特徴とする撮像モジュール。
2. 【請求項２】撮像手段の外周部分の近傍に、複数の発光
   手段を幾何学的に対称となるよう配置したことを特徴と
   する請求項１に記載の撮像モジュール。
3. 【請求項３】発光手段から発光された光が直接撮像手段
   に入射しない位置に発光手段を配置したことを特徴とす
   る請求項１に記載の撮像モジュール。
4. 【請求項４】発光手段から発光された光が撮像範囲内に
   照射されるための反射手段を有することを特徴とする請
   求項１に記載の撮像モジュール。
5. 【請求項５】撮像範囲よりも広い範囲を照射できるよう
   な広い指向性を持った発光手段と、前記反射手段を有
   し、 撮像範囲の中心よりも周辺の方が明るく照射させること
   を特徴とする請求項４に記載の撮像モジュール。
6. 【請求項６】中心よりも周辺を明るく照射させる指向特
   性を持った発光手段を備える事を特徴とする請求項１に
   記載の撮像モジュール。
7. 【請求項７】発光手段または撮像手段を保護する手段を
   持つ請求項１に記載の撮像モジュール。
8. 【請求項８】保護する手段は、入射すべき波長光を通す
   波長選択特性を持つことを特徴とする請求項７に記載の
   撮像モジュール。
9. 【請求項９】発光手段および撮像手段全体が密閉された
   筐体に格納されていることを特徴とする請求項１に記載
   の撮像モジュール。
10. 【請求項１０】撮像装置の内部回路と信号のやり取りす
    るためコネクタを有することを特徴とする請求項９に記
    載の撮像モジュール。
11. 【請求項１１】撮像モジュールが回転移動ができるよう
    に回転軸として支えられる部分を有し、前記回転軸に近
    いところにコネクタが配置されたことを特徴とする請求
    項１０に記載の撮像モジュール。
12. 【請求項１２】光を発光する発光手段と、この発光手段から発光された光の撮像すべき物体による
    反射光を撮像する際に、前記発光手段が発光している間
    に光電変換手段で発生した電荷を蓄積する第１の電荷蓄
    積手段と、発光していない間に光電変換手段で発生した
    電荷を蓄積する第２の電荷蓄積手段と、この第１及び第
    ２の電荷蓄積手段に蓄積された電荷の差分を取る撮像手
    段を有し、 この撮像手段の外周部分の近傍に光を発光する前記発光
    手段を配置した撮像モジュールが撮像手段の仰角がある
    範囲で可動する機構を有することを特徴とする撮像装
    置。
13. 【請求項１３】撮像モジュールを動かすための取っ手が
    取り付けたことを特徴とする請求項１２に記載の撮像装
    置。
14. 【請求項１４】撮像モジュールの外部の回路が、密閉さ
    れた筐体に格納されていることを特徴とする請求項１２
    に記載の撮像装置。