JP3861475B2 - ３次元入力装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体にスリット光又はスポット光を照射して物体形状を非接触で計測する３次元入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レンジファインダと呼称される非接触型の３次元計測システムは、接触型に比べて高速の計測が可能であることから、ＣＧシステムやＣＡＤシステムへのデータ入力、身体計測、ロボットの視覚認識などに利用されている。
【０００３】
レンジファインダに好適な計測方法としてスリット光投影法（光切断法ともいう）が知られている。この方法は、物体を光学的に走査して３次元画像（距離画像）を得る方法であり、特定の検出光を照射して物体を撮影する能動的計測方法の一種である。３次元画像は、物体上の複数の部位の３次元位置を示す画素の集合である。スリット光投影法では、検出光として断面が直線状のスリット光が用いられる。物体で反射したスリット光は受光センサ（撮像デバイス、イメージセンサ）の撮像面に結像する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなレンジファインダでは、受光センサに受光されるスリット光の光量は、物体の反射率によって変化する。したがって、受光センサの電荷蓄積時間を所定の時間に固定していると、反射率が高い場合には受光センサの出力が飽和してしまう。これとは逆に、反射率が低い場合には、受光センサの出力が低過ぎてＳＮ比が悪くなるという問題がある。
【０００５】
一方、物体の３次元形状（距離分布）を求めるには、スリット光の受光位置又は受光タイミングを正確に検出する必要がある。本出願人は、位置的又は時間的に前後にわたって出力されるセンサ出力に基づいて重心演算を行うことにより、受光位置又は受光タイミングを正確に検出する構成を提案した（特開平７−１７４５３６号、特開平９−１４５３１９号）。重心演算を行う場合には、受光センサの出力が正確である必要があるが、上記のようにＳＮ比が悪い場合、又は受光センサの出力が飽和している場合には、正確な重心演算が行えない。
【０００６】
この問題に対し、従来は、一度スリット光を投影してそのときの受光センサの出力を得て、その出力に基づいて、適切な蓄積時間を設定するようにしていた。しかし、このようにして設定された蓄積時間は、受光センサの全ての画素について共通の蓄積時間であるため、物体の反射率が局部的に低いか又は高い場合には、依然として上記の問題が生じていた。
【０００７】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、撮像デバイスからの飽和していない出力を得ることを目的とする。さらに、請求項３及び請求項４の発明では、撮像デバイスからＳＮ比の良好な出力を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る装置は、物体までの距離に関する情報を取得することにより前記物体の形状を測定するために用いられる３次元入力装置であって、物体に検出光を照射する投光手段と、前記検出光の照射方向を偏向させて前記物体を光学的に走査するための走査手段と、２次元の撮像面を有し前記物体で反射した前記検出光を受光して光電変換する撮像デバイスと、前記撮像デバイスを、各画素について電荷の蓄積時間が互いに異なる複数の光電変換信号を出力するように制御する制御手段と、光電変換信号の飽和の判定を行い、前記複数の光電変換信号のうち、飽和していない光電変換信号を選択する選択手段と、を有する。
【０００９】
請求項２の発明に係る装置では、前記制御手段は、第１の蓄積時間が経過すると、前記撮像デバイスに対して非破壊読み出しを行うとともに、さらに電荷蓄積を第２の蓄積時間まで継続するように制御する。
【００１０】
請求項３の発明に係る装置では、前記選択手段は、飽和していない光電変換信号のうち、最も蓄積時間の長い光電変換信号を選択する。
請求項４の発明に係る装置は、物体に検出光を照射する投光手段と、前記検出光の照射方向を偏向させて前記物体を光学的に走査するための走査手段と、２次元の撮像面を有し前記物体で反射した前記検出光を受光して光電変換する撮像デバイスと、前記撮像デバイスを、各画素について、電荷の蓄積時間が所定の時間Ｔ／ｎである第１光電変換信号と、電荷の蓄積時間が前記第１光電変換信号のｎ倍の時間Ｔである第２光電変換信号とを出力するように制御する制御手段と、前記第２光電変換信号が飽和していない場合には前記第２光電変換信号を用い、前記第２光電変換信号が飽和している場合には前記第１光電変換信号のｎ倍の大きさの信号を用いて演算を行う演算手段と、を有する。
【００１１】
請求項５乃至請求項７の発明に係る装置は、複数の光電変換信号から選択した飽和していない光電変換信号に基づいて物体までの距離に関する情報を取得し、物体の形状を測定する。
請求項８の発明に係る装置は、第２光電変換信号が飽和しているか否かの判定を行い、飽和していない第２光電変換信号または第１光電変換信号のｎ倍の大きさの信号を用いて、物体までの距離に関する情報を取得して物体の形状を特定する演算を行う演算手段を有する。
請求項９の発明に係る装置は、物体に検出光を照射する投光手段と、前記検出光の照射方向を偏向させて前記物体を光学的に走査するための走査手段と、２次元の撮像面を有し前記物体で反射した前記検出光を受光して光電変換する撮像デバイスと、前記撮像デバイスを、各画素について、電荷の蓄積時間が所定の時間Ｔ／ｎである第１光電変換信号と、電荷の蓄積時間が前記第１光電変換信号のｎ倍の時間Ｔである第２光電変換信号とを出力するように制御する制御手段と、前記第１光電変換信号のｎ倍の大きさの信号を生成する信号生成手段と、前記第２光電変換信号が飽和していない場合には前記第２光電変換信号を出力し、前記第２光電変換信号が飽和している場合には前記第１光電変換信号のｎ倍の大きさの信号を出力する信号選択手段と、前記信号選択手段の出力する信号を用いて物体までの距離に関する情報を取得するための演算を行う演算手段と、を有する。
なお、本明細書において、「非破壊読出し」とは、撮像デバイスから受光データを読み出した際に、リセット信号を別途与えない限りその受光データ（電荷）が撮像デバイスにそのまま残るような読み出し方法をいう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る計測システム１の構成図である。
計測システム１は、スリット光投影法によって立体計測を行う３次元カメラ（レンジファインダ）２と、３次元カメラ２の出力データを処理するホスト３とから構成されている。
【００１３】
３次元カメラ２は、物体Ｑ上の複数のサンプリング点の３次元位置を特定する計測データとともに、物体Ｑのカラー情報を示す２次元画像及びキャリブレーションに必要なデータを出力する。三角測量法を用いてサンプリング点の座標を求める演算処理はホスト３が担う。
【００１４】
ホスト３は、ＣＰＵ３ａ、ディスプレイ３ｂ、キーボード３ｃ、及びマウス３ｄなどから構成されたコンピュータシステムである。ＣＰＵ３ａには計測データ処理のためのソフトウエアが組み込まれている。ホスト３と３次元カメラ２との間では、オンライン及び可搬型の記録メディア４によるオフラインの両方の形態のデータ受渡しが可能である。記録メディア４としては、光磁気ディスク（ＭＯ）、ミニディスク（ＭＤ）、メモリカードなどがある。
【００１５】
図２は３次元カメラ２の外観を示す図である。
ハウジング２０の前面に投光窓２０ａ及び受光窓２０ｂが設けられている。投光窓２０ａは受光窓２０ｂに対して上側に位置する。内部の光学ユニットＯＵが射出するスリット光（所定幅ｗの帯状のレーザビーム）Ｕは、投光窓２０ａを通って計測対象の物体（被写体）に向かう。スリット光Ｕの長さ方向Ｍ１の放射角度φは固定である。物体の表面で反射したスリット光Ｕの一部が受光窓２０ｂを通って光学ユニットＯＵに入射する。なお、光学ユニットＯＵは、投光軸と受光軸との相対関係を適正化するための２軸調整機構を備えている。
【００１６】
ハウジング２０の上面には、ズーミングボタン２５ａ，２５ｂ、手動フォーカシングボタン２６ａ，２６ｂ、及びシャッタボタン２７が設けられている。図２（ｂ）のように、ハウジング２０の背面には、液晶ディスプレイ２１、カーソルボタン２２、セレクトボタン２３、キャンセルボタン２４、アナログ出力端子３２、ディタル出力端子３３、及び記録メディア４の着脱口３０ａが設けられている。
【００１７】
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）２１は、操作画面の表示手段及び電子ファインダとして用いられる。撮影者は背面の各ボタン２１〜２４によって撮影モードの設定を行うことができる。アナログ出力端子３２からは、２次元画像信号が例えばＮＴＳＣ形式で出力される。ディジタル出力端子３３は例えばＳＣＳＩ端子である。
【００１８】
図３は３次元カメラ２の機能構成を示すブロック図である。図中の実線矢印は電気信号の流れを示し、破線矢印は光の流れを示している。
３次元カメラ２は、上述の光学ユニットＯＵを構成する投光側及び受光側の２つの光学系４０，５０を有している。光学系４０において、半導体レーザ（ＬＤ）４１が射出する波長６８５ｎｍのレーザビームは、投光レンズ系４２を通過することによってスリット光Ｕとなり、ガルバノミラー（走査手段）４３によって偏向される。半導体レーザ４１のドライバ４４、投光レンズ系４２の駆動系４５、及びガルバノミラー４３の駆動系４６は、システムコントローラ６１によって制御される。
【００１９】
光学系５０において、ズームユニット５１によって集光された光はビームスプリッタ５２によって分光される。半導体レーザ４１の発振波長帯域の光は、計測用のイメージセンサ５３に入射する。可視帯域の光は、モニタ用のカラーセンサ５４に入射する。イメージセンサ５３はＭＯＳ型センサであり、カラーセンサ５４はＣＣＤエリアセンサである。ズームユニット５１は内焦型であり、入射光の一部がオートフォーカシング（ＡＦ）に利用される。ＡＦ機能は、ＡＦセンサ５７とレンズコントローラ５８とフォーカシング駆動系５９によって実現される。ズーミング駆動系６０は電動ズーミングのために設けられている。
【００２０】
イメージセンサ５３による撮像情報は、ドライバ５５からのクロックに同期して選択回路７５を介してメモリ６３に格納される。また、イメージセンサ５３は、ドライバ５５からの制御信号により、受光データの非破壊読出しが行われるように制御され、その結果、電荷の蓄積時間がＴ／４である受光データＳ（Ｔ／４）と、その４倍の時間Ｔである受光データＳ（Ｔ）とが出力される。
【００２１】
カラーセンサ５４による撮像情報は、ドライバ５６からのクロックに同期してカラー処理回路６７へ転送される。カラー処理を受けた撮像情報は、ＮＴＳＣ変換回路７０及びアナログ出力端子３２を経てオンライン出力され、又はディジタル画像生成部６８で量子化されてカラー画像メモリ６９に格納される。その後、カラー画像データがカラー画像メモリ６９からＳＣＳＩコントローラ６６へ転送され、ディジタル出力端子３３からオンライン出力され、又は計測データと対応づけて記録メディア４に格納される。なお、カラー画像は、イメージセンサ５３による距離画像と同一の画角の像であり、ホスト３側におけるアプリケーション処理に際して参考情報として利用される。カラー情報を利用する処理としては、例えばカメラ視点の異なる複数組の計測データを組み合わせて３次元形状モデルを生成する処理、３次元形状モデルの不要の頂点を間引く処理などがある。システムコントローラ６１は、図示しないキャラクタジェネレータに対して、ＬＣＤ２１の画面上に適切な文字や記号を表示するための指示を与える。
【００２２】
出力処理回路６２は、イメージセンサ５３の出力する各画素ｇの光電変換信号を増幅する増幅器、及び光電変換信号を８ビット又は１０ビットの受光データに変換するＡＤ変換部を有している。出力処理回路６２からは、受光データＳ（Ｔ／４）及び受光データＳ（Ｔ）がディジタル値として出力される。
【００２３】
選択回路７５は、受光データＳ（Ｔ／４）及び受光データＳ（Ｔ）に対して次の処理を行う。すなわち、受光データＳ（Ｔ）が飽和していない場合にはその受光データＳ（Ｔ）を出力し、受光データＳ（Ｔ）が飽和している場合には、受光データＳ（Ｔ／４）の４倍の大きさのデータを出力する。選択回路７５は本発明における選択手段に相当する。選択回路７５の構成及び動作の詳細については後述する。
【００２４】
メモリ６３は、２００×３２×３３Ｂｙｔｅの記憶容量を持つ読み書き可能なメモリであり、出力処理回路６２から出力される受光データを記憶する。メモリ制御回路６３Ａは、メモリ６３への書込み及び読出しのアドレス指定を行う。
【００２５】
重心演算回路７３は、メモリ６３に記憶された受光データに基づいて、計測対象の物体の形状に対応した濃淡画像を生成して表示用メモリ７４に出力し、また、３次元位置を算出するための基となるデータを算出し出力用メモリ６４に出力する。ＬＣＤ２１の画面には、表示用メモリ７４に記憶された濃淡画像、カラー画像メモリ６９に記憶されたカラー画像などを表示する。
【００２６】
図４は投光レンズ系４２の構成を示す模式図である。図４（ａ）は正面図であり、図４（ｂ）は側面図である。
投光レンズ系４２は、コリメータレンズ４２１、バリエータレンズ４２２、及びエキスパンダレンズ４２３の３つのレンズから構成されている。半導体レーザ４１が射出したレーザビームに対して、次の順序で適切なスリット光Ｕを得るための光学的処理が行われる。まず、コリメータレンズ４２１によってビームが平行化される。次にバリエータレンズ４２２によってレーザビームのビーム径が調整される。最後にエキスパンダレンズ４２３によってビームがスリット長さ方向Ｍ１に拡げられる。
【００２７】
バリエータレンズ４２２は、撮影距離及び撮影の画角に係わらず、イメージセンサ５３に３以上の複数画素分の幅のスリット光Ｕを入射させるために設けられている。駆動系４５は、システムコントローラ６１の指示に従って、イメージセンサ５３上でのスリット光Ｕの幅ｗを一定に保つようにバリエータレンズ４２２を移動させる。バリエータレンズ４２２と受光側のズームユニット５１とは連動する。
【００２８】
ガルバノミラー４３による偏向の以前にスリット長を拡げることにより、偏向の後で行う場合に比べてスリット光Ｕの歪みを低減することができる。エキスパンダレンズ４２３を投光レンズ系４２の最終段に配置することにより、すなわちガルバノミラー４３に近づけることにより、ガルバノミラー４３を小型化することができる。
【００２９】
図５は計測システム１における３次元位置の算出の原理図である。同図では理解を容易にするため、受光量のサンプリングについて５回分のみが示されている。
【００３０】
イメージセンサ５３の撮像面Ｓ２上で複数画素分となる比較的に幅の広いスリット光Ｕを物体Ｑに照射する。具体的にはスリット光Ｕの幅を５画素分とする。スリット光Ｕは、サンプリング周期毎に撮像面Ｓ２上で１画素ピッチｐｖだけ移動するように、図５の上から下に向かって偏向され、それによって物体Ｑが走査される。イメージセンサ５３からは、サンプリング周期毎に、受光データＳ（Ｔ／４）と受光データＳ（Ｔ）とが出力される。これらの出力は、１つの有効受光領域Ａｅについて、１フレーム分の受光データＳ（Ｔ／４）からなる第１フレームＦ（Ｔ／４）と、１フレーム分の受光データＳ（Ｔ）からなる第２フレームＦ（Ｔ）とが出力される。つまり、合計２フレーム分の受光データが出力されることになる。なお、このときの偏向は実際には等角速度で行われる。
【００３１】
撮像面Ｓ２の１つの画素ｇに注目すると、本実施形態においては、走査中に行う３２回のサンプリングによって３２回分の受光データが得られる。これら３２回分の受光データに対する重心演算によって、注目画素ｇがにらむ範囲の物体表面ａｇをスリット光Ｕの光軸が通過するタイミング（時間重心Ｎｐｅａｋ又は重心ｉｐ）を求める。
【００３２】
物体Ｑの表面が平面であって光学系の特性によるノイズがない場合には、注目画素ｇの受光量は、図５（ｂ）に示すように、スリット光Ｕが通過するタイミングにおいて多くなり、通常、正規分布に近くなる。同図のようにｎ回目とその１つ前の（ｎ−１）回目の間のタイミングで受光量が最大であった場合には、そのタイミングが時間重心Ｎｐｅａｋとほぼ一致する。
【００３３】
求めた時間重心Ｎｐｅａｋにおけるスリット光の照射方向と、注目画素に対するスリット光の入射方向との関係に基づいて、物体Ｑの位置（座標）を算出する。これにより、撮像面の画素ピッチｐｖで規定される分解能より高い分解能の計測が可能となる。
【００３４】
なお、注目画素ｇの受光量は物体Ｑの反射率に依存する。しかし、サンプリングの各受光量の相対比は受光の絶対量に係わらず一定である。つまり、物体色の濃淡は計測精度に影響しない。
【００３５】
図６はイメージセンサ５３の読出し範囲を示す図である。
図６に示すように、イメージセンサ５３における１フレームの読出しは、撮像面Ｓ２の全体ではなく、高速化を図るために撮像面Ｓ２の一部である有効受光領域（帯状画像）Ａｅのみを対象に行われる。有効受光領域Ａｅは、スリット光Ｕのある照射タイミングにおける物体Ｑの計測可能距離範囲ｄ’（図１４参照）に対応する撮像面Ｓ２上の領域であり、スリット光Ｕの偏向に伴ってサンプリング周期毎に１画素分ずつシフトする。本実施形態では、有効受光領域Ａｅのシフト方向の画素数は３２に固定されている。
【００３６】
上に述べたように、イメージセンサ５３としてＭＯＳ型センサが用いられており、ランダムアクセスが可能である。したがって、撮像データの必要な画素のみを部分的に選択することができ、不必要な部分を読み出すことなく高速に読出しが行える。
【００３７】
図７はイメージセンサ５３の構成の模式図である。
イメージセンサ５３は、撮像面Ｓ２の各画素ｇを順に指定して受光情報を読み出すいわゆるＸ−Ｙアドレス走査型の撮像デバイスであって、各画素ｇに対応したスイッチの制御によって任意の範囲の読出しが可能である。一般的には、垂直走査回路５３１と水平走査回路５３２とを構成するディジタルシフトレジスタに所定のタイミングでシフト信号を入力することにより、ライン順次の読出しが行われる。ラインは水平方向の画素列である。本実施形態において、水平方向は物体Ｑの走査における主走査方向に相当する方向であり、垂直方向は副走査方向（スリット光の偏向方向）に相当する方向である。ただし、イメージセンサ５３の配置の向きは光学系の構成に応じて変更可能であるので、ここでの垂直方向が必ずしも実空間での鉛直方向と一致するとは限らない。
【００３８】
イメージセンサ５３においては、垂直走査回路５３１に対して走査開始ラインを示すレジスタ初期値を与える走査開始セットレジスタ５３３が設けられ、これによって上述の有効受光領域Ａｅ（帯状画像）の読出しが実現される。
【００３９】
走査開始セットレジスタ５３３へは走査開始位置を表すデータ信号ｓｇｎ１、及び走査終了位置を表すデータ信号ｓｇｎ２を入力することで、どの位置の有効受光領域Ａｅの撮影像（帯状画像）を読み出すかを指示する。また、読み出し開始信号ｇｓｔｔとリセット信号ｇｒｓｔとを別々に入力することにより、非破壊読出しが行われる。すなわち、読み出し開始信号ｇｓｔｔのみを入力することにより非破壊読出しが行われ、その後にリセット信号ｇｒｓｔが入力されるまで電荷蓄積が継続される。
【００４０】
また、撮像面Ｓ２の画素数が増加するとデータ信号ｓｇｎ１のビット数が増えるので、入力端子の低減の上でデータ信号ｓｇｎ１のデコーダ５３４を設けるのが望ましい。読出し開始時には、走査開始セットレジスタ５３３の内容を垂直走査回路５３１に並列転送することで走査開始位置及び走査終了位置がセットされたことになる。
【００４１】
帯状画像の読出しは、水平走査を繰り返すのではなく垂直走査を繰り返すことにより行う。まず、イメージセンサ５３は、水平方向に沿って配列された列の１列目に対して垂直走査を開始位置から終了位置まで行うことで垂直方向に並ぶ３３（＝３２＋１）個の画素からなる画素列から光電変換信号を出力する。ただし、メモリ６３への格納の対象になるのは３２画素分の光電変換信号である。続いて、読出しを行う列を水平方向に１画素分シフトさせ、２列目に対して垂直走査を行って３３画素分の光電変換信号を出力する。このような動作を繰り返すことで指定された位置の帯状画像を出力する。
【００４２】
以上の要領で読出しを行うことにより、撮像面Ｓ２の全領域の画像を読み出す場合よりはるかに短い時間（読み出す行の数／全領域の行数）で１フレームの読出しが完了する。
【００４３】
垂直方向に並ぶ３３画素分の範囲の読出しを行う理由は次のとおりである。
イメージセンサ５３は、蓄積時間がＴとなったときに受光データＳ（Ｔ）が読み出されると、その後にリセットされて次の電荷蓄積を開始するのに対し、そのときに読み出されなかった領域は電荷の蓄積が継続して行われる。次回の読み出しの対象が同じ領域であれば問題はないが、異なる領域を読み出す場合には、ｎ回目と（ｎ＋１）回目の読出しで蓄積時間の異なる画像情報が混在することになる。すなわち、光投影法による３次元測定においては、スリット光Ｕの偏向とともに読み出しの必要な有効受光領域Ａｅが副走査方向（撮像面の垂直方向）にシフトする。したがって、ｎ回目と（ｎ＋１）回目とで重複して読み出される領域の画像は前回（ｎ回目）の読出しから今回（ｎ＋１）回目の読み出しまでの蓄積時間の画像が読み出されるのに対し、有効受光領域Ａｅのシフトによって今回に新たに読み出される領域の画像は１回目の撮影から継続して光電変換をした画像となってしまう。そこで、本実施形態においては、読み出し対象領域を今回に必要な領域と次回に必要な領域の双方を包含する領域に設定する。こうすることで、次回に読出しが必要な領域については必ず前回に電荷蓄積がクリアされることになり、蓄積時間の異なる画素からなる画像を取り込んでしまうという問題を回避することができる。
【００４４】
図８はイメージセンサ５３の撮像面Ｓ２におけるラインとフレームとの関係を示す図、図９〜１１はメモリ６３における各フレームの受光データの記憶状態を示す図である。
【００４５】
図８に示すように、撮像面Ｓ２の最初のフレームであるフレーム１には、ライン１からライン３２までの３２（ライン）×２００画素分の受光データが含まれる。フレーム２はライン２からライン３３まで、フレーム３はライン３からライン３４までというように、フレーム毎に１ライン分だけシフトされる。フレーム３２はライン３２からライン６３までである。なお、上述したように１ラインを２００画素としている。
【００４６】
選択回路７５から順次転送される画像データは、図９に示す状態でメモリ６３に記憶される。つまり、メモリ６３には、フレーム１、２、３…の順に受光データが記憶される。
【００４７】
各フレームに含まれるライン３２のデータは、フレーム１については３２ライン目、フレーム２については３１ライン目というように、フレーム毎に１ラインづつ上方にシフトされている。フレーム１からフレーム３２までの受光データがメモリ６３に記憶されると、ライン３２の各画素について、時間重心Ｎｐｅａｋの算出が行われる。
【００４８】
ライン３２についての演算が行われている間に、フレーム３３の受光データがメモリ６３に転送されて記憶される。図１０に示すように、フレーム３３の受光データは、メモリ６３のフレーム３２の次の領域に記憶される。フレーム３３のデータがメモリ６３に記憶されると、これらフレーム２からフレーム３３までに含まれるライン３３の各画素について、時間重心Ｎｐｅａｋの算出が行われる。
【００４９】
ライン３３についての演算が行われている間に、フレーム３４の受光データがメモリ６３に転送されて記憶される。図１１に示すように、フレーム３４の受光データは、フレーム１の記憶されていた領域に上書きされる。この時点ではフレーム１のデータは処理済であるため、上書きにより消去しても差し支えないからである。フレーム３４のデータがメモリ６３に記憶されると、ライン３４の各画素について、時間重心Ｎｐｅａｋの算出が行われる。フレーム３４の受光データについての処理が終わると、フレーム３５の受光データがフレーム２の記憶されていた領域に上書きされる。
【００５０】
このようにして、最終のラインであるライン２３１まで、合計２００ライン分についての時間重心Ｎｐｅａｋの算出が行われる。
上述のように、メモリ６３に記憶された受光データのうち、順次不要になったデータの記憶された領域に新規の受光データを上書きして記憶するので、メモリ６３の容量が低減される。
【００５１】
表示用メモリ７４に記憶された重心ｉｐは、ＬＣＤ２１の画面に表示される。重心ｉｐは、計測対象の物体Ｑの表面の位置に関連し、物体Ｑの表面の位置が３次元カメラ２に近い場合に重心ｉｐの値が大きくなり、遠い場合に重心ｉｐの値が小さくなる。したがって、重心ｉｐを濃度データとして濃淡画像を表示させることにより距離分布を表現することができる。
【００５２】
次に、３次元カメラ２及びホスト３の動作を計測の手順と合わせて説明する。上述したように、計測のサンプリング点数を２００×２６２とする。すなわち、撮像面Ｓ２におけるスリットＵの幅方向の画素数は２６２であり、実質的なフレーム数Ｎは２３１である。
【００５３】
ユーザー（撮影者）は、ＬＣＤ２１が表示するカラーモニタ像を見ながら、カメラ位置と向きとを決め、画角を設定する。その際、必要に応じてズーミング操作を行う。３次元カメラ２ではカラーセンサ５４に対する絞り調整は行われず、電子シャッタ機能により露出制御されたカラーモニタ像が表示される。これは、絞りを開放状態とすることによってイメージセンサ５３の入射光量をできるだけ多くするためである。
【００５４】
図１２は３次元カメラ２におけるデータの流れを示す図、図１３はホスト３における３次元位置演算の処理手順を示すフローチャート、図１４は光学系の各点と物体Ｑとの関係を示す図である。
【００５５】
ユーザーによる画角選択操作（ズーミング）に応じて、ズームユニット５１のバリエータ部５１４の移動が行われる。また、フォーカシング部５１２の移動による手動又は自動のフォーカシングが行われる。フォーカシングの過程でおおよその対物間距離ｄ₀ が測定される。
【００５６】
このような受光系のレンズ駆動に呼応して、投光側のバリエータレンズ４２２の移動量が図示しない演算回路によって算出され、算出結果に基づいてバリエータレンズ４２２の移動制御が行われる。
【００５７】
システムコントローラ６１は、レンズコントローラ５８を介して、フォーカシングエンコーダ５９Ａの出力（繰り出し量Ｅｄ）及びズーミングエンコーダ６０Ａの出力（ズーム刻み値ｆｐ）を読み込む。システムコントローラ６１の内部において、歪曲収差テーブルＴ１、主点位置テーブルＴ２、及び像距離テーブルＴ３が参照され、繰り出し量Ｅｄ及びズーム刻み値ｆｐに対応した撮影条件データがホスト２へ出力される。ここでの撮影条件データは、歪曲収差パラメータ（レンズ歪み補正係数ｄ１，ｄ２）、前側主点位置ＦＨ、及び像距離ｂである。前側主点位置ＦＨは、ズームユニット５１の前側端点Ｆと前側主点Ｈとの距離で表される。前側端点Ｆは固定であるので、前側主点位置ＦＨにより前側主点Ｈを特定することができる。
【００５８】
システムコントローラ６１は、半導体レーザ４１の出力（レーザ強度）及びスリット光Ｕの偏向条件（走査開始角、走査終了角、偏向角速度）を算定する。
この算定方法を詳しく説明する。まず、おおよその対物間距離ｄ₀ に平面物体が存在するものとして、イメージセンサ５３の中央で反射光を受光するように投射角設定を行う。以下で説明するレーザ強度の算定のためのパルス点灯は、この設定された投射角で行う。
【００５９】
次にレーザ強度を算定する。レーザ強度の算定に際しては、人体を計測する場合があるので、安全性に対する配慮が不可欠である。まず、最小強度ＬＤｍｉｎでパルス点灯し、イメージセンサ５３の出力を取り込む。取り込んだ信号〔Ｓｏｎ（ＬＤｍｉｎ）〕と適正レベルＳｔｙｐとの比を算出し、仮のレーザ強度ＬＤ１を設定する。
【００６０】
ＬＤ１＝ＬＤｍｉｎ×Ｓｔｙｐ／ＭＡＸ〔Ｓｏｎ（ＬＤｍｉｎ）〕
続いてレーザ強度ＬＤ１で再びパルス点灯し、イメージセンサ５３の出力を取り込む。取り込んだ信号〔Ｓｏｎ（ＬＤ１）〕が適正レベルＳｔｙｐ又はそれに近い値であれば、ＬＤ１をレーザ強度ＬＤｓと決める。他の場合には、レーザ強度ＬＤ１とＭＡＸ〔Ｓｏｎ（ＬＤ１）〕とを用いて仮のレーザ強度ＬＤ１を設定し、イメージセンサ５３の出力と適正レベルＳｔｙｐとを比較する。イメージセンサ５３の出力が許容範囲内の値となるまで、レーザ強度の仮設定と適否の確認とを繰り返す。なお、イメージセンサ５３の出力の取り込みは、撮像面Ｓ２の全面を対象に行う。これは、ＡＦによる受動的な距離算出では、スリット光Ｕの受光位置を高精度に推定することが難しいためである。イメージセンサ５３におけるＣＣＤの積分時間は１フィールド時間（例えば１／６０秒）であり、実際の計測時における積分時間より長い。このため、パルス点灯を行うことにより、計測時と等価なセンサ出力を得る。
【００６１】
次に、投射角と、レーザ強度が決定したときのスリット光Ｕの受光位置から、三角測量により対物間距離ｄを決定する。
最後に、決定された対物間距離ｄに基づいて、偏向条件を算出する。偏向条件の算定に際しては、対物間距離ｄの測距基準点である受光系の前側主点Ｈと投光の起点ＡとのＺ方向のオフセットｄｏｆｆを考慮する。また、走査方向の端部においても中央部と同様の計測可能距離範囲ｄ’を確保するため、所定量（例えば８画素分）のオーバースキャンを行うようにする。走査開始角ｔｈ１、走査終了角ｔｈ２、偏向角速度ωは、次式で表される。
【００６２】

β：撮像倍率（＝ｄ／実効焦点距離ｆｒｅａｌ）
ｐｖ：画素ピッチ
ｎｐ：撮像面Ｓ２のＹ方向の有効画素数
Ｌ：基線長
このようにして算出された条件で次に本発光に移り、物体Ｑの走査（スリット投影）が行われ、上述の出力処理回路６２、メモリ６３、及び重心演算回路７３を経て出力用メモリ６４に記憶されたデータＤ６２がホスト２へ送られる。同時に、偏向条件（偏向制御データ）及びイメージセンサ５３の仕様などを示す装置情報Ｄ１０も、ホスト３へ送られる。表１は３次元カメラ２がホスト３へ送る主なデータをまとめたものである。
【００６３】
【表１】

【００６４】
図１３のように、ホスト３においては、３次元位置演算処理が実行され、これによって２００×２００個のサンプリング点（画素）の３次元位置（座標Ｘ，Ｙ，Ｚ）が算定される。サンプリング点はカメラ視線（サンプリング点と前側主点Ｈとを結ぶ直線）とスリット面（サンプリング点を照射するスリット光Ｕの光軸面）との交点である。
【００６５】
図１３において、まず３次元カメラ２から送られてきたｘｉの総和Σｘｉが所定値を上回っているかどうかを判定する（＃１１）。ｘｉが小さい場合、つまりスリット光成分の総和Σｘｉが所定の基準に満たない場合には誤差を多く含んでいるので、その画素については３次元位置の算出を実行しない。そして、その画素については「エラー」を示すデータを設定して記憶する（＃１７）。Σｘｉが所定値を上回っている場合には十分な精度が得られるので、３次元位置の算出を実行する。
【００６６】
３次元位置の算出に先立って、スリット光Ｕの通過タイミングｎｏｐを算出する（＃１２）。通過タイミングｎｏｐは、ｉ＝１〜３２について（Σｉ・ｘｉ）／（Σｘｉ）を計算して重心ｉｐ（時間重心Ｎｐｅａｋ）を求め、これにライン番号を加算することによって算出される。
【００６７】
すなわち、算出された重心ｉｐは、その画素の出力が得られている３２フレーム内のタイミングであるので、ライン番号を加えることによって走査開始からの通過タイミングｎｏｐに変換する。具体的には、ライン番号は、最初に算出されるライン３２の画素については「３２」、次のライン３３については「３３」となる。注目画素ｇのラインが１つ進む毎にライン番号は１つ増大する。しかし、これらの値は他の適当な値とすることが可能である。その理由は、３次元位置を算出する際に、係数である後述の（６）式におけるＸ軸周りの回転角（ｔｈｅ１）及びＸ軸周りの角速度（ｔｈｅ４）などをキャリブレーションにより適切に設定することができるからである。
【００６８】
そして３次元位置算出を行う（＃１３）。算出された３次元位置は、その画素に対応するメモリ領域に記憶し（＃１４）、次の画素について同様の処理を行う（＃１６）。総ての画素についての処理が終わると終了する（＃１５でイエス）。
【００６９】
次に、３次元位置の算出方法について説明する。
カメラ視線方程式は次の（１）式及び（２）式である。
（ｕ−ｕ０）＝（ｘｐ）＝（ｂ／ｐｕ）×〔Ｘ／（Ｚ−ＦＨ）〕 …（１）
（ｖ−ｖ０）＝（ｙｐ）＝（ｂ／ｐｖ）×〔Ｙ／（Ｚ−ＦＨ）〕 …（２）
ｂ：像距離
ＦＨ：前側主点位置
ｐｕ：撮像面における水平方向の画素ピッチ
ｐｖ：撮像面における垂直方向の画素ピッチ
ｕ：撮像面における水平方向の画素位置
ｕ０：撮像面における水平方向の中心画素位置
ｖ：撮像面における垂直方向の画素位置
ｖ０：撮像面における垂直方向の中心画素位置
スリット面方程式は（３）式である。
【００７０】
【数１】

【００７１】
幾何収差は画角に依存する。歪はほぼ中心画素を中心として対称に生じる。したがって、歪み量は中心画素からの距離の関数で表される。ここでは、距離の３次関数で近似する。２次の補正係数をｄ１、３次の補正係数をｄ２とする。補正後の画素位置ｕ’，ｖ’は（４）式及び（５）式で与えられる。
【００７２】

上述の（１）式及び（２）式において、ｕに代えてｕ’を代入し、ｖに代えてｖ’を代入することにより、歪曲収差を考慮した３次元位置を求めることができる。なお、キャリブレーションについては、電子情報通信学会研究会資料ＰＲＵ91-113［カメラの位置決めのいらない画像の幾何学的補正］小野寺・金谷、電子情報通信学会論文誌Ｄ-II vol. J74-D-II No.9 pp.1227-1235,'91/9 ［光学系の３次元モデルに基づくレンジファインダの高精度キャリブレーション法］植芝・吉見・大島、などに詳しい開示がある。
【００７３】
次に、選択回路７５の構成及び動作の詳細について説明する。
図１５は選択回路７５の構成を示すブロック図である。
図１５に示すように、選択回路７５は、スイッチ回路７５１，７５６、メモリ７５２、積算回路７５３、判定値回路７５４、及び比較回路７５５から構成される。
【００７４】
スイッチ回路７５１は、出力処理回路６２から転送される第１フレームＦ（Ｔ／４）の受光データＳ（Ｔ／４）を受光データＳ１１としてメモリ７５２に、第２フレームＦ（Ｔ）の受光データＳ（Ｔ）を受光データＳ２１としてスイッチ回路７５６及び比較回路７５５に送る。
【００７５】
メモリ７５２は、２００×３２Ｂｙｔｅの記憶容量を持つ読み書き可能なメモリであり、受光データＳ１１の全てを記憶する。
積算回路７５３は、受光データＳ１１に対し４倍の値の受光データＳ１２を算出し、スイッチ回路７５６に送る。
【００７６】
判定値回路７５４は、受光データＳ２１の飽和判定の基準となる判定値Ｓ２３を比較回路７５５に設定する。判定値Ｓ２３の値の具体例は「２５５」である。
【００７７】
比較回路７５５は、受光データＳ２１と判定値Ｓ２３とを比較し、その比較結果に基づいた制御信号ＣＰ１を生成し、スイッチ回路７５６に送る。制御信号ＣＰ１は、スイッチ回路７５６を次のように制御する。
【００７８】
すなわち、受光データＳ２１が飽和していない場合には、受光データＳ２１をスイッチ回路７５６を介してメモリ６３へそのまま転送する〔図１７（Ｄ）における実線部分参照〕。これと異なり、受光データＳ２１が飽和している場合には、受光データＳ１２、つまり第１フレームＦ（Ｔ／４）の受光データＳ（Ｔ／４）を４倍した値をスイッチ回路７５６を介してメモリ６３へ転送する〔図１７（Ｄ）における破線部分参照〕。
【００７９】
このようにして、第２フレームＦ（Ｔ）の全ての画素についての受光データＳ（Ｔ）は、判定値「２５５」に達しているか否かによって飽和しているか否かが判定される。受光データＳ（Ｔ）が飽和していない場合には、その受光データＳ（Ｔ）を用い、受光データＳ（Ｔ）が飽和している場合には、受光データＳ（Ｔ／４）の４倍の大きさの信号が、８ビット又は１０ビットの受光データＳ３０としてメモリ６３に送られることになる。
【００８０】
つまり、イメージセンサ５３から得られる受光データをノイズの影響を受けにくい大きな値として読み出すことができる。
このため、受光データＳ３０に対して重心演算を行い３次元画像を求めた場合に、精度のよい３次元画像を求めることができる。
【００８１】
なお、上に述べた実施形態では、蓄積時間をＴとＴ／４との２段階に設定したが、さらに多くの段階の蓄積時間を設定してもよい。例えば、Ｔ，Ｔ／２，Ｔ／４，Ｔ／８、又はＴ，Ｔ／３，Ｔ／９など、３段階以上の蓄積時間を設定することが可能である。このように設定された蓄積時間によって得られた信号のうち、最も蓄積時間の長い信号、換言すれば出力レベルの高い信号を選択するようにすればよい。
【００８２】
次に、図１６乃至１９を参照して、受光データＳ（Ｔ），Ｓ（Ｔ／４）に具体的な数値を用いて、選択回路７５から受光データＳ３０が出力され、受光データＳ３０に対して時間重心演算及び空間重心演算を行う場合の処理について説明する。
【００８３】
初めに、時間重心演算を行う場合の処理について説明する。
図１６は有効受光領域Ａｅにおける互いに異なる注目画素ｇ１，ｇ２を示す図、図１７は注目画素ｇ１，ｇ２に対し電荷の蓄積時間がＴ／４，Ｔであるときの各フレームにおける受光データの分布の一例を示す図である。
【００８４】
図１７（Ａ）は注目画素ｇ１に対し電荷の蓄積時間がＴ／４であるときの各フレームにおける受光データの分布の一例を示す図、図１７（Ｂ）は注目画素ｇ１に対し電荷の蓄積時間がＴであるときの各フレームにおける受光データの分布の一例を示す図、図１７（Ｃ）は注目画素ｇ２に対し電荷の蓄積時間がＴ／４であるときの各フレームにおける受光データの分布の一例を示す図、図１７（Ｄ）は注目画素ｇ２に対し電荷の蓄積時間がＴであるときの各フレームにおける受光データの分布の一例を示す図である。
【００８５】
図１７（Ａ）に示すように、注目画素ｇ１に対し蓄積時間がＴ／４後に読出しを行った受光データのピーク値が３０の場合、つまり、ピーク値が受光データの飽和値「２５５」に対してかなり小さい場合に、注目画素ｇ１について時間重心演算を行うと、得られる演算結果は精度が悪いものとなる。注目画素ｇ１のＳＮ比が悪いからである。
【００８６】
なお、時間重心Ｎｐｅａｋを演算するに当たっては、各画素毎に、所定期間内におけるイメージセンサ５３からの出力（ｘ）を一定の周期でサンプリングし、サンプリング値である出力（ｘ）とサンプリングのタイミング（ｉ）との積（ｘ・ｉ）の総計Σ（ｘ・ｉ）、及び出力（ｘ）の総計Σ（ｘ）を算出する。これらから、時間重心Ｎｐｅａｋ＝Σ（ｘ・ｉ）／Σ（ｘ）を算出する。
【００８７】
一方、図１７（Ｂ）に示すように、注目画素ｇ１の前回の読出し（電荷の蓄積時間Ｔ／４）に対して、４倍の蓄積時間であるＴ後に読出しを行った受光データは、ピーク値が１２８になる。なお、この「１２８」は３０の約４倍である。
【００８８】
このように、蓄積時間がＴ後に読出しを行った受光データＳ２１は、蓄積時間がＴ／４後に読出しを行った受光データＳ１１よりもＳＮ比が大きくなる。
また、図１７（Ｃ）に示すように、注目画素ｇ２に対し蓄積時間がＴ／４後に読出しを行った受光データのピーク値が１１０の場合には、注目画素ｇ１について行ったのと同じ方法、つまり注目画素ｇ２の前回の読出し（電荷の蓄積時間Ｔ／４）に対して４倍の蓄積時間のＴ後に読出しを行った受光データＳ２１を用いて時間重心演算を行う方法をそのまま適用することはできない。そのまま適用した場合には、図１７（Ｄ）の実線に示すように、区間ＳＲでは複数のフレームに対して受光データＳ２１が飽和してしまうからである。
【００８９】
この場合には、区間ＳＲにおける受光データＳ２１の値として受光データＳ１１に４を乗じた値Ｓ１２を用いる。こうすることで、注目画素ｇ２についてもＳＮ比が大きい受光データを得ることができる。
【００９０】
有効フレームＡｅ内の任意の注目画素について上述した処理を行うことにより、得られる時間重心演算の結果は、ノイズ信号の影響が小さいものとなり、精度のよい３次元画像を求めることができる。
【００９１】
次に、空間重心演算を行う場合の処理について説明する。
図１８は有効受光領域Ａｅにおける互いに異なる注目画素列Ｌ１，Ｌ２を示す図、図１９は注目画素列Ｌ１，Ｌ２に対し電荷の蓄積時間がそれぞれＴ／４，Ｔであるときの各フレームにおける受光データの分布の一例を示す図である。
【００９２】
図１９（Ａ）は注目画素列Ｌ１に対し電荷の蓄積時間がＴ／４であるときの各フレームにおける受光データの分布の一例を示す図、図１９（Ｂ）は注目画素列Ｌ１に対し電荷の蓄積時間がＴであるときの各フレームにおける受光データの分布の一例を示す図、図１９（Ｃ）は注目画素列Ｌ２に対し電荷の蓄積時間がＴ／４であるときの各フレームにおける受光データの分布の一例を示す図、図１９（Ｄ）は注目画素列Ｌ２に対し電荷の蓄積時間がＴであるときの各フレームにおける受光データの分布の一例を示す図である。
【００９３】
図１９（Ａ）に示すように、注目画素列Ｌ１に対し電荷の蓄積時間がＴ／４であるときの各フレームにおける受光データのピーク値が３０の場合、つまり、受光データの飽和値「２５５」に対してかなり小さい場合に、注目画素列Ｌ１について空間重心演算を行うと、その演算結果は精度が悪いもとなる。注目画素列Ｌ１のＳＮ比が悪いからである。
【００９４】
なお、空間重心Ｍｐｅａｋを演算するに当たっては、イメージセンサ５３からの出力（ｘ）を一定の周期でサンプリングする。各サンプリングのタイミングに対応して、所定の受光幅内の画素について、その位置（ｉ）と出力（ｘ）との積（ｘ・ｉ）の総計Σ（ｘ・ｉ）、及び出力（ｘ）の総計Σ（ｘ）を算出する。これらから、空間重心Ｍｐｅａｋ＝Σ（ｘ・ｉ）／Σ（ｘ）を算出する。
【００９５】
この場合には、上述した時間重心演算のところで説明した注目画素ｇ１，ｇ２をそれぞれ注目画素列Ｌ１，Ｌ２と読み変えることにより、得られる空間重心演算の結果は、ノイズ信号の影響が小さいものとなり、精度のよい３次元画像を求めることができることになる。
【００９６】
上述の実施形態において、イメージセンサ５３から受光データＳ（Ｔ／４）が１フレーム分だけ第１フレームＦ（Ｔ／４）として、受光データＳ（Ｔ）が１フレーム分だけ第２フレームＦ（Ｔ）として別々に出力されるが、各フレーム分の受光データを画素毎に順次記憶していくためのバッファメモリをイメージセンサ５３とは別個に設け、そのバッファメモリから各フレームの受光データをまとめて出力するように構成してもよい。
【００９７】
上述の実施形態において、電荷の蓄積時間がＴ／４である受光データＳ（Ｔ／４）と、その４倍の時間Ｔである受光データＳ（Ｔ）とを用いているが、受光データＳ（Ｔ）に代えて、受光データＳ（Ｔ／４）に対して電荷の蓄積時間が例えば２倍、３倍、６倍、８倍などの受光データを用いることも可能である。それらの場合に、受光データＳ１１に対してそれらの倍率に応じた値の受光データＳ１２を算出するために、データ変換テーブルを用いてもよい。
【００９８】
上述の実施形態において、３次元カメラ２、ホスト３、又は計測システム１の全体又は各部の構成、処理内容又は順序、処理タイミングなどは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。
【００９９】
【発明の効果】
本発明によると、撮像デバイスからの飽和していない出力を得ることができる。請求項３及び請求項４の発明によると、撮像デバイスからＳＮ比の良好な出力を得ることができる。
【０１００】
したがって、ＭＯＳ型イメージセンサなどの非破壊読出しが可能なイメージセンサから出力される受光データのＳＮ比を向上させて精度のよい３次元画像を求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る計測システムの構成図である。
【図２】３次元カメラの外観を示す図である。
【図３】３次元カメラの機能構成を示すブロック図である。
【図４】投光レンズ系の構成を示す模式図である。
【図５】計測システムにおける３次元位置の算出の原理図である。
【図６】イメージセンサの読出し範囲を示す図である。
【図７】イメージセンサの構成の模式図である。
【図８】イメージセンサの撮像面におけるラインとフレームとの関係を示す図である。
【図９】メモリにおける各フレームの受光データの記憶状態を示す図である。
【図１０】メモリにおける各フレームの受光データの記憶状態を示す図である。
【図１１】メモリにおける各フレームの受光データの記憶状態を示す図である。
【図１２】３次元カメラにおけるデータの流れを示す図である。
【図１３】ホストにおける３次元位置演算の処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】光学系の各点と物体との関係を示す図である。
【図１５】選択回路の構成を示すブロック図である。
【図１６】有効受光領域における注目画素を示す図である。
【図１７】蓄積時間がＴ／４及びＴであるときの受光データの分布の例を示す図である。
【図１８】有効受光領域における注目画素列を示す図である。
【図１９】蓄積時間がＴ／４及びＴであるときの受光データの分布の例を示す図である。
【符号の説明】
２ ３次元カメラ（３次元入力装置）
４０ 光学系（投光手段）
４３ ガルバノミラー（走査手段）
５３ イメージセンサ（撮像デバイス）
６１ システムコントローラ（制御手段）
７５ 選択回路（選択手段、演算手段）
Ａｅ 有効受光領域（有効領域）
Ｓ２ 撮像面
Ｕ スリット光（検出光）
Ｑ 物体
Ｓ（Ｔ／４） 受光データ（第１光電変換信号）
Ｓ（Ｔ） 受光データ（第２光電変換信号）

Claims (9)

1. 物体までの距離に関する情報を取得することにより前記物体の形状を測定するために用いられる３次元入力装置であって、
   物体に検出光を照射する投光手段と、
   前記検出光の照射方向を偏向させて前記物体を光学的に走査するための走査手段と、
   ２次元の撮像面を有し前記物体で反射した前記検出光を受光して光電変換する撮像デバイスと、
   前記撮像デバイスを、各画素について電荷の蓄積時間が互いに異なる複数の光電変換信号を出力するように制御する制御手段と、
   光電変換信号の飽和の判定を行い、前記複数の光電変換信号のうち、飽和していない光電変換信号を選択する選択手段と、
   を有することを特徴とする３次元入力装置。
2. 前記制御手段は、第１の蓄積時間が経過すると、前記撮像デバイスに対して非破壊読み出しを行うとともに、さらに電荷蓄積を第２の蓄積時間まで継続するように制御する、
   請求項１記載の３次元入力装置。
3. 前記選択手段は、飽和していない光電変換信号のうち、最も蓄積時間の長い光電変換信号を選択する、
   請求項１又は請求項２記載の３次元入力装置。
4. 物体までの距離に関する情報を取得することにより前記物体の形状を測定するために用いられる３次元入力装置であって、
   物体に検出光を照射する投光手段と、
   前記検出光の照射方向を偏向させて前記物体を光学的に走査するための走査手段と、
   ２次元の撮像面を有し前記物体で反射した前記検出光を受光して光電変換する撮像デバイスと、
   前記撮像デバイスを、各画素について、電荷の蓄積時間が所定の時間Ｔ／ｎである第１光電変換信号と、電荷の蓄積時間が前記第１光電変換信号のｎ倍の時間Ｔである第２光電変換信号とを出力するように制御する制御手段と、
   前記第２光電変換信号が飽和しているか否かの判定を行い、前記第２光電変換信号が飽和していない場合には前記第２光電変換信号を用い、前記第２光電変換信号が飽和している場合には前記第１光電変換信号のｎ倍の大きさの信号を用いて演算を行う演算手段と、
   を有することを特徴とする３次元入力装置。
5. 物体までの距離に関する情報を取得することにより前記物体の形状を測定するために用いられる３次元入力装置であって、
   物体に検出光を照射する投光手段と、
   前記検出光の照射方向を偏向させて前記物体を光学的に走査するための走査手段と、
   ２次元の撮像面を有し前記物体で反射した前記検出光を受光して光電変換する撮像デバイスと、
   前記撮像デバイスを、各画素について電荷の蓄積時間が互いに異なる複数の光電変換信号を出力するように制御する制御手段と、
   光電変換信号の飽和の判定を行い、前記複数の光電変換信号のうち、飽和していない光電変換信号を選択する選択手段と、
   を有しており、
   選択された光電変換信号に基づいて物体までの距離に関する情報を取得し、前記物体の形状を測定する
   ことを特徴とする３次元入力装置。
6. 前記制御手段は、第１の蓄積時間が経過すると、前記撮像デバイスに対して非破壊読み出しを行うとともに、さらに電荷蓄積を第２の蓄積時間まで継続するように制御する、
   請求項５記載の３次元入力装置。
7. 前記選択手段は、飽和していない光電変換信号のうち、最も蓄積時間の長い光電変換信号を選択する、
   請求項５又は請求項６記載の３次元入力装置。
8. 物体までの距離に関する情報を取得することにより前記物体の形状を測定するために用いられる３次元入力装置であって、
   物体に検出光を照射する投光手段と、
   前記検出光の照射方向を偏向させて前記物体を光学的に走査するための走査手段と、
   ２次元の撮像面を有し前記物体で反射した前記検出光を受光して光電変換する撮像デバイスと、
   前記撮像デバイスを、各画素について、電荷の蓄積時間が所定の時間Ｔ／ｎである第１光電変換信号と、電荷の蓄積時間が前記第１光電変換信号のｎ倍の時間Ｔである第２光電変換信号とを出力するように制御する制御手段と、
   前記第２光電変換信号が飽和しているか否かの判定を行い、前記第２光電変換信号が飽和していない場合には前記第２光電変換信号を用い、前記第２光電変換信号が飽和している場合には前記第１光電変換信号のｎ倍の大きさの信号を用いて、物体までの距離に関する情報を取得して物体の形状を特定する演算を行う演算手段と、
   を有することを特徴とする３次元入力装置。
9. 物体までの距離に関する情報を取得することにより前記物体の形状を測定するために用いられる３次元入力装置であって、
   物体に検出光を照射する投光手段と、
   前記検出光の照射方向を偏向させて前記物体を光学的に走査するための走査手段と、
   ２次元の撮像面を有し前記物体で反射した前記検出光を受光して光電変換する撮像デバイスと、
   前記撮像デバイスを、各画素について、電荷の蓄積時間が所定の時間Ｔ／ｎである第１光電変換信号と、電荷の蓄積時間が前記第１光電変換信号のｎ倍の時間Ｔである第２光電変換信号とを出力するように制御する制御手段と、
   前記第１光電変換信号のｎ倍の大きさの信号を生成する信号生成手段と、
   前記第２光電変換信号が飽和していない場合には前記第２光電変換信号を出力し、前記第２光電変換信号が飽和している場合には前記第１光電変換信号のｎ倍の大きさの信号を出力する信号選択手段と、
   前記信号選択手段の出力する信号を用いて物体までの距離に関する情報を取得するための演算を行う演算手段と、
   を有することを特徴とする３次元入力装置。

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