JP3915366B2

JP3915366B2 - Optical sensor and three-dimensional shape measuring device

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Publication number: JP3915366B2
Application number: JP2000071617A
Authority: JP
Inventors: 義紀山口
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: JP2001268445A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物体までの距離を計測する光センサおよび三次元形状計測装置に関し、特に、小型かつ安価で、対象物体までの距離を短時間かつ高精度に計測することが可能な光センサおよび三次元形状計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
三次元形状を計測する方式として、パッシブ方式とアクティブ方式の２つが提案されている。パッシブ方式は、エネルギーを対象物体に放射することなしに形状を計測する方式であり、アクティブ方式は、何らかのエネルギーを対象物体に放射しその反射を検出することによって形状を計測する方式である。
【０００３】
パッシブ方式において、対象物体までの複数点の距離を計測する方法の一つとしてステレオ法がある。このステレオ法は、２台のカメラをある間隔をおいて設置し、得られた２つの画像の視差から三角法により対象物体までの距離を計測する方式である。この方式は、画像として取り込むことができれば遠方までの距離を計測することができるという特長はあるが、模様のない滑らかな面を持った表面全体の三次元計測を行うことができないという重大な問題点が存在する。また、２台のカメラの光軸を一致させることが原理的にできないため、距離を測定できない領域（オクルージョン）が発生するという欠点があった。
【０００４】
アクティブ法において、対象物体までの複数点の距離を計測する方法の一つとして光切断法がある。この光切断法は、スリット光をある角度で対象物体に照射し、それとは別の角度から撮像した画像から三角法により対象物体までの距離を計測する方式である。この方式は、比較的簡単な構成で実現できるという特長はあるが、スリット光を微少な角度単位で走査しなければならず、その度に画像を撮像するため、計測時間が長くなるという問題点がある。この問題点を解決するために光切断法を応用した方式に空間コード化法がある。この空間コード化法は、スリット光を何回も照射する替わりに、投影光のパターンをコード化することにより、少ない投影回数で距離を計測する方式であるが、水平方向のサンプル数をｎとすると、ｌｏｇ₂ｎ回（ｎ＝５１２ポイントとして９回）の撮像を行わなければならないため、測定時間が長くなるという問題点があった。また、投光器と撮像器の光軸を一致させることが原理的にできないため、距離を測定できない領域（オクルージョン）が発生するという欠点があった。
【０００５】
アクティブ法において、１回の撮像で複数点の距離を計測できる方式の一つとして、強度変調された光を対象物体に照射し、その反射光の位相分布を計測する位相分布計測方式がある。
【０００６】
従来の位相分布計測方式としては、例えば、文献１「SPIE Vol.2588,1995年，126 〜134 ページに記載された論文（An new active３D-Vision system based on rf-modulation interferometry light ）」、および特許第２６９０６７３号および、SPIEVol.2748,1996年、47〜59ページ「The Emerging Versatility of a Scannless Range Imager」に示されるものがある。
【０００７】
図８は、文献１に示された従来の三次元形状計測装置を示す。この三次元形状計測装置１００は、光源１０１Ａから集光レンズ１０２を介してポッケルズセルのような結晶を用いた平面変調器１０３に出射された光に強度変調を施す変調／復調信号発生器１０４と、強度変調された光１０５ａを対象物体６に平面照射する投影レンズ１０６と、対象物体６で反射し結像レンズ１０７を介してポッケルズセルのような結晶を用いた平面復調器１０８に入射した反射光１０５ｂに強度復調を施す変調／復調信号発生器１０４と、強度復調を施された光信号を撮像するＣＣＤカメラ１０９とを有する。このような構成において、光源１０１Ａから発せられた光は、集光レンズ１０２により、平面変調器１０３に入射し、変調／復調信号発生器１０４の信号に基いて強度変調を施された後、その強度変調された光１０５ａは、投影レンズ１０６によって対象物体６に平面照射される。対象物体６からの反射光１０５ｂは、結像レンズ１０７により平面復調器１０８に入射し、変調／復調信号発生器１０４の信号に基いて強度復調を施された後、ＣＣＤカメラ１０９上に結像する。ＣＣＤカメラ１０９で撮像された濃淡画像は、対象物体６までの距離に起因する位相情報を含んでいる。コンピュータ１１０でこの濃淡画像を処理することにより、１回の撮像で対象物体６の距離データを得ることができる。
【０００８】
図９は、特許第２６９０６７３号公報に記載された従来の三次元形状計測装置を示す。図８との相違点は、光源として半導体レーザ１０１Ｂを用いていること、ポッケルズセルのような結晶を用いた変調器は用いずに半導体レーザ１０１Ｂで直接強度変調を行っていること、ポッケルズセルのような結晶を用いた復調器は用いずにイメージインテンシファイア１１１で復調を行っていることの３点である。変調／復調信号発生器１０４の信号に基いて強度変調を施された光は、半導体レーザ１０１Ｂから放射された後、投影レンズ１０６によって対象物体６に平面照射される。対象物体６からの反射光１０５ｂは、結像レンズ１０７によりイメージインテンシファイア１１１に結像される。変調／復調信号発生器１０４の信号を高圧ドライブ回路１１２により高圧信号に変換し、イメージインテンシファイア１１１のゲインコントローラ端子に入力することにより強度復調された反射光は、ＣＣＤカメラ１０９で撮像される。ＣＣＤカメラ１０９で撮像された濃淡画像は、対象物体６までの距離に起因する位相情報を含んでいる。コンピュータ１１０でこの濃淡画像を処理することにより、１回の撮像で対象物体６の距離データを得ることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図８に示す従来の三次元形状計測装置によると、平面変調器１０３、平面復調器１０８にポッケルズセルのような結晶を用いた変調器／復調器を用いているため、非常に高価な装置となってしまうという欠点があった。また、この結晶を用いた変調器／復調器は開口が約数ミリ程度と小さいため、光源１０１Ａから放射された光および対象物体６で反射された光をこの開口に合わせて集光レンズ１０２、１０７を用いて集光しなければならず、装置が大型化してしまうという欠点があった。
【００１０】
また、図９に示す従来の三次元形状計測装置によると、イメージインテンシファイア１１１を用いているため、非常に高価な装置となってしまうという欠点があった。また、このイメージインテンシファイア１１１を駆動するためには数百ボルトという高電圧信号を強度変調することが必要なため、駆動回路が複雑になるという欠点があった。また、このイメージインテンシファイア１１１はＣＣＤカメラ１０９に比べて大きいため装置全体が大型化してしまうという欠点があった。
【００１１】
一方、光を検出できるセンサにおいて、小型化を図るために代表的な２次元センサである２次元ＭＯＳイメージセンサや２次元ＣＣＤイメージセンサを用いることも考えられるが、これらのイメージセンサは、信号電荷を蓄積時間分だけ積分する機能しか有していないため、距離計測に必要な復調機能はなく、これらを３次元形状計測装置の光センサとして用いることはできない。
【００１２】
従って、本発明の目的は、小型かつ安価で、対象物体までの距離を短時間かつ高精度に計測することが可能な光センサおよび三次元形状計測装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を実現するため、所定の周波数で強度変調された強度変調光を信号電流に光電変換する光電変換部と、前記強度変調光の複数の位相について前記信号電流をサンプリングするサンプリング部と、前記サンプリング部によってサンプリングされた前記信号電流に対応する信号電荷を前記位相毎に蓄積する蓄積部と、前記サンプリング部がサンプリングしていない期間に前記光電変換部および前記光電変換部の周辺に形成された寄生容量に蓄積された不要電荷を排出する排出部とを有して２次元状に配列された複数の信号発生手段と、前記複数の信号発生手段の前記蓄積部に蓄積された前記信号電荷を前記位相毎に読み出す読み出し手段とを備え、前記サンプリング部および前記排出部は、フォトゲートを用いて構成されたことを特徴とする光センサを提供する。
上記構成によれば、サンプリング部がサンプリングしていない期間に光電変換部および光電変換部の周辺に形成された寄生容量に蓄積された不要電荷を排出することにより、蓄積部には、サンプリング部によるサンプリングの期間に発生した信号電荷のみが蓄積され、正確な信号電荷が得られる。
【００１４】
本発明は、上記目的を実現するため、所定の周波数で強度変調された強度変調光を物体に向けて出射する光出射手段と、前記物体からの反射光と前記強度変調光との合成光を受光して検出信号を出力する光センサと、記検出信号に基づいて前記物体までの距離を演算する演算手段とを有する三次元形状計測装置において、前記光センサは、前記強度変調光を信号電流に光電変換する光電変換部と、前記強度変調光の複数の位相について前記信号電流をサンプリングするサンプリング部と、前記サンプリング部によってサンプリングされた前記信号電流に対応する信号電荷を前記位相毎に蓄積する蓄積部と、前記サンプリング部がサンプリングしていない期間に前記光電変換部および前記光電変換部の周辺に形成された寄生容量に蓄積された不要電荷を排出する排出部とを有して２次元状に配列された複数の信号発生手段と、前記複数の信号発生手段の前記蓄積部に蓄積された前記信号電荷を前記位相毎に読み出す読み出し手段とを備え、前記サンプリング部および前記排出部は、フォトゲートを用いて構成され、前記演算手段は、前記複数の位相の前記信号電荷のうち最大値を示す前記信号電荷に基づいて前記強度変調光の最大振幅を演算することを特徴とする三次元形状計測装置を提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る三次元形状計測装置を示す。この装置１は、変調信号を発生する変調信号発生器２と、変調信号発生器２からの変調信号に基づいてレーザ光からなる照明光４ａを出射する半導体レーザ３と、半導体レーザ３からの照明光４ａを対象物体６に向けて照射する投影レンズ５と、対象物体６で反射した物体光４ｂを光学フィルタ８を介して光センサ９上に結像させる結像レンズ７と、半導体レーザ３からの照明光４ａの一部を透過させ、残りを参照光４ｃとして反射させ、光学フィルタ８を介して光センサ９上に導くハーフミラー１０と、対象物体６と光学フィルタ８との間に配置された第１の液晶シャッタ１１Ａと、ハーフミラー１０と光学フィルタ８との間に配置された第２の液晶シャッタ１１Ｂと、光センサ９にパルス信号を出力するパルス発生部１２と、光センサ９の出力信号の大小を比較する比較回路１３と、比較回路１３の比較結果に基づいて対象物体６の表面形状に関する距離データを２次元的に算出する距離演算部１４と、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、この装置１の各部を制御するとともに、距離演算部１４の演算結果を表示するコンピュータ１５とを有する。
【００１６】
半導体レーザ３は、変調信号発生器２からの変調信号に基づいて強度変調されたレーザ光からなる照明光４ａを出射するとともに、変調信号発生器２からの定常信号に基づいて強度変調されていない定常光からなる照明光４ａを出射するものである。この定常光は、強度変調された照明光４ａの平均強度に一致した光強度を有する。
【００１７】
第１および第２の液晶シャッタ１１Ａ、１１Ｂは、例えば、画素毎に印加電圧を制御することにより透過率を０〜１００％の範囲で制御できるようになっている。なお、シャッタ１１Ａ、１１Ｂは、画素毎でなくても構わず、全画素同じ透過率でもよい。また、シャッタとしてメカニカルシャッタを用いて一括遮断してもよい。
【００１８】
パルス発生部１２は、電荷蓄積用フォトゲートを駆動する蓄積パルス信号Ｓｃ、および電荷排出用フォトゲートを駆動する排出パルス信号Ｓｄを発生するとともに、電荷蓄積部に印可するパルスである電荷蓄積部印可パルスΦ_CH、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を外部に読み出す読み出すために機能するトランスファーゲートおよびアナログレジスタ（ＣＣＤ）に印可するパルスであるトランスファーゲートパルスΦ_TG、垂直ＣＣＤ印可パルスΦ_V1、Φ_V2、Φ_V3および水平ＣＣＤ印可パルスΦ_H1、Φ_H2、Φ_H3を発生するものである。
【００１９】
図２は、変調信号発生器２を示す。変調信号発生器２は、変調信号を出力する変調電流源２０と、定常信号を出力する直流電流源２１と、変調電流源２０の出力信号と、直流電流源２１の出力信号とを合成して半導体レーザ３に出力する電流信号ミキサ２２とを備える。
【００２０】
図３は、光センサ９を示す。この光センサ９は、２次元ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）センサを基本構成としており、入射光をその光強度に応じた信号電流に光電変換する２次元状に配列された複数のフォトダイオード９０と、各フォトダイオード９０毎に設けられフォトダイオード９０によって光電変換された信号電流をパルス発生部１２からの所定の周期の蓄積パルス信号Ｓｃに従ってサンプリングする電荷蓄積用フォトゲート９１と、サンプリングされた信号電流に対応する信号電荷を蓄積し、さらにパルス発生部１２からの転送パルス信号Φ_CHにより電荷転送機能も有する電荷蓄積部９２と、パルス発生部１２から発生され、蓄積パルス信号Ｓｃと逆相の排出パルス信号Ｓｄに従ってフォトダイオード９０およびフォトダイオード９０の周辺に形成された寄生容量に蓄積された不要電荷を排出する電荷排出用フォトゲート９３と、電荷排出用フォトゲート９３から排出された不要電荷をグランドに排出するドレイン９４と、電荷蓄積部９２に蓄積された信号電荷をパルス発生部１２からの転送パルス信号Φ_TGにより垂直ＣＣＤ９６に転送するためのトランスファーゲート９５と、トランスファーゲート９５を介して転送された信号電荷を受け、さらにパルス発生部１２からの３段の転送パルス信号Φ_V1、Φ_V2、Φ_V3により水平ＣＣＤ９７に転送する垂直ＣＣＤ９６と、各垂直ＣＣＤ９６毎に設けられ、パルス発生部１２からの３段の転送パルス信号Φ_H1、Φ_H2、Φ_H3により外部にビデオ出力として出力するための水平ＣＣＤ９７とを備える。
【００２１】
次に、図３〜図７を参照して第１の実施の形態に係る三次元形状計測装置１の動作を説明する。
【００２２】
図１０は既存のＣＣＤイメージセンサの電荷発生から電荷転送を模式的に示し、同図に基づいてＣＣＤにみられるＭＯＳ構造におけるゲートに電圧を印可することにより電荷が転送されるメカニズムを説明する。フォトゲート９１０が電荷蓄積を行うポテンシャルの高さを決めるゲートとなる。フォトダイオード９００で光電変換されたフォトキャリア９８０はフォトゲート９１０下のポテンシャル井戸に蓄積される。トランスファーゲート９５０下のポテンシャルの高さがHighからLowになると、フォトゲート下の蓄積電荷がＣＣＤレジスタ９６０に転送される。
【００２３】
図４は、本発明のＣＣＤイメージセンサを基本構成とした光センサの電荷発生から電荷転送を模式的に示したものである。ＣＣＤの電荷転送メカニズムを利用し、フォトダイオード９０から発生した電荷を高周波サンプリングする。フォトダイオード９０の隣に電荷蓄積用フォトゲート９１を設け、この電荷蓄積用フォトゲート９１とトランスファーゲート９５の間に電荷蓄積部９２を設ける。電荷蓄積用フォトゲート９１とは別の場所にフォトダイオード９０に隣接した電荷排出用フォトゲート９３を設け、さらに電荷排出用フォトゲート９３の先にドレイン９４を設ける。電荷蓄積部９２に接続されたトランスファーゲート９５の先にＣＣＤアナログレジスタ９６０を設ける。
【００２４】
・電荷蓄積モード（図４（a ））
電荷排出用フォトゲート９３（Ｓｄ）、電荷蓄積用フォトゲート９１（Ｓｃ）、電荷蓄積部９２（Φ_CH）、トランスファーゲート９５（Φ_TG）のそれぞれのポテンシャルの高さをHigh、Middle、Low、Highに設定する。これらは先のパルス発生部１２からのパルス信号Ｓｄ、Ｓｃ、Φ_CH、Φ_TGにより制御される。ここで印可パルス電圧とポテンシャルの高さは逆の関係になる。すなわち印可電圧がHighのときはポテンシャルの高さはLowとなる。フォトダイオード９０で光電変換されたフォトキャリア９８は電荷蓄積部９２下のポテンシャル井戸に蓄積される。フォトキャリア９８は信号電荷に相当する。
【００２５】
・電荷排出モード（図４（b ））
電荷排出用フォトゲート９３（Ｓｄ）、電荷蓄積用フォトゲート９１（Ｓｃ）、電荷蓄積部９２（Φ_CH）、トランスファーゲート９５（Φ_TG）のそれぞれのポテンシャルの高さをLow、High、Low 、Highに設定する。これらは先のパルス発生部１２からのパルス信号Ｓｄ、Ｓｃ、Φ_CH、Φ_TGにより制御される。フォトダイオード９０で光電変換されたフォトキャリア９８は電荷排出用フォトゲート９３を経由して、ドレイン９４に排出される。この際、電荷蓄積部９２に蓄積されたフォトキャリア（信号電荷）は、ポテンシャルの壁に阻まれているためどこにも流出することなく一定値を保つことができる。
【００２６】
・ＣＣＤレジスタ転送から外部出力モード( 図示せず)
電荷排出用フォトゲート９３（Ｓｄ）、電荷蓄積用フォトゲート９１（Ｓｃ）、電荷蓄積部９２（Φ_CH）、トランスファーゲート９５（Φ_TG）のそれぞれのポテンシャルの高さをLow、High、Middle、Low に設定する。これらは先のパルス発生部１２からのパルス信号Ｓｄ、Ｓｃ、Φ_CH、Φ_TGにより制御される。電荷蓄積部９２に蓄積された信号電荷はトランスファーゲート９５を経由してＣＣＤレジスタ９６０に転送される。ＣＣＤレジスタから外部への出力は既存のＣＣＤイメージセンサに見られるように例えば３段の転送パルスΦ₁、Φ₁、Φ₁により、ポテンシャルの高さを３つのレベルに制御したいわゆるバケツリレーにより行われる。
【００２７】
図５は、強度変調光の波形プロファイルを示し、図６は、図５（ｂ）に示す物体光４ｂ、および図５（ｃ）に示す参照光４ｃのサンプリングのタイミングを示し、図７は、物体光４ｂと参照光４ｃとの図５（ｄ）に示す合成光のサンプリングのタイミングを示す。
【００２８】
（１）定常光からなる物体光４ｂの検出
定常光からなる物体光４ｂを検出する。すなわち、コンピュータ１５は、変調信号発生器２の電流信号ミキサ２２を制御して直流電流源２１からの直流信号のみを半導体レーザ３に出力させる。半導体レーザ３は、定常光からなる照明光４ａを出射する。また、コンピュータ１５は、第１および第２の液晶シャッタ１１Ａ、１１Ｂへの制御信号により、第１の液晶シャッタ１１Ａを開状態にし、第２の液晶シャッタ１１Ｂを閉状態にする。半導体レーザ３からの照明光４ａは、その一部がハーフミラー１０を透過し、投影レンズ５によって対象物体６に投影され、その対象物体６で反射した物体光４ｂは、結像レンズ７によって光学フィルタ８を介して光センサ９上に結像する。
【００２９】
パルス発生部１２により、先の電荷蓄積モードと電荷排出モードで示したタイミングでパルスを発生させ、これを繰り返す（図６）。対象物体６からの物体光４ｂは、フォトダイオード９０によって信号電流に光電変換され、その信号電流は、電荷蓄積用フォトゲート９１を介して電荷蓄積部９２に信号電荷として所定の回数分蓄積される。
【００３０】
電荷蓄積部９２に蓄積された信号電荷は、先のＣＣＤレジスタ転送から外部出力モードにて示した通りである。電荷蓄積部９２に蓄積された信号電荷はトランスファーゲート９５を経由して、まず図３に示す垂直ＣＣＤ９６に転送される。垂直ＣＣＤ９６から水平ＣＣＤ９７への転送は既存のＣＣＤに見られるように３段の転送パルスΦ_V1、Φ_V2、Φ_V3により、ポテンシャルの高さを３つのレベルに制御したいわゆるバケツリレーにより行われる。水平ＣＣＤ９７から外部出力への転送の仕方も垂直ＣＣＤ９６の場合と同様である。出力信号は、図１の比較回路１３を経由し距離演算部１４にて１画素に相当するフォトダイオード９０毎にメモリされる。これら画素毎にメモリされた出力信号の値は、図５（ｂ）に示す物体光４ｂの振幅（Ｃ_n・ａＥ）に対応し、その値をＡ11，Ａ12，…とする。
【００３１】
（２）定常光からなる参照光４ｃの検出
定常光からなる参照光４ｃを検出する。すなわち、コンピュータ１５は、変調信号発生器２の電流信号ミキサ２２を制御して直流電流源２１からの直流信号のみを半導体レーザ３に出力させる。半導体レーザ３は、定常光からなる照明光４ａを出射する。また、コンピュータ１５は、第１および第２の液晶シャッタ１１Ａ，１１Ｂへの制御信号により、第１の液晶シャッタ１１Ａを閉状態にし、第２の液晶シャッタ１１Ｂを開状態にする。半導体レーザ３からの照明光４ａは、その一部がハーフミラー１０で反射し、光学フィルタ８を介して光センサ９上に照射される。参照光４ｃは、フォトダイオード９０によって信号電流に光電変換され、その信号電流は、定常光からなる物体光４ｂを検出したのと同様にサンプリングされる。サンプリング回数（蓄積回数）は、物体光４ｂの検出時と同じである。距離演算部１４において画素毎にメモリされた出力信号の値は、図５（ｃ）に示す参照光４ｃの振幅（ｂＥ）に対応し、その値をＢ11，Ｂ12，…とする。なお、物体光４ｂおよび参照光４ｃの検出の際のいずれも、サンプリングのスタート時刻は特に指定は無い。またサンプリングの回数は、次の合成光の検出時のサンプリング回数と同じにする。
【００３２】
（３）強度変調光からなる照明光４ａおよび参照光４ｃの合成光の検出
強度変調光からなる照明光４ａおよび参照光４ｃの合成光を検出する。すなわち、コンピュータ１５は、変調信号発生器２の電流信号ミキサ２２を制御して変調電流源２０からの変調電流と直流電流源２１からの直流電流を合成して半導体レーザ３に出力させる。半導体レーザ３は、図５（ａ）に示すような強度変調光からなる照明光４ａを出射する。また、コンピュータ１５は、第１および第２の液晶シャッタ１１Ａ，１１Ｂへの制御信号により、第１および第２の液晶シャッタ１１Ａを開状態にする。半導体レーザ３からの照明光４ａは、一部はハーフミラー１０を透過し、残りはハーフミラー１０で反射する。ハーフミラー１０を透過した照明光４ａは、対象物体６に投影され、その対象物体６で反射した図５（ｂ）に示すような物体光４ｂは、結像レンズ７によって光学フィルタ８を介して光センサ９上に結像する。一方、ハーフミラー１０で反射した図５（ｃ）に示すような参照光４ｃは、光学フィルタ８を介して光センサ９上に投影される。従って、光センサ９上には、物体光４ｂと参照光４ｃからなる図５（ｄ）に示すような合成光が入射する。
【００３３】
図７は、物体光４ｂおよび参照光４ｃからなる合成光のサンプリングのタイミングを示す。パルス発生部１２は、各フォトダイオード９０の電荷蓄積用フォトゲート９１および電荷排出用フォトゲート９３に図７に示すタイミングで蓄積パルス信号Ｓc1（α₁），Ｓd1（β₁），…，Ｓc2（α₂），Ｓd2（β₂），…，Ｓck（α_k），Ｓdk（β_k），…，Ｓcn（α_n），Ｓdn（β_n），…を順次出力する。ここでは、サンプリングの位相αは、合成光の１周期の中に強度変調光の最大振幅に対応する位相が含まれるように略等間隔で複数設定している。その設定された位相をα₁，α₂，…，α_k，…，α_nとし、その逆相である排出パルス信号Ｓd1〜Ｓdnの位相をβ₁，β₂，…，β_k，…，β_nとする。
【００３４】
まず、所定の回数の蓄積パルス信号Ｓc1（α₁）に基づいて電荷蓄積を行う。各フォトダイオード９０に入射した合成光は、そのフォトダイオード９０によって信号電流に光電変換され、その信号電流は、所定の回数の蓄積パルス信号Ｓc1（α₁）に基づいて電荷蓄積部９２に信号電荷として所定の回数分蓄積される。また、パルス発生部１２は、各フォトダイオード９０の電荷排出用フォトゲート９３に排出パルス信号Ｓd1（β₁）を出力してフォトダイオード９０とその周辺の寄生容量に蓄積された不要電荷をドレイン９４に排出する。電荷蓄積用フォトゲート９１と電荷排出用フォトゲート９３とは逆相で駆動されているので、電荷蓄積部９２には、位相α₁に対応する電荷のみが所定回数分蓄積される。
【００３５】
電荷蓄積部９２に蓄積された信号電荷は、既存のＣＣＤイメージセンサと同様の方法で読み出される。読み出された出力信号は、図１の比較回路１３にて１画素に相当するフォトダイオード９０毎にメモリされる。これら画素毎にメモリされた出力信号の値をＰ1-11，Ｐ1-12，…とする。
【００３６】
同様にして所定の回数の蓄積パルス信号Ｓc2（α₂）に基づいて電荷蓄積部９２に信号電荷として所定の回数分蓄積する。電荷蓄積部９２には、位相α₂に対応する電荷のみが所定回数分蓄積される。電荷蓄積部９２に蓄積された信号電荷は、前述したのと同様に出力信号として読み出される。読み出された出力信号は、図１の比較回路１３にて画素毎にメモリされる。これら画素毎にメモリされた出力信号の値をＰ2-11，Ｐ2-12，…とする。
【００３７】
比較回路１３は、Ｐ1-11とＰ2-11、Ｐ1-12とＰ2-12というように、画素毎にその大小を比較し、大きいほうをＰp-11，Ｐp-12，…とする。蓄積パルス信号Ｓck，…，Ｓcnにより、この作業を同様の手順で繰り返し、最終的に得られたＰp-11，Ｐp-12，…を距離演算部１４にメモリする。
【００３８】
（４）距離演算部１４による演算
以下、この距離演算部１４による演算について詳細に説明する。半導体レーザ３からの照明光４ａの強度変調の角周波数をω、変調の最大値および最小値を２Ｅおよび０とすると、半導体レーザ３から出射される図６（ａ）に示すような照明光４ａの光強度Ｉ_oは、次の式（１）のように表される。
Ｉ_o＝Ｅ（ｓｉｎωｔ＋１）・・・（１）
【００３９】
対象物体６までの距離が０〜２．５ｍとすると、必要とされる変調周波数は３０ＭＨｚとなる。ハーフミラー１０の光透過率をａ、対象物体６上のある点での反射係数をＣnとすると、その点が光センサ９上に結像された地点ｎに入射する図６（ｂ）に示すような物体光４ｂの強度は、次の式（２）のように表される。
Ａ_n＝Ｃ_n・ａＥ｛ｓｉｎ（ωｔ＋φ_n）＋１｝・・・（２）
ここで、φ_nは光センサ９上に入射する光の光源からの飛行距離に起因する位相遅れである。（半導体レーザ３〜対象物体６）＋（対象物体６〜光センサ９）間の距離をＬとすると、
φ_n＝ωＬ／Ｃ
但し、Ｃは光速を表す。
【００４０】
一方、ハーフミラー１０の反射率をｂとし、半導体レーザ３からハーフミラー１０を経由して光センサ９までの光路長が変調波の波長と比較して十分に小さいとすると、光センサ９の地点ｎ上での参照光４ｃは、次の式（３）のように表される。
Ｂ_n＝ｂＥ（ｓｉｎωｔ＋１）・・・（３）
【００４１】
光センサ９上の地点ｎ上での合成光の強度Ｐn は、物体光４ｂの光強度を求める式（２）と参照光４ｃの光強度を求める式（３）の加算により次の式（４）のように表される。

ただし、
ｔａｎθ＝Ｃ_n・ａＥｓｉｎφ_n／（Ｃ_n・ａＥｃｏｓφ_n＋ｂＥ）
式（４）は、ＤＣ成分（Ｃna＋ｂ）Ｅ、および高周波成分
√｛（Ｃ_n・ａＥ）²＋（ｂＥ）²＋２Ｃ_n・ａｂＥ²ｃｏｓφ_n｝
・ｓｉｎ（ωｔ＋θ）
の和となる。Ｐ_nのピーク値をＰ_pとするとＰ_pは、
Ｐ_p＝Ｃ_n・ａＥ＋ｂＥ
＋√｛（Ｃ_n・ａＥ）²＋（ｂＥ）²＋２Ｃ_n・ａｂＥ²ｃｏｓφ_n｝・・・（５）
と表される。
【００４２】
よって合成光のピーク値Ｐ_pと物体光４ｂの振幅Ｃ_n・ａＥ、参照光の振幅ｂＥを検出することができれば、距離情報を持つ位相遅れφ_nを算出することができる。Ｃ_n・ａＥおよびｂＥは参照光を強度変調せずに放射したときの値であるので、これらを求める際には強度変調を行わない。Ｐ_pを求める際には、物体光４ｂおよび参照光４ｃを強度変調させて合成光を形成し、合成波を所定の複数のタイミングによりサンプリングし、サンプリング結果が最大となるタイミングにおける値を検出する。
物体光４ｂの振幅に相当する信号（Ａ11，Ａ12，…）の中の１つの信号をＡとし、参照光４ｃの振幅に相当する信号（Ｂ11，Ｂ12，…）および合成光のピーク信号（Ｐp-11，Ｐp-12，…）の中で信号Ａに対応する画素（フォトダイオード）に相当する信号をＢおよびＰ_pとすると、式（５）は、
Ｐ_p＝Ａ＋Ｂ＋√（Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢｃｏｓφ_n）・・・（６）
と表されるため、Ｐ_p，Ａ，Ｂに距離演算部１４にメモリされていた所定の値を代入し、距離演算部１４においてφ_nを算出し、
φ_n＝ωｌ／Ｃ（ただし、Ｃは光速）
に従って距離画像を取得する。これを全画素について行うことにより、全画素における距離画像が取得できる。
【００４３】
上述した第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）サンプリング期間以外に発生した不要電荷を排出してサンプリング期間に発生した信号電荷にみを電荷蓄積部に蓄積するようにしたので、正確な信号電荷が得られ、また、強度変調光の同相について複数回蓄積した信号電荷を得ているので、Ｓ／Ｎ比が高くなり、物体６までの距離を高精度に計測することが可能となる。
（ロ）光を復調する手段として従来用いられてきた結晶による光強度復調器やイメージインテンシティファイア等の高価な手段を必要とせずに、光センサを小型かつ安価で高速動作が可能なＣＣＤイメージセンサによって構成しているので、小型かつ安価で、物体６までの距離を短時間に計測することが可能となる。
（ハ）本センサ９は、フォトダイオード９０に隣接した１つの電荷蓄積用フォトゲート９１と電荷蓄積部９２との間、および１つの電荷排出用フォトゲート９３とドレイン９４との間で電荷転送が行われるので、蓄積回路の時定数を非常に小さく抑えられることから、電荷蓄積用フォトゲート９１および電荷排出用フォトゲート９３を駆動するパルス信号は、１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚと高周波側まで対応可能である。よって高速に計測することが可能となり、また蓄積回路のサンプリング周波数と信号読み出しの周波数を独立に制御することができるため、電荷蓄積部９２に高速で蓄積した信号電荷を通常のビデオレート等のように低速で読み出すことができる。
（ニ）本センサ９は、通常の画像センサとしても用いることができる。先に示したタイミングにて動作させても構わないが、電荷蓄積用フォトゲート９１、電荷蓄積部９２、トランスファーゲート９５、電荷排出用フォトゲート９３のポテンシャルの高さをmiddle,Low, High, High にしておけば既存のＣＣＤイメージセンサと同様な読み出しタイミングにより、輝度画像を取得できる。従って、１つの２次元ＣＣＤセンサで距離画像と輝度画像の両方を得ることができ、しかも二つの画像は画素が１対１に対応しているため、後の画像処理を容易に実行することができる。
【００４４】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態とは、距離演算部１４のみが異なり、他は第１の実施の形態と同様に構成されている。
式（５）を変形すると、次の式（７）のようになる。
Ｐ_p−（Ｃ_n・ａＥ＋ｂＥ）
＝√｛（Ｃ_n・ａＥ）²＋（ｂＥ）²＋２Ｃ_n・ａｂＥ²ｃｏｓφ_n｝・・・（７）
左辺のＰ_p−（Ｃ_n・ａＥ＋ｂＥ）は、図５（ｄ）からも分かるように、合成光の振幅成分である。よって、合成光のピーク値Ｐ_pの代わりに振幅成分を検出しても参照光４ｃと物体光４ｂの位相差φ_nが求まり、距離を算出できる。距離演算部１４は、この式（７）に基づいて合成光の振幅成分を検出する。
【００４５】
次に、この第２の実施の形態の距離演算部１４の動作を説明する。まず、合成光の光強度の最大値（サンプリング結果の最大値）を第１の実施の形態における合成光のピーク値を求める手順と同じ手順で求める。それぞれの画素（フォトダイオード９０）において、求められた最大値が距離演算部１４内のメモリにストアされる。次に光強度の最小値（サンプリング結果の最小値）を最大値を求めたアルゴリズムと逆のアルゴリズムにより求める。すなわち、合成光を所定の複数のタイミングによりサンプリングし、サンプリング結果が最小となるタイミングにおける値を比較回路１３にて抽出し、距離演算部１４内の別のメモリにストアする。合成光の振幅成分は、これらの光強度の最大値から最小値を引いた値の１／２であるので、これに基づいて、距離演算部１４にて各画素における振幅成分を算出する。以上により求めた合成光の振幅成分と、第１の実施の形態で求めた参照光４ｃおよび物体光４ｂの振幅に相当する成分を式（７）に代入し、位相差φ_nを距離演算部１４にて算出する。この第２の実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
なお、参照光４ｃおよび物体光４ｂの振幅成分であるｂＥおよびＣ_n・ａＥを、それぞれのＤＣ成分から求めるのではなく、照明光４aを強度変調させて、その際の参照光４ｃおよび物体光４ｂの振幅を上記に示した合成光の振幅成分を求めた手順［（最大値−最小値）／２］から求めてもよい。
【００４６】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々に変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、光源として半導体レーザを用いたが、原理的にコヒーレントな光を必要としないため一般的な光源、例えば、キセノンランプ、ストロボ等を用いることも可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、サンプリングの期間以外に発生した不要電荷を排出してサンプリングの期間に発生した信号電荷のみを蓄積部に蓄積するようにしたので、正確な信号電荷が得られ、対象物体までの距離を高精度に計測することが可能となる。
また、信号発生手段を小型かつ安価で高速動作が可能なＣＣＤイメージセンサによって構成することが可能であるので、小型かつ安価で、対象物体までの距離を短時間に計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る三次元形状計測装置の構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係る変調信号発生器の構成図である。
【図３】第１の実施の形態に係る光センサの構成図である。
【図４】第１の実施の形態に係る光センサの電荷発生から電荷転送を模式的に示した図である。
【図５】第１の実施の形態における強度変調光の波形プロファイルである。
【図６】第１の実施の形態における光センサのサンプリングのタイミングを示す図である。
【図７】第１の実施の形態における光センサのサンプリングのタイミングを示す図である。
【図８】従来の三次元形状計測装置の構成図である。
【図９】従来の三次元形状計測装置の構成図である。
【図１０】ＣＣＤの電荷発生から電荷転送を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１三次元形状計測装置
２変調信号発生器
４ａ照明光
３半導体レーザ
６対象物体
５投影レンズ
４ｂ物体光
８光学フィルタ
９光センサ
７結像レンズ
４ｃ参照光
１０ハーフミラー
１１Ａ第１の液晶シャッタ
１１Ｂ第２の液晶シャッタ
１２パルス発生回路
１３比較回路
１４距離演算部
１５コンピュータ
２０変調電流源
２１直流電流源
２２電流信号ミキサ
９０フォトダイオード
９００フォトダイオード
９１電荷蓄積用フォトゲート
９１０フォトゲート
９２電荷蓄積部
９３電荷排出用フォトゲート
９４ドレイン
９５トランスファーゲート
９５０トランスファーゲート
９６垂直ＣＣＤ
９６０ＣＣＤレジスタ
９７水平ＣＣＤ
９８フォトキャリア[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical sensor and a three-dimensional shape measuring apparatus for measuring a distance to a target object, and in particular, an optical sensor capable of measuring a distance to a target object in a short time and with high accuracy at a small size and at low cost. The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus.
[0002]
[Prior art]
Two methods, a passive method and an active method, have been proposed for measuring a three-dimensional shape. The passive method is a method of measuring the shape without radiating energy to the target object, and the active method is a method of measuring the shape by radiating some energy to the target object and detecting its reflection.
[0003]
In the passive method, there is a stereo method as one of methods for measuring the distance of a plurality of points to a target object. This stereo method is a method in which two cameras are installed at a certain interval, and the distance to the target object is measured by the trigonometry from the parallax between the two obtained images. This method has the feature that if it can be captured as an image, it can measure the distance to a distant place, but it is a serious problem that it can not measure the whole surface with a smooth surface without a pattern There is a point. Further, since it is not possible in principle to match the optical axes of the two cameras, there is a drawback in that an area where the distance cannot be measured (occlusion) occurs.
[0004]
In the active method, there is a light cutting method as one of methods for measuring the distance of a plurality of points to a target object. This light cutting method is a method of irradiating a target object with slit light at a certain angle and measuring a distance from the image captured from a different angle to the target object by a trigonometric method. This method has the advantage that it can be realized with a relatively simple configuration, but the slit light must be scanned in minute angle units, and the image is taken each time, so the measurement time is long. There is. In order to solve this problem, there is a spatial encoding method as a method applying the light cutting method. This spatial encoding method is a method of measuring the distance with a small number of projections by encoding the pattern of the projection light instead of irradiating the slit light many times. The number of samples in the horizontal direction is n. Then log ₂ Since imaging has to be performed n times (n = 512 points and 9 times), there is a problem that the measurement time becomes long. In addition, since it is impossible in principle to match the optical axes of the projector and the imager, there is a drawback that an area (occlusion) where the distance cannot be measured is generated.
[0005]
In the active method, there is a phase distribution measurement method that irradiates an object with intensity-modulated light and measures the phase distribution of the reflected light as one of the methods that can measure the distance of a plurality of points with one imaging.
[0006]
As a conventional phase distribution measurement method, for example, Reference 1 “SPIE Vol. 2588, 1995, an article described on pages 126 to 134 (An new active 3D-Vision system based on rf-modulation interferometry light)” and a patent No. 2690673 and SPIE Vol.2748, 1996, pages 47-59, "The Emerging Versatility of a Scannless Range Imager".
[0007]
FIG. 8 shows a conventional three-dimensional shape measuring apparatus disclosed in Document 1. The three-dimensional shape measuring apparatus 100 includes a modulation / demodulation signal generator 104 that modulates the intensity of light emitted from a light source 101A through a condenser lens 102 to a planar modulator 103 using a crystal such as a Pockels cell, A projection lens 106 for planarly irradiating the target object 6 with the intensity-modulated light 105a, and a reflected light 105b reflected by the target object 6 and incident on the plane demodulator 108 using a crystal such as a Pockels cell via the imaging lens 107 A modulation / demodulation signal generator 104 for performing intensity demodulation, and a CCD camera 109 for imaging an optical signal subjected to intensity demodulation. In such a configuration, the light emitted from the light source 101A is incident on the planar modulator 103 by the condenser lens 102, subjected to intensity modulation based on the signal of the modulation / demodulation signal generator 104, and then The intensity-modulated light 105 a is irradiated onto the target object 6 by the projection lens 106. The reflected light 105 b from the target object 6 is incident on the planar demodulator 108 by the imaging lens 107, subjected to intensity demodulation based on the signal of the modulation / demodulation signal generator 104, and then imaged on the CCD camera 109. To do. The grayscale image captured by the CCD camera 109 includes phase information resulting from the distance to the target object 6. By processing this grayscale image with the computer 110, the distance data of the target object 6 can be obtained by one imaging.
[0008]
FIG. 9 shows a conventional three-dimensional shape measuring apparatus described in Japanese Patent No. 2690673. The difference from FIG. 8 is that the semiconductor laser 101B is used as a light source, the intensity modulation is directly performed by the semiconductor laser 101B without using a modulator using a crystal such as a Pockels cell, and a Pockels cell is used. Three points are that the image intensifier 111 performs demodulation without using a crystal demodulator. The light that has been intensity-modulated based on the signal of the modulation / demodulation signal generator 104 is emitted from the semiconductor laser 101B and then irradiated onto the target object 6 by the projection lens 106 on a plane. The reflected light 105 b from the target object 6 is imaged on the image intensifier 111 by the imaging lens 107. The reflected light whose intensity is demodulated by converting the signal of the modulation / demodulation signal generator 104 into a high voltage signal by the high voltage drive circuit 112 and inputting it to the gain controller terminal of the image intensifier 111 is imaged by the CCD camera 109. . The grayscale image captured by the CCD camera 109 includes phase information resulting from the distance to the target object 6. By processing this grayscale image with the computer 110, the distance data of the target object 6 can be obtained by one imaging.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the conventional three-dimensional shape measuring apparatus shown in FIG. 8, since the modulator / demodulator using a crystal such as a Pockels cell is used for the planar modulator 103 and the planar demodulator 108, a very expensive apparatus. There was a drawback of becoming. In addition, since the modulator / demodulator using this crystal has a small aperture of about several millimeters, the light emitted from the light source 101A and the light reflected by the target object 6 are matched with this aperture to the

condenser lens

102, 107 had to be condensed, and there was a drawback that the apparatus would be enlarged.
[0010]
Further, according to the conventional three-dimensional shape measuring apparatus shown in FIG. 9, since the image intensifier 111 is used, there is a disadvantage that the apparatus becomes very expensive. Further, in order to drive the image intensifier 111, it is necessary to intensity-modulate a high voltage signal of several hundred volts, so that there is a drawback that the drive circuit becomes complicated. Further, since the image intensifier 111 is larger than the CCD camera 109, there is a drawback that the entire apparatus becomes large.
[0011]
On the other hand, in a sensor capable of detecting light, a two-dimensional MOS image sensor or a two-dimensional CCD image sensor, which is a representative two-dimensional sensor, may be used in order to reduce the size. Therefore, there is no demodulation function necessary for distance measurement, and these cannot be used as an optical sensor of a three-dimensional shape measuring apparatus.
[0012]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical sensor and a three-dimensional shape measuring apparatus that are small and inexpensive and can measure the distance to a target object in a short time and with high accuracy.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention Intensity modulated light that is intensity modulated at a predetermined frequency A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts the signal current into a signal current; About a plurality of phases of the intensity modulated light Said signal current The A sampling unit for sampling and a signal charge corresponding to the signal current sampled by the sampling unit. For each phase An accumulation unit that accumulates; and a discharge unit that discharges unnecessary charges accumulated in the photoelectric conversion unit and a parasitic capacitance formed around the photoelectric conversion unit during a period when the sampling unit is not sampling. A plurality of signal generating means arranged in a dimension, and the signal charges accumulated in the accumulating section of the plurality of signal generating means. For each phase The optical sensor is characterized in that the sampling unit and the discharging unit are configured using a photogate.
According to the above configuration, by discharging unnecessary charges accumulated in the photoelectric conversion unit and the parasitic capacitance formed in the periphery of the photoelectric conversion unit during the period when the sampling unit is not sampling, the accumulation unit is provided with the sampling unit. Only the signal charge generated during the sampling period is accumulated, and an accurate signal charge is obtained.
[0014]
In order to achieve the above object, the present invention provides light emitting means for emitting intensity-modulated light, which has been intensity-modulated at a predetermined frequency, toward an object, and combined light of the reflected light from the object and the intensity-modulated light. In a three-dimensional shape measuring apparatus having an optical sensor that receives light and outputs a detection signal, and a calculation unit that calculates a distance to the object based on the detection signal, the optical sensor converts the intensity-modulated light into a signal current. A photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion to About a plurality of phases of the intensity modulated light Said signal current The A sampling unit for sampling and a signal charge corresponding to the signal current sampled by the sampling unit. For each phase An accumulation unit that accumulates; and a discharge unit that discharges unnecessary charges accumulated in the photoelectric conversion unit and a parasitic capacitance formed around the photoelectric conversion unit during a period when the sampling unit is not sampling. A plurality of signal generating means arranged in a dimension, and the signal charges accumulated in the accumulating section of the plurality of signal generating means. For each phase Reading means, and the sampling unit and the discharge unit are configured using a photogate. The calculation means calculates the maximum amplitude of the intensity-modulated light based on the signal charge indicating the maximum value among the signal charges of the plurality of phases. A three-dimensional shape measuring apparatus is provided.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a three-dimensional shape measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. The apparatus 1 includes a modulation signal generator 2 that generates a modulation signal, a semiconductor laser 3 that emits illumination light 4 a made of laser light based on the modulation signal from the modulation signal generator 2, and illumination from the semiconductor laser 3. From the projection lens 5 that irradiates the light 4 a toward the target object 6, the imaging lens 7 that forms an image of the object light 4 b reflected by the target object 6 on the optical sensor 9 via the optical filter 8, and the semiconductor laser 3. Is disposed between the target mirror 6 and the optical filter 8, which transmits a part of the illumination light 4 a and reflects the rest as reference light 4 c and guides it to the optical sensor 9 through the optical filter 8. The first liquid crystal shutter 11A, the second liquid crystal shutter 11B disposed between the half mirror 10 and the optical filter 8, the pulse generator 12 for outputting a pulse signal to the optical sensor 9, and the optical sensor 9 A comparison circuit 13 that compares the magnitudes of output signals, a distance calculation unit 14 that two-dimensionally calculates distance data related to the surface shape of the target object 6 based on the comparison result of the comparison circuit 13, and a CPU, ROM, RAM, etc. And a computer 15 for controlling each part of the device 1 and displaying the calculation result of the distance calculation unit 14.
[0016]
The semiconductor laser 3 emits illumination light 4 a composed of laser light whose intensity is modulated based on the modulation signal from the modulation signal generator 2, and is not intensity-modulated based on a steady signal from the modulation signal generator 2. It emits illumination light 4a consisting of steady light. This stationary light has a light intensity that matches the average intensity of the intensity-modulated illumination light 4a.
[0017]
For example, the first and second liquid crystal shutters 11A and 11B can control the transmittance in a range of 0 to 100% by controlling the applied voltage for each pixel. The shutters 11A and 11B do not have to be for each pixel, and may have the same transmittance for all pixels. Moreover, you may interrupt | block collectively using a mechanical shutter as a shutter.
[0018]
The pulse generation unit 12 generates an accumulation pulse signal Sc for driving the charge accumulation photogate and an ejection pulse signal Sd for driving the charge ejection photogate, and applies the charge accumulation unit which is a pulse to be applied to the charge accumulation unit. Pulse Φ _CH Transfer gate pulse Φ, which is a pulse applied to a transfer gate and an analog register (CCD) that functions to read out and read out the signal charge stored in the charge storage unit _TG , Vertical CCD applied pulse Φ _V1 , Φ _V2 , Φ _V3 And horizontal CCD applied pulse Φ _H1 , Φ _H2 , Φ _H3 Is generated.
[0019]
FIG. 2 shows the modulation signal generator 2. The modulation signal generator 2 combines the modulation current source 20 that outputs the modulation signal, the DC current source 21 that outputs the steady signal, the output signal of the modulation current source 20, and the output signal of the DC current source 21. And a current signal mixer 22 for outputting to the semiconductor laser 3.
[0020]
FIG. 3 shows the optical sensor 9. The optical sensor 9 has a two-dimensional CCD (Charge Coupled Device) sensor as a basic configuration, and a plurality of photodiodes 90 arranged in a two-dimensional manner for photoelectrically converting incident light into a signal current corresponding to the light intensity; A charge storage photogate 91 that is provided for each photodiode 90 and samples the signal current photoelectrically converted by the photodiode 90 in accordance with an accumulation pulse signal Sc of a predetermined period from the pulse generator 12, and the sampled signal current The corresponding signal charge is accumulated, and the transfer pulse signal Φ from the pulse generator 12 is further accumulated. _CH Is stored in the photodiode 90 and the parasitic capacitance formed around the photodiode 90 in accordance with the discharge pulse signal Sd that is generated from the pulse generator 12 and has a phase opposite to that of the stored pulse signal Sc. The charge discharging photogate 93 for discharging the unnecessary charges, the drain 94 for discharging the unnecessary charges discharged from the charge discharging photogate 93 to the ground, and the pulse generation unit for the signal charges stored in the charge storage unit 92 Transfer pulse signal Φ from 12 _TG A transfer gate 95 for transferring to the vertical CCD 96, and a signal charge transferred via the transfer gate 95, and a three-stage transfer pulse signal Φ from the pulse generator 12 _V1 , Φ _V2 , Φ _V3 Are provided for each vertical CCD 96 and the three-stage transfer pulse signal Φ from the pulse generator 12. _H1 , Φ _H2 , Φ _H3 And a horizontal CCD 97 for outputting to the outside as a video output.
[0021]
Next, the operation of the three-dimensional shape measurement apparatus 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
[0022]
FIG. 10 schematically shows charge transfer from charge generation of an existing CCD image sensor, and a mechanism for transferring charge by applying a voltage to the gate in a MOS structure found in a CCD will be described based on the same figure. The photogate 910 serves as a gate that determines the height of potential for charge accumulation. Photocarriers 980 photoelectrically converted by the photodiode 900 are accumulated in a potential well below the photogate 910. When the potential height under the transfer gate 950 changes from High to Low, the accumulated charge under the photogate is transferred to the CCD register 960.
[0023]
FIG. 4 schematically shows charge transfer from charge generation of an optical sensor based on the CCD image sensor of the present invention. The charge generated from the photodiode 90 is sampled at high frequency using the charge transfer mechanism of the CCD. A charge storage photogate 91 is provided next to the photodiode 90, and a charge storage portion 92 is provided between the charge storage photogate 91 and the transfer gate 95. A charge discharging photogate 93 adjacent to the photodiode 90 is provided at a location different from the charge storage photogate 91, and a drain 94 is provided at the tip of the charge discharging photogate 93. A CCD analog register 960 is provided at the tip of the transfer gate 95 connected to the charge storage unit 92.
[0024]
-Charge accumulation mode (Fig. 4 (a))
Charge discharge photogate 93 (Sd), charge storage photogate 91 (Sc), charge storage portion 92 (Φ _CH ), Transfer gate 95 (Φ _TG ) Set the height of each potential to High, Middle, Low, and High. These are pulse signals Sd, Sc, Φ from the previous pulse generator 12. _CH , Φ _TG Controlled by Here, the applied pulse voltage and the potential height have an inverse relationship. That is, when the applied voltage is high, the potential height is low. Photocarriers 98 photoelectrically converted by the photodiode 90 are accumulated in the potential well below the charge accumulation portion 92. The photo carrier 98 corresponds to a signal charge.
[0025]
-Charge discharge mode (Fig. 4 (b))
Charge discharge photogate 93 (Sd), charge storage photogate 91 (Sc), charge storage portion 92 (Φ _CH ), Transfer gate 95 (Φ _TG ) Of each potential is set to Low, High, Low and High. These are pulse signals Sd, Sc, Φ from the previous pulse generator 12. _CH , Φ _TG Controlled by The photocarrier 98 photoelectrically converted by the photodiode 90 is discharged to the drain 94 via the charge discharging photogate 93. At this time, the photo carriers accumulated in the charge storage unit 92 (signal charge) can maintain a constant value without anywhere flows out because it is blocked by the wall of the potential.
[0026]
-CCD register transfer to external output mode (not shown)
Charge discharge photogate 93 (Sd), charge storage photogate 91 (Sc), charge storage portion 92 (Φ _CH ), Transfer gate 95 (Φ _TG ) Set the height of each potential to Low, High, Middle, and Low. These are pulse signals Sd, Sc, Φ from the previous pulse generator 12. _CH , Φ _TG Controlled by The signal charge stored in the charge storage unit 92 is transferred to the CCD register 960 via the transfer gate 95. As shown in the existing CCD image sensor, the output from the CCD register to the outside is, for example, a three-stage transfer pulse Φ. ₁ , Φ ₁ , Φ ₁ Thus, a so-called bucket relay is used in which the height of the potential is controlled to three levels.
[0027]
FIG. 5 shows a waveform profile of intensity-modulated light, FIG. 6 shows the sampling timing of the object light 4b shown in FIG. 5B and the reference light 4c shown in FIG. 5C, and FIG. The sampling timing of the synthetic light shown in FIG. 5D for the object light 4b and the reference light 4c is shown.
[0028]
(1) Detection of object light 4b composed of stationary light
The object light 4b consisting of stationary light is detected. That is, the computer 15 controls the current signal mixer 22 of the modulation signal generator 2 to output only the DC signal from the DC current source 21 to the semiconductor laser 3. The semiconductor laser 3 emits illumination light 4a composed of steady light. Further, the computer 15 opens the first liquid crystal shutter 11A and closes the second liquid crystal shutter 11B in response to control signals to the first and second liquid crystal shutters 11A and 11B. A part of the illumination light 4 a from the semiconductor laser 3 passes through the half mirror 10, is projected onto the target object 6 by the projection lens 5, and the object light 4 b reflected by the target object 6 is optically reflected by the imaging lens 7. An image is formed on the optical sensor 9 through the filter 8.
[0029]
The pulse generator 12 generates a pulse at the timing shown in the previous charge accumulation mode and charge discharge mode, and repeats this (FIG. 6). The object light 4b from the target object 6 is photoelectrically converted into a signal current by the photodiode 90, and the signal current is accumulated as a signal charge in the charge accumulation unit 92 through the charge accumulation photogate 91 for a predetermined number of times. .
[0030]
The signal charges stored in the charge storage unit 92 are as shown in the external output mode from the previous CCD register transfer. The signal charge stored in the charge storage unit 92 is first transferred to the vertical CCD 96 shown in FIG. The transfer from the vertical CCD 96 to the horizontal CCD 97 is a three-stage transfer pulse Φ as seen in an existing CCD. _V1 , Φ _V2 , Φ _V3 Thus, a so-called bucket relay is used in which the height of the potential is controlled to three levels. The method of transfer from the horizontal CCD 97 to the external output is the same as that of the vertical CCD 96. The output signal is stored for each photodiode 90 corresponding to one pixel in the distance calculation unit 14 via the comparison circuit 13 of FIG. The value of the output signal stored for each pixel is the amplitude (C of the object light 4b shown in FIG. 5B). _n Corresponding to aE), the values are A11, A12,.
[0031]
(2) Detection of reference light 4c composed of stationary light
The reference light 4c consisting of stationary light is detected. That is, the computer 15 controls the current signal mixer 22 of the modulation signal generator 2 to output only the DC signal from the DC current source 21 to the semiconductor laser 3. The semiconductor laser 3 emits illumination light 4a composed of steady light. Further, the computer 15 closes the first liquid crystal shutter 11A and opens the second liquid crystal shutter 11B in response to control signals to the first and second liquid crystal shutters 11A and 11B. A part of the illumination light 4 a from the semiconductor laser 3 is reflected by the half mirror 10 and irradiated onto the optical sensor 9 through the optical filter 8. The reference light 4c is photoelectrically converted into a signal current by the photodiode 90, and the signal current is sampled in the same manner as when the object light 4b made of stationary light is detected. The number of times of sampling (the number of times of accumulation) is the same as when detecting the object light 4b. The value of the output signal stored for each pixel in the distance calculation unit 14 corresponds to the amplitude (bE) of the reference light 4c shown in FIG. 5C, and the values are B11, B12,. It should be noted that the sampling start time is not particularly specified in both the detection of the object light 4b and the reference light 4c. The number of samplings is the same as the number of samplings at the time of detecting the next combined light.
[0032]
(3) Detection of combined light of illumination light 4a and reference light 4c composed of intensity-modulated light
The combined light of the illumination light 4a and the reference light 4c made of intensity modulated light is detected. That is, the computer 15 controls the current signal mixer 22 of the modulation signal generator 2 to synthesize the modulation current from the modulation current source 20 and the DC current from the DC current source 21 and output them to the semiconductor laser 3. The semiconductor laser 3 emits illumination light 4a composed of intensity-modulated light as shown in FIG. In addition, the computer 15 opens the first and second liquid crystal shutters 11A in response to control signals to the first and second liquid crystal shutters 11A and 11B. A part of the illumination light 4 a from the semiconductor laser 3 is transmitted through the half mirror 10, and the rest is reflected by the half mirror 10. The illumination light 4a that has passed through the half mirror 10 is projected onto the target object 6, and the object light 4b as reflected in the target object 6 as shown in FIG. An image is formed on the optical sensor 9. On the other hand, the reference light 4 c reflected by the half mirror 10 as shown in FIG. 5C is projected on the optical sensor 9 through the optical filter 8. Therefore, the combined light as shown in FIG. 5 (d) made up of the object light 4b and the reference light 4c is incident on the optical sensor 9.
[0033]
FIG. 7 shows the sampling timing of the combined light composed of the object light 4b and the reference light 4c. The pulse generator 12 applies the accumulation pulse signal Sc1 (α to the charge accumulation photogate 91 and the charge discharge photogate 93 of each photodiode 90 at the timing shown in FIG. ₁ ), Sd1 (β ₁ ), ..., Sc2 (α ₂ ), Sd2 (β ₂ ), ..., Sck (α _k ), Sdk (β _k ), ..., Scn (α _n ), Sdn (β _n ), ... are output sequentially. Here, a plurality of sampling phases α are set at approximately equal intervals so that a phase corresponding to the maximum amplitude of the intensity-modulated light is included in one cycle of the combined light. The set phase is α ₁ , Α ₂ , ..., α _k , ..., α _n And the phase of the discharge pulse signals Sd1 to Sdn, which is the opposite phase, is β ₁ , Β ₂ , ..., β _k , ..., β _n And
[0034]
First, a predetermined number of accumulated pulse signals Sc1 (α ₁ ) To accumulate charges. The combined light incident on each photodiode 90 is photoelectrically converted into a signal current by the photodiode 90, and the signal current is stored in a predetermined number of accumulated pulse signals Sc1 (α ₁ ) Is accumulated in the charge accumulating unit 92 as a signal charge a predetermined number of times. In addition, the pulse generator 12 supplies a discharge pulse signal Sd1 (β to the charge discharge photogate 93 of each photodiode 90. ₁ ) To output unnecessary charges accumulated in the photodiode 90 and the surrounding parasitic capacitance to the drain 94. Since the charge storage photogate 91 and the charge discharge photogate 93 are driven in opposite phases, the charge storage section 92 has a phase α ₁ Only the charge corresponding to is accumulated a predetermined number of times.
[0035]
The signal charge stored in the charge storage unit 92 is read out in the same manner as the existing CCD image sensor. The read output signal is stored for each photodiode 90 corresponding to one pixel in the comparison circuit 13 of FIG. The values of the output signals stored for each pixel are P1-11, P1-12,.
[0036]
Similarly, a predetermined number of accumulated pulse signals Sc2 (α ₂ ) Is accumulated as a signal charge a predetermined number of times in the charge accumulating unit 92. The charge storage unit 92 has a phase α ₂ Only the charge corresponding to is accumulated a predetermined number of times. The signal charge stored in the charge storage unit 92 is read out as an output signal in the same manner as described above. The read output signal is stored for each pixel in the comparison circuit 13 of FIG. The values of the output signals stored for each pixel are P2-11, P2-12,.
[0037]
The comparison circuit 13 compares the size of each pixel, such as P1-11 and P2-11, P1-12 and P2-12, and sets the larger one as Pp-11, Pp-12,. This operation is repeated in the same procedure by using the accumulated pulse signals Sck,..., Scn, and finally obtained Pp-11, Pp-12,.
[0038]
(4) Calculation by the distance calculation unit 14
Hereinafter, the calculation by the distance calculation unit 14 will be described in detail. When the angular frequency of intensity modulation of the illumination light 4a from the semiconductor laser 3 is ω and the maximum and minimum values of the modulation are 2E and 0, the illumination light 4a emitted from the semiconductor laser 3 as shown in FIG. Light intensity I _o Is expressed as the following equation (1).
I _o = E (sin ωt + 1) (1)
[0039]
If the distance to the target object 6 is 0 to 2.5 m, the required modulation frequency is 30 MHz. Assuming that the light transmittance of the half mirror 10 is a and the reflection coefficient at a certain point on the target object 6 is Cn, that point is incident on the point n imaged on the optical sensor 9 as shown in FIG. The intensity of such object light 4b is expressed by the following equation (2).
A _n = C _n ・ AE {sin (ωt + φ _n ) +1} (2)
Where φ _n Is a phase lag caused by the flight distance of the light incident on the optical sensor 9 from the light source. When the distance between (semiconductor laser 3 to target object 6) + (target object 6 to optical sensor 9) is L,
φ _n = ΩL / C
However, C represents the speed of light.
[0040]
On the other hand, if the reflectance of the half mirror 10 is b, and the optical path length from the semiconductor laser 3 through the half mirror 10 to the optical sensor 9 is sufficiently smaller than the wavelength of the modulated wave, the point of the optical sensor 9 The reference light 4c on n is expressed as the following equation (3).
B _n = BE (sin ωt + 1) (3)
[0041]
The intensity Pn of the combined light on the point n on the optical sensor 9 is obtained by adding the following expression (4) by adding the expression (2) for obtaining the light intensity of the object light 4b and the expression (3) for obtaining the light intensity of the reference light 4c. ).

However,
tan θ = C _n ・ AEsinφ _n / (C _n ・ AEcosφ _n + BE)
Equation (4) is a DC component (Cna + b) E and a high frequency component.
√ {(C _n ・ AE) ² + (BE) ² + 2C _n ・ AbE ² cosφ _n }
・ Sin (ωt + θ)
The sum of P _n The peak value of P _p Then P _p Is
P _p = C _n ・ AE + bE
+ √ {(C _n ・ AE) ² + (BE) ² + 2C _n ・ AbE ² cosφ _n } ... (5)
It is expressed.
[0042]
Therefore, the peak value P of the synthesized light _p And the amplitude C of the object light 4b _n If aE and amplitude bE of the reference light can be detected, phase delay φ having distance information _n Can be calculated. C _n Since aE and bE are values when the reference light is emitted without intensity modulation, intensity modulation is not performed when these are obtained. P _p Is obtained by modulating the intensity of the object beam 4b and the reference beam 4c to form combined light, sampling the combined wave at a plurality of predetermined timings, and detecting a value at the timing at which the sampling result is maximum.
One signal among the signals (A11, A12,...) Corresponding to the amplitude of the object light 4b is A, and the signals (B11, B12,...) Corresponding to the amplitude of the reference light 4c and the peak signal (Pp) of the combined light -11, Pp-12,...), The signals corresponding to the pixels (photodiodes) corresponding to the signal A are represented by B and P. _p Then, equation (5) becomes
P _p = A + B + √ (A ² + B ² + 2ABcosφ _n (6)
P _p , A, and B are substituted with predetermined values stored in the distance calculation unit 14 so that the distance calculation unit 14 _n To calculate
φ _n = Ωl / C (where C is the speed of light)
According to the above, a distance image is acquired. By performing this for all pixels, a distance image at all pixels can be acquired.
[0043]
According to the first embodiment described above, the following effects can be obtained.
(B) Since the unnecessary charge generated during the sampling period is discharged and only the signal charge generated during the sampling period is stored in the charge storage unit, an accurate signal charge can be obtained, and the intensity modulated light Since the signal charge accumulated a plurality of times for the same phase is obtained, the S / N ratio becomes high, and the distance to the object 6 can be measured with high accuracy.
(B) A CCD image capable of operating the optical sensor in a compact, inexpensive and high-speed manner without the need for expensive means such as a crystal light intensity demodulator or an image intensity firer, which has been conventionally used as a means for demodulating light. Since the sensor is used, the distance to the object 6 can be measured in a short time with a small size and low cost.
(C) The sensor 9 can transfer charges between one charge storage photogate 91 and the charge storage unit 92 adjacent to the photodiode 90 and between one charge discharge photogate 93 and the drain 94. Since the time constant of the storage circuit can be suppressed to a very small value, the pulse signals for driving the charge storage photogate 91 and the charge discharge photogate 93 can correspond to the high frequency side of 1 kHz to 100 MHz. Therefore, it is possible to measure at high speed, and the sampling frequency of the storage circuit and the signal readout frequency can be controlled independently, so that the signal charge stored at high speed in the charge storage unit 92 can be changed to a normal video rate or the like. Can be read at low speed.
(D) The sensor 9 can also be used as a normal image sensor. Although the operation may be performed at the timing shown above, the potential heights of the charge storage photogate 91, the charge storage unit 92, the transfer gate 95, and the charge discharge photogate 93 are set to middle, low, high, high. In this case, a luminance image can be acquired at the same readout timing as that of an existing CCD image sensor. Accordingly, both a distance image and a luminance image can be obtained with one two-dimensional CCD sensor, and since the two images have a one-to-one correspondence with pixels, the subsequent image processing can be easily executed. it can.
[0044]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment is different from the first embodiment only in the distance calculation unit 14, and the other configuration is the same as that of the first embodiment.
When equation (5) is transformed, the following equation (7) is obtained.
P _p -(C _n ・ AE + bE)
= √ {(C _n ・ AE) ² + (BE) ² + 2C _n ・ AbE ² cosφ _n } ... (7)
P on the left side _p -(C _n AE + bE) is the amplitude component of the combined light, as can be seen from FIG. Therefore, the peak value P of the synthesized light _p The phase difference φ between the reference light 4c and the object light 4b even if the amplitude component is detected instead of _n And the distance can be calculated. The distance calculation unit 14 detects the amplitude component of the combined light based on the equation (7).
[0045]
Next, the operation of the distance calculation unit 14 of the second embodiment will be described. First, the maximum value of the light intensity of the combined light (the maximum value of the sampling result) is obtained by the same procedure as that for obtaining the peak value of the combined light in the first embodiment. In each pixel (photodiode 90), the obtained maximum value is stored in a memory in the distance calculation unit 14. Next, the minimum value of light intensity (minimum value of the sampling result) is obtained by an algorithm reverse to the algorithm for obtaining the maximum value. That is, the synthesized light is sampled at a plurality of predetermined timings, and the value at the timing at which the sampling result is minimized is extracted by the comparison circuit 13 and stored in another memory in the distance calculation unit 14. Since the amplitude component of the combined light is ½ of the value obtained by subtracting the minimum value from the maximum value of these light intensities, the distance calculation unit 14 calculates the amplitude component in each pixel based on this. The amplitude component of the composite light obtained as described above and the component corresponding to the amplitudes of the reference light 4c and the object light 4b obtained in the first embodiment are substituted into the equation (7), and the phase difference φ _n Is calculated by the distance calculation unit 14. According to the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
Note that bE and C which are amplitude components of the reference light 4c and the object light 4b _n The procedure in which the intensity of the illumination light 4a is modulated, and the amplitudes of the reference light 4c and the object light 4b at that time are the amplitude components of the combined light shown above, instead of obtaining aE from the respective DC components [ (Maximum value−minimum value) / 2].
[0046]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation implementation is possible. For example, in the above embodiment, a semiconductor laser is used as a light source. However, since a coherent light is not required in principle, a general light source such as a xenon lamp or a strobe can be used.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, unnecessary signal generated outside the sampling period is discharged, and only the signal charge generated during the sampling period is stored in the storage unit. As a result, the distance to the target object can be measured with high accuracy.
Further, since the signal generating means can be constituted by a small, inexpensive, and high-speed CCD image sensor, the distance to the target object can be measured in a short time with a small size and low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a three-dimensional shape measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a modulation signal generator according to the first embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of an optical sensor according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram schematically showing charge transfer from charge generation of the photosensor according to the first embodiment.
FIG. 5 is a waveform profile of intensity-modulated light in the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating sampling timing of the optical sensor according to the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating sampling timing of the optical sensor according to the first embodiment.
FIG. 8 is a configuration diagram of a conventional three-dimensional shape measuring apparatus.
FIG. 9 is a configuration diagram of a conventional three-dimensional shape measuring apparatus.
FIG. 10 is a diagram schematically showing charge transfer from charge generation in a CCD.
[Explanation of symbols]
1 Three-dimensional shape measuring device
2 Modulation signal generator
4a Illumination light
3 Semiconductor laser
6 Target object
5 Projection lens
4b Object light
8 Optical filters
9 Light sensor
7 Imaging lens
4c Reference light
10 half mirror
11A First liquid crystal shutter
11B Second liquid crystal shutter
12 Pulse generation circuit
13 Comparison circuit
14 Distance calculator
15 computer
20 Modulated current source
21 DC current source
22 Current signal mixer
90 photodiode
900 photodiode
91 Charge storage photogate
910 Photogate
92 Charge storage unit
93 Photogate for discharging charge
94 Drain
95 Transfer gate
950 transfer gate
96 Vertical CCD
960 CCD register
97 Horizontal CCD
98 photo carrier

Claims

A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts intensity-modulated light that has been intensity-modulated at a predetermined frequency into a signal current;
A sampling unit for sampling the signal current for a plurality of phases of the intensity-modulated light,
An accumulation unit that accumulates signal charges corresponding to the signal current sampled by the sampling unit for each phase ; and
The sampling unit is arranged in a two-dimensional manner having a discharging unit that discharges unnecessary charges accumulated in the photoelectric conversion unit and a parasitic capacitance formed around the photoelectric conversion unit during a period when the sampling unit is not sampling A plurality of signal generating means;
A readout means for reading out the signal charges accumulated in the accumulation section of the plurality of signal generating means for each phase ;
The sampling unit and the discharge unit are configured by using a photogate.

Before SL sampling unit, the signal current is sampled a plurality of times each for the plurality of phases of the intensity-modulated light,
The accumulation unit accumulates the signal charges for the plurality of times for each phase,
The optical sensor according to claim 1, wherein the reading unit is configured to read the signal charges for the plurality of times for each phase.

The sampling unit, an optical sensor according to claim 1 or 2, characterized in that phase corresponding to the maximum amplitude of the intensity-modulated light is configured to be included in the plurality of phases.

The sampling unit includes a charge accumulation photogate connected to the output side of the photoelectric conversion unit and driven by an accumulation pulse having a predetermined period,
The storage unit is adjacent to the charge storage photogate, stores the signal charge corresponding to the signal current flowing from the photoelectric conversion unit through the charge storage photogate,
2. The optical sensor according to claim 1, wherein the discharge unit includes a charge discharge photogate connected to a drain and driven by a discharge pulse having a phase opposite to that of the accumulation pulse.

A light emitting means for emitting intensity-modulated light, which has been intensity-modulated at a predetermined frequency, toward an object; and an optical sensor that receives a combined light of the reflected light from the object and the intensity-modulated light and outputs a detection signal; ,
In a three-dimensional shape measuring apparatus having a calculation means for calculating a distance to the object based on the detection signal,
The optical sensor is
A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts the intensity-modulated light into a signal current;
A sampling unit for sampling the signal current for a plurality of phases of the intensity-modulated light,
An accumulation unit that accumulates signal charges corresponding to the signal current sampled by the sampling unit for each phase ; and
The sampling unit is arranged in a two-dimensional manner having a discharging unit that discharges unnecessary charges accumulated in the photoelectric conversion unit and a parasitic capacitance formed around the photoelectric conversion unit during a period when the sampling unit is not sampling A plurality of signal generating means;
A readout means for reading out the signal charges accumulated in the accumulation section of the plurality of signal generating means for each phase ;
The sampling unit and the discharge unit are configured using a photogate ,
Said computing means, said plurality of phase of the signal charge three-dimensional shape measuring apparatus characterized by based on the said signal charges for calculating a maximum amplitude of the intensity modulated light indicating a maximum value of.

The sampling unit, the signal current is sampled a plurality of times each for the plurality of phases of the intensity-modulated light,
The accumulation unit accumulates the signal charges for the plurality of times for each phase,
It said reading means, three-dimensional shape measuring apparatus according to the plurality of times of signal charges to claim 5, characterized in that to read out for each of the phases.