JP3993045B2 - 3次元画像入力装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝播時間測定法を用いて被写体の3次元の形状を検出する3次元画像入力装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、パルス変調された測距光を発光素子から出射して被写体に照射し、被写体からの反射光をCCD等の撮像素子で受光して、受光量から被写体までの距離情報を取得する3次元画像入力装置が知られている。この3次元画像入力装置において、複数の発光素子を設けて、それぞれの発光素子から測距光を一度に照射し、広範囲の距離情報を同時に取得することも可能である。
【0003】
しかし、複数の発光素子において、各発光素子の配置される位置の違いに起因して被写体までの距離差があるため、この距離差が誤差となり、正確な距離情報が取得できなかった。この誤差を解消するには例えば、予め距離差を計測しておき、検出された距離情報に対して補正処理等を施す必要があり、煩雑である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の問題点を解決するものであり、発光素子の配置位置による誤差を生じることなく、複数領域で同時に距離情報を取得できる3次元画像入力装置を得ることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の3次元画像入力装置は、被写体上の基準領域に測距光を照射する中心発光素子と、中心発光素子を中心とする同心円上に配置され、基準領域の周辺領域に測距光を照射する複数の周辺発光素子と、基準領域および周辺領域からの反射光を撮像素子の受光面において受光し、受光量に応じて基準領域および周辺領域までの距離を検出する距離情報検出手段と、撮像素子の受光面と平行な平面に前記測距光を照射したとき、基準領域からの反射光と、周辺領域からの反射光とが、撮像素子の受光面に同時に受光されるように、中心発光素子および周辺発光素子の発光タイミングを調整する発光タイミング調整手段とを備えることを特徴とする。発光素子の配置による誤差を生じることなく、距離情報を検出することができる。
【0006】
例えば、発光タイミング調整手段が、撮影動作に応じてパルス信号を発生させるパルス信号発生手段と、中心発光素子から平面上に規定された基準領域までの距離と、周辺発光素子から平面上に規定された周辺領域までの距離との差に対応して、パルス信号のタイミングを調整し、中心発光素子および各周辺発光素子ごとに調整パルス信号を生成するパルス信号調整手段と、調整パルス信号に応じて中心発光素子および周辺発光素子を駆動させる発光素子駆動手段とを有する。パルス信号を調整することにより、各発光素子の発光タイミングを調整し、発光素子の配置による距離情報の誤差を解消する。
【0007】
例えば、中心発光素子および周辺発光素子に電圧を供給する電源を備え、発光タイミング調整手段が、電源から供給される前記電圧の上昇に応じて、電圧を供給する中心発光素子および周辺発光素子を選択する発光素子選択スイッチを有し、発光素子選択スイッチが、中心発光素子から離れて配置される周辺発光素子から順次前記電圧を供給し、最後に中心発光素子に電圧を供給する。電源の電圧上昇時間を利用して、各発光素子の発光タイミングを調整し、発光素子の配置による距離情報の誤差を解消する。
【0008】
本発明の3次元画像入力装置は、被写体上の基準領域に測距光を照射する中心発光素子と、中心発光素子を中心とする同心円上に配置され、基準領域の周辺領域に測距光を照射する複数の周辺発光素子と、基準領域および周辺領域からの反射光を撮像素子の受光面において受光し、受光量に応じて基準領域および周辺領域までの距離を検出する距離情報検出手段とを備え、中心発光素子および周辺発光素子が、撮像素子の受光面と平行な平面に測距光を照射したとき、基準領域からの反射光と、周辺領域からの反射光とが、撮像素子の受光面に同時に受光されるように配置されることを特徴とする。各発光素子の配置を調整することにより、正確な距離情報を検出することができる。
【0009】
3次元画像入力装置において、好ましくは、中心発光素子および周辺発光素子が、中心発光素子から平面上に規定された基準領域までの距離と、周辺発光素子から平面上に規定された周辺領域までの距離との差に対応して、配置される。
【0010】
3次元画像入力装置において、好ましくは、中心発光素子および周辺発光素子がカメラ本体内に設けられ、中心発光素子および周辺発光素子からの測距光を被写体に導き、被写体からの反射光をカメラ本体内に導く撮影レンズと、中心発光素子および周辺発光素子からの測距光を反射して撮影レンズを介して被写体に導くとともに、撮影レンズに入射した反射光を透過させ、撮像素子に導くハーフミラーとを備える。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0012】
図1は、第1実施形態の3次元画像入力装置が適用されたカメラの斜視図である。カメラ10は、2次元画像(通常のスチル画像)と3次元画像を検出することができる電子スチルカメラである。カメラ10の本体の前面には鏡筒11が設けられる。鏡筒11の図中左上にはストロボ12が設けられ、図中右上にはファインダ13が設けられる。カメラ10本体の上面において、図中左側には、レリーズボタン14と、液晶表示パネル15が設けられ、図中右側には、2D/3D切替スイッチ16が設けられる。カメラ10の本体の側面において、ICメモリカード等の記録媒体を挿入するためのカード挿入口17が形成され、またビデオ出力端子18と、インターフェースコネクタ19が設けられる。
【0013】
図2は図1のカメラの回路構成を示すブロック図である。カメラ10は、鏡筒11(図1参照)内において複数のレンズから構成されるレンズ群20を備える。レンズ群20中には絞り21が設けられる。絞り21の開度はアイリス駆動回路22によって調節される。レンズ群20の焦点調節およびズーミング動作はレンズ駆動回路23によって制御される。
【0014】
レンズ群20の光軸LP上には、CCD24が配設される。CCD24の受光面上には、レンズ群20によって被写体像が形成される。CCD24は受光量に応じて電荷を発生させ、画像信号として出力する。CCD24における電荷の蓄積動作、電荷の読出動作等はCCD駆動回路25によって制御される。CCD24から出力された画像信号はアンプ26によって増幅され、A/D変換器27においてアナログの画像信号からデジタルの画像信号に変換される。デジタルの画像信号は画像信号処理回路28においてガンマ補正等の様々な処理が施され、画像メモリ29に一時的に格納される。アイリス駆動回路22、レンズ駆動回路23、画像信号処理回路28はシステムコントロール回路30によって制御される。
【0015】
画像信号は画像メモリ29から読み出され、LCD駆動回路40に供給される。LCD駆動回路40は画像信号に応じて動作し、画像表示LCDパネル41の画面上には、画像信号に応じた画像が表示される。
【0016】
画像信号は画像メモリ29から読み出され、TV信号エンコーダ31に供給される。TV信号エンコーダ31では、画像信号はビデオ信号に変換される。ビデオ信号はビデオ出力端子18を介して外部に設けられたモニタ装置32に伝送され、モニタ装置32においてビデオ信号に応じた画像が表示される。
【0017】
画像メモリ29から読み出された画像信号は、システムコントロール回路30に送られる。システムコントロール回路30にはインターフェース回路33が接続される。画像信号は、インターフェース回路33からインターフェースコネクタ19を介してコンピュータ34に伝送可能である。また、システムコントロール回路30には記録媒体制御回路35を介して画像記録装置36が接続される。画像記録装置36にはICメモリカード等の記録媒体Mが装着され、記録媒体Mに画像信号を記録することができる。
【0018】
システムコントロール回路30には、レリーズボタン14および2D/3D切替スイッチ16等から成るスイッチ群37、およびモードの表示等を行う液晶表示パネル15が接続される。
【0019】
システムコントロール回路30には2D駆動信号発生回路50、3D駆動信号発生回路51、および2D/3D切替回路52が接続されている。2D駆動信号発生回路50、3D駆動信号発生回路51はともに駆動信号を発生し、駆動信号は、2D/3D切替回路52を介して、CCD駆動回路25に送られる。CCD駆動回路25は、駆動信号に基づいてCCD24を駆動する。
【0020】
即ち、2D/3D切替スイッチ16(図1参照)が2D検出モードに設定されると、この情報がシステムコントロール回路30に伝達され、システムコントロール回路30から2D/3D切替回路52に指令信号が伝達される。2D/3D切替回路52は、指令信号に基づいて2D駆動信号発生回路50からの駆動信号をCCD駆動回路25に送るように切替えられる。レリーズスイッチ14が操作され、撮影動作が実行されると、CCD駆動回路25は2D駆動信号発生回路50からの駆動信号に基づいて撮影動作を行い、2次元画像を検出する。
【0021】
これに対して、2D/3D切替スイッチ16が3D検出モードに設定されたときは、2D/3D切替回路52は、システムコントロール回路30から伝達された指令信号に基づいて、3D駆動信号発生回路51からの駆動信号をCCD駆動回路25に送るように切替えられる。したがって、撮影動作が実行されると、CCD駆動回路25は3D駆動信号発生回路51からの駆動信号に基づいてCCD24を駆動させ、後述の距離測定の原理により距離情報が取得され、3次元画像が検出される。
【0022】
システムコントロール回路30には発光タイミング調整回路53が接続される。発光タイミング調整回路53には、複数の発光素子を有する発光装置60が接続される。本実施形態では、発光素子として発光ダイオード(LED)が用いられる。なお、発光素子としてレーザダイオード(LD)を用いても良い。2D/3D切替スイッチ16が3D検出モードに設定され、撮影動作が実行されると、システムコントロール回路30から発光タイミング調整回路53にパルス信号が送られる。発光タイミング調整回路53はパルス信号に基づいて、所定のタイミングで発光装置60の各LEDから測距光を発光させる。各発光素子からの測距光は、ハーフミラー61により反射され、レンズ群20を介して、被写体に導かれる。
【0023】
次に図3、図4を用いてカメラ10による被写体までの距離測定の原理について説明する。なお図4において横軸は時間tである。
【0024】
発光装置60の各LEDから照射された測距光は、被写体Sにおいて反射し、カメラ10内のCCD24の受光面で受光される(図2参照)。図4が示すように測距光は所定のパルス幅Hを有するパルス状の光であり、したがって被写体Sからの反射光も、同じパルス幅Hを有するパルス状の光である。また反射光のパルスの立ち上がりは、測距光のパルスの立ち上がりよりも時間δ・t(δは遅延係数)だけ遅れる。測距光と反射光はカメラ10と被写体Sの間の距離rの2倍を進んだことになるから、その距離rは下記の(1)式によって得られる。ただしCは光速である。
r=δ・t・C/2 ・・・(1)
【0025】
例えばCCD24を測距光のパルスの立ち上がりから反射光を検出可能な状態に定め、反射光のパルスが立ち下がる前に検出不可能な状態に切換えるように制御する。即ち反射光検知期間Tを設けると、反射光検知期間Tにおける受光量Jは距離rと反比例の関係となる。即ち受光量Jは、距離rが大きくなる程(時間δ・tが大きくなる程)小さくなる。なお、CCD24を測距光のパルスが立下る時点から反射光を検出可能な状態に定め、次の反射光のパルスが立ち上がる前に検出不可能な状態に切り替えるように制御しても良い。
【0026】
本実施形態では上述した原理を利用して、CCD24の受光面において2次元的に配置された複数のフォトダイオードにより、それぞれの受光量Jを検出することにより、被写体Sまでの距離情報を検出する。
【0027】
次に図5、図6、図7を用いて本実施形態における発光装置60のLEDの配置について説明する。図5は発光装置60の平面図であり、図6はカメラの断面を模式的に示す図であり、図7は被写体に測距光を照射するカメラを示す図である。なお、図5〜図7に示す発光装置60のLEDの数および配置は一例であって、特にこの実施形態に限定されるものではない。
【0028】
発光装置60は基板62を有する。基板62は、円形状を呈する配置面621を備え、配置面621上に複数のLED63a〜63fが設けられる。配置面621の中心には中心LED63aが配置される。他のLED(周辺LED)63b〜63fは、中心LED63aを中心として、5つの同心円上に配置される。
【0029】
同一の同心円上に配置される周辺LED63b〜63fは、それぞれグループR1〜R5を形成する。中心LED63aに最も近い同心円上に配置される周辺LED63bはグループR1を形成し、グループR1のLED63bの外周側に位置するLED63cはグループR2を形成する。同様にしてLED63cの外周側のLED63dはグループR3、LED63dの外周側のLED63eはグループR4、LED63eの外周側のLED63fはグループR5を形成する。後述するように、同一のグループに属する周辺LED63b〜63fは、配置面621に対して同じ傾斜角で配置され、また同じタイミングで発光するように制御される。
【0030】
図6に示すように、発光装置60はカメラ10の本体内に設けられる。発光装置60の基板62は、配置面621と撮影レンズ20aの光軸LPが平行になるように配置される。各LED63a〜63fから照射された測距光は図中上側方向に向かって照射される。各LED63a〜63fから照射された測距光は、ハーフミラー61によりカメラ10の前面方向(図中左側方)に反射され、レンズ群20を構成する撮影レンズ20aの主点Pに集光し、被写体Sに導かれる。
【0031】
各LED63a〜63fは、各グループ毎に異なる傾斜角で配置され、各LED63a〜63fから照射される測距光は、各グループ毎に異なる角度で被写体Sを照射する。
【0032】
中心LED63aは、配置面621に対して略垂直に配置される。グループR1の周辺LED63bは、中心LED63a方向に5度だけ傾斜して配置される。グループR2の周辺LED63cは、中心LED63a方向に10度だけ傾斜して配置される。グループR3の周辺LED63d、グループR4の周辺LED63e、グループR5の周辺LED63fは、それぞれ中心LED63a方向に15度、20度、25度だけ傾斜して配置される。
【0033】
上述のように、各LED63a〜63fからの測距光は、ハーフミラー61により反射され、撮影レンズ20aの主点Pに集光する。中心LED63aからの測距光の光束は、光軸LPに一致する。周辺LED63bからの測距光の光束は、光軸LPに対して5度だけ傾いている。周辺LED63cからの測距光の光束は、光軸LPに対して10度だけ傾いている。各周辺LED63d、63e、63fからの測距光の光束は、光軸LPに対してそれぞれ15度、20度、25度だけ傾いている。
【0034】
測距光は被写体Sにおいて反射し、その反射光は撮影レンズ20aに入射して、ハーフミラー61に導かれる。反射光の一部はハーフミラー61を透過してCCD24の受光面に導かれる。CCD24では、上述の距離測定の原理に基づいて、受光量に応じた距離情報が検出される。
【0035】
各LED63から照射された測距光は、図7が示すように、鏡筒11の先端から出射される。鏡筒11の先端から出射された測距光は、被写体Sに対して円形状領域wの範囲を照射する。円形状領域wは、撮影レンズ20a(図6参照)の光軸LP上に位置する基準領域V0と、基準領域V0を中心とする同心円上に位置する周辺領域V1〜V5とから構成される。各領域V0〜V5は、他の領域と重ならない。
【0036】
基準領域V0は中心LED63a(図6参照)が照射する領域である。基準領域V0の外周に位置する周辺領域V1は、グループR1の周辺LED63bが照射する領域である。周辺領域V1の外周に位置する周辺領域V2は、グループR2の周辺LED63cが照射する領域である。周辺領域V3、V4、V5はそれぞれ、グループR3、R4、R5の周辺LED63d、63e、63fが照射する領域である。
【0037】
基準領域V0および周辺領域V1〜V5からの反射光は、CCD24の受光面に配置されるフォトダイオードで受光され、距離情報が検出される。即ち鏡筒11の先端から照射される測距光が照射する円形領域wの範囲内で被写体の距離情報が検出される。
【0038】
次に図8を用いて、各LED63a〜63fの配置によって生じる距離情報の誤差について説明する。
【0039】
カメラ10を用いて、例えばCCD24の受光面に対して平行に位置する平面SAの距離情報を検出する場合、平面SA上の全ての領域からの同一値の距離情報が検出することにより、平面SAは平面形状として認識される。しかし、以下に述べるように、LED63a〜63fの配置によって、平面SA上の各領域からは異なる距離情報が検出される。
【0040】
上述のように、中心LED63aから照射される測距光の光束は、撮影レンズ20aの光軸LPと一致し、平面SA上の領域V0を照射する。撮影レンズ20aの主点Pから平面SAまでの距離をAとする。また、周辺LED63b〜fのうち任意のものを周辺LED63xとし、周辺LED63xからの測距光の光束が、撮影レンズ20aの光軸LPに対して角度θだけ傾斜するとき、撮影レンズ20aの主点Pから平面SA上の領域Vxに到達するまでの距離をDとする。なお、各発光素子63からハーフミラー61までの距離、およびハーフミラー61から主点Pまでの距離は略同じであるので考慮しない。
【0041】
中心LED63aからの測距光が進む距離Aと、周辺LED63xからの測距光が進む距離Dとの距離差Xは下記の(2)式により得られる。
【0042】
【0043】
例えば、平面SAから主点Pまでの距離Aが100cmであり、周辺LED63xがグループR1の周辺LED63bの場合(θ=5度)は、距離差Xの値は、約0.40cmとなる。即ち、中心LED63aとグループR1の周辺LED63bを同時に発光させると、周辺LED63bが照射する領域V1は、中心LED63aが照射する領域V0と比較して、0.80cm分だけ遠くに位置するように検出される。
【0044】
同様にして、平面SAから主点Pまでの距離Aが100cmである場合のグループR2〜R5のLED63c〜63fと中心LED63aとの距離差Xの値を計算すると、グループR2の周辺LED63cの場合(θ=10度)は約1.52cm、グループR3の周辺LED63dの場合(θ=15度)は約3.52cm、グループR4の周辺LED63eの場合(θ=20度)は約6.38cm、グループR5の周辺LED63fの場合(θ=25度)は約10.3cmとなる。即ち、各周辺LED63c〜63fを中心LED63aを同時に発光させると、この距離差Xの2倍だけ、各周辺LED63c〜63fが照射する周辺領域V2〜V5は遠くに位置するように検出され、平面SAは、光軸LP上の領域V0が最も突出した凸形状として認識される。
【0045】
距離差Xを、測距光が平面SAに到達する時間差Yに換算すると、光は1cmあたり約0.0335nsで移動するので、時間差Yは下記の(3)式により得られる。
Y=0.0335(ns/cm)×X ・・・(3)
【0046】
上述の例で、平面SAから主点Pまでの距離Aが100cmであり、周辺LED63xがグループR1の周辺LED63bの場合、時間差Yの値は約0.01nsとなる。即ち、中心LED63aと周辺LED63bを同時に発光させると、周辺LED63bからの測距光は、中心LED63aからの測距光より約0.01nsだけ遅れて平面SAに到達する。
【0047】
同様にして、グループR2〜R5の周辺LED63c〜63fと中心LED63aとの時間差Yの値を計算すると、グループR2の周辺LED63cの場合は約0.05ns、グループR3の周辺LED63dの場合は約0.12ns、グループR4の周辺LED63eの場合は約0.21ns、グループR5の周辺LED63fの場合は約0.35nsとなる。即ち、各周辺LED63c〜63fと中心LED63aを同時に発光させると、この時間差Yの分だけ、各周辺LED63c〜63fが照射する測距光は、周辺領域V2〜V5に遅れて到達する。
【0048】
以上のように、周辺LED63b〜63fからの測距光は、角度θによって所定の時間差Y分だけ遅れて平面SAに到達する。遅れて平面SAに到達した測距光の反射光は、さらに時間差Y分だけ遅れてCCD24の受光面に到達する。したがって、平面SAの各領域からは同一の距離情報は検出されず、平面SAは平面形状として認識されない。
【0049】
本実施形態では、上述の各LED63の配置によって生じる距離情報の誤差を、各LED63の発光タイミングを調整することにより解消する。図9は、発光タイミング調整回路53の構成を示す図であり、図10は、各LED63毎の発光タイミングを示すタイミングチャートである。
【0050】
発光タイミング調整回路53は、パルス信号調整回路531a〜531fと発光素子駆動回路532a〜532fを有する。パルス信号調整回路531aは、発光素子駆動回路532aを介して中心LED63aに接続される。パルス信号調整回路531bは、発光素子駆動回路532bを介してグループR1を構成する周辺LED63bに接続される。同様にして、パルス信号調整回路531c〜531fは発光素子駆動回路532c〜532fを介して、グループR2〜R5の周辺LED63c〜63fに接続される。
【0051】
パルス信号調整回路531a〜531fは、システムコントロール回路30(図2参照)から入力されたパルス信号のタイミングを調整して、調整パルス信号として出力する。発光素子駆動回路532a〜532fは、パルス信号調整回路531a〜531fから入力された調整パルス信号に基づいて、各LED63a〜63fを発光させる。
【0052】
上述のように、3D検出モード設定時において、レリーズスイッチ14(図1参照)が操作されると、システムコントロール回路30(図2参照)から発光タイミング調整回路53にパルス信号が送られる。パルス信号は、パルス信号調整回路531a〜531fに入力される。パルス信号調整回路531a〜531fでは、入力されたパルス信号が、上述の各LED63a〜63fの配置による時間差Yに応じてタイミング調整され、調整パルス信号として出力される。
【0053】
図10に示すように、最外周の周辺LED63fの発光タイミングを基準として、パルス信号調整回路531a〜531fにより調整パルス信号が生成される。パルス信号調整回路531fは、入力されたパルス信号に対しタイミング調整せずに、第1の調整パルス信号として出力する。パルス信号調整回路531eは、第1の調整パルス信号より0.28nsだけ遅れてパルスを立ち上げてタイミング調整し、第2の調整パルス信号として出力する。以下同様に、パルス信号調整回路531dは第1のパルス信号より0.46nsだけ遅れて立ち上がる第3の調整パルス信号を出力し、パルス信号調整回路531cは、第1のパルス信号より0.60nsだけ遅く立ち上がる第4の調整パルス信号を出力し、パルス信号調整回路531bは第1のパルス信号より0.68nsだけ遅く立ち上がる第5の調整パルス信号を出力し、パルス信号調整回路531aは第1のパルス信号より0.70nsだけ遅く立ち上がる第6の調整パルス信号を出力する。
【0054】
各パルス信号調整回路531a〜531fからの調整パルス信号は、発光素子駆動回路532a〜532fへ送られる。発光素子駆動回路532a〜532fは、入力された第1〜第6の調整パルス信号に基づいて各LED63a〜63fを発光させる。調整パルス信号に基づいて発光する各LED63a〜63fからの測距光は、平面SAにおいて反射しCCD24の受光面に同時に到達する。これにより上述の時間差Yが解消され、平面SA上の全ての領域で同じ距離情報が検出される。
【0055】
以上のように、第1実施形態によればCCD24の受光面に平行な平面SAは平面形状として検出することができる。即ち、補正処理等を施すことなく、被写体の形状に応じた距離情報を検出することができる。
【0056】
次に図11、図12を用いて第2実施形態について説明する。第2実施形態では、電源装置から供給される電圧の電圧レベルの変化を利用して、LEDの発光タイミングを調整する。図11は第2実施形態における発光装置および発光タイミング調整回路のブロック図である。なお、第1実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付している。
【0057】
発光装置160は、第1実施形態と同様に、基板62上において中心LED63aと、同心円上に配置される周辺LED63b〜63fを備え、同一の同心円上の周辺LED63b〜63fはグループR1〜R5を形成する(図5参照)。後述するように、周辺LED63b〜63Fはそれぞれ所定の角度で傾斜して設置される。
【0058】
図11に示されるように、同一グループR1〜R5内の各周辺LED63b〜63fは並列に接続され、あるグループ内に電圧が供給されると、そのグループ内のLEDは同時に発光する。また中心LED63aおよび各グループR1〜R5の周辺LED63b〜63fは、それぞれ直列に接続される。グループR5の周辺LED63fはアース90に接続される。
【0059】
発光タイミング調整回路153には電源装置154が接続される。電源装置154は、例えば33ボルトの電圧を供給可能な装置である。電源装置154から供給される電圧は、電源スイッチ回路82に入力される。電源スイッチ回路82は、システムコントロール回路30からの切替信号に応じて、電源装置154からの電圧供給をオン、オフに切り替える回路である。電源スイッチがオン状態に定められると、電源装置154からの電圧がレギュレータ83a〜83f、および分圧抵抗器A1、A2に送られる。
【0060】
レギュレータ83a〜83fは、電源装置154から送られた電圧を所定の電圧レベルに調整して出力する回路である。レギュレータ83aは、電圧を22ボルトに調整し、レギュレータ83bは電圧を18ボルトに調整する。以下、レギュレータ83cは14ボルト、レギュレータ83dは10ボルト、レギュレータ83eは6ボルト、レギュレータ83fは2ボルトにそれぞれ調整する。各レギュレータ83a〜83fは切替スイッチ回路S0〜S5を介して、各LED63a〜63fに接続される。
【0061】
分圧抵抗器A1、A2は、電源装置154からの電圧をA/Dコンバータ81に入力可能な電圧レベルに調整する回路であり、調整電圧としてA/Dコンバータ81に送る。分圧抵抗器A1、A2に入力される電圧レベルは、後述するように、電源スイッチ回路82がオン状態に定められてから、時間の経過にしたがって上昇し、これに伴って分圧抵抗器A1、A2からの調整電圧の電圧レベルも上昇する。A/Dコンバータ81では、調整電圧の電圧レベルに対応したデジタル信号が生成され、デコーダ80に入力される。
【0062】
デコーダ80は、デジタル信号に応じて切替スイッチ回路S0〜S5をオン、オフさせる回路である。例えば、電源装置154から2ボルトの電圧が供給されたとき、デコーダ80はA/Dコンバータ81から入力されたデジタル信号に応じて、切替スイッチ回路S5をオン状態に定める。この結果、レギュレータ83fからは、2ボルトに保たれた電圧が切替スイッチ回路S5を介して、グループR5のLED63f供給され、LED63fは発光する。また同様に、電源装置154から6ボルトの電圧が供給されたとき、デコーダ80は、デジタル信号に応じて切替スイッチ回路S4をオン状態に定める。この結果、レギュレータ83eから6ボルトの電圧が切替スイッチS4を介してグループR4の周辺LED63eに供給され、LED63eは発光する。なおグループR5の周辺LED63fはLED63eが発光した後も発光し続ける。以下、同様にして10ボルトの電圧が供給されたとき切替スイッチS3、14ボルトの電圧が供給されたとき切替スイッチS2、18ボルトの電圧が供給されたとき切替スイッチS1、22ボルトの電圧が供給されたとき切替スイッチS0がオン状態に定められ、グループR3、R2、R1、中心LED63aの順番で発光する。そして中心LED63aの発光から一定時間経過後、全てのLED63a〜63fは同時に消灯する(図12参照)。以上のように、本実施形態では、電源装置154から供給される電圧レベルにしたがって、各LED63a〜63fが順次発する。即ち、各LED63a〜63fの発光タイミングは、電源装置154から供給される電圧レベルの上昇によって定められる。
【0063】
図13は、電源装置154から供給される電圧レベルの変化を表すグラフである。なお、横軸は時間tであり、縦軸は、電源装置154から供給される電圧vである。
【0064】
電源スイッチ回路82(図11参照)がオン状態に定められると、時間T1経過後に電源装置154から2ボルトの電圧が供給される。このときグループR5の周辺LED63fが発光する。電源装置154から2ボルトの電圧が供給されてから、22ボルトの電圧に到達するまで略4.66nsの時間T2がかかる。即ち、グループR5の周辺LED63fが発光してから中心LED63aが発光するまで時間T2がかかる。時間T2において電圧レベルの上昇は、時間tの経過に略比例するので、略0.92nsの間隔毎にグループR1〜R5および中心LED63aは順次発光する。
【0065】
第2実施形態では略0.92nsの間隔で発光する各LED63a〜63fからの測距光が、平面SA(図8参照)において反射しCCD24の受光面に同時に到達するように各LED63a〜63fの配置が調整される。
【0066】
グループR1のLED63bが発光してから、中心LED63aが発光するまで約0.92nsの時間差Y’が生じる。上記の(3)式によって中心LED63aとグループR1のLED63bの距離差X’は以下のようになる。
Y’=0.0670(ns/cm)×X’
X’=Y’/0.0670(ns/cm)
X’≒27.88(cm)
即ち、中心LED63aが発光したとき、周辺LED63bからの測距光は約27.88cm進んでいる。
【0067】
このとき、周辺LED63bからの測距光は、光軸LPに対して傾斜角θで進むことにより、光軸LP上を進む中心LED63aからの測距光と同時にCCD24の受光面に到達する。傾斜角θは、上記の(2)式によって得られる。なお、中心LED63aからの測距光が進む距離A’は1400cmとする。
X’=A’(1−cosθ)/cosθ
27.88(cm)=1400(1−cosθ)/cosθ
cosθ≒0.9805
θ≒11度
【0068】
同様にして、グループR2〜R4の傾斜角度θを計算すると、グループR2の周辺LED63cの場合は約16度、グループR3の周辺LED63dの場合は約19度、グループR4の周辺LED63eの場合は約22度、グループR5の周辺LED63fの場合は約24度となる。即ち、各周辺LED63b〜63fをこの傾斜角θの分だけ傾斜して配置することにより、中心LED63aおよび各周辺LED63b〜63fがそれぞれ照射する測距光は、平面SAにおいて反射しCCD24の受光面に同時に到達する。
【0069】
以上のような第2実施形態では、電源装置154から供給される電圧の電圧レベルの上昇に応じて発光する各LED63a〜63fからの測距光は、平面SAにおいて反射した場合、同時にCCD24によって受光されるので、正確な距離情報を得ることができる。また、本実施形態によれば、電源からの電圧レベルの変化によりLEDの発光タイミングを調整するので、新たな回路を設ける必要がなく経済的である。
【0070】
図14は第3実施形態における発光装置70の断面を模式的に示す図である。第3実施形態では、各LED63a〜63fの配置によって生じる距離情報の誤差を、基板の形状により解消する。なお、発光装置以外の構成は、第1実施形態と同じである。
【0071】
発光装置70は第1実施形態と同様にカメラ10内に設けられる。発光装置70は基板72を備える。基板72は円形状を呈するが、配置面721は球面状に凹陥している。配置面721の中心には中心LED63aが配置され、中心LED63aを中心として5つの同心円上に周辺LED63b〜63fが配置される。
【0072】
各LED63a〜63fは第1実施形態と同様に、配置面721の中心側に傾斜して配置され、中心LED63aからの測距光の光束は、撮影レンズ20a(図6参照)の光軸LPに一致し、周辺LED63b〜63fからの測距光の光束はそれぞれ、光軸LPに対して5度、10度、15度、20度、25度だけ傾斜している。
【0073】
撮影レンズ20aの主点Pから10cmの距離にあり、CCD24の受光面と平行な平面SAの距離情報を取得する場合、撮影レンズ20aの主点Pから平面SAまでの距離Aと、周辺LED63xからの測距光が進む撮影レンズ20aの主点Pから平面SAまで距離Cでは距離差Xの2倍の誤差が生じる。距離差Xの2倍の値は、第1実施形態と同様に、周辺LED63bの場合は約0.08cm、周辺LED63cの場合は約0.30cm、周辺LED63dの場合は約0.70cm、周辺LED63eの場合は約1.28cm、周辺LED63fの場合は約2.06cmとなる。
【0074】
図14に示すように、本実施形態の基板72の配置面721は、距離差Xの2倍に対応した湾曲した断面を有し、各周辺LED63b〜63fは、中心LED63aの位置を基準として、距離差Xの2倍だけ被写体側に位置している。
【0075】
各LED63a〜63fからの測距光は、第1実施形態と同様に、カメラ10の上面方向に照射され、ハーフミラー61(図6参照)で反射されて被写体に導かれる。即ち、周辺LED63b〜63fは、中心LED63aよりカメラ10の上面方向に位置することにより、被写体側に位置することになる。
【0076】
周辺LED63bは、中心LED63aより約0.08cmだけ被写体側に位置する。同様にして、周辺LED63c〜63fは、それぞれ約0.30cm、約0.70cm、約1.28cm、約2.06cmだけ被写体側に位置する。したがって各LED63a〜63fから同時に照射された測距光は、CCD24に同時に到達する。即ち、各LED63a〜63fの配置により距離差Xの2倍の誤差が解消され、平面SA上の全ての領域に関して同じ距離情報が検出される。
【0077】
以上のように、第3実施形態によっても補正処理等を施すことなく被写体の形状に応じた距離情報を検出することができる。また、第1実施形態のように各LED63a〜63fの発光タイミングを調整する必要がないので、回路構成が簡単である。
【0078】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、発光素子の配置位置による誤差を生じることなく、複数領域で同時に距離情報を検出できる3次元画像入力装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態を適用したカメラの外観図である。
【図2】カメラの回路構成を示すブロック図である。
【図3】測距光による距離測定の原理を説明するための図である。
【図4】測距光、反射光、ゲートパルスおよびCCDが受光する光量分布を示す図である。
【図5】発光装置の平面図である。
【図6】カメラの断面を模式的に示す図である。
【図7】測距光を照射するカメラを示す図である。
【図8】LEDの配置による距離情報の誤差を説明するための図である。
【図9】発光タイミング調整回路のブロック図である。
【図10】パルス信号調整回路で遅延されるパルス信号を示すタイミングチャートである。
【図11】第2実施形態の発光装置と発光タイミング調整回路のブロック図である。
【図12】第2実施形態のパルス信号調整回路で遅延されるパルス信号を示すタイミングチャートである。
【図13】電源装置から供給される電圧レベルの変化を示すグラフである。
【図14】第3実施形態におけるLEDの配置を示す図である。
【符号の説明】
53、153 発光タイミング調整回路
60、70、160 発光装置
62、72 基板
63a 中心LED
63b、63c、63d、63e、63f 周辺LED
80 デコーダ
531a〜531f パルス信号調整回路
532a〜532f 発光素子駆動回路
SA 平面
Claims (6)
- 被写体上の基準領域に測距光を照射する中心発光素子と、
前記基準領域の周辺領域に前記中心発光素子とは異なる角度で測距光を照射するように、前記中心発光素子を中心とする同心円上に所定の傾斜角で配置された複数の周辺発光素子と、
前記基準領域および前記周辺領域からの反射光を撮像素子の受光面において受光し、受光量に応じて前記基準領域および前記周辺領域までの距離を検出する距離情報検出手段と、
前記撮像素子の受光面と平行な平面に前記測距光を照射したとき、前記平面上にある前記基準領域からの反射光と、前記平面上にある前記周辺領域からの反射光とが、前記撮像素子の受光面に同時に受光されるように、前記中心発光素子および周辺発光素子の発光タイミングを調整する発光タイミング調整手段とを備えることを特徴とする3次元画像入力装置。 - 前記発光タイミング調整手段が、
撮影動作に応じてパルス信号を発生させるパルス信号発生手段と、
前記中心発光素子から前記平面上に規定された基準領域までの距離と、前記周辺発光素子から前記平面上に規定された周辺領域までの距離との差に対応して、前記パルス信号のタイミングを調整し、前記中心発光素子および各周辺発光素子ごとに調整パルス信号を生成するパルス信号調整手段と、
前記調整パルス信号に応じて前記中心発光素子および周辺発光素子を駆動させる発光素子駆動手段とを有することを特徴とする請求項1に記載の3次元画像入力装置。 - 前記中心発光素子および前記周辺発光素子に電圧を供給する電源を備え、
前記発光タイミング調整手段が、
前記電源から供給される前記電圧の上昇に応じて、前記電圧を供給する前記中心発光素子および前記周辺発光素子を選択する発光素子選択スイッチを有し、
前記発光素子選択スイッチが、前記中心発光素子から離れて配置される前記周辺発光素子から順次前記電圧を供給し、最後に前記中心発光素子に前記電圧を供給することを特徴とする請求項1に記載の3次元画像入力装置。 - 被写体上の基準領域に測距光を照射する中心発光素子と、
前記基準領域の周辺領域に前記中心発光素子とは異なる角度で測距光を照射するように、前記中心発光素子を中心とする同心円上に所定の傾斜角で配置された複数の周辺発光素子と、
前記基準領域および前記周辺領域からの反射光を撮像素子の受光面において受光し、受光量に応じて前記基準領域および前記周辺領域までの距離を検出する距離情報検出手段とを備え、
前記中心発光素子および前記周辺発光素子が、前記撮像素子の受光面と平行な平面に前記測距光を照射したとき、前記平面上にある前記基準領域からの反射光と、前記平面上にある前記周辺領域からの反射光とが、前記撮像素子の受光面に同時に受光されるように配置されることを特徴とする3次元画像入力装置。 - 前記中心発光素子および前記周辺発光素子が、前記中心発光素子から前記平面上に規定された基準領域までの距離と、前記周辺発光素子から前記平面上に規定された周辺領域までの距離との差に応じて、配置されることを特徴とする請求項4に記載の3次元画像入力装置。
- 前記中心発光素子および前記周辺発光素子がカメラ本体内に設けられ、
前記中心発光素子及び前記周辺発光素子からの測距光を前記被写体に導き、前記被写体からの反射光を前記カメラ本体内に導く撮影レンズと、
前記中心発光素子および前記周辺発光素子からの測距光を反射して前記撮影レンズを介して前記被写体に導くとともに、前記撮影レンズに入射した反射光を透過させ、前記撮像素子に導くハーフミラーとを備えることを特徴とする請求項1または請求項4に記載の3次元画像入力装置。
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