JP4391661B2

JP4391661B2 - ３次元画像検出装置

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Publication number: JP4391661B2
Application number: JP2000088376A
Authority: JP
Inventors: 信博谷
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Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2009-12-24
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Also published as: JP2001275133A

Description

【０００１】
【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次元形状等を検出する３次元画像検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来被写体までの距離を画素毎に検出する３次元画像検出装置としては、「Measurement Science and Technology」（S. Christie 他、vol.6, p1301-1308, 1995 年）に記載された３次元画像検出装置や、国際公開97/01111号公報に開示された３次元画像検出装置などが知られている。これらの３次元画像検出装置では、パルス変調されたレーザ光が被写体に照射され、その反射光が２次元ＣＣＤセンサによって受光され、電気信号に変換される。このとき２次元ＣＣＤと組み合わされたメカニカルまたは液晶素子等からなる電気光学的シャッタのシャッタ動作を制御することにより、被写体までの距離に対応する電気信号をＣＣＤの画素毎に検出することができる。この電気信号からＣＣＤの各画素に対応する被写体までの距離が検出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電子シャッタ動作を利用して３次元画像検出を行う３次元画像検出装置であって、回路内の温度に影響されることなく正確に被写体までの距離を検出できる３次元画像検出装置を得ることを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に関わる３次元画像検出装置は、被写体に測距光を照射するための光源と、第１の制御パルス信号に基づいて、光源駆動パルス信号を出力し、光源の発光動作を制御する発光動作制御手段と、撮像素子駆動パルス信号に基づいて動作し、被写体からの反射光を受光して、その受光量に応じた信号電荷を蓄積可能な撮像素子と、光源の発光動作と撮像素子における電子シャッタ動作を連動させる制御手段と、制御手段に基づいて、第１の制御パルス信号と撮像素子駆動パルス信号を出力する撮像素子駆動回路とを備えたことを特徴としている。
【０００５】
発光動作制御手段は好ましくは、第１の制御パルス信号の波形を整形した第２の制御パルス信号を出力する波形整形回路と、第２の制御パルス信号に基づいて光源の発光動作を制御する光源駆動回路とを備える。
【０００６】
撮像素子駆動回路の駆動速度が遅く、光源駆動パルス信号のパルス幅の信号を処理できない場合には、発光動作制御手段は好ましくは、第２の制御パルス信号に基づいて、パルス幅が光源駆動パルス信号のパルス幅に調整された第３の制御パルス信号を生成する光源制御パルス発生回路を備え、前記光源駆動回路は前記第３の制御パルス信号に基づいて制御される。このとき光源制御パルス発生回路は例えば、第２の制御パルス信号の位相を所定時間遅延する遅延回路と、遅延回路によりその位相が遅延されたパルス信号を反転する反転回路と、第２の制御パルス信号と反転回路により反転されたパルス信号との否定和をとるＮＯＲ回路とを備える。
【０００７】
波形整形回路は好ましくは、第１の制御パルス信号の信号レベルを調整するための分圧回路を備える。これにより、撮像素子駆動回路から出力される第１の制御パルス信号の信号レベルを発光動作制御手段における信号レベルに変換することができる。
【０００８】
撮像素子駆動回路の駆動速度が速く、光源駆動回路の制御に用いられるパルス幅の狭いパルス信号を撮像素子駆動回路において処理できる場合には、光源駆動パルス信号とパルス幅が等しい第４の制御パルス信号を制御手段から出力し、このパルス信号に基づいて、第１の制御パルス信号が撮像素子駆動回路から出力される。
【０００９】
【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。
図１は、本発明の第１の実施形態であるカメラ型の３次元画像検出装置の斜視図である。図１を参照して第２の実施形態において用いられるカメラ型の３次元画像検出装置について説明する。
【００１０】
カメラ本体１０の前面において、撮影レンズ１１の左上にはファインダ窓１２が設けられ、右上にはストロボ１３が設けられている。カメラ本体１０の上面において、撮影レンズ１１の真上には、測距光であるレーザ光を照射する発光装置（光源）１４が配設されている。発光装置１４の左側にはレリーズスイッチ１５、液晶表示パネル１６が設けられ、右側にはモード切替ダイヤル１７とＶ／Ｄモード切替スイッチ１８が設けられている。カメラ本体１０の側面には、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１９が形成され、またビデオ出力端子２０、インターフェースコネクタ２１が設けられている。
【００１１】
図２は図１に示すカメラの回路構成を示すブロック図である。
撮影レンズ１１の中には絞り２５が設けられている。絞り２５の開度はアイリス駆動回路２６によって調整される。撮影レンズ１１の焦点調節動作およびズーミング動作はレンズ駆動回路２７によって制御される。
【００１２】
撮影レンズ１１の光軸上にはＣＣＤ（撮像素子）２８が配設されている。ＣＣＤ２８には、撮影レンズ１１によって被写体像が形成され、被写体像に対応した電荷が発生する。ＣＣＤ２８における電荷の蓄積動作、電荷の読出動作等の動作は、システムコントロール回路３５からＣＣＤ駆動回路（撮像素子駆動回路）３０へ出力されるＣＣＤ駆動用のパルス信号によって制御される。ＣＣＤ２８から読み出された電荷信号すなわち画像信号はアンプ３１において増幅され、Ａ／Ｄ変換器３２においてアナログ信号からデジタル信号に変換される。デジタルの画像信号は撮像信号処理回路３３においてガンマ補正等の処理を施され、画像メモリ３４に一時的に格納される。アイリス駆動回路２６、レンズ駆動回路２７、撮像信号処理回路３３はシステムコントロール回路３５によって制御される。
【００１３】
画像信号は画像メモリ３４から読み出され、ＬＣＤ駆動回路３６に供給される。ＬＣＤ駆動回路３６は画像信号に応じて動作し、これにより画像表示ＬＣＤパネル３７には、画像信号に対応した画像が表示される。
【００１４】
また画像メモリ３４から読み出された画像信号はＴＶ信号エンコーダ３８に送られ、ビデオ出力端子２０を介して、カメラ本体１０の外部に設けられたモニタ装置３９に伝送可能である。システムコントロール回路３５はインターフェース回路４０に接続され、インターフェース回路４０はインターフェースコネクタ２１に接続されている。したがって画像メモリ３４から読み出された画像信号は、インターフェースコネクタ２１に接続されたコンピュータ４１に伝送可能である。またシステムコントロール回路３５は、記録媒体制御回路４２を介して画像記録装置４３に接続されている。したがって画像メモリ３４から読み出された画像信号は、画像記録装置４３に装着されたＩＣメモリカード等の記録媒体Ｍに記録可能である。
【００１５】
発光装置１４には発光素子１４ａと照明レンズ１４ｂが設けられ、発光素子１４ａの発光動作はシステムコントロール回路３５から出力されるパルス信号に基づいて制御される。発光素子１４ａを制御するためにシステムコントロール回路３５から出力されるパルス信号は、ＣＣＤ駆動回路３０を介して波形整形回路２２へ出力され、その波形が整えられる。波形整形回路２２において整形されたパルス信号は、ＬＤパルス発生回路（光源制御パルス発生回路）２３に入力され、ＬＤパルス発生回路２３は、入力されたパルス信号に基づいてＬＤパルスを生成する。発光素子制御回路（光源駆動回路）４４は、ＬＤパルス信号に基づいて発光素子１４ａの発光動作を制御する。発光素子１４ａは測距光であるレーザ光を照射するものであり、このレーザ光は照明レンズ１４ｂを介して被写体の全体に照射される。被写体において反射した光は撮影レンズ１１に入射する。この光をＣＣＤ２８によって検出することにより、後述するように被写体の距離情報が計測される。
【００１６】
システムコントロール回路３５には、レリーズスイッチ１５、モード切替ダイヤル１７、Ｖ／Ｄモード切替スイッチ１８から成るスイッチ群４５と、液晶表示パネル（表示素子）１６とが接続されている。
【００１７】
次に図３および図４を参照して、第１の実施形態における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。
【００１８】
距離測定装置Ｂから出力された測距光は被写体Ｓにおいて反射し、図示しないＣＣＤによって受光される。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。測距光と反射光は距離測定装置Ｂと被写体Ｓの間の２倍の距離ｒを進んだことになるから、その距離ｒは
ｒ＝δ・ｔ・Ｃ／２・・・（１）
により得られる。ただしＣは光速である。
【００１９】
例えば測距光のパルスの立ち上がりから反射光を検知可能な状態に定め、反射光のパルスが立ち下がる前に検知不可能な状態に切換えるようにすると、すなわち反射光検知期間Ｔを設けると、この反射光検知期間Ｔにおける受光量Ａは距離ｒの関数である。すなわち受光量Ａは、距離ｒが大きくなるほど（時間δ・ｔが大きくなるほど）小さくなる。
【００２０】
第１の実施形態では上述した原理を利用して、ＣＣＤ２８に設けられ、２次元的に配列された複数のフォトダイオードにおいてそれぞれ受光量Ａを検出することにより、カメラ本体１０から被写体Ｓの表面の各点までの距離をそれぞれ検出し、被写体Ｓの３次元形状を示す３次元画像のデータを一括して入力している。
【００２１】
図５は、ＣＣＤ２８に設けられるフォトダイオード５１と垂直転送部５２の配置を示す図である。図６は、ＣＣＤ２８を基板５３に垂直な平面で切断して示す断面図である。このＣＣＤ２８は従来公知のインターライン型ＣＣＤであり、不要電荷の掃出しにＶＯＤ（縦型オーバーフロードレイン）方式を用いたものである。
【００２２】
フォトダイオード５１と垂直転送部５２はｎ型基板５３の面に沿って形成されている。フォトダイオード５１は２次元的に格子状に配列され、垂直転送部５２は所定の方向（図５において上下方向）に１列に並ぶフォトダイオード５１に隣接して設けられている。垂直転送部５２は、１つのフォトダイオード５１に対して４つの垂直転送電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄを有している。垂直転送電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄにはそれぞれφＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４の電位が垂直転送信号として印加され、４つのポテンシャルの井戸がそれぞれ形成可能である。これらの井戸の深さを制御することにより、従来公知のように信号電荷をＣＣＤ２８から出力することができる。なお、垂直転送電極の数は目的に応じて自由に変更できる。
【００２３】
基板５３の表面に形成されたｐ型井戸の中にフォトダイオード５１が形成され、ｐ型井戸とｎ型基板５３の間に印加される逆バイアス電圧によってｐ型井戸が完全空乏化される。この状態において、入射光（被写体からの反射光）の光量に応じた電荷がフォトダイオード５１において蓄積される。基板電圧Ｖsub を所定値以上に大きくすると、フォトダイオード５１に蓄積した電荷は、基板５３側に掃出される。これに対し、転送ゲート部５４に電荷転送信号（電圧信号）が印加されたとき、フォトダイオード５１に蓄積した電荷は垂直転送部５２に転送される。すなわち電荷掃出信号によって電荷を基板５３側に掃出した後、フォトダイオード５１に蓄積した信号電荷が、電荷転送信号によって垂直転送部５２側に転送される。このような動作を繰り返すことにより、垂直転送部５２において信号電荷が積分され、いわゆる電子シャッタ動作が実現される。
【００２４】
図７は距離情報検出動作におけるタイミングチャートであり、図１、図２、図５〜図７を参照して第１の実施形態における距離情報検出動作について説明する。なお第１の実施形態の距離情報検出動作では、図４を参照して行なった距離測定の原理の説明とは異なり、外光の影響による雑音を低減するために測距光のパルスの立ち下がりから反射光を検知可能な状態に定め、反射光のパルスが立ち下がった後に検知不可能な状態に切換えるようにタイミングチャートを構成しているが原理的には何ら異なるものではない。
【００２５】
垂直同期信号（図示せず）の出力に同期して電荷掃出し信号（パルス信号）Ｓ１が出力され、これによりフォトダイオード５１に蓄積していた不要電荷が基板５３の方向に掃出され、フォトダイオード５１における蓄積電荷量はゼロになる（符号Ｓ２）。電荷掃出し信号Ｓ１の出力の開始の後、一定のパルス幅を有するパルス状の測距光Ｓ３が出力される。測距光Ｓ３が出力される期間（パルス幅）は調整可能であり、図示例では、電荷掃出し信号Ｓ１の出力と同時に測距光Ｓ３がオフするように調整されている。
【００２６】
測距光Ｓ３は被写体において反射し、ＣＣＤ２８に入射する。すなわちＣＣＤ２８によって被写体からの反射光Ｓ４が受光されるが、電荷掃出し信号Ｓ１が出力されている間は、フォトダイオード５１において電荷は蓄積されない（符号Ｓ２）。電荷掃出し信号Ｓ１の出力が停止されると、フォトダイオード５１では、反射光Ｓ４の受光によって電荷蓄積が開始され、反射光Ｓ４と外光とに起因する信号電荷Ｓ５が発生する。反射光Ｓ４が消滅すると（符号Ｓ６）フォトダイオード５１では、反射光に基く電荷蓄積は終了するが（符号Ｓ７）、外光のみに起因する電荷蓄積が継続する（符号Ｓ８）。
【００２７】
その後、電荷転送信号Ｓ９が出力されると、フォトダイオード５１に蓄積された電荷が垂直転送部５２に転送される。この電荷転送は、電荷転送信号の出力の終了（符号Ｓ１０）によって完了する。すなわち、外光が存在するためにフォトダイオード５１では電荷蓄積が継続するが、電荷転送信号の出力が終了するまでフォトダイオード５１に蓄積されていた信号電荷Ｓ１１が垂直転送部５２へ転送される。電荷転送信号の出力終了後に蓄積している電荷Ｓ１４は、そのままフォトダイオード５１に残留する。
【００２８】
このように電荷掃出し信号Ｓ１の出力の終了から電荷転送信号Ｓ９の出力が終了するまでの期間Ｔ_U1の間、フォトダイオード５１には、被写体までの距離に対応した信号電荷が蓄積される。そして、反射光Ｓ４の受光終了（符号Ｓ６）までフォトダイオード５１に蓄積している電荷が、被写体の距離情報と対応した信号電荷Ｓ１２（斜線部）として垂直転送部５２へ転送され、その他の信号電荷Ｓ１３は外光のみに起因するものである。
【００２９】
電荷転送信号Ｓ９の出力から一定時間が経過した後、再び電荷掃出し信号Ｓ１が出力され、垂直転送部５２への信号電荷の転送後にフォトダイオード５１に蓄積された不要電荷が基板５３の方向へ掃出される。すなわち、フォトダイオード５１において新たに信号電荷の蓄積が開始する。そして、上述したのと同様に、電荷蓄積期間Ｔ_U1が経過したとき、信号電荷は垂直転送部５２へ転送される。
【００３０】
このような信号電荷Ｓ１１の垂直転送部５２への転送動作は、次の垂直同期信号が出力されるまで、繰り返し実行される。これにより垂直転送部５２において、信号電荷Ｓ１１が積分され、１フィールドの期間（２つの垂直同期信号によって挟まれる期間）に積分された信号電荷Ｓ１１は、その期間被写体が静止していると見做せれば、被写体までの距離情報に対応している。なお信号電荷Ｓ１３は信号電荷Ｓ１２に比べ微小であるため信号電荷Ｓ１１は信号電荷Ｓ１２と等しいと見なすことができる。
【００３１】
以上説明した信号電荷Ｓ１１の検出動作は１つのフォトダイオード５１に関するものであり、全てのフォトダイオード５１においてこのような検出動作が行なわれる。１フィールドの期間における検出動作の結果、各フォトダイオード５１に隣接した垂直転送部５２の各部位には、そのフォトダイオード５１によって検出された距離情報が保持される。この距離情報は垂直転送部５２における垂直転送動作および図示しない水平転送部における水平転送動作によってＣＣＤ２８から出力される。
【００３２】
図８は第１の実施形態における距離情報検出動作のプログラムのフローチャートである。図８を参照して第１の実施形態における距離情報検出動作について説明する。
【００３３】
ステップ１０１では、ビデオ（Ｖ）モードと距離測定（Ｄ）モードのいずれが選択されているかが判定される。これらのモード間における切替は、Ｖ／Ｄモード切替スイッチ１８を操作することにより行われる。
【００３４】
Ｄモードが選択されているとき、ステップ１０２において垂直同期信号が出力されるとともに測距光制御が開始される。すなわち発光装置１４が駆動され、パルス状の測距光Ｓ３が断続的に出力される。次いでステップ１０３が実行され、ＣＣＤ２８による検知制御が開始される。すなわち図７を参照して説明した距離情報検出動作が開始され、電荷掃出信号Ｓ１と電荷転送信号Ｓ９が交互に出力されて、距離情報の信号電荷Ｓ１１が垂直転送部５２において積分される。
【００３５】
ステップ１０４では、距離情報検出動作の開始から１フィールド期間が終了したか否か、すなわち新たに垂直同期信号が出力されたか否かが判定される。１フィールド期間が終了するとステップ１０５へ進み、垂直転送部５２において積分された距離情報の信号電荷がＣＣＤ２８から出力される。この信号電荷はステップ１０６において画像メモリ３４に一時的に記憶される。
【００３６】
ステップ１０７では測距光制御がオフ状態に切換えられ、発光装置１４の発光動作が停止する。ステップ１０８では、距離データの演算処理が行なわれ、この距離情報検出動作のプログラムは終了する。
【００３７】
一方、ステップ１０１においてＶモードが選択されていると判断されると、ステップ１０９において測距光の制御がオフ状態に設定される。ステップ１１０では、ＣＣＤ２８による通常の撮影動作（ＣＣＤビデオ制御）がオン状態に定められるとともに被写体に関する画像情報の検出が行われ、距離情報検出動作のプログラムは終了する。
【００３８】
次にステップ１０８において実行される演算処理の内容を図７を参照して説明する。
【００３９】
反射率Ｒの被写体が照明され、この被写体が輝度Ｉの２次光源と見做されてＣＣＤに結像された場合を想定する。このとき、電荷蓄積時間ｔの間にフォトダイオードに発生した電荷が積分されて得られる出力Ｓｎは、
Ｓｎ＝ｋ・Ｒ・Ｉ・ｔ・・・（２）
で表される。ここでｋは比例定数で、撮影レンズのＦナンバーや倍率等によって変化する。
【００４０】
図７に示されるように電荷蓄積時間をＴ_U1、測距光Ｓ３のパルス幅をＴ_S、距離情報の信号電荷Ｓ１２のパルス幅をＴ_Dとし、１フィールド期間中のその電荷蓄積時間がＮ回繰り返されるとすると、得られる出力ＳＭ₁₀は、
ＳＭ₁₀＝Σｋ・Ｒ・Ｉ・Ｔ_D
＝ｋ・Ｎ・Ｒ・Ｉ・Ｔ_D ・・・（３）
となる。なお、パルス幅Ｔ_Dは
Ｔ_D＝δ・ｔ
＝２ｒ／Ｃ・・・（４）
と表せる。このとき被写体までの距離ｒは
ｒ＝Ｃ・ＳＭ₁₀／（２・ｋ・Ｎ・Ｒ・Ｉ）・・・（５）
で表せる。したがって比例定数ｋ、反射率Ｒ、輝度Ｉを予め求めておけば距離ｒが求められる。
【００４１】
次に図９〜図１４を参照して、第１の実施形態におけるＣＣＤ駆動回路３０について説明する。
【００４２】
図９は、従来の３次元画像検出装置において、電子シャッタ動作を利用して距離情報の検出を行うときの回路構成を示すブロック図である。なお、本図ではＣＣＤ駆動回路３０および発光素子制御回路４４の制御に関わるブロックのみが示されている。
【００４３】
パルス信号ＳＵＢ、パルス信号Ｖｔ、Ｖ１は、システムコントロール回路３５からＣＣＤ駆動回路３０へ出力される制御信号であり、ＣＣＤ駆動回路３０はこれらの信号に対応するパルス信号φＳＵＢ、φＶ１を出力してＣＣＤ２８の駆動を制御する。パルス信号φＳＵＢは電荷掃出し信号（図７の信号Ｓ１）に対応し、パルス信号φＶ１は図５の垂直転送電極５２ａに印加される電荷転送信号（図７のＳ９）およびに垂直転送信号に対応する。なお本図では、垂直転送電極５２ｂ〜５２ｄに印加される垂直転送信号φＶ２〜φＶ４については省略されている。
【００４４】
一方パルス信号Ｐｄ０（第４の制御パルス信号）は、システムコントロール回路３５から発光素子制御回路４４へ出力される制御信号である。図に示されるように従来の方法では、パルス信号Ｐｄ０はシステムコントロール回路から直接発光素子制御回路４４へ出力される。
【００４５】
図１０は、ＣＣＤ駆動回路３０の回路構成を部分的に示したものである。図には、電荷掃出し信号であるφＳＵＢ、電荷転送信号および垂直転送信号であるφＶ１の出力に関わる回路構成のみが示されている。すなわち、垂直転送電極５２ｂ〜５２ｄへ垂直転送信号φＶ2 、φＶ3 、φＶ4 を出力する回路は省略されている。
【００４６】
システムコントロール回路３５からＣＣＤ駆動回路３０には、基準電位０Ｖ、パルス高さ５Ｖのパルス信号ＳＵＢ、Ｖｔ、Ｖ１が入力される。パルス信号ＳＵＢ、Ｖｔ、Ｖ１は、それぞれ電圧を変換するための電圧変換回路（ＭＯＳドライバー回路）６０、６１、６２に入力される。
【００４７】
電圧変換回路６０にパルス信号ＳＵＢが入力されると、これに対応してローレベルが−９Ｖ、ハイレベルが１５Ｖのパルス信号（パルス高さ２４Ｖ_P-p）が出力される。このパルス信号はコンデンサＣを介し＋１０Ｖにバイアスされた電荷掃出し信号φＳＵＢとしてＣＣＤ２８へ送られる。すなわち、電荷掃出し信号φＳＵＢはローレベルが＋１０Ｖ、ハイレベルが＋３４Ｖのパルス信号（パルス高さ２４Ｖ_P-P）としてＣＣＤ２８へ出力される。
【００４８】
電圧変換回路６１にパルス信号Ｖｔが入力されると、これに対応して基準電位０Ｖ、パルス高さ１５Ｖのパルス信号が出力される。また、電圧変換回路６２にパルス信号Ｖ１が入力されると、これに対応してローレベルが−９Ｖ、ハイレベルが０Ｖのパルス信号が出力される。電圧変換回路６１、６２から出力されたこれらのパルス信号は加算器６４において合成され、電荷転送信号および垂直転送信号であるφＶ１としてＣＣＤ２８へ出力される。すなわち、φＶ１は−９Ｖ、０Ｖ、＋１５Ｖの３つの電位レベルをもつパルス信号であり、０Ｖと＋１５Ｖとの繰り返しパルスが電荷転送信号に対応し、０Ｖと−９Ｖの繰り返しパルスが垂直転送信号に対応する。
【００４９】
図１１は、発光素子制御回路４４の構成を示すブロック図である。発光素子制御回路４４には、電流スイッチング回路６４と電流バイアス回路６５とが備えられている。電流バイアス回路６５は、発光素子（ＬＤ）１４ａ（図２参照）が発光に至る閾値よりも僅かに低いバイアス電流を発光素子１４ａに供給する。システムコントロール回路３５から基準電位０Ｖ、パルス高さ５Ｖのパルス信号Ｐｄ０が電流スイッチング回路６４に入力されると、これに対応して発光素子制御回路４４からパルス信号φＰｄ（光源駆動パルス）が発光素子１４ａへ出力される。
【００５０】
図１２は図９に示された従来の回路構成において距離情報検出動作を行うときのタイミングチャートであり、ＣＣＤ駆動回路３０および発光素子制御回路４４へ入力されるパルス信号ＳＵＢ、Ｐｄ０、Ｖｔのタイミングと、ＣＣＤ駆動回路３０および発光素子制御回路４４から出力されるパルス信号φＳＵＢ、φＰｄ、φＶ１のタイミングが示されている。
【００５１】
ＣＣＤ駆動回路３０は発光素子制御回路４４に比べその駆動速度が遅く（扱えるパルス幅が大きい）、信号が入力されてから出力されるまでの時間である入出力伝搬遅延時間も長い。ＣＣＤ駆動回路３０の入出力伝搬遅延時間Ｔｄ１は数百ナノ秒（例えば１００ｎｓ）のオーダーであるのに対して、発光素子制御回路４４の入出力伝搬遅延時間Ｔｄ２は、数ナノ秒（例えば１ｎｓ）のオーダーである。入出力伝搬遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２は温度依存性をもつので、温度が変化すると入出力伝搬遅延時間も変動する。例えばＴｄ１は１００ｎｓ±５０ｎｓの間で変動し、Ｔｄ２は１ｎｓ±０．５ｎｓの間で変動する。したがって、回路内の温度が安定しない状態では入出力伝搬遅延時間も安定しない。ＣＣＤ駆動回路３０や発光素子制御回路４４は、電源が投入された直後や、入力される信号のパルス周波数が急激に変化したときなどに回路内の温度が大きく変動する。このため入出力伝搬遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２も変動して回路の駆動速度が安定しない。
【００５２】
ＣＣＤ駆動回路３０の入出力伝搬遅延時間Ｔｄ１と発光素子制御回路４４の入出力伝搬遅延時間Ｔｄ２とでは、そのオーダーが略２桁異なるため温度変化による入出力伝搬遅延時間の変動にも略２桁の違いが生ずる。例えば、温度変化によりＣＣＤ駆動回路３０と発光素子制御回路４４の入出力伝搬遅延時間に数パーセントの変動が生じると、ＣＣＤ駆動回路３０ではナノ秒のオーダーの変動が生じ、発光素子制御回路４４では１０ピコ秒のオーダーの変動が生じる。
【００５３】
入出力伝搬遅延時間Ｔｄ１の変動量をΔＴｄ１、入出力伝搬遅延時間Ｔｄ２の変動量をΔＴｄ２とすると、電荷掃出し信号であるφＶｔと電荷転送信号であるφＶ１の出力はΔＴｄ１変動し、発光パルスであるφＰｄの出力はΔＴｄ２変動する。したがって、測距光の発光のタイミング（φＰｄの出力のタイミング）とＣＣＤ２８における信号電荷の蓄積のタイミング（φＶＳＵＢとφＶ１との出力のタイミング）とは相対的に｜ΔＴｄ１−ΔＴｄ２｜変動することとなる。ここで、ΔＴｄ１とΔＴｄ２とでは２桁程オーダーが異なるので｜ΔＴｄ１−ΔＴｄ２｜は略｜ΔＴｄ１｜に等しい。
【００５４】
入出力伝搬遅延時間Ｔｄ１の変動量ΔＴｄ１は、回路内の温度により変動するので、発光と電荷蓄積の相対的なタイミング｜ΔＴｄ１｜は回路内の温度によって異なることとなる。前述したように、被写体までの距離は電荷掃出し信号と電荷転送信号に挟まれる電荷蓄積期間内にＣＣＤ２８において受光される被写体からの反射光の光量に基づいて算出されるので、発光と電荷蓄積の相対的なタイミング｜ΔＴｄ１｜が温度依存性をもつ回路では回路内の温度が安定するまで距離を正しく算出することができない。
【００５５】
図１３は第１の実施形態における３次元画像検出装置の回路構成を示すブロック図（図２）のうち発光素子制御回路４４の駆動に関わるブロックのみを示したものである。
【００５６】
システムコントロール回路３５から出力されたパルス信号ＳＵＢ、パルス信号Ｖｔ、Ｖ１およびパルス信号Ｐｄ０は、全てＣＣＤ駆動回路３０へ入力され、ＣＣＤ駆動回路３０はこれらの信号に対応するパルス信号φＳＵＢ、φＶ１（撮像素子駆動パルス信号）、及びＰｄ１（第１の制御パルス信号）を出力する。パルス信号φＳＵＢ、φＶ１はＣＣＤ２８へ出力され、パルス信号Ｐｄ１は波形整形回路２２へ出力される。パルス信号Ｐｄ１はＣＣＤ駆動回路３０の信号レベルであり、ローレベルが０Ｖ、ハイレベルが＋１５Ｖのパルス信号である。波形整形回路２２では、抵抗Ｒ１、Ｒ２からなる分圧器により、パルス信号Ｐｄ１をＣＭＯＳドライバ回路６９の動作レベルであるパルス信号Ｐｄ２（ローレベル０Ｖ、ハイレベル＋５Ｖ）に変換する。ＣＭＯＳドライバ回路６９からは、整形されたパルス信号Ｐｄ３（第２の制御パルス信号）がローレベル０Ｖ、ハイレベル＋５ＶとしてＬＤパルス発生回路２３へ出力される。ＬＤパルス発生回路２３では、後述する方法によりパルス信号Ｐｄ３に基づいて発光素子制御回路４４を制御するためのパルス信号Ｐｄ４（第３の制御パルス信号）が生成出力される。発光素子制御回路４４は、図１１を参照して説明したようにパルス信号Ｐｄ４（図１１ではＰｄ）に対応するパルス信号φＰｄを発光素子（ＬＤ）１４ａに出力する。なお本図では、図９と同様に垂直転送電極５２ｂ〜５２ｄに印加される垂直転送信号φＶ₂〜φＶ₄については省略されている。
【００５７】
図１４は、ＣＣＤ駆動回路３０の回路構成を部分的に示したものである。図１４を参照してシステムコントロール回路３５から出力されるパルス信号Ｐｄ０に対応してＣＣＤ駆動回路３０がパルス信号Ｐｄ１を出力する方法について説明する。なお、図１４には、図１０と同様に垂直転送信号φＶ2 、φＶ3 、φＶ4 に関わる回路は省略されている。また、電圧変換回路６０〜６２に関わる内容は図１０を参照して既に説明したので、ここではパルス信号Ｐｄ０およびＰｄ１に関わる回路についてのみ説明する。
【００５８】
ＣＣＤ駆動回路３０内には多数の電圧変換回路や加算器が設けられている。通常ＣＣＤ２８の駆動には、これら多数設けられた電圧変換回路や加算器のうちの一部の回路のみが使用される。したがって、ＣＣＤ駆動回路３０内には、使われていない電圧変換回路や加算器が存在する。図１４に示された電圧変換回路６６、６７及び加算器６８は、このようにＣＣＤ２８の駆動には使用されていない電圧変換回路および加算器を示している。
【００５９】
電圧変換回路６６は、ローレベルが０Ｖ、ハイレベルが＋５Ｖのパルス信号が入力されると、ローレベルが０Ｖ、ハイレベルが＋１５Ｖのパルス信号を出力する。また、電圧変換回路６７は、ローレベルが０Ｖ、ハイレベルが＋５Ｖのパルス信号が入力されると、ローレベルが−９Ｖ、ハイレベルが０Ｖのパルス信号を出力する。しかし、電圧変換回路６７には、常に＋５Ｖの電圧が入力信号として印加されているので、電圧変換回路６７からは常に０Ｖの信号電圧が出力される。したがって、電圧変換回路６６、６７から出力された信号を加算器６８により合成したパルス信号Ｐｄ１は、パルス信号Ｐｄ０に対応してローレベルが０Ｖ、ハイレベルが＋１５Ｖのパルス信号として出力される。
【００６０】
次に図１５および図１６を参照してＬＤパルス発生回路２３について説明する。
【００６１】
前述したようにＬＤパルス発生回路２３には、ローレベルが０Ｖ、ハイレベルが＋５Ｖのパルス信号Ｐｄ３が入力される。パルス信号Ｐｄ３は、ＣＣＤ駆動回路３０から出力されるパルス信号Ｐｄ１を整形したものなので、そのパルス幅は発光素子１４ａを制御するためのパルス信号に比べ大きい。したがって、ＬＤパルス発生回路２３では、パルス信号Ｐｄ３に基づいて発光素子（ＬＤ）１４ａの制御のためのパルス幅が小さいパルス信号Ｐｄ４が生成される。すなわちＬＤパルス発生回路２３に入力されたパルス信号Ｐｄ３は、ディレイ回路５５及びＮＯＲ回路５７に入力される。ディレイ回路５５では、パルス信号Ｐｄ３がＴｄ４だけ遅延されてパルス信号Ｐｄ３’として出力される。パルス信号Ｐｄ３’は反転回路５６において反転され、パルス信号Ｐｄ３”としてＮＯＲ回路５７へ出力される。ＮＯＲ回路５７では、パルス信号Ｐｄ３とパルス信号Ｐｄ３”との否定和がとられ、パルス幅がＴｄ４のパルス信号Ｐｄ４として出力される。なお、遅延時間Ｔｄ４は例えば２０ナノ秒である。
【００６２】
ＬＤパルス発生回路２３において生成されたパルス信号Ｐｄ４は、発光素子制御回路４４へ出力され、発光素子制御回路からは、前述したようにパルス信号Ｐｄ４に対応してパルス信号φＰｄが発光素子（ＬＤ）１４ａへ出力される。
【００６３】
図１７は、第１の実施形態において距離情報検出動作を行うときのタイミングチャートである。図１７にはシステムコントロール回路３５から出力されるパルス信号ＳＵＢ、Ｖｔ、Ｐｄ０と、ＣＣＤ駆動回路３０から出力されるパルス信号φＳＵＢ、φＶ１、Ｐｄ１と、発光素子制御回路４４から出力されるパルス信号φＰｄの出力のタイミングが示されている。
【００６４】
電荷掃出し信号φＳＵＢおよび電荷転送信号φＶ１に関しては図１２のタイミングチャートと同様であり、その入出力伝搬遅延時間はともにＴｄ１である。パルス信号Ｐｄ１は、ＣＣＤ駆動回路３０においてＣＣＤ２８の駆動に用いられていない電圧変換回路６６、６７及び加算器６８を用いて生成されているので、パルス信号Ｐｄ０が入力されてからパルス信号Ｐｄ１が出力されるまでの入出力伝搬遅延時間もＴｄ１である。また、入出力伝搬遅延時間の温度による変動量も電荷掃出し信号φＳＵＢおよび電荷転送信号φＶ１のそれと同じである。
【００６５】
ＣＣＤ駆動回路３０からパルス信号Ｐｄ１が出力されてから、発光素子制御回路４４からパルス信号φＰｄが出力されるまでの時間、すなわち波形整形回路２２、ＬＤパルス発生回路２３、発光素子制御回路４４において費やされる時間をＴｄ３とするとき、パルス信号Ｐｄ０が出力されてから発光素子制御回路４４からパルス信号φＰｄが出力されるまでの時間Ｔｄ１’は、Ｔｄ１＋Ｔｄ３で表わされる。しかし、Ｔｄ３は、数ナノ秒（例えば２ｎｓ±１ｎｓ）のオーダーであり、Ｔｄ３はＴｄ１に比べ２桁ほどオーダーが小さい。したがってＴｄ１＋Ｔｄ３においてＴｄ３は無視することができ、Ｔｄ１’はＴｄ１とみなせる。
【００６６】
温度変動によるＴｄ１’の変動量ΔＴｄ１’もＴｄ３の変動量ΔＴｄ３のオーダーがΔＴｄ１に比べ２桁ほど小さいことから、ΔＴｄ１とみなすことができる。すなわち、ＣＣＤ駆動回路内の温度が変化するとき、測距光の発光のタイミング（φＰｄの出力のタイミング）とＣＣＤ２８における信号電荷の蓄積のタイミング（φＳＵＢとφＶ１の出力のタイミング）とは、ともにΔＴｄ１変動することとなり、測距光の発光及び信号電荷の蓄積の相対的なタイミングは、ＣＣＤ駆動回路３０内の温度が変化しても略一定である。したがって、被写体までの距離を回路内の温度に影響されることなく常に正確に検出することができる。
【００６７】
以上のように、第１の実施形態によれば、ＣＣＤの駆動に使用されていないＣＣＤ駆動回路内の回路を光源の発光動作を制御するためのパルス信号の出力に利用することにより、ＣＣＤ駆動回路内の温度に影響されることなく常に正確に被写体までの距離を検出できる。
【００６８】
次に図１８、図１９を参照して本発明の第２の実施形態のカメラ型の３次元画像検出装置について説明する。第２の実施形態の３次元画像検出装置の構成は、第１の実施形態の３次元画像検出装置の構成と略同じである。しかし、第２の実施形態では、第１の実施形態とは異なり、駆動速度の速いＣＣＤ駆動回路が用いられている。したがって、第１の実施形態のようにＬＤパルス発生回路２３を備える必要がなく、発光素子制御回路へ出力されるパルス信号の処理過程が第１の実施形態とは異なる。なお、その他の構成は第１の実施形態と同じなので、第１の実施形態と重複する説明は省略し、第１の実施形態と構成が異なる部分についてのみ説明を行う。
【００６９】
図１８は、第２の実施形態における３次元画像検出装置の回路構成を示すブロック図である。ＣＣＤ駆動回路３０’と、発光素子制御回路４４との間には、波形整形回路２２のみが設けられており、第１の実施形態のようにＬＤパルス発生回路２３は設けられていない。
【００７０】
図１９は図１８に示されたブロック図のうち発光素子制御回路４４の駆動に関わるブロックのみを示したものである。
【００７１】
システムコントロール回路３５から出力されたパルス信号ＳＵＢ、パルス信号Ｖｔ、Ｖ１およびパルス信号Ｐｄ０は、全てＣＣＤ駆動回路３０’へ入力され、ＣＣＤ駆動回路３０’はこれらの信号に対応するパルス信号φＳＵＢ、φＶ１、Ｐｄ１を出力する。パルス信号φＳＵＢ、φＶ１はＣＣＤ２８へ出力され、パルス信号Ｐｄ１は波形整形回路２２へ出力される。パルス信号Ｐｄ１は図１９を参照して説明したように波形整形回路により、その信号レベルとパルス波形が整形されパルス信号Ｐｄ３（ローレベル０Ｖ、ハイレベル＋５Ｖ）として発光素子制御回路４４へ出力される。発光素子制御回路４４は、図１１を参照して説明したように、入力されるパルス信号Ｐｄ３（図１１ではＰｄ０）に基づいてパルス信号φＰｄを発光素子（ＬＤ）１４ａに出力する。なお本図では、図９や図１３と同様に垂直転送電極５２ｂ〜５２ｄに印加される垂直転送信号φＶ₂〜φＶ₄については省略されている。
【００７２】
第２の実施形態で使用されるＣＣＤ駆動回路３０’の入出力伝搬遅延時間は第１の実施形態で使用されるＣＣＤ駆動回路３０と略同じであるが、前述したようにＣＣＤ駆動回路３０’は、ＣＣＤ駆動回路３０に比べ駆動速度が速い。すなわち、ＣＣＤ駆動回路３０’は、発光素子（ＬＤ）１４ａを制御するためのパルス信号φＰｄと同じパルス幅をもつパルス信号を処理することができる。したがって、ＣＣＤ駆動回路３０’には、パルス信号φＰｄと同じパルス幅をもつパルス信号Ｐｄ０が入力され、ＣＣＤ駆動回路３０’から出力されるパルス信号Ｐｄ１や波形整形回路２２から出力されるパルス信号Ｐｄ３のパルス幅もパルス信号φＰｄと同じである。これにより、第２の実施形態では、ＬＤパルス発生回路２３を設ける必要がない。
【００７３】
第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様にその距離情報検出動作のタイミングチャートは図１７で示される。なお、第２の実施形態において、図１７のＴｄ３は、波形整形回路２２および発光素子制御回路４４において費やされる時間に相当する。
【００７４】
以上のように、第２の実施形態でも第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
なお、本実施形態の説明では、ＣＣＤ駆動回路や発光素子制御回路へ入力される信号パルスとして正転パルスを用いて説明を行ったが、これらの回路へ入力される信号は反転パルスであってもよい。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電子シャッタ動作を利用して３次元画像検出を行う３次元画像検出装置であって、回路内の温度に影響されることなく正確に被写体までの距離を検出できる３次元画像検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態で用いられるカメラ型の３次元画像検出装置の斜視図である。
【図２】図１に示す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】ＣＣＤに設けられるフォトダイオードと垂直転送部の配置を示す図である。
【図６】ＣＣＤを基板に垂直な平面で切断して示す断面図である。
【図７】距離情報検出動作のタイミングチャートである。
【図８】距離情報検出動作のプログラムのフローチャートである。
【図９】従来のＣＣＤ駆動回路を用いて電子シャッタによる距離情報の検出を行うときの回路構成を示す図である。
【図１０】ＣＣＤ駆動回路の構成を示すブロック図である。
【図１１】発光素子制御回路の構成を示すブロック図である。
【図１２】従来の方法により距離情報検出動作を行った場合の入出力伝搬遅延時間を考慮したタイミングチャートである。
【図１３】第１の実施形態において距離情報検出動作を行うときの回路構成を示すブロック図である。
【図１４】ＣＣＤ駆動回路の一部の回路を用いてパルス信号Ｐｄ０からパルス信号Ｐｄ１を生成するときの構成を示すブロック図である。
【図１５】ＬＤパルス発生回路の回路構成を示すブロック図である。
【図１６】ＬＤパルス発生回路においてパルス信号Ｐｄ４を生成するときのタイミングチャートである。
【図１７】第１の実施形態において距離情報検出動作を行うときの入出力伝播遅延時間を考慮したタイミングチャートである。
【図１８】第２の実施形態における３次元画像検出装置の回路構成を示すブロック図である。
【図１９】第２の実施形態において距離情報検出動作を行うときの回路構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１４発光装置
２８ＣＣＤ
２２波形整形回路
３０、３０’ＣＣＤ駆動回路
４４発光素子制御回路

Claims

被写体に測距光を照射するための光源と、
第１の制御パルス信号に基づいて、光源駆動パルス信号を出力し、前記光源の発光動作を制御する発光動作制御手段と、
撮像素子駆動パルス信号に基づいて動作し、前記被写体からの反射光を受光して、その受光量に応じた信号電荷を蓄積可能な撮像素子と、
前記光源の発光動作と前記撮像素子における電子シャッタ動作を連動させる制御手段と、
前記制御手段に基づいて、前記第１の制御パルス信号と撮像素子駆動パルス信号を出力する撮像素子駆動回路と
を備えたことを特徴とする３次元画像検出装置。
前記発光動作制御手段が、前記第１の制御パルス信号の波形を整形した第２の制御パルス信号を出力する波形整形回路と、前記第２の制御パルス信号に基づいて前記光源の発光動作を制御する光源駆動回路と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の３次元画像検出装置。
前記発光動作制御手段が、前記第２の制御パルス信号に基づいて、パルス幅が前記光源駆動パルス信号のパルス幅に調整された第３の制御パルス信号を生成する光源制御パルス発生回路を備え、前記光源駆動回路が前記第３の制御パルス信号に基づいて制御されることを特徴とする請求項２に記載の３次元画像検出装置。
前記光源制御パルス発生回路が、前記第２の制御パルス信号の位相を所定時間遅延する遅延回路と、前記遅延回路によりその位相が遅延されたパルス信号を反転する反転回路と、前記第２の制御パルス信号と前記反転回路により反転されたパルス信号との否定和をとるＮＯＲ回路とを備えることを特徴とする請求項３に記載の３次元画像検出装置。
前記波形整形回路が、前記第１の制御パルス信号の信号レベルを調整するための分圧回路を備えることを特徴とする請求項２に記載の３次元画像検出装置。
前記光源駆動パルス信号とパルス幅が等しく前記制御手段より出力される第４の制御パルス信号に基づいて、前記第１の制御パルス信号が出力されることを特徴とする請求項１に記載の３次元画像検出装置。