(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
前記サンプリング部は、前記強度変調光の前記複数の位相について前記信号電流をそれぞれ複数回サンプリングし、
前記蓄積部は、前記複数回分の前記信号電荷を前記位相毎に蓄積し、
前記読み出し手段は、前記複数回分の信号電荷を前記位相毎に読み出す構成であることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
【請求項３】
前記サンプリング部は、前記強度変調光の最大振幅に対応する位相が前記複数の位相に含まれるように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光センサ。
【請求項４】
前記サンプリング部は、前記光電変換部の出力側に接続され、所定の周期の蓄積パルスで駆動される電荷蓄積用フォトゲートを備え、
前記蓄積部は、前記電荷蓄積用フォトゲートに隣接され、前記光電変換部から前記電荷蓄積用フォトゲートを介して流入する前記信号電流に対応する前記信号電荷を蓄積し、
前記排出部は、ドレインに接続され、前記蓄積パルスと逆相の排出パルスで駆動される電荷排出用フォトゲートを備えた構成であることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
【請求項５】
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、
前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。
【請求項６】
前記サンプリング部は、前記強度変調光の前記複数の位相について前記信号電流をそれぞれ複数回サンプリングし、
前記蓄積部は、前記複数回分の前記信号電荷を前記位相毎に蓄積し、
前記読み出し手段は、前記複数回分の信号電荷を前記位相毎に読み出すことを特徴とする請求項５に記載の三次元形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【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ΦCH、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ΦTG、垂直ＣＣＤ印可パルスΦV1、ΦV2、ΦV3および水平ＣＣＤ印可パルスΦH1、ΦH2、ΦH3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ΦCH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ΦTG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ΦV1、ΦV2、ΦV3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ΦH1、ΦH2、ΦH3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（ΦCH）、トランスファーゲート９５（ΦTG）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、ΦCH、ΦTG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（ΦCH）、トランスファーゲート９５（ΦTG）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、ΦCH、ΦTG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（ΦCH）、トランスファーゲート９５（ΦTG）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、ΦCH、ΦTG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ΦV1、ΦV2、ΦV3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（Ｃn・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（αk），Ｓdk（βk ），…，Ｓcn（αn ），Ｓdn（βn ），…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 ，…，αk ，…，αn とし、その逆相である排出パルス信号Ｓd1〜Ｓdnの位相をβ1，β2 ，…，βk ，…，βn 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Ｉoは、次の式（１）のように表される。
Ｉo ＝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。
Ａn ＝Ｃn・ａＥ｛ｓｉｎ（ωｔ＋φn ）＋１｝          ・・・（２）
ここで、φn 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、
φn ＝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。
Ｂn ＝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。
0003915366.tif 000002
ただし、
ｔａｎθ＝Ｃn ・ａＥｓｉｎφn ／（Ｃn ・ａＥｃｏｓφn ＋ｂＥ）
式（４）は、ＤＣ成分（Ｃna＋ｂ）Ｅ、および高周波成分
√｛（Ｃn ・ａＥ）2 ＋（ｂＥ）2 ＋２Ｃn ・ａｂＥ2 ｃｏｓφn｝
・ｓｉｎ（ωｔ＋θ）
の和となる。Ｐn のピーク値をＰp とするとＰp は、
Ｐp ＝Ｃn ・ａＥ＋ｂＥ
＋√｛（Ｃn ・ａＥ）2 ＋（ｂＥ）2 ＋２Ｃn ・ａｂＥ2ｃｏｓφn ｝・・・（５）
と表される。
【００４２】
よって合成光のピーク値Ｐp と物体光４ｂの振幅Ｃn ・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φnを算出することができる。Ｃn ・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。Ｐp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Ｐpとすると、式（５）は、
Ｐp ＝Ａ＋Ｂ＋√（Ａ2 ＋Ｂ2 ＋２ＡＢｃｏｓφn ）      ・・・（６）
と表されるため、Ｐp ，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φn を算出し、
φn ＝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。
Ｐp −（Ｃn ・ａＥ＋ｂＥ）
＝√｛（Ｃn ・ａＥ）2 ＋（ｂＥ）2 ＋２Ｃn ・ａｂＥ2ｃｏｓφn ｝・・・（７）
左辺のＰp −（Ｃn ・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Ｐp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φn 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φn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Ｃn ・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
９６０  ＣＣＤレジスタ
９７  水平ＣＣＤ
９８  フォトキャリア
【図１】
0003915366.tif 000003
【図２】
0003915366.tif 000004
【図３】
0003915366.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003915366.tif 000009
【図８】
0003915366.tif 000010
【図９】
0003915366.tif 000011
【図１０】
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