(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物体に測距光を照射する光源と、
前記被計測物体からの反射光を受け、受光量に応じた電荷が蓄積する複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣接して設けられた信号電荷保持部と、
前記光電変換素子に蓄積した不要電荷を前記光電変換素子から掃出すことにより、前記光電変換素子における信号電荷の蓄積動作を開始させる蓄積電荷掃出手段と、
前記光電変換素子に蓄積した信号電荷を前記信号電荷保持部に転送する信号電荷転送手段と、
前記蓄積電荷掃出手段による不要電荷の掃出し動作の終了後に前記光電変換素子が反射光を受光し、前記信号電荷転送手段の転送動作を制御することによって、前記信号電荷保持部において前記信号電荷を積分し、前記被計測物体までの距離に対応した第１の距離情報を検出する距離情報検出手段と、
前記蓄積電荷掃出手段による不要電荷の掃出し動作の終了までに前記光電変換素子が反射光を受光し、前記信号電荷転送手段の転送動作を制御することによって、前記信号電荷保持部において前記信号電荷を積分し、前記転送動作中に前記光電変換素子において発生する誤差情報を検出する誤差情報検出手段と、
前記第１の距離情報から前記誤差情報を減算することによって、前記被計測物体までの距離を示す第２の距離情報を求める距離情報演算手段と
を備えたことを特徴とする３次元画像入力装置。
【請求項２】
前記距離情報検出手段が、前記反射光が消滅するまでに前記信号電荷転送手段の転送動作が終了するように制御することによって、前記信号電荷保持部において前記信号電荷を積分し、かつ前記誤差情報検出手段が、前記反射光が消滅するまでに前記信号電荷転送手段の転送動作が終了するように制御することによって、前記信号電荷保持部において前記信号電荷を積分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。
【請求項３】
前記光電変換素子が基板に沿って形成され、前記蓄積電荷掃出手段が不要電荷を前記基板側に掃出す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。
【請求項４】
前記信号電荷保持部が前記信号電荷を３次元画像入力装置の外部に出力するための垂直転送部であ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。
【請求項５】
前記光電変換素子と信号電荷保持部が、縦型オーバフロードレイン構造のインターライン型ＣＣＤとして構成され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。
【請求項６】
前記誤差情報検出手段が、前記蓄積電荷掃出手段の掃出し動作の終了と略同時に、前記信号電荷転送手段の転送動作が開始するように制御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。
【請求項７】
前記蓄積電荷掃出手段によって出力され、前記不要電荷を掃出すための電荷掃出し信号と、前記信号電荷転送手段によって出力され、前記信号電荷を転送するための電荷転送信号とがそれぞれパルス信号であ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。
【請求項８】
前記距離情報検出手段によって検出された前記第１の距離情報をＳ１０、前記光源を消灯させた状態で前記距離情報検出手段によって、前記第１の距離情報と同じ処理によって検出された距離補正情報をＳ１１、前記蓄積電荷掃出手段の掃出し動作の終了から前記信号電荷転送手段の転送動作の終了までの間に、前記反射光の全てを受光することによって検出された、前記被計測物体の反射率に依存する反射率情報をＳ２０、前記光源を消灯させた状態で、前記反射率情報と同じ処理によって検出された反射率補正情報をＳ２１、前記誤差情報検出手段によって検出された前記誤差情報をＳ３０、前記光源を消灯させた状態で検出された誤差補正情報をＳ３１としたとき、第３の距離情報ＳＤが以下の式によって得られ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。
【数１】
0004157223.tif 000004
【発明の詳細な説明】
【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計測物体の３次元形状等を検出する３次元画像入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来３次元画像入力装置による３次元計測は、光、電波あるいは音を被計測物体に照射する能動方式と、光等を照射しない受動方式とに分類される。能動方式には、光伝播時間測定法、変調した光波を用いる位相差測定法、三角測量法、モアレ法、干渉法等が知られており、受動方式には、ステレオ視法、レンズの焦点法等が知られている。
【０００３】
能動方式は受動方式に比べ、レーザ光等を照射するための機構が必要なために装置の規模が大きくなるが、距離分解能、計測時間、計測空間範囲等の点において優れており、産業応用分野において広く用いられてきている。「Measurement Science and Technology」（S. Christie 他、vol.6, p1301-1308, 1995 年）に記載された３次元画像入力装置では、パルス変調されたレーザ光が被計測物体に照射され、その反射光がイメージインテンシファイアが取付けられた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。イメージインテンシファイアはレーザ光のパルス発光に同期したゲートパルスによってシャッタ制御される。この構成によれば、遠い被計測物体からの反射光による受光量は近い被計測物体からの反射光による受光量に比べて小さいので、被計測物体の距離に応じた出力がＣＣＤの各画素毎に得られる。
【０００４】
一方、国際公開97/01111号公報に開示された装置では、パルス変調されたレーザ光等の光が被計測物体に照射され、その反射光がメカニカル又は液晶素子等から成る電気光学的シャッタと組み合わされた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。そのシャッタは、測距光のパルスとは異なるタイミングで制御され、距離情報がＣＣＤの各画素毎に得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の能動方式の装置では、ＣＣＤセンサにおける電荷蓄積動作を制御するためにＫＤＰ素子等の光シャッタが設けられている。ところが光シャッタの規模が大きいだけでなく、光シャッタを駆動するために高電圧を供給する電気回路が必要であるので、従来装置は大型化せざるを得ないという問題があった。一方、米国特許第 5,081,530号明細書には、ＣＣＤセンサの電荷蓄積動作を制御するために電子シャッタを用いる構成が開示されているが、従来の１回の電子シャッタにより得られるＣＣＤセンサの出力は、被計測物体の距離情報を検出するために十分な大きさを有していない。
【０００６】
本発明は、光シャッタを必要とせず小型で安価であり、しかも十分に大きい出力を得ることのできる３次元画像入力装置を得ることを目的としている。
【０００７】
【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、被計測物体に測距光を照射する光源と、被計測物体からの反射光を受け、受光量に応じた電荷が蓄積する複数の光電変換素子と、光電変換素子に隣接して設けられた信号電荷保持部と、光電変換素子に蓄積した不要電荷を光電変換素子から掃出すことにより、光電変換素子における信号電荷の蓄積動作を開始させる蓄積電荷掃出手段と、光電変換素子に蓄積した信号電荷を信号電荷保持部に転送する信号電荷転送手段と、蓄積電荷掃出手段による不要電荷の掃出し動作の終了後に光電変換素子が反射光を受光し、信号電荷転送手段の転送動作を制御することによって、信号電荷保持部において信号電荷を積分し、被計測物体までの距離に対応した第１の距離情報を検出する距離情報検出手段と、蓄積電荷掃出手段による不要電荷の掃出し動作の終了までに光電変換素子が反射光を受光し、信号電荷転送手段の転送動作を制御することによって、信号電荷保持部において信号電荷を積分し、転送動作中に光電変換素子において発生する誤差情報を検出する誤差情報検出手段と、第１の距離情報から誤差情報を減算することによって、被計測物体までの距離を示す第２の距離情報を求める距離情報演算手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
好ましくは、距離情報検出手段は、反射光が消滅するまでに信号電荷転送手段の転送動作が終了するように制御することによって、信号電荷保持部において信号電荷を積分し、かつ誤差情報検出手段は、反射光が消滅するまでに信号電荷転送手段の転送動作が終了するように制御することによって、信号電荷保持部において信号電荷を積分する。
【０００９】
光電変換素子が基板に沿って形成された構成において、蓄積電荷掃出手段は不要電荷を基板側に掃出す。信号電荷保持部は、好ましくは信号電荷を３次元画像入力装置の外部に出力するための垂直転送部であり、また光電変換素子と信号電荷保持部は、好ましくは縦型オーバフロードレイン構造のインターライン型ＣＣＤである。
【００１０】
誤差情報検出手段は、蓄積電荷掃出手段の掃出し動作の終了と略同時に、信号電荷転送手段の転送動作が開始するように制御するように構成されていてもよい。
蓄積動作開始手段によって出力され、不要電荷を掃出すための電荷掃出し信号と、信号電荷転送手段によって出力され、信号電荷を転送するための電荷転送信号とは、それぞれ例えばパルス信号である。
【００１１】
距離情報検出手段によって検出された第１の距離情報をＳ１０、光源を消灯させた状態で距離情報検出手段によって、第１の距離情報と同じ処理によって検出された距離補正情報をＳ１１、蓄積電荷掃出手段の掃出し動作の終了から信号電荷転送手段の転送動作の終了までの間に、反射光の全てを受光することによって検出された、被計測物体の反射率に依存する反射率情報をＳ２０、光源を消灯させた状態で、反射率情報と同じ処理によって検出された反射率補正情報をＳ２１、誤差情報検出手段によって検出された誤差情報をＳ３０、光源を消灯させた状態で検出された誤差補正情報をＳ３１としたとき、第３の距離情報ＳＤが以下の式によって得られることが好ましい。
【数１】
0004157223.tif 000002
【００１２】
【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は本発明の一実施形態である３次元画像入力装置を備えたカメラの斜視図である。
【００１３】
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と液晶表示パネル１６が設けられ、また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とインターフェースコネクタ２１が設けられている。
【００１４】
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。
【００１５】
撮影レンズ１１の光軸上には撮像素子（ＣＣＤ）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ＣＣＤ駆動回路３０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、ＣＣＤ駆動回路３０、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
システムコントロール回路３５には、発光素子制御回路４４が接続されている。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の発光動作は発光素子制御回路４４によって制御される。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を介して被計測物体の全体に照射される。被計測物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、後述するように被計測物体の３次元画像が計測される。なお、この計測において、ＣＣＤ２８における転送動作のタイミング等の制御はシステムコントロール回路３５とＣＣＤ駆動回路３０によって行なわれる。
【００１９】
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。
【００２０】
図３および図４を参照して、本実施形態における距離測定の原理を説明する。なお図４において横軸は時間ｔである。
【００２１】
距離測定装置Ｂから出力された測距光は被計測物体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、したがって被計測物体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と被計測物体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。
【００２２】
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。
【００２３】
本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（光電変換素子）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から被計測物体Ｓの表面の各点までの距離をそれぞれ検出し、被計測物体Ｓの表面形状に関する３次元画像のデータを一括して入力している。
【００２４】
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。
【００２５】
フォトダイオード５１と垂直転送部（信号電荷保持部）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。したがって垂直転送部５２では、４つのポテンシャルの井戸が形成可能であり、従来公知のように、これらの井戸の深さを制御することによって、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。
【００２６】
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（被計測物体からの反射光）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。すなわち電荷掃出し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、電子シャッタ動作が実現される。
【００２７】
図７〜図９は、被計測物体の表面形状に関する３次元画像のデータを検出する動作を示すフローチャートである。図１０〜図１５は、その検出動作のタイミングチャートである。図１、図２、図５〜図１５を参照して、本実施形態の作用を説明する。
【００２８】
ステップ１０１においてレリーズスイッチ１５が全押しされていることが確認されるとステップ１０２が実行され、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って行なわれる。
【００２９】
Ｄモードが選択されているとき、ステップ１０３以降が実行され、ステップ１０３〜１０７において、図１０に示される距離情報検出動作が実行される。
【００３０】
ステップ１０３では測距光制御が開始され、その後、測距光Ａ０４が周期的に出力される。ステップ１０４では垂直同期信号（図示せず）が出力され、その後、電荷掃出し信号（パルス信号）Ａ０１と電荷転送信号（パルス信号）Ａ０２がそれぞれ周期的に出力される。
【００３１】
電荷掃出し信号Ａ０１によってフォトダイオード５１に蓄積していた不要電荷Ａ００が基板５３の方向に掃出され、フォトダイオード５１の電荷蓄積量Ａ０３はゼロになる。電荷掃出し信号Ａ０１の出力の終了と同時に発光装置１４が起動され、一定のパルス幅を有するパルス状の測距光Ａ０４が出力される。測距光Ａ０４は被計測物体において反射してＣＣＤ２８に入射し、ＣＣＤ２８によって被計測物体からの反射光Ａ０５が受光される。測距光Ａ０４の出力開始から一定時間が経過したとき、電荷転送信号Ａ０２が出力される。電荷転送信号Ａ０２の出力は、反射光Ａ０５が消滅するまでに終了する。
【００３２】
フォトダイオード５１では、反射光Ａ０５と外光等の外乱によって電荷が蓄積され（符号Ａ０６）、電荷転送信号Ａ０２に従って、その蓄積電荷が垂直転送部５２に転送される。垂直転送部５２に転送される電荷量Ａ０７は、電荷掃出し信号Ａ０１による不要電荷の掃出し動作の終了から電荷転送信号Ａ０２による転送動作の終了までの期間ＴU1に、フォトダイオード５１に蓄積した電荷の量であり、被計測物体までの距離に対応する電荷（符号Ａ０８）と外乱に基づく電荷（Ａ０９）とを含んでいる。
【００３３】
電荷転送信号Ａ０２の出力終了から一定時間が経過した後、再び電荷掃出し信号Ａ０１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ＴU1が経過したとき、信号電荷は垂直転送部５２へ転送される。
【００３４】
このような信号電荷Ａ０７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Ａ０７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Ａ０７は、その期間被計測物体が静止していると見做せれば、被計測物体までの距離情報に対応している。
【００３５】
ステップ１０５では、ステップ１０４における垂直同期信号の出力から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１０６へ進み、距離情報の信号電荷Ａ０７がＣＣＤ２８から出力される。この信号電荷Ａ０７はステップ１０７において画像メモリ３４に一時的に記憶される。ステップ１０８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。
【００３６】
以上説明した信号電荷Ａ０７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フィールドの期間の検出動作の結果、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に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、被計測物体の３次元画像データとして、３次元画像入力装置の外部に取り出される。
【００３７】
ステップ１０９〜１１２では、図１１に示される距離補正情報の検出動作が行なわれる。ステップ１０９では、垂直同期信号（図示せず）が出力されるとともにＣＣＤ２８による検知制御が開始される。すなわち発光装置１４の発光動作が行なわれることなく、光源が消灯された状態で、電荷掃出し信号Ａ１１と電荷転送信号Ａ１２が交互に出力される。
【００３８】
電荷蓄積期間ＴU1は図１０に示す距離情報検出動作と同じであるが、被計測物体に測距光が照射されないため（符号Ａ１４）、反射光は存在しない（符号Ａ１５）。したがってフォトダイオード５１では、電荷掃出し信号Ａ１１によって蓄積電荷量がゼロになった後（符号Ａ１３）、距離情報の信号電荷は発生しないが、外光等の外乱成分が入射するため、この外乱成分に対応した電荷が蓄積される（符号Ａ１６）。この蓄積電荷は電荷転送信号Ａ１２により、信号電荷Ａ１７として垂直転送部５２に転送される。すなわち信号電荷Ａ１７は、外乱成分が距離情報に及ぼす影響を補正するための、電荷蓄積期間ＴU1に対する距離補正情報に対応している。
【００３９】
ステップ１１０では、距離補正情報の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１１１において、距離補正情報の信号電荷Ａ１７がＣＣＤ２８から出力される。距離補正情報の信号電荷Ａ１７はステップ１１２において画像メモリ３４に一時的に記憶される。
【００４０】
ステップ１１３〜１１７では、図１２に示される反射率情報の検出動作が行なわれる。ステップ１１３では、垂直同期信号（図示せず）が出力されるとともに測距光制御が開始され、パルス状の測距光Ａ２４が断続的に出力される。ステップ１１４では、ＣＣＤ２８による検知制御が開始され、電荷掃出し信号Ａ２１と電荷転送信号Ａ２２が交互に出力される。この反射率情報の検出動作は、電荷掃出し信号Ａ２１の出力終了から電荷転送信号Ａ２２の出力終了までの電荷蓄積期間ＴU2内に、反射光Ａ２５の全てが受光されるように制御される。すなわちフォトダイオード５１に蓄積した電荷Ａ２６の全てが垂直転送部５２に転送され、転送された信号電荷Ａ２７のパルス幅ＴS は測距光Ａ２４のパルス幅ＴS と同じである。
【００４１】
したがって信号電荷Ａ２７は、被計測物体までの距離とは関係せず、被計測物体の表面の反射率に依存する反射率情報に対応している。
【００４２】
ステップ１１５では、反射率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１１６へ進み、反射率情報の信号電荷Ａ２７がＣＣＤ２８から出力される。この信号電荷Ａ２７はステップ１１７において画像メモリ３４に一時的に記憶される。ステップ１１８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。
【００４３】
ステップ１１９〜１２２では、図１３に示される反射率補正情報の検出動作が行なわれる。ステップ１１９では、垂直同期信号（図示せず）が出力されるとともにＣＣＤ２８による検知制御が開始される。すなわち発光装置１４の発光動作が行なわれることなく、光源が消灯された状態で、電荷掃出し信号Ａ３１と電荷転送信号Ａ３２が交互に出力される。
【００４４】
電荷蓄積期間ＴU2は図１２に示す反射率情報検出動作と同じであるが、被計測物体に測距光が照射されないため（符号Ａ３４）、反射光は存在しない（符号Ａ３５）。したがって、フォトダイオード５１では、電荷掃出し信号Ａ３１によって蓄積電荷量がゼロになった後（符号Ａ３３）、反射率情報の信号電荷は発生しないが、外光等の外乱成分に対応した電荷Ａ３６が蓄積される。この蓄積電荷は電荷転送信号Ａ３２により、信号電荷Ａ３７として垂直転送部５２に転送される。すなわち信号電荷Ａ３７は、外乱成分が反射率情報に及ぼす影響を補正するための反射率補正情報に対応している。
【００４５】
ステップ１２０では、反射率補正情報の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１２１において、反射率補正情報の信号電荷Ａ３７がＣＣＤ２８から出力され、ステップ１２２において画像メモリ３４に一時的に記憶される。
【００４６】
ステップ１２３〜１２７では、図１４に示される誤差情報の検出動作が行なわれる。誤差情報は、フォトダイオード５１から垂直転送部５２への電荷の転送動作中に、フォトダイオード５１おいて発生する電荷に対応している。すなわち、転送動作に要する時間がゼロであれば誤差は生じないが、実際には転送動作には一定の時間がかかるため、被計測物体までの距離を検出する動作において誤差が発生する。なお、電荷転送信号Ａ０２、Ａ１２、Ａ２２、Ａ３２、および後述する電荷転送信号Ａ４２、Ａ５２のパルス幅は相互に同じである。
【００４７】
ステップ１２３では、垂直同期信号（図示せず）が出力されるとともに測距光制御が開始され、測距光Ａ４４が断続的に出力される。ステップ１２４では、ＣＣＤ２８による検知制御が開始され、電荷掃出し信号Ａ４１と電荷転送信号Ａ４２が交互に出力される。この誤差情報の検出動作は、電荷掃出し信号Ａ４１の出力終了と電荷転送信号Ａ４２の出力開始が同時に行なわれるように、すなわち電荷転送信号Ａ４２の出力期間のみに発生した信号電荷Ａ４７が垂直転送部５２に転送されるように制御される。
【００４８】
測距光Ａ４４は、電荷掃出し信号Ａ４１の出力開始と略同時に出力を開始し、電荷転送信号Ａ４２の出力終了まで継続して出力される。反射光Ａ４５は、電荷掃出し信号Ａ４１の出力開始の後、フォトダイオード５１によって受光され、電荷転送信号Ａ４２の出力終了後に消滅する。したがってフォトダイオード５１では、電荷掃出し信号Ａ４１によって蓄積電荷量がゼロになった後（符号Ａ４３）、受光された反射光Ａ４６と外光等の外乱に基づく電荷Ａ４６が蓄積される。この蓄積電荷は電荷転送信号Ａ４２により、信号電荷Ａ４７として垂直転送部５２に転送される。すなわち信号電荷Ａ４７は誤差情報に対応している。
【００４９】
ステップ１２５では、誤差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１２６へ進み、反射率情報の信号電荷Ａ４７がＣＣＤ２８から出力される。この信号電荷Ａ４７はステップ１２７において画像メモリ３４に一時的に記憶される。ステップ１２８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。
【００５０】
ステップ１２９〜１３２では、図１５に示される誤差補正情報の検出動作が行なわれる。ステップ１２９では、垂直同期信号（図示せず）が出力されるとともにＣＣＤ２８による検知制御が開始される。すなわち発光装置１４の発光動作が行なわれることなく、光源が消灯された状態で、電荷掃出し信号Ａ５１と電荷転送信号Ａ５２が交互に出力される。電荷掃出し信号Ａ５１と電荷転送信号Ａ５２の出力のタイミングは、誤差情報の検出動作（図１４）と同じであり、電荷掃出し信号Ａ５１の出力終了と同時に電荷転送信号Ａ５２の出力が開始される。
【００５１】
誤差補正情報の検出動作では、被計測物体に測距光が照射されないため（符号Ａ５４）、反射光は存在しない（符号Ａ５５）。したがって、フォトダイオード５１では、電荷掃出し信号Ａ５１によって蓄積電荷量がゼロになった後（符号Ａ５３）、誤差情報の信号電荷は発生しないが、外光等の外乱成分に対応した電荷Ａ５６が蓄積される。この蓄積電荷は電荷転送信号Ａ５２により、信号電荷Ａ５７として垂直転送部５２に転送される。すなわち信号電荷Ａ５７は、外乱成分が誤差情報に及ぼす影響を補正するための誤差補正情報に対応している。
【００５２】
ステップ１３０では、誤差補正情報の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１３１において、誤差補正情報の信号電荷Ａ５７がＣＣＤ２８から出力され、ステップ１３２において画像メモリ３４に一時的に記憶される。
【００５３】
ステップ１３３では、ステップ１０３〜１３２において得られた距離情報、距離補正情報、反射率情報、反射率補正情報、誤差情報および誤差補正情報を用いて距離測定（Ｄ）データの演算処理が行なわれ、ステップ１３４においてＤデータが出力されてこの検出動作は終了する。
【００５４】
一方、ステップ１０２においてＶモードが選択されていると判定されたとき、ステップ１４１において測距光制御がオフ状態に切換えられるとともに、ステップ１４２において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、この検出動作は終了する。
【００５５】
ステップ１３３において実行される演算処理の内容を図１０〜図１５を参照して説明する。
距離情報検出動作によって検出された信号電荷Ａ０７（図１０）は、被計測物体までの距離に対応した第１の距離情報であり、これをＳ１０とする。誤差情報検出動作によって検出された信号電荷Ａ４７（図１４）は、転送動作中にフォトダイオード５１において発生する誤差情報であり、これをＳ３０とする。第１の距離情報Ｓ１０から誤差情報Ｓ３０を減算することによって、第１の距離情報Ｓ１０に含まれる、転送動作に基づく誤差成分を除去した第２の距離情報が得られる。すなわち第２の距離情報は、図１０において符号Ａ１０によって示される信号電荷に対応している。
【００５６】
第２の距離情報を用いて被計測物体の３次元形状を求めてもよいが、第２の距離情報には、外光等の外乱に起因する誤差成分と、被計測物体の表面の反射率に起因する誤差成分とが含まれている。そこでステップ１３３では、３次元形状の計測精度を高めるために、さらに距離補正情報、反射率情報、反射率補正情報および誤差補正情報が用いられて、距離情報が補正される。
【００５７】
距離補正情報検出動作によって検出された信号電荷Ａ１７（図１１）、すなわち発光装置１４を消灯させた状態で、第１の距離情報Ｓ１０と同じ処理によって検出された距離補正情報をＳ１１とする。反射率情報検出動作によって検出された信号電荷Ａ２７（図１２）、すなわち被計測物体の反射率に依存する反射率情報をＳ２０とする。反射率補正情報検出動作によって検出された信号電荷Ａ３７（図１３）、すなわち発光装置１４を消灯させた状態で、反射率情報検出動作と同じ処理によって検出された反射率補正情報をＳ２１とする。誤差補正情報検出動作によって検出された信号電荷Ａ５７（図１５）、すなわち発光装置１４を消灯させた状態で、誤差情報検出動作と同じ処理によって検出された誤差補正情報をＳ３１とする。このとき、これらの情報に基づいて、第３の距離情報ＳＤが以下の式によって得られる。
【数１】
0004157223.tif 000003
【００５８】
第３の距離情報ＳＤは、第１の距離情報Ｓ１０から外乱成分と転送動作に基づく誤差成分とを除去した値を、反射率情報Ｓ２０から外乱成分と転送動作に基づく誤差成分とを除去した値によって正規化したものである。
【００５９】
このように上述の式に基いてカメラ本体から被計測物体の表面の各点までの距離情報が補正され、この距離情報の検出精度が向上する。
【００６０】
以上のように本実施形態によれば、光シャッタを必要としないので、３次元画像入力装置を小型化することができ、かつ安価に製造することができる。また本実施形態は、被計測物体までの距離を１回測定するために多数の電荷掃出し信号（パルス信号）を出力して信号電荷Ａ０７を積分するように構成されているので、十分に大きい出力を得ることができる。
【００６１】
さらに本実施形態によれば、被計測物体に対して測距光を走査することなく、被計測物体の表面形状に関する３次元画像のデータ、すなわち距離情報を一括して計測することができる。したがって被計測物体の３次元画像を得るまでの時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００６２】
ＣＣＤ２８により検出された反射光は、被計測物体の表面の反射率の影響を受けるため、反射光を介して得られた距離情報は反射率に起因する誤差を含んでおり、またＣＣＤ２８により検出された反射光には、被計測物体からの反射光以外に外光等の成分も含まれている。さらに、距離情報は、転送動作の間にフォトダイオード５１に発生した電荷に基づく成分を誤差として含んでいる。しかし本実施形態によれば、これらの誤差を除去することができ、被計測物体の表面形状をより高精度に求めることができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、光シャッタを必要とせず小型で安価であり、しかも十分に大きい出力を得ることのできる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】本発明の一実施形態である３次元画像入力装置を備えたカメラの斜視図である。
【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】距離情報検出動作において、距離情報と距離補正情報と反射率情報を検出する動作を示すフローチャートである。
【図８】距離情報検出動作において、反射率補正情報と誤差情報と誤差補正情報を検出する動作を示すフローチャートである。
【図９】距離情報検出動作において補正された距離情報を出力する動作と、通常の撮影動作を示すフローチャートチャートである。
【図１０】距離情報の検出動作のタイミングチャートである。
【図１１】距離補正情報の検出動作のタイミングチャートである。
【図１２】反射率情報の検出動作のタイミングチャートである。
【図１３】反射率補正情報の検出動作のタイミングチャートである。
【図１４】誤差情報の検出動作のタイミングチャートである。
【図１５】誤差補正情報の検出動作のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０  カメラ本体
１４  発光装置
１５  レリーズスイッチ
【図１】
0004157223.tif 000005
【図２】
0004157223.tif 000006
【図３】
0004157223.tif 000007
【図４】
0004157223.tif 000008
【図５】
0004157223.tif 000009
【図６】
0004157223.tif 000010
【図７】
0004157223.tif 000011
【図８】
0004157223.tif 000012
【図９】
0004157223.tif 000013
【図１０】
0004157223.tif 000014
【図１１】
0004157223.tif 000015
【図１２】
0004157223.tif 000016
【図１３】
0004157223.tif 000017
【図１４】
0004157223.tif 000018
【図１５】
0004157223.tif 000019