(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体に測距光を照射し、その反射光を撮像部で受光することにより前記被写体までの距離に対応する信号を画素毎に画像信号として検出する３次元画像検出装置であって、
入力される信号を増幅する信号増幅手段と、
前記増幅手段における増幅率を制御する増幅率制御手段と、
入力される信号の偏倚を調整するバイアス調整手段と、
前記バイアス調整手段における偏倚量を制御する偏倚量制御手段と、
前記増幅率制御手段および前記偏倚量制御手段を駆動して、所定の距離範囲に対応する前記画像信号を所定の信号レベルに変換する信号レベル変換手段とを備え、
前記増幅率の制御が、第１の増幅率と前記第１の増幅率よりも大きい第２の増幅率との間において選択的に行われ、前記信号レベル変換手段における前記所定の距離範囲が、前記第１の増幅率のもとでは検出可能な最大の距離範囲に対応し、第２の増幅率のもとでは前記検出可能な最大の距離範囲の一部の範囲に対応する
ことを特徴とする３次元画像検出装置。
【請求項２】
入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段を備え、前記信号レベル変換手段における前記所定の信号レベルが、前記Ａ／Ｄ変換手段へ入力可能な信号レベルに対応してい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。
【請求項３】
前記信号レベル変換手段において、初めに前記増幅率制御手段を駆動し、次に前記偏倚量制御手段を駆動することにより、前記画像信号を前記所定の信号レベルに変換す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。
【請求項４】
前記第２の増幅率のもとでの前記信号レベル変換手段における前記所定の距離範囲が複数設定され、前記検出可能な最大の距離範囲内にある任意の距離が、前記複数設定された所定の距離範囲のうちの何れか１つに含ま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。
【請求項５】
前記複数設定された所定の距離範囲の各々が互いに重複しないことを特徴とする請求項４に記載の３次元画像検出装置。
【請求項６】
前記複数設定された所定の距離範囲の各々に応じて、前記偏倚量が選択可能であることを特徴とする請求項５に記載の３次元画像検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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３次元画像検出装置における３次元計測では、光伝播時間測定法を利用したものが知られている。「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。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写体に照射され、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。これらの３次元画像検出装置では、２次元ＣＣＤセンサの各画素で受光される反射光の時間遅れを利用し、被写体までの距離を画素毎に検出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記３次元画像検出装置において、ＣＣＤからの出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器のビット数を変更することなく、測距可能な距離レンジ（測距レンジ）を広くとり、かつ深度方向の距離計測に関する測定精度を向上させる（信号の量子化に伴う誤差を小さくする）には、測距レンジを複数のレンジに分割し、分割されたレンジ毎に測距を行なう必要がある。このとき、測距光の発光タイミングとシャッタの駆動タイミングとをレンジ毎に調整することにより、各レンジでの計測を行なう方法が考えられる。しかし、測距光の発光タイミングとシャッタの駆動タイミングとの調整は、光源やＣＣＤを時間的に高精度に制御する必要があり極めて困難である。
【０００４】
本発明は、反射光の時間遅れを利用し、被写体までの距離を画素毎に検出する３次元画像検出装置であって、測距レンジの深度が深く、かつ深度方向の距離計測に対する測定精度の高い３次元画像検出装置を簡単に得ることを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の３次元画像検出装置は、被写体に測距光を照射し、その反射光を撮像部で受光することにより被写体までの距離に対応する信号を画素毎に画像信号として検出する３次元画像検出装置であって、入力される信号を増幅する信号増幅手段と、増幅手段における増幅率を制御する増幅率制御手段と、入力される信号の偏倚を調整するバイアス調整手段と、バイアス調整手段における偏倚量を制御する偏倚量制御手段と、増幅率制御手段および偏倚量制御手段を駆動して、所定の距離範囲に対応する画像信号を所定の信号レベルに変換する信号レベル変換手段とを備えることを特徴としている。
【０００６】
好ましくは３次元画像検出装置は、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段を備え、信号レベル変換手段における所定の信号レベルが、Ａ／Ｄ変換手段へ入力可能な信号レベルに対応している。
【０００７】
好ましくは、信号レベル変換手段において、初めに増幅率制御手段を駆動し、次に偏倚量制御手段を駆動することにより、画像信号を前記所定の信号レベルに変換する。
【０００８】
好ましくは増幅率の制御は、第１の増幅率と第１の増幅率よりも大きい第２の増幅率との間において選択的に行われ、信号レベル変換手段における所定の距離範囲が、第１の増幅率のもとでは検出可能な最大の距離範囲に対応し、第２の増幅率のもとでは検出可能な最大の距離範囲の一部の範囲に対応する。
【０００９】
好ましくは、第２の増幅率のもとでの信号レベル変換手段における所定の距離範囲が複数設定され、検出可能な最大の距離範囲内にある任意の距離が、複数設定された所定の距離範囲のうちの何れか１つに含まれる。このとき好ましくは、複数の設定された所定の距離範囲の各々が互いに重複しない。また、より好ましくは、複数設定された所定の距離範囲の各々が、偏倚量を制御することにより選択可能である。
【００１０】
【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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
撮影レンズ１１の光軸上には、ＣＣＤ（撮像部）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（画像信号）は、ランダム雑音を低減するＣＤＳアンプ（相関二重サンプリング回路）２９を経てゲインアンプ３１において増幅され、バイアス調整回路３２へ出力される。バイアス調整回路３２では、画像信号のバイアスが調整され、その後、画像信号は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、ゲインアンプ３１、Ａ／Ｄ変換器３２、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。
【００１４】
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。
【００１５】
カメラをカメラ本体１０の外部に設けられたモニターＴＶ３９とケーブルで接続すれば、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、ビデオ出力端子２０を介してモニターＴＶ３９に伝送可能である。また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に接続されており、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。したがってカメラをカメラ本体１０の外部に設けられたコンピュータ４１とインターフェースケーブルを介して接続すれば、画像メモリ３４から読み出された画像信号をコンピュータ４１に伝送可能である。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。
【００１６】
発光装置１４は発光素子１４ａと照明レンズ１４ｂにより構成され、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はレーザダイオード（ＬＤ）であり、照射されるレーザ光は被写体の距離を検出するための測距光として用いられる。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。被写体で反射した光は撮影レンズ１１に入射する。この光をＣＣＤ２８で検出することにより、被写体の表面形状に関する距離情報が得られる。
【００１７】
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。
【００１８】
次に図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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。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。
【００２４】
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。
【００２５】
図７は本実施形態の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を参照して本実施形態における距離情報検出動作について説明する。なお本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。
【００２６】
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。
【００２７】
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）。
【００２８】
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。
【００２９】
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ＴU1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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
しかしＣＣＤ２８により検出された反射光には、被写体からの反射光以外に外光等の成分も含がれており、これに起因する誤差が存在する。したがって、これらの誤差を補正するには、反射光以外の光（外光）による距離補正情報も検出する必要がある。
【００３４】
図９は、距離補正情報を考慮した距離情報検出動作のフローチャートである。図１、図２、図７〜図９を参照して、距離補正情報を考慮した距離情報検出動作について説明する。なお図８は、距離補正情報の検出動作におけるタイミングチャートである。
【００３５】
ステップ１０１では、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１０２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、電荷掃出し信号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。
【００３６】
ステップ１０３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、１フィールド期間にわたる信号電荷Ｓ１１の積分が完了し、積分された信号電荷がステップ１０４においてＣＣＤ２８から出力される。この積分された信号電荷は距離情報に対応し、ステップ１０５において画像メモリ３４に一時的に記憶される。ステップ１０６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。
【００３７】
ステップ１０７〜１１０では、距離補正情報の検出動作（図８参照）が行なわれる。まずステップ１０７では、垂直同期信号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Ｓ２１と電荷転送信号Ｓ２２が交互に出力される。電荷蓄積時間ＴU1は図７に示す距離情報検出動作と同じであるが、被写体に測距光が照射されないため（符号Ｓ２３）、反射光は存在せず（符号Ｓ２４）。したがって、距離情報の信号電荷は発生しないが、ＣＣＤ２８には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信号電荷Ｓ２５が発生し、電荷転送信号Ｓ２２の出力によって、それまでフォトダイオードに蓄積していた信号電荷Ｓ２６が垂直転送部へ転送される。この信号電荷Ｓ２６は、外乱成分が距離情報に及ぼす影響を補正するための、電荷蓄積時間ＴU1に対する距離補正情報に対応している。
【００３８】
ステップ１０８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信号電荷Ｓ２６の１フィールド期間にわたる積分が完了し、ステップ１０９においてこの積分された信号電荷がＣＣＤ２８から出力される。この積分された信号電荷は距離補正情報に対応し、ステップ１１０において画像メモリ３４に一時的に記憶され、この距離情報検出動作のプログラムは終了する。
【００３９】
以上のようにして検出された距離情報と距離補正情報から、外光等の影響を除去した距離情報が得られる。しかし、ＣＣＤ２８により検出された反射光は、被写体の表面の反射率の影響も受けているため、この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も含んでいる。
【００４０】
次に図１０〜図１２を参照して被写体表面の反射率の影響に関する反射率情報の検出動作について説明する。なお、反射率情報には、距離情報を検出したときと同様に、外光等に起因する誤差が存在するので、これによる誤差の影響を補正するための反射率補正情報も検出される。図１０、図１１は、反射率情報および反射率補正情報の検出動作におけるタイミングチャートである
【００４１】
ステップ２０１〜２０６では、反射率情報の検出動作（図１０参照）が行なわれる。ステップ２０１では、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、パルス状の測距光Ｓ３３が断続的に出力される。ステップ２０２では、ＣＣＤ２８による検知制御が開始され、電荷掃出し信号Ｓ３１と電荷転送信号Ｓ３５が交互に出力される。電荷掃出し信号Ｓ３１が出力されることによって、フォトダイオードにおける蓄積電荷量はゼロになる（符号Ｓ３２）。電荷掃出し信号Ｓ３１の出力が終了すると、測距光Ｓ３３が出力され、ＣＣＤには反射光Ｓ３４が入射する。反射光Ｓ３４が消滅した後、電荷転送信号Ｓ３５が出力される。すなわち反射率情報の検出動作は、電荷掃出し信号Ｓ３１の出力が終了してから電荷転送信号Ｓ３５の出力が終了するまでの電荷蓄積期間ＴU2内に、反射光Ｓ３４の全てが受光されるように制御される。
【００４２】
このようにフォトダイオード５１では、 反射光Ｓ３４を受光している間は反射光Ｓ３４と外光に起因する信号電荷Ｓ３６が蓄積され、また、反射光Ｓ３４を受光していない間は外光のみに起因する信号電荷Ｓ３７、Ｓ３８が蓄積される。そして電荷転送信号Ｓ３５の出力により、それまでのフォトダイオードに蓄積されていた信号電荷Ｓ３９が垂直転送部へ転送される。この信号電荷Ｓ３９は反射率情報に対応し、外光に基く成分Ｓ’３９を含んでいる。
【００４３】
ステップ２０３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信号電荷Ｓ３９の１フィールド期間にわたる積分が完了し、ステップ２０４においてこの積分された信号電荷がＣＣＤ２８から出力される。この積分された信号電荷は反射率情報に対応し、ステップ２０５において画像メモリ３４に一時的に記憶される。ステップ２０６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。
【００４４】
ステップ２０７〜２１０では、反射率補正情報の検出動作（図１１参照）が行なわれる。ステップ２０７では、垂直同期信号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Ｓ４１と電荷転送信号Ｓ４２が交互に出力される。電荷蓄積時間ＴU2は図９に示す反射率情報検出動作と同じであるが、被写体に測距光が照射されないため（符号Ｓ４３）、反射光は存在せず（符号Ｓ４４）。したがって、反射率情報の信号電荷は発生しないが、ＣＣＤ２８には外光等の外乱成分が入射するため、この外光等の外乱成分に対応した信号電荷Ｓ４６が発生し、電荷転送信号Ｓ４２の出力によって、それまでフォトダイオードに蓄積していた信号電荷Ｓ４７が垂直転送部へ転送される。この信号電荷Ｓ４７は、外乱成分が電荷蓄積時間ＴU2に対する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２０８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信号電荷Ｓ４７の１フィールド期間にわたる積分が完了し、ステップ２０９においてこの積分された信号電荷がＣＣＤ２８から出力される。この積分された信号電荷は反射率補正情報に対応し、ステップ２１０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２１１では、距離情報検出動作（図９）およびステッププ２０１〜２１０において得られた距離情報、距離補正情報、反射率情報および反射率補正情報を用いて距離データの演算処理が行なわれる。ステップ２１２では、算出された距離データが記録媒体Ｍにも記録（保存）され、この反射率情報の検出動作は終了する。
【００４７】
次にステップ２１１において実行される演算処理の内容を図７〜図１１を参照して説明する。
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５１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。
【００４８】
被写体がレーザ等の光源からの光で照明される場合、輝度Ｉはその光源による輝度ＩS と背景光による輝度ＩB との合成されたものとなり、
Ｉ＝ＩS ＋ＩB                                           ・・・（３）
と表せる。
【００４９】
図７に示されるように電荷蓄積時間をＴU1、測距光Ｓ３のパルス幅をＴS 、距離情報の信号電荷Ｓ１２のパルス幅をＴD 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、
0004250281.tif 000002
となる。なお、パルス幅ＴD は
0004250281.tif 000003
と表せる。
【００５０】
図１０に示されるようにパルス状の電荷蓄積時間ＴU2が、測距光Ｓ２３の期間（パルス幅）ＴS よりも十分大きく、反射光の単位受光時間を全部含むように制御された場合に得られる出力ＳＭ20は、
0004250281.tif 000004
となる。
【００５１】
図８に示されるように発光を止めて、図７と同じ時間幅でのパルス状の電荷蓄積を行なった場合に得られる出力ＳＭ11は、
0004250281.tif 000005
となる。同様に、図１１に示されるような電荷蓄積を行なった場合に得られる出力ＳＭ21は、
0004250281.tif 000006
となる。
【００５２】
（４）、（６）、（７）、（８）式から、
0004250281.tif 000007
が得られる。
【００５３】
上述したように測距光Ｓ３と反射光Ｓ４にはそれぞれ外光等の外乱成分（背景光による輝度ＩB ）が含まれている。（９）式のＴD ／ＴS は、測距光Ｓ３を照射したときの被写体からの反射光Ｓ４の光量を、測距光Ｓ３の光量によって正規化したものであり、これは、測距光Ｓ３の光量（図７の信号電荷Ｓ１１に相当）から外乱成分（図８の信号電荷Ｓ２６に相当）を除去した値と、反射光Ｓ４の光量（図１０の信号電荷Ｓ３９に相当）から外乱成分（図１１の信号電荷Ｓ４７に相当）を除去した値との比に等しい。
【００５４】
（９）式の各出力値ＳＭ10、ＳＭ11、ＳＭ20、ＳＭ21はステップ１０５、１１０、２０５、２１０において、距離情報、距離補正情報、反射率情報、反射率補正情報として画像メモリ３４に格納されている。したがって、これらの情報に基いて、ＴD ／ＴS が得られる。パルス幅Ｔs は既知であるから、（５）式とＴD ／ＴS から距離ｒが得られる。すなわち
２ｒ＝Ｃ・ＴS ・（ＳＭ10−ＳＭ11）／（ＳＭ20−ＳＭ21）      （１０）
より距離ｒが得られる。
【００５５】
次に図１３、図１４を参照して距離計測の測定精度を向上させる方法について説明する。
【００５６】
図１３は、測距レンジは広いが、距離計測の測定精度は低いＷｉｄｅモードで撮影（測距）した場合における、バイアス調整回路３２からＡ／Ｄ変換器２４へ出力される画像信号の出力レベルと被写体までの距離との関係を模式的に表したものであり、横軸は被写体までの距離、縦軸は画像信号の出力レベルを表している。Ｖmin 〜Ｖmax はＡ／Ｄ変換器２４の動作範囲であり、Ｒ０〜Ｒ３はＷｉｄｅモードにおける測距レンジ（Ｗｉｄｅレンジ）である。また、区間Ｒ０〜Ｒ１、区間Ｒ１〜Ｒ２、区間Ｒ２〜Ｒ３は、Ｗｉｄｅレンジを３つの区間に等分割したものであり、それぞれ近距離レンジ、中距離レンジ、遠距離レンジである。
【００５７】
実線Ｌ０は、被写体までの距離と距離情報に対応する画像信号の出力レベルとの関係を表している。すなわち距離情報の検出動作において、被写体までの距離がＲ０のとき、バイアス調整回路３２からＡ／Ｄ変換器２４へ出力される画像信号の出力はＶmin であり、被写体までの距離がＲ３のときにはＶmax である。また、破線Ｌ０’は、被写体までの距離と反射率情報に対応する画像信号の出力レベルとの関係を表している。すなわち反射率情報の検出動作において、被写体までの距離がＲ０のとき、バイアス調整回路３２からＡ／Ｄ変換器２４へ出力される画像信号の出力はＶmax であり、被写体までの距離がＲ３のときにはＶmin である。なお、距離情報に対応する画像信号の出力レベルと、反射率情報に対応する画像信号の出力レベルは、測距レンジにおいて略同じ出力レベルになるように測距光の出力が大まかに調整されている。
【００５８】
Ａ／Ｄ変換器２４が例えば８ビットで入力信号を量子化するとすると、アナログの画像信号（Ｖmin 〜Ｖmax ）は２５６（２8 ）のデジタル信号に変換される。したがって、例えば図１３のように画像信号の出力が距離と直線的な関係にあり、Ａ／Ｄ変換器２４が線形量子化を行なう場合には、Ｗｉｄｅモードにおける距離の測定精度は（Ｒ３−Ｒ０）／２５６となる。
【００５９】
図１４は、測距レンジを近距離レンジ、中距離レンジ、遠距離レンジに限定する代わりに、各レンジにおける測定精度を向上させた近距離モード、中距離モード、遠距離モードにおいて撮影（測距）を行なったときの被写体までの距離と画像信号の出力レベルとの関係を模式的に表したものである。直線Ｌ１は、Ｗｉｄｅモードにおける距離情報の画像信号を表す直線Ｌ０（図１３）を３倍したものである。すなわち直線Ｌ１は、ゲインアンプ３１におけるゲインをＷｉｄｅモードの３倍にしたときにゲインアンプ３１からバイアス調整回路３２へ出力される距離情報の画像信号を表している。直線Ｌ１’は、Ｗｉｄｅモードにおける反射率情報の画像信号を表す直線Ｌ０’（図１３）を３倍したものであり、Ｌ１と同様、ゲインアンプ３１におけるゲインをＷｉｄｅモードの３倍にしたときにゲインアンプ３１からバイアス調整回路３２へ出力される反射率情報の画像信号を表している。
【００６０】
直線Ｌ２は直線Ｌ１を下方へΔＶ１シフトしたものであり、直線Ｌ２が太い実線で描かれた区間Ｒ０〜Ｒ１（近距離レンジ）においては、その出力レベルはＡ／Ｄ変換器２４の動作範囲内（Ｖmin 〜Ｖmax ）にある。したがって、近距離レンジ内の距離は８ビットで量子化され、その測定精度は（Ｒ０−Ｒ１）／２５６となり、Ｗｉｄｅモードのときの３倍の精度となる。中距離レンジ（区間Ｒ１〜Ｒ２）や遠距離レンジ（区間Ｒ２〜Ｒ３）においても、近距離レンジの距離の計測と同様に、直線Ｌ１を下方へΔＶ２、ΔＶ３シフトした直線Ｌ３、Ｌ４の太い実線で描かれた部分が各レンジにおける距離情報の画像信号を表している。したがって中距離モード、遠距離モードにおいても、Ｗｉｄｅモードのときの３倍の測定精度で各レンジの距離を測定することができる。なお、距離情報の検出では、被写体までの距離が増大するにしたがって画像信号の出力レベルが増大するので、目的とする距離レンジにおける画像信号の出力レベルをＡ／Ｄ変換器２４の動作範囲であるＶmin 〜Ｖmax に適合させるには、その距離レンジが遠距離にあるときほど画像信号の下方へのシフト量を大きくしなければならない。
【００６１】
直線Ｌ２’、Ｌ３’、Ｌ４’は、直線Ｌ１’を下方へそれぞれΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ３シフトしたものであり、各直線の太い破線部分がそれぞれ遠距離レンジ、中距離レンジ、近距離レンジに対応している。したがって、反射率情報の画像信号に関しても、近距離モード、中距離モード、遠距離モードでは、Ｗｉｄｅモードの３倍の測定精度で検出することができる。なお、反射率情報の検出では、被写体までの距離が増大するにしたがって画像信号の出力レベルが減少するので、目的とする距離レンジにおける画像信号の出力レベルをＡ／Ｄ変換器２４の動作範囲であるＶmin 〜Ｖmax に適合させるには、その距離レンジが近距離にあるときほど画像信号の下方へのシフト量を大きくしなければならない。
【００６２】
図１５は、本実施形態のカメラにおいて実行される撮影動作のプログラムのフローチャートである。図１５を参照して本実施形態で実行される撮影動作について説明する。
【００６３】
ステップ３０１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３０２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。
【００６４】
Ｄモードが選択されていると判定されたときには、ステップ３０３においてＷｉｄｅモードが選択されているか否かが判定される。Ｗｉｄｅモードが選択されていると判定されると、Ｗｉｄｅモードの撮影動作であるステップ３１０〜ステップ３１３が実行される。
【００６５】
ステップ３１０、ステップ３１１では、画像信号のゲインおよびバイアスがＷｉｄｅモードにおける所定の値にそれぞれ設定される。これらの設定は、ゲインアンプ３１およびバイアス調整回路３２を制御することにより行われる。ステップ３１２では、図９のフローチャートを参照して説明した距離情報の検出動作が実行される。その後ステップ３１３において図１２を参照して説明した反射率情報の検出動作が実行され、この撮影動作は終了する。
【００６６】
ステップ３０３においてＷｉｄｅモードが選択されていないと判定されると、ステップ３０４において近距離モードが選択されているか否かが判定される。近距離モードが選択されていると判定されると近距離モードの撮影動作であるステップ３２０〜ステップ３２４が実行される。
【００６７】
ステップ３２０では、ゲインアンプ３１のゲインがＷｉｄｅモードのときのゲイン（ステップ３１０での所定値）の例えば３倍に設定される。すなわち、Ｗｉｄｅモードのときの距離と画像信号との関係である直線Ｌ０（図１３）が、図１４の直線Ｌ１で示される関係になる。ステップ３２１では、近距離レンジにおける距離情報の信号レベルがＡ／Ｄ変換器２４の動作範囲に適合するように画像信号のバイアスが設定される。すなわち直線Ｌ１が下方へΔＶ１シフトされ直線Ｌ２となるように画像信号のバイアスがバイアス調整回路３２により調整される。ステップ３２２では、図９のフローチャートで示された距離情報の検出動作が実行される。次にステップ３２３において、近距離レンジにおける反射率情報の信号レベルがＡ／Ｄ変換器２４の動作範囲に適合するように画像信号のバイアスが設定される。すなわち直線Ｌ１’が下方へΔＶ３シフトされ直線Ｌ４’となるように画像信号のバイアスがバイアス調整回路３２により調整される。その後ステップ３２４において図１２のフローチャートで示された反射率情報の検出動作が実行され、この撮影動作は終了する。
【００６８】
ステップ３０４において近距離モードが選択されていないと判定されると、ステップ３０５において中距離離モードが選択されているか否かが判定される。中距離モードが選択されていると判定されると中距離モードの撮影動作であるステップ３３０〜ステップ３３３が実行される。
【００６９】
ステップ３３０では、近距離モードのステップ３２０と同様にゲインアンプ３１のゲインがＷｉｄｅモードのときのゲインの３倍に設定され、Ｗｉｄｅモードのときの距離と画像信号との関係である直線Ｌ０（図１３）が、図１４の直線Ｌ１のようになる。ステップ３３１では、中距離レンジにおける距離情報の信号レベルがＡ／Ｄ変換器２４の動作範囲に適合するように画像信号のバイアスが設定される。すなわち直線Ｌ１が下方へΔＶ２シフトされ直線Ｌ３となるように画像信号のバイアスがバイアス調整回路３２により調整される。ステップ３３２では、図９のフローチャートで示された距離情報の検出動作が実行される。次にステップ３３３において、図１２のフローチャートで示された反射率情報の検出動作が実行され、この撮影動作は終了する。なお、中距離モードでは、反射率情報の検出における直線Ｌ１’から直線Ｌ３’へのシフト量は、距離情報の検出における直線Ｌ１から直線Ｌ３へのシフト量ΔＶ２に等しいので、近距離モードのときのように、反射率情報の検出（ステップ３３３）を行なう前に画像信号に対するバイアスの調整をする必要がない。
【００７０】
ステップ３０５において中距離モードが選択されていないと判定されると、ステップ３０６において遠距離モードが選択されているか否かが判定される。遠距離モードが選択されていると判定されると遠距離モードの撮影動作であるステップ３４０〜ステップ３４４が実行される。
【００７１】
ステップ３４０では、近距離モードや中距離モードのときと同様に、ゲインアンプ３１のゲインがＷｉｄｅモードのときの３倍に設定され、距離と画像信号との関係が図１４の直線Ｌ１で示される。ステップ３４１では、遠距離レンジにおける距離情報の信号レベルがＡ／Ｄ変換器２４の動作範囲に適合するように画像信号のバイアスが設定される。すなわち直線Ｌ１が下方へΔＶ３シフトされ直線Ｌ４となるように画像信号のバイアスがバイアス調整回路３２により調整される。ステップ３４２では、図９のフローチャートで示された距離情報の検出動作が実行される。次にステップ３４３において、遠距離レンジにおける反射率情報の信号レベルがＡ／Ｄ変換器２４の動作範囲に適合するように画像信号のバイアスが設定される。すなわち直線Ｌ１’が下方へΔＶ１シフトされ直線Ｌ２’となるように画像信号のバイアスがバイアス調整回路３２により調整される。その後ステップ３４４において図１２のフローチャートで示された反射率情報の検出動作が実行され、この撮影動作は終了する。
【００７２】
ステップ３０６において遠距離モードが選択されていないと判定されたときには、ステップ３０３へ戻りステップ３０３以下の処理を繰り返し実行する。なお、Ｗｉｄｅモード、近距離モード、中距離モード、遠距離モードにおけるモード間の切替はモード切替ダイヤル１７を操作することにより行われる。
【００７３】
一方、ステップ３０２においてＶモードが選択されていると判定されたときには、ステップ３５０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３５１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、ステップ３５２で撮像された画像データが記録媒体Ｍに記録（保存）される。
【００７４】
以上のように、本実施形態によれば、測距光の発光タイミングとシャッタの駆動タイミングとの調整をする必要がなく、ＣＣＤ２８から出力される信号のバイアスを調整するだけで簡単に、深度方向の測距レンジが広く、かつ測定精度の高い３次元画像検出装置が得られる。すなわち、近距離モード、中距離モード、遠距離モードを用いて撮影を行なうことにより、Ｗｉｄｅモードと同じレンジの測距が可能であり、分割された測距レンジごとに距離は測定されるので、測定精度も高くすることができる。また、ＣＣＤ２８から出力される信号のゲインを調整することにより、測定精度は粗いが広い測距レンジを得られるＷｉｄｅモードと、測定精度は高いが１回の撮影では狭い測距レンジしか得られない近距離モード、中距離モード、遠距離モードとの間の切替が簡単に行なえる。
【００７５】
なお、本実施形態では、ゲインが３倍にしＷｉｄｅレンジを３つのレンジに分割し、各レンジには互いに重なる領域がなかったが、ゲインをｎ倍（ｎは整数でなくともよい）にしＷｉｄｅレンジをｎ以上の数のレンジに分割してもよく、重なる領域があってもよい。また、Ｗｉｄｅモードのゲインの例えば２倍、３倍、４倍など、複数の倍率を用意し、測定精度を段階をおって選択できるようにしてもよい。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、反射光の時間遅れを利用し、被写体までの距離を画素毎に検出する３次元画像検出装置であって、測距レンジの深度が深く、かつ深度方向の距離計測に対する測定精度の高い３次元画像検出装置を簡単に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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】距離情報を検出する際のタイミングチャートである。
【図８】距離補正情報を検出する際のタイミングチャートである。
【図９】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１０】反射率情報を検出する際のタイミングチャートである。
【図１１】反射率補正情報を検出する際のタイミングチャートである。
【図１２】反射率情報検出動作のプログラムのフローチャートである。
【図１３】Ｗｉｄｅモードでの撮影において検出される距離情報および反射率情報に対する信号出力と被写体までの距離との関係を模式的に表したグラフである。
【図１４】近距離モード、中距離モード、遠距離モードでの撮影において検出される距離情報および反射率情報に対する信号出力と被写体までの距離との関係を模式的に表したグラフである。
【図１５】撮影動作のプログラムのフローチャートである。
【符号の説明】
１４  発光装置
２４  Ａ／Ｄ変換器
２８  ＣＣＤ
３１  ゲインアンプ
３２  バイアス調整回路
【図１】
0004250281.tif 000008
【図２】
0004250281.tif 000009
【図３】
0004250281.tif 000010
【図４】
0004250281.tif 000011
【図５】
0004250281.tif 000012
【図６】
0004250281.tif 000013
【図７】
0004250281.tif 000014
【図８】
0004250281.tif 000015
【図９】
0004250281.tif 000016
【図１０】
0004250281.tif 000017
【図１１】
0004250281.tif 000018
【図１２】
0004250281.tif 000019
【図１３】
0004250281.tif 000020
【図１４】
0004250281.tif 000021
【図１５】
0004250281.tif 000022