(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物体に測距光を周期的に照射する光源と、
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おける第１および第２の掃出し動作と前記信号電荷転送手段における１つの転送動作とを周期的に駆動することにより、前記信号電荷保持部において前記信号電荷を積分する信号電荷積分手段とを備え、
前記信号電荷積分手段は、前記第１の掃出し動作の終了前に前記転送動作を開始し、かつ前記第２の掃出し動作の開始後に前記転送動作を終了するように、周期的に照射される前記測距光に同期して、前記蓄積電荷掃出手段と前記信号電荷転送手段を駆動することを特徴とする３次元画像入力装置。
【請求項２】
前記信号電荷積分手段は、前記第１の掃出し動作が行なわれている間に前記転送動作を開始し、かつ前記第２の掃出し動作が行なわれている間に前記転送動作を終了するように、前記蓄積電荷掃出手段と前記信号電荷転送手段を駆動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前記第１の掃出し動作の終了から前記第２の掃出し動作の開始までの間に前記反射光の受光を開始し、かつ前記第２の掃出し動作の開始後に前記反射光の受光を終了することにより、前記信号電荷積分手段が信号電荷を積分して前記被計測物体の距離情報を検出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４】
前記信号電荷積分手段が、前記光源を消灯させた状態で、前記距離情報を検出する動作と同じタイミングで前記蓄積電荷掃出手段と前記信号電荷転送手段を駆動することにより、距離補正情報を検出し、前記光電変換素子が前記反射光の全てを受光するように前記蓄積電荷掃出手段と前記信号電荷転送手段を駆動することにより、反射率情報を検出し、前記光源を消灯させた状態で、前記反射率情報を検出する動作と同じタイミングで前記蓄積電荷掃出手段と前記信号電荷転送手段を駆動することにより、反射率補正情報を検出することを特徴とする請求項３に記載の３次元画像入力装置。
【請求項５】
前記距離情報をＳ１０、前記距離補正情報をＳ１１、前記反射率情報をＳ２０、前記反射率補正情報をＳ２１としたとき、正規化された距離情報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４に記載の３次元画像入力装置。
ＳＤ＝（Ｓ１０−Ｓ１１）／（Ｓ２０−Ｓ２１）
【請求項６】
前記光電変換素子が電荷蓄積型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７】
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８】
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９】
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。
【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おける第１および第２の掃出し動作と信号電荷転送手段における１つの転送動作とを周期的に駆動することにより、信号電荷保持部において信号電荷を積分する信号電荷積分手段とを備え、信号電荷積分手段が、第１の掃出し動作の終了前に転送動作を開始し、かつ第２の掃出し動作の開始後に転送動作を終了するように、蓄積電荷掃出手段と信号電荷転送手段を駆動することを備えたことを特徴としている。
【０００８】
好ましくは信号電荷積分手段は、第１の掃出し動作が行なわれている間に転送動作を開始し、かつ第２の掃出し動作が行なわれている間に転送動作を終了するように、蓄積電荷掃出手段と信号電荷転送手段を駆動する。
【０００９】
光電変換素子が第１の掃出し動作の終了から第２の掃出し動作の開始までの間に反射光の受光を開始し、かつ第２の掃出し動作の開始後に反射光の受光を終了することにより、信号電荷積分手段が信号電荷を積分して被計測物体の距離情報を検出すことができる。
【００１０】
この構成において好ましくは、信号電荷積分手段が、光源を消灯させた状態で、距離情報を検出する動作と同じタイミングで蓄積電荷掃出手段と信号電荷転送手段を駆動することにより、距離補正情報を検出し、光電変換素子が反射光の全てを受光するように蓄積電荷掃出手段と信号電荷転送手段を駆動することにより、反射率情報を検出し、光源を消灯させた状態で、反射率情報を検出する動作と同じタイミングで蓄積電荷掃出手段と信号電荷転送手段を駆動することにより、反射率補正情報を検出する。距離情報をＳ１０、距離補正情報をＳ１１、反射率情報をＳ２０、反射率補正情報をＳ２１としたとき、正規化された距離情報ＳＤは以下の式によって得られる。
ＳＤ＝（Ｓ１０−Ｓ１１）／（Ｓ２０−Ｓ２１）
【００１１】
光電変換素子は、例えば電荷蓄積型である。光電変換素子が基板に沿って形成される構成において、蓄積電荷掃出手段は不要電荷を基板側に掃出すように構成されてもよい。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る。光電変換素子と信号電荷保持部は、縦型オーバフロードレイン構造のインターライン型ＣＣＤとして構成されてもよい。
【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および図８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９〜図１２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７〜図１２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９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Ａ０５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、２つの電荷掃出し信号（パルス信号）Ａ０１、Ａ０２と１つの電荷転送信号（パルス信号）Ａ０３がそれぞれ周期的に出力される。
【００３１】
第１の電荷掃出し信号Ａ０１により、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Ａ０４はゼロになる。電荷転送信号Ａ０３の出力は、第１の電荷掃出し信号Ａ０１が出力されている間に開始され、これによりフォトダイオード５１に蓄積された電荷が垂直転送部５２に転送され始めるが、第１の電荷掃出し信号Ａ０１が出力されている間は電荷蓄積量Ａ０４はゼロであるため、何も転送されない。
【００３２】
測距光Ａ０５は、第１の電荷掃出し信号Ａ０１の出力の終了と略同時に出力される。測距光Ａ０５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Ａ０６が受光される。
【００３３】
第２の電荷掃出し信号Ａ０２は第１の電荷掃出し信号Ａ０１の出力終了から一定時間が経過したとき出力され、第２の電荷掃出し信号Ａ０２が出力されている間に電荷転送信号Ａ０３の出力が終了する。すなわち電荷転送信号Ａ０３による転送動作は、第１の電荷掃出し信号Ａ０１によって第１の掃出し動作が行なわれている間に開始され、第２の電荷掃出し信号Ａ０２によって第２の掃出し動作が行なわれている間に終了する。このように、第１および第２の電荷掃出し信号Ａ０１、Ａ０２および電荷転送信号Ａ０３の出力タイミングは、反射光Ａ０６の受光が、第１の掃出し動作の終了から第２の掃出し動作の開始までに開始され、第２の掃出し動作の開始後に終了するように定められている。
【００３４】
第２の電荷掃出し信号Ａ０２の作用により、フォトダイオード５１の蓄積電荷量Ａ０７はゼロになる。したがって電荷転送信号Ａ０３により、第１の電荷掃出し信号Ａ０１による第１の掃出し動作の終了から第２の電荷掃出し信号Ａ０２による第２の掃出し動作の開始までの期間、すなわち電荷蓄積期間ＴU1にフォトダイオード５１に蓄積した電荷Ａ０８が、垂直転送部５２へ信号電荷Ａ０９として転送される。信号電荷Ａ０９は、被計測物体までの距離に対応する電荷Ｂ１０と外乱に基づく電荷Ｂ１１とを含んでいる。
【００３５】
第２の電荷転送信号Ａ０２の出力終了から一定時間が経過したとき、再び第１の電荷掃出し信号Ａ０１が出力され、上述した動作が繰り返されて信号電荷Ａ０９が垂直転送部５２へ転送される。
【００３６】
このような信号電荷Ａ０９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Ａ０９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Ａ０９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。
【００３７】
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Ａ０９がＣＣＤ２８から出力される。この信号電荷Ａ０９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。
【００３８】
以上説明した信号電荷Ａ０９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。なお、計測可能な距離範囲は、第１の電荷掃出し信号Ａ０１の立ち下がりから第２の電荷掃出し信号Ａ０２の立ち上がりまでの期間（電荷蓄積期間ＴU1）に対応する。
【００３９】
ステップ１０９〜１１２では、図１０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、第１および第２の電荷掃出し信号Ａ１１、Ａ１２と電荷転送信号Ａ１３がそれぞれ周期的に出力される。
【００４０】
電荷掃出し信号Ａ１１、Ａ１２と電荷転送信号Ａ１３の出力タイミングは距離情報検出動作（図９）における電荷掃出し信号Ａ０１、Ａ０２と電荷転送信号Ａ０３の出力タイミングと同じである。すなわち電荷蓄積時間ＴU1は距離情報検出動作と同じである。しかし距離補正情報検出動作では、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、第１の電荷掃出し信号Ａ１１によって蓄積電荷量がゼロになった後（符号Ａ１６）、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Ａ１７）。
【００４１】
この蓄積電荷は電荷転送信号Ａ１３により、信号電荷Ａ１８として垂直転送部５２に転送される。すなわち信号電荷Ａ１８は、距離情報検出動作において検出された、信号電荷Ａ０９に含まれる外乱に基づく電荷Ｂ１１に対応し、距離補正情報である。
【００４２】
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Ａ１８がＣＣＤ２８から出力される。距離補正情報の信号電荷Ａ１８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。
【００４３】
ステップ１１３〜１１７では、図１１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、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、第１および第２の電荷掃出し信号Ａ２１、Ａ２２と電荷転送信号Ａ２３が周期的に出力される。
【００４４】
電荷掃出し信号Ａ２１、Ａ２２の出力間隔と電荷転送信号Ａ２３の出力期間はそれぞれ、距離情報検出動作（図９）および距離補正情報検出動作（図１０）よりも長い。すなわち反射率情報検出動作では、第１の電荷掃出し信号Ａ２１の出力終了から第２の電荷掃出し信号Ａ２２の出力開始までの電荷蓄積期間ＴU2内に、反射光Ａ２５の全てが受光され、フォトダイオード５１に蓄積した電荷Ａ２６の全てが信号電荷Ａ２７として垂直転送部５２に転送される。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。
【００４５】
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。
【００４６】
ステップ１１９〜１２２では、図１２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、第１および第２の電荷掃出し信号Ａ３１、Ａ３２と電荷転送信号Ａ３３がそれぞれ周期的に出力される。
【００４７】
電荷掃出し信号Ａ３１、Ａ３２と電荷転送信号Ａ３３の出力タイミングは反射率情報検出動作（図１１）における電荷掃出し信号Ａ２１、Ａ２２と電荷転送信号Ａ２３の出力タイミングと同じである。すなわち電荷蓄積時間ＴU2は反射率情報検出動作と同じである。しかし反射率補正情報検出動作では、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、第１の電荷掃出し信号Ａ３１によって蓄積電荷量がゼロになった後（符号Ａ３６）、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Ａ３７が蓄積される。この蓄積電荷は電荷転送信号Ａ３３により、信号電荷Ａ３８として垂直転送部５２に転送される。すなわち信号電荷Ａ３８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。
【００４８】
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Ａ３８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。
【００４９】
ステップ１２３では、ステップ１０３〜１２２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測定（Ｄ）データの演算処理が行なわれ、ステップ１２４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。
【００５０】
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１２５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１２６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。
【００５１】
ステップ１２３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Ａ０９（図９）は、被計測物体までの距離に対応した距離情報であり、これをＳ１０とする。こ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、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１２３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、反射率情報および反射率補正情報が用いられて、距離情報が補正される。
【００５２】
距離補正情報検出動作によって検出された信号電荷Ａ１８（図１０）、すなわち発光装置１４を消灯させた状態で、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１１）、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Ａ３８（図１２）、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。このとき、これらの情報に基づいて、正規化された距離情報ＳＤが以下の式によって得られる。
ＳＤ＝（Ｓ１０−Ｓ１１）／（Ｓ２０−Ｓ２１）
【００５３】
正規化された距離情報ＳＤは、距離情報Ｓ１０から外乱成分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。
【００５４】
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。
【００５５】
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Ａ０９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。
【００５６】
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。また本実施形態は、フォトダイオード５１における電荷蓄積動作と同時に信号電荷を垂直転送部５２に転送するように構成されており、測距光のパルス間隔をできるだけ短くすることができる。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。
【００５７】
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。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るので、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。
【００５８】
また本実施形態によれば、第１および第２の電荷掃出し信号の出力間隔を調整することによって電荷蓄積期間すなわち電子シャッタを設定することができ、被計測物体に対する計測可能な距離レンジ幅の変更が容易である。
【００５９】
【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、反射率補正情報を検出し、距離補正情報と反射率情報と反射率補正情報に基づいて距離情報を補正する処理を示すフローチャートである。
【図９】距離情報の検出動作のタイミングチャートである。
【図１０】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１１】反射率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】
0004303354.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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