(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の照明光で被写体を照明し、前記被写体からの反射光を二次元撮像装置の光電面に結像して前記被写体を撮像し、第１の映像を取得するステップと、
前記第１の映像を取得するステップの前または後に、第２の照明光で前記被写体を照明し、前記被写体からの反射光を前記二次元撮像装置の光電面に結像して前記被写体を撮像し、第２の映像を取得するステップと、
前記第１および第２の映像の同一の画素における輝度の比を算出し、この輝度の比を用いて前記光電面から前記被写体の前記画素に対応する点までの距離を計算する演算を、前記第１および第２の映像の各画素について実行するステップと、
を備え、
前記第１および第２の照明光の少なくとも一方は、時間とともに変化する輝度を有しており、
前記第１の映像を取得するステップおよび前記第２の映像を取得するステップは、前記被写体を同じ一定の撮像利得で同じ時間にわたり撮像し、
前記演算を実行するステップは、前記距離を前記第１の映像の輝度と前記第２の映像の輝度との比の関数として表す式に、算出した前記輝度の比を代入して前記距離を計算する、立体情報検出方法。
【請求項２】
前記第１の照明光は、所定の基準時刻から時間とともに一定の変化率Ｓで増加する輝度を有し、
前記第２の照明光は、一定の輝度Ｉｒを有し、
前記第１の映像を取得するステップは、前記基準時刻から所定の時間ｔ０が経過した時に前記被写体の撮像を開始し、
前記演算を実行するステップは、前記式として下記に示す
【数３１】
0003840341.tif 000028
（ｄは前記距離、ｖは光速、Ｒ＋は前記第１の映像の輝度／前記第２の映像の輝度）
のＲ＋に前記算出した輝度の比を代入して前記距離を計算する、請求項１に記載の立体情報検出方法。
【請求項３】
前記第１の照明光は、時間とともに一定の変化率Ｓで減少する輝度を有し、
前記第２の照明光は、一定の輝度Ｉｒを有し、
前記第１の映像を取得するステップは、前記第１の照明光が所定の強度Ｉ０を有する時刻から所定の時間ｔ０が経過した時に前記被写体の撮像を開始し、
前記演算を実行するステップは、前記式として下記に示す
【数３２】
0003840341.tif 000029
（ｄは前記距離、ｖは光速、Ｒ−は前記第１の映像の輝度／前記第２の映像の輝度）
のＲ−に前記算出した輝度の比を代入して前記距離を計算する、請求項１に記載の立体情報検出方法。
【請求項４】
前記第１の照明光は、所定の基準時刻から時間とともに一定の変化率Ｓで増加する輝度を有し、
前記第２の照明光は、時間とともに前記変化率Ｓで減少する輝度を有し、
前記第１の映像を取得するステップは、前記基準時刻から所定の時間ｔ０が経過した時に前記被写体の撮像を開始し、
前記第２の映像を取得するステップは、前記第２の照明光が所定の強度Ｉ０を有する時刻から前記時間ｔ０が経過した時に前記被写体の撮像を開始し、
前記演算を実行するステップは、前記式として下記に示す
【数３３】
0003840341.tif 000030
（ｄは前記距離、ｖは光速、Ｒは前記第１の映像の輝度／前記第２の映像の輝度）
のＲに前記算出した輝度の比を代入して前記距離を計算する、請求項１に記載の立体情報検出方法。
【請求項５】
第１の照明光で被写体を照明し、前記被写体からの反射光を二次元撮像装置の光電面に結像して前記被写体を第１の撮像利得で撮像し、第１の映像を取得するステップと、
前記第１の映像を取得するステップの前または後に、第２の照明光で前記被写体を照明し、前記被写体からの反射光を前記二次元撮像装置の光電面に結像して前記被写体を第２の撮像利得で撮像し、第２の映像を取得するステップと、
前記第１および第２の映像の同一の画素における輝度の比を算出し、この輝度の比を用いて前記光電面から前記被写体のうち前記画素に対応する点までの距離を計算する演算を、前記第１および第２の映像の各画素について実行するステップと、
を備え、
前記第１および第２の照明光は、同じ一定の輝度で同じ時間にわたり前記被写体を照明し、
前記第１および第２の撮像利得の少なくとも一方は、時間とともに変化し、
前記演算を実行するステップは、前記距離を前記第１の映像の輝度と前記第２の映像の輝度との比の関数として表す式に、算出した前記輝度の比を代入して前記距離を計算する、立体情報検出方法。
【請求項６】
前記第１の撮像利得は、所定の基準時刻から時間とともに一定の変化率Ｕで増加し、
前記第２の撮像利得は、定数ｇｒであり、
前記第１の映像を取得するステップは、前記基準時刻から所定の時間ｔ０が経過した時に前記第１の照明光による前記被写体の照明を開始し、
前記演算を実行するステップは、前記式として下記に示す
【数３４】
0003840341.tif 000031
（ｄは前記距離、ｖは光速、Ｒ＋は前記第１の映像の輝度／前記第２の映像の輝度）
のＲ＋に前記算出した輝度の比を代入して前記距離を計算する、請求項５に記載の立体情報検出方法。
【請求項７】
前記第１の撮像利得は、時間とともに一定の変化率Ｕで減少し、
前記第２の撮像利得は、定数ｇｒであり、
前記第１の映像を取得するステップは、前記第１の撮像利得が所定の値ｇ０を有する時刻から所定の時間ｔ０が経過した時に前記第１の照明光による前記被写体の照明を開始し、
前記演算を実行するステップは、前記式として下記に示す
【数３５】
0003840341.tif 000032
（ｄは前記距離、ｖは光速、Ｒ−は前記第１の映像の輝度／前記第２の映像の輝度）
のＲ−に前記算出した輝度の比を代入して前記距離を計算する、請求項５に記載の立体情報検出方法。
【請求項８】
前記第１の撮像利得は、所定の基準時刻から時間とともに一定の変化率Ｕで増加し、
前記第２の撮像利得は、時間とともに前記変化率Ｕで減少し、
前記第１の映像を取得するステップは、前記基準時刻から所定の時間ｔ０が経過した時に前記第１の照明光による前記被写体の照明を開始し、
前記第２の映像を撮像するステップは、前記第２の撮像利得が所定の値ｇ０を有する時刻から前記時間ｔ０が経過した時に前記第２の照明光による前記被写体の照明を開始し、
前記演算を実行するステップは、下記の式
【数３６】
0003840341.tif 000033
（ｄは前記距離、ｖは光速、Ｒは前記第１の映像の輝度／前記第２の映像の輝度）
のＲに前記算出した輝度の比を代入して前記距離を計算する、請求項５に記載の立体情報検出方法。
【請求項９】
前記演算を実行するステップの後、前記各画素について算出された前記距離をその各画素の映像レベルとする立体情報信号を生成するステップを更に備え、
前記第１の映像を取得するステップおよび前記第２の映像を取得するステップの双方を前記立体情報信号の１フレーム時間内に実行する、請求項１〜８のいずれか記載の立体情報検出方法。
【請求項１０】
第１または第２の照明光を選択して被写体に投射することの可能な投光部と、
前記第１または第２の照明光が前記被写体に投射されたときに前記被写体からの反射光が結像される光電面を有し、前記第１の照明光の投射に応じて前記被写体を撮像して第１の映像信号を生成するとともに、前記第２の照明光の投射に応じて前記被写体を撮像して第２の映像信号を生成する二次元撮像装置と、
前記第１および第２の映像信号の同一の画素における輝度の比を算出し、この輝度の比を用いて前記光電面から前記被写体のうち前記画素に対応する点までの距離を計算する演算を、前記第１および第２の映像信号の各画素について実行する信号処理部と、
を備え、
前記第１および第２の照明光の少なくとも一方は、時間とともに変化する輝度を有しており、
前記二次元撮像装置は、前記第１および第２の照明光の投射に応じて前記被写体を同じ一定の撮像利得で同じ時間にわたり撮像し、
前記信号処理部は、前記距離を前記第１の映像信号の輝度と前記第２の映像信号の輝度との比の関数として表す式に、算出した前記輝度の比を代入して前記距離を計算する、立体情報検出装置。
【請求項１１】
前記信号処理部は、請求項２〜４のいずれかに記載の方法によって前記距離を計算する、請求項１０に記載の立体情報検出装置。
【請求項１２】
第１または第２の照明光を選択して被写体に投射することの可能な投光部と、
前記第１または第２の照明光が前記被写体に投射されたときに前記被写体からの反射光が結像される光電面を有し、前記第１の照明光の投射に応じて前記被写体を第１の撮像利得で撮像して第１の映像信号を生成するとともに、前記第２の照明光の投射に応じて前記被写体を第２の撮像利得で撮像して第２の映像信号を生成する二次元撮像装置と、
前記第１および第２の映像信号の同一の画素における輝度の比を算出し、この輝度の比を用いて前記光電面から前記被写体のうち前記画素に対応する点までの距離を計算する演算を、前記第１および第２の映像信号の各画素について実行する信号処理部と、
を備え、
前記投光部は、前記第１および第２の照明光を同じ一定の輝度で同じ時間にわたって前記被写体に投射し、
前記第１および第２の撮像利得の少なくとも一方は、時間とともに変化し、
前記信号処理部は、前記距離を前記第１の映像信号の輝度と前記第２の映像信号の輝度との比の関数として表す式に、算出した前記輝度の比を代入して前記距離を計算する、立体情報検出装置。
【請求項１３】
前記信号処理部は、請求項６〜８のいずれかに記載の方法によって前記距離を計算する、請求項１２に記載の立体情報検出装置。
【請求項１４】
前記投光部が、電気信号によって変調可能な発光素子を備えている、請求項１０〜１３のいずれかに記載の立体情報検出装置。
【請求項１５】
前記投光部が、発光素子と、電気信号によって駆動され、前記発光素子から出射した光を変調することの可能な変調器と、を備えている、請求項１０〜１３のいずれかに記載の立体情報検出装置。
【請求項１６】
前記二次元撮像装置が、前記被写体からの反射光を受光して光学像を生成する結像手段と、前記光学像を撮像して前記第１および第２の映像信号を出力する撮像素子と、前記結像手段と前記撮像素子との間に配置され、前記第１および第２の撮像利得を制御することができるゲート付きイメージインテンシファイアーと、を備えている、請求項１０〜１５のいずれかに記載の立体情報検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体動画像撮像に適用することが可能な被写体の立体情報検出方法および装置に関し、特に、映像信号のフレーム時間に実時間で追随できる速度で被写体各点の距離を２次元的に計測することにより被写体の立体情報を検出する方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光を用いて被写体の距離あるいは立体情報を計測する従来の技術としては、以下の方法がある。
【０００３】
（１）図１２のように、パルス状のレーザー光あるいは正弦波で振幅変調したレーザー光を被写体に照射し、反射光の到達時間あるいは変調位相から距離を計測する。
【０００４】
（２）図１３のように、前記（１）の方法においてレーザービームを２次元的に走査することにより被写体各部の距離を２次元的に計測する。
【０００５】
（３）図１４のように、正弦波信号で照明光を変調するとともに、撮像素子の前面に置かれたイメージインテンシファイアの光増幅利得を同じ正弦波信号で変調する。被写体からの反射光をレンズで結像した光学像は、被写体とレンズまでの距離に応じた変調位相を有しているため、イメージインテンシファイアに入力された光学像のうち光増幅利得の変化と位相の合った部分のみが強調される。そのため、レンズから等距離にある被写体の部分を等高線状に２次元的にとらえることができる。この動作原理の詳細は、特開平6-294868号公報の「イメージングレーザレーダ装置」に記述されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記（１）に記述した方法は、被写体の一点の距離を計測するものであり、被写体の立体情報を得ることが出来ない。そのため、被写体各部の距離の２次元的な分布を計測して立体情報を得るためには、上記（２）の方法のように光ビームを２次元的に走査する必要がある。また、上記（３）の方法は、レンズから等距離にある被写体の一部分のみが抽出されるため、被写体全体の立体情報を得るためには、照明光の変調位相を所要の範囲だけ変化させる必要がある。上記（２）及び（３）はそれぞれ、照明光ビームの２次元的なラスタ走査と照明光の変調位相の変化が必要であるため、被写体の立体情報を映像信号のフレーム時間の速度で取り込むことは困難であり、立体動画像の撮像に適用するには不向きである。
【０００７】
本発明の目的は、このような従来技術の問題を解決して立体動画像の撮像に適用するために、被写体の立体情報を映像信号のフレーム時間以内で検出することを可能とする方法および装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る立体情報検出方法は、所定の輝度を有する照明光で照明された被写体を光学像として結像し、この光学像を所定の撮像利得で撮像した映像から、被写体の各点の距離を検出する方法であり、前記所定の輝度および撮像利得の少なくとも一方が時間とともに変化するものであり、被写体の各点の距離を映像信号のフレーム時間に実時間で追随する速度で検出できるようになっている。時間とともに変化する輝度または撮像利得を利用することで、撮像された被写体の映像の２次元的な輝度分布には被写体の各点までの距離情報が含まれるようになる。従って、この輝度レベル情報から被写体の各点の距離を求めることができ、被写体の立体情報を検出することができる。
【０００９】
上記の撮像は、映像信号の１フレーム時間内に複数回行ってもよい。この場合、撮像素子の蓄積効果により信号対雑音比が改善され、撮像感度が高まる。
【００１０】
本発明に係る立体情報検出装置は、所定の輝度を有する照明光を被写体に投射することの可能な投光部と、所定の撮像利得で被写体を撮像することの可能な撮像部と、撮像部から出力された映像信号に含まれる輝度レベル情報から、被写体の各点の距離を計算する信号処理部と、を備えており、前記所定の輝度および撮像利得の少なくとも一方が時間とともに変化するものであり、被写体の各点の距離を映像信号のフレーム時間に実時間で追随できる速度で検出することができる。時間とともに変化する輝度または撮像利得を利用することで、撮像部によって撮像される被写体の映像の２次元的な輝度分布には投光部から被写体の各点までの距離情報が含まれるようになる。従って、信号処理部は、映像信号に含まれる輝度レベル情報から被写体の各点の距離を計算することができる。この装置によれば、撮像時間が十分に短く、信号処理部が十分な速度で被写体の各点の距離を計算できるものであれば、被写体各点の距離を映像信号のフレーム時間に実時間で追随する速度で検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の種々の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る立体情報検出装置の構成図である。この装置は、振幅変調された照明光Ｓ６で被写体を照明することの可能な投光部１０、撮像利得を時間とともに変化させて被写体からの反射光Ｓ７を受光し、被写体の光学像を撮像することの可能な撮像部１１、撮像部１１からの映像信号Ｓ４１および映像信号Ｓ４２を立体情報信号Ｓ５に変換するための信号処理部７、及び照明光変調信号Ｓ１、撮像利得変調信号Ｓ２、制御信号Ｓ３を発生するための信号発生部１を備えている。これらの構成要素の具体的な構成については、後述する。
【００１２】
以下では、図１の装置を用いた本発明に係る立体情報検出方法の原理を、光源の輝度または撮像利得が時間とともに線形に変化する場合を具体例として説明する。
【００１３】
図２および図３に基づいて、立体情報検出方法の第１の実施形態（実施形態１）を説明する。この実施形態では、図２（ａ）のように照明光の輝度ＩをＩ＝Ｓｔと振幅変調する。ここで、ｔは時間、Ｓは輝度の増加率（＝２Ｉ０／Ｔ）である。図２（ｂ）に示されるように、投光部１０の光出射口から距離ｄだけ離れた被写体からの反射光の強度ＩＲは、光速をｖとすると往復時間２ｄ／ｖの遅れをもってＳ（ｔ−２ｄ／ｖ）のように変化する。従って、ある時刻ｔ＝ｔ０における強度Ｉ＋の反射光を、短時間△ｔ（≪Ｔ）の間だけ撮像利得ｇをｇ＝ｇ０（＞０）として撮像すると、映像の輝度Ｉ＋ｇ０は、次の（１）式で表される。
【００１４】
【数１】
0003840341.tif 000002
ここで、σは被写体の後方散乱断面積である。（１）式には被写体の距離情報が含まれている。さらに、σ／（４πｄ2）2項の依存性を除くため、時刻Ｔ′から時間Δｔにわたって照明光の輝度ＩをＩ＝Ｉrと一定にして２回目の撮像を行う。この時の映像の輝度Ｉrefｇ0は、次の（２）式で表される。
【００１５】
【数２】
0003840341.tif 000003
（１）式と（２）式より
【数３】
0003840341.tif 000004
（３）式より
【数４】
0003840341.tif 000005
さらに、Ｉr＝Ｉ0とするとＳ＝Ｉ0／（Ｔ／２）より
【数５】
0003840341.tif 000006
となり、（４）式または（５）式より距離ｄが求められる。
【００１６】
このように、振幅変調光で照明された被写体からの反射光を結像した光学像の各点の輝度は、対応する被写体各点までの距離情報を含んでいる。従って、上記のような方法で被写体を撮像し、映像の各画素について求めた輝度に対して（４）式または（５）式を適用すれば、被写体各点の距離情報が２次元的に得られ、被写体の立体情報を検出することができる。
【００１７】
図３に示すように、光源の輝度ＩがＩ＝Ｉ0−Ｓｔと減少する場合にも同様の方法で距離ｄが求められる。
【００１８】
【数６】
0003840341.tif 000007
【数７】
0003840341.tif 000008
【数８】
0003840341.tif 000009
さらに、Ｉr＝Ｉ0とすると、
【数９】
0003840341.tif 000010
前記と同様に、被写体からの反射光を結像した光学像を撮像して、映像の各画素に（８）式または（９）式を適用すれば、被写体各点の距離情報が２次元的に得られ、被写体の立体情報を検出することができる。
【００１９】
次に、図４に基づいて、立体情報検出方法の第２の実施形態（実施形態２）を説明する。図４のように、三角波で照明光の輝度を変調して被写体を照明するとともに、ｔ＝ｔ０とｔ＝ｔ０＋Ｔ／２の２回、短時間Δｔ（≪Ｔ）の間だけｇ＝ｇ０（＞０）として強度Ｉ＋とＩ−の反射光をそれぞれ撮像する。（１）式と（６）式より、
【数１０】
0003840341.tif 000011
【数１１】
0003840341.tif 000012
三角変調された照明光の波長をλ＝ｖＴとすると、Ｓ＝Ｉ０／（Ｔ／２）より
【数１２】
0003840341.tif 000013
さらに、ｔ０を一定値に設定すると、参照点ｄｒｅｆからの相対距離としてｄを表すことができる。次の（１３）式は、ｔ０＝Ｔ／４とした場合のｄｒｅｆ＝０からの相対距離である。
【００２０】
【数１３】
0003840341.tif 000014
実施形態１と同様に、被写体からの反射光を結像した光学像を撮像して、映像の各画素について（１１）式、（１２）式または（１３）式を適用すれば、被写体各点の距離情報が２次元的に得られ、被写体の立体情報を検出することができる。
【００２１】
上記実施形態１および２の立体情報検出方法に対する相補的な方法として、短時間パルス状に変調された照明光を用い、線形に増加または減少する撮像利得で撮像を行うことにより被写体の立体情報を検出することも可能である。
【００２２】
図５及び図６に基づいて、立体情報検出方法の第３の実施形態（実施形態３）について説明する。図５（ａ）のように撮像利得ｇがｇ＝Ｕｔと線形に増加するような変調を行うとともに、ｔ＝ｔ０から短時間△ｔ（≪Ｔ）だけ強度Ｉ＝Ｉ０でパルス状に発光する光で被写体を照明する。ここで、Ｕは撮像感度の増加率（＝２ｇ０／Ｔ）である。距離ｄだけ離れた被写体からの反射光が撮像装置に戻って来た時の撮像利得ｇ＋は、図５（ｂ）に示すようにｇ＋＝Ｕ（ｔ０＋２ｄ／ｖ）となり、この反射光を撮像した時の映像の輝度Ｉｒ０ｇ＋は次の（１４）式で表される。
【００２３】
【数１４】
0003840341.tif 000015
さらに、σ／（４πｄ2）2項の依存性を除くため、撮像利得ｇをｇ＝ｇrと一定にして時刻Ｔ′から短時間Δｔにわたって照明を行う。このときに得られる映像の輝度Ｉr0ｇrは、次の（１５）式で表される。
【００２４】
【数１５】
0003840341.tif 000016
（１４）および（１５）式より、
【数１６】
0003840341.tif 000017
（１６）式より
【数１７】
0003840341.tif 000018
さらに、ｇr＝ｇ0とするとＵ＝ｇ0／（Ｔ／２）より、
【数１８】
0003840341.tif 000019
となり、（１７）式または（１８）式より距離ｄが求められる。実施形態１および２の場合と同様に、被写体からの反射光を結像した光学像を撮像して、映像の各画素について（１７）式または（１８）式を適用すれば、被写体各点の距離情報が２次元的に得られ、被写体の立体情報を検出することができる。
【００２５】
図６に示すように、撮像利得ｇがｇ＝ｇ0−Ｕｔと減少する場合にも同様の方法で距離ｄが求められる。
【００２６】
【数１９】
0003840341.tif 000020
【数２０】
0003840341.tif 000021
【数２１】
0003840341.tif 000022
さらに、ｇr＝ｇ0とすると、
【数２２】
0003840341.tif 000023
である。前記と同様に、被写体からの反射光を結像した光学像を撮像して、映像の各画素について（２１）式または（２２）式を適用すれば、被写体各点の距離情報が２次元的に得られ、被写体の立体情報を検出することができる。
【００２７】
次に、図７に基づいて、立体情報検出方法の第４の実施形態（実施形態４）を説明する。図７（ａ）のように、三角波で撮像感度ｇを変調するとともに、ｔ＝ｔ０とｔ＝ｔ０＋Ｔ／２の２回、短時間△ｔ（≪Ｔ）だけ強度Ｉ＝Ｉ０でパルス状に発光する光で被写体を照明する。（１５）式と（１９）式より、
【数２３】
0003840341.tif 000024
【数２４】
0003840341.tif 000025
である。撮像感度を変調する三角波の波長を便宜上λ＝ｖＴと定義すると、Ｕ＝ｇ０／（Ｔ／２）より、
【数２５】
0003840341.tif 000026
である。さらに、実施形態２の場合と同様にｔ０を一定値に設定すると、参照点ｄｒｅｆからの相対距離としてｄを表すことができる。次の（２６）式は、ｔ０＝Ｔ／４とした場合のｄｒｅｆ＝０からの相対距離である。
【００２８】
【数２６】
0003840341.tif 000027
前記と同様に、被写体からの反射光を結像した光学像を撮像して、映像の各画素について（２４）式、（２５）式または（２６）式を適用すれば、被写体各点の距離情報が２次元的に得られ、被写体の立体情報を検出することができる。
【００２９】
次に、上記の各実施形態において撮像の感度を増加する方法について説明する。上記実施形態において、Ｒ+を求めるためのＩ+ｇ0とＩrefｇ0の撮影、または、Ｒ-を求めるためのＩ-ｇ0とＩrefｇ0の撮影、または、Ｒを求めるためのＩ+ｇ0とＩ-ｇ0の撮影を、映像信号の１フレーム時間内に複数回行うと、撮像に使われる撮像素子の蓄積効果により信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）比が改善され撮像感度が増加する。
【００３０】
次に、図面を参照して、図１に示される立体情報検出装置の具体的構成について説明する。
【００３１】
図８は、図１に示される投光部１０の実施例１０ａを示している。この投光部１０ａは、照明光変調信号Ｓ１によって直接変調することの可能な発光素子３１と、発光素子３１の出射面に対向して配置され、発光素子３１から出射した光を整形して被写体に向かわせる照明光学系３０と、を備えている。発光素子３１としては、例えば半導体レーザーダイオードや半導体発光ダイオードなどを用いることができる。このような発光素子は、電気信号である照明光変調信号Ｓ１で直接駆動させることにより、光強度が高速に変化する光を発生させることができる。発生した光は、被写体を照射するように照明光学系３０によって整形され、照明光Ｓ６となる。従って、照明光変調信号Ｓ１により、増加、減少またはパルス状発光など、光強度が高速かつ任意に変化する照明光を実現することが可能である。このように、図８の構成の投光部は、本発明に係る立体情報検出方法において照明光の輝度制御の手段として使用することができる。
【００３２】
図９は、図１に示される投光部１０の別の実施例１０ｂを示している。この投光部１０ｂは、定常光３４を出力する発光素子３３と、発光素子３３の出射面に対向して配置され、発光素子３３から出射した光を照明光変調信号Ｓ１に応じて間接変調する外部変調器３２と、外部変調器３２からの光を整形して被写体に向かわせる照明光学系３０と、を備えている。外部変調器３２としては、電気光学効果光変調器や電気音響効果光変調器などを使用することができる。この投光部１０ｂでは、発光素子３３からの定常光３４を外部変調器３２を用いて間接的に変調することにより、光強度が高速かつ任意に変化する光を発生させることができる。発生した光は、被写体を照射するように照明光学系３０によって整形され、照明光Ｓ６となる。図８の投光部と同様に、図９の構成の投光部も、本発明に係る立体情報検出方法において照明光の輝度制御手段として使用することができる。
【００３３】
次に、図１０は、図１に示される撮像部１１の実施例を示している。この撮像部１１は、被写体からの反射光を受光して光学像を生成するレンズ４と、レンズ４の後側に配置され、レンズ４から出射する光学像を撮像する撮像素子６と、撮像素子６の出力電気信号に含まれる複数画面分の映像信号を各画面ごとに分割して出力することの可能な画像分割回路２２と、を備えている。更に、撮像素子６の前面には、電気信号である撮像利得変調信号Ｓ２に応じて撮像利得を制御することの可能なゲート付きイメージインテンシファイア５が光画像伝達光学系２０を介して取り付けられている。なお、光画像伝達光学系２０としては、ファイバープレートやレンズなどを用いることができる。被写体からの反射光Ｓ７は、レンズ４によってゲート付きイメージインテンシファイア５の光電面に結像される。イメージインテンシファイア５で増幅された光学像は、光画像伝達光学系２０によって伝達されて撮像素子６の光電面に入力される。
【００３４】
ゲート付きイメージインテンシファイア５の光増幅利得は、そのゲート２１に印可する電圧で高速に制御することができる。そのため、この撮像部１１では、撮像利得変調信号Ｓ２をゲート２１に印可することにより、撮像利得を高速に変化させることが可能である。したがって、撮像利得変調信号Ｓ２により、短時問だけシャッターを開放するようなパルス状の撮像利得や増加または減少する撮像利得など、高速かつ任意に変化する撮像利得を実現することが可能である。
【００３５】
この撮像部１１を上記の各実施形態で使用する場合、撮像部１１は、Ｒ+またはＲ-またはＲを計算するために２回１組の撮像を行い１フレームあたり２画面分の映像信号を分離して出力する必要がある。このため、撮像部１１では、撮像素子６を通常の２倍速で駆動して２画面分の映像信号を取得し、これを画像分割回路２２によって映像信号Ｓ４１と映像信号Ｓ４２に分離して出力する。あるいは、１画素を１回の撮像ごとに映像信号Ｓ４１側と映像信号Ｓ４２側に切り替えて撮像できる構造の撮像素子を採用することにより、映像信号Ｓ４１と映像信号Ｓ４２とを分離して出力することができる。
【００３６】
以上から、図１０の構成の撮像部１１は、本発明に係る立体情報検出方法において撮像利得制御の手段として使用することができ、また、２回１組の撮像に対応する２つの映像信号を分離して出力する手段として使用することが可能である。
【００３７】
図１１は、図１の信号処理部７の実施例を示している。この信号処理部７では、内部信号が映像信号の画素と同じ速度で駆動され、それぞれの回路でパイプライン処理される。映像信号Ｓ４１と映像信号Ｓ４２は同期分離回路４１で同期信号を取り除かれた後、それぞれ、撮像レベル記憶回路１と撮像レベル記憶回路２に記憶される。撮像レベル記憶回路１および撮像レベル記憶回路２からの出力Ｓ４５およびＳ４６は演算処理回路４４に入力され、Ｒ＋またはＲ−またはＲと距離ｄとが計算される。演算処理回路４４の出力Ｓ４７は、被写体各部の距離を２次元的に走査した時系列信号であり、記憶回路４５で時間軸揺らぎを補正された後、同期付加回路４６で同期信号を付加されて、被写体各点の距離情報ｄの値を映像レベルとする立体情報信号Ｓ５として出力される、以上から、図１１の構成の信号処理部７は、本発明に係る立体情報検出方法において被写体の立体情報を実時間で計算する手段として使用することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明では、照明光の輝度および撮像利得の少なくとも一方が時間とともに変化するという条件で撮像した被写体の映像の輝度情報を利用することで、映像信号のフレーム時間に実時間で追随できる速度で被写体各部の距離を２次元的に求め、立体情報を検出することができる。したがって、本発明の方法および装置は、被写体の立体動画像の撮像に好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る立体情報検出装置の一実施形態の構成を概略的に示す図である。
【図２】線形増加および一定の輝度の照明光とパルス状の撮像利得との組み合わせにより立体情報を検出する方法を説明するための図であり、（ａ）は照明光の輝度Ｉと撮像利得ｇの時間変化波形を示し、（ｂ）は投光部からｄだけ離れた被写体からの反射光の強度ＩRと撮像利得ｇの時間変化波形を示している。
【図３】線形減少および一定の輝度の照明光とパルス状の撮像利得との組み合わせにより立体情報を検出する方法を説明するための図であり、（ａ）は照明光の輝度Ｉと撮像利得ｇの時間変化波形を示し、（ｂ）は投光部からｄだけ離れた被写体からの反射光の強度ＩRと撮像利得ｇの時間変化波形を示している。
【図４】線形増加および減少する輝度の照明光とパルス状の撮像利得との組み合わせにより立体情報を検出する方法を説明するための図であり、（ａ）は照明光の輝度Ｉと撮像利得ｇの時間変化波形を示し、（ｂ）は投光部からｄだけ離れた被写体からの反射光の強度ＩRと撮像利得ｇの時間変化波形。
【図５】線形増加および一定の撮像利得とパルス状の輝度の照明光との組み合わせにより立体情報を検出する方法を説明するための図であり、（ａ）は照明光の輝度Ｉと撮像利得ｇの時間変化波形を示し、（ｂ）は投光部からｄだけ離れた被写体からの反射光の強度ＩRと撮像利得ｇの時間変化波形を示している。
【図６】線形減少および一定の撮像利得とパルス状の輝度の照明光との組み合わせにより立体情報を検出する方法を説明するための図であり、（ａ）は照明光の輝度Ｉと撮像利得ｇの時間変化波形を示し、（ｂ）は投光部からｄだけ離れた被写体からの反射光の強度ＩRと撮像利得ｇの時間変化波形を示している。
【図７】線形増加および減少する撮像利得とパルス状の輝度の照明光との組み合わせにより立体情報を検出する方法を説明するための図であり、（ａ）は照明光の輝度Ｉと撮像利得ｇの時間変化波形を示し、（ｂ）は投光部からｄだけ離れた被写体からの反射光の強度ＩRと撮像利得ｇの時間変化波形を示している。
【図８】直接変調される発光素子を備える投光部の構成を示す図である。
【図９】外部変調器で間接変調される発光素子を備える投光部の構成を示す図である。
【図１０】ゲート付きイメージインテンシファイアー（II）を用いた撮像部の構成を示す図である。
【図１１】信号処理部の構成を示す図である。
【図１２】レーザー反射光の遅れ時間あるいは変調位相より距離を計測する従来の方法を示す図である。
【図１３】レーザービームを２次元走査する従来の方法を示す図である。
【図１４】従来のイメージングレーザレーダ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…信号発生部、４…レンズ、５…ゲート付きイメージインテンシファイア、６…撮像素子、７…信号処理部、１０…投光部、１１…撮像部、２０…光画像伝達光学系、２１…ゲート、２２…画像分割回路、３０…照明光学系、３１…発光素子、３２…外部変調器。
【図１】
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【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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【図１３】
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【図１４】
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