JP3574607B2

JP3574607B2 - ３次元画像入力装置

Info

Publication number: JP3574607B2
Application number: JP2000133504A
Authority: JP
Inventors: 修三瀬尾
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 2000-05-02
Filing date: 2000-05-02
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2020-05-02
Also published as: US20020015144A1; US6456368B2; JP2001313958A

Description

【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次元画像入力装置として、パルス状の測距光を一定の周期で被計測物体に照射し、被計測物体からのパルス状の反射光をＣＣＤ等の撮像素子によって受光するとともに積分するものが知られている。すなわちＣＣＤの各フォトダイオ−ドは、被計測物体の表面上の各点に対応しており、各点までの距離に対応した電荷が蓄積される。これにより、被計測物体の表面形状が計測される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の３次元画像入力装置において、測距精度を向上させるために反射率の補正のための情報を検出するように構成すると、ＣＣＤ等の撮像素子の出力レンジの幅を拡大する必要が生じることがあり、このような場合、測距精度を十分に向上させることは難しい。
【０００４】
本発明は、撮像素子の出力レンジを実質的に拡大させることなく、被計測物体の３次元形状を検出する測距精度を向上させ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次元画像入力装置は、パルス状の測距光であって、各パルスにおいて高さが時間的に変化する測距光を被計測物体に照射する測距光照射手段と、測距光によって被計測物体において生じたパルス状の反射光を第１の反射光検知期間の間だけ受光することにより、第１の反射光成分を検出する第１の反射光成分検出手段と、高さが一定であるパルス状の補正光を被計測物体に照射する補正光照射手段と、補正光によって被計測物体において生じたパルス状の反射光を第２の反射光検知期間の間だけ受光することにより、第２の反射光成分を検出する第２の反射光成分検出手段と、第１の反射光成分を第２の反射光成分によって割算することにより、被計測物体の表面の各点までの距離に対応した３次元距離情報を求める距離情報算出手段とを備えたことを特徴としている。
【０００６】
測距光のパルス高さは直線的に変化し、例えば減少することが好ましい。これによれば、距離情報算出手段による演算が簡単になる。
【０００７】
好ましくは、第１の反射光検知期間は測距光のパルスの消滅から開始し、第２の反射光検知期間は補正光のパルスの消滅から開始する。
【０００８】
【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。
【０００９】
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−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−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−ド切替ダイヤル１７とＶ／Ｄモ−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−ド等の記録媒体を挿入するためのカ−ド挿入口１９が形成され、またビデオ出力端子２０とインタ−フェ−スコネクタ２１が設けられている。
【００１０】
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−ミング動作はレンズ駆動回路２７によって制御される。
【００１１】
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−ル回路３５によって制御される。
【００１２】
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。
【００１３】
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−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−ル回路３５はインタ−フェ−ス回路４０に接続され、インタ−フェ−ス回路４０はインタ−フェ−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−フェ−スコネクタ２１に接続されたコンピュ−タ４１に伝送可能である。またシステムコントロ−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−ド等の記録媒体Ｍに記録可能である。
【００１４】
システムコントロ−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はパルス状のレ−ザ光を照射するものであり、このレ−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。レ−ザ光のパルスの形状は、後述するように、矩形と三角形の２種類である。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−ル回路３５とＣＣＤ駆動回路３０によって行なわれる。
【００１５】
システムコントロ−ル回路３５には、レリ−ズスイッチ１５、モ−ド切替ダイヤル１７、Ｖ／Ｄモ−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。
【００１６】
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。
【００１７】
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下がりは、測距光のパルスの立ち下がりよりも時間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
により得られる。ただしＣは光速である。
【００１８】
例えば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て、反射光のパルスの立ち下がりまでの成分を検出するようにすると、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）大きくなる。
【００１９】
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−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−タを一括して入力している。
【００２０】
図５は、被計測物体の表面の各点までの距離に関するデ−タを検出する第１の反射光成分検出動作のタイミングチャ−トである。図１、図２、図５を参照して第１の反射光成分検出動作を説明する。なお図４では、測距光と反射光のパルス形状は矩形であったが、これは説明の簡単のためであり、実際には図７に示すように三角形を呈し、すなわち測距光と反射光のパルス形状は全体として鋸歯状である。
【００２１】
垂直同期信号Ｓ１の出力に同期して発光装置１４が起動され、三角形のパルス状の測距光Ｓ３が周期的に出力される。測距光Ｓ３は一定のパルス幅を有し、時間軸に対し垂直に立ち上がって高さが直線的に減少する。測距光Ｓ３は被計測物体において反射し、ＣＣＤ２８に入射する。すなわちＣＣＤ２８によって被計測物体からの反射光Ｓ４が受光される。反射光Ｓ４のパルス形状も測距光Ｓ３と同様な三角形を呈する。
【００２２】
測距光Ｓ３の個々のパルスが消滅するタイミングに合わせて、電荷掃出し信号（パルス信号）Ｓ２が出力される。電荷掃出し信号Ｓ２の出力は、測距光Ｓ３のパルスが消滅するのと同時に終了するように制御される。これによりフォトダイオ−ドに蓄積していた不要電荷が基板の方向に掃出される。測距光Ｓ３の出力から一定時間が経過したとき、電荷転送信号（パルス信号）Ｓ５が出力され、これによりフォトダイオ−ドに蓄積された電荷が垂直転送部に転送される。なお、電荷転送信号Ｓ５の出力は、反射光Ｓ４のパルスの消滅よりも後に行なわれる。
【００２３】
このように電荷掃出し信号Ｓ２の出力の終了から電荷転送信号Ｓ５の出力までの期間Ｔ_Ｕの間、フォトダイオ−ドには、被計測物体までの距離に対応した信号電荷が蓄積される。すなわち測距光Ｓ３が出力される期間Ｔ_Ｓの終了と同時に電荷蓄積期間Ｔ_Ｕが開始し、電荷蓄積期間Ｔ_Ｕの間（すなわち第１の反射光検知期間）に、反射光Ｓ４の一部のみ（すなわち反射光Ｓ４のパルスの高さの低い部分である第１の反射光成分）がＣＣＤ２８によって検知され、検知された光によって生じる信号電荷Ｓ６は被計測物体までの距離に対応している。換言すれば、被計測物体からの反射光Ｓ４のうち、電荷蓄積期間Ｔ_Ｕ内にフォトダイオ−ドに到達した光に対応した信号電荷Ｓ６がフォトダイオ−ドに蓄積される。この信号電荷Ｓ６は、電荷転送信号Ｓ５によって垂直転送部に転送される。
【００２４】
電荷転送信号Ｓ５の出力から一定時間が経過した後、再び電荷掃出し信号Ｓ２が出力され、垂直転送部への信号電荷の転送後にフォトダイオ−ドに蓄積された不要電荷が基板の方向へ掃出される。すなわち、フォトダイオ−ドにおいて新たに、次の測距光の照射による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Ｔ_Ｕが経過したとき、信号電荷は垂直転送部へ転送される。
【００２５】
このような信号電荷Ｓ６の垂直転送部への転送動作は、次の垂直同期信号Ｓ１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において、信号電荷Ｓ６が積分され、１フィ−ルドの期間（２つの垂直同期信号Ｓ１によって挟まれる期間）に積分された信号電荷Ｓ６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に対応している。
【００２６】
以上説明した信号電荷Ｓ６の検出動作は１つのフォトダイオ−ドに関するものであり、全てのフォトダイオ−ドにおいてこのような検出動作が行なわれる。１フィ−ルドの期間の検出動作の結果、各フォトダイオ−ドに隣接した垂直転送部の各部位には、そのフォトダイオ−ド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−タとして、３次元画像入力装置の外部に取り出される。
【００２７】
上述のようにして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ている。したがって、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を含んでいる。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外乱成分も含まれており、これに起因する誤差も存在する。したがって距離情報検出動作では、被計測物体の反射率、外乱等の影響を補正することが好ましい。次に、これらの補正を行なう距離情報検出動作について説明する。
【００２８】
図６〜図８は、第１の外乱成分、第２の反射光成分および第２の外乱成分の検出動作を示し、図９と図１０は距離情報検出動作のフロ−チャ−トである。図１、図２、図５〜図１０を参照して、被計測物体の反射率、外乱等の影響を補正する距離情報検出動作を説明する。すなわち図５に関し、説明は重複する。
【００２９】
ステップ１０１においてレリ−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−ドと距離測定（Ｄ）モ−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−ド間における切替はＶ／Ｄモ−ド切替スイッチ１８を操作することによって行なわれる。
【００３０】
Ｄモ−ドが選択されているとき、ステップ１０３〜１０７において、第１の反射光成分検出動作が実行される。ステップ１０３では、垂直同期信号Ｓ１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、三角形のパルスの測距光Ｓ３が断続的に出力される。次いでステップ１０４が実行され、ＣＣＤ２８による検知制御が開始される。すなわち図５を参照して説明した第１の反射光成分検出動作が開始され、電荷掃出し信号Ｓ２と電荷転送信号Ｓ５が交互に出力されて、第１の反射光成分の信号電荷Ｓ６が垂直転送部において積分される。
【００３１】
ステップ１０５では、第１の反射光成分検出動作の開始から１フィ−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Ｓ１が出力されたか否かが判定される。１フィ−ルド期間が終了するとステップ１０６へ進み、第１の反射光成分の信号電荷Ｓ６がＣＣＤ２８から出力される。この信号電荷Ｓ６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。
【００３２】
ステップ１０９〜１１２では、第１の外乱成分検出動作が行なわれる。まずステップ１０９では、図６に示すように、垂直同期信号Ｓ１１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Ｓ１２と電荷転送信号Ｓ１５が交互に出力される。電荷蓄積時間Ｔ_Ｕは図５に示す第１の反射光成分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Ｓ１３）、反射光は存在しない（符号Ｓ１４）。したがって、第１の反射光成分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Ｓ１６が発生する。すなわち信号電荷Ｓ１６は、第１の反射光成分に含まれる第１の外乱成分に対応している。
【００３３】
ステップ１１０では、第１の外乱成分検出動作の開始から１フィ−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Ｓ１１が出力されたか否かが判定される。１フィ−ルド期間が終了するとステップ１１１において、第１の外乱成分の信号電荷Ｓ１６がＣＣＤ２８から出力される。第１の外乱成分の信号電荷Ｓ１６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。
【００３４】
ステップ１１３〜１１７では、第２の反射光成分検出動作が行なわれる。ステップ１１３では、図７に示すように、垂直同期信号Ｓ２１が出力されるとともに補正光制御が開始され、パルス状の補正光Ｓ２３が断続的に出力される。補正光Ｓ２３のパルスの形状は測距光Ｓ３とは異なり、高さ（発光強度）が一定であるが、出力期間Ｔ_Ｓは測距光Ｓ３と同じである。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Ｓ２２と電荷転送信号Ｓ２５が交互に出力される。
【００３５】
第２の反射光成分検出動作において、補正光Ｓ２３のパルスは矩形であるが、電荷掃出し信号Ｓ２２と電荷転送信号Ｓ２５の補正光Ｓ２３に対する出力タイミングは、第１の反射光成分検出動作における電荷掃出し信号Ｓ２と電荷転送信号Ｓ５の測距光Ｓ３に対する出力タイミングと同じであり、補正光Ｓ２３が出力される期間Ｔ_Ｓの終了と同時に第２の反射光検知期間Ｔ_Ｕが開始する。すなわち第２の反射光検知期間Ｔ_Ｕは補正光Ｓ２３のパルスの消滅から開始し、この期間Ｔ_Ｕの長さは第１の反射光検知期間と同じである。したがって第１の反射光成分検出動作と同様に、反射光Ｓ２４の一部のみ（すなわち第２の反射光成分）がＣＣＤ２８によって検知される。検知された光によって生じる信号電荷Ｓ２６は、第１の反射光成分検出動作において検知される信号電荷Ｓ６と同様に、被計測物体までの距離に対応しており、電荷転送信号Ｓ２５によって垂直転送部に転送される。
【００３６】
ステップ１１５では、第２の反射光成分検出動作の開始から１フィ−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Ｓ２１が出力されたか否かが判定される。１フィ−ルド期間が終了するとステップ１１６へ進み、第２の反射光成分の信号電荷Ｓ２６がＣＣＤ２８から出力される。この信号電荷Ｓ２６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では補正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１１９〜１２２では、第２の外乱成分検出動作が行なわれる。ステップ１１９では、図８に示すように、垂直同期信号Ｓ３１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Ｓ３２と電荷転送信号Ｓ３５が交互に出力される。電荷蓄積時間Ｔ_Ｕの長さとタイミングは図７に示す第２の反射光成分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Ｓ３３）、反射光は存在せず（符号Ｓ３４）、したがって、第２の反射光成分の信号電荷は発生しないが、ＣＣＤ２８には外光等の外乱成分に対応した信号電荷Ｓ３６が発生する。すなわち信号電荷Ｓ３６は、第２の反射光成分に含まれる第２の外乱成分に対応している。
【００３８】
ステップ１２０では、第２の外乱成分検出動作の開始から１フィ−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Ｓ３１が出力されたか否かが判定される。１フィ−ルド期間が終了するとステップ１２１において、第２の外乱成分の信号電荷Ｓ３６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。
【００３９】
なお、第２の外乱成分検出動作における電荷掃出し信号Ｓ３２と電荷転送信号Ｓ３５の出力タイミングは、第１の外乱成分検出動作における電荷掃出し信号Ｓ１２と電荷転送信号Ｓ１５の出力タイミングとも同じであるため、第２の外乱成分の信号電荷Ｓ３６は第１の外乱成分の信号電荷Ｓ１６と同じであると見なせることができ、この場合には第２の外乱成分検出動作を省略することができる。
【００４０】
第１および第２の反射光成分（信号電荷Ｓ６、Ｓ２６）には、被計測物体の表面の反射率に依存する反射光成分と、外光等の外乱成分とが含まれている。ステップ１２３では、ステップ１０３〜１２２において得られた第１および第２の反射光成分と、第１および第２の外乱成分とを用いて距離測定（Ｄ）デ−タの演算処理が行なわれ、ステップ１２４においてＤデ−タが出力されてこの検出動作は終了する。
【００４１】
一方、ステップ１０２においてＶモ−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。
【００４２】
ステップ１２３において実行される演算処理の内容を図１１を参照して説明する。図１１は、図５に示す第１の反射光成分検出動作と図７に示す第２の反射光成分検出動作とにおける測距光または補正光、反射光および電荷蓄積期間をそれぞれ取り出して示したものである。
【００４３】
第１の反射光成分検出動作では、電荷蓄積期間Ｔ_Ｕ（第１の反射光検知期間）は測距光のパルスの消滅と同時に開始し、反射光のパルスの消滅の後、終了している。すなわち反射光の消滅直前の時間Ｔ_Ｄに相当する信号電荷Ｓ６（図５）が検出される。ここで測距光の初期の強度をＩ_０１とすると、測距光の消滅直前の時間Ｔ_Ｄにおける強度Ｉ_０１Ｔは
Ｉ_０１Ｔ＝Ｉ_０１・（Ｔ_Ｄ／Ｔ_Ｓ）・・・（１）
である。被計測物体の表面の反射率をＲ、光の拡散係数をＤ（ｒ）とすると、反射光が消滅する時点よりも時間Ｔ_Ｄだけ前における反射光の強度Ｉ_１は
Ｉ_１＝Ｒ・Ｄ（ｒ）・Ｉ_０１Ｔ・・・（２）
と表される。
【００４４】
したがって、時間Ｔ_Ｄの間の反射光による信号電荷Ｓ６すなわちＣＣＤ２８からの出力値（蓄積電荷）は、
【数１】

である。
【００４５】
一方、第２の反射光成分検出動作では、電荷蓄積期間Ｔ_Ｕ（第２の反射光検知期間）は補正光のパルスの消滅と同時に開始し、反射光のパルスの消滅の後、終了している。すなわち第１の反射光成分検出動作と同様に、反射光のうち消滅直前の時間Ｔ_Ｄに相当する信号電荷Ｓ２６（図７）が検出されるが、補正光のパルス形状は矩形であるので、補正光の初期の強度をＩ_０２とすると、補正光の消滅直前の時間Ｔ_Ｄにおける強度Ｉ_０２Ｔは
Ｉ_０２Ｔ＝Ｉ_０２・・・（４）
であり、また反射光が消滅する時点よりも時間Ｔ_Ｄだけ前における反射光の強度Ｉ_２は
Ｉ_２＝Ｒ・Ｄ（ｒ）・Ｉ_０２Ｔ・・・（５）
と表される。
【００４６】
したがって、時間Ｔ_Ｄの間の反射光による信号電荷Ｓ２６すなわちＣＣＤ２８からの出力値（蓄積電荷）は、
【数２】

である。
【００４７】
第１の反射光成分に関する出力値Ｓ_１と第２の反射光成分に関する出力値Ｓ_２との比すなわち蓄積電荷比は、（３）式と（６）式より、
Ｓ_Ｄ＝Ｓ_１／Ｓ_２＝（１／２Ｔ_Ｓ）・（Ｉ_０１／Ｉ_０２）・Ｔ_Ｄ・・・（７）
となる。ここで、カメラから被計測物体までの距離をｒ、光速をＣとすると、照射された光がカメラまで戻って来るのに要する時間（すなわちＴ_Ｄ）は、
Ｔ_Ｄ＝２ｒ／Ｃ・・・（８）
と表せる。
【００４８】
したがって距離ｒは（９）式のように表せる。
ｒ＝Ｃ・Ｔ_Ｓ・（Ｉ_０２／Ｉ_０１）・Ｓ_Ｄ・・・（９）
（７）、（８）および（９）式から理解されるように、距離ｒには被計測物体の反射率Ｒと光の拡散係数Ｄ（ｒ）は含まれていない。
【００４９】
一方、出力値Ｓ_１、Ｓ_２には、第１および第２の外乱成分に対応した蓄積電荷がそれぞれ含まれている。したがって実際には、蓄積電荷比Ｓ_Ｄは（７）式において、出力値Ｓ_１から第１の外乱成分に対応した蓄積電荷を除去して得られたものを、出力値Ｓ_２から第２の外乱成分に対応した蓄積電荷を除去して得られたもので割算することにより得られる。
【００５０】
このようにして図１０のステップ１２３の演算処理では、第１および第２の反射光成分検出動作において得られた第１および第２の反射光成分と、第１および第２の外乱成分とに基づいて、（３）、（６）および（９）式から、被計測物体の表面の各点までの距離ｄすなわち被計測物体の３次元形状が求められる。
【００５１】
次に、第１および第２の反射光成分の出力値Ｓ_１、Ｓ_２の大きさと、ＣＣＤ２８（図２）の出力レンジについて説明する。
【００５２】
結像光学系の近傍に置かれた点光源により反射率Ｒの被写体が照明されて輝度Ｌ_０の２次元光源となり、結像光学系によってイメ−ジセンサに結像される場合、フレア成分を無視すると、光学像の照度Ｅ_ａは、
Ｅ_ａ＝（τπＬ_０Ｖ・ｃｏｓ^４θ）／（４Ｆ^２（１＋ｍ）^２）・・・（１０）
で表される。ここで、τは結像光学系のレンズの透過率、Ｖは開口効率（ビネッティングファクタ）、θは被写体の光軸に対する傾き角、Ｆは結像光学系のＦナンバ、ｍは結像光学系の横倍率である。
【００５３】
横倍率ｍは、レンズの入射瞳からの被写体距離をｒ、焦点距離をｆ、入射瞳と主軸間の距離をｖｆ（ｖは定数）で表すと、
ｍ＝ｆ／（ｒ−ｆ−ｖｆ）
となり、ｖｆは小さな値なので無視すれば、（１０）式は
Ｅ_ａ＝（τπＬ_０Ｖ（ｒ−ｆ）^２・ｃｏｓ^４θ）／（４Ｆ^２ｒ^２）・・（１１）
と変形することができる。
【００５４】
一方、入射瞳の近傍には光度Ｉ_０１・（Ｔ_Ｄ／Ｔ_Ｓ）（すなわち（６）式）の点光源があって距離ｒだけ離れた被写体を照明したとすると、被写体上の照度Ｅ_ｂは、
Ｅ_ｂ＝Ｉ_０１・（Ｔ_Ｄ／Ｔ_Ｓ）・ｃｏｓα／（ｒ_Ｌ）^２・・・（１２）
と表される。ここで、αは光源方向と被写体法線とのなす角である。被写体の反射率がＲであり、かつ均等拡散面であると仮定すると、被写体が照明されて２次元光源として反射されるときの光の輝度Ｌ_０は、
Ｌ_０＝ＲＩ_０１・（Ｔ_Ｄ／Ｔ_Ｓ）・ｃｏｓα／（π・ｒ_Ｌ ^２）・・・（１３）
となり、（１３）式を（１１）式に代入すると、
【数３】

という関係が得られる。
【００５５】
電荷蓄積時間Ｔ_Ｄの間に発生した電荷が積分された結果として得られる出力値Ｓ_１は、像面照度と露光時間の積である露光量に比例するので、その比例定数をｈ_０とおくと、
【数４】

となる。
【００５６】
（１５）式は、ｒ_Ｌがｒとほぼ等しく、焦点距離に比べて被写体距離が十分に大きいと見做せる場合、（１６）式のように変形できる。
【数５】

【００５７】
（１６）式から理解されるように、第１の反射光成分は被写体距離の変化に関係なくほぼ一定である。
【００５８】
一方、第２の反射光成分に関しては、被写体上の照度Ｅ_ｂは
Ｅ_ｂ＝Ｉ_０２・ｃｏｓ α／（ｒ_Ｌ）^２・・・（１７）
と表される。したがって、（１７）式を（１２）式の代わりに用いて上述した手法により（１６）式に対応した式を求めると、第２の反射光成分は被写体距離の逆数に比例することがわかる。
【００５９】
図１２は、蓄積電荷量（出力値Ｓ_１、Ｓ_２）とＣＣＤ２８の出力レンジとの関係を示す図である。横軸は距離ｒの対数であり、縦軸は出力値Ｓ_１、Ｓ_２の対数である。
【００６０】
第１の反射光成分の出力値Ｓ_１はほぼ一定であり、出力値Ｓ_１の対数は、被計測物体の輝度の幅Ｄ_０に応じて実線Ｇ_１、Ｇ_２に挟まれる範囲で変化する。これに対し、第２の反射光成分の出力値Ｓ_２は１／ｒに比例し、出力値Ｓ_２の対数は、被計測物体の輝度の幅Ｄ_０に応じて実線Ｇ_３、Ｇ_４に挟まれる範囲で変化する。
【００６１】
したがって、最小距離ｒ_ｍｉｎから最大距離ｒ_ｍａｘまでの測距を行なうためには、ＣＣＤ２８は符号Ｄ_１で示す出力レンジを有することが必要であり、この出力レンジＤ_１の幅は、被計測物体の輝度の幅Ｄ_０に対して、高々数１０％大きいだけである。
【００６２】
これに対し、被計測物体の反射率の影響を補正する方法として、本実施形態とは異なり、反射光の全パルスを検出する方法が考えられる（例えば特開２０００−２３０４７号公報参照）。しかし、この方法によると蓄積電荷量において１／ｒ^２に比例する項が相対的に大きくなり、この結果、符号Ｄ_２で示すようにＣＣＤ２８の出力レンジを拡大することが必要となる。
【００６３】
以上のように本実施形態では、第１の反射光成分検出動作によって得られた第１の反射光成分と第２の反射光成分検出動作によって得られた第２の反射光成分との比Ｓ_Ｄを算出することにより、被計測物体の表面の反射率の影響を除去している。また、比Ｓ_Ｄを算出するのに先立ち、第１および第２の反射光成分から対応する外乱成分を除去している。したがって、簡単な演算によって反射率等の補正を実行することができ、また、撮像素子の出力レンジを極力抑えて、被計測物体の３次元形状の測距精度が向上する。
【００６４】
なお上述の実施形態において、測距光の各パルスの高さは直線的に減少しているが、これに変えて直線的に増加するように構成してもよく、また、パルス高さの変化は比直線的であってもよい。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、撮像素子の出力レンジを実質的に拡大させることなく、被計測物体の３次元形状を検出する測距精度を向上させることができる。
【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−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】第１の反射光成分検出動作のタイミングチャ−トである。
【図６】第１の外乱成分の検出動作のタイミングチャ−トである。
【図７】第２の反射光成分検出動作のタイミングチャ−トである。
【図８】第２の外乱成分の検出動作のタイミングチャ−トである。
【図９】距離情報検出動作を示すフロ−チャ−トである。
【図１０】図９に示すフロ−チャ−トの続きである。
【図１１】第１の反射光成分検出動作および第２の反射光成分検出動作における測距光または補正光、反射光および電荷蓄積期間のタイミングを示す図である。
【図１２】蓄積電荷量とＣＣＤのダイナミックレンジとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１４光源
Ｓ被計測物体

Claims

パルス状の測距光であって、各パルスにおいて高さが時間的に変化する測距光を被計測物体に照射する測距光照射手段と、
前記測距光によって前記被計測物体において生じたパルス状の反射光を第１の反射光検知期間の間だけ受光することにより、第１の反射光成分を検出する第１の反射光成分検出手段と、
高さが一定であるパルス状の補正光を被計測物体に照射する補正光照射手段と、
前記補正光によって前記被計測物体において生じたパルス状の反射光を第２の反射光検知期間の間だけ受光することにより、第２の反射光成分を検出する第２の反射光成分検出手段と、
前記第１の反射光成分を前記第２の反射光成分によって割算することにより、前記被計測物体の表面の各点までの距離に対応した３次元距離情報を求める距離情報算出手段と
を備えたことを特徴とする３次元画像入力装置。
前記測距光のパルス高さが直線的に変化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。
前記測距光のパルス高さが直線的に減少することを特徴とする請求項２に記載の３次元画像入力装置。
前記測距光のパルスが鋸歯状であることを特徴とする請求項２に記載の３次元画像入力装置。
前記第１の反射光検知期間が前記測距光のパルスの消滅から開始し、前記第２の反射光検知期間が前記補正光のパルスの消滅から開始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。