JP2000023014A

JP2000023014A - 画像入力装置

Info

Publication number: JP2000023014A
Application number: JP10183719A
Authority: JP
Inventors: Harumi Aoki; 晴美青木
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2000-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】被計測物体の３次元形状等を検出するととも
に２次元画像を撮影することが可能であり、電力消費を
できるだけ抑える。【解決手段】レリーズスイッチ１５が全押しされてい
ることを確認すると（ステップ１０１）、ステップ１０
２において、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を判定する。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を操作
することによって行なう。Ｄモードが選択されていると
き、ステップ１０３〜ステップ１１０において、被計測
物体の３次元形状を測定する。Ｖモードが選択されてい
るとき、ステップ１１１、１１２において被計測物体の
２次元画像を撮影する。Ｖモードでは測距光制御（ステ
ップ１０３）は行なわれず、測距光の発光が禁止され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば光伝播時間
測定法を用いて被計測物体の３次元形状等を検出すると
ともに、２次元画像を撮影することができる画像入力装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来被計測物体の３次元形状を検出する
ともに２次元画像を撮影することができる装置として、
国際公開97/01111号公報に開示されたものが知られてい
る。この装置では、被計測物体に赤外線を照射し、その
反射光を検出することによって、被計測物体までの距離
が三角測量の原理に従って計測される。また、この距離
計測と同時に、被計測物体の２次元画像が撮影可能であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この従来装置は３次元
形状の計測を行なうことを前提として構成されており、
常に被写体に対して距離計測用の赤外線が照射される。
したがって２次元画像のみが必要な場合であっても、赤
外線の発光のために常に電力を消費するという問題を有
している。

【０００４】本発明は、被計測物体の３次元形状等を検
出するとともに２次元画像を撮影することが可能であ
り、電力消費をできるだけ抑えることができる画像入力
装置を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の画像入力装置
は、被計測物体に対して測距光を照射するとともに、被
計測物体からの反射光を検出することによって、被計測
物体までの距離を計測する測距手段と、被計測物体の２
次元画像を撮影する撮影手段と、測距手段と撮影手段の
一方を選択的に駆動することができる制御手段とを備え
たことを特徴としている。

【０００６】好ましくは制御手段は、撮影手段を駆動す
るとき測距光の照射を禁止する。測距手段は例えば、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
変換素子から掃出してその動作を中止することにより、
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
電荷掃出手段と信号電荷転送手段とを交互に駆動するこ
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る。

【０００７】光電変換素子は例えば電荷蓄積型であり、
かつ２次元的に配列される。この場合、光電変換素子が
基板に沿って形成され、蓄積電荷掃出手段が不要電荷を
基板側に掃出すように構成されることが好ましい。

【０００８】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、例えば縦型
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。

【０００９】蓄積電荷掃出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、好ましくはそれぞれパルス信号である。こ
の場合、光源によって、所定のパルス幅を有するパルス
状の測距光が出力され、電荷掃出し信号が出力されてか
ら電荷転送信号が出力されるまでの第１の電荷蓄積期間
中、測距光のパルスが出力されることによって、距離情
報に対応した信号電荷が信号電荷保持部において積分さ
れる。

【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は本発明の一実施形態である
画像入力装置を備えたカメラの斜視図である。

【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、ＰＣカードを
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２
６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の光軸上には撮像素子（Ｃ
ＣＤ）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３
３においてガンマ補正等の処理を施され、画像メモリ３
４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。

【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Ｌ
ＣＤパネル３７には、画像信号に対応した画像が表示さ
れる。

【００１５】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。

【００１６】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ＣＣＤ
２８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。

【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４６とが接続されている。

【００１８】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。

【００１９】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計測装置Ｔ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。

【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（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。

【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（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，５２
ｂ，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
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５
１に蓄積した信号電荷を、電荷転送信号によって垂直転
送部５２側に転送することにより、いわゆる電子シャッ
タ動作が実現される。

【００２５】図７は、被計測物体の表面の各点までの距
離に関するデータを検出する距離情報検出動作のタイミ
ングチャートである。図１、図２、図５〜図７を参照し
て距離情報検出動作を説明する。

【００２６】垂直同期信号Ｓ１の出力に同期して電荷掃
出し信号（パルス信号）Ｓ２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
の方向に掃出される。電荷掃出し信号Ｓ２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Ｓ３が出力される。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。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ード５１に蓄積された電荷が垂
直転送部５２に転送される。なお、電荷転送信号Ｓ５の
出力は、測距光の出力の終了よりも前に行なわれる。

【００２７】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の出力開始までの期間Ｔ_U1の
間、フォトダイオード５１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と電荷蓄積期間Ｔ_U1は同時に開始
するが、電荷蓄積期間Ｔ_U1の方が早く終了し、反射光Ｓ
４の一部のみが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_U1内にフォトダイオード
５１に到達した光に対応した信号電荷Ｓ６がフォトダイ
オード５１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５２に転送される。なお
測距光Ｓ３の出力期間Ｔ_Sは電荷蓄積期間Ｔ_U1よりも早
く開始してもよい。

【００２８】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Ｔ_U1が経過したとき、信号電荷は垂直転送部
５２へ転送される。

【００２９】このような信号電荷Ｓ６の垂直転送部５３
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５２に
おいて、信号電荷Ｓ６が積分され、１フィールドの期間
（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情報に対応
している。

【００３０】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。

【００３１】図８は距離情報検出動作と２次元画像の撮
影動作とを実行するプログラムのフローチャートであ
る。図１、図２、図５、図７および図８を参照して、こ
れらの動作を説明する。

【００３２】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１
０２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。

【００３３】Ｄモードが選択されているとき、ステップ
１０３において垂直同期信号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、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１０４が実行され、ＣＣＤ２８による検知
制御が開始される。すなわち距離情報検出動作が開始さ
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、距離情報の信号電荷Ｓ６が垂直転送部５２に
おいて積分される。

【００３４】ステップ１０５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Ｓ１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。

【００３５】ステップ１０９では、ステップ１０３〜１
０８において得られた距離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１１０において
Ｄデータが出力されてこのプログラムは終了する。

【００３６】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１１１にお
いて測距光制御がオフ状態に切換えられる。すなわちＶ
モードでは測距光の照射が禁止される。ステップ１１２
では、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、２次元画像の撮影が行な
われて、このプログラムは終了する。

【００３７】以上のように本実施形態によれば、被計測
物体の３次元形状を計測する距離情報検出動作と、被計
測物体の２次元画像の撮影動作とを選択的に実行するこ
とができる。そして撮影動作時には測距光（赤外レーザ
光）の発光が禁止されるので、電力消費を抑えることが
できる。

【００３８】また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
Ｓ６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。

【００３９】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。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、被計測物
体の３次元形状等を検出するとともに２次元画像を撮影
することが可能であり、電力消費をできるだけ抑えるこ
とができる画像入力装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である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】被計測物体までの距離に関するデータを検出す
る距離情報検出動作のタイミングチャートである。

【図８】距離情報検出動作と２次元画像の撮影動作を実
行するプログラムのフローチャートである。

【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Ｓ被計測物体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被計測物体に対して測距光を照射すると
ともに、前記被計測物体からの反射光を検出することに
よって、前記被計測物体までの距離を計測する測距手段
と、前記被計測物体の２次元画像を撮影する撮影手段と、前記測距手段と撮影手段の一方を選択的に駆動すること
ができる制御手段とを備えたことを特徴とする画像入力
装置。
【請求項２】前記制御手段は、前記撮影手段を駆動す
るとき、前記測距光の照射を禁止することを特徴とする
請求項１に記載の画像入力装置。
【請求項３】前記測距手段が、前記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
子から掃出してその動作を中止することにより、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と前記信号電荷転送手段とを交互
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たことを
特徴とする請求項１に記載の画像入力装置。
【請求項４】前記光電変換素子が電荷蓄積型であり、
かつ２次元的に配列されることを特徴とする請求項３に
記載の画像入力装置。
【請求項５】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４に記載の画像入力装置。
【請求項６】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３に記載の画像入力装置。
【請求項７】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ＣＣ
Ｄとして構成されることを特徴とする請求項３に記載の
画像入力装置。
【請求項８】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３に記載の画像入力装置。
【請求項９】前記光源によって、所定のパルス幅を有
するパルス状の測距光が出力され、前記電荷掃出し信号
が出力されてから前記電荷転送信号が出力されるまでの
第１の電荷蓄積期間中、前記測距光のパルスが出力され
ることによって、距離情報に対応した信号電荷が前記信
号電荷保持部において積分されることを特徴とする請求
項８に記載の画像入力装置。