JP4931288B2

JP4931288B2 - 画像検出装置と絞り装置

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Publication number: JP4931288B2
Application number: JP2001173878A
Authority: JP
Inventors: 修三瀬尾
Original assignee: Ricoh Imaging Co Ltd
Current assignee: Ricoh Imaging Co Ltd
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: US20020186976A1; JP2002369049A; US7119842B2

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、被計測物体（被写体）の３次元形状を計測する能動方式の３次元画像検出装置として、例えば「Measurement Science and Technology」（S. Christie 他、vol.6, p1301-1308, 1995 年）に記載された３次元画像検出装置や、国際公開WO 97/01111号公報に開示された３次元画像検出装置などが知られている。「Measurement Science and Technology」に記載された装置では、パルス変調されたレーザ光が被写体の全体に照射され、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、遠い被写体からの反射光による受光量は近い被写体からの反射光による受光量に比べて小さいので、被写体の距離に応じた出力がＣＣＤの各画素毎に得られる。一方、国際公開WO 97/01111号公報に記載された装置では、パルス変調されたレーザ光等の光が被写体の全体に照射され、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。なお、ＣＣＤの画素毎に得られる距離情報に関する信号電荷は画像信号と考えることができるので、以下距離情報に対応する画像を３次元画像と呼び、ＣＣＤを通常方法で駆動して得られる視覚情報に対応する画像を２次元画像と呼ぶ。
【０００３】
３次元画像は、通常同一視点から撮像される被写体の２次元画像とともに用いられる。例えば、３次元画像による距離情報を利用して２次元画像における背景処理を行ったり、距離情報から被写体の３次元形状データを算出し２次元画像をテクスチャーデータとして利用したりするために用いられる。このような場合、２次元画像と３次元画像とは、同一の撮像光学系を用いて撮像されることが好ましい。２次元画像と３次元画像を同一の撮像光学系を用いて撮像する方法としては、例えば２次元画像の撮像後に続けて３次元画像の撮像を行うというように、２つの撮像を時系列に行う方法などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のように２次元画像と３次元画像とを時系列に非同時に撮像する方法では、移動している被写体の撮像を行うことは困難である。２次元画像と３次元画像とを同時に撮像する方法としては、撮像光学系に入射された光を２つに分岐し、分岐された光をそれぞれ別のＣＣＤで同時に受光検出することが考えられる。３次元撮像を２次元撮像と同一の波長領域で行う場合、分岐（ハーフミラー）しても２次元画像に３次元撮像用パルス光の影響が出る。２次元画像と３次元画像の撮像波長が異なる場合、同一の照明の下で撮像が行われたとしても照明条件が異なることとなる。すなわち、同一撮像光学系を用いて同時に２次元画像と３次元画像とを撮像する場合、双方の撮像において同時に適正な露出を得ることは困難である。
【０００５】
本発明は、１つの撮像系を用いて、異なる波長領域の光による被写体像をそれぞれ適正な露出により同一タイミングで検出できる絞り装置と、この絞り装置を用いた画像検出装置とを得ることを目的としている。より具体的には、本発明は、被写体の２次元画像と３次元画像とをそれぞれ適正な露出により同一のタイミングで検出可能な３次元画像検出装置を得ることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像検出装置は、被写体を撮像するための撮影光学系と、撮影光学系を介して第１の波長領域の光を受光し、第１の波長領域の光により被写体を撮像する第１の撮像素子と、撮像光学系を介して第２の波長領域の光を受光し、第２の波長領域の光により被写体を撮像する第２の撮像素子と、第１及び第２の波長領域の光を透過する第１の領域と、第１または第２の波長領域の光のうち一方の波長領域の光のみを選択的に透過する第２の領域とを有することが可能な撮影光学系の絞り部とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
絞り部は、第１の絞りと第２の絞りとを備え、第１の絞りが、絞りの開口の大きさを変化させることができる可変絞りであることが好ましい。このとき第１の絞りは、第１の波長領域の光を透過し、かつ第２の波長領域の光を遮光する素材からなり、第１の領域は、第１の絞りが形成する開口に対応し、第２の領域はこの開口を取囲み、かつ第２の絞りが形成する開口に含まれる領域に対応することが好ましい。これにより第１及び第２の絞りの間で、その開口の大きさを相対的に変化させることが可能となる。また、この場合において、絞り部の構成を簡略かつ小型化が容易な構成とするには、第２の絞りを第１及び第２の波長領域の光を透過しない素材からなる固定絞りで構成することが好ましい。
【０００８】
第１及び第２の波長領域の光に対する絞りの設定をより自由に行うには、第２の絞りは、少なくとも第１の波長領域の光を遮光する素材からなり、第２の絞りは絞りの開口の大きさを変化させることができる可変絞りであることが好ましい。このとき、第１及び第２の絞りは、例えばアイリス絞りである。
【０００９】
画像検出装置が被写体までの距離情報に対応する３次元画像を検出可能な３次元画像検出装置の場合、画像検出装置は被写体に第１の波長領域の測距光を照射する光源を備え、第１の撮像素子における撮像動作が、この光源から所定のタイミングで照射される測距光に連動して制御され、第１の撮像素子において撮像される画像の各画素値が被写体までの距離に対応する。
【００１０】
例えばカラー静止画像である２次元画像と被写体の距離情報に対応する３次元画像とを撮像するような場合、第２の波長領域は可視光領域であることが必要であり、第１の波長領域はこれとなるべく重複しない例えば赤外光領域であることが好ましい。通常２次元画像の撮像に比べ３次元画像の撮像では信号出力が小さいので、より大きい３次元画像の出力を得るには、第２の領域を透過する光は第１の波長領域の光であることが好ましい。
【００１１】
第１の撮像素子に、第１の波長領域の光のみを選択的に透過する光学フィルタを設け、第２の撮像素子に、第２の波長領域の光のみを選択的に透過する光学フィルタを設けることが好ましい。これにより、検出対象外の波長領域からの影響を各撮像素子において排除することができる。
【００１２】
撮影光学系に入射された光は、例えば第１又は第２の波長領域の光を反射するダイクロイックミラーにより分岐され、分岐された第１及び第２の波長領域の光はそれぞれ第１及び第２の撮像素子に導かれる。
【００１３】
また、本発明の絞り装置は、第１及び第２の絞りとを備え、第１の絞りが開口の大きさを変化させることができる可変絞りであり、可変絞りが形成する開口の大きさを調整することにより、第１及び第２の波長領域の光を透過する第１の領域と、第１または第２の波長領域の光のうち一方の波長領域の光のみを選択的に透過する第２の領域とを形成可能なことを特徴としている。
【００１４】
第１の絞りは例えば、第１の波長領域の光を透過し、かつ第２の波長領域の光を遮光する素材からなる。また絞り装置の構成をより簡略・小型にするとともにコストを削減するには、第２の絞りは、第１及び第２の波長領域の光を遮光する固定絞りであることが好ましい。
【００１５】
第１及び第２の波長領域の光に対して、より自由な絞り設定を行うには、第２の絞りは、第１の長領域の光を遮光し、第２の波長領域の光を透過する可変絞りであることが好ましい。
【００１６】
【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。図１を参照して本実施形態において用いられるカメラ型の３次元画像検出装置について説明する。
【００１７】
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（対物部）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及び液晶表示パネル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、インターフェースコネクタ２１が設けられている。
【００１８】
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の中には絞り部２５が設けられており、絞り部２５は絞り（第２の絞り）２５ａ及び絞り（第１の絞り）２５ｂからなる。絞り２５ａは例えば固定式の絞りであり、絞り２５ｂは例えば可動式のアイリス絞りである。絞り２５ｂ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の焦点調節動作及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。なお、絞り部２５については後に詳述する。
【００１９】
撮影レンズ１１の光軸上には、赤外領域の光を反射し可視光を透過するダイクロイックミラー１８が光軸と例えば４５°の傾きをもって配置されている。ダイクロイックミラー１８を透過した可視光は赤外カットフィルタ２８ｆを介して２次元画像用ＣＣＤ（第２の撮像素子）２８に達する。２次元画像用ＣＣＤ２８の撮像面には、可視光による被写体像（２次元画像に対応）が撮影レンズ１１により形成される。２次元画像用ＣＣＤ２８の撮像面ではこの被写体像に対応した電荷が発生する。２次元画像用ＣＣＤ２８における電荷の蓄積動作、電荷の読出動作等の動作は、システムコントロール回路３５からＣＣＤ駆動回路３０へ出力されるＣＣＤ駆動用のパルス信号によって制御される。２次元画像用ＣＣＤ２８から読み出された電荷信号、すなわち２次元画像の画像信号はそれぞれアンプ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。
【００２０】
一方、ダイクロイックミラー１８で反射された赤外光は可視光カットフィルタ２８ｆ’を介して３次元画像用ＣＣＤ（第１の撮像素子）２８’に達する。３次元画像用ＣＣＤ２８’の撮像面には、赤外光による被写体像（３次元画像に対応）が撮像レンズ１１により形成される。３次元画像用ＣＣＤ２８’の撮像面ではこの被写体像に対応した電荷が発生する。３次元画像用ＣＣＤ２８’における電荷の蓄積動作、電荷の読出動作等の動作は、システムコントロール回路３５からＣＣＤ駆動回路３０へ出力されるＣＣＤ駆動用のパルス信号によって制御される。３次元画像用ＣＣＤ２８’から読み出された電荷信号、すなわち３次元画像の画像信号はそれぞれアンプ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。
【００２１】
レンズ駆動回路２７及び撮像信号処理回路３３はシステムコントロール回路３５によって制御される。２次元画像または３次元画像の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。
【００２２】
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ＴＶモニタ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２次元画像及び３次元画像の画像信号は、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に伝送可能であり、コンピュータ４１において例えば３次元画像の演算処理等を行うことができる。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２次元画像及び３次元画像の画像信号は、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。また記録媒体Ｍに一旦記録された画像信号は必要に応じて記録媒体Ｍから読み出され、システムコントロール回路３５を介してＬＣＤパネル３７に表示することができる。
【００２３】
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は測距光である赤外波長領域（例えば約７７０ｎｍ〜約９５０ｎｍ）のレーザ（またはＬＥＤ）光を照射するものであり、このレーザ光は照明レンズ１４ｂを介して被写体の全体に照射される。被写体において反射した赤外光は撮影レンズ１１に入射し、ダイクロイックミラー１８において３次元画像用ＣＣＤ２８’の方向へ反射され、３次元画像用ＣＣＤ２８’において３次元画像の画像信号として検出される。後述するように、この画像信号から３次元画像用ＣＣＤ２８’の各画素に対応した被写体までの距離が算出される。
【００２４】
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から成るスイッチ群４７と、液晶表示パネル（表示素子）１６とが接続されている。
【００２５】
次に図３及び図４を参照して、ＣＣＤを用いた本実施形態における距離測定の基本的な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。
【００２６】
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。光源から射出された測距光が、被写体で反射され距離測定装置Ｂにおいて反射光として検出されるまでに進む距離Ｒ（ここでは距離測定装置Ｂと被写体Ｓとの往復の距離２ｒ）は
Ｒ＝２ｒ＝δ・ｔ・Ｃ・・・（１）
により得られる。ただしＣは光速である。
【００２７】
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り換えるように反射光検知期間Ｔを設ける。すなわち、反射光検知期間Ｔは、反射光の立ち上がりが、反射光検知期間Ｔが開始する前にＣＣＤにおいて受光され、その立下りが反射光検知期間内にＣＣＤにおいて受光されるように定められる。図４に示されるように、この反射光検知期間Ｔにおける受光量Ａは距離ｒに相関する。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）大きくなるため、受光量Ａから被写体までの距離が算定される。
【００２８】
本実施形態における距離情報検出動作では、上述した原理を利用して３次元画像用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行われる。すなわち、各フォトダイオード（各画素）において検出された受光量Ａに基づいて、カメラ本体１０から３次元画像用ＣＣＤ２８’の各フォトダイオードに対応する被写体Ｓ上の各点までの距離情報をフォトダイオード（画素）毎に画像信号（３次元画像）として検出する。距離情報検出動作では、この画像信号から被写体Ｓの表面形状を表わす距離データがフォトダイオード（画素）毎に算出される。
【００２９】
本実施形態において用いられる２次元画像用ＣＣＤ２８はカラー単板式のＣＣＤであり、３次元画像用ＣＣＤ２８’は赤外領域の光を検知するモノクロのＣＣＤである。２次元画像用ＣＣＤと３次元画像用ＣＣＤ２８’とでは、カラー画像を撮影するための色フィルタアレイが搭載されているか否かの違いはあるが、その他の構造に関しては略同一である。したがって、図５、図６を参照して３次元画像用ＣＣＤ２８’についてのみ説明し、２次元画像用ＣＣＤ２８の説明は割愛する。
【００３０】
図５は、３次元画像用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、３次元画像用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３次元画像用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。
【００３１】
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３次元画像用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。
【００３２】
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。このような動作により、いわゆる電子シャッタ動作が実現される。
【００３３】
２次元画像用ＣＣＤ２８を用いて２次元画像を撮像する場合には、この電子シャッタ動作により適正な露光時間が得られる。しかし、３次元画像用ＣＣＤ２８’を用いて３次元画像を撮像し、被写体までの距離を図３、図４を参照して説明した原理により測定する場合には、極めて高速な電子シャッタ動作が要求されるため、１回のシャッタ動作では十分な信号出力を得られない。したがって、本実施形態の距離情報検出動作では、３次元画像用ＣＣＤ２８’において上述の電子シャッタ動作を繰り返し行うことにより、垂直転送部５２において信号電荷を積分し、より大きな信号出力を得ている。
【００３４】
図７は、垂直転送部５２において信号電荷の積分を行う本実施形態の距離情報検出動作のタイミングチャートである。また、図８はこの距離情報検出動作のフローチャートである。図１、図２、図５〜図８を参照して本実施形態における３次元画像用ＣＣＤ２８’を用いた距離情報検出動作について説明する。
【００３５】
図７に示すように、垂直同期信号Ｓ１の出力に同期して一定のパルス幅Ｔ_Sを有するパルス状の測距光Ｓ３が出力される。測距光Ｓ３の出力から所定時間経過後、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は、測距光Ｓ３の立下りに略同期してその出力を終了し、電荷掃出し信号Ｓ２の出力の終了によりフォトダイオード５１における電荷蓄積が開始する。すなわち、フォトダイオード５１における電荷蓄積動作は、測距光Ｓ３の立下りに略同期して開始される。一方、垂直同期信号Ｓ１の出力に同期して出力された測距光Ｓ３は、被写体において反射され、δ・ｔ時間経過後ＣＣＤ２８において反射光Ｓ４として受光される。測距光Ｓ３の出力が終了してから一定時間が経過したとき、すなわち、電荷蓄積期間が開始して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、フォトダイオード５１における電荷蓄積動作が終了する。なお、電荷転送信号Ｓ５は、反射光の立下りが電荷蓄積期間Ｔ内に検知されるように、電荷掃出し信号Ｓ２の出力から十分時間が経過した後に出力される。
【００３６】
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。すなわち反射光Ｓ４は被写体までの距離に応じて測距光Ｓ３に比べてδ・ｔ時間だけ遅れ３次元画像用ＣＣＤ２８’において受光され、フォトダイオード５１では、反射光Ｓ４の一部のみが検知される。検知される光は、光が伝播するのにかかる時間（δ・ｔ）に相関し、この光によって生じる信号電荷Ｓ６は被写体までの距離に対応している。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。なお電荷蓄積期間Ｔは、測距光Ｓ３の立下りに同期して開始される必要はなく、計測される被写体の距離に応じてそのタイミングは調整される。
【００３７】
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が経過したとき、信号電荷は垂直転送部５２へ転送される。
【００３８】
このような信号電荷Ｓ６の垂直転送部５２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。なお、このような信号電荷の積分処理は、例えばフィールドの整数倍の期間であればよく、１フィールドに限定されるものではない。
【００３９】
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フィールドの期間にわたる検出動作の結果、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３次元画像用ＣＣＤ２８’から出力される。
【００４０】
次に本実施形態の３次元画像検出装置において実行される撮像処理動作について図８を参照して説明する。図８は、本実施形態の３次元画像検出装置において実行される撮像処理動作のフローチャートである。距離情報検出動作は、図８のフローチャートに従って２次元画像（スチルビデオ）を撮像するための２次元画像撮像動作とともに実行される。
【００４１】
ステップ１０１においてレリーズスイッチ１８が全押しされたことが確認されるとステップ１０２が実行される。ステップ１０２では、２次元画像用ＣＣＤ２８に対して通常のスチルビデオ撮影のための検知制御が開始されるとともに、３次元画像用ＣＣＤ２８’に対しては垂直同期信号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２次元画像用ＣＣＤ２８において、可視光による被写体の静止画像が撮像されるのと並行して、光源装置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。２次元画像用ＣＣＤ２８において撮像された静止画像は、画像信号処理回路３３を経て画像メモリ３４に記憶される。次いでステップ１０３が実行され、３次元画像用ＣＣＤ２８’におけ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。
【００４２】
ステップ１０４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１０５へ進み、距離情報の信号電荷Ｓ６が３次元画像用ＣＣＤ２８’から出力される。この信号電荷Ｓ６はステップ１０６において画像メモリ３４に一時的に記憶される。ステップ１０７では測距光制御がオフ状態に切り換えられ、光源装置１４の発光動作が停止する。その後ステップ１０８において画像メモリ３４に一時的記憶されている2次元画像及び3次元画像が記録媒体Mに保存され、この撮影処理動作は終了する。
【００４３】
以上のように本実施形態では、被写体の例えばカラーの静止画である２次元画像と、各画素値が被写体までの距離に対応した３次元画像とが同時に撮像される。しかし、２次元画像は可視光による画像であり３次元画像は赤外光による画像であるためＣＣＤ２８、２８’において検出される波長領域はそれぞれに異なり、同一の照明の下でもそれぞれの画像に対する照明条件は異なることとなる。すなわち、本実施形態のように同一の撮影レンズ１１を用いて同時に２つの画像を撮像する場合、従来の絞りを２次元及び３次元画像の撮像で共用すると、各ＣＣＤ２８、２８’において露光量が異なることとなる。したがって、一方の画像の露出が適正に設定されているときに、他方の画像の露出が適正に設定されないという問題がある。
【００４４】
図９〜図１１を参照して本実施形態の３次元画像検出装置で用いられる絞り部２５（図２参照）の構造について説明する。
【００４５】
図９は絞り部２５の平面図を模式的に例示したものであり、図１０はその断面図を模式的に例示したものである。図９は、絞り部２５を図１０のＰ方向からＱ方向に見たときのものであり、図１０の線分ＰＱは撮像光学系（撮像レンズ系）の光軸に対応し、光はＰ方向からＱ方向へ入射する。絞り２５ａ及び絞り２５ｂは、それぞれ光軸ＰＱと垂直な面内に、光軸ＰＱに沿って所定の間隔をおいて平行して配置されている。円環領域６０は、固定絞りである絞り２５ａに対応しており、斜線が施された円環領域（第２の領域）６１は、絞り２５ｂの一部の領域、すなわち固定絞り２５ａの開口を通して見える領域（絞り２５ａよりも内側の領域）を示している。絞り２５ｂは、開口の大きさを変化させることができる絞り（可変絞り）であり、例えばアイリス絞りである。中央の円形領域（第１の領域）６２は、絞り２５ｂにより形成される開口である。
【００４６】
絞り２５ａは光を全く透さない不透明な材質からなる。一方、絞り２５ｂの絞り羽は、発光装置１４から照射されるレーザ光の波長波長領域である赤外波長領域（例えば約７７０ｎｍ〜約９５０ｎｍ）の光を選択的に透過し、可視光領域（約３８０ｎｍ〜約７７０ｎｍ）の光を遮光する赤外透過フィルタ（例えばのアクリル系樹脂など）からなる。なお、図１１に絞り羽に用いられる赤外透過フィルタの透過率特性の一例を示す。図１１において横軸は光の波長であり、縦軸は光の透過率である。波長λ₀、λ₁、λ₂は本実施形態の場合、例えばλ₀＝３８０ｎｍ、λ₁＝７７０ｎｍ、λ₂＝９５０ｎｍである。
【００４７】
以上のように、第１の実施形態によれば、入射光のうち赤外領域の光に対しては絞り２５ａが開口絞りとしての役割を果たし、可視光領域の光に対しては絞り２５ｂが開口絞りとしての役割を果たす（なお、絞り２５ａは可視光領域の光に対しては開放絞りに対応する）。すなわち、本実施形態の構成によれば、１つの撮像光学系において、赤外光と可視光とに対し、それぞれ別個に絞りを設定できるので、赤外光を検出する３次元画像用ＣＣＤ及び可視光を検出する２次元画像用ＣＣＤにおいて、それぞれ同時に適正な露出を得ることができる。これにより、同一撮像系を用いて異なる２つの波長領域の光による画像（例えば２次元画像と３次元画像）をそれぞれ適正な露出により同時に撮像することができる。
【００４８】
なお、第１の実施形態では、アイリス絞り２５ｂの絞り羽に赤外波長領域の光を選択的に透過し、可視光領域の光を遮光する赤外透過フィルタを用いたが、これとは逆に、アイリス絞り２５ｂの絞り羽として、可視光領域の光を選択的に透過し、赤外波長領域の光を遮光する赤外カットフィルタを用いてもよい。この場合、入射光のうち可視光領域の光に対しては絞り２５ａが絞りとしての役割を果たし、赤外領域の光に対しては絞り２５ｂが絞りとしての役割を果たす（なお、絞り２５ａは可視光領域の光に対しては開放絞りに対応する）。図１２に、このとき絞り羽に用いられる赤外カットフィルタの透過率特性の一例を示す。
【００４９】
なお、第１の実施形態において、固定絞りとアイリス絞りは、光の入射する方向（Ｐ方向）から、光軸に沿って固定絞り、アイリス絞りの順で配置されているが、アイリス絞り、固定絞りの順であってもよい。また、第１の実施形態において、固定絞りは不透明な素材から作られていたが、赤外波長領域の光を遮光し、可視光領域の光を透過する赤外カットフィルタで構成されていてもよい。
【００５０】
次に図１３、図１４を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、絞り部の構成を除いて第１の実施形態と略同様であるので、その構成が異なる部分についてのみ説明する。
【００５１】
図１３、図１４は、第２の実施形態における絞り部２５’の断面図であり、第１の実施形態における図１０に対応する。絞り部２５’は、２つのアイリス絞り２５ａ’と２５ｂ’とを有する。アイリス絞り２５ａ’の絞り羽は、例えば赤外波長領域（例えば約７７０ｎｍ〜約９５０ｎｍ）の光を選択的に透過し、可視光領域（約３８０ｎｍ〜約７７０ｎｍ）の光を遮光する赤外透過フィルタ（例えばのアクリル系樹脂など）からなる。一方、アイリス絞り２５ｂ’の絞り羽は、可視光領域の光を選択的に透過し、赤外波長領域の光を遮光する赤外カットフィルタからなる。図１３は、絞り２５ａ’の方が、絞り２５ｂ’よりも大きく開いているときの様子を表しており、図１４は、絞り２５ｂ’の方が、絞り２５ａ’よりも大きく開いているときの様子を表している。なお、赤外透過フィルタ及び赤外カットフィルタの透過率特性は、例えば図１１、図１２にそれぞれ示される。
【００５２】
図１３、図１４において、実線の矢印は可視光線を表し、破線の矢印は赤外線を表している。図１３において、領域Ａ（第１の領域）は絞り２５ａ’、２５ｂ’が作るいずれの開口よりも内側の領域なので、入射した可視光線、赤外線ともに絞り部２５’を通過することができる。領域Ｂ（第２の領域）では、絞り２５ｂ’の絞り羽が赤外カットフィルタであるため、可視光線のみが絞り部２５’を透過することができる。領域Ｃでは、可視光線は絞り２５ａ’の絞り羽により遮られるため絞り２５ｂ’に達するのは赤外線のみである。しかし、赤外線は絞り２５ｂ’の絞り羽によって遮られる。すなわち、領域Ｃでは、可視光線・赤外線ともに絞り２５’を透過することはできない。以上により、可視光領域の光に対しては、絞り２５ａ’が形成する開口（領域Ａ、Ｂに対応）が絞りとしての役割を果たし、赤外領域の光に対しては、絞り２５ｂ’が形成する開口（領域Ａに対応）が絞りとしての役割を果たす。
【００５３】
図１４の領域Ａ’は、図１３の領域Ａと同様に、可視光線及び赤外線が通ることができる。領域Ｂ’では、可視光線は絞り２５ａ’により遮られ赤外線のみが絞り２５ａ’を透過することができる。また、領域Ｃ’では、可視光線は絞り２５ａ’で遮られ、赤外線は絞り２５ｂ’で遮られる。すなわち領域Ｃ’では図１３の領域Ｃと同様に可視光線・赤外線ともに絞り２５’を透過することはできない。以上により、可視光領域の光に対しては、絞り２５ａ’が形成する開口（領域Ａ’に対応）が絞りとしての役割を果たし、赤外領域の光に対しては、絞り２５ｂ’が形成する開口（領域Ａ’、Ｂ’に対応）が絞りとしての役割を果たす。
【００５４】
以上のように、第２の実施形態においても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第２の実施形態では、２つの絞り２５ａ’、２５ｂ’がともにアイリス絞りなので、２つの異なる波長領域の光のそれぞれに対し、より適切な露出を設定することができる。
【００５５】
本実施形態では、絞りの開口を変化させることができる可変絞りとしてアイリス絞りを用いたが、アイリス絞り以外の可変絞りを用いてもよい。また、第２の実施形態において、アイリス絞りの一方の絞り羽に不透明な材質を用いることも可能である。
【００５６】
なお、本実施形態では、絞り２５に用いる光学フィルタとして、それぞれ可視光領域の光を選択的に透過するフィルタ（赤外カットフィルタ）と、赤外領域の光を選択的に透過するフィルタ（赤外透過フィルタ）とを用いたが、２次元画像としてカラー画像を必要としない場合などは、これらの波長領域を別の領域に定めてもよく、３次元画像の撮像に赤外領域以外の光を用いてもよい。
【００５７】
本実施形態では赤外領域の光を反射し、その他の光を透過するダイクロイックミラーを用いるとともに２次元画像用ＣＣＤには赤外カットフィルタを設け、３次元画像用ＣＣＤには可視光カットフィルタを設けたが、ダイクロイックミラーを単なるハーフミラーに置き換えてもよい。また、ダイクロイックミラーのみを用い赤外カットフィルタ及び可視光カットフィルタを設けなくともよい。
【００５８】
本実施形態では、２次元画像と３次元画像を同時に撮像する３次元画像検出装置について説明を行ったが、例えば通常のカラー静止画像と、被写体までの距離とは関係のない通常の赤外線画像とを同一撮像光学系で同時に撮像するような画像検出装置に本実施形態の絞りを適用してもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、１つの撮像系を用いて、異なる波長領域の光による被写体像をそれぞれ適正な露出により同一タイミングで検出できる絞り装置と、この絞り装置を用いた画像検出装置とを得ることができる。また本発明によれば、被写体の２次元画像と３次元画像とをそれぞれ適正な露出により同一のタイミングで検出可能な３次元画像検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第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。
【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、及び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】被写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】本実施形態において実行される撮影処理動作のフローチャートである。
【図９】第１の実施形態の絞り部の平面的な構成を模式的に示す図である。
【図１０】図９の絞り部の断面を模式的に示す図である。
【図１１】図１０の絞り羽に用いられる光学フィルタの透過率特性の一例を示す図である。
【図１２】図１０の絞り羽に用いられる光学フィルタの透過率特性の一例を示す図である。
【図１３】本発明における第２の実施形態の絞り部の断面図である。
【図１４】本発明における第２の実施形態の絞り部の断面図である。
【符号の説明】
１１撮影レンズ（撮影レンズ系）
２５絞り部
２５ａ固定絞り
２５ｂ、２５ａ’、２５ｂ’ アイリス絞り
２８ＣＣＤ（第２の撮像素子）
２８’ ＣＣＤ（第１の撮像素子）

Claims

被写体を撮像するための撮影光学系と、
前記撮影光学系を介して第１の波長領域の光のみを選択的に受光し、前記第１の波長領域の光により前記被写体を撮像する第１の撮像素子と、
前記撮像光学系を介して第２の波長領域の光のみを選択的に受光し、前記第２の波長領域の光により前記被写体を撮像する第２の撮像素子と、
前記第１及び第２の波長領域の光を透過する第１の領域と、前記第１または第２の波長領域の光のうち一方の波長領域の光のみを選択的に透過する第２の領域とを形成可能な前記撮影光学系の絞り部とを備え、
前記絞り部は、前記第１の波長領域の光を透過するとともに前記第２の波長領域の光を遮光する素材から絞り羽が形成される第１のアイリス絞りと、前記第１の波長領域の光を遮光するとともに前記第２の波長領域の光を透過する素材から絞り羽が形成される第２のアイリス絞りとを備え、
前記第１の領域と前記第２の領域は、前記第１および第２のアイリス絞りが形成する開口の大きさを調整することにより形成される
ことを特徴とする画像検出装置。
前記画像検出装置が、前記被写体に前記第１の波長領域の測距光を照射する光源を備え、前記第１の撮像素子における撮像動作が、前記光源から所定のタイミングで照射される前記測距光に連動して制御され、前記第１の撮像素子において撮像される画像の各画素値が前記被写体までの距離に対応することを特徴とする請求項１に記載の画像検出装置。
前記第１の波長領域が赤外領域であり、前記第２の波長領域が可視光領域であることを特徴とする請求項２に記載の画像検出装置。
前記第１の撮像素子に、前記第１の波長領域の光のみを選択的に透過する光学フィルタを設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の画像検出装置。
前記第２の撮像素子に、前記第２の波長領域の光のみを選択的に透過する光学フィルタを設けたことを特徴とする請求項４に記載の画像検出装置。
前記撮影光学系に入射された光が前記第１又は第２の波長領域の光を反射するダイクロイックミラーにより分岐され、分岐された前記第１及び第２の波長領域の光がそれぞれ前記第１及び第２の撮像素子に導かれることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の画像検出装置。
第１の波長領域の光を透過するとともに第２の波長領域の光を遮光する素材から絞り羽が形成される第１のアイリス絞りと、
前記第１の波長領域の光を遮光するとともに前記第２の波長領域の光を透過する素材から絞り羽が形成される第２のアイリス絞りとを備え、
前記第１および第２のアイリス絞りが形成する開口の大きさを調整することにより、第１及び第２の波長領域の光を透過する第１の領域と、前記第１または第２の波長領域の光のうち一方の波長領域の光のみを選択的に透過する第２の領域とを形成可能なことを特徴とする絞り装置。