JPH109834A - ３次元画像入力装置 - Google Patents
３次元画像入力装置Info
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- JPH109834A JPH109834A JP17719096A JP17719096A JPH109834A JP H109834 A JPH109834 A JP H109834A JP 17719096 A JP17719096 A JP 17719096A JP 17719096 A JP17719096 A JP 17719096A JP H109834 A JPH109834 A JP H109834A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 測距範囲を縮小せずに測距精度を向上させる
ことの可能な３次元画像入力装置を提供する。 【解決手段】 被写体13からの反射光の結像面を２つ形
成するためのハーフミラー１と、輝度変調された光源の
波長帯域の反射光の波長付近の光のみを透過させる第１
及び第２の光学バンドパスフィルタ２，３と、第１及び
第２の２次元撮像素子４，５と、第１及び第２の撮像素
子の感度を変調するための感度変調駆動部６と、２次元
撮像素子駆動部７と、制御信号発生器８と、信号処理部
９と、光源駆動部10と、変調周波数及び波長の異なる光
ビームを出射する２つの光源11ａ，11ｂからなる照明装
置11とで３次元画像入力装置を構成する。
ことの可能な３次元画像入力装置を提供する。 【解決手段】 被写体13からの反射光の結像面を２つ形
成するためのハーフミラー１と、輝度変調された光源の
波長帯域の反射光の波長付近の光のみを透過させる第１
及び第２の光学バンドパスフィルタ２，３と、第１及び
第２の２次元撮像素子４，５と、第１及び第２の撮像素
子の感度を変調するための感度変調駆動部６と、２次元
撮像素子駆動部７と、制御信号発生器８と、信号処理部
９と、光源駆動部10と、変調周波数及び波長の異なる光
ビームを出射する２つの光源11ａ，11ｂからなる照明装
置11とで３次元画像入力装置を構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、２次元距離画像
とその輝度画像とが同時に入力可能な２次元撮像素子を
用いた３次元画像入力装置に関する。
とその輝度画像とが同時に入力可能な２次元撮像素子を
用いた３次元画像入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】２次元距離画像とその輝度画像の同時入
力を目的とした従来の技術としては、例えば特願平７−
１４６９４９号において提案されているような“２次元
距離センサ”がある。次に、上記出願において提案され
ている従来の技術について説明する。図４は上記出願に
おいて提案されている２次元距離センサ（３次元画像入
力装置）を示すブロック構成図である。図４において、
101 は２次元撮像素子103 の感度を変調するための感度
変調駆動部、102 は２次元撮像素子駆動部、104は制御
信号発生器、105 は信号処理部、106 は光源109 により
放射される光の波長のみを透過させる光学バンドフィル
タ、107 は結像光学系、108 は光源109 を変調する光源
駆動部、110 は被写体（対象物体）を示している。感度
変調が可能な２次元撮像素子103 としては、例えば、Ｃ
ＭＤ（Charge Modulation Device）撮像素子がある。
力を目的とした従来の技術としては、例えば特願平７−
１４６９４９号において提案されているような“２次元
距離センサ”がある。次に、上記出願において提案され
ている従来の技術について説明する。図４は上記出願に
おいて提案されている２次元距離センサ（３次元画像入
力装置）を示すブロック構成図である。図４において、
101 は２次元撮像素子103 の感度を変調するための感度
変調駆動部、102 は２次元撮像素子駆動部、104は制御
信号発生器、105 は信号処理部、106 は光源109 により
放射される光の波長のみを透過させる光学バンドフィル
タ、107 は結像光学系、108 は光源109 を変調する光源
駆動部、110 は被写体（対象物体）を示している。感度
変調が可能な２次元撮像素子103 としては、例えば、Ｃ
ＭＤ（Charge Modulation Device）撮像素子がある。
【０００３】次に、このような構成の３次元画像入力装
置の動作を、図５に示すタイミングチャートを用いて説
明する。図５において、ΦS は計測開始パルス、ΦSMは
２次元撮像素子103 の受光感度を変調するパルス、ΦLD
は光源109 を駆動するパルス、Φref は光源109 から出
射され、有限の距離にある被写体110 によって反射され
２次元撮像素子103 の受光面上に結像された戻り光、Φ
RDは２次元撮像素子103 からデータを読み出すための読
み出し駆動パルス群、ΦDATAは２次元撮像素子103 から
読み出されたデータ（信号電荷）を表している。図５に
おける時刻ｔ0において、事前に２次元撮像素子103 の
信号電荷は全てはき捨てられており、時刻ｔ0 に計測開
始パルスΦS が入る。これを起点として測距装置が動作
し始める。一方、光源109 がＯＦＦしている状態で、制
御信号発生器104 からの制御信号ΦLDにより光源駆動部
108 は光源109 の輝度変調を開始し、また２次元撮像素
子103 の感度変調駆動部101 も、制御信号発生器104 か
らの制御信号ΦSMにより、前記輝度変調と同一の周波数
で、２次元撮像素子103 の感度変調を開始する。
置の動作を、図５に示すタイミングチャートを用いて説
明する。図５において、ΦS は計測開始パルス、ΦSMは
２次元撮像素子103 の受光感度を変調するパルス、ΦLD
は光源109 を駆動するパルス、Φref は光源109 から出
射され、有限の距離にある被写体110 によって反射され
２次元撮像素子103 の受光面上に結像された戻り光、Φ
RDは２次元撮像素子103 からデータを読み出すための読
み出し駆動パルス群、ΦDATAは２次元撮像素子103 から
読み出されたデータ（信号電荷）を表している。図５に
おける時刻ｔ0において、事前に２次元撮像素子103 の
信号電荷は全てはき捨てられており、時刻ｔ0 に計測開
始パルスΦS が入る。これを起点として測距装置が動作
し始める。一方、光源109 がＯＦＦしている状態で、制
御信号発生器104 からの制御信号ΦLDにより光源駆動部
108 は光源109 の輝度変調を開始し、また２次元撮像素
子103 の感度変調駆動部101 も、制御信号発生器104 か
らの制御信号ΦSMにより、前記輝度変調と同一の周波数
で、２次元撮像素子103 の感度変調を開始する。
【０００４】この３次元画像入力装置は、光源の輝度変
調と２次元撮像素子の感度変調を同期させて測距を行っ
ているが、更に、説明を簡単にするため、輝度変調並び
に感度変調は、周期Ｔf ，デューティー50％の矩形波で
なされており、且つ変調された輝度の最低レベルは輝度
０，また変調された感度の最高レベルを１，最低レベル
を感度０に設定されるものと仮定する。また、感度変調
しない時の感度を有した状態の感度レベルも１と規定す
る。また、ここで言う輝度変調とは、光源109をある設
定周波数でＯＮ−ＯＦＦさせることにより、２次元撮像
素子103 の電荷蓄積を制御することを言う。一方、感度
変調とは、ある設定周波数で２次元撮像素子103 の感度
を変化させることを言う。
調と２次元撮像素子の感度変調を同期させて測距を行っ
ているが、更に、説明を簡単にするため、輝度変調並び
に感度変調は、周期Ｔf ，デューティー50％の矩形波で
なされており、且つ変調された輝度の最低レベルは輝度
０，また変調された感度の最高レベルを１，最低レベル
を感度０に設定されるものと仮定する。また、感度変調
しない時の感度を有した状態の感度レベルも１と規定す
る。また、ここで言う輝度変調とは、光源109をある設
定周波数でＯＮ−ＯＦＦさせることにより、２次元撮像
素子103 の電荷蓄積を制御することを言う。一方、感度
変調とは、ある設定周波数で２次元撮像素子103 の感度
を変化させることを言う。
【０００５】次に、距離情報の求め方と３次元画像入力
装置の動作を合わせて説明する。距離ｚにある被写体11
0 を考えると、光源109 から投光された光は、距離ｚを
走行して被写体110 に投影されて反射し、再び距離ｚを
走行して２次元撮像素子103に結像される。この距離ｚ
にある被写体110 からの入射光は、次式（１）で表され
るｔd だけ光源109 からの発光より遅れて、２次元撮像
素子103 に入射する。 ｔd ＝（２×ｚ）／ｃ ・・・・・・・・・・（１） 但し、ｃは光速である。このため１周期の輝度変調期間
に、２次元撮像素子103の画素部に生成可能な信号電荷
数の比率ηは、距離ｚ＝０にある被写体の場合をη＝１
と規格化すれば、次式（２）で表される。 η＝１−（２×ｔd ）／Ｔf ・・・・・・・（２） つまり、当該画素の出力を計測すれば、式（２）に示す
ように既知の周期Ｔf と計測したηとから、ｔd を求め
ることができ、更に（１）を用いれば、次式（１）′に
より被写体110 までの距離ｚを算出することが可能とな
る。 ｚ＝（ｃ×ｔd ）／２ ・・・・・・・・・・（１）′
装置の動作を合わせて説明する。距離ｚにある被写体11
0 を考えると、光源109 から投光された光は、距離ｚを
走行して被写体110 に投影されて反射し、再び距離ｚを
走行して２次元撮像素子103に結像される。この距離ｚ
にある被写体110 からの入射光は、次式（１）で表され
るｔd だけ光源109 からの発光より遅れて、２次元撮像
素子103 に入射する。 ｔd ＝（２×ｚ）／ｃ ・・・・・・・・・・（１） 但し、ｃは光速である。このため１周期の輝度変調期間
に、２次元撮像素子103の画素部に生成可能な信号電荷
数の比率ηは、距離ｚ＝０にある被写体の場合をη＝１
と規格化すれば、次式（２）で表される。 η＝１−（２×ｔd ）／Ｔf ・・・・・・・（２） つまり、当該画素の出力を計測すれば、式（２）に示す
ように既知の周期Ｔf と計測したηとから、ｔd を求め
ることができ、更に（１）を用いれば、次式（１）′に
より被写体110 までの距離ｚを算出することが可能とな
る。 ｚ＝（ｃ×ｔd ）／２ ・・・・・・・・・・（１）′
【０００６】信号蓄積期間Ｔa が終了した時点で、２次
元撮像素子103 上の各画素部には、信号蓄積期間Ｔa 中
に光源109 からの戻り光の輝度を持った期間と２次元撮
像素子103 の感度を有した期間の重なった時間に発生し
た信号電荷が蓄積されている。この２次元撮像素子103
に蓄積した信号電荷を期間Ｒa で読み出す。ここで読み
出された信号電荷はＨa として読み出される。この信号
電荷Ｈa は、次式（３）で表される。 Ｈa （ｘ，ｙ）＝（ｋ／２）・η（ｚ）・Ｉ（ｘ，ｙ）・Ｔa ・・・（３） ここで、ｋ；輝度変調にかかわる比例定数、デューティ
ー50％で変調してるので１／２倍している。 η（ｚ）；感度変調にかかわる項 Ｉ（ｘ，ｙ）；被写体の反射光の強度で、このＩ（ｘ，
ｙ）には被写体までの距離に応じて減少する光源の照度
の影響も含まれている。
元撮像素子103 上の各画素部には、信号蓄積期間Ｔa 中
に光源109 からの戻り光の輝度を持った期間と２次元撮
像素子103 の感度を有した期間の重なった時間に発生し
た信号電荷が蓄積されている。この２次元撮像素子103
に蓄積した信号電荷を期間Ｒa で読み出す。ここで読み
出された信号電荷はＨa として読み出される。この信号
電荷Ｈa は、次式（３）で表される。 Ｈa （ｘ，ｙ）＝（ｋ／２）・η（ｚ）・Ｉ（ｘ，ｙ）・Ｔa ・・・（３） ここで、ｋ；輝度変調にかかわる比例定数、デューティ
ー50％で変調してるので１／２倍している。 η（ｚ）；感度変調にかかわる項 Ｉ（ｘ，ｙ）；被写体の反射光の強度で、このＩ（ｘ，
ｙ）には被写体までの距離に応じて減少する光源の照度
の影響も含まれている。
【０００７】前記のように信号蓄積期間Ｔa が終了した
後、２次元撮像素子103 を駆動して、これらの信号電荷
を読み出し、信号処理部105 の中に設けた図示しないメ
モリに格納する。読み出しと同時に、またはその後に、
各画素の信号電荷をクリアーする。次に時刻ｔ1 におい
て、再び制御信号発生器104 からの制御信号ΦLDにより
光源駆動部108 は光源109 の輝度変調を開始し、また感
度変調駆動部101 は、２次元撮像素子103 の感度を一定
の状態に維持しながら信号電荷を蓄積可能にする（図
５，期間Ｔb ）。この時、信号蓄積期間Ｔa とＴb の時
間は等しく設定する。何故ならば、後に信号蓄積期間Ｔ
a とＴb の信号電荷を比較して、被写体までの距離情報
を算出するためである。また期間Ｔb においては、感度
変調をせず一定感度（通常の撮像モード）なので、
（３）式の感度変調に伴う因子は定数であり、この感度
を有した状態を１と規定する。したがって、期間Ｔb が
終了した時点で２次元撮像素子103 の各画素部には、次
式（４）で示される信号電荷が蓄積されていることにな
る。 Ｈb （ｘ，ｙ）＝（ｋ／２）・Ｉ（ｘ，ｙ）・Ｔb ・・・・・・・（４）
後、２次元撮像素子103 を駆動して、これらの信号電荷
を読み出し、信号処理部105 の中に設けた図示しないメ
モリに格納する。読み出しと同時に、またはその後に、
各画素の信号電荷をクリアーする。次に時刻ｔ1 におい
て、再び制御信号発生器104 からの制御信号ΦLDにより
光源駆動部108 は光源109 の輝度変調を開始し、また感
度変調駆動部101 は、２次元撮像素子103 の感度を一定
の状態に維持しながら信号電荷を蓄積可能にする（図
５，期間Ｔb ）。この時、信号蓄積期間Ｔa とＴb の時
間は等しく設定する。何故ならば、後に信号蓄積期間Ｔ
a とＴb の信号電荷を比較して、被写体までの距離情報
を算出するためである。また期間Ｔb においては、感度
変調をせず一定感度（通常の撮像モード）なので、
（３）式の感度変調に伴う因子は定数であり、この感度
を有した状態を１と規定する。したがって、期間Ｔb が
終了した時点で２次元撮像素子103 の各画素部には、次
式（４）で示される信号電荷が蓄積されていることにな
る。 Ｈb （ｘ，ｙ）＝（ｋ／２）・Ｉ（ｘ，ｙ）・Ｔb ・・・・・・・（４）
【０００８】期間Ｔb の終了後、時刻ｔ1 直前の動作と
同様に、期間Ｒb において２次元撮像素子103 を駆動し
て、これらの信号電荷をＨb として読み出し、信号処理
部105 の中に設けた図示しないメモリのうち、信号蓄積
期間Ｔa の終了の後に書き込んだものとは別のメモリ
に、式（４）で示される情報（信号電荷）が格納され
る。その後、時刻ｔ2 以前に２次元撮像素子103 の信号
電荷をはき捨て、時刻ｔ2に計測開始パルスΦS が入
り、時刻ｔ0 の時と同様にして測距が開始する。この時
刻ｔ0 からｔ2 までが測距の１サイクルであり、実際の
測距はこの手順の繰り返しによって行われることにな
る。このようにして信号処理部105 の中に設けた図示し
ないメモリに格納されている（３）式で表される信号電
荷Ｈa と、（４）式で表される信号電荷Ｈb から、２次
元撮像素子103 の通常駆動時の信号電荷Ｈb に対する感
度変調駆動時の信号電荷Ｈa の比が、次式（５）により
求められる。 η＝｛Ｈa （ｘ，ｙ）／Ｔa ｝／｛Ｈb （ｘ，ｙ）／Ｔb ｝・・・・（５） この信号電荷比率ηと既知のＴf とから、（２）式によ
りｔd が求められ、ここで求めたｔd を（１）′式に代
入すると、被写体110 までの距離ｚが得られることにな
る。
同様に、期間Ｒb において２次元撮像素子103 を駆動し
て、これらの信号電荷をＨb として読み出し、信号処理
部105 の中に設けた図示しないメモリのうち、信号蓄積
期間Ｔa の終了の後に書き込んだものとは別のメモリ
に、式（４）で示される情報（信号電荷）が格納され
る。その後、時刻ｔ2 以前に２次元撮像素子103 の信号
電荷をはき捨て、時刻ｔ2に計測開始パルスΦS が入
り、時刻ｔ0 の時と同様にして測距が開始する。この時
刻ｔ0 からｔ2 までが測距の１サイクルであり、実際の
測距はこの手順の繰り返しによって行われることにな
る。このようにして信号処理部105 の中に設けた図示し
ないメモリに格納されている（３）式で表される信号電
荷Ｈa と、（４）式で表される信号電荷Ｈb から、２次
元撮像素子103 の通常駆動時の信号電荷Ｈb に対する感
度変調駆動時の信号電荷Ｈa の比が、次式（５）により
求められる。 η＝｛Ｈa （ｘ，ｙ）／Ｔa ｝／｛Ｈb （ｘ，ｙ）／Ｔb ｝・・・・（５） この信号電荷比率ηと既知のＴf とから、（２）式によ
りｔd が求められ、ここで求めたｔd を（１）′式に代
入すると、被写体110 までの距離ｚが得られることにな
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の構成
の３次元画像入力装置（２次元距離センサ）により測距
をする場合、測距可能な距離範囲ｚは、ｔd ≦（Ｔf ／
２）という条件を満たさなければならない。したがっ
て、（１）′式より次式（６）が得られる。 ｚ≦（ｃ×Ｔf ）／４ ・・・・・・・・・・（６） したがって、測距範囲を拡大するには輝度変調周期Ｔf
を大きく（輝度変調周波数を低く）する必要がある。ま
た、測距精度を向上させるには輝度変調周期Ｔfを小さ
く（輝度変調周波数を高く）する必要がある。このこと
から、測距精度と測距範囲が両立しないことがわかる。
の３次元画像入力装置（２次元距離センサ）により測距
をする場合、測距可能な距離範囲ｚは、ｔd ≦（Ｔf ／
２）という条件を満たさなければならない。したがっ
て、（１）′式より次式（６）が得られる。 ｚ≦（ｃ×Ｔf ）／４ ・・・・・・・・・・（６） したがって、測距範囲を拡大するには輝度変調周期Ｔf
を大きく（輝度変調周波数を低く）する必要がある。ま
た、測距精度を向上させるには輝度変調周期Ｔfを小さ
く（輝度変調周波数を高く）する必要がある。このこと
から、測距精度と測距範囲が両立しないことがわかる。
【００１０】以上のように、先の出願で提案した従来構
成の３次元画像入力装置（２次元距離センサ）では、単
一光源であるから測距精度と測距範囲を両立させること
は不可能である。例えば、光源の輝度変調周波数を10Ｍ
Ｈz とすると、（６）式より測距可能範囲は7.50ｍとな
り、仮に測距を８ビット階調（256 階調）で行うとすれ
ば、測距範囲7.50ｍを256 階調に分割すると１階調の測
距範囲（分解能）は 2.9cmとなる。一方、光源の輝度変
調周波数が 100ＭＨz であれば、１輝度変調周期当たり
の測距範囲は0.75ｍに縮小されるので、８ビット階調に
おいて１階調当たりの測距範囲は0.29cmとなる。これは
言い換えると、分解能が１桁向上したことと等価であ
る。
成の３次元画像入力装置（２次元距離センサ）では、単
一光源であるから測距精度と測距範囲を両立させること
は不可能である。例えば、光源の輝度変調周波数を10Ｍ
Ｈz とすると、（６）式より測距可能範囲は7.50ｍとな
り、仮に測距を８ビット階調（256 階調）で行うとすれ
ば、測距範囲7.50ｍを256 階調に分割すると１階調の測
距範囲（分解能）は 2.9cmとなる。一方、光源の輝度変
調周波数が 100ＭＨz であれば、１輝度変調周期当たり
の測距範囲は0.75ｍに縮小されるので、８ビット階調に
おいて１階調当たりの測距範囲は0.29cmとなる。これは
言い換えると、分解能が１桁向上したことと等価であ
る。
【００１１】本発明は、先に提案した２次元距離センサ
（３次元画像入力装置）における上記問題点を解消する
ためなされたもので、測距精度と測距範囲が両立可能な
３次元画像入力装置を提供することを目的とする。
（３次元画像入力装置）における上記問題点を解消する
ためなされたもので、測距精度と測距範囲が両立可能な
３次元画像入力装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明は、所定の周波数、持続時間及び繰り返し時
間で輝度変調された光ビームを対象物体に投光する光源
と、該光源からの光ビームで照明された対象物体の像を
結像する結像光学系と、該結像光学系の結像面に設置さ
れた光電変換の感度変調が可能な２次元撮像素子と、該
撮像素子の感度を決定する電極端子を前記周波数で変調
する駆動部と、前記撮像素子の各画素において生成され
た信号電荷に対応した信号を取り出す読み出し手段とを
備え、前記対象物体の２次元距離情報を前記２次元撮像
素子の信号電荷の分布から得るようにした３次元画像入
力装置において、前記光源からの光ビームは、輝度変調
周波数の異なる複数の波長の光ビームにより構成されて
いることを特徴とするものである。
め、本発明は、所定の周波数、持続時間及び繰り返し時
間で輝度変調された光ビームを対象物体に投光する光源
と、該光源からの光ビームで照明された対象物体の像を
結像する結像光学系と、該結像光学系の結像面に設置さ
れた光電変換の感度変調が可能な２次元撮像素子と、該
撮像素子の感度を決定する電極端子を前記周波数で変調
する駆動部と、前記撮像素子の各画素において生成され
た信号電荷に対応した信号を取り出す読み出し手段とを
備え、前記対象物体の２次元距離情報を前記２次元撮像
素子の信号電荷の分布から得るようにした３次元画像入
力装置において、前記光源からの光ビームは、輝度変調
周波数の異なる複数の波長の光ビームにより構成されて
いることを特徴とするものである。
【００１３】このように、光源からの光ビームを、輝度
変調周波数の異なる複数の波長で構成し、該光ビームを
分配する光学的分配器を設けると共に、該分割された複
数の光ビームをそれぞれ受光する複数の２次元撮像素子
を設けることにより、異なる輝度変調周波数による３次
元撮像を同時に且つ並列的に行うことが可能となる。こ
れにより、測距に要する時間は従来と変わらずに、且つ
測距範囲も縮小せずに、測距精度を向上させることが可
能となる。
変調周波数の異なる複数の波長で構成し、該光ビームを
分配する光学的分配器を設けると共に、該分割された複
数の光ビームをそれぞれ受光する複数の２次元撮像素子
を設けることにより、異なる輝度変調周波数による３次
元撮像を同時に且つ並列的に行うことが可能となる。こ
れにより、測距に要する時間は従来と変わらずに、且つ
測距範囲も縮小せずに、測距精度を向上させることが可
能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】次に実施の形態について説明す
る。図１は、本発明に係る３次元画像入力装置の実施の
形態を示すブロック構成図である。この実施の形態にお
いては、説明を簡単にするために用いる光源は２種とし
ている。この実施の形態の３次元画像入力装置が図１に
示した先に提案したものと異なる点は、光波長、輝度変
調周波数の異なる２種の光源を用いて、これら２光源の
被写体からの戻り光を同時観測するようにした点であ
る。２種の光源のうち、一方の光源にはある所定の光波
長、輝度変調周期を設定し、他方の光源には前記一方の
光源とは異なる光波長であり、該一方の光源に対して輝
度変調周期を短く（輝度変調周波数を高く）設定するも
のとしている。
る。図１は、本発明に係る３次元画像入力装置の実施の
形態を示すブロック構成図である。この実施の形態にお
いては、説明を簡単にするために用いる光源は２種とし
ている。この実施の形態の３次元画像入力装置が図１に
示した先に提案したものと異なる点は、光波長、輝度変
調周波数の異なる２種の光源を用いて、これら２光源の
被写体からの戻り光を同時観測するようにした点であ
る。２種の光源のうち、一方の光源にはある所定の光波
長、輝度変調周期を設定し、他方の光源には前記一方の
光源とは異なる光波長であり、該一方の光源に対して輝
度変調周期を短く（輝度変調周波数を高く）設定するも
のとしている。
【００１５】先に、測距をする場合、測距可能な距離範
囲ｚは、ｔd ≦（Ｔf ／２）という条件を満たさなけれ
ばならないと述べたが、まずこの理由について説明す
る。図４に示した従来例で記述したように、測距の際、
２次元撮像素子103 上の各画素部には、信号蓄積期間Ｔ
a 中に光源109 からの戻り光の輝度を持った期間（Φ
ref のＯＮしている期間）と２次元撮像素子103 の感度
を有している期間（ΦSMのＯＮしている期間）の重複し
た期間に発生した信号電荷が蓄積する。よって、ｔ
d が、０≦ｔd ≦（Ｔf ／２）の期間には、２次元撮像
素子103 に蓄積する信号電荷Ｈa は、ｔd ＝０の時をＨ
a ＝１と規定すれば、ｔd が増すにつれてΦrefとΦSM
のＯＮしている期間の重複する期間が減少するので、Ｈ
a の値は減少してゆき、ｔd ＝（Ｔf ／２）の時Ｈa ＝
０となる。一方、（Ｔf ／２）＜ｔd ＜Ｔf の期間につ
いては、ｔd ＝（Ｔf ／２）の時のＨa ＝０を境に、再
び信号電荷Ｈa は増加に転じ、ｔd の時間の増加と共に
Φref とΦSMのＯＮしている期間の重複する期間が増加
するので、Ｈa の値は増加してゆき、ｔd ＝Ｔf の時の
Ｈa＝１（ｔd ＝０の時と等価）まで増加し続けること
になる。本測距の距離情報は、蓄積信号電荷から算出し
ているので、（Ｔf ／２）＜ｔd ＜Ｔf の期間の蓄積信
号電荷を測距データとして用いようとしても、０≦ｔd
≦（Ｔf ／２）の期間に得られたものか否かの判別がで
きない。このため、測距可能な距離範囲ｚを規定する式
（６）には、ｔd ≦（Ｔf ／２）という条件が含まれる
ことになる。
囲ｚは、ｔd ≦（Ｔf ／２）という条件を満たさなけれ
ばならないと述べたが、まずこの理由について説明す
る。図４に示した従来例で記述したように、測距の際、
２次元撮像素子103 上の各画素部には、信号蓄積期間Ｔ
a 中に光源109 からの戻り光の輝度を持った期間（Φ
ref のＯＮしている期間）と２次元撮像素子103 の感度
を有している期間（ΦSMのＯＮしている期間）の重複し
た期間に発生した信号電荷が蓄積する。よって、ｔ
d が、０≦ｔd ≦（Ｔf ／２）の期間には、２次元撮像
素子103 に蓄積する信号電荷Ｈa は、ｔd ＝０の時をＨ
a ＝１と規定すれば、ｔd が増すにつれてΦrefとΦSM
のＯＮしている期間の重複する期間が減少するので、Ｈ
a の値は減少してゆき、ｔd ＝（Ｔf ／２）の時Ｈa ＝
０となる。一方、（Ｔf ／２）＜ｔd ＜Ｔf の期間につ
いては、ｔd ＝（Ｔf ／２）の時のＨa ＝０を境に、再
び信号電荷Ｈa は増加に転じ、ｔd の時間の増加と共に
Φref とΦSMのＯＮしている期間の重複する期間が増加
するので、Ｈa の値は増加してゆき、ｔd ＝Ｔf の時の
Ｈa＝１（ｔd ＝０の時と等価）まで増加し続けること
になる。本測距の距離情報は、蓄積信号電荷から算出し
ているので、（Ｔf ／２）＜ｔd ＜Ｔf の期間の蓄積信
号電荷を測距データとして用いようとしても、０≦ｔd
≦（Ｔf ／２）の期間に得られたものか否かの判別がで
きない。このため、測距可能な距離範囲ｚを規定する式
（６）には、ｔd ≦（Ｔf ／２）という条件が含まれる
ことになる。
【００１６】なお、次式（７）が成立するときも、検出
される信号電荷は前記周期の繰り返しになる。 ｔd ≦（ｎ・Ｔf ）＋（Ｔf ／２）・・・・・（７） 但し、ｎは正の整数である。しかし、実際には（７）式
において、ｎが１以上では被写体からの戻り光の強度は
距離の２乗に比例して弱くなるから、現実的にはｎ＝０
のデータを用いることが望ましい。
される信号電荷は前記周期の繰り返しになる。 ｔd ≦（ｎ・Ｔf ）＋（Ｔf ／２）・・・・・（７） 但し、ｎは正の整数である。しかし、実際には（７）式
において、ｎが１以上では被写体からの戻り光の強度は
距離の２乗に比例して弱くなるから、現実的にはｎ＝０
のデータを用いることが望ましい。
【００１７】次に、図１に示した実施の形態の具体的な
構成について説明する。図１において、１は被写体から
の戻り光（反射光）の結像面を２つ形成するためのハー
フミラー、２，３はそれぞれ背景光の影響を除去し、輝
度変調された光源の波長帯域の反射光の波長付近の光の
みを透過させる第１及び第２の光学バンドパスフィル
タ、４，５は第１及び第２の２次元撮像素子、６は２次
元撮像素子４，５の感度を変調するための感度変調駆動
部、７は２次元撮像素子駆動部、８は制御信号発生器、
９は信号処理部、10は光源駆動部、11は光源11ａ，11ｂ
を搭載した照明装置、12は結像光学系、13は被写体（対
象物体）を示している。なお、第１のバンドパスフィル
タ２は光源11ａの光の波長のみを透過し、第２の光学バ
ンドパスフィルタ３は光源11ｂの光の波長のみを透過す
るように設定されている。
構成について説明する。図１において、１は被写体から
の戻り光（反射光）の結像面を２つ形成するためのハー
フミラー、２，３はそれぞれ背景光の影響を除去し、輝
度変調された光源の波長帯域の反射光の波長付近の光の
みを透過させる第１及び第２の光学バンドパスフィル
タ、４，５は第１及び第２の２次元撮像素子、６は２次
元撮像素子４，５の感度を変調するための感度変調駆動
部、７は２次元撮像素子駆動部、８は制御信号発生器、
９は信号処理部、10は光源駆動部、11は光源11ａ，11ｂ
を搭載した照明装置、12は結像光学系、13は被写体（対
象物体）を示している。なお、第１のバンドパスフィル
タ２は光源11ａの光の波長のみを透過し、第２の光学バ
ンドパスフィルタ３は光源11ｂの光の波長のみを透過す
るように設定されている。
【００１８】この実施の形態が図４に示した先に提案し
たものと異なる点は、先に述べたように、２種の光源を
用いて、光源11ａと光波長、輝度変調周波数の異なる光
源11ｂの被写体13からの戻り光を、光源11ａの被写体13
からの戻り光と同時観測するように構成した点である
が、次に、２種の光源を用いた際、異なる光波長と輝度
変調周波数にする理由について述べる。異なる輝度変調
周波数を用いる理由は、測距範囲と測距精度の両立を図
るためである。次に、異なる光波長を用いる理由につい
て述べる。これは、測定系の制約によるものである。照
明装置11から出射した２種の光（変調光）が被写体13か
ら戻ってきた際、第１，第２の２次元撮像素子４，５に
入射する前に、ハーフミラー１で分配される。この光を
第１，第２の２次元撮像素子４，５の前面にそれぞれ設
置された光学バンドパスフィルタ２，３で、第１，第２
の２次元撮像素子４，５がそれぞれ受光する光成分のみ
に選別する。このように変調周波数の異なる光の分離を
可能にするために、異なる光波長の光源を用いることが
必要になる。
たものと異なる点は、先に述べたように、２種の光源を
用いて、光源11ａと光波長、輝度変調周波数の異なる光
源11ｂの被写体13からの戻り光を、光源11ａの被写体13
からの戻り光と同時観測するように構成した点である
が、次に、２種の光源を用いた際、異なる光波長と輝度
変調周波数にする理由について述べる。異なる輝度変調
周波数を用いる理由は、測距範囲と測距精度の両立を図
るためである。次に、異なる光波長を用いる理由につい
て述べる。これは、測定系の制約によるものである。照
明装置11から出射した２種の光（変調光）が被写体13か
ら戻ってきた際、第１，第２の２次元撮像素子４，５に
入射する前に、ハーフミラー１で分配される。この光を
第１，第２の２次元撮像素子４，５の前面にそれぞれ設
置された光学バンドパスフィルタ２，３で、第１，第２
の２次元撮像素子４，５がそれぞれ受光する光成分のみ
に選別する。このように変調周波数の異なる光の分離を
可能にするために、異なる光波長の光源を用いることが
必要になる。
【００１９】次に、このように構成した３次元画像入力
装置の動作を、図２に示したタイミングチャートを参照
しながら説明する。まず、光源11ａにおける被写体13か
らの戻り光を測距する測定系に限って、その動作タイミ
ングについて説明する。図２において、ΦS は計測開始
パルス、ΦSM1 は第１の２次元撮像素子４の感度を変調
するパルス、ΦLD1 は光源11ａを駆動するパルス、Φ
ref1は光源11ａから出射され、有限の距離にある被写体
13によって反射されハーフミラー１を介して第１の２次
元撮像素子４の受光面上に結像された戻り光、ΦRD1 は
第１の２次元撮像素子４から蓄積信号電荷を読み出すた
めの読み出し駆動パルス群、ΦDATA1 は第１の２次元撮
像素子４から読み出された蓄積信号電荷を表している。
装置の動作を、図２に示したタイミングチャートを参照
しながら説明する。まず、光源11ａにおける被写体13か
らの戻り光を測距する測定系に限って、その動作タイミ
ングについて説明する。図２において、ΦS は計測開始
パルス、ΦSM1 は第１の２次元撮像素子４の感度を変調
するパルス、ΦLD1 は光源11ａを駆動するパルス、Φ
ref1は光源11ａから出射され、有限の距離にある被写体
13によって反射されハーフミラー１を介して第１の２次
元撮像素子４の受光面上に結像された戻り光、ΦRD1 は
第１の２次元撮像素子４から蓄積信号電荷を読み出すた
めの読み出し駆動パルス群、ΦDATA1 は第１の２次元撮
像素子４から読み出された蓄積信号電荷を表している。
【００２０】次に、光源11ａによる被写体13からの戻り
光を観測する測定系の動作について説明する。ここで説
明を簡単にするため、輝度変調並びに感度変調は、期間
Ｔfg，デューティー50％の矩形波でなされており、且つ
変調された輝度の最低レベルは輝度０，また変調された
感度の最低レベルは感度０に設定されるものと仮定す
る。また、感度変調しない時の感度を有している状態の
感度レベルも１と規定する。
光を観測する測定系の動作について説明する。ここで説
明を簡単にするため、輝度変調並びに感度変調は、期間
Ｔfg，デューティー50％の矩形波でなされており、且つ
変調された輝度の最低レベルは輝度０，また変調された
感度の最低レベルは感度０に設定されるものと仮定す
る。また、感度変調しない時の感度を有している状態の
感度レベルも１と規定する。
【００２１】まず、時刻ｔ0 では、事前に第１の２次元
撮像素子４の信号電荷は全てはき捨てられており、時刻
ｔ0 に計測開始パルスΦS が入る。これを起点として測
距装置が動作し始める。光源11ａは、ＯＦＦしている状
態で、制御信号発生器８からの制御信号ΦLD1 により、
光源駆動部10は光源11ａの輝度変調を開始する。また第
１の２次元撮像素子４の感度変調駆動部６も制御信号発
生器８からの制御信号ΦSM1 により、前記輝度変調周波
数と同一の周波数で、第１の２次元撮像素子４の感度変
調駆動を開始する（図２の信号蓄積期間Ｔag）。距離ｚ
にある被写体13へ光源11ａから投光された光は、距離ｚ
を走行して被写体13に投影されて反射し、再び距離ｚを
走行して第１の２次元撮像素子４に結像される。このた
め距離ｚにある被写体13からの戻り光Φref1は、ｔdgだ
け光源11ａの発光時間より遅れて、第１の２次元撮像素
子４へ入射する。
撮像素子４の信号電荷は全てはき捨てられており、時刻
ｔ0 に計測開始パルスΦS が入る。これを起点として測
距装置が動作し始める。光源11ａは、ＯＦＦしている状
態で、制御信号発生器８からの制御信号ΦLD1 により、
光源駆動部10は光源11ａの輝度変調を開始する。また第
１の２次元撮像素子４の感度変調駆動部６も制御信号発
生器８からの制御信号ΦSM1 により、前記輝度変調周波
数と同一の周波数で、第１の２次元撮像素子４の感度変
調駆動を開始する（図２の信号蓄積期間Ｔag）。距離ｚ
にある被写体13へ光源11ａから投光された光は、距離ｚ
を走行して被写体13に投影されて反射し、再び距離ｚを
走行して第１の２次元撮像素子４に結像される。このた
め距離ｚにある被写体13からの戻り光Φref1は、ｔdgだ
け光源11ａの発光時間より遅れて、第１の２次元撮像素
子４へ入射する。
【００２２】信号蓄積期間Ｔagの終了の後、期間Ｒagに
おいて第１の２次元撮像素子４を駆動して、これらの信
号を信号電荷Ｈagとして読み出し、信号処理部９の内部
に設けた図示しないメモリａｇに格納する。読み出しと
同時に、又はその後に各画素の信号電荷をクリアする。
次に時刻ｔ1 において、再び、制御信号発生器８からの
制御信号ΦLD1 により光源駆動部10は光源11ａの輝度変
調を開始し、一方第１の２次元撮像素子４の感度変調駆
動部６は、第１の２次元撮像素子４が受光状態で且つ一
定感度（通常駆動）を維持する（図２の期間Ｔbg）。
おいて第１の２次元撮像素子４を駆動して、これらの信
号を信号電荷Ｈagとして読み出し、信号処理部９の内部
に設けた図示しないメモリａｇに格納する。読み出しと
同時に、又はその後に各画素の信号電荷をクリアする。
次に時刻ｔ1 において、再び、制御信号発生器８からの
制御信号ΦLD1 により光源駆動部10は光源11ａの輝度変
調を開始し、一方第１の２次元撮像素子４の感度変調駆
動部６は、第１の２次元撮像素子４が受光状態で且つ一
定感度（通常駆動）を維持する（図２の期間Ｔbg）。
【００２３】この時には、２次元撮像素子の感度変調を
させないので、期間Ｔbg中に各画素内で発生した電荷が
全て蓄積することになる。但し、戻り光Φref1の遅延時
間ｔdgを考慮し、ΦSM1 の立ち下がりのタイミングは期
間Ｔbgの終了後、Ｔfg／２以上経過時点に設定する。
させないので、期間Ｔbg中に各画素内で発生した電荷が
全て蓄積することになる。但し、戻り光Φref1の遅延時
間ｔdgを考慮し、ΦSM1 の立ち下がりのタイミングは期
間Ｔbgの終了後、Ｔfg／２以上経過時点に設定する。
【００２４】期間Ｔbgが終了の後、期間Ｒbgにおいて第
１の２次元撮像素子４を駆動して、これらの蓄積信号電
荷を読み出し、信号処理部９の内部に設けた図示しない
メモリのうち、信号蓄積期間Ｔagの終了後に書き込んだ
メモリａｇとは別のメモリｂｇに格納する。その後、時
刻ｔ2 以前に第１の２次元撮像素子４の信号電荷をはき
捨て、時刻ｔ2 に計測開始パルスΦS が入り、時刻ｔ0
の時と同様にして測距が開始する。この時刻ｔ0 からｔ
2 までが測距の１サイクルであり、実際の測距はこの手
順の繰り返しによって行われることになる。上記信号処
理部内の各メモリａｇ，ｂｇには、それぞれ信号蓄積期
間Ｔag，Ｔbg中の情報（信号電荷）が記憶されており、
２次元距離情報は従来例と同様にして簡単に求められ
る。
１の２次元撮像素子４を駆動して、これらの蓄積信号電
荷を読み出し、信号処理部９の内部に設けた図示しない
メモリのうち、信号蓄積期間Ｔagの終了後に書き込んだ
メモリａｇとは別のメモリｂｇに格納する。その後、時
刻ｔ2 以前に第１の２次元撮像素子４の信号電荷をはき
捨て、時刻ｔ2 に計測開始パルスΦS が入り、時刻ｔ0
の時と同様にして測距が開始する。この時刻ｔ0 からｔ
2 までが測距の１サイクルであり、実際の測距はこの手
順の繰り返しによって行われることになる。上記信号処
理部内の各メモリａｇ，ｂｇには、それぞれ信号蓄積期
間Ｔag，Ｔbg中の情報（信号電荷）が記憶されており、
２次元距離情報は従来例と同様にして簡単に求められ
る。
【００２５】以上は、光源11ａによる被写体13からの戻
り光を観測する場合について説明したが、次に、光源11
ｂにおける被写体13からの戻り光を測距する測定系に限
って、その動作タイミングについて説明する。図２にお
いて、ΦS は計測開始パルス、ΦLD2 は光源11ｂを駆動
するパルス、ΦSM2 は第２の２次元撮像素子５の感度を
変調するパルス、Φref2は光源11ｂから出射され、有限
の距離にある被写体13によって反射され、ハーフミラー
１を介して第２の２次元撮像素子５の受光面上に結像さ
れた戻り光、ΦRD2 は第２の２次元撮像素子５からデー
タ（蓄積信号電荷）を読み出すための読み出し駆動パル
ス群、ΦDATA2 は第２の２次元撮像素子５から読み出さ
れたデータ（蓄積信号電荷）を表している。
り光を観測する場合について説明したが、次に、光源11
ｂにおける被写体13からの戻り光を測距する測定系に限
って、その動作タイミングについて説明する。図２にお
いて、ΦS は計測開始パルス、ΦLD2 は光源11ｂを駆動
するパルス、ΦSM2 は第２の２次元撮像素子５の感度を
変調するパルス、Φref2は光源11ｂから出射され、有限
の距離にある被写体13によって反射され、ハーフミラー
１を介して第２の２次元撮像素子５の受光面上に結像さ
れた戻り光、ΦRD2 は第２の２次元撮像素子５からデー
タ（蓄積信号電荷）を読み出すための読み出し駆動パル
ス群、ΦDATA2 は第２の２次元撮像素子５から読み出さ
れたデータ（蓄積信号電荷）を表している。
【００２６】次に、光源11ｂによる被写体13からの戻り
光を観測する測定系の動作について説明する。基本的な
動作は光源11ａの被写体13からの戻り光の観測系と同様
である。また、検出された信号電荷から２次元距離情報
を得る方法も従来例と同様である。異なる点は、光源11
ｂの波長、光源11ｂを駆動するΦLD2 の輝度変調周波数
と、第２の２次元撮像素子５を駆動するΦSM2 の感度変
調周波数であり、光源11ｂからの戻り光Φref2は、Φ
LD2 の輝度変調周波数が異なるので、それに伴ってΦ
ref1とは異なった変調になっている。（ΦLD2 の輝度変
調周波数と等価）。なお、信号蓄積期間ＴagとＴbg，Ｔ
ahとＴbhは、同一期間に設定しなければならない。ま
た、信号蓄積期間Ｔag（Ｔbg）とＴah（Ｔbh）も同一期
間に設定するものとする。なお、図２においてｔdhはｔ
dgに対応する遅延時間、ＴfhはＴfgに対応する期間、Ｒ
ah，ＲbhはＲag，Ｒbgに対応する期間、Ｈah，ＨbhはＨ
ag，Ｈbgに対応する信号電荷をそれぞれ示している。
光を観測する測定系の動作について説明する。基本的な
動作は光源11ａの被写体13からの戻り光の観測系と同様
である。また、検出された信号電荷から２次元距離情報
を得る方法も従来例と同様である。異なる点は、光源11
ｂの波長、光源11ｂを駆動するΦLD2 の輝度変調周波数
と、第２の２次元撮像素子５を駆動するΦSM2 の感度変
調周波数であり、光源11ｂからの戻り光Φref2は、Φ
LD2 の輝度変調周波数が異なるので、それに伴ってΦ
ref1とは異なった変調になっている。（ΦLD2 の輝度変
調周波数と等価）。なお、信号蓄積期間ＴagとＴbg，Ｔ
ahとＴbhは、同一期間に設定しなければならない。ま
た、信号蓄積期間Ｔag（Ｔbg）とＴah（Ｔbh）も同一期
間に設定するものとする。なお、図２においてｔdhはｔ
dgに対応する遅延時間、ＴfhはＴfgに対応する期間、Ｒ
ah，ＲbhはＲag，Ｒbgに対応する期間、Ｈah，ＨbhはＨ
ag，Ｈbgに対応する信号電荷をそれぞれ示している。
【００２７】次に、このようにして、２種の光源を用い
て２つの２次元撮像素子から観測された信号電荷をどの
ように処理するか、その概念について図３を用いて説明
する。図３は、横軸が光源から被写体までの距離ｚを表
し、右縦軸は信号電荷比率η，左縦軸は検出階調を表し
ている。なお、説明を簡単にするため、便宜上、検出階
調を８階調と仮定している。この１階調範囲内の距離は
識別不可能である。よって、ある階調とある階調の範囲
内に被写体までの距離ｚが存在する時は、その距離を上
位階調と認識するか下位階調と認識するかは予め定義し
ておく。また、信号電荷比率ηに関しては、ｔd ＝０の
とき得られる信号電荷を１に規格化している。
て２つの２次元撮像素子から観測された信号電荷をどの
ように処理するか、その概念について図３を用いて説明
する。図３は、横軸が光源から被写体までの距離ｚを表
し、右縦軸は信号電荷比率η，左縦軸は検出階調を表し
ている。なお、説明を簡単にするため、便宜上、検出階
調を８階調と仮定している。この１階調範囲内の距離は
識別不可能である。よって、ある階調とある階調の範囲
内に被写体までの距離ｚが存在する時は、その距離を上
位階調と認識するか下位階調と認識するかは予め定義し
ておく。また、信号電荷比率ηに関しては、ｔd ＝０の
とき得られる信号電荷を１に規格化している。
【００２８】図３において、ａが変調周波数の低い光源
の測距結果の信号電荷比率の周期を表し、ｂはａの10倍
の変調周波数を持つ光源の測距結果の信号電荷比率周期
を表している。また、ａの測距範囲は（６）式より図３
に示す通り（ｃ・Ｔ10）／４であり、ｂの測距範囲は
（ｃ・Ｔ100 ）／４である。ここで、Ｔ10，Ｔ100 は、
それぞれ変調周波数10ＭＨz ， 100ＭＨz の変調周期を
示している。
の測距結果の信号電荷比率の周期を表し、ｂはａの10倍
の変調周波数を持つ光源の測距結果の信号電荷比率周期
を表している。また、ａの測距範囲は（６）式より図３
に示す通り（ｃ・Ｔ10）／４であり、ｂの測距範囲は
（ｃ・Ｔ100 ）／４である。ここで、Ｔ10，Ｔ100 は、
それぞれ変調周波数10ＭＨz ， 100ＭＨz の変調周期を
示している。
【００２９】次に、処理手順について説明する。まず、
変調周波数の低い一方の光源の被写体までの距離を、測
定された信号電荷比率より大雑把につかむ。その後に、
他方の変調周波数の高い光源において、測定された信号
電荷比率から先に求めた結果より精度の良い距離を求め
る。図３においては、まずａにおいて被写体までの距離
ｚを信号電荷比率から求める。ａからは被写体までの距
離ｚはｚ1 〜ｚ2 の範囲に存在することがわかる。次
に、いま求めた結果を基に、ｂで得られた信号電荷比率
より光源から被写体までの距離ｚを算出する。この時ｚ
は、ｚ3 〜ｚ4 の範囲に存在することがわかる。このよ
うに、ｚは先に求めた結果より良い精度で求められるこ
とになる。
変調周波数の低い一方の光源の被写体までの距離を、測
定された信号電荷比率より大雑把につかむ。その後に、
他方の変調周波数の高い光源において、測定された信号
電荷比率から先に求めた結果より精度の良い距離を求め
る。図３においては、まずａにおいて被写体までの距離
ｚを信号電荷比率から求める。ａからは被写体までの距
離ｚはｚ1 〜ｚ2 の範囲に存在することがわかる。次
に、いま求めた結果を基に、ｂで得られた信号電荷比率
より光源から被写体までの距離ｚを算出する。この時ｚ
は、ｚ3 〜ｚ4 の範囲に存在することがわかる。このよ
うに、ｚは先に求めた結果より良い精度で求められるこ
とになる。
【００３０】次に、これを実際にどのようにして求める
かについて説明する。例えば、ａの光源の輝度変調周波
数を10ＭＨz ，信号電荷比率をη＝0.65， 256階調の測
距、という３つの仮定をした時、（２）式よりｔd ＝1
7.5〔ｎｓ〕となり、（１）′式より被写体までの距離
は、ｚ＝2.61〜2.64（ｍ）の範囲に存在することがわか
る。これをもとにして、ｂの輝度変調周波数を 100ＭＨ
z に設定した光源の被写体からの戻り光を 256階調で測
距したデータを比較、算出する。この結果より被写体ま
での距離がｚ＝2.624 〜2.625 （ｍ）の範囲内に存在す
ることがわかる。この例では、輝度変調周波数が10ＭＨ
z と 100ＭＨz の１桁異なる２つの光源による２つの測
距結果を組み合わせることにより、輝度変調周波数10Ｍ
Ｈz の光源からの戻り光の測距範囲7.50ｍを維持したま
まで、輝度変調周波数 100ＭＨz の光源からの戻り光の
測距によって、分解能を１桁向上した測距が可能となる
ことを示している。もし、単一光源で輝度変調周波数 1
00ＭＨz の光源からの戻り光の測距を行った場合には、
測距精度は輝度変調周波数10ＭＨz の場合に比べ１桁向
上するものの、この光源の測距範囲は輝度変調周波数10
ＭＨz の場合の１／10になってしまう。しかし、本発明
による構成をとることにより、測距範囲の低下を防ぐこ
とができる。
かについて説明する。例えば、ａの光源の輝度変調周波
数を10ＭＨz ，信号電荷比率をη＝0.65， 256階調の測
距、という３つの仮定をした時、（２）式よりｔd ＝1
7.5〔ｎｓ〕となり、（１）′式より被写体までの距離
は、ｚ＝2.61〜2.64（ｍ）の範囲に存在することがわか
る。これをもとにして、ｂの輝度変調周波数を 100ＭＨ
z に設定した光源の被写体からの戻り光を 256階調で測
距したデータを比較、算出する。この結果より被写体ま
での距離がｚ＝2.624 〜2.625 （ｍ）の範囲内に存在す
ることがわかる。この例では、輝度変調周波数が10ＭＨ
z と 100ＭＨz の１桁異なる２つの光源による２つの測
距結果を組み合わせることにより、輝度変調周波数10Ｍ
Ｈz の光源からの戻り光の測距範囲7.50ｍを維持したま
まで、輝度変調周波数 100ＭＨz の光源からの戻り光の
測距によって、分解能を１桁向上した測距が可能となる
ことを示している。もし、単一光源で輝度変調周波数 1
00ＭＨz の光源からの戻り光の測距を行った場合には、
測距精度は輝度変調周波数10ＭＨz の場合に比べ１桁向
上するものの、この光源の測距範囲は輝度変調周波数10
ＭＨz の場合の１／10になってしまう。しかし、本発明
による構成をとることにより、測距範囲の低下を防ぐこ
とができる。
【００３１】このように、従来の測距に要する時間を変
化させずに、且つ測距範囲を縮小させることなく、測距
精度を向上させることを可能にすることができる。な
お、本発明に係る３次元画像入力装置においては、測距
範囲は用いている光源のなかで最も低い輝度変調周波数
で規定され、測距精度は用いている光源のなかで最も高
い輝度変調周波数で規定されることになる。
化させずに、且つ測距範囲を縮小させることなく、測距
精度を向上させることを可能にすることができる。な
お、本発明に係る３次元画像入力装置においては、測距
範囲は用いている光源のなかで最も低い輝度変調周波数
で規定され、測距精度は用いている光源のなかで最も高
い輝度変調周波数で規定されることになる。
【００３２】上記実施の形態では、光源を２つ用いる場
合について示したが、言うまでもなく光源の数を２つに
限る必要はない。また、本発明の基礎は、光源の輝度変
調周波数と同期して２次元撮像素子の感度を変調すると
ころにある。したがって、基板電位あるいは受光面に存
在する電極電位により、感度が変化する撮像素子全般
に、本発明が適用可能である。
合について示したが、言うまでもなく光源の数を２つに
限る必要はない。また、本発明の基礎は、光源の輝度変
調周波数と同期して２次元撮像素子の感度を変調すると
ころにある。したがって、基板電位あるいは受光面に存
在する電極電位により、感度が変化する撮像素子全般
に、本発明が適用可能である。
【００３３】
【発明の効果】以上実施の形態に基づいて説明したよう
に、本発明によれば、複数の２次元撮像素子の感度変調
を、光波長、輝度変調周波数の異なる複数の光源の各々
の輝度変調に対応させて同期化し、対象物体の２次元距
離情報の同時測定を行うように構成しているので、従来
の測距に要する時間を変化させずに、且つ測距範囲を縮
小させることなく、測距精度を向上させることが可能と
なる。また、本発明によれば、光の多重性を利用するこ
とにより、各波長の光源位置及び撮像素子までの光軸及
び距離を揃えることが可能となり、複数の輝度変調周波
数の光による並列測定においても、幾何学的精度を保つ
ことが可能になる。
に、本発明によれば、複数の２次元撮像素子の感度変調
を、光波長、輝度変調周波数の異なる複数の光源の各々
の輝度変調に対応させて同期化し、対象物体の２次元距
離情報の同時測定を行うように構成しているので、従来
の測距に要する時間を変化させずに、且つ測距範囲を縮
小させることなく、測距精度を向上させることが可能と
なる。また、本発明によれば、光の多重性を利用するこ
とにより、各波長の光源位置及び撮像素子までの光軸及
び距離を揃えることが可能となり、複数の輝度変調周波
数の光による並列測定においても、幾何学的精度を保つ
ことが可能になる。
【図１】本発明に係る３次元画像入力装置の実施の形態
を示すブロック構成図である。
を示すブロック構成図である。
【図２】図１に示した実施の形態の動作を説明するため
のタイミングチャートである。
のタイミングチャートである。
【図３】図１に示した実施の形態における測距処理手順
を説明するための概念図である。
を説明するための概念図である。
【図４】先に提案した３次元画像入力装置を示すブロッ
ク構成図である。
ク構成図である。
【図５】図４に示した３次元画像入力装置の動作を説明
するためのブロック構成図である。
するためのブロック構成図である。
１ ハーフミラー ２ 第１の光学バンドパスフィルタ ３ 第２の光学バンドパスフィルタ ４ 第１の２次元撮像素子 ５ 第２の２次元撮像素子 ６ 感度変調駆動部 ７ ２次元撮像素子駆動部 ８ 制御信号発生器 ９ 信号処理部 10 光源駆動部 11 照明装置 11ａ，11ｂ 光源 12 結像光学系 13 被写体
Claims (2)
- 【請求項１】 所定の周波数、持続時間及び繰り返し時
間で輝度変調された光ビームを対象物体に投光する光源
と、該光源からの光ビームで照明された対象物体の像を
結像する結像光学系と、該結像光学系の結像面に設置さ
れた光電変換の感度変調が可能な２次元撮像素子と、該
撮像素子の感度を決定する電極端子を前記周波数で変調
する駆動部と、前記撮像素子の各画素において生成され
た信号電荷に対応した信号を取り出す読み出し手段とを
備え、前記対象物体の２次元距離情報を前記２次元撮像
素子の信号電荷の分布から得るようにした３次元画像入
力装置において、前記光源からの光ビームは、輝度変調
周波数の異なる複数の波長の光ビームにより構成されて
いることを特徴とする３次元画像入力装置。 - 【請求項２】 前記対象物体からの戻り光の結像面を複
数形成する光学的分配器を備え、該複数の結像面にはそ
れぞれ光学的バンドパスフィルタを介して２次元撮像素
子を配設し、前記光学的バンドパスフィルタは前記光ビ
ームに含まれる波長成分のうち少なくともひとつの波長
の光を透過させると共に、前記２次元撮像素子の感度変
調周期は、対応するバンドパスフィルタを透過する波長
の光の変調周期と一致するように構成されていることを
特徴とする請求項１記載の３次元画像入力装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17719096A JP3631325B2 (ja) | 1996-06-19 | 1996-06-19 | ３次元画像入力装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17719096A JP3631325B2 (ja) | 1996-06-19 | 1996-06-19 | ３次元画像入力装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH109834A true JPH109834A (ja) | 1998-01-16 |
| JP3631325B2 JP3631325B2 (ja) | 2005-03-23 |
Family
ID=16026757
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17719096A Expired - Fee Related JP3631325B2 (ja) | 1996-06-19 | 1996-06-19 | ３次元画像入力装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3631325B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US10542228B2 (en) | 2016-05-11 | 2020-01-21 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Imaging system including illuminator and imaging device |
-
1996
- 1996-06-19 JP JP17719096A patent/JP3631325B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| US11438539B2 (en) | 2016-05-11 | 2022-09-06 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Imaging device including an imaging cell having variable sensitivity |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3631325B2 (ja) | 2005-03-23 |
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