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JP4346736B2 - 3次元画像検出装置 - Google Patents

3次元画像検出装置 Download PDF

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JP4346736B2
JP4346736B2 JP19851699A JP19851699A JP4346736B2 JP 4346736 B2 JP4346736 B2 JP 4346736B2 JP 19851699 A JP19851699 A JP 19851699A JP 19851699 A JP19851699 A JP 19851699A JP 4346736 B2 JP4346736 B2 JP 4346736B2
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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次元画像検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来3次元画像検出装置による3次元計測は、光、電波あるいは音を被計測物体に照射する能動方式と、光等を照射しない受動方式とに分類される。能動方式には光伝播時間測定法、変調した光波を用いる位相差測定法、三角測量法、モアレ法、干渉法等が知られており、受動方式には、ステレオ視法、レンズ焦点法等が知れている。
【0003】
能動方式は受動方式に比べ、レーザ光等を照射するための機構が必要なためにその規模が大きくなるが、距離分解能、計測時間、計測空間範囲等の点において優れており、産業応用分野において広く用いられてきている。「Measurement Science and Technology」(S. Christie 他、vol.6, p1301-1308, 1995 年)に記載された3次元画像入力装置では、パルス変調され拡散されたレーザ光が被計測物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、遠い被計測物体からの反射光による受光量は近い被計測物体からの反射光による受光量に比べて小さいので、被計測物体の距離に応じた出力がCCDの各画素毎に得られる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のように拡散されたレーザ光を照射して3次元計測を行なう構成において、被計測物体付近に作業者がいる場合などレーザ光照射領域内に人が存在するとき、レーザ光がその作業者の目に入ると照射されたレーザ光によって網膜等に障害を及ぼす虞れがあるので、作業者はレーザ光を見ないように充分に注意をしなければならない。
【0005】
本発明は、レーザ光を照射して3次元計測を行なう3次元画像検出装置において、レーザ光が目に入っても悪影響を及ぼすことのない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3次元画像検出装置における3次元画像検出装置は、被写体の3次元形状を表す距離データを一括して得るために測距用のレーザ光を照射する複数のレーザ光源と、受光量に応じた電荷を蓄積可能な撮像素子と、被写体からの反射光により撮像素子に生じる電荷を蓄積する蓄積期間を定める電荷蓄積期間制御手段と、電荷蓄積期間制御手段を繰り返し駆動することにより撮像素子に蓄積された電荷を積分する電荷積分手段と、電荷積分手段において、撮像素子が各蓄積期間毎に異なる単一のレーザ光源からの反射光を受光するようにレーザ光源を制御する照射制御手段とを備え、各レーザ光源が所定の距離をおいて配置され、各レーザ光源から照射されるレーザ光の被写体における各照射領域が相互に重なる領域を有することを特徴としている。
【0007】
レーザ光源は好ましくは、撮像レンズを囲んで円環状に等間隔で配置されるか、直線的に等間隔で配置される。
【0008】
円環状にレーザ光源が配置されているとき、照射制御手段は例えば、レーザ光源を円周方向に沿って順番に発光する。レーザ光源は、例えば等間隔で6個配列される。またレーザ光源が直線的に配列されているとき、照射制御手段は例えば、レーザ光源を直線の所定方向に順番に繰り返し発光する。レーザ光源は、例えば等間隔で6個配列される。
【0009】
【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。
【0010】
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。撮像レンズ11の外周縁には円環状のレーザ発光装置22が配設されている。発光装置22の前面には6個の光源(レーザ光源)14が円環に沿って等間隔に並んでいる。カメラ本体10の左上面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、右上面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、ICメモリ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。
【0011】
図2は、図1に示すカメラ型の3次元画像検出装置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ーミング動作はレンズ駆動回路27によって制御される。
【0012】
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ール回路35によって制御される。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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22の前面に円環状に並べられた光源14は、レーザダイオード(LD)14aと照明レンズ14bで構成されている。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を介して被写体の全体に照射される。被写体において反射した光は撮影レンズ11に入射し、この光をCCD28によって検出することにより、後述するように被写体の距離が計測される。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ール回路35とCCD駆動回路30によって行なわれる。
【0016】
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16とが接続されている。
【0017】
次に図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。
【0018】
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。測距光と反射光は距離測定装置Bと被写体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。
【0019】
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。
【0020】
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(撮像素子)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から被写体Sの表面の各点までの距離をそれぞれ検出し、被写体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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。このような動作を繰り返することにより、垂直転送部52において信号電荷が積分され、いわゆる電子シャッタ動作が実現される。
【0024】
図7は、被写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。なお本実施形態の距離検出動作では、外光の影響による雑音を低減するために、図4を参照して行なった距離測定原理の説明とは異なり、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るようにタイミングチャートを構成しているが原理的には何ら異なるものではない。
【0025】
垂直同期信号(図示せず)の出力に同期して電荷掃出し信号(パルス信号)S1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、フォトダイオード51における蓄積電荷量はゼロになる(符号S2)。電荷掃出し信号S1の出力の開始の後、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が出力される期間(パルス幅)は調整可能であり、図示例では、電荷掃出し信号S1の出力と同時に測距光S3がオフするように調整されている。
【0026】
測距光S3は被写体において反射し、CCD28に入射する。すなわちCCD28によって被写体からの反射光S4が受光されるが、電荷掃出し信号S1が出力されている間は、フォトダイオード51において電荷は蓄積されない(符号S2)。電荷掃出し信号S1の出力が停止されると、フォトダイオード51では、反射光S4の受光によって電荷蓄積が開始され、反射光S4と外光に起因する信号電荷S5が発生する。反射光S4が消滅すると(符号S6)フォトダイオード51では、反射光に基く電荷蓄積は終了するが(符号S7)、外光のみに起因する電荷蓄積が継続する(符号S8)。
【0027】
その後、電荷転送信号S9が出力されると、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。この電荷転送は、電荷転送信号の出力の終了(符号S10)によって完了する。すなわち、外光が存在するためにフォトダイオード51では電荷蓄積が継続するが、電荷転送信号の出力が終了するまでフォトダイオード51に蓄積されていた信号電荷S11が垂直転送部52へ転送される。電荷転送信号の出力終了後に蓄積している電荷S14は、そのままフォトダイオード51に残留する。
【0028】
このように電荷掃出し信号S1の出力の終了から電荷転送信号S9の出力が終了するまでの期間TU1(電荷蓄積期間)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。そして、反射光S4の受光終了(符号S6)までフォトダイオード51に蓄積している電荷が、外光と被写体の距離情報とに対応した信号電荷S12として垂直転送部52へ転送され、その他の信号電荷S13は外光のみに起因するものである。
【0029】
電荷転送信号S9の出力から一定時間が経過した後、再び電荷掃出し信号S1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TU1が経過したとき、信号電荷は垂直転送部52へ転送される。
【0030】
このような信号電荷S11の垂直転送部52への転送動作は、次の垂直同期信号が出力されるまで、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S11が積分される。1フィールドの期間(2つの垂直同期信号によって挟まれる期間)に積分された信号電荷S11には、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する信号電荷S12と、外光により蓄積した信号電荷S13が含まれている。ここで信号電荷S13の電荷量は信号電荷S12の電荷量に比べて微小であり、したがって信号電荷S11から距離情報を求めることができる。すなわち、計測物体の表面で反射した測距光の受光時間TD と信号電荷S11との間の関係を求めておけば、受光時間TD は式(1)のδ・tに対応するので信号電荷S11から距離rを求めることができる。
【0031】
以上説明した信号電荷S11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、垂直転送電極52aを有する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おける検出動作の結果、垂直転送電極52aを有するフォトダイオード51に隣接した垂直転送部には、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CCD28の外部へ出力される。
【0032】
次に6個の光源14の発光タイミングについて図8および図9を参照して説明する。
図8は円環状の発光装置22を正面から見たときの模式図であり、6個の光源141〜146が時計周りに円環状に等間隔に配置されている。図9は信号電荷の蓄積期間と6個の光源から照射されるパルス状の測距光の発光タイミングを示すタイミングチャートである。
【0033】
まず光源141からパルス状の測距光S21が照射され、測距光S21が立ち下がったと略同時に第1の蓄積期間が開始する。測距光S21が立ち下がった後、光源142から測距光S22が照射され、測距光S22が立ち下がったと略同時に第2の蓄積期間が開始する。また同様に、測距光S22が立ち下がった後、光源143から測距光S23が照射され、測距光S23が立ち下がったと略同時に第3の蓄積期間が開始する。以下同様に光源144、145、146からパルス状の測距光S24、S25、S26が順次照射されるとともに、各測距光が立ち下がると略同時に第4、第5、第6の蓄積期間が開始する。
【0034】
図10は、図9で示したタイミングで各光源を発光したときに、フォトダイオード51において受光される反射光と蓄積時間との関係を示したものであり、横軸は時間を表している。図の斜線部は、受光されたパルス状の反射光のうち、フォトダイオード51に信号電荷として蓄積される部分を表している。すなわち各蓄積期間で蓄積される信号電荷は、6個の光源が順次に発光されたときの被写体からの反射光S31、S32、…S36の各斜線部で表され、これらは被写体までの距離情報に対応している。光源の発光動作及び信号電荷の蓄積動作は1フィールド期間に渡り繰り返し行われ、被写体までの距離情報は各蓄積期間で蓄積された信号電荷(斜線部)を1フィールド期間に渡り積分することにより求められる。
【0035】
図11は光源141及び光源144から照射される測距光の照射領域を図示したものである。各光源から照射される測距光は、被写体が配置された距離において略同一の領域Uに照射される。すなわち各光源から照射される測距光の照射領域の中心は領域Uにおいて略一致する。例えば光源141と光源144からそれぞれ照射される測距光の各照射領域における中心点P、P’は領域Uにおいて略一致する。
【0036】
図12は、光源141、144から照射された測距光が、人の眼に入射した状態を模式的に表している。
【0037】
本実施形態における測距光は、波長が400〜1400nmのレーザ光であり、より好ましくは近赤外レーザ光である。レーザ光は眼の角膜Cや水晶体Lでは吸収されずほとんど網膜Rに達する。したがってレーザ放射に対する眼の最大許容露光量(MPE)は網膜Rでの値となる。各光源から照射される測距光は、被写体全体を照射するように拡散して照射されるが、人間の眼は無意識に焦点を合わせるため、1つの光源から照射された測距光は、網膜R上の一点に集光しビーム内観察状態となる。すなわち光源141から照射された測距光は、角膜Cと水晶体Lを透過して眼球Eの網膜R上の点Qへ集光され、光源144から照射された測距光も同様の過程を経て網膜R上の点Q’へ集光される。
【0038】
このように光源141、144から照射された測距光は、各光源の位置に対応した網膜R上の異なる点Qと点Q’へ集光される。図12では光源141、144に対応する網膜R上の集光点のみ例示しているが、各光源141〜146についても同様であり、各光源141〜146から照射される測距光は、各光源の位置に対応して異なる網膜R上の点に集光される。網膜R上での各集光点の位置関係は、対応する各光源の配置に対応しているので、光源141〜146間の距離が離れると、網膜R上の各光源に対応する集光点間の距離も離れる。
【0039】
6個の光源は、光源141から光源146まで順次単独に発光するので、各光源は一度発光してから次に発光するまで6つの蓄積期間を隔てている。すなわち図9において、蓄積が開始してから次の蓄積が開始するまでの期間をTP とすると、各光源の発光周期は6×TP となる。したがって、本発明のレーザ発光装置では1つの光源の発光周期は、レーザ発光装置が単独の光源から構成されているときの6倍となる。各光源から照射されるレーザ光の網膜R上での集光点の位置は、互いにそれぞれ異なるので、網膜R上の集光点の位置は発光する光源が移るに従い順次移動し、再び網膜R上の同一位置にレーザ光が集光されるまでの時間は、単独の光源で発光装置が構成されている場合の6倍となる。したがって、1つの光源から1回当たりに照射される放射エネルギーが変わらなくとも、1フィールド期間または1発光周期(6×TP )当たりに1つの光源から照射される放射エネルギーは6分の1となる。このとき網膜R上の1つの集光点が1フィールド期間中または1発光周期(6×TP )に受ける積分放射輝度は6分の1となる。これにより、各集光点が受ける積分放射輝度を網膜でのMPEに抑えることができ、照射されたレーザ光が照射領域内にいる人間の目に入射したとしても、網膜が損傷を受ける可能性は非常に低くなる。
【0040】
また1フィールド期間または1発光周期(6×TP )当たりに1つの光源から照射される放射エネルギーは6分の1となるが、6個の光源が順次レーザ光を被写体に照射しているので、被写体の測距に必要な光量は十分に確保することができる。
【0041】
以上のように本実施形態によれば3次元画像検出装置において、測距に必要な十分な光量を得ながらも、レーザ照射領域にいるに人物の目に対する安全性を向上させることができる。
【0042】
次に図13及び図14を参照して第2の実施形態について説明する。
図13は第2の実施形態におけるカメラ型の3次元画像検出装置の斜視図である。第2の実施形態と第1の実施形態との違いは、発光装置22の形状やその配置と、発光装置22に設けられた光源14の配置のみである。その他については第1の実施形態と全く同様である。
【0043】
第2の実施形態では、発光装置22はカメラ本体10の上面上に上面が前面となす稜線に沿って直線状に設けられており、発光装置22の前面には6個の光源14が等間隔を隔てて一列に並んで配置されている。図14に示すように6個の光源に左から順に141から146まで番号付られており、各光源を第1の実施形態同様に発光制御すると第1の実施形態と同様の効果が得られる。
【0044】
本実施形態において、発光装置に設けられた光源は6個であったが、もっと多くとも少なくともよい。また本実施形態の光源は、配置された順序に従って発光したが発光順序は配置に従わなくともよく、例えば飛び飛びであってもよい。
【0045】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、レーザ光を照射して3次元計測を行なう3次元画像検出装置において、レーザ光が目に入っても悪影響を及ぼすことのない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】第1の実施形態におけるカメラ型の3次元画像検出装置の斜視図である。
【図2】図1に示すカメラ型の3次元画像検出装置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】第1の実施形態における発光装置を正面から見たときの模式図である。
【図9】発光装置に設けられている光源の発光のタイミングを示す図である。
【図10】各光源に対応する反射光の受光パルスと蓄積期間との関係を示す図である。
【図11】第1の実施形態において2つの光源から照射される測距光の照射領域を示す模式図である。
【図12】測距光が眼に入射したときの状態を模式的に表した図である。
【図13】第2の実施形態におけるカメラ型の3次元画像検出装置の斜視図である。
【図14】第2の実施形態における発光装置を正面から見たときの模式図である。
【符号の説明】
10 カメラ本体
14 光源
51 フォトダイオード
U1 蓄積期間
U 照射領域

Claims (7)

  1. 画素毎に被写体までの距離に応じた電荷を検出することで、前記被写体の3次元形状を表す距離データを一括して得る3次元画像検出装置であって、
    前記距離データを一括して得るために測距用のレーザ光を照射する複数のレーザ光源と、
    受光量に応じた電荷を蓄積可能な撮像素子と、
    前記被写体からの反射光により前記撮像素子に生じる電荷を蓄積する蓄積期間を定める電荷蓄積期間制御手段と、
    前記電荷蓄積期間制御手段を繰り返し駆動することにより前記撮像素子に蓄積された電荷を積分する電荷積分手段と、
    前記電荷積分手段において、前記撮像素子が各蓄積期間毎に異なる単一のレーザ光源からの反射光を受光するように前記複数のレーザ光源を順次単独で発光する照射制御手段とを備え、
    前記各レーザ光源が所定の距離をおいて配置され、前記各レーザ光源から照射されるレーザ光の被写体における各照射領域が略同一となる
    とを特徴とする3次元画像検出装置。
  2. 前記レーザ光源が、撮像レンズを囲んで円環状に等間隔で配置されることを特徴とする請求項1に記載の3次元画像検出装置。
  3. 前記照射制御手段により、前記レーザ光源が円周方向に沿って順番に発光することを特徴とする請求項2に記載の3次元画像検出装置。
  4. 前記レーザ光源が、直線的に等間隔で配列されることを特徴とする請求項1に記載の3次元検出装置。
  5. 前記照射制御手段により、前記レーザ光源が直線の所定方向に順番に繰り返し発光することを特徴とする請求項4に記載の3次元画像検出装置。
  6. 6個の前記レーザ光源が、円環状に等間隔で配列されたことを特徴とする請求項2に記載の3次元画像検出装置。
  7. 6個の前記レーザ光源が、所定方向に直線的に等間隔で配列されたことを特徴とする請求項4に記載の3次元画像検出装置。
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