JP2009537832A - 標的の空間次元を決定するための距離測定方法及び距離計 - Google Patents

Abstract

本発明は、多数の光パルスを１回以上放射して１つ以上の標的の空間次元（spatial dimension）を検出するための距離測定方法であって、多数の距離測定用ピクセルによって標的から後方に散乱された光パルスを検出し、各々のピクセルまでの距離を除去することを含む距離測定方法を提供する。ここで、各々の光パルスは、測定間隔Ｔｉ内で２以上の部分間隔ｔｉ，ｊから検出することができ、そして、１回以上繰り返される検出は２以上のステージにおいて行われる検出ステップを構成する。ここで、検出間隔Ｔｉはステージからステージへの格ステージを経ることにつれ短縮される。

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載された１つ以上の標的の空間次元（spatial dimension）を決定する距離測定法、及び、請求項８の前提部に記載された距離計に関する。

測定環境（measuring environment）における予め定められた点（defined point）の記録特性（recording property）、特に、空間的基準（spatial reference）を有するデータの記録特性に関しては、古くから様々な測定装置が知られていた。任意の基準点と共に測定装置の位置（location）、並びに、標的および測定点に対する方向、距離、及び、角度は標準空間データ（standard spatial data）として記録される。

そのような測定装置の広く知られている例がセオドライト（theodolite）である。光学像（optical image） を２次元的に表すにあたっては、いくつかの点を特定することで、その点に対する距離、及び／又は、角度の測定（即ち、決定）が行われるようにすることができる。このような像に基づいて、画像処理（image processing method）によって標的を識別・追跡することができる。その結果、自動測量（automated surveying）が原則的に可能となる。

しかしながら、このような像は深さに関する情報が全く無く、したがって、前記画像処理は、それに相応する以前の情報、イメージ記録条件（例えば、標的プレート（target plate） のプレーオリエンテーション（preorientation）、または、輝度（brightness）、及び、コントラスト（contrast）のような画像特性）に依存する。標的の識別、及び、標的の追跡の可能性は単なる視覚的検出により制限される。特に、例えば、曲面（curved surface）の場合、起こり得る光学的あいまいさを解決することが困難である。したがって、好ましくない、または、都合の悪い光条件の下で、正面写真（frontal photograph）を撮った場合、ディスクと球とは互いに同じ像として表される可能性がある。

しかしながら、様々な用途において、対象の空間的な延長（spatial extension）に関する付加的な情報は、個々の選ばれた点にだけでなく、興味のある対象の展開形（extensive form）にも関する。これを、例えば、対象の検出と共に、適切な安全対策（safety measure）を始めるために対象の認識がしばしば必要となるような安全技術（safety technology）に適用することができる。さらには、上記技術は、自動車の安全技術にも、そして、製造における質コントロールのような産業分野にも適用することができる。

従来技術においても、対象の形態、または、空間次元を決めるための様々なアプローチが存在していた。距離測定においては、一般的な光信号は、測定システムから測量されるべき対象の方向に向けられ、そして、対象から反射された光の一部が測定システムの光センサ（optical sensor）により検出されて、処理される。測定システムの光源（optical source）から対象までの信号通過時間（signal transit time）または位相転移（phase shift）から、測定された各々の点の距離に関する結果（結論）が導き出される。

このために、対象の複数の点までの距離は、各々の距離計、又は、多数の距離計に基づいて同時に、または、順次に測定される。ここで、前記各々の距離計はビーム経路（beam path）に対してスキャニング方式で移動するように設けられている。また、前記多数の距離計は、線状に、一列に、または、この用途に適したそのほかの配置または配列で配置されている。これにより、対象の形状（geometry） は測定されたデータに基づいて再構成され得る。

走査ビームを用いるシステムは、いくつかの欠点を有するが、それはその機械的な設計に起因する。全体装置は記録されるべき視覚野（visual area） 上において移動可能に設けられるべきか、又は、ビームガイダンスは可変的に設けられるべきである。そうでない場合、不変の装置（invariable apparatus）である。そのような機械的な、及び／または、光学的な要求、または、複雑な解決策にかかるコストに加えて、このタイプのシステムは、概して走査速度が遅く、比較的に大量のエネルギーを消費するものである。そのような走査方式および機械的な負荷（mechanical load）、例えば、振動が原因となり、距離測定と、視像（visual image）の像点（image point）との相互関係は、保証できないか、又は、更なる費用を必要とする。

並列データ記録（parallel data recording）、即ち、複数の測定点（measured point）または多くの測定点までの同時測定は、複数の測定プロセスを同時に実行させることにより行われる。ここにいう測定プロセスは、たとえば、複数の距離計を用いての、構成要素の重複（duplication of components）を必要とする。有利な解決策はＡＳＩＣにセンサを統合させて利用することで、そうした場合、システム構成要素の組み立て費用を低く抑えることができ、最適化された製造が可能となる。

このような並列アプローチは、走査機構（scanning mechanism）により支持され得る。その結果、外側にある点（lateral point）の密度が増加するか、または、線状に配列されたセンサを用いてすべての空間次元にある対象を走査することが可能となる。このような機構は、たとえば、方向決定のための慣性センサと組み合わせられた手動ビーム偏向、電気光学ビームの偏向（electro-optical beam deflection）、又は、ミラーを用いた機械的なビームの偏向に基づいて遂行され得る。

測定を並列化することで、光源は一点測定（single point measurement）に比べてより高い要求条件を満たさなければならない。そのような要求条件として、測定範囲に関するもの、測定の不確実さなどが挙げられる。また、高度な並列化（parallelizing）は、単にその再現が複雑でない測定コンセプトを用いても、便宜に得ることができる。

たとえば、ＤＥ４４４０６１３に記載されたアプローチは、距離測定のためにＬＥＤから放射された（発された）正弦的に調整された光を利用する。アレイ中に配置されたセンサは、対象から反射された光を（少なくとも４回以上）走査する。対象から反射された光信号と、放射された光信号間の位相差は、簡単な計算により決定される。このような位相（phase）は、前記センサアレイの外部から走査の値を読み出してから計算される。光変調（light modulation）の波長に関する知識に基づいて、測定点までの距離は測定位相（measured phase）から導き出される。

少数の走査点に制限することや、センサにおいて計算を施すことで、複雑さを大分減らすことができる。しかしながら、正弦的に調整された光を用いる距離計は、感度が低いため、該システムの使用は近い距離にある対象や、低度の並列化程度に制限される。

同様に、ＤＥ１０７０４４９６には、後方散乱信号（back-scattered signal）の相対位相（relative phase）が、いわゆるフォトニックミキサー（photonic mixer）装置を用いた検出によって、正弦的に調整された光信号の位相に対して決定されることが記載されている。ここで、光センサは、受信（受光）された光の復調（demodulation）を生じさせる。放射された光信号と復調信号間の様々な位相関係を利用することで、放射された光信号と受信された光信号間の位相、要するに、対象までの距離を決定することができる。この場合、正弦的に調整された光を用いるために、前述したように感度は良くない。

論文［Brian Aull, "3D Imaging with Geiger-mode Avalanche Photodiodes", Optics & Photonics News, May 2005, pp. 42ff］には、距離測定のために、レーザーから放射されたパルス光を用いるという概念が記載されている。後方散乱光子は単一光子（single photon）検出器で感光性素子（light sensitive element）として検出される。これらの光子の到着時間が、各々の対象点（object point）までの距離の測定値に相当する。この到着時間は、光子検出の際に、高速の（fast）デジタル・カウンタを停止させるか、または、複数の位相シフトカウンタ（phase-shift counter）を停止させることによって決定することができる。これらのカウンタは、比較的に複雑ではない。また、この測定は、パルス光を用いることに起因して、感度が非常に高い。しかしながら、デジタル・カウンタは解像度が悪く、その解像度は、クロック間隔で（clock interval）決定される。したがって、このような方法は、正確な測定を要する場合には適していない。

論文［C. Niclass, A. Rochas, P.A. Besse, E. Charbon, "A CMOS 3D Camera with Millimetric Depth Resolution", IEEE Custom Integrated Circuits Conference, pp. 705-708, OCT. 2004］には、前記方法と類似した方法が記載されている。しかしながら、クロック間隔内に光子の到着時間を補間する（interpolate）時間−対−デジタルコンバーター（time-to-digital converter, TDC）を用いることで、より高い時間分解能を実現することができる。しかしながら、ＴＤＣはかなり複雑な構造を持っており、各々のセンサ素子に用いられるそれぞれのＴＤＣを用いる必要がある。したがって、それぞれのＴＤＣは、センサにより検出された多量の光子のうち第１の光子の到着時間を検出する。その後次々と検出されたすべての光子はＴＤＣにより検出されずに、失われてしまう。したがって、システムの感度は著しく制限されてしまうという結果となる。

ＵＳ６，１１５，１１２には、対象点までの距離を導き出すために、パルスレーザー光の飛行時間（time-of-flight）を決定する距離測定装置が記載されている。ここで、測定は粗測定（coarse measurement）と、精密測定（fine measurement）とに分けられる。粗測定の際には、対象から逆に反射され、かつ、受信された信号が、既存のノイズから明確に分別されるように、強い光パルスが放射される。粗測定において、対象点までの距離は大まかに測定される。その後に行われる精密測定の段階において、粗測定の際に決定された時間の前後で測定信号（または、そこから派生された測定産物）が走査され、さらに処理される。

この方法は、複数のセンサを用いる並列化測定（parallelized measurement）に適していない。なぜならば、粗測定が行われる間に後方散乱信号がノイズから明確に区別されるべきとの要求条件は、大きなパルスエネルギー（つまり、非常に複雑な光源）を用いた場合にのみ得られるからである。

本発明の目的は、対象の空間測量のためのより改善された方法および装置を提供することにある。特に、本発明は、より正確に、かつ、比較的遠い距離に及ぶ測量を可能にする方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の更なる目的は、多数の低複雑度の距離測定要素（distance-measuring component）を含む距離計を提供することにある。

これらの目的は、本発明の請求項１及び８に記載された発明、ならびに、それらの請求項１及び８の従属項に記載された発明により達成される。

本発明は、部分間隔ｔｉ，ｊの同時定数（simultaneously constant number）を利用することで、ステージからステージへの測定に用いられる時間間隔を短縮させるということに基づく。

以下に示した実施例において、測量すべき対象の表面上に存在する各々の点までの距離を測定するために、パルス形態の電磁放射線（electromagnetic radiation）、好ましくは、レーザー光がこの対象に向かって放射される。この反射された光は再度受光され、そして、その時間に関連した特性（time-related characteristic）は、パルスの通過時間（transit time）を決定するために評価される（求められる）。その反射されたパルスの受信（受光）時間は、時間の関数としての信号フランク（signal flank）の位置を識別した上で決定される。この目的のために、受信機は測定間隔（measuring interval）内で入射放射線を記録（登録）する。ここで、測定間隔は、時間の関数としての位置づけ（positioning）、及び、間隔の持続時間（duration）に関してパルスの形状（shape）、及び、パルスの持続時間を考慮しながらセットされるので、パルス識別における明確さは保証されることになる。この時間を導き出すために、測定間隔Ｔｉは複数の部分−間隔ｔｉ，ｊに分割され、そして、パルスの入力値（input）が１以上の部分−間隔ｔｉ，ｊと調和される。

本発明によれば、測定点までの距離は複数のステージまたは位相Ｐｉにおいて決定されるし、距離測定の正確さは時間パラメータを変えることによって徐々に増加する。

装置に関連して、各々のセンサは前記目的を遂行するための多数のＭメモリーを有している。本発明によれば、このＭメモリーは、Ｍｊ（ｊ＝1....M）として命名され、アナログ式メモリー、及び、デジタル式どちらも可能である。メモリーの数は比較的に少数となるように選ばれ得る。それは、センサ素子ができるだけ複雑な構造をとらないように考慮したものであり、たとえば、Ｍ＝５であり得る。総測定間隔Ｔｉの部分間隔ｔｉ，ｊは、これらの各々のメモリーと動的に調和され得る。ここで、部分間隔ｔｉ，ｊは原則的に同じ持続時間を有するように選ばれる。しかしながら、本発明によれば、異なる持続時間を有する部分間隔ｔｉ，ｊも測定間隔Ｔｉ内であり得る。光源（optical source）は、たとえば、部分間隔ｔｉ，ｊの最大パルス持続時間に相当する最大パルス持続時間を有し得る光パルスを放射する。この場合、測定間隔Ｔｉを減らす際にパルスの繰り返し率を増加させることが可能である。各々のメモリーは、それと調和された時間間隔の間に、対象により後方散乱された光強度（light intensity）と、光学システムにより収集された光強度とをまとめるので、各々のメモリーはその部分間隔ｔｉ，ｊの間に受信された光エネルギーを示す。このような光エネルギーの測定は、受信された信号の信号−対−ノイズの割合がこれを必要とする場合に、位相内で数回行われ得る。繰り返しの数は、当該測定において特定された正確さの範囲内で測定レート（measuring rate）を最適化するために、測定条件に適合される。

ステージＰｉが終わった後、光エネルギーンの最大量を蓄えたメモリー素子Ｍｍａｘ、たとえば、Ｍ３が決定される。その後、次のステージＰｉ+１のための総測定間隔Ｔｉ+１は部分間隔ｔｉ，ｍａｘ−１及びｔｉ，ｍａｘ、または、ｔｉ，２及びｔｉ，３の持続時間に減少される。これらの部分間隔の持続時間は、ステージＰの間にメモリーＭｍａｘ−１及びＭｍａｘと調和されている。このように測定間隔の減少量が増えることにつれて、時間の関数としての光信号の位置をより正確に知ることができる。

最後のステージＰＥにおいて、メモリーＭ１−ＭＭのコンテンツは、光信号の走査点を構成する。このような光信号は、センサ配置の外部に適当なアルゴリズムを有している場合であっても、測定間隔に相当するよりも高い解像度で、時間の関数としてのパルス位置の決定を可能にする。

放射された光の送信形態を測定間隔の長さに適合させるのがより有利な場合もある。すでに述べたように、たとえば、光放射の持続時間は、メモリーと調和された測定間隔の長さと一致するように選ばれる。さらに、パルスの繰り返し率は、測定間隔を減少させるにつれて、（正確さに何ら問題を起こさせること無く）増加し得る。同様に、測定時間は一般的な信号条件（prevailing signal condition）に適合され得る。

放射された各々のパルスに対して、従来型線状距離計は通常多数の信号光子を受信する。理想的に、光子の数Ｎは、距離測定のノイズを十分少なくすることができるように、十分大きくならなければならない。

単一光子検出器、または、ＳＰＡＤ検出器を用いた場合、パルスあたりもっぱら１つの光子だけが検出されるが、このような制約は、当該検出器が線状モード（linear mode）において状況依存方式で作動されるのであれば、迂回することができる。つまり、このような検出器を用いた場合に、技術的な努力が増すことを意味する。

論文［M. Rohner et al. "Single-Photon Detection for High Precision Ranging - A Trade-Off Study", First Range Image Research Day 2005, ETH Zurich, Switzerland］によれば、複数の光子が検出器に到着するとした場合、初期の光子（より早い光子）を検出する確率は、より遅い光子を記録する（register）確率より高い。したがって、バックグラウンド光子（background photon）、及び、信号光子の両方に起因して、信号にひずみが引き起こされる。総エネルギーＱｒ、パルス長σｐ（ＦＷＨＭ＝２.３５５・σｐ）、及び、バックグラウンド光の強度としてのバックグラウンド光子の到着率（arrival rate）Ｅのガウスの光学パルスによれば、入ってくる光子の総密度は以下の通りである：

この結果、以下のような検出確率が得られる：

ここで、より単純化するために、以下に示す［数３］は１により置き換えられる。

これは、τ≫σｐの場合に有効である。したがって、［数２］は遅延時間（lag time）τ、パスルエネルギーＱｒ、パルス長σｐ、バックグラウンド光の強度Ｅ，検出量子効率（detection quantum efficiency)η0、及び、単一光子エネルギーｈνの関数として検出された信号の変動に対する数学的信号モデルである。検出された信号は、Ｑｒ及びＥの値が少ない場合にのみ、［数１］における本来の信号曲線を従う。より高い正確さの要件を満たすためには、遅延時間τを決定する際に、［数２］における信号のひずみを考慮しなければならない。これは、たとえば、非線形最適化問題（non linear optimization problem）を解決することで得ることができる。ここで、パルス長σｐは通常システムの識別により決定されるものと見なされる。パルスエネルギーＱｒは、遅延時間τと共に“局外母数（nuisance parameter）”として求められる。一方で、バックグラウンド光の強度Ｅは、信号モデル（２）を用いた推定、または、別々の測定方法により決定される。前記３つのパラメータＱｒ，Ｅ，η0の代わりに、２つの組み合わせη0・Ｑｒ／（ｈν）、及び、η0・Ｅを直接決定しても良い。

確率密度（probability density）（２）は直接決定することができない。メモリーセルの平均値は、該当測定間隔で（２）を積分することで得られる。

誤った測定値（推定値）σｐ及び、Ｅを通しての測定エラーを最小化するためには、最後の測定位相に、総測定間隔で反射されたパルスを集中させることが有利である。これは、最後の検出位相、又は、更なる測定位相の補間（interpolation）により行われる。

測定プロセスの際にバックグラウンド放射線が存在する場合、これもやはりノイズとして検出される。測定間隔が、バックグラウンド放射線に比べて十分長くなるように選ばれた場合、メモリーＭ（そのメモリーＭの時間間隔において、測定信号がまた検出される。）のメモリー値はそのほかのメモリーＭのメモリー値を上回って増加する。測定された信号の送信時間に対する（に比べての）保存期間（storage period）に関する知識から、測定された信号の単なる通過時間（transit time）が決定される。このように決定された測定信号の通過時間、及び、測定距離における測定信号の伝播速度に関する知識を用いて、測定された対象までの距離が基礎関係Ｒ＝ｃ・τ／２に基づいて決定される。

前記第１の実施形態とは対照的に、アナログメモリー、即ち、チャージ積分器（charge integrator）は線状検出器の場合でも用いられる。そのような線状検出器として、例えば、ＰＩＮフォトダイオード、アバランシェ光検出器（avalanche photodetector）、または、フォトゲート（photogate）がある。たとえば、ＤＥ４４４０６１３に記載されたようなチャージトランスファー技術（charge transfer technology）、及び、フォトゲートを用いることが有利である。

アナログ技術に関する第２の実施形態は、第１の実施形態と同様に機能する。ここで、単一光子検出器は、線（形）検出器により置き換えられ、そして、デジタルメモリーセルは当該読み出し機能（read-out possibility）を有するアナログメモリーにより置き換えられている。

本発明に係る方法、及び、本発明に係る距離計に関しては、添付した図面に基づいて、以下により詳細に説明する。しかし、このような説明はあくまでも一例として捉えなければならない。

本発明によれば、比較的遠い距離にある対象に対する測定・測量をより正確に行うことができる。

図１ａ〜ｃは対象の形態、及び、空間次元（spatial dimension）を決定するための従来技術におけるアプローチを示す図面である。対象の表面を走査するために、表面の多数の異なる点までの多数のビーム経路が実現されるべきである。

これらは、図１ａに示したように、各々の場合において単一点を同時に検出する孔（aperture）１ａを有する単一ビーム経路の走査動作（scanning movement）により得られる。対象の測定範囲（coverage）は完全に順次方式である。このような目的をために、光信号、たとえば、レーザーにより発生した光信号は、対象に対する走査メカニズムによりガイドされ、送信機光学システム（transmitter optical system）により適当に造形される。対象により反射された光の一部は、受光光学システム（receiving optical system）の孔１ａにより受信され、測定システムの光センサにガイドされる。測定システムの光源から対象を経てさらにセンサに戻るまでの信号通過時間に基づいて、各々の測定点の距離が導き出される。距離測定をスキャナーの位置で同期化することによって、対象の３次元的再構成が得られる。このような原理に基づいて３次元対象を映像化・モデル化するという統合システムに関しては、たとえば、ＷＯ ９７／４０３４２に記載されている。

ビーム経路の移動または変更を伴う走査システムに関する要求条件は、距離測定の並列化によって大幅に減少される。１つのアプローチとして、全体の走査メカニズムが除去されるので、システムのコスト、重量、信頼性、及び、走査速度におけるポジティブ効果が得られる。完全に並列化されたシステムは、すべてのピクセルに対して同時に距離測定を行うことができる。要するに、全体距離情報は同時に記録される。このような場面については図１ｃに示されている。ここで、このシステムの総検出範囲（総検出面積）はピクセルの各々の孔１ｃによりカバーされている。

完全順次方式（completely sequential approach）と完全並列方式（completely parallel approach）とにおいて、様々な程度の並列化を実現することができる。たとえば、座標にて示した検出領域１ｂを有するセンサの移動線を含む走査システムの場合について示した図１ｂなどを参照することができる。本発明に係る装置、及び、本発明に係る方法は、特に線形、または、アレイのようなセンサ配置の場合に関するが、本発明によれば、並列、または、部分並列システム、たとえば、６角形構造、または、粗−精密構造（coarse-fine structure）も実施可能である。

実際のシステムにおいて、距離測定における測定の不明確さを増加させる様々な時間ドリフト(time drift）効果が存在する。これは、たとえば、検出器またはレーザーの時間−、及び、温度―変動性信号送信特性に起因する。ｍｍ範囲までのより正確な測定を行うためには、測定を行う間に、及び／又は、測定を行う前に、ゼロ点の較正（calibration）が十分頻繁に繰り返されることが有利である。通常、そのような較正は、基準標的（reference target）までの距離により得られる。線（形）スキャナーの場合、このような作業は、予め定められたスキャナー位置にある基準標的により、または、光経路を変える（switch）ことにより行われる。検出器が広範囲に及んで配置されている場合には、基準標的に対して光経路を変えることによって行われ得る。

本発明によれば、電磁測定用の放射線は多数の検出器に提供されるべきである。ここで、前記放射線は前記検出器により受光される。原則的に、各々の検出器は別々の放射線源を有していても良く、又は、通常の放射線源が複数のセンサ又はピクセル、あるいは、すべてのセンサまたはピクセルに対して用いられても良い。図２〜４は、すべてのセンサに対し単一の放射線源を用いて、ターゲット照射（target illumination）を実現する異なる例を示す図面である。おおよそ点のような断面を有する光ビームを備えた従来のレーザー系距離計とは対照的に、ビームの断面は線又は面積を提供できるように広がって設けられている。これはまず一定の領域をカバーできるように行われて、それにより、方位分解能（lateral resolution）は感光性領域を対象に対してマッピングすることによって定められる。次に、放射された光はおおよそ点のような断面を有する光ビームの線またはアレイの形態であり得る。このような場合、方位分解能は、通常検出器ではなく、送信器（transmitter）により定められる。基礎となる光学的構成（optical architecture）は従来の非並行距離計のそれに匹敵する程度である。

図２は、送信され、かつ、受信されたビームの直接的なカップリングを有する、本発明に係る距離計に対して対象の照射を行う第１の変形例を示す。放射線源により発生した測定用放射線（measuring radiation）はレンズ２、ビームスプリッター３、および、第１のマイクロレンズアレイ６ａを介して、測量されるべきターゲット４に向かって放射される。後方散乱された測定用放射線は第１のレンズアレイ６ａ、及び、第２のレンズアレイ６ｂを介してピクセル５のセンサ上にガイドされる。このような設計に基づいて、放射および受信用の別々のビーム経路が、各々のセンサ又はピクセル５と調和されるので、時間ゲート（time-gating）によって光送信における寄生反射（parasitic reflection）をなくすことが可能となる。

図３は、２軸および軸外(off-axis)の照射を含む、本発明に係る距離計に対して対象を照射する第２の変形例を示す。ここで、ビーム源が、送信光学システム８と共に２軸で配置されている。また、軸方向間隔（axial spacing）Ｄは、ピクセル配置の受光用開口（optical receiving opening）として、レンズ７に隣接して設けられている。このような受光用ビーム経路から隔離された放射線源によって、測量すべき標的が照射されて、それにより、レンズにより検出された放射線がすべてのピクセル上にガイドされる。

図４は、共軸デザインを用いて対象の照射を実現する第３の変形例を示す。放射線源から発生した測定用放射線は、受信器の軸に配されている偏向素子９、および、送信光学システム１０を介して測量すべき標的上に放射される。適当な開口角度α、たとえば、１５°を選択することで、センサの検出領域（レンズ７’によって、受光用開口として構成されている。）が完全に照射される。

図５では、本発明に係る距離計の実施例が、典型的なブロックダイヤグラムに基づいて示されている。レーザードライバーＬＴを介してコントロール論理システムＳＴＲにより駆動されたレーザーダイオードＬＡは、遅延線（delay line）ＶＺを介して多数のレーザーパルスを感光性素子に放射する。この遅延線ＶＺはレーザーダイオードＬＡから測量すべき標的まで、さらに感光性素子までの戻る距離として定められている。レーザーダイオードＬＡは、発生した光パルスがその形状、及び／又は、持続期間において変えられるように、駆動される。

この実施形態において、使用された感光性素子は、標的によって後方に散乱された光パルスを検出する単一光子検出器ＳＰＡＤを備えた距離測定ピクセルの配置である。光子の各々の検出の際に、前記単一光子検出器ＳＰＡＤは、電気出力信号として、特徴的なカーブ、たとえば、上昇するフランク（ascending flank）を発生させる。ここで、上昇するフランクは、特に、パルス通過時間原則に基づいて、各々のピクセルに対する標的までの距離を導き出すためのピクセルコントロール論理システムＢＰＳＬにおいてＭデジタル・カウンタ用のトリガー信号を示す。ピクセルコントロール論理システムＢＰＳＬにおいて、これらのカウンタはメモリーセルＭ１−Ｍ５によって形成される。これらのメモリーのコンテンツは、関連する部分間隔内で検出された光エネルギーの測定値である。各々の場合において、少なくとも２つのメモリーセル（この実施例においては、５つのメモリーセルＭ１〜Ｍ５が用いられている。）が各々のピクセルと調和されているが、このようなメモリーセルはそれぞれ部分的な時間間隔ｔｉ，ｊを検出するので、測定間隔Ｔｉはその時間に対してカバーされる。メモリーセルＭ１〜Ｍ５はつながっているので、検出は少なくとも２ステージにて行われ、測定間隔Ｔｉはステージからステージまで短縮される。この目的を達成するために、メモリー・カウンタＳＺは各々の時間間隔に関連したメモリーセルＭ１〜Ｍ５を選択する。メモリー・カウンタＳＺは次第に増す。言い換えれば、中心にある基準クロックＲＣにより駆動された間隔カウンタＩＺが、間隔の長さの記録器ＩＲによって決定される多数の基準サイクルを完了したらすぐに、次のメモリーセルが取り組まれる。

間隔遅延カウンタＩＶＺは、間隔遅延登録器ＩＶＲの値による、光放射の時間に対する第１のメモリーセルＭ１の活性化を遅延させる。したがって、パルス放射時間に対する時間の関数としてのステージＰｊの測定間隔を任意的に置くことが許される。間隔記録機（interval register）ＩＲのコンテンツ、及び、間隔遅延記録機（interval delay register）ＩＶＲは、デマルチプレクサー（demultiplexer）ＤＥＭＵＸを介して読み出されるメモリーセルＭ１〜Ｍ５のコンテンツに基づいて、コントロール論理システムＳＴＲによりそれぞれの位相が測定された後、リセットされる。このようなコントロール論理システムＳＴＲはまた、補間による時間の関数（function of time by interpolation）として検出された光パルスの位置を決定するために形成され得る。

画像光学システム（imaging optical system）は、遅延線ＶＺ、受光経路（optical receiving path）（画像光学システムの受光経路は、全てのピクセル上において平均して、最適化された検出可能な放射線の強度を得るために、調整可能な瞳調整（pupil adjustment）によって標的までの距離に自動的に適合され得る。）、または、焦点の深さ（この焦点の深さは、ピクセル間のクロストークを最小化するために、標的までの距離に適合され得る。）内に統合され得る。

図６は、本発明に係る方法の一実施例として、測定間隔及び部分間隔の選択（肢）を示すダイヤグラムの一例である。

多数の光パルスが標的に放射された後、標的によって後方に散乱された光パルスの検出は、多数の距離−測定ピクセルによって、多数のステージにおいて行われる。ここで、標的までの距離は、特にパルス送信時間原則に基づいて、各々のピクセルに対して導き出される。光パルスの受光におけるあいまいさ（不明確さ）を避けるために、それらの繰り返し率、および、受光用時間ウインドー（time window）は互いに対して調整されるべきであり、それによって、最大距離Ｒｍａｘに存在する標的に対して、測定間隔Ｔ１内にもっぱら１つの光パスルだけが記録される。したがって、測定間隔Ｔ１の最初の選択は、このような条件を満たして行われる。しかしながら、標的までのおおまかな距離が知られている場合には、測定間隔Ｔ１用の時間ウインドーは短縮されることができ、したがって、時間に関してより正確な結果を得ることができる。

各々の測定間隔Ｔ１は少なくとも２つ、特に、同じ長さを有する部分間隔Ｔ１、ｊに分割される。この場合、放射された光パルスは、測定間隔Ｔ１の分割間隔（subdivision）までの持続時間について調整され得る。これによって、これら２つの部分間隔Ｔ１，ｊによって放射された光パルスが検出される。この実施例においては、測定間隔Ｔ１が５つの、長さの同じ部分間隔Ｔ１，１〜Ｔ１，５に分割されている。

本発明によれば、検出は、少なくとも２ステージにて行われるが、測定間隔Ｔ１はステージ１からステージ２において短縮されるか、または、更なるステージにおいてはさらに短縮される。言い換えれば、一検出ステップを有する検出は少なくとも２ステージにおいて１回以上繰り返して行われ、そして、測定間隔Ｔｉはステージから次のステージに進むことにつれ短くなる。検出ステップの測定原則は、多数のステージにおいてもそのまま維持されるし、検出ステップは繰り返される。したがって、この検出法に用いられた測定間隔は、同じ測定原則に基づいて、ステージを経ることにつれ、連続的に短くなる。

この目的をために、フロント信号フランク（front signal frank）を検出する場合、検出された光エネルギーが最も高い部分間隔Ｔ１，３からその直前の測定間隔Ｔ１，２の期間（period）は、それぞれの先行するステージ１の測定間隔Ｔ１よりステージ２に対する測定間隔Ｔ２が短くなるように選ばれる。リアー信号フランク（rear signal flank）の検出に関しては、検出された光エネルギーがもっとも高い部分間隔Ｔ１，ｍａｘからその直後に続く部分間隔Ｔ１，ｍａｘ+１の期間は、それぞれ先行するステージｉの測定間隔Ｔｉより測定間隔Ｔｉ+１が短くなるように選ばれる。

さらに、ステージ２において、光パルスの最大持続時間ｄ２は、部分間隔Ｔ２，ｊの持続時間によって、時間に関してそれらを制限することで、部分間隔Ｔ２，ｊに適合される。時間の関数として受信された信号について大まかに知られている位置に基づいて、光パルスの繰り返し率を、ステージを経ることにつれ増加させることができる。

ステージ２の後、測定間隔がより短縮された更なる次のステージが続くように設けることも可能だが、それは、時間の関数としての受信された光パルスの位置決定における正確さをさらに向上させることにつながる。このダイヤグラムにおいて、検出された光エネルギーがもっとも高い部分間隔ｔ２，３が再度ステージ３に対する測定間隔Ｔ２から識別され、そして、その期間は、その直前の部分間隔ｔ２，２の期間と共に、第３のステージの測定間隔Ｔ３をより短くする。この第３のステージにおいても、放射された光パスルの持続時間ｄ３、及び、繰り返し率は適合される。このように検出は複数のステージにおいて行われ、測定間隔Ｔｉはステージを経るにつれて短くなり、したがって、異なるステージの測定間隔Ｔｉが重複するようになる。ここで、連続するステージの測定間隔Ｔｉは少なくとも１以上重複するが、特に、全ての測定間隔Ｔｉの重複も可能である。したがって、時間の関数としての相対的な位置において共通する領域が存在することになるが、この領域において、受信されるべき光パルスは一部に局限される。

以上説明した実施形態及び図面は本発明を制限するものとして解釈されてはならない。特に、ピクセル、距離点、ビーム経路、メモリーセル、および、部分間隔の数はあくまでも一例として選択されたものに過ぎない。

対象の形態、及び、空間次元を決定するための従来のアプローチを示すダイヤグラムである。 本発明に係る距離計に関して対象の照射を行う第１の変形例を示す。 本発明に係る距離計に関して対象を照射する第２の変形例を示す。 本発明に係る距離計に関して対象の照射を実現する第３の変形例を示す。 本発明に係る距離計の実施例に対するブロックダイヤグラムを示す。 本発明に係る方法の一実施例として、測定間隔及び部分間隔の選択（肢）を 示すダイヤグラムである。

符号の説明

２ レンズ
３ ビームスプリッター
４ 標的
５ ピクセル
６ａ 第１のマイクロレンズアレイ
６ｂ 第２のマイクロレンズアレイ
７ レンズ
７’ レンズ
８ 送信光学システム
Ｄ 軸方向間隔
９ 偏向素子
１０ 送信光学システム

Claims (17)

1. 多数の光パルス、特にレーザー光を、標的（４）に放射するステップと、
   多数の距離測定ピクセル（５）によって、前記ピクセル（４）から後方に散乱された前記光パルスを検出するステップと、
   特にパルス通過時間原則に基づいて、前記各々のピクセル（５）に対して前記標的（４）までの距離を導き出すステップと、
   を含む１つ以上の標的（４）の空間次元を決定するための距離測定方法であって、
   前記各々の光パルスを、２以上の、特に、長さの等しい、部分間隔ｔｉ，ｊを含む測定間隔Ｔｉ内で検出し、
   前記検出ステップは、２以上のステージで１回以上繰り返し行われる検出段階を含み、そして、
   前記測定間隔Ｔｉが、各ステージを経るにつれ、短くなる
   ことを特徴とする距離測定方法。
2. 最大検出光エネルギーを有する前記部分間隔ｔｉ，ｍａｘからその直前の部分間隔ｔｉ，ｍａｘ−１、または、その直後の部分間隔ｔｉ，ｍａｘ+１の期間を、各々の先行するステージｉの測定間隔Ｔｉより測定間隔Ｔｉ+１で短くなるように、選ぶことを特徴とする請求項１に記載の距離測定方法。
3. 前記光パルスの繰り返し率が、各ステージを経るにつれ、増加することを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定方法。
4. 前記光パルスの最大持続時間を、各ステージを経るにつれ、前記部分間隔ｔｉ，ｊに適合させ、特に、部分間隔ｔｉ，ｊの持続時間によって、時間に関して制限することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離測定方法。
5. 前記後方に散乱された光パルスにおけるひずみ、特に、過度に高い信号レベル、または、バックグラウンド光に起因した前記後方に散乱された光パルスにおけるひずみを、各ステージを経るにつれ、特に、以下の［数１］に基づいて、前記検出光パルスの変更に対する非線形モデルを用いることで、減少させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離測定方法。
   

   

   （ここで、ｔは時間、τは遅延時間、Ｑｒはパルスエネルギー、σｐはパルス長、Ｅはバックグラウンド光の強度、η0は検出量子効率、ｈνは単一光子エネルギーである。）
6. 前記遅延時間τを、Ｐｎから、特に、非線形最適化問題を解決することによって決定し、そして、
   前記非線形最適化問題において、パルス長σｐをシステム識別によって決定し；パルスエネルギーＱｒまたは（η0・Ｑｒ／ｈν）を遅延時間τと共に推定し；そして、バックグラウンド光Ｅ又はη0・Ｅを別々の測定によって、又は、推定によって、決定することを特徴とする請求項５に記載の距離測定方法。
7. 最後のステージにおいて、検出されるべき光パルスが、前記測定間隔に集中し、それにより、特に、前記最後のステージにおける補間によって、又は、次の測定位相によって、前記パルス長σｐの推定値、及び、バックグラウンドＥ，またはη0・Ｅにおけるエラーを最小化することを特徴とする請求項５または６に記載の距離測定方法。
8. 多数の光パルス、特に、レーザー光を、標的（４）に放射するビーム源（ＬＡ）と、
   前記標的（４）によって後方に散乱された前記光パルスを検出する距離測定ピクセル（５）の配置と、
   特に、パスル通過時間原則に基づいて、前記各々のピクセル（５）に対して前記標的までの距離を導き出すコントロール及び評価関連構成要素と、
   を備えた１以上の標的の空間次元を決定するための距離計であって、
   ２以上のメモリーセル（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５）が、それぞれの前記ピクセル（５）と調和され、
   前記メモリーセルによって、時間の関数として部分間隔ｔｉ，ｊが決定され、
   測定間隔Ｔｉが時間として構成され、
   前記メモリーセル（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５）がつながって、前記検出が２以上のステージにおいて１回以上繰り返し行われる検出段階を含むように設けられ、そして、
   前記測定間隔Ｔｉが、各ステージを経るにつれ、短くなるように設けられている
   ことを特徴とする距離計。
9. 前記ピクセル（５）が、線状光検出器、特に、フォトゲート、ＰＩＮダイオード、又は、アバランシェ光検出器として形成されていることを特徴とする請求項８に記載の距離計。
10. 前記メモリーセル（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５）が、前記部分間隔ｔｉ，ｊにおいて、前記標的（４）によって後方に散乱された、特に、チャージ移動ゲートとして形成された、前記光パルスの光強度を積分するものであることを特徴とする請求項９に記載の距離計。
11. 前記ピクセル（５）が、単一光子検出器（ＳＰＡＤ）の形態で設けられていることを特徴とする請求項８に記載の距離計。
12. 前記メモリーセル（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５）が、デジタル・カウンタとして形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の距離計。
13. 前記全ピクセル（５）上で均等に最適化された検出可能な放射線強度が得られるように、調整可能な瞳設定によって、受光パワーが、前記標的（４）までの距離に自動的に適合されることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載の距離計。
14. 前記放射線源（ＬＡ）が、前記光パルスがパルスの形状、及び／又は、持続時間において変えられるように形成されていることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載の距離計。
15. 前記コントロール及び評価関連構成要素が、補間による時間の関数として検出された光パルスの位置を決定するために設けられていることを特徴とする請求項８〜１４のいずれか一項に記載の距離計。
16. 前記ピクセル（５）間のクロストークを最小化するために、焦点の深さが前記標的（４）までの距離に適合される画像光学システムを設けたことを特徴とする請求項８〜１５のいずれか一項に記載の距離計。
17. 前記光パルスの放射、および、検出に供される別々のビーム経路が、各々の前記ピクセル（５）、特に、ビームスプリッター（３）、第１のマイクロレンズアレイ（６ａ）、及び、第２のマイクロレンズアレイ（６ｂ）を含む前記各ピクセル（５）と調和されていることを特徴とする請求項８〜１６に記載の距離計。

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